安培力做功与能量转化
安培力做功
安培力做功情况一：有两种，通电后ab不运动，另一种是是ab运动。
在图1所示的装置中，平行金属导轨MN和PQ位于同一平面内、相距L，导轨左端接有电源E，另一导体棒ab垂直搁在两根金属导轨上，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中，磁感强度为B．若闭合开关S，导体棒ab将在安培力作用下由静止开始沿金属导轨向右加速运动，导体棒开始运动后，导体棒两端会产生感应电动势，随着导体棒速度逐渐增大，感应电动势也逐渐增大，从而使导体棒中的电流逐渐减小，导体棒所受的安培力也逐渐减小，若不考虑导体棒运动过程中所受的阻力，这一过程一直持续到导体棒中的电流减为零，即安培力也减为零时，导体棒的速度达到某一恒定的最大值v，此后导体棒将以速度v向右运动（设导轨足够长）．导体棒由静止开始加速，直到速度达到最大的过程中，无疑安培力对导体棒做了功，电能转化为机械能．这是一个“电动机”模型．对于这一过程，许多学生常常会发问：电流是大量电荷定向移动形成的，安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力的方向始终垂直于电荷的运动方向，所以洛伦兹力是不做功的，为什么安培力会做功呢？为回答这一疑问，我们先讨论两个问题：第一，安培力是洛伦兹力的宏观表现，但是不是意味着安培力等于大量运动电荷所受洛伦兹力的合力？第二，从宏观上看，安培力对电流做了功，那么从微观角度看，对运动电荷做功的究竟是什么力？为讨论方便起见，假设导体棒中定向移动的自由电荷为正电荷，并设每个电荷的带电量为q，并忽略自由电荷的热运动以及导体电阻的影响．则可认为导体棒中所有自由电荷均以同一速度u做定向移动，定向移动的方向就是电流方向设导体中的电流强度为I，则电流强度I与电荷定向移动速度u之间的关系为I=nSqu，式中S为导体棒的横截面积，n为导体棒单位体积内的自由电荷数，导体所受安培力大小为F安=BIL=BnSquL，在导体棒静止的情况下，每个自由电荷的运动速度都等于自由电荷定向移动的速度u，每个自由电荷受到的洛伦兹力为f=quB．导体棒内自由电荷的总数N为N= nLS．这些自由电荷所受洛伦兹力的合力为f合= Nf =nLSquB，故得F安=f．并且都不做功。
物理安培力及与安培力有关的力学问题
物理安培力及与安培力有关的力学问题1．安培力的方向根据左手定则判断。
2．安培力公式F＝BIL的应用条件(1)B与L垂直。
(2)L是有效长度。
如弯曲通电导线的有效长度L等于连接两端点的直线的长度，相应的电流方向沿两端点连线由始端流向末端，如图所示3.安培力做功的特点和实质(1)安培力做功与路径有关，不像重力、电场力做功与路径无关．(2)安培力做功的实质：起能量转化的作用．①安培力做正功：是将电源的能量传递给通电导线后转化为导线的动能或转化为其他形式的能．②安培力做负功：是将其他形式的能转化为电能后储存起来或转化为其他形式的能．例题与练习1．如图，一导体棒ab静止在U形铁芯的两臂之间。
电键闭合后导体棒受到的安培力方向( )A．向上 B．向下 C．向左D．向右解析本题考查电流的磁效应、安培力及左手定则。
根据图中的电流方向，由安培定则知U形铁芯下端为N极，上端为S极，ab中的电流方向由a―→b，由左手定则可知导体棒受到的安培力方向向右，选项D正确。
答案 D2．(多选)某同学自制的简易电动机示意图如图所示。
矩形线圈由一根漆包线绕制而成，漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出，并作为线圈的转轴。
将线圈架在两个金属支架之间，线圈平面位于竖直面内，永磁铁置于线圈下方。
为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来，该同学应将( )A．左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉B．左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉C．左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉D．左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉解析若将左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉，这样当线圈在图示位置时，线圈的上下边受到水平方向的安培力而转动，转过一周后再次受到同样的安培力而使其连续转动，选项A正确；若将左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉，则当线圈在图示位置时，线圈的上下边受到安培力而转动，转过半周后再次受到相反方向的安培力而使其停止转动，选项B错误；左转轴上侧的绝缘漆刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉，电路不能接通，故不能转起来，选项C错误；若将左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉，右转轴下侧的绝缘漆刮掉，这样当线圈在图示位置时，线圈的上下边受到安培力而转动，转过半周后电路不导通，转过一周后再次受到同样的安培力而使其连续转动，选项D正确。
例析安培力做功的三种情况
例析安培力做功的三种情况周志文 （湖北省罗田县第一中学 438600）安培力做功的问题是学生在学习《电磁感应》这一章当中感觉到最难的知识点，因为同学往往弄不清安培力做功、焦耳热、机械能、电能之间的转化关系，但它又是高考命题的热点题型。
因此本文通过建立物理模型，分析安培力做功的本质，用实例来帮助学生理解安培力做功的三种情况，希望对同学们有所帮助。
一、安培力做正功1．模型：如图，光滑水平导轨电阻不计，左端接有电源，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒mn 的电阻为R ，放在导轨上开关S 闭合后，金属棒将向右运动。
安培力做功情况：金属棒mn 所受安培力是变力，安培力做正功，由动能定理有k E ∆＝安W ①①式表明，安培力做功的结果引起金属棒mn 的机械能增加能量转化情况：对金属棒mn 、导轨、和电源组成的系统，电源的电能转化为金属棒的动能和内能，由能量的转化和守恒定律有：Q E k ＋＝电∆E ②由①②两式得：Q E W －＝电安 ③③式表明，计算安培力做功还可以通过能量转化的方法。
2.安培力做正功的实质如图所示，我们取导体中的一个电子进行分析，电子形成电流的速度为u ，在该速度下，电子受到洛仑兹力大小euB F u =，方向与u 垂直，水平向左；导体在安培力作用下向左运动，电子随导体一同运动而具有速度v ，电子又受到一个洛仑兹力作用evB F v =，方向与v 垂直，竖直向上。
其中u F 是形成宏观安培力的微观洛仑力。
这两个洛仑兹力均与其速度方向垂直，所以，它们均不做功。
但另一方面，v F 与电场力F 方向相反，电场力在电流流动过程中对电子做了正功，v F 在客观上克服了电场力F 做了负功，阻碍了电子的运动，把电场能转化为电子的能量，再通过u F 的作用，把该能量以做功的形式转化为机械能。
所以v F 做了负功，u F 做了正功，但总的洛仑功做总功为零。
因此，安培力做功的实质是电场力做功，再通过洛仑兹力为中介，转化为机械能。
安培力做功及其引起的能量转化
安培力做功及其引起的能量转化
在物理学中，安培力是指由电流产生的磁场对电流周围的导体的作用力。
当电
流通过导体时，电子会在导体内移动，形成电子流，产生磁场，然后由磁场作用于电子流，产生安培力。
安培力有着广泛的应用，其中之一就是在电动机中产生的功。
电动机是一种将
电能转化为机械能的设备，其原理是利用安培力产生的转矩驱动机械转动。
当电源接通电动机时，电流通过绕组，产生磁场并产生安培力，使转子产生转矩，从而转动机械部件实现功的输出。
在电路中，安培力也可以引起能量的转化。
我们都知道，电路中流动的电流会
产生热量，即焦耳热。
而当电流通过一个电阻时，就会产生安培力，导致电子流动，热量的产生。
这种热量是一种能量形式，实际上是电能转化为热能的过程。
此外，电路中还存在着电压、电阻等因素，它们相互作用也会引起电能、热能、机械能等能量形式的转化。
需要注意的是，电能转化为其他形式的能量时，不会产生任何能量损失。
即使
在复杂的能量转化过程中，总能量守恒原则也不会受到影响。
因此，我们可以通过适当地转化和利用能量，满足不同需求。
总之，安培力在电路中起着至关重要的作用，它引起的能量转化也推动了许多
工业和科学技术的发展。
我们应该进一步研究其机理，不断改进应用，为人类的发展做出更大贡献。
物理探析安培力做功与反电动势的物理本源
高中物理必修一主要学习力的基础，必修二主要学习动能定理与能量的转化，通过学习这两册书学生能为后续的物理学习打下坚实的基础。
高中物理最核心的知识就是力与能量，教师应引导学生追寻本源问题的物理之美，运用力与能量的观念剖析物理问题，探索物理本质。
本文通过两个例题剖析有关安培力做功实现能量转化的问题，其中例1着重理论分析，例2侧重实际应用。
一、电磁驱动类问题——直击安培力做功［例1］一质量为m=0.5kg、直角边边长a=2m、总电阻R=0.5Ω的等腰直角三角形刚性线框静止放置在绝缘光滑水平面上。
方向垂直水平面向下、大小B=0.5T、宽度d=0.5m的有理想边界PQ和MN的匀强磁场，在外力作用下，以v0=2m/s匀速向右运动。
t=0时，三角形线框相对磁场的位置如图1所示。
不计导线框中产生的感应电流对原磁场的影响。
（1）若线框固定不动，求CD边恰好进入磁场前，外力所做的功W F；（2）若线框可以在光滑水平面上运动，求CD边恰好进入磁场之前，外力所做的功W'F。
情境分析：若线框固定不动，线框相对磁场向左匀速切割，并且切割的有效长度不变，磁场在恒定安培力作用下做匀速直线运动。
若线框可以在光滑水平面上运动，那么线框在磁场的驱动下，也跟着磁场向右运动，在相对运动的过程中产生感应电流。
在这个过程中，安培力对线框做正功，而对磁场做负功，这些功到底能实现怎样的能量转化呢？解题过程如下。
解析：（1）线框的CD边进入磁场前，因为磁场匀速运动，所以线框的有效切割长度不变，电流不变，系统所受的外力与安培力平衡。
线框的有效切割长度为：L=2d tan45°=1m线框所受的安培力为：F安=BIL=B2L2v0R=1N外力所做的功为：W F=F)-0.5=0.5J（2）在磁场的驱动下，线框也向右运动，安培力对线框做正功，而反作用于磁场的安培力对磁场做负功，安培力做的总功是多少？还有外力做功到底实现了什么能量转化呢？下面就从不同的侧面来探讨这些问题。
安培力做功如何解能量转化须弄清
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安培力做功如何解能量转化须弄清
作者：沈阳
来源：《理科考试研究·高中》2016年第05期
电磁现象中，如果安培力做了功，则闭合电路（或通电导体）与磁场之间一定发生了相对运动，使电能与机械能发生相互转化，这就是说，安培力做功与电能及机械能的转化有对应的关系.
一、安培力做功的实质
大家都知道，导体在磁场中受到的安培力，实际上是导体内各定向运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，因此安培力对运动导体做的功也就与洛伦兹力对电荷的作用有关.安培力对导体做功（正功或负功）的过程，也就是导体内定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力参与能量转化的过程，这时导体内的自由电荷所受的洛伦兹力一定与导体不垂直（但始终与电荷运动速度垂直），且安培力所做的功就等于导体内所有定向移动电荷受到的洛伦兹力在垂直导体方向上的分力所做功的总和.
二、安培力做功时的能量转化规律
安培力做功时，导体内运动电荷所受的洛伦兹力参与了能量转化.洛伦兹力在平行导体方向上的分力1驱动（或阻碍）电荷的定向移动，垂直导体的另一分力的宏观效果则阻碍（或驱动）整个导体运动.所以安培力做功的过程，实质上是电能与机械能发生相互转化的过程，安培力对导体做正功，电能转化为机械能；安培力对导体做负功，机械能转化为电能.并且电能的变化量总等于安培力所做的功.。
电磁感应中的能量转化
例7．如图所示，在磁感强度为B的匀强磁场中，
有半径为r的光滑半圆形导体框架，OC为一能
绕O在框架上滑动的导体棒，OC之间连一个电
阻R，导体框架与导体棒的电阻均不计，若要使
OC能以角速度ω匀速转动，则外力做功的功率
是( C )
A. B2 ω2 r4 ／R B. B2 ω2 r4 ／2R
ω c
C. B2 ω2 r4 ／4R D. B2 ω2 r4 ／8R
穿出时做功 W2= W1 ∴ W=2B2a2 d v/R
a
B
l
d
• 例４如图所示，电动机牵引一根原来静止的长L为1 m、质量m 为0.1 kg的导体棒MN，其电阻R为1 Ω．导体棒架在处于磁感应 强度B为1 T、竖直放置的框架上，当导体棒上升h为3.8 m时获 得稳定的速度，导体产生的热量为2 J．电动机牵引棒时，电压 表、电流表的读数分别为7 V、1 A．电动机内阻r为1 Ω，不计 框架电阻及一切摩擦，g取10 m/s2，求：
4.导体在达到稳定状态之前，外力移动导体所做的功，一部分 用于克服安培力做功，转化为产生感应电流的电能或最后转化 为焦耳热.，另一部分用于增加导体的动能。
5.导体在达到稳定状态之后，外力移动导体所做的功，全部用 于克服安培力做功，转化为产生感应电流的电能并最后转化为 焦耳热.
6.用能量转化和守恒的观点解决电磁感应问题,只需要从全过 程考虑,不涉及电流产生过程的具体的细节,可以使计算方便,解 题简便.
1 2
mvm2
Q
代入数据可得： t＝1 s
例5 用同种材料粗细均匀的电阻丝做成ab 、cd 、ef 三 根导线，ef较长，分别放在电阻可忽略的光滑平行导轨 上，如图，磁场是均匀的，用外力使导线水平向右做匀
安培力做功与能量转化
安培力做功与能量转化1.如图所示，两足够长的光滑平行金属导轨水平放置，处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B ，导轨左端接有电动势为E ，内阻不计的直流电源和定值电阻R ，导轨宽度为L ，一导体杆ab 垂直跨放在导轨上，且与导轨电接触良好，不计导轨和导体杆的电阻，试分析在这种情况下，安培力做功的效果，并说明导体杆ab 的最终运动状态。
分析：假设某时刻导体杆ab 的速度为v的电流为I ，由闭合电路欧姆定律有：I RE E =-反变形得：IR E E +=反两边同乘以电流I 有： EI −I 2R =E 反I =P 又有： E 反I =BLVI =BILV =F 安V =P 安在此电流克服反电动势做功等于安培力做的功，也等于物体所获得的机械能。
看来电流克服反电动势做功实现了电能向机械能的转化，电动机就是根据这个原理来工作的。
因为只要电路中有电流，导体杆ab 就会受到向右的安培力作用，导体杆就会向右加速运动，而导体杆运动的越快，反电动势就越大，这样又使回路中的电流越来越小。
因此最终状态必然是电路中的电流为0，导体杆以某以速度作匀速直线运动。
由以上思考可得：E−E 反R=IE 反=BLV 当 I =0时 V 最大 故 V m =E BL以后导体杆就以这一速度作匀速直线运动。
2.如图所示，两足够长的光滑平行金属导轨水平放置，处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B，导轨左端接有电阻R，导轨宽度为L，一导体杆ab垂直跨放在导轨上且与导轨电接触良好，不计导轨和导体杆的电阻。
今在导体杆上作用一向右水平拉力F，试分析在这种情况下安培力做功的效果，并说明导体杆最终的运动状态。
分析：假设某时刻导体杆ab的速度为v，回路中的电流为I，由闭合电路欧姆定律有：I=BLVRF安=BIL=B2L2VRP安=F安V=B2L2V2R而 P电=I2R=B2L2V2R可见， P安=P电这就是说在电磁感应现象中，外力克服安培力做的功等于电路中所获得的电能，看来，外力克服安培力做功实现了机械能向电能的转化，发电机就是根据这个原理来工作的。
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1 安培力做功与能量转化
1.如图所示，两足够长的光滑平行金属导轨水平放置，处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B ，导轨左端接有电动势为E ，内阻不计的直流电源和定值电阻R ，导轨宽度为L ，一导体杆ab 垂直跨放在导轨上，且与导轨电接触良好，不计导轨和导体杆的电阻，试分析在这种情况下，安培力做功的效果，并说明导体杆ab 的最终运动状态。
分析：假设某时刻导体杆ab 的速度为v ，回路中的电流为I ，
由闭合电路欧姆定律有：
I R E E =-反
变形得：IR E E +=反 两边同乘以电流I 又有：R I E E 2I I +=反
在此电流克服反电动势做功等于安培力做的功，也等于物体所获得的机械能。
看来电流克服反电动势做功实现了电能向机械能的转化，电动机就是根据这个原理来工作的。
因为只要电路中有电流，导体杆ab 就会受到向右的安培力作用，导体杆就会向右加速运动，而导体杆运动的越快，反电动势就越大，这样又使回路中的电流越来越小。
因此最终状态必然是电路中的电流为0，导体杆以某以速度作匀速直线运动。
由此可得： 当杆的V 最大，故以后导体杆就以这一速度作匀速直线运动。
2.如图所示，两足够长的光滑平行金属导轨水平放置，处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B ，导轨左端接有电阻R ，导轨宽度为L ，一导体杆ab 垂直跨放在导轨上且与导轨电接触良好，不计导轨和导体杆的电阻。
今在导体杆上作用一向右水平拉力F ，试分析在这种情况下安培力做功的效果，并说明导体杆最终的运动状态。
分析：假设某时刻导体杆ab 的速度为v ，
回路中的电流为I ，由闭合电路欧姆定律有：
因而可见，
这就是说在电磁感应现象中，外力克服安培力做的功等于电路中所获得的电能，看来，外力克服安培力做功实现了机械能向电能的转化，发电机就是根据这个原理来工作的。
若力F 为恒力，只要导体杆ab 是加速运动的，回路中就有逐渐增大的电流，ab 杆所受的安培力就会逐渐增大，根据牛顿第二定律，可知，ab 杆的加速度就会逐渐减小，当a=0时速度V 最大， 以后杆ab 就以这个速度作匀速直线运动。