实验2:电容器基础实验

一、实验目的

1. 探究电容大小与电压、极板面积、极板距离的关系;

2.探究电容器能量与极板面积、极板距离的关系;

3.探究电容器能量与电容放电过程。

二、实验原理

电容器是可以“储存电能的容器”,它的电荷储存量跟自身构造有关,其定义式为 \(C=\frac{Q}{U}\),其中\(Q\)是电容器所存储的电荷量, \(U\) 是电容两极板之间的电势差。

对于平行平板电容器,两极板之间的电势差为\(U=\frac{4 \pi k d Q}{\epsilon S}\),则其电容大小由下式决定:

\[C=\frac{\epsilon S}{4\pi k d}.\]

其中,\(\epsilon\) 是介电常数,\(S\) 是导体版的正对面积(有效面积),\(d\) 是两极板的距离。

给电容接上电源,则会给电容充电。充满电的电容在两个极板上堆积了大量自由电荷。当断开充电电源,则电容器相当于一个电池。

此时,电容器的电能为

\[W=\frac{1}{2}QU.\]

将两极板接入负载电路中,电荷会从电容中释放出来,此过程叫放电过程,此时回路中存在电流,负载用电器会工作。当电容中的电荷释放完毕之后,电流归零。

另外,当电容器充满电荷后,断开电源,改变两极板的距离或正对面积,则电容相应发生变化,由于电荷\(Q\)不变,则两极板之间的电势差\(U\)发生变化。此时若接入负载,则负载灯泡的亮度也将发生变化。

三、实验仪器

支持Html5的浏览器。

四、实验步骤

1.选择“电容”板块,探索电容器是如何工作的。查看电压方向与极板带电正负的关系,用文字说明。探究电压大小与极板电荷量以及电荷密度的关系,并测量3组数据。观察电场强度的大小和方向如何随所加电压变化,用文字说明。截图保存。

2.探究极板的正对面积与电荷量以及电荷密度的关系,测量3组数据。观察电场强度的大小和方向如何随正对面积变化,用文字说明。截图保存。

3.探究极板距离与电荷量以及电荷密度的关系。测量3组数据,并设计表格,将2、3、4步骤中的数据填入,得到结论。观察电场强度的大小和方向如何随极板距离变化,用文字说明。截图保存。

4.将电容充满电后断开电源,修改极板间距,观察电压变化。重新充满电后,修改正对面积,观察电压变化。用文字说明规律。截图保存。

5.将充电后的电容连接到灯泡上,观察电容的放电电路,探究放电时间与极板间距的关系,并用文字说明。截图保存。

五、开始实验:

实验讲解:

如无法观看视频,请打开此链接观看

按照以上实验步骤和视频讲解完成实验,并完成实验报告。


外部链接:https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_zh_CN.html

六、实验报告

绘制表格,并得出结论。写入实验报告,交给学习委员汇总。文件以word或pdf格式,必须以“班级-学号-姓名-实验名称”格式命名文件。

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