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如图1,在空间存在水平方向的匀强磁场,一电阻不能忽略的环形线圈用绝缘细线悬挂于O点,将线圈拉至A点由静止释放,线圈将开始在垂直于磁场方向的平面内往返运动,运动过程中,线圈平面与磁感线方向始终垂直,忽略一切摩擦阻力,则线圈最终会做什么样的运动?
解答:由于在运动过程中穿过线圈的磁通量未发生变化,在闭合的导体环中不會产生感应电流,线圈不会受到安培力,线圈在运动过程中机械能守恒,所以线圈将一直做往返型运动。
图1
图2
分析:以上解析过程看似合理,但如果深究,就会发现问题。如图2,在线圈从最左端的A点向最下端的B点运动过程中取点D,通过右手定则可知,在远离O点一侧会聚集大量的负电荷,靠近O点一侧会聚集大量的正电荷,取B至C点的过程中的E点,也会得到同样的结果。同理,线圈从最右端向最左端运动过程中,在靠近O点一侧会聚集大量的负电荷,远离O点一侧会聚集大量的正电荷。所以,线圈向两端运动至停止,然后改变运动方向的过程中,线圈靠近O点一侧和远离O点一侧的电荷电性会发生变化。根据电荷守恒定律,电荷电性的改变,只能是线圈中靠近O点一侧的电荷和远离O点一侧的电荷进行了位置交换。线圈向最右端运动至停止,然后向左运动,正电荷会从靠近O点一侧转移到远离O点一侧,负电荷会从远离O点一侧转移到靠近O点一侧。同理,线圈向最左端运动至停止,然后向右运动,正电荷会从远离O点一侧转移动靠近O点一侧,负电荷会从靠近O点一侧转移动远离O点一侧。所以,线圈向两端运动至停止,然后改变运动方向的过程中,线圈中会形成瞬时电流,瞬时电流通过电阻不能忽略的线圈时,线圈会发热。这是因为线圈的部分机械能转化为电能,电能转化为内能。所以线圈往返运动,最终会将线圈所有的机械能都转化为内能,线圈最终会停止。
综上所述,当闭合线圈在垂直于匀强磁场所在的平面内做往返型运动时,虽然线圈中的磁通量没有发生变化,但是,在线圈运动方向发生变化时,线圈中会产生瞬时感应电流,从而将其他形式的能量转化为电能,然后转化为内能,因此前面所述问题中的解答是错误的。
解答:由于在运动过程中穿过线圈的磁通量未发生变化,在闭合的导体环中不會产生感应电流,线圈不会受到安培力,线圈在运动过程中机械能守恒,所以线圈将一直做往返型运动。
图1
图2
分析:以上解析过程看似合理,但如果深究,就会发现问题。如图2,在线圈从最左端的A点向最下端的B点运动过程中取点D,通过右手定则可知,在远离O点一侧会聚集大量的负电荷,靠近O点一侧会聚集大量的正电荷,取B至C点的过程中的E点,也会得到同样的结果。同理,线圈从最右端向最左端运动过程中,在靠近O点一侧会聚集大量的负电荷,远离O点一侧会聚集大量的正电荷。所以,线圈向两端运动至停止,然后改变运动方向的过程中,线圈靠近O点一侧和远离O点一侧的电荷电性会发生变化。根据电荷守恒定律,电荷电性的改变,只能是线圈中靠近O点一侧的电荷和远离O点一侧的电荷进行了位置交换。线圈向最右端运动至停止,然后向左运动,正电荷会从靠近O点一侧转移到远离O点一侧,负电荷会从远离O点一侧转移到靠近O点一侧。同理,线圈向最左端运动至停止,然后向右运动,正电荷会从远离O点一侧转移动靠近O点一侧,负电荷会从靠近O点一侧转移动远离O点一侧。所以,线圈向两端运动至停止,然后改变运动方向的过程中,线圈中会形成瞬时电流,瞬时电流通过电阻不能忽略的线圈时,线圈会发热。这是因为线圈的部分机械能转化为电能,电能转化为内能。所以线圈往返运动,最终会将线圈所有的机械能都转化为内能,线圈最终会停止。
综上所述,当闭合线圈在垂直于匀强磁场所在的平面内做往返型运动时,虽然线圈中的磁通量没有发生变化,但是,在线圈运动方向发生变化时,线圈中会产生瞬时感应电流,从而将其他形式的能量转化为电能,然后转化为内能,因此前面所述问题中的解答是错误的。