第1节 电流 电压 电阻 （课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（教科版）

第1节　电流　电压　电阻 核心素养导学 第二章　电路及其应用 科学思维 (1)会用公式q＝It分析相关问题。 (2)会推导电流的微观表达式，从微观角度认识影响电流大小的因素。 (3)理解电阻定义式，会用欧姆定律进行相关问题分析。 科学态度与责任 体会电的使用对人类生活和社会发展的影响。 续表 一、电路、电流、电压、电阻 1．电路 (1)组成：至少由电源、________、导线和开关四部分组成。 (2)三种状态：通路、断路、_____。 (3)两种最基本的联接方式：串联和______。 2．电流 (1)定义：某段时间内通过导体截面的电荷量q与通电时间t的____。 . (2)定义式：I＝______。 用电器 短路 并联 比 (3)单位：在国际单位制中，电流的单位是______，简称安，符号是A。 (4)测量方法：用电流表串联在被测电路中测量。 3．电压 (1)电压是形成电流的必要条件。 (2)单位：在国际单位制中，电压的单位是伏特，简称伏，符号是V。 (3)测量方法：用电压表与被测电路并联测量。 4．电阻 (1)定义：导体两端的电压与通过的电流之____，用字母R表示。 (2)定义式：R＝____。 (3)单位：在国际单位制中，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是Ω。 安培 比 (4)测量方法：伏安法。 (5)欧姆定律：通过导体的电流I跟它两端的电压U成正比，跟它的电阻R成反比， 用公式I＝_______表示。 二、恒定电场与恒定电流 1．恒定电场：电路中不同部位聚集的电荷在导体内产生的不随时间的变化而变化的电场。 2．自由电荷定向移动的速率特点：在恒定电场的作用下，导体中的自由电荷沿电场线方向______，同时在运动过程中又不断与导体内不动的粒子发生碰撞而减速，结果自由电荷定向移动的速率保持______。 3．恒定电流：大小和方向保持不变的电流。 加速 不变 三、认识多用电表 1．常用的两种多用电表：如图所示，左为指针式多用电表， 右为数字式多用电表。 2．用途：可以测量电流、电压、_____等，可通过旋转选择 开关测量不同物理量。 3．电阻表(欧姆表) (1)电阻表的原理(如图所示) (2)电源的正极接黑表笔，负极接________。 电阻 红表笔 1.为什么电闪雷鸣时，强大的电流能使天空发出耀眼的强光，但它只能存在于一瞬间，而灯泡却能持续发光？ 提示：闪电不能产生持续的电流，而灯泡发光时有电源供电。 × × × × √ 3．导体两端的电压为零时，导体的电阻也为零吗？ 提示：电阻是导体本身的固有属性，与导体两端的电压和通过导体的电流无关，电压为零时，导体的电阻不为零。 4．自由电子定向移动的速率非常慢，为什么闭合开关的瞬间电路中同时形成了电流？ 提示：电路一旦接通，导体中以光速建立电场，然后各自由电荷开始在静电力作用下定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流，但自由电荷定向移动得非常缓慢。 5．如图所示的电路，将选择开关调至电流挡，闭合开关S，多用电表测量的是哪个元件的电流？将选择开关调至电压挡，将R1的滑片滑至最左端，闭合开关S，多用电表测量的是哪个元件的电压？ 提示：R1；R2。 提示：不一定，电路还必须是闭合的。 (2)一个电路要形成持续电流需具备什么条件？ 提示：回路中存在自由移动的电荷，电路中有电源，电路还必须是闭合的。 [重点释解] 1．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，举例说明： (1)金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子； (2)液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子； (3)气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子。 2．电流的形成 (1)形成原因：电荷的定向移动。 (2)形成条件：导体两端有电压。 (3)电路中产生持续电流的条件：电路中有电源且电路闭合。 3．三种速率的理解 项目 电子定向移动的速率 电子热运动的速率 电场传导的速率 大小 10－5 m/s 105 m/s 3×108 m/s 物理 意义 电流就是由电荷的定向移动形成的，电流I＝neSv，其中v就是电子定向移动的速率，一般为10－5 m/s的数量级 导体中的电子在不停地做无规则热运动，由于热运动向各个方向的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动的速率数量级为105 m/s 等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c建立恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流 [针对训练] 1．关于电流，以下说法正确的是 (　 ) A．导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动 B．电流的方向就是电荷定向移动的方向 C．在导体中，只要自由电荷在运动，就一定会形成电流 D．导体两端没有电压就不能形成电流 解析：导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有定向移动，但不能说电荷没有移动，故A错误。电流的方向是正电荷定向移动的方向，与负电荷定向移动的方向相反，故B错误。在导体中，自由电荷做永不停息的热运动，但没有形成定向移动就不会形成电流，故C错误。导体两端的自由电荷在电场的作用(有电压)下才能够定向移动，如果没有电压就不能形成电流，故D正确。 答案：D　 2．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垂直 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：由于导线两端存在电势差，所以导线内部存在电场，电场强度不为零，故A错误。导线中的电场强度方向跟导线方向平行，故B错误。静电平衡是静电场中的导体所处的一种状态，处于静电平衡的导体内部场强处处为零，但该题中的导线是处于恒定电流中，其内部场强并不为零，导线没有处于静电平衡状态，故C错误。导线内电场强度方向与电流方向相同，各点的电势不相等，沿电场强度方向是逐渐降低的，故D正确。 答案：D　 3．在导体中有电流通过时，下列说法正确的是 (　 ) A．电子定向移动速率为光速 B．电子定向移动速率即是电场传导速率 C．电子定向移动速率是电子热运动速率 D．在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动 解析：电子定向移动的速率很小，电场的传导速率与光速差不多，在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动。故A、B、C错误，D正确。 答案：D　 新知学习(二)|电流大小的计算 [典例体验] [典例]　如图所示的电解槽中，如果在4 s内各有8 C 的正、 负离子通过面积为0.8 m2的横截面AB，那么： (1)正、负离子定向移动的方向如何？ (2)电解槽中的电流方向如何？ (3)4 s内通过横截面AB的电荷量为多少？ (4)电解槽中的电流为多大？ [答案]　(1)正离子向右移动　负离子向左移动 (2)向右　(3)16 C　(4)4 A [针对训练] 1．一条金属导体中的电流是5 μA，那么在3.2 s内通过金属导体横截面定向运动的自由电荷个数是 (　 ) A．1×1014个　 B．1×1015个 C．2×1014个 D．2×1015个 答案：A　 答案：C　 新知学习(三)|电流的微观表达式 [重点释解] 1．电流微观表达式的推导过程 (1)建立模型 如图所示，AD表示粗细均匀长为l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e。 2．电流的定义式和微观表达式的比较 [答案]　D [拓展]　在上例中，若铜导线的直径为2 mm，流经其中的电流为0.032 A，单位体积的自由电子数目为8.4×1028个，电子电荷量为e＝1.6×10－19，试问：铜导线内自由电子定向移动的速率多大？ 答案：7.6×10－7 m/s [针对训练] 1．(多选)如图所示，将左边的细铜导线与右边的粗铜导线连接起来，已知粗铜导线的横截面积是细铜导线横截面积的两倍，在细铜导线上取一个截面A，在粗铜导线上取一个截面B，若在1 s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 答案：AD　 答案：D 新知学习(四)|对电阻和欧姆定律的理解 [任务驱动] 如图所示，已知RA＞RB，则导体A、B谁的电流小，谁对电流的阻碍作用大？ 提示：并联电压相同，A的电流小，说明A对电流的阻碍作用大。　　　　 答案：D 答案：ACD　 1．(选自人教版新教材课后练习)如图，一根均匀带电的长直橡胶棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动。若棒横截面积为S，单位长度所带的电荷量为－q，求由于棒的运动而形成的等效电流的大小和方向。 答案：qv　方向向左 科学思维——闪电电流的计算 2．(选自沪科版新教材课后练习)在一次闪电形成过程中，流动的电荷量大约是300 C，持续的时间大约是0.005 s，那么所形成的平均电流为多大？这些电荷如果以0.5 A的电流流过灯泡，则可供灯泡照明多长时间？ 答案：6×104 A　600 s 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．某兴趣小组调查一条河流的水质情况，通过计算结果表明，被污染的河里一分钟内有相当于6 C的正离子和9 C的负离子向下游流去，则取样时这条河流的等效电流大小和方向分别是 (　 ) A．0.25 A　顺流而下 B．0.05 A　顺流而下 C．0.25 A　逆流而上 D．0.05 A　逆流而上 答案：D　 2．鸟儿落在110 V的高压输电线上，虽然通电的高压线是裸露电线，但鸟儿仍安然无恙，这是因为 (　 ) A．鸟有耐高压的天性 B．鸟儿是干燥的，所以鸟体不导电 C．鸟两脚间的电压几乎为零 D．鸟体电阻极大，所以无电流通过 解析：当小鸟两脚站在一根线上时，两脚之间的导线的距离非常小，故两脚之间的导线的电阻非常小，故小鸟两端的电压很小，接近于零，故不会对小鸟造成危害，故C正确。 答案：C 3．“氢火焰离子化监测器”可以检测出无机物气体中极其微量的有机分子的含量，其装置如图所示，在氢火焰的作用下，有机物的分子电离为一价正离子和自由电子，而无机物的分子不会电离。设单位时间内有n摩尔被检测气体进入检测器，调节滑动变阻器，使得电流表的示数逐渐变大，直到达到最大值I，求有机物分子与被检测气体分子的数目的比值K是多少。(阿伏伽德罗常数为NA，电子的电荷量为e) 物理观念 (1)了解电路的组成及三种状态，知道电路的两种基本的联接方式。 (2)知道电流的定义，理解电流的定义式I＝，知道电流的单位。 (3)知道电压是形成电流的必要条件。 (4)知道欧姆定律及其表达式，知道电阻的定义及定义式。 (5)了解导体中的恒定电场和恒定电流。 (6)初步认识多用电表。 2.如图所示，在导体两端加上电压后，导体中产生电流，请对以下结论作出判断。 (1)电流的方向为电荷定向移动的方向。 ( ) (2)电流越大，通过导体横截面的电荷量就越大。 ( ) (3)公式I＝中的q是时间t内通过导体单位横截面积的电荷量。 ( ) (4)由公式I＝可知，I与q成正比。 ( ) (5)恒定电流的大小和方向均保持不变。 ( ) 新知学习(一) [任务驱动]形成持续电流的条件：导体两端有持续的电压——由电源提供，如图所示。 (1)有电源是否一定会得到持续的电流？ [解析]　(1)电源与电解槽中的两极相连后，左侧电极电势高于右侧电极电势，电极之间电场方向由左指向右，故正离子向右移动，负离子向左移动。 (2)电解槽中的电流方向跟正离子移动方向相同，方向向右。 (3)8 C的正离子向右通过横截面AB，同时8 C的负离子向左通过横截面AB，相当于又有8 C正电荷向右通过横截面，故4 s内通过横截面AB的电荷量为16 C。 (4)电流大小I＝＝ A＝4 A。 [系统归纳] 1．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自由电子的电荷量。 2．电解质溶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．计算周期性运动的电荷形成的环形电流时，常取一个周期来计算，即利用I＝求等效电流。 解析：根据电流的定义式I＝可得：q＝It＝5×10－6×3.2 C＝1.6×10－5 C，通过该截面的自由电荷(自由电子)个数n＝＝＝1×1014个，故选项A正确。 2．如图所示，真空中一根绝缘轻杆两端分别固定两个完全相同的、带等量异种电荷的小球M、N(可以看成点电荷，电荷量大小为Q)，轻杆绕O点在水平面内沿逆时针方向(俯视)以角速度ω匀速转动，已知小球M距离O点较近，下列说法正确的是 (　 ) A．小球N转动形成的等效电流沿逆时针方向 B．小球M转动形成的等效电流大于小球N转动形成的等效电流 C．小球M转动形成的等效电流大小为 D．小球M转动形成的等效电流与小球N转动形成的等效电流方向相同 解析：根据电流方向为正电荷定向移动的方向可知，小球M转动形成的等效电流沿逆时针方向，小球N转动形成的等效电流沿顺时针方向，选项A、D错误；两个小球所带的电荷量大小相等，转动的周期相等，所以它们转动形成的等效电流的大小相等，在小球做圆周运动的运动轨迹上任取一横截面，在小球转动一周的时间内，通过该横截面的电荷量为Q，由于T＝，则I＝＝，选项B错误，C正确。 (2)理论推导 AD导体中的自由电荷总数：N＝nlS。 总电荷量：q＝Ne＝nlSe。 所有这些电荷都通过横截面S所需要的时间：t＝。 根据公式I＝可得： 导体AD中的电流I＝＝＝neSv。 (3)结论总结 从微观上看，电流的大小与导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动速率的大小以及导体的横截面积有关。 项目 I＝ I＝neSv 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＝neSv [典例体验] [典例] 铜的摩尔质量为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，电子定向移动的平均速率为 (　 ) A．光速c B． C． D． [解析]　如图所示，选长度为l的铜导线为研究对象。 所选研究对象的体积为V＝lS ① 铜的摩尔体积V0＝ ② 由①②可得所选研究对象的物质的量 N＝＝＝ ③ 因为每摩尔铜原子有n个自由电子，所以所选研究对象所含自由电子个数： n1＝Nn＝ ④ 电流：I＝＝ ⑤ 由④⑤得v＝，故D正确。 解析：铜导线的横截面积为：S＝πd2 电流的微观表达式为：I＝neSv 联立可得：v≈7.6×10－7 m/s。 /易错警示/ 用电流的微观表达式求解问题的两点注意 (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。 解析：由电流定义知I＝＝，故A正确，B错误；由电流的微观表达式I＝nSqv知，I、n、q均相等，因为SA<SB，所以vA>vB，故C错误，D正确。 2．如图所示为一质量分布均匀的长方体金属导体，在导体的左、右两端加一恒定的电压，使导体中产生一恒定电流，其电流的大小为I。已知导体左侧的横截面积为S，导体中单位长度的自由电子数为n，自由电子热运动的速率为v0，自由电子的电荷量用e表示，真空中的光速用c表示。假设自由电子定向移动的速率为v，则 (　 ) A．v＝v0 B．v＝ C．v＝c D．v＝ 解析：电流微观表达式I＝neSv，式中n为单位体积内自由电荷数。而本题中n为单位长度内的自由电子数，t时间内通过导体某一横截面的自由电子数是长度vt内的自由电子数，其数量为nvt，电荷量q＝nvte，所以电流I＝＝nev，所以v＝，则D正确，A、B、C错误。 [重点释解] 1．R＝是电阻的定义式，比值表示一段导体对电流的阻碍作用，对给定的导体，它的电阻是一定的，与导体两端是否加电压、导体中是否有电流无关。 2．I＝是欧姆定律的数学表达式，表示通过导体的电流I与电压U成正比，与电阻R成反比，常用于计算一段电路加上一定电压时产生的电流，适用条件是金属或电解质溶液导电(纯电阻电路)。 [针对训练] 1．加在某段导体两端的电压变为原来的时，导体总的电流就减小0.6 A，如果所加电压变为原来的2倍，则导体中的电流将变为 (　 ) A．0.6 A　 B．1.2 A　　 C．0.9 A　 D．1.8 A 解析：设导体两端原来的电压为U，电流为I，则导体的电阻R＝，由题可知，导体两端的电压变为原来的时，导体中的电流减小了0.6 A，则有R＝，联立得＝，解得I＝0.9 A，当电压变为2U时，有I′＝2I＝1.8 A，故选D。 2．(多选)下列说法正确的是 (　 ) A．电流流过导体时，沿电流方向电势逐渐降低 B．由R＝知，一般导体的电阻与它两端的电压成正比，与通过它的电流强度成反比 C．由I＝知，通过一段导体的电流强度与加在它两端的电压成正比 D．对确定的线性元件而言，比值恒定，不随U或I的变化而变化 解析：电流流过导体时，形成的场强沿电流方向，沿电场方向电势逐渐降低，A正确；R＝是电阻的定义式，而电阻只与导体本身有关，与所加的电压和通过的电流无关，B错误；由I＝可知，当电阻一定时，通过一段导体的电流强度与加在它两端的电压成正比，C正确；对确定的线性元件而言，导体的电阻一定，比值恒定，不随U或I的变化而变化，D正确。 解析：长直橡胶棒带负电，负电荷向右运动，形成的电流方向向左。取时间Δt，Δt时间内通过某一截面的电荷量Δq＝v·Δt·q，由I＝可得电流大小I＝＝qv。 解析：由I＝可得一次闪电所形成的平均电流 I＝ A＝6×104 A 这些电荷如果供灯泡照明，可用时间 t＝＝ s＝600 s。 解析：在1 min内通过河流横截面的总电荷量应为q＝6 C－9 C＝－3 C，所以电流I＝＝0.05 A，方向与河水的流动方向相反，即电流的方向为逆流而上，选项D正确。 解析：电流达到最大值I后，表明电离出来的电子全部到达了阳极，设经过时间t到达极板的电荷量为q，则q＝It， 被电离的有机物分子的数目N′＝＝ 则有机物分子占被测气体分子的数目的比值为 K＝＝＝。 答案： $$