(共21张PPT)
1.电源和电流
必备知识
自我检测
一、电源
1.有A、B两个导体,分别带正、负电荷。如果在它们之间连接一条导线R,回答下列问题。
(1)用导线连接后,电荷怎样移动?
答案:导线中移动的是自由电子,故导体B上负电荷流向导体A。电流的方向是正电荷移动的方向,与负电荷移动的方向相反,故电流由A流向B。
(2)用导线连接后会有电流,为什么电流只是瞬时的?
答案:由于电荷的定向移动,两导体很快达到静电平衡,成为一个等势体,所以导线中的电流只是瞬时的。
必备知识
自我检测
2.形成持续电流的条件:一是要有自由移动的电荷,二是导体两端要有稳定的电势差。
3.电源的作用:电源能把负电荷由正极搬运到负极,保持正、负极之间有稳定的电势差。
必备知识
自我检测
二、恒定电流
1.恒定电场:由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场,叫作恒定电场。
2.恒定电流:大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
3.电流的强弱程度用电流这个物理量表示。单位时间内通过导体横截面的电荷量越多,电流就越大。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,有I= 。单位是安培,符号是A,常用的单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
4.电流的微观解释:导体的横截面积为S,自由电子数密度(单位体积内的自由电子数)为n,自由电子定向移动的平均速率为v,则时间t内通过该横截面的自由电子数为nSvt,由于电子的电荷量为e,时间t内通过横截面的电荷量为q=neSvt。根据电流的公式I= ,电流和自由电子定向移动平均速率的关系为I=neSv。
必备知识
自我检测
1.正误判断。
(1)电源能把自由电子从正极搬运到负极。 ( )
解析:电源把电子从电源正极“搬运”到负极,以增加其电势能。
答案:√
(2)因为电流既有大小又有方向,所以电流是矢量。 ( )
解析:电流虽然有方向,但不是矢量,其运算遵从代数法则。
答案:×
(3)通过导体某横截面的电荷量越多,电流越大。 ( )
答案:×
(4)电流的方向与电荷定向移动的方向相同。 ( )
解析: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。
答案:×
必备知识
自我检测
2.(多选)关于电流,下列叙述正确的是( )
A.只要将导体置于电场中,导体内就有持续的电流
B.电源的作用是使闭合电路中有持续的电流
C.导体内没有电流,说明导体内部的电荷没有移动
D.恒定电流是由恒定电场产生的
解析:电流有瞬时电流和恒定电流之分,瞬时电流是电荷的瞬时定向移动形成的,而恒定电流是在导体两端加稳定的电压形成的,电源的作用就是在导体两端加上稳定的电压,从而在导体内部形成电场而产生持续的电流,选项B、D正确。
答案:BD
必备知识
自我检测
3.(1)在金属导体中,若10 s内通过某一横截面的电荷量为10 C,则导体中的电流为多少安?
(2)某电解槽横截面积为0.5 m2,若10 s内沿相反方向通过横截面的正、负离子的电荷量均为10 C,则电解液中的电流为多少安?
因负电荷形成的电流方向与其定向移动方向相反,所以两种电荷形成的电流方向相同。故电解液中的电流I=I1+I2=2 A。
答案:(1)1 A (2)2 A
探究一
探究二
情景导引
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?
要点提示: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。
探究一
探究二
知识归纳
1.电流的方向
(1)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,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。
2.电流的大小
(1)公式: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。
探究一
探究二
(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。
探究一
探究二
实例引导
例1如图所示,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?
探究一
探究二
解析:NaCl溶液导电是靠自由移动的Na+和Cl-,它们在静电力作用下向相反方向运动。溶液中电流方向与Na+定向移动方向相同,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=1.60×10-19 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作正离子沿相反方向的运动,所以每秒通过M横截面的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和,
答案:溶液中的电流方向由A指向B,大小为0.16 A。
探究一
探究二
探究一
探究二
变式训练1在一次闪电的过程中,流动的电量大约为300 C,持续的时间大约是0.005 s,所形成的平均电流为多大?这些电荷量如果以0.5 A的电流流过灯泡,可使灯泡照明多长时间?
答案:6×104 A 600 s
探究一
探究二
电流的微观表达式
情景导引
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q。
(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?
探究一
探究二
要点提示:(1)AD导体中的自由电荷总数:N=nlS。总电荷量Q=Nq=nlSq。
探究一
探究二
对电流微观表达式和三种速率的理解
(1)从微观上看,电流取决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、定向移动平均速率、导体的横截面积。
(2)电流的微观表达式:I=nevS。式中n为导体中单位体积内的自由电荷数、e为每个自由电荷的电荷量、v为自由电荷定向移动的平均速率,S为导体的横截面积。
(3)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平均运动速率,也是公式I=neSv中的v,大小约为10-4 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。
探究一
探究二
实例引导
例2(多选)有一横截面积为S的铜导线,流经其中的电流为I,设每单位体积的导线中有n个自由电子,电子的电荷量为e,此时电子定向移动的平均速率为v,在t时间内,通过导线横截面的自由电子数可表示为( )
答案:AC
探究一
探究二
规律方法 使用公式I=neSv进行计算时的注意事项
(1)各个物理量都要用国际单位制单位。
(2)正确理解各符号的意义,特别是n表示导体中单位体积内的自由电荷数,v表示自由电荷定向移动的平均速率。
(3)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=nev。
探究一
探究二
变式训练2有甲、乙两导体,甲的横截面积是乙的2倍,而单位时间内通过横截面的电荷量乙是甲的2倍,以下说法正确的是( )
A.甲、乙两导体的电流相同
B.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平均速度是甲导体的2倍
D.甲、乙两导体中自由电荷定向移动的平均速度大小相等
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,故选项A错误,而选项B正确。由于I=neSv,得v= ,由于不知道甲、乙两导体的性质(n不知道),所以无法判断v,故正确选项为B。
答案:B
第十一章电路及其应用
1.电源和电流
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中,以下说法正确的是( )
A.导线中的电场强度处处为零
B.导线中的电场强度方向跟导线方向平行
C.导线处于静电平衡状态
D.导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低
解析在电源和导线等电路元件所积累的电荷的共同作用下,垂直导线方向的电场相互抵消,在导线中形成了沿导线方向的电场,即导线中的电场强度方向跟导线方向平行,A错误,B正确;导线内有电场,说明导线不处于静电平衡状态,C错误;沿电场方向电势逐渐降低,电场方向就是正电荷的受力方向,也就是电流的方向,即导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低,D正确。
答案BD
2.电路中有一电阻,通过电阻的电流为5 A,当通电5 min时,通过电阻横截面的电子数为( )
A.1 500 B.9.375×1019
C.9.375×1021 D.9.375×1020
解析q=It,n==9.375×1021。
答案C
3.(多选)关于电流的方向,下列说法正确的是( )
A.电源供电的外部电路中,电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
B.电源内部,电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
C.电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相同
D.电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相反
解析在电源的外部电路中,电流从正极流向负极,在电源内部,电流从负极流向正极,电源正极电势高于负极电势,所以A正确,B错误;电子带负电,电子运动形成的等效电流方向与电子运动的方向相反,C错误,D正确。
答案AD
4.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
解析电源的作用是维持正、负极之间恒定的电势差,这需要电源不断地将其内部的负电荷向负极聚集,将正电荷向正极聚集,外电路中自由电子在静电力的作用下向正极移动;在电源内部,需要将正极上的电子搬运到负极,维持电势差不变,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。
答案B
5.计数器因射线照射,内部气体电离,在时间t内有n个二价正离子到达阴极,有2n个电子到达阳极,则计数器中的电流为( )
A.0 B. C. D.
解析I=,故选D。
答案D
能力提升
1.
如图所示,一根横截面积为S的均匀长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 ( )
A.qv B.
C.qvS D.
解析t秒内棒通过的长度l=vt,总电荷量Q=ql=qvt。
由I==qv,故选项A正确。
答案A
2.在导体中有电流通过时,下列说法正确的是( )
A.电子定向移动速率接近光速
B.电子定向移动速率即是电场传导速率
C.电子定向移动速率是电子热运动速率
D.在金属导体中,自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动
解析电子定向移动的速率很小,数量级为10-4 m/s,自由电子只不过在速率很大的热运动上附加了一个速率很小的定向移动。故D正确,A错误。电场的传导速率为光速c=3×108 m/s,无规则热运动速率的数量级为105 m/s。故B、C错。
答案D
3.铜的摩尔质量为m,密度为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( )
A.光速c B. C. D.
解析设电子定向移动的平均速率为v,那么在t秒内通过导体横截面的自由电子数相当于在体积vt·S中的自由电子数,而体积为vtS的铜的质量为vtSρ,摩尔数为,自由电子数为,所以电荷量q=,由I=得v=,故D对,A、B、C错。
答案D
