Poważne błędy na maturze z fizyki

W arkuszach pytań maturalnych z fizyki na poziomie rozszerzonym znajdują się poważne błędy w pytaniach dotyczących astronomii. Poniżej przedstawiamy dokładny opis błędów i wyjaśnienia przygotowane przez dr hab. Maciej Mikołajewskiego, redaktora naczelnego Uranii oraz wiceprezesa Polskiego Towarzystwa Astronomicznego. Jest także zamieszczone  stanowisko Centralnej Komisji Egzaminacyjnej oraz wypowiedzi maturzystów.

Przypuszcza się, że Słońce powstało około 4,6 miliarda lat temu z obłoku gazu i pyłu nazywanego protogwiazdą. Po trwającym kilkadziesiąt milionów lat okresie kurczenia się obłoku Słońce stało się gwiazdą ciągu głównego. Zawartość wodoru w jądrze młodego Słońca wynosiła ok. 73%, a obecnie w wyniku ciągu reakcji termojądrowych spadła do 40%. Około 98% energii w Słońcu jest produkowane w cyklu p-p, w którym z czterech protonów powstaje jądro helu. Cykl ten jest wydajniejszy w temperaturach jądra gwiazdy rzędu 10⁷ K, natomiast w wyższych temperaturach (występujących w gwiazdach o masach większych niż Słońce) bardziej wydajny jest cykl CNO (węglowo-azotowy). Gdy zapasy wodoru się wyczerpią, co nastąpi po kolejnych 5 mld lat, Słońce zmieni się w czerwonego olbrzyma i po odrzuceniu zewnętrznych warstw tworzących mgławicę planetarną zacznie zapadać się pod własnym ciężarem, przeistaczając się w białego karła. Następnie przez wiele miliardów lat będzie nadal stygło, stając się brązowym, a później czarnym karłem.

Ostatnie dwa zdania w zadaniu "6. Słońce" z matury 2013 z fizyki w zakresie rozszerzonym: "Gdy zapasy wodoru się wyczerpią, co nastąpi po kolejnych 5 mld lat, Słońce zmieni się w czerwonego olbrzyma i po odrzuceniu zewnętrznych warstw tworzących mgławicę planetarną zacznie zapadać się pod własnym ciężarem, przeistaczając się w białego karła. Następnie przez wiele miliardów lat będzie nadal stygło, stając się brązowym, a później czarnym karłem." oraz zamieszony pod treścią zadania schemat ewolucji Słońca na diagramie HR są całkowicie błędne, jeśli nie nazwać ich wręcz bredniami. Astrofizyka, jak każda nauka przyrodnicza wymaga precyzyjnego posługiwania się definicjami dyskutowanych obiektów i zjawisk.

1. Nie jest prawdą, że "po odrzuceniu zewnętrznych warstw (...) zacznie zapadać się pod własnym ciężarem, przeistaczając się w białego karła". Ten biały karzeł karzeł cały czas JEST JUŻ GOTOWY we wnętrzu gwiazdy na tym etapie i jest on stopniowo odsłaniany poprzez wspomniane na początku zdania "odrzucenie warstw".

2. Brązowe karły to zupełnie inny rodzaj obiektów: "niedorobiona" gwiazda, albo "hipermasywna" planeta. Nie zapalają cyklu p-p więc nie mają źródła energii, które pozwoliłoby im "wstąpić" na ciąg główny.

3. Określenie "czarny karzeł", choć (o zgrozo!) znalazło się w Wikipedii, jest bardzo niefortunne, wynika ono z niefortunności terminu "biały karzeł". Rzeczywiście biały karzeł będzie stygł tak długo póki nie osiągnie temperatury promieniowania reliktowego w danej epoce kosmologicznej. To jest czas wielokrotnie przekraczający wiek Wszechświata w dzisiejszej epoce. Taki obiekt można by rzeczywiście nazwać CZARNYM BIAŁYM KARŁEM, ale w żadnym wypadku czarnym karłem. Po prostu nazwa "biały karzeł" określa obiekty zbudowane z niezwykle gęstej tzw. materii zdegenerowanej. Dużo bardziej fortunne byłoby określenie "zdegenerowane karły" zamiast "białe karły". Tradycyjna nazwa wynika prawdopodobnie z faktu, że dużo wcześniej odkryto te obiekty obserwacyjnie (np. Syriusz B), niż wyjaśniono ich naturę fizyczną.

4. Odgadując sposób myślenia i intencje autorów zadania, obiekty w punkcie "4" diagramu prawidłowo można by nazwać ŻÓŁTYMI (nie brązowymi, bo punkt leży dokładnie pod pozycją Słońca na ciągu głównym!) BIAŁYMI KARŁAMI, w punkcie "5" CZERWONYMI BIAŁYMI (lepiej ZDEGENEROWANYMI) KARŁAMI, bo leżą w "czerwonym" zakresie temperatur na diagramie HR.

5. Ewolucja między punktami "2" i "3" na Diagramie HR (nie wdając się w szczegóły typu pętle na gałąź horyzontalną, asymptotyczną etc.) przebiega zupełnie inaczej. Punkt "3" leży mniej więcej na tym samym poziomie co punkt "2". Dzielność (moc) promieniowania w tej fazie zależy wyłącznie od masy zdegenerowanego jądra gwiazdy (czyli białego karła). Udowodnił to pierwszy kilkadziesiąt lat temu Bohdan Paczyński!

6. Linia ewolucji "2-3" przecina ciąg główny w zakresie gwiazd OB i kończy się w zakresie temperatur 100 tys. K (dla Słońca) i więcej dla gwiazd bardziej masywnych. Tam wywiewana jest reszta otoczki, kończą się reakcje termojądrowe na powierzchni zdegenerowanego jądra i obiekt szybko "zakręca" na linię stygnięcia białych (zdegenerowanych) karłów.

7. Linia stygnięcia (przy stałym promieniu) białych karłów "3-4-5" jest zaprezentowana na rysunku w sposób absurdalny i sugeruje wzrost rozmiarów obiektu. Białe karły to gwiazdy o średnicy mniej więcej porównywalnej z Ziemią, a więc około sto razy mniejsze niż Słońce, co widział każdy (w tym wielu maturzystów) obserwujący ubiegłoroczny tranzyt bliźniaczej Wenus na tle Słońca. W związku z tym biały karzeł o temperaturze takiej, jak fotosfera dzisiejszego Słońca (punkt "4" na diagramie), będzie ok. 10 magnitudo (10 tys. razy) słabszy od Słońca i punkt "4" powinien leżeć co najmniej 4 magnitudo niżej, a punkt "5" jeszcze więcej, poniżej zaznaczonej pozycji.

Reasumując, inteligentny maturzysta podążający za propozycjami autorów zadania utrwali sobie zupełnie błędny przebieg ewolucji Słońca oraz absurdalne nazewnictwo obiektów zdegenerowanych. Uczeń interesujący się astronomią nawet na bardzo popularnym poziomie (nie mówiąc o olimpijczykach, uczestnikach konkursów na referat lub wiedzy astronomicznej, miłośnik astronomii) nie jest w stanie udzielić odpowiedzi zgodnych z intencjami autorów, bo kłócą się one z jego wiedzą. Zadanie jest szkodliwe, może prowadzić do skrzywdzenia najbardziej zaawansowanych w wiedzy astronomicznej maturzystów i jedynym wyjściem jest je CAŁKOWICIE ANULOWAĆ, przepraszając wszystkich przystępujących do egzaminu.

Tekst wprowadzający do zadania ma formę hipotetyczną – rozpoczyna się frazą: Przypuszcza się, że Słońce … . Zadanie nie sprawdza wiadomości dotyczących etapów ewolucji gwiazd. Celem zadania jest sprawdzenie umiejętności odczytywania i analizowania informacji przedstawionej w formie tekstu zgodnie ze standardem II wymagań egzaminacyjnych: Zdający wykorzystuje i przetwarza informacje; odczytuje i analizuje informacje podane w formie tekstu o tematyce fizycznej lub astronomicznej.

Zgodnie ze schematem oceniania zdający otrzyma maksymalną liczbę punktów niezależnie od tego, czy udzieli odpowiedzi jedynie na podstawie zamieszczonego tekstu, czy też wykaże się dodatkową wiedzą.

Zadanie 6.1 sformułowane jest w dużej mierze w konwencji fikcji naukowej (podobnie jak osławiony problem braci bliźniaków, ilustrujący teorię względności). Jego zadaniem nie było wyprowadzenie wniosków naukowych, lecz jedynie sprawdzenie umiejętności w posługiwaniu się pojęciami zaczerpniętymi ze współczesnej astronomii. Z tego punktu widzenia kilka nieścisłości, jakie można dostrzec przy dosłownym potraktowaniu tekstu zadania, nie powinny rzutować na jego ocenę. Poza tym wszelkie przewidywania dotyczące odległej przyszłości słońca zawsze mają tylko hipotetyczny charakter.

Celem zadania 6.1 oraz wprowadzającego fragmentu było sprawdzenie umiejętności rozumienia tekstu o charakterze popularno-naukowym i wyciągnięcie z niego wniosków. Celem natomiast nie było sprawdzenie najnowszej wiedzy w zakresie przebiegu ewolucji gwiazd. Wszystkie informacje potrzebne do odpowiedzi na pytanie 6.1 zawarte są w poprzedzającym tekście – należało je tylko uporządkować. Przedstawiony na wykresie i w tekście schemat ewolucji gwiazdy jest dużym uproszczeniem, ale nie fałszuje zasadniczego jej przebiegu. Niewłaściwe użycie terminu „brązowy karzeł” nie wpływa na zrozumienie pytania, ani na ocenę odpowiedzi. Całe zadanie 6. we wszystkich częściach dobrze sprawdza szeroki wachlarz wymaganych od absolwenta umiejętności i wiedzy.

Nauczyciel przygotowujący mnie do matury z fizyki zawsze powtarzał, że na maturze tej nie wolno za dużo myśleć, bo zawsze odkryje się jakieś źle sformułowane zdania, wyrażenia. Zadanie 6 jest tego przykładem. Zdawałem sobie sprawę, że są tam napisane bzdury, ale na chwilę postanowiłem zapomnieć o astronomii jakiej się nauczyłem. Zagłębiłem się w tok rozumowania autora tego zadania, bez zwracania uwagi na to, co ja na ten temat wiem. Dzięki temu cały problem rozwiązałem poprawnie pomimo, że nie przyjąłem do wiadomości informacji, że Słońce stanie się kiedyś brązowym karłem. Rozwiązując to zadanie wyjaśniłem sobie w domyśle, że nie chodzi o brązowego karła, ale o brązowego białego karła, a wtedy ma to już jakiś sens (pomijając fakt, że Wszechświat jest na takie obiekty za młody). Moim zdaniem zadanie NIE powinno być anulowane. Jeśli miałoby być, to w takim razie proszę też o anulowanie zadania 1.3, bo też dopatrzyłem się tam nieprecyzyjności w sformułowaniu polecenia. Taka jest moja opinia.

Na samej maturze nie zasugerowałem się znacznie tekstem i automatycznie wręcz uzupełniłem diagram HR, na którym, jak od razu zauważyłem, ścieżka ewolucyjna Słońca była błędnie namalowana. Uzupełniłem to odpowiedziami, które również proponuje Urania: czyli "żółty karzeł" oraz "czerwony karzeł". Odpowiedzi z tekstu nie brałem pod uwagę, gdyż wiedziałem że brązowy karzeł nie ma temperatury 5700 K, a czarny 3000 K (!), a biały karzeł stygnąc musi przybierać takie barwy przy takich temperaturach (prawo Wiena). Uważam, że tak poważy egzamin powinien mieć również poważną treść i nie podawać nieprawdziwych informacji. Ogólnie rzecz biorąc, cała matura była stosunkowo prosta i nie wymagająca dużych umiejętności. Dobrze, że astronomia się pojawiła, szkoda, że z takim skutkiem.

W tym roku zdawałam rozszerzoną maturę z fizyki i szczerze mówiąc, to felerne zadanie nie wzbudziło we mnie szczególnych podejrzeń. Być może wynika to z faktu, że nigdy nie zgłębiałam dokładnie ewolucji gwiazd, trochę ze stresu, ale też, co ciekawe, nie od raz zrozumiałam, o co w tym zadaniu chodziło. Zdziwiłam się, że to wystarczy tylko tak po kolei przepisać. Tak więc bardziej skupiłam się na poleceniu niż samej treści notatki. Nie mam jednoznacznej opinii, co do tego zadania. Miało ono sprawdzać w końcu nie wykutą wiedzę (tu akurat nie ma mowy o głębszym zrozumieniu problemu), tylko umiejętność korzystania z tekstu źródłowego. Właściwe cała matura z fizyki w tym roku była na myślenie, niewiele pojawiło się zadań z faktycznego materiału. Np. w zadaniu z przepływem ciepła przez ścianę; podany był jeden wzór i kombinuj, maturzysto. Z drugiej strony, na maturze nie powinny pojawiać się błędy merytoryczne. Skoro polskie szkolnictwo sukcesywnie zaniża poziom, trzymajmy chociaż fason na egzaminach państwowych. Można powiedzieć: chcieli dobrze, tylko znowu nie wyszło :)

tegoroczna maturzystka