Tory samochodów

Poprawna odpowiedź

1. Test II., 2. Test I., 3. Żadnego.

Wymaganie ogólne

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

Wymaganie szczegółowe

1.2 Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń opisuje zależności między siłą dośrodkową a masą, prędkością liniową i promieniem oraz wskazuje przykłady sił pełniących rolę siły dośrodkowej

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność wnioskowania na podstawie tekstu źródłowego oraz wiedzę na temat siły dośrodkowej. Zostało ono wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich gimnazjum. Aby je rozwiązać, należy zapoznać się z tekstem i załączonym rysunkiem, zwracając szczególną uwagę na opis dwóch testów, którym poddano samochody. Z tekstu dowiadujemy się, że testowano dwa jednakowe modele, możemy zatem założyć, że masy obu samochodów były takie same. Oba samochody poruszały się po torach w kształcie okręgu, przy czym promienie tych torów były różne.

Na każde ciało poruszające się po okręgu działa siła dośrodkowa proporcjonalna do masy tego ciała, kwadratu jego prędkości i odwrotnie proporcjonalna do promienia okręgu. W trakcie pierwszego z testów oba samochody jechały z tą samą prędkością. Ponieważ ich masy były takie same, wartość siły dośrodkowej zależała wyłącznie od promienia toru. Na samochód A, poruszający się po torze o mniejszym promieniu, działała większa siła dośrodkowa niż na samochód B. Na tej podstawie możemy stwierdzić, że do testu I odnosi się drugie stwierdzenie z tabeli. Prawidłowej oceny tego stwierdzenia dokonało 24,3% uczestników badania. Aż 41,2% uznało, że stwierdzenie to odnosi się do testu II, a kolejne 29,2% - że do żadnego z tych testów.

W teście II oba modele jechały z maksymalną prędkością, przy której mogły się utrzymać na nawierzchni, nie wpadając w poślizg. Utrzymanie się samochodu w trakcie wykonywania zakrętu na torze zależy od siły tarcia pomiędzy oponami a nawierzchnią. Warto mieć na uwadze, że siła tarcia jest w tym przypadku siłą reakcji, zależy więc od wartości siły odśrodkowej, działającej na samochód. Dopóki samochód nie wypada z toru, siła tarcia równoważy siłę odśrodkową, zatem pełni rolę siły dośrodkowej. Zależy zatem od prędkości samochodu i promienia toru. W zadaniu podano jednak informację, że nawierzchnia obu torów była jednakowa, z czego wynika, że w trakcie tego testu na oba samochody działała taka sama siła dośrodkowa. Wobec tego do testu II odnosi się pierwsze ze stwierdzeń. Jego prawidłowej oceny dokonało 37,2% uczniów.

Niewiele mniej, bo 31,4% uznało, że stwierdzenie to odnosi się do I testu – być może uczniowie ci nie zauważyli, że maksymalna prędkość z jaką samochód może się poruszać po torze jest ograniczona wartością siły tarcia (siły dośrodkowej). Z dotychczasowych badań przeprowadzonych przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych wynika bowiem, że część uczniów błędnie wyobraża sobie siłę dośrodkową jako skutek, a nie przyczynę ruchu po okręgu. Najmniej uczniów (26,6%) zdecydowało się zaznaczyć ostatnią odpowiedź, uważając, że stwierdzenie to nie dotyczy żadnego z przeprowadzonych testów.

Nie mniej problematyczne okazało się stwierdzenie trzecie. Z przyczyn opisanych powyżej właśnie ta sytuacja jest niemożliwa do uzyskania w warunkach w jakich przeprowadzano testy. W przypadku testu I, przebiegającego przy takich samych prędkościach obu pojazdów, ze względu na różnicę w promieniach obu torów, nie jest możliwe, aby siła dośrodkowa działająca na samochód B była większa niż siła dośrodkowa działająca na samochód A Jednak 41,2% osób biorących udział w badaniu wybrało właśnie tę odpowiedź. Relatywnie niewielki odsetek uczniów, bo tylko 17,3%, zdecydował się wskazać test II jako odpowiadający trzeciej sytuacji. Prawidłowo oceniło tę sytuację 36,7% uczniów, stwierdzając, iż nie dotyczy ona żadnego z opisanych testów.

Rozwiązywalność całego zadania wyniosła w badaniu 16,8%, przy czym zadanie bardzo mocno różnicowało uczniów. Uzyskane wyniki wskazują na problemy uczniów ze zrozumieniem fizycznego sensu podstawowych pojęć dotyczących ruchu po okręgu. Większość uczniów najprawdopodobniej nie potrafi wyrobić sobie całościowego  spojrzenia na przyczyny powstawania tego rodzaju ruchu oraz związek pomiędzy siłą dośrodkową a pozostałymi wielkościami służącymi do jego opisu.

Słowa kluczowe