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

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1　電源和電流 [學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求] 物理觀念：1.了解電流的形成條件、電源的作用和導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng).2.理解電流的定義、定義式、單位及方向的規(guī)定，會(huì)用公式q＝It分析相關(guān)問題. 科學(xué)思維：由電流的定義式出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理得出電流的微觀表達(dá)式，從微觀的角度認(rèn)識(shí)影響電流大小的因素. 一、電源 1.定義：能把電子在電源內(nèi)部從電源正極搬運(yùn)到負(fù)極的裝置. 2.作用：移送電荷，維持電源正、負(fù)極間有一定的電勢(shì)差，保持電路中有持續(xù)電流. 二、恒定電場(chǎng) 1.定義：由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場(chǎng). 2.形成：當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，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. 3.特點(diǎn)：任何位置的電荷分布和電場(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. 三、恒定電流 1.定義：大小、方向都不隨時(shí)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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的電荷量.表示電流強(qiáng)弱程度的物理量. 1.判斷下列說法的正誤. (1)導(dǎo)體內(nèi)沒有電流時(shí)，就說明導(dǎo)體內(nèi)部的電荷沒有運(yùn)動(dòng).(　　) (2)電流既有大小，又有方向，是矢量.(　　) (3)導(dǎo)體中的電流，一定是正電荷定向移動(dòng)形成的.(　　) (4)負(fù)電荷移動(dòng)的方向就是電流的方向.(　　) (5)電流越大，單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量越多.(　√　) 2.在一次閃電的過程中，流動(dòng)的電荷量大約為300 C，持續(xù)的時(shí)間大約是0.005 s，所形成的平均電流強(qiáng)度為 A. 答案　6104 一、電流的理解和計(jì)算 如圖1所示，在裝有導(dǎo)電液體的細(xì)管中，有正、負(fù)兩種電荷向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t內(nèi)通過細(xì)管某橫截面的正電荷為q1，通過此橫截面的負(fù)電荷為q2， 圖1 (1)確定通過導(dǎo)電液體中電流的方向. (2)計(jì)算導(dǎo)電液體中電流的大小. 答案　(1)電流方向?yàn)檎姾啥ㄏ蛞苿?dòng)的方向或負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向，故導(dǎo)電液體中電流方向?yàn)橛勺笙蛴? (2)I＝. 1.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?，則負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反. 2.電流的定義式：I＝.用該式計(jì)算出的電流是時(shí)間t內(nèi)的平均值.對(duì)于恒定電流，電流的瞬時(shí)值與平均值相等. 3.三點(diǎn)說明 (1)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＝求電流時(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. (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(shí)間t內(nèi)的平均值. (3)電流雖然有方向，但它是標(biāo)量，遵循代數(shù)運(yùn)算法則. 例1　如圖2所示，電解池內(nèi)有一價(jià)的電解液，t時(shí)間內(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，以下說法中正確的是(　　) 圖2 A.當(dāng)n1＝n2時(shí)電流強(qiáng)度為零 B.當(dāng)n1＞n2時(shí)，電流方向從A→B，電流強(qiáng)度為I＝ C.當(dāng)n1＜n2時(shí)，電流方向從B→A，電流強(qiáng)度為I＝ D.溶液內(nèi)電流方向從A→B，電流強(qiáng)度為I＝ 答案　D 解析　正離子定向移動(dòng)的方向就是電流方向，負(fù)離子定向移動(dòng)的反方向也是電流方向，有正、負(fù)離子向相反方向經(jīng)過同一截面時(shí)，公式I＝中的q應(yīng)是正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和，故I＝，電流方向由A指向B，與正、負(fù)離子的數(shù)量無關(guān)，A、B、C錯(cuò)誤，D正確. 計(jì)算電流時(shí)，要分清形成電流的電荷種類，是只有正電荷或負(fù)電荷，還是正、負(fù)電荷同時(shí)定向移動(dòng).當(dāng)正、負(fù)電荷都參與定向移動(dòng)時(shí)，正、負(fù)電荷對(duì)電流的形成都有貢獻(xiàn). 針對(duì)訓(xùn)練1　某電解池，如果在1 s內(nèi)共有51018個(gè)二價(jià)正離子和11019個(gè)一價(jià)負(fù)離子通過面積為0.1 m2的某截面，設(shè)元電荷為e，那么通過這個(gè)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(nèi)通過截面正離子的電荷量為q1＝2n1e，負(fù)離子的電荷量絕對(duì)值為q2＝n2e，則電流為I＝＝，將n1＝51018個(gè)，n2＝11019個(gè)，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(dá)式 如圖3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.則： 圖3 (1)導(dǎo)體AD內(nèi)的自由電荷全部通過橫截面D所用的時(shí)間t是多少？ (2)導(dǎo)體AD內(nèi)的自由電荷的總電荷量Q是多少？ (3)這段導(dǎo)體上的電流是多大？ 答案　(1)t＝ (2)AD內(nèi)的自由電荷總數(shù)N＝nlS　總電荷量Q＝Nq＝nlSq (3)此導(dǎo)體上的電流I＝＝＝nqSv. 電流的微觀表達(dá)式I＝nqvS (1)從微觀上看，電流決定于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)n、每個(gè)自由電荷的電荷量q、定向移動(dòng)的速率大小v，還與導(dǎo)體的橫截面積S有關(guān). (2)v表示電荷定向移動(dòng)的速率.自由電荷在不停地做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，其速率為熱運(yùn)動(dòng)的速率，電流是自由電荷在熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上向某一方向定向移動(dòng)形成的. [延伸閱讀]　三種速率的比較 (1)電子定向移動(dòng)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(dǎo)速率：就是電路中建立恒定電場(chǎng)的速率，大小為光速c＝3108 m/s. (3)電子熱運(yùn)動(dòng)的速率：電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率，大小約為105 m/s.由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等，故此運(yùn)動(dòng)不能形成電流. 例2　導(dǎo)線中的電流是1 A，導(dǎo)線的橫截面積為1 mm2. (1)在1 s內(nèi)，有多少個(gè)電子通過導(dǎo)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(dòng)速率是多大(設(shè)導(dǎo)體每立方米內(nèi)有8.51028個(gè)自由電子)? (3)自由電子沿導(dǎo)線移動(dòng)1 m，平均要多少時(shí)間？ 答案　(1)6.251018個(gè)　(2)7.3510－5 m/s　(3)3.78 h 解析　(1)N＝＝＝6.251018個(gè). (2)由公式I＝neSv，得 v＝＝ m/s≈7.3510－5 m/s. (3)自由電子沿導(dǎo)線移動(dòng)1 m需用時(shí) t＝ s≈3.78 h. 針對(duì)訓(xùn)練2　如圖4所示，一根截面積為S的均勻長(zhǎng)直橡膠棒上均勻帶有負(fù)電荷，每米電荷量為q，當(dāng)此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于棒運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)為l一段距離的時(shí)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(duì)電源的理解)關(guān)于電源的以下說法，正確的是(　　) A.電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負(fù)極不斷地搬運(yùn)到正極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢(shì)差 B.電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由正極不斷地搬運(yùn)到負(fù)極，從而保持兩極之間有穩(wěn)定的電勢(shì)差 C.只要電路中有電源，電路中就一定有電流 D.電源實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)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(fù)極之間恒定的電勢(shì)差，外電路中自由電子在電場(chǎng)力的作用下向正極移動(dòng)，在電源內(nèi)部，需要將電子由正極不斷地搬運(yùn)到負(fù)極，故A錯(cuò)，B對(duì).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(cuò).電源是對(duì)電路提供能量的裝置，故D錯(cuò). 2.(對(duì)I＝的理解和應(yīng)用)電路中有一電阻，通過電阻的電流為5 A，當(dāng)通電5分鐘時(shí)，通過電阻橫截面的電子數(shù)為(　　) A.1 500個(gè) B.9.3751019個(gè) C.9.3751021個(gè) D.9.3751020個(gè) 答案　C 3.(對(duì)電流微觀表達(dá)式的理解和應(yīng)用)有甲、乙兩導(dǎo)體，甲的橫截面積是乙的2倍，而單位時(shí)間內(nèi)通過乙導(dǎo)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(dǎo)體的電流相同 B.乙導(dǎo)體的電流是甲導(dǎo)體的2倍 C.乙導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的速率是甲導(dǎo)體的2倍 D.甲、乙兩導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的速率大小相等 答案　B 解析　由于單位時(shí)間內(nèi)通過乙導(dǎo)體橫截面的電荷量是甲的2倍，因此通過乙導(dǎo)體的電流是甲的2倍，故A錯(cuò)，B對(duì).由于I＝nqSv，所以v＝，由于不知道甲、乙兩導(dǎo)體的性質(zhì)(n、q不知道)，所以無法判斷v，故C、D錯(cuò). 考點(diǎn)一　對(duì)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(dǎo)體的兩端 B.必須保持導(dǎo)體兩端有電壓 C.只在導(dǎo)體兩端瞬時(shí)加電壓 D.只要有大量的自由電荷 答案　B 2.(多選)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? B.規(guī)定自由電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较? C.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? D.在電解液中，由于正、負(fù)離子的電荷量相等，定向移動(dòng)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(dòng)的電荷，就存在持續(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)就消失了 答案　B 解析　要有持續(xù)電流必須有持續(xù)電壓，A錯(cuò)誤.導(dǎo)體中形成電流的原因是在導(dǎo)體兩端加上電壓，于是在導(dǎo)體內(nèi)形成了電場(chǎng)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)形成電流，B正確.電流的傳導(dǎo)速率等于光速，電子定向移動(dòng)的速率很小，C錯(cuò)誤.在形成電流時(shí)電子定向移動(dòng)，并不是熱運(yùn)動(dòng)就消失了，其實(shí)電子仍然做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，D錯(cuò)誤. 4.在導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，下列說法正確的是(　　) A.電子定向移動(dòng)的速率接近光速 B.電子定向移動(dòng)的速率即是電場(chǎng)傳導(dǎo)速率 C.電子定向移動(dòng)的速率即是電子熱運(yùn)動(dòng)速率 D.在金屬導(dǎo)體中，自由電子只不過在速率很大的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng) 答案　D 解析　電子定向移動(dòng)的速率很小，數(shù)量級(jí)為10－5 m/s，金屬導(dǎo)電時(shí)，自由電子只不過在速率很大的熱運(yùn)動(dòng)上附加了一個(gè)速率很小的定向移動(dòng)，故D正確，A錯(cuò)誤.電場(chǎng)的傳導(dǎo)速率為光速c＝3108 m/s，無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速率的數(shù)量級(jí)為105 m/s，故B、C錯(cuò)誤. 考點(diǎn)二　I＝的理解與應(yīng)用 5.在示波管中，電子槍2 s內(nèi)發(fā)射了61013個(gè)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(cuò)誤. 6.北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的儲(chǔ)存環(huán)是周長(zhǎng)為240 m的近似圓形軌道.當(dāng)環(huán)中電子以光速的流動(dòng)而形成10 mA的電流時(shí)，環(huán)中運(yùn)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(gè) B .51011個(gè) C.1102個(gè) D.1104個(gè) 答案　B 解析　電子運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間： t＝ s＝810－6 s 在圓形軌道上任取一橫截面，則在t時(shí)間內(nèi)整個(gè)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(gè)＝51011個(gè)，故選B. 7.某一探測(cè)器因射線照射，內(nèi)部氣體電離，在時(shí)間t內(nèi)有n個(gè)二價(jià)正離子到達(dá)陰極，有2n個(gè)電子到達(dá)探測(cè)器的陽極，則探測(cè)器電路中的電流為(　　) A.0 B. C. D. 答案　D 解析　由于正、負(fù)電荷的定向移動(dòng)對(duì)電流的形成都有貢獻(xiàn)，故由I＝，得I＝＝，故選D. 考點(diǎn)三　I＝nqvS的理解與應(yīng)用 8.(多選)給一粗細(xì)不均勻的同種材料制成的導(dǎo)體通電，下列說法正確的是(　　) A.粗的地方電流大，細(xì)的地方電流小 B.粗的地方電荷定向移動(dòng)速率大，細(xì)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(dòng)速率小，細(xì)的地方大 答案　CD 解析　同一根導(dǎo)線上的電流相等，故C正確，A錯(cuò)誤.由I＝nqSv可得v＝，粗的地方電荷定向移動(dòng)速率小，細(xì)的地方大，故D正確，B錯(cuò)誤. 9.(多選)一橫截面積為S的銅導(dǎo)線，流經(jīng)其中的電流為I，設(shè)單位體積的導(dǎo)線中有n個(gè)自由電子，電子的電荷量為q.此時(shí)電子的定向移動(dòng)速率為v，在t時(shí)間內(nèi)，通過銅導(dǎo)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(shí)間內(nèi)，通過銅導(dǎo)線橫截面的電荷量為It，通過銅導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為N＝，故C正確，D錯(cuò)誤；把I＝nqSv代入N＝可得N＝nvSt，故A正確，B錯(cuò)誤. 10.銅的摩爾質(zhì)量為m，密度為ρ，每摩爾銅原子有n個(gè)自由電子，每個(gè)自由電子的電荷量為e，今有一根橫截面積為S的銅導(dǎo)線，通過電流為I時(shí)，電子定向移動(dòng)的平均速率為(　　) A.光速c B. C. D. 答案　D 解析　設(shè)電子定向移動(dòng)的速率為v，那么在t秒內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的自由電子數(shù)相當(dāng)于在體積vtS中的自由電子數(shù)，而體積為vtS的銅的質(zhì)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(cuò)，D對(duì).