高考物理模型全归纳 第59讲 求电流三公式的理解及应用

高考物理全归纳——模型专题

在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。

一、什么是物理模型

自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。

物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）

二、为什么要建立物理模型

1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标

3、提高学生解决问题能力

三、如何帮助学生的建立物理模型

（一）提高认识，重视过程：

对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。

（二）概括总结，触类旁通：

新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。

第59讲 求电流三公式的理解及应用

1．（2021•江苏）有研究发现，某神经细胞传递信号时，离子从细胞膜一侧流到另一侧形成跨膜电流，若将该细胞膜视为1×10﹣8F的电容器，在2ms内细胞膜两侧的电势差从﹣70mV变为30mV，则该过程中跨膜电流的平均值为（　　）

A．1.5×10﹣7A B．2×10﹣7A C．3.5×10﹣7A D．5×10﹣7A

【解答】解：根据公式，当细胞膜两侧的电势差从﹣70mV变为30mV

所以

故ABC错误，D正确

故选：D。

一.知识回顾

1．电流

(1)导体中形成电流的条件

①导体中有能够自由移动的电荷。

②导体两端存在电压。

(2)电流的方向

与正电荷定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反。在外电路中电流由电源正极流向负极，在内电路中电流由电源负极流向正极。

电流虽然有方向，但它是标量。

(3)定义式：I＝。

(4)微观表达式：I＝nqSv。

(5)单位：安培(安)，符号A,1 A＝1 C/s。

2.利用“柱体微元”模型求电流

利用“柱体微元”模型求解电流的微观问题时，注意以下基本思路：

设柱体微元的长度为L，横截面积为S，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，电荷定向移动的速率为v，则：

(1)柱体微元中的总电荷量为Q＝nLSq。

(2)电荷通过横截面的时间t＝。

(3)电流的微观表达式I＝＝nqvS。

4．电流表达式的比较

二.例题精析

题型一：固体中的电流

例1．如图所示是一根粗细均匀的橡胶棒，其横截面积为S，由于与毛皮发生摩擦而均匀带负电，若已知该橡胶棒每米所带的电荷量为q，则当该棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，形成的等效电流为（　　）

A．vq B． C．qvS D．

【解答】解：棒沿轴线方向以速度v做匀速直线运动时，每秒通过的距离为v米，每秒v米长的橡胶棒上电荷都通过直棒的横截面，每秒内通过横截面的电量Q＝q•v，根据电流的定义式I，t＝1s，得到等效电流为 I＝qv．故A正确，BCD错误。

故选：A。

题型二：液体中的电流

例2．如图所示的电解池接入电路后，在t秒内有n1个一价正离子通过溶液内某截面S，有n2个一价负离子通过溶液内某截面S，设e为元电荷，以下说法正确的是（　　）

A．当n1＝n2时，电流为零 

B．当n1＞n2时，电流方向从A→B，电流为I 

C．当n1＜n2时，电流方向从B→A，电流为I 

D．无论n1、n2大小如何，电流方向都从A→B，电流都为I

【解答】解：由题意可知，流过容器截面上的电量q＝（n1+n2）e；则电流I；方向与正电荷的定向移动方向相同；故由A到B；

故D正确、ABC错误。

故选：D。

三.举一反三，巩固练习

1. 如图所示，一粗细均匀的金属导线横截面积为S，单位体积内有n个自由电子，每个自由电子的电荷量为e，下面说法正确的是（　　）

A．时间t内流过该导线某一横截面的电荷量为et 

B．导线内的电流强度为I时，电子定向移动的速度为 

C．将金属丝均匀的拉长到原来的2倍，其电阻也变为原来的2倍 

D．将金属丝接入电路，随着温度的升高其电阻变小

【解答】解：A、不知道电路中的电流或粒子运动的速度，不能求出时间t内流过该导线某一横截面的电荷量，故A错误；

B、从微观角度来说，在t时间内能通过某一横截面的自由电子必须处于长度为l＝vt的圆柱体内，此圆柱体内的电子数目为nvSt，则t时间内通过该截面的电子的电量为q＝nevSt，结合I可得

电子定向移动的速度为：v，故B正确；

C、金属导体的电阻：R，将金属丝均匀的拉长到原来的2倍，其横截面积减小为原来的，所以电阻变为原来的4倍，故C错误；

D、金属丝的电阻率随温度的升高而增大，所以将金属丝接入电路，随着温度的升高其电阻变大，故D错误。

故选：B。

2. 如图所示，两段长度和材料相同、各自粗细均匀的金属导体a、b，单位体积内的自由电子数相等，横截面积之比Sa：Sb＝1：2。已知流经导体a的电流为0.16A，电子的电荷量e＝1.6×10﹣19C。下列说法正确的是（　　）

A．a、b的电阻之比Ra：Rb＝1：2 

B．5s内有5×1018个自由电子通过导体b的横截面 

C．自由电子在导体a和b中的定向移动速率之比va：vb＝1：2 

D．相同时间内导体a和b产生的焦耳热之比Qa：Qb＝4：1

【解答】解：A．根据电阻定律可得a、b的电阻之比为，故A错误；

B．5s内通过导体b的横截面的自由电子数为，故B正确；

C．根据电流的微观表达式I＝neSv，可得自由电子在导体a和b中的定向移动速率之比为，故C错误；

D．根据焦耳定律Q＝I2Rt，可得相同时间内导体a和b产生焦耳热之比为，故D错误。

故选：B。

3. 一根长为L、横截面半径为r的金属棒，其材料的电阻率为ρ。金属棒内单位体积自由电子数为n，电子的电荷量为e。在棒两端加上恒定的电压U时，金属棒内产生电流，则自由电子定向运动的平均速率为（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：设导体的横截面积为S，自由电子定向运动的平均速率为v。根据电流的微观表达式I＝neSv可得：

其中：，，S＝πr2

联立可得：，故A正确，BCD错误。

故选：A。

4. 安培提出了著名的分子电流假说，根据这一假说，电子绕核运动可等效为一环形电流．设电量为e的电子以速率v绕原子核沿顺时针方向做半径为r的匀速圆周运动，其电流的等效电流强度I和方向为（　　）

A．电流强度为顺时针 

B．电流强度为逆时针 

C．电流强度为顺时针 

D．电流强度为逆时针

【解答】解：电子绕核运动可等效为一环形电流，电子运动周期为：T

根据电流的定义式得：电流强度为：I；

因为电子带负电，所以电流方向与电子定向移动方向相反，即沿逆时针方向，故B正确，ACD错误。

故选：B。

5. 在金属导体两端加上恒定电压的瞬间，导体中就会形成匀强电场，电场力使得导体中原本杂乱无章运动的自由电子定向运动。定向运动的自由电子在运动中与金属正离子频繁发生碰撞而产生的“阻力”使得自由电子稳定后近似做匀速运动。如图所示，一根长为L的圆柱形金属棒的横截面半径为r，其材料的电阻率为ρ。金属棒单位体积内自由电子数为n，电子的质量为m、电荷量为e。金属棒两端加上恒定的电压时，金属棒内产生电流，自由电子定向运动的平均速度为v，则自由电子定向运动时受到的平均阻力大小为（　　）

A． B．πr2nmv2 C．ne2vρ D．

【解答】解：自由电子所受阻力与电场力平衡，可得：

f＝eE

由匀强电场中，电场强度与电势差的关系，可得：E，

由欧姆定律，可得：U＝IR，

根据电流的微观表达式，可知：I＝neSv，

由电阻定律可得：R＝ρ，

联立可得：f＝ρne2v，

故ABD错误；C正确。

故选：C。

6. 某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，为了能让质子进入癌细胞，首先要实现质子的高速运动，该过程需要一种被称作“粒子加速器”的装置来实现。质子先被加速到较高的速度，然后轰击肿瘤并杀死癌细胞。如图所示，来自质子源的质子（初速度为零），经加速电压为U的加速器加速后，形成细柱形的质子流。已知细柱形的质子流横截面积为S，其等效电流为I；质子的质量为m，其电量为e。那么这束质子流内单位体积的质子数n是（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：质子在电场力作用下加速，加速后的速度为v，根据动能定理，则有eUmv2

解得：v

等效电流为I，单位体积的质子数为n，根据微观表达式：I＝neSv

解得n，故ABC错误，D正确。

故选：D。

7. 导线中带电粒子的定向运动形成了电流，带电粒子定向运动时所受洛伦兹力的矢量和，在宏观上表现为导线所受的安培力。如图所示，设导线ab中自由电荷定向运动的速度都是v

，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，导线的横截面积为S，导线的长度为L，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里，则下列说法正确的是（　　）

A．由题目已知条件可以算得通过导线的电流为I＝nqvS 

B．题中导线受到的安培力的方向可用安培定则判断 

C．每个粒子所受的洛伦兹力为F洛＝qvB，通电导线所受的安培力为F安＝nqvB 

D．改变适当的条件，有可能使图中带电粒子受到的洛伦兹力方向反向而导线受到的安培力方向保持不变

【解答】解：B、导线受到的安培力的方向由左手定则判断，故B错误

A、电流：InqvS，故A正确；

C、粒子所受的洛伦兹力为F洛＝qvB，导线长度为L，则其受的安培力为：F＝nqLSvB＝BIL，故C错误

D、洛伦兹力方向反向决定了所受到的安培力方向，故D错误

故选：A。