1．电源和电流

三维目标

知识与技能

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平均速率的关系。

过程与方法

1．通过类比和分析使学生对电源的的概念、导线中的电场和恒定电流等方面的理解。

2．在理解恒定电流的基础上，会灵活运用公式计算电流的大小。

情感态度与价值观

通过对电源、电流的学习培养学生将物理知识应用于生活生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。

教学重点

1．理解电源的形成过程及电流的产生。

2．会灵活运用公式计算电流的大小。

教学难点

电源作用的道理，区分电子定向移动的速率和在导线中建立电场的速率这两个不同的概念。

教学方法

探究、讲授、讨论、练习。

教具准备

多媒体课件及设备。

教学过程

［新课导入］

人类通过对静电场的研究不仅获得了许多关于电现象的知识，而且形成了若干重要的电学概念和研究方法，成为电学理论的重要基础。

无论在自然界还是生产和生活领域，更广泛存在着的是电荷流动所引起的效应。那么，电荷为什么会流动？电荷流动服从什么规律，产生哪些效应？这些效应对人类的生产、生活方式和社会进步又起着怎样的作用呢？

这节课就来学习有关电源和电流的知识。（板书课题：电源和电流）

［新课教学］

为什么雷鸣电闪时，强大的电流能使天空发出耀眼的强光，但它只能存在于一瞬间，而手电筒中的小灯泡却能持续发光？

通过现象对比，激发学生的求知欲。调动学生的学习积极性。

要回答这个问题，就要从电源的知识学起。

一、电源

如图所示，有A、B两个导体，分别带正、负电荷。从上一章的内容可以知道，它们的周围存在着电场。如果在它们之间连接一条导线R，分析A、B周围的电场、A、B之间的电势差会发生什么变化？最后，A、B两个导体球会达到什么状态？R中出现了怎样的电流？

学生活动：在教师的引导下，分析A、B周围的电场、A、B之间的电势差的变化情况。认识到，最终A、B两个导体球会达到静电平衡状态。理解导线R中的电流只能是瞬时的。

如图所示，如果在AB之间接上一个装置P，它能把经过R流到A的电子取走，补充给B，使AB始终保持一定数量的正、负电荷，情况会怎样呢？

引导学生讨论、解释可能会产生的现象。培养、锻炼学生的思维能力。通过学生回答，发表见解，培养学生语言表达能力。

师生互动，建立起电源的概念。

类比：（把电源的作用与抽水机进行类比）如右图，水池A、B的水面有一定的高度差，若在A、B之间用一细管连起来，则水在重力的作用下定向运动，从水池A运动到水池B。A、B之间的高度差很快消失，在这种情况下，水管中只可能有一个瞬时水流。

怎拦才能使水管中有源源不断的电流呢？

可在A、B之间连接一台抽水机，将水池B中的水抽到水池A中，这样可保持A、B之间的高度差，从而使水管中有源源不断的水流。

由于装置P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之间便维持一定的电势差。由于这个电场，导线中的自由电子就能不断地在静电力作用下由B经过R向A定向移动，使电路中保持持续的电流。

电源是能把电子经内部从正极搬迁到负极的装置。

从形成电流的角度看，电源是提供并保持一定电势差装置。

【思考与讨论】

电源P在把电子从A搬运到B的过程中，电子的电势能如何变化？电源发挥了怎样的作用？

二、恒定电场

在有电源的电路中，导线内部的电场强度有何特点呢？

如图（左）所示，介绍图中各部分的意义，取出图中方框中的一小段导线及电场线放大后进行研究，如图（右）所示。

引导学生讨论导线中的电场将如何变化，最终又会达到怎样的状态。要把思维的过程展现给学生。

引导学生运用微元法和矢量叠加的方法，探究导线中电场的变化情况，分析出最终导线两侧积累的电荷将达到平衡状态，垂直于导线方向上电场的分量将减为零，导线内的电场线保持和导线平行。这里一定要强调，这是电源电场和导线两侧的电荷得电场共同叠加的结果。

导线内的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也不会随时间变化。

通过师生分析，建立起恒定电场的概念。引导学生理解电荷的“稳定分布”是一个动态平衡的过程，不是静止不变的。

1．恒定电场

由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，称为恒定电场。

2．恒定电场的性质与静电场相同

【思考与讨论】

在静电场中所学的电势、电势差及其与电场强度的关系等，在恒定电场中还是否适用呢？

由于在恒定电场中，任何位置的电场强度都不随时间变化，所以它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。

三、恒定电流

1．电流

【思考与讨论】

①同学们在初中学过，电流是如何形成的？

自由电荷的定向移动形成电流。

②形成电流的内部条件是什么？

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？

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什么？

导体中产生电流的外部条件是导体两端有电压。

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。

（1）概念

电荷的定向移动形成电流。

（2）产生电流的条件

分析：在通常情况下，导体中没有外加的电场，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。

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。

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。

总结：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）。

①内因：要有能够自由移动的电荷──自由电荷。

②外因：导体两端存在电压──在导体内建立电场。

干电池、蓄电池、发电机等都是电源，它们的作用是提供并保持导体的两端的电压，使导体中有持续的电流。

（3）电流的方向

导体中的电流可以是正电荷的定向移动，也可以是负电荷的定向移动，还可以是正、负电荷沿相反方向的运动。

正电荷的定向移动方向为电流方向。

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。

（4）电流

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。

①定义

电流越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多。

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。

②公式

用I表示电流，则有

I＝(量度式)

在时间t内通过导体横截面的电荷量为

q＝It

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。

在国际单位制中，电流的单位安培是基本单位，它是这样定义的：放在真空中的两条无限长平行直导线，通以等量的恒定电流，若两导线相距1m，导线间相互作用力在每米长度上为2×10－7 N，则每条导线中的电流为1A。

如果在1s内通过导体横截面的电荷量是1C，导体中的电流就是1A。即

1A＝1C/s

在国际单位制中，电荷量的单位是导出单位。它是根据公式q＝It确定的：1C＝1A·s

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

④测量仪器

在实际中，测量电流的仪器是电流表。

2．直流与恒定电流

由于恒定电场的作用，导体中自由电荷定向运动的速度增加；而运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速，因此自由电荷定向运动的平均速率不随时间变化。如果我们在这个电路中串联一个电流表，电流表的读数将保持恒定。

（1）直流

方向不随时间而改变的电流叫做直流。

（2）恒定电流

大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。

通常所说的直流常常是指恒定电流。这一章我们研究恒定电流。

3．电流的微观表达式

一条粗细均匀，横截面积为S的导体中，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动速率的平均速率为v，导体材料中单位体积内所含的自由电荷数为n。则t时间内能通过导体截面S的自由电荷分布在以S为底，vt为长的这部分导体中，这部分导体的体积为

V＝S·vt

这部分导体中的自由电荷数为

N＝nV

因此，t时间内能通过截面S的电荷量为

Q＝qN

根据电流的定义，导体中的电流为

I＝＝qnvS

故电流的微观表达式为

I＝qnvS

引导学生分析例题，构建物理模型，培养学生分析问题解决问题的能力。

【例题1】有一条横截面积S＝1mm2的铜导线，通过的电流I＝1A。已知铜材料的密度ρ＝8.9×103kg/m3，铜的摩尔质量M＝6.4×10－2kg/mol，阿伏伽德罗常数NA＝6.62×1023mol－1，电子电荷量e＝－1.60×10－19C。求铜导线中自由电子定向移动的速率。

解析：设自由电子在导线内定向移动的速率为v，取一段导线，自由电子从它的左端运动到右端所用的时间为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

可以认为铜导线中平均每个原子贡献一个自由电子（一般条件下铜可视为一价元素），则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

把这个式子代入，得

从中解出：

代入数值后得：v＝7.5×10－5m/s。

【交流与讨论】

如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？怎样解释？

点评：通过对结论的讨论，深化对物理概念和规律的理解。

三种速率

①热运动的平均速率

金属导体中的大量自由电子在不停地做无规则热运动，热运动的平均速率很大，但从其宏观效果上看，没有电荷的定向移动，因而热运动的平均速率对形成电流没有贡献。

②定向移动的平均速率

导体中自由电荷定向移动的平均速率是很小的，但就是这一定向移动的速率使电荷定向移动形成了电流。

③电场传播速率

电场的传播速率等于真空中的光速，电路一接通，导体中民光速的速率在各处建立电场，导体中各处的自由电荷几乎同时开始做定向移动，整个电路几乎同时形成电流。

【例题2】某电解质溶液，如果在1s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多大？

解析：设在t＝1s内，通过某横截面的二价正离子数为n1，一价离子数为n2，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＝（2n1＋n2）e。

电流为：I＝＝＝3.2 A。

【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＝

根据电流的定义式得：I=。

［小结］

通过本节课的学习，了解了电源及其在电路中的作用。了解了恒定电场及其特点。在初中学习的基础上，进一步学习了电流的概念、形成条件、方向规定、定义公式和微观表达式等，明确了直流和恒定电流的概念等，为进一步学习电路知识做准备。

［布置作业］

教材第43页“问题与练习”。

板书设计

1．电源和电流

一、电源

电源是能把电子从正极搬迁到负极的装置。

从形成电流的角度看，电源是提供并保持一定电势差装置。

二、恒定电场

1．恒定电场

由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，称为恒定电场。

2．恒定电场的性质与静电场相同

三、恒定电流

1．电流

（1）概念：电荷的定向移动形成电流。

（2）产生电流的条件

①内因：要有能够自由移动的电荷──自由电荷。

②外因：导体两端存在电压──在导体内建立电场。

（3）电流的方向：正电荷的定向移动方向为电流方向。

（4）电流

①定义：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。

②公式：I＝(量度式)　　q＝It

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。

④测量仪器：在实际中，测量电流的仪器是电流表。

2．直流与恒定电流

（1）直流：方向不随时间而改变的电流叫做直流。

（2）恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。

3．电流的微观表达式：I＝qnvS

教后记：

1、本节内容是新增加的，教师和学生都有一个熟悉的过程，要通过类比和分析使学生对电源的的概念、导线中的电场和恒定电流等方面的知识有个初步的理解。

2、学生对于电流的微观解释，特别是电流的传导速度和电子定向移动的速度的关系认识上有一定的难度。

3、下节课要用一两条例题强化学生对I＝Q/t＝nvqS的理解和运用。

2015 - 2016高中物理第2章第1节电源和电流教案新人教版选修3 - 1