Wykorzystanie wiedzy z różnych nauk ścisłych
w zadaniach tekstowych z fizyki.

 

Fizyka jest jedną z nauk przyrodniczych, której rozwój na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci spowodował powstanie nowych specjalności obejmujących coraz węższe dziedziny nauk przyrodniczych. Kształci się coraz większą ilość specjalistów coraz węższych dziedzin nauki. Może to doprowadzić do absurdalnej sytuacji, że będziemy mieli bardzo wysoko wykwalifikowanego specjalistę z dziedziny wiedzy, której zakres zbliża się do zera. Należy więc stwarzać takie sytuacje, w których wiedza z wielu dziedzin mogła by być praktyczne i ze skutkiem stosowana. Szkolne programy nauczania są nadmiernie przeładowane treściami specjalistycznymi, co spowodowało trudności w spojrzeniu na nauki przyrodnicze jako jednej dużej rodziny nauk œścisłych.

W najnowszych programach nauczania fizyka została częściowo zintegrowana z innymi działami nauki, co stwarza szansę na powiązanie zjawisk z różnych działów fizyki i powiązanie procesów fizycznych w mikro i makro œwiecie.

Fizyka ma wśród uczniów opinię przedmiotu trudnego, podręczniki uczniowskie napisane są w sposób chaotyczny co nie ułatwia nauczycielom organizację lekcji, które sprzyjałyby kształtowaniu w umysłach uczniów wiedzy integrującej przedmioty matematyczne i przyrodnicze. Lekcje fizyki powinny ograniczać dydaktykę pamięci na rzecz dydaktyki myślenia. Proces uczenia powinien zapewnić zrozumienie poznanych treści i ich zapamiętanie oraz wykształcić umiejętność zastosowania zdobytej wiedzy w nowych sytuacjach. Pozytywną funkcję w uczeniu i zwiększaniu jej efektów powinno spełniać zintegrowanie nauczanie przedmiotów przyrodniczych, które można realizować na lekcjach przez nawiązanie do wiadomości z przedmiotów pokrewnych. Znaczącą rolę może odegrać stosowanie odpowiednio dobranych zadań obliczeniowych i sytuacyjnych łączących wiadomości z wielu dziedzin fizyki i np. matematyki. Zadania tego typu można stosować przy podsumowaniu działu co pozwala spojrzeć całościowo na treści zawarte w danej partii materiału. Zadania takie mogą przyczynić się także do korelacji między fizyką a matematyką. Przedstawione zadanie łączy w sobie wiadomości z kinematyki, dynamiki, energii mechanicznej, zasady zachowania energii, wiedzy o polu magnetycznym i cząstkach elementarnych.

Tekst.

Cząstka α o energii 500 eV wlatuje do jednorodnego pola magnetycznego prostopadłego do prędkości jej ruchu. Indukcja pola jest równa 0,1 Tesli.

1.ZnaleŸć siłę działającą na cząstkę w polu magnetycznym.

2.ZnaleŸć promień okręgu po którym porusza się cząstka.

3.ZnaleŸć okres obiegu cząstki.

Uczniom należy wpoić odpowiednią strategię rozwiązywania zadań tekstowych. Po pierwsze starannie przeczytać ze zrozumieniem tekst zadania i jest to jedna z ważniejszych umiejętności. Na podstawie przeczytanego tekstu uczeń powinien umieć wskazać wielkości dane i szukane.

Dane:

Energia kinetyczna cząstki α Ek = 500 eV

Indukcja pola magnetycznego B = 0,1 T

Kąt między wektorem prędkości a wektorem indukcji α = 90˚

Szukane:

1.Siła działająca na cząstkę α F = ?

2.Promień okręgu po jakim porusza się cząstka R = ?

3.Okres obiegu cząstki α po okręgu T = ?

Następna czynność to analiza zjawisk przedstawionych w treści zadania i zapisanie odpowiednich wzorów opisujących te zjawiska. Należy zwrócić uwagę na zjawiska cząstkowe i umiejętnie łączyć je z całą trzecią zadania.

Analiza może wyglądać następująco:

cząstka α wpada w pole magnetyczne więc doznaje działania siły Lorentza, która jest opisana wzorem Fl = B ˇ q ˇ v ˇ sinα

sinα = 90˚ to sin 90˚ = 1

Fl = B ˇ q ˇ v

Przypominamy regułę trzech palców lewej dłoni ponieważ siła ta działa w polu magnetycznym. Stwierdzamy, że siła ta tworzy kąt prosty z wektorem prędkości a to jest cechą siły dośrodkowej występującej w ruchu po okręgu.

Pojawia się wniosek, że siła Lorentza jest Ÿźródłem siły dośrodkowej co oznacza, że ładunek porusza się po okręgu. Połączenie wiadomości o zachowaniu się ładunku w polu magnetycznym i wiadomości z ruchu po okręgu a więc wiadomości z różnych działów fizyki pozwala na zapisanie równań.

Brak znajomości prędkości uniemożliwia rozwiązanie zadania na tym etapie.

Powracamy raz jeszcze do treści zadania i znajdujemy opis rodzaju cząstki, co z kolei pozwala wykazać się umiejętnościami posługiwania się tablicami fizycznymi, z których dowiadujemy się o masie i ładunku cząstki.

Znajomość wzoru na energię kinetyczną i tu odwołujemy się do wiadomości z działu praca, moc , energia pozawala określić prędkość cząstki.

Równania 1 i 2 tworzą układ równań z dwoma niewiadomymi R i v. W tym miejscu przypominamy lekcje matematyki, na których rozwiązywany był tego typu układ równań.

Znajdujemy więc korelacje między matematyką i fizyką.

Potwierdzeniem poprawności dokonywanych przekształceń jest sprawdzenie jednostki. Działanie to jest kolejnym punktem, który uczeń musi sobie przyswoić aby prawidłowo opanować technikę rozwiązywania zadań tekstowych.

Zadanie to zawiera również pytania dla uczniów słabszych, dla których znalezienie odpowiedzi na pytanie poprzednie powinno być łatwiejsze. W tym miejscu wymagana jest znajomość siły Lorentza i wzoru, który przedstawia jej wartość.

Uczeń ma możliwość wykazania się wiadomościami dotyczącymi energii kinetycznej i umiejętności posługiwania się tablicami fizycznymi.

Równania (1) i (2) tworzą układ, który należy rozwiązać.

Również w tym przypadku sprawdzamy jednostki.

Pytanie trzecie tego zadania pozwala zdolniejszym wykazać się wiedzą z zakresu ruchu po okręgu, umiejętności posługiwania się tablicami i wykazać się umiejętności operacji matematycznych.

Rozwiązanie wymaga utworzenia układu równań.

Na tym etapie również badamy jednostkę.

Zadanie to obejmuje szeroką gamę zjawisk fizycznych i pozwala na ugruntowanie wielu pojęć. Zadanie tego typu pozwala na integrację wielu działów fizyki i na zróżnicowanie pracy uczniów słabszych i zdolniejszych. Przytoczone zadanie może być wykorzystane na lekcjach w ostatniej klasie nauczania fizyki w szkole œśredniej jak również na kółku fizycznym czy fakultetach z fizyki.

Literatura pomocnicza:

J.Z.Lewis: „Nauczanie fizyki”

PWN. Warszawa 1976