Imię i nazwisko autora:

Włodzimierz Natorf

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Wyznaczanie współczynnika tarcia statycznego za pomocą równi pochyłej

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

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:
6) tworzy teksty, tabele, diagramy lub wykresy, rysunki schematyczne lub blokowe dla zilustrowania zjawisk bądź problemu; właściwie skaluje, oznacza i dobiera zakresy osi;
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;
8) rozpoznaje zależność rosnącą bądź malejącą na podstawie danych z tabeli lub na podstawie wykresu; rozpoznaje proporcjonalność prostą na podstawie wykresu;
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;
13) rozróżnia błędy przypadkowe i systematyczne;
14) wyznacza średnią z kilku pomiarów jako końcowy wynik pomiaru powtarzanego;
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:
17) opisuje opory ruchu (opory ośrodka, tarcie statyczne, tarcie kinetyczne); rozróżnia współczynniki tarcia kinetycznego oraz tarcia statycznego; omawia rolę tarcia na wybranych przykładach.

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. definiuje siłę tarcia statycznego,

2. definiuje współczynnik tarcia statycznego pomiędzy dwiema powierzchniami,

3. opisuje, od czego zależy maksymalna wartość siły tarcia statycznego,

4. formułuje warunek zerwania tarcia statycznego na równi pochyłej,

5. przeprowadza eksperyment, w którym badane jest zrywanie tarcia statycznego na równi,

6. analizuje i interpretuje wyniki eksperymentu; wyznacza wartość współczynnika tarcia statycznego.

Strategie nauczania:

IBSE; strategia eksperymentalno‑obserwacyjna

Metody nauczania:

praca eksperymentalna uczniów

Formy zajęć:

w grupach 3‑osobowych oraz w zespole klasowym

Środki dydaktyczne:

Każda grupa wyposażona jest w zestaw doświadczalny:
- deska (lub inne sztywne podłoże) o długości od 40 do 100 cm;
- klocek lub podobny przedmiot, na którym można ustawiać odważniki (lub inne elementy dociążające) w sposób uniemożliwiający ich zsunięcie przy nachyleniu klocka;
- odważniki 50 gramowe (lub komplet 50 g, 100 g, 200 g) albo inne obciążniki o jednakowych masach, rzędu 8 sztuk;
- sztywna linijka o długości nie mniejszej niż długość deski, wystarczająca jest dokładność 0,5 cm;
- kalkulator.

Materiały pomocnicze:

instrukcja wykonania doświadczenia, sporządzona przez nauczyciela

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie podstawowych własności siły tarcia statycznego. Przeprowadza jeden wzorcowy pomiar, z klockiem nieobciążonym. Wskazuje istnienie granicznego nachylenia, przy którym zerwane zostaje tarcie statyczne.

Uczniowie spekulują, czy nachylenie to wzrastałoby, malałoby, czy pozostawało jednakowe w miarą dociążania klocka. Nauczyciel podaje wzór łączący kąt granicznego nachylenia równi ze współczynnikiem tarcia. Zapowiada, że w ramach pracy domowej uczniowie zapoznają się z wyprowadzeniem tego wzoru.

Nauczyciel formułuje hipotezę badawczą: „Nachylenie graniczne, przy którym zerwane zostaje tarcie statyczne, nie zależy od masy klocka” oraz cele doświadczenia: „Zweryfikować tę hipotezę. W przypadku jej potwierdzenia, wyznaczyć wartość współczynnika tarcia”.

Faza realizacyjna:

Uczniowie w grupach mierzą (bezpośrednio, z dokładnością do 1 cm) wysokość graniczną, na jaką należy podnieść jeden koniec równi, by doprowadzić do zerwania tarcia statycznego. Pomiar (pojedynczy) przeprowadzają dla 6‑8 różnych obciążeń klocka, w tym dla klocka nieobciążonego. Uczniowie mierzą jednokrotnie (bezpośrednio, z dokładnością do 0,5 cm lub lepszą) długość użytej deski. Wyniki pomiarów wpisują do tabeli (wzór w załączeniu). Po zakończeniu pomiarów uczniowie uzupełniają tabelę, obliczając graniczny kąt nachylenia równi. Sporządzają wykres zależności kąta αg od obciążenia klocka.

Faza podsumowująca:

Uczniowie rozstrzygają, na podstawie swych pomiarów, postawioną hipotezę badawczą. Nauczyciel, kierując dyskusją, wskazuje problematykę niepewności każdego pojedynczego pomiaru. Zwraca uwagę na rozrzuty otrzymanych wyników. Podsumowuje dyskusję i formułuje rozstrzygnięcie hipotezy. Wskazuje przy tym, że przyjąć można, iż podany na początku lekcji związek ma zastosowanie do wykonanego eksperymentu.

Praca domowa:

Uczniowie (w grupach) zapoznają się z e‑materiałem. Przeprowadzają symulację wykonanego w klasie eksperymentu. Na podstawie zestawu ćwiczeń dokonują analizy własnych wyników, uzyskanych w klasie. Wyznaczają wartość współczynnika tarcia wraz z niepewnością pomiarową.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Cały e‑materiał może służyć jako wprowadzenie do analogicznej lekcji doświadczalnej, jak opisana powyżej.