（天津专用）2020届高考物理一轮复习 实验课10 观察电容器的充、放电现象课件 新人教版

实验课10观察电容器的充、放电现象-2-一、实验目的1.通过传感器结合计算机观察电容器的充、放电现象。2.掌握应用计算机及传感器采集数据信息。二、实验原理电流传感器是采用霍尔元件测量电路中的电流及其变化规律,并借助于计算将电流及其变化规律显现出来。因此可以将电流传感器与计算机相连,能在几秒钟时间内画出电流随时间变化的图像。-3-实验电路设计如图所示。观察电容器充电的电路图观察电容器放电的电路图-4-三、实验器材电流传感器、电子计算机、定值电阻R、直流稳压电源,耐压10V以上电容50μF的电解电容器、单刀双掷开关、单刀开关、导线、电源8V等。-5-四、实验步骤1.观察电容器充电现象(1)按照“观察电容器充电的电路图”连接好电路。(2)闭合开关,给电容器充电。(3)根据传感器传递给电子计算机的电流信息,通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像,仔细观察I-t图像,可以分析出电容器充电时电流随时间变化的规律(如图所示)。-6-2.观察电容器放电现象(1)按照“观察电容器放电的电路图”连接好电路。(2)先将开关S扳向1,给电容器充电完毕后,将开关扳向2,电容器将通过电阻R放电。(3)根据传感器传递给电子计算机的放电电流信息,通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像,仔细观察I-t图像,可以分析出电容器放电时电流随时间变化的规律(如图所示)。-7-五、实验数据处理若实验电路中直流电源电压为8V。1.在图中画出一个如图所示竖立的狭长矩形(Δt很小),它的面积的物理意义表示在Δt时间内通过电流传感器的电荷量。整个图像与横轴所围的面积的物理意义是整个充电或放电时间内通过电流传感器的电荷量,也等于充满电后或放电开始时电容器极板上的电荷量。-8-2.估算电容器充电或放电过程中电荷量的方法是:先算出一个小方格代表的电荷量,然后数出整个图像与横轴所围的面积中的方格数(大于半个的按一个方格计算,小于半个的舍弃。则电容器充电或放电过程中电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数。3.电容器两极板之间的电压等于电源电动势,由电容器定义式估算出电容器的电容C。六、实验误差分析本实验中的误差来源主要取决于电流传感器的灵敏度与计算机数据收集处理软件的准确性。C=QU-9-考向1考向2考向3实验原理与操作例1(2018·山东日照期中)小明同学想根据学习的知识,估测一个电容器的电容。他从实验室找到8V的稳压直流电源、单刀双掷开关、电流传感器(与电脑相连,能描绘出电流i随时间t变化的图线)、定值电阻和导线若干,连成如图甲所示的电路。实验过程如下,完成相应的填空。甲乙-10-考向1考向2考向3(1)先使开关S与1端相连,电源给电容器充电(充满);(2)开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流。流过电阻R的电流方向为(选填“从右向左”或“从左向右”);(3)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曲线如图乙所示;(4)根据图像估算出电容器在全部放电过程中释放的电荷量为C;(5)根据前面的信息估算出该电容器的电容为F。(所有结果均保留两位有效数字)-11-考向1考向2考向3解析(2)由题图可知,充电后电容器上端为正极,开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流。流过电阻R的电流方向从右向左;(5)根据图像的含义,因Q=It,所以竖直狭长矩形的面积表示为在0.1s内电容器的放电量;根据横轴与纵轴的数据可知,一个格子的电量为0.08×10-3C,由大于半格算一个,小于半格舍去,因此图像所包含的格子个数为32,所以释放的电荷量是q=0.08×10-3C×32=2.56×10-3C,故求得的C=𝑄𝑈=2.56×10-38F=3.2×10-4F。答案(2)从右向左(5)3.2×10-4-12-考向1考向2考向3实验数据处理与误差分析例2(2019·重庆期中)下图甲是一种测量电容器电容的实验电路图,实验是通过对高阻值电阻放电,用电流传感器记录电流随时间的变化图线,进而测出电容器充电至电压U时所带电荷量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.按图甲所示电路图接好电路;B.接通开关S,调节电阻箱R的阻值,记下此时电流传感器的示数I0=500μA,电压表的示数U0=8.0V,I0、U0分别是电容器放电时的初始电流和电压;C.断开开关S,利用计算机和电流传感器,记录下电流随时间的变化关系,结果如图乙所示。-13-考向1考向2考向3甲乙(1)实验中电阻箱所接入阻值为R=Ω;(2)由上述i-t图像求出该电容器的放电总电荷量C(结果保留两位有效数字);(3)该电容器电容为F(结果保留两位有效数字)。-14-考向1考向2考向3解析(1)根据部分电路欧姆定律R=𝑈𝐼=8500×10-6Ω=1.6×104Ω;(2)根据图像的含义,因Q=It,所以竖直狭长矩形的面积表示为在0.1s内电容器的放电量;根据横轴与纵轴的数据可知,一个格子的电量为15×10-6C,由大于半格算一个,小于半格舍去,因此图像所包含的格子个数为41,所以释放的电荷量是q=15×10-6C×41≈6.2×10-4C;(3)根据电容器的电容C=𝑄𝑈可知,C=6.2×10-48F≈7.8×10-5F。答案(1)1.6×104(2)6.2×10-4(3)7.8×10-5-15-考向1考向2考向3实验探究拓展例3某课外兴趣小组设计了一个测定电容器电容的实验方案,其实验原理如图甲所示,E为电池组、C为待测电容器、G为检流计(可测微弱电流)、R'为滑动变阻器、R是定值电阻、V是电压表、S'为开关、S为开关。实验步骤如下:-16-考向1考向2考向3按图连接电路;A.闭合S',调节滑动变阻器,使电压表示数为某确定值;B.闭合S,给电容器充电,当电容器两端电压稳定时,记下此时的电压表读数UC及检流计示数iC;C.断开S和S',同时开始计时,每隔5s读取并记录一次电流值,直到电流为零;D.以放电电流为纵坐标、放电时间为横坐标,作出iC-t图像;E.改变UC的值,重复上述步骤(除A以外);F.整理器材。-17-考向1考向2考向3(1)S'、S闭合前滑动变阻器滑片应调到(选填“a”或“b”)端。(2)闭合S后电压表示数变化应该是(选填“变大”或“变小”)。(3)现有本实验可供选择的待测电容器C1(约0.6×103pF)、C2(约0.6×102μF)、C3(约1×103μF)和定值电阻R1(50Ω)、R2(1000Ω)、R3(10kΩ),为保证足够的放电时间,电容器应该选,定值电阻应该选(填代号)。(4)图乙是本次实验当UC=2.5V时描出的iC-t图像,由图可求得所测电容器电容C=μF(取一位有效数字)。-18-考向1考向2考向3解析(1)由题图可知,滑动变阻器是分压式接入电路,因此当S'、S闭合前滑动变阻器滑片应调到a处,使得所测电路的电压为零,从而确保安全;(2)闭合S后,接入电阻与滑动变阻器并联,导致总电阻减小,则总电流增大,那么电压表两端的电压会变小;(3)因电容器电容大在相同电压下储存电量足够多,放电回路电阻大放电电流足够小,有利于保证足够的放电时间,故选C3和R3;(4)由iC-t图像,可知,Q=29×100×10-3C=2.9C;根据C=𝑄𝑈可知,C=2.92.5F=1.16F=1.16×103μF≈1×103μF。答案(1)a(2)变小(3)C3R3(4)1×103