简谈电动势对动生电动势及其能量转化工作

在现行高中物理教材（人教版）选修3-2第四章电磁感应第19页中关于电动势分为两类，动生电动势和感生电动势。学生在对变化的磁场可以产生涡旋电场，电场对自由电子进行加速，对自由电子做功，把其他能转化为电能这些知识的掌握的基础之上，对感生电动势是如何产生的就比较容易理解，而对动生电动势是如何产生的理解起来就很难。

一、问题的提出

在磁场这章中学生通过学习知道“洛伦兹力永不做功”，“安培力是洛伦兹力的宏观表现”“洛伦兹力是安培力的微观解释”等知识点。那么为什么安培力可以做功呢？既然洛伦兹力不能做功，那么动生电动势又是如何产生的呢？笔者在多年的教学中通过思索进行了初步探讨，尝试性地做了一些工作。

二、物理模型的建立

由于自由电子在导体棒中运动很难离开导体棒，电子又很小，我们就可以把导体棒认为是一个空腔导体棒，此时我们就可以认为自由电子是均匀分布在导体棒内部的，则自由电子仅受磁场对它的作用力，相对磁场做匀速圆周运动。

三、带电粒子的运动分析

当自由电子跟随导体棒一起做切割磁感应线运动时，由于自由电子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，那么自由电子沿着导体棒运动方向的速度就会不断变小，沿着导体棒方向的速度就会不断增大。这样自由电子运动一段时间后就会与导体棒的后壁发生弹性碰撞。这样下去自由电子做匀速圆周运动的速度就会不断增大，轨道半径不断增大，沿着导体棒方向的速度不断增大，把自由电子从导体棒的一端运送到另一端。

四、能量转化的过程探讨

在教材中，学生学到的“洛伦兹力永不做功”是相对静止的磁场而言的，课本中并没有强调，学生自然就不知道了。为了解决学生对课本中“洛伦兹力永不做功”，而导体棒切割磁感应线又能产生感应电动势，把机械能转化为电能的困惑。根据自由电子在导体棒中的运动分析，虽然自由电子在磁场中运动洛伦兹力对自由电子不做功，但是自由电子与导体棒碰撞时导体棒对自由电子做了功。那么机械能是如何转化为电能的呢？通过前面的运动分析我们知道自由电子通过与导体棒后壁的碰撞，自由电子在导体棒方向上的分速度不断增大，自由电子的速度就不断增大，自由电子的动能就不断增大，自由电子在导体棒中运动就有能力克服导体棒中的电场力做功，把自由电子的动能转化为电能。这样，学生就很容易理解动生电动势是如何产生的了。
如果把这一过程生动形象地表述出来，那就是洛伦兹力通过改变自由电子的运动方向，把自由电子拉向导体棒的后壁，使自由电子与导体棒的后壁发生碰撞，让导体棒对自由电子做功。动生电动势的产生是洛伦兹力与导体棒对自由电子的弹力共同作用的产物。
虽然洛伦兹力对自由电子不做功，但是离开洛伦兹力导体棒不可能与自由电子发生碰撞，导体棒就不可能对自由电子做功。因此，动生电动势的产生是洛伦兹力与导体棒对自由电子的弹力这两个力有机结合的产物。
根据上述分析，我们知道了自由电子有沿着导体棒方向的速度，在此情况下我们还可以对前面的物理模型进一步简化：
假设自由电子仅沿着导体棒方向运动，导体棒又切割磁感应线运动，那么自由电子相对磁场的运动方向就是以上两种运动的合运动的方向，自由电子所受洛伦兹力的方向就不是垂直导体棒，而是垂直于以上两运动的合运动方向。
当自由电子在洛伦兹力和导体棒所给的弹力的共同作用下，其所受合力沿着导体棒，将加速运动。这就与有些资料沿着导体棒分解洛伦兹力而源于：论文提纲格式范文www.618jyw.com
说洛伦兹力做功的观点一致了。
通过以上的分析和探讨，我们就很容易解释动生电动势是如何产生的了。并且也很容易解释为什么说“安培力是洛伦兹力的宏观表现”“洛伦兹力是安培力的微观解释”。
通过这一过程分析，我们稍微提示学生，学生也能理解其他教辅资料上“沿着导体棒分解洛伦兹力而说洛伦兹力做功的观点了”。因此，洛伦兹力对自由电子是做功的。既可以做正功，也可以做负功。这也就解释了安培力做正功和做负功的问题，解释了能量相互转化的问题。
近几届笔者都是用这种方式向学生进行尝试性教学的，效果很让我满意。不当之处敬请各位读者指正。
（作者单位 安徽省涡阳一中）