# Еще один мост

Леонид Александрович Ашкинази

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 предметам, и реальным методам перебрасывания мостика между ними были посвящены статьи "Отвори потихоньку калитку..." Химия и жизнь, 2023, ! 3 и "Задачи со вкусом физики" Троицкий вариант, 2024, ! 406. Предложенные в них методы перебрасывания мостика использовали рассмотрение задач. Здесь мы обратимся к иному пути - к лабораторным работам.


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


Кстати, а задумывался ли кто-то - не ввести ли нам в наши замечательные компьютерные имитации элементы реальной 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 реальных лабораторных работ, то они должны быть в школе хотя бы потому, что они есть в ОГЭ. Они могут разбираться 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 потом с теми, кому больше всех надо (к этому аспекту мы еще вернемся) - то, что полезно и интересно им.


Начнем с вроде бы простого в реализации и поэтому часто упоминаемому 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 в ситуации реального исследования. 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 измерении 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? При исследовании закона Ома мы пренебрегаем неравномерностью распределения тока по сечению проводника, возникающего по нескольким причинам, рассеиванием на границах проводника и баллистической проводимостью. КПД наклонной плоскости в школе обсуждают, а почему бы не обсудить КПД рычага? С КПД "Путешествия из Петербурга в Москву" все понятно и без Радищева, а каков КПД путешествия из Москвы в Петербург? Такого рода вопросы можно найти, наверное, в любой лабораторной работе.


Почему при измерении температуры жидкости нельзя вынимать термометр из стакана и что делать, если он запотел? 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? Почему при определении периода колебаний маятника надо отсчитывать 10 колебаний, почему не 1, не 11, не 100? 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). 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? Например, если уж мы задумались о роли поверхностного натяжения, то не связано ли оно с другим параметром в этой же лабораторной работе, например, с объемом тела и плотностью жидкости? 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? Влияет 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?


И в заключение секретные вопросы для самых сильных и самых нахальных. Почему для одной и той же величины в разных 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 туже 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.


И в заключение "позвольте пару слов без протокола". Несколько лет назад у меня в одной из групп была очень сильная девочка. И как-то раз, в момент, когда все выскочили из аудитории, а она задержалась, 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.