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电磁感应现象中的洛伦磁力

来源:论文联盟  作者:孙发聪 [字体: ]
 一、教材解读
  闭合电路的部分导体切割磁感线,电路中将产生感应电流;如果电路不闭合,那么只产生感应电动势而不产生感应电流,对导体切割磁感线而产生的感应电动势。我们称之为动生电动势,对这种电动势,磁场没有变化,空间没有感生电场,它产生的机理是怎样的呢?
  如图1所示,导体棒ab在外力作用下在无限长光滑导轨上以速度v匀速运动,对ab棒中的任意一自由电荷,洛仑兹力的分力f将使电荷获得定向移动的速度v,而v的存在又将使该电荷受到水平向左的洛仑兹力f,ab棒中,所有定向移动的电荷受到的洛仑兹力的合力,宏观上表现为安培力。∵Pf=fv=qvBv,Pf=-fv=-qvBv,∴Pf=Pf+Pf=0,即洛仑兹力对运动电荷始终不做功。但通过洛仑兹力的分力做正、负功,却可以实现机械能向电能的转化。由此可见,导体棒ab做切割磁感线的运动时相当于一个电源,这时的非静电力即洛伦磁的分力f。如果从能的转化和守恒的角度看,克服安培力做功的多少是机械能向电能转化的量度。
  二、典例分析
  例1.如图2所示,铜质金属环从条形磁铁的正上方由静止下落,在下落过程中,下列判断中正确的是(?摇?摇)。
  A.金属环在下落过程中的机械能守恒
  B.金属环在下落过程中动能的增加量
  小于重力势能的减少量
  C.金属环的机械能先减小后增大
  D.磁铁对桌面的压力始终大于其自身的重力
  【解析】本题从能的转化和守恒的角度看,很容易判断B正确,A、C错误,但选项D,很多学生认为条形磁铁对环的作用力始终阻碍环的下落,所以环在下落过程中始终给磁体竖直向下的作用力,因而做出错误判断。
  如图3所示,环在位置2以上的任意位置1,将环看成无数小直线段组成,每一个小段均切割磁场水平分量,从而形成逆时针方向的感应电流(从上往下看),环受竖直向上的安培分力(另一水平分力使环有扩张的趋势),磁铁受环对其向下的作用力,磁铁对桌面的压力大于其自身重力,而环在位置2的瞬间,磁铁外部磁场的水平分量为零,故环在该瞬间不切割磁感线,所以无感应电流。环与磁铁间的相互作用力为零,磁铁对桌面的压力等于其自身的重力;在位置2以下的任意位置3,环同样要切割条形磁铁的外部磁感线,环中产生顺时针方向的感应电流(从上往下看),磁铁对环产生向上安培分力,环对磁铁有向下的作用力,因而磁铁对桌面的压力大于其自身的重力。综上所述,选项D错误。
  例2.如图4所示,水平放置的矩形线圈abcd,在细长的磁铁的N极附近竖直下落,保持bc边在纸外,ad边在纸内,由图中的位置I经过位置II,到达位置Ⅲ,这三个位置都靠得很近。在这个过程中,线圈的感应电流方向是(?摇?摇)。
  A.沿abcd方向
  B.沿dcba方向
  C.由I到II沿abcd方向,由II到Ⅲ沿dcba方向
  D.由I到II沿dcba方向,由II到Ⅲ沿abcd方向
  【解析】本题从磁通量变化的角度看,依楞次定律分阶段可得出感应电流的方向;但从切割磁感线的角度,用右手定则判断更简单。由对称性可知:ad边、bc边切割磁感线产生的感应电势相互抵消;ab边、cd边所在处的磁场的水平分磁场方向相同,可认为水平向右,而整个下落过程,ab边对应位置的水平磁感强度始终大于cd边对应位置的水平磁感强度,由右手安培定则可判断出:感应电流的方向始终是沿abcd。
  点评:对动生电动势,弄清洛伦磁力的分力与安培力的关系,理解其产生的机理,对学生加深教材内容的理解和知识的应用很有帮助。转贴于论文联盟 http://www.lwlm.com
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