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2.1 电流 电压 电阻
学习目标 1.通过任务1及其活动,知道电阻的概念,经历实验加深对欧姆定律的理解,会用欧姆定律解答问题。(物理观念、科学思维) 2.通过任务2及其活动,知道电流的形成、定义、单位、方向的规定,知道电源的作用和导体中的恒定电场,理解恒定电流以及电流的微观实质。(物理观念、科学思维)
【自主预习】
　　重点难点:等效电流的计算,电流微观表达式的推导,欧姆定律的理解与应用。
教学建议:本节内容与初中知识联系紧密,建议可以先复习一下初中的电学知识,然后进一步探究电流的形成原因,讲清楚恒定电场与恒定电流的概念,与学生一起推导自由电荷定向移动速率与宏观电流的关系。对于欧姆定律,可以通过演示实验探究导体中电流与电压的关系,画出U-I图像,得到欧姆定律公式及其表述。对于多用电表的认识我们可以移到下一节实验中一起讲解。
导入新课:1800年,意大利教授伏打发明了世界上第一个发电器——伏打电堆,也就是电池组,开创了电学发展的新时代。 伏打用锌片与银片夹着用盐水浸湿的抹布叠成电堆产生了电流,这个装置后来称为伏打电堆。他还把锌片和铜片放在盛有稀硫酸的杯中,将很多这样的小杯子连起来,组成电池。伏打电堆(电池)的发明,提供了产生恒定电流的电源——化学电源,使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。从此,电学进入了一个飞速发展的时期——电流和电磁效应的新时期。电流是怎样形成的 它有什么特点 会受到哪些因素的影响
思考并回答问题。
思考1:将四个定值电阻 a、b、c、d 分别接入电路,测得电流、电压值如图中相应的点所示。
请指出其中阻值最接近的两个电阻,并简述理由。
【提示】 b、d两个电阻的阻值最接近,因为b、d对应点的连线过坐标原点O。
思考2:导体中没有电场时,导体内的自由电荷会不停地运动,但为什么没有形成电流呢
【提示】 因为没有电场时,自由电荷的运动是无序的,向各处运动的概率都相等。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)电流既有大小,又有方向,是矢量。 (　　)
(2)电流的方向,就是电荷定向移动的方向。 (　　)
(3)电流越大,通过导体横截面的电荷量就越多。 (　　)
(4)由R=可知,导体的电阻跟导体两端的电压成正比,跟导体中的电流成反比。 (　　)
(5)同一段导体中通入的电流越大,电荷定向移动的速率越大。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　
【合作探究】
任务1 电阻的定义与欧姆定律
　　我们通过初中的学习知道,1826年,德国物理学家欧姆发现了著名的欧姆定律,一段导体中的电流I与这段导体两端的电压U成正比,与这段导体的电阻R成反比。现有两个金属导体A和B,通过实验分别测量A和B的电压和电流,测得的实验数据见下表。
U/V 0 2.0 4.0 6.0 8.0
导体A I1/A 0 0.20 0.42 0.60 0.78
导体B I2/A 0 0.13 0.28 0.40 0.54
1.请根据上述实验数据作出金属导体A、B的U-I图像,从图中可以看出金属导体的U-I图像有什么特征 说明了金属导电的什么规律
【解答】 作出的A、B的U-I图像大致如图所示,由图可知同一个金属导体的U-I图像是一条经过原点的直线。说明同一段金属导体,不管电压、电流怎样变化,其电压跟电流的比值是一个常量。
2.比较A、B两个金属导体的U-I图像,它们有什么不同 说明什么
【解答】 A、B两个金属导体的U-I图像的倾斜程度不同,即在同样的电压下,通过A导体的电流更大,说明A导体对电流的阻碍作用较小,即电阻较小。
3.导体两端的电压为零时,导体的电阻也为零吗
【解答】 电阻是导体本身的固有属性,与导体两端的电压和通过导体的电流无关,导体两端的电压为零时,导体的电阻不为零。
4.什么叫作电阻 电阻的物理意义是什么 其单位是什么
【解答】 导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值叫作电阻R,它反映了导体对电流的阻碍作用的大小,其单位是欧姆(Ω)。
1.电阻:同一段金属导体的电压与电流的比值是一个常数,物理学中把这个比值叫作①　　　　　　,其单位是②　　　　　　,符号为③　　　　　　。
2.欧姆定律:一段导体中的电流I跟这段导体两端的电压U成④　　　　　　,跟这段导体的电阻R成⑤　　　　　　。
【答案】①电阻　②欧姆　③Ω　④正比　⑤反比
应用1　对导体电阻的理解
关于导体的电阻,下列说法正确的是 (　　)
A.导体的电阻与电压成正比,与电流成反比
B.电压一定时,导体的电阻越大,则电流越大
C.加在某导体两端的电压越大,其电流不一定越大
D.导体的电阻等于导体两端的电压与通过导体的电流的比值
【答案】D
【解析】 导体电阻不随电压、电流的改变而改变,A项错误;由I=可知,电压U不变时,R越大,电流越小,B项错误;电压U越大,电阻不变时电流I越大,C项错误;由电阻定义式R=知D项正确。
应用2　欧姆定律的应用
在如图所示的电路中,R为定值电阻,当C、D两端电压为U时,电流表的示数为I。当C、D两端电压为0.6U时,电流表的示数减小了0.6 A。下列说法正确的是 (　　)
A.I=1.5 A
B.I=1 A
C.当C、D两端电压减小0.5U时,电流表的示数减小0.5 A
D.当C、D两端电压增大0.4U时,电流表的示数增大0.4 A
(1)C、D两端电压与电流的比值是不是定值电阻R的阻值
(2)当C、D两端电压、电流发生变化时,C、D两点间的电阻是否发生变化
【提示】 (1)不是。(2)不变。
【答案】A
【解析】 当C、D两端的电压为U时,电流表的示数为I,由欧姆定律可得RA+R=,当C、D两端的电压为0.6U时,电流表的示数为0.6I,即减小0.4I,由题意可得0.4I=0.6 A,解得I=1.5 A,A项正确,B项错误;当C、D两端电压减小0.5U时,电流表的示数减小0.5I,即减小0.75 A,C项错误;当C、D两端电压增大0.4U时,电流表的示数增大0.4I,即增大0.6 A,D项错误。
归纳总结 　　欧姆定律的“二同” (1)同体性:指I、U、R三个物理量必须对应同一段电路或同一段导体。 (2)同时性:指U和I必须是导体上同一时刻的电压和电流。
任务2 恒定电场与恒定电流
　　电路闭合后,导线内形成的电场的示意图。
1.导线内部的电场是如何产生的 导线内的电场有什么特点
【解答】 假设在电源正负极之间连一根导线,取一部分导线,导线处于两金属球形成的电场中,因此电子受力情况如情境图所示,这个力可以分解为沿切线方向的力和指向M面的力,因此电子会跑到M面聚集,则M面带负电,N面带正电,又会形成一个新电场。这两个电场稳定后叠加起来会形成沿导线方向的电场,导线内的电场始终和导线平行,电场强度大小不随时间变化,导线中存在的这种电场叫恒定电场。
2.简要解释一下图中恒定电流的成因。
【解答】
3.如何定义电流这个物理量
【解答】 类比水管中的水流,我们用单位时间内流过的水量表示流量,同理,我们用定向运动的电荷量q与时间t的比值来定义电流。
1.恒定电场:由⑥　　　　　　分布的电荷所产生的稳定的电场,称为恒定电场。
2.恒定电流:我们把⑦　　　　　　、⑧　　　　　　都不随时间变化的电流称为恒定电流。
3.电流
(1)物理意义:电流的⑨　　　　　　用电流这个物理量表示。
(2)定义:通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的⑩　　　　　　定义为电流。
(3)定义式:I=。
(4)单位:在国际单位制中,电流的单位是　　　　　　,符号是　　　　　　。常用单位还有mA、μA。
(5)电流的方向:规定　　　　　　定向移动的方向为电流的方向。
注意:A.金属导体中电流的方向与自由电子的定向移动方向相反。B.电流是标量。C.形成电流的三种电荷为自由电子、正离子和负离子。金属导体导电时定向移动的电荷是自由电子;液体导电时定向移动的电荷是正离子和负离子;气体导电时定向移动的电荷是自由电子、正离子和负离子。
【答案】⑥稳定　⑦大小　⑧方向　⑨强弱程度　⑩比值　安培　A　正电荷
理解电池的容量
某手机的说明书如图所示,你知道表中的电池容量代表什么吗
【提示】 电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量,通常以“安时”(A·h)或“毫安时”(mA·h)作单位。单体锂离子电池的容量极为有限,为了满足需要,常用由若干单体锂离子电池构成的电池组。1 A·h=1×3600 C=3600 C,1 A·h意味着如果手机电池输出工作电流是1 A,则可以工作1 h。
探究电流的微观解释
如图所示,AB是粗细均匀的一段金属导体,两端加一定的电压,形成恒定电流I,如果导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v,横截面积为S,导体每单位体积内的自由电子数为n,每个自由电荷的电荷量为e,那么导体中的电流I跟导体中自由电子定向移动的速率v有怎样的关系呢
【提示】 如图,设导体AB的长度为L,导体内全部自由电子通过横截面B(面积为S)所经历的时间为t,则有L=vt,这段导体内自由电子的数量N=nV=nSL=nSvt,总电荷量q=Ne=nSvte。根据电流公式I=可得I=nSev。
归纳总结 三种速率对比 比较 内容电子定向 移动的速率电子热运 动的速率电场传导 的速率物理 意义电流由电荷的定向移动形成,电流I=neSv,其中v就是电子定向移动的速率导体内部电子在不停地做无规则热运动,由于热运动向各个方向运动的机会相等,故不能形成电流等于光速,闭合开关的瞬间,电路中各处以光速建立恒定电场,电路中各处的自由电子几乎同时定向移动,整个电路也几乎同时形成了电流大小10-5 m/s105 m/s3×108 m/s
应用　电流定义式的理解与应用
在如图所示的电解槽中,如果在t=4 s内各有q=8 C的正、负电荷通过面积S=0.8 m2的横截面AB,则:
(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)在t=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
(1)电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反,但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的,此时q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。
(2)求电流的三要素:①找截面; ②取时间;③计数量。
【解答】 (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,电解槽中电极之间电场方向由左指向右;在静电力作用下正离子向右移动,负离子向左移动。
(2)电解槽中的电流方向向右。
(3)8 C的正电荷向右通过横截面AB,而8 C的负电荷向左通过该横截面,相当于又有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Q=16 C。
(4)电流大小I== A=4 A。
归纳总结 　　(1)定义式I=,采用了比值定义法,实际上电流的大小与通过导体截面的电荷量和通电时间无关。 (2)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,应用I=求电流时,q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。 (3)q=It是I=的变形,是求电荷量的重要公式,其中I是电流在时间t内的平均值。 (4)电流是标量:电流虽然有方向,但是它遵循代数运算法则,所以电流不是矢量而是标量。
【随堂检测】
1.(任务1)关于电阻,下列说法错误的是 (　　)
A.电阻是导体对电流的阻碍作用
B.通过导体的电流越大,导体的电阻越大
C.电阻是导体本身的一种性质
D.一般情况下导体都有电阻
【答案】B
【解析】 电阻指的就是导体对电流的阻碍作用,A项正确;导体的电阻是导体本身具有的一种性质,导体一定,导体的电阻与通过导体的电流无关,B项错误;导体电阻的大小和导体的材料、长度、横截面积都有关,C项正确;导体的电阻是导体本身具有的一种性质,与导体是否通电是无关的,即使导体不通电,导体依然存在电阻,D项正确。
2.(任务1)A、B两电阻的U-I图像如图所示,则两电阻之比及连接相同电压情况下的电流之比分别是 (　　)
A.RA∶RB=2∶1　 IA∶IB=2∶1
B.RA∶RB=2∶1　 IA∶IB=1∶2
C.RA∶RB=1∶2　 IA∶IB=2∶1
D.RA∶RB=1∶2　 IA∶IB=1∶2
【答案】B
【解析】 U-I图像中图线的斜率表示电阻的阻值,分析图像可知,A的电阻RA=10 Ω;B的电阻RB=5 Ω,则RA∶RB=2∶1;以U=2.0 V为例,IA=0.2 A,IB=0.4 A,电流之比IA∶IB=1∶2,B项正确。
3.(任务2)如图,重离子治癌是当代公认的先进有效的放疗方法。所谓重离子,是指重于2号元素氦并被电离的粒子。若重粒子肿瘤治疗装置中的回旋加速器可发射+5价重离子束,其电流为1.4×10-5 A,则在1 s内发射的重离子个数为 (　　)
A.3.0×1012个 B.1.5×1013个
C.1.75×1013个 D.7×1013个
【答案】C
【解析】 每个离子所带电荷量q=5e=5×1.6×10-19 C=8×10-19 C,根据公式Q=It可得,在单位时间内发射的粒子的电荷量Q=1.4×10-5 C,故个数n==1.75×1013个,C项正确。
4.(任务2)有一横截面积为S的铜导线,流经其中的电流为I,此时导线中自由电子定向移动的平均速率为v。设导线单位体积内的自由电子数为n,电子的电荷量为e。则在Δt时间内 (　　)
A.通过导线横截面的电荷量为ne
B.通过导线横截面的电荷量为nevS
C.通过导线横截面的自由电子数为
D.通过导线横截面的自由电子数为
【答案】D
【解析】 根据电流的定义式I=可得,在Δt时间内通过导线横截面的电荷量q=IΔt=nevSΔt,A、B两项错误;在Δt时间内过导线横截面自由电子数N==,C项错误,D项正确。
导图构建

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