電源和電流新 課 程 標 準學 業(yè) 質 量 目 標1.了解電源的作用。2.知道電流的定義及單位、方向的規(guī)定,理解恒定電流。合格性考試1.能用電流的概念,解釋自然現(xiàn)象,解決實際問題。2.能運用電流的定義式進行計算。選擇性考試1.能判斷電流的方向和計算電流的大小。2.能分析數(shù)據(jù),得到幾種不同的電流的微觀表達式。3.能做到實事求是,對導體中三種速率進行比較。必備知識·自主學習一、電源1.定義:電源是能不斷把電子從正極搬運到負極的裝置。2.作用:(1)移送電荷,使電源正、負極間有一定的電勢差。(2)使電路中有持續(xù)的電流。二、恒定電流　有的同學說:“電流有方向,電流就是矢量”,這種說法對嗎?提示:不對,電流雖然有方向,但是電流的運算不遵循平行四邊形定則,所以電流不是矢量,是標量。1.恒定電場:(1)由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場。(2)形成:當電路達到穩(wěn)定時,導線中的電場是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的。(3)特點:任何位置的電荷分布和電場強度都不隨時間變化。2.恒定電流:大小、方向都不隨時間變化的電流。3.電流:(1)定義:電荷的定向移動形成電流。(2)意義:反映了電流的強弱程度。(3)單位:①國際單位:安培,簡稱安,符號為A。②常用單位:毫安mA、微安μA。③關系:1 mA=10-3A;1 μA=10-6A。(4)表達式:I=。(5)電流的方向:正電荷定向移動的方向規(guī)定為電流的方向。　(1)電源的作用就是將其他形式的能轉化為電能。(√)(2)恒定電場與靜電場性質基本相同,兩者沒有區(qū)別。(×)(3)電流的方向與電荷定向移動的方向相同。(×)(4)電流越大,單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量就越多。(√)(5)只要電路中有電源,電路中就會形成持續(xù)的電流。(×)關鍵能力·合作學習知識點一　電源和電流的性質1.電源的作用:從電荷轉移的角度看使電路中的自由電荷持續(xù)地定向移動從能量轉化的角度看搬運電荷的過程是非靜電力做功的過程,從而將其他形式的能轉化為電能2.形成電流的三種電荷:形成電流的三種電荷為自由電子、正離子和負離子,舉例說明:(1)金屬導體導電時定向移動的電荷是自由電子;(2)液體導電時定向移動的電荷有正離子和負離子;(3)氣體導電時定向移動的電荷有自由電子、正離子和負離子。3.電流的形成:(1)形成原因:電荷的定向移動。(2)形成條件:導體兩端有電壓。(3)電路中產(chǎn)生持續(xù)電流的條件:電路中有電源且電路閉合。水為什么能從水池A流到水池B?提示:因為水池A比水池B高。【典例】下列關于電源的說法中正確的是(　　)A.電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負極搬運到正極,保持兩極之間有電壓B.電源把正、負電荷分開的過程是把其他形式的能轉化為電能的過程C.電荷的移動形成電流D.只要電路中有電源,電路中就會形成持續(xù)的電流【解析】選B。在電源內(nèi)部,電源把電子由正極搬運到負極,這一過程要克服靜電力做功,把其他形式的能轉化為電能,故選項A錯誤,選項B正確;電荷的定向移動才形成電流,選項C錯誤;電路中要形成持續(xù)的電流,既要有電源,電路又要閉合,兩者缺一不可,故選項D錯誤。1.下列關于電源和電流的說法正確的是(　　)A.因為電流有方向,所以電流是矢量B.通過導體橫截面的電荷量越多,電流越大C.電源是將電能轉化為其他形式的能的裝置D.電源能把自由電子從正極搬運到負極【解析】選D。電流有方向,但電流的計算不能根據(jù)平行四邊形定則進行計算,故電流是標量,故A項錯誤;根據(jù)電流的定義式I=可知,通過導體橫截面的電荷量越大,導體中的電流不一定大,還要看時間長短,故B項錯誤;電源是提供電能的裝置,把其他形式的能轉化成電能,故C項錯誤;電源能把自由電子從正極搬運到負極,從而形成兩極間的電勢差,故D項正確。2.下列說法中正確的是(　　)A.導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,只要其兩端的電勢差不為零,就有電流存在【解析】選B。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能形成電流,故選項A錯誤;形成電流的條件是導體兩端有電勢差,且必須是導體而非任何物體,故選項D錯誤;電流有方向,但它是標量,故選項C錯誤。【加固訓練】(多選)將一些電學元件用導線連接在某電源的兩端,下列描述正確的是(　　)A.電源的作用是使電源的正、負極兩端保持一定的電勢差B.電源的作用是能為電路持續(xù)地提供自由電荷C.導體中的電場是由電源正、負極上的電荷形成的D.導體中的電場是由電源的電場和導體中積累的電荷形成的電場疊加而形成的【解析】選A、D。電源將負電荷從正極搬到負極,維持正、負極間有一定的電勢差,故選項A正確,B錯誤;導體中的電場是電源電場和導體中積累的電荷形成的電場疊加而成的,故選項C錯誤,D正確。知識點二　電流的計算角度1金屬導體中電流的計算金屬導體中的自由電荷只有自由電子,運用I=計算時,q是某一時間內(nèi)通過金屬導體橫截面的電子的電荷量。【典例1】一條金屬導體中的電流是5 μA,那么在3.2 s內(nèi)通過金屬導體橫截面定向運動的自由電荷個數(shù)是(　　)A.1×1014個　　　　B.1×1015個C.2×1014個   D.2×1015個【解析】選A。根據(jù)電流的定義式I=可得:q=It=5×10-6×3.2 C=1.6×10-5 C,通過該截面的自由電荷(自由電子)個數(shù)n===1×1014個,故選項A正確。角度2電解液中電流的計算電解液中的自由電荷是正、負離子,運用I=計算時,q應是同一時間內(nèi)正、負兩種離子通過橫截面的電荷量的絕對值之和。【典例2】如圖所示,電解池內(nèi)有一價的電解液,時間t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,設元電荷為e,以下解釋中正確的是(　　)A.正離子定向移動形成的電流方向從A→B,負離子定向移動形成的電流方向從B→AB.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→B,電流強度I=D.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強度I=【解析】選D。正電荷定向移動的方向就是電流方向,負電荷定向移動的反方向也是電流方向,故選項A、B錯誤;有正、負電荷反向經(jīng)過同一截面時,I=公式中q應是正、負電荷的電荷量絕對值之和,故I=,電流方向由A指向B,故選項C錯誤,D正確。角度3環(huán)形電流的計算　環(huán)形電流的計算采用等效的觀點分析。(1)等效電流:就是把電子周期性地通過圓周上各處形成的電流看成持續(xù)不斷地通過圓周上各處時所形成的電流。(2)對周期性運動的電荷,常取一個周期來計算等效電流,利用I==求等效電流。【典例3】半徑為R的均勻帶電圓環(huán),橫截面積為S,所帶電荷量為Q,現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直圓環(huán)所在平面且過圓心的軸以角速度ω勻速轉動,則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流為(　　)A.　　　　B.　　　　C.　　　　D.【解析】選A。圓環(huán)轉動的周期為T=,根據(jù)I=,則圓環(huán)產(chǎn)生的等效電流為I==,故選項A正確。1.在電解槽中,1 min內(nèi)通過橫截面的二價正離子和一價負離子的個數(shù)分別為7.5×1020個和1.5×1021個,則通過電解槽的電流為(　　)A.0　　　　B.8 A　　　　C.4 A　　　　D.480 A【解析】選B。電流由正、負離子的定向移動形成,則在60 s內(nèi)通過橫截面的總電荷量應為Q=2×1.6×10-19×7.5×1020 C+1.6×10-19×1.5×1021 C=480 C。由電流的定義式可知I== A=8 A,故選項B正確。2.北京正負電子對撞機的儲存環(huán)是周長為240 m的近似圓形軌道。當環(huán)中電子以光速的的速度流動而形成的電流是10 mA時,環(huán)中運行的電子數(shù)目為(已知光速c=3×108 m/s,電子電荷量e=1.6×10-19 C)(　　)A.5×1010個  B.5×1011個C.1×102個  D.1×104個【解析】選B。電子運動一周用的時間:t== s=8×10-6 s,由電流的定義式I=,則電量為q=It=0.01×8×10-6C=8×10-8 C,則在整個環(huán)中運行的電子數(shù)目:n=個=5×1011個,故選項B正確。【加固訓練】某一探測器因射線照射,內(nèi)部氣體電離,在時間t內(nèi)有n個二價正離子到達陰極,有2n個電子到達探測器的陽極,則探測器電路中的電流為(　　)A.0　　　　B.　　　　C.　　　　D.【解析】選D。探測器電路中的電流I==,故選項D正確。知識點三　電流的微觀表達式1.推導過程:(1)情境。如圖所示,AB表示粗細均勻的一段導體,兩端加一定的電壓,導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率為v,設導體的長度為L,橫截面積為S,導體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電荷量為q。(2)推導。導體AB中的自由電荷總數(shù)N=nLS,總電荷量Q=Nq=nLSq,所有這些電荷都通過橫截面所需要的時間t=,導體AB中電流為I===nqSv。(3)結論:電流的微觀表達式為I=nqSv。電流的大小取決于單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)n、每個自由電荷的電荷量q、導體的橫截面積S、自由電荷定向移動速率v。2.電流的定義式和微觀表達式的比較:項目I=I=nqSv公式性質定義式決定式電流的意義時間t內(nèi)的平均電流某時刻的瞬時電流描述的角度大量電荷定向移動的宏觀表現(xiàn)形成電流的微觀實質聯(lián)系由I=可導出I=nqSv【典例】銅的摩爾質量為m,密度為ρ,每摩爾銅原子有n個自由電子,今有一根橫截面積為S的銅導線,當通過的電流為I時,電子定向移動的平均速率為(　　)A.光速c　　　B.　　　　C.　　　D.【解析】選D。如圖所示,選長度為l的銅導線為研究對象。所選研究對象的體積為V=lS ①銅的摩爾體積V0= ②由①②可得所選研究對象的物質的量N=== ③因為每摩爾銅原子有n個自由電子,所以所選研究對象所含自由電子個數(shù)n1=Nn= ④電流:I== ⑤由④⑤得v=,故D正確。　用電流的微觀表達式求解問題的注意點(1)準確理解公式中各物理量的意義,式中的v是指自由電荷定向移動的速率,不是電流的傳導速率,也不是電子熱運動的速率。(2)I=nqSv是由I=導出的,若n的含義不同,表達式的形式也會不同。1.電路中每分鐘有60萬億個自由電子通過橫截面積為0.5 mm2的導線,那么電路中的電流是(　　)A.0.016 μA　　　　　B.1.6 μAC.16 μA     D.0.16 μA【解析】選D。每分鐘通過的電量為:q=60×1012×1.6×10-19 C=9.6×10-6 C,則電路中的電流為:I== A=1.6×10-7 A=0.16 μA,故選項D正確。2.安培提出了著名的分子電流假說,根據(jù)這一假說,電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流。設帶電荷量為e的電子以速率v繞原子核沿順時針方向做半徑為r的勻速圓周運動,其電流的等效電流強度I和方向為(　　)A.　順時針　 B.　順時針C.　逆時針　 D.　逆時針【解析】選C。電子繞核運動可等效為一環(huán)形電流,電子運動周期為 T=,根據(jù)電流的定義式得:電流強度為 I===,因為電子帶負電,所以電流方向與電子定向移動方向相反,即沿逆時針方向,故C項正確。3.某興趣小組調查一條河流的水質情況,計算結果表明,被污染的河里一分鐘內(nèi)有相當于6 C的正離子和9 C的負離子向下游流去,則取樣時這條河流的等效電流大小和方向分別是(　　)A.0.25 A　順流而下 B.0.05 A　順流而下C.0.25 A　逆流而上 D.0.05 A　逆流而上【解析】選D。若正負離子移動方向相反,則通過橫截面的總電荷量是兩種離子電荷量絕對值之和,若正負離子向著同一個方向流動,則通過橫截面的總電荷量等于正負離子的電荷量的代數(shù)和,所以在1 min內(nèi)通過橫截面的總電荷量應為q=6 C-9 C=-3 C,所以電流I==0.05 A,方向與河水的流動方向相反,即電流的方向為逆流而上,D正確。【拓展例題】考查內(nèi)容:導體內(nèi)的三種速率【典例】在導體中有電流通過時,下列說法正確的是(　　)A.電子定向移動速率為光速B.電子定向移動速率即是電場傳導速率C.電子定向移動速率是電子熱運動速率D.在金屬導體中,自由電子只不過在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加了一個速率很小的定向移動【解析】選D。電子定向運動的速率很小,電流的傳導速率與光速差不多,在金屬導體中,自由電子只不過在速率很大的無規(guī)則熱運動上附加了一個速率很小的定向移動,故A、B、C項錯誤,D項正確。情境·模型·素養(yǎng)　電池的容量就是電池放電時能輸出的總電荷量。通常以安培小時(A·h)或毫安小時(mA·h)作單位。問題:充滿電的15 A·h的蓄電池,可以使用電器正常工作10小時,則蓄電池的放電電流約為多少?【解析】根據(jù)I== A=1.5 A。答案:1.5 A　情境:鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極。回正極的鋰離子越多,放電容量越高。問題:一輛電池容量為120 Ah的電動汽車,平均工作電流是5 A,能連續(xù)運行多長時間?【解析】根據(jù)I=,得t== h=24 h答案:24 h課堂檢測·素養(yǎng)達標1.在示波管中,電子槍3 s內(nèi)發(fā)射6×1013個電子,則示波管中的電流為(　　)A.3.2×10-6 A　　　　　　　 B.4.8×10-6 AC.9.6×10-6 A     D.1.6×10-6 A【解析】選A。每個電子的電荷量大小為e=1.6×10-19 C,6×1013個電子總電荷量為q=6×1013×1.6×10-19 C=9.6×10-6 C,則示波管中電流I== A=3.2×10-6A,故選項A正確。2.第26屆國際計量大會重新定義了電流單位安(A),當元電荷e以單位C(即A·s)表示時,將其數(shù)值取為1.602 176 634×10-19 C來定義安(培)。則在新的定義下流過金屬導體的電流為1 A時,單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電子個數(shù)為(　　)A.1×10-19     B.1.602 176 634×1019C.   D.【解析】選C。根據(jù)q=It=ne,可得電子個數(shù)n==,故C選項正確,A、B、D錯誤。3.(2020·德州高二檢測)雷擊,指打雷時電流通過人、畜、樹木、建筑物等造成殺傷或破壞,其中一種雷擊形式是帶電的云層與大地上某點之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象,叫作“直擊雷”。若某次發(fā)生“直擊雷”前瞬間云層所帶的電荷量為8 C,雷擊時放電時間為200 μs,則此次雷擊時的平均電流為(　　)A.0.04 A   B.4×104 AC.0.08 A   D.8×104 A【解析】選B。已知雷擊時放電時間為200 μs,放電量等于8 C,則此次雷擊時的平均電流為I== A=4×104 A,故選項B正確。4.“氫火焰離子化檢測器”可以檢測出無機物氣體中極其微量的有機分子的含量,其裝置如圖所示,在氫火焰的作用下,有機物的分子電離為一價正離子和自由電子,而無機物的分子不會電離。設單位時間內(nèi)有n摩爾被檢測氣體進入檢測器,調節(jié)滑動變阻器,使得電流表的示數(shù)逐漸變大,直到達到最大值I,求有機物分子與被檢測氣體分子的數(shù)目的比值K是多少。(阿伏加德羅常數(shù)為NA,電子的電荷量為e) 【解析】電流達到最大值I后,表明電離出來的電子全部到達了陽極,設經(jīng)過時間t到達極板的電荷量為q,則q=It,被電離的有機物分子的數(shù)目N′==,則有機物分子占被測氣體分子的數(shù)目的比值為K===。答案:  

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