电磁感应中的能量转化与守恒问题分析

摘 要：在高中物理学科中，电磁感应是比较难理解的内容，尤其是电磁感应中的能量转换和能力守恒的问题，更是学生学习的难点，但是电磁学在高考中出现的概率比较高，并且电磁学在现实生活中应用的比较多，学生很难理解能量转换与守恒的物理含义。本文就电磁感应中的能量转化与守恒问题进行探析，旨在为人们提供一定的参考。

关键词：电磁感应;能量守恒;能量转换

1.电磁感应中能力转化与守恒问题常见的误区

（1）第一个就是很难理解多数电器在工作的时候是将电能转化成其他形式的能，当仪器通电的时候，其实就是电能转化成其他形式能的过程，就比如电灯在工作的时候就是将电能转化成光能和热能，电池充电过程也是电能转化成化学能和热能的过程，电动机工作过程是将电能转化成机械能和热能，学生很容易理解为在电磁场中感应电流做的功只是电能转化成热能的过程。

（2）一些学生在学习的过程中，不理解是通过非静电力做功来度量电源将其他形式的能转化为电能的值，对于不同性质的非静电力做功对应着不同性质的能转化为电能，因此在磁场和导体发生相对运动的电磁感应现象中，学生往往只注重机械能转化为电能，但是对于机械能转化为电能是通过导体克服安培力做功却不重视[1]。

2.电磁感应中的能量转化与守恒问题分析

在电磁感应相关的能量转化和守恒题目中，一定要明确是什么力做功、与什么能实现能量转化的关系[2]。常见的一般为合力做功=动能的改变;安培力做功=电能的改变，其中如果是克服安培力做功，那么是其他形式的能转化为电能，如果是安培力做正功，则是电能转化为其他形式的能。

电磁感应中的能量转化和守恒常常会涉及到功能关系、动力学原理、串并联电路等，在处理这一类的电磁感应中的能量问题时，一定要找出电能的来源和去向，电能的来源和去向要符合能量转化和守恒定理[3]。

（1）当导体棒通过外力克服安培力做功而做匀速运动时，是将其他形式的能转化为电能;电流流过电阻时，把电能转化为焦耳热。如下图1所示，在一个磁感应强度为B的匀强磁场中，运动导线ab的长为L，速度为v，闭合电路的总电阻为R，导线ab做匀速运动，由此可知外力做功和导线ab克服安培力做的功、感应电流的电功以及回路电阻产生的焦耳热是相等的，遵循能量守恒定律。

（2）当导体棒仅克服安培力做功，则是将动能转化为电能，电流流过电阻，是将电能转化为焦耳热。例如在图1中，如果不施加外力F，而是给导线ab一个初速度v，设导线ab的质量为m，则导线ab只受到安培力作用，并在这个作用力的作用下做加速度减小的减速运动，直到最后速度变为0时则保持静止状况。导线ab克服安培力做功，所以动能减小，而动能减小的量就是克服安培力做的功。回路电阻R上产生焦耳热，由能量转化与守恒定律可得出，最后动能全部转化为焦耳热，而回路產生的电能的多少就是最后生成的焦耳热。

（3）如果导体棒通过外力克服安培力做功做匀速运动，则在这个过程中是将其他形式的能转化为动能和电能。例如在图1中，施加一个恒定外力F，使导线ab从静止出发加速，当速度达到v时保持做匀速运动，设ab的质量为m，那么导线ab则做加速度减少的加速运动，最后速度为v时保持匀速运动状态。此时外力做的功减去导线克服安培力做的功就得到导线ab增加的动力势能，而外力做的功又等于导线ab增加的动力势能和回路产生的电能，而回路产生的电能又转化为了焦耳热。

（4）弱闭合回路的面积不变，由于磁感应强度B发生变化而产生感应电流，是其他形式的能量引起磁通量的变化而转化为电能。如下图2所示，导轨MN水平放置，间距为d，左侧接一匝数为N、横截面积为S、电阻不计的螺线管P，导轨MN上放置一接触良好的导体杆ab，导体杆质量为m、电阻为R，导轨间有竖直向下的磁感应强度为B0的匀强磁场，当螺线管L中的匀强磁场按图3变化时，导体杆ab将从静止出发向右运动，已知导体杆ab与水平导轨MN间的滑动摩擦因数为μ，重力加速度为g，那么导体杆ab先做加速度减小的加速运动，最后做匀速运动，而其所消耗的电能来自磁场变化引起的感应电流，是磁场能转化为电能。电流流过导体杆ab，其在加速运动阶段，电能转化为ab杆电阻产生的焦耳热、ab杆克服导轨摩擦力做功而产生的摩擦热和ab杆的动能;在匀速运动阶段，电能转化为ab杆电阻上的焦耳热和克服摩擦力而产生的摩擦热。

结语：电磁感应中能量的转化和守恒是高中物理教学的一个难点问题，教师一定要帮助学生正确理解电磁感应中能量的转化和守恒定律，明白在电磁感应现象中是其他形式的能转化为了电能。如果磁场本身没有发生变化，则认为磁场没有输出能量，是其他形式的能借助安培力做功来实现能量转化，如果磁场发生了变化磁场通过感应导体来对外输出能量，此时外力对系统做的正功和系统消耗外界其他形式的能的值相等。

参考文献

[1]李家利.电磁感应中的能量转化与守恒问题分析[J].物理教学，2017，24（8）：51-52.

[2]戴儒京.电磁感应中能量转化与守恒问题解析[J].中学物理教学参考，2016，23（7）：28-29.

作者简介：张双成，出生年月：1962-8性别：男民族：汉族籍贯：江苏省徐州市新沂市新安镇;最高学历：大学本科;职称：中教一级;研究方向：高中物理教学;单位：江苏省新沂市第一中学