《 现代物理与中学物理》.doc

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1、北京师范大学07级教育硕士现代物理与中学物理作业 姓名：郑 伟 文 学号： 院系：物 理 系 07级教育硕士现代物理与中学物理作业 （物理系 郑伟文）案例名称超导现象与超导体学科物理 课 型专题讲座课时2课时提供者郑伟文一、教材内容分析1、设计思想：以专题的形式，在两个课时的时间里，向学生详细阐述超导现象发现、研究的历史，特别是超导现象产生的条件和机理，超导体在现实中的应用和对未来发展前景的展望，使学生对超导现象、超导体有一个感性的认识，使学生了解物理研究与实际生活、生产的紧密联系和对社会发展的贡献，从而喜欢物理，热爱物理，投身于物理的学习与研究。 2、教学重点： （1）了解超导现象产生的条件

2、、基本特征。（2）了解超导现象的微观机理。 （3）了解超导体在生产、生活中的应用。 3、教学难点： 了解超导现象的微观机理。二、教学目标（知识，技能，情感态度、价值观）1、知识与技能知道什么是超导现象，超导现象产生的条件、基本特征，超导现象的微观机理及超导体的应用。2、过程与方法 知道人类对超导现象、超导体的研究过程和在研究过程中科学家们的不懈努力。3、情感态度与价值观体验科学家在研究超导现象过程的艰辛努力，知道科学的任何发展，都是大量研究者辛勤劳动的结晶，科学的每一次进步或突破都会大大地促进生产力的发展和社会的巨大进步。三、教学环境及资源准备1、教学设备：教学多媒体、电脑网络。2、教学情境：

3、问题情境。四、教学过程教学过程教学活动设计意图创设情 境引入新 课进入主 题归纳总 结教师：同学们，我们学习了很多物理知识，我在这里提出几个问题，请大家思考一下。为什么我们要采用高压输电？我们的电脑为什么要安装风扇？ 学生1：因为导体有电阻，当导体通上电流之后会发热，为了减少能量的损耗，我们采用高压输电。学生2：电脑里面的导体也有电阻，也会发热，为了使电脑的温度不会太高，所以利用风扇使热量能够尽快散发出去。教师：很好！从上面的回答我们可以看到，产生这些问题的本质是什么？学生：导体里面有电阻的存在。教师：对了，大家想过没有，如果导体没有电阻，是不是会给我们带来更多的好处呢？学生：是的，我们就不需

4、要采用高压输电，电脑里面也不用安装风扇了。教师：说得很对！其实人们很早就发现导体电阻消失的现象，叫做什么现象呢？ 学生：超导现象。 教师：对，我们大家都知道有超导现象，但是，对于超导现象的一些具体情况，大家也许不太了解，大家想不想知道呢？ 学生：想知道。 教师：好，那我们今天就来详细地了解超导现象和超导体。 教师：首先，我们来认识一下什么是超导现象。 一、什么是超导态1911年 卡末林昂内斯意外地发现，将汞冷却到268.98时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的在低温下失去电阻的特性 。1913年 卡末林昂内斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐

5、的，而是突然的”，水银在42K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态” 教师：在什么情况下导体能够出现超导态呢？ 学生：温度很低的时候。教师：其实，温度达到临界温度仅仅是一个条件，还有其它条件。二、超导现象产生的条件超导现象的主要表现之一是电阻消失,但超导体进入超导态是有条件的。（1）超导体的临界温度Tc 超导体电阻突然消失的温度Tc称为临界温度,当温度TTc时,超导体仍处于正常态。（2）超导体的临界磁场Bc 实验表明,超导态不仅与超导体的温度有关,还与外磁场的强度有关,即使超导体的温度低于临界温度Tc,若外加磁场很强,超导态也会被破坏,故将恰能破坏超导电性的磁场感应强度叫做超

6、导体的临界磁感应强度,用Bc表示。只有TTc,BBc时,超导体才进入超导态。实验还表明,临界磁场是温度的函数,许多超导体的临界磁感应强度Bc(T)与T之间有近似于抛物线关系。Bc(T) =Bco1 - (T/Tc)2式中：Bco是热力学零度时的临界磁感应强度。（3）超导体的临界电流Ic除了磁场能破坏超导电性外,在不加磁场情况下,若使超导体通过足够强的电流,它的超导电性也会遭到破坏。能破坏超导电性的电流称为超导体的临界电流,用Ic表示.临界电流说明了超导体的无阻载流性能。总之,只有当温度、外加磁场和电流都各自低于临界值时,超导体才呈现超导态。 教师：那么，超导体有哪些基本特征呢？学生：电阻很小，

7、几乎为零。教师：这个特征也只是超导体的特征之一，但并不是全部特征。三、超导体的基本特征（1）理想导电性超导体最显著的基本特征是零电阻性。即一旦超导体处于超导态,其直流电阻为零。这一性质已被大量实验所证实。1962年,Quinn等人所做的持续电流实验证实超导态铅的电阻率小于3.610-23cm。作为比较,纯铜在低温下的电阻率约为10-9cm。（2）完全抗磁性1933年,德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布实验时发现,当其在磁场中进入超导态后,体内的磁感应线立即被排斥出去,使体内的磁感应强度等于零。实验表明,不论超导体内有无磁场,只要它进入超导态,体内的磁感应强度必定等于零,也

8、就是说,超导体具有完全抗磁性,称为迈斯纳效应。事实上,当超导体处于超导态时,在其表面会产生一定的电流,该电流激发的磁场在超导体内与外磁场方向相反,彼此恰好抵消,从而使超导体内的总磁感应强度为零,起到屏蔽外磁场的作用。（3）Josephson（约瑟夫森）效应作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒,称此为隧道效应。例如,在两层超导物质间夹有厚度为纳米量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻为零的状态流动,称其为Josephson效应,这是超导体的第三大特征。教师：超导体很奇妙，为什么它能够处于超导态呢？我们有必要去了解超导态出现的微观原理。 四、超导电性的微观机理BCS理论为什么

9、超导体在低温条件下能处于超导态？如何给它一个满意的微观解释？19561957年，巴丁、库珀和施里弗3位科学家提出了一个一种完整的超导微观理论，按3人姓名的第一个字母称为BCS理论。 BCS理论认为：处于正常态的超导体之电子做杂乱的无序运动，而超导体中的传导电流的一部分超导电子则处于较为有序的凝聚状态，即低温超导体内部某些电子能形成互相吸引的电子对，叫Cooper对（库珀 对）。Cooper对不能互相独立地运动，而只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到扰动，就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对。这个范围内的所有Cooper对，在动量上彼此关联成为有序的集体，因此超导电子对在运

10、动时，就不像其它正常电子那样，被晶体缺陷和振动散射产生电阻，从而呈现零电阻现象。同时还能抗拒外来磁场的进入而导致导致约瑟夫森效应。 教师：既然超导体有这么独特的性质，那么它必然也有很多用途。下面，我们让我们去详细地了解超导体的具体应用。 五、超导体的应用1、 超导发电机：在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50。 300KW超导单极300发电机 超导发电机，拥有两万千瓦的功率2、超导输电目前输电均采取高压交流输电，损耗较大，降低了有效的电能。利用超

11、导体的零电阻这个特性，可以制成超导电缆，无损耗地输电。不但输电效率高而且可以节约材料，避免铺设高架电缆，降低输电成本。这种超导电缆能传输几十万兆瓦的功率。它还能在较低的电压下，传输强大的电流。如一条三相超导电缆能在35千伏电压下，传输104安培的电流。3、超导储能为了利用电力负荷的峰值和低值的差，解决高峰期用电的紧张状态，现在越来越多的地方应用蓄能的方法来调节电力负荷。用超导材料制成的贮能线圈，能以磁能的形式将电能大量贮存起来.并具有密度大、损耗小的特点。超导储能装置4、超导电磁推进超导电磁推进的装置是在船体内安装一个超导磁体，它会在海水中产生一个强大的磁场。同时，在船体两侧安装一对强大的电极

12、，使海水在两极间产生很大的电流。由于磁场和海水中电流的相互作用，海水在船后对船体产生一个强大的推力。这时海水和电极相当于转子和电枢利用与电机相同的原理就可推动船前进。世界上第一艘“超导船”于1992年1月27日在日本神户下水。它以超导电磁为动力，其外型看起来像是鲸鱼与太空火箭的混合体，长30米，理论最高时速达每小时200公里左右。5、超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车是人们根据超异体的完全抗磁性设计出的一种高速列车。最初是在1968年由美国人伯维尔和当比首先提出的。1970年试制了超导磁悬浮基础实验装置，1971年3月确认了实验与理论的一致性，使开发前进了一大步。1972年世界上第一台超导感应推斥式

13、(电动型)磁悬浮列车MLl00在日本研制成功，所用的超导材料是你铌锡合金，这种列车每节车厢下面的车轮旁，都装有小型的超导磁体。在轨道的两旁，有一系列闭合的铝环。整个列车由埋在地下的直线型同步马达驱动，当列车向前行驶时，超导磁体则在轨道面产生强大的磁场，并和轨道旁的铝环相对运动，在铝环内感生出强大的电流。由于超导磁体和铝环的相互排斥作用，就产生一种向上的浮力把列车凌空托起，消除了车轮与钢轨的摩擦阻力。另外速度愈大排斥力就愈大，当速度超过一定值(80千米/小时)时，列车就脱离路轨表面，最大距离可达数厘米以上，其悬浮是稳定的，无须加任何主动控制。由于采用大气隙悬浮，即使车体稍许不平衡，或车体与轨道少

14、许对不准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不影响列车运行的安全性。在低速行驶时，要靠辅助车轮支撑.列乘载百人的磁悬浮列车，只要75千瓦的功率.就能使行驶速度达到每小时500公里以上。与普通列车相比，磁悬浮列车具有以厂优点：速度快，磁悬浮列车的速度只受限于空气阻力，比普通列车受限于轮轨问的摩擦力小得多，是陆上最快的交通工具。乘坐平稳舒适，噪音低。占地面积小。能耗低，安全可靠，被认为是一种很有前途的交通工具。1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。实验性行驶 。德国磁悬浮列车 上海在运营的磁悬浮列车6、超导电子器件超导体的另一个富有潜力的应用领域属于弱电应用方面

15、。如利用超导隧道效应可制成各种电子器件和电路。特别是在精密测量、电压标准监视、微波和远红外应用以及超导电子计算机的逻辑存贮电路方面，超导器件将产生巨大的影响。例如，超导体晶体管比普通晶体箫的工作速度快1000倍，能耗仅为普通晶体管的千分之一，因此在电子即计算机中，正是由于超导电子器件的超灵敏度、，超高精度、超快速和低功耗，不仅能使电子计算机运算速度比现在的速度提高几十倍。而且功耗也大大降低，体积也大大减小。7、超导陀螺仪陀螺仪是一种主要的导航定位仪表，各种航天飞行器，包括飞船、针弹等都需陀螺仪来导航.由于一般陀螺仪均有接触摩擦，无法达到更高精度。超导陀螺仪解决了这一问题。8、超导体和高能物理目

16、前，高能物理研究工作取得了重大发展，高能物理研究的对象高能粒子，它的速度很快，能量极高，体积很小。个别粒子的寿命很短。这些都是用一般的实验方法和仪器所无法观察和测量的。人们需要利用独特的高能粒子加速系统、粒子束流输送系统和粒子探测系统来实现粒子加速输送、打靶、选择分离和记录其运动轨道。但是这些装置复杂而庞大。例如，气泡室的磁场空间体积竟有数十立方米磁场强度高达数特，美国国立费米实验室的加速器的磁环直径长达2公里以上。然而利用超导体就可使这个情况大大改观。例如一个300109护电子伏的同步加速器用1.2特的常规磁体时轨道半径是1200米，而用6特的超导磁体，轨道半径只有170米。装置尺寸和费用都可大大降低。教师总结：当然，上面所列举的超导体的应用，仅仅是超导体几个方面的应用，除此之外，它还有许多用途。特别是随着理论研究和科技生产的发展，超导的应用将日益广泛，有着远大的发展前景，现代文明的许多技术将发生变化，同学们，让我们开拓奋进，去迎接超导技术开发时代的冲击与挑战！通过切身体会的问题，引发学生关注教学问题让学 生了解什么是超导体态让学 生了解超导现象产生的条件。介绍超导体的基本特征让学生重点理解超导电性的微观机理介绍超导体的应用，增强学生的兴趣归纳总结，激励学生。