Co łączy znane przysłowie Jak Kuba Bogu, tak Bóg Kubie z III zasadą dynamiki Newtona? Kiedy wytwarza się napięcie krokowe? Czy w fizyce obowiązuje zasada demokracji? To tylko kilka pytań, na które odpowiadał dr Jerzy Jarosz z Pracowni Dydaktyki Fizyki podczas konwersatorium zorganizowanego przez katowicki oddział Polskiego Towarzystwa Fizycznego. Wykład skierowany był przede wszystkim do nauczycieli przedmiotów ścisłych i dotyczył roli oraz miejsca eksperymentu w procesie dydaktycznym.

Zagadka dr. Jerzego Jarosza: Na podstawce znajdują się trzy palące się świeczki o różnej wysokości. Dr Jarosz nakłada szczelny klosz. Która z odpowiedzi jest prawdziwa i dlaczego: a) najpierw zgaśnie świeczka najniższa; b) najpierw zgaśnie świeczka najwyższa; c) wszystkie świeczki zgasną jednocześnie. Odpowiedź pod artykułem

Kiedy George Johnson, dziennikarz naukowy „The New York Times”, opublikował książkę z opisem dziesięciu najpiękniejszych eksperymentów w fizyce (The Ten Most Beautiful Experiments), pierwsze miejsce zostało przyznane Erastotenesowi, który w III w. p.n.e. dokonał pomiaru obwodu Ziemi. O ile jednak w nauce eksperyment dostarcza przesłanek do formułowania hipotez oraz pozwala weryfikować prawa otrzymane w ramach fizyki teoretycznej, o tyle w dydaktyce umożliwia przede wszystkim obserwację przebiegu zjawisk omawianych podczas lekcji.

Dr Jerzy Jarosz przekonywał nauczycieli do korzystania z tej formy przekazywania wiedzy, która nie tylko sprawia, że lekcje są bardziej atrakcyjne, lecz również pozwala silniej koncentrować uwagę uczniów na omawianym temacie.

– Eksperyment dydaktyczny może być niezwykle inspirujący. Powinien budzić pozytywne emocje, zaskakiwać, ale także wyjaśniać. W tym kontekście mówimy o dwóch efektach: wow i aha – tłumaczył dr Jarosz. – Efekt wow to przede wszystkim zaskoczenie: Nie spodziewam się takiego rezultatu, jest on wbrew moim oczekiwaniom, efekt aha oznacza natomiast zrozumienie: Policzyłem, zmierzyłem, zobaczyłem – wiem, o co chodzi. Jest on może mniej efektowny, ale też ważniejszy w przekazywaniu wiedzy – przekonywał fizyk. Niejako potwierdzeniem słów dr. Jarosza była towarzysząca mu myśl Konfucjusza: Usłyszałem i zapomniałem, zobaczyłem i zapamiętałem, zrobiłem i zrozumiałem.

Dydaktyczny eksperyment musi być przede wszystkim zaplanowany. Pozwala wprowadzać pojęcia i definicje, rozszerza percepcję, umożliwia modelowanie rzeczywistości. Uczestnicy spotkania na własne oczy przekonali się o roli eksperymentu w poznawaniu skomplikowanych praw fizyki. Podczas wykładu nie tylko zademonstrowane zostały przykładowe doświadczenia, lecz również publiczność mogła sprawdzić swoją wiedzę, a w ostateczności także własną intuicję. Uczestnicy konwersatorium otrzymali specjalne piloty oraz zadania eksperymentalne do rozwiązania, następnie odbywało się głosowanie. Niestety w fizyce nie obowiązują zasady demokracji, dlatego zdarzało się, że przewidywania większości zgromadzonych słuchaczy były błędne. Ostatecznie, jeśli brakło wiedzy i zawiodła intuicja, zamiast efektu aha otrzymywaliśmy efekt wow – także cenny z punktu widzenia sprawnego dydaktyka.

Najwięcej emocji wzbudził eksperyment, dzięki któremu naocznie przekonaliśmy się, dlaczego nie warto stać pod drzewem podczas burzy. Na specjalnej tablicy umożliwiającej wyładowania elektryczne znalazły się kształty ludzi, domu, zwierząt i roślin. Po przyłożeniu odpowiedniego napięcia można było obserwować miejsca, w które uderzał piorun. Zdecydowanie najwięcej razy trafiał w wysokie drzewo, pod którym stała krowa – widać było, jak w iskierniku umieszczonym w jej tułowiu przeskakują iskry. Jak wyjaśnił dr Jarosz, był to efekt napięcia krokowego (Uk), wynikającego z dużej różnicy potencjałów pomiędzy punktami (między przednią i tylną parą nóg zwierzęcia) położonymi w pobliżu drzewa, w które trafił piorun.

Bardzo ważne jest również samodzielne formułowanie wniosków przez uczniów.

– Możemy podpowiadać różne rozwiązania. W przypadku III zasady dynamiki Newtona mamy do dyspozycji opisową definicję: Jeśli ciało A działa na ciało B siłą FAB, to ciało B działa na ciało A siłą FBA o takiej samej wartości i kierunku, jak siła FAB, lecz o przeciwnym zwrocie. O wiele łatwiej zapisać ją jednak w formie wzoru: FAB= - FBA, a najlepszym rozwiązaniem są skróty myślowe, na przykład: Każda akcja wywołuje reakcję bądź Jak Kuba Bogu, tak Bóg Kubie, ale tylko wtedy, gdy treść prawa jest nam już znana – wyjaśniał fizyk.

Aby nasi czytelnicy również mogli sprawdzić swoją wiedzę (bądź intuicję), zachęcamy do rozwiązania jednego z zadań przygotowanych przed dr. Jerzego Jarosza. Wystarczy spojrzeć na zdjęcie, pod którym sformułowane zostało pytanie. Redakcja życzy powodzenia!

Odpowiedź: b). Palące się świeczki zużywają tlen. Pozostający gorący dwutlenek węgla ma mniejszą gęstość niż powietrze, dlatego zbierze się u szczytu klosza, gasząc najwyższą świeczkę.