資源簡介

(共27張PPT)
11.1 電源和電流
新知導入
電學已經改變了我們的生活方式，并且產生了一個巨大的工程應用領域。
——塞格雷
意大利裔美籍物理學家塞格雷
今天我們就來學習電學的基礎知識電源和電流。
新知導入
思考：電閃雷鳴時，強大的電流使天空不時發出耀眼的閃光，但它只能存在于一瞬間，而手電筒中的小燈泡卻能持續發光，這是為什么？
手電筒中的小燈泡卻能持續發光主要原因就是電路中有電源，今天我們就先從電源的知識學起。
新知講解
一、電源
思考1：如圖所示分別帶正、負電荷的A、B兩個導體球，如果用一條導線H將它們連接起來會發生什么現象？
導線 H 中的自由電子在靜電力的作用下沿導線做定向運動，形成電流。
_
-
A
+
+
+
+
+
+
+
+
B
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新知講解
思考2：導線 H 中的電流能夠持續嗎？請解釋原因。
導線 H 中的自由電子由B向A移動，B 失去電子，A 得到電子，A、B 之間的電勢差很快消失，兩導體成為一個等勢體，達到靜電平衡，以后自由電子不再移動，所以導線 H 中的電流只是瞬間的。不能持續。
B
A
-
A
+
+
+
+
+
+
+
+
B
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_
_
_
H
H
等勢體
新知講解
思考3：如何才能使導線 H 中存在持續的電流呢？
如果在 A、B 之間連接一個裝置 P它能在 B 失去電子的過程中，不斷地從 A 取走電子，補充給 B，使 A、B 始終帶一定數量的正、負電荷。這樣，A、B 之間始終存在電勢差，H 內就會存在持續的電流。
-
B
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_
A
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
P
裝置 P
新知講解
1．電源定義：能把電子從A搬運到B的裝置。裝置P就是電源。
A、B就是電源的正負兩個極。
-
B
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_
_
_
A
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
P
電源
負極
正極
2.電源的作用：保持導體兩端的電勢差（電壓），使電路有持續的電流。
新知講解
二、恒定電流
1.恒定電場
（1）電荷和電場的分布不隨時間變化，即由穩定分布的電荷所產生的穩定的電場，叫作恒定電場。
（2）A、B 周圍空間的電場就是恒定電場，它是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的。
注意：恒定電場不是靜電場，但靜電場中的一些規律同樣適用于恒定電場。
新知講解
2.恒定電流
（1）把大小、方向都不隨時間變化的電流叫作恒定電流。
（2）電流
①物理意義：表示電流強弱的物理量。電流就越大，單位時間內通過導體橫截面的電荷量越多。
②定義：通過導體橫截面的電量q跟通過這些電量所用時間t的比值叫做電流。
③公式：
I —電流 q —電荷量
新知講解
④單位：在國際單位制中，電流的單位是安培簡稱安，符號是 A。 1A=1C/s 常用單位：毫安（mA）、微安（μA）
它們與安培的關系是：1 mA ＝ 10 -3 A 1 μA ＝ 10 -6 A
⑤方向：導體內正電荷定向移動的方向為電流的方向。
金屬導體中自由移動的電荷是自由電子，電流的方向與自由電子定向移動的方向相反。
注意：電流雖然有方向，但電流是標量，它遵循代數運算法則，不遵循平行四邊形定則。
新知講解
3.對公式 的理解
（1）q是時間t內通過某橫截面的電荷量，不是單位橫截面的電荷量。
用該式計算出的電流是時間t內的平均值。對于恒定電流，電流的瞬時值與平均值相等。
（2）電解液中正、負離子定向移動的方向雖然相反，但正負離子定向移動形成的電流方向是相同的，q為正電荷總電荷量和負電荷總電荷量的絕對值之和。
新知講解
例題:某電解池，如果在1s內共有5×1018個二價正離子和1×1019個一價負離子通過面積為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
解析：由題，1s內通過截面正離子的電量為q1=2n1e，負離子的電量絕對值為q2=n2e，則電流為I=（q1+q2 ）/t = (2n1+n2)e /t ，將n1=5×1018個，n2=1×1019個，e=1.6×10-19C代入解得，I=3.2A
故選：D
新知講解
拓展學習 電流的微觀解釋
通常情況下，金屬中的自由電子不斷地做無規則的熱運動，它們朝任何方向運動的機會都一樣。
從宏觀上看，沒有電荷（自由電子）的定向移動，因而也沒有電流。
新知講解
如果導體兩端有電勢差，導體中的自由電子就要受到靜電力的作用。除了做無規則的熱運動外，還要在靜電力的作用下定向移動，從而形成電流。
金屬導體中的電流跟自由電子的定向移動速率有關，下面就來推導它們之間的關系。
新知講解
如圖設導體的橫截面積為 S ，自由電子數密度（單位體積內的自由電子數）為n，自由電子定向移動的平均速率為v電子電荷量為 e。
I=neSV
解：時間 t 內通過橫截面的電荷量 q＝ne（Svt）。
根據電流的公式 I＝q/t，得到電流和自由電子定向移動平均速
導體左端的自由電子到達右端
說明
①根據電流的微觀表達式可以看出，電流決定于導體中單位體積內的自由電荷數、自由電荷的電荷量、自由電荷定向移動的速度，還與導體的橫截面積有關。
②由I=neSV可以看出，同種導體橫截面積越大的位置，電荷定向移動的速率越小。
思考討論1：電子的定向運動速率、電流的傳導速率、電子熱運動的速率一樣嗎？
新知講解
新知講解
電子的定向運動速率:電子在金屬導體中的平均運動速率。平均速率約為 1×10 -4 m/s。
電流的傳導速率:電流在導體中的傳導速率等于光速，平均速率約為3×108m/s。
電子熱運動的速率:自由電子在導體內做無規則熱運動的速率，平均速率約為3×108m/s。
思考討論2：如果認為電子的定向運動速率就是電流的傳導速率，和我們的生活經驗是否相符？
參考答案:導體兩端加上電壓，自由電子定向移動的平均速率約為 10 -4 m/s。按這個定向移動平均速率計算，一個電子通過一條 1 m 長的導體需要幾個小時！這與我們平時開關電燈時的感覺不符。
實際上，閉合開關的瞬間，電路中的各個位置以光速迅速建立了電場。隨著電場的建立，電路中各處的自由電子在靜電力的作用下幾乎同時開始做定向移動，整個電路也就幾乎同時形成了電流。
新知講解
新知講解
STSE 電動汽車中的電池
1.純電動汽車使用的能源是什么？電池的材料是什么？
純電動汽車使用的能源不是汽油，而是電能，提供電能的是鋰離子電池，鋰離子電池以碳材料為負極，以含鋰的化合物為正極。
2.說一說鋰離子電池的原理。
鋰離子電池以碳材料為負極，以含鋰的化合物為正極。在充電的過程中，通過化學反應，電池的正極有鋰離子生成，鋰離子通過電解。
新知講解
液運動到電池的負極。負極的碳材料有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌在這些微孔中，嵌入的鋰離子越多，電池中充入的電荷量也就越多。當汽車開動時，在負極的鋰離子又會通過電解液返回正極，回到正極的鋰離子越多，則放出的電荷量也就越大。
鋰離子電池原理
正極
負極
課堂練習
1．以下說法正確的是（　　）
A．國際單位制中，電流是一個基本物理量，其單位“安培”是基本單位
B．導體中沒有電流，就說明導體內部的電荷沒有移動
C．電流的傳導速率就是導體內自由電子的定向移動速率
D．在金屬導體內當自由電子定向移動時，它們的熱運動就消失了
A
課堂練習
2.雷擊，指打雷時電流通過人、畜、樹木、建筑物等而造成殺傷或破壞，其中一種雷擊形式是帶電的云層與大地上某點之間發生迅猛的放電現象，叫作“直擊雷”。若某次發生“直擊雷”前瞬間云層所帶的電荷量為8C，雷擊時放電時間為200μs，則此次雷擊時的平均電流為（　　）
A．0.04A B．4×104A C．0.08A D．8×104A
B
課堂練習
3．在一段導體兩端加上電壓，已知在10s內通過此導體橫截面的電荷量是4C，則通過這段導體的電流是（　　）
A．40A
B．2.5A
C．0.4A
D．14A
C
課堂練習
4.關于電流，下列說法正確的是（　　）
A．電子的運動速率越大，電流就越大
B．單位時間內通過導體橫截面積的電量越多，導體中的電流越大
C．因為電流有方向，所以電流是矢量
D．導體中的電流，一定是自由電子的定向移動形成的
B
拓展提高
1.一根長為L，橫截面積為S的金屬棒，棒內單位體積自由電子數為n，電子的質量為m，電荷量為e。在棒兩端加上恒定的電壓時，棒內產生電流I，則自由電子定向運動的平均速率為（　　）
A．neSLm B．
C． D．
C
L
S
拓展提高
2.有一橫截面積為S的銅導線，流經其中的電流強度為I；設每單位體積的導線中有n個自由電子，電子的電量為e，此電子的定向移動速率為v，在Δt時間內，通過導線橫截面的自由電子數可表示為 （ ）
A．nvS Δt
B．nv·Δt
C．IΔt /e
D． IΔt /eS
AC
課堂總結
1．電源的定義：能把電子從A搬運到B的裝置。
2.電源的作用：保持導體兩端的電勢差使電路有持續的電流。
3.恒定電流
（1）把大小、方向都不隨時間變化的電流叫作恒定電流。
（2）公式：
（3）方向：導體內正電荷定向移動的方向為電流的方向。
4.金屬導體中電流的計算式： I=neSV

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