例谈能量守恒定律的另类表现形式

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  摘要:在自然界当中,能量守恒定律是最为广泛,且相对较为关键的一种基本定律,其揭露了能量不但不能没有依据就自己形成,同时也不能够没有依据便自行消失。能量仅能够由一种形式转化成与其他形式,或是由一个物体转移至另外一个物体,并且再此整个过程中,能量总量不会发生变化。本文主要根据两个例子,进一步分析了能量守恒定律的另类表现形式。
  关键词:能量守恒定律;闭合电路;欧姆定律;楞次定律
  物理定律是把通过长期反复实验与观测作为基础,同时在科学领域当中广泛接纳的典型结论。而针对能量守恒定律来讲,不管是物理与化学还是地质与生物等,一旦有能量转化的现象出现,那么便一定要遵循能量守恒的规律。并且,能量守恒定律在不一样的领域中,会通过不一样的方式体现出物理规律。
  一、电学中的能量守恒定律:闭合电路欧姆定律
  闭合电路欧姆定律,将稳恒电路中电流与电动势、总电阻之间的关系很好的揭露了出来,同时其还揭露了电路当中,内电路、外电路电压与电流之间的关系[1]。根据其定律内容本身来讲,好像与能量守恒定律并没有任何关系。但是,如若我们仔细探索闭合电路欧姆定律的整个推导过程便能够知道,此定律原本就是能量守恒定律在电学当中的实际表现。
  分析:闭合电路主要是通过电源与用电器构成(如图1所示),电源电动势将电源当中非静电力做功的大小显示出来,通常使用符号E来进行表示,表征电源将与其他形式的能转化成电能的功能。电源本身电阻是内阻r,外电路电阻是R。在电路连接之后,其内部微观结构如图2,电流主要从电源正极流出,先经过外电路用电器,然后后再回到電源负极,在电源内部先经过内阻,然后再回到正极,产生回路。电流经过内外电阻的时候,都需要耗费电能转化成与其他形式的能量,因此,根据能量守恒定律则可以知道,能量不会没有任何依据就自己形成,在电源当中,必将会有与其他形式的能量转化成电能。并且在相应时间之内,两种能量相同。进而可以得知,电源把与其他形式的能量转化成电能,相当于在电路当中经过用电器与内阻r耗费的电能。
  在相应时间之内经过干路的电量是q,那么电源将与其他形式的能量转化成电能的量是W=Eq,外电路电阻R耗费电能=Rt,内阻r耗费电能Qr=rt,因此可以得出:W=Eq=+。进而便可知道,Eq=EIt=Rt+rt,也就是E=I(R+r),I=。由此便可以看出,闭合电路欧姆定律属于能量守恒定律在稳恒电路当中的另类表现形式,其实质依旧是能量守恒关系在电学当中的实际呈现。
  二、电磁学中的能量守恒定律:楞次定律
  在图3装置当中,光滑导体棒ab和导轨之间的接触非常好,回路当中充满磁感应强度是B的匀强磁场,让导体棒ab向右匀速运动,按照楞次定律,回路abcd当中磁通量加大。因此,感应电流形成的磁场想要对原磁通量的加大造成一定阻碍,就必须形成一个和原本磁场方向相悖的磁场。根据右手定则便可以知道,感应电流从b端流向a端。根据能量角度进行分析,在感应电流从b端流入a端的时候,导体棒ab必将会受到向左的安培力。想要让导体棒ab保持匀速运动,那么就一定要在导体棒ab上添加一个水平向右的外力F,在导体棒ab进行运动的时候,动能不会出现改变。因为导体棒ab切割磁场B,产生感应电流回路,必将会出现电能逐渐转化成焦耳内能,从而致使电能逐渐流失。并且,因为外力F和导体棒ab方向一样,都是做正功,对导体棒ab注入能量,导体棒ab解决安培力做功,把与其他形式能量转化成电能。感应电流经过闭合回路,然后把电能转化成与其他形式的能量。由此则可以知道,在感应电流和楞次定律确定方向相符的时候,能量转化的结果将和能量守恒定律相符。
  以下主要利用定量运算来对楞次定律的能量守恒定律本质进行验证。如图4所示,光滑导轨aa’、bb’、间距是l,导体棒ab通过速度v匀速向右运动,因此便可得知,形成感应电动势E=Blv,感应电流I==,形成电功率,安培力,方向和运动方向相反。由此则可以看出,安培力使导体运动受到了一定阻碍,想要保持匀速运动,那么就一定要添加与安培力大小相同的外力平衡。外力功率=v=,因此与相等,也就是外力所做的功与形成的电能相等。这能够符合能量转化、守恒定律,因此则表明,焦耳-楞次定律与能量转化、守恒定律相符,其属于能量转化和守恒定律在电磁感应当中的实际呈现[2]。
  根据上述内容便可得知,无论是从定性或者定量分析,通过任何一种方式表达楞次定律,都会有相同之处,即感应电流终会和致使感应电流的具体原因,形成对抗或者相互形成阻碍。此种对抗或者阻碍的作用,是将与其他形式能量转化成感应电流本身存在回路当中的电能,然后电能将转化成焦耳热。不过在此过程中,总能量是守恒的,由此则可知道,电磁学当中的能量守恒定律就是楞次定律。
  三、结束语
  在高中阶段,我们物理教材当中的能量守恒定律是非常重要的知识点。并且,在不一样的领域当中,能量守恒定律会通过各种不一样的形式呈现出物理规律。因此,针对这种另类表现形式,我们也应当进行更较为全面的了解并掌握。
  (作者单位:湖南师范大学附属中学)
  参考文献
  [1]胡佳然.浅谈能量守恒定律的应用[J].自然科学:全文版,2016,(3):00055-00056.
  [2]黄玉华.解读电磁学中的两个定律、三个定则[J].中学生数理化:高二高三版,2016,(23):27-29.
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