2024版新教材高中物理第十一章電路及其應(yīng)用1.電源和電流學(xué)生用書新人教版必修第三冊(cè)

1．電源和電流核心素養(yǎng)定位物理觀念了解電流的形成條件，知道電源的作用．科學(xué)思維理解電流的定義和電流方向的規(guī)定，會(huì)用電流的定義式分析相關(guān)問題．科學(xué)探究了解電流微觀表達(dá)式的推導(dǎo)過程，從微觀角度認(rèn)識(shí)影響電流大小的因素．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過對(duì)電源和電流的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生探究生活和生產(chǎn)中物理知識(shí)的意識(shí)．一、電源1．形成持續(xù)電流的條件：一是要有移動(dòng)的________，二是導(dǎo)體兩端始終存在電勢(shì)差．2．電源的作用：電源能把電子由正極搬運(yùn)到負(fù)極，保持正、負(fù)極之間有穩(wěn)定的電勢(shì)差．通過非靜電力做功二、恒定電流基本性質(zhì)與靜電場(chǎng)相同1．恒定電場(chǎng)：由________的電荷所形成的穩(wěn)定的電場(chǎng)，叫作恒定電場(chǎng)．2．恒定電流：大小、方向都不隨________變化的電流叫作恒定電流．3．電流的強(qiáng)弱程度用________這個(gè)物理量表示．單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面(與導(dǎo)體垂直的截面)的電荷量越多，電流就________．用I表示電流，q表示在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，則有I＝qt.電流的單位是安培(國(guó)際單位制中的基本單位)，符號(hào)是A，常用的單位還有毫安(mA)和微安(μA)4．電流的微觀解釋：設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S，自由電子數(shù)密度(單位體積內(nèi)的自由電子數(shù))為n，自由電子定向移動(dòng)的平均速率為v，則時(shí)間t內(nèi)通過某一橫截面的自由電子數(shù)為________．由于電子電荷量為e，因此，時(shí)間t內(nèi)通過橫截面的電荷量q＝________．根據(jù)電流的公式I＝qt，可以得到電流和自由電子定向移動(dòng)平均速率的關(guān)系為____________【情境思考】如圖是中國(guó)寧波公交使用的全球首創(chuàng)超級(jí)電容儲(chǔ)能式現(xiàn)代電車，該電車沒有傳統(tǒng)無軌電車的“辮子”，核心元器件是“3V12000F”石墨烯納米混合型超級(jí)電容器，該電容器能反復(fù)充放電100萬次，使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年．根據(jù)上述材料判斷以下問題．(1)電容器放電的過程中，電荷量逐漸減少，電容器的電容和兩極板間的電壓也逐漸減?。?)(2)電容器充電的過程中，電荷量逐漸增加，電容保持不變．()(3)若標(biāo)有“3V12000F”的電容器從電量為零到充滿電用時(shí)30s，則充電的平均電流為3600A．()拓展1類比法理解電源的作用拓展2直流電源和交流電源(1)直流電源直流電源的電流、電壓方向不隨時(shí)間作周期性變化，比如蓄電池、直流發(fā)電機(jī)、干電池、直流穩(wěn)壓源．(2)交流電源電流電壓方向隨時(shí)間作周期性變化的裝置，如交流發(fā)電機(jī)．拓展3恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的異同(1)異：靜電場(chǎng)是由靜止的電荷產(chǎn)生的；恒定電場(chǎng)是由穩(wěn)定分布的電荷產(chǎn)生的．(2)同：都是由電荷產(chǎn)生；恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)都不隨時(shí)間變化；對(duì)電荷有力的作用；電勢(shì)、電勢(shì)差及其與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系同樣適用．拓展4[教材問題]STSE電池的容量：電池放電時(shí)輸出的總電荷量，通常以“安時(shí)”(A·h)或“毫安時(shí)”(mA·h)作單位．手機(jī)電池的容量可達(dá)6000mA·h.拓展5如圖所示，一根截面積為S的均勻長(zhǎng)直橡膠棒上均勻帶有負(fù)電荷，每米電荷量為q′.當(dāng)此棒沿軸線方向做速度為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多大？提示：在運(yùn)動(dòng)方向上假設(shè)有一截面，則在t時(shí)間內(nèi)通過截面的電荷量為q＝vt·q′，則等效電流I＝qt＝vq目標(biāo)一電流的理解和計(jì)算【導(dǎo)思】——————————————————○如圖所示，在裝有導(dǎo)電液體的細(xì)管中，有正、負(fù)兩種電荷向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t內(nèi)通過細(xì)管某截面的正電荷為q1，通過此截面的負(fù)電荷為q2.(1)怎樣確定通過導(dǎo)電液體中電流的方向？(2)如何計(jì)算導(dǎo)電液體中電流的大??？【歸納】——————————————————○1．電流的大小定義式：I＝qt.用該式計(jì)算出的電流是時(shí)間t內(nèi)的平均值．對(duì)于恒定電流，電流的瞬時(shí)值2．對(duì)電流的理解(1)電流雖然有方向，但它是標(biāo)量，其計(jì)算遵循代數(shù)運(yùn)算法則．(2)在外電路中電流方向由電源正極到電源負(fù)極，在電源內(nèi)部電流方向由電源負(fù)極到電源正極．(3)I＝qt是電流的定義式，或者說是求解電流的一種方法，電流I與q、t(4)一點(diǎn)說明：電解液中正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向雖然相反，但正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流的方向是相同的，應(yīng)用I＝qt求電流時(shí)，q【典例】——————————————————○例1下列說法正確的是()A．電源的作用是使電路中產(chǎn)生電荷B．電源的作用是使電路中的電荷發(fā)生定向移動(dòng)C．只要電路中有電源，電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流D.導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源兩極在空間直接形成的例2如圖所示，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用放射性元素衰變的電池．該電池采用金屬空心球殼結(jié)構(gòu)，在金屬球殼內(nèi)部的球心位置放有一小塊與球殼絕緣的放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)與球殼之間是真空．球心處的放射性物質(zhì)向四周均勻發(fā)射電子，電子的電荷量為e.已知單位時(shí)間內(nèi)放射性物質(zhì)射出的電子數(shù)為N，在金屬殼外表面有一塊較小的圓形S，面積為金屬殼表面積的136，則通過S的電流大小約為(A．Ne36B．Ne360C．Ne2π思維提升(1)金屬導(dǎo)體中的電流是由自由電子的定向移動(dòng)形成的，因此q為通過導(dǎo)體橫截面的自由電子的電荷量．(2)電解質(zhì)溶液中的電流是正、負(fù)離子同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)形成的，因此q為正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和．(3)電解液中電流的方向與正離子定向移動(dòng)的方向相同，與負(fù)離子定向移動(dòng)的方向相反．[訓(xùn)練1]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)形成電流的方向從A→B，負(fù)離子定向移動(dòng)形成電流的方向從B→AB．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)度為I＝nD．溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流強(qiáng)度為I＝n[訓(xùn)練2]電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流，如圖所示．氫原子的電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑為R，電子質(zhì)量為m，電荷量為e，靜電力常量為k.則此環(huán)形電流的大小為()A．e22πC．e22π目標(biāo)二電流的微觀表達(dá)式【歸納】——————————————————○1．電流的微觀表達(dá)式：I＝nqSv.電流的大小取決于單位體積的自由電荷數(shù)n、每個(gè)自由電荷的電荷量q、導(dǎo)體的橫截面積S、定向移動(dòng)速率v.2．電流的定義式和微觀表達(dá)式的比較I＝qI＝nqSv公式性質(zhì)定義式?jīng)Q定式電流的意義時(shí)間t內(nèi)的平均電流某時(shí)刻的瞬時(shí)電流描述的角度大量電荷定向移動(dòng)的宏觀表現(xiàn)形成電流的微觀實(shí)質(zhì)聯(lián)系由I＝qt可導(dǎo)出I＝nqS3.三種速率(1)電流的傳導(dǎo)速率等于光速，為3×108m/s.(2)電子定向移動(dòng)速率，其大小與電流有關(guān)，約為10－4m/s.(3)電子熱運(yùn)動(dòng)速率，其大小與溫度有關(guān)，約為105m/s.【典例】——————————————————○例3某些腫瘤可以用“質(zhì)子療法”進(jìn)行治療．在這種療法中，為了能讓質(zhì)子轟擊腫瘤并殺死癌細(xì)胞，首先要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的高速運(yùn)動(dòng)，該過程需要一種被稱作粒子加速器的裝置來實(shí)現(xiàn)．來自質(zhì)子源的質(zhì)子(初速度為零)，經(jīng)加速電壓為U的加速器加速后，形成細(xì)柱形的質(zhì)子流．已知細(xì)柱形的質(zhì)子流橫截面積為S，單位體積的質(zhì)子數(shù)為n，質(zhì)子的質(zhì)量為m，其電荷量為e，那么這束質(zhì)子流的等效電流I為()A．nSem2UB．neS2eUmC．1nS思維提升用電流的微觀表達(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＝neSv是由I＝qt導(dǎo)出的，若n[訓(xùn)練3]一段粗細(xì)均勻的銅導(dǎo)線的橫截面積是S，導(dǎo)線單位長(zhǎng)度內(nèi)的自由電子數(shù)為n，銅導(dǎo)線內(nèi)的每個(gè)自由電子所帶的電荷量為e，自由電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率為v0，導(dǎo)線中通過的電流為I.則下列說法正確的是()A．自由電子定向移動(dòng)的速率為v0B．自由電子定向移動(dòng)的速率為v＝IC．自由電子定向移動(dòng)的速率為真空中的光速cD．自由電子定向移動(dòng)的速率為v＝I1．下列關(guān)于電源的說法正確的是()A．電源是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的裝置B．電源的作用是使電源的正負(fù)極保持一定量的正、負(fù)電荷，維持一定的電勢(shì)差C．與電源相連的導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的D．在電源內(nèi)部負(fù)電荷由負(fù)極流向正極(或正電荷由正極流向負(fù)極)2．關(guān)于對(duì)電流的理解，下列說法正確的是()A．電流的方向就是自由電子定向移動(dòng)的方向B．電流有大小，也有方向，所以電流是矢量C．金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)作用下形成的D．電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向移動(dòng)速率3．某電解池中，若在2s內(nèi)各有1.0×1019個(gè)二價(jià)正離子和2.0×1019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．0B．0.8AC．1.6AD．3.2A4.自動(dòng)體外除顫器是一種便攜式的醫(yī)療設(shè)備，它可以診斷特定的心律失常，并且給予電擊除顫，是可被非專業(yè)人員使用的用于搶救心臟驟?；颊叩尼t(yī)療設(shè)備．某型號(hào)自動(dòng)體外除顫器的電容器電容是16μF，充電至4kV電壓，電容器在4ms時(shí)間內(nèi)完成放電．下列說法正確的是()A．電容器放電完成后電容為零B．電容器的擊穿電壓為4kVC．電容器充電后的電荷量為0.64CD．電容器放電過程中的平均電流為16A5．心臟驟停最有效的搶救方式是盡早通過AED自動(dòng)除顫?rùn)C(jī)給予及時(shí)治療．如圖，某型號(hào)AED模擬治療儀器內(nèi)有一電容為15μF的電容器，某次使用過程中，該電容器在10s內(nèi)充電至5000V電壓，之后在3ms時(shí)間內(nèi)完成放電．則下列說法正確的是()A．電容器充電后所帶的電荷量為75CB．電容器充電過程中電容一直增大C．電容器放電過程中放電電流一直增大D．電容器放電過程中平均電流為25A6．已知銅棒的截面積為S，密度為ρ，摩爾質(zhì)量為M，阿伏加德羅常數(shù)為NA，電子電量為e.若通過銅棒的電流強(qiáng)度為I，并認(rèn)為銅棒中每一個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)電子，則銅棒中自由電子定向移動(dòng)的速率為()A．IMρSNAeB．IρMSN1．電源和電流導(dǎo)學(xué)掌握必備知識(shí)一、1．自由電子二、1．穩(wěn)定分布2．時(shí)間3．電流越大4．nSvtneSvtI＝neSv情境思考答案：(1)×(2)√(3)×共研突破關(guān)鍵能力目標(biāo)一提示：(1)電流方向?yàn)檎姾啥ㄏ蛞苿?dòng)的方向或負(fù)電荷定向移動(dòng)方向的反方向，故導(dǎo)電液體中電流方向?yàn)橛勺笙蛴遥?2)I＝q1[例1]解析：導(dǎo)體本身就有自由電荷，電源的作用不是使電路中產(chǎn)生電荷，而是使正負(fù)電荷分開，使正極聚集正電荷，負(fù)極聚集負(fù)電荷，電源兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，電壓使電路中電荷產(chǎn)生定向移動(dòng)形成電流，A錯(cuò)誤，B正確；只要電路中有電源，且電路要閉合，電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流，C錯(cuò)誤；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，D錯(cuò)誤．答案：B[例2]解析：由題意可知，單位時(shí)間內(nèi)從放射性物質(zhì)射出的電子數(shù)為N，則在t時(shí)間內(nèi)從放射性物質(zhì)射出的電荷量為q＝Net，則t時(shí)間內(nèi)，通過金屬殼表面較小的圓形面積S的電荷量是q′＝136q＝136Net，由電流的定義式可得I＝q't＝答案：A[訓(xùn)練1]解析：正電荷定向移動(dòng)的方向就是電流的方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向也是電流的方向，A、B錯(cuò)誤；有正、負(fù)電荷反向經(jīng)過同一截面時(shí)，I＝qt公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷電荷量絕對(duì)值之和，故I＝n1e+n2et，電流方向由A答案：D[訓(xùn)練2]解析：電子繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由庫(kù)侖力提供向心力，可得ke·eR2＝m4π2RT2，則電子運(yùn)動(dòng)的周期為T＝2πemR3答案：C目標(biāo)二[例3]解析：質(zhì)子在電場(chǎng)力作用下加速，加速后的速度為v，根據(jù)動(dòng)能定理，則有eU＝12mv2，解得v＝2eUm.等效電流為I，單位體積的質(zhì)子數(shù)為n，根據(jù)電流微觀表達(dá)式I＝neSv，解得I＝neSv＝neS2eUm答案：B[訓(xùn)練3]解析：v0為自由電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率，不是定向移動(dòng)速率，與光速及自由電子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率無關(guān)，故A、C錯(cuò)誤；對(duì)于電流微觀表達(dá)式I＝nqSv，式中n為單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)，而本題中n為單位長(zhǎng)度內(nèi)的自由電子數(shù)，則t時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線某一橫截面的自由電子數(shù)為nvt，電荷量q＝nvte，所以電流I＝qt＝nev，所以v＝Ine，故B錯(cuò)誤，答案：D精練落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)1．解析：在電源內(nèi)部把電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極，克服靜電力做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，A錯(cuò)誤；電荷的搬運(yùn)使電源正、負(fù)極間維持一定電勢(shì)差，B正確；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，C錯(cuò)誤；在電源內(nèi)部，負(fù)電荷從電源正極流向負(fù)極(或正電荷從負(fù)極流向正極)，D錯(cuò)誤．答案：B2．解析：規(guī)定電流的方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反，A錯(cuò)誤．電流有大小，也有方向，但不遵循平行四邊形定則，所以電流是標(biāo)量，B錯(cuò)誤．金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)作用下形成的，C正確．電流的傳導(dǎo)速率指的