Równowaga sił

Poprawna odpowiedź

1 - Prawda

2 - Fałsz

3 - Prawda

4 - Fałsz

5 - Fałsz

Wymaganie ogólne

3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

1.4. Ruch prostoliniowy i siły. Uczeń opisuje zachowanie się ciał na podstawie pierwszej zasady dynamiki Newtona

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność analizowania związku pomiędzy ruchem ciała a działającymi na nie siłami, a w szczególności, czy uczeń potrafi wyjaśnić, jak porusza się samolot, jeśli siły na niego działające równoważą się. Mówiąc inaczej, zadanie sprawdza, czy uczeń rozumie i umiejętnie stosuje pierwszą zasadę dynamiki Newtona.

Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że jeśli siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym. O ile pierwsza część tego stwierdzenia jest zrozumiała dla większości uczniów (równowaga sił = spoczynek), o tyle druga część przysparza dużo problemów (równowaga sił powoduje ruch jednostajny). Intuicyjnie uczeń zakłada, że przyczyną wszelkiego ruchu jest działająca na obiekt siła. Czyli: jeśli ciało porusza się ze stałą, większą od zera prędkością, to uczeń błędnie wnioskuje, że działa na nie stała, większa od zera, siła. Nic dziwnego, skoro z historii fizyki wiemy, że przez długie wieki uczeni tak właśnie interpretowali ruch jednostajny. Dopiero w XVII wieku Newton podał przytoczone wyżej wyjaśnienie. 

Jednakże, kiedy uzmysłowimy sobie, że w przypadku ruchu ze stałą prędkością siła (a faktycznie wypadkowa sił)  jest stała, ale dokładnie równa zero, to już łatwiej przychodzi nam zrozumieć, że skoro siła jest równa zero, to wszystkie działające na ciało siły się równoważą.

W zadaniu tylko podpunkty 1 i 3 odpowiadają tym warunkom: samolot porusza się ze stałą prędkością. W podpunkcie 4 jest mowa o stałej wartości prędkości, natomiast sama prędkość jako wektor zmienia się, ponieważ jej kierunek się zmienia – samolot zakręca, czyli nie porusza się po linii prostej, tylko po łuku. W pozostałych dwóch przypadkach samolot przyspiesza lub zwalnia, czyli jego prędkość się zmienia i mamy do czynienia z ruchem niejednostajnym.

Spośród wszystkich uczniów klas pierwszych liceum ogólnokształcącego, biorących udział w badaniu, zaledwie niecałe 9% rozwiązało całość zadania prawidłowo. Najłatwiejsze okazały się stwierdzenia dotyczące zmiany prędkości (podpunkty 2 i 5). W każdym z nich około 61% uczniów prawidłowo wskazało, że nie ma równowagi sił.

Jak można było się domyślić, największe trudności  uczniowie mieli z interpretacją ruchu o stałej prędkości. Prawidłową odpowiedź, czyli równowagę sił, dla podpunktu 1 wskazało zaledwie 24 % badanych (dla ruchu jednostajnego po linii poziomej), ale już 56 % dla podpunktu 3 (ruch jednostajny po linii pionowej). Natomiast w przypadku zakręcania samolotu (ruchu po okręgu ze stałą wartością prędkością) aż 63 % wszystkich badanych uczniów wskazało nieprawidłowo na równowagę sił. 

Słowa kluczowe