题目
C_1 和 C_2 两空气电容器并联起来接在电源上充电,然后将电源断开,再把一电介质板插入 C_1 中,则:A. C_1 和 C_2 极板上电量都不变B. C_1 极板上电量增大,C_2 极板上电量不变C. C_1 极板上电量增大,C_2 极板上电量减少D. C_1 极板上电量减少,C_2 极板上电量增大
$C_1$ 和 $C_2$ 两空气电容器并联起来接在电源上充电,然后将电源断开,再把一电介质板插入 $C_1$ 中,则:
A. $C_1$ 和 $C_2$ 极板上电量都不变
B. $C_1$ 极板上电量增大,$C_2$ 极板上电量不变
C. $C_1$ 极板上电量增大,$C_2$ 极板上电量减少
D. $C_1$ 极板上电量减少,$C_2$ 极板上电量增大
题目解答
答案
C. $C_1$ 极板上电量增大,$C_2$ 极板上电量减少
解析
本题考查电容器的并联特性、电容的决定式以及电荷守恒定律。解题的关键在于明确电容器并联时电压相等,断开电源后总电量不变,再结合插入电介质对电容的影响来分析各电容器电量的变化。
- 分析并联电容器的初始状态:
- 当$C_1$和$C_2$两空气电容器并联起来接在电源上充电时,根据并联电路的特点,它们两端的电压相等,设为$U$。
- 根据电容的定义式$Q = CU$(其中$Q$为电荷量,$C$为电容,$U$为电压),可得$C_1$上的电荷量$Q_1 = C_1U$,$C_2$上的电荷量$Q_2 = C_2U$。
- 那么两电容器的总电荷量$Q = Q_1 + Q_2=(C_1 + C_2)U$。
- 分析断开电源后的情况:
- 当把电源断开后,由于电容器与外界没有电荷的交换,所以整个系统的总电荷量$Q$保持不变,即$Q = Q_1'+Q_2'$($Q_1'$和$Q_2'$分别为断开电源后$C_1$和$C_2$上的电荷量)。
- 分析插入电介质板对$C_1$的影响:
- 把一电介质板插入$C_1$中,根据电容的决定式$C=\frac{\epsilon S}{4\pi kd}$(其中$\epsilon$为电介质的介电常数,$S$为极板面积,$d$为极板间距,$k$为静电力常量),插入电介质后$C_1$的介电常数$\epsilon$增大,其他因素不变,所以$C_1$的电容增大,设增大后的电容为$C_1'$,且$C_1'\gt C_1$。
- 因为$C_1$和$C_2$仍然并联,所以它们两端的电压始终相等,设为$U'$。
- 此时$Q_1' = C_1'U'$,$Q_2' = C_2U'$,且$Q = Q_1'+Q_2'=(C_1' + C_2)U'$。
- 由于$Q$不变,$C_1'\gt C_1$,为了保持总电荷量不变,$U'$会发生变化。根据$Q = (C_1' + C_2)U'$可得$U'=\frac{Q}{C_1' + C_2}$,因为$C_1'$增大,所以$U'$减小。
- 分析$C_1$和$C_2$电荷量的变化:
- 对于$C_1$,$Q_1' = C_1'U'$,虽然$U'$减小,但$C_1'$增大的幅度更大,所以$Q_1'\gt Q_1$,即$C_1$极板上电量增大。
- 对于$C_2$,$Q_2' = C_2U'$,因为$U'$减小,$C_2$不变,所以$Q_2'\lt Q_2$,即$C_2$极板上电量减少。