電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題分析

摘 要：在高中物理學(xué)科中，電磁感應(yīng)是比較難理解的內(nèi)容，尤其是電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)換和能力守恒的問題，更是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，但是電磁學(xué)在高考中出現(xiàn)的概率比較高，并且電磁學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用的比較多，學(xué)生很難理解能量轉(zhuǎn)換與守恒的物理含義。本文就電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題進(jìn)行探析，旨在為人們提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng);能量守恒;能量轉(zhuǎn)換

1.電磁感應(yīng)中能力轉(zhuǎn)化與守恒問題常見的誤區(qū)

（1）第一個(gè)就是很難理解多數(shù)電器在工作的時(shí)候是將電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，當(dāng)儀器通電的時(shí)候，其實(shí)就是電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程，就比如電燈在工作的時(shí)候就是將電能轉(zhuǎn)化成光能和熱能，電池充電過程也是電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能和熱能的過程，電動機(jī)工作過程是將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和熱能，學(xué)生很容易理解為在電磁場中感應(yīng)電流做的功只是電能轉(zhuǎn)化成熱能的過程。

（2）一些學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，不理解是通過非靜電力做功來度量電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的值，對于不同性質(zhì)的非靜電力做功對應(yīng)著不同性質(zhì)的能轉(zhuǎn)化為電能，因此在磁場和導(dǎo)體發(fā)生相對運(yùn)動的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，學(xué)生往往只注重機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但是對于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能是通過導(dǎo)體克服安培力做功卻不重視[1]。

2.電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題分析

在電磁感應(yīng)相關(guān)的能量轉(zhuǎn)化和守恒題目中，一定要明確是什么力做功、與什么能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系[2]。常見的一般為合力做功=動能的改變;安培力做功=電能的改變，其中如果是克服安培力做功，那么是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，如果是安培力做正功，則是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化和守恒常常會涉及到功能關(guān)系、動力學(xué)原理、串并聯(lián)電路等，在處理這一類的電磁感應(yīng)中的能量問題時(shí)，一定要找出電能的來源和去向，電能的來源和去向要符合能量轉(zhuǎn)化和守恒定理[3]。

（1）當(dāng)導(dǎo)體棒通過外力克服安培力做功而做勻速運(yùn)動時(shí)，是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能;電流流過電阻時(shí)，把電能轉(zhuǎn)化為焦耳熱。如下圖1所示，在一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，運(yùn)動導(dǎo)線ab的長為L，速度為v，閉合電路的總電阻為R，導(dǎo)線ab做勻速運(yùn)動，由此可知外力做功和導(dǎo)線ab克服安培力做的功、感應(yīng)電流的電功以及回路電阻產(chǎn)生的焦耳熱是相等的，遵循能量守恒定律。

（2）當(dāng)導(dǎo)體棒僅克服安培力做功，則是將動能轉(zhuǎn)化為電能，電流流過電阻，是將電能轉(zhuǎn)化為焦耳熱。例如在圖1中，如果不施加外力F，而是給導(dǎo)線ab一個(gè)初速度v，設(shè)導(dǎo)線ab的質(zhì)量為m，則導(dǎo)線ab只受到安培力作用，并在這個(gè)作用力的作用下做加速度減小的減速運(yùn)動，直到最后速度變?yōu)?時(shí)則保持靜止?fàn)顩r。導(dǎo)線ab克服安培力做功，所以動能減小，而動能減小的量就是克服安培力做的功。回路電阻R上產(chǎn)生焦耳熱，由能量轉(zhuǎn)化與守恒定律可得出，最后動能全部轉(zhuǎn)化為焦耳熱，而回路產(chǎn)生的電能的多少就是最后生成的焦耳熱。

（3）如果導(dǎo)體棒通過外力克服安培力做功做勻速運(yùn)動，則在這個(gè)過程中是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為動能和電能。例如在圖1中，施加一個(gè)恒定外力F，使導(dǎo)線ab從靜止出發(fā)加速，當(dāng)速度達(dá)到v時(shí)保持做勻速運(yùn)動，設(shè)ab的質(zhì)量為m，那么導(dǎo)線ab則做加速度減少的加速運(yùn)動，最后速度為v時(shí)保持勻速運(yùn)動狀態(tài)。此時(shí)外力做的功減去導(dǎo)線克服安培力做的功就得到導(dǎo)線ab增加的動力勢能，而外力做的功又等于導(dǎo)線ab增加的動力勢能和回路產(chǎn)生的電能，而回路產(chǎn)生的電能又轉(zhuǎn)化為了焦耳熱。

（4）弱閉合回路的面積不變，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，是其他形式的能量引起磁通量的變化而轉(zhuǎn)化為電能。如下圖2所示，導(dǎo)軌MN水平放置，間距為d，左側(cè)接一匝數(shù)為N、橫截面積為S、電阻不計(jì)的螺線管P，導(dǎo)軌MN上放置一接觸良好的導(dǎo)體桿ab，導(dǎo)體桿質(zhì)量為m、電阻為R，導(dǎo)軌間有豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場，當(dāng)螺線管L中的勻強(qiáng)磁場按圖3變化時(shí)，導(dǎo)體桿ab將從靜止出發(fā)向右運(yùn)動，已知導(dǎo)體桿ab與水平導(dǎo)軌MN間的滑動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g，那么導(dǎo)體桿ab先做加速度減小的加速運(yùn)動，最后做勻速運(yùn)動，而其所消耗的電能來自磁場變化引起的感應(yīng)電流，是磁場能轉(zhuǎn)化為電能。電流流過導(dǎo)體桿ab，其在加速運(yùn)動階段，電能轉(zhuǎn)化為ab桿電阻產(chǎn)生的焦耳熱、ab桿克服導(dǎo)軌摩擦力做功而產(chǎn)生的摩擦熱和ab桿的動能;在勻速運(yùn)動階段，電能轉(zhuǎn)化為ab桿電阻上的焦耳熱和克服摩擦力而產(chǎn)生的摩擦熱。

結(jié)語：電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化和守恒是高中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)問題，教師一定要幫助學(xué)生正確理解電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，明白在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中是其他形式的能轉(zhuǎn)化為了電能。如果磁場本身沒有發(fā)生變化，則認(rèn)為磁場沒有輸出能量，是其他形式的能借助安培力做功來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，如果磁場發(fā)生了變化磁場通過感應(yīng)導(dǎo)體來對外輸出能量，此時(shí)外力對系統(tǒng)做的正功和系統(tǒng)消耗外界其他形式的能的值相等。

參考文獻(xiàn)

[1]李家利.電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題分析[J].物理教學(xué)，2017，24（8）：51-52.

[2]戴儒京.電磁感應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化與守恒問題解析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，23（7）：28-29.

作者簡介：張雙成，出生年月：1962-8性別：男民族：漢族籍貫：江蘇省徐州市新沂市新安鎮(zhèn);最高學(xué)歷：大學(xué)本科;職稱：中教一級;研究方向：高中物理教學(xué);單位：江蘇省新沂市第一中學(xué)