1、实验9观察电容器的充、放电现象-2-一、实验目的1.理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。2.电容器充、放电过程中,电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。3.电容器质量的判别和电容器中电场能量的计算。-3-二、实验原理步骤(一)电容器的充电开关S合向1,电容器充电。1.现象:(1)白炽灯开始较亮,逐步变暗。-4-2.解释:电源正极向极板供给正电荷,负极向极板供给负电荷。电荷在电路中定向移动形成电流,两极板间有电压。S刚合上时,电源与电容器之间存在较大的电压,使大量电荷从电源移向电容器极板,产生较大电流,随着极板电荷的增加,极板间电压增大,电流减小。当电容器两极板间电压等于电源电压时
2、,电荷不再定向移动,电流为0,灯不亮。-5-(二)电容器的放电开关S合向2,电容放电。1.现象:(1)开始灯较亮,逐渐变暗,直至熄灭。2.解释:放电过程中,由于电容器两极板间的电压使回路中有电流产生。开始这个电压较大,因此电流较大,随着电容器极板上的正、负电荷的中和,极板间的电压逐渐减小,电流也减小,最后放电结束,极板间不存在电压,电流为0。-6-3.结论:当电容器极板上所储存的电荷量发生变化时,电路中就有电流流过;若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时,则电路中就没有电流流过。三、总结当电容器极板上所储存的电荷发生变化时,电路中就有电流流过;若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时,则电路中就
3、没有电流流过。电路中的平均电流为-7-命题点一命题点二电容器的认识及充、放电的电路的认识电容器的认识及充、放电的电路的认识典例1(2018浙江杭州学军选考)下列电容器相关知识描述正确的是()-8-命题点一命题点二A.图甲为电容器充电示意图,充完电后电容器上极板带正电,两极板间的电压U等于电源的电动势EB.图乙为电容器放电示意图,若电容器上极板带电荷量为+Q,则放电过程中通过安培表的电流方向从右向左,流过的总电荷量为2QC.图丙为电解电容器的实物图和符号,图丁为可变电容器及其符号,两种电容使用时都严格区分正负极D.图戊中的电容器上有“5.5 V1.0 F”字样,说明该电容器只有两端加上5.5 V
4、的电压时电容才为1.0 F 答案解析解析关闭图甲为电容器充电过程,充完电后电容器上极板与电源的正极相连,同时两极板间的电压U等于电源的电动势E,故A正确;图乙为电容器放电过程,若电容器上极板带电量为+Q,则放电过程中通过安培表的电流方向从右向左,且流过的总电量为Q,故B错误;图丙为电解电容器的实物图和符号,图丁为可变电容器及其符号,前者电容器使用时严格区分正负极,后者没有,故C错误;图戊中的电容器上有“5.5 V1.0 F”字样,说明该电容器两端电压最大值为5.5 V,而电容与电容器的电压及电荷量均无关,总是为1.0 F,故D错误;故选A。答案解析关闭A-9-命题点一命题点二电容器是常见的电学
5、元件,除了要强化电容器的理解外,对实际的电容器也要会识别,同时对电容器的充电与放电过程要有一个清晰的认识。注意区别电解电容器与可变电容器。-10-命题点一命题点二充放电过程中电流和电压的变化规律理解及数据测量典例2(2015海南单科)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S1和S2、电容器C(约100 F)、电阻R1(约200 k)、电阻R2(1 k)、电压表 (量程6 V)、停表、导线若干。(1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连线。-11-命题点一命题点二-12-命题点一命题点二(2)先闭合开关S2,再
6、断开开关S2;闭合开关S1,同时按下停表开始计时。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)。-13-命题点一命题点二(3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U,记录的数据如下表所示。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。-14-命题点一命题点二(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是。-15-命题点一命题点二答案(1)如图所示(2)3.60(3)40.0(4)使充电的电容器很快放电,以便多次测量-16-命题点一命题点二解析(1)实物连线见答案(2)电压表每小格代表0.1 V,且读数要求保留两位小数,其读
7、数为3.60 V(3)绘出U-t图线,偏离图线最远的点误差最大,由此确定t=40.0 s时对应数据误差最大。-17-命题点一命题点二(4)测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化,必须保证开始(t=0)时,电容器不带电。电路中C、R2和S2构成回路的作用就是在实验开始前,通过闭合S2,使电容器放电,特别是当实验需要重复多次时,在重复实验前必须先对电容器放电。-18-1.常用的电容器,从构造上看,可以分为固定电容器和可变电容器两类。如图甲、乙为两种电容器的实物图片,根据图中的相关信息,下列判断中正确的是()A.图中甲为可变电容器,它是通过改变极板间的距离来改变电容器的电容的B.在不改变其他条件
8、下,将甲电容器浸入煤油中,其电容不发生变化C.根据图乙中电容器外壳上标的数据可知,电压等于5.5 V 时乙电容器就会被击穿D.根据图乙中电容器外壳上标的数据可知,乙电容器接5.5 V电压时,储存的电荷量为5.5 C 答案解析解析关闭图甲中可变电容器是通过改变极板的正对面积来改变电容的,将甲电容器浸入煤油中,两极板间的介质改变,介电常数改变,即电容发生改变,AB错误;电容器的击穿电压一定会大于额定电压,电容器外壳上标的电压是工作电压,即图乙中标识的“5.5 V”为额定电压,根据公式可得Q=CU=1.05.5 C=5.5 C,C错误,D正确。答案解析关闭D-19-2.用下列器材测量电容器的电容:一
9、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R1=100,定值电阻R2=150,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:-20-请完成下列问题:(1)第1次实验中,电阻R1两端的最大电压U=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 mAs,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。-21-(2)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图丙中的虚线(选填“b”“c”或“d”),判断依据是。-22-答案(1)910.010-3(2)c两次放电电荷量相等,图形与t轴围成的面积相等,另由于R2R1,
10、开关掷向2瞬间放电电流较小解析(1)由题图知,最大电流为Im=90 mA=0.09 A,因此最大电压为Um=ImR1=9 V;曲线下围的面积表示电容器的带电荷量Q=90 mAs,根据电容器的定义式可得C=10.010-3 F。(2)根据 ,因第2次实验的最大放电电流小些,而曲线下围的面积相等,因此不是b。故电流随时间变化的曲线应该是虚线c。-23-3.如图是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q,从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下:(1)按电路图接好实验电路;(2)接通开关S,调节电阻箱R的阻值,使微安表的指针接近满刻度。记下这时的电压表读数U0
11、=6.2 V和微安表读数I0=490 A;(3)断开开关S并同时开始计时,每隔5 s或10 s读一次微安表的读数i,将读数记录在预先设计的表格中;-24-(4)根据表格中的12组数据,以t为横坐标,i为纵坐标,在坐标纸上描点(图中用“”表示)。根据以上实验结果和图象,可以估算出当电容器两端电压为U0时该电容器所带的电荷量Q0约为 C,从而算出该电容器的电容约为 F。-25-答案 810-31.310-3解析 按照图中的点,用光滑曲线把它们依次连接起来,得到i-t图线,图线和横轴所围的面积就是放电荷量,即原来电容器的带电荷量。每小格相当于2.510-4 C,用四舍五入法数得小方格有32个,所以Q0=810-3 C。再由 ,得C=1.310-3 F。
