| |
| |
| Pomiar parametrów ruchu jednostajnie opóźnionego. Jaką rozdzielczość powinien mieć stoper do ręcznego pomiaru czasu? |
| III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony |
| Cele kształcenia - wymagania ogólne: III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji oraz doświadczeń i wnioskowanie na podstawie ich wyników. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 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; 13) rozróżnia błędy przypadkowe i systematyczne; 15) posługuje się pojęciem niepewności pomiaru wielkości prostych i złożonych; zapisuje wynik pomiaru wraz z jego jednostką oraz z uwzględnieniem informacji o niepewności; uwzględnia niepewności przy sporządzaniu wykresów; 16) przeprowadza obliczenia i zapisuje wynik zgodnie z zasadami zaokrąglania oraz zachowaniem liczby cyfr znaczących wynikającej z dokładności pomiaru lub z danych. II. Mechanika. Uczeń: 6) wyznacza położenie, wartość prędkości, wartość przyspieszenia i drogę w ruchu jednostajnym i jednostajnie zmiennym na podstawie danych zawartych w postaci tabel i wykresów. |
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.
|
| Uczeń:
przeprowadzi wirtualny eksperyment, w którym zmierzy drogę przebywaną przez odważnik aż do zatrzymania się oraz czas, po jakim się on zatrzymuje;
określi graniczne niepewności pomiarowe mierzonych wielkości;
zmierzy, w pomiarze pośrednim, wartość opóźnienia oraz początkowej prędkości odważnika;
wyznaczy standardowe niepewności pomiaru tych wielkości;
oceni zgodność uzyskanych przez siebie wartości opóźnienia oraz początkowej prędkości z wartościami przyjętymi w wirtualnym eksperymencie;
przeanalizuje wyniki pomiaru czasu zatrzymania się odważnika, uzyskane ręcznymi stoperami przez różne osoby i porówna rozrzut tych wyników z rozdzielczością użytych stoperów;
wyrazi opinię o celowości – z punktu widzenia fizyki – produkowania stoperów do ręcznego pomiaru czasu o zadanej rozdzielczości.
|
| strategia odwróconej klasy z elementami nauczania hybrydowego |
| praca uczniów pod kierunkiem nauczyciela, wspólna praca całego zespołu klasowego |
| dyskusja, pomiar i wspólna analiza jego wyników |
| 1. (do demonstracji zestawu doświadczalnego) ławka uczniowska, usytuowana w sposób umożliwiający jej obejrzenie przez wszystkich uczniów; taśma miernicza o długości co najmniej takiej, jak ławka; odważnik (np. stu- lub dwustugramowy) lub inny temu podobny obiekt; kilka stoperów o jednakowej rozdzielczości (można przyjąć, że uczniowie dysponują takowymi w swych telefonach i że ich rozdzielczość to 0,01 s) 2. klasowy zestaw komputer + rzutnik; zapewni to dostęp do arkusza kalkulacyjnego który, w miarę potrzeb, pozwoli uruchomić którekolwiek z multimediów 3. arkusz kalkulacyjny zostaje przed lekcją zaprogramowany przez nauczyciela, by po wprowadzeniu wyników serii kilku‑kilkunastu pomiarów czasu, przedstawił: histogram wyników (w binach o szerokości 0,1 s, z możliwością regulacji szerokości); średnią wartość serii; jej odchylenie standardowe; niepewność obliczonej wartości średniej |
| niniejszy e‑materiał; e‑materiały „Dyskusja wyników i formułowanie wniosków z prowadzonego eksperymentu.” (fragmenty dobrane pod kątem omawianej problematyki) oraz „Niepewność wielkości mierzonej pośrednio”; krótkie instrukcje dla uczniów, wspomagające wykonanie projektów zadanych w ramach pracy domowej (szczegóły w części „praca domowa”) |
|
|
Na poprzedniej lekcji nauczyciel podzielił uczniów na 2‑3 osobowe grupy i zlecił zapoznanie się z e‑materiałem, przeprowadzenie wirtualnego pomiaru przyspieszenia i początkowej prędkości; dla każdej grupy wskazał inny „numer stolika” (patrz opis wirtualnego laboratorium). Zlecił także pisemne przygotowanie wyników pomiaru zgodnie ze wzorcem zaproponowanym w części „Sprawdź się”. Na lekcji nauczyciel prosi uczniów o zgłoszenie tych etapów postępowania, w których napotkali na trudności. Zachęca pozostałych uczniów do komentowania zgłoszonych problemów oraz do zaproponowania pomocy przy ich rozwiązywaniu. Ewentualnie nauczyciel sam wyjaśnia problem. |
|
Uczniowie zbierają się wokół zestawu doświadczalnego. Przygotowują stopery do pomiaru czasu ruchu odważnika po ławce szkolnej. Wyznaczon(-a/-y) ucze(-nnica/-ń) ustawia odważnik na jednym brzegu ławki i popycha go w kierunku drugiego brzegu. Pozostali uczniowie włączają w tym momencie swoje stopery. Po zatrzymaniu odważnika, stopery zostają wyłączone. Nauczyciel prosi uczniów, by kolejno podawali zmierzony przez siebie czas trwania ruchu i wprowadza wyniki do arkusza kalkulacyjnego. Po wprowadzeniu danych, nauczyciel pokazuje histogram wyników i prosi uczniów o jego skomentowanie. W kolejnych etapach dyskusji, nauczyciel ujawnia wartość średnią serii, odchylenie standardowe serii oraz niepewność (standardową) średniej. Prosi uczniów o porównanie tej ostatniej wartości z niepewnością graniczną każdego wyniku z osobna oraz o wskazanie przyczyn, które mogły wywołać obserwowany efekt. |
|
Nauczyciel podsumowuje lekcję stwierdzeniem, że ręczny pomiar czasu wprowadza nieunikniony błąd związany z ludzkim refleksem. Ze względu na swój statystyczny charakter (każdy człowiek ma inny refleks, inne cechy motoryczne), błąd ten jest kwalifikowany jako przypadkowy. Jego skutkiem jest znaczące powiększenie niepewności standardowej pomiaru w porównaniu z wartością wynikającą wyłącznie z rozdzielczości 0,01 s (lub lepszej), typowo dostępnej we współczesnych stoperach cyfrowych. Nauczyciel prosi uczniów o skomentowanie, z punktu widzenia fizyki, celowości produkowania stoperów o rozdzielczościach: 0,1 s; 0,01 s i 0,001 s do ręcznego pomiaru czasu. |
|
Nauczyciel proponuje uczniom wykonanie, w grupach 2‑4 osobowych, jednego z trzech projektów.
Dokonanie (analogicznego, jak w e‑materiale) pomiaru parametrów ruchu tzw. kamienia, puszczanego po lodzie w zawodach curlingowych. Uczniowie siedzą na trybunach lub oglądają transmisję z takich zawodów. Wyszukują informacje o rozmiarach kamienia, o rozmiarach toru, po którym ślizga się kamień; o oznaczeniach na tym torze. Planują sposób pomiaru czasu ruchu kamienia od chwili jego puszczenia do chwili zatrzymania (bez zderzenia z innym kamieniem). Planują także sposób pomiaru drogi przebytej przez kamień. Wynikiem projektu jest, prócz wartości początkowej prędkości i przyspieszenia, także opis podobieństw i różnic w badanych ruchach: realnego kamienia curlingowego i wirtualnego odważnika.
Nagranie filmu, na którym przedstawiony byłby ruch obiektu po poziomej powierzchni i dokonanie analizy tego filmu za pomocą programu dedykowanego do wideopomiarów. Uczniowie samodzielnie uruchamiają taki program, zapoznają się z jego możliwościami i dostępnymi opcjami. Wynikiem projektu, prócz zmierzonych vIndeks dolny 00 oraz a, powinny być wykresy zależności położenia od czasu oraz prędkości od czasu obiektu; oba wykresy powinny być odpowiednio skomentowane.
Przedstawienie pomysłu i wykonanie wirtualnego eksperymentu, którego celem byłoby zbadanie, czy ruch obiektu ślizgającego się po poziomej powierzchni jest jednostajnie opóźniony; opracowanie wyników takiego eksperymentu. (Taki charakter ruchu został przyjęty dla potrzeb analizy pomiaru wirtualnego, ale założenie to nie zostało zweryfikowane.) Wynikiem projektu jest nie tylko opracowanie, przedstawienie i zastosowanie metody weryfikacji charakteru ruchu obiektu. Jest także przedstawienie rozstrzygnięcia oraz jego odniesienie do kinematycznego opisu ruchu.
|
Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium | Wirtualny pomiar można przeprowadzić w klasie jako ilustrację podczas lekcji poświęconej ruchowi ciała pod wpływem hamującej siły tarcia kinetycznego. |