高中物理中安培力和洛倫茲力的判斷探究

李一陽 華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)

進(jìn)行高中物理學(xué)習(xí)的過程中，高中物理課本明確規(guī)定了，安培力就是磁場對于電流的一種作用力，而洛倫茲力就是磁場對于運(yùn)動電荷的一種作用力，安培力能夠看成是作用于各個運(yùn)動電荷中的洛倫茲力中的一種合力。因此，安培力與洛倫茲力是緊密相連的，教材里面給出了一定的證據(jù)，可是大部分情況下，安培力與洛倫茲力在詳細(xì)使用解決問題的過程中，是不可以全部參考教材中所給出的關(guān)系的。

1 安培力是電荷所受洛倫茲力在某一方向分力的合力

當(dāng)水平放置的某一個導(dǎo)體棒ab里面存在著a到b的電流，按照左手定則可判斷出來，導(dǎo)體棒所承受到的安培力趨向?qū)嶋H上是水平朝右的的。假設(shè)導(dǎo)軌是光滑的，導(dǎo)體棒ab在安培力作用下就是水平朝右運(yùn)動的。在導(dǎo)體棒ab朝右移動的時候，導(dǎo)體棒里面的自由電子就會存在2個速度，v1是自由電子在電源作用中定向移動速度。而按照左手定則，就可以評斷出來，自由電子是根據(jù)v1速度運(yùn)動的時候，那么其所受到的洛倫茲力F1的方向就是水平朝右的，其和導(dǎo)體棒ab移動速度方向一致，自由電子依據(jù)v2速度運(yùn)動的時候，那么所受到的洛倫茲力F2方向圍繞導(dǎo)體棒ab。從a指向b，經(jīng)過導(dǎo)體棒ab的全部自由電子所受到的水平方向洛倫茲力F1合為F1合，而F1合也就是導(dǎo)體棒ab所遭受到的一種安培力。在F1合作用的條件下，導(dǎo)體棒ab水平朝右運(yùn)動，把自由電子受到的洛倫茲力F2合為 F2合，而F2合是棒ab進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動，生成感應(yīng)電動勢的非靜電力。

2 高中物理中安培力和洛倫茲力的功判斷

2.1 洛倫茲力的功和動生電動勢分析

如果金屬導(dǎo)體在外力條件下是根據(jù)速度v1在靜止磁場之中朝右進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動的過程中，那么自由電子存在圍繞導(dǎo)體運(yùn)動方向的速度v1，電子所承受到的朝下的洛倫茲力f1并圍繞f1方向移動，電子定向運(yùn)動讓導(dǎo)體中產(chǎn)生向上的電流I，出現(xiàn)該電流的主要因素就是由于導(dǎo)體兩邊產(chǎn)生了動生電動勢，此電動勢就是電源里面的非靜電力做功所導(dǎo)致的。而非靜電力為洛倫茲力，也就是動生電動勢是由于洛倫茲力做功所導(dǎo)致的。因?yàn)殡娏@f1方向移動之后就出現(xiàn)了圍繞f1方向定向運(yùn)動的速度v2，電子還要遭受到洛倫茲力f2的作用，電子遭受到的整體洛倫茲力是合力f。其運(yùn)動合速度就是v，與此同時，可以證明出f和v是垂直的，所以，f對于電子是不做功的，也就是洛倫茲力不做功?？墒钦w的洛倫茲力f的分力f1和v2是相同方向，而f1為正功，生成感應(yīng)電動勢且構(gòu)成感應(yīng)電流，該功率大小就是P1=f.v2=ev1B.v2；可是，另外一個力f2和v1是相反方向的，所以f2所做功為負(fù)功。妨礙導(dǎo)體運(yùn)行，該功率大小就是P2=f2.v1=ev2B.v1。P1和P2是相等的，可是符號相反，此功率代數(shù)和是0。并且，閉合電路里面存在著感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流遭受到安培力作用，所以安培力對于導(dǎo)體所做功為負(fù)功。

2.2 載流導(dǎo)體運(yùn)動于靜止磁場

電力所受到的總體的洛倫茲力f和電子合速度v垂直，而f不做功，可是f1和v2為相同方向，所以f1開始做正功，該功率就是：P1=f1.v2=ev1B.v2，而f2和v1是相反方向，所以f2所做功為負(fù)功，該功率就是P2=f2.v1=ev2B.v1。P1和P2的大小等同，而符號不相同，因此功率是0。安培力是一切自由電子遭受到的洛倫茲力在垂直電流方向的分力f1的總和，其做正功。洛倫茲力的其他分力f2總和做了相同量的負(fù)功，此就是總洛倫茲力不做功，可是安培力不進(jìn)行做功的理由。根據(jù)做功和能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究與分析，因?yàn)閒2和v1方向是相反的，自由電子定向運(yùn)動受到阻礙，要想保持電子定向運(yùn)動速度v1不產(chǎn)生變化，需要由構(gòu)成電流的外加電壓提供一個和f2大小均等、方向不同的力，也就是如果安培力做功的時候，電源需要攻克f2進(jìn)行做功。所以，安培力做功就是根據(jù)電源所提供的能力而非磁場提供的能量，從這里可以了解到，安培力做功實(shí)際上是電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的一個流程。

2.3 粒子靜止則磁場運(yùn)動

在某一個水平光滑絕緣固定桿上，在桿上添加一個質(zhì)量是m，帶正電，同時帶電量是q的小圈，豎直朝下磁感應(yīng)強(qiáng)度是B的勻強(qiáng)磁場，其預(yù)定邊界為：長是L，寬是d的矩形。假設(shè)磁場水平朝左以v1速度經(jīng)過此設(shè)置的時候，帶電小圈所受到的洛倫茲力f1作用，且圍繞f1方向移動，洛倫茲力f1對于帶電小圈開始做正功，可是小圈也會朝著此方向生成速度v2，其還要受到洛倫茲力f2的影響，f2妨礙磁場和此設(shè)置間的相對運(yùn)動，同時可以驗(yàn)證f2做的是相同量的負(fù)功。f1和f2是帶電小圈受到的總的洛倫茲力的分力。因而洛倫茲力做功是0，此時，因?yàn)榉至2和桿的水平朝右的彈力F是平衡的，易于忽視了f2這個分力，進(jìn)而將f1分力對小圈所做正功與總的洛倫茲力所做功視為相等。實(shí)際上，系統(tǒng)所遭受到的合外力對小圈所做功的總功與f1分力對小圈所做功是相等的。因此，通過以上分析可以了解到安培力可做功，洛倫茲力不做功。

3 結(jié)束語

在進(jìn)行高中物理知識學(xué)習(xí)的時候，常常將洛倫茲力與安培力混淆，此次研究通過對洛倫茲力以及安培力的判斷，可以大大提高學(xué)習(xí)相關(guān)知識的過程中解答問題的效率。