第11章 1.电源和电流-【赢在微点】轻松课堂2023-2024学年新教材高中物理必修 第三册（人教版）

第十一章　电路及其应用 　　▶导语：本章主要学习电源的作用和性质、电流的定义和形成原因、导体电阻的决定因素和串、并联电路的连接，是在初中电路知识基础上的深化和延伸。结合电场知识理解电流的形成原因，并能从宏观和微观两个角度计算电流。理解电阻是描述导体对电流阻碍作用大小的物理量，电阻率是描述材料导电性能好坏的物理量，会用电阻定律分析问题。理解串联电路和并联电路的特点，会分析简单的混联电路。会正确使用多用电表测量电压、电流和电阻，并能利用多用电表分析电路故障。本章中伏安法测电阻和电表的改装是难点，学习时应从串、并联电路的角度分析，不要死记硬背。 要点精准概括 4种概念：电源、电流、电阻、电阻率 2个定律：电阻定律、欧姆定律 2个实验：导体电阻率的测量、练习使用多用电表 2种测量工具：游标卡尺、螺旋测微器 2种电阻的测量方法：伏安法、用多用电表测电阻 2个连接方式：串联电路、并联电路 3种电表：电压表、电流表、多用电表 n种思想方法：等势法分析电路连接、等效法、图像法等 3个关键能力：形象思维能力、分析推理能力、探究能力 1.电源和电流 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。 3.理解电流形成的微观实质。 生活中用到各种电源，用电器功率越大，往往使用的电源的电动势也越大。如家庭电子钟上使用的1.5 V化学电池、手机上使用的3.8 V锂电池、家用电器使用的220 V电源等。 电路中电源有什么作用呢?是什么原因在电路中形成了电流? 知|识|梳|理 一、电源 1.概念：在电路中把在静电力作用下移动到导体A的电子搬运到导体B的装置。 2.作用。 (1)在导体A、B两端维持一定的电势差。 (2)使电路中保持持续的电流。 二、恒定电流 1.恒定电场。 (1)定义：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。 (2)形成：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。 2.电流。 (1)概念：电荷的定向移动形成电流。 (2)物理意义：表示电流的强弱程度的物理量。 (3)表达式：I=(I表示电流、q表示在时间t内通过导体横截面上的电荷量)。 (4)符号及单位：电流用符号I表示，单位是安培，符号为A。常用单位还有毫安(mA)和微安(μA)，1 A=103 mA=106 μA。 (5)方向：规定正电荷定向移动的方向为电流方向。 3.恒定电流。 (1)概念：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。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”) (1)电路中有电流时，电场的分布就会随时间不断地变化。(×) (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.如图所示的电解池，在1 s的时间内，共有1.5 C的正离子和1.5 C的负离子通过截面xy，则这个电路中的电流是(　　) A.0 A B.1.5 A C.3 A D.6 A 解析　电解液中的正、负离子定向移动的方向相反，故它们产生同向的电流，由公式I=得，电路中的电流I= A=3 A，故C项正确。 答案　C 探究一 对电流的理解 1.电流的形成。 (1)产生电流的条件：导体两端存在电压。 (2)形成持续电流的条件：导体两端存在持续电压。 2.电流的方向。 (1)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，负电荷定向移动的方向与电流的方向相反。 (2)金属导体中自由移动的电荷是自由电子，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。 3.电流是标量：电流虽然有方向，但是它遵循代数运算法则，所以电流不是矢量，是标量。 4.电流的大小。 (1)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)两点说明： ①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。 ②q=It是I=的变形，是求电荷量的重要公式，其中I是电流在时间t内的平均值。 【例1】　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 解析　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== A=3.2 A，D项正确。 答案　D 正确理解电流的形成，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。 在例1中，如果在2 s内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子的电荷量都是3.2 C，那么电解池中的电流又是多大? 提示　在阳极处取一个横截面，在2 s内通过截面的电荷量为3.2 C，所以电流I== A=1.6 A。 【针对训练1】　我国北京正、负电子对撞机的储存环是周长为240 m的近似圆形轨道，电子电荷量e=1.6×10-19 C，在整个环中运行的电子数目为5×1011个，设电子的运行速度是3×107 m/s，则环中的电流是(　　) A.10 mA B.1 mA C.0.1 mA D.0.01 mA 解析　电子运动一周的时间为T=，在T时间内通过任意横截面的电荷量为q=ne，电流为I= == A=10 mA，A项正确。 答案　A 探究二 电流的微观表达式 1.建立模型。 如图所示，AD表示粗细均匀的一段长为l的导体，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q。 2.理论推导。 AD导体中的自由电荷总数N=nlS，总电荷量Q=Nq=nlSq，所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间t=，根据公式Q=It可得导体AD中的电流I===nqSv。 3.结论。 由此可见，从微观上看，电流取决于导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关。 【例2】　(多选)一横截面积为S的铜导线，流过的电流为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q，此时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目可表示为(　　) A.nvSΔt B.nvΔt C. D. 计算自由电子数目有以下两条思路： (1)Δt时间内通过导线横截面的自由电子数目等于Δt时间内通过导线横截面的电荷量IΔt与自由电子电荷量q的比值。 (2)Δt时间内通过导线横截面的自由电子数目等于导线长度vΔt内所含的自由电子数。 解析　由I=可得，在Δt时间内通过导线横截面的电荷量Q=IΔt，所以在这段时间内通过导线横截面的自由电子数为N==，所以C项正确，D项错误；由于自由电子定向移动的速率是v，所以在时间Δt内，位于横截面积为S、长为l=vΔt的这段导线内的自由电子都能通过横截面，这段导线的体积V=Sl=SvΔt，所以Δt内通过横截面的自由电子数为N=nV=nvSΔt，A项正确，B项错误。 答案　AC 【针对训练2】　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. C.qvS　　　 D. 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项正确。 答案　A 1.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.电源内部电流的方向是从高电势一端流向低电势一端 解析　电源将负电荷从正极搬到负极，维持正、负极间有一定的电势差，A项正确，B项错误；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项错误；电源内部电流的方向是从低电势一端流向高电势一端，D项错误。 答案　A 2.关于公式I=，下列说法中正确的是(　　) A.式中的q表示单位时间内通过导体横截面的电荷量 B.式中的q表示通过导体单位横截面积的电荷量 C.比值能表示电流的强弱 D.该公式表明电流跟通过导体横截面的电荷量成正比，跟通电时间成反比 解析　公式I=中q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，A、B两项错误；比值表示电流的强弱，C项正确；由电流的微观表达式可知，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，故D项错误。 答案　C 3.电路中，每分钟有6×1013个自由电子通过横截面积为0.64×10-6 m2的导线，那么电路中的电流是(　　) A.0.016 mA B.1.6 mA C.0.16 μA D.16 μA 解析　电流的大小是通过导体横截面积的电荷量与所用的时间的比值，即I== A=0.16 μA，C项正确。 答案　C 4.铜的原子质量为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(　　) A.光速c B. C. D. 解析　假设电子定向移动的速率为v，那么在时间t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=，电流I==，解得v=，D项正确。 答案　D 电子定向移 动的速率 电子热运 动的速率 电流传导速率 电流是自由电荷的定向移动形成的，I=neSv，其中v就是电子定向移动的速率，其大小与导体两端的电压及导体本身的因素有关 构成导体的电子在永不停息地做无规则运动，由于热运动向各个方向的机会相等，故不能形成电流。温度越高，电子热运动的平均速率越大 闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速建立恒定的电场，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 一般数量级为10-5 m/s 常温下其数量级为105 m/s 等于光速，即恒为3×108 m/s 【快乐体验】　一根导线，分别通以不同电流，并保持温度不变，当电流较大时，以下说法正确的是(　　) A.单位体积内自由电子数较多 B.自由电子定向移动的速率较大 C.自由电子的热运动速率较大 D.电流的传导速度较大 解析　对同一根导线单位体积内的自由电子数是一定的，A项错误；电流和自由电子的定向移动的速率有关，与自由电子的热运动速率无关，故B项正确，C项错误；电流的传导速度是电场的形成速度，等于光速c，和电流的大小无关，D项错误。 答案　B 学科网（北京）股份有限公司 $$