高中物理第3章恒定电流第1节电流教学案鲁科版选修3_1.doc

第1节 电_流1回路中存在自由电荷和导体两端存在电压是形成电流的条件。2电流的速度是3108 m/s，区别于电荷定向移动的速率。3电荷定向移动时，在单位时间内通过导体任一横截面的电荷量称为电流，I。且规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。4物理学中把方向不随时间改变的电流叫直流电，方向和强弱都不随时间改变的电流叫做恒定电流。一、电流的形成1形成电流的条件(1)回路中存在自由电荷；(2)导体两端存在电压。2形成持续电流的条件导体两端有持续电压。二、电流的速度1电流的速度等于电场的传播速度，它等于3108 m/s。2导体中有电流时同时存在着的三种速率三种速率电场的传播速率电子无规则热运动的速率自由电子定向移动的速率数值光速3108 m/s数量级约105 m/s数量级约105 m/s三、电流的方向1规定：正电荷定向移动的方向。金属内部的电流方向跟负电荷定向移动的方向相反。2外电路中，电流总是从电源正极流向电源负极。四、电流的大小和单位1定义：电荷定向移动时，在单位时间内通过导体任一横截面的电荷量称为电流。2定义式：I。3单位：安培。常用单位还有mA和A；换算关系：1 A103 mA106 A。4(1)直流电：方向不随时间改变的电流。(2)恒定电流：方向和强弱都不随时间改变的电流。1自主思考判一判(1)金属导体中电子定向移动的速率很大，因为闭合开关，灯泡马上就亮了。()(2)加上电压后，导体中的电场是以光速传播的。()(3)导体中的自由电荷是在导体中的电场施加的电场力作用下做定向移动的。()(4)电流既有大小又有方向，是矢量。()(5)由I可知，I与q成正比。()(6)安培是七个国际基本单位之一。()2合作探究议一议(1)电容器放电过程瞬间完成，不会形成持续电流，而干电池可使电路中保持持续的电流，为什么？提示电容器放电过程中正、负电荷中和，放电电流瞬间消失，不能在电路中形成持续的电流，而干电池内部能够通过非静电力的作用维持电池两极电势差不变，使电路中保持持续的电流。(2)电流的方向是如何规定的？电流是矢量吗？提示电流是描述电流强弱的物理量，规定正电荷定向移动的方向为电流的方向；电流虽然有方向，但它是标量。(3)如图311所示，在盐水中加入两个电极，与电源连接后可以形成电流。盐水中形成电流时，电荷的定向移动如何？电流的方向如何？图311提示在电场中，盐水中正离子Na向左移动，形成向左的电流，负离子Cl向右移动，形成向左的电流，故盐水中电流方向向左。电流的理解与计算1三种速率的理解电子定向移动的速率电子热运动的速率电流传导的速率物理意义电流就是由电荷的定向移动形成的，电流IneSv，其中v就是电子定向移动的速率，一般为105 m/s的数量级构成导体的电子在不停地做无规则热运动，由于热运动向各个方向运动的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动的速率数量级为105 m/s等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c建立恒定电场，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大小105 m/s105 m/s3108 m/s2.对I的理解电流定义式电流方向(1)I是单位时间内通过导体横截面的电荷量，横截面是整个导体的横截面，不是单位截面积(2)当电解质溶液导电时，q为通过某一横截面的正、负电荷量绝对值的和(3)I与q、t均无关电流方向与正电荷定向移动方向相同，和负电荷定向移动方向相反(金属导体中电流的方向与自由电子定向移动方向相反)典例如图312所示，在NaCl溶液中，正、负电荷定向移动，方向如图中所示，若测得2 s内分别有1.01018个Na和Cl通过溶液内部的横截面M，则溶液中的电流方向如何？电流为多大？图312解析NaCl溶液导电是靠自由移动的Na和Cl，它们在电场力作用下向相反方向运动。因为电流方向为正电荷定向移动的方向，所以溶液中电流方向与Na定向移动的方向相同，即由A流向B。Na和Cl都是一价离子，每个离子的电荷量为e1.61019 C，NaCl溶液导电时，Na由A向B定向移动，Cl由B向A定向移动，负离子的运动可以等效地看做正离子沿相反方向运动，可见，2 s内通过横截面M的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和，则有I A0.16 A，方向由A向B。答案电流方向由A向B，大小为0.16 A应用公式I需注意的三个问题(1)公式I反映的是在时间t内电流的平均值，对恒定电流来说，平均值等于瞬时值。(2)计算电流大小时，要注意通过截面的电荷量的计算(q、q1、q2均表示电荷量的绝对值)，常见的情况有以下两种：同种电荷同向通过某一截面时，电荷量qq1q2异种电荷反向通过某一截面时，若q1为正电荷，q2为负电荷，电荷量qq1|q2|(3)电解液导电时电流的计算，在时间t内，有m个a价正离子通过溶液内截面S，有n个b价负离子通过溶液内截面S，则电流的大小I。 1(多选)关于电流的速度，下列说法正确的是()A电荷的定向移动形成电流，所以电流的传导速率等于自由电荷定向移动的速率B电流的传导速率等于自由电荷的无规则热运动的速率C电流的传导速率等于电场的传播速率D电流的传导速率近似等于光速解析：选CD电流的传导速率等于电场的传播速率，近似等于光速c，大于自由电荷定向移动的速率和自由电荷无规则热运动的速率，故选项A、B错误，选项C、D正确。2(多选)以下说法正确的有()A只要有可以移动的电荷，就存在着持续电流B只要导体两端没有电压，就不能形成电流C只要导体中无电流，其内部自由电荷就停止运动D金属导体内持续电流是自由电子在导体两端的持续电压下形成的解析：选BD形成电流的条件是回路中存在自由电荷，导体两端有电压；形成持续电流的条件是回路中存在自由电荷，导体两端有持续的电压，故选项B、D正确；无论导体两端有无电压，其中的自由电荷均做永不停息的无规则热运动，当导体两端加上持续电压后，在电场力作用下，自由电荷在热运动的基础上叠加一个定向移动，从而形成持续电流，故选项A错误；导体中无电流时，自由电荷不做定向移动但仍做无规则热运动，故选项C错误。3一个半径为r的细橡胶圆环，均匀地带上电荷量为Q的负电荷，当它以角速度绕中心轴线顺时针匀速转动时，环中等效电流的大小为()AQB.C. D.解析：选C截取圆环上任一截面，在橡胶圆环运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量为Q，则有I，又因为T，所以I，故C正确。电流的微观表达式1建立模型如图313所示，AD表示粗细均匀长为l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。图3132理论推导AD导体中的自由电荷总数：NnlS。总电荷量：QNqnlSq。所有这些电荷都通过横截面S所需要的时间：t。根据公式I可得：导体AD中的电流：InqSv。3结论从微观上看，电流决定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、定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关。1导体中电流I的表达式为InqSv，其中S为导体的横截面积，n为导体单位体积内的自由电荷数，q为每个自由电荷所带的电荷量，v是()A导体运动的速率 B电流传导的速率C电子热运动的速率 D自由电荷定向移动的速率解析：选DInqSv中v是自由电荷定向移动的速率。2(多选)横截面积为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t内通过导线横截面的电子数是()AnSvt BnvtC. D.解析：选AC(1)根据电流的定义式，可知在t内通过导线截面的电荷量qIt。所以在这段时间内通过的自由电子数为N。(2)自由电子定向移动的速率是v，因此在时间t内，位于以截面S为底、长lvt的这段导线内的自由电子都能通过截面。这段导线的体积VSlSvt，所以t内通过截面S的自由电子数为NnVnSvt，所以选项A、C正确。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，一小段长度为l的电子束内的电子个数为()A. B. C. D. 解析：选B设电子束单位体积内含有n个电子，由电流的微观表达式可知IneSv所以n电子经加速电场加速后，满足eUmv2由以上各式解得n 所以长度为l的电子束内的电子个数为NnSl，选项B正确。1对于金属导体，还必须满足下列哪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把导体放在匀强电场中C让导体某一端连接电源正极即能产生电流D导体两端加有恒定的电压解析：选D因为金属导体中已经存在大量的自由电荷，故A错。把导体放在匀强电场中，导体只能产生瞬间感应电流，故B错。只是让导体一端连接电源正极时，导体两端无电压，此时不能形成电流，故C错。只有让导体两端保持恒定的电压才能产生恒定电流，故D正确。2关于电流，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电子运动速率越大，电流越大C单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，导体中的电流就越大D因为电流有方向，所以电流是矢量解析：选C由I知，q大，I不一定大，还要看t的大小，故A错。由InqSv知，电子定向运动的速率v大，电流大小不一定大，电流大小还与n、q、S有关，另外电子做无规则热运动，速率很大，但不能形成电流，故B错。单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，电流越大，C对。电流虽有方向，但不是矢量，故D错。3关于电流的方向，下列说法正确的是()A电荷定向移动的方向为电流方向B因为电流有方向，所以电流是矢量C在电源外部电路中，电流的方向是从电源的正极流向负极D在电路中电荷的定向移动方向总是沿着高电势到低电势的方向解析：选C电流的方向是正电荷定向移动的方向，在电源外部从电源正极流向负极，故A错，C对；电流是标量，故B错；外电路中正电荷从高电势处向低电势处移动，但负电荷从低电势处向高电势处移动，故D错。4金属导体中有电流时，自由电子定向移动的速率为v1，电子热运动速率为v2，电流的传导速率为v3，则()Av1最大Bv2最大Cv3最大 D无法确定解析：选C电场传播速率(或电流传导速率)等于光速，而电子无规则热运动的速率，其数量级约为105 m/s，自由电子定向移动速率数量级为105 m/s，所以C正确。5非洲电鳐的捕猎方式是放电电死猎物，它放电的电压可达100 V，电流50 A，每秒钟放电150次，其放电情况可近似看做如图1所示的规律。则放电1秒钟非洲电鳐放出的电量为()图1A25 C B50 CC150 C D250 C解析：选A由图像可得1秒钟电鳐的放电时间为0.5 s，根据电流的定义式I，可得qIt500.5 C25 C，故A正确。6(多选)以下说法正确的是()A电流的传导速率就是导体内部自由电子的定向移动速率B在金属导体内部，当电子做定向移动时，电子的热运动并未消失C电子定向移动速度与电子热运动的速率本质是一样的D电子定向移动速度是自由电子在导体中从低电势到高电势定向移动的平均速度解析：选BD电流的传导速率是电场的传播速度，等于光速，故A错误；在电子定向移动形成电流时，热运动并未消失，电子是在做无规则的热运动的基础上又叠加了一个定向移动，故B正确；电子定向移动速度是电子在电场力的作用下整体向高电势的方向运动的速度，不同于电流的速度，也不是电子的热运动的速度，故C错误，D正确。7.如图2所示，电解池内有一价的电解液，t s内通过溶液内截面S的正离子数是n1，负离子数是n2，设元电荷为e，以下解释中正确的是()图2A正离子定向移动形成的电流方向从AB，负离子定向移动形成的电流方向从BAB溶液内正负离子向相反方向移动，电流抵消C溶液内电流方向从AB，电流ID溶液内电流方向从AB，电流I解析：选D正电荷定向移动的方向就是电流的方向，负电荷定向移动的反方向也是电流方向，有正、负电荷反向经过同一截面时，公式I中q应该是正、负电荷电荷量绝对值之和，故I，电流方向由A指向B，故选项D正确。8.如图3所示，一根截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，每米长度所带电荷量为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()图3Avq B.CqvS D.解析：选A根据电流定义式，则时间t内通过某一截面的电荷量qvtq，则Ivq。9有甲、乙两导体，甲的横截面积是乙的2倍，而单位时间内通过导体横截面的电荷量，乙是甲的2倍，则下列说法中正确的是()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大小相等解析：选B由于单位时间内通过乙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错误，B正确。由于InqSv(n是单位体积中的自由电荷数，q是自由电荷的电量，S是横截面积，v是自由电荷定向移动速率)，由于不知道甲、乙两导体的性质(n、q不知道)，所以无法比较两导体中自由电荷定向移动的速率大小。10电路中每分钟有60万亿个自由电子通过横