2024-2025學(xué)年新教材高中物理第3章恒定電流1電流學(xué)案魯科版必修3

PAGE13-第1節(jié)電流新課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)業(yè)質(zhì)量目標(biāo)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(wèn)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(shí)間的關(guān)系。2.通過(guò)試驗(yàn)分析,可以得出電流形成的條件。3.通過(guò)電流形成的微觀緣由,可以說(shuō)明電流的微觀表達(dá)式。選擇性考試1.通過(guò)對(duì)電流與電荷量和時(shí)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(guò)對(duì)電流形成的微觀表達(dá)式I=neSv的探究,能對(duì)此公式進(jìn)行正確的應(yīng)用。必備學(xué)問(wèn)·自主學(xué)習(xí)一、電流的形成雷鳴電閃時(shí),強(qiáng)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(yīng)了瞬時(shí)高壓,只能產(chǎn)生瞬時(shí)電流;手電筒中的電源為小燈泡供應(yīng)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(dòng)形成的。2.形成電流的條件:(1)回路中存在自由電荷。(2)導(dǎo)體兩端有電壓。3.持續(xù)電流:(1)導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓是導(dǎo)體中形成持續(xù)電流的條件。(2)電源的作用是供應(yīng)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?或者負(fù)電荷移動(dòng)的反方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?.電流的方向:(1)在物理學(xué)中,規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?2)在電源外部的電路中,電流的方向是從電源正極流向負(fù)極。(3)在電源內(nèi)部的電路中,電流的方向是從電源負(fù)極流向正極。2.電流是標(biāo)量,雖有方向,但其運(yùn)算不符合平行四邊形定則。3.電流的大小:(1)定義:流過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電荷量與所用時(shí)間之比稱(chēng)為電流,用符號(hào)I表示。(2)定義式:I=。(3)單位:①?lài)?guó)際單位制單位:安培,符號(hào)A。②其他常用單位:毫安,符號(hào)mA;微安,符號(hào)μA。③單位間的換算關(guān)系:1A=103mA=106μA。④“安培”是國(guó)際單位制中七個(gè)A(A.基本單位B.導(dǎo)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(shí)間變更的電流。(2)恒定電流:方向和強(qiáng)弱都不隨時(shí)間變更的電流。(1)恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)基本性質(zhì)相同,兩者沒(méi)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(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多。 (√)(5)導(dǎo)體中的電流,實(shí)際是正電荷的定向移動(dòng)形成的。 (×)關(guān)鍵實(shí)力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問(wèn)點(diǎn)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(dǎo)體的自由電荷是電子。②電解液中的自由電荷是正、負(fù)離子。(2)導(dǎo)體兩端有電壓:電場(chǎng)對(duì)電荷有力的作用,例如兩個(gè)導(dǎo)體間存在電勢(shì)差,當(dāng)用一導(dǎo)線連接時(shí),導(dǎo)線中的自由電子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng),形成電流。(3)導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓是導(dǎo)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(dòng)的速率電子熱運(yùn)動(dòng)的速率電場(chǎng)傳導(dǎo)的速率大小10-5m1053×108物理意義電流就是由電荷的定向移動(dòng)形成的,電流I=neSv,其中v就是電子定向移動(dòng)的速率,一般為10-5m導(dǎo)體中的電子在不停地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng),由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向的機(jī)會(huì)相等,故不能形成電流,常溫下電子熱運(yùn)動(dòng)的速率數(shù)量級(jí)為105等于光速,閉合開(kāi)關(guān)的瞬間,電路中各處以真空中光速c建立恒定電場(chǎng),在恒定電場(chǎng)的作用下,電路中各處的自由電子幾乎同時(shí)起先定向移動(dòng),整個(gè)電路也幾乎同時(shí)形成了電流形成持續(xù)電流的條件:導(dǎo)體兩端有持續(xù)的電壓——由電源供應(yīng)。如圖所示。(1)有電源是否肯定會(huì)得到持續(xù)的電流?(2)一個(gè)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(dòng)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(shuō)法正確的是 ()A.只要有可以自由移動(dòng)的電荷,就能存在持續(xù)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(chǎng)作用下形成的C.電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向移動(dòng)速率D.在金屬導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)自由電子定向移動(dòng)時(shí),它們的熱運(yùn)動(dòng)就消逝了【解題探究】(1)電子定向移動(dòng)的速率與電流的傳導(dǎo)速率有什么區(qū)分?(2)電子熱運(yùn)動(dòng)速率會(huì)消逝嗎?提示:(1)電子定向移動(dòng)的速率數(shù)量級(jí)為10-5m/s,而電流的傳導(dǎo)速率是指電場(chǎng)形成的速率,其大小為光速3×10(2)電子熱運(yùn)動(dòng)速率屬于電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng),不會(huì)隨著電場(chǎng)的形成而消逝?！窘馕觥窟xB。產(chǎn)生電流的條件為:有可以自由移動(dòng)的電荷及導(dǎo)體兩端有電勢(shì)差;故只有自由電荷不能形成電流,故A錯(cuò)誤。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(chǎng)作用下形成的,故B正確。電流的傳導(dǎo)速率為電場(chǎng)形成的速率,與自由電子的定向移動(dòng)速率無(wú)關(guān),故C錯(cuò)誤。電子定向移動(dòng)的同時(shí),熱運(yùn)動(dòng)同樣存在,正是因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)及碰撞等才形成了穩(wěn)定的電流,故D錯(cuò)誤。1.關(guān)于電流,以下說(shuō)法正確的是 ()A.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)B.電流的方向就是電荷定向移動(dòng)的方向C.在導(dǎo)體中,只要自由電荷在運(yùn)動(dòng),就肯定會(huì)形成電流D.導(dǎo)體兩端沒(méi)有電壓就不能形成電流【解析】選D。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)有定向移動(dòng),但不能說(shuō)電荷沒(méi)有移動(dòng),故A錯(cuò)誤。電流的方向是正電荷定向移動(dòng)的方向,與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反,故B錯(cuò)誤。在導(dǎo)體中,自由電荷做永不停息的熱運(yùn)動(dòng),但沒(méi)有形成定向移動(dòng)就不會(huì)形成電流,故C錯(cuò)誤。導(dǎo)體兩端的自由電荷在電場(chǎng)的作用(有電壓)下才能夠定向移動(dòng),假如沒(méi)有電壓就不能形成電流,故D正確。2.在由電源、導(dǎo)線等電路元件所組成的電路中,以下說(shuō)法正確的是 ()A.導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度到處為零B.導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向垂直C.導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài)D.導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢(shì)漸漸降低【解析】選D。由于導(dǎo)線兩端存在電勢(shì)差,所以導(dǎo)線內(nèi)部存在電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度不為零,故A錯(cuò)誤。導(dǎo)線中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向平行,故B錯(cuò)誤。靜電平衡是靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體所處的一種狀態(tài),處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)到處為零,但該題中的導(dǎo)線是處于恒定電流中,其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)并不為零,導(dǎo)線沒(méi)有處于靜電平衡狀態(tài),故C錯(cuò)誤。導(dǎo)線內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度方向與電流方向相同,各點(diǎn)的電勢(shì)不等,沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向是漸漸降低的,故D正確?！炯庸逃?xùn)練】1.下列關(guān)于電流的說(shuō)法中,正確的是 ()A.金屬導(dǎo)體中,電流的傳導(dǎo)速率就是自由電子定向移動(dòng)的速率B.導(dǎo)體兩端電勢(shì)差增大時(shí),電流增大,電流的傳導(dǎo)速率也增大C.電路接通后,自由電子由電源動(dòng)身只要經(jīng)過(guò)一個(gè)極短的時(shí)間就能到達(dá)用電器D.通電金屬導(dǎo)體中,電流的傳導(dǎo)速率比自由電子的定向移動(dòng)速率大得多【解析】選D。電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流在金屬導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速率等于光速,與電流大小無(wú)關(guān)。而金屬導(dǎo)體中自由電子的定向移動(dòng)速率比光速小得多。故選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤,D正確。2.在導(dǎo)體中有電流通過(guò)時(shí),下列說(shuō)法正確的是 ()A.電子定向移動(dòng)速率為光速B.電子定向移動(dòng)速率即是電場(chǎng)傳導(dǎo)速率C.電子定向移動(dòng)速率是電子熱運(yùn)動(dòng)速率D.在金屬導(dǎo)體中,自由電子只不過(guò)在速率很大的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)【解析】選D。電子定向移動(dòng)的速率很小,電場(chǎng)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(guò)在速率很大的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)。故A、B、C錯(cuò)誤,D正確。學(xué)問(wèn)點(diǎn)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?則負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反。(2)金屬導(dǎo)體中自由移動(dòng)的電荷是自由電子,故電流的方向與電子定向移動(dòng)方向相反。電路中的電流方向電源內(nèi)部:從電源的負(fù)極流向正極。電源外部:從電源的正極流向負(fù)極。2.對(duì)電流的定義式I=的分析:(1)電流指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體任一橫截面的電荷量,即I=,其中q是時(shí)間t內(nèi)通過(guò)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(fù)離子定向移動(dòng)方向雖然相反,但正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向是相同的,應(yīng)用I=時(shí),q為正電荷的總電荷量和負(fù)電荷的總電荷量的肯定值之和。(3)在應(yīng)用I=計(jì)算時(shí),各個(gè)物理量的單位都用國(guó)際單位。3.電流的微觀表達(dá)式:(1)建立模型:如圖所示,AD表示粗細(xì)勻稱(chēng)的一段導(dǎo)體,長(zhǎng)為l,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(dòng)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(gè)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):N=nlS?？傠姾闪?Q=Nq=nlSq。全部這些電荷都通過(guò)橫截面S所須要的時(shí)間:t=。依據(jù)公式I=可得:導(dǎo)體AD中的電流:I===nqSv。即電流的微觀表達(dá)式為I=nqSv。(3)結(jié)論:從微觀上看,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、定向移動(dòng)速率的大小和導(dǎo)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(gè)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(gè)極板上所帶電荷量的肯定值,而q表示的是通過(guò)某一截面的正負(fù)電荷所帶電量的肯定值的和?！镜淅恳欢毋~導(dǎo)線與串聯(lián)在恒定電壓源兩端,在MgCl2溶液中,陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)產(chǎn)生電流,測(cè)得有通過(guò)溶液內(nèi)部某一橫截面,元電荷e=1.6×10-19C。試問(wèn):溶液中電流的方向如何?通過(guò)銅導(dǎo)線的電流多大?【審題關(guān)鍵】序號(hào)解題依據(jù)信息提?、費(fèi)gCl2溶液Mg離子帶兩個(gè)單位正電荷,Cl離子帶一個(gè)單位負(fù)電荷②20秒內(nèi)通過(guò)某一橫截面的時(shí)間③1.0×1018個(gè)Mg2+和2.0×1018個(gè)Cl-Mg離子和Cl離子的個(gè)數(shù)【解析】由題意可知,流過(guò)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(guò)銅導(dǎo)線的電流強(qiáng)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(wèn)題的方法(1)電解液中雖然正負(fù)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(fù)離子電量的肯定值之和。1.(母題追問(wèn))在【典例】中,若銅導(dǎo)線的直徑為2mm。單位體積內(nèi)自由電子的個(gè)數(shù)為8.4×1028個(gè),π≈3。試問(wèn):銅導(dǎo)線內(nèi)自由電子定向移動(dòng)的速率多大?【解析】銅導(dǎo)線的橫截面積為:S=πd2電流的微觀表達(dá)式為:I=neSv聯(lián)立可得:v=8×10-7m答案:8×10-7m2.(教材二次開(kāi)發(fā)·P66【節(jié)練習(xí)】T4改編)如圖所示,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的外形就像一個(gè)巨大的羽毛球拍,其儲(chǔ)存環(huán)是周長(zhǎng)為240m的近似圓形軌道。當(dāng)環(huán)中電子以光速的非常之一運(yùn)動(dòng)而形成10mA的電流時(shí),環(huán)中運(yùn)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(yùn)動(dòng)一周用的時(shí)間:t===8×10-6s,I=,則電量為:Q=It=0.01A×8×10-6s=8×10-8C在整個(gè)環(huán)中運(yùn)行的電子數(shù)目:n===5×1011個(gè)。故選項(xiàng)B正確,A、C、D錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较駼.規(guī)定自由電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较駽.在金屬導(dǎo)體中,自由電子定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较駾.在電解液中,由于正、負(fù)離子的電荷量相等,故無(wú)電流【解析】選A。規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;在金屬導(dǎo)體中,自由電子定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆捶较?選項(xiàng)C錯(cuò)誤;電解液中,電流的方向與正離子定向移動(dòng)方向相同,與負(fù)離子定向移動(dòng)方向相反,所以有電流,故D錯(cuò)誤。2.如圖所示為一質(zhì)量分布勻稱(chēng)的長(zhǎng)方體金屬導(dǎo)體,在導(dǎo)體的左、右兩端加一恒定的電壓,使導(dǎo)體中產(chǎn)生一恒定電流,其電流的大小為I。已知導(dǎo)體左側(cè)的橫截面積為S,導(dǎo)體中單位長(zhǎng)度的自由電子數(shù)為n,自由電子熱運(yùn)動(dòng)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(shè)自由電子定向移動(dòng)的速率為v,則 ()A.v=v0B.v=C.v=cD.v=【解析】選D。電流微觀表達(dá)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(zhǎng)度內(nèi)的自由電子數(shù),t時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的自由電子數(shù)是長(zhǎng)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(cuò)誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:電流的計(jì)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(dá)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(shí)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(jī)電池“快速充電技術(shù)”可以使手機(jī)用戶在短時(shí)間內(nèi)完成充電。比如給一塊額定電壓3.7V、容量2000毫安時(shí)的電池充電,可以在半小時(shí)內(nèi)將電池充到滿容量的75%。假設(shè)快速充電時(shí)充電電流恒定。探究:(1)請(qǐng)結(jié)合本段文字,分析恒定電流的大小是多少。(2)請(qǐng)分析此智能手機(jī)電池還須要多長(zhǎng)時(shí)間就可以充電完畢?！窘馕觥?1)依據(jù)電流的定義可知,充到滿容量的75%的過(guò)程中的充電電流I===3000mA。(2)還需用時(shí)t′==h=10min。答案:見(jiàn)解析“氫火焰離子化檢測(cè)器”可以檢測(cè)出無(wú)機(jī)物氣體中極其微量的有機(jī)分子的含量,其裝置如圖所示,在氫火焰的作用下,有機(jī)物的分子電離為一價(jià)正離子和自由電子,而無(wú)機(jī)物的分子不會(huì)電離。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)有n摩爾被檢測(cè)氣體進(jìn)入檢測(cè)器,調(diào)整滑動(dòng)變阻器,使得電流表的示數(shù)漸漸變大,直到達(dá)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(jī)物分子與被檢測(cè)氣體分子的數(shù)目的比值K是多少?【解析】電流達(dá)到最大值I后,表明電離出來(lái)的電子全部到達(dá)了陽(yáng)極,設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間t到達(dá)極板的電荷量為q,則:q=It,被電離的有機(jī)物分子的數(shù)目為N′,則:2N′==,所以N′=。有機(jī)物分子與被檢測(cè)氣體分子的數(shù)目的比值為:K===。答案:見(jiàn)解析課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.關(guān)于電流,下列說(shuō)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(dǎo)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(guó)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(shí)間t有關(guān),故A錯(cuò)誤;導(dǎo)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(yùn)算滿意代數(shù)法則,所以電流是標(biāo)量,故C錯(cuò)誤;電流的單位“安培”是國(guó)際單位制中的基本單位,故D錯(cuò)誤。2.在一次閃電形成過(guò)程中,流淌的電荷量約為300C,持續(xù)時(shí)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(cuò)誤。3.有一橫截面積為S的銅導(dǎo)線,流經(jīng)其中的電流強(qiáng)度為I,設(shè)每單位體積的導(dǎo)線中有n個(gè)自由電子,電子的電量為e,此時(shí)電子的定向移動(dòng)速度為v,在Δt時(shí)間內(nèi),通過(guò)導(dǎo)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(shí)間內(nèi),以速度v移動(dòng)的電子在銅導(dǎo)線中通過(guò)的距離為vΔt,由于銅導(dǎo)線的橫截面積為S,則在Δt時(shí)間內(nèi),電子經(jīng)過(guò)的導(dǎo)線體積為V=vΔtS。又由于單位體積的導(dǎo)線中有n個(gè)自由電子,則在Δt時(shí)間內(nèi),通過(guò)導(dǎo)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(dǎo)線