2019学年高中物理 第二章 恒定电流 1 电源和电流学案 新人教版必修2.doc

- 1 -1 1 电源和电流电源和电流学科素养与目标要求物理观念：1.了解电流的形成条件、电源的作用和导体中的恒定电场.2.理解电流的定义、定义式、单位及方向的规定，会用公式qIt分析相关问题.科学思维：由电流的定义式出发，经过逻辑推理得出电流的微观表达式，从微观的角度认识影响电流大小的因素.一、电源1.定义：能把电子在电源内部从电源正极搬运到负极的装置.2.作用：移送电荷，维持电源正、负极间有一定的电势差，保持电路中有持续电流.二、恒定电场1.定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场.2.形成：当电路达到稳定时，导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的.3.特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，其基本性质与静电场相同.三、恒定电流1.定义：大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流.2.电流的定义式：I ，其物理意义：单位时间内，通过导体横截面的电荷量.表示电流强q t弱程度的物理量.1.判断下列说法的正误.(1)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有运动.( × )(2)电流既有大小，又有方向，是矢量.( × )(3)导体中的电流，一定是正电荷定向移动形成的.( × )(4)负电荷移动的方向就是电流的方向.( × )(5)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多.( )2.在一次闪电的过程中，流动的电荷量大约为 300 C，持续的时间大约是 0.005 s，所形成的平均电流强度为 A.答案 6×104- 2 -一、电流的理解和计算如图 1 所示，在装有导电液体的细管中，有正、负两种电荷向相反的方向运动，在时间t内通过细管某横截面的正电荷为q1，通过此横截面的负电荷为q2，图 1(1)确定通过导电液体中电流的方向.(2)计算导电液体中电流的大小.答案 (1)电流方向为正电荷定向移动的方向或负电荷定向移动的反方向，故导电液体中电流方向为由左向右.(2)I.q1q2 t1.电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反.2.电流的定义式：I .用该式计算出的电流是时间t内的平均值.对于恒定电流，电流的瞬q t时值与平均值相等.3.三点说明(1)电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的，应用I 求电流时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和.q t(2)qIt是I 的变形，是求电荷量的重要公式.其中I是电流在时间t内的平均值.q t(3)电流虽然有方向，但它是标量，遵循代数运算法则.例 1 如图 2 所示，电解池内有一价的电解液，t时间内通过溶液内截面S的正离子数是n1，负离子数是n2，设元电荷为e，以下说法中正确的是( )- 3 -图 2A.当n1n2时电流强度为零B.当n1n2时，电流方向从AB，电流强度为In1n2etC.当n1n2时，电流方向从BA，电流强度为In2n1etD.溶液内电流方向从AB，电流强度为In1n2et答案 D解析 正离子定向移动的方向就是电流方向，负离子定向移动的反方向也是电流方向，有正、负离子向相反方向经过同一截面时，公式I 中的q应是正、负离子电荷量的绝对值之和，q t故I，电流方向由A指向B，与正、负离子的数量无关，A、B、C 错误，D 正确.n1n2et计算电流时，要分清形成电流的电荷种类，是只有正电荷或负电荷，还是正、负电荷同时定向移动.当正、负电荷都参与定向移动时，正、负电荷对电流的形成都有贡献.针对训练 1 某电解池，如果在 1 s 内共有 5×1018个二价正离子和 1×1019个一价负离子通过面积为 0.1 m2的某截面，设元电荷为e，那么通过这个截面的电流是( )A.0 B.0.8 AC.1.6 A D.3.2 A答案 D解析 由题意，1 s 内通过截面正离子的电荷量为q12n1e，负离子的电荷量绝对值为q2n2e，则电流为I，将n15×1018个，n21×1019个，q1q2 t2n1n2ete1.6×1019 C，t1 s，代入解得I3.2 A，故选 D.二、电流的微观表达式如图 3 所示，AD表示粗细均匀的一段长为l的导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v，设导体的横截面积为S，导体单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q.则：- 4 -图 3(1)导体AD内的自由电荷全部通过横截面D所用的时间t是多少？(2)导体AD内的自由电荷的总电荷量Q是多少？(3)这段导体上的电流是多大？答案 (1)tl v(2)AD内的自由电荷总数NnlS 总电荷量QNqnlSq(3)此导体上的电流I nqSv.Q tnlSq l v电流的微观表达式InqvS(1)从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量q、定向移动的速率大小v，还与导体的横截面积S有关.(2)v表示电荷定向移动的速率.自由电荷在不停地做无规则的热运动，其速率为热运动的速率，电流是自由电荷在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的.延伸阅读 三种速率的比较(1)电子定向移动速率：也是公式IneSv中的v，大小约为 105 m/s.(2)电流的传导速率：就是电路中建立恒定电场的速率，大小为光速c3×108 m/s.(3)电子热运动的速率：电子做无规则热运动的速率，大小约为 105 m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等，故此运动不能形成电流.例 2 导线中的电流是 1 A，导线的横截面积为 1 mm2.(1)在 1 s 内，有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e1.6×1019 C)?(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有 8.5×1028个自由电子)?(3)自由电子沿导线移动 1 m，平均要多少时间？答案 (1)6.25×1018个 (2)7.35×105 m/s (3)3.78 h解析 (1)N 6.25×1018个.q eIt e(2)由公式IneSv，得v m/s7.35×105 m/s.I neS1 8.5 × 1028 × 1.6 × 1019 × 1 × 106(3)自由电子沿导线移动 1 m 需用时- 5 -t s3.78 h.1 7.35 × 105针对训练 2 如图 4 所示，一根截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，每米电荷量为q，当此棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，由于棒运动而形成的等效电流大小为( )图 4A.vq B.q vC.qvS D.qv S答案 A解析 此橡胶棒通过长为l一段距离的时间t .此过程通过某截面的总电荷量Qlq，由l vI ，得Ivq，故 A 正确.Q tlq l v1.(对电源的理解)关于电源的以下说法，正确的是( )A.电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正极，从而保持两极之间有稳定的电势差B.电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极，从而保持两极之间有稳定的电势差C.只要电路中有电源，电路中就一定有电流D.电源实质上也是一个用电器，也需要外界提供能量答案 B解析 电源的作用是维持正、负极之间恒定的电势差，外电路中自由电子在电场力的作用下向正极移动，在电源内部，需要将电子由正极不断地搬运到负极，故 A 错，B 对.电路中有电流不仅需要电源，还需要电路是闭合的，两者缺一不可，故 C 错.电源是对电路提供能量的装置，故 D 错.2.(对I 的理解和应用)电路中有一电阻，通过电阻的电流为 5 A，当通电 5 分钟时，通过q t电阻横截面的电子数为( )A.1 500 个 B.9.375×1019个- 6 -C.9.375×1021个 D.9.375×1020个答案 C3.(对电流微观表达式的理解和应用)有甲、乙两导体，甲的横截面积是乙的 2 倍，而单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的 2 倍，以下说法正确的是( )A.甲、乙两导体的电流相同B.乙导体的电流是甲导体的 2 倍C.乙导体中自由电荷定向移动的速率是甲导体的 2 倍D.甲、乙两导体中自由电荷定向移动的速率大小相等答案 B解析 由于单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的 2 倍，因此通过乙导体的电流是甲的 2 倍，故 A 错，B 对.由于InqSv，所以v，由于不知道甲、乙两导体的性质(n、qI nqS不知道)，所以无法判断v，故 C、D 错.考点一 对恒定电流的理解1.形成持续电流的条件是( )A.只要有电压加在导体的两端B.必须保持导体两端有电压C.只在导体两端瞬时加电压D.只要有大量的自由电荷答案 B2.(多选)关于电流的方向，下列描述正确的是( )A.规定正电荷定向移动的方向为电流的方向B.规定自由电荷定向移动的方向为电流的方向C.在金属导体中，自由电子定向移动的方向为电流的反方向D.在电解液中，由于正、负离子的电荷量相等，定向移动的方向相反，故无电流答案 AC3.以下说法正确的是( )A.只要有可以自由移动的电荷，就存在持续电流B.金属导体内的持续电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的C.电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率D.在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运动就消失了- 7 -答案 B解析 要有持续电流必须有持续电压，A 错误.导体中形成电流的原因是在导体两端加上电压，于是在导体内形成了电场，导体内的自由电子在电场力作用下定向移动形成电流，B 正确.电流的传导速率等于光速，电子定向移动的速率很小，C 错误.在形成电流时电子定向移动，并不是热运动就消失了，其实电子仍然做无规则的热运动，D 错误.4.在导体中有电流通过时，下列说法正确的是( )A.电子定向移动的速率接近光速B.电子定向移动的速率即是电场传导速率C.电子定向移动的速率即是电子热运动速率D.在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动答案 D解析 电子定向移动的速率很小，数量级为 105 m/s，金属导电时，自由电子只不过在速率很大的热运动上附加了一个速率很小的定向移动，故 D 正确，A 错误.电场的传导速率为光速c3×108 m/s，无规则热运动速率的数量级为 105 m/s，故 B、C 错误.考点二 I 的理解与应用q t5.在示波管中，电子枪 2 s 内发射了 6×1013个电子，则示波管中电流的大小为( )A.4.8×106 A B.3×1013 AC.3×106 A D.9.6×106 A答案 A解析 电子枪 2 s 发射的电荷量q6×1013×1.6×1019 C9.6×106 C，所以示波管中的电流大小为I A4.8×106 A，故 A 正确，B、C、D 错误.q t9.6 × 106 26.北京正负电子对撞机的储存环是周长为 240 m 的近似圆形轨道.当环中电子以光速的流1 10动而形成 10 mA 的电流时，环中运行的电子数目为(已知光速c3×108 m/s，电子电荷量e1.6×1019 C)( )A.5×1010个 B.5×1011个C.1×102个 D.1×104个答案 B解析 电子运动一周所需要的时间：t s8×106 s240 1 10× 3 × 108在圆形轨道上任取一横截面，则在t时间内整个环中的电子刚好都通过该截面，故环中具有- 8 -电子的电荷量为：qIt10×103×8×106 C8×108 C环中具有的电子数N 个5×1011个，故选 B.q e8 × 108 1.6 × 10197.某一探测器因射线照射，内部气体电离，在时间t内有n个二价正离子到达阴极，有 2n个电子到达探测器的阳极，则探测器电路中的电流为( )A.0 B. C. D.2ne t3ne t4ne t答案 D解析 由于正、负电荷的定向移动对电流的形成都有贡献，故由I ，得q tI，故选 D.n× 2e2ne t4ne t考点三 InqvS的理解与应用8.(多选)给一粗细不均匀的同种材料制成的导体通电，下列说法正确的是( )A.粗的地方电流大，细的地方电流小B.粗的地方电荷定向移动速率大，细的地方小C.各处的电流大小相同D.粗的地方电荷定向移动速率小，细的地方大答案 CD解析 同一根导线上的电流相等，故 C 正确，A 错误.由InqSv可得v，粗的地方电I nqS荷定向移动速率小，细的地方大，故 D 正确，B 错误.9.(多选)一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I，设单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电荷量为q.此时电子的定向移动速率为v，在t时间内，通过铜导线横截面的自由电子数目可表示为( )A.nvSt B.nvt C. D.It qIt Sq答案 AC解析 在t时间内，通过铜导线横截面的电荷量为It，通过铜导线横截面的自由电子数目可表示为N，故 C 正确，D 错误；把InqSv代入N可得NnvSt，故 A 正确，B 错误.It qIt q10.铜的摩尔质量为m，密度为，每摩尔铜原子有n个自由电子，每个自由电子的电荷量为e，今有一根横截面积为S的铜导线，通过电流为I时，电子定向移动的平均速率为( )A.光速c B. C. D.I neSI neSmmI neS答案 D- 9 -解析 设电子定向移动的速率为 v，那么在 t 秒内通过导体横截面的自由电子数相当于在体积 vtS 中的自由电子数，而体积为 vtS 的铜的质量为 vtS，摩尔数为，自由电子数为vtSm，所以电荷量 q，由 I 得 v，故 A、B、C 错，D 对.vtSnmvtSnemqtvSnemImneS