根据经典理论,金属导体中电流的微观表达式为I=nvSe,其中n为金属导体中每单位体积内的自由电子数,v为导体中自由电子沿导体定向移动的速率,S为导体的横截面积,e为自由电子的电荷量.如图11所示,两段长度和材料完全相同、各自粗细均匀的金属导线ab、bc,圆横截面的半径之比为rab∶rbc=1∶4,串联后加上电压U,则 ( )
A.两导线内的自由电子定向移动的速率之比为vab∶vbc=1∶4
B.两导线内的自由电子定向移动的速率之比为vab∶vbc=4∶1
C.两导线的电功率之比为Pab∶Pbc=4∶1
D.两导线的电功率之比为Pab∶Pbc=16∶1
高三物理选择题简单题
根据经典理论,金属导体中电流的微观表达式为I=nvSe,其中n为金属导体中每单位体积内的自由电子数,v为导体中自由电子沿导体定向移动的速率,S为导体的横截面积,e为自由电子的电荷量.如图11所示,两段长度和材料完全相同、各自粗细均匀的金属导线ab、bc,圆横截面的半径之比为rab∶rbc=1∶4,串联后加上电压U,则 ( )
A.两导线内的自由电子定向移动的速率之比为vab∶vbc=1∶4
B.两导线内的自由电子定向移动的速率之比为vab∶vbc=4∶1
C.两导线的电功率之比为Pab∶Pbc=4∶1
D.两导线的电功率之比为Pab∶Pbc=16∶1
高三物理选择题简单题查看答案及解析
对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。一段长为l、横截面积为S的细金属直导线,单位体积内有n个自由电子,电子电荷量为e、质量为m。
(1)该导线通有电流时,假设自由电子定向移动的速率恒为v。
① 求导线中的电流I;
②为了更精细地描述电流的分布情况,引入了电流面密度j,电流面密度被定义为单位面积的电流强度,求电流面密度j的表达式;
③经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子(即金属原子失去电子后的剩余部分)的碰撞,该碰撞过程将对电子的定向移动形成一定的阻碍作用,该作用可等效为施加在电子上的一个沿导线的平均阻力。若电子受到的平均阻力大小与电子定向移动的速率成正比,比例系数为k。请根据以上描述构建物理模型,求出金属导体的电阻率ρ的微观表达式。
(2*)将上述导线弯成一个闭合圆线圈,若该不带电的圆线圈绕通过圆心且垂直于线圈平面的轴匀速率转动,线圈中不会有电流通过,若线圈转动的线速度大小发生变化,线圈中会有电流通过,这个现象首先由斯泰瓦和托尔曼在1917年发现,被称为斯泰瓦—托尔曼效应。这一现象可解释为:当线圈转动的线速度大小均匀变化时,由于惯性,自由电子与线圈中的金属离子间产生定向的相对运动,从而形成电流。若此线圈在匀速转动的过程中突然停止转动,由于电子在导线中运动会受到沿导线的平均阻力,所以只会形成短暂的电流。已知电子受到的沿导线的平均阻力满足(1)问中的规律,求此线圈以由角速度ω匀速转动突然停止转动(减速时间可忽略不计)之后,通过线圈导线横截面的电荷量Q。
高三物理解答题困难题查看答案及解析
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)。
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对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻的理解其物理本质。一段长为l、电阻率为ρ、横截面积为S的细金属直导线,单位体积内有n个自由电子,电子电荷量为e、质量为m。
(1)当该导线通有恒定的电流I时:
①请根据电流的定义,推导出导线中自由电子定向移动的速率v;
②经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子(即金属原子失去电子后的剩余部分)的碰撞,该碰撞过程将对电子的定向移动形成一定的阻碍作用,该作用可等效为施加在电子上的一个沿导线的平均阻力。若电子受到的平均阻力大小与电子定向移动的速率成正比,比例系数为k。请根据以上的描述构建物理模型,推导出比例系数k的表达式。
(2)将上述导线弯成一个闭合圆线圈,若该不带电的圆线圈绕通过圆心且垂直于线圈平面的轴匀速率转动,线圈中不会有电流通过,若线圈转动的线速度大小发生变化,线圈中会有电流通过,这个现象首先由斯泰瓦和托尔曼在1917年发现,被称为斯泰瓦—托尔曼效应。这一现象可解释为:当线圈转动的线速度大小均匀变化时,由于惯性,自由电子与线圈中的金属离子间产生定向的相对运动。取线圈为参照物,金属离子相对静止,由于惯性影响,可认为线圈中的自由电子受到一个大小不变、方向始终沿线圈切线方向的力,该力的作用相当于非静电力的作用。
已知某次此线圈匀加速转动过程中,该切线方向的力的大小恒为F。根据上述模型回答下列问题:
① 求一个电子沿线圈运动一圈,该切线方向的力F做功的大小;
② 推导该圆线圈中的电流 的表达式。
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经典电磁理论认为:当金属导体两端电压稳定后,导体中产生恒定电场,这种恒定电场的性质与静电场相同.由于恒定电场的作用,导体内自由电子定向移动的速率增加,而运动过程中会与导体内不动的粒子发生碰撞从而减速,因此自由电子定向移动的平均速率不随时间变化.金属电阻反映的是定向运动的自由电子与不动的粒子的碰撞.假设碰撞后自由电子定向移动的速度全部消失,碰撞时间不计.
某种金属中单位体积内的自由电子数量为n,自由电子的质量为m,带电量为e.现取由该种金属制成的长为L,横截面积为S的圆柱形金属导体,将其两端加上恒定电压U,自由电子连续两次与不动的粒子碰撞的时间间隔平均值为t0.如图所示.
(1)求金属导体中自由电子定向运动受到的电场力大小;
(2)求金属导体中的电流I;
(3)电阻的定义式为,电阻定律是由实验得出的.事实上,不同途径认识的物理量之间存在着深刻的本质联系,请从电阻的定义式出发,推导金属导体的电阻定律,并分析影响电阻率ρ的因素.
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设长度为l、横截面积为S,单位体积自由电子数为n的均匀导体中电流的流动,在导体两端加上电压U,于是导体中有匀强电场产生,在导体内移动的自由电子(-e)受匀强电场作用而加速.而和做热运动的阳离子碰撞而减速,这样边反复进行边向前移动,可以认为阻碍电子运动的阻力大小与电子移动的平均速度v成正比,其大小可以表示成kv(k是常数)。
电场力和碰撞的阻力相平衡时,导体中电子的速率v成为一定值,这时v为( )
A. B. C. D.
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下列叙述正确的是
A.经典力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用.
B.法拉第把引起电流的原因概括为五类,包括变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体
C.物理学中用到大量的科学研究方法,在建立“合力与分力”“质点”“电场强度”物理概念时,都用到了“等效替代”的方法
D.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品是利用自感现象
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下列叙述正确的是
A.经典力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用.
B.法拉第把引起电流的原因概括为五类,包括变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体
C.物理学中用到大量的科学研究方法,在建立“合力与分力”“质点”“电场强度”物理概念时,都用到了“等效替代”的方法
D.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品是利用自感现象
高三物理选择题中等难度题查看答案及解析
下列叙述正确的是
A.经典力学理论普遍适用,大到天体,小到微观粒子均适用.
B.法拉第把引起电流的原因概括为五类,包括变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体
C.物理学中用到大量的科学研究方法,在建立“合力与分力”“质点”“电场强度”物理概念时,都用到了“等效替代”的方法
D.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品是利用自感现象
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金属导体内电流增强,是因为( )
A. 导体内单位体积的自由电子数增多
B. 导体内自由电子定向移动的速率增大
C. 导体内电场的传播速率增大
D. 导体内自由电子的热运动速率增大
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