第11章 1. 电源和电流-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第十一章 电路及其应用 课 标 要 求 1. 观察并能识别常见的电路元器件， 了解它 们在电路中的作用。 会使用多用电表。 2. 通过实验， 探究并了解金属导体的电阻与 材料、 长度和横截面积的定量关系。 会测 量金属丝的电阻率。 （ 1 ） 知道滑动变阻器的工作原理。 （ 2 ） 通过 I-U 图像了解材料的电阻特性。 3. 了解串、 并联电路电阻的特点。 知 识 结 构 规 律 公 式 1. 部分电路欧姆定律： I= U R 。 2. 电阻定律： R＝籽 L S 。 提 纲 挈 领 本章内容是在初中学过的电路的基础上 的加深和扩展， 主要讨论了电源的作用， 电 流的形成， 导体电阻的决定因素， 电阻的串 并联规律， 部分电路欧姆定律， 电流表、 电 压表、 欧姆表的改装及使用。 如下的内容或题型值得注意。 （ 1 ） 电 路的简化： 对于一个复杂的电路， 画出等效 电路图是一项基本功， 也是电路分析和计算 的基础。 （ 2 ） 动态直流电路的分析： 电路 中某些元件 （如滑动变阻器的阻值） 的变 化， 会引起电流、 电压、 电阻等相关物理量 的变化， 解决这类问题涉及的知识点多， 同 时还要掌握一定的思维方法。 （ 3 ） 非线性 电路的分析与求解： 非线性电路包括含二极 管电路和白炽电灯电路， 这类元件的伏安特 性不再是线性的， 所以求解这类问题难度 更大。 这一章， 高考出题方式是电学实验， 常 见实验有测量定值电阻、 测量电阻率、 改装 电表、 多用电表使用等。 平时要重视实验原 理、 实验器材、 实验操作、 数据处理、 误差 分析、 实验注意事项方面的学习。 电流： 定义式 I＝ q t ， 微观表达式 I＝nqSv 电阻： 定义式 R＝ U I ， 决定式 R＝籽 L S 电压： U＝ W q ， 决定式 Ｕ＝I I # # # # # # # " # # # # # # # $ R 电 路 及 应 用 I # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # " # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # $ 常用仪表 电流表 电压表 欧姆表及多用电 I # # # " # # # $ 表 实验 研究影响导体电阻的因素 导体电阻率的测量 练习使用多用电 I # # # " # # # $ 表 部分电路欧姆定律： I＝ U R 电阻定律： R＝籽 L S 基本规律 律 第十一章 电路及其应用 基本 概念 35 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 知 识 梳 理 知识点 1 电荷 如图所示， 在电源 外部， 正电荷在静电力 作用下由正极向负极定 向移动 （实际是导线中 的自由电子在静电力作 用下， 由负极向正极定向移动）。 电源不断 地从负极取走正电荷补充到正极 （实际是从 正极取走电子补充到负极）， 从而保证电源 正 、 负极总保持一定数量的正 、 负电荷 ， 正、 负极间始终存在电势差， 最终形成持续 的电流。 知识点 2 恒定电流 1. 定义： 大小、 方向都不随时间变化的电流 称为恒定电流。 2. 电流的定义式： I= q t ， 其物理意义： 单位 时间内通过导体横截面的电荷量。 表示电 流强弱程度的物理量。 知识点 3 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： 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的分布 都不随时间变化。 知识点 4 金属导体电流的微观表达式 I=neSv 。 式中 n 为单位体积内的自由电 子数， e 是电子电荷量， S 为导体的横截面 积， v 为自由电子定向移动的平均速率。 知识点 5 电池的容量 电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的 容量， 通常以 “安时 （ A · h ）” 或 “毫安时 （ mA · h ）” 作单位。 要 点 突 破 要点 1 对 I＝ q t 的理解及应用 此式为电流的定义式， 不能说电流与电 荷量成正比， 与时间成反比。 应用 I= q t 计算时， 应注意以下两点： 1. 导体若为金属， 则 q 为自由电子所带电荷 量的绝对值。 2. 导体若为电解液， 则 q 应为正负离子所带 电荷量的绝对值之和。 例 1 （多选） 关于电流的概念， 下列说法 正确的是 （ ） A. 导体中有电荷运动就形成电流 B. 电流是一个矢量， 其方向就是正电荷定 向运动的方向 C. 在国际单位制中， 电流是一个基本物理 1. 电源和电流 + + + + + - - - - - 负极 电源 正极 36 学 第十一章 电路及其应用 量， 其单位安培是基本单位 D. 对于一般导体， 只要其两端电势差为 0 ， 电流也必为 0 解析： 导体中有大量的自由电子， 总在不停 地做无规则运动， 没有定向运动， 在一段时 间 t 内， 通过导体某一截面的电荷是双向的， 其数值又是相等的， 电流为 0 ， 故 A 错误； 电流是一个标量， 因为其运算不符合矢量运 算规则， 为了便于研究电流， 人们规定正电 荷定向运动的方向为电流的正方向， 以区别 于负电荷的定向运动， 故 B 错误； 在国际单 位制中， 共有七个基本量， 电流是其中之一， 故 C 正确； 对于导体， 其两端电势差为 0 时， 导体内无电场， 电子不能定向运动， 故 电流为 0 ， D 正确。 答案： CD 变式训练 1 在 MgCl 2 溶 液 中 ， 正、 负电荷定向移动， 方 向如图所示， 若测得 2 s 内分别有 5.0×10 15 个 Mg 2+ 和 1.0×10 16 个 Cl - 通过溶 液内部的横截面 M ， 那么通过横截面 M 的 电流的大小和方向是 （ ） A． 0.08 mA ， 水平向右 B． 0.08 mA ， 水平向左 C． 1.6 mA ， 水平向右 D． 0.16 mA ， 水平向左 要点 2 金属导体电流的微观表达式 I＝nqS自 的推导 如图所示 ， AD 表 示一段粗细均匀的导体， 长为 l ， 两端加一定的电 压， 导体中的自由电子沿导体定向移动的平 均速率为 v ， 设导体的横截面积为 S ， 导体每 单位体积内的自由电子数为 n ， 电子电荷量为 e 。 AD 导体中的自由电子总数： N=nlS 。 总电 荷量 Q=Nq=nlSe 。 所有这些电子都通过横截面 D 所需要的 时间： t= l v 。 导体 AD 中的电流 I= Q t = nlSe l v =neSv 。 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子数、 每个自由电 子的电荷量、 定向移动速度的大小， 还与导 体的横截面积有关。 例 2 （多选） 有一横截面积为 S 的铜导线， 流经其中的电流强度为 I ， 设每单位体积导线 有 n 个自由电子， 电子的电荷量为 q ， 此时电 子定向移动的速度为 v ， 在 Δt 时间里， 通过 导线横截面的自由电子数目可表示为 （ ） A. nvSΔt B. nvΔt C. IΔt q D. IΔt Sq v A D l 思路点拨 此题考查对电流的常规认识， 电流 是电荷定向移动， 是标量， 单位是基本 单位等。 思路点拨 此题考查对电流强度公式 I= q t 的理解 及对电流强度的微观表达式 I=nqvS 的理解。 电源 + - + - S M A B 变式训练 1 题图 37 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 解析： 在 Δt 时间内， 以速度 v 移动的电子 在铜导线中经过的长度为 vΔt ， 由于铜导线 的横截面积为 S ， 则在 Δt 时间内， 电子经过 的导线体积为 vΔtS 。 又由于单位体积的导线 有 n 个自由电子， 在 Δt 时间内， 通过导线 横截面的自由电子数目可表示为 nvSΔt ， 故 A 正确； 由于流经导线的电流为 I ， 则在 Δt 时间内， 流经导线的电荷量为 IΔt ， 而电子 的电荷量为 q ， 则 Δt 时间内通过导线横截面 的自由电子数目可表示为 IΔt q ， 故 C 正确。 答案： AC 变式训练 2 如图所示， 来自 质子源的质子 （初速 度为 0 ）， 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 ， 其等效电流为 I ； 质 子的质量为 m ， 其电量为 e 。 那么这束质子 流内单位体积的质子数 n 是 （ ） A. I eS 2U m 姨 B. I eS m eU 姨 C. I eS 2eU m 姨 D. I eS m 2eU 姨 要点 3 电子定向移动速率、 电子热运动 的速率、 电流传导速率的比较 例 3 在导体中有电流通过时， 下列说法正 确的是 （ ） A. 电子定向移动速率接近光速 B. 电子定向移动速率即是电场传导速率 C. 电子定向移动速率即是电子热运动速率 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： 电子定向运动的速率很小， 数量级为 10 -5 m/s ， 电场的传导速率为光速 c=3×10 8 m/s ， 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 变式训练 3 （多选） 一段粗细均匀的金属导体的横 截面积是 S ， 导体单位体积内的自由电子数 为 n ， 金属内的自由电子的电荷量为 e ， 自 由电子做无规则热运动的速率为 v 0 ， 导体中 通过的电流为 I ， 则下列说法中正确的有 （ ） A． 自由电子定向移动的速率为 v 0 B． 自由电子定向移动的速率为 v＝ I neS C． 电流的速率为电场传播的速率， 即为真 空中的光速 c D． 自由电子定向移动的速率为 v＝ I ne 电子定向 移动速率 电流就是由电子的定向移动形成的， 电 流 I＝neSv ， 其中 v 就是电子定向移动的 平均速率， 一般为 10 －5 m/s 的数量级 电子热运 动速率 构成导体的电子在不停地做无规则热运 动， 由于热运动向各个方向运动的机会 相等， 故不能形成电流， 常温下电子热 运动的速率数量级为 10 5 m/s 电流传导 速率 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 续表 质子源 质子流 变式训练 2 题图 38 学 第十一章 电路及其应用 知 识 梳 理 知识点 1 电阻 1． 定义： 导体两端的电压与通过的电流的比 值叫作导体的电阻。 2． 定义式： R= U I 。 3． 物理意义： 电阻 R 反映导体对电流的阻 碍作用。 4． 单位： 欧姆， 符号是 Ω 。 知识点 2 影响导体电阻的因素 1． 探究导体电阻与其影响因素的定性关系。 （ 1 ） 移动滑动变阻器的滑片可以改变它的电 阻， 这说明导体电阻跟它的长度有关。 （ 2 ） 同样是 220 V 的灯泡， 灯丝越粗用起来 越亮， 说明导体电阻跟横截面积有关。 （ 3 ） 电线常用铜丝制造而不用铁丝， 说明导 体电阻跟它的材料有关。 2． 探究导体电阻与其影响因素的定量关系。 如图所示， a 、 b 、 c 、 d 是四条不同的金属 导体。 在长度、 横截面积、 材料三个因素方面， 我们采用控制变量法 研究影响电阻的因 素， 即 b 、 c 、 d 跟 a 相比， 分别只有一个因素不同； b 与 a 长度不 同； c 与 a 材料不同； d 与 a 横截面积不同。 知识点 3 导体的电阻率 1． 同种材料的导体， 其电阻 R 与它的长度 l 成 正比， 与它的横截面积 S 成反比； 导体电阻 还与构成它的材料有关， 这就是电阻定律， 写成公式则是 R＝ρ l S ， 式中 ρ 是电阻率。 2． ρ 与导体的材料有关， 是表征材料性质的 一个重要的物理量。 在长度、 横截面积一 定的条件下， ρ 越大， 导体的电阻越大。 ρ 叫作这种材料的电阻率。 纯净金属的电阻 率较小， 且随温度的升高而增大； 合金的 电阻率较大， 一般不随温度的变化而变化。 知识点 4 伏安特性曲线 1． 在实际应用中， 常用横坐 标表示电压 U 、 纵坐标表 示电流 I ， 这样画出的 I－U 2. 导体的电阻 拓 展 创 新 人体安全电流是指通过人体的最低安全 电流。 一般情况下， 人体能够承受的安全电 压为 36 V ， 安全电流为 10 mA 。 当人体电 阻一定时， 人体接触的电压越高， 通过人体 的电流就越大， 对人体的损害也就越严重。 安全电流又称安全流量或允许持续电流， 人 体安全电流即通过人体电流的最低值。 一般 1 mA 的电流通过时即有感觉， 25 mA 以上 人体就很难摆脱， 50 mA 即有生命危险， 主 要是可以导致心脏停止和呼吸麻痹。 变式训练答案 1． C 2. D ３. BC V V V V a b c d S R O U I R 1 R 2 39