新课标高中物理选修第1节 电源和电流教案

第1节电源和电流

学习目标核心提炼

1.了解电流的形成条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场。2个概念——电源、电流

2个公式——I＝

q

t、I＝nqs v 3个速率——电荷的定向移动速率

电场的传导速率电荷的热运动速率

2.理解电流的定义，知道电流的单位、方向规定，

会用公式q＝It分析相关问题。

3.从微观的角度理解导体中电荷的定向移动与电流

之间的关系。

一、电源

1.电荷的移动与电流的形成

如图1所示，A、B分别带正、负电荷，如果在它们之间连接一条导线R，导线R 中自由电子会在静电力的作用下定向移动，电子移动方向为B→A(选填“A→B”或“B→A”)，导线中瞬间电流方向为A→B(选填“A→B”或“B→A”)，此种情况下，导线R中的电流只是瞬时的。

图1

2.电源

(1)定义：把电子从正极搬运到负极的装置。

(2)作用：①维持电路两端有一定的电势差。

②使电路中保持持续的电流。

二、恒定电流

1.恒定电场

(1)定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场称为恒定电场。

(2)形成：当电路达到稳定时，导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。

(3)特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化。

2.恒定电流

(1)定义：把大小、方向都不随时间变化的电流，称为恒定电流。

(2)表达式：I＝q t。

(3)物理意义：表示电流强弱程度。

(4)单位：国际单位制中的单位是安培，简称安，符号是A。常用的单位还有：毫安(mA)、微安(μA)。1 A＝103 mA＝106μA。

(5)方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。

思考判断

1.静电场中的电势、电势差与电场强度的关系，在恒定电场中同样适用。(√)

2.电流既有大小，又有方向，是矢量。(×)

3.电流的方向与电荷定向移动的方向相同。(×)

4.恒定电流的大小、方向均不变。(√)

5.由于I＝q

t

，所以说I正比于q，反比于t。(×)

对电流的理解

[要点归纳]

1.电流的形成

电荷的定向移动形成电流。当把导体和电源连接后，导体中形成恒定电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下定向移动形成电流。

(1)产生电流的条件：导体两端有电压。

(2)形成持续电流的条件：电路中有电源且电路闭合。

2.电流的方向

规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反，金属导体中自由移动的电荷是自由电子，故电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。

3.电流的大小

(1)I＝q

t是电流的定义式，I＝neS v是电流的决定式，故电流的大小与通过导体横

截面的电荷量以及通电时间无关。

(2)电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成

的电流方向是相同的，应用I＝q

t时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝

对值之和。

(3)q＝It是求电荷量的重要公式。

4.电流是标量

电流虽然有方向，但是它遵循代数运算法则，所以电流不是矢量而是标量。[精典示例]

[例1]在某种带有一价离子的水溶液中，正、负离子在定向移动，方向如图2所示。如果测得2 s内分别有1.0×1018个正离子和1.0×1018个负离子通过溶液内部的横截面M，则溶液中电流的方向如何？电流为多大？

图2

解析水溶液中导电的是自由移动的正、负离子，它们在电场的作用下向相反方向定向移动。电学中规定，电流的方向为正电荷定向移动的方向，所以溶液中电流的方向与正离子定向移动的方向相同，即由A指向B。

每个离子的电荷量是e＝1.60×10－19 C。该水溶液导电时负离子由B向A运动，负离子的定向移动可以等效看做是正离子反方向的定向移动。所以，一定时间内

通过横截面M 的电荷量应该是正、负两种离子电荷量的绝对值之和。 I ＝q t ＝|q 1|＋|q 2|t

＝1.0×1018×1.6×10－19＋1.0×1018×1.6×10－19

2

A ＝0.16 A 。

答案 由A 指向B 0.16 A

对金属来讲，是自由电子的定向移动，q 为通过横截面的自由电子的电荷量。对电解质溶液来讲，是正、负离子同时向相反方向定向移动，q 为正、负离子电荷量的绝对值之和。

[针对训练1] (2020·黑龙江鹤岗一中高二上月考)安培提出了著名的分子电流假说，根据这一假说，电子绕核的运动可等效为环形电流。设电荷量为e 的电子以速度v 绕原子核沿顺时针方向做半径为r 的匀速圆周运动，关于该环形电流的说法，正确的是( )

A.电流大小为v e 2πr ，电流方向为顺时针

B.电流大小为v e r ，电流方向为顺时针

C.电流大小为v e 2πr ，电流方向为逆时针

D.电流大小为v e r ，电流方向为逆时针

解析 由题意知，电子做圆周运动的速率为v ，半径为r ，则电子运动的周期T ＝2πr v ，根据电流的定义式得到，等效电流I ＝e T ＝v e 2πr 。由于电子带负电，则等效电流的方向与电子定向移动方向相反，即沿逆时针方向。

答案 C

电流的微观表达式

[要点归纳]

1.建立模型

如图3所示，AD 表示粗细均匀的一段长为l 的导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v ，设导体的横截面积为S ，导体每单位体积内的自由电荷数为n ，每个自由电荷的电荷量为q 。

图3

2.理论推导

AD 导体中的自由电荷总数：N ＝nlS 。

总电荷量Q ＝Nq ＝nlSq 。

所有这些电荷都通过横截面D 所需要的时间：t ＝l v 。

根据公式q ＝It 可得，导体AD 中的电流：

I ＝Q t ＝nlSq l v

＝nqS v 。

3.结论

由此可见，从微观上看，电流取决于导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关。

[精典示例]

[例2] (多选)一横截面积为S 的铜导线，流过的电流为I ，设每单位体积的导线中有n 个自由电子，电子的电荷量为q ，此时电子的定向移动速率为v ，在Δt 时间内，通过导线横截面的自由电子数目可表示为( )

A.n v S Δt

B.n v Δt

C.I Δt q

D.I Δt Sq

解析 由I ＝Q t 可得，在Δt 时间内通过导线横截面的电荷量Q ＝I Δt ，所以在这段

时间内通过的自由电子数为N ＝Q q ＝I Δt q ，所以C 正确，D 错误；由于自由电子定

向移动的速率是v ，所以在时间Δt 内，位于横截面积为S 、长为l ＝v Δt 的这段导线内的自由电子都能通过横截面，这段导线的体积V ＝Sl ＝S v Δt ，所以Δt 内通