2025年高考物理復(fù)習(xí)九：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象（含解析）

PAGE實驗搶分專練(九)觀察電容器的充、放電現(xiàn)象(40分鐘50分)1.(6分)(2022·北京等級考)利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象,其中E為電源,R為定值電阻,C為電容器,A為電流表,V為電壓表。下列說法正確的是()A.充電過程中,電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B.充電過程中,電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C.放電過程中,電流表的示數(shù)均勻減小至零D.放電過程中,電壓表的示數(shù)均勻減小至零2.(8分)(2023·朔州模擬)電容器是一種重要的電學(xué)元件,在電工、電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛。使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電流傳感器與計算機相連,可以顯示電路中電流隨時間的變化關(guān)系。圖甲中直流電源電動勢E=8V,實驗前電容器不帶電。先使S與“1”端相連給電容器充電,充電結(jié)束后,使S與“2”端相連,直至放電完畢。計算機記錄的電流隨時間變化的I-t曲線如圖乙所示。(1)乙圖中陰影部分的面積S1__________(選填“>”“<”或“=”)S2;

(2)計算機測得S1=1203mA·s,則該電容器的電容為__________F;(保留兩位有效數(shù)字)

(3)由甲、乙兩圖可判斷阻值R1__________(選填“>”“<”或“=”)R2。

3.(9分)(2023·海淀區(qū)模擬)某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器研究電容器的放電情況,按如圖1連接電路,實驗時,先將開關(guān)S與1端相連,待電路穩(wěn)定后,將開關(guān)擲向2端,傳感器將信息傳入計算機,屏幕上可以顯示出電流、電壓隨時間變化的I-t圖線、U-t圖線。(1)由圖1可知,傳感器2應(yīng)為____________(選填“電流”或“電壓”)傳感器。

(2)計算機屏幕上顯示的I-t圖線可能為選項圖中的____________,U-t圖線可能為選項圖中的________________。

(3)結(jié)合屏幕顯示的I-t圖線、U-t圖線信息,可以估算出______________。

A.電容器的電容B.電容器儲存的電荷量4.(9分)(2024·武漢模擬)隨著傳感器技術(shù)的不斷進步,傳感器開始在中學(xué)實驗室逐漸普及。某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器做“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗,電路圖如圖甲所示。(1)先使開關(guān)K與1端相連,電源向電容器充電,這個過程很快完成,充滿電的電容器上極板帶________電。

(2)然后把開關(guān)K擲向2端,電容器通過電阻R放電,傳感器將電流、電壓信息傳入計算機,經(jīng)處理后得到電流和電壓隨時間變化的I-t、U-t曲線分別如圖乙、丙所示。(3)由圖乙、丙可知,電容器充滿電時的電荷量為________C,電容器的電容為________F。(保留兩位有效數(shù)字)

5.(9分)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中,給電容值為C的電容器充電后,放電時無論采用何種放電方式,其兩極板間的電勢差U隨電荷量Q的變化圖像都相同。(1)請在圖1中畫出上述U-Q圖像。類比直線運動中由v-t圖像求位移的方法,可以推導(dǎo)出兩極板間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep=__________(用C和U表示)。

(2)在如圖2所示的放電電路中,R表示電阻。通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器用相同的電壓充電后進行兩次放電,對應(yīng)的Q-t圖線如圖3中Ⅰ、Ⅱ所示。①Ⅰ、Ⅱ兩條圖線不同是____________的改變造成的。

②在實際應(yīng)用中,有時需要電容器快速放電,有時需要電容器均勻放電。依據(jù)①中的結(jié)論,說明實現(xiàn)這兩種放電方式的途徑是:____________。

(3)若某電容器的額定電壓為2.7V,電容為10F,其充滿電后儲存的電能為________J。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)

6.(9分)圖甲是一種測量電容器電容的實驗電路圖,實驗通過對高阻值電阻放電的方法,測出電容器充電至電壓U時所帶電荷量Q,從而求出待測電容器的電容C。某同學(xué)在一次實驗時的情況如下:A.按如圖甲所示的電路圖接好電路;B.接通開關(guān)S,調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值,使電流表的指針偏轉(zhuǎn)接近滿刻度,記下此時電流表的示數(shù)是I0=490μA,電壓表的示數(shù)U0=8.0V;C.斷開開關(guān)S,同時開始計時,每隔5s讀一次電流I的值,將測得數(shù)據(jù)標在圖乙的坐標紙上(時間t為橫坐標,電流I為縱坐標),如圖乙中小黑點所示。(1)在圖乙中畫出I-t圖像;(2)圖乙中圖線與橫坐標軸所圍成面積的物理意義是________;

(3)該電容器電容為________F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字);

(4)若某同學(xué)實驗時把電壓表接在E、D兩端,則電容的測量值與它的真實值相比__________(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。

解析版1.(6分)(2022·北京等級考)利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象,其中E為電源,R為定值電阻,C為電容器,A為電流表,V為電壓表。下列說法正確的是()A.充電過程中,電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B.充電過程中,電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C.放電過程中,電流表的示數(shù)均勻減小至零D.放電過程中,電壓表的示數(shù)均勻減小至零【解析】選B。充電過程中,隨著電容器C兩極板電荷量的積累,電路中的電流逐漸減小,電容器充電結(jié)束后,電流表示數(shù)為零,A錯誤;充電過程中,隨著電容器C兩極板電荷量的積累,電壓表測量電容器兩端的電壓,電容器兩端的電壓迅速增大,電容器充電結(jié)束后,最后趨于穩(wěn)定,B正確;電容器放電過程的大致的I-t圖像如圖所示,可知電流表和電壓表的示數(shù)不是均勻減小至零的,C、D錯誤。2.(8分)(2023·朔州模擬)電容器是一種重要的電學(xué)元件,在電工、電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛。使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電流傳感器與計算機相連,可以顯示電路中電流隨時間的變化關(guān)系。圖甲中直流電源電動勢E=8V,實驗前電容器不帶電。先使S與“1”端相連給電容器充電,充電結(jié)束后,使S與“2”端相連,直至放電完畢。計算機記錄的電流隨時間變化的I-t曲線如圖乙所示。(1)乙圖中陰影部分的面積S1__________(選填“>”“<”或“=”)S2;

(2)計算機測得S1=1203mA·s,則該電容器的電容為__________F;(保留兩位有效數(shù)字)

(3)由甲、乙兩圖可判斷阻值R1__________(選填“>”“<”或“=”)R2。

【解析】(1)題圖乙中陰影面積S1和S2分別表示充電和放電中電容器上的總電荷量,所以兩者相等。(2)由陰影面積代表電容器上的電荷量得Q=S1=1.203C,U=E=8V,則C=QU=1.(3)由題圖乙可知充電瞬間電流大于放電瞬間電流,且充電瞬間電源電壓與放電瞬間電容器兩極板電壓相等,由ER0+R1>ER0+答案:(1)=(2)0.15(3)<3.(9分)(2023·海淀區(qū)模擬)某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器研究電容器的放電情況,按如圖1連接電路,實驗時,先將開關(guān)S與1端相連,待電路穩(wěn)定后,將開關(guān)擲向2端,傳感器將信息傳入計算機,屏幕上可以顯示出電流、電壓隨時間變化的I-t圖線、U-t圖線。(1)由圖1可知,傳感器2應(yīng)為____________(選填“電流”或“電壓”)傳感器。

(2)計算機屏幕上顯示的I-t圖線可能為選項圖中的____________,U-t圖線可能為選項圖中的________________。

(3)結(jié)合屏幕顯示的I-t圖線、U-t圖線信息,可以估算出______________。

A.電容器的電容B.電容器儲存的電荷量【解析】(1)傳感器2與電阻R并聯(lián),應(yīng)為電壓傳感器。(2)隨著電容器放電,電容器電荷量減小,由C=QU,可知電容器兩端電壓減小,電阻R保持不變,電流傳感器、電壓傳感器示數(shù)均減小,且減小得越來越慢,故I-t圖像選B,U-t圖像選D(3)根據(jù)I-t圖像的面積可以估算出電荷量,根據(jù)電容定義式C=QU,可以估算出電容,故選A、B答案:(1)電壓(2)BD(3)A、B4.(9分)(2024·武漢模擬)隨著傳感器技術(shù)的不斷進步,傳感器開始在中學(xué)實驗室逐漸普及。某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器做“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗,電路圖如圖甲所示。(1)先使開關(guān)K與1端相連,電源向電容器充電,這個過程很快完成,充滿電的電容器上極板帶________電。

(2)然后把開關(guān)K擲向2端,電容器通過電阻R放電,傳感器將電流、電壓信息傳入計算機,經(jīng)處理后得到電流和電壓隨時間變化的I-t、U-t曲線分別如圖乙、丙所示。(3)由圖乙、丙可知,電容器充滿電時的電荷量為________C,電容器的電容為________F。(保留兩位有效數(shù)字)

【解析】(1)根據(jù)電路連接方式可知充滿電的電容器上極板帶正電?！窘馕觥?3)由圖乙可知,圖像與坐標軸圍成的面積即為電容器放電過程中放出的電荷量,也就是電容器充滿電時的電荷量,圖像下面小正方形的個數(shù)為14個,分別以圖像與橫、縱軸交點坐標值為邊長,形成的矩形所在區(qū)域共有小正方形64個,由此可得出電容器充滿電時的電荷量為:Q=1464×2×8×10-3C=3.5×10-3C電容器的電容為C=QU,代入數(shù)據(jù)得:C=4.4×10-4F答案:(1)正(3)3.5×10-34.4×10-45.(9分)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中,給電容值為C的電容器充電后,放電時無論采用何種放電方式,其兩極板間的電勢差U隨電荷量Q的變化圖像都相同。(1)請在圖1中畫出上述U-Q圖像。類比直線運動中由v-t圖像求位移的方法,可以推導(dǎo)出兩極板間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep=__________(用C和U表示)。

(2)在如圖2所示的放電電路中,R表示電阻。通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器用相同的電壓充電后進行兩次放電,對應(yīng)的Q-t圖線如圖3中Ⅰ、Ⅱ所示。①Ⅰ、Ⅱ兩條圖線不同是____________的改變造成的。

②在實際應(yīng)用中,有時需要電容器快速放電,有時需要電容器均勻放電。依據(jù)①中的結(jié)論,說明實現(xiàn)這兩種放電方式的途徑是:____________。

(3)若某電容器的額定電壓為2.7V,電容為10F,其充滿電后儲存的電能為________J。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)

【解析】(1)由電容的定義式可知C=Q則U-Q圖像為斜率恒定的直線,如圖所示:圖像和橫軸圍成的面積為所儲存的電能,則有Ep=12QU=12(2)①由圖3可知,兩次放電過程放出的電荷量相等。因為Q-t圖像的斜率表示電流,即兩次放電的電流不同,由Q=CU=CE可知,兩次電源電動勢相等,故兩條圖線不同是R的改變造成的。②減小電阻R時,剛開始放電瞬間電流I大,Q-t圖線上該點切線斜率大,即為曲線Ⅰ,短時間內(nèi)放出的電荷量更多,故可以實現(xiàn)對電容器快速放電;增大電阻R時,放電瞬間電流I小,電荷量隨時間變化趨向均勻,即為直線Ⅱ,可以實現(xiàn)更均勻地放電。(3)根據(jù)公式有Ep=12CU2=12×10×2.72J≈36答案:(1)見解析圖12CU2(2)①②減小電阻R,可以使電容器更快速地放電;增大電阻R,可以使電容器更均勻地放電(3)36.56.(9分)圖甲是一種測量電容器電容的實驗電路圖,實驗通過對高阻值電阻放電的方法,測出電容器充電至電壓U時所帶電荷量Q,從而求出待測電容器的電容C。某同學(xué)在一次實驗時的情況如下:A.按如圖甲所示的電路圖接好電路;B.接通開關(guān)S,調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值,使電流表的指針偏轉(zhuǎn)接近滿刻度,記下此時電流表的示數(shù)是I0=490μA,電壓表的示數(shù)U0=8.0V;C.斷開開關(guān)S,同時開始計時,每隔5s讀一次電流I的值,將測得數(shù)據(jù)標在圖乙的坐標紙上(時間t為橫坐標,電流I為縱坐標),如圖乙中小黑點所示。(1)在圖乙中畫出I-t圖像;(2)圖乙中圖線與橫坐標軸所圍成面積的物理意義是________;

(3)該電容器電容為________F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字);

(4)若某同學(xué)實驗時把電壓表接在E、D兩端,則電容的測量值與它的真實值相比__________(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。

【解析】(1)用平滑的曲