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        關(guān)于導(dǎo)體棒切割磁感線微觀本質(zhì)的剖析

        2020-10-09 10:26:10錢婷婷
        物理教學(xué)探討 2020年9期
        關(guān)鍵詞:安培力

        錢婷婷

        摘? ?要:導(dǎo)體棒切割磁感線會產(chǎn)生動生電動勢,導(dǎo)體棒就是電源。那么,電源中非靜電力究竟是什么力?為什么導(dǎo)體棒克服安培力做了多少功,閉合導(dǎo)體回路就產(chǎn)生了多少電能?文章將從導(dǎo)體棒切割磁感線的微觀本質(zhì)進(jìn)行闡述。

        關(guān)鍵詞:動生電動勢;非靜電力;洛倫茲力;安培力;微觀本質(zhì)

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2020)9-0043-2

        1? ? 動生電動勢中的非靜電力

        如圖1所示,導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上以速度v1運(yùn)動,運(yùn)動的同時,導(dǎo)體棒上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E(動生電動勢)。由于導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌構(gòu)成了閉合導(dǎo)體回路,所以回路中有電流I。從微觀角度來看,是導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷發(fā)生了定向移動。假設(shè)棒內(nèi)的自由電荷帶正電,每個自由電荷的電量為q,它們定向移動的速率為v2。那么導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷們同時參與了兩種運(yùn)動:一種是隨棒運(yùn)動,速率為v1;另一種是發(fā)生定向移動,速率為v2。

        因此,導(dǎo)體棒中的自由電荷q以速率v1在磁場中運(yùn)動而受洛倫茲力f1=qv1B,方向與v1垂直。洛倫茲力f1把導(dǎo)體棒bc段中的自由電荷由b端搬到c端,導(dǎo)體棒上產(chǎn)生電動勢。所以,洛倫茲力f1正是動生電動勢中的非靜電力。

        2? ? 洛倫茲力不做功的微觀原因

        可以看到自由電荷所受的洛倫茲力總與速度垂直,洛倫茲力永不做功。

        另一方面,在任意Δt時間內(nèi),f1對自由電荷做正功為:

        f2對自由電荷做負(fù)功為:

        3? ? 安培力產(chǎn)生的微觀本質(zhì)

        導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上向右以速率v1在磁場中運(yùn)動,它與導(dǎo)軌構(gòu)成閉合回路,回路中有順時針的感應(yīng)電流I。同時,因?qū)w棒bc段上有電流I通過,導(dǎo)體棒bc段受到水平向左的安培力F。事實(shí)上安培力F是bc段所有自由電荷受到的f2的合力,下面來證明一下。

        設(shè)導(dǎo)體棒bc段橫截面積為S,總的自由電荷數(shù)為N,單位體積內(nèi)自由電荷數(shù)為n,則N=nSL。導(dǎo)體棒受到的安培力F=Nqv2B=nSLqv2B,再結(jié)合電流的微觀表達(dá)式I=nqSv2,得F=BIL。這也與教材中安培力的公式一致。

        4? ? 克服安培力做功等于回路中產(chǎn)生的電能

        由此可以得到,當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流時,回路中產(chǎn)生的電能等于導(dǎo)體棒克服安培力所做的功。

        本文從微觀角度討論了高中物理中導(dǎo)體棒切割磁感線這一典型的電磁學(xué)現(xiàn)象。通過推理和分析,揭示了關(guān)于導(dǎo)體棒切割磁感線的四個現(xiàn)象的微觀本質(zhì),這些都與教材中的法拉第電磁感應(yīng)定律相符。對這些微觀機(jī)制的剖析和理解,有助于提高教師和學(xué)生對此部分知識的教學(xué)和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

        參考文獻(xiàn):

        [1]吳慶華.為什么克服安培力做功等于動生電動勢產(chǎn)生的電能?[J]. 湖南中學(xué)物理,2017(4):72.

        (欄目編輯? ? 陳? ?潔)

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