（京津瓊魯專用）2018-2019學年高中物理 第二章 恒定電流 1 電源和電流學案 新人教版必修2.doc

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1　電源和電流 [學科素養(yǎng)與目標要求] 物理觀念：1.了解電流的形成條件、電源的作用和導體中的恒定電場.2.理解電流的定義、定義式、單位及方向的規(guī)定，會用公式q＝It分析相關問題. 科學思維：由電流的定義式出發(fā)，經過邏輯推理得出電流的微觀表達式，從微觀的角度認識影響電流大小的因素. 一、電源 1.定義：能把電子在電源內部從電源正極搬運到負極的裝置. 2.作用：移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差，保持電路中有持續(xù)電流. 二、恒定電場 1.定義：由穩(wěn)定分布的電荷所產生的穩(wěn)定的電場. 2.形成：當電路達到穩(wěn)定時，導線中的電場是由電源、導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度都不隨時間變化，其基本性質與靜電場相同. 三、恒定電流 1.定義：大小、方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流. 2.電流的定義式：I＝，其物理意義：單位時間內，通過導體橫截面的電荷量.表示電流強弱程度的物理量. 1.判斷下列說法的正誤. (1)導體內沒有電流時，就說明導體內部的電荷沒有運動.(　　) (2)電流既有大小，又有方向，是矢量.(　　) (3)導體中的電流，一定是正電荷定向移動形成的.(　　) (4)負電荷移動的方向就是電流的方向.(　　) (5)電流越大，單位時間內通過導體橫截面的電荷量越多.(　√　) 2.在一次閃電的過程中，流動的電荷量大約為300 C，持續(xù)的時間大約是0.005 s，所形成的平均電流強度為 A. 答案　6104 一、電流的理解和計算 如圖1所示，在裝有導電液體的細管中，有正、負兩種電荷向相反的方向運動，在時間t內通過細管某橫截面的正電荷為q1，通過此橫截面的負電荷為q2， 圖1 (1)確定通過導電液體中電流的方向. (2)計算導電液體中電流的大小. 答案　(1)電流方向為正電荷定向移動的方向或負電荷定向移動的反方向，故導電液體中電流方向為由左向右. (2)I＝. 1.電流的方向：規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向，則負電荷定向移動的方向與電流的方向相反. 2.電流的定義式：I＝.用該式計算出的電流是時間t內的平均值.對于恒定電流，電流的瞬時值與平均值相等. 3.三點說明 (1)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，應用I＝求電流時，q為正電荷總電荷量和負電荷總電荷量的絕對值之和. (2)q＝It是I＝的變形，是求電荷量的重要公式.其中I是電流在時間t內的平均值. (3)電流雖然有方向，但它是標量，遵循代數(shù)運算法則. 例1　如圖2所示，電解池內有一價的電解液，t時間內通過溶液內截面S的正離子數(shù)是n1，負離子數(shù)是n2，設元電荷為e，以下說法中正確的是(　　) 圖2 A.當n1＝n2時電流強度為零 B.當n1＞n2時，電流方向從A→B，電流強度為I＝ C.當n1＜n2時，電流方向從B→A，電流強度為I＝ D.溶液內電流方向從A→B，電流強度為I＝ 答案　D 解析　正離子定向移動的方向就是電流方向，負離子定向移動的反方向也是電流方向，有正、負離子向相反方向經過同一截面時，公式I＝中的q應是正、負離子電荷量的絕對值之和，故I＝，電流方向由A指向B，與正、負離子的數(shù)量無關，A、B、C錯誤，D正確. 計算電流時，要分清形成電流的電荷種類，是只有正電荷或負電荷，還是正、負電荷同時定向移動.當正、負電荷都參與定向移動時，正、負電荷對電流的形成都有貢獻. 針對訓練1　某電解池，如果在1 s內共有51018個二價正離子和11019個一價負離子通過面積為0.1 m2的某截面，設元電荷為e，那么通過這個截面的電流是(　　) A.0 B.0.8 A C.1.6 A D.3.2 A 答案　D 解析　由題意，1 s內通過截面正離子的電荷量為q1＝2n1e，負離子的電荷量絕對值為q2＝n2e，則電流為I＝＝，將n1＝51018個，n2＝11019個，e＝1.610－19 C，t＝1 s，代入解得I＝3.2 A，故選D. 二、電流的微觀表達式 如圖3所示，AD表示粗細均勻的一段長為l的導體，兩端加一定的電壓，導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率為v，設導體的橫截面積為S，導體單位體積內的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q.則： 圖3 (1)導體AD內的自由電荷全部通過橫截面D所用的時間t是多少？ (2)導體AD內的自由電荷的總電荷量Q是多少？ (3)這段導體上的電流是多大？ 答案　(1)t＝ (2)AD內的自由電荷總數(shù)N＝nlS　總電荷量Q＝Nq＝nlSq (3)此導體上的電流I＝＝＝nqSv. 電流的微觀表達式I＝nqvS (1)從微觀上看，電流決定于導體中單位體積內的自由電荷數(shù)n、每個自由電荷的電荷量q、定向移動的速率大小v，還與導體的橫截面積S有關. (2)v表示電荷定向移動的速率.自由電荷在不停地做無規(guī)則的熱運動，其速率為熱運動的速率，電流是自由電荷在熱運動的基礎上向某一方向定向移動形成的. [延伸閱讀]　三種速率的比較 (1)電子定向移動速率：也是公式I＝neSv中的v，大小約為10－5 m/s. (2)電流的傳導速率：就是電路中建立恒定電場的速率，大小為光速c＝3108 m/s. (3)電子熱運動的速率：電子做無規(guī)則熱運動的速率，大小約為105 m/s.由于熱運動向各個方向運動的機會相等，故此運動不能形成電流. 例2　導線中的電流是1 A，導線的橫截面積為1 mm2. (1)在1 s內，有多少個電子通過導線的橫截面(電子電荷量e＝1.610－19 C)? (2)自由電子的平均移動速率是多大(設導體每立方米內有8.51028個自由電子)? (3)自由電子沿導線移動1 m，平均要多少時間？ 答案　(1)6.251018個　(2)7.3510－5 m/s　(3)3.78 h 解析　(1)N＝＝＝6.251018個. (2)由公式I＝neSv，得 v＝＝ m/s≈7.3510－5 m/s. (3)自由電子沿導線移動1 m需用時 t＝ s≈3.78 h. 針對訓練2　如圖4所示，一根截面積為S的均勻長直橡膠棒上均勻帶有負電荷，每米電荷量為q，當此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運動時，由于棒運動而形成的等效電流大小為(　　) 圖4 A.vq B. C.qvS D. 答案　A 解析　此橡膠棒通過長為l一段距離的時間t＝.此過程通過某截面的總電荷量Q＝lq，由I＝，得I＝＝vq，故A正確. 1.(對電源的理解)關于電源的以下說法，正確的是(　　) A.電源的作用是在電源內部把電子由負極不斷地搬運到正極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢差 B.電源的作用是在電源內部把電子由正極不斷地搬運到負極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢差 C.只要電路中有電源，電路中就一定有電流 D.電源實質上也是一個用電器，也需要外界提供能量 答案　B 解析　電源的作用是維持正、負極之間恒定的電勢差，外電路中自由電子在電場力的作用下向正極移動，在電源內部，需要將電子由正極不斷地搬運到負極，故A錯，B對.電路中有電流不僅需要電源，還需要電路是閉合的，兩者缺一不可，故C錯.電源是對電路提供能量的裝置，故D錯. 2.(對I＝的理解和應用)電路中有一電阻，通過電阻的電流為5 A，當通電5分鐘時，通過電阻橫截面的電子數(shù)為(　　) A.1 500個 B.9.3751019個 C.9.3751021個 D.9.3751020個 答案　C 3.(對電流微觀表達式的理解和應用)有甲、乙兩導體，甲的橫截面積是乙的2倍，而單位時間內通過乙導體橫截面的電荷量是甲的2倍，以下說法正確的是(　　) A.甲、乙兩導體的電流相同 B.乙導體的電流是甲導體的2倍 C.乙導體中自由電荷定向移動的速率是甲導體的2倍 D.甲、乙兩導體中自由電荷定向移動的速率大小相等 答案　B 解析　由于單位時間內通過乙導體橫截面的電荷量是甲的2倍，因此通過乙導體的電流是甲的2倍，故A錯，B對.由于I＝nqSv，所以v＝，由于不知道甲、乙兩導體的性質(n、q不知道)，所以無法判斷v，故C、D錯. 考點一　對恒定電流的理解 1.形成持續(xù)電流的條件是(　　) A.只要有電壓加在導體的兩端 B.必須保持導體兩端有電壓 C.只在導體兩端瞬時加電壓 D.只要有大量的自由電荷 答案　B 2.(多選)關于電流的方向，下列描述正確的是(　　) A.規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向 B.規(guī)定自由電荷定向移動的方向為電流的方向 C.在金屬導體中，自由電子定向移動的方向為電流的反方向 D.在電解液中，由于正、負離子的電荷量相等，定向移動的方向相反，故無電流 答案　AC 3.以下說法正確的是(　　) A.只要有可以自由移動的電荷，就存在持續(xù)電流 B.金屬導體內的持續(xù)電流是自由電子在導體內的電場作用下形成的 C.電流的傳導速率就是導體內自由電子的定向移動速率 D.在金屬導體內當自由電子定向移動時，它們的熱運動就消失了 答案　B 解析　要有持續(xù)電流必須有持續(xù)電壓，A錯誤.導體中形成電流的原因是在導體兩端加上電壓，于是在導體內形成了電場，導體內的自由電子在電場力作用下定向移動形成電流，B正確.電流的傳導速率等于光速，電子定向移動的速率很小，C錯誤.在形成電流時電子定向移動，并不是熱運動就消失了，其實電子仍然做無規(guī)則的熱運動，D錯誤. 4.在導體中有電流通過時，下列說法正確的是(　　) A.電子定向移動的速率接近光速 B.電子定向移動的速率即是電場傳導速率 C.電子定向移動的速率即是電子熱運動速率 D.在金屬導體中，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 答案　D 解析　電子定向移動的速率很小，數(shù)量級為10－5 m/s，金屬導電時，自由電子只不過在速率很大的熱運動上附加了一個速率很小的定向移動，故D正確，A錯誤.電場的傳導速率為光速c＝3108 m/s，無規(guī)則熱運動速率的數(shù)量級為105 m/s，故B、C錯誤. 考點二　I＝的理解與應用 5.在示波管中，電子槍2 s內發(fā)射了61013個電子，則示波管中電流的大小為(　　) A.4.810－6 A B.310－13 A C.310－6 A D.9.610－6 A 答案　A 解析　電子槍2 s發(fā)射的電荷量q＝610131.610－19 C＝9.610－6 C，所以示波管中的電流大小為I＝＝ A＝4.810－6 A，故A正確，B、C、D錯誤. 6.北京正負電子對撞機的儲存環(huán)是周長為240 m的近似圓形軌道.當環(huán)中電子以光速的流動而形成10 mA的電流時，環(huán)中運行的電子數(shù)目為(已知光速c＝3108 m/s，電子電荷量e＝1.610－19 C)(　　) A.51010個 B .51011個 C.1102個 D.1104個 答案　B 解析　電子運動一周所需要的時間： t＝ s＝810－6 s 在圓形軌道上任取一橫截面，則在t時間內整個環(huán)中的電子剛好都通過該截面，故環(huán)中具有電子的電荷量為： q＝It＝1010－3810－6 C＝810－8 C 環(huán)中具有的電子數(shù)N＝＝個＝51011個，故選B. 7.某一探測器因射線照射，內部氣體電離，在時間t內有n個二價正離子到達陰極，有2n個電子到達探測器的陽極，則探測器電路中的電流為(　　) A.0 B. C. D. 答案　D 解析　由于正、負電荷的定向移動對電流的形成都有貢獻，故由I＝，得I＝＝，故選D. 考點三　I＝nqvS的理解與應用 8.(多選)給一粗細不均勻的同種材料制成的導體通電，下列說法正確的是(　　) A.粗的地方電流大，細的地方電流小 B.粗的地方電荷定向移動速率大，細的地方小 C.各處的電流大小相同 D.粗的地方電荷定向移動速率小，細的地方大 答案　CD 解析　同一根導線上的電流相等，故C正確，A錯誤.由I＝nqSv可得v＝，粗的地方電荷定向移動速率小，細的地方大，故D正確，B錯誤. 9.(多選)一橫截面積為S的銅導線，流經其中的電流為I，設單位體積的導線中有n個自由電子，電子的電荷量為q.此時電子的定向移動速率為v，在t時間內，通過銅導線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為(　　) A.nvSt B.nvt C. D. 答案　AC 解析　在t時間內，通過銅導線橫截面的電荷量為It，通過銅導線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為N＝，故C正確，D錯誤；把I＝nqSv代入N＝可得N＝nvSt，故A正確，B錯誤. 10.銅的摩爾質量為m，密度為ρ，每摩爾銅原子有n個自由電子，每個自由電子的電荷量為e，今有一根橫截面積為S的銅導線，通過電流為I時，電子定向移動的平均速率為(　　) A.光速c B. C. D. 答案　D 解析　設電子定向移動的速率為v，那么在t秒內通過導體橫截面的自由電子數(shù)相當于在體積vtS中的自由電子數(shù)，而體積為vtS的銅的質量為vtSρ，摩爾數(shù)為，自由電子數(shù)為，所以電荷量q＝，由I＝＝得v＝，故A、B、C錯，D對.