Как понять, какой закон использовать в физической задаче?

Комментарий:

Правда, я обычно сталкиваюсь с другой проблемой - ученик не понимает какой закон и как именно надо использовать.

В комментарии озвучено две проблемы: какой закон выбрать и как использовать законы.

Я постараюсь ответить на оба в одной статье, а если потребуется, напишу по отдельной на каждый. Начну, пожалуй, со второго:

Как научить использовать физические законы

Что есть физический закон? Это равенство двух выражений, в которые входят физические величины. И использовать его можно, наверное, только одним способом - установить значение одной из величин, используя значения всех прочих. По сути дела, физическое уравнение (система). Это понимают если не все, то очень многие. Поэтому Евгений, автор комментария немного неудачно сформулировал мысль. Надо было сказать, что дети не понимают, откуда брать числа для использования законов.

Я выделяю два типа законов. Называю их условно "формулы состояний" и "формулы процессов". Первые связывают разные величины в один момент времени, а вторые - одни и те же величины в разные моменты времени.

Например, pV=νRT - формула состояния (так и называется официально). Она связывает четыре величины, которые измеряются у одного газа в один и тот же момент времени. Если мы попытаемся поставить в эту формулу давление сейчас, а температуру через полчаса, то равенства не будет, и закон применить нельзя. А вот формула a=(v-vₒ)/Δt - это формула процесса, она связывает величины, которые измеряются в начале движения предмета и в конце.

Обычно дети не могут приступить к применению законов, потому что не выделяют процессы и моменты времени в ситуации.

Так вот, для использования закона, нужно выбрать все величины, которые относятся к одному объекту в указанной ситуации. Распределить их значения по моментам времени (например, записать в столбики). И если мы используем формулу состояния, то в неё ставятся только значения из одного момента времени. Если же формула суть формула процесса, то в неё ставятся пары значений одних и тех же величин, но в два момента времени (начало и конец процесса).

Это кажется не очень внятным без примера. Рискуя удлинить статью, такой пример я приведу.

Пример

Тело брошено вертикально вверх со скоростью 20м/с. Определите время и высоту подъема тела.

В этой ситуации нужно выделить несколько процессов и состояний:

Состояния: 1) на земле 2) наивысшая точка 3) на земле

Процессы: 1-2) подъём 2-3) падение

Механическое движение неплохо описывают две формулы:

x=xₒ+vₒt+at²/2 (формула состояния)

a=(v-vₒ)/(t-tₒ) (формула процесса)

И на каждый случай мы можем записать соответствующую формулу: три раза закон движения - для каждого состояния, и два раза определение ускорения - для каждого процесса.

1) 0=0+20*0+(-10)*0²/2

2) h=0+20*t+(-10)*t²/2

3) 0=0+20*2t+(-10)*(2t)²/2

1-2) -10=(0-20)/(t-0)

2-3) -10=(-20-0)/(2t-t)

Как научить выбирать закон (формулу)

У детей в школе есть очень чёткий критерий выбора формул. Для этого даже не нужно читать текст. Если мы решаем задачу №644 из задачника Рымкевича, то надо брать формулу Q=cm∆t.

Но более грамотный подход другой: в каждой задаче работают все формулы (кроме тех, для которых задача за границами применимости). И выбирать формулу не нужно, нужно применять все подряд (по нескольку раз, как указано выше). Но есть формулы, которые приведут к результату, а есть формулы, которые ничего дать не смогут. Чтобы отделить зёрна от плевел и сузить круг поиска, нужно из ситуации вычленять не только моменты и процессы, но и явления. Каждое явление связано с определённым набором формул. И вот эти формулы надо брать в первую очередь.

Чтобы научиться это делать, нужно брать текст задачи и выписывать оттуда все явления, какие там описаны (их всегда 1 или 2, а в самых сложных задачах 3). Для сего очень полезно иметь под рукой список вообще всех явлений, которые изучаются в школе. Потом к каждому явлению выписываются все формулы.

И применяются все.

Заключение

Кажется, что это всё очень громоздко, что не нужно столько всего, что в примере с телом не нужно было брать 3е состояние и процесс 2-3. Не говоря уж о том, что перебрать все формулы физики для каждого состояния просто нереально.

Но на деле, опытные решальщики задач именно так и поступают. Делают они это в уме, отбрасывая то, что явно не приведёт к успеху. И на выходе получается стройное решение, ничего лишнего. Но тут требуется огромный опыт, чтобы сразу увидеть, что второй процесс не нужен, что уравнение 2-3 будет в точности повторять 1-2.

На это нужен опыт.

А где его взять, если не пытаться делать всё?