2018-2019學(xué)年高中物理 第3章 從電表電路到集成電路 3.2 研究電流、電壓和電阻學(xué)案 滬科版選修3-1.doc

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3.2　研究電流、電壓和電阻 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道電流的定義及形成電流的微觀機(jī)理，掌握定義式I＝和決定式I＝nqv S．(重點(diǎn)) 2．理解電壓就是沿電流方向的電勢(shì)降落．(難點(diǎn)) 3．知道電阻形成的微觀原因及電阻與溫度的關(guān)系. [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] [知識(shí)梳理] 一、電場(chǎng)與電流 1．電流 (1)定義：物理學(xué)中把流過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電荷量Q跟所用時(shí)間t的比值I叫作電流． (2)定義式：I＝. (3)單位：安培． 常用單位還有毫安和微安；換算關(guān)系：1 A＝103mA＝106μA. (4)電流的方向：電流的方向規(guī)定為正電荷定向移動(dòng)的方向． (5)物理意義：反映電流強(qiáng)弱的物理量． 2．電流的形成 (1)電源在導(dǎo)體中產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)力的作用下，發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流． (2)導(dǎo)體電流的微觀表達(dá)式I＝nqvS. 二、電路中的電壓和電勢(shì)降落 1．沿電流方向上的任意兩點(diǎn)間都有電勢(shì)差，這就是電路中的電壓． 2．電路中沿電流方向的電勢(shì)是逐漸降低的． 三、電阻是怎樣形成的 1．金屬導(dǎo)體中的自由電子，在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，自由電子與晶體點(diǎn)陣上的原子實(shí)碰撞形成對(duì)電子定向運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，是“電阻”產(chǎn)生的原因． 2．純金屬電阻的阻值與溫度間的關(guān)系：R＝R0(1＋αt)，式中R表示金屬在t_℃時(shí)的電阻，R0表示金屬在0_℃時(shí)的電阻值，α叫作電阻的溫度系數(shù)． [基礎(chǔ)自測(cè)] 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“”．) (1)通過(guò)截面的電荷量多少就是電流的大?。?) (2)電流的方向就是電荷定向移動(dòng)的方向．() (3)在導(dǎo)體中，只要自由電荷在運(yùn)動(dòng)，就一定會(huì)形成電流．() (4)導(dǎo)體兩端沒(méi)有電壓就不能形成電流．(√) (5)在電路中沿著電流的方向電勢(shì)逐漸升高．() (6)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. (√) (7)自由電子與原子實(shí)的碰撞是產(chǎn)生電阻的根本原因．(√) 【提示】　 (1)　單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)電荷的多少就是電流的大?。? (2)　電流的方向是正電荷定向移動(dòng)的方向． (3)　電荷的定向移動(dòng)才能形成電流． (5)　在電路中沿電流的方向電勢(shì)逐漸降低． 2．下面說(shuō)法正確的是(　　) A．電流的方向就是電荷移動(dòng)的方向 B．在一直流電源的外電路上，越靠近電源負(fù)極，電勢(shì)越低 C．電流都是由電子的定向移動(dòng)形成的 D．電流是有方向的量，所以是矢量 B　[電流的方向是正電荷定向移動(dòng)的方向，故A錯(cuò)誤；在電路中，沿電流的方向就是電勢(shì)降落的方向，故B正確．] 3．導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式I＝nqSv，其中S為導(dǎo)體的橫截面積，n為導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個(gè)自由電荷所帶的電荷量，v是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682139】 A．導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速率　 B．導(dǎo)體傳導(dǎo)的速率 C．電子熱運(yùn)動(dòng)的速率 D．自由電荷定向移動(dòng)的速率 D　[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)、每個(gè)自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)速率，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，故選D.公式I＝nqSv中的v就是自由電荷定向移動(dòng)的速率．] 4．在彩色電視機(jī)的顯像管中，從電子槍射出的電子在高電壓U作用下被加速，形成大小為I的電流，設(shè)電子的電荷量為e，電子質(zhì)量為m，打在熒光屏上的高速電子全被熒光粉吸收，在t s內(nèi)打到熒光屏上的電子個(gè)數(shù)為(　　) A．It　　　　　　　 B．me/t C．It/e D．mIt/e C　[t s內(nèi)打到熒光屏上的總電荷量q＝It，故有電子數(shù)n＝＝.] [合 作 探 究攻 重 難] 電流的理解 1．電流的形成 (1)形成原因：電荷的定向移動(dòng)． (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． 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?，則負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反． 3．電流的大小 (1)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． (2)兩點(diǎn)說(shuō)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． ②q＝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． 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，所以電流不是矢量，而是標(biāo)量． 　如圖321所示的電解槽中，如果在4 s內(nèi)各有8 C的正、負(fù)電荷通過(guò)面積為0.8 m2的橫截面AB，那么： 圖321 (1)正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向如何？ (2)電解槽中的電流方向如何？ (3)4 s內(nèi)通過(guò)橫截面AB的電量為多少？ (4)電解槽中的電流為多大？ 思路點(diǎn)撥：正、負(fù)離子向相反方向移動(dòng)時(shí)，通過(guò)橫截面的電荷量等于正、負(fù)電荷量絕對(duì)值之和． 【解析】　(1)電源與電解槽中的兩極相連后，左側(cè)電極電勢(shì)高于右側(cè)電極，電極之間電場(chǎng)方向由左指向右，故正離子向右移動(dòng)，負(fù)離子向左移動(dòng)． (2)電解槽中的電流方向向右． (3)8 C的正電荷向右通過(guò)橫截面AB，而8 C的負(fù)電荷向左通過(guò)該橫截面，相當(dāng)于又有8 C正電荷向右通過(guò)橫截面，故4 s內(nèi)通過(guò)橫截面AB的電量為16 C. (4)電流強(qiáng)度大小I＝＝ A＝4 A. 【答案】　(1)正離子向右移動(dòng)　負(fù)離子向左移動(dòng) (2)向右　(3)16 C　(4)4 A 計(jì)算電流大小的三種方法 (1)金屬導(dǎo)體中電流的計(jì)算 金屬導(dǎo)體中的自由電荷只有自由電子，運(yùn)用I＝計(jì)算時(shí)，q是某一時(shí)間內(nèi)通過(guò)金屬導(dǎo)體橫截面的電子的電荷量． (2)電解液中電流的計(jì)算 電解液中的自由電荷是正、負(fù)離子，運(yùn)用I＝計(jì)算時(shí)，q應(yīng)是同一時(shí)間內(nèi)正、負(fù)兩種離子通過(guò)橫截面的電荷量的絕對(duì)值之和． (3)環(huán)形電流的計(jì)算 環(huán)形電流的計(jì)算采用等效的觀點(diǎn)分析．所謂等效電流，就是把電子周期性地通過(guò)圓周上各處形成的電流看成持續(xù)不斷地通過(guò)圓周上各處時(shí)所形成的電流．對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)的電荷，常取一個(gè)周期來(lái)計(jì)算等效電流．利用I＝＝求等效電流． [針對(duì)訓(xùn)練] 1．通過(guò)一個(gè)電阻的電流是5 A，經(jīng)過(guò)4 min，通過(guò)該電阻的一個(gè)截面的電荷量是(　　) A．20 C　　　　　　　　　 B．50 C C．1 200 C D．2 000 C C　[根據(jù)I＝，得q＝It＝5240 C＝1 200 C，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤．] 2．橫截面積為0.5 cm2的導(dǎo)電液體中，每秒鐘有0.2 C的正電荷和0.3 C負(fù)電荷相向運(yùn)動(dòng)，則電流是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682140】 A．0.2 A B．0.3 A C．0.5 A D．104 A C　[電流的定義式是I＝，在導(dǎo)電液中，q指正負(fù)電荷絕對(duì)值的和，所以I＝ A＝0.5 A，故C正確．] 電流的微觀表達(dá)式 1.理論推導(dǎo) 圖322 AD導(dǎo)體中的自由電荷總數(shù)：N＝nlS. 總電荷量：Q＝Nq＝nlSq. 所有這些電荷都通過(guò)橫截面D所需要的時(shí)間：t＝. 根據(jù)公式q＝It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. 2．影響因素 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． 3．兩個(gè)公式的比較 I＝ I＝nqSv 公式性質(zhì) 定義式 決定式 電流的意義 時(shí)間t內(nèi)的平均電流 某時(shí)刻的瞬時(shí)電流 描述的角度 大量電荷定向移動(dòng)的宏觀表現(xiàn) 形成電流的微觀實(shí)質(zhì) 聯(lián)系 由I＝可導(dǎo)出I＝nqSv 　(多選)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Δt內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線橫截面的電子數(shù)是(　　) A．nSvΔt　 　　B．nvΔt　 　　C.　　 　D. 思路點(diǎn)撥：①?gòu)碾娏鞯亩x式I＝可以求出q，根據(jù)電荷量可以求出電子數(shù)． ②根據(jù)電流的微觀表達(dá)式也可以求出電子數(shù)． AC　[根據(jù)電流的定義求解：由電流的計(jì)算式I＝可知，在時(shí)間Δt內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線橫截面的電荷量q＝IΔt，所以在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的自由電子數(shù)為N＝＝，C對(duì)，D錯(cuò)．根據(jù)電流形成的微觀原因求解：已知自由電子定向移動(dòng)的速率是v，因此在時(shí)間Δt內(nèi)，位于橫截面積為S、長(zhǎng)L＝vΔt的這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電子都能通過(guò)橫截面，這段導(dǎo)線的體積V＝SL＝SvΔt，所以在時(shí)間Δt內(nèi)通過(guò)橫截面S的自由電子數(shù)為N＝nV＝nSvΔt，A對(duì)，B錯(cuò)．] 區(qū)分三個(gè)速率 (1)自由電子熱運(yùn)動(dòng)的速率：數(shù)量級(jí)為105 m/s. (2)自由電子定向移動(dòng)的速率：數(shù)量級(jí)為10－5 m/s. (3)電場(chǎng)的傳播速率：3108 m/s(等于光速)． [針對(duì)訓(xùn)練] 3.如圖323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)，由于橡膠棒運(yùn)動(dòng)而形成的等效電流大小為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682141】 圖323 A．vq B. C．qvS D. A　[設(shè)在t時(shí)間內(nèi)通過(guò)截面的電荷量為Q，則Q＝vtq，所以I＝＝vq，應(yīng)選A.] [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1．下列敘述正確的是(　　) A．導(dǎo)體中電荷運(yùn)動(dòng)形成電流 B．電流是矢量 C．導(dǎo)體中有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)不為零 D．只有自由電子的定向移動(dòng)才能形成電流 C　[導(dǎo)體中電荷發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)時(shí)形成電流，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電流有大小和方向，但是電流是標(biāo)量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；導(dǎo)體中有電流通過(guò)時(shí)，說(shuō)明電荷在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生了定向移動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)不為零，選項(xiàng)C正確；正負(fù)電荷的定向移動(dòng)都能形成電流，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．] 2．示波管中，2 s內(nèi)有61013個(gè)電子通過(guò)橫截面大小不知的電子槍，則示波管中電流大小為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682142】 A．4.810－6 A　　　　　 B．310－13 A C．9.610－6 A D．無(wú)法確定 A　[由電流的定義得I＝＝ A＝4.810－6 A，A正確，B、C、D錯(cuò)誤．] 3．某電解池，如果在1 s內(nèi)共有5.01018個(gè)二價(jià)正離子和1.01019個(gè)一價(jià)負(fù)離子通過(guò)某橫截面，那么通過(guò)這個(gè)橫截面的電流是(　　) A．0 B．0.8 A C．1.6 A D．3.2 A D　[由題，1 s內(nèi)通過(guò)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，代入解得，I＝3.2 A，故選D.] 4．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(guò)圓心的軸以角速度ω沿逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流方向沿什么方向？電流多大？ 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682143】 【解析】　依據(jù)電流的定義式I＝，截取圓環(huán)的任一截面S，在橡膠圓環(huán)運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間T內(nèi)，通過(guò)這個(gè)截面的電荷量為Q，則有：I＝＝，又T＝，所以I＝，方向與正電荷定向移動(dòng)的方向相同，即沿逆時(shí)針?lè)较颍? 【答案】　逆時(shí)針?lè)较颉?