Żarzący drut

Poprawna odpowiedź

1. - Tak

2. - Nie 

3. - Tak

Wymaganie ogólne

2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.

Wymaganie szczegółowe

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. Z treści zadania wynika, że uczniowie najpierw skonstruowali prosty obwód elektryczny, potem obserwowali co się dzieje z przewodnikiem z prądem w dwóch różnych sytuacjach: kiedy przewodnik otoczony jest powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym oraz w sytuacji, kiedy powietrze wokół przewodnika ma ciśnienie niższe niż atmosferyczne. Opis doświadczenia przedstawiony jest w zadaniu. Następnie uczniowie próbowali dokonać głębszej analizy doświadczenia i wyciągnąć wnioski wynikające z rezultatów eksperymentu. Wnioski zapisane są w postaci stwierdzeń, które uczeń powinien uznać za prawdziwe lub fałszywe.

Przeanalizujmy w sposób mikroskopowy przepływ prądu elektrycznego w przewodniku.

Przewodnik elektryczny, metal, posiada bardzo dużo swobodnych elektronów, które poruszają się chaotycznie pomiędzy cięższymi jonami metalu gdy nie ma przyłożonego napięcia na jego końcach. Jeśli natomiast przewodnik zostanie podłączony do źródła napięcia, zaczyna w nim płynąć prąd elektryczny. Znajdujące się w przewodniku swobodne elektrony poruszają się znacznie szybciej niż przy braku napięcia, zderzając się z dużym impetem z  jonami metalu. Powoduje to zwiększenie energii wewnętrznej drutu a co za tym idzie wzrost jego temperatury. Nagrzany drut emituje światło; żarzy się. Intensywność żarzenia zmienia się w zależności od gęstości powietrza wokół drutu. Decyduje o tym ilość zderzeń cząsteczek powietrza z ‘drobinami’ drutu (pozytywne odpowiedzi na stwierdzenia 1 i 3). Skutkiem zderzeń zmniejsza się energia wewnętrzna drutu (a zwiększa energia wewnętrzna powietrza), co obniża intensywność jego świecenia.

Prąd płynie w przewodniku niezależnie od wysokości ciśnienia powietrza wokół niego (negatywna odpowiedź na stwierdzenie 2), jedynie zmienia się skutek przepływu prądu tj. intensywność emisji światła z gorącego drutu.

Żarzenie jako źródło światła wykorzystywane jest w żarówkach żarzeniowych. Wolframowe włókna żarówek (odpowiednik drutu w powyższym zadaniu) umieszczone w bańce szklanej z której wypompowano powietrze (brak powietrza intensyfikuje żarzenie co zostało potwierdzone powyższym doświadczeniem) emituje światło.

Zadanie było wykorzystane w badaniu przeprowadzonym wśród uczniów pierwszej klasy liceów ogólnokształcących. Całość zadania, czyli wszystkie trzy punkty, poprawnie rozwiązało 54% badanych. Zadanie nie okazało się trudnym. Większość uczniów (77%) prawidłowo oceniło stwierdzenie 2, że przepływ prądu przez przewodnik zachodzi zarówno przy obecności powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym jak i przy nieco rozrzedzonym powietrzu. Również w punkcie 3, 75% badanych uczniów poprawnie wywnioskowało, że zmalała liczba zderzeń cząsteczek powietrza z drutem wskutek wypompowania powietrza spod klosza. Stosunkowo najmniej, chociaż dosyć sporo, 70% wszystkich biorących udział w badaniu stwierdziło, że drut żarzył się jaśniej, gdy pod kloszem panowało niższe ciśnienie, tym samym prawidłowo oceniło stwierdzenie 1.

Słowa kluczowe