Elektromagnes

Poprawna odpowiedź

1.B., 2.A.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.

Wymaganie szczegółowe

5.3. Magnetyzm. Uczeń opisuje oddziaływanie magnesów na żelazo i podaje przykłady wykorzystania tego oddziaływania
5.5. Magnetyzm. Uczeń opisuje działanie elektromagnesu i rolę rdzenia w elektromagnesie

Komentarz

Zadanie sprawdza rozumienie zasady działania elektromagnesu oraz natury oddziaływania pomiędzy elektromagnesem a materiałem ferromagnetycznym (stalą). Elektromagnes, jak to opisano w zadaniu, można zbudować z zaizolowanego przewodnika nawiniętego na stalowy rdzeń. Przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik powoduje powstanie pola magnetycznego, którego kształt jest bardzo zbliżony do kształtu pola wytwarzanego przez magnesy sztabkowe. W obu przypadkach możemy wskazać dwa bieguny pola magnetycznego: biegun północny i biegun południowy.

W przypadku magnesu sztabkowego, położenie tych biegunów jest stałe i wynika z wewnętrznej budowy ferromagnetyka. W przypadku elektromagnesu, położenie biegunów zależy od kierunku przepływu prądu. Jeśli zmienimy ten kierunek przez odwrotne podłączenie baterii do elektromagnesu, jego bieguny zamienią się miejscami, co jednak nie będzie miało wpływu na charakter oddziaływania pomiędzy elektromagnesem a stalowym ciężarkiem. Podobnie jak w przypadku magnesu sztabkowego, zarówno biegun północny, jak i południowy będzie przyciągał stal.

Prawidłowym rozwiązaniem zadania jest wobec tego kombinacja odpowiedzi 1–B, 2–A: „Po zmianie  kierunku prądu bieguny elektromagnesu zamieniłyby się miejscami, a ciężarek byłby przyciągany przez elektromagnes”. Takiej odpowiedzi udzieliło 26,7% uczniów trzecich klas gimnazjum biorących udział w badaniu, przy czym bardziej kłopotliwa okazała się dla nich druga część zadania. W pierwszej części aż 73,3% uczniów udzieliło prawidłowej odpowiedzi, uważając, iż bieguny magnesu zamienią się miejscami. Jednak w części drugiej już tylko 31,3% uczniów wskazało prawidłowe rozwiązanie. Pozostali uczniowie uznali, że konsekwencją zmiany położenia biegunów będzie zmiana charakteru oddziaływania pomiędzy elektromagnesem a stalą, w efekcie czego ciężarek będzie odpychany przez elektromagnes.

Uzyskany wynik wskazuje na to, że uczniowie na III etapie edukacyjnym mają problemy ze zrozumieniem natury oddziaływania magnetycznego. W przypadku oddziaływania pomiędzy magnesem ferrytowym lub elektromagnesem a nienamagnesowaną stalą jest to bowiem oddziaływanie przyciągające. Rozwiązując zadanie, uczniowie najwyraźniej nie zastanowili się nad tym, że skoro oba bieguny magnesu sztabkowego przyciągają stal, również oba bieguny elektromagnesu będą przyciągały ciężarek wykonany z tego materiału. 

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

1. A., 2. C.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.

Wymaganie szczegółowe

1.3. Ruch prostoliniowy i siły. Uczeń podaje przykłady sił i rozpoznaje je w różnych sytuacjach praktycznych
1.11. Ruch prostoliniowy i siły. Uczeń wyjaśnia zasadę działania dźwigni dwustronnej, bloku nieruchomego, kołowrotu
5.3. Magnetyzm. Uczeń opisuje oddziaływanie magnesów na żelazo i podaje przykłady wykorzystania tego oddziaływania
5.5. Magnetyzm. Uczeń opisuje działanie elektromagnesu i rolę rdzenia w elektromagnesie

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność rozpoznawania sił działających w układach fizycznych i zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas trzecich gimnazjum. W opisanej sytuacji, przed włączeniem elektromagnesu, dźwignia nie pozostawała w równowadze ze względu na różnicę mas ciężarków. W sytuacji, w której zawiesimy ciężarki o różnych masach w jednakowych odległościach od środka dźwigni dwustronnej, ramię na które działa większy ciężar opadnie na dół. Z treści zadania wynika, że można zrównoważyć dźwignię, gdy włączy się elektromagnes, uprzednio umieszczony pod ciężarkiem żelaznym i odpowiednio dobierze wartość płynącego przez niego prądu. Oznacza to, że elektromagnes działa na ciężarek pewną dodatkową siłą. 

Aby dźwignia pozostawała w równowadze, suma sił działających na ciężarek 1 musi być równa sumie sił działających na ciężarek 2. Na ciężarek 1, działają dwie  siły skierowane w dół: siła przyciągania magnetycznego i ciężar. Na ciężarek 2 działa tylko jedna siła skierowana w dół: ciężar. Więc ciężar 2 musi być większy niż 1, żeby zrównoważyć siłę przyciągania magnetycznego. W takim razie prawidłowym rozwiązaniem jest kombinacja odpowiedzi 1.A., 2.C.: „Masa ciężarka nr 1 (wykonanego z żelaza) jest mniejsza od masy ciężarka nr 2. Możemy wysnuć taki wniosek ponieważ na ciężarek 1 oprócz ciężaru i siły naciągu nici działa dodatkowa siła skierowana w dół”.

Odpowiedzi takiej udzieliło 54,8% uczestników badania, przy czym zadanie dobrze ich różnicowało. Trudność obu części zadania okazała się porównywalna – pierwszą część rozwiązało prawidłowo 66,1% uczniów, a drugą – 74,2%. Najwyraźniej uczniowie nie mieli większych problemów z ustaleniem, że na żelazny ciężarek działa dodatkowa siła skierowana w dół, natomiast nieco trudniejsze okazało się dla nich wywnioskowanie na tej podstawie relacji pomiędzy masami ciężarków.

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

1. A., 2. B.

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

1.11. Ruch prostoliniowy i siły. Uczeń wyjaśnia zasadę działania dźwigni dwustronnej, bloku nieruchomego, kołowrotu
5.5. Magnetyzm. Uczeń opisuje działanie elektromagnesu i rolę rdzenia w elektromagnesie
8.1. Wymagania przekrojowe. Uczeń opisuje przebieg i wynik przeprowadzanego doświadczenia, wyjaśnia rolę użytych przyrządów, wykonuje schematyczny rysunek obrazujący układ doświadczalny
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia
9.4. Wymagania doświadczalne. Uczeń wyznacza masę ciała za pomocą dźwigni dwustronnej, innego ciała o znanej masie i linijki

Komentarz

To zadanie jest wariantem poprzedniego zadania i zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie pierwszych klas liceum ogólnokształcącego. Również w tym przypadku nacisk położony został na sprawdzenie umiejętności rozpoznawania działających w układzie sił. Różnica polega jednak na tym, że tym razem nie wspomniano o tym, że elektromagnes oddziałuje na metalowy ciężarek.

Aby dojść do prawidłowego rozwiązania, należy przeanalizować zamieszczony rysunek i zastanowić się, jakie siły działają na ciężarki przed włączeniem elektromagnesu oraz po jego włączeniu. Przed włączeniem elektromagnesu zarówno na ciężarek szklany, jak i stalowy działa siła ciężkości. W chwili, w której przez elektromagnes popłynie prąd, zostanie wytworzone pole magnetyczne. W efekcie elektromagnes będzie przyciągał ciężarek z pewną siłą, skierowaną w dół. Siła działająca na ciężarek stalowy będzie wobec tego większa niż siła działająca na ciężarek szklany i ramię, do którego jest przymocowany ciężarek stalowy, opadnie. Prawidłowym rozwiązaniem zadania jest zatem kombinacja odpowiedzi 1–A, 2–B. Odpowiedzi takiej udzieliło 48,7% uczniów, przy czym zadanie dosyć dobrze ich różnicowało.

Rozwiązywalność obu części zadania była podobna – część pierwszą rozwiązało 58,9% uczestników badania, a część drugą 57,1%. W części pierwszej najczęściej wskazywaną odpowiedzią nieprawidłową była odpowiedź B „ramię podniosło się” (19,9%) . W części drugiej podobny odsetek uczniów (18,1%) wskazał odpowiedź C” zadziałała dodatkowa siła zwrócona w górę”. Być może część uczniów, którzy rozumieli, że na skutek włączenia prądu pojawia się dodatkowa siła działająca na ciężarek stalowy, nie umiała prawidłowo określić kierunku tej siły lub też z jakichś przyczyn uznała, że elektromagnes będzie odpychał ciężarek.

W przypadku obu części zadania około 12% uczniów nie wybrało żadnej odpowiedzi, co jest sytuacją nietypową  i może wskazywać na fakt, iż uczniowie ci uznali zadanie za zbyt trudne, aby się z nim zmierzyć. Być może subiektywna ocena trudności zadania wynikła z faktu, iż licealiści nie pamiętali już niektórych wiadomości z poprzedniego etapu edukacyjnego lub też nie potrafili przeprowadzić rozumowania, które pozwoliłoby im dostrzec wszystkie siły działające w układzie i wytłumaczyć ich wpływ na zachowanie dźwigni. 

Słowa kluczowe