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2024 年高考物理一轮大单元综合复习导学练
专题48 实验观察电容器的充放电现象
导练目标
导练内容
目标1
教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理
目标2
新高考的改进创新实验
【知识导学与典例导练】
一、教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理
1.实验原理
（1）电容器充电:电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程,如图甲。
（2）电容器放电:用导线将充好电的电容器的两极板相连,使两极板的异种电荷中和的过程,如图乙。
（3）电容器充放电时的能量转化:充电后,电容器储存了电能。放电时,储存的电能释放出来,转化为其他形
式的能。
2.实验操作
（1）电容器的充电：开关S 合向1,电容器充电。
现象:
①白炽灯开始较亮,逐步变暗。
②
的读数由大变小。
③
的读数变大。
④最后
的大小等于0,
的大小等于电源电压。
⑤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
1
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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,电荷不再定向移动,
电流为0,灯不亮。
（2）电容器的放电：开关S 合向2,电容放电。
现象:
①开始灯较亮,逐渐变暗,直至熄灭。
②
开始较大,逐渐变小,电流方向与充电方向相反,直至指示为0。
③开始
指示为电源电压,逐渐减小,直至为0。
④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。
⑤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。
3.分析与论证
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,则电路中就没有电流流过。电路中的平均电流为I= Δq
Δt
。
【例1】在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图1 所示连接电路．电源电动势为
，内
阻可以忽略．单刀双郑开关
先跟2 相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2．实验中使用
了电流传感器来采集电流随时间的变化情况．
（1）开关
改接2 后，电容器进行的是 （选填“充电”或“放电”）过程．此过程得到的
图像如图2 所示．如果不改变电路其他参数，只减小电阻
的阻值，则此过程的
曲线与坐标轴所围成
的面积将 （选填“减小”、“不变”或“增大”）．
2
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（2）若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量
，则该电容器的电容为
（3）关于电容器在整个充、放电过程中的
图像和
图像的大致形状，可能正确的有
（
为电容器极板所带的电荷量，
为
两板的电势差）．
A．
B．
C．
D．
二、新高考的改进创新实验
【例2】某同学利用电流传感器探究电容器的对电感和电阻的放电情况。电路图如图甲所示，电流传感器
可以在电脑端记录电流随时间变化的图线。
（1）第一次探究中该同学先将开关投掷1，待电路稳定后再掷向3，得到的电流图像如图乙所示，该同学
从
图像的面积（小格子的个数）计算得出电容器电荷量的大小。关于本次实验探究，下列判断正确的
是( )
A．若已知电源电动势，可知该电容器的电容
3
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B．若只增大电阻箱R 的阻值，电容器放电的时间将变短
C．电阻R 增加，
图像的面积将增大
D．电容器在放电过程中，两端电压保持不变
（2）第二次探究中，该同学先将开关掷向1，待电路稳定后再掷向2，探究LC 振荡电路的规律。
①若将电源的电动势增大，则LC 振荡电路的频率将 （填“增大”、“减小”或“不变”）
②若已知电容C，并测得电路的固有振荡周期为T，即可求得电感L，为了提高测量精度，需多次改变C 值
并测得相应的T 值，现将测得的六组数据标示在以C 为横坐标，
为纵坐标的坐标纸上，如图中用“•”
表示作图点。
③根据图中给出的数据点作出
与C 的关系图线；
④求得L 的值是 H。
【综合提升专练】
1．某兴趣小组利用电流传感器测量某一电容器的电容。电流传感器的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电
流变化，将它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的I-t 图像。实验电路如图（a）所示，电源电动
势和内阻的标称值分别为E 和r。
（1）将电阻箱阻值调为R1。
（2）闭合开关，电源向电容器充电，直至充电完毕，得到I-t 图像如图（b）所示，数出图像与坐标轴所围
格子数为35，此时电容器所带的电荷量
C（结果保留2 位有效数字），电容器两端电压
（用E、r 和R1表示）。
（3）改变电阻箱接入电路的阻值，重复前面两个步骤，得到多组对应的电阻箱阻值R 和电容器所带的电
4
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荷量q。
（4）经过讨论，利用所得数据绘制图像如图（c），所绘图像应为 。
A．
图 B．
图 C．
图 D．
图
（5）若实验时电源实际电动势和内阻均大于标称值，利用图（c）（图中a、b 均为已知量）所得电容器的
电容 其真实值。（填“大于”、“小于”或“等于”）
2．在测定电容器电容的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为
的电阻
、电源、单刀双掷开关按
如图甲所示的电路图进行连接，先使开关与1 相连，电源给电容器充电，充电完毕后把开关掷向2，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图线如图
乙所示，计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及图线与时间轴所围“面积”等信息。
（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“增大”或“减小”）。
（2）该电容器的电容为
。（结果保留三位有效数字）
（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想法是否正确。
答： 。
3．利用DIS 电流传感器可以测量电容器的电容。让充电后的电容器通过大电阻R 放电，电流传感器A 与计
算机连接，记录放电电流I 随时间t 变化的图像如图甲所示，图线与坐标轴围成的面积，数值上等于电容器
的带电量Q（可用DIS 系统软件计算），Q 与充电电压U 的比值即为电容器的电容C。
5
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(1)图乙、图丙为放电法测量电容的两种电路原理图，先使开关S 与1 端相连，充电结束后，读出电压表的
示数。然后把开关掷向2 端，记录
图像，测量出电容器的带电量Q。在乙、丙两图中，实验误差较大
的是 ；对实验的影响，使电容测量值 （选填“偏大”、“偏小”或“不变”）；
(2)某同学选择了正确的实验电路图，经过实验操作获得了多组数据，如下表所示：
1
2
3
4
5
6
U/V
10.8
13.7
16.8
20.0
23.8
27.0
Q/
C
0.92
1.20
1.22
1.70
2.08
2.41
请根据以上数据，在丁图中作出
图像 ，由图像可得该电容器的电容
（结果保留
两位有效数字）。
(3)该同学是通过滑动变阻器来改变电容器的充电电压的，请结合上述电路原理图加入滑动变阻器，滑动变
阻器应 （选填“限流”、“分压”）接入回路。
4．电容器随着电子信息技术的日新月异，数码电子产品的更新换代速度越来越快，以平板电视（LCD 和
PDP）、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长，带动了电容器产业增长。
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。如甲图所示是观察电容器的充、
放电现象的实验装置。电源的电动势
，S 是单刀双掷开关，G 为灵敏电流计，C 为平行板电容器。
（1）当开关S 接 时（选填“1”或“2”）平行板电容器放电，流经灵敏电流计的电流方向与充电时
（选填“相同”或“相反”）。
6
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（2）充电过程中，电源中非静电力做功的功率 ，电源内损耗的功率 ，电容器的储电功率功
率 （均选填“增大”、“减小”、“不变”、“先增大后减小”或“先减小后增大”）
（3）将灵敏电流计换成电流传感器，电流传感器可以把电容器放电电流随时间变化规律描绘出来，一个
电容器先把它接到电动势为8V 的电源上充满电。然后通过电流传感器放电，放电过程其电流随时间变化
图像如图乙所示。已知图像与时间轴所围的面积约为40 个方格，可估算出该电容器的电容
F。
（4）根据图乙，请在答题纸上画出放电过程电容器两端电压U 随时间t 变化的图像。( )
（5）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，放电时
曲线与横轴所围成的面积将 （选填“增
大”、“不变”或“变小”）；放电时间将 （选填“变长”、“不变”或“变短”）。
5．如图所示，图甲是利用传感器在计算机上观察电容器充放电过程的电路原理图，图乙、丙分别是实验
中得到的
图像和
图像，根据图中信息，回答下列问题：
（1）按图甲正确连接电路后，先将开关K 拨至a 端，电容器 （填“充电、放电”），然后将开
关K 拨至b 端，电容器 （填“充电、放电”）。
（2）根据图乙，可知电容器充电过程中，电容器两板间的电压逐渐 （填“变大、不变、变
小”），电路中的电流逐渐 （填“变大、不变、变小”）；电容器放电的过程中，电容器两板间
的电压逐渐 （填“变大、不变、变小”），电路中的电流逐渐 （填“变大、不变、
变小”）。
（3）改变电源电压，重复上述实验，得到多组
和
图像。根据所学知识判断，图乙中的阴影部分
“面积”S 与图丙中的纵坐标值U 的比值 （填“变大、不变、变小”）
6．“行知”实验小组测量电容器的电容的实验器材有：直流稳压电源、待测电容器、定值电阻R1=120Ω、
定值电阻R2=80Ω、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。
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（1）实验小组的同学将定值电阻R1等器材按图甲连接电路后，将开关S 与1 端闭合，电容器进行的是
（填“充电”或“放电”）过程。
（2）将开关S 与1 端断开并与2 端闭合，测得的电流随时间变化的i—t 曲线如图乙所示，则电容器充满电
时，电容器两极板间的电压为 V。
（3）利用计算机软件测得乙图中i-t 曲线与两坐标轴所围的面积为48mA·s，则电容器的电容为 μF。
（4）用R₂ 替换R₁ 后，重复上述实验步骤，测得的电流随时间变化的i—t 曲线如图丙中的某条虚线所示，
则应是图丙中的 （填“b”、“c”或“d”）。
7．某同学用传感器做“观察电容器的充、放电现象”实验，采用的实验电路如图所示。
（1）将开关先与“1”端闭合，电容器进行 （选填“充电”或“放电”），稍后再将开关与“2”端闭
合，电容器进行 （选填“充电”或“放电”）。
（2）在下列四个图像中表示以上过程，通过传感器的电流随时间变化的图像为 ，电容器两极板间
的电压随时间变化的图像为 。（填选项对应的字母）
A．
B．
C．
D．
（3）心脏除颤器的工作原理是用较强的脉冲电流通过心脏，以消除心律失常，使之恢复窦性心律的方法，
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称为电击除颤。工作时向心脏除颤器的储能电容器充电，使电容器获得一定的储能，对心颤患者皮肤上的
两个电极板放电，让一部分电荷通过心脏，刺激心颤患者的心脏恢复正常跳动。如图是一次心脏除颤器的
模拟治疗，该心脏除颤器的电容器电容为
，充电至
电压，放电结束时电容器两极板间
的电势差减为零，这次放电有 C 的电荷量通过人体组织。
8．（1）如图所示为“研究影响平行板电容器电容的因素”的实验装置，以下说法正确的是( )
A．A 板与静电计的指针带的是异种电荷
B．甲图中将B 板上移，静电计的指针偏角减小
C．乙图中将B 板左移，静电计的指针偏角不变
D．丙图中将电介质插入两板之间，静电计的指针偏角减小
（2）利用如图甲所示电路观察电容器的充、放电现象，电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，直流电
源电动势9V，内阻可忽略，实验过程中屏幕上显示出电流随时间变化的I-t 图像如图乙所示。
①关于电容器充电过程中电容器两极间电压U、电容器所带电荷量Q 随时间t 变化的图像，下面四个图像
中，正确的是 。
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②如果不改变电路其他参数，只减小电阻
，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”）。
③电容器充电后就储存了能量，某同学研究电容器储存的能量E 与电容器的电容C、电荷量Q 及电容器两
极间电压U 之间的关系。他从等效的思想出发，认为电容器储存的能量等于把电荷从一个极板搬运到另一
个极板过程中克服电场力所做的功。为此他做出电容器两极间的电压U 随电荷量Q 变化的图像如图所示。
按他的想法，下列说法正确的是 。
A．
图线的斜率越大，电容C 越大
B．搬运Δq 的电量，克服电场力所做的功近似等于Δq 上方小矩形的面积
C．对同一电容器，电容器储存的能量E 与两极间电压U 成正比
D．若电容器电荷量为Q 时储存的能量为E，则电容器电荷量为
时储存的能量为
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