高二物理竞赛霍尔效应和热力学习题课件.pptx

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1、1霍耳效应霍耳效应2磁场对载流导线的功磁场对载流导线的功I方向向右。方向向右。在有限过程中，磁力所作的功在有限过程中，磁力所作的功磁力的功等于电流强度乘以穿过回路磁通量的增量磁力的功等于电流强度乘以穿过回路磁通量的增量IlBF =aIlBaaFaA=SBID=mfDI=ab b alFB3在元过程中，磁力矩所作的功在元过程中，磁力矩所作的功在一有限过程中，磁力的功在一有限过程中，磁力的功上述公式是磁力作功的一般表达式上述公式是磁力作功的一般表达式Oqm2m1mm2m1md()AI I I = DsinMmBq=mddsin dd(cos )dAMISBIBSI qq qq= = =1F2Fnm

2、ISe=qdB4设磁矩与磁感应强度设磁矩与磁感应强度B B 相互垂直时为势能零点相互垂直时为势能零点 磁偶极子的势能磁偶极子的势能2200dsin dcosVAMmBmBqq qq= = = Vm B= 5BqqEdHv=BEdHv=BbUdHv=nqdIBU=HnqR1H=霍耳霍耳系数系数dBIbHUdIBRUHH=霍耳电压霍耳电压+qdv+ + + + + - - - - -eFmFbdqndv=SqnIdv=6I+ + +- - -P 型半导体型半导体+-HUBmFdv霍耳效应的应用霍耳效应的应用（2）测量磁场测量磁场dIBRUHH=霍耳电压霍耳电压（1）判断半导体的类型判断半导体的类型

3、mF+ + +- - - N 型半导体型半导体HU-BI+-dv7The Nobel Prize in Physics 1985Klaus von Klitzing Federal Republic of Germany Max-Planck-Institut fr Festkrperforschung Stuttgart, Federal Republic of Germany b. 1943 8在极低温、强磁场下在极低温、强磁场下BRH *量子霍耳效应：量子霍耳效应：, 3 , 2 , 1= = =nnRRKH， = = =80.258122ehRK克里青克里青（Klitzing）常量常量

4、1990年定义年定义RK 的测量准确到的测量准确到10 1080.258121KR= = 1980年年克里青克里青发现，发现，B/Tn = 4n = 3n = 21.39K，25.52 A5101592HnehR =), 2 , 1(=n 量子霍尔效应量子霍尔效应（1980年）年）051015200300400100T/BmV/HU2=n3=n4=nIURHH= 霍耳电阻霍耳电阻10The Nobel Prize in Physics 1998Robert B. Laughlin Horst L. Strmer Daniel C. Tsui 1/3 of the prize 1/3 of th

5、e prize 1/3 of the prize USA Federal Republic of Germany USA Stanford University Stanford, CA Columbia University b. 1950 b. 1949 b. 1939 (in Henan, China) 11*分数量子霍耳效应：分数量子霍耳效应： 崔琦崔琦和和施特默施特默（Strmer）发现在更强的磁发现在更强的磁场下（场下（B 20 T），），n 可以是分数，如：可以是分数，如：1/3、1/5、1/2、1/4等，这称为等，这称为分数分数量子霍耳效应。量子霍耳效应。获得了获得了1985年

6、诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。默默和和崔琦崔琦获得了获得了1998年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 整数和整数和分数量子霍耳效应及其理论解释是分数量子霍耳效应及其理论解释是我我们认识宏观量子现象的一次重要突破。们认识宏观量子现象的一次重要突破。劳克林劳克林（Laughlin）成功地给出了理论解释。成功地给出了理论解释。该效应表明，该效应表明，有携带分数电荷的准粒子存在。有携带分数电荷的准粒子存在。劳克林、施特劳克林、施特克里青克里青霍尔效应的发展12 德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应。这是当代

7、凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。 美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert B.Laughlin，1950-)、施特默(Horst L.St rmer，1949-)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。 最近，斯坦福教授张首晟进行 “量子自旋霍尔效应”的研究。“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实。这一成果是美国科学杂志评出的2007年十大科学进展之一。如果这一效应在室温下

8、工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生。习题课热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用热力学第一定律：包括机械运动和热运动在内的能量转换及守恒定律对任何热力学系统AEQ D D= =理想气体准静态过程 D D= =21dVVVVpTCMQ 要求：应用于理想气体等体、等压、等温过程，绝热过程，和各种循环过程。主要关系：理想气体状态方程：nkTpRTMpV= = =; 摩尔热容：RiRCCRiCVpV22;2 = = = = =iiCCVp2 = = = 泊松比：单原子分子气体： i = 3刚性双原子分子气体： i = 5刚性多原子分子气体：i = 6过程方程：2211VpV

9、p= =等等温温过过程程：22121211TTVVTTpp= = =等等压压过过程程：等等体体过过程程：绝热过程： = = = =2121111221112211,TpTpVTVTVpVp练习练习1.1.讨论图中：,过过程程DABA摩尔热容的正负A思路：00000 D DCQCQTTTATRCMQD D= = DACABA0 EED DD D相同，且相同，且EAEAQCAD DD D = = = = =1110,: 绝热绝热AC曲线下面积1S00022 D D D D= = CT,QTCMQ0122= =D D D D = =EAEAQBA12SS AB曲线下面积A0133= =D D D D

10、 = =EAEAQ:DA13SS AD曲线下面积00, 033 = = D DD D CTQTCMQEEEAAAADACABD D= =D D= =D D +)ADACABQQQ 即： CC 0 D D0TA通过下列过程把标准状态下的 0.014千克氮气压缩为原体积的一半：（1）等温；（2）等压；（3）绝热。 分别求出这些过程中气体内能的改变量；传递的热量和气体对外界所作的功。练习练习2 2：解：由题意知4 .1 ,27,25m0112.0atm1K273mol5 .031= = = = = = = = = RCRCVpTMpV双双原原子子分分子子：标标准准状状态态：摩摩尔尔数数：（2）等压过

11、程 J567)2102 .11(10013. 13512 = = = = = = VVpA 1212TTCMETTCMQVp = = = = D D 2T先先求求（1）等温过程：J78621ln27331. 85 . 012ln1 = = = = = =VVRTMAQ 0= =ED D根据等压方程：125 . 02211TTTVTV= = = J1418)2273(31.8255 .0J1985)2273(31.8275 .01212 = = = = = =D D = = = = = =TTCETTCQVp 验算：A567JJ1985J1418 = = = =D DQEAEQ D D= =（3

12、）绝热过程 ATTCEQV = = = =D D= =120 先求T2？根据绝热方程212111TVTV = = 得： K36027324011221= = = = = .VVTT J90412= = = = = =D DTTCAEV 练习练习3.3.已知：单原子分子理想气体0;= = =BCBAQppQEA、求求：D D2)ABBCABQQQQ= = = =)(22)(ABABpTTRiMTTCM = = = = )(25)(25ABAAABBVVpVpVp = = = = = =35 CCBBVpVp)(.VB33535m48348= = =)(.).()VV(pQABAJ104812483104252565 = = = = = =3)(.EQAJ104816 = =D D = =解：1)CCAAVpVp= =0= =D D= =E,TTCABV