На фізичний факультет ЗДУ

Розглянемо завдання, що були запропоновані у 2003 і 2004 роках абітурієнтам, які планували навчатися за рахунок держзамовлення на денному відділенні фізичного факультету Запорізького державного університету.

1. Відповідаючи на запитання, запишіть кінцеву формулу та назвіть величини, які до неї входять. Якщо вважаєте за потрібне, зробіть додаткові пояснення.

Як знайти діелектричну проникність діелектрика, що заповнює плоский конденсатор, якщо відомі ємність конденсатора, відстань між пластинами і площа пластин?

Завдання такого типу перевіряють усвідомлене знання основних фізичних формул і навички їх перетворення. На жаль, у багатьох абітурієнтів існує установка на “фотографічне” запам’ятовування формул. Це призводить до того, що вони під час виконання вправ, подібних до наведеної, запитують якими буквами позначаються фізичні величини, які містяться в умові. Без цього вони не можуть пригадати потрібні формули.

А для тих вступників, хто за формулами бачить фізичний зміст, такі вправи є усними, і вони одразу можуть записати кінцеву відповідь. Дійсно, якщо знаєш формулу для ємності плоского конденсатора (), то виразити з неї діелектричну проникність діелектрика () через ємність конденсатора (), відстань між пластинами () і площу кожної з пластин () дуже просто: . Залишається лише вказати, що — електрична стала.

Щоб добре знати фізичні формули, треба не заучувати їх, покладаючись на механічну пам’ять, а більше працювати з ними: виводити їх, розмірковувати над ними. Спеціальні дослідження показали, що ті, хто займається зубрячкою, погано виконують завдання навіть на звичайне відтворення формул, якщо тестування проводиться за весь шкільний курс. Характерним є те, що такі абітурієнти не тільки зовсім не пам’ятають багатьох формул, а й не помічають помилок у тих формулах, які вони, на їхню думку, пригадали. З іншого боку, ті, хто ніколи спеціально не заучував формули, а розмірковував над ними, досить швидко і без помилок виводять їх, якщо навіть не можуть записати відразу.

2. Виберіть правильну відповідь:

Явище огинання світлом перешкод називають…

а) дисперсією; б) дифракцією; в) поляризацією; г) інтерференцією.

За структурою завдання має вигляд тесту, що містить одну правильну відповідь. Завдання такого типу зустрічаються, наприклад, у збірнику різнорівневих завдань для підсумкової атестації з фізики. Вони призначені для перевірки початкового рівня навчальних досягнень тих, хто вивчав шкільний курс фізики.

Правильна відповідь у наведеному завданні — б (дифракція).

3. Переведіть у СІ, записавши відповідь у стандартному вигляді (як , де , ):

Примітка. Одиниці СІ, в яких потрібно записати відповідь, містяться серед таких: .

Ідею розв’язку завдань цього типу ми вже пояснювали (зверніться до завдання під номером сім у варіанті для заочників). Зауважимо лише, що тут пропонувалися завдання дещо складніші: в них використовувалися як префікси, що утворюють десяткові кратні та дольні одиниці, так і позасистемні одиниці часу (хвилина, година).

Безумовно, треба знати, що у добі 24 години, година містить 60 хвилин, а хвилина складається з 60 секунд. Тоді легко встановити, наприклад, що

Були у нашій практиці такі випадки, коли російськомовні абітурієнти сприймали позначення години (год) як рік (який, до речі, триває приблизно , що легко запам’ятати, якщо порівняти 3,15 з числом ).

Якщо врахувати, що позасистемні одиниці використовувалися нами лише для часу (не було, наприклад, калорій для енергії, міліметрів ртутного стовпчика для тиску чи кінських сил для потужності), то запропоновані вправи мали виконати практично всі абітурієнти. Але досвід не підтвердив такий оптимістичний прогноз.

Перетворення, які потрібно виконати у запропонованій вправі, зводяться до наступних:

.

4. Матеріальна точка рухається так, що координата змінюється за законом . Знайдіть мінімальне значення координати, якщо .

Порівняємо залежність координати від часу , наведену в умові вправи, з формулою для рівноприскореного руху: . Тоді отримаємо, що початкова (при ) координата матеріальної точки , початкова проекція швидкості на вісь : м/с, а проекція прискорення на ту саму вісь: м/с² (бо ). Тут ми навмисне написали одиниці вимірювання, щоб підкреслити, що іноді в умовах задач у формулах використовують числові значення фізичних величин, а одиниці вимірювання не пишуть. Слід знати, що у таких випадках мається на увазі, що числові значення подані в певній системі одиниць (у даному випадку — в СІ).

Для формального виконання цієї вправи немає необхідності здійснювати таке порівняння, як ми зробили. Але бачити конкретний фізичний процес за математичною формулою буває дуже корисним. Ми можемо легко зрозуміти, що координата спочатку буде зменшуватися, бо початкова проекція швидкості , а через деякий час вона буде збільшуватися, бо на матеріальну точку діє сила, що має додатну проекцію на вісь (бо ). Таким чином, координата буде мати мінімум при деякому додатному значенні . А ось, якщо б початкова проекція швидкості була додатною () разом із проекцією прискорення (), то під час руху координата завжди збільшувалася б (нагадуємо, що ). Це означало б, що значення координати мінімальне на початку руху, тобто . Наприклад, коли , можна відразу записати відповідь: .

Але у розглядуваній вправі для знаходження мінімального значення координати необхідно виконати деякі математичні дії. Які саме — залежить від Ваших особистих уподобань. Хтось, наприклад, пам’ятає з уроків математики формулу для ординати вершини параболи. У цьому випадку треба бути уважним до позначень. Для точок параболи з нашої вправи через позначаються їхні ординати, а в математичних вправах через позначали абсциси. Відповідно, треба пригадувати формулу саме для ординати вершини параболи (у звичних з уроків математики позначеннях) (), а не для абсциси ().

У математичних вправах аргументом був , а в нашій вправі цю роль виконує . Зважаючи на це, у задану формулу треба підставляти такі значення: , , . Таким чином, (м). Нагадуємо, що , а , тому не треба 16 підносити до квадрата: . Ми робимо це зауваження, бо досвід показує, що абітурієнти надто часто застосовують калькулятор і у тих випадках, коли без нього обчислення можна зробити навіть швидше.

Однак, слід підкреслити, що наведений спосіб ми не вважаємо найкращим. Таке ставлення до нього пов’язане з тим, що в багатьох випадках школярі механічно запам’ятовують математичні та фізичні формули. При такому підході немає можливості перевірити, чи правильно згадана формула. Краще пам’ятати, що координати вершини параболи можна знайти за допомогою виділення повного квадрата, і скористатися цим прийомом у нових умовах. Дійсно, вираз легко переписати у вигляді . Це можна зробити, наприклад, так: розкрити дужки в останньому виразі, а потім порівняти з попереднім. Тоді отримаємо: і . Відповідно, (с) і (м). За своїм фізичним змістом і є мінімальне значення координати, а — значення часу, за якого досягається мінімум координати. Дійсно, якщо , то , бо . Причому, коли ,

Можна запропонувати інший шлях. Зрозуміло, що при мінімальному значенні координати, проекція швидкості буде дорівнювати нулю. Дійсно, якщо координата зменшується, то проекція швидкості від’ємна величина, а якщо збільшується, то додатна. Швидкість руху матеріальної точки дорівнює похідній від за часом .

Звернемо увагу на те, що має сприйматися як символ диференціювання за часом, а не як відношення величини до добутку величин і , тому скорочувати в чисельнику і знаменнику не можна. Часто символом диференціювання за часом у фізиці виступає крапка над буквою тієї величини, похідну від якої обчислюють. Використовуючи такі позначення, можна було б записати: .

З цього легко знайти , розв’язуючи отримане рівняння: . Знайдене значення підставимо у вираз для і одержимо кінцеву відповідь: .