求电场力做功的四种方法
徐高本
一、利用功的定义式W＝FS来求。
例1. 两带电小球，电荷量分别为+q和，固定在一长度为l的绝缘细杆的两
端，置于电场强度为E的匀强电场中，杆与场强方向平行，其位置如图1所示。若此杆绕过O点垂直于杆的轴线顺时针转过90°，则在此转动过程中，电场力做的功为（）
A. 零
B. qE l
C. 2qE l
D. πqE l
解析：+q受到的电场力水平向右，受到的电场力水平向左。设+q离O点距离
为x，则离O点的距离为。在杆顺时针转过90°的过程中，电场力对两
球做的功分别为
所以总功为
故选项B正确。
二、利用电场力做功等于电荷电势能增量的负值即来求。
例2. 一平行板电容器的电容为C，两板间的距离为d，上板带正电，电荷量为Q，下板带负电，电荷量也为Q，它们产生的电场在无穷远处的电势为零。两个带异
号电荷的小球用一绝缘刚性杆相连，小球的电荷量分别为+q和，杆长为
。现将它们从无穷远处移到电容器的两板之间，处于图2所示的静止状
态（杆与板面垂直）。在此过程中，电场力对两个小球所做总功的大小等于多少？（设两球移动过程中极板上电荷分布情况不变）。
解析：当小球从无穷远处移至图示位置时，设+q处的电势为处的电势为
，则具有的电势能分别为
对+q：电势能增加了，所以电场力做负功；对：电势能减少了
，所以电场力做正功。电场力做的总功
因两板间的场强
故两电荷间的电势差又可表示为
所以
三、利用公式W＝qU来求。运算时注意q、U及W的正、负。
例3. 利用W＝qU求解例2。
解析：设无穷远处为A、正电荷+q所在处为B，负电荷所在处为C，根据W＝qU得电场力做的功
即
四、利用动能定理来求。
例4. 一带电小球在从空中的a点运动到b点的过程中，重力做功，克服空气阻力做功，小球的动能增加。求在此过程中电场力对小球所做的功。
解析：根据动能定理
所以
即电场力对小球做了的负功。
变力做功的计算 Prepared on 22 November 2020
变力做功的计算 公式适用于恒力功的计算，对于变力做功的计算，一般有以下几种方法。 一、微元法 对于变力做功，不能直接用进行计算，但是我们可以把运动过程分成很多小段，每一小段内可认为F是恒力，用求出每一小段内力F所做的功，然后累加起来就得到整个过程中变力所做的功。这种处理问题的方法称为微元法，这种方法具有普遍的适用性。但在高中阶段主要用于解决大小不变、方向总与运动方向相同或相反的变力的做功问题。 例1. 用水平拉力，拉着滑块沿半径为R的水平圆轨道运动一周，如图1所示，已知物块的质量为m，物块与轨道间的动摩擦因数为。求此过程中摩擦力所做的功。 图1 思路点拨：由题可知，物块受的摩擦力在整个运动过程中大小不变，方向时刻变化，是变力，不能直接用求解；但是我们可以把圆周分成无数小微元段，如图2所示，每一小段可近似成直线，从而摩擦力在每一小段上的方向可认为不变，求出每一小段上摩擦力做的功，然后再累加起来，便可求得结果。 图2
正确解答：把圆轨道分成无穷多个微元段，摩擦力在每一段上可认为是恒力，则每一段上摩擦力做的功分别为， ，…，，摩擦力在一周内所做的功 。 误点警示：对于此题，若不加分析死套功的公式，误认为位移s＝0，得到W＝0，这是错误的。必须注意本题中的F是变力。 小结点评：对于变力做功，一般不能用功的公式直接进行计算，但有时可以根据变力的特点变通使用功的公式。如力的大小不变而方向总与运动方向相同或相反时，可用计算该力的功，但式子中的s不是物体运动的位移，而是物体运动的路程。 ［发散演习］ 如图3所示，某个力F＝10N作用于半径R＝1m的转盘的边缘上，力F的大小保持不变，但方向任何时刻与作用点处的切线方向保持一致。则转动半圆，这个力F做功多少 图3 答案：。 二、图象法
电场力做功常用计算方法 令狐文艳 电场力做功的计算是将电、力以及能量等相关知识点综合在一起来考查的，因此在高考中常常出现。同时由于涉及到的知识点比较多，常常令我们感觉有些难度，见了就害怕。其实对于这类题目虽然计算方法很多，但只要我们进行归纳总结，找出这些方法的基本思路和共同点，解题时就有了头绪。知道如何着手解题，做起来就容易多了。 解决电场力做功的问题我们必须认识到这是涉及“电场”、“力”、“功”三个方面的问题，因此这类题目我们就可以依据这三个方面的特点来解题。下面我们就根据这些特点总结出常用的几种计算电场力做功的方法。 方法及特点 根据功与力的关系和功与能的关系，可以将功
的计算转化为对力或能量的计算。在知道电场的主要参数后电场力和电势能都很容易计算出来，因此问题就能够解决。下面我们来看看具体的方法和它们的特点： 1、 利用功的定义计算：W FScos θ= 由于力F 是电场力，因此可以用F qE =计算，故有W qEScos θ=。在中学阶段由于数学限制，式中F 必须为恒力，即E 不变才可以计算，故该方法仅在匀强电场中适用。 2、 利用公式AB AB W qU =计算。电荷q 从A 点运动 到B 点，电势为变化AB U ，则电场力做功可 以用上式求解。对于匀强电场还可使用W qEd =。 3、 根据“功是能量改变的量度”使用公式 W ε=-?计算，其意义为电场力做功等于电势能的减小量，在一直电荷电势能时使用这种方法较为简便。 4、 利用动能定理进行计算。知道电荷动能的改
变量，减去除电场力之外的力所做的功即可 得到。这种方法在知道粒子在电场中的运动 状态时使用较好。 依据题目的特点选取适当的方法解题，问题就很容易解决，下面我们来看看解题的思路。 经典体验（1） 如图，地面上方有匀强电场， 取场中一点O为圆心在竖直面 内作半径为R=0.1m的圆，圆 平面与电场方向平行。在O点 固定电量Q=5×10-4C的负点电荷，将 质量为m=3g，电量为q=2×10-10C的 带电小球放在圆周上的a点时，它恰 好静止。若让带电小球从a点缓慢移 至圆周最高点b时，外力需作多少 功？ 体验思路：要求外力做功，由于在整个过程中 外力未知，故不能使用功的定义来
安培力做功与的能量转化 胡新民 2015/1/26 一、 安培力做正功 如图，光滑水平导轨电阻不计，左端接有电源，处于竖直向下 的匀强磁场中，金属棒mn 的电阻为R ，放在导轨上开关S 闭 合后，金属棒将向右运动。 安培力做功情况：金属棒mn 所受安培力是变力，安培力做正 功，由动能定理有 K E W ?=安 ① ①式表明，安培力做功的结果引起金属棒mn 的机械能增加 能量转化情况：对金属棒mn 、导轨、和电源组成的系统，电源的电能转化为金属棒的动能和内能，由能量的转化和守恒定律有 Q E E K +?=电 ② 由①②两式得 Q E W -电安= ③ ③式表明，计算安培力做功还可以通过能量转化的方法。 二、 安培力做负功 如图所示，光滑水平导轨电阻不计，处于竖直向下的匀强 磁场中，金属棒ab 的电阻为R ，以速度v 0向右运动， 安培力做功情况：金属棒所受的安培力是变力，安培力对 金属棒做负功，由动能定理有棒克服安培力做的功等于减 少的动能 即K E W ?=-安 ① ①式表明，安培力做功的结果引起金属棒的机械能减少。 能量转化的情况：金属棒ab 的动能转化为电能，由能量的转化和守恒定律有 K E E ?=-电 ② 金属棒ab 相当于电源，产生的电能又转化为内能向外释放 Q E =电 ③ 由①②③得 Q W =安 ④ ④式说明，安培力做负功时，克服安培力做的功等于产生的内能。这也是计算安培力做功的方法。 三、 一对安培力做功 如图所示，光滑导轨电阻不计，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒mn 电阻为R1，放在 导轨上，金属棒ab 电阻R2，以初速度0v 向右运动。安培力对金属棒ab 做负功，对mn 做
、静电学 1.两种电荷、电荷守恒定律、元电荷：(e＝1.60×10-19C）；带电体电荷量等于元电荷的整数倍 2.库仑定律：F＝kQ1Q2/r2（在真空中）｛F:点电荷间的作用力(N)，k:静电力常量k＝9.0×109N?m2/C2，Q1、Q2:两点电荷的电量(C)，r:两点电荷间的距离(m)，方向在它们的连线上，作用力与反作用力，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引｝ 3.电场强度：E＝F/q（定义式、计算式)｛E:电场强度(N/C)，是矢量（电场的叠加原理），q：检验电荷的电量(C)｝ 4.真空点（源）电荷形成的电场E＝kQ/r2 ｛r：源电荷到该位置的距离（m），Q：源电荷的电量｝ 5.匀强电场的场强E＝UAB/d ｛UAB:AB两点间的电压(V)，d:AB两点在场强方向的距离(m)｝ 6.电场力：F＝qE ｛F:电场力(N)，q:受到电场力的电荷的电量(C)，E:电场强度(N/C)｝ 7.电势与电势差：UAB＝φA-φB，UAB＝WAB/q＝-ΔEAB/q 8.电场力做功：WAB＝qUAB＝Eqd｛WAB:带电体由A到B时电场力所做的功(J)，q:带电量(C)，UAB:电场中A、B两点间的电势差(V)(电场力做功与路径无关),E:匀强电场强度,d:两点沿场强方向的距离(m)｝ 9.电势能：EA＝qφA ｛EA:带电体在A点的电势能(J)，q:电量(C)，φA:A点的电势(V)｝ 10.电势能的变化ΔEAB＝EB-EA ｛带电体在电场中从A位置到B位置时电势能的差值｝ 11.电场力做功与电势能变化ΔEAB＝-WAB＝-qUAB (电势能的增量等于电场力做功的负值) 12.电容C＝Q/U(定义式,计算式) ｛C:电容(F)，Q:电量(C)，U:电压(两极板电势差)(V)｝ 13.平行板电容器的电容C＝εS/4πkd（S:两极板正对面积，d:两极板间的垂直距离，ω：介电常数） 常见电容器〔见第二册P111〕 14.带电粒子在电场中的加速(V o＝0)：W＝ΔEK或qU＝mVt2/2，Vt＝(2qU/m)1/2 15.带电粒子沿垂直电场方向以速度Vo进入匀强电场时的偏转(不考虑重力作用的情况下) 类似平抛运动平行电场方向:初速度为零的匀加速直线运动d＝at2/2，a＝F/m＝qE/m 垂直电场方向:匀速直线运动L＝Vot(在带等量异种电荷的平行极板中：E＝U/d) 二、恒定电流 1.电流强度：I＝q/t｛I:电流强度(A），q:在时间t内通过导体横载面的电量(C），t:时间(s）｝ 2.欧姆定律：I＝U/R ｛I:导体电流强度(A)，U:导体两端电压(V)，R:导体阻值(Ω)｝ 3.电阻、电阻定律：R＝ρL/S｛ρ:电阻率(Ω?m)，L:导体的长度(m)，S:导体横截面积(m2)｝ 4.闭合电路欧姆定律：I＝E/(r+R)或E＝Ir+IR也可以是E＝U内+U外 ｛I:电路中的总电流(A)，E:电源电动势(V)，R:外电路电阻(Ω)，r:电源内阻(Ω)｝ 5.电功与电功率：W＝UIt，P＝UI｛W:电功(J)，U:电压(V)，I:电流(A)，t:时间(s)，P:电功率(W)｝ 6.焦耳定律：Q＝I2Rt｛Q:电热(J)，I:通过导体的电流(A)，R:导体的电阻值(Ω)，t:通电时间(s)｝ 7.纯电阻电路中:由于I＝U/R,W＝Q，因此W＝Q＝UIt＝I2Rt＝U2t/R 8.电源总动率、电源输出功率、电源效率：P总＝IE，P出＝IU，η＝P出/P总｛I:电路总电流(A)，E:电源电动势(V)，U:路端电压(V)，η：电源效率｝ 9.电路的串/并联串联电路(P、U与R成正比) 并联电路(P、I与R成反比) 电阻关系R串＝R1+R2+R3+ 1/R并＝1/R1+1/R2+1/R3+ 电流关系I总＝I1＝I2＝I3 I并＝I1+I2+I3+ 电压关系U总＝U1+U2+U3+ U总＝U1＝U2＝U3 功率分配P总＝P1+P2+P3+ P总＝P1+P2+P3+ 三、磁场 1.磁感应强度是用来表示磁场的强弱和方向的物理量,是矢量，单位T),1T＝1N/A?m 2.安培力F＝BIL；(注：L⊥B) {B:磁感应强度(T),F:安培力(F),I:电流强度(A),L:导线长度(m)} 3.洛仑兹力f＝qVB(注V⊥B);质谱仪〔见第二册P155〕｛f:洛仑兹力(N)，q:带电粒子电量(C)，V:带电粒子速度(m/s)｝
安培力做功 情况一：有两种，通电后ab不运动，另一种是是ab运动。 在图1所示的装置中，平行金属导轨MN和PQ位于同一平面内、相距L，导轨左端接有电源E，另一导体棒ab垂直搁在两根金属导轨上，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中，磁感强度为B．若闭合开关S，导体棒ab将在安培力作用下由静止开始沿金属导轨向右加速运动，导体棒开始运动后，导体棒两端会产生感应电动势，随着导体棒速度逐渐增大，感应电动势也逐渐增大，从而使导体棒中的电流逐渐减小，导体棒所受的安培力也逐渐减小，若不考虑导体棒运动过程中所受的阻力，这一过程一直持续到导体棒中的电流减为零，即安培力也减为零时，导体棒的速度达到某一恒定的最大值v，此后导体棒将以速度v向右运动（设导轨足够长）．导体棒由静止开始加速，直到速度达到最大的过程中，无疑安培力对导体棒做了功，电能转化为机械能．这是一个“电动机”模型．对于这一过程，许多学生常常会发问：电流是大量电荷定向移动形成的，安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力的方向始终垂直于电荷的运动方向，所以洛伦兹力是不做功的，为什么安培力会做功呢？ 为回答这一疑问，我们先讨论两个问题：第一，安培力是洛伦兹力的宏观表现，但是不是意味着安培力等于大量运动电荷所受洛伦兹力的合力？第二，从宏观上看，安培力对电流做了功，那么从微观角度看，对运动电荷做功的究竟是什么力？ 为讨论方便起见，假设导体棒中定向移动的自由电荷为正电荷，并设每个电荷的带电量为q，并忽略自由电荷的热运动以及导体电阻的影响．则可认为导体棒中所有自由电荷均以同一速度u做定向移动，定向移动的方向就是电流方向设导体中的电流强度为I，则电流强度I与电荷定向移动速度u之间的关系为 I=nSqu，
变力做功的六种常见计算方法 s，但是学生在应用 在高中阶段，力做功的计算公式是W=FScoα 时，只会计算恒力的功，对于变力的功，高中学生是不会用的。下面 介绍六种常用的计算变力做功的方法，希望对同学们有所启发。 方法一：用动能定理求 若物体的运动过程很复杂，但是如果它的初、末动能很容易得出， 而且，除了所求的力的功以外，其他的力的功很好求，可选用此法。 例题1：如图所示。质量为m的物体，用细绳经过光滑的小 孔牵引在光滑水平面上做匀速圆周运动，拉力为某个数值F时，转动 半径为R；拉力逐渐减小到0.25F时，物体仍然做匀速圆周运动，半 径为2R，求外力对物体所做的功的大小。 解析：当拉力为F时，小球做匀速圆周运动，F提供向心力，则 F=mv1 2/2R。此题中，当半径由R 2/R；当拉力为0.25F时，0.25F=mv 2 变为2R的过程中，拉力F为变力，由F变为2F,我们可以由动能定 2=0.25RF。理，求 2—0.5mv 2 得外力对物体所做的功的大小W=0.5mv1 方法二：用功率的定义式求 若变力做功的功率和做功时间是已知的，则可以由W=Pt来求解 变力的功。 例题2：质量为m=500吨的机车，以恒定的功率从静止出发，经 过时间t=5min在水平路面上行使了s=2.25km，速度达到最大值 v=54km/h。假设机车受到的阻力为恒力。求机车在运动中受到的阻力 大小。
解析：机车先做加速度减小的变加速直线运动，再做匀速直线运动。所以牵引力F先减小，最后，F恒定，而且跟阻力f平衡，此 时有功率P=Fv=fv。在变加速直线运动阶段，牵引力是变力，它在此阶段所作的功可以由w=Pt来求。由动能定理，Pt—fs=0.5mv2—0,把P=Fv=fv代入得，阻力f=25000N。 方法三：平均力法 如果变力的变化是均匀的（力随位移线性变化），而且方向不变时，可以把变力的平均值求出后，将其当作恒力代入定义式即可。 例题3：如图所示。 轻弹簧一端与竖直墙壁连接，另一端与一质量为m的木块相连，放在光滑的水平面上，弹簧的劲度系数为k，开始时弹簧处于自然状态。用水平力缓慢的拉物体，在弹簧的弹性限度范围内，使物体前进距离x，求这一过程中拉力对物体所做的功。 解析：物体在缓慢运动过程中，拉力是从零开始均匀增大的，呈线性变化，所以整个过程中，拉力的平均值是F=0.5（0+kx）。因此，拉力对物体所做的功W=Fx=0.5（0+kx）×x=0.5kx2。 方法四：F——S图像法 利用图像中的“面积”求。在F——S图像中，在S内的图像跟S 轴所夹图形的“面积”，等于力F在位移S上所做的功。 例题4：在例题3中，可以利用此法求出结果。 解析： 做出拉力的F——S图像，如图所示。
安培力做功及其引起的能 量转化 Prepared on 22 November 2020
安培力做功及其引起的能量转化 1、安培力做正功 如图，光滑水平导轨电阻不计，左端接有电源，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒mn 的电阻为R ，放在导轨上开关S 闭合后，金属棒将向右运动。 安培力做功情况：金属棒mn 所受安培力是变力，安培力做正功，由动能定理有 k E ?＝安W ① ①式表明，安培力做功的结果引起金属棒mn 的机械能增加 能量转化情况：对金属棒mn 、导轨、和电源组成的系统，电源的电能转化为金属棒的动能和内能，由能量的转化和守恒定律有 Q E k ＋＝电?E ② 由①②两式得 Q E W －＝电安③ ③式表明，计算安培力做功还可以通过能量转化的方法。 2、安培力做负功 如图所示，光滑水平导轨电阻不计，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab 的电阻为R ，以速度0v 向右运动，
安培力做功情况：金属棒所受的安培力是变力，安培力对金属棒做负功，由动能定理有 k E ?-＝安W ① ①式表明，安培力做功的结果引起金属棒的机械能减少。 能量转化的情况：对金属棒ab 和导轨组成的系统，金属棒ab 的动能转化为电能，由能量的转化和守恒定律有 k E ?＝电E ② 金属棒ab 相当于电源，产生的电能转化为内能向外释放 Q ＝电E ③ 由①②③得 Q W -＝安④ ④式说明，安培力做负功时，所做的负功等于系统释放出的内能。这也是计算安培力做功的方法。 3、一对安培力做功 如图所示，光滑导轨电阻不计，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒mn 电阻为R1，放在导轨上，金属棒ab 电阻R2，以初速度0v 向右运动。安培力对金属棒ab 做负功，对mn 做正功，由动能定理，有 k ab 1E ?-＝安W ① k mn 2E ?＝安W ②
电场力做功与电势能、电势差的关系 一知识归纳： 1.电场力做功与带电体的运动路径无关，只与其初末位置有关。（类比重力势能） 2.电势能：带电体由于处于电场中而具有的能量叫电势能 E p (1)标量 (2)具有相对性：其大小是相对于零势能面的 (3)某点电势能的大小：等于将带电体由该位置移动到零势能面电场力做的功。 3.电场力做功与电势能的关系： 4.电势：带电体在某点的电势能与其电荷量的比值。 φ Φ=E P /q （1）标量 （2）其大小只与电场自身有关，与其它无关。 （3）具有相对性：其大小是相对于零电势面的。 （往往认为无穷远处，大地电势为零） （4）电势沿电场线方向降低最快。 （5）若规定无穷远处为正电荷：正电荷产生的电场其电势均为正，负电荷产生的电场其电势均为负，且越靠近正电荷其电势越大，越靠近负电荷其电势越小。 5.电势差：电场中某两点间电势的差值。 注：E E E W PB PA P AB -=?-= =q q φφB A -=q U A B 又因为匀强电场中 Eqd W AB =（d ：沿着电场线的距离） 所以Ed U AB =（仅适用于匀强电场中，非匀强电场可定性分析） 6.计算电场力做功方法：
（1）直接计算：根据公式先计算大小，后判断正负 任意电场：Uq W= 匀强电场：Eqd W AB=（d：沿着电场线的距离） （2）间接计算：动能定理、能量守恒间接推出电场力做的功 7.等势面：电场中无数个电势相等的点所围成的面。 （1）电场线总是有高等势面指向低等势面。 （2）当电势差相同时，两等势面间间距越大则两等势面间平均场强越小。 8.判断电势能变化： （1）电场力做正功电势能降低，反之负功增加。 （2）正电荷在电势越高的地方电势能越大； 负电荷在电势越小的地方电势能越大。 （3）电场线：（当只有电势能和动能间相互转化时） ①正电荷沿着电场线，电场力做正功，电势能降低，动能增加，速度增加 电势降低； ②正电荷逆着电场线，电场力做负功，电势能增加，动能降低，速度降低 电势增加； ③负电荷沿着电场线，电场力做负功，电势能增加，动能降低，速度降低 电势降低； ④负电荷逆着电场线，电场力做正功，电势能降低，动能增加，速度增加 电势降低； 二.习题演练 1.在电场中，A、B两点的电势差 > U AB,那么将一个负电荷从A移动到B的过 程中（） A.电场力做正功，电势能增加 B.电场力做负功，电势能增加
思想方法7.变力做功的计算方法方法一平均力法 如果力的方向不变，力的大小随位移按线性规律变化时，可用力的算术平均值(恒力)代替变力，即F＝F1＋F2 2再利 用功的定义式W＝F l cos α来求功． 【典例1】用锤子击打钉子，设木板对钉子的阻力跟钉子进入木板的深度成正比，每次击打钉子时锤子对钉子做的功相同．已知第一次击打钉子时，钉子进入的深度为1 cm，则第二次击打时，钉子进入的深度是多少？ 即学即练1质量是2 g的子弹，以300 m/s的速度射入厚度是5 cm的木板(如图5－1－8所示)，射穿后 的速度是100 m/s.子弹射穿木板的过程中受到的平均阻力是多大？你对题目中所说的“平均”一词有什么认 识？ 方法二用微元法求变力做功 将物体的位移分割成许多小段，因小段很小，每一小段上作用在物体上的力可以视为恒力，这样就将变 力做功转化为在无数多个无穷小的位移上的恒力所做元功的代数和．此法在中学阶段，常应用于求解力的大 小不变、方向改变的变力做功问题． 【典例2】如图5－1－9所示，一个人推磨，其推磨杆的力的大小始终为F，与磨杆始终垂 直，作用点到轴心的距离为r，磨盘绕轴缓慢转动．则在转动一周的过程中推力F做的功为()．A．0B．2πrF C．2Fr D．－2πrF 即学即练2如图5－1－10所示，半径为R，孔径均匀的圆形弯管水平放置，小球在管内以足够 大的初速度在水平面内做圆周运动，设开始运动的一周内，小球与管壁间的摩擦力大小恒为F f，求小 球在运动的这一周内，克服摩擦力所做的功． 方法三用图象法求变力做功 在F－x图象中，图线与两坐标轴所围的“面积”的代数和表示力F做的功，“面积”有正 负，在x轴上方的“面积”为正，在x轴下方的“面积”为负． 【典例3】一物体所受的力F随位移x变化的图象如图5－1－11所示，求在这一过程中， 力F对物体做的功为多少？ 即学即练3如图5－1－12甲所示，静止于光滑水平面上坐标原点处的小物块，在水平拉力F作用下，沿x轴方向运动，拉力F随物块所在位置坐标x的变化关系如图乙所示，图线为半圆．则小物块运动到x0处时F做的总功为()． A．0B．1 2F m x2 C．π 4F m x0D． π 4x 2 方法四利用W＝Pt求变力做功 这是一种等效代换的观点，用W＝Pt计算功时，必须满足变力的功率是一定的这一条件． 【典例4】如图5－1－13所示，用跨过光滑定滑轮的缆绳将海面上一艘失去动力的 小船沿直线拖向岸边．已知拖动缆绳的电动机功率恒为P，小船的质量为m，小船受到的阻 力大小恒为F f，经过A点时的速度大小为v0，小船从A点沿直线加速运动到B点经历时间 为t1，A、B两点间距离为d，缆绳质量忽略不计．求： (1)小船从A点运动到B点的全过程克服阻力做的功WF f；(2)小船经过B点时的速度大小v1. 即学即练4汽车的质量为m，输出功率恒为P，沿平直公路前进距离s的过程中，其速度由v1增至最大速度v2.假定汽车在运动过程中所受阻力恒定，求汽车通过距离s所用的时间．
电场力做功和电势能、电势和电势差 一、目标与策略 学习目标： ● 类比重力场理解电场力的功、电势能的变化、电势能的确定方法、电势的定义以及电势差的意义；理解电势对静电场能的性质的描写和电势的叠加原理。 ● 明确场强和电势的区别与联系以及对应的电场线和等势面之间的区别和联系。 学习重点： ● 用电势以及等势面描写认识静电场分布。 ● 熟练地进行电场力、电场力功的计算。 学习难点： ● 电势这一概念建立过程的逻辑关系以及正、负两种电荷所导致的具体问题的复杂性。 学习策略： ● 类比法是我们认识问题或事物的科学方法，我们在学习中可以将库仑力与万有引力类比，将电场力的功及电势能与重力的功、重力势能等等相类比来学习，能够帮助我们更好的理解新知识。 二、学习与应用 （一）什么是电场？描述电场的力的性质的物理量有哪些？ （二）电场线有哪些特点？ 明确学习目标及主要的学习方法是提高学习效率的首要条件，要做到心中有数！ 知识要点——预习和课堂学习 认真阅读、理解教材，尝试把下列知识要点内容补充完整，带着自己预习的疑惑认真听 课学习。请在虚线部分填写预习内容，在实线部分填写课堂学习内容。课堂笔记或者其它补 充填在右栏。详细内容请学习网校资源ID ：#tbjx5#208883 知识回顾——复习 学习新知识之前，看看你的知识贮备过关了吗？ “凡事预则立，不预则废”。科学地预习才能使我们上课听讲更有目的性和针对性。
知识点一：电势与等势面 （一）电场力的功与电势能 （1）静电场中的功能关系 静电力对电荷做了功，电势能就发生变化，静电力对电荷做了多少功，就有多少电势能转化为其他形式的能，电荷克服静电力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电势能，也就是说，静电力做的功是电势能转化为其他形式的能的量度，静电力做的功等于电势能的减少量，即W AB= 。 静电力做正功，电荷电势能一定，静电力做负功，电荷电势能一定。 （2）电势能的特点和大小的确定 ①零电势点及选取 电势能的数值是相对于参考位置来说的。所谓参考位置，就是电势能为零的位置，参考位置的选取是人为的，通常取或为参考点。 ②电势能的计算 设电荷的电场中某点A的电势能为Ep A，移到参考点O电场力做功为W AO，即W AO=E pA－E pO，规定O为参考点时，就有W AO= ，也就是说电荷在电场中某点的电势能等于将这个电荷从电场中的该点移到0电势点的过程电场力所做的功。 ③电势能的特点 相对性：电荷在电场中的电势能是相对于而言，没有规定零势能点时，电荷在该点的电势能没有确定的值。电势能高于零势能时为值，低于零势能时为值。 系统性：电势能是电荷和电场这一相互作用系统所共有，并非电荷所独有！ 状态量：只要电荷在电场中有一个位置，它就对应一个电势能。 电势能是量：有正、负号没有方向。
1电磁感应中的安培力做功分析 黄书鹏 漳州第一中学福建漳州 363000 内容摘要：分析了安培力和摩擦力的共性和个性，指出用滑动摩擦力作为电磁感应中的安培力的物理模型分析和处理有关电磁感应中金属棒导轨问题可达到事半功倍的效果,并以此为物理模型，分析了电磁感应中安培力做的功。 关键词：电磁摩擦力安培力做功物理模型导电滑轨棒 有人将电磁感应中的楞次定律称为电磁场的惯性定律，意在强调定律指出电磁感应现象中，感应电流产生的效果总要阻碍引起感应电流的原因。就象牛顿力学中的惯性定律，揭示了物体总具有反抗外界作用的性质。 进一步研究发现，电磁感应现象中,平行导电滑轨棒产生的安培力与力学中出现的滑动摩擦力有很多相似之处。它们具有相似的物理性质，相同的物理模型。从这个意义上讲，可以将电磁感应中的安培力称为电磁摩擦力。 1。物理模型 同属被动力。滑动摩擦力是由于物体间发生相对运动，要阻碍这种运动而1刊于《物理教学》
产生的。电磁感应中安培力是由于发生电磁感应，回路中出现的感应电流要阻碍原磁通的变化而产生的。 同属耗散力。做功与路径有关。它们做的功等于系统内能的增量，与系统产生的热量等价。因此计算时用能量知识处理较方便。 同属系统能量转化的力。滑动摩擦力可做正功可做负功，在一系统中摩擦力做的总功使系统机械能转化为内能。安培力同样可做正功和负功，通过安培力做功产生焦耳楞次热，使系统机械能转化为系统内能。 区别点在于，摩擦力是系统内力，不影响系统动量。安培力是外磁场对系统作用力属外力，只在安培力合力为零时才能应用动量守恒 2．电磁感应中安培力做功与电路焦耳楞次热。要深刻认识安培力做功，应深入探讨其产生机理。按微观电子论，安培力的微观机理是运动电荷在外磁场中受洛仑兹力作用的宏观表现。在导体棒切割磁感线产生动生电动势过程，金属导体中自由电子随导体作切割运动具有横向速度v，在外磁场中受洛仑兹力作用，产生另一纵向速度u，使电子与导体中晶格发生碰撞，将动能传递给晶格，使晶格热运动加剧温度升高，导致导体内能增大。在这里，洛仑兹力的一个分力Bqv对电子做正功使其获得速度u，另一分力Bqu对电子做负功，消耗外界能量，产生宏观安培力。可见安培力做功的过程，实质上就是洛仑兹力做功将能量转移给导体的过程（尽管洛仑兹力对运动电荷不做功，但其分力可做功，可以证明上述两分力的总功为零）①。它扮演着传递或转移能量的角色。 从宏观能量讲，电磁感应中要消耗外界能量（如机械能）产生感应电流，
关于安培力做功的情况探讨 当电流方向与磁场方向不平行时，通电导体要受到磁场力的作用，即安培力作用。若通电导体在安培力的作用下运动，则安培力对导体要做功。大家知道：导线所受的安培力是洛伦兹力的宏观表现，那么如何理解洛伦兹力总不做功而安培力可以做功呢？安培力做功情况到底怎样？ 一、安培力做功的微观本质。6ecbdd6ec859d284dc13885a37ce8d81 1、安培力的微观本质。8efb100a295c0c690931222ff4467bb8 。496e05ezhucewuli《关于安培力做功的情况探讨》@ Copyright of 晋江原创网@设有一段长度为L、矩形截面积为S的通电导体，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动的平均速率为v，如图1所示。。5737034557ef5b8c02c0e46513b9 所加外磁场B的方向垂直纸面向里，电流方向沿导体水平向右，这个电流是由于自由电子水平向左定向运动形成的，外加磁场对形成电流的运动电荷（自由电子）的洛伦兹力使自由电子横向偏转，在导体两侧分别聚集正、负电荷，产生霍尔效应，出现了霍尔电势差，即在导体内部出现方向竖直向上的横向电场。因而对在该电场中运动的电子有电场力fe的作用，反之自由电子对横向电场也有反作用力-fe作用。场强和电势差随着导体两侧聚集正、负电荷的增多而增大，横向电场对自由电子的电场力fe也随之增大。当对自由电子的横向电场力fe增大到与洛伦兹力fL相平衡时，自由电子没有横向位移，只沿纵向运动。导体内还有静止不动的正电荷，不受洛伦兹力的作用，但它要受到横向电场的电场力fH的作用，因而对横向电场也有一个反作用力-fH。由于正电荷与自由电子的电量相等，故正电荷对横向电场的反作用-fH和自由电子对横向电场的反作用力-fe相互抵消，此时洛伦兹力fL与横向电场力fH相等。正电荷是导体晶格骨架正离子，它是导体的主要部分，整个导体所受的安培力正是横向电场作用在导体内所有正电荷的力的宏观表现，即F=(nLS)fH=(nLS)fL。。ef0d3930a7b6c9 由此可见，安培力的微观本质应是正电荷所受的横向电场力，而正电荷所受的横向电场力正是通过外磁场对自由电子有洛伦兹力出现霍尔效应而实现的。。97e8527feaf77a97fc38f34216 2、安培力做功的微观本质。cb70ab375662576bd1ac5aaf16b3fca4 当导体在安培力的作用下以速度vd从位置1变到位置2微小一段位移时，导体切割磁感线而产生纵向电场，正电荷没有纵向运动，只有横向运动，因而受到瞬间的洛伦兹力f洛和纵向电场力f2不做功。正电荷所受横向电场力fH做正功。但自由电子既有横向位移又有纵向位移，受到横向洛伦兹力fd和纵向洛伦兹力fm，这两个力的合洛伦兹力为fL，与v和vd的合速度v合方向垂直，还受到纵向电场力f1。。812b4ba287zhucewuli《关于安培力做功的情况探讨》@ Copyright of 晋江原创网@ 沿纵向对自由电子做功功率：。3dd48ab31d016ffcbf3314df2b3cb9ce 沿横向对自由电子做功功率：。0e65972dce68dad4d52d063967f0a705 对自由电子做功的总功率：。e2230b853516e7b05d79744fbd4c9c13 所以洛伦兹力对自由电子不做功。fe对电子做负功，f1对电子正功，由于fe=fd和f1=fm，所以这两个力对电子做的总功也为零。。10a5ab2db37feedfdeaab192ead4ac0e 综上所述，安培力对通电导体做功的微观本质是由于横向电场对正电荷的电场力做正功的宏观表现，但这一宏观表现，必须通过洛伦兹力来实现。。a666587afda6e89aec274a3657558a27 二、安培力做功与路径的关系。8e82ab7243b7c66d768f1b8ce1c967eb 如图4所示，在竖直平面内，固定着框架abMN，ab之间是直流电源，导体棒cd可在
电场力做功常用计算方法 电场力做功的计算是将电、力以及能量等相关知识点综合在一起来考查的，因此在高考中常常出现。同时由于涉及到的知识点比较多，常常令我们感觉有些难度，见了就害怕。其实对于这类题目虽然计算方法很多，但只要我们进行归纳总结，找出这些方法的基本思路和共同点，解题时就有了头绪。知道如何着手解题，做起来就容易多了。 解决电场力做功的问题我们必须认识到这是涉及“电场”、“力”、“功”三个方面的问题，因此这类题目我们就可以依据这三个方面的特点来解题。下面我们就根据这些特点总结出常用的几种计算电场力做功的方法。 方法及特点
根据功与力的关系和功与能的关系，可以将功的计算转化为对力或能量的计算。在知道电场的主要参数后电场力和电势能都很容易计算出来，因此问题就能够解决。下面我们来看看具体的方法和它们的特点： 1、利用功的定义计算：W FScosθ =由于力F是电场力，因此可以用F qE=计 算，故有W qEScosθ =。在中学阶段由于数学限制，式中F必须为恒力，即E 不变才可以计算，故该方法仅在匀 强电场中适用。 2、利用公式AB AB =计算。电荷q从A W qU 点运动到B点，电势为变化 U，则 AB 电场力做功可以用上式求解。对于 匀强电场还可使用W qEd =。 3、根据“功是能量改变的量度”使 用公式Wε =-?计算，其意义为电场力
做功等于电势能的减小量，在一直电荷电势能时使用这种方法较为简便。 4、利用动能定理进行计算。知道电荷动能的改变量，减去除电场力之外的力所做的功即可得到。这种方法在知道粒子在电场中的运动状态时使用较好。 依据题目的特点选取适当的方法解题，问题就很容易解决，下面我们来看看解题的思路。 经典体验（1） 如图，地面上方有 匀强电场，取场中 一点O为圆心在竖 直面内作半径为 R=0.1m的圆，圆平面与电场方 向平行。在O点固定电量Q=5
求变力做功的几种方法 功的计算在中学物理中占有十分重要的地位，中学阶段所学的功的计算公式W=FScosa只能用于恒力做功情况，对于变力做功的计算则没有一个固定公式可用，本文对变力做功问题进行归纳总结如下： 一、等值法 等值法即若某一变力的功和某一恒力的功相等，则可以同过计算该恒力的功，求出该变力的功。而恒力做功又可以用W=FScosa计算，从而使问题变得简单。 例1、如图1，定滑轮至滑块的高度为h， 已知细绳的拉力为F牛（恒定），滑块沿水平面 由A点前进s米至B点，滑块在初、末位置时细 绳与水平方向夹角分别为α和β。求滑块由A点 运动到B点过程中，绳的拉力对滑块所做的功。 分析：设绳对物体的拉力为T，显然人对绳 的拉力F等于T。T在对物体做功的过程中大小 虽然不变，但其方向时刻在改变，因此该问题是 变力做功的问题。但是在滑轮的质量以及滑轮与绳间的摩擦不计的情况下，人对绳做的功就等于绳的拉力对物体做的功。而拉力F的大小和方向 都不变，所以F做的功可以用公式W=FScosa直接计算。由图可知，在绳与水平面的夹角由α变到β的过程中,拉力F的作用点的位移大小为： 二、微元法 当物体在变力的作用下作曲线运动时，若力的方向与物体运动的切线方向之间的夹角不变，且力与位移的方向同步变化，可用微元法将曲线分成无限个小元段，每一小元段可认为恒力做功，总功即为各个小元段做功的代数和。 例2 、如图2所示，某力F=10牛作用于半径R=1米的转盘的边缘上，力F的大小保持不变，但方向始终保持与作用点的切线方向一致，则转动一周这 个力F做的总功应为： A0焦耳B20π焦耳 C 10焦耳D20焦耳 分析：把圆周分成无限个小元段，每个小元段可 认为与力在同一直线上，故ΔW=FΔS，则转一周中各个 小元段做功的代数和为W=F×2πR=10×2πJ=20π J，故B正确。 三、平均力法
例析安培力做功的三种情况 周志文 （湖北省罗田县第一中学 438600） 安培力做功的问题是学生在学习《电磁感应》这一章当中感觉到最难的知识点，因为同学往往弄不清安培力做功、焦耳热、机械能、电能之间的转化关系，但它又是高考命题的热点题型。因此本文通过建立物理模型，分析安培力做功的本质，用实例来帮助学生理解安培力做功的三种情况，希望对同学们有所帮助。 一、安培力做正功 1．模型：如图，光滑水平导轨电阻不计，左端接有电源，处于竖直向下的匀强磁场中，金属棒mn 的电阻为R ，放在导轨上开关S 闭合后，金属棒将向右运动。 安培力做功情况：金属棒mn 所受安培力是变力，安培力做正 功，由动能定理有 k E ?＝安W ① ①式表明，安培力做功的结果引起金属棒mn 的机械能增加 能量转化情况：对金属棒mn 、导轨、和电源组成的系统，电源的电能转化为金属棒的动能和内能，由能量的转化和守恒定律有：Q E k ＋＝电?E ② 由①②两式得：Q E W －＝电安 ③ ③式表明，计算安培力做功还可以通过能量转化的方法。 2.安培力做正功的实质 如图所示，我们取导体中的一个电子进行分析，电子形成电 流的速度为u ，在该速度下，电子受到洛仑兹力大小euB F u =， 方向与u 垂直，水平向左；导体在安培力作用下向左运动，电子 随导体一同运动而具有速度v ，电子又受到一个洛仑兹力作用 evB F v =，方向与v 垂直，竖直向上。其中u F 是形成宏观安培力 的微观洛仑力。这两个洛仑兹力均与其速度方向垂直，所以，它 们均不做功。 但另一方面，v F 与电场力F 方向相反，电场力在电流流动过程中对电子做了正功，v F 在客观上克服了电场力F 做了负功，阻碍了电子的运动，把电场能转化为电子的能量，再通
电场力做功的几种计算方法 马栋梁 由于电场力做功具有与路径无关，而仅与始末位置的电势差有关的特点，所以计算电场力做功可用多种方法。 1. 根据功的定义，用θ?=cos s F W 计算。此法仅适用于匀强电场中电场力做功的计算。 例1. 两带电小球，电荷量分别为q +和q -，固定在一长度为l 的绝缘细杆的两端，置于电场强度为E 的匀强电场中，杆与场强方向平行，其位置如图1所示。若此杆绕过O 点，垂直于杆的轴线转过180°，则在此转动过程中电场力做的功为多少？ 图1 解析：因在电场中任意两点移动电荷时，电场力对电荷做的功，与移动电荷的路径无关，可设想两电荷均沿绝缘杆移动到相应位置，则l l l l l Eq 2Eq Eq F F W =+=+=。 2. 用qU W =计算。此法适用于任何电场。运算时q 、U 可只取绝对值，对于功W 的正负，可依据提供的物理模型，或根据题设条件构想物理模型，利用相关知识判定。 例2. 在电场中有A 、B 两点，它们的电势分别是为V 200V 100B A =?-=?，。把电荷量C 100.2q 7-?-=的电荷从A 点移动到B 点，是电场力做功，还是克服电场力做功？做了多少功？ 解析：根据A 点电势低于B 点电势，可知始、终两点间的电场线的方向是由B 至A ，画出表示电场线方向的矢量线E ；根据负电荷所受的电场力方向与电场线方向相反，再画出表示电场力方向的矢量线F ；最后画出表示电荷移动方向（A →B ）的矢量线s 。由图2可以看出F 与s 方向相同，所以是电场力做功，电场力所做功的大小为： A B F s E 图2 |U ||q |W AB ?= J 100.6J |)200()100(||100.2|57--?=--??-= 3. 利用结论“电场力做的功等于电荷电势能增量的负值”（或等于电势能的变化）计算。这个方法在已知电荷电势能的值时比较方便，此法利用了功能关系，适用于任何电场。 例3. 如图3所示，在同一条电场线上，有A 、B 、C 三点，三点的电势分别是V 5A =?，V 0V 2C B =?-=?，，将电荷量C 106q 6-?-=的点电荷从A 移到B 电场力做功多少？电势能变化了多少？若将该电荷从B 移到C ，电场力做功多少？电势能变化了多少？ A C B 图3 解析：电荷在A 、B 、C 三点的电势能分别为
变力做功的计算 公式适用于恒力功的计算，对于变力做功的计算，一般有以下几种方法。 、微元法 对于变力做功，不能直接用呼■处皿&进行计算，但是我们可以把运动过程分成很多小段，每一小段内可认为F是恒力，用八爲二皿求出每一小段内力F所做的功，然后累加起来就得到整个过程中变力所做的功。这种处理问题的方法称为微元法，这种方法 的变力的做功问题。 例1.用水平拉力，拉着滑块沿半径为R的水平圆轨道运动一周，如图1所示，已知 物块的质量为m,物块与轨道间的动摩擦因数为’。求此过程中摩擦力所做的功。 思路点拨：由题可知，物块受的摩擦力在整个运动过程中大小' 不变，方向 时刻变化，是变力，不能直接用|瞬■ ^SCOS^求解；但是我们可以把圆周分成无数小微元段，如图2所示，每一小段可近似成直线，从而摩擦力在每一小段上的方向可认为不变， 求出每一小段上摩擦力做的功，然后再累加起来，便可求得结果。 具有普遍的适用性。但在高中阶段主要用于解决大小不变、方向总与运动方向相同或相反 图1
正确解答：把圆轨道分成无穷多个微元段硏?巧'肉*…*亦，摩擦力在每一段上 可认为是恒力，则每一段上摩擦力做的功分别 吧工-中粥为斷?严跖| ,，…，即=%+,，摩擦力+小 在一周内所做的功 +% - + &2 + 殆 4 +务）二一2贰测gR 误点警示：对于此题，若不加分析死套功的公式，误认为位移s = 0,得到W 0,这 是错误的。必须注意本题中的F是变力。 . 小结点评：对于变力做功，一般不能用功的公式直接进行计算，但有时可以根据变力 的特点变通使用功的公式。如力的大小不变而方向总与运动方向相同或相反时，可用 计算该力的功，但式子中的s不是物体运动的位移，而是物体运动的路程。 ［发散演习］ 如图3所示，某个力F= 10N作用于半径R= 1m的转盘的边缘上，力F的大小保持不变，但方向任何时刻与作用点处的切线方向保持一致。则转动半圆，这个力F做功多少？ 图3 答案：31.4J。 二、图象法 在直角坐标系中，用纵坐标表示作用在物体上的力F，横坐标表示物体在力的方向上 的位移s。如果作用在物体上的力是恒力，则其F—s图象如图4所示。经过一段时间物体 发生的位移为s o,则图线与坐标轴所围成的面积（阴影面积）在数值上等于力对物体做的 功W= Fs, s轴上方的面积表示力对物体做正功（如图4（a）所示），s轴下方的面积表示力对物体做负功（如图4 （b）所示）。
安培力做功的本质 姜付锦 （湖北省武汉市黄陂区第一中学 430030） 电磁感应现象的本质是通过安培力做功实现机械能与电能的转化。在转化的过程中，功既是桥梁也是量度。在平时的教学中，教师着重强调电磁感应现象的宏观效果，而忽略了它的微观解释。下面笔者从宏观和微观两个角度来分析这一现象。 一．建立模型 如图所示，宽为L 的光滑导轨， 一端接一电阻R ，另一端放一个导棒。导棒 的质量为m 。匀强磁场B 垂直导轨面向下。 现给导棒一个初速度V 0 二．规律分析 1、 宏观角度 ①受力分析 导棒的切割运动产生一个电动势，在电路中形成电流。使导棒在运动时受到一 个安培力作用。 ②运动分析 设导棒在某一时刻的速度为V ，则产生电动势的大小为E=BLV 。电路中的电流R BLV I =，导棒受安培力为R V L B BIL F 22==，安培力向左阻碍运动，最终导棒会静止。 ③规律分析 1．棒加速度mR V L B m F a 22-=-=，根据dt dV a =，所以有dt dV m R V L B =-22整理后得到dt mR L B V dV 22-=，两边不定积分后有t mR L B ce V 22-=，由于开始时，棒速度为V 0，所以上式中的常数为V 0，即t mR L B e V V 2 20-=。 2．设棒的位移为S ，则有动量定理∑=?=?022mV t R V L B P ，所以位移2 20L B R m V S = 3、设棒中通过的电量q ，则有动量定理∑==?0mV BIL P ，所以电量 BL m V q 0= 4．电路中产生的热量2 20mV E Q K =?= m L