Spadająca winda

Poprawna odpowiedź

1. B., 2. D.

Wymaganie ogólne

3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

1.4 Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń wyjaśnia, na czym polega stan nieważkości, i podaje warunki jego występowania

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność przewidywania wyniku doświadczenia w oparciu o prawa fizyki i zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas drugich liceum ogólnokształcącego. Aby je rozwiązać, musimy rozstrzygnąć, w jaki sposób względem windy będzie się poruszał zamknięty wewnątrz człowiek. Przede wszystkim należy zauważyć, że jedyną siłą działającą w opisanym układzie jest siła grawitacji. Zatem zarówno winda, jak i pasażer w środku będą spadać z przyspieszeniem równym ziemskiemu przyspieszeniu grawitacyjnemu, co oznacza, że będą się poruszać z tą samą prędkością.

 Warto zdać sobie sprawę z faktu, że w tej sytuacji człowiek znajdujący się w windzie nie będzie wywierał nacisku na żadną z jej ścianek – znajdzie się on w stanie nieważkości. Zatem nie jest możliwe, aby w chwili zerwania się liny uderzył głową w sufit. Prawidłowym rozwiązaniem jest zatem kombinacja odpowiedzi 1.B., 2.D. i wybrało ją 20,4% osób biorących udział w badaniu.

 W pierwszej części zadania zdecydowana większość uczniów (66,4%) udzieliła błędnej odpowiedzi, stwierdzając, że sytuacja przedstawiona w filmie akcji jest możliwa. Najczęściej przytaczanym wyjaśnieniem takiego wyboru, wskazywanym w drugiej części, była odpowiedź A. „w skutek bezwładności człowiek nie zacznie się poruszać, więc sufit uderzy w jego głowę” (33,6%). Być może uczniowie udzielający takiej odpowiedzi zasugerowali się sytuacją, której doświadczamy jako pasażerowie środków komunikacji – w trakcie zmiany prędkości pojazdu siła bezwładności działa na pasażerów tak, aby przeciwdziałać tym zmianom.

 Niemniej istnieje zasadnicza różnica między pojazdem zmieniającym prędkość, a spadającą windą. Jeśli wprowadzimy układ współrzędnych związany z powierzchnią Ziemi, możemy zauważyć, że każda zmiana przyspieszenia samochodu będzie wymuszała zmianę współrzędnych pasażera w tym układzie (pasażer nie zmieniłby swojej prędkości, a co za tym idzie – również położenia siedząc bez ruchu w fotelu, gdyby nie siła wytwarzana przez silniki). Zatem w tym przypadku siła powodująca zmianę prędkości jest siłą zewnętrzną w stosunku do układu związanego z Ziemią (nie wynika z żadnych oddziaływań związanych z tym układem). W takim przypadku pasażer będzie odczuwał siłę bezwładności. Jeśli samochód przyspieszy, pasażer zostanie wciśnięty w fotel.

 Z kolei w przypadku spadającej windy zarówno ona sama, jak i znajdując się wewnątrz człowiek spadają pod działaniem dokładnie tej samej siły (czyli siły grawitacji), do tego z takim samym przyspieszeniem równym g. Jeśli winda w pewnym przedziale czasu przebędzie określoną drogę to w tym samym czasie jej pasażer pokona dokładnie ten sam dystans. Nie będzie on w tej sytuacji wywierał nacisku na podłogę, ale też nie uderzy głową o sufit. Aby było to możliwe, winda musiałaby spadać szybciej niż człowiek, co jest sprzeczne z treścią zadania.

 Podobny odsetek uczniów (29,2%) wybrał wyjaśnienie B. „człowiek jest lżejszy od windy, więc spada wolniej”, co zapewne wynika z błędnego przekonania, iż czas spadania przedmiotów zależy od ich masy: ciała cięższe spadają szybciej, a ciała lżejsze – wolniej (np. kamień spada szybciej niż ptasie pióro). Warto jednak zdać sobie sprawę z tego, że przyczyną różnic w czasie spadania przedmiotów jest opór powietrza. Siła ta działa przeciwnie do kierunku ruchu spadającego ciała, a jej wartość zależy głównie od jego kształtu. Czym większa jest powierzchnia ciała, tym bardziej opór powietrza będzie przeciwdziałał sile grawitacji, powodując wydłużenie czasu spadania.  Masa spadającego przedmiotu nie wpływa jednak w żaden sposób na jego prędkość, zatem człowiek znajdujący się w spadającej windzie nie może poruszać się wolniej od niej.

 Co ciekawe, w drugiej części zadania prawidłową argumentację wskazało 22,1% uczestników badania, czyli prawie wszystkie osoby, które poradziły sobie z całością zadania. Wyniki uzyskane dla tego zadania pokazują problem, który ujawnia się również przy innych zadaniach dotyczących podobnej tematyki wykorzystanych w badaniach Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych. Wielu uczniów ma problem ze zrozumieniem (skądinąd prostej) definicji stanu nieważkości oraz wskazywaniem sytuacji praktycznych, w których stan ten występuje. Wydaje się, że największe trudności uczniowie mają ze zrozumieniem, iż nieważkość można w prosty sposób wytworzyć w warunkach ziemskich.

Słowa kluczowe