Экспериментальная часть. Выбор установки для проведения опытов

Условие выглядит так: описан опыт («нужно определить жёсткость пружины», «требуется найти удельное сопротивление проволоки»), под ним — пронумерованный перечень оборудования. Твоя работа — назвать номера того, что нужно для этого опыта. Ответ записывается последовательностью цифр, а не словами: писать в бланк «амперметр и вольтметр» не нужно.

Дальше — самое важное про цену ошибки. Задание 20 стоит 1 балл, а однобалльные задания части 1 засчитываются только при полном совпадении с эталоном. Частичного балла здесь нет — в отличие от двухбалльных заданий с множественным выбором (5, 9, 14 и 18), где за одну ошибку оставляют 1 балл из 2. Значит, лишний прибор обнуляет задание ровно так же надёжно, как забытый. Это и определяет всю тактику: набор должен быть не «побогаче», а точным.

И ещё одно, что стоит принять сразу: реального оборудования на экзамене нет. Ты ничего не собираешь и не измеряешь, задание модельное — на бумаге. Проверяют не руки, а понимание: способен ли ты объяснить, зачем в установке каждый предмет.

Экспериментальных навыков в кодификаторе два, и они идут парой. Первый — снять показание с прибора и записать его вместе с погрешностью, это задание 19 и своя тема кода 5.1. Второй — собрать установку под задачу, это код 5.2 и всё, о чём речь ниже.

Если понять правило «прибор обязан измерять величину из формулы» слишком буквально, получится обидная ошибка: из ответа вылетят ключ, провода и источник тока — они ведь ничего не измеряют. Так вот, пункты перечня бывают двух сортов, и оба идут в ответ.

Измерительные приборы. У каждого есть шкала, и каждый отвечает за конкретную величину из формулы. Линейка — длина. Штангенциркуль — диаметр. Амперметр — сила тока. Вольтметр — напряжение. Динамометр — сила. Термометр — температура. Весы — масса. Секундомер — время. Транспортир — угол.

То, из чего собирают саму установку. Источник тока, ключ, соединительные провода, штатив, держатели, калориметр, а также сам исследуемый объект — проволока, пружина, линза, брусок. Они не измеряют ничего, но без них опыта физически не существует: без проводов и ключа цепь не цепь, без штатива пружину не на чем подвесить. В эталонных наборах такие пункты стоят всегда. (Оптическая скамья стоит особняком: это направляющая, но со шкалой — она заодно и измеряет расстояния, поэтому в оба сорта попадает сразу.)

Отсюда рабочая формулировка правила. Каждый пункт твоего ответа обязан пройти один из двух вопросов: «какую величину из формулы он измеряет?» или «без чего именно установка не соберётся?». Не смог ответить одним словом ни на первый, ни на второй — пункт не в ответе.

И зеркальная проверка, на которую стоит потратить последние двадцать секунд. Мысленно вычеркни каждый выбранный пункт по очереди. Опыт без него всё ещё даёт искомую величину? Значит, пункт лишний, и он стоит тебе того же балла, что и забытый.

Мало, чтобы прибор измерял нужную величину. Он должен измерять её с осмысленной точностью — то есть попадать в масштаб того, что меряет.

Вернёмся к удельному сопротивлению. Длина проволоки — десятки сантиметров, и школьная линейка с ценой деления 1 мм справляется с ней прекрасно: ошибка в полмиллиметра на фоне 40 см не значит ничего. А теперь диаметр той же проволоки — это доли миллиметра. Той же линейкой ты получишь погрешность, сравнимую с самой измеряемой величиной, и результат потеряет смысл. Поэтому диаметр меряют штангенциркулем — он берёт десятые доли миллиметра (в некоторых перечнях вместо него стоит микрометр, он ещё точнее).

Вот почему линейка и штангенциркуль в наборе стоят рядом и не заменяют друг друга. Со стороны это выглядит как «два прибора на одно и то же», но нет: разные величины, разные масштабы. Один и тот же прибор бывает верным для одной величины и негодным для другой.

А как именно снять показание с прибора, посчитать цену деления и записать результат вместе с погрешностью — это уже задание 19 и соседняя тема кода 5.1. Здесь от тебя нужно только решение выбрать подходящий прибор, не более.

Второй особый жанр звучит иначе: не «измерить величину», а «проверить, зависит ли A от B». Здесь набор оценивают по другому критерию — он обязан позволять менять B и не менять при этом ничего другого.

Пример: проверяют, зависит ли период колебаний математического маятника от массы груза. Что нужно? Штатив, одна нить, грузы разной массы и секундомер. Масса — то, что меняем; длина нити зафиксирована одной-единственной нитью; секундомер измеряет период.

Теперь разберём наборы-ловушки, которые встречаются рядом.

Штатив, нити разной длины, грузы одинаковой массы, секундомер. Провал: менять массу нечем. Такой набор проверяет зависимость от длины — другой опыт.

Штатив, нити разной длины, грузы разной массы, секундомер. Выглядит богаче всех и потому соблазняет. Провал: меняются сразу два параметра. Период изменился — а из-за чего, из-за массы или из-за длины? По такому опыту не установить, и он бесполезен.

Штатив, одна нить, один груз, линейка. Провал двойной: массу менять нечем, а период линейкой не измеришь.

Вывод для экзамена: прочитай, что именно исследуют, и на этом решай, нужен тебе «набор грузов разной массы» или «груз», «нити разной длины» или «нить». Слова в перечне похожи, а решают они всё.

Опытов в задании 20 конечное число, и они кочуют из варианта в вариант. Прогони каждый через формулу один раз — и наборы соберутся сами, заучивать их не придётся.

Жёсткость пружины, статический метод. Подвешиваем груз и ждём равновесия: сила упругости уравновешивает вес, $kx = mg$, откуда $k = mg/x$. Масса известна по набору грузов, $g$ — справочная величина из КИМ, измерить надо только удлинение. Итого: набор грузов, линейка, штатив. Секундомер сюда просится по инерции — но времени в формуле нет. Он понадобился бы в динамическом методе, где жёсткость находят по периоду колебаний груза на пружине, а здесь метод прямо назван статическим.

Коэффициент трения скольжения. Из определения $\mu = F_{\text{тр}}/N$ нужны две силы. Тянем брусок по горизонтальной поверхности равномерно — тогда все силы уравновешивают друг друга, и сила тяги по модулю совпадает с силой трения. Силу трения и показывает динамометр. Тем же динамометром брусок ещё и взвешивают: на горизонтальной поверхности сила нормальной реакции равна по модулю весу.

Значит, для одного измерения физически хватает бруска, поверхности и динамометра. Но в реальных перечнях к ним часто добавляют набор грузов — их кладут на брусок, чтобы менять прижимающую силу и проверять, что $\mu$ от неё не зависит. Когда грузы даны как штатная часть метода, они идут в ответ: минимальность решается по конкретному перечню, а не привычкой отбрасывать грузы. Отбрасывать в этом опыте нужно другое — линейку: длины в $\mu = F_{\text{тр}}/N$ нет, и мерить ей тут нечего.

Фокусное расстояние собирающей линзы. Формула тонкой линзы $1/F = 1/d + 1/f$ требует двух расстояний. Ставим источник света и экран, двигаем линзу, пока изображение на экране не станет чётким, и меряем: от предмета до линзы — это $d$, от линзы до экрана — это $f$. Итого: линза, экран, источник света (например, свеча), линейка или оптическая скамья (это направляющая со шкалой, вдоль которой ставят источник, линзу и экран, — она заменяет линейку), держатели. Ни весов, ни секундомера: ни массы, ни времени в формуле нет.

Показатель преломления стекла. Здесь $n = \sin\alpha / \sin\beta$, измерять надо два угла — значит, транспортир. Но чтобы было что мерить, ход луча нужно зафиксировать: стеклянная пластина лежит на листе бумаги, направление луча отмечают булавками (в современном варианте луч пускают лазерной указкой). Приборов в привычном смысле тут почти нет — почти весь набор это установка.

Удельная теплоёмкость тела. Метод калориметрии: нагретое тело опускают в воду и ждут, пока температуры сравняются. В уравнение теплового баланса входят массы и температуры — значит, весы и термометр. Плюс калориметр: он не измеряет ничего, но без его теплоизоляции теплота уйдёт в комнату, и баланс перестанет сходиться.

Заметил закономерность? В каждом сюжете 2–3 измерительных прибора и столько же предметов установки, а всё остальное из перечня — мимо.