В добрый путь и удачи!

Введение

Нередко встречается ситуация, когда студент хорошо знает обычную теорию курса физики, но не умеет решать физические задачи. У многих студентов изучение теории не вызывает значительных трудностей, они хорошо понимают и запоминают определения, формулы законов и т.д., но применить эти знания на практике зачастую просто не могут. Прочитав условия некоторых задач, они не представляют с чего надо начинать решение. Иногда, решая задачу, написав значительное количество формул и уравнений, студент не знает, решил он задачу, далеко ли, близко до ее решения и т.д. Таким образом, можно хорошо изучить теорию и совершенно не уметь использовать эти знания при решении даже элементарных задач. Это не случайно… Оказывается, для успешного решения задач знание теории необходимо, но не достаточно. Необходимо (кроме конкретных знаний) овладеть еще и так называемыми обобщенными знаниями, которые приобретаются на опыте, в процессе решения задач.

Основу обобщенных знаний составляют такие фундаментальные понятия физики, как: физическая система, физическая величина, физический закон, состояние физической системы, взаимодействие, физическое явление, идеальные объекты и идеальные процессы, физическая модель. Эти понятия взаимосвязаны и, следовательно, составляют систему.

Использование системы фундаментальных понятий позволяет сформулировать важнейшее определение теоретической физической задачи как физического явления, в котором неизвестны какие-либо связи и величины. Решить физическую задачу – это значит восстановить неизвестные связи и определить искомые физические величины. Это определение имеет очень важное методическое значение. Если физическая задача отражает какое-либо физическое явление (или совокупность явлений), то необходимо не только иметь представление об этом явлении (конкретные знания), но и уметь анализировать любое физическое явление (используя обобщенные знания). Анализ¹ явления начинается с выбора и анализа физической системы и заканчивается составлением замкнутой системы уравнений в результате применения соответствующих физических законов. Отсюда естественно вытекает расчленение процесса решения поставленной задачи на три этапа: физический (он заканчивается, если составлена замкнутая система уравнений), математический (его цель – получение решения в общем и численном виде) и этап анализа решения.

Отсюда же естественно следует необходимость в создании системы методов решения задач по физике, как системы общих ориентиров для осуществления самостоятельной деятельности решающего задачу на каждом из этих этапов.

1. Теоретические основы общего подхода к решению произвольной задачи по физике

   1. Система фундаментальных понятий физики

      1. Некоторые общие понятия физики

Общий подход к решению произвольной задачи по физике основан на некоторых фундаментальных понятиях физики. Одним из центральных понятий является понятие физической системы. Физическая система – это совокупность физических объектов. Причем даже один физический объект может составлять физическую систему.

Решение любой физической задачи связано с исследованием какой-то физической системы, выбор и исследование которой является началом анализа физической ситуации задачи.

Физические объекты системы обладают некоторыми физическими свойствами и могут участвовать в различных физических процессах. Для характеристики свойств физических объектов и параметров физических процессов вводятся различные физические величины.

Весьма важным является также понятие состояния физической системы. Общее понятие состояния физической системы относительно сложно. Если физическая система состоит из одной частицы, то ее механическое состояние определяется шестью величинами: тремя координатами и тремя компонентами импульса частицы .

Тела физической системы взаимосвязаны как между собой, так и с внешними объектами. Эта всеобщая связь проявляется во взаимодействии физических объектов. Взаимодействие – важнейшее свойство любых физических объектов. Оно обусловлено их внутренней природой. В физике известны четыре основных вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Взаимодействие может изменить или положение физической системы или ее состояние. Процесс изменения положения или состояния физической системы назовем физическим явлением. Это понятие в общем подходе к решению произвольной задачи по физике является одним из самых важных. В природе происходит множество физических явлений: движение планет и звезд, гром и молния, испарение воды и выпадение росы, колебания атомов и движение молекул, и т.д., и т.п. Не так просто разобраться в качественной картине (стороне) того или иного физического явления. Анализ физического явления целесообразно начинать с выбора и исследования физической системы, ибо само явление происходит в какой-то системе. В процессе анализа физических объектов системы полезно выяснить, к каким идеальным объектам они могут быть отнесены, какими обладают свойствами, с какими телами и каким образом они могут взаимодействовать, каковы могут быть результаты и последствия этого взаимодействия.

Физическое явление характеризуется изменением каких-то физических величин. Эти величины связаны между собой. Известно, что необходимая и устойчивая связь или зависимость между некоторыми физическими величинами отражается в физическом законе. Всякий физический закон относителен в том смысле, что он верен лишь при выполнении определенных условий. Совокупность этих ограничений называется условием (или границами) применимости физического закона. Если хотя бы одно из этих условий нарушено, то данный закон применять нельзя, он становиться несправедливым. Например, второй закон Ньютона в форме справедлив, если выполняются следующие условия: движение тела рассматривается по отношению к инерциальной системе отсчета, тело должно быть материальной точкой (или твердым телом, движущимся поступательно), масса тела – постоянной, скорость тела должна быть значительно меньше скорости света в вакууме и т.д. При нарушении хотя бы одного из этих условий второй закон Ньютона в записанной выше форме применять нельзя.

При решении задач по физике недостаточно знать соответствующий закон (его физический смысл, условие применимости и т.д.), необходимо еще и уметь применять его в конкретных условиях. Для каждого физического закона существует метод (алгоритм) его применения. Например, для того чтобы правильно записать второй закон Ньютона в форме , необходимо выполнить следующую систему действий. Во-первых, проверить, выполнены ли условия применимости этого закона (если хотя бы одно из них нарушено, то закон применять нельзя). Во-вторых, выбрать инерциальную систему отсчета (данный закон применим только по отношению к таким системам отсчета). В-третьих, найти все силы, действующие на данное тело (в закон входит физическая величина геометрическая сумма всех сил, действующих на тело массой т). В-четвертых, определить проекции всех сил на оси координат (второй закон Ньютона – векторный закон). В-пятых, найти алгебраическую сумму проекций всех сил на каждую ось координат . И наконец, в-шестых, записать второй закон Ньютона в виде системы трех уравнений:

.

1. Предлагается исследовать движение искусственного спутника на околоземной орбите. Какие физические объекты могут быть включены в физическую систему? Какие взаимосвязи в выбранной системе являются внутренними, а какие можно отнести к внешним? Какой физический закон отражает внутреннюю связь объектов?