2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——高溫超導技術的發(fā)展與應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項前的字母填在題后的括號內）1.下列哪一項不是超導態(tài)的基本特征？(A)零電阻(B)邁斯納效應(C)臨界磁場(D)磁性吸引2.高溫超導現象通常指臨界溫度Tc高于多少開爾文的超導現象？(A)10K(B)77K(C)100K(D)200K3.目前研究最為廣泛且應用最成熟的高溫超導材料屬于哪一類？(A)鐵基超導體(B)鈦酸鹽超導體(C)銅氧化物超導體(D)鈷基超導體4.BCS理論主要成功解釋了哪種類型的超導體？(A)高溫超導體(B)低溫超導體(C)金屬導體(D)半導體導體5.邁斯納效應指的是超導體在達到臨界溫度以下時，其內部排斥什么的現象？(A)電流(B)電壓(C)磁場(D)溫度6.下列哪種技術或設備是利用超導磁體產生強大磁場？(A)超導輸電線路(B)核磁共振成像（MRI）(C)超導量子干涉儀（SQUID）(D)電磁炮7.高溫超導輸電相比傳統(tǒng)輸電的主要優(yōu)勢之一是？(A)可以傳輸更強的交流電流(B)幾乎沒有能量損耗(C)不受外界磁場干擾(D)傳輸速度更快8.制造大型強磁場裝置，如核磁共振儀或粒子加速器，為什么通常選用超導磁體？(A)超導磁體體積小(B)超導磁體成本低(C)超導磁體可以在低溫下產生更強的穩(wěn)定磁場(D)超導磁體易于制造9.對于高溫超導體的臨界磁場Hc，下列說法正確的是？(A)Hc與溫度無關(B)Hc在臨界溫度以上時為零(C)Hc在臨界溫度以下時最大(D)Hc只與材料種類有關10.約瑟夫森效應是超導體的一個重要特性，它通常發(fā)生在哪兩種超導體之間？(A)金屬導體與超導體(B)兩個超導體通過絕緣層連接(C)超導體與半導體(D)兩個金屬導體二、填空題（請將答案填寫在橫線上）1.超導態(tài)具有零電阻和________效應兩個基本特征。2.目前發(fā)現的最高的室溫（約常溫）超導臨界溫度記錄是________K。3.高溫超導材料通常需要在其臨界溫度以下的________環(huán)境中才能表現出超導特性。4.常用的測量超導體臨界溫度等參數的實驗方法是________法。5.利用超導體的零電阻特性，可以實現無損耗的________，這是超導磁懸浮列車的基本原理。6.高溫超導在量子計算領域具有應用潛力，例如可用于構建________比特。7.高溫超導體的臨界電流Ic是指在不發(fā)生________現象時，超導體能承載的最大電流。8.除了銅氧化物和鐵基超導體，近年來發(fā)現的另一類具有高溫超導特性的重要材料是________超導體。9.邁斯納效應表現為超導體進入超導態(tài)后，其內部________磁通線。10.超導技術面臨的挑戰(zhàn)之一是超導材料需要極低的運行溫度，這帶來了高昂的________成本和復雜的低溫系統(tǒng)。三、簡答題（請簡要回答下列問題）1.簡述什么是邁斯納效應，并說明其物理意義。2.與傳統(tǒng)的低溫超導體相比，高溫超導體的主要特點和優(yōu)勢是什么？3.解釋什么是臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic，它們之間有什么關系？4.簡要說明超導量子干涉儀（SQUID）的工作原理及其主要應用。5.為什么說超導輸電是實現未來智能電網的重要技術途徑？四、論述題（請就下列問題展開論述）1.高溫超導材料的研究經歷了哪些重要的里程碑？請選擇其中兩個關鍵階段進行簡要介紹。2.分析高溫超導技術（特別是磁懸浮）在交通運輸領域的應用前景和面臨的主要挑戰(zhàn)。3.結合當前研究現狀，探討高溫超導在能源領域（如強磁場應用、無損傳感器等）的潛在應用方向以及可能遇到的技術瓶頸。試卷答案一、選擇題1.(D)2.(C)3.(C)4.(B)5.(C)6.(B)7.(B)8.(C)9.(C)10.(B)二、填空題1.邁斯納2.1353.低溫4.轉變5.磁懸浮6.量子7.熔斷（或臨界狀態(tài)破壞）8.鈷基9.排斥10.制冷（或低溫）三、簡答題1.解析思路：定義邁斯納效應（超導體內部磁場為零），解釋其物理意義（體現了超導體的完美抗磁性，是超導態(tài)的基本標志之一）。答案：邁斯納效應是指當材料進入超導態(tài)時，即使其溫度高于臨界溫度而突然降低到臨界溫度以下，其內部磁感應強度也會降為零，同時其表面會顯現出完全的抗磁性，將外部磁場完全排斥在體外。這是超導態(tài)區(qū)別于正常態(tài)的一個重要特征，是超導體的基本物理屬性之一。2.解析思路：對比高溫超導體和低溫超導體，從Tc高低、材料狀態(tài)、理論解釋、應用前景等方面說明特點和優(yōu)勢。答案：高溫超導體的主要特點是其臨界溫度Tc相對較高（遠高于液氮溫度77K，部分達到液氮溫區(qū)甚至更高），這使得它們在維持超導狀態(tài)時對冷卻技術的要求相對較低（盡管仍需低溫環(huán)境），運行成本和系統(tǒng)復雜性可能有所降低。優(yōu)勢在于：1）Tc較高，更易于實現和維持超導狀態(tài)；2）部分高溫超導體具有更高的臨界磁場Hc和臨界電流Ic，可能更適合強磁場和強電流應用；3）材料制備方法多樣，研究種類豐富，為尋找更具實用價值的新型超導材料提供了廣闊空間。當然，高溫超導體在機理理解、穩(wěn)定性、可擴展性等方面仍面臨挑戰(zhàn)。3.解析思路：分別定義Tc、Hc、Ic，并闡述它們之間的關系（通常Tc越高，Hc和Ic也越大，且Ic受Hc限制）。答案：臨界溫度Tc是指材料失去超導特性的最低溫度。臨界磁場Hc是指在一定溫度下，能夠破壞超導體超導狀態(tài)的最大外部磁場強度。臨界電流Ic是指在特定溫度和自場（或給定磁場）下，超導體盤能持續(xù)承載而不發(fā)生失超（從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)）的最大電流。它們之間的關系通常是，Tc越高，材料能夠承受的Hc和Ic也越大，意味著其超導性能更好，應用潛力可能更大。此外，在自場中，Ic的值受Hc的限制，即當Ic產生的磁場達到材料的Hc時，超導體將失超。4.解析思路：描述SQUID基于約瑟夫森效應工作（微小磁通量導致電壓振蕩），解釋其極高的靈敏度（測量磁通量子），說明主要應用（精密測量磁場、生物磁學等）。答案：超導量子干涉儀（SQUID）是基于約瑟夫森效應的一種極其靈敏的磁敏傳感器。它由兩個超導體通過極薄的絕緣層連接而成超導環(huán)。當環(huán)內磁通量變化時，會改變超導電流的大小和相位，導致通過環(huán)的電壓產生周期性的振蕩。由于超導態(tài)電阻為零，這種電壓振蕩可以非常尖銳，對應于磁通量的量子（磁通量子Φ?=h/2e）。因此，SQUID能夠極其精確地測量微弱的磁場變化。主要應用包括精密測量地磁場、腦磁圖（MEG）中的生物磁場、地熱勘探、無損檢測等需要高靈敏度磁測量的領域。5.解析思路：從減少損耗（零電阻）、提高效率、降低成本（長期看）、適應未來大功率傳輸需求等方面分析。答案：超導輸電可以實現電流的零損耗傳輸，這是其最核心的優(yōu)勢，能夠極大地提高輸電效率，減少能量損失和發(fā)熱，節(jié)省大量能源。相比傳統(tǒng)銅導線輸電，在相同功率下，超導輸電導線截面積可以大大減小，從而節(jié)省寶貴的土地資源和銅材料成本（盡管超導線本身和低溫系統(tǒng)初始投資高）。此外，超導技術可以實現更大容量、更高電壓的電力傳輸，滿足未來電力系統(tǒng)大功率、遠距離、智能化的需求。盡管目前面臨低溫冷卻、材料成本、系統(tǒng)可靠性等技術挑戰(zhàn)，但被視為未來智能電網和能源互聯(lián)網發(fā)展的重要方向。四、論述題1.解析思路：梳理高溫超導發(fā)現史的關鍵節(jié)點，選取2-3個代表性階段（如首次發(fā)現低溫超導、BCS理論提出、高溫超導體的發(fā)現、銅氧化物超導體的突破等），分別簡述其背景、關鍵發(fā)現和意義。答案：高溫超導體的發(fā)現和研究歷程中存在多個重要里程碑。第一個關鍵階段是1911年荷蘭物理學家翁納斯發(fā)現汞在極低溫下電阻消失，開啟了超導研究的歷史。隨后，1957年美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗提出了BCS理論，成功解釋了低溫超導現象的微觀機制，并獲得了諾貝爾獎。這一時期的研究主要集中在臨界溫度極低的合金和合金化合物（Tc<30K）。真正的轉折點是1986年，瑞士物理學家穆勒和貝澤爾發(fā)現鑭鋇銅氧（LBCO）陶瓷材料在液氮溫區(qū)（高于77K）表現出超導性，這是第一個發(fā)現的高溫超導體。這一突破極大地激發(fā)了全球研究熱情，隨后發(fā)現的銅氧化物高溫超導體（如YBCO）展示了更高的Tc（最高達130K），并具有更復雜的晶體結構和更豐富的物理特性，推動了高溫超導理論和材料研究的快速發(fā)展。這些里程碑標志著超導研究從低溫、單一材料向高溫、多樣材料、復雜機理的轉變。2.解析思路：分析超導磁懸浮如何工作（利用電磁力實現懸?。U述其在交通運輸中的優(yōu)勢（高速、節(jié)能、無磨損、安靜），并探討面臨的挑戰(zhàn)（技術成熟度、成本、安全性、基礎設施）。答案：高溫超導技術應用于磁懸浮列車，主要是利用高溫超導磁體產生的強大且穩(wěn)定的磁場，通過電磁感應或磁力線排斥/吸引原理，使列車懸浮在軌道上方，消除輪軌接觸，從而實現高速、無磨損、低噪音的運行。其優(yōu)勢在于：1）懸浮間隙大，允許更高的運行速度；2）運行時無機械摩擦，能耗低，維護少；3）運行平穩(wěn)、噪音小，乘坐舒適；4）可實現“磁懸浮”的啟動、停止和轉向。面臨的挑戰(zhàn)包括：1）超導磁體需要極低溫環(huán)境（如液氦或液氮溫區(qū)），對冷卻系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和能耗要求極高，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本；2）超導磁懸浮列車的整車結構、控制系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等都需要專門設計和建造，技術集成和標準化面臨挑戰(zhàn)；3）初始投資巨大，建設和運營成本遠高于傳統(tǒng)鐵路；4）在安全性方面，如何應對極低溫環(huán)境、強磁場以及潛在的失超故障等問題需要充分保障。盡管存在挑戰(zhàn)，但超導磁懸浮因其巨大的潛力，仍在高速客運領域被積極研究和探索。3.解析思路：結合當前研究熱點，列舉高溫超導在能源領域的潛在應用方向（如強磁場設備、無損傳感器、未來發(fā)電機/電機），分析這些應用的吸引力，并指出可能遇到的技術瓶頸（如Hc、Ic、穩(wěn)定性、成本、制冷技術）。答案：高溫超導技術在能源領域的應用前景廣闊，主要體現在以下幾個方面：1）強磁場應用：利用高溫超導磁體制造更高性能、更緊湊的粒子加速器（如直線對撞機）、用于可控核聚變研究的大型托卡馬克裝置、以及更高場強的核磁共振成像（MRI）設備、大地磁測儀等。這些應用對磁場的強度和穩(wěn)定性要求極高，高溫超導磁體（尤其是一些Hc和場冷條件下Ic表現較好的材料）具有潛力滿足需求。2）無損電流互感器（LCC）：基于約瑟夫森效應或超導量子干涉效應，可以制造出精度極高、響應極快、無損耗、無鐵磁飽和電流互感器，用于電力系統(tǒng)的高精度電流和電壓測量，有助于智能電網的建設和故障診斷。3）未來發(fā)電機/電機：理論上，利用高溫超導材料可以實現更高磁場、更高效率、更小體積的發(fā)電機和電機，應用于風力發(fā)電、船舶推進、電