2.1电源和电流(曾凡元)解析

第2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，导线中会产生一个瞬时电流。A、B之间有电势差A、B间电势差为零问题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。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。正极负极电源相当于抽水机问题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导体内的电场线保持和导线平行（阅读教材P41）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？1、由稳定分布的电荷产生稳定的电场称为恒定电场。自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。如果电路中串联一个电流表,电流表的读数保持恒定.2、大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。MNE问题6：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？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7：探究电流的微观表达式？析：取时间t,导体中取两个横截面B和CtQIBCSvtq导体中的电流的决定因素的电量为：内流过截面时间CtQnVq)(vtSnqtvtSnqnqSv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自由电荷定向运动速率应用举例例题: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。Svtm/s105.75AeSNMIv解得析：取时间t内,自由电子通过的两个横截面B和C，这段导线中原子数个数为ANMmn时间t内,通过截面C的电量neqtqI由电流的定义：BCANMvts)(ρ小结：电流的微观表达式tQISvt(1)单位体积有n个自由电荷QnVq)(vtSnq(2)每摩尔含有N个自由电荷QNqMmNqMvts)(ρ(3)单位长度含有n个自由电荷QnLq)(vtnq思路：构造物理模型，找出时间t内通过截面的电量问题：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？说明（1）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。这个速度叫电流的传导速度。（2）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。这个速度叫自由电荷定向移动的速度。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电场的传导速率3×108m/s.半径为R的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以线速度v沿逆时针匀速转动，则由环产生的等效电流方向沿什么方向？电流多大？等效电流问题例2【思路点拨】不管是否真的形成电流，假想成形成电流然后依据电流的定义式求得电流大小．【精讲精析】依据电流的定义式I＝qt.截取圆环的任一截面S，橡胶圆环运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量为Q，则：I＝QT又T＝2πω，I＝Qω2π，方向与正电荷移动方向相同即沿逆时针方向．【答案】见精讲精析【名师归纳】等效电流的形成可以是电荷转动通过某一截面，也可以是平动经过某一截面，根据电流的定义，只要电荷发生定向运动就可以看做产生了电流，而等效电流的计算要紧抓电荷定向运动方向上的一个截面，看时间t内通过这个截面的电荷量的数值q，由I＝qt可计算．变式训练2半径为R的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度ω匀速转动，则由环产生的等效电流应有()A．若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍，则电流也将变为原来的2倍B．若电荷量Q不变而使ω变为原来的2倍，则电流也将变为原来的2倍C．若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，电流将变大D．若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，电流将变小解析：选AB.截取圆环的任一截面S，如图所示，在橡胶圆环运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量为Q，则有：I＝qt＝QT，又T＝2πω，所以I＝Qω2π.由上式可知，选项A、B正确．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？A组能力训练题11．1mA=__________A，1μA=__________A。1×10-31×10-6A组能力训练题22．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。A组能力训练题33、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A组能力训练题44．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BCDA组能力训练题5（删去）5．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BDA组能力训练题66．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CA组能力训练题77．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BDm、kg、s、A、mol、T、cdA组能力训练题88．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ABDA组能力训练题99．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=1.0×1018BA组能力训练题1010．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=600sB组能力训练题11．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：B组能力训练题22．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：B组能力训练题33.若氢原子的核外电子绕核作半径为r的匀速圆周运动，则其角速度ω=__________；电子绕核的运动可等效为环形电流，则电子运动的等效电流I=__________。（已知电子的质量为m，电量为e，静电力恒量用k表示）电子绕核运动的向心力等于库仑力rmvrke222,2mrekv,mrkreω因此所求电流为,222mrkrπerπevTeI（2003年上海卷12）解：rmrke222B组能力训练题44．在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子（初速度大小不计，e=1.6×10-19C）在20kV的高压下被加速，并且形成1mA的平均电流。电子束的强弱受图像信号控制，并按一定的规律在荧光屏上扫描，形成电视画面。电视机以每秒25张画面的速率进行扫描，由于图面更换迅速和视觉暂留，使我们看到了连续活动的图像，问：电子轰击荧光屏时的动能为多大？平均每幅画面约有多少个电子打在屏上?解：J102.31020106.115319eUEk由动能定理Q=It=ne14193105.2106.125/110eItnB组能力训练题55．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