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实验10：观察电容器的充放电显现【5 年3 考】
类型
角度
考查要素
考查内容
教材实验：观
察电容器的
充、放电现象
I-t 图像(2023 年山西和
2023 山东）
数据处理
电容器放电规律；I-t 图像中曲线与坐标轴所围面积的
意义；根据I-t 图像计算电容器的电荷量
U-t 图像(2023 年福建)
数据处理
电容器充放电规律；U-t 图像中曲线表示的意义；
总结：
（1）类型角度：结合I-t 图像考查电容器充、放电过程曲线物理意义和规律。
（2）考察要素和内容：通过图像考查曲线与坐标轴所围面积的意义，计算电容器的电荷量。
考点1:
基本实验要求
一、实验原理
通过观察连接在回路中的电流表和电压表示数变化，得出电容器充、放电过程的特点。
二、实验器材
直流电源、导线、单刀双掷开关、电容器、定值电阻、电流表(电流传感器)、电压表(电压传感器)。
三、实验步骤
1. 按图连接好电路．
2. 把单刀双掷开关S 掷于1，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中．
3. 将单刀双掷开关S 掷于2，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中．
4. 记录好实验结果，关闭电源．
四、注意事项
1. 连接电路时注意电流表和电压表的正、负极和量程。
2. 对电解电容器也要注意正、负极。
3. 要选择电容较大的电容器。
4. 实验过程要在干燥的环境中进行。
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考点2 数据处理及误差分析
5. 【数据处理】
1.电容器的充电过程
开关S 接1 时，电源给电容器充电，电容器带电量、电压逐渐增大，电流逐渐减小，最后电流为零，如图
甲所示。
2.电容器的放电过程
开关S 接2 时，电容器负极板上负电荷与正极板上正电荷中和，两极板的电荷量逐渐减小，电流逐渐减小，
最后电压也逐渐减为零，如图乙所示。
A. 高考真题感知
1．（2023·福建·统考高考真题）某同学用图（a）所示的电路观察矩形波频率对电容器充放电的影响。所
用器材有：电源、电压传感器、电解电容器C（
，
），定值电阻R（阻值
）、开关S、导
线若干。
（1）电解电容器有正、负电极的区别。根据图（a），将图（b）中的实物连线补充完整 ；
（2）设置电源，让电源输出图（c）所示的矩形波，该矩形波的频率为
；
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（3）闭合开关S，一段时间后，通过电压传感器可观测到电容器两端的电压
随时间周期性变化，结果
如图（d）所示，A、B 为实验图线上的两个点。在B 点时，电容器处于 状态（填“充电”或
“放电”）在 点时（填“A”或“B”），通过电阻R 的电流更大；
（4）保持矩形波的峰值电压不变，调节其频率，测得不同频率下电容器两端的电压随时间变化的情况，
并在坐标纸上作出电容器上最大电压
与频率f 关系图像，如图（e）所示。当
时电容器所带电
荷量的最大值
C（结果保留两位有效数字）；
（5）根据实验结果可知，电容器在充放电过程中，其所带的最大电荷量在频率较低时基本不变，而后随
着频率的增大逐渐减小。
2．（2023·山东·统考高考真题）电容储能已经在电动汽车，风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用。
某同学设计图甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：
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电容器C（额定电压
，电容标识不清）；
电源E（电动势
，内阻不计）；
电阻箱
（阻值
）；
滑动变阻器
（最大阻值
，额定电流
）；
电压表V（量程
，内阻很大）；
发光二极管
，开关
，电流传感器，计算机，导线若干。
回答以下问题：
（1）按照图甲连接电路，闭合开关
，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向 端滑
动（填“a”或“b”）。
（2）调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为 V（保留1 位小数）。
（3）继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为
时，开关
掷向1，得到电容器充电过程的
图像，如图丙所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算
出充电结束后，电容器存储的电荷量为 C（结果保留2 位有效数字）。
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（4）本电路中所使用电容器的电容约为 F（结果保留2 位有效数字）。
（5）电容器充电后，将开关
掷向2，发光二极管 （填“
”或“
”）闪光。
3．（2023·山西·统考高考真题）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、
电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。
（1）用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的 （填“正极”或
“负极”）接触。
（2）某同学设计的实验电路如图（a）所示。先将电阻箱的阻值调为
，将单刀双掷开关S 与“1”端相接，
记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S 再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是
。（填正确答案标号）
A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定
B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定
C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭
（3）将电阻箱的阻值调为
，再次将开关S 与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两
次得到的电流I 随时间t 变化如图（b）中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为 （填“R1”或
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“R2”）时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的 （填“电压”或
“电荷量”）。
B. 限时针对训练
1．另一种无线充电技术是利用电容两个极板的静电耦合实现电能的传输。
（1）在做“观察电容器的充、放电现象”实验时，先将开关S 拨到位置1，一段时间后再拨到位置2。在
此过程中，根据电压传感器与电流传感器测量数据得到的
和
图线可能为 。
A．
B．
C．
D．
（2）将一电容为
的电容器与一电压恒定的电源连接，电容器充电完成后，两极板上的电荷量分别为
和
，则电源电压为 V。
2．心脏除颤器通过一个充电的电容器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，使
心脏完全停止跳动，再刺激心颤患者的心脏恢复正常跳动。现用图甲所示电路观察心脏除颤器中电容器的
充、放电过程。电路中的电流传感器可以捕捉瞬时的电流变化，它与计算机相连，可显示电流随时间的变
化。图甲直流电源电动势
、内阻不计，充电前电容器带电量为零。先使S 与“1”端相连，电源向电
容器充电。充电结束后，使S 与“2”端相连，直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的
曲线如
图乙所示。
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（1）在电容器充电与放电过程中，通过电阻
的电流方向 （选填“相同”或“相反”）。
（2）图像阴影为
曲线图像与对应时间轴所围成的面积，乙图中阴影部分的面积
（选填
“>”、“<”或“=”）。
（3）已知
，则该电容器的电容值为 F。（保留两位有效数字）
（4）由甲、乙两图可判断阻值
（选填“>”或“<”）。
3．电流传感器可以在电脑端记录电流随时间变化的图线，探究实验小组设计了如图甲所示的实验电路，
探究电容器在不同电路中的充放电现象。
（1）第一次探究中先将开关接1，待电路稳定后再接2。探究电容器充电及通过电阻放电的电流规律。
①已知电流从右向左流过电流传感器时，电流为正，则与本次实验相符的I‒t 图像是 。
A．
B．
C．
D．
②从I‒t 图像的面积可以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．若只增大电阻箱R 的阻值，电容器放电的时间将变短
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B．若只增大电阻箱R 的阻值，I‒t 图像的面积将增大
C．在误差允许的范围内，放电和充电图像的面积应大致相等
（2）第二次探究中，该同学先将开关接1 给电容器充电，待电路稳定后再接3，探究LC 振荡电路的电流
变化规律。
③探究实验小组得到的振荡电路电流波形图像，选取了开关接3 之后的LC 振荡电流的部分图像，如图乙
所示，根据图像中记录的坐标信息可知，振荡电路的周期T= s（结果保留两位有效数字）。
④如果使用电动势更大的电源给电容器充电，则LC 振荡电路的频率将 （填“增大”、“减小”或
“不变”）。
⑤已知电源电动势E，测得充电过程I‒t 图像的面积为S，以及振荡电路的周期T，可以得到电感线圈的电
感表达式L= 。（以上物理量的单位均为国际单位制单位）
4．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8.0V，内阻可
以忽略。单刀双掷开关S 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）如果用欧姆表直接连接待测电容器（未充电）两端，观察到指针的偏转情况是 ；
A．偏转角度一直很小
B．偏转角度一直很大
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C．偏转角度逐渐增大
D．偏转角度先很大，再逐渐减小
（2）电容器充电后，开关S 改接2 使电容器进行放电，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R 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”）。
（3）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
μF。
（4）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 （q 为
电容器极板所带的电荷量，
为A，B 两板的电势差）。
A．
B．
C．
D．
5．小姚利用图甲电路观察电容器在充电和放电过程中电流表和电压表示数的变化。实验中电源输出的电
压为8V，图乙实物电路中已完成部分连接。
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（1）用笔画线代替导线，完成剩余部分的电路连接 。
（2）当S 连接1 时，电流表示数 ，电压表示数 （选填“逐渐增大”、“逐渐减小”、
“保持不变”）；S 接1 足够长时间后，电流表示数 （选填“为0”或“不为0”）。
当S 从1 断开后，电流表示数 （选填“逐渐增大”、“逐渐减小”、“为0”），电压表示数
（选填“逐渐增大”、“逐渐减小”、“为0”或“保持不变”）。
（3）图丙所示的电路中，K 与L 间接一智能电源，用以控制电容器C 两端的电压
，如果
随时间的
变化如图丁所示，则下列描述电阻
两端电压
随时间变化的图像中，正确的是 。
A．
B．
C．
D．
6．用图所示电路观察电容器的充、放电现象，现提供如下实验器材：电源E（电动势
，内阻不计）、
电容器C（标称电容
）、电阻箱R（
）、微安表G（量程
，内阻为
）、单刀双
掷开关S 和导线若干。
（1）根据图甲电路在图中用笔画线代替导线将实物电路连接完整 ；
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（2）将开关S 拨至位置1，电容器上极板带 电（选填“正”或“负”）；
（3）充电完毕，将开关S 拨至位置2，根据测得数据作出电路中的电流i 随时间t 变化的图像如图所示，
则电阻箱接入电路的阻值为
；
（4）图丙中曲线与横轴围成的区域共有148 个小格，则电容器电容的测量值为
（结果保留
3 位有效数字）；
（5）根据图丙可作出电容器所带电荷量q 随时间t 变化的图像。某小组两次实验中电阻箱接入电路的阻值
分别为
和
，
，对应的
图像为曲线a 和b。则下列图像中可能正确的是 。
7．（1）如图甲所示是观察电容器充、放电现象的实验装置。实验中使用了电流传感器来采集电流随时间
的变化情况。电源输出电压恒为8V，S 是单刀双掷开关，C 为平行板电容器。当开关S 接1 时平行板电容
器充电，电容器充电完毕后，把开关改接2 进行放电，其放电电流随时间变化关系如图乙所示，由图乙可
估算出电容器开始放电时所带的电荷量q= C（保留2 位有效数字），如果不改变电路其他参数，
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只减小电阻R 的阻值，则放电时间将 （选填“变长”“不变”或“变短”）。
（2）小明想通过研究电容器对电路的影响来练习使用多用电表。老师给他几个密封盒。密封盒表面可看
到一个电容器、一个可调电阻器的旋钮和6 个接线柱（1、2 连接电源，3、4 为可调电阻器两端接线柱，
5、6 为电容器两端接线柱。内部线路已连接完好，在盒外部看不到）。这几个盒子除了电容器的型号不同
外，其余完全相同。小明设计了如图所示电路，在此电路中电容器对电路的影响可等效为一个电阻。并进
行如下操作：
①小明按如图所示方式将电路接在内阻不计的多功能电源上，闭合开关后，用多用电表反复接电容器两端
和电阻器两端进行测量，并不断调节可调电阻器直到两者多用电表示数相同。请判断：在步骤①中，他应
该用多用电表的 （选填“电阻挡”、“直流电流挡”、“直流电压挡”或“交流电压
挡”）。密封盒内可调电阻器和电容器应该是 的（选填“串联”或“并联”）。
②断开开关后，再用多用电表测得此时电阻器的阻值R，即可知电容器的等效电阻
。
③按上述步骤选用几个不同型号已知电容的电容器，测得与其相对应的等效电阻，并把数据填入下表：
电容C/mF
2
4
6
8
等效电阻X/Ω
81
40
27
20
④通过上表数据，他可以绘制X- 线性图像，从而获得电容器的等效电阻与电容的关系。
8．在“观察电容器的充、放电现象”实验中，某研究小组同学按照图甲所示连接电路，并将传感器与计
算机相连。实验时，先将开关S 掷向1，一段时间后，将开关掷向2，传感器将信息传入计算机屏幕上，显
示出电流或电压随时间变化的图线。
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（1）由电路图可知，传感器1 应为 ，传感器2 应为 。
A．电流传感器 B．电压传感器 C．温度传感器 D．压力传感器
（2）用U 表示电容器两端的电压，I 表示电路中的电流，当开关掷向1 后的一段时间里，下列图像正确的
有 。
A．
B．
C．
D．
（3）开关掷向2 后，通过R 的电流方向为 （填“向上””或“向下”）。
（4）若电源电动势为2V，开关掷向2 后，通过R 的电流大小的变化图像如图乙所示，则该电容器的电容
为 F。（结果保留两位有效数字）
9．某小组利用如图甲所示装置进行“观察电容器的充、放电现象”实验，将开关S 掷到1，给电容器充电，
然后将开关S 掷向2，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
图象，如图乙所示。
（1）图乙中阴影部分的面积表示 。
A．0.1 s 内回路消耗的电能
B．0.1 s 内通过电阻R 的电荷量
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C．0.1 s 内电容器两端电压变化量
（2）若将图甲电路中的电阻用阻值更大一些的电阻代替，其他保持不变，则电容器的放电时间
（填“变长”“不变”或“变短”）。
10．某实验小组利用如图1 所示的电路来观察电容器充、放电现象。已知电流从电表的“+”接线柱流入时，
指针向右偏转，反之向左偏转；电解电容器的长脚接电源正极，短脚接电源负极，实验室里部分器材如下：
A．电解电容器C（3000 μF，25 V）
B．电阻箱R（0~999.9 Ω）
C．定值电阻
（阻值约1.5 kΩ）
D．直流电压表V（3 V，内阻约3 kΩ）
E．灵敏电流计G（±300 μA，100 Ω）
F．学生电源
G．单刀双掷开关
H．导线若干
（1）为了使电流计的量程扩大到±3 mA，则应将电阻箱阻值调为 Ω 后与电流计并联（结果保
留3 位有效数字）。
（2）按电路图连接好电路，如图2，导线1 的另一端应与电容器的 （选填“a”或“b”）连接。
（3）接好电路，为观察电容器C 放电时的现象，将电源电动势调至4 V 后，应将单刀双掷开关S 接
（选填“A”或“B”）给电容器充电。一段时间后将单刀双掷开关接另一接线柱，让电容器放电，由计算机
得到电容器放电时流过改装后的电流表的电流I 随时间t 的变化曲线如图3，且由计算机识别知
图像面
积为9300 μA·s，则充电结束后电容器两端的电压约为 V（结果保留2 位有效数字）。
11．某同学在实验室发现一只电压标称为10V、电容标称模糊的电容器，现他找了以下器材来测该电容器
的电容值。
蓄电池：20V，内阻可不计
电压表：12V， 内阻很大
定值电阻有三只：10Ω；50Ω；100Ω
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滑动变阻器：标称为“30V， 50Ω”
一只单刀单掷开关：S1
一只单刀双掷开关：S2
一台数字电流计，可接电子显示屏，显示电流随时间的变化过程
实验操作步骤如下：
（1）该同学按图1 所示电路图进行组装电路，则定值电阻R1阻值应选 Ω。
（2）他先闭合开关S1，S2刀片掷于 ，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4V。然后，
他把S2刀片掷于 ，在电子显示屏上得到如图2 中的甲曲线。
（3）利用单位面积法算得I-t 图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.04mA·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。
（4）接着，他以同样的操作步骤，重新调节滑动变阻器R2，在电子显示屏上得到如图2 中的乙曲线，则
稳定时电压表读数为 V。（保留两位有效数字）
12．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6.0V，内阻可
以忽略。单刀双掷开关S 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S 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，图中用阴影标记的狭长矩形的面积的物理意义是 。如果不改变电路其他参数，只
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减小电阻R 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）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 （q
为电容器极板所带的电荷量，
为A、B 两板的电势差）。
A． B． C． D．
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