實驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象考情調(diào)研命題特征高考已經(jīng)將觀察電容器的充、放電

現(xiàn)象實驗變?yōu)楸乜紝嶒?，?023年

山東卷和新課標(biāo)卷高考中都對本實

驗進行了考查。

預(yù)計在2025年的高

考中，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

實驗作為電學(xué)實驗出現(xiàn)的幾率很大1.考裝置：電路連接、器材裝

配以及其他器材替代。2.考圖像：通過I－t圖像求解充

電或放電電荷量。3.考變化：

實驗原理創(chuàng)新

電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。某同學(xué)利用如圖

甲所示的電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。（1）當(dāng)開關(guān)撥到位置“1”時，電容器接通電源，電容器開始

?

（選填“充電”或“放電”），以后隨著極板上電荷量的

增多，電流逐漸

（選填“增大”或“減小”），當(dāng)電

容器兩極板間電壓等于電源電壓時電路中的電荷停止定向移

動，電流I＝0；當(dāng)開關(guān)撥到位置“2”時，電容器開始

?

（選填“充電”或“放電”），隨著兩極板上電荷量逐漸減

小，電路中電流逐漸減小直至減小到零。充

電減小放電【實驗原理】解析：當(dāng)開關(guān)撥到位置“1”時，電源給電容器充電，該

過程中電流逐漸減小，直至電容器兩端電壓等于電源電壓；同

理，當(dāng)開關(guān)撥到位置“2”時，電容器放電，電流逐漸減小?！緦嶒灢襟E】（2）根據(jù)圖甲所示電路，請在圖乙中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實物

電路的連接。答案：如圖1所示（3）撥動開關(guān)使電源給電容器充電，一段時間后，撥動開關(guān)到另一

位置，使電容器放電，每隔5秒讀一次微安表的示數(shù)。記錄好實

驗結(jié)果后，關(guān)閉電源。（4）在充電過程中充電電流I隨時間t變化的圖像可能正確的

是

?。A

解析：充電過程中，開始時電容器不帶電，充電電流較大；充電

接近完成時，充電電流趨于零，對比圖像可知，A正確?！緮?shù)據(jù)處理】（5）電容器放電過程中記錄的部分數(shù)據(jù)如表中所示。時間t/s0510152025303540455055電流i/μA5003922702091581017549302393請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖丙中作出電流i隨時間t變化的圖像。答案：如圖2所示1.觀察電容器充電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器充電的電路圖”（如圖所示）連接好電路（2）閉合開關(guān)，給電容器充電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計算機的電流信息，通過計算機中的

軟件將傳感器收集的信息擬合成I－t圖像，仔細觀察I－t圖

像，可以分析出電容器充電時電流隨時間變化的規(guī)律（如圖

所示）。2.觀察電容器放電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器放電的電路圖”（如圖所示）連接好電

路。（2）先將開關(guān)S扳向1，給電容器充電完畢后，將開關(guān)扳向2，電容

器將通過電阻R放電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計算機的電流信息，通過計算機中的

軟件將傳感器收集的信息擬合成I－t圖像，仔細觀察I－t圖

像，可以分析出電容器放電時電流隨時間變化的規(guī)律（如圖

所示）。3.數(shù)據(jù)處理若實驗電路中直流電源電壓為8V。（1）在圖中畫出一個如圖所示豎立的狹長矩形（Δt很?。拿娣e的物理意義表示在Δt時間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量。整個圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個充電或放電時

間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量，也等于充滿電后或放電開始時電容器極板上的電荷量。

4.注意事項（1）要選擇大容量的電容器。（2）實驗要在干燥的環(huán)境中進行。5.誤差分析本實驗中的誤差來源主要取決于電流傳感器的靈敏度與計算機數(shù)據(jù)

收集處理軟件的準(zhǔn)確性。

（2023·新課標(biāo)卷22題）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗

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。（1）用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時，紅表筆應(yīng)該與

電池的

（選填“正極”或“負極”）接觸。解析：在使用多用電表時，應(yīng)保證電流從紅表筆流入，從黑表筆流出，即“紅進黑出”，因此紅表筆應(yīng)該與電池的正極接觸。正極（2）某同學(xué)設(shè)計的實驗電路如圖（a）所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為

R1，將單刀雙擲開關(guān)S與“1”端相接，記錄電流隨時間的變

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

。（填正確答案標(biāo)號）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C

解析：S與“1”端相接時，小燈泡不發(fā)光，電容器充電；

S與“2”端相接時，電容器放電，且放電過程電流逐漸變小，

直至為0，故C正確，A、B錯誤。（3）將電阻箱的阻值調(diào)為R2（R2＞R1），再次將開關(guān)S與“1”端相

接，再次記錄電流隨時間的變化情況。兩次得到的電流I隨時間t

變化如圖（b）中曲線所示，其中實線是電阻箱阻值為

?

（選填“R1”或“R2”）時的結(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

（選填“電壓”或

“電荷量”）。R2

電荷量

【典例】

（2023·山東高考14題）電容儲能已經(jīng)在電動汽車，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：電容器C（額定電壓10V，電容標(biāo)識不清）；電源E（電動勢12V，內(nèi)阻不計）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；滑動變阻器R2（最大阻值20Ω，額定電流2A）；電壓表V（量程15V，內(nèi)阻很大）；發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計算機，導(dǎo)線若干。

（1）按照圖甲連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器充電電壓，

滑動變阻器滑片應(yīng)向

端滑動（選填“a”或“b”）。（2）調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)

為

V（保留1位小數(shù)）。（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時，開關(guān)S2

擲向1，得到電容器充電過程的I－t圖像，如圖丙所示。借鑒

“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗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，電容器存儲的電荷量

為

C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）?；卮鹨韵聠栴}：（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

（選填“D1”

或“D2”）閃光。三步穩(wěn)解題（1）分析實驗?zāi)康模禾骄坎煌妷合码娙萜鞯某?、放電過程。（2）確定實驗原理：通過滑動變阻器分壓式接法對用電器供電，調(diào)

節(jié)滑動變阻器滑片位置，電容器可獲得不同電壓。（3）制定數(shù)據(jù)處理方案：借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實

驗中估算油膜面積的方法，根據(jù)I－t圖像估算出電容器存儲的電

荷量。答案：（1）b

（2）6.5

（3）3.7×10－3

（4）4.6×10－4

（5）D1

解析：（1）題圖甲中滑動變阻器為分壓式接法，滑動變阻器滑

片左端的部分與電容器并聯(lián)，要升高電容器兩端的電壓，滑動

變阻器的滑片應(yīng)向b端移動。（2）電壓表量程為15V，分度值為0.5V，則電壓表示數(shù)為

6.5V。

（5）電容器充電后，左板電勢高，電容器放電時電流由左板經(jīng)

導(dǎo)線流出，故D1閃光。電流傳感器可以在電腦端記錄電流隨時間變化的圖像。探究實驗小

組設(shè)計了如圖甲所示的實驗電路，來探究電容器在不同電路中的充放

電現(xiàn)象。（1）第一次探究中先將開關(guān)接1，待電路穩(wěn)定后再接2。探究電容器

充電及通過電阻放電的電流規(guī)律。①已知電流從右向左流過電流傳感器時，電流為正，則與本次

實驗相符的I－t圖像是

（填正確答案標(biāo)號）。A②從I－t圖像的面積可以計算得出電容器電荷量的大小。關(guān)于本

次實驗探究，下列判斷正確的是

（填正確答案標(biāo)號）。A.若只增大電阻箱R的阻值，電容器放電的時間將變短B.若只增大電阻箱R的阻值，I－t圖像的面積將增大C.在誤差允許的范圍內(nèi)，放電和充電圖像的面積應(yīng)大致相等C

解析：①第一次探究過程為先給電容器充電，后電容器通

過R放電，給電容器充電過程中電流從右向左流過傳感器，即為

正，由于充電后電容器上極板帶正電，電容器通過R放電時，電

流從左向右流過傳感器，即為負，故選A。②I－t圖像的面積可以表示電容器電荷量的大小，則放電和充電

圖像的面積應(yīng)大致相等，若只增大電阻箱R的阻值，電容器的電

荷量不變，I－t圖像的面積不變，若只增大電阻箱R的阻值，對

電流的阻礙作用變大，電容器放電的時間將變長，故選C。（2）第二次探究中，該同學(xué)先將開關(guān)接1給電容器充電，待電路穩(wěn)定

后再接3，探究LC振蕩電路的電流變化規(guī)律。①探究實驗小組得到了振蕩電路電流波形圖像，選取了開關(guān)接3

之后的LC振蕩電流的部分圖像，如圖乙所示，根據(jù)圖像中記錄

的坐標(biāo)信息可知，振蕩電路的周期T＝

s（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。9.2×10－3②如果使用電動勢更大的電源給電容器充電，則LC振蕩電路的

頻率將

（選填“增大”“減小”或“不變”）。不變③已知電源電動勢E，測得充電過程I－t圖像的面積為S，以及振

蕩電路的周期T，可以得到電感線圈的電感表達式為L＝

。

（以上物理量的單位均為國際單位制單位）

跟蹤訓(xùn)練·鞏固提升1.（2024·重慶沙坪壩模擬）某研究性學(xué)習(xí)小組做“用傳感器觀察

電容器的充電和放電”的實驗，把一個電容器、電流傳感器、

電阻、電源、單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示連接。先將開關(guān)S撥至1

端，電源向電容器充電，然后將開關(guān)S撥至2端，電容器放電，

與電流傳感器相連接的計算機記錄這一過程中電流隨時間變化

的I－t像，如圖乙所示。12345（1）關(guān)于電容器的充、放電，下列說法中正確的是

。（填

正確答案標(biāo)號）A.電容器充、放電過程中，外電路有電流B.電容器充、放電過程中，外電路有恒定電流C.電容器充電過程中，電源提供的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.電容器放電過程中，電容器中的電場能逐漸減小AD

12345解析：由I－t圖像可知，電容器充、放電過程中，外電

路中有電流，電流不斷變化，A正確，B錯誤；電容器充電過

程中，電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為電

容器的電場能，C錯誤；電容器放電過程中，電容器中的電場

能逐漸減小，D正確。12345（2）在形成電流曲線1的過程中，電容器兩極板間的電壓

?

，在形成電流曲線2的過程中，電容器的電容

?。

（均選填“逐漸增大”“不變”或“逐漸減小”）解析：在形成電流曲線1的過程中，電容器充電，電容器兩極板間的電壓逐漸增大；電容器的電容不隨電壓及電荷量的變化而變化，在形成電流曲線2的過程中，電容器的電容不變。逐漸增

大不變12345（3）曲線1與橫軸所圍面積

（選填“大于”“等于”或

“小于”）曲線2與橫軸所圍面積。解析：根據(jù)q＝It可知I－t圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積等于電容器充電或放電電荷量，電容器充電的電荷量等于放電的電荷量，故曲線1與橫軸所圍面積等于曲線2與橫軸所圍面積。等于123452.（2024·山西太原模擬）某同學(xué)用如圖甲所示的電路研究電容器的

充、放電。12345（1）把開關(guān)S擲向a，對電容器充電，充電完畢后把開關(guān)S擲向b，

讓電容器放電，直至放電完畢，電流傳感器將電流信息傳入

計算機，屏幕上顯示出電流隨時間變化的I－t圖像如圖乙所

示。圖乙中，陰影部分的面積S1

S2（選填“＞”“＜”

或“＝”）；若將電阻箱電阻調(diào)大些重新實驗，得到I－t圖像

中，充電過程陰影部分的面積S1'

S1（選填

“＞”“＜”或“＝”）。＝

＝

12345解析：I－t圖像與橫軸所圍面積為電容器的充、放電電荷量，因此有S1＝S2。將電阻箱接入電路的電阻變大，不改變充、放電電荷量的大

小，但改變充、放電時間及充、放、電的最大電流，若將電

阻箱電阻調(diào)大些重新實驗，依然存在S1'＝S1。12345（2）某次放電過程中，電流和電壓傳感器分別將電流、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圖像分別如圖丙、丁所示。由圖像可知，電容器充滿電時

的電荷量為

C，電容器的電容為

?

F。（保留2位有效數(shù)字）3.5×10－3

4.4×10－

4

12345

123453.（2024·遼寧沈陽模擬）某實驗小組利用如下器材測量電容器的電

容：直流穩(wěn)壓電源、待測電容器（額定電壓12V）、定值電阻R1＝

130Ω、定值電阻R2＝80Ω、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機、

單刀雙擲開關(guān)S、導(dǎo)線若干。實驗過程如下：①將定值電阻R1等器材按圖甲連接電路后，將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電；12345②將開關(guān)S與2端連接，測得電流隨時間變化的I－t圖像如圖乙所

示；③用R2替換R1后，重復(fù)上述實驗步驟①②，測得電流隨時間變化的I

－t圖像如圖丙中的某條虛線所示。12345兩次實驗中電源的輸出電壓相同，請回答下列問題：（1）電源的輸出電壓為

V，利用計算機軟件測得圖乙中I－

t圖像與兩坐標(biāo)軸所圍的面積為60mA·s，則電容器的電容

為

F。（結(jié)果均保留3位有效數(shù)字）

11.7

5.13×10－3

12345（2）用R2替換R1后，電流隨時間變化的I－t圖像應(yīng)該是圖丙中

的

（填“b”“c”或“d”），判斷的依據(jù)是

?

?

?

?。解析：用R2替換R1后，電流隨時間變化的I－t圖像應(yīng)該

是題圖丙中的c，因為R2的阻值小于R1，電容器放電的電流增

大，放電的時間減少。c

R2的阻

值小于R1，電容器放電的電流增大，放電的時間減少（或兩

次放電的電荷量相同，即I－t圖像與橫軸所圍“面積”相同）

123454.（2024·江蘇南通模擬）用如圖甲所示電路觀察電容器的充、放電

現(xiàn)象，現(xiàn)提供如下實驗器材：電源E（電動勢3V，內(nèi)阻不計）、電

容器C（標(biāo)稱電容1000μF、電阻箱R（0～9999Ω）、微安表G

（量程500μA，內(nèi)阻為2kΩ）、單刀雙擲開關(guān)S和導(dǎo)線若干。12345答案：圖見解析（1）根據(jù)圖甲電路在圖乙中用筆畫線代替導(dǎo)線將實物電路連接

完整。解析：實物電路如圖所示。12345（2）將開關(guān)S撥至位置1，電容器上極板帶

（選填“正”或

“負”）電。解析：將開關(guān)S撥至位置1，電容器上極板與電源負極相

連，故上極板帶負電。（3）充電完畢，將開關(guān)S撥至位置2，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作出電路中

的電流I隨時間t變化的圖像如圖丙所示，則電阻箱接入電路的

阻值為

kΩ。

負8

12345（4）圖丙中曲線與橫軸圍成的區(qū)域共有148個小格，則電容器電容

的測量值為

μF（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）。987

12345（5）根據(jù)圖丙可作出電容器所帶電荷量q隨時間t變化的圖像。某小

組兩次實驗中電阻箱接入電路的阻值分別為Ra和Rb，Ra＞Rb，

對應(yīng)的q－t圖像為曲線a