2024-2025學(xué)年高中物理第2章恒定電流1電源和電流學(xué)案新人教版選修3-1

PAGE7-電源和電流[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]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.[物理觀念]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.[科學(xué)思維]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)極間有肯定的電勢(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)間改變。三、恒定電流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＝eq\f(q,t)。(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?．恒定電流(1)定義：大小、方向都不隨時(shí)間改變的電流。(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．思索推斷(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(méi)有區(qū)分。 (×)(2)電源的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(guò)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(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。]3．關(guān)于電流，下列說(shuō)法中正確的是()A．電流跟通過(guò)截面的電荷量成正比，跟所用時(shí)間成反比B．單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷量越多，導(dǎo)體中的電流越大C．電流是一個(gè)矢量，其方向就是正電荷定向移動(dòng)的方向D．國(guó)際單位制中，其單位“安培”是導(dǎo)出單位B[電流的定義為電荷量與時(shí)間的比值，即為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越多，導(dǎo)體中的電流越大，故A錯(cuò)誤，B正確；一個(gè)量有方向并不能定義為矢量，矢量的運(yùn)算必需遵循平行四邊形定則，電流有方向但不符合矢量合成法則，不是矢量，故C錯(cuò)誤；國(guó)際單位制中，電流是一個(gè)基本物理量，其單位“安培”是基本單位，故D錯(cuò)誤。]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(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，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(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)化為電勢(shì)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，兩者缺一不行，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]有電源不肯定得到持續(xù)的電流，要得到持續(xù)的電流須要同時(shí)滿意兩個(gè)條件：1電路中有電源。2電路還必需是閉合的，即必需用導(dǎo)體將電源連接起來(lái)。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])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AD[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，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＝eq\f(q,t)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。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＝eq\f(q,t)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。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。所謂等效電流，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。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＝eq\f(q,t)＝eq\f(q,T)求等效電流?！纠?】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)形成電流方向從A→B，負(fù)離子定向移動(dòng)形成電流方向從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I＝eq\f(n1e,t)D．溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流I＝eq\f(n1＋n2e,t)思路點(diǎn)撥：(1)電流的方向：與正離子定向移動(dòng)方向相同，與負(fù)離子定向移動(dòng)方向相反。(2)通過(guò)某一截面的電荷量為通過(guò)該截面正、負(fù)離子電荷量的肯定值之和。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(guò)同一截面時(shí)，I＝eq\f(q,t)公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷電荷量肯定值之和，故I＝eq\f(n1e＋n2e,t)，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)電荷都參加定向移動(dòng)時(shí)，正、負(fù)電荷對(duì)電流的形成都有貢獻(xiàn)。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．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(guò)某截面，那么通過(guò)這個(gè)截面的電流是()A．0 B．0.8AC．1.6A D．3.2AD[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(guò)某截面的電荷量應(yīng)是兩者肯定值的和。故由題意可知，電流由正、負(fù)離子定向運(yùn)動(dòng)形成，則在2s內(nèi)通過(guò)截面的總電荷量應(yīng)為q＝1.6×10－19×2×1.0×1019C＋1.6×10－19×1×2.0×1019C＝6.4C，依據(jù)電流的定義式得I＝eq\f(q,t)＝eq\f(6.4,2)A＝3.2A，D正確。]電流的微觀表達(dá)式1.建立“柱體微元”模型：如圖所示，粗細(xì)勻稱的一段導(dǎo)體的長(zhǎng)度為l，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．理論推導(dǎo)：導(dǎo)體中的自由電荷總數(shù)：N＝nlS?？傠姾闪縌＝Nq＝nlSq。全部這些電荷都通過(guò)橫截面D所須要的時(shí)間：t＝eq\f(l,v)。依據(jù)公式q＝It可得：導(dǎo)體中的電流：I＝eq\f(Q,t)＝eq\f(nlSq,l/v)＝nqSv。3．影響因素：從微觀上看，電流取決于導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個(gè)自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)速率的大小和導(dǎo)體的橫截面積。4．兩個(gè)公式的比較I＝eq\f(q,t)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＝eq\f(q,t)可導(dǎo)出I＝nqSv5.三種速率(1)電流的傳導(dǎo)速率等于光速，為3×108(2)電子定向移動(dòng)速率，其大小與電流有關(guān)，約為10－5m(3)電子熱運(yùn)動(dòng)速率，其大小與溫度有關(guān)，約為105【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(guò)導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)可表示為()A．nvSΔt B．nvΔtC．eq\f(IΔt,e) D．eq\f(IΔt,Se)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(guò)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過(guò)橫截面，即可求出電子數(shù)。AC[因?yàn)镮＝eq\f(q,Δt)，所以q＝IΔt，自由電子數(shù)目為N＝eq\f(q,e)＝eq\f(IΔt,e)，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＝eq\f(q,e)＝eq\f(IΔt,e)＝eq\f(nevSΔt,e)＝nvSΔt，A正確，B錯(cuò)誤。]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＝eq\f(q,t)導(dǎo)出的，若n的含義不同，表達(dá)式的形式也會(huì)不同。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3.如圖所示，一根橫截面積為S的勻稱長(zhǎng)直橡膠棒上勻稱地帶有負(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()A．vq B．eq\f(q,v)C．vqS D．eq\f(qv,S)A[經(jīng)過(guò)時(shí)間t，通過(guò)右端橫截面的電荷量Q＝qvt，依據(jù)I＝eq\f(Q,t)得I＝vq，A正確。]1．[物理觀念]對(duì)電源的理解，電源在電路中的作用。2．[科學(xué)方法]電流的定義及計(jì)算方法。3．[科學(xué)思維]電流的微觀表達(dá)式及應(yīng)用。1．(多選)在由電源、導(dǎo)線等電路元件所組成的電路中，以下說(shuō)法正確的是()A．導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度到處為零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)漸漸降低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(shuō)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)漸漸降低，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)漸漸降低，D正確。]2．(多選)關(guān)于電流的方向，下列描述正確的是()A．規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较駼．規(guī)定自由電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较駽．在金屬導(dǎo)體中，自由電子定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆捶较駾．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(wú)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，故電子定向運(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)離子電荷量的肯定值之和與時(shí)間的比值，D錯(cuò)。]3．導(dǎo)體中的電流是5μA，那么在3.2s內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體的橫截面定向移