第7講實(shí)驗(yàn):觀察電容器的充，放電現(xiàn)象

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.理解電容器的儲(chǔ)能特性及其在電路中能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律。

2.了解電容器充、放電過程中，電路中的電流和電容器兩端電壓的變化規(guī)律,會(huì)計(jì)算電容器

充、放電的電荷量。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.電容器的充電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接1時(shí)，電容器接通電源，在電場(chǎng)力的作用下自由電子從正極板經(jīng)過電

源向負(fù)極板移動(dòng),正極板因失去電子而帶正電，負(fù)極板因獲得電子而帶負(fù)電。正、負(fù)極板帶

等量的正、負(fù)電荷。電荷在移動(dòng)的過程中形成電流。在充電開始時(shí)電流比較大，以后隨著

極板上電荷的增多,電流逐漸減小，當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時(shí)，電荷停止定向

移動(dòng)，電流/=0。

2.電容器的放電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接2時(shí)，相當(dāng)于將電容器的兩極板直接用導(dǎo)線連接起來，電容器正、負(fù)

極板上電荷發(fā)生中和。在電子移動(dòng)過程中，形成電流。放電開始時(shí)電流較大,隨著兩極板上

的電荷量逐漸減小，電路口的電流逐漸減小,兩極板間的電壓也逐漸減小到零。

3.電容器充、放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化

充電后，電容器儲(chǔ)存了電能。放電時(shí)，儲(chǔ)存的電能群放出來，轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

三、數(shù)據(jù)處理

1.整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個(gè)充電或放電時(shí)間內(nèi)通過電流表的電荷量,

也等于充滿電后或放電開始時(shí)電容器極板上的電荷量。

2.估算電容器充電或放電過程中電荷量的方法是:先算出一個(gè)小方格代表的電荷量，然后

數(shù)出整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)（大于半個(gè)的按一個(gè)方格計(jì)算,小于半個(gè)的舍

棄）。電容器充電或放電過程中電荷量為一個(gè)小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。

四、誤差分析

1.電壓表讀數(shù)及電流表不夠靈敏造成偶然誤差。

2.充放電時(shí)間較短、記錄現(xiàn)象不夠準(zhǔn)確出現(xiàn)偶然誤差。

3.電容器電容較小和電源不穩(wěn)定造成系統(tǒng)誤差。

五、注意事項(xiàng)

1.電流表要選用小量程的靈敏電流計(jì)。

2.要選擇大容量的電容器。

3.實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。

4.在做放電實(shí)瞼時(shí)，在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，以免燒壞電流表。

考點(diǎn)一基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

［例I］【定性分析】（2023?全國(guó)新課標(biāo)卷,22）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（選填“正

極”或“負(fù)極”）接觸。

(2)某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路如圖甲所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為凡，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『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

(3)將電阻箱的阻值調(diào)為電再次將開關(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t變化如圖乙中曲線所示，其中實(shí)線是電阻箱阻值為

(選填或時(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

(選填“電壓”或“電荷量

【答案】⑴正極(2)C(3展電荷量

【解析】(1)電流從多用電表的紅表篦流入,黑表筆.流出，故用多用電表的電壓擋撿測(cè)電池

的也壓時(shí),紅表筆,應(yīng)該與業(yè)池的正極接觸。

(2)電容器充電完成后，當(dāng)開關(guān)S與“2”端相接，接入小燈泡，電容器放電，回路立即形成巳流，

小燈泡迅速變亮，開始時(shí)兩極板電荷量較多，電勢(shì)差較大，隨著不斷放電,兩極板電荷量變少,

電勢(shì)差變小，流過小燈泡的電流減小，小燈泡亮度減小，直至兩極板電荷量為零,無電流流過,

小燈泡熄滅。

(3)開始充電時(shí)兩極板不帶電，兩極板電勢(shì)差為零，由圖像可知，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&;由q=It知,/-/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2］【定量計(jì)算】(2024?廣西卷,12)某同學(xué)為探究電容器充、放電過程,設(shè)計(jì)了圖甲實(shí)

驗(yàn)電路。器材如下:電容器，電源反電動(dòng)勢(shì)6V,內(nèi)阻不計(jì))，電阻/?i=400.0C,電阻&=200.0C,

電流傳感器，開關(guān)力、S2,導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

甲

12

(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。

(2)實(shí)監(jiān)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I為橫軸，微安表G的讀數(shù)/為縱軸，描點(diǎn)作出I-t圖像，如圖丙。

(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圖丙中,圖像與橫軸所包圍的面積為84格,可求得該電容器的電容值為"式結(jié)

果保留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(),始終保持在12〃A,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是

電容器(選填“短路”或“漏電

【答案】（1）圖見解析（3）①減小減小

②4.4x1（P⑷漏電

【解析】（1）按照題圖甲的電路圖，實(shí)物圖連接如圖所示。

（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充電后電容器兩極板間電勢(shì)差為U=9.5V,由電容定義式可知C=,=84XIO；;O6X5片

442〃FH4.4X1（）2/ZFO

（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12〃A,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是

電容器漏電。

考點(diǎn)二創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

［例4］【實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)新】（2023?山東卷,14）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，器材如卜.：

甲

電容器C（額定電壓10V,電容標(biāo)識(shí)不清）；

電源￡（電動(dòng)勢(shì)12源內(nèi)阻不計(jì)）;

電阻箱R（限值0?99999.9。）；

滑動(dòng)變阻器小（最大阻值20C,額定電流2A）;

電壓表V（量程15V、內(nèi)阻很大）；

發(fā)光二極管Di、D2,開關(guān)SI、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)，，若要升高電容器充電電壓,滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向

(選填為"或"")端滑動(dòng)。

(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(結(jié)果保留1位

小數(shù))。

(3)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I-t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)圖像用估算口充電結(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)。

(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“Di”或“Dz”)閃光。

【答案】⑴b(2)6.5[3)3.9x10-3

(4)4.9x10，(5)Di

【解析】(1)滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法，故滑片向方端滑動(dòng)電容器充電電壓升高。

(2)由題圖乙可知，電壓表盤程為15V,每個(gè)小格為0.5V,故示數(shù)為6.5V。

(3)/-/圖像與坐標(biāo)軸所圍的面積表示電容器存儲(chǔ)的電荷量,由題圖丙可知，總共39個(gè)小格，

故電容器存儲(chǔ)的電荷量為3.9x10-3Co

(4)由電容的定義式C吉得C-4.9x1O'F。

(5)由題圖甲可知，電容器充電后，左極板帶正電,將開關(guān)S2擲向2,電容器放電,Di導(dǎo)通，則發(fā)

光二極管Di閃光。

［例5］［實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新】（2024?河南鄭州一模）收音機(jī)中可變電容器作為調(diào)諧電臺(tái)使用,

如圖甲為空氣介質(zhì)單聯(lián)匕變電容器的結(jié)構(gòu)，它是利用正對(duì)面積的變化改變電容器電容大

小的原理工作的，某同學(xué)想要研究這種電容器充、放電的特性，于是將其接到如圖乙所示的

實(shí)驗(yàn)電路中,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)旦容器不帶電。

動(dòng)片/動(dòng)片引出端動(dòng)片

定7f乙笈C定片

「（360pF）（260pF）

空氣介質(zhì)單聯(lián)可變電容器的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)

甲

左|------右

2

*EC±1

乙

（1）首先將開關(guān)S打向1,這時(shí)觀察到靈敏電流計(jì)G有短暫的示數(shù)，穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)旋鈕,使電容

器正對(duì)面積迅速變大，從開始旋轉(zhuǎn)旋鈕到最終穩(wěn)定過程中，流過靈敏電流計(jì)的電流方向是

（選填“從左到右”或“從右到左”）,靈敏電流計(jì)示數(shù)隨時(shí)間變化的圖像可能是

（填選項(xiàng)中的字母序號(hào)）。

（2）充電穩(wěn)定后，斷開單刀雙擲開關(guān)，用電壓表接在電容器兩端測(cè)量電壓,發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小,

原因是o

⑶該同學(xué)做完實(shí)驗(yàn)，得到電容器的電容后，突然想起他用的是一節(jié)舊電池（電動(dòng)勢(shì)不變，內(nèi)

阻不可忽略），他想要得到盡量精確的電容值,（優(yōu)填“需要”或“不需要”）重新?lián)Q一

節(jié)新電池來測(cè)量。

【答案】（I）從左到右A（2）電壓表并非理想電表，電容器通過電壓表放電（3）不需要

【解析】（1）電容器充電時(shí)，電流方向從左到右，剛開始電流比較大，充電結(jié)束后，電流為0;

電容當(dāng)電容器正對(duì)面積迅速變大時(shí),電容迅速增大，又由O=CU,可得電容器的帶

^rTTnu

電量。增加，故電容器再次充電，充電結(jié)束后電流為0。故選Ao

（2）用電壓表接在電容器兩端測(cè)量電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小，說明電容器在緩慢放電,即電路

中有電流,這是因?yàn)殡妷罕聿皇抢硐腚妷罕怼?/p>

（3）本實(shí)臉測(cè)量電,容的原理是C=^,電容器的帶包量。=心可由步驟（1）所得的/r圖線與坐

標(biāo)軸圍成的面積求得;充電后兩極板之間電壓由步驟⑵中的電壓表測(cè)得。給電容器充電時(shí)

由于使用了舊電池,導(dǎo)致充電時(shí)電流較小，充電的時(shí)間會(huì)稍長(zhǎng)一點(diǎn)，當(dāng)充電電流等于0時(shí)，電

容器兩端電壓仍然等于電源電動(dòng)勢(shì)，所以電容器最終所帶電量不變，不影響測(cè)量結(jié)果，所以

不需要更換電池。

A課時(shí)作業(yè)

（滿分:60分）

1.（16分）（2025?山西太原期中）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象''實(shí)驗(yàn)中：

某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)電路圖如圖甲，電源輸出電壓恒為8V,S是單刀雙擲開關(guān),C為電容器。該同

學(xué)先讓S與“1”端相連，穩(wěn)定后，將S與“2”端相連，直至電流傳感器示數(shù)為0,如圖乙記錄了

該過程中通過電容器的電流隨時(shí)間的變化情況。

電

流

傳

感

器

工

丁

（1）當(dāng)開關(guān)S接到力”時(shí)，電容器處于過程;當(dāng)開關(guān)S接至『2"時(shí)，電容器處于

過程（以上兩空均選填“充電”或“放電”）;放電過程中，通過電阻Ho的電流方向與充電過程

（選填“相同”或“相反”）。

（2）圖像陰影表示i-t圖像與對(duì)應(yīng)時(shí)間軸所圍成的面積，面積表示的物理意義是o

⑶圖乙中陰影部分的面積Si（選填，或“=”后o

【答案】（1）充電放電相反

（2）電荷量（3）=

【解析】⑴當(dāng)開關(guān)S接到“1”時(shí)，電容器與電源相連，電容器處于充電狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S接到“2”

時(shí)，電容器處于放電狀態(tài)。充電時(shí)，通過電阻Ro的也流方向向左,電容器上極板帶正電，所以

放電1時(shí)，通過電阻Ro的電流方向向右，兩個(gè)過程通過也阻Ro的電流方向相反。

（2）根據(jù)公式片”，可知I圖像與對(duì)應(yīng)時(shí)間軸所圍成的面積表示的物理意義是電荷量，

（3）充電前，電容器的電荷量為零，放電完成后，電容器的電荷量為零,可知電容器充電量等

于放電量,故題圖乙中陰影部分的面積S=S2。

2.（14分）（2024?海南卷,15）用如圖甲所示的電路觀察電容器的充放電現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)器材有電源

E、電容器C、電壓表、中,流表、電流傳感器、計(jì)算機(jī)、定值中阻R、單刀雙擲開關(guān)5、

開關(guān)S2、導(dǎo)線若干。

甲乙

（1）閉合開關(guān)9,將，接1.電壓表示數(shù)增大，最后穩(wěn)定在12.3V。在此過程中,電流表的示數(shù)

（填選項(xiàng)標(biāo)號(hào)）。

A.一直穩(wěn)定在某一數(shù)值

B.先增大，后逐漸減小為零

C.先增大，后穩(wěn)定在某一非零數(shù)值

（2）先后斷開開關(guān)S2、Si,將電流表更換成電流傳感器，再將Si接2,此時(shí)通過定值電阻R的

電流方向?yàn)椋ㄟx填%一/或"-a"）,通過傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，畫出電流

隨時(shí)間變化的人圖像，如圖乙尸2s時(shí)/=1.10mA,圖中〃、N區(qū)域面枳比為8：7,可求出

R=kC（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

【答案】（l）B（2%—65.2

【解析】（1）由題圖甲可知，當(dāng)閉合開關(guān)S2,將Si接1時(shí)，電源為電容器充電，電流表示數(shù)先

從0增大到某一數(shù)值，隨著電容器的不斷充電，電路中的充電電流逐漸減小,當(dāng)電容器充滿

電后，電路相當(dāng)于斷路，電流為零,B正確。

(2)由題圖甲可知，當(dāng)閉合開關(guān)S2,將Si接1時(shí)，電容器的上極板與電源正極相連，包容器充

電結(jié)束后上極板帶正電，當(dāng)將Si接2時(shí)，電容器放電，此時(shí)通過定值電阻R的電流方向?yàn)?/p>

a—b;電容器開始放電前兩端電壓為12.3V,由題圖乙可知，當(dāng)t=2s時(shí)，電路中的電流/=

1.10mA,可知此時(shí)電容器兩端的電壓為5=/上可得0?2s內(nèi)的放電量為Q=AU?C=

(12.3T.10x1()3XR)XC,2s后到放電結(jié)束的放電量為02=AU'C=1.10x1()3xRxC,已知題圖乙

中M、N區(qū)域面積之比為8:7,則華Y，解得R=5.2kO。

Qi7

3.(16分)(2024?廣西河池階段練習(xí))某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖甲所示的電路，用來完成“觀察電容

器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)。

乙

⑴將開關(guān)S接通1,電容器的(選填"上”或"下”)極板帶正電，再將S接通2,通過電

流表的電流方向向(選填“左”或“右”)。

(2)實(shí)驗(yàn)中所使用的電容器如圖乙所示，其標(biāo)稱值為“16V3300"F”,當(dāng)電容器兩端的電

壓為6V時(shí)，電容器正極板帶電荷量為。1結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

(3)下列關(guān)于電容器充電時(shí)，所帶電荷量Q與時(shí)間t的關(guān)系、所帶電荷量。與兩極板間的

電壓U的關(guān)系正確的是o(多選)

CD

(4)如圖丙所示為利用傳感器研究電容器放電過程的實(shí)險(xiǎn)電路，實(shí)驗(yàn)時(shí)先將開關(guān)S與1端相

連，電源向電容器充電，待電路穩(wěn)定后產(chǎn)0時(shí)刻把開關(guān)S擲向2端,電容器通過電阻放電，傳

感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時(shí)間變化的/-/曲線如圖丁所示，這個(gè)

曲線的橫坐標(biāo)是放電時(shí)間，縱坐標(biāo)是放電電流，則電容器釋放的最大電荷量約為o

(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

按計(jì)算機(jī)

【答案】⑴下右(2)2.0xl0-2C(3)AD(4)3.2x10-3C

【解析】(1)將開關(guān)S接通1,電容器下極板與電源正極連接，故下極板帶正也。將S接通

2,電流由下極板通過電阻、電流表流向上極板，故通過也流表的電流方向向右。

(2)由電容的定義式，可得也容器正極板帶電荷量為Q=CU=3300xl06x6C=1.98x10-2

C-2.0xl0-2Co

(3)充電過程中，電荷量隨時(shí)間逐漸增大，且充電電流逐漸減小,。r圖像斜率變小,A正確,B

錯(cuò)誤;由可知，電容不變，電荷量與電壓成正比,C緡誤,D正確。

(4)/-/圖像中圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積表示電荷量，大于半格記為一格，小于半格舍去，約為

40格，故電容器在放電過程中釋放的也荷量約為0=40＞：0.2x10-3x04C=3.2xlO^Co

4.(14分)(2024?江蘇泰州一模)電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電等方面得到廣泛應(yīng)用。

某同學(xué)設(shè)計(jì)了圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程和測(cè)定電容器的電容。

器材如下：

電容器。(額定電壓10V,電容標(biāo)識(shí)不清)；

電源上(電動(dòng)勢(shì)12V,內(nèi)阻不計(jì))；

滑動(dòng)變阻器4（最大阻值20Q）;

電阻箱&（阻值0-9999.9C）;

電壓表V（量程15V,內(nèi)阻較大）；

開關(guān)，、S2,電流傳感器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線若干。

甲

乙

（1）按照?qǐng)D甲連接電路，閉合開關(guān)Si、斷開開關(guān)S2,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Ri的滑片向b端滑動(dòng)。

（2）當(dāng)電壓表的示數(shù)為S=3V時(shí)，調(diào)節(jié)&的阻值，閉合開關(guān)S%通過計(jì)算機(jī)得到電容器充電

過程電流隨時(shí)間變化的圖像;保持&的阻值不變，斷開開關(guān)Si,得到電容器放電過程電流隨

時(shí)間變化的圖像，圖像如圖乙所示。測(cè)得/i=6mA,則&=Qo

（3）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到不同電壓下電容器的充、放電過程的電流和時(shí)間的圖像，利用面積

法可以得到電容器電荷量的大小，測(cè)出不同電壓下電容器所帶的電荷量如下表：

實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456

UN345678

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