
一、電源
1.形成持續(xù)電流的條件:一是要有移動(dòng)的________,二是導(dǎo)體兩端始終存在電勢(shì)差.
2.電源的作用:電源能把電子由正極搬運(yùn)到負(fù)極,保持正、負(fù)極之間有穩(wěn)定的電勢(shì)差. 通過非靜電力做功
二、恒定電流 基本性質(zhì)與靜電場(chǎng)相同
1.恒定電場(chǎng):由________的電荷所形成的穩(wěn)定的電場(chǎng),叫作恒定電場(chǎng).
2.恒定電流:大小、方向都不隨________變化的電流叫作恒定電流.
3.電流的強(qiáng)弱程度用________這個(gè)物理量表示.單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面(與導(dǎo)體垂直的截面)的電荷量越多,電流就________.用I表示電流,q表示在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量,則有I=.電流的單位是安培(國際單位制中的基本單位),符號(hào)是A,常用的單位還有毫安(mA)和微安(μA).
4.電流的微觀解釋:設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S,自由電子數(shù)密度(單位體積內(nèi)的自由電子數(shù))為n,自由電子定向移動(dòng)的平均速率為v,則時(shí)間t內(nèi)通過某一橫截面的自由電子數(shù)為________.由于電子電荷量為e,因此,時(shí)間t內(nèi)通過橫截面的電荷量q=________.根據(jù)電流的公式I=,可以得到電流和自由電子定向移動(dòng)平均速率的關(guān)系為____________.
【情境思考】
如圖是中國寧波公交使用的全球首創(chuàng)超級(jí)電容儲(chǔ)能式現(xiàn)代電車,該電車沒有傳統(tǒng)無軌電車的“辮子”,核心元器件是“3 V 12 000 F”石墨烯納米混合型超級(jí)電容器,該電容器能反復(fù)充放電100萬次,使用壽命長達(dá)十年.根據(jù)上述材料判斷以下問題.
(1)電容器放電的過程中,電荷量逐漸減少,電容器的電容和兩極板間的電壓也逐漸減小.( )
(2)電容器充電的過程中,電荷量逐漸增加,電容保持不變.( )
(3)若標(biāo)有“3 V 12 000 F”的電容器從電量為零到充滿電用時(shí)30 s,則充電的平均電流為3 600 A.( )
拓展 1 類比法理解電源的作用
拓展 2 直流電源和交流電源
(1)直流電源
直流電源的電流、電壓方向不隨時(shí)間作周期性變化,比如蓄電池、直流發(fā)電機(jī)、干電池、直流穩(wěn)壓源.
(2)交流電源
電流電壓方向隨時(shí)間作周期性變化的裝置,如交流發(fā)電機(jī).
拓展 3 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的異同
(1)異:靜電場(chǎng)是由靜止的電荷產(chǎn)生的;恒定電場(chǎng)是由穩(wěn)定分布的電荷產(chǎn)生的.
(2)同:都是由電荷產(chǎn)生;恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)都不隨時(shí)間變化;對(duì)電荷有力的作用;電勢(shì)、電勢(shì)差及其與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系同樣適用.
拓展4
[教材問題]
STSE
電池的容量:電池放電時(shí)輸出的總電荷量,通常以“安時(shí)”(A·h)或“毫安時(shí)”(mA·h)作單位.手機(jī)電池的容量可達(dá)6 000 mA·h.
拓展5
如圖所示,一根截面積為S的均勻長直橡膠棒上均勻帶有負(fù)電荷,每米電荷量為q′.當(dāng)此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),由于棒運(yùn)動(dòng)而形成的等效電流大小為多大?
提示:在運(yùn)動(dòng)方向上假設(shè)有一截面,則在t時(shí)間內(nèi)通過截面的電荷量為q=vt·q′,則等效電流I==vq′.
目標(biāo)一 電流的理解和計(jì)算
【導(dǎo)思】——————————————————○
如圖所示,在裝有導(dǎo)電液體的細(xì)管中,有正、負(fù)兩種電荷向相反的方向運(yùn)動(dòng),在時(shí)間t內(nèi)通過細(xì)管某截面的正電荷為q1,通過此截面的負(fù)電荷為q2.
(1)怎樣確定通過導(dǎo)電液體中電流的方向?
(2)如何計(jì)算導(dǎo)電液體中電流的大???
【歸納】——————————————————○
1.電流的大小
定義式:I=.用該式計(jì)算出的電流是時(shí)間t內(nèi)的平均值.對(duì)于恒定電流,電流的瞬時(shí)值與平均值相等.
2.對(duì)電流的理解
(1)電流雖然有方向,但它是標(biāo)量,其計(jì)算遵循代數(shù)運(yùn)算法則.
(2)在外電路中電流方向由電源正極到電源負(fù)極,在電源內(nèi)部電流方向由電源負(fù)極到電源正極.
(3)I=是電流的定義式,或者說是求解電流的一種方法,電流I與q、t無正反比關(guān)系.
(4)一點(diǎn)說明: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)形成的電流的方向是相同的,應(yīng)用I=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(duì)值之和.
【典例】——————————————————○
例1 下列說法正確的是( )
A.電源的作用是使電路中產(chǎn)生電荷
B.電源的作用是使電路中的電荷發(fā)生定向移動(dòng)
C.只要電路中有電源,電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流
D.導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源兩極在空間直接形成的
例2 如圖所示,某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用放射性元素衰變的電池.該電池采用金屬空心球殼結(jié)構(gòu),在金屬球殼內(nèi)部的球心位置放有一小塊與球殼絕緣的
放射性物質(zhì),放射性物質(zhì)與球殼之間是真空.球心處的放射性物質(zhì)向四周均勻發(fā)射電子,電子的電荷量為e.已知單位時(shí)間內(nèi)放射性物質(zhì)射出的電子數(shù)為N,在金屬殼外表面有一塊較小的圓形S,面積為金屬殼表面積的,則通過S的電流大小約為( )
A. B. C. D.
思維提升
(1)金屬導(dǎo)體中的電流是由自由電子的定向移動(dòng)形成的,因此q為通過導(dǎo)體橫截面的自由電子的電荷量.
(2)電解質(zhì)溶液中的電流是正、負(fù)離子同時(shí)向相反方向定向移動(dòng)形成的,因此q為正、負(fù)離子電荷量的絕對(duì)值之和.
(3)電解液中電流的方向與正離子定向移動(dòng)的方向相同,與負(fù)離子定向移動(dòng)的方向相反.
[訓(xùn)練1] 如圖所示,電解池內(nèi)有一價(jià)的電解液,時(shí)間t內(nèi)通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)是n1,負(fù)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(dòng)形成電流的方向從A→B,負(fù)離子定向移動(dòng)形成電流的方向從B→A
B.溶液內(nèi)正、負(fù)離子向相反方向移動(dòng),電流抵消
C.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強(qiáng)度為I=
D.溶液內(nèi)電流方向從A→B,電流強(qiáng)度為I=
[訓(xùn)練2] 電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流,如圖所示.氫原子的電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑為R,電子質(zhì)量為m,電荷量為e,靜電力常量為k.則此環(huán)形電流的大小為( )
A. B.
C. D.
目標(biāo)二 電流的微觀表達(dá)式
【歸納】——————————————————○
1.電流的微觀表達(dá)式:I=nqSv.電流的大小取決于單位體積的自由電荷數(shù)n、每個(gè)自由電荷的電荷量q、導(dǎo)體的橫截面積S、定向移動(dòng)速率v.
2.電流的定義式和微觀表達(dá)式的比較
3.三種速率
(1)電流的傳導(dǎo)速率等于光速,為3×108 m/s.
(2)電子定向移動(dòng)速率,其大小與電流有關(guān),約為10-4 m/s.
(3)電子熱運(yùn)動(dòng)速率,其大小與溫度有關(guān),約為105 m/s.
【典例】——————————————————○
例3 某些腫瘤可以用“質(zhì)子療法”進(jìn)行治療.在這種療法中,為了能讓質(zhì)子轟擊腫瘤并殺死癌細(xì)胞,首先要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的高速運(yùn)動(dòng),該過程需要一種被稱作粒子加速器的裝置來實(shí)現(xiàn).來自質(zhì)子源的質(zhì)子(初速度為零),經(jīng)加速電壓為U的加速器加速后,形成細(xì)柱形的質(zhì)子流.已知細(xì)柱形的質(zhì)子流橫截面積為S,單位體積的質(zhì)子數(shù)為n,質(zhì)子的質(zhì)量為m,其電荷量為e,那么這束質(zhì)子流的等效電流I為( )
A.nS B.neSC. D.
思維提升
用電流的微觀表達(dá)式求解問題的注意點(diǎn)
(1)準(zhǔn)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(dòng)的速率,不是電流的傳導(dǎo)速率,也不是電子熱運(yùn)動(dòng)的速率.
(2)I=neSv是由I=導(dǎo)出的,若n的含義不同,表達(dá)式的形式也會(huì)不同.
[訓(xùn)練3] 一段粗細(xì)均勻的銅導(dǎo)線的橫截面積是S,導(dǎo)線單位長度內(nèi)的自由電子數(shù)為n,銅導(dǎo)線內(nèi)的每個(gè)自由電子所帶的電荷量為e,自由電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率為v0,導(dǎo)線中通過的電流為I.則下列說法正確的是( )
A.自由電子定向移動(dòng)的速率為v0
B.自由電子定向移動(dòng)的速率為v=
C.自由電子定向移動(dòng)的速率為真空中的光速c
D.自由電子定向移動(dòng)的速率為v=
1.下列關(guān)于電源的說法正確的是( )
A.電源是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的裝置
B.電源的作用是使電源的正負(fù)極保持一定量的正、負(fù)電荷,維持一定的電勢(shì)差
C.與電源相連的導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源正、負(fù)極上的電荷形成的
D.在電源內(nèi)部負(fù)電荷由負(fù)極流向正極(或正電荷由正極流向負(fù)極)
2.關(guān)于對(duì)電流的理解,下列說法正確的是( )
A.電流的方向就是自由電子定向移動(dòng)的方向
B.電流有大小,也有方向,所以電流是矢量
C.金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)作用下形成的
D.電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向移動(dòng)速率
3.某電解池中,若在2 s內(nèi)各有1.0×1019個(gè)二價(jià)正離子和2.0×1019個(gè)一價(jià)負(fù)離子通過某截面,那么通過這個(gè)截面的電流是( )
A.0 B.0.8 A
C.1.6 A D.3.2 A
4.自動(dòng)體外除顫器是一種便攜式的醫(yī)療設(shè)備,它可以診斷特定的心律失常,并且給予電擊除顫,是可被非專業(yè)人員使用的用于搶救心臟驟停患者的醫(yī)療設(shè)備.某型號(hào)自動(dòng)體外除顫器的電容器電容是16 μF,充電至4 kV電壓,電容器在4 ms時(shí)間內(nèi)完成放電.下列說法正確的是( )
A.電容器放電完成后電容為零
B.電容器的擊穿電壓為4 kV
C.電容器充電后的電荷量為0.64 C
D.電容器放電過程中的平均電流為16 A
5.心臟驟停最有效的搶救方式是盡早通過AED自動(dòng)除顫機(jī)給予及時(shí)治療.如圖,某型號(hào)AED模擬治療儀器內(nèi)有一電容為15 μF的電容器,某次使用過程中,該電容器在10 s內(nèi)充電至5 000 V電壓,之后在3 ms時(shí)間內(nèi)完成放電.則下列說法正確的是( )
A.電容器充電后所帶的電荷量為75 C
B.電容器充電過程中電容一直增大
C.電容器放電過程中放電電流一直增大
D.電容器放電過程中平均電流為25 A
6.已知銅棒的截面積為S,密度為ρ,摩爾質(zhì)量為M,阿伏加德羅常數(shù)為NA,電子電量為e.若通過銅棒的電流強(qiáng)度為I,并認(rèn)為銅棒中每一個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)電子,則銅棒中自由電子定向移動(dòng)的速率為( )
A. B.C. D.
1.電源和電流
導(dǎo)學(xué) 掌握必備知識(shí)
一、
1.自由電子
二、
1.穩(wěn)定分布
2.時(shí)間
3.電流 越大
4.nSvt neSvt I=neSv
情境思考
答案:(1)× (2)√ (3)×
共研 突破關(guān)鍵能力
目標(biāo)一
提示:(1)電流方向?yàn)檎姾啥ㄏ蛞苿?dòng)的方向或負(fù)電荷定向移動(dòng)方向的反方向,故導(dǎo)電液體中電流方向?yàn)橛勺笙蛴遥?br>(2)I=.
[例1] 解析:導(dǎo)體本身就有自由電荷,電源的作用不是使電路中產(chǎn)生電荷,而是使正負(fù)電荷分開,使正極聚集正電荷,負(fù)極聚集負(fù)電荷,電源兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓,電壓使電路中電荷產(chǎn)生定向移動(dòng)形成電流,A錯(cuò)誤,B正確;只要電路中有電源,且電路要閉合,電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流,C錯(cuò)誤;導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的,D錯(cuò)誤.
答案:B
[例2] 解析:由題意可知,單位時(shí)間內(nèi)從放射性物質(zhì)射出的電子數(shù)為N,則在t時(shí)間內(nèi)從放射性物質(zhì)射出的電荷量為q=Net,則t時(shí)間內(nèi),通過金屬殼表面較小的圓形面積S的電荷量是q′=q=Net,由電流的定義式可得I==.故選A.
答案:A
[訓(xùn)練1] 解析:正電荷定向移動(dòng)的方向就是電流的方向,負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向也是電流的方向,A、B錯(cuò)誤;有正、負(fù)電荷反向經(jīng)過同一截面時(shí),I=公式中q應(yīng)是正、負(fù)電荷電荷量絕對(duì)值之和,故I=,電流方向由A指向B,C錯(cuò)誤,D正確.
答案:D
[訓(xùn)練2] 解析:電子繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由庫侖力提供向心力,可得k=m,則電子運(yùn)動(dòng)的周期為T=,根據(jù)電流的定義I=得I==.故選C.
答案:C
目標(biāo)二
[例3] 解析:質(zhì)子在電場(chǎng)力作用下加速,加速后的速度為v,根據(jù)動(dòng)能定理,則有eU=mv2,解得v= .等效電流為I,單位體積的質(zhì)子數(shù)為n,根據(jù)電流微觀表達(dá)式I=neSv,解得I=neSv=neS.故選B.
答案:B
[訓(xùn)練3] 解析:v0為自由電子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率,不是定向移動(dòng)速率,與光速及自由電子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的速率無關(guān),故A、C錯(cuò)誤;對(duì)于電流微觀表達(dá)式I=nqSv,式中n為單位體積內(nèi)的自由電子數(shù),而本題中n為單位長度內(nèi)的自由電子數(shù),則t時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線某一橫截面的自由電子數(shù)為nvt,電荷量q=nvte,所以電流I==nev,所以v=,故B錯(cuò)誤,D正確.
答案:D
精練 落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)
1.解析:在電源內(nèi)部把電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極,克服靜電力做功,將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,A錯(cuò)誤;電荷的搬運(yùn)使電源正、負(fù)極間維持一定電勢(shì)差,B正確;導(dǎo)線中的電場(chǎng)是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的,C錯(cuò)誤;在電源內(nèi)部,負(fù)電荷從電源正極流向負(fù)極(或正電荷從負(fù)極流向正極),D錯(cuò)誤.
答案:B
2.解析:規(guī)定電流的方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反,A錯(cuò)誤.電流有大小,也有方向,但不遵循平行四邊形定則,所以電流是標(biāo)量,B錯(cuò)誤.金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)作用下形成的,C正確.電流的傳導(dǎo)速率指的是接通電源后,電路中產(chǎn)生電流的速率.在電路中電流的產(chǎn)生源于電場(chǎng)的產(chǎn)生,在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下,電荷定向運(yùn)動(dòng)從而形成電流.因而電路中電流的傳導(dǎo)速率等于電場(chǎng)產(chǎn)生的速率,D錯(cuò)誤.
答案:C
3.解析:根據(jù)電流的定義式可得,通過這個(gè)截面的電流為I== A=3.2 A.
故選D.
答案:D
4.解析:電容是表征電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)大小的物理量,放電之后,電容器的電容大小是不變的,故A錯(cuò)誤;該電容器電壓可充電到4.0 kV,必然小于擊穿電壓,故B錯(cuò)誤;根據(jù)Q=CU=16×10-6×4.0×103 C=0.064 C,可知放電前,電容器儲(chǔ)存的電量為0.064 C,故C錯(cuò)誤;根據(jù)I== A=16 A可知,該次放電的平均電流為16 A,故D正確.
答案:D
5.解析:電容器充電后所帶的電荷量為Q=CU=15×10-6×5 000 C=0.075 C,A錯(cuò)誤;電容器的電容由電容器本身的性質(zhì)決定,與電容器是否帶電無關(guān),故電容器充電過程中電容保持不變,B錯(cuò)誤;電容器放電過程中,放電電流逐漸減小,C錯(cuò)誤;電容器放電過程中的平均電流為== A=25 A,D正確.
答案:D
6.解析:設(shè)銅導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的速率為v,導(dǎo)線中自由電子從一端定向移到另一端所用時(shí)間為t,則導(dǎo)線的長度為l=vt,體積為V=Sl=Svt,質(zhì)量為m=ρvtS,這段導(dǎo)線中自由電子的數(shù)目為n=NA=NA,在t時(shí)間內(nèi)這些電子都能通過下一截面,則電流為I==,聯(lián)立解得v=.故選A.
答案:A核
心
素
養(yǎng)
定
位
物理觀念
了解電流的形成條件,知道電源的作用.
科學(xué)思維
理解電流的定義和電流方向的規(guī)定,會(huì)用電流的定義式分析相關(guān)問題.
科學(xué)探究
了解電流微觀表達(dá)式的推導(dǎo)過程,從微觀角度認(rèn)識(shí)影響電流大小的因素.
科學(xué)態(tài)度
與責(zé)任
通過對(duì)電源和電流的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生探究生活和生產(chǎn)中物理知識(shí)的意識(shí).
I=
I=nqSv
公式性質(zhì)
定義式
決定式
電流的意義
時(shí)間t內(nèi)的平均電流
某時(shí)刻的瞬時(shí)電流
描述的角度
大量電荷定向移動(dòng)的宏觀表現(xiàn)
形成電流的微觀實(shí)質(zhì)
聯(lián)系
由I=可導(dǎo)出I=nqSv
這是一份物理人教版 (2019)第十一章 電路及其應(yīng)用綜合與測(cè)試學(xué)案及答案,文件包含4串聯(lián)電路和并聯(lián)電路docx、2導(dǎo)體的電阻docx、1電源和電流docx、實(shí)驗(yàn)2金屬絲電阻率的測(cè)量docx、5實(shí)驗(yàn)練習(xí)使用多用電表docx、實(shí)驗(yàn)1長度的測(cè)量及測(cè)量工具的選用docx等6份學(xué)案配套教學(xué)資源,其中學(xué)案共117頁, 歡迎下載使用。
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這是一份人教版 (2019)必修 第三冊(cè)1 電源和電流導(dǎo)學(xué)案,共25頁。學(xué)案主要包含了單選題,多選題,解答題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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