按老师真实出卷风格的三张模拟卷(Zettel 1/2/3)+ 考官追问链;全部考点、术语、数字与锚点以 讲义:主题 14 为准。口试节奏:约 10 分钟陈述 + 讨论。★ = 已在历年真题录音中证实出现过的素材。
Zettel 1 — 电学史与电荷(Geschichte & Ladung)
范式定位:„Im Paradigma der klassischen Elektrodynamik ist die elektrische Ladung eine erhaltene, quantisierte Eigenschaft der Materie, und die Kraft zwischen Ladungen folgt dem Coulomb-Gesetz."(在经典电动力学范式中,电荷是物质的一种守恒、量子化的属性,电荷间的力遵循库仑定律。)
- 时间线(Erkläre):从古代的琥珀(Bernstein,希腊语 elektron)与磁石讲到今天:~1650 静电起电机 → 1752 Franklin → 1780 Galvani → 1800 Volta → 1820 Ørsted → 1831 Faraday → 1864 Maxwell → 1888 Hertz → 1901 Marconi → QED。谁统一了什么?**轶事追问:**蛙腿之争——Galvani 和 Volta 谁解释对了?**早期浪漫主义(Frühromantik)**与 Ørsted 的发现有什么关系(老师专门强调)?
- 电荷量子化:写出
、 C。「量子化」直观上什么意思(分钱币比喻)?为什么定义里要加「最小可直接测量电荷」(关键词:夸克 、Confinement)?陈述电荷守恒定律并用 β⁻ 衰变配平验证。 - 实验:Millikan 油滴实验三阶段(悬浮 → 下沉 → 分析)各做什么、各得到什么?为什么在真空里做不了?
- Rechenbeispiel + 单位换算:摩擦过的气球带
C——它多了多少个电子?再从 推出 J,并说明 eV 是什么单位、不是什么单位。 - Rechenbeispiel(课堂例题):氢原子中电子与质子的库仑吸引力:
m、 。算出 ,再与同两粒子间的引力( N)比较——差多少个数量级?顺带:库仑定律与万有引力定律结构上同在哪、物理上不同在哪?为什么分母是 ? - **哲学弯钩:**技术电流方向(+ → −)明知是「错」的,为什么还沿用?这个错误当初怎么来的(电流体模型、莱顿瓶、1897 电子)?——讨论:Konvention vs. Natur——一个约定到底能不能「错」?
Zettel 2 — 电路三大量与欧姆定律(Grundgrößen & Ohm)
范式定位:„Im Paradigma der klassischen Elektrodynamik ist Strom die geordnete Bewegung von Leitungselektronen, und das Ohm'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang von Spannung, Strom und Widerstand."(电流是传导电子的有序运动,欧姆定律描述 U、I、R 的关系。)
- 定义四个量(Erkläre):
、 、 、 ,各带单位。水压类比:电压像水压(每份电荷的能量/推力)、电流像流量、电阻像管道的阻碍——类比的边界在哪?推导 。 - 实验(Schulexperiment):描述欧姆定律的特性曲线(Kennlinie)实验:装置(安培计串联、伏特计并联——为什么这样接?)、操作、
- 图。欧姆定律的真正论断是什么( 恒定 → 过原点直线,斜率 = )? - **微观图像 + Ableitung:**金属为何导电(Elektronengas 电子气、Atomrümpfe 原子实)?逐项论证
的每个依赖(长 ⇒ 大、粗 ⇒ 小、热 ⇒ 大、材料 ⇒ )。**Rechenbeispiel:**铜缆 m、 mm、 m → - **Rechenbeispiel(家用电网 230 V):**2000 W 吹风机的
和 ?60 W 灯泡呢?由此回答悖论:为什么大功率电器电阻反而小? - **实验(灯泡冷热):同一只灯泡,工作中测得
V、 A,冷态欧姆计示 。算热电阻、冷热比,解释机制(原子实振动)、开机电流后果,并说明灯泡为什么是非欧姆(nicht-ohmsch)**用电器。 - 哲学弯钩:„Ist das Ohm'sche Gesetz ein Naturgesetz oder eine Materialeigenschaft?"(欧姆定律是自然定律还是材料属性?)——区分定义
(永远成立)与定律「 恒定」(只对部分材料、部分范围成立:灯泡、超导体是例外)。一个有例外的「定律」还算定律吗?→ Geltungsbereich。
Zettel 3 — 超导与用电安全(Supraleitung & Stromsicherheit)
范式定位:„Im Paradigma der klassischen Elektrodynamik hat jeder Leiter einen Widerstand — die Supraleitung sprengt dieses Paradigma: unterhalb von
ist exakt null."(经典范式中导体皆有电阻——超导打破了它: 以下 严格为零。)
- Erkläre 超导:跃迁温度
以下发生什么?为什么 是严格为零而非「很小」(电子结对、无阻碍穿过晶格)?为什么说它是最彻底的欧姆定律例外?超导环里的电流能流多久? - 实验演示 + 概念区分:磁体悬浮在超导体上方——这是 Meißner-Ochsenfeld 效应。它与「只是
的理想导体」有何区别(先后顺序/历史依赖 vs. 主动排出磁场)?为什么这证明超导是新物态(neuer Materiezustand)?应用:磁悬浮列车。 - **冷却问题(逐步):**经典金属超导体(Hg、Pb、Nb)的
多大、要用什么冷却、贵在哪?YBCO 陶瓷高温超导体的 多大?为什么液氮(77 K °C)就够了(条件 )?列举应用——其中哪个把你带回主题 10(★ CERN/LHC 超导磁体)? - 用电安全 + Rechenbeispiel:为什么危险的是电流不是电压(
)?给出 1 / 10 / 80 mA 三个阈值及各自机制。**算:**230 V 下,干燥皮肤 kΩ → ;潮湿皮肤 kΩ → 各落在表中哪一档? - **课堂谜题(Rechenbeispiel):**气球带
V 静电,摸它没事;230 V 插座却可能致命。用 算:气球( C)的能量?课堂对比例子电池(100 V、 C)?电网还多了哪两个致命因素(持续驱动电流、50 Hz 撞上心脏易损期)? - 哲学/误区弯钩:„
— der Strom fließt ewig. Haben wir damit ein Perpetuum mobile gebaut?"(电阻为零、电流永流——我们造出永动机了吗?)——用能量守恒纠偏。
考官追问链 / Nachfragen-Kette
老师口吻,短促快问(每条 ≤ 1 分钟):
- „Warum hat man die Leidener Flasche ausgerechnet als Flasche gebaut?"(莱顿瓶为什么造成瓶子?)
- „Der Froschschenkel bei Galvani — welche zwei Rollen spielt er in Voltas Erklärung?"
- „Kann ein Öltröpfchen bei Millikan die Ladung
tragen?" - „Quarks haben Drittelladungen — widerspricht das Millikan?"
- „Warum hat das Amperemeter einen winzigen, das Voltmeter einen riesigen Eigenwiderstand?"
- „Ein Vogel sitzt auf der Hochspannungsleitung — warum lebt er noch?"
- „Warum brennt die Glühbirne fast immer beim Einschalten durch?"
- „Warum überträgt man Strom übers Land als Hochspannung?"
- „Ich kühle einen perfekten Kupferdraht fast auf 0 K — ist er dann ein Supraleiter?"
- ★ „Auch der LHC braucht Ihre Supraleitung — wofür genau?"
- „Warum ist Strom im Badezimmer besonders gefährlich?"
- „Warum sind ausgerechnet 50 Hz so tückisch fürs Herz?"
§§ANTWORTEN
Zettel 1
A1. 古代:琥珀(摩擦起电)与磁石——两个分立现象。~1650 静电起电机(第一种瞬时电源)→ 1752 Franklin 避雷针 → 1780 Galvani 蛙腿 → 1800 Volta 第一块电池(首个稳定电源)→ 1820 Ørsted 电流产生磁场 → 1831 Faraday 电磁感应 → 1864 Maxwell 统一电磁学与光学(光 = 电磁波)→ 1888 Hertz 验证电磁波 → 1901 Marconi 跨大西洋无线电(突破在不用电缆——海底电报缆 1866 年就有了)→ 今天 QED。蛙腿:Galvani 以为找到「动物电/生命本质」;Volta 解释对了——„zwei verschiedene Metalle + Elektrolyt (die Körperflüssigkeit) bilden eine Batterie",第二根金属棒闭合电路;蛙腿同时充当电解质和电流指示器。两人皆有功:Galvani 发现、Volta 解释并利用。Frühromantik:反对启蒙的机械论切分,信「Alles ist miteinander verbunden」(万物相连)→ 自然哲学家因此去找电与磁的联系——Ørsted 1820 证实之:哲学世界观引出物理发现的著名例子。(§14.1)
A2.
A3. ① 悬浮:调电压使
A4.
A5.
A6. 约定早于电子的发现:当时以为电流是流体(「电液」),自然从「多」(+)流向「少」(−)——莱顿瓶因此造成瓶子。1897 年发现电子后才知金属中移动的是负电子(− → +)。但所有电路图/规范早已建立,且对计算毫无影响(负电荷向一边流 = 等量正电荷向另一边流)→ 沿用。弯钩答法:约定本身无所谓对错——「错」的只是它背后那张自然图像(流体模型)。关键句:„Die Konvention ist nicht falsch — falsch war das Naturbild dahinter. Die Natur kennt keine Vorzeichen-Konvention; sie kennt nur Elektronen."(约定不错,错的是背后的自然图像——自然不认识符号约定,只认识电子。)(§14.4)
Zettel 2
B1.
B2. 装置:可调直流电源 + 固定电阻(如 100 Ω)+ 安培计串联(测通过的电流,自身电阻极小以免干扰)+ 伏特计并联(测两端电压,自身电阻极大以免分流)。操作:设 0–15 V 若干电压、各读
B3. 金属凝固时原子放出最外层电子 → 电子气在原子实晶格间自由移动;加电压 → 场对电子施力 → 整体漂移;„Strom = Menge bewegter Leitungselektronen pro Zeit." 信号近光速传播而单个电子漂移很慢(满管之球)。
B4. 吹风机:
B5. 热电阻:
B6. 区分两层:
Zettel 3
C1.
C2. Meißner-Ochsenfeld 效应:超导体把磁场完全排出内部(表面无损耗屏蔽电流)→ 磁体被顶开、悬浮——磁悬浮列车的基础。与理想导体的区别:理想导体(仅
C3. 经典金属超导体(Hg、Pb、Nb):
C4. „Gefährlich ist nicht die Spannung, sondern die Stromstärke durch den Körper."(危险的不是电压,而是通过身体的电流。)伤害来自流动的电流(刺激神经/肌肉、加热组织);大小由
C5.
C6. 没有。能量守恒原封不动:① 超导环电流不衰减是因为不耗散能量(无摩擦),不是产生能量——像无摩擦的理想陀螺,永转但不做功;② 一旦从环里取功率(接负载),电流就按能量守恒减小——取多少能量,环里就少多少;③ 维持
Nachfragen
N1. 因为当时以为电是一种流体(电流体模型)——液体自然要用瓶子装(参 A6)。 N2. 在 Volta 的解释中,蛙腿同时是电解质(导电体液,与两种金属构成电池)和电流指示器(抽动显示电流)(参 A1)。 N3. 不能。Millikan 的结果:所有电荷都是