Dlaczego latarka nie świeci?

Poprawna odpowiedź

A

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.

Wymaganie szczegółowe

4.12. Elektryczność. Uczeń buduje proste obwody elektryczne i rysuje ich schematy

Komentarz

W świecie, w którym zewsząd otaczają nas urządzenia elektryczne, uczniowie nie powinni mieć problemów z wyjaśnieniem zasady działania przynajmniej najprostszych z nich. Tymczasem wyniki badań pilotażowych przeprowadzonych z wykorzystaniem zadań dotyczących różnych działów fizyki wskazują na to, że zagadnienia dotyczące elektryczności postrzegane są przez uczniów jako bardzo skomplikowane i nie mające związku z życiem codziennym. Prezentowane tutaj zadanie pokazuje, że młodzież ma spore trudności z zastosowaniem wiedzy szkolnej w praktyce. W przykładzie opisanym w zadaniu użyta została żarówka o napięciu znamionowym wynoszącym 4,5 V, zasilana przez trzy identyczne ogniwa, z których każde daje napięcie 1,5 V. Przy prawidłowym podłączeniu ogniw (w tym przypadku – szeregowo) napięcia sumują się i pomiędzy końcami przewodów podłączonych do żarówki uzyskujemy napięcie wymagane do jej optymalnej pracy.

Przedstawiony w zadaniu problem wydaje się banalny: należy ocenić, dlaczego w opisanej sytuacji latarka świeci bardzo słabo. Sprowadza się to do znalezienia odpowiedzi na pytanie, dlaczego warunki do optymalnej pracy żarówki nie są spełnione. Wystarczy dokładnie obejrzeć rysunek, aby stwierdzić, że środkowe ogniwo zostało włożone odwrotnie (odpowiedź A). Potrzebna jest do tego jedynie umiejętność budowania i analizowania prostych obwodów elektrycznych. Przydaje się też odrobina spostrzegawczości – na rysunku widać, że biegun dodatni środkowego ogniwa styka się ze sprężynką, która powinna być podłączona do jego bieguna ujemnego. Dzięki temu rysunek wiernie odwzorowuje sytuację, z jaką możemy się spotkać na co dzień w trakcie podłączania baterii do dowolnego urządzenia. W życiu codzienny łatwo również pomylić przez nieuwagę bieguny i stanąć wobec problemu: dlaczego urządzenie nie działa?

Ponieważ zadanie ma bardzo wyraźny kontekst praktyczny, wydawałoby się, że wybranie prawidłowej odpowiedzi spośród czterech proponowanych rozwiązań nie powinno przysporzyć uczniom większych trudności. Zadanie wykorzystano w dwóch kolejnych cyklach Laboratorium Myślenia i w obu przypadkach uzyskano podobne rezultaty. Prawidłowo rozwiązało je 46% badanych osób w pierwszym cyklu i 48% – w drugim. Ponadto istnieje wyraźna korelacja pomiędzy wynikiem uzyskanym przez ucznia w całym teście a prawdopodobieństwem udzielenia przez niego poprawnej odpowiedzi w tym zadaniu. Poprawną odpowiedź najczęściej wybierali uczniowie uzyskujący najwyższe wyniki z całości.

Uczniowie uzyskujący najniższe wyniki w teście preferowali jako wyjaśnienie zjawiska odpowiedź B lub C. Jeśli chodzi o odpowiedź B, to była ona sprzeczna z podaną wyraźnie informacją, iż żarówka świeciła przy pojedynczym podłączeniu każdego z ogniw. Z treści zadania wynikało, że żarówka świeciła jednakowo słabo zarówno wtedy, gdy Tomek zasilał ją z jednego ogniwa, jak i z trzech, połączonych jak na rysunku. Ta informacja pełniła rolę ważnej wskazówki: skoro ogniwa były identyczne, to jedno z nich musiało być odwrotnie podłączone i w efekcie wypadkowe napięcie wynosiło tyle samo, co napięcie dawane przez pojedyncze ogniwo.

Osoby wybierające odpowiedź C przeoczyły z kolei fakt, że świecenie żarówki wynika z faktu nagrzewania się drutu wolframowego na skutek przepływu prądu. Wobec tego nie ma znaczenia, który koniec tego drutu podłączymy przewodami do dodatniego, a który – do ujemnego bieguna baterii. Niezależnie od tego, jak podłączymy żarówkę, będzie ona świecić dokładnie tak samo. Zmieni się jedynie kierunek przepływu elektronów przez drut wolframowy, co w najmniejszym stopniu nie wpływa na intensywność świecenia żarówki.

Warto tu zauważyć, że masowo już dostępne latarki wyposażone w diodę LED nie mają takiej cechy – kierunek przepływu prądu jest w nich istotny. Być może fakt ten miał jakiś wpływ na decyzję uczniów co do wyboru odpowiedzi. Wprawdzie rysunek nie pozostawia żadnej wątpliwości, że zadanie dotyczy żarówki z żarnikiem, niemniej część osób mogła bądź to nie zauważyć informacji podanej w formie graficznej, bądź to uznać ją za mało istotną.

Ciekawe rezultaty uzyskano dla odpowiedzi D, która okazała się drugą pod względem popularności wśród uczniów biorących udział w badaniu (21% w pierwszym i 19% w drugim cyklu). Odpowiedź ta była wybierana równie często przez uczniów ze wszystkich grup. Możliwe, że zarówno wśród uczniów osiągających lepsze wyniki, jak i wśród słabszych, istnieje dosyć podobny odsetek osób, które nie znają podstawowych reguł łączenia źródeł napięcia (które zresztą nie są wprost zapisane w podstawie programowej, choć trudno nie uznać tego typu latarki za „prosty obwód elektryczny”). W przypadku wykorzystania tego zadania do pracy na lekcji, warto, aby nauczyciel pokrótce omówił reguły łączenia źródeł napięcia, tym bardziej, że są to zasady zrozumiałe intuicyjnie i można odwołać się do umiejętności uczniów nabytych w trakcie codziennego użytkowania urządzeń elektrycznych zasilanych z ogniw.