حول تدريس مفهوم الطاقة في السنة الثانية ثانوي

حول تدريس مفهوم الطاقة في السنة الثانية ثانوي

حول تدريس مفهوم الطاقة في السنة الثانية ثانوي
( مثال لتحضير الدروس على أساس طرح التساؤلات و الإشكاليات )

بعض الملاحظات المتعلقة بمفهوم الطاقة: ( تحليل المحتوى العلمي)
 رغم الاستعمال الواسع لكلمة " الطاقة " في الحياة اليومية، إلا أن الإحاطة بالمفهوم العلمي لهذا المقدار يبقى صعب المنال. فالطاقة و عكس بعض المقادير الفيزيائية مثل الشحنة الكهربائية، متعددة الأشكال، لا يمكن قياسها مباشرة و التحقق من انحفاظها ليس دوما جليا و واضحا.
 على المستوى المجهري " مستوى الجسيمات" يمكننا تعريف شكلين للطاقة يختلفان اختلافا أساسيا:
o الطاقة المرتبطة بالكتل المتحركة ( تسمى الحركية)
o الطاقة المرتبطة بالأفعال المتبادلة بين مكونات المادة و التي تتعلق بأوضاعها النسبية (تسمى الكامنة).
 على المستوى العياني (الماكروسكوبي) و هو المستوى الذي يدرج فيه مفهوم الطاقة في التعليم الثانوي، فإنه بالإمكان دوما تمييز الطاقة الحركية للانسحاب ½ ك.سرمر2 عن البقية، بينما الأشكال الأخرى " أشكال التخزين" ليس من السهل دوما فصلها عن بعضها البعض إلا إذا اكتفينا بتحليل وضعيات بسيطة و التي يمكن نمذجتها من خلال ضبط بعض التقريبات.
مثال : اعتبار الطاقة الكامنة المرونية لنابض مقلص و تجاهل الأثر الحراري المرافق. هذه الطاقة الكامنة تمثل جزء من الطاقة الداخلية للنابض ( بدقة أكثر تمثل جزء من طاقته الحرة) ، و اعتبارها منفصلة بمفردها في الميكانيك يمثل تقريبا جد مبررا، بينما هذا الفصل لا يمكن العمل به بالنسبة للغازات مثلا.
 عندما ندرس جملة فيزيائية أو كيميائية بطريقة طاقوية يقتدي أن تكون لدينا وجهة نظر واضحة، إذ تختلف النظرة الميكانيكية للجملة عن النظرة الترموديناميكية (Thermodynamique):
o في الميكانيك لا يكون التحليل الطاقوي للجملة بسيطا إلا إذا فصلنا المقادير المستعملة في التحليل عن الآثار الحرارية و التحولات الفيزيائية و الكيميائية التي تحدث في الجملة. لذلك نجد مثلا أن اعتبار الآثار الحرارية الناجمة عن قوى الاحتكاك يكون صعبا.
o في الديناميكا الحرارية ، يسمى مجموع الطاقات المختلفة لجملة مركز عطالتها مقيدا، بالطاقة الداخلية.
 مبدأ انحفاظ الطاقة :
o النص: كل جملة في حالة معينة يوافقها مقدارا فيزيائيا نسميه الطاقة.
طاقة الجملة المعزولة تبقى ثابتة. ( معزولة يعني غير خاضعة لتحويلات طاقوية ).
o المبدأ : مبدأ انحفاظ الطاقة هو قانون عام و شامل، له حدود صلاحيته و يمثل أحد الأعمدة الرئيسية لمعرفتنا العلمية للكون.
o يمكننا التعبير عن مبدأ انحفاظ الطاقة لجملة غير معزولة ( أي خاضعة لتحويلات ) بالشكل الآتي :
تغير طاقة الجملة = مجموع الطاقات المكتسبة و المفقودة عن طريق العمل ،
التحويل الحراري ، الإشعاع.
هذه هي المقاربة المرجوة في التعليم الثانوي.

مفهوم الطاقة عند تلاميذ الثانوي و الطلبة بكليات العلوم : حوصلة سلبية :
( التعرف على التلميذ)
إن الأبحاث المتعلقة بمفهوم الطاقة في مجال تعليمية العلوم الفيزيائية تكشف لنا و بدقة، عن التصورات التي نجدها لدى التلاميذ و طلبة العلوم لمفهوم الطاقة و تكشف لنا كذلك الصعوبات التي يواجهها التلاميذ أمام وضعيات يمكن للفيزيائي أن يحللها تحليلا طاقويا.
كل هذا يبين لنا مدى صعوبة الإحاطة بهذا المفهوم و عدم استيعابه بشكل صحيح.
 التصورات الخاصة بالطاقة (بصفة عامة):
- يحدث التعرف على الطاقة بسهولة عندما يكون لدينا أثرا ملموسا و واضحا ( تفاعل كيميائي ، ضوء ، تسخين ، كهرباء ، حركة ). بالمقابل لا يحدث التعرف على الطاقات الكامنة كما هو الشأن بالنسبة لطاقة الارتباط الكيميائية أو الطاقة الكامنة الثقالية. ( مثلا كون قارورة غاز البوتان تملك طاقة، لا يراها التلاميذ شيئا عاديا إلا إذا حدث احتراق الغاز، نفس الشيء بالنسبة للطاقة الكامنة الثقالية فهي غير موجودة إلا إذا كانت مرتبطة بالسقوط).
- تعتبر الطاقة شيء فعال خلال فترة زمنية ثم تختفي بعدها، الشيء الذي يقف عائقا أمام الفهم الصحيح لمبدأ الانحفاظ.
 الصعوبات المواجهة أمام مبدأ الانحفاظ :
إن التلاميذ و الطلبة في أغلب الأحيان يربطون مبدأ الانحفاظ للطاقة بتحديد جملة معزولة طاقتها تبقى ثابتة بمرور الزمن، و يواجهون حينئذ صعوبات كبيرة في اختيار الجملة و التعبير عن الحوصلة الطاقوية.

يبدو أن فكرة الانحفاظ كثيرا ما يتم ربطها تلقائيا بالجمل المعزولة و تستثنى الجمل غير المعزولة التي تفقد أو تكتسب طاقة.


 خلط بين الحرارة ، درجة الحرارة و الطاقة الداخلية :
خلط بين " الحرارة " و " مصدر الحرارة ".
o الاعتقاد بالتواجد الذاتي لـ " السخونة " و " البرودة ".
o الخلط بين الحرارة و الطاقة الداخلية عند الطلبة الكبار و أحيانا اعتبار الحرارة دالة حال.
o غالبا ما تعتبر " درجة الحرارة " كخاصية للمادة ( المعادن باردة ، الصوف ساخنة ، ... )
o اعتبار الحرارة المتسبب الوحيد في تغير درجة الحرارة. فالعمل مثلا لا يعتبر في جميع الحالات كمقدار طاقوي بامكانه رفع درجة الحرارة لجملة.
مخطط الطريقة المقترحة: ( خاصية التطور الفكري المرتقب - إعداد الجهاز التعليمي)
من خلال التحليل السابق لمفهوم الطاقة، تبين بأنه مفهوم صعب، لا يمكن الإحاطة به بشكل علمي دقيق
و شامل إلا إذا تم التحكم في الكثير من المفاهيم. لذلك يستحسن التطرق لهذا الموضوع من خلال وضعيات بسيطة لبناء المفاهيم الطاقوية الأساسية.
يتم التركيز دوما على مبدأ الانحفاظ و التحولات الطاقوية في كل الوضعيات التي يتم دراستها، من خلال إجراء الحوصلة الطاقوية لكل وضعية.
1. تقدم الطاقة و انحفاظها بالشكل الآتي :
" يمكننا إرفاق كل جملة في حالة معينة بمقدار فيزيائي يُسمى " الطاقة ". إذا تزايدت أو تناقصت طاقة الجملة فهذا يعني أن الجملة اكتسبت أو افتقدت طاقة، سواء عن طريق العمل أو من جراء تحويل حراري أو بالإشعاع ".
2. تقدم الطاقة الكامنة الثقالية على أساس أنها " طاقة وضع " لجسم يتبادل أفعالا مع الأرض.
3. تقدم الاستطاعة على أنها تمثل السرعة التي يتم بها التحول الطاقوي. لذلك من الأحسن تفادي استعمال " الاستطاعة المقدمة أو المستقبلة " لأن التحول يخص الطاقة و ليس الاستطاعة، و نستعمل " الاستطاعة التي يتم بها التحول " أو " استطاعة التحول “.
4. تفادي استعمال مصطلح " الحرارة " و تعويضه بمصطلح " التحول الحراري “.
الأهداف العامة :
i. بناء مفهوم انحفاظ الطاقة من خلال تعلم إجراء التحليل الطاقوي لجملة على أساس إرفاقها بطاقتها المخزنة و مختلف أشكال تحولاتها التي تحدث مع الوسط الخارجي.
ii. التعرف في حالة الجمل البسيطة على مختلف أشكال الطاقة المخزنة و تغيراتها و كذلك سبل تحولاتها.
iii. تعلم كيفية إجراء الحوصلة الطاقوية الكمية لجملة تتغير طاقتها بين حالتين.