2024版新教材高中物理第十一章电路及其应用1.电源和电流学生用书新人教版必修第三册

1．电源和电流核心素养定位物理观念了解电流的形成条件，知道电源的作用．科学思维理解电流的定义和电流方向的规定，会用电流的定义式分析相关问题．科学探究了解电流微观表达式的推导过程，从微观角度认识影响电流大小的因素．科学态度与责任通过对电源和电流的学习，培养学生探究生活和生产中物理知识的意识．一、电源1．形成持续电流的条件：一是要有移动的________，二是导体两端始终存在电势差．2．电源的作用：电源能把电子由正极搬运到负极，保持正、负极之间有稳定的电势差．通过非静电力做功二、恒定电流基本性质与静电场相同1．恒定电场：由________的电荷所形成的稳定的电场，叫作恒定电场．2．恒定电流：大小、方向都不随________变化的电流叫作恒定电流．3．电流的强弱程度用________这个物理量表示．单位时间内通过导体横截面(与导体垂直的截面)的电荷量越多，电流就________．用I表示电流，q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，则有I＝qt.电流的单位是安培(国际单位制中的基本单位)，符号是A，常用的单位还有毫安(mA)和微安(μA)4．电流的微观解释：设导体的横截面积为S，自由电子数密度(单位体积内的自由电子数)为n，自由电子定向移动的平均速率为v，则时间t内通过某一横截面的自由电子数为________．由于电子电荷量为e，因此，时间t内通过横截面的电荷量q＝________．根据电流的公式I＝qt，可以得到电流和自由电子定向移动平均速率的关系为____________【情境思考】如图是中国宁波公交使用的全球首创超级电容储能式现代电车，该电车没有传统无轨电车的“辫子”，核心元器件是“3V12000F”石墨烯纳米混合型超级电容器，该电容器能反复充放电100万次，使用寿命长达十年．根据上述材料判断以下问题．(1)电容器放电的过程中，电荷量逐渐减少，电容器的电容和两极板间的电压也逐渐减小．()(2)电容器充电的过程中，电荷量逐渐增加，电容保持不变．()(3)若标有“3V12000F”的电容器从电量为零到充满电用时30s，则充电的平均电流为3600A．()拓展1类比法理解电源的作用拓展2直流电源和交流电源(1)直流电源直流电源的电流、电压方向不随时间作周期性变化，比如蓄电池、直流发电机、干电池、直流稳压源．(2)交流电源电流电压方向随时间作周期性变化的装置，如交流发电机．拓展3恒定电场与静电场的异同(1)异：静电场是由静止的电荷产生的；恒定电场是由稳定分布的电荷产生的．(2)同：都是由电荷产生；恒定电场与静电场都不随时间变化；对电荷有力的作用；电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用．拓展4[教材问题]STSE电池的容量：电池放电时输出的总电荷量，通常以“安时”(A·h)或“毫安时”(mA·h)作单位．手机电池的容量可达6000mA·h.拓展5如图所示，一根截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，每米电荷量为q′.当此棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，由于棒运动而形成的等效电流大小为多大？提示：在运动方向上假设有一截面，则在t时间内通过截面的电荷量为q＝vt·q′，则等效电流I＝qt＝vq目标一电流的理解和计算【导思】——————————————————○如图所示，在装有导电液体的细管中，有正、负两种电荷向相反的方向运动，在时间t内通过细管某截面的正电荷为q1，通过此截面的负电荷为q2.(1)怎样确定通过导电液体中电流的方向？(2)如何计算导电液体中电流的大小？【归纳】——————————————————○1．电流的大小定义式：I＝qt.用该式计算出的电流是时间t内的平均值．对于恒定电流，电流的瞬时值2．对电流的理解(1)电流虽然有方向，但它是标量，其计算遵循代数运算法则．(2)在外电路中电流方向由电源正极到电源负极，在电源内部电流方向由电源负极到电源正极．(3)I＝qt是电流的定义式，或者说是求解电流的一种方法，电流I与q、t(4)一点说明：电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流的方向是相同的，应用I＝qt求电流时，q【典例】——————————————————○例1下列说法正确的是()A．电源的作用是使电路中产生电荷B．电源的作用是使电路中的电荷发生定向移动C．只要电路中有电源，电路中就会形成持续的电流D.导线中的电场是由电源两极在空间直接形成的例2如图所示，某同学设计了一种利用放射性元素衰变的电池．该电池采用金属空心球壳结构，在金属球壳内部的球心位置放有一小块与球壳绝缘的放射性物质，放射性物质与球壳之间是真空．球心处的放射性物质向四周均匀发射电子，电子的电荷量为e.已知单位时间内放射性物质射出的电子数为N，在金属壳外表面有一块较小的圆形S，面积为金属壳表面积的136，则通过S的电流大小约为(A．Ne36B．Ne360C．Ne2π思维提升(1)金属导体中的电流是由自由电子的定向移动形成的，因此q为通过导体横截面的自由电子的电荷量．(2)电解质溶液中的电流是正、负离子同时向相反方向定向移动形成的，因此q为正、负离子电荷量的绝对值之和．(3)电解液中电流的方向与正离子定向移动的方向相同，与负离子定向移动的方向相反．[训练1]如图所示，电解池内有一价的电解液，时间t内通过溶液内截面S的正离子数是n1，负离子数是n2，设元电荷为e.以下解释中正确的是()A.正离子定向移动形成电流的方向从A→B，负离子定向移动形成电流的方向从B→AB．溶液内正、负离子向相反方向移动，电流抵消C．溶液内电流方向从A→B，电流强度为I＝nD．溶液内电流方向从A→B，电流强度为I＝n[训练2]电子绕核运动可等效为一环形电流，如图所示．氢原子的电子绕核运动的半径为R，电子质量为m，电荷量为e，静电力常量为k.则此环形电流的大小为()A．e22πC．e22π目标二电流的微观表达式【归纳】——————————————————○1．电流的微观表达式：I＝nqSv.电流的大小取决于单位体积的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量q、导体的横截面积S、定向移动速率v.2．电流的定义式和微观表达式的比较I＝qI＝nqSv公式性质定义式决定式电流的意义时间t内的平均电流某时刻的瞬时电流描述的角度大量电荷定向移动的宏观表现形成电流的微观实质联系由I＝qt可导出I＝nqS3.三种速率(1)电流的传导速率等于光速，为3×108m/s.(2)电子定向移动速率，其大小与电流有关，约为10－4m/s.(3)电子热运动速率，其大小与温度有关，约为105m/s.【典例】——————————————————○例3某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗．在这种疗法中，为了能让质子轰击肿瘤并杀死癌细胞，首先要实现质子的高速运动，该过程需要一种被称作粒子加速器的装置来实现．来自质子源的质子(初速度为零)，经加速电压为U的加速器加速后，形成细柱形的质子流．已知细柱形的质子流横截面积为S，单位体积的质子数为n，质子的质量为m，其电荷量为e，那么这束质子流的等效电流I为()A．nSem2UB．neS2eUmC．1nS思维提升用电流的微观表达式求解问题的注意点(1)准确理解公式中各物理量的意义，式中的v是指自由电荷定向移动的速率，不是电流的传导速率，也不是电子热运动的速率．(2)I＝neSv是由I＝qt导出的，若n[训练3]一段粗细均匀的铜导线的横截面积是S，导线单位长度内的自由电子数为n，铜导线内的每个自由电子所带的电荷量为e，自由电子做无规则热运动的速率为v0，导线中通过的电流为I.则下列说法正确的是()A．自由电子定向移动的速率为v0B．自由电子定向移动的速率为v＝IC．自由电子定向移动的速率为真空中的光速cD．自由电子定向移动的速率为v＝I1．下列关于电源的说法正确的是()A．电源是将电能转化为其他形式的能的装置B．电源的作用是使电源的正负极保持一定量的正、负电荷，维持一定的电势差C．与电源相连的导线中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的D．在电源内部负电荷由负极流向正极(或正电荷由正极流向负极)2．关于对电流的理解，下列说法正确的是()A．电流的方向就是自由电子定向移动的方向B．电流有大小，也有方向，所以电流是矢量C．金属导体内的电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的D．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率3．某电解池中，若在2s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某截面，那么通过这个截面的电流是()A．0B．0.8AC．1.6AD．3.2A4.自动体外除颤器是一种便携式的医疗设备，它可以诊断特定的心律失常，并且给予电击除颤，是可被非专业人员使用的用于抢救心脏骤停患者的医疗设备．某型号自动体外除颤器的电容器电容是16μF，充电至4kV电压，电容器在4ms时间内完成放电．下列说法正确的是()A．电容器放电完成后电容为零B．电容器的击穿电压为4kVC．电容器充电后的电荷量为0.64CD．电容器放电过程中的平均电流为16A5．心脏骤停最有效的抢救方式是尽早通过AED自动除颤机给予及时治疗．如图，某型号AED模拟治疗仪器内有一电容为15μF的电容器，某次使用过程中，该电容器在10s内充电至5000V电压，之后在3ms时间内完成放电．则下列说法正确的是()A．电容器充电后所带的电荷量为75CB．电容器充电过程中电容一直增大C．电容器放电过程中放电电流一直增大D．电容器放电过程中平均电流为25A6．已知铜棒的截面积为S，密度为ρ，摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，电子电量为e.若通过铜棒的电流强度为I，并认为铜棒中每一个铜原子贡献一个电子，则铜棒中自由电子定向移动的速率为()A．IMρSNAeB．IρMSN1．电源和电流导学掌握必备知识一、1．自由电子二、1．稳定分布2．时间3．电流越大4．nSvtneSvtI＝neSv情境思考答案：(1)×(2)√(3)×共研突破关键能力目标一提示：(1)电流方向为正电荷定向移动的方向或负电荷定向移动方向的反方向，故导电液体中电流方向为由左向右．(2)I＝q1[例1]解析：导体本身就有自由电荷，电源的作用不是使电路中产生电荷，而是使正负电荷分开，使正极聚集正电荷，负极聚集负电荷，电源两端就会产生电压，电压使电路中电荷产生定向移动形成电流，A错误，B正确；只要电路中有电源，且电路要闭合，电路中就会形成持续的电流，C错误；导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的，D错误．答案：B[例2]解析：由题意可知，单位时间内从放射性物质射出的电子数为N，则在t时间内从放射性物质射出的电荷量为q＝Net，则t时间内，通过金属壳表面较小的圆形面积S的电荷量是q′＝136q＝136Net，由电流的定义式可得I＝q't＝答案：A[训练1]解析：正电荷定向移动的方向就是电流的方向，负电荷定向移动的反方向也是电流的方向，A、B错误；有正、负电荷反向经过同一截面时，I＝qt公式中q应是正、负电荷电荷量绝对值之和，故I＝n1e+n2et，电流方向由A答案：D[训练2]解析：电子绕核做匀速圆周运动，由库仑力提供向心力，可得ke·eR2＝m4π2RT2，则电子运动的周期为T＝2πemR3答案：C目标二[例3]解析：质子在电场力作用下加速，加速后的速度为v，根据动能定理，则有eU＝12mv2，解得v＝2eUm.等效电流为I，单位体积的质子数为n，根据电流微观表达式I＝neSv，解得I＝neSv＝neS2eUm答案：B[训练3]解析：v0为自由电子做无规则热运动的速率，不是定向移动速率，与光速及自由电子无规则热运动的速率无关，故A、C错误；对于电流微观表达式I＝nqSv，式中n为单位体积内的自由电子数，而本题中n为单位长度内的自由电子数，则t时间内通过导线某一横截面的自由电子数为nvt，电荷量q＝nvte，所以电流I＝qt＝nev，所以v＝Ine，故B错误，答案：D精练落实学科素养1．解析：在电源内部把电子从正极搬运到负极，克服静电力做功，将其他形式的能转化为电能，A错误；电荷的搬运使电源正、负极间维持一定电势差，B正确；导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的，C错误；在电源内部，负电荷从电源正极流向负极(或正电荷从负极流向正极)，D错误．答案：B2．解析：规定电流的方向与自由电子定向移动的方向相反，A错误．电流有大小，也有方向，但不遵循平行四边形定则，所以电流是标量，B错误．金属导体内的电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的，C正确．电流的传导速率指的