高中物理电流学案及答案

这是一份高中物理电流学案及答案，共7页。
逐点清(一) 电流的形成
[多维度理解]
1．形成电流的条件
(1)回路中存在__________。
(2)______。
2．形成持续电流的条件：________________。
3．电流的速度：等于______的传播速度，它等于____________ m/s。
4．自由电子的运动速率：常温下，金属内的自由电子大约以______ m/s的平均速率做无规则运动。
5．电子定向移动的速率：数量级大约是______m/s，被形象地称为“电子漂移”。
[微点拨]
1．形成电流的三种电荷
形成电流的三种电荷为自由电子、正离子和负离子，举例说明：
(1)金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子；
(2)液体导电时定向移动的电荷有正离子和负离子；
(3)气体导电时定向移动的电荷有自由电子、正离子和负离子。
2．三种速率的理解
[全方位练明]
1．判断下列说法是否正确。
(1)导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动( )
(2)在导体中，只要自由电荷在运动，就一定会形成电流( )
(3)导体两端没有电压就不能形成电流( )
2.在导体中有电流通过时，下列说法正确的是( )
A．电子定向移动速率为光速
B．电子定向移动速率即是电场的传播速率
C．电子定向移动速率是电子热运动速率
D．在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动
3．雷鸣电闪时，强大的电流使天空发出耀眼的闪光，但它只能存在于一瞬间(如图甲)，而手电筒中的小灯泡却能持续发光(如图乙)，这是为什么？
逐点清(二) 电流的方向与大小
[多维度理解]
1．电流的方向
(1)规定_______定向移动的方向为电流的方向。
(2)金属导体内的电流方向与电子定向移动的方向______。
(3)在电源外部电路中，电流的方向是从电源______极流向____极。
2．电流的大小和单位
(1)定义：物理学中将流过导体某一横截面的________与所用______之比定义为电流，用符号______表示。
(2)定义式：I＝______。
(3)单位：在国际单位制中，电流的单位是______，简称____，符号为A,1 A＝______。常用单位还有____和______。
换算关系：1 A＝______ mA＝____ μA。
(4)直流电和恒定电流：______不随时间变化的电流称为直流电。______和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。
eq \a\vs4\al([微点拨])
计算电流大小的三类情形
(1)金属导体中的自由电荷只有自由电子，运用I＝eq \f(q,t)计算时，q是时间t内通过金属导体横截面的自由电子的电荷量。
(2)电解质溶液中的自由电荷是正、负离子，运用I＝eq \f(q,t)计算时，q是时间t内正、负两种离子通过横截面的电荷量的绝对值之和。
(3)计算周期性运动的电荷形成的电流时，常取一个周期来计算，即利用I＝eq \f(q,T)求等效电流。 [典例] 如图所示的电解槽中，如果在4 s内各有8 C 的正、负离子通过面积为0.8 m2的横截面AB，那么：
(1)正、负离子定向移动的方向如何？
(2)电解槽中的电流方向如何？
(3)4 s内通过横截面AB的电荷量为多少？
(4)电解槽中的电流为多大？
尝试解答：
[全方位练明]
1．一条金属导体中的电流是5 μA，那么在3.2 s内通过金属导体横截面定向移动的自由电荷个数是(取e＝1.6×10－19 C)( )
A．1×1014个 B．1×1015个
C．2×1014个 D．2×1015个
2．安培提出了著名的分子电流假说，根据这一假说，电子绕核运动可等效为一环形电流。设带电荷量为e的电子以速率v绕原子核沿顺时针方向做半径为r的匀速圆周运动，其产生的等效电流强度I和方向为( )
A.eq \f(ve,2πr) 顺时针 B.eq \f(ve,r) 顺时针
C.eq \f(ve,2πr) 逆时针 D.eq \f(ve,r) 逆时针
逐点清(三) 电流的微观表达式
[多维度理解]
1．电流微观表达式的推导过程
(1)建立模型
如图所示，AD表示粗细均匀、长为l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v，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，每个自由电荷的电荷量为e。
(2)理论推导
AD导体中的自由电荷总数N＝nlS
总电荷量q＝Ne＝nlSe
所有这些电荷都通过横截面积S所需要的时间t＝eq \f(l,v)
根据公式I＝eq \f(q,t)可得
导体AD中的电流I＝eq \f(q,t)＝eq \f(nlSe,\f(l,v))＝neSv。
(3)结论总结
从微观上看，电流的大小与导体中单位体积内的自由电子数、每个自由电子的电荷量、电子定向移动的平均速率的大小以及导体的横截面积有关。
2．电流的定义式和微观表达式的比较
[典例] 铜的摩尔质量为m，密度为ρ，每摩尔铜原子有n个自由电子，现有一根横截面积为S的铜导线，当通过的电流为I时，电子定向移动的平均速率为( )
A．光速c B.eq \f(I,neS) C.eq \f(ρI,neSm) D.eq \f(mI,neSρ)
听课记录：
[变式拓展] 在[典例]中，若铜导线的直径为2 mm，流经其中的电流为0.032 A，单位体积的自由电子数目为8.4×1028个，电子电荷量为e＝1.6×10－19，试问：铜导线内自由电子定向移动的速率多大？(结果保留两位有效数字)
eq \a\vs4\al([思维建模])
用电流的微观表达式求解问题的两点注意
(1)准确理解公式中各物理量的意义，式中的v是指自由电荷定向移动的速率，不是电流的传导速率，也不是电子热运动的速率。
(2)I＝neSv是由I＝eq \f(q,t)导出的，若n的含义不同，表达式的形式也会不同。

[全方位练明]
1.(多选)如图所示，将左边的细铜导线与右边的粗铜导线连接起来，已知粗铜导线的横截面积是细铜导线横截面积的两倍，在细铜导线上取一个截面A，在粗铜导线上取一个截面B，若在1 s内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过这两个截面的( )
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
2．某根导线的横截面积为S，已知该导线材料的密度为ρ，摩尔质量为M，电子电荷量为e，阿伏伽德罗常数为NA，设每个原子只提供一个自由电子，则该导线中自由电子定向移动的平均速率为v时，导线中通过的电流为( )
A.eq \f(NAevρ,SM) B.eq \f(NAevS,ρM)
C.eq \f(evSρ,MNA) D.eq \f(NAevSρ,M)
第1节 电流
逐点清(一)
[多维度理解]
1．(1)自由电荷 (2)电压 2.导体两端有持续电压
3．电场 3.0×108 4.105 5.10－5
[全方位练明]
1．(1)× (2)× (3)√
2．选D 电子定向移动的速率很小，电场的传播速率等于光速，在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动。故A、B、C错误，D正确。
3．提示：闪电只是提供了瞬时高压，只能产生瞬时电流；手电筒中的电源为小灯泡提供了持续的电压，能产生持续电流。
逐点清(二)
[多维度理解]
1．(1)正电荷 (2)相反 (3)正 负
2．(1)电荷量 时间 I (2)eq \f(q,t) (3)安培 安 1 C/s mA μA 103 106 (4)方向 大小
[典例] 解析：(1)电源与电解槽中的两极相连后，左侧电极电势高于右侧电极电势，电极之间电场方向由左指向右，故正离子向右移动，负离子向左移动。
(2)电解槽中的电流方向跟正离子定向移动方向相同，方向向右。
(3)8 C的正离子向右通过横截面AB，同时8 C的负离子向左通过横截面AB，相当于有8 C正电荷向右通过横截面，故4 s内通过横截面AB的电荷量为16 C。
(4)电流大小I＝eq \f(q,t)＝eq \f(16,4) A＝4 A。
答案：(1)正离子向右移动 负离子向左移动
(2)向右 (3)16 C (4)4 A
[全方位练明]
1．选A 根据电流的定义式I＝eq \f(q,t)可得：q＝It＝5×10－6×3.2 C＝1.6×10－5 C，通过该截面的自由电荷(自由电子)个数n＝eq \f(q,e)＝eq \f(1.6×10－5,1.6×10－19)＝1×1014个，故选项A正确。
2．选C 电子绕核运动可等效为一环形电流，电子运动周期为T＝eq \f(2πr,v)，根据电流的定义式得等效电流强度为I＝eq \f(q,t)＝eq \f(e,T)＝eq \f(ve,2πr)，因为电子带负电，所以等效电流方向与电子定向移动方向相反，即等效电流方向为逆时针方向，故C正确，A、B、D错误。
逐点清(三)
[典例] 选D 如图所示，选长度为l的铜导线为研究对象。
所选研究对象的体积为V＝lS，①
铜的摩尔体积V0＝eq \f(m,ρ)，②
由①②可得所选研究对象中铜原子的物质的量
N＝eq \f(V,V0)＝eq \f(lS,\f(m,ρ))＝eq \f(ρlS,m)，③
因为每摩尔铜原子有n个自由电子，所以所选研究对象所含自由电子个数n1＝Nn＝eq \f(nρlS,m)，④
电流I＝eq \f(q,t)＝eq \f(n1e,\f(l,v))，⑤
由④⑤得v＝eq \f(mI,neSρ)，故D正确。
[变式拓展] 解析：铜导线的横截面积为：S＝eq \f(1,4)πd2，电流的微观表达式为：I＝neSv，联立可得：v≈7.6×10－7 m/s。
答案：7.6×10－7 m/s
[全方位练明]
1．选AD 由电流定义式知I＝eq \f(q,t)＝eq \f(ne,t)，故A正确，B错误；由电流的微观表达式I＝nSev知，I、n、e均相等，因为SAvB，故C错误，D正确。
2．选D 自由电子定向移动的平均速率为v，设导线中自由电子从一端定向移动到另一端所用时间为t，每个原子只提供一个自由电子，则导线中原子数目与自由电子的总数相等，为n＝eq \f(ρSvt,M)NA，t时间内通过导线某一横截面的总电荷量为q＝ne，则电流大小I＝eq \f(q,t)＝eq \f(NAevSρ,M)，故选项D正确。
课标要求
层级达标
1.了解电流的形成条件。
2.理解电流的定义，知道电流的单位、方向的确定。
3.掌握电流的定义式I＝eq \f(q,t)，并能分析相关问题。
学考层级
1.知道电流的概念，理解电流、电荷量以及与时间的关系。
2.通过实验分析，可以得出电流形成的条件。
3.通过电流形成的微观原因，可以解释电流的微观表达式。
选考层级
1.通过对电流与电荷量和时间的定量关系I＝eq \f(q,t)的分析，可以解决生活中的相关现象。
2.通过对电流形成的微观表达式I＝neSv的探究，能对此公式进行正确的应用。
项目
电子定向移动的速率
电子热运动的速率
电场的传播速率
大小
10－5 m/s
105 m/s
3×108 m/s
物理意义
电流就是由电荷的定向移动形成的，电流I＝neSv，其中v就是电子定向移动的速率，数量级一般为10－5 m/s
导体中的电子在不停地做无规则热运动，由于热运动向各个方向的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动的速率数量级为105 m/s
等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c建立恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流
项目
I＝eq \f(q,t)
I＝neSv
公式性质
定义式
决定式
电流的意义
时间t内的平均电流
某时刻的瞬时电流
描述的角度
大量电荷定向移动的宏观表现
形成电流的微观实质
联系
由I＝eq \f(q,t)可导出I＝neSv