2024版新教材高中物理第十一章電路及其應用1.電源和電流學生用書新人教版必修第三冊

1．電源和電流核心素養(yǎng)定位物理觀念了解電流的形成條件，知道電源的作用．科學思維理解電流的定義和電流方向的規(guī)定，會用電流的定義式分析相關問題．科學探究了解電流微觀表達式的推導過程，從微觀角度認識影響電流大小的因素．科學態(tài)度與責任通過對電源和電流的學習，培養(yǎng)學生探究生活和生產中物理知識的意識．一、電源1．形成持續(xù)電流的條件：一是要有移動的________，二是導體兩端始終存在電勢差．2．電源的作用：電源能把電子由正極搬運到負極，保持正、負極之間有穩(wěn)定的電勢差．通過非靜電力做功二、恒定電流基本性質與靜電場相同1．恒定電場：由________的電荷所形成的穩(wěn)定的電場，叫作恒定電場．2．恒定電流：大小、方向都不隨________變化的電流叫作恒定電流．3．電流的強弱程度用________這個物理量表示．單位時間內通過導體橫截面(與導體垂直的截面)的電荷量越多，電流就________．用I表示電流，q表示在時間t內通過導體橫截面的電荷量，則有I＝qt.電流的單位是安培(國際單位制中的基本單位)，符號是A，常用的單位還有毫安(mA)和微安(μA)4．電流的微觀解釋：設導體的橫截面積為S，自由電子數密度(單位體積內的自由電子數)為n，自由電子定向移動的平均速率為v，則時間t內通過某一橫截面的自由電子數為________．由于電子電荷量為e，因此，時間t內通過橫截面的電荷量q＝________．根據電流的公式I＝qt，可以得到電流和自由電子定向移動平均速率的關系為____________【情境思考】如圖是中國寧波公交使用的全球首創(chuàng)超級電容儲能式現代電車，該電車沒有傳統(tǒng)無軌電車的“辮子”，核心元器件是“3V12000F”石墨烯納米混合型超級電容器，該電容器能反復充放電100萬次，使用壽命長達十年．根據上述材料判斷以下問題．(1)電容器放電的過程中，電荷量逐漸減少，電容器的電容和兩極板間的電壓也逐漸減小．()(2)電容器充電的過程中，電荷量逐漸增加，電容保持不變．()(3)若標有“3V12000F”的電容器從電量為零到充滿電用時30s，則充電的平均電流為3600A．()拓展1類比法理解電源的作用拓展2直流電源和交流電源(1)直流電源直流電源的電流、電壓方向不隨時間作周期性變化，比如蓄電池、直流發(fā)電機、干電池、直流穩(wěn)壓源．(2)交流電源電流電壓方向隨時間作周期性變化的裝置，如交流發(fā)電機．拓展3恒定電場與靜電場的異同(1)異：靜電場是由靜止的電荷產生的；恒定電場是由穩(wěn)定分布的電荷產生的．(2)同：都是由電荷產生；恒定電場與靜電場都不隨時間變化；對電荷有力的作用；電勢、電勢差及其與電場強度的關系同樣適用．拓展4[教材問題]STSE電池的容量：電池放電時輸出的總電荷量，通常以“安時”(A·h)或“毫安時”(mA·h)作單位．手機電池的容量可達6000mA·h.拓展5如圖所示，一根截面積為S的均勻長直橡膠棒上均勻帶有負電荷，每米電荷量為q′.當此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運動時，由于棒運動而形成的等效電流大小為多大？提示：在運動方向上假設有一截面，則在t時間內通過截面的電荷量為q＝vt·q′，則等效電流I＝qt＝vq目標一電流的理解和計算【導思】——————————————————○如圖所示，在裝有導電液體的細管中，有正、負兩種電荷向相反的方向運動，在時間t內通過細管某截面的正電荷為q1，通過此截面的負電荷為q2.(1)怎樣確定通過導電液體中電流的方向？(2)如何計算導電液體中電流的大??？【歸納】——————————————————○1．電流的大小定義式：I＝qt.用該式計算出的電流是時間t內的平均值．對于恒定電流，電流的瞬時值2．對電流的理解(1)電流雖然有方向，但它是標量，其計算遵循代數運算法則．(2)在外電路中電流方向由電源正極到電源負極，在電源內部電流方向由電源負極到電源正極．(3)I＝qt是電流的定義式，或者說是求解電流的一種方法，電流I與q、t(4)一點說明：電解液中正、負離子定向移動的方向雖然相反，但正、負離子定向移動形成的電流的方向是相同的，應用I＝qt求電流時，q【典例】——————————————————○例1下列說法正確的是()A．電源的作用是使電路中產生電荷B．電源的作用是使電路中的電荷發(fā)生定向移動C．只要電路中有電源，電路中就會形成持續(xù)的電流D.導線中的電場是由電源兩極在空間直接形成的例2如圖所示，某同學設計了一種利用放射性元素衰變的電池．該電池采用金屬空心球殼結構，在金屬球殼內部的球心位置放有一小塊與球殼絕緣的放射性物質，放射性物質與球殼之間是真空．球心處的放射性物質向四周均勻發(fā)射電子，電子的電荷量為e.已知單位時間內放射性物質射出的電子數為N，在金屬殼外表面有一塊較小的圓形S，面積為金屬殼表面積的136，則通過S的電流大小約為(A．Ne36B．Ne360C．Ne2π思維提升(1)金屬導體中的電流是由自由電子的定向移動形成的，因此q為通過導體橫截面的自由電子的電荷量．(2)電解質溶液中的電流是正、負離子同時向相反方向定向移動形成的，因此q為正、負離子電荷量的絕對值之和．(3)電解液中電流的方向與正離子定向移動的方向相同，與負離子定向移動的方向相反．[訓練1]如圖所示，電解池內有一價的電解液，時間t內通過溶液內截面S的正離子數是n1，負離子數是n2，設元電荷為e.以下解釋中正確的是()A.正離子定向移動形成電流的方向從A→B，負離子定向移動形成電流的方向從B→AB．溶液內正、負離子向相反方向移動，電流抵消C．溶液內電流方向從A→B，電流強度為I＝nD．溶液內電流方向從A→B，電流強度為I＝n[訓練2]電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流，如圖所示．氫原子的電子繞核運動的半徑為R，電子質量為m，電荷量為e，靜電力常量為k.則此環(huán)形電流的大小為()A．e22πC．e22π目標二電流的微觀表達式【歸納】——————————————————○1．電流的微觀表達式：I＝nqSv.電流的大小取決于單位體積的自由電荷數n、每個自由電荷的電荷量q、導體的橫截面積S、定向移動速率v.2．電流的定義式和微觀表達式的比較I＝qI＝nqSv公式性質定義式決定式電流的意義時間t內的平均電流某時刻的瞬時電流描述的角度大量電荷定向移動的宏觀表現形成電流的微觀實質聯(lián)系由I＝qt可導出I＝nqS3.三種速率(1)電流的傳導速率等于光速，為3×108m/s.(2)電子定向移動速率，其大小與電流有關，約為10－4m/s.(3)電子熱運動速率，其大小與溫度有關，約為105m/s.【典例】——————————————————○例3某些腫瘤可以用“質子療法”進行治療．在這種療法中，為了能讓質子轟擊腫瘤并殺死癌細胞，首先要實現質子的高速運動，該過程需要一種被稱作粒子加速器的裝置來實現．來自質子源的質子(初速度為零)，經加速電壓為U的加速器加速后，形成細柱形的質子流．已知細柱形的質子流橫截面積為S，單位體積的質子數為n，質子的質量為m，其電荷量為e，那么這束質子流的等效電流I為()A．nSem2UB．neS2eUmC．1nS思維提升用電流的微觀表達式求解問題的注意點(1)準確理解公式中各物理量的意義，式中的v是指自由電荷定向移動的速率，不是電流的傳導速率，也不是電子熱運動的速率．(2)I＝neSv是由I＝qt導出的，若n[訓練3]一段粗細均勻的銅導線的橫截面積是S，導線單位長度內的自由電子數為n，銅導線內的每個自由電子所帶的電荷量為e，自由電子做無規(guī)則熱運動的速率為v0，導線中通過的電流為I.則下列說法正確的是()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＝IC．自由電子定向移動的速率為真空中的光速cD．自由電子定向移動的速率為v＝I1．下列關于電源的說法正確的是()A．電源是將電能轉化為其他形式的能的裝置B．電源的作用是使電源的正負極保持一定量的正、負電荷，維持一定的電勢差C．與電源相連的導線中的電場是由電源正、負極上的電荷形成的D．在電源內部負電荷由負極流向正極(或正電荷由正極流向負極)2．關于對電流的理解，下列說法正確的是()A．電流的方向就是自由電子定向移動的方向B．電流有大小，也有方向，所以電流是矢量C．金屬導體內的電流是自由電子在導體內的電場作用下形成的D．電流的傳導速率就是導體內自由電子的定向移動速率3．某電解池中，若在2s內各有1.0×1019個二價正離子和2.0×1019個一價負離子通過某截面，那么通過這個截面的電流是()A．0B．0.8AC．1.6AD．3.2A4.自動體外除顫器是一種便攜式的醫(yī)療設備，它可以診斷特定的心律失常，并且給予電擊除顫，是可被非專業(yè)人員使用的用于搶救心臟驟停患者的醫(yī)療設備．某型號自動體外除顫器的電容器電容是16μF，充電至4kV電壓，電容器在4ms時間內完成放電．下列說法正確的是()A．電容器放電完成后電容為零B．電容器的擊穿電壓為4kVC．電容器充電后的電荷量為0.64CD．電容器放電過程中的平均電流為16A5．心臟驟停最有效的搶救方式是盡早通過AED自動除顫機給予及時治療．如圖，某型號AED模擬治療儀器內有一電容為15μF的電容器，某次使用過程中，該電容器在10s內充電至5000V電壓，之后在3ms時間內完成放電．則下列說法正確的是()A．電容器充電后所帶的電荷量為75CB．電容器充電過程中電容一直增大C．電容器放電過程中放電電流一直增大D．電容器放電過程中平均電流為25A6．已知銅棒的截面積為S，密度為ρ，摩爾質量為M，阿伏加德羅常數為NA，電子電量為e.若通過銅棒的電流強度為I，并認為銅棒中每一個銅原子貢獻一個電子，則銅棒中自由電子定向移動的速率為()A．IMρSNAeB．IρMSN1．電源和電流導學掌握必備知識一、1．自由電子二、1．穩(wěn)定分布2．時間3．電流越大4．nSvtneSvtI＝neSv情境思考答案：(1)×(2)√(3)×共研突破關鍵能力目標一提示：(1)電流方向為正電荷定向移動的方向或負電荷定向移動方向的反方向，故導電液體中電流方向為由左向右．(2)I＝q1[例1]解析：導體本身就有自由電荷，電源的作用不是使電路中產生電荷，而是使正負電荷分開，使正極聚集正電荷，負極聚集負電荷，電源兩端就會產生電壓，電壓使電路中電荷產生定向移動形成電流，A錯誤，B正確；只要電路中有電源，且電路要閉合，電路中就會形成持續(xù)的電流，C錯誤；導線中的電場是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的，D錯誤．答案：B[例2]解析：由題意可知，單位時間內從放射性物質射出的電子數為N，則在t時間內從放射性物質射出的電荷量為q＝Net，則t時間內，通過金屬殼表面較小的圓形面積S的電荷量是q′＝136q＝136Net，由電流的定義式可得I＝q't＝答案：A[訓練1]解析：正電荷定向移動的方向就是電流的方向，負電荷定向移動的反方向也是電流的方向，A、B錯誤；有正、負電荷反向經過同一截面時，I＝qt公式中q應是正、負電荷電荷量絕對值之和，故I＝n1e+n2et，電流方向由A答案：D[訓練2]解析：電子繞核做勻速圓周運動，由庫侖力提供向心力，可得ke·eR2＝m4π2RT2，則電子運動的周期為T＝2πemR3答案：C目標二[例3]解析：質子在電場力作用下加速，加速后的速度為v，根據動能定理，則有eU＝12mv2，解得v＝2eUm.等效電流為I，單位體積的質子數為n，根據電流微觀表達式I＝neSv，解得I＝neSv＝neS2eUm答案：B[訓練3]解析：v0為自由電子做無規(guī)則熱運動的速率，不是定向移動速率，與光速及自由電子無規(guī)則熱運動的速率無關，故A、C錯誤；對于電流微觀表達式I＝nqSv，式中n為單位體積內的自由電子數，而本題中n為單位長度內的自由電子數，則t時間內通過導線某一橫截面的自由電子數為nvt，電荷量q＝nvte，所以電流I＝qt＝nev，所以v＝Ine，故B錯誤，答案：D精練落實學科素養(yǎng)1．解析：在電源內部把電子從正極搬運到負極，克服靜電力做功，將其他形式的能轉化為電能，A錯誤；電荷的搬運使電源正、負極間維持一定電勢差，B正確；導線中的電場是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的，C錯誤；在電源內部，負電荷從電源正極流向負極(或正電荷從負極流向正極)，D錯誤．答案：B2．解析：規(guī)定電流的方向與自由電子定向移動的方向相反，A錯誤．電流有大小，也有方向，但不遵循平行四邊形定則，所以電流是標量，B錯誤．金屬導體內的電流是自由電子在導體內的電場作用下形成的，C正確．電流的傳導速率指的