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(chǎng). 2.理解電流的定義，知道電流的單位、方向規(guī)定，會(huì)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(dòng)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(chǎng):(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(dá)到穩(wěn)定時(shí),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(chǎng)。(3)特點(diǎn):任何位置的_和_都不隨時(shí)間變化。2.電流:(1)物理意義:表示電流的_。(2)單位及符號(hào):在國(guó)際單位

2、制中,電流的單位是_,簡(jiǎn)稱_,符號(hào)_。(3)電流與電量的關(guān)系:_。(4)恒定電流定義:_、_都不隨時(shí)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(dòng)的速率增加,運(yùn)動(dòng)過程中與導(dǎo)體內(nèi)不動(dòng)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(duì)嗎？ 答案一、1. 正極 負(fù)極 2. 電勢(shì)差 持續(xù)的電流二、1.（1）穩(wěn)定的電場(chǎng)（2）電荷（3）電荷分布 電場(chǎng)強(qiáng)度2.（1）強(qiáng)弱程度（2）安培 安 A （3）q=It （4）大小 方向（5）恒定電場(chǎng) 不變?nèi)?、答案：不?duì)。當(dāng)t一定時(shí)，I與q成正比；當(dāng)q一定時(shí)，I與t成反比。

3、知識(shí)點(diǎn)一 電源 1.電源的定義 電源是不斷把負(fù)電荷從正極搬運(yùn)到負(fù)極從而維持正負(fù)極之間存在一定電勢(shì)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(shí)滿足兩個(gè)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(huì)有持續(xù)電流。名師點(diǎn)睛電源的作用 1. 從電荷移動(dòng)角度看電源的作用就是移送電荷，維持電源正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)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(yùn)到負(fù)極B，如圖所示。2. 從能量轉(zhuǎn)化的角度看搬運(yùn)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(shí)點(diǎn)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(fù)極之間維持一定的電勢(shì)差C. 與電源相連的導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的D. 在電源內(nèi)部正電荷由負(fù)極流向正極,負(fù)電荷由正極流向負(fù)極【審題指導(dǎo)】解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn):(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(shí)點(diǎn)二 恒定電場(chǎng) 1. 形成 導(dǎo)線中的電場(chǎng)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(chǎng)。 2. 特點(diǎn) 導(dǎo)線內(nèi)的電場(chǎng)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(chǎng)是沿導(dǎo)線切線方向的穩(wěn)定電場(chǎng)。3. 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的關(guān)系 在恒定電場(chǎng)中，任何位置的電場(chǎng)強(qiáng)度都不隨時(shí)間變化，其基本性質(zhì)與靜電場(chǎng)相同。在靜電場(chǎng)中所學(xué)的電勢(shì)、電勢(shì)差及其與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，在恒定電場(chǎng)中同樣適用。(1) 兩種電場(chǎng)的共性 它們都是物質(zhì)的一種客觀存在形式，都儲(chǔ)存著電能； 它們對(duì)處于其中的電荷都有靜電力的作用； 在這兩種電場(chǎng)中移動(dòng)電荷時(shí)相應(yīng)的靜電力一般都要做功。(2) 兩種電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)為零，而在穩(wěn)恒電流條件下導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)不為零； 在一般情況下

6、，靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線并不是電荷運(yùn)動(dòng)的軌跡線，但是導(dǎo)體中恒定電場(chǎng)的電場(chǎng)線就是電荷運(yùn)動(dòng)的軌跡線。名師點(diǎn)睛1. 產(chǎn)生恒定電流的電路中的電場(chǎng)是合電場(chǎng)(E)，它由兩部分組成：一是電源的電場(chǎng)(E0)；二是導(dǎo)線兩側(cè)的堆積電荷的電場(chǎng)(E)。 2. 恒定電流電路中的電場(chǎng)是穩(wěn)定電場(chǎng)，即電路中的電荷分布是穩(wěn)定的，但不是靜態(tài)的絕對(duì)穩(wěn)定，而是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，就電路中任一微元來講，流走多少電荷，就補(bǔ)充等量的電荷，所以不能認(rèn)為恒定電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)。知識(shí)點(diǎn)三 對(duì)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?/p>

7、，則負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反，金屬導(dǎo)體中自由移動(dòng)的電荷是自由電子，故電流的方向與自由電子定向移動(dòng)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(shí)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(shí)間t內(nèi)的平均值，對(duì)于恒定電流其瞬時(shí)值與平均值相等。(3)電解液中正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向雖然相反，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為正電荷總電荷量和負(fù)電荷總電荷量的絕對(duì)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(yùn)算法則，電流不是矢量而是標(biāo)量。 名師點(diǎn)睛計(jì)算電

8、流時(shí)，要注意定向移動(dòng)的電荷種類，是正電荷或負(fù)電荷，還是正、負(fù)電荷同時(shí)存在。知識(shí)點(diǎn)三 對(duì)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(dòng)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(chǎng)作用下形成的C單位時(shí)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(dòng)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(dòng)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(fù)極C. 電流都是由電子的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)與電荷的定向移動(dòng)不是一

9、回事，導(dǎo)體兩端存在電勢(shì)差時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷才會(huì)定向移動(dòng)，但電荷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)是不需要條件的。(2) 電流是描述電流強(qiáng)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(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?。典? 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(shí)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(gè)？ 【審題指導(dǎo)】根據(jù)公式qIt計(jì)算，注意單位的統(tǒng)一，記住每個(gè)電子所帶電荷量e×1019 C。 【方法總結(jié)】 (1)認(rèn)真審題，明確導(dǎo)電的是什么粒子。(2)由題設(shè)條件求出時(shí)間t內(nèi)通過某一橫截面的電荷量q.注意若有正、負(fù)

10、電荷同時(shí)通過某一橫截面時(shí)，那么在一段時(shí)間內(nèi)通過這一橫截面的電荷量等于正、負(fù)電荷電荷量的絕對(duì)值之和。(3)由定義式Iq/t求出電流大小。知識(shí)點(diǎn)四 電流的微觀解釋1. 電流的微觀表達(dá)式 (1) 建立模型：如圖所示，AD表示粗細(xì)均勻的一段長(zhǎng)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(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)：NnlS.總電荷量QNqnlSq.所有這些電荷都通過橫截面D所需要的時(shí)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(gè)自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)速率的大小，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)?！久麕燑c(diǎn)睛】InqSv計(jì)算時(shí)，一定要注意以下幾點(diǎn)： (1)各個(gè)物理量都要用國(guó)際單位。 (2)正確理解各符號(hào)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(dòng)速度的大小。 (3)若已知單位長(zhǎng)度的自由電荷數(shù)為n，則電流的微觀表達(dá)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(dòng)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(yùn)動(dòng)上附加一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)，電路閉合時(shí)，瞬間在系統(tǒng)中形成電場(chǎng)，使導(dǎo)體中所有自由電荷同時(shí)定向移動(dòng)，并不是

12、電荷瞬間從電源運(yùn)動(dòng)到用電器。4. 電荷的運(yùn)動(dòng)可以等效為電流，計(jì)算中可以選取一定時(shí)間(一般選一個(gè)周期)，此時(shí)間內(nèi)通過截面的電荷量與時(shí)間的比值即為等效電流。對(duì)于等效電流的求解問題，一定要找出一段時(shí)間內(nèi)通過某一橫截面的電荷量，才能運(yùn)用電流的定義式求出電流的大小。知識(shí)點(diǎn)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(gè)自由電子，每個(gè)自由電子的電荷量是e，自由電子定向移動(dòng)的速率是v，則在時(shí)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(xì)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(dá)靶時(shí)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(gè)數(shù)，v為導(dǎo)體中的自由電荷定向移動(dòng)的速率，S為導(dǎo)體的橫截面積，q為每個(gè)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(shí)點(diǎn)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(chǎng),導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷就會(huì)在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)形成電流,則B、C正確,A、D錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)三 對(duì)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(cuò)誤；導(dǎo)體兩端存在電壓，就會(huì)在導(dǎo)體中形成

15、電場(chǎng)，自由電子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下定向移動(dòng)形成電流，故B正確；單位時(shí)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(cuò)誤；電流的方向與正電荷定向移動(dòng)的方向相同，故D錯(cuò)誤。2.【答案】B【解析】正電荷移動(dòng)的方向是電流的方向，負(fù)電荷移動(dòng)的方向是電流的反方向，故A選項(xiàng)錯(cuò)誤；在直流電源的外電路上，電流從電源的正極流向負(fù)極，內(nèi)電路從負(fù)極流向正極，故B選項(xiàng)正確；導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)形成電流，不一定是電子，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；電流有方向但是標(biāo)量，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 3.【答案】6.25×10153.4×1019知識(shí)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)通過的自由電子數(shù)為N自由電子定向移動(dòng)的速率是v，因此在時(shí)間t內(nèi)，位于以橫截面為底、長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)到靶間的時(shí)間，t，通過橫截面的電荷量，qIt，質(zhì)子數(shù)N.B選項(xiàng)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(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間T內(nèi)，通過這個(gè)橫截面的電荷量為Q，則有I又T，所以I由上式可知，選項(xiàng)A、B正確。4.【答案】【解析】等效電流為電子沿圓周持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。每經(jīng)一個(gè)周

17、期，通過圓周某點(diǎn)的電荷量為e.電子運(yùn)動(dòng)的周期T2r/v，由Iq/t得Ie/Tve/(2r)。1. 有穩(wěn)定電流時(shí)關(guān)于導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng),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(chǎng)強(qiáng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形成的B電路中只要有電源，就一定會(huì)有電流C在電源外部，電流從電源的正極流向負(fù)極D電流的方向總是從電源的正極流向負(fù)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(dòng)電荷量越多,導(dǎo)體中的電流越大D.因?yàn)殡娏饔蟹较?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(fù)電荷相向運(yùn)動(dòng)，則電流是()A0.2 A B0.3 A C0.5 A D104A6銅的相對(duì)原子質(zhì)量為m，密度為，每摩爾銅原子有n個(gè)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(shí)，電子平均定向移動(dòng)的速率為()A光速c B. C. D.7電路中每分鐘有60萬億個(gè)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(chǎng)是由電源、導(dǎo)線所積累的電荷共同形成的,當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí),導(dǎo)體中的電場(chǎng)為恒定電場(chǎng),不隨時(shí)間變化,故選項(xiàng)A,B,C錯(cuò)誤,選項(xiàng)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(chǎng)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷就會(huì)在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)形成電流，則B、C正確，A、D錯(cuò)誤3.【答案】C4.