2019-2020學(xué)年高中物理 第2章 1 電源和電流學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、1　電源和電流 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解電流的形成，知道電源的作用和導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng)。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(diǎn))3.理解電流形成的微觀實(shí)質(zhì)。(難點(diǎn)) 一、電源 1．定義：電源是能不斷把電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極的裝置。 2．作用 (1)移送電荷，維持電源正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)差。 (2)保持電路中有持續(xù)的電流。 二、恒定電場(chǎng) 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(chǎng)。 2．形成：當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的。 3．特點(diǎn)：任何位置的電荷分布和電場(chǎng)強(qiáng)度都不隨時(shí)間變化。 三、恒定電流

2、1．電流 (1)概念：電荷的定向移動(dòng)形成電流。 (2)物理意義：反映了電流的強(qiáng)弱程度。 (3)符號(hào)及單位：符號(hào)是I，單位有安培、毫安、微安(單位符號(hào)分別為A、mA、μA)。 (4)表達(dá)式：I＝。 (5)電流的方向：規(guī)定正電荷定向移動(dòng)方向或負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向?yàn)殡娏鞣较颉? 2．恒定電流 (1)定義：大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流。 (2)形成：恒定電場(chǎng)使自由電荷速率增加，自由電荷與導(dǎo)體內(nèi)不動(dòng)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(cuò)誤的打“×”) (1)恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)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(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多。 (√) (5)導(dǎo)體中的電流，實(shí)際是正電荷的定向移動(dòng)形成的。 (×) 2．下列說法中正確的是(　　) A．導(dǎo)體中電荷運(yùn)動(dòng)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(gè)矢量 D．任何物體，只要其兩端的電勢(shì)差不為零，就有電流存在 B　[自由電荷定向移動(dòng)才形成電流，僅有電荷移動(dòng)但不是定向移動(dòng)則不能形成電流，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；形成電流的條件是導(dǎo)體兩端有電勢(shì)差，且必須是導(dǎo)體而非任何物體，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤；電流有方向，但它

4、是標(biāo)量，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。] 3．關(guān)于導(dǎo)線中的電場(chǎng)，下列說法正確的是(　　) A．導(dǎo)線內(nèi)的電場(chǎng)線可以與導(dǎo)線相交 B．導(dǎo)線內(nèi)的電場(chǎng)E是由電源電場(chǎng)E0和導(dǎo)線側(cè)面堆積的電荷形成的電場(chǎng)E′疊加的結(jié)果 C．導(dǎo)線側(cè)面堆積電荷分布是穩(wěn)定的，故導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài) D．導(dǎo)線中的電場(chǎng)是靜電場(chǎng)的一種 B　[導(dǎo)線內(nèi)的電場(chǎng)線與導(dǎo)線是平行的，故A錯(cuò)；導(dǎo)線中的電場(chǎng)是電源電場(chǎng)和導(dǎo)線側(cè)面的堆積電荷形成的電場(chǎng)疊加而成的，故B對(duì)；導(dǎo)線內(nèi)電場(chǎng)不為零，不是靜電平衡狀態(tài)，導(dǎo)線中的電場(chǎng)是恒定電場(chǎng)，并非靜電場(chǎng)的一種，故C、D錯(cuò)。] 對(duì)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(dòng)。 (2)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，搬運(yùn)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(fù)離子，其中金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷是自由電子，液體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有正離子和負(fù)離子，氣體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有自由電子、正離子和負(fù)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(fù)極搬運(yùn)到正極，保持兩極之間有電壓 B．電源把正、負(fù)電荷分開的過程是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的過程 C．電荷的移動(dòng)形成電流 D．只要電路中有電源，電路中就會(huì)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(yùn)到負(fù)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(shì)能，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確。電荷的定向移動(dòng)才形成電流，選項(xiàng)C錯(cuò)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(xiàng)D錯(cuò)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(shí)滿足兩個(gè)條件： (1)電路中有電源。 (2)電路還必須是閉合的，即必須用導(dǎo)體將電源連接起來。 1．(多選)將一些電學(xué)元件用導(dǎo)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(fù)極兩端保持一定的電勢(shì)差 B．電源的作用是能為電路持續(xù)地提供自由電荷 C．導(dǎo)體中

7、的電場(chǎng)是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的 D．導(dǎo)體中的電場(chǎng)是由電源的電場(chǎng)和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場(chǎng)疊加而形成的 AD　[電源將負(fù)電荷從負(fù)極搬到正極，維持正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)差，A正確，B錯(cuò)誤；導(dǎo)體中的電場(chǎng)是電源電場(chǎng)和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場(chǎng)疊加而成的，C錯(cuò)誤，D正確。] 不同導(dǎo)體中電流的計(jì)算 1.金屬導(dǎo)體中電流的計(jì)算 金屬導(dǎo)體中的自由電荷只有自由電子，運(yùn)用I＝計(jì)算時(shí)，q是某一時(shí)間內(nèi)通過金屬導(dǎo)體橫截面的電子的電荷量。 2．電解液中電流的計(jì)算 電解液中的自由電荷是正、負(fù)離子，運(yùn)用I＝計(jì)算時(shí)，q應(yīng)是同一時(shí)間內(nèi)正、負(fù)兩種離子通過橫截面的電荷量的絕對(duì)值之和。 3．環(huán)形電流的計(jì)算

8、環(huán)形電流的計(jì)算采用等效的觀點(diǎn)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(shí)所形成的電流。對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)的電荷，常取一個(gè)周期來計(jì)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(jià)的電解液，時(shí)間t內(nèi)通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)是n1，負(fù)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(dòng)形成電流方向從A→B，負(fù)離子定向移動(dòng)形成電流方向從B→A B．溶液內(nèi)正、負(fù)離子向相反方向移動(dòng)，電流抵消 C．溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流強(qiáng)度I＝ D．溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流強(qiáng)度I＝ 思路點(diǎn)撥：(1)電流的方向：與正

9、離子定向移動(dòng)方向相同，與負(fù)離子定向移動(dòng)方向相反。 (2)通過某一截面的電荷量為通過該截面正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和。 D　[正電荷定向移動(dòng)的方向就是電流方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向也是電流方向，A、B錯(cuò)誤；有正、負(fù)電荷反向經(jīng)過同一截面時(shí)，I＝公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷電荷量絕對(duì)值之和，故I＝，電流方向由A指向B，C錯(cuò)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(fù)電荷，還是正、負(fù)電荷同時(shí)定向移動(dòng)。 (2)當(dāng)正、負(fù)電荷都參與定向移動(dòng)時(shí)，正、負(fù)電荷對(duì)電流的形成都有貢獻(xiàn)。 2．某電解池中，若在2 s內(nèi)各有1.0×1019個(gè)二價(jià)正離子和2.0×101

10、9個(gè)一價(jià)負(fù)離子通過某截面，那么通過這個(gè)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(dòng)形成電流，但正、負(fù)電荷同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)時(shí)，通過某截面的電荷量應(yīng)是兩者絕對(duì)值的和。故由題意可知，電流由正、負(fù)離子定向運(yùn)動(dòng)形成，則在2 s內(nèi)通過截面的總電荷量應(yīng)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(dá)式 1.推導(dǎo)過程 (1)題設(shè) 如圖所示，AB表示粗細(xì)均勻的一段導(dǎo)體，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的

11、自由電荷沿導(dǎo)體定向移動(dòng)的速率為v，設(shè)導(dǎo)體的長度為L，橫截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電荷量為q。 (2)推導(dǎo) 導(dǎo)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(shí)間t＝， 導(dǎo)體AB中電流為I＝＝＝nqSv。 (3)結(jié)論 電流的微觀表達(dá)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(gè)自由電荷的電荷量；而I＝是電流的定義式，其中q是通過導(dǎo)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(dǎo)速率等于光速，為3×108 m/s。 (2)電子定向移動(dòng)速率，其大小與電流有關(guān)，約為10－5 m/s。 (3)電子熱運(yùn)動(dòng)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(dǎo)線，流經(jīng)其中的電流為I；設(shè)每單位體積的導(dǎo)線中有n個(gè)自由電子，電子的電荷量為e，此電子的定向移動(dòng)速率為v，在Δt時(shí)間內(nèi)，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)可表示為(　) A．nvSΔt B．nvΔt C． D． 思路點(diǎn)撥：(1)電子數(shù)等于總電荷量除以每個(gè)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(shí)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?yàn)镮＝，所以q＝I·Δt，自由電子數(shù)目為N＝＝，C正確，D錯(cuò)誤；又因?yàn)殡娏鞯奈⒂^表達(dá)式為I＝nevS，所以自由電子數(shù)目為N＝＝＝＝nvSΔt，A正確，B錯(cuò)誤。] 用電流的微觀表達(dá)式求解問題的注意點(diǎn) (1)準(zhǔn)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(dòng)的速率，不是電流的傳導(dǎo)速率，也不是電子熱運(yùn)動(dòng)的速率。 (2)I＝nqSv是由I＝導(dǎo)出的，若n的含義不同，表達(dá)式的形式也會(huì)不同。 3．關(guān)于電流，下列說法中正確的是(　　) A．導(dǎo)體中無電流的原因是其內(nèi)部自由電荷停止了運(yùn)動(dòng) B．同種材料制成的兩個(gè)金屬導(dǎo)體都通電，則電流大的那個(gè)導(dǎo)

14、體內(nèi)自由電荷定向移動(dòng)速率大 C．由于電荷做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率比電荷定向移動(dòng)的速率大得多，故電荷做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的電流也就大得多 D．電荷做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)不形成電流 D　[電流是自由電荷定向移動(dòng)形成的，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子時(shí)刻都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；由電流的微觀表達(dá)式I＝nqSv可知，同種材料制成的導(dǎo)體，電流大小不單是由自由電荷定向移動(dòng)速率決定的，B錯(cuò)誤；無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)不會(huì)形成電流，只有電荷定向移動(dòng)才會(huì)形成電流，C錯(cuò)誤，D正確。] 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.對(duì)電源的理解，電源在電路中的作用。 2.電流的定義及計(jì)算方法。 3.電流的微觀表達(dá)式及應(yīng)用。 1．(多

15、選)在由電源、導(dǎo)線等電路元件所組成的電路中，以下說法正確的是(　　) A．導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零 B．導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向平行 C．導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài) D．導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢(shì)逐漸降低 BD　[在電源和導(dǎo)線中感應(yīng)電荷的共同作用下，垂直導(dǎo)線方向的電場(chǎng)相互抵消，在導(dǎo)體中形成了沿導(dǎo)線方向的電場(chǎng)，即導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向平行，B正確，A錯(cuò)誤；導(dǎo)體內(nèi)有電場(chǎng)，說明導(dǎo)體不是靜電平衡狀態(tài)，C錯(cuò)誤；沿電場(chǎng)方向電勢(shì)逐漸降低，電場(chǎng)方向就是正電荷的受力方向，也就是電流的方向，即導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢(shì)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较? B．規(guī)定自由電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较? C．在金屬導(dǎo)體中，自由電子定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆捶较? D．在電解液中，由于正、負(fù)離子的電荷量相等，定向移動(dòng)的方向相反，故無電流 AC　[規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?，故A對(duì)，B錯(cuò)；金屬導(dǎo)體中定向移動(dòng)的是自由電子，電子帶負(fù)電，故電子運(yùn)動(dòng)的方向與電流的方向相反，C對(duì)；在電解液中，正、負(fù)離子的電荷量相等，定向移動(dòng)的方向相反，但有電流，電流的大小等于正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和與時(shí)間的比值，D錯(cuò)。] 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(fù)電荷，每米電荷量為q，當(dāng)此棒沿軸線方

17、向做速度為v的勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于棒運(yùn)動(dòng)而形成的等效電流大小為(　　) A．vq　　　 B. C．vqS D. A　[經(jīng)過時(shí)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(gè)半導(dǎo)體收音機(jī)，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(cuò)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(cuò)誤；1 min電池供電量q4＝60×8×10－3 C＝0.48 C，D錯(cuò)誤。] - 8 -