课件：电源和电流(1课时)

第1节 电源和电流学习目标核心素养形成脉络1.了解电流的形成条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场．2．理解电流的定义，知道电流的单位、方向规定，会用公式q ＝It 分析相关问题．3．从微观的角度理解导体中电荷的定向移动与电流之间的关系.一、电源1．定义：能把电子从正极搬运到负极的装置． 2．作用(1)维持电路两端有一定的电势差． (2)使闭合电路中保持持续的电流． 二、恒定电流 1．恒定电场当电路达到稳定时，导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的．这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫恒定电场．2．恒定电流(1)定义：大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流．(2)公式：I ＝qt ．其中：I 表示电流，q 表示在时间t 内通过导体横截面的电荷量．(3)单位：安培，简称安，符号A ；常用的电流单位还有毫安(mA)、微安(μA).1 A ＝103 mA ＝106 μA ．思维辨析(1)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有运动．()(2)电流既有大小，又有方向，是矢量．()(3)导体中的电流一定是正电荷定向移动形成的．()(4)电子定向移动的方向就是电流的方向．()(5)电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多．()提示：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√深度思考如图为分别带正、负电荷的A、B两个导体球．(1)如果用一条导线将它们连接起来，A、B之间的电势差会发生什么变化？(2)最终A、B两个导体球会达到什么状态？(3)导线中能否出现电流？这个电流有什么特点？提示：(1)A、B之间的电势差会减小．(2)最终A、B两个导体球会达到静电平衡状态．(3)导线中会出现电流，电流只能是瞬时的．对电流的理解和计算问题导引如图所示，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.(1)确定通过导电液体中电流的方向．(2)计算导电液体中电流的大小．[要点提示] (1)电流方向为正电荷定向移动方向或负电荷定向移动方向的反方向，故导电液体中电流方向为由左向右．(2)I ＝|q 1|＋|q 2|t. 【核心深化】1．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．2．电流的定义式：I ＝qt .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．3．电流虽然有方向，但它是标量，它遵循代数运算法则．如图所示，电解池内有一价的电解液，t 时间内通过溶液内截面S 的正离子数是n 1，负离子数是n 2，设元电荷为e ，以下解释中正确的是( )A ．当n 1＝n 2时电流为零B ．当n 1>n 2时，电流方向从A →B ，电流 I ＝（n 1－n 2）etC ．当n 1<n 2时，电流方向从B →A ，电流 I ＝（n 2－n 1）etD ．溶液内电流方向A →B ，电流I ＝（n 1＋n 2）et[解析] 正电荷定向移动方向就是电流方向，负电荷定向移动的反方向也是电流方向，A 、C 错误；有正、负电荷反向经过同一截面时，I ＝qt 公式中q 应是正、负电荷电荷量绝对值之和，故I ＝n 1e ＋n 2et，B 错误，D 正确．[答案] D(2020·湖南双峰高二期中)导体中的电流是5 μA ，那么在3.2 s 内定向移动通过导体的横截面的电荷量为q ，相当于有n 个电子通过该截面，则下列正确的是( )A ．q ＝1.6×10－5 C ；n ＝1014个B ．q ＝1.6×10－2 C ；n ＝1017个 C ．q ＝1.6×10－5 C ；n ＝1015个 D ．q ＝1.6×10－2 C ；n ＝1014 个解析：选A ．根据电流的定义式I ＝qt 得，3.2 s 内通过导体横截面的电荷量q ＝It ＝5×10－6×3.2 C ＝1.6×10－5 C ，n ＝q e ＝1.6×10－51.6×10－19＝1.0×1014个，A 正确． 电流的微观表达式 【核心深化】1．电流的微观表达式的推导如图所示，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大小为e .则：导体AD 内的自由电荷全部通过横截面D 所用的时间t ＝lv .导体AD 内的自由电荷总数N ＝nlS总电荷量Q ＝Ne ＝nlSe此导体上的电流I ＝Q t ＝nlSelv ＝ne v S .2．电流的微观表达式I ＝ne v S(1)I ＝qt 是电流的定义式，I ＝ne v S 是电流的决定式，因此I 与通过导体横截面的电荷量q 及时间t 无关，从微观上看，电流取决于导体中单位体积内的自由电荷数n 、每个自由电荷的电荷量大小e 、定向移动的速率v ，还与导体的横截面积S 有关．(2)v 表示电荷定向移动的速率．自由电荷在不停地做无规则的热运动，其速率为热运动的速率，电流是自由电荷在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的．导线中的电流是1 A ，导线的横截面积为1 mm 2.(1)在1 s 内，有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e ＝1.6×10－19C)?(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有8.5×1028个自由电子)?(3)自由电子沿导线定向移动1 m ，平均要多少时间？ [解析] (1)N ＝q e ＝Ite ＝6.25×1018个．(2)由公式I ＝neS v ，得v ＝I neS ＝18.5×1028×1.6×10－19×1×10－6 m/s ≈7.35×10－5 m/s.(3)沿导线移动1 m 需用时t ＝17.35×10－5 s ≈3.78 h ． [答案] (1)6.25×1018个 (2)7.35×10－5 m/s (3)3.78 h(多选)有一横截面积为S 的铜导线，流经其中的电流为I ；设单位体积的导线中有n 个自由电子，电子的电荷量为e ，此电子的定向移动速率为v ，在Δt 时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为( )A ．n v S ΔtB ．n v ΔtC ．I Δt eD ．I Δt Se解析：选AC ．因为I ＝q Δt ，所以q ＝I ·Δt ，自由电子数目为N ＝q e ＝I Δte ，C 正确，D 错误；又因为电流的微观表达式为I ＝ne v S ，所以自由电子数目为N ＝q e ＝I Δt e ＝ne v S Δte ＝n v S Δt ，A 正确，B 错误．1．(对电源的理解)关于电源的以下说法，正确的是( )A ．电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正极，从而保持两极之间有稳定的电势差B ．电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极，从而保持两极之间有稳定的电势差C ．只要电路中有电源，电路中就一定有电流D ．电源实质上也是一个用电器，也需要外界提供能量解析：选B ．电源的作用是维持正、负极之间稳定的电势差，外电路中自由电子在电场力的作用下向正极移动，在电源内部，需要将电子由正极不断地搬运到负极，故A 错，B 对．电路中有电流不仅需要电源，还需要电路是闭合的，两者缺一不可，故C 错．电源是对电路提供能量的装置，故D 错．2．(对I ＝qt 的理解和应用)电路中有一电阻，通过电阻的电流为5 A ，当通电5分钟时，通过电阻横截面的电子数为( )A ．1 500个B ．9.375×1019个C ．9.375×1021个D ．9.375×1020个解析：选C ．q ＝It ，n ＝q e ＝Ite＝9.375×1021个．3．(对电流微观表达式的理解和应用)有甲、乙两导体，甲的横截面积是乙的2倍，而单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的2倍，以下说法正确的是( )A ．通过甲、乙两导体的电流相同B ．通过乙导体的电流是甲导体的2倍C ．乙导体中自由电荷定向移动的速率是甲导体的2倍D ．甲、乙两导体中自由电荷定向移动的速率相等解析：选B ．由于单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲的2倍，因此通过乙导体的电流是甲导体的2倍，故A 错，B 对．由于I ＝nqS v ，所以v ＝InqS ，由于不知道甲、乙两导体的性质(n 、q 不知道)，所以无法判断v ，故C 、D 错．(建议用时：30分钟) 【合格考练】1．关于电流的说法中正确的是( ) A ．根据I ＝qt，可知I 与q 成正比B ．如果在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量相等，则导体中的电流是恒定电流C ．电流有方向，电流是矢量D．电流的单位“安培”是国际单位制中的基本单位解析：选D．依据电流的定义式可知，电流与q、t皆无关，选项A错误；虽然电流是标量，但是却有方向，因此在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量虽然相等，但如果方向变化，电流也不是恒定电流，所以选项B、C错误，选项D正确．2．(多选)(2020·西藏高二期中)对电源的认识，下列说法正确的是()A．电源是为电路提供自由电荷的装置B．电源的作用是保持导体两端有持续的电势差C．电源的作用是使绝缘体变成导体D．电源使导体中的自由电子发生定向移动解析：选BD．电源是将其他形式的能转化为电能的装置，凡是能提供电能的装置都可以作为电源，并不是提供电荷的装置，其作用是保持导体两端的电压，能使导体中形成电场，使自由电荷受到电场力而定向移动起来，使导体内的自由电子定向移动，并不是使绝缘体变成导体，故A、C错误，B、D正确．3．金属导体内电流增强，是因为()A．导体内单位体积的自由电子数增多B．导体内自由电子定向移动的速率增大C．导体内电场的传播速率增大D．导体内自由电子的热运动速率增大解析：选B．对于确定的金属导体，单位体积内的自由电子数是一定的，而且导体内电场的传播速率也是一定的，所以A、C错误；导体内电流增强是由于自由电子定向移动的速率增大，使得单位时间内穿过导体横截面的电荷量增大，B正确；导体内自由电子的热运动与电流的大小无直接关系，D错误．4．(2020·云南玉溪高二期中)关于电流，下列说法正确的是()A．只有正电荷的定向移动才能形成电流B．把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向C．金属导体导电的时候，导体中电荷的定向移动方向和电流方向相同D ．方向不变的电流叫恒定电流解析：选B ．正、负电荷的定向移动都能形成电流，故A 错；人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，故B 对；金属导体导电的时候，导体中定向移动的电荷是自由电子，定向移动方向和电流方向相反，故C 错；方向不变的电流叫直流电，方向和大小都不变的电流叫恒定电流，故D 错．5．(2020·华中师大附中高二期中)关于电流，下列说法中正确的是( ) A ．通过导线横截面的电荷量越多，电流越大 B ．电子运动的速度越大，电流越大C ．单位时间内通过导体横截面的电荷量越多，导体中的电流越大D ．因为电流有方向，所以电流是矢量解析：选C ．据I ＝qt 可知，单位时间内通过导线横截面的电荷量越多，导体中的电流越大，并非通过导线横截面的电荷量越多，电流就越大，故A 错误，C 正确；根据电流的微观表达式I ＝ne v S 可知，电子运动的速率越大，电流不一定越大，还与单位体积内自由电子数n 、横截面积S 有关，故B 错误；电流有大小和方向，但电流是标量，故D 错误．6．(2020·山西太原检测)在通电电解槽中，若在2 s 内分别有1 C 的正离子和1 C 的负离子通过电解槽中与电流方向垂直的截面，电解液中的电流是多大( )A ．0B ．0.5 AC ．1 AD ．2 A解析：选C ．2 s 内流过的电荷量为q ＝1 C ＋1 C ＝2 C ，则由电流的定义可知：I ＝q t ＝22A ＝1 A ，故C 正确，A 、B 、D 错误．7．以下说法正确的是( )A ．只要有可以自由移动的电荷，就存在持续电流B ．金属导体内的持续电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的C ．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率D ．在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运动就消失了解析：选B ．要有持续电流必须有电压，A 错误．金属导体中形成持续电流的原因是在导体两端加上电压，于是在导体内形成了电场，导体内的自由电子在电场力作用下定向移动形成电流，B 正确．电流的传导速率等于光速，电子定向移动的速率很小，C 错误．在形成电流时电子定向移动，并不是热运动就消失了，其实电子仍然做无规则的热运动，D 错误．8．(多选)给一粗细不均匀的同种材料制成的导体通电，下列说法正确的是( ) A ．粗的地方电流大，细的地方电流小 B ．粗的地方电荷定向移动速率大，细的地方小 C ．各处的电流大小相同D ．粗的地方电荷定向移动速率小，细的地方大解析：选CD ．同一根导线上的电流相等，故C 对；由I ＝neS v 可得v ＝IneS ，故D 对．9．某一探测器因射线照射，内部气体电离，在时间t 内有n 个二价正离子到达阴极，有2n 个电子到达探测器的阳极，则探测器电路中的电流为( )A ．0B ．2ne tC ．3ne tD ．4ne t解析：选D ．由题意可知，在时间t 内通过某横截面的电荷量为n ·2e ＋2n ·e ＝4ne ，故根据电流的定义可知探测器电路中的电流为I ＝q t ＝4net，故选项D 正确．【等级考练】10．在示波管中，电子枪2 s 内发射了6×1013个电子，则示波管中电流的大小为( ) A ．4.8×10－6 A B ．3×10－13AC ．3×10－6 AD ．9.6×10－6 A解析：选A ．电子枪2 s 发射的电荷量q ＝6×1013×1.6×10－19 C ＝9.6×10－6 C ，所以示波管中的电流大小为I ＝q t ＝9.6×10－62A ＝4.8×10－6 A ，故A 正确，B 、C 、D 错误．11．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110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 ＝1.6×10－19C)( )A ．5×1010个B ．5×1011个C ．1×102个D ．1×104个解析：选B ．电子运动一周所需要的时间：t ＝240110×3×108 s ＝8×10－6 s ，在圆形轨道上任取一横截面，则在t 时间内通过该横截面的电荷量为：q ＝It ＝10×10－3×8×10－6 C ＝8×10－8 C ，环中运行的电子数N ＝qe ＝8×10－81.6×10－19个＝5×1011个．12．(多选)电池给灯泡供电与人将球抛出在能量转化方面有相似之处，我们可以将电势能类比于重力势能，如图所示，下列说法正确的是( )A ．可以将电流通过灯泡时电流做功与抛球时人对球做的功相类比B ．可以将电池的非静电力做功与抛球时人对球做的功类比C ．可以将电流通过灯泡时做的功与重力对球做的功类比D ．可以将电池的非静电力做功与重力对球做功类比解析：选BC ．将电势能类比重力势能，电流通过灯泡做功，电势能减少，可类比重力做功，重力势能减少，非静电力做功，电势能增加，可类比人抛球对球做功，球重力势能增加，故B 、C 正确．13．(2020·佛山一中高二月考)在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝中不断放出的电子进入电压为U 的加速电场，设其初速度为零，经加速后形成横截面积为S 、电流为I 的电子束．已知电子的电荷量为e 、质量为m ，则在刚射出加速电场时，一小段长为Δl 的电子束内的电子个数是( )A ．I Δl eSm 2eU B ．I Δl em 2eU C ．I eSm 2eUD ．IS Δl em 2eU解析：选B ．加速过程，eU ＝12m v 2，则v ＝2eUm，由I ＝ne v S 知，一小段长为Δl 的电子束内的电子数N ＝n ΔlS ＝Δl I e v ＝I Δlem 2eU. 14．(2020·山西太原高二检测)有一条横截面积S ＝1 mm 2的铜导线，通过的电流I ＝2 A ．已知铜的密度ρ＝8.9×103 kg/m 3，铜的摩尔质量M ＝6.4×10－2 kg/mol ，阿伏加德罗常数N A ＝6.02×1023mol －1，电子的电荷量大小e ＝1.6×10－19C ，每个铜原子可提供一个自由电子，求铜导线中自由电子定向移动的速率．(结果保留2位有效数字)解析：设铜导线长为L ，则体积为V ＝LS ，质量为m ＝LSρ，摩尔数为n ＝m M总的自由电子数为nN A总电荷量为q ＝nN A e全部通过该铜线截面时间为t ＝L v根据电流的定义式：I ＝q t ＝nN A e v L ＝SρN A e v M可得：v ＝MI SρN A e带入数据解得：v ≈1.5×10－4 m/s.答案：1.5×10－4 m/s。