关于安培力做功的两个问题

电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程,电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用。安培力克服外力做负功,有其他形式的能转化为电能。安培力做正功的过程,又是电能转化为其他形式的能的过程。

问题一、求安培力所做的功的常用方法

求解安培力做功的主要方法有:① 运用功的定义W=Fs求解;② 用动能定理W合=Ek求解;③用能量转化及守恒定律E电=E其他求解,如若理清能量转化过程,用“能量”的观点研究电磁感应现象较简便。下面举例说明。

1.恒定的安培力做功问题

例1 如***所示,电阻为R的矩形导线框abcd,边长ab=L,ad=h,质量为m,从某一高度自由落下,通过一方向垂直纸面向里宽度为h的匀强磁场。当线框恰好以恒定速度通过磁场时,线框中产生的焦耳热是多少?(不计阻力)

解法一:线框穿过磁场(设速度为v)的时间 t=2h/v

线框穿过磁场时线框中产生的感应电流I=BLv/R

由平衡条件可知,线框在穿过磁场时所受的安培力F=BIL=mg

由焦耳定律,线框中产生的热量Q=I2Rt

由以上四式解得 Q=2mgh

解法二: 根据能量转化与守恒定律,线框以恒定速率通过磁场的过程,实质是重力势能转化为内能的过程。所以此过程中线框产生的焦耳热为2mgh。

2.变化的安培力做功问题

例2 如***所示,abcd为静止于水平面上宽度为L而长度很长的U形金属滑轨,bc边接有电阻R,其它部分电阻不计。ef为一可在滑轨平面上滑动、质量为m的均匀金属棒。金属棒通过水平细绳跨过定滑轮,连接一质量为M的重物。一匀强磁场B垂直滑轨面。重物从静止开始下落,不考虑滑轮的质量,且金属棒在运动中均保持与bc边平行。忽略所有摩擦力。则:(1)当金属棒作匀速运动时,其速率是多少?(忽略bc的作用力)。(2)若重物从静止开始至匀速运动时下落的总高度为h,求这一过程中电阻R上产生的热量。

解析:视重物M与金属棒m为一系统,在开始一段时间里处于加速运动状态,由此产生的安培力是变化的,安培力做功属于变力做功。

系统的运动情况分析

棒的速度v棒中产生的感应电动势E通过棒的感应电流I棒所受安培力F安棒所受合力F合棒的加速度a

当a=0时,有Mg-F安=0

解得V=MgR/B2L2

本题涉及到的能量转化过程为: M的重力势能减小,减小的重力势能,一部分转变成系统匀速时的动能;另一部分通过克服安培力做功转化为电能,继而通过电流做功最终变成内能。

由能量守恒定律有: Mgh=(M+m)v2/2+Q

解得:Q=Mg{h-(M+m)MgR2/2B4L4}

从求焦耳热的过程可知,此题虽属变化的安培力做功,但我们不必追究变力、变电流做功的具体细节,只需弄清能量的转化途径,用能量的转化与守恒定律就可求解。只需把握住能量的转化,复杂问题也就变简单了。

问题二、正确理解安培力做功与回路中产生的电能和电热的关系

克服安培力做功一定等于回路产生的电能和电热吗?我们可以通过下面几个实例来验证。

例题一:如***所示,金属杆ab以恒定的速率v在光滑的平行导轨上向右滑行,设整个电路中总电阻为R(恒定不变),整个装置置于垂直于纸面向里的匀强磁场中,则回路产生的电动势为 E=BLV,回路电流强度为I=BLV/R,导体杆ab所受的安培力F=BIL=B2L2V/R,那么克服安培力的功率PF=FV=B2L2V2/R,回路的电功率PE=I2R=B2L2V2/R,可见在这种情况下PF=PE ,即在纯电阻回路中只有一部分导体切割磁感线时,克服安培力的功等于回路产生的电能和电热。

例题二:如***所示,两光滑金属导轨平行放置于磁感应强度为B的匀强磁场中,它们相距L,阻值不计,两阻值都为R的金属杆垂直导轨放置,ab,cd的质量都为m 。开始时都静止,现给ab杆一个垂直于ab杆的初速度V0,试求两杆从开始运动到稳定过程中,回路产生的电能和电热。

解析:设两杆最终速度为V,我们可解得V=。设ab杆克服安培力做功W,产生的热量为Q,对ab杆有动能定理:W=mV02-mV2,将V代人得:W=mV02。有能量守恒:Q=mV02-×2mV2=mV02,由计算知W>Q,这时克服安培力做功等于回路产生的电能,但大于回路产生的电热;另一部分的电能通过安培力对cd杆做功转化成了机械能。也就是说,在纯电阻回路中有两个以上部分切割磁感线时,克服安培力做功等于回路产生的电能,但不一定等于回路产生的电热。

另外,在感生电动势与动生电动势同时存在时,克服安培力做功就不等于回路产生的电能和电热。如***所示的物理情景,金属导轨固定在水平桌面上,有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面.金属杆可在导轨上无摩擦地滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直.在外力作用下,杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动,在此过程中既有克服安培力做功的过程,即产生动生电动势,也有因回路磁场的变化产生的感生电动势,此时安培力的功与回路中产生的电能和电热明显不同。

通过以上实例能得出如下结论:在纯电阻回路中,只有动生电动势时,克服安培力做功等于回路产生的电能;如果只有一部分导体切割磁感线时,克服安培力做功既等于回路产生的电能也等于回路产生的电热。

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