湖北省黄石市高中物理 2.1 电源和电流教案 选修3-1

用心 爱心 专心 1 2 12 1 电源和电流电源和电流 教学目标 教学目标 教学目标教学目标教学目标教学目标 1 让学生明确电源在直流电路中的作用 理解导线中的恒定电场的建立 2 知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量 电流 3 从微观意义上理解电流的强弱与自由电子平均速率的关系 重点难点 重点难点 重点难点重点难点重点难点重点难点 1 明确电源在直流电路中的作用 2 知道恒定电流的概念 从微观意义上理解电流的强弱与自由电子平均速率的关系 教学方法 教学方法 教学方法教学方法教学方法教学方法 讲练结合 教学用具 教学用具 教学用具教学用具教学用具教学用具 课 件 教学过程 教学过程 教学过程教学过程教学过程教学过程 一 电源一 电源 1 电源 就是能把自由电子从正极搬迁到负极的装置 2 类比 抽水机 二 恒定电场二 恒定电场 1 导线中的电场 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 1 电源正 负极产生的电场 可将该电场分解为两个方向 沿导线方向的分量使自由电 子沿导线作定向移动 形成电流 垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集 从 而使导线的两侧出现正 负净电荷分布 2 这些电荷分布产生附加电场 该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场 直 到使导线中该方向合场强为零 而达到动态平衡状态 此时导线内的电场线保持与导线平行 自由电子只存在定向移动 因为电荷的分布是稳定的 故称恒定电场 用心 爱心 专心 2 2 恒定电场 由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场 三 恒定电流三 恒定电流 1 电流的产生 电荷的定向移动形成电流 2 电流的方向 规定为正电荷定向移动的方向为电流的方向 3 电流是标量 4 恒定电流 大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流 5 电流 通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值 q It q I t 6 单位 安培 I 1A 1C s 1A 103 mA 106 uA 三 电流的微观表示三 电流的微观表示 1 设导体的横截面积为 S 密度为 摩尔质量为 M 电子的电荷量为 e 电荷定向移 动的速率为 则在时间 t 内处于两截面 B C 之间的所有自由电荷都将通过截面 C 故 A A tS N e SN eqNe M Inse tttM n 单位体积内的自由电荷数 金属导体中单位体积内 的自由电子数可以着作跟单位体积内的原子数同一个数量级 即假设每个原子都能提供一个电子来充当自由电子 如铜 n 8 4 1028m 3 2 自由电荷定向移动的速度很小 远小于电场的传播速度 等于光速 电路一接通 导体中以 3 108m s 的速率在各处建立电场 导体中各处的自由电荷几乎同时开始做定向移 动 在整个电路中几乎同时形成电流 1 金属导体中自由电子定向移动的平均速率 10 5 m s 2 金属导体中自由电子热运动的平均速率 105 m s 3 电流传播的速率等于光在其空中传播的速度 3 0 108m s 四 直流电和交流电四 直流电和交流电 四 直流电和交流电四 直流电和交流电四 直流电和交流电四 直流电和交流电 课外作业 课外作业 课外作业课外作业课外作业课外作业 1 教材 P5 3 2 学海导航 P2 4 教学后记 教学后记 教学后记教学后记教学后记教学后记 用心 爱心 专心 3 1 金属导体中电流的形成 金属导体中的自由电子 在导体两端没有加上电压时 只是做无规则的热运动 加上电压时 自由电子受到电场的作用 在无规则运动的基础上又加上一个定向的运动 自由电子的定向 运动不是简单的匀速直线运动 而是在电场力作用下的加速运动 又由于频繁地跟金属正离 吕碰撞使它向各个方面弹射回来 使得定向的加速运动遭到破坏 而电场力的作用使它再度 变成定向运动 接着又会出现新的碰撞 如此反复 从大量自由电子运动的宏观效果来看 可以为它们以平均速率做定向运动 2 金属导体中单位体积内的自由电子数 金属导体中单位体积内的自由电子数可以着作跟单位体积内的原子数同一个数量级 即假设 每个原子都能提供一个电子来充当自由电子 设金属的密度为 摩尔质量为 M 阿佛加德罗 常数为 那么 单位体积内的自由电子数 n N0 以铜为例 M 63 6 10 3kg mot 8 9 103kg m3 N0 6 02 1023mot 1 所以 n m 3 8 4 1028m 3 3 金属导体中自由电子定向移动的平均速率 设单位体积内的自由电子数为 n 电子定向移动的平均速率为 每个电子带电量为 e 导线 横截面积为 s 则时间 t 内通过导线横截面的电子数 N 其总电量 Q Ne 根据 I 得 I 假设 S 1 0mm2 I 1 0A n 8 4 1028m 3 e 1 6 10 19 代入可得到 7 4 10 5m s 可见自由电子定向移动的平均速率是很小的 4 金属导体中自由电子的热运动平均速率 自由电子要在晶体的阵间做无规则的热运动 根据分子运动论 电子热运动为平均速率 式中 K 是玻耳兹曼常数 k 1 38 10 23J K m 是电子质量 m 0 91 10 30kg T 是热力 学温度 设 t 270C 即 T 300K 代入得 m s 1 08 105m s 可见自由电子热运动的平均 速率是很大的