题目内容

【题目】对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。如图所示:一段横截面积为S、长为l的金属电阻丝,单位体积内有n个自由电子,每一个电子电量为e。该电阻丝通有恒定电流时,两端的电势差为U,假设自由电子定向移动的速率均为v。

(1)求导线中的电流I;

(2)有人说“导线中电流做功,实质上就是导线中的恒定电场对自由电荷的静电力做功”。这种说法是否正确,通过计算说明。

(3)为了更好地描述某个小区域的电流分布情况,物理学家引入了电流密度这一物理量,定义其大小为单位时间内通过单位面积的电量。若已知该导线中的电流密度为,导线的电阻率为,试证明: 。

【答案】(1);(2)正确,说明见解析;(3)证明见解析

【解析】

(1)电流的定义式,在t时间内,流过横截面的电荷量

因此

(2)这种说法正确。

在电路中,导线中电流做功为:

在导线中,恒定电场的场强,导体中全部自由电荷为,

导线中的恒定电场对自由电荷力做的功:

又因为,则

故“导线中电流做功,实质上就是导线中的恒定电场对自由电荷的静电力做功”是正确的。

(3)由欧姆定律:

由电阻定律:

则,则有:

电流密度的定义:

故

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