11.1 电源和电流（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2019）

电路及其应用 第1节　电源和电流 第十一章 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.通过实例对比，思考持续电流形成的原因，了解电源的作用，认识常见的电源。 2．通过实例分析，理解电流的定义，知道电流的单位。 1.通过对比静电平衡条件，思考电路中的电场特点和电荷运动情况，了解导体中的恒定电场和恒定电流。 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。 　　通过对电源、电流的学习，培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 一、电源 通过非静电力做功 ↑ 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 (1)维持电路两端有一定的______。 (2)保持电路中有____的电流。 必备知识 自主学习 正极 负极 电势差 持续 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 二、恒定电流 1．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。 ↓ 　基本性质与静电场相同 必备知识 自主学习 电源 导线 电荷 电场 电荷 电荷分布 电场强度 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 不随时间变化 强弱程度 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 　　国际单位制中的基本单位 ↑ ②单位：国际单位制中的单位是____，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。 必备知识 自主学习 安培 毫安 微安 103 106 正电荷 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 3．电流的微观解释 (1)三种速率 ①电子热运动速率：自由电子做无规则热运动的速率，平均值约为105 m/s。由于自由电子向各个方向运动的机会相等，因此此运动不能形成电流。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ②电流的传导速率：就是导体中建立电场的速率，等于光速，约为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做定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流。 ③电子定向移动速率：导体两端加上电压时，自由电子在做无规则热运动的同时，受静电力的作用定向移动的速率。自由电子定向移动的平均速率约为10－4 m/s。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 (2)电流的微观表达式 金属导体中的电流跟自由电子定向移动的速率有关，它们之间的关系可用下述方法简单推导出来。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 总电荷量 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．(物理与生活)水果电池是利用水果中的化学物质和金属片发生反应产生电能的一种电池。连接电路，LED灯发光，如图所示。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 √ × × × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 如图所示，把电源用导线连接到插入食盐水中的两个金属电极上，电路中形成电流。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例1】 (2021·江苏卷)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 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 对电流的微观表达式I＝neSv的理解 (1)v表示自由电子定向移动的平均速率。自由电子在不停地做无规则的热运动，其速率为热运动的速率，电流是自由电子在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 关键能力 互动探究 ⁠ B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．下列关于电源的说法，正确的是(　　) A．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 B．电源把正、负电荷分开的过程是把其他形式的能转化为电能的过程 C．电源实质上也是一个用电器，也需要外界提供能量 D．只要电路中有电源，电路中就会形成持续的电流 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 2．(2024·广西钦州期末)下列关于电流的说法，正确的是(　　) A.任何物体，只要其两端电势差不为零，就有电流存在 B．导体中没有电流时，导体内的电荷是静止的 C．导体中的电流一定是由自由电子定向移动形成的 D．电流可能是由正电荷的定向移动形成的，也可能是由负电荷的定向移动形成的 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 4．(2024·河南漯河期末)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 运动而形成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，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C)(　　) A．1×1014个 B．1×1011个 C．5×1014个 D．5×1011个 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 AB 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 必修 第三册 （R）　 2．恒定电流 (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＝。 如图所示，设导体的横截面积为S，自由电子数密度(单位体积内的自由电子数)为n，自由电子定向移动的平均速率为v，则时间t内通过某一横截面的自由电子数为nSvt。由于电子电荷量为e，因此时间t内通过横截面的电荷量q＝neSvt。根据电流的公式I＝，就可以得到电流和自由电子定向移动平均速率的关系式(即电流的微观表达式)I＝neSv。 4．电池的容量：电池放电时能输出的________，其单位是安时(A·h)或毫安时(mA·h)。 (1)有电流，说明导体内部的电荷在运动。(　　 　　) (2)在内部把电子由负极不断地搬运到正极，从而使电源正、负极之间有稳定的电势差。(　　 　　) (3)电流既有大小，又有方向，是矢量。(　　 　　) (4)因为I＝，所以说I正比于q，反比于t。(　　 　　) 2．(知识拓展)恒定电场与静电场的异同 (1)异：静电场是由静止的电荷产生的；恒定电场是由稳定分布的电荷产生的。 (2)同：都是由电荷产生的；恒定电场与静电场都不随时间变化；对电荷有力的作用；电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用。 探究点一___对电流的理解 [问题设计] (1)盐水中的电流和金属导线中的电流形成机制有什么不同？ (2)盐水中的电流方向是怎样的呢？ (3)假设t s内有N个 Cl－和N个Na＋通过图中虚面，则电路中的电流是多大？ 提示：(1)盐水中的电流是由Cl－和Na＋离子同时反向定向移动形成的，金属导线中的电流是由自由电子定向移动形成的。 (2)向左。 (3)I＝。 1．电流的大小 定义式：I＝。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．对电流的理解 (1)电流虽然有方向，但它是标量，其计算遵循代数运算法则。 (2)在外电路中电流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。 (3)I＝是电流的定义式，电流I与q、t无正反比关系。 根据Q＝CU可知，ΔQ＝CΔU＝10－8×(30＋70)×10－3 C＝10－9 C，则该过程中跨膜电流的平均值为I＝＝ A＝5×10－7 A，D正确。 【例2】 如图所示，电解池内有一价的电解液，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，以下解释正确的是(　　) A．正离子定向移动形成电流方向为A→B，负离子定向移动形成电流方向为B→A B．溶液内正、负离子向相反方向移动，电流抵消 C．溶液内电流方向为A→B，电流强度I＝ D．溶液内电流方向为A→B，电流强度I＝ 正电荷定向移动的方向就是电流方向，负电荷定向移动的反方向也是电流方向，A、B错误；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, C错误，D正确。 公式I＝的应用 (1)金属导体中的电流是由自由电子的定向移动形成的，因此q为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是由正、负离子同时向相反方向定向移动形成的，因此q为正、负离子电荷量的绝对值之和。 (3)电解液中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。 [练1] 某电解池中，若在2 s内有5.0×1015个二价正离子和1.0×1016个一价负离子通过某截面M，其中正离子水平向右移动，那么通过这个截面的电流的大小和方向是(　　) A．0.8 mA，水平向左 B．0.08 mA，水平向左 C．1.6 mA，水平向右 D．0.16 mA，水平向右 2 s内流过截面M的电荷量为Q＝5.0×1015×2×1.6×10－19 C＋1.0×1016×1.6×10－19 C＝3.2×10－3 C，则由电流的定义可知I＝＝ A＝1.6 mA。由于正离子水平向右移动，则电流的方向水平向右，A、B、D错误， C正确。 (2)I＝neSv是由I＝推导而来的，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。 (3)从微观上看，电流的大小不仅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、电荷定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关。 【例3】 有一根横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I，此时导线中自由电子定向移动的平均速率为v。设导线在单位体积内的自由电子数为n，电子的电荷量为e，则在Δt时间内(　　) A．通过导线横截面的电荷量为ne B．通过导线横截面的自由电子数为 C．通过导线横截面的自由电子数为 D．通过导线横截面的电荷量为nevS 根据电流的定义式I＝，可得在Δt时间内通过导线横截面的电荷量为q＝IΔt＝nevSΔt，A、D错误；在Δt时间内通过导线横截面自由电子数为N＝＝，B正确，C错误。 利用I＝nqSv分析问题应注意的三个方面 (1)各个物理量都要用国际单位制单位。 (2)正确理解各符号的意义，特别是n表示导体中单位体积内的自由电荷数，v表示自由电荷定向移动速度的大小。 (3)若已知单位长度的自由电荷数为n，则电流的微观表达式为I＝nqv。 [练2] 一段粗细均匀的铜导线的横截面积是S，导线单位长度内的自由电子数为n，铜导线内每个自由电子所带的电荷量为e，自由电子做无规则热运动的速率为v0，导线中通过的电流为I。下列说法正确的是(　　) 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v＝ C．自由电子定向移动的速率为真空中的光速c D.自由电子定向移动的速率v＝ v0为自由电子做无规则热运动的速率，不是自由电子定向移动的速率，A错误；对于电流微观表达式I＝nqSv，式中n为单位体积内的自由电子数，而本题中n为单位长度内的自由电子数，则t时间内通过导线某一横截面的自由电子数为nvt，电荷量q＝nvte，所以电流I＝＝nev，所以v＝，B、C错误，D正确。 探究点三___解决实际问题 [练3] (医疗情境)某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，为了能让质子轰击肿瘤并杀死癌细胞，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。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，单位体积内的质子数为n，质子的质量为m，电荷量为e，那么这束质子流的等效电流I为(　　) A．nS B．neS C． D． 质子在电场力作用下加速，设加速后的速度为v，根据动能定理有eU＝mv2，解得v＝，设等效电流为I，单位体积内的质子数为n，根据电流微观表达式I＝neSv，解得I＝neSv＝neS，B正确。 [练4] (生活情境)(2024·陕西西安期末)某手机电池背面印有的一些符号如图所示。已知元电荷e＝1.60×10－19 C，下列说法正确的是(　　) A．“毫安·时”(mA·h)是电池储存的能量的单位 B．“伏特”(V)是国际单位制中的基本单位 C．若该手机的待机电流为10 mA，则手机最多可待机100小时 D．若该电池工作电流为16 mA，则每秒内定向通过电源的电子个数为1×1017个 “毫安·时”(mA·h)是指电池放电时能输出的总电荷量，显然不是电池储存的能量的单位，A错误；“伏特”(V)不是国际单位制中的基本单位，是导出单位，B错误；根据该手机电池提供的数据可知，若该手机的待机电流为10 mA，则手机最多可待机时间为t＝＝＝200 h，C错误；若该电池工作电流为16 mA，则每秒内定向通过电源的电子个数为n＝＝＝1×1017，D正确。 在电源内部，电源把电子由正极搬运到负极，这一过程要克服静电力做功，把其他形式的能转化为电能，A错误，B正确；电源是提供电能的装置，不再需要外界提供能量， C错误；电路中要形成持续的电流，既要有电源，电路又要闭合，两者缺一不可，D错误。 只有导体中才可能产生电流，A错误；导体中没有电流时，导体内的电荷也在做无规则的热运动，B错误；导体中的电流不一定是由自由电子定向移动形成的，也可能是由正电荷定向移动形成的，如电解液导电，C错误，D正确。 3．某电解池中，若在2 s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某截面，那么通过这个截面的电流是(　　) A．0 B．0.8 A C．1.6 A D．3.2 A 电荷的定向移动形成电流，正负电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和。在2 s内通过截面的总电荷量应为q＝1.6×10－19×2×1.0×1019 C＋1.6×10－19×1×2.0×1019 C＝6.4 C。由电流的定义式知I＝＝ A＝3.2 A，D正确。 设环中运行的电子数目为n，则有I＝，又t＝＝ s＝8×10－6 s，联立可得n＝＝＝5×1011，D正确。 5．某根导线的横截面积为S，通过的电流为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，阿伏加德罗常数为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的速率为(　　) A． B． C． D． 设该导线中自由电子定向移动的速率为v，自由电子从一端定向移动到另一端所用时间为t，每个原子可提供一个自由电子，则导线中原子数目与自由电子的数目相等，即n＝NA，t时间内通过导线横截面的电荷量为q＝ne，则电流I＝＝，解得v＝，A正确。 6．(多选)如图所示的是某品牌电动汽车的标识牌，以下说法正确的是(　　) 整车型号 CH830BEV 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 驱动电机型号 WXMP30LO 车辆设计代号VIN LVFAD3440000003 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 从题图标识牌可知该电池的容量为60 A·h，即以6 A的电流放电可工作10 h，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，D错误。 $$