高中物理電磁學的解題方法分析及應用

摘 要：電磁學是物理學的分支，主要用于研究電與磁的關系，是我們高中生學習的重點之一。奧斯特在1820年偶然發現電流能夠產生磁場，法拉第在1831年通過實驗證明改變的磁場會在電路中產生電流，麥克斯韋預測改變的電場有對應的磁場，這些技術革命是電力與現代通信的三個里程碑。在高中物理學習中，有四種最常用的解題方法，分別是圖像法、微元法、綜合法和守恒轉換法，本文將舉例分析這四種方法，并提出個人見解。

關鍵詞：高中物理；電磁學；解題方法；分析及應用

一、 前言

從總體結構來講，物理解題方法共有十一種，分別是微元法、隔離法、近似法、守恒轉換法、數學函數法、圖像法、對稱法、假設法、等效法、綜合法和巧取參考系法等，其中，最常用的四種方法是圖像法、微元法、綜合法和守恒轉換法。另外，在物理練習中，通過認真尋找和總結解題規律，嘗試運用了多題一解和一題多解的方式，拓展解題思路與思維空間。本文將簡單介紹電磁學所涉及的知識點，并分層淺談高中物理中電磁學的解題方法。

二、 電磁學所涉及的知識點

1. 從微觀視角來分析

電磁學所涉及的知識點極為廣泛，有測定電子荷質比、電容、安培定律、歐姆定律、法拉第電磁感應定律、磁場、電勢、電場、自感系數、洛倫茲力、電動勢、勻強磁場、勻強電場、電壓、電阻等。高中物理競賽中經常出現的試題大多和電容、安培力、歐姆定律、法拉第電磁感應定律、磁場、洛倫茲力、電勢以及電阻密切相關。

2. 從概念的角度來看

（1）電容是一個或者一組導電體的性質，以該導體上每單位電勢的變化改變所儲存的分離電荷量來量度；也指所儲存的電能。如果電荷傳布到兩個未帶電的導體，兩個導體就會帶有等量的電荷，而且，兩個導體間會建立一個電勢差。電容C即是在任一導體上的電量q對兩個導體間電勢差U的比，C=q/U。

（2）安培定律是法國物理學家安培所提出的一條電磁學定律，用以描述兩電流之間的磁力。如果兩個電流的方向相同，則兩根導線之間的力相吸；如果它們流動的方向相反，則兩力相斥。無論哪種情況，力的大小都與電流成正比。

（3）歐姆定律是研究在電路中電勢差（電壓）與電流以及電阻之間的關系。物理學家歐姆于1827年發現，在恒溫電路中，電流I與電勢差U成正比，與電阻R成反比，即I=U/R。

（4）法拉第電磁感應定律主要是研究磁場所產生的感應電流。磁場是磁體、電流或者可以觀測到磁力的變化電場周圍的區域。在永磁體或者有穩定的直流電通過的導線周圍的磁場是靜磁場，而在交流電或者變化的直流電周圍的磁場則不斷在變化。物理學一般用連續的力線（或者稱磁通量）來表示磁場。磁力線從指北的磁極出來，并從指南的磁極進去。線的密度表示磁場的強弱，磁場強的地方磁力線就更加密集。

（5）洛倫茲力是荷蘭物理學家洛倫茲所提出的，他進一步豐富了麥克斯韋的電磁輻射理論，并提出了解釋電、磁和光之間關系的簡單理論，即假設原子由帶電粒子組成，這些粒子的振動會產生光。

（6）電勢是把單位電荷逆電場方向從一個參考點移到某給定點所做的功，正電荷逆電場方向運動時，勢能會增加，反之，順電場方向運動時，勢能會減少。

（7）電阻是材料或者電路對電流流動的阻礙，它是電路的一種性質，在它阻礙電流流動的過程中會把電能轉換成熱能。

三、 高中物理中電磁學的解題方法

（一） 圖像法

在高中物理中電磁學的解題過程中，圖像法是最直觀、最常用的解析方法，該方法能夠運用簡潔而完整的幾何圖形來表示物理因素之間的關系，并解答物理問題。以下例題就是用圖像法解答的案例：

例 一個絕緣圓筒容器內部有勻強磁場，其半徑是R，軸線是O，磁場運動方向和軸線保持平行關系，電磁感應強度是B。圓筒處于真空狀態下，在絕緣圓筒容器的H處設有一小孔。有一個帶電粒子P的質量為m，電荷量是q，先以一定的速度從小孔進入圓筒，經過碰撞后又飛出小孔。假如絕緣圓筒壁是光滑的，P和絕緣圓筒壁之間的碰撞為彈性碰撞，粒子的電荷量一直沒有發生變化，如果讓P以最少的次數和絕緣圓筒壁之間發生碰撞，那么P的速率是多少？它從進入絕緣圓筒壁到飛出的時間有多長？

對于這一試題，首先要繪制帶電粒子P的運動軌跡圖，下圖就是帶電粒子P的運動軌跡圖。

圖 帶電粒子P的運動軌跡圖

（二） 微元法

微元法主要是指從試題所給的材料中提取最有價值的微小部分進行研究與分析，總結該部分與總體的關系，進而得出答案。通常，運用微元法能夠將曲線轉化成直線或者圓，將復雜的曲面問題轉化成簡單的平面問題予以解決。與此同時，在使用微元法解題時，時常需要活用物理概念知識和物理定律及其公式。

（三） 綜合法

綜合法具有“綜合性”，涉及的解題思路較為寬泛，運用該方法解答高中物理競賽試題，需要整合并分析所有已知條件，然后，根據這些條件進行量化、推理、分析和計算，最終得出答案。

（四） 守恒轉換法

守恒轉化法由“守恒”和“轉換法”共同組成，其中，“守恒”是指一種定律，可稱之為“守恒定律”，該定律是指在孤立的物理系統中，某些可測度的量不隨時間的變化而改變；“轉換法”是對根據物理過程與物理狀態對物理問題進行轉換和簡化。在解析電流和磁場問題時，就需要使用守恒轉化法。

四、 結束語

綜上所述，在高中物理電磁學中，圖像法、微元法、綜合法和守恒轉化法的應用最為廣泛，應根據試題內容和所給條件，選擇正確的解題方法。

參考文獻：

[1]杜英琪.高中生物理電磁學迷思概念的調查與研究——以北京市三所中學為例[D].中央民族大學，2017（04）.

作者簡介：

高嘉培，江蘇省徐州市，江蘇省鄭集高級中學。