超導(dǎo)體現(xiàn)象是20世紀(jì)人類重大發(fā)現(xiàn)之一,目前我國已研制出世界傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)電纜并成功示范運行。
(1)超導(dǎo)體在溫度特別低時電阻可以降到幾乎為零,這種性質(zhì)可以通過實驗研究。將一個閉合超導(dǎo)金屬圓環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場中,磁感線垂直于圓環(huán)平面向上,逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場,若此后環(huán)中的電流不隨時間變化,則表明其電阻為零。請指出自上往下看環(huán)中電流方向,并說明理由。
(2)為探究該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限ρ,研究人員測得撤去磁場后環(huán)中電流為I,并經(jīng)一年以上的時間t未檢測出電流變化。實際上儀器只能檢測出大于ΔI的電流變化,其中ΔI<<I ,當(dāng)電流的變化小于ΔI時,儀器檢測不出電流的變化,研究人員便認(rèn)為電流沒有變化。設(shè)環(huán)的橫截面積為S,環(huán)中定向移動電子的平均速率為v,電子質(zhì)量為m、電荷量為e。試用上述給出的各物理量,推導(dǎo)出ρ的表達(dá)式。
(3)若仍試用上述測量儀器,實驗持續(xù)時間依舊為t,為使實驗獲得的該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限ρ的準(zhǔn)確程度更高,請?zhí)岢瞿愕慕ㄗh,并簡要說明實現(xiàn)方法。
(1)見解析。2) (3)見解析
(1)逆時針方向。原磁場磁感線垂直于圓環(huán)平面向上,當(dāng)撤去磁場瞬間,環(huán)所圍面積的原磁通量突變?yōu)榱,由楞次定律可知,環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相同,即向上。由右手螺旋定則可知,環(huán)中電流的方向是沿逆時針方向。
(2)設(shè)圓環(huán)周長為、電阻為R,由電阻定律得 
由于有電阻,所以圓環(huán)在傳導(dǎo)電流過程中,電流做功,把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。設(shè)t時間內(nèi)環(huán)中電流釋放焦耳熱而損失的能量為,由焦耳定律得
因電流是圓環(huán)中電荷的定向移動形成的,故可設(shè)環(huán)中單位體積內(nèi)定向移動電子數(shù)為n,由電流強(qiáng)度的定義得:
因式中n、e、S不變,所以只有定向移動電子的平均速率的變化才會引起環(huán)中電流的變化。電流變化大小取時,相應(yīng)定向移動電子的平均速率變化的大小為,則

在t時間內(nèi)單個電子在環(huán)中定向移動時減小的動能為:
圓環(huán)中總電子為
設(shè)環(huán)中定向移動電子減少的動能總和為,則

由于,可得 
根據(jù)能量守恒定律,得 
聯(lián)立上述各式,得 
(3)由看出,在題設(shè)條件限制下,適當(dāng)增大超導(dǎo)電流,可以使實驗獲得的準(zhǔn)確程度更高,通過增大穿過該環(huán)的磁通量變化率可實現(xiàn)增大超導(dǎo)電流。
此題易錯點:分析能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系以及微觀量與宏觀量關(guān)系時出錯。
【考點定位】本題考查楞次定律、電阻定律、電流強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)換等知識,是一道電磁學(xué)聯(lián)系實際的綜合問題,意在考查考生靈活應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力。
練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

如圖所示的器材可用來研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象及判定感應(yīng)電流的方向,其中L1為原線圈,L2 為副線圈。

(1)在給出的實物圖中,將實驗儀器連成完整的實驗電路。
(2)在實驗過程中,除了查清流入檢流計電流方向與指針偏轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系之外,還應(yīng)查清____的繞制方向(選填“L1”、“L2”或“L1和L2”)。閉合開關(guān)之前,應(yīng)將滑動變阻器的滑動頭P 處于____ 端(選填“左”或“右”)。

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

如圖所示是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗所需的器材,用實線將帶有鐵芯的線圈A、電源、滑動變阻器和開關(guān)連接成原線圈回路,將小量程電流計和線圈B連接成副線圈回路.并列舉出實驗中改變副線圈回路的磁通量,使副線圈回路產(chǎn)生感應(yīng)電流的三種方式:

①_____________________________;
②_____________________________;
③_____________________________.

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

太陽能是一種清潔、“綠色”能源.在我國上海舉辦的2013年世博會上,大量利用了太陽能電池.太陽能電池在有光照時,可以將光能轉(zhuǎn)化為電能,在沒有光照時,可以視為一個電學(xué)器件.某實驗小組根據(jù)測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗方法,探究一個太陽能電池在沒有光照時(沒有儲存電能)的IU特性.所用的器材包括:太陽能電池,電源E,電流表A,電壓表V,滑動變阻器R,開關(guān)S及導(dǎo)線若干.
(1)為了達(dá)到上述目的,請將圖1連成一個完整的實驗電路圖.

圖1
(2)該實驗小組根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù),描點繪出了如圖2的IU圖象.由圖可知,當(dāng)電壓小于2.00 V時,太陽能電池的電阻________(填“很大”或“很小”);當(dāng)電壓為2.80 V時,太陽能電池的電阻約為________Ω.

圖2

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

某同學(xué)用量程為1mA、內(nèi)阻為120Ω的表頭按圖(a)所示電路改裝成量程分別為1V和1A的多用電表。圖中R1R2為定值電阻,S為開關(guān);卮鹣铝袉栴}:

(1)根據(jù)圖(a)所示的電路,在圖(b)所示的實物圖上連線。
(2)開關(guān)S閉合時,多用電表用于測量         (填“電流”、“電壓,或“電阻”);開關(guān)S斷開時,多用電表用于測量         (填“電流”、“電壓”或“電阻”)。
(3)表筆A應(yīng)為          色(填“紅”或“黑”)。
(4)定值電阻的阻值R1=    Ω,R2=    Ω。(結(jié)果取3位有效數(shù)字)

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

Ⅰ.(5分)根據(jù)單擺周期公式,可以通過實驗測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取H鐖D1所示,將細(xì)線的上端固定在鐵架臺上,下端系一小鋼球,就做成了單擺。

(1)用游標(biāo)卡尺測量小鋼球直徑,示數(shù)如圖2所示,讀數(shù)為_______mm。
(2)以下是實驗過程中的一些做法,其中正確的有_______。
a.擺線要選擇細(xì)些的、伸縮性小些的,并且盡可能長一些
b.擺球盡量選擇質(zhì)量大些、體積小些的
c.為了使擺的周期大一些,以方便測量,開始時拉開擺球,使擺線相距平衡位置有較大的角度
d.拉開擺球,使擺線偏離平衡位置大于5度,在釋放擺球的同時開始計時,當(dāng)擺球回到開始位置時停止計時,此時間間隔Δt即為單擺周期T
e.拉開擺球,使擺線偏離平衡位置不大于5度,釋放擺球,當(dāng)擺球振動穩(wěn)定后,從平衡位置開始計時,記下擺球做50次全振動所用的時間Δt,則單擺周期

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

測量電源B的電動勢E及內(nèi)阻r(E約為4.5V,r約為1.5Ω)。
器材:量程3V的理想電壓表,量程0.5A的電流表(具有一定內(nèi)阻),固定電阻
R=4Ω,滑線變阻器R′,電鍵K,導(dǎo)線若干。

實驗中,當(dāng)電流表讀數(shù)為I1時,電壓表讀數(shù)為U1;
當(dāng)電流表讀數(shù)為I2時,電壓表讀數(shù)為U2。則可以求出E=         ,r=          。(用I1,I2,U1,U2及R表示)

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:單選題

用多用電表的同一檔位測量熱敏電阻和光敏電阻的阻值時,下列說法正確的是 (   )
A.測熱敏電阻時,溫度越高,多用電表指針偏角越大
B.測熱敏電阻時,溫度越高,多用電表指針偏角越小
C.測光敏電阻時,光照越弱,多用電表指針偏角越大
D.測光敏電阻時,光照越弱,多用電表指針偏角越小

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:實驗題

如圖為“探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的實驗裝置。
(1)將圖中所缺的導(dǎo)線補(bǔ)接完整。

(2)如果在閉合電鍵時發(fā)現(xiàn)靈敏電流計的指針向右偏了一下,那么合上電鍵后可能現(xiàn)的情況有:
A.將原線圈迅速插入副線圈時,靈敏電流計指針將____________。
B.原線圈插入副線圈后,將滑動變阻器觸頭迅速向左拉時,靈敏電流計指針___________。

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同步練習(xí)冊答案