11.1 电源和电流 分层作业 -2025-2026学年高二上学期物理人教版必修第三册

**基本信息** 分层清晰，梯度合理，从基础概念到综合应用再到拓展深化，适配新授课知识巩固，培养物理观念与科学思维。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |A层|电流定义、方向、电容充电等基础概念|单选为主，结合生活情境（如加湿器充电），强化物理观念| |B层|电解池电流、金属电阻微观解释等综合应用|多选与计算结合，引入微观模型（如自由电子碰撞），发展科学思维| |C层|质子流电流、电容器充放电实验分析等拓展深化|综合推导题，结合实验情境（如I-t曲线），提升科学探究能力|

11.1 电源和电流 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．如图，4s内通过金属导体某截面S的电子总电荷量为8C，则该导线中电流强度的大小和方向分别为（　　） A．2A，向右 B．32A，向右 C．2A，向左 D．32A，向左 2．某款家用智能加湿器的控制电路中，有一个储能电容器，其电容为。在加湿器启动充电过程中，电容器两端的电压从逐渐上升到，整个充电过程耗时。则该充电过程中的平均电流约为（　　） A． B． C． D． 3．（多选）一金属导体横截面积为，通电后，如图，在内有的自由电子从右向左通过某横截面，以下判断正确的是（　　） A．导体中电流大小为 B．导体中电流大小为 C．形成的电流方向向左 D．形成的电流方向向右 4．（多选）某国产电动汽车的充电电池标识如图所示，其含义为：电压12V，电池容量60Ah。按照用户的体验，如果在家自行充电的话，将电池充满需要10小时，而如果在充电站充电的话则需要两个小时。则下列说法中正确的是（　　） A．在充电过程中最多有的电荷量通过电池 B．在充电过程中最多有60C的电荷量通过电池 C．在家自行充电的电流是在充电站充电电流大小的 D．在家自行充电的电流是在充电站充电电流大小的5倍 5．如图所示，A、B两个导体分别带正、负电荷。如果在它们之间连接一条导线H，回答下列问题。 (1)用导线连接后，电荷怎样移动？ (2)用导线连接后会有电流，为什么电流只是短暂的？ 6．如图所示，一根均匀带电的细橡胶棒被弯成一个半径为R的圆环，圆环绕过环心O的转轴以角速度ω逆时针匀速转动，已知橡胶棒单位长度所带的电荷量为。 （1）试判断环中等效电流的方向； （2）求环中等效电流的大小I。 B层 7．某一电解池，如果在1s内共有个一价正离子和个二价负离子沿相反方向通过某一横截面，已知元电荷，则通过这个横截面的电流是（　　） A．1.28A B．0.96A C．0.32A D．0A 8．（多选）对于同一物理问题，常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究，找出其内在联系，从而更加深刻的理解其物理本质。一段长为、电阻率为、横截面积为S的细金属直导线，单位体积内有个自由电子，电子电荷量为e、质量为m。经典物理学认为，金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子（即金属原子失去电子后的剩余部分）的碰撞，该碰撞过程将对电子的定向移动形成一定的阻碍作用，该作用可等效为施加在电子上的一个沿导线的平均阻力，若电子受到的平均阻力大小与电子定向移动的速率成正比，比例系数为。下列说法正确的是（　　） A．比例系数 B．比例系数与导线中自由电子定向移动的速率无关 C．当该导线通有恒定的电流时导线中自由电子定向移动的速率 D．金属中的自由电子定向移动的速率不变，则电场力对电子做的功与阻力对电子做的功相同 9．在高压变压器中，线圈绕组散发的热量通常用流动的绝缘油通过循环带走，离子泵是一种驱动绝缘油循环流动的装置。如图1所示，离子泵的核心为横截面积为S，长为d的柱体，内部充满绝缘油。其简化工作原理是：在柱体两侧电极加上电压后，在柱体内形成匀强电场，左侧电极不断产生电荷量为q的带正电的粒子，这些带电粒子运动到右侧电极后被回收。初始时，带电粒子与绝缘油分子发生碰撞，经过极短时间后，带电粒子受到的电场力与绝缘油分子对其作用力达到平衡，此后，带电粒子与油分子以相同的速度沿柱体的轴线向右匀速运动。若稳定时，柱体内的带电粒子均匀分布，单位体积内的粒子数为n。 (1)测得离子泵工作时的电流为I，求单位时间内流过柱体横截面的绝缘油的体积Q。 (2)在柱体内的每个带电粒子也会产生电场，可视为静电场。柱体内所有带电粒子产生的电场可简化为电场强度方向平行于轴线，大小沿轴线均匀变化的电场。当两极间电压较小时，局部带电粒子受到的电场力与绝缘油的流动方向相反，将导致局部绝缘油倒流。当两极间电压为U0时，恰能避免这种情况的发生。 a．如图2所示，以柱体轴线的中点为坐标原点，沿轴线建立x轴。在图3中画出电压为U0时，柱体内的一个带电粒子受到的电场力F随x变化的图像，并在纵轴上标出你能确定的关键点的坐标。 b．若两极间电压为U（U > U0），求柱体中带电粒子对绝缘油整体的驱动力F驱。 C层 10．一质子源沿电场方向均匀发射质子（初速度视为零），经电场加速后形成细柱形质子流，假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的，在质子流中与质子源相距L和4L的两处，各取一段极短的相等长度的质子流，则其中的电流之比x与质子数之比y分别为（　　） A．1∶1　1∶2 B．1∶2　1∶1 C．1∶1　2∶1 D．1∶4　2∶1 11．（多选）如图甲所示是电容器充、放电电路。配合电流传感器，可以捕捉瞬间的电流变化，并通过计算机画出电流随时间变化的图像。实验中选用直流8V电压，电容器选用电解电容器。先使单刀双掷开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可瞬间完成。然后把单刀双掷开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流传入计算机，图像上显示出放电电流随时间变化的I－t曲线，如图乙所示。以下说法正确的是(　　) A．电解电容器用氧化膜做电介质，由于氧化膜很薄，所以电容较小 B．随着放电过程的进行，该电容器两极板间电压逐渐减小 C．由传感器所记录的该放电电流图像可以估算出该过程中电容器的放电电荷量 D．通过本实验可以估算出该电容器的电容值 12．（1） 电荷的定向移动形成电流，电流是物理量中的基本量之一，求解电流有很多物理模型。如图，有一段粗细均匀的导棒，横截面积为S。现两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的平均速率为，金属中单位体积内的自由电子数量为n，自由电子的质量为m，带电量为e，现利用电流的定义式推导电流的决定式。 （2）经典电磁理论认为：当金属导体两端电压稳定后，导体中产生恒定电场，这种恒定电场的性质与静电场相同。由于恒定电场的作用，导体内自由电子定向移动的速率增加，而运动过程中会与导体内不动的粒子发生碰撞从而减速，因此自由电子定向移动的平均速率不随时间变化。金属电阻反映的是定向运动的自由电子与不动的粒子的碰撞。假设碰撞后自由电子定向移动的速度全部消失，碰撞时间不计。某种金属中单位体积内的自由电子数量为n，自由电子的质量为m，带电量为e，现取由该种金属制成的长为L、横截面积为S的圆柱形金属导体，将其两端加上恒定电压U，自由电子连续两次与不动的粒子碰撞的时间间隔平均值为。如图所示，求金属导体中的电流I。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 题号 1 2 3 4 7 8 10 11 答案 C B AD AC A BC C BCD 1．C 【详解】电流的方向被规定为正电荷定向移动的方向，与负电荷（电子）定向移动的方向相反。题目中电子向右运动，因此电流方向向左，电流大小为 故选C。 2．B 【详解】电容器所带电荷量的变化量为 该充电过程中的平均电流约为，故选B。 3．AD 【详解】AB．由电流强度的定义可知，电流大小为，故A正确，B错误； CD．规定正电荷定向移动的方向为电流方向，电流方向与负电荷定向移动的方向相反，故电流方向向右，故D正确，C错误。 故选AD。 4．AC 【详解】AB．由题意，电池容量为60Ah，根据 可得在充电过程中通过电池最多的电荷量为，故A正确，B错误； CD．由题意，在家自行充电的话，将电池充满需要10小时，而如果在充电站充电的话则需要两个小时，根据 可得在家自行充电的电流是在充电站充电电流大小关系为，故C正确，D错误。 故选AC。 5．(1)见解析 (2)见解析 【详解】（1）导线中的自由电子和导体B上的电子流向导体A。 （2）因为电荷的定向移动，B失去电子，A得到电子，A、B之间的电势差很快消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，所以导线中的电流只是短暂的。 6．（1）顺时针方向；（2） 【详解】（1）橡胶棒带负电，圆环O的转轴逆时针匀速转动，电流方向与负电荷定向移动方向相反，则环中等效电流的方向为顺时针方向。 （2）根据角速度与周期的关系有 根据电流的定义式有 其中 解得 7．A 【详解】1s内通过横截面的总电荷量大小 根据电流公式，故选A。 8．BC 【详解】C．一小段时间内，流过导线横截面的电子个数为 电荷量为 根据电流的定义有 故C正确； AB．长度为的一段导体，则电子做定向移动时满足电场力与阻力相等，则 所以 故A错误，B正确； D．电场力对电子做正功，阻力对电子做负功，故D错误。 故选BC。 9．(1) (2)a．见解析；b．UnSq 【详解】（1）根据电流的定义有 则由流量的定义可得，单位时间内流过柱体横截面的绝缘油的体积 （2）a．当电压为U0时，外加电场的电场强度方向沿x轴正方向，大小为 柱体内的带电粒子均匀分布，由对称性可知带电粒子的电场在O点的电场强度为0，由题意可知带电粒子在x轴上各点的电场强度 （k为常数） 则x轴上各点的电场强度为 当电压为U0时，x轴上各点的电场强度E ≥ 0，在处的电场强度为 从而得到 那么x轴上各点的电场强度 x轴上带电粒子受到的电场力为 于是得到柱体内，一个带电粒子受到的电场力F随x变化的图像如图所示： b．柱体中所有带电粒子产生的电场为 因带电粒子均匀分布，由对称性可知，柱体内所有带电粒子受到该电场的电场力的合力为0，柱体中所有带电粒子的电荷量为 柱体中所有带电粒子受到的外加电场力大小为 则有 带电粒子匀速运动，则所有带电粒子受到绝缘油的作用力大小 根据牛顿第三定律，绝缘油整体受到带电粒子的驱动力大小 则 10．C 【详解】设电流横截面积为S，质子速度为v，单位体积内的质子数为n，则时间内通过横截面的质子数为 电荷量为 电流为 根据电荷守恒，两处电荷量相同，则 即 根据动能定理 得 故选C。 11．BCD 【详解】A．电解电容器用氧化膜做电介质，由于氧化膜很薄，所以电容较大。故A错误； B．在放电的过程中，电荷量减小，根据 可知，电容不变，则电压逐渐减小。故B正确； C．图线与时间轴围成的面积表示电荷量。故C正确； D．根据 可知，通过电荷量的大小以及电压变化量的大小可以求出电容器的电容值。故D正确。 故选BCD。 12．（1） ；（2） 【详解】（1）取长为L的导体研究，则金属中自由电子总数量为 长为L的金属的电荷量为 而 电流的定义式 解得电流的决定式 （2）恒定的电场为 则自由电子所受的电场力为 设电子在恒定的电场中由静止加速的时间为t0时的速度为v0，由动量定理 解得 电子定向移动的平均速率为 金属中的电流 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $