Методические рекомендации по физике. Методические рекомендации для учителей, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников егэ 2016 года по физике

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
М.Ю. Демидова
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ для учителей, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ 2016 года по ФИЗИКЕ
Москва, 2016

2
На ЕГЭ по физике в 2016 г. использовалась та же экзаменационная модель кон- трольных измерительных материалов, что и в прошлом году. По сравнению с 2015 г. был расширен перечень контролируемых элементов содержания, который проверялся линиями заданий с кратким ответом. Кроме того, в вариантах был использован более широкий спектр оригинальных задач высокого уровня сложности, для которых необходимо было самостоятельно выделить необходимую для решения физическую модель.
Каждый вариант экзаменационной работы состоял из двух частей и включал в себя
32 задания, из которых 9 заданий с выбором одного верного ответа, 18 заданий с кратким ответом и 5 заданий с развернутым ответом.
Каждый вариант экзаменационной работы включал в себя контролируемые элемен- ты содержания из всех разделов школьного курса физики, при этом для каждого раздела предлагались задания всех таксономических уровней. В экзаменационной работе контро- лировались элементы содержания из следующих разделов (тем) курса физики.
1.
Механика (кинематика, динамика, статика, законы сохранения в механике, механиче- ские колебания и волны).
2. Молекулярная
физика
(молекулярно-кинетическая теория, термодинамика).
3. Электродинамика и основы СТО (электрическое поле, постоянный ток, магнитное поле, электромагнитная индукция, электромагнитные колебания и волны, оптика, основы СТО).
4. Квантовая физика (корпускулярно-волновой дуализм, физика атома, физика атомного ядра).
В каждом варианте работы предлагалось 19 заданий базового уровня, 9 заданий по- вышенного и 4 задания высокого уровня сложности. Задания базового уровня были вклю- чены в часть 1 работы, задания повышенного уровня распределены между двумя частями работы, а задания высокого уровня сложности располагались в части 2 работы.
Часть 1 содержала 24 задания, из которых 9 заданий с кратким ответом в виде од- ной цифры, соответствующей номеру верного ответа, и 15 заданий с кратким ответом в виде числа или последовательности цифр. 22 задания этой части проверяли усвоение по- нятийного аппарата курса физики (в том числе применение знаний при объяснении физи- ческих явлений и использование законов и формул в несложных расчетных ситуациях), а последние 2 задания – овладение методологическими умениями.
Решению задач была отведена часть 2 работы, которая содержала задачи по всем разделам разного уровня сложности и позволяла проверить умение применять фи- зические законы и формулы как в типовых ситуациях, так и в нетрадиционных ситуациях.
Часть 2 содержала 8 заданий, из которых 3 задания с кратким ответом и 5 заданий, для ко- торых необходимо было привести развернутый ответ.
Задания с кратким ответом в виде одной цифры, соответствующей номеру верного ответа, и в виде числа оцениваются 1 баллом. Задания на установление соответствия и множественный выбор оцениваются 2 баллами, если верно указаны оба элемента ответа,
1 баллом, если допущена ошибка в указании одного из элементов ответа, и 0 баллов, если допущено две ошибки. Задания с развернутым ответом оцениваются двумя экспертами с учетом правильности и полноты ответа. К каждому заданию приводится подробная инст- рукция для экспертов, в которой указывается, за что выставляется каждый балл – от нуля до максимального балла. Максимальный первичный балл за задания с развернутым отве- том составляет 3 балла.
Минимальная граница для КИМ ЕГЭ по физике установлена на уровне 36 тестовых баллов. Максимальный первичный балл за выполнение всей работы составлял 50 баллов.
На выполнение всей экзаменационной работы отводится 235 минут.
В ЕГЭ по физике в 2016 г. (основной день) приняло участие 167 472 выпускника, что примерно соответствует числу участников в прошлом году (166 926). Наибольшее число участников ЕГЭ по физике, как и в 2015 г., отмечается в г. Москве, Московской области, г.
Санкт-Петербурге, Республике Башкортостан, Краснодарском крае и Ростовской области.

3
В 2016 г. в сравнении с 2015 г. практически не изменилась доля неподготовленных участников экзамена (0 – 20 т.б.), несущественно увеличилась доля слабо подготовленных участников (до 40 т.б.) и снизились доли участников с результатами в диапазонах 61 – 80 и 81 – 100 т.б. При этом возросла доля участников, показавших «средние» результаты (в диапазоне от 50 до 60 баллов).
Для ЕГЭ по физике значимым является диапазон от 61 до 100 т.б., который демонстрирует готовность выпускников к успешному продолжению образования в организациях ВПО. Группа участников экзамена, набравших более 61 балла, в 2015 г. составляла 17,20%; в 2016 г. этот процент немного снизился – до 15,28%.
Ниже представлен анализ результатов выполнения экзаменационной работы для групп заданий по разным тематическим разделам и для групп заданий, проверяющих сфор- мированность разных видов деятельности.
В табл. 1 приведены результаты выполнения заданий экзаменационной работы по содержательным разделам школьного курса физики.
Таблица 1
Раздел курса физики
Средний % выполнения по группам заданий
Механика
52,2
МКТ и термодинамика
46,2
Электродинамика
41,8
Квантовая физика
57,9
Высокие результаты по квантовой физике объясняются тем, что в 2016 году задача по данному разделу была представлена лишь среди заданий с кратким ответом повышен- ного уровня сложности. В целом же отмечается более высокий уровень освоения содержа- тельных элементов механики по сравнению с другими разделами курса. Очевидно, данно- му материалу уделяется значительное учебное время. Наиболее сложными, как и в 2015 году, оказываются задания по электродинамике.
В табл. 2 представлены основные результаты выполнения экзаменационной работы по проверяемым видам деятельности.
Таблица 2
Виды деятельности
Средний % выполнения по груп- пам заданий
Применение законов и формул в типовых ситуациях
59,5
Анализ и объяснение явлений и процессов
58,6
Методологические умения
60,5
Решение задач
16,6
По сравнению с 2015 годом несколько улучшились показатели по группе заданий на интерпретацию свойств различных процессов и явлений. Вместе с тем по-прежнему низки результаты выполнения заданий на объяснение явлений, при этом повысились средние проценты выполнения заданий на анализ изменения физических величин в механических тепловых и электромагнитных процессах. Наиболее сложным видом деятельности являет- ся решение расчетных и качественных задач. Для заданий с кратким ответом повышенно- го уровня средний процент выполнения составил 25,0, а для заданий с развернутым отве- том – 11,6. Для заданий высокого уровня сложности отмечается небольшое увеличение средних процентов выполнения задач, использующих явно заданные физические модели, а для заданий с неявно заданными моделями результаты несколько снизились.
В Приложении приведен обобщенный план экзаменационной работы 2016 г. с указа- нием средних процентов выполнения по каждой линии заданий. Исходя из общепринятых норм, при которых содержательный элемент или умение считается усвоенным, если сред- ний процент выполнения соответствующей им группы заданий с выбором ответа превы-

4 шает 65%, а заданий с кратким и развернутым ответом – 50%, можно говорить об усвое- нии следующих элементов содержания и умений:

построение графиков скорости и ускорения для равномерного и равноускоренного прямолинейного движения;

закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения, давление, движение по окруж- ности, закон сохранения импульса, закон сохранения механической энергии, условие равновесия рычага, пружинный и математический маятники, механические волны, количество теплоты, работа в термодинамике, первый закон термодинамики КПД те- пловой машины, закон Кулона, закон Ома для участка цепи (формулы);

инвариантность скорости света в вакууме, планетарная модель атома, нуклонная мо- дель ядра, ядерные реакции, фотоны, закон радиоактивного распада;

изменение физических величин в механических, тепловых, электромагнитных и кван- товых процессах;

установление соответствия между физическими величинами и формулами или гра- фиками для механических, тепловых, электромагнитных и квантовых процессов;

определение показаний приборов с учетом абсолютной погрешности измерений, по- строение графиков по результатам измерений с учетом абсолютной погрешности, вы- бор оборудования для проведения опыта по заданной гипотезе;

интерпретация результатов исследований, представленных в виде таблицы или графи- ка.
К проблемным можно отнести группы заданий, которые контролировали следующие умения:

применение принципа суперпозиции тел, законы Ньютона и определение момента сил;

объяснение явлений (диффузия, броуновское движение, изопроцессы, насыщенные и ненасыщенные пары, влажность воздуха, изменение агрегатных состояний вещества, электризация тел, проводники и диэлектрики в электрическом поле, явление электро- магнитной индукции, интерференция свята, дифракция и дисперсия света);

связь между давлением и средней кинетической энергией, связь температуры со сред- ней кинетической энергией, уравнение Менделеева – Клапейрона, относительная влажность воздуха, последовательное и параллельное соединение проводников, рабо- та и мощность тока, закон Джоуля – Ленца, закон электромагнитной индукции Фара- дея, индуктивность, энергия магнитного поля катушки с током, фотоны, закон радио- активного распада (формулы);

принцип суперпозиции электрических полей, магнитное поле проводника с током, си- ла Ампера, сила Лоренца, правило Ленца (определение направления векторных вели- чин);

решение расчетных задач повышенного уровня сложности;

решение качественных задач повышенного уровня сложности;

решение расчетных задач высокого уровня сложности.
Анализ результатов выполнения групп заданий показал отсутствие существенной положительной динамики в освоении какого-либо вида деятельности или какого-либо элемента содержания. Как и в прошлые годы, самые высокие результаты показывают за- дания на проверку основных формул и законов школьного курса физики с использовани- ем простейших расчетов. Наибольшие трудности вызывают любые вопросы на поиск объ- яснений процессов и явлений и на интерпретацию результатов исследований. Проиллюст- рируем это на примерах.

5
Применение законов и формул в стандартных учебных ситуациях
Шесть линий заданий в каждом варианте проверяли умение применять законы и формулы в стандартных учебных ситуациях, проводить простейшие расчеты и представ- лять ответ в виде значения физической величины. Результаты выполнения этих групп за- даний базового уровня сильно зависят от проверяемого элемента содержания, а в целом результаты по электродинамике (средний процент выполнения – 45) ниже, чем по молеку- лярной физике (средний процент выполнения – 51), а по МКТ ниже, чем по механике
(средний процент – 65). Внутри тематического раздела результаты различны для разных законов и формул.
Так, в механике наиболее высокие результаты демонстрируются при выполнении за- даний с применением формул кинетической и потенциальной энергии, импульса тел, дли- ны звуковой волны, силы упругости и силы тяжести (все они выше 70%). Ниже приведен пример задания, с которым справляются 85% выпускников.
Пример 1
Скорость груза массой 0,2 кг равна 3 м/с. Какова кинетическая энергия груза?
Ответ: 0,9 Дж.
Трудности здесь вызывают задания на применение закона сохранения импульса, за- кона сохранения энергии, а также силы Архимеда. Так, с заданием из примера 2 справи- лись лишь 42% участников экзамена. Основной ошибкой было использование плотности тела вместо плотности воды, которую необходимо было определить по таблице в начале варианта.
Пример 2
Шар плотностью 2,5 г/см
3
и объёмом 400 см
3
целиком опущен в воду. Определите архи-
медову силу, действующую на шар.
Ответ: 4 Н.
В блоке молекулярной физики наиболее высокие результаты продемонстрированы при выполнении заданий на определение КПД идеальной тепловой машины, а наиболь- шие трудности вызвали задания на применение первого закона термодинамики, в которых рассматривалась ситуация уменьшения внутренней энергии газа либо охлаждения газа.
Пример одного из таких заданий, верный ответ на которое смогли дать лишь 42% экзаме- нуемых, приведен в примере 3.
Пример 3
В некотором процессе газ отдал окружающей среде количество теплоты, равное
10 кДж. При этом внутренняя энергия газа увеличилась на 30 кДж. Определите работу,
которую совершили внешние силы, сжав газ.
Ответ: 40 кДж.
В блоке электродинамики предлагались задания на применение закона Кулона, зако- на Ома для участка цепи, формул для расчета заряда, прошедшего через поперечное сече- ние проводника, ЭДС индукции, периода колебаний в колебательном контуре, магнитного поля катушки с током. Наиболее высокие результаты получены при выполнении заданий на применение закона Ома (около 80%) и формулы для определения ЭДС индукции. Сни- зились результаты выполнения заданий на закон Кулона. В примере 4 приведено задание, с которым успешно справились лишь 49% выпускников.
Пример 4
С какой силой взаимодействуют в вакууме два маленьких заряженных шарика, находя-
щихся на расстоянии 4 м друг от друга? Заряд каждого шарика
8 8 10


Кл.
Ответ: 3,6 мкН.
Наиболее сложной оказалась группа заданий на определение периода колебаний в колебательном контуре по формуле зависимости напряжения на конденсаторе от времени

6
(пример 5). Вспомнить взаимосвязь периода колебаний и циклической частоты и верно определить значение периода смогли лишь треть участников экзамена.
Пример 5
В колебательном контуре (см. рисунок) напряжение между обкладками кон-
денсатора меняется по закону U
C
= U
0
cos ωt, где U
0
= 5 В, ω = 2000π с
–1
. Оп-
ределите период колебаний напряжения.
Ответ: 0,001 с.
Кроме заданий с кратким ответом в виде числа, в варианты были включены
2-балльные задания, в которых необходимо было установить соответствие между физиче- скими величинами и формулами, по которым их можно определить. Здесь встречались как основные формулы из кодификатора, так и их производные, полученные путем математи- ческих преобразований. Средний процент выполнения этих заданий оказался равным 55.
Результаты выполнения этих групп заданий не зависят от тематического раздела. Более высокие результаты получены при выполнении заданий с применением тех формул, кото- рые чаще используются в аппарате усвоения школьного курса. Наиболее высокие резуль- таты продемонстрированы в заданиях с использованием формул, описывающих протека- ние постоянного тока в цепи, движение заряженной частицы в магнитном поле и изопро- цессы, – около 70% выполнения. Самые низкие результаты у группы заданий, исполь- зующих формулы, которые описывают преломление света на границе двух сред. Ниже приведен пример одного из таких заданий.
Пример 6
Пучок монохроматического света переходит из воды в воздух. Скорость света в воде –

; скорость света в воздухе – с; длина световой волны в воде –

. Установите соответ-
ствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго
столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
ФОРМУЛЫ
А)
показатель преломления воды относительно
воздуха
Б)
длина световой волны в воздухе
1)
λ c


2)
c

3)
λ
c


4)
c

Ответ:
А Б
4
1
Выполняя это задание, лишь 20% выпускников правильно определили обе формулы, а еще
30% смогли привести верный ответ лишь для показателя преломления воды относительно воздуха.
Анализ и объяснение явлений и процессов
В каждом варианте экзаменационной работы было шесть линий заданий на анализ и объяснение процессов и явлений: 4 2-балльных задания на изменение величин в различ- ных процессах (по одному заданию в каждом разделе) и 2 задания на распознавание явле- ния или их объяснение.
Среди заданий на изменение величин прослеживается тенденция снижения средних процентов выполнения заданий от механики к квантовой физике. Например, задания по механике на анализ движения тела по наклонной плоскости и движения спутников вокруг
L
L
C
q

7
Земли выполнили более 70%. Исключение составляет группа заданий на плавание тел на поверхности жидкости – 52%. Ошибки традиционно допускаются при определении силы
Архимеда.
По молекулярной физике предлагались задания на анализ изопроцессов, которые в среднем выполнили около 63% участников. Пример одного из заданий, которые вызвали затруднения, приведен ниже.
Пример 7
В цилиндрическом сосуде под тяжёлым поршнем находится газ. Поршень не
закреплён и может перемещаться в сосуде без трения (см. рисунок). В сосуд
закачивается ещё такое же количество газа при неизменной температуре.
Как изменится в результате этого давление газа и концентрация его молекул?
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 от-
вете могут повторяться.
Давление газа
Концентрация молекул газа
3
3
С этим заданием справились лишь половина экзаменуемых, которые поняли, что газ в открытом сосуде под тяжелым поршнем будет находиться при постоянном давлении.
В разделе электродинамики задания на анализ преломления света на границе раздела сред, преломления лучей в линзе, движения заряженной частицы в магнитном поле и т.д. выполнили в среднем 59% участников экзамена, а задания по квантовой физике (анализ явления фотоэффекта, радиоактивного распада и поглощения и излучения света атомом) – лишь половина выпускников.
Результаты выполнения заданий с выбором ответа на объяснение явлений зависят от проверяемого умения. Так, задания на распознавания явлений (броуновское движение, диффузия, теплопередача) выполнили более 70% выпускников. А вот с объяснениями справляются в среднем лишь половина участников экзамена. Ниже приведен пример од- ного из таких заданий.
Пример 8
При нагревании воды на большой высоте она закипает при более низкой температуре,
чем на земной поверхности. Это происходит потому, что
1)
при кипении давление насыщенного водяного пара равно атмосферному давлению,
которое убывает с высотой
2)
на воду действует меньшая сила тяжести
3)
при подъёме воды её внутренняя энергия становится больше, чем на земной по-
верхности
4)
при меньшем давлении происходит более интенсивное испарение жидкости с её
поверхности
Ответ:
1
В этом задании почти 36% тестируемых выбрали последний дистрактор, т.е. про- блема заключается в непонимании основного свойства кипения – испарения по всему объ- ему жидкости.

8
Определение направления векторных величин
В разных сериях вариантов предлагались задания на определение направления раз- личных векторных величин. Наиболее высокие результаты продемонстрированы для за- даний на проверку принципа суперпозиции сил (линия заданий 2), а также для заданий на определение направления результирующей кулоновской силы (около 90%). Существенно ниже результаты для групп заданий по определению направления силы Ампера. Правило левой руки уверенно применяют не более 55% участников экзамена. Около половины тес- тируемых верно определяют направление силы Лоренца. Наиболее сложным оказались задания на определение силы взаимодействия между параллельными токами. Ниже при- веден пример одного из таких заданий.
Пример 9
Как направлена сила Ампера, действующая на проводник
№ 2 со стороны двух других (см. рисунок), если все провод-
ники тонкие, длинные, прямые, лежат в одной плоскости,
параллельны друг другу и расстояния между соседними про-
водниками одинаковы? (I – сила тока.)
1)
от нас

2)
вниз

3)
к нам 
4)
вверх

Ответ:
2
Для ответа на этот вопрос достаточно просто помнить, что проводники с сонаправ- ленными токами притягиваются, а с противоположно направленными отталкиваются.
К сожалению, успешно выполнить это задание смогла лишь треть участников экзамена.
Понимание графического представления зависимостей физических величин
В каждом варианте предлагалось не менее шести заданий, выполнение которых бы- ло связано с пониманием различных графических зависимостей. В линии заданий 1 ис- пользовались графики зависимости координаты, скорости и ускорения от времени для равномерного и равноускоренного движения. Как правило, эти группы заданий не вызы- вали затруднений у участников экзамена. Так, задания на определение графика зависимо- сти скорости от времени по графику координаты для равномерного движения выполняли около 90% выпускников; аналогичные задания на определение графика ускорения по гра- фику скорости для равноускоренного движения – около 80% участников. Более сложными оказались задания, в которых необходимо было определить схематичный график движе- ния по его описанию. Пример одного из таких заданий приведен ниже.
Пример 10
Мяч падает с некоторой высоты вертикально вниз и после удара о землю отскакивает
вверх с той же (по модулю) скоростью. Какой из приведённых графиков зависимости мо-
дуля скорости

от времени соответствует указанному движению тела? Система от-
счёта связана с Землёй. Сопротивление воздуха не учитывать.
1)
0 t
1
t
2
t

3)
0 t
1
t
2
t

1 2
3
I
I
I

9
2)
0 t
1
t
2
t

4)
0 t
1
t
2
t

Ответ:
4
Судя по выбору дистракторов, основная масса ошибок была связана с тем, что обу- чающиеся путали свободное падение вниз с противоположно направленным движением вверх. В среднем лишь половина тестируемых смогли в таких заданиях выбрать правиль- ный ответ.
Среди заданий по механике были представлены группы заданий в линии 7 на уста- новление соответствия между графиками и физическими величинами для случая движе- ния тела, равноускоренного движения тела. Характер движения задавался в условии зада- ния графиком зависимости координаты тела от времени. Средний процент выполнения этих групп заданий составил около 55. Однако результаты сильно различаются для графи- ков разных величин. Так, экзаменуемые наиболее успешно узнают графики для скорости и ускорения и существенно хуже – для импульса и кинетической и потенциальной энергий.
В разделе молекулярной физики на линии 7 предлагались задания на понимание графиков изопроцессов, которые успешно выполнялись не менее чем 60% экзаменуемых.
Ниже приведен пример задания, с которым справились 72% выпускников.
Пример 11
Два различных состояния одной и той же массы разреженно-
го газа изображены точками А и В на диаграмме p–V. Пере-
ход газа из состояния A в состояние B осуществляется двумя
изопроцессами, обозначенными стрелками. Какие это процес-
сы?
1)
А–1 – изобарное сжатие; 1–В – изотермическое сжа-
тие
2)
А–1 – изобарное сжатие; 1–В – изохорное охлаждение
3)
А–1 – изобарное сжатие; 1–В – изотермическое рас-
ширение
4)
А–1 – изобарное расширение; 1–В – изотермическое расширение
Ответ:
3
В блоке заданий по электродинамике не было специальной линии заданий с исполь- зованием графиков, однако в части заданий на применение законов и формул предлага- лись различные графические зависимости (например, силы тока от времени в заданиях на определение заряда, силы тока от времени в колебательном контуре или в катушке индук- тивности). Во всех этих заданиях графики нужно было использовать для нахождения зна- чения необходимой физической величины. Как показывает сравнение результатов этих заданий с результатами аналогичных заданий без использования графиков, практически не наблюдается снижение результатов выполнения при включении в текст задания графи- ческой зависимости.
В блоке по квантовой физике использовались группы заданий на определение пе- риода полураспада радиоактивных изотопов по графику зависимости числа нераспавших- ся ядер изотопа от времени. Эти задания успешно выполняются даже группой слабо под- готовленных выпускников (средний процент выполнения – около 77).
Методологические умения

10
В варианты 2016 г. были включены две линии заданий на проверку методологиче- ских умений: задание 23 базового и задание 24 повышенного уровня сложности.
Среди заданий базового уровня сложности наиболее высокие результаты (в среднем
75%) продемонстрированы при выполнении заданий на выбор установки для проведения опыта по заданной гипотезе. Как и в прошлом году, среди заданий на запись показаний прибора с учетом заданной абсолютной погрешности измерений при тех же средних ре- зультатах выполнения наиболее сложными оказываются задания по фотографиям прибо- ров, особенно в тех случаях, когда необходимо выбрать нужный прибор или нужную шка- лу прибора. Например, задание, в котором необходимо было определить, в каком диапа- зоне находится измеренное барометром атмосферное давление, успешно выполнили лишь половина участников экзамена. Проблема заключалась в том, что нужно было верно вы- брать одну из двух шкал (в гПа или мм рт. ст.). Выполнение группы заданий на определе- ние коэффициента пропорциональности по представленной экспериментальной зависимо- сти одной физической величины от другой (с учетом абсолютных погрешностей измере- ний) свидетельствует о небольшой положительной динамике по сравнению с прошлыми годами.
Средний процент выполнения всех групп заданий на интерпретацию результатов различных опытов, представленных в виде графика или таблицы, составил порядка 55, что соответствует результатам прошлого года. Однако следует отметить, что в этих
2-балльных заданиях значительное место занимает группа участников, сумевшая пра- вильно указать лишь один верный ответ. Покажем это на примере приведенного ниже за- дания.
Пример 12
В катушке индуктивностью 6 мГн сила тока I зависит от
времени t, как показано на графике, приведённом на рисун-
ке. Из приведённого ниже списка выберите

  1   2   3