教科版年高中物理选修3-1教学案全集

第1节欧_姆_定_律1．电荷的定向移动形成电流，电流是标量，但有方向，规定正电荷定向移动的方向为电流方向。2．欧姆定律的表达式为I＝UR，此式仅适用于纯电阻电路。3．电阻反映了导体对电流阻碍作用的大小，其定义式为R＝UI，电阻的大小取决于导体本身，与U和I无关。4．电学元件的电流I随电压U变化的关系图线叫元件的伏安特性曲线。5．在温度不变时，线性元件的伏安特性曲线是一条过原点的直线，其斜率表示电阻的倒数，非线性元件的伏安特性曲线不是直线。一、电流1．形成条件(1)导体中要有能自由移动的电荷。(2)导体内存在电场。2．定义：通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷所用时间t的比值，用I表示。3．公式：I＝qt。4．单位：国际单位是安培(A)，常用单位有毫安(mA)和微安(μA)，1A＝103mA＝106μA。5．方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。6．直流电：(1)直流电：方向不随时间变化的电流。(2)恒定电流：方向和大小都不随时间变化的电流。二、欧姆定律电阻1．电阻(1)定义：加在导体两端的电压与通过它的电流的比值。(2)定义式：R＝UI。(3)物理意义：反映导体对电流阻碍作用的大小。(4)单位：欧姆，符号为Ω，常用的还有kΩ、MΩ。1kΩ＝103Ω，1MΩ＝106Ω。2．欧姆定律(1)内容：导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。(2)公式：I＝UR。(3)适用范围：欧姆定律对金属导体导电和电解质溶液适用，但对气态导体和半导体元件并不适用。三、伏安特性曲线1．定义：建立平面直角坐标系，用纵轴表示电流I，用横轴表示电压U，画出的I­U图线即为导体的伏安特性曲线。2．线性元件：伏安特性曲线为过原点的直线，即电流与电压成正比的电学元件，如金属导体、电解液等。3．非线性元件：伏安特性曲线不是直线，即电流与电压不成正比的电学元件，如气态导体、晶体管等。1．自主思考——判一判(1)当导体两端有持续的电压时，导体内将存在持续的电场。(√)(2)电荷定向移动的方向为电流的方向。(×)(3)由I＝qt可知，通过导体某截面的电荷量越大，导体中的电流越大。(×)(4)导体两端的电压越大，电阻就越大。(×)(5)导体中的电流越大，电阻就越小。(×)(6)由R＝UI知，R与U成正比，R与I成反比。(×)2．合作探究——议一议(1)电流有方向，它是矢量吗？能用平行四边形定则运算吗？提示：电流虽然有方向，但不是矢量。不能应用平行四边形定则运算。(2)电解液导电时，电流的方向是怎样的？其正、负离子会发生中和吗？提示：①电解液导电时，正、负离子做定向移动，其定向移动的方向相反，但形成的电流方向相同，正离子定向移动的方向为电流的方向。②正、负离子在电场力的作用下做方向相反的定向移动，不会发生中和。(3)由欧姆定律变形得到的R＝UI，是否能说电阻R与导体两端的电压成正比，与导体中的电流成反比？为什么？提示：不能。电阻是导体的一种属性，与导体两端的电压和导体中的电流没有关系。(4)线性元件的伏安特性曲线是一条过原点的倾斜直线，而非线性元件的伏安特性曲线不是直线，那么非线性元件的伏安特性曲线过原点吗？为什么？提示：无论线性元件还是非线性元件，其伏安特性曲线均过原点，原因是当元件两端电压为零时，其电流一定为零。电流的理解与计算1．理解电流概念需要注意的几个要点(1)公式I＝qt中，q是通过导体横截面的电荷量，而不是通过导体单位横截面积的电荷量。(2)当导体中有正、负电荷同时向相反方向定向移动形成电流时，公式中的q应为通过导体横截面的正、负两种电荷电荷量的绝对值之和。(3)横截面的选取是任意的，电流的大小与横截面无关。(4)电流的方向规定为正电荷定向移动的方向，它与负电荷定向移动的方向相反。在电源外部的电路中，电流的方向是从电源的正极流向负极；在电源的内部，电流是从电源的负极流向正极。(5)电流虽然有大小和方向，但电流是标量，而不是矢量。因此电流的合成不遵循平行四边形定则。2．电流的微观表达式I＝nqSv(1)建立模型如图2­1­1所示，AB表示粗细均匀的一段导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷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，导体单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q。图2­1­1(2)理论推导导体AB中的自由电荷总数N＝nLS总电荷量Q＝Nq＝nLSq所有这些电荷都通过导体横截面所需要的时间t＝Lv根据公式I＝qt可得，导体AB中的电流I＝Qt＝nLSqLv＝nqSv。(3)结论由此可见，从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动的速率以及导体的横截面积。3．三种速率的区别电子定向移动的速率电子热运动的速率电流传导的速率物理意义电流是由电荷的定向移动形成的，电流I＝neSv，其中v就是电子定向移动的速率，一般为10－5m/s的数量级构成导体的电子在不停地做无规则热运动，由于热运动向各个方向运动的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动的速率数量级为105m/s等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以光速c建立恒定电场，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，整个电路也几乎同时形成了电流大小10－5m/s105m/s3×108m/s[特别提醒]电流的形成是电子在速率很大的无规则热运动上附加一个速率很小的定向移动，电路闭合时，瞬间在系统中形成电场，使导体中所有自由电荷在电场力的作用下同时定向移动，并不是电荷瞬间从电源运动到用电器。[典例]如图2­1­2所示，在NaCl溶液中，正、负电荷定向移动，方向如图中所示，若测得2s内分别有1.0×1018个Na＋和Cl－通过溶液内部的横截面M，则溶液中的电流方向如何？电流为多大？图2­1­2[思路点拨]解答本题时应把握以下两点：(1)电流的方向是正电荷定向移动的方向。(2)2s内通过横截面M的电荷量。[解析]NaCl溶液导电是靠自由移动的Na＋和Cl－，它们在电场力作用下向相反方向运动。因为电流方向为正电荷定向移动的方向，所以溶液中电流方向与Na＋定向移动的方向相同，即由A流向B。Na＋和Cl－都是一价离子，每个离子的电荷量为e＝1.6×10－19C，NaCl溶液导电时，Na＋由A向B定向移动，Cl－由B向A定向移动，负离子的运动可以等效地看做正离子沿相反方向运动，可见，2s内通过横截面M的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和，则有I＝qt＝q1＋q2t＝1.0×1018×1.6×10－19＋1.0×1018×1.6×10－192A＝0.16A。[答案]见解析在电解液中，若已知t时间内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子的电荷量均为q，则此时电流I＝qt，而非I＝2qt。因为这段时间内只有q2的正离子和q2的负离子在同时移动。1．关于电流，下列说法中正确的是()A．导体中无电流的原因是其内部自由电荷停止了运动B．同一个金属导体接在不同的电路中，通过的电流强度往往不同，电流大说明那时导体内自由电荷定向运动速率大C．由于电荷做无规则热运动的速率比电荷定向移动速率大得多，故电荷做无规则热运动形成的电流也就大得多D．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率解析：选B导体中无电流时，内部的自由电荷仍在无规则运动；故A错误；由I＝nevS可知，同一个金属导体接在不同的电路中，通过的电流强度往往不同，电流大说明那时导体内自由电荷定向运动速率大，故B正确；电流的大小与电荷无规则运动的快慢无关，故C错误；电流的传导速率是电场形成的速度，约为光速，而电子的定向移动速率远小于光速，故D错误。2．如图2­1­3所示，电解池内有一价的电解质溶液，ts内通过溶液内部截面S的正离子数是n1，负离子数是n2，设元电荷为e，则以下说法中正确的是()图2­1­3A．正离子定向移动形成的电流方向为A→B，负离子定向移动形成的电流方向为B→AB．溶液内正、负离子向相反方向移动，电流抵消C．溶液内电流方向从A到B，电流为I＝n1etD．溶液内电流方向从A到B，电流为I＝n1＋n2et解析：选D正电荷的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。正、负离子经过同一截面时，I＝qt公式中q应该是正、负离子电荷量的绝对值之和，故I＝n1e＋n2et，电流方向由A指向B，故选项D正确。3．在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝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，一小段长度为Δl的电子束内的电子个数是()A.IΔleSm2eUB.IΔlem2eUC.IeSm2eUD.ISΔlem2eU解析：选B设电子束单位体积内含有n个电子，由电流的定义式可得I＝Qt＝neSvtt＝neSv，所以n＝IeSv电子经加速电场加速后，满足eU＝12mv2由以上各式解得n＝IeSm2eU，所以长度为Δl的电子束内的电子个数为N＝nΔlS＝IΔlem2eU，选项B正确。对欧姆定律的理解和应用1．对电阻的进一步理解对于给定的导体，电阻是一定的，不管导体两端有无电压、导体中有无电流，电阻都是一定的，所以不能说电阻与电压成正比，与电流成反比。2．公式I＝UR、I＝qt、R＝UI和U＝IR含义的比较物理意义适用条件I＝UR某段导体的电流、电压和电阻的关系计算通过某段导体电流的大小，仅适用于纯电阻电路I＝qt电流的定义式已知q和t的情况下，可计算I的大小R＝UI导体电阻的定义式，反映导体对电流的阻碍作用R由导体本身决定，与U、I无关，适用于所有导体U＝IR沿电流方向电势逐渐降低，电压降等于I和R的乘积计算导体两端的电压，适用于金属导体、电解质溶液[典例](多选)下列说法中正确的是()A．由R＝UI知，一段导体的电阻跟它两端的电压成正比，跟通过它的电流成反比B．比值UI反映了导体阻碍电流的性质，即电阻R＝UIC．导体电流越大，电阻越小D．由I＝UR知，通过一段导体的电流跟加在它两端的电压成正比[解析]导体的电阻取决于导体本身的性质，与U、I无关，故A、C错。比值UI反映了导体对电流的阻碍作用，定义为电阻，所以B正确。由I＝UR知通过导体的电流跟加在它两端的电压成正比，D正确。[答案]BD欧姆定律的原形式是I＝UR，而公式R＝UI应该理解成电阻的比值定义式，比值定义就在于被定义的物理量与比值中的那两个物理量无关。但R＝UI告诉了我们一种测量导体电阻的方法，即伏安法。1．(多选)欧姆定律适用于()A．金属导电B．气体导电C．电解质溶液导电D．所有导电物质解析：选AC欧姆定律适用于金属导电、电解质溶液导电，对气体导电、半导体导电不适用，故A、C正确，B、D错误。2．(多选)由欧姆定律I＝UR导出U＝IR和R＝UI，下列叙述中正确的是()A．导体的电阻跟导体两端的电压成正比，跟导体中的电流成反比B．导体的电阻由导体本身的物理条件决定，跟导体两端的电压及流过导体的电流的大小无关C．对确定的导体，其两端电压和流过它的电流的比值就是它的电阻值D．一定的电流流过导体，电阻越大，其电压就越大解析：选BCD导体电阻由导体材料、长度、横截面积决定，与电压电流无关，A错误，B正确；由欧姆定律R＝UI可知，对某一导体来说，其两端电压和流过它的电流的比值就是它的电阻值，C正确；根据U＝IR可知，一定的电流流过导体，电阻越大，说明加在它两端的电压越大，即电阻两端的电压越大，D正确。3．已知用电器A的电阻是用电器B的电阻的2倍，加在A上的电压是加在B上的电压的一半，那么通过A和B的电流IA和IB的关系是()A．IA＝2IBB．IA＝IB2C．IA＝IBD．IA＝IB4解析：选D由I＝UR得：IA∶IB＝UARA∶UBRB＝UARB∶UBRA＝1∶4，即IA＝14IB，应选D。导体的伏安特性曲线的理解及应用I­U图线(导体的伏安特性曲线)与U­I图线的比较I­U图线(伏安特性曲线)U­I图线斜率图线上的点与坐标原点连线的斜率表示导体电阻的倒数图线上的点与坐标原点连线的斜率