21电源和电流(选修3-1)

第二章恒定电流雷鸣电闪时,强大的电流使天空发出耀眼的闪光,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?问题1：产生电流的条件是什么？-BA-A++++++++_B_______（1）存在自由电荷金属导体——自由电子电解液——正、负离子（2）导体两端存在电压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，形成电流导体中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R中会产生一个瞬时电流。A、B之间有电势差A、B电势差为零问题2：导体中产生持续电流的条件是什么？AB连通器水势A水势B抽水机水流--P-+A+++++++___B_____--1.能把电子从A搬运到B的装置P。2.作用:保持导体两端的电势差(电压)，使电路有持续的电流。这个装置就是电源。A、B就是电源的两个极。正极负极P相当于抽水机问题3：电源的作用是什么？电源+-正极负极电源的作用：（1）从物理过程分析：就是通过非静电力把电子从正极搬运到负极，使电源两极间保持一定的电势差。使电路有持续的电流；（2）从能量转化和守恒的角度就是电源把其它形式的能转化为电能。F---+A+++++++___B_____P---2.电场力做负功，电子的电势能增加，通过电源把其它形式的能转化为电能.1.通过非静电力做功把电子从正极运到负极。--+A+++++++___B_____P假设在电源正、负极之间连一根导线，导线中的电场如何变化，最终又会达到哪个状态？MNE0FFnFt问题4：当导体两端有恒定的电势差，导体内建立了何种电场?MNE0E0E′MNE导线内很快形成沿导线方向的电场导体内的电场线保持和导线平行导线内的电场是由电源和导体中积累的电荷共同形成的。问题5：当导体两端的电势差恒定时，为什么导体中产生的电场是恒定的？此时导体中的电流为什么也是恒定的？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。由稳定分布的电荷产生稳定的电场称为恒定电场。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,因此自由电荷频繁地交替进行加速和减速，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.大小方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。恒定电场电场强度不变自由电荷频繁交替进行加速和减速，平均速率不变串一个电流表,读数不会变恒定电流由稳定分布的电荷产生稳定的电场称为恒定电场.问题6：怎样理解恒定电场和恒定电流？问题7：电流这个物理现象既有方向也有强弱。怎样描述电流的强弱程度？怎样学好电流这个物理量。2、度量方式：4、矢量标量：标量3、决定因素：1、引入目的：反映了电流的强弱程度。国际单位：安培（A）tqI1C/s1A5、单位换算：μA10mA10A1636、测量方法：电流表等。？电流（物理现象）方向:正电荷定向移动的方向。在金属导体中，电流方向与自由电荷（电子）的定向移动方向相反；在电解液中，电流方向与正离子定向移动方向相同，与负离子走向移动方向相反。导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，电量q表示通过截面的正、负离子电量绝对值之和。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。问题8：探究电流的微观表达式？设想在导体中取两个横截面B和C，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．nqSvtvtSnqtQIBCSvvtqqqq导体中的电流与导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电量、导体的横截面积和自由电荷定向运动速率四个量成正比。问题9：知识应用举例例题:有一条横截面积S=1mm2的铜导线,通过的电流I=1A,已知铜的密度ρ=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1,电子的电量e=-1.6×10-19C,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。SvtANMvtSneNMvtSneqAsmMvSeNMtvtSNtqIAA/105.75问题10：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？闭合开关的瞬间，电路中的各个位置迅速建立了恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也就几乎同时产生了电流。电路接通时电灯中的电流并不是电源中的自由电子流了过来产生，而是灯丝内部的自由电子的定向移动产生的。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.电流产生条件电源恒定电流（1）存在自由电荷（2）导体两端存在电压。产生持续电流提供持续电流压（1）通过非静电力把电子从正极搬运到负极；（2）把其它形式的能转化为电能。产生恒定电场导体内的电场线保持和导线平行产生一、电流（物理现象）问题11：总结本节课所学内容。1、方向：规定正电荷定向运动的方向为电流方向2、大小：用电流强度I（简称电流）来描述。自由电荷频繁交替进行加速和减速，平均速率不变问题11：总结本节课所学内容。二、电流2、度量方式：4、矢量标量：标量3、决定因素：1、引入目的：反映了电流的强弱程度。国际单位：安培（A）tqI1C/s1A5、单位换算：μA10mA10A1636、测量方法：电流表等。（1）宏观：RUI只适用纯电阻电路（不包含电源）（2）微观：nqSvIBCSvvt流体的柱形模型怎样学好电流这个物理量？1．1mA=__________A，1μA=__________A。1×10-31×10-6课堂互动讲练课堂互动讲练题型一：对电流的理解2．把规定为电流的方向，在金属导体中，电流方向与自由电子定向移动的方向。在电解质溶液中，电流的方向与正离子定向移动的方向，与负离子定向移动的方向。相反正电荷定向移动的方向相反相同在电解液中，电流方向与正离子定向移动方向相同，与负离子走向移动方向相反。导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，电量q表示通过截面的正、负离子电量绝对值之和。3、一电子沿一圆周顺时针方向高速运动，周期为10-10s，则等效电流大小为A，电流方向是（填“顺时针”或“逆时针”）1.6×10-9逆时针4．关于电源的作用,下列说法正确的是()A.电源的作用是能为电路提供自由电子B.电源的作用是使导体中形成电场C.电源的作用是能够保持导体两端的电压D.电源的作用是使自由电荷定向移动起来BCD5．下列叙述正确的是（）A．导体中电荷运动就形成电流B．电流的国际单位是安培C．因为电流强度有方向,所以电流强度是矢量D．导体中有电流通过时,导体内部场强不为零BD6．关于电流的方向,下列说法正确的是（）A．在金属导体中，电流的方向是自由电子定向移动的方向B．在电解液中，电流的方向为负离子定向移动的方向C．无论在何种导体中，电流的方向都与负电荷定向移动的方向相反D．在电解液中，由于是正负电荷定向移动形成的电流，所以电流有两个方向C7．关于电流的说法正确的是（）A．根据I=q/t可知，I与q成正比B．如果在任何相等时间内通过导体横截面积的电量相等，则导体中的电流是恒定电流C．电流强度的方向规定为正电荷定向移动的方向D．电流强度的单位“安培”是国际单位制中的基本单位BCDm、kg、s、A、mol、K、cd8．以下对导体中的电场理解正确的是（）A．导体内的电场在稳定时是和导线平行的B．导体内的电场由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成C．导线中电场始终随时间而变化D．导体内的电场是一种动态的稳定ABD1．通过一根金属导线的电流为16mA．则10s内通过这根导线横截面的自由电子数为（）A．1.0×1017B．1.0×1018C．1.0×1019D．1.0×1020解：n=It/e=16×10-3×10/1.6×10-19=1.0×1018B课堂互动讲练题型二：对电流的计算2．在一次闪电中，持续时间为0.005s所形成的平均电流为6.0×104A，若闪电过程中产生的电荷以0.5A的电流通过电灯，试求可供电灯照明的时间。解：Q=I1t1=I2t2，t2=I1t1/I2=600s3、如果导线中的电流为1mA，那么1s内通过导体横截面的自由电子数是多少？若“220V60W”的白炽灯正常发光时的电流为273mA，则20s内通过灯丝的横截面的电子数目是多少个？【思路点拨】根据公式q＝It计算，注意单位的统一，记住每个电子所带电荷量e＝1.6×10－19C.【精讲精析】q＝It＝1×10－3×1C＝1×10－3C，设电子的数目为n，则：n＝qe＝1×10－31.6×10－19＝6.25×1015个．当“220V60W”的白炽灯正常发光时，I＝273mA.q＝It＝273×10－3×20C＝5.46C.设电子的数目为N，则N＝qe＝5.461.6×10－19≈3.4×1019个．4、一硫酸铜电解槽的横截面积为2m2，在0.04s内若相向通过同一横截面的铜离子和硫酸根离子分别为5.625×1018个和4.735×1018个，则电解槽中的电流是多大？方向如何？思路点拨：导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，电量q表示通过截面的正、负离子电量绝对值之和。解析：电解槽中的电流是铜离子和硫酸根离子分别向相反的方向运动形成的．所以电流的方向与铜离子定向移动的方向相同．铜离子和硫酸根离子都是二价离子，每个离子的电荷量为q1＝q2＝2×1.6×10－19C.所以I＝qt＝n1q1＋n2q2t＝5.625×1018＋4.735×1018×2×1.6×10－190.04A≈83A．方向与铜离子定向移动的方向相同．答案：83A方向与铜离子定向移动的方向相同1．有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流强度为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电量为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．nvSΔtB．nv·ΔtC．IΔt/eD．IΔt/eSACN=q/e=IΔt/e，又因为电流强度的微观表达式为I=nev·S，N=q/e=IΔt/e=nevSΔt/e=nvSΔt则选项A正确。解：因为I=q/Δt，所以q=I·Δt则选项C正确。所以自由电子数目为自由电子数目为：课堂互动讲练题型三：对电流的微观表达式的应用2．金属导体的密度是ρ，横截面积是S，原子量是M，每摩尔这种金属可提供N个自由电子，当该导体中的电流为I时，导体中自由电子的定向移动的速率是。SNeρIM答：3．银导线的横截面积S=4mm2，通以I=2A的电流，若每个银原子可以提供一个自由电子，试推导银导线单位长度上的自由电子数的计算公式，并计算结果。(已知银的密度ρ=10.5×103kg/m3,摩尔质量M=108g/mol，阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023mol-1，计算结果取一位小数)解：设长为l的银导线体积V＝Sl，故长为l的银导线含有的银原子数目，AANMSlρNMVρN又每个银原子可以提供一个自由电子，那么银导线每单位长度的自由电子数n=N/l，故ANMSρlNn与电流I无关。代入数据kg/mol10108mol1002.6m104m/kg105.1031232633nm/103.223个4、(2011年包集高二检测)如图2－1－2所示，将左边的铜导线与右边的铝导线连接起来，已知铝导线的横截面积是铜导线横截面积的两倍，在铜导线上取一个截面A，在铝导线上取一个截面B，若在1秒内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过这两个截面的()A．电流相等B．电流不相等C．自由电子定向移动的速率相等D．自由电子定向移动的速率不相等图2－1－2解析：选AD.由电流定义知I＝qt＝net，故A正确，B错误．