Jak uczyć wybranych trudnych zagadnień?

Jak uczyć wybranych trudnych zagadnień występujących w programie fizyki część I?

 

Jest to pierwsze opracowanie w tej serii (drugie dotyczy optyki geometrycznej). Tym razem skoncentrujemy się na eksperymentalnym zbadaniu siły elektrodynamicznej. Wskażemy w jaki sposób gimnazjaliści za pomocą prostych doświadczeń mogą odkryć i sformułować prawa dotyczące nieznanego im oddziaływania, a następnie zrozumieć zasadę działania silnika elektrycznego. Temat jest ściśle związany z podstawą programową, ale bardzo często tłumaczymy go za pomocą rozważań teoretycznych, a więc mało efektywnie.

 

Na czym polega trudność w nauczaniu o elektromagnetyzmie.

 

Wskazana jest nasza pomoc przy formułowaniu problemu. Są działy fizyki, w których interwencja nauczyciela w prace badawcze uczniów może być bardzo ograniczona. Gimnazjaliści, pracując w grupach, mogą samodzielnie przygotowywać doświadczenia zdobywając nową wiedzę i umiejętności. W badaniach oddziaływania elektromagnetycznego nasza pomoc jest wskazana nie tylko przy formułowaniu problemu, powinniśmy pełnić rolę asystenta podczas przygotowywania eksperymentów oraz czuwać nad bezpieczeństwem ich prowadzenia.

Wiadomości jakie powinni posiadać uczniowie przed przystąpieniem do doświadczeń to podstawowe informacje związane z:

 

  • Prądem elektrycznym (pojęcie natężenia prądu elektrycznego)
  • Polem magnetycznym magnesu i elektromagnesu (linie sił pola magnetycznego).
  • Dotychczas poznanymi oddziaływaniami.

 

Elektromagnes. Uczniowie przystępując do prac badawczych powinni przypomnieć sobie doświadczenie z elektromagnesem, w którym przepływ prądu elektrycznego w solenoidzie powoduje powstanie pola magnetyczne i zapisać ten eksperyment za pomocą schematu (np. w postaci rysunku do komiksu):

Przepływ prądu => Pole magnetyczne .

 

Należy pomóc uczniom w uporządkowaniu dotychczasowej wiedzy o oddziaływaniach. Usystematyzowanie dotychczas poznanych wiadomości potrzebne jest, po to by:

  • Nowe pojęcia nie mieszały się z poprzednio wprowadzonymi.
  • Doświadczenia przygotowywane przez młodzież stanowiły przemyślaną sekwencję prezentacji.

Uczniowie powinni przypomnieć sobie o:

 

  • Sile grawitacji związanej z masą.
  • Sile elektrostatycznej związanej z ładunkami elektrycznymi.
  • Sile sprężystości związanej z odkształceniami sprężystymi.
  • Sile oddziaływania magnetycznego związanej z polem magnetycznym oddziałującym na niektóre substancje.

 

Elementem wspomagającym podsumowanie dotychczas zdobytej wiedzy może być wykonanie prostego komiksu (złożonego 4 rysunków), w którym każdemu oddziaływaniu odpowiadać będzie schemat doświadczenia ilustrującego to oddziaływanie. Taki komiks powinien być tworzony i dostępny podczas całego trzyletniego okresu nauki[1].

 

Niepokój i nieznane. Większość problemów poznawanych w szkolnym programie fizyki może wynikać z pytań formułowanych na podstawie dotychczas zdobytej wiedzy. O ile do takiej nauki już przyzwyczailiśmy gimnazjalistów, to w sposób naturalny (pracując w grupie) zadadzą sobie pytanie: „Czy zjawisko opisane za pomocą schematu 1 zachodzi w drugim kierunku”, czyli:

  1. Czy pole magnetyczne oddziaływać będzie z przewodnikiem, przez który przepływa prąd?
  2. Czy pole magnetyczne wywoła przepływ prądu w przewodniku?

Jeśli nasi uczniowie jeszcze nie są przygotowani do samodzielnej pracy, to trzeba im pomóc w sformułowaniu pierwszego z powyższych dwóch problemów. Wzorując się jednak na zaleceniach Richard ‘a Feynman ‘a warto zadbać by dalej pracowali samodzielnie.

Czasami trudność nauczania polega na czekaniu. Doświadczenie z elektromagnesem pokazane może być na początku edukacji gimnazjalnej (czasami elektromagnes dzieci poznają w edukacji wczesnoszkolnej). Potem nie powinniśmy się śpieszyć czekając na wyniki uczniowskich poszukiwań.

Pierwsze doświadczenie.

Cześć uczniów zapewne odnajdzie klasyczne, co nie znaczy łatwe do przeprowadzenia, doświadczenie ilustrujące działanie siły elektrodynamicznej.

Dział - Magnetyzm, elektromagnetyzm.

 

Autor/Autorka pomysłu:

Imię i nazwisko

Szkoła

Pomysł nauczycielki/nauczyciela

Pomysł uczniów

Lucyna   Piechaczek - Niezgoda, Aleksandra Kołodziej, Anna Garus, A. Szwancyber.

 

X

 

                                  

Opracowanie ekspertki/eksperta CEO: Marek Piotrowski

 

Temat.

„Jak działa silnik elektryczny”, czyli w jakich warunkach nastąpi ruch pod wpływem przepływu prądu elektrycznego.

 

Podstawowe pojęcia.

Pole magnetyczne, natężenia prądu elektrycznego, siła elektrodynamiczna.

 

Źródło (jeżeli nauczyciel wskazał skąd zaczerpnięto pomysł ):

W wielu programach powstanie siły elektrodynamicznej opisywane jest jako „doświadczenie myślowe”, czyli model teoretyczny, w którym przewodnik prądem jest prostopadły do linii sił pola magnetycznego. Tylko czasami oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem prezentujemy za pomocą pokazu (np. korzystając z wskazówek dra J. Genbara z WOM w Katowicach). Dzięki zastosowaniu akumulatorków NiCd lub baterii (o niskim oporze wewnętrznym), jako źródła prądu oraz magnesów neodymowych lub ferrytowych eksperyment z siłą elektrodynamiczną może być wykonany przez uczniów jako proste przeniesienie modelu teoretycznego do warunków doświadczania.

 

Hipoteza zaproponowana przez uczniów.

  • W silniku jest prąd więc jest też ładunek, ładunki się przyciągają, więc silnik się kręci.
  • Prąd płynie więc jest praca, a jak jest praca to musi siła i przesunięcie więc jest silnik.
  • Tam nie ma ładunków, tylko magnesy, elektromagnesy i one się przyciągają lub odpychają więc dlatego silnik się kręci.

 

Opis doświadczenia:

Zmienne występujące w doświadczeniu:

D1. Jakie zmienną/wielkość będziemy zmieniać? (zmienna niezależna).

 

Zdjęcie dostarczone przez p. Aleksandrę Kołodziej

Wersja A. W eksperymencie prąd elektryczny I płynie w przewodniku X prostopadłym do linii pola magnetycznego. Zmieniać będziemy kierunek przepływu prądu I.

Wersja B. W eksperymencie linie sił pola magnetyczne są prostopadłe do przewodnika X. Zmieniać będziemy jedynie zwrot linii sił pola magnetycznego przez odwrócenie magnesu.

Wersja C. W eksperymencie prąd elektryczny płynie w przewodniku X prostopadłym do pola linii sił pola magnetycznego. Zmieniać będziemy natężenie prądu I

D2. Którą zmienną/wielkość będziemy mierzyć - obserwować? (zmienna zależna).

Ruch przewodnika (kierunek, zwrot i jakościowo prędkość ruchu).

D3.  Czego w naszym eksperymencie nie będziemy zmieniać? (zmienne kontrolne).

Kierunki wyznaczone przez linie sił pole magnetyczne oraz przewodnik X będą do siebie prostopadłe.

Wersja A. Linii sił pola magnetycznego i wartości natężenia prądu elektrycznego (zmieniamy kierunek przepływu prądu).

Wersja B. Kierunku przepływu prądu ani jego natężenia (zmieniamy zwrot linii sił pola magnetycznego).

Wersja C. Kierunku przepływu prądu elektrycznego ani linii sił pola magnetycznego (zmieniamy natężenie prądu).

 

Instrukcja do doświadczenia:

Instrukcja:

Zbuduj układ elektryczny zgodnie ze schematem (nie włączaj zasilania).

- Y, Z to szyny przymocowane do podłoża wykonane z niemagnetycznych metali (np. aluminiowe lub miedzianie ceowniki)  

- X metalowa rurka, która może poruszać się po przewodnikach Y i Z (rurka wykonana z niemagnetycznego metalu np. aluminium lub miedzi).

- magnes podkowiasty lub „dywanik” z magnesów neodymowych lub ferrytowych (biegunowość magnesów można ustalić za pomocą igły magnetycznej lub kompasu).

- źródło prądu (można użyć akumulatorki lub baterie)

- 2 przewody z krokodylkami do podłączenia metalowych szyn Y i Z do zasilania

- dodatkowo do wersji c) doświadczenia opornik o zmiennym oporze (wykorzystując w doświadczeniu dwa akumulatorki wygodnie stosować zmienny opornik o zakresie do R= 0-10W i amperomierz do mierzenia natężenia prądu I ).

Eksperyment wersja A. Włącz zasilanie i obserwuj zachowanie metalowej rurki X. Zmień kierunek przepływu prądy (poprzez odwrotne podłączenie źródła prądu do metalowych szyn Y i Z.

Eksperyment wersja B. Włącz zasilanie obserwuj zachowanie metalowej rurki X. Zmień kierunek pola magnetycznego (poprzez odwrócenie magnesu podkowiastego lub „dywanika” z magnesów tak, by zamienić miejscami bieguny N i S).

Eksperyment wersja C. Włącz zasilanie i wykonaj kilka prób, za każdym razem zwiększając natężenie prądu (poprzez zmniejszanie oporu elektrycznego) i obserwuj zachowanie przewodnika X.

BHP. Podłączenie układu eksperymentalnego do źródła prądu może nastąpić tylko po uzyskaniu zgody nauczyciela. Gdy stosujesz akumulatorki koniecznie ogranicz czas eksperymentu by ich nie uszkodzić. W razie zajścia nieprzewidzianych sytuacji zawiadom nauczyciela.

 

Proponowany sposób dokumentacji uczniowskiej:

Rysunki – schematy z zaznaczonymi kierunkami: pola magnetycznego (od N do S), przepływu prądu (od + do -), siły, która poruszyła przewodnik.

Własne obserwacje uczniowie porównują z:

  • Zasadą lewej ręki (zwaną czasami żartobliwie FBI).

 

Propozycja modyfikacji eksperymentu:

Doświadczenie w wersji A, B oraz C są dobrym początkiem serii eksperymentów, dzięki którym uczniowie poznają własności siły elektrodynamicznej i zasady działania silnika elektrycznego.

Modyfikacja 1.W pierwszych doświadczeniach (A, B i C) uczniowie odkrywają istnienie siły elektrodynamicznej, czyli oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem. Odkrycie zjawiska siły elektrodynamicznej jest dla uczniów dość trudne. Siły jakie dotychczas poznali działały w kierunkach łatwych do przewidzenia. Kształtowana dotychczas intuicja płata teraz figla: „Jak to się dzieje, że dwa kierunki: pola magnetycznego i ruch ładunków elektrycznych w przewodniku określają kierunek powstałej siły jako prostopadły do dwóch poprzednich? ”. Teraz należy zaplanować doświadczenie z polem magnetycznym równoległym do przewodnika z prądem. Takie eksperymenty umożliwiają uczniom zdobycie umiejętności prowadzenia badań w zupełnie dla nich nieznanym obszarze.

Modyfikacja 2. Warto badać odkryte zjawisko również za pomocą eksperymentów znalezionych w Internecie, np. :

Modyfikacja 3. Zrozumienie zasad na jakich działa silnika elektryczny na prąd stały, wymaga od uczniów zapoznania się jeszcze z kilkoma problemami technicznymi takimi jak np. zamiana postępowego ruch przewodnika z prądem (obserwowanego w pierwszych doświadczeniach) na ruch obrotowy istniejący w zwykłym silniku. Łatwo tę zamianę spostrzec w prostym doświadczeniu pokazanym w Internecie.

Własne wnioski z eksperymentów warto porównać symulacjami znalezionymi w Internecie:

 

Oraz z filmami z Internetu:

silniki

obraca się magnes + LEDy

obraca się magnes, poziomo, ładny stojak

obraca się drut, miniaturowy

obraca się magnes

obraca się i bateria i magnes

ruch po szynach

ścieżka wielu magnesów

 

Rekomendacja, czyli dlaczego warto polecić to doświadczanie.

Jest to pierwsze opracowanie w tej serii: „Jak uczyć wybranych trudnych zagadnień występujących w programie fizyki część I?”.

 

Podstawa programowa:

  5.   Magnetyzm. Uczeń:

6) opisuje wzajemne oddziaływanie magnesów z elektromagnesami i wyjaśnia działanie silnika elektrycznego prądu stałego.

 

Dodatkowe informacje dla nauczycieli naśladowców.

Poznanie tego jak i innych trudnych obszarów wiedzy z zakresu fizyki warto traktować jako dorobek szkoły. Doświadczenia przygotowane przez jednych uczniów mogą być dalej rozwijane przez ich kolegów i koleżanki z następnych roczników.

 

 

[1] Problemowi systematyzowania wiedzy za pomocą schematów (komiksów) poświęcone będzie trzecie opracowanie z cyklu: „Jak uczyć wybranych trudnych zagadnień występujących w programie fizyki część III?”.