Обоснование применения физических законов

[мат-ламер]

Завтра в России некоторые выпускники школ будут писать ЕГЭ по физике. Ютуб мне подсунул вот этот ролик . В задачах просят обосновать применимость физических законов, используемых для решения. Что вообще значит эта просьба? В основном там идёт речь про законы Ньютона и законы сохранения. То есть, эти законы могут когда работать, а когда и нет И надо обосновать. что эти законы в задаче работают? Или надо обосновать, из каких соображений решающий применил какой-то закон Ньютона, а не, скажем, какой-то закон сохранения? (А какое кому дело? Главное, что задача решена). Мне кажется, что тут всё далеко от объективности. И у решающего есть большой шанс оказаться непонятым проверяющим не потому, что задача решена неправильно, а просто потому, что у них разный ход мыслей. И ход мыслей решающего не так уж и однозначно должен укладываться в слова. (У меня уже расхождение с автором ролика по поводу сравнения силы натяжения двух нитей в первой задаче, но не суть).

Наверное имеется в виду обоснование нюансов применения физических законов.

[wrest]

мат-ламер в сообщении #1641262 писал(а):

То есть, эти законы могут когда работать, а когда и нет

Ролик не смотрел, отвечаю по тексту вопроса. Законы сохрарения не всегда работают. Например при неупругих столкновениях не сохраняется кинетическая энергия. Ну и не всё работает в неИСО (импульс не сохраняется, например, тела ускоряются сами без сил и т.п.).

[Mihr]

wrest в сообщении #1641267 писал(а):

Ну и не всё работает в неИСО (импульс не сохраняется, например, тела ускоряются сами без сил и т.п.).

Если ввести в рассмотрение силы инерции, то механика Ньютона целиком распространяется и на неинерциальные системы отсчёта (НСО). Но, конечно, силы инерции в школе не обсуждают. Поэтому НСО в школе вообще не используют.

[мат-ламер]

wrest в сообщении #1641267 писал(а):

Ну и не всё работает в неИСО (импульс не сохраняется, например, тела ускоряются сами без сил и т.п.).

Конкретно эти задачи там очень простые. Используется ИСО. И что, решающий должен обязательно этот факт указать в качестве обоснования применения? А если этот факт покажется для решающего самоочевидным и не стоящим упоминания, так что, ему баллы снижать? И ВУЗ мечты он может и не поступить? Как-то всё это субъективно.

Мне кажется, что решающий должен не обосновывать применимость законов, а просто обосновать пошагово подробно своё решение.

[wrest]

мат-ламер в сообщении #1641262 писал(а):

Наверное имеется в виду обоснование нюансов применения физических законов.

Не "нюансов", а прямо-таки самих законов. Например читаем в Вики 2-й закон:

Цитата:

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

Ясно прописаны границы применимости закона, значит надо обосновать, что выбранная СО является ИСО, тело является материальной точкой, рассмотрена именно равнодействующая сила, масса тела постоянна.

-- 03.06.2024, 21:48 --

мат-ламер в сообщении #1641272 писал(а):

А если этот факт покажется для решающего самоочевидным и не стоящим упоминания, так что, ему баллы снижать? И ВУЗ мечты он может и не поступить?

Ага. Но не "снижать", а "не начислять".

-- 03.06.2024, 22:00 --

мат-ламер в сообщении #1641262 писал(а):

А какое кому дело? Главное, что задача решена

Ну сколько-то баллов за решённость и сколько-то за обоснование. Нет обоснования - нет баллов за обоснование. По-моему, всё чётко.

[мат-ламер]

wrest в сообщении #1641273 писал(а):

По-моему, всё чётко.

На счёт чёткости во всём у меня всё же остаются сомнения. Запрос в Ютубе выдал следующий ролик . В ней начиная с 2:00 профессиональный (в смысле он на этом зарабатывает деньги) репетитор объясняет смысл пояснительной записки, которую ФИПИ (федеральный институт педагогических измерений) подготовил для проверяющих работы ЕГЭ. Уже само появление этой записки говорит о том. что не так уже тут всё чётко. В примере приведена примерная задача с двумя маятниками и возможное решение. Во-первых, слово возможное говорит, что твёрдой чёткости тут нет и многое остаётся на совести проверяющих. Во-вторых, эта пояснительная записка предназначена для проверяющих. Должны ли и могут ли экзаменующиеся знать её содержание? В-третьих, возможное решение изложено таким языком, что даже, если какой школьник и прочтёт этот документ, то не факт, что он его полностью поймёт.

Например, некоторые моменты показались мне сложными для моего понимания. Вкратце об условии. Есть два маятника. Шарики маятников соединены сжатой пружиной, которая связана нитью. Нить пережигается, пружина расталкивает шарики в разные стороны и падает вниз.

Взять пункт 4. "В процессе движения каждого шарика на нити в верхней точке своей траектории на каждый из них действует сила тяжести и сила натяжения нити". И причём тут "верхняя точка своей траектории"? В ней уже шарики останавливаются. После начала движения в любой точке траектории на шарик действуют сугубо сила тяжести и сила натяжения нити.

Дальше ещё интереснее. "Изменение механической энергии шариков в ИСО равно работе всех непотенциальных сил, приложенных к телу. В данном случае единственной такой силой является сила натяжения нити." Этот текст вообще выше моего понимания. Если мы рассматриваем "начало" движения шариков, то изменение их механической энергии равно потенциальной энергии сжатой пружины. Если мы рассматриваем движение уже после того как пружина упала, то механическая энергия шариков сохраняется. А сила натяжения нити вообще работу не производит.

Может кто из физиков прояснит ситуацию? Я пока продолжу просмотр ролика.

[мат-ламер]

мат-ламер в сообщении #1641309 писал(а):

Этот текст вообще выше моего понимания.

Прочёл немного дальше. Разобрался. Вопрос отпадает.

Но тут возникает вопрос, а почему вообще школьнику надо тут писать о каких-то силах для обоснования применения ЗСЭ? Разве это не очевидно без рассуждений о разных силах? Как-то не видно в задаче ни источников энергии, ни её потребителей. Если он просто напишет, что механическая энергия шариков сохраняется, то что, не начислять баллы за обоснование?

Пункт 2. "Шарики имеют малые размеры по сравнению с длинной нити. Поэтому описываем их моделью материальной точки". В задаче ничего не говорится ни о длине нити , ни о размерах шариков. Так я думаю, что именно и поэтому мы шарики считаем материальными точками. Именно потому, что о размерах ничего не говорится, а не потому, что они малые.

[Cuprum2020]

Правильное оформление задач ЕГЭ по любому предмету это отдельная от самого предмета область знаний. И разными экспертами за одно и то же решение вполне могут быть выставлены разные баллы, причём каждый эксперт сможет убедительно объяснить почему он поставил именно такой балл

[мат-ламер]

Вот реальная задача (на 50:28) с сегодняшнего экзамена, которая реально ломает мозг в с смысле канонично правильного обоснования. Дело в том, что репетиторы Ютуба все как один советуют для обоснования применимости законов Ньютона писать, что мы тела рассматриваем как материальные точки. И тут в теме есть подтверждение:

wrest в сообщении #1641273 писал(а):

тело является материальной точкой

Второй закон Ньютона можно и в такой форме рассматривать - производная по времени от импульса тела равна суммарной силе, действующей на тело. Должно ли здесь тело быть точкой? А если нас интересует ускорение, мы можем рассматривать ускорение центра масс тела. Но будет ли это это законом Ньютона? Или следствием закона Ньютона? (Теоремой о движении центра масс?) В рассматриваемой задаче брусок скользит по длинной доске. Можем ли мы их считать точками? Могут ли две точки скользить друг по другу?

wrest в сообщении #1641273 писал(а):

масса тела постоянна.

Тут как-то на форум заходила девушка. У неё была трудность с задачей о мягкой посадке космического аппарата с реактивным двигателем. Так я там советовал ей применять закон Ньютона в форме

Цитата:

производная по времени от импульса тела равна суммарной силе, действующей на тело

И нужно ли тут постоянство массы? Тема - динамика точки с переменной массой.

[Dedekind]

мат-ламер в сообщении #1641327 писал(а):

И нужно ли тут постоянство массы? Тема - динамика точки с переменной массой.

Так если масса переменная, то, разумеется, $F=ma$ применять нельзя. Поэтому и нужно обоснование применимости того или иного закона.

[Inquirer]

мат-ламер в сообщении #1641327 писал(а):

Второй закон Ньютона можно и в такой форме рассматривать - производная по времени от импульса тела равна суммарной силе, действующей на тело. Должно ли здесь тело быть точкой?

Законы Ньютона в теоретической механике постулируются строго для материальных точек в ИСО, поскольку для системы материальных точек понятие ускорения, вообще говоря, не определено. То, о чём Вы говорите - теорема о движении центра масс. Следствие второго закона, а не он сам, если уж строго следовать определениям.

[wrest]

мат-ламер в сообщении #1641319 писал(а):

Но тут возникает вопрос, а почему вообще школьнику надо тут писать о каких-то силах для обоснования применения ЗСЭ?

Не ЗСЭ! Какой-нибудь ЗСЭ работает всегда (например полной энергии). А вот отдельные виды энергии сохраняются НЕ всегда, т.к. переходят друг в друга. Механическая энергия сохраняется если силы потенциальные. Кинетическая сохраняется при более узких ограничениях -- равнодействующая равна нулю или перпендикулярна скорости. И т.п.
Читаем опять же формулировку закона сохранение мехарической энергии (беру Вики)

Цитата:

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной.

Значит, надо обосновать, что
1. Система замкнута.
2. Силы консервативны (потенциальны).
И только тогда можно применять закон.

мат-ламер в сообщении #1641319 писал(а):

Поэтому описываем их моделью материальной точки". В задаче ничего не говорится ни о длине нити , ни о размерах шариков. Так я думаю, что именно и поэтому мы шарики считаем материальными точками. Именно потому, что о размерах ничего не говорится, а не потому, что они малые.

Нет, не так. Школьник излагает решение задачи, доопределяя/уточняя условия так, чтобы были применимы используемые в решении законы. В законах же не говорится о шариках и пружинках, там написано про материальные точки и силы. А почему тогда законы, верные для материальных точек, применимы и для шариков из задачи? Нужно обоснование.

[Inquirer]

мат-ламер в сообщении #1641327 писал(а):

В рассматриваемой задаче брусок скользит по длинной доске. Можем ли мы их считать точками? Могут ли две точки скользить друг по другу?

Естественно, они ж движутся поступательно.

[wrest]

мат-ламер в сообщении #1641327 писал(а):

Второй закон Ньютона можно и в такой форме рассматривать - производная по времени от импульса тела равна суммарной силе, действующей на тело. Должно ли здесь тело быть точкой?

Конечно должно. Иначе надо интегрировать по объему (т.е. учесть все точки из которых тело состоит).

[мат-ламер]

Dedekind в сообщении #1641329 писал(а):

Так если масса переменная, то, разумеется, $F=ma$ применять нельзя.

Так это понятно и очевидно. Но никто и не советовал применять эту формулу.

мат-ламер в сообщении #1641327 писал(а):

В рассматриваемой задаче брусок скользит по длинной доске. Можем ли мы их считать точками? Могут ли две точки скользить друг по другу?

Пикантность ситуации заключается в том, что как в записке от ФИПИ, так и в советах ютубовских репетиторов, тела рассматриваются как точки именно в силу их малых размеров. Как я думаю, то и брусок и длинную доску мы можем рассматривать как точки, и считать, что одна точка может долго скользить по другой. Это роли не играет. Главное, что мы задачу решаем с помощью законов динамики материальной точки. Точки могут иметь реальные конкретные размеры.