高中物理 第二章 恒定电流 2.1 导体中的电场和电流知识导学案(新人教版)选修3-1

1、1 导体中的电场和电流问题探究 导体中没有电场时，导体中自由电荷也在不停地移动，为什么没有形成电流呢?为什么在导体两端加上电源，导体中有了电场后就可形成电流? 当你合上开关时，电灯会立即亮起来；当你打长途电话时，你的声音马上就传到遥远的对方，电流的速度有多大你知道吗?自学导引1.电源：(1)带有正负电荷的两个导体，若用一条导线连接，导线中的自由电子在_的作用下定向移动，在导线中形成_电流，两导体的_很快消失，两导体成为_.(2)为使连接两导体的导线中有持续的电流，需保持两导体之间维持一定的_，能提供这种差值的装置叫电源.(3)形成电流的条件：导体中有_；导体两端存在电势差，要想形成持续的电流，

2、必须有产生这种差值的_.答案：(1)静电力 瞬时 电势差 等势体(2)电势差(3)自由电荷 电源2.导线中的电场：（1）导线中的电场是由_和导线等电器元件所积累的电荷共同形成的电场的_，其方向保持和导线_.（2）由稳定分布的电荷所产生的电场称为_，这种电场的分布不随_变化，其性质与_性质相同.答案：(1)电源 合电场 平行 (2)恒定电场 时间 静电场3.电流：(1)定义：通过导体某一横截面的电荷量跟通过这些电荷量所用时间的_称为电流，它描述电流的强弱，是_，但是有_.(2)电荷的_移动形成电流，在电场中正、负电荷定向移动的方向不同，电流的方向规定为与_定向移动的方向相同，与_的定向移动的方向

3、相反.我们把大小、方向都不随时间变化的电流称为_.(3)定义式：_.单位：安培，简称安.国际符号A，它是国际单位制中的七个_之一. 注意：国际单位制中有七个基本单位，其中力学有三个：米(m)、千克(kg)、秒(s)；热学有两个：开尔文(K)、摩尔(mol)；电学有一个:安培(A)；光学有一个：坎德拉(发光强度)(cd)(高中不要求). 在电解质溶液中，正、负离子定向移动的方向_，但形成的电流的方向是_的，所以公式I=中的q是指正、负离子的绝对值_.答案：(1)比值 标量 方向(2)定向 正电荷 负电荷 恒定电流(3)I= 基本单位 相反 相同 之和4.直流电：（1）电流的_不随时间而改变的电流

4、(方向不变，但大小可以变化)，称为直流电.（2）恒定电流：电流的_、_都不随时间改变的电流.答案：(1)方向 (2)大小 方向5.三种速率(1)自由电子热运动平均速率约为105 m/s;(2)自由电子定向移动的速率约为10-5 m/s;(3)电流的传导速率为：3108 m/s.疑难剖析一、电流的形成 金属中存在着大量的自由电子和正离子，在导体两端无电势差的情况下，自由电子在导体内做无规则的热运动.自由电子热运动的速率非常大，其数量级为105 m/s.但由于自由电子的运动杂乱无章，因而导体中没有电流.当导体两端存在电势差时，导体内由电源和导线上的堆积电荷共同形成了电场，其电场线与导线平行，这时，

5、自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向定向移动，形成了电流. 如果导体两端的电势差是短暂的，则导体中形成短暂的电流.要想形成持续的电流，导体两端应保持一定的电势差，因而可以把电源接到导体的两端，提供持续的电压，转移电路中的电荷，使电路中保持持续的电流.二、导体中电流I的微观表达式 从微观上看，电流取决于导体的哪些因素呢?如图2-1-1所示，AD表示粗细均匀的一段导体l，两端加一定的电压，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，导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷所带的电荷量为q.图2-1-1 AD导体中的自由电荷总数：N=nlS 总电荷量Q：Nq=nlSq

6、 所有这些电荷都通过导体的横截面所需要的时间：t= 所以，导体AD上的电流：I=nqSv 由此可见，从微观上看，电流取决于导体中自由电荷的密度、电荷量、定向移动速度，还与导体的横截面积有关.三、区分电荷定向移动的速率与电流传导的速率 电荷定向移动的速率极小而电流传导的速率极大，这是因为电流的传导速率实质是电场的传导速率.当接通电路时，电场便以光速传递到电路中，使电路中每处的自由电荷都受到静电力作用而定向运动，形成电流.虽然各处的自由电荷定向移动的速率小，但由于电路中各处的电荷几乎同时受力而定向移动，故电流的传导速率很快. 例如，一根很长的水管，若里面是空的，从一端缓缓地注水，另一端需很长时间才

7、有水流出，若里面已经注满了水，从一端再注入一点水，另一端马上会有水流出.电路中各处都存在自由电子，就像水管中已注满了水，一旦施加外力，它们将会同时运动，从另一端流出.【例1】关于电流的说法中正确的是（ ）A.根据I=，可知I与q成正比B.如果在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量相等，则导体中的电流是恒定电流C.电流有方向，电流是矢量D.电流的单位“安培”是国际单位制中的基本单位思路分析：依据电流的定义式可知，电流与q、t皆无关，显然选项A是错误的.虽然电流是标量，但是却有方向，因此在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量虽然相等，但如果方向变化，电流也不是恒定电流，所以，选项B也是错误的.

8、电流是标量，故选项C也不对.答案：D温馨提示：本题考查电流、恒定电流的定义、方向、单位等概念，应掌握牢固.【例2】 在电解液中，(1)若5 s内沿相反方向通过面积为0.5 m2的横截面的正、负离子的电荷量均为5 C，则电解液中的电流为多大？(2)若 5 s内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子均为5 C，则电流为多大？思路分析：(1)因I=中的q是时间t内通过整个横截面的电荷量，并非通过单位面积的电荷量，所以0.5 m2是干扰条件.又因正、负离子沿相反方向定向移动形成的电流方向是相同的，所以q应为正、负离子电荷量绝对值之和，故I= A=2 A.(2)根据电解液导电原理可知到达阳极的电荷只有负离子

9、，5 s内到达阳极的负离子的电荷量也就是这段时间内电路中流过的电荷量，所以有I= A=1 A.答案：(1)2 A (2)1 A温馨提示：(1)用I=计算时，先要选定横截面，弄清是一种电荷还是两种电荷定向移动形成电流，从而确定q的大小是关键.(2)对于电解液导电，横截面的位置选择不同，通过它的正负电荷的电荷量是否相同?有什么规律?【例3】 已知电子的电荷量为e，质量为m，氢原子的电子在原子核的静电力吸引下做半径为r的匀速圆周运动，则电子运动形成的等效电流大小为多少?思路分析：所谓等效电流，就是把电子绕核运动单位时间段的电荷量通过圆周上各处看成是持续运动时所形成的电流，根据电流的定义即可算出等效电

10、流的大小.截取电子运动轨道的任一截面，在电子运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量q=e.则有：I= 再由库仑力提供向心力有：kr，得T= 联立得，I=.答案：思维陷阱：本题属于用电流定义计算题型.解此题的关键是找在某一截面经过时间t所通过的电荷量q.注意不要把电流错误地理解为单位时间、单位横截面积上通过的电荷量，以防在求电流时还除以它的横截面积.拓展迁移1.一硫酸铜电解槽的横截面积为2 m2，在0.04 s内若相向通过同一横截面的铜离子和硫酸根离子分别为5.6251018个和4.3751018个，则电解槽中的电流是多大?方向如何?答案：电解槽中的电流是铜离子和硫酸根离子分别向相反的方向运动

11、形成的.所以电流的方向与铜离子定向移动的方向相同.铜离子和硫酸根离子都是二价离子，每个离子的电荷量为q1=q2=21.610-19 C,所以，I=，代入数据得I=83 A.2.铜的原子量为m，密度为，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，电子平均定向移动的速率为多大？答案：设时间为t，则在这段时间内通过的自由电子个数为N=n，通过的电流可以表示为I=，所以，电子的平均定向移动速率为v=.3.半径为R的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度匀速转动，则由环产生的等效电流应有（ ）A.若不变而使电荷量Q变为原来的2倍，则电流