Небольшое введение для тех, кто только
приступает к изучению физики.
Изучать физику не решая задачи, это то же самое, что учиться плавать ни разу не входя в воду.
Для того чтобы научиться плавать - нужно плавать, т.е. ложиться на воду, пытаться грести руками, болтать ногами ... Сразу, конечно, не получится, воды придется поглотать, но постепенно, раз за разом будет получаться все лучше и лучше. И однажды свершилось(!), самостоятельно проплыты первые метры. Остальное, как говориться, дело техники и тренировок.
Точно такая же ситуация и с решением физических задач (а, впрочем, и любых других, даже житейских). Для того чтобы научиться решать задачи - нужно решать задачи: прочитать условие, представить себе как можно яснее описываемую ситуацию, нарисовать чертежик, попробовать выписать подходящие формулы. Попытка - не пытка, не получится с первого раза, можно посмотреть, как это делают другие и попробовать снова.
Итак, рецепт очень прост. Для того чтобы решить задачу, нужно хотеть решить эту задачу, верить, что она решается, решиться и начать решать задачу, и решать, решать, решать ... А я буду помогать это делать так, как помогаю своим ученикам.
Самый первый вопрос, который мне обычно задают ученики, прочитав условие задачи, это “с чего начать решать эту задачу?” Обычно я отвечаю следующее. Предположим, что вы приглашены другом на вечеринку. Вы приходите, а там масса незнакомых людей. Что обычно вы делаете в первые минуты? Я в такой ситуации обычно стараюсь сразу найти кого-нибудь из своих знакомых и смотрю по сторонам, пытаясь кого-нибудь узнать. Так же и с задачей, прочитав условие, попытайтесь узнать ту ситуацию, которая там рассматривается, попробуйте обнаружить в ней что-то вам уже знакомое.
Своих знакомых вы можете узнать по разным признакам: в первую очередь по лицу, но также и по голосу, по походке или фигуре, по манере одеваться или вести себя с окружающими и т.д.. И у физической задачи тоже есть свои признаки, по которым можно ее узнать.
Сейчас я очень коротко расскажу о том, как можно использовать свои теоретические знания по физике для узнавания и последующего решения физических задач.
Физика изучает явления, т.е. процессы, которые происходят с различными объектами.
Явления - это в первую очередь то, что мы можем наблюдать, ощущать (пощупать, понюхать ...), что мы видим, слышим, чувствуем. Мы видим движение птицы в небе - это явление, слышим шум дождя за окном - и это явление, забиваем решающий трех очковый - тоже явление, и еще какое! Явлением мы называем и то, что мы можем представить, вообразить, придумать, но только в том случае, если в этом воображаемом нами мире находится место для человека, который в том воображаемом мире ощущает то же самое, что будет ощущать реальный человек в мире реальном. Например, никто никогда своими глазами не видел молекулы воды. Но мы можем представить себе их в виде крошечных шариков, которые летают и кружатся как комариный рой. Мы можем вообразить, как помещаем в этот “рой” маленькое семечко папоротника, берем микроскоп, разглядываем в него, что же происходит с этим семечком и видим, как оно движется во все стороны по очереди: то вверх, то вниз, то влево, то вправо - потому что маленькие шарики - молекулы налетают на него с разных сторон и ударяют его “всем скопом”, заставляя совершать эти разнообразные движения. А теперь мы на самом деле возьмем семечко папоротника, бросим в воду и поместим под микроскоп. Никаких маленьких шариков-молекул мы не увидим. Но беспорядочное движение семечка: то вверх, то вниз, то влево, то вправо - будет точно таким же каким мы видели его в нашем воображении! Это приводит нас к мысли, что такое явление как движение молекул действительно есть в природе (а значит, есть и сами молекулы).
Объектами мы называем все, что есть в природе, все, что мы можем увидеть, услышать, потрогать, почувствовать: дома, молекулы, свет, звезды, от которых он исходит и т.д. Тот объект, который мы можем пощупать, на который мы можем указать пальцем, у которого есть определенные размеры и форма (пусть только в воображении), часто называют телом (машина, камень, молекула ...). Существует объект иного рода, который называется поле. Это обычно что-то протяженное, распространяющееся в разных направлениях и меняющееся от одной точки к другой.
Процессами называется все, что может происходить с этими объектами: они могут двигаться, покоиться, нагреваться, разламываться, светиться, притягиваться друг к другу и многое другое.
По сути дела, физика изучает что, с чем и почему, происходит. Это три главных вопроса, на которые искали, ищут и продолжают искать ответы люди, занимающиеся физикой профессионально. И именно эти три вопроса всегда являются первыми, требующими ответа, когда мы начинаем решать какую-либо физическую задачу.
От нас не требуется, чтобы мы сами открыли те законы природы, которые когда-то были открыты учеными мужами. Нам нужно только знать эти законы и научиться узнавать те физические ситуации, в которых применение этих законов необходимо. Например, если мне нужно найти скорость метеоспутника, который вращается вокруг Земли, я узнаю в этой задаче следующую ситуацию: есть два объекта (Земля и спутник), они взаимодействуют друг с другом (Земля притягивает спутник к себе), спутник движется вокруг Земли. Ключевые понятия, описывающие данную физическую ситуацию и позволяющие мне ее узнать, это “взаимодействие объектов” и “движение вокруг” (это как лицо и голос моего знакомого, которого я, наконец, встретил в многолюдной толпе гостей). Я знаю, что если рассматривается ситуация взаимодействия тел, то наверняка нужно использовать законы Ньютона (сравните: я знаю, что если я встретил человека с таким лицом и таким голосом, то я должен назвать его таким именем). Я знаю, что если рассматривается движение по окружности, то, скорее всего, понадобятся формулы для центростремительного ускорения или угловой скорости. Я знаю также, что если мне встретились тела, которые притягиваются друг к другу, то почти наверняка необходимо применить закон всемирного тяготения. Я не знаю, нужны ли мне на самом деле все эти формулы, я не знаю, будет ли мне их достаточно для решения моей задачи, но, по крайней мере, теперь я знаю с чего начать!
Обратите внимание на такую деталь: для того чтобы узнать физическую ситуацию, с которой я столкнулся, мне не было важно знать сами законы, мне было важно только вспомнить, что именно они будут необходимы для решения задачи. Теперь же, после того как узнавание произошло, я автоматически определил, какие знания мне понадобятся для дальнейших конкретных вычислений (так бывает и с людьми, которых мы узнаем: сначала к нам приходит уверенность, что видели этого человека, встречались с ним раньше, что мы знаем, как его зовут, и лишь потом в памяти всплывают его имя, профессия, обстоятельства знакомства).
Из приведенного короткого рассмотрения видно, что для того, чтобы узнать рассматриваемую физическую ситуацию, необходимо заранее знать:
какие физические явления существуют в природе, то есть что и с чем может происходить (используя нашу аналогию со знакомыми, мы можем сказать, что должны заранее знать с кем и в каких ситуациях можем встретиться);
по каким внешним признакам мы можем отличать одно явление от другого (также как одного человека от другого);
какие основные законы и понятия описывают известные нам явления (это что-то вроде имен и адресов наших знакомых);
как звучат и как записываются в виде формул эти законы и понятия (для наших знакомых это похоже на их профессию, которая показывает, что они могут делать).
Для того чтобы знать все это заранее, мы и изучаем разные физические теории. С моей точки зрения, однако, гораздо более эффективным средством предварительной подготовки к самостоятельному решению задач является разбор типовых ситуаций с подробным проговариванием всех умственных действий, совершаемых нами в процессе решения. Теорию, конечно, тоже учить необходимо, но только для того, чтобы при решении задач мы могли бы уверенно отвечать на следующие вопросы:
Конечно, список таких вопросов можно было бы продолжить, но вряд ли это было бы целесообразно. Для того чтобы стартовать и начать решать задачу данного списка вполне достаточно.
Последнее замечание общего характера, которое необходимо сделать, прежде чем приступить к решению задач, касается формул, используемых при решении задач. Очевидно, что без них ни одну задачу не решить. Как бы долго и тщательно Вы не размышляли над условием задачи, рано или поздно Вами будет написана формула №1, затем формула №2 и т.д..
Для того чтобы правильно понимать суть решения задачи, нужно знать, что все физические формулы делятся на две основные группы: это законы природы, и определения физических величин. Есть еще одна группа формул - следствия из законов и определений, но она не играет особо значительной роли.
Определения обычно отвечают на вопрос “что такое” или “что называется” (скорость - это..., ускорением называется ...). Определения это договоренности называть что-то таким-то словом, которые были придуманы людьми и ими же поддерживаются. По сути дела определение это простое указание. Сами того не подозревая, мы встречаемся с определениями с детства и на каждом шагу. Например, взрослый, указывает ребенку пальцем на машину, произносит вслух слово “машина” и дает тем самым ему определение этого слова.
Закон отвечает на вопрос “чему равна”, “как найти” или точнее “как связаны” (сила взаимного притяжения двух тел равна ..., и т.п.). Закон выражает одни физические величины через другие (которые мы знаем из их определений), связывает их друг с другом. Главное отличие законов от определений в том, что они появляются не вследствие договоренностей между людьми, а в результате тщательно проводимых экспериментов, в которых измерялись значения различных физических величин.
Можно было бы рассказать еще много интересного про природу законов и определений. Однако для нас с Вами сейчас важно лишь то, что для написания основных законов, необходимых для решения интересующей нас задачи, мы должны знать в первую очередь какие процессы какими законами описываются. Для написания же необходимых определений в большей степени нужно знать, какие из них описывают те или иные объекты (хотя и процессы также требуют для их полного описания использование определений).
На этом я, пожалуй, закончу общие слова о решении задач по физике и перейду, наконец, к самим решениям, чего и Вам желаю, уважаемый Читатель.
Список основных определений физических понятий по разделу “Кинематика”
Схема взаимосвязи основных физических величин по разделу “Кинематика”
Задачи на понятия “путь” и “перемещение”
Задачи на прямолинейное равномерное движение
Задачи на закон сложения скоростей
Задачи на прямолинейное равноускоренное движение
Задачи на прямолинейное равноускоренное движение (продолжение 1)
Задачи на прямолинейное равноускоренное движение (продолжение 2)
Задачи на прямолинейное равноускоренное движение (окончание)
Задачи на вертикальное падение
Задачи на вертикальное падение (окончание)
P.S. Методика организации уроков и примеры используемых дидактических материалов излагаются в файле Методика и дидактика занятий по обучению учащихся искусству решения задач по физике