人教版高中物理选修1-1　第1章　第5节　电源和电流

1、电源和电流物理选修物理选修3-1 第二章第二章v一个偶然的发现一个偶然的发现 意大利解剖学和医学教授伽伐尼意大利解剖学和医学教授伽伐尼 （17371789） 18世纪末，意大利医学教世纪末，意大利医学教授伽伐尼发现，用相连的授伽伐尼发现，用相连的两种两种金属金属分别接触青蛙肌肉的分别接触青蛙肌肉的两个两个位置位置，会引起肌肉的收缩。，会引起肌肉的收缩。 v通往科学真理的艰辛过程通往科学真理的艰辛过程伽伐尼立即抓住这个现伽伐尼立即抓住这个现象重复了这个实验，发象重复了这个实验，发现两手分别拿着不同的现两手分别拿着不同的金属器械碰在青蛙的大金属器械碰在青蛙的大腿上，总能使其腿部的腿上，总能使其腿部

2、的肌肉抽搐，而只用一种肌肉抽搐，而只用一种金属器械去触动青蛙，金属器械去触动青蛙，却并无此种反应。却并无此种反应。 这是一种这是一种“动物电动物电”现象现象, ,金属只是起了导电金属只是起了导电的作用。的作用。v从静电到动电从静电到动电 现代已证明，伽伐尼的假设现代已证明，伽伐尼的假设是错误的。但是他的发现却使电是错误的。但是他的发现却使电学的研究开始学的研究开始从静电转向动电从静电转向动电。 意大利化学和物理学家意大利化学和物理学家伏打在重复了伽伐尼的实验伏打在重复了伽伐尼的实验后提出，后提出，产生电流的关键在产生电流的关键在于两种不同金属的连接，青于两种不同金属的连接，青蛙腿只是起到了检验

3、作用蛙腿只是起到了检验作用，基于这种思考，伏打使用基于这种思考，伏打使用能能够导电的盐水液体够导电的盐水液体代替动物代替动物组织试验，终于因此发现了组织试验，终于因此发现了电池的原理，做出了著名的电池的原理，做出了著名的伏打电堆与伏打电池。伏打电堆与伏打电池。 意大利化学和物理学家伏打意大利化学和物理学家伏打（1745-1827）v伏打电堆伏打电堆 最早的直流电源最早的直流电源 他的发明为科学家们由静电转入电流的研究创造他的发明为科学家们由静电转入电流的研究创造了条件，揭开了电力应用的新篇章。了条件，揭开了电力应用的新篇章。电流的形成电荷的热运动，从宏观上看，电荷的热运动，从宏观上看，不能形成

4、电流不能形成电流 电荷的定向移动形成电流电荷的定向移动形成电流 问题：问题：电闪雷鸣时电闪雷鸣时, ,强大的电流使天空发强大的电流使天空发出耀眼的闪光出耀眼的闪光, ,但它只能存在于一瞬间但它只能存在于一瞬间, ,而手电而手电筒中的小灯泡却能持续发光筒中的小灯泡却能持续发光, ,这是为什么这是为什么? ?如果用一条导线如果用一条导线R R将它们连接起来，分析将它们连接起来，分析A A、B B周围周围的电场、的电场、A A、B B之间的电势差会发生什么变化？最之间的电势差会发生什么变化？最后，后，A A、B B两个导体球会达到什么状态？两个导体球会达到什么状态？R R中出现了中出现了怎样的电流？

5、怎样的电流？A+B_-BA-A+_B_等势体等势体导体中产生电流的条件导体中产生电流的条件: :导体两端存在导体两端存在电势差电势差导体中自由电子的定向移动使两个带电体成为等势导体中自由电子的定向移动使两个带电体成为等势体体, ,达到静电平衡，导线达到静电平衡，导线R R中会产生一个中会产生一个瞬时瞬时电流电流-+A A+_B B_P P-如果在如果在ABAB之间接上一个装置之间接上一个装置P P，它能把经过，它能把经过R R流流到到A A的电子取走，补充给的电子取走，补充给B B，使，使ABAB始终保持一定始终保持一定数量的正、负电荷，情况会怎样呢？数量的正、负电荷，情况会怎样呢？AB水池抽

6、水机抽水机-+A A+_B B_P P-一一. .电源电源1.1.能把自由电子从能把自由电子从正极正极搬到搬到负极负极的装置的装置. .电源电源P P在把电子从在把电子从A A搬运到搬运到B B的过程中，电子的电势能的过程中，电子的电势能如何变化？电源发挥了怎样的作用？如何变化？电源发挥了怎样的作用？-+A A+_B B_P P-一一. .电源电源1.1.能把自由电子从能把自由电子从正极正极搬到搬到负极负极的装置的装置. .2.2.作用作用: :保持保持导体两端的电势差导体两端的电势差( (电压电压),),使电路使电路有有持续持续的电流的电流. .一一. .电源电源1.1.能把自由电子从能把自

7、由电子从正极正极搬到搬到负极负极的装置的装置. .2.2.作用作用: :保持保持导体两端的电势差导体两端的电势差( (电压电压),),使电路有使电路有持续持续的电流的电流. .3. 3. 形成电流的条件：形成电流的条件： （1 1）存在）存在自由电荷自由电荷 金属导体金属导体自由电子自由电子 电解液电解液正、负离子正、负离子 （2 2）导体两端存在）导体两端存在电压电压 当导体两端存在电压时，导体内建立了电场，当导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流形成电流 导线内的电场，是由电源、导线导线内的

8、电场，是由电源、导线 等电路元件所等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但但有的流走了，另外的又来补充有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也不随时间变化。是稳定的，电场的分布也不随时间变化。二二. .恒定电场恒定电场由由稳定分布稳定分布的电荷产生的电荷产生稳定稳定的电场称为恒定电场的电场称为恒定电场. .在有电源的电路中，在有电源的电路中，导线内部的电场强度导线内部的电场强度有何特点呢？有何特点呢？恒定电场恒定电场电场强度不变电场强度不变自由电子在各个位置的定向运动自由电子在各个位置的定向运

9、动速率速率也不变也不变串一个电流表串一个电流表, ,读数不会变读数不会变恒定电流恒定电流三.恒定电流1.1.大小方向都大小方向都不随时间变化不随时间变化的电流称为恒定电流的电流称为恒定电流. . 2. 2.电流电流(I):(I):表示电流的强弱程度表示电流的强弱程度. . 定义定义:通过导体横截面的电量q跟通过这些电量所用时间t的比值叫做电流 . 公式公式: : q = I tq = I t 单位单位: :国际单位国际单位 安培安培(A) 1A=1C/s(A) 1A=1C/s 常用单位：毫安（常用单位：毫安（mAmA）、微安（）、微安（AA） 方向方向: :正电荷定向移动的方向正电荷定向移动的

10、方向 1 1、在金属导体中，若、在金属导体中，若10s10s内通过横截面的电量为内通过横截面的电量为10C10C，则导体中的电流为则导体中的电流为_A_A； 1A 1A 2 2、某电解槽横截面积为、某电解槽横截面积为0.5m0.5m2 2，若，若10s10s内沿相反方向通内沿相反方向通过横截面的正负离子的电量均为过横截面的正负离子的电量均为10C10C，则电解液中的，则电解液中的电流为电流为_A_A 2A 2A 课堂训练课堂训练（1 1）适用于）适用于任何电荷任何电荷的定向移动形成的电流。的定向移动形成的电流。（2 2）在）在金属导体金属导体中，电流方向与中，电流方向与自由电荷（电子）自由电荷

11、（电子）的定向移动方向的定向移动方向相反相反；（3 3）在）在电解液中电解液中，电流方向与正离子定向移动，电流方向与正离子定向移动方向方向相同，与相同，与负离子负离子走向移动方向走向移动方向相反相反导电时，是正导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，负离子向相反方向定向移动形成电流，电量电量q q表示表示通过截面的正、负离子通过截面的正、负离子电量绝对值之和电量绝对值之和。注意注意q = I tq = I t四、电流的微观表达式例：一段粗细均匀的导体长为例：一段粗细均匀的导体长为l,两端加一定的电压，自由两端加一定的电压，自由电荷定向移动的速率为电荷定向移动的速率为v,设导体的横截面积为

12、设导体的横截面积为s，导体每，导体每单位体积内的自由电荷数为单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷量为，每个自由电荷量为q。电荷的定向中的自由电荷数：电荷的定向中的自由电荷数：N=nLsN=nLs总电荷量：总电荷量：Q=Nq=Q=Nq=nLsqnLsq所有这些电荷都通过左端横截面所有这些电荷都通过左端横截面S S的时的时间间t=L/vt=L/v可得导体中的电流：可得导体中的电流：nqSvvLnLSqtQILAB三.恒定电流1.1.大小方向都大小方向都不随时间变化不随时间变化的电流称为恒定电流的电流称为恒定电流. . 2. 2.电流电流(I):(I):表示电流的强弱程度表示电流的强弱程度. .

13、 公式公式: : q = I tq = I t 单位单位: :国际单位国际单位 安培安培(A) 1A=1C/s(A) 1A=1C/s3 3决定电流大小的微观量决定电流大小的微观量所形成的电流为所形成的电流为: : I=nqSvI=nqSvn n为单位体积为单位体积内的自由电荷的个数，内的自由电荷的个数，S S为导线的横为导线的横截面积，截面积，v v为自由电荷的定向移动速率为自由电荷的定向移动速率 . .例题例题: :有一条横截面积有一条横截面积S=1mmS=1mm2 2的铜导线的铜导线, ,通过的电流通过的电流I I=1A,=1A,已知铜的密度已知铜的密度=8.9=8.910103 3kg/

14、mkg/m3 3, ,铜的摩尔质量铜的摩尔质量M=6.4M=6.41010-2-2kg/mol,kg/mol,阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数NNA A=6.02=6.0210102323molmol-1 -1, ,电子的电量电子的电量e=-1.6e=-1.61010-19-19C,C,求铜求铜导线中自由电子定向移动的速率导线中自由电子定向移动的速率. .（可认为铜导线中平（可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子均每个铜原子贡献一个自由电子. .）svAIMvSN e57.5 10/m stvt 体积：V=vts质量：m=V原子数：n=MmNa电量：q=ne电流：I=q/t课本例题课本例题(

15、课后阅读）课后阅读）思考题 如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？怎样解释？率，和我们的生活经验是否相符？怎样解释？l 导体两端有电势差，导体内就建立了电场，自由导体两端有电势差，导体内就建立了电场，自由电子除做无规则热运动外，还在电场力作下做定电子除做无规则热运动外，还在电场力作下做定向移动向移动, ,导体中有了电流。常温下金属中自由电子导体中有了电流。常温下金属中自由电子热运动的平均速度可达热运动的平均速度可达10105 5m/sm/s，可见金属导电时，可见金属导电时，自由电子只不过在速度巨大的无规则热运动上附自由

16、电子只不过在速度巨大的无规则热运动上附加了一速度很小的定向移动，既然自由电子定向加了一速度很小的定向移动，既然自由电子定向移动的速度很小，为什么串联的几个灯泡会同时移动的速度很小，为什么串联的几个灯泡会同时亮起来呢？这是因为亮起来呢？这是因为“不是自由电子定向移动的不是自由电子定向移动的速度，而是电场传播的速度，电场的传播速度很速度，而是电场传播的速度，电场的传播速度很大，等于光速大，等于光速C=3C=310108 8m/sm/s。思考题 如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？怎样解释？率，和我们的生活经验是否相符？怎

17、样解释？l电路一旦接通，电场便以光速在各处建立起来，导体电路一旦接通，电场便以光速在各处建立起来，导体各处都有由电子在电场力的作用下，各处的电子几乎各处都有由电子在电场力的作用下，各处的电子几乎同时开始定向移动，整个电路几乎同时形成了电流。同时开始定向移动，整个电路几乎同时形成了电流。 电子定向移动的速率约电子定向移动的速率约10 10 -5-5 m/s m/s， 电子热运动的平均速率电子热运动的平均速率10 10 5 5 m/s m/s， 电场的传播速率电场的传播速率3 310 10 8 8 m/s. m/s.有人认为，电路接通后，自由电子从电源出发，以定有人认为，电路接通后，自由电子从电源

18、出发，以定向移动的速度在导线中运动，等它们到达用电器时，向移动的速度在导线中运动，等它们到达用电器时，用电器中才有电流通过，这种看法显然是错误的。用电器中才有电流通过，这种看法显然是错误的。1、形成电流的条件：、形成电流的条件： （1）存在自由电荷（）存在自由电荷（2）导体两端存在电压）导体两端存在电压2、电源的作用：提供持续的电压、电源的作用：提供持续的电压3、导线中的电场、导线中的电场:导线内的电场线保持和导线平行导线内的电场线保持和导线平行. (恒定电场恒定电场)4、恒定电流、恒定电流:大小方向都不随时间变化的电流大小方向都不随时间变化的电流.5、电流、电流:表示电流的强弱程度的物理量表

19、示电流的强弱程度的物理量. （1）定义式）定义式 I=q / t （2）金属导体中电流的计算式）金属导体中电流的计算式小结小结nqsvI n n 为单位体积内自由电荷数目，为单位体积内自由电荷数目，S S 为导体横截面积，为导体横截面积，v v为电荷定向移动速率为电荷定向移动速率,q,q为每个自由电荷的电量为每个自由电荷的电量物理选修物理选修3-1 第二章第二章电动势电路由两部分组成，电路由两部分组成，电源外部能看得见的电源外部能看得见的部分，称为部分，称为外电路外电路；电源内部看不见的部电源内部看不见的部分，称为分，称为内电路。内电路。正极正极负极负极电源电源+在电源外部，电场力对自由电子做

20、正功，是电能转在电源外部，电场力对自由电子做正功，是电能转化为其他形式能，这个过程中消耗了电能。化为其他形式能，这个过程中消耗了电能。 电源把其他形式能转化为电能。电源把其他形式能转化为电能。问题：问题：电源是如何把其他形式能转化为电能的呢？电源是如何把其他形式能转化为电能的呢？在电源内部也存在电场，电场方向也是从正极指向在电源内部也存在电场，电场方向也是从正极指向负极。根据电荷守恒定律，电源必须把自由电子不负极。根据电荷守恒定律，电源必须把自由电子不断地从正极搬运到负极，自由电子必须断地从正极搬运到负极，自由电子必须克服电场力克服电场力做功，这就需要有做功，这就需要有“非静电力非静电力”作用

21、于电子。这个作用于电子。这个“非静电力非静电力”是电源提供的。也就是说，电源通过是电源提供的。也就是说，电源通过非静电力做功，使电荷的电势能增加了。非静电力做功，使电荷的电势能增加了。 从能量的角度看电源是通过从能量的角度看电源是通过非静电力做功非静电力做功把把其他形其他形式的能转化为电势能式的能转化为电势能的的装置。装置。一、电源的作用一、电源的作用 水电站的发电机将水的机械能转换为电能，干电池和蓄电池将化学能转换为电能. 电 源干电池蓄电池新型电池从能量的角度看电源是通过从能量的角度看电源是通过非静电力做功非静电力做功把把其他形其他形式的能转化为电势能式的能转化为电势能的的装置。装置。一、

22、电源的作用一、电源的作用干电池、手摇发电机都可以做电源，这些电源干电池、手摇发电机都可以做电源，这些电源中的非静电力相同吗？所起的作用相同吗？中的非静电力相同吗？所起的作用相同吗？ 问题：问题：是不是静电力对电荷做的功越多，静电力是不是静电力对电荷做的功越多，静电力做功的本领越大？该如何描述静电力做功的本领？做功的本领越大？该如何描述静电力做功的本领？静电力把相同数量的电荷从电源的一个极搬运到另一静电力把相同数量的电荷从电源的一个极搬运到另一极，做功越多，电荷获得的电势能就越多，可以用静极，做功越多，电荷获得的电势能就越多，可以用静电力做功与电荷量的比值来反映静电力做功的本领。电力做功与电荷量

23、的比值来反映静电力做功的本领。电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置置一、电源的作用一、电源的作用二、电动势二、电动势1.1.定义：非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的定义：非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功跟被移送的电荷量的功跟被移送的电荷量的比值比值。2.2.公式：公式：qWE 电动势是电动势是1.5V1.5V的物理意义是什么？的物理意义是什么？伏特伏特 V V 1V=1J/C1V=1J/C3.3.单位：单位：4.4.物理意义：反映电源把其他形式的能转化为电能物理意义：反映电源把其他形式的能转化为电能本本领的大小领

24、的大小，数值上数值上等于等于非静电力把非静电力把1C1C的正电荷的正电荷在电源在电源内部从负极移送到正极内部从负极移送到正极所做的功所做的功。6 6、标量标量5 5、特点：特点：电动势由电源中非静电力的特电动势由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积、形状无关，与性决定，跟电源的体积、形状无关，与是否联入电路及外电路的情况无关。是否联入电路及外电路的情况无关。7 7、内阻：电源内部也是由导体组成的，、内阻：电源内部也是由导体组成的，也有电阻也有电阻r r，叫做电源的内阻，它是电源，叫做电源的内阻，它是电源的另一重要参数的另一重要参数2、能量是如何转化的、能量是如何转化的?其它形式能转化为电势能

25、其它形式能转化为电势能 E反映反映电源电源的特性的特性WE =qWE=qqWU qWU 电势能转化为其它形式能电势能转化为其它形式能U反映反映电场电场的特性的特性vsE E表示移动单位正电荷消耗化学表示移动单位正电荷消耗化学能（或其它形式能）能（或其它形式能）W表示表示电源内部电源内部非静电力非静电力做的做的功功电压表示移动单位正电荷消耗的电压表示移动单位正电荷消耗的电势电势W表示表示电源外部电源外部电场力电场力做的功做的功非非电电1、电动势与电压的区别三、生活中的电池三、生活中的电池太阳电池太阳电池干电池干电池铅蓄电池铅蓄电池锂电池锂电池锌汞电池锌汞电池电源（池）的几个重要参数电动势：它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质，与电池的大小无关。内阻：电源内部的电阻。容量：