第6讲 实验观察电容器的充放电现象

第6讲实验:观察电容器的充、放电现象

A组基础巩固

1.把一个电容器、电流传感器、电阻、电源、单刀双掷开关按图甲所示连接。先使开关S 与1端相连,电源向电容器充电;然后把开关S掷向2端,电容器放电。与电流传感器相连接的计算机所记录这一过程中电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。下列关于这一过程的分析,正确的是( )

A.在形成电流曲线1的过程中,电容器两极板间电压逐渐减小

B.在形成电流曲线2的过程中,电容器的电容逐渐减小

C.曲线1与横轴所围面积等于曲线2与横轴所围面积

D.S接1端,只要时间足够长,电容器两极板间的电压就能大于电源电动势E

答案 C 由于形成电流曲线1的过程是电容器的充电过程,形成电流曲线2的过程是电容器的放电过程,形成电流曲线1的过程中,电容器两极板间电压会随着充电电荷量的增加而逐渐增大,A错误;由于电容器的电容是不随电压、电流的变化而变化的,故B错误;曲线1与横轴所围面积是充电的电荷量,曲线2与横轴所围面积就是放电的电荷量,由于充电电荷量等于放电电荷量,故C正确;当S接1端时,无论时间多么长,电容器两极板间的电压都不可能大于电源电动势E,故D错误。

2.利用如图乙所示的电路图原理描绘电容器放电时的I-t图像。

(1)将图甲所示器材连接成实验电路。

(2)若得到如图丙所示的电容器放电电流图像,则电容器充满电后储存的电荷量

q= 。

答案(1)连接电路如图。

(2)3.36×10-3 C

解析(1)按照题给的电路图连接线路。注意电流表极性和电解电容器极性。

(2)电容器放电电流图象与横轴所围面积中包含42个小方格,每个小方格面积为0.2 mA×0.4 s=0.08 mAs=8.0×10-5 C,电容器充满电后储存的电荷量q=42×8.0×10-5 C

=3.36×10-3 C。

3.某同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用

的器材为:电池E(内阻很小)、开关S

1和S

2

、电容器C(约100 μF)、电阻R

1

(约200 kΩ)、

电阻R

2

(1 kΩ)、电压表(量程6 V)、秒表、导线若干。

(1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连接起来。

(2)先闭合开关S

2,再断开开关S

2

;闭合开关S

1

,同时按下秒表开始计时.若某时刻电压表

的示数如图(c)所示,电压表的读数为V(保留2位小数)。

(3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U,记录的数据如表所示。在给出的坐标纸上绘出U-t图线。已知只有一个数据点误差较大,该数据点对应的表中的时间是

s。

时间t/s 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 电压U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18

(4)电路中C、R

2和S

2

构成的回路的作用是。

答案(1)见解析图(2)3.60 (3)40.0

(4)使实验前电容器两极板上的电荷中和

解析(1)实物图连线如图所示

(2)电压表的量程为6 V,分度值为0.1 V,所以读数为3.60 V。

(3)从数据中可得出,电压表示数变化得越来越慢,而从40 s到50 s之间数据变化又突然快了,所以该数据对应表中的时间为40.0。

(4)电路中C、R

2和S

2

构成的回路,先闭合开关S

2

,再断开开关S

2

,使电容器上所带电荷释

放干净,不影响实验。

B组综合提能

1.(2018东城二模)在测定电容器电容值的实验中,将电容器、电压传感器、阻值为3 kΩ 的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连,电源向电容器充电,充电完毕后把开关S掷向2端,电容器放电,直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的u-t曲线如图乙所示,图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图。

甲

乙

丙

(1)根据图甲所示的电路,观察图乙可知:充电电流与放电电流方向(选填“相同”或“相反”),大小都随时间(选填“增加”或“减小”);

(2)该电容器的电容为F;(结果保留2位有效数字)

(3)某同学认为:仍利用上述装置,将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端,也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确。

答案(1)相反减小

(2)1.0×10-2

(3)见解析

解析(1)从图像就可以看出,充电和放电过程的电流方向是相反的,电流大小都随着时间减小。

(2)由Q=It=·t可知将图中曲线与时间轴所围面积数值除以电阻值,就可以得到电荷量Q,再由C=即可求得电容。

(3)正确。因为当开关S与2连接,电容器放电的过程中,电容器C与电阻R上的电压大

”及曲线与时间轴所围“面小相等,所以通过对放电曲线进行数据处理后记录的“峰值U

m

积S”,仍可应用C==计算电容。

2.用下列器材测量电容器的电容:

一块多用电表,一台直流稳压电源,一个待测电容器(额定电压16 V),定值电阻R

1

=100

Ω,定值电阻R

2

=150 Ω,电流传感器、数据采集器和计算机,单刀双掷开关S,导线若干。实验过程如下:

实验次数实验步骤

第1次①将电阻R

1

等器材按照图甲正确连接电路,将开关S与1端连接,电源向电容器充电

②将开关S掷向2端,测得电流随时间变化的i-t曲线如图乙中的实线a所示

第2次③用电阻R

2

替换R

1

,重复上述实验步骤①②,测得电流随时间变化的i-t曲线如图丙中的某条虚线所示

说明:两次实验中电源输出的直流电压恒定且相等请完成下列问题:

(1)第1次实验中,电阻R

1两端的最大电压U

m

= V。

利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围的面积为90 mA·s,已知电容器放电时其内阻可以忽略不计,则电容器的电容为C= F。

(2)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图丁中的虚线(选填“b”“c”或“d”),判断依据是。