高中物理 1电源和电流课件 新人教版选修3-1

解析： 电源的作用是维持正、负极之间恒定的电势差， 这需要电源不断地将负电荷向负极聚集，将正电荷向正极聚 集，外电路中自由电子在电场力的作用下向正极移动，在电 源内部，需要将正极上的电子搬运到负极，维持电势差不变， 故A错．从能量角度来看，电源在搬运电荷的过程中，需要 克服电场力做功，将其他形式的能转化为电能，B对．电路 中有电流不仅需要电源，还需要电路是闭合的，故C错．电 源是对电路提供能量的装置，故D错．
提示： 有电源不一定得到持续的电流，要得到持续的 电流需要同时满足两个条件：
(1)电路中有电源． (2)电路还必须是闭合的，即必须用导体将电源连接起 来． 所以只有电源，电路不闭合也不会有持续电流．
3．用 I＝qt 计算电流时，与横截面积有关系吗？ 提示： 电流与横截面积无关，没有关系． 从公式 I＝qt 知，q 指时间 t 内通过导体某一横截面的电
1．关于电流的概念，下列说法中正确的有( ) A．导体中有电荷运动就形成电流 B．电流是一个矢量，其方向就是正电荷定向运动的方 向 C．在国际单位制中，电流是一个基本物理量，其单位 安培是基本单位 D．对于导体，只要其两端电势差为零，电流也必为零
解析： 导体中有大量的自由电子，总在不停地做无规 则运动，没有定向运动，在一段时间t内，通过导体某一截 面的电荷是双向的，其数值又是相等的，电流为零，故A 错．电流是一个标量，因为其运算不符合矢量运算法则．为 了便于研究电流，人们规定正电荷定向运动的方向为电流的 方向，以区别于负电荷的定向运动，故B错．在国际单位制 中．共有七个基本量，电流是其中之一，故C正确．对于导 体，其两端电势差为零时，导体内无电场，自由电子不能定 向运动，故电流为零，D正确．
(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＝vl . 根据公式 q＝It 可得： 导体 AD 中的电流：I＝Qt ＝nll/Svq＝nqSv.
(3)结论 由此可见，从微观上看，电流决定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．
答案： D
3．将左边的铜导线和右边的铝导线连接起来，已知截 面积S铝＝2S铜．在铜导线上取一截面A，在铝导线上取一截 面B，若在1 s内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过 这两截面的电流的大小关系是( )
A．IA＝IB B．IA＝2IB C．IB＝2IA D．不能确定
解析： 这个题目中有很多干扰项，例如两个截面的面
(2)对电流的进一步理解 ①电流虽有方向，但不是矢量，是标量．遵循代数运算 法则． ②电流方向规定为正电荷定向移动方向，金属导体中电 流方向与自由电子定向移动方向相反． ③电流定义式 I＝qt 为单位时间通过某一横截面的电荷 量，q 只代入绝对值．电解液中正、负离子定向移动方向虽 然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向相同，q 应
都不随时间变化的电流叫恒
(2)大小：是单位时间内通过导体横截面的电荷量．表 示电流强弱程度的物理量．
3．公式：I＝qt .
其中：I表示电流，q表示在时间t内通过导体横截面的 电荷量 ． 4．单位： 安培 ，符号A.其他单位：毫安(mA)， 微安(μA).1 A＝103 mA＝106 μA. 5．方向：规定 正电荷定向移动的方向为电流方向．
1．电源和电流
一、电源
1．电源的定义 电源是不断把 负电荷 从正极搬运到负极从而维持正 负极之间一定电势差的装置．
2．电源的作用
(1)从电荷移动角度看
电源的作用就是移送电荷，维持电源正、负极间有一定 的 电势差 ，从而保持电路中有持续电流．
电源在内部能把 如右图所示．
电子
从正极A搬运到负极B，
有一横截面积为 S 的铜导线，流经其中的电流为 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 e，
此电子的定向移动速率为 v，在 Δt 时间内，通过导线横截面
的自由电子数可表示为( )
A．nvSΔt
B．nvΔt
IΔt C. e
IΔt D. Se
解析： 因为 I＝Δqt，所以 q＝I·Δt，自由电子数目为： N＝qe＝IΔe t，则选项 C 正确．又因为电流的微观表达式为 I ＝nevS，所以自由电子数目为 N＝qe＝IΔe t＝neveSΔt＝nvSΔt.
积不相等，导线的组成材料不同等等．但关键是通过两截面
的电子数在单位时间内相等，根据 I＝qt 可知电流强度相等． 答案： A
以下说法正确的是( ) A．自由电子定向移动速率就是电子热运动速率 B．自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加 了一个速率很小的定向移动 C．电场的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速 率 D．在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运 动就消失了
解析： 电流的传导速率等于光速，而电子定向移动速 率很小，C不对．电子定向移动速率是在电子以较大速率无 规则热运动的基础上附加的一个很小的速率，A不对，B 对．自由电子定向移动时仍在无规则的热运动，D不对．
量，在公式中并没有限定必须是单位面积通过的电量，所以 计算电流时，与导体横截面的大小无关，只与电量和通过这 些电量所需的时间有关．
关于电源以下说法正确的是( ) A．电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运 到正极，从而保持两极之间有稳定的电势差 B．电源的作用就是将其他形式的能转化为电能 C．只要电路中有电源，电路中就一定有电流 D．电源实质上也是一个用电器，也需要外界提供能量
答案： B
No.4 疑难解释
1．电荷只要移动就一定能形成电流吗？ 提示： 不一定．只有电荷在电场力的作用下形成的定 向移动才能够形成电流．例如没有放在电场中的导体其中的 自由电荷在做无规则热运动，其大量自由电荷向各个方向运 动的机会均等，这样不能形成电流．
2．有电源是否一定会得到持续的电流吗？一个电路要 形成持续电流需具备什么条件？
答案： AC
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3．三种不同速率的比较 (1)三种速率 ①电场的传导速率等于光速． ②电子定向移动速率，其大小与电流有关． ③电子热运动速率，其大小与温度有关． (2)三种速率对比
三种速率 电子定向
比较内容
移动的速率
电子热运 动的速率
物理意义
电流由电荷
的定向移动 形成，电流I ＝neSv，其 中v就是电子 定向移动的 速率
答案： CD
2．一段粗细均匀的金属导体的横截面积是 S，导体单 位长度内的自由电子数为 n，金属内的自由电子的电荷量为 e，自由电子做无规则热运动的速率为 v0，导体中通过的电 流为 I.则下列说法中正确的有( )
A．自由电子定向移动的速率为 v0 B．自由电子定向移动的速率为 v＝neIS C．自由电子定向移动的速率为真空中的光速 c D．自由电子定向移动的速率为 v＝nIe
答案： (1)1 A (2)2 A
2．电流强度的微观表达式 (1)建立模型 如右图所示，AD表示粗细均匀的一段导体，长为l，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.
AD表示粗细均匀的一段导体，长为l，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.
【特别提醒】 计算电流时，首先分清形成电流的自由 电荷的种类．对金属来讲，是自由电子的定向移动，电荷量 q为通过横截面的自由电子的电荷量．对电解液来讲，是正、 负离子同时向相反方向定向移动，电荷量q为正、负离子电 荷量绝对值之和．
(1)在金属导体中，若10 s内通过横截面的电荷量为10 C，则导体中的电流I＝________ A.
导体内部电子 在不停地做无 规则热运动， 由于热运动向 各个方向运动 的机会相等， 故不能形成电 流
大小
10－5 m/s
105 m/s
电场传导 的速率
等于光速，闭合 开关的瞬间，电 路中各处以光速 建立恒定电场， 电路中各处的自 由电子几乎同时 定向移动，整个 电路也几乎同时 形成了电流
3×108 m/s
(2)从能量转化的角度看
搬运电荷的过程就是克服静电力做功的过程，从而将其 他形式的能转化为 电能 ．
二、恒定电流
1．恒定电场
(1)形成：当电路达到稳定时，导线中的电场是由
、
电源
等电导路线元件所积累的电荷共同形成的．
(2)特点：任何位置的
化．
电场强度
都不随时间发生变
2．恒定电流 (1)定义：大小、 方向 定电流．
(2)某电解槽的横截面积为0.5 m2，若10 s内沿相反方向 通过横截面的正、负离子的电荷量均为10 C，则电解液中的 电流I＝________ A.
解析： (1)金属导体中定向移动形成电流的电荷是自由 电子，在 10 s 内通过导体横截面的电荷量 q1＝10 C，故 I1 ＝qt1＝1 A.
(2)电解槽中定向移动形成电流的电荷是沿相反方向运 动的正、负离子，在 10 s 内通过横截面的电荷量 q2＝20 C， 故 I2＝qt2＝2 A.
解析： 本题考查的是对电流微观表达式 I＝nqSv 的理 解，关键是理解 v 和 n 的物理意义，式中 n 为单位体积内自 由电子数，而本题中 n 为单位长度内的自由电子数，t 时间 内通过导体某一横截面的自由电子数为长度是 vt 内的自由 电子，其数量为 nvt，电荷量 q＝nvte，所以电流 I＝qt ＝nev， 所以 v＝nIe，故正确答案为 D.
【反思总结】 对于等效电流的求解问题，一定要找出 一段时间内通过某一横截面的电荷量，才能运用电流的定义 式求出电流的大小．本题的难点就是确定通过某一横截面的 电荷量和时间．
【跟踪发散】 2－1：如果导线中的电流为1 mA，那 么1 s内通过导体横截面的自由电子数是多少？若“220 V,60 W”的白炽灯正常发光时的电流为273 mA，则20 s内通过灯 丝的横截面的电子数目是多少个？
答案： C
已知电子的电荷量为e，质量为m.氢原子的电子在核的 静电力吸引下做半径为r的匀速圆周运动，则电子运动形成 的等效电流大小为多少？
截取电子运动轨道的任一截面，在电子运动一周的时间 T 内，通过这个横截面的电荷量 q＝e，则有：
I＝qt ＝Te.① 再由库仑力提供向心力，有：kre22＝m4Tπ22·r. 得 T＝2πe r mkr.② 由①②解得：I＝2πer22m kmr. 答案： I＝2πer22m kmr
答案： B
【跟踪发散】 1－1：关于电流，下列说法正确的是 ()
A．通过导体横截面的电荷量越多，电流越大 B．电子运动速率越大，电流越大 C．单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，导体中 的电流就越大 D．因为电流有方向，所以电流是矢量
解析： 由 I＝qt 知 I 不仅与 q 有关，还与 t 有关，故 A 错误；由 I＝nqSv 知，I 不仅与电子定向移动的速率 v 有关， 还与 n、S 有关，故 B 错误；由电流的定义知，C 正确；电 流虽然有方向但不是矢量，D 错误．
即电流方向与负电荷定向移动的方向相反． 6．测量电流的仪器： 电流表 ．
1．对电流及电流的形成条件进一步的理解 (1)电流的形成条件 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：导体两端有持续电压． ③电源的作用：电源在电路中起着提供持续电压的作用， 在外电路中，导体中的自由电子从电源负极移向电源正极， 而电源再把电子通过电源内部从正极搬运到负极，使电源正、 负极始终保持一定的电势差，从而产生持续的电流．
解析： q＝It＝1×10－3×1 C＝1×10－3 C， 设电子的数目为 n，则：n＝qe＝1.16××1100－－319 ＝6.25×1015 个． 当“220 V,60 W”的白炽灯正常发光时，电压 U＝220 V， I＝273 mA.q＝It＝273×10－3×20 C＝5.46 C. 设电子的数目为 N，则 N＝qe＝1.6×5.4160－C19 C≈3.4×1019 个． 答案： 6.25×1015个 3.4×1019个