Doświadczenie z żelazkiem

Poprawna odpowiedź

1. B., 2. C.

Wymaganie ogólne

2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.
3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

2.1 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje promieniowanie ciał, rozróżnia widma ciągłe i liniowe rozrzedzonych gazów jednoatomowych, w tym wodoru

Komentarz

Zadanie zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Mierzy ono umiejętność wnioskowania na podstawie wyników doświadczenia. Aby je rozwiązać, należy zapoznać się z opisem przeprowadzonego doświadczenia oraz zastanowić się nad przyczynami, dla których wskazania termometru w drugiej części doświadczenia różnią się od jego wskazań w części pierwszej. Przydatne są przy tym umiejętności, które uczeń powinien nabyć na III etapie edukacyjnym, a których dotyczą następujące wymagania szczegółowe: Uczeń 2.6. analizuje jakościowo zmiany energii wewnętrznej spowodowane wykonaniem pracy i przepływem ciepła; 2.8. wyjaśnia przepływ ciepła w zjawisku przewodnictwa cieplnego oraz rolę izolacji cieplnej; 2.11. opisuje ruch cieczy i gazów w zjawisku konwekcji.

Przede wszystkim warto uświadomić sobie, że żelazko nagrzane do temperatury wyższej niż temperatura otoczenia emituje energię pod postacią ciepła tak długo, jak długo pomiędzy nim a otoczeniem istnieje różnica temperatur. Im większy przekaz energii w jednostce czasu, tym bardziej wzrośnie temperatura otoczenia. Skoro w pewnej ustalonej odległości od żelazka pokrytego sadzą temperatura była wyższa niż w tej samej odległości od czystego żelazka, prawidłowym rozwiązaniem pierwszej części zadania jest odpowiedź B: powierzchnia żelazka pokrytego sadzą emituje w jednostce czasu więcej energii niż czysta powierzchnia. Takiej odpowiedzi udzieliło 67,8% osób biorących udział w badaniu. Najczęściej wybieraną odpowiedzią nieprawidłową była odpowiedź A (19,5%). Być może część uczniów uznała, że warstwa sadzy działa jako izolacja cieplna i udzieliła tej odpowiedzi, nie biorąc pod uwagę wyniku przeprowadzonego doświadczenia. Na odpowiedź C zdecydowało się zaledwie 7,1% osób biorących udział w badaniu.

Znacznie więcej problemów sprawiła uczniom druga część zadania, wymagała ona bowiem zastanowienia się nad istotą mechanizmu, na skutek którego następuje przekaz ciepła pomiędzy żelazkiem a otoczeniem. Prawie połowa uczniów (46,5%) wybrała w tej części nieprawidłową odpowiedź A: temperatura termometru wzrasta głównie na skutek zjawiska przewodnictwa cieplnego. Osoby decydujące się na taką odpowiedź zupełnie zignorowały fakt, że powietrze charakteryzuje się bardzo słabą przewodnością cieplną, zatem warstwa powietrza oddzielająca termometr od żelazka pełni rolę izolacji termicznej.

Drugą pod względem popularności była odpowiedź B, również nieprawidłowa: temperatura termometru wzrasta  głównie na skutek zjawiska konwekcji. Na odpowiedź tę zdecydowało się 25,2% uczniów, nie wzięli oni jednak pod uwagę faktu, że zjawisko konwekcji polega na uporządkowanym ruchu cząsteczek, który moglibyśmy brać pod uwagę tylko w sytuacji w której termometr zostałby umieszczony nad żelazkiem, W takim przypadku ciepłe powietrze znad żelazka unosiłoby się do góry, a na jego miejsce napływałoby chłodniejsze. Skoro jednak w zadaniu wyraźnie podkreślono, że termometr znajdował się obok żelazka – jego temperatura nie mogła wzrosnąć na skutek zjawiska konwekcji.

Najrzadziej wybieraną w tej części zadania okazała się prawidłowa odpowiedź C:  temperatura termometru wzrasta głównie na skutek promieniowania. Odpowiedzi takiej udzieliło 20,4% uczniów. Być może większość osób biorących udział w badaniu skojarzyło zjawisko promieniowania ze światłem widzialnym, tym czasem energia pomiędzy żelazkiem a otoczeniem przekazywana jest pod postacią promieniowania podczerwonego, niewidzialnego dla ludzkiego oka, odczuwanego jednak jako ciepło. Problemy uczniów z ustaleniem prawidłowej odpowiedzi w drugiej części zadania przełożyły się na rozwiązywalność jego całości, która wyniosła w badaniu 15,9%.

Dla uczniów mogło okazać się niezrozumiałe, dlaczego stal pokryta sadzą emituje w jednostce czasu więcej energii niż czysta powierzchnia. Warto zauważyć, że poczernione żelazko pochłania padające na jego powierzchnię promieniowanie elektromagnetyczne, natomiast żelazko o czystej powierzchni działa jak zwierciadło i odbija promieniowanie. W efekcie całkowita energia żelazka pokrytego sadzą jest sumą energii wynikającej z rozgrzania go do pewnej temperatury i energii pochłoniętego promieniowania. Zatem stygnąc, żelazko to emituje w jednostce czasu więcej energii niż emitowałoby, gdyby jego powierzchnia nie została poczerniona. Niemniej aby rozwiązać zadanie, uczeń nie musi znać mechanizmu tego zjawiska. W zupełności wystarczy, jeśli powiąże wzrost temperatury termometru ze wzrostem emisji promieniowania i ustali, na skutek jakiego procesu następuje przekaz energii pomiędzy żelazkiem a termometrem.

Słowa kluczowe