物理人教版高中必修三（2019年新編）11-1 電源和電流（教案）

11.1電源和電流學(xué)習(xí)目標(biāo)1．理解電源的形成過程，知道電源在電路中的作用。2．理解恒定電場和恒定電流的形成過程。知道恒定電場與靜電場相同。3．掌握電荷量、電流、通電時間等物理量之間的關(guān)系。重點：理解電源的形成過程及電流的產(chǎn)生。難點：會靈活運用公式計算電流的大小。知識點一、電源1．定義：電源是不斷把負(fù)電荷從正極搬運到負(fù)極從而維持正負(fù)極之間一定電勢差的裝置。2．導(dǎo)體中的自由電荷在電場力作用下發(fā)生定向移動形成電流。有A、B兩個導(dǎo)體，分別帶正、負(fù)電荷．如果在它們之間連接一條導(dǎo)線R，如下圖（a）所示，導(dǎo)線R中的自由電子便會在靜電力的作用下定向運動，B失去電子，A得到電子，周圍電場迅速減弱，A、B之間的電勢差很快就消失，兩導(dǎo)體成為一個等勢體，達(dá)到靜電平衡，如下圖（b）所示。3．電源可使電路中保持持續(xù)電流在上述情況中，導(dǎo)線R中的電流只是一個瞬時電流。倘若在A、B之間連接一個裝置P，它能源源不斷地把經(jīng)過導(dǎo)線R流到A的電子取走，補充給B，使A、B始終保持一定數(shù)量的正、負(fù)電荷，這樣，A、B周圍空間（包括導(dǎo)線之中）始終存在一定的電場，A、B之間便維持著一定的電勢差。由于這個電勢差，導(dǎo)線中的自由電子就能不斷地在靜電力作用下由B經(jīng)過R向A定向移動，使電路中保持持續(xù)的電流。如上右圖，能把電子從A搬運到B的裝置P就是電源。4．電源的作用（1）維持電路的兩端有一定的電勢差。（2）使電路中保持持續(xù)電流。（3）電路中的電源能把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能，從而保持電源正負(fù)極之間有持續(xù)的電壓。【題1】下列關(guān)于電源的說法正確的是A．電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置B．電源的作用是使電源的正負(fù)極保持一定量的正、負(fù)電荷，維持一定的電勢差C．與電源相連的導(dǎo)線中的電場是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的D．在電源內(nèi)部正電荷由負(fù)極流向正極，負(fù)電荷由正極流向負(fù)極【答案】ABD【解析】在電源內(nèi)部由非靜電力做功（如洛倫茲力等，后面將學(xué)到）將正電荷由負(fù)極搬到正極，將負(fù)電荷由正極搬到負(fù)極，使正、負(fù)極維持一定的電勢差；同時將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，故A、B、D正確。導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的，故C錯。知識點二、電場1．導(dǎo)線中的電場（1）形成：導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的合電場。（2）特點：導(dǎo)線內(nèi)的電場線和導(dǎo)線平行；電荷的分布是穩(wěn)定的；導(dǎo)線內(nèi)的電場是沿導(dǎo)線切線方向的穩(wěn)定電場。（3）恒定電場與靜電場的關(guān)系：在恒定電場中，任何位置的電場強度都不隨時間變化，其基本性質(zhì)與靜電場相同。在靜電場中所學(xué)的電勢、電勢差及其與電場強度的關(guān)系，在恒定電場中同樣適用。2．恒定電場（1）定義：導(dǎo)線與電源連通后，導(dǎo)線內(nèi)部很快形成沿導(dǎo)線切線方向的電場，這個電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的。盡管這些電荷也在運動，但有的流走了，另外的又來補充，所以電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也不會隨時間變化。這種由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場，稱為恒定電場。（2）形成：當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時，導(dǎo)線中電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的。（3）特點：任何位置的電場強度都不隨時間發(fā)生變化。由于在恒定電場中，任何位置的電場強度都不隨時間變化，所以它的基本性質(zhì)與靜電場相同。在靜電場中所講的電勢、電勢差及其與電場強度的關(guān)系等，在恒定電場中同樣適用。【題2】在由電源、導(dǎo)線等電路元件所組成的電路中，以下說法不正確的是A．導(dǎo)線中的電場強度處處為零B．導(dǎo)線中的電場強度方向跟導(dǎo)線方向平行C．導(dǎo)線中的電場基本性質(zhì)與靜電場相同D．導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點的電勢逐漸降低【答案】A【解析】在電源和導(dǎo)線中感應(yīng)電荷的共同作用下，垂直導(dǎo)線方向的電場相互抵消，在導(dǎo)體中形成了沿導(dǎo)線方向的電場，即導(dǎo)線中的電場強度方向跟導(dǎo)線方向平行，B正確、A錯誤；導(dǎo)體內(nèi)的電場由穩(wěn)定分布的電荷產(chǎn)生，所以其性質(zhì)與靜電場相同，C對；沿電場方向電勢逐漸降低，電場方向就是正電荷的受力方向，也就是電流的方向，即導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點的電勢逐漸降低，D正確。3．穩(wěn)定電場：穩(wěn)恒電流的電路中的電場是穩(wěn)定電場，即電路中的電荷分布是穩(wěn)定的，但不是靜態(tài)的絕對穩(wěn)定，而是動態(tài)穩(wěn)定。就電路中任一微元來講，流走多少電荷，就補充多少電荷。和靜電場一樣，其電場分布不隨時間改變，靜電場的基本規(guī)律這里都適用。和靜電場不同的是：產(chǎn)生穩(wěn)定電場的電荷是運動的，但電荷分布不隨時間變化，所以其本質(zhì)為動態(tài)穩(wěn)定。知識點三、恒定電流1．電流（1）概念：電荷的定向移動形成電流。（2）物理意義：反映了電流的強弱程度。（3）符號及單位：用符號I表示，單位是安培，符號為A。常用的電流單位還有mA、μA，換算關(guān)系為：1A＝103mA＝106μA。（4）表達(dá)式：I＝eq\f(q,t)。①I＝eq\f(q,t)是電流的定義式，I＝nqSv是電流的決定式，故電流的大小與通過導(dǎo)體橫截面的電荷量以及通電時間無關(guān)。②q＝It是求電荷量的重要公式，而公式I＝eq\f(q,t)求出的是電流在時間t內(nèi)的平均值，對于恒定電流其瞬時值與平均值相等。③電解液中正、負(fù)離子定向移動的方向雖然相反，但正、負(fù)離子定向移動形成的電流方向是相同的，應(yīng)用I＝eq\f(q,t)時，q為正電荷總電荷量和負(fù)電荷總電荷量的絕對值之和。（5）電流的方向：規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向，負(fù)電荷定向移動的方向為電流的反方向。金屬導(dǎo)體中自由移動的電荷是自由電子，故電流的方向與自由電子定向移動的方向相反。電流雖然有方向但是它遵循代數(shù)運算法則，電流不是矢量而是標(biāo)量。（6）電流的形成條件：①產(chǎn)生電流的條件：導(dǎo)體兩端有電壓。②形成持續(xù)電流的條件：導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓?！咎貏e提醒】計算電流時，要注意定向移動的電荷種類，是正電荷或負(fù)電荷，還是正、負(fù)電荷同時存在?！绢}3】已知電子的電荷量為e，質(zhì)量為m，氫原子的電子在原子核的靜電力吸引下做半徑為r的勻速圓周運動，則電子運動形成的等效電流大小為多少？【答案】eq\f(e2,2πr2m)eq\r(kmr)【解析】截取電子運動軌道的任一截面，在電子運動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量q＝e。則有：I＝eq\f(q,t)＝eq\f(e,t)再由庫侖力提供向心力有：keq\f(e2,r2)＝meq\f(4π2,T2)·r得T＝eq\f(2πr,e)eq\r(\f(mr,k))解得I＝eq\f(e2,2πr2m)eq\r(kmr)【題4】關(guān)于電流強度的概念，下列敘述中正確的有A．通過導(dǎo)線截面的電量越多，電流強度越大B．電子運動的速率越大，電流強度越大C．單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量越多，導(dǎo)體中的電流強度越大D．因為電流有方向，所以電流強度是矢量【答案】C【解析】電流強度等于1秒鐘內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量，沒有時間無法判斷，所以A錯誤；根據(jù)電流的微觀表達(dá)I＝nesv知，電流的大小與電子的運動速率及電子的數(shù)量有關(guān)，故B錯誤；根據(jù)電流定義I＝eq\f(q,t)知，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量越多，導(dǎo)體中的電流強度越大，所以C正確；電流強度是標(biāo)量，所以D錯誤。2．恒定電流（1）概念：大小、方向都不隨時間變化的電流。（2）形成：恒定電場使自由電荷定向移動速率增加，自由電荷與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子碰撞，阻礙自由電荷定向移動，使自由電荷速率減小，最終表現(xiàn)為自由電荷平均速率不變。3．電流的微觀解析（1）電流的微觀表達(dá)式①題設(shè)：如圖所示，AB表示粗細(xì)均勻的一段導(dǎo)體，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動的速率為v，設(shè)導(dǎo)體的長度為L，橫截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q。②推導(dǎo)：導(dǎo)體AB中的自由電荷總數(shù)：N＝nLS總電荷量：Q＝Nq＝nLSq所有這些電荷都通過橫截面所需要的時間：t＝eq\f(L,v)導(dǎo)體AB中電流為I＝eq\f(Q,t)＝eq\f(nLSq,\f(L,v))＝nqSv。（2）三種速率的比較電子定向移動的速率電子熱運動的速率電流傳導(dǎo)速率物理意義電流是自由電荷定向移動形成的，I＝neSv，其中v就是電子定向移動速率，其大小與導(dǎo)體兩端的電壓及導(dǎo)體本身的因素有關(guān)。構(gòu)成導(dǎo)體的電子在永不停息地做無規(guī)律運動，由于熱運動向各個方向的機(jī)會相等，故不能形成電流。溫度越高，電子熱運動的平均速率越大。閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處以真空中光速建立恒定的電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的自由電子幾乎同時開始定向移動，整個電路也幾乎同時形成了電流。大小一般數(shù)量級為10－5m/s常溫下其數(shù)量級為105m/s等于光速，即恒為3×108m/s【特別提醒】電流的形成是電子在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加一個速率很小的定向移動，電路閉合時，瞬間在系統(tǒng)中形成電場，使導(dǎo)體中所有自由電荷同時定向移動，并不是電荷瞬間從電源運動到用電器?！绢}5】一質(zhì)量分布均勻的長方體金屬導(dǎo)體，在導(dǎo)體的左右兩端加一恒定的電壓，使導(dǎo)體中產(chǎn)生一恒定電流，其電流的大小為I。已知金屬導(dǎo)體的橫截面積是S，導(dǎo)體單位長度的自由電子數(shù)為n，金屬內(nèi)的自由電子的電荷量為e，自由電子做無規(guī)則熱運動的速率為v0，則下列說法中正確的是A．自由電子定向移動的速率為v0B．自由電子定向移動的速率為v＝eq\f(I,neS)【答案】D【解析】本題考查的是對電流微觀表達(dá)式I＝nqSv的理解，關(guān)鍵是理解v和n的物理意義，式中n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)，而本題n為單位長度內(nèi)的自由電子數(shù)，t時間內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面的自由電子數(shù)是長度為vt內(nèi)的自由電子，其數(shù)量為nvt，電荷量q＝nvte，所以電流I＝eq\f(q,t)＝nev，所以v＝eq\f(I,ne)，故選項D正確。C．自由電子定向移動速率為真空中光速cD．自由電子定向移動速率為v＝eq\f(I,ne)【題6】關(guān)于電流，下列說法中正確的是A．導(dǎo)線內(nèi)自由電子定向移動速率遠(yuǎn)小于電流的傳導(dǎo)速率B．電子熱運動的速率越大，電流越大C．電流是一個矢量，其方向就是正電荷定向移動的方向D．在國際單位制中，電流是一個基本物理量，其單位安培是基本單位【答案】AD【解析】導(dǎo)線導(dǎo)電時，自由電子定向移動的速率的數(shù)量級為10－5m/s，電流的傳導(dǎo)速率為3×108m/s，A對。由I＝nqSv知，電子定向移動的速率越大，電流越大，電流大小與電子熱運動的速率大小無關(guān)，B錯。電流是標(biāo)量，C錯。電流的國際單位是安培，是物理學(xué)中的七個基本單位之一，D對。【題7】橫截面積為S的導(dǎo)線中通有電流I，已知導(dǎo)線每單位體積中有n個自由電子，每個自由電子的電荷量是e，自由電子定向移動的速率是v，則在時間Δt內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電子數(shù)是A．nSvΔtB．nvΔtC．eq\f(IΔt,e)D．eq\f(IΔt,Se)【答案】AC【解析】①根據(jù)電流的定義式可知，在Δt內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電荷量q＝IΔt，在這段時間內(nèi)通過的自由電子數(shù)為N＝eq\f(q,e)＝eq\f(IΔt,e)②自由電子定向移動的速率是v，因此在時間Δt內(nèi)，位于以橫截面為底、長l＝vΔt的這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電子都能通過橫截面，如圖所示，這段導(dǎo)線的體積V＝Sl＝SvΔt，所以Δt內(nèi)通過橫截面的自由電子數(shù)為N＝nV＝nSvΔt。綜上可知，A、C正確?！绢}8】如圖所示，將左邊的銅導(dǎo)線與右邊的鋁導(dǎo)線連接起來，已知鋁導(dǎo)線的橫截面積是銅導(dǎo)線橫截面積的兩倍，在銅導(dǎo)線上取一個截面A，在鋁導(dǎo)線上取一個截面B，若在1秒內(nèi)垂直地通過它們的電子數(shù)相等，那么，通過這兩個截面的A．電流相等B．電流不相等C．自由電子定向移動的速率相等D．自由電子定向移動的速率不相等【答案】AD【解析】由電流定義知I＝eq\f(q,t)，A正確，B錯誤。由電流的微觀表達(dá)式I＝nSqv知，I、n、q均相等，因為SA<SB，所以vA>vB，故C錯誤，D正確?！绢}9】如圖的電解液接入電路后，在t時間內(nèi)有n1