高中物理 第二章 恒定电流 第1节 电源和电流学案 新人教版选修3-1

1电源和电流答案：（1）负电荷（2）电势差（3）导线（4）电源（5）电场强度（6）方向（7）（8）电荷量（9）安培（10）正电荷（11）电流表1电源（1）电源的定义电源是不断把负电荷从正极搬运到负极从而维持正负极之间存在一定电势差的装置。（2）电源的作用从电荷移动角度看电源的作用就是移送电荷，维持电源正、负极间有一定的电势差，从而保持电路中有持续电流。电源在内部能把电子从正极A搬运到负极B，如图所示。从能量转化的角度看搬运电荷的过程就是克服静电力做功的过程，是将其他形式的能转化为电能的过程。【例1】关于电源，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电源的作用就是将其他形式的能转化为电能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：选项正误解析A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电场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B从能量角度来看，电源在搬运电荷的过程中，需要克服电场力做功，将其他形式的能转化为电能C电路中有电流不仅需要电源，还需要电路是闭合的D电源是为电路提供能量的装置答案：B2恒定电场（1）导线中电场的形成：是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成。（2）恒定电场定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，称为恒定电场。性质：导线中的电场是恒定电场，不是静电场。但由于在恒定电场中，任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，所以它的基本性质与静电场相同。在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等，在恒定电场中同样适用。破疑点（1）导线内的电场是在接通电源后的极短时间内（以光速c）完成的。（2）恒定电场是自由电荷在导体中定向移动的原因。【例2】关于有恒定电流通过的导线中的电场，下列说法正确的是（）A导线内的电场线可以与导线相交B导线内的电场E是由电源电场E0和导线侧面堆积电荷形成的电场E叠加的结果C导线侧面堆积电荷分布是稳定的，故导线处于静电平衡状态D导线中的电场是静电场的一种解析：选项正误解析A导线内的电场线与导线平行B导线中的电场是电源电场和导线侧面堆积电荷形成的电场叠加而成的C导线内的电场不为零，不是静电平衡状态，导线内的电场是恒定电场，并不是静电场的一种D答案：B3恒定电流谈重点（1）电流虽然既有大小，又有方向，但电流是标量。（2）金属导体中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相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的。电荷量q为通过导体横截面的正、负电荷量的绝对值之和。（4）在电源外部的电路中，电流是从电源的正极流向负极；在电源内部的电路中，电流是从电源的负极流向正极。【例3】一段截面积为0.5 mm2的导体，每秒钟有0.2 C正电荷和0.3 C的负电荷相向运动，则电流为（）A0.2 AB0.3 AC0.5 AD104 A解析：答案：C4电流的微观表达式（1）推导过程题设如图所示，AB表示粗细均匀的一段导体，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，设导体的长度为L，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。推导导体AB中的自由电荷总数：NnLS总电荷量：QNqnLSq所有这些电荷都通过横截面所需要的时间：t导体AB中电流为InqSv。结论电流的微观表达式为InqSv。（2）电流的决定因素【例4】一横截面积为S的铜导线，流过的电流为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q，此时电子的定向移动速度为v，在t时间内，通过导线横截面的自由电子数目可表示为（）AnvStBnvtCD解析：根据电流的定义式可知，在t内通过导线横截面的电荷量QIt，所以在这段时间内通过的自由电子数为N，所以C对，D错；由于自由电子定向移动的速率是v，因此在时间t内，位于以横截面S为底、长lvt的这段导线内的自由电子都能通过横截面（如图所示）。这段导线的体积VSlSvt，所以t内通过横截面S的自由电子数为NnVnvSt，A对，B错；故选A、C项。答案：AC5计算电流的三种情况（1）金属导体中电流的计算因为电路中的电流是由自由电子定向移动形成的，故I中的q是指时间t内通过导体横截面上自由电子所带电荷量的绝对值。（2）电解液导电电流的计算在电解液中（自由电荷为正、负离子）用Iq/t计算时，电解液导电不能用I计算，q应为正、负电荷的电荷量的代数和，即I。若已知在电解液中t时间内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子的电荷量均为q，此时电流Iq/t，而非I2q/t。阳极也是一个横截面，电荷量q的负电荷流进去，但没有电荷量q的正电荷流出来，也就是说这个横截面只有一个q的电荷量通过而已。（3）环形电流的计算环形电流的计算采用等效的观点分析。所谓等效电流，就是把电子周期性地通过圆周上各处形成的电流看成持续不断地通过圆周上各处时所形成的电流。对周期性运动的电荷，常取一个周期来计算等效电流。利用库仑定律算出库仑力，库仑力充当向心力，求出电荷量，代入I即可求得。【例51】有两个完全相同的金属球A、B，A带Q的电荷，B不带电，用导线将A、B球连接，经时间t1导体中不再有电荷定向移动。求导线中的平均电流。解析：A、B两球用导线连接后，导线中的自由电子发生定向移动形成电流，当两球的带电荷量相等时，达到平衡状态，电流终止，在时间t1内通过导线的电荷量为，所以I1。答案：【例52】如图所示的电解槽中，如果在4 s内各有8 C的正、负电荷通过面积为0.8 m2的横截面AB，那么（1）分析正、负离子定向移动的方向。（2）电解槽中的电流方向如何？（3）4 s内通过横截面AB的电荷量为多少？（4）电解槽中的电流为多大？解析：（1）电源与电解槽中的两极相连后，左侧电极电势高于右侧电极，由于在电极之间建立电场，电场方向由左指向右，故正离子向右移动，负离子向左移动。（2）电解槽中的电流方向向右。（3）8 C的正电荷向右通过横截面AB，而8 C的负电荷向左通过该横截面，相当于又有8 C正电荷向右通过横截面，故本题的答案为16 C。（4）由电流强度的定义IA4 A。答案：（1）见解析（2）自左向右（3）16 C（4）4 A点评：本题易犯的错误有以下两点：误认为Iq/t中的q为通过单位面积的电荷量，实际上q与横截面的面积大小无关。将电解液导电等同于金属导体导电，误认为电荷量q8 C。6导体内三种速率的比较电流微观表达式为InqSv，其中v表示电荷定向移动的速率。实际上电荷的运动存在三种速率，下面对电荷的三种速率进行区别。自由电荷定向移动速率自由电荷定向移动形成电流，其中电荷定向移动的速率一般为105 m/s的数量级无规则热运动速率导体中的自由电子在不停地做无规则运动，由于沿各个方向无规则运动的机会相等，故不能形成电流。常温下自由电子热运动的速率的数量级为105 m/s电场传播速率（或电流传导速率）等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中的光速c形成恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流析规律由InqSv可以看出，同一段导体，横截面积越大的位置，自由电荷定向移动的速率越小，如图所示。【例61】如图所示，两个截面不同、长度相等的均匀铜棒接在电路中，两端电压为U，接通电路后（）A通过两棒的电流相等B两棒的自由电子定向移动的平均速率相等且等于光速C两棒内的电场强度不同，细棒内场强E1小于粗棒内场强E2D细棒两端的电压U1大于粗棒两端的电压U2解析：两棒串联，I1I2，故选项A正确；由电流微观表达式InqSv知，因S1S2，所以定向运动速率v1v2，故选项B错误；E，因S1S2，所以E1E2，故选项C错误；UIRId/S，因S1S2，所以U1U2，故选项D正确。答案：AD【例62】某同学学习本节后认为电路接通后，自由电子从电源出发，以很大（可能接近光速）的定向移动速率，在金属导线中运动，很短时间到达用电器，所以不会看到开灯好长时间才见灯亮的现象，请利用下面有关资料探究该同学说法的正确性。横截面积S1 mm2铜导线，可允许通过电流为1 A，铜在单位体积中自由电子数为8.51028 个/m3。解析：由电流的微观表达式IneSv知vm/s7.4105 m/s可见v光速c3108 m/s，若按该同学的说法，以这样的速度传播1 m长导线需用时ts3.8 h，显然与实际不符。其实是在恒定电场的作用下，电路中的电子几乎同时定向移动，即整个电路几乎同时形成了电流。答案：见解析点评：在理解电流的微观表达式时，要注意以下几点：表达式中各量的物理意义。只有电子才能在金属导线中移动，而在电解液导电中则正、负离子都可以移动。电子移动的速率并不是通电的速率。6