初中物理尖子生自主招生培優(yōu)講義版塊15 電荷與電路 專題15-2 電壓電流 （學(xué)生版）

頁專題15-2電壓電流知識(shí)·解讀一、電源1、電源的作用(1)從電荷轉(zhuǎn)移的角度看，電源的作用是使電路中的自由電荷持續(xù)地定向移動(dòng)。(2)從能量轉(zhuǎn)化的角度看，搬運(yùn)電荷的過程是非靜電力做功的過程，從而將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。2、形成電流的三種電荷形成電流的三種電荷為自由電子、正離子和負(fù)離子，其中金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷是自由電子，液體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有正離子和負(fù)離子，氣體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有自由電子、正離子和負(fù)離子。3、注意：有電源不一定得到持續(xù)的電流，要得到持續(xù)的電流需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：(1)電路中有電源。(2)電路還必須是閉合的，即必須用導(dǎo)體將電源連接起來。二、電流1、物理意義：表示電流強(qiáng)弱程度的物理量。2、符號(hào)及單位：電流用符號(hào)I表示，單位是安培，符號(hào)為A。3、表達(dá)式：I＝q/t(q是在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面上的電荷量)。4、方向：規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较颉?、電流的微觀表達(dá)式(1)電流的微觀表達(dá)式：I＝nqSv。其中n是導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q是每個(gè)自由電荷的電荷量，v是導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動(dòng)的速率，S是導(dǎo)體的橫截面積。推導(dǎo)過程如下：如圖所示，在加有電壓的一段粗細(xì)均勻的導(dǎo)體AD上選取截面B和C，設(shè)導(dǎo)體的截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)電荷的電荷量為q，電荷的定向移動(dòng)速率為v，則在時(shí)間t內(nèi)處于相距為vt的兩截面B、C間的所有自由電荷將通過截面C?？傻茫篒＝eq\f(qnSvt,t)＝nqvS。(2)根據(jù)電流的微觀表達(dá)式可以看出，電流決定于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)的速度，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)。(3)由I＝nqSv可以看出，同種導(dǎo)體橫截面積越大的位置，電荷定向移動(dòng)的速率越小。注意：若已知單位長度的自由電荷數(shù)為n，則電流的微觀表達(dá)式為I＝vnq。5、理解電流的三個(gè)注意點(diǎn)(1)公式I＝eq\f(q,t)中，q是通過橫截面的電荷量，而不是通過單位橫截面積的電荷量。(2)當(dāng)導(dǎo)體中有正、負(fù)電荷同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)形成電流時(shí)，公式中的q應(yīng)為通過導(dǎo)體橫截面的正、負(fù)兩種電荷電荷量的絕對值之和。(3)橫截面的選取是任意的，電流的大小與橫截面無關(guān)。6、三種速率的區(qū)別三種速率比較內(nèi)容電子定向移動(dòng)的速率電子熱運(yùn)動(dòng)的速率電流傳導(dǎo)的速率物理意義電流就是由電荷的定向移動(dòng)形成，電流I＝neSv，其中v就是電子定向移動(dòng)的速率，一般為10－5m/s的數(shù)量級構(gòu)成導(dǎo)體的電子在不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等，故不能形成電流，常溫下電子熱運(yùn)動(dòng)的速率數(shù)量級為105m/s等于光速，閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處以真空中光速c建立恒定電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的自由電子幾乎同時(shí)開始定向移動(dòng)，整個(gè)電路也幾乎同時(shí)形成了電流大小10－5m/s105m/s3×108m/s注意：電流的形成是電子在速率很大的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)，電路閉合時(shí)，瞬間在系統(tǒng)中形成電場，使導(dǎo)體中所有自由電荷在電場力的作用下共同定向移動(dòng)，并不是電荷瞬間從電源運(yùn)動(dòng)到用電器。典例·解讀類型一、電源例1、現(xiàn)代生活離不開電源，電子表、照相機(jī)、移動(dòng)電話、計(jì)算器及許多電子產(chǎn)品，都需要配備各式各樣的電源，關(guān)于電源以下說法正確的是()A、電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負(fù)極不斷地搬運(yùn)到正極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢差B、電源的作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能C、只要電路中有電源，電路中就一定有電流D、電源實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)用電器，也需要外界提供能量【【答案】B.【解析】電源的作用是維持正、負(fù)極之間恒定的電勢差，這需要電源不斷地將其內(nèi)部的負(fù)電荷向負(fù)極聚集，將正電荷向正極聚集，外電路中自由電子在電場力的作用下向正極移動(dòng)，在電源內(nèi)部，需要將正極上的電子搬運(yùn)到負(fù)極，維持電勢差不變，故A錯(cuò)；從能量角度來看，電源在搬運(yùn)電荷的過程中，需要克服電場力做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，B對；電路中有電流不僅需要電源，還需要電路是閉合的，故C錯(cuò)；電源是對電路提供能量的裝置，故D錯(cuò)。類型二、電流的基本概念例2、（多選）關(guān)于電流的概念，下列說法中正確的是()A、導(dǎo)體中有電荷運(yùn)動(dòng)就形成電流B、電流是一個(gè)矢量，其方向就是正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向C、在國際單位制中，電流是一個(gè)基本物理量，其單位安培是基本單位D、對于導(dǎo)體，只要其兩端電勢差為零，電流也必為零【【答案】CD.【解析】導(dǎo)體中有大量的自由電子，總在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，沒有定向運(yùn)動(dòng)，在一段時(shí)間t內(nèi)，通過導(dǎo)體某一截面的電荷是雙向的，其數(shù)值又是相等的，電流為零，故A錯(cuò)；電流是一個(gè)標(biāo)量，因?yàn)槠溥\(yùn)算不符合矢量運(yùn)算法則。為了便于研究電流，人們規(guī)定正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较?，以區(qū)別于負(fù)電荷的定向運(yùn)動(dòng)，故B錯(cuò)；在國際單位制中，共有七個(gè)基本量，電流是其中之一，故C正確；對于導(dǎo)體，其兩端電勢差為零時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)無電場，電子不能定向運(yùn)動(dòng)，故電流為零，D正確。類型三、電流的定義式例3、某電解池中，若在2s內(nèi)各有1.0×1019個(gè)二價(jià)正離子和2.0×1019個(gè)一價(jià)負(fù)離子通過某截面，那么通過這個(gè)截面的電流是()A、0B、0.8AC、1.6AD、3.2A【【答案】D.【解析】電解液中正、負(fù)離子定向移動(dòng)方向雖然相反，但正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向是相同的，應(yīng)用I＝eq\f(q,t)時(shí)，q為正電荷總電荷量和負(fù)電荷總電荷量的絕對值之和。電荷的定向移動(dòng)形成電流，但“＋”“－”電荷同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)時(shí)，通過某截面的電荷量應(yīng)是兩者絕對值的和。在2s內(nèi)通過截面的總電荷量應(yīng)為q＝1.6×10－19×2×1.0×1019C＋1.6×10－19×1×2.0×1019C＝6.4C。由電流的定義式知：I＝eq\f(q,t)＝eq\f(6.4,2)A＝3.2A。類型四、電流的微觀表達(dá)式例4、（多選）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(gè)自由電子，每個(gè)自由電子的電荷量是e，自由電子定向移動(dòng)的速率是v，則在時(shí)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)電流強(qiáng)度的定義式，可知在Δt內(nèi)通過導(dǎo)線截面的電荷量q＝IΔt。所以在這段時(shí)間內(nèi)通過的自由電子數(shù)為N＝q/e＝IΔt/e。(2)自由電子定向移動(dòng)的速率是v，因此在時(shí)間Δt內(nèi)，位于以截面S為底、長l＝vΔt的這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電子都能通過截面。這段導(dǎo)線的體積V＝Sl＝SvΔt，所以Δt內(nèi)通過截面S的自由電子數(shù)為N＝nV＝nSvΔt，所以A、C正確。培優(yōu)·訓(xùn)練一、選擇題1、關(guān)于電流，以下說法正確的是()A、通過截面的電荷量的多少就是電流的大小B、電流的方向就是電荷定向移動(dòng)的方向C、在導(dǎo)體中，只要自由電荷在運(yùn)動(dòng)，就一定會(huì)形成電流D、導(dǎo)體兩端沒有電壓就不能形成電流2、關(guān)于電流的方向，下列敘述中正確的是()A、金屬導(dǎo)體中電流的方向就是自由電子定向移動(dòng)的方向B、在電解質(zhì)溶液中有自由的正離子和負(fù)離子，電流方向不能確定C、不論何種導(dǎo)體，電流的方向規(guī)定為正電荷定向移動(dòng)的方向D、電流的方向有時(shí)與正電荷定向移動(dòng)的方向相同，有時(shí)與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相同3、金屬導(dǎo)體內(nèi)電流增強(qiáng)，是因?yàn)?)A、導(dǎo)體內(nèi)單位體積的自由電子數(shù)增多B、導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動(dòng)的速率增大C、導(dǎo)體內(nèi)電流的傳播速率增大D、導(dǎo)體內(nèi)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)速率增大4、如圖所示的電解池，在1s的時(shí)間內(nèi)，共有3C的正離子和3C的負(fù)離子通過截面xy，則這個(gè)電路中的電流是()A、0AB、1.5AC、3AD、6A5、有甲、乙兩導(dǎo)體，甲的橫截面是乙的2倍，而單位時(shí)間內(nèi)通過橫截面的電荷量，乙是甲的2倍，以下說法中正確的是()A、甲、乙兩導(dǎo)體的電流相同B、乙導(dǎo)體的電流是甲導(dǎo)體的2倍C、乙導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的速率是甲導(dǎo)體的2倍D、甲、乙兩導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的速度大小相等6、（多選）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(gè)截面A，在鋁導(dǎo)線上取一個(gè)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(gè)截面的() A、電流相等B、電流不相等C、自由電子定向移動(dòng)的速率相等D、自由電子定向移動(dòng)的速率不相等7、一段粗細(xì)均勻的金屬導(dǎo)體的橫截面積是S，導(dǎo)體單位長度內(nèi)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(yùn)動(dòng)的速率為v0，導(dǎo)體中通過的電流為I，則下列說法中正確的有()A、自由電子定向移動(dòng)的速率為v0B、自由電子定向移動(dòng)的速率為v＝eq\f(I,neS)C、自由電子定向移動(dòng)的速率為真空中的光速cD、自由電子定向移動(dòng)的速率為v＝eq\f(I,ne)8、（多選）電流通過生命機(jī)體或多或少都能傳導(dǎo)，其電流的傳導(dǎo)主要是靠()A、自由電子導(dǎo)電B、離子導(dǎo)電C、電解質(zhì)的水溶液導(dǎo)電D、質(zhì)子導(dǎo)電9、一臺(tái)半導(dǎo)體收音機(jī)，電池供電的電流是8mA，也就是說 ()A、1h電池供給8C的電量B、1000s電池供給8C的電量C、s電池供給8C的電量D、1min電池供給8C的電量10、以下說法正確的是()A、只要有可以自由移動(dòng)的電荷，就能存在持續(xù)電流B、金屬導(dǎo)體內(nèi)的持續(xù)電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場作用下定向移動(dòng)形成的C、電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向移動(dòng)速率D、在金屬導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)自由電子定向移動(dòng)時(shí)，它們的熱運(yùn)動(dòng)就消失了二、填空題演繹式探究：（1）自由電子在導(dǎo)體中定向移動(dòng)形成電流．物理學(xué)上把單位時(shí)間通過導(dǎo)體橫截面積的電荷叫電流．若用字母Q表示電荷，用字母t表示通電時(shí)間，則電流的定義式為：I=______．（2）若流過導(dǎo)體的電流為0.5A，導(dǎo)體中要流過20C的電荷（C為電荷的國際單位庫侖），則通電時(shí)間為______s．（3）若流過導(dǎo)體單位體積的電子個(gè)數(shù)為n，每個(gè)電子所帶電荷為e，電子在導(dǎo)體中流動(dòng)速度為v，導(dǎo)體直徑為d，則導(dǎo)體中電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I=______．三、計(jì)算題1、如圖所示的電解槽中，如果在4s內(nèi)各有8C的正、負(fù)電荷通過面積為0.8m2的橫截面AB，那么(1)在圖中標(biāo)出正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向；(2)電解槽中的電流方向如何？(3)4s內(nèi)通過橫截面AB的電荷量為多少？(4)電解槽中的電流為多大？2、一硫酸銅電解槽的橫截面積為2m2，在0.04s內(nèi)若相向通過同一橫截面的銅離子和硫酸根離子分別為5.625×1018個(gè)和4.73