高中物理必修第三册《1 电源和电流》优秀教案-统编人教版

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1　电源和电流[学习目标]　1.了解电流的形成，知道电源的作用和导体中的恒定电场.2.知道电流的定义及单位、方向的规定，理解恒定电流．(重点)3.理解电流形成的微观实质．(难点)一、电源1．定义：电源是能不断把电子从正极搬运到负极的装置．2．作用(1)移送电荷，维持电源正、负极间有一定的电势差．(2)保持电路中有持续的电流．二、恒定电场1．定义：由电路中稳定分布的电荷所产生的稳定的电场．2．形成：当电路达到稳定时，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．3．特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化．三、恒定电流1．电流(1)概念：电荷的定向移动形成电流．(2)物理意义：反映了电流的强弱程度．(3)符号及单位：符号是I，单位有安培、毫安、微安(单位符号分别为A、mA、μA)．(4)表达式：I＝eq \f(q,t).(5)电流的方向：规定正电荷定向移动方向或负电荷定向移动的反方向为电流方向．2．恒定电流(1)定义：大小、方向都不随时间变化的电流．(2)形成：恒定电场使自由电荷速率增加，自由电荷与导体内不动的粒子的碰撞，使自由电荷速率减小，最终表现为平均速率不变．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)恒定电场与静电场基本性质相同，两者没有区别． (×)(2)电源的作用就是将其他形式的能转化为电能． (√)(3)电流既有大小，又有方向，是矢量． (×)(4)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多．(√)(5)导体中的电流，实际是正电荷的定向移动形成的． (×)2．下列说法中正确的是(　　)A．导体中电荷运动就形成了电流B．在国际单位制中，电流的单位是AC．电流有方向，它是一个矢量D．任何物体，只要其两端的电势差不为零，就有电流存在B　[自由电荷定向移动才形成电流，仅有电荷移动但不是定向移动则不能形成电流，故选项A错误；形成电流的条件是导体两端有电势差，且必须是导体而非任何物体，故选项D错误；电流有方向，但它是标量，故选项C错误．]3．关于导线中的电场，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和导线侧面堆积的电荷形成的电场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B　[导线内的电场线与导线是平行的，故A错；导线中的电场是电源电场和导线侧面的堆积电荷形成的电场叠加而成的，故B对；导线内电场不为零，不是静电平衡状态，导线中的电场是恒定电场，并非静电场的一种，故C、D错．]1.电源的作用(1)从电荷转移的角度看，电源的作用是使电路中的自由电荷持续地定向移动．(2)从能量转化的角度看，搬运电荷的过程是非静电力做功的过程，从而将其他形式的能转化为电能．2．形成电流的三种电荷形成电流的三种电荷为自由电子、正离子和负离子，其中金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子，液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子，气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子．【例1】　下列关于电源的说法中正确的是(　　)A．电源的作用是在电源内部把电子由负极搬运到正极，保持两极之间有电压B．电源把正、负电荷分开的过程是把其他形式的能转化为电势能的过程C．电荷的移动形成电流D．只要电路中有电源，电路中就会形成持续的电流B　[在电源内部，电源把电子由正极搬运到负极，这一过程要克服静电力做功，把其他形式的能转化为电势能，故选项A错误，选项B正确．电荷的定向移动才形成电流，选项C错误．电路中要形成持续的电流，既要有电源，电路又要闭合，两者缺一不可，故选项D错误．]有电源不一定得到持续的电流，要得到持续的电流需要同时满足两个条件：(1)电路中有电源．(2)电路还必须是闭合的，即必须用导体将电源连接起来．1．(多选)将一些电学元件用导线连接在某电源的两端，下列描述正确的是(　　)A．电源的作用是使电源的正、负极两端保持一定的电势差B．电源的作用是能为电路持续地提供自由电荷C．导体中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的D．导体中的电场是由电源的电场和导体中积累的电荷形成的电场叠加而形成的AD　[电源将负电荷从负极搬到正极，维持正、负极间有一定的电势差，A正确，B错误；导体中的电场是电源电场和导体中积累的电荷形成的电场叠加而成的，C错误，D正确．]1.金属导体中电流的计算金属导体中的自由电荷只有自由电子，运用I＝eq \f(q,t)计算时，q是某一时间内通过金属导体横截面的电子的电荷量．2．电解液中电流的计算电解液中的自由电荷是正、负离子，运用I＝eq \f(q,t)计算时，q应是同一时间内正、负两种离子通过横截面的电荷量的绝对值之和．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I＝eq \f(q,t)＝eq \f(q,T)求等效电流．【例2】　如图所示，电解池内有一价的电解液，时间t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(　　)A．正离子定向移动形成电流方向从A→B，负离子定向移动形成电流方向从B→AB．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A→B，电流强度I＝eq \f(n1e,t)D．溶液内电流方向从A→B，电流强度I＝eq \f(n1＋n2e,t)思路点拨：(1)电流的方向：与正离子定向移动方向相同，与负离子定向移动方向相反．(2)通过某一截面的电荷量为通过该截面正、负离子电荷量的绝对值之和．D　[正电荷定向移动的方向就是电流方向，负电荷定向移动的反方向也是电流方向，A、B错误；有正、负电荷反向经过同一截面时，I＝eq \f(q,t)公式中q应是正、负电荷电荷量绝对值之和，故I＝eq \f(n1e＋n2e,t)，电流方向由A指向B，C错误，D正确．]求电流的技巧(1)要分清形成电流的电荷种类，是只有正电荷或负电荷，还是正、负电荷同时定向移动．(2)当正、负电荷都参与定向移动时，正、负电荷对电流的形成都有贡献．2．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 AC．1.6 A D．3.2 AD　[电荷的定向移动形成电流，但正、负电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和．故由题意可知，电流由正、负离子定向运动形成，则在2 s内通过截面的总电荷量应为q＝1.6×10－19×2×1.0×1019 C＋1.6×10－19×1×2.0×1019 C＝6.4 C，根据电流的定义式得I＝eq \f(q,t)＝eq \f(6.4,2) A＝3.2 A，D正确．]1.推导过程(1)题设如图所示，AB表示粗细均匀的一段导体，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，设导体的长度为L，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)推导导体AB中的自由电荷总数N＝nLS，总电荷量Q＝Nq＝nLSq，所有这些电荷都通过横截面所需要的时间t＝eq \f(L,v)，导体AB中电流为I＝eq \f(Q,t)＝eq \f(nLSq,\f(L,v))＝nqSv.(3)结论电流的微观表达式为I＝nqSv.2．I＝nqSv与I＝eq \f(q,t)的区别I＝nqSv是电流的决定式，即电流的大小由n、q、S、v共同决定，其中q是单个自由电荷的电荷量；而I＝eq \f(q,t)是电流的定义式，其中q是通过导体横截面的电荷量(不是通过单位横截面积的电荷量)．3．三种速率(1)电流的传导速率等于光速，为3×108 m/s.(2)电子定向移动速率，其大小与电流有关，约为10－5 m/s.(3)电子热运动速率，其大小与温度有关，约为105 m/s.【例3】　(多选)有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电荷量为e，此电子的定向移动速率为v，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为(　)A．nvSΔt B．nvΔtC.eq \f(IΔt,e) D．eq \f(IΔt,Se)思路点拨：(1)电子数等于总电荷量除以每个电子的电荷量，所以求出通过横截面的电荷量，即可求出电子数．(2)单位体积内的电子数已知，只要求出Δt时间内有多少体积的电子通过横截面，即可求出电子数．AC　[因为I＝eq \f(q,Δt)，所以q＝I·Δt，自由电子数目为N＝eq \f(q,e)＝eq \f(IΔt,e)，C正确，D错误；又因为电流的微观表达式为I＝nevS，所以自由电子数目为N＝eq \f(q,e)＝eq \f(IΔt,e)＝eq \f(nevSΔt,e)＝nvSΔt，A正确，B错误．]用电流的微观表达式求解问题的注意点(1)准确理解公式中各物理量的意义，式中的v是指自由电荷定向移动的速率，不是电流的传导速率，也不是电子热运动的速率．(2)I＝nqSv是由I＝eq \f(q,t)导出的，若n的含义不同，表达式的形式也会不同．3．关于电流，下列说法中正确的是(　　)A．导体中无电流的原因是其内部自由电荷停止了运动B．同种材料制成的两个金属导体都通电，则电流大的那个导体内自由电荷定向移动速率大C．由于电荷做无规则热运动的速率比电荷定向移动的速率大得多，故电荷做无规则热运动形成的电流也就大得多D．电荷做无规则热运动不形成电流D　[电流是自由电荷定向移动形成的，导体内的自由电子时刻都在做无规则的热运动，A错误；由电流的微观表达式I＝nqSv可知，同种材料制成的导体，电流大小不单是由自由电荷定向移动速率决定的，B错误；无规则的热运动不会形成电流，只有电荷定向移动才会形成电流，C错误，D正确．]1．(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中，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．导线处于静电平衡状态D．导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低BD　[在电源和导线中感应电荷的共同作用下，垂直导线方向的电场相互抵消，在导体中形成了沿导线方向的电场，即导线中的电场强度方向跟导线方向平行，B正确，A错误；导体内有电场，说明导体不是静电平衡状态，C错误；沿电场方向电势逐渐降低，电场方向就是正电荷的受力方向，也就是电流的方向，即导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低，D正确．]2．(多选)关于电流的方向，下列描述正确的是(　　)A．规定正电荷定向移动的方向为电流的方向B．规定自由电荷定向移动的方向为电流的方向C．在金属导体中，自由电子定向移动的方向为电流的反方向D．在电解液中，由于正、负离子的电荷量相等，定向移动的方向相反，故无电流AC　[规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，故A对，B错；金属导体中定向移动的是自由电子，电子带负电，故电子运动的方向与电流的方向相反，C对；在电解液中，正、负离子的电荷量相等，定向移动的方向相反，但有电流，电流的大小等于正、负离子电荷量的绝对值之和与时间的比值，D错．]3.如图所示，一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀地带有负电荷，每米电荷量为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．vq　　　 B.eq \f(q,v)C．vqS D．eq \f(qv,S)A　[经过时间t，通过右端横截面的电荷量Q＝qvt，根据I＝eq \f(Q,t)得I＝vq，A正确．]4．一个半导体收音机，电池供电的电流是8 mA，也就是说(　　)A．1 h电池供给1 C的电荷量B．1 000 s电池供给8 C的电荷量C．1 s电池供给8 C的电荷量D．1 min电池供给8 C的电荷量B　[根据I＝eq \f(q,t)知，1 h电池供电量q1＝8×10－3×3.6×103 C＝28.8 C，A错误；1 000 s电池供电量q2＝1 000 × 8×10－3 C＝8 C，B正确；1 s电池供电量q3＝1×8×10－3 C＝8×10－3 C，C错误；1 min电池供电量q4＝60×8×10－3 C＝0.48 C，D错误．]对电源的理解不同导体中电流的计算电流的微观表达式课 堂 小 结知 识 脉 络1.对电源的理解，电源在电路中的作用．2．电流的定义及计算方法．3．电流的微观表达式及应用.