2.1--2.2知识讲解电源、电流、电动势剖析

电源、电流、电动势【学习目标】1．了解电源在电路中的作用，电路中产生持续电流的条件。2．从电流的形成过程理解电流形成的内因和外因。3．理解电流的定义和电流方向的规定并能熟练运用。4．知道电动势的定义，能够从能的转化方面理解静电力和非静电力以及对应的电动势和电势差的区别。【要点梳理】要点一、在电路中形成电流的条件1．电流的形成电荷定向移动形成电流。电荷的热运动，从宏观上看，不能形成电流．(如图)2．形成电流的条件（1）从整个电路看，有电源的闭合电路中存在持续的电流；（2）从一段导体来看，导体两端必须有电压才有可能有电流；（3）从微观上看，导体中有自由移动的电荷以及有电场作用在这些电荷上是形成电流的必需具备的条件。要点二、电流的定义1．电流的意义电路中的电流有强弱之分和流向的不同，为了表达电流的强弱人们定义了电流强度，简称为电流，为了便于表达电流的流向人们规定了电流的方向。2．电流的定义通过导体横截面的电荷量跟通过这些电荷量所用时间的比值，叫做电流。用I表示。定义式：qIt．要点诠释：①公式中q是通过横截面的电荷量而不是单位横截面的电荷量。②电荷量不等的同种电荷同向通过某一横截面时，12qqq，两种电荷反向通过某一横截面时，12qqq，不能相互抵消。③横截面的选取是任意的，电流的大小与横截面无关。3．方向规定正电荷定向移动的方向为电流方向。要点诠释：①金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。（如图）②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。③在电源外部的电路中，电流是从电源的正极流向负极；在电源内部的电路中，电流是从电源的负极流向正极。④电流既有大小又有方向；但它不是矢量，而是标量。4．单位在国际单位制中它的单位是安培，简称安（A）。它是国际单位制中七个基本单位之一，常用的单位还有毫安mA、微安μA；361A10mA=10μA．注意：电流I的单位是规定的，而电量的单位是导出的，即qIt．5．直流：方向不随时间变化的电流．恒定电流：方向和强弱都不随时间变化的电流．要点三、电流形成的原因及恒定电流1．恒定电场的产生恒定电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。2．恒定电场的作用恒定电场的作用是使构成电路的导体中的自由电荷在电场力的作用下定向移动，形成电流。3．恒定电流自由电荷受到的电场力、它运动过程中与其它微观粒子碰撞所受到的阻力，这两个力共同的作用效果使自由电荷做匀速运动，形成恒定电流。要点诠释：①如果电源发生变化，恒定电场就会发生变化，电流的大小和方向都可能发生变化，此时电路中的电流不再是恒定电流（以后将要学习的脉动电流或交流电就属此种情况）。②电荷定向移动的速度和我们通常所说的电流的速度不是一回事！电荷定向移动的速度很小，在21mmS的铜导线中1AI的电流，自由电子定向移动的速度才是57.510m/sv。而电流的速度是电场的传播速度,接近光速83.010m/sC．4．三种速率的区别（1）电流的传导速率等于光速．（2）电子的定向移动速率，其大小与电流强度有关．（3）电子无规则的热运动速率，与温度有关.要点四、电源及电动势1．电源（1）定义：电源是把其它形式能转化为电能的装置。例如：干电池和蓄电池是把化学能转化为电能，水轮发电机是把机械能转化为电能。（2）作用：电源有正、负两个极，两极间有一定的电压，将一段导体（或一段电路）接到电源两极间，导体（或一段电路）两端就有了一定的电压，可见电源能在导体（或电路）两端保持一定的电压。注意：不同的电源，两极间的电压不同，这是由电源本身性质不同。2．非静电力（1）定义：电流在电源内部是从低电势流向高电势的，这不是静电力的作用，而是在电源内部存在着从低电势指向高电势的某种力，它驱使正电荷逆着静电力从低电势流向高电势，这种力称为非静电力。（2）种类：干电池、钮扣电池、蓄电池等的非静电力是一种化学作用；发电机的非静电力是磁场对运动导体的作用；光电池的非静电力来源于光电效应。注意：非静电力做功将其它形式的能转化为电能。3．电动势（1）定义：非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功跟被移送的电荷量的比值叫做电源的电动势，用E表示。（2）公式：WEq非。（3）单位：伏特（V），简称伏。（4）物理意义：反映电源把其它形式的能转化为电能本领的大小，在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功。（5）方向：电动势E是标量，但是有方向。为研究问题方便，规定其方向为电源内部电流方向，即由电源负极指向正极。（6）电动势的测量：EU断．要点诠释：①电源电动势是电源的属性，与移动的电荷量q和它所做的功无关；②电源电动势的大小取决于非静电力的性质，与电源的大小无关。例如干电池无论是1号、2号、5号，其电动势都是1.5V；③在不同的电源中，非静电力不同，其做功本领也不同，即把相同数量的正电荷在电源内部从负极搬运到正极，非静电力做功多少不同，则转化成电能的多少也不同。4．电源的内阻和容量（1）电源的内阻①定义：电源的内部也是由导体组成的，所以也有电阻，这个电阻叫做电源的内阻。②意义：内阻和电动势同为电源的重要参数。要点诠释：电源的内阻在使用过程中变化较大，使用时间越长，内阻越大；电源的内阻决定了电源的负载能力，内阻越小，它所能负载的用电器功率越大。（2）电源的容量①定义：电源的容量就是电源放电时能输出的总电荷量，通常以安培时（Ah）或毫安时（mAh）为单位。②特点：电源的容量与放电状态有关，同样的电源，小电流、间断性放电要比大电流连续放电的电容量大。对于同一种电池来说，体积越大，电池的容量越大，内阻越小。要点五、规律与方法指导1．要注意把静电场对电荷施加力的作用以及移动电荷做功的有关知识，运用到恒定电路中的恒定场中来分析问题，要重视从能的转化方面理解电源的作用以及电动势的定义。2．掌握电流的计算方法①取一截面②取一段恰当的时间t③求出t时间内通过截面的电量q④由qIt求解。3．常见的几种电流①金属导体中电流InqSv；②做匀速圆周运动的电荷形成的等效电流qIT（T为周期）③电解液中的电流qqIt（q和q分别为正负离子在时间t内通过电解液某截面的总电量）4．电源非静电力移动电荷做的功WqEEIt．5．决定电流大小的微观量在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C，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，每个电荷的电荷量为q，电荷的定向移动速率为v，则在时间t内处于相距为vt的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面C．QIt.qnSvtInqvSt.【典型例题】类型一、电流的微观解释例1.如图所示，AD表示粗细均匀的一段金属导体，两端加一定的电压，设导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v，单位体积中自由电子的数量是n，求导体中电流的表达。【答案】InqvS【解析】在导体中取两个横截面B和C，它们之间的距离在数值上等于v，这样在单位时间内，在横截面B和C之间的自由电子将全部通过横截面C，设导体横截面积为S，导体单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电子所带的电荷量为e，则BC内的自由电荷总数为NnvS，总电荷量QNenvSe，即通过导体的电流InqvS．【总结升华】从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、电荷量、定向移动速度，还与导体的横截面积有关。举一反三：【变式1】(2014北京四中期中)在横截面积为S的均匀铜导线中流过恒定的电流I。已知电子电量为e，单位体积的铜导线内自由电子个数为n，则电子在铜导线定向移动的速率（即速度大小）可表示为（）A．neSIB．IneSC．ISneD．enS【答案】B【解析】本题考查的是对电流微观表达式InqvS的理解，关键是理解v和n的物理意义，式中n为单位体积内自由电子数，t时间内通过导体某一横截面的自由电子数为体积是vtS内的自由电子，其数量为nvtS，电荷量QnvtSe，所以电流QIneSvt，所以IvneS，故正确答案为B。【高清课堂：电源、电流、电动势例1】【变式2】.关于电流强度，下列说法中正确的是（）A．导线内自由电子定向移动速率等于电流的传导速率；B．电子运动的速率越大，电流强度越大；C．电流强度是一个矢量，其方向就是正电荷定向运动方向；D．在国际单位制中，电流强度是一个基本物理量，其单位安培是基本单位．【答案】D【解析】电流的传导速率等于光速，电子的定向移动速率，其大小与电流强度有关，A、B错；规定正电荷定向移动的方向为电流方向，但电流强度不是矢量，C错；在国际单位制中，电流强度是一个基本物理量，其单位安培是基本单位，D正确.【高清课堂：电源、电流、电动势例2】【变式3】一长为L的横截面积为S的均匀导体，在其两端加上电压U，于是导体中就有匀强电场，在电场力的作用下，导体中的自由电子(电量是e)被加速，电子运动过程中又与做热运动的阳离子相撞而使电子受到阻力，如果认为阻力的大小与电子运动的平均速度v成正比，其大小可写成kv(k是常数)．当电场力与阻力平衡时电子便以恒定的速率v做定向移动，v的值应是多大?【答案】UevkL.【解析】如图，电场力等于阻力：Eqkv，而UEL，所以：UekvL，得：UevkL.类型二、等效电流的计算例3．电子绕核运动可等效为一环形电流，设氢原子中的电子以速率v在半径为r的轨道上运动，用e表示电子电荷量，则其等效电流I为多少？【答案】2evIr.【解析】形成电流的运动电荷是电子，通过某一横截面的电荷量qe，电子通过该横截面的时间为电子运动的周期，即2rTv，故2qevITr。【总结升华】由电流的定义可知，只要在电荷经过的空间某位置取一横截面，明确在一定的时间t内通过该截面的电量，则电流可求。举一反三：【变式】已知电子的电荷量为e，质量为m。氢原子的电子在核的静电力吸引下做半径为r的匀速圆周运动，则电子运动形成的等效电流大小为多少？【答案】222eIkmrrm．【解析】本题考查的是等效电流的问题，关键是确定在一段时间内通过某一横截面的电荷量，根据电流的定义式即可算出等效电流的大小。截取电子运动轨道的任一截面，在电子运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量qe，则有：qeItT①再由库仑力提供向心力，有：22224kemrrT．得2rmrTek②由①②解得：222eIkmrrm．【总结升华】对于等效电流的求解问题，一定要找出一段时间内通过某一横截面的电荷量，才能运用电流的定义式求出电流的大小。本题的难点就是确定通过某一横截面的电荷量和时间。例4．某电解槽横截面积为20.5m，若10s内沿相反方向通过横截面的正、负离子的电荷量均为10C，则电解液中的电流I________A。【答案】2A【解析】从形成电流这一方面来看，10C的负离子形成的电流等效于10e的正电荷沿相反方向形成的电流，所以10s内相当于有20C的电荷通过某截面，所以电解液中的电流20A2A10qIt．【总结升华】弄清在10st的时间内有多少电量通过某横截面，由qIt可计算电流。准确地找出定义式中电荷量q和时间t的数值是解题的关键，q是通过整个横截面的电荷量，不是单位面积上的电荷量，故电流与横截面积的大小无关。举一反三：【变式1】在电解液导电中，若在5s内分别有5C的正离子和5C的负离子通过电解槽中与电流方向垂直的截面，则电路中的电流是多少？若5s内有5C的正、负离子分别在阴极和阳极放电，则电路中的电流是多少？【答案】2A1A【解析】本题考查的是电解液导电问题，关键要找出在某一截面t时间所通过的电荷量q。在电解质溶液中，电流等于同一截面上正、负电荷所带电荷量的绝对值之和与所用时间t之比，所以122AqqIt电解质溶液中各种离子的质量、电荷量都可能不同，它们在电场中所受电场力的大小、加速度的大小、速度大小也各不相同，在同一时间内通过电解液某一截面的正、负离子数可能不同，特别是在阳极附近的正离子可以认为刚被加