高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)的解題方法研究

葉曉山

【摘要】物理是社會(huì)生活的重要知識(shí)，也是高中教學(xué)的重要學(xué)科。一直以來(lái)我國(guó)對(duì)于物理人才的態(tài)度都是求賢若渴。高中物理競(jìng)賽的推行是發(fā)掘物理人才的重要方式。電磁學(xué)是高中物理競(jìng)賽的核心部分，也是競(jìng)賽中的難點(diǎn)部分。因此，本文通過(guò)培養(yǎng)多位的解題思路和培育社會(huì)需要的物理人才兩個(gè)角度出發(fā)，探析了進(jìn)行高中物理競(jìng)賽電磁學(xué)解題方法研究的意義，并總結(jié)出微元法、疊加法、圖像法、對(duì)稱(chēng)分析法以及綜合法等五種常用的電磁學(xué)解題方法，希望能夠促進(jìn)解題者迅速得出高中物理競(jìng)賽電磁學(xué)方面題目的答案。

【關(guān)鍵詞】高中物理競(jìng)賽;物理電磁學(xué);解題方法

物理對(duì)于一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展影響巨大。一直以來(lái)，我國(guó)對(duì)物理人才的培養(yǎng)十分重視。真正對(duì)物理感興趣的人能夠?qū)ξ锢磉M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的鉆研。物理競(jìng)賽針對(duì)的對(duì)象就是對(duì)物理有濃厚興趣的具有鉆研精神的人。物理競(jìng)賽根據(jù)不同的學(xué)齡分為不同的競(jìng)賽組，其中高中組就是重要的組成部分。經(jīng)過(guò)初中物理的基礎(chǔ)性學(xué)習(xí)后，高中階段的學(xué)生更能夠明白自己是否對(duì)物理感興趣。并且高中階段已經(jīng)進(jìn)入高階段的物理學(xué)習(xí)，物理知識(shí)的難度十分大，物理競(jìng)賽中的題目也是十分的難。電磁學(xué)便是高中物理競(jìng)賽中難以攻破的難點(diǎn)。因此，除了對(duì)物理的興趣和鉆研，還需要掌握物理的解題方法，才能夠在物理競(jìng)賽中游刃有余。本文研究的目的主要在于探索高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)的解題方法，希望能夠通過(guò)多維思路培育出高尖端的物理人才。

一、高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)解題方法研究的意義

高中物理競(jìng)賽是物理界十分重要的競(jìng)賽，每年都備受物理奇才的關(guān)注。想要在物理競(jìng)賽中嶄露頭角，就必須掌握好物理競(jìng)賽的解題方法，尤其是難度較高的電磁學(xué)。因此，進(jìn)行電磁學(xué)解題方法的研究十分有必要，主要體現(xiàn)在能夠培養(yǎng)多維的解題思路和培育社會(huì)需要的物理人才兩個(gè)方面。從培養(yǎng)多維的解題思路出發(fā)，電磁學(xué)是物理學(xué)科中十分復(fù)雜多變的知識(shí)，也是社會(huì)生產(chǎn)生活中常用到的知識(shí)，電磁學(xué)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用十分重要，是高中物理競(jìng)賽中的重難點(diǎn)。進(jìn)行電磁學(xué)解題方法的研究，能夠幫助解題者提供多種解題方法。當(dāng)解題者在高中物理競(jìng)賽中遇到電磁學(xué)方面的題目，可以根據(jù)本文研究的解題方法入手，形成系統(tǒng)化的解題思路，有利于解題者迅速地理解電磁學(xué)難題、分析題目的要點(diǎn)并得出正確的答案。從培育社會(huì)需要的物理人才來(lái)分析，高中物理競(jìng)賽對(duì)解題者的物理素養(yǎng)不僅僅停留在高中基礎(chǔ)物理知識(shí)上，還要有更高層次的要求，其目的在于選拔優(yōu)秀的物理人才，尤其是電磁學(xué)方向的物理人才。本文通過(guò)對(duì)電磁學(xué)解題方法的研究，降低解題者對(duì)高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)難度的感知，使得解題者能夠深入地掌握電磁學(xué)的基本原理和規(guī)律。在通過(guò)高中物理競(jìng)賽后，解題者能夠提高對(duì)電磁學(xué)的研究，有利于電磁學(xué)知識(shí)的繼承和創(chuàng)新，有利于培育社會(huì)需要的人才。

二、高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)常用的解題方法

1.微元法在高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽中的運(yùn)用

微元法的使用，是充分考慮整體與局部關(guān)系的一種高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽的方法。整體是由局部多個(gè)微元素組成，微元素之間錯(cuò)綜復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)形成了高難度的整體，即高中物理電磁學(xué)類(lèi)的競(jìng)賽題。如果在高中物理競(jìng)賽中，電磁學(xué)的題目難度過(guò)高，一時(shí)間無(wú)從下手，不妨考慮使用微元法來(lái)進(jìn)行解題，將復(fù)雜的物理題目轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的物理定律，將題目蘊(yùn)含的曲面轉(zhuǎn)化為平面，從而起到簡(jiǎn)化問(wèn)題的效果，并做到從局部到整體，順利地解開(kāi)電磁學(xué)難題。以電磁學(xué)金屬圓環(huán)題目為例。水平放置一個(gè)半徑為α的金屬圓環(huán)，并將另一個(gè)金屬細(xì)絲豎直放在與金屬圓環(huán)同一個(gè)平面里。假設(shè)金屬細(xì)絲經(jīng)過(guò)金屬圓環(huán)的中心點(diǎn)O，這時(shí)存在一個(gè)質(zhì)量為b、長(zhǎng)度為α且電阻為c的導(dǎo)體棒放置在金屬圓環(huán)內(nèi)側(cè)D點(diǎn)與中心的O相連接?，F(xiàn)在D點(diǎn)沿著圓環(huán)繞金屬細(xì)絲轉(zhuǎn)，金屬圓環(huán)與金屬細(xì)絲的摩擦系數(shù)為u，若它們處于一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中，探求要使導(dǎo)體棒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，那么D點(diǎn)需要水平外力的大小。這道題初看很復(fù)雜，還必須考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度存在的差異，但是如果運(yùn)用微元法就能夠很容易地解開(kāi)難題。勻速轉(zhuǎn)動(dòng)說(shuō)明是在平，衡狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候作用在導(dǎo)體棒上的合力應(yīng)當(dāng)為零，因此安培力和外來(lái)施加的力之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是平行力。根據(jù)微元法的運(yùn)用，可以得出導(dǎo)體棒上的微元所受到的安培力就是題目的答案。

2.疊加法在高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽中的運(yùn)用

疊加原理不僅僅是物理電磁學(xué)中存在的原理，也是生活中十分常見(jiàn)的規(guī)律。疊加法的運(yùn)用主要是針對(duì)不具有對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的物理電磁學(xué)方向的題目。這類(lèi)題目需要細(xì)心觀察分析，探索出其中蘊(yùn)藏的物理本質(zhì)，并借助疊加法將其變?yōu)榫哂袑?duì)稱(chēng)性質(zhì)的物理題目來(lái)進(jìn)行解答，從而降低了題目的難題，提高了解題的信度和效度。例如求電磁感應(yīng)大小的電磁學(xué)題目。在兩個(gè)半徑分為R1和R2的圓柱導(dǎo)體管中R2：是空心部分。假設(shè)兩個(gè)導(dǎo)體管的軸線距離為B，且B大于R2，這時(shí)有電流勻速地在導(dǎo)體管中流動(dòng)，求空心圓柱導(dǎo)體管軸線的磁感線大小。這道題的解題思路應(yīng)當(dāng)是運(yùn)用疊加法轉(zhuǎn)化題目的已知條件，并借助安培環(huán)流定律來(lái)輔助解題，很快就能夠得到題目的答案。

3.圖像法在高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽中的運(yùn)用

圖像法是高中物理競(jìng)賽中，電磁學(xué)解題過(guò)程中十分常見(jiàn)的解題方法。通過(guò)圖像法能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)化題目和抓住關(guān)鍵的作用。從簡(jiǎn)化題目的作用來(lái)分析，圖像法能夠?qū)⒏咧形锢砀?jìng)賽中電磁學(xué)復(fù)雜的文字表述題目，通過(guò)繪圖的方式將繁雜的文字轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的幾何圖像，極大地簡(jiǎn)化了電磁學(xué)題目的難度。從抓住關(guān)鍵的作用來(lái)分析，通過(guò)圖像的繪制使得題意更加地清晰明確，使得做題者能夠迅速地抓住題目的關(guān)鍵，并抓住解題思路的關(guān)鍵。例如電磁學(xué)中求速率的題目：在一個(gè)以O(shè)點(diǎn)為軸線，半徑為R的勻強(qiáng)磁場(chǎng)下的真空絕緣圓筒容器中存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，其中在圓筒存在一個(gè)小孔P，假設(shè)存在質(zhì)量為m電粒子H帶著q電荷量從P點(diǎn)進(jìn)入圓筒內(nèi)，經(jīng)過(guò)碰撞后又從P點(diǎn)飛出去，那么在光滑的筒壁下，求電粒子H的速率大小。題目看起來(lái)十分復(fù)雜，但是經(jīng)過(guò)圖像法處理后，可以用平面圓形來(lái)表示圓筒，用線和點(diǎn)來(lái)表示軸線和小孔，就能夠?qū)?fù)雜的題意轉(zhuǎn)化為幾何圖形，既簡(jiǎn)便，又能夠幫助解題者尋找到解題思路。

4.對(duì)稱(chēng)分析法在高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽中的運(yùn)用

對(duì)稱(chēng)分析法的運(yùn)用主要是借助對(duì)稱(chēng)的原理來(lái)對(duì)已知條件進(jìn)行分析，并根據(jù)已知條件的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)來(lái)探尋未知條件，從而能夠正確地解答題目的方法。根據(jù)電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)可以了解到電磁學(xué)中很多電體在磁場(chǎng)中具有對(duì)稱(chēng)性。安培環(huán)流定律和高斯定理是電磁學(xué)中十分重要的公式和原理。采用對(duì)稱(chēng)分析法一定要牢記兩個(gè)重要的公式，在解題過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。例如求電場(chǎng)強(qiáng)度的電磁學(xué)題目。題目指出兩個(gè)異性等值的電荷同軸圓柱面，半徑長(zhǎng)度分別為R1和R2，并且R1大于R2，假設(shè)存在密度為P的電荷線，且軸線r小于R1，求軸線r的電場(chǎng)強(qiáng)度。題目雖然簡(jiǎn)單，但是想要快速地解題就必須運(yùn)用對(duì)稱(chēng)分析法結(jié)合安培環(huán)流定律。

5.綜合法在高中物理電磁學(xué)競(jìng)賽中的運(yùn)用

在高中物理競(jìng)賽電磁學(xué)的解題過(guò)程中運(yùn)用綜合法，就是要充分地掌握并分析已知條件，將已知條件作為電磁學(xué)題目的解題關(guān)鍵。在綜合法的運(yùn)用中，常常是根據(jù)已知條件來(lái)進(jìn)行邏輯上、數(shù)理上和思維上的推敲，不斷地從已知條件推敲出新的解題條件，從而能夠根據(jù)已知條件結(jié)合推敲出新的條件，最終得出題目的答案。采用綜合法能夠充分地鍛煉解題者的信息獲取能力、信息分析和處理能力、知識(shí)的融合能力和邏輯思維能力，是高中物理競(jìng)賽中經(jīng)常被運(yùn)用于電磁學(xué)解題的方法。例如測(cè)量電子荷質(zhì)比的電磁學(xué)題目。題目給出從陰極K發(fā)出電子，電子從真空玻璃管處理后經(jīng)過(guò)陰極與α“之間的電壓后速度加快，從而形成電子流并進(jìn)入長(zhǎng)度為5毫米極板。如果極板中不存在電壓，那么電子會(huì)在Q點(diǎn)上;如果存在電壓，那么電子就會(huì)在P點(diǎn)上。假設(shè)電壓為200 V，P點(diǎn)和Q點(diǎn)之間的距離為3厘米，求電子荷質(zhì)比。本道題目沒(méi)有直接關(guān)于荷質(zhì)比的信息，但卻是要求電子荷質(zhì)比，所以會(huì)覺(jué)得十分的棘手。通過(guò)綜合法來(lái)進(jìn)行解題，能夠根據(jù)已知條件來(lái)推敲未知條件，從而能夠獲取解題的關(guān)鍵。

三、結(jié)語(yǔ)

高中物理競(jìng)賽中競(jìng)爭(zhēng)的不僅僅足解題者的物理基礎(chǔ)知識(shí)、對(duì)物理的鉆研程度，還包括解題者靈活運(yùn)用物理知識(shí)的能力和物理的解題思路。電磁學(xué)一直以來(lái)都是高中物理的重難點(diǎn)，在物理競(jìng)賽中同樣占據(jù)十分重要的比重。對(duì)高中物理競(jìng)賽中電磁學(xué)解題方法的研究，有利于培養(yǎng)解題者多維的解題思路，更加有利于培養(yǎng)社會(huì)需要的物理人才。本文通過(guò)文獻(xiàn)研究和實(shí)證研究等方式，探析出在高中物理競(jìng)賽中遇到電磁學(xué)方面的題目，可以采用微元法、疊加法、圖像法、對(duì)稱(chēng)分析法和綜合法來(lái)進(jìn)行電磁學(xué)題目的解題，使得解題者能夠迅速地找到解題思路，得出題目對(duì)應(yīng)的正確答案，從而能夠輕松地在高中物理競(jìng)賽中獲得成功。

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