高中物理選修1-1《電流和電源》教案
教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
教學(xué)目標(biāo)】
1. 知道電源在直流電路中的作用
2.知道恒定電流的定義、單位
3.從微觀角度理解導(dǎo)體中電荷定向移動與電流之間的關(guān)系。
教學(xué)重難點(diǎn)
重點(diǎn)：電流的概念
難點(diǎn)：從微觀角度理解導(dǎo)體中電荷定向移動與電流之間的關(guān)系。
教學(xué)過程
【自主預(yù)習(xí)】
1.電源
觀察教材圖2.1-1，A、B分別帶正負(fù)電荷，如果在它們之間連接一條導(dǎo)線R，導(dǎo)線R自由電子會在靜電力的作用下定向移動(電流)，電子移動方向?yàn)?(填A(yù)→B或B→A)，若要保持持續(xù)的定向移動(電流)，A、B需有一個裝置，使A、B周圍的空間始終存在一定的電場，能使A、B間維持一定的電勢差的裝置稱為 。
2.恒定電場
導(dǎo)線內(nèi)的電場是由 、 等電路元件所積累的電荷共同形成的，電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也不會 。
由 的電荷所產(chǎn)生的 的電場，稱為恒定電場，
3.恒定電流
由于 的作用，導(dǎo)體中自由電荷定向運(yùn)動的速率 ，而運(yùn)動過程中會與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子 從而減速，總體來說自由電荷定向運(yùn)動的 不隨時間變化。把 、 都不隨時間 的電流稱為恒定電流。
I表示電流，q表示在時間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，它們間的關(guān)系式為:_______。電流的單位為 ，簡稱 ，符號是 ，常用的電流單位還有 和 。
【典型例題】
一、形成電流的條件
【例1】如圖驗(yàn)電器A帶負(fù)電，驗(yàn)電器B不帶電，用導(dǎo)體棒連接A、B的瞬間，下列敘述中錯誤的是( )
A、有瞬時電流形成，方向由A到B
B、A、B兩端的電勢不相等
C、導(dǎo)體棒內(nèi)的電場強(qiáng)度不等于零
D、導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷受電場力作用做定向移動
一、電流的定義
【例2】 已知電子的電荷量為e，質(zhì)量為m，氫原子的核外電子在原子核的靜電力吸引下做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動，則電子運(yùn)動形成的等效電流大小為多少?
二、電流的微觀表達(dá)式
【例3】 有一橫截面積為S的銅導(dǎo)線，流經(jīng)其中的電流強(qiáng)度為I，設(shè)每單位體積導(dǎo)線有n個自由電子，電子的電荷量為q，此時電子定向移動的速度為v，在Δt時間里，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為( )
A.nvSΔt B.nvΔt
C.IΔt/q D.IΔt/Sq
【例4】如圖所示的電解槽中，如果在4s內(nèi)各有8c的正、負(fù)電荷通過面積為0.8㎡的橫截面AB，那么⑴在圖中標(biāo)出正、負(fù)離子定向移動的方向;
⑵電解槽中的電流方向如何?
⑶4s內(nèi)通過橫截面AB的電量為多少?
⑷電解槽中的電流為多大?
【課后練習(xí)】
1.形成持續(xù)電流的條件是( )
A.只要有電壓加在物體的兩端
B.必須保持導(dǎo)體兩端有電壓
C.只在導(dǎo)體兩端瞬時加電壓
D.只要有大量的自由電荷
2.在由電源、導(dǎo)線等電路元件所形成的電路中，以下說法正確的是 ( )
A.導(dǎo)線中的電場強(qiáng)度處處為零
B.導(dǎo)線中的電場強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向平行
C.導(dǎo)線內(nèi)各點(diǎn)的電勢相等
D.導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢逐漸降低
3.以下說法正確的是( )
A.導(dǎo)體中的電流是正電荷的定向移動形成的
B.電荷定向移動的速率等于電流的傳導(dǎo)速率
C.單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷數(shù)越多電流越大
D.導(dǎo)體中越粗的地方單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷數(shù)越多電流越大
4.某電解池，如果在1s內(nèi)共有5×1018個二價正離子和1×1019個一價負(fù)離子通過面積為0.1m2的某截面，那么通過這個截面的電流是( )
A.0 B.0.8A C.1.6A D.3.2A
5.導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式為I=nqSv，其中S為導(dǎo)體的橫截面積，n為導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個自由電荷所帶的電荷量，v是( )
A.導(dǎo)體運(yùn)動的速率
B.電流傳導(dǎo)速率
C.自由電荷定向移動的速率
D.電子熱運(yùn)動速率
6.下列說法中不正確的是( )
A.導(dǎo)體中有電荷運(yùn)動就形成電流
B.電流的方向一定與負(fù)電荷的定向移動方向相反
C.對于導(dǎo)體，只要其兩端有電壓就有電流
D.國際單位制中電流的單位是安
7.將左邊的銅導(dǎo)線和右邊的鋁導(dǎo)線連接起來，已知截面積S鋁=2S銅.在銅導(dǎo)線上取一截面A，在鋁導(dǎo)線上取一截面B，若在1 s內(nèi)垂直地通過它們的電子數(shù)相等，那么，通過這兩截面的電流的大小關(guān)系是( )
A.IA=IB B.IA=2IB
C.IB=2IA D.不能確定
8.在示波管中，電子槍2 s內(nèi)發(fā)射了6×1013個電子，則示波管中電流的大小為( )
A.4.8×10-6 A B.3.0×10-13 A
C.9.6×10-16 A D.3.0×10-6 A
9.一個半徑為r(米)的細(xì)橡膠圓環(huán)，均勻地帶上Q(庫侖)的負(fù)電荷，當(dāng)它以角速度ω(弧度/秒)繞中心軸線順時針勻速轉(zhuǎn)動時，環(huán)中等效電流的大小為( )
A.Q B.Q2π C.Qω2π D.2Qωπ
10.關(guān)于導(dǎo)線中的電場，下列說法正確的是( )
A.導(dǎo)線內(nèi)的電場線可以與導(dǎo)線相交
B .導(dǎo)線內(nèi)的電場E是電源電場E0和導(dǎo)線側(cè)面堆積電荷形成的電場E′疊加的結(jié)果
C.導(dǎo)線側(cè)面堆積電荷分布是穩(wěn)定的，故導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài)
D.導(dǎo)線中的電場是靜電場的一種
11.半徑為R的橡膠圓環(huán)均勻帶正電，總電荷量為Q，現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直環(huán)所在平面且通過圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流判斷正確的是( )
A.若ω不變而使電荷量Q變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍
B.若電荷量Q不變而使ω變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍
C.若使ω、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變大
D.若使ω、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變小
12.在顯像管的電子槍中，從熾熱的金屬絲不斷放出的電子進(jìn)入電壓為U的加速電場，設(shè)其初速度為零，經(jīng)加速后形成橫截面積為S、電流為I的電子束.已知電子的電荷量為e、質(zhì)量為m.求在剛射出加速電場時，一小段長為ΔL的電子束內(nèi)電子個數(shù)是多少?
答案：
例1.答案 e22πr2mkmr
解析 所謂等效電流，就是把電子繞核運(yùn)動單位時間內(nèi)的電荷量通過圓周上各處看成是持續(xù)運(yùn)動時所形成的電流，根據(jù)電流強(qiáng)度的定義即可算出等效電流的大小.
截取電子運(yùn)動軌道的任一截面，在電子運(yùn)動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量q=e.則有：I=qt=eT
再由庫侖力提供向心力，有：ke2r2=m4π2T2r得
T=2πre mrk
解得I=e22πr2mkmr
例2答案 AC
解析 此題考查對電流強(qiáng)度公式I=q/t的理解及電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式I=nqvS的理解.在Δt時間內(nèi)，以速度v移動的電子在銅導(dǎo)線中經(jīng)過的長度為vΔt，由于銅導(dǎo)線的橫截面積為S，則在Δt時間內(nèi)，電子經(jīng)過的導(dǎo)線體積為vΔtS.又由于單位體積的導(dǎo)線有n個自由電子，在Δt時間內(nèi)，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為nvSΔt，故A正確.由于流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，則在Δt時間內(nèi)，流經(jīng)導(dǎo)線的電荷量為IΔt，而電子的電荷量為q，則Δt時間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為IΔt/q，故C也正確.
例3解析：⑴電源與電解槽中的兩極相連后，左側(cè)電極電勢高于右側(cè)電極，由于在電極之間建立電場，電場方向由左指向右，故正離子向右移動，負(fù)離子向左移動
⑵電解槽中的電流方向向右
⑶8C的正電荷向右通過橫截面AB，而8C的負(fù)電荷向左通過該橫截面，相當(dāng)于又有8C正電荷向右通過橫截面，故本題的答案為16C
⑷由電流強(qiáng)度的定義I= =4A
課后檢測
1。D 2.BD 3.C 4.D
5. 答案 C
解析 從微觀上看，電流決定于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、電荷量、定向移動速度，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，故選C.電荷的定向移動形成電流，這個定向移動的速率都是電流微觀表達(dá)式I=nqSv中的v.
6. 答案 A
7. 答案 A
解析 這個題目中有很多干擾項(xiàng)，例如兩個截面的面積不相等，導(dǎo) 線的組成材料不同等等.但關(guān)鍵是通過兩截面的電子數(shù)在單位時間內(nèi)相等，根據(jù)I=qt可知電流強(qiáng)度相等.
8.答案 A
解析 電子槍2 s內(nèi)發(fā)射了6×1013 個電子，則2 s通過示波管橫截面的電子數(shù)為6×1013個，因此電流I=6×1013×1.6×10-192 A=4.8×-6 A.
9.答案 C
解析 負(fù)電荷Q均勻分布在橡膠環(huán)上，當(dāng)環(huán)轉(zhuǎn)動時，在環(huán)上任取一截面則一個周期T內(nèi)穿過此截面的電荷量為Q，因此應(yīng)用電流的定義式I=qt，再結(jié)合圓周運(yùn)動相關(guān)的知識即可求解.T=2πω，I=qt=QT=Qω2π.
10. 答案 B
11. 答案 AB
解析 截取圓環(huán)的任一截面S，如右圖所示，在橡膠圓環(huán)運(yùn)動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量為Q，則有：I= =
又T= ，所以I=
由上式可知，選項(xiàng)A、B正確.
12.答案 IΔLem2eU
解析 根據(jù)動能定理eU=12mv2①
根據(jù)電流定義公式q=It=ne②
根據(jù)題意t=ΔLv③
解①②③得n=IΔLem2eU
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教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
教學(xué)目標(biāo)】
1. 知道電源在直流電路中的作用
2.知道恒定電流的定義、單位
3.從微觀角度理解導(dǎo)體中電荷定向移動與電流之間的關(guān)系。
教學(xué)重難點(diǎn)
重點(diǎn)：電流的概念
難點(diǎn)：從微觀角度理解導(dǎo)體中電荷定向移動與電流之間的關(guān)系。
教學(xué)過程
【自主預(yù)習(xí)】
1.電源
觀察教材圖2.1-1，A、B分別帶正負(fù)電荷，如果在它們之間連接一條導(dǎo)線R，導(dǎo)線R自由電子會在靜電力的作用下定向移動(電流)，電子移動方向?yàn)?(填A(yù)→B或B→A)，若要保持持續(xù)的定向移動(電流)，A、B需有一個裝置，使A、B周圍的空間始終存在一定的電場，能使A、B間維持一定的電勢差的裝置稱為 。
2.恒定電場
導(dǎo)線內(nèi)的電場是由 、 等電路元件所積累的電荷共同形成的，電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也不會 。
由 的電荷所產(chǎn)生的 的電場，稱為恒定電場，
3.恒定電流
由于 的作用，導(dǎo)體中自由電荷定向運(yùn)動的速率 ，而運(yùn)動過程中會與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子 從而減速，總體來說自由電荷定向運(yùn)動的 不隨時間變化。把 、 都不隨時間 的電流稱為恒定電流。
I表示電流，q表示在時間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，它們間的關(guān)系式為:_______。電流的單位為 ，簡稱 ，符號是 ，常用的電流單位還有 和 。
【典型例題】
一、形成電流的條件
【例1】如圖驗(yàn)電器A帶負(fù)電，驗(yàn)電器B不帶電，用導(dǎo)體棒連接A、B的瞬間，下列敘述中錯誤的是( )
A、有瞬時電流形成，方向由A到B
B、A、B兩端的電勢不相等
C、導(dǎo)體棒內(nèi)的電場強(qiáng)度不等于零
D、導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷受電場力作用做定向移動
一、電流的定義
【例2】 已知電子的電荷量為e，質(zhì)量為m，氫原子的核外電子在原子核的靜電力吸引下做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動，則電子運(yùn)動形成的等效電流大小為多少?
二、電流的微觀表達(dá)式
【例3】 有一橫截面積為S的銅導(dǎo)線，流經(jīng)其中的電流強(qiáng)度為I，設(shè)每單位體積導(dǎo)線有n個自由電子，電子的電荷量為q，此時電子定向移動的速度為v，在Δt時間里，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為( )
A.nvSΔt B.nvΔt
C.IΔt/q D.IΔt/Sq
【例4】如圖所示的電解槽中，如果在4s內(nèi)各有8c的正、負(fù)電荷通過面積為0.8㎡的橫截面AB，那么⑴在圖中標(biāo)出正、負(fù)離子定向移動的方向;
⑵電解槽中的電流方向如何?
⑶4s內(nèi)通過橫截面AB的電量為多少?
⑷電解槽中的電流為多大?
【課后練習(xí)】
1.形成持續(xù)電流的條件是( )
A.只要有電壓加在物體的兩端
B.必須保持導(dǎo)體兩端有電壓
C.只在導(dǎo)體兩端瞬時加電壓
D.只要有大量的自由電荷
2.在由電源、導(dǎo)線等電路元件所形成的電路中，以下說法正確的是 ( )
A.導(dǎo)線中的電場強(qiáng)度處處為零
B.導(dǎo)線中的電場強(qiáng)度方向跟導(dǎo)線方向平行
C.導(dǎo)線內(nèi)各點(diǎn)的電勢相等
D.導(dǎo)線內(nèi)沿電流方向各點(diǎn)的電勢逐漸降低
3.以下說法正確的是( )
A.導(dǎo)體中的電流是正電荷的定向移動形成的
B.電荷定向移動的速率等于電流的傳導(dǎo)速率
C.單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷數(shù)越多電流越大
D.導(dǎo)體中越粗的地方單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷數(shù)越多電流越大
4.某電解池，如果在1s內(nèi)共有5×1018個二價正離子和1×1019個一價負(fù)離子通過面積為0.1m2的某截面，那么通過這個截面的電流是( )
A.0 B.0.8A C.1.6A D.3.2A
5.導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式為I=nqSv，其中S為導(dǎo)體的橫截面積，n為導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個自由電荷所帶的電荷量，v是( )
A.導(dǎo)體運(yùn)動的速率
B.電流傳導(dǎo)速率
C.自由電荷定向移動的速率
D.電子熱運(yùn)動速率
6.下列說法中不正確的是( )
A.導(dǎo)體中有電荷運(yùn)動就形成電流
B.電流的方向一定與負(fù)電荷的定向移動方向相反
C.對于導(dǎo)體，只要其兩端有電壓就有電流
D.國際單位制中電流的單位是安
7.將左邊的銅導(dǎo)線和右邊的鋁導(dǎo)線連接起來，已知截面積S鋁=2S銅.在銅導(dǎo)線上取一截面A，在鋁導(dǎo)線上取一截面B，若在1 s內(nèi)垂直地通過它們的電子數(shù)相等，那么，通過這兩截面的電流的大小關(guān)系是( )
A.IA=IB B.IA=2IB
C.IB=2IA D.不能確定
8.在示波管中，電子槍2 s內(nèi)發(fā)射了6×1013個電子，則示波管中電流的大小為( )
A.4.8×10-6 A B.3.0×10-13 A
C.9.6×10-16 A D.3.0×10-6 A
9.一個半徑為r(米)的細(xì)橡膠圓環(huán)，均勻地帶上Q(庫侖)的負(fù)電荷，當(dāng)它以角速度ω(弧度/秒)繞中心軸線順時針勻速轉(zhuǎn)動時，環(huán)中等效電流的大小為( )
A.Q B.Q2π C.Qω2π D.2Qωπ
10.關(guān)于導(dǎo)線中的電場，下列說法正確的是( )
A.導(dǎo)線內(nèi)的電場線可以與導(dǎo)線相交
B .導(dǎo)線內(nèi)的電場E是電源電場E0和導(dǎo)線側(cè)面堆積電荷形成的電場E′疊加的結(jié)果
C.導(dǎo)線側(cè)面堆積電荷分布是穩(wěn)定的，故導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài)
D.導(dǎo)線中的電場是靜電場的一種
11.半徑為R的橡膠圓環(huán)均勻帶正電，總電荷量為Q，現(xiàn)使圓環(huán)繞垂直環(huán)所在平面且通過圓心的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，則由環(huán)產(chǎn)生的等效電流判斷正確的是( )
A.若ω不變而使電荷量Q變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍
B.若電荷量Q不變而使ω變?yōu)樵瓉淼?倍，則等效電流也將變?yōu)樵瓉淼?倍
C.若使ω、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變大
D.若使ω、Q不變，將橡膠環(huán)拉伸，使環(huán)半徑增大，等效電流將變小
12.在顯像管的電子槍中，從熾熱的金屬絲不斷放出的電子進(jìn)入電壓為U的加速電場，設(shè)其初速度為零，經(jīng)加速后形成橫截面積為S、電流為I的電子束.已知電子的電荷量為e、質(zhì)量為m.求在剛射出加速電場時，一小段長為ΔL的電子束內(nèi)電子個數(shù)是多少?
答案：
例1.答案 e22πr2mkmr
解析 所謂等效電流，就是把電子繞核運(yùn)動單位時間內(nèi)的電荷量通過圓周上各處看成是持續(xù)運(yùn)動時所形成的電流，根據(jù)電流強(qiáng)度的定義即可算出等效電流的大小.
截取電子運(yùn)動軌道的任一截面，在電子運(yùn)動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量q=e.則有：I=qt=eT
再由庫侖力提供向心力，有：ke2r2=m4π2T2r得
T=2πre mrk
解得I=e22πr2mkmr
例2答案 AC
解析 此題考查對電流強(qiáng)度公式I=q/t的理解及電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式I=nqvS的理解.在Δt時間內(nèi)，以速度v移動的電子在銅導(dǎo)線中經(jīng)過的長度為vΔt，由于銅導(dǎo)線的橫截面積為S，則在Δt時間內(nèi)，電子經(jīng)過的導(dǎo)線體積為vΔtS.又由于單位體積的導(dǎo)線有n個自由電子，在Δt時間內(nèi)，通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為nvSΔt，故A正確.由于流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I，則在Δt時間內(nèi)，流經(jīng)導(dǎo)線的電荷量為IΔt，而電子的電荷量為q，則Δt時間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)目可表示為IΔt/q，故C也正確.
例3解析：⑴電源與電解槽中的兩極相連后，左側(cè)電極電勢高于右側(cè)電極，由于在電極之間建立電場，電場方向由左指向右，故正離子向右移動，負(fù)離子向左移動
⑵電解槽中的電流方向向右
⑶8C的正電荷向右通過橫截面AB，而8C的負(fù)電荷向左通過該橫截面，相當(dāng)于又有8C正電荷向右通過橫截面，故本題的答案為16C
⑷由電流強(qiáng)度的定義I= =4A
課后檢測
1。D 2.BD 3.C 4.D
5. 答案 C
解析 從微觀上看，電流決定于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、電荷量、定向移動速度，還與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，故選C.電荷的定向移動形成電流，這個定向移動的速率都是電流微觀表達(dá)式I=nqSv中的v.
6. 答案 A
7. 答案 A
解析 這個題目中有很多干擾項(xiàng)，例如兩個截面的面積不相等，導(dǎo) 線的組成材料不同等等.但關(guān)鍵是通過兩截面的電子數(shù)在單位時間內(nèi)相等，根據(jù)I=qt可知電流強(qiáng)度相等.
8.答案 A
解析 電子槍2 s內(nèi)發(fā)射了6×1013 個電子，則2 s通過示波管橫截面的電子數(shù)為6×1013個，因此電流I=6×1013×1.6×10-192 A=4.8×-6 A.
9.答案 C
解析 負(fù)電荷Q均勻分布在橡膠環(huán)上，當(dāng)環(huán)轉(zhuǎn)動時，在環(huán)上任取一截面則一個周期T內(nèi)穿過此截面的電荷量為Q，因此應(yīng)用電流的定義式I=qt，再結(jié)合圓周運(yùn)動相關(guān)的知識即可求解.T=2πω，I=qt=QT=Qω2π.
10. 答案 B
11. 答案 AB
解析 截取圓環(huán)的任一截面S，如右圖所示，在橡膠圓環(huán)運(yùn)動一周的時間T內(nèi)，通過這個截面的電荷量為Q，則有：I= =
又T= ，所以I=
由上式可知，選項(xiàng)A、B正確.
12.答案 IΔLem2eU
解析 根據(jù)動能定理eU=12mv2①
根據(jù)電流定義公式q=It=ne②
根據(jù)題意t=ΔLv③
解①②③得n=IΔLem2eU
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