“費(fèi)米思維”在高中物理教學(xué)中的運(yùn)用

任小強(qiáng)

[摘? ?要]運(yùn)用費(fèi)米思維，可有效引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題。在教學(xué)中教師把問題逐條呈現(xiàn)出來，并根據(jù)問題組織教學(xué)，能有效提高教學(xué)質(zhì)量。在實(shí)際教學(xué)中，可運(yùn)用費(fèi)米思維將大問題分解成若干個(gè)小問題，并將這些小問題有規(guī)律地串聯(lián)起來，層層深入，以提升物理課堂教學(xué)實(shí)效。

[關(guān)鍵詞]費(fèi)米思維;高中物理;教學(xué)設(shè)計(jì);簡單化

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2018）35-0044-02

一、引言

“費(fèi)米思維”是指當(dāng)我們遇到比較復(fù)雜的問題時(shí)，如果沒能從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)它，也沒能找出問題與規(guī)律之間的聯(lián)系，只是認(rèn)識(shí)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(yōu)化，進(jìn)而找到一種簡單、省力、準(zhǔn)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(gè)問題分成幾個(gè)次級(jí)的小問題，每個(gè)小問題均可解答，你就接近于得到準(zhǔn)確的答案了。這就是“費(fèi)米思維”。

實(shí)際教學(xué)中，教師可以依據(jù)費(fèi)米思維，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，并根據(jù)問題組織教學(xué)。具體可將問題分解成若干個(gè)小問題，并有規(guī)律地串聯(lián)起來，層層深入，以提高物理課堂教學(xué)的有效性。

目前，高中物理教學(xué)的現(xiàn)狀不容樂觀，主要表現(xiàn)在學(xué)生對物理課堂教學(xué)感到厭煩，原因之一是教師對物理教學(xué)不夠重視。在這種情況下，如何在物理課堂教學(xué)中融入費(fèi)米思維，激發(fā)學(xué)生的問題意識(shí)和物理學(xué)習(xí)熱情，值得廣大教師研究。

二、“費(fèi)米思維”在高中物理教學(xué)中的運(yùn)用

在具體教學(xué)中，教師可依據(jù)“費(fèi)米思維”的基本法則，找到教學(xué)中遇到的教學(xué)問題，從學(xué)生、教材、教學(xué)大綱三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析，明確學(xué)生已有知識(shí)和能力水平，在此基礎(chǔ)上分析教材，解讀教學(xué)大綱，吃透三維教學(xué)目標(biāo)，這樣就能有效提升教學(xué)實(shí)效。備課時(shí)，根據(jù)實(shí)踐目標(biāo)設(shè)計(jì)教學(xué)方案，具體教學(xué)中，可以選擇合適的教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)備，充分利用信息化設(shè)備，設(shè)計(jì)課題，設(shè)計(jì)評價(jià)方式，最終設(shè)計(jì)出較為成熟的教學(xué)模式。

1.學(xué)生猜想，引入新課

新授課前，教師可以通過復(fù)習(xí)舊知，也可以結(jié)合生活元素，提出一些新問題，讓學(xué)生猜想結(jié)論，以新問題引入新課。

2.演示實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫模擬

為了讓學(xué)生直接透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，教師可以做演示實(shí)驗(yàn)和動(dòng)畫模擬，這樣可以把問題簡單化。

3.學(xué)生討論，自主發(fā)言

把問題分類處理，以便簡化。學(xué)生可以逐條處理問題，也可以討論問題，對相關(guān)問題進(jìn)行歸納總結(jié)，并自主發(fā)言。

4.學(xué)生自學(xué)，引導(dǎo)總結(jié)

找到處理問題的辦法后，可以讓學(xué)生結(jié)合教材，逐條自學(xué)處理，教師對問題進(jìn)行點(diǎn)撥，引導(dǎo)學(xué)生共同總結(jié)。

三、案例：《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）學(xué)生猜想，引入新課

同學(xué)們，我們上節(jié)課推導(dǎo)出了帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中受的力，即洛倫茲力F=qvB。垂直射入勻強(qiáng)磁場的帶電粒子，在洛倫茲力的作用下，將會(huì)偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，那么帶電粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是怎樣的呢？

（由學(xué)生猜想：平拋和勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在這里，學(xué)生很有可能根據(jù)帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)電場做平拋運(yùn)動(dòng)的原有經(jīng)驗(yàn)，錯(cuò)誤認(rèn)為帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場也做平拋運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，無論學(xué)生回答是否正確，教師都應(yīng)該繼續(xù)問：為什么？引導(dǎo)學(xué)生自己思考，得出正確答案。）

教師和學(xué)生一起導(dǎo)出本節(jié)課題。

（二）演示實(shí)驗(yàn)，動(dòng)畫模擬

1.學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)：帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)——洛倫茲力演示儀。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時(shí)，電子的徑跡是直線;在管外加上一個(gè)勻強(qiáng)磁場（這個(gè)磁場是由兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的），電子的徑跡變彎曲成圓形。

[學(xué)生分析得出結(jié)論]當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時(shí)，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

2.動(dòng)畫模擬

學(xué)生反復(fù)仔細(xì)地觀察“帶正電的粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)”的動(dòng)畫（如圖1），逐步解答下面的問題（由學(xué)生討論交流后完成）。

（1）帶電粒子在什么條件下做圓周運(yùn)動(dòng)？（帶電粒子垂直射入磁場）

（2）是一種什么性質(zhì)的圓周運(yùn)動(dòng)？（勻速圓周運(yùn)動(dòng)）

（3）為什么是勻速圓周運(yùn)動(dòng)？（因?yàn)閹щ娏Ｗ邮艿揭粋€(gè)大小不變、方向總與粒子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)有什么作用？（洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大?。?/p>

（6）洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功）

（7）結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)公式，得出半徑與什么物理量有關(guān)？[qvB=mv2r?r=mvqB]

教師結(jié)合學(xué)生的回答情況點(diǎn)撥總結(jié)。

再改變動(dòng)畫中帶電粒子的速度，讓學(xué)生觀察，使學(xué)生再次獲得感性認(rèn)識(shí)，同化理性推理得出的結(jié)果。

（三）學(xué)生討論、自主發(fā)言

1.學(xué)生討論，自主發(fā)言完成以下3題：

（1）粒子運(yùn)動(dòng)軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？

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

（3）在同一磁場中做半徑相等的圓周運(yùn)動(dòng)的氫、氦原子核，哪個(gè)運(yùn)動(dòng)速度大？

2.通過觀察圖1所示的動(dòng)畫，你聯(lián)想到與以前哪種情景的運(yùn)動(dòng)相似？（與萬有引力提供向心力的人造衛(wèi)星繞地球或行星繞恒星運(yùn)動(dòng)的情景相似。學(xué)生會(huì)活躍起來，紛紛發(fā)言，教師引導(dǎo)）

3.粒子運(yùn)動(dòng)的快慢與什么因素有關(guān)呢？（不立即回答，引出下面的周期問題）學(xué)生觀察“不同速度的電子在同一磁場中的運(yùn)動(dòng)”的動(dòng)畫。

提問：①你觀察到了一個(gè)什么有趣的現(xiàn)象？學(xué)生觀察后回答。

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

②如何解釋這個(gè)現(xiàn)象？學(xué)生小組討論，由代表上講臺(tái)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(guān)，教師點(diǎn)撥）

學(xué)生討論交流：①帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期大小與哪些因素有關(guān)？關(guān)系如何？②同一帶電粒子，在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它的速率增大時(shí)，其周期怎樣改變？③速率不同、質(zhì)量也不同的兩帶電粒子進(jìn)入同一磁場做圓周運(yùn)動(dòng)，若它們的周期相同，則它們相同的物理量還有哪個(gè)？

（四）學(xué)生自學(xué)，引導(dǎo)總結(jié)

例題：如圖2所示，一質(zhì)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(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，最后打到底片D上。

（1）求粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率。

（2）求粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。

解：（1）粒子在S1區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。由動(dòng)能定理知，粒子在電場中得到的動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)撥講解]r和進(jìn)入磁場的速度無關(guān)，進(jìn)入同一磁場時(shí)，[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(yīng)的裝置測量比荷或算出質(zhì)量。

上例給我們展示的是一種十分精密的儀器——質(zhì)譜儀，在處理這道例題時(shí)，可以讓學(xué)生自己處理，教師引導(dǎo)總結(jié)。

讓學(xué)生閱讀課文質(zhì)譜儀部分，并回答以下問題：

（1）試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)。（質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場、顯示屏等組成）

（2）試述質(zhì)譜儀的工作原理。（電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫質(zhì)譜線，每一條線對應(yīng)于一定的質(zhì)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(zhì)量）

（3）什么是同位素？（質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素。）

（4）質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計(jì)的？（質(zhì)譜儀最初是由湯姆孫的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)）

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

總之，構(gòu)建“費(fèi)米思維”下的高中物理教學(xué)模式，我們可讓學(xué)生通過自學(xué)、討論的方式來分解問題，讓學(xué)生由小問題入手學(xué)習(xí)教材內(nèi)容，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。為了引導(dǎo)學(xué)生深入理解教材內(nèi)容，可提出一些拓展問題，供學(xué)生思考、討論，這樣教師就可以把大問題分解為小問題，讓學(xué)生把小問題理解透徹，還可以適當(dāng)拓展問題，以便學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方式可讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加輕松便捷。

（責(zé)任編輯? ?易志毅）