研究性学习——超导体(高三)
作者: 来源: 发布时间:2012年01月14日 点击数:

 

研究性学习——超导体
 
一、    课题产生的背景和依据
所谓超导是指某些材料被冷却到低于某个转变温度时电阻突然消失的现象。处于这种状态的物体叫超导体。它是1911年荷兰科学家昂内斯首先发现的,经历了近90年的不平凡路程,超导技术正进入发展的大好时机。超导技术的进一步发展,必将带来一场与能源、电子、交通有关的工业革命。我们正悄然进入超导时代。
  我们国家有着得天独厚的超导资源,在超导材料方面的研究也居世界先进行列,因此我们有着良好的学习和研究超导的氛围.很容易了解到相关信息,学生经常从各种媒体中看到有关超导新产品问世的消息,如我国的第一辆磁悬浮列车,长江三峡将要使用的超导发电机。他们对此有着强烈的好奇心,并已具备一定的电磁学知识,完全有能力去探索超导世界的奥秘。
二、课题实施过程
l.准备阶段
(1)基本知识的准备
  学生阅读相关物理资料或科普读物,了解有关超导体的物理概念、物理现象、 物理实验,为以后的深入研究打好基础。
(2)研究方法的准备
  学生学会如何在图书馆有针对性地查找资料,如何在网上有效、快速搜索所需资料,如何进行正确的实验设计,如何翻译原版资料等。
(3)课题基本框架准备
   基本理论学习,物理学史回顾,实验探索,应用举例,  总结。
2.实施阶段
在具体实施时,对超导体的研究又分为几个子课题。
课题1 研究超导体的基本特性
学生对超导体的初步研究是通过阅读科普文章开始,如《科学探奇》、《2I世纪十万个早知道》、《金属新秀》等。他们了解到超导体除了零电阻现象外,还具有完全抗磁性,即超导体内部的磁感应强度等于零,磁感线作用于超导体时会统统被排斥,从超导体的旁边绕过去。以上两种特性是对超导体的两个基本宏观判断,学生在本课题的实施过程中,将通过设计实验验证这两个基本特性。
  实验一:研究低温下的导体电阻变化学生取用一个“25W,220V”灯泡中的钨丝,置于冰块中用数字电阻表测其电阻,发现其电阻未显著下降,设法用液氮(温度为如K左右)再次降温后,发现电阻大大下降,证明了温度降低导致导体阻值减小,但其电阻未减小至零,也证明超导现象须达到该金属的临界温度才行。只有将钨丝置于更低温环境—液氨(4K)中,才能使钨丝产生真正零电阻现象。
实验二:验证超导体的完全抗磁性(迈斯纳效应)在一浅平的锡盘中放入一个体积很小但磁性很强的永磁铁。当使温度降低到使锡出现超导性时,可以看到小磁铁从锡盘表面飘然升起很小一段距离后保持悬浮状,这是由于小磁铁的磁感线无法穿透处于完全抗磁状态的超导体.使得它的磁场发生了畸变,从而产生了一个向上浮力,被托起来。(由于条件限制,该实验采用观看从http:/www.mse.comell.edu/engirll/superco.htm下载的视频文件的方式,但学生也已为神奇的磁浮现象所叹服。)
课题2 超导的广阔应用
  随着对超导体性质研究的展开.学生通过Internet浏览了大量网站,以求获得更深入的了解。如:
 http://www.kepu.gov.cn/kjsh/zdfm/zdfm 3.htm
http://www.kepu.gov.cn/kjsh/zdfm/zdfm 1.htm
http://po.iams.sinica.edu.tw/study/jlting.dir/hightc.html
  他们发现随着超导材料转变温度的不断提高,超导物质的不断发现和越来越容易获得,人们对超导体大规模工程技术应用的渴望逐步成为现实,而且涉及领域极其广泛,如交通方面的超导悬浮列车、航天方面的超导无声推进系统、电子方面的高速计算机等。受到极大启发的学生自行设计了一些和我们生活密切相关的可能超导的应用。
1.          超导“劲量小子”
这是一种大容量储能装置,利用超导体的零电阻、无热耗特性,可将电力输入超导线圈,电流可在其中长期流动而几乎不损耗,直到需要时取出。电力来源可以是发电厂在用电低谷时供应,也可以是在沙漠地带转化的太阳能和风能以及长江三峡的巨大水能的转化。
2.超导网络服务
由于传递电流无损耗,可大大增加传播容量和速度,如将现用光缆改用超导线路,可能将通信速率提高l00倍,这样,众多“网虫”可能不再会为上网速度慢而发愁了。
3.超导电动汽车
利用超导电动机及超导储能装置,可取代当今的燃油汽车,全世界可能因此一年节省10亿吨以上的燃油,同时每年减少70%以上的空气污染。
4.超导电磁炮
由于给导线团通电可以获得超导磁体,产生极强磁场,我们可以利用该特点制成发射装置或加速装置,用于发射小型卫星或拦截敌方飞行器。
课题3 设计发电和输电时减少能耗的方案
1.          问题的提出
目前电力战线上酌主力军仍然还是发电机,比较先进的发电机是双水内冷发电机,单个最高发电能力是200万千瓦,但是由于转子线圈里的导线存在电阻,因而磁场的强度不可能提得很高,这就使发电机的发电能力受到限制。同时发电机里的定子和转子里都有强大的电流通过,而且转子还要做飞快的旋转运动,发电过程中会有较多热能损耗,输送电能时在漫长的输电线上损失了大量的能量,我们希望设计一种方案能尽量减少能耗。
2.解决方案
  用超导材料制成发电机转子的线圈,由于没有电阻,发电的时候就不会产生热量,发热的难题就完全解决了,发电能力可以大大地提高。另外,由于导线里没有了电阻,转子的磁场强度也可以大幅度地增加,从而大大提高发电能力。同样一台发电机,如果发电能力为6000千瓦的发电机组,重量是370吨,而具有同样发电能力的超导发电机只重40吨,仅略高于前者1/10,而发电成本则降低了15%o再用超导材料来作高压输电电缆,可减少1/4左右的输送能耗并可大大减轻电缆质量,从而变电站的体积也可相应缩小,更有利的是超导贮能线圈可将电场生产多余的电能贮存,供需要时使用。但超导材料的临界温度比常温低得多,要创设一个超导环境必需提供大量能量。我们假想:把气态的氢气在—260的极低温下凝成固态,然后把它放在1*1011-2xl01l帕斯卡的极高压力下挤压.它就变成了一块金属氢。这种金属氢就是理想的室温超导材料。金属氢将会使电力工业达到一个前所未有的高度。
三、     教师体会
  我感到学生在课题研究中完全由被接受者变成探索者,他们是学习的主人。他们在资料的查询中学会归纳,在实验中提高操作技能,在调查中培养交际能力,在解决实际问题中学会创造。更重要的是他们掌握了选题、立题、计划、实施和总结一套研究方法。他们在研究中深切感受到科学家为控制临界温度所付出的艰辛真是“生来奔走万山中,踏尽崎岖路自通”。学生们由一开始的觉得有趣,变得有兴趣.进发出研究的劲头,并带动了其他学科的学习,真是一举两得。

 
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