“费米思维”在高中物理教学中的运用

任小强

[摘   要]运用费米思维，可有效引导学生发现和提出问题。在教学中教师把问题逐条呈现出来，并根据问题组织教学，能有效提高教学质量。在实际教学中，可运用费米思维将大问题分解成若干个小问题，并将这些小问题有规律地串联起来，层层深入，以提升物理课堂教学实效。

[关键词]费米思维;高中物理;教学设计;简单化

[中圖分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2018）35-0044-02

一、引言

“费米思维”是指当我们遇到比较复杂的问题时，如果没能从本质上认识它，也没能找出问题与规律之间的联系，只是认识了问题的表层，这种情况下是很难有效解决问题的，为此，只有把问题简单化、优化，进而找到一种简单、省力、准确的解决问题的办法。这种思维方法具有一定普适性。

更具体地说：就是将一个问题分成几个次级的小问题，每个小问题均可解答，你就接近于得到准确的答案了。这就是“费米思维”。

实际教学中，教师可以依据费米思维，引导学生发现和提出问题，并根据问题组织教学。具体可将问题分解成若干个小问题，并有规律地串联起来，层层深入，以提高物理课堂教学的有效性。

目前，高中物理教学的现状不容乐观，主要表现在学生对物理课堂教学感到厌烦，原因之一是教师对物理教学不够重视。在这种情况下，如何在物理课堂教学中融入费米思维，激发学生的问题意识和物理学习热情，值得广大教师研究。

二、“费米思维”在高中物理教学中的运用

在具体教学中，教师可依据“费米思维”的基本法则，找到教学中遇到的教学问题，从学生、教材、教学大纲三个方面进行详细分析，明确学生已有知识和能力水平，在此基础上分析教材，解读教学大纲，吃透三维教学目标，这样就能有效提升教学实效。备课时，根据实践目标设计教学方案，具体教学中，可以选择合适的教学方法和教学设备，充分利用信息化设备，设计课题，设计评价方式，最终设计出较为成熟的教学模式。

1.学生猜想，引入新课

新授课前，教师可以通过复习旧知，也可以结合生活元素，提出一些新问题，让学生猜想结论，以新问题引入新课。

2.演示实验、动画模拟

为了让学生直接透过现象看到本质，教师可以做演示实验和动画模拟，这样可以把问题简单化。

3.学生讨论，自主发言

把问题分类处理，以便简化。学生可以逐条处理问题，也可以讨论问题，对相关问题进行归纳总结，并自主发言。

4.学生自学，引导总结

找到处理问题的办法后，可以让学生结合教材，逐条自学处理，教师对问题进行点拨，引导学生共同总结。

三、案例：《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计

（一）学生猜想，引入新课

同学们，我们上节课推导出了带电粒子在匀强磁场中受的力，即洛伦兹力F=qvB。垂直射入匀强磁场的带电粒子，在洛伦兹力的作用下，将会偏离原来的运动方向，那么带电粒子的运动径迹是怎样的呢？

（由学生猜想：平抛和匀速圆周运动。在这里，学生很有可能根据带电粒子进入匀强电场做平抛运动的原有经验，错误认为带电粒子垂直进入匀强磁场也做平抛运动。这时，无论学生回答是否正确，教师都应该继续问：为什么？引导学生自己思考，得出正确答案。）

教师和学生一起导出本节课题。

（二）演示实验，动画模拟

1.学生观察演示实验：带电粒子在磁场中的运动——洛伦兹力演示仪。

[实验现象]在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线;在管外加上一个匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形。

[学生分析得出结论]当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

2.动画模拟

学生反复仔细地观察“带正电的粒子在磁场中的运动”的动画（如图1），逐步解答下面的问题（由学生讨论交流后完成）。

（1）带电粒子在什么条件下做圆周运动？（带电粒子垂直射入磁场）

（2）是一种什么性质的圆周运动？（匀速圆周运动）

（3）为什么是匀速圆周运动？（因为带电粒子受到一个大小不变、方向总与粒子运动方向垂直的洛伦兹力）

（4）什么力提供了向心力？（洛伦兹力F=qvB）

（5）洛伦兹力对电子的运动有什么作用？（洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小）

（6）洛伦兹力做功吗？（洛伦兹力对运动电荷不做功）

（7）结合匀速圆周运动的有关公式，得出半径与什么物理量有关？[qvB=mv2r?r=mvqB]

教师结合学生的回答情况点拨总结。

再改变动画中带电粒子的速度，让学生观察，使学生再次获得感性认识，同化理性推理得出的结果。

（三）学生讨论、自主发言

1.学生讨论，自主发言完成以下3题：

（1）粒子运动轨道半径与哪些因素有关，关系如何？

（2）速度相同，荷质比不同的带电粒子垂直进入同一匀强磁场，它们的轨道半径关系如何？

（3）在同一磁场中做半径相等的圆周运动的氢、氦原子核，哪个运动速度大？

2.通过观察图1所示的动画，你联想到与以前哪种情景的运动相似？（与万有引力提供向心力的人造卫星绕地球或行星绕恒星运动的情景相似。学生会活跃起来，纷纷发言，教师引导）

3.粒子运动的快慢与什么因素有关呢？（不立即回答，引出下面的周期问题）学生观察“不同速度的电子在同一磁场中的运动”的动画。

提问：①你观察到了一个什么有趣的现象？学生观察后回答。

（不同速度的电子在同一磁场中运动，轨道半径不同，但运动一周的时间相等，即周期相同）

②如何解释这个现象？学生小组讨论，由代表上讲台讲演。

（将[r=mvqB]代入周期公式[T=2πrv]，得到[T=2πmqB]，与带电粒子速度无关，教师点拨）

学生讨论交流：①带电粒子在磁场中做圆周运动的周期大小与哪些因素有关？关系如何？②同一带电粒子，在磁场中做圆周运动，当它的速率增大时，其周期怎样改变？③速率不同、质量也不同的两带电粒子进入同一磁场做圆周运动，若它们的周期相同，则它们相同的物理量还有哪个？

（四）学生自学，引导总结

例题：如图2所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上。

（1）求粒子进入磁场时的速率。

（2）求粒子在磁场中运动的轨道半径。

解：（1）粒子在S1区做初速度为零的匀加速直线运动。由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即[12mv2=qU]

由此可得[v=2qU/m] 。

（2）粒子做勻速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供的，即[qvB=mv2r]，所以粒子的轨道半径为[r=mv/qB=2mU/qB2。]

[教师点拨讲解]r和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，[r∝mq]，而且这些量中，U、B、r可以直接测量，那么，我们可以用相应的装置测量比荷或算出质量。

上例给我们展示的是一种十分精密的仪器——质谱仪，在处理这道例题时，可以让学生自己处理，教师引导总结。

让学生阅读课文质谱仪部分，并回答以下问题：

（1）试述质谱仪的结构。（质谱仪由静电加速极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成）

（2）试述质谱仪的工作原理。（电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条线对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可算出它的质量）

（3）什么是同位素？（质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素。）

（4）质谱仪最初是由谁设计的？（质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计）

（5）试述质谱仪的主要用途。（质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具）

总之，构建“费米思维”下的高中物理教学模式，我们可让学生通过自学、讨论的方式来分解问题，让学生由小问题入手学习教材内容，这样有利于培养学生的独立思考能力。为了引导学生深入理解教材内容，可提出一些拓展问题，供学生思考、讨论，这样教师就可以把大问题分解为小问题，让学生把小问题理解透彻，还可以适当拓展问题，以便学生进一步学习。这种教学方式可让学生的学习更加轻松便捷。

（责任编辑   易志毅）