磁動(dòng)力電梯的能量是由磁場(chǎng)提供的嗎？

1、磁動(dòng)力電梯的能量是由磁場(chǎng)提供的嗎？對(duì)一道高考模擬題解答的質(zhì)疑和探究須雪忠（浙江省杭州第四中學(xué)，浙江 杭州 310018） 1 問題的提出abcd··················在2009年浙江省高考模擬卷第一卷中有一道考查磁動(dòng)力電梯工作原理的計(jì)算題，原題如下：“隨著摩天大樓的高度不斷增加，時(shí)下普遍使用的鋼索懸掛式電梯已漸漸不適用了，因?yàn)殇撍鞯拈L(zhǎng)度隨著樓層的增高而相應(yīng)增加，這些鋼索會(huì)由于承受不了自身的重量而發(fā)生斷裂

2、。為此，科技人員正在研究用磁動(dòng)力來解決這個(gè)問題。如圖所示就是一種磁動(dòng)力電梯的模擬機(jī)，即在豎直平面上有兩根很長(zhǎng)的平行豎直軌道，軌道間有垂直軌道平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和，且和的方向相反，大小相等，即，兩磁場(chǎng)始終豎直向上做勻速運(yùn)動(dòng)。電梯橋廂固定在如圖所示的一個(gè)用超導(dǎo)材料制成的金屬框內(nèi)（電梯橋廂在圖中未畫出），并且與之絕緣。假如電梯載人時(shí)的總質(zhì)量為，所受阻力，金屬框垂直軌道的邊長(zhǎng)，兩磁場(chǎng)的寬度均與金屬框的邊長(zhǎng)相同，金屬框整個(gè)回路的電阻，設(shè)計(jì)要求電梯以的速度向上勻速運(yùn)動(dòng)。試回答下列問題：（1）磁場(chǎng)向上運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該為多大？（2）在電梯向上做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了維持它的運(yùn)動(dòng)，外界必須提供能量，那么這些能量是由什么提供

3、的？此時(shí)系統(tǒng)的效率為多少？”其中第二問在我校師生中引起了很多的爭(zhēng)論與探討。學(xué)生在解答中普遍認(rèn)為是磁場(chǎng)提供了電梯向上做勻速運(yùn)動(dòng)的能量，因而在求解系統(tǒng)的效率時(shí)，把磁場(chǎng)對(duì)電梯的安培力做功功率作為總功率，再求出電梯克服重力做功增加重力勢(shì)能的功率作為有用功率，從而求得系統(tǒng)的效率為。本模擬題提供的解答中也認(rèn)為電梯向上運(yùn)動(dòng)的能量是由磁場(chǎng)提供的，并指出磁場(chǎng)提供的能量分為兩部分：一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倏虻膬?nèi)能，另一部分克服電梯的重力和阻力做功，當(dāng)電梯向上做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬框中的感應(yīng)電流，所以金屬框中的焦耳熱功率為，電梯的有用功率為，阻力的功率，從而求得系統(tǒng)效率。 同樣的認(rèn)識(shí)，即“磁動(dòng)力電梯的能量是由磁場(chǎng)提供的”，卻“

4、殊途不同歸”，得到了兩個(gè)不同的工作效率，到底哪一個(gè)是正確的？如果能量真由磁場(chǎng)提供，那磁場(chǎng)源源不斷地對(duì)外輸出能量，卻不見有損耗(、仍為原值，磁場(chǎng)的分布規(guī)律和運(yùn)動(dòng)情況未變)，豈不成 “永動(dòng)機(jī)” 了嗎？2 問題的探究能量真的是由磁場(chǎng)提供的嗎？我們知道，功是能量轉(zhuǎn)化的原因和量度，如果能量真的是由磁場(chǎng)提供的，那么磁場(chǎng)對(duì)金屬框的安培力做的功應(yīng)是這一能量轉(zhuǎn)化的量度，即為總功，學(xué)生的解答應(yīng)是正確的。但系統(tǒng)中三部分能量的獲得（克服重力做功增加的重力勢(shì)能、克服摩擦阻力做功產(chǎn)生的熱量以及金屬框中感應(yīng)電流的焦耳熱）卻是不爭(zhēng)的事實(shí)，總能量（相應(yīng)總功率）應(yīng)為三者之和，參考答案顯然是正確的。怎么會(huì)出現(xiàn)這樣的矛盾呢？其實(shí)，稍

5、加分析就不難看出，要維持電梯向上做勻速運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)必須以更大的速度（本問題中即）向上做勻速運(yùn)動(dòng)，而磁場(chǎng)的勻速運(yùn)動(dòng)則需要外力來維持。對(duì)金屬框受力分析可知，其動(dòng)力來源于磁場(chǎng)對(duì)其施加的安培力，而力的作用是相互的，它會(huì)還給磁場(chǎng)一個(gè)同樣大小的向下的反作用力，為維持磁場(chǎng)的勻速運(yùn)動(dòng)，外界必須施加一個(gè)大小為的向上的外力，其功率為（即總功率），所以系統(tǒng)的效率為，這與參考答案是一致的，但對(duì)能量的來源卻有了新的認(rèn)識(shí)：即能量是由外界輸入的，磁場(chǎng)本身并不提供能量，只是起了一個(gè)“傳遞”作用。查閱相關(guān)資料可知：磁動(dòng)力電梯的轎廂上安裝了永久磁鐵，電梯的井壁上鋪設(shè)了電線圈。這些線圈采取了分段式相繼通電，生成一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)，從而帶

6、動(dòng)電梯上升或者下降。可見，磁動(dòng)力電梯是依靠外界提供的電能來工作的，是一用電設(shè)備，稱之為“電梯”是名副其實(shí)的。時(shí)下已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車也是利用磁力驅(qū)動(dòng)的，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理與磁動(dòng)力電梯是一致的（在沿軌道安裝的繞組（線圈）中通上勵(lì)磁電流，產(chǎn)生隨空間做周期性變化、運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與固定在車體下部的感應(yīng)金屬框相互作用，使車體獲得牽引力），同樣需要外界提供電能。另外，在解答本題時(shí)，令學(xué)生倍感困惑的是：閉合回路的部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其回路電能的產(chǎn)生應(yīng)是切割部分導(dǎo)體克服安培力（阻力）做功（將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能）的結(jié)果，然而本題中安培力怎么成了金屬框（包括電梯橋廂）運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力了呢？安培力所做的功應(yīng)是相應(yīng)電能產(chǎn)生的量度，而本題中金屬框所受安培力做功的功率與回路電功率（焦耳熱功率）并不相等，又是怎么回事？事實(shí)上，本問題中認(rèn)為安培力是動(dòng)力那是指金屬框?qū)Φ兀ɑ蜍壍溃┻\(yùn)動(dòng)而言的，而電磁感應(yīng)現(xiàn)象是金屬框與磁場(chǎng)間發(fā)生