高中物理复合场解题模型论文

高中物理复合场解题模型论文
摘要：科学技术的飞速发展以基本物理原理为理论依据，复合场物理模型在社会生产中的应用极为常见，譬如常见的粒子选择器、回旋加速器、质谱仪以及电磁流量计等都采用了复合场的物理规律。

实际解题中常见的类型有粒子选择器原理以及回旋加速器的考察，粒子选择器的基本原理是根据入射进入复合场带电粒子的速度大小，决定了所受电场力和洛伦兹力相对大小的比例，进而产生不同方向的运动轨迹，达到选择粒子的目的，其他几种应用器件的工作原理基本类似，其根本是对复合场中电场力、洛伦兹力以及重力的合理分析，也是正确解题的先决条件。

一.高中物理复合场基本元素分析
1.1平衡元素
人类对事物规律的探究以挖掘特殊信息为切入点，高中物理解题也不例外，复合场问题的求解涉及到整合物理内容的核心元素，在该类问题的探究中寻找平衡条件无疑成为求解问题的先决条件，因此力学平衡条件是复合场问题中的首要元素，复杂问题的求解必须通过简单的平衡条件开始，尤其在带电粒子复合场运动模型中，寻找多种力共同作用时的平衡条件成为解题的核心纽带。

1.2电场元素
复合场问题求解中构成上述平衡条件的基本单元之一为电场力的作用，从整个物理学内容来看，电场力特性是电学知识通过力学规律在现实生活中的客观体现，解决电学知识离不开力学规律的基础支
撑，同时电学知识也使得力学体系更加完善。

复合场中电学基本元素中用到的基本公式为大家所熟知的电场力公式：F电=qE。

高中阶段接触的电场大多属于匀强电场，亦即解题中可以将F电视为恒力进行求解，此外，带电粒子在运动过程中所受电场力的方向和其电负性相关，也是决定正确求解的关键因素。

1.3磁场元素
在高中物理中复合场问题求解中，洛伦兹力与电场力同等重要，也是整个高中物理的核心内容。

洛伦兹力表述了磁场对处于其中的带电粒子的作用，其效果通过运动轨迹体现出来。

洛伦兹力从形式上表示为：F电=qvBsinɑ，显然其大小与电荷量、运动速度以及磁场强度相关。

从特点上来说洛伦兹力的方向始终和荷电粒子运动方向正交，故而不会涉及到洛伦兹力的做功问题，给求解题目提供便捷的思维。

二.复合场问题解题模型剖析
2.1平衡条件模型
平衡条件是解决物理力学问题的核心要素，贯穿整个物理模型。

复合场问题中的平衡条件是力学与电磁学融会贯通的中枢纽带，平衡条件的确立为解决复杂物理问题提供了具体的数学途径。

复合场中的平衡条件体现为带电粒子的状态，包括匀速直线运动以及静止等。

通常情况下将带电粒子视为质点，因此电场力和洛伦兹力的合力与重力满足等大、反向、共线的特性，根据此条件进行数学求解，方可迎刃而解，以下举例详细说明。

实例1：在平行金属板间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，
α粒子以一定的速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，恰好能沿直线匀速通过，如图1所示。

则如果有一质子以相同的速度从同一位置入射，其偏转情况如何判断？
分析：该题是典型的无约束型复合场中荷电粒子运动状态的问题，带电粒子在复合场中的运动受到电场力、洛伦兹力以及重力的共同作用，由题设可知当α穿过时刚好满足合外力为零的条件，根据电场力和洛伦兹力方向可知，洛伦兹力的大小等于电场力与重力之和，如果令α粒子的质量为m，带电量为q，则满足平衡条件：qv0B=qE+mg，只有满足该平衡条件才能保证粒子沿直线穿过的特征，进而根据质子与α粒子的质量之比（1：4）以及带电量之比（1：2）特性不难确定质子在同一位置入射时的运动状态，亦即：2qv0B>2qE+mg，质子出射时向上偏转。

显然该题的切入点在于对α粒子直线穿过平衡条件的确定，根据匀速直线运动特征可知该过程α粒子所受合外力为零，不难列出代数表达式，进而将质子和α粒子的质量和带电量进行比例运算即可。

复合场中采用力学平衡条件求解是高中物理的核心思想，除了上述实例所述的自由粒子运动之外，通常对该知识的考核也体现在束缚粒子体系中，亦即将荷电粒子通过硬杆体系或者弹簧体系进行限制以后在复合场中发生状态的改变。

束缚体系中对复合场问题的求解通常需要借助分类讨论的思想进行全面分析，不同状态对应的力学条件存在差异，一般说来，此类问题中在整个变化过程中的平衡条件只存在于某个瞬间或者经过一定时间的演变以后整个系统才达到力学平衡
的状态，如下实例所述。

实例2：如图2所示，套在足够长的绝缘粗糙硬杆上的带正电小球，其质量m，带电量q，小球可在棒上滑动，将此棒竖直置于沿水平方向且互相正交的匀强磁场和匀强电场中，在小球电量恒定的前提下，从静止开始下滑的过程中小球的速度、加速度、洛伦兹力以及小球对硬杆的弹力如何变化？
分析：此题属于约束型复合场问题，小球被束缚在足够长粗糙硬杆上，竖直置于相互正交的复合场中，由于初速度为零，亦即初始状态小球不受磁场力作用，进而根据重力和电场力大小进行讨论分析。

若由于电场力提供支持力所产生的硬杆摩擦力μqE=mg，则小球永远处于静止状态；若初始状态满足μqEμqE，因此随着速度的增加加速度逐渐减小，直至μqvB–μqE=mg，此时小球达到力学平衡状态匀速下滑。

可见，平衡条件模型在不同体系中所应用的物理思想殊途同归，差异性仅体现在过程的演变上，该模型的解题宗旨在于构建力学方程，根据速度变化特征分析其间的等量关系进行问题求解。

2.2能量转化模型
能量转化模型从解题技巧上倾向于整体思想，复合场中的能量变化涉及到电势能、动能、重力势能以及相关形变体系的弹性势能等。

电势能的变化主要依据电场力做功的正负判断，能量转换过程也是带电粒子运动状态变化的过程，从复合场角度出发是电场、磁场以及重力场共同作用的结果。

因此在具体题目求解中依旧紧扣力学平衡条件
进行逐层挖掘，寻找题目隐含条件。

实例3：平行金属板间存在竖直向上的匀强电场和与其正交的匀强磁场，如图3所示，带电小球从光滑绝缘轨道上a点自由滑下，经过轨道端点P进入平行金属板后恰好做水平直线运动，现使小球在稍低点b自由下滑，经过P进入板间的运动过程中动能和电势能如何变化？
分析：复合场问题中涉及到多种力的作用效果，因此首先从判断带电粒子正负类型入手，进而能够明确各种力的作用方向，为正确解题提供必要条件。

从P点进入金属板后做直线运动的特征表明小球必须带正电，而且满足力学平衡方程：qE+qvB=mg，此时等式中对应的速度v为从高点A自由下滑，若从B点自由下滑时显然有：va>vb，因此有qE+qvB< p="">
该题中能量转换过程始终围绕力学方程展开，做功问题和洛伦兹力无关，只需考虑合外力做功。

其难点在于如何判断合外力的方向和带电粒子电负性问题。

复合场问题中如果准确掌握各种力的作用来源和对力学平衡系统的影响，就会使得题目难度大幅度降低，达到求解的目的。

2.4复合场在应用型器件中的模型
科学技术的飞速发展以基本物理原理为理论依据，复合场物理模型在社会生产中的应用极为常见，譬如常见的粒子选择器、回旋加速器、质谱仪以及电磁流量计等都采用了复合场的物理规律。

实际解题中常见的类型有粒子选择器原理以及回旋加速器的考察，粒子选择器
的基本原理是根据入射进入复合场带电粒子的速度大小，决定了所受电场力和洛伦兹力相对大小的比例，进而产生不同方向的运动轨迹，达到选择粒子的目的，其他几种应用器件的工作原理基本类似，其根本是对复合场中电场力、洛伦兹力以及重力的合理分析，也是正确解题的先决条件。

参考文献
郭亨强.高中物理解题思想方法例谈.广东教育，2007，（12）.
刘良生.例说高中物理的解题方法.教学研究，2009，（02）.。