В экзамене по физике всего 26 заданий. И, соответственно, 26е задание - последнее. Это задание самое сложное из всех. Давайте в нём разберёмся.
Что в этой задаче такого сложного?
Сама по себе задача из экзаменационного задания №26 не является сложной. Это довольно типовая задача из раздела "механика". Более того, там порой попадаются задачи вообще в одно действие.
Но в задании №26 есть требование обосновать решение задачи.
То есть, мало взять формулу закона сохранения импульса. Требуется ещё словами объяснить, почему мы вообще имеем право брать эту формулу.
Как правило, при решении задач по физике в школе этот вопрос совершенно игнорируется учителем. Особенно, когда речь идёт о "натаскивании" - то есть, нарешивании большого количества задач разных типов для чёткого установления связей типа "условие->формула".
В случае "натаскивания", для ученика возможность/необходимость применения формулы обуславливается не какими-то физическими модельными соображениями, а ключевыми словами в условии.
Это нетрудно проверить. Дайте ученику (даже очень сильному, олимпиаднику) решить какую-нибудь простую задачу по физике в одно действие. А потом спросите, почему ответ верный? Практически гарантированно ученик ответит "потому что так по формуле получилось".
Как следствие, большинство учеников не представляют себе, что и как надо обосновывать в решении задачи. Справедливости ради надо отметить, что и некоторые учителя тоже.
Что требуется обосновывать?
В критериях оценивания ЕГЭ есть формулировка
Верно обоснована возможность использования законов (закономерностей).
Вот если бы я объяснял человеку, который физику знает, я бы сказал, что это подтверждение того, что ситуация находится в границах применимости закона.
Для простого понимания можно сказать, что это ответ на вопрос:
Почему мы уверены, что эта формула даст правильный ответ?
И этот вопрос нужно задать к каждой формуле, которую мы взяли для решения задачи.
Маленькая ремарка: слова "обоснование", "обоснуйте" обычно применяются в смысле "почему именно эта формула". Но в данном случае это не так: не важно, какая формула, важно, что она даст правильный результат.
Взяли 2 закон Ньютона a=F/m, должны сказать, что речь идёт об инерциальной системе координат (даже если это не совсем так).
Взяли закон Менделеева-Клапейрона pV=vRT, должны сказать, что речь идёт об идеальном газе.
Мы не должны обосновывать выбор модели. Мы должны обосновывать верность результата.
И вот тут мы плавно переходим к новому вопросу.
Как именно это надо обосновывать?
Чуть выше я привёл пару примеров обоснования - "инерциальная система отсчёта (ИСО)" и "идеальный газ".
Это не просто слова. Это названия. Названия моделей физических явлений, связей, инструментов и так далее.
То есть, физика не изучает природу саму по себе (хоть это и наука о природе), физика изучает поведение моделей.
И все формулы, законы, определения физики - это всё действует только в рамках определённой модели. Смените модель - формула перестанет давать правильный ответ.
Возьмите модель "реального газа", и закон Менделеева-Клапейрона перестанет давать правильный ответ. pV не будет равно vRT.
Чтобы дать грамотный ответ на вопрос "почему формула даёт правильный результат?", мы должны указать модель, которую используем для решения задачи.
То есть, если мы скажем, что рассматриваем нашу систему координат как часть инерциальной системы отсчёта, этого будет достаточно, чтобы можно было утверждать, что равенство a=F/m верное.
Получается забавный момент. Пока мы не сказали магического слова "ИСО" , мы можем использовать второй закон Ньютона. Но мы не можем гарантировать, что ответ будет правильный.
Обоснование выбора модели
В общем-то, от нас не требуют объяснить, почему мы выбрали эту модель, а не другую. Мы можем сказать, что используем модель материальной точки, не объясняя, почему мы её взяли. Если посмотреть в примерах, которые опубликованы в демоверсиях, то там ситуация именно такая - говорится, что выбрана та или иная модель, но не говорится, почему.
Соответственно, то, что называется границами применения модели можно не учитывать.
Это считается уже более глубоким уровнем, который не требуется даже от очень продвинутых школьников.
Пример
Теперь давайте рассмотрим, как это работает на примере конкретной задачи.
Из пружинного пистолета выстрелили вертикально вниз в мишень, находящуюся на расстоянии 2 м от него. Совершив работу 0,12 Дж, пуля застряла в мишени. Какова масса пули, если пружина была сжата перед выстрелом на 2 см, а ее жесткость 100 Н/м?
Какие законы Вы используете для описания характера изменения энергии тела? Обоснуйте их применимость к данному случаю.
Решение задачи очень простое. Используется всего две формулы различных энергий:
Eп=kx²/2 - энергия, которую получила пуля от пружины
Eв=mgh - энергия, которую получила пуля при падении с высоты
И закон сохранения энергии:
Еп+Ев-A=0
Физика на этом заканчивается, остаётся математика.
kx²/2 + mgh - A = 0.
Откуда
m = (A - kx²/2)/gh = 5 г.
ОБОСНОВАНИЕ
Мы должны обосновать легитимность применения формулы закона сохранения энергии и определений двух энергий.
- Считаем систему отсчёта, связанную с мишенью, инерциальной (ИСО).
Тем самым мы исключаем неинерциальные силы типа силы Кориолиса. - Считаем, что на этапах движения пули в стволе и воздухе, на пулю не действуют силы сопротивления.
Тем самым мы исключаем вклад сил трения, значит, нам достаточно использовать указанные формулы энергий. - Систему "Земля-пуля" считаем замкнутой, пружину идеальной (в рамках упругой деформации).
Тем самым мы указываем, что имеем право использовать указанные формулы энергий. - Изменением высоты положения пули во время движения в пружинном пистолете пренебрегаем (x/h=2см/2м = 1/100). Так же пренебрегаем изменением высоты положения пули при замедлении в мишени (L<<h).
Тем самым мы исключаем малые поправки
Из 1-3 вытекает возможность применить закон сохранения энергии.
Из 2 и 3 следует возможность рассчитывать энергию, переданную пуле по указанным выше формулам.
Заключение
Как видим из примера, задача раздела "обоснование" не столько доказать, что мы правильно решили задачу, сколько отсечь лишние сложности, которые могут возникнуть при решении задачи в более сложном варианте.
Например, если мы не исключаем дессипативные силы (трение), то нам придётся учитывать работу этих сил. Как известно, сила сопротивления воздуха зависит от скорости снаряда, его формы и кучи других факторов, что потребовало бы от нас численных расчётов.
Кроме того, мы вынуждены указать на упругую деформацию пружины, потому что за её пределами закон Гука не действует, и энергию нужно считать уже по другим формулам.
Важным является и пренебрежение длиной пружины и глубиной проникновения пули. В обоих случаях это избавило нас от усложнения уравнения (два слагаемых в энергиях +mgx +mgL), которые привели бы к уточнению лишь во втором знаке после запятой. Скажем, с учётом движения в пистолете, мы получили бы массу пули 4,9505 грамма. А глубина погружения пули в мишень L - вообще не указана в задаче.
Но самое главное, если бы мы не сказали, что для нас система отсчёта - инерциальная, что система замкнутая, нам бы пришлось считать вклад других сил в энергию, и закон сохранения усложнился бы существенно.
После заключения
На бумаге это выглядит очень легко и понятно. Но от ученика подобное обоснование требует действительно глубокого понимания физики процесса, который лежит в основе ситуации, описанной в задаче.
Легко ли научить такому видению? Нет, не легко. Но и не невозможно.