2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 恒定電流 第1講 電源和電流學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、 電源和電流 [目標(biāo)定位]　1.了解電流的形成條件，知道電源的作用和導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng).2.理解電流的定義，知道電流的單位、方向規(guī)定，會(huì)用公式q＝It分析相關(guān)問(wèn)題.3.從微觀(guān)的角度理解導(dǎo)體中電荷的定向移動(dòng)與電流之間的關(guān)系． 一、電源　恒定電場(chǎng) 1．電源 (1)電源是不斷地把電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極從而維持正、負(fù)極之間一定電勢(shì)差的裝置． (2)作用 電源的作用是移送電荷，維持電源正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)差，從而保持電路中有持續(xù)電流．電源P在內(nèi)部能把電子從正極A搬運(yùn)到負(fù)極B，如圖1所示． 圖1 2．恒定電場(chǎng) (1)形成：當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)中的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線(xiàn)等電路元件所積

2、累的電荷共同形成的． (2)特點(diǎn)：任何位置的電荷分布和電場(chǎng)強(qiáng)度都不隨時(shí)間變化． 例1　將一些電學(xué)元件用導(dǎo)線(xiàn)連接在某電源的兩端，下列描述正確的是(　　) A．電源的作用是使電源的正、負(fù)極兩端保持一定的電勢(shì)差 B．電源的作用是能為電路持續(xù)地提供自由電荷 C．導(dǎo)體中的電場(chǎng)是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的 D．導(dǎo)體中的電場(chǎng)是由電源的電場(chǎng)和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場(chǎng)疊加而形成的 解析　電源將負(fù)電荷從負(fù)極搬到正極，維持正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)差，A正確，B錯(cuò)誤；導(dǎo)體中的電場(chǎng)是電源電場(chǎng)和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場(chǎng)疊加而成的，C錯(cuò)誤，D正確． 答案　AD 二、恒定電流 1．定義：大小、

3、方向都不隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為恒定電流． 2．物理意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量．電流是表示電流強(qiáng)弱程度的物理量． 3．定義式：I＝. 其中：I表示電流，q表示在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量． 4．單位：安培，符號(hào)：A.其他單位：毫安(mA)、微安(μA).1A＝103mA＝106μA. 5．方向：電流是標(biāo)量，但有方向．導(dǎo)體內(nèi)正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较颍措娏鞣较蚺c負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反． 深度思考 判斷下列說(shuō)法是否正確，并說(shuō)明理由． (1)電流有方向，所以說(shuō)電流是矢量． (2)由于I＝，所以說(shuō)I與q成正比，與t成反比． 答案　(1)不正確，電流的計(jì)算遵循代數(shù)

4、運(yùn)算法則，所以是標(biāo)量．(2)I＝是電流的定義式，電流與q無(wú)正比關(guān)系，與t無(wú)反比關(guān)系． 例2　在某種帶有一價(jià)離子的水溶液中，正、負(fù)離子在定向移動(dòng)，方向如圖2所示．如果測(cè)得2s內(nèi)分別有1.0×1018個(gè)正離子和1.0×1018個(gè)負(fù)離子通過(guò)溶液內(nèi)部的橫截面M，則溶液中電流的方向如何？電流為多大？ 圖2 解析　水溶液中導(dǎo)電的是自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下向相反方向定向移動(dòng)．電學(xué)中規(guī)定，電流的方向?yàn)檎姾啥ㄏ蛞苿?dòng)的方向，所以溶液中電流的方向與正離子定向移動(dòng)的方向相同，即由A指向B. 每個(gè)離子的電荷量是e＝1.60×10－19C．該水溶液導(dǎo)電時(shí)負(fù)離子由B向A運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子的定向移

5、動(dòng)可以等效看做是正離子反方向的定向移動(dòng)．所以，一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)橫截面M的電荷量應(yīng)該是正、負(fù)兩種離子電荷量的絕對(duì)值之和． I＝＝ ＝A＝0.16A. 答案　由A指向B　0.16A 對(duì)金屬來(lái)講，是自由電子的定向移動(dòng)，q為通過(guò)橫截面的自由電子的電荷量．對(duì)電解質(zhì)溶液來(lái)講，是正、負(fù)離子同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)，q為正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和． 例3　銅的摩爾質(zhì)量為m，密度為ρ，每摩爾銅原子有n個(gè)自由電子，每個(gè)自由電子的電荷量為e，今有一根橫截面積為S的銅導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)電流為I時(shí)，電子定向移動(dòng)的平均速率為(　　) A．光速cB.C.D. 解析　設(shè)電子定向移動(dòng)的速率為v，那么在t秒內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截

6、面的自由電子數(shù)相當(dāng)于在體積vt·S中的自由電子數(shù)，而體積為vtS的銅的質(zhì)量為vtSρ，摩爾數(shù)為，自由電子數(shù)為，所以電荷量q＝，由I＝＝得v＝，故D對(duì)，A、B、C錯(cuò)． 答案　D (1)電流的微觀(guān)表達(dá)式I＝nqSv，其中n為單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個(gè)自由電荷的電荷量，S為導(dǎo)體的橫截面積，v為電荷定向移動(dòng)的速率.即從微觀(guān)上看，電流取決于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個(gè)自由電荷的電荷量、自由電荷定向移動(dòng)速率的大小，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān). (2)區(qū)別三種速率： ①電子定向移動(dòng)的速率：電流就是由電荷的定向移動(dòng)形成的.電流I＝nqSv中的v就是電荷定向移動(dòng)的速率，大小約為10－5m/s

7、. ②電子熱運(yùn)動(dòng)的速率：導(dǎo)體內(nèi)部電子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不能形成電流，大小約為105m/s. ③電流傳導(dǎo)的速率：等于光速. 1．(對(duì)電源、恒定電場(chǎng)的理解)下列有關(guān)電源的電路中，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度的說(shuō)法正確的是(　　) A．導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電場(chǎng)就是電源所形成的電場(chǎng) B．在靜電平衡時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)為零，而導(dǎo)線(xiàn)外部的場(chǎng)強(qiáng)不為零，所以導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電場(chǎng)不是穩(wěn)定的 C．因?yàn)閷?dǎo)線(xiàn)處于電源的電場(chǎng)中，所以導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零 D．導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線(xiàn)等電路元件所積累的電荷共同形成的，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)的電荷處于平衡狀態(tài)，電荷分布是穩(wěn)定的，電場(chǎng)也是穩(wěn)定的 答案　D 解析　導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電場(chǎng)是電源和導(dǎo)線(xiàn)積

8、累電荷所形成的兩部分電場(chǎng)的矢量和，穩(wěn)定后不同于靜電平衡(內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零)，而是場(chǎng)強(qiáng)大小恒定，方向與導(dǎo)線(xiàn)切線(xiàn)一致，是一種動(dòng)態(tài)的平衡，故A、B、C錯(cuò)，D對(duì)． 2．(公式I＝的理解與應(yīng)用)電路中有一電阻，通過(guò)電阻的電流為5A，當(dāng)通電5分鐘時(shí)，通過(guò)電阻橫截面的電子數(shù)為(　　) A．1500個(gè) B．9.375×1019個(gè) C．9.375×1021個(gè) D．9.375×1020個(gè) 答案　C 解析　q＝It，n＝＝＝9.375×1021個(gè)． 3．(電流的微觀(guān)意義)如圖3所示，一根橫截面積為S的均勻長(zhǎng)直橡膠棒上帶有均勻的負(fù)電荷，每單位長(zhǎng)度上電荷量為q，當(dāng)此棒沿軸線(xiàn)方向做速度為v的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由

9、于棒運(yùn)動(dòng)而形成的等效電流大小為(　　) 圖3 A．qv B. C．qvS D. 答案　A 解析　t秒內(nèi)棒運(yùn)動(dòng)的距離為l＝vt，總電荷量Q＝ql＝qvt，所以I＝＝＝qv，故選項(xiàng)A正確． 題組一　對(duì)電源、恒定電場(chǎng)的理解 1．(多選)關(guān)于電流，下列敘述正確的是(　　) A．只要將導(dǎo)體置于電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就有持續(xù)電流 B．電源的作用可以使電路中有持續(xù)電流 C．導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有電流時(shí)，就說(shuō)明導(dǎo)體內(nèi)部的電荷沒(méi)有移動(dòng) D．恒定電流是由恒定電場(chǎng)產(chǎn)生的 答案　BD 2．(多選)在由電源、導(dǎo)線(xiàn)等電路元件所組成的電路中，以下說(shuō)法正確的是(　　) A．導(dǎo)線(xiàn)中的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零 B．導(dǎo)線(xiàn)

10、中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線(xiàn)方向平行 C．導(dǎo)線(xiàn)處于靜電平衡狀態(tài) D．導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢(shì)逐漸降低 答案　BD 解析　在電源和導(dǎo)線(xiàn)等電路元件所積累的電荷的共同作用下，垂直導(dǎo)線(xiàn)方向的電場(chǎng)相互抵消，在導(dǎo)線(xiàn)中形成了沿導(dǎo)線(xiàn)方向的電場(chǎng)，即導(dǎo)線(xiàn)中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線(xiàn)方向平行，A錯(cuò)誤，B正確；導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)有電場(chǎng)，說(shuō)明導(dǎo)線(xiàn)不處于靜電平衡狀態(tài)，C錯(cuò)誤；沿電場(chǎng)方向電勢(shì)逐漸降低，電場(chǎng)方向就是正電荷的受力方向，也就是電流的方向，即導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢(shì)逐漸降低，D正確． 題組二　對(duì)電流及其公式I＝的理解與應(yīng)用 3．(多選)關(guān)于電流的方向，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．電源供電的外部電路中，電流的方向是從高

11、電勢(shì)一端流向低電勢(shì)一端 B．電源內(nèi)部，電流的方向是從高電勢(shì)一端流向低電勢(shì)一端 C．電子運(yùn)動(dòng)形成的等效電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相同 D．電子運(yùn)動(dòng)形成的等效電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反 答案　AD 解析　在電源的外部電路中，電流從正極流向負(fù)極，在電源內(nèi)部，電流從負(fù)極流向正極，電源正極電勢(shì)高于負(fù)極電勢(shì)，所以A正確，B錯(cuò)誤；電子帶負(fù)電，電子運(yùn)動(dòng)形成的等效電流方向與電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，C錯(cuò)誤，D正確． 4．(多選)關(guān)于電流的說(shuō)法中正確的是(　　) A．根據(jù)I＝，可知I與q成正比 B．如果在任何相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量相等，則導(dǎo)體中的電流是恒定電流 C．電流有方向，電流是矢量 D

12、．電流的單位“安培”是國(guó)際單位制中的基本單位 答案　D 解析　依據(jù)電流的定義式可知，電流與q、t皆無(wú)關(guān)，顯然選項(xiàng)A錯(cuò)誤．雖然電流是標(biāo)量，但是卻有方向，因此在任何相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量雖然相等，但如果方向變化，電流也不是恒定電流，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤．電流是標(biāo)量，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤． 5．(多選)關(guān)于電流的下列說(shuō)法中，正確的是(　　) A．電路中的電流越大，表示通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越多 B．在相同時(shí)間內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越多，導(dǎo)體中的電流就越大 C．通電時(shí)間越長(zhǎng)，電流越大 D．導(dǎo)體中通過(guò)一定的電荷量所用時(shí)間越短，電流越大 答案　BD 6．如圖1所示，電解池內(nèi)有一價(jià)的電解

13、質(zhì)溶液，ts內(nèi)通過(guò)溶液內(nèi)部截面S的正離子數(shù)是n1，負(fù)離子數(shù)是n2，設(shè)元電荷為e，則以下說(shuō)法中正確的是(　　) 圖1 A．正離子定向移動(dòng)形成的電流方向?yàn)锳→B，負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向?yàn)锽→A B．溶液內(nèi)正、負(fù)離子向相反方向移動(dòng)，電流抵消 C．溶液內(nèi)電流方向從A到B，電流為I＝ D．溶液中電流方向從A到B，電流為I＝ 答案　D 解析　正電荷定向移動(dòng)的方向就是電流方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向也是電流方向．正、負(fù)離子經(jīng)過(guò)同一截面時(shí)，I＝公式中q應(yīng)該是正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和，故I＝，電流方向由A指向B，故選項(xiàng)D正確． 7．在某電解槽中，如果在1秒內(nèi)共有5.0×1018個(gè)2

14、價(jià)正離子和1.0×1019個(gè)1價(jià)負(fù)離子通過(guò)某截面，那么通過(guò)這個(gè)截面的電流強(qiáng)度為(　　) A．2.4A B．0.8A C．3.2A D．0 答案　C 解析　由題意知1 s內(nèi)通過(guò)截面正離子的電荷量為q1＝2n1e，負(fù)離子的電荷量絕對(duì)值為q2＝n2e，則電流為I＝＝. 將n1＝5×1018個(gè)，n2＝1×1019個(gè)，e＝1.6×10－19 C代入解得，I＝3.2 A. 8．如圖2所示，將左邊的銅導(dǎo)線(xiàn)和右邊的鋁導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，已知截面積S鋁＝2S銅．在銅導(dǎo)線(xiàn)上取一截面A，在鋁導(dǎo)線(xiàn)上取一截面B，若在1s內(nèi)垂直地通過(guò)它們的電子數(shù)相等，那么通過(guò)這兩個(gè)截面的電流的大小關(guān)系是(　　) 圖2 A．

15、IA＝IB B．IA＝2IB C．IB＝2IA D．不能確定 答案　A 解析　這個(gè)題目中有很多干擾項(xiàng)，例如兩個(gè)截面的面積不相等、導(dǎo)線(xiàn)的組成材料不同等．但解題關(guān)鍵是通過(guò)兩截面的電子數(shù)在單位時(shí)間內(nèi)相等，根據(jù)I＝可知電流相等． 題組三　電流的微觀(guān)意義 9．導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式I＝nqSv，其中S為導(dǎo)體的橫截面積，n為導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個(gè)自由電荷所帶的電荷量，v是(　　) A．導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速率 B．導(dǎo)體傳導(dǎo)的速率 C．電子熱運(yùn)動(dòng)的速率 D．自由電荷定向移動(dòng)的速率 答案　D 10．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(yùn)動(dòng)，則電子運(yùn)動(dòng)形成的等效電流大小為多少？ 答案　 解析　根據(jù)電流的定義式求解，取電子運(yùn)動(dòng)軌道的任一截面，在電子運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間T內(nèi)，通過(guò)這個(gè)截面的電荷量為Q＝e，則有：I＝＝，再由庫(kù)侖力提供向心力有：k＝mr. 得T＝.解得I＝. 7