第11章 第1节 电源和电流（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2019）江苏北京

第十一章 电路及其应用 电源和电流 (强基课——逐点理清物理观念) 第 1 节 课标要求 层级达标 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。 学考 层级 1.了解电源的作用，知道持续电流形成的原因。 2.了解导体中的恒定电场和恒定电流。 3.理解电流的定义、定义式、单位及方向的规定。 选考 层级 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，从微观的角度认识影响电流大小的因素。 1 逐点清(一)　电流的形成 2 逐点清(二)　电流的大小和方向 3 逐点清(三)　电流的微观表达式 4 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(一)　电流的形成 1.电源 (1)定义:能把电子从电源______搬运到电源______的装置就是电源。 (2)作用:使导体两端始终存在_______。 [微点拨] 电源的作用 (1)电源可使导体中的自由电荷在静电力作用下发生定向移动形成电流。 (2)电源可以使电路中保持持续的电流。 多维度理解 正极 负极 电势差 2.恒定电场 (1)形成:电源正、负极周围空间的电场是由______ 、 ______等电路元件所积累的电荷共同形成的。 ______的分布和______的分布不随时间变化。 (2)定义:由稳定分布的_____所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。 (3)特点:在恒定电场中，任何位置的_________和_________都不随时间变化，所以它的基本性质与静电场相同。 电源 导线 电荷 电场 电荷 电荷分布 电场强度 3.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。 [微点拨] 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。 1.判断下列说法是否正确。 (1)电源的作用是在电源内部把电子由负极搬运到正极，保持两极之间有电压。 ( ) (2)电源的作用是使电路中的自由电荷持续地定向移动。 ( ) (3)电荷的移动形成电流。 ( ) (4)只要电路中有电源，电路中就会形成持续的电流。 ( ) 全方位练明 × √ × × 2.下列说法正确的是 (　　) A.只要有可以自由移动的电荷，就存在持续电流 B.电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率 C.在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运动就消失了 D.金属导体内的持续电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的 √ 解析:要有持续电流必须有持续的电压，故A错误;电流的传导速率等于真空中的光速，电子定向移动的速率很小，故B错误;在形成电流时自由电子定向移动，但是热运动并没有消失，故C错误;导体中形成电流的原因是导体两端加上电压，于是在导体内形成了电场，导体内的自由电子将在静电力作用下定向移动，形成电流，故D正确。 3.如图所示，两个带绝缘柄的金属球A、B，A带负电，B不带电，用导体棒连接A、B的瞬间，下列说法错误的是 (　　) A.有瞬时电流形成，方向由A到B B.A、B两端的电势不相等 C.导体棒内的电场强度不等于0 D.导体棒内的自由电荷受静电力的作用定向移动 √ 解析:由于A带负电，在金属球A周围存在指向A的电场，故金属球B所在处的电势应高于金属球A所在处的电势，故B正确;连接的瞬间导体棒内的电场强度不等于0，导体棒中的自由电荷在静电力的作用下发生定向移动，故C、D正确;由于导体棒中的自由电荷为电子，故定向移动方向为由A指向B，电流方向应由B指向A，故A错误。A符合题意。 逐点清(二)　电流的大小和方向 1.定义:大小、方向都_______________的电流叫作恒定电流。 2.电流:表示电流的___________。 (1)表达式:I=_____。 (2)单位:在国际单位制中，电流的单位是______，简称安，符号是A。常用的单位还有______(mA)、 ______(μA)。1 A= ___mA= ____μA。 (3)方向:规定_______定向移动的方向为电流的方向。 多维度理解 不随时间变化 强弱程度 安培 毫安 微安 103 106 正电荷 [微点拨] (1)金属导体中电流的计算 金属导体中的自由电荷只有自由电子，运用I=计算时，q是时间t内通过金属导体横截面的电荷量。 (2)电解液中电流的计算 电解液中的自由电荷是正、负离子，运用I=计算时，q应是时间t内正、负两种离子通过横截面的电荷量的绝对值之和。 1.判断下列说法是否正确。 (1)电流既有大小，又有方向，是矢量。 ( ) (2)导体中的电流一定是正电荷定向移动形成的。 ( ) (3)电子定向移动的方向就是电流的方向。 ( ) (4)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多。 ( ) 全方位练明 × √ × × 2.(2025·苏州高二检测)阿秒(as)光脉冲是一种发光持续时间极短的光脉冲，如同高速快门相机，可用以研究原子内部电子高速运动的过程。已知电子所带电荷量为1.6×10-19 C，1 as=10-18 s，氢原子核外电子绕原子核做匀速圆周运动，周期大约是150 as。根据以上信息估算氢原子核外电子绕核运动的等效电流大约为 (　　) A.1×10-1 A　　　　　　　 B.1×10-2 A C.1×10-3 A D.1×10-5 A 解析:根据电流的定义式I=== A≈1×10-3 A，C正确。 √ 3.如图所示，电源正负极分别接A、B金属板给容器内的盐水通电，t时间内通过溶液内横截面S的一价正离子数是n1，一价负离子数是n2，设元电荷为e，以下说法中正确的是 (　　) A.只有正离子的定向移动才能产生电流 B.电解液内正、负离子向相反方向移动，电流抵消 C.电流I= D.电流I= √ 解析:负离子的定向移动也能产生电流，A错误;电解液内正、负离子向相反方向移动，电流加强，B错误;正离子产生的电流为I1=，负离子产生的电流为I2=，总电流为I=I1+I2=，C错误，D正确。 逐点清(三)　电流的微观表达式 1.电流的微观表达式的推导 如图所示，AD表示一段长为l的粗细均匀的导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的平均速率为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大小为e。则: 多维度理解 导体AD内的自由电荷全部通过横截面D所用的时间t= 导体AD内的自由电荷总数N=nlS 总电荷量q=Ne=nlSe 此导体上的电流I===nevS。 2.电流的微观表达式I=nevS (1)I=是电流的定义式，I=nevS是电流的决定式，因此I与通过导体横截面的电荷量q及时间t无关，从微观上看，电流取决于导体单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量大小e、自由电荷定向移动的平均速率v，还与导体的横截面积S有关。 (2)v表示电荷定向移动的平均速率。自由电荷在不停地做无规则的热运动，电流是自由电荷在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的。 [典例]　某导线中的电流I=1×10-8 A，导线的横截面积S=1 mm2。已知电子电荷量e=1.6×10-19 C，导线每立方米内有n=8.5×1028个自由电子。求: (1)在1 s内定向移动通过导线横截面的电子个数N; [答案]　6.25×1010个　 [解析]　电子个数N===个=6.25×1010个。 (2)自由电子定向移动的速度大小v;(结果保留两位有效数字) [答案]　7.4×10-13 m/s　 [解析]　由公式I=neSv 得v== m/s≈7.4×10-13 m/s。 (3)自由电子沿导线定向移动1 cm所需要的时间t。(结果保留两位有效数字) [答案]　1.4×1010 s [解析]　由v=得时间t== s≈1.4×1010 s。 [思维建模] 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平均速率，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。 1.如图所示，一根均匀的金属导体棒在电场的作用下，其内部的自由电子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，单位长度上可以自由移动的电子个数为n，已知一个电子的电荷量为e，则通过导体棒电流的大小 (　　) A.nev B.Sv C.neSv D.neS 全方位练明 √ 解析:在时间t内，流过导体棒横截面的电荷量Q=nvte，因此导体棒中电流I==nev。故选A。 2.(2025·南通高二月考)如图所示,将同种材料制成的圆柱形导体a、b串接在电路中,其中a的横截面积是b的4倍。通过恒定电流时自由电子在两部分导体中定向移动速率之比va∶vb等于 (　　) A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1 √ 解析:根据电流的微观表达式I=neSv,两导体串接,I相同,材料相同,n、e相同,则S与v成反比, a的横截面积是b的4倍,Sa=4Sb,所以va∶vb=1∶4,故选C。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.(2025·江苏丹阳期末)自然界以及生产和生活领域广泛存在着由电荷流动所引起的效应。关于电流的方向，下列说法正确的是 (　　) A.在电源供电的外部电路中，电流的方向是从负极流向正极 B.在电源内部，电流的方向是从正极流向负极 C.电子定向移动形成的电流方向与电子定向移动方向相同 D.电子定向移动形成的电流方向与电子定向移动方向相反 √ 6 7 8 9 10 11 12 解析:在电源供电的外部电路中，电流的方向是从正极流向负极，故A错误;在电源内部，电流的方向是从负极流向正极，故B错误;电子带负电，电子定向移动形成的电流方向与电子定向移动方向相反，故C错误，D正确。 1 2 3 4 5 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2.电弧是一种气体放电现象，是电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。电力系统中，绝缘开关闭合或断开时常常产生电弧。已知某次电弧在2 ms中释放了0.1 C电荷量，则这段时间产生的电流为 (　　) A.0.5 A B.5 A C.50 A D.500 A 解析:根据电流的定义式I== A=50 A。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 3.关于电流的方向，下列说法正确的是 (　　) A.在金属导体中，电流的方向是自由电子定向移动的方向 B.在电解液中，电流的方向是负离子定向移动的方向 C.无论在何种导体中，电流的方向都与负电荷定向移动的方向相反 D.在电解液中，由于是正、负电荷定向移动形成电流，所以电流有两个方向 解析:无论在何种导体中，电流的方向都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A、B、D错误，C正确。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4.有研究发现，动物与植物的细胞膜两侧存在电位差。某神经细胞传递信号时，离子从细胞膜一侧流到另一侧形成跨膜电流，若将该细胞膜视为1×10-8 F的电容器，在2 ms 内细胞膜两侧的电势差从-20 mV变为30 mV，则该过程中跨膜电流的平均值为 (　　) A.1.5×10-7 A B.2.5×10-7 A C.2×10-7 A D.5×10-8 A 解析:细胞膜电荷量的变化量为ΔQ=CΔU，平均电流为==2.5×10-7 A。故选B。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 5.(2025·山东青岛月考)某手机的说明书标明该手机电池容量为 5 000 mA·h，待机时间为16天;说明书还标明该手机播放视频的最长时间为18小时。下列说法正确的是 (　　) A.5 000 mA·h表示该电池能够提供的电能总量 B.手机播放视频时电流与待机时电流的比值为 C.放电时电池可输出的最大电荷量为1.8×107 C D.电池充满电后以100 mA的电流可连续工作5小时 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:5 000 mA·h表示该电池能够提供的总电量，A错误;根据q=I播t播=I待t待，可得手机播放视频时电流与待机时电流的比值为= ==，B正确;放电时电池可输出的最大电荷量为q= 5 000 mA·h=5 A×3 600 s=1.8×104 C，C错误;电池充满电后以 100 mA的电流可连续工作t===50 h，D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 6.某电解池，如果在1 s内共有5×1018个二价正离子和1×1019个一价负离子通过面积为0.1 m2的某横截面，那么通过这个横截面的电流是(元电荷的电荷量为1.6×10-19 C) (　　) A.0 B.0.8 A C.1.6 A D.3.2 A 解析:由于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，因此电流I=+= A+ A=3.2 A。故选D。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 7.一长度为l的铜导线共有n个自由电子，电子的电荷量为e。若时间t内通过铜导线某一横截面的电荷量为q，则电子定向移动的平均速率为 (　　) A. B. C. D.光速c 解析:设铜导线的横截面积为S，则单位体积内电子数为n0=，根据电流的定义式和微观表达式可得I==n0eSv，解得电子定向移动的平均速率为v=。故选A。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 8.(2025·泰州期中)下表是某电动汽车的铭牌，以下说法正确的是 (　　) 2 3 4 最大设计总质量 1 800 kg 动力电池容量 60 A·h 驱动电机额定功率 30 kW 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.该电池充完电可贮存的电荷量为2.16×105 C B.该电池以6 A的电流放电，可以工作12 h C.该电池以6 A的电流放电，可以工作60 h D.该电池充完电可贮存的电荷量为60 C 解析:从铭牌可知电池的容量为60 A·h，即以6 A的电流放电可工作10 h，故B、C错误;该电池充完电可贮存的电荷量为q=60× 3 600 C=2.16×105 C，故A正确，D错误。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 9.(12分)如图所示是静电除尘器示意图，A接高压电源的正极，B接高压电源的负极，A、B之间有很强的电场。空气被电离为电子和正离子，电子奔向正极A的过程中，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，吸附到正极A上，排出的烟就成为清洁的了。已知每千克煤粉会吸附 n mol 电子，每昼夜能除尘m kg，计算高压电源的电 流I。(已知电子的电荷量为e，阿伏加德罗常数为NA， 一昼夜时间为t) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 答案: 解析:由于被电离的气体中电子和正离子同时导电，流过电源的电荷量Q是煤粉吸附的电荷量Q'的2倍，则煤粉吸附的电荷量为Q'=Q 由于Q'=mneNA，Q=It，解得I=。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 B级——选考进阶 10.半径为R的橡胶圆环均匀带负电,总电荷量为Q,现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度ω匀速转动,则由环产生的等效电流判断错误的是 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍,则等效电流也将变为原来的2倍 B.若电荷量Q不变而使ω变为原来的2倍,则等效电流也将变为原来的2倍 C.若使ω、Q不变,将橡胶环拉伸,使环半径增大,等效电流大小不变 D.若使ω、Q不变,将橡胶环拉伸,使环半径增大,等效电流将变小 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:取任一截面S,在橡胶圆环运动一周的时间T内,通过这个截面的电荷量为Q,则有电流I=,周期T=,解得I=。由I=可知,若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍,则电流也将变为原来的2倍,故A正确;若电荷量Q不变而使ω变为原来的2倍,则电流也将变为原来的2倍,故B正确;若使ω、Q不变,将橡胶环拉伸,使环的半径增大,对电流没有影响,故C正确,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 11.电容器是一种常用的电学元件,在电工、电子技术中有着广泛的应用。心室纤颤是一种可危及生命的疾病,如图所示为一种叫作心脏除颤器的仪器。若该心脏除颤器中电容器的电容是50 μF,充电至电压为8 kV以后与电源断开,如果电容器在4 ms时间内完成放电,则下列说法正确的是 (　　) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.电容器的击穿电压为8 kV B.电容器充电后的电荷量为0.6 C C.当电容器放电完毕后,电容变小 D.电容器放电过程的平均电流为100 A 解析:电容器的击穿电压大于8 kV,A错误;电容器充电后的电荷量为Q=CU=50×10-6×8 000 C=0.4 C,B错误;电容器的电容由本身决定,与是否带电无关,C错误; 电容器放电过程的平均电流为I== A= 100 A,D正确。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(14分)在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子在加速电压U的作用下形成电流为I的电子流，如果打在荧光屏上的高速电子全部被荧光屏吸收，设电子的质量为m、电荷量为e，进入加速电场之前的速度不计。求: 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (1) 在时间t内打在荧光屏上的电子数目; 答案:　 解析:在时间t内打在荧光屏上的电荷量Q=It 则电子数目n==。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2) 电子打在荧光屏上的速度大小。 答案: 解析: 根据动能定理有eU=mv2 解得v=。 2 3 4 $$