专题228 电容充放电实验解析版.docx

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专题228电容充放电实验解析版

2021年高考物理100考点最新模拟题千题精练（物理实验）

第二部分电学实验

专题2.28电容充放电实验

1.（2020年6月山东青岛三模）电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，它与计算机相连，可以显示出电流随时间变化的I－t图像。

如图甲所示连接电路。

直流电源电动势9V，内阻可忽略，电容器选用电容较大的电解电容器。

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，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机。

屏幕上显示出电流随时间变化的I－t图像如图乙所示。

（1）在如图乙所示的I－t图像中用阴影标记面积的物理意义是。

（2）根据I－t图像估算当电容器开始放电时所带的电量q0＝，并计算电容器的电容C＝。

（均保留两位有效数字）

（3）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积将

（填“增大”“不变”或“变小”）；充电时间将（填“变长”“不变”或“变短”）；简要说明原因。

【参考答案】

（1）通电0.2s时间内电容增加的电荷量（或流过电阻R的电荷量）

（2）1.6×10-3（1.7~1.8）×10-4F

（3）不变变短充电电流增大

【名师解析】

（1）根据q=It可知在如图乙所示的I－t图像中用阴影标记面积的物理意义是通电0.2s时间内电容增加的电荷量（或流过电阻R的电荷量）。

（2）图乙所示的I－t图像面积表示电容器开始放电时所带的电量q0＝1.6×10-3C。

电容器两端电压U=E，由C=q0/U解得电容器的电容C＝1.8×10-4F。

（3）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积将不变.由于减小电阻R，开始充电时电流增大，充电时间将变短。

2．（9分）（2020东北三省四市二模）某同学欲利用图（a）所示的电路图测量某电容器的电容。

（1）图（a）中电流表A1量程为300μA．为了满足实验需要扩大量程，该同学设计了图（b）所示的电路图。

a．将开关S4断开，闭合S3。

调节R2，使A1和A2读数均为200μA。

b．将开关S4闭合，调节R1和R2，保证A2读数不变，则当A1读数是__μA时，A1与R1并联可以做为600μA的电流表使用。

（2）该同学改表后，开始利用图（a）所示的电路图测量电容器的电容，具体操作如下：

a．按图（a）接好实验电路，在图（c）中将缺失的导线用笔画线补充完整；

b．将图（c）中单刀双掷开关S2接“a”，记下此时电压表读数6.2V；

c．调节图（c）中滑动变阻器的滑片P至阻值最大，将单刀双掷开关S2接“b”同时开始计时，每5s或10s读一次电流表A1（A1的表盘没变）的示数i，记录数据；

d．以i为纵轴、t为横轴，在坐标纸上绘制点，请用平滑曲线在图（d）中画出i—t图线；

e．根据实验结果和图象，估算电容器的电容C=F。

（结果保留2位有效数字）

【参考答案】

（1）b:

100（2分）；

（2）a：

如图所示（3分）

d：

如图所示（2分）

e：

0.68×10－3F（2分）

【命题意图】本题考查利用电流表扩大量程、测量某电容器的电容实验，意在考查利用i—t图线求电容器带电荷量，体现的核心素养是实验探究。

【解题思路】

（1）电流表A1量程为300μA．为了满足实验需要扩大量程，A1与R1并联做为600μA的电流表使用，则R1电阻值等于电流表A1的内阻，通过电流表A1的电流等于通过电阻R1的电流，所以当A1读数是100μA时，A1与R1并联可以做为600μA的电流表使用。

（2）按图（a）在图（c）中将缺失的导线用笔画线补充完整接好实验电路如图。

用平滑曲线在图（d）中画出i—t图线。

实验画出的i—t图线与横轴所围面积等于电容器带电荷量。

图中每小格表示的电荷量为q=25μA×5s=125×10-6C。

电容器带电荷量Q=34q=34×125×10-6C=4.25×10-3C。

由C=Q/U可得估算电容器的电容C=4.25×10-3÷6.2F=0.68×10-3F。

3.（8分）（2020北京海淀三模）利用高电阻放电法研究电容器的充放电，实验是利用高阻值电阻延长充放电时间，绘制电容器充放电电流与时间的i-t图像来研究电容器的充放电规律。

某同学先按图甲所示电路连接好实验电路。

然后继续实验操作如下：

（1）先接通开关S1、S2，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针偏转接近满刻度，记下这时微安表的示数i0=500μA、电压表的示数U0=6.0V，此时电阻箱R的阻值为8.5kΩ，则微安表的内阻为kΩ。

（2）断开开关S2，同时开始计时，每隔5s或10s读一次电流i的值，将测得数据填入预先设计的表格中，根据表格中的数据在坐标纸上标出以时间t为横坐标、电流i为纵坐标的点，如图乙中用“×”表示的点。

请在图乙中描绘出电流随时间变化的图线。

（3）根据图线估算出该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0约为C；（结果保留两位有效数字）

（4）根据公式来计算电容器的电容。

（只要求写出表达式，不要求计算结果）

【参考答案】

（1）3.5

（2）如图。

（3）1.6×10-2C.（4）C=Q0/U0

【名师解析】

（1）由欧姆定律，U0=i0（RA+R），解得微安表的内阻为RA=3.5kΩ。

（2）过尽可能多的点用平滑曲线描绘出电流随时间变化的图线。

（3）图线与横轴所围面积表示该电容器在整个放电过程中放出的电荷量约为Q0=32×50×10×10-6C=1.6×10-2C.

（4）根据公式C=Q0/U0来计算电容器的电容。

4.（8分）（2020年3月山东六地市联考）如图甲所示是一种测量电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法测出电容器充电至电压为U时所带的电荷量Q，从而再求出待测电容器的电容C。

某同学在一次实验时的情况如下：

a．按图甲所示的电路图接好电路；

b．接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使小量程电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数I0=490 μA，电压表的示数U0=8.0V。

c．断开开关S，同时开始计时，每隔5s或10s测读一次电流i的值，将测得数据填入表格，并标示在图乙的坐标纸上（时间t为横坐标，电流i为纵坐标），结果如图中小黑点所示．

（1）在图乙中画出i-t图线．  

（2）图乙中图线与坐标抽所围成面积的物理意义是__________________________。

（3）该电容器电容为_________F（结果保留两位有效数字）。

（4）若某同学实验时把电压表接在E、D两端，则电容的测量值比真实值_________（选填“偏大”“偏小”或“相等”）

【参考答案】

（1）见图

（2）开始放电时，电容器所带电量

（3）

（4）偏小

【名师解析】

（1）过尽可能多的点用平滑曲线在图乙中画出i-t图线．  

（5）

（2）由△q=i△t可知图乙中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是开始放电时，电容器所带电量。

（6）（3）图中每一小格的面积代表电荷量为50μA×5s，数图乙中图线与坐标轴所围成面积的方格数，大于半格的算一格，小于半格的舍弃，得出图乙中图线与坐标轴所围成面积为33小格，开始放电时，电容器所带电量q=33×50μA×5s=8.25×10-3C，由C=q/U可得该电容器电容为C=1.010-3F。

（4）若某同学实验时把电压表接在E、D两端，由于电压表的分量作用，则电流表的读数小于电容器的放电电流，实验得出的i-t图线与横轴所围面积代表的电容器所带电量小于电容器真实所带电量，由C=q/U可知电容的测量值比真实值偏小。

5．（2020北京密云高三一模）．在“观察电容器的充、放电现象”实验中，电路如图９（甲）所示

（１）将开关Ｓ接通１，电容器的（填“上”或“下”）极板带正电，再将Ｓ接通２，通过电流表的电流方向向（填“左”或“右”）

（２）若电源电动势为１０Ｖ，实验中所使用的电容器如图９（乙）所示，充满电后电容器正极板带电量为C（结果保留两位有效数字）

（３）下列关于电容器充电时，电流ｉ与时间ｔ的关系；所带电荷量ｑ与两极板间的电压Ｕ的关系正确的是。

【参考答案】

（1）上；左；

（2）3.3×10-2；（3）AC。

【名师解析】

（1）当开关接通1时，电源上端为正极，故电容器的上极板接正极，故上极板带正电；开磁S接2时，电容器相当一个电源，向外放电，由于它的上极板带正电荷，故放电时的电流方向从电容器的上极板流向电流表，故通过电流表的电流方向向左；

（2）因为电源的电动势为10V，充满电时，电容器的两端电压也是10V，由乙图可知C=3300μF=3.3×10-3F，所以充满电后电容器正极板带电量Q=CU=3.3×10-3F×10V=3.3×10-2C；

（3）电容器充电时，电流刚开始是比较大的，待快充分满后，电流变小，接近0，故选项A正确，B错误；电容器极板间的电荷量由小逐渐增加，到充满时不再增加，故选项C正确，D错误。

6.（2015·海南单科,12，9分）（难度★★★）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100μF）、电阻R1（约200kΩ）、电阻R2（1kΩ）、电压表

（量程6V）、秒表、导线若干．

（1）按图（a）所示的电路原理图将图（b）中实物图连线．

（2）先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，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10s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.

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、R2和S2构成的回路的作用是_________________________________________________________________

_________________________________________________________________.

【名师解析】　

（1）实物连线如图甲所示

（2）电压表的量程为6V，分度值为0.1V，所以读数为3.60V

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

（4）电路中C、R2和S2构成的回路，先闭合开关S2，再断开开关S2，使电容器上所带电荷量释放干净，不影响实验

【参考答案】　

（1）见解析图　

（2）3.60V　

（3）40s　（4）使实验前电容器两极板上的电荷中和

7.利用如图所示的原理电路描绘电容器放电时的I—t图象。

（1）将图示器材连接成实验电路。

（2）若得到如图所示的电容器放电电流图象，则电容器充满电后储存的电荷量q=。

【名师解析】

（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0.2mA×0.4s=0.08mAs=8.0×10-5C，电容器充满电后储存的电荷量q=42×8.0×10-5C=3.36×10-3C.

【参考答案】

（1）连接电路如图。

（2）3.36×10-3C

8.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16V），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：

实验次数

实验步骤

第1次

将电阻R1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。

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

用电阻R2替换R1，重复上述实验步骤

，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同。

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.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____________________________。

【参考答案】

（1）9V，10.0×10-3F

（2）c，两次放电电量相等，图形与t轴围成的面积相等，另由于R2>R1，开关掷向2瞬间放电电流较小。

【名师解析】

（1）由图可知，最大电流im=90mA=0.09A，计算得出最大电压为Um=imR1=0.09×100V=9V，i-t曲线和两坐标轴所围的面积表示电容器的带电量Q=90mA·s，由电容器电容的定义式，C=Q/Um可得：

C=10.0×10-3F。

（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c.判断依据是：

根据

，因第2次实验的最大放电电流小些，故不是b，根据

，因两条曲线分别与坐标轴所围成的面积相等，故不是d而应该是c，所以正确答案是c。