الأحد، 23 أبريل، 2017

درس الحركة والسرعة

الحركة والسرعة
تشمل اللغة العلمية عدّة مقادير تقاس مباشرةً من الأحداث المختلفة، مثل: الكتلة والمسافة والزمن، وباقي المقادير الأخرى يمكن وصفها بواسطة الكتلة والزمن والمسافة، وهناك مقادير أخرى تُشتقّ من المقادير التي تقاس مباشرةً كالسرعة والتسارع والوزن.
الوحدات المعيارية في العلم (التي تسمّى S.I System International, ) التي نعبّر بواسطتها عن المقادير المختلفة هي:
‌أ.      المسافة- أمتار
‌ب.    الزمن- ثوانٍ
‌ج.     الكتلة- كغم

المقادير التي تُشتقّ من المقادير أعلاه يُعبَّر عنها بواسطة وحدات هذه المقادير:
‌أ.      السرعة- متر في الثانية (أو كم في الساعة)
‌ب.    التسارع- متر في الثانية تربيع
‌ج.     الوزن (أو القوّة)- كغم ضرب متر مقسوم على ثانية تربيع (تسمّى هذه الوحدة نيوتن أيضًا)
المعادلة التي تربط بين المسافة (x) التي قطعها الجسم في حركته على طول خطّ مستقيم وبين سرعته  (v) ، إذا كانت ثابتة، خلال الزمن t   هي .x=vt

ب. المهارات
في إطار تعليم العلوم والتكنولوجيا في المدارس الإعدادية نتناول إكساب المهارات والتمرّن عليها وتطبيقها. توفّر هذه الوحدة فرصًا لإكساب عدد من المهارات والتمرّن عليها خلال حلّ المسائل المختلفة في هذه الوحدة. فيما يلي قائمة للمهارات المركزية. ذُكرت بجانب كلّ مهارة بعض الأمثلة من أسئلة التقييم من مجمّع المهمّات التي استعملت المهارة المذكورة  .  يعتمد وصف المهارات على مستند إستراتيجيات التفكير لقسم المناهج التعليمية: http://meyda.education.gov.il/files/Tochniyot_Limudim/Portal/EstrategyotChashiva.pdf

1.     مهارات بحثية
       طرح فرضيات (تنبّؤ) (مثلاً السؤالان 69، 78)
       استنتاج استنتاجات من نتائج التجربة (مثلاً الأسئلة 39، 80، 64، 66، 38-40)
       استنتاج استنتاجات من معلومات معروضة في عروض بيانية مختلفة (مثلاً الأسئلة 102-107، 114-115)

2.     حجاج (يمكن استعمال النموذج التدريسي "التأثير المتبادل والقوى"- انظروا المصادر)
       استعمال العروض البيانية لتفسير ظواهر بلغة القوى (مثلاً الأسئلة 15، 17، 20، 22-24، 26)
       استعمال إستراتيجية حلّ المسائل (هذه المهارة متاحة في معظم الأسئلة)

3.     المقارنة لحلّ المسائل (مثلاً الأسئلة 18-19، 7، 4، 1، 36، 32، 92-97)

4.     عرض معلومات (عروض نصّية، رسم توضيحي تخطيطي، مخطّط مستطيلات، جدول، رسم بياني)
       عرض معلومات في رسم بياني وجدول ومخطّط
       عرض معلومات لحالة معطاة (مثلاً السؤالان 108، 110)
       ربط ودمج معلومات استُنتجت من عروض مختلفة (مثلاً الأسئلة 45، 102-107)

اقتراحات تدريسية للموضوع
1. مقدّمة
تتناول هذه الوحدة وصف وتفسير وتنبّؤ ظواهر بمساعدة معلومات تعتمد على قوانين نيوتن.
يتميّز التوجّه التدريسي المقترح في هذه الوحدة بثلاثة مميّزات مركزية:
‌أ.      التأثير المتبادل أوّلاً: يتمّ تدريس مصطلح التأثير المتبادل في البداية. يتعلّم الطلاّب عن فكرة التأثير المتبادل ويتعرّفون على تأثيرات متبادلة في التلامس، وفي مرحلة لاحقة يتعرّفون على التأثيرات المتبادلة التي تعمل عن بُعد. يُستعمل مقدار القوّة مقياسًا لشدّة التأثير المتبادل، ويوصف كلّ تأثير متبادل بواسطة زوج من القوى. القانون الثالث لنيوتن مدمَج مباشرةً في هذا التوجّه، لأنّ كلّ تأثير متبادل يرتبط بزوج من القوى متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتّجاه.
‌ب.    مفهوم المنظومة: يتمّ تحليل الحدث في سياق المنظومة التي يحدث فيها. أي أنّ التحليل يبدأ بوصف المنظومة المتعدّدة الأجسام وتحديد جميع التأثيرات المتبادلة للأجسام في المنظومة، وفقط في مرحلة لاحقة ترجمة التأثيرات المتبادلة إلى قوّتين والتركيز على الأجسام الفردية مع التطرّق إلى السؤال المطروح. يُشتقّ هذا  المفهوم من الحقيقة بأنّ تصرّف الجسم يُحدَّد بواسطة جميع التأثيرات المتبادلة (القوى) التي يشارك فيها، ولذلك يجب التطرّق إلى المنظومة التي يعمل فيها. القوّة لا تظهر "لوحدها" أبدًا وإنّما ضمن قوّتين. الرصد المنهجي لجميع التأثيرات المتبادلة (والقوى) بين الأجسام في التلامس والتأثيرات المتبادلة التي تؤثّر عن بُعد يتيح للطالب عدم نسيان قسم من التأثيرات المتبادلة، وبذلك يمنع أيضًا ميل الطلاّب إلى نسيان قسم من القوى التي تؤثّر على الجسم. كذلك الانتقال من وصف التأثيرات المتبادلة في المنظومة إلى الوصف بواسطة القوى يتحقّق بسهولة نسبية بعد أن تمرّن الطالب على تشخيص جميع التأثيرات المتبادلة ذات الصلة التي يشارك الجسم فيها، وعلى ترجمتها إلى قوّتين تؤثّران على الجسم (الموصوفتين في مخطّطات القوى). الطلاّب الذين يعتادون على التفكير بمصطلحات التأثير المتبادل والمنظومة يحلّون بسهولة أكبر مسائل "في المدرسة" وكذلك يمكنهم النجاح في تفسير أحداث من حياتهم اليومية التي لا نلتقي فيها "بجسم حرّ" بتاتًا.  
‌ج.     إستراتيجية لحلّ المسائل: إكساب المنظومة الاصطلاحية مدمَج مع إكساب إستراتيجية حلّ المسائل التي تتيح للطالب التنظيم المنهجي لسلسلة العمليات اللازمة لتحليل الأحداث المعقّدة. هذه الإستراتيجية موصوفة بالتفصيل في البند التالي.
مجرى التدريس
 يشمل التدريس ثلاثة أقسام مركزية تلائم الفصول الفرعية التي في الوحدة. يبدأ القسم الأوّل بمصطلح "التأثير المتبادل"، يليه تعريف لمصطلح "القوّة" كمقياس لشدّة التأثير المتبادل. يتعلّم الطلاّب في مرحلة لاحقة بناء مخطّطات قوى واستعمالها لتفسير أحداث من حياتهم اليومية من خلال قوانين نيوتن. حتّى هذه المرحلة، يتمّ تمثيل القوى بصورة نسبية فقط (في كلّ الأبعاد) وهناك فقط تطرّق إلى الحقيقة هل محصّلة القوى هي صفر أم لا، وما هو اتّجاهها. في مرحلة لاحقة هناك معالجة كمّية قليلة تتضمّن إضافة قيَم لمقدار القوّة وحساب محصّلة القوى. ينتهي هذا الفصل الفرعي بعرض أساسي لمصطلح الشغل.
يتضمّن القسم الثاني تطبيقًا للمعلومات التي اكتسبها الطلاّب في موضوع الآلات البسيطة والرافعات. بالإضافة إلى ذلك، ترد عدّة أمثلة لتأثير القوى على دوران الجسم حول محور.
أمّا القسم الثالث فيتمّم التدريس بتحليل الحركة. يشدّد هذا الفصل الفرعي على إكساب فهم معادلة المسافة- السرعة- الزمن (x=vt) وعلى وصف بياني للأحداث التي تتعلّق بتغيّرات الموقع، من خلال التركيز على القدرة على الوصف الكلامي للوصف البياني للحركة.
نقترح في هذه الوحدة تجارب مفتاحية تمثّل أنواعًا مختلفة من التأثيرات المتبادلة (تأثيرات متبادلة في التلامس وتأثيرات متبادلة بدون تلامس)، المأخوذة من الحياة اليومية (على سبيل المثال: الدفع والجذب، القوّة المرنة، القوى الكهروستاتية والمغناطيسية، قوى الجاذبية). تشدّد الوحدة على التجارب والعمل في مجموعات وعمليات بحث يقوم المعلّم بإرشادها.

2. المبادئ والمصطلحات الأساسية وإستراتيجية حلّ المسائل
لنفحص المسألة التالية: في حفل تخريج في الجامعة، يُلقي الخرّيجون الجدد قبّعاتهم باتّجاه السماء. تصعد القبّعات إلى ارتفاع معيّن، وتتوقّف وبعد ذلك تعود إلى الأرض. السؤال الذي يُطرَح هو: هل تؤثّر قوّة على القبّعة عندما تكون في أوج ارتفاعها في حالة السكون اللحظية؟
الكثير من الطلاّب، بعد تعلّمهم الفيزياء (في المرحلة الثانوية أيضًا)، يجيبون أنّه بما أنّ القبّعة في أوج ارتفاعها تكون في حالة سكون لحظية، فإنّه لا تؤثّر عليها قوى في هذه اللحظة المعيّنة. هذه الإجابة خاطئة بالطبع، لأنّ قوّة جاذبية الكرة الأرضية تؤثّر على القبّعة طوال الوقت دون علاقة بسرعتها.
يجسّد هذا المثال الصعوبة التي يواجهها الطلاّب الذين ما زالوا يجدون صعوبة في تطبيق المصطلحات لحلّ المسائل المختلفة وبناء تفسيرات، رغم أنّهم اكتسبوا المعرفة والمعلومات حول المصطلحات المركزية خلال تعلّمهم في المدرسة. هذا النوع من الأسئلة يشكّل مثالاً لذلك أنّه لا يمكن الاكتفاء بالإطار الاصطلاحي لتوفير إجابات تتطلّب تحليلاً في عدّة مراحل، وأنّه ينبغي بالإضافة إلى الإطار الاصطلاحي إكساب وسائل لتحليل الظواهر. يوجب مثل هذا التحليل استعمال عمليات مختلفة تنعكس في حلّ المسائل. على سبيل المثال، لتفسير ظاهرة متعلّقة بالتأثير المتبادل وبالقوى وتغيّرات في الحركة، هناك حاجة للتطرّق إلى "مخطّط القوى". بكلمات أخرى، يتوجّب إكساب الطلاّب، بالإضافة إلى الإطار الاصطلاحي، إستراتيجية وإجراءات لحلّ المسائل. بالإضافة إلى ذلك، إكساب الإطار الاصطلاحي والإستراتيجية الملائمة لمجال معيّن يجب أن يأخذ بالحسبان المعرفة الفطرية السابقة للطلاّب، والتي يجب التطرّق إليها خلال التدريس (انظروا المخطّط).

                                          المعرفة السابقة الفطرية

   إستراتيجية لحلّ المسائل                                        الإطار الاصطلاحي

                               تفسير وتنبّؤ ظواهر من الحياة اليومية

إستراتيجية حلّ المسائل المعروضة في هذه الوحدة تشمل ثلاث مراحل: وصف المنظومة، من المنظومات إلى الجسم الوحيد، تناسب القوى وتأثيرها على الجسم. ترافق المراحل أوامر تنفيذية وأسئلة موجِّهة التي يُترجَم الحدث من خلالها (حدث- حالة) إلى سلسلة عروض بصرية. تنتهي العملية ببناء مخطّط القوى التي تؤثّر على جسم معيّن اختير من المنظومة (انظروا الأمثلة لاحقًا).  

 تؤدّي هذه الإستراتيجية بالطالب إلى التطرّق إلى المنظومة بأكملها وتشخيص جميع التأثيرات المتبادلة والقوى التي تعمل بين الأجسام، وبعد ذلك فقط التركيز على الأجسام الهامّة في السؤال. يستطيع الطالب في هذه المرحلة  تحديد "التقاط" الجسم العيني الذي تتناوله المسألة وبناء مخطّط القوى الكامل الذي يلائمه، بسهولة.
نعود ونؤكّد على أنّنا نتحدّث عن إستراتيجية لتحليل نوعي للحالات، ولذلك هناك تشديد على جميع التأثيرات المتبادلة والقوى وتطرّق إلى مقدارها النسبي (أكبر، أصغر) في تحديد تصرّف الجسم وليس إلى مقدارها العددي.
فيما يلي وصف قصير للمراحل المختلفة في الإستراتيجية ومثال لتفعيلها. يتناول المثال الحدث التالي: يحاول داني الخروج مع كلبه لجولة الصباح، ويجرّه بحزام لكنّ الكلب لا يتحرّك. فسّروا لماذا.     

المرحلة "أ": وصف المنظومة
هدف هذه المرحلة تشخيص الأجسام التي لها صلة بالحالة والتأثيرات المتبادلة التي بينها. 
يشمل وصف المنظومات مرحلتين فرعيتين:
1. ترجمة الحالة إلى مخطّط مستطيلات للمنظومة
الشخص       الحزام الكلب
المصطبة
الكرة الأرضية

2. بناء جدول تأثيرات متبادلة لجميع الأجسام في المنظومة.
        الشخص       الحزام الكلب  المصطبة      الكرة الأرضية
الشخص       0      +      -       +      +
الحزام +      0      +      -       +
الكلب  -       +      0      +      +
المصطبة      +      -       +      0      +
الكرة الأرضية        +      +      +      +      0

 عندما "+" يشير إلى "وجود تأثير متبادل"، وَ "- " يشير إلى "عدم وجود تأثير متبادل" وَ "0" "لا يوجد صلة له" (الجسم لا يمكنه أن يكون في تأثير متبادل مع نفسه).
يرافق هذه المرحلة السؤالان الموجِّهان التاليان للتأكّد بأنّ الطلاّب لم ينسوا أيّ تأثير متبادل:
       هل يوجد تأثير متبادل ناتج عن تلامس  أجسام المنظومة؟ هل تطرّقتم إلى كلّ تلامس بين أيّ جسمين؟
       هل يوجد تأثير متبادل بدون تلامس (عن بُعد) بين أجسام المنظومة؟
1.     تأثير متبادل للجاذبية؟
2.     تأثيرات متبادلة كهربائية أو مغناطيسية (جذب، تنافر)؟

يمكّن مخطّط المستطيلات وجدول التأثيرات المتبادلة للطلاّب التعرّف تعرّفًا أوّليًّا على مصطلح المنظومة، لأنّهم عندما يصفون المنظومة (في البداية بواسطة مخطّط مستطيلات، ومن ثمّ بواسطة جدول التأثيرات المتبادلة) يتوجّب عليهم مواجهة تشخيص (أو تفكيك...) مركِّبات المنظومة التي لها صلة.


المرحلة "ب": من المنظومة إلى الجسم الوحيد
هدف هذه المرحلة دفع الطلاّب إلى بناء مخطّط لجميع القوى التي تؤثّر على الجسم المختار.
تتمّ العملية في مرحلتين فرعيتين:
1.     الإشارة إلى كلّ زوج قوى حسب مخطّط المستطيلات بواسطة جدول التأثيرات المتبادلة.
    الشخص      الحزام          الكلب
المصطبة
الكرة الأرضية
       
يعبّر كلّ زوج قوى عن تأثير متبادل بين الجسمين. الأسهم الحمراء تمثّل الاحتكاك.


2.     اختيار الجسم "وجمع" كلّ القوى التي تؤثّر عليه من مخطّط المستطيلات.


يتطرّق السؤال الذي في المثال إلى الكلب، لذلك يشكّل الكلب الجسم المختار. تشير الأسهم إلى القوى التي تؤثّر على الجسم (بدون التطرّق إلى مقدار القوى) ويشير اتّجاه الأسهم إلى اتّجاه القوّة. يجب الإشارة إلى أسماء الأجسام التي تؤثّر بالقوى على الكلب.
السؤالان الموجِّهان التاليان يؤكّدان القانون الثالث لنيوتن وأنّه تظهر في مخطّط الجسم المختار جميع القوى التي تؤثّر على الجسم واتّجاهها، إلى جانب الإشارة إلى الأجسام التي تؤثّر بكلّ واحدة من القوى.
       هل حرصتم على رسم سهمين لكلّ تأثير متبادل يصفان قوّتين متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتّجاه؟
       هل عندما ركّزتم على جسم معيّن، رسمتم فقط القوى التي تؤثّر على الجسم؟ افحصوا بأنّكم لم تشملوا قوى يؤثّر بها الجسم على الأجسام الأخرى.
في هذه المرحلة لا نتطرّق إلى المقدار النسبي للقوى التي تؤثّر على الجسم.

المرحلة "ج": تناسب القوى وتأثيرها على الجسم
هدف هذه المرحلة تمكين الطلاّب من التطرّق إلى الحالة وتحليلها بواسطة مخطّط القوى. يوجَّه الطلاّب في هذه المرحلة إلى بناء مخطّط كامل يتطرّق إلى الجسم الوحيد مع تناسب القوى الصحيحة (من جانب نوعي فقط: أكبر/ أصغر/ يساوي).
الطول النسبي للأسهم التي تمثّل هذه القوى، يمكن أن يُحدَّد اعتمادًا على المعلومات المعطاة في المسألة (القوّة التي تؤثّر على الجسم باتّجاه اليمين بواسطة X أكبر من القوّة التي تؤثّر على الجسم باتّجاه اليسار بواسطة Y) أو حسب مميّزات حركة الجسم.
في المثال الحالي، يعدّل الطالب أطوال الأسهم في المحورين الأفقي والعمودي، حسب مميّزات حركة الكلب، للحصول على مخطّط قوى كامل. في هذه الحالة الكلب لا يتحرّك (معطى)، ولذلك القوى متكافئة، أي أنّ الأسهم في كلّ محور متساوية الطول ومتعاكسة الاتّجاه.
السؤال الموجِّه التالي "يتأكّد" من أنّ الطالب قد فهم الحالة جيّدًا ويتيح له الربط بين القوى والحركة (القانون الثاني لنيوتن).
هل أخذتم الحقائق التالية بالاعتبار؟
       عندما تكون القوى التي تؤثّر على الجسم في نفس النقطة متكافئة- فإنّ النتيجة مطابقة للحالة التي لا تؤثّر فيها قوّة بتاتًا على الجسم: الجسم لا يتحرّك من مكانه.
       عندما لا تكون القوى التي تؤثّر على الجسم متكافئة- فإنّ الجسم يتحرّك باتّجاه تأثير القوّة الأكبر، وسرعته تزداد خلال ذلك.
       كلّما كانت كتلة الجسم (الذي يمكنه التحرّك) أصغر، كانت وتيرة التغيّر في سرعته (بتأثير قوّة ثابتة) أكبر.
تحضيرًا لهذه المرحلة، يتعلّم الطالب تفعيل قوانين نيوتن على مخطّطات قوى جاهزة وتحليل حركة الأجسام المعروضة في هذه المخطّطات.
3. جدول تخطيط التدريس- التعلّم- التقييم
يعرض الجدول التالي اقتراحًا لتسلسل التدريس/ التعلّم/ التقييم، ويشمل تطرّقًا إلى المواضيع المركزية إلى جانب فعاليات مفتاحية (تجارب موصى بها، محاكاة حاسوبية، مسائل، جولات، أفلام) وتوجيهًا إلى الكتب التعليمية في العلوم والتكنولوجيا للمدارس الإعدادية وتوجيهًا إلى مهمّات تقييمية.
15-20 ساعة دراسية- انظروا تطرّقًا أكثر تفصيلاً بالنسبة للملاءمة بين المواضيع التدريسية والمصطلحات والأهداف والمهارات في الجداول المفصّلة لاحقًا.

الموضوع التدريسي  درس رقم     المصطلحات والأهداف       المهارات      فعاليات مفتاحية       توجيه إلى الكتب التعليمية        توجيه إلى أسئلة التقييم


مواضيع ذات صلة
 

درس الحركة والسرعة
الحركة والسرعة الثالثة اعدادي تمارين وحلول
الحركة والسرعة جدع مشترك علمي
اخطار السرعة والسلامة الطرقية
الحركة والسرعة
الحركة والسكون السنة الثالثة اعدادي
مخاطر السرعة في القيادة
قانون السرعة في الفيزياء
بحث عن الحركة وانواعها

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق