11.1 电源和电流--高中物理必修三素养提升学案

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高中物理必修三素养提升学案
第11章 电路及其应用
第1节　电源和电流
【学习目标】
1.知道电源的作用,掌握电流的形成条件,知道恒定电流的概念。
2.知道电流的定义、单位及方向的规定,会用公式I= 分析相关问题。
3.电流形成的微观解释及微观表达式的使用。
【自主预习】
电源:
1.概念:电路中在电场力作用下能把　　　　从A　　　　到B的装置。
2.作用
(1)移送电荷,维持电源正、负极间有一定的　　　。
(2)保持电路中有　　　　的电流。
恒定电流:
1.恒定电场
(1)定义:由电路中　　　　的电荷所产生的稳定的电场。
(2)特点:电荷的分布是稳定的,　　　　不会随时间变化。
2.恒定电流
定义:大小、　　　　都不随时间变化的电流。
3.电流
(1)物理意义:反映了电流的　　　　程度。
(2)表达式:I=
(3)单位:在国际单位制中电流的单位是　　　　,简称　　　　,符号是　　　　。常用单位有　　　　、　　　　(单位符号分别为　　　　、　　　　)。
(4)电流的方向:规定　　　　定向移动方向或　　　　定向移动的反方向为电流方向。
【答案】电源:
1.电子　搬运
2.(1)电势差　(2)持续
恒定电流:
1.(1)稳定分布　(2)电场的分布
2.方向
3.(1)强弱　(3)安培　安　A　毫安　微安　mA
【课堂探究】
[情境设问]雷鸣电闪时,强大的电流使天空发出耀眼的闪光。电容器,先直接给它250V的电压充电,然后两根引线连接,也就是短路。听到啪的一声,看到闪耀的光,说明有电流。
直接接在灯泡两端,观察到什么现象 为什么雷鸣电闪时,强大的电流能使天空发出耀眼的强光,但它只能存在于一瞬间,而手电筒中的小灯泡却能持续发光
(一)电源
A、B两个导体,分别带正、负电荷。电荷周围有电场。
[思考讨论]
1.请画出电场线来描述电场。
2.请描述一下这幅图中电势的高低情况。
3.电流是如何形成的
4.自由电子为什么会定向移动 从哪里移动到哪里
5.这样移动的结果,会引起什么物理量发生变化
【答案】1.电场线沿导线从A指向B。
2.A球这边电势高,B球这边电势低,A、B球之间有一定的电势差。
3.自由电子的定向移动。
4.自由电子在静电力的作用下沿导线做定向运动。B失去电子,A得到电子。
5.A、B周围电场减弱,AB之间的电势差减小。
[演示实验]电容器的充放电,静电感应起电机。
我们当然不希望电流是如此短暂的,那应该怎么办 怎样产生持续的电流
[类比分析]这是两个装了水的容器,液面高度不同,现用一根橡胶管连接两个容器,若要使水持续流动,应该怎么做
结论1:电源的作用:　　　　　　　　　　　
(二)恒定电流的含义
[思考讨论]
1.在恒定电场中,自由电子做什么运动 与静电场有何不同
2.那电流如何变 这会带来什么现象
3.导线中的微观粒子除了自由电子外,还有其他微观粒子,它们会对电子带来什么影响呢
结论2:恒定电流的含义:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(三)恒定电流的大小
下课铃想,同学们纷纷走出教室,到户外活动。
[思考讨论]
1.我如何计算进出教室的人流量
2.我应该站在哪里点人数
3.单位时间内,一个人一进一出,人流量算多少
4.我们选取一段很短的导线它放大。导线中存在大量自由电子在做定向移动。如何定量地描述导线中电流的大小呢
结论3:电流的定义:　　　　　　　　　　　
公式:　　　　　　　　　　　
方向:　　　　　　　　　　　
【科学推理与论证】
既然自由电子在定向移动,就有一个移动速率的问题。你觉得导线中电子的定向运动速率与电流之间是什么关系
1.我们的思路是什么
2.t时间内通过横截面的自由电子个数是哪段空间里的电子
3.假设单位体积内的电子数是n,如何求得t时间内通过右截的电子总数N
4.导线中电子的定向运动速率与电流之间是什么关系
结论4:电流的微观表达式:　　　　　　　　　　　
【答案】[类比分析]
用抽水机。
结论1:电源的作用:搬运电子,形成稳定电势差。
恒定电流含义[思考讨论]
1.匀加速直线运动,静电平衡导体内部没有电荷定向移动。
2.电流会越来越大。
3.电子在前进过程中会与这些不动的粒子发生碰撞,从而减速。
结论2:恒定电流的含义:大小、方向都不随时间变化的电流。
恒定电流的大小[思考讨论]
1.统计课间时间进出教室的人数。
2.在门口。
3.两个人。
4.观察通过在一定时间内通过导线某个横截面的电荷量。
结论3:电流的定义:一段时间内通过导体横截面的电荷量与所用时间的比值。
公式:I=
方向:正电荷的移动方向。
[科学推理与论证]
1.I=
2.长度为vt,横截面积为S的圆柱形导体中的电子个数。
3.N=nvtS
4.I=neSv
结论4:电流的微观表达式:I=neSv
【典例分析】
【例题1】如图所示,把电源用导线连接在插入食盐水中的两个金属电极上,电路中形成电流。假设t s内有N个Cl-和N个Na+通过图中虚面,则电路中的电流多大
【解析】盐水中的电流是Cl-离子和Na+离子同时反向定向移动形成的,金属导线中的电流是自由电子定向移动形成的。
由电流的定义式可知I=。
[变式训练1]某电解池中,若在2 s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某截面,那么通过这个截面的电流是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　
A.0 B.0.8 A
C.1.6 A D.3.2 A
【答案】D
【解析】I=A=3.2A，D正确。
【例题2】有一条铜导线,横截面积为S=1 mm2,通过的电流I=1 A。已知铜的密度ρ=8.9×103 kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2 kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子。求铜导线中自由电子定向移动的速率。
【解析】先求出单位体积内电子的分子数,再代入公式即可求解。
n==NA，I=neSv
联立解得v==7.5×10-5 m/s
【变式训练2】　1 000 s
[变式训练2]我们可以计算一下,按照这个速率,电子通过一段7.5cm长的导线,需要多少时间
【解析】由l=vt，解得t=1000s
【课堂练习】
1.关于电源的以下说法,正确的是(　　)
A.电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正极,从而保持两极之间有稳定的电势差
B.电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极,从而保持两极之间有稳定的电势差
C.只要电路中有电源,电路中就一定有电流
D.电源实质上也是一个用电器,也需要外界提供能量
【答案】B
【解析】电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极,从而保持两极之间有稳定的电势差，B正确A错误；电路中有电源,还需要构成闭合回路，电路中才一定有电流，C错误；电源是把其它形式的能量转化为电能的装置，D错误。
2.(多选)关于电流的方向,下列说法正确的是(　　)
A.电源供电的外部电路中,电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
B.电源内部,电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
C.电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相同
D.电容器充电时,电流从负极板流出,流入正极板
【答案】2.AD　
【解析】电源供电的外部电路中,电流的方向是从高电势一端流向低电势一端，电源内部,电流的方向是从低电势一端流向高电势一端，A正确B错误；电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相反，C错误；电容器充电时,电流从负极板流出,流入正极板，D正确。
3.如图所示,电解池内有一价的电解液,时间t内通过溶液内截面S的正离子数是n1,负离子数是n2,设元电荷为e,以下解释中正确的是(　　)
A.正离子定向移动形成电流方向从A→B,负离子定向移动形成电流方向从B→A
B.溶液内正、负离子向相反方向移动,电流抵消
C.溶液内电流方向从A→B,电流强度I=
D.溶液内电流方向从A→B,电流强度I=
【答案】.D　
【解析】规定正电荷定向移动的方向为电流方向，由图示可知，溶液中的正离子从A向B运动，负离子从B到A，形成的电流方向均是A→B，故AB错误；.正离子定向移动形成电流方向从A→B,，电流强度I=，C错误D正确。
4.(多选)一横截面积为S的铜导线,流过的电流为I,设每单位体积的导线中有n个自由电子,电子的电荷量为q,此时电子的定向移动速率为v,在Δt时间内,通过导线横截面的自由电子数目可表示为(　　)
A.nvSΔt B.nvΔt C. D.
【答案】　C
【解析】由I=nq/△t解得n=，C正确。
5.有甲、乙两导体,甲的横截面积是乙的两倍,而单位时间内通过导体横截面的电荷量,乙是甲的2倍,下列说法正确的是(　　)
A.通过甲、乙两导体的电流相同
B.通过乙导体的电流是甲导体的2倍
C.乙导体中自由电荷定向移动的速率是甲导体的2倍
D.甲、乙两导体中自由电荷定向移动的速率大小相同
【答案】5.B
【解析】根据电流的定义，通过乙导体的电流是甲导体的2倍，B正确A错误；根据电流微观表达式，I=neSv，可知乙导体中自由电荷定向移动的速率是甲导体的4倍，CD错误。
[课后练习]
6.铜的原子量为m,密度为ρ,每摩尔铜原子有n个自由电子,今有一根横截面积为S的铜导线,当通过的电流为I时,电子平均定向移动的速率为(　　)
A.光速c B. C. D.
【答案】.D
【解析】假设电子定向移动的速率为v,那么在t时间内通过导体横截面的自由电子数相当于在体积vtS中的自由电子数,而体积为vtS的铜导线的质量为vtSρ,物质的量为,所以电荷量q=。因电流I==,于是得v=。正确选项为D。
7.非洲电鳐的捕猎方式是放电电死猎物,它放电的电压可达100 V,电流50 A,每秒钟放电150次,其放电情况可近似看作如图所示规律放电。则放电1秒钟非洲电鳐放出的电量为(　　)
A.25 C B.50 C C.150 C D.250 C
　【答案】.A
【解析】非洲电鳐放电1次放出的电量为：q1=It=50×=C，
则1秒钟非洲电鳐放出的电量为：q=nq1=150×=25C。
8.一段粗细均匀的金属导体的横截面积是S,导体单位长度内的自由电子数为n,金属内的自由电子的电荷量为e,自由电子做无规则热运动的速率为v0,导体中通过的电流为I,则下列说法正确的有(　　)
A.自由电子定向移动的速率为v0
B.自由电子定向移动的速率为v=
C.自由电子定向移动的速率为真空中的光速c
D.自由电子定向移动的速率为v=
　【答案】.B【解析】自由电子定向移动的速率远小于自由电子做无规则热运动的速率，远小于真空中的光速，AC错误；根据电流微观表达式，I=neSv，可得自由电子定向移动的速率为v=，B正确D错误。；
9.有一条横截面积S=1 mm2的铜导线,通过的电流I=2 A。已知铜的密度ρ=8.9×103 kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2 kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,电子的电荷量大小e=1.6×10-19 C,每个铜原子可提供一个自由电子,求铜导线中自由电子定向移动的速率。(结果保留两位有效数字)
【解析】.根据电流的定义式得I===
可得v=
代入数据解得v≈1.5×10-4 m/s。
答案:1.5×10-4 m/s
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