實(shí)驗(yàn)九觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。

2.探究電容器的充、放電過程中，電流、電壓、電量及能量的變化規(guī)律。

二、實(shí)驗(yàn)原理與器材

1.實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)電路如圖所示，電流表可以測(cè)量電容器的充電或放電電流大小，電壓表可以測(cè)量電容器

兩極間的電壓。

(1)充電：開關(guān)S接1,電源給電容器充電，使電容器的兩極板帶上等量異種電荷。如圖甲所

不O

甲乙

學(xué)生用書5第171頁(yè)

(2)放電：開關(guān)S接2,用導(dǎo)線將充好電的電容器的兩極板相連，使兩極板的異種電荷中和，

如圖乙所示。

(3)電容器充、放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化：充電過程電容器儲(chǔ)存了電能。放電過程電容器將儲(chǔ)存的電

能釋放出來，轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

2.實(shí)驗(yàn)器材：直流電源、電阻、電容器、電流表(或電流傳感器和計(jì)算機(jī))、電壓表、單刀雙

擲開關(guān)、導(dǎo)線。

3.實(shí)驗(yàn)拓展：用電流傳感器(代替電流表)與計(jì)算機(jī)相連可以直接測(cè)出電容器的放電電流隨時(shí)

間變化的關(guān)系圖像。

三、實(shí)驗(yàn)步驟與操作

I.按照上面的電路圖，把直流電源、電阻、電容器、電流表、電壓表以及單刀雙擲開關(guān)組裝

成實(shí)驗(yàn)電路。

2.觀察電容器的充電過程：把開關(guān)S接1,此時(shí)電源給電容器充電。在充電過程中，可以看

到電壓表示數(shù)迅速增大，隨后逐漸穩(wěn)定在某一數(shù)值，表示電容器兩極板具有一定的電勢(shì)差。

通過觀察電流表可以知道，充電時(shí)電流由電源的正極流向電容器的正極板；同時(shí)，電流從電

容器的負(fù)極板流向電源的負(fù)極。隨著兩極板之間電勢(shì)差的增大，充電電流逐漸減小至0,此

時(shí)電容器兩極板帶有一定的等量異種電荷。即使斷開電源，兩極板上電荷由于相互吸引仍然

被保存在電容器中。

3.觀察電容器的放電過程：把開關(guān)S接2,電容器對(duì)電阻尺放電。觀察電流表可以知道，放

電電流由電容器的正極板經(jīng)過電阻R流向電容器的負(fù)極板，正、負(fù)電荷中和。此時(shí)兩極板所

帶的電荷量減小，電勢(shì)差減小，放電電流也減小，最后兩極板電勢(shì)差以及放電電流都等于0。

4.實(shí)驗(yàn)拓展：把電流表、電壓表?yè)Q成電流傳感器和電壓傳感器，電路如圖所示。

—21

1電

壓

專

感器

|計(jì)算機(jī)|一隨需T傳

感

器

由計(jì)算機(jī)可以直接得到：

⑴電容器充電的A圖像

1//mA

2匚二二二二二二二二

_______________

1

_S__,口口_-___

二二二二二二二，、二二二二二二二二二二二二

mimiiirhsuxu

(2)電容器放電的/-%圖像

,Z/mA

2匚二二二二二二二二

1--X----------------------------

-r一、.rn~n~r-丁

二二二二二二二三二二二二二二二二二二二二

0246t/s

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.在4圖像中，圖線與時(shí)間軸圍成的面積表示電荷量的變化。故整個(gè)圖線與橫軸所圍的面

積就是整個(gè)充電或放電時(shí)間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量，也等于電容器的充電量或放電量。

2.估算電容器的充電量或放電量的方法：先算出一個(gè)小方格代表的電荷量，然后數(shù)出整個(gè)圖

線與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)(大于半格的按一個(gè)方格計(jì)算，小于半格的舍棄)。電容器的

充電量或放電荷量等于一個(gè)小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。

五、注意事項(xiàng)

1.電流表要選用小量程的靈敏電流表。

2.要選擇大容量的電容器。

3.實(shí)驗(yàn)過程要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。

4.在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電路中應(yīng)串聯(lián)一個(gè)電阻，避免燒壞電流表。

學(xué)生用書b第172頁(yè)

考點(diǎn)研析提能力

類型一教材原型實(shí)驗(yàn)

例11/2023?新課標(biāo)卷）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)中，所用器材如下：電池、電

容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單刀雙擲開關(guān)以及導(dǎo)線若干。

⑴用多用電表的電壓擋檢測(cè)電池的電壓。檢測(cè)時(shí)，紅表筆應(yīng)該與電池的（填“正極”

或“負(fù)極”）接觸。

（2）某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路如圖（a）所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為將單刀雙擲開關(guān)S與“1”

端相接，記錄電流隨時(shí)間的變化。電容器充電完成后，開關(guān)S再與“2”端相接，相接后小

燈泡亮度變化情況可能是o（填正確答案標(biāo)號(hào)）

A.迅速變亮，然后亮度趨于穩(wěn)定

B.亮度逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定

C.迅速變亮，然后亮度逐漸減小至熄滅

⑶將電阻箱的阻值調(diào)為&（4＞凡），再次將開關(guān)S與“1”端相接，再次記錄電流隨時(shí)間的變

化情況。兩次得到的電流/隨時(shí)間f變化如圖（b）中曲線所示，其中實(shí)線是電阻箱阻值為

（填或“治”）時(shí)的結(jié)果，曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器

上的（填“電壓”或“電荷量”）o

0

圖(b)

答案：⑴正極(2)C⑶心電荷量

解析：(1)多用電表紅表筆流入電流，黑表筆流出電流，故電流表紅表筆應(yīng)該與電池的正極接

觸。

(2)電容器充電完成后，開始時(shí)兩極板電量較多，電勢(shì)差較大，當(dāng)閉合“2”接入小燈泡，回

路立即形成電流，小燈泡迅速變亮；隨著時(shí)間的積累，兩極板電量變少，電勢(shì)差變小，流過

燈泡的電流減小，小燈泡亮度逐漸減小，直至兩極板電荷量為零不帶電，無電流流過小燈泡，

即小燈泡熄滅，故選C。

(3)開始充電時(shí)兩極板不帶電，兩極板電勢(shì)差為零，設(shè)電源內(nèi)阻為廠，則開始充電時(shí)有￡=/(R

+r),由題圖(b)可知開始充電時(shí)實(shí)線的電流較小，故電路中的電阻較大，因此電阻箱阻值為

&；

根據(jù)電流的定義式/=/可知4=〃，故曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的

電荷量。

例國(guó)《某同學(xué)利用如圖(a)所示的電路測(cè)量電容器充電時(shí)兩極板間的電壓隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)

中使用的器材為：電池E(內(nèi)阻很小)、開關(guān)S1和S2、電容器C(約100陽(yáng))、電阻R1(約200k。)、

電阻電壓表V(量程6V)、秒表、導(dǎo)線若干。

⑴按圖(a)所示的電路原理圖將圖(b)中的實(shí)物圖連線。

⑵先閉合開關(guān)S2,再斷開開關(guān)S2,閉合開關(guān)S1,同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)。若某時(shí)刻電壓表

示數(shù)如圖⑹所示，電壓表的讀數(shù)為Vo

7?iESi

(b)(c)

(3)該同學(xué)每隔10s記錄一次電壓表的讀數(shù)，記錄的數(shù)據(jù)如表所示。

時(shí)間〃s10.020.030.040.050.060.0

電壓UN2.143.454.234.515.005.18

在給出的坐標(biāo)紙上繪出圖線，已知只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差較大，該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)表中的時(shí)間是

答案：(1)見解析圖(2)3.60(3)見解析圖40.0

解析：(1)根據(jù)電路圖，連接實(shí)物圖如圖甲所示。

(2)電壓表的量程為6V,分度值為0.1V,所以讀數(shù)為3.60V。

(3)先描點(diǎn)，然后用圓滑的曲線將所描的點(diǎn)連接起來，如圖乙所示。

從數(shù)據(jù)中可得出，電壓表示數(shù)變化得越來越慢，而從40s到50s之間數(shù)據(jù)變化又突然快了,

所以該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表中的時(shí)間為40.0So

對(duì)點(diǎn)練.如圖為“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材：電源￡（電動(dòng)勢(shì)9.50V,內(nèi)

阻可忽略）、電容器C（標(biāo)稱電容值為470四，擊穿電壓為10V）、電阻箱尺、微安表G、單刀

雙擲開關(guān)S和導(dǎo)線若干。完成下列實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容：

學(xué)生用書》第173頁(yè)

（1）按照?qǐng)D甲的電路圖，把圖乙中的器材連接成完整的實(shí)驗(yàn)電路。

⑵實(shí)驗(yàn)步驟：

步驟①：將開關(guān)S打到1,給電容器C充電，觀察微安表G的示數(shù)變化直到讀數(shù)穩(wěn)定；

步驟②：先打開手機(jī)視頻錄制軟件，再將開關(guān)S打到2位置，觀察并用視頻記錄電容器C的

放電過程中微安表G的示數(shù)變化情況；

步驟③：斷開開關(guān)S,查閱視頻，記錄0?160s內(nèi)，微安表G的讀數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；

步驟④：在坐標(biāo)紙上以時(shí)間/為橫軸，微安表G的讀數(shù)/為縱軸，描點(diǎn)作出圖像，如圖

丙所示。

（3）分析圖丙可知：

①電容器放電過程電流的變化規(guī)律為：放電電流逐漸（選填“增大”“減小”或“不

變”），放電電流隨時(shí)間的變化率逐漸（選填“增大”“減小”或“不變”）；

②丙圖中，圖像與橫軸所包圍的面積為86格，則可求得該電容器的電容值為*。（保

留2位有效數(shù)字）

（4）步驟①中，微安表G的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，并不為0,始終保持在12NA,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因

是電容器（選填“短路"或“漏電”）。

答案：⑴見解析（3）①減小減小②4.5X102⑷漏電

解析：（1）按照題圖甲的電路圖，連接實(shí)物圖如圖所示。

（3）①由題圖丙可知，電容器放電過程電流的變化規(guī)律為：放電電流逐漸減小，放電電流隨時(shí)

間的變化率逐漸減小;

2

②由電容定義C=°=恒/空冷tiF^4.5X10nFo

E9.5

（4）步驟①中，微安表G的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，并不為0,始終保持在12uA,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因

是電容器漏電。

類型二拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

例?"（2023?山東高考）電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)汽車，風(fēng)、光發(fā)電，脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)

用。某同學(xué)設(shè)計(jì)圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：

j^,D1

甲

電容器C（額定電壓10V,電容標(biāo)識(shí)不清）；

電源E（電動(dòng)勢(shì)12V,內(nèi)阻不計(jì)）；

電阻箱4（阻值0?99999.9Q）；

滑動(dòng)變阻器&（最大阻值20。，額定電流2A）；

電壓表V（量程15V,內(nèi)阻很大）；

發(fā)光二極管Di、D?,開關(guān)5、S2,電流傳感器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線若干

回答以下問題：

（1）按照?qǐng)D甲連接電路，閉合開關(guān)Si,若要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向

端滑動(dòng)（填%”或“6”）。

（2）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)為________V。

乙

⑶繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時(shí)，開關(guān)S2擲向1,得到電容器充電

過程的/-/圖像，如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積的

方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器存儲(chǔ)的電荷量為C(結(jié)果保留2位有效

數(shù)字)。

學(xué)生用書》第174頁(yè)

(4)本電路中所使用電容器的電容約為F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

(5)電容器充電后，將開關(guān)S2擲向2,發(fā)光二極管(填“Di”或“D2”)閃光

答案：(1)Z>(2)6,5(3)3.9X10-3(4)4.9X10^(5)Di

解析：(1)題圖甲中滑動(dòng)變阻器為分壓式接法，滑動(dòng)變阻器滑片左邊部分與電容器并聯(lián)，要

升高電容器兩端的電壓，滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)向6端移動(dòng)。

(2)電壓表量程為15V,分度值為0.5V,則電壓表的示數(shù)為6.5V。

1X10-32

(3)題圖丙中圖線與坐標(biāo)軸所圍圖形的面積有39格，則Q=39X-------義受C=3.9X10-3Co

54

39XIO1

(4)由0=C。得C=^-------F^4.9X10-4F?

8.0

(5)電容器充電后，左板電勢(shì)高，電容器放電時(shí)電流由左板經(jīng)導(dǎo)線流出，故Di閃光。

創(chuàng)新點(diǎn)評(píng)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新：探究不同電壓下電容器的充、放電過程。

2.實(shí)驗(yàn)原理創(chuàng)新：

(1)利用分壓式電路控制電容器的充電電壓；

(2)利用了二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

3.數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新：

(1)根據(jù)/-/圖像，通過數(shù)小方格的個(gè)數(shù)(多于半格的記為1，少于半格的舍去)計(jì)算充電結(jié)束后

電容器存儲(chǔ)的電荷量。

（2）由電容的定義式C=&計(jì)算電容C。

例顆《在測(cè)比電容器電容值而實(shí)袤中將電容器、電壓傳底器、阻另為3kQ的電阻R電源、

單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示電路圖進(jìn)行連接。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，充

電完畢后把開關(guān)S擲向2端，電容器放電，直至放電完畢。實(shí)驗(yàn)得到的與電壓傳感器相連接

的計(jì)算機(jī)所記錄的電壓隨時(shí)間變化的wl曲線如圖乙所示，圖丙為由計(jì)算機(jī)對(duì)圖乙進(jìn)行數(shù)據(jù)

處理后記錄的“峰值”及曲線與時(shí)間軸所圍的“面積”。

⑴根據(jù)圖甲所示的電路，觀察圖乙可知：充電電流與放電電流方向（選填“相同”或

“相反”），大小都隨時(shí)間（選填“增力口”或“減小”）。

（2）該電容器的電容值為F（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

（3）某同學(xué)認(rèn)為：仍利用上述裝置，將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端，也可以測(cè)

出電容器的電容值。請(qǐng)你分析并說明該同學(xué)的說法是否正確。

答案：⑴相反減小（2）1.0X10-2⑶見解析

解析：（1）由題圖甲、乙可知，充電和放電時(shí)R兩端的電勢(shì)相反，說明流過R的電流方向相反；

電壓均隨時(shí)間減小，說明電流均隨時(shí)間減小。

⑵根據(jù)歐姆定律/=g，圖像的面積表示Uf,可知圖像面積與R的比值表示電荷量。故極板

R

（）1（）2

所帶最大電荷量。=這1C=0.0609C,該電容器的電容值。=2=跡F^1.0X10-FO

3000U6

⑶該同學(xué)的說法正確。因?yàn)楫?dāng)開關(guān)s與2連接，電容器放電的過程中，電容器C與電阻R

上的電壓大小相等，因此通過對(duì)放電曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值及曲線與時(shí)間軸

所圍“面積S”，仍可應(yīng)用c=g=3計(jì)算電容值。

URUm

創(chuàng)新點(diǎn)評(píng)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新：測(cè)量電容器的電容。

2.實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新：用電壓傳感器通過計(jì)算機(jī)直接描繪出電阻的電壓隨時(shí)間變化的“Y曲線。

3.數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新：利用圖像中圖線與時(shí)間軸圍成的面積與R的比值表示電荷量，求得電

容器的帶電量，從而求得電容G

對(duì)點(diǎn)練.用高值電阻放電法測(cè)電容的實(shí)驗(yàn)電路圖如圖甲所示。其原理是測(cè)出電容器在充電電

壓為U時(shí)所帶的電荷量0,從而求出其電容C。該實(shí)驗(yàn)的操作步驟如下：

Is弋

?5C

⑴按電路圖接好實(shí)驗(yàn)電路；

（2）接通開關(guān)S,調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使微安表的指針接近滿刻度。記下這時(shí)的電壓表讀數(shù)

Uo=6.2V和微安表讀數(shù)To=490gA；

⑶斷開開關(guān)S并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔5s或10s讀一次微安表的讀數(shù)3將讀數(shù)記錄在預(yù)先

設(shè)計(jì)的表格中；

（4）以l為橫坐標(biāo)，，為縱坐標(biāo)，建立坐標(biāo)系。若由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，在圖乙中描出了12個(gè)點(diǎn)（用

“X”表示），可以估算出當(dāng)電容器兩端電壓為5時(shí)該電容器所帶的電荷量Q約為

C,從而算出該電容器的電容約為F（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）。

600

500

400

300

200

100

020406080t/s

乙

答案：（4）8.0義10—3（7.8X10P?8.3*10-3均可）1.3X10-3

解析：（4）用平滑曲線將各點(diǎn)連接，然后數(shù)此曲線與坐標(biāo)軸圍成的格子數(shù)，超過半格的算一格,

不足半格的舍棄。

每格代表的電量為^=50X10-6X5C=2.5X10-4C

數(shù)出的格子數(shù)為"=32格，則Qo=〃q=8.OXl（r3c

電容為C=QQ1.3X10-3F。

對(duì)應(yīng)學(xué)生

課時(shí)測(cè)評(píng)38觀察電容器的充、放電現(xiàn)象;f

用書P429

（時(shí)間：30分鐘滿分：30分）

（本欄目?jī)?nèi)容，在學(xué)生用書中以獨(dú)立形式分冊(cè)裝訂?。?/p>

1.（15分）（2024?安徽蚌埠模擬）在“用傳感器觀察電容器的充放電過程”實(shí)驗(yàn)中，按圖1所示

連接電路。電源電動(dòng)勢(shì)為6.0V,內(nèi)阻可以忽略。單刀雙擲開關(guān)S先跟2相接，某時(shí)刻開關(guān)

改接1,一段時(shí)間后，把開關(guān)再改接2。實(shí)驗(yàn)中使用了電流傳感器來采集電流隨時(shí)間的變化情

21

接計(jì)算機(jī)電流A

傳感器B

⑴開關(guān)S改接2后，電容器進(jìn)行的是_______(選填“充電”或“放電”)過程。此過程得到

的/-/圖像如圖2所示。如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R的阻值，則此過程的/-/

曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積將(選填“減小”“不變”或“增大”)。

0.22468t/s

圖2

(2)若實(shí)驗(yàn)中測(cè)得該電容器在整個(gè)放電過程中釋放的電荷量0=3.45X10-3,則該電容器的電

容為JJ.Fo

⑶關(guān)于電容器在整個(gè)充、放電過程中的q/圖像和UABY圖像的大致形狀，可能正確的有

。為電容器極板所帶的電荷量，UAB為A、B兩板的電勢(shì)差)。

答案：⑴放電不變(2)575(3)BD

解析：(1)開關(guān)S改接2后，電容器進(jìn)行的是放電過程；

因/-f圖像與坐標(biāo)軸所圍成的面積等于電容器的帶電量，則如果不改變電路其他參數(shù)，只減

小電阻R的阻值，此過程的曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積將不變。

(2)該電容器的電容為10F=575pF。

U6

(3)電源給電容器充電時(shí)，剛開始電荷量的變化率較大，后來變化率減小，放電時(shí)，電荷量

變化率剛開始比較大，后來變化率減小，故A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)。=匕，且。不變可知，

。與U的變化情況相同，故C錯(cuò)誤，D正確。故選BD。

2.（15分）（2024?安徽安慶模擬）利用放電法可以測(cè)量電容器的電容，讓充電后的電容器通過大

電阻R放電，電流傳感器A與計(jì)算機(jī)連接（未畫出），記錄放電電流隨時(shí)間變化的圖像，可用

系統(tǒng)軟件計(jì)算出電容器的帶電荷量。，0與充電電壓。的比值即為電容器的電容C。

（1）實(shí)驗(yàn)開始前先判斷電容器的好壞：使用多用電表的歐姆擋進(jìn)行測(cè)量，把調(diào)零后的多用電表

的紅、黑表筆分別接觸電容器的兩極板，觀察到多用電表指針先向右偏轉(zhuǎn)較大角度，后又逐

漸返回到起始位置，此現(xiàn)象說明電容器是（選填“好”或“壞”）的；

（2）圖甲、圖乙為測(cè)量電容的兩種電路原理圖，學(xué)生電源應(yīng)采用（選填“直流”或“交

流”）電源，先使開關(guān)S與1端相連，充電結(jié)束后，讀出電壓表的示數(shù)；然后把開關(guān)S與2

端相連，測(cè)量出電容器的帶電荷量。，為了減小誤差，在甲、乙兩圖中，應(yīng)選___