高中物理人教版选修3-1 第二章 第1节 电源和电流 学案 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-1 第二章 第1节 电源和电流 学案 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 219.1KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-01-02 08:54:13 | ||
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文档简介
第1节 电源和电流
1．了解电流的形成，知道什么是电源，知道电源的作用。
2．了解导体中的恒定电场，知道什么是恒定电流，知道导体中恒定电流是如何形成的。
3．知道表示电流强弱程度的物理量——电流，知道它的单位，并能理解和应用它的两种计算公式I＝和I＝nqSv。
一、电源
二、恒定电流
1．恒定电场
(1)定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。
(2)形成：连接A、B导体的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。
(3)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。
(4)适用规律：在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等同样适用于恒定电场。
2．恒定电流
大小和方向都不随时间变化的电流。
3．电流的强弱程度——电流
(1)电流的强弱程度用电流这个物理量表示。电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。(2)如果用I表示电流，q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，则q＝It。
(3)国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A。1 C＝1 A·s。常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
1 mA＝10－3A,1 μA＝10－6_A。
(1)恒定电场就是静电场吗？
提示：不是，静电场是静电荷产生的电场，而恒定电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷形成的电场，但二者基本性质相同。
(2)电流有方向，所以电流是矢量吗？
提示：不是，电流的计算遵循代数运算法则，所以是标量。
(1)恒定电场与静电场的基本性质相同。( )
(2)电路中有电流时，电场的分布就会随时间不断地变化。( )
(3)恒定电场的电场强度不变化，一定是匀强电场。( )
(4)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。( )
提示：(1)√ (2)× (3)× (4)√
课堂任务 电源和恒定电流
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如图甲a所示，若在A、B两个导体之间连接一根导线R，结果会怎样？
提示：导线R中的自由电子会在静电力的作用下定向运动，B失去电子，A得到电子，A、B之间的电势差很快就消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，如图b所示。
活动2：怎样才能使A、B得到持续的电流？
提示：如果能有一个装置可以把运动到A的电子又搬回到失去电子的B，从而维持A、B之间的电势差，即可以得到持续的电流。
活动3：图乙中的P是什么？有什么样的功能？
提示：P就是电源，它能源源不断地把经过导线R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，这样，A、B之间便维持着一定的电势差。由于这个电势差导线中的自由电子就能不断地由B经过R向A定向移动，使电路中保持持续的电流。
活动4：图乙中A、B周围空间的电场只是A、B处的电荷形成的吗？
提示：不是。A、B处的电荷在A、B周围空间产生电场，导线等电路元件所积累的电荷也在A、B周围空间产生电场。
活动5：如果图乙电路中各处电荷的分布是稳定的，电荷所产生的电场是稳定的吗？
提示：根据电场的叠加原理可知，是的。
活动6：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)电源
①电源的作用：提供电压，使电路中获得持续的电流。
②电源有正、负两个电极，正极聚集正电荷，负极聚集负电荷。电源能够源源不断地把经过导线流到正极的电子取走补充到负极。
(2)恒定电场
①电源、导线等电路元件所积累的电荷在电源两极周围空间形成电场，尽管电路中电荷在运动，但有的走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，不随时间变化，电场的分布也不会随时间变化，因此形成的是恒定电场。
②由于在恒定电场中，任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，所以恒定电场的基本性质与静电场相同。静电场中电势、电势差及其与电场强度的关系等在恒定电场中同样适用。
(3)恒定电流的形成
由于恒定电场的作用，导体中自由电荷定向运动的速率增加，而在运动过程中自由电荷会与导体中不动的粒子碰撞从而导致减速，因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化，形成持续的大小、方向都不随时间变化的恒定电流。
例1 (多选)将一些电学元件用导线连接在某电源的两端，下列描述正确的是( )
A．电源的作用是使电源的正、负极两端保持一定的电势差
B．电源的作用是能为电路持续地提供自由电荷
C．导线中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的
D．导线中的电场是由电源的电场和导线等电路元件积累的电荷形成的电场叠加而形成的
(1)电源的作用是什么？
提示：在正、负极之间维持一定的电势差，使电路中保持持续的电流。
(2)导线上积累的电荷在周围空间也产生电场吗？
提示：是的。
[规范解答] 电源将负电荷从负极搬到正极，维持正、负极间有一定的电势差，A正确，B错误；导线中的电场是电源电场和导线等电路元件积累的电荷形成的电场叠加而成的，C错误，D正确。
[完美答案] AD
电源能在其正、负极之间维持一定的电势差，如果电路闭合且安全，电路中将会保持持续的电流。如果电路断开，即使有电源，电路中也不会有持续的电流。
(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中有持续的电流，以下说法正确的是( )
A．导线中的电场强度处处为零，导线处于静电平衡状态
B．导线中的电场是静电场的一种
C．沿电流方向导线内各点的电势逐渐降低
D．导线中的电场使自由电子不断地由电源的负极经过导线向电源正极定向移动
答案 CD
解析 导线内电场强度不是处处为零，导线不处于静电平衡状态，A错误；导线中的电荷定向移动，导线中的电场是恒定电场，并不是静电场的一种，B错误；导线中自由电子受电场力作用，从电势低的地方流向电势高的地方，即沿电流方向导线内各点的电势逐渐降低，C正确；导线中的电场使自由电子不断地由电源的负极经过导线向电源正极定向移动，D正确。
课堂任务 电流的强弱程度——电流
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：甲、乙两图中电流的成因有什么不同？
提示：甲中是金属导体导电，是电子的定向移动形成电流，只有一种电荷(电子)的定向移动。乙中是电解液导电，是正、负离子向相反方向定向移动形成电流，是两种电荷(正、负离子)的定向移动。
活动2：根据甲、乙两图，如何衡量电流的强弱程度？试写出表示电流大小I的关系式，并指出对于乙图应注意什么。
提示：可以用单位时间通过某横截面的电荷量大小表示电流的强弱。用公式写出就是I＝。乙中负离子向左运动相当于等量的正离子向右运动，所以用I＝计算电流大小时，要注意q是正、负两种离子电荷量的总和。
活动3：甲中的电流大小I与n、S、v有什么关系？
提示：AD导体中的自由电荷总数：N＝nlS，总电荷量Q＝Nq＝nlSq
所有这些电荷都通过横截面所需要的时间：t＝
根据公式Q＝It可得：导体AD中的电流I＝＝＝nqSv。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)对公式I＝的理解
电流的强弱程度用电流表示，符号是I。电流越大，单位时间内流过导体横截面的电荷量就越多，即q ＝It。
由q＝It可得，I＝。
①公式I＝求出的是电流在时间t内的平均值，对于恒定电流其瞬时值与平均值相等。
②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＝时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。
(2)对公式I＝nqSv的理解
①I＝nqSv是电流的微观表达式，其中n为导体中单位体积内的自由电荷数，q为每个自由电荷的电荷量，v为自由电荷定向移动的速率，S为导体的横截面积。
②导体中电流的强弱I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、自由电荷定向移动的速率v、导体的横截面积S。
③利用I＝nqSv分析问题时应注意使各物理量都取国际单位。
(3)三种速率的比较
比较项
物理意义
大小/m·s－1
电子定向移
动的速率
金属导体内电子的定向移动形成电流，电流与电子定向移动速率的关系为I＝neSv
1×10－5
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
1×105
例2 在NaCl溶液中，正、负电荷定向移动，方向如图所示，若测得2 s内分别有1.0×1018个Na＋和Cl－通过溶液内部的横截面M，试问：溶液中的电流方向如何？电流多大？
(1)溶液中的电流是什么电荷运动形成的？
提示：溶液中的电流由Na＋、Cl－同时定向移动产生。
(2)计算通过溶液中某横截面的电荷量时只需要算一种电荷的电荷量吗？
提示：不行，需要计算Na＋、Cl－正负电荷量绝对值之和。
[规范解答] NaCl溶液中的电流是靠溶液中能够自由移动的Na＋和Cl－在电场力作用下向相反方向定向移动形成，故溶液中电流方向与Na＋定向移动的方向相同，即由A指向B。
Na＋和Cl－都是一价离子，每个离子的电荷量为e＝1.6×10－19 C，NaCl溶液导电时，Na＋由A向B定向移动，Cl－由B向A运动，负离子的运动可以等效地看做正离子沿相反方向的运动，所以，每秒钟通过M横截面的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和，
则有I＝＝＝ A＝0.16 A。
[完美答案] 溶液中的电流方向由A指向B，大小为0.16 A。
?1?应用I＝f(q,t)求解电流要分清形成电流的自由电荷的种类：对金属来讲，是自由电子的定向移动，q为通过横截面的自由电子的电荷量。对电解质溶液来讲，是正、负离子同时向相反方向定向移动，q为正、负离子电荷量的绝对值之和。
?2?关于电流的方向理解和判断
①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金属导体中自由移动的电荷是自由电子，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。
③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。
④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。
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横截面，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 电荷的定向移动形成电流，正、负电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和，则在2 s内通过某横截面的总电荷量应为
q＝1.6×10－19×2×1.0×1019 C＋1.6×10－19×1×2.0×1019 C＝6.4 C
由电流的定义式知：I＝＝ A＝3.2 A。
已知铜导线中的电流为1 A，铜导线的横截面积为1 mm2，求：
(1)在1s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)自由电子的平均移动速率多大(设铜导线中每立方米含有8.5×1028个自由电子)?
答案 (1)6.25×1018个 (2)7.35×10－5 m/s
解析 (1)1 s内通过铜导线横截面的电荷量为
q＝It＝1 C，
所以1 s内通过铜导线横截面的电子个数为
N＝＝＝6.25×1018(个)。
(2)由电流的微观表达式I＝nqSv得自由电子的平均移动速率
v＝＝ m/s
≈7.35×10－5m/s。
1．了解电流的形成，知道什么是电源，知道电源的作用。
2．了解导体中的恒定电场，知道什么是恒定电流，知道导体中恒定电流是如何形成的。
3．知道表示电流强弱程度的物理量——电流，知道它的单位，并能理解和应用它的两种计算公式I＝和I＝nqSv。
一、电源
二、恒定电流
1．恒定电场
(1)定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。
(2)形成：连接A、B导体的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。
(3)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。
(4)适用规律：在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等同样适用于恒定电场。
2．恒定电流
大小和方向都不随时间变化的电流。
3．电流的强弱程度——电流
(1)电流的强弱程度用电流这个物理量表示。电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。(2)如果用I表示电流，q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，则q＝It。
(3)国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A。1 C＝1 A·s。常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
1 mA＝10－3A,1 μA＝10－6_A。
(1)恒定电场就是静电场吗？
提示：不是，静电场是静电荷产生的电场，而恒定电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷形成的电场，但二者基本性质相同。
(2)电流有方向，所以电流是矢量吗？
提示：不是，电流的计算遵循代数运算法则，所以是标量。
(1)恒定电场与静电场的基本性质相同。( )
(2)电路中有电流时，电场的分布就会随时间不断地变化。( )
(3)恒定电场的电场强度不变化，一定是匀强电场。( )
(4)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。( )
提示：(1)√ (2)× (3)× (4)√
课堂任务 电源和恒定电流
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如图甲a所示，若在A、B两个导体之间连接一根导线R，结果会怎样？
提示：导线R中的自由电子会在静电力的作用下定向运动，B失去电子，A得到电子，A、B之间的电势差很快就消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，如图b所示。
活动2：怎样才能使A、B得到持续的电流？
提示：如果能有一个装置可以把运动到A的电子又搬回到失去电子的B，从而维持A、B之间的电势差，即可以得到持续的电流。
活动3：图乙中的P是什么？有什么样的功能？
提示：P就是电源，它能源源不断地把经过导线R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，这样，A、B之间便维持着一定的电势差。由于这个电势差导线中的自由电子就能不断地由B经过R向A定向移动，使电路中保持持续的电流。
活动4：图乙中A、B周围空间的电场只是A、B处的电荷形成的吗？
提示：不是。A、B处的电荷在A、B周围空间产生电场，导线等电路元件所积累的电荷也在A、B周围空间产生电场。
活动5：如果图乙电路中各处电荷的分布是稳定的，电荷所产生的电场是稳定的吗？
提示：根据电场的叠加原理可知，是的。
活动6：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)电源
①电源的作用：提供电压，使电路中获得持续的电流。
②电源有正、负两个电极，正极聚集正电荷，负极聚集负电荷。电源能够源源不断地把经过导线流到正极的电子取走补充到负极。
(2)恒定电场
①电源、导线等电路元件所积累的电荷在电源两极周围空间形成电场，尽管电路中电荷在运动，但有的走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，不随时间变化，电场的分布也不会随时间变化，因此形成的是恒定电场。
②由于在恒定电场中，任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，所以恒定电场的基本性质与静电场相同。静电场中电势、电势差及其与电场强度的关系等在恒定电场中同样适用。
(3)恒定电流的形成
由于恒定电场的作用，导体中自由电荷定向运动的速率增加，而在运动过程中自由电荷会与导体中不动的粒子碰撞从而导致减速，因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化，形成持续的大小、方向都不随时间变化的恒定电流。
例1 (多选)将一些电学元件用导线连接在某电源的两端，下列描述正确的是( )
A．电源的作用是使电源的正、负极两端保持一定的电势差
B．电源的作用是能为电路持续地提供自由电荷
C．导线中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的
D．导线中的电场是由电源的电场和导线等电路元件积累的电荷形成的电场叠加而形成的
(1)电源的作用是什么？
提示：在正、负极之间维持一定的电势差，使电路中保持持续的电流。
(2)导线上积累的电荷在周围空间也产生电场吗？
提示：是的。
[规范解答] 电源将负电荷从负极搬到正极，维持正、负极间有一定的电势差，A正确，B错误；导线中的电场是电源电场和导线等电路元件积累的电荷形成的电场叠加而成的，C错误，D正确。
[完美答案] AD
电源能在其正、负极之间维持一定的电势差，如果电路闭合且安全，电路中将会保持持续的电流。如果电路断开，即使有电源，电路中也不会有持续的电流。
(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中有持续的电流，以下说法正确的是( )
A．导线中的电场强度处处为零，导线处于静电平衡状态
B．导线中的电场是静电场的一种
C．沿电流方向导线内各点的电势逐渐降低
D．导线中的电场使自由电子不断地由电源的负极经过导线向电源正极定向移动
答案 CD
解析 导线内电场强度不是处处为零，导线不处于静电平衡状态，A错误；导线中的电荷定向移动，导线中的电场是恒定电场，并不是静电场的一种，B错误；导线中自由电子受电场力作用，从电势低的地方流向电势高的地方，即沿电流方向导线内各点的电势逐渐降低，C正确；导线中的电场使自由电子不断地由电源的负极经过导线向电源正极定向移动，D正确。
课堂任务 电流的强弱程度——电流
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：甲、乙两图中电流的成因有什么不同？
提示：甲中是金属导体导电，是电子的定向移动形成电流，只有一种电荷(电子)的定向移动。乙中是电解液导电，是正、负离子向相反方向定向移动形成电流，是两种电荷(正、负离子)的定向移动。
活动2：根据甲、乙两图，如何衡量电流的强弱程度？试写出表示电流大小I的关系式，并指出对于乙图应注意什么。
提示：可以用单位时间通过某横截面的电荷量大小表示电流的强弱。用公式写出就是I＝。乙中负离子向左运动相当于等量的正离子向右运动，所以用I＝计算电流大小时，要注意q是正、负两种离子电荷量的总和。
活动3：甲中的电流大小I与n、S、v有什么关系？
提示：AD导体中的自由电荷总数：N＝nlS，总电荷量Q＝Nq＝nlSq
所有这些电荷都通过横截面所需要的时间：t＝
根据公式Q＝It可得：导体AD中的电流I＝＝＝nqSv。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)对公式I＝的理解
电流的强弱程度用电流表示，符号是I。电流越大，单位时间内流过导体横截面的电荷量就越多，即q ＝It。
由q＝It可得，I＝。
①公式I＝求出的是电流在时间t内的平均值，对于恒定电流其瞬时值与平均值相等。
②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＝时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。
(2)对公式I＝nqSv的理解
①I＝nqSv是电流的微观表达式，其中n为导体中单位体积内的自由电荷数，q为每个自由电荷的电荷量，v为自由电荷定向移动的速率，S为导体的横截面积。
②导体中电流的强弱I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、自由电荷定向移动的速率v、导体的横截面积S。
③利用I＝nqSv分析问题时应注意使各物理量都取国际单位。
(3)三种速率的比较
比较项
物理意义
大小/m·s－1
电子定向移
动的速率
金属导体内电子的定向移动形成电流，电流与电子定向移动速率的关系为I＝neSv
1×10－5
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
1×105
例2 在NaCl溶液中，正、负电荷定向移动，方向如图所示，若测得2 s内分别有1.0×1018个Na＋和Cl－通过溶液内部的横截面M，试问：溶液中的电流方向如何？电流多大？
(1)溶液中的电流是什么电荷运动形成的？
提示：溶液中的电流由Na＋、Cl－同时定向移动产生。
(2)计算通过溶液中某横截面的电荷量时只需要算一种电荷的电荷量吗？
提示：不行，需要计算Na＋、Cl－正负电荷量绝对值之和。
[规范解答] NaCl溶液中的电流是靠溶液中能够自由移动的Na＋和Cl－在电场力作用下向相反方向定向移动形成，故溶液中电流方向与Na＋定向移动的方向相同，即由A指向B。
Na＋和Cl－都是一价离子，每个离子的电荷量为e＝1.6×10－19 C，NaCl溶液导电时，Na＋由A向B定向移动，Cl－由B向A运动，负离子的运动可以等效地看做正离子沿相反方向的运动，所以，每秒钟通过M横截面的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和，
则有I＝＝＝ A＝0.16 A。
[完美答案] 溶液中的电流方向由A指向B，大小为0.16 A。
?1?应用I＝f(q,t)求解电流要分清形成电流的自由电荷的种类：对金属来讲，是自由电子的定向移动，q为通过横截面的自由电子的电荷量。对电解质溶液来讲，是正、负离子同时向相反方向定向移动，q为正、负离子电荷量的绝对值之和。
?2?关于电流的方向理解和判断
①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金属导体中自由移动的电荷是自由电子，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。
③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。
④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。
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横截面，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 电荷的定向移动形成电流，正、负电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和，则在2 s内通过某横截面的总电荷量应为
q＝1.6×10－19×2×1.0×1019 C＋1.6×10－19×1×2.0×1019 C＝6.4 C
由电流的定义式知：I＝＝ A＝3.2 A。
已知铜导线中的电流为1 A，铜导线的横截面积为1 mm2，求：
(1)在1s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)自由电子的平均移动速率多大(设铜导线中每立方米含有8.5×1028个自由电子)?
答案 (1)6.25×1018个 (2)7.35×10－5 m/s
解析 (1)1 s内通过铜导线横截面的电荷量为
q＝It＝1 C，
所以1 s内通过铜导线横截面的电子个数为
N＝＝＝6.25×1018(个)。
(2)由电流的微观表达式I＝nqSv得自由电子的平均移动速率
v＝＝ m/s
≈7.35×10－5m/s。