Сначала восходят к аксиомам, а затем спускаются к практике.
Фрэнсис Бэкон
Введение.
Школьные задачники по физике в своем большинстве содержат логические и вычислительные задачи. Основные способы их решения – логический и математический в различных проявлениях и сочетаниях.
Процесс решения задачи заключается в постепенном соотнесении условия задачи с ее требованием. Начиная изучать физику, школьники не имеют опыта решения физических задач, но некоторые элементы процесса решения задач по математике могут быть перенесены на решение задач по физике (см. [2], с.73-78). Процесс обучения учащихся умению решать физические задачи основывается на сознательном формировании у них знаний о средствах решения (подробнее см. [4], с.86-93).
Математический аппарат при решении физических задач определяется изучаемыми законами и формулами курса физики, а также назначением задач в учебном процессе и их содержанием. Все задачи по математическим преобразованиям (алгебраическим), которые выполняются на начальной ступени обучения физике, делятся на 3 основных вида, представленных следующей таблицей.
Таблица 1
Классификация стандартных количественных задач курса физики основной школы
| Виды задач | Условие и требование задачи | Отношения между условием и требованием |
| 1 | Требованием выступает введенная величина или закон. В условие задачи включены все величины, определяющие искомую величину или закон. | Задана зависимость между требованием и условием задачи. |
| 2 | Требованием выступает любая величина из определяющей формулы или закона. Другие величины заданы условием задачи. | Зависимость представлена в виде уравнения с одним неизвестным. Уравнение позволяет определить один из параметров по другим заданным величинам, характеризующим состояние. Определяющая формула или закон рассматриваются как уравнения, разрешаемые относительно любого параметра. |
| 3 | Требованием выступает любая из величин определяющей формулы или закона. Некоторые из определяющих величин не заданы. | Зависимость представлена в виде уравнения, решение которого требует определения дополнительных отношений между величинами, заданными условием задачи, и, величинами, входящими в уравнение. |
В данной работе читателю предлагается возможная последовательность формирования умений решать указанные в таблице № 1 виды физических задач в процессе изучения курса физики основной школы.
Метод применения физического закона.
Элементами теоретических знаний, с которыми учащиеся встречаются при изучении физики наряду с определениями понятий, законами и теориями, являются алгоритмы.
Основным средством, используемым для формирования алгоритма, является система упражнений, содержание которой определяется на основании логико-предметного анализа конкретного алгоритма.
Рассмотрим процесс формирования алгоритма решения элементарных физических задач, т.е. таких задач, для решения которых необходимо и достаточно применить лишь один соответствующий физический закон (в указанной ранее таблице № 1 этим задачам соответствуют п.п. 1, 2).
Пример 1.
По проводнику, имеющему сопротивление R= 100 Ом, идет постоянный электрический ток силой I = 0, 01 А. Определить напряжение на концах проводника.
Решение: Очевидно, что для решения задачи необходимо и достаточно записать закон Ома для участка цепи, точнее его следствие:
I = U/R, U = IR. Отсюда: U = 1 В.
Таким образом, для решения этой задачи необходимо и достаточно привлечь конкретный закон, причем метод применения закона заключается именно в его записи. Следовательно, задача – элементарная. Принято считать, что элементарные задачи могут быть решены и без специального подхода. Как правило, это действительно так. Однако некоторые его элементы используют при решении и таких задач, особенно в классах, требующих повышенного педагогического внимания. В связи с этим, полезно дать несколько практических советов, облегчающих подход к задаче.
Приступая к решению задачи по физике, школьник часто задается вопросом: по какой формуле решать? Большинство педагогов, скорее всего, с негодованием встретят столь наивный подход. Однако, это просто перевод на язык, понятный школьнику, вопроса об адекватном задаче математическом аппарате. Заметим, что иногда с такого вопроса начинают и многие профессионалы. Учитывая все сказанное, предлагаем возможный алгоритм решения элементарных задач.
Подготовительный этап:
Рассматривая очередной физический закон, составляем для него и входящих в него величин, специальную таблицу, называемую базисной. Примером может служить таблица к рассмотренной выше задаче.
Таблица № 2
| Величина | Буквенное обозначение | Единица измерения | Формула |
| Сила тока Напряжение Сопротивление |
I U R |
А (Ампер) В (Вольт) Ом (Ом) |
I = U/R U = IR R = U/I |
Основной этап:
1. Установить, какая величина неизвестна в задаче.
2. Пользуясь базисной таблицей, выяснить обозначение, единицы измерения величины, а также математический закон, связывающий неизвестную величину и заданные в задаче величины.
3. Проверить полноту данных, необходимых для решения задачи. При их недостатке, использовать соответствующие значения из справочной таблицы.
4. Оформить краткую запись, аналитическое решение и численный ответ задачи в общепринятых обозначениях.
Как видим, алгоритм достаточно прост и достаточно универсален. Он может применяться к решению элементарной задачи практически из любого раздела школьной физики.
При обучении решению задач по данному алгоритму учащимся необходимо всегда иметь его “под рукой” до приобретения ими устойчивых навыков работы по указанной схеме.
Разумеется, большое количество элементарных задач следует отрабатывать лишь на начальном этапе изучения школьной физики. Позднее, элементарные задачи могут входить как вспомогательные в задачи более высокого уровня, либо использоваться в качестве подготовительных упражнений.
Метод анализа физической ситуации задачи.
Стандартной задачей называют такую задачу, решение которой чаще всего представляет собой ситуацию применения “обычных” знаний, приемов и методов. Эти задачи важны для усвоения учащимися физико-математических отношений, а также для овладения эффективным методом познания – моделированием.
Пример 2. Два проводника сопротивлением 10 Ом и 15 Ом соединены параллельно. Определить силу тока в цепи до разветвления, если напряжение на первом проводнике 30 В. (см. [3], с. 74, № 585 А).
Подготовительный этап:
Таблица 3
| Первый проводник | Второй проводник |
| R1 = 10 Ом U1 = 30 В |
R2 = 15 Ом |
| Полная цепь | I - ? |
Анализ задачи начинается с вопроса, который задает учитель учащимся. Школьники подбирают данные, с помощью которых можно ответить на поставленный вопрос. Если данных не достаточно, учитель ставит новые вопросы. К этим вопросам вновь подбираются данные задачи или ставятся новые вопросы. Такой разбор задачи продолжается до тех пор, пока дойдут до вопроса, для ответа на который все данные есть.
Анализ удобно записать в виде таблицы, “поднимаясь” по которой снизу вверх приходят к ответу.
Основной этап:
Вариант А
Таблица 4
| Чтобы узнать | Надо определить |
| силу тока в цепи до разветвления | токи в первом и втором проводнике |
| ток в первом проводнике | сопротивление проводника и напряжение на концах проводника |
| ток во втором проводнике | сопротивление проводника и напряжение на концах проводника |
| напряжение на концах второго проводника | напряжение на концах первого проводника |
Вариант Б
Таблица 5
| Чтобы узнать | Надо определить |
| силу тока в цепи до разветвления | напряжение на концах цепи и полное сопротивление цепи |
| напряжение на концах цепи | напряжение на концах любого из двух проводников |
| полное сопротивление цепи | сопротивление двух проводников |
Для рассматриваемой задачи можно предложить составить уравнения, оформив это в виде таблицы.
Таблица 6
| Вариант | Первый проводник | Второй проводник | Полная цепь | Уравнение |
| А | R1 = 10 Ом U1 = 30 B I1 = U1/R1 |
R2 = 15 Ом U1 = U2 I2 = U2/R2= = U1/R2 |
I = I1 + I2 |
I = U1/R1+U1/R2= =U1(R1+R2)/R1R2
|
| Б | R1 = 10 Ом U1 = 30 B |
R2 = 15 Ом |
I = U/R U = U1 R = =R1R2/(R1+R2) |
I = U1/R1R2/(R1+ +R2)=U1(R1+ +R2)/R1R2
|
Получение нескольких вариантов решения одной и той же задачи позволяет не только сравнивать эти решения, но и указывать наиболее рациональное из них.
Последним этапом решения задачи является проверка решения, осмысление ответа и полная его запись. Здесь учащихся следует познакомить с такими видами проверки и осмысления, как:
- решение задачи разными способами (см. выше);
- установления факта, удовлетворяет ли полученный результат-ответ условию задачи по содержанию (см. также [4], с. 108).
Рассмотренная методика работы над стандартной задачей является одной из разновидностей метода анализа физической ситуации задачи (см. [1], с.18,19) и позволяет формировать у школьников умения записывать реальные жизненные ситуации на физико-математическом языке, способствует развитию логического мышления и воспитанию самостоятельности, настойчивости, творчества.
Заключение
Подведем итоги. На конкретных примерах была сделана попытка показать, что общий подход к решению любой задачи из классификационной таблицы № 1 в основном сводится к умению проводить анализ произвольной совокупности физических явлений и умению оперировать с обобщенными понятиями физики, используя их как элементы в структуре методов. При этом метод применения физического закона позволяет решить любую элементарную задачу из курса школьной физики. Метод анализа физической ситуации позволит не только найти подход к решению, но и осуществить различные варианты этого подхода.
Литература.
- Беликов Б.С. Решение задач по физике. Общие методы. М.: Высш. шк., 1986.
- Лабораторные и практические работы по методике преподавания математики: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. спец. пед. ин-тов/ Под ред. Е. И. Лященко. – М.: Просвещение, 1988.
- Минькова Р.Д., Свириденко Л.К. Проверочные задания по физике в 7, 8 и 10 классах средней школы. М.: Просвещение, 1992.
- Усова А.В., Тулькибаева Н.Н. Практикум по решению физических задач. М.: Просвещение, 1992.