Koło fizyczne powinno być poświęcone po prostu różnym interesującym grupę obszarom fizyki. Wtedy wszystko zależy od zainteresowań, możliwości i chęci nauczyciela oraz lokalnych uwarunkowań. Ponieważ jednak zadaniem fizyków jest rozwiązywanie problemów zarówno teoretycznych, jak doświadczalnych, to skoncentrujmy się na kole zajmującym się poszerzaniem i pogłębianiem umiejętności ucznia dotyczących radzenia sobie z interesującymi i niestandardowymi zadaniami typu olimpijskiego. Rozwiązywanie takich problemów jest kwintesencją wszystkich czy prawie wszystkich rodzajów współzawodnictwa związanego z fizyką. Zresztą przecież sama fizyka jest, w najogólniejszym zarysie, zestawem problemów teoretycznych i doświadczalnych rozwiązanych już przez uczonych lub czekających na rozwiązanie. Czym więc na zajęciach takiego koła powinniśmy się zająć?
Na pewno powinno się tam znaleźć - szczególnie biorąc pod uwagę aktualne programy edukacji matematycznej - rozszerzenie wiedzy i umiejętności matematycznych pod kątem ich wykorzystania do rozwiązywania problemów fizycznych .
Tematykę koła najlepiej podzielić na dwie naturalne części - teoretyczną i doświadczalną. W części teoretycznej powinny się, moim zdaniem, znaleźć następujące zagadnienia:
1. Rozwiązywanie zadań poświęconych szacowaniu rzędu wielkości fizycznych w różnych sytuacjach (tzw. problemy Fermiego). Chodzi tu o taki dobór założeń upraszczających oraz realistycznych danych liczbowych dla danego problemu, aby bez wnikania w szczegóły oraz wykonywania skomplikowanych obliczeń ustalić, jakiego rzędu będzie określona wielkość w danej sytuacji. Pozwala to później w przypadku skomplikowanych problemów decydować o tym, które efekty należy koniecznie brać pod uwagę, a które można pominąć bez szkody dla użyteczności otrzymanych odpowiedzi i ich związku z rzeczywistymi wartościami.
2. Jednostki tak zwana analiza wymiarowa. Jednostki występujących w problemie wielkości fizycznych mogą być znakomitym narzędziem do osiągania w pierwszej kolejności dwóch celów:
a) sprawdzania bezbłędności wykonanych obliczeń;
b) radzenia sobie z problemami, które albo dotyczą procesów wymagających bardzo zaawansowanego aparatu matematycznego lub zbyt skomplikowanych, by można było wnikać w szczegóły.
ich przebiegu, lub takich, w wypadku których nasza wiedza o zachodzących w nich zjawiskach fizycznych jest prawie żadna, a w każdym razie bardzo uboga.
Realizacji celu opisanego w punkcie b) służy analiza wymiarowa. Na poziomie szkolnym jest ona, w moim przekonaniu, najlepiej omówiona w książce J.J. Butikowa, A.A. Bykowa i A.S. Kondratiewa pt. Fizyka, t. 1 (jest to pozycja wymieniona w zestawie lektur rekomendowanych).
3. Zjawiska w różnych układach odniesienia i dobór właściwego układu odniesienia dla osiągnięcia
szczególnie prostego rozwiązania danego problemu.
4. Zastosowanie symetrii do rozwiązywania problemów fizycznych. Szczególnie wiele dobrych przykładów dostarczają zastosowania prawa Gaussa dla pól grawitacyjnego i elektrycznego oraz Am- pera dla pola magnetycznego. Nie są to jednak jedyne zastosowania symetrii.
5. Własności środka masy oraz ich zastosowanie do rozwiązywania problemów.
6. Wykorzystanie nieinercjalnych układów odniesienia do analizy układów fizycznych.
7. Maksymalizacja i minimalizacja określonych wielkości w rozwiązywaniu problemów.
8. Reguła przekory" w różnych zjawiskach fizycznych oraz jej zastosowanie do wyjaśniania przebiegu zjawisk.
9. Analogie matematyczne w opisie różnych układów fizycznych, odpowiadające sobie wielkości fizyczne oraz ich zastosowanie do rozwiązywania zadań (np. analogia układów sprężyn i układów kondensatorów czy ruchu obrotowego i postępowego).
10. Wykresy i metody graficzne jako narzędzie rozwiązywania zadań z fizyki.
11. Zasady zachowania jako narzędzia analizy zjawisk fizycznych.
12. Układy nieskończone w fizyce oraz przykłady rozwiązywania problemów dotyczących takich
fizyki.
13. Metody znajdowania oporów i pojemności zastępczych złożonych układów elektrycznych.
14. Problemy związane z analizą układów oscylacyjnych w różnych obszarach fizyki.
15. Mechanizm równowagi dynamicznej w zjawiskach fizycznych.
16. Kompensacyjne układy pomiarowe i ich wykorzystanie do rozwiązywania zadań oraz dokonywania pomiarów w układach elektrycznych. (Ten punkt jest związany zarówno z problemami teoretycznymi, jak i doświadczalnymi.)
Jeśli chodzi o tematykę koła związaną z doświadczalnictwem, to powinny się w niej znaleźć, w moim przekonaniu, następujące zagadnienia:
1. Dokładność i precyzja wykonywanych pomiarów. Sposób zapisu dokładności.
2. Wpływ dokładności danych na wynik, obliczanie z ich użyciem innych wielkości fizycznych. Dokładność wyniku obliczeń. Reguły obliczeń na wielkościach przybliżonych.
3. Niepewności (błędy) pomiarowe, ich rodzaje metody analizy.
4. Wyniki pomiarów a wykresy. Graficzna analiza wyników eksperymentu. Przedstawienie różnych skal, papier logarytmiczny i półlogarytmiczny. Różne skale a kalkulatory graficzne i komputerowe programy graficzne. Prostowanie" funkcji (taki dobór skal na osiach, aby otrzymany wykres wyników eksperymentu miał charakter funkcji liniowej).
5. Co i jak można odczytać z wykresu zawierającego wyniki eksperymentu? Wykorzystanie elektroniki.
6. Narzędzia pomiarowe, ich dokładność oraz sposoby jej oznaczania i powiększania.
11.09.2023
