3.1 电流（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（鲁科版2019）

第1节　电流 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 知道形成电流与电流持续的条件及三种速率，了解电流的两个表达式及大小、方向和单位，能解释自然现象 通过对微观电流表达式的探究，从微观角度认识影响电流大小的因素，提高科学探究推理能力 能做到实事求是的认识世界，并能培养自己的科学普及能力，提高学习兴趣 [对应学生用书P56] 知识点一 电流的形成 1.电流的定义：电流是由自由电荷的定向移动形成的❶。 2．形成电流的条件：(1)回路中存在自由电荷；(2)电压。 3．形成持续电流❷的条件：导体两端有持续电压——由电源❸提供。 4．三种速率❹ (1)电流的速度等于电场的传播速度，为3.0×108 m/s。 (2)常温下，金属内的自由电子大约以105 m/s的平均速率做无规则的运动。 (3)电子定向移动的速度：数量级大约是10-5 m/s，被形象地称为“电子漂移”。 1．只要有移动的电荷，就存在着持续电流。(　×　) 2．只要导体两端没有电压，就不能形成电流。(　√　) 3．只要导体中无电流，其内部自由电荷就停止运动。(　×　) 知识点二 电流的方向与大小 1.电流的方向：正电荷的定向移动方向规定为电流方向。 2．在电源外部的电路中电流的方向：从电源正极流向负极；在电源内部的电路中电流的方向：从电源负极流向正极。 3．电流的定义：将流过导体某一横截面❺的电荷量与所用时间之比定义为电流，用符号I表示。 4．电流的定义式：I＝❻。 5．电流的单位：在国际单位制中，电流的单位为安培，简称安，符号为A；常用单位有mA、μA，换算关系为1 A＝103mA＝106 μA。 6．直流电：方向不随时间改变的电流。 7．恒定电流：大小和方向都不随时间变化的电流。 1．电流既有大小又有方向，是矢量。 (　×　) 2．由I＝可知，I与q成正比。(　×　) 3．恒定电流的大小、方向均不变。(　√　) 批注❶：电荷定向移动形成电流，不论是导体内还是其他空间，只要有电荷定向移动就可以形成电流，如氢原子中核外电子做匀速圆周运动时，形成了一环形电流等。 批注❷：因为导体两端有持续的电压，即电势差，自由电荷才能在电场力的作用下，持续地定向移动，才会有持续的电流。 批注❸：电源的作用：(1)维持电路两端有一定的电势差；(2)在其内部把电子从正极搬运到负极；(3)把其他形式的能转化为电能。 批注❹：(1)电流的传导速率等于光速c是对电流整体而言的。 (2)电子定向移动的速率是对单个电子而言的。 (3)电子热运动的速率是对所有电子而言的。 批注❺：横截面的选取是任意的，电流的大小与横截面的大小无关。横截面是整个导体的横截面，不是单位横截面。 批注❻：I＝是电流的定义式，I与q、t不存在正反比关系。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P57] 探究点一　电流大小的计算　(物质观念之形成) ►情境探究 如图所示，盐水中可以形成电流，盐水中的电流和金属导体中的电流的形成有什么不同？ 提示：盐水中的电流是Na＋、Cl－定向移动形成的，金属导体中的电流是电子定向移动形成的。 ►探究归纳 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是某一时间内通过金属导体横截面的电子的电荷量。 2．电解液中电流的计算 电解液中的自由电荷是正、负离子，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。 3．环形电流的计算 环形电流的计算采用等效的观点分析。所谓等效电流，就是把电子周期性地通过圆周上各处形成的电流看成持续不断地通过圆周上各处时所形成的电流。对周期性运动的电荷，常取一个周期来计算等效电流。利用I＝＝求等效电流。 ►对点例练 (2021·江苏常州横林高级中学高一期末)如图所示的电解槽接入电路后，在t秒内有n1个1价正离子通过溶液内截面S，有n2个1价负离子通过溶液内截面S，设e为元电荷，以下说法正确的是(　　) 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I＝ C．当n1＜n2时，电流方向从B→A，电流强度为I＝ D．电流方向从A→B，电流强度为I＝ D　解析：电荷的定向移动形成电流，正电荷的定向移动方向是电流方向，由图示可知，溶液中的正离子从A向B运动，因此电流方向是A→B，电流I＝＝，故选D。 [练1](2021·江苏盐城伍佑中学高一期末)半径为R的均匀带电圆环，横截面积为S，所带电荷量为Q，现使圆环绕垂直圆环所在平面且过圆心的轴以角速度ω匀速转动，则由环产生的等效电流为(　　) A． B． C． D． D　解析：环转动一周的时间为t＝，一周内通过某一截面的电荷量为Q，则电流为I＝＝，故选D。 计算电流时的注意事项 (1)要分清形成电流的电荷种类，是只有正电荷或负电荷，还是正、负电荷同时定向移动。 (2)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。 探究点二　电流的微观表达式　(科学思维之提升) ►情境探究 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荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q。 (1)AD导体中有多少个自由电荷？总电荷量是多少？ (2)这些电荷都通过横截面D所需的时间是多少？ (3)导体AD中的电流是多大？ 提示：(1)AD导体中的自由电荷总数N＝nlS，总电荷量Q＝Nq＝nlSq。 (2)所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间t＝。 (3)根据公式q＝It，导体AD中的电流I＝＝＝nqSv。 ►探究归纳 1．电流的微观表达式 (1)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和自由电荷定向移动的平均速率，还与导体的横截面积有关。 (2)电流的微观表达式：I＝nevS。式中n为导体中单位体积内的自由电荷数，e为每个自由电荷的电荷量，v为自由电荷定向移动的平均速率，S为导体的横截面积。 2．对三种速率的理解 分类 电子定向移动的速率 电子热运动的速率 电流传导的速率 物理意义 电流就是由电荷的定向移动形成的，电流I＝neSv，其中v就是电子定向移动的速率 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 闭合开关的瞬间，电路中各处迅速建立恒定电场，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 大小 一般为10-5 m/s的数量级 常温下电子热运动的速率数量级为105 m/s 等于光速3×108 m/s ►对点例练 (2021·江苏如皋第一中学高三月考)铜的摩尔质量为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，电子平均定向移动速率为(　　) A．光速c B． C． D． D　解析：单位体积的电子数为N＝，根据电流的微观表达式可得v＝＝，故选D。 [练2](多选)(2022·山西阳泉高二期末)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v0，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v0 B．自由电子定向移动的速率为v＝ 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＝ BC　解析：由电流的微观表达式I＝neSv，可得自由电子定向移动的速率为v＝，故B正确，A、D错误；电流的速率为电场传播的速率，即为真空中的光速c，故C正确。 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，它从微观的角度阐明了决定电流强弱的因素，同时也说明了电流I既不与电荷量q成正比，也不与时间t成反比。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3](生活情境)(2022·湖北武汉高一期末)如图所示为一块手机电池的背面印的一些参数，下列说法错误的是(　　) A.该电池放电时能输出的总电荷量为1 800 C B．电源的作用就是在接入电路后能够将电荷从电源的一个电极搬到另一个电极，从而给电路提供持续电压和电流 C．若电池一直以5 mA的电流工作，可用四天零四小时 D．mA·h是能量单位，可与J进行换算 D　解析：该电池放电时能输出的总电荷量为q＝0.5 A×3 600 s＝1 800 C，A正确，不符合题意；电源的作用就是在接入电路后能够将电荷从电源的一个电极搬到另一个电极，从而给电路提供持续电压和电流，B正确，不符合题意；若电池一直以5 mA的电流工作，可用t＝＝100 h＝4天4小时，C正确，不符合题意；mA·h是电量单位，不可与J进行换算，D错误，符合题意。 [练4](生活情境)(2022·江苏南京高一期末)心脏除颤器是通过一个电容器放电时的脉冲电流作用于心脏，实施电击治疗，使患者心脏恢复正常跳动的仪器。如图所示，心脏除颤器的电容器电容为12 μF，充电后电容器电压为8.0 kV。如果电容器在3.0 ms时间内完成放电，下列说法正确的是(　　) A．放电之后，电容器的电容为零 B．该电容器的击穿电压为8.0 kV C．放电之前，电容器存储的电荷量为96 C D．该次放电通过人体的平均电流为32 A D　解析：电容器的电容与电荷量无关，所以放电后电容器的电容不变，A错误；充电后电容器电压为8.0 kV，击穿电压大于此值，B错误；根据电容公式得Q＝CU＝0.096 C，C错误；该次放电通过人体的平均电流为I＝＝32 A，D正确。 [练5](生活情境)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。当环中电子以光速的流动而形成10 mA的电流时，环中运行的电子数目为(已知光速c＝3×108 m/s，电子电荷量e＝1.6×10-19 C)(　　) A．5×1010个 B．5×1011个 C．1×102个 D．1×104个 B　解析：电子运动一周的时间为t＝＝ s＝8×10-6 s，由电流的定义式I＝，可得电荷量为Q＝It＝0.01×8×10-6 C＝8×10-8 C，在整个环中运行的电子数目为n＝＝＝5×1011个，故选B。 [练6](生活情境)(2022·湖北武汉高一月考)某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，为了让质子进入癌细胞，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，其电荷量为e。那么这束质子流内单位体积的质子数n是(　　) A． B． C． D． A　解析：由电流的微观表达式可知I＝neSv，由动能定理可知eU＝mv2，联立解得这束质子流内单位体积的质子数n＝ ，故选A。 学科网（北京）股份有限公司 $$