感应电动势中的“非静电力”.doc

感应电动势中的“非静电力”摘 要：针对人教版普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2第四章第五节电磁感应规律的应用中两种感应电动势，即“感生电动势”和“动生电动势”中的“非静电力”进行了详细的探讨和分析。尤其是“动生电动势”中的“非静电力”，在教材中没有给出明确分析的情况下，作者利用学生已学过的知识和方法进行了细致入微地分析并配备了分析图形，对于完善同学们的知识结构、加强同学们对抽象物理概念的理解具有重要的作用，同时也可以作为教材的补充和延伸。关键词：高中；物理；电动势；非静电力在人教版高中物理选修教材3-1第二章恒定电流第二节电动势中，学生学习了电动势的内容，知道了电源是依靠非静电力做功，把其他形式的能转化为电势能的装置。不同的电源，非静电力的性质和做功的本领不同，所以导致不同电源电动势不同。通过选修教材3-2第四章电磁感应一章的学习，学生知道了产生电磁感应现象的根本原因是产生了感应电动势。感应电动势按照产生的原因可以分为两种：一种是电路不变，磁场强弱变化，闭合电路产生感应电动势，这种电动势叫感生电动势；另一种是导体运动切割磁感线产生电动势，这种电动势叫动生电动势。既然电动势是描述电源中非静电力做功的本领，那么究竟是什么力充当了感生和动生电动势中的“非静电力”呢？教材中关于两种电动势中的非静电力的解释，其中感生电动势的讲解引入了麦克斯韦的电磁场理论，对学生来说是非常抽象的。而动生电动势中的“非静电力”，教材中没有做透彻地分析，学生对什么力充当“非静电力”、能量是怎么转化的，感到模棱两可。一、感生电动势中的“非静电力”如图1所示闭合电路，电路不动，穿过线圈的磁场由弱变强，线圈中会出现感应电流，电路中出现了感应电动势。这种线圈不动，磁场变化产生的电动势叫感生电动势。那么，是什么力充当了感生电动势中的“非静电力”呢？我们知道，金属导体内有大量的可自由移动的粒子，我们称它们为“载流子”。当导体静止时，载流子只有无规则的热运动，它们所受的洛仑兹力在各方向上是杂乱的，不会形成载流子沿导线的定向运动。并且，静止的电荷在变化的磁场中也受到洛仑兹力的作用。因此，建立感生电动势的非静电力不可能是洛仑兹力。由于这种非静电场力对静止电荷也发生作用，因此它本质上是电场力。麦克斯韦感觉到感生电动势的现象预示着有关电磁场的新的效应，他在1861年提出如下假设：“变化的磁场在其周围空间激发一种新型的电场，称为感生电场或涡旋电场，这种电场的存在与空间有无导体无关。”变化的磁场在周围空间激发感生电场e，若有闭合导体回路存在，导体中的自由电子就会在感生电场的作用下作定向运动，产生感应电流；若导体不是闭合的，在导体两端会有电势差；若空间没有放置导体，该空间依然存在电场。如果此时有一电荷出现在该场中，它就会受到电场力的作用而改变运动状态。现代科学研究中常常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。这些充分证明了麦克斯韦理论的正确性，为教材3-4第十四章电磁波的学习打下了基础。二、动生电动势中的“非静电力”除了上述情形可以产生感应电动势外，如图2所示导体棒cd切割磁感线运动时也会产生感应电动势，这种情况产生的电动势叫动生电动势。这种情况下磁场没有变化，空间没有产生感生电场，那么是什么力充当了动生电动势中的“非静电力”呢？试分析导体棒cd的内部结构可以知道，导体棒中有大量可自由移动的电子，电子随棒cd一起以速度v（图中为v1）向右匀速运动，会受到洛伦兹力的作用，根据左手定则可以判断电子所受洛伦兹力方向由c指向d，因此会沿着棒向d运动，使d端带负电，c端带正电。那么，是不是就可以说是洛伦兹力充当了动生电动势中的“非静电力”了呢？仔细分析一下会发现这个说法是不对的。因为在物理选修3-12.3“电动势”一节中我们知道，在电源内部自由电荷通过非静电力做正功消耗其他形式的能转化为电能，而在物理选修3-24.5“磁场对运动电荷的力”一节中我们知道洛伦兹力总是和粒子运动速度方向垂直，是不会做功的。可见动生电动势中的非静电力不应该是洛伦兹力。那么，究竟是什么力呢？再进一步分析图可知，导体棒cd中的自由电子在随导体棒向右以速度v（记为v1）运动的时受到一个方向由c指向d洛伦兹力f1，所以自由电子同时还有沿着cd方向的一个速度记为v2，电子沿v2速度方向运动也受到一个洛伦兹力记为f2，方向如图。实际上导体棒中自由电子的速度方向沿v1和v2合速度的方向（记为v合）。两个洛伦兹力f1、 f2的合力f洛即为电子运动时所受的洛伦兹力。该洛伦兹力f洛和实际速度v（合速度）垂直，洛伦兹力不做功，和我们学过的“洛伦兹力不做功”的理论并不矛盾。所以，在动生电动势中，应该是洛伦兹力沿着导体棒方向的分力充当了动生电动势中的“非静电力”。关于这一点，教材中并没有作出详细的分析和说明，只是用一句“一段导线在做切割磁感线的运动时相当于一个电源，通过上面的分析可以看到，这时的非静电力与洛伦兹力有关”笼统的概括，但是可以看出教材中的语言措辞还是非常谨慎和得体的，留给我们探究的思维空间。感生电动势与动生电动势的提出涉及电磁感应的本质问题，比较抽象。教科书对感生电动势中的“非静电力”进行了详细地分析，为后面电磁波的学习埋下伏笔。但是对于动生电动势中的“非静电力”问题，教材并没有交代清楚。有关电动势、电源中的非静电力、电磁感应现象、动生电动势、感生电动势、洛伦兹力等概念本身就非常抽象难懂。有关动生电动势中的“非静电力”的理解有一定难度，所以教材没做过多要求。教科书对电动势的概念做了较为深入地分析，该问题的讨论为进一步延续整套教科书关于“通过做功研究能量”的思想。所以，教学的着眼点应该放在感生电场和洛伦兹力的问