高中物理32探究电流电压和电阻的成因课件(沪科版选修3-1)

第2课时研究电流、电压和电阻学习目标思维启迪1.明确电流的定义及形成电流的微观机制，掌握定义式I＝Qt和I＝nqvS.2.明确电压就是电势差，知道电路中电势变化的规律．理解电阻形成原理，知道电阻与温度的关系.电闪雷鸣图3-2-1电闪雷鸣时，强大的电流会使天空发出耀眼的闪光(如图3－2－1)，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，为什么？一、恒定电流1．电流：流过导体某一横截面积的电荷量Q跟所用时间t的_____．2．物理意义：表示电荷定向移动快慢的________，在数值上等于单位时间内通过导体某一横截面面积上的______．知识梳理3．公式：I＝Qt，其中Q是在时间t内通过导体某一横截面上的_______.比值强弱程度电荷量电荷量4．单位：安培，符号__，其他单位：________、_________，1A＝___mA＝___μA.5．规定______________的方向为电流方向，它与_______________方向相反．沿着电流的方向电势逐渐降低，故沿着电流方向上的任意两点间都有______，这就是电路中的_____．思考：电流有流动方向是否为矢量呢？温馨提示：不是矢量，不符合矢量运算定则．A毫安(mA)微安(μA)103106正电荷定向移动负电荷定向移动电势差电压二、电流的微观表达式如图3－2－2所示，AD表示粗细均匀的一段导体，长为l，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为q.AD导体中的自由电荷总数：N＝___.总电荷量Q＝Nq＝_____.图3-2-2nlSnlSq所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间：t＝__.根据公式Q＝It可得：导体AD中的电流：I＝Qt＝nlSql/v＝_____.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、每个自由电荷的电荷量、定向移动速度的大小，还与导体的横截面积有关．两个公式的关系：I＝nqSv是由_____推导而来的，从微观角度阐述了决定电流强弱的因素，能够说明为什么不能说电流正比于电荷量，反比于时间的原因．nqSvlvI＝Qt三、电流传导速率和电子热运动的速率、定向移动速率的区别电子热运动的速率构成导体的电子在不停地做_________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电子定向移动速率电子定向移动的速率很小，一般为10－5m/s.自由电子在很大的无规则热运动上又叠加上了一个很小的_____移动电流传导速率等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c建立_____电场，电路中各处的自由电子几乎同时开始_____移动而形成了电流无规则热定向恒定定向四、欧姆定律1．内容：导体中的电流I跟导体两端的电压U成_____，跟导体的电阻R成_____．2．公式：I＝___.3．适用条件：欧姆定律对____________都适用，但是对气体电离后导电和晶体二极管不适用．4．公式：I＝Qt与I＝UR的比较I＝Qt是电流的定义，不反映I与Q成_____及I与t成_____的关系，同时电流也不是由Q和t所决定的．反比正比金属或电解液正比反比UR而I＝UR表示了电流与电压的_____关系和与电阻的_____关系．五、电阻1．电阻R反映导体对电流的阻碍作用，它等于导体两端的电压与通过导体的_________之比．2．公式：R＝____.3．单位：电阻的单位为_____________________________，其关系为：1kΩ＝___Ω，1MΩ＝___Ω.正比反比电流大小UI欧姆(Ω)或千欧(kΩ)或兆欧(MΩ)1031061．导体中电流I的表达式为I＝nqSv，其中S为导体的横截面积，n为导体每单位体积内的自由电荷数，q为每个自由电荷所带的电荷量，v是()A．导体运动的速率B．电流传导速率C．自由电荷定向移动的速率D．电子热运动速率基础自测解析：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，故选C.电荷的定向移动形成电流，这个定向移动的速率就是电流微观表达式I＝nqSv中的v.答案：C2．关于电流的概念，下列说法中正确的有()A．导体中有电荷运动就形成电流B．电流是一个矢量，其方向就是正电荷定向运动的方向C．在国际单位制中，电流是一个基本物理量，其单位安培是基本单位D．对于导体，只要其两端电势差为零，电流也必为零解析：导体中有大量的自由电子，总在不停地做无规则运动，没有定向运动，在一段时间t内，通过导体某一截面的电荷是双向的，其数值又是相等的，电流为零，故A错．电流是一个标量，因为其运算不符合矢量运算法则．为了便于研究电流，人们规定正电荷定向运动的方向为电流的正方向，以区别于负电荷的定向运动，故B错．在国际单位制中，共有七个基本量，电流便是其中之一，故C正确．对于导体，其两端电势差为零时，导体内无电场，电子不能定向运动，故电流为零，D正确．答案：CD3．某电解池中，若在2s内各有1.0×1019个2价正离子和2.0×1019个1价负离子通过某截面，那么通过这个截面的电流是()A．0B．0.8AC．1.6AD．3.2A解析：电荷的定向移动形成电流，但“＋”“－”电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和．由题意可知，电流由正、负离子定向运动形成，则在2s内通过截面的总电荷量应为：q＝1.6×10－19×2×1.0×1019C＋1.6×10－19×1×2.0×1019C＝6.4C．由电流的定义式知：I＝q/t＝(6.4/2)A＝3.2A.答案：D4．下列说法中错误的是()A．电流通过导体时，沿电流的方向电势逐渐降低B．由I＝UR可知，通过一段导体的电流与它两端的电压成正比C．由R＝UI可知，导体的电阻与电压成正比D．对一段确定的导体来说，UI的值不随U或I的改变而改变答案：AC5．如图3－2－3所示，一根截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，每米电荷量为q，当此棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时，由于棒运动而形成的等效电流大小为()A．vqB.qvC．qvSD.qvS图3-2-2答案：A（1）电荷的定向移动形成电流.形成电流需满足两个条件：①内因：要有能自由移动的电荷.金属导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，都是自由电荷.②外因：导体两端存在电压（电势差）.(2)导体中有电流时应区分三种速率：电流传导速率、无规则热运动速率、自由电荷定向移动速率.对电流的概念及电流形成的理解导体中的自由电荷在永不停息地做无规则的热运动，由于这种运动向各个方向的机会均等，所以不会出现电流，要使自由电荷定向移动而产生电流，就需要对电荷施加力的作用，这种力通常为电场力.当导体的两端有电势差（电压）时，就在导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动而形成电流.电源的作用就是维持导体两端的电压，从而使导体内部产生持久的电场，从而在导体中形成持续的电流.从场的观点理解形成电流的条件，可以清晰地看到宏观与微观世界的规律之间的联系.【例1】关于电流，以下说法正确的是()A．通过截面的电荷量的多少就是电流的大小B．电流的方向就是电荷定向移动的方向C．在导体中，只要自由电荷在运动，就一定会形成电流D．导体两端没有电压就不能形成电流解析：根据电流的概念，电流是单位时间内通过导体横截面的电荷量，可知A错．规定正电荷定向移动的方向为电流方向，可知B错．自由电荷持续的定向移动才会形成电流，C错，D对．故正确答案为D.答案：D【题后反思】由I＝qt可知电流在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电荷量，而电流的方向是规定正电荷定向移动的方向，导体中形成电流的条件是两端有电压．下列关于电流的说法中，正确的是()A．电路中的电流越大，表示通过导体横截面的电荷量越多B．在相同时间内，通过导体横截面的电荷量越多，导体中的电流就越大C．通电时间越长，电流越大D．导体中通过一定的电荷量所用时间越短，电流越大答案：BD利用电流I＝qt求解电解液中等效电流问题电解液导电与金属导体导电不同．金属导体中的自由电荷只有自由电子，而电解液中的自由电荷是正、负离子．在电解液中应用I＝qt计算时，q应是同一时间内正、负两种离子通过横截面的电荷量的绝对值之和．【例2】如图3－2－4所示的电解池接入电路后，在t秒内有n1个1价正离子通过溶液内截面S，有n2个1价负离子通过溶液内截面S，设e为元电荷，以下说法正确的是()A．当n1＝n2时，电流为零图3-2-4B．当n1n2时，电流方向从A→B，电流I＝n1－n2etC．当n1n2时，电流方向从B→A，电流I＝n2－n1etD．电流方向从A→B，电流I＝(n2＋n1)e/t解析：电荷的定向移动形成电流，金属导体中定向移动的是带负电的自由电子，这时电流的方向与自由电子定向移动方向相反．在电解液导电时，定向移动的电荷有正离子和负离子，它们同时向相反方向移动形成电流，所以电流应该是I＝n2＋n1et，电流方向按规定应是A→B，故正确答案为D.答案：D【题后反思】计算电流时，要注意通过截面的电荷量．(1)同种电荷，同向通过同一截面q＝q1＋q2.(2)同种电荷，反向通过同一截面q＝q1－q2.(3)异种电荷，同向通过同一截面q＝q1－q2.(4)异种电荷，反向通过同一截面q＝q1＋q2.计数器因射线照射，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个电子到达阳极，则计数器中的电流为()A．0B．2ne/tC．3ne/tD．4ne/t答案：B如图3－2－5所示，AD表示粗细均匀的一段导体l，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，则AD导体中自由电荷总数N＝nlS，总电荷量Q＝Nq＝nlSq，所有这些电荷都通过横截面电流的微观表达式图3-2-5为D所需要的时间：t＝lv，所以AD上的电流I＝Qt＝nlSqlv＝nqSv，由此可见，从微观上看，电流决定于导体中自由电荷的密度，电荷的电荷量以及定向移动速度，还与导体的横截面积有关．【例3】有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流强度为I，设每单位体积导线有n个自由电子，电子的电荷量为q，此时电子定向移动的速度为v，在Δt时间里，通过导线横截面的自由电子数目可表示为()A．nvSΔtB．nvΔtC．IΔt/qD．IΔt/Sq解析：此题考查对电流强度公式I＝Q/t的理解及电流强度的微观表达式I＝nqvS的理解．在Δt时间内，以速度v移动的电子在铜导线中经过的长度为vΔt，由于铜导线的横截面积为S，则在Δt时间内，电子经过的导线体积为vΔtS.又由于单位体积的导线有n个自由电子，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数目可表示为nvSΔt，故A正确．由于流经导线的电流为I，则在Δt时间内，流经导线的电荷量为IΔt，而电子的电荷量为q，则Δt时间内通过导线横截面的自由电子数目可表示为IΔt/q，故C也正确．答案：AC【题后反思】在理解电流的微观表达式时，一定要注意以下几个方面：①表达式中几个物理量的物理意义．②只有电子才能在金属导线中移动，而在电解液导电中则正负离子都可以移动．③电子移动的速率并不是通电的速率．如图3－2－6所示，将左边的铜导线和右边的铝导线连接起来，已知截面积S铝＝2S铜．在铜导线上取一截面A，在铝导线上取一截面B，若在1s内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过这两截面的电流的大小关系是()A．IA＝IBB．IA＝2IBC．IB＝2IAD．不能确定图3-2-6答案：A解析：这个题目中有很多干扰项，例如两个截面的面积不相等，导线的组成材料不同等等．但关键是通过两截面的电子数在单位时间内相等，根据I＝Qt可知电流强度相等．