一:电能的本质
电能包含电场能量和磁场能量,具体来说就是,动能+势能+磁场能,不过动能较小,磁场能在高中阶段通常不考虑,主要还是电势能.
二:安培力与洛伦兹力
安培力是洛伦兹力的宏观表现,当导体静止时,其所受安培力等于所有自由电子受到的洛仑兹力的合力。当导体不平行于磁场方向运动时,其所受安培力不等于所有自由电子受到的洛仑兹力的合力,而等于金属中所有自由电子和金属离子受到洛仑兹力的合力,或等于所有自由电子受到的与定向移动速度对应的洛伦兹力的合力。
三:安培力做功本质
1.安培力是洛伦兹力的宏观表现,在导线静止的情况下,安培力就是每个电荷受到的洛伦兹力的合力,非静止情况下,安培力是所有电荷受到的洛伦兹力垂直于导体棒方向分力的合力(Fᴀ=qv₁B,n为参与电荷的总数目).洛伦兹力或分力充当非静电力。
2.安培力做功就是垂直于导体棒方向上的总洛伦兹力分力做功.
3.洛伦兹力是不做功的,因此若安培力做正功,则洛伦兹力的另一个分力必定做负功,且正负抵消;若安培力做负功,则洛伦兹力的另一个分力必定做正功,且正负相互抵消.
4.洛伦兹力一个分力做正功,另一个分力做等量负功,总的不做功,洛伦兹力起着转换和传递能量的作用.
四:安培力做功和电能变化关系
以磁场为参考系,磁场不发生变化,导体做棒切割磁感线运动,发生动生电动势时,安培力的功等于电能的变化;而发生感生情况下,安培力的功不等于电能的变化.
电磁感应现象中总是伴随着能量的转化与守恒,外力克服安培力做多少功,就有多少其他形式能转化为电能;安培力做多少正功,就有多少电能转化为其他形式能。
五:焦耳热
在纯电阻电路中,电能转化为电阻内能,即焦耳热。
六:技巧
对切割磁感线的导体棒应用动能定理。
例题:如图所示,
下端封闭、上端开口、高h=5m内壁光滑的细玻璃管竖直放置,管底有质量m=10g,电荷量的绝对值lql=0.2C的小球,整个装置以v=5m/s的速度沿垂直于磁场方向进入磁感应强度B=0.2T,方向垂直纸面向内的匀强磁场,由于外力的作用,玻璃管在磁场中的速度保持不变,最终小球从上端管口飞出.g取10m/s².下列说法中正确的是(BD)
A.小球带负电
B.小球在竖直方向做匀加速直线运动
C.小球在玻璃管中的运动时间小于1s
D.小球机械能的增加量为1J
例1、如图所示,
质量为m、高为h的矩形导线框在竖直面内自由下落,其上下两边始终保持水平,途中恰好匀速穿过一有理想边界、高亦为h的匀强磁场区域,线框在此过程中产生的内能为(В)
C.大于mgh而小于2mgh
D.大于2mgh
☞应用动能定理
例题:如图所示,
长L₁宽L₂的矩形线圈电阻为R,处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘,线圈与磁感线垂直.将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场,则(AD)
例题:如图所示,
用粗细相同的铜丝做成边长分别为L和2L的两只闭合线框a和b,以相同的速度从磁感应强度为B的匀强磁场区域中匀速地拉到磁场外,不考虑线框的动能变化,若外力对环做的功分别为Wa、Wb,则Wa:Wb为(A)
:4
:2
:1
D.不能确定
☞P=I²R
例题:如图所示,
在光滑水平面上方,有两个磁感应强度大小均为B、方向相反的水平匀强磁场,如图所示,PQ为两个磁场的边界,磁场范围足够大。一个边长为d,质量为m,电阻为R的正方形金属线框垂直磁场方向,以速度v从图示位置向右运动,当线框中心线AB运动到PQ重合时,线框的速度为v/2,则(C)
A.此时线框中的电功率为4B²d²v²/R
B.此时线框的加速度为4B²d²v/(mR)
C.此过程通过线框截面的电量为Bd²/R
D.此过程回路产生的电能为0.75mv²
例题:(2021湖南卷)两个完全相同的正方形匀质金属框,边长为L,通过长为L的绝缘轻质杆相连,构成如图所示的组合体。
距离组合体下底边H处有一方向水平、垂直纸面向里的匀强磁场。磁场区域上下边界水平,高度为L,左右宽度足够大。把该组合体在垂直磁场的平面内以初速度v水平无旋转抛出,设置合适的磁感应强度大小B使其匀速通过磁场,不计空气阻力。下列说法正确的是(CD)
与v₀无关,与√H成反比
B.通过磁场的过程中,金属框中电流的大小和方向保持不变
C.通过磁场的过程中,组合体克服安培力做功的功率与重力做功的功率相等
D.调节H、v₀和B,只要组合体仍能匀速通过磁场,则其通过磁场的过程中产生的热量不变
例题:如图所示,
一质量m=0.5kg的“日"字形匀质导线框"abdfeca"静止在倾角α=37°的粗糙斜面上,线框各段长ab=cd=ef=ac=bd=ce=df=L=0.5m,ef与斜面底边重合,线框与斜面间的动摩擦因数μ=0.25,ab、cd、ef三段的阻值相等、均为R=1Ω,其余部分电阻不计。斜面所在空间存在一有界矩形匀强磁场区域GIJH,其宽度GI=HJ=L,长度IJ>L,IJ∥ef,磁场垂直斜面向上,磁感应强度B=1T。现用一大小F=5N、方向沿斜面向上且垂直于ab的恒力作用在ab中点,使线框沿斜面向上运动,ab进入磁场时线框恰好做匀速运动。若不计导线粗细,重力加速度g=10m/s²,sin37°=0.6,cos37°=0.8。则(ABD)
进入磁场前线框运动的加速度大小a=2m/s²
进入磁场后到ef出磁场过程,线框均做匀速直线运动
在磁场中运动时,外力克服安培力做功的功率P=12W
D.线框从开始运动到ef恰好穿出磁场的过程中,线框中产生的焦耳热与外力F做功的比值Q:W=1:35
例题:【磁场运动】如图所示,
两条相距d的平行金属导轨位于同一水平面内,其右端接一阻值为R的电阻。质量为m的金属杆静置在导轨上,其左侧的矩形匀强磁场区域MNPQ的磁感应强度大小为B、方向竖直向下。当该磁场区域以速度v₀匀速地向右扫过金属杆后,金属杆的速度变为v。导轨和金属杆的电阻不计,导轨光滑且足够长,杆在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触。求:
(1)MN刚扫过金属杆时,杆中感应电流的大小I;
(2)MN刚扫过金属杆时,杆的加速度大小a;
(3)PQ刚要离开金属杆时,感应电流的功率P。
例题:【内能分配】一边长为L、质量为m的正方形金属细框,每边电阻为R₀,置于光滑的绝缘水平桌面(纸面)上。宽度为2L的区域内存在方向垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度大小为B,两虚线为磁场边界,在桌面上固定两条光滑长直金属导轨,导轨与磁场边界垂直,左端连接电阻R₁=2R₀,导轨电阻可忽略,金属框置于导轨上,如图所示。
让金属框以初速度v₀=B²L³/mR₀进入磁场。运动过程中金属框的上、下边框处处与导轨始终接触良好。下列说法正确的是(BD)
A.金属框进入磁场过程中电路的总电阻为11R₀/3
B.金属框进人磁场的末速度为2B²L³/5mR₀
C.金属框能穿越磁场
D.在金属框整个运动过程中,电阻R₁产生的热量为3B⁴L⁶/25mR₀²