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- 2021-05-26 发布
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3.2 研究电流、电压和电阻
学习目标 重点难点
1.知道电场与电流形成的关系,能从金属导
体的微观结构分析电流的形成机理。
2.记住电路中的电压与电势降落的关系,理
解电路中电势变化的规律。
3.能从微观上解释“电阻”产生的根本原
因,掌握纯金属电阻与温度的关系。
重点:电流的定义式,电压与电势降落
的关系,金属电阻与温度的关系。
难点:电阻产生的原因。
1.电场与电路
(1)电流
①定义:物理学中把流过导体某一横截面积的电荷量 Q 跟所用时间 t 的比值 I 叫做电流。
②定义式:I=Q/t。
③单位:安培(A)
常用单位还有毫安(mA)和微安(μA);换算关系:1 A=1_000 mA=106μA。
④电流的方向:电流的方向规定为正电荷定向移动的方向。电流虽然有方向,但该方向
不是空间方位,所以电流不是矢量,是标量。
⑤物理意义:反映电流强弱的物理量。
(2)电流的形成
不同导体中形成电流的自由电荷是不相同的。金属导体中的自由电荷是自由电子。电解
质溶液中的自由电荷是正、负离子。电离气体中的自由电荷是正、负离子和电子。电荷是在
电场力作用下发生定向移动形成电流。
预习交流 1
已知电子的电荷量为 e,氢原子的电子在原子核的静电力吸引下做半径为 r,速率为 v
的匀速圆周运动,则电子运动形成的等效电流大小为多少?
答案:假想电子绕核运动的轨迹就是一个环形导体,在运动的轨迹上任取一截面,则在
一个周期内只有一个电子通过这个截面,由于电子电荷量题目已经给出,只要求出电子运动
的周期,就可以根据电流的定义求解。根据圆周运动的知识可知,电子运动的周期为
T=2πr/v,
因此所求电流为 I=e/T=ev/2πr。
2.电路中的电压与电势降落
(1)沿电流方向上的任意两点间的电势差就是电压。
(2)沿电流方向电势是逐渐降低的。
3.电阻是怎样形成的
(1)在金属导体中,除了有大量的自由电子外,还有晶体结构点阵上的金属原子。我们
把失去一些核外电子的金属原子叫做原子实。
(2)金属导体中的自由电子,在电场力作用下做定向运动的过程中,自由电子与晶体点
阵上的原子实碰撞形成对电子定向运动的阻碍作用,是“电阻”产生的根本原因,也是电阻
元件在通电时发热的原因。
(3)纯金属电阻的阻值与温度间的关系:R=R0(1+αt),式中 R 表示金属在 t_℃时的电
阻,R0 表示金属在 0_℃时的电阻值,α叫做电阻的温度系数。
预习交流 2
一只“220 V,100 W”的灯泡工作时电阻为 484 Ω,拿一只同样的灯泡,用多用电表欧
姆挡测量它不工作时的电阻,两次电阻相等吗?
答案:由 R=R0(1+αt)可知:工作时电阻温度高,电阻较大。
一、电场中的电流
恒定电场中的电流有何特点?它又是如何定义的?电流的定义式是什么?
答案:恒定电场中电流的大小、方向都不随时间变化。物理学中把流过导体某一横截面
积的电荷量 Q 跟所用时间 t 的比值 I 叫做电流,其定义式为 I=Q
t
。
在电解液中:
(1)若 5 s 内沿相反方向通过面积为 0.5 m2 的横截面的正负离子的电荷量均为 5 C,则
电解液中的电流为多大?
(2)若 5 s 内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子均为 5 C,则电流为多大?
答案:(1)2 A (2)1 A
解析:(1)因 I=Q
t
中的 Q 是时间 t 内通过整个横截面的电荷量,并非通过单位面积的电
荷量,所以 0.5 m2 是干扰条件。又因正负离子沿相反方向定向移动形成的电流方向是相同
的,所以 Q 应为正负离子电荷量绝对值之和,故 I=Q
t
=2×5
5
A=2 A。
(2)根据电解液导电原理可知到达阳极的电荷只有负离子,5 s 内到达阳极的负离子的
电荷量也就是这段时间内电路中流过的电荷量,所以有 I=Q
t
=5
5
A=1 A。
用 I=Q
t
计算时,先要选定横截面,弄清是一种电荷还是两种电荷定向移
动形成电流,从而确定 Q 的大小是关键。在电解质溶液中,公式 I=Q
t
中的 Q 是指正负离子
电荷量的绝对值之和。
二、电流的微观解释
试推导导体中电流 I 的微观表达式 I=nqSv。
答案: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。
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 D 所需要的时间:t=l
v
。
根据公式 Q=It 可得:
导体 AD 中的电流:I=Q
t
=nlSq
l/v
=nqSv。
由此可见,从微观上看,电流取决于导体中单位体积内的自由电荷数、电荷量、定向移
动速率,还与导体的横截面积有关。
一段粗细均匀的金属导体的横截面积是 S,导体单位长度内的自由电子数为 n,金属内
的自由电子的电荷量为 e,自由电子做无规则热运动的速率为 v0,导体中通过的电流为 I。
则下列说法中正确的有( )。
A.自由电子定向移动的速率为 v0
B.自由电子定向移动的速率为 v= I
neS
C.自由电子定向移动的速率为真空中的光速 c
D.自由电子定向移动的速率为 v= I
ne
答案:D
解析:本题考查的是对电流微观表达式 I=nqSv 的理解,关键是理解 v 和 n 的物理意义,
式中 n 为单位体积内自由电子数,而本题中 n 为单位长度内的自由电子数,t 时间内通过导
体某一横截面的自由电子数为长度是 vt 内的自由电子,其数量为 nvt,电荷量 Q=nvte,所
以电流 I=Q
t
=nev,所以 v= I
ne
,故 D 正确。
(1)电流传导速率等于光速,电路一接通,导体中的电子立即受到电场
力作用而定向移动形成电流。(对整体而言)
(2)电子定向移动速率,其大小与电流有关,一般数量级为 10-5 m/s。(对每个电子而言)
(3)电子热运动速率,任何微观粒子都做无规则运动,其速率与温度有关,通常情况为
每秒几百米。
1.关于电流的概念,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.电子的定向移动速率越大,电流越大
C.单位时间内通过导体横截面的电荷量越多,导体中的电流越大
D.电场的传导速率越大,电流越大
答案:BC
解析:A 选项中没有考虑时间的因素,B 选项易漏选,当电子的定向移动的速率越大时,
单位时间内通过导体横截面的电荷量越大,故电流越大。D 选项中,电场的传导速率是定值,
为光速 c。
2.对于金属导体,还必须满足下列哪一个条件才能在导体中产生恒定的电流( )。
A.有可以自由移动的电荷 B.导体两端有电压
C.导体内存在电场 D.导体两端加有恒定的电压
答案:D
解析:导体两端有电压或导体内存在电场都可以使电荷定向移动,但都可能是瞬时的,
要想产生恒定的电流,导体两端必须有恒定的电压。
3.在显像管的电子枪中,从炽热的金属丝不断放出的电子进入电压为 U 的加速电场,
设其初速度为零,经加速后形成横截面积为 S,电流为 I 的电子束。已知电子的电荷量为 e、
质量为 m,则在刚射出加速电场时,一小段长为Δl 的电子束内电子个数是( )。
A.IΔl
eS
m
2eU
B.IΔl
e
m
2eU
C. I
eS
m
2eU
D.ISΔl
e
m
2eU
答案:B
解析:设加速后电子的速率为 v,则 eU=1
2
mv2。又 I=neSv,n 为单位体积内的电子数
目,故Δl 长内的电子数目:N=nΔlS= I
eS
m
2eU
·ΔlS=IΔl
e
m
2eU
。
4.一块石英手表正常工作时,通过表芯的电流为 2 μA,则在 24 h 内通过表芯的电荷
量是________,通过电子的数目是________。
答案:0.172 8 C 1.08×1018 个
解析:由 q=It 得出 24 h 内通过表芯的总电荷量,而每个电子的电荷量为 1.6×10-19 C,
可求得通过电子的数目。
5.在彩色电视机的显像管中,从电子枪射出的电子在加速电压 U 作用下被加速,且形
成电流为 I 的平均电流,若打在荧光屏上的高速电子全部被荧光屏吸收。设电子质量为 m,
电荷量为 e,进入加速电场之前的初速不计,则 t 秒内打在荧光屏上的电子数为多少?
答案:It/e
解析:n=Q/e=It/e。
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