恒定电流

第十四章恒定电流第一节电源和电流教学目标一、知识目标1、了解形成电流的条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场。

初步体会动态平衡的思想。

2、理解电源的定义，知道电流的单位及方向的规定。

理解恒定电流。

3、经历金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程，从微观的角度理解导体中电荷的定向移动与电流之间的关系。

4、理解电流的概念和定义式I=q/t，并能进行有关的计算.知道公式I=nqvS，但不要求用此公式计算.二、能力目标1、培养学生运用数学图象处理物理问题的能力，培养学生运用数学进行逻辑推理的能力.2、通过阅读教材中的阅读材料“自由电子定向移动的速率”，培养学生处理信息、获取新知识的能力.3、培养学生抽象和概括、分析和综合等思维能力以及科学的语言文字表达能力.教学重点电流的概念及定义式教学难点公式I = nqsv的推导和理解是本节课的教学难度之一，另外伏安特性曲线的物理意义也是本节课的难点教学方法启发、设问、探究、讲练相结合教学用具电脑、CAI课件课时安排1课时教学过程本节学习目标知道导体中形成电流的条件，理解电流的概念和公式I = q / t，并能进行有关的计算，知道I = nqvs 导入：从今天开始，我们一起来学习电学部分的第二章《恒定电流》。

这部分的知识，同学们在初中已经学过其中一部分，我们将在以前所学内容的基础上进一步的来挖深拓宽。

本章的实验是高考实验部分考核的重点，大家在学习时一定要引起高度注意。

本节课，我们先来学习第一节——电源和电流。

新课教学：一、电源雷电天气里，天上的闪电，一闪即逝，手电筒中的小灯泡却能持续发光。

大家知道这是为什么吗？电源。

那么，电源是个什么装置？它到底在手电筒中的小灯泡持续发光的过程中扮演着什么养的角色呢？以下例为例说明A、B两导体分别带正负电荷。

从上一章内容我们可以知道，它们周围存在电场。

若在它们之间连接一条导线，自由电子便会在静电力的作用下沿导体做定向运动，B失去电子，A得到电子，周围电场迅速减弱，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。

但此种情况，导线R 中电流是瞬时的。

如何让导线R 中电流持续呢？倘若A 、B 间连一个装置，它能源源不断地把经过导线R 流到A 的电子取走，补充给B ，使A 、B 始终保持一定数量的正负电荷。

这样，A 、B 周围的空间（包括导线之中）始终存在一定的电场，A 、B 之间便维持着一定的电势差。

由于这个电场，自由电子就能不断地由B 经过导线R 向A 定向移动，使电路中保持持续的电流。

电源的作用就好比抽水机。

定义：能把电子从A 搬运到B 的装置。

注：A 、B 为电源的两个电极外电路中自由电子在电场力作用下向正极移动，在电源内部，需要利用外力将正极上的电子搬运到负极，从而维持电势差不变。

二、恒定电流1、恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定电场2、恒定电流：大小、方向均不随时间变化的电流3、形成条件（1）自由电荷（对金属导体：自由电子；对电解液：正负离子） （2）导体两端存在U （有电势差）为了能定量研究恒定电流，我们引入了一个物理量——电流 4、电流（I ）：单位是时间内通过导体横截面的电荷量。

通过导体横截面积的电量q 跟通过这些电量所用的时间t 的比值。

（1）物理意义：表示电流强弱的物理量（2）大小：q = 单位：安培A A mA A μ6310101==（3）方向：规定正电荷定向移动方向或负电荷定向移动方向相反的方向 注：外电路中电流由高电势端流向低电势端（4）测量仪器：电流表5、电流的微观解释l ：导线长度v ：自由电荷定向移动的速率s ：横截面积q ：每个自由电荷的电荷量n ：导体单位体积内自由电荷数量，即电荷体密度 导体中自由电荷总数nls N =总电荷数：nlsq Nq == 所有自由电荷通过横截面耗时l = 故导体内nqsv vl nlsq t Q I === 由此可见，从微观上看，电流强度决定于导体中单位体积内的自由电荷数、电量、定向移动速度，还与导体的横截面积有关。

注：这个公式只适用于金属导体，千万不要到处套用。

初学习这个知识点时，我们有部分同学容易将v 错误理解为电流传导速率，因此，我们来了解一下三种和电有关的速率。

6、三种速率的比较 电子定向移动速率v 1，其大小与电流有关 s m /105-= 电子热运动速率v 2，其大小与温度有关 s m /105=电流传导速率v 3 s m /10383⨯= 321v v v <<三、应用【例题1】某电解池中，若在2s 内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某截面， 那么通过这个截面的电流强度是A ．0B ．0.8 AC ．1.6 A D.3.2 A解析：由题意可知，电流由正、负离子定向运动形成，则在2s 内通过某截面的总电量应为：q=1.6×10－19×2×1.0×1019＋1.6×10－19×1×2.0×1019=6.4C由电流强度的定义式 6.4 3.22q I A A t === 【例题2】 有一条横截面积S ＝1 mm 2的铜导线，通过的电流I ＝1 A 。

已知铜的密度ρ＝ 8.9×103kg/m 3，铜的摩尔质量M ＝6.4×10－2 kg/mol ，阿佛加德罗常数N ＝6.62×1023 mol －1，电子的电量e＝－1.6×10－19 C 。

求铜导线中自由电子定向运动的速率。

解：取一段导线（图2.1-5），自由电子从它的左端定向移动到右端所用的时间记为t ，则这段导线的长度为vt 、体积为vtS 、质量为ρvtS 。

这段导线中的原子数为 N M v t Sn ρ=这段导线中的自由电子数目与铜原子的数目相等，也等于n 。

由于时间t 内这些电子全部通过右端横截面，因此通过横截面的电荷量是q = ne =N M vtSρe研究宏观量与微观量的联系时，这是极常用的一种方法。

【例题3】氢原子的核外只有一个电子，设电子在离原子核距离为R 的圆轨道上做匀速圆周运动.已知电子的电荷量为e ，运动速率为v ，求电子绕核运动的等效电流多大？ 解析：取电子运动轨道上任一截面，在电子运动一周的时间T 内，通过这个截面的电量q=e ，由圆周运动的知识有：T =vR π2 根据电流的定义式得：I=Rev t q π2=巩固练习：1、下列说法正确的是（BC）A、自由电荷的运动必定形成电流；B、形成电流必须要有自由电荷；C、形成电流必须要有电压；D、有电压必定形成电流；2、把一个小灯泡与金属导线、干电池、开关接成电路，闭合开关以后，电路中有电流，那么在电路中定向移动的是（B）A、带正电荷的电子；B、带负电荷的电子；C、带正电荷的原子；D、带负电荷的分子；3、对导体中的自由电荷来说，下列说法中正确的是（AC）A、不论导体两端有没有电压，它们都做无规则热运动；B、不论导体两端有没有电压，它们都做定向运动；C、金属直导线导电时，它们定向运动的方向都相同；D、在稳恒电流的电路中，它们定向运动的方向都跟电流方向相同；4、在稳恒电流的电路中，通过导体某一横截面的电流强度（D）A、跟通过横截面的电量成正比；B跟通电时间成正比；C、跟该横截面积成正比；D、以上说法都不对；小结通过本节课的学习，主要学习了以下几个问题电流a.导体中形成电流的条件是导体两端有电压.b.电流的方向规定为正电荷定向移动的方向.qc.电流的大小：I=td.电流的单位：A、mA、μA我们今天学习的重点是：我们今天学习的难点是：作业板书备课材料导线与电源连通后，导线内很快形成了沿导线切线方向的恒定电场例：2006年广东省的一道高考题（2）风力发电是一种环保的电能获取方式。

设计每台风力发电机的功率为40 kW。

实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29 kg/m3，当地水平风速约为10 m/s。

问风力发电机的叶片长度为多少才能满足设计要求？原教材也有涉及，但放在“思考与讨论”里了，而且没有深入分析。

备课材料（一）电流［投影］思考题（1）同学们在初中学过，电流是如何形成的？（2）形成电流的内部条件是什么？（3）金属导体中的自由电荷是什么？电解质溶液中的自由电荷是什么？这些自由电荷的定向移动是否都能形成电流？（4）导体中产生电流的外部条件是什么？［学生回答］（1）自由电荷的定向移动形成电流.（2）形成电流的内部条件是导体内部存在能够自由移动的电荷，即自由电荷.（3）金属导体中的自由电荷是自由电子，电解质溶液中的自由电荷是正、负离子，这些自由电荷的定向移动都能形成电流.（4）导体中产生电流的外部条件是导体两端有电压.［教师］为什么导体两端有电压，导体中就会产生电流呢？下面我们用电场的观点加以分析.［教师］利用CAI课件模拟导体中自由电荷的无规则运动.［师生活动］总结：在通常情况下，导体中大量的自由电荷就像气体中的分子一样，不停地做无规则的热运动.自由电荷向各个方向运动的机会相等，因而对导体的任一横截面，在一段时间内从两侧穿过截面的自由电荷大致相等.从宏观上看，导体中的自由电荷没有定向移动，所以导体中没有电流.［教师］利用CAI课件模拟金属导体中产生的电流.［师生活动］总结：当金属导体两端有电压时，导体中就有电场存在.导体中的自由电子在电场力的作用下，逆着电场线的方向发生定向移动，形成电流.［教师］利用CAI课件模拟电解质溶液中产生的电流.［师生活动］总结:当电解质溶液两端有电压时，溶液中就有电场存在，溶液中的正离子在电场力的作用下，由高电势处向低电势处定向移动；溶液中的负离子在电场力的作用下，由低电势处向高电势处定向移动，形成电流.综上所述，导体中产生电流的外部条件是导体两端有电压.（或者是导体中有电场）［板书］导体中产生电流的条件（1）内因：自由电荷（2）外因：电压（电场）［教师］电流的方向是如何规定的？［学生］物理上规定，正电荷定向移动的方向为电流的方向.［师生活动］总结：在金属导体中，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反.在电解质溶液中，电流的方向与正离子定向移动的方向相同，与负离子定向移动的方向相反.［板书］方向：正电荷定向移动的方向.［教师］电流不仅有方向，而且有强弱，电流的强弱用电流这个物理量来表示.物理上把通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流.用I表示电流.电流的定义式是什么？q［学生］I=tq［板书］大小：I=t［教师］电流的单位有哪些？它们之间的关系是什么？［学生］在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A.电流的常用单位还有毫安（mA ）和微安（μA ）.它们之间的关系是：1 mA=10-3A 1μA=10-6A［板书］单位：安（A ）［教师］1A 的物理意义是什么？［学生］如果在1 s 内通过导体横截面的电荷量是1 C ，导体中的电流就是1 A.即 1A=1 C/s ［教师］在实际中，测量电流的仪器是什么？［学生］电流表［板书］测量仪器：电流表［学生］阅读教材P 124页第二自然段，了解什么叫直流？什么叫恒定电流？［总结］方向不随时间而改变的电流叫做直流.方向和强弱都不随时间而改变的电流叫做恒定电流.［投影］例1 关于电流的方向，下列叙述中正确的是_______A.金属导体中电流的方向就是自由电子定向移动的方向B.在电解质溶液中有自由的正离子和负离子，电流方向不能确定C.不论何种导体，电流的方向规定为正电荷定向移动的方向D.电流的方向有时与正电荷定向移动的方向相同，有时与负电荷定向移动的方向相同.解析：正确选项为C.电流是有方向的，电流的方向是人为规定的.物理上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向一定与电流的方向相反.例2 某电解质溶液，如果在1 s 内共有5.0×1018个二价正离子和1.0×1019个一价负离子通过某横截面，那么通过电解质溶液的电流强度是多大？解析：设在t =1 s 内，通过某横截面的二价正离子数为n 1，一价离子数为n 2，元电荷的电荷量为e ，则t 时间内通过该横截面的电荷量为q=（2n 1+n 2）e电流强度为I =tq =t e n n )(221+=1100.1100.521918⨯+⨯⨯×1.6×10-19A=3.2 A 例3 氢原子的核外只有一个电子，设电子在离原子核距离为R 的圆轨道上做匀速圆周运动.已知电子的电荷量为e ，运动速率为v ，求电子绕核运动的等效电流多大？解析：取电子运动轨道上任一截面，在电子运动一周的时间T 内，通过这个截面的电量q=e ，由圆周运动的知识有：T =vR π2 根据电流的定义式得：I=Rev t q π2= 例4：电子绕原子核运动可等效为一环形电流。