課標解讀1.了解形成電流的條件,知道電源的作用和導(dǎo)體中的恒定電場,初步體會動態(tài)平衡的思想.2.理解電流的定義,知道電流的單位,方向的規(guī)定;理解恒定電流.3.根據(jù)金屬導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動速率的推導(dǎo)過程,從微觀的角度理解導(dǎo)體中電荷的定向移動與電流之間的關(guān)系.
課前自主學(xué)習(xí)一?電源1.電源:能夠把正電荷從負極搬到正極的裝置.2.電源的作用:維持電源的正?負極間有一定的電勢差,在閉合電路中,使導(dǎo)線中的自由電子發(fā)生定向移動,保持持續(xù)的電流.
二?恒定電場1.恒定電場:由電路中穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定電場,當電路穩(wěn)定時,導(dǎo)線中的電場是由電源?導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的,并且形成過程是在接通電源后的極短時間內(nèi)(以光速)完成.2.特點:任何位置的電場強度都不隨時間發(fā)生變化.
三?恒定電流 1.電流:電荷的定向移動形成電流,用符號I表示,單位是安培,符號A. 2.定義:物理學(xué)把流過導(dǎo)體截面的電荷量q與所用時間的比值叫電流,表達式 3.電流的物理意義:表示電流的強弱程度. 4.恒定電流:大小和方向都不隨時間變化的電流叫恒定電流.
課堂互動探究一?電源1.導(dǎo)體中的自由電荷在電場力作用下發(fā)生定向移動形成電流
有A?B兩個導(dǎo)體,分別帶正?負電荷,如果在它們之間連接一條導(dǎo)線R,如上圖(a)所示,導(dǎo)線R中的自由電子便會在靜電力的作用下定向運動,B失去電子,A得到電子,周圍電場迅速減弱,A?B之間的電勢差很快就消失,兩導(dǎo)體成為一個等勢體,達到靜電平衡,如上圖(b)所示.
2.電源可使電路中保持持續(xù)電流.在上述情況中,導(dǎo)線R中的電流只是一個瞬時電流.倘若在A?B之間連接一個裝置P,它能源源不斷地把經(jīng)過導(dǎo)線R流到A的電子取走,補充給B,使A?B始終保持一定數(shù)量的正?負電荷,這樣,A?B周圍空間(包括導(dǎo)線之中)始終存在一定的電場,A?B之間便維持著一定的電勢差.
由于這個電勢差,導(dǎo)線中的自由電子就能不斷地在靜電力作用下由B經(jīng)過R向A定向移動,使電路中保持持續(xù)的電流,如圖所示,能把電子從A搬到B的裝置P就是電源.
二?導(dǎo)體中的電場1.導(dǎo)線中電場的形成導(dǎo)線本身由許多帶電粒子(電子和質(zhì)子)組成,當它和電源連通后,在電源兩極上的正?負電荷激發(fā)的電場作用下,導(dǎo)線的表面以及導(dǎo)線的接頭處會有電荷積累,正是這些電荷激發(fā)了導(dǎo)線內(nèi)外的電場,也正是依靠這些電荷才保證導(dǎo)線內(nèi)部的場強沿導(dǎo)線方向,所以導(dǎo)線中的電場,是由電源?導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的,并且形成過程是在接通電源后的極短時間內(nèi)(以光速)完成.
2.恒定電場導(dǎo)線與電源連通后,導(dǎo)線內(nèi)部很快形成沿導(dǎo)線切線方向的電場,這個電場是由電源?導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的,盡管這些電荷也在運動,但有的流走了,另外的又來補充,所以電荷的分布是穩(wěn)定的,電場的分布也不會隨時間變化.這種由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場,稱為恒定電場.
由于在恒定電場中,任何位置的電場強度都不隨時間變化,所以它的基本性質(zhì)與靜電場相同,在靜電場中所講的電勢?電勢差及其與電場強度的關(guān)系等,在恒定電場中同樣適用.
三?形成電流的條件電荷的定向移動形成電流.形成電流滿足兩個條件:1.要有能自由移動的電荷,在金屬導(dǎo)體中的自由電子,電解液中的正負離子,都是自由電荷.
2.導(dǎo)體兩端存在電壓.自由電荷只有定向移動才能形成電流,要使自由電荷定向移動,需給自由電荷施加驅(qū)使它作定向移動的作用力,這個作用力可以由電場施加.將導(dǎo)體的兩端加上一定的電壓(通過電源實現(xiàn)),導(dǎo)體就有了電場,導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下定向移動,形成電流,所以形成電流還應(yīng)滿足,導(dǎo)體兩端存在電壓.注意:為了使導(dǎo)體中有持續(xù)電流,必須使導(dǎo)體兩端保持持續(xù)電壓,持續(xù)電壓可由電源提供.
四?電流 1.(1)定義:通過導(dǎo)體橫截面的電量跟通過這些電量所用時間的比值,叫做電流強度,簡稱電流,用I表示 (2)定義式: (3)物理意義:表示電流強弱的物理量.
(4)單位:國際單位——安培(A);其他單位——毫安(mA)微安(μA).1 A=103 mA=106 μA.(5)方向:習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動方向為電流方向.
注意:①金屬導(dǎo)體中電流的方向與自由電子定向移動的方向相反. ②電解液中正?負離子定向移動的方向雖然相反,但正?負離子定向移動形成的電流方向是相同的. ③電流是標量,雖有大小及方向,但不是矢量. ④由 求出的是電流的平均值,q=It可求電量.
2.電流強度的微觀解釋 如圖所示,AD表示粗細均勻的一段導(dǎo)體l,兩端加一定的電壓,導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動的速率為v,設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S,導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電量為q,則AD導(dǎo)體中自由電荷總數(shù)N=nlS,總電量Q=Nq=nlSq,所有這些電荷都通過橫截面D所需要的時間: 所以AD上的電流
由此可見,從微觀上看,電流決定于導(dǎo)體中自由電荷的密度,電荷量以及定向移動速度,還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān).
典例分析一?對電流概念的理解例1:關(guān)于電流,下列說法中正確的是( )A.通過導(dǎo)體截面的電荷量越多,電流越大B.電子運動速率越大,電流越大C.單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電荷量越多,導(dǎo)體中的電流就越大D.因為電流有方向,所以電流是矢量
解析:由 知q大,I不一定大,還要看t的大小,故A錯誤.由I=nqSv知,電子運動的速率v大,電流不一定大,電流還與n?S有關(guān),另外電子無規(guī)則熱運動速度很大,不能形成電流,故B錯誤.單位時間通過導(dǎo)線橫截面的電量越多,電流越大,故C正確.電流雖有方向但不是矢量,因合成遵循代數(shù)法則,故D錯誤.
名師點撥:電流由電荷的定向移動形成,從微觀表達式來看,I=nqSv,電流與導(dǎo)體中單位體積的電荷數(shù)?電荷的電量?導(dǎo)線的橫截面積?定向移動的速度這四個因素有關(guān).電流有大小也有方向但不是矢量,因它不遵循平行四邊形法則.
[鞏固練習(xí)]1.下列說法中正確的是 ( )A.導(dǎo)體中電荷運動就形成了電流B.在國際單位制中,電流的單位是AC.電流有方向,它是一個矢量D.任何物體,只要其兩端電勢差不為零,就有電流存在
解析:自由電荷定向移動才形成電流,僅有電荷移動但不是定向移動則不行,故選項A錯誤.形成電流的條件是導(dǎo)體兩端保持有電壓,且必須是導(dǎo)體而非任何物體,故選項D錯誤.電流有方向,但它是標量,故選項C錯誤.正確答案為選項B.答案:B
例2:來自質(zhì)子源的質(zhì)子(初速為零)經(jīng)過一加速電壓為800 kV的直線加速器加速,形成了1 mA的細柱形質(zhì)子流,已知質(zhì)子的電荷量e=1.6×10-19 C,這束質(zhì)子流每秒中打到靶上的質(zhì)子數(shù)為多少個?
答案:6.25×1015個
名師點撥: 中的q為通過某截面的電荷量,并不是單位面積的電荷量,也就是q與橫截面積大小無關(guān);如果電流是異種電荷同時定向移動形成的,則表達式中的q應(yīng)為異種電荷的總電荷量.
[鞏固練習(xí)]2.在10 s內(nèi),通過金屬導(dǎo)體橫截面的電荷量為16 C.求導(dǎo)體中的電流強度和每秒鐘通過導(dǎo)體橫截面的自由電子數(shù).
答案:1.6 A 1019
三?電流微觀表達式I=nqSv的應(yīng)用 例3:有一橫截面積為S的銅導(dǎo)線,流經(jīng)其中的電流為I,設(shè)每單位體積的導(dǎo)線中有n個自由電子,電子的電荷量為q,此時電子定向移動的速率為v,在t時間內(nèi),通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)可表示為( )
名師點撥:在電流的微觀表達式I=nqSv中,n為導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù),是由導(dǎo)體本身的材料決定的.與導(dǎo)體的長度和橫截面的大小無關(guān),在有些問題中如果導(dǎo)體粗細均勻,有時給出的n為單位長度內(nèi)的電荷數(shù),這時電流的微觀表達式就變?yōu)镮=nqv.
[鞏固練習(xí)]3.一段粗細均勻的金屬導(dǎo)體的橫截面積是S,導(dǎo)體單位長度內(nèi)的自由電子數(shù)為n,金屬內(nèi)的自由電子電荷量為e,自由電子做無規(guī)則熱運動的速率為v0,導(dǎo)體中通過的電流為I,以下說法中正確的有( )
A.自由電子定向移動的速率為v0 B.自由電子定向移動的速率為 C.自由電子定向移動的速率為真空中的光速c D.自由電子定向移動的速率為
解析:電流在導(dǎo)體內(nèi)的傳導(dǎo)速度等于光速,而自由電子定向移動的速率遠小于光速,故C錯誤;自由電子在金屬內(nèi)無規(guī)則熱運動的速率v0與金屬導(dǎo)體的溫度有關(guān),它與電流無關(guān),故A錯誤;當n為單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)時,I=neSv,當n為單位長度內(nèi)自由電子數(shù)時,I=nev,故B錯誤,D選項正確.答案:D
課后鞏固提升鞏固基礎(chǔ)1.關(guān)于形成電流的條件,下列說法正確的是( )A.物體內(nèi)有自由移動的電荷B.物體內(nèi)有自由電荷且兩端有電勢差C.物體兩端存在電壓D.導(dǎo)體兩端存在電壓
解析:電流是電荷的定向移動形成的,物體內(nèi)有能夠自由移動的電荷,即物體為導(dǎo)體,再者導(dǎo)體兩端有電壓,能使自由電荷定向移動,故B?D選項正確.答案:BD
2.下列敘述中正確的是( )A.導(dǎo)體中電荷運動就形成電流B.國際單位制中電流的單位是安C.電流強度是一個標量,其方向是沒有意義的D.對于導(dǎo)體,只要其兩端電勢差不為零,電流強度必定不為零
解析:電流產(chǎn)生的條件包括兩個方面,一是有自由電荷,二是有電勢差,導(dǎo)體中有大量的自由電子,因此只需其兩端具有電勢差即可產(chǎn)生電流,在國際單位制中電流強度的單位為安.答案:BD
3.一段橫截面積為0.5 cm2的導(dǎo)體材料中,每秒鐘有0.2 C正電荷和0.3 C負電荷相向運動,則電流強度是( )A.0.2 A B.0.3 AC.0.5 A D.104 A
4.關(guān)于電流,下列說法中正確的是( )A.導(dǎo)體中無電流的原因是其內(nèi)部自由電荷停止了運動B.同種材料制成的兩個金屬導(dǎo)體都通電,則電流大的那個導(dǎo)體內(nèi)自由電荷定向移動速率大C.由于電荷做無規(guī)則熱運動的速度比電荷定向移動速率大得多,故電荷做無規(guī)則熱運動形成的電流也就大得多D.電荷做無規(guī)則熱運動不形成電流
解析:電流是自由電荷定向移動形成的,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在做無規(guī)則的熱運動,故A錯誤;由電流的微觀表達式I=nqSv可知,同種材料制成的導(dǎo)體,電流的大小不單是由定向移動速率決定的,故B錯誤;無規(guī)則的熱運動不會形成電流,只有電荷定向移動才會形成電流,故C錯誤,D正確.答案:D
5.關(guān)于電流的概念,下列說法中正確的是( )A.導(dǎo)線中有電荷運動就形成電流B.電流是一個矢量,其方向就是正電荷定向運動的方向C.在國際單位制中,電流是一個基本物理量,其單位安培是基本單位D.對于導(dǎo)線,只要其兩端電勢差為零,電流也必為零
解析:電流是電荷定向移動形成的,電流雖然有方向,但電流為標量,因為電流不滿足平行四邊形定則;電流是物理量中一個基本物理量,其單位安培在國際單位制中是一個基本單位;導(dǎo)體兩端電勢差為零,導(dǎo)體中電流一定為零,故C?D選項正確.答案:CD
6.有穩(wěn)定電流時關(guān)于導(dǎo)體中的恒定電場.下列說法正確的是( )A.導(dǎo)體中的電場是由電源兩極電荷在空間直接形成的B.導(dǎo)體中的電場是由導(dǎo)體內(nèi)自由電荷形成的C.由于處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體內(nèi)場強為零D.導(dǎo)體中的電場分布不隨時間變化
解析:有穩(wěn)定電流時,導(dǎo)體中的電場是由電源電場和導(dǎo)體側(cè)面堆積電荷形成的電場疊加而成的,故A?B錯誤;導(dǎo)體不是處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體中的電場場強不為零,故C選項錯誤;導(dǎo)體中電場是恒定的,不隨時間變化,故D選項正確.答案:D
提升能力7.半徑為R的橡膠圓環(huán)均勻帶正電,總電量為Q,現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直環(huán)所在平面且通過圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流應(yīng)有( )
A.若ω不變而使電荷量Q變?yōu)樵瓉淼?倍,則電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍B.若電荷量Q不變而使ω變?yōu)樵瓉淼?倍,則電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍C.若使ω?Q不變,將橡膠環(huán)拉伸,使環(huán)半徑增大,電流將變大D.若使ω?Q不變,將橡膠環(huán)拉伸,使環(huán)半徑增大,電流將變小
解析:截取圓環(huán)的任一截面S,如圖所示,在橡膠圓環(huán)運動一周的時間T內(nèi),通過這個截面的電荷量的Q,則有:
8.如右圖所示,電解池內(nèi)有一價的電解液,t s內(nèi)通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)是n1,負離子數(shù)是n2,設(shè)元電荷為e,以下解釋中正確的是( )
A.正離子定向移動形成電流方向從A→B,負離子定向移動形成電流方向從B→A B.溶液內(nèi)正負離子向相反方向移動,電流抵消 C.溶液內(nèi)電流方向從A到B,電流強度 D.溶液內(nèi)電流方向A → B,電流強度
9.銅的原子量為m,密度為ρ,每摩爾銅原子有n個自由電子,今有一根橫截面為S的銅導(dǎo)線,當通過的電流為I時,電子平均定向移動的速率為( )
10.一個半導(dǎo)體收音機,電池供電的電流是8 mA,也就是說( )A.1 h電池供給1 C的電量B.1000 s電池供給8 C的電量C.1 s電池供給8 C的電量D.1 min電池供給8 C的電量解析:根據(jù)q=It,可知B選項正確.答案:B
11.已知電子的電荷量為e,質(zhì)量為m,氫原子的電子在核的靜電力吸引下做半徑為r的勻速圓周運動,則電子運動形成的等效電流大小為多少?解析:所謂等效電流,就是把電子繞核運動單位時間段的電荷量通過圓周上各處看成是持續(xù)運動時所形成的電流,根據(jù)電流強度的定義即可算出等效電流的大小.

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1 電源和電流

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