В ЕГЭ по физике 26 задача последняя в списке. Стереотипно считается, что последняя задача - повышенной сложности. Многие учителя говорят, что вообще 2я часть ЕГЭ не для всех, а уж последняя задача - подавно только для тех, кто мечтает стать учёным-кипячёным.
Я недавно писал статью о том, что требуется от ученика в последней задаче по физике. Там указал, что сама по себе задача - довольно простая, её решить легче, чем прочие задачи во 2 части. Простая с двух позиций - во-первых, тема преимущественно "механика", которая субъективно легче, во-вторых, там действий не так много.
А сложность в ней за счёт того, что нужно объяснить, почему мы использовали те законы, а не иные.
О моделях
Я не буду вдаваться в классификации, строгие определения и вообще в эти дебри. Но кое-какое введение надо сделать, чтобы было легче понять мою мысль.
Модель, если хотите определения, это способ описания реальных систем и явлений.
Физические модели (их, в частности, проходят в школе на уроках физики) включают в себя не столько способ описания, сколько конкретные практические формулы.
Скажем, модель материальной точки включает в себя формулы закона сохранения количества механического движения (импульса), но не включает законы для моментов (сил/импульса и пр.).
В чём смысл физической модели
В общем-то, модель - это некоторый условный шаблон, в котором прописано, какие формулы использовать, какие величины учитывать, какие явления как интерпретировать.
Скажем, модель сухого трения подразумевает, что нам надо учесть некий абстрактный коэффициент трения, силу нормального давления, разделить силы трения на "покоя" и "скольжения", и использовать единственную формулу.
И все эти модели, формульно-величинные сетапы заранее известны и проименованы.
Получается, что "применить модель" сводится к объявлению названия, и автоматически мы имеем все формулы, все величины, все связи.
Какие модели проходят в школе
Это очень интересный вопрос. Вряд ли кто-то из учителей-то сможет их все назвать по памяти. Не говоря уж о том, что некоторые модели проходят факультативно.
Тем не менее, у моделей, которые проходят в школе, есть одна очень неприятная общая черта: они единственные.
- Для явления движения в школе проходят только модель материальной точки. И всё.
- Для тепловых явлений - модель идеального газа. И всё.
- Для геометрической оптики - модель тонкой линзы. И всё.
(Есть псевдо-исключения, об этом позже)
Список можно продолжать. Но смысл не изменится. Зачем изучать модели вообще, если модель единственная? Это как проводить выборы, если кандидат только один. Можно для соблюдения формальности.
Немного о псевдо-исключениях
Да, я тут немного слукавил. Во многих учебниках физики (и в школьных программах) проходят по две-три модели одного явления. Скажем, кроме модели абсолютно твёрдого тела, проходят ещё пластическую деформацию.
То есть, правило "одна система=одна модель" имеет довольно много исключений. Но эти исключения не настоящие. Потому что где вы видели задачу на пластическую деформацию? Задачи то всё равно решаются на одну модель.
Самый показательный пример - глава о реальных газах в учебнике 10 класса. Есть, но кто её читал?
И второй тип "псевдо-исключений" - это две модели одного явления, которые изучаются как существенно различные. Например, абсолютно упругий удар (модель) и абсолютно неупругий удар (другая модель).
Во-первых, в этой ситуации обе модели разводятся на этапе изучения так, как будто это разные задачи. Во-вторых, в задаче заранее прямо указывается, какая из них должна быть выбрана (опять ученика лишают даже видимости выбора).
Как модели проходят в школе
Никак.
Почему?
Ну, во-первых, очень мало учителей в принципе понимают концепцию физической модели. И, как следствие, её необходимость.
Во-вторых, довольно сложно научить пониманию этой концепции в школе готовых ответов.
А в-третьих, это не выглядит необходимым.
Почему модель не нужна
В чём суть физики, как её видит стандартный среднестатистический школьник? В том, чтобы
- прочитать задачу,
- найти к ней в учебнике формулу,
- подставить в буквы числа
- и посчитать.
Для "продвинутых" добавляется ещё один пункт
- вывести расчётную формулу из нескольких, которые подходят к этой задаче
И вся сложность изучения физики сводится к составлению связи "текст-формула". В этом списке нет места для модели.
Откуда берётся формула в безмодельной модели физики?
Из учебника, естественно. Наиболее часто используемые формулы учитель ещё напишет на доске.
Нет, ученик видит, что учитель делает какие-то выкладки на доске, слышит, как тот объясняет свои действия положениями "теории". Но это всё не важно, потому что на контрольной (в экзамене) будет задача, которую надо будет решать, используя только конечную формулу.
Поскольку "вывод формулы" - процесс сложный и творческий, то для большинства, разумеется, требуются уже выведенные формулы "на все случаи жизни". Так во многих "шпаргалках" по физике появляется формула пути через начальную и конечную скорости.
А уж связь формулы с моделью вообще остаётся уделом учёных-кипячёных, которые составляли учебник.
Почему 26 задача "самая сложная"
Казалось бы, обычная задача в два действия. На механику. Она явно проще, чем 24 или 25 задачи - сложные (составные) задачи на смесь явлений.
От ученика требуется всего лишь посчитать какую-то величину по обычной формуле из 9 класса. И всё.
Хотя, нет. На этот раз не "и всё". Требуется ещё написать словами
"Будем считать все тела материальными точками."
(цитата из демоверсии ЕГЭ-26)
И вот тут загвоздка.
"Материальная точка" - это название модели. Которую мы проходили в школе - бодрым шагом мимо. Мы её выкинули, потому что других типов моделей для этой задачи не проходили, потому что это болтология, потому что на ответ не повлияет...
То есть, просто построить предложение "считаем тело материальной точкой и воспользуемся законом движения x=...." становится сложным до невозможности.
Как можно было бы исправить положение
Напрашивается желание проходить по нескольку моделей хотя бы для одной физической системы, чтобы показать, на сколько важно и критично выбирать модель перед решением задачи.
Но ничего не выйдет.
Во-первых, это уже реализовано - толку нет.
Во-вторых, школьные модели потому и проходят в школе, что они из всех возможных - единственные, которые имеют формулы, доступные школоте. (Напомню, школьная физика сейчас сводится к решению задач по формулам, поэтому для физики необходим определённый матаппарат.)
Попробуйте описать модель движения рычага с учётом упругой деформации! Получится. Да, получится. Это и получается. Но это уже сопромат технического вуза. Там нужно как минимум "считать матрицы", а то и дифуры решать.
То есть, в школе мы чисто технически не можем пройти модели, кроме самых примитивных, и то не в каждой теме. Разве что чисто теоретически - без решения задач, и не вынося их на экзамен. (Справедливости ради, надо отметить, что в экзаменах по физике есть одна задача на "бесформульную" теорию).
Тем не менее, кое-что для этого сделать всё-таки можно. Можно даже особо не менять стиль преподавания физики.
"Правильная" шпаргалка
Например, очень удобным для учителя станет вот какое пособие. Некая шпаргалка с формулами, где формулы сгруппированы не по главам учебника, а по моделям.
Я не буду сейчас подробно писать, как именно будет помогать простая перегруппировка формул. Но нужно понимать, что сама по себе бумажка не сделает из детей гениальных Фейнманов, хотя даже это кое-какой импульс в нужном направлении придаст.
Особенно, если давать задания, которые реально будут вынуждать детей лезть за подсказкой в этот список.
Практикоориентированный пример
Тут товарищи намекают, что неплохо было бы хотя бы пример такой шпаргалки указать. По просьбам трудящихся могу составить пример на модель
"Реальный источник тока".
Величины:
- Внутреннее сопротивление
- Внешнее сопротивление (сопротивление нагрузки)
- ЭДС
- Напряжение на выходе
- Падение напряжения на внутреннем сопротивлении
- Сила тока через источник
Законы (законы постоянного тока):
- Закон Ома для полной цепи
- Закон Ома для участка цепи (можно объединить)
- Правила Кирхгофа
- Определение силы тока
- Закон Джоуля-Ленца
Что характерно, многие из этих законов и величин будут появляться и в других моделях. Например, в модели "идеальный источник тока" повторятся "напряжение на выходе" и "сила тока". Ничего страшного в этом нет. Напротив, некоторая избыточность создаст возможность связать между собой разные модели, чтобы не воспринимать их как разные задачи.
Кстати, и переход от этой "шпаргалки" к 26 задаче будет довольно простым. Вот ты применил закон Джоуля-Ленца к источнику тока, учитывая внутреннее сопротивление (есть задачи типа "посчитать тепловыделение на источнике при коротком замыкании") - изволь написать словами модель, в которой этот вариант лежит. Иначе, с чего вдруг ты взял, что в ситуации вообще надо учитывать внутреннее сопротивление?
Вместо заключения
Статья и так получилась объёмная. Однако очень хочется отметить ещё один момент.
Легитимность выбора модели.
Вообще, в рамках физической задачи почти всегда можно выбрать модель. С тем же газом - идеальный или реальный.
И мы, как решальщики, можем выбрать совершенно любую модель, какую захотим. Хотим - реальный газ, хотим идеальный. А захотим, вообще будем рассчитывать по какой-нибудь модели с учётом тепловых потоков и прочих турбулентностей с использованием метода конечных разностей.
От выбора модели зависит лишь степень соответствия результата прогноза и реальной ситуации.
Но в школьной физике вопроса о таковом соответствии не стоит. Мы лишь должны обозначить модель, которую выбрали. Вопрос "можно ли было выбрать эту модель?" - это вообще не школьный вопрос, который требует весьма серьёзного исследования. В школе дают некоторые уже заранее продуманные и исследованные "границы применимости" - и то отдельных законов а не целых моделей...
Но опять же задачи специально подбирают так, чтобы они заведомо входили в эти границы, чтобы снять с ученика хотя бы этот груз.
В 26 задаче ЕГЭ нет требования "объяснить, почему тела можно считать материальной точкой, а систему отсчёта, связанную с землёй - инерциальной". Ибо, строго говоря, это абсолютно не так. И, соответственно, даже в демоверсии в ответах нет никаких объяснений на этот счёт. Только указание на саму модель. Обоснование приводится лишь к "немодельным" заявлениям типа "импульсом внешних сил можно пренебречь"
