微视角看发电机和电动机模型的能量转换原理.docx

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1、微视角看发电机和电动机模型的能量转换原理摘要：发电机的电动势产生与洛伦兹力有关，大小等于洛伦兹力沿着导体棒的分力对堆位电荷做功。洛伦兹力与安培力本质上都是磁场力，安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力是安培力的微观本质，两者不能完全割裂，特别在涉及电动机和发电机中能量转换问题。洛伦兹力在沿导体棒的分力做功和垂直导体棒分力做功大小相等，一个正功，一个负功，虽然总功为零，而这一对洛伦兹的分力做功实现了能用在机械能和电能间的转递。关键词：电动势，安培力，洛伦兹的分力做功，功能关系引言：本文写作有感于2017年北京高考的物理第24题，该题要求考生从微观角度去解择发电机和电动机的原理.作为中学物理教师要

2、想在这一问侬的教学中取得突破，需结合学生已有知识，如洛伦兹力、做功与能量转换关系，把一些比较宠统的概念和关系梳理清楚。研究对象选取，物理模型的建立是解决问题的关道，此外物理思想方法中做元法的应用可实现匆杂问题简化.本文将从电磁场的角度解释发电机和电动机的工作机理.一、发电机1 .电动势的产生首先建立发电机模型，做切割磁感线的导体棒ab就是一台最简易的发电机：然后确定研究对象，以导体棒中自由电荷为研究对象。自由电荷的运动情况比较复杂,自由电荷在导体内做无规则热运动，这一运动具有各向同性的特点，因而其在磁场中受力统计结果影响可忽略，同理也可忽略自由电荷和原子的碰撞的影响.电荷的运动和受力可以简化成

3、：只当自由电荷存在盛体的定向移动时，才考虑磁场对定向移动电荷的作用力。现使导体棒做垂直棒且垂直于匀强磁场B的运动，速度为V,自由电荷伴随1/2棒一起匀速运动。为了方便，可以认为导体棒中的自由电荷是正电荷。因而磁场对电荷施加一个作用1（洛伦兹f=qvB力），力方向垂直于V,即为沿棒方向。在1作用下电荷沿导体f棒做定向移动，导体棒上端出现过剩的正电荷,下端出现过痫的负电荷，因此导体棒中出现由上端指向下端的电场。当作用在自由电荷上的电场力与1相平衡时，自由电荷停止定向移动，导体棒两端f产生稳定的电势差，即为导体棒两端产生的感应电动势，此时运动的导体棒相当于电源。由法拉第电磁感应定律可推导得感应电动势

4、大小为现从微观角度推导感应电动势大小，过程如卜丁类比电源电动势，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置，使电荷发生定向移动的力1即为电源的非静电力，电动势在数值上f=qvB等于非除电力把IC的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功，W非即有电动势定义式:E=q非静电力做功：t=I1.-,I这一结果和法拉第电磁感应定律推导的结果一致，虽然出发点不同，但最终都能获得相同的结果，这也进步验证了法拉第电磁感应定律的正确性。2 .安培力与洛伦兹关系使运动的导体棒与外部电路构成闭合回路，如串联个负载电Rh在感应电动势作用下，回路有了持续电流，棒中电荷在磁场的作用力I和f=qvB电场力共同作

5、用卜.定向移动，设电荷沿棒做速率为u,因而磁场对沿棒运动的自由电荷又施加另一个磁场力2（洛f=quB伦兹力），方向与棒运动方向相反。导体棒内所有电荷受到磁场施加垂直捧力合力为多少？卜面进行该力的合力求解：设棒中自由电荷总数为11.则棒中所有自由电荷受到的磁场作用的合力：时间t为自由电荷通过长为1.棒的时间，则有因而合力即合力F即为通电导体棒在匀强磁场中受到的安培力，2由此我可以知安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力则为安培力的微观本质。3,洛伦兹力做功与否安培力方向与棒的运动方向在同一直线上，因而安培力做功,初学洛伦兹力时,我们知道洛伦兹力方向总是垂直于运动方向，因而洛伦兹力不做功。在电磁感

6、应中的总的洛伦兹力同样也是不做功，这里将从两个角度来说明这一点。方法：从洛伦兹力方向与自由电荷运动方向关系分析洛伦兹力做功与否。设U和V的介速度为VU和V夹角为,则设分洛伦兹力/和/的合洛伦兹力为力/和/夹角为B，由几何关系可得介，令，由此可证此过程中洛伦兹力同样不做功.方法二：分析f和f做功所以有W+W=O,即合洛伦兹力对自由电荷做功为零。4.安培力做功、洛伦兹力做功与能量转换关系力是物体与物体间的相互作用,力做功实现能量从种物体转移到另物体，或从一种形式转换成另一种形式，这是毋精置疑。对安培力做功与能量转化关系有人是这样认为的：安培力是磁场对电流的作用，则安培力做功是磁场能与3/2电能转换

7、的量度，认为电能是由踩场能转换而来。这似乎有定道理，但事实并非如此，生.产生活中的各种发电机方式，如水利发电是将水的机械能转换化为电能,火力发电是将化学燃烧产生的内能转化成电能.那么认为安培力做功实现磁场能与电能转换，是因为忽略了什么，才造成这样错误的认识呢？安培力是磁场对电流的作用，其仅是磁场对运动电荷的洛伦兹力在垂直于棒分力的宏观表现。这部分洛伦兹力做负功，另一个沿棒洛伦兹力做正功，而总功为零。即磁场对运动电荷所做总功为零，因而磁场并没仃与电能发生转化。安培力方向与导体棒运动方向相反，要维持其匀速运动则必须有一个外力与安培力相平衡，这个维持导体棒匀速运动外力做正功，实质上电能增加是外力做功

8、的结果。二、电动机I.电动机中的功能转换电动机模型与发电机模型结构相似，通电导体棒在安培力作用下向右运动，并通过绳和滑轮提升重物对外做功。运动的导体棒同样会因为切割磁感线产生感应电动势.而这感应电动势与电源电动势方向相反，因而称他为反电动势，由法拉第电磁想应定律可得。电机消耗的电能一部分因回路电阻的存在而转化为焦耳热，这部分的电能转化大家比较熟悉：另一部分通过电机对外做功转化为机械能，那么这部分的电能如何转化成机械能的呢？接卜.来针对这一问题进行探讨：由闭合电路欧姆定律有，由能量守恒定律得总=热+机：由此可知电机对外做功消耗电能是通过反电动势实现能量转化。以上观点是从宏观角度分析得到,要想细致

9、到从力做功实现能量转化则需从微观房面分析:外加电压使自由电荷沿导体棒定向移动，设电荷移动速度为U，因而有磁场力（洛伦兹力），方向与棒垂直，宏观表现为安培力，促使棒运动.设稔定时标的速度为V,自由电荷伴随棒运动一起运动，因而又有另一分量的磁场力1（洛伦兹力）对自由电荷做负功，阳碍自由电荷定向移动，电场力要克服f做功。以一个自由电荷为研尢对象，/的功率若棒中自由电荷总量为N,总电荷量Q=Nq棒中所有电荷的总功率1砂由此可知，f做负功，阻碍自由电荷定向移动，宏观表现为“反电动势”消1耗电源的电能。2做正功，宏观上表现为安培力做正功，使机械能增加。洛伦兹力总体仍不做功，但通过两个分洛伦兹力做功起到“转

10、递能量作用。三、小结1、发电机电动势的非静电力实为洛伦兹力沿导体的分力，而洛伦兹垂直与棒分力在宏观上表现为安培力。2、安培力做功而洛伦兹力不做功，发电机电能产生.实质是外力做功的结果。3、两个分洛伦兹力总功为零，但正是这两个力做功实现了电能和其他形式能量的转递。参考文献1根爱琴.发电机和电动机模型中的能用转化微观原理团.湖南中学物理（9）：3.2胡五生,李小平.电动机和发电机中安培力做功及其微观分析J高师理科学刊,2008.28(6)：63-66.3李小平.安培力做功与电磁感应现象中的能量，专换U1.中学物理，2009.00(003)：29-32.胡友秋：电磁学与电动力学(上册)M.科学出版社2009年版,第189页。