2020新教材高中物理第十一章电路及其应用1电源和电流练习含解析 人教版必修第三册

2020新教材高中物理第十一章电路及其应用1电源和电流练习含解析 人教版必修第三册

电源和电流 一　电源和电流的性质 ‎1.电源:‎ ‎(1)电源的定义:电源是不断把负电荷从正极搬运到负极从而维持正、负极之间存在一定电势差的装置。‎ ‎(2)电源的作用:从电荷移动的角度看,电源的作用就是移送电荷,能把电子从电源正极搬运到电源负极,保持电源正、负极间有一定的电压,使导体中有持续的电流。‎ ‎2.电流的形成:‎ ‎(1)形成原因:电荷的定向移动。‎ ‎(2)形成条件:导体两端有电压。‎ ‎(3)电路中产生持续电流的条件:电路中有电源且电路闭合。‎ ‎【思考·讨论】‎ 水为什么能从水池A流到水池B?(科学思维)‎ 提示:因为水池A比水池B高 ‎【典例示范】‎ 关于电流,下列叙述正确的是 (　　)‎ A.只要将导体置于电场中,导体内就有持续电流 B.电源的作用可以使电路中有持续电流 C.导体内没有电流时,就说明导体内部的电荷没有移动 D.只要将电源连接到物体两端,物体中就会有电流 ‎【解析】选B。导体置于电场中,达到静电平衡后没有电流,故A项错误;导体两端存在持续的电压,导体中才有持续的电流,电源能提供持续的电压,可以使电路中有持续电流,故B项正确;导体中没有电流时,电荷在做无规则的热运动,没有定向移动,故C项错误;将电源连接到绝缘物体两端,物体中不会有电流,故D项错误。‎ ‎【素养训练】‎ ‎1.下列关于电源和电流的说法正确的是 (　　)‎ A.因为电流有方向,所以电流是矢量 B.通过导体横截面的电荷量越多,电流越大 - 8 -‎ C.电源是将电能转化为其他形式的能的装置 D.电源能把自由电子从正极搬运到负极 ‎【解析】选D。电流有方向,但电流的计算不能根据平行四边形定则进行计算,故电流是标量,故A项错误;根据电流的定义式I=可知,通过导体横截面的电荷量越大,导体中的电流不一定大,还要看时间长短,故B项错误;电源是提供电能的装置,把其他形式的能转化成电能,故C项错误;电源能把自由电子从正极搬运到负极,从而形成两极间的电势差,故D项正确。‎ ‎2.下列关于电流的说法中,不正确的是 (　　)‎ A.习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向 B.国际单位制中,电流的单位是安培,简称安 C.电流既有大小又有方向,所以电流是矢量 D.由I=可知,电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多 ‎【解析】选C。电荷的定向移动形成电流,物理学上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,故A项正确;国际单位制中,电流的单位是安培,简称安,故B项正确;电流既有大小又有方向,但电流不是矢量,是标量,因为电流的运算遵守代数加减法则,不是平行四边形定则,故C项错误;由I=可知,电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量,所以电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多,故D项正确。‎ ‎【补偿训练】‎ ‎1.关于电流下列说法正确的是 (　　)‎ A.规定负电荷定向移动的方向为电流的方向 B.电流的国际单位是伏特 C.1 mA=1 000 A D.电源在电路中的作用是保持导体两端有电压,使导体中有持续的电流 ‎【解析】选D。物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流方向,故A项错误;电流国际单位是安培(A),故B项错误;1 mA=0.001 A,故C项错误;在导体中,电荷无规则的运动不能形成电流,只有定向移动时才能形成电流;而电压是使电荷发生定向移动的原因,也就是形成电流的原因,电源在电路中的作用是使电路两端存在电压,故D项正确。‎ ‎2.下列叙述正确的有 (　　)‎ A.导体中电荷运动就形成电流 - 8 -‎ B.电流的国际单位是安培 C.电流是一个标量,其方向是没有意义的 D.只要有电源,就会形成电流 ‎【解析】选B。电荷的定向移动才形成电流,故A项错误;电流的国际单位是安培,故B项正确;电流有方向,但其计算不能应用平行四边形定则,故电流是标量。电流的方向对判断电流产生的磁场以及电流在磁场中的受力,都有一定的意义,故C项错误;只有导体两端有电势差时才能形成电流,只有电源没有闭合回路也不能形成电流,故D项错误。‎ 二　电流的计算 任务1由I=计算电流 ‎1.定义式:I=。用该式计算出的电流是时间t内的平均值。对于恒定电流,电流的瞬时值与平均值相等。‎ ‎2.两点说明。‎ ‎(1)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大小是相同的,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。‎ ‎(2)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。‎ ‎【典例示范】,那么通过导体的横截面定向移动的电荷有　　　C,相当于　　　个通过该截面。 (　　) ‎ A.1.6×10-5 　1014　　　　B.1.6×10-2 　1017‎ C.1.6×10-5 　1015 D.1.6×10-2 　1014‎ ‎【审题关键】‎ 序号 信息提取 ‎①‎ 导体中的电流是5 μA ‎②‎ ‎3.2 s内 ‎③‎ 电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C - 8 -‎ ‎【解析】选A。根据电流的定义式I=得3.2 s内通过导体横截面的电荷量为q=It=5×10-6×3.2 C=1.6×10-5 C,通过该截面的电子的个数为n===1.0×1014个,故A项正确。‎ 任务2等效电流的计算 ‎1.所谓等效电流,就是把电荷周期性地通过圆周上各处形成的电流看成持续不断地通过圆周上各处时所形成的电流。‎ ‎2.对周期性运动的电荷,常取一个周期来计算等效电流。解决此类问题的关键是找出电荷运动的周期,以及电荷的电荷量,再用公式I==求解。‎ ‎【典例示范】安培提出了著名的分子电流假说,根据这一假说,电子绕核运动可等效为一环形电流。设带电荷量为e的电子以速率v绕原子核沿顺时针方向做半径为r的匀速圆周运动,其电流的等效电流强度I和方向为 (　　)‎ A.　顺时针　 B.　顺时针 C.　逆时针　 D.　逆时针 ‎【解题探究】‎ ‎(1)电流强度的定义式?‎ 提示:电流强度的定义式I=。‎ ‎(2)电子经过多长时间通过一个截面?‎ 提示:电子运动周期T=。‎ ‎【解析】选C。电子绕核运动可等效为一环形电流,电子运动周期为 T=,根据电流的定义式得:电流强度为 I===,因为电子带负电,所以电流方向与电子定向移动方向相反,即沿逆时针方向,故C项正确。‎ - 8 -‎ 任务3电流的微观表达式 ‎1.模型:如图所示,AD表示粗细均匀的一段长为l的导体,两端加一定的电压,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v,设导体的横截面积为S,导体每单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q。‎ ‎2.推导:‎ 理论推导:AD导体中的自由电荷总数:N=nlS。‎ 总电荷量Q=Nq=nlSq。‎ 所有这些电荷都通过横截面D所需要的时间:t=。‎ 根据公式q=It可得:导体AD中的电流I===nqSv,即电流的微观表达式为I=nqSv。‎ ‎3.结论:从微观上看,电流取决于导体单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动速率的大小和导体的横截面积。‎ ‎4.辨析比较:‎ I=‎ I=nqSv 公式性质 定义式 决定式 电流的意义 时间t内的平均 电流 某时刻的瞬时电流 描述的角度 大量电荷定向移 动的宏观表现 形成电流的微观实质 联系 由I=可导出I=nqSv ‎【典例示范】铜的摩尔质量为m,密度为ρ,每摩尔铜原子有n个自由电子,今有一根横截面积为S的铜导线,当通过的电流为I时,电子定向移动的平均速率为 (　　)‎ - 8 -‎ A.光速c　　　B.　　　　C.　　　D.‎ ‎【解析】选D。如图所示,选长度为l的铜导线为研究对象。‎ 所选研究对象的体积为V=lS ①‎ 铜的摩尔体积V0= ②‎ 由①②可得所选研究对象的物质的量 N=== ③‎ 因为每摩尔铜原子有n个自由电子,‎ 所以所选研究对象所含自由电子个数 n1=Nn= ④‎ 电流:I== ⑤‎ 由④⑤得v=,故D正确。‎ ‎【素养训练】‎ ‎1.如图所示为一磁流体发电机示意图,A、B是平行正对的金属板,等离子体(电离的气体,由自由电子和阳离子构成,整体呈电中性)从左侧进入,在t时间内有n个自由电子落在B板上,则关于R中的电流大小及方向判断正确的是(　　) ‎ - 8 -‎ A.I=,从上向下　　　　 B.I=,从上向下 C.I=,从下向上 D.I=,从下向上 ‎【解析】选A。由于自由电子落在B板上,则A板上落上阳离子,因此R中的电流方向为自上而下,电流大小I==,A项正确。‎ ‎2.某电解池,如果在1秒钟内共有2.0×1018个二价正离子和4.0×1018个一价负离子通过某横截面,那么通过这个横截面的电流是 (　　)‎ A.0 A　　　 B.0.64 A　　　 C.1.28 A　　　 D.2.56 A ‎【解析】选C。由题,1 s内通过截面正离子的电量为q1=2n1e,负离子的电量绝对值为q2=n2e,则电流为I=,将n1=2×1018个,n2=4×1018个,e=1.6×10-19 C,代入,解得I=1.28 A。‎ ‎3.如图所示,一根横截面积为S的长直导体棒,每米含有的自由电荷数为n,每 个自由电荷的电量为q,当自由电荷以速度v定向运动时,导体棒中的电流大 小 (　　)‎ A.nqv　　 B.　 C.nqvS　　 D.‎ ‎【解析】选A。在导体棒上任取一截面,则在时间t内,该截面之前的所有电荷均经过该截面,则单位时间内流过某一截面的电荷量为Q=nqvt,电流为I==nqv,故A项正确,B、C、D项错误。‎ ‎【补偿训练】‎ ‎1.某一探测器因射线照射,内部气体电离,在时间t内有n个二价正离子到达阴极,有2n个电子到达探测器的阳极,则探测器电路中的电流为(　　)‎ ‎ A.0　　　　B.　　　　C.　　　　D.‎ ‎ 【解析】选D。探测器电路中的电流I==,故选项D正确。‎ - 8 -‎ ‎2.(多选)半径为R的橡胶圆环均匀带正电,总电荷量为Q,现使圆环绕中心轴线以角速度ω匀速转动,则由环产生的等效电流应有 (　　)‎ ‎ A.若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍,则电流也将变为原来的2倍 ‎ B.若电荷量不变而使ω变为原来的2倍,则电流也将变为原来的2倍 ‎ C.若使ω、Q不变,将橡胶环拉伸,使环半径增大,电流将变大 ‎ D.若使ω、Q不变,将橡胶环拉伸,使环半径增大,电流将变小 ‎【解析】选A、B。正电荷Q均匀分布在橡胶环上,当环转动时,在环上任取一截面,则一个周期T内穿过此截面的电荷量为Q,由电流的定义式I=及T=得,环中等效电流为I==,故选A、B。‎ ‎【拓展例题】考查内容:导体内的三种速率 ‎【典例】在导体中有电流通过时,下列说法正确的是 (　　)‎ ‎ A.电子定向移动速率为光速 ‎ B.电子定向移动速率即是电场传导速率 ‎ C.电子定向移动速率是电子热运动速率 ‎ D.在金属导体中,自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动 ‎【解析】选D。电子定向运动的速率很小,电流的传导速率与光速差不多,在金属导体中,自由电子只不过在速率很大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动,故A、B、C项错误,D项正确。‎ - 8 -‎