電磁感應中的能量轉化與守恒問題分析

摘 要：在高中物理學科中，電磁感應是比較難理解的內容，尤其是電磁感應中的能量轉換和能力守恒的問題，更是學生學習的難點，但是電磁學在高考中出現的概率比較高，并且電磁學在現實生活中應用的比較多，學生很難理解能量轉換與守恒的物理含義。本文就電磁感應中的能量轉化與守恒問題進行探析，旨在為人們提供一定的參考。

關鍵詞：電磁感應;能量守恒;能量轉換

1.電磁感應中能力轉化與守恒問題常見的誤區

（1）第一個就是很難理解多數電器在工作的時候是將電能轉化成其他形式的能，當儀器通電的時候，其實就是電能轉化成其他形式能的過程，就比如電燈在工作的時候就是將電能轉化成光能和熱能，電池充電過程也是電能轉化成化學能和熱能的過程，電動機工作過程是將電能轉化成機械能和熱能，學生很容易理解為在電磁場中感應電流做的功只是電能轉化成熱能的過程。

（2）一些學生在學習的過程中，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化為電能的值，對于不同性質的非靜電力做功對應著不同性質的能轉化為電能，因此在磁場和導體發生相對運動的電磁感應現象中，學生往往只注重機械能轉化為電能，但是對于機械能轉化為電能是通過導體克服安培力做功卻不重視[1]。

2.電磁感應中的能量轉化與守恒問題分析

在電磁感應相關的能量轉化和守恒題目中，一定要明確是什么力做功、與什么能實現能量轉化的關系[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化為電能，如果是安培力做正功，則是電能轉化為其他形式的能。

電磁感應中的能量轉化和守恒常常會涉及到功能關系、動力學原理、串并聯電路等，在處理這一類的電磁感應中的能量問題時，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化和守恒定理[3]。

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

（2）當導體棒僅克服安培力做功，則是將動能轉化為電能，電流流過電阻，是將電能轉化為焦耳熱。例如在圖1中，如果不施加外力F，而是給導線ab一個初速度v，設導線ab的質量為m，則導線ab只受到安培力作用，并在這個作用力的作用下做加速度減小的減速運動，直到最后速度變為0時則保持靜止狀況。導線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上產生焦耳熱，由能量轉化與守恒定律可得出，最后動能全部轉化為焦耳熱，而回路產生的電能的多少就是最后生成的焦耳熱。

（3）如果導體棒通過外力克服安培力做功做勻速運動，則在這個過程中是將其他形式的能轉化為動能和電能。例如在圖1中，施加一個恒定外力F，使導線ab從靜止出發加速，當速度達到v時保持做勻速運動，設ab的質量為m，那么導線ab則做加速度減少的加速運動，最后速度為v時保持勻速運動狀態。此時外力做的功減去導線克服安培力做的功就得到導線ab增加的動力勢能，而外力做的功又等于導線ab增加的動力勢能和回路產生的電能，而回路產生的電能又轉化為了焦耳熱。

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

結語：電磁感應中能量的轉化和守恒是高中物理教學的一個難點問題，教師一定要幫助學生正確理解電磁感應中能量的轉化和守恒定律，明白在電磁感應現象中是其他形式的能轉化為了電能。如果磁場本身沒有發生變化，則認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現能量轉化，如果磁場發生了變化磁場通過感應導體來對外輸出能量，此時外力對系統做的正功和系統消耗外界其他形式的能的值相等。

參考文獻

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

[2]戴儒京.電磁感應中能量轉化與守恒問題解析[J].中學物理教學參考，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;最高學歷：大學本科;職稱：中教一級;研究方向：高中物理教學;單位：江蘇省新沂市第一中學