高中物理 第2章 第1節(jié) 電源和電流課件 新人教版選修31

教材分析 本章為電學(xué)的基礎(chǔ)知識，它是在初中學(xué)過的電學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進行加深和拓展，主要討論了電源的作用、電路的組成結(jié)構(gòu)、電流、電壓和功率的分配、電路中的能量轉(zhuǎn)化以及電路的簡單設(shè)計等全章綜合解說全章綜合解說 本章的重點是理解電動勢、路端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系，理解閉合電路歐姆定律的內(nèi)容和表達式，電路的分析和計算，理解測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法難點是負載對電源輸出功率的影響、電路的設(shè)計以及電阻測量等電學(xué)實驗(包括靈活應(yīng)用實驗的基本方法和技能解決實驗問題、電路的設(shè)計等) 本章內(nèi)容可分為三部分：第一部分以部分電路歐姆定律為中心，主要研究直流電路的基本參量、串并聯(lián)電路的規(guī)律、伏安法測電阻、電功和電熱等問題；第二部分以閉合電路的歐姆定律為中心，主要研究了電源的作用、閉合電路中功率的分配和能量轉(zhuǎn)化關(guān)系、電路的分析和計算等問題；第三部分以電流表、電壓表、滑動變阻器的使用為中心，結(jié)合學(xué)生實驗，研究了儀器的選擇和使用、數(shù)據(jù)的處理和誤差分析等問題 重點難點 本章重點：理解電動勢、路端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系，理解閉合電路歐姆定律的內(nèi)容和表達式，電路的分析和計算，理解測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法 本章難點：負載對電源輸出功率的影響、電路的設(shè)計以及電阻測量等電學(xué)實驗(包括靈活應(yīng)用實驗的基本方法和技能解決實驗問題、電路的設(shè)計等) 1在本章學(xué)習(xí)中要掌握分析解決問題的方法，比如動態(tài)分析法、等效法的應(yīng)用，模型的轉(zhuǎn)化，非電學(xué)量和電學(xué)量的轉(zhuǎn)化，以及極限法、賦值法的應(yīng)用技巧等 2還要注意用能量的觀點分析問題要從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度去分析和解決問題在純電阻電路中，電路消耗的電能只能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如果是非純電阻電路，電能大部分要轉(zhuǎn)化為機械能或化學(xué)能等另外功率問題、閉合電路歐姆定律的推導(dǎo)等都用到了能量守恒定律學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)學(xué)習(xí)方法指導(dǎo) 3對于有關(guān)的電學(xué)實驗，要從基本原理、基本方法入手，循序漸進，逐步掌握對于每個實驗，都要從實驗原理、實驗方法、實驗步驟、注意事項、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面去分析，還要注意重要儀器的使用方法和讀數(shù)規(guī)則等第1節(jié)電源和電流 1了解形成電流的條件，知道電源的作用和導(dǎo)體中的恒定電場初步體會動態(tài)平衡的思想 2理解電流的定義，知道電流的單位、電流的方向規(guī)定；理解恒定電流的特點 3經(jīng)歷金屬導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動速率的推導(dǎo)過程，從微觀的角度理解導(dǎo)體中電荷的定向移動與電流之間的關(guān)系要點一電源 1電源的定義 電源是不斷把負電荷從正極搬運到負極從而維持正負極之間存在一定電勢差的裝置。 2電源的作用 (1)從電荷移動角度看 電源的作用就是移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差，從而保持電路中有持續(xù)電流 電源在內(nèi)部能把電子從正極A搬運到負極B，如圖所示 (2)從能量轉(zhuǎn)化的角度看 搬運電荷的過程就是克服靜電力做功的過程，是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程 有電源不一定得到持續(xù)的電流，要得到持續(xù)的電流需要同時滿足兩個條件： (1)電路中有電源 (2)電路還必須是閉合的，即必須用導(dǎo)體將電源連接起來 所以只有電源，電路不閉合也不會有持續(xù)電流要點二恒定電場 1形成 導(dǎo)線中的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的合電場 2特點 導(dǎo)線內(nèi)的電場線和導(dǎo)線平行；電荷的分布是穩(wěn)定的；導(dǎo)線內(nèi)的電場是沿導(dǎo)線切線方向的穩(wěn)定電場 3恒定電場與靜電場的關(guān)系 在恒定電場中，任何位置的電場強度都不隨時間變化，其基本性質(zhì)與靜電場相同在靜電場中所學(xué)的電勢、電勢差及其與電場強度的關(guān)系，在恒定電場中同樣適用 (1)兩種電場的共性 它們都是物質(zhì)的一種客觀存在形式，都儲存著電能； 它們對處于其中的電荷都有靜電力的作用； 在這兩種電場中移動電荷時相應(yīng)的靜電力一般都要做功 (2)兩種電場的區(qū)別 導(dǎo)體中要建立穩(wěn)恒電流就必須將導(dǎo)體與電源相連接，形成一閉合的回路而靜電場的建立只需要有電荷存在； 靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場強為零，而在穩(wěn)恒電流條件下導(dǎo)體內(nèi)部場強不為零； 在一般情況下，靜電場的電場線并不是電荷運動的軌跡線，但是導(dǎo)體中恒定電場的電場線就是電荷運動的軌跡線 (1)產(chǎn)生恒定電流的電路中的電場是合電場(E)，它由兩部分組成：一是電源的電場(E0)；二是導(dǎo)線兩側(cè)的堆積電荷的電場(E) (2)恒定電流電路中的電場是穩(wěn)定電場，即電路中的電荷分布是穩(wěn)定的，但不是靜態(tài)的絕對穩(wěn)定，而是動態(tài)穩(wěn)定，就電路中任一微元來講，流走多少電荷，就補充等量的電荷，所以不能認為恒定電場是勻強電場要點三恒定電流 1電流 (1)電流的形成：電荷的定向移動形成電流 (2)產(chǎn)生電流的條件 內(nèi)因：存在自由電荷 外因：導(dǎo)體兩端存在電勢差 導(dǎo)體兩端存在電壓時，導(dǎo)體內(nèi)建立了電場，導(dǎo)體中的自由電荷在電場力作用下發(fā)生定向移動，形成電流 (3)電流的方向：人們規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向 在金屬導(dǎo)體中，電流的方向與自由電子的定向移動方向相反在電解液中，電流的方向與正離子定向移動方向相同，與負離子定向移動方向相反 電流是標(biāo)量 (4)電流的定義 定義：通過導(dǎo)體橫截面的電荷量q與通過這些電荷量所用時間t的比值 定義式：Iq/t. 單位：在國際單位制中，電流的單位是安培，符號是A，通常用的單位還有毫安、微安，1 A103 mA106 A (5)恒定電流：大小方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流 2電流的微觀表達式 (1)建立模型：如圖所示，AD表示粗細均勻的一段長為l的導(dǎo)體，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動的速率為v，設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q. 使用公式InqSv計算時，一定要注意以下幾點： (1)各個物理量都要用國際單位 (2)正確理解各符號的意義，特別是n表示導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，v表示自由電荷定向移動速度的大小 (3)若已知單位長度的自由電荷數(shù)為n，則電流的微觀表達式為Inqv. 3.導(dǎo)體內(nèi)三種速率的比較 電流微觀表達式為InqSv，其中v表示電荷定向移動的速率實際上電荷的運動存在三種速率，下面對電荷的三種速率進行區(qū)別.自由電荷定自由電荷定向移動速率向移動速率自由電荷定向移動形成電流，其中電荷定自由電荷定向移動形成電流，其中電荷定向移動的速率一般為向移動的速率一般為105 m/s的數(shù)量級的數(shù)量級無規(guī)則熱無規(guī)則熱運動速率運動速率導(dǎo)體中的自由電子在不停地做無規(guī)則運導(dǎo)體中的自由電子在不停地做無規(guī)則運動，由于沿各個方向無規(guī)則運動的機會相動，由于沿各個方向無規(guī)則運動的機會相等，故不能形成電流常溫下自由電子熱等，故不能形成電流常溫下自由電子熱運動的速率的數(shù)量級為運動的速率的數(shù)量級為105 m/s電場傳播速電場傳播速率率(或電流或電流傳導(dǎo)速率傳導(dǎo)速率)等于光速，閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處等于光速，閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處以真空中的光速以真空中的光速c形成恒定電場，在恒定形成恒定電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的自由電子幾電場的作用下，電路中各處的自由電子幾乎同時開始定向移動，整個電路也幾乎同乎同時開始定向移動，整個電路也幾乎同時形成了電流時形成了電流 由InqSv可以看出，同一段導(dǎo)體，橫截面積越大的位置，自由電荷定向移動的速率越小，如圖所示 (2014楊浦區(qū)一模)下列說法中正確的是() A電流的方向就是電荷移動的方向 B在直流電源的外電路上，電流的方向是從電源正極流向負極 C電流都是由電子的移動形成的 D電流是有方向的量，所以是矢量 題題 型型 1 1對電流的理解與辨析對電流的理解與辨析 【解析】正電荷移動的方向是電流的方向，負電荷移動的方向是電流的反方向，故A選項錯誤；在直流電源的外電路上，電流從電源的正極流向負極，內(nèi)電路從負極流向正極，故B選項正確；導(dǎo)體中自由電荷定向移動形成電流，不一定是電子，C選項錯誤；電流有方向但是標(biāo)量，D選項錯誤 【答案】B 【方法總結(jié)】 (1)導(dǎo)體內(nèi)電荷的無規(guī)則運動與電荷的定向移動不是一回事，導(dǎo)體兩端存在電勢差時，導(dǎo)體內(nèi)的電荷才會定向移動，但電荷的無規(guī)則運動是不需要條件的 (2)電流是描述電流強弱的物理量，它有方向但為標(biāo)量習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向 以下說法正確的是() A只要有可以自由移動的電荷，就能存在持續(xù)電流 B金屬導(dǎo)體內(nèi)的持續(xù)電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場作用下形成的 C電流的傳導(dǎo)速率就是導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向移動速率 D在金屬導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)自由電子定向移動時，它們的熱運動就消失了 變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練 1-1 解析：要有持續(xù)電流必須有持續(xù)的電壓，A不對；導(dǎo)體中形成電流的原因是導(dǎo)體兩端加上電壓，于是在導(dǎo)體內(nèi)形成了電場，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將在電場力作用下定向移動，形成電流，B正確；電流的傳導(dǎo)速度等于光速，電子定向移動的速率很小，C不對；在形成電流時電子定向移動，但是熱運動并沒有消失，其實電子仍然做無規(guī)則的熱運動，D不對 答案：B 如果導(dǎo)線中的電流為1 mA，那么1 s內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的自由電子數(shù)是多少？若“220 V60W”的白熾燈正常發(fā)光時的電流為273 mA，則20 s內(nèi)通過燈絲的橫截面的電子數(shù)目是多少個？ 【分析】根據(jù)公式qIt計算，注意單位的統(tǒng)一，記住每個電子所帶電荷量e1.61019 C 題題 型型 2 2 電流大小的計算方法電流大小的計算方法 【答案】6.2510153.41019 【方法總結(jié)】 (1)認真審題，明確導(dǎo)電的是什么粒子 (2)由題設(shè)條件求出時間t內(nèi)通過某一橫截面的電荷量q.注意若有正、負電荷同時通過某一橫截面時，那么在一段時間內(nèi)通過這一橫截面的電荷量等于正、負電荷電荷量的絕對值之和 (3)由定義式Iq/t求出電流大小 如圖所示，在1價離子的電解質(zhì)溶液內(nèi)插有兩根碳棒A和B作為電極，將它們接在直流電源上，于是溶液里就有電流通過若在t秒內(nèi)，通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)為n1，通過的負離子數(shù)為n2，設(shè)基本電荷為e，則以下說法中正確的是()變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練 2-1 答案：D題題 型型 3 3 電流的微觀計算方法電流的微觀計算方法 【答案】B 【方法總結(jié)】 理解InqSv各物理量的含義是解決此類問題的關(guān)鍵n為單位體積內(nèi)自由電荷的個數(shù)，v為導(dǎo)體中的自由電荷定向移動的速率，S為導(dǎo)體的橫截面積，q為每個自由電荷的電荷量 一根橫截面積為S的均勻長直橡膠棒上均勻帶有負電荷，每米電荷量為q，當(dāng)此棒沿軸線方向做速度為v的勻速直線運動時，由于棒運動而形成的等效電流大小為() AqvBq/v CqvSDqv/S變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練 3-1 答案：A 1關(guān)于電源的作用，下列說法正確的是() A電源的作用是為電路持續(xù)地提供自由電荷 B電源的作用是能直接釋放電能 C電源的作用就是保持導(dǎo)體兩端的電壓，使電路中有持續(xù)的電流 D電源的作用就是使自由電荷運動起來 解析：電源是提供能量的裝置，電源供電的過程就是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程，故A、B錯誤；電源能使導(dǎo)體兩端保持穩(wěn)定的電壓，從而使導(dǎo)體中保持持續(xù)的電流，故C正確，D錯誤 答案：C 2關(guān)于導(dǎo)體中形成恒定電流的恒定電場，下列說法中正確的是() A導(dǎo)體中的電場是由電源兩極電荷在空間直接形成的 B導(dǎo)體中的電場是導(dǎo)體內(nèi)自由電荷形成的 C由于處于靜電平衡狀態(tài)，導(dǎo)體內(nèi)場強為零 D導(dǎo)體中的電場分布不隨時間變化 解析：有恒定電流時，導(dǎo)體中的電場是由電源電場和導(dǎo)體側(cè)面堆積電荷形成的電場疊加而成的，故A、B錯導(dǎo)體內(nèi)電場不為零，不是靜電平衡狀態(tài)，故C錯導(dǎo)體中的電場是恒定電場，電荷分布不隨時間變化，故D正確 答案：D 3某一探測器因射線照射，內(nèi)部氣體電離，在時間t內(nèi)有n個二價正離子經(jīng)過某一截面，同時有2n個電子也經(jīng)過該截面，則探測器電路中的電流為() A0B2ne/t C3ne/tD4ne/t 答案：D 4某次閃電持續(xù)的時間為0.005 s，所形成的平均電流約為6104 A，若閃電過程中定向移動的電荷量以0.5 A的電流通過電燈，求可供燈照明的時間 答案：600 s解析：解析：閃電過程定向移動的電荷量閃電過程定向移動的電荷量qI1t1I2t2，解，解得：得：t2I1t1I2610451030.5 s600 s.