Porażenie prądem

Poprawna odpowiedź

1 - Nie

2 - Nie

3 - Tak

4 - Tak

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

1.6. Ruch prostoliniowy i siły. Uczeń posługuje się pojęciem przyspieszenia do opisu ruchu prostoliniowego jednostajnie przyspieszonego
4.8. Elektryczność. Uczeń posługuje się (intuicyjnie) pojęciem napięcia elektrycznego

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność wyciągania wniosków z różnych sytuacji życiowych na podstawie wiedzy i własnych obserwacji. Temat dotyczy pojęcia prądu elektrycznego oraz zagrożeń wynikających z przepływu prądu przez organizmy żywe.

Zjawisko prądu elektrycznego polega na uporządkowanym ruchu ładunków. Podstawowym składnikiem materii, obdarzonym ładunkiem i mającym możliwość poruszania się jest elektron. Posiada on ładunek ujemny o wartości 1.6 ∙10^-19 C.Jest to najmniejszy ładunek jaki istnieje w przyrodzie, tak zwany ładunek elementarny. Swobodne elektrony są podstawowym nośnikiem ładunku w metalach, z których zbudowane są przewody elektryczne. Prąd może również przepływać w niektórych cieczach, chociaż nie ma tam swobodnych elektronów ale są jony tzw. mikrocząsteczki obdarzone ładunkiem które mają albo nadmiar elektronów (jony ujemne) albo niedobór elektronów (jony dodatnie).

Jednak nie wystarczy tylko obecność ładunków wewnątrz przewodnika, aby popłynął prąd. Muszą też być warunki zmuszające te ładunki do ruchu. Dla lepszego zrozumienia możemy wyobrazić sobie kulkę, położoną na płaskim stole. Sama z siebie nie zacznie się poruszać jeśli wszędzie dookoła siebie ma taki sam poziom wysokości. Natomiast, jeśli położymy ją na pochylonym terenie (na zboczu) zacznie staczać się w dół. Dokładnie to samo dzieje się z ładunkiem. Ładunki w przewodniku zaczną poruszać się w sposób uporządkowany tylko wtedy, kiedy powstanie różnica potencjałów między końcami przewodnika. Różnica wysokości dla kulki jest analogią różnicy napięć elektrycznych dla przewodu elektrycznego.

Szybkość przepływania ładunku (wielkość ładunku przepływającego w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika) zależy od wartości różnicy napięć na końcach przewodnika. Prąd elektryczny jest niebezpieczny dla organizmów żywych. O ile mały prąd (mała liczba przepływających ładunków) nie jest niebezpieczny to większe prądy mogą być szkodliwe a wręcz zabójcze. Mówimy wtedy o porażeniu prądem.

W zadaniu mamy do czynienia z napowietrznymi przewodami elektrycznymi. Napięcie w tych przewodach względem ziemi wynosi od kilkuset woltów do kilkuset kilowoltów. Jest ono bardzo niebezpieczne dla organizmów żywych.

Jednakże musimy sobie uświadomić, że napięcie zawsze mierzymy między jakimiś punktami (obszarami) i to różnica napięć między tymi obszarami decyduje o wielkości przepływającego prądu. Przy napowietrznych przewodach elektrycznych to właśnie różnica napięć między tym kablami a Ziemią stanowi niebezpieczeństwo porażenia prądem – jakiekolwiek połączenia tych obszarów powodują przepływ ogromnych prądów. Natomiast, połączenia pomiędzy punktami tego samego przewodu nie generują żadnej różnicy napięć i nie powodują przepływu prądu, tak długo jak długo nie ma kontaktu z Ziemią. Stąd wniosek, że w pierwszych dwóch sytuacjach z ptaszkiem na przewodach i zawieszonym paralotniarzem nie ma przepływu prądu i nie może dojść do porażeń. Natomiast, w dwóch ostatnich (latawiec oraz wędka zahaczająca o  przewód) jest połączenie z Ziemią, prąd może przepływać i istnieje możliwość porażenia.

W zadaniu jest ukryte założenie, że zarówno linki paralotni oraz latawca jak i wędka są wykonane z przewodnika.

 Zadanie zostało wykorzystane w badaniu pilotażowym przeprowadzonym wśród uczniów klas pierwszych liceów ogólnokształcących. Niecałe 24% spośród wszystkich badanych rozwiązało całe zadanie prawidłowo. Pierwsze dwie sytuacje, wydawałoby się bardzo podobne, zostały potraktowane przez uczniów bardzo różnie. O ile pierwsza sytuacja jest powszechnie znana (ptaszki ‘spacerują’ po przewodach i nic im się nie dzieje) – 75% nie widziało tutaj zagrożenia porażeniem, to już paralotniarz wiszący na przewodach (chociaż było zaznaczone, że nie dotyka Ziemi) dla jedynie 41% badanych nie był zagrożony porażeniem (co było odpowiedzią prawidłową).

Niepokój wzbudza natomiast rozbieżność pomiędzy odpowiedziami 3 i 4. Sytuacje są bardzo podobne: dzieci trzymające latawiec i chłopiec trzymający wędkę; obydwa te przedmioty dotykają przewodów elektrycznych. Przy latawcu niebezpieczeństwo porażenia prawidłowo stwierdzało zaledwie 44% badanych a dla chłopca z wędką już 64%. Trudno tutaj wyciągać jednoznaczne wnioski. Czyżby możliwa była tutaj sugestia, że w sytuacji 3 jest użyta liczba mnoga: dzieci a w 4 jest mowa o jednym chłopaku to uczeń wytłumaczył sobie, że w tym pierwszym przypadku prąd przepływa przez większą ilość osób i jest mniej dla nich niebezpieczny niż dla jednego chłopaka?

Jest również bardzo prawdopodobne, że uczniowie zakładali, że wędka jest przewodnikiem a linki od paralotni nie. W treści zadania nie było informacji, że obydwa te obiekty są przewodnikami. Być może należało to napisać wprost aby nie było wątpliwości.

Wyniki pokazują dobitnie niezrozumienie zagadnień związanych z przepływem prądu elektrycznego przez absolwentów gimnazjów. Brak wyczucia istotności różnicy napięć elektrycznych. Dwie podobne sytuacje z obiektem na drutach bez kontaktu z Ziemią i dwie analogiczne z kontaktem z Ziemią i dwie różne odpowiedzi. Widać wyraźnie, że uczniowie nie rozumieją powiązania między przyczyną i skutkiem: przyczyna różnica napięć, skutek – przepływ prądu.

Słowa kluczowe