مراجعة الدائرة الكهربائية
الهدف: مراجعة المواضيع: الدوائر الكهربائية المفتوحة والمغلقة، مركِّبات الدائرة الكهربائية ورموزها المتّفق عليها.
المهارات: بحث (حلّ مسائل)، مقارنة، تشخيص، عرض معلومات برموز وفي مخطّطات.
سؤال موجّه: ما هي الشروط المطلوبة كي تضيء اللامبة؟
اقتراح لمجرى الدرس
1. نقترح بدء التدريس بتمرير نموذج الامتحان التشخيصي وتحليله وتحديد معرفة الطلاّب والصعوبات التي تواجههم (إذا كانت لدى الطلاّب معرفة سابقة في الموضوع، يمكن إجراء نقاش في مجموعات حول المصطلحات الأساسية للدائرة الكهربائية والعروض البيانية والرموز ويمكن الاستعانة بأسئلة التقييم).
2. يمكن في هذه المرحلة طرح الصعوبات والإشارة إلى الأسئلة التي وجد الطلاّب صعوبة فيها، لكن بدون حلّ المسائل في هذه المرحلة.
3. اقتراح لعمل بحث: قسّموا الطلاّب إلى مجموعات، ووزّعوا لكلّ مجموعة بطّارية ولامبة وسلكًا كهربائيًا واحدًا. اطلبوا منهم وصلها بأكبر عدد ممكن من الطرق ورسم مخطّطات في عمودين: في أحد العمودين عندما أضاءت اللامبة، وفي العمود الثاني عندما لم تضئ اللامبة. بعد ذلك قارنوا بين الحالات في كلّ عمود وناقشوا المميّزات المتشابهة في جميع الحالات التي أضاءت اللامبة فيها والفروق بينها وبين الحالات التي في العمود الثاني.
ملاحظات:
يمكن في هذه المرحلة عرض رموز الدائرة أمام الطلاّب والطلب منهم استعمالها لوصف الحالات المختلفة.
إذا دعت الحاجة (إذا لم يصادف الطلاّب ذلك في الماضي)، أضيفوا إلى الدائرة مفتاحًا ومثّلوا كيف يمكن فتح وإغلاق الدائرة.
4. نقاش حول السؤال الموجّه: حسب التجارب التي أجريناها- ما هي الشروط المطلوبة لكي تضيء اللامبة؟
نُلخّص بأنّ الشروط المطلوبة لوجود الدائرة الكهربائية المغلقة هي: مصدر (بطّارية) ولامبة، موصولان بواسطة موصل بإحدى الطرق التي فحصناها.
يمكن التحدّث عن "مركِّبات الدائرة الكهربائية"- المصدر والسلك الموصل واللامبة (سوف نتحدّث بتوسّع عن مركِّبات أخرى لاحقًا).
أسئلة للتفكير-
· هل يمكن استبدال البطّارية بمصدر آخر؟
· هل يمكنكم اقتراح تجارب لفحص وظيفة كلّ واحد من المركِّبات؟ (في حالة اقترح الطلاّب اقتراحات ملائمة، يمكن كتابتها على اللوح المركّز وإعادة فحصها لاحقًا- ابتداءً من الدرس الخامس).
5. التحدّث عن مركِّبات الدائرة بواسطة الرموز المتّفق عليها وبمصطلحات الدائرة المفتوحة والدائرة المغلقة. يمكن الاستعانة بأسئلة من نموذج الامتحان التشخيصي وأسئلة التقييم. (على سبيل المثال: صفحة 23-50 في الكتاب "فصول في الكهرباء والكيمياء").
اقتراح لإستراتيجية التدريس:
علّقوا لوحًا مركّزا عليه الرموز المتّفق عليها التي تمثّل مركِّبات الدائرة الكهربائية. في مرحلة لاحقة أضيفوا مصطلحات وتجارب مفتاحية. (مصدر للرموز المتّفق عليها- "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 22-23). اعرضوا على اللوح أسئلة وأفكارًا أُثيرت خلال الدروس، وإلى جانبها إجابات أو مصطلحات ملائمة عند تعلّمها. يمكن بهذه الطريقة التطرّق إلى الأسئلة في مرحلة لاحقة، حتّى إذا لم تجد لها إجابات في هذه المرحلة. يمكن خلال التدريس العودة إلى الأسئلة، والتشديد على العلاقات التي بين الأسئلة والأهداف التعليمية.
6. نقاش إستراتيجي حول الحاجة للرموز المتّفق عليها لمركِّبات الدائرة الكهربائية، إيجابيات وسلبيات كلّ واحد من التمثيلات (الفرق بين رسم الدائرة والرسم التوضيحي للدائرة "كما يظهر" وبين وصف تخطيطي بواسطة رموز متّفق عليها).
إجمال: الشروط المطلوبة لكي تضيء اللامبة هي دائرة كهربائية مغلقة، تشمل مصدرًا وموصلاً ولامبة موصولة فيما بينها (بإحدى الطرق التي تمّ فحصها).
توسّع
يرسم الطلاّب خارطة لمنظومة كهرباء في بيت سكني بمساعدة الرموز المتّفق عليها، ويدركون الحاجة للرموز المتّفق عليها واعتبارات الأمان لموقع المفاتيح والأجهزة.
تقييم
· الأسئلة 1-10.
· تشخيص دوائر مغلقة ومفتوحة، تشخيص التغيّرات المطلوبة لإغلاق الدائرة الكهربائية، الانتقال بين الرموز المتّفق عليها والمخطّطات. ("فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 28-31، "الكهرباء والطاقة" صفحة 10).
عروض بيانية للدوائر الكهربائية [1]
استعمال العروض البيانية شائع في اللغة العلمية، وذلك لوصف أحداث أو ظواهر، ويعتمد فهم الظواهر في الكثير من الأحيان على فهم العرض البياني. من المهمّ معرفة إمكانيات العرض المختلفة، وفهم الفروق بينها، وإيجابيات وسلبيات كلّ عرض بياني.
يمكن استعمال ثلاث طرق مركزية لعرض الدوائر الكهربائية:
أ. الصورة- تكمن أفضلية الصورة في التطابق مع الأصل. سلبيتها أنّ الصورة تشمل مركِّبات إضافية لا علاقة لها، وكذلك هناك أجزاء معيّنة غير مرئية في المنظومة. بالإضافة إلى صعوبة إضافة كتابات توضيحية عليها.
ب. الرسم التوضيحي- عرض الدائرة الكهربائية بطريقة "تقلّد" (تنسخ) الصورة. تكمن أفضلية الرسم التوضيحي في إمكانية تبيين المركِّبات التي يصعب أو يستحيل تبيينها في الصورة. تكمن سلبيات الرسم التوضحي في أبعاده الكبيرة نسبيًا وفي تعلّقه بمهارات الرسّام.
ج. رسم تخطيطي- عرض الظاهرة عن طريق استعمال رموز متّفق عليها تمثّل أجسامًا حقيقية. تكمن أفضلية الرسم التخطيطي في إمكانية شمل مركِّبات كثيرة نسبيًا للرسم التوضيحي بأقلّ أبعاد ممكنة.
الدرس الثاني- مراجعة الشحنة الكهربائية
الهدف: مراجعة فكرة الشحنة الكهربائية المفسَّرة بواسطة نموذج مبنى الذرّة.
المهارات: بحث: مشاهدة، فرضية، عزل متغيّرات، تخطيط تجربة، استنتاجات، تفسير علمي.
السؤال الموجّه: كيف يمكن وصف (تفسير) ظواهر "الكهرباء الساكنة" بواسطة نموذج مبنى الذرّة؟
اقتراح لمجرى الدرس:
موضوع الشحنة الكهربائية والظواهر الكهروستاتية في حياتنا اليومية سبق تعلّمه في الوحدة "بشكل أساسي ومركّب". إذا قمتم بتمثيلات لظواهر كهروستاتية خلال تدريس الوحدة المذكورة، لا حاجة لتكرار ذلك، وإنّما فقط ذكر الظواهر والطلب من الطلاّب تفسيرها. خلاف ذلك، من المهمّ للغاية القيام بالتمثيلات وربطها بالمعلومات من الحياة اليومية، كالشعور بتيّار عندما نخلع الجارزة، والشعر الذي يتسمّر عندما نقرّب منه قطعة بلاستيكية مفروكة في يوم جافّ وما شابه. يعتمد تفسير هذه الظواهر على تعلّم سابق لنموذج مبنى الذرّة.
يمكن إيجاد معلومات عن الظواهر الكهروستاتية في الحياة اليومية وتفسيرها في المصادر التالية- "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 178-184 ، 185-188 ، "بشكل أساسي ومركّب صفحة 138-139، 156-158.
الظواهر التي تمثّل الشحن بواسطة الاحتكاك (مثل التنافر والتجاذب بين شرائط بلاستيكية/ PVC التي نقرّبها من بعضها البعض) ترد في المصادر التالية- "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 139-140 ، " بشكل أساسي ومركب " صفحة 132، 156-158
فعالية مفتاحية:
فحص المصطلحين شحنة كهربائية وشحن كهربائي بواسطة تمثيل مع إلكتروسكوبات. تستدعي الفعالية مهارتَي البحث والتفسير العلمي.
المعدّات: إلكتروسكوبان، قضيب دابوق (פרספקס)، فروة، قضيب معدني (فلزّي).
نقاش: الشحنة الكهربائية، كالطول والزمن والكتلة، هي مقدار أساسي لا يمكن تعريفه بواسطة مقادير أخرى، أكثر أساسية منه. سنرى في التمثيل التالي أنّه كما يمكن تعريف الطول حسب الطريقة التي نقيسه بها بواسطة المسطرة، هكذا أيضًا يمكن تعريف الشحنة الكهربائية حسب الطريقة التي نقيسها بها بجهاز الإلكتروسكوب (انظروا شرحًا عن الجهاز في الخلفية العلمية).
نشحن قضيب الدابوق (פרספקס) بواسطة فركه بالفروة، ونضعه على الإلكتروسكوب ونشاهد انحراف إبرة الإلكتروسكوب.
العملية التي أجريناها هنا تسمّى الشحن الكهربائي، وهي تحدث نتيجة التلامس بين المادّتين المختلفتين.
سلسلة أسئلة للفحص:
1. هل تستطيع الشحنة الكهربائية الانتقال من مكان إلى آخر؟
نستعمل لهذا الغرض إلكتروسكوبين، أحدهما مشحون (نلمسه مرّة ثانية بواسطة قضيب مفروك بفروة أو بصوف) والآخر غير مشحون.
نطلب من الطلاّب تقدير: ماذا يحدث إذا وصلنا القضيب المعدني بين الإلكتروسكوبين؟
مشاهدة: نلاحظ أنّ عقرب الإلكتروسكوب الذي كان مشحونًا هبط قليلاً، وأنّ عقرب الإلكتروسكوب الذي لم يكن مشحونًا انحرف عن مكانه. التفسير: جزء من الشحنة الكهربائية مرّ إلى الإلكتروسكوب الثاني، ولذلك طرأ هبوط على عقرب الإلكتروسكوب الأوّل وارتفاع على عقرب الإلكتروسكوب الثاني.
الاستنتاج: يمكّن القضيب المعدني انتقال الشحنة الكهربائية من مكان إلى آخر.
2. هل تستطيع كلّ مادّة نقل الشحنة الكهربائية؟ (يمكن أن تطلبوا من الطلاّب اقتراح تجربة.)
الفحص: نصل الإلكتروسكوبين بواسطة قضيب دابوق (פרספקס).
هذه المرّة لم يحدث شيئًا.
الاستنتاج: ليس كلّ مادّة تمكّن نقل الشحنة الكهربائية من مكان إلى آخر.
الموادّ التي يمكنها نقل الشحنة الكهربائية بسهولة، كهذا الفلزّ مثلاً، تسمّى موادّ موصِلة، بينما الموادّ التي لا تستطيع نقل الشحنة الكهربائية، تسمّى موادّ عازلة.
3. رأينا، بواسطة الإلكتروسكوب، أنّ القضيب في عملية الفرك قد شُحن بشحنة كهربائية.
هل شُحنت الفروة أيضًا بشحنة كهربائية؟
الفحص: نفرك الفروة ونضعها على أحد الإلكتروسكوبين والقضيب على الإلكتروسكوب الثاني.
مشاهدة: يبيّن انحراف إبرة الإلكتروسكوبين أنّه توجد شحنة كهربائية على الفروة وأنّه توجد شحنة كهربائية على القضيب. أي، أنّ الفروة والقضيب شُحنا بشحنة كهربائية، حسب ما بيّنه جهازا القياس.
4. ماذا يحدث إذا وصلنا الإلكتروسكوبين بواسطة قضيب معدني؟ (اطلبوا من الطلاّب تقدير ما يحدث.)
مشاهدة: انحراف العقربين في الإلكتروسكوبين اختفى.
اطلبوا من الطلاّب تفسير ما حدث من خلال معرفتهم السابقة عن نموذج الذرّة.
تفسير حسب نموذج الذرّة: شحنة الفروة معاكسة لشحنة القضيب.
الاستنتاج:
في عملية الشحن، شُحن القضيب والفروة بشحنتين كهربائيتين إشارتاهما متعاكستان.
5. ما هو تأثير شحنة كهربائية من نوع معيّن على شحنة كهربائية من نفس النوع؟
نشحن قضيبين متطابقين بواسطة فركهما بالفروة. نلصق أحدهما بواسطة بلاستيلينا بزجاجة ساعة جهتها المقّعرة موضوعة على الطاولة، ونقرّب طرف القضيب الذي في يدنا للقضيب الذي على الزجاجة.
مشاهدة: الزجاجة التي مع القضيب تدور.
الاستنتاج: تعمل بين القضيبين قوّة تنافر، أي شحنتان من نفس النوع تتنافران.
6. ما هو تأثير شحنة كهربائية من نوع معيّن على شحنة كهربائية من نوع آخر؟
نشحن الفروة والقضيب بواسطة فركهما. نضع القضيب على زجاجة الساعة المقلوبة.
هذه المرّة تعمل قوّة تجاذب.
الاستنتاج: شحنتان من نوعين مختلفين تؤثّران على بعضهما بقوّة تجاذب.
عند إجمال الفعالية من الجدير التحدّث عن عمل الإلكتروسكوب (انظروا تفصيلاً عن ذلك في الخلفية العلمية) والتشديد على العلاقة بين انحراف العقرب (أو الزاوية التي بين الأوراق) وكمّية الشحنة. يمكن لاحقًا، عندما نتطرّق إلى قياس شدّة التيّار، تذكير الطلاّب بالتجربة التي أجريناها.
يُحبّذ أن يرى الطلاّب مولّد ڤان دي چراف (انظروا وصفًا له في الخلفية العلمية). يمكن الاستعانة بالرابط التالي (من موقع متحف العلوم في القدس):
http://www.youtube.com/watch?v=Ii1UifBoTb0&p=B328B0302101DAEF&index=4&playnext=1
إجمال (مراجعة)
o الشحن الكهربائي يؤدّي إلى حالة يطرأ فيها للجسم فائض أو نقص في الإلكترونات (شحنات سالبة).
o الجسمان المشحونان بشحنتين متماثلتين يتنافران، والجسمان المشحونان بشحنتين متعاكستين يتجاذبان.
o فرك جسمين غير مشحونين مصنوعين من مادّتين مختلفتين يؤدّي إلى شحنهما بشحنتين من نوعين مختلفين.
o الحثّ الكهروستاتي هو فصل شحنات يتكوّن في الجسم المتعادل على أثر قربه من جسم مشحون، وتعمل قوى تجاذب بين الجسمين.
o التفريغ الكهربائي هو عملية تؤدّي إلى تحويل جسم مشحون إلى جسم متعادل من الناحية الكهربائية.
فعاليات إضافية
o يمكن إيجاد تمثيل للشحن الكهربائي في الكتاب "بشكل أساسي ومركّب" صفحة 136-137، وفي الكتاب "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 133-138.
التقييم: الأسئلة 11-16، "فصول في الكهرباء والكيمياء" صفحة 149-150، 191-195
[1] يعتمد على المصطلحات التي استُعملت في وحدة التدريس- التعلّم- التقييم "التأثيرات المتبادلة والقوى وتحليل الحركة" من قِبل د. روني معلّم.