高中物理 恒定電流（一）2.1 電源和電流學(xué)案

1、電源和電流【學(xué)習(xí)目標(biāo)】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. 2.理解電流的定義，知道電流的單位、方向規(guī)定，會用公式qIt 分析相關(guān)問題. 3.從微觀的角度理解導(dǎo)體中電荷的定向移動與電流之間的關(guān)系. 一、電源:能把電路中的電子從_搬到_的裝置。2.作用:(1)維持電源兩端有一定的_。(2)使閉合電路中保持_。二、恒定電流1.恒定電場:(1)定義:由電路中穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的_。(2)形成:當(dāng)電路達到穩(wěn)定時,由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的_在導(dǎo)線內(nèi)共同形成的電場。(3)特點:任何位置的_和_都不隨時間變化。2.電流:(1)物理意義:表示電流的_。(2)單位及符號:在國際單位

2、制中,電流的單位是_,簡稱_,符號_。(3)電流與電量的關(guān)系:_。(4)恒定電流定義:_、_都不隨時間變化的電流。(5)恒定電流的形成:由于_的作用,使自由電荷定向移動的速率增加,運動過程中與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子碰撞,使自由電荷速率減小,最終表現(xiàn)為平均速率_。三、想一想由電流的定義式I= 可知，I與q成正比，與t成反比，這種說法對嗎？ 答案一、1. 正極 負極 2. 電勢差 持續(xù)的電流二、1.（1）穩(wěn)定的電場（2）電荷（3）電荷分布 電場強度2.（1）強弱程度（2）安培 安 A （3）q=It （4）大小 方向（5）恒定電場 不變?nèi)⒋鸢福翰粚?。?dāng)t一定時，I與q成正比；當(dāng)q一定時，I與t成反比。

3、知識點一 電源 1.電源的定義 電源是不斷把負電荷從正極搬運到負極從而維持正負極之間存在一定電勢差的裝置。 2. 有電源不一定得到持續(xù)的電流，要得到持續(xù)的電流需要同時滿足兩個條件： (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。所以只有電源，電路不閉合也不會有持續(xù)電流。名師點睛電源的作用 1. 從電荷移動角度看電源的作用就是移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差，從而保持電路中有持續(xù)電流。電源在內(nèi)部能把電子從正極A搬運到負極B，如圖所示。2. 從能量轉(zhuǎn)化的角度看搬運電荷的過程就是克服靜電力做功的過程，是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程。知識點一 電源 【典例探究

4、】典例1 下列關(guān)于電源的說法正確的是( )A. 電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置B. 電源的作用是使電源的正負極之間維持一定的電勢差C. 與電源相連的導(dǎo)線中的電場是由電源正、負極上的電荷形成的D. 在電源內(nèi)部正電荷由負極流向正極,負電荷由正極流向負極【審題指導(dǎo)】解答本題時應(yīng)把握以下兩點:(1) 電源的作用;(2) 形成電流的條件。 挑戰(zhàn)自我2. (多選)關(guān)于電源的作用,下列說法中正確的是()C.電源的作用就是能保持導(dǎo)體兩端的電壓,使電路中有持續(xù)的電流知識點二 恒定電場 1. 形成 導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的合電場。 2. 特點 導(dǎo)線內(nèi)的電場線和導(dǎo)線平行；電荷

5、的分布是穩(wěn)定的；導(dǎo)線內(nèi)的電場是沿導(dǎo)線切線方向的穩(wěn)定電場。3. 恒定電場與靜電場的關(guān)系 在恒定電場中，任何位置的電場強度都不隨時間變化，其基本性質(zhì)與靜電場相同。在靜電場中所學(xué)的電勢、電勢差及其與電場強度的關(guān)系，在恒定電場中同樣適用。(1) 兩種電場的共性 它們都是物質(zhì)的一種客觀存在形式，都儲存著電能； 它們對處于其中的電荷都有靜電力的作用； 在這兩種電場中移動電荷時相應(yīng)的靜電力一般都要做功。(2) 兩種電場的區(qū)別 導(dǎo)體中要建立穩(wěn)恒電流就必須將導(dǎo)體與電源相連接，形成一閉合的回路。而靜電場的建立只需要有電荷存在； 靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場強為零，而在穩(wěn)恒電流條件下導(dǎo)體內(nèi)部場強不為零； 在一般情況下

6、，靜電場的電場線并不是電荷運動的軌跡線，但是導(dǎo)體中恒定電場的電場線就是電荷運動的軌跡線。名師點睛1. 產(chǎn)生恒定電流的電路中的電場是合電場(E)，它由兩部分組成：一是電源的電場(E0)；二是導(dǎo)線兩側(cè)的堆積電荷的電場(E)。 2. 恒定電流電路中的電場是穩(wěn)定電場，即電路中的電荷分布是穩(wěn)定的，但不是靜態(tài)的絕對穩(wěn)定，而是動態(tài)穩(wěn)定，就電路中任一微元來講，流走多少電荷，就補充等量的電荷，所以不能認為恒定電場是勻強電場。知識點三 對電流的理解 1. 電流的形成條件 (1) 產(chǎn)生電流的條件：導(dǎo)體兩端有電壓。(2) 形成持續(xù)電流的條件：導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓。 2. 電流的方向 規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向

7、，則負電荷定向移動的方向與電流的方向相反，金屬導(dǎo)體中自由移動的電荷是自由電子，故電流的方向與自由電子定向移動的方向相反。 3. 電流的大小(1)I 是電流的定義式，InqSv是電流的決定式，故電流的大小與通過導(dǎo)體橫截面的電荷量以及通電時間無關(guān)。(2)qIt是求電荷量的重要公式，而公式I 求出的是電流在時間t內(nèi)的平均值，對于恒定電流其瞬時值與平均值相等。(3)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方向是相同的，應(yīng)用I 時，q為正電荷總電荷量和負電荷總電荷量的絕對值之和。4. 電流是標(biāo)量 電流雖然有方向但是它遵循代數(shù)運算法則，電流不是矢量而是標(biāo)量。 名師點睛計算電

8、流時，要注意定向移動的電荷種類，是正電荷或負電荷，還是正、負電荷同時存在。知識點三 對電流的理解 典例探究典例1 關(guān)于電流，下列說法正確的是()A只要有可以自由移動的電荷，就能存在持續(xù)的電流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)的電場作用下形成的C單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面單位面積的電荷量越多，電流就越大D電流的方向與電荷定向移動的方向相同 典例2 下列說法中正確的是()A. 電流的方向就是電荷移動的方向B. 在直流電源的外電路上，電流的方向是從電源正極流向負極C. 電流都是由電子的移動形成的 D. 電流是有方向的量，所以是矢量 【方法總結(jié)】 (1)導(dǎo)體內(nèi)電荷的無規(guī)則運動與電荷的定向移動不是一

9、回事，導(dǎo)體兩端存在電勢差時，導(dǎo)體內(nèi)的電荷才會定向移動，但電荷的無規(guī)則運動是不需要條件的。(2) 電流是描述電流強弱的物理量，它有方向但為標(biāo)量。習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向。典例3 如果導(dǎo)線中的電流為1 mA，那么1 s內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的自由電子數(shù)是多少？若“220 V60W”的白熾燈正常發(fā)光時的電流為273 mA，則20 s內(nèi)通過燈絲的橫截面的電子數(shù)目是多少個？ 【審題指導(dǎo)】根據(jù)公式qIt計算，注意單位的統(tǒng)一，記住每個電子所帶電荷量e×1019 C。 【方法總結(jié)】 (1)認真審題，明確導(dǎo)電的是什么粒子。(2)由題設(shè)條件求出時間t內(nèi)通過某一橫截面的電荷量q.注意若有正、負

10、電荷同時通過某一橫截面時，那么在一段時間內(nèi)通過這一橫截面的電荷量等于正、負電荷電荷量的絕對值之和。(3)由定義式Iq/t求出電流大小。知識點四 電流的微觀解釋1. 電流的微觀表達式 (1) 建立模型：如圖所示，AD表示粗細均勻的一段長為l的導(dǎo)體，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動的速率為v，設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q。(2) 理論推導(dǎo)AD導(dǎo)體中的自由電荷總數(shù)：NnlS.總電荷量QNqnlSq.所有這些電荷都通過橫截面D所需要的時間：t.根據(jù)公式qIt可得：導(dǎo)體AD中的電流：InqSv.(3) 結(jié)論：由此可見，從微觀上看，電流決

11、定于導(dǎo)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，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)?！久麕燑c睛】InqSv計算時，一定要注意以下幾點： (1)各個物理量都要用國際單位。 (2)正確理解各符號的意義，特別是n表示導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，v表示自由電荷定向移動速度的大小。 (3)若已知單位長度的自由電荷數(shù)為n，則電流的微觀表達式為Inqv.InqSv可以看出，同一段導(dǎo)體，橫截面積越大的位置，自由電荷定向移動的速率越小，如圖所示。3. 電流的形成是電子在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加一個速率很小的定向移動，電路閉合時，瞬間在系統(tǒng)中形成電場，使導(dǎo)體中所有自由電荷同時定向移動，并不是

12、電荷瞬間從電源運動到用電器。4. 電荷的運動可以等效為電流，計算中可以選取一定時間(一般選一個周期)，此時間內(nèi)通過截面的電荷量與時間的比值即為等效電流。對于等效電流的求解問題，一定要找出一段時間內(nèi)通過某一橫截面的電荷量，才能運用電流的定義式求出電流的大小。知識點四 電流的微觀解釋典例探究典例1 橫截面積為S的導(dǎo)線中通有電流I，已知導(dǎo)線每單位體積中有n個自由電子，每個自由電子的電荷量是e，自由電子定向移動的速率是v，則在時間t 內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電子數(shù)是()A. nSvt B. nvtC. D. 典例2 來自質(zhì)子源的質(zhì)子(初速度為零)，經(jīng)一直線加速器加速，形成電流為I的細柱形質(zhì)子流，已知質(zhì)子源與

13、靶間的距離為d，質(zhì)子電荷量為e，假定分布在質(zhì)子源到靶間的加速度是均勻的，質(zhì)子到達靶時的速度為v，則質(zhì)子源與靶間的質(zhì)子數(shù)為()A. B. 2 C. D. 2【方法總結(jié)】 理解InqSv各物理量的含義是解決此類問題的關(guān)鍵。n為單位體積內(nèi)自由電荷的個數(shù)，v為導(dǎo)體中的自由電荷定向移動的速率，S為導(dǎo)體的橫截面積，q為每個自由電荷的電荷量。典例3 半徑為R的橡膠圓環(huán)均勻帶正電，總電荷量為Q，現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直環(huán)所在平面且通過圓心的軸以角速度勻速轉(zhuǎn)動，則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流判斷正確的是()A. 若不變而使電荷量Q變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍B. 若電荷量Q不變而使變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)?/p>

14、原來的2倍C. 若使、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變大D. 若使、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變小典例4 電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流，設(shè)氫原子中的電子以速率v在半徑為r的軌道上運動，用e表示電子的電荷量，則其等效電流為多大？答案與解析知識點一 電源 1.【答案】ABD2.【答案】BC【解析】電源的作用是保持導(dǎo)體兩端的電壓,在導(dǎo)體內(nèi)建立恒定電場,導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷就會在電場力作用下定向移動形成電流,則B、C正確,A、D錯誤。知識點三 對電流的理解 1.【答案】B 【解析】產(chǎn)生電流的條件：導(dǎo)體兩端存在電壓、閉合回路，故A錯誤；導(dǎo)體兩端存在電壓，就會在導(dǎo)體中形成

15、電場，自由電子在電場力的驅(qū)動下定向移動形成電流，故B正確；單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面積的電量越多，導(dǎo)體的電流越大，故C錯誤；電流的方向與正電荷定向移動的方向相同，故D錯誤。2.【答案】B【解析】正電荷移動的方向是電流的方向，負電荷移動的方向是電流的反方向，故A選項錯誤；在直流電源的外電路上，電流從電源的正極流向負極，內(nèi)電路從負極流向正極，故B選項正確；導(dǎo)體中自由電荷定向移動形成電流，不一定是電子，C選項錯誤；電流有方向但是標(biāo)量，D選項錯誤。 3.【答案】6.25×10153.4×1019知識點四 電流的微觀解釋1.【答案】AC【解析】根據(jù)電流的定義式可知，在t內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面

16、的電荷量qIt，在這段時間內(nèi)通過的自由電子數(shù)為N自由電子定向移動的速率是v，因此在時間t內(nèi)，位于以橫截面為底、長lvt的這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電子都能通過橫截面，如圖所示，這段導(dǎo)線的體積VSlSvt，所以t內(nèi)通過橫截面的自由電子數(shù)為NnVnSvt。綜上可知，A、C正確。2.【答案】B【解析】質(zhì)子從質(zhì)子源運動到靶間的時間，t，通過橫截面的電荷量，qIt，質(zhì)子數(shù)N.B選項正確。3.【答案】AB【解析】截取圓環(huán)的任一橫截面S，如圖所示，在橡膠圓環(huán)運動一周的時間T內(nèi)，通過這個橫截面的電荷量為Q，則有I又T，所以I由上式可知，選項A、B正確。4.【答案】【解析】等效電流為電子沿圓周持續(xù)運動時產(chǎn)生的。每經(jīng)一個周

17、期，通過圓周某點的電荷量為e.電子運動的周期T2r/v，由Iq/t得Ie/Tve/(2r)。1. 有穩(wěn)定電流時關(guān)于導(dǎo)體中的恒定電場,下列說法中正確的是()C.由于處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體內(nèi)場強為零2(多選)關(guān)于電源的作用，下列說法中正確的是()A電源的作用是能為電路持續(xù)地提供自由電荷B電源的作用是使電路中的電荷發(fā)生定向移動C電源的作用就是能保持導(dǎo)體兩端的電壓，使電路中有持續(xù)的電流D電源的作用就是使自由電荷運動起來3關(guān)于電源和電流，下列說法中正確的是()A電流是由大量電荷的無規(guī)則運動形成的B電路中只要有電源，就一定會有電流C在電源外部，電流從電源的正極流向負極D電流的方向總是從電源的正極流向負極4

18、.關(guān)于電流,下列說法中正確的是( )A.通過導(dǎo)線截面的電荷量越多,電流越大B.導(dǎo)體內(nèi)沒有電流,說明導(dǎo)體內(nèi)部的電荷沒有移動電荷量越多,導(dǎo)體中的電流越大D.因為電流有方向,所以電流是矢量5橫截面積為0.5 cm2的導(dǎo)電液體中，每秒有0.2 C正電荷和0.3 C負電荷相向運動，則電流是()A0.2 A B0.3 A C0.5 A D104A6銅的相對原子質(zhì)量為m，密度為，每摩爾銅原子有n個自由電子，今有一根橫截面積為S的銅導(dǎo)線，當(dāng)通過的電流為I時，電子平均定向移動的速率為()A光速c B. C. D.7電路中每分鐘有60萬億個自由電子通過橫截面積為0.64×106m2的導(dǎo)線，那么電路中的電流是()A0.016 A B1.6 mA C16 A D0.16 A 答案與解析1.【答案】D【解析】導(dǎo)體中的電場是由電源、導(dǎo)線所積累的電荷共同形成的,當(dāng)電路達到穩(wěn)定時,導(dǎo)體中的電場為恒定電場,不隨時間變化,故選項A,B,C錯誤,選項D正確.2.【答案】BC【解析】電源的作用是保持導(dǎo)體兩端的電壓，在導(dǎo)體內(nèi)建立恒定電場，導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷就會在電場力作用下定向移動形成電流，則B、C正確，A、D錯誤3.【答案】C4.