第01讲 电源和电流-高二物理上学期知识点讲解及课后练习(江苏专用)

第01讲 电源和电流 适用学科 物理 适用年级 高二 适用区域 江苏 本讲时长 120分钟 知识点 及学习目标 电源、电流，电动势 理解电源的形成过程，知道电源在电路中的作用，理解恒定电场和恒定电流的形成过程。知道恒定电场与静电场相同，掌握电荷量、电流、通电时间等物理量之间的关系； 知道电源是能维持外电路中稳定电流的原因，掌握电动势的概念及表达式，了解电池内部能量的转化过程。 一． 对电流的理解 1．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． 2．电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反． 3．电流的大小 （1）定义式： 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． ②是的变形，是求电荷量的重要公式． 4．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，而是标量． 5．拓展·三种速率的比较 （1）电子定向移动速率：也是公式中的v，大小约为10－5 m/s. （2）电流的传导速率：就是导体中建立电场的速率，等于光速，为3×108 m/s.闭合开关的瞬间，电路中各处以光速建立恒定电场，电路中各处的自由电子几乎同时定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流． （3）电子热运动速率：电子做无规则热运动的速率，大小约为105 m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等，故此运动不能形成电流． 例1．关于电流，下列各种说法中正确的是（　　） A．电流的定义式，适用于任何电荷的定向移动形成的电流 B．由可知，金属导体中自由电荷的运动速率越大，电流一定越大 C．电荷定向移动的方向就是电流的方向 D．因为电流有方向，所以电流是矢量 （变式训练1）关于电流，下列说法正确的是（　　） A．导体中无电流的原因是其内部的自由电荷停止了运动 B．同一个金属导体接在不同的电路中，通过的电流往往不同，电流大说明那时导体内自由电荷定向运动的速率大 C．由于电荷做无规则热运动的速率比电荷定向移动速率大得多，故电荷做无规则热运动形成的电流也就大得多 D．电流的传导速率就是导体内自由电荷的定向移动速率 例2．如图所示，电解池内有一价的电解液，t秒时间内通过溶液内截面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．当n1＝n2时电流强度为零 B．当n1>n2时，电流方向从A→B，电流强度为 C．当n1<n2时，电流方向从B→A，电流强度为 D．溶液内电流方向A→B，电流强度 （变式训练2-1）某一探测器因射线照射，内部气体电离，在时间t内有n个二价正离子到达阴极，有2n个电子到达探测器的阳极，则探测器电路中的电流为（　　） A．0　　　　　　　　B． C． D． （变式训练2-2）某金属导体，若30s内有36C的电荷量通过导体的横截面，则每秒钟内有 个自由电子通过该导体的横截面，导体中的电流为 A。（电子的电荷量为1.6×10-19C） 二．电流的微观解释 1．建立“柱体微元”模型：如图所示，AD表示粗细均匀的一段导体l，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．理论推导：AD导体中的自由电荷总数：．总电荷量．所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间：．根据公式q＝It可得：导体AD中的电流：． 3．影响因素：从微观上看，电流取决于导体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和导体的横截面积． 4．结论：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． 5．两个公式的比较 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 由可导出 例3．（多选）如图所示，将左边的铜导线与右边的铝导线连接起来，已知铝导线的横截面积是铜导线横截面积的两倍，在铜导线上取一个截面A，在铝导线上取一个截面B，若在1秒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 （变式训练3）（多选）有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I；设单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电荷量为e，此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可表示为（　　） A．　 B．　　　 C．　　 D． 例4．在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝中不断放出的电子进入电压为U的加速电场，设其初速度为零，经加速后形成横截面积为S、电流为I的电子束．已知电子的电荷量为e、质量为m，则在刚射出加速电场时，一小段长为Δl的电子束内的电子个数是（　　） A． B． C． D． （变式训练4）某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，为了能让质子进入癌细胞，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。质子先被加速到较高的速度，然后轰击肿瘤并杀死癌细胞。如图所示，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，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． B． C． D． 三．对电源的理解 1．静电力和非静电力 静电力是带电体之间通过电场相互作用的力，又称为库仑力．非静电力是指除静电力外能对电荷移动起作用的力． 2．静电力与非静电力做功的比较 （1）非静电力只存在于电源内部，因此非静电力只在电源内部对电荷做功．通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能． （2）静电力存在于整个闭合电路上，所以在电路中任何部位静电力都要做功．静电力做功将电能转化为其他形式的能． （3）在整个电路上，非静电力做的功与静电力做的功相等． 3．电源与电路中的能量转化问题 功是能量转化的量度．在电源中，非静电力做功，其他形式的能转化为电能，非静电力移送电荷做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能，即W非＝qE；在电路中，电场力做功，电能转化成其他形式的能，电场力移送电荷做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即W电＝qU． 例5．关于电源的说法，正确的是（　　） A．电源向外提供的电能越多，表明电动势越大 B．电动势在数值上等于电源将单位正电荷从负极移到正极时，非静电力做的功 C．断路时电源的路端电压为零 D．在电源外部，从正极到负极电势逐渐升高 （变式训练5-1）（多选）关于电源，下列说法中正确的是（　　） A．电源可将其他形式的能转化为电能 B．在电源内部，其他形式的能转化为电能 C．在电源内部，电源依靠库仑力搬移电荷 D．电源就是产生电荷的装置 （变式训练5-2）关于电源内部和外电路中功和能的转化，下列说法正确的是（　　） A．电源内部只有非静电力做功 B．电源内部静电力只能做负功 C．外电路中电场力做功将电势能转化为其他形式的能 D．电源内部非静电力做正功将电势能转化为其他形式的能 四．对电动势的理解和应用 1．电源的电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量，即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，则电动势越大． 2．公式是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的，不同种类的电源电动势大小不同． 例6．一节干电池的电动势为1.5 V，这表示（　　） A．电池中每通过1 C的电荷量，该电池能将1.5 J的化学能转变成电势能 B．该电池接入电路工作时，电池两极间的电压恒为1.5 V C．该电池存储的电能一定比电动势为1.2 V的电池存储的电能多 D．将1 C的电子由该电池负极移送到正极的过程中，非静电力做了1.5 J的功 （变式训练6）电源电动势反映了电源把其他形式的能量转化为电势能的本领，因此（　　） A．电动势是一种非静电力 B．电动势越大，表明电源储存的电能越多 C．电动势的大小是非静电力做功能力的反映 D．电动势就是闭合电路中电源两端的电压 例7．将电动势为3.0 V的电源接入电路中，测得电源两极间的电压为2.4 V，当电路中有6 C的电荷流过时，求： （1）有多少其他形式的能转化为电势能； （2）外电路中有多少电势能转化为其他形式的能． （变式训练7）扫地机器人是智能家用电器的一种，它利用自身携带的小型吸尘部件进行吸尘清扫，如图为酷斯520扫地机器人，已知其工作额定电压15 V，额定电流2 A，电池容量2 000 mAh，则下列说法正确的是（　 　） A．电池容量是指电池储存电能的大小 B．机器人正常工作的电压为24 V C．机器人正常工作时的电流为0.5 A D．机器人充满电后一次工作时间最多约为1小时 1．关于电源的作用，下列说法不正确的是（　　） A．为电流提供自由电子 B．使导体中形成电场 C．保持导体两端的电压 D．使自由电荷定向移动起来 2．（多选）关于电流的方向，下列说法中正确的是（　　） A．在电源供电的外部电路中，电流的方向是从高电势一端流向低电势一端 B．电源内部，电流的方向是从高电势一端流向低电势一端 C．电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相同 D．电容器充电时，电流从负极板流出，流入正极板 3．以下说法中正确的是（ ） A. 在外电路中和电源内部正电荷都受静电力作用，所以能不断定向移动形成电流 B. 静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少 C. 在电源内部正电荷能从负极到正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力 D. 静电力移动电荷做功电势能减少，非静电力移动电荷做功电势能增加 4．关于电动势E的说法中正确的是（　　） A．电动势E的大小,与非静电力所做的功W的大小成正比,与移送电荷量q的大小成反比 B．电动势E是由电源本身决定的,跟电源的体积和外电路均无关 C．电动势E是表征电源把其他形式的能转化为电势能本领的物理量 D．电动势E的单位与电势差的单位相同,故两者在本质上相同 5．关于电源,下列说法正确的是（　　） A．当电池用旧之后,电源电动势减小,内阻增大 B．当电池用旧之后,电源电动势和内阻都不变 C．当电池用旧之后,电源电动势基本不变,内阻增大 D．以上说法都不对 6．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3×107m/s，则环中的电流是（　　） A．10 mA B．1 mA C．0.1 mA D．0.01 mA 7．某根导线的横截面积为S，通过电流为I。已知该导线材料密度为ρ，摩尔质量为M，电子电荷量为e，阿伏伽德罗常数为NA，设每个原子只提供一个自由电子，则该导线中自由电子定向移动速率为（　　） A． B． C． D． 8．（多选）智能手机耗电量大，移动充电宝应运而生，它是能直接给移动设备充电的储能装置．充电宝的转化率是指电源放电总量占电源容量的比值，一般在0.60-0.70之间（包括移动电源和被充电池的线路板、接头和连线的损耗）.如图为某一款移动充电宝，其参数见下表，下列说法正确的是（ ） 容量 20000mAh 兼容性 所有智能手机 边充边放 否 保护电路 是 输入 DC5V2AMAX 输出 尺寸 转换率 产品名称 索扬 重量 约430g A．充电宝充电时将电能转化为内能 B．该充电宝最多能储存能量为3.6×105 J C．该充电宝电量从零到完全满电的时间约为2h D．该充电宝给电量为零，容量为3000mAh的手机充电，则理论上能充满4次 9．一块数码相机中用的锂电池的电动势为3.6 V,容量为1 000 mA·h（相当于用1 000 mA的电流释放可放电1 h，用500mA的电流释放可放电2 h,以此类推）。当关闭液晶屏时可拍摄照片400张左右,则每拍一张照片所消耗的电能约为　　　J;当打开液晶屏时可拍摄照片150张左右,则每拍一张照片液晶屏消耗的电能约为 　　　J。 10．2018年8月的某天夜里，二中南校区的上空电闪雷鸣。某摄影爱好者拍摄到的闪电如图所示，假设这次闪电产生的电压可等效为3×107 V，电流可等效为2.5×105 A，历时1×10－3 s。 （1）若我们想办法收集这次闪电的能量，使这次闪电产生的电荷量以0.5 A的电流给小灯泡供电，则能维持多长时间？ （2）若这样的闪电一共发生了8次，则闪电释放的总电能是多少？ 第01讲 电源和电流 适用学科 物理 适用年级 高二 完成情况 完成评分 1．（多选）关于导体中的恒定电场，下列说法中正确的是（　 ） A．导体中的电场是由电源两极在空间直接形成的 B．导体中的电场是导体内自由电荷形成的 C．导体中的电场线始终和导线平行 D．导体中的电场分布不随电荷的移动和时间而改变 2．有关电压与电动势的说法中正确的是（　　） A．电压与电动势的单位都是伏特,所以电动势与电压是同一物理量的不同叫法 B．电动势就是电源两极间的电压 C．电动势公式中的W与电压中的W是一样的,都是静电力做的功 D．电动势是反映电源把其他形式的能转化为电势能的本领强弱的物理量 3．如果导线上均匀带有负电荷,每米电荷量为q，当此导线沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，由于导线运动而形成的等效电流大小为（　　） A．vq B． C．qvS D． 4．在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝不断放出的电子进入电压为U的加速电场，设其初速度为零，经加速后形成横截面积为E1、长为l的电子束。已知电子的电荷量为e、质量为m，射出加速电场时单位长度电子束内的电子个数是N，则电子束的电流强度为（ ） A． B． C． D． 5．一根长为L＝2 m，横截面积S＝1.6×10－3 m2的铜棒，两端电势差为U＝5.0×10－2 V，铜棒的电阻 R＝2.19×10－5 Ω，铜内自由电子密度为n＝8.5×1029 m－3.求： （1）通过铜棒的电流． （2）铜棒内的电场强度． （3）自由电子定向移动的速率． 答案 第01讲 适用区域 江苏 适用年级 高二 例1　【答案】A　 解析：电流的定义式I＝q/t采用的是比值定义法，具有比值定义法的共性是普遍适用，适用于任何电荷的定向移动形成的电流，故A正确；由I＝nqsv可知，电流的大小跟导体的材料(决定n)，导体的横截面积(s)和电荷定向移动的速率(v)共同决定，故B错误；物理学中把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向，负电荷定向移动的反方向是电流的方向，故C错误；电流有大小和方向，但方向是指沿着电荷运动的直线上，不同于矢量的方向；故电流是标量；故D错误。 〔变式训练1〕【答案】　B　 解析：导体中无电流时，内部的自由电荷仍在无规律运动，选项A错误；由I＝nqvS可知，同一个金属导体接在不同的电路中，通过的电流往往不同，电流大说明那时导体内自由电荷定向运动的速率大，选项B正确；电流的大小与电荷无规则运动的快慢无关，选项C错误；电流的传导速率是电场形成的速度，约为光速，而自由电荷的定向移动速率远小于光速，选项D错误。 例2 　【答案】D [解析]　正电荷定向移动方向就是电流方向，负电荷定向移动的反方向也是电流方向，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，与正、负电荷的数量无关，C错误，D正确。 〔变式训练2-1〕 D 解析：由题意可知，在时间t内通过某横截面的电荷量为n·2e＋2n·e＝4ne，故根据电流的定义可知探测器电路中的电流为I＝＝，故选项D正确． 〔变式训练2-2〕【答案】7.5×1018 1.2 【解析】金属靠自由电子导电，电子带负电，其电荷量大小为，所以在每秒钟内通过该导体横截面的自由电子数为；导体中的电流为． 例3 　【答案】AD　 解析：由电流定义知I＝，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。 〔变式训练3〕【答案】 AC 解析：因为I＝，所以q＝I·Δt，自由电子数目为N＝＝，C正确，D错误；又因为电流的微观表达式为I＝nevS，所以自由电子数目为N＝＝＝＝nvSΔt，A正确，B错误． 例4 【答案】 B 解析：设电子刚射出电场时速度为v，长为Δl的电子束内的电子数为n，则eU＝mv2① I＝② Δt＝③ 由①②③式解得n＝ ，故B正确． 〔变式训练4〕【答案】D 【解析】质子被加速时： 由于 解得 A．，与结论不相符，选项A错误； B．，与结论不相符，选项B错误； C．，与结论不相符，选项C错误； D．，与结论相符，选项D正确；故选D. 例5　【答案】B 解析：根据W＝qU，电源向外提供的电能越多，即W越大可能是q较大，电动势不一定大，故A错误；电动势在数值上等于电源将单位正电荷从负极移到正极时，非静电力做的功，故B对；断路时电源的路端电压等于电动势，故C错；在电源外部，从正极到负极电势逐渐降低，故D错。 〔变式训练5-1〕【答案】 AB 解析：电源是将其他形式的能转化为电能的装置，A正确；在电源内部依靠非静电力做功将其他形式的能转化为电能，B正确，C错误；电源能够不断移动电荷，不能产生电荷，D错误． 〔变式训练5-2〕【答案】 C 解析：电源内部有静电力做功，如果电源没有内阻，静电力对运动电荷做负功，电源有内阻时，电荷通过内阻，静电力做正功将电势能转化为内能，故A、B错误；在电源内部非静电力做功将其他形式的能转化为电能，在外电路中电场力做功将电能转化为其他形式的能，故C正确，D错误． 例6 【答案】　A [解析]　电动势大小表示电池中通过1 C的电荷量电池将其他形式的能量转化为电势能的大小，并非表示电池内部储存的能量大小，故选项A正确，C错误；电动势大小等于电池接入电路前两极之间的电压大小，故选项B错误；电动势为1.5 V，表示电池内部非静电力将1 C的电子由电源正极移送到负极过程中所做功的大小，故选项D错误． 〔变式训练6〕 【答案】 C 解析：电动势是反映电源通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能本领的物理量，不是一种非静电力，电动势越大说明这种转化本领越强，但不能说明储存的电能越多，故选项A、B错误，选项C正确；闭合电路中电源两端电压是路端电压，电动势与路端电压不同，故选项D错误． 例7 【答案】 (1)18 J　(2)14.4 J [解析]　(1)W＝Eq＝3．0×6 J＝18 J，电源中共有18 J其他形式的能转化为电势能． (2)W＝Uq＝2.4×6 J＝14.4 J，外电路中共有14.4 J电势能转化为其他形式的能． 〔变式训练7〕【答案】　D　 解析：电池容量是指电池的存储电量(电流与时间的乘积)多少，单位是“Ah”，不是储存电能的大小，故A错误；机器人正常工作的电压为15 V，电流为2 A，故B、C错误；机器人充满电后一次工作时间为t＝＝＝1 h，故D正确。故选D。 1．　【答案】A　 解析：电源是提供电能的装置，电源是将其它形式的能转换为电能的装置，它可以使导体两端保持一定的电压，从而使导体中的电子运动起来形成电流；故BCD正确，A错误。 2. 【答案】 AD 【解析】AB、在电源供电的外部电路中，电流从正极流向负极，在电源的内部，电流从负极流向正极，电源正极电势高于负极电势，所以A正确，B错误； C、电子带负电，电子运动形成的电流方向与电子运动的方向相反，C错误； D、 电容器充电时，电子流入负极板，所以电流从负极板流出，流入正极板，D正确。 3. 【答案】 D 【分析】电源内部非静电力克服电场力做功，将正电荷从负极移到正极；将其他形式的能转化为电能。 本题要求同学们知道电源内部的能量是怎样转化的，理解非静电力克服电场力做功，把其它形式的能转化为电势能，静电力移动电荷做功电势能减少。 【解答】A.在电源内部，正电荷受到静电力和非静电力作用，从负极移动到正极，故A错误；  非静电力克服电场力做功，把其它形式的能转化为电势能，静电力移动电荷做功电势能减少，非静电力移动电荷做功电势能增加，故B错误，D正确。 C.在电源内部正电荷能从负极到正极同时受到静电力和非静电力作用，故C错误。 故选D。 4. 【答案】 C　 【解析】电动势是电源本身的特性,与外电路无关,数值上等于电源没有接入电路时,电源两极间的电压,但电动势与电压有本质的区别,故A、B、D错,C对。 5. 【答案】 C　 【解析】电池用旧之后,电源电动势基本不变,但是内阻变得很大。 6. 【答案】　A 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。 7. 【答案】　A　 解析：设电子定向移动的速度为v，则t时间内通过截面S的电荷量q＝·NAe，根据I＝，得v＝，故选项A正确。 8. 【答案】 BD 【解析】解：A、充电宝充电时将电能转化为化学能，不是内能；故A错误； B、该充电宝的容量为： 该电池的电动势为5V，所以充电宝储存的能量：；故B正确； C、以2A的电流为用电器供电则供电时间；故C错误； D、由于充电宝的转换率是，所以可以释放的电能为：，给容量为3000mAh的手机充电的次数：次；故D正确； 9. 【答案】 32.4　54 【解析】电源输出的总电能E=UQ=UIt=3.6×1×3 600 J=12 960 J。 关闭液晶屏时,每拍一张照片消耗的电能E1==32.4 J。 打开液晶屏时,每拍一张照片消耗的电能E2==86.4 J。 每拍一张照片液晶屏消耗的电能E3=E2-E1=54 J。 10．【答案】 (1)500 s　(2)6×1010 J 解析：(1)根据电流的定义式I＝，可得：q＝It＝2.5×105×1×10－3 C＝250 C 供电时间t′＝＝500 s (2)这次闪电释放的电能为：E＝nqU＝8×250×3×107 J＝6×1010 J 1．【答案】　CD 解析：导体中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的稳定电场，电场的分布不随时间发生改变。 2. 【答案】 D　 解析：电压和电动势的单位虽然相同,但它们表示的意义不同,电压是表示静电力做功,将电势能转化为其他形式的能的本领大小的物理量;而电动势则表示电源把其他形式的能转化为电势能本领大小的物理量,故电压和电动势是两个不同的物理量,A、B错,D正确;电动势E=中的W是非静电力做功不是静电力做功,C错。 3. 【答案】 A　 解析：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,等效电流I==vq,故A正确。 4. 【答案】 A 【解析】根据动能定理得： 得到： 在刚射出加速电场时，一小段长为的电子束内电子电量为：△ 单位长度内的电子数： 联立解得： 故A正确，BCD错误。故选A。 5． (1)2.28×103 A　(2)2.5×10－2 V/m (3)1.05×10－5 m/s 【解析】试题分析：由欧姆定律可求出通过铜棒的电流；由可求得铜棒内的电场强度；设自由电子定向移动的速率为v和导线中自由电子从一端定向移到另一端所用时间为t，求出导线中自由电子的数目，根据电流的定义式推导出电流的微观表达式，解得自由电子定向移动的速率。 (1)根据欧姆定律可得铜棒中的电流为： (2)根据场强公式： (3)根据电流的微观表达式：I＝neSv，代入数据解得： 5 / 6 学科网（北京）股份有限公司 $$