高中 | 观察电容器的充、放电现象 题目答案及解析

稿件来源:高途

高中 | 观察电容器的充、放电现象题目答案及解析如下,仅供参考!

选修3-1

第一章 静电场

1.8 电容器的电容

观察电容器的充、放电现象

某同学用电流传感器和电压传感器研究电容器的放电情况,按图$1$连接电路。实验时,先将开关$\text{S}$与$1$端相连,待电路稳定后,将开关掷向$2$端,传感器将信息传入计算机,屏幕上可以显示出电流、电压随时间变化的$i-t$图线、$u-t$图线。

 

由图$1$可知,传感器$2$应为            传感器(选填“电流”或“电压” );

[["电压"]]

由图$1$可知,传感器$2$并联在电容器两端,所以应该为电压传感器;

计算机屏幕上显示的$i-t$图线可能为图$2$中的            ,$u-t$图线可能为图$2$中的           ;

[["$\\text{B}$","$\\text{D}$"]]

将开关掷向$2$端,电容器开始放电,极板间电压逐渐减小,$u-t$图线可能为图$2$中的$\text{D}$,根据公式:$i=\dfrac{u}{R}$

易知其放电电流也逐渐减小,并且呈非线性减小,$i-t$图线可能为图$2$中的$\text{B}$;

结合屏幕显示的$i-t$图线、$u-t$图线信息,可以估算出       。

$\rm A$$.$电容器的电容                $\rm B$$.$电容器储存的电荷量

[["$\\rm AB$"]]

根据$Q=It$

可知屏幕显示的$i-t$图线与坐标轴围成的面积可估算出极板上放电时储存的电荷量$Q$,从$u-t$图线信息可知开始放电时极板间电压$U$,根据$C=\dfrac{Q}{U}$

可以估算出电容器储存的电荷量和电容器的电容。

某同学利用如图$1$所示电路观察电容器的充放电现象。实验时,电流传感器与计算机相连,可以显示出电流$i$随时间$t$变化关系的图线。

 

为使电源向电容器充电,应将开关$\text{S}$与           (选填“$1$”或“$2$”)端相连;

[["$1$"]]

充电时必须将电容器接电源,故将单刀双掷开关连接$1$;

在对该电容器充电的过程中,充电电流$i$随时间$t$变化关系的图线可能是图中的           ;

[["$\\text{A}$"]]

电容器充电时,随着电荷的增加,由于电容电压升高,所以电流逐渐减小且电流减小得越来越慢,充满电荷之后,电流为零,所以$\text{A}$图正确;

图$3$中的虚线是该电容器在放电过程中电流$i'$随时间$t$变化关系的图线。如果只增大定值电阻${{R}_{0}}$的阻值,不改变电路的其他参数,请在图$3$中定性画出放电电流随时间变化关系的图线,并简要说明理由。

[["

见解析

"]]

电容器带电荷量不变,则图线与时间轴围成的面积不变,因为电阻增大,初始电压不变,则初始电流减小,且放电过程中,电流减小。故由此可作图如图:

 

图为给电容器充电的实验电路图。电源电动势为$E$、内阻不计;电容器的电容为$C$,灯泡的电阻为$R$。将开关闭合,给电容器充电,用$q$表示电容器左侧极板上的电荷量、用$i$表示电路中的电流、用${{U}_{C}}$表示电容器极板间的电压、用${{U}_{R}}$表示灯泡两端的电压。下图中描述充电过程中上述物理量随时间的变化规律,正确的是$(\qquad)$

 

["

","

","

","

"]
[["B"]]

$\text{B}$、充电时刚开始的电流很大,随着时间的延长,电流在变小;由于$i-t$图像与坐标轴围成的面积表示充电电荷量,电流减小,则在相同的时间内$i-t$图像与坐标轴围成的面积减小,则$i-t$图像的斜率减小,当充电完毕时电流为零,故$\text{B}$正确;

$\text{A}$、电容器在充电的过程中,电容器上的电荷量$q=it$,$i$是变化的,所以$q$随时间并不是线性增大的;因为$q-t$图像的斜率是电流的大小,即充电过程中,电流是变化的,故$\text{A}$错误;

$\text{C}$、根据电容的定义式可知$q=CU$,而电容$C$不变,所以电容器两端电压的变化与其极板上电荷量的变化遵循相似的变化规律,电荷量是逐渐变大的,故电容器两端电压也是逐渐变大的,故$\text{C}$错误;

$\text{D}$、因为电容的电压与灯泡的电压之和等于电源的电动势,所以电容器的电压增大时,灯泡的两端电压是逐渐减小的,故$\text{D}$错误。

故选:$\text{B}$。

如图甲所示,在“用传感器观察平行板电容器的放电”实验中,单刀双掷开关先置于$1$位置,待一段时间后,再置于$2$位置,利用电容器放电过程中记录的数据作出的$I-t$图线如图乙所示,已知电源电动势为$E$,$I-t$图线与坐标轴围成的方格数为$n$,方格纸每小格面积代表的电量为$q$。下列说法错误的是$(\qquad)$

 

["

开关置于$2$位置时,电阻$R$上的电流向左

","

电阻$R$越大,电容器放电持续时间越长

","

电容$C$的大小等于$\\dfrac{nq}{E}$

","

电阻$R$的阻值会影响电容$C$大小的测量结果

"]
[["D"]]

$\text{A}$、单刀双掷开关先置于$1$位置时,电容器在充电,上极板带正电,开关置于$2$位置时,电容器放电,电阻$R$上的电流向左,故$\text{A}$正确;

$\text{B}$、电阻$R$越大,电路中的电流越小,而电容器储存的电量一定,所以电阻$R$越大,电容器放电持续时间越长,故$\text{B}$正确;

$\text{C}$、$I-t$图线下面所围的面积表示电量,所以电容器储存的电荷量为$Q=nq$,根据电容的定义式$C=\dfrac{Q}{U}$,可得电容$C$的大小为$C=\dfrac{mq}{E}$,故$\text{C}$正确;

$\text{D}$、电阻$R$的阻值的大小会影响放电时间,不会影响放电量的多少,也就不会影响电容$C$大小的测量结果,故$\text{D}$错误。

本题选错误的选项,故选:$\text{D}$。

利用图甲所示电路研究电容器充放电过程,开关接$1$端后电流传感器$\text{G}$记录电流随时间变化的图像如图乙所示。则电容器电容$C$、极板电荷量$Q$、上极板电势$\varphi $、定值电阻$R$两端电压$U$随时间$t$变化规律正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["B"]]

$\text{A}$、电容器的电容是由电容器本身性质决定的,与是否带电无关,故$\text{A}$错误;

$\text{B}$、极板的电荷量为:$Q=\bar{I}t$,平均电流减小,则$Q-t$图像的斜率减小,最后电流为零时,所带电荷量不变,故$\text{B}$正确;

$\text{C}$、电容器下极板接地,电容器上极板的电势等于上下极板间的电势差,开关接1端后,两极板间电势差逐渐增大,则上极板电势$\varphi $增大,故$\text{C}$错误;

$\text{D}$、定值电阻两端电压:$U=IR$,其中$I$随时间逐渐减小且$I-t$图像的斜率减小,故$U-t$图像的斜率也减小,故$\text{D}$错误。

故选:$\text{B}$。

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,图像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$C$。

 

图甲、图乙为放电法测量电容的两种电路原理图,先开关$\text{S}$与$l$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$I-t$图像,测量出电容器的带电量$Q$。在甲、乙两图中,实验系统误差较大的是           (选填“甲”或“乙”),原因是          对实验的影响,使电容测量值          (选填“偏大”、“偏小”或“不变”);

[["乙","电容器放电时电压表有分流","偏小"]]

在甲、乙两图中,实验系统误差较大的是乙,原因是电容器放电时电压表有分流对实验的影响,使电容器放电量值偏小,则电容测量值偏小;

$DIS$系统软件记录的放电电流$I$随时间$t$变化的图像可能是         ;

A.B.

C.D.

[["$\\text{C}$"]]

电容器放电时,放电电流逐渐减小,且逐渐变慢,则$DIS$系统软件记录的放电电流$I$随时间$t$变化的图像可能是$\text{C}$;

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,如表所示:

 $1$$2$$3$$4$$5$$6$
$U\text{/V}$$10.8$$13.7$$16.8$$20.0$$23.8$$27.0$
$Q/\times {{10}^{^{-4}}}\text{C}$$0.92$$1.20$$1.22$$1.70$$2.08$$2.41$

请根据以上数据,在两图中作出$Q-U$图像,由图像可得该电容器的电容是________$\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ F}$(结果保留两位有效数字);

[["

$8.9$($8.6\\sim 9.0$均可);图像见解析;

"]]

作出$Q-U$图像如图;

 

根据$C=\dfrac{Q}{U}$可知$C=\dfrac{\Delta Q}{\Delta U}=\dfrac{2.50\times {{10}^{-4}}}{28}\text{ F}=8.9\ \text{ }\!\!\mu\!\!\text{ F}$;

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,在方框内作出能改变电容器充电电压的电路原理图;

 

[["

见解析

"]]

能改变电容器充电电压的电路原理图如图

 

该同学在完成电容的测量实验后,把一多用表的选择开关调到欧姆档,正确调零后把红黑表笔同时与电容器的两极接触,请你描述接触后多用表指针的偏转情况           。

[["多用表指针先快速偏大角度,后逐渐回到原位置"]]

两表笔与电容器接触后,电容器先有较大的放电电流,然后逐渐减小,则多用表指针的偏转情况是:多用表指针先快速偏大角度,后逐渐回到原位置。

某学习小组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。某同学先按图甲连接好实验电路。然后继续实验操作如下:

 

①先接通开关${{\text{S}}_{1}}$、${{\text{S}}_{2}}$,调节电阻箱$R$的阻值,当微安表的示数不变时记下电压表的示数${{U}_{0}}=6.0\ \text{V}$

②断开开关${{\text{S}}_{2}}$,同时开始计时,每隔$5\ \text{s}$或$10\ \text{s}$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“$\times $”表示的点。请在图乙中描绘出电流随时间变化的图线;

[["

图示见解析;

"]]

②用一条平滑的曲线连接坐标系中的点,描绘出电流随时间变化的图线如图;

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${{Q}_{0}}$约为           $\text{C}$;(结果保留两位有效数字)

[["$7.5\\times {{10}^{-3}}$"]]

③根据$q=it$可知$i-t$图像与坐标轴围成的面积等于电量,则该电容器在整个放电过程中放出的电荷量${{Q}_{0}}=30\times 5\times 50\times {{10}^{-6}}\ \text{C}=7.5\times {{10}^{-3}}\ \text{C}$;

④根据公式          来计算电容器的电容。(只要求用题中所给字母写出表达式,不要求计算结果)

[["$C=\\dfrac{{{Q}_{0}}}{{{U}_{0}}}$"]]

④根据公式$C=\dfrac{{{Q}_{0}}}{{{U}_{0}}}$来计算电容器的电容。

某同学利用电流传感器研究电容器的放电过程,他按如图$1$所示连接电路。先使开关$\text{S}$接$1$,电容器很快充电完毕.然后将开关掷向$2$,电容器通过$R$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$I-t$曲线如图$2$所示,他进一步研究滑动变阻器的阻值变化对曲线的影响,断开$\text{S}$,先将滑片$P$向右移动一段距离,再重复以上操作,又得到一条$I-t$曲线。关于这条曲线,下列判断正确的是$(\qquad)$

 

["

曲线与坐标轴所围面积将增大

","

曲线与坐标轴所围面积将减小

","

曲线与纵轴交点的位置将向上移动

","

曲线与纵轴交点的位置将向下移动

"]
[["D"]]

$\text{AB}$、$I-t$图线与坐标轴所围成的面积表示电容器放电的电荷量,而电容器的带电量$Q=CE$,没有变化,所以曲线与坐标轴所围面积不变,故$\text{AB}$错误;

$\text{CD}$、将滑片$P$向右移动时,变阻器接入电路的电阻增大,由闭合电路欧姆定律知,将开关掷向$2$时电容器开始放电的电流减小,则曲线与纵轴交点的位置将向下移动,故$\text{C}$错误,$\text{D}$正确。

故选:$\text{D}$。

某实验小组设计了一种测量电容器电容的实验电路如图,其中$E$为两节干电池,$R$为定值电阻$(1\ \text{k }\!\!\Omega\!\!\text{ )}$,双量程电压表$(0\sim 3\ \text{V},0\sim 15\text{V)}$图中未画出。实验过程如下:先闭合开关$\text{S}$,电源给电容器充电,用电压表测出电容器两端的电压$U$。然后断开开关$\text{S}$,电容器对电阻$R$放电,电流传感器将电流信息传入计算机可得到$I-t$图像,通过图像围成的“面积”自动计算出电荷量$Q$,最后根据$U$和$Q$求出电容器的电容$C$。实验中,甲同学将电压表$(0\sim 3\ \text{V})$接在$A$、$B$之间,乙、丙同学分别将电压表$(0\sim 15\ \text{V})$及电压表$(0\sim 3\ \text{V})$接在$D$、$F$之间。若其它操作都符合要求,则甲、乙、丙三位同学的电容测量值${{C}_{甲}}$、${{C}_{乙}}$、${{C}_{丙}}$大小满足的关系是$(\qquad)$

 

["

${{C}_{甲}}\\lt {{C}_{乙}}\\lt {{C}_{丙}}$

","

${{C}_{甲}}\\gt {{C}_{乙}}\\gt {{C}_{丙}}$

","

${{C}_{甲}}\\gt {{C}_{乙}}={{C}_{丙}}$

","

${{C}_{甲}}={{C}_{乙}}\\gt {{C}_{丙}}$

"]
[["B"]]

开关闭合后,电源给电容器充电后,用电压表测出电容器两端的电压$U$,甲、乙、丙三位同学测量位置测得电压值相等;开关断开后,电容器放电,甲同学的操作电容器电荷全部经过了电阻$R$,乙、丙同学的操作有部分电流流过了电压表,电荷没有全部经过电阻$R$;根据电压表改装原理知大量程需要串联更大的电阻分压,所以丙同学的操作流经电压表电荷量比乙同学多。综上所述,三位同学测得流经$R$的电荷量大小关系为:${{Q}_{甲}}\gt {{Q}_{乙}}\gt {{Q}_{丙}}$,测量的电压值相等,根据$C=\dfrac{Q}{U}$得,甲、乙、丙三位同学的电容测量值${{C}_{甲}}$、${{C}_{乙}}$、${{C}_{丙}}$大小关系为${{C}_{甲}}\gt {{C}_{乙}}\gt {{C}_{丙}}$,故$\text{B}$正确,$\text{ACD}$错误。

故选:$\text{B}$。

某兴趣小组利用如图甲所示的电路测定一个电容器的电容,已知定值电阻${{R}_{0}}=100\ \text{ }\!\!\Omega\!\!\text{ }$,在利用计算机软件测出电容器放电时的$I-t$图线和两坐标轴所围的面积;

 

将开关$\text{S}$接通$1$,电容器的           (填“上”或“下”)极板带正电,再将$\text{S}$接通$2$,通过电流传感器的电流方向          (填“向上”或“向下”);

[["下","向上"]]

将开关$\text{S}$接通$1$后电容器与电源连接进行充电,与电源正极相连的极板带正电,则电容器的下极板带正电;

再将$\text{S}$接通$2$,电容器放电,电流从带正电下极板经过电阻和电流传感器到上极板,故通过电流传感器的电流方向向上;

已知图乙的$I-t$曲线和两坐标轴所围的面积为$42.3\ \text{mA}\cdot \text{s}$,则电容器的电容$C=$           ;

[["$4.7\\times {{10}^{3}}\\ \\text{F}$"]]

由图乙可知电容器放电的最大电流${{I}_{\text{m}}}=90\ \text{mA}=0.09\ \text{A}$,则电容器充满电荷时的电压$U={{I}_{\text{m}}}\times {{R}_{0}}=0.09\times 100=9\ \text{V}$,

图乙的$I-t$曲线和两坐标轴所围的面积等于电容器充满电荷时所带的电荷量$Q$,即$Q=42.3\ \text{mA}\cdot \text{s}=0.0423\ \text{C}$,

电容器的电容$C=\dfrac{Q}{U}=\dfrac{0.0423}{9}\ \text{F}=4.7\times {{10}^{3}}\ \text{F}$;

若将定值电阻增大至$2$倍,重复上述实验步骤,则电流随时间变化的$I-t$图线应该是图丙中的虚线           (选填“$b$”“$c$”或“$d$”)。

[["$c$"]]

定值电阻增大至$2$倍,将导致电容器放电时间比原来长,而放出的电荷量不变,即$I-t$曲线和两坐标轴所围的面积不变,故$I-t$图线应该是图丙中的虚线$c$,故选$c$。

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