高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电源和电流背景图课件ppt
展开电闪雷鸣时,强大的电流使天空不时发出耀眼的闪光,但它只能存在于一瞬间,而手电筒中的小灯泡却能持续发光,这是为什么?
当导体两端存在电压时,导体内建立了电场,导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动,形成电流。
自由电子的定向移动使两个带电体成为等势体,达到静电平衡,导线中会产生一个瞬时电流。
怎么才能让导线中有持续电流呢?
1.电源:能把自由电子从正极搬到负极的装置;
2.作用:保持导体两端的电势差(电压),使电路有持续的电流。
电源中电势高的一极是正极,电势低的一极是负极。
导体中自由电荷定向移动的原因
导线内很快形成沿导线方向的稳定电场
1.恒定电场:导线内的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动,但有的流走了,另外的又来补充,所以电荷的分布是稳定的,电场的分布也稳定——恒定电场。
2.特点:任何位置的电荷分布和电场强度都不会随时间变化,基本性质与静电场相同;
3.适用情况:在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系同样适用于恒定电场。
由于恒定电场的作用,导体中自由电荷定向运动的速率增加;而在运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速,因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化.如果我们在这个电路中串联一个电流表,电流表的读数保持恒定。
恒定电流:大小、方向都不随时间变化的电流
2.物理意义:表示电流的强弱程度
1.定义:通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的比值叫做电流。(单位时间内通过导体横截面积的电荷量)
定义式:适用于任何电荷定向移动形成的电流
(1)电流方向:规定正电荷定向移动的方向为电流方向。在电源外部,电流从正极流向负极;电源的内部,电流从负极流向正极;
(2)金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。
(3)电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反,但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的,此时:
(4)电流强度虽然有大小和方向,是标量。
1.建立模型 一段粗细均匀的导体长为l,两端加一定的电压,自由电荷定向移动的速率为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,每个自由电荷量为q。
所有这些电荷通过横截面所需要的时间
【例题】有一条横截面积S=1 mm2的铜导线,通过的电流I=1 A,已知铜的密度ρ=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2 kg/ml,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 ml-1,电子的电量e=-1.6×10-19 C,求铜导线中自由电子定向移动的速率。可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子。
【解析】设自由电子在导线内定向移动的速率是v。取一段导线(如图),自由电子从它的左端定向移动到右端的时间为t,则这段导线的长度为vt,体积为vtS,质量为ρvtS,则这段导线中的原子数为
则这段导线中的自由电子数也为n,
t时间内通过导体横截面的电荷量:
思考:既然电子的定向运动速率很小,为什么闭合开关时电路中的电灯立刻就亮了呢?
实际上,闭合开关的瞬间,电路中的各个位置以光速迅速建立了电场。随着电场的建立,电路中各处的自由电子在静电力的作用下几乎同时开始做定向移动,整个电路也就几乎同时形成了电流。
电子定向移动的速率约10-5m/s
电子热运动的平均速率105m/s
电场的传播速率3×108m/s
电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量,通常以"安时"(A·h)或"毫安时"(mA·h)作单位。单体锂离子电池的容量极为有限,为了满足需要,常用由若干单体锂离子电池构成的电池组。
【典例1】(2021·招远市第二中学高二月考)如图所示,在水平放置的金属导体中,10s内有20C的负电荷向右通过导体某一横截面。关于导体内电流的大小和方向,以下判断正确的是( )A.0.5A 向右 B.0.5A 向左 C.2.0A 向右 D.2.0A 向左
【典例2】(2021·山东高二月考)某电解池中,若在2s内各有1.0×1019个一价正离子和2.0×1019个二价负离子通过某截面,那么通过这个截面的电流是( )A.0.8A B.3.2A C.2.4A D.4.0A
【典例3】(2021·山东师范大学附中高二月考)北京正负电子对撞机的储存环是周长为240m的近似圆形轨道。当环中电子以光速的 流动而形成10mA的电流时,环中运行的电子数目的数量级为(已知光速c = 3×108m/s,电子电荷量e=1.6×10- 19C)( )A.102 B.104 C.1010 D.1011
【典例4】纯电动汽车使用的能源不是汽油,而是电能,提供电能的是锂离子电池。锂离子电池以碳材料为负极,以含锂的化合物为正极。在充电的过程中,通过化学反应,电池的正极有锂离子生成,锂离子通过电解液运动到电池的负极。负极的碳材料有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌在这些微孔中,嵌入的锂离子越多,电池中充入的电荷量也就越多。当汽车开动时,在负极的锂离子又会通过电解液返回正极,回到正极的锂离子越多,则放出的电荷量也就越大。电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量。单体锂离子电池的容量极为有限,为了满足需要,常用由若干单体锂离子电池构成的电池组。下列说法中错误的是( )A.“安时”(Ah)或“毫安时”(mAh)是电量的单位B.“千瓦时”(kWh)是能量的单位C.图中锂离子的移动情况表明电池处于放电状态D.图中锂离子是在电场力的作用下从负极返回正极的
【典例5】(2021·重庆市万州第二高级中学)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.
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