Gdy przedmioty nie spadają na ziemię: sprzeczna z intuicją fizyka zrównoważonych sił.

W jakim celu nauczamy fizyki? By przekazać uczniom nowe koncepcje – czy może raczej sprawić by porzucili te których się trzymają? W niektórych obszarach, takich jak fizyka swobodnego spadania, wydaje się, że głównym zadaniem jest to drugie. Choć mechanika Newtonowska jest prosta, nasza intuicja sprawia, że ciężko nam zaakceptować niektóre ze sprzecznych z nią zasad.

Uczniowie, którzy rozpoczynają naukę fizyki posiadają już zdecydowane poglądy na temat wielu praw rządzących światem. Jak wynika z badań, uczniowie często  intuicyjnie tworzą i przyjmują zasady opisujące mechanizmy leżące u podstaw zjawisk fizycznych (Viennot, 2014). Niektóre z najczęściej występujących to:

• Im silniejsza przyczyna, tym większy skutek.
• Kilka działających czynników powoduje większy skutek niż jeden.
• Za przyczyną musi podążać skutek.

Dodatkowo, zgodnie z naszymi ustaleniami (Tsakmaki & Koumaras, 2014; Tsakmaki, 2016), uczniowie wydają się stosować tak zwaną “zasadę typu” według której przyczyna i skutek są tego samego rodzaju.

Używamy tutaj pojęcia “typ” jako nazwy na:

• Wzajemne położenie przyczyny i skutku w przestrzeni.
• Rodzaj zmiany jaka ma miejsce (takiej jak zwiększenie lub zmniejszenie).
• Intensywność przyczyny i skutku.

W tym artykule przyjrzymy się trzem prostym doświadczeniom w których pojawia się zasada typu. Mogą być wykorzystane do ukazania sposobu w jaki uczniowie rozumują oraz by umożliwić nauczycielowi przedstawienie pojęć fizycznych w bardziej przystępny sposób.

Pierwsze doświadczenie jest rozwinięciem często występującego w podręcznikach zadania dla uczniów, w którym mają oni narysować siły działające na rzuconą prosto do góry monetę. Uczniowie mają trudności w zrozumieniu, że (ignorując opór powietrza), po tym jak moneta opuści rękę, jedyną działającą na nią siłą jest jej waga. W rzeczywistości, moneta znajduje się w stanie swobodnego spadku nawet w momencie w którym unosi się ona do góry! Wykonanie tego doświadczenia z wodą w miejsce monety, udowadnia to ponad wszelką wątpliwość.

Pozostałe dwa eksperymenty demonstrują ideę równowagi: drugi przy wykorzystaniu krążka linowego, a trzeci pływalności. Wszystkie one są odpowiednie dla uczniów w wieku 14-16 lat.

Eksperyment 1: Nieważka woda

To świetny eksperyment na zademonstrowanie efektu działania nieważkości. Sugerujemy by wykonał go nauczyciel (a nie uczniowie). Potrzebny  czas to 30 minut na eksperyment i dyskusję oraz 10 minut na przygotowanie.

Materiały

• Jedna mała (około 0,5 lub 0,75 litra) plastikowa butelka z miękkiego plastiku)
• woda kranowa
• miejsce w którym rozlanie się wody nie spowoduje problemu (np. na zewnątrz budynku)
• (opcjonalnie) smartphone z aplikacją pozwalającą na nagrywanie w zwolnionym tempie

Instrukcja

1. Przekłuj nakrętkę oraz denko plastikowej butelki.
2. Napełnij butelkę wodą. Zakryj palcem otwór w nakrętce by pokazać, że wtedy woda przestaje wypływać przez otwór zrobiony w dnie.
3. Zdejmij palec z otworu by zademonstrować, że woda wypływa teraz przez otwór (ryc. 1).
4. Zapytaj uczniów jak według nich upuszczenie butelki wpłynie na uciekanie z niej wody (zwykle uczniowie prawidłowo przewidują, że woda przestanie wypływać podczas spadania).
5. Uzupełnij wodę w butelce. Sprawdź czy przewidywania uczniów się sprawdzą przez upuszczenie butelki z wysokości ramienia (ryc. 2). Jeśli jest to możliwe, nagraj lot butelki w zwolnionym tempie przy pomocy smartphone'a, dzięki czemu uczniowie będą mogli zobaczyć co dokładnie się stało.
6. Poproś uczniów by teraz spróbowali przewidzieć co się stanie gdy butelkę podrzucimy do góry. Czy woda będzie wypływać czy nie?
7. Uzupełnij wodę w butelce i podrzuć ją do góry (ryc. 3). Uczniowie obserwują (lub również nagrywają), a następnie omawiają wynik eksperymentu.

Dyskusja

Gdy butelka pozostaje w stanie spoczynku, woda swobodnie wypływa przez otwór w dnie. Jest to zgodne z następującą zasadą typu: przyczyna (waga wody) skierowana jest w dół, a rezultat (wypływanie wody przez otwór w dnie) jest podobny. Większość uczniów poprawnie przewiduje, że gdy butelka spada, woda przestanie wypływać, gdyż zarówno ona jak i butelka poruszają się w dół w ten sam sposób.

Co jednak stanie się gdy podrzucimy butelkę do góry: czy woda nadal będzie uciekać? Większość uczniów (ponad 80% z naszych) sądzi, że tak. Ich rozumowanie często bazuje na doświadczeniu w jeździe windą (Corona et al., 2006). Gdy porusza się ona do góry, czujemy się bardziej ciężcy, w związku z tym woda również powinna stać się “bardziej ciężka” i wypływać szybciej.

Przypuszczenie to jest jednak błędne. Jak wykazano w eksperymencie, woda nie wypływa z butelki ani podczas ruchu w górę ani w dół. Po tym jak butelka zostanie wypuszczona z ręki, jedyna działająca na nią siła to jej waga – jest więc w swobodnym spadku również gdy porusza się do góry (ponieważ jej prędkość spada). Tak samo jak astronauci w kosmosie, woda w butelce “czuje się” nieważka – brak wagi oznacza, że woda nie wypływa.

Błędne rozumowanie uczniów jest zgodne z zasadą typu. W tym przypadku, wyobrażaną sobie przez uczniów przyczyną jest domniemany wzrost wagi wody z powodu przemieszania się butelki w górę. Rezultatem powinno być szybsze jej wypływanie z butelki. Wynik eksperymentu jest odwrotny do oczekiwań, co kwestionuje wynikające z intuicji rozumowanie uczniów.

Eksperyment 2: Niesymetryczna równowaga

W tym eksperymencie dwa ciężary są w stanie równowagi, choć nie znajdują się na tej samej płaszczyźnie tak jak ma to miejsce np. na wadze. Eksperyment oraz dyskusja zajmują 20 minut, plus 10 potrzebne na przygotowanie.

Materiały

• Kawałek drewna o wymiarach około 10 cm x 10 cm x 10 cm (lub podobnych)
• małe wiaderko z uchwytem
• suchy piasek (ilość ważąca tyle co kawałek drewna)
• krążek linowy (pojedynczy talerz z liną)
• waga do zważenia drewna, wiaderka i piasku

Instrukcja

Kroki 1-4 to przygotowanie, prezentacja to kroki 5-6.

1. Zważ kawałek drewna.
2. Napełnij wiaderko piaskiem tak by razem ważyły tyle samo co kawałek drewna.
3. Ustaw krążek linowy tak by końce liny zwisającej z obu stron były tej samej długości. Przywiąż kawałek drewna do jednego końca, a wiaderko z piaskiem do drugiego.
4. Upewnij się, że ciężar drewna i wiaderka z piaskiem równoważą się, tak, by żaden z nich nie opadał. W razie potrzeby dodaj lub ujmij piasku z wiaderka.
5. Zademonstruj uczniom układ w którym drewno i wiaderko są na tym samym poziomie (ryc. 4). Następnie przesuń drewno do góry, tak by było wyżej niż wiaderko. Trzymając obydwa ciężary, zapytaj uczniów co według nich się stanie gdy je puścisz.
6. Puść kawałek drewna. Co się stało? Nic! Poproś uczniów o wytłumaczenie.

Dyskusja

Gdy przeprowadzaliśmy ten eksperyment, prawie połowa uczniów szkoły średniej przewidywała, że ciężary wrócą do swoich wyjściowych pozycji - pomimo tego, że siła wypadkowa działająca na dwa obiekty znajdujące się w stanie równowagi statycznej wynosi 0, tak więc nie będą się poruszać.

Gdy uczniowie widzą kawałek drewna i wiaderko na różnych wysokościach wobec siebie, zdają się nie dostrzegać tego, że waga obu obiektów równoważy się. Zamiast tego, koncentrują się na tym co najbardziej rzuca się w oczy – położeniu tych obiektów na różnych wysokościach. Wydaje się to reprezentować rezultat – tak więc, zgodnie z zasadą typu, przyczyna musi być tego samego rodzaju: nierówne siły. W rezultacie, wielu uczniów dochodzi do wniosku, że jeden z obiektów (ten bliżej ziemi) musi być cięższy od drugiego.

Eksperyment 3: Unoszenie się pod wodą.

Materiały

• Plastikowa butelka (np. 0,5 litrowa miękka butelka po napoju) z nakrętką
• pojemnik wypełniony wodą (najlepiej o kształcie wysokiej kolumny)
• piasek
• siłomierz
• kawałek kabla lub sznurka

Instrukcja

Kroki 1-2 to przygotowanie, prezentacja to kroki 3-6.

1. Napełnij butelkę wodą.
2. Wsyp do butelki małą ilość piasku i zakręć nakrętkę. Dodawaj piasku do momentu w którym butelka nie będzie ani wypływać na powierzchnię, ani tonąć gdy umieści się ją na dowolnej głębokości w pojemniku z wodą, (ryc. 5).
3. Na początku, umieść butelkę blisko dna pojemnika.
4. Następnie, przemieść butelkę bliżej powierzchni wody. Zapytaj uczniów w którym z tych dwóch miejsc siła wyporu działająca na butelkę jest większa.
5. Używając kabla/sznurka połącz siłomierz z butelką. Zmierz siłę netto działającą na butelkę: wagę minus siłę wyporu (gdy zanurzona butelka przemieszczana jest w stronę powierzchni wody, ostrożnie przesuwaj też siłomierz, tak by nie ciągnął butelki).
6. Odczytaj wskazania siłomierza w obu położeniach butelki w zbiorniku: siła powinna wynosić 0.
7. Poproś uczniów by to wyjaśnili.

Dyskusja

Gdy przeprowadziliśmy ten eksperyment, okazało się, że według ponad 40% naszych uczniów, im wyżej znajduje się butelka tym większa powinna być działająca na nią siła wyporu. W rzeczywistości butelka znajduje się w stanie równowagi niezależnie od położenia w zbiorniku. Działająca na nią siła wynosi 0.

Gdy uczniowie widzą butelkę unoszącą się w wodzie na różnych głębokościach, niektórzy z nich ignorują fakt, że działające na nią siły równoważą się. Podobnie jak w poprzednim eksperymencie, skupiają się na tym co widać (różna głębokość) i wyciągają z tego podobny wniosek, że działające na nią siły muszą być różne. Waga butelki nie zmienia się przez cały eksperyment, więc uważają, że im wyżej się znajduje, tym większa jest siła wyporu.

Uwagi końcowe

Uważamy, że te sprzeczne z intuicją eksperymenty są czymś więcej niż tylko ciekawostkami. Możemy wykorzystać rozbieżności między przewidywaniami uczniów, a ich wynikami by lepiej zrozumieć błędne założenia czynione przez młodzież. Włączając te eksperymenty w lekcje możemy przynieść rzeczywiste korzyści nauczaniu.