人教版 (新课标)选修31 电源和电流学案设计

1　电源和电流

1．电源

2．恒定的电场

(1)定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场．

(2)形成：连接A、B导体的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．

(3)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．

(4)适用规律：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．

1．恒定电场与静电场基本性质相同，两者没有区别．(×)

2．电路中有电流时，电场的分布就会随时间不断地变化．(×)

3．电源的作用就是将其他形式的能转化为电能．(√)

4．恒定电场的电场强度不变化，一定是匀强电场．(×)

恒定电场就是静电场，对吗？

【提示】　静电场是静电荷产生的电场，而恒定电场是由电源、导线等电路元件累积电荷形成的电场，但二者基本性质相同．

如图2­1­1所示，电闪雷鸣时，强大的电流使天空发出耀眼的闪光．

图2­1­1

探讨1：电闪雷鸣时，耀眼的闪光为什么只持续一瞬间？

【提示】　因为云层与大地或云层之间的电压在电闪瞬间减小，不能再维持强大电流的存在．

探讨2：电闪雷鸣过程中发生怎样的能量转化？

【提示】　电能转化为光能、热能等．

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．

1．关于电流，下列叙述正确的是(　　)

A．只要将导体置于电场中，导体内就有持续电流

B．电源的作用可以使电路中有持续电流

C．导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动

D．持续电流是由静电场产生的

【解析】　电流在形成时有瞬时电流和恒定电流，瞬时电流是电荷的瞬时移动形成的，而持续电流是导体两端有稳定的电场形成的，电源的作用就是在导体两端加上稳定的电压，从而在导体内部出现稳定的电场，可见本题答案应选B.

【答案】　B

2．(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(　　)

【导学号：34522019】

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

【解析】　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．

【答案】　BD

电路中有持续电流的两个条件

(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．电流概念

(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＝.

(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

大小和方向都不随时间变化的电流．

1．电流既有大小，又有方向，是矢量．(×)

2．电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多．(√)

3．导体中的电流，实际是正电荷的定向移动形成的．(×)

有同学认为“只有导体中才可有电流”，谈一谈你的认识．

【提示】　电荷定向移动形成电流，不论是导体内还是其他空间，只要有电荷定向移动就可形成电流，如氢原子中核外电子做匀速圆周运动时，形成了一环形电流等．

如图2­1­2所示，把电源用导线连接在插入食盐水中的两个金属电极上，电路中形成电流．

图2­1­2

探讨1：盐水中的电流和金属导线中的电流形成机制有什么不同？

【提示】　盐水中的电流是Cl－离子和Na＋离子同时反向定向移动形成的，金属导线中的电流是自由电子定向移动形成的．

探讨2：盐水中的电流沿什么方向？

【提示】　左．

探讨3：假设t s内有N个Cl－和N个Na＋通过图中虚面，则电路中的电流多大？

【提示】　I＝.

1．理解电流概念注意的四个要点

(1)公式I＝中，q是通过导体横截面的电荷量，而不是通过导体单位横截面积的电荷量．

(2)当导体中有正、负电荷同时向相反方向定向移动形成电流时，公式中的q应为通过导体横截面的正、负两种电荷电荷量的绝对值之和．

(3)横截面的选取是任意的，电流的大小与横截面无关．

(4)电流的方向规定为正电荷定向移动的方向，它与负电荷定向移动的方向相反．在电源外部的电路中，电流的方向是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．电流虽然有大小和方向，但电流是标量，而不是矢量．因此电流的合成不遵循平行四边形定则．

2．电流的微观表达式I＝nqSv

(1)建立模型

如图2­1­3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2­1­3

(2)理论推导

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导体横截面所需要的时间

t＝

根据公式I＝可得，导体AB中的电流I＝＝＝nqSv.

(3)结论

由此可见，从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动的速率以及导体的横截面积．

3．三种速率的区别

3．铜的相对原子质量为m，密度为ρ，每摩尔铜原子有n个自由电子，今有一根横截面积为S的铜导线，当通过的电流为I时，电子平均定向移动的速率为(　　)

【导学号：34522020】

A．光速c B.

C. D.

【解析】　假设电子定向移动的速率为v，那么在t时间内通过导体横截面的自由电子数相当于在体积vtS中的自由电子数，而体积为vtS的铜的质量为vtSρ，摩尔数为，所以电荷量q＝，因电流I＝＝，于是得到v＝.

【答案】　D

4．一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，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．qv B．q/v

C．qvS D．qv/S

【解析】　时间t内通过垂直于棒运动方向某一横截面的电荷量Q＝qvt，依电流的定义式可得I＝＝qv，故A正确．

【答案】　A

计算电流大小的三种方法

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＝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＝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＝＝求等效电流．