安培力做功與產(chǎn)生熱量和本質(zhì)關(guān)系

1、任安培力作用的冋路中很多學(xué)個(gè)有這樣一個(gè)渓區(qū)，認(rèn)為安培力做的功數(shù):值一定等于回路中產(chǎn)生的電熱，其至有些老師稱(chēng)之為“安培力做功是熱暈轉(zhuǎn)換的星度”，即億r=而事實(shí)是否和我們想的樣呢？我們共同來(lái)揭礙安覽力做功和回路中產(chǎn)生電熱的真正關(guān)系。一、在回路中沒(méi)有電源的情況下1.金僕樺受強(qiáng)定外力但無(wú)初速度下的運(yùn)動(dòng)丄,RinxxXATXXXXXxaXXXxbXXXXXX（2）研究金屬棒在恒力作用下做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí).安培力所做的功？賭析：當(dāng)金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)吋，外力卜大小等F金屬棒受到的安培力，I丄安培力在這過(guò)程中做負(fù)功。即外力所做的功人小等于安培力所做的功叭=叫而外力所做的功增加了電阻出、R2的總熱量即陣=Qf則=Q此時(shí)安

2、培力做的功也等于回路中產(chǎn)宀的熱量。2金屬樟不受外力但有初速度的運(yùn)動(dòng)例2：兩平行的光滑金屬導(dǎo)軌固定在水平面內(nèi)，間距為L(zhǎng),區(qū)域內(nèi)存在右:磁感強(qiáng)度為B勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直水平面向里“根據(jù)動(dòng)能定理，安培力做的功I等于金屬棒動(dòng)能的改變量聊K再根據(jù)能量觀點(diǎn)分析，金屬棒減小的動(dòng)能AEK等于冋路中電阻Ri、R2增加的熱量Qi、Q?由以上兩式可得以上三種情況卜安培力所做的功數(shù)值匕都等于冋路中產(chǎn)駕的總熱址:,我們似乎可以認(rèn)為“安培力做功是熱啟轉(zhuǎn)換的雖度”的說(shuō)法是確的。而以上三種情況有一個(gè)共同之處，那就是安培力在作用的過(guò)程中做的都是負(fù)功，由此我們可以利用山納的方法町以先得出這樣的結(jié)論：當(dāng)安培力做負(fù)功的時(shí)候，安培力所做

3、的功數(shù)值上就等于回路中產(chǎn)化的總熱肚:那這個(gè)結(jié)論是否正確.我們還有以F的檢驗(yàn)%=辱而從能量守恒理解，電源消耗的能E乜增加了可路中電阻R、廠上產(chǎn)生的量能Q、Q?和棒動(dòng)能的增量Aek即E電二Q+02十A,由上式兩式可知W汀-Qi此題在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于安培力做正功，從而安培力做的功在數(shù)值上就不等于回路中產(chǎn)生的熱量，與上面我得岀的結(jié)論還是致。而電源消耗的能氐和金屬棒減少的動(dòng)能人乙都轉(zhuǎn)化成了回路中電陰尸匕產(chǎn)，生的總熱AQr即E也卡=Q則WQ-E在這過(guò)程中安培力雖然做負(fù)功.但做的功并不等于冋路中產(chǎn)生的熱量口(2)金屬棒從速度為零到反向勻速過(guò)程中安培力所做的功？蓉解析：從靜止開(kāi)始金屬樺在安培力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，

4、此時(shí)安培力始終做E功：根據(jù)動(dòng)能定礙j叮=曲r而電源消耗的電能E；增加了金屬棒的動(dòng)能也；和回路中電阻R,曠上產(chǎn)生的量能0仁0仁即+所以E；二&十Q；+%功和能是既有區(qū)別又有聯(lián)系的兩個(gè)重要物理量,功與物理過(guò)程相對(duì)應(yīng)，能與物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)功是能量轉(zhuǎn)化的量度，能量轉(zhuǎn)化是做功的結(jié)果有力才可以做功,不同的力做功，使不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化.如重力做功引起重力勢(shì)能的變化，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，或其他形式的能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，電場(chǎng)力做功引起電勢(shì)能肯其他形式的能的之間的轉(zhuǎn)化，合力做功引起物體動(dòng)能與其他形式的能的之間的轉(zhuǎn)化.那么，如何計(jì)算安培力所做的功？安培力做功的結(jié)果將引起什么形式的能量轉(zhuǎn)化呢？一、安培力做正功

5、一、安培力做正功圖1如圖1所示，光滑水平導(dǎo)軌電阻不計(jì)，左端接有電源，處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒加兀的電阻為R,放在導(dǎo)軌上，開(kāi)關(guān)S閉合后，金屬棒加巾將向右運(yùn)動(dòng).1安培力做功的情況對(duì)金屬棒尬比所受安培力是變力，安培力做正功,1動(dòng)能定理有W安=AEk.OX表明，安培力做功的結(jié)果引起金屬棒m/t的機(jī)械能增加.能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律有E電二k+Q,由兩式得w安=E電Q告訴我們，計(jì)算安培力做的功還可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方法進(jìn)行計(jì)算.Fi的作用使金屬棒mn向右做宏觀機(jī)械蠱力，使電子也獲得向右的運(yùn)動(dòng)V2,洛倫茲力鬥的方向與速度V2的方向同向，洛倫茲力F1對(duì)電子做正功.同時(shí)，由于電子獲得向右的運(yùn)動(dòng)速度V2而使電

6、子受洛倫茲力尸2作用，方向如圖3所示洛倫茲力F2的方向與速度VI的方向相反，f2對(duì)電子做負(fù)功，使電子沿金屬棒/K運(yùn)動(dòng)的速度減小，電子在金屬棒mn內(nèi)與金屬離子的碰撞減弱，使金屬棒mn消耗的電能減少.我們知道洛倫茲力是不做功的，在這里洛倫茲力Fl、尸2分別做了功，如何解釋呢?鬥、尸2是洛倫茲力F的兩個(gè)分力,V1V2是速度V的兩個(gè)分速度，方向如圖4所示，（見(jiàn)上頁(yè)圖丿速度卩的方向與洛倫茲力F的方向相垂直,因此洛倫茲力F不做功，町做的正功與尸2做的負(fù)功必相等正是因?yàn)镕5分別做正功、負(fù)功，才使得消耗的電能減少而機(jī)械能增加,實(shí)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化.隨著V2的增大，洛倫茲力巧也增大當(dāng)尸2與電源產(chǎn)生的電場(chǎng)力相

7、等時(shí)，電子將不再沿金屬棒做定向移動(dòng)，即vi=O,洛倫茲力Fi=0,電子只有速度U2,只受洛倫茲力巧作用，尸2與V2垂直，F(xiàn)2不做功，不能使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，金屬棒mn將做勻速運(yùn)動(dòng).安=0二、安培力做負(fù)功R,動(dòng).況如圖5所示，光滑水平導(dǎo)軌電阻不計(jì)，處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒ab的電阻為以速度v(向右運(yùn)L安培力做功的情圖5對(duì)金屬棒弘所受安培力是變力，安培力對(duì)金屬棒仍做負(fù)功，由動(dòng)能定理有：用安=-Ek.式表明，安培力做功的結(jié)果引起金屬棒ab的機(jī)械能減少-安=0能量轉(zhuǎn)化的情況對(duì)金屬棒ab、導(dǎo)軌和電源組成的系統(tǒng)，金屬棒血的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，由能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律有A氏二疋電，金屬棒相當(dāng)于電源，產(chǎn)生的

8、電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能向外釋放由、匪式得安培力做功的微觀本質(zhì)當(dāng)金屬棒ab向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子獲得向右運(yùn)動(dòng)的速度乃,將受洛倫茲力鬥的作用，方向如圖6所示.洛倫茲力巧迫使電子向金屬棒力的a端做定向移動(dòng)（即獲得速度卩2丿形成電流，河對(duì)電子做正功是力棒相當(dāng)于電源的原因，幵相當(dāng)于電源內(nèi)部的非靜電力即XLJXXa“竹=E電,7圖8O在電子做定向移動(dòng)即獲得速度卩2形成電流的同時(shí)，又將受洛倫茲力碼的作用，方向如圖7所示.尸2與VI的方向相反，F(xiàn)2將對(duì)電子做負(fù)功.巧的宏觀表現(xiàn)就是金屬棒血受到的安培力，此安培力對(duì)金屬棒必也做負(fù)功，引起金屬棒ab做宏觀運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能減少.即7=-k,由于洛倫茲力不做功，洛倫茲力F的方向與速度v的

9、方向相垂直，如圖8所示，因此%尸2和丹同時(shí)做功實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化.W安=電=0.1111圖9三、一對(duì)安培力做功如圖9所示，光滑水平導(dǎo)軌電阻不計(jì)，處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒inn電阻為心,放在尊軌上金屬棒必電阻為以初速度V0向右運(yùn)動(dòng).安培力對(duì)金屬棒ah做負(fù)功，對(duì)金屬棒加冗做正功由動(dòng)能定理，有W安1=AEkah,W安;1二AEkw的機(jī)械能減少，使金屬棒mn的機(jī)械能增加.、兩式表明，安培力做功使金屬棒ah對(duì)金屬棒ab、mn、導(dǎo)軌組成的系統(tǒng)，金屬棒ab減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化金屬棒加也的動(dòng)能和回路的電能，回路的電能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由能量的轉(zhuǎn)化和守恒有TOC o 1-5 h zAk=Akmn+E電，E電=Q,由、四式聯(lián)立得W安1+w安2=0験告訴我們，一對(duì)安培力做功的和等于系統(tǒng)對(duì)外釋放的內(nèi)能.此種情形，仍可以用以上洛倫茲力的分力F5分別做功引起的能量轉(zhuǎn)化來(lái)解釋.綜上所述，關(guān)于安培力做功引起的能量轉(zhuǎn)