Zimny balon

Poprawna odpowiedź

1 - Fałsz

2 - Prawda

3 - Fałsz

4 - Prawda

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.7. Energia. Uczeń wyjaśnia związek między energią kinetyczną cząsteczek i temperaturą
3.3. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem gęstości
3.6. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem ciśnienia (w tym ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego)
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność wyciągania wniosków z przeprowadzanych doświadczeń w oparciu o znane prawa fizyki. Dotyczy tematyki przemian gazowych a szczególnie zależności objętości gazu od jego temperatury.

Cząsteczki gazu są w ciągłym ruchu; poruszają się szybciej lub wolniej w zależności od temperatury.  Temperatura jest wyznacznikiem średniej energii kinetycznej cząsteczek. Im wyższa temperatura ciała, tym szybciej poruszają się jego cząsteczki. Dokładnie taka sama jest tendencja w drugą stronę, im niższa temperatura ciała tym energia kinetyczna cząsteczek niższa. Można sobie wyobrazić, że w pewnych warunkach energia kinetyczna cząsteczek obniżając się coraz bardziej dochodzi do zera; cząsteczki przestają się poruszać. Taka sytuacja teoretycznie jest możliwa w temperaturze zera bezwzględnego liczonej według skali Kelwina. 0 K równa się -273°C. Skala Kelwina jest bardziej uniwersalna niż skala Celsjusza, lepiej odzwierciedla ruch cząsteczek i podobnie jak energia posiada tylko wartości dodatnie; nie przyjmuje wartości ujemnych.

Kiedy temperatura gazu rośnie, jego objętość również rośnie. Przyczyna: cząsteczki szybciej się poruszają i bardziej się ‘rozpychają’, więc zajmują większą objętość. W tej sytuacji gęstość gazu spada, gdyż ta sama masa zajmuje większą objętość. To z powodu obniżenia gęstości, ciepłe powietrze idzie do góry, a zimne opada na dół.

Doświadczenie opisane w zadaniu dotyczy określonej masy gazu. Zakładamy idealną szczelność balonika (w treści zadania nie podano informacji o nieszczelności) czyli nie było możliwe aby jakakolwiek cząstka gazu ulotniła się. Zatem, liczba cząsteczek, a co za tym idzie masa powietrza w baloniku pozostaje taka sama przez cały czas trwania opisanego doświadczenia. Stąd wniosek, że stwierdzenia 1 i 3 są fałszywe. Natomiast z powodów wyjaśnionych powyżej (zależność energii kinetycznej cząsteczek od temperatury) wnioskujemy, że skoro obniżyła się temperatura to musiała również zmniejszyć się średnia energia kinetyczna cząsteczek powietrza w balonie (pozytywne stwierdzenie 2). Wzrosła także gęstość powietrza gdyż taka sama masa powietrza zajmuje mniejszą objętość (prawdziwość stwierdzenia 4)

Powyższe zadanie wykorzystano w badaniu pilotażowym przeprowadzonym wśród uczniów pierwszych klas liceum ogólnokształcącego. Jego wyniki są bardzo niepokojące. Zaledwie 17% wszystkich badanych rozwiązało całe zadanie poprawnie. Jeśli wziąć pod uwagę fakt, że we wszystkich czterech punktach zadania były tylko 2 możliwe do wyboru opcje: prawda i fałsz to wynik sugeruje przypadkowe, losowe wskazania badanych. Bliższa analiza każdego punktu potwierdza powyższą hipotezę. Prawidłowe cząstkowe odpowiedzi przedstawiają się następująco: dla 1 – 40%, dla 2 – 57%, dla 3 – 44%, dla 4 – 37%.

Zadanie bardzo wyraźnie pokazuje niezrozumienie zagadnień dotyczących ciepła przez uczniów gimnazjum. Przypuszczalnie największą trudność sprawia uczniom zrozumienie co się dzieje wewnątrz ciała, w skali mikroskopowej. Usilnie zachęcamy nauczycieli, aby przeznaczyli trochę więcej czasu na omówienie zjawisk zachodzących w mikroświecie (przede wszystkim ruchu chaotycznego cząsteczek) które są kluczowe przy analizowaniu zjawisk cieplnych i bardzo pomagają w ich zrozumieniu.

Słowa kluczowe