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(共34张PPT)
第11章　电路及其应用
第1节　电源和电流
第1课时　电源
　　电闪雷鸣的夜晚，闪电划过夜空，强大的电流只存在于一瞬间。夜间走路，我们可以用手电筒照亮前行的道路。为什么产生闪电的强大电流只存在于瞬间，而手电筒中的小灯泡却能持续发光呢？
导入
　　电闪雷鸣时发出的闪光，是由于两块带异种电荷的云层将其间的空气电离，发生放电现象而形成了电流。当电荷中和后，电流就消失了，因此形成了瞬间电流。
环节一：认识电源
　　持续摇动起电机，能观察到两金属球之间
不断地出现火花放电现象。
　　摇动起电机，在两个金属球上会分别积累
正、负电荷。随着电荷量的不断增多，两球间
会产生强电场而使空气分子电离，产生瞬间电
流。当持续摇动起电机时，两金属球上不断积
累电荷，因此就一次一次地放电。
环节一：认识电源
　　摇动起电机起到了什么作用？
　　起到了给金属球充电的作用。
　　那装有电源的手电筒能持续发光又说明了什么呢？
　　说明电源也起到了和跟手摇起电机一样的作用。
环节一：认识电源
　　若A、B两个导体分别带正、负电
荷，则其周围存在电场。如果在它们
之间连接一条导线H，则导线H中的自
由电子在静电力的作用下将沿导线移
动，形成电流，如图所示。
　　由于导体B失去电子，导体A得到电子，A、B之间的电势差很快消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡。所以，导线H中的电流是瞬时的。
环节一：认识电源
　　若在A、B之间连接一个装置P，
如图所示，能在导体B失去电子的过
程中，不断从导体A取走电子，补充
给导体B，使A、B之间始终存在电势
差，则导线H中就会产生持续电流。
　　能把电子从导体A搬运到导体B
的装置就是电源，导体A、B就是电源的两个电极。
环节一：认识电源
　　电源的作用以及形成持续电流的必要条件各是什么？
　　电源的作用是搬运电荷，保证两极间始终存在电势差。形成持续电流的必要条件是电路中有电源。
　　在生活中的很多地方，我们都会用到电池，比如5号干电池、汽车等设备用到的蓄电池、纽扣电池、手机电池、充电宝、电动汽车中的锂电池等。它们的共同作用都是为了在导体两端维持一个稳定的电势差，为电路持续供电。
环节一：认识电源
　　如图所示，当电路接通时，在电
源两极和导线中都有电荷分布。A、
B周围的电场是由电源、导线等电路
元件所积累的电荷共同形成的。在初
中阶段我们曾经学习过，电荷的定向
移动形成电流。那么，在恒定电流的
电路中，电荷是如何定向移动的呢？
环节二：认识恒定电流
　　电荷在静电力的作用下，可以发生定向移动。在恒定电流的电路中，其电场是不是静电场呢？
　　静电场是场源电荷不动时激发的电场。在恒定电流的电路中，电荷是运动的，其周围激发的电场不是静电场。
　　电源两极A、B周围和导线中，有恒定电流存在时，堆积在电源、导线等电路元件等处的电荷，有“走”的，有“来”的，但各处的电荷量保持不变，此时导体处于动态平衡中。电荷的分布是稳定的，不随时间变化，它们激发出的电场分布也不随时间变化，这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。
环节二：认识恒定电流
　　恒定电场和静电场一样吗？
　　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，所以恒定电场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。
　　导体中的自由电荷在恒定电场的作用下定向移动。那么，这些自由电荷的移动速度是否是不变的呢？
　　导体中的自由电荷在定向移动的过程中，不断与导体内不动的粒子发生碰撞，碰撞阻碍了自由电荷的定向移动，使得大量自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。
环节二：认识恒定电流
　　在恒定电场的电路中，静电力促使电荷运动，碰撞又阻碍电荷运动，在两者的共同作用下，宏观上就形成了恒定电流。如果我们在电路中串联一个电流表，电流表的示数将保持恒定。我们把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
　　闭合开关时，用电器便能立即启动。实际上，导体中的自由电子定向移动的速率仅为10-4 m/s，其数值是非常小的。但为什么用电器能立即开始工作呢？
环节二：认识恒定电流
　　事实上，自由电荷不只是做定向移动，还在做无规则的热运动，其他粒子也不是不动的，也在做无规则的热运动，只是没有定向运动。自由电子无规则热运动的速率约为105 m/s，比其定向移动的平均速率大很多。在实际的电路中，电流的产生并不是电荷定向移动逐渐形成的，而是在导体两端加上电压后，在导体中以光速，也就是3×108 m/s的速率建立电场，整个电路里各处的自由电荷几乎同时受到静电力作用而做定向移动，因此电路中瞬间就有了电流。
环节二：认识恒定电流
　　电荷的定向移动形成了电流。电路中的电流也有强弱之分，我们可以用电流这个物理量来描述电流的强弱。
　　如何规定电流的方向呢？
　　在电路中，把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。负电荷定向移动的反方向也是电流的方向。
　　该如何计算电流的大小呢？
　　如果用I表示电流，用q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量，则有I=。该表达式是电流的定义式。其中，电流的单位是安培，符号是A。
环节三：定义电流
　　若单位时间通过导体横截面的电荷量越多，电流就越大。那么，什么叫横截面呢？
　　如图所示，S就是横截面，是与电流方向垂直的截面。
环节三：定义电流
　　若通过某一导体横截面的电荷，既有正电荷，
也有负电荷，如图所示。设t时间内，通过导体横
截面S的正电荷的电荷量为q1，负电荷的电荷量为
q2。该如何确定通过导体横截面的电荷量？
　　正电荷向右定向移动，形成向右的电流，其大小为I1，而负电荷向左定向移动，同样形成了向右的电流，其大小为I2。因此，通过导体横截面的电流应为I1+I2，故q应为q1与q2绝对值之和。
环节三：定义电流
　　电流是标量还是矢量呢？
　　电流应该是标量。
　　因此，在电路中进行电流计算时，应进行代数运算。
　　当导体中的电流一定时，时间越长，通过导体横截面的电荷量越大，但电荷量与时间的比值不变。这说明电流的大小并不是由通过导体横截面的电荷量和通电时间决定的。
　　那么，电流的大小与哪些因素有关呢？
环节三：定义电流
课堂练习
AB
课堂练习
D
课堂练习
D
第11章　电路及其应用
第1节　电源和电流
第2课时　电流的微观解释
　　电荷的定向移动形成了电流。那么，这些可以自由移动的电荷是如何运动形成电流的呢？从宏观上看，一段时间t内，通过一段长为l、横截面积为S的导体的电荷量为q，我们就可以根据电流的定义得到电流的大小。如果我们从微观上进行分析，电荷定向移动形成的电流，又与哪些因素有关呢？我们是否也能得到微观角度的关系式呢？
导入
　　电荷的定向移动形成电流。要从电荷运动的角度分析电流的形成，首先要知道：电荷是如何运动的？为什么定向移动？
　　金属中可以自由移动的是电子。当金属不通电时，金属中的自由电子不断地做无规则的热运动，它们朝任何方向运动的机会都是一样的。因此，从宏观上看，并没有自由电子的定向移动，也就没有电流。
　　怎样使自由电子发生定向移动呢？
　　在导体两端加上电压。
环节一：建构合理物理模型，从微观角度解释电流
　　为什么在导体两端加上电压，自由电子就能发生定向移动呢？
　　当导体两端加上电压后，在导体内部就建立了电场，自由电子受到静电力的作用，就会发生定向移动，从而形成电流。
　　从宏观上看，电流的大小与通过某横截面的电荷量和通过这些电荷量所用时间的比值有关。如果通过某一横截面的时间一定，那么，电流的大小与通过导体横截面的电荷量的多少有关。如果从微观上看，通过某一横截面的电荷量的多少又与什么有关呢？
　　应该和自由电子定向移动的速率有关，也应该和自由电子数的多少有关。
环节一：建构合理物理模型，从微观角度解释电流
　　要得到电流的微观解释，首先需要建构电流形成的微观物理模型。
　　自由电子在定向移动的同时，也在做无规则的热运动。电流是由电荷定向移动形成的，为了简化分析，只考虑自由电子的定向移动。
　　可以设某一横截面积为S，电子的电荷量为e，自由电子定向移动的平均速率为v，若要得到t时间内通过横截面积S的电荷量，还需要知道哪些物理量？
　　还需要知道自由电子的总数。
环节一：建构合理物理模型，从微观角度解释电流
　　若设在单位体积内的自由电子数为n(自由电子数密度)，那么，如何知道t时间内流过导体横截面的自由电子的总数呢？
　　这里可以构建这样的一个物理模型，如图所示。
环节一：建构合理物理模型，从微观角度解释电流
　　根据上述物理模型和条件，根据电流的公式I=，能否推导电流和自由电子定向移动平均速率的关系，并说明各物理量的物理意义？
　　电流和自由电子定向移动平均速率的关系为I=neSv。其中，n为自由电子数密度，e为电子电荷量，S为导体的横截面积，v为自由电子定向移动的平均速率。
　　解决这类问题的关键就是要建构合理的物理模型，建立宏观与微观间的联系。
环节一：建构合理物理模型，从微观角度解释电流
　　随着环境问题的日益严重以及电池技术的逐步发展，零排放的纯电动汽车逐渐走入了我们的生活。纯电动汽车所需的电能是由锂离子电池提供的。除此之外，如手机、笔记本电脑等使用的电池，其本质是一样的。
　　锂离子电池使用的是非水液态有机电解质。
　　在实际应用中，单体锂离子电池的容量非常有限，因此，常用若干单体锂离子电池构成的电池组，作为电动汽车的电源，为电动汽车供电。
环节二：电动汽车的电池
　　(1)锂离子电池的正极和负极各由什么材料制成？
　　(2)给锂离子电池充电时，电池内部电场的方向如何？
　　(3)在充电过程中，带正电的锂离子的运动方向如何？静电力做正功还是负功？
　　(4)在充电过程中，能量是如何转化的？
　　(5)汽车启动时，电池开始放电，该过程中能量是如何转化的？
　　(6)放电过程中，带正电的锂离子是如何运动的？
环节二：电动汽车的电池
　　(7)放电过程中，静电力做正功还是做负功？能量是如何转化的？
　　(8)电池的容量指的是什么？若某电动汽车的电池容量是94 A·h，其含义是什么？
　　(9)若汽车的电池容量为94 A·h，该汽车以72 km/h的速度行驶，大约可以行驶5 h，则该电动汽车以此速度工作时的电流大约为多少？电池的续航(充电一次能行驶的路程)是多少？
环节二：电动汽车的电池
课堂练习
A
课堂练习
D
…… 手机类型 智能手机、4G手机
屏幕分辨率 1 990×1 080像素
电池容量 4 000 mA·h
电池类型 不可拆卸式电池
待机时间 约22天
……
课堂练习
B
谢谢！

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