第四讲电流和电路老师.docx
- 文档编号:24887745
- 上传时间:2023-06-02
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:213.23KB
第四讲电流和电路老师.docx
《第四讲电流和电路老师.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四讲电流和电路老师.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第四讲电流和电路老师
第4讲电流与电路
第一课时:
电源和电流
知识要点:
一、电源:
使电路中保持连续的电流,能把电子从A搬运到B的装置P就是电源。
二、恒定电场:
由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场,称为恒定电场。
三、恒定电流:
恒定电场中的电流是恒定不变的,称为恒定电流。
电流的定义:
物理上把通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流。
用I表示电流。
电流的定义式:
I=
,单位:
安培(A)、毫安(mA)、和微安(μA)。
趣味物理:
1.怀表变卵石
安培思考科学问题专心致志,据说有一次,安培正慢慢地向他任教的学校走去,边走边思索着一个电学问题。
经过塞纳河的时候,他随手拣起一块鹅卵石装进口袋。
过一会儿,又从口袋里掏出来扔到河里。
到学校后,他走进教室,习惯地掏怀表看时间,拿出来的却是一块鹅卵石。
原来,怀表已被扔进了塞纳河。
2.马车车厢作“黑板”
还有一次,安培在街上散步,走着走着,想出了一个电学问题的算式,正为没有地方运算而发愁。
突然,他见到面前有一块“黑板”,就拿出随身携带的粉笔,在上面运算起来。
那“黑板”原来是一辆马车的车厢背面。
马车走动了,他也跟着走,边走边写;马车越来越快,他就跑了起来,一心一意要完成他的推导,直到他实在追不上马车了才停下脚步。
安培这个失常的行动,使街上的人笑得前仰后合。
追着马车做题 享受思考快乐
3.“电学中的牛顿”
安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中,成为电磁学史上一部重要的经典论著。
麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一,还把安培誉为“电学中的牛顿”。
安培还是发展测电技术的第一人,他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器,以后经过改进称电流计。
安培在他的一生中,只有很短的时间从事物理工作,可是他却能以独特的、透彻的分析,论述通电导体的磁效应,因此我们称他是电动力学的先创者。
[事件1]电源的作用
思考:
分别带正、负电荷的A、B两个导体球,如果用一条导线将它们连接起来,A、B之间的电势差会发生什么变化?
最后,A、B两个导体球会达到什么状态?
导线中能否出现电流?
这个电流有什么特点?
结论:
最终A、B两个导体球会达到静电平衡状态,导线中的电流只能是瞬时的。
思维拓展:
如何使电路中有持续电流?
类比:
如图,水池A、B的水面有一定的高度差,若在A、B之间用一细管连起来,则水在重力的作用下定向运动,从水池A流动到水池B。
A、B之间的高度差很快消失,在这种情况下,水管中只可能有一个瞬时水流。
思考:
怎样才能使水管中有源源不断的水流呢?
结论:
可在A、B之间连接一台抽水机,将水池B中的水抽到水池A中,这样可保持A、B之间的高度差,从而使水管中有源源不断的水流。
思维拓展:
电源的作用与抽水机相似就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置,使得导体两端保持电势差(电压),电路中就会有持续的电流。
结论:
电源能使电路中产生持续电流。
[事件3]导线中的电场
在有电源的电路中,导线内部的电场强度有何特点呢?
导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果,其一是电源正、负极产生的电场,可将该电场分解为两个方向:
沿导线方向的分量使自由电子沿导线做定向移动,形成电流;垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集,从而使导线的两侧出现正、负净电荷。
其二是这些感应电荷产生附加电场,该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场,直到使导线中该方向合场强为零,而达到动态平衡状态。
此时导线内的电场线保持与导线平行,自由电子只会在导体中定向移动。
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。
尽管这些电荷也在运动,但有的流走了,另外的又来补充,所以电荷的分布是稳定的,电场的分布也稳定。
结论:
由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。
[事件4]恒定电流
在恒定电场中自由电荷会受到电场力的作用,而发生定向运动,从而形成电流,恒定电场中的电流有何特点呢?
由于恒定电场的作用,导体中自由电荷定向运动的速率增加,而在运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速,因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。
如果我们在这个电路中串联一个电流表,电流表的读数保持恒定。
总结与归纳:
恒定电场中的电流是恒定不变的,大小方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。
[事件5]电流强弱的描述——电流。
电流的定义:
物理上把通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流。
用I表示电流。
电流定义式:
I=
。
单位:
国际单位:
安培(A),1A=1C/s。
常用单位:
毫安(mA)、微安(μA)。
电流的方向:
规定为正电荷定向移动的方向。
思维拓展:
(1)电流是标量;
(2)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;
(3)在电解液中,电流方向与正离子定向移动方向相同,与负离子定向移动方向相反。
导电时,电荷量q表示通过截面的正、负离子电荷量绝对值之和。
[事件7]电流的微观表达式。
在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C,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,每个电荷的电荷量为q,电荷的定向移动速率为v。
如何用以上物理量表示电流I?
在时间t内通过导体某截面的电荷量为:
Q=(vtS)nq
所形成的电流为:
I=Q/t=nqSv。
例题1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,电子的电荷量e=-1.6×10-19C。
求铜导线中自由电子定向移动的速率。
解:
设自由电子在导线内定向移动的速率是v
取一段导线(如图)
导线左端的自由电子经过时间t到达右端
自由电子从它的左端定向移动到右端所用的时间记为t,则这段导线的长度为vt,体积为vtS,质量为ρvtS。
这段导线中的原子数为n=
NA
可以认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子(一般条件下铜可视作一价元素),则这段导线中的自由电子数目与铜原子的数目相等,也等于n。
由于时间t内这些电子全部通过右端横截面,因此通过横截面的电荷量是q=ne=
NAe
把这个式子代入I=
,得I=
从中解出v=
代入数值后得v=7.5×10-5m/s。
思维拓展:
你认为计算出的电子定向运动速率与我们的生活经验是否相符?
怎样解释?
结论:
电子的定向运动速率与导线中电场的速率不同。
课堂追踪:
一、选择题
1.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持续地提供自由电荷
B.电源的作用是能直接释放出电能
C.电源的作用就是能保持导体两端的电压,使电路中有持续的电流
D.电源的作用就是使自由电荷运动起来
解析:
选C.电源并不是产生电荷的装置,它的作用是保持导体两端有一定的电势差,从而使电路中有持续的电流产生,故只有C正确.
2.金属导体中有电流时,自由电子定向移动的速率为v1,电子热运动速率为v2,电流的传导速率为v3,则( )
A.v1最大B.v2最大
C.v3最大D.无法确定
解析:
选C.电场传播的速率(或电流的传导速率)等于光速,而电子无规则热运动的速率,常温下数量级为105m/s,自由电子定向移动的速率数量级一般为10-5m/s,所以C选项正确.
3.在示波管中,电子枪2s内发射了6×1013个电子,则示波管中电流的大小为( )
A.4.8×10-6A B.3×10-13A
C.9.6×10-6AD.
3×10-6A
解析:
选A.I=
=
=
A
=4.8×10-6A.
4.有甲、乙两个由同种金属材料制成的导体,甲的横截面积是乙的两倍,而单位时间内通过导体横截面的电荷量,乙是甲的两倍,以下说法中正确的是( )
A.甲、乙两导体的电流相同
B.乙导体的电流是甲导体的两倍
C.乙导体中自由电荷定向移动的
速率是甲导体的两倍
D.甲、乙两导体中自由电荷定向移动的速率大小相等
解析:
选B.由I=
知A错B对;由I=n
qSv得:
v甲=
v乙,所以C、D错.
5.北京正负电子对撞机的储存环是长为240m的近似圆形轨道,当环中的电流为10mA时,若电子的速率为十分之一光速,则在整个环中运行的电子数目为( )
A.5.0×1011B.5×1019
C.1.0×1013D.1.0×103
解析:
选A.电子运动一周所需要的时间:
t=
s=8×10-6s
在圆形轨道上任取一横截面,则在t时间内整个环中的电子刚好都通过该截面,故环中具有电子的电量为:
q=It=8×10-6×10×10-3C=8×10-8C
环中具有电子数N=
=
个=5×1011个.故A对.
6.如图2-1-3所示,一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷,每米电荷量为q,当此棒沿轴线方向做速率为v的匀速直线运动时,由于棒运动而形成的等效电流大小为( )
图2-1-3
A
.vqB.
C.qvSD.qv/S
解析:
选A.在运动方向假设有一截面,在t时间内通过
截面的电量Q=vt·q.等效电流I=
=vq,故A项正确.
7.如图2-1-4所示,电解池内有一价的电解液,ts内通过溶液内截面S的正离子数是n1,负离子数是n2,设基元电荷为e,以下解释中正确的是( )
图2-1-4
A.正离子定向移动形成电流方向从A→B,负离子定向移动形成电流方向从B→A
B.溶液内正负离子向相反方向移动,电流抵消
C.溶液内电流方向从A→B,电流I=
D.溶液内电流方向A→B,电流I=
解析:
选D.正离
子定向移动方向为电流方向,负离子定向移动方向和电流方向相反,正、负离子向相反方向移动,电流不能抵消,故A、B错.由于溶液内的电流是正、负离子共同形成的,故C错,D对.
8.来自质子源的质子(初速度为零),经一直线加速器加速,形成电流为I的细柱形质子流.已知质子源与靶间的距离为d,质子电荷量为e,假定分布在质子源到靶之间的加速电场是匀强电场,质子到达靶时的速度为v,则质子源与靶间的质子数为( )
A.
B.
C.
D.
解析:
选B.设质子源与靶间的质子数为n,则I=
=
,n
=
.
9.铜的原子量为m,密度为ρ,每摩尔铜原子有n个自由电子,今有一根横截面为S的铜导线,当通过的电流为I时,电子平均定向移动的速率为( )
A.光速cB.
C.
D.
解析:
选D.假设电子定向移动的速率为v,那么在t秒内通过导体横截面的自由电子数相当于在体积vt·S中的自由电子数,而体积为vtS的铜的质量为vt
Sρ,摩尔数为
,所以电量q=
.因电流I=
=
,于是得:
v=
.
二、计算题
10.
(1)在金属导体中,若10s内通过横截面的电荷量为10C,则导体中的电流为多少安?
(2)某电解槽横截面积为0.5m2,若10s内沿相反方向通过横截面的正、负离子的电荷量均为10C,则电解液
中的电流为多少安?
解析:
(1)10s内通过某一横截面的电量是10C,
所以I=
=
=1A
(2)正电荷形成的电流为I1=
=1A
负电荷形成的电流为I2=
=1A
因负电荷形成的电流方向与其定向移动方向相反,所以两种电荷形成电流方向相同.
故电解液中的电流为:
I=I1+I2=2A.
答案:
(1)1A
(2)2A
11.导线中的电流是1A,导线的横截面积为1mm2.
(1)在1s内,有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e=1.6×10-19C)?
(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有8.5×1028个自由电子)?
(3)自由电子
沿导线移动1cm,平均要多少时间?
解析:
(1)
N=
=
=
个=6.25×1018个.
(2)由公式I=neSv.
v=
=
m/s
=7.4×10-5m/s.
(3)以这样的速率沿导线传播1m需用时
t=
s=3.8h.
答案:
(1)6.25×1018
(2)7.4×10-5m/s (3)3.8h
12.已知电子的电荷量为e,质量为m,氢原子的电子在核的静电力吸引下做半径为r的匀速圆周运动,则电子运动形成的等效电流大小为多少?
解析:
取电子运动轨道的任一截面,在电子运动一周的时间T内,通过这个截面的电荷量q=e,则有:
I=
=
再由库仑力提供向心力有:
k
=m
·r得T=
解得I=
.
答案:
第二课时:
电动势
知识要点:
一、非静电力:
电源内部搬运正电荷由负极到正极的力。
电源提供“非静电力”将电荷由负极搬运到正极,满足形成持续电流的需要。
二、非静电力做功将其他形式的能转化成电势能。
在外电路中电能转化为其他形式的能;在内电路中其他形式的能转化为电能。
电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能的装置。
三、电动势的概念。
电动势的定义:
电动势是一个表征电源特征的物理量,是电源将其他形式的能转化为电能的本领,在数值上,等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功。
公式:
E=
单位:
伏特(V)
电动势的物理意义:
在电源内部,电动势等于非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。
四、电源的内阻
电源内部(内电路)也是由导体组成,所以也有电阻,这个电阻叫做电源的内电阻。
趣味物理:
化学电池的原理
在化学电池中,化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果,这种反应分别在两个电极上进行。
负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成,如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。
正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成,如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物,氧或空气,卤素及其盐类,含氧酸及其盐类等。
电解质则是具有良好离子导电性的材料,如酸、碱、盐的水溶液,有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。
当外电路断开时,两极之间虽然有电压,但没有电流,存储在电池中的化学能并不转换为电能。
当外电路闭合时,在两电极电压的作用下即有电流流过外电路。
[事件1]温故而知新
由上一节“电源和电流”知道,电路中之所以能有持续的电流,是因为在电源两极聚集了大量的正负电荷,导线中存在着电场,导线中的电荷在电场力作用下从正极向负极运动。
同时一个新的问题提出,电源的两极聚集了大量的正负电荷,在电源内部也应该有电场。
那么,在电源内部电荷是如何运动到两极的呢?
对于电源我们能知道一些什么呢?
这一节就来研究电源。
(投影展示图1。
)
图1
电源内部电荷是如何运动到两极的呢?
结论:
电源内部应该还有除了电场力之外的其他力。
[事件2]“非静电力”
推理:
在导线中,电荷在电场力作用下由电源的正极移动到电源的负极,在电源内部就要不断地有电荷由负极移动到正极(假设移动的电荷是正电荷),而电源内部也有从正极指向负极的电场,所以就要有除静电场力之外的“非静电力”来搬运电荷。
图2
发电机是通过什么作用提供“非静电力”的?
结论:
电源提供“非静电力”将电荷由负极搬运到正极,满足形成持续电流的需要。
(投影展示图2)
[事件3]非静电力做功将其他形式的能转化成电势能。
在电源内部,“非静电力”克服电场力做功,使电源储存了电势能。
结论:
电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能的装置。
[事件4]电路
图3
整个电路由内、外两部分组成,外电路指从电源正极经过导线、用电器再回到电源负极的那部分电路,在外电路中正电荷是从电源正极向负极运动,而内电路是指电源内部的那部分电路,正电荷在内电路中是从负极向正极运动。
在外电路中电能转化为其他形式的能;在内电路中其他形式的能转化为电能。
[事件5]静电力做功和非静电力做功的比较。
(1)外电路要有持续的电流,就必须提供恒定的电压。
在这个恒定的电压的作用下,电场力做功将电能转化为其他形式的能。
电压U等于电场力做功W静电力与移动电荷q的比值。
U=
即如果是静电力做功,电势能减少,移送单位正电荷减少的电势能就是电压。
(2)在内电路中(电源)“非静电力”做功搬运电荷,为外电路提供电压。
电源这种为外电路提供电压的本领我们就叫它电动势。
与电压U等于电场力做功W静电力与移动电荷q的比值相对应,电动势E等于非静电力做功W非静电力与移动电荷q的比值。
E=
即如果是非静电力做功,电势能增加,将单位正电荷从电源的负极移动到正极所增加的电势能就是电动势。
[事件6]电动势
电动势的定义:
电动势是一个表征电源特征的物理量,是电源将其他形式的能转化为电能的本领,在数值上,等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功。
用公式推导出电动势的单位。
单位:
从公式来看与电压的单位相同,是伏特(V)。
电动势的物理意义:
在电源内部,电动势等于非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。
电动势与电源中非静电力的特性有关,跟电源的体积无关,也跟外电路无关。
[事件7]电源的内阻
电源内部(内电路)也是由导体组成,所以也有电阻,这个电阻叫做电源的内电阻。
内阻和电动势都是电源的重要参数。
例1下面是对电源电动势概念的认识,你认为正确的是( )
A.同一电源接入不同的电路,电动势就会发生变化
B.1号干电池比7号干电池大,但电动势相同
C.电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领,电源把其他形式的能转化为电能越多,电动势就越大
D.电动势、电压和电势差虽名称不同,但物理意义相同,所以单位也相同
解析:
题目中A、B项考查了“电动势是表征电源特性的物理量”这个结论。
C项考查了用能量的观点对电动势的理解。
D项考查了电动势和电压的区别。
答案:
B
例2下图是两个电池外壳上的说明文字。
某型号进口电池
某型号国产电池
Cd
GNY0.6(KRAA)
1.2V 600mA·h
RECHARGEABLE
STANDARDCHARGE
15hat60mA
上述进口电池的电动势是______V。
上述国产电池最多可放出______mA·h的电荷量;若该电池平均工作电流为0.03A,则最多可使用______h。
解答:
(1)1.2 600 20
课堂追踪:
一、选择题
1.下列关于电源的说法,正确的是( )
A.电源向外提供的电能越多,表示电动势越大
B.电动势表示电源将单位正电荷从负极移送到正极时,非静电力所做的功
C.电源的电动势与外电路有关
D.在电源内从负极到正极电势升高
答案:
BD
2.如图2-2-4所示是常用在电子手表和小型仪表中的锌汞电池,它的电动势约为1.2V,这表示( )
图2-2-4
A.电路通过1C的电荷量,电源把1.2J其他形式能转化为电能
B.电源在每秒内把1.2J其他形式能转化为电能
C.该电源比电动势为1.5V的干电池做功少
D.该电源与电动势为1.5V的干电池相比,通过1C电荷量时转化的电能少
答案:
AD
3.单位电荷量的正电荷沿闭合电路移动一周,在内外电路中释放的总能量决定于( )
A.电源的电动势 B.通过电源的电流
C.路端电压的大小D.内外电阻之和
答案:
A
4.有关电动势的说法中正确的是( )
A.电源的电动势等于内、外电路电势降之和
B.电源提供的电能越多,电源的电动势越大
C.当外电路断开时,电源的路端电压与电源电动势相等
D.当电路中通过1库仑电量时,电源消耗的其他形式能的数值等于电源电动势的值
解析:
选ACD.外电路断路时U=E,C对.通路时E=U内+U外,A对.电动势E表示通过1C电量电源将其他形式能转化为电能的多少,D对.电动势越大,表示电源非静电力做功本领大,但提供电能不一定多,B错.
5.以下说法中正确的是( )
A.在外电路中和电源内部,正电荷都受静电力作用,所以能不断定向移动形成电流
B.静电力与非静电力都可以使电荷移动,所以本质上都是使电荷的电势能减少
C.在电源内部正电荷能从负极到正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力
D.静电力移动电荷做功,电势能减少,非静电力移动电荷做功,电势能增加
解析:
选D.电源内部非静电力做功使电荷的电势能增加,引出了电动势的概念,来描述非静电力的做功本领.而静电力移动电荷做正功的过程使电势能减少,D项对.
6.关于电源的电动势,下面说法正确的是( )
A.电动势是表征电源把其他形式的能转化为电势能本领的物理
量
B.电动势在数值上等于电路中通过1C电荷量时电源提供的能量
C.电源的电动势跟电源的体积有关,跟外电路有关
D.电动势有方向,因此电动势是矢量
解析:
选AB.由电动势的物理意义可知,电动势是表征电源把其他形式的能转化为电势能本领的物理量,它在数值上等于电源没有接入电路时其两极间的电压,也等于电路中通过1C电荷量时电源所提供的能量;电动势由电源中非静电力的特性决定,跟电源的大小无关,跟外电路也无关;电动势虽然有方向,但电动势是标量.综上所述,正确选项是A、B.
7.手电筒的两节干电池,已经用了较长时间,小灯泡只能发出很微弱的光,把它们取出来,用电压表测电压,电压表示数很接近3V,再把它们作为一个电子钟的电源,电子钟能正常工作.下列说法正确的是( )
A.这两节干电池的
电动势减小了
很多
B.这两节干电池的内电阻增加较大
C.这台电子钟的额定电压一定比手电筒里的小灯泡额定电压小
D.这台电子钟正常工作时的电流一定比手电筒里的小灯泡正常工作时的电流小
解析:
选BD.旧电池与新电池相比较,电动势几乎不变,但内阻增大许多,A错B对;新旧电池
均能使电子钟正常工作,虽然电池内阻变化,但输出电压几乎不变,只能是电子钟电阻很大,额定电流很小,故C错D对.
8.某柴油发电机工作时,电流为5A,经过2min时间,发电机产生电能为1.32×105J,则该发电机的电动势为( )
A.1100VB.550V
C.220VD.110V
解析:
选C.此段时间通过电量为q=600C,由E=W/q即得.
9.如图2-2-5为伏打电池示意图,由于化学反应,在A、B两电极附近产生了很薄的两个带电接触层a、b.沿电流方向绕电路一周,非静电力做功的区域是( )
图2-2-5
A.RB.b
C.rD.a
解析:
选BD.非静电力的作用是在电源内部把正电荷(电子)由负(正)极拉向正(负)极,所以非静电力做功的区域是带电层附近的a、b,而不是电路中,故B、D正确.
二、计算题
10.某品牌的MP3使用的电源是一节7号干电池,当它正常工作时,其工作电流为0.3A.某同学在一次使用该MP3时,若他用了10s,则这段时间内电池将多少化学能转化为电能?
解析:
已知工作电流I=0.3A,10s时间内通过导体横截面的电荷量q=It=0.3×10C=3C.
7号干电池电动势为1.5V.则根据能量守恒定律,电池将化学能转化为电能的量等于非静电力移动电荷所做的功:
W=qu=3×1.5
J=4.5J.
答案:
4.5J
11.电池的容量也是电池的一个重要参数,电池的容量就是电池放电时能输出的总电荷量,通常用安培小时(A·h)或毫安小时(mA·h)做单位.一节新的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四 电流 电路 老师