电容器充放电实验演示仪

电容器的充电放电演示器
一．教材对电容器的充电放电的讲解，
二．实验的改进
1.实验原理图
2.实验的改进
(1)在充电电路上加装钟表1，可以间接显示电容器正在充电。

(2)将放电电路中的灵敏电流表改为钟表2，钟表2 走的刻度可代表放电量的多少。

(3)电容C 采用可拆解装置，可研究不同电容器储存电量多少。

3.实验步骤
（1）.闭合开关a，通过钟表1可以显示电容处于充电状态，
（2）.再闭合开关b，钟表2秒针走的刻度数可表示放电量的多少。

（3）.换用不同规格的电容重复步骤1和步骤2，钟表2走的刻度数不一样，这样可以定量探究充电电压U一定时，电容器的带电量Q与电容C的关系。

电容器充放电过程中电流与电压变化规律演示器◆赵平电容器的充放电过程是电容器工作的最基本的过程。

在此过程中，电路中的电流i c和电压u o是瞬态变化量，是摸不着，看不到的。

我在多年的教学实践中，经过多次的实验、改进，终于做成了“电容器充放电过程中电流与电压变化规律演示器”。

该演示器能用电流表，发光二极管的亮暗显示充放电过程电流的变化规律；用电压表的示数显示电路中电容器两极板间电压的变化规律。

这样就把抽象的概念，变成了形象直观的过程。

演示器的电原理图如图1所示。

本演示器电路由直流电压E，转换开关S，电位器W，微安电流G，发光二极管LED1、LED2，电容器C和电压表V组成。

电路的工作过程1.充电过程当开关与位置“1”接通的瞬间，电路进行充电过程，电流的流向为：电源E正极流出，“1”点开关，电位器W电流表，LED1电空器流回电源负极。

充电电流开始最大电流表的指针向右摆至最大位置，发光二极管LED1最亮，电压表的指针由零逐渐加大；随着时间的推移充电电流逐渐减小，电流表的指针向左偏，发光二极管LED1逐渐变暗，电压表的指数逐渐加大；最后充电电流几乎为零，发光二极管完全变暗，电压表的指数达到最大值，几乎等于电源电动势。

整个充电过程中LED2是不亮的。

2.放电过程当开关与位置“2”接通是进行放电过程。

其电流的流向为：电容器C的正极，LED2电流表电位器W 开关，“2”电容器负极。

放电电流的方向与充电电流方向相反。

放电开始瞬间，电流最大，电流表的指针向左摆至最大，发光二极管LED2最亮，电压表的指针由最大值（电源电动势）开始减小；随着时间的推移，放电电流逐渐减小，电流表的指针向右偏，发光二极管逐渐变暗，电压表的指数减小，最后电流表的指数几乎为零，LED2完全熄灭，电压表的指数几乎指零，放电结束。

整个放电过程中，LED1是不亮的。

元器件的选择与装调（1）整修电路的元器件安装在一块面积合适的绝缘板上，根据教学的需要来确定，以让学生能看清演示为好。

电容器充放电演示实验的改进
陈正毛; 须雪忠
【期刊名称】《《物理教学探讨》》
【年(卷),期】2003(021)011
【摘要】我对电容器充放电演示实验进行了改进,设计制作了一台把声、光、电集于一身的多功能的电容器充放电演示仪,通过多种信息来刺激学生的听觉、视觉等感官,从而增加了实验演示的可见度、趣味性和科学性,进而可以激发学生的求知欲望.
【总页数】1页(P48)
【作者】陈正毛; 须雪忠
【作者单位】浙江德清高级中学 313200
【正文语种】中文
【中图分类】G4
【相关文献】
1.平行板电容器演示实验的改进 [J], 李润龙
2.“电容器的电容”演示实验的改进和教学的优化设计 [J], 赖君;张军朋
3.电容器充放电演示仪的改进 [J], 吴亚梅
4.《电容器充放电现象》演示实验的改进 [J], 郑洪;付卓斌
5.电容器充放电演示实验的改进 [J], 陈正毛;须雪忠
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第54讲 电容器的充电与放电实验一.知识回顾1.电容器的组成：由两个彼此绝缘又相距很近的导体组成。

最简单的电容器是平行板电容器。

2.电容器的充电、放电①充电：两极板的电荷量增加，极板间的电场强度增大，电源的能量不断储存在电容器中。

②放电：电容器把储存的能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量。

③充电时电流流入正极板，放电时电流流出正极板。

3．电容(1)定义：电容器所带的电荷量Q 与电容器两极板之间的电势差U 之比，叫作电容器的电容。

其中“电容器所带的电荷量Q ”，是指一个极板所带电荷量的绝对值。

(2)定义式：C ＝Q U 。

推论：C ＝ΔQ ΔU。

(3)单位：法拉(F)，1 F ＝106 μF ＝1012 pF 。

(4)物理意义：表示电容器容纳电荷本领的物理量。

(5)决定因素电容C 的大小由电容器本身结构(大小、形状、正负极相对位置及电介质)决定，与电容器是否带电及所带电荷量(或两端所加电压)无关。

4．平行板电容器的电容(1)影响因素：平行板电容器的电容与极板的正对面积成正比，与两极板间电介质的相对介电常数成正比，与极板间的距离成反比。

(2)决定式： C ＝εr S 4πkd ，k 为静电力常量。

5．常用电容器(1)分类：从构造上看，可分为固定电容器和可变电容器。

(2)击穿电压与额定电压：加在电容器极板上的电压不能超过某一限度，超过这个限度，电介质将被击穿，电容器损坏，这个极限电压叫作击穿电压；电容器外壳上标的电压是工作电压，或称额定电压，这个数值比击穿电压低。

二.实验：观察电容器的充、放电现象1．实验电路及器材如图所示，把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路。

2．实验步骤(1)把开关S接1，观察电流表及电压表指针的偏转。

(2)把开关S接2，观察电流表及电压表指针的偏转。

3．实验现象(1)充电现象：把开关S接1时，可以看到电压表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值。

观察电容器的充放电现象（实验创新课）说课尊敬的各位老师：大家好！我今天说课的内容是实验：观察电容器的充放电现象。

根据新课程标准，新的学科素养要求，我将从教材分析，学情分析，核心素养目标、实验重难点、实验设计亮点、实验设计思路、实验教学过程、实验效果评价与反思等八个方面进行详细阐述。

一、教材分析《观察电容器的充放电现象》是新教材人教版（2019版）必修三中第十章第四节《电容器的电容》中的重要实验，该实验是新高考新增的电学实验，本单元前面几节已经学习了电荷，电场，电势能，电势差等物理量，本节内容电容器是对静电场知识的综合应用。

二、学情分析已有认知：学生前面已经学习了电荷、电场、电场强度、电势能，电势差等基本物理概念，也有了比值定义法，控制变量法、微元法的思想基础。

认知缺乏：但是对电容器这一电学元件缺乏感性认识。

另外对于用图像解决问题还不太熟悉。

解决办法：本节课通过感性认识电容器类比储水容器，到解剖电容器构造，再到电容器的充放电实验，化抽象为具体。

三、核心素养目标分析本节课的教学核心素养目标主要包括四个方面：物理观念：学生通过观察和解剖常见的电容器，了解电容器构造。

培养学生对概念的形成与掌握能力。

科学思维：通过类比法了解电容器电容的物理意义，并能够运用科学的思维方法分析电容器充放电过程中的电流和电压变化规律。

培养学生思维与归纳总结的能力。

科学探究：通过实验观察电容器的充放电，了解电容器的作用。

培养学生分析问题的能力。

科学态度与责任：通过本节课的学习，学生掌握了电容器的基本工作原理，能查阅资料举例说明电容器的在我国生产生活领域的应用，增强学生的爱国情怀和民族自豪感。

四、实验重难点剖析本节课的教学重点主要集中在电容器的工作原理以及电容的概念和物理意义上。

学生需要深刻理解电容器如何储存和释放电荷，这是理解电容器所有功能的基础。

教学难点则在于电容器充放电过程中的电流和电压变化规律。

这部分内容涉及较为抽象的理论知识和实验操作技巧，需要学生具备一定的物理基础和实验能力。

实验电容器的充放电(总
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实验电容器的充放电
◆实验目的
观察电容充放电过程，并计算电容充放电电量。

◆实验原理
电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压U和电容C之间满足Q＝CU 的关系。

U可由电压传感器测出，Q可由电容器放电测量。

使电容器放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，
通过测出不同时刻的放电电流值，直至
I＝0，作出放电电流I随时间变化的曲
线，对曲线积分即等于电容器所带电
量。

由C＝Q／U可求出电容器的电容
值。

◆实验器材
朗威®DISLab、计算机、朗威®系列电学实验板EXB-10、学生电源、导线等。

◆实验装置图
见右图。

◆实验过程与数据分析
1、将电压、多档电流传感器接入数据采集器，如图所示连接实验板EXB-10,滑动变阻器,学生电源,并将电阻箱阻值调制30Ω接入电路；
2、分别对电压传感器和多档电流传感器进行调零后打开电源开关。

3、启动“组合图线”功能，调节采样频率到200HZ并将电源接入实验板EXB-10，开关K1由2拨到1；当曲线平缓上升趋于稳定后，再把K1拨到2，即可得到充放电图线；
4、利用只控制选择图线的功能，选择“电流—时间”图线。

5、选择电容放电的一段“电流—时
间”图线并积分，得到电容的电量Q。

6、将实验数据及图像进行保存。

注意：可以将计算表格内的实验数据复制后用于其它分析软件，亦可直接导入Excel。

实验十观察电容器的充、放电现象必备知识·自主落实原理装置图二、实验过程1．调节直流可调电源，输出为6 V，并用多用电表校准．2．关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图．3．打开电源，把双掷开关S打到上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在数据处理的表格中．4．把双掷开关S打到下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在数据处理的表格中．5．记录好实验结果，关闭电源．1．电流表要选用小量程的灵敏电流表．2．要选择大容量的电容器．3．实验过程要在干燥的环境中进行．4．在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，避免烧坏电流表．关键能力·精准突破考点一教材原型实验例1 [2023·江苏省扬州市高三联考]某同学通过实验观察电容器的放电现象，采用的实验电路如图甲所示，已知所用电解电容器的长引线是其正极，短引线是其负极．(1)按图甲连接好实验电路，开关S应先接到________，再接到________(选填“1”或“2”)，观察电容器的放电现象．(2)根据图甲电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接．请根据表中的数据，在图丙中作出电流i随时间t变化的图线．[解题心得]针对训练1.在“观察电容器的充、放电现象”实验中，对给定电容值为C的电容器充电后放电，无论采用何种放电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同．(1)请在图甲中画出上述u－q图像．类比直线运动中由v－t图像求位移的方法，可以推导出两极间电压为U时电容器所储存的电能E p＝________(用C和U表示)．(2)在如图乙所示的放电电路中，R表示电阻阻值．通过改变电路中元件的参数对同一电容器用相同的电压充电后进行两次放电，对应的q－t图像分别如图丙中①、②所示．a.①、②两图像不同是________的改变造成的；b．在实际应用中，有时需要电容器快速放电，有时需要电容器均匀放电．依据a中的结论，说明实现这两种放电方式的途径________________________________．(3)如图丁所示，若某电容器的额定电压为V，电容为10 F，其充满电后储存的电能为________J(计算结果保留3位有效数字)．考点二探索创新实验例2 [2023·江苏南京模拟]某课外兴趣小组用如图甲所示的电路观察电容器的充、放电现象，并测量电容器的电容．(1)粗略观察电容器充、放电的电流大小和方向时，应选择表头为________(选填“乙”或“丙”)图中的电表．(2)放电时，流经电阻R的电流________(选填“向左”或“向右”)．(3)为了能精确测量电容器的电容，将甲图中电流表换成电流传感器测量电流，并根据电路图，连接图丁中的实物图．(4)电容器放电过程中，电流随时间变化的规律如图戊所示，计算机得出i－t图像与时间轴所围的区域面积为mA·s，电阻R为500 Ω，直流电源电压恒为2 V，该电容器电容为________μF(结果保留3位有效数字)．(5)仅将R为500 Ω的电阻改为1 000 Ω的，电流传感器内阻不计，重新观察电容放电曲线，请在图戊中大致画出电阻为1 000 Ω时的放电曲线．针对训练2.[2023·湖南省株洲市高三检测](多选)利用图甲所示电路可研究电容器的充、放电．图乙为某次实验中通过计算机在同一图中描画出的电压和电流的变化情况，阴影部分Ⅰ和Ⅱ的面积分别为S1、S2.可以推断出()A．图乙反映了电容器充电时的情况B．S1表示极板电压为5 V时所带的电荷量C．S1＝S2D．定值电阻R的阻值实验十观察电容器的充、放电现象关键能力·精准突破例1解析：(1)连接好电路图，开关S应先接到1对电容器进行充电，再接到2使电容器放电，观察电容器的放电现象．(2)根据图甲所示电路图连接实物电路图，注意电容器正极接电流表正接线柱，实物电路图如图所示．(3)根据表中实验数据在图丙中描出对应点，然后画一条平滑曲线，让尽可能多的点过曲线，不能过曲线的点大致均匀分布在曲线两侧，作出图像如图所示．答案：(1)1 2 (2)图见解析 (3)图见解析 1．解析：(1)由电容的定义式可知C ＝QU ，则u ­ q 图像为过原点的斜率恒定的直线，如图所示，图像和横轴围成的面积表示电容器储存的电能，则E p ＝12qU ，又由电容的定义式有C ＝QU ＝qU ，则有E p ＝12CU 2.(2)a.因为两次放电是同一电容器用相同电压充电后的放电，由Q ＝CU 可知两次放出的总电荷量相等，故①、②两条曲线不同只能是R 的改变造成的．b.R 较小时，刚开始放电瞬间电流I 大，图像在该点切线斜率大，对应图像①，短时间内放出的电荷量更多，故减小R 可以实现电容器快速放电；R 较大时，放电瞬间电流I 小，对应图像②，故增大R 可以实现均匀放电．(3)根据公式有E pmax ＝12CU max 2＝12×10×2 J ＝ J ．答案：(1)12CU2(2)a.R b．减小R可以实现电容器快速放电，增大R可以实现均匀放电(3)例2解析：(1)乙图中电表可以测量正、反双向电流，而丙图中电表只能测量正向电流，反向电流可能导致电表烧坏，由于刚开始测量时不知道电流的方向，因此粗略观察电容器充、放电的电流大小和方向时，应选择乙图中电表．(2)电容器充电时，电容器左侧接的是电源正极，左极板带正电荷，因此电容器放电时电流为顺时针方向，故流经电阻R的电流向右．(3)根据电路图，连接的实物图，如图(a)所示．(4)根据Q＝It可知i ­ t图像与时间轴所围的区域面积即为通过电阻R的电荷量，所以Q＝mA·s＝×10－4 C，因此C＝QU ＝8.69×10−4 C2 V＝435 μF.(5)仅将R为500 Ω的电阻改为1 000 Ω的，其他器件参数不变化，且电流传感器内阻不计时，充电完成后电容器极板上储存的总电荷量不变，因此R为1 000 Ω时i ­ t图像与时间轴所围的区域面积与R为500 Ω时的相同，电容器放电时由于R增大，初始放电电流会减小，因此电阻为1 000 Ω时的放电曲线，如图(b)所示．答案：(1)乙(2)向右(3)见解析图(a)(4)435(5)见解析图(b)2．解析：由图乙可知电容器两端的电压在不断地减小，即电容器处于放电的状态，故A错误；在i ­ t图像中，图线与横轴所围面积表示在一段时间内通过导线某一横截面的电荷量，则S2表示极板电压为5 V时所带的电荷量，故B错误；分析可知S1＝CΔU1＝C·(10 V －5 V)，S2＝CΔU2＝C·(5 V－0 V)，故有S1＝S2，故C正确；刚开始放电时，电容器两端电压为10 V，此时回路中的电流为50 mA，根据欧姆定律可求出定值电阻R的阻值R＝UI＝200Ω，故D正确．答案：CD。