11.1電源和電流（教師版）-高二物理講義（人教2019）

11.1電源和電流【物理核心素養(yǎng)】物理觀念：通過學(xué)習(xí)恒定電場和恒定電流，初步建立動態(tài)平衡的物理觀念。科學(xué)思維：通過“場”和“路”的知識相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生不斷運用學(xué)到的知識分析、解決實際問題的意識和能力科學(xué)探究：探究金屬導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動速率的推導(dǎo)過程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對電源、電流的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生將物理知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實踐的意識，勇于探究與日常生活有關(guān)的物理學(xué)問題?！窘虒W(xué)重難點】重點：理解電源的形成過程及電流的產(chǎn)生。難點：電源作用的道理，電流的定義式。知識點一、電源1．電源定義：能把電子從A搬運到B的裝置。裝置P就是電源。A、B就是電源的正負兩個極。2.電源的作用：保持導(dǎo)體兩端的電勢差（電壓），使電路有持續(xù)的電流。【經(jīng)典例題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C．只要電路中有電源，電路中就會形成持續(xù)的電流D．導(dǎo)線中的電場是由電源兩極在空間直接形成的【答案】B【解析】AB．導(dǎo)體中本身就有自由電荷，電源的作用不是使電路中產(chǎn)生電荷，而是使正負電荷分開，使正極聚集正電荷，負極聚集負電荷，電源兩端就會產(chǎn)生電壓，電壓使電路中電荷產(chǎn)生定向移動形成電流，A錯誤，B正確；C．只要電路中有電源，且電路要閉合，電路中就會形成持續(xù)的電流，C錯誤；D．導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的，D錯誤。故選B?！咀兪接?xùn)練1】（多選）以下說法中正確的是（）A．電源的作用是維持導(dǎo)體兩端的電壓，使電路中有持續(xù)的電流B．在電源內(nèi)部正電荷能從負極到正極是因為電源內(nèi)部存在非靜電力和靜電力C．靜電力與非靜電力都可以使電荷移動，所以本質(zhì)上都是使電荷的電勢能減少D．靜電力移動電荷做功電荷電勢能減少，非靜電力移動電荷做功電荷電勢能增加【答案】ABD【解析】A．電源的作用是維持導(dǎo)體兩端的電壓，使電路中有持續(xù)的電流，故A正確；B．在電源內(nèi)部正電荷能從負極到正極是因為電源內(nèi)部既存在非靜電力，又存在靜電力，故B正確；CD．靜電力與非靜電力都可以使電荷移動，靜電力移動電荷做功電荷電勢能減少，非靜電力移動電荷做功電荷電勢能增加，故C錯誤，D正確；故選ABD。知識點二、恒定電流1．恒定電場：由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場。2．自由電荷定向移動的平均速率：在恒定電場的作用下，自由電荷定向加速運動，但在運動過程中與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子不斷碰撞，碰撞的結(jié)果是大量自由電荷定向移動的平移速率不隨時間變化。3．恒定電流：大小、方向都不隨時間變化的電流。4．電流（1）物理意義：表示電流強弱程度的物理量。（2）公式：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量越多，電流就越大。如果用I表示電流、q表示在時間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，則由I＝eq\f(q,t)。注意：此處的電荷量指凈電荷量，如果每一秒有1C的正電荷向右通過截面，同時有2C的負電荷向左通過截面。則該截面有相當(dāng)于3C的正電荷向右通過該截面。（3）單位：在國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安，符號是A。常用的電流單位還有毫安（mA）和微安（μA）。1mA＝10－3A，1μA＝10－6A。（4）方向：正電荷定向移動的方向規(guī)定為電流的方向。（5）產(chǎn)生電流的條件：導(dǎo)體兩端存在電壓.（6）形成持續(xù)電流條件：導(dǎo)體兩端存在持續(xù)電壓.【經(jīng)典例題2】如圖所示的電解槽接入電路后，在t秒內(nèi)有n1個1價正離子通過溶液內(nèi)截面S，有n2個1價負離子通過溶液內(nèi)截面S，設(shè)e為元電荷，以下說法正確的是（）A．當(dāng)n1＝n2時電流強度為零B．當(dāng)n1＞n2時，電流方向從A→B，電流強度為I＝C．當(dāng)n1＜n2時，電流方向從B→A，電流強度I＝D．電流方向從A→B，電流強度I＝【答案】D【解析】電荷的定向移動形成電流，正電荷的定向移動方向是電流方向，負電荷移動的方向與電流方向相反，由圖示可知，溶液中的正離子從A向B運動，，負電荷由B向A運動，因此電流方向是A→B，電流大小故選D?！咀兪接?xùn)練2】在氫原子模型中，電子繞核運動可等效為一個環(huán)形電流。設(shè)氫原子中電子在半徑為r的軌道上運動，其質(zhì)量、電量分別用m和e來表示，則等效電流I等于多少【答案】【解析】電子繞核做勻速圓周運動，庫侖力提供向心力為所以電子運動周期為根據(jù)電流的定義式解得知識點三、電流的微觀表達式1.電流的微觀表達式：I＝nqvS.式中n為導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、q為每個自由電荷的電荷量、v為自由電荷定向移動速率，S為導(dǎo)體的橫截面積.2.三種速率的比較（1）電子定向移動速率：電子在金屬導(dǎo)體中的平均運動速率，也是公式I＝neSv中的v，大小約為10－5m/s.（2）電流的傳導(dǎo)速率：電流在導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速率等于光速，為3×108m/s.閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處以光速建立恒定電場，電路中各處的自由電子幾乎同時定向移動，整個電路也幾乎同時形成了電流.（3）電子熱運動速率：電子做無規(guī)則熱運動的速率，大小約為105m/s.由于熱運動向各個方向運動的機會相等，故此運動不能形成電流.【經(jīng)典例題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個自由電子，電子的電荷量為e，此時電子定向移動的平均速率為v，在t時間內(nèi)，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)可表示為（）A． B． C． D．【答案】AC【解析】AB．通過銅導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為單位體積的自由電子數(shù)乘以體積，即故A正確，B錯誤；CD．根據(jù)電流的定義式則通過銅導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為故C正確，D錯誤。故選AC?！咀兪接?xùn)練3】導(dǎo)線中的電流是、導(dǎo)線的橫截面積為。那么（1）在內(nèi)，有多少個電子通過導(dǎo)線的橫截面（電子電量）？（2）自由電子的平均移動速率是多大（設(shè)導(dǎo)體每立方米內(nèi)有個自由電子）？【答案】（1）6.25×1010個；（2）7.4×1013m/s【解析】（1）1s內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的電子數(shù)為（個）（2）根據(jù)電流的微觀表達式I=neSv代入數(shù)據(jù)解得自由電子的平均移動速率是題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．一根橫截面積為S的銅導(dǎo)線，通過電流為I。已經(jīng)知道銅的密度為ρ，銅的摩爾質(zhì)量為M，電子電荷量為e，阿佛加德羅常數(shù)為NA，設(shè)每個銅原子只提供一個自由電子，則銅導(dǎo)線中自由電子定向移動速率為（）A． B． C． D．【答案】A【解析】設(shè)自由電子定向移動的速率為，導(dǎo)線中自由電子從一端定向移到另一端所用時間為t，對銅導(dǎo)體研究：每個銅原子可提供一個自由電子，則銅原子數(shù)目與自由電子的總數(shù)相等，即t時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量為則電流強度為解得故選A。2．為解決充電問題，市面上出現(xiàn)了免押共享充電寶服務(wù)。圖示為華為某款充電寶的相關(guān)數(shù)據(jù)，下列說法正確的是（）容量10000mA·h匹配系統(tǒng)安卓輸入DC\5V\2A輸出DC\5V\0.1A~2.5A產(chǎn)品名稱華為質(zhì)量300gA．充電寶充電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能B．充電寶放電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能C．該充電寶充電時的輸入電壓為220VD．若該充電寶給電池電荷量為零、容量為3000mA·h的充電，則理論上能充滿3次【答案】D【解析】AB．充電寶充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，故AB錯誤；C．該充電寶充電時的輸入電壓為5V，故C錯誤；D．若該充電寶給電池電荷量為零、容量為3000mA·h的充電，則理論上能充滿的次數(shù)為故D正確。故選D。3．在示波管中，電子槍2s內(nèi)發(fā)射了個電子，則示波管中電流的大小為（）A． B． C． D．【答案】A【解析】電子槍發(fā)射的電荷量所以示波管中的電流大小為故選A。4．關(guān)于電流，下列說法中正確的是A．通過導(dǎo)線橫截面的電荷量越多，電流越大B．電子運動的速度越大，電流越大C．單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量越多，導(dǎo)體中的電流越大D．因為電流有方向，所以電流是矢量【答案】C【解析】A.電流的大小取決于電量與時間的比值，即單位時間內(nèi)通過的電量，電荷量多也可能是時間長導(dǎo)致的，故A錯誤；B.由可知，電流不但與電子定向移動的速率有關(guān)，還與單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)n以及截面積S有關(guān)，所以電子定向移動速率越大，電流不一定越大，故B錯誤；C.根據(jù)電流的定義可知單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電荷量越多，導(dǎo)體中的電流就越大，故C正確；D.電流雖然有方向，但電流的運算法則不遵循平行四邊形定則，故電流是標(biāo)量，故D錯誤。故選C。5．（多選）下列關(guān)于電流的說法中，正確的是（）A．電荷的定向移動形成電流B．國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安C．電流既有大小又有方向，電流相加時遵從平行四邊形定則D．由可知，電流越大，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多【答案】ABD【解析】A．電流產(chǎn)生的原因是由于電荷的定向移動形成的，A正確；B．國際單位制中，電流的單位是安培，B正確；C．電流有大小，也有方向，但相加時遵從代數(shù)運算，C錯誤；D．由可知，電流越大，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多，D正確。故選ABD。6．（多選）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極保持一定量的正、負電荷，維持一定的電勢差C．與電源相連的導(dǎo)線中的電場是由電源正、負極上的電荷形成的D．在電源內(nèi)部負電荷由正極流向負極（或正電荷由負極流向正極）【答案】BD【解析】A．在電源內(nèi)部把電子從正極搬運到負極，克服靜電力做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，A錯誤；B．電荷的搬運使電源正、負極間維持一定電勢差，B正確；C．導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的，C錯誤；D．在電源內(nèi)部，負電荷從電源正極流向負極（或正電荷從負極流向正極），D正確。故選BD。題組B能力提升練7．某興趣小組調(diào)查一條河流的水質(zhì)情況，通過計算結(jié)果表明，被污染的河里一分鐘內(nèi)有相當(dāng)于的正離子和的負離子向下游流去，則取樣時這條河流的等效電流大小和方向分別是（）A．順流而下 B．順流而下C．逆流而上 D．逆流而上【答案】D【解析】在內(nèi)通過橫截面的總電荷量應(yīng)為所以電流方向與河水的流動方向相反，即電流的方向為逆流而上，ABC錯誤，D正確。故選D。8．關(guān)于電流的方向，下列說法中正確的是

A．在外電路中，電流的方向是從高電勢一端流向低電勢端B．在電源內(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．給電容器充電時，電流從正極板流出，流入負極板【答案】A【解析】AB.在電源的外部電路中，電流從正極流向負極，在電源的內(nèi)部，電流從負極流向正極，電源正極電勢高于負極電勢，A正確，B錯誤；C.電子帶負電，電子運動形成的電流方向與電子運動的方向相反，C錯誤；D.電容器充電時，電子流入負極板，所以電流從負極板流出，流入正極板，D錯誤。故選A。9．現(xiàn)今生活，人們出行時會隨身攜帶多種電子設(shè)備，而移動電源能夠滿足人們隨時隨地充電的需求，深受人們的喜愛。下列關(guān)于電源的說法正確的是（）A．電源的作用是使正極聚集負電荷，負極聚集正電荷，以持續(xù)對外供電B．在電源外部，電流是從電源的負極流向正極C．有電源，電路中一定有持續(xù)的電流D．電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置【答案】D【解析】A．電源的作用是使正極聚集正電荷，負極聚集負電荷，故A錯誤；B．在電源外部，電流是從電源的正極流向負極，故B錯誤；C．電路中有持續(xù)電流的條件是有電源和通路，有電源不一定有持續(xù)的電流，故C錯誤；D．從能量轉(zhuǎn)化的角度看，電源是將其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，故D正確。故選D。10．處于勻強磁場中的一個帶電粒子，僅在磁場力作用下做勻速圓周運動。該粒子的運動可與環(huán)形電流等效，此等效電流（）A．與粒子的電荷量成正比 B．與粒子的速度大小成正比C．與粒子的質(zhì)量成正比 D．與勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小成正比【答案】D【解析】粒子在磁場中做勻速圓周運動得又而聯(lián)立解得由此可知等效電流與粒子速率無關(guān)，與粒子電荷量的平方成正比，與粒子質(zhì)量成反比，與磁感應(yīng)強度成正比，故D正確，ABC錯誤。故選D。11．（多選）截面積為S的導(dǎo)線中通有電流I，已知導(dǎo)線每單位體積中有n個自由電子，每個自由電子的電荷量是e，自由電子定向移動的速率是v，則在時間內(nèi)通過導(dǎo)線截面的自由電子數(shù)是（）A． B． C． D．【答案】AC【解析】設(shè)內(nèi)通過導(dǎo)線截面的自由電子數(shù)是N，電流可以表示為解得故選AC。12．（多選）如圖所示，兩段長度和材料相同、各自粗細均勻的金屬導(dǎo)線a、b，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)相等，橫截面積之比為。已知5s內(nèi)有個自由電子通過導(dǎo)線a的橫截面，則（）A．流經(jīng)導(dǎo)線a的電流為0.16AB．流經(jīng)導(dǎo)線b的電流為0.32AC．5s內(nèi)有個自由電子通過導(dǎo)線b的橫截面D．自由電子在導(dǎo)線a和b中移動的速率之比【答案】AD【解析】A．流過導(dǎo)線a的電流為故A正確；B．因a、b串聯(lián)，通過的電流相等，所以流過導(dǎo)線b的電流為0.16A，故B錯誤；C．因a、b串聯(lián)，所以通過兩導(dǎo)線的電量相等，即5s內(nèi)有個自由電子通過導(dǎo)線b的橫截面，故C錯誤；D．由知當(dāng)其它條件相同，自由電子的移動速率與截面積成反比，則有故D正確。故選AD。13．在電解液中，若內(nèi)沿相反方向通過某截面的正、負離子的電量均為2C，則電解液中的電流為多大？若在內(nèi)共有個二價正離子和個一價負離子通過某截面，那么通過這個截面的電流為多大？【答案】2A；3.2A【解析】根據(jù)電流強度的定義式可得，2s通過電解槽橫截面積的電荷量絕對值之和Q=2C+2C=4C所以電解液中的電流為若在內(nèi)共有個二價正離子和個一價負離子通過某截面，那么通過這個截面的電流14．一個電阻為的導(dǎo)體，每當(dāng)它通過3C的電荷時，電流做功36J，那么此導(dǎo)體兩端所加電壓是多少，通過3C的電荷量所需的時間是多少？【答案】12V，5s【解析】此導(dǎo)體兩端所加電壓為導(dǎo)體中的電流為通過3C的電荷量所需的時間為題組C培優(yōu)拔尖練15．某電解池，如果在1s內(nèi)共有5×1018個二價正離子和1×1019個一價負離子通過面積為0.1m2的某橫截面，那么通過這個橫截面的電流是（元電荷的電荷量為1.6×10－19C）（）A．0 B．0.8A C．1.6A D．3.2A【答案】D【解析】由題意，1s內(nèi)通過橫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則電流為代入解得I=3.2A故選D。16．在顯像管的電子槍中，從熾熱的金屬絲不斷放出的電子進入電壓為U的加速電場，設(shè)其初速度為零，經(jīng)加速后形成橫截面積為S、電流為I的電子束。已知電子的電荷量為e、質(zhì)量為m，則在剛射出加速電場時，一小段長為Δl的電子束內(nèi)的電子個數(shù)是（）A． B．C． D．【答案】B【解析】在加速電場中有eU＝mv2得v＝在剛射出加速電場時，一小段長為Δl的電子束內(nèi)電荷量為q＝IΔt＝I則電子個數(shù)n＝＝故選B。17．隨著環(huán)境污染越來越嚴重，國家開始大力推動新能源汽車的發(fā)展。鎳氫電池具有高容量、大功率、無污染、安全性高等特點，目前被廣泛應(yīng)用在混合動力汽車中。若一節(jié)鎳氫電池的容量為，則一節(jié)鎳氫電池放電時能輸出的總電荷量為（）A．55C B．1320C C．3300C D．【答案】D【解析】電池放電時輸出的電荷量故選D。18．計數(shù)器因射線照射，內(nèi)部氣體電離，在時間t內(nèi)有n個二價正離子到達陰極，有2n個電子到達陽極，則計數(shù)器中的電流為（

）A．0 B． C． D．【答案】D【解析】由題意可知，t時間內(nèi)，有n個二價正離子到達陰極，有2n個電子到達探測器的陽極，且正離子和電子產(chǎn)生的電流方向相同，則通過導(dǎo)體橫截面的總電荷量為根據(jù)電流定義式得計數(shù)器中的電流為故選D。19．（多選）一根粗細均勻的金屬導(dǎo)線兩端加上恒定電壓U時，通過金屬導(dǎo)線的電流為I，金屬導(dǎo)線中自由電子定向移動的平均速率為v。若將金屬導(dǎo)線均勻拉長，使其長度變?yōu)樵瓉淼?倍，仍給它兩端加上恒定電壓U，則此時（）A．通過金屬導(dǎo)線的電流為B．通過金屬導(dǎo)線的電流為C．自由電子定向移動的平均速率為D．自由電子定向移動的平均速率為【答案】BC【解析】AB．將金屬導(dǎo)線均勻拉長，使其長度變?yōu)樵瓉淼?倍，橫截面積變?yōu)樵瓉淼?，根?jù)電阻定律分析，得電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電壓U恒定不變，根據(jù)歐姆定律可知，電流變?yōu)樵瓉淼?，故A錯誤，B正確；CD．電流的微觀表達式，其中n、e不變，電流Ⅰ為原來的，橫截面積S變?yōu)樵瓉淼?，則自由電子定向移動的速率為，故C正確，D錯誤。故選BC。20．（多選）半徑為R的橡膠圓環(huán)均勻帶正電，總電荷量為Q，現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直環(huán)所在平面且通過圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流判斷正確的是（）A．若ω不變而使電荷量Q變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍B．若電荷量Q不變