高二选修31电源 电流和电动势讲义.docx
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高二选修31电源电流和电动势讲义
1、教学目标
1、理解电源的作用,理解恒定电场的形成过程
2、知道恒定电流的概念,会用公式
和
分析有关问题
3、知道电源的作用和什么是“非静电力”
4、了解电池内部能量的转化过程和生活中的电池
5、掌握电动势的概念及表达式
2、重难点
1、恒定电流的概念,利用公式
和
分析有关问题
2、电动势的概念及其表达式
3、知识点梳理
1、电源
(1)电源的定义
电源是不断把负电荷从正极搬运到负极从而维持正、负极之间存在一定电势差的装置.
(2)电源的作用
①从电荷移动的角度看
电源的作用就是移送电荷,维持电源正、负极间有一定的电势差,从而保持电路中有持续电流.
电源在内部能把电子从正极A搬运到负极B,如图2-1-1所示.
②从能量转化的角度看
搬运电荷的过程就是克服静电力做功的过程,是将其他形式的能转化为电能的过程.
【说明】
电源在电路中起到保持导体两端电压,使导体中具有持续电流的作用.
2、电流
(1)恒定电场
①导线中电场的形成:
是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成。
②恒定电场
A、定义:
由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场,称为恒定电场。
B、性质:
导线中的电场是恒定电场,不是静电场。
但由于在恒定电场中,任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化,所以它的基本性质与静电场相同.在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等,在恒定电场中同样适用。
【说明】
A、导线内的电场是在接通电源后的极短时间内(以光速c)完成的。
B、恒定电场是自由电荷在导体中定向移动的原因。
(2)恒定电流
①电流:
单位时间内通过导体横截面的电荷量,是表示电流强弱程度的物理量,一般用“I”表示.
②公式:
,I表示电流,q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量.
③单位:
国际单位是安培,简称安,符号A.它是国际单位制中七个基本单位之一,1C=1A·s.常用单位有毫安(
)、微安(
)。
④方向:
规定正电荷定向移动的方向为电流方向.
⑤测量工具:
电流表.
⑥恒定电流:
大小、方向都不随时间变化的电流.
【说明】
①电流虽然既有大小,又有方向,但电流并非是矢量,而是标量.
②金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反.
③电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反,但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的.
④在电源外部的电路中,电流是从电源的正极流向负极;在电源内部的电路中,电流是从电源的负极流向正极.
3、电流的微观解释
如图2-1-2所示,AD表示粗细均匀的一段导体
,两端加一定的电压,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为
,设导体的横截面积为
,导体单位体积内的自由电荷数为
,每个自由电荷的电荷量为
,则AD导体内自有电荷总数
,总电荷量
,所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间
,所以AD上的电流
,由此可见,从微观上看,电流决定于导体中自由电荷的密度,电荷的电荷量以及定向移动速度,还与导体的横截面积有关.
【注意】
(1)
中的q是通过整个横截面的电荷量,不是单位面积上的电荷量,故I与横截面积的大小无关。
(2)应用
不能理解为I与q成正比,与t成反比。
应用
计算时应注意区别是金属导体还是电解液导体,若是金属导体,则q为自由电子带电荷量的绝对值;若是电解液导体,则q为正、负离子带电荷量的绝对值之和,这是因为负电荷定向移动形成的电流方向与正电荷定向移动形成的电流方向相同.
(3)
是由
推导而来的,它从微观的角度阐明了决定电流强弱的因素,同时也说明了电流I既不与电荷量q成正比,也不与时间t成反比.
4、电动势
(1)电源
①定义:
电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置.
如:
干电池和铅蓄电池能够把化学能转化为电能,水轮发电机能够把机械能转化为电能.
②电源的作用
电源的作用就是不断地把正电荷从负极搬运到正极,从而使两极间有一定的电压,将一段导体(或一段电路)接到电源两极之间,在导体(或电路)两端就有了一定电压,可见电源能在导体(或电路)两端保持一定的电压.
(2)非静电力
如图2-2-1所示,在外电路电流由电源正极流向负极,即从高电势到低电势,电流在电源内部只能从负极流向正极,即从低电势到高电势.根据电场知识可知,静电力不可能使电流从低电势流向高电势,反而起阻碍作用.因此电源内部必然存在着从低电势处指向高电势处的某种力,称为“非静电力”,正是它驱使正电荷逆着静电力从低电势处流向高电势处,这与用水泵把水从井底(低处)抽到地面(高处)类似,在水泵中必然存在一种作用于水向上的“非重力”.
非静电力的种类很多,例如,化学电源中的化学力、发电机内由于电磁感应而出现的电磁力等.
(3)电动势
从能量转化的角度来看,非静电力移动电荷做功的过程,就是把其他形式的能转化为电能的过程.在不同的电源中,非静电力不同,其做功本领也不同,即把相同数量的正电荷在电源内部从负极搬运到正极,非静电力做功多少不同,则转化成电能的多少就不同,物理学中用电动势来描述电源的这种特性.
①定义:
非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功跟被移送的电荷量的比值叫电源的电动势.
电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功.
②公式:
③单位:
伏特
④物理意义:
电动势是描写电源性质的物理重,是描述电源内非静电力做功本领,即将其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量.
⑤方向规定:
电动势E是标量,为研究问题方便,规定其方向为电源内部电流方向,即由电源负极指向正极方向.
⑥电动势是用比值定义的物理量,由电源中非静电力的特性决定,是电源的属性,与移送的电荷量q和所做的功W无关,跟电源的体积、外电路也无关.
5、内阻
(1)定义:
电源的内部也是由导体组成的,所以也有电阻,这个电阻叫做电源的内阻.
(2)意义:
内阻和电源电动势同为电源灯之内要参数。
注意i电池的内阻在使用过程中变化较大,使用时间越长,内阻越大.
6、电源的容量
(1)定义:
电源的容量就是电源放电时能输出的总电荷量,通常以安培时(A·h)或毫安时(mA·h)为单位.
(2)特点:
电源的容量与放电状态有关,同样的电源,小电流,间断性放电要比大电流连续放电的电容量大.体积越电大,电源容量越大.
4、典型例题
【例1】关于电源的作用,下列说法中正确的是( B )
A.电源能为电路提供自由电荷
B.电源能保持导体两端的电压,使电路中有持续电流
C.电源能直接释放电能
D.电源使自由电荷运动起来
解析:
电源的作用是能保持导体两端的电压,使电路中形成持续电流,故B正确,A、C、D错误。
【例2】下列说法中正确的是( B )
A.导体中电荷运动就形成了电流
B.在国际单位制中,电流的单位是安培(A)
C.电流有方向,它是一个矢量
D.任何物体,只要其两端电势差不为零,就有电流存在
解析:
自由电荷定向移动才形成电流,仅有电荷移动但不是定向移动则不行,故选项A错误。
形成电流的条件是导体两端保持有电压,且必须是导体而非任何物体,故选项D错误。
电流有方向,但它是标量,故选项C错误。
【例3】关于电流,下列说法中正确的是( C )
A.通过导体横截面的电荷量越多,电流越大
B.电子运动速率越大,电流越大
C.单位时间内通过导线横截面的电荷量越多,导体中的电流就越大
D.因为电流有方向,所以电流是矢量
解析:
由I=
知q大,I不一定大,还要看t的大小,故A错,由I=nqSv知,电子运动的速率v大,电流不一定大,电流还与n、S有关,故B错,单位时间内通过导线横截面的电量越多,电流越大,C对。
电流虽有方向但不是矢量,合成遵循代数法则,故D错。
【例4】下列关于电流的说法中,错误的是( C )
A.我们把大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流
B.恒定电流是由恒定电场产生的
C.导体中没有电流时,就说明导体内部的电荷没有移动
D.由I=
可知,电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多
【例5】某一探测器,因射线照射而使内部气体电离,在时间t内有n个二价正离子通过探测器某一个截面,同时有2n个电子也通过该截面,则探测器电路中的电流为( D )
A.0 B.2ne/t C.3ne/t D.4ne/t
解析:
经过这个截面的有正负两种电荷,所以电量应该等于两种电量绝对值的和,故电流为I=
=
=
,A、B、C错误,D正确。
【例6】某品牌手机在待机工作状态时,通过的电流是4微安,则该手机待机一天时间内通过的电荷量是多少?
通过的自由电子个数是多少?
答案:
0.35C 2.16×1018个
解析:
通过的电量为:
q=It=4×10-6×24×3600C=0.35C
通过的电子数为:
N=
=
=2.16×1018个
7.如图所示,在NaCl溶液中,正、负电荷定向移动,方向如图所示,若测得2s内有1.0×1018个Na+和Cl-通过溶液内部的横截面M,试问:
溶液中的电流方向如何?
电流多大?
答案:
溶液中的电流大小为0.16A,方向由A指向B。
解析:
NaCl溶液导电是靠自由移动的Na+和Cl-离子,它们在电场力作用下向相反方向运动。
因为电流方向规定为正电荷定向移动的方向,故溶液中电流方向与Na+定向移动方向相同,即由A指向B。
Na+和Cl-都是一价离子,每个离子的电荷量为e=1.6×10-19C,NaCl溶液导电时,Na+由A向B定向移动,Cl-由B向A运动,负离子的运动可以等效地看做正离子沿相反方向的运动,可见,每秒钟通过M横截面的电荷量为两种离子电荷量的绝对值之和,
则有I=
=
=
A=0.16A
8.在某次闪电中,持续的时间是0.005s,所形成的平均电流约为6×104A。
若闪电过程中流动的电荷量以0.5A的电流通过电灯,可供灯照明的时间为多少?
答案:
600s
解析:
q=It=6×104×0.005C=300C
可供照明的时间为:
t′=
s=600s
5、课堂练习
1.如图所示,一根截面积为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度为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( A )
A.vqB.
C.qvSD.qv/S
解析:
在运动方向上假设有一截面,则在t时间内通过截面的电荷量为Q=vt·q
等效电流I=
=vq故A正确.
2、如图所示,将左边的铜导线与右边的铝导线连接起来,已知铝导线的横截面积是铜导线横截面积的两倍,在铜导线上取一个截面A,在铝导线上取一个截面B,若在1秒内垂直地通过它们的电子数相等,那么,通过这两个截面的( AD )
A.电流相等
B.电流不相等
C.自由电子定向移动的速率相等
D.自由电子定向移动的速率不相等
解析:
由电流定义知I=
=
,故A正确,B错误。
由电流的微观表达式I=nSqv知,I、n、q均相等,因为SA
4.导线中的电流是10-8A,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度是多大(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,平均需要多少时间?
答案:
(1)6.25×1010个
(2)7.4×10-13m/s (3)1.35×1010s
解析:
(1)N=
=
=
个=6.25×1010个。
(2)由公式I=neSv得
v=
=
m/s
≈7.4×10-13m/s。
(3)由v=
得
t=
=
s≈1.35×1010s。
5.夏季某日午后,某地区
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