（北京專用）2020版高考物理總復(fù)習(xí) 第九章 第6講 實(shí)驗(yàn)：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象精練（含解析）

第6講　實(shí)驗(yàn):觀察電容器的充、放電現(xiàn)象 A組　基礎(chǔ)鞏固 1.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。先使開關(guān)S與1端相連,電源向電容器充電;然后把開關(guān)S擲向2端,電容器放電。與電流傳感器相連接的計算機(jī)所記錄這一過程中電流隨時間變化的I-t曲線如圖乙所示。下列關(guān)于這一過程的分析,正確的是(　　) A.在形成電流曲線1的過程中,電容器兩極板間電壓逐漸減小 B.在形成電流曲線2的過程中,電容器的電容逐漸減小 C.曲線1與橫軸所圍面積等于曲線2與橫軸所圍面積 D.S接1端,只要時間足夠長,電容器兩極板間的電壓就能大于電源電動勢E 答案　C　由于形成電流曲線1的過程是電容器的充電過程,形成電流曲線2的過程是電容器的放電過程,形成電流曲線1的過程中,電容器兩極板間電壓會隨著充電電荷量的增加而逐漸增大,A錯誤;由于電容器的電容是不隨電壓、電流的變化而變化的,故B錯誤;曲線1與橫軸所圍面積是充電的電荷量,曲線2與橫軸所圍面積就是放電的電荷量,由于充電電荷量等于放電電荷量,故C正確;當(dāng)S接1端時,無論時間多么長,電容器兩極板間的電壓都不可能大于電源電動勢E,故D錯誤。 2.利用如圖乙所示的電路圖原理描繪電容器放電時的I-t圖像。 　　(1)將圖甲所示器材連接成實(shí)驗(yàn)電路。 (2)若得到如圖丙所示的電容器放電電流圖像,則電容器充滿電后儲存的電荷量q=　　。  答案　(1)連接電路如圖。 　　(2)3.36×10-3 C 解析　(1)按照題給的電路圖連接線路。注意電流表極性和電解電容器極性。 (2)電容器放電電流圖象與橫軸所圍面積中包含42個小方格,每個小方格面積為0.2 mA×0.4 s=0.08 mAs=8.0×10-5 C,電容器充滿電后儲存的電荷量q=42×8.0×10-5 C =3.36×10-3 C。 3.某同學(xué)利用圖(a)所示電路測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化。實(shí)驗(yàn)中使用的器材為:電池E(內(nèi)阻很小)、開關(guān)S1和S2、電容器C(約100 μF)、電阻R1(約200 kΩ)、電阻R2(1 kΩ)、電壓表(量程6 V)、秒表、導(dǎo)線若干。 　　(1)按圖(a)所示的電路原理圖將圖(b)中實(shí)物圖連接起來。 　　(2)先閉合開關(guān)S2,再斷開開關(guān)S2;閉合開關(guān)S1,同時按下秒表開始計時.若某時刻電壓表的示數(shù)如圖(c)所示,電壓表的讀數(shù)為　　　　V(保留2位小數(shù))。  　　(3)該同學(xué)每隔10 s記錄一次電壓表的讀數(shù)U,記錄的數(shù)據(jù)如表所示。在給出的坐標(biāo)紙上繪出U-t圖線。已知只有一個數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差較大,該數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的表中的時間是　　　　s。  時間t/s 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 電壓U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18 　　(4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路的作用是 　。  答案　(1)見解析圖　(2)3.60　(3)40.0 (4)使實(shí)驗(yàn)前電容器兩極板上的電荷中和 解析　(1)實(shí)物圖連線如圖所示 　　(2)電壓表的量程為6 V,分度值為0.1 V,所以讀數(shù)為3.60 V。 (3)從數(shù)據(jù)中可得出,電壓表示數(shù)變化得越來越慢,而從40 s到50 s之間數(shù)據(jù)變化又突然快了,所以該數(shù)據(jù)對應(yīng)表中的時間為40.0。 (4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路,先閉合開關(guān)S2,再斷開開關(guān)S2,使電容器上所帶電荷釋放干凈,不影響實(shí)驗(yàn)。 B組　綜合提能 1.(2018東城二模)在測定電容器電容值的實(shí)驗(yàn)中,將電容器、電壓傳感器、阻值為3 kΩ 的電阻R、電源、單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示電路圖進(jìn)行連接。先使開關(guān)S與1端相連,電源向電容器充電,充電完畢后把開關(guān)S擲向2端,電容器放電,直至放電完畢。實(shí)驗(yàn)得到的與電壓傳感器相連接的計算機(jī)所記錄的電壓隨時間變化的u-t曲線如圖乙所示,圖丙為由計算機(jī)對圖乙進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后記錄了“峰值”及曲線與時間軸所圍“面積”的圖。 甲 乙 丙 (1)根據(jù)圖甲所示的電路,觀察圖乙可知:充電電流與放電電流方向　　　　　　(選填“相同”或“相反”),大小都隨時間　　　　　　　(選填“增加”或“減小”);  (2)該電容器的電容為　　　　F;(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)  (3)某同學(xué)認(rèn)為:仍利用上述裝置,將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端,也可以測出電容器的電容值。請你分析并說明該同學(xué)的說法是否正確。 答案　(1)相反　減小 (2)1.0×10-2 (3)見解析 解析　(1)從圖像就可以看出,充電和放電過程的電流方向是相反的,電流大小都隨著時間減小。 (2)由Q=It=UR·t可知將圖中曲線與時間軸所圍面積數(shù)值除以電阻值,就可以得到電荷量Q,再由C=QU即可求得電容。 (3)正確。因?yàn)楫?dāng)開關(guān)S與2連接,電容器放電的過程中,電容器C與電阻R上的電壓大小相等,所以通過對放電曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值Um”及曲線與時間軸所圍“面積S”,仍可應(yīng)用C=QU=SRUm計算電容。 2.用下列器材測量電容器的電容: 一塊多用電表,一臺直流穩(wěn)壓電源,一個待測電容器(額定電壓16 V),定值電阻R1=100 Ω,定值電阻R2=150 Ω,電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī),單刀雙擲開關(guān)S,導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)過程如下: 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 實(shí)驗(yàn)步驟 第1次 ①將電阻R1等器材按照圖甲正確連接電路,將開關(guān)S與1端連接,電源向電容器充電 ②將開關(guān)S擲向2端,測得電流隨時間變化的i-t曲線如圖乙中的實(shí)線a所示 第2次 ③用電阻R2替換R1,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟①②,測得電流隨時間變化的i-t曲線如圖丙中的某條虛線所示 說明:兩次實(shí)驗(yàn)中電源輸出的直流電壓恒定且相等 　　請完成下列問題: (1)第1次實(shí)驗(yàn)中,電阻R1兩端的最大電壓Um=　V。  利用計算機(jī)軟件測得i-t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積為90 mA·s,已知電容器放電時其內(nèi)阻可以忽略不計,則電容器的電容為C=　　　　F。  (2)第2次實(shí)驗(yàn)中,電流隨時間變化的i-t曲線應(yīng)該是圖丁中的虛線　　　　(選填“b”“c”或“d”),判斷依據(jù)是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  答案　(1)9　10.0×10-3　 (2)c　兩次放電電量相等,圖線與t軸圍成的面積相等,另由于R2>R1,開關(guān)擲向2瞬間放電電流較小 解析　(1)由圖可知,最大電流Im=90 mA=0.09 A,計算得出最大電壓為Um=ImR1=0.09×100 V=9 V,i-t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積表示電容器的帶電量Q=90 mA·s,由電容器電容的定義式,C=Q/Um可得:C=10.0×10-3 F。 (2)第2次實(shí)驗(yàn)中,電流隨時間變化的i-t曲線應(yīng)該是圖丁中的虛線c。判斷依據(jù)是:根據(jù)im=UmR,因第2次實(shí)驗(yàn)的最大放電電流小些,故不是b,根據(jù)Qm=CUm,因兩條曲線分別與坐標(biāo)軸所圍成的面積相等,故不是d而應(yīng)該是c,所以正確答案是c。 7