第11章 第1节 电源和电流-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

第十一章 电路及其应用 第1节　电源和电流 探究点一　电源　恒定电流 自主预习·思辨 深度学习·探究 探究点二　电流的微观表达式 深度学习·探究 课下巩固训练(十二)　电源和电流 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 【课标解读】　1.了解形成电流的条件，知道电源的作用和恒定电场。 2.理解电流的定义、定义式，知道电流的单位和方向。 3.会推导电流的微观表达式，理解表达式中各量的意义。 如图所示，用导线连接两个分别带正、负电荷的导体，会发生“中和”现象。 (1)发生中和现象时，导线中有无电流？这个电流能持续下去吗？ (2)怎样才能让导线中保持持续的电流？说说你的设想。 提示：(1)发生中和现象时，导线中有电流，但不能持续下去。 (2)在B失去电子的过程中，如果能不断地从A取走电子，补充给B，使A、B始终带一定数量的正、负电荷，导体内就会存在持续的电流。 负 电势差 稳定分布 大小 方向 1．电源 (1)定义：能把电子从电源 极搬运到电源 极的装置就是电源。 (2)作用：使导体两端始终存在 。 2．恒定电流 (1)恒定电场：由 的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。 (2)恒定电流 ①恒定电流：把 、 都不随时间变化的电流称为恒定电流。 正 强弱程度 安培 正电荷 相反 ②电流 单位 电荷量 3．电池的容量 (1)定义：电池放电时能输出的 叫作电池的容量。 (2)单位：通常以“安时”(A·h)或“ ”( )作单位。 总电荷量 毫安时 mA·h √ 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)电源可以使两个导体之间维持恒定的电势差。( ) (2)电流既有大小，又有方向，所以电流是矢量。( ) (3)通过导体横截面的电荷量越多，电流越大。( ) (4)自由电荷定向移动的方向就是电流的方向。( ) (5)容量为“500 mA·h”的电池以10 mA的电流工作，可用50 h。( ) × √ × × 2．如果在2 s内有0.1 C的电荷通过横截面积为2mm2的金属导体，则导体中的电流多大？ 提示：I＝ A＝0.05 A。 1．对电流的理解 (1)用定义式I＝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)电流虽然有大小、有方向，但是计算时遵循代数运算法则，所以电流是标量。 (3)在外电路中，电流的方向由电源正极到负极，在电源内部，电流方向由电源负极到正极。 2．电流计算的三个模型 (1)金属导体中的电流：由自由电子的定向移动形成，则公式I＝中的“q”为t时间内通过导体横截面的自由电子的电荷量。 (2)电解质溶液中的电流：由正、负离子同时向相反方向定向移动形成，如盐水导电(如图甲)。由于负离子定向移动形成的电流方向与正离子的相同，所以公式I＝中的“q”为t时间内通过溶液横截面的正、负离子电荷量的绝对值之和。 (3)等效环形电流：当电荷做匀速圆周运动时，可等效为一环形电流，如电子绕原子核的周期性运动(如图乙)。此时等效电流I＝中的“t”常取一个周期，“q”为运动电荷的电荷量。 【典例1】 如图所示，电解池内有一价离子的电解液，时间t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，下列说法中正确的是(　　 ) A．负离子定向移动形成的电流方向从B→A B．溶液内正、负离子向相反的方向移动，电流为零 C．溶液内的电流方向从A→B，电流I＝ D．溶液内的电流方向从A→B，电流I＝ 解析：选D。电流的方向为正电荷定向移动的方向，与负电荷定向移动的方向相反，所以电解质溶液中正离子和负离子定向移动形成的电流方向都是从A→B，电流不为零，故A、B错误；溶液中正、负离子反向经过同一截面时，I＝ 公式中q应是正、负离子电荷量的绝对值之和，故I＝ ，电流方向从A→B，故C错误，D正确。 【针对训练1】 (2024·河南郑州检测)重离子肿瘤治疗装置中的回旋加速器可发射＋3价重离子束，其等效电流为1.2×10-5 A，则在1 s内发射的重离子个数为(e＝1.6×10-19 C)(　　 ) A．3.0×1012 B．2.5×1013 C．7.5×1013 D．3.75×1014 解析：选B。等效电流I＝，又重离子个数n＝，所以代入数据得，1 s内发射的重离子个数n＝2.5×1013个，故B正确。 【典例2】 电子绕核运动可等效为一环形电流，如图所示。氢原子的电子绕核运动的半径为R，电子质量为m，电荷量为e，静电力常量为k，则此环形电流的大小为(　　 ) A． B． C． D． 解析：选C。电子绕核做匀速圆周运动，库仑力提供向心力，可得k，则电子运动的周期为T＝，一个周期电子通过某一位置一次，所以等效电流大小I＝，故C正确。 [规律方法]利用I＝ 计算电流时一定要正确地识别或构建模型，同时还要明确与时间“t”对应的电荷量“q”。 1．电流微观表达式的推导 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q。则： 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＝Nq＝nlSq 导体中的电流I＝＝nqSv。 2．电流微观表达式I＝nqSv的理解 (1)从微观上看，电流I取决于导体中单位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量大小q、电荷定向移动的速率v，还与导体的横截面积S有关。 (2)公式中的“v”为自由电荷定向移动的速率。自由电荷在不停地做无规则的热运动，其速率为热运动的速率，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3】 (易错题)(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，电子定向移动的速率为v，则在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为(　　 ) A．nSvΔt B．nvΔt C． D． 解析：选AC。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＝neSv，所以自由电子数目为N＝＝nSvΔt，A正确，B错误。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)电流的公式及相关物理量等识记、理解混乱； (2)思维片面，不能从两个角度表示自由电子数 【针对训练2】 有两个用不同材料制成的导体棒A和B，其中A的横截面积为B的2倍，在相等的时间内，流过B横截面的电荷量为流过A横截面的电荷量的2倍，则下列说法中正确的是(　　) A．流过两导体棒的电流一定相等 B．导体棒B中的电流为导体棒A中的2倍 C．导体棒A中自由电子定向移动的速率是导体棒B的 D．两导体棒中自由电子定向移动的速率一定相同 解析：选B。由于单位时间内通过B横截面的电荷量是通过A横截面的电荷量的2倍，根据I＝可知，B中的电流是A中的电流的2倍，故A错误，B正确；根据电流的微观表达式I＝nqSv，可得v＝，由于A、B用不同的材料制成，即单位体积内的自由电子数n不同，所以无法确定A、B中自由电子定向移动的速率关系，故C、D错误。 太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。目前以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。 【基础应用题】 1．下列说法正确的是(　　 ) A．导体中电荷运动就形成了电流 B．只有自由电子的定向移动才能形成电流 C．导体中的自由电荷越多，电流越大 D．电源的作用是使电源的正、负极两端保持一定的电势差 解析：选D。正、负电荷的定向移动都可以形成电流，不仅仅是自由电子的定向移动，故A、B错误；电流的大小取决于电荷量与时间的比值，与自由电荷的多少无关，故C错误；在电源内部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，故D正确。 2．某新款5G手机机搭载了一块5 000 mA·h的大容量电池，若用充满电后的该手机观看视频，可连续观看12 h，则观看视频时电池的平均放电电流约为(　　 ) A．0.35 A B．0.42 A C．0.48 A D．0.55 A 解析：选B。由电流定义式得I＝≈0.42 A，故B正确。 3．(多选)如图是某品牌电动汽车的标识牌，以下说法正确的是(　　 ) A．该电池的容量为60 A·h B．该电池以6 A的电流放电，可以工作10 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：选AB。从题图标识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A、B正确，C错误；该电池充完电可贮存的电荷量q＝60×3 600 C＝2.16×105 C，故D错误。 4．(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 解析：选AD。由电流定义知I＝，所以通过这两个截面的电流相等，故A正确，B错误，由电流的微观表达式I＝ngSv知，因为I、n、q均相等，且SA<SB, 所以自由电子定向移动的速率vA>vB，故C错误，D正确。 5．气体放电管中，每时每刻有大量的气体分子被电离成电子和正离子。若每秒有n1个电子和n2个氢离子(质子)经过管的某个横截面，元电荷的大小记为e，则放电管中的电流大小在数值上等于(　　 ) A．n1e B．n2e C．(n1＋n2)e D．|n1－n2|e 解析：选C。根据电流定义式得I＝＝n1e＋n2e，故C正确。 6．某正负电子对撞机的储存环是半径为R的圆形轨道，当环中电子以光速的沿环运动而形成等效电流I时，环中运行的电子数目为(已知光速为c，电子电荷量为e)(　　 ) A． B． C． D． 解析：选D。电子在圆形轨道运动的周期为T＝，根据电流的定义式可得I＝，联立可得环中运行的电子数目为N＝，故D正确。 【综合提升题】 7．有研究发现，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－70 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．2×10-7 A C．3.5×10-7 A D．5×10-7 A 解析：选D。根据Q＝CU可知，ΔQ＝CΔU＝1×10-8×(30＋70)×10-3C＝10-9C，则该过程中跨膜电流的平均值为I＝A＝5×10-7 A，故D正确。 8．两个完全相同的金属球甲和乙所带的电荷量分别为＋Q1、－Q2，其中Q1>Q2>0。现用一根导线将两金属球直接相连，经时间t，两小球的电荷分布稳定，则这段时间内，流经导线的平均电流为(　　 ) A． B． C． D． 解析：选D。两完全相同的金属球相互接触后，电荷均分，故电荷分布稳定时，每个金属球的电荷量均为Q′＝，对甲球分析，甲球减少的电荷量即通过导线横截面的电荷量，为ΔQ＝Q1－Q′＝，所以流过导线的平均电流为I＝，故D正确。 9．(2024·陕西宝鸡期中)如图所示是一根粗细均匀的橡胶棒，其横截面积为S，橡胶棒由于与毛皮发生摩擦而均匀带负电。若已知该橡胶棒每米所带的电荷量为q，则当该棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，形成的等效电流为(　　 ) A．qv B． C．qvS D． 解析：选A。橡胶棒沿轴线方向以速度v做匀速直线运动时，Δt内通过的距离为v·Δt，Δt内通过某横截面的电荷量Q＝qvΔt，根据电流的定义式I＝，得到等效电流I＝qv，故A正确。 10．(多选)半径为R的橡胶圆环均匀带正电，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，则关于由环产生的等效电流判断正确的是(　　 ) 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，等效电流将变大 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 解析：选AB。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I＝，又T＝，所以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；同理，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、D错误。 11．有一条铜导线，横截面积为S＝1 mm2，通过的电流I＝1 A。已知铜的密度ρ＝8.9×103 kg/m3，铜的摩尔质量M＝6.4×10-2 kg/mol，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol-1，铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子。求铜导线中自由电子定向移动的速率。 解析：单位体积内自由电子数为n＝ 又电流的微观表达式I＝neSv 联立解得v＝≈7.5×10-5 m/s。 答案：7.5×10-5 m/s 【创新拔高题】 12．将质子加速到一定的速度可以杀死某些肿瘤癌细胞。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。已知质子流等效电流为I，质子的质量为m，电荷量为e，则质子流单位长度内的质子数n是(　　 ) A． B． C． D． [创新空间]与电流相关的电学综合问题 对电流的考查无非就是围绕“两个公式”和“三个模型”，但是单独命题的较少，更多的是和其他章节的知识结合起来，如本节中的有些题目涉及与电容器、粒子的加速、圆周运动、阿伏加德罗常数等的结合。平时的学习中要加强相关方法的训练，提升综合分析能力。 解析：选B。质子在加速电场中加速过程中，根据动能定理得eU＝mv2，质子流等效电流为I，质子的质量为m，电荷量为e，N为单位体积内的质子数，根据电流微观表达式得I＝NeSv，联立解得N＝质子流单位长度内的质子数n＝，故B正确。 $$