大学物理实验讲义(RC电路)

1、.用RC电路测电容【实验目的】1、观察电容充放电现象，了解电容特性；2、利用电容器的充、放电测定电容；3、根据电容容抗的频率特性测定电容。【仪器仪器】两个电容（其中一个为电解电容，电容值470；另一个电容值约为0.1），电阻箱，直流电源，信号发生器，数字万用电表，示波器，导线开关等。【实验原理】1电容器电容器是常用电子元件之一，其符号如图l所示，用C表示C图 1 电容符号常用电容器以两层金属箔（膜）为极板。极板中间有一层绝缘材料作为介质。极板上可积聚等量异号的电荷Q,两极板的电压为U，两者成线性关系，其比值即为电容电容符号电容的基本单位是F，这个单位太大，常用单位有和：，电容的种类很多，分为固

2、定电容和可变电容，固定电容有：瓷介质电容、云母电容、薄膜介质电容、纸介质电容和电解电容器等，常用的电解电容器电容值较大，且有正负极性，使用时应注意将正极接高电位，负极接低电位；如果极性接反，会将电容器击穿损坏电容的主要参数有：电容值和额定工作电压。由于电容的充放电特性，以及电容具有隔直流和通交流的能力，在电子技术中使用十分普遍，常用于滤渡电路、定时电路、锯齿波发生器电路、微分积分等电路RCEK12图 2 电容充放电原理图2RC电路充放电特性将一个电容和一个电阻串联构成RC电路，电路如图2所示当开关K合到图2中的“1”时，直流电源通过电阻R给电容充电，电容上的电压逐渐增大，最终与电源电压E相等；

3、然后再将开关合向“2”，电容C将通过电阻R放电，逐渐减小，直至为零。O(b)图 3 电容充、放电波形（a）电压波形；（b）电流波形在RC电路充放电过程中和的变化遵循以下规律：（1）对于充电过程，有 （1）或 （2）（2）对于放电过程，有 （3）或 （4） 由上述公式可知，在充电过程中，和均按指数规律变化，式(4)中电流的负号表示放电过程中电流的方向与充电过程相反。和随时间变化的曲线如图3(a)和(b)所示， 令，称为RC电路的时间常数当时，由式(3)可知O(a)O(b)图 3 电容充、放电波形（a）电压波形；（b）电流波形 （5）0.365EE0图4上式说明，表示放电过程中由E衰减到E的36.

4、8%所需要的时间。电阻电容数值越大值越大，变化越慢，即电容充放电进行得越慢。通过时间常数，电压、时间以及R，C数值之间建立了对应关系。根据这一特性，由的变化测得，如果已知电阻R，可测出电容C. 电容充放电的特性在实际中得到广泛应用，例如制成延时开关，用于声光控制路灯的电路中等。3用示波器观察RC电路在充放电过程中和的变化RrC图5电容充放电实验电路实验电路如图5所示，由信号源输出周期性方波信号。可将方波信号看成一个电子开关，其作用相当于图2电路中的选择开关K自动连续在“l”，“2”之间切换，使得电容轮流持续进行充放电，调节示渡器即可得到稳定波形，这样便于观察和随时间变化的波形。调节方波的半周期

5、远大于RC电路的时间常数，即使得电容充放电过程在方波的半周期内完成，这时和的变化规律可近似为上述单次充放电过程根据图5和式（5），可使用示渡器测量时间常数，粗略测定电容数值。注意，这里的电阻应是电路的全电阻，不仅包括外电路电阻R，还应包括信号源内阻r。4电容阻抗和频率的关系给RC电路加以正弦波信号时，电路呈现出和直流电路不同的特性。类似电阻元件，电容也具有阻抗，称为容抗。电容的容抗与电源频率，及电容值C有关，有 （6）如果已知电阻R的阻值，测量和，即可得到 （7）其中以，表示和的有效值因此可得 （8）由式(6)可知，电容的容抗随着电源频率变化；越高，越小因此电容具有通交流、隔直流的作用利用这一

6、特性可制成RC滤波器，广泛用于整流滤波电路中。【实验内容】1使用数字万用电表直流电压量程观察RC电路中电容的充、放电理象，并通过暂态过程测定电容量。 连接电路如图2。为使充放电现象较明显，可选取较大数值的电容和电阻，电容C为电解电容器（几百微法），注意其正极必须接高电位；R为电阻箱取几十千欧，电源电压为5V，选取数字万用电表直流电压合适的量程检测和的变化。（1）检测。接通电源开关，将选择开关K分别合到“1”和“2”观察在充电过程和放电过程中的变化。（2）通过电容器的放电过程。采用（5）式并利用关系测定电容量，按表1，在电容不变的情况下，依次测定、的时间常数，并分别算出电容C。2用示波器观察RC

7、电路充放电现象连接电路如图5，采用数值较小的电容，电阻R取。（1）先观察信号源输出的方波信号，信号源频率为注意满足“共地”，使示波器的接地端和信号源的接地端连在一起（2）观察将。将接到示渡器的输入通道进行观察，连接电路时同时需要注意满足“共地”，观察并画出波形，根据波形计算电容量。（3）测量电容数值使用示波器的双通道输入，一路观测信号源输出，一路观察，注意两通道的公共接点要和信号源接地端和示波器的接地端连在一起，以满足“共地”调节方波的频率，使得其半周期远大于RC电路的时间常数根据式(5)，由测量时间常数，并测定电容数值3根据电容容抗和频率的关系，测定电容（1）电路如图4，信号源输出正弦波。用数字万用电表的交流电压量程分别测量，的有效值，根据式(8)计算电容数值电容C约为，电阻R为，信号源输出电压（有效值）为，信号源频率为。（2）现察电容的容抗随频率变化的规律保持信号源输出电压U不变，改变频率，观察并分别测量和。根据实验结果，作出电容器容抗随频率变化曲线。【实验步骤】（注：写预习报告时留有适当的空白，实验后记录