Siła dośrodkowa

Poprawna odpowiedź

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

Wymaganie ogólne

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

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
1.5 Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń wyjaśnia wpływ siły grawitacji Słońca na ruch planet i siły grawitacji planet na ruch ich księżyców, wskazuje siłę grawitacji jako przyczynę spadania ciał na powierzchnię Ziemi

Komentarz

Typową sytuacją w której siła grawitacji pełni rolę siły dośrodkowej jest ruch planet wokół Słońca czy ruch satelitów wokół planet. Tego typu zagadnienia są w podręcznikach opisywane w sposób modelowy: ciało o mniejszej masie porusza się po okręgu wokół ciała o większej masie, a jego prędkość i okres obiegu wyznaczamy, porównując siłę dośrodkową z siłą grawitacji. Jednak jest to obraz mocno uproszczony: w większości przypadków ciało poruszające się pod działaniem siły grawitacji wcale nie porusza się po okręgu, nawet jeśli siła ta pełni rolę siły dośrodkowej.

Można wskazać również przykłady zjawisk, w których ciało porusza się po okręgu w polu grawitacyjnym, jednak siła grawitacji nie odgrywa w tym przypadku  roli siły dośrodkowej. Pierwsza z sytuacji zestawionych w tabeli to właśnie przykład takiego ruchu: łazik z napędem porusza się po okręgu tylko dlatego, że jedzie wzdłuż marsjańskiego równika, a kształt Marsa jest w przybliżeniu kulisty. Za ruch pojazdu w tym kierunku odpowiada siła wytwarzana przez jego napęd, a nie siła grawitacji. Siła grawitacji odpowiada w tym przypadku za ciężar łazika, zatem również za wartość siły tarcia. Tarcie jest równoważone przez siłę napędu, natomiast nacisk łazika na podłoże – przez siły reakcji.

Warto zauważyć, że ruch po okręgu zaobserwujemy wyłącznie w układzie odniesienia związanym z obserwatorem znajdującym się w znacznej odległości od planety. Obserwator stojący na powierzchni Marsa stwierdzi, że łazik porusza się po linii prostej. Z punktu widzenia sił działających na pojazd, efekt jazdy po zakrzywionej powierzchni jest całkowicie zaniedbywalny. Nie obserwujemy w tym przypadku żadnej siły, która mogłaby pełnić rolę siły dośrodkowej.

Wyniki uzyskane dla pierwszej części zadania sugerują, że uczniowie mają problem z analizą tego typu nietypowych sytuacji. Prawidłowej odpowiedzi (czyli „Nie”) udzieliło jedynie 51% uczniów, przy czym ten etap zadania praktycznie ich nie różnicował. Można zatem przypuszczać, że większość z nich wybierała odpowiedź losowo.

Druga sytuacja, typowa w kontekście szkolnym, sprawiła uczniom znacznie mniej problemów. W tym przypadku 79% osób biorących udział w badaniu udzieliło prawidłowej odpowiedzi. Najprawdopodobniej ze względu na fakt, że sytuacja ta dotyczyła zagadnienia obowiązkowego, ujętego przez konkretny punkt treści nauczania (1.5. Uczeń wyjaśnia wpływ siły grawitacji Słońca na ruch planet i siły grawitacji planet na ruch ich księżyców […]) nie mieli oni kłopotu z ustaleniem, że w przypadku satelity okrążającego Saturna, rolę siły dośrodkowej pełni właśnie siła grawitacji.

 Trzecia z opisanych sytuacji okazała się dla uczniów równie kłopotliwa, jak sytuacja pierwsza. Jest ona o tyle nietypowa, że rozważamy tutaj ruch komety, a nie planety. W tym przypadku prawidłowej odpowiedzi udzieliło 50% uczniów, przy czym ten etap zadania różnicował ich silniej niż etap pierwszy. Można tylko przypuszczać, że uczniowie nie umieli przeanalizować sytuacji, nie znając trajektorii komety lub też wiedząc, że nie porusza się ona po okręgu. Tymczasem informacja taka nie była do niczego potrzebna. Z definicji siła dośrodkowa powoduje zmianę kierunku prędkości i zakrzywienie toru ruchu ciała. Tak właśnie stało się w przypadku komety. Jedyna siła, jaka działała na kometę w trakcie jej przelotu w pobliżu Słońca to właśnie siła grawitacji. Nie ma zatem innego wyjaśnienia zmiany trajektorii komety, niż to, że w opisanej sytuacji siła grawitacji pełniła rolę siły dośrodkowej.

 Całość zadania rozwiązało prawidłowo 31% uczniów biorących udział w badaniu. Biorąc pod uwagę dobór sytuacji przedstawionych do oceny, można przypuszczać, że uczniowie nienajgorzej radzą sobie z rozwiązaniem problemów typowo szkolnych, jednak zupełnie nie potrafią odnieść swojej wiedzy do analizy problemów nietypowych. Warto zatem już na lekcjach wprowadzających pojęcie siły dośrodkowej dokładnie wyjaśnić znaczenie tego pojęcia i poświęcić nieco czasu na przetrenowanie umiejętności rozpoznawania i wskazywania siły dośrodkowej w realnych (a nie tylko wyidealizowanych) układach fizycznych.

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

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

Wymaganie ogólne

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

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

Podobnie jak w poprzednim zadaniu, zestawiono w tabeli kilka sytuacji. Uczeń miał ocenić, czy w tych przypadkach siła tarcia pełni rolę siły dośrodkowej. Pierwsza sytuacja jest sytuacją typową, często prezentowaną w podręcznikach szkolnych: dopóki kierowca prowadzi samochód tak, aby koła były ustawione równolegle do kierunku jazdy, siła tarcia działa przeciwnie do kierunku ruchu samochodu i pojazd porusza się po linii prostej. Jednak ustawienie kół pod pewnym kątem do kierunku jazdy powoduje powstanie składowej siły tarcia prostopadłej do kierunku ruchu, zapobiegającej wyrzuceniu auta z toru ruchu, co skutkuje tym, że zaczyna ono wchodzić w zakręt. Aż 82% uczniów udzieliło prawidłowej odpowiedzi, uznając, że w tym przypadku siła tarcia pełni rolę siły dośrodkowej.

Nieco więcej problemów uczniowie mieli z następną sytuacją przedstawioną w tabeli. W tym przypadku prawidłowej odpowiedzi udzieliło 69% uczniów. Aby ocenić tę sytuację, należało zauważyć, że ruch beczki jest złożeniem ruchu obrotowego wokół własnej osi oraz ruchu postępowego po płaskiej. W tym przypadku siła tarcia jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu postępowego beczki i efektem jej działania może być jedynie zmniejszenie prędkości tego ruchu.  Siła tarcia nie spełnia wobec tego  kryteriów siły dośrodkowej. Aby je spełnić, musiałaby działać w kierunku prostopadłym do punktu w którym beczka styka się z podłożem (czyli pionowo do góry), co jest sprzeczne z jej definicją.

Najwięcej kłopotów sprawiła uczniom ostatnia z przedstawionych sytuacji, która z punktu widzenia sił działających w układzie jest bardzo podobna do sytuacji z zakręcającym samochodem. Również w tym przypadku siła tarcia pełni rolę siły dośrodkowej. Gdyby nie tarcie pomiędzy okruszkiem a powierzchnią obracającej się płyty, okruszek zostałby zsunąłby się poza jej krawędź. Prawidłowej odpowiedzi udzieliło na to pytanie już tylko 55% uczniów, co jest wartością minimalnie wyższą niż wartość losowa.

Całość zadania została prawidłowo rozwiązana przez 44% uczniów, czyli nieco więcej niż w przypadku jego bliźniaczej wersji dotyczącej siły grawitacji. Różnica ta może wynikać z faktu, że z pojęciem siły tarcia uczniowie spotykają się już od II etapu edukacyjnego, zatem są z nim lepiej zaznajomieni. Jednak wyniki pokazują, że licealiści mają problem z analizą sytuacji, z którymi być może spotykają się po raz pierwszy, nawet jeśli analiza ta pod żadnym względem nie jest bardziej skomplikowana niż w przypadku sytuacji omawianych na lekcjach.

Słowa kluczowe