高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电源和电流导学案

第十一章　电路及其应用

1．电源和电流

目标体系构建

明确目标·梳理脉络　

【学习目标】

1．了解形成电流的条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场。

2．理解电流的定义和定义式，知道电流的单位和方向的规定。

3．知道恒定电流的概念。

【思维脉络】

课前预习反馈

教材梳理·落实新知　

知识点 1  电源

1．定义：如图所示，能把__电子__从A搬运到B的装置。其中A、B为电源的两个__电极__。

2．作用：使电路中的电流能够__持续__存在。

知识点 2  恒定电流

1．恒定电场：稳定分布的电荷所产生的__稳定__的电场。

2．自由电荷定向运动的平均速率特点：在恒定电场的作用下，自由电荷__定向__运动，在运动中与导体内不动的粒子不断__碰撞__，阻碍了自由电荷的定向运动，结果是大量自由电荷定向运动的平均速率不随__时间__变化。

3．定义：大小、方向都不随__时间__变化的电流。

4．电流

(1)物理意义：描述电流__强弱程度__的物理量。

(2)表达式：I＝　　。

(3)方向规定：把__正电荷__定向移动的方向规定为电流的方向。

(4)单位：在国际单位制中，电流的单位是__安培__，简称__安__，符号是　A　，常用的电流单位还有：毫安(mA)和微安(μA)，它们与安培的关系是：1 mA＝10－3A、1μA＝10－6A。

预习自测　　

『判一判』

(1)电源能把其他形式的能转化为电能。(　√　)

(2)必须有电源，自由电荷才能在电路中移动。(　×　)

(3)恒定电场就是匀强电场。(　×　)

(4)恒定电场形成后电路中的电荷不再发生移动。(　×　)

(5)因为电流有大小又有方向，所以电流是矢量。(　×　)

(6)通过导体截面的电荷量越多，电流越大。(　×　)

(7)电流的方向与电荷定向移动的方向相同。(　×　)

『选一选』

(2020·浙江省绍兴市高级中学高一下学期检测)如图所示是通有恒定电流的某段导体。在5 s内有10 C的负电荷向右通过横截面A，则导体内电流的大小和方向分别是  (　B　)

A．2 A、向右 　　　 　B．2 A、向左

C．50 A、向右　　 　D．50 A、向左

解析：根据电流的定义式I＝，可得电流的大小为：I＝ A＝2 A，电流方向向左。故选B。

『想一想』

雷鸣电闪时，强大的电流使天空发出耀眼的闪光，但持续极短的时间，而手电筒的小灯泡却能持续发光。这是为什么？

提示：雷电是云层间或云层与地之间的电压达到一定值时将空气击穿所产生的放电现象，所形成的电流是瞬时电流。

手电筒中因为电源的作用，小灯泡中有持续电流故持续发光。

课内互动探究

细研深究·破疑解难

探究

对电流的理解

┃┃情境导入__■

如图所示，电路接通时灯泡发光，在电路中形成电流，请思考：在电路中产生持续电流应具备什么条件？

提示：电路中有电源且电路闭合。

┃┃要点提炼__■

1．电源

(1)电源的定义：电源是不断把电子从正极搬运到负极从而维持正、负极之间存在一定电势差的装置。

(2)电源的作用：从电荷移动的角度看，电源的作用就是移送电荷，能把电子从电源正极搬运到电源负极，保持电源正、负极间有一定的电压，使导体中有持续的电流。

2．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。

3．电流的方向

规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反，金属导体中自由移动的电荷是自由电子，故电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。

┃┃典例剖析__■

典例1 关于电流，下列叙述正确的是(　B　)

A．只要将导体置于电场中，导体内就有持续电流

B．电源的作用可以使电路中有持续电流

C．导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动

D．只要将电源连接到物体两端，物体中就会有电流

思路引导：深入理解电源的作用和电流形成的条件是处理该类问题的关键。

解析：导体置于电场中，达到静电平衡后没有电流，故A项错误；导体两端存在持续的电压，导体中才有持续的电流，电源能提供持续的电压，可以使电路中有持续电流，故B项正确；导体中没有电流时，电荷在做无规则的热运动，没有定向移动，故C项错误；将电源连接到绝缘物体两端，物体中不会有电流，故D项错误。

┃┃对点训练__■

1．(2020·广东佛山一中月考)(多选)下列关于电流的说法正确的是(　AD　)

A．电荷的定向移动形成电流

B．金属导体中电流方向是自由电子移动的方向

C．电流既有大小又有方向，所以电流是矢量

D．由I＝可知，电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多

解析：电荷的定向移动形成电流，物理学上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，金属导体中自由电荷是自由电子，电流的方向是自由电子移动的反方向，故A正确，B错误；电流既有大小又有方向，但电流不是矢量，是标量，因为电流的运算遵守代数加减法则，而不是平行四边形定则，故C错误；由I＝可知， 电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量，所以电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多，故D正确。

探究　

电流大小的计算

┃┃情境导入__■

如图所示，在装有导电液体的细管中，有正、负两种电荷向相反的方向运动，在时间t内通过细管某截面的正电荷为q1，通过此截面的负电荷为q2。

你能确定通过导电液体中电流的大小和方向吗？

提示：I＝　方向向右

┃┃要点提炼__■

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自由电子的电荷量。

2．电解液中电流的计算

电解液中的自由电荷是正、负离子，运用I＝计算时，q应是同一时间内正、负两种离子通过横截面的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电流的观点分析。所谓等效电流，就是把电荷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。

┃┃典例剖析__■

　　典例2 (2019·上海市金山中学高二上学期期中)某电解池中，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的某截面，那么通过这个截面的电流是(　D　)

A．0　　 　B．0.8 A　　　

C．1.6 A　　 　D．3.2 A

思路引导：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＝时，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。

解析：由题，1 s内通过截面正离子的电量为q1＝2n1e，负离子的电量绝对值为q2＝n2e，则电流为I＝＝，将n1＝5×1018个，n2＝1×1019个，e＝1.6×10－19 C，t＝1 s代入解得，I＝3.2 A。故选D。

┃┃对点训练__■

2．我国北京正、负电子对撞机的储存环是周长为240 m的近似圆形轨道，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，在整个环中运行的电子数目为5×1011个，设电子的运行速度是3×107  m/s，则环中的电流是(　A　)

A．10 mA  B．1 mA

C．0.1 mA  D．0.01 mA

解析：电子运动一周的时间为T＝，在T时间内通过任意横截面的电荷量为：q＝ne，电流为：I＝＝＝A＝10 mA。

核心素养提升

以题说法·启智培优　

电流的微观解释

1．建立模型

如图所示，AB表示粗细均匀的一段导体，两端加一定的电压，导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v，设导体的长度为L，横截面积为S，导体每单位体积内的自由电子数为n，每个自由电子的电荷量为e。

2．理论推导

导体AB中的自由电子总数：N＝nLS

总电荷量：q＝Ne＝nLSe

所有这些电子都通过横截面所需要的时间：t＝

导体AB中电流为I＝＝＝neSv。

3．结论

由此可见，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子数、每个自由电子的电荷量，定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关。

案例 (2019·广东省台山市华八侨中学高二上学期期中)横截面积为S的导线中通有电流I，已知导线每单位体积中有n个自由电子，每个自由电子的电荷量是e，自由电子定向移动的速率是v，则在时间Δt 内通过导线横截面的电子数是(　AC　)

A．nSvΔt　　　　　　　　 　B．nvΔt　　　　　　　　　

C.　 　D.

思路引导：在Δt时间内通过导体横截面的电子数为体积SvΔt中的自由电子数，或由电流的定义式I＝，求出Δt时间内通过的电荷量也可以求出电子数。

解析：①根据电流的定义式可知，在Δt内通过导线横截面的电荷量q＝IΔt，

在这段时间内通过的自由电子数为N＝＝

②自由电子定向移动的速率是v，因此在时间Δt内，位于以横截面为底、长l＝vΔt的这段导线内的自由电子都能通过横截面，如图所示，这段导线的体积V＝Sl＝SvΔt，所以Δt内通过横截面的自由电子数为N＝nV＝nSvΔt。

综上可知，A、C正确。