Siłomierz i woda

Poprawna odpowiedź

1. T;   2. T;   3. N

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.

Wymaganie szczegółowe

3.3. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem gęstości
3.4. Właściwości materii. Uczeń stosuje do obliczeń związek między masą, gęstością i objętością ciał stałych i cieczy, na podstawie wyników pomiarów wyznacza gęstość cieczy i ciał stałych
3.8. Właściwości materii. Uczeń analizuje i porównuje wartości sił wyporu dla ciał zanurzonych w cieczy lub gazie
8.12. Wymagania przekrojowe. Uczeń planuje doświadczenie lub pomiar, wybiera właściwe narzędzia pomiaru/ mierzy: czas, długość, masę, temperaturę, napięcie elektryczne, natężenie prądu
9.3. Wymagania doświadczalne. Uczeń dokonuje pomiaru siły wyporu za pomocą siłomierza (dla ciała wykonanego z jednorodnej substancji o gęstości większej od gęstości wody)

Komentarz

Zadanie jest ściśle związane z nową podstawą programową. Zgodnie z jej zapisami uczniowie powinni umieć posługiwać się siłomierzem oraz wyznaczać za jego pomocą wartość siły wyporu. Oczywiste jest również, że taki pomiar wymaga umiejętności wyznaczenia ciężaru samego ciała w powietrzu, co stanowi pierwszy krok do wyznaczenia siły wyporu.

W tym kontekście jedyną informacją potrzebną do twierdzącej odpowiedzi na pierwsze pytanie jest elementarna znajomość związku masy z ciężarem.

Pozostałe dwa wiersze są znacznie trudniejsze. Poprawna odpowiedź w drugim wymaga przeprowadzenia następującego rozumowania:

- mogę wyznaczyć wartość siły wyporu;

- zgodnie z prawem Archimedesa jest ona równa ciężarowi wypartej cieczy;

- znając ciężar wypartej cieczy, jej gęstość oraz przyspieszenie ziemskie można obliczyć jej objętość, równą objętości kuli.  

Niewątpliwie ostatni człon tego rozumowania jest najtrudniejszy. Można założyć, że takie obliczenia wykonuje wprawdzie cześć uczniów na lekcjach fizyki przy okazji pomiarów samej siły wyporu, ale raczej nie jest to powszechną praktyką.

Ostatni wiersz natomiast wymaga znajomości tylko jednego faktu: wartość siły wyporu nie zależy od rozmiarów naczynia, a więc pomiarami związanymi z zanurzaniem kuli nie da się określić objętości wody w naczyniu. Niemniej jednak nie jest to prawdopodobnie wiedza, na którą kładzie się jakikolwiek nacisk;  należy liczyć raczej na prawidłowe wnioskowanie zdolniejszych uczniów.

Zadanie warto omówić w klasie przy okazji wykonywania pomiarów siły wyporu. Można wówczas zwrócić uwagę na wielkości, jakie da się wyznaczyć za pomocą takich pomiarów (oprócz podanych  – także np. gęstość samej kuli), oraz te, których wyznaczyć się nie da (głębokość naczynia, objętość i masa zawartej w nim wody).

Poniżej pokazano wyniki badania wykonanegona losowej próbie około 5000 uczniów klas I szkół ponadgimnazjalnych. Badaną populację podzielono według uzyskanych wyników na osiem równolicznych grup, nadając im numery od 1 do 8 (1 – uczniowie najsłabsi, 8 – najlepsi).

Liczby 1-8 na poziomej osi oznaczają numer grupy, a liczby na pionowej osi – procent uczniów z danej grupy, jaki wybrał daną odpowiedź.

Na kolejnych trzech wykresach pokazano wybory uczniów na każde z pytań osobno.

Poniżej zamieszczono wykresy przedstawiające wybory ,,tak, nie’’ dla poszczególnych wielkości fizycznych:

1. Masa kulki:

Na pierwsze pytanie twierdząco odpowiedziało 70% uczniów. Nie byłoby w tym być może nic dziwnego, gdyby nie fakt, iż – jak widać na wykresie – wynik ten nie miał praktycznie żadnego związku z ogólnym poziomem wiedzy i umiejętności ucznia. Zarówno najlepsi, jak i najsłabsi uczniowie uzyskali zbliżony wynik. O ile dla słabych jest to sukcesem, to fakt, że aż jedna czwarta najlepszych uczniów nie wie, że siłomierzem można wyznaczyć masę ciała, jest zaskakujący. Być może  spowodowane jest to sposobem kształcenia – w zupełnym oderwaniu od jakichkolwiek doświadczeń,  wskutek czego pewien odsetek zdolnych uczniów mógł np. nigdy w życiu nie mieć siłomierza w dłoni.

2. Objętość kulki:

Odpowiedzi na pytanie zawarte w wierszu drugim pokazują podobny brak związku poziomu ucznia z wynikiem, przy niewielkiej przewadze poprawnej odpowiedzi.

3. Objętość wody w naczyniu:

Odpowiedzi na pytanie postawione w trzecim wierszu układają się nieco inaczej niż w pozostałych. O ile bowiem wśród słabszych uczniów zdecydowanie przeważa nieprawidłowa odpowiedź, to dokładnie 2/3 najlepszych uczniów odpowiedziało poprawnie.

Poniższy wykres przedstawia podsumowanie zadania według poprawnych i niepoprawnych odpowiedzi.

Ostatni wykres pokazuje wynik całego zadania. Średnia wśród najsłabszych uczniów oscyluje w okolicy przypadkowego wyboru, wynoszącej 1/8 czyli 12,5%, natomiast najlepsi uczniowie rozwiązali zadanie na poziomie 37,6%, z czego wynika, że zadania doświadczalne nie są mocna stroną uczniów.

Słowa kluczowe