高中物理电磁学的解题方法分析及应用

摘 要：电磁学是物理学的分支，主要用于研究电与磁的关系，是我们高中生学习的重点之一。奥斯特在1820年偶然发现电流能够产生磁场，法拉第在1831年通过实验证明改变的磁场会在电路中产生电流，麦克斯韦预测改变的电场有对应的磁场，这些技术革命是电力与现代通信的三个里程碑。在高中物理学习中，有四种最常用的解题方法，分别是圖像法、微元法、综合法和守恒转换法，本文将举例分析这四种方法，并提出个人见解。

关键词：高中物理；电磁学；解题方法；分析及应用

一、 前言

从总体结构来讲，物理解题方法共有十一种，分别是微元法、隔离法、近似法、守恒转换法、数学函数法、图像法、对称法、假设法、等效法、综合法和巧取参考系法等，其中，最常用的四种方法是图像法、微元法、综合法和守恒转换法。另外，在物理练习中，通过认真寻找和总结解题规律，尝试运用了多题一解和一题多解的方式，拓展解题思路与思维空间。本文将简单介绍电磁学所涉及的知识点，并分层浅谈高中物理中电磁学的解题方法。

二、 电磁学所涉及的知识点

1. 从微观视角来分析

电磁学所涉及的知识点极为广泛，有测定电子荷质比、电容、安培定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律、磁场、电势、电场、自感系数、洛伦兹力、电动势、匀强磁场、匀强电场、电压、电阻等。高中物理竞赛中经常出现的试题大多和电容、安培力、欧姆定律、法拉第电磁感应定律、磁场、洛伦兹力、电势以及电阻密切相关。

2. 从概念的角度来看

（1）电容是一个或者一组导电体的性质，以该导体上每单位电势的变化改变所储存的分离电荷量来量度；也指所储存的电能。如果电荷传布到两个未带电的导体，两个导体就会带有等量的电荷，而且，两个导体间会建立一个电势差。电容C即是在任一导体上的电量q对两个导体间电势差U的比，C=q/U。

（2）安培定律是法国物理学家安培所提出的一条电磁学定律，用以描述两电流之间的磁力。如果两个电流的方向相同，则两根导线之间的力相吸；如果它们流动的方向相反，则两力相斥。无论哪种情况，力的大小都与电流成正比。

（3）欧姆定律是研究在电路中电势差（电压）与电流以及电阻之间的关系。物理学家欧姆于1827年发现，在恒温电路中，电流I与电势差U成正比，与电阻R成反比，即I=U/R。

（4）法拉第电磁感应定律主要是研究磁场所产生的感应电流。磁场是磁体、电流或者可以观测到磁力的变化电场周围的区域。在永磁体或者有稳定的直流电通过的导线周围的磁场是静磁场，而在交流电或者变化的直流电周围的磁场则不断在变化。物理学一般用连续的力线（或者称磁通量）来表示磁场。磁力线从指北的磁极出来，并从指南的磁极进去。线的密度表示磁场的强弱，磁场强的地方磁力线就更加密集。

（5）洛伦兹力是荷兰物理学家洛伦兹所提出的，他进一步丰富了麦克斯韦的电磁辐射理论，并提出了解释电、磁和光之间关系的简单理论，即假设原子由带电粒子组成，这些粒子的振动会产生光。

（6）电势是把单位电荷逆电场方向从一个参考点移到某给定点所做的功，正电荷逆电场方向运动时，势能会增加，反之，顺电场方向运动时，势能会减少。

（7）电阻是材料或者电路对电流流动的阻碍，它是电路的一种性质，在它阻碍电流流动的过程中会把电能转换成热能。

三、 高中物理中电磁学的解题方法

（一） 图像法

在高中物理中电磁学的解题过程中，图像法是最直观、最常用的解析方法，该方法能够运用简洁而完整的几何图形来表示物理因素之间的关系，并解答物理问题。以下例题就是用图像法解答的案例：

例 一个绝缘圆筒容器内部有匀强磁场，其半径是R，轴线是O，磁场运动方向和轴线保持平行关系，电磁感应强度是B。圆筒处于真空状态下，在绝缘圆筒容器的H处设有一小孔。有一个带电粒子P的质量为m，电荷量是q，先以一定的速度从小孔进入圆筒，经过碰撞后又飞出小孔。假如绝缘圆筒壁是光滑的，P和绝缘圆筒壁之间的碰撞为弹性碰撞，粒子的电荷量一直没有发生变化，如果让P以最少的次数和绝缘圆筒壁之间发生碰撞，那么P的速率是多少？它从进入绝缘圆筒壁到飞出的时间有多长？

对于这一试题，首先要绘制带电粒子P的运动轨迹图，下图就是带电粒子P的运动轨迹图。

图 带电粒子P的运动轨迹图

（二） 微元法

微元法主要是指从试题所给的材料中提取最有价值的微小部分进行研究与分析，总结该部分与总体的关系，进而得出答案。通常，运用微元法能够将曲线转化成直线或者圆，将复杂的曲面问题转化成简单的平面问题予以解决。与此同时，在使用微元法解题时，时常需要活用物理概念知识和物理定律及其公式。

（三） 综合法

综合法具有“综合性”，涉及的解题思路较为宽泛，运用该方法解答高中物理竞赛试题，需要整合并分析所有已知条件，然后，根据这些条件进行量化、推理、分析和计算，最终得出答案。

（四） 守恒转换法

守恒转化法由“守恒”和“转换法”共同组成，其中，“守恒”是指一种定律，可称之为“守恒定律”，该定律是指在孤立的物理系统中，某些可测度的量不随时间的变化而改变；“转换法”是对根据物理过程与物理状态对物理问题进行转换和简化。在解析电流和磁场问题时，就需要使用守恒转化法。

四、 结束语

综上所述，在高中物理电磁学中，图像法、微元法、综合法和守恒转化法的应用最为广泛，应根据试题内容和所给条件，选择正确的解题方法。

参考文献：

[1]杜英琪.高中生物理电磁学迷思概念的调查与研究——以北京市三所中学为例[D].中央民族大学，2017（04）.

作者简介：

高嘉培，江苏省徐州市，江苏省郑集高级中学。