2019-2020學年高中物理 第2章 1 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 [學習目標]　1.了解電流的形成，知道電源的作用和導體中的恒定電場。2.知道電流的定義及單位、方向的規(guī)定，理解恒定電流。(重點)3.理解電流形成的微觀實質(zhì)。(難點) 一、電源 1．定義：電源是能不斷把電子從正極搬運到負極的裝置。 2．作用 (1)移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差。 (2)保持電路中有持續(xù)的電流。 二、恒定電場 1．定義：由電路中穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場。 2．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累的電荷共同形成的。 3．特點：任何位置的電荷分布和電場強度都不隨時間變化。 三、恒定電流

2、1．電流 (1)概念：電荷的定向移動形成電流。 (2)物理意義：反映了電流的強弱程度。 (3)符號及單位：符號是I，單位有安培、毫安、微安(單位符號分別為A、mA、μA)。 (4)表達式：I＝。 (5)電流的方向：規(guī)定正電荷定向移動方向或負電荷定向移動的反方向為電流方向。 2．恒定電流 (1)定義：大小、方向都不隨時間變化的電流。 (2)形成：恒定電場使自由電荷速率增加，自由電荷與導體內(nèi)不動的粒子的碰撞，使自由電荷速率減小，最終表現(xiàn)為平均速率不變。 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)恒定電場與靜電場基本性質(zhì)相同，兩者沒有區(qū)別。 (×) (2)電源的

3、作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。 (√) (3)電流既有大小，又有方向，是矢量。 (×) (4)電流越大，單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量就越多。 (√) (5)導體中的電流，實際是正電荷的定向移動形成的。 (×) 2．下列說法中正確的是(　　) A．導體中電荷運動就形成了電流 B．在國際單位制中，電流的單位是A C．電流有方向，它是一個矢量 D．任何物體，只要其兩端的電勢差不為零，就有電流存在 B　[自由電荷定向移動才形成電流，僅有電荷移動但不是定向移動則不能形成電流，故選項A錯誤；形成電流的條件是導體兩端有電勢差，且必須是導體而非任何物體，故選項D錯誤；電流有方向，但它

4、是標量，故選項C錯誤。] 3．關(guān)于導線中的電場，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)面堆積的電荷形成的電場E′疊加的結(jié)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 B　[導線內(nèi)的電場線與導線是平行的，故A錯；導線中的電場是電源電場和導線側(cè)面的堆積電荷形成的電場疊加而成的，故B對；導線內(nèi)電場不為零，不是靜電平衡狀態(tài)，導線中的電場是恒定電場，并非靜電場的一種，故C、D錯。] 對電源的理解 1.電源的作用 (1)從電荷轉(zhuǎn)移的角度看，電源的作用是使電路中的自由電荷

5、持續(xù)地定向移動。 (2)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，搬運電荷的過程是非靜電力做功的過程，從而將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。 2．形成電流的三種電荷 形成電流的三種電荷為自由電子、正離子和負離子，其中金屬導體導電時定向移動的電荷是自由電子，液體導電時定向移動的電荷有正離子和負離子，氣體導電時定向移動的電荷有自由電子、正離子和負離子。 【例1】　下列關(guān)于電源的說法中正確的是(　　) A．電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負極搬運到正極，保持兩極之間有電壓 B．電源把正、負電荷分開的過程是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的過程 C．電荷的移動形成電流 D．只要電路中有電源，電路中就會形成持續(xù)的電流 B　

6、[在電源內(nèi)部，電源把電子由正極搬運到負極，這一過程要克服靜電力做功，把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能，故選項A錯誤，選項B正確。電荷的定向移動才形成電流，選項C錯誤。電路中要形成持續(xù)的電流，既要有電源，電路又要閉合，兩者缺一不可，故選項D錯誤。] 有電源不一定得到持續(xù)的電流，要得到持續(xù)的電流需要同時滿足兩個條件： (1)電路中有電源。 (2)電路還必須是閉合的，即必須用導體將電源連接起來。 1．(多選)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

7、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 AD　[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。] 不同導體中電流的計算 1.金屬導體中電流的計算 金屬導體中的自由電荷只有自由電子，運用I＝計算時，q是某一時間內(nèi)通過金屬導體橫截面的電子的電荷量。 2．電解液中電流的計算 電解液中的自由電荷是正、負離子，運用I＝計算時，q應是同一時間內(nèi)正、負兩種離子通過橫截面的電荷量的絕對值之和。 3．環(huán)形電流的計算

8、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I＝＝求等效電流。 【例2】　如圖所示，電解池內(nèi)有一價的電解液，時間t內(nèi)通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)是n1，負離子數(shù)是n2，設(shè)元電荷為e，以下解釋中正確的是(　　) A．正離子定向移動形成電流方向從A→B，負離子定向移動形成電流方向從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→B，電流強度I＝ D．溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流強度I＝ 思路點撥：(1)電流的方向：與正

9、離子定向移動方向相同，與負離子定向移動方向相反。 (2)通過某一截面的電荷量為通過該截面正、負離子電荷量的絕對值之和。 D　[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，A、B錯誤；有正、負電荷反向經(jīng)過同一截面時，I＝公式中q應是正、負電荷電荷量絕對值之和，故I＝，電流方向由A指向B，C錯誤，D正確。] 求電流的技巧 (1)要分清形成電流的電荷種類，是只有正電荷或負電荷，還是正、負電荷同時定向移動。 (2)當正、負電荷都參與定向移動時，正、負電荷對電流的形成都有貢獻。 2．某電解池中，若在2 s內(nèi)各有1.0×1019個二價正離子和2.0×101

10、9個一價負離子通過某截面，那么通過這個截面的電流是(　　) A．0　　　　　 B．0.8 A C．1.6 A D．3.2 A D　[電荷的定向移動形成電流，但正、負電荷同時向相反方向定向移動時，通過某截面的電荷量應是兩者絕對值的和。故由題意可知，電流由正、負離子定向運動形成，則在2 s內(nèi)通過截面的總電荷量應為q＝1.6×10－19×2×1.0×1019 C＋1.6×10－19×1×2.0×1019 C＝6.4 C，根據(jù)電流的定義式得I＝＝ A＝3.2 A，D正確。] 電流的微觀表達式 1.推導過程 (1)題設(shè) 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

11、自由電荷沿導體定向移動的速率為v，設(shè)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(jié)論 電流的微觀表達式為I＝nqSv。 2．I＝nqSv與I＝的區(qū)別 I＝nqSv是電流的決定式，即電流的大小由n、q、S、v共同決定，其中q是單個自由電荷的電荷量；而I＝是電流的定義式，其中q是通過導體橫截面的電荷量(不是通過單位橫截面積的電荷量)。 3．三種速率 (1)電流的

12、傳導速率等于光速，為3×108 m/s。 (2)電子定向移動速率，其大小與電流有關(guān)，約為10－5 m/s。 (3)電子熱運動速率，其大小與溫度有關(guān)，約為105 m/s。 【例3】　(多選)有一橫截面積為S的銅導線，流經(jīng)其中的電流為I；設(shè)每單位體積的導線中有n個自由電子，電子的電荷量為e，此電子的定向移動速率為v，在Δt時間內(nèi)，通過導線橫截面的自由電子數(shù)可表示為(　) A．nvSΔt B．nvΔt C． D． 思路點撥：(1)電子數(shù)等于總電荷量除以每個電子的電荷量，所以求出通過橫截面的電荷量，即可求出電子數(shù)。 (2)單位體積內(nèi)的電子數(shù)已知，只要求出Δt時間內(nèi)有多少體積的電子通

13、過橫截面，即可求出電子數(shù)。 AC　[因為I＝，所以q＝I·Δt，自由電子數(shù)目為N＝＝，C正確，D錯誤；又因為電流的微觀表達式為I＝nevS，所以自由電子數(shù)目為N＝＝＝＝nvSΔt，A正確，B錯誤。] 用電流的微觀表達式求解問題的注意點 (1)準確理解公式中各物理量的意義，式中的v是指自由電荷定向移動的速率，不是電流的傳導速率，也不是電子熱運動的速率。 (2)I＝nqSv是由I＝導出的，若n的含義不同，表達式的形式也會不同。 3．關(guān)于電流，下列說法中正確的是(　　) A．導體中無電流的原因是其內(nèi)部自由電荷停止了運動 B．同種材料制成的兩個金屬導體都通電，則電流大的那個導

14、體內(nèi)自由電荷定向移動速率大 C．由于電荷做無規(guī)則熱運動的速率比電荷定向移動的速率大得多，故電荷做無規(guī)則熱運動形成的電流也就大得多 D．電荷做無規(guī)則熱運動不形成電流 D　[電流是自由電荷定向移動形成的，導體內(nèi)的自由電子時刻都在做無規(guī)則的熱運動，A錯誤；由電流的微觀表達式I＝nqSv可知，同種材料制成的導體，電流大小不單是由自由電荷定向移動速率決定的，B錯誤；無規(guī)則的熱運動不會形成電流，只有電荷定向移動才會形成電流，C錯誤，D正確。] 課 堂 小 結(jié) 知 識 脈 絡(luò) 1.對電源的理解，電源在電路中的作用。 2.電流的定義及計算方法。 3.電流的微觀表達式及應用。 1．(多

15、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 BD　[在電源和導線中感應電荷的共同作用下，垂直導線方向的電場相互抵消，在導體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，B正確，A錯誤；導體內(nèi)有電場，說明導體不是靜電平衡狀態(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。] 2．(多選)關(guān)于電流的方向，下列描述正確的是(　　)

16、 A．規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向 B．規(guī)定自由電荷定向移動的方向為電流的方向 C．在金屬導體中，自由電子定向移動的方向為電流的反方向 D．在電解液中，由于正、負離子的電荷量相等，定向移動的方向相反，故無電流 AC　[規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向，故A對，B錯；金屬導體中定向移動的是自由電子，電子帶負電，故電子運動的方向與電流的方向相反，C對；在電解液中，正、負離子的電荷量相等，定向移動的方向相反，但有電流，電流的大小等于正、負離子電荷量的絕對值之和與時間的比值，D錯。] 3．如圖所示，一根橫截面積為S的均勻長直橡膠棒上均勻地帶有負電荷，每米電荷量為q，當此棒沿軸線方

17、向做速度為v的勻速直線運動時，由于棒運動而形成的等效電流大小為(　　) A．vq　　　 B. C．vqS D. A　[經(jīng)過時間t，通過右端橫截面的電荷量Q＝qvt，根據(jù)I＝得I＝vq，A正確。] 4．一個半導體收音機，電池供電的電流是8 mA，也就是說(　　) A．1 h電池供給1 C的電荷量 B．1 000 s電池供給8 C的電荷量 C．1 s電池供給8 C的電荷量 D．1 min電池供給8 C的電荷量 B　[根據(jù)I＝知，1 h電池供電量q1＝8×10－3×3.6×103 C＝28.8 C，A錯誤；1 000 s電池供電量q2＝1 000 × 8×10－3 C＝8 C，B正確；1 s電池供電量q3＝1×8×10－3 C＝8×10－3 C，C錯誤；1 min電池供電量q4＝60×8×10－3 C＝0.48 C，D錯誤。] - 8 -