【高中物理】电源和电流(课件) 2023-2024学年高中物理（人教版2019必修第三册）

第九章静电场及其应用11.1电源和电流目录contents电源0102导线中的电场03恒定电流04电流的微观表达式新课导入

电闪雷鸣时，强大的电流使天空不时发出耀眼的闪光，但它只能存在于一瞬间，而手电筒中的小灯泡却能持续发光，这是为什么?提示：

雷电是云层间或云层与地之间的电压达到一定值时将空气击穿所产生的放电现象，所形成的电流是瞬时电流。

手电筒中因为电源的作用，小灯泡中有持续电流而持续发光。电路中的电流是怎样形成的呢?电源01-BA-A++++++++_B_______当导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电子在电场力的作用下发生定向移动，形成电流。自由电子的定向移动使两个带电体成为等势体，达到静电平衡，导线中会产生一个瞬时电流。电流的产生原因怎么才能让电路中有持续电流呢？

抽水机的工作原理水流水势A水势B瞬时的水流持续的水流类

比如何形成持续的水流？AB连通器水势A水势B抽水机水流AB连通器水势A水势B抽水机水流正极负极1.电源：能把自由电子从正极搬到负极的装置；2.作用:保持导体两端的电势差(电压),使电路有持续的电流。---+A++++++___B_____P--+相当于抽水机（其它形式能转化为电能）（1）存在自由电荷

金属导体——自由电子电解液——正、负离子气体导电——正、负离子和自由电子（2）导体两端存在电压（电势差）当导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流。3、形成电流的条件：PBA——_______———+++++++电源中电势高的一极是正极，电势低的一极是负极。太阳电池干电池铅蓄电池锂电池常见电源纽扣电池手机电池【例题】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电源在搬运电荷的过程中，需要克服电场力做功，将其他形式的能转化为电能．电路是否闭合？电源是对电路提供能量的装置在电源内部，将正极上的电子搬运到负极，维持电势差不变B电源是怎样让导线中的电流持续流动的呢？导线中的电场02--+A+++++++___B_____P

假设在电源正、负极之间连一根导线，导线中的电场如何变化，最终又会达到哪个状态？MNE0FFnFtMNE0E0E′

MNE导线内很快形成沿导线方向的稳定电场导体内的电场线保持和导线平行导线内的电场是由电源和导体中积累的电荷共同形成的。想一想1.恒定电场：导线内的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也稳定——恒定电场。2.特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不会随时间变化，基本性质与静电场相同;3.适用情况：在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用于恒定电场。即：由稳定分布的电荷产生稳定的电场称为恒定电场。想一想：当导体两端的电势差恒定时，为什么导体中产生的电场是恒定的？此时导体中的电流为什么也是恒定的？由于恒定电场的作用,导体中自由电荷定向运动的速率增加;而在运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速,因此自由电荷频繁地交替进行加速和减速，自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。如果我们在这个电路中串联一个电流表,电流表的读数保持恒定.大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。恒定电流031.定义：通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的比值叫做电流。（单位时间内通过导体横截面积的电荷量）。2.电流(I)(1)物理意义:表示电流的强弱程度(4)国际单位:(3)公式式:(比值定义法)安培(A)1A=1C/s常用单位：毫安（mA）、微安（μA）(5)方向:(6)电流是标量正电荷定向移动的方向（电子流动的反方向）＋＋＋3、说明（1）电流方向的规定：规定正电荷定向移动的方向为电流方向.

在电源外部的电路中,电流从电源的正极流向负极；在电源的内部,电流是从电源的负极流向正极；形成闭合回路。（2）金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反.（3）电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的，此时：即：公式中的q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。I（5）电流强度虽然有大小和方向，但不是矢量，而是一个标量.(4)环形电流环形电流的计算采用等效的观点,所谓等效电流,就是把电荷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,利用I=

=

求等效电流。

电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量，通常以"安时"（A·h）或"毫安时"（mA·h）作单位。单体锂离子电池的容量极为有限，为了满足需要，常用由若干单体锂离子电池构成的电池组。电动汽车中的电池(1)电源能把其他形式的能转化为电能。(

)(2)必须有电源，自由电荷才能在电路中移动。(

)(3)恒定电场就是匀强电场。(

)(4)恒定电场形成后电路中的电荷不再发生移动。(

)(5)因为电流有大小又有方向，所以电流是矢量。(

)(6)通过导体截面的电荷量越多，电流越大。(

)(7)电流的方向与电荷定向移动的方向相同。(

)√××××××判一判解析：正电荷的定向移动方向与电流方向相同，负电荷的定向移动方向与电流方向相反；电流虽有方向，但不符合矢量运算法则，不是矢量，而是标量；外电路中电流从正极流向负极，电源内部电流从负极流向正极，故A、B、C错，D正确。小试牛刀【例题】下列关于电流方向的说法中正确的是(

)A.电荷的定向移动方向即为电流的方向B.电流的方向总是从电源的正极流向负极C.电流既有大小，又有方向，是一个矢量D.在电源内部,电流从负极流向正极D【例题】某电解池中，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．3.2AD

小试牛刀【例题】如图所示，一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上带有均匀的负电荷，每单位长度上电荷量为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（）A

【例题】如果导线中的电流为1mA，那么1s内通过导体横截面的自由电子数是多少？若“220V

60W”的白炽灯正常发光时的电流为273mA，则20s内通过灯丝的横截面的电子数目是多少个？电流的微观表达式04

一段粗细均匀的导体长为l，两端加一定的电压，自由电荷定向移动的速率为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，每个自由电荷量为q。理论推导：故导体AB中的电流导体中的自由电荷数总电荷量

所有这些电荷通过横截面所需要的时间lS公式推导【微观】电流的微观表达式：I=nqSv

(v表示电荷定向移动的速率)【宏观】只适用纯电阻电路（不包含电源）两个公式的比较：

从微观看,电流由导体中单位体积内的自由电荷数､自由电荷的电荷量（导体的材料决定），定向移动的速度（电压决定）,还与导体的横截面积（形状）决定。【问题】有一条横截面积S=1mm2的铜导线,通过的电流I=1A,已知铜的密度ρ=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1,电子的电量e=-1.6×10-19C,求铜导线中自由电子定向移动的速率。可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子。【解析】设自由电子在导线内定向移动的速率是v。取一段导线（如图），自由电子从它的左端定向移动到右端的时间为t，则这段导线的长度为vt，体积为vtS，质量为ρvtS，则这段导线中的原子数为则这段导线中的自由电子数也为n，t时间内通过导体横截面的电荷量:把这个式子代入

,得解得vtvSv想一想：既然电子的定向运动速率很小，为什么闭合开关时电路中的电灯立刻就亮了呢？

实际上，闭合开关的瞬间，电路中的各个位置以光速迅速建立了电场。随着电场的建立，电路中各处的自由电子在静电力的作用下几乎同时开始做定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。电子定向移动的速率约10-5m/s电子热运动的平均速率105m/s

电场的传播速率3×108m/s三种不同速率三种速率的比较比较项物理意义大小/(m·s－1)自由电子定向移动的平均速率金属导体内自由电子的定向移动形成电流，电流与自由电子定向移动的平均速率的关系为I＝neSv10－4电流的传导速率等于光速。电路接通，导线内以光速c形成恒定电场，各处的自由电子几乎同时开始定向移动形成电流3×108电子热运动的速率导体内电子不停地做无规则的热运动，由于向各个方向运动的机会均等，不能形成电流105【例题】有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I，设每单位长度的导线中有n个自由电子，设每个自由电子的电荷量为q，此时电子定向移动的速率为v，则在Δt时间内，通过导体横截面的自由电子数目可表示为（

）AC

【例题】如图所示，将左边的铜导线与右边的铝导线连接起来，已知铝导线的横截面积是铜导线横截面积的两倍，在铜导线上取一个截面A，在铝导线上取一个截面B，若在1秒内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过这两个截面的(

)A．电流相等B．电流不相等C．自由电子定向移动的速率相等D．自由电子定向移动的速率不相等AD

【例题】半径为R

的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度ω匀速转动，则由环产生的等效电流应有(

)A．若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍，则电流也将变为原来的2倍B．若电荷量Q不变而使ω变