2024-2025學(xué)年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)案新人教版必修3

PAGE12-電源和電流新課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)業(yè)質(zhì)量目標(biāo)1.了解電源的作用。2.知道電流的定義及單位、方向的規(guī)定,理解恒定電流。合格性考試1.能用電流的概念,說(shuō)明自然現(xiàn)象,解決實(shí)際問(wèn)題。2.能運(yùn)用電流的定義式進(jìn)行計(jì)算。選擇性考試1.能推斷電流的方向和計(jì)算電流的大小。2.能分析數(shù)據(jù),得到幾種不同的電流的微觀表達(dá)式。3.能做到實(shí)事求是,對(duì)導(dǎo)體中三種速率進(jìn)行比較。必備學(xué)問(wèn)·自主學(xué)習(xí)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,使電源正、負(fù)極間有肯定的電勢(shì)差。(2)使電路中有持續(xù)的電流。二、恒定電流有的同學(xué)說(shuō):“電流有方向,電流就是矢量”,這種說(shuō)法對(duì)嗎?提示:不對(duì),電流雖然有方向,但是電流的運(yùn)算不遵循平行四邊形定則,所以電流不是矢量,是標(biāo)量。1.恒定電場(chǎng):(1)由穩(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(xiàn)中的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線(xiàn)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)間改變。2.恒定電流:大小、方向都不隨時(shí)間改變的電流。3.電流:(1)定義:電荷的定向移動(dòng)形成電流。(2)意義:反映了電流的強(qiáng)弱程度。(3)單位:①?lài)?guó)際單位:安培,簡(jiǎn)稱(chēng)安,符號(hào)為A。②常用單位:毫安mA、微安μA。③關(guān)系:1mA=10-3A;1μA=10-6(4)表達(dá)式:I=。(5)電流的方向:正電荷定向移動(dòng)的方向規(guī)定為電流的方向。(1)電源的作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。(√)(2)恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)性質(zhì)基本相同,兩者沒(méi)有區(qū)分。(×)(3)電流的方向與電荷定向移動(dòng)的方向相同。(×)(4)電流越大,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多。(√)(5)只要電路中有電源,電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流。(×)關(guān)鍵實(shí)力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問(wèn)點(diǎn)一電源和電流的性質(zhì)1.電源的作用:從電荷轉(zhuǎn)移的角度看使電路中的自由電荷持續(xù)地定向移動(dòng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看搬運(yùn)電荷的過(guò)程是非靜電力做功的過(guò)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,舉例說(shuō)明:(1)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷是自由電子;(2)液體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有正離子和負(fù)離子;(3)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。3.電流的形成:(1)形成緣由:電荷的定向移動(dòng)。(2)形成條件:導(dǎo)體兩端有電壓。(3)電路中產(chǎn)生持續(xù)電流的條件:電路中有電源且電路閉合。水為什么能從水池A流到水池B?提示:因?yàn)樗谹比水池B高?！镜淅肯铝嘘P(guān)于電源的說(shuō)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(kāi)的過(guò)程是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)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【解析】選B。在電源內(nèi)部,電源把電子由正極搬運(yùn)到負(fù)極,這一過(guò)程要克服靜電力做功,把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,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,兩者缺一不行,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。1.下列關(guān)于電源和電流的說(shuō)法正確的是()A.因?yàn)殡娏饔蟹较?所以電流是矢量B.通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越多,電流越大C.電源是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的裝置D.電源能把自由電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極【解析】選D。電流有方向,但電流的計(jì)算不能依據(jù)平行四邊形定則進(jìn)行計(jì)算,故電流是標(biāo)量,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;依據(jù)電流的定義式I=可知,通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越大,導(dǎo)體中的電流不肯定大,還要看時(shí)間長(zhǎng)短,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;電源是供應(yīng)電能的裝置,把其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;電源能把自由電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極,從而形成兩極間的電勢(shì)差,故D項(xiàng)正確。2.下列說(shuō)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(guó)際單位制中,電流的單位是AC.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【解析】選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,且必需是導(dǎo)體而非任何物體,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤;電流有方向,但它是標(biāo)量,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)練】(多選)將一些電學(xué)元件用導(dǎo)線(xiàn)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)極兩端保持肯定的電勢(shì)差B.電源的作用是能為電路持續(xù)地供應(yīng)自由電荷C.導(dǎo)體中的電場(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【解析】選A、D。電源將負(fù)電荷從正極搬到負(fù)極,維持正、負(fù)極間有肯定的電勢(shì)差,故選項(xiàng)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,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。學(xué)問(wèn)點(diǎn)二電流的計(jì)算角度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(guò)金屬導(dǎo)體橫截面的電子的電荷量。【典例1】一條金屬導(dǎo)體中的電流是5μA,那么在3.2s內(nèi)通過(guò)金屬導(dǎo)體橫截面定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷個(gè)數(shù)是()A.1×1014個(gè)B.1×1015個(gè)C.2×1014個(gè) D.2×1015個(gè)【解析】選A。依據(jù)電流的定義式I=可得:q=It=5×10-6×3.2C=1.6×10-5C,通過(guò)該截面的自由電荷(自由電子)個(gè)數(shù)n===1×1014角度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(guò)橫截面的電荷量的肯定值之和?！镜淅?】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(guò)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,以下說(shuō)明中正確的是()A.正離子定向移動(dòng)形成的電流方向從A→B,負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向從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I=D.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強(qiáng)度I=【解析】選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,故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;有正、負(fù)電荷反向經(jīng)過(guò)同一截面時(shí),I=公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷的電荷量肯定值之和,故I=,電流方向由A指向B,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。角度3環(huán)形電流的計(jì)算環(huán)形電流的計(jì)算采納等效的觀點(diǎn)分析。(1)等效電流:就是把電子周期性地通過(guò)圓周上各處形成的電流看成持續(xù)不斷地通過(guò)圓周上各處時(shí)所形成的電流。(2)對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)的電荷,常取一個(gè)周期來(lái)計(jì)算等效電流,利用I==求等效電流?！镜淅?】半徑為R的勻稱(chēng)帶電圓環(huán),橫截面積為S,所帶電荷量為Q,現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直圓環(huán)所在平面且過(guò)圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng),則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流為()A.B.C.D.【解析】選A。圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T(mén)=,依據(jù)I=,則圓環(huán)產(chǎn)生的等效電流為I==,故選項(xiàng)A正確。1.在電解槽中,1min內(nèi)通過(guò)橫截面的二價(jià)正離子和一價(jià)負(fù)離子的個(gè)數(shù)分別為7.5×1020個(gè)和1.5×1021個(gè),則通過(guò)電解槽的電流為()A.0B.8AC.4AD.480A【解析】選B。電流由正、負(fù)離子的定向移動(dòng)形成,則在60s內(nèi)通過(guò)橫截面的總電荷量應(yīng)為Q=2×1.6×10-19×7.5×1020C+1.6×10-19×1.5×1021C=480C。由電流的定義式可知I==A=2.北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的儲(chǔ)存環(huán)是周長(zhǎng)為240m的近似圓形軌道。當(dāng)環(huán)中電子以光速的的速度流淌而形成的電流是10mA時(shí),環(huán)中運(yùn)行的電子數(shù)目為(已知光速c=3×108m/s,電子電荷量e=1.6×10-19CA.5×1010個(gè) B.5×1011個(gè)C.1×102個(gè) D.1×104個(gè)【解析】選B。電子運(yùn)動(dòng)一周用的時(shí)間:t==s=8×10-6s,由電流的定義式I=,則電量為q=It=0.01×8×10-6C=8×10-8C,則在整個(gè)環(huán)中運(yùn)行的電子數(shù)目:n=個(gè)=5×1011個(gè),故選項(xiàng)B正確。【加固訓(xùn)練】某一探測(cè)器因射線(xiàn)照耀,內(nèi)部氣體電離,在時(shí)間t內(nèi)有n個(gè)二價(jià)正離子到達(dá)陰極,有2n個(gè)電子到達(dá)探測(cè)器的陽(yáng)極,則探測(cè)器電路中的電流為()A.0B.C.D.【解析】選D。探測(cè)器電路中的電流I==,故選項(xiàng)D正確。學(xué)問(wèn)點(diǎn)三電流的微觀表達(dá)式1.推導(dǎo)過(guò)程:(1)情境。如圖所示,AB表示粗細(xì)勻稱(chēng)的一段導(dǎo)體,兩端加肯定的電壓,導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動(dòng)的速率為v,設(shè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度為L(zhǎng),橫截面積為S,導(dǎo)體單位體積內(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,全部這些電荷都通過(guò)橫截面所須要的時(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。電流的大小取決于單位體積內(nèi)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、自由電荷定向移動(dòng)速率v。2.電流的定義式和微觀表達(dá)式的比較:項(xiàng)目I=I=nqSv公式性質(zhì)定義式確定式電流的意義時(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=可導(dǎo)出I=nqSv【典例】銅的摩爾質(zhì)量為m,密度為ρ,每摩爾銅原子有n個(gè)自由電子,今有一根橫截面積為S的銅導(dǎo)線(xiàn),當(dāng)通過(guò)的電流為I時(shí),電子定向移動(dòng)的平均速率為()A.光速cB.C.D.【解析】選D。如圖所示,選長(zhǎng)度為l的銅導(dǎo)線(xiàn)為探討對(duì)象。所選探討對(duì)象的體積為V=lS ①銅的摩爾體積V0= ②由①②可得所選探討對(duì)象的物質(zhì)的量N=== ③因?yàn)槊磕栥~原子有n個(gè)自由電子,所以所選探討對(duì)象所含自由電子個(gè)數(shù)n1=Nn= ④電流:I== ⑤由④⑤得v=,故D正確。用電流的微觀表達(dá)式求解問(wèn)題的留意點(diǎn)(1)精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。1.電路中每分鐘有60萬(wàn)億個(gè)自由電子通過(guò)橫截面積為0.5mm2的導(dǎo)線(xiàn),那么電路中的電流是(A.0.016μAB.1.6μAC.16μA D.0.16μA【解析】選D。每分鐘通過(guò)的電量為:q=60×1012×1.6×10-19C=9.6×10-6C,則電路中的電流為:I==A=1.6×10-7A2.安培提出了聞名的分子電流假說(shuō),依據(jù)這一假說(shuō),電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流。設(shè)帶電荷量為e的電子以速率v繞原子核沿順時(shí)針?lè)较蜃霭霃綖閞的勻速圓周運(yùn)動(dòng),其電流的等效電流強(qiáng)度I和方向?yàn)?)A.順時(shí)針 B.順時(shí)針C.逆時(shí)針 D.逆時(shí)針【解析】選C。電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流,電子運(yùn)動(dòng)周期為T(mén)=,依據(jù)電流的定義式得:電流強(qiáng)度為I===,因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,所以電流方向與電子定向移動(dòng)方向相反,即沿逆時(shí)針?lè)较?故C項(xiàng)正確。3.某愛(ài)好小組調(diào)查一條河流的水質(zhì)狀況,計(jì)算結(jié)果表明,被污染的河里一分鐘內(nèi)有相當(dāng)于6C的正離子和9C的負(fù)離子向下游流去,則取樣時(shí)這條河流的等效電流大小和方向分別是()A.0.25A順流而下 B.C.0.25A逆流而上 D.0.05A逆流而上【解析】選D。若正負(fù)離子移動(dòng)方向相反,則通過(guò)橫截面的總電荷量是兩種離子電荷量肯定值之和,若正負(fù)離子向著同一個(gè)方向流淌,則通過(guò)橫截面的總電荷量等于正負(fù)離子的電荷量的代數(shù)和,所以在1min內(nèi)通過(guò)橫截面的總電荷量應(yīng)為q=6C-9C=-3C,所以電流I==0.【拓展例題】考查內(nèi)容:導(dǎo)體內(nèi)的三種速率【典例】在導(dǎo)體中有電流通過(guò)時(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.電子定向移動(dòng)速率為光速B.電子定向移動(dòng)速率即是電場(chǎng)傳導(dǎo)速率C.電子定向移動(dòng)速率是電子熱運(yùn)動(dòng)速率D.在金屬導(dǎo)體中,自由電子只不過(guò)在速率很大的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)【解析】選D。電子定向運(yùn)動(dòng)的速率很小,電流的傳導(dǎo)速率與光速差不多,在金屬導(dǎo)體中,自由電子只不過(guò)在速率很大的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng),故A、B、C項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確。情境·模型·素養(yǎng)電池的容量就是電池放電時(shí)能輸出的總電荷量。通常以安培小時(shí)(A·h)或毫安小時(shí)(mA·h)作單位。問(wèn)題:充溢電的15A·h的蓄電池,可以運(yùn)用電器正常工作10小時(shí),則蓄電池的放電電流約為多少?【解析】依據(jù)I==A=1.5A。答案:1情境:鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極,沒(méi)有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有許多微孔,到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們運(yùn)用電池的過(guò)程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。問(wèn)題:一輛電池容量為120Ah的電動(dòng)汽車(chē),平均工作電流是5A,能連續(xù)運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間?【解析】依據(jù)I=,得t==h=24h答案:24h課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.在示波管中,電子槍3s內(nèi)放射6×1013個(gè)電子,則示波管中的電流為()A.3.2×10-6A B.4.8×10C.9.6×10-6A D.1.6×10【解析】選A。每個(gè)電子的電荷量大小為e=1.6×10-19C,6×1013個(gè)電子總電荷量為q=6×1013×1.6×10-19C=9.6×10-6C,則示波管中電流I==A=3.2×10-62.第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)重新定義了電流單位安(A),當(dāng)元電荷e以單位C(即A·s)表示時(shí),將其數(shù)值取為1.602176634×10-19C來(lái)定義安(培)。則在新的定義下流過(guò)金屬導(dǎo)