《電源和電流（第二課時(shí)）》問(wèn)題：從微觀的角度考慮，導(dǎo)體中電流的強(qiáng)弱，與哪些因素有關(guān)系呢？一、電流的微觀解釋1.猜測(cè)：電子的電荷量自由電子定向移動(dòng)的平均速率自由電子的密集程度導(dǎo)體的橫截面積導(dǎo)體的長(zhǎng)度……2.建立模型一段圓柱形導(dǎo)體：橫截面積為S，長(zhǎng)為l，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，每個(gè)電子的電荷量為e，自由電子定向移動(dòng)的平均速率為v。Slv3.推導(dǎo)和解釋?zhuān)簍時(shí)間內(nèi)，只有長(zhǎng)為vt的圓柱內(nèi)的電子能通過(guò)橫截面S。Slvvt長(zhǎng)為vt的圓柱內(nèi)的自由電子總數(shù)N=nSvtt時(shí)間內(nèi)，通過(guò)橫截面S的總電荷量q=Ne

q=neSvt電流I可以表示為：Slvvt二.導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)的平均速率1.猜測(cè)一下導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)平均速率的數(shù)量級(jí)。2.利用已知數(shù)據(jù)估算導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)的平均速率。有一條橫截面積S＝1mm2的銅導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)的電流I＝1A。已知銅的密度ρ＝8.9×103kg/m3，銅的摩爾質(zhì)量M＝6.4×10-2kg/mol，阿伏加德羅常數(shù)NA＝6.02×1023mol-1，電子的電荷量e＝-1.6×10-19C。在這個(gè)問(wèn)題中可以認(rèn)為導(dǎo)線(xiàn)中每個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)自由電子。求銅導(dǎo)線(xiàn)中自由電子定向移動(dòng)的平均速率。解:設(shè)自由電子在導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)定向移動(dòng)的平均速率是v。先計(jì)算出單位體積的銅原子個(gè)數(shù)，一個(gè)銅原子提供一個(gè)自由電子，就可以得到單位體積自由電子的個(gè)數(shù)n。先求解銅的摩爾體積V。摩爾體積為1mol銅原子占據(jù)的空間，也即為6.02×1023個(gè)銅原子占據(jù)的空間。單位體積銅原子的個(gè)數(shù)，也就是單位體積自由電子個(gè)數(shù)n為：根據(jù)電流的微觀表達(dá)形式3.算一算：電子定向移動(dòng)通過(guò)一條1m長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)大約需要多長(zhǎng)時(shí)間？區(qū)分以下幾個(gè)速率：電子定向移動(dòng)的平均速率--10-4m/s導(dǎo)體中建立電場(chǎng)的速率--光速電子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均速率--105m/s三.電動(dòng)汽車(chē)中的電池對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)提供電能的是鋰離子電池。1.鋰離子電池的結(jié)構(gòu)：2.鋰離子電池的充放電原理：充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。放電時(shí)（即汽車(chē)開(kāi)動(dòng)時(shí)），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，通過(guò)電解液回到正極。3.鋰離子電池的容量電池放電時(shí)能輸出的總電荷量叫作電池的容量，通常以“安時(shí)”（A·h）或“毫安時(shí)”（mA·h）作單位。單體鋰離子電池的容量極為有限，為滿(mǎn)足需要，常用由若干鋰離子電池構(gòu)成的電池組。4.常見(jiàn)的鋰離子電池5.鋰離子電池與社會(huì)和環(huán)境隨著電池容量、可靠性、安全性與充電技術(shù)等的不斷成熟，純電動(dòng)汽車(chē)正在迅速發(fā)展。2019年，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)就達(dá)到了102萬(wàn)輛。純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展將極大緩解燃油汽車(chē)帶來(lái)的污染問(wèn)題，有助于改善城市的空氣質(zhì)量。四.練習(xí)某手機(jī)的說(shuō)明書(shū)標(biāo)明該手機(jī)電池容量為4000mA·h，待機(jī)時(shí)間為22d，說(shuō)明書(shū)還標(biāo)明，用該手機(jī)播放視頻的時(shí)間是17h。請(qǐng)估算播放視頻的電流大約是待機(jī)電流的幾倍。解：小結(jié)微觀解釋搬運(yùn)電荷，保持電壓形成電流電流定義電路電源導(dǎo)體導(dǎo)體連接方式電路的應(yīng)用【必備知識(shí)】一、電源想一想有A、B兩個(gè)導(dǎo)體,分別帶正、負(fù)電荷。如果在它們之間連接一條導(dǎo)線(xiàn)R,回答下列問(wèn)題。(1)用導(dǎo)線(xiàn)連接后,電荷怎樣移動(dòng)?(2)用導(dǎo)線(xiàn)連接后會(huì)有電流,為什么電流只是瞬時(shí)的?提示

(1)導(dǎo)線(xiàn)中移動(dòng)的是自由電子,故導(dǎo)體B上負(fù)電荷流向?qū)wA。電流的方向是正電荷移動(dòng)的方向,與負(fù)電荷移動(dòng)的方向相反,故電流由A流向B。(2)由于電荷的定向移動(dòng),兩導(dǎo)體很快達(dá)到靜電平衡,成為一個(gè)等勢(shì)體,所以導(dǎo)線(xiàn)中的電流只是瞬時(shí)的。1.形成持續(xù)電流的條件:一是要有自由移動(dòng)的電荷,二是導(dǎo)體兩端要有穩(wěn)定的電勢(shì)差。2.電源的作用:電源能把負(fù)電荷由正極搬運(yùn)到負(fù)極,保持正、負(fù)極之間有穩(wěn)定的電勢(shì)差。二、恒定電流1.恒定電場(chǎng):由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場(chǎng),叫作恒定電場(chǎng)。2.恒定電流:大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流叫作恒定電流。3.電流的強(qiáng)弱程度用電流這個(gè)物理量表示。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量越多,電流就越大。用I表示電流,q表示在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量,有

。單位是安培,符號(hào)是A,常用的單位還有毫安(mA)和微安(μA)。4.電流的微觀解釋:導(dǎo)體的橫截面積為S,自由電子數(shù)密度(單位體積內(nèi)的自由電子數(shù))為n,自由電子定向移動(dòng)的平均速率為v,則時(shí)間t內(nèi)通過(guò)該橫截面的自由電子數(shù)為

nSvt,由于電子的電荷量為e,時(shí)間t內(nèi)通過(guò)橫截面的電荷量為q=neSvt。根據(jù)電流的公式,電流和自由電子定向移動(dòng)平均速率的關(guān)系為I=neSv?！咀晕覚z測(cè)】1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題說(shuō)明原因。(1)電源能把自由電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極。(

)答案

√(2)因?yàn)殡娏骷扔写笮∮钟蟹较?所以電流是矢量。(

)答案

×解析

電流雖然有方向,但不是矢量,其運(yùn)算遵從代數(shù)法則。(3)通過(guò)導(dǎo)體某橫截面的電荷量越多,電流越大。(

)答案

×解析

由

知I還與t有關(guān),q大I不一定大。(4)電流的方向與電荷定向移動(dòng)的方向相同。(

)答案

×解析

電流的方向與正電荷定向移動(dòng)的方向相同,與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反。2.(多選)關(guān)于電流,下列敘述正確的是(

)A.只要將導(dǎo)體置于電場(chǎng)中,導(dǎo)體內(nèi)就有持續(xù)的電流B.電源的作用是使閉合電路中有持續(xù)的電流C.導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有電流,說(shuō)明導(dǎo)體內(nèi)部的電荷沒(méi)有移動(dòng)D.恒定電流是由恒定電場(chǎng)產(chǎn)生的答案

BD解析

電流有瞬時(shí)電流和恒定電流之分,瞬時(shí)電流是電荷的瞬時(shí)定向移動(dòng)形成的,而恒定電流是在導(dǎo)體兩端加穩(wěn)定的電壓時(shí)形成的,電源的作用就是在導(dǎo)體兩端加上穩(wěn)定的電壓,從而在導(dǎo)體內(nèi)部形成電場(chǎng)而產(chǎn)生持續(xù)的電流,選項(xiàng)B、D正確。3.(1)在金屬導(dǎo)體中,若10s內(nèi)通過(guò)某一橫截面的電荷量為10C,則導(dǎo)體中的電流為多少安?(2)某電解槽橫截面積為0.5m2,若10s內(nèi)沿相反方向通過(guò)橫截面的正、負(fù)離子的電荷量均為10C,則電解液中的電流為多少安?答案

(1)1A

(2)2A因負(fù)電荷形成的電流方向與其定向移動(dòng)方向相反,所以?xún)煞N電荷形成的電流方向相同。故電解液中的電流I=I1+I2=2

A。課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一電源和電流的性質(zhì)【情境導(dǎo)引】水為什么能從水池A流到水池B?抽水機(jī)的作用是什么?要點(diǎn)提示

因?yàn)樗谹的水面比水池B的水位高,兩水池有“水勢(shì)差”;抽水機(jī)的作用是把水從低水位搬運(yùn)到高水位,維持“水勢(shì)差”形成持續(xù)水流?！局R(shí)歸納】

電源可類(lèi)比抽水機(jī)1.電源的作用從電荷轉(zhuǎn)移的角度看使電路中的自由電荷持續(xù)地定向移動(dòng)從能量轉(zhuǎn)化的角度看搬運(yùn)電荷的過(guò)程是非靜電力做功的過(guò)程,從而將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能2.形成電流的三種電荷形成電流的三種電荷為自由電子、正離子和負(fù)離子,舉例說(shuō)明:(1)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷是自由電子;(2)液體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有正離子和負(fù)離子;(3)氣體導(dǎo)電時(shí)定向移動(dòng)的電荷有自由電子、正離子和負(fù)離子。3.電流的形成(1)形成原因:電荷的定向移動(dòng)。(2)形成條件:導(dǎo)體兩端有電壓。(3)電路中產(chǎn)生持續(xù)電流的條件:電路中有電源且電路閉合?！镜淅痉丁坷?下列關(guān)于電源的說(shuō)法中正確的是(

)A.電源的作用是在電源內(nèi)部把電子由負(fù)極搬運(yùn)到正極,保持兩極之間有電壓B.電源把正、負(fù)電荷分開(kāi)的過(guò)程是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程C.電荷的移動(dòng)形成電流D.只要電路中有電源,電路中就會(huì)形成持續(xù)的電流答案

B解析

在電源內(nèi)部,電源把電子由正極搬運(yùn)到負(fù)極,這一過(guò)程要克服靜電力做功,把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確;電荷的定向移動(dòng)才形成電流,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;電路中要形成持續(xù)的電流,既要有電源,電路又要閉合,兩者缺一不可,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。規(guī)律方法

可用類(lèi)比的方法,電源相當(dāng)于抽水機(jī),抽水機(jī)不斷把水從低水位搬運(yùn)到高水位,維持水勢(shì)差形成持續(xù)水流,電源不斷地在內(nèi)部搬運(yùn)電荷使正極有足夠的正電荷,負(fù)極有足夠的負(fù)電荷,維持正負(fù)極間有電壓形成持續(xù)電流。變式訓(xùn)練1如圖所示,兩個(gè)帶絕緣柄的金屬球A、B,A帶負(fù)電,B不帶電,用導(dǎo)體棒連接A、B的瞬間,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.有瞬時(shí)電流形成,方向由A到BB.A、B兩端的電勢(shì)不相等C.導(dǎo)體棒內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不等于零D.導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷受電場(chǎng)力作用定向移動(dòng)答案

A解析

A、B兩個(gè)金屬球,由于A帶負(fù)電,在A金屬球周?chē)嬖谥赶駻的電場(chǎng),故B球所在處的電勢(shì)應(yīng)高于A球所在處的電勢(shì)。連接后的瞬間導(dǎo)體棒內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不等于零,棒中的自由電荷在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生定向移動(dòng),電流方向應(yīng)由B指向A。A選項(xiàng)的說(shuō)法錯(cuò)誤,本題選錯(cuò)誤的,故選A。探究二電流表達(dá)式

及電流的方向【情境導(dǎo)引】1.電荷的定向移動(dòng)形成電流,如何描述電流的強(qiáng)弱?要點(diǎn)提示

利用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量描述電流的強(qiáng)弱。2.電流可能是正電荷或負(fù)電荷定向移動(dòng)形成的,也可能是正、負(fù)電荷同時(shí)向相反的方向定向移動(dòng)形成的,人們是如何規(guī)定電流的方向的?要點(diǎn)提示

規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较??！局R(shí)歸納】1.電流的方向

電流為標(biāo)量(1)規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反。(2)金屬導(dǎo)體中自由移動(dòng)的電荷是自由電子,電流的方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反。2.電流的大小(1)公式:。用該式計(jì)算出的電流是時(shí)間t內(nèi)的平均值。對(duì)于恒定電流,電流的瞬時(shí)值與平均值相等。(2)兩點(diǎn)說(shuō)明①電解液中正、負(fù)離子定向移動(dòng)的方向雖然相反,但正、負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向是相同的,應(yīng)用

求電流時(shí),q為正電荷總電荷量和負(fù)電荷總電荷量的絕對(duì)值之和。②q=It是

的變形,是求電荷量的重要公式。其中I是電流在時(shí)間t內(nèi)的平均值?！镜淅痉丁坷?如圖所示,在NaCl溶液中,正、負(fù)電荷定向移動(dòng),方向如圖所示,若測(cè)得2s內(nèi)分別有1.0×1018個(gè)Na+和Cl-通過(guò)溶液內(nèi)部的橫截面M,試問(wèn):溶液中的電流方向如何?電流多大?答案

溶液中的電流方向由A指向B,大小為0.16A。解析

NaCl溶液導(dǎo)電是靠自由移動(dòng)的Na+和Cl-,它們?cè)陟o電力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)。溶液中電流方向與Na+定向移動(dòng)方向相同,即由A指向B。Na+和Cl-都是一價(jià)離子,每個(gè)離子的電荷量為e=1.60×10-19

C,NaCl溶液導(dǎo)電時(shí),Na+由A向B定向移動(dòng),Cl-由B向A運(yùn)動(dòng),負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)可以等效地看作正離子沿相反方向的運(yùn)動(dòng),所以每秒通過(guò)M橫截面的電荷量為兩種離子電荷量的絕對(duì)值之和,則有變式訓(xùn)練2在一次閃電的過(guò)程中,流動(dòng)的電荷量大約為300C,持續(xù)的時(shí)間大約是0.005s,所形成的平均電流為多大?這些電荷量如果以0.5A的電流流過(guò)燈泡,可使燈泡照明多長(zhǎng)時(shí)間?答案

6×104A

600s探究三電流的微觀表達(dá)式【情境導(dǎo)引】如圖所示,AD表示粗細(xì)均勻的一段長(zhǎng)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(dòng)的平均速率為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(gè)自由電荷的電荷量為q。(1)AD導(dǎo)體中有多少個(gè)自由電荷?總電荷量是多少?(2)這些電荷都通過(guò)橫截面D所需的時(shí)間是多少?(3)導(dǎo)體AD中的電流是多大?【知識(shí)歸納】對(duì)電流微觀表達(dá)式和三種速率的理解(1)從微觀上看,電流取決于導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個(gè)自由電荷的電荷量、定向移動(dòng)平均速率、導(dǎo)體的橫截面積。(2)電流的微觀表達(dá)式:I=nevS。式中n為導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、e為每個(gè)自由電荷的電荷量、v為自由電荷定向移動(dòng)的平均速率,S為導(dǎo)體的橫截面積。(3)三種速率的比較

自由電荷定向移動(dòng)速率自由電荷定向移動(dòng)形成電流,其中電荷定向移動(dòng)的平均速率約為10-4m/s無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速率導(dǎo)體中的自由電子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),由于沿各個(gè)方向無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等,故不能形成電流。常溫下自由電子熱運(yùn)動(dòng)的速率約為105m/s電場(chǎng)傳播速率(或電流傳導(dǎo)速率)就是導(dǎo)體中建立電場(chǎng)的速率,等于光速,為3×108m/s。閉合開(kāi)關(guān)的瞬間,電路中各處以光速建立恒定電場(chǎng),電路中各處的自由電子幾乎同時(shí)定向移動(dòng),整個(gè)電路也幾乎同時(shí)形成了電流【典例示范】例3(多選)有一橫截面積