2024-2025学年高中物理第2章恒定电流1电源和电流学案新人教版选修3-1

PAGE7-电源和电流[学习目标]1.[物理观念]了解电流的形成，知道电源的作用和导体中的恒定电场。2.[物理观念]知道电流的定义及单位、方向的规定，理解恒定电流。(重点)3.[科学思维]理解电流形成的微观实质。(难点)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，维持电源正、负极间有肯定的电势差。(2)保持电路中有持续的电流。二、恒定电场1．定义：由电路中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。三、恒定电流1．电流(1)概念：电荷的定向移动形成电流。(2)物理意义：反映了电流的强弱程度。(3)符号及单位：符号是I，单位有安培、毫安、微安(单位符号分别为A、mA、μA)。(4)表达式：I＝eq\f(q,t)。(5)电流的方向：规定正电荷定向移动方向或负电荷定向移动的反方向为电流方向。2．恒定电流(1)定义：大小、方向都不随时间改变的电流。(2)形成：恒定电场使自由电荷速率增加，自由电荷与导体内不动的粒子的碰撞，使自由电荷速率减小，最终表现为平均速率不变。1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)恒定电场与静电场基本性质相同，两者没有区分。 (×)(2)电源的作用就是将其他形式的能转化为电能。 (√)(3)电流既有大小，又有方向，是矢量。 (×)(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)导体中的电流，实际是正电荷的定向移动形成的。 (×)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。]3．关于电流，下列说法中正确的是()A．电流跟通过截面的电荷量成正比，跟所用时间成反比B．单位时间内通过导体截面的电荷量越多，导体中的电流越大C．电流是一个矢量，其方向就是正电荷定向移动的方向D．国际单位制中，其单位“安培”是导出单位B[电流的定义为电荷量与时间的比值，即为单位时间内通过导体横截面的电荷量，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，导体中的电流越大，故A错误，B正确；一个量有方向并不能定义为矢量，矢量的运算必需遵循平行四边形定则，电流有方向但不符合矢量合成法则，不是矢量，故C错误；国际单位制中，电流是一个基本物理量，其单位“安培”是基本单位，故D错误。]对电源的理解1.电源的作用(1)从电荷转移的角度看，电源的作用是使电路中的自由电荷持续地定向移动。(2)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，其中金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子，液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子，气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子。【例1】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势能的过程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势能，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。]有电源不肯定得到持续的电流，要得到持续的电流须要同时满意两个条件：1电路中有电源。2电路还必需是闭合的，即必需用导体将电源连接起来。eq\o([跟进训练])1．(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AD[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，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，C错误，D正确。]不同导体中电流的计算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＝eq\f(q,t)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。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＝eq\f(q,t)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。3．环形电流的计算环形电流的计算采纳等效的观点分析。所谓等效电流，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。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＝eq\f(q,t)＝eq\f(q,T)求等效电流。【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电流方向从A→B，负离子定向移动形成电流方向从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I＝eq\f(n1e,t)D．溶液内电流方向从A→B，电流I＝eq\f(n1＋n2e,t)思路点拨：(1)电流的方向：与正离子定向移动方向相同，与负离子定向移动方向相反。(2)通过某一截面的电荷量为通过该截面正、负离子电荷量的肯定值之和。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，A、B错误；有正、负电荷反向经过同一截面时，I＝eq\f(q,t)公式中q应是正、负电荷电荷量肯定值之和，故I＝eq\f(n1e＋n2e,t)，电流方向由A指向B，C错误，D正确。]求电流的技巧(1)要分清形成电流的电荷种类，是只有正电荷或负电荷，还是正、负电荷同时定向移动。(2)当正、负电荷都参加定向移动时，正、负电荷对电流的形成都有贡献。eq\o([跟进训练])2．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．0 B．0.8AC．1.6A D．3.2AD[电荷的定向移动形成电流，但正、负电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者肯定值的和。故由题意可知，电流由正、负离子定向运动形成，则在2s内通过截面的总电荷量应为q＝1.6×10－19×2×1.0×1019C＋1.6×10－19×1×2.0×1019C＝6.4C，依据电流的定义式得I＝eq\f(q,t)＝eq\f(6.4,2)A＝3.2A，D正确。]电流的微观表达式1.建立“柱体微元”模型：如图所示，粗细匀称的一段导体的长度为l，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．理论推导：导体中的自由电荷总数：N＝nlS。总电荷量Q＝Nq＝nlSq。全部这些电荷都通过横截面D所须要的时间：t＝eq\f(l,v)。依据公式q＝It可得：导体中的电流：I＝eq\f(Q,t)＝eq\f(nlSq,l/v)＝nqSv。3．影响因素：从微观上看，电流取决于导体单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动速率的大小和导体的横截面积。4．两个公式的比较I＝eq\f(q,t)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＝eq\f(q,t)可导出I＝nqSv5.三种速率(1)电流的传导速率等于光速，为3×108(2)电子定向移动速率，其大小与电流有关，约为10－5m(3)电子热运动速率，其大小与温度有关，约为105【例3】(多选)有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电荷量为e，此电子的定向移动速率为v，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为()A．nvSΔt B．nvΔtC．eq\f(IΔt,e) D．eq\f(IΔt,Se)思路点拨：(1)电子数等于总电荷量除以每个电子的电荷量，所以求出通过横截面的电荷量，即可求出电子数。(2)单位体积内的电子数已知，只要求出Δt时间内有多少体积的电子通过横截面，即可求出电子数。AC[因为I＝eq\f(q,Δt)，所以q＝IΔt，自由电子数目为N＝eq\f(q,e)＝eq\f(IΔt,e)，C正确，D错误；又因为电流的微观表达式为I＝nevS，所以自由电子数目为N＝eq\f(q,e)＝eq\f(IΔt,e)＝eq\f(nevSΔt,e)＝nvSΔt，A正确，B错误。]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＝eq\f(q,t)导出的，若n的含义不同，表达式的形式也会不同。eq\o([跟进训练])3.如图所示，一根横截面积为S的匀称长直橡胶棒上匀称地带有负电荷，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()A．vq B．eq\f(q,v)C．vqS D．eq\f(qv,S)A[经过时间t，通过右端横截面的电荷量Q＝qvt，依据I＝eq\f(Q,t)得I＝vq，A正确。]1．[物理观念]对电源的理解，电源在电路中的作用。2．[科学方法]电流的定义及计算方法。3．[科学思维]电流的微观表达式及应用。1．(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中，以下说法正确的是()A．导线中的电场强度到处为零B．导线中的电场强度方向跟导线方向平行C．导线处于静电平衡状态D．导线内沿电流方向各点的电势渐渐降低BD[在电源和导线中感应电荷的共同作用下，垂直导线方向的电场相互抵消，在导体中形成了沿导线方向的电场，即导线中的电场强度方向跟导线方向平行，B正确，A错误；导体内有电场，说明导体不是静电平衡状态，C错误；沿电场方向电势渐渐降低，电场方向就是正电荷的受力方向，也就是电流的方向，即导线内沿电流方向各点的电势渐渐降低，D正确。]2．(多选)关于电流的方向，下列描述正确的是()A．规定正电荷定向移动的方向为电流的方向B．规定自由电荷定向移动的方向为电流的方向C．在金属导体中，自由电子定向移动的方向为电流的反方向D．在电解液中，由于正、负离子的电荷量相等，定向移动的方向相反，故无电流AC[规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，故A对，B错；金属导体中定向移动的是自由电子，电子带负电，故电子定向运动的方向与电流的方向相反，C对；在电解液中，正、负离子的电荷量相等，定向移动的方向相反，但有电流，电流的大小等于正、负离子电荷量的肯定值之和与时间的比值，D错。]3．导体中的电流是5μA，那么在3.2s内通过导体的横截面定向移