1、第十一章第十一章 电路及其应用电路及其应用 学学 习习 目目 标标 1.通过闪电和手电筒中小灯泡的发光时间对比通过闪电和手电筒中小灯泡的发光时间对比,知道电源的作用知道电源的作用; 会解释电路中电荷为什么定向移动会解释电路中电荷为什么定向移动,知道产生持续电流的条件知道产生持续电流的条件; 理解电池容量的含义理解电池容量的含义,会根据电池的相关参数分析问题会根据电池的相关参数分析问题. 2.通过分析基本电路周围空间电场的形成引入恒定电场、恒定通过分析基本电路周围空间电场的形成引入恒定电场、恒定 电流的概念电流的概念;理解并会用公式理解并会用公式I= 分析相关问题 分析相关问题,会判断电流的方会
2、判断电流的方 向向. 3.通过理论推导通过理论推导,知道电流的微观表达式知道电流的微观表达式,能从微观角度认识影响能从微观角度认识影响 电流大小的因素电流大小的因素;能区别自由电子的定向移动速率和建立电场能区别自由电子的定向移动速率和建立电场 的速率的速率.培养建模能力、应用物理知识解决实际问题的能力培养建模能力、应用物理知识解决实际问题的能力. 1 电源和电流电源和电流 知识点一知识点一 电源电源 答案答案:导线中的自由电子和导体导线中的自由电子和导体B上的电子流向导体上的电子流向导体A. 1.如图所示如图所示,A、B两个导体分别带正、负电荷两个导体分别带正、负电荷.如果在它们如果在它们 之
3、间连接一条导线之间连接一条导线H,回答下列问题回答下列问题. (1)用导线连接后用导线连接后,电荷怎样移动电荷怎样移动? (2)用导线连接后会有电流用导线连接后会有电流,为什么电流只是短暂的为什么电流只是短暂的? 答案答案:因为电荷的定向移动因为电荷的定向移动,B失去电子失去电子,A得到电子得到电子,A、B 之间的电势差很快消失之间的电势差很快消失,两导体成为一个等势体两导体成为一个等势体,达到静电达到静电 平衡平衡,所以导线中的电流只是短暂的所以导线中的电流只是短暂的. 2.若在若在A、B之间加一个装置之间加一个装置P,如图所示如图所示,该装置能在该装置能在B失失 去电子的过程中去电子的过程
4、中,不断地从不断地从A取走电子补充给取走电子补充给B,使使A、B始始 终带一定数量的正、负电荷终带一定数量的正、负电荷. (1)导线导线H上的电流如何上的电流如何? 答案答案:由于由于A、B之间始终存在电势差之间始终存在电势差,导线导线H内存在持续的内存在持续的 电流电流. (2)图中装置图中装置P是什么是什么?它具有什么作用它具有什么作用? 答案答案:装置装置P称为电源称为电源,A为电源的正极为电源的正极,B为电源的负极为电源的负极.电源电源 的作用就是把负电荷在电源内部由负极搬运到正极的作用就是把负电荷在电源内部由负极搬运到正极,维持电维持电 源正极和负极之间的电势差源正极和负极之间的电势
5、差,从而使电路中有持续电流从而使电路中有持续电流. 3.如图所示如图所示,电闪雷鸣时电闪雷鸣时,强大的电流使天空发出耀眼的强大的电流使天空发出耀眼的 闪光闪光,但它是短暂的但它是短暂的,而手电筒中的小灯泡却能持续发光而手电筒中的小灯泡却能持续发光, 这是为什么这是为什么? 答案答案:因为手电筒电路中有电源因为手电筒电路中有电源,电源能提供持续的电流电源能提供持续的电流, 所以小灯泡能持续发光所以小灯泡能持续发光;而发生在云层间的闪电而发生在云层间的闪电,没有电没有电 源源,不能形成持续的电流不能形成持续的电流. 知识点二知识点二 恒定电流恒定电流 1.恒定电场是如何产生的恒定电场是如何产生的?
6、它的特点是什么它的特点是什么? 答案答案:恒定电场是由稳定分布的电荷产生的恒定电场是由稳定分布的电荷产生的,它的特点是任何它的特点是任何 位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化,其基本性质与其基本性质与 静电场相同静电场相同. 2.如图所示如图所示,导体中的自由电荷能够定向移动导体中的自由电荷能够定向移动 形成电流形成电流,其定向移动的原因是什么其定向移动的原因是什么?为什么为什么 其平均速率不会发生变化其平均速率不会发生变化? 答案答案:自由电荷在恒定电场的作用下做定向运动自由电荷在恒定电场的作用下做定向运动,但在运动但在运动 过程中与导体内不动的粒子不
7、断碰撞过程中与导体内不动的粒子不断碰撞,碰撞的结果是大量碰撞的结果是大量 自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化. 3.恒定电流恒定电流:大小、都不随时间变化的电流叫作恒定电流大小、都不随时间变化的电流叫作恒定电流. 4.电流电流. (1)物理意义物理意义:表示电流的表示电流的. (2)大小大小:通过导体横截面的与所用的比值通过导体横截面的与所用的比值. (3)公式公式:I= . (4)单位单位:在国际单位制中在国际单位制中,电流的单位是电流的单位是,简称简称,符号是符号是A.常用的常用的 电 流 单 位 还 有电 流 单 位 还 有 ( m A ) 、
8、( A ) ; 它 们 的 关 系 是它 们 的 关 系 是 1 A=mA=A. (5)方向方向:规定定向移动的方向为电流方向规定定向移动的方向为电流方向. 方向方向 强弱强弱 电荷量电荷量 时间时间 安培安培 安安 毫安毫安 微安微安 103 106 正电荷正电荷 小试身手小试身手 判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流( (正确的打“正确的打“”, ,错误错误 的打“的打“”).”). 1.必须有电源必须有电源,自由电荷才能在电路中移动自由电荷才能在电路中移动.( ) 2.导体内没有电流导体内没有电流,就说明导体内部的电荷没有运动就说明导体内部的电荷没有运动.( )
9、3.恒定电场形成后电路中的电荷不再发生移动恒定电场形成后电路中的电荷不再发生移动.( ) 4.电荷移动的方向就是电流的方向电荷移动的方向就是电流的方向.( ) 5.因为电流既有大小又有方向因为电流既有大小又有方向,所以电流是矢量所以电流是矢量.( ) 6.单位时间内通过导体横截面的电荷量越大单位时间内通过导体横截面的电荷量越大,电流就越大电流就越大. ( ) 探究探究一一 电流的理解和计算电流的理解和计算 问题情境问题情境 如图所示如图所示,在装有导电液体的细管中在装有导电液体的细管中,正、负两种电荷向相反正、负两种电荷向相反 的方向运动的方向运动,在时间在时间t内通过细管某截面的正电荷的电荷
10、量为内通过细管某截面的正电荷的电荷量为 q1,通过此截面的负电荷的电荷量绝对值为通过此截面的负电荷的电荷量绝对值为q2. 1.如何确定导电液体中电流的方向如何确定导电液体中电流的方向? 答案答案:物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流的方向物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流的方向.负负 电荷定向移动的方向与电流的方向相反电荷定向移动的方向与电流的方向相反.由图可知由图可知,正电荷定正电荷定 向移动所形成的电流方向向右向移动所形成的电流方向向右,负电荷定向移动所形成的电负电荷定向移动所形成的电 流方向也向右流方向也向右,故导电液体中电流方向为由左向右故导电液体中电流方向为由左向右. 2.怎样
11、计算导电液体中电流的大小怎样计算导电液体中电流的大小? 答案答案:正电荷定向移动所形成的电流正电荷定向移动所形成的电流I1= ,负电荷定向移动所负电荷定向移动所 形成的电流形成的电流I2= ;由于正、负电荷所形成的电流方向相同由于正、负电荷所形成的电流方向相同, 导电液体中的电流导电液体中的电流I=I1+I2=+ . 3.归纳总结形成持续电流的条件归纳总结形成持续电流的条件. 答案答案:导体内有自由移动的电荷导体内有自由移动的电荷;导体两端有稳定的电势差导体两端有稳定的电势差. 4.如图所示如图所示,某手机电池上的文字标明该电池容量为某手机电池上的文字标明该电池容量为 1 600 mA h,请
12、分析电池的容量指的是什么请分析电池的容量指的是什么?为什么用手机为什么用手机 播放视频后播放视频后,手机可以使用的时间比待机时间短手机可以使用的时间比待机时间短?给锂电池给锂电池 充电时充电时,带正电的锂离子向哪个方向移动带正电的锂离子向哪个方向移动?静电力做正功还静电力做正功还 是做负功是做负功?能量如何转化能量如何转化? 答案答案:电池的容量指电池放电过程中能输出的总电荷量电池的容量指电池放电过程中能输出的总电荷量,即即 q=It=1.63 600 C=5 760 C.电池容量一定电池容量一定,手机待机时的手机待机时的 放电电流小于使用手机播放视频时的放电电流放电电流小于使用手机播放视频时
13、的放电电流,所以用手所以用手 机播放视频后机播放视频后,手机可以使用的时间比待机时间短手机可以使用的时间比待机时间短.充电时充电时, 带正电的锂离子从正极向负极运动带正电的锂离子从正极向负极运动,静电做正功静电做正功,电能转化电能转化 为化学能为化学能. 过程建构过程建构 1.电源的作用电源的作用. 移送电荷移送电荷,维持电源正、负极之间的稳定的电势差维持电源正、负极之间的稳定的电势差,使电使电 路中有持续电流路中有持续电流,将其他形式的能转化为电能将其他形式的能转化为电能. 2.电流的理解电流的理解. (1)形成持续电流的条件形成持续电流的条件:导体内有自由移动的电荷导体内有自由移动的电荷;
14、导体导体 两端有稳定的电势差两端有稳定的电势差. (2)电流虽然有方向电流虽然有方向,但电流的运算不遵循矢量运算法则但电流的运算不遵循矢量运算法则, 遵循代数运算法则遵循代数运算法则,所以电流是标量所以电流是标量. 【典例【典例1】如图所示】如图所示,电解池内的电解液中有电解池内的电解液中有 一价正离子和一价负离子一价正离子和一价负离子,t时间内通过溶液时间内通过溶液 内面积为内面积为S的截面的正离子数是的截面的正离子数是n1,负离子数负离子数 是是n2,元电荷为元电荷为e,下列说法正确的是下列说法正确的是( ) A.当当n1=n2时时,电流为电流为0 B.当当n1n2时时,电流方向从电流方向
15、从AB,电流为电流为I=() C.当当n1n2时时,电流方向从电流方向从BA,电流为电流为I=() D.溶液内电流方向从溶液内电流方向从AB,电流为电流为I=(+) 解析解析:正离子定向移动的方向就是电流方向正离子定向移动的方向就是电流方向,负离子定负离子定 向移动的反方向也是电流方向向移动的反方向也是电流方向,所以电流方向从所以电流方向从AB, 与正、负离子的数量无关与正、负离子的数量无关;正、负离子沿相反方向经过正、负离子沿相反方向经过 同一截面时同一截面时,公式公式I= 中的 中的q应是正、负离子电荷量绝对应是正、负离子电荷量绝对 值之和值之和,故故I=(+) ,选项选项D正确正确. 答
16、案答案:D 【典例【典例2】北京正负电子对撞机的储存环是周长为】北京正负电子对撞机的储存环是周长为240 m 的近似圆形轨道的近似圆形轨道.当环中电子以光速的当环中电子以光速的 流动而形成 流动而形成10 mA 的电流时的电流时,求在整个环中运行的电子数目求在整个环中运行的电子数目.已知光速已知光速c=3 108m/s,元电荷元电荷e=1.610-19 C. 学会审题学会审题 解析解析:电子运动一周所需要的时间电子运动一周所需要的时间 t= s=8 10-6 s, 在圆形轨道上任取一横截面在圆形轨道上任取一横截面,则在则在t时间内通过该横截面时间内通过该横截面 的电荷量为的电荷量为q=It=8
17、10-8 C, 环中运行的电子数环中运行的电子数n= =5 1011. 答案答案:51011 探究探究二二 电流的微观表达式电流的微观表达式 问题情境问题情境 如图所示如图所示,AD表示粗细均匀的一段长为表示粗细均匀的一段长为l的导体的导体,导体两端加一导体两端加一 定的电压定的电压,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v,设导设导 体的横截面积为体的横截面积为S,导体单位体积内的自由电荷数为导体单位体积内的自由电荷数为n,每个自每个自 由电荷的电荷量为由电荷的电荷量为q. 答案答案:导体导体AD中的自由电荷总数中的自由电荷总数N=nlS.总电荷量总电荷
18、量Q=Nq=nlSq. 1.导体导体AD中有多少个自由电荷中有多少个自由电荷?总电荷量是多少总电荷量是多少? 2.这些电荷全部通过横截面这些电荷全部通过横截面D所需的时间是多少所需的时间是多少? 答案答案:这些电荷全部通过横截面这些电荷全部通过横截面D所需要的时间所需要的时间 t= . 3.导体导体AD中的电流是多大中的电流是多大? 答案答案:根据电流公式可得导体根据电流公式可得导体AD中的电流中的电流I= = =nqSv. 4.若把“单位体积内的自由电荷数为若把“单位体积内的自由电荷数为n”改为“单位长度”改为“单位长度 内的自由电荷数为内的自由电荷数为n”,其他条件不变其他条件不变,试推导
19、导体试推导导体AD中的中的 电流表达式电流表达式. 答案答案:I= = =nqv. 过程建构过程建构 1.对电流微观表达式对电流微观表达式I=nqSv的理解的理解. I=nqSv是电流的决定式是电流的决定式,从微观上看从微观上看,电流取决于导体中单电流取决于导体中单 位体积内的自由电荷数位体积内的自由电荷数n、每个自由电荷的电荷量、每个自由电荷的电荷量q、电、电 荷定向移动的速率荷定向移动的速率v和导体的横截面积和导体的横截面积S. 2.导体内三种速率的比较导体内三种速率的比较. 比较项比较项 电子定向移动的速率电子定向移动的速率 电子热运动的速率电子热运动的速率 电流传导的速率电流传导的速率
20、 物理物理 意义意义 电流就是由电荷的定电流就是由电荷的定 向移动形成的向移动形成的,电流电流 I=nqSv,其中其中v就是自就是自 由电荷定向移动的速由电荷定向移动的速 率率 导体中的电子在不停导体中的电子在不停 地做无规则运动地做无规则运动,电子电子 向各个方向运动的机向各个方向运动的机 会相等会相等,电子的热运动电子的热运动 不能形成电流不能形成电流 等于光速等于光速,闭合开关的瞬闭合开关的瞬 间间,电路中各个位置以光电路中各个位置以光 速建立电场速建立电场,电路中各处电路中各处 的自由电子几乎同时开始的自由电子几乎同时开始 做定向移动做定向移动,整个电路也整个电路也 就几乎同时形成了电
21、流就几乎同时形成了电流 大小大小 约约10-4 m/s 约约105 m/s 3108 m/s 【典例【典例3】下图为一根粗细均匀的橡胶棒】下图为一根粗细均匀的橡胶棒,其横截面积为其横截面积为S. 由于与毛皮发生摩擦由于与毛皮发生摩擦,橡胶棒表面均匀带负电荷橡胶棒表面均匀带负电荷,若已知该若已知该 橡胶棒单位长度上的电荷量为橡胶棒单位长度上的电荷量为q,则当该棒沿轴线方向做速则当该棒沿轴线方向做速 度为度为v的匀速直线运动时的匀速直线运动时,形成的等效电流为形成的等效电流为( ) A.qv B. C.qvS D. 解析解析:橡胶棒沿轴线方向以速度橡胶棒沿轴线方向以速度v做匀速直线运动时做匀速直线
22、运动时,t内通内通 过的距离为过的距离为vt,t内通过某横截面的电荷量内通过某横截面的电荷量Q=qvt,等效电等效电 流流 I= =qv,选项 选项A正确正确. 答案答案:A 【典例【典例4】导线中的电流是】导线中的电流是10-8 A,导线的横截面积为导线的横截面积为1 mm2. (1)在在1 s内内,有多少个电子通过导线的横截面有多少个电子通过导线的横截面?已知元电荷已知元电荷e= 1.610-19 C. (2)设导体每立方米内有设导体每立方米内有8.51028个自由电子个自由电子,则自由电子定则自由电子定 向移动的平均速率是多大向移动的平均速率是多大? 解析解析:(1)N= = =6.25
23、1010 . (2)由公式由公式I=neSv得得v= =7.4 10-13 m/s. 答案答案:(1)6.251010 (2)7.410-13 m/s 使用公式使用公式I I= =nqSvnqSv时应注意的几点时应注意的几点 (1)各个物理量都要用国际单位各个物理量都要用国际单位. (2)正确理解各符号的意义正确理解各符号的意义,n表示导体单位体积内的自表示导体单位体积内的自 由电荷数由电荷数,v表示自由电荷定向移动的速率表示自由电荷定向移动的速率. (3)若已知单位长度的导体中的自由电荷数为若已知单位长度的导体中的自由电荷数为n,则电流则电流 的微观表达式为的微观表达式为I=nqv. 课堂评
24、价课堂评价 答案答案:B 1.下列关于电源的说法正确的是下列关于电源的说法正确的是 ( ) A.电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正 极极,从而保持两极之间稳定的电势差从而保持两极之间稳定的电势差 B.电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负 极极,从而保持两极之间稳定的电势差从而保持两极之间稳定的电势差 C.只要电路中有电源只要电路中有电源,电路中就一定有电流电路中就一定有电流 D.电源实质上也是一个用电器电源实质上也是一个用电器,也需要外界提供能量也需要外界提供能量 答案答案
25、:C 2.电路中有一电阻电路中有一电阻,通过该电阻的电流为通过该电阻的电流为5 A,通电通电 5 min,通通 过电阻横截面的电子数为过电阻横截面的电子数为 ( ) A.1 500 B.9.3751019 C.9.3751021 D.9.3751020 3.某电解池某电解池,如果在如果在1 s内共有内共有51018个二价正离子和个二价正离子和 11019 个一价负离子通过面积为个一价负离子通过面积为0.1 m2的某截面的某截面,那那 么通过这个截面的电流是么通过这个截面的电流是 ( ) A.0 B.0.8 A C.1.6 A D.3.2 A 答案答案:D 4.有一条长为有一条长为l,横截面积为
26、横截面积为S的银导线的银导线,银的密度为银的密度为,银的银的 摩尔质量为摩尔质量为M,阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数为NA,若导线中每个银原若导线中每个银原 子贡献一个自由电子子贡献一个自由电子,电子电荷量为电子电荷量为e,定向移动的速率为定向移动的速率为 v,通过导线的电流为通过导线的电流为 ( ) A.I= B.I= C.I= D.I= 答案答案:C 5.已知在已知在t=40 s内通过导线某一横截面的电子数内通过导线某一横截面的电子数n=4.0 1020,元电荷元电荷e=1.610-19 C,求通过该导线的电流求通过该导线的电流I. 解析解析:在时间在时间t内内,通过该导线某一横截面的电荷量为通过该导线某一横截面的电荷量为q=ne, 根据电流公式根据电流公式I= ,解得 解得I= =1.6 A. 答案答案:1.6 A
