11.1电源和电流 课件（31张PPT） 高二物理 人教版2019 必修第三册

(共31张PPT)
第十一章 电路及其应用
11.1 电源和电流
电源
01
02
恒定电场
03
恒定电流
04
电流的微观表达式
知识点
雷鸣电闪时,强大的电流使天空发出耀眼的闪光,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,这是为什么
雷电是云层间或云层与地之间的电压达到一定值时将空气击穿所产生的放电现象，所形成的电流是瞬时电流。
手电筒中因为电源的作用，小灯泡中有持续电流而持续发光。
电路中的持续电流是怎样形成的呢
-
A、B之间存在电势差
导线中存在自由电子
A
+
+
+
+
+
+
+
+
B
_
_
_
_
_
_
_
_
A、B周围存在电场
-
B
A
导体中的自由电子在电场力作用下，从低电势点向高电势点运动。
等势体
自由电子到达A端与正电荷中和。A、B和导线三者很快成为等势体，达到静电平衡。静电平衡前导线中会产生一个瞬时电流。
-
问题1.如图是两个分别带正负电荷的导体，用导线连接两导体，导线和导体中会有电荷定向移动吗？若有，怎样移动？
水 流
A
B
连通器
抽水机
P
B
A
_
_
_
_
_
_
_
_
电源
类比思想
问题2.如图所示，若在水池A、B之间用一个细管连起来，则水在重力的作用下从水池A到水池B做定向移动，A、B之间的高度差很快消失，水管中只可能有一个瞬间的水流。怎样才能使水管中有源源不断的水流呢？
将B中的水用抽水机抽到A中，保持水池A、B的水面有一定的高度差
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
A、B之间接上装置P，P不断的把经过导线流到A的电子取走，补充给B，使A、B始终保持一定数量的正、负电荷，情况会怎样呢？
一.电源
1.电流的形成：电荷的定向移动形成电流．
(1)存在自由电荷
　 金属导体——自由电子
电解液——正、负离子
气体导电——正、负离子和自由电子　　 　
(2)导体两端存在电势差
电流形成的条件
导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流。
P
B
A
—
—
_
_
_
_
_
_
_
—
—
—
+
+
+
+
+
+
+
正极
负极
把自由电子从正极搬到负极的装置；
保持导体两端的电势差(电压),使电路有持续的电流。
-
-
-
+
A
+
+
+
+
+
+
_
_
_
B
_
_
_
_
_
P
-
-
+
2.电源
电源
（其它形式能转化为电能）
电源中电势高的一极是正极，电势低的一极是负极。
太阳电池
干电池
铅蓄电池
锂电池
常见电源
纽扣电池
手机电池
练习1.关于电源以下说法正确的是(　　)
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.电源的作用就是将其他形式的能转化为电能
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
B
我们在上一章中曾经得出结论:在静电平衡时,导体内部的场强为零,导体上任意两点之间的电势差为零(等势体)。这与我们现在的说法有矛盾吗 为什么
思考
-
-
+
A
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
B
_
_
_
_
_
电源
问题3.在电源正、负极之间连一根导线，导线中的电场如何变化，最终又会达到哪个状态？
-
-
+
A
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
B
_
_
_
_
_
电源
M
N
E0
F
Fn
Ft
M
N
E0
E0
E′
M
N
E
导线内很快形成沿导线方向的稳定电场
导体内的电场线保持和导线平行
导线内的电场是由电源和导体中积累的电荷共同形成的。
M
N
E
导线中的电场是合电场，由电源正负极上的电荷产生的电场E0和导线表面上堆积的电荷产生的场强E′的矢量和，方向与导线相切。导线内部电场线与导线平行。
1.导线中的电场:由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成。方向沿导线的切线方向。
二.恒定电场
导线内的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也稳定。
特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不会随时间变化，基本性质与静电场相同。（自由电荷在导体内定向移动的原因）
在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用于恒定电场。
2.恒定电场：由稳定分布的电荷产生稳定的电场。
建立电场的速率：以光速完成。
又叫电流传导速率或叫电场的传播速率.
恒定电场
电场强度不变
大量自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化
串一个电流表,读数不会变
恒定电流
恒定的电场力是自由电荷定向移动的动力
自由电荷定向运动过程中与导体内不动的粒子不断碰撞，碰撞阻碍了自由电荷的定向运动。
三.恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流。
1.电流:单位时间内通过导体横截面积的电荷量多少。表示电流的
强弱程度，用字母 I 表示。
＋
＋
＋
3.国际单位:安培(A) 1A=1C/s
2.公式:
(比值定义法)
4.常用单位:毫安（mA）、微安（μA）
1A=103mA=106μA
I
电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的，此时：
公式中的电量q表示通过横截面的正、负离子电量绝对值之和。
练习2.某电解池中，若在2s的时间内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过截面，那么通过这个截面的电流是多少？
2s通过横截面的电荷量
Q=2×1.0×1019×1.6×10-19+2.0×1019×1.6×10-19=6.4C
由电流的定义：I = Q / t= 6.4÷2= 3.2A
5.电流方向:正电荷定向移动的方向。
（金属导体中电流的方向与电子定向移动的方向相反）
6.电流是标量
电流虽然有方向，但遵循代数运算法则，不遵循平行四边形定则。
在电源外部,电流从电源正极流向负极；
在电源内部,电流从电源负极流向正极；
形成闭合回路。
环形电流
　　环形电流的计算采用等效的观点,所谓等效电流,就是把电荷周期性地通过圆周上各处形成的电流看成持续不断地通过圆周上各处时所形成的电流。对周期性运动的电荷,常取一个周期,利用 求等效电流。
电池放电时能输出的总电荷量，通常以“安时”（A·h）或“毫安时”（mA·h）作单位。
单体锂离子电池的容量极为有限，为了满足需要，常用由若干单体锂离子电池构成的电池组。
7.电池的容量
电动汽车中的电池
问题4.一段粗细均匀的导体长为l，两端加一定的电压，自由电荷定向移动的速率为v，设导体的横截面积为s，导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷量为q。我们如何从微观角度表示电流呢？
l
S
v
故导体中的电流
导体中的自由电荷数 N=nlS
总电荷量 Q=Nq=nlSq
电荷通过横截面所需要的时间 t=l/v
l
S
取一段导线（如图），自由电子从它的左端定向移动到右端的时间为t，则这段导线的长度为vt，体积为vtS=lS
四.电流的微观表达式
总电量
电荷总数
nqSv
nlSq
l/v
Nq
t
Q
I
=
=
=
=
l/v
从微观看,电流由导体中单位体积内的自由电荷数 自由电荷的电荷量（导体的材料决定），定向移动的速度（电压决定）,导体的横截面积（形状）决定。
两个公式的比较
练习3.有一条横截面积S=1 mm2的铜导线,通过的电流I=1 A,已知铜的密度ρ=8.9×103kg/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,电子的电量e=-1.6×10-19 C,求铜导线中自由电子定向移动的速率？（认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子）。
l
S
设自由电子在导线内定向移动的速率是v。取一段导线（如图），自由电子从它的左端定向移动到右端的时间为t，则这段导线的长度为vt，体积为vtS，质量为ρvtS，则这段导线中的原子数为
则这段导线中的自由电子数也为n
t 时间内通过导体横截面的电荷量:
把这个式子代入I=Q/t 得
vt
v
S
v
问题5.既然电子的定向运动速率很小，为什么闭合开关时电路中的电灯立刻就亮了呢？
实际上，闭合开关的瞬间，电路中的各个位置以光速迅速建立了电场。随着电场的建立，电路中各处的自由电子在静电力的作用下几乎同时开始做定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。
三种速率的比较
比较项 物理意义 大小/(m·s－1)
电子定向移动的平均速率　　　 金属导体内自由电子的定向移动形成电流，电流与自由电子定向移动的平均速率的关系为I＝neSv 10－4
电流的传导速率 等于光速。电路接通，导线内以光速c形成恒定电场，各处的自由电子几乎同时开始定向移动形成电流 3×108
电子热运动的 平均速率 导体内电子不停地做无规则的热运动，由于向各个方向运动的机会均等，不能形成电流。其速度与温度有关 105
电源
和
电流
电源
能把自由电子从正极搬到负极的装置
恒定电场
M
N
E
微观表达
vt
v
S
v
电流
电荷的定向移动
定义式：
课堂总结