【21世纪原创】2017年秋高中物理人教选修3-1同步学案：2.1电源和电流

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1　电源和电流
【学习目标】
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、方向的确定，会用公式q＝It分析相关问题.
3.从微观的角度表示电流的大小．
【知识探究】
一、电源
[导学探究]　有A、B两个导体，分别带正 ( http: / / www.21cnjy.com )、负电荷．如果在它们之间连接一条导线R，如图1所示，导线R中的自由电子便会在静电力的作用下定向运动，B失去电子，A得到电子，周围电场迅速减弱，A、B之间的电势差很快就消失．怎样使A、B导体维持一定的电势差，使导线中保持持续的电流？2·1·c·n·j·y
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图1
　
[知识梳理]
1．产生电流的条件：导体两端存在________．
形成持续电流条件：导体两端存在____________．
2．电源
(1)定义：能把________从正极搬运到负极的装置．
(2)作用：维持电路两端有一定的________；使闭合电路中保持持续的________．
3．恒定电场
(1)恒定电场：当电路达到稳定时，导线中的 ( http: / / www.21cnjy.com )电场是由____________等电路元件所积累的电荷共同形成的．这种由稳定分布的电荷所产生的________的电场，叫恒定电场．
(2)特点：任何位置的电荷分布和____________都不随时间变化．
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)只要将导体置于电场中，导体内就有持续电流．(　　)
(2)电源的作用是使闭合电路中有持续电流．(　　)
(3)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动．(　　)
(4)恒定电流是由恒定电场产生的．(　　)
二、电流表达式I＝及电流的方向
[导学探究]　(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方向的？21世纪教育网版权所有
　
　
　
[知识梳理]
1．恒定电流：大小、________都不随时间变化的电流．
2．电流定义式：I＝________或q＝________，其中：q表示在时间t内通过导体横截面的________．【来源：21·世纪·教育·网】
3．单位：________，简称安，符号_ ( http: / / www.21cnjy.com )_______，常用的单位还有毫安(mA)、微安(μA)，1 A＝________ mA,1 A＝________ μA.21·世纪*教育网
4．物理意义：反映了电流的________程度．
5．电流的方向：规定________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方向________．www-2-1-cnjy-com
6．电解液中正、负离子定向 ( http: / / www.21cnjy.com )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，应用I＝时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的____________．
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)根据I＝可知，I与q成正比．(　　)
(2)电流既有大小，又有方向，是矢量．(　　)
(3)单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，电流就越大．(　　)
(4)导体中的电流，实际是正电荷定向移动形成的．(　　)
三、电流的微观表达式
[导学探究]　如图2所示，AD表示粗细 ( http: / / www.21cnjy.com )均匀的一段长为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q.21·cn·jy·com
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图2
(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？
　
　
[知识梳理]
1．电流的微观表达式：I＝nqvS ( http: / / www.21cnjy.com ).式中n为导体中单位体积内的____________、q为每个自由电荷的________、v为自由电荷____________速率，S为导体的横截面积．
2．三种速率的比较
(1)电子定向移动速率：电子在金属导体中的平均运动速率，也是公式I＝neSv中的v，大小约为10－5 m/s.2-1-c-n-j-y
(2)电流的传导速率：电流在导体中 ( http: / / www.21cnjy.com )的传导速率等于光速，为____________ 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．【版权所有：21教育】
(3)电子热运动速率：电子做无规则热运动的速 ( http: / / www.21cnjy.com )率，大小约为105 m/s.由于热运动向各个方向运动的机会________，故此运动不能形成电流．21教育名师原创作品
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)导体中自由电子定向移动的速率等于自由电子热运动的速率．(　　)
(2)导体中自由电子定向移动的速率等于真空中的光速c.(　　)
(3)粗细不均匀的通电导线，电流处处相等，则越粗的位置，电子定向移动的速率越小．(　　)
【题型探究】
一、电流的理解和计算
1．电流的方向
与正电荷定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反．金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反．21cnjy.com
2．电流的大小
(1)I＝是电流的定义式，I＝nqSv是电流的决定式，故电流的大小与通过导体横截面的电荷量以及通电时间无关．【出处：21教育名师】
(2)电解液中应用I＝计算电流时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和．
3．电流是标量
电流虽然有方向但是它遵循代数运算法则．
例1　如图3所示，电解池内有一价的电解液，t s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，以下说法中正确的是(　　)21*cnjy*com
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图3
A．当n1＝n2时电流强度为零
B．当n1＞n2时，电流方向从A→B，电流强度为I＝
C．当n1＜n2时，电流方向从B→A，电流强度为I＝
D．溶液内电流方向从A→B，电流强度为I＝
【特别提醒】
计算电流时，要分清形成电流 ( http: / / www.21cnjy.com )的电荷种类，是只有正电荷或负电荷，还是正、负电荷同时定向移动．当正、负电荷都参与定向移动时，正、负电荷对电流的形成都有贡献．
针对训练1　某电解池，如 ( http: / / www.21cnjy.com )果在1 s内共有5×1018个二价正离子和1×1019个一价负离子通过面积为0.1 m2的某截面，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
二、电流的微观表达式
1．I＝nqvS为电流的微观表达式，从 ( http: / / www.21cnjy.com )微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动的速率大小，还与导体的横截面积有关．若已知单位长度的自由电荷数为n，则电流的微观表达式为I＝nqv.
2．公式I＝nqvS中的v表示电荷定向 ( http: / / www.21cnjy.com )移动的速率．自由电荷在不停地做无规则的热运动，其速率为热运动的速率，电流是电子在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的．
例2　导线中的电流是1 A，导线的横截面积为1 mm2.
(1)在1 s内，有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e＝1.6×10－19 C)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有8.5×1028个自由电子)
(3)自由电子沿导线移动1 m，平均要多少时间？
　
　
　
　
　
　
针对训练2　铜的摩尔质量为m，密度 ( http: / / www.21cnjy.com )为ρ，每摩尔铜原子有n个自由电子，每个自由电子的电荷量为e，今有一根横截面积为S的铜导线，通过电流为I时，电子定向移动的平均速率为(　　)21教育网
A．光速c B. C. D.
【达标检测】
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
2．电路中有一电阻，通过电阻的电流为5 A，当通电5分钟时，通过电阻横截面的电子数为(　　)
A．1 500个
B．9.375×1019个
C．9.375×1021个
D．9.375×1020个
3.如图4所示，一根横截面积为S的均匀长 ( http: / / www.21cnjy.com )直橡胶棒上带有均匀的负电荷，每单位长度上电荷量为q，当此棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，由于棒运动而形成的等效电流大小为(　　)21*cnjy*com
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图4
A．qv B.
C．qvS D.
4．一根铜导线的横截面积为2 mm2，其中的自由电子密度为8.5×1028个/m3，当此铜导线通过2 A的电流时，求：【来源：21cnj*y.co*m】
(1)1 s内有多少个电子通过铜导线的横截面？(电子电荷量e＝1.6×10－19 C)
(2)电子定向移动的速率多大？
　
　
　
答案精析
知识探究
一、导学探究　在A、B间接一电源．
知识梳理　1.电压　持续电压　2.(1)电子　(2)电势差　电流　3.(1)电源、导线　稳定　(2)电场强度www.21-cn-jy.com
即学即用　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　
二、导学探究　(1)利用单位时间内通过导体横截面的电荷量描述电流的强弱．
(2)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向．
知识梳理　1.方向　2.　It　电荷量　3.安培　A　103　106　4.强弱　5.正电荷
相反　6.绝对值之和
即学即用　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
三、导学探究　(1)nlS　nlSq　(2)
(3)I＝＝＝nqvS
知识梳理　1.自由电荷数　电荷量　定向移动　2.(2)3×108　(3)相等
即学即用　(1)×　(2)×　(3)√
题型探究　例1　D　针对训练1　D
例2　(1)6.25×1018个　(2)7.35×10－5 m/s
(3)3.78 h
解析　(1)N＝＝＝6.25×1018个．
(2)由公式I＝neSv，得
v＝＝ m/s≈7.35×10－5 m/s.
(3)沿导线移动1 m需用时
t＝ s≈3.78 h.
针对训练2　D
达标检测　1.B　2.C　3.A
4．(1)1.25×1019个　(2)7.35×10－5m/s
解析　(1)1 s内通过铜导线横截面的电荷量q＝It＝2 C
所以1 s内通过铜导线横截面的电子数n＝＝1.25×1019个
(2)由电流的微观表达式I＝nqSv得：v＝＝ m/s
≈7.35×10－5 m/s.
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