انواع الطاقات

طاقة الارتفاع

طرق التدريس

نوصي بإجراء  التجارب التي تعرض تأثير المتغييرات المختلفة (كتلة، ارتفاع) على مقدار التغيير في طاقة الارتفاع للحصول على مقدار كمي. يُفضل التطرق إلى الظواهر التي تتعلق بأنواع الطاقة التي تتحول إليها طاقة الارتفاع

( مثل: تغيير السرعة،تغيير شكل الجسم والتسخين التي تَنْتُج عند اصطدام جسم يسقط). يستحسن بقدر الامكان  أن نتحدثعن تجربة جول أو أن نَصفها بشكل كمي.

يستحسن البدء في طاقة الارتفاع، بحيث تكون العلاقة بين المقادير أو المتغيرات علاقة خطية.

حساب كمية طاقة الارتفاع (تعويض المتغيرات في قانون حساب طاقة الارتفاع Ep=mgh). من المهم أن نلفت انتباه جميع التلاميذ إلى أن العملية التي تتغير فيها طاقة الارتفاع في نظام معين، فإنَّ الارتفاع هو الذي يتغير فقط وليس الكتلة. تظهر العلاقة بين  الطاقة والكتلة عندما نقارن طاقة ارتفاع أنظمة مختلفة ( مثلاً: سقوط عياران وزنيان مختلفانفي الكتلة).

تجربة افتتاحية: الكرة المعلقة وقانون حفظ الطاقة

كرة حديدية ثقيلة، ,كتلتها 5 كغم، مثبه بواسطة خيط على حائط. يقف تلميذ على كرسي ويمسك بالكرة بحيث تلمس أنفه، ثم يقوم بتركها من من حالة السكون. الفرق بين الارتفاع الأول والثاني هو نِصف متر.

أسئلة في أعقاب التجربة:

1.صفوا بالكلمات التغيير في الطاقة بين الحالات المختلفة.

2. ما هي أنواع الطاقة التي تزداد؟ وما هي أنواع الطاقة التي تقل عند الانتقال من مرحلة إلى أخرى؟ صفوا ذلك

 بواسطة رسم الأسهم.

3. لماذا لم تصطدم الكرة بأنف الولد لحظة عودتها إلى النقطة التي تُركت منها؟

4. هل نحصل على نفس النتيجة (الكرة لا تصطدم) فيما لو استبدلنا  الكرة بكرة كلكار ؟ ما الذي نستطيع أن نستنتجه

من ذلك؟

5. خمنوا، ماذا يحدث للكرة بعد عدة ساعات؟ اشرحوا اجابتكم.

6. ماذا يحدث،بحسب رأيكم،إذا اجرينا التجربة في مكان لا يوجد فيه الهواء؟

7. ماذا تكون سرعة الكرة بعد أن تُركت من النقطة 1 ووصلت النقطة 2؟

توصية لتنفيذ فعاليات إضافية

تجربة 1:عُدِّةSCIENCE DEMO  التي تبحث سقوط عيارات وزنية (أثقال)على معجونة،أو على الرمل. فحص تأثير ارتفاع السقوط على المعجونة أو الرمل، تأثير الكتلة على الجسم، وكذلك فحص عوامل لا يوجد لهاتأثير (مثل شكل الجسم). ذُكرت هذه التجربة في الكتابين: ( "المتعةالفيزيائية – طاقة" ص 155, 156, 157، عالم من الطاقة 60-61، فصل طاقة الارتفاع).

تجربة2 :كرة تتدحرج على مسار أملس من ارتفاعات مختلفة وتدفع مكعب يقف في أسفل المسار.

يجب أن نلاحظ أن البُعد الذي يصل إليه المكعب يتعلق بـ:

• ارتفاع الكرة الأولي.
• كتلة الكرة.

تجربة3:من كتاب "أسس الفيزياء" (يجال جليلي وداني عوبادي)، تجربة بحث عن طاقة الارتفاع االوضعية: ص 321-324

تجربة 4:التسخين بواسطةالانخفاض في الارتفاع ( انظروا المقال " عودة جول المصغر" في مجلة تهودا، كانون ثاني 2012).

تجربة 5: بندول متحرك - قياس الارتفاع الأولي والنهائي للبندولفوق سطح الانتساب.

طاقة الحركة

طرق تدريس

نوصي بإجراء التجارب التي تعرض تأثير المتغيرات المختلفة (كتلة ، سرعة) على قيمة التغيير في طاقة الحركة والحصول على تقدير كمي. يُستحسن استخدام التجارب التي تدمج بين تحولات طاقة ارتفاع الى طاقة احركة والعلاقة بينهما.

حساب طاقة الحركة.

من المهم أن نلفت انتباه التلاميذ إلى أنه في العمليات التي تتغير فيها طاقة الحركة، تتغير فقط السرعة ولا تتغير الكتلة.

ملاحظة :

نوصيأن يتعرف الطلاب على مصطلح " الطاقة الحركية"  على أنه مصطلح مقبول في الفيزياء.

تجربةإفتتاحية 1:العلاقة بين طاقة الحركة وسرعة الجسم- بحث سقوط حرمع مسجِّل الزمن (استعمالمسجِّل الزمن لقياس السرعة من ارتفاعات مختلفة ومقارنتها بطاقة الارتفاع التي "اختفت" . تظهر التجربة في " أسس الفيزياء" (جليلي وعوباديا) ص 356.

توصية لتنفيذ فعاليات إضافية

تجربة 2: تجربة ذات طابع أقل كمي، لكنها سهلة وتُبرز العلاقة بين طاقة الحركة وبين السرعة : عالم من الطاقة ص 128.

تجربة 3 :العلاقة بين السرعة وطاقة الحركة بمساعدة عَجَل ( عالم من الطاقة ص 135).

تجربة4:فحص قانون الطاقة الحركية ( متعة فيزيائية): ص 172 تجربة 4. تسخين بواسطة عملية إيقاف عَجَل يدور ( انظروا المقال "عودة جول الصغير) في مجلة تهودا، كانون الثاني 2012.

يمكن فحص قانون حساب الطاقة الحركية بواسطة تجارب جول،أو وفقًا لقانون حفظ الطاقة الذي يعتبر فرضية.

تجارب إضافية: من كتاب  "عالم من الطاقة"، الصفحات 126, 128، تأثير الكتلة والسرعة على طاقة الحركة. كرة تتدحرج / سيارة تتحرك على مسارات منحدرة  ذات سطوح مختلفة – ورقة زجاجية/ سطح من عشبأخضر اصطناعي/ رمل/ صوف/ ماء/ زيت.

ت. الطاقة في الأنظمة الكهربائية

طرق تدريس

يجب مناقشة مصطلحات من عالم الكهرباء: قانون أوم، تحولات طاقة كهربائية إلى حرارة (مثلاً: تسخين ماء بمساعدة جسم تسخين كهربائي في قدرات كهربائية مختلفة)،الاستغلال (النجاعة).

تجربة إفتتاحية

نسخن ماء في إبريق كهربائي، حيث يتم قياس زمن التسخين والتغيير في درجة الحرارة. يمكن تغيير كمية الماء وفحص وتيرة التسخين. المقارنة بين الطاقة الكهربائية التي استُهلكت وطاقة حرارة الماء ( النجاعة).

توصية لتنفيذ فعاليات إضافية

تجربة 1- تجربة الكالوريمتر

نسخن كمية معينة من الماء داخل كأس حراري بواسطة ملعقة كهربائية للتسخين، ونقوم بقياس V, I ,(الجهد الكهربائي , التيار الكهربائي)،الزمن والتغيير في درجة الحرارة. ثم نغيِّر V, Iبواسطة مقاوم متغيِّرة أو إضافة بطارية، ونفحص كيف يؤثر ذلك على التغيير في درجة الحرارة كدالةللزمن.

ج. الطاقة الحرارية

توصيات تدريسية

نوصى بعرض تحويل كل طاقة من الطاقات الميكانيكية التي عالجنها (حركة، ارتفاع) الى حرارة.

قياس تسخين الماء

حساب طاقة الحرارة وفقًا للقانون. من المهم أن نُبرز للتلاميذ أنّ  الحرارة ليست مقياسًا للطاقة الموجودة في الجسم: وفي جميع التجارب، نقيس مقدار الطاقة التي أُضيفت للجسم أو فقدت منه (انخفضت).

تجربة إفتتاحية:تحويل طاقة الحرارة إلى طاقة حركة في السوائل

رسمة للتجربة

هدف التجربة: عرض مثال لتحولات الطاقة

وصف التجربة: يجب تركيب النظام المرسوم اعلاه.

ملاحظة: طرف الأنبوب رقم 3 يجب أن يكون قُطره 0.6-0.7 ملم.

تنفيذ التجربة: نسخن الوعاء رقم 2، ومن خلال الأنبوب رقم 3 يرتفع السائل على شكل نافورة.

الشرح:عند تسخين وعاءرقم 2، ترتفع الطاقة الحرارية للغازات ونتيجة لذلك يرتفع ضغط الغاز في الوعاء رقم 1.

لذلك ترتفع السوائل الموجودة في وعاء رقم 1 من خلال الأنبوب رقم 3 على شكل نافورة.

توصية لتنفيذ فعاليات إضافية

تجربة 1:تسخين الماء على الغاز. نقوم بتسجيل درجات الحرارة خلالفترات زمنية ثابته، ونفحص العلاقة بين ∆T والزمن الذي مرّ.

تجربة 2:نعيد إجراء التجربة رقم 1 مرةً أخرى،لكن مع كميات ماء مختلفة، ونقارن زمن التسخين المطلوب، لكي نحصل على نفس اﻟ∆T.

تجربة3: ننفِّذ التجربة مرة أخرى،لكن نستخدم سوائل مختلفة (عند استخدام الزيت،يجب على المعلم أن ينفذ التجربة فقط، لأن الزيت قابل للاشتعال ويشكل خطرًا) .

تجربة4: تلامس أجسام لها درجات حرارة مختلفة.

ح.طاقة الأشعة

توصيات تدريسية

نوصيأن  نتناقش مع التلاميذ حول تحولات طاقة الأشعة إلى طاقة كهربائية (خلية شمسية)، النجاعة، الفرق بين البطارية والخلية الشمسية (المقاومة الداخلية) وجوانب الأمان .. الخ.

نوصي بعرض الاستعمالات المختلفة للاشعة في مجال الاتصالات، الطب والخ، وكذلك في قوانين الحذر المطلوبةأثناء استخدامها.

تجربة إفتتاحية:تسخين الماء: نسلط أشعة مصباح قوي على أنبوبة اختبار تحتوي على ماء، ونراقب التغيير في درجة حرارة الماء مع مرور الوقت. يمكن تغيير البُعد وفحص تأثيرهعلى عملية تسخين الماء.

تجربة: عرض عمل الجهاز راديومتر كروكس (جهاز يمكن شراؤه): نسلِّط أشعة مصباح قراءة من أبعاد مختلفة باتجاه الراديومتر, ونفحص سرعة الدوران في الراديومتر، حيث تزداد كلما قربنا المصباح من الجهاز.

بحث العوامل التي تؤثر على تحول طاقة الأشعة الى حرارة:

أ‌.         العلاقة بين لون الوعاء ودرجة حرارة الماء فيه. قياس درجة حرارة الماء في أنابيب اختبار مغلفة بورق سيلوفان بألوان مختلفة، ورق الومينيوم، ورق ابيض وورق أسود.

ب‌.     تسخين الماء بواسطة فرن شمسي وقياس درجة الحرارة بفترات زمنية مختلفة.

ت‌.     بناء نموذج يتمثل فيهالاحتباس الحراري (عامل الدفيءة): قياس التغيير في درجات حرارة الهواء داخل علبة شفافة مغلقة، ومقارنتها مع درجة حرارة علبة مماثلة مفتوحة على مدار ساعتين (يمكنتنفيذ ذلك داخل قنينة بلاستيك).

د. الطاقة النووية

تدريسية

وصف عام، ومن المهم أن نذكر العمليات النووية التي تحدث في الشمس، وصراعات، مثل: مخاطر التسرب من المفاعلات النووية وتلوث البيئة المحيطة من الفضلات.

ز. الطاقة الكيميائية[1]

توصيات تدريسية

نوصي بمناقشة موضوع السعرات الحرارية في المواد الغذائية، وربط ذلك مع الحرارة وإجراء تجارب على تفاعلات ماصة وتفاعلات مشعة للحرارة.

من المهم أن نذكر بأننا  في هذه الحالات، لا نحسب كمية الطاقة الكيميائية، وإنما نحسب قيمة التغيير الذي حدث في العمليات المختلفة.

تجربة  إفتتاحية: صاروخ الصودا- تحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة حركة (انظرو التوجيه في بند الطاقة الكيميائية في الجدول أعلاه).

تحذير!!!عند تنفيذ هذه التجربة،يجبإبعاد الطلاب من منطقة العرض.  فقط تلميذ واحد أو اثنان على الاكثر،ينفِّذون التجربة بشرطأن يضعوا نظارات واقية.

الأدوات:علبة فيلم تصوير مع غطاء مناسب، مادة خل الطبخ، مسحوق الصودا، (أو الكا زلتسر).

سير التجربة: نملأ ثُلث العلبة بالخل، ثم نضيف مسحوق الصودا ( نِصف ملعقة صغيرة). نغلق العلبة بالسدادة المناسبة جيدًا وبسرعة، ثم نضعها على الأرض بحيث تكون السدادة من الأسفل .

ماذا حدث؟حدث تفاعل كيميائي يؤدي إلى إنتاج غاز ثاني أوكسيد الكربونCO₂. نتيجة للضغط الذي يُنتِجه الغاز، تنفصل العلبة عن الغطاء وتطير إلى أعلى. أمامكم وصف العملية بواسطة أسهم:

 

مهمة: قيسوا كتلة العلبة، قدروا الارتفاع الاقصى الذي تصل اليه وقدروا السرعة الابتدائية للعلبة؟ ( لتنفيذ ذلك، استعينوا بقانونحفظ الطاقة).

توصية لتنفيذ فعاليات إضافية

في هذه التجربة، نفحص العلاقة بين الطاقةالكيميائية وبين كمية المواد المتفاعلة. نقترح أمثةلعمليات ماصة للطاقة ( اندوتيرمية) وعمليات مشعة للطاقة (اكسوتيرمية).

تجربة 1: إذابة نيترات الأمونيوم في الماء  (اندوتيرمي). نأخذ كميات مختلفة من المُذاب ونذيبها في نفس كمية الماء، ونفحص الاختلاف في درجات الحرارة. (تركيز المحلول الذي يستخدمه الطلاب، يجب أن لا يتعدى 2 مولار)

تجربة 2: تفاعل بين حامض وقاعدة في محيط مائي (اكسوتيرمي). نأخذ كميات مختلفة من المُذاب، ومن خلال تغيير التركيز في نفس الكمية الكلية، نفحص الاختلاف في درجة الحرارة في كل حالة.

تجربة 3:إذابة هيدروكسيد الصوديومNaOHصلب في الماء (يفضل أن يعرض المعلم هذه التجربة) (عملية مُشعة).

تجربة 4:تجربة الشمعة الهيدروجينية، فيلم قصير من متنزه الطاقة (كتاب عالم من الطاقة، الفصل السادس بند أ).

تجربة 5: انظروا التجربة 2 في مجموعة تجارب الافتتاحية المقترحة.

---

[1]  تمَّت المصادقة على استعمال مواد التجربة من قبل مستشار الأمان.