Pobierz Definicja ciężaru w podręcznikach dla gimnazjum i więcej Publikacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity!
Definicja ciężaru
w podręcznikach dla gimnazjum
Jadwiga Salach, Barbara Warczak
Definicja (łac. definitio = określenie) to określenie znaczenia wyrazu, sprowadzające się zwykle do sprecyzowania jego treści, orientującej w możliwym zakresie, co ułatwia właściwe posługiwanie się wyrazem; według logiki: definicja realna – jednoznaczna charakterystyka danego przedmiotu (zjawiska) podająca jego cechy swoiste... Słownik wyrazów obcych PWN , PWN, Warszawa 1971
Definicje dotyczące pojęć, nawet w fizyce, są kwestią umowy. Nie jest zatem zaskakujące, że różni autorzy definiują pojęcia fizyczne na użytek własnego pod- ręcznika (programu, koncepcji nauczania) nieco inaczej, choć byłoby dobrze, aby przynajmniej w ramach określonego poziomu nauczania wypracować zakres treści określonych danym wyrazem. Kryterium powinna być skala trudności, związana z możliwościami percepcyjnymi przeciętnego ucznia. Można by oczywiście w ogóle unikać nazywania i definiowania jakiejś wielkości czy zjawiska. Wiąże się to jednak z konsekwentnym unikaniem używania wyrazu, którego znaczenia właśnie zdecydowano się nie precyzować. Dotyczy to pewnie kilku definicji, wy- wołani do tablicy listem pana Reńdy, skupimy się na nadawaniu przez niektórych autorów podręczników dla gimnazjalistów znaczenia słowu ciężar. Pewnie i w tym konkretnym przypadku można by tego pojęcia w ogóle nie używać, gdyby nie fakt, że słowo ciężar jest używane potocznie i nie uniknie się konieczności jakiegoś prze- łożenia jego potocznego znaczenia na to nadawane mu w ramach fizyki. Zacznijmy od tego, iż jesteśmy przekonane, że każdy autor podręcznika, de- cydując się na zdefiniowanie jakiegoś pojęcia powinien:
- uświadomić sobie użyteczność przyjętej definicji w realizacji programu naucza- nia zgodnie ze swoją koncepcją,
- konsekwentnie stosować tę definicję w podręczniku, pokazując jednocześnie, że tak zdefiniowane pojęcie ułatwia opis zjawisk (procesów, stanów itp.).
Wydaje nam się również oczywiste, że w całym cyklu podręczników (wraz z ich otoczeniem), wydawanych przez określone wydawnictwo, pojęcie raz zdefi- niowane powinno być używane konsekwentnie nawet wtedy, gdy podręczniki pi- sane są przez różnych autorów. Troskę o to powinni przejąć redaktorzy przedmio- towi poszczególnych wydawnictw i recenzenci, z którymi wydawnictwa współ- pracują. To na wydawcach spoczywa odpowiedzialność za to, aby dobrać kompe- tentnych i rzetelnie pracujących rzeczoznawców. W sprawie definiowania ciężaru ciała Redakcja podziela zdanie autora listu, pana Waldemara Reńdy. Po otrzymaniu tego listu zadałyśmy sobie trud przeanalizo- wania kilku przypadkowo wybranych podręczników fizyki do gimnazjum z punktu
widzenia używanego w nich pojęcia ciężaru ciała. Przejrzane przez nas podręczniki zostały wydane przez 3 wydawnictwa i wszystkie posiadają rekomendację MEN-u.
Oto co stwierdziłyśmy:
1. J. Ginter, Fizyka, gimnazjum 1 , WSiP 1999. (Recenzenci: mgr St. Czarnoc- ka, prof. dr hab. L. Gładyszewski, mgr T. Kutajczyk, mgr W. Wawrzyniak). Autor prawie w całej książce unika konsekwentnie tego pojęcia (używa pojęć: oddziaływanie grawitacyjne, przyciąganie grawitacyjne, siła przyciągania ziems- kiego). Pojęcie ciężaru nie występuje także tam, gdzie jest mowa o ciśnieniu hydrostaty- cznym. Jest w tekście niejasne zdanie (str. 277): Na dno naczynia działa dodatko- wo jeszcze siła, którą Ziemia przyciąga ten słupek wody. Ani w tym miejscu, ani na następnych stronach autor nie chce „postawić kropki nad i”, tzn. zauważyć, że siła przyciągania cieczy przez Ziemię działa na ciecz, a na dno naczynia działa in- na siła (nacisku, parcia), która jest tylko równa tamtej sile. Podobne wyglądała sprawa w przypadku, gdy na sprężynie zawieszono obciążnik. Jeszcze podczas omawiania prawa Archimedesa na stronie 230 obok odpo- wiedniego rysunku mamy podpisy: siła ciężkości (ciała), siła wyporu (cieczy). Do- piero formułując (w ramce na str. 232) prawo Archimedesa autor złamał się i po raz pierwszy użył nazwy ciężar cieczy. Uważał widocznie, że należy tak postąpić ze względu na tradycję; autorowi wyraźnie „nie przeszło przez komputer” sformu- łowanie: ... siła wyporu jest co do wartości równa sile ciężkości wypartej cieczy. Autor nie czuje się w obowiązku poinformować ucznia, co to takiego jest cię- żar cieczy. Czy wygodnie było mu zapomnieć, że dotychczas nie użył w podręcz- niku tego pojęcia ani raz? Nieco dalej, przy wykonywaniu obliczeń jest wzmian- ka: ciężar ciała = masa przyspieszenie ziemskie. Możemy się więc domyślać, na co działa ciężar ciała. My przypuszczamy, że – według Autora – ciężar cieczy działa na tę ciecz. Ale czy słusznie się domyślamy? 2. B. Gładyszewska, L.Gładyszewski, F. Jaśkowski: Fizyka 2, podręcznik, gim- nazjum , WSiP 2000. (Recenzenci: mgr St. Czarnocka, dr B. Mól, mgr J. Kutaj- czyk, mgr W. Wawrzyniak). Na str. 50–51 autorzy jednoznacznie dają wyraz swym poglądom na temat ciężaru ciała. Mamy tam paragraf zatytułowany: Siła ciężkości. Ciężar ciała. W paragrafie tym czytamy: Siła ciężkości (siła grawitacji) jest to siła z jaką Zie- mia działa na każde ciało. I dalej: Wprowadzimy też pojęcie ciężaru ciała. Jest to siła, z jaką dowolne ciało działa na podłoże lub na liny, na których zostało ono za- wieszone. Oznaczymy je literą P. („je”– to chyba pomyłka; ciężar jest rzeczowni- kiem rodzaju męskiego). Z dużą dokładnością możemy uważać, że P=F g (siła F g to siła grawitacyjnego przyciągania ciała przez Ziemię). Ostatnie z cytowanych zdań budzi niepokój; może ono grozić poważną dezin- formacją. Kiedy możemy tak uważać? A co będzie w poruszającej się ruchem nie- jednostajnym windzie? A w układzie spadającym swobodnie, czy w ogóle w sta-
siłę wyporuW 2
. Ale jaki ciężar? Przecież gdybyśmy zawiesili to ciało na siłomie-
rzu, tak jak w doświadczeniu na str. 69, to siłomierz wskazałby ciężar równy zeru! A może ciężar ciała działa wówczas na ciecz (wszak ciało naciska na ciecz)? Czy jednak autorzy są świadomi, że jeśli ciężar ma być równoważony przez siłę wypo- ru, to obie te siły muszą działać na to samo ciało?! Na str. 73 jest podobny rysunek jak na str. 70; tym razem jest to przykład ilu- strujący pierwszą zasadę dynamiki. Tekst objaśniający rysunek jest teraz następu- jący: ...siła wyporu części zanurzonej równoważy siłę ciężkości ciała. Na str. 91 jest mowa o tarciu. Czytamy tam: Ciężar klocka jest w tym doświad- czeniu siłą nacisku. Z tego zdania znowu wynikałoby, że to po prostu ta sama siła (ciężar to tylko inna nazwa nacisku). Niestety, z tego podręcznika nie dowiemy się, jaki jest pogląd czwórki auto- rów (i piątki recenzentów!) na relacje między pojęciami: ciężar ciała, siła ciężkoś- ci ciała, siła nacisku na podłoże.
4. A.W. Noweta, J. Swiryd: Fizyka wokół nas, podręcznik dla gimnazjum, część I, moduł 2 i 3 oraz część II, Wydawnictwo Edukacyjne Res Polona, Łódź (nie napisano roku wydania) (Recenzenci: dr H. Chrupała, mgr St. Czarnocka, dr hab. T. Balcerzak, mgr K. Stefaniuk, mgr E. Pełzowska).
Moduł 2. Na stronie 44 czytamy: Siłę, z jaką Ziemia przyciąga ciało umieszczone na jej powierzchni lub w pobliżu jej powierzchni nazywamy siłą ciężkości lub siłą grawi-
tacji, a na stronie 46: Siła ciężkości = masa ciała przyspieszenie ziemskie. Na stronie 47 książki znajdujemy paragraf zatytułowany: Siła ciężkości a cię- żar ciała, w którym czytamy taką oto definicję ciężaru ciała: Siłę z jaką ciała dzia- łają na podłoże lub punkt zawieszenia, nazywamy ciężarem ciała. A więc sprawa jest jasna; nie napisano tylko, czy podłoże musi być poziome, czy nie. Na rysunku podłoże jest poziome. Nie podano relacji między wartościami ciężaru i siły grawitacji, tak jak w podręczniku wydanym przez WSiP. I dalej: Siła ciężkości przyłożona jest do ciała w jego środku ciężkości, natomiast ciężar ciała przyłożony jest do podłoża lub do punktu zawieszenia. Dalej czytamy jeszcze: Ciała o większej masie mają większy ciężar. Wobec przyjętej definicji użycie pojęcia ciężaru w takim kontekście jak w os- tatnim zdaniu cytatu wydaje się nieprawidłowe. Nie powinno się bowiem mówić ciało ma ciężar , lecz ciało wywiera ciężar , bowiem to samo ciało nie ma stałego ciężaru, nie jest to jego cecha, może ono bowiem wywierać na podłoże, i to nawet poziome, większy lub mniejszy nacisk, zależnie od warunków, w których to się odbywa. I to jest jeden z karkołomnych skutków przyjęcia takiej definicji ciężaru! Dziwne, dlaczego na stronie 49 ciśnienie zdefiniowane jest jako iloraz wartoś- ci siły nacisku i pola powierzchni, na którą ta siła działa, a nie jako iloraz wartości ciężaru i pola powierzchni... Widocznie używanie tego pojęcia zgodnie z przyjętą (czy aby świadomie?) definicją jednak autorkom nie pasuje. W ogóle to pojęcie
jest rzadko w książce używane, autorki mówią o sile odkształcającej sprężynę (str. 54), o sile dociskającej klocek do podłoża (str. 58).
Moduł 3 Na stronie 25 siły zwane ciężarami ciała i odważników zaczepione są do ciała i odważnika! A więc definicje przyjęte w Module 2 przestają obowiązywać. Na stronie 29 mowa jest o maszynach prostych (blok nieruchomy i ruchomy). Ciężar wiadra zaczepiony jest do wiadra (!), a pytamy o siłę rozciągającą linę. I o co tu pytać, drogie Panie? Przecież linę tak czy inaczej rozciąga ciężar wiadra, taka przecież była umowa przyjęta w Module 2 na stronie 47.
Część II Na stronie 34 (i dalszych) omawiane jest prawo Archimedesa. Autorki stwier- dzają, że iloraz gęstości cieczy, objętości zanurzonego ciała i przyspieszenia ziem- skiego to ciężar cieczy wypartej. Na stronie 36 znajdujemy informację, że siłomierz wskazuje wartość ciężaru ciała zarówno wówczas, gdy znajduje się ono w powietrzu, jak i wtedy, kiedy jest zanurzone w cieczy. A więc tak jakbyśmy wracali do definicji, zgodnie z którą obie te siły można nazwać ciężarem (bardzo wygodnie!). Jednak na rysunku ciężar ciała w cieczy zaczepiony jest do tego ciała! A więc znowu nic nie wiemy – total- ne zamieszanie. Zaskakujące, że recenzenci, zwani również rzeczoznawcami przyjmują ten ba- łagan (rozmaitość?) definicyjny ze spokojem zarówno wówczas, gdy dotyczy on jednego podręcznika, jak i różnych, przeznaczonych dla uczniów tego samego po- ziomu kształcenia (gimnazjum). Przecież pani mgr St. Czarnocka i pani mgr T. Ku- tajczyk recenzowały trzy z wymienionych podręczników, a pan mgr W. Wawrzy- niak – dwa. Czyżby uważali, że nie ma to znaczenia?
Na koniec pragniemy na chwilę wrócić do samej definicji ciężaru. Czy autor szkolnego podręcznika może w tej sprawie sięgnąć do literatury: podręczników akademickich, encyklopedii, słowników, by dowiedzieć się co właściwie uważa się za ciężar? Do czego przyłożona jest ta siła, a więc czy ciało ma ciężar, czy też go wywiera? Jaką ta siła ma wartość, kierunek i zwrot? Aby znaleźć odpowiedź na te pytania sięgnęłyśmy po trzy popularne podręcz- niki akademickie oraz dwa współczesne słowniki encyklopedyczne:
- Arkadiusz Piekara, Mechanika ogólna , wydanie drugie uzupełnione, PWN, Warszawa 1964 Definicja pojawia się jako przykład wywierania siły w rozdziale pt. ,,Mierzenie siły” (str.17). Czytamy w nim: Siłę wywieraną w ten sposób przez ciężarki nazy- wamy siłą ciężkości albo po prostu ciężarem. (Ciężarki zawieszone na nici). A więc ciężar jest wywierany, działa na coś.
Kierunek siły P jest zgodny z kierunkiem obciążonej nici i nazywamy go kierun- kiem pionowym lub pionem...
Autorzy podręczników szkolnych mogą czuć się zdezorientowani, gdyż nie bardzo odnajdują w encyklopediach i podręcznikach akademickich jednoznaczną odpowiedź na pytanie, co fizycy rozumieją przez ciężar. Pragniemy jeszcze raz podkreślić, iż tak naprawdę ważne jest to, by autor podręcznika przyjął defini- cję ciężaru użyteczną z punktu widzenia treści, które pragnie uczniom prze- kazać, używał tego pojęcia konsekwentnie, zgodnie z przyjętą przez siebie de- finicją, we wszystkich opisach zjawisk i sformułowaniach praw.
O trudnościach
autorów podręczników
Zofia Gołąb-Meyer
Zrozumienie pojęcia ciężaru nastręcza uczącym się wiele trudności. Jest ono uwikłane w rozumienie pojęcia siły (nie definiowanej jako takiej w fizyce), masy (rozróżniania masy bezwładnej i masy grawitacyjnej), pojęcia układu inercjalnego i nieinercjalnego, prawa grawitacji a na koniec pojęcia energii. Już samo powyższe wyliczenie sugeruje, iż jest rzeczą naturalną, że występują trudności. Autorki (JS i BW) poprzedniego artykułu zupełnie słusznie zauważają brak powszechnie przyjętej konwencji (definicji ciężaru), jak i – co gorsza – brak konsystencji w konkretnych podręcznikach. Ten brak spójności definicyjnych i na- zewniczych z całą pewnością potęguje chaos poznawczy i nie ułatwia zrozumienia pojęcia ciężaru. Zatem ze wszech miar słuszny jest apel do autorów i recenzen- tów o dopilnowanie tej spójności. Chciałam jednak zwrócić uwagę na to, że sama konsystencja i poprawność definicji nie są jeszcze gwarantami rozumienia. Gdyby tak było, podręczniki nie byłyby potrzebne. Wystarczyłyby dobre encyklopedie. Podręczniki jednak są nie- zbędne. Ich mnogość (mam na myśli istotnie różne propozycje dydaktyczne) świa- dczy o tym, że autorzy poszukują jakiegoś, ich zdaniem najlepszego rozwiązania. Jedni np. uciekają się do nazwy przyciąganie ziemskie , by potem przejść do przy- ciągania na Księżycu i przyciągania planet przez Słońce i w końcu do powszech- nej grawitacji. O poprawkach związanych z siłami bezwładności mówią później. Inni zaczynają od nazwania ciężarem siły nacisku na wagę. I tak w pierwszym podejściu ciężar ciała pływającego w cieczy równoważony jest przez siłę wyporu, zaś w drugim przypadku pływające ciało nie waży nic. Jak pokazały autorki poprzedniego artykułu, nie tylko na uczniów, ale i na autorów pod- ręczników czyhają pułapki. Wybór konkretnej strategii dydaktycznej podyktowa-
ny jest doświadczeniem autorów i chęcią ułatwienia uczniom pokonania trudności na etapach uznanych przez autorów za trudne. Trzeba mieć stale na uwadze zasadę dydaktyczną Marka Kaca, że należy uczyć prawdy, tylko prawdy, lecz nie całej prawdy! Ta niekompletność prawdy powo- duje, że musimy się posługiwać niedopowiedzianymi pojęciami, niedoprecyzowa- nymi założeniami. Niels Bohr rozmawiając kiedyś o rozumieniu i uprawianiu fizy- ki kwantowej porównał je do mycia naczynia w niezbyt czystej wodzie. My ucząc w szkole „myjemy z uczniami naczynie w mętnej wodzie”. Dlatego też tak ważne jest jawne ustalenie celu nauczania. Trzeba doskonale wiedzieć, co chcemy, by uczeń zapamiętał i zrozumiał „na całe życie”, a co pozo- stawimy do wyjaśnienia, doprecyzowania w dalszym ewentualnym toku naucza- nia. Musimy mieć jasny pogląd na to, na uniknięciu jakich błędnych koncepcji nam zależy, jakie uważamy za szkodliwe, a jakie za mało groźne. Powinniśmy się zastanowić czy np. stara formułka ciało zanurzone w cieczy traci pozornie na ciężarze tyle ile waży ciecz przez to ciało wyparta wnosi więcej w rozumienie niż powoduje ewentualnego zamętu. Czy powiedzenie dziesięcio- latkowi ciepłe powietrze unosi balon pomaga mu w zrozumieniu zjawiska, czy ra- czej utrudnia prawidłowe zrozumienie?
Słowo ciężar funkcjonuje w języku potocznym. Co ma wnieść fizyka gimna- zjalna w prawidłowe rozumienie tego pojęcia? Czy na przykład:
- Rozumienie, że ciężar jest siłą ze wszystkimi wektorowymi atrybutami. To jest bardzo ważne, ponieważ może się zdarzyć, że ciężar będzie pełnił rolę paradyg- matyczną, będzie pierwszą siłą z jaką uczeń się spotka.
- Fizyka ma nauczyć ucznia rozróżniania pomiędzy ciężarem a masą. Ma wyja- śnić sens „ważenia” ciała w celu wyznaczenia masy ciała.
- Fizyka ma wskazać na źródło siły ciążenia, na jej uniwersalność we Wszech- świecie.
- Byłoby dobrze, gdyby uczeń rozumiał sens słów przyspieszenie ziemskie. 5. Byłoby dobrze, gdyby rozumiał sens słowa nieważkość.
- Byłoby dobrze, by uczeń rozumiał warunki równowagi dźwigni.
Można by wymienić jeszcze parę „byłoby dobrze”... Czy uznamy rozumienie pojęcia ciężaru za zadowalające, gdy uczeń będzie sobie zdawał sprawę z istnienia konwencji definicyjnych? Innymi słowy, gdy absol- went szkoły po znalezieniu różnych definicji w encyklopediach powie z niesma- kiem „oj ci fizycy, nawet nie mogą się umówić co nazywać ciężarem i wynikają z tego kłopoty dla startujących w Milionerach.” Czy uznamy rozumienie pojęcia ciężaru za zadowalające, jeśli uczeń z kontekstu zadania będzie wiedział, czy siła bezwładności jest „wliczana” w ciężar, czy też nie? Jeśli nie zrobi mu zamieszania powiedzenie ciężar naciska na belkę, innymi słowy, gdy będzie rozumiał skrót za- warty w tym sformułowaniu. Gdy będzie rozumiał zabawność sformułowania przy- spieszenie ziemskie na Księżycu.
uniwersyteckiej 8 punktów), za rozwiązanie zadania 2. maksymalnie 5 punktów (uczestnik z klasy uniwersyteckiej 8 punktów). Za każda poprawną odpowiedź na pytanie testowe można było otrzymać 1 punkt. Tak więc suma możliwych do uzy- skania punktów przez jednego uczestnika Konkursu wynosiła 28 punktów (a z kla- sy uniwersyteckiej 34 punkty). Do Konkursu zgłosiło się 100 uczniów (90 uczniów z klas zwykłych i 10 z klas uniwersyteckich, ci ostatni z V LO w Krakowie). A oto lista nagrodzonych:
KLASY ZWYKŁE Imię i nazwisko ucznia Kod
Imię i nazwisko nauczyciela Klas a
Szkoła
Suma pkt. Lokata
Rafał Staszewski 20 mgr Edward Sołtys II IV LO Kraków 23 I Michał Heller 47 mgr Ryszard Zapała II V LO Kraków 21,5 II Jeremiasz Jagiełła 24 mgr Władysław Gorgoń II I LO Kraków 21,5 II Marcin Zagórski 62 mgr Ryszard Zapała II V LO Kraków 21,5 II Sebastian Liber 60 mgr Ewa Spyrka I I LO Bochnia 20 III Robert Palka 81 mgr Marzena Gzyl II VII LO Kraków 19,5 IV Adam Midura 31 mgr Maria Szafraniec II II LO Kraków 19 V Krzysztof Gawor 48 mgr Andrzej Borycki II VII LO Kraków 18,5 VI Dawid Zych 59 mgr Julia Wątor II LO Skawina 18,5 VI Tomasz Fornal 35 dr Anna Łazarska I II LO Rabka 18 VII Krystian Ulatowski 43 mgr Danuta Polaczek II ZSZ HTS S.A. Kraków
18 VII
Adam Wójtowicz 39 mgr Maria Piasny II I LO Olkusz 18 VII KLASY UNIWERSYTECKIE Witold Rębacz 8 mgr Teresa Mach II V LO Kraków 25,5 I Mateusz Michałek 9 dr Sławomir Brzezowski II V LO Kraków 22,5 II Michał Lasoń 5 dr Teresa Jaworska-Gołąb II V LO Kraków 22,5 II
Główną nagrodą dla zwycięzcy Konkursu – Rafała Staszewskiego z IV LO w Krakowie – jest tygodniowy pobyt w jednym z renomowanych instytutów nau- kowych we Włoszech lub Francji ufundowany przez głównego sponsora Konkursu, Instytut Fizyki Jądrowej w Krakowie. Trzech uczniów (II nagroda – Michał Hel- ler, Jeremiasz Jagiełła i Mariusz Zagórski) wzięło udział w Przedszkolu Fizyki przy XLI Letniej Szkole Fizyki Teoretycznej w Zakopanem. Pozostali uczniowie (a także nauczyciele nagrodzonych uczniów) otrzymali nagrody rzeczowe i książ- ki ufundowane przez następujących sponsorów: Instytut Fizyki UJ, Instytut Fizyki AP, Oddział Krakowski Polskiego Towarzystwa Fizycznego, Dziekan Wydziału Mat.-Fiz.-Techn. AP, ZIBI S.A. w Warszawie, Wydawnictwo „Znak”, Wydaw- nictwo „Zamiast Korepetycji”. Uroczyste wręczenie nagród odbyło się 6 czerwca w sali wykładowej Instytu- tu Fizyki AP. Podczas uroczystości wykład pt. Cywilizacyjne zagrożenie astrono- mii wygłosił prof. dr hab. Jerzy M. Kreiner.
