التعرّف على مصطلحات الطاقة

التعرّف على مصطلحات الطاقة

الهدف: مساعدة الطلّاب في الانتقال من استعمال اللغة الحرّة إلى استعمال مصطلحات الطاقة لوصف الظواهر (في هذه المرحلة بدون التطرّق إلى قانون حفظ الطاقة).

التصوّر الفكري: في الدرس الثالث شاهد الطلّاب ظواهر مختلفة وشخّصوا أنواع الطاقة التي تظهر فيها. الآن يتطرّق الطلّاب إلى إحدى الظواهر للانتقال من الوصف باللغة الحرّة إلى الوصف بمصطلحات الطاقة. يتمّ الانتقال تدريجيًا، من خلال وصف الظواهر في ثلاث مراحل (بواسطة ورقة العمل للدرس الرابع):

1.      وصف بلغة حرّة بدون إرشادات.

2.      إجابات عن أسئلة موجِّهة.

3.      وصف بمصطلحات الطاقة.

تشكّل هذه المراحل عمليًا تحضيرًا لصياغة تفسير علمي لظواهر بمصطلحات الطاقة، الذي سيتمّ ترسيخها لاحقًا بعد صياغة قانون حفظ الطاقة. تتضمّن الدروس الخامس حتّى التاسع بنية لصياغة التفسير العلمي بمصطلحات الطاقة بمساعدة عروض بيانية مختلفة.

تسلسل التدريس الموصى به للدرس الرابع:

فعالية مفتاحية: وصف ظواهر تحدث فيها تحوّلات للطاقة:

من بين الظواهر التي تمّ عرضها في الدرس السابق، أو من الصور الواردة في الملحق، نختار عددًا من الظواهر التي تشتمل على تحوّلات للطاقة (على سبيل المثال: سيّارة تبدأ في السير، شمعة مشتعلة، ألعاب ناريّة، قطار جبلي).

يصف الطلّاب الظواهر بواسطة ورقة العمل في ثلاث مراحل (وصف حرّ، إجابة عن أسئلة، تفسير). التفسير في المرحلة الثالثة ليس تفسيرًا في بنية حجاج، وإنّما وصف بمصطلحات الطاقة. يجب أن يتضمّن التفسير المميّزات التي شوهدت في الظاهرة والتغيّرات في أنواع الطاقة التي تمّ تشخيصها حسب المميّزات وتحوّلات الطاقة ذات الصلة. يحيب هذا التفسير عن السؤال: ما هي التغيّرات التي شوهدت وكيف تحدث؟

نقاش إجمالي

نجري نقاشًا لإجمال التفسيرات للظواهر المختلفة وللمصطلحات المركزية التي تُستعمل لوصف الظواهر بمصطلحات الطاقة ("بلغة الطاقة").

يجب أن يكون النقاش ملاءمًا للظواهر التي سيتمّ اختيارها. انظروا لاحقًا مثالاً لأسئلة موجِّهة في سياق فعالية "منافسة الكرة التي تتدحرج".

في نهاية الدرس أو كوظيفة بيتية، يُطلب من الطلّاب استعمال مصطلحات الطاقة لوصف ظاهرة جديدة. يمكن اختيار إحدى الظواهر الموصوفة في السؤال 1 من أسئلة التقييم.

استراتيجية التدريس الجدول "مصطلحات الطاقة" يُجمِل المصطلحات المركزية التي تُستعمل لوصف ظواهر معيّنة بالنسبة للطلّاب. يرد في بند الخلفية العلمية شرح بأنّ القصد عمليًا هو وصف التغيّرات في الطاقة، وهناك ملحق جدول للمعلّم يُجمِل الفروق بين اللغة المقبولة في الاستعمال العلمي لمصطلحات الطاقة. يجدر عرض الجدول المعدّ للطلّاب في الصفّ على لوح مركّز (أو بطريقة أخرى) بحيث يكون متاحًا للطلّاب خلال مجرى التعلّم. عندما يتعلّم الطلّاب مصطلحات جديدة أو تصادفون جملاً جديدة بالنسبة للطلّاب أو إشكالية بالنسبة لهم، أضيفوها إلى اللوح وتطرّقوا إليها بين الحين والآخر. كما هي الحال في اكتساب اللغة الجديدة، يجب على الطلّاب التمرّن على استعمال هذه المصطلحات.

مصطلحات الطاقة

كلمات ومصطلحات	كيف نستعملها؟
أنواع الطاقة	طاقة الارتفاع، الطاقة الحركية، طاقة المرونة، الطاقة الحرارية، الطاقة الكهربائية، الطاقة الضوئية، (الأشعّة)، الطاقة الصوتية، الطاقة النووية.
تحوّلات	طاقة الارتفاع للكرة تحوّلت إلى طاقة حركية. الطاقة الكهربائية تحوّلت إلى طاقة حرارية. في اللامبة في الدائرة الكهربائية هناك تحوّل للطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وإلى طاقة حرارية. جهاز الستيريو يحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية.
حفظ الطاقة (يتمّ إكماله في الدرس الخامس)	كمّية الطاقة الكلّية في المنظومة المغلقة تبقى ثابتة. الطاقة لا تُفقد، لا يمكن إنتاج الطاقة من لا شيء. مجموع كمّيات الطاقة من أنواع مختلفة يبقى ثابتًا، أي أنّ الطاقة الكلّية تُحفَظ.

اقتراح بديل (أو توسّع): منافسة بين مجموعات: ظاهرة الكرة التي تتدحرج على سطح مائل إلى داخل الكأس.

منافسة بين مجموعات- كرة تتدحرج على مسار مائل إلى داخل الكأس.

الموادّ المطلوبة لكلّ مجموعة: طاولة، مكعّبات، لوح كرتون، كأس، كرة صغيرة، ورقة عمل للدرس الرابع.

التحضير: نكوّن مسارًا مائلاً بمساعدة المكعّبات الموضوعة تحت لوح الكرتون على الطاولة. يصل طرف اللوح إلى طرف الطاولة ونضع تحته كأسًا أو وعاءً معيّنًا. نتأكّد من أنّ الكرة تتدحرج في المسار المائل وتسقط داخل الكأس.

إرشادات للطلاّب: على الطلّاب تغيير عدد المكعّبات التي تحت اللوح، وذلك لتغيير الارتفاع الابتدائي للكرة، ولوضع الكرة داخل الكأس (نجرّب ارتفاعين مختلفين). يجب في كلّ حالة قياس الارتفاع الذي بدأت فيه الكرة في التدحرج، ووصف ما يحدث بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية للكرة.

أسئلة موجِّهة لنقاش هذه الفعالية:

المرحلة "أ"- وصف ما الذي قمتم به لتؤدّوا إلى إدخال الكرة إلى الكأس، بلغة حرّة.

المرحلة "ب"- وصف بواسطة أسئلة موجِّهة: ماذا كان ارتفاع الكرة في العملية في المراحل المختلفة؟ ماذا حدث للسرعة في النقاط المختلفة في الطريق (في البداية والوسط والنهاية)؟ هل يمكن ملاحظة التغيّر؟ ما هي سرعة الكرة في الطريق؟ ماذا كانت سرعتها عندما أصابت الكأس؟

المرحلة "ج"- وصف بمصطلحات الطاقة: يمكن وصف الظاهرة بواسطة مصطلحات، ربّما سبق لكم تعلّمها في السنة الماضية في موضوع الطاقة. عرض المصطلحات بواسطة جدول (انظروا فصل الخلفية العلمية). يُطلب من الطلّاب وصف الظاهرة بمصطلحات الطاقة من خلال جدول.

استراتيجية التدريس عند إنهاء الموضوع الفرعي "أنواع الطاقة"، من الجدير العودة إلى أسئلة من الاستبيان التشخيصي ونقاش إذا طرأ تغيير في هذه المرحله على الإجابات التي اقترحها الطلّاب. اكتبوا على اللوح المركّز الإجابات عن الأسئلة التي سبق ونوقشت في الصفّ، واذكروا أيّة أسئلة بقيت بدون إجابة.

لإجمال الدرس أو للتقييم يمكن الاستعانة بخارطة المصطلحات الابتدائية والخارطة المجرّدة الملائمة (انظروا أوراق العمل للطالب لهذا الدرس)

أسئلة تقييم للتمرّن وللوظيفة البيتية- 8.1-8.2
الموضوع الفرعي 3: قانون حفظ الطاقة وتحوّلات الطاقة (الدروس الخامس- التاسع)

التصوّر الفكري للدروس الخامس- التاسع

بدأ استخدام مصطلح "تحوّلات الطاقة" في الدروس السابقة، لكن في هذه المرحلة سنقوم بالانتقال من التطرّق العامّ للظواهر (العمليات) التي يمكن فيها تشخيص أنواع الطاقة المختلفة ("في منظومة الكرة التي تقفز يمكن تشخيص طاقة الارتفاع والطاقة الحركية") إلى تطرّق يربط بين التغيّرات التي تطرأ على أنواع الطاقة في المنظومة- "تحوّلات الطاقة" ("عندما تقلّ طاقة ارتفاع الكرة تزداد طاقتها الحركية"). قانون حفظ الطاقة هو الأساس للربط بين تحوّلات الطاقة في المنظومة، أو بين التغيّرات في أنواع الطاقة المختلفة في ظاهرة معيّنة.

العملية المقترحة مركّبة من عدّة مراحل:

1.      نمثّل ظاهرة الكرة التي تقفز ونصف حركة الكرة مع التطرّق إلى مميّزات السرعة والارتفاع، بهدف تشخيص العلاقة بين التغيّرات التي تطرأ على هذه المميّزات. نستعمل في هذه المرحلة العرض البياني بواسطة مخطّط الجريان والجدول.

2.      التغيّر المتزامن للمميّزات يشكّل أساسًا لعرض قانون حفظ الطاقة.

3.      نقوم بصياغة تفسير علمي لظاهرة الكرة التي تقفز، اعتمادًا على قانون حفظ الطاقة.

4.      نشمل في التفسير تطرّقًا إلى أنواع الطاقة الأخرى (الطاقة الحرارية والطاقة المرنة).

5.      نمثّل هذه الظاهرة بواسطة مخطّط دائري، وبذلك نرسّخ قانون حفظ الطاقة ونكوّن بنية لحلّ المشاكل. تمثّل هذه البنية كيفية صياغة تفسير بواسطة مصطلحات الطاقة، من خلال استعمال العرض البياني المذكور أعلاه.

6.      نطبّق البنية على ظواهر أخرى ونستعمل أسئلة التقييم.

الدمج بين المهارات خلال التدريس يتمّ في هذه الدروس استعمال عروض بيانية من أنواع مختلفة (مخطّط جريان، جدول، مخطّط دائري) كسلّم في الطريق نحو صياغة التفسير العلمي. ننتقل من استعمال عرض مخطّط الجريان، الذي يصف الحالة الابتدائية والحالة النهائية فقط، إلى العرض بواسطة الجدول، وفي أعقابه ننتقل إلى استعمال عرض المخطّط الدائري، الذي يمكن من خلاله تجسيد وجود عدّة أنواع من الطاقة في نفس الوقت في نفس الظاهرة وفي نفس الحالات. يؤكّد هذا المخطّط قانون حفظ الطاقة. بغرض بناء مهارة استخلاص معلومات من المخطّط الدائري والمقارنة بين أنواع العروض البيانية المختلفة، نبدأ بدمج المهارة في ظاهرة مألوفة سبق وعرضناها في الدروس السابقة. نوصي خلال الدروس بإجراء نقاش استراتيجي في مهارة استخلاص المعلومات من العروض البيانية المختلفة.

الدرس الخامس- تحوّلات الطاقة: مثال الكرة التي تقفز- العلاقة بين المميّزات المختلفة

الهدف: التبيين للطلاّب أنّ هناك علاقة بين مميّزات أنواع الطاقة المختلفة في المنظومة المغلقة.

التصوّر الفكري: نختار ظاهرة تشتمل على عمليات تحوّلات الطاقة في المنظومة المغلقة، ونبيّن أنّ هناك علاقة بين المميّزات المختلفة لتصرّف المنظومة. المميّزات في هذا السياق هي وسائل لتشخيص نوع الطاقة. يمكن أن تكون بعض المميّزات قابلة للقياس، كالارتفاع في حالة طاقة الارتفاع والسرعة في حالة الطاقة الحركية، لكن يمكن أن تكون أيضًا مميّزات وصفية (الشكل، المبنى). نتطرّق في هذا الدرس فقط إلى حقيقة وجود علاقة بين المميّزات. من المهمّ القيام باختيار صحيح للمنظومة لعرض الظواهر، بحيث يتحقّق قانون حفظ الطاقة في المنظومة.

تسلسل التدريس الموصى به للدرس الخامس

فعالية مفتاحية- ظاهرة الكرة التي تقفز

البداية

يمكن البدء بالربط بظواهر يومية نصادفها عند سقوط الأجسام: غرض يسقط من الرفّ، ثمرة تتساقط من الشجرة، ألعاب الكرة. الظاهرة التي سنتحدّث عنها هي الكرة التي تقفز.

يتمّ تمثيل الظاهرة من قِبل المعلّم بواسطة كرة مرنة قدر الإمكان، التي تعود (تقريبًا) إلى ارتفاع مشابه للارتفاع الأصلي بعد أن تقفز. احرصوا على ذكر مستوى النَّسْب.

لتبسيط الظاهرة قدر الإمكان، نتطرّق إلى مرحلة هبوط وإلى مرحلة صعود الكرة، كلّ على حدة.

هناك إمكانية أخرى وهي أوّلاً تمثيل الكرة التي تُرمى باتّجاه الأعلى لتجنّب التطرّق إلى الطاقة المرنة في هذه المرحلة (انظروا الأسئلة 9-11 في الموضوع الفرعي 2، أسئلة التقييم 61-63).

 نقاش

 نجري نقاشًا في الصفّ، كالنقاش الذي أجري في الدرس الرابع، من خلال أسئلة مثل:

o       ما هي مركّبات المنظومة/ الظاهرة؟ (الكرة، الأرض، الهواء، الكرة الأرضية)

o       ما هي المميّزات التي يمكن تشخيصها؟

o       صفوا الظاهرة بكلماتكم.

نتطرّق إلى مرحلة الهبوط ونمثّل مسار الكرة بواسطة مخطّط نشير فيه إلى عدّة حالات خلال المسار. نطلب من الطلّاب رسم مسار الكرة خلال الهبوط على اللوح، والإشارة إلى البداية والنهاية (انظروا الرسم التوضيحي). يصف الرسم التوضيحي مسار الحركة، بحيث تشير كلّ دائرة إلى مكان الكرة في نقطة زمنية معيّنة على امتداد المسار.

الآن نطلب من الطلّاب عرض التغيّرات في المنظومة بين نقطة البداية ونقطة النهاية في مخطّط جريان. هناك إمكانية أخرى وهي رسم مخطّط جريان فارغ والطلب من الطلّاب الإشارة إلى المميّزات.

                                               البداية                            النهاية

يُفترض أن يكون العرض في مخطّط الجريان معروفًا للطلاّب من دراستهم في المدرسة الابتدائية. في حالة أنّهم لا يعرفون هذا العرض البياني، يجب توضيح دلالته للطلاّب. لهذا الأمر أهمّية بسبب الفروق بين هذا العرض البياني والعرض في المخطّط الدائري الذي سنستعمله لاحقًا. سيلاحظ الطلّاب أنّ العرض في مخطّط الجريان محدود، لأنّه ليس من السهل عرض العلاقة بين التغيّرات.

نواصل النقاش من خلال أسئلة موجِّهة:

o       هل يمكن عرض جميع التغيّرات في المنظومة بواسطة مخطّط الجريان؟

o       هل هناك تغيّر في الانتقال بين نقطة البداية ونقطة النهاية في الارتفاع وفي السرعة؟

o       هل يمكن معرفة التغيّرات؟

o       كيف يمكن عرض التغيّرات؟

يطرح النقاش الحاجة لإضافة نقاط بينية في المسار، كما هو معروض في الرسم التوضيحي.

الآن أمامنا أربع حالات: الحالة 1 في بداية المسار، والحالتان 2-3 خلال المسار باتّجاه الأرض، والحالة 4 التي تصيب بها الكرة الأرض تقريبًا.

اقتراح لأسئلة موجِّهة:

o       ما الذي حدث للارتفاع عندما كانت الكرة في حركة بين الحالة 1 وَ 2؟ وبين 2 وَ 3؟ وبين 3 وَ 4؟

o       ما الذي حدث للسرعة عندما كانت الكرة في حركة بين الحالة 1 وَ 2؟ وبين 2 وَ3؟ وبين 3 وَ 4؟ 

o       هل الارتفاع/ السرعة ازداد/ت أم قلّ/ت أم لم يتغيّر/ تتغيّر؟

o       هل هناك علاقة بين التغيّرات في المميّزات؟

o       كيف يمكننا أن نعرف ما هي العلاقة بين المميّزات المختلفة خلال المسار؟

لتحليل التغيّرات في المنظومة ننتقل إلى استعمال العرض البياني بواسطة الجدول. يستعمل الطلّاب ورقة العمل 5أ (في عمل فردي أو في مجموعات أو في نقاش في الصفّ).

المرحلة في العملية	التغيّرات في منظومة الكرة التي تقفز
	الارتفاع فوق الأرض	السرعة
من الحالة 1 إلى الحالة 2	يقلّ	تزداد
من الحالة 2 إلى الحالة 3	يقلّ	تزداد
من الحالة 3 إلى الحالة 4	يقلّ ويؤول إلى الصفر	تزداد إلى أقصى قيمة

• الآن ننتقل إلى تحليل مرحلة الصعود. لتجنّب التطرّق إلى أنواع طاقة أخرى في هذه المرحلة، يمكن تشبيه مرحلة الصعود بالكرة التي تُرمى باتّجاه الأعلى.

نضيف إلى الرسم التوضيحي الحالات 5-7 ونواصل النقاش لوصف التغيّرات التي تحدث في المنظومة.

اقتراح لأسئلة موجِّهة:

o        أيّة تغيّرات تحدث في المميّزات بين الحالة 5 وَ 6؟ وبين الحالة 6 وَ 7؟ (هل يزداد الارتفاع أم يقلّ أم لا يتغيّر؟ نفس الأسئلة بالنسبة للسرعة.)

o       هل هناك علاقة بين التغيّرات في الارتفاع وفي السرعة؟

o       كيف يمكننا أن نعرف ما هي العلاقة بين أنواع الطاقة المختلفة خلال المسار؟

يواصل الطلّاب ملء الجدول في ورقة العمل 5أ بهدف تحليل التغيّرات في المنظومة، وبهدف تنظيم المعلومات تحضيرًا لصياغة التفسير العلمي. (أوراق العمل ترد في الملحق.)

المرحلة في العملية	التغيّرات في منظومة الكرة التي تقفز
	الارتفاع فوق الأرض	السرعة
من الحالة 1 إلى الحالة 2	يقلّ	تزداد
من الحالة 2 إلى الحالة 3	يقلّ	تزداد
من الحالة 3 إلى الحالة 4	يقلّ ويؤول إلى الصفر	تزداد حتّى القيمة القصوى
من الحالة 4 إلى الحالة 5	يزداد	تقلّ
من الحالة 5 إلى الحالة 6	يزداد	تقلّ
من الحالة 6 إلى الحالة 7	يزداد حتّى القيمة القصوى	تقلّ وتؤول إلى الصفر

الاستنتاج من التحليل الذي في الجدول هو أنّ هناك علاقة بين التغيّرات في الارتفاع وفي السرعة- عندما يقلّ الارتفاع تزداد السرعة وبالعكس.

ينتقل الطلّاب إلى القسم الثاني في ورقة العمل ويحلّلون تحوّلات الطاقة في المنظومة. للإجمال يجرى نقاش حول تحوّلات الطاقة التي تحدث في المنظومة بواسطة السؤالين التاليين:

o       أيّة تحوّلات طاقة تحدث بين كلّ حالتين؟

o       ما هي العلاقة بين التغيّرات في كلّ واحد من أنواع الطاقة؟

استعينوا بالجدول التالي في النقاش الإجمالي:

المرحلة في العملية	التغيّرات في الطاقة في منظومة الكرة التي تقفز
	طاقة الارتفاع	الطاقة الحركية
من الحالة 1 إلى الحالة 2	تقلّ	تزداد
من الحالة 2 إلى الحالة 3	تقلّ	تزداد
من الحالة 3 إلى الحالة 4	تقلّ إلى الحدّ الأدنى، يتعلّق ذلك بنقطة النَّسب	تزداد حتّى القيمة القصوى
من الحالة 4 إلى الحالة 5	تزداد	تقلّ
من الحالة 5 إلى الحالة 6	تزداد	تقلّ
من الحالة 6 إلى الحالة 7	تزداد حتّى القيمة القصوى	تقلّ وتؤول إلى الصفر

نقاش في الصفّ

أهداف النقاش:

1. تبيين العلاقة بين التغيّرات في مميّزات أنواع الطاقة المختلفة في ظاهرة معيّنة، عندما تحدث هذه التغيّرات في آن واحد.
2. الربط بين التغيّرات المتزامنة التي تُشاهَد في ظاهرة الكرة التي تقفز وبين قانون حفظ الطاقة.

أسئلة للنقاش:

• كيف كانت ستتغيّر إجاباتكم لو بدأنا من نقطة أعلى؟ أقلّ؟
• كيف كانت ستتغيّر إجاباتكم لو رمينا الكرة باتّجاه الأسفل بدلاً من إفلاتها (السرعة أكبر)؟
• كيف كانت ستتغيّر إجاباتكم لو استعملنا كرة سلّة أو كرة باولينغ أو كرة تنس وما شابه (يمكن إحضار كرات من أنواع مختلفة إلى الصفّ وتجربتها)؟
• كيف يمكن تفسير العلاقة التي شاهدتموها بين التغيّرات في طاقة الارتفاع والطاقة الحركية؟

سؤالان لنقاش استراتيجي:

• ما هي أفضليات وما هي سلبيات عرض المعلومات في مخطّط جريان بالمقارنة مع عرضها في جدول؟
• متى يجدر استعمال الجدول ومتى يجدر استعمال مخطّط الجريان؟

يمكن في هذه المرحلة الاستعانة بأسئلة التقييم للتمرّن وللوظيفة البيتية:

• أسئلة التمرّن والتقييم للعلاقة بين مميّزات أنواع الطاقة المختلفة: 9-22
• أسئلة التمرّن والتقييم لتشخيص تحوّلات الطاقة: 26-28

·        أسئلة التمرّن والتقييم للعرض في مخطّط جريان: 29-31
الدرس السادس- قانون حفظ الطاقة

الأهداف:

• عرض قانون حفظ الطاقة.
• الاعتماد على قانون حفظ الطاقة لغرض صياغة تفسير علمي لظاهرة الكرة التي تقفز.

التصوّر الفكري:

شاهد الطلّاب في الدرس الخامس ظاهرة الكرة التي تقفز وحلّلوها بواسطة جدول العلاقة بين التغيّرات في أنواع الطاقة المختلفة في هذه المنظومة. نقاش العلاقة بين أنواع الطاقة يستدعي تطرّقًا إلى قانون حفظ الطاقة وفي أعقاب ذلك صياغة تفسير علمي للظاهرة بواسطة القانون.

مهارة التفسير العلمي[1] التفسير العلمي (Scientific Explanation) يتطرّق إلى الطريقة أو السبب الذي وراء حدوث ظاهرة معيّنة، ويجيب عادةً عن السؤال كيف أو لماذا. التفسير لا يهدف إلى الإقناع. الحجاج (Argument) هو جملة (ادّعاء) مع تعليل، هدفه تبرير أو إقناع أو الدفاع عن موقف معيّن أمام الآخرين في أيّ مجال معرفي. إذا اقترحنا تفسيرً علميًا لظاهرة ونرغب في إقناع الآخرين بتبنّي هذا التفسير (التفسير نفسه أو بديل لتفسير آخر)- عندها نقوم بكلا الأمرين- نستعمل مهارة الحجاج والتفسير العلمي أيضًا.

اقتراح لتسلسل التدريس:

• نواصل النقاش الذي أجري في الدرس السابق بهدف التشديد على العلاقة بين التغيّرات التي نشاهدها (الارتفاع يقلّ وفي نفس الوقت تزداد السرعة، الارتفاع يزداد وفي نفس الوقت تقلّ السرعة).
• نذكّر الطلّاب بالمشاهدات التي أجريناها في الدرس الثاني، التي شاهدنا فيها أنّه يمكن التعبير عن التغيّرات في أنواع الطاقة المختلفة بواسطة قياس التغيّر في درجة الحرارة.
• نسأل- هل حسب رأيكم، قياس التغيّر في درجة الحرارة في أعقاب التغيّر في الارتفاع يعطي قيمة مساوية لقياس التغيّر في درجة الحرارة في أعقاب التغيّر في السرعة؟

خلفية للمعلّم:

·         لتوضيح دلالة قانون حفظ الطاقة للطلاّب، يمكن استعمال التماثل بين الطاقة والنقود: كما توجد قطع نقدية/ أوراق مالية بأسماء مختلفة- ين، شيقل، دولار، يورو... لكنّها جميعًا تمثّل نفس الماهيّة- نقودًا، هكذا الحال في الطاقة، هناك تعابير مختلفة لنفس الماهيّة التي تسمّى طاقة. كما نميّز بين القطع النقدية/ الأوراق المالية المختلفة للدول المختلفة، هكذا الأمر بالنسبة للطاقة، نميّز بين عمليات تغيّر مختلفة، أنواع الطاقة، حسب مميّزاتها البارزة. يمكن استعمال كلّ أنواع النقود لنفس الهدف (الشراء) وكذلك أنواع الطاقة يمكن استعمالها "استعمالاً" مشابهًا- على سبيل المثال، أن نؤدّي إلى تغيير درجة الحرارة.

·         تكون تكملة التماثل بين المنظومة المغلقة والبنك (الذي لا تخرج الأموال منه ولا تدخل إليه). كما يمكن تحويل النقود في البنك من عملة معيّنة إلى أخرى، في حين تُحفظ الكمّية الكلّية للنقود في البنك، هكذا يمكن تحويل الطاقة من نوع إلى آخر بحيث تُحفظ الكمّية الكلّية في المنظومة. حتّى عندما نحوّل أموالاً من شخص إلى آخر بين زبائن البنك أو من استعمال معيّن إلى استعمال آخر، النتيجة هي أنّ أحد الشخصين يمتلك كمّية أقلّ والآخر كمّية أكبر، لكنّ الكمّية الكلّية تُحفظ. بصورة مشابهة، يمكن أن تنعكس الطاقة في تغيّر معيّن أو في تغيّر آخر، لكنّ الكمّية الكلّية في المنظومة المغلقة لا تتغيّر.

·         الفيزيائي ريتشارد فاينمان أطلق على الطاقة اسم "نقود الكون". بحسب أقواله، "كلّ شيء نرغب في تنفيذه يجب أن ندفع مقابله". إذا أردنا تسريع السيّارة أو تغيير درجة الحرارة أو تغيير شكل المطّاط أو النابض وما شابه، يجب أن ندفع طاقة مقابل ذلك. الطاقة التي ندفعها لا "تُفقد"، ولكنّها ليست في أيدينا (لا يمكننا استغلالها) بعد أن دفعناها. الكمّية الكلّية للطاقة ("الأوراق المالية والقطع النقدية") في المنظومة تبقى ثابتة. يمكّن هذا التماثل التفكير في دلالة الطاقة، لأنّ الطاقة والنقود أيضًا يمكن جمعها أو تحويلها لكنّها تبقى ثابتة. لكن يجب الحذر من منح أهمّية زائدة لهذا التماثل، لأنّ هناك فروقًا مثل: النقود لا يمكنها أن تغيّر الشكل بينما الطاقة يمكنها. القطع النقدية والأوراق المالية هي تعبير مادّي للنقود، يمكن الشعور بها وعدّها وجمعها، بينما أنواع الطاقة ليست مادّية. تنعكس أنواع الطاقة في مميّزات مختلفة يمكن الشعور بها وتشخيصها لكن لا يمكن جمعها وعدّها.

التماثل بين النقود والطاقة

النقود	الطاقة
تنعكس في قطع نقدية مختلفة	تنعكس في أنواع مختلفة من التغيّرات
يمكن استغلالها للشراء	يمكنها أن تؤدّي إلى التسخين
يمكن تحويلها من عملة إلى أخرى	يمكن تحويلها من نوع إلى آخر
يمكن تحويلها من شخص إلى آخر	يمكن تحويلها من منظومة إلى أخرى
كمّيتها الكلّية تُحفظ في البنك المغلق	كمّيتها الكلّية تُحفظ في المنظومة المغلقة

     

داني والمكعّبات/ ريتشارد فاينمان تخيّلوا ولدًا لديه 28 مكعّبًا متطابقًا لا يمكن تفكيكها إلى أجزاء. تسمح له أمّه باللعب بالمكعّبات في غرفته في بداية اليوم. في نهاية اليوم تقوم الأمّ بعدّ المكعّبات وتكتشف قانونًا مثيرًا للاهتمام: لا يهمّ ما يفعله الولد بالمكعّبات، إلاّ أنّها تبقى 28 في النهاية.  في أحد الأيّام وجدت الأمّ 27 مكعّبًا فقط، لكن اتّضح لها أنّ مكعّبًا واحدًا موجود تحت السجادة. أدركت الأمّ أنّ عليها البحث في كلّ مكان. في أحد الأيّام في وقت متأخّر وجدت الأمّ 26 مكعّبًا فقط. بحثت في أنحاء الغرفة لكنّها لم تعثر على المكعّبين الناقصين. وعندها اكتشفت أنّ النافذة مفتوحة، وأنّ المكعّبين خارج الغرفة. في يوم آخر عدّت الأمّ 33 مكعّبًا. بعد أن استوضحت الأمر، تذكّرت أنّ يوڤال جاء للزيارة ومعه مكعّباته، وقد نسي عددًا منها. أخذت الأمّ المكعّبات الزائدة وأعادتها إلى يوڤال، ومرّة أخرى عاد كلّ شيء إلى سابق عهده. يمكن التفكير بطريقة مشابهة في الطاقة، لكن بدون مكعّبات. يمكن استغلال هذه الفكرة لمتابعة انتقالات الطاقة خلال التغيّرات. علينا أن نكون حذرين والبحث في كلّ مكان لنضمن أنّنا تطرّقنا إلى كلّ الطاقة. Dennis the Menace Model from Feyman, J.P (1998), Six Easy Pieces, Basic books.

تسلسل التدريس الموصى به:

1.      نجري نقاشًا في الصفّ نستعمل خلاله التماثل بين الطاقة والنقود وبين البنك والمنظومة المغلقة.

2.      نقوم بصياغة قانون حفظ الطاقة ونضيفه على اللوح: كمّية الطاقة الكلّية في المنظومة المغلقة تبقى ثابتة. الطاقة لا تُفقد ولا تنتج من لا شيء.

·         إجمال: نضيف أسئلة على اللوح في الصفّ. يحبّذ توجيه الطلّاب إلى الأسئلة التي ترد لاحقًا، وإذا لم يطرح قسم من الأسئلة، يمكن ذكر هذه النقاط كنقاط مثيرة للاهتمام.
على سبيل المثال: أيّة أنواع طاقة موجودة؟ كيف يمكن التمييز بين أنواع الطاقة؟ ما الذي يميّز كلّ نوع طاقة؟ هل يمكن تحويل الطاقة كما نحوّل النقود؟ بماذا تشبه الطاقة النقود وبماذا تختلف عنها؟

صياغة تفسير علمي لظاهرة الكرة التي تقفز

نطلب من الطلّاب صياغة تفسير للتغيّرات في الطاقة في منظومة الكرة التي تقفز بين الحالة 1 والحالة 7، بحيث يتطرّقون إلى التغيّرات التي تطرأ بين كلّ حالتين بمصطلحات الطاقة، اعتمادًا على قانون حفظ الطاقة. يمكن مساعدتهم بواسطة جمل ناقصة كما في المثال التالي:

حسب قانون _________ في الانتقال من الحالة 1 إلى الحالة 2 طاقة _____ الكرة تقلّ بينما الطاقة الحركية ______ بنفس المدى تقريبًا (بافتراض أنّ الهواء لم يسخن تقريبًا).  بالقرب من الأرض الطاقة ______ تكاد تكون صفرًا، بينما الطاقة ________ تكون بأقصى قيمة.

أسئلة تقييم للتمرّن وللوظيفة البيتية – الأسئلة 23, 23.1, 23.2 , 24, 25

---

[1] من نموذج التدريس " نفسّر العلم". يظهر في موقع موت نت.