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第十一章 电路及其应用
11.1电源和电流
教材分析
本章介绍电路的基本概念和规律，是前两章内容的延续和应用。虽然电源和电流学生在初中时已经简单的了解和认识但是内部的原理和形成原因并不清楚。因此本节内容需要结合前面两章的知识并利用微观的方法进行解释，可以采用类比的方法进行讲解。
学情分析
学生已经基本掌握了学习物理的思维方法，例如分析、抽象、类比等等，在学习本节内容之前学生已经学习了静电场和导体平衡的知识，有了一定的电场基础。电源虽然在生活中比较常见但本节内容重点讲授的是电源内部的工作原理和导线中的电流，是比较抽象的知识。
教学目标
1.让学生明确电源在直流电路中的作用，理解导线中的恒定电场的建立。
2.知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量——电流。
3.从微观意义上看电流的强弱与自由电子定向移动平均速率的关系。
重难点
重点难点：1.理解电源原理及其作用
2.从微观的角度解释电流
授课内容
一、电源
1．定义：能够把电子从正极搬运到负极的装置。
2．作用：(1)维持电源正、负极间始终存在电势差。
(2)使电路中的电流能够持续存在。
【典例】关于电源的以下说法，正确的是 (B　　)
A.电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正极，从而使两极之间有一定的电势差
B.电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极，从而使两极之间有一定的电势差
C.只要电路中有电源，电路中就一定有电流
D.电源实质上也是一个用电器，也需要外界提供能量
二、恒定电流
1．恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。
2．自由电荷定向移动的平均速率：在恒定电场的作用下，自由电荷定向加速运动，但在运动过程中与导体内不动的粒子不断碰撞，碰撞的结果是大量自由电荷定向移动的平均速率不随时间变化。
3．恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流。
4．电流
(1)物理意义：表示电流强弱程度的物理量。
(2)公式：I＝。
(3)单位：在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A。
常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
1 mA＝10－3 A,1 μA＝10－6 A。
(4)方向：正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。
【典例1】(多选)在由电源、导线等电路元件所组成的电路中，以下说法正确的是 (　BD　)
A.导线中的电场强度处处为零
B.导线中的电场强度方向跟导线方向平行
C.导线处于静电平衡状态
D.导线内沿电流方向各点的电势逐渐降低
【典例2】(多选)关于电流的方向，下列说法中正确的是 (　AD　)
A.电源供电的外部电路中，电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
B.电源内部，电流的方向是从高电势一端流向低电势一端
C.电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相同
D.电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相反
【练习1】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.电流的方向就是自由电荷定向移动的方向
C.单位时间内通过导体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
【练习2】如图所示，在NaCl溶液中，正、负电荷定向移动，其中Na+水平向右移动。若测得4 s内分别有1.0×1018个Na+和Cl-通过溶液内部的横截面M，那么溶液中的电流方向和大小为 (　B　)
A.水平向左　0.8 A
B.水平向右　0.08 A
C.水平向左　0.4 A
D.水平向右　0.04 A
【练习3】如图所示，将左边的铜导线和右边的铝导线连接起来，已知两导线横截面积满足S铝=2S铜，在铜导线上取一截面A，在铝导线上取一截面B，若在1 s内垂直通过它们的电子数相等，那么通过这两截面的电流的大小关系是 (　A　)
　　　　　 　　　　　 　　　　　
A.IA=IB B.IA=2IB
C.IB=2IA D.不能确定
【练习4】如图所示，一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上均匀带有负电荷，单位体积内的电荷量为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　 (　C　)
vq B. C.qvS D.
【典例3】一根横截面积为S的铜导线，通过电流为I。已经知道铜的密度为ρ，铜的摩尔质量为M，电子电荷量为e，阿伏加德罗常数为NA，设每个铜原子只提供一个自由电子，则铜导线中自由电子定向移动的速率为 (　A　)
A. B.
C. D.
【典例4】(多选)一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流为I，设单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电荷量为q。此时电子的定向移动速率为v，在t时间内，通过铜导线横截面的自由电子数目可表示为 (AC　　)
A.nvSt B.nvt
C. D.
六、课堂小结
电源和电流
一、电源
1．定义：能够把电子从正极搬运到负极的装置。
2．作用：(1)维持电源正、负极间始终存在电势差。(2)使电路中的电流能够持续存在。
二、恒定电流
1．恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场。
2．自由电荷定向移动的平均速率：在恒定电场的作用下，自由电荷定向加速运动，但在运动过程中与导体内不动的粒子不断碰撞，碰撞的结果是大量自由电荷定向移动的平均速率不随时间变化。
3．恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流。
4．电流
(1)物理意义：表示电流强弱程度的物理量。
(2)公式：I＝。
(3)单位：在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A。
常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
1 mA＝10－3 A,1 μA＝10－6 A。
(4)方向：正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。
七、随堂检测
1.下列关于有电源的电路中导线内部的电场强度的说法中正确的是 (　D　)
A.导线内部的电场就是电源所形成的电场
B.在静电平衡时，导线内部的场强为零，而导线外部的场强不为零，所以导线内部的电场不是稳定的
C.因为导线处于电源的电场中，所以导线内部的场强处处为零
D.导线内部的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的，导线内的电荷处于平衡状态，电荷分布是稳定的，电场也是稳定的
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，关于该环形电流的说法正确的是 (　C　)
A.电流大小为，电流方向为顺时针
B.电流大小为，电流方向为顺时针
C.电流大小为，电流方向为逆时针
D.电流大小为，电流方向为逆时针
3.(多选)半径为R的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度ω匀速转动，关于由环产生的等效电流，下列判断正确的是 (　AB　)
A.若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍，则等效电流也将变为原来的2倍
B.若电荷量Q不变而使ω变为原来的2倍，则等效电流也将变为原来的2倍
C.若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，等效电流将变大
D.若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，等效电流将变小
4.北京正负电子对撞机的储存环是周长为240 m的近似圆形轨道，当环中电子以光速的流动而形成10 mA的电流时，环中运行的电子数目为多少？(已知光速c=3×108 m/s，电子电荷量e=1.6×10-19 C)
解析　电子运动一周所需要的时间t= s=8×10-6 s
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，故环中所有电子的电荷量为：q=It=10×10-3×8×10-6 C=8×10-8 C
环中具有的电子数N==个=5×1011个。
5.有甲、乙两导体，甲的横截面积是乙的2倍，而单位时间内通过乙导体横截面的电荷量是甲导体的2倍，下列说法中正确的是　 (　B　)
A.通过甲、乙两导体的电流相同
B.通过乙导体的电流是甲导体的2倍
C.乙导体中自由电荷定向移动的速率是甲导体的2倍
D.甲、乙两导体中自由电荷定向移动的速率大小相同
6.一根铜导线的横截面积为2 mm2，其中的自由电子数密度为8.5×1028个/m3，当此铜导线通过2 A的电流时，求：
(1)1 s内有多少个电子通过铜导线的横截面？(电子电荷量e=1.6×10-19 C)
(2)电子定向移动的速率多大？
解析　(1)1 s内通过铜导线横截面的电荷量q=It=2 C
所以1 s内通过铜导线横截面的电子数N==1.25×1019个
(2)由电流的微观表达式I=neSv得
v== m/s≈7.35×10-5 m/s。
7.导线中的电流是1 A，导线的横截面积为1 mm2。
(1)在1 s内，有多少个电子通过导线的横截面？(电子电荷量e=1.6×10-19 C)
(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1 m，平均需要多少时间？
解析　(1)N===(个)=6.25×1018(个)。
(2)由公式I=neSv，得
v== m/s≈7.35×10-5 m/s。
(3)自由电子沿导线移动1 m需用时t= s≈3.78 h。
八、课后作业
限时练
九、教学反思

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