第十一章第1节　电源和电流 学案（教师版）--《创新课堂》人教版必修三

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第1节　电源和电流
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1．了解电流的形成条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场。
2．理解电流的定义，知道电流的单位、方向规定，会运用公式I＝分析相关问题。
3．从微观的角度理解导体中电荷的定向移动与电流之间的关系。
eq \o(\s\up7( INCLUDEPICTURE "课前知识梳理LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "课前知识梳理LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do5(　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　))
一、电源
1．定义：能把______从正极搬运到负极的装置。
2．作用
(1)维持电路两端有一定的________。
(2)使闭合电路中保持持续的________。
二、恒定电流
1．恒定电场：由________分布的电荷所产生的稳定的电场。
2．自由电荷定向移动的平均速率：在恒定电场的作用下，自由电荷定向运动，但在运动过程中与导体内不动的粒子不断碰撞，碰撞的结果是大量自由电荷定向移动的平均速率不随________变化。
3．恒定电流：大小、________都不随时间变化的电流。
4．电流
(1)物理意义：表示电流________程度的物理量。
(2)公式：I＝________。
(3)单位：在国际单位制中，电流的单位是________，简称________，符号是A。
常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)，
1 mA＝________A，1 μA＝________A。
(4)方向：________定向移动的方向规定为电流的方向。
5．电流的微观表达式：I＝______________。
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判断下列说法是否正确。
(1)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有运动。(　　)
(2)导体中的电流一定是正电荷定向移动形成的。(　　)
(3)电子定向移动的方向就是电流的方向。(　　)
(4)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多。(　　)
提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
[答案自填] 电子　电势差　电流　稳定　时间　方向　强弱　　安培　安
10－3　10－6　正电荷　neSv
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知识点一　电源和电流
INCLUDEPICTURE "问题探究LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "问题探究LLL.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)电荷的定向移动形成电流，如何描述电流的强弱？
(2)电流可能是正电荷或负电荷定向移动形成的，也可能是正、负电荷同时向相反的方向定向移动形成的，人们是如何规定电流的方向的？
[提示]　(1)利用单位时间内通过导体横截面的电荷量的多少描述电流的强弱。
(2)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。
1．电源的作用
(1)从电荷转移的角度看，电源的作用是使电路中的自由电荷持续地定向移动。
(2)从能量转化的角度看，搬运电荷的过程是非静电力做功的过程，从而将其他形式的能转化为电能。
2．对电流的理解
(1)电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反。在外电路中电流方向由电源正极到负极，在电源内部电流方向由电源负极到正极。
(2)电流的定义式是I＝，用该式计算出的电流是时间t内的平均值。对于恒定电流，电流的瞬时值与平均值相等。
(3)电流虽然有方向，但它是标量，它遵循代数运算法则。
3．三种电荷
形成电流的三种电荷分别为自由电子、正离子和负离子，其中金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子，液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子，气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子。
角度1　对电源的理解
INCLUDEPICTURE "例1.TIF" INCLUDEPICTURE "例1.TIF" \* MERGEFORMAT 　下列关于电源的说法正确的是(　　)
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
[解析]　电源的作用是维持正、负极之间有稳定的电势差，外电路中自由电子在电场力的作用下向正极移动，在电源内部，需要将电子由正极不断地搬运到负极，故A错误，B正确；电路中有电流不仅需要电源，还需要电路是闭合的，两者缺一不可，故C错误；电源是对电路提供能量的装置，故D错误。
[答案]　B
角度2　对电流的理解
INCLUDEPICTURE "例2.TIF" INCLUDEPICTURE "例2.TIF" \* MERGEFORMAT 　(2024·黑龙江牡丹江二中期末)下列关于电流的说法正确的是(　　)
A．习惯上规定负电荷定向移动的方向为电流方向
B．国际单位制中，电流的单位是安培，简称安
C．电流既有大小又有方向，所以电流是矢量
D．由I＝可知，电流越大，通过导体横截面的电荷量就越多
[解析]　物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，故A错误；国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，故B正确；电流既有大小又有方向，但电流不是矢量，是标量，因为电流的运算遵守代数加减法则，不是平行四边形定则，故C错误；由I＝可知，电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多，若时间短，通过的电荷量不一定多，故D错误。
[答案]　B
角度3　电流的求解
INCLUDEPICTURE "例3.TIF" INCLUDEPICTURE "例3.TIF" \* MERGEFORMAT 　(2024·陕西渭南期中)一条金属导线中的电流是5 μA，那么在3.2 s内通过金属导线横截面定向运动的自由电子个数是(注：电子电量为1.6×10－19 C，1 μA＝10－6 A )(　　)
A．1×1014个　　　　　 B．1×1015个
C．2×1014个 D．2×1015个
[解析]　根据电流的定义式I＝，可得3.2 s通过金属导体横截面的电荷量q＝It＝5×10－6×3.2 C＝1.6×10－5 C，在3.2 s内通过这条导线某一横截面定向运动的自由电子个数n＝＝＝1.0×1014个。
[答案]　A
INCLUDEPICTURE "例4.TIF" INCLUDEPICTURE "例4.TIF" \* MERGEFORMAT 　(2024·浙江杭州期中)如图是一次利用心脏除颤器的模拟治疗，该除颤器的电容器电容为15 μF，如果充电后电容器的电压为4.0 kV，电容器在5.0 ms时间内完成放电，则(　　)
INCLUDEPICTURE "AL1+.TIF" INCLUDEPICTURE "AL1+.TIF" \* MERGEFORMAT
A．放电后，电容器的电容为零
B．该电容器的工作电压一定为4.0 kV
C．该次治疗，通过人体的平均电流是0.12 A
D．放电前，电容器存储的电荷量为0.06 C
[解析]　电容器的电容由电容器本身决定，与所带电荷量无关，则放电后，电容器的电容仍为15 μA，故A错误；充电后电容器的电压为4.0 kV，但该电容器的工作电压随电荷量变化而变化，故B错误；放电前，电容器存储的电荷量Q＝CU＝15×10－6×4.0×103 C＝0.06 C，该次治疗，通过人体的平均电流I＝＝ A＝12 A，故C错误，D正确。
[答案]　D
角度4　电解质溶液导电电流的求解
INCLUDEPICTURE "例5.TIF" INCLUDEPICTURE "例5.TIF" \* MERGEFORMAT 　(多选)如图所示，电解池内含有一价离子的电解液，t时间内通过溶液内截面S的正离子数是n1，负离子数是n2。设元电荷为e，下列解释正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE "23AYH2.TIF" INCLUDEPICTURE "23AYH2.TIF" \* MERGEFORMAT
A．正离子和负离子定向移动形成的电流方向都是从A→B　
B．电解液内正、负离子向相反方向移动，电流抵消
C．电流I＝
D．电流I＝
[解析]　因为正离子定向移动的方向和负离子定向移动的反方向是电流的方向，故电流方向都是从A→B，故A正确，B错误；由I＝得I＝，故C错误，D正确。
[答案]　AD
知识点二　电流的微观表达式
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如图所示，AD表示一段粗细均匀的、长为l的导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的平均速率为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，每个自由电荷的电荷量为e。
INCLUDEPICTURE "23AYH3.TIF" INCLUDEPICTURE "23AYH3.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)AD导体中有多少个自由电荷？总电荷量是多少？
(2)这些电荷都通过横截面D所需的时间是多少？
(3)导体AD中的电流是多大？
[提示]　(1)AD导体中的自由电荷总数N＝nlS。总电荷量q＝Ne＝nlSe。
(2)所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间t＝。
(3)根据电流的公式可得，导体AD中的电流I＝＝＝neSv。
1．I＝neSv与I＝的区别
I＝neSv是电流的决定式，即电流的大小由n、e、S、v共同决定，其中e是单个自由电荷的电荷量；而I＝是电流的定义式，其中q是通过导体横截面的电荷量(不是通过单位横截面积的电荷量)。
2．三种速率的比较
(1)电子定向移动平均速率：电子在金属导体中的定向移动平均速率，也就是公式I＝neSv中的v，大小约为10－5 m/s。
(2)电流的传导速率：电流在导体中的传导速率等于光速，为3×108 m/s。闭合开关的瞬间，电路中各处以光速建立恒定电场，电路中各处的自由电子几乎同时定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流。
(3)电子热运动速率：电子做无规则热运动的速率，约为105 m/s。由于热运动向各个方向运动的机会均等，故此运动不能形成电流。
角度1　对电流的微观表达式的理解
INCLUDEPICTURE "例6.TIF" INCLUDEPICTURE "例6.TIF" \* MERGEFORMAT 　(多选)给一粗细不均匀的、由同种材料制成的导体通电，下列说法正确的是(　　)
A．粗的地方电流小，细的地方电流大
B．粗的地方电荷定向移动速率小，细的地方大
C．各处的电流相等
D．粗的地方电荷定向移动速率大，细的地方小
[解析]　由于导体粗的地方与细的地方串联在电路中，各处电流相等，A错误，C正确；根据电流的微观表达式I＝neSv，同种材料单位体积内的自由电荷数量n相等，可知粗的地方电荷定向移动速率小，细的地方大，B正确，D错误。
[答案]　BC
角度2　电流的微观表达式的应用
INCLUDEPICTURE "例7.TIF" INCLUDEPICTURE "例7.TIF" \* MERGEFORMAT 　来自质子源的质子(初速度为零)，经加速电压为U的加速器加速后，形成细柱形的质子流。已知细柱形的质子流横截面积为S，单位体积的质子数为n，质子的质量为m，其电荷量为e，那么这束质子流的等效电流I为(　　)
A．nS　　　　　　 B．neS
C． D．
[解析]　质子在电场力作用下加速，加速后的速度为v，根据动能定理，则有eU＝mv2，解得v＝，等效电流为I，单位体积的质子数为n，根据电流微观表达式I＝neSv，解得I＝neS。
[答案]　B
角度3　电流定义式和微观表达式的综合应用
INCLUDEPICTURE "例8.TIF" INCLUDEPICTURE "例8.TIF" \* MERGEFORMAT 　(多选)一段粗细均匀的导线的横截面积为S，导线内自由电子的电荷量为e，导线单位长度内自由电子数为n1，导线单位体积内自由电子数为n2，自由电子定向运动的速率为v，单位时间内通过某一横截面的自由电子数为n3，则导线中的电流为(　　)
A．n1eSv　　 B．n1ev
C．n2eSv　　 D．n3e
[解析]　根据电流定义式可得I＝＝＝n3e，根据电流微观表达式可得I＝n2eSv，根据电流定义式可得I＝＝＝n1ev。
[答案]　BCD
eq \o(\s\up7( INCLUDEPICTURE "随堂巩固落实LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "随堂巩固落实LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do5(　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　))
1．(电源和电流)关于电流，下列说法正确的是(　　)
A．在导体中，只要自由电荷在运动，就一定会形成电流
B．电流的方向就是电荷定向移动的方向
C．电流总是从电势高的一端流向电势低的一端
D．导体两端没有电压就不能形成电流
解析：选D。自由电荷的定向移动形成电流，无规则运动不能形成电流，A错误；正电荷定向移动的方向是电流的方向，负电荷定向移动的方向与电流方向相反，B错误；在外电路中电流是从电势高的一端流向电势低的一端，在电源的内部，电流从负极流向正极即从电势低处流向电势高处，C错误；电压是形成电流的原因，导体两端没有电压就不能形成电流，D正确。
2．(电源和电流)(2024·云南昆明联考期中)在接通手电筒开关的5 s内通过一横截面的电荷量为15 C，则电流是(　　)
A．2 A　　 B．3 A　　
C．4 A　　 D．5 A
解析：选B。根据电流的定义式可得I＝＝＝3 A。
3．(电源和电流)(2024·天津静海一中校考)若在2 s内共有2×1019个2价正离子和4×
1019个1价负离子同时向相反方向定向移动通过某截面，那么通过这个截面的电流是(取e＝1.6×10－19 C)(　　)
A．1.5 A B．6.4 A
C．4.8 A D．3 A
解析：选B。根据电流定义式I＝＝
A＝6.4 A，B正确。
4．(电流的微观表达式)(多选)一段粗细均匀的导体的横截面积为S，流过的电流恒为I，每单位体积内的自由电子数为n，每个自由电子的带电量为e，其沿着导体定向移动的平均速率为v。在Δt时间内，通过导体横截面的自由电子数为(　　)
A．nSvΔt B．neSvΔt
C． D．
解析：选AD。Δt时间内，电子定向移动的距离x＝vΔt，通过导体横截面的自由电子数N＝nSx，解得N＝nSvΔt，A正确，B错误；根据q＝IΔt，解得N＝＝，C错误，D正确。