高中物理競賽中電磁學的解題方法研究

葉曉山

【摘要】物理是社會生活的重要知識，也是高中教學的重要學科。一直以來我國對于物理人才的態(tài)度都是求賢若渴。高中物理競賽的推行是發(fā)掘物理人才的重要方式。電磁學是高中物理競賽的核心部分，也是競賽中的難點部分。因此，本文通過培養(yǎng)多位的解題思路和培育社會需要的物理人才兩個角度出發(fā)，探析了進行高中物理競賽電磁學解題方法研究的意義，并總結出微元法、疊加法、圖像法、對稱分析法以及綜合法等五種常用的電磁學解題方法，希望能夠促進解題者迅速得出高中物理競賽電磁學方面題目的答案。

【關鍵詞】高中物理競賽;物理電磁學;解題方法

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

一、高中物理競賽中電磁學解題方法研究的意義

高中物理競賽是物理界十分重要的競賽，每年都備受物理奇才的關注。想要在物理競賽中嶄露頭角，就必須掌握好物理競賽的解題方法，尤其是難度較高的電磁學。因此，進行電磁學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需要的物理人才兩個方面。從培養(yǎng)多維的解題思路出發(fā)，電磁學是物理學科中十分復雜多變的知識，也是社會生產(chǎn)生活中常用到的知識，電磁學的學習和運用十分重要，是高中物理競賽中的重難點。進行電磁學解題方法的研究，能夠幫助解題者提供多種解題方法。當解題者在高中物理競賽中遇到電磁學方面的題目，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難題、分析題目的要點并得出正確的答案。從培育社會需要的物理人才來分析，高中物理競賽對解題者的物理素養(yǎng)不僅僅停留在高中基礎物理知識上，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，尤其是電磁學方向的物理人才。本文通過對電磁學解題方法的研究，降低解題者對高中物理競賽中電磁學難度的感知，使得解題者能夠深入地掌握電磁學的基本原理和規(guī)律。在通過高中物理競賽后，解題者能夠提高對電磁學的研究，有利于電磁學知識的繼承和創(chuàng)新，有利于培育社會需要的人才。

二、高中物理競賽中電磁學常用的解題方法

1.微元法在高中物理電磁學競賽中的運用

微元法的使用，是充分考慮整體與局部關系的一種高中物理電磁學競賽的方法。整體是由局部多個微元素組成，微元素之間錯綜復雜的組合結構形成了高難度的整體，即高中物理電磁學類的競賽題。如果在高中物理競賽中，電磁學的題目難度過高，一時間無從下手，不妨考慮使用微元法來進行解題，將復雜的物理題目轉變?yōu)楹唵蔚奈锢矶桑瑢㈩}目蘊含的曲面轉化為平面，從而起到簡化問題的效果，并做到從局部到整體，順利地解開電磁學難題。以電磁學金屬圓環(huán)題目為例。水平放置一個半徑為α的金屬圓環(huán)，并將另一個金屬細絲豎直放在與金屬圓環(huán)同一個平面里。假設金屬細絲經(jīng)過金屬圓環(huán)的中心點O，這時存在一個質(zhì)量為b、長度為α且電阻為c的導體棒放置在金屬圓環(huán)內(nèi)側D點與中心的O相連接。現(xiàn)在D點沿著圓環(huán)繞金屬細絲轉，金屬圓環(huán)與金屬細絲的摩擦系數(shù)為u，若它們處于一個恒定的磁場中，探求要使導體棒勻速轉動，那么D點需要水平外力的大小。這道題初看很復雜，還必須考慮磁感應強度存在的差異，但是如果運用微元法就能夠很容易地解開難題。勻速轉動說明是在平，衡狀態(tài)下的運動，這時候作用在導體棒上的合力應當為零，因此安培力和外來施加的力之間的關系應當是平行力。根據(jù)微元法的運用，可以得出導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競賽中的運用

疊加原理不僅僅是物理電磁學中存在的原理，也是生活中十分常見的規(guī)律。疊加法的運用主要是針對不具有對稱性質(zhì)的物理電磁學方向的題目。這類題目需要細心觀察分析，探索出其中蘊藏的物理本質(zhì)，并借助疊加法將其變?yōu)榫哂袑ΨQ性質(zhì)的物理題目來進行解答，從而降低了題目的難題，提高了解題的信度和效度。例如求電磁感應大小的電磁學題目。在兩個半徑分為R1和R2的圓柱導體管中R2：是空心部分。假設兩個導體管的軸線距離為B，且B大于R2，這時有電流勻速地在導體管中流動，求空心圓柱導體管軸線的磁感線大小。這道題的解題思路應當是運用疊加法轉化題目的已知條件，并借助安培環(huán)流定律來輔助解題，很快就能夠得到題目的答案。

3.圖像法在高中物理電磁學競賽中的運用

圖像法是高中物理競賽中，電磁學解題過程中十分常見的解題方法。通過圖像法能夠?qū)崿F(xiàn)簡化題目和抓住關鍵的作用。從簡化題目的作用來分析，圖像法能夠?qū)⒏咧形锢砀傎愔须姶艑W復雜的文字表述題目，通過繪圖的方式將繁雜的文字轉化為簡單的幾何圖像，極大地簡化了電磁學題目的難度。從抓住關鍵的作用來分析，通過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鍵，并抓住解題思路的關鍵。例如電磁學中求速率的題目：在一個以O點為軸線，半徑為R的勻強磁場下的真空絕緣圓筒容器中存在磁感應強度為B，其中在圓筒存在一個小孔P，假設存在質(zhì)量為m電粒子H帶著q電荷量從P點進入圓筒內(nèi)，經(jīng)過碰撞后又從P點飛出去，那么在光滑的筒壁下，求電粒子H的速率大小。題目看起來十分復雜，但是經(jīng)過圖像法處理后，可以用平面圓形來表示圓筒，用線和點來表示軸線和小孔，就能夠?qū)碗s的題意轉化為幾何圖形，既簡便，又能夠幫助解題者尋找到解題思路。

4.對稱分析法在高中物理電磁學競賽中的運用

對稱分析法的運用主要是借助對稱的原理來對已知條件進行分析，并根據(jù)已知條件的對稱性質(zhì)來探尋未知條件，從而能夠正確地解答題目的方法。根據(jù)電磁學的基礎知識可以了解到電磁學中很多電體在磁場中具有對稱性。安培環(huán)流定律和高斯定理是電磁學中十分重要的公式和原理。采用對稱分析法一定要牢記兩個重要的公式，在解題過程中發(fā)揮著關鍵性的作用。例如求電場強度的電磁學題目。題目指出兩個異性等值的電荷同軸圓柱面，半徑長度分別為R1和R2，并且R1大于R2，假設存在密度為P的電荷線，且軸線r小于R1，求軸線r的電場強度。題目雖然簡單，但是想要快速地解題就必須運用對稱分析法結合安培環(huán)流定律。

5.綜合法在高中物理電磁學競賽中的運用

在高中物理競賽電磁學的解題過程中運用綜合法，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題目的解題關鍵。在綜合法的運用中，常常是根據(jù)已知條件來進行邏輯上、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、知識的融合能力和邏輯思維能力，是高中物理競賽中經(jīng)常被運用于電磁學解題的方法。例如測量電子荷質(zhì)比的電磁學題目。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)過陰極與α“之間的電壓后速度加快，從而形成電子流并進入長度為5毫米極板。如果極板中不存在電壓，那么電子會在Q點上;如果存在電壓，那么電子就會在P點上。假設電壓為200 V，P點和Q點之間的距離為3厘米，求電子荷質(zhì)比。本道題目沒有直接關于荷質(zhì)比的信息，但卻是要求電子荷質(zhì)比，所以會覺得十分的棘手。通過綜合法來進行解題，能夠根據(jù)已知條件來推敲未知條件，從而能夠獲取解題的關鍵。

三、結語

高中物理競賽中競爭的不僅僅足解題者的物理基礎知識、對物理的鉆研程度，還包括解題者靈活運用物理知識的能力和物理的解題思路。電磁學一直以來都是高中物理的重難點，在物理競賽中同樣占據(jù)十分重要的比重。對高中物理競賽中電磁學解題方法的研究，有利于培養(yǎng)解題者多維的解題思路，更加有利于培養(yǎng)社會需要的物理人才。本文通過文獻研究和實證研究等方式，探析出在高中物理競賽中遇到電磁學方面的題目，可以采用微元法、疊加法、圖像法、對稱分析法和綜合法來進行電磁學題目的解題，使得解題者能夠迅速地找到解題思路，得出題目對應的正確答案，從而能夠輕松地在高中物理競賽中獲得成功。

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