1.了解電流的形成條件。(物理觀念)2.理解電流的定義、定義式、單位及方向的規(guī)定,會(huì)用公式q=It分析相關(guān)問題。(科學(xué)思維)3.會(huì)推導(dǎo)電流的微觀表達(dá)式,從微觀的角度認(rèn)識(shí)影響電流大小的因素。(科學(xué)思維)
【必備知識(shí)】一、電流的形成1.電流是由自由電荷的定向移動(dòng)形成的。2.形成電流的條件(1)回路中存在自由電荷。(2)導(dǎo)體兩端有電壓。3.持續(xù)電流(1)導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓是導(dǎo)體中形成持續(xù)電流的條件。(2)電源的作用是提供持續(xù)電壓。
4.電流的速度:等于電場的傳播速度,大小等于3.0×108 m/s。5.自由電子的運(yùn)動(dòng)速率:常溫下,金屬內(nèi)的自由電子大約以105 m/s的平均速率做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。?6.大量電子整體定向移動(dòng)的速率:數(shù)量級大約是10-5 m/s,被形象地稱為“電子漂移”。?
二、電流的方向與大小1.電流的方向(1)在物理學(xué)中,規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?2)在電源外部的電路中,電流的方向是從電源正極流向負(fù)極。(3)在電源內(nèi)部的電路中,電流的方向是從電源負(fù)極流向正極。(4)電流是標(biāo)量,雖有方向,但其運(yùn)算不符合平行四邊形定則。
2.電流的大小和單位(1)定義:流過導(dǎo)體某一橫截面的電荷量與所用時(shí)間之比定義為電流。(2)定義式: 。為比值定義。(3)單位:國際單位為安培,符號(hào)A;常用單位為mA、μA;換算關(guān)系為1 A=103mA=106μA。(4)直流電:方向不隨時(shí)間變化的電流叫作直流電。恒定電流:方向和大小都不隨時(shí)間變化的電流叫作恒定電流。
【自我檢測】1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請說明原因。(1)電源能把自由電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極。(　　)答案 √(2)因?yàn)殡娏骷扔写笮∮钟蟹较?所以電流是矢量。(　　)解析 電流雖然有方向,但不是矢量,其運(yùn)算遵從代數(shù)法則。答案 ×(3)通過導(dǎo)體某橫截面的電荷量越多,電流越大。(　　)解析 由 知I還與t有關(guān),q大I不一定大。答案 ×
(4)電流的方向與電荷定向移動(dòng)的方向相同。(　　)解析 電流的方向與正電荷定向移動(dòng)的方向相同,與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反。答案 ×(5)只要導(dǎo)體中無電流,其內(nèi)部自由電荷就停止運(yùn)動(dòng)。(　　)解析 導(dǎo)體中的電荷在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。答案 ×
2.關(guān)于電流的方向,下列敘述正確的是(　　)A.金屬導(dǎo)體中電流的方向就是自由電子定向移動(dòng)的方向B.在電解質(zhì)溶液中有自由的正離子和負(fù)離子,電流方向不能確定C.不論何種導(dǎo)體,電流的方向規(guī)定為正電荷定向移動(dòng)的方向D.電流的方向有時(shí)與正電荷定向移動(dòng)方向相同,有時(shí)與負(fù)電荷定向移動(dòng)方向相同解析 電流是有方向的,電流的方向是人為規(guī)定的。物理上規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反。答案 C
3.電路中有一電阻,通過電阻的電流為5 A,當(dāng)通電5分鐘時(shí),通過電阻橫截面的電子數(shù)為(　　)A.1 500個(gè)×1019個(gè)×1021個(gè)×1020個(gè)答案 C
【情境探究】電閃雷鳴時(shí),強(qiáng)大的電流使天空發(fā)出耀眼的閃光,但它只能存在一瞬間,而手電筒中小燈泡卻能持續(xù)發(fā)光,這是為什么呢?
要點(diǎn)提示 因?yàn)槭蛛娡仓械碾娫茨芴峁┏掷m(xù)電壓。
【知識(shí)歸納】1.電流的方向(1)規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反。(2)金屬導(dǎo)體中自由移動(dòng)的電荷是自由電子,電流的方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反。
2.電流的大小(1)公式: 。用該式計(jì)算出的電流是時(shí)間t內(nèi)的平均值。對于恒定電流,電流的瞬時(shí)值與平均值相等。(2)兩點(diǎn)說明①電解液中正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向雖然相反,但正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向是相同的,應(yīng)用 求電流時(shí),q為正電荷總電荷量和負(fù)電荷總電荷量的絕對值之和。②q=It是 的變形,是求電荷量的重要公式。其中I是電流在時(shí)間t內(nèi)的平均值。
【實(shí)例引導(dǎo)】例1如圖所示,在NaCl溶液中,正、負(fù)電荷定向移動(dòng),方向如圖所示,若測得 2 s內(nèi)分別有1.0×1018個(gè)Na+和Cl-通過溶液內(nèi)部的橫截面M,試問:溶液中的電流方向如何?電流多大?
解析 NaCl溶液導(dǎo)電是靠自由移動(dòng)的Na+和Cl-,它們在靜電力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)。溶液中電流方向與Na+定向移動(dòng)方向相同,即由A指向B。Na+和Cl-都是一價(jià)離子,每個(gè)離子的電荷量為e=1.60×10-19 C,NaCl溶液導(dǎo)電時(shí),Na+由A向B定向移動(dòng),Cl-由B向A運(yùn)動(dòng),負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)可以等效地看作正離子沿相反方向的運(yùn)動(dòng),所以通過M橫截面的電荷量為兩種離子電荷量的絕對值之和,則有答案 溶液中的電流方向由A指向B,大小為0.16 A。
規(guī)律方法 對金屬來講,是自由電子的定向移動(dòng)形成電流,q為通過金屬橫截面的自由電子的電荷量。對電解質(zhì)溶液來講,是正、負(fù)離子同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)形成電流,q為通過液體橫截面的正、負(fù)離子電荷量的絕對值之和。
變式訓(xùn)練1在一次閃電的過程中,流動(dòng)的電量大約為300 C,持續(xù)的時(shí)間大約是0.005 s,所形成的平均電流為多大?這些電荷量如果以0.5 A的電流流過燈泡,可使燈泡照明多長時(shí)間?解析 該次閃電形成的平均電流若閃電過程中流動(dòng)的電荷量以0.5 A的電流通過燈泡,則照明的時(shí)間為答案 6×104 A　600 s
【情境探究】如圖所示,AD表示粗細(xì)均勻的一段長為l的導(dǎo)體,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(dòng)的平均速率為v,設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S,導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個(gè)自由電荷的電荷量為q。(1)AD導(dǎo)體中有多少個(gè)自由電荷?總電荷量是多少?(2)這些電荷都通過橫截面D所需的時(shí)間是多少?(3)導(dǎo)體AD中的電流是多大?
【知識(shí)歸納】對電流微觀表達(dá)式和三種速率的理解(1)從微觀上看,電流取決于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個(gè)自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)平均速率、導(dǎo)體的橫截面積。(2)電流的微觀表達(dá)式:I=nevS。式中n為導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、e為每個(gè)自由電荷的電荷量、v為自由電荷定向移動(dòng)的平均速率,S為導(dǎo)體的橫截面積。
(3)三種速率的比較①電子定向移動(dòng)平均速率:電子在金屬導(dǎo)體中的平均運(yùn)動(dòng)速率,也是公式I=neSv中的v,大小約為10-5 m/s。②電流的傳導(dǎo)速率:電流在導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速率等于光速,為3×108 m/s。閉合開關(guān)的瞬間,電路中各處以光速建立恒定電場,電路中各處的自由電子幾乎同時(shí)定向移動(dòng),整個(gè)電路也幾乎同時(shí)形成了電流。③電子熱運(yùn)動(dòng)速率:電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率,大小約為105 m/s。由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等,故此運(yùn)動(dòng)不能形成電流。
【實(shí)例引導(dǎo)】例2(多選)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(gè)自由電子,電子的電荷量為e,此時(shí)電子定向移動(dòng)的平均速率為v,在t時(shí)間內(nèi),通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)可表示為(　　)
解析 t時(shí)間內(nèi),通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù) ,故選項(xiàng)C正確。又I=neSv,代入上式得N=nvSt。故選項(xiàng)A正確。答案 AC
規(guī)律方法 使用公式I=neSv進(jìn)行計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)(1)各個(gè)物理量都要用國際單位制單位。(2)正確理解各符號(hào)的意義,特別是n表示導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù),v表示自由電荷定向移動(dòng)的平均速率。(3)若已知單位長度的自由電荷數(shù)為n,則電流的微觀表達(dá)式為I=nev。
變式訓(xùn)練2有甲、乙兩導(dǎo)體,甲的橫截面積是乙的2倍,而單位時(shí)間內(nèi)通過橫截面的電荷量乙是甲的2倍,以下說法正確的是(　　)A.甲、乙兩導(dǎo)體的電流相同B.乙導(dǎo)體的電流是甲導(dǎo)體的2倍C.乙導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的平均速度是甲導(dǎo)體的2倍D.甲、乙兩導(dǎo)體中自由電荷定向移動(dòng)的平均速度大小相等
解析 由于單位時(shí)間內(nèi)通過乙導(dǎo)體橫截面的電荷量是甲的2倍,所以通過乙導(dǎo)體的電流是甲的2倍,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,而選項(xiàng)B正確。由I=neSv,得 ,由于不知道甲、乙兩導(dǎo)體的性質(zhì)(n不知道),所以無法判斷v,故正確選項(xiàng)為B。答案 B
1.如圖所示,是通有恒定電流的某段導(dǎo)體。在2 s內(nèi)有10 C的負(fù)電荷向右通過橫截面A,則導(dǎo)體內(nèi)電流的大小和方向分別是(　　)A.8×10-19 A、向右B.8×10-19 A、向左C.5 A、向左D.5 A、向右
解析 根據(jù)電流的定義式 得,電流的大小為I= A=5 A,電流方向規(guī)定為正電荷定向移動(dòng)的方向,與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反,故電流向左,A、B、D錯(cuò)誤,C正確。答案 C
2.重離子腫瘤治療裝置中的回旋加速器可發(fā)射+5價(jià)重離子束,其電流為1.2×10-5 A,則在1 s內(nèi)發(fā)射的重離子個(gè)數(shù)為(e=1.6×10-19 C)(　　)A.3.0×1012B.1.5×1013C.7.5×1013×1014解析 1 s內(nèi)發(fā)射的重離子的電荷量為Q=It=1.2×10-5 C,每個(gè)重離子的電荷量為5e,則通過的重離子數(shù)為 =1.5×1013(個(gè)),選項(xiàng)B正確。答案 B
3.如圖所示,將左邊的銅導(dǎo)線和右邊的鋁導(dǎo)線連接起來,已知截面積S鋁=2S銅。在銅導(dǎo)線上取一截面A,在鋁導(dǎo)線上取一截面B,若在1 s內(nèi)垂直地通過它們的電子數(shù)相等,那么通過這兩個(gè)截面的電流的大小關(guān)系是(　　)A.IA=IBB.IA=2IBC.IB=2IAD.不能確定解析 根據(jù) 可知電流相等。答案 A
4.關(guān)于電流,下列說法正確的是(　　)A.導(dǎo)體中無電流的原因是其內(nèi)部的自由電荷停止了運(yùn)動(dòng)B.同一個(gè)金屬導(dǎo)體接在不同的電路中,通過的電流往往不同,電流大時(shí)說明此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)自由電荷定向運(yùn)動(dòng)的速率大C.由于電荷做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率比電荷定向移動(dòng)速率大得多,故電荷做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的電流也就大得多D.電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電荷的定向移動(dòng)速率

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第1節(jié) 電流

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