基于電磁感應(yīng)能量問(wèn)題的歸類探究

趙宏胤

摘要 在物理學(xué)習(xí)中，有關(guān)電磁感應(yīng)的問(wèn)題，一直都是每年高考的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因?yàn)樵诔鲱}時(shí)，可以將電磁學(xué)與力學(xué)等知識(shí)點(diǎn)相互融合，在一道題中不僅會(huì)涉及到多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，還會(huì)涉及運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題，以此達(dá)到考察對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解和綜合應(yīng)用的目的。在解決電磁感應(yīng)問(wèn)題的過(guò)程中，會(huì)涉及到多種能量的轉(zhuǎn)換，想要更好地解決這一問(wèn)題，就需要從功和能的角度來(lái)進(jìn)行分析、了解電磁感應(yīng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的問(wèn)題。本文將從電磁感應(yīng)現(xiàn)象入手，結(jié)合一些規(guī)律和實(shí)例對(duì)常見(jiàn)的一些電磁感應(yīng)的問(wèn)題進(jìn)行整理歸類。

關(guān)鍵詞 電磁感應(yīng)；能量問(wèn)題；歸類

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，能量都遵循守恒定律。因此電磁感應(yīng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換，便可以通過(guò)楞次定律和能量守恒定律進(jìn)行分析，從而使復(fù)雜的電磁感應(yīng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的能量問(wèn)題。對(duì)于解決能量問(wèn)題，可以從功和能這2個(gè)方面進(jìn)行。例如，在磁場(chǎng)中，安培力會(huì)對(duì)通電導(dǎo)體棒產(chǎn)生作用力，如果這時(shí)安培力所做的功為正功，那么安培力就是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量；如果安培力做的是負(fù)功，在這種情況下，就是其它的形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。

1.從能量角度分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電磁感應(yīng)又稱磁電感應(yīng)現(xiàn)象，具體是指閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，可以將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)，我們需要注意的是，這不是創(chuàng)造電能的過(guò)程，因?yàn)槟芰考炔粫?huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失。

楞次定律的實(shí)質(zhì)就是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體體現(xiàn)，也可以說(shuō)楞次定律就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。換句話說(shuō)，能量守恒定律是產(chǎn)生感應(yīng)電流所要必須遵守的。從磁場(chǎng)與導(dǎo)體所做的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)看，當(dāng)其發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)一定是與其相反的方向，二者之間是相互阻礙的關(guān)系。從磁通量的方面來(lái)看，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)也一定是阻礙感應(yīng)電流的磁通量變化的。

例1：將兩根金屬導(dǎo)軌平行放在傾斜角為30。的斜坡上，導(dǎo)軌接有阻值為10Ω的電阻，導(dǎo)軌本身的電阻忽略不計(jì)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)與斜坡垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T。質(zhì)量為0.1kg，不計(jì)電阻的金屬棒ab由靜止釋放，沿導(dǎo)軌下滑，假如導(dǎo)軌的長(zhǎng)度足夠，導(dǎo)軌寬2m，金屬棒在下滑的過(guò)程中接觸良好，當(dāng)金屬棒下滑3m高的時(shí)候，速度恰好為最大的速度2m/s，求這個(gè)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量。

解析：當(dāng)金屬棒的速度達(dá)到最大時(shí)，對(duì)其受到的力進(jìn)行分析，mgsin 0=F安+f。由法拉第電磁感應(yīng)定律我們可以知道：E=BLV，根據(jù)閉合電路的歐姆定律I=E/R，F(xiàn)寄=ILB=（B2L2v）/R=0.2N。f=gsin 0-F安=0.3N。下滑的過(guò)程需要能動(dòng)定理來(lái)進(jìn)行計(jì)算mgh-f*（h/sin 0）W=0.5mv2。由此可以解得w=1J所以產(chǎn)生的熱量為lJ。根據(jù)Q=W=1J。

這道例題就是典型的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題，做好能量分析才是這道題的解題關(guān)鍵。同時(shí)同學(xué)們還要把這部分知識(shí)與電路知識(shí)相結(jié)合。只有將這些知識(shí)點(diǎn)靈活運(yùn)用才能提高解題的準(zhǔn)確率。

2.能量轉(zhuǎn)化與做功間的關(guān)系

在處理電磁感應(yīng)的問(wèn)題時(shí)，要注意電磁感應(yīng)中所涉及到的能量問(wèn)題其實(shí)就是不同形式間的能量相互轉(zhuǎn)換，而并非是能量創(chuàng)造過(guò)程，這時(shí)就需要我們對(duì)電磁感應(yīng)的問(wèn)題有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，我們可以從做功和能量間的轉(zhuǎn)化入手，這也是正確認(rèn)識(shí)電磁能量問(wèn)題的重點(diǎn)所在。在力學(xué)中，能量最終會(huì)轉(zhuǎn)化為功，例如，在機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，就是安培力在做功，當(dāng)安培力做正功的時(shí)候，就會(huì)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，相反，當(dāng)安培力做負(fù)功的時(shí)候，那么這個(gè)時(shí)候安培力就會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這兩個(gè)能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，重點(diǎn)是對(duì)安培力做的功分析清楚，一旦對(duì)安培力做功分析失誤的話，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)失誤。其實(shí)解決這一類問(wèn)題的關(guān)鍵就是認(rèn)識(shí)和區(qū)分電磁感應(yīng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換，最終還是要對(duì)能量和做功之間的關(guān)系有著明確和深刻的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于其他能量轉(zhuǎn)化為電能問(wèn)題的分析，需要在電磁感應(yīng)的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)其維持感應(yīng)電流存在的過(guò)程進(jìn)行探索，當(dāng)導(dǎo)體還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定的情況下，借助外力所做的功和克服安培力所做的功都會(huì)消耗掉其中的一部分，經(jīng)過(guò)消耗之后，最終都會(huì)轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)生感應(yīng)電流的電能或者是轉(zhuǎn)化為熱量。另一部分用來(lái)增加導(dǎo)體做功的能，則會(huì)全部都轉(zhuǎn)化成電能。

3.電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題歸類整理

3.1解題思路分析

解決這類問(wèn)題首先可以從能量轉(zhuǎn)化開(kāi)始，也就是說(shuō)首先要分析能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系與做功問(wèn)的關(guān)系或者是分析能量轉(zhuǎn)化與守恒定律之間的關(guān)系，在分析這些能量轉(zhuǎn)化的時(shí)候，還要注意應(yīng)用能量守恒定律。大致的分析思路是這樣的：第一步，做好受力分析，并確定這些力做的什么功。第二步，分析哪些能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)化以及哪些功做出了能量轉(zhuǎn)化。最后一步，根據(jù)這能量轉(zhuǎn)化找到相應(yīng)的公式，從而進(jìn)行計(jì)算。一般的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律為其他形式的能通過(guò)做功來(lái)發(fā)生轉(zhuǎn)化，當(dāng)安培力做功為負(fù)功時(shí)，能量轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)電能通過(guò)電流做功時(shí)，這時(shí)候會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

3.2常見(jiàn)的解題方法分析

第1種方法是學(xué)生要知道在活動(dòng)中減少的能應(yīng)該等于電磁感應(yīng)活動(dòng)產(chǎn)生的能，就是Q=△E。第2種方法就是通過(guò)功與能量的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也就是說(shuō)克服安培力所做的功就是電磁感應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的能，就是Q=-W。第3種就是電流所做的功，Q=2IRt。

3.3常見(jiàn)的問(wèn)題分類

常見(jiàn)的問(wèn)題主要分為2大類。一種問(wèn)題是導(dǎo)體受外力的作用，所產(chǎn)生的能量問(wèn)題，通常想要解決這一類問(wèn)題一般都會(huì)使用焦耳定律。另外一種問(wèn)題是導(dǎo)體的自由運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，解決這一類問(wèn)題主要是通過(guò)分析能量的轉(zhuǎn)化，一般這種問(wèn)題會(huì)通過(guò)法拉第電磁感應(yīng)定律解決、電路電流的計(jì)算問(wèn)題，還需對(duì)能量守恒定律和做功有一定的認(rèn)識(shí)。

4.結(jié)論

電磁感應(yīng)這部分知識(shí)不僅是高考出題的熱點(diǎn)，同是也是學(xué)習(xí)過(guò)程中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此將電磁感應(yīng)能量問(wèn)題進(jìn)行歸類，有助于理清知識(shí)點(diǎn)，方便記憶。而這部分知識(shí)點(diǎn)可以考察理解、推理以及綜合分析能力，因此這部分知識(shí)往往會(huì)成為各種各樣考試中的重難點(diǎn)。通過(guò)本文的分析和整理希望可以幫助讀者更好地理解這部分內(nèi)容。