استيعاب وصعوبات في تعلُّم مصطلح الطاقة

خلفية تدريسية

أ‌.        تدريس مصطلح الطاقة

استيعاب وصعوبات في تعلُّم مصطلح الطاقة

من البحث في مجال تدريس العلوم، يتضح لنا أنه عند القيام بتدريس مصطلح جديد يجب أن نفحص أوّلاً كيفية استيعاب المصطلح من جميع جوانبه عند تلاميذنا، وذلك قبل البدء بعملية التدريس. يساعدنا هذا الفحص فيالكشف عن الصعوبات المتوقعه في تدريس موضوع الطاقة وفقا لاستيعاب التلاميذ، كما يساعدنا في بناء استراتيجية تدريس تستجيب لهذه الصعوبات. يمكن تصنيف الاستيعاب والصعوبات إلى عدة فئة:

1.     مفهوم الطاقة.

2. معنى تحولات وانتقال الطاقة.
3. ما هي أنواع الطاقة ومميزاتها؟
4. كيف نعرف أن الطاقة تُحفظ؟

تحضير قائمة اولية لتحديد مفاهيم الطلاب وتصنيفها بحسب التصنيف اعلاه، يمكنكم مشاهدة ذلك في الملحق أ. فيما يلياستراتيجية  تدريسية تقترح كيفيةالتعامل مع الاستيعاب وهذه الصعوبات، حيث تُبرزها وتقوم بحلها. لذا يجب أن نقول: ما هي الطاقة، وما هي أنواع الطاقة، ماهي تحولات الطاقة، ما هو انتقال الطاقة وكيف نعرف أن الطاقة حُفظت؟

أ.1 القضية الاولى: ما هي الطاقة؟ - من الطاقة الى تغيُّرات الطاقة

هل يمكن تعريف الطاقة؟ من الصعب تعريف مصطلح الطاقة. كَتَب العالم الفيزيائي ريتشارد فاينمان أنه في " الفيزياء الحديثة، لا يوجد فهم حقيقي لمصطلح الطاقة... لأنه مصطلح مجرد، ولا يعطينا معنى الية المصطلح الكاملة،أو أسباب ظهور القوانين الحسابية في هذا الشكل." بما أن الأمر كذلك، هل نحاول الوصول بعيًدا في تدريس مصطلح الطاقة؟ ومع ذلك، ما الذي يمكن أن نفعله؟

من أجل التعامل مع هذه الصعوبة،يجبأن ننتبه أوّلاّإلى عالَم الظواهر التي نَصفها بواسطة مصطلح الطاقة. عند فحص هذه الظواهر،نلاحظ حدوث تغييرات في جميعها: سقوط جسم، شمعة مشتعلة، سيارة مسافرة، مصباح مضيئ، امتصاص الأشعة في السخان الشمسي،انخفاض درجة حرارة كأس الشاي والخ. العديد من هذه العمليات ترافقها عملية تسخين أوتبريد, (ارتفاع أو انخفاض في درجة الحرارة). بيَّنت اكتشافات جول (جيمس جول) في سنة 1984،أنه حتى في عمليات سقوط الأجسام وانتقال الشحنات الكهربائية (التيار الكهربائي)، يمكنها أن تؤدي الى تسخين (الماء)،لذا استنتج العلماء أنهيمكن وصف كل العمليات التي تؤدي إلى تغييرات في درجة الحرارة بمساعدة تغييرات في مقدار واحد يسمَّى " الطاقة".  ومع مرور الزمن، تبيَّن أن  استعمال مصطلح " تغيُّر الطاقة" هوالانجح، لأنه  بمساعدته يمكنأن نَصف عمليات تمَّ اكتشافها بعد فترة جول، مثل: العمليات النووية، امتصاص الاشعة تحتالحمراء، أو فوق بنفسجية.

إحدى الطرق الممكنة للتعامل مع الصعوبة التي وصفت أعلاه هي التمحور في الظواهر التي يتم فيها تغييرات في الطاقة. التغيير في الطاقة عبارة عن مقدار يمكن قياسة، لذلك يمكن تعريف هذا التغيير بطريقة حسابية  وذلك بواسطة مقياس مشترك، مثل التغيير في درجة الحرارة.

لذلك نستطيع تعريف الطاقة كما يلي:

الطاقة هي مقدار يعبِّر عن حالة نظام. عندما تتغير حالة النظام، يمكن قياس التغيير في مقدار الطاقة بنفس الطريقة، وذلك بواسطة قياس ارتفاع أو انخفاض درجة الحرارة (التغيير في درجة الحرارة) للأجسام المعيارية.

هذا التعريف يجعل من التغيير في مقدار الطاقة عاملاً مركزيًا لوصف العمليات التي تتغير فيها حالة النظام. يجب أن ننتبه إلى أن مقدار الطاقة فينظام معين، غير قابل للتحديد بصورة مطلقة،لا بطريقة قياسية ولا بطريقة حسابية. على سبيل المثال، السؤال " ما هي كمية طاقة الارتفاع للتفاحة التي تتواجد على ارتفاع 2 متر فوق سطح الارض؟" لا توجد إجابة متفق عليها لهذا السؤال، وكذلك الأمر للسؤال ما هي كمية الطاقة الحركية لسيارة تتحرك بسرعة مقدارها 90 كم\ساعة؟ لا توجد أيضًاإجابة متفق عليها.تُجيب قوانين الفيزياء عن أسئلة حول العلاقة بين أنظمة التغيير ( مثل: الشغل والحرارة) وبين مقدار التغيير في الطاقة، ولكنها غير قادرة على تزويدنا بطريقة موحدة لقياس التغيير.¹

من المهم أيضًا أن نشدد على الأمور التي لا يشملها هذا التعريف: هذا التعريف لا ينص على أن كل تغيير في مقدار الطاقة يرافقهتغيير في درجة الحرارة، وإنما هكذا يمكنأن نقيس بصورة موحدة التغيير في الطاقة .

كيف نقيس التغيير في الطاقة: الطريقة المباشرة والأسهل هي أن نختار جسمًا معياريًا ( مثلاً: كمية ماء متفق عليها) وأن نقرر بأنه عندما تتغير درجة الحرارة بدرجة واحدة، فإنّ هذا يُعتبر وحدة قياس للتغيير في الطاقة.² هكذا تمَّ تعريف السعرةالحرارية (الكلوري)، مثلاً: السعرة الحرارية (الكلوري) عبارة عن التغيير في طاقة غرام واحد ماء (تحت ضغط جوي واحد اتموسفيري)،  عندما ترتفع درجة الحرارة من C°14.5إلىC°15.5 .

_________________________________

[1]القانون الفيزيائي الذي يصف هذه العلاقة هو قانون الثيرموديناميكا الأول: DE =Q + W. الطرف الأيمن  هو التغيُّر في الطاقة والطرف الأيسر يصف آلية التغيُّر.

[1]اقترح روبرت كربولس (Karplus) طريقة أخرى مثيرة الاهتمام: قياس التغيُّر في الطاقة بواسطة انصهار الجليد.

تعريف مصطلح الطاقة بهذه الصورة، يمكننا من تخطي بعض الصعوبات:

أ‌-        بسبب طريقة القياس الموحدة،يمكن فحص مصطلح الطاقة كمصطلح واحد وليس مجموعة كبيرة من المصطلحات التي لا يكون الربط بينها واضح دائمًا: طاقة الارتفاع، طاقة الحركة، طاقة الاشعة وغير ذلك.  

ب‌-    الحقيقة التي تمكّننا من نسب الجانب القياسي للطاقة، تجعل من المصطلح أكثر محسوسًا.

ت‌-    هذا التعريف يمكن أن يخلق اتصالاً مع واقع التلاميذ، حيث غالبية عمليات التسخين والتبريد معروفة لدى التلاميذ. حتى التسخين المنوط في عمليات الهبوط،  معروف لكل من تسلق على الحبال أو انزلق عليها.

الرسم التخطيطي التالي يصف الفكرة الأساسية للنهج المُقترح هنا:

أ.2. القضية الثانية: من أنواع الطاقة إلى أنواع العمليات

كما هو معلوم، نقطة انطلاقنا هي فحص الظواهر بواسطة تمييز العمليات التي تتغير فيها حالة نظام معين. في كل ظاهرة توجد مميزات تساعدنا في وصف التغييرات التي تمَّت بها، مثلاً: عند سقوط تفاحة عن شجرة،تتغير خاصتين من خواص نظام التفاحة والكرة الارضية: سرعة التفاحة تزداد،أما بُعد التفاحة عن سطح الكرة الارضية يقل³، وهناك خواص أخرى يمكن أن تتغير في هذه العملية (مثل: درجة الحرارة على سطح التفاحة، ودرجة حرارة الهواء الذي تمر من خلاله). التغيير في كل خاصة(ارتفاع التفاحة، سرعتها، درجة حرارتها الخ) يمكن أن ننسبه وفقًا لقياس التغييرات المناسبة من حيث مقدار الطاقة. وبكلمات أخرى، يمكن أن نفحص ما إذا كان تغييرًا معينًا يشير إلى ارتفاع أو انخفاض طاقة النظام. للتوضيح، ننسب لكل خاصة تتغير في عملية معينة  "نوع" طاقة مناسب. يمكن أن نلخص ونقول:إنّأنواع الطاقة هي ليس مفاهيم طاقة مختلفة، وإنما تُشير إلى العمليات المختلفة التي تؤدي إلى تغيير مقدارها:

الجدول أدناه، يصف ويعرض العمليات المناسبة لانواع الطاقة المختلفة:

الاسم الذي يُطلق على التغيير في الطاقة ("نوع الطاقة")	يتطرق إلى التغيير في الطاقة الذي تمَّ قياسه في عملية:	مثال
تغيير في طاقة الثقل (طاقة الارتفاع)	تغيير في البُعد بين الجسم وسطح الكرة الارضية (تغيير الارتفاع)	سقوط تفاحة عن الشجرة، صعود مصعد.
تغيير في طاقة الحركة	تغيير في سرعة الجسم	توقف سيارة، ركل كرة
تغيير في طاقة المرونة	تغيير شكل الجسم (يتقلصأو يتمدد)	شد نابض، القفز على جهاز القفز (الترامبولينا)
تغيير في طاقة الحركة الداخلية (طاقة الحرارة)	تغيير في درجة حرارة الجسم (تسخين أو تبريد)	انخفاض درجة حرارة كأس الشاي، تسخين الحساء
تغيير في طاقة الأشعة	امتصاص أو انعكاس الضوء	امتصاص الضوء في الخلايا الشمسية،انبعاث الضوء من   مصباح، عملية التركيب الضوئي
تغيير في الطاقة الكيميائية	تغيير في التركيب الكيميائي للمواد	شمعة مشتعلة،التركيب الضوئي, الالكتروليزا (التحليل الكهربائي)
تغيير في الطاقة الكهربائية	تغيير مواقع الشحنات الكهربائية	الشحن بواسطة التدليك،التيار الكهربائي في الدائرة الكهربائية
تغيير في الطاقة النووية	تغيير في نوى الذرات	النشاط الإشعاعي، الدمج والانشطار النووي

³من حيث المبدأ، تتغيَّر سرعة الكرة الأرضية أيضًا، لكن هذا التغيير ضئيل جدًا ولا يمكن قياسه.

الرسم التخطيطيأدناه، يصف العلاقة بين " لغة الطاقة " وبين عمليات التغيير المختلفة: