Еще один мост

Под словом «физика» понимают две принципиально разные вещи. Объект физики как науки — природа, задача — выяснение, как она устроена, и на базе этого знания помощь инженерии в создании «второй природы», то есть всего, что инженерия создает. Объект физики как школьного учебного предмета — мозги школьников, а задача — создание в них упрощенного отражения той модели мира, которую век назад создала физика как наука. На уровне университета, в котором преподают люди, успешно работающие в физике, ситуация не столь категорически бинарна — там учащимся можно показать кусочек физики и даже дать его попробовать. То есть попробовать себя на этом поприще. Но мало кому это нужно после всосанного с соевым молоком ЕГЭ — выучил от и до, подставил то в это, получил что надо, прибавил балл и освободил место на SSD.

Обществу не нужно много людей, сладострастно занимающихся физикой как наукой, но хотелось бы не потерять тех, кто к этому склонен, немногих, как атомы германия в галлиевом детекторе. Тех, кто на это способен и для кого это станет одним из главных кайфов этой жизни. Поэтому имеет смысл искать и находить какие-то не слишком обременительные и не потребляющие много времени способы показать учащимся что-то имеющее отношение к «физике как науке». В надежде на то, что найдется тот, в ком проснется интерес, и так далее. Естественно, мы надеемся на это «и так далее».

Проблеме коренного различия между физикой как наукой и физикой как школьным учебным предметом и методам перебрасывания мостика между ними с помощью задач была посвящена статья «Отвори потихоньку калитку…» (см. «Химию и жизнь» 2023 №3). Здесь мы обратимся к иному пути — к лабораторным работам.

Фото: Сергей Карпухин / ТАСС

Лабораторные работы — более естественный путь для строительства такого мостика, нежели задачи. Потому что лабораторная работа, даже самая примитивная, школьная — это все равно индивидуальная работа с природой, работа руками с реальными объектами и приборами. Понятно, что есть ситуации ограниченных возможностей человека и общества, когда применение компьютерных имитаций неизбежно. Но данная статья о другом — о возможности на лабораторных работах школьного уровня показать кусочек настоящей физики.

Кстати, а задумывался ли кто-то — не ввести ли нам в наши замечательные компьютерные имитации элементы живой природы в виде погрешностей приборов, дрейфа параметров, отклонений от номинальных значений сопротивлений резисторов, не вполне горизонтальных столов и выскальзывающих из потных рук пробирок? Тут есть что придумать, предложить и сделать.

Что касается полноценных лабораторных работ, то они должны быть в школе хотя бы потому, что они есть в ОГЭ. Их можно разбирать на разную глубину и с разной детализацией, и они позволяют естественно перейти от обязательных занятий к дополнительным. Можно даже не убирать расставленные объекты, приборы и расходные материалы. Просто в обязательной части мы разберем с классом обязательное, а после уроков с теми, кому больше всех надо (к этому аспекту мы еще вернемся), — то, что полезно и интересно им.

Начнем с вроде бы простого и потому часто упоминаемого в материалах школьных лабораторных работах вопроса — оценки точности и погрешности. Впрочем, и здесь есть укромные места, например, содержательное с точки зрения физики обсуждение разницы между погрешностями случайными и систематическими и что с этим делать. Если же аудитория более склонна к конкретике, то можно обсудить с учениками систематические погрешности, проистекающие не только от слегка изогнутой стрелки прибора, но и от упрощения модели, которой мы пользуемся при рассмотрении ситуации. Вот несколько примеров.

При изменении силы Архимеда мы пренебрегаем поверхностным натяжением, объемом нити, движением жидкости, неоднородностью гравитационного поля, зависимостью плотности от давления и колебаниями давления атмосферы. Можно попробовать разобраться, что из этого важно и в каком знаке после запятой. И кстати, какова погрешность определения объема в мерном цилиндре или мензурке при неправильном и правильном отсчете (это к вопросу о мениске) и при не вполне горизонтальном столе (горизонтальность стоит проверить)?

При исследовании закона Ома мы пренебрегаем неравномерностью распределения тока по сечению проводника, возникающего по нескольким причинам (нагрев, магнитное поле), а также рассеиванием на границах проводника (если он очень тонкий) и баллистической проводимостью (если короткий). Коэффициент полезного действия (КПД) наклонной плоскости в школе обсуждают, а почему бы не обсудить КПД рычага из-за трения в опоре? С КПД «Путешествия из Петербурга в Москву» все понятно и без Радищева, а каков КПД путешествия из Москвы в Петербург (его разумно посчитать не удастся)? Такого рода вопросы можно найти, наверное, в любой лабораторной работе.

Почему при измерении температуры жидкости нельзя вынимать термометр из стакана (можно, но коротко) и что делать, если он запотел (протереть)? Что за странные надписи на термометре: max, «состарен.», «погруж. 55 мм», «градуир. при погруж. всей нижн. части»? Можно ли в работе по оптике использовать окно как бесконечно удаленный источник — оно ведь не бесконечно далеко (посчитать погрешность)? Почему при определении периода колебаний маятника надо отсчитывать 10 колебаний, почему не 1, не 11, не 100 (на 10 легко делить)? Здесь можно рассказать про медсестричку, которая была абсолютно уверена, что «пульс не бывает 82, а только 80 или 84» (это не анекдот, а реальный случай; и как пациент определил, что у него 82? Он считал не 15 секунд). Каковы источники погрешности при популярном в школе способе определения диаметра проволоки «наматыванием в ряд» (тут придется рассказать про коэффициент Пуассона).

Можно попробовать пойти дальше и погрузиться в проблему глубже. Например, попробовать аккуратно подвести школьников к мысли, что есть универсальные способы пристального взгляда на любую модель. Что про любой параметр, который в нашей модели — константа, можно спросить, не зависит ли он от координат и времени? И не зависит ли этот параметр от какого-то другого параметра в той же модели? Если уж мы вспомнили про нить, то не изменяется ли ее вес в процессе эксперимента?

Есть и другие универсальные вопросы. Например, в каких пределах могут изменяться параметры в используемых в данной работе формулах? Что мы не учли, когда выводили конкретную формулу? Сколько надо делать измерений и почему, и почему это количество может быть очень разным? Как надо обрабатывать результаты многократных измерений? Почему в одних учебниках и задачниках предлагают считать, что погрешность равна половине деления, а в других — что целому делению? Влияют ли прибор и процесс измерения на результат измерения? Что мы можем обнаружить при многократных измерениях, кроме непонятно откуда взявшихся случайных погрешностей? Можем ли мы при многократных измерениях обнаружить систематические погрешности? Влияет ли на получаемые данные то, что экспериментатор знает, что должно получиться; если да, то на каком этапе и как?

А теперь секретные вопросы для самых сильных и самых нахальных. Почему для одной и той же величины в различных источниках приводятся разные значения? Когда в двух источниках приводятся значения какой-то величины, то означает ли совпадение названий, что авторы имели в виду действительно одну и ту же величину? Разумеется, если они вообще что-то имели в виду — они ведь могли просто копипастить из двух разных источников. И наконец — маэстро, туш! — найти ошибки и некорректности в описании лабораторной работы. Да, искать и в тексте, и на рисунках.

Несколько лет назад у меня в одной из групп была очень сильная девочка. И как-то раз, в момент, когда все выскочили из аудитории, она задержалась, а я спросил: «Вам, наверное, немного скучно и не очень это надо? Но я не могу — из-за остальных, вы ж понимаете — поднять уровень так, как это нужно для вас». Девица ухмыльнулась и изрекла: «К вам ходят не те, кому надо, а те, кому больше всех надо». Так поднимем чашки и кружки с Earl Grey и Sumiyaki за то, чтобы всегда были те, кому больше всех надо. И чтобы мы могли делать для них что-то полезное и интересное.

А вопросы, которые есть в этом тексте, — тот самый мостик, который ведет в физику-науку. И вы сами можете придумать подобные вопросы.