物理學(xué)市公開課獲獎?wù)n件

1、第八章 直流電講課內(nèi)容：第一節(jié) 穩(wěn)定電流性質(zhì)第二節(jié) 基爾霍夫定律第三節(jié) RC電路暫態(tài)過程第四節(jié) 直流電在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用思考題與習(xí)題八(P.138 1-10)第1頁第1頁 學(xué)時分派：4學(xué)掌握 電流密度定義及計(jì)算；歐姆定律微分形式； 節(jié)點(diǎn)、回路、支路概念，基爾霍夫定律應(yīng)用和 電勢求解辦法。熟悉 容積導(dǎo)體概念；RC電路充放電規(guī)律。理解 直流電醫(yī)學(xué)應(yīng)用。第2頁第2頁第一節(jié) 穩(wěn)恒電流性質(zhì)載流子(Carrier)：(電子、質(zhì)子、 離子、空穴) 可自由移動帶電粒子漂移速度(drift velocity)： 載流子定向移動平均速度傳導(dǎo)電流(conduction current)： 載流子相對于導(dǎo)體定向移動(1)導(dǎo)

2、體中必須有可自由移動電荷(2)導(dǎo)體兩端必須有電勢差傳導(dǎo)電流形成條件:第3頁第3頁電流大?。簡挝粫r間內(nèi)通過導(dǎo)體任一橫截面電荷量. 電流方向：正電荷在電場力作用下移動方向. 1.電流強(qiáng)度一、電流和電流密度用電流強(qiáng)度I表示 :穩(wěn)恒電流 (直流電):瞬時電流：電流強(qiáng)度不隨時間改變Electric current第4頁第4頁電流密度j ：單位：Am-2大小等于該點(diǎn)處垂直于電流方向單位截面積 電流強(qiáng)度;方向?yàn)樵擖c(diǎn)電流流動方向(即電場強(qiáng)度方向).容積導(dǎo)體：電流經(jīng)過大塊導(dǎo)體時,導(dǎo)體中各處電流大小和方向可能不同，這種導(dǎo)體稱為容積導(dǎo)體。2.電流密度Electric current ensity第5頁第5頁S設(shè)載流

3、子平均漂移速度 載流子價數(shù) Z電子電量 e單位體積載流子數(shù)n則自由電荷體密度：電流密度：vt第6頁第6頁二、歐姆定律微分形式第7頁第7頁與歐姆定律相關(guān)物理量：導(dǎo)體電阻(與導(dǎo)體本身相關(guān))：電導(dǎo)率：單位：西門子米-1 （S m-1）電阻率：單位：歐米（m） 導(dǎo)體電導(dǎo)：單位：西門子（S）電阻率與溫度關(guān)系：超導(dǎo)性：第8頁第8頁歐姆定律IVIvEISVAVBLAB第9頁第9頁歐姆定律及其微分形式:解得：由j E 且方向一致第10頁第10頁 導(dǎo)體中任一點(diǎn)電流密度矢量大小等于該點(diǎn)電導(dǎo)率與電場強(qiáng)度乘積,其方向與該點(diǎn)電場強(qiáng)度方向一致.歐姆定律微分形式導(dǎo)體中某點(diǎn)一經(jīng)擬定:第11頁第11頁19昂內(nèi)斯發(fā)覺“超導(dǎo)電性”

4、1972年巴丁庫珀施里弗理論研究提出超導(dǎo)電性本質(zhì):導(dǎo)體中存在電子互相吸引從而形成一個共振態(tài)，即存在“電子對”。1973年約瑟夫森超導(dǎo)電性本質(zhì)試驗(yàn)證實(shí)1987年柏諾茲繆勒超導(dǎo)應(yīng)用重大突破阿布里科索夫金次堡萊格特超導(dǎo)體和超流體理論上作出開創(chuàng)性奉獻(xiàn)諾貝爾物理學(xué)獎 (五次相關(guān)超導(dǎo)方面獎)第12頁第12頁 氣體液化問題是19世紀(jì)物理熱點(diǎn)之一。1894年荷蘭萊頓大學(xué)試驗(yàn)物理學(xué)專家卡麥林昂內(nèi)斯建立了著名低溫試驗(yàn)室。19昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一個“永久氣體”氦氣，并且取得了靠近絕對零度（零下273.2攝氏度，標(biāo)為OK）低溫：4.25K。1.15K 。（相稱于零下攝氏度）。 通過多次試驗(yàn)，19昂內(nèi)斯發(fā)覺：

5、汞電阻在4.2K。 左右低溫度時急劇下降，以致完全消失（即零電阻）。19他在一篇論文中初次以“超導(dǎo)電性”一詞來表示這一現(xiàn)象。 由于“對低溫下物質(zhì)性質(zhì)研究，并使氦氣液化”方面成就，昂內(nèi)斯獲19諾貝爾物理學(xué)獎。 超導(dǎo)體昂內(nèi)斯獲19諾貝爾物理學(xué)獎第13頁第13頁 通過研究，人們發(fā)覺：所有超導(dǎo)物質(zhì)，如鈦、鋅、鉈、鉛、汞等，當(dāng)溫度降至臨界溫度（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）時，皆顯現(xiàn)出一些共同特性： （1）電阻為零，一個超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后，還能保持原有電流。有些人做過試驗(yàn)，發(fā)覺超導(dǎo)環(huán)中電流連續(xù)了二年半而無明顯衰減； （2）完全抗磁性。這一現(xiàn)象是1933年德國物理學(xué)家邁斯納等人在試驗(yàn)中發(fā)覺，只要超導(dǎo)材料溫度低于臨界溫度

6、而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后，該超導(dǎo)材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。 超導(dǎo)物質(zhì)共同特性第14頁第14頁 超導(dǎo)電性本質(zhì)終歸是什么。一開始人們便從試驗(yàn)和理論兩個方面進(jìn)行摸索。不少著名科學(xué)家為此付出了巨大努力。 然而直到50年代才取得了突破性進(jìn)展，“BCS”理論提出標(biāo)志著超導(dǎo)電性理論當(dāng)代階段開始。 “BCS”理論是由美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出，并以三位科學(xué)家姓名第一個大寫字母命名這一理論。 這一理論關(guān)鍵是計(jì)算出導(dǎo)體中存在電子互相吸引從而形成一個共振態(tài)，即存在“電子對”。 巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。 超導(dǎo)電性本質(zhì)巴丁、庫珀

7、、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎第15頁第15頁 1962年英國劍橋大學(xué)碩士約瑟夫森依據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)）；同時還產(chǎn)生一些特殊現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。這一效應(yīng)在美國貝爾試驗(yàn)室得到證實(shí)?！凹s瑟夫森效應(yīng)”有力支持了“BCS理論”。 因此，約瑟夫森則取得1973年度諾貝爾物理獎。 超導(dǎo)電性本質(zhì)試驗(yàn)證實(shí)約瑟夫森則取得1973年度諾貝爾物理獎第16頁第16頁 德國物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧

8、化物超導(dǎo)電性。1986年他們終于發(fā)覺了一個氧化物材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比以往超導(dǎo)材料高出12度。 這一發(fā)覺造成了超導(dǎo)研究重大突破，美國、中國、日本等國科學(xué)家紛紛研究，不久就發(fā)覺了在液氮溫度區(qū)獲（-196C。下列）得超導(dǎo)電性陶瓷材料，此后不斷發(fā)覺高臨界溫度超導(dǎo)材料。這就為超導(dǎo)應(yīng)用提供了條件。 柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎。 超導(dǎo)應(yīng)用重大突破柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎第17頁第17頁 諾貝爾物理獎授予俄羅斯和美國雙重國籍阿布里科索夫、俄羅斯金次堡、英國和美國雙重國籍萊格特三人，表彰他們在超導(dǎo)體和超流體理論上作出開創(chuàng)性奉獻(xiàn)。獎金130萬美金。諾貝爾物理獎第18頁第18頁

9、超導(dǎo)電性現(xiàn)象被發(fā)覺之后，不少人就想到了如何應(yīng)用問題。由于當(dāng)初諸多問題在技術(shù)上一時還難以處理，應(yīng)用還只是可望不可及事情。 伴隨近年來研究工作進(jìn)一步，超導(dǎo)體一些特性已含有實(shí)用價值，比如超導(dǎo)磁浮列車已在一些國家進(jìn)行試驗(yàn)，超導(dǎo)量子干涉器也研制成功，超導(dǎo)電機(jī)、用約瑟夫森器件制成超級計(jì)算機(jī)等正在研制過程中，超導(dǎo)體材料已經(jīng)進(jìn)一步到科研、工業(yè)和人們生活之中。當(dāng)前高溫超導(dǎo)-130K超導(dǎo)研究目的-300K第19頁第19頁第二節(jié) 基爾霍夫定律一、電源電動勢二、含源電路歐姆定律三、基爾霍夫定律及其應(yīng)用第20頁第20頁第二節(jié) 基爾霍夫定律一、電源電動勢電源：把其它形式能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苎b置電動勢: 單位正電荷從電源內(nèi)部自負(fù)

10、極移到正極時非靜電力所作功。電動勢方向： 從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部到正極-+-+正極負(fù)極電子移動方向電流方向第21頁第21頁電源功率P ：單位時間內(nèi)非靜電力所作功。 單位時間在內(nèi)、外電路上所放出焦耳熱之和等于電源功率。 電源電動勢等于非靜電力作用下正電荷通過電源從負(fù)極到正極一個電勢提升。電勢提升抵消內(nèi)、外電路上電勢降落。IR第22頁第22頁 R 1 E 1 R 2 E 3R3 I1I2 I3ABC如何求電路中兩點(diǎn)電壓？（假設(shè)電流方向如圖所表示）二、含源電路歐姆定律關(guān)鍵:電壓升降第23頁第23頁ACB *電路兩端電勢差等于電阻上電勢降落代數(shù)和減去各電源電動勢提升代數(shù)和。-含源電路歐姆定律研究方向(AB)

11、與電流方向一致，電阻電勢降落，IR 取正值；研究方向與電流方向相反，電阻電勢增長，IR 取負(fù)值；研究方向與電源電動勢方向相同，電源電勢提升， 取正值；研究方向與電源電動勢方向相反，電源電勢降落， 取負(fù)值；UAB=加上電壓降,減去電壓升第24頁第24頁當(dāng)A、B重疊，形成閉合回路，有 閉合回路中電阻上電勢降落代數(shù)和減去各電源電動勢提升代數(shù)和為零。（回路電路歐姆定律）ACB加上電勢降,減去電勢升=0研究方向(AB)與電流方向一致，電阻電勢降落，IR 取正值；研究方向與電流方向相反，電阻電勢增長，IR 取負(fù)值；研究方向與電源電動勢方向相同，電源電勢提升， 取正值；研究方向與電源電動勢方向相反，電源電勢

12、降落， 取負(fù)值；第25頁第25頁cab研究方向a-b-c-aR1R2I(選著研究方向)(假設(shè)電流方向)研究方向a-c-b-a.同窗們試計(jì)算假設(shè)電流方向與上述相反情況第26頁第26頁網(wǎng)孔網(wǎng)孔回路回路回路節(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路匯交點(diǎn)。I1I2I3I4I5節(jié)點(diǎn)支路支路支路 網(wǎng)孔：不含任何支路回路。 AGCBA、ABDFA支路：電路中每一分支 回路：任意閉合電路。AGCBA、ABDFA、GCDFG節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)三、基爾霍夫定律及其應(yīng)用第27頁第27頁1、基爾霍夫第一定律 即也叫節(jié)點(diǎn)電流定律。I2I1I3對任一節(jié)點(diǎn)，流入節(jié)點(diǎn)電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)電流之和。若要求流入節(jié)點(diǎn)電流為正，流出節(jié)點(diǎn)電流為負(fù)，則在任一節(jié)

13、點(diǎn)處電流代數(shù)和等于零。第28頁第28頁對于節(jié)點(diǎn)A：I1 + I2- I3= 0對于節(jié)點(diǎn)B：-I1-I2+I3= 0電路假如有n個節(jié)點(diǎn)，R1R2R3I1I2I3ABCDE只有（n-1）個方程是獨(dú)立。 * 列方程時可任意假定電流方向，計(jì)算結(jié)果若：（1）I 0（正值），電流實(shí)際方向與假設(shè)方向一致；（2）I 0，電流實(shí)際方向與假設(shè)方向一致；I 0，電流實(shí)際方向與假設(shè)方向相反。設(shè)電路有 m 條支路，n 個節(jié)點(diǎn)，假設(shè)各支路電流方向和回路繞行方向；列節(jié)點(diǎn)電流方程 (n 1)個；列回路電壓方程 m - (n - 1)個 (網(wǎng)孔數(shù))對 m 個聯(lián)立方程求解；依據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷各支路電流實(shí)際方向；基爾霍夫定律分析和計(jì)

14、算電路環(huán)節(jié)：第33頁第33頁例題8-3 如圖所表示，已知1=32V，2=24V，R1=4，R2=5，R3=54， R內(nèi)1=R內(nèi)2=1， 求各支路電流。 I1+I2-I3 = 0由基爾霍夫定律有：解方程組，得：I1 =1A；I2 =-0.5A；I3 =0.5A解：設(shè) I1，I2，I3 。R1R2R3I1I2I3A-I1R1-I1r1+I2r2+I2R2+1-2=0-I2R2-I2r2-I3R3+2=0第34頁第34頁R2R3I1I3AI21(Example)2R4R1R5BCDEFSolution: Assume the current direction and traversing path

15、 show at FIG. 第35頁第35頁R2R3I1I3AI212R4R1R5BCDEF(a) I1=? I2=? I3=?We get:I1=4A ; I2=3A; I3= -1A第36頁第36頁(b) VAB=?R2R3I1I3AI212R4R1R5BCDEF或:(要點(diǎn):研究方向AB)或:注意:I3為負(fù)第37頁第37頁補(bǔ)充例題惠斯登電橋電路如圖所表示。設(shè)電動勢為已知，電源內(nèi)阻可忽略。求：通過檢流計(jì)電流強(qiáng)度Ig與和各臂電阻關(guān)系；電橋平衡條件。GR1R2R3R4解 ：設(shè) Ig，I1，I2，I3，I4，II2I1I3I4ABCIgI第38頁第38頁GR1R2R3R4I2I1I3I4ABCIg

16、節(jié)點(diǎn)A：I-I1-I2 =0節(jié)點(diǎn)B：I1-I3 -Ig=0節(jié)點(diǎn)C：I3+I4-I=0回路：I1R1+IgRg-I2R2=0回路：I3R3-I4R4-IgRg =0回路：I2R2+I4R4 = I解方程組，得：第39頁第39頁解，平衡時： Ig=0GR1R2R3R4I2I1I3I4ABCIgI即： R2R3 R1R4 =0平衡條件：R2R3 = R1R4 第40頁第40頁8-10 題圖8-4所表示，1=12V，2=9V，3=8V， r1=r2=r3=1,R1=R2=R3=R4=2，R5=3，求：（1）a、b兩點(diǎn)間電勢差；（2）c、d兩點(diǎn)間電勢差；（3）把c、d短路時，a、b兩 點(diǎn)間電勢差； 解（

17、1）第41頁第41頁（2）第42頁第42頁I3I2I1（3）選擇繞行方向，并假 設(shè)電流方向如圖所表示第43頁第43頁第八章補(bǔ)充習(xí)題*電路如圖所表示，其中1=6V， 2=3V， 3=3V，電源內(nèi)阻可忽略不計(jì)。 R1= R2= R3= R4= R5= 2， 求流過電阻R5電流。 第44頁第44頁第八章補(bǔ)充習(xí)題*電路如圖所表示，其中1=6V，2=3V，電源內(nèi)阻可忽略不計(jì)。R1=R2=2，R3=3，求電流I1、I2 和I3。 I1=18/16AI2=-3/16AI3=21/16A第45頁第45頁第三節(jié) RC電路暫態(tài)過程RC 電路暫態(tài)過程:電容器充放電過程。12充電過程：電容板電荷積累，電勢差增大，充電

18、電流 不斷減少，當(dāng) 放電過程：電流不斷減少，最后為零。第46頁第46頁1+一、電容器充電過程SRC得微分方程：+-+-t=0， Uc =0，ic=/Rt=， Uc = ， ic =0i電路電流： /R 0電容器電壓： 0 第47頁第47頁電容器充電曲線icUc /R 0.6311220. 37/R*電路時間常數(shù) =RC （單位 S）（描寫電流和電壓改變快慢程度）tt*當(dāng)t= RC 時，* 通過3 - 5 ，電路充放電基本結(jié)束*大充放電快速第48頁第48頁2二、電容器放電過程+-I（放電與充電電流方向相反）（Uc相稱于電源）t=0， Uc = ，ic=/Rt=， Uc = 0 ， ic =0電路

19、電流： /R 0電容器電壓： 0第49頁第49頁2+-I（放電與充電電流方向相反）tic Uc*當(dāng)t= RC 時，無論在充電或放電過程，電容器電壓都不能突變。第50頁第50頁第四節(jié) 直流電醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、直流電對機(jī)體作用 堿性金屬離子（K+、Na + 、Ca 2+ 、Mg 2+ ） 生物堿酸和酸根（Cl -、HCO3 -、HPO4 2-、SO 42- ） 蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、氨基酸 體液是組織細(xì)胞代謝和功效環(huán)境，其中電解質(zhì)成份對維持細(xì)胞內(nèi)外參透壓、酸堿平衡神經(jīng)肌肉興奮含有主要意義。體液內(nèi)帶電情況：體液、肌肉導(dǎo)電；骨骼、脂肪不導(dǎo)電負(fù)電正電第51頁第51頁二、直流電在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用1、直流電療法直流電生物物理學(xué)作用基礎(chǔ)： 直流電療時，正負(fù)極間存在電位差，使人體組織內(nèi)各種離子沿一定方向移動而形成電流，引起組織間體液內(nèi)離子濃度百分比改變。2、離子透入療法利用直流電把藥物離子經(jīng)皮膚引入機(jī)體內(nèi)辦法。StrnO3 NaCl NaCl StrnO3 左蛙土寧中毒+-3、電泳：懸浮或溶液在電解質(zhì)溶液中帶電微粒在外加電場作用下遷移現(xiàn)象。第52頁第52頁第八章補(bǔ)充習(xí)題1.傳導(dǎo)電流形成條件是：導(dǎo)體中必須有可自由移動電荷；導(dǎo)體兩端必須有電勢差。 2.已知銅導(dǎo)線中單位體積自由電子數(shù)為7.51028 m-3，電子漂移速度為5.010-7 ms-1，電子電荷量為1.610-19