Wyznaczanie gęstości

Poprawna odpowiedź

1. Nie., 2. Tak., 3. Tak.

Wymaganie ogólne

R5 (Rozszerzenie) Planowanie i wykonywanie prostych doświadczeń i analiza ich wyników.
R1 (Rozszerzenie) Znajomość i umiejętność wykorzystania pojęć i praw fizyki do wyjaśniania procesów i zjawisk w przyrodzie.

Wymaganie szczegółowe

Komentarz

Gęstość ciała jest zdefiniowana jako stosunek jego masy do objętości. Istnieje kilka metod doświadczalnego wyznaczenia gęstości. Jedna z tych metod (wyznaczenie gęstości ciała w kształcie prostopadłościanu przy pomocy wagi i linijki) znajduje się na liście doświadczeń obowiązkowych na III etapie edukacyjnym. Prezentowane zadanie było rozwiązywane w trakcie badania, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Zadanie sprawdza umiejętność planowania doświadczeń i analizy ich wyników. W poszczególnych wierszach tabeli opisano pomiary wykonane przez Adama. Zadaniem uczniów było zadecydowanie, czy na podstawie wykonanych pomiarów można wyznaczyć gęstość badanego ciała.

Pomiary wymienione w pierwszym punkcie pozwalają na wyznaczenie objętości prostopadłościennego klocka (zmierzono długość jego boków). Wyznaczenie objętości wody wypartej przez klocek nie daje nam jednak żadnej informacji na temat jego masy – ponownie dokonujemy pomiaru jego objętości. Część uczniów najprawdopodobniej utożsamiła masę klocka z masą wypartej wody (którą rzeczywiście można wyznaczyć, znając jej gęstość), co przełożyło się na rozwiązywalność tego wiersza. Niemniej należy pamiętać, że masa klocka była różna od masy wypartej wody, ponieważ gęstość obu substancji jest różna. Uczniowie powinni zaznaczyć odpowiedź „Nie” i jedynie 32% z nich wybrało to rozwiązanie..

W drugim punkcie zestawione zostały czynności, których wykonanie prowadzi do wyznaczenia zarówno masy, jak i objętości badanego ciała, co pozwala obliczyć jego gęstość. Wskazanie siłomierza pokazuje nam siłę ciążenia działającą na jabłko (czyli jego ciężar). Znając wartość przyspieszenia ziemskiego, możemy wyznaczyć masę jabłka. Zanurzenie jabłka w wodzie i ponowne odczytanie wskazania siłomierza pozwala nam wyznaczyć działającą na nie siłę wyporu. Wystarczy w tym celu odjąć wskazanie siłomierza dla jabłka zanurzonego w wodzie od wskazania siłomierza dla jabłka zawieszonego w powietrzu.

Należy pamiętać, że siła wyporu jest zdefiniowana jako iloczyn gęstości wody, przyspieszenia ziemskiego oraz objętości wypartej wody, która zresztą jest w tym przypadku równa objętości jabłka ( . Przekształcając ten wzór a następnie podstawiając do niego dane liczbowe wyznaczamy objętość jabłka. Dzieląc masę jabłka przez jego objętość wyznaczamy z kolei jego gęstość. Być może metodologia opisanego pomiaru nie jest dla uczniów oczywista, a z pewnością wymaga głębszej analizy. Prawidłowej odpowiedzi (czyli „Tak”) udzieliło w tym wierszu 41% uczniów.

Czynności wymienione w trzecim wierszu również prowadzą do wyznaczenia gęstości badanego ciała. Podobnie jak poprzednio, posługując się wskazaniem siłomierza wyznaczamy masę kulki. Umieszczając kulkę w naczyniu z wodą i mierząc objętość wypartej cieczy, mierzymy jednocześnie objętość kulki. Z wierszem uczniowie radzili sobie najlepiej. Prawidłowej odpowiedzi („Tak”) udzieliło w tym przypadku 64% uczniów.

Całość zadanie prawidłowo rozwiązało jedynie 12% osób biorących udział w badaniu. Prawdopodobnie na taki wynik przełożyło się zarówno niedostateczne opanowanie technik doświadczalnych przez uczniów, jak i brak umiejętności samodzielnego planowania doświadczeń oraz problemy ze zrozumieniem zależności pomiędzy masą, objętością i gęstością substancji. Na każdym etapie zadania wystarczyło bowiem zadać sobie pytanie, jakie wielkości pozwolą wyznaczyć opisane pomiary i czy wyznaczone wielkości pozwolą obliczyć gęstość badanego ciała. Warto pamiętać o tym przy okazji różnych doświadczeń wykonywanych na lekcjach i proponować uczniom takie formy aktywności, które pozwolą im samodzielnie planować pomiary oraz przewidywać ich wyniki.

Słowa kluczowe