高中物理 第二章 恒定電流 第1節(jié) 電源和電流學案 新人教版選修3-1

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1、 1　電源和電流 答案：（1）負電荷?。?）電勢差?。?）導線?。?）電源?。?）電場強度?。?）方向?。?）　（8）電荷量?。?）安培　（10）正電荷?。?1）電流表 1．電源 （1）電源的定義 電源是不斷把負電荷從正極搬運到負極從而維持正負極之間存在一定電勢差的裝置。 （2）電源的作用 ①從電荷移動角度看 電源的作用就是移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差，從而保持電路中有持續(xù)電流。 電源在內(nèi)部能把電子從正極A搬運到負極B，如圖所示。 ②從能量轉(zhuǎn)化的角度看 搬運電荷的過程就是克服靜電力做功的過程，是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程。 【例1】關于

2、電源，以下說法正確的是（　?。? A．電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負極不斷地搬運到正極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢差 B．電源的作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能 C．只要電路中有電源，電路中就一定有電流 D．電源實質(zhì)上也是一個用電器，也需要外界提供能量 解析： 選項 正誤 解析 A × 電源的作用是維持正、負極之間恒定的電勢差，這需要電源不斷地將負電荷向負極聚集，將正電荷向正極聚集，外電路中自由電子在電場力的作用下向正極移動，在電源內(nèi)部，需要將正極上的電子搬運到負極，維持電勢差不變 B √ 從能量角度來看，電源在搬運電荷的過程中，需要克服電場力做功，將其他形式的能

3、轉(zhuǎn)化為電能 C × 電路中有電流不僅需要電源，還需要電路是閉合的 D × 電源是為電路提供能量的裝置 答案：B 2．恒定電場 （1）導線中電場的形成：是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成。 （2）恒定電場 ①定義：由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場，稱為恒定電場。 ②性質(zhì)：導線中的電場是恒定電場，不是靜電場。但由于在恒定電場中，任何位置的電荷分布和電場強度都不隨時間變化，所以它的基本性質(zhì)與靜電場相同。在靜電場中所講的電勢、電勢差及其與電場強度的關系等，在恒定電場中同樣適用。 破疑點?。?）導線內(nèi)的電場是在接通電源后的極短時間內(nèi)（以光速c）完成的。（2）恒定電場

4、是自由電荷在導體中定向移動的原因。 【例2】關于有恒定電流通過的導線中的電場，下列說法正確的是（　?。? A．導線內(nèi)的電場線可以與導線相交 B．導線內(nèi)的電場E是由電源電場E0和導線側(cè)面堆積電荷形成的電場E′疊加的結果 C．導線側(cè)面堆積電荷分布是穩(wěn)定的，故導線處于靜電平衡狀態(tài) D．導線中的電場是靜電場的一種 解析： 選項 正誤 解析 A × 導線內(nèi)的電場線與導線平行 B √ 導線中的電場是電源電場和導線側(cè)面堆積電荷形成的電場疊加而成的 C × 導線內(nèi)的電場不為零，不是靜電平衡狀態(tài)，導線內(nèi)的電場是恒定電場，并不是靜電場的一種 D × 答案：B 3．恒定電流

5、 談重點?。?）電流雖然既有大小，又有方向，但電流是標量。 （2）金屬導體中電流的方向與自由電子定向移動的方向相反。 （3）電解液中正、負離子定向移動的方向相反，但正、負離子定向移動形成的電流方向是相同的。電荷量q為通過導體橫截面的正、負電荷量的絕對值之和。 （4）在電源外部的電路中，電流是從電源的正極流向負極；在電源內(nèi)部的電路中，電流是從電源的負極流向正極。 【例3】一段截面積為0.5 mm2的導體，每秒鐘有0.2 C正電荷和0.3 C的負電荷相向運動，則電流為（　?。? A．0.2 A　　B．0.3 A　　C．0.5 A　　D．104 A 解析： 答案：C 4．電流

6、的微觀表達式 （1）推導過程 ①題設 如圖所示，AB表示粗細均勻的一段導體，兩端加一定的電壓，導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率為v，設導體的長度為L，橫截面積為S，導體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q。 ②推導 導體AB中的自由電荷總數(shù)：N＝nLS 總電荷量：Q＝Nq＝nLSq 所有這些電荷都通過橫截面所需要的時間：t＝ 導體AB中電流為I＝＝＝nqSv。 ③結論 電流的微觀表達式為I＝nqSv。 （2）電流的決定因素 【例4】一橫截面積為S的銅導線，流過的電流為I，設每單位體積的導線中有n個自由電子，電子的電荷量為q，此時電子的定向移

7、動速度為v，在Δt時間內(nèi)，通過導線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為（　?。? A．nvSΔt　　　B．nvΔt　　　C．　　　D． 解析：根據(jù)電流的定義式可知，在Δt內(nèi)通過導線橫截面的電荷量Q＝IΔt，所以在這段時間內(nèi)通過的自由電子數(shù)為N＝＝，所以C對，D錯；由于自由電子定向移動的速率是v，因此在時間Δt內(nèi)，位于以橫截面S為底、長l＝vΔt的這段導線內(nèi)的自由電子都能通過橫截面（如圖所示）。這段導線的體積V＝Sl＝SvΔt，所以Δt內(nèi)通過橫截面S的自由電子數(shù)為N＝nV＝nvSΔt，A對，B錯；故選A、C項。 答案：AC 5．計算電流的三種情況 （1）金屬導體中電流的計算 因為電路中

8、的電流是由自由電子定向移動形成的，故I＝中的q是指時間t內(nèi)通過導體橫截面上自由電子所帶電荷量的絕對值。 （2）電解液導電電流的計算 ①在電解液中（自由電荷為正、負離子）用I＝q/t計算時，電解液導電不能用I＝計算，q應為正、負電荷的電荷量的代數(shù)和，即I＝。 ②若已知在電解液中t時間內(nèi)到達陽極的負離子和到達陰極的正離子的電荷量均為q，此時電流I＝q/t，而非I＝2q/t。陽極也是一個橫截面，電荷量q的負電荷流進去，但沒有電荷量q的正電荷流出來，也就是說這個橫截面只有一個q的電荷量通過而已。 （3）環(huán)形電流的計算 環(huán)形電流的計算采用等效的觀點分析。所謂等效電流，就是把電子周期性地通過圓周

9、上各處形成的電流看成持續(xù)不斷地通過圓周上各處時所形成的電流。對周期性運動的電荷，常取一個周期來計算等效電流。利用庫侖定律算出庫侖力，庫侖力充當向心力，求出電荷量，代入I＝＝即可求得。 【例5－1】有兩個完全相同的金屬球A、B，A帶＋Q的電荷，B不帶電，用導線將A、B球連接，經(jīng)時間t1導體中不再有電荷定向移動。求導線中的平均電流。 解析：A、B兩球用導線連接后，導線中的自由電子發(fā)生定向移動形成電流，當兩球的帶電荷量相等時，達到平衡狀態(tài)，電流終止，在時間t1內(nèi)通過導線的電荷量為，所以I1＝。 答案： 【例5－2】如圖所示的電解槽中，如果在4 s內(nèi)各有8 C的正、負電荷通過面積為0.8 m2

10、的橫截面AB，那么 （1）分析正、負離子定向移動的方向。 （2）電解槽中的電流方向如何？ （3）4 s內(nèi)通過橫截面AB的電荷量為多少？ （4）電解槽中的電流為多大？ 解析：（1）電源與電解槽中的兩極相連后，左側(cè)電極電勢高于右側(cè)電極，由于在電極之間建立電場，電場方向由左指向右，故正離子向右移動，負離子向左移動。 （2）電解槽中的電流方向向右。 （3）8 C的正電荷向右通過橫截面AB，而8 C的負電荷向左通過該橫截面，相當于又有8 C正電荷向右通過橫截面，故本題的答案為16 C。 （4）由電流強度的定義I＝＝A＝4 A。 答案：（1）見解析?。?）自左向右?。?）16 C　（

11、4）4 A 點評：本題易犯的錯誤有以下兩點：①誤認為I＝q/t中的q為通過單位面積的電荷量，實際上q與橫截面的面積大小無關。②將電解液導電等同于金屬導體導電，誤認為電荷量q＝8 C。 6．導體內(nèi)三種速率的比較 電流微觀表達式為I＝nqSv，其中v表示電荷定向移動的速率。實際上電荷的運動存在三種速率，下面對電荷的三種速率進行區(qū)別。 自由電荷定向移動速率 自由電荷定向移動形成電流，其中電荷定向移動的速率一般為10－5 m/s的數(shù)量級 無規(guī)則熱運動速率 導體中的自由電子在不停地做無規(guī)則運動，由于沿各個方向無規(guī)則運動的機會相等，故不能形成電流。常溫下自由電子熱運動的速率的數(shù)量級為10

12、5 m/s 電場傳播速率（或電流傳導速率） 等于光速，閉合開關的瞬間，電路中各處以真空中的光速c形成恒定電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的自由電子幾乎同時開始定向移動，整個電路也幾乎同時形成了電流 析規(guī)律　由I＝nqSv可以看出，同一段導體，橫截面積越大的位置，自由電荷定向移動的速率越小，如圖所示。 【例6－1】如圖所示，兩個截面不同、長度相等的均勻銅棒接在電路中，兩端電壓為U，接通電路后（　　） A．通過兩棒的電流相等 B．兩棒的自由電子定向移動的平均速率相等且等于光速 C．兩棒內(nèi)的電場強度不同，細棒內(nèi)場強E1小于粗棒內(nèi)場強E2 D．細棒兩端的電壓U1大于粗棒兩端

13、的電壓U2 解析：兩棒串聯(lián)，I1＝I2，故選項A正確；由電流微觀表達式I＝nqSv知，因S1＜S2，所以定向運動速率v1＞v2，故選項B錯誤；E＝＝＝＝，因S1＜S2，所以E1＞E2，故選項C錯誤；U＝IR＝I·ρd/S，因S1＜S2，所以U1＞U2，故選項D正確。 答案：AD 【例6－2】某同學學習本節(jié)后認為電路接通后，自由電子從電源出發(fā)，以很大（可能接近光速）的定向移動速率，在金屬導線中運動，很短時間到達用電器，所以不會看到開燈好長時間才見燈亮的現(xiàn)象，請利用下面有關資料探究該同學說法的正確性。橫截面積S＝1 mm2銅導線，可允許通過電流為1 A，銅在單位體積中自由電子數(shù)為8.5×1028 個/m3。 解析：由電流的微觀表達式I＝neSv知 v＝＝m/s＝7.4×10－5 m/s 可見v?光速c＝3×108 m/s，若按該同學的說法，以這樣的速度傳播1 m長導線需用時t＝s＝3.8 h，顯然與實際不符。 其實是在恒定電場的作用下，電路中的電子幾乎同時定向移動，即整個電路幾乎同時形成了電流。 答案：見解析 點評：在理解電流的微觀表達式時，要注意以下幾點：①表達式中各量的物理意義。②只有電子才能在金屬導線中移動，而在電解液導電中則正、負離子都可以移動。③電子移動的速率并不是通電的速率。 6