【題目】由某種金屬材料制成的圓柱形導(dǎo)體,將其兩端與電源連接,會在導(dǎo)體內(nèi)部形成勻強(qiáng)電場,金屬中的自由電子會在電場力作用下發(fā)生定向移動形成電流。已知電子質(zhì)量為m,電荷量為e,該金屬單位體積的自由電子數(shù)為n。
(1)若電源電動勢為E,且內(nèi)阻不計(jì),
a. 求電源從正極每搬運(yùn)一個自由電子到達(dá)負(fù)極過程中非靜電力所做的功W非;
b. 從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度推導(dǎo):導(dǎo)體兩端的電壓U等于電源的電動勢E;
(2)經(jīng)典的金屬電子論認(rèn)為:在外電場(由電源提供的電場)中,金屬中的自由電子受到電場力的驅(qū)動,在原熱運(yùn)動基礎(chǔ)上疊加定向移動,如圖所示。在定向加速運(yùn)動中,自由電子與金屬正離子發(fā)生碰撞,自身停頓一下,將定向移動所獲得的能量轉(zhuǎn)移給金屬正離子,引起正離子振動加劇,金屬溫度升高。自由電子在定向移動時(shí)由于被頻繁碰撞受到阻礙作用,這就是電阻形成的原因。
自由電子定向移動的平均速率為v,熱運(yùn)動的平均速率為u,發(fā)生兩次碰撞之間的平均距離為x。由于v<<u,所以自由電子發(fā)生兩次碰撞的時(shí)間間隔主要由熱運(yùn)動決定。自由電子每次碰撞后的定向移動速率均變?yōu)榱恪?/span>
a. 求該金屬的電阻率ρ,并結(jié)合計(jì)算結(jié)果至少說明一個與金屬電阻率有關(guān)的宏觀因素;
b. 該導(dǎo)體長度為L,截面積為S。若將單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體中所有自由電子因與正離子碰撞而損失的動能之和設(shè)為ΔEk,導(dǎo)體的發(fā)熱功率設(shè)為P,試證明P=ΔEk。
【答案】(1)a.;b.見解析(2)a. 從計(jì)算結(jié)果可知,金屬的電阻率與金屬中單位體積的自由電子數(shù)n、自由電子熱運(yùn)動平均速率u和碰撞的平均距離x有關(guān),所以在宏觀上,電阻率與金屬的種類和溫度有關(guān);b.見解析
【解析】(1)a.由可知,;
b. 由能量轉(zhuǎn)化與守恒定律可知,電場力做功等于非靜電力做功,即;
設(shè)電路中的電流為I,則在t時(shí)間內(nèi)
所以有,即;
(2)a. 設(shè)導(dǎo)體長度為L,截面積為S,兩端電壓為U,通過的電流為I。
電子發(fā)生兩次碰撞之間,在原有的勻速運(yùn)動(熱運(yùn)動)的同時(shí),疊加在外電場作用下由靜止開始的勻加速運(yùn)動(定向移動),但因,
所以兩次碰撞的平均時(shí)間間隔,
電子在外電場中做定向移動的加速度,
電子碰撞前瞬間的定向移動速度,且,
整理可得導(dǎo)體兩端電壓;
設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體的電荷量;
由可知:,代入,
與電阻定律比較,有;
從計(jì)算結(jié)果可知,金屬的電阻率與金屬中單位體積的自由電子數(shù)n、自由電子熱運(yùn)動平均速率u和碰撞的平均距離x有關(guān),所以在宏觀上,電阻率與金屬的種類和溫度有關(guān)。(只要說出一種因素即可得分)
b. 導(dǎo)體的發(fā)熱功率;
單位時(shí)間內(nèi)一個自由電子因與正離子碰撞而損失的動能
導(dǎo)體中所有自由電子在單位時(shí)間內(nèi)損失的動能之和
所以.
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科目:高中物理 來源: 題型:
【題目】如圖1所示,可用該裝置探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系。
(1)關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作,下列說法正確的是_________。
A.當(dāng)用1根橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),橡皮筋對小車做的功是W,用2根、3根......橡皮筋串聯(lián)在一起進(jìn)行第2次、第3次......實(shí)驗(yàn)時(shí),橡皮筋對小車做的功分別是2W、3W......
B.根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn),求小車獲得的速度的方法,是以紙帶上第一點(diǎn)到最后一點(diǎn)的距離來進(jìn)行計(jì)算
C.判斷阻力被平衡的方法是,輕推拖著紙帶的小車,小車可以勻速下滑
D.進(jìn)行平衡摩擦力時(shí),將長木板左端墊高,此時(shí)小車不需要連接穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶
(2)如圖2所示,是學(xué)生通過兩根橡皮筋打出的一條紙帶,紙帶上標(biāo)出了相鄰點(diǎn)跡之間的距離,根據(jù)紙帶可計(jì)算小車獲得的最大速度為______m/s。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)
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【題目】如圖所示,一絕熱氣缸固定在傾角為30°的固定斜面上,通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體;钊馁|(zhì)量為m,橫截面積為S。初始時(shí),氣體的溫度為T0,活塞與汽缸底部相距為L。通過電熱絲緩慢加熱氣體,當(dāng)氣體吸收熱量Q時(shí),活塞上升到與汽缸底部相距2L處,已知大氣壓強(qiáng)為P0,重力加速度為g,不計(jì)活塞與氣缸壁之間的摩擦。求:
①此時(shí)氣體的溫度;
②加熱過程中氣體內(nèi)能的增加量。
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【題目】來自太陽的帶電粒子會在地球的兩極引起極光。帶電粒子與地球大氣層中的原子相遇,原子吸收帶電粒子的一部分能量后,立即將能量釋放出來就會產(chǎn)生奇異的光芒,形成極光。極光的光譜線波長范圍約為3100~6700(1 =1010m)。據(jù)此推斷以下說法錯誤的是
A. 極光光譜線頻率的數(shù)量級約為1014Hz~1015Hz
B. 極光出現(xiàn)在極地附近與帶電粒子受到洛倫茲力有關(guān)
C. 原子在從高能級向低能級躍遷時(shí)輻射出極光
D. 對極光進(jìn)行光譜分析可以鑒別太陽物質(zhì)的組成成分
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【題目】如圖甲,利用恒速滴液瓶(每隔相同時(shí)間從玻璃管口滴下一個液滴)和頻閃光源來研究自由落體運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)頻閃光源的頻率和恒速液滴的頻率,使兩者恰好相等,屏幕上就會出現(xiàn)“液滴不動”的影點(diǎn),設(shè)此時(shí)頻閃光源的頻率為f。某次實(shí)驗(yàn)的影點(diǎn)位置如圖乙所示,三個影點(diǎn)間的距離分別為h1、h2和h3。
①若圖乙中最上邊一個影點(diǎn)的初速度恰好為零,則h1:h2:h3=___________,液滴下落加速度的表達(dá)式為a=____________。
②圖乙中自上而下第二個影點(diǎn)瞬時(shí)速度的表達(dá)式為v=_________。
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【題目】渦流檢測是工業(yè)上無損檢測的方法之一。如圖所示,線圈中通以一定頻率的正弦交流電,靠近待測工件時(shí),工件內(nèi)會產(chǎn)生渦流,同時(shí)線圈中的電流受渦流影響也會發(fā)生變化。下列說法中正確的是( )
A. 渦流的磁場總是要阻礙穿過工件磁通量的變化
B. 渦流的頻率等于通入線圈的交流電頻率
C. 通電線圈和待測工件間存在周期性變化的作用力
D. 待測工件可以是塑料或橡膠制品
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【題目】如圖所示,固定的絕熱汽缸內(nèi)有一質(zhì)量為m的“T”形絕熱活塞(體積可忽略),距汽缸底部h0處連接一U形管(管內(nèi)氣體的體積忽略不計(jì))。初始時(shí),封閉氣體溫度為T0,活塞距離汽缸底部為1.5h0。已知水銀的密度為ρ,大氣壓強(qiáng)為p0,汽缸橫截面積為S,活塞豎直部分長為1.2h0,重力加速度為g。試求:
(1)初始時(shí),兩邊水銀柱的高度差h;
(2)緩慢降低氣體溫度,“T”形絕熱活塞剛好接觸汽缸底部時(shí)的溫度;
(3)改變氣體溫度,兩邊水銀面相平時(shí)的溫度。
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【題目】“跳跳鼠”是很多小朋友喜歡玩的一種玩具(圖甲),彈簧上端連接腳踏板,下端連接跳桿(圖乙),人在腳踏板上用力向下壓縮彈簧,然后彈簧將人向上彈起,最終彈簧將跳桿帶離地面。
A. 不論下壓彈簧程度如何,彈簧都能將跳桿帶離地面
B. 從人被彈簧彈起到彈簧恢復(fù)原長,彈簧的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為人的動能
C. 從人被彈簧彈起到彈簧恢復(fù)原長,人一直向上加速運(yùn)動
D. 從人被彈簧彈起到彈簧恢復(fù)原長,人的加速度先減小后增大
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【題目】小明同學(xué)在上海迪士尼樂園體驗(yàn)了超刺激的游戲項(xiàng)目“創(chuàng)極速光輪”后,對“過山車”類型的軌道運(yùn)動充滿了興趣。為此他自己利用器材設(shè)計(jì)拼接了一條軌道,如圖所示,ABC為一條水平軌道,BC段長度為20cm,斜直軌道CD段長度15cm,與水平面夾角θ=370,BC段與CD段在C點(diǎn)平滑連接,豎直圓弧軌道DEF的圓心為O1,半徑R1=10cm,圓軌道與CD相切于D點(diǎn),E為圓弧軌道的最高點(diǎn),半徑O1F水平,FG段為豎直軌道,與1/4圓軌道GH相切于G點(diǎn),圓形軌道GH圓心為O2,半徑R2=4cm,G、O2、D在同一水平線上,水平軌道HK長度為40cm,HK與CD軌道錯開。在AB段的A端固定一輕質(zhì)彈簧,彈簧自然伸長時(shí)剛好位于B端,現(xiàn)在B端放置一個小環(huán)(可視為質(zhì)點(diǎn))但不栓接,小環(huán)的質(zhì)量為m=0.01kg,現(xiàn)推動小環(huán)壓縮彈簧d后釋放,小環(huán)恰好能運(yùn)動到D點(diǎn)。已知小環(huán)只在軌道BC、CD、HK上受到摩擦力,動摩擦因數(shù)μ=0.5,彈簧彈性勢能與彈簧彈性形變量的二次方成正比。不計(jì)空氣阻力,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2.則:
(1)求小環(huán)在B點(diǎn)的速度大小v;
(2)某次實(shí)驗(yàn),彈簧壓縮量為2d,求小環(huán)在E處對軌道的壓力;
(3)小環(huán)能否停在HK上?若能,求出彈簧壓縮量的取值范圍;若不能,請說明理由。
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