【物理】2020届一轮复习人教版电源和电流学案 5页

1 电源和电流 [学科素养与目标要求] 物理观念：1.了解电流的形成条件、电源的作用和导体中的恒定电场.2.理解电流的定义、定义式、单位及 方向的规定，会用公式 q＝It 分析相关问题. 科学思维：会推导电流的微观表达式，从微观的角度认识影响电流大小的因素. 一、电源 1.定义：能把电子在电源内部从电源正极搬运到负极的装置. 2.作用：移送电荷，维持电源正、负极间有一定的电势差，保持电路中有持续电流. 二、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：当电路达到稳定时，导线中的电场是由电源、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、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流. 2.电流的定义式：I＝q t ，其物理意义：单位时间内，通过导体横截面的电荷量，是表示电流强弱程度的物 理量. 1.判断下列说法的正误. (1)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有运动.(×) (2)电流既有大小，又有方向，是矢量.(×) (3)导体中的电流一定是正电荷定向移动形成的.(×) (4)电子定向移动的方向就是电流的方向.(×) (5)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多.(√) 2.在一次闪电的过程中，流动的电荷量大约为 300C，持续的时间大约是 0.005s，所形成的平均电流强度为 ________A. 答案 6.0×104 一、电流的理解和计算 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方向的反方向，故导电液体中电流方向为由左 向右. (2)I＝|q1|＋|q2| t . 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.电流的定义式：I＝q t.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. 3.电流虽然有方向，但它是标量，它遵循代数运算法则. 例 1 如图 1 所示，电解池内有一价的电解液，t 时间内通过溶液内面积为 S 的截面的正离子数是 n1，负 离子数是 n2，设元电荷为 e，以下说法中正确的是( ) 图 1 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＝n1－n2e t C.当 n1＜n2 时，电流方向从 B→A，电流强度为 I＝n2－n1e t D.溶液内电流方向从 A→B，电流强度为 I＝n1＋n2e t 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＝q t 中的 q 应是正、负离子电荷量绝对值之和，故 I＝n1＋n2e t ，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. 针对训练 1 某电解池，如果在 1s 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 0.1m2 的某截面，那么通过这个截面的电流是( ) A.0B.0.8AC.1.6AD.3.2A 答案 D [学科素养] 负电荷向一个方向定向移动，等效为正电荷向相反方向定向移动，所以在电解液中形成电流 的电荷量为正、负电荷电荷量的绝对值之和.通过以上两个题目，学生能更好地理解不同情景下电流的形成 及电流的定义式，体现了“物理观念”的学科素养. 二、电流的微观表达式 1.电流的微观表达式的推导 如图 2 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大小 为 q.则： 图 2 导体 AD 内的自由电荷全部通过横截面 D 所用的时间 t＝l v.导体 AD 内的自由电荷总数 N＝nlS 总电荷量 Q＝Nq＝nlSq 此导体上的电流 I＝Q t ＝nlSq l v ＝nqvS 2.电流的微观表达式 I＝nqvS (1)I＝q t 是电流的定义式，I＝nqvS 是电流的决定式，因此 I 与通过导体横截面的电荷量 q 及时间 t 无关，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大小 q、定向移动的速 率 v，还与导体的横截面积 S 有关. (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：也是公式 I＝neSv 中的 v，大小约为 10－5m/s. (2)电流的传导速率：就是导体中建立电场的速率，等于光速，为 3×108m/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 105m/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 1A，导线的横截面积为 1mm2. (1)在 1s 内，有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量 e＝1.6×10－19C)? (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)自由电子沿导线定向移动 1m，平均要多少时间？ 答案 (1)6.25×1018 个 (2)7.35×10－5m/s (3)3.78h 解析 (1)N＝q e ＝It e ＝6.25×1018 个. (2)由公式 I＝neSv，得 v＝ I neS ＝ 1 8.5×1028×1.6×10－19×1×10－6m/s ≈7.35×10－5m/s. (3)沿导线移动 1m 需用时 t＝ 1 7.35×10－5s≈3.78h. 针对训练 2 (2018·南昌二中高二期中)如图 3 所示是一根粗细均匀的橡胶棒，其横截面积为 S，由于与毛 皮发生摩擦而均匀带负电，若已知该橡胶棒每米所带的电荷量为 q，则当该棒沿轴线方向做速度为 v 的匀 速直线运动时，形成的等效电流为( ) 图 3 A.qvB.q vC.qvSD.qv S 答案 A 解析 橡胶棒沿轴线方向以速度 v 做匀速直线运动时，Δt 内通过的距离为 v·Δt，Δt 内通过某横截面的 电荷量 Q＝qvΔt，根据电流的定义式 I＝ Q Δt ，得到等效电流 I＝qv，A 正确. 1.(对电源的理解)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、负极之间稳定的电势差，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.(对 I＝q t 的理解和应用)电路中有一电阻，通过电阻的电流为 5A，当通电 5 分钟时，通过电阻横截面的电 子数为( ) A.1500 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 得，n＝q e ＝It e ＝9.375×1021 个，故选 C. 3.(对电流微观表达式的理解和应用)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＝ I nqS ，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.