安培力做功及电能转化之间关系探究

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1、安培力做功及电能转化之间关系探究摘要：通过四种情景对安培力做功与电能转化之间的关系进行理论探究，阐明其关系及使用范围。关键词：安培力做功电能转化电功机发电机【中图分类号】G424【文献标识码】【文章编号】在不少教辅资料中，对于安培力做功与电能转化之间关系的描述大多是：产生的电能等于克服安培力所做的功。仔细研读这个结论，产生有两点疑问：一、克服安培力做功能作为产生电能多少的唯一量度吗？二、安培力做正功，与电能转化之间又是什么关系？本人利用如下几个情景进行探究：一、克服安培力做功能作为产生电能多少的唯一量度吗？情景一：光滑金属线框水平放置，磁感应强度为B,方向垂直线框平面，金属棒AB垂

2、直线框放置。其中线框左端接一个电阻r,AB棒的电阻为R,现给AB棒一个初速度vO,在开始到最后AB棒停止的过程中，我们从AB棒的受力和能量转化角度进行分析：解析：AB棒在水平方向仅向左的安培力，根据动能定理，克服安培力做功，等于动能减少量。根据能量转化与守恒定律可知：减小的动能应等于回路中产生的电能。克服安培力所做的功等于产生的电能。细节：在AB棒运动的过程中，棒中电子在洛仑兹力作用下，由A向B运动，形成A点电势高，B点电势低结果。如果将AB棒看作回路中的电源，洛仑兹力充当非静电力，克服电场力做功，形成电能。结论：在这种情况下，克服安培力做功等于电能的产生；这也是发电机的基本原理；

3、情景二：一个金属线圈，置于一个磁场之中。当磁场均匀增加时，线圈中的电能如何产生？解析：根据法拉第电磁感应定律和楞次定律可知：在线圈中会产生逆时针方向的电流，即有电流产生，但安培力不做功。细节：这可以利用麦克斯韦电磁场理论进行解析，在变化的磁场周围会产生感生电场，线圈中的电子在电场力作用下开始做定向运动，形成电流则磁场能量转化为电能。结论：在这种情况下，其实无安培力做功，但其它形式的能仍转化为电能。总结一：电源的种类很多，化学电源是通过化学作用力将化学能转化为电能；太阳能电池工作的基本原理是通过结的光生伏特效应实现光能转化为电能等。可以看到不同形式的能转化电能有着不同的途径和原理；结

4、合以上研究：我们可以得出：只有在仅通过切割磁感线（磁场静止）方式产生的电能的过程中，克服安培力所做的功等于有多少机械能转化为电能。二、当安培力做正功时与电能转化之间是什么关系？情景三：光滑金属线框水平放置，磁感应强度为B,方向垂直线框平面，金属棒AB垂直线框放置。其中线框左端接一个电源E,电源内阻不计，AB棒的电阻为Ro当电键闭合后，AB如何运动？从AB棒的受力和能量转化角度进行分析。解析：当电键闭合后，AB中通过电流，AB受到向右的安培力，AB棒在安培力的作用下，向右做加速运动；当AB棒向右做加速运动的过程中，AB棒因切割磁感线，产生反电动势，当反电动势等于电源电动势时，回路中电

5、流为0,AB棒不再受安培力作用，凭惯性向前做匀速直线运动。细节：当AB棒中有电流通过的过程中，AB棒中有电阻,根据焦耳定律，有电能转化为内能；再根据动能定理，棒获得的动能等于安培力对棒做正功。再根据能量转化与守恒定律，这种情况下，电能转化为动能的同时，也转化为内能；结论：安培力做正功，实现了电能转化为动能；这是一个典型的电动机模型；总结二：电能可能通过各种方式转化为其它形式的能。如：通过安培力做功，将电能转化机械能。通过电阻发热，将电能转化为内能；通过化学作用，将电能转化为化学能等。通过安培力做功只能实现电能向机械能转化。情景四：一种磁悬浮列车的原理，在水平面上，两根平行直导轨间有

6、竖直方向且等距离的匀强磁场和B2,导轨上有金属框abcdo当匀强磁场Bl和B2同时以V沿直导轨向右运动时，金属框也会沿直导轨运动，设直导轨间距为L=0.4m,Bl二B2=1T,磁场运动的速度V=5m/s,金属框的电阻R=2Q,试求：金属框为什么运动？若金属框不受阻力时，金属框如何运动？这里我不求解它，只是分析这个过程中安培力做功与能量转化的情况；解析：当磁场向右运动时，我们看到，ad与be两边同时切割磁感线产生动生电动势，并在回路中产生感应电流，感应电流在磁场中受到向右的安培力，安培力做正功，金属框的动能增加；而在这个过程中回路中由于有电流通过，产生焦耳热。细节：在这种情况下,我们

7、会惊奇的看到，安培力做正功的同时，也能产生电能；什么原因呢？首先，这里的电能的产生并不是由于安培力做正功，因磁场的主动运动，使得金属框中首先产生电能，而电流在磁场中受到安培力，且做正功，同时由于电流通过电阻发热，将能量转化为机械能和内能；能量如何转化？一定是来之于运动的磁场，根据作用力与反作用力的关系，可能得出磁场受到向左的反作用力，这个力对磁场（磁场源）作负功，将消耗产生磁场的磁源体的机械能。可用课本中的一个实验来模拟：一条形磁铁，从左向右靠近一个悬挂着的线圈A,线