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《现代物理与中学物理》

'《现代物理与中学物理》'
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:!Ш:0721130024 院系:fi 07级教育硕士《现代物理与中学物理》作业(物理系 0721130024 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來发展前景的展望,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、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、生活屮的应用。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诵辜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:教学多媒休、电脑网络。2、 教学情境:问题情境。四、教学过程教学活动设计 意图创设情教师: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通过切身境风扇?体会的问引入新学生1:因为导体有电阻,当导体通上电流之后会发热,为了减少能量题,引发课的损耗,我们采用高压输电。学生关注学生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教学问题太高,所以利用风扇便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,产生这些问题的木质是什 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,我们就不需要采用高压输电,电脑里面也不用安装风扇 To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 么现彖呢?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?让学生学生:想知道。了解什么进入主教师:好,那我们今天就来详细地了解超导现彖和超导体。是超导体题教师:首先,我们来认识一下什么是超导现象。态一、什么是超导态1911年卡末林一昂内斯意外地发现,将汞冷却到一268. 98°C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。让学生1913年卡末林一昂内斯在诺贝尔领奖演说中指出:低温下金属电阻的了解超导消失“不是逐渐的,而是突然的”,水银在4. 2K进入了一种新状态,由现象产生于它的特殊导电性能,可以称为超导态”的条件。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TvTc时,超导 体才处于电阻为零的超导态;当T>Tc时,超导体仍处于正常态。(2)超导体的临界磁场Be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导体的临界磁感 应强度,用Be表示。只冇TvTc,BvBc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) =Bco[l ?(T/Tc)2]式屮:Bco是热力学零度吋的临界磁感应强度。(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Z,只冇当温度、外加磁场和电流都各幷低于临界值时,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,几乎为零。教师:这个特征也只是超导体的特征但并不是全部特征。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。即一旦超导体处丁超导态, 其直流电阻为零。这一,性质已被大量实验所证实。1962年,Quirrn等人 所做的持续电流实验证实超导态铅的电阻率小于3.6X10-23Q -emo作 为比较,纯铜在低温下的电阻率约为10? Q - cmo(2) 完全抗磁性1933年,德国物理学家边斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做 磁场分布实验吋发现,当其在磁场屮进入超导态后,体内的磁感应线立 即被排斥岀去,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,只耍它进入超导态,体内的磁感应强度必定等于零,也就是说,超 导体具冇完全抗磁性,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。介绍超导 体的基本 特征让学生重 点理解超(3) Josephson (约瑟夫森)效应 导电性的微观机理作为超导载体的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,该屯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? 1956—1957年,巴丁、库珀和丿施里弗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。介绍超导体的应用,增强学生的兴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
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