Lądowanie samolotu

Poprawna odpowiedź

1 - B

2 - B

3 - B

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

2.1. Energia. Uczeń wykorzystuje pojęcie energii mechanicznej i wymienia różne jej formy
2.4. Energia. Uczeń posługuje się pojęciem energii mechanicznej jako sumy energii kinetycznej i potencjalnej

Komentarz

Zadanie sprawdza rozumienie pojęcia energii w szczególności energii mechanicznej na przykładzie sytuacji, w której mamy do czynienia z kilkoma formami energii.

W treści zadania przedstawiony jest proces hamowania samolotu podczas podchodzenia do lądowania. Podczas tego manewru sukcesywnie zmniejsza się energia mechaniczna samolotu, zarówno potencjalna (samolot obniża lot) jak i kinetyczna (porusza się z coraz mniejszą prędkością), aż w końcu oba rodzaje energii zarówno potencjalna jak i kinetyczna dochodzą do zera i samolot zatrzymuje się na płycie lotniska. Wynika z tego, że odpowiedzi B dla wszystkich trzech punktów są prawidłowe.

Należy tutaj zaznaczyć, że nie ma obawy co do zasady zachowania energii, całkowita energia układu jest tutaj zachowana. Tylko że całkowita energia nie obejmuje jedynie energii mechanicznej samolotu, ale również energię potrzebną na pokonanie wszelkich oporów ruchu oraz przede wszystkim energię cieplną wydzielaną w układzie hamulcowym, w silniku samolotu oraz rozproszoną w powietrzu.

Zazwyczaj w szkole gimnazjalnej energia mechaniczna omawiana jest przy okazji omawiania ruchów, kiedy to uczeń nie zna jeszcze innych, niemechanicznych form energii (energii cieplnej przed wszystkim). Zwykle pomijamy wszelkie straty energii (która notabene rozprasza się w postaci ciepła). Analizowane są typowe przykłady zjawisk (spadek swobodny, rzuty pionowe) w których praktycznie zawsze, kiedy energia kinetyczna spada, to potencjalna rośnie lub odwrotnie i zawsze wtedy jest zachowana energia mechaniczna, która jest (w przybliżeniu) energią całkowitą układu. Uczeń zakłada że tak jest zawsze. Jednakże, we wszystkich tych przypadkach albo nie było ingerencji z zewnątrz lub była jedynie na początku. W przytoczonym zadaniu przez cały czas lądowania pracuje silnik oraz układ hamowania, które powodują zmniejszenie całkowitej energii mechanicznej samolotu. To zmniejszenie odbywa się na korzyść, między innymi ciepła. Energia cieplna układu rośnie. Kadłub samolotu oraz układ hamowania nagrzewają się przy lądowaniu. Również część energii wykorzystana jest na pokonanie oporów ruchu. Podobnie dzieje się przy hamowaniu samochodu na drodze. Klocki hamulcowe pocierające o koła nagrzewają się i powodują zmniejszenie energii kinetycznej samochodu i w konsekwencji doprowadzają do jego zatrzymania.

Spośród wszystkich uczniów klas pierwszych liceum ogólnokształcącego, biorących udział w badaniu zaledwie trochę więcej niż 9% zrobiło całość zadania prawidłowo. Pierwsza część zadania dotycząca energii kinetycznej została prawidłowo rozwiązana przez 61% badanych. Natomiast części: druga i trzecia sprawiły uczniom więcej problemów. Uzyskano po około 43% prawidłowych odpowiedzi w każdej z nich. Przypuszczalnie uczeń nie mógł zrozumieć, że wszystkie wymienione w zadaniu formy energii maleją. Możliwe, że miał w pamięci zasadę zachowania energii i wydawało mu się to niemożliwe, że wszystkie formy energii maleją.

Warto tego typu przekrojowe zadania przedyskutować na lekcji po omówieniu działów: mechanika i termodynamika. Przeanalizować zadanie, w którym nie pomijamy strat energii, w którym ‘straty’ energii odgrywają bardzo ważną rolę: zatrzymują rozpędzony pojazd. Można przy tym zwrócić uwagę na praktyczną stronę wydzielania się energii cieplnej czyli zużywanie się klocków hamulcowych i konieczność ich wymiany.

Słowa kluczowe