培养学生的空间感，提高解决电磁场习题的能力

2018-07-10海南省文昌市华侨中学

新教育 2018年10期

□ 海南省文昌市华侨中学曾超

空间感是人对由点、线、面所构成的事物的深度、层次的感知能力。有时候，学生不能解决高中物理的电磁场习题，不是物理知识没有掌握，而是缺乏空间感。空间感是人对由点、线、面所构成的事物的深度、层次的感知能力。具有空间感的人，可以对视觉性或空间性的讯息感知，并把感知到的物体或形状进行操作或在心中进行空间旋转，在脑中形成心像以及转换心像。而电磁场习题，由于涉及运动粒子、电场线、磁感线、组合场、复合场，就是由点、线、面构成的物理情景，学生需要对题意整体感知，能够从运动粒子的受力情况分析运动轨迹，或者从运动特点分析受力情况，形成一个解题的思维过程。学生在此过程中，就是把运动粒子的运动轨迹等在脑中形成心像，并且进行分析求解。

在教学中，教师有必要注重培养学生的空间感，从而帮助学生提高解决电磁场习题的能力。

一、空间想象，化隐性为显性

磁场的磁感应强度B=k，式中k是常数、I是导线中电流、r为点到导线的距离．一带正电的小球以初速度v0从a点出发沿连线运动到b点。关于上述过程，下列说法正确的是（）

A小球先做加速运动后做减速运动

B小球一直做匀速直线运动

C小球对桌面的压力先减小后增大

D小球对桌面的压力一直在增大

例1.如图1所示，两根长直导线竖直插入光滑绝缘水平桌面上的M、N两小孔中，O为M、N连线中点，连线上a、b两点关于O点对称。导线均通有大小相等、方向向上的电流。已知长直导线在周围产生的

本题答案为BD。在讲解本题时，笔者首先帮助学生建立一个空间表象。根据右手螺旋定制可知直线M处的磁场方向垂直于MN向里，直线N处的磁场方向垂直于MN向外，如图2。

根据左手定则可知，带正电的小球受到的洛伦兹力方向开始方向向上，过O得后洛伦兹力的方向向下，如图3。

由于小球水平方向不受外力，所以小球一直做匀速直线运动。又因为磁场大小先减小过O点后反向增大，根据共点力的平衡关系可知，小球对桌面的压力一直在增大，故选BD。

学生在求解这道题的过程中，要能够感知电流的磁感线分布，从而分析洛伦兹力的方向和大小，同时结合运动学和力学的关系来综合考虑。这道题目很小巧，但是涉及了立体的空间想象，学生需要在脑中形成题目中直线电流周围磁感线的分布图像，教师通过绘制立体图、截面图帮助学生想象。之后，又应分别在水平面和竖直面上进行分析，从而帮助学生把问题化隐性为显性。

二、发展观察能力，化抽象为形象

例2.孤立的点电荷如图4甲所示，如果在它的附近放一个导体，由于静电感应导体两端出现感应电荷，很快达到静电平衡状态。感应电荷的出现会改变点电荷周围的电场线分布，某同学画了静电平衡情况下的电场线如图4乙，这位同学画的电场线是否有错误？

有错误。

电场线起始于正电荷终止于负电荷，导体的左端带负的感应电荷，右端带正的感应电荷。

学生通过观察，可以发现这位同学画的电场线大部分是正确的，但是有两条电场线是明显错误的。这两条电场线从导体的左端出发终止于导体的右端，如果真有这样的电场线，那么就说明导体的左端电势高于右端的电势，导体的内部就会产生从左到右的电流，而静电平衡状态下，导体中的电荷是不会定向移动的。可见这两条电场线是不存在的。

通过发展学生的观察能力，去判断电场线的方向是否正确，另外，学生知道“沿电场线的方向电势逐渐降低”，那么按照这个逻辑，是否存在矛盾。经过这个过程，把抽象的感知化成形象的思维。

三、仔细作图，化静态为动态

例3.如图5所示，质量为M、长度为2L的绝缘小车放在光滑水平面上，小车的右端固定一个带电荷量为+2q的物体A，小车的左端固定一个带电荷量为-q的物体B，A、B两物块质量不计，虚线区域长度为3L，内有场强为E、方向水平向右的匀强磁场。开始时，小车的右端恰位于电场区域边缘，其他部分位于电场区域之外。视带电物块为质点。试求：

（1）小车刚好完全进入电场区域时的速度；

（2）小车右端物块A刚好离开电场区域时的速度；

（3）小车从初始位置到完全离开电场区域所需的总时间。（结果用根式表示）