2024-2025學(xué)年新教材高中物理第十一章電路及其應(yīng)用1電源和電流學(xué)案新人教版必修3

PAGE12-電源和電流新課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)業(yè)質(zhì)量目標(biāo)1.了解電源的作用。2.知道電流的定義及單位、方向的規(guī)定,理解恒定電流。合格性考試1.能用電流的概念,說明自然現(xiàn)象,解決實際問題。2.能運用電流的定義式進(jìn)行計算。選擇性考試1.能推斷電流的方向和計算電流的大小。2.能分析數(shù)據(jù),得到幾種不同的電流的微觀表達(dá)式。3.能做到實事求是,對導(dǎo)體中三種速率進(jìn)行比較。必備學(xué)問·自主學(xué)習(xí)一、電源1.定義:電源是能不斷把電子從正極搬運到負(fù)極的裝置。2.作用:(1)移送電荷,使電源正、負(fù)極間有肯定的電勢差。(2)使電路中有持續(xù)的電流。二、恒定電流有的同學(xué)說:“電流有方向,電流就是矢量”,這種說法對嗎?提示:不對,電流雖然有方向,但是電流的運算不遵循平行四邊形定則,所以電流不是矢量,是標(biāo)量。1.恒定電場:(1)由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場。(2)形成:當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時,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。(3)特點:任何位置的電荷分布和電場強(qiáng)度都不隨時間改變。2.恒定電流:大小、方向都不隨時間改變的電流。3.電流:(1)定義:電荷的定向移動形成電流。(2)意義:反映了電流的強(qiáng)弱程度。(3)單位:①國際單位:安培,簡稱安,符號為A。②常用單位:毫安mA、微安μA。③關(guān)系:1mA=10-3A;1μA=10-6(4)表達(dá)式:I=。(5)電流的方向:正電荷定向移動的方向規(guī)定為電流的方向。(1)電源的作用就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。(√)(2)恒定電場與靜電場性質(zhì)基本相同,兩者沒有區(qū)分。(×)(3)電流的方向與電荷定向移動的方向相同。(×)(4)電流越大,單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多。(√)(5)只要電路中有電源,電路中就會形成持續(xù)的電流。(×)關(guān)鍵實力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問點一電源和電流的性質(zhì)1.電源的作用:從電荷轉(zhuǎn)移的角度看使電路中的自由電荷持續(xù)地定向移動從能量轉(zhuǎn)化的角度看搬運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,舉例說明:(1)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時定向移動的電荷是自由電子;(2)液體導(dǎo)電時定向移動的電荷有正離子和負(fù)離子;(3)氣體導(dǎo)電時定向移動的電荷有自由電子、正離子和負(fù)離子。3.電流的形成:(1)形成緣由:電荷的定向移動。(2)形成條件:導(dǎo)體兩端有電壓。(3)電路中產(chǎn)生持續(xù)電流的條件:電路中有電源且電路閉合。水為什么能從水池A流到水池B?提示:因為水池A比水池B高?！镜淅肯铝嘘P(guān)于電源的說法中正確的是()A.電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負(fù)極搬運到正極,保持兩極之間有電壓B.電源把正、負(fù)電荷分開的過程是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程C.電荷的移動形成電流D.只要電路中有電源,電路中就會形成持續(xù)的電流【解析】選B。在電源內(nèi)部,電源把電子由正極搬運到負(fù)極,這一過程要克服靜電力做功,把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,故選項A錯誤,選項B正確;電荷的定向移動才形成電流,選項C錯誤;電路中要形成持續(xù)的電流,既要有電源,電路又要閉合,兩者缺一不行,故選項D錯誤。1.下列關(guān)于電源和電流的說法正確的是()A.因為電流有方向,所以電流是矢量B.通過導(dǎo)體橫截面的電荷量越多,電流越大C.電源是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的裝置D.電源能把自由電子從正極搬運到負(fù)極【解析】選D。電流有方向,但電流的計算不能依據(jù)平行四邊形定則進(jìn)行計算,故電流是標(biāo)量,故A項錯誤;依據(jù)電流的定義式I=可知,通過導(dǎo)體橫截面的電荷量越大,導(dǎo)體中的電流不肯定大,還要看時間長短,故B項錯誤;電源是供應(yīng)電能的裝置,把其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能,故C項錯誤;電源能把自由電子從正極搬運到負(fù)極,從而形成兩極間的電勢差,故D項正確。2.下列說法中正確的是()A.導(dǎo)體中電荷運動就形成了電流B.在國際單位制中,電流的單位是AC.電流有方向,它是一個矢量D.任何物體,只要其兩端的電勢差不為零,就有電流存在【解析】選B。自由電荷定向移動才形成電流,僅有電荷移動但不是定向移動則不能形成電流,故選項A錯誤;形成電流的條件是導(dǎo)體兩端有電勢差,且必需是導(dǎo)體而非任何物體,故選項D錯誤;電流有方向,但它是標(biāo)量,故選項C錯誤?！炯庸逃?xùn)練】(多選)將一些電學(xué)元件用導(dǎo)線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)極兩端保持肯定的電勢差B.電源的作用是能為電路持續(xù)地供應(yīng)自由電荷C.導(dǎo)體中的電場是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的D.導(dǎo)體中的電場是由電源的電場和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場疊加而形成的【解析】選A、D。電源將負(fù)電荷從正極搬到負(fù)極,維持正、負(fù)極間有肯定的電勢差,故選項A正確,B錯誤;導(dǎo)體中的電場是電源電場和導(dǎo)體中積累的電荷形成的電場疊加而成的,故選項C錯誤,D正確。學(xué)問點二電流的計算角度1金屬導(dǎo)體中電流的計算金屬導(dǎo)體中的自由電荷只有自由電子,運用I=計算時,q是某一時間內(nèi)通過金屬導(dǎo)體橫截面的電子的電荷量?！镜淅?】一條金屬導(dǎo)體中的電流是5μA,那么在3.2s內(nèi)通過金屬導(dǎo)體橫截面定向運動的自由電荷個數(shù)是()A.1×1014個B.1×1015個C.2×1014個 D.2×1015個【解析】選A。依據(jù)電流的定義式I=可得:q=It=5×10-6×3.2C=1.6×10-5C,通過該截面的自由電荷(自由電子)個數(shù)n===1×1014角度2電解液中電流的計算電解液中的自由電荷是正、負(fù)離子,運用I=計算時,q應(yīng)是同一時間內(nèi)正、負(fù)兩種離子通過橫截面的電荷量的肯定值之和?！镜淅?】如圖所示,電解池內(nèi)有一價的電解液,時間t內(nèi)通過溶液內(nèi)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,以下說明中正確的是()A.正離子定向移動形成的電流方向從A→B,負(fù)離子定向移動形成的電流方向從B→AB.溶液內(nèi)正、負(fù)離子向相反方向移動,電流抵消C.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強(qiáng)度I=D.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強(qiáng)度I=【解析】選D。正電荷定向移動的方向就是電流方向,負(fù)電荷定向移動的反方向也是電流方向,故選項A、B錯誤;有正、負(fù)電荷反向經(jīng)過同一截面時,I=公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷的電荷量肯定值之和,故I=,電流方向由A指向B,故選項C錯誤,D正確。角度3環(huán)形電流的計算環(huán)形電流的計算采納等效的觀點分析。(1)等效電流:就是把電子周期性地通過圓周上各處形成的電流看成持續(xù)不斷地通過圓周上各處時所形成的電流。(2)對周期性運動的電荷,常取一個周期來計算等效電流,利用I==求等效電流?！镜淅?】半徑為R的勻稱帶電圓環(huán),橫截面積為S,所帶電荷量為Q,現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直圓環(huán)所在平面且過圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流為()A.B.C.D.【解析】選A。圓環(huán)轉(zhuǎn)動的周期為T=,依據(jù)I=,則圓環(huán)產(chǎn)生的等效電流為I==,故選項A正確。1.在電解槽中,1min內(nèi)通過橫截面的二價正離子和一價負(fù)離子的個數(shù)分別為7.5×1020個和1.5×1021個,則通過電解槽的電流為()A.0B.8AC.4AD.480A【解析】選B。電流由正、負(fù)離子的定向移動形成,則在60s內(nèi)通過橫截面的總電荷量應(yīng)為Q=2×1.6×10-19×7.5×1020C+1.6×10-19×1.5×1021C=480C。由電流的定義式可知I==A=2.北京正負(fù)電子對撞機(jī)的儲存環(huán)是周長為240m的近似圓形軌道。當(dāng)環(huán)中電子以光速的的速度流淌而形成的電流是10mA時,環(huán)中運行的電子數(shù)目為(已知光速c=3×108m/s,電子電荷量e=1.6×10-19CA.5×1010個 B.5×1011個C.1×102個 D.1×104個【解析】選B。電子運動一周用的時間:t==s=8×10-6s,由電流的定義式I=,則電量為q=It=0.01×8×10-6C=8×10-8C,則在整個環(huán)中運行的電子數(shù)目:n=個=5×1011個,故選項B正確?！炯庸逃?xùn)練】某一探測器因射線照耀,內(nèi)部氣體電離,在時間t內(nèi)有n個二價正離子到達(dá)陰極,有2n個電子到達(dá)探測器的陽極,則探測器電路中的電流為()A.0B.C.D.【解析】選D。探測器電路中的電流I==,故選項D正確。學(xué)問點三電流的微觀表達(dá)式1.推導(dǎo)過程:(1)情境。如圖所示,AB表示粗細(xì)勻稱的一段導(dǎo)體,兩端加肯定的電壓,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)體的長度為L,橫截面積為S,導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電荷量為q。(2)推導(dǎo)。導(dǎo)體AB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所須要的時間t=,導(dǎo)體AB中電流為I===nqSv。(3)結(jié)論:電流的微觀表達(dá)式為I=nqSv。電流的大小取決于單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)n、每個自由電荷的電荷量q、導(dǎo)體的橫截面積S、自由電荷定向移動速率v。2.電流的定義式和微觀表達(dá)式的比較:項目I=I=nqSv公式性質(zhì)定義式確定式電流的意義時間t內(nèi)的平均電流某時刻的瞬時電流描述的角度大量電荷定向移動的宏觀表現(xiàn)形成電流的微觀實質(zhì)聯(lián)系由I=可導(dǎo)出I=nqSv【典例】銅的摩爾質(zhì)量為m,密度為ρ,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,電子定向移動的平均速率為()A.光速cB.C.D.【解析】選D。如圖所示,選長度為l的銅導(dǎo)線為探討對象。所選探討對象的體積為V=lS ①銅的摩爾體積V0= ②由①②可得所選探討對象的物質(zhì)的量N=== ③因為每摩爾銅原子有n個自由電子,所以所選探討對象所含自由電子個數(shù)n1=Nn= ④電流:I== ⑤由④⑤得v=,故D正確。用電流的微觀表達(dá)式求解問題的留意點(1)精確理解公式中各物理量的意義,式中的v是指自由電荷定向移動的速率,不是電流的傳導(dǎo)速率,也不是電子熱運動的速率。(2)I=nqSv是由I=導(dǎo)出的,若n的含義不同,表達(dá)式的形式也會不同。1.電路中每分鐘有60萬億個自由電子通過橫截面積為0.5mm2的導(dǎo)線,那么電路中的電流是(A.0.016μAB.1.6μAC.16μA D.0.16μA【解析】選D。每分鐘通過的電量為:q=60×1012×1.6×10-19C=9.6×10-6C,則電路中的電流為:I==A=1.6×10-7A2.安培提出了聞名的分子電流假說,依據(jù)這一假說,電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流。設(shè)帶電荷量為e的電子以速率v繞原子核沿順時針方向做半徑為r的勻速圓周運動,其電流的等效電流強(qiáng)度I和方向為()A.順時針 B.順時針C.逆時針 D.逆時針【解析】選C。電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流,電子運動周期為T=,依據(jù)電流的定義式得:電流強(qiáng)度為I===,因為電子帶負(fù)電,所以電流方向與電子定向移動方向相反,即沿逆時針方向,故C項正確。3.某愛好小組調(diào)查一條河流的水質(zhì)狀況,計算結(jié)果表明,被污染的河里一分鐘內(nèi)有相當(dāng)于6C的正離子和9C的負(fù)離子向下游流去,則取樣時這條河流的等效電流大小和方向分別是()A.0.25A順流而下 B.C.0.25A逆流而上 D.0.05A逆流而上【解析】選D。若正負(fù)離子移動方向相反,則通過橫截面的總電荷量是兩種離子電荷量肯定值之和,若正負(fù)離子向著同一個方向流淌,則通過橫截面的總電荷量等于正負(fù)離子的電荷量的代數(shù)和,所以在1min內(nèi)通過橫截面的總電荷量應(yīng)為q=6C-9C=-3C,所以電流I==0.【拓展例題】考查內(nèi)容:導(dǎo)體內(nèi)的三種速率【典例】在導(dǎo)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(dǎo)速率C.電子定向移動速率是電子熱運動速率D.在金屬導(dǎo)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。電子定向運動的速率很小,電流的傳導(dǎo)速率與光速差不多,在金屬導(dǎo)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項錯誤,D項正確。情境·模型·素養(yǎng)電池的容量就是電池放電時能輸出的總電荷量。通常以安培小時(A·h)或毫安小時(mA·h)作單位。問題:充溢電的15A·h的蓄電池,可以運用電器正常工作10小時,則蓄電池的放電電流約為多少?【解析】依據(jù)I==A=1.5A。答案:1情境:鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有許多微孔,到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(即我們運用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。問題:一輛電池容量為120Ah的電動汽車,平均工作電流是5A,能連續(xù)運行多長時間?【解析】依據(jù)I=,得t==h=24h答案:24h課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.在示波管中,電子槍3s內(nèi)放射6×1013個電子,則示波管中的電流為()A.3.2×10-6A B.4.8×10C.9.6×10-6A D.1.6×10【解析】選A。每個電子的電荷量大小為e=1.6×10-19C,6×1013個電子總電荷量為q=6×1013×1.6×10-19C=9.6×10-6C,則示波管中電流I==A=3.2×10-62.第26屆國際計量大會重新定義了電流單位安(A),當(dāng)元電荷e以單位C(即A·s)表示時,將其數(shù)值取為1.602176634×10-19C來定義安(培)。則在新的定義下流過金屬導(dǎo)