物理人教版 (2019)1 电源和电流导学案及答案

这是一份物理人教版 (2019)1 电源和电流导学案及答案，共9页。学案主要包含了电源等内容，欢迎下载使用。

一、电源
1．形成持续电流的条件：一是要有移动的________，二是导体两端始终存在电势差．
2．电源的作用：电源能把电子由正极搬运到负极，保持正、负极之间有稳定的电势差． 通过非静电力做功
二、恒定电流 基本性质与静电场相同
1．恒定电场：由________的电荷所形成的稳定的电场，叫作恒定电场．
2．恒定电流：大小、方向都不随________变化的电流叫作恒定电流．
3．电流的强弱程度用________这个物理量表示．单位时间内通过导体横截面(与导体垂直的截面)的电荷量越多，电流就________．用I表示电流，q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，则有I＝.电流的单位是安培(国际单位制中的基本单位)，符号是A，常用的单位还有毫安(mA)和微安(μA)．
4．电流的微观解释：设导体的横截面积为S，自由电子数密度(单位体积内的自由电子数)为n，自由电子定向移动的平均速率为v，则时间t内通过某一横截面的自由电子数为________．由于电子电荷量为e，因此，时间t内通过横截面的电荷量q＝________．根据电流的公式I＝，可以得到电流和自由电子定向移动平均速率的关系为____________．
【情境思考】
如图是中国宁波公交使用的全球首创超级电容储能式现代电车，该电车没有传统无轨电车的“辫子”，核心元器件是“3 V 12 000 F”石墨烯纳米混合型超级电容器，该电容器能反复充放电100万次，使用寿命长达十年．根据上述材料判断以下问题．
(1)电容器放电的过程中，电荷量逐渐减少，电容器的电容和两极板间的电压也逐渐减小．( )
(2)电容器充电的过程中，电荷量逐渐增加，电容保持不变．( )
(3)若标有“3 V 12 000 F”的电容器从电量为零到充满电用时30 s，则充电的平均电流为3 600 A．( )
拓展 1 类比法理解电源的作用
拓展 2 直流电源和交流电源
(1)直流电源
直流电源的电流、电压方向不随时间作周期性变化，比如蓄电池、直流发电机、干电池、直流稳压源．
(2)交流电源
电流电压方向随时间作周期性变化的装置，如交流发电机．
拓展 3 恒定电场与静电场的异同
(1)异：静电场是由静止的电荷产生的；恒定电场是由稳定分布的电荷产生的．
(2)同：都是由电荷产生；恒定电场与静电场都不随时间变化；对电荷有力的作用；电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用．
拓展4
[教材问题]
STSE
电池的容量：电池放电时输出的总电荷量，通常以“安时”(A·h)或“毫安时”(mA·h)作单位．手机电池的容量可达6 000 mA·h.
拓展5
如图所示，一根截面积为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多大？
提示：在运动方向上假设有一截面，则在t时间内通过截面的电荷量为q＝vt·q′，则等效电流I＝＝vq′.
目标一 电流的理解和计算
【导思】——————————————————○
如图所示，在装有导电液体的细管中，有正、负两种电荷向相反的方向运动，在时间t内通过细管某截面的正电荷为q1，通过此截面的负电荷为q2.
(1)怎样确定通过导电液体中电流的方向？
(2)如何计算导电液体中电流的大小？



【归纳】——————————————————○
1．电流的大小
定义式：I＝.用该式计算出的电流是时间t内的平均值．对于恒定电流，电流的瞬时值与平均值相等．
2．对电流的理解
(1)电流虽然有方向，但它是标量，其计算遵循代数运算法则．
(2)在外电路中电流方向由电源正极到电源负极，在电源内部电流方向由电源负极到电源正极．
(3)I＝是电流的定义式，或者说是求解电流的一种方法，电流I与q、t无正反比关系．
(4)一点说明：电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流的方向是相同的，应用I＝求电流时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和．
【典例】——————————————————○
例1 下列说法正确的是( )
A．电源的作用是使电路中产生电荷
B．电源的作用是使电路中的电荷发生定向移动
C．只要电路中有电源，电路中就会形成持续的电流
D.导线中的电场是由电源两极在空间直接形成的
例2 如图所示，某同学设计了一种利用放射性元素衰变的电池．该电池采用金属空心球壳结构，在金属球壳内部的球心位置放有一小块与球壳绝缘的
放射性物质，放射性物质与球壳之间是真空．球心处的放射性物质向四周均匀发射电子，电子的电荷量为e.已知单位时间内放射性物质射出的电子数为N，在金属壳外表面有一块较小的圆形S，面积为金属壳表面积的，则通过S的电流大小约为( )
A． B． C． D．
思维提升
(1)金属导体中的电流是由自由电子的定向移动形成的，因此q为通过导体横截面的自由电子的电荷量．
(2)电解质溶液中的电流是正、负离子同时向相反方向定向移动形成的，因此q为正、负离子电荷量的绝对值之和．
(3)电解液中电流的方向与正离子定向移动的方向相同，与负离子定向移动的方向相反．
[训练1] 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的方向从A→B，负离子定向移动形成电流的方向从B→A
B．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，电流强度为I＝
D．溶液内电流方向从A→B，电流强度为I＝
[训练2] 电子绕核运动可等效为一环形电流，如图所示．氢原子的电子绕核运动的半径为R，电子质量为m，电荷量为e，静电力常量为k.则此环形电流的大小为( )
A． B．
C． D．
目标二 电流的微观表达式
【归纳】——————————————————○
1．电流的微观表达式：I＝nqSv.电流的大小取决于单位体积的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量q、导体的横截面积S、定向移动速率v.
2．电流的定义式和微观表达式的比较
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10－4 m/s.
(3)电子热运动速率，其大小与温度有关，约为105 m/s.
【典例】——————————————————○
例3 某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗．在这种疗法中，为了能让质子轰击肿瘤并杀死癌细胞，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．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，单位体积的质子数为n，质子的质量为m，其电荷量为e，那么这束质子流的等效电流I为( )
A．nS B．neSC． D．
思维提升
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＝neSv是由I＝导出的，若n的含义不同，表达式的形式也会不同．
[训练3] 一段粗细均匀的铜导线的横截面积是S，导线单位长度内的自由电子数为n，铜导线内的每个自由电子所带的电荷量为e，自由电子做无规则热运动的速率为v0，导线中通过的电流为I.则下列说法正确的是( )
A．自由电子定向移动的速率为v0
B．自由电子定向移动的速率为v＝
C．自由电子定向移动的速率为真空中的光速c
D．自由电子定向移动的速率为v＝

1．下列关于电源的说法正确的是( )
A．电源是将电能转化为其他形式的能的装置
B．电源的作用是使电源的正负极保持一定量的正、负电荷，维持一定的电势差
C．与电源相连的导线中的电场是由电源正、负极上的电荷形成的
D．在电源内部负电荷由负极流向正极(或正电荷由正极流向负极)
2．关于对电流的理解，下列说法正确的是( )
A．电流的方向就是自由电子定向移动的方向
B．电流有大小，也有方向，所以电流是矢量
C．金属导体内的电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的
D．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率
3．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 A
C．1.6 A D．3.2 A
4.自动体外除颤器是一种便携式的医疗设备，它可以诊断特定的心律失常，并且给予电击除颤，是可被非专业人员使用的用于抢救心脏骤停患者的医疗设备．某型号自动体外除颤器的电容器电容是16 μF，充电至4 kV电压，电容器在4 ms时间内完成放电．下列说法正确的是( )
A．电容器放电完成后电容为零
B．电容器的击穿电压为4 kV
C．电容器充电后的电荷量为0.64 C
D．电容器放电过程中的平均电流为16 A
5．心脏骤停最有效的抢救方式是尽早通过AED自动除颤机给予及时治疗．如图，某型号AED模拟治疗仪器内有一电容为15 μF的电容器，某次使用过程中，该电容器在10 s内充电至5 000 V电压，之后在3 ms时间内完成放电．则下列说法正确的是( )
A．电容器充电后所带的电荷量为75 C
B．电容器充电过程中电容一直增大
C．电容器放电过程中放电电流一直增大
D．电容器放电过程中平均电流为25 A
6．已知铜棒的截面积为S，密度为ρ，摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，电子电量为e.若通过铜棒的电流强度为I，并认为铜棒中每一个铜原子贡献一个电子，则铜棒中自由电子定向移动的速率为( )
A． B．C． D．
1．电源和电流
导学 掌握必备知识
一、
1．自由电子
二、
1．稳定分布
2．时间
3．电流 越大
4．nSvt neSvt I＝neSv
情境思考
答案：(1)× (2)√ (3)×
共研 突破关键能力
目标一
提示：(1)电流方向为正电荷定向移动的方向或负电荷定向移动方向的反方向，故导电液体中电流方向为由左向右．
(2)I＝.
[例1] 解析：导体本身就有自由电荷，电源的作用不是使电路中产生电荷，而是使正负电荷分开，使正极聚集正电荷，负极聚集负电荷，电源两端就会产生电压，电压使电路中电荷产生定向移动形成电流，A错误，B正确；只要电路中有电源，且电路要闭合，电路中就会形成持续的电流，C错误；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，D错误．
答案：B
[例2] 解析：由题意可知，单位时间内从放射性物质射出的电子数为N，则在t时间内从放射性物质射出的电荷量为q＝Net，则t时间内，通过金属壳表面较小的圆形面积S的电荷量是q′＝q＝Net，由电流的定义式可得I＝＝.故选A.
答案：A
[训练1] 解析：正电荷定向移动的方向就是电流的方向，负电荷定向移动的反方向也是电流的方向，A、B错误；有正、负电荷反向经过同一截面时，I＝公式中q应是正、负电荷电荷量绝对值之和，故I＝，电流方向由A指向B，C错误，D正确．
答案：D
[训练2] 解析：电子绕核做匀速圆周运动，由库仑力提供向心力，可得k＝m，则电子运动的周期为T＝，根据电流的定义I＝得I＝＝.故选C.
答案：C
目标二
[例3] 解析：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eU＝mv2，解得v＝ .等效电流为I，单位体积的质子数为n，根据电流微观表达式I＝neSv，解得I＝neSv＝neS.故选B.
答案：B
[训练3] 解析：v0为自由电子做无规则热运动的速率，不是定向移动速率，与光速及自由电子无规则热运动的速率无关，故A、C错误；对于电流微观表达式I＝nqSv，式中n为单位体积内的自由电子数，而本题中n为单位长度内的自由电子数，则t时间内通过导线某一横截面的自由电子数为nvt，电荷量q＝nvte，所以电流I＝＝nev，所以v＝，故B错误，D正确．
答案：D
精练 落实学科素养
1．解析：在电源内部把电子从正极搬运到负极，克服静电力做功，将其他形式的能转化为电能，A错误；电荷的搬运使电源正、负极间维持一定电势差，B正确；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，C错误；在电源内部，负电荷从电源正极流向负极(或正电荷从负极流向正极)，D错误．
答案：B
2．解析：规定电流的方向与自由电子定向移动的方向相反，A错误．电流有大小，也有方向，但不遵循平行四边形定则，所以电流是标量，B错误．金属导体内的电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的，C正确．电流的传导速率指的是接通电源后，电路中产生电流的速率．在电路中电流的产生源于电场的产生，在电场的驱动下，电荷定向运动从而形成电流．因而电路中电流的传导速率等于电场产生的速率，D错误．
答案：C
3．解析：根据电流的定义式可得，通过这个截面的电流为I＝＝ A＝3.2 A.
故选D.
答案：D
4．解析：电容是表征电容器储存电荷本领大小的物理量，放电之后，电容器的电容大小是不变的，故A错误；该电容器电压可充电到4.0 kV，必然小于击穿电压，故B错误；根据Q＝CU＝16×10－6×4.0×103 C＝0.064 C，可知放电前，电容器储存的电量为0.064 C，故C错误；根据I＝＝ A＝16 A可知，该次放电的平均电流为16 A，故D正确．
答案：D
5．解析：电容器充电后所带的电荷量为Q＝CU＝15×10－6×5 000 C＝0.075 C，A错误；电容器的电容由电容器本身的性质决定，与电容器是否带电无关，故电容器充电过程中电容保持不变，B错误；电容器放电过程中，放电电流逐渐减小，C错误；电容器放电过程中的平均电流为＝＝ A＝25 A，D正确．
答案：D
6．解析：设铜导线中自由电子定向移动的速率为v，导线中自由电子从一端定向移到另一端所用时间为t，则导线的长度为l＝vt，体积为V＝Sl＝Svt，质量为m＝ρvtS，这段导线中自由电子的数目为n＝NA＝NA，在t时间内这些电子都能通过下一截面，则电流为I＝＝，联立解得v＝.故选A.
答案：A核
心
素
养
定
位
物理观念
了解电流的形成条件，知道电源的作用．
科学思维
理解电流的定义和电流方向的规定，会用电流的定义式分析相关问题．
科学探究
了解电流微观表达式的推导过程，从微观角度认识影响电流大小的因素．
科学态度
与责任
通过对电源和电流的学习，培养学生探究生活和生产中物理知识的意识．
I＝
I＝nqSv
公式性质
定义式
决定式
电流的意义
时间t内的平均电流
某时刻的瞬时电流
描述的角度
大量电荷定向移动的宏观表现
形成电流的微观实质
联系
由I＝可导出I＝nqSv