高二物理学案（恒定电流部分）

高二物理校本教材

一、电源和电流（学案）

[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]

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。 [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的生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。

【重点难点】

重点：理解电源的形成过程及电流的产生。

难点：电源作用的原理，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。

定义：是能把电子从电源的_____极搬运到

电源的___极的装置（填“正、负”）

导

体中的电场和电流 电源 电源的作用：使电路中保持_____的电流

导线形成：_____、_____等电路元件

所积累的电荷共同形成的。 中的导线内的电场线保持和导线_____ 电场

特点

恒定电场：由________的电荷所产生

的____的电场，基本性质 与静电场________。

恒

定义：把____、____都不随时间变化的电流 定

公式：_______ 电

电流的单位是_____，简称___，符号是____。 流

第 1 页 共 101 页

高二物理校本教材

1、电源

【探究问题】如何使电路中有持续电流？

A、B两个导体，分别带有正、负电荷。如果在它们之间连接一条导线R，如图2-1-1,导线R中的自由电子会在静电力的作用下定向运动，B失去电子，A得到电子，周围电场迅速减弱，A、B之间的电势差很快就消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，在这种情况下，导线R中只可能存在一个瞬时电流。

怎样才能使导线R中有持续的电流？

类比：（把电源的作用与抽水机进行类比）如图2-1-2，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。

水池B 图2-1-1

水池A 抽水机 问题：怎样才能使水管中有源源不断的水流呢?

图2-1-2

答：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。 （类比：同理）在A、B之间连接一个装置P（图2-1-3），源源不断地把经过导线流到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，A、B之间便维持着一定的电势差。

归纳：1、电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置。

图2-1-3

2、导体中产生持续电流的条件：导体两端有恒定的电势差。

2、导线中的电场（恒定电场）

如图2-1-4所示，在A、B之间连接任意一条导线，由上面的分析可知：导线中就会产生持续的电流。导线中有持续的电流就必有电场的存在，那么，导线中的电场是怎么形成的，有什么特点呢？ 取出图中方框中的一小段导线及电场线放大后进行研究。 图2-1-4

图2-1-5

导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果，其一是电源正、负极产生的电场，可将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使自由电子沿导线作定向移动，形成电流；垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集，从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布。其二是这些电荷分布产生附加电场，该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场，直到使导线中该方向合场强为零，而达到动态平衡状态。此时导线内的电场线保持

第 2 页 共 101 页

高二物理校本教材

与导线平行，自由电子只存在定向移动。因为电荷的分布是稳定的，故称恒定电场。

【注意】（1）、研究方法：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。

（2）、电荷的“稳定分布”是一个动态平衡的过程，不是静止不变的。由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。

（3）、在静电场中所学的电势、电势差及其与电场强度的关系等，在恒定电场中同样适用。

3、电流（标量）

（1）概念：电荷的定向移动形成电流。

（2）电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。

（3）定义：通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值。定义式：I?（4）恒定电流：恒定电场中的电流是恒定不变的，称为恒定电流。

微观解释：由于在恒定电场的作用下，导体中的自由电荷定向运动的速率增加，而运动过程中会与导体中的粒子碰撞从而减速，因此自由电荷定向运动的速率不随时间变化，电流大小不随时间变化。

（5）单位：安培（A），1 A =10mA = 10μA （6）电流的种类

① 直流电：方向不随时间而改变的电流。直流电分为恒定电流和脉动直流电两类：其中大小和方向都不随时间而改变的电流叫恒定电流；方向不随时间改变而大小随时间改变的电流叫脉动直流电。

② 交流电：方向和大小都随时间做周期变化的电流。

电流的微观表示：

取一段粗细均匀的导体，两端加一定的电压，设导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v。设想在导体中取两个横截面B和C，横截面积为S，导体中每单位体积中的自由电荷数为n，每个自由电荷带的电量为q，则t时间内通过横截面C的电量Q是多少？电流I为多少？

【推导】

第 3 页 共 101 页

3

6

Q t高二物理校本教材

归纳：Q=nV=nvtSq I=Q/t=nvqS 这就是电流的微观表示式。 【课本例题】

由上述例题思考以下问题：

（1）如何表示一段铜导线中的电子数？

设自由电子在导线内定向移动的速率是v，取一段导线，自由电子从它的左端定向移动到右端所用时间为t，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??vtSMNA。

由于铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子，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。

故一段通导线中的电子数n为：n?（2）如何表示通过导线中的电流？

在t时间内通过右端横截面的电量q为：q?ne?第 4 页 共 101 页

?vtSMNA。

?vtSMNAe