3. Классификация задач по физике

Известно, что классифицировать различные объекты можно по любым признакам. Но наиболее совершенной является классификация по существенным признакам. Физические задачи имеют множество признаков. Для того чтобы получить оптимальные классификации задач по физике, необходимо выделить существенные признаки физической задачи. Итак: что такое физическая задача? каковы ее существенные признаки? Полезно поставить и ряд других вопросов: когда и как возникает физическая задача? что значит решить физическую задачу? какие бывают физические задачи? Вопросы эти не так просты и далеко не так маловажны, как может показаться на первый взгляд.

При изучении какого-либо физического явления какие-то физические величины, характеризующие это явление, могут быть известны, а другие – нет. Если при исследовании какого либо физического явления человек о нем знает все (в рамках этого явления), то никаких вопросов и задач для него не возникает. Задачи и вопросы возникают тогда, когда в процессе этого исследования некоторые физические величины, характеризующие данное явление, по каким-то причинам неизвестны. Следовательно, задача ставится (формулируется) человеком при изучении физического явления, когда в нем (явлении) неизвестны какие-либо связи, взаимодействия, физические величины и т.д. Таким образом, можно предложить такое определение физической задачи. Физическая задача – это физическое явление, точнее – его словесная модель (или совокупность явлений) с некоторыми известными и неизвестными физическими величинами, характеризующими это явление. Решить физическую задачу – это значит найти (восстановить) неизвестные связи, физические величины и т.д. Из этих определений немедленно следуют две классификации физических задач. Первая основана на различии методов нахождения неизвестных величин, а вторая – учитывает содержание физического явления, которое отражает каждая физическая задача.

Возможны два способа нахождения неизвестных величин какого-либо физического явления: экспериментальный и теоретический. В экспериментальном методе на опыте, путем измерений определяются неизвестные величины. В теоретическом методе эти неизвестные величины определяют путем физического анализа данного явления, с помощью соответствующих физических законов, управляющих этим явлением. Физические законы связывают между собой различные величины, среди которых могут оказаться и известные, и неизвестные. Если в результате применения соответствующих физических законов составлена замкнутая система уравнений, в число неизвестных которой входят и те неизвестные физические величины, которые необходимо определить, то после решения этой системы уравнений данная задача может быть решена теоретически.

Из этих двух способов и следует первая классификация физических задач. Задачи могут быть экспериментальными и теоретическими. Задачу называют экспериментальной, если для ее решения необходимо выполнить измерения. Теоретической физической задачей назовем физическое явление (или совокупность явлений) с некоторыми известными и неизвестными физическими величинами, характеризующими это явление, если такую задачу решают, не проводя измерений. В этом пособии мы будем рассматривать только теоретические физические задачи, так как экспериментальные задачи обычно рассматривают в лабораторном практикуме.

Классификацию теоретических задач можно провести по двум важнейшим признакам физической задачи, сформулированным выше (задача ставится и решается человеком, и задача выражает какое-либо физическое явление). По первому признаку разделим все физические задачи на два класса: непоставленные и поставленные. Непоставленной назовем задачу, в которой или не обеспечена совокупность необходимых данных (за исключением табличных величин) для ее решения, или не проведена ее идеализация, или то и другое вместе взятое. В поставленной задаче не только обеспечена полнота величин и их значений, необходимых для ее решения, но и проведен процесс идеализации. Следовательно, поставленная задача – это некоторым образом «препарированная» задача, которая всегда имеет решение.

Классификацию поставленных задач проведем на основании второго существенного признака: задача выражает какое либо физическое явление. По тем же признакам, что и физические явления, квалифицируются и физические задачи. По общему признаку поставленные задачи разделим на классические и квантовые.

Полезно ввести еще понятие о так называемой основной задаче. Каждое физическое явление характеризуется определенной совокупностью физических величин. Эти величины связаны между собой некоторыми физическими законами. Среди множества законов, управляющих данным физическим явлением, имеется один или несколько главных, фундаментальных. Нахождение физических величин, входящих в фундаментальные законы, составляют содержание основной задачи физического явления. Далее, используя второстепенные законы, определяют всю совокупность физических величин, характеризующих данное явление. Можно показать, что любая основная задача из общего курса физики заключается в нахождении состояния соответствующей физической системы.

4. Проведите классификацию задачи, предложенной в вопросе 1.1.