Fizyka dla każdego

Nasi czytelnicy pytają o poprawność sformułowań dwóch zadań w konkursie dla gimnazjalistów. Oto zadania i nasza odpowiedź.  

Szanowni Państwo,

Dziękuję za zaufanie.

Odpowiedzi, jakie Państwo otrzymali od organizatorów są (fizycznie) poprawne. Ale na marginesie Państwa (i Państwa córki) wątpliwości pojawia się kilka kwestii.

Układanie zadań z fizyki nie jest proste, co nie znaczy, że próbuję wytłumaczyć autorów zadań. Zadania powinny spełniać kryteria poprawności: 
1) logicznej, 
2) językowej
3) dydaktycznej
4) fizycznej.

Ad1) Trudność, jaką miała Państwa córka to trudność "rozłączności logicznej" sformułowań w zadaniu - zadania konkursowe nieco celowo są tak pisane. Przykładowo, pod względem formalnie logicznym (ale nie dydatycznym) punkty D i B są równie poprawne jak punkt C: może się tak zdarzyć, że ciało poruszało się w prawo lub w lewo. II prawo Newtona wypowiada się o przyspieszeniu, a nie o kierunku prędkości. W z-rzucie kulki ze stołu - kulka porusza się początkowo poziomo ale jej przyspieszenie jest skierowane pionowo w dół.* 

Ad2) W tekście naukowym redakcja zwróciłaby mi uwagę, że należy napisać: „wartości bezwzględne sił F₁, F₂ i F₃ wynoszą 5 N, 3 N I i N, odpowiednio.”
 

Ad3) Pytanie jest, jaką treść dydaktyczną chcą przekazać autorzy zadania. Taką treścią może być na przykład, że przyspieszenie jest wielkością wektorową, która jest proporcjonalna do siły, zgodnie z prawem Newtona F = m a (używam pogrubionych liter do zapisania wektorów). Innymi słowy, nie wiemy nic na temat kierunku ruchu na podstawie znajomości sił. Na przykład, w rzucie poziomym, ciało leci początkowo poziomo, mimo że siła jest pionowa. 

W dydaktyce polskiej z jakiś względów odróżnia się ruch jednostajnie przyspieszony i jednostajnie opóźniony. W dydaktyce włoskiej (a to Galileusz jako pierwszy wprowadził koncepcję przyspieszenia  i drogi – strada) nie ma pojęcia ruchu opóźnionego. Słowo ritardato ma inne konotacje.

Wracając do zadania. Celem autorów jest pokazanie tego, o czym piszę wyżej. W ruchu pionowym w górę ciało porusza się początkowo w górę, ale przyspieszenie jest cały czas w dół. W książkach polskich można było spotkać określenie „przyspieszenie ujemne, czyli opóźnienie”, zob. uwaga po włosku powyżej.

Brakuje więc w nauczaniu kinematyki niektórych pojęć wstępnych, obecnych w dydaktykach włoskich, angielskich, amerykańskich: 
- wyboru układu odniesienia,
- pojęcia wektora jako kierunku.

Stąd Państwa spór z autorami zadania.

Zadanie to jest znacznie bardziej skomplikowane, i osobiście nigdy bym go nie dał nawet studentom. Ponownie, wynika z braku określonych treści w polskiej dydaktyce fizyki.

1. W wyprowadzeniu prawa na natężenie pola magnetycznego w cewce korzystamy z założenia, że na zewnątrz cewki nie ma pola magnetycznego.

2. Kłóci się to z II prawem Maxwella, które mówi, że linie sił pola magnetycznego muszą być zawsze zamknięte. Wychodzimy z tego kłopotu mówiąc, że linie na zewnątrz cewki zamykają się, ale w bardzo obszernej przestrzeni, tak że można założyć zerowe pole na zewnątrz cewki.

3. W niektórych zadaniach, jak o indukcji prądu elektrycznego w pętli obejmującej cewkę, zakładamy jednak że pole na zewnątrz jest nie-zerowe.

4. A już zupełnie trudny, nawet na poziomie uniwersyteckim jest tzw. efekt Aharonova, czyli wyjaśnienia, dlaczego mimo zerowego natężenia pola elektrycznego i magnetycznego na poruszający się elektron działają siły.

W układaniu zadania autorzy wychodzili z założenia zerowego pola na zewnątrz, lub - relaksując nieco to wymaganie - pola wzgłużnego, o zerowym gradiencie natężenia wzdłuż magnesu. Stąd odpowiedź "A."

Pan natomiast ma rację, jeśli widział inne sytuacje na rzeczywistych filmach w internecie: praktyka i teoria do nie to samo!

Autorzy zadania powinni również „zabezpieczyć się”, że:
- sprężyna jest z materiału nie-ferromagnetycznego (co zazwyczaj nie jest prawdą – tylko tzw. brąz fosforowy na sprężyny jest niemagnetyczny)
- rzeczywiście pole na zewnętrz jest idealnie równoległe i jednorodne 
- magnes nie drgał wcześniej (odpowiedź D).

Jak pisałem, układanie zadań, szczególnie dla młodych, wrażliwych i ambitnych ludzi to duża odpowiedzialność.

Z drugiej strony, młodzież szuka przygód, a te intelektualne są najciekawsze. Proszę się nie zrażać niepowodzeniami!

Prof. dr hab. inż. Grzegorz Karwasz

Toruń, 26.03.2015

* a fizycy dyskutują, czy tor kulki to parabola (zakładając, że powierzchnia Ziemi jest pozioma i prosta), czy może kawałek bardzo wydłużonej elipsy, jak to przewidują prawa Keplera...