Imię i nazwisko autora:

Andrzej Kajetan Wróblewski

Włodzimierz Natorf

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Co wspólnego mają prawo Ohma i II zasada dynamiki Newtona?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy, zakres rozszerzony; rozszerzenie zapisów podstawy programowej

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne:
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
IV. Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy materiałów źródłowych, w tym tekstów popularnonaukowych.

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu;
16) przedstawia własnymi słowami główne tezy tekstu popularnonaukowego z dziedziny fizyki lub astronomii;
17) przedstawia wybrane informacje z historii odkryć kluczowych dla rozwoju fizyki.
II. Mechanika. Uczeń:
6) stosuje zasady dynamiki do opisu zachowania się ciał.
VII. Prąd elektryczny. Uczeń:
3) stosuje do obliczeń proporcjonalność natężenia prądu stałego do napięcia dla przewodników (prawo Ohma).

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
17) przedstawia wybrane informacje z historii odkryć kluczowych dla rozwoju fizyki;
18) przedstawia własnymi słowami główne tezy tekstu popularnonaukowego z dziedziny fizyki lub astronomii;
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
II. Mechanika. Uczeń:
13) stosuje zasady dynamiki do opisu zachowania się ciał.
VIII. Prąd elektryczny. Uczeń:
5) stosuje do obliczeń proporcjonalność natężenia prądu stałego do napięcia dla przewodników (prawo Ohma).

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia 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.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. przedstawi życiorys i dokonania Ohma;

2. oceni – ze swojego punktu widzenia – stopień atrakcyjności kariery naukowej podobnej do tej, która była udziałem Ohma;

3. przeanalizuje wybrane aspekty prawa Ohma, w tym jego strukturę logiczną;

4. porówna tę strukturą ze strukturą II zasady dynamiki Newtona;

5. wskaże inne prawa fizyki, o strukturze tożsamej z prawem Ohma.

Strategie nauczania:

strategia odwróconej klasy, elementy IBSE

Metody nauczania:

nauczanie problemowe (sekwencja pytań i odpowiedzi)

Formy zajęć:

wspólna praca całego zespołu klasowego, dyskusja uczniowska

Środki dydaktyczne:

szkolna tablica, komputer z rzutnikiem, dostęp do internetu

Materiały pomocnicze:

niniejszy e‑materiał

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Na poprzedniej lekcji nauczyciel zlecił uczniom zapoznanie się z e‑materiałem i rozwiązanie zaproponowanych w nim zadań oraz wykonanie poleceń towarzyszących audiobookowi. Szczególną uwagę uczniowie mają zwrócić na dwa ostatnie polecenia oraz na pytanie zadane we Wprowadzeniu.
Nauczyciel prosi uczniów o syntetyczne przypomnienie prawa Ohma w postaci ${\displaystyle I=\frac{1}{R}\cdot <!--\; \cdot \; -->U}$ oraz o zdefiniowanie wielkości fizycznych występujących w tym prawie.

Faza realizacyjna:

Uczniowie wskazują, która spośród trzech wielkości jest przyczyną przepływu prądu elektrycznego, która jest miarą skutku, która zaś opisuje cechy przewodnika (opornika). Tę ostatnią nauczyciel określa jako „przelicznik skutku na przyczynę”; zwraca uwagę, że skoro wielkość ‘R’ występuje w mianowniku, to ma interpretację „miary przeszkadzania w przepływie prądu”, a nie „miary podatności na przepływ prądu”.
Nauczyciel prosi uczniów o wypowiedzenie II zasady dynamiki Newtona oraz o przeprowadzenie analogicznej analizy struktury tego prawa: wskazanie wielkości, które uznają, odpowiednio, za przyczynę (wypadkowa siła działająca na ciało), za skutek (przyspieszenie ciała) oraz za przelicznik (masa ciała). Nauczyciel dba, by w wypowiedziach pojawiło się rozstrzygnięcie, czy masa ciała jest miarą jego podatności na działanie siły, czy raczej miarą jego bezwładności, analogicznie do oporu elektrycznego.
Nauczyciel prosi uczniów o wskazanie jednego‑dwóch praw fizyki o analogicznej strukturze albo wskazuje je sam, dobierając przykłady odpowiednio do zakresu kształcenia klasy i zaawansowania w programie nauczania:
prawo Hooke w postaci: ${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}x=\frac{1}{k}\cdot <!--\; \cdot \; -->F}$;
związek ładunku zgromadzonego w kondensatorze i napięcia ładowania w postaci: ${\displaystyle Q=C\cdot <!--\; \cdot \; -->U}$;
zmiana temperatury ciała w funkcji wymiany ciepła z otoczeniem w postaci: ${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}T=\frac{1}{m\cdot <!--\; \cdot \; -->c}\cdot <!--\; \cdot \; -->Q}$;
trudne w interpretacji:
graniczna prędkość ciała poruszającego się w cieczy pod wpływem stałej siły F: ${\displaystyle v_{gr}\sim <!--\; \sim \; -->F}$;
związek długości fali harmonicznej z okresem drgań źródła w postaci ${\displaystyle \mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}=v\cdot <!--\; \cdot \; -->T}$;
elektryczne prawo Gaussa w postaci ${\displaystyle {\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}}_E=\frac{1}{{\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_0}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathrm{\Sigma <!--\; \Sigma \; -->}q}$
Przy każdym prawie uczniowie przedstawiają analogiczną analizę jego struktury.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel stwierdza, że wynajdywanie analogii pomiędzy różnymi z pozoru zjawiskami, wydarzeniami, prawami, itp. jest częścią pracy naukowej, która sprawia uczonemu dużo satysfakcji. Jest to umiejętność, która na ogół prowadzi do porządkowania myśli i opisu; często prowadzi do odkrywania, formułowania i uzasadniania praw nowych.
Nauczyciel przywołuje postawione pytania oraz myśl zawartą we Wprowadzeniu do e‑materiału i prosi uczniów o wypowiedzenie się na temat wartości kariery naukowej, z uwzględnieniem ewentualnej sytuacji, w której osiągnięcia naukowca nie znajdują uznania (nie od razu znajdują uznanie) u jego współpracowników czy sponsorów finansujących jego badania naukowe.

Praca domowa:

Nauczyciel proponuje uczniom zapoznanie się, we własnym zakresie, z elementami dualizmu korpuskularno‑falowego dla światła (np. na podstawie e‑materiałów „Jak definiujemy foton i jego energię?” i „Natura korpuskularna promieniowania elektromagnetycznego”). Na tej podstawie uczeń winien uzasadnić, że wyrażenie ${\displaystyle E_f=h\cdot <!--\; \cdot \; -->f}$, łączące energię fotonu z częstotliwością fali elektromagnetycznej, nie ma struktury analogicznej do praw, o których była mowa podczas lekcji.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Notkę biograficzną oraz audiobook z poleceniami aktywizującymi można wykorzystać jako kilkuminutowy wstęp (zainteresowanie tematem) do lekcji o prawie Ohma.