Imię i nazwisko autora:

Przemysław Michalski

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Dlaczego nie należy ważyć się w przyspieszającej windzie? Badamy cechy siły bezwładności.

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
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:
4) przeprowadza obliczenia liczbowe, posługując się kalkulatorem;
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:
4) przeprowadza obliczenia liczbow,e posługując się kalkulatorem;
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 osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

• kompetencje cyfrowe.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. objaśnia, dlaczego siły bezwładności występują tylko w układach nieinercjalnych.

2. określa cechy wektora siły bezwładności (ogólnie oraz dla konkretnych układów nieinercjalnych).

3. wykonuje i interpretuje doświadczenia obrazujące bezwładny i niebezwładny ruch ciał.

4. oblicza wartość siły bezwładności.

Strategie nauczania:

strategia kształcenia wyprzedzającego

Metody nauczania:

- dyskusja,
- eksperyment,
- analiza pomysłów.

Formy zajęć:

praca w grupach

Środki dydaktyczne:

pęk kluczy (najlepiej długich), stół, obrus, talerz (ciężki - nie plastikowy); w innym wariancie: stół, deska, wózek o małym tarciu

Materiały pomocnicze:

brak

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Wzbudzenie ciekawości - nauczyciel prosi uczniów, by spróbowali wymyślić sposób ściągnięcia ze stołu obrusa bez przesuwania i podnoszenia stojących na nim naczyń. Nauczyciel zadaje pytanie sprawdzające, czy uczniowie pamiętają pojęcie siły i zasady dynamiki.

Faza realizacyjna:

1. Prezentacja bezwładności w eksperymencie. Do eksperymentu potrzebny jest stół z obrusem, na którym stoi talerz. Nauczyciel wyciąga obrus spod talerza, poprzez szybkie szarpnięcie. Uczniowie obserwują, że położenie talerza praktycznie nie uległo zmianie. Nauczyciel wyjaśnia, że ma to związek z bezwładnością talerza, który nie może zmienić swojego rodzaju ruchu (tu: spoczynku), jeśli nie działa na niego żadna siła (w tym przypadku: tarcie między obrusem a talerzem działa na tyle krótko, że nie jest go w stanie przesunąć na zauważalną odległość). Inny, mniej „ryzykowny” wariant tego doświadczenia: nauczyciel kładzie na stole długą deskę, a na niej stawia wózek o małym tarciu. Nauczyciel prosi ucznia‑ochotnika, by zaznaczył (np. flamastrem) na stole i desce punkt położenia kół wózka względem stołu (i deski). Nauczyciel następnie szybko wyciąga deskę spod wózka i prosi uczniów, by określili, czy położenie wózka względem stołu/deski uległo zmianie (stół: nie powinno/deska: zmieniło się).

2. Analiza zjawisk w inercjalnym układzie odniesienia. Nauczyciel, wspólnie z uczniami, stara się wypracować opis ruchu w inercjalnym (związanym ze stołem) układem odniesienia. Nauczyciel stara się nie przekazywać wiedzy explicite, raczej zadaje uczniom pytania naprowadzające i aktywizuje ich – np. czy położenie wózka/talerza względem stołu uległo zmianie? Czy na wózek/talerz działała jakaś siła? Czy działanie siły na obrus/deskę powoduje powstanie siły działającej na talerz/wózek? Rozumowanie ma doprowadzić do wniosku, że - w inercjalnym układzie odniesienia związanym ze stołem - na wózek/talerz nie działały żadne siły, w związku z czym nie mógł on zmienić względem stołu swojego położenia. Nauczyciel podkreśla, że taką cechę ciał nazywa się bezwładnością.

3. Analiza zjawisk w układzie nieinercjalnym. Nauczyciel zachęca teraz uczniów, by wyobrazili sobie sytuację w układzie nieinercjalnym (np. proponując, by wyobrazili sobie, że siedzą na wózku lub talerzu). Ponownie wykorzystując metodę pytań naprowadzających, nauczyciel aktywizuje uczniów, by doprowadzili rozumowanie do następującej postaci: w układzie nieinercjalnym obserwator „siedzący” na wózku/talerzu zauważa, że przesuwa się względem nich. Skoro tak, to na obserwatora w układzie nieinercjalnym musi działać pewna siła, która powoduje jego ruch względem deski/obrusa.

4. Wyznaczenie cech siły bezwładności. Aby wyznaczyć cechy siły bezwładności, nauczyciel odwołuje się do zasady, że - niezależnie od wykorzystywanego do opisu układu odniesienia - efekty zachodzących zjawisk muszą być takie same. Zachęca uczniów, by samodzielnie spróbowali określić cechy siły przez następujące rozumowanie: w układzie inercjalnym wózek/talerz nie przesunął się względem stołu. Aby uzyskać ten sam efekt (braku przesunięcia względem stołu) w układzie nieinercjalnym poruszającym się z pewnym przyspieszeniem $\overrightarrow{a}$, musi pojawić się pewna siła wywołująca przyspieszenie talerza/wózka, które będzie przeciwnie skierowane. Wyniesie ono zatem . Siła z nim związana, na mocy II zasady dynamiki, równa będzie .

5. Nauczyciel przekłada wnioski uczniów z punktu 4 na model matematyczny, zapisując równanie wektorowe .

6. Nauczyciel prosi ucznia‑ochotnika o przeprowadzenie doświadczenia z kluczami. Na początku klucze są po prostu trzymane (za brelok) w ręce, co sprawia, że ich języczki opadają w dół. Nauczyciel następnie prosi ochotnika o podrzucenie kluczy, a całą klasę o obserwację, jak ułożą się w powietrzu (języczki nie opadają na dół, klucze w trakcie ruchu znajdują się w stanie nieważkości). Nauczyciel prosi uczniów, by na podstawie zdobytej wiedzy spróbowali opisać siły działające na klucze w nieinercjalnym układzie odniesienia i zastanowili się, skąd bierze się stan nieważkości.

Faza podsumowująca:

1. Odwołanie się do tematu zajęć - na podstawie zdobytej wiedzy nauczyciel zachęca uczniów do wskazania, czemu nie należy ważyć się w windzie poruszającej się z przyspieszeniem. Część ta sprowadza się do wskazania cech siły bezwładności oraz pokazania, że w przyspieszającej windzie siła wypadkowa działająca na wagę jest inna niż siła ciężkości ważonego obiektu, co zakłóca wynik ważenia. Nauczyciel prosi uczniów by wskazali, w jakich sytuacjach waga pokaże mniejsze wskazanie, a w jakich większe.
2. Rozwiązanie zadań 4 i 5.
3. Uczniowie zadają pytania, wyjaśniają wątpliwości.

Praca domowa:

1. Rozwiązanie pozostałych zadań multimedium sprawdzającego. Wykorzystanie multimedium bazowego.
2. Analiza wiersza Miłosza Waligórskiego pt. „rower” ([http://publica.pl/teksty/cztery-wiersze-41047.html] [http://publica.pl/teksty/cztery-wiersze-41047.html](http://publica.pl/teksty/cztery‑wiersze‑41047.html)) Czy opisane w nim „odczuwanie” bezwładności jest zbliżone do tego, co opisujemy za pomocą fizyki? Jak należałoby opisać ruch rowerzysty (w układzie inercjalnym i nieinercjalnym), gdyby rower gwałtownie zahamował?

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Grafikę interaktywną należy wykorzystać jako pracę domową, do rekonstruowania wiedzy.