Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях

В экзаменационную работу было включено 10 заданий базового уровня с кратким ответом в виде числа, которые в совокупности по всем вариантам проверяли понимание всех основных законов и формул курса физики средней школы.
Остановимся на трудностях, которые испытывали участники экзамена, выполняя задания базового уровня сложности на применение законов и формул в типовых учебных ситуациях.
Применение законов и формул в типовых учебных ситуациях

Пример 1 (средний процент выполнения – 45)
Протон p имеет скорость υ , направленную вдоль прямого длинного проводника с током I (см. рисунок). Куда направлена относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) действующая на протон сила Лоренца F ?
Ответ запишите словом (словами).
Ответ: ______________вверх_____________.
Пример 2 (средний процент выполнения – 44)
Как направлена относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) сила Ампера, действующая на проводник 1 со стороны проводника 2 (см. рисунок), если проводники тонкие, длинные, прямые, параллельные друг другу? (I – сила тока.) Ответ запишите словом (словами).
Ответ: _______________вверх____________.

В обеих сериях заданий необходимо было знать, как взаимодействуют сонаправленные и противоположно направленные проводники с током. Порядка 20% участников экзамена указали ответ «вниз», т.е. ошиблись с направлением силы, верно определив прямую, вдоль которой она действует. В примере с движением протона ошибка состояла в определении направления тока. Конечно, в процессе обучения необходимо полностью разбирать механизм возникновения силы Ампера (или силы Лоренца) в подобных случаях, т.е. направление магнитного поля вокруг проводника с током и применение правила левой руки для определения направления действия силы, но в случае таких простых заданий не стоит забывать об использовании простейшего правила взаимодействия токов.

В этом задании лишь 35% выпускников записали верный ответ «вверх». При этом еще 18% указали ответ «вниз», неверно интерпретировав направление тока, который создает движущийся электрон. В подобных заданиях с использованием протонов результаты выполнения оказались несколько выше – 43%.
Пример 3.
Электрон e– имеет скорость υ , направленную вдоль прямого длинного проводника с током I (см. рисунок). Куда направлена относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) действующая на электрон сила Лоренца F?
Ответ запишите словом (словами).
Ответ: ___________________________

Анализ и объяснение явлений и процессов
Умения анализировать и объяснять протекание различных физических явлений и процессов проверялись в экзаменационной работе заданиями на соответствие (изменение величин) и на множественный выбор (двух верных утверждений из пяти предложенных). В каждом экзаменационном варианте встречалось по 3 задания на определение характера изменения физических величин в различных процессах: по механике, по электродинамике и квантовой физике. Средний процент выполнения этих линий заданий по механике составил 70, по электродинамике – 59, по квантовой физике – 63.
К проблемным можно отнести две группы заданий на анализ изменения физических величин

Пример 4 (средний процент выполнения – 34)
В первом опыте частица массой m, несущая заряд q, движется в однородном магнитном поле с индукцией В по окружности радиусом R со скоростью υ. Во втором опыте та же частица движется в том же магнитном поле по окружности большего радиуса. Как при переходе от первого опыта ко второму изменились кинетическая энергия частицы и период её обращения?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

В этом задании 35% экзаменуемых смогли верно указать увеличение кинетической энергии частицы, поняв, что увеличение радиуса движения частицы в магнитном поле связано с ростом ее скорости, а значит, и кинетической энергии. А вот тот факт, что период обращения частицы в магнитном поле не зависит от скорости ее движения, знают(или могут получить соответствующую формулу) лишь 24% от общего числа участников, выполнявших данных вариант.

Пример 5 задачи повышенного уровня сложности (средний процент выполнения – 35)
Протон, движущийся в вакууме со скоростью υ<
между пластинами заряженного конденсатора так, как показано
на рисунке. Как изменится кинетическая энергия вылетевшей
частицы и время пролёта конденсатора, если уменьшить
напряжённость электрического поля между пластинами
конденсатора? Для каждой величины определите соответствующий
характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в
ответе могут повторяться

В этом задании повышенного уровня более половины участников экзамена верно указали на характер изменения кинетической энергии частицы, т.е. они понимают взаимосвязь напряженности поля конденсатора и ускорения частицы. Но лишь 10% смогли определить неизменность времени пролета конденсатора, поскольку не меняется начальная горизонтальная скорость движения частицы. Аналогия с движением тела, брошенного горизонтально в поле тяжести, доступна лишь наиболее подготовленным выпускникам.

Общий план решения качественных задач состоит из следующих этапов.
1. Работа с текстом задачи (внимательное чтение текста, определение значения
всех терминов, встречающихся в условии, краткая запись условия и выделение
вопроса).
2. Анализ условия задачи (выделение описанных явлений, процессов, свойств тел
и т.п., установление взаимосвязей между ними, уточнение существующих
ограничений (чем можно пренебречь).
3. Выделение логических шагов в решении задачи.
4. Осуществление решения.
4.1. Построение объяснения для каждого логического шага.
4.2. Выбор и указание законов, формул и т.п. для обоснования
объяснения для каждого логического шага.
5. Формулировка ответа и его проверка (при возможности).
В процессе обучения решению качественных задач целесообразно использовать
«вопросный» метод. При этом для каждого логического шага объяснения (доказательства)
в самом общем случае можно задавать следующие вопросы.
Что происходит?
Почему это происходит?
Чем это можно подтвердить (на основании какого закона, формулы, свойства
сделано этот вывод)?

Примеры оценивания ответов на задание 27

В решении этой задачи должно быть два логических шага:
1) первоначальное движение протона;
2) изменение характера движения после изменения напряжённости электрического поля.
Сформулируем вопросы для п. 1.
Как движется протон?
Почему он движется прямолинейно?
Какое условие должно выполняться для такого движения?
Объяснение для этой части будет следующим/
Здесь обязательны указания на формулы расчета сил действия на заряженную
частицу электрического и магнитного полей, правило левой руки, второй закон Ньютона.
Вместо словесного указания на правило левой руки можно сделать рисунок, чтобы
показать направления сил.

Сформулируем вопросы для п. 2:
Что происходит при изменении напряжённости электрического поля?
Почему изменится характер движения частицы?
Чем это можно подтвердить?
Объяснение будет следующим.

Возможное решение

Критерии оценивания выполнения задания
3 балла
2 балла

Критерии оценивания выполнения задания
1 балл
Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев.
Дан правильный ответ на вопрос задания, и приведено объяснение, но в нём не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки.
ИЛИ
Указаны не все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла
0 баллов

Пример 1.1 (3 балла)
Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ. Приведены в виде формул или описания все необходимые для объяснения ссылки (формулы расчёта сил действия на заряженную частицу электрического и магнитного полей, правило левой руки, второй закон Ньютона). Работа оценивается в 3 балла.

Пример 1.2 (2 балла)
Приведён верный ответ, присутствуют верные рассуждения и словесные указания на зависимость (независимость) сил от напряженности электрического поля. Правило левой руки в явном виде не названо, но верно применено при определении направления сил. Отсутствует объяснение первоначального прямолинейного движения частицы. Работа оценивается в 2 балла.

Пример 1.3 (1 балл)
Ответ, полученный в работе, неверен, поскольку указано, что частица будет двигаться по параболе. В работе есть верные рассуждения, приводящие к ответу. Верно указаны необходимые формулы и правила, но в формуле для силы, действующей на частицу со стороны электрического поля, допущена ошибка. Работа оценивается в 1 балл.

Пример 1.5 (0 баллов)
Ответ неверный, рассуждения не поддерживают получение верного ответа.

При решении расчётных задач 28–32 целесообразно выделять следующие элементы
Работа с условием задачи: запись «Дано», представление рисунка, если это необходимо для понимания физической ситуации; описание физической модели, т.е. указание на то, какие явления или процессы рассматриваются, какие закономерности можно использовать для решения задачи и чем можно пренебречь, чтобы ситуация отвечала выбранной модели.
Запись всех необходимых для решения задачи законов и формул; описание используемых физических величин, которые не вошли в «Дано».
Проведение математических преобразований и расчётов, получение ответа.
Проверка ответа одним из выбранных способов.
Необходимо учитывать, что в качестве исходных формул принимаются только те, которые указаны в кодификаторе, при этом форма записи формулы значения не имеет, но имеют значение используемые обозначения физических величин. Если используются отличные от кодификатора обозначения, то их нужно отдельно оговаривать.
Следует не только проверять размерность полученной величины по конечной формуле, но и обращать внимание на корректность числового ответа. В ЕГЭ числовой ответ задачи обязательно проверяется экспертами, при этом допускаются округления с учётом того числа значащих цифр, которые указаны в условии задачи.

В однородном магнитном поле с индукцией В направленной вертикально вниз, равномерно вращается в горизонтальной плоскости против часовой стрелки положительно заряженный шарик массой m подвешенный на нити длиной l (конический маятник). Угол отклонения нити от вертикали равен α, скорость движения шарика равна υ. Найдите заряд шарика.
Пример задачи №31

Решение.
1) На чертеже указаны силы, действующие на шарик.
2) II закон Ньютона в проекциях на оси:
3) Так как
то выражение заряда:
Ответ:

Рассмотрим типичные ошибки выпускников при решении задач ЕГЭ по физике
1. Использование формул, которых нет в кодификаторе
Снижение на два балла возможно, если в решении применяются формулы, которых нет в кодификаторе.
2. Решение задач только числами
Некоторые учащиеся решают задачи, сразу подставляя числа, не записав формулу в общем виде. В этом случае будет поставлено 0 баллов — за отсутствие формул, необходимых для решения задачи.
3. Не подставлены числа в формулу при расчете.
Для проведения расчетов в выведенную при решении задачи формулу, в которой искомая физическая величина выражена через известные в задаче физические величины, надо обязательно подставить числа. Их также надо подставлять и при расчете задачи по частям.

4.Не пишут единицы измерения.
Такое случается, когда ученик торопится, из-за чего записывает ответ не полностью. В таком случае нужно каждый раз тщательно проверять свои ответы, даже если это самые начальные задания, которые кажутся вам легкими. Именно чрезмерная самоуверенность забирает баллы у знающих предмет учеников.
5.Балл проверяющий снизит, если вы сделали правильный рисунок к задаче, но неправильно или вообще не подписали системы координат, обозначения. Забыли про рисунок вообще – тоже минус 1 балл.

И еще одна категория ошибок на ЕГЭ по физике связана с тем, что выпускники не обращают внимания на особые фразы-маяки в текстах заданий, например:
Поверхность гладкая, трением пренебречь.
Тело отрывается от опоры.
Тело плавает.
Массивный поршень.
Идеальный колебательный контур.
Достаточно долгое время.

Методическую помощь учителям и обучающимся при подготовке к ЕГЭ могут
оказать материалы с сайта ФИПИ (www.fipi.ru):
документы, определяющие структуру и содержание КИМ ЕГЭ 2022 г.;
открытый банк заданий ЕГЭ;
учебно-методические материалы для председателей и членов региональных предметных комиссий по проверке выполнения заданий с развернутым ответом экзаменационных работ ЕГЭ;
Методические рекомендации на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ прошлых лет;
Методические рекомендации для учителей по преподаванию учебных предметов в образовательных организациях с высокой долей обучающихся с рисками учебной неуспешности. Физика (https://fipi.ru/metodicheskaya-kopilka/metod-rekomendatsii-dlya-slabykh-shkol#!/tab/223974643-3);
Журнал «Педагогические измерения»;
Youtube-канал Рособрнадзора (видеоконсультации по подготовке к ЕГЭ 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021 гг