2024-2025学年新教材高中物理第十一章电路及其应用1电源和电流学案新人教版必修3

PAGE12-电源和电流新课程标准学业质量目标1.了解电源的作用。2.知道电流的定义及单位、方向的规定,理解恒定电流。合格性考试1.能用电流的概念,说明自然现象,解决实际问题。2.能运用电流的定义式进行计算。选择性考试1.能推断电流的方向和计算电流的大小。2.能分析数据,得到几种不同的电流的微观表达式。3.能做到实事求是,对导体中三种速率进行比较。必备学问·自主学习一、电源1.定义:电源是能不断把电子从正极搬运到负极的装置。2.作用:(1)移送电荷,使电源正、负极间有肯定的电势差。(2)使电路中有持续的电流。二、恒定电流有的同学说:“电流有方向,电流就是矢量”,这种说法对吗?提示:不对,电流虽然有方向,但是电流的运算不遵循平行四边形定则,所以电流不是矢量,是标量。1.恒定电场:(1)由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。(2)形成:当电路达到稳定时,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。(3)特点:任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间改变。2.恒定电流:大小、方向都不随时间改变的电流。3.电流:(1)定义:电荷的定向移动形成电流。(2)意义:反映了电流的强弱程度。(3)单位:①国际单位:安培,简称安,符号为A。②常用单位:毫安mA、微安μA。③关系:1mA=10-3A;1μA=10-6(4)表达式:I=。(5)电流的方向:正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。(1)电源的作用就是将其他形式的能转化为电能。(√)(2)恒定电场与静电场性质基本相同,两者没有区分。(×)(3)电流的方向与电荷定向移动的方向相同。(×)(4)电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。(√)(5)只要电路中有电源,电路中就会形成持续的电流。(×)关键实力·合作学习学问点一电源和电流的性质1.电源的作用:从电荷转移的角度看使电路中的自由电荷持续地定向移动从能量转化的角度看搬运电荷的过程是非静电力做功的过程,从而将其他形式的能转化为电能2.形成电流的三种电荷:形成电流的三种电荷为自由电子、正离子和负离子,举例说明:(1)金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子;(2)液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子;(3)气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子。3.电流的形成:(1)形成缘由:电荷的定向移动。(2)形成条件:导体两端有电压。(3)电路中产生持续电流的条件:电路中有电源且电路闭合。水为什么能从水池A流到水池B?提示:因为水池A比水池B高。【典例】下列关于电源的说法中正确的是()A.电源的作用是在电源内部把电子由负极搬运到正极,保持两极之间有电压B.电源把正、负电荷分开的过程是把其他形式的能转化为电能的过程C.电荷的移动形成电流D.只要电路中有电源,电路中就会形成持续的电流【解析】选B。在电源内部,电源把电子由正极搬运到负极,这一过程要克服静电力做功,把其他形式的能转化为电能,故选项A错误,选项B正确;电荷的定向移动才形成电流,选项C错误;电路中要形成持续的电流,既要有电源,电路又要闭合,两者缺一不行,故选项D错误。1.下列关于电源和电流的说法正确的是()A.因为电流有方向,所以电流是矢量B.通过导体横截面的电荷量越多,电流越大C.电源是将电能转化为其他形式的能的装置D.电源能把自由电子从正极搬运到负极【解析】选D。电流有方向,但电流的计算不能依据平行四边形定则进行计算,故电流是标量,故A项错误;依据电流的定义式I=可知,通过导体横截面的电荷量越大,导体中的电流不肯定大,还要看时间长短,故B项错误;电源是供应电能的装置,把其他形式的能转化成电能,故C项错误;电源能把自由电子从正极搬运到负极,从而形成两极间的电势差,故D项正确。2.下列说法中正确的是()A.导体中电荷运动就形成了电流B.在国际单位制中,电流的单位是AC.电流有方向,它是一个矢量D.任何物体,只要其两端的电势差不为零,就有电流存在【解析】选B。自由电荷定向移动才形成电流,仅有电荷移动但不是定向移动则不能形成电流,故选项A错误;形成电流的条件是导体两端有电势差,且必需是导体而非任何物体,故选项D错误;电流有方向,但它是标量,故选项C错误。【加固训练】(多选)将一些电学元件用导线连接在某电源的两端,下列描述正确的是()A.电源的作用是使电源的正、负极两端保持肯定的电势差B.电源的作用是能为电路持续地供应自由电荷C.导体中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的D.导体中的电场是由电源的电场和导体中积累的电荷形成的电场叠加而形成的【解析】选A、D。电源将负电荷从正极搬到负极,维持正、负极间有肯定的电势差,故选项A正确,B错误;导体中的电场是电源电场和导体中积累的电荷形成的电场叠加而成的,故选项C错误,D正确。学问点二电流的计算角度1金属导体中电流的计算金属导体中的自由电荷只有自由电子,运用I=计算时,q是某一时间内通过金属导体横截面的电子的电荷量。【典例1】一条金属导体中的电流是5μA,那么在3.2s内通过金属导体横截面定向运动的自由电荷个数是()A.1×1014个B.1×1015个C.2×1014个 D.2×1015个【解析】选A。依据电流的定义式I=可得:q=It=5×10-6×3.2C=1.6×10-5C,通过该截面的自由电荷(自由电子)个数n===1×1014角度2电解液中电流的计算电解液中的自由电荷是正、负离子,运用I=计算时,q应是同一时间内正、负两种离子通过横截面的电荷量的肯定值之和。【典例2】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,以下说明中正确的是()A.正离子定向移动形成的电流方向从A→B,负离子定向移动形成的电流方向从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I=D.溶液内电流方向从A→B,电流强度I=【解析】选D。正电荷定向移动的方向就是电流方向,负电荷定向移动的反方向也是电流方向,故选项A、B错误;有正、负电荷反向经过同一截面时,I=公式中q应是正、负电荷的电荷量肯定值之和,故I=,电流方向由A指向B,故选项C错误,D正确。角度3环形电流的计算环形电流的计算采纳等效的观点分析。(1)等效电流:就是把电子周期性地通过圆周上各处形成的电流看成持续不断地通过圆周上各处时所形成的电流。(2)对周期性运动的电荷,常取一个周期来计算等效电流,利用I==求等效电流。【典例3】半径为R的匀称带电圆环,横截面积为S,所带电荷量为Q,现使圆环绕垂直圆环所在平面且过圆心的轴以角速度ω匀速转动,则由环产生的等效电流为()A.B.C.D.【解析】选A。圆环转动的周期为T=,依据I=,则圆环产生的等效电流为I==,故选项A正确。1.在电解槽中,1min内通过横截面的二价正离子和一价负离子的个数分别为7.5×1020个和1.5×1021个,则通过电解槽的电流为()A.0B.8AC.4AD.480A【解析】选B。电流由正、负离子的定向移动形成,则在60s内通过横截面的总电荷量应为Q=2×1.6×10-19×7.5×1020C+1.6×10-19×1.5×1021C=480C。由电流的定义式可知I==A=2.北京正负电子对撞机的储存环是周长为240m的近似圆形轨道。当环中电子以光速的的速度流淌而形成的电流是10mA时,环中运行的电子数目为(已知光速c=3×108m/s,电子电荷量e=1.6×10-19CA.5×1010个 B.5×1011个C.1×102个 D.1×104个【解析】选B。电子运动一周用的时间:t==s=8×10-6s,由电流的定义式I=,则电量为q=It=0.01×8×10-6C=8×10-8C,则在整个环中运行的电子数目:n=个=5×1011个,故选项B正确。【加固训练】某一探测器因射线照耀,内部气体电离,在时间t内有n个二价正离子到达阴极,有2n个电子到达探测器的阳极,则探测器电路中的电流为()A.0B.C.D.【解析】选D。探测器电路中的电流I==,故选项D正确。学问点三电流的微观表达式1.推导过程:(1)情境。如图所示,AB表示粗细匀称的一段导体,两端加肯定的电压,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v,设导体的长度为L,横截面积为S,导体单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q。(2)推导。导体AB中的自由电荷总数N=nLS,总电荷量Q=Nq=nLSq,全部这些电荷都通过横截面所须要的时间t=,导体AB中电流为I===nqSv。(3)结论:电流的微观表达式为I=nqSv。电流的大小取决于单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量q、导体的横截面积S、自由电荷定向移动速率v。2.电流的定义式和微观表达式的比较:项目I=I=nqSv公式性质定义式确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=可导出I=nqSv【典例】铜的摩尔质量为m,密度为ρ,每摩尔铜原子有n个自由电子,今有一根横截面积为S的铜导线,当通过的电流为I时,电子定向移动的平均速率为()A.光速cB.C.D.【解析】选D。如图所示,选长度为l的铜导线为探讨对象。所选探讨对象的体积为V=lS ①铜的摩尔体积V0= ②由①②可得所选探讨对象的物质的量N=== ③因为每摩尔铜原子有n个自由电子,所以所选探讨对象所含自由电子个数n1=Nn= ④电流:I== ⑤由④⑤得v=,故D正确。用电流的微观表达式求解问题的留意点(1)精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=nqSv是由I=导出的,若n的含义不同,表达式的形式也会不同。1.电路中每分钟有60万亿个自由电子通过横截面积为0.5mm2的导线,那么电路中的电流是(A.0.016μAB.1.6μAC.16μA D.0.16μA【解析】选D。每分钟通过的电量为:q=60×1012×1.6×10-19C=9.6×10-6C,则电路中的电流为:I==A=1.6×10-7A2.安培提出了闻名的分子电流假说,依据这一假说,电子绕核运动可等效为一环形电流。设带电荷量为e的电子以速率v绕原子核沿顺时针方向做半径为r的匀速圆周运动,其电流的等效电流强度I和方向为()A.顺时针 B.顺时针C.逆时针 D.逆时针【解析】选C。电子绕核运动可等效为一环形电流,电子运动周期为T=,依据电流的定义式得:电流强度为I===,因为电子带负电,所以电流方向与电子定向移动方向相反,即沿逆时针方向,故C项正确。3.某爱好小组调查一条河流的水质状况,计算结果表明,被污染的河里一分钟内有相当于6C的正离子和9C的负离子向下游流去,则取样时这条河流的等效电流大小和方向分别是()A.0.25A顺流而下 B.C.0.25A逆流而上 D.0.05A逆流而上【解析】选D。若正负离子移动方向相反,则通过横截面的总电荷量是两种离子电荷量肯定值之和,若正负离子向着同一个方向流淌,则通过横截面的总电荷量等于正负离子的电荷量的代数和,所以在1min内通过横截面的总电荷量应为q=6C-9C=-3C,所以电流I==0.【拓展例题】考查内容:导体内的三种速率【典例】在导体中有电流通过时,下列说法正确的是()A.电子定向移动速率为光速B.电子定向移动速率即是电场传导速率C.电子定向移动速率是电子热运动速率D.在金属导体中,自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动【解析】选D。电子定向运动的速率很小,电流的传导速率与光速差不多,在金属导体中,自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动,故A、B、C项错误,D项正确。情境·模型·素养电池的容量就是电池放电时能输出的总电荷量。通常以安培小时(A·h)或毫安小时(mA·h)作单位。问题:充溢电的15A·h的蓄电池,可以运用电器正常工作10小时,则蓄电池的放电电流约为多少?【解析】依据I==A=1.5A。答案:1情境:锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有许多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们运用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。问题:一辆电池容量为120Ah的电动汽车,平均工作电流是5A,能连续运行多长时间?【解析】依据I=,得t==h=24h答案:24h课堂检测·素养达标1.在示波管中,电子枪3s内放射6×1013个电子,则示波管中的电流为()A.3.2×10-6A B.4.8×10C.9.6×10-6A D.1.6×10【解析】选A。每个电子的电荷量大小为e=1.6×10-19C,6×1013个电子总电荷量为q=6×1013×1.6×10-19C=9.6×10-6C,则示波管中电流I==A=3.2×10-62.第26届国际计量大会重新定义了电流单位安(A),当元电荷e以单位C(即A·s)表示时,将其数值取为1.602176634×10-19C来定义安(培)。则在新的定义下流过金属导