【题目】导线中自由电子的定向移动形成电流,电流可以从宏观和微观两个角度来认识。
(1)一段通电直导线的横截面积为S,它的摩尔质量为M,密度为ρ,阿伏伽德罗常数位NA。导线中每个带电粒子定向运动的速率为υ,粒子的电荷量为e,假设每个电子只提供一个自由电子。
①推导该导线中电流的表达式;
②如图所示,电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和,在宏观上表现为导线所受的安培力。按照这个思路,请你尝试由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式。
(2)经典物理学认为金属导体中恒定电场形成稳恒电流。金属导体中的自由电子在电场力的作用下,定向运动形成电流。自由电子在定向运动的过程中,不断地与金属离子发生碰撞。碰撞后自由电子定向运动的速度变为零,将能量转移给金属离子,使得金属离子的热运动更加剧烈,这就是焦耳热产生原因。
某金属直导线电阻为R,通过的电流为I。请从宏观和微观相结合的角度,证明:在时间t内导线中产生的焦耳热为Q=I2Rt(可设电子与离子两次碰撞的时间间隔t0,碰撞时间忽略不计,其余需要的物理量可自设)。
【答案】(1)①②见解析(2)见解析
【解析】
(1)①金属导线单位体积内电子个数
在时间t内流过导线横截面的带电粒子数
N=
通过导线横截面的总电荷量
Q=Ne
导线中电流
I=
联立以上三式可以推导出
I=
②导线受安培力大小
F安=BIL。
长L的导线内总的带电粒子数
N=nSL
又
I=
电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和,表现为导线所受的安培力,即
Nf=F安
联立以上三式可以推导出洛伦兹力的表达式
f=evB
(2)方法1:
设金属导体长为L,横截面积为S,两端电压为U,导线中的电场强度
E=
设金属导体中单位体积中的自由电子数为n,则金属导体中自由电子总数
设自由电子的带电量为e,连续两次碰撞时间间隔为t0,定向移动的平均速度为υ,则一次碰撞的能量转移
一个自由电子在时间t内与金属离子碰撞次数为
金属导体中在时间t内全部自由电子与金属离子碰撞,产生的焦耳热
又
U=IR
联立解以上各式推导得
方法2:
设金属导体长为L,横截面积为S,两端电压为U,导线中的电场强度
E=
设金属导体中单位体积中的自由电子数为n,则金属导体中自由电子数
在纯电阻电路中,电流做的功等于焦耳热,即Q=W
电流做的功等于电功率乘时间
W=Pt
电功率等于电场力对长为L的导线中所有带电粒子做功功率的总和
自由电子受的电场力
F=Ee
又
U=IR
联立解以上各式推导得
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】如图甲所示为某磁电式电流表的原理图,蹄形磁铁和铁芯间的磁场均匀辐向分布,如图乙所示,其磁感应强度的大小处处相等,都为B,一边长为L的N匝正方形线圈处在磁场中,方向如图乙,当通有大小为I的电流时,下列正确的是
A.由于磁感应强度的大小处处相同,则该磁场为匀强磁场
B.穿过正方形线圈的磁通量大小为NBL2
C.正方形线圈的左边导线受到大小为NBIL、方向向下的安培力
D.正方形线圈的右边导线受到大小为NBIL、方向向下的安培力
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】如图所示,水平面内有两条相互垂直且彼此绝缘的通电长直导线,以它们为坐标轴构成一个平面直角坐标系。四个相同的圆形闭合线圈在四个象限内完全对称放置,两直导线中的电流大小与变化情况完全相同,电流方向如图所示,当两直导线中的电流都增大时,四个线圈a、b、c、d中感应电流的情况是( )
A.线圈a中无感应电流 B.线圈b中有感应电流
C.线圈c中有感应电流 D.线圈d中无感应电流
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】如图是演示电容充电的电路图,图中C是平行板电容器,R是可变电阻。S接通后,电容器的上下两极板带有等量电荷,两极板间产生匀强电场。调节可变电阻R使其阻值分别为Ra和Rb,对电容器进行充电(充电前电容器均不带电)。C表示该电容器的电容,U表示电容器两极板的电势差,Q表示电容器带电量,EP表示电容器所存储的电能,I表示电容器充电过程中流经电阻的电流,t表示充电时间,若已知电源的电动势保持不变,其内阻忽略不计,Ra<Rb,。以下描绘a、b两个充电过程的图像,合理的是
A.B.
C.D.
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】在测量电阻的实验中,提供的器材有:3V稳压电源E、滑动变阻器R、电压表V、电流表A、待测电阻Rx,以及开关S、导线等。
实验要求:
①电流表内接;②调节滑线变阻器可使电压表的示数在0~3V间变化.
(1)在实验中,有的同学连成如图所示的电路,其中a,b,c,…,k是表示接线柱的字母.请将图中接线错误(用导线两端接线柱的字母表示)、引起的后果、改正的方法(用“改接”、“撤销”或“增添”等词语描述),分别填在相应的表格中________________________。
接线错误 | 引起的后果 | 改正的方法 |
(2)实验中所用电压表的内阻约为20kΩ,电流表的内阻约为10Ω,按正确的电路操作,读得的各组数据用+标于坐标图上,如图所示.根据各点表示的数据描出I-U图线________,由此求得该电阻的阻值Rx=_____________Ω。
(3)本实验中电阻的测量值比真实值偏___________(填“大”或“小”),其原因是___________。
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】为验证“拉力做功与物体动能改变的关系”,某同学到实验室找到下列器材:长木板(一端带定滑轮)、打点计时器、质量为200g的小车、质量分别为10g、30g和50g的钩码、细线、学生电源。该同学进行下列操作:
A.组装实验装置,如图甲所示
B.将质量为200g的小车拉到打点计时器附近,并按住小车
C.选用50g的钩码挂在拉线的挂钩P上
D.释放小车,接通打点计时器的电源,打出一条纸带
E.在多次重复实验得到的纸带中选出一条点迹清晰的纸带,如图乙所示
F.进行数据采集与处理
请你完成下列问题。
(1)该同学将纸带上打的第一个点标为“0”,且认为打“0”时小车的速度为零,其后依次标出计数点1、2、3、 4、5、6(相邻两个计数点间还有四个点未画),各计数点间的时间间隔为0.1s, 如图乙所示。该同学测量出计数点0到计数点3、4、5的距离,并标在图乙上。如果将钩码的重力在数值上当成小车所受的拉力,则在打计数点0到4的过程中,拉力对小车做的功为_______J,小车的动能增量为_______J。(重力加速度g取9.8m/s2,结果均保留两位有效数字)
(2)由(1)中数据发现,该同学并没有能够得到“拉力对物体做的功等于物体动能增量”的结论, 且对其他的点(如2、3、5点)进行计算的结果与“4”计数点相似。你认为产生这种实验结果的主要原因可能是_________。
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】如图甲所示,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=10∶1,原线圈输入的交流电压如图乙所示,副线圈电路接有滑动变阻器R和额定电压为12V、工作时内阻为2Ω的电动机。闭合开关,电动机正常工作,电流表示数为1A,则
A. 副线圈两端电压为22V
B. 电动机输出的机械功率为12W
C. 通过电动机的交流电频率为100Hz
D. 若电动机突然卡住不转,原线圈输入功率变大
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】如图所示,竖直向上的匀强磁场在初始时刻的磁感应强度B0=0.5T,并且以=1T/s在增加,水平导轨的电阻和摩擦阻力均不计,导轨宽为0.5m,左端所接电阻R=0.4Ω。在导轨上l=1.0m处的右端搁一金属棒ab,其电阻R0=0.1Ω,并用水平细绳通过定滑轮吊着质量为M=2kg的重物,欲将重物吊起,其中重力加速度g=10m/s2,求:
(1)感应电流的方向(请将电流方向标在本题图上)以及感应电流的大小;
(2)欲将重物吊起,至少金属棒ab所受安培力的大小和方向。
查看答案和解析>>
科目:高中物理 来源: 题型:
【题目】汽车蓄电池供电的简化电路如图所示。当汽车启动时,开关S闭合,启动系统的电动机工作,车灯亮度会有明显变化;当汽车启动之后,开关S断开,启动系统的电动机停止工作,车灯亮度恢复正常。则汽车启动时
A.电源的效率减小
B.车灯一定变亮
C.电动机的输出功率等于电源输出功率减去两灯的功率
D.若灯L1不亮灯L2亮,可能是由于L1灯短路所致
查看答案和解析>>
湖北省互联网违法和不良信息举报平台 | 网上有害信息举报专区 | 电信诈骗举报专区 | 涉历史虚无主义有害信息举报专区 | 涉企侵权举报专区
违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com