高中物理人教版选修3-1导学案 电流和电源 Word版含解析

电流和电源
【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.会从微观的角度表示电流的大小．
【自主预习】
一、电源
1．定义：能把电子在电源内部从电源______搬运到______的装置．
2．作用：移送电荷，维持电源正、负极间有一定的_______，保持电路中有持续电流．
二、恒定电场
1．定义：由_____________所产生的稳定的电场．
2．形成：当电路达到稳定时，导线中的电场是由_____、______等电路元件所积累的电荷共同形成的．
3．特点：任何位置的________和________都不随时间变化，其基本性质与静电场相同．
三、恒定电流
1．定义：大小、________都不随时间变化的电流称为恒定电流．
2．电流的定义式：I＝，其物理意义：________时间内，通过导体横截面的_________．表示电流强弱程度的物理量．
【自主预习参考答案】一、1．正极、负极．2．电势差．
二、1．稳定分布的电荷．2．电源、导线．3．电荷分布、电场强度．
三、1．方向．2.单位，电荷量．
【问题探究】
一、电流的理解和计算
【阅读课本思考并回答问题】　如图所示，在装有导电液体的细管中，有正、负两种电荷向相反的方向运动，在时间t内通过细管某截面的正电荷为q1，通过此截面的负电荷为q2.
(1)确定通过导电液体中电流的方向．
(2)计算导电液体中电流的大小．
【答案】　(1)电流方向为正电荷定向移动方向或负电荷定向移动的反方向，故导电液体中电流方向为由左向右．
(2)I＝
【知识深化】
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．
2．电流的大小：
(1)定义式：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．
(2)两点说明
①电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的，应用I＝求电流时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和．
②q＝It是I＝的变形，是求电荷量的重要公式．其中I是电流在时间t内的平均值．
【例1】如图所示，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(　　)
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＝I＝
C．当n1＜n2时，电流方向从B→A，电流强度为I＝I＝
D．溶液内电流方向从A→B，电流强度为I＝I＝
【答案】　D
【解析】　正离子定向移动方向就是电流方向，负离子定向移动的反方向也是电流方向；有正、负离子向相反方向经过同一截面时，公式I＝中的q应是正、负离子电荷量绝对值之和，故I＝，电流方向由A指向B，与正、负离子的数量无关，A、B、C错误，D正确．
【题后反思】
计算电流时，要分清形成电流的电荷种类，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.
二、电流的微观表达式
【自主推导】　
如图所示，AD表示粗细均匀的一段长为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.则：
(1)导体AD内的自由电荷全部通过横截面D所用的时间t是多少？
(2)导体AD内的自由电荷的总电荷量Q是多少？
(3)这段导体上的电流是多大？
【答案】　(1)t＝
(2)导体AD内的自由电荷总数N＝nlS
总电荷量Q＝Nq＝nlSq
(3)此导体上的电流I＝＝＝nqSv
【知识深化】　电流的微观表达式I＝nqvS
(1)从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量q、定向移动的速率大小v，还与导体的横截面积S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)v表示电荷定向移动的速率．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，电流是自由电荷在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的．
【延伸阅读】　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)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，大小约为105 m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等，故此运动不能形成电流．
【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？
【答案】　(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.
【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】　电源的作用是维持正、负极之间恒定的电势差，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，B对．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．电源是对电路提供能量的装置，故D错．
2．关于电流，下列说法中正确的是 (　　)
A．通过导体横截面的电荷量越多，电流越大
B．电流的方向就是自由电荷定向运动的方向
C．单位时间内通过导线横截面的电荷量越多，导线中的电流就越大
D．因为电流有方向，所以电流是矢量
【答案】C
【解析】单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，电流越大，故A错误，C正确；物理学中规定，正电荷的定向运动方向为电流的方向，故B错误；电流有方向，但电流的合成运动不符合平行四边形定则，故电流是标量，D错误．
3．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
【答案】　C
【解析】　由公式q＝It，n＝＝＝9.375×1021个．
4．有甲、乙两导体，甲的横截面积是乙的2倍，而单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的2倍，以下说法正确的是(　　)
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相等
【答案】　B
【解析】　由于单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的2倍，因此通过乙导体的电流是甲的2倍，故A错，B对．由于I＝nqSv，所以v＝，由于不知道甲、乙两导体的性质(n、q不知道)，所以无法判断v，故C、D错．