黑龙江省齐齐哈尔市高中物理 第二章 恒定电流 2 11页

‎2.1 电源和电流 ‎ 学习 目标 ‎1．了解形成电流的条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场。‎ ‎2．理解电流的定义，知道电流的单位、方向的规定；理解恒定电流。‎ ‎3．了解金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程。从微观角度理解导体中电荷定向移动与电流的关系 学习 疑问 学习 建议 ‎【预学能掌握的内容】‎ ‎1．电源 ‎（1）电源的定义 电源是不断把 电荷从 极搬运到 极从而维持正负极之间存在一定 的装置。‎ ‎（2）电源的作用 ‎①从电荷移动角度看 电源的作用就是移送 ，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 。‎ 电源在内部能把电子从正极A搬运到负极B，如图所示。‎ ‎②从能量转化的角度看 搬运电荷的过程就是 静电力做功的过程，是将 的能转化为 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 ‎2．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 ‎①定义：由稳定分布的 所产生的稳定的电场，称为 电场。‎ ‎②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。‎ 提醒　（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 ‎3.恒定电流 （1） 恒定电流：大小和方向都_____的电流 （2） 电流 a. 物理意义：表示电流的强弱的物理量 b. 定义：通过导体横截面的 和 的比值。‎ c. 表达式：I= 单位：‎ d. 电流方向的规定：‎ e. 产生稳定电流的条件：‎ f．电流是标量：电流虽然有方向，但是它遵循代数运算法则，所以电流是标量．‎ 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．‎ 提醒 （1）公式中q是时间t内通过某横截面的电荷量，不是单位横截面的电荷量．‎ ‎（2）用公式计算电流大小时，只需代入电荷量的绝对值，且q要与时间t相对应． ‎ ‎【合作探究一】‎ ‎1．电流的形成 ‎（1）产生电流的条件： ．‎ ‎（2）形成持续电流的条件： ．‎ ‎2．电流的方向 ‎（1）规定 电荷定向移动的方向为电流的方向， 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 ，电流的方向与 定向移动的方向相反．‎ ‎【典题探究】‎ ‎【例1】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 反馈训练1：如图所示，电解槽内有一价的电解溶液，t s内通过溶液内横截面S的正离子数是n1，负离子数是n2，设元电荷的电量为e，以下解释正确的是（ ）‎ A、正离子定向移动形成电流，方向从A到B，负离子定向移动形成电流方向从B到A A B ‎ ‎ ‎ B、溶液内正负离子沿相反方向运动，电流相互抵消 C、溶液内电流方向从A到B，电流I=‎ D、溶液内电流方向从A到B，电流I=‎ 例 2 电子的绕核运动可等效为环形电流。若氢原子中的电子以速率v在半径为r的轨道上运动，用e 表示电子的电荷量，则其等效电流等于多少？‎ 反馈训练2：一电子沿一圆周顺时针方向高速运动，周期为10－10s，则等效电流大小为 A,电流方向是 （填“顺时针”或“逆时针” ）。‎ ‎【合作探究二】‎ 电流的微观表达式 问题导引:自由电荷在金属导体中做定向移动形成电流，那么电流的强弱与自由电荷做定向移动的快慢是否有关呢？请思考以下问题：‎ ‎（1）金属导体中自由电子的定向移动速率与电流的传导速率相同吗？‎ ‎（2）金属导体中电流强弱与自由电子的运动速率有关吗？‎ 提示：自由电子的定向移动速率与电流的传导速率不是一回事，电流的传导速率等于光速；自由电子的定向移动速率越大，电流就越大．‎ 导体内三种速率的比较 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10－‎5 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 ‎1．建立模型：如图所示，AD表示粗细均匀的一段导体，长为l，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.‎ ‎2．理论推导：导体AD中电流的表达式 ‎.‎ ‎3．结论：由此可见，从微观上看，电流决定于导体中 的自由电荷数、每个自由电荷的 、 速率的大小，还与导体的横截面积有关．‎ ‎4．两个公式的比较 I＝q/t I＝nqSv 公式性质 电流的意义 描述的角度 大量电荷定向移动的 表现 形成电流的 实质 联系 由 可导出 ‎ 反馈训练3：（多选）截面积为S的导线中通有电流I.已知导线每单位体积中有n个自由电子，每个自由电子的电荷量是e，自由电子定向移动的速率是v，则在时间Δt内通过导线横截面的电子数是（　　）‎ A．nSvΔt B．nvΔt C. D.‎ ‎【归纳总结】‎ 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 ‎①在电解液中（自由电荷为正、负离子）用I＝q/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＝。‎ ‎②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I＝q/t，而非I＝2q/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。‎ ‎【当堂检测】‎ ‎1.形成持续电流的条件是( )‎ A.只要有电压加在物体的两端 B.必须保持导体两端有电压 C.只在导体两端瞬时加电压 D.只要有大量的自由电荷 ‎2.(多选)在由电源、导线等电路元件所形成的电路中，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.导线内各点的电势相等 D.导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低 ‎3.以下说法正确的是（ ）‎ A.导体中的电流是正电荷的定向移动形成的 B.电荷定向移动的速率等于电流的传导速率 C.单位时间内通过导体横截面的电荷数越多电流越大 D.导体中越粗的地方单位时间内通过导体横截面的电荷数越多电流越大 ‎4.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.0 B.‎‎0.8A C.‎1.6A D.‎‎3.2A 层次一 ‎1.(多选)下列关于电流方向的说法中，正确的是（ ）‎ A、电流的方向就是自由电荷定向移动的方向 B、电流的方向就是正电荷定向移动的方向 C、在金属导体中，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反 D、在电解液中，电流的方向与正离子定向移动的方向相同 ‎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．导体两端有方向不变的电压；    D．导体两端有方向不变，且大小恒定的电压。‎ ‎3．关于电流的方向，下列说法正确的是（ ）‎ A．在金属导体中，电流的方向是自由电子定向移动的方向 B．在电解液中，电流的方向为负离子定向移动的方向 C．无论在何种导体中，电流的方向都与负电荷定向移动的方向相反 D．在电解液中，由于是正负电荷定向移动形成的电流，所以电流有两个方向 ‎4．(多选)关于电流的说法正确的是（ ）‎ A．根据I=q/t可知，I与q成正比 B．如果在任何相等时间内通过导体横截面积的电量相等，则导体中的电流是恒定电流 C．电流强度是一个标量，其方向是没有意义的 D．电流强度的单位“安培”是国际单位制中的基本单位 ‎5．(多选)以下对导体中的电场理解正确的是（ ）‎ A．导体内的电场在稳定时是和导线平行的 B．导体内的电场由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成 C．导线中电场始终随时间而变化 D．导体内的电场是一种动态的稳定 ‎6．通过一根金属导线的电流为16mA．则10s内通过这根导线横截面的自由电子数为（ ）‎ A．1.0×1017 B．1.0×‎1018 C．1.0×1019 D．1.0×1020‎ 层次二 ‎7. 氢原子核外只有一个电子，它绕氢原子核运动一周的时间约为2.4×10-16s，则电子绕核运动的等效电流多大？‎ ‎8.夏季某日午后，某地区距地面约‎1 km的空中有两块乌云，相距‎3 km，它们因与空气摩擦带电，致使两块乌云之间的电势差保持约为3×109 V不变。已知空气的击穿电场强度为3×106 V/m。请对以下问题进行估算。‎ ‎(1)当两块乌云相距多少米时会发生电闪雷鸣？‎ ‎(2)当电闪雷鸣时，若两块乌云之间通过的电荷量为‎500 C，可释放多少能量？‎ ‎(3)这次放电现象历时约0.01 s，则其平均电流约为多大？‎ ‎7‎ ‎9.一根长为L=‎2m，横截面积S=1×10‎-3m2‎的铜棒两端电势差为U=5.44×10-2V，铜棒中的电流I=2.72×‎103A,铜内自由电子的密度为n=8.5×‎1029m-3,求：‎ ‎（1）铜棒内的电场强度；（2）自由电子定向移动的速率。‎ ‎10.银导线的横截面积S=‎4mm2，通以I=‎2A的电流，若每个银原子可以提供一个自由电子，试推导银导线单位长度上的自由电子数的计算公式,并计算结果.(已知银的密度ρ=10.5×‎103kg/m3,摩尔质量M=‎108g/mol,阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023mol-1,计算结果取1位小数)‎