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…——2023 高考物理第 13 题答案解析

2023_省自主命题(福建)

2023 福建 第 13 题 解答题 区分题
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13. 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 $C ~ ( 4 . 7 \mu \mathrm { F } \ : , ~ 1 0 \mathrm { V } )$ ),定值电阻R(阻值2.0kΩ)、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


图(a)


图(b)

(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 Hz ;


图(c)


图(d)

(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 $U _ { \mathrm { c } }$ 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 $^ { 6 6 } A ^ { , 9 }$ 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 $U _ { \mathrm { m } }$ 与频率f关系图像,如图(e)所示。当 $f = 4 5 \mathrm { { H z } }$ 时电容器所带电荷量的最大值 $Q _ { \mathrm { m } } =$ C(结果保留两位有效数字);


图(e)

(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。

参考答案

②. 40 ③. 充电 ④. B ⑤. $1 . 8 \times 1 0 ^ { - 5 }$

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【答案】

②. 40 ③. 充电 ④. B

⑤. $1 . 8 \times 1 0 ^ { - 5 }$

【解析】

【详解】(1)[1]根据电路图连接实物图,如图所示

(2)[2]由图(c)可知周期 $T = 2 5 { \times } 1 0 ^ { - 3 } { \mathrm { s } }$ ,所以该矩形波的频率为

$$ f = \frac {1}{T} = 4 0 \mathrm{Hz} $$

(3)[3][4]由图(d)可知,B 点后电容器两端的电压慢慢增大,即电容器处于充电状态;从图中可得出,A点为放电快结束阶段,B点为充电开始阶段,所以在B点时通过电阻R的电流更大。

(4)[5]由图(e)可知当 $f = 4 5 \mathrm { { H z } }$ 时,电容器此时两端的电压最大值约为

$$ U _ {\mathrm{m}} = 3. 7 5 \mathrm{V} $$

根据电容的定义式 $C = { \frac { Q } { U } }$ 得此时电容器所带电荷量的最大值为

$$ Q _ {\mathrm{m}} = C U _ {\mathrm{m}} = 4. 7 \times 1 0 ^ {- 6} \times 3. 7 5 \mathrm{C} \approx 1. 8 \times 1 0 ^ {- 5} \mathrm{C} $$

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