28
Как мы пьем чай
(или о том, как надо решать качественные задачи по физике)
Доктор педагогических наук
H. A. РОДИНА
В одном из выпусков телевизционной передачи «Что? Где? Когда?» «знатокам» был задан вопрос (приводим его в несколько уточненном виде):
«Уважаемые знатоки! Перед вами стоит стакан с чаем. Отпейте глоток и ответьте на вопрос: почему чай поднимается вверх, в то время как обычно вода льется вниз?»
Ответ, на котором остановился после минутного обслуживания знатоки, был такой: «воду мы всасываем». Он был признан правильным, и знатоки получили очко и награду — книгу.
А что бы ответили вы, если бы такой вопрос задали вам и не в телевизционной передаче, а на уроке физики? Ведь вопрос этот — настоящая качественная физическая задача (так условно называют задачи, в которых нет числовых данных и решения которых не обязательно должно быть выражено в виде формулы или числа). Но прежде чем думать над ответом, договоримся, что мы будем считать ответом. Решить качественно задачу по физике — это значит дать ответ на ее вопрос, обоснованный законом и правилами физической науки, выраженный приятными в ней терминами, изложенный логично, так, чтобы каждый новый этап рассужdenя являлся следствием предыдущего. Наверное, вы согласитесь, что с этой точки зрения нельзя считать данный знатоком ответ на «задачу о чае» удовлетворительным.
Так как же решать задачу? Давайте послушаем, как это делают два шестиклассика — Саша и Алеша.
Саша. Все дело в атмосферном давлении!
(Надо сказать, что Саша предпочта ответать на вопросы быстрого.)
Алеша. Подожди, надо начать с самого начала — с условия: неподвижное тело — чай, находящейся в стакане,— пришло в движение. Мы знаем, что существует явление инерции — если на тело не действуют другие тела, не действует сила, то тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно. Тело не может само по себе изменить это состояние, и чай не может начать движаться без действия силы.
Саша. Но ведь на все тела действует сила тяжесте, она действует и на чай. Он не льется, не падает взиз, потому, что у стакана есть дно.
Алеша. Такое объяснение — у стакана есть дно — может дать и маленький ребенок. С точки зрения физики это — не объяснение. Кто чил физку, тот скажет: под действием веса чай до проигнается, возникнет сила упругости, направленная вверх. Она действует на чай и уравновешивает действующую на него силу тяжесте.
Мы объяснили, почему чай снача не подвижен относительно стакана. Но в нашей задаче редьет не о движении всего тела — воды в стакане — как целого, а о движении частей воды
29
относительно друг друга. Такое движение вызвается разницей давления в разных местах внутри жидкости или на ее поверхности.
Саша. Это пожоже на сообщащиеся сосуды. Когда давление стольов жидкости в сосудах не одинаково, то один столб опускается, а другой поднимается. В нашей задаче один столб чая — это тот, который находит около рта, а второй — весь остальной чай. Пока мы не пымем чая, давление этих столбов воды одинаково, а как только…
Алеша. Нужно обьясить, почему те два столька чая, о которых ты говорил, производят друг на друга одинаковое давление.
Саша. Это мы потом докажем, а теперь продолжим решение задачи. Итак, нам дано: чай в стакане был неподвижен, а когда человек коснулся стакана губами, чай начал подниматься.
Алеша. Во-первых, в физике есть более точные термины, и нужно сказать так: чай находился в покое относительно стакана; а во-вторых, нужно учеть все особенность явления. Ты не обратил внимание на то, что, если стакан неполный, приходится наклонять его, пока губы не коснутся чая. Потом человек делает вдох — и только тогда чай начинает подниматься.
Предлагаю такую, на мой взгляд — четкую, формулировку задачи.
Дано: в стакане находится чай; он покопится относительно стакана. Человек наклоняется к стакану или наклоняет его так, чтобы чай и губы соприкоснулись. Потом он делает вдох, и чай в этом месте поднимается, попадает человеку в рот. Остальная часть чая опускается. Вопрос задачи: почему та часть чая, которая касается губе человека, поднимается вверх?
Саша. Но ведь всего этого не было в условиях задачи!
Алеша. Было. Просто нужно представить себе то явление, о котором говорится в условия. А после этого нужно «привнести» еще те данные, о которых может быть, и не сказано, но которые можно получить из наблюдаемой или природувании задачи. По-моеу, правильное и до конца понятно условия задачи — это уже начало решения.
Саша. Тогда давай продолжим решение. Человек делает вдох, то есть втягавает в себя воздуха,….
Алеша. Подожди. Что значит — втягавает воздуха? Вodox человек делает так: услимем мыщц он расширяет свою грудную клетку, объем его легких увеличивается, воздуха в них расширяется. От этого плотность воздуха в легких и в сообщащейся с ним положении уменышается, и давление его становится меньше, чем давление наружного воздуха. Воздух перемешается из места более высокого давления, то есть снаружи, в области более низкого, то есть в легкие.
Саша. А так как человек, делая вдох, касается губами поверхности чая, причем касается плотно, то проискодит вот что: на всю поверхность чая действует atmosферное давление, а на поверхности, примыкающий к губам человека, действует давление воздуха, находящемся в положении рта, а оно меньше atmosферного. Все ясно! Я же говорил, что причина всего — atmosферное давление! Опять скажешь: подожди?
Алеша. Скажу. Почему atmosферное давление, про которое мы знаем, что оно действует на чай сверху вниз, заставляет чай подниматься вверх?
Саша. Потому что жидкости и газы передают давление во всех направлениях без изменения. Это — закон Паскала.
Алеша. По-моеу, мы уже можем сформировать окончательное решение задачи.
Чай в стакане был неподвижен, так как равноведущая приложенные к нему сил — силы тяжесте и силы упругости дня стакана — равна нуль — ведь значения этих сил равны, направлены силы по одному при помощи противоположные стороны. Неподвижны относительно друг друга были и части жидкости (чая), так как давление внутри нее и давление на ее поверхности было