“費米思維”在高中物理教學中的運用

任小強

[摘? ?要]運用費米思維，可有效引導學生發現和提出問題。在教學中教師把問題逐條呈現出來，并根據問題組織教學，能有效提高教學質量。在實際教學中，可運用費米思維將大問題分解成若干個小問題，并將這些小問題有規律地串聯起來，層層深入，以提升物理課堂教學實效。

[關鍵詞]費米思維;高中物理;教學設計;簡單化

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2018）35-0044-02

一、引言

“費米思維”是指當我們遇到比較復雜的問題時，如果沒能從本質上認識它，也沒能找出問題與規律之間的聯系，只是認識了問題的表層，這種情況下是很難有效解決問題的，為此，只有把問題簡單化、優化，進而找到一種簡單、省力、準確的解決問題的辦法。這種思維方法具有一定普適性。

更具體地說：就是將一個問題分成幾個次級的小問題，每個小問題均可解答，你就接近于得到準確的答案了。這就是“費米思維”。

實際教學中，教師可以依據費米思維，引導學生發現和提出問題，并根據問題組織教學。具體可將問題分解成若干個小問題，并有規律地串聯起來，層層深入，以提高物理課堂教學的有效性。

目前，高中物理教學的現狀不容樂觀，主要表現在學生對物理課堂教學感到厭煩，原因之一是教師對物理教學不夠重視。在這種情況下，如何在物理課堂教學中融入費米思維，激發學生的問題意識和物理學習熱情，值得廣大教師研究。

二、“費米思維”在高中物理教學中的運用

在具體教學中，教師可依據“費米思維”的基本法則，找到教學中遇到的教學問題，從學生、教材、教學大綱三個方面進行詳細分析，明確學生已有知識和能力水平，在此基礎上分析教材，解讀教學大綱，吃透三維教學目標，這樣就能有效提升教學實效。備課時，根據實踐目標設計教學方案，具體教學中，可以選擇合適的教學方法和教學設備，充分利用信息化設備，設計課題，設計評價方式，最終設計出較為成熟的教學模式。

1.學生猜想，引入新課

新授課前，教師可以通過復習舊知，也可以結合生活元素，提出一些新問題，讓學生猜想結論，以新問題引入新課。

2.演示實驗、動畫模擬

為了讓學生直接透過現象看到本質，教師可以做演示實驗和動畫模擬，這樣可以把問題簡單化。

3.學生討論，自主發言

把問題分類處理，以便簡化。學生可以逐條處理問題，也可以討論問題，對相關問題進行歸納總結，并自主發言。

4.學生自學，引導總結

找到處理問題的辦法后，可以讓學生結合教材，逐條自學處理，教師對問題進行點撥，引導學生共同總結。

三、案例：《帶電粒子在勻強磁場中的運動》教學設計

（一）學生猜想，引入新課

同學們，我們上節課推導出了帶電粒子在勻強磁場中受的力，即洛倫茲力F=qvB。垂直射入勻強磁場的帶電粒子，在洛倫茲力的作用下，將會偏離原來的運動方向，那么帶電粒子的運動徑跡是怎樣的呢？

（由學生猜想：平拋和勻速圓周運動。在這里，學生很有可能根據帶電粒子進入勻強電場做平拋運動的原有經驗，錯誤認為帶電粒子垂直進入勻強磁場也做平拋運動。這時，無論學生回答是否正確，教師都應該繼續問：為什么？引導學生自己思考，得出正確答案。）

教師和學生一起導出本節課題。

（二）演示實驗，動畫模擬

1.學生觀察演示實驗：帶電粒子在磁場中的運動——洛倫茲力演示儀。

[實驗現象]在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線;在管外加上一個勻強磁場（這個磁場是由兩個平行的通電環形線圈產生的），電子的徑跡變彎曲成圓形。

[學生分析得出結論]當帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。

2.動畫模擬

學生反復仔細地觀察“帶正電的粒子在磁場中的運動”的動畫（如圖1），逐步解答下面的問題（由學生討論交流后完成）。

（1）帶電粒子在什么條件下做圓周運動？（帶電粒子垂直射入磁場）

（2）是一種什么性質的圓周運動？（勻速圓周運動）

（3）為什么是勻速圓周運動？（因為帶電粒子受到一個大小不變、方向總與粒子運動方向垂直的洛倫茲力）

（4）什么力提供了向心力？（洛倫茲力F=qvB）

（5）洛倫茲力對電子的運動有什么作用？（洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小）

（6）洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對運動電荷不做功）

（7）結合勻速圓周運動的有關公式，得出半徑與什么物理量有關？[qvB=mv2r?r=mvqB]

教師結合學生的回答情況點撥總結。

再改變動畫中帶電粒子的速度，讓學生觀察，使學生再次獲得感性認識，同化理性推理得出的結果。

（三）學生討論、自主發言

1.學生討論，自主發言完成以下3題：

（1）粒子運動軌道半徑與哪些因素有關，關系如何？

（2）速度相同，荷質比不同的帶電粒子垂直進入同一勻強磁場，它們的軌道半徑關系如何？

（3）在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氫、氦原子核，哪個運動速度大？

2.通過觀察圖1所示的動畫，你聯想到與以前哪種情景的運動相似？（與萬有引力提供向心力的人造衛星繞地球或行星繞恒星運動的情景相似。學生會活躍起來，紛紛發言，教師引導）

3.粒子運動的快慢與什么因素有關呢？（不立即回答，引出下面的周期問題）學生觀察“不同速度的電子在同一磁場中的運動”的動畫。

提問：①你觀察到了一個什么有趣的現象？學生觀察后回答。

（不同速度的電子在同一磁場中運動，軌道半徑不同，但運動一周的時間相等，即周期相同）

②如何解釋這個現象？學生小組討論，由代表上講臺講演。

（將[r=mvqB]代入周期公式[T=2πrv]，得到[T=2πmqB]，與帶電粒子速度無關，教師點撥）

學生討論交流：①帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期大小與哪些因素有關？關系如何？②同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當它的速率增大時，其周期怎樣改變？③速率不同、質量也不同的兩帶電粒子進入同一磁場做圓周運動，若它們的周期相同，則它們相同的物理量還有哪個？

（四）學生自學，引導總結

例題：如圖2所示，一質量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，然后讓粒子垂直進入磁感應強度為B的磁場中，最后打到底片D上。

（1）求粒子進入磁場時的速率。

（2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。

解：（1）粒子在S1區做初速度為零的勻加速直線運動。由動能定理知，粒子在電場中得到的動能等于電場對它所做的功，即[12mv2=qU]

由此可得[v=2qU/m] 。

（2）粒子做勻速圓周運動所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的，即[qvB=mv2r]，所以粒子的軌道半徑為[r=mv/qB=2mU/qB2。]

[教師點撥講解]r和進入磁場的速度無關，進入同一磁場時，[r∝mq]，而且這些量中，U、B、r可以直接測量，那么，我們可以用相應的裝置測量比荷或算出質量。

上例給我們展示的是一種十分精密的儀器——質譜儀，在處理這道例題時，可以讓學生自己處理，教師引導總結。

讓學生閱讀課文質譜儀部分，并回答以下問題：

（1）試述質譜儀的結構。（質譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉磁場、顯示屏等組成）

（2）試述質譜儀的工作原理。（電荷量相同而質量有微小差別的粒子，它們進入磁場后將沿著不同的半徑做圓周運動，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干譜線狀的細條，叫質譜線，每一條線對應于一定的質量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑r，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可算出它的質量）

（3）什么是同位素？（質子數相同而質量數不同的原子互稱為同位素。）

（4）質譜儀最初是由誰設計的？（質譜儀最初是由湯姆孫的學生阿斯頓設計）

（5）試述質譜儀的主要用途。（質譜儀是一種十分精密的儀器，是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要工具）

總之，構建“費米思維”下的高中物理教學模式，我們可讓學生通過自學、討論的方式來分解問題，讓學生由小問題入手學習教材內容，這樣有利于培養學生的獨立思考能力。為了引導學生深入理解教材內容，可提出一些拓展問題，供學生思考、討論，這樣教師就可以把大問題分解為小問題，讓學生把小問題理解透徹，還可以適當拓展問題，以便學生進一步學習。這種教學方式可讓學生的學習更加輕松便捷。

（責任編輯? ?易志毅）