2024-2025學年新教材高中物理第3章恒定電流1電流學案魯科版必修3

PAGE13-第1節(jié)電流新課程標準學業(yè)質(zhì)量目標1.了解電流的形成條件。2.理解電流的定義,知道電流的單位、方向的確定。3.駕馭電流的定義式I=,并能分析相關(guān)問題。合格性考試1.形成電流的概念,知道電流、電荷量以及與時間的關(guān)系。2.通過試驗分析,可以得出電流形成的條件。3.通過電流形成的微觀緣由,可以說明電流的微觀表達式。選擇性考試1.通過對電流與電荷量和時間的定量關(guān)系I=的分析,可以解決生活中的相關(guān)現(xiàn)象。2.通過對電流形成的微觀表達式I=neSv的探究,能對此公式進行正確的應用。必備學問·自主學習一、電流的形成雷鳴電閃時,強大的電流使天空發(fā)出刺眼的閃光,但它只能存在于一瞬間(如圖甲),而手電筒中的小燈泡卻能持續(xù)發(fā)光(如圖乙),這是為什么?提示:閃電只是供應了瞬時高壓,只能產(chǎn)生瞬時電流;手電筒中的電源為小燈泡供應了持續(xù)的電壓,能產(chǎn)生持續(xù)電流。1.定義:電流是由自由電荷的定向移動形成的。2.形成電流的條件:(1)回路中存在自由電荷。(2)導體兩端有電壓。3.持續(xù)電流:(1)導體兩端有持續(xù)電壓是導體中形成持續(xù)電流的條件。(2)電源的作用是供應持續(xù)電壓。二、電流的方向和大小在小燈泡和電源串聯(lián)的電路中,如圖所示,電流的方向是怎樣規(guī)定的?提示:規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向,或者負電荷移動的反方向為電流的方向。1.電流的方向:(1)在物理學中,規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向。(2)在電源外部的電路中,電流的方向是從電源正極流向負極。(3)在電源內(nèi)部的電路中,電流的方向是從電源負極流向正極。2.電流是標量,雖有方向,但其運算不符合平行四邊形定則。3.電流的大小:(1)定義:流過導體某一橫截面的電荷量與所用時間之比稱為電流,用符號I表示。(2)定義式:I=。(3)單位:①國際單位制單位:安培,符號A。②其他常用單位:毫安,符號mA;微安,符號μA。③單位間的換算關(guān)系:1A=103mA=106μA。④“安培”是國際單位制中七個A(A.基本單位B.導出單位)之一。4.直流電流和恒定電流:(1)直流電流:方向不隨時間變更的電流。(2)恒定電流:方向和強弱都不隨時間變更的電流。(1)恒定電場與靜電場基本性質(zhì)相同,兩者沒有區(qū)分。 (×)(2)電源的作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。 (√)(3)電流既有大小,又有方向,是矢量。 (×)(4)電流越大,單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量就越多。 (√)(5)導體中的電流,實際是正電荷的定向移動形成的。 (×)關(guān)鍵實力·合作學習學問點一電流的形成條件和三種速率的比較1.電流的形成條件:(1)回路中存在自由電荷:①金屬導體的自由電荷是電子。②電解液中的自由電荷是正、負離子。(2)導體兩端有電壓:電場對電荷有力的作用,例如兩個導體間存在電勢差,當用一導線連接時,導線中的自由電子會在電場力的作用下定向運動,形成電流。(3)導體兩端有持續(xù)電壓是導體中形成持續(xù)電流的條件。2.三種速率的理解:電子定向移動的速率電子熱運動的速率電場傳導的速率大小10-5m1053×108物理意義電流就是由電荷的定向移動形成的,電流I=neSv,其中v就是電子定向移動的速率,一般為10-5m導體中的電子在不停地做無規(guī)則熱運動,由于熱運動向各個方向的機會相等,故不能形成電流,常溫下電子熱運動的速率數(shù)量級為105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起先定向移動,整個電路也幾乎同時形成了電流形成持續(xù)電流的條件:導體兩端有持續(xù)的電壓——由電源供應。如圖所示。(1)有電源是否肯定會得到持續(xù)的電流?(2)一個電路要形成持續(xù)電流需具備什么條件?提示:(1)不肯定,電路還必需是閉合的。(2)回路中存在自由移動的電荷,電路中有電源,電路還必需是閉合的?！镜淅筷P(guān)于電流,以下說法正確的是 ()A.只要有可以自由移動的電荷,就能存在持續(xù)電流B.金屬導體內(nèi)的持續(xù)電流是自由電子在導體內(nèi)的電場作用下形成的C.電流的傳導速率就是導體內(nèi)自由電子的定向移動速率D.在金屬導體內(nèi)當自由電子定向移動時,它們的熱運動就消逝了【解題探究】(1)電子定向移動的速率與電流的傳導速率有什么區(qū)分?(2)電子熱運動速率會消逝嗎?提示:(1)電子定向移動的速率數(shù)量級為10-5m/s,而電流的傳導速率是指電場形成的速率,其大小為光速3×10(2)電子熱運動速率屬于電子的無規(guī)則熱運動,不會隨著電場的形成而消逝。【解析】選B。產(chǎn)生電流的條件為:有可以自由移動的電荷及導體兩端有電勢差;故只有自由電荷不能形成電流,故A錯誤。金屬導體內(nèi)的持續(xù)電流是自由電子在導體內(nèi)的電場作用下形成的,故B正確。電流的傳導速率為電場形成的速率,與自由電子的定向移動速率無關(guān),故C錯誤。電子定向移動的同時,熱運動同樣存在,正是因為熱運動及碰撞等才形成了穩(wěn)定的電流,故D錯誤。1.關(guān)于電流,以下說法正確的是 ()A.導體內(nèi)沒有電流時,就說明導體內(nèi)部的電荷沒有移動B.電流的方向就是電荷定向移動的方向C.在導體中,只要自由電荷在運動,就肯定會形成電流D.導體兩端沒有電壓就不能形成電流【解析】選D。導體內(nèi)沒有電流時,就說明導體內(nèi)部的電荷沒有定向移動,但不能說電荷沒有移動,故A錯誤。電流的方向是正電荷定向移動的方向,與負電荷定向移動的方向相反,故B錯誤。在導體中,自由電荷做永不停息的熱運動,但沒有形成定向移動就不會形成電流,故C錯誤。導體兩端的自由電荷在電場的作用(有電壓)下才能夠定向移動,假如沒有電壓就不能形成電流,故D正確。2.在由電源、導線等電路元件所組成的電路中,以下說法正確的是 ()A.導線中的電場強度到處為零B.導線中的電場強度方向跟導線方向垂直C.導線處于靜電平衡狀態(tài)D.導線內(nèi)沿電流方向各點的電勢漸漸降低【解析】選D。由于導線兩端存在電勢差,所以導線內(nèi)部存在電場,電場強度不為零,故A錯誤。導線中的電場強度方向跟導線方向平行,故B錯誤。靜電平衡是靜電場中的導體所處的一種狀態(tài),處于靜電平衡的導體內(nèi)部場強到處為零,但該題中的導線是處于恒定電流中,其內(nèi)部場強并不為零,導線沒有處于靜電平衡狀態(tài),故C錯誤。導線內(nèi)電場強度方向與電流方向相同,各點的電勢不等,沿電場強度方向是漸漸降低的,故D正確。【加固訓練】1.下列關(guān)于電流的說法中,正確的是 ()A.金屬導體中,電流的傳導速率就是自由電子定向移動的速率B.導體兩端電勢差增大時,電流增大,電流的傳導速率也增大C.電路接通后,自由電子由電源動身只要經(jīng)過一個極短的時間就能到達用電器D.通電金屬導體中,電流的傳導速率比自由電子的定向移動速率大得多【解析】選D。電荷的定向移動形成電流。電流在金屬導體中的傳導速率等于光速,與電流大小無關(guān)。而金屬導體中自由電子的定向移動速率比光速小得多。故選項A、B、C錯誤,D正確。2.在導體中有電流通過時,下列說法正確的是 ()A.電子定向移動速率為光速B.電子定向移動速率即是電場傳導速率C.電子定向移動速率是電子熱運動速率D.在金屬導體中,自由電子只不過在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加了一個速率很小的定向移動【解析】選D。電子定向移動的速率很小,電場的傳導速率與光速差不多,在金屬導體中,自由電子只不過在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加了一個速率很小的定向移動。故A、B、C錯誤,D正確。學問點二電流的方向和大小1.電流的方向:(1)規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向,則負電荷定向移動的方向與電流的方向相反。(2)金屬導體中自由移動的電荷是自由電子,故電流的方向與電子定向移動方向相反。電路中的電流方向電源內(nèi)部:從電源的負極流向正極。電源外部:從電源的正極流向負極。2.對電流的定義式I=的分析:(1)電流指單位時間內(nèi)通過導體任一橫截面的電荷量,即I=,其中q是時間t內(nèi)通過某橫截面的電荷量,不是單位面積的橫截面的電荷量。(2)電解液中正、負離子定向移動方向雖然相反,但正、負離子定向移動形成的電流方向是相同的,應用I=時,q為正電荷的總電荷量和負電荷的總電荷量的肯定值之和。(3)在應用I=計算時,各個物理量的單位都用國際單位。3.電流的微觀表達式:(1)建立模型:如圖所示,AD表示粗細勻稱的一段導體,長為l,兩端加肯定的電壓,導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率為v,設導體的橫截面積為S,導體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電荷量為q。(2)理論推導:AD導體中的自由電荷總數(shù):N=nlS。總電荷量:Q=Nq=nlSq。全部這些電荷都通過橫截面S所須要的時間:t=。依據(jù)公式I=可得:導體AD中的電流:I===nqSv。即電流的微觀表達式為I=nqSv。(3)結(jié)論:從微觀上看,電流取決于導體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個自由電荷的電荷量、定向移動速率的大小和導體的橫截面積。電容的定義式為C=,電流的定義式為I=。這兩個式子里面的Q與q有何關(guān)系?提示:式子里的Q與q都表示電荷量,但Q表示的是單個極板上所帶電荷量的肯定值,而q表示的是通過某一截面的正負電荷所帶電量的肯定值的和?！镜淅恳欢毋~導線與串聯(lián)在恒定電壓源兩端,在MgCl2溶液中,陰、陽離子定向移動產(chǎn)生電流,測得有通過溶液內(nèi)部某一橫截面,元電荷e=1.6×10-19C。試問:溶液中電流的方向如何?通過銅導線的電流多大?【審題關(guān)鍵】序號解題依據(jù)信息提?、費gCl2溶液Mg離子帶兩個單位正電荷,Cl離子帶一個單位負電荷②20秒內(nèi)通過某一橫截面的時間③1.0×1018個Mg2+和2.0×1018個Cl-Mg離子和Cl離子的個數(shù)【解析】由題意可知,流過截面上的電量為:q=2n1e+n2e=(2×1.0×1018×1.6×10-19+2.0×1018×1.6×10-19)C=0.64C則通過銅導線的電流強度為:I==A=0.032A;溶液中電流的方向由A指向B。答案:方向由A指向B0.032A解決電解液中電流問題的方法(1)電解液中雖然正負離子的電性相反,但其所形成的電流方向相同。(2)總電荷量為正負離子電量的肯定值之和。1.(母題追問)在【典例】中,若銅導線的直徑為2mm。單位體積內(nèi)自由電子的個數(shù)為8.4×1028個,π≈3。試問:銅導線內(nèi)自由電子定向移動的速率多大?【解析】銅導線的橫截面積為:S=πd2電流的微觀表達式為:I=neSv聯(lián)立可得:v=8×10-7m答案:8×10-7m2.(教材二次開發(fā)·P66【節(jié)練習】T4改編)如圖所示,北京正負電子對撞機的外形就像一個巨大的羽毛球拍,其儲存環(huán)是周長為240m的近似圓形軌道。當環(huán)中電子以光速的非常之一運動而形成10mA的電流時,環(huán)中運行的電子數(shù)目為(光速取c=3×108m/s,元電荷e=1.6×10A.5×1010 B.5×1011C.1×102 D.1×104【解析】選B。電子運動一周用的時間:t===8×10-6s,I=,則電量為:Q=It=0.01A×8×10-6s=8×10-8C在整個環(huán)中運行的電子數(shù)目:n===5×1011個。故選項B正確,A、C、D錯誤。【加固訓練】1.關(guān)于電流的方向,下列描述正確的是 ()A.規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向B.規(guī)定自由電荷定向移動的方向為電流的方向C.在金屬導體中,自由電子定向移動的方向為電流的方向D.在電解液中,由于正、負離子的電荷量相等,故無電流【解析】選A。規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向,選項A正確,B錯誤;在金屬導體中,自由電子定向移動的方向為電流的反方向,選項C錯誤;電解液中,電流的方向與正離子定向移動方向相同,與負離子定向移動方向相反,所以有電流,故D錯誤。2.如圖所示為一質(zhì)量分布勻稱的長方體金屬導體,在導體的左、右兩端加一恒定的電壓,使導體中產(chǎn)生一恒定電流,其電流的大小為I。已知導體左側(cè)的橫截面積為S,導體中單位長度的自由電子數(shù)為n,自由電子熱運動的速率為v0,自由電子的電荷量用e表示,真空中的光速用c表示。假設自由電子定向移動的速率為v,則 ()A.v=v0B.v=C.v=cD.v=【解析】選D。電流微觀表達式I=nqSv,式中n為單位體積內(nèi)自由電荷數(shù)。而本題中n為單位長度內(nèi)的自由電子數(shù),t時間內(nèi)通過導體某一橫截面的自由電子數(shù)是長度vt內(nèi)的自由電子數(shù),其數(shù)量為nvt,電荷量q=nvte,所以電流I==nev,所以v=,則D正確,A、B、C錯誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:電流的計算【典例】非洲電鰩的捕獵方式是放電電死獵物,它放電的電壓可達100V,電流為50A,每秒鐘放電150次,其放電狀況可近似看作如圖規(guī)律放電。則放電1s非洲電鰩放出的電量為 ()A.25CB.50CC.150CD.250C【解析】選A。由圖像可得1s內(nèi)電鰩的放電時間為0.5s,依據(jù)電流的定義式I=,可得q=It=50×0.5C=25C,故A正確。情境·模型·素養(yǎng)智能手機電池“快速充電技術(shù)”可以使手機用戶在短時間內(nèi)完成充電。比如給一塊額定電壓3.7V、容量2000毫安時的電池充電,可以在半小時內(nèi)將電池充到滿容量的75%。假設快速充電時充電電流恒定。探究:(1)請結(jié)合本段文字,分析恒定電流的大小是多少。(2)請分析此智能手機電池還須要多長時間就可以充電完畢。【解析】(1)依據(jù)電流的定義可知,充到滿容量的75%的過程中的充電電流I===3000mA。(2)還需用時t′==h=10min。答案:見解析“氫火焰離子化檢測器”可以檢測出無機物氣體中極其微量的有機分子的含量,其裝置如圖所示,在氫火焰的作用下,有機物的分子電離為一價正離子和自由電子,而無機物的分子不會電離。設單位時間內(nèi)有n摩爾被檢測氣體進入檢測器,調(diào)整滑動變阻器,使得電流表的示數(shù)漸漸變大,直到達到最大值I。(阿伏伽德羅常數(shù)為NA,電子的電荷量為e)探究:有機物分子與被檢測氣體分子的數(shù)目的比值K是多少?【解析】電流達到最大值I后,表明電離出來的電子全部到達了陽極,設經(jīng)過時間t到達極板的電荷量為q,則:q=It,被電離的有機物分子的數(shù)目為N′,則:2N′==,所以N′=。有機物分子與被檢測氣體分子的數(shù)目的比值為:K===。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達標1.關(guān)于電流,下列說法中正確的是 ()A.依據(jù)I=可知,I與q成正比B.電流的形成條件是:導體兩端有電壓C.電流有方向,電流是矢量D.電流的單位“伏特”是國際單位制中的基本單位【解析】選B。依據(jù)I=可知,電流I還與通電時間t有關(guān),故A錯誤;導體兩端有電壓是形成電流的條件,故B正確;電流雖然有方向,但電流的運算滿意代數(shù)法則,所以電流是標量,故C錯誤;電流的單位“安培”是國際單位制中的基本單位,故D錯誤。2.在一次閃電形成過程中,流淌的電荷量約為300C,持續(xù)時間約為0.005s,則這次閃電產(chǎn)生的電流大小約為 ()A.12×104AC.6×104A【解析】選C。依據(jù)電流的定義式I=,得電流為I=A=6×104A。故C正確,A、B、D錯誤。3.有一橫截面積為S的銅導線,流經(jīng)其中的電流強度為I,設每單位體積的導線中有n個自由電子,電子的電量為e,此時電子的定向移動速度為v,在Δt時間內(nèi),通過導線的橫截面積的自由電子數(shù)目可表示為 ()A. B.nvΔtC. D.【解析】選C。在Δt時間內(nèi),以速度v移動的電子在銅導線中通過的距離為vΔt,由于銅導線的橫截面積為S,則在Δt時間內(nèi),電子經(jīng)過的導線體積為V=vΔtS。又由于單位體積的導線中有n個自由電子,則在Δt時間內(nèi),通過導線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為N=nV=nvSΔt。由于流經(jīng)導線