Plastelina: kulka i krążek

Poprawna odpowiedź

1 Tak, 2 Tak, 3 Nie, 4 Nie 

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
2 Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.

Wymaganie szczegółowe

3.5. Właściwości materii. Uczeń opisuje zjawisko napięcia powierzchniowego na wybranym przykładzie
3.9. Właściwości materii. Uczeń wyjaśnia pływanie ciał na podstawie prawa Archimedesa.
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność wyciągania wniosków z przeprowadzanych doświadczeń w oparciu o znane prawa fizyki. Trzeba odpowiedzieć na pytanie, dlaczego jedne ciała toną, a inne pływają na powierzchni cieczy. I to nawet wtedy, kiedy są wykonane z tego samego materiału. Generalnie, znając prawo spadku swobodnego, wiemy, że wszystkie bez wyjątku ciała obdarzone masą spadają na Ziemię pod wpływem siły grawitacji działającej pionowo w dół, do środka Ziemi. Ruch w dół może jedynie powstrzymać jakaś równoważąca siła działająca w górę. Taką siłą może być siła wyporu występująca w cieczy lub gazie. Wartość siły wyporu może być na tyle duża że zdoła ‘powstrzymać’ siłę grawitacji przed ściągnięciem ciała w dół (wtedy ciało pływa na powierzchni wody lub unosi się w powietrzu) lub też może być za mała, aby zapobiec takiemu ruchowi (wtedy ciało tonie). Taką siłą może też być siła napięcia powierzchniowego która ‘daje radę’ utrzymać na powierzchni cieczy bardzo lekkie przedmioty, jak monetę, spinacz czy szpilkę.

W zadaniu mamy do czynienia z dwiema jednakowymi masami plasteliny. Jedna tonie, a druga utrzymuje się na powierzchni. A przecież, skoro mają taką samą masę, to i ich ciężar jest taki sam (odpowiedź przecząca na stwierdzenie 4). To dlaczego obie masy nie toną lub obie nie pływają? Obydwa kawałki uformowane zostały z tego samego surowca: plasteliny, czyli muszą mieć taką samą gęstość (fałszywe stwierdzenie 3). Zdrowy rozsądek podpowiada, że plastelina jest gęstsza od wody i tak rzeczywiście jest (prawdziwe stwierdzenie 1). Również w tym przypadku, zdrowy rozsadek sugeruje, że obydwie masy powinny tonąć. A jednak tak się nie dzieje. Decydująca jest tutaj różnica w kształtach: jeden kawałek jest kulką a drugi płaskim krążkiem. Kulka ‘napiera’ na wodę dużo mniejszą powierzchnią niż krążek.

Spinacz czy moneta również utrzymują się na powierzchni wody, chociaż ich gęstość jest większa od gęstości wody. Ich płaski kształt ma tutaj kluczowe znaczenie.

Kto próbował zrobić doświadczenie układając lekką monetę na powierzchni wody, ten doskonale wie jak trudno jest to zrobić. Trzeba bardzo ostrożnie położyć ją największą powierzchnią (na płasko) na powierzchni wody. Przy najmniejszych zaburzeniach (kiedy moneta nie leży idealnie horyzontalnie) moneta spada na dno. Chociaż moneta jest stosunkowo ciężka, przy uważnym działaniu nie opada tylko ‘trzyma się’ na powierzchni. Dlaczego tak się dzieje? Ciężar monety rozłożony jest na dużej powierzchni. Na 1 mm² powierzchni monety przypada stosunkowo mały ciężar. Siła napięcia powierzchniowego jest w stanie zrównoważyć tę siłę i moneta utrzymuje się na powierzchni wody. Można nawet zaobserwować jak powierzchnia wody ugina się pod ciężarem monety.

Płaski krążek, analogicznie do monety, ma maleńką wysokość i stosunkowo dużą powierzchnię styku z wodą. Taki sam ciężar jak w przypadku kulki rozłożony jest na dużo większej powierzchni. Siła napięcia powierzchniowego wody jest w stanie go utrzymać (odpowiedź pozytywna na stwierdzenie 1).

Spośród wszystkich  absolwentów gimnazjum, biorących udział w badaniu, prawie 40% rozwiązało całość zadania prawidłowo. Najwięcej poprawnych odpowiedzi było dla stwierdzenia 2 (83% badanych). Uczniowie prawidłowo interpretowali działanie siły napięcia powierzchniowego na krążek. Niewiele mniej, 77% wszystkich biorących udział w sondażu poprawnie stwierdziło, że plastelina jest gęstsza od wody (stwierdzenia 1). Jedynie pozostałe stwierdzenia 3 i 4 okazały się stosunkowo trudne. Odpowiednio 67% i 63% uczestników badania prawidłowo porównało gęstość i ciężar kulki i krążka. 

Słowa kluczowe