高二物理人教版选修31 2.1电源和电流教案

电源和电流

重/难点

重点：理解电源的形成过程及电流的产生。

难点：会灵活运用公式计算电流的大小。

重/难点分析

重点分析：教材首先利用学生已经学过的等势体上电荷的分布和转移情况 ,然后引导学生分析恒定电场形成的过程 ,并引出了电源和恒定电流的定义和物理意义。教师引导学生分析思考 ,这样更能激发学生的求知欲和学习物理的兴趣。

难点分析：电流的定义式：q

= ,适用于任何电荷的定向移动形成的电流。对于金属导

I

t

体有I=nqvS 〔n为单位体积内的自由电子个数 ,S为导线的横截面积 ,v为自由电子的定向移动速率 ,约5

10m/s ,更小于电场的传播速率10-m/s ,远小于电子热运动的平均速率5

8

⨯m/s〕 ,这个公式只适用于金属导体 ,千万不要到处套用。注意：在电解液导电时 , 310

是正负离子向相反方向定向移动形成电流 ,在用公式I＝q／t计算电流强度时应引起注意。突破策略

1. 教学任务：电源的作用。

师生活动：

投影下面的图片

思考与讨论：

分别带正、负电荷的A、B两个导体球 ,如果用一条导线将它们连接起来 ,A、B之间的电势差会发生什么变化？最后 ,A、B两个导体球会到达什么状态？导线中能否出现电流？这个电流有什么特点？

结论：最终A、B两个导体球会到达静电平衡状态 ,导线中的电流只能是瞬时的。

思维拓展：如何使电路中有持续电流？

类比：如图 ,水池A、B的水面有一定的高度差 ,假设在A、B之间用一细管连起来 ,那么水在重力的作用下定向运动 ,从水池A流动到水池B。A、B之间的高度差很快消失 ,在这种情况下 ,水管中只可能有一个瞬时水流。

思考与讨论：怎样才能使水管中有源源不断的水流呢？

结论：可在A、B之间连接一台抽水机 ,将水池B中的水抽到水池A中 ,这样可保持A、B 之间的高度差 ,从而使水管中有源源不断的水流。

思维拓展：电源的作用与抽水机相似就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置 ,使得导体两端保持电势差(电压) ,电路中就会有持续的电流。

结论：电源能使电路中产生持续电流。

2. 教学任务：导线中的电场

师生活动：

问题引导：在有电源的电路中 ,导线内部的电场强度有何特点呢？

投影(如下图)

介绍图中各局部的意义 ,取出图中方框中的一小段导线及电场线放大后进行研究 ,如下图。

讨论与交流：

导线中的电场将如何变化 ,最终又会到达怎样的状态？

参考解释：

导线中的电场是两局部电荷分布共同作用产生的结果 ,其一是电源正、负极产生的电场 ,可将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使自由电子沿导线做定向移动 ,形成电流；垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集 ,从而使导线的两侧出现正、负净电荷。其二是这些感应电荷产生附加电场 ,该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场 ,直到使导线中该方向合场强为零 ,而到达动态平衡状态。此时导线内的电场线保持与

导线平行 ,自由电子只会在导体中定向移动。

导线内的电场 ,是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动 ,但有的流走了 ,另外的又来补充 ,所以电荷的分布是稳定的 ,电场的分布也稳定。结论：由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。

3. 教学任务：恒定电流

师生活动：

问题引导：在恒定电场中自由电荷会受到电场力的作用 ,而发生定向运动 ,从而形成电流 ,恒定电场中的电流有何特点呢？

参考解释：由于恒定电场的作用 ,导体中自由电荷定向运动的速率增加 ,而在运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速 ,因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。如果我们在这个电路中串联一个电流表 ,电流表的读数保持恒定。

总结与归纳：恒定电场中的电流是恒定不变的 ,大小方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。

4. 教学任务：电流强弱的描述——电流。

师生活动：

问题引导：如何表示恒定电流的强弱呢？

电流的定义：物理上把通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流。用I表示电流。

电流定义式：I＝q t 。

单位：国际单位：安培(A) ,1 A＝1 C/s。常用单位：毫安(mA)、微安(μA)。电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。

思维拓展：

(1)电流是标量；

(2)在金属导体中 ,电流方向与自由电荷(电子)的定向移动方向相反；

(3)在电解液中 ,电流方向与正离子定向移动方向相同 ,与负离子定向移动方向相反。导电时 ,电荷量q 表示通过截面的正、负离子电荷量绝对值之和。

5. 教学任务：电流的微观表达式。

问题引导：

在加有电压的一段粗细均匀的导体AD 上选取两个截面B 和C ,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 ,每个电荷的电荷量为q ,电荷的定向移动速率为v 。 请你用以上物理量表示电流I 。

参考解释：

在时间t 内通过导体某截面的电荷量为：Q ＝(vtS )nq

所形成的电流为：I ＝Q/t ＝nqSv 。

例1. 有一条横截面积2S 1 mm ＝

的铜导线 ,通过的电流I ＝1 A 。铜的密度38.910 kg /m3ρ⨯＝ ,铜的摩尔质量26.410 kg /mol M ⨯－＝ ,阿伏加德罗常数

2316.0210 mol A N ⨯－＝ ,电子的电荷量19 1.610C e ⨯－＝－

。求铜导线中自由电子定向移动的速率。 解析：设自由电子在导线内定向移动的速率是v ,取一段导线(如图)

导线左端的自由电子经过时间t 到达右端 ,自由电子从它的左端定向移动到右端所用的时间记为t ,那么这段导线的长度为vt ,体积为vtS ,质量为ρvtS 。这段导线中的原子数为A vtS

n N M ρ＝。

可以认为铜导线中平均每个铜原子奉献一个自由电子(一般条件下铜可视作一价元素) ,那么这段导线中的自由电子数目与铜原子的数目相等 ,也等于n 。

由于时间t 内这些电子全部通过右端横截面 ,因此通过横截面的电荷量是

A vtS

q ne N e M ρ==。

把这个式子代入I ＝q t ,得A vS I N e M ρ=.