【題目】對于同一物理問題,常?梢詮暮暧^與微觀兩個(gè)不同角度進(jìn)行研究,找出其內(nèi)在聯(lián)系,從而更加深刻地理解其物理本質(zhì)。一段橫截面積為S、長為l的金屬電阻絲,單位體積內(nèi)有n個(gè)自由電子,每一個(gè)電子電量為e。該電阻絲通有恒定電流時(shí),兩端的電勢差為U,假設(shè)自由電子定向移動(dòng)的速率均為v

1求導(dǎo)線中的電流I;

2所謂電流做功,實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)線中的恒定電場對自由電荷的靜電力做功。為了求解在時(shí)間t內(nèi)電流做功W為多少,小紅記得老師上課講過,WUIt,但是不記得老師是怎樣得出WUIt這個(gè)公式的,既然電流做功是導(dǎo)線中的恒定電場對自由電荷的靜電力做功,那么應(yīng)該先求出導(dǎo)線中的恒定電場的場強(qiáng),即E,設(shè)導(dǎo)體中全部電荷為q后,再求出電場力做的功,將q代換之后,小紅沒有得出WUIt的結(jié)果。

a. 請幫助小紅補(bǔ)充完善這個(gè)問題中電流做功的求解過程。

b. 為了更好地描述某個(gè)小區(qū)域的電流分布情況,物理學(xué)家引入了電流密度這一物理量,定義其大小為單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的電量。若已知該導(dǎo)線中的電流密度為j,導(dǎo)線的電阻率為,試證明:

3由于恒定電場的作用,導(dǎo)體內(nèi)自由電子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng),但定向移動(dòng)的速率遠(yuǎn)小于自由電子熱運(yùn)動(dòng)的速率,而運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與導(dǎo)體內(nèi)不動(dòng)的粒子發(fā)生碰撞從而減速,因此自由電子定向移動(dòng)的平均速率不隨時(shí)間變化。金屬電阻反映的是定向移動(dòng)的自由電子與不動(dòng)的粒子的碰撞。假設(shè)自由電子連續(xù)兩次與不動(dòng)的粒子碰撞的時(shí)間間隔平均值為t0這個(gè)時(shí)間由自由電子熱運(yùn)動(dòng)決定,為一確定值,碰撞后自由電子定向移動(dòng)的速度全部消失,碰撞時(shí)間不計(jì)。請根據(jù)以上內(nèi)容,推導(dǎo)證明金屬電阻絲的電阻率與金屬絲兩端的電壓無關(guān)。

【答案】(1) (2)見解析 (3)電阻率為定值,與電壓無關(guān)。

【解析】

1假設(shè)在ts內(nèi),通過導(dǎo)線橫截面的總電量為q則:q=Vne

其中ts內(nèi),通過橫截面所以電子所占體積V=Svt

所以q=Svnet

根據(jù)電流的定義,得: =neSv

2a如圖所示,根據(jù)電場強(qiáng)度和電勢差的關(guān)系,

所以在ts內(nèi),恒定電場對自由電荷的靜電力做功

其中帶入上式得

b根據(jù)題意,單位時(shí)間內(nèi),通過單位面積的電荷量,稱為電流密度

根據(jù)電阻定律:

又因?yàn)?/span>

所以

3自由電子連續(xù)兩次與同一個(gè)不動(dòng)粒子碰撞的時(shí)間間隔為t0,碰后電子立刻停止運(yùn)動(dòng)

根據(jù)動(dòng)量定理由,

電子定向移動(dòng)的平均速率為

根據(jù)電流得微觀表達(dá)式

根據(jù)歐姆定律

根據(jù)電阻定律可知

故影響電阻率的因素為:單位體積的自由電子數(shù)目n,電子在恒定電場中由靜止加速的平均速度t0.

練習(xí)冊系列答案
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科目:高中物理 來源: 題型:

【題目】20分)一長木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物塊,在木板右方有一墻壁,木板右端與墻壁的距離為4.5m,如圖(a)所示。時(shí)刻開始,小物塊與木板一起以共同速度向右運(yùn)動(dòng),直至時(shí)木板與墻壁碰撞(碰撞時(shí)間極短)。碰撞前后木板速度大小不變,方向相反;運(yùn)動(dòng)過程中小物塊始終未離開木板。已知碰撞后1s時(shí)間內(nèi)小物塊的圖線如圖(b)所示。木板的質(zhì)量是小物塊質(zhì)量的15倍,重力加速度大小g10m/s2。求

1)木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)及小物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)

2)木板的最小長度;

3)木板右端離墻壁的最終距離。

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科目:高中物理 來源: 題型:

【題目】某同學(xué)想要描繪標(biāo)有“2.5V,0.3A”字樣的小燈泡L的伏安特性曲線,要求燈泡兩端的電壓由零逐漸增加到額定值,且盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差,可供選擇的器材除小燈泡、開關(guān)、導(dǎo)線外,還有:

A. 電壓表V,量程0~3V,內(nèi)阻約5kΩ

B. 電流表A1,量程0~300mA,內(nèi)阻約0.25Ω

C. 電流表A2,量程0~100mA,內(nèi)阻約

D.滑動(dòng)變阻器R1,最大阻值10Ω,額定電流2.0A

E. 滑動(dòng)變阻器R2,最大阻值100Ω,額定電流1.0A

F. 直流電源E,電動(dòng)勢約3V,內(nèi)阻

①上述器材中,電流表應(yīng)選__________,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選___________填寫所選器材前的字母代號(hào))。

②請將虛線框內(nèi)圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路圖補(bǔ)畫完整,并在圖2中進(jìn)行實(shí)物連線。

③如圖3是該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出的伏安特性曲線。從圖線可以得出小燈泡燈絲的電阻率隨溫度變化的特點(diǎn)是___________________。

④在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)小燈泡兩端加2.5V的電壓時(shí),此時(shí)小燈泡的電阻為__________Ω保留兩位有效數(shù)字)。

⑤在滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)過程中,若用P、I、UR分別表示小燈泡的功率、通過的電流、兩端的電壓和電阻,則下列圖像可能正確的是_________

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科目:高中物理 來源: 題型:

【題目】一個(gè)質(zhì)量為m的小球,用長為L的輕繩懸掛于O點(diǎn),小球在水平力F的作用下,從最低點(diǎn)P緩慢地移到Q點(diǎn),如圖所示,則在此過程中(   )

A. 小球受到的合外力做功為mgL(1-cos θ);

B. 拉力F做功為FLsin θ ;

C. 小球的重力勢能增加mgL(1-cos θ);

D. 水平力F做功使小球的機(jī)械能增加mgL(1-cos θ);

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【題目】如圖所示的裝置,小車總質(zhì)量用表示,鉤碼總質(zhì)量用表示。將木板有定滑輪的一端墊起,調(diào)節(jié)木板傾角為,使小車恰好帶著鉤碼沿木板向下勻速運(yùn)動(dòng),再保持長木板的傾角不變,取下細(xì)繩和鉤碼,由靜止釋放小車,已知重力加速度為,則以下說法正確的是

A. 小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為

B. 小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為

C. 小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為

D. 小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為

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科目:高中物理 來源: 題型:

【題目】彈簧測力計(jì)掛在升降機(jī)的頂板上,下端掛一質(zhì)量為2 kg的物體.當(dāng)升降機(jī)在豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí),彈簧測力計(jì)的示數(shù)始終是16 N.如果從升降機(jī)的速度為3 m/s時(shí)開始計(jì)時(shí),則經(jīng)過1 s,求升降機(jī)的位移(g10 m/s2)。

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【題目】隨著科技的不斷發(fā)展,無線充電已經(jīng)進(jìn)入人們的視線。小到手表、手機(jī),大到電腦、電動(dòng)汽車的充電,都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從理論研發(fā)到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。下圖給出了某品牌的無線充電手機(jī)利用電磁感應(yīng)方式無線充電的原理圖。關(guān)于無線充電,下列說法正確的是

A. 無線充電時(shí)手機(jī)接收線圈部分的工作原理是電流的磁效應(yīng)

B. 只有將充電底座接到直流電源上才能對手機(jī)進(jìn)行充電

C. 接收線圈中交變電流的頻率與發(fā)射線圈中交變電流的頻率相同

D. 只要有無線充電底座,所有手機(jī)都可以進(jìn)行無線充電

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【題目】如圖所示為一物體作直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖象,用v1、a1表示物體在0~t1時(shí)間內(nèi)的速度和加速度,v2、a2表示物體在t1~t2時(shí)間內(nèi)的速度和加速度,則由圖可知(

A. v1v2同向,a1a2同向 B. v1v2同向,a1a2反向

C. v1v2反向,a1a2同向 D. v1v2反向,a1a2反向

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科目:高中物理 來源: 題型:

【題目】如圖,質(zhì)量為的物體甲通過三段輕繩懸掛,三段輕繩的結(jié)點(diǎn)為O,輕繩OB水平且B端與站在水平面上的質(zhì)量為的人向連,輕繩OA與豎直方向的夾角,物體甲及人均處于靜止?fàn)顟B(tài),(已知,,,設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力)求:

1)輕繩OA、OB受到的拉力是多大?

2)人受到的摩擦力是多大?方向如何?

3)若人的質(zhì)量,人與水平面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,則欲使人在水平面上不滑動(dòng),物體甲的質(zhì)量最大不能超過多少?

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