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1选修3-1第二章恒定电流§2.1电源和电流【学习目标】1，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、方向的规定3，了解金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程。【重点难点】重点：理解电源的形成过程及电流的产生。难点：电源作用的道理，区分电子定向移动的速率和在导线中建立电场的速率这两个不同的概念。【预习】：1．电源（1）.电流的形成：导体中的_____________在静电力作用下发生________移动形成电流。（2）.电源的作用：a.维持电路两端有一定的____________b.在闭合电路中，使导线中的自由电子发生_________从而形成______的电流。2．恒定电场（1）定义：由稳定分布的__________所产生的稳定的电场（2）形成：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，其场强沿______________的方向，虽然这些电荷在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布不随时间变化3．恒定电流（1）恒定电流：大小和方向都______________的电流（2）电流a.物理意义：表示电流的强弱的物理量b.定义：通过导体横截面的_____________和______________________的比值。c.表达式：I=__________________d.产生稳定电流的条件：（1）导体中有自由移动的电荷。（2）导体两端有电压。【展示】：1．电流：电荷的形成电流，I=Q/T，适用于任何电荷的定向移动形成的电流。在电解液导电时，是正、负离子向相反方向定向移动形成电流，在用公式I＝q/t计算电流强度时q为正、负电荷电量的代数和。电流的微观表达式：I=nqvS电流的定义：通过导体横截面的电量跟所用时间的比值叫电流，表达式I=q/t。电流的单位：安（A），1A＝1C/s，常用单位还有毫安（mA）、微安(μA)，1A=103mA=106μA。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之一。22、电流的方向性：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，负电荷定向运动方向与电流方向相反。3、导线中的电场分布错误类型：（1）认为也是静电平衡，内部合场强为0；（2）认为导线内电场仅由正、负极产生，与导线上堆积电荷无关。4、对恒定电场的认识：.恒定电场：导线内的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管导线中的电荷在运动，但有的流走，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也不会随时间变化。这种由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称为恒定电场。5、将导线内自由电荷定向移动速率与电场传播速率等同。6．恒定电流：大小和方向都不随时间变化的电流。7．电流的微观表达式：I=nqvS。其中，n是导体每单位体积内的自由电荷数，q是每个自由电荷的电量，v是导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率，S是导体的横截面积。推导过程如下：如图12－1－1所示，在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取截面B和C，设导体的截面积为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。由于I=q/t可得：I=qnSvt/t=nqvS【点拨】：教学易错点1、导线中的电场分布错误类型：（1）认为也是静电平衡，内部合场强为0；（2）认为导线内电场仅由正、负极产生，与导线上堆积电荷无关。2、对恒定电场的认识错误类型：（1）电场分布稳定与匀强电场混淆；（2）恒定电场中电荷相对位置不变，不能很好理解动态平衡；3、将导线内自由电荷定向移动速率与电场传播速率等同。[典例精析]例1某电解池中，若在2s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通3过某截面，那么通过这个截面的电流是()．A．OB．0.8AC．1.6AD．3.2A解析：电荷的定向移动形成电流，但“+”“一”电荷同时向相反方向定向移动时，通过某截面的电量应是两者绝对值的和。故由题意可知，电流由正、负离子定向运动形成，则在2s内通过截面的总电量应为：q=1.6×10-19×2×1.0×1019C+1.6×10-19×1×2.0×1019C=6.4C。根据电流的定义式得：I=q/t=6.4/2=3.2A拓展：电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电量，而正电荷的定向移动形成电流与负电荷定向移动形成电流是等效的。只不过负电荷定向移动形成电流的方向与负电荷定向移动的方向相反而已。例2电子的绕核运动可等效为环形电流。若氢原子中的电子以速率v在半径为r的轨道上运动，用e表示电子的电荷量，则其等效电流等于多少？解析：假想电子绕核运动的轨迹就是一个环形导体，在运动的轨迹上任取一截面，则在一个周期内只有一个电子通过这个截面，由于电子电荷量题目已经给出，只要求出电子运动的周期，就可以根据电流的定义求解。根据圆周运动的知识可知，电子运动的周期为T=2πr/v,因此所求电流为I=e/T=ev/2πr.拓展：本题用到前面所学有关圆周运动的基本知识，还用到一种等效的思维方法。由于没有直观经验，对于不少学生来说，采用这个思维方法是有一定难度的，因此本题作为一种类型，希望学生通过练习积累这种解题思路，在今后解决类似问题时可以采用相近的思维方法。例如：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”）。[答案：1.6×10-9，逆时针]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/se解析：因为I=q/Δt，所以q=I·Δt自由电子数目为：N=q/e=IΔt/e，则选项C正确。又因为电流强度的微观表达式为I=nev·s，所以自由电子数目为N=q/e=IΔt/e=nevsΔt/e=nvsΔt则选项A正确。拓展：本题主要考查电流强度的定义式和微观表达式的应用计算。求解此题的关键是对电流的本质要有深刻的认识，依据电流强度的宏观和微观表达式，灵活运用解题。【训练】1．（单选）关于导线中的电场，下列说法中正确的是（）A．导线中的电场可以与导线相交B．导线内的电场E是由电源电场和导线侧面堆积电荷形成的电场叠加的结果C．导线侧面堆积电荷分布是稳定的，故导线处于静电平衡状态D．导线中的电场是静电场的一种2．（单选）对于金属导体，还必须满足下列哪一个条件，才能在导体中产生恒定的电流（）A．有可以自由移动的电荷；B．导体两端有电压；4C．导体两端有方向不变的电压；D．导体两端有方向不变，且大小恒定的电压。3．.在某次闪电中，持续时间为0.05s，所形成的平均电流为6×104A,若闪电过程中流过某横截面的电荷以0.5A的电流通过电灯，可供电灯照明的时间为多少？4．一根长为L=2m，横截面积S=1×10-3m2的铜棒两端电势差为U=5.44×10-2V，铜棒中的电流I=2.72×103A,铜内自由电子的密度为n=8.5×1029m-3,求：（1）铜棒内的电场强度；（2）自由电子定向移动的速率。5．关于电流的方向，下列说法正确的是（C）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6．关于电流的说法正确的是（BD）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．电流强度是一个标量，其方向是没有意义的D．电流强度的单位“安培”是国际单位制中的基本单位7．以下对导体中的电场理解正确的是（ABD）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8．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（B）A．1.0×1017B．1.0×1018C．1.0×1019D．1.0×10209．在某次闪电中，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。6×10310.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1位小数)ρNAS/M，2×10235§2.2电动势【学习目标】1，知道电源是将其它形式的能转化为电能的装置。2，了解静电力与非静电力做功与能量转化的关系3，了解电源电动势的基本含义，知道它的定义式【重点难点】：教学重点1、知道内、外电路中自由点荷定向移动的原因，从而理解静电力做功与非静电力的存在；2、从非静电力做功角度理解电动势的概念。教学难点1、对电动势的理解；2、电路中的能量转化。【预习】：1．非静电力（1）定义：非静电力是指电源把正电荷（负电荷）从负极（正极）搬运到正极（负极）的过程中做功的力，这种非静电力做的功，使电荷的电势能_________.（2）在电池中，非静电力是___________作用，它使____________能转化为________能；在发电机中，非静电力的作用是__________作用，它使_________转化为______能。2．电源（1）定义：通过非静电力做功把其它形式的能转化为__________的装置。（2）特点：不同的电源，两极间的电压不同，这是由____________决定的3．电动势（1）物理意义：反映电源把__________转化为________本领的物理量（2）大小：在数值上等于非静电力把1C的___________在电源内部从负极移送到正极所做的功。即E=____________.(3)大小决定因数：由电源中__________的特性决定，跟电源的体积及外电路无关。4．电源的内阻：电源__________的电阻。【展示】：1．电源：从能的转化角度来看，电源是通过非静电力做功把其它形式能转化为电势能的装置。2．电源的电动势：各种电源把其它形式的能转化为电势能的本领是不同的，这种本领可用电源电动势来描述，电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移到正极所做的功。3．电源电动势的定义式：如果移送电荷q时静电力所做的功为W，那么电动势E表示为E＝W/q。式中W、q的单位是焦耳（J）、库仑（C）；电动势E的单位是伏特（V）。对某个电源来说W/q是个定值（流过电量kq，电源提供电能kW），对不同的电源来说，流过相同的电量时，电源提供的电势能越多（即W/q越大），则电源转化能的本领大，6也就是电源电动势大。一节干电池的电动势为1.5V，其物理意义是电路中流过电量为1C时，干电池将化学能转化为电势能的量是1.5J.4．电源电动势的大小等于没有接入电路时两极间的电压。电动势的大小可以用内阻极大的伏特表粗略测出。5．电动势的符号是E，国际单位是伏特；是一个标量，但有方向，在电源内部由负极指向正极。6．电源内阻：电源内部也是由导体组成的，所以也有电阻，这个电阻叫电源内阻。对同一种电池来说，体积越大，电池的容量越大，其内阻越小。电池的内阻在使用过程中变化很大。[点拨]教学易错点1、电动势（1）认为电动势就是电压、电势差，反映了静电力做功本领；（2）电动势与电池容量相混淆。2、影响电源的内阻及电动势因素错误类型：1、认为电池体积越大，电动势越大；2、电池体积越大，内阻越大。[范例精析]例1：有一电流表零刻度在表