洛倫茲力永遠不做功嗎,那如何解釋這個問題

時間 2021-06-06 17:32:55

1樓:冬天真冷

稍偏個題,寫個稍微數學一點的回答吧

電磁學中洛倫茲力的形式是

考慮在元功

有處理一下最後一項,使用Einstein求和約定注意到,由鏈式法則,

所以在我們推導出的元功表示式種,倘若固定k而交換i,j下標的取值,levi-cevita符號取反,我們立刻得到求和後結果為零。因此

綜上,洛倫茲力做功始終為零。

至於題主所說情況中的具體物理情景,由答主已經解釋得相當完善了,這裡就不贅述了~

2樓:因物悅理

-------題主你要是仔細畫圖的話,你會發現你說的小球沿x軸方向的洛倫茲力與小球沿x軸方向的速度恰好是反向的!這樣的話,你這個問題都不成立了。不信你繼續往下看。

-------題主已修改了問題中的筆誤。

首先把這個問題給影象化。原始情景如圖一所示(v表示x軸方向,PQ表示y軸方向,磁場方向表示z軸方向)

圖一絕緣棒在外力的作用下,從靜止開始朝水平向右運動起來。那麼根據左手定則,此帶電小球會受到豎直向上的洛倫茲力f,如圖二所示。

圖二顯然,帶電小球在力f的作用下,會沿著絕緣棒從Q端朝P端運動起來。也就是說,小球就會有沿絕緣棒方向的速度 。而這個分運動也會使得帶電小球受到乙個洛倫茲力 ,如圖三所示。

圖三很明顯, 與絕緣棒運動的方向(的方向)是反向的!何來題主的疑惑呢?

其實呀,題主真正的疑惑應該這樣描述:帶電小球居然能沿絕緣棒運動,而洛倫茲力 與速度 同向,洛倫茲力居然做功了!!!

好了,疑惑到這裡算是給描述清楚了,再來看看怎麼解釋這個問題。

圖三顯示,帶電小球其實參與了兩個方向的分運動:隨導體棒水平向右運動,速度為 ;沿導體棒的定向移動,速度為 ,方向由Q指向P。所以帶電小球的合速度方向是斜向右上的

而帶電小球所受的兩個洛倫茲力 與 也就是兩個分力,其合力是斜向左上的。你會發現,合力與合速度始終垂直,也就是說洛倫茲力對帶電小球永不做功,這就是洛倫茲力的特點!

既然結論是洛倫茲力對帶電小球不做功,那麼帶電小球又是怎樣能沿著絕緣棒運動的呢?

既然這個絕緣棒裡面有個可以自由移動的帶電小球,那麼這個絕緣棒就和導體棒沒啥區別了。下面就以導體棒為例,來繼續闡述這個問題。

根據圖一所示的場景,這個導體棒在切割磁感線。如果導體棒內部的自由電荷在持續的從Q端移動到P端,說明導體棒內存在著電流。咱們分析的就是這個場景。

顯然,導體棒PQ就是電源(產生了感應電動勢呀)。而根據導體棒內部的電流方向,咱就可以判斷電源的正負極了。顯然P端是電源正極,Q端是電源負極。

搞清楚了這些基本的電路結果後,對於導體棒PQ來說,先從力的角度來看看。

確實對導體棒做負功!而且這個力從巨集觀角度來看就是導體棒受到的安培力,你用左手定則即可判斷。

確實對電荷做正功,將其從負極搬運到正極,這個力就是電源的非靜電力!

再來從能量的角度來看,由於自由電荷受到的合力始終不做功,所以:

而導體棒勻速運動的過程中,作用與導體棒上、沿其運動方向上的外力與導體棒所受的安培力是一對平衡力。所以這個外力做的正功與安培力做功滿足:

由此可知:

即外力做功的值等於非靜電力做功的值,表明外界提供了多少其他形式的能量,就轉化了多少的電能!這不正是電源的作用嗎?

這裡借助導體棒勻速運動的情景,就是為了讓你能清楚看到這種定量的能量轉化關係。如果導體棒不是勻速運動,那麼其他形式的能量就有一部分轉化為導體棒自身的動能!這樣的話,必須知道導體棒的質量與速度,才能定量得知轉化了多少的電能。

那麼,最終的結論來了:

1、洛倫茲力永不做功!!!(與 的合力對小球就是沒做功)

2、安培力是可以做功的,雖然安培力被看做是洛倫茲力的巨集觀表現!!!(這是因為,分力確實對小球做了負功)

3、非靜電力也是要做功的,雖然這個例子裡,非靜電力屬於其中乙個洛倫茲力 !!!(這是因為 確實對小球做了正功)

所以,我們平時說導體棒在安培力的作用下做功,其實是只看了乙個分力而已。而我們說導電體棒切割磁感線時,非靜電力做功,也是只看了另乙個分力而已。

當我們從全域性來看這個現象時,其實就是導體棒把外界提供的能量轉化成不同形式而已了——導體棒克服安培力做功,把外界的能量轉化為了整個電路的焦耳熱;非靜電力做功,把外界的能量轉化為了電路裡的電能。

而在能量轉化的過程裡,必須要借助相應的力做功來實現能量的轉化!!!

3樓:

動能當然是管壁給的

洛倫茲力負責改變方向,管壁支援力負責改變動能如果不保持管的速度,小球在管中移動的時候管也會減速,動能就在管和小球之間分配

類似於安培力和動生電動勢的關係

4樓:

洛倫茲力確實永不做功,你假設的情景裡面有個很關鍵的地方,那就是絕緣管是以恆定速度向右移動的,那麼因為X軸的速度恆定,所以沿Y軸方向的洛倫茲力是乙個恒力,這個恒力會使小球在Y方向上做勻加速直線運動,那麼Y方向上的速度也會產生乙個沿X軸的洛倫茲力,這個分力會越來越大,所以你說的使得管做勻速直線運動的那個外力必須時時刻刻都與X軸方向的分力等大反向,這裡洛倫茲力的兩個分力乙個做正功乙個做負功,整體不做功。實際上,小球的運動軌跡是一條拋物線,洛倫茲力時時刻刻都與其切線垂直,自然不做功。

5樓:元Au

這地方陷入了乙個誤區。像極了之前的「飛矢不動」問題。有興趣可以去搜尋一下,這裡就不再贅述。

很多人可能以為,力產生加速度產生速度。所以先有力再過了乙個極端小的時間出現加速度再過了乙個極端小的時間出現速度(倘若初速度為0)。實際上在牛頓力學裡面,力和加速度同時出現,同樣也不存在乙個極小時間段加速度和速度保持不變。

因此你無法找到乙個時間段,既能保證小球獲得了速度,又保證小球x只受到洛倫茲力。實際上是洛倫茲力x方向分量做了正功,其他方向分量做負功。畢竟小球只要不是第0秒,以後的任何乙個時刻受到的洛倫茲力都不是嚴格朝x方向的。

當然如果非要離散去想,做功需要位移,位移需要速度的時間積累。時間都已經無限小了,小到洛倫茲力來不及變向,那麼自然此時的速度時間積累出來的位移也是0,做功自然為0了(不過我認為不能這麼想)。

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