高中物理学案：电源和电流

高中物理学案：电源和电流

[学科素养与目标要求]

物理观念：1.了解电流的形成条件、电源的作用和导体中的恒定电场.2.理解电流的定义、定义式、单位及方向的规定,会用公式q＝It分析相关问题.

科学思维：会推导电流的微观表达式,从微观的角度认识影响电流大小的因素.

一、电源

1.定义：能把电子在电源内部从电源正极搬运到负极的装置.

2.作用：移送电荷,维持电源正、负极间有一定的电势差,保持电路中有持续电流.

二、恒定电场

1.定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场.

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,其基本性质与静电场相同.

三、恒定电流

1.定义：大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流.

2.电流的定义式：I＝q

t

,其物理意义：单位时间内,通过导体横截面的电荷量,是表示电流强弱

程度的物理量.

1.判断下列说法的正误.

(1)导体内没有电流时,就说明导体内部的电荷没有运动.(×)

(2)电流既有大小,又有方向,是矢量.(×)

(3)导体中的电流一定是正电荷定向移动形成的.(×)

(4)电子定向移动的方向就是电流的方向.(×)

(5)电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量越多.(√)

2.在一次闪电的过程中,流动的电荷量大约为300C,持续的时间大约是0.005s,所形成的平均

电流强度为________A.

答案 6.0×104

一、电流的理解和计算

如图所示,在装有导电液体的细管中,有正、负两种电荷向相反的方向运动,在时间t内通过细管某截面的正电荷为q1,通过此截面的负电荷为q2.

(1)确定通过导电液体中电流的方向.

(2)计算导电液体中电流的大小.

答案(1)电流方向为正电荷定向移动方向或负电荷定向移动方向的反方向,故导电液体中电流方向为由左向右.

(2)I＝|q1|＋|q2|

t

.

1.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.

2.电流的定义式：I＝q

t

.用该式计算出的电流是时间t内的平均值.对于恒定电流,电流的瞬时

值与平均值相等.

3.电流虽然有方向,但它是标量,它遵循代数运算法则.

例1如图1所示,电解池内有一价的电解液,t时间内通过溶液内面积为S的截面的正离子数是n1,负离子数是n2,设元电荷为e,以下说法中正确的是( )

图1

A.当n1＝n2时电流强度为零

B.当n1＞n2时,电流方向从A→B,电流强度为I＝(n1－n2)e

t

C.当n1＜n2时,电流方向从B→A,电流强度为I＝(n2－n1)e

t

D.溶液内电流方向从A→B,电流强度为I＝(n1＋n2)e

t

答案 D

解析正离子定向移动方向就是电流方向,负离子定向移动的反方向也是电流方向；有正、负

离子向相反方向经过同一截面时,公式I＝q

t

中的q应是正、负离子电荷量绝对值之和,故I＝

(n1＋n2)e

t

,电流方向由A指向B,与正、负离子的数量无关,A、B、C错误,D正确.

针对训练1 某电解池,如果在1s内共有5×1018个二价正离子和1×1019个一价负离子通过面积为0.1m2的某截面,那么通过这个截面的电流是( )

A.0B.0.8AC.1.6AD.3.2A

答案 D

[学科素养] 负电荷向一个方向定向移动,等效为正电荷向相反方向定向移动,所以在电解液中形成电流的电荷量为正、负电荷电荷量的绝对值之和.通过以上两个题目,学生能更好地理解不同情景下电流的形成及电流的定义式,体现了“物理观念”的学科素养.

二、电流的微观表达式

1.电流的微观表达式的推导

如图2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大小为q.则：

图2

导体AD内的自由电荷全部通过横截面D所用的时间t＝l

v

.导体AD内的自由电荷总数N＝nlS

总电荷量Q＝Nq＝nlSq

此导体上的电流I＝Q

t

＝

nlSq

l

v

＝nqvS

2.电流的微观表达式I＝nqvS

(1)I＝q

t

是电流的定义式,I＝nqvS是电流的决定式,因此I与通过导体横截面的电荷量q及时

间t无关,从微观上看,电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量大小q、定向移动的速率v,还与导体的横截面积S有关.

(2)v表示电荷定向移动的速率.自由电荷在不停地做无规则的热运动,其速率为热运动的速率,电流是自由电荷在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的.

[延伸阅读] 三种速率的比较

(1)电子定向移动速率：也是公式I＝neSv中的v,大小约为10－5m/s.

(2)电流的传导速率：就是导体中建立电场的速率,等于光速,为3×108m/s.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)电子热运动速率：电子做无规则热运动的速率,大小约为105m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等,故此运动不能形成电流.

例2导线中的电流是1A,导线的横截面积为1mm2.

(1)在1s内,有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e＝1.6×10－19C)?

(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有8.5×1028个自由电子)?

(3)自由电子沿导线定向移动1m,平均要多少时间？

答案(1)6.25×1018个(2)7.35×10－5m/s (3)3.78h

解析(1)N＝q

e

＝

It

e

＝6.25×1018个.

(2)由公式I＝neSv,得

v＝

I

neS

＝

1

8.5×1028×1.6×10－19×1×10－6

m/s

≈7.35×10－5m/s.

(3)沿导线移动1m需用时t＝

1

7.35×10－5

s≈3.78h.

针对训练2 (2018·南昌二中高二期中)如图3所示是一根粗细均匀的橡胶棒,其横截面积为