2017-2018學年高中物理 第二章 恒定電流 第1講 電源和電流學案 新人教版選修3-1

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1、 電源和電流 [目標定位]　1.了解電流的形成條件，知道電源的作用和導體中的恒定電場.2.理解電流的定義，知道電流的單位、方向規(guī)定，會用公式q＝It分析相關問題.3.從微觀的角度理解導體中電荷的定向移動與電流之間的關系． 一、電源　恒定電場 1．電源 (1)電源是不斷地把電子從正極搬運到負極從而維持正、負極之間一定電勢差的裝置． (2)作用 電源的作用是移送電荷，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P在內(nèi)部能把電子從正極A搬運到負極B，如圖1所示． 圖1 2．恒定電場 (1)形成：當電路達到穩(wěn)定時，導線中的電場是由電源、導線等電路元件所積

2、累的電荷共同形成的． (2)特點：任何位置的電荷分布和電場強度都不隨時間變化． 例1　將一些電學元件用導線連接在某電源的兩端，下列描述正確的是(　　) A．電源的作用是使電源的正、負極兩端保持一定的電勢差 B．電源的作用是能為電路持續(xù)地提供自由電荷 C．導體中的電場是由電源正、負極上的電荷形成的 D．導體中的電場是由電源的電場和導體中積累的電荷形成的電場疊加而形成的 解析　電源將負電荷從負極搬到正極，維持正、負極間有一定的電勢差，A正確，B錯誤；導體中的電場是電源電場和導體中積累的電荷形成的電場疊加而成的，C錯誤，D正確． 答案　AD 二、恒定電流 1．定義：大小、

3、方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流． 2．物理意義：單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量．電流是表示電流強弱程度的物理量． 3．定義式：I＝. 其中：I表示電流，q表示在時間t內(nèi)通過導體橫截面的電荷量． 4．單位：安培，符號：A.其他單位：毫安(mA)、微安(μA).1A＝103mA＝106μA. 5．方向：電流是標量，但有方向．導體內(nèi)正電荷定向移動的方向為電流方向，即電流方向與負電荷定向移動的方向相反． 深度思考 判斷下列說法是否正確，并說明理由． (1)電流有方向，所以說電流是矢量． (2)由于I＝，所以說I與q成正比，與t成反比． 答案　(1)不正確，電流的計算遵循代數(shù)

4、運算法則，所以是標量．(2)I＝是電流的定義式，電流與q無正比關系，與t無反比關系． 例2　在某種帶有一價離子的水溶液中，正、負離子在定向移動，方向如圖2所示．如果測得2s內(nèi)分別有1.0×1018個正離子和1.0×1018個負離子通過溶液內(nèi)部的橫截面M，則溶液中電流的方向如何？電流為多大？ 圖2 解析　水溶液中導電的是自由移動的正、負離子，它們在電場的作用下向相反方向定向移動．電學中規(guī)定，電流的方向為正電荷定向移動的方向，所以溶液中電流的方向與正離子定向移動的方向相同，即由A指向B. 每個離子的電荷量是e＝1.60×10－19C．該水溶液導電時負離子由B向A運動，負離子的定向移

5、動可以等效看做是正離子反方向的定向移動．所以，一定時間內(nèi)通過橫截面M的電荷量應該是正、負兩種離子電荷量的絕對值之和． I＝＝ ＝A＝0.16A. 答案　由A指向B　0.16A 對金屬來講，是自由電子的定向移動，q為通過橫截面的自由電子的電荷量．對電解質(zhì)溶液來講，是正、負離子同時向相反方向定向移動，q為正、負離子電荷量的絕對值之和． 例3　銅的摩爾質(zhì)量為m，密度為ρ，每摩爾銅原子有n個自由電子，每個自由電子的電荷量為e，今有一根橫截面積為S的銅導線，通過電流為I時，電子定向移動的平均速率為(　　) A．光速cB.C.D. 解析　設電子定向移動的速率為v，那么在t秒內(nèi)通過導體橫截

6、面的自由電子數(shù)相當于在體積vt·S中的自由電子數(shù)，而體積為vtS的銅的質(zhì)量為vtSρ，摩爾數(shù)為，自由電子數(shù)為，所以電荷量q＝，由I＝＝得v＝，故D對，A、B、C錯． 答案　D (1)電流的微觀表達式I＝nqSv，其中n為單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個自由電荷的電荷量，S為導體的橫截面積，v為電荷定向移動的速率.即從微觀上看，電流取決于導體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個自由電荷的電荷量、自由電荷定向移動速率的大小，還與導體的橫截面積有關. (2)區(qū)別三種速率： ①電子定向移動的速率：電流就是由電荷的定向移動形成的.電流I＝nqSv中的v就是電荷定向移動的速率，大小約為10－5m/s

7、. ②電子熱運動的速率：導體內(nèi)部電子在不停地做無規(guī)則運動，不能形成電流，大小約為105m/s. ③電流傳導的速率：等于光速. 1．(對電源、恒定電場的理解)下列有關電源的電路中，導線內(nèi)部的電場強度的說法正確的是(　　) A．導線內(nèi)部的電場就是電源所形成的電場 B．在靜電平衡時，導線內(nèi)部的場強為零，而導線外部的場強不為零，所以導線內(nèi)部的電場不是穩(wěn)定的 C．因為導線處于電源的電場中，所以導線內(nèi)部的場強處處為零 D．導線內(nèi)的電場是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的，導線內(nèi)的電荷處于平衡狀態(tài)，電荷分布是穩(wěn)定的，電場也是穩(wěn)定的 答案　D 解析　導線內(nèi)部的電場是電源和導線積

8、累電荷所形成的兩部分電場的矢量和，穩(wěn)定后不同于靜電平衡(內(nèi)部場強處處為零)，而是場強大小恒定，方向與導線切線一致，是一種動態(tài)的平衡，故A、B、C錯，D對． 2．(公式I＝的理解與應用)電路中有一電阻，通過電阻的電流為5A，當通電5分鐘時，通過電阻橫截面的電子數(shù)為(　　) A．1500個 B．9.375×1019個 C．9.375×1021個 D．9.375×1020個 答案　C 解析　q＝It，n＝＝＝9.375×1021個． 3．(電流的微觀意義)如圖3所示，一根橫截面積為S的均勻長直橡膠棒上帶有均勻的負電荷，每單位長度上電荷量為q，當此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運動時，由

9、于棒運動而形成的等效電流大小為(　　) 圖3 A．qv B. C．qvS D. 答案　A 解析　t秒內(nèi)棒運動的距離為l＝vt，總電荷量Q＝ql＝qvt，所以I＝＝＝qv，故選項A正確． 題組一　對電源、恒定電場的理解 1．(多選)關于電流，下列敘述正確的是(　　) A．只要將導體置于電場中，導體內(nèi)就有持續(xù)電流 B．電源的作用可以使電路中有持續(xù)電流 C．導體內(nèi)沒有電流時，就說明導體內(nèi)部的電荷沒有移動 D．恒定電流是由恒定電場產(chǎn)生的 答案　BD 2．(多選)在由電源、導線等電路元件所組成的電路中，以下說法正確的是(　　) A．導線中的電場強度處處為零 B．導線

10、中的電場強度方向跟導線方向平行 C．導線處于靜電平衡狀態(tài) D．導線內(nèi)沿電流方向各點的電勢逐漸降低 答案　BD 解析　在電源和導線等電路元件所積累的電荷的共同作用下，垂直導線方向的電場相互抵消，在導線中形成了沿導線方向的電場，即導線中的電場強度方向跟導線方向平行，A錯誤，B正確；導線內(nèi)有電場，說明導線不處于靜電平衡狀態(tài)，C錯誤；沿電場方向電勢逐漸降低，電場方向就是正電荷的受力方向，也就是電流的方向，即導線內(nèi)沿電流方向各點的電勢逐漸降低，D正確． 題組二　對電流及其公式I＝的理解與應用 3．(多選)關于電流的方向，下列說法中正確的是(　　) A．電源供電的外部電路中，電流的方向是從高

11、電勢一端流向低電勢一端 B．電源內(nèi)部，電流的方向是從高電勢一端流向低電勢一端 C．電子運動形成的等效電流方向與電子運動方向相同 D．電子運動形成的等效電流方向與電子運動方向相反 答案　AD 解析　在電源的外部電路中，電流從正極流向負極，在電源內(nèi)部，電流從負極流向正極，電源正極電勢高于負極電勢，所以A正確，B錯誤；電子帶負電，電子運動形成的等效電流方向與電子運動的方向相反，C錯誤，D正確． 4．(多選)關于電流的說法中正確的是(　　) A．根據(jù)I＝，可知I與q成正比 B．如果在任何相等的時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量相等，則導體中的電流是恒定電流 C．電流有方向，電流是矢量 D

12、．電流的單位“安培”是國際單位制中的基本單位 答案　D 解析　依據(jù)電流的定義式可知，電流與q、t皆無關，顯然選項A錯誤．雖然電流是標量，但是卻有方向，因此在任何相等的時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量雖然相等，但如果方向變化，電流也不是恒定電流，所以選項B錯誤．電流是標量，故選項C錯誤． 5．(多選)關于電流的下列說法中，正確的是(　　) A．電路中的電流越大，表示通過導體橫截面的電荷量越多 B．在相同時間內(nèi)，通過導體橫截面的電荷量越多，導體中的電流就越大 C．通電時間越長，電流越大 D．導體中通過一定的電荷量所用時間越短，電流越大 答案　BD 6．如圖1所示，電解池內(nèi)有一價的電解

13、質(zhì)溶液，ts內(nèi)通過溶液內(nèi)部截面S的正離子數(shù)是n1，負離子數(shù)是n2，設元電荷為e，則以下說法中正確的是(　　) 圖1 A．正離子定向移動形成的電流方向為A→B，負離子定向移動形成的電流方向為B→A B．溶液內(nèi)正、負離子向相反方向移動，電流抵消 C．溶液內(nèi)電流方向從A到B，電流為I＝ D．溶液中電流方向從A到B，電流為I＝ 答案　D 解析　正電荷定向移動的方向就是電流方向，負電荷定向移動的反方向也是電流方向．正、負離子經(jīng)過同一截面時，I＝公式中q應該是正、負離子電荷量的絕對值之和，故I＝，電流方向由A指向B，故選項D正確． 7．在某電解槽中，如果在1秒內(nèi)共有5.0×1018個2

14、價正離子和1.0×1019個1價負離子通過某截面，那么通過這個截面的電流強度為(　　) A．2.4A B．0.8A C．3.2A D．0 答案　C 解析　由題意知1 s內(nèi)通過截面正離子的電荷量為q1＝2n1e，負離子的電荷量絕對值為q2＝n2e，則電流為I＝＝. 將n1＝5×1018個，n2＝1×1019個，e＝1.6×10－19 C代入解得，I＝3.2 A. 8．如圖2所示，將左邊的銅導線和右邊的鋁導線連接起來，已知截面積S鋁＝2S銅．在銅導線上取一截面A，在鋁導線上取一截面B，若在1s內(nèi)垂直地通過它們的電子數(shù)相等，那么通過這兩個截面的電流的大小關系是(　　) 圖2 A．

15、IA＝IB B．IA＝2IB C．IB＝2IA D．不能確定 答案　A 解析　這個題目中有很多干擾項，例如兩個截面的面積不相等、導線的組成材料不同等．但解題關鍵是通過兩截面的電子數(shù)在單位時間內(nèi)相等，根據(jù)I＝可知電流相等． 題組三　電流的微觀意義 9．導體中電流I的表達式I＝nqSv，其中S為導體的橫截面積，n為導體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個自由電荷所帶的電荷量，v是(　　) A．導體運動的速率 B．導體傳導的速率 C．電子熱運動的速率 D．自由電荷定向移動的速率 答案　D 10．已知電子的電荷量為e，質(zhì)量為m.氫原子的電子在原子核的靜電力吸引下做半徑為r的勻速圓周運動，則電子運動形成的等效電流大小為多少？ 答案　 解析　根據(jù)電流的定義式求解，取電子運動軌道的任一截面，在電子運動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量為Q＝e，則有：I＝＝，再由庫侖力提供向心力有：k＝mr. 得T＝.解得I＝. 7