| |
| |
| Kosmos na Ziemi, czyli kilka przykładów działania siły bezwładności |
| III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony |
| Cele kształcenia - wymagania ogólne
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji lub doświadczeń oraz wnioskowanie na podstawie ich wyników.
Zakres podstawowy
Treści nauczania - wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik;
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość;
II. Mechanika. Uczeń:
9) rozróżnia układy inercjalne i nieinercjalne; posługuje się pojęciem siły bezwładności;
Zakres rozszerzony
Treści nauczania - wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik;
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;
11) opisuje przebieg doświadczenia lub pokazu; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość;
II. Mechanika. Uczeń:
18) rozróżnia układy inercjalne i nieinercjalne; omawia różnice między opisem ruchu ciał w układach inercjalnych i nieinercjalnych; posługuje się pojęciem siły bezwładności. |
Kształtowane kompetencje kluczowe: | Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. |
| Uczeń:
wymienia przykładowe efekty związane z działaniem sił bezwładności. wyjaśnia pojęcie nieważkości. zapisuje bilans sił działających na ciała w układach nieinercjalnych. stosuje siły bezwładności w rozwiązywaniu zadań rachunkowych. proponuje i konstruuje własne doświadczenia demonstrujące działanie sił bezwładności. |
| |
| |
| - praca zespołowa,
- karty pracy. |
| karty pracy, statyw z krążkami, które mogą się po nim zsuwać, nitka/linka, lekkie, plastikowe wiadro z uchwytem, piłeczki pingpongowe |
| |
|
|
Nauczyciel prosi uczniów o wyjaśnienie pojęcia nieważkości. Wspólnie z uczniami, poprzez dyskusję, dochodzi do uzyskania poprawnej definicji (stan, w którym brak jest siły powodującej nacisk lub gdy siła ta jest równoważona przez inną). Nauczyciel wyświetla na ekranie przykłady stanu nieważkości w przestrzeni kosmicznej - może być to film przedstawiający swobodne unoszenie się we wnętrzu statku kosmicznego, bezwładny ruch przedmiotów, kropla wody unosząca się wewnątrz statku, itd. Nauczyciel prosi uczniów o narysowanie wektorów sił, działających np. na kroplę wody w statku krążącym wokół Ziemi (wektor siły ciężkości i wektor równoważącej ją siły odśrodkowej).
Wprowadzenie efektu zaciekawienia - czy możliwe jest uzyskanie podobnego stanu na powierzchni Ziemi? |
|
W zależności od dostępności wykorzystywanych urządzeń, doświadczenia można przeprowadzić grupowo dla całej klasy, bądź też podzielić klasę na mniejsze grupy i poprosić uczniów o ich samodzielne wykonywanie. Nauczyciel przed zajęciami przygotowuje karty pracy, które rozdaje uczniom. Na kartach pracy znajdują się:
- do doświadczenia 1: rysunek dwóch krążków połączonych nitką, znajdujących się na statywie, wraz z poleceniem narysowania sił działających na krążki w układzie nieinercjalnym (związanym z krążkiem) oraz określeniem zachowania nici (napięta/nienapięta) i jego wyjaśnieniem
- do doświadczenia 2: cztery rysunki człowieka trzymającego wiadro z piłeczkami: w dwóch wiadro znajduje się na dole, w dwóch na górze; w każdej parze wiadro raz znajduje się w spoczynku, raz w ruchu, co można zasygnalizować strzałką oraz podaniem symbolu prędkości kątowej. Polecenie: narysować wektory sił działające na piłeczki w każdym przypadku.
1. Doświadczenie z dwoma krążkami na statywie. Nauczyciel prosi ochotnika, by połączył nitką dwa krążki, a następnie zamontował całość na statywie, podtrzymując krążki tak, by nie zsuwały się. Następnie uczeń puszcza krążki. Obserwujemy, że pomimo działania siły ciężkości na krążki (ruch w dół) linka je łącząca pozostaje swobodna.
2. Doświadczenie z wiadrem wypełnionym piłeczkami do ping‑ponga. Nauczyciel wybiera ucznia‑ochotnika i prosi go, by włożył do wiaderka piłeczki pingpongowe, a następnie obrócił wiadro do góry nogami – piłeczki wypadną. Nauczyciel następnie zachęca ucznia, by zaczął kręcić wiadrem w pionowej płaszczyźnie. Przy odpowiednio szybkim wirowaniu piłeczki nie będą wypadać z wiadra. Rekonstruowanie wiedzy uczniów.
Nauczyciel prosi uczniów, by przedyskutowali w grupach zaobserwowane zjawiska, a następnie wypełnili karty pracy. W doświadczeniu 2. należy pamiętać o siłach reakcji wiadra! |
|
Nauczyciel prosi uczniów o rozwiązanie zadań rachunkowych związanych z doświadczeniem 2. Przykładowe zadania:
1. Z jaką prędkością liniową (lub kątową) musi wirować wiadro, aby znajdujące się w nim piłeczki były nieważkie? Przyjąć, że odległość wiadra od osi obrotu wynosi r = 50 cm (długość ręki).
2. Z jaką prędkością liniową (lub kątową) musi wirować wiadro, aby znajdujące się w nim piłeczki nie wypadały (lub wypadały) na zewnątrz? Przyjąć, że odległość wiadra od osi obrotu wynosi r = 50 cm (długość ręki). (wbrew pozorom nie jest to identyczne zadanie do poprzedniego - tam chodzi o dokładną wartość siły odśrodkowej, która równoważy siłę ciężkości. W zadaniu 2 chodzi o siłę co najmniej (lub co najwyżej) równą sile ciężkości, więc odpowiedź będzie przedziałem liczbowym). „Nadwyżka” siły odśrodkowej nad siłą grawitacji powoduje nacisk piłeczek na dno wiadra, co będzie równoważone siłą reakcji wiadra.
3. Wyobraźmy sobie stację kosmiczną złożoną z pierścienia o promieniu r = 300 m umieszczonego na osi, względem której pierścień ten może się obracać. Stacja przemierza ruchem prostoliniowym przestrzeń kosmiczną z dala od planet oraz gwiazd, w związku z tym na jej mieszkańców nie działa siła grawitacji. Taki stan nieważkości jest na dłuższą metę niezdrowy dla kosmonautów, gdyż powoduje m.in. degradację mięśni i kości oraz mdłości wywołane przez zaburzenia pracy błędnika. Aby temu zapobiec, w stacji postanowiono uruchomić „sztuczną grawitację” poprzez wprawienie pierścienia w ruch wirowy. Z jaką prędkością liniową (lub kątową) powinien wirować pierścień, aby przebywający w nim kosmonauci odczuwali przyspieszenie równe połowie przyspieszenia ziemskiego? |
|
1. Wykonanie doświadczenia z wagą łazienkową. Uczeń staje spokojnie na wadze i zapisuje otrzymany wynik. Następnie uczeń zaczyna wykonywać na wadze przysiady i obserwuje, co dzieje się ze wskazaniami wagi podczas gdy kuca i wstaje. Analizując wnioski z doświadczenia, uczeń powinien odpowiedzieć na pytania: co tak naprawdę „waży waga”? Dlaczego wskazania zmieniają się, gdy uczeń porusza się z przyspieszeniem? Jak wyjaśnić zmiany wskazań przy ruchu w konkretnym kierunku? (tutaj uczeń powinien m.in. narysować wektory działających sił).
2. Zaprojektowanie własnego doświadczenia obrazującego działanie sił bezwładności oraz jego wykonanie i omówienie podczas lekcji (zadanie może być realizowane w grupach). Może to być np. bardziej „ekstremalna” wersja doświadczenia z ćwiczeń (np. zastąpienie piłeczek wodą) lub zupełnie inne doświadczenie. |
Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium: | Film można wykorzystać jako główny element fazy realizacyjnej lekcji, aby uczniowie mieli możliwość zaznajomienia się z niektórymi efektami związanymi z siłami bezwładności. |