电源及电流教学设计.doc

第一节 电源和电流
一、教学目标
（一）知识与技能 
1．知道什么是电源，电源在电路中的作用，理解导线中的恒定电场的建立.
2．理解有电源的电路中导线的内部电场强度的特点，知道恒定电场与静电场的基本性质相同，在静电场中适用的关系在恒定电场中同样适用．
3．知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量---电流 
4．从微观意义上看电流的强弱与自由电子平均速率的关系。 
（二）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。 
（三）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。 
二、重点与难点： 
重点：电流的概念
难点：从微观角度理解导体中电荷定向移动与电流之间的关系。
三、教学过程 
（一）引入新课 
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。但是，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？（过渡：这节课就来学习有关电流的知识。） 
（二）进行新课
教师活动：
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？（过渡：要回答这个问题，就要从电源的知识学起。） 
1．电源：
先分析课本图2.1-1  
说明该装置只能产生瞬间电流（从电势差入手）
【问题】如何使电路中有持续电流？
A
B
类比：（把电源的作用与抽水机进行类比）如图，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。
提问：怎拦才能使水管中有源源不断的电流呢? 
回答：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。
 归纳： 
电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置。（从能量的角度看，电源是一种能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置）种类有干电池、蓄电池、发电机等。 
2．恒定电场：
结合课本图2.1-4分析导线中的电场的分布情况。
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。 恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。
说明：
（1）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等，在恒定电场中同样适用。
（2）产生恒定电流的电路中的电场是合电场(E)，它由两部分组成：一是电源的电场(E0)；二是导线两侧的堆积电荷的电场(E′)．
(3)恒定电流电路中的电场是稳定电场，即电路中的电荷分布是稳定的，但不是静态的绝对稳定，而是动态稳定，就电路中任一微元来讲，流走多少电荷，就补充等量的电荷. 
 3.恒定电流
（1）电流的形成
概念：电荷的定向移动形成电流。
（2）形成电流的必要条件：
①要有能自由移动的电荷------自由电荷 在导体中存在着大量的能自由移动的电荷。如金属导体中的自由电子、电解液中的正负离子等。
通常按物质导电性能不同分为导体、半导体、绝缘体，其本质区别是它们单位体积内含有自由电荷的多少以及是否含有可自由移动的电荷。
②导体两端必须有电压
自由电荷只有定向移动才能形成电流，要使自由电荷定向移动，需给自由电荷施加驱使它做定向移动的作用力，这个作用力可以由电场施加。将导体的两端加上一定的电压（通过电源实现），导体中的自由电荷在电场力的作用下定向移动，形成电流，所以形成电流还应满
足导体两端存在电压。
（3）电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。 
是人为规定的，和负电荷定向移动的方向相反。在外电路中，电流由高电势流向低电势；在内电路中，电流由低电势流向高电势。 
（4）电流的强弱的描述 
①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。它是描述电流的强弱的物理量用I来表示。
②定义式：I＝ 单位：安培（A）
③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。设想在导体中取一个横截面B，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B的电量Q是多少？电流I为多少？
---引导学生推导
电流的微观表示式:I=nvqS  
从微观上看，电流决定于导体中的自由电荷密度、电量定向移动速度、导体的横截面积有关。
 说明： 
1、I＝，求出的是电流的平均值(恒定电流平均与瞬时相同)，且此式为电流的定义式，不能说电流与电荷量成正比，与时间成反比．
q=It可求电量。电流是标量，虽有大小和方向，但不是矢量。
2、导体中有电流时，其中的自由电荷并不是以同样的速率，向一定的方向“齐步走”。由于
自由电子频繁地与金属正离子碰撞，它们只是在不断地无规则运动中总体上有了“定向移动”。
 3、导体中有电流时应区分三种速率： 
①电场传播速率（或电流传导速率）：它等于光速，电路一旦接通，电源就以光速在电路中
各处建立了电场，整个电路上的电子几乎同时受到电场力的作用做定向移动。平时一合上开关，用电器立即就有电流，就是这个原因。
 ②无规则热运动速率，其数量级约为105 m/s。
 ③自由电荷定向移动速率，它与导体中的电流，截面积大小以及自由电荷的密度有关。电路中电子定向移动速率的数量级约为
4、两个公式的关系：I＝nqSv是由I＝推导而来的，从微观角度阐述了决定电流强弱的因素，能够说明为什么不能说电流正比于电荷量，反比于时间的原因．
5、应用I＝计算时应注意以下两点：
①导体若为金属，则q为自由电子带电荷量的绝对值．
②导体若为电解液，则q应为正负离子带电荷量的绝对值之和．
（5）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。
(6)例题解析
 【例1】关于电流的方向，下列叙述中正确的是___C____ 
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方向相同，有时与负电荷定向移动方向相同 
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 
电流强度为I=tq=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=
根据电流的定义式得：
I=

课堂练习：

1．在电解液中，4.0s内沿相反方向通过某截面的正、负离子（都是一价的离子）数目均为 2×1019个，求电解液中的电流大小。 
答案：1.6A 
2．设氢原子中的电子在半径为r的轨道上作圆周运动，电子的质量为m，电子的电量为e， 静电引力恒量为k，试求等效电流的电流。 
板书设计; 
一. 电源
电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置。
二. 恒定电场
恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。
说明：
（1）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。
（2）产生恒定电流的电路中的电场是合电场(E)，它由两部分组成：一是电源的电场(E0)；二是导线两侧的堆积电荷的电场(E′)．方向沿导线.
三. 恒定电流
1.电流的形成：电荷的定向移动形成电流。
2.形成电流的必要条件：
①要有能自由移动的电荷------自由电荷 
②导体两端必须有电压
3.电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。 
4.电流的强弱的描述 ----电流I
①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。它是描述电流的强弱的物理量用I来表示。
②定义式：I＝
③单位：安培（A）
说明:
电流是标量，虽有大小和方向，但不是矢量。
④电流的微观表示式:I=nvqS 
说明:
V是自由电荷定向移动速率，电路中电子定向移动速率的数量级约为10-5 m/s。n为单位体积内自由电荷数。