超导体现象是20世纪人类重大发现之一,目前我国已研制出世界传输电流最大的高温超导电缆并成功示范运行。(1)超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零,这种性质可以
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超导体现象是20世纪人类重大发现之一,目前我国已研制出世界传输电流最大的高温超导电缆并成功示范运行。(1)超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零,这种性质可以
题型:不详
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超导体现象是20世纪人类重大发现之一,目前我国已研制出世界传输电流最大的高温超导电缆并成功示范运行。
(1)超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零,这种性质可以通过实验研究。将一个闭合超导金属圆环水平放置在匀强磁场中,磁感线垂直于圆环平面向上,逐渐降低温度使环发生由正常态到超导态的转变后突然撤去磁场,若此后环中的电流不随时间变化,则表明其电阻为零。请指出自上往下看环中电流方向,并说明理由。
(2)为探究该圆环在超导状态的电阻率上限
ρ
,研究人员测得撤去磁场后环中电流为
I
,并经一年以上的时间
t
未检测出电流变化。实际上仪器只能检测出大于Δ
I
的电流变化,其中Δ
I
<<
I
,当电流的变化小于Δ
I
时,仪器检测不出电流的变化,研究人员便认为电流没有变化。设环的横截面积为
S
,环中定向移动电子的平均速率为
v
,电子质量为
m
、电荷量为
e
。试用上述给出的各物理量,推导出
ρ
的表达式。
(3)若仍试用上述测量仪器,实验持续时间依旧为
t
,为使实验获得的该圆环在超导状态的电阻率上限
ρ
的准确程度更高,请提出你的建议,并简要说明实现方法。
答案
(1)见解析 (2)
(3)见解析
解析
(1)逆时针方向。原磁场磁感线垂直于圆环平面向上,当撤去磁场瞬间,环所围面积的原磁通量突变为零,由楞次定律可知,环中感应电流的磁场方向应与原磁场方向相同,即向上。由右手螺旋定则可知,环中电流的方向是沿逆时针方向。
(2)设圆环周长为
、电阻为R,由电阻定律得
由于有电阻,所以圆环在传导电流过程中,电流做功,把电能全部转化为内能。设t时间内环中电流释放焦耳热而损失的能量为
,由焦耳定律得
因电流是圆环中电荷的定向移动形成的,故可设环中单位体积内定向移动电子数为n,由电流强度的定义得:
因式中n、e、S不变,所以只有定向移动电子的平均速率的变化才会引起环中电流的变化。电流变化大小取
时,相应定向移动电子的平均速率变化的大小为
,则
在t时间内单个电子在环中定向移动时减小的动能为:
圆环中总电子为
设环中定向移动电子减少的动能总和为
,则
由于
,可得
根据能量守恒定律,得
联立上述各式,得
(3)由
看出,在题设条件限制下,适当增大超导电流,可以使实验获得
的准确程度更高,通过增大穿过该环的磁通量变化率可实现增大超导电流。
此题易错点:分析能量的转换关系以及微观量与宏观量关系时出错。
【考点定位】本题考查楞次定律、电阻定律、电流强度和能量转换等知识,是一道电磁学联系实际的综合问题,意在考查考生灵活应用物理知识解决实际问题的能力。
举一反三
某学生实验小组利用图(a)所示电路,测量多用电表内电池的电动势和电阻“×1k”挡内部电路的总电阻。使用的器材有:
多用电表;
电压表:量程5V,内阻十几千欧;
滑动变阻器:最大阻值5kΩ
导线若干。
回答下列问题:
(1)将多用电表挡位调到电阻“×1k”挡,再将红表笔和黑表笔
,调零点。
(2)将图((a)中多用电表的红表笔和
(填“1”或“2”)端相连,黑表笔连接另一端。
(3)将滑动变阻器的滑片调到适当位置,使多用电表的示数如图(b)所示,这时电压表的示数如图(c)所示。多用电表和电压表的读数分别为
kΩ和
V。
(4)调节滑动变阻器的滑片,使其接入电路的阻值为零。此时多用电表和电压表的读数分别为12.0kΩ和4.00 V。从测量数据可知,电压表的内阻为
____
kΩ。
(5)多用电表电阻挡内部电路可等效为由一个无内阻的电池、一个理想电流表和一个电阻串联而成的电路,如图(d)所示。根据前面的实验数据计算可得,此多用电表内电池的电动势为
___
V,电阻“×1k”挡内部电路的总电阻为
___
kΩ。
题型:不详
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演示地磁场存在的实验装置(由环形线圈,微电流传感器,DIS等组成)如图所示。首先将线圈竖直放置,以竖直方向为轴转动,屏幕上的电流指针____(填:“有”或“无”)偏转;然后仍将线圈竖直放置,使其平面与东西向平行,并从东向西移动,电流指针____(填:“有”或“无”)偏转;最后将线圈水平放置,使其从东向西移动,电流指针____(填:“有”或“无”)偏转。
题型:不详
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为确定某电子元件的电气特性,做如下测量。
(1)用多用表测量该元件的电阻,选用“×100”倍率的电阻档测量,发现多用表指针偏转过大,因此需选择____倍率的电阻档(填:“×10”或“×1k”),并____再进行测量,多用表的示数如图(a)所示,测量结果为____Ω。
(2)将待测元件(额定电压9V)、蓄电池、滑动变阻器、电流表、多用表、电键及若干导线连接成电路如图(b)所示。添加连线,使电路能测量该元件完整的伏安特性。
本实验中使用多用表测电压,多用表的选择开关应调到____档(填:“直流电压10V”或“直流电压50V”)。
题型:不详
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某同学将量程为200μA、内阻为500Ω的表头μA改装成量程为1mA和10mA的双量程电流表,设计电路如图(a)所示。定值电阻
R
1
=500Ω,
R
2
和
R
3
的值待定,S为单刀双掷开关,
A、B
为接线柱。回答下列问题:
(1)按图(a)在图(b)中将实物连线;
(2)表笔的颜色为
色(填“红”或“黑”)
(3)将开关S置于“1”挡时,量程为
mA;
(4)定值电阻的阻值
R
2
=
Ω,
R
3
=
Ω。(结果取3位有效数字)
(5)利用改装的电流表进行某次洞里时,S置于“2”挡,表头指示如图(c)所示,则所测量电流的值为
mA。
题型:不详
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某同学用量程为1mA、内阻为120Ω的表头按图(a)所示电路改装成量程分别为1V和1A的多用电表。图中
R
1
和
R
2
为定值电阻,S为开关。回答下列问题:
(1)根据图(a)所示的电路,在图(b)所示的实物图上连线。
(2)开关S闭合时,多用电表用于测量
(填“电流”、“电压,或“电阻”);开关S断开时,多用电表用于测量
(填“电流”、“电压”或“电阻”)。
(3)表笔A应为
色(填“红”或“黑”)。
(4)定值电阻的阻值
R
1
=
Ω,
R
2
=
Ω。(结果取3位有效数字)
题型:不详
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