مجال المادة وتحولاتها
يرمي هذا المجال في السنة الثالثة من التعليم المتوسط إلى تنمية كفاءات التلميذ التي اكتسبها في السنتين الأولى والثانية من التعليم المتوسط، وكذا إعطاء للتلميذ ثقافة أساسية في علم الكيمياء.
وسنعالج في هذا المجال بعض الصعوبات التي قد تصادف الأستاذ من جهة، ومن جهة ثانية يمكن أن تكوّن عائقا عند التلميذ في تفسير بعض الظواهر الخاصة بالتحول الكيميائي في هذا المستوى من التعليم.
من هذه الصعوبات كيفية الوصول إلى مفهوم التفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي، أي الانتقال من التحول الكيميائي كظاهرة معقدة نظرا للنواتج المتعددة التي يصعب الكشف عنها كلية،وهذا ما يجعلنا نلجأ إلى التعبير عن التحول الكيميائي بالتفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي.
هذا لأن مفهوم التفاعل يسهل علينا الكشف ومعرفة بعض الأجسام الناتجة عن التحول الكيميائي.
نعبر عن التفاعل الكيميائي بمعادلة تسمى معادلة التفاعل الكيميائي.
إن معادلة التفاعل الكيميائي تسمح:
- بالتعرف على المواد الناتجة من التفاعل الكيميائي بصفة دقيقة.
-بالتحقق من مبدأ انحفاظ الكتلة من خلال مبدأ انحفاظ الذرات.
-بتجسيد التفاعل الكيميائي باستعمال النموذج المجهري(الجزيئي).
-بتحديد بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي والتحكم فيها.
لتذليل كل هذه الصعوبات اخترنا الوحدات التعليمية بالشكل المقترح في المنهاج المقرر والتي تشمل مجموعة من النشاطات تسمح بتوضيح وتفسير المحتوى والمفاهيم المقررة في هذه السنة.
الوحدة التعليمية رقم 1: التحول الكيميائي :
الصعوبة التي يمكن أن تصادفنا في هذه الوحدة تكمن في كون احتراق الغازات المقترحة (الميتان، البروبان، البيوتان) بالأكسيجين، يؤدي إلى عدة نواتج، وهي بخار الماء، H2O غاز ثاني أكسد الفحم 2 CO،أحادي أكسيد الفحم CO، و الفحم C
وهي نواتج ليس من السهل التحكم في تحديدها والكشف عنها بسهولة، وهذا حسب نوعية التحول الكيميائي الحاصل.
فإذا كان التحول الكيميائي تاما تظهر فقط النواتج: H2O ؛ 2 CO
أما إذا كان التحول الكيميائي غير تام فتظهر بالإضافة إلى H2O؛ 2 CO، أجساما جديدة أخرى وهي: CO، C
يمكن تلخيص ذلك في الجدول الآتي:
بعد التحول قبل التحول
CO 2
H2O
CO
C CH 4
O2
وبالنسبة للنشاط الثاني : التحليل الكهربائي للماء
ينبغي أن نركز فقط على التحليل الذي يحدث للماء كجسم نقي مركب H2O إلى جسمين نقيين بسيطين H2، O2دون التعرض إلى المادة الشاردية مثل NaOH أو إلى مواد أخرى تستعمل لنفس الغرض ،وهو جعل الماء محلولا شارديا يسمح بمرور التيار الكهربائي الذي يؤدي إلى التحليل الكهربائي للماء النقي المركب.
يمكن تلخيص عملية التحليل الكهربائي والتحول الكيميائي الحاصل في جدول:
بعد التحول قبل التحول
O 2
H2
H2O
NaOH
الوحدة التعليمية رقم 2 : التفاعل الكيميائي
بما أن التحول الكيميائي ظاهرة معقدة، وذلك نظرا لصعوبة التعرف والتحكم في نواتجه ، نكتفي فقط بالتحول الكيميائي الذي تشكل نواتجه الأغلبية، أي أننا لا نأخذ بعين الاعتبار النواتج الأخرى التي تمثل الأقلية خلال التحول الكيميائي.
نعبّر عن التحول الكيميائي،الذي نهتم فيه بأغلب نواتجه، بالتفاعل الكيميائي. وكأن التحول الكيميائي الحقيقي يحدث في الاتجاه المختار ويصبح عندئذ التفاعل الكيميائي نموذجا للتحول الكيميائي.
يمكننا الرجوع إلى الأمثلة السابقة للتعبير عنها بالتفاعلات الكيميائية:
في المثال الأول: إذا عبّرنا عن التحول الكيميائي الحقيقي بالتفاعل الكيميائي كنموذج، فإن النواتج الغالبة في هذا التحول هي: H2O ؛ 2 CO ويصبح الجدول كالآتي:
بعد التحول(التفاعل) قبل التحول(التفاعل)
CO 2
H2O CH 4
O2
-ففي المثال الثاني: التحليل الكهربائي للماء النقي المركب تكون النواتج الغالبة هي:
H2 ، O2 وفق الجدول:
بعد التحول قبل التحول
H2
O 2 H2O
الوحدة التعليمية رقم 3. معادلة التفاعل الكيميائي
يمكن أن نعبّر عن التفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي بمعادلة كيميائية باستعمال الرموز الكيميائية، حيث تظهر الأجسام المتفاعلة على اليسار والأجسام الناتجة على اليمين بالنسبة للسهم، الذي يشير إلى جهة حدوث التفاعل الكيميائي.
ففي المثالين السابقين نكتب معادلة تفاعل كما يلي:
تفاعل احتراق الميتان: CH 4 + O2 CO2 + H2O
تحليل الماء: H2O H2 + O2
ملاحظة 1 : من أجل توضيح الحالة الفيزيائية للأجسام المتفاعلة والأجسام الناتجة نستعمل الدليل :
(S) ( l ), ( g ), ( aq ),
مثال1 : CH 4 + O2 CO2 + H2O
سائل(l) غاز(g) غاز(g) غاز(g) مثال2: 2HCL + ZN H2 + Zn Cl2
(aq) (s) (g) (aq)
ملاحظة 2 : يترجم مبدأ انخفاظ الكتلة من خلال إنخفاظ عدد ذرات كل نوع من أنواع الذرات وهذا يتطلب اختيار المعاملات الستوكيو ميترية
أمثلة :
CH4 + 2O2 CO2+2H2O
(g) (g) (g)
H2O 2H2 + O2
(l) (g) (g)
2HCl + Zn H2 + Zn Cl2
(aq) (s) (g) (aq
يمكن أن نستعمل النموذج المجهري لتفسير التحويل الكيميائي
مثال: CH4 + 2O2 CO2+2H2O
1) اختراق الكربون :
C + O2 CO2
(g) (g) (s)
عند اصطدام جزئيات غاز O2 بذرات الفحم تنكسر جزيئات غاز O2 إلى ذرتين لتتحد مع ذرة فحم C فيشكل جزيء ثنائي أكسيد الكربون CO2
2) احتراق غاز الهيدروجين H2
عند اصطدام الجزئيات تنكسر جزئيات الهيدروجين وجزئيات الأكسجين ويعاد ترتيبها من جديد ليتشكل جزئيات الماء .
ملاحظة : يمكن استعمال الحالات الآتية لتوضيح آلية التفاعل الكيميائي .
يعالج الأستاذ مع التلاميذ الإشكالية التالية:
يناقش التلاميذ في مجموعات صغيرة الإشكالية حول طبيعة الغاز المنطلق من التحول الكيميائي الناتج عند احتراق الفحم في مدفأة عالية: هل هذا الغاز هو CO2 أم CO ؟
بحيث يطرح الأستاذ الأسئلة التالية:
1- في رأيك ما هو الغاز الذي ينطلق؟ برر إجابتك .
2- أكتب معادلة التفاعل باستعمال النموذج المجهري (الجزيئي)
3- كيف نكشف عمليا عن الغاز المنطلق؟
الوحدة التعليمة رقم 4: بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي
نذكر بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي
1- عامل البدء (الانطلاق) في التفاعل الكيميائي:
– عند تقريب اللهب من غاز الميثان أو البيوتان الخارج من موقد بنزن تبدأ عملية التحول الكيميائي وهو احتراق الغاز مع غاز الأوكسجين الموجود في الهواء.
و يحصل هذا البدء كذلك باستعمال شرارة كهربائية،وهو ما يحدث في الحوادث التي تقع في البيوت بسبب عطب أو نسيان أو تهاون في عدم غلق الغاز عند الإنتهاء من الطهي مثلا، وترك الغاز يتسرب في البيت، حيث بمجرد ضغط على زر كهربائي لإشعال المصباح أو تشغيل جهاز كهربائي يبدأ احتراق الغاز محدثا انفجارا قويا ثم اندلاع حريق يسبب أضرارا لكل ما في البيت، وهو ما يجب التنبيه إليه لتجنب مثل هذه الحوادث في بيوتنا.
-تفاعل اصطناع الماء:
نحضر حجما من غاز الأوكسجين مع حجمين من غاز الهيدروجين نسد الأنبوب الحاوي عليها بسدادة تحمل سلكا ينتهي بإسفنج البلاتين المجزأ بعد لحظات تتكون رغوة من البلاتين المحمر مع ندى ويؤدي هذا إلى بدء تفاعل انفجاري لاصطناع الماء.
يمسك الأنبوب بقماش حتى لا ينكسر .
نحضر مزيجا من حجم من غاز الهيدروجين وحجم من غاز الكلور ونعرض المزيج إلى ومضة ضوئيةFlash عندها يضمحل اللون الأخضر لغاز الكلور ونحصل على غاز كلور الهيدروجين . إن بدء التحول كان ومضة ضوئية .
إن هذا التفاعل تفاعل كيميائي ضوئي Photo chimique
H2 + Cl2 2HCl
يحدث مثل ذلك في التمثيل اليخضوري في النباتات نهارا ، كما أن الضوء يؤثر على أفلام التصوير .
يمكن بدء تفاعل برادة الحديد مع مسحوق الكبريت بعد مزجهما بنسب معينة بتقريب اللهب في نقطة من المزيج
Fe + S FeS
تحليل الماء :
عندما نحل في الماء قليلا من مادة هيدروكسيد الصوديوم لا يبدأ التحليل الكهربائي ، إلا إذا كان التوتر الكهربائي كافيا فهو شرط في بدء التفاعل الكيميائي.
2- عامل التلامس:
هل تعلم لماذا نقوم كل سنة تقريبا، وخاصة بالمدن الساحلية القريبة من البحر كالجزائر العاصمة، بطلاء كل ما هو مصنوع من الحديد، مثل الأعمدة الكهربائية ؟
طبعا السبب هو لمنع الرطوبة عليها لأن الرطوبة الموجودة في الجو (في الهواء) هي التي تساعد على تصدأ الحديد
أي تفاعل الحديد مع أكسيجين الهواء بتأثير الرطوبة مركب يسمى أكسيد الحديد وهذا وفق المعادلة الكيميائية التالية:
4 Fe + 3O2 2Fe2O3
-لا يمكن لسلك أو قضيب من الحديد أن يحترق في حين يمكن أن نحرق برادة الحديد فوق اللهب مثل ما يحدث في الألعاب النارية حرق ( قطن الحديدAjax ) ويمكن لمسحوق الألمنيوم ومسحوق الزنك أن يشتعل في اللهب :
والنواتج التي تحصلنا عليها من إحراق برادة الحديد تختلف عن النتيجة التي تحصلنا عليها من تفاعل الحديد بالأكسيجين بوجود الرطوبة.
فاحتراق برادة الحديد بالأكسجين بوجود لهب هو كالآتي:
3Fe + 2O2 Fe3O4
كلما كان المتفاعل أكثر تجزئة كان أكثر تفاعلا ( تحولا ) .
إذا غطسنا عود ثقاب مشتعلا في سائل المازوت في درجة الحرارة العادية ينطفئ . ماذا نفعل حتى يشتعل المازوت ؟ إما أن :
نضع كمية قليلة منه على سطح واسع .
نسخن سائل المازوت، ثم نسلط اللهب فيشتعل (إن احتراق المازوت لا يكون مع سائله بل مع أبخرته و أوكسجين الهواء ) مثل ما يحدث في المدفأة .
3 – عامل تركيب المزيج الابتدائي :
نأخذ مثالا عن ذلك إحتراق غاز المدينة (الغاز الطبيعي ) غاز الميثان مع أوكسجين الهواء
الحالة الإبتدائية : غاز الميثان ، غاز الأوكسجين ، غاز الآزوت ...
الحالة النهائية: غاز ثاني أوكسيد الفحم، بخارالماء، الفحم، أول اوكسيد الفحم، آزوت
أ . إذا كان وصول الهواء إلى الموقد متوفرا :
CH4+2O2 CO2+2H2O
ب. إذا كان وصول الهواء أقل ورودا :
CH4 + O2 C+2H2O
ينتج هباب الفحم (اليحموم) مع بخار الماء وهذا ما يسبب سواد الأواني .
- يحدث كذلك في مفحم السيارة حيث تحترق أبخرة الوقود C8H18 الأوكتان . فإذا كان المفحم يسمح بمرور الهواء الحامل لغاز الأوكسجين كافيا كان الاحتراق تاما فيعطي CO2+H2O ، أما إذا كان خلل في المفحم ولا يسمح بدخول الهواء الحامل لغاز الأوكسجين بكمية كافية فينطلق هباب الفحم C وأول أكسيد الفحم CO وغيره ... وهذا ما يسبب تلوث البيئة .
4 – عامل الحرارة:
-يمكن أن نقوم بتفكيك الماء إلى غاز الأكسجين وغاز الهيدروجين برفع درجة حرارة الماء إلى حوالي 1500°م
1500°م
H2O 2H2 + O2
كما يمكن تفكيك غاز الميتان إلى مكوناته الأساسية بتسخينه إلى درجة أكبر من 600°م فينتج الفحم وغاز الهيدروجين وفق معادلة التفاعل:
600°م
CH4 C+2H2
ملاحظــــة: في بعض الحالات يمكن أن تتوفر كل العوامل التي ذكرناها إلا أنه لا يحدث التفاعل الكيميائي.
مجال الطاقة
الحجم الساعي : 8h (دروس) + 3h (أ م )
مفهوم الطاقة غير مستوعب من طرف التلاميذ رغم تناوله بشكل عرضي ( الفيزياء، الكيمياء، البيولوجيا،الجغرافيا…) ،ويعود ذلك إلى كيفية تدريسه التي تعتمد على الجانب الكمي، وبشكل نظري دون تحليل تجريبي. مما أدى إلى الخلط بين أشكال الطاقة وأنماط تحويل الطاقة وعدم استيعاب مبدأ انحفاظ الطاقة.
يحاول المنهاج ـ من خلال طرح معين لتناول مفهوم الطاقة ـ أن يعالج هذا الموضوع اعتمادا على نتائج أبحاث في التعليمية ترتكز على الجانب التجريبي الكيفي انطلاقا من وضعيات إشكالية من محيط التلميذ.
وبما أن مفهوم الطاقة يظهر في مختلف مجالات العلوم الفيزيائية(كهرباء، ضوء،ميكانيك،مادة)، أصبح من الضروري تخصيص مجال كامل للطاقة حيث يشرع في بناء المفهوم بتناول كيفي ونصف كمي على أن يستكمل البناء في الأطوار الموالية من الدراسة.
وهكذا يمكن التعرض للتحليل الطاقوي في مختلف المجالات المقررة.
اقتراح تدرج المفاهيم
المرجع المحتوى الحجم الساعي الوحدة
التعلمية
ارجع إلى و ت التفكير في كيفية توظيف التجهيز 1سا درس
الأولى
ارجع إلى و ت تركيب وتشغيل التجهيز 1سا أ م
ارجع إلى و ت مناقشة حول السلاسل الوظيفية 1سا درس
ارجع إلى و ت نموذج للطاقة وانحفاظها 1سا درس
الثانية
ارجع إلى و ت السلاسل الطاقوية 1سا أ م
ارجع إلى و ت أَشكال أخرى للطاقة 1سا درس
ارجع إلى و ت كيف تحسن تشغيل التجهيز؟ 1سا درس
الثالثة
ارجع إلى و ت تمثيل أشكال الطاقة وتغيراتها 1سا درس
ارجع إلى و ت تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة 1سا درس
ارجع إلى و ت الدراسة الكيفية ونصف الكمية لاستطاعة تحويل الطاقة لجملة واستعمال وحدات القياس
1سا درس
الرابعة
أرجع إلى و ت قراءة فاتورة الكهرباء والغاز 1سا أ م
توضيحات حول الوحدات:
(أ م )1h (دروس) + 2h الوحدة -1-: السلسلة الوظيفية
تتم في هذه الوحدة دراسة الظاهرة بالاعتماد على السلاسل الوظيفية كوسيلة لتأسيس فكرة الطاقة مرحليا في انتظار إجراء التحليل الطاقوي بكتابة السلاسل الطاقوية (إن السلسلة الوظيفية تمثيل رمزي لتحولات وتحويلات الطاقة الجارية بين الجمل التي هي في حالة تأثير متبادل).
أهم نقطة في هذا المسعى هي الفصل، في هذا المستوى، بين دراسة الظاهرة والنموذج الذي يسمح بتفسيرها.
وعلى هذا الأساس ولتفادي الخلط بين الواقع المدروس ( التجريبي) والنموذج (النظري)،نقتصر في هذه الوحدة على دراسة الظواهر (ما هو قابل للملاحظة )التي تشكل لاحقا قاعدة للنمذجة ، ولنفس السبب نحتاط على أن لا نستعمل هنا إلا التعبير الطبيعي للتلميذ.
يمكن توزيع هذه الوحدة على ثلاث حصص:
الحصة الأولى : 1hـ (درس)
بداية ، يُطلب من التلاميذ الموزعين على مجموعات مصغرة ( 4 تلاميذ مثلا) التفكير في كيفية حل اشكالية اعتمادا على تجهيز معين لا يسمح بالحصول المباشر على النتيجة المطلوبة.
ملاحظة هامة: يحافظ على تركيبة المجموعات المصغرة أثناء دراسة كل مجال الطاقة.
تحتوي القائمة الآتية على وضعيات إشكالية يمكن طرح البعض منها (في حدود إمكانيات المؤسسة) مع الإشارة أن الوضعيتين (1 وَ 4) ضروريتان لكونهما موضوع تحليل خاص في الوحدات التعلمية اللاحقة.
الوضعية الإشكالية ملاحظات
1- إشعال مصباح معين بواسطة حجر ينتظر من التلاميذ إنجاز تركيبة يجر فيها الحجر الجزء الدوار من منوب كهربائي خلال سقوطه.
2- تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة تستعمل عربة مصنوعة بطريقة بسيطة (4 عجلات مثبتة على صفيحة بدون محرك)
تكون المدخرة فارغة دون علم التلاميذ بذلك.
3- إشعال مصباح معين بواسطة مدخرة نفس الملاحظة بالنسبة للمدخرة
4- إشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز سنهتم بالتركيبات الممكنة والتي يبخر فيها الماء عن طريق التسخين ليوجه البخار نحو توربين يقوم بتدوير دينامو، لتغذي هذه الأخيرة المصباح (صمام ضوئيLED )
5- إشعال مصباح معين بواسطة عصافة (soufflerie) في حالة استعمال مجفف الشعر يستحسن أخذ مصباح من نوع صمام ضوئي(LED )
نتحصل على نتائج ملحوظة بواسطة عصافة مسترجعة من مكنسة كهربائية.
6- إشعال مصباح معين بواسطة حوض مملوء بالماء تجرى التجربة باستعمال ماء الحنفية في انتظار توجيه تفكير التلاميذ نحو خزان الطاقة الكامنة فيما بعد.
تعرض الأجسام الواردة في القائمة أمام أعين التلاميذ :المصباح والحجر(إشكالية -1)، قارورة غاز والمصباح (إشكالية -4)،عربة ومدخرة (إشكالية -2) ... الخ
يوجد احتياط من الأدوات المتوفرة بصفة متفرقة (دينامو ، سيور، بكرات ، عنافات ، قدر ، محركات كهربائية ، ) ولكنها لا تقدم للتلاميذ .
يدون التلاميذ في هذه الحصة مقترحاتهم على شكل مخططات أو رسومات .
يقدم الأستاذ التعليمة التالية بصفة واضحة للتلاميذ :
حدد الأجسام اللازمة لحل الإشكالية ، وقدم مخططا للتركيبة المقترحة.
يطلب من كل مجموعة حل وضعية إشكالية واحدة أو اثنتين .
الحصة الثانية : 1hـ (أ م)
يركب التلاميذ تجهيزاتهم بواسطة الأدوات المتوفرة ويتحققون من النتائج المطلوبة.
تقدم كل مجموعة ( على ورق شفاف أو ورقة كبيرة) إشكاليتها والحل المقترح من طرفها مستعملة إجباريا الترميز المعطى( فقاعات) من طرف الأستاذ على شكل تعليمة كالتالي:
ملاحظة :
يحرس الأستاذ على تطبيق التلاميذ للتعليمتين ويعمل على توجيههم إلى الأدوات عند الطلب، ويساعدهم عند العجز.
تعرض كل مجموعة تجربتها مرفقة بشفافية أو ورقة كبيرة على أن تٌجرى المناقشة تحت رعاية الأستاذ وتدور حول:
- هل حلت الإشكالية؟
- هل احترم الترميز؟
- هل حقا استعملت أفعال الأداء؟
- هل حقيقة توجد أجسام داخل الفقاعات؟ وهل تختلف الأجسام فيما بينها؟
الحصة الثالثة : 1hـ (درس)
- مناقشة حول أفعال الأداء المستعملة:
يحاول الأستاذ في هذه المرحلة التقليص من عدد أفعال الأداء المستعملة إلى أدنى ما يمكن ، يمكن الاكتفاء بالأفعال التالية: يسحب ، يُغذي ، يُسخن ، يُضيء مثلا.
الغرض من هذا هو التأسيس فيما بعد للأنماط الأربعة لتحويل الطاقة: تحويل ميكانيكي، تحويل كهربائي، تحويل حراري، تحويل بالإشعاع.
- دراسة الأجسام: التماثل والاختلاف في اشتغالها.
يطلب الأستاذ من التلاميذ (ضمن مجموعات) كتابة الفعل الذي يميز اشتغال( فعل الحالة) كل جسم تحت الفقاعة المناسبة.
الغرض من هذه المرحلة هو التأسيس لـ:
* الشكلين من الطاقة المخزنة ( الطاقة الحركية والطاقة الداخلية للاضطراب العشوائي).
يمكن أن نحتفظ بالأفعال: يدور، يسقط، يخرج، يتقدم، بالنسبة للأول.
وبالأفعال: يحترق، يلمع، يسخن بالنسبة للثاني.
يمكن للأستاذ مساعدة التلاميذ أحيانا ، كأن يعطي بعض الأمثلة ، ويبين الفرق بين الفعل يُسخّن والفعل يَسخُن .
إذا لم يجد التلاميذ الفعل المناسب يكتفى بوضع علامة الاستفهام.
تُحضر كلمة( الجسم) لاستعمال كلمة ( الجملة) فيما بعد.
ملاحظة:
ربما ينجز التلاميذ السلسلة التالية :
الترميز في هذه السلسلة غير محترم إذ لا يمكن لفقاعتين مختلفتين أن تمثلا نفس الجسم (الماء وبخاره).
- مناقشة الأفعال المستعملة من طرف التلاميذ:
يستخلص الأستاذ حصيلة متفاديا تغيير التعبير المقترح من طرف التلاميذ ، كما يحرص على عدم إدخال مصطلح (الطاقة).
ودائما باستعمال اللغة الطبيعية للتلميذ يركز الأستاذ على إمكانية ترجمة تشغيل تجهيزات مختلفة بواسطة عدد محدود من الأفعال ، وهذا ما يحث على البحث في شرح طريقة اشتغال تجهيزات مختلفة بواسطة نموذج وحيد نتعرض إليه في الوحدة التعليمية القادمة.
ملحق الوحدة:
1- الحلول الممكنة لبعض الوضعيات الاشكالية المقترحة:
2- السلاسل الوظيفية للوضعيات الاشكالية المقترحة:
أ- اشعال مصباح بواسطة جسم:
ب- تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة:
جـ- اشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز:
د- اشعال مصباح معين بواسطة عصافة:
هـ - اشعال مصباح معين بواسطة ماء الحنفية:
ااشعال مصباح بواسطة مدخرة:
) + 3h الوحدة -2-: السلسلة الطاقوية
ننتقل في هذه الوحدة من دراسة الظاهرة (الميدان التجريبي)إلى بناء نموذج الطاقة (الميدان النظري) اعتمادا على السلاسل الطاقوية.
يبني الأستاذ نموذجا للطاقة وفق التسلسل التالي:
- يقدم الأستاذ نموذجا للطاقة يسمح بشرح الظواهر الممثلة بالسلاسل الوظيفية. يخضع النموذج إلى مبدأ انحفاظ الطاقة، ويعطي الأستاذ عندها التعبير العلمي الذي يوافق التعبير الطبيعي المستعمل من قبْل، للانتقال بالتلاميذ من العالم الحسي (الواقع) إلى عالم الأفكار والتعابير العقلانية(النظرية) ، المؤسسة من طرف العلم لتمكين التلاميذ من التدرب على كتابة السلاسل الطاقوية .
- يؤسس الأستاذ إلى الأنماط الأربعة لتحويل الطاقة ، ويكتفي في مرحلة أولى، بالإشارة إلى الطاقة الحركية (Ec) والطاقة الداخلية (Ei) في انتظار التطرق إلى الطاقة الكامنة .
- يأتي فيما بعد تدريب التلاميذ على كتابة السلاسل الطاقوية انطلاقا من أمثلة مدروسة سابقا وأمثلة أخرى ، لتمكين التلاميذ من تطبيق النموذج المقترح.
- يتعرض الأستاذ في الأخير إلى أشكال جديدة للطاقة : الطاقة الكامنة المرونية ، الطاقة الكامنة الثقالية ، الطاقة الكامنة المنسوبة للأفعال المتبادلة داخل المادة وكذلك التحولات الفيزيائية والكيميائية والنووية.
لقد أُخرت هذه الأشكال الثلاثة للطاقة بسبب عدم قدرة التلاميذ على الاحساس بها ، عكس الطاقة الحركية والطاقة الداخلية المنسوبة للحالة الحرارية.
- تقدم للتلاميذ وضعية للدراسة انطلاقا من مبدأ انحفاظ الطاقة ، فيتصدى التلاميذ إلى إشكالية يدركون من خلالها هذا الشكل الجديد للطاقة، وإجبارية احترام المبدأ (مبدأ انحفاظ الطاقة) تجرُّهم بعد النقاش إلى توسيع مفهوم الطاقة إلى أشكال جديدة، حتى لا يتناقضوا مع المبدأ.
الحصة الأولى : 1h (درس)
نموذج للطاقة وانحفاظها
* يُذكر الأستاذ بالتجهيزات المنجزة ويقف عند النقطتين التاليتين:
- في حالة عدم الحصول على نتيجة بطريقة مباشرة اشتعال المصباح بدون عمود مثلا نستعمل أحيانا أجساما وسيطية للحصول على نفس النتيجة.
- يمكن الحصول على نتيجتين مختلفتين بواسطة سلسلتين تبدآن بنفس الجسم.
مثال:
كما يمكن الحصول على نفس النتيجة بواسطة سلسلتين تبدآن بجسمين مختلفين.
مثال:
من خلال ما سبق يستخلص الأستاذ ما يلي:
- تبين هذه الدراسة بأنه يمكن الحصول على نتائج متماثلة بواسطة تجهيزات مختلفة.
- تبين ملاحظة السلاسل تطابقا عند نقاط الانطلاق أو الوصول.
- يبرر كل هذا استعمال نموذج وحيد لشرح هذه الوضعيات ووضعيات أخرى، بحيث يكون هذا النموذج مؤسسا على فكرة مقدار محفوظ هو الـطـاقـة .
يعرض الأستاذ النموذج بالشكل التالي :
يفسر العلم كل الظواهر الفيزيائية والكيميائية بواسطة مقدار يدعى الطاقة يخضع إلى مبدأ الانحفاظ الذي نصه كما يلي:
الطاقة لا تستحدث ولا تزول ، إذا اكتسبت جملة ما طاقة أو فقدتها ، فإنها بالضرورة قد أخذتها من جملة أو جمل أخرى أو قدمتها لها.
ملاحظة : يعتبر مبدأ انحفاظ الطاقة فرضية أساسية عند الفيزيائيين غير قابل للبرهنة وغير مفند إلى غاية اليوم.
لا ينبغي للأستاذ أن يتعمق كثيرا في هذه المرحلة من الدراسة ، فعلى التلاميذ أن يبنوا تدريجيا المعنى التطبيقي لهذا المبدأ.
يكتفي الأستاذ بتعريف الأنماط الأربعة لتحويل الطاقة ( W ; We ; Q ; Er) والشكلين المعتمدين مرحليا (الطاقة الحركية Ec ، الطاقة الداخلية Ei).
من هذا المنطلق يؤكد الأستاذ على أن الطاقة :
- يمكن أن تتحول من جسم إلى آخر بأنماط مختلفة (تحويل ميكانيكي ، تحويل كهربائي ، تحويل حراري ، تحويل بالشعاع).
- يمكن أن تتخزن الطاقة في الأجسام على أشكال مختلفة منها : الطاقة الحركية Ec ، الطاقة الداخلية Ei .
- تربط الطاقة الحركية للجسم بحالته الحركية ، كما تربط الطاقة الداخلية ببعدها الحراري.
- يربط بين التعبيرين الطبيعي والعلمي كما يلي:
يسحب يوافق تحويل ميكانيكي W
يغذي يوافق تحويل كهربائي We
يُسخن يوافق تحويل حراري Q
يضيء يوافق تحويل اشعاعي Er
يتقدم يوافق طاقة حركية Ec
يَسخن يوافق طاقة داخلية Ei
الحصة الثانية : 1h (أ م)
يتوزع التلاميذ على نفس المجموعات التي كُونت سابقا ، ويسجلون على سلاسلهم الوظيفية أفعال الأداء وأفعال الحالة بالتعبير الطاقوي، مستعملين أنماط تحويل الطاقة وشكلي الطاقة المدروسين (الطاقة الحركية والطاقة الداخلية) .
تعرض كل مجموعة عملها أمام الأفواج الأخرى باستعمال شفافيات أو أوراق كبيرة.
تَنصب المناقشة حول صحة السلاسل وحسن اختيار المفردات.
الوضعية الأولى: اشتعال مصباح معين بواسطة حجر
التمثيل الابتدائي للسلسة الوظيفية :
التمثيل النهائي للسلسلة الطاقوية:
الوضعية الرابعة :اشتعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز
التمثيل الابتدائي للسلسة الوظيفية
التمثيل النهائي للسلسلة الطاقوية
الحصة الثالثة : 1h (درس)
البحث عن الأشكال الأخرى للطاقة
يذكر الأستاذ بمبدأ انحفاظ الطاقة وبالأشكال المعروفة للطاقة وكذلك بأنماط التحويل والسلاسل الطاقوية ثم يشرع في تقديم الطاقة الكامنة المرونية.
يتم التفكير وفق مجموعات مصغرة (4 تلاميذ) .
- تقديم الطاقة الكامنة المرونية :
الوضعية: إن ميكانيزم الدفع لبندقية الأطفال، يتكون من نابض يُضغط بواسطة سهم نهايته من المطاط ،عند الضغط على الزناد، ينطلق السهم بسرعة .اشرح كيف تطبق مبدأ إنحفاظ الطاقة.
تقدم أعمال المجموعات وتناقش.
بعد المناقشة يُستخلص ما يلي:
إن النابض المضغوط يخزن طاقة يمكن تحويلها خلال التمدد، تسمى هذه الطاقة المرتبطة بتشوه النابض الطاقة المرونية ، ويرمز لها بالرمزEpe .
- تقديم الطاقة الكامنة الثقالية:
يتبع نفس المسعى السابق في الوضعية المقابلة:
اشرح اشتعال المصباح مستعملا
مبدأ انحفاظ الطاقة.
بعد المناقشة يُستخلص ما يلي: أن الطاقة الكامنة الثقالية مرتبطة بارتفاع الجسم.
- توسيع مفهوم الطاقة الداخلية ( تبعا لتغيرات الحالة الفيزيائية /الكيميائية أو النووية):
يتبع نفس المسعى السابق في الوضعية المقابلة :
اشرح اشتعال المصباح مستعملا مبدأ انحفاظ الطاقة.
ملاحظات حول الوضعيتين السابقتين:
يلاحظ عند دراسة أجوبة التلاميذ أنهم يركزون على الطاقة " النشيطة " فقط، فمثلا نجد الشروحات التالية:
- للغاز طاقة عندما يحترق (لا يمتلك الغاز طاقة أثناء تواجده بالقارورة والحنفية مغلقة).
- للجسم طاقة أثناء سقوطه (لا يمتلك طاقة عند تواجده ساكنا في الأعلى)
ولا يدركون وجود إشكالية.
فعلى الأستاذ أن يوجه تفكيرهم بـ:
- حثهم على إكمال السلاسل الطاقوية - إن لم تكن كاملة - بحيث تبدأ بكلمة تصف الحالة الطاقوية للجسم الأول وتنتهي هذه السلسلة بالحالة الطاقوية للجسم النهائي.
- التحقق من احترام قواعد رسم السلسلة.
- التساؤل حول الجملة ( الجسم) المختارة ، وربما من الأحسن تغييرها مثلا: ماذا في غاز فرن بنزن؟ لماذا نقول أن لديه طاقة؟ وعندما نريد أن نجد طبيعة الطاقة نطرح السؤال: لماذا تقول بأن للغاز طاقة؟
وعند الحاجة يوجه الأستاذ التلاميذ مباشرة نحو جملة ابتدائية من الشكل: خليط هواء- غاز(في الحالة الثانية)
أو جسم- عند ارتفاع معين(في الحالة الأولى).
في كل الحصص يوجه الأستاذ المناقشة دون التدخُّل إلا إذا تناقضت نتائج القسم كله مع النتائج الصحيحة.
وتبقى التساؤلات الجوهرية التي يجب أن يدور حولها النقاش:
- هل للنابض المضغوط طاقة قبل تمدده ؟
- هل للجسم طاقة وهو ساكن في الوضع العلوي ؟
- هل للخليط غاز-هواء طاقة قبل احتراقه؟
ويحرص على أن يصوغ التلاميذ بوضوح العنصرين التاليين :
* إلى أي جملة تنسب الطاقة ؟ ) تموقع الطاقة(
* ما هو مصدر الطاقة ؟ ) شكل الطاقة(
عند كل تحليل يؤكد الأستاذ ومن أجل تناسق المبدأ أنه من الضروري إدخال شكل جديد من أشكال الطاقة وهو الطاقة الكامنة ، وأن يُوسع مفهوم الطاقة الداخلية ( الوضعية الأخيرة) :
إن طاقة الجملة (غاز-أوكسجين) لا تمثل تحويلا للطاقة يتسبب فيه الاحتراق بل تمثل شكلا جديدا للطاقة الداخلية والذي يُنسب للمزيج (غاز-أوكسجين) بصفة مستقلة عن كل احتراق، مع العلم أن الطاقة الداخلية تتغير أثناء الأحتراق .
يُوضَح في كل مرة موقع الطاقة وأصلها : عياني (الطاقة الكامنة المرونية أو الطاقة الكامنة الثقالية) ، ومجهري (الطاقة الكامنة الداخلية ).
(دروس) 3h الوحدة -3-: مبدأ انحفاظ الطاقة
نتعرض في هذه الوحدة إلى تحويلات الطاقة نحو المحيط للتمييز بين التحويل المفيد للطاقة والتحويل غير المفيد للطاقة (الضياع في الطاقة) .
كما يثرى الترميز بفكرة التفرع للسلسلة الطاقوية ، إذ تشكل الوحدة تدريبا جديدا على استعمال السلاسل الطاقوية .
نتبع نفس التحليل الوارد في الوحدة السابقة أي ندرس اشكالية مطروحة بالرجوع دائما إلى مبدأ انحفاظ الطاقة .
ومن أجل احترام هذا المبدأ ننجر إلى الاخذ بالحسبان تحويلات الطاقة نحو المحيط حتى وإن كانت غير معتبرة.
ينبغي أن نولي أهمية خاصة للملاءمة بين مبدأ انحفاظ الطاقة والضياع في الطاقة ، لأن معظم التلاميذ يربطون انحفاظ الطاقة بعدم ضياعها .
(مبدأ انحفاظ الطاقة لا ينطبق فقط على الطاقة المفيدة ولكنه ينطبق على كل أشكال الطاقة بما فيها غير المفيدة).
مثال :
كما نتعرض في هذه الوحدة إلى تمثيل تطورالطاقة في جملة ما.
ننتقل الآن إلى تحليل كل الدراسة بربطها بعامل الزمن، حتى نبرز مختلف المراحل ونستعمل بشكل سليم تحويل وتخزين الطاقة ، مع الأخذ بعين الأعتبار الضياع في الطاقة.
نقترح توزيع هذه الوحدة على الحصص التالية:
الحصة الأولى: 1h (درس)
يذكر الأستاذ كل المعطيات ويكتبها على السبورة (نص مبدأ انحفاظ الطاقة، الاشكال المعروفة للطاقة ، أنماط تحويل الطاقة، بعض السلاسل الطاقويةالتي درست من قبل)، ثم يقدَّم العمل الجديد المتمثل في التفكيرفي كيفية تحسين التجهيز المعتمد في الوضعية الغاز- المصباح دون استعمال طاقة إضافية.
المرحلة الأولى : يعمل التلاميذ بمجموعات مصغرة للاجابة على السؤالين التاليين:
- كيف نحسن التركيب لكي يتوهج المصباح أكثر؟
- ماذا يجب فعله ليشتعل المصباح مدة أطول؟
تعرض المجموعات أعمالها للمناقشة وعلى الأستاذ انتقاء الأقتراحات العملية (القابلة للتجسيد).
المرحلة الثانية : يتواصل عمل المجموعات بإجراء مجابهة مع مبدأ انحفاظ الطاقة حول التساؤلات التالية:
لقد اقترحت تحسينات للتجهيز(غاز، مصباح)، وكمَن البعض منها في تحسين أجزاء النقل، ونوعية التوصيلات وبالتالي الحصول في نهاية السلسلة على طاقة أكثربتجهيز مركب جيدا، مقارنة بتجهيز تركيبه رديء ، وحسب مبدأ الانحفاظ ، الطاقة لا تستحدث ، فمن أين أتت الطاقة التي زادت من توهج المصباح؟
كيف يمكن الحصول على طاقة أكثر دون أن تتناقض مع مبدأ انحفاظ الطاقة ؟
اشرح كيفية تطبيق المبدأ في كلا التجهيزين ، وخاصة في التجهيز الرديء.
اثناء المناقشة للأستاذ أن يقحم مفاهيم الطاقة المفيدة والطاقة الضائعة والمردود ، وأن يثري الترميز بفكرة التفرع في السلسلة .
يؤكد الأستاذ على أن الأنحفاظ ينطبق على كل أشكال الطاقة وليس على الطاقة المفيدة فقط.
مثال: إثراء الترميز
المرحلة الثالثة: يتواصل عمل المجموعات بالعودة إلى الأمثلة المدروسة في الوحدة الأولى(اشعال مصباح معين بواسطة حجر، - تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة، اشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز، ...) مع طلب إنشاء السلاسل الطاقوية الكاملة بما فيها الضياع في الطاقة.
يتدخل الأستاذ ليوضح ما يلي:
- ما هي الجملة وما هو شكل الطاقة الذي ينسب لها ؟
- عند تعرض التلاميذ للحديث عن الضياع في الطاقة، على الأستاذ أن يطلب منهم التدقيق في ما يلي:
هل الضياع في الطاقة يعني:
- زوال الطاقة ؟
- تحويل للطاقة ؟ فإلى أين؟ وإلى أي شكل؟
الحصة الثانية : 1h (درس)
يكرر الأستاذ نفس المعطيات المقدمة في الحصة السابقة لترسيخ نص المبدأ و الأشكال المعروفة للطاقة و أنماط التحويل والسلاسل الطاقوية .
المرحلة الأولى: يقترح الأستاذ إكمال تمثيل اشتغال جملة بإضافة القاعدة التالية للحالتين:
من أجل الوضعيتين (1، 4)المحددتين في القائمة الأولى ، نمثل أشكال الطاقة المتغيرة ( أو القابلة للتغيير) داخل فقاعة بواسطة أعمدة (عمود لكل شكل من أشكال الطاقة) مملوء جزئيا كما هو في الرسم:
المرحلة الثانية:
يطلب الأستاذ من التلاميذ الموزعين وفق مجموعات مصغرة أن يطبقوا القواعد السابقة الخاصة بالتحليل الطاقوي لشرح تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة في بعض الوضعيات مثل:
أ) توجد خشبة عند سطح الأرض ثم رفعت فوق سطح عمارة بواسطة رافعة.
ب) سيارة كهربائية متوقفة أسفل طريق صاعدة، لحظات من بعد ، تتوقف أعلى الطريق.
جـ) تُشغل مدفأة كهربائية، بعد مدة تسخن،وتواصل فيما بعد تسخين الحُجرة مع بقائها ساخنة بنفس الكيفية.
د) نُشغل مصباح جيب،بعد لحظات نطفئه.
يحرص الأستاذ على تطبيق التلاميذ لقواعد التعبير الكتابي والرمزي دون أن يبالغ في توجيههم.
الحصة الثالثة : 1h (درس)
ينظم الأستاذ المناقشة حول اقتراحات التلاميذ ولا يتدخل في حالة عدم اتفاق التلاميذ فيما بينهم ، ويدلي برأيه في خلاصة الدرس.
يطلب الأستاذ من التلاميذ أن يتأكدوا من احترامهم للقواعد ، ومن تطبيق مبدأ الانحفاظ.
يوضح الأستاذ العناصر التالية عند تلخيصه للدرس:
- اختيار الجملة (لا يبالغ في تقسيمها).
- حسن اختيار اللحظتين (1، 2 ).
- حوصلة أشكال الطاقة عند كل لحظة وحوصلة التحويلات بين اللحظتين (1 ،2 ).
أمثلة عن أجوبة منتظرة :
الوضعية -1 الرافعة والخشبة.
الخشبة على سطح الارض (t1)
الخشبة على سطح العمارة(t2)
الوضعية -2 السيارة الكهربائية.
السيارة متوقفة في الأسفل (t1)
السيارة متوقفة في الأعلى (t2)
الوضعية- 3 المدفأة الكهربائية
بداية تشغيل المدفأة (t1)
وصول المدفأة إلى درجة حرارة تشغيلها(t2)
المدفأة تسخن الغرفة(t3)
بين t1 ، t2 ، تسخن المدفأة كما تسخن الحجرة قليلا.
بعد (t2) المدفأة (السخنة) لا تسخن إلا القاعة.
الوضعية -4 مصباح الجيب
اشعال المصباح (t1)
اطفاء المصباح (t2)
بتطبيق التحليل الطاقوي على تشغيل بعض الآلات:
تدرس هنا (على شكل تمارين) بعض الأجهزة والآلات المتداولة والمعروفة من طرف التلاميذ.
مثال :
المثقاب الكهربائي.
الثلاجة
المحرك الكهربائي
دينامو الدراجة
يمكن أن تتم الدراسة في إطار مجموعات أو في المنزل ، تعطى للتلاميذ وثائق وصفية .
بإمكان كل مجموعة تحضير بحث يحتوي نبذة تاريخية وبعض الشرح عن كيفية تشغيل التجهيز المدروس.
الوحدة التعيلمية -4-: الاستطاعة h1 (درس)h + 1 (أم)
تقدم الاستطاعة على أنها سرعة تحويل الطاقة، ومن هذا المنطلق، فإن الاستطاعة لها نفس البعد لمفهوم السرعة في الميكانيك أو معنى الغزارة في المائع . ومنه فلا وجود للتعبيرين: الاستطاعة المكتسبة والاستطاعة المفقودة، وإنما تصاغ الاستطاعة كما يلي: استطاعة الجملة على اكتساب الطاقة أو استطاعة الجملة على فقدان الطاقة.
وذلك للتمييز بين الطاقة كمقدار فيزيائي وحدته الـ ( جولj) ، والاستطاعة كمقدار عددي للتعبير عن مدى سرعة تحويل الطاقة ووحدته في الجملة الدولية الـ (واط w ).
يمكن توزيع هذه الوحدة على حصتين:
الحصة الأولى :
المرحلة 1-:
الدراسة الكيفية والدراسة نصف الكمية لاستطاعة التحويل لجملة:
بالرجوع إلى الوحدتين التعليميتين (2، 3) تعطى أمثلة عن الطاقة وتحويلاتها لترسيخ مفهوم الطاقة كمقدار فيزيائي مع التركيز على وحدة القياس (جول) ثم تتم مقارنة التحويلات الطاقوية الحاصلة بين بعض الجمل (فقد الطاقة أو اكتساب الطاقة) ومنه الانتقال إلى مقارنة سرعة التحويل من وإلى الجملة المدروسة للوصول إلى التعبير عن الاستطاعة على أنها السرعة التي تكتسب بها الجملة طاقة أو تفقدها.
مثال: دفع عربة من طرف طفل أو من طرف شخص أكبر منه.
تدرس الأمثلة المعطاة دراسة وصفية بالدرجة الأولى ثم تكمم جزئيا(دراسة نصف كمية) على سبيل المثال تثبيت مقدار الطاقة ويقارن مقدار التحويل بالزمن اللازم للتحويل.
المثال السابق: الطفل والشخص يؤديان نفس التحويل الميكانيكي ولكن أحد هما يؤديه خلال فترة زمنية أقل من الآخر أي أن استطاعة التحويل الميكانيكي للرجل أكبر من استطاعة التحويل الميكانيكي للطفل.
تناقش عبارة الاستطاعة رياضيا من خلال العبارة الحرفية بأمثلة عددية.
تستعمل الوحدة الدولية (واط - watt) ويرمز لها بالرمز (w)، الواط هو مقدار عددي يعبر عن مقدار الطاقة المحولة خلال وحدة الزمن . ( أي تحويل 1 جول خلال 1ثانية).
كما يستعمل الكيلو واط ساعي ( kwh) لقياس مقدار التحول الطاقوي، حيث الكيلو واط ساعي هو مقدار تحويل الطاقة المكتسبة أو المفقودة خلال ساعة واحدة في تبادل طاقوي بين جملتين في حالة تأثير متبادل.
1kwh = 103 3600 = 3.6 106 J
1kwh = 3.6 M J
في عموم الحالات يستعمل الكيلوواط ساعي للتعبير عن التحويل الكهربائي للطاقة في دارة كهربائية.
أمثلة :
استطاعة التحويل الكهربائي للطاقة لبعض الأجهزة الكهرومنزلية :
المصباح الكهربائي 60w 75w 100w
المكواة الكهربائية 1000w
استطاعة تحويل المفاعل النووي للطاقة النووية : MW900 إلى MW 1300
الحصة الثانية (عمل مخبري) : قراءة فاتورة الكهرباء والغاز
إجراء بعض الحسابات في الاستطاعة ومقارنة استطاعة تحويل الطاقة لبعض الجمل.
قراءة فاتورة الكهرباء والغاز وتحليل كل عناصرها.
ُيحضر الأستاذ فاتورة استهلاك الكهرباء والغاز ويعطي مكوناتها .
يُحضر كل تلميذ فاتورة من البيت ليقوم بقراءتها داخل فوجه المصغر ويناقشها.
يرمي هذا المجال في السنة الثالثة من التعليم المتوسط إلى تنمية كفاءات التلميذ التي اكتسبها في السنتين الأولى والثانية من التعليم المتوسط، وكذا إعطاء للتلميذ ثقافة أساسية في علم الكيمياء.
وسنعالج في هذا المجال بعض الصعوبات التي قد تصادف الأستاذ من جهة، ومن جهة ثانية يمكن أن تكوّن عائقا عند التلميذ في تفسير بعض الظواهر الخاصة بالتحول الكيميائي في هذا المستوى من التعليم.
من هذه الصعوبات كيفية الوصول إلى مفهوم التفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي، أي الانتقال من التحول الكيميائي كظاهرة معقدة نظرا للنواتج المتعددة التي يصعب الكشف عنها كلية،وهذا ما يجعلنا نلجأ إلى التعبير عن التحول الكيميائي بالتفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي.
هذا لأن مفهوم التفاعل يسهل علينا الكشف ومعرفة بعض الأجسام الناتجة عن التحول الكيميائي.
نعبر عن التفاعل الكيميائي بمعادلة تسمى معادلة التفاعل الكيميائي.
إن معادلة التفاعل الكيميائي تسمح:
- بالتعرف على المواد الناتجة من التفاعل الكيميائي بصفة دقيقة.
-بالتحقق من مبدأ انحفاظ الكتلة من خلال مبدأ انحفاظ الذرات.
-بتجسيد التفاعل الكيميائي باستعمال النموذج المجهري(الجزيئي).
-بتحديد بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي والتحكم فيها.
لتذليل كل هذه الصعوبات اخترنا الوحدات التعليمية بالشكل المقترح في المنهاج المقرر والتي تشمل مجموعة من النشاطات تسمح بتوضيح وتفسير المحتوى والمفاهيم المقررة في هذه السنة.
الوحدة التعليمية رقم 1: التحول الكيميائي :
الصعوبة التي يمكن أن تصادفنا في هذه الوحدة تكمن في كون احتراق الغازات المقترحة (الميتان، البروبان، البيوتان) بالأكسيجين، يؤدي إلى عدة نواتج، وهي بخار الماء، H2O غاز ثاني أكسد الفحم 2 CO،أحادي أكسيد الفحم CO، و الفحم C
وهي نواتج ليس من السهل التحكم في تحديدها والكشف عنها بسهولة، وهذا حسب نوعية التحول الكيميائي الحاصل.
فإذا كان التحول الكيميائي تاما تظهر فقط النواتج: H2O ؛ 2 CO
أما إذا كان التحول الكيميائي غير تام فتظهر بالإضافة إلى H2O؛ 2 CO، أجساما جديدة أخرى وهي: CO، C
يمكن تلخيص ذلك في الجدول الآتي:
بعد التحول قبل التحول
CO 2
H2O
CO
C CH 4
O2
وبالنسبة للنشاط الثاني : التحليل الكهربائي للماء
ينبغي أن نركز فقط على التحليل الذي يحدث للماء كجسم نقي مركب H2O إلى جسمين نقيين بسيطين H2، O2دون التعرض إلى المادة الشاردية مثل NaOH أو إلى مواد أخرى تستعمل لنفس الغرض ،وهو جعل الماء محلولا شارديا يسمح بمرور التيار الكهربائي الذي يؤدي إلى التحليل الكهربائي للماء النقي المركب.
يمكن تلخيص عملية التحليل الكهربائي والتحول الكيميائي الحاصل في جدول:
بعد التحول قبل التحول
O 2
H2
H2O
NaOH
الوحدة التعليمية رقم 2 : التفاعل الكيميائي
بما أن التحول الكيميائي ظاهرة معقدة، وذلك نظرا لصعوبة التعرف والتحكم في نواتجه ، نكتفي فقط بالتحول الكيميائي الذي تشكل نواتجه الأغلبية، أي أننا لا نأخذ بعين الاعتبار النواتج الأخرى التي تمثل الأقلية خلال التحول الكيميائي.
نعبّر عن التحول الكيميائي،الذي نهتم فيه بأغلب نواتجه، بالتفاعل الكيميائي. وكأن التحول الكيميائي الحقيقي يحدث في الاتجاه المختار ويصبح عندئذ التفاعل الكيميائي نموذجا للتحول الكيميائي.
يمكننا الرجوع إلى الأمثلة السابقة للتعبير عنها بالتفاعلات الكيميائية:
في المثال الأول: إذا عبّرنا عن التحول الكيميائي الحقيقي بالتفاعل الكيميائي كنموذج، فإن النواتج الغالبة في هذا التحول هي: H2O ؛ 2 CO ويصبح الجدول كالآتي:
بعد التحول(التفاعل) قبل التحول(التفاعل)
CO 2
H2O CH 4
O2
-ففي المثال الثاني: التحليل الكهربائي للماء النقي المركب تكون النواتج الغالبة هي:
H2 ، O2 وفق الجدول:
بعد التحول قبل التحول
H2
O 2 H2O
الوحدة التعليمية رقم 3. معادلة التفاعل الكيميائي
يمكن أن نعبّر عن التفاعل الكيميائي كنموذج للتحول الكيميائي بمعادلة كيميائية باستعمال الرموز الكيميائية، حيث تظهر الأجسام المتفاعلة على اليسار والأجسام الناتجة على اليمين بالنسبة للسهم، الذي يشير إلى جهة حدوث التفاعل الكيميائي.
ففي المثالين السابقين نكتب معادلة تفاعل كما يلي:
تفاعل احتراق الميتان: CH 4 + O2 CO2 + H2O
تحليل الماء: H2O H2 + O2
ملاحظة 1 : من أجل توضيح الحالة الفيزيائية للأجسام المتفاعلة والأجسام الناتجة نستعمل الدليل :
(S) ( l ), ( g ), ( aq ),
مثال1 : CH 4 + O2 CO2 + H2O
سائل(l) غاز(g) غاز(g) غاز(g) مثال2: 2HCL + ZN H2 + Zn Cl2
(aq) (s) (g) (aq)
ملاحظة 2 : يترجم مبدأ انخفاظ الكتلة من خلال إنخفاظ عدد ذرات كل نوع من أنواع الذرات وهذا يتطلب اختيار المعاملات الستوكيو ميترية
أمثلة :
CH4 + 2O2 CO2+2H2O
(g) (g) (g)
H2O 2H2 + O2
(l) (g) (g)
2HCl + Zn H2 + Zn Cl2
(aq) (s) (g) (aq
يمكن أن نستعمل النموذج المجهري لتفسير التحويل الكيميائي
مثال: CH4 + 2O2 CO2+2H2O
1) اختراق الكربون :
C + O2 CO2
(g) (g) (s)
عند اصطدام جزئيات غاز O2 بذرات الفحم تنكسر جزيئات غاز O2 إلى ذرتين لتتحد مع ذرة فحم C فيشكل جزيء ثنائي أكسيد الكربون CO2
2) احتراق غاز الهيدروجين H2
عند اصطدام الجزئيات تنكسر جزئيات الهيدروجين وجزئيات الأكسجين ويعاد ترتيبها من جديد ليتشكل جزئيات الماء .
ملاحظة : يمكن استعمال الحالات الآتية لتوضيح آلية التفاعل الكيميائي .
يعالج الأستاذ مع التلاميذ الإشكالية التالية:
يناقش التلاميذ في مجموعات صغيرة الإشكالية حول طبيعة الغاز المنطلق من التحول الكيميائي الناتج عند احتراق الفحم في مدفأة عالية: هل هذا الغاز هو CO2 أم CO ؟
بحيث يطرح الأستاذ الأسئلة التالية:
1- في رأيك ما هو الغاز الذي ينطلق؟ برر إجابتك .
2- أكتب معادلة التفاعل باستعمال النموذج المجهري (الجزيئي)
3- كيف نكشف عمليا عن الغاز المنطلق؟
الوحدة التعليمة رقم 4: بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي
نذكر بعض العوامل المؤثرة في التحول الكيميائي
1- عامل البدء (الانطلاق) في التفاعل الكيميائي:
– عند تقريب اللهب من غاز الميثان أو البيوتان الخارج من موقد بنزن تبدأ عملية التحول الكيميائي وهو احتراق الغاز مع غاز الأوكسجين الموجود في الهواء.
و يحصل هذا البدء كذلك باستعمال شرارة كهربائية،وهو ما يحدث في الحوادث التي تقع في البيوت بسبب عطب أو نسيان أو تهاون في عدم غلق الغاز عند الإنتهاء من الطهي مثلا، وترك الغاز يتسرب في البيت، حيث بمجرد ضغط على زر كهربائي لإشعال المصباح أو تشغيل جهاز كهربائي يبدأ احتراق الغاز محدثا انفجارا قويا ثم اندلاع حريق يسبب أضرارا لكل ما في البيت، وهو ما يجب التنبيه إليه لتجنب مثل هذه الحوادث في بيوتنا.
-تفاعل اصطناع الماء:
نحضر حجما من غاز الأوكسجين مع حجمين من غاز الهيدروجين نسد الأنبوب الحاوي عليها بسدادة تحمل سلكا ينتهي بإسفنج البلاتين المجزأ بعد لحظات تتكون رغوة من البلاتين المحمر مع ندى ويؤدي هذا إلى بدء تفاعل انفجاري لاصطناع الماء.
يمسك الأنبوب بقماش حتى لا ينكسر .
نحضر مزيجا من حجم من غاز الهيدروجين وحجم من غاز الكلور ونعرض المزيج إلى ومضة ضوئيةFlash عندها يضمحل اللون الأخضر لغاز الكلور ونحصل على غاز كلور الهيدروجين . إن بدء التحول كان ومضة ضوئية .
إن هذا التفاعل تفاعل كيميائي ضوئي Photo chimique
H2 + Cl2 2HCl
يحدث مثل ذلك في التمثيل اليخضوري في النباتات نهارا ، كما أن الضوء يؤثر على أفلام التصوير .
يمكن بدء تفاعل برادة الحديد مع مسحوق الكبريت بعد مزجهما بنسب معينة بتقريب اللهب في نقطة من المزيج
Fe + S FeS
تحليل الماء :
عندما نحل في الماء قليلا من مادة هيدروكسيد الصوديوم لا يبدأ التحليل الكهربائي ، إلا إذا كان التوتر الكهربائي كافيا فهو شرط في بدء التفاعل الكيميائي.
2- عامل التلامس:
هل تعلم لماذا نقوم كل سنة تقريبا، وخاصة بالمدن الساحلية القريبة من البحر كالجزائر العاصمة، بطلاء كل ما هو مصنوع من الحديد، مثل الأعمدة الكهربائية ؟
طبعا السبب هو لمنع الرطوبة عليها لأن الرطوبة الموجودة في الجو (في الهواء) هي التي تساعد على تصدأ الحديد
أي تفاعل الحديد مع أكسيجين الهواء بتأثير الرطوبة مركب يسمى أكسيد الحديد وهذا وفق المعادلة الكيميائية التالية:
4 Fe + 3O2 2Fe2O3
-لا يمكن لسلك أو قضيب من الحديد أن يحترق في حين يمكن أن نحرق برادة الحديد فوق اللهب مثل ما يحدث في الألعاب النارية حرق ( قطن الحديدAjax ) ويمكن لمسحوق الألمنيوم ومسحوق الزنك أن يشتعل في اللهب :
والنواتج التي تحصلنا عليها من إحراق برادة الحديد تختلف عن النتيجة التي تحصلنا عليها من تفاعل الحديد بالأكسيجين بوجود الرطوبة.
فاحتراق برادة الحديد بالأكسجين بوجود لهب هو كالآتي:
3Fe + 2O2 Fe3O4
كلما كان المتفاعل أكثر تجزئة كان أكثر تفاعلا ( تحولا ) .
إذا غطسنا عود ثقاب مشتعلا في سائل المازوت في درجة الحرارة العادية ينطفئ . ماذا نفعل حتى يشتعل المازوت ؟ إما أن :
نضع كمية قليلة منه على سطح واسع .
نسخن سائل المازوت، ثم نسلط اللهب فيشتعل (إن احتراق المازوت لا يكون مع سائله بل مع أبخرته و أوكسجين الهواء ) مثل ما يحدث في المدفأة .
3 – عامل تركيب المزيج الابتدائي :
نأخذ مثالا عن ذلك إحتراق غاز المدينة (الغاز الطبيعي ) غاز الميثان مع أوكسجين الهواء
الحالة الإبتدائية : غاز الميثان ، غاز الأوكسجين ، غاز الآزوت ...
الحالة النهائية: غاز ثاني أوكسيد الفحم، بخارالماء، الفحم، أول اوكسيد الفحم، آزوت
أ . إذا كان وصول الهواء إلى الموقد متوفرا :
CH4+2O2 CO2+2H2O
ب. إذا كان وصول الهواء أقل ورودا :
CH4 + O2 C+2H2O
ينتج هباب الفحم (اليحموم) مع بخار الماء وهذا ما يسبب سواد الأواني .
- يحدث كذلك في مفحم السيارة حيث تحترق أبخرة الوقود C8H18 الأوكتان . فإذا كان المفحم يسمح بمرور الهواء الحامل لغاز الأوكسجين كافيا كان الاحتراق تاما فيعطي CO2+H2O ، أما إذا كان خلل في المفحم ولا يسمح بدخول الهواء الحامل لغاز الأوكسجين بكمية كافية فينطلق هباب الفحم C وأول أكسيد الفحم CO وغيره ... وهذا ما يسبب تلوث البيئة .
4 – عامل الحرارة:
-يمكن أن نقوم بتفكيك الماء إلى غاز الأكسجين وغاز الهيدروجين برفع درجة حرارة الماء إلى حوالي 1500°م
1500°م
H2O 2H2 + O2
كما يمكن تفكيك غاز الميتان إلى مكوناته الأساسية بتسخينه إلى درجة أكبر من 600°م فينتج الفحم وغاز الهيدروجين وفق معادلة التفاعل:
600°م
CH4 C+2H2
ملاحظــــة: في بعض الحالات يمكن أن تتوفر كل العوامل التي ذكرناها إلا أنه لا يحدث التفاعل الكيميائي.
مجال الطاقة
الحجم الساعي : 8h (دروس) + 3h (أ م )
مفهوم الطاقة غير مستوعب من طرف التلاميذ رغم تناوله بشكل عرضي ( الفيزياء، الكيمياء، البيولوجيا،الجغرافيا…) ،ويعود ذلك إلى كيفية تدريسه التي تعتمد على الجانب الكمي، وبشكل نظري دون تحليل تجريبي. مما أدى إلى الخلط بين أشكال الطاقة وأنماط تحويل الطاقة وعدم استيعاب مبدأ انحفاظ الطاقة.
يحاول المنهاج ـ من خلال طرح معين لتناول مفهوم الطاقة ـ أن يعالج هذا الموضوع اعتمادا على نتائج أبحاث في التعليمية ترتكز على الجانب التجريبي الكيفي انطلاقا من وضعيات إشكالية من محيط التلميذ.
وبما أن مفهوم الطاقة يظهر في مختلف مجالات العلوم الفيزيائية(كهرباء، ضوء،ميكانيك،مادة)، أصبح من الضروري تخصيص مجال كامل للطاقة حيث يشرع في بناء المفهوم بتناول كيفي ونصف كمي على أن يستكمل البناء في الأطوار الموالية من الدراسة.
وهكذا يمكن التعرض للتحليل الطاقوي في مختلف المجالات المقررة.
اقتراح تدرج المفاهيم
المرجع المحتوى الحجم الساعي الوحدة
التعلمية
ارجع إلى و ت التفكير في كيفية توظيف التجهيز 1سا درس
الأولى
ارجع إلى و ت تركيب وتشغيل التجهيز 1سا أ م
ارجع إلى و ت مناقشة حول السلاسل الوظيفية 1سا درس
ارجع إلى و ت نموذج للطاقة وانحفاظها 1سا درس
الثانية
ارجع إلى و ت السلاسل الطاقوية 1سا أ م
ارجع إلى و ت أَشكال أخرى للطاقة 1سا درس
ارجع إلى و ت كيف تحسن تشغيل التجهيز؟ 1سا درس
الثالثة
ارجع إلى و ت تمثيل أشكال الطاقة وتغيراتها 1سا درس
ارجع إلى و ت تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة 1سا درس
ارجع إلى و ت الدراسة الكيفية ونصف الكمية لاستطاعة تحويل الطاقة لجملة واستعمال وحدات القياس
1سا درس
الرابعة
أرجع إلى و ت قراءة فاتورة الكهرباء والغاز 1سا أ م
توضيحات حول الوحدات:
(أ م )1h (دروس) + 2h الوحدة -1-: السلسلة الوظيفية
تتم في هذه الوحدة دراسة الظاهرة بالاعتماد على السلاسل الوظيفية كوسيلة لتأسيس فكرة الطاقة مرحليا في انتظار إجراء التحليل الطاقوي بكتابة السلاسل الطاقوية (إن السلسلة الوظيفية تمثيل رمزي لتحولات وتحويلات الطاقة الجارية بين الجمل التي هي في حالة تأثير متبادل).
أهم نقطة في هذا المسعى هي الفصل، في هذا المستوى، بين دراسة الظاهرة والنموذج الذي يسمح بتفسيرها.
وعلى هذا الأساس ولتفادي الخلط بين الواقع المدروس ( التجريبي) والنموذج (النظري)،نقتصر في هذه الوحدة على دراسة الظواهر (ما هو قابل للملاحظة )التي تشكل لاحقا قاعدة للنمذجة ، ولنفس السبب نحتاط على أن لا نستعمل هنا إلا التعبير الطبيعي للتلميذ.
يمكن توزيع هذه الوحدة على ثلاث حصص:
الحصة الأولى : 1hـ (درس)
بداية ، يُطلب من التلاميذ الموزعين على مجموعات مصغرة ( 4 تلاميذ مثلا) التفكير في كيفية حل اشكالية اعتمادا على تجهيز معين لا يسمح بالحصول المباشر على النتيجة المطلوبة.
ملاحظة هامة: يحافظ على تركيبة المجموعات المصغرة أثناء دراسة كل مجال الطاقة.
تحتوي القائمة الآتية على وضعيات إشكالية يمكن طرح البعض منها (في حدود إمكانيات المؤسسة) مع الإشارة أن الوضعيتين (1 وَ 4) ضروريتان لكونهما موضوع تحليل خاص في الوحدات التعلمية اللاحقة.
الوضعية الإشكالية ملاحظات
1- إشعال مصباح معين بواسطة حجر ينتظر من التلاميذ إنجاز تركيبة يجر فيها الحجر الجزء الدوار من منوب كهربائي خلال سقوطه.
2- تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة تستعمل عربة مصنوعة بطريقة بسيطة (4 عجلات مثبتة على صفيحة بدون محرك)
تكون المدخرة فارغة دون علم التلاميذ بذلك.
3- إشعال مصباح معين بواسطة مدخرة نفس الملاحظة بالنسبة للمدخرة
4- إشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز سنهتم بالتركيبات الممكنة والتي يبخر فيها الماء عن طريق التسخين ليوجه البخار نحو توربين يقوم بتدوير دينامو، لتغذي هذه الأخيرة المصباح (صمام ضوئيLED )
5- إشعال مصباح معين بواسطة عصافة (soufflerie) في حالة استعمال مجفف الشعر يستحسن أخذ مصباح من نوع صمام ضوئي(LED )
نتحصل على نتائج ملحوظة بواسطة عصافة مسترجعة من مكنسة كهربائية.
6- إشعال مصباح معين بواسطة حوض مملوء بالماء تجرى التجربة باستعمال ماء الحنفية في انتظار توجيه تفكير التلاميذ نحو خزان الطاقة الكامنة فيما بعد.
تعرض الأجسام الواردة في القائمة أمام أعين التلاميذ :المصباح والحجر(إشكالية -1)، قارورة غاز والمصباح (إشكالية -4)،عربة ومدخرة (إشكالية -2) ... الخ
يوجد احتياط من الأدوات المتوفرة بصفة متفرقة (دينامو ، سيور، بكرات ، عنافات ، قدر ، محركات كهربائية ، ) ولكنها لا تقدم للتلاميذ .
يدون التلاميذ في هذه الحصة مقترحاتهم على شكل مخططات أو رسومات .
يقدم الأستاذ التعليمة التالية بصفة واضحة للتلاميذ :
حدد الأجسام اللازمة لحل الإشكالية ، وقدم مخططا للتركيبة المقترحة.
يطلب من كل مجموعة حل وضعية إشكالية واحدة أو اثنتين .
الحصة الثانية : 1hـ (أ م)
يركب التلاميذ تجهيزاتهم بواسطة الأدوات المتوفرة ويتحققون من النتائج المطلوبة.
تقدم كل مجموعة ( على ورق شفاف أو ورقة كبيرة) إشكاليتها والحل المقترح من طرفها مستعملة إجباريا الترميز المعطى( فقاعات) من طرف الأستاذ على شكل تعليمة كالتالي:
ملاحظة :
يحرس الأستاذ على تطبيق التلاميذ للتعليمتين ويعمل على توجيههم إلى الأدوات عند الطلب، ويساعدهم عند العجز.
تعرض كل مجموعة تجربتها مرفقة بشفافية أو ورقة كبيرة على أن تٌجرى المناقشة تحت رعاية الأستاذ وتدور حول:
- هل حلت الإشكالية؟
- هل احترم الترميز؟
- هل حقا استعملت أفعال الأداء؟
- هل حقيقة توجد أجسام داخل الفقاعات؟ وهل تختلف الأجسام فيما بينها؟
الحصة الثالثة : 1hـ (درس)
- مناقشة حول أفعال الأداء المستعملة:
يحاول الأستاذ في هذه المرحلة التقليص من عدد أفعال الأداء المستعملة إلى أدنى ما يمكن ، يمكن الاكتفاء بالأفعال التالية: يسحب ، يُغذي ، يُسخن ، يُضيء مثلا.
الغرض من هذا هو التأسيس فيما بعد للأنماط الأربعة لتحويل الطاقة: تحويل ميكانيكي، تحويل كهربائي، تحويل حراري، تحويل بالإشعاع.
- دراسة الأجسام: التماثل والاختلاف في اشتغالها.
يطلب الأستاذ من التلاميذ (ضمن مجموعات) كتابة الفعل الذي يميز اشتغال( فعل الحالة) كل جسم تحت الفقاعة المناسبة.
الغرض من هذه المرحلة هو التأسيس لـ:
* الشكلين من الطاقة المخزنة ( الطاقة الحركية والطاقة الداخلية للاضطراب العشوائي).
يمكن أن نحتفظ بالأفعال: يدور، يسقط، يخرج، يتقدم، بالنسبة للأول.
وبالأفعال: يحترق، يلمع، يسخن بالنسبة للثاني.
يمكن للأستاذ مساعدة التلاميذ أحيانا ، كأن يعطي بعض الأمثلة ، ويبين الفرق بين الفعل يُسخّن والفعل يَسخُن .
إذا لم يجد التلاميذ الفعل المناسب يكتفى بوضع علامة الاستفهام.
تُحضر كلمة( الجسم) لاستعمال كلمة ( الجملة) فيما بعد.
ملاحظة:
ربما ينجز التلاميذ السلسلة التالية :
الترميز في هذه السلسلة غير محترم إذ لا يمكن لفقاعتين مختلفتين أن تمثلا نفس الجسم (الماء وبخاره).
- مناقشة الأفعال المستعملة من طرف التلاميذ:
يستخلص الأستاذ حصيلة متفاديا تغيير التعبير المقترح من طرف التلاميذ ، كما يحرص على عدم إدخال مصطلح (الطاقة).
ودائما باستعمال اللغة الطبيعية للتلميذ يركز الأستاذ على إمكانية ترجمة تشغيل تجهيزات مختلفة بواسطة عدد محدود من الأفعال ، وهذا ما يحث على البحث في شرح طريقة اشتغال تجهيزات مختلفة بواسطة نموذج وحيد نتعرض إليه في الوحدة التعليمية القادمة.
ملحق الوحدة:
1- الحلول الممكنة لبعض الوضعيات الاشكالية المقترحة:
2- السلاسل الوظيفية للوضعيات الاشكالية المقترحة:
أ- اشعال مصباح بواسطة جسم:
ب- تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة:
جـ- اشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز:
د- اشعال مصباح معين بواسطة عصافة:
هـ - اشعال مصباح معين بواسطة ماء الحنفية:
ااشعال مصباح بواسطة مدخرة:
) + 3h الوحدة -2-: السلسلة الطاقوية
ننتقل في هذه الوحدة من دراسة الظاهرة (الميدان التجريبي)إلى بناء نموذج الطاقة (الميدان النظري) اعتمادا على السلاسل الطاقوية.
يبني الأستاذ نموذجا للطاقة وفق التسلسل التالي:
- يقدم الأستاذ نموذجا للطاقة يسمح بشرح الظواهر الممثلة بالسلاسل الوظيفية. يخضع النموذج إلى مبدأ انحفاظ الطاقة، ويعطي الأستاذ عندها التعبير العلمي الذي يوافق التعبير الطبيعي المستعمل من قبْل، للانتقال بالتلاميذ من العالم الحسي (الواقع) إلى عالم الأفكار والتعابير العقلانية(النظرية) ، المؤسسة من طرف العلم لتمكين التلاميذ من التدرب على كتابة السلاسل الطاقوية .
- يؤسس الأستاذ إلى الأنماط الأربعة لتحويل الطاقة ، ويكتفي في مرحلة أولى، بالإشارة إلى الطاقة الحركية (Ec) والطاقة الداخلية (Ei) في انتظار التطرق إلى الطاقة الكامنة .
- يأتي فيما بعد تدريب التلاميذ على كتابة السلاسل الطاقوية انطلاقا من أمثلة مدروسة سابقا وأمثلة أخرى ، لتمكين التلاميذ من تطبيق النموذج المقترح.
- يتعرض الأستاذ في الأخير إلى أشكال جديدة للطاقة : الطاقة الكامنة المرونية ، الطاقة الكامنة الثقالية ، الطاقة الكامنة المنسوبة للأفعال المتبادلة داخل المادة وكذلك التحولات الفيزيائية والكيميائية والنووية.
لقد أُخرت هذه الأشكال الثلاثة للطاقة بسبب عدم قدرة التلاميذ على الاحساس بها ، عكس الطاقة الحركية والطاقة الداخلية المنسوبة للحالة الحرارية.
- تقدم للتلاميذ وضعية للدراسة انطلاقا من مبدأ انحفاظ الطاقة ، فيتصدى التلاميذ إلى إشكالية يدركون من خلالها هذا الشكل الجديد للطاقة، وإجبارية احترام المبدأ (مبدأ انحفاظ الطاقة) تجرُّهم بعد النقاش إلى توسيع مفهوم الطاقة إلى أشكال جديدة، حتى لا يتناقضوا مع المبدأ.
الحصة الأولى : 1h (درس)
نموذج للطاقة وانحفاظها
* يُذكر الأستاذ بالتجهيزات المنجزة ويقف عند النقطتين التاليتين:
- في حالة عدم الحصول على نتيجة بطريقة مباشرة اشتعال المصباح بدون عمود مثلا نستعمل أحيانا أجساما وسيطية للحصول على نفس النتيجة.
- يمكن الحصول على نتيجتين مختلفتين بواسطة سلسلتين تبدآن بنفس الجسم.
مثال:
كما يمكن الحصول على نفس النتيجة بواسطة سلسلتين تبدآن بجسمين مختلفين.
مثال:
من خلال ما سبق يستخلص الأستاذ ما يلي:
- تبين هذه الدراسة بأنه يمكن الحصول على نتائج متماثلة بواسطة تجهيزات مختلفة.
- تبين ملاحظة السلاسل تطابقا عند نقاط الانطلاق أو الوصول.
- يبرر كل هذا استعمال نموذج وحيد لشرح هذه الوضعيات ووضعيات أخرى، بحيث يكون هذا النموذج مؤسسا على فكرة مقدار محفوظ هو الـطـاقـة .
يعرض الأستاذ النموذج بالشكل التالي :
يفسر العلم كل الظواهر الفيزيائية والكيميائية بواسطة مقدار يدعى الطاقة يخضع إلى مبدأ الانحفاظ الذي نصه كما يلي:
الطاقة لا تستحدث ولا تزول ، إذا اكتسبت جملة ما طاقة أو فقدتها ، فإنها بالضرورة قد أخذتها من جملة أو جمل أخرى أو قدمتها لها.
ملاحظة : يعتبر مبدأ انحفاظ الطاقة فرضية أساسية عند الفيزيائيين غير قابل للبرهنة وغير مفند إلى غاية اليوم.
لا ينبغي للأستاذ أن يتعمق كثيرا في هذه المرحلة من الدراسة ، فعلى التلاميذ أن يبنوا تدريجيا المعنى التطبيقي لهذا المبدأ.
يكتفي الأستاذ بتعريف الأنماط الأربعة لتحويل الطاقة ( W ; We ; Q ; Er) والشكلين المعتمدين مرحليا (الطاقة الحركية Ec ، الطاقة الداخلية Ei).
من هذا المنطلق يؤكد الأستاذ على أن الطاقة :
- يمكن أن تتحول من جسم إلى آخر بأنماط مختلفة (تحويل ميكانيكي ، تحويل كهربائي ، تحويل حراري ، تحويل بالشعاع).
- يمكن أن تتخزن الطاقة في الأجسام على أشكال مختلفة منها : الطاقة الحركية Ec ، الطاقة الداخلية Ei .
- تربط الطاقة الحركية للجسم بحالته الحركية ، كما تربط الطاقة الداخلية ببعدها الحراري.
- يربط بين التعبيرين الطبيعي والعلمي كما يلي:
يسحب يوافق تحويل ميكانيكي W
يغذي يوافق تحويل كهربائي We
يُسخن يوافق تحويل حراري Q
يضيء يوافق تحويل اشعاعي Er
يتقدم يوافق طاقة حركية Ec
يَسخن يوافق طاقة داخلية Ei
الحصة الثانية : 1h (أ م)
يتوزع التلاميذ على نفس المجموعات التي كُونت سابقا ، ويسجلون على سلاسلهم الوظيفية أفعال الأداء وأفعال الحالة بالتعبير الطاقوي، مستعملين أنماط تحويل الطاقة وشكلي الطاقة المدروسين (الطاقة الحركية والطاقة الداخلية) .
تعرض كل مجموعة عملها أمام الأفواج الأخرى باستعمال شفافيات أو أوراق كبيرة.
تَنصب المناقشة حول صحة السلاسل وحسن اختيار المفردات.
الوضعية الأولى: اشتعال مصباح معين بواسطة حجر
التمثيل الابتدائي للسلسة الوظيفية :
التمثيل النهائي للسلسلة الطاقوية:
الوضعية الرابعة :اشتعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز
التمثيل الابتدائي للسلسة الوظيفية
التمثيل النهائي للسلسلة الطاقوية
الحصة الثالثة : 1h (درس)
البحث عن الأشكال الأخرى للطاقة
يذكر الأستاذ بمبدأ انحفاظ الطاقة وبالأشكال المعروفة للطاقة وكذلك بأنماط التحويل والسلاسل الطاقوية ثم يشرع في تقديم الطاقة الكامنة المرونية.
يتم التفكير وفق مجموعات مصغرة (4 تلاميذ) .
- تقديم الطاقة الكامنة المرونية :
الوضعية: إن ميكانيزم الدفع لبندقية الأطفال، يتكون من نابض يُضغط بواسطة سهم نهايته من المطاط ،عند الضغط على الزناد، ينطلق السهم بسرعة .اشرح كيف تطبق مبدأ إنحفاظ الطاقة.
تقدم أعمال المجموعات وتناقش.
بعد المناقشة يُستخلص ما يلي:
إن النابض المضغوط يخزن طاقة يمكن تحويلها خلال التمدد، تسمى هذه الطاقة المرتبطة بتشوه النابض الطاقة المرونية ، ويرمز لها بالرمزEpe .
- تقديم الطاقة الكامنة الثقالية:
يتبع نفس المسعى السابق في الوضعية المقابلة:
اشرح اشتعال المصباح مستعملا
مبدأ انحفاظ الطاقة.
بعد المناقشة يُستخلص ما يلي: أن الطاقة الكامنة الثقالية مرتبطة بارتفاع الجسم.
- توسيع مفهوم الطاقة الداخلية ( تبعا لتغيرات الحالة الفيزيائية /الكيميائية أو النووية):
يتبع نفس المسعى السابق في الوضعية المقابلة :
اشرح اشتعال المصباح مستعملا مبدأ انحفاظ الطاقة.
ملاحظات حول الوضعيتين السابقتين:
يلاحظ عند دراسة أجوبة التلاميذ أنهم يركزون على الطاقة " النشيطة " فقط، فمثلا نجد الشروحات التالية:
- للغاز طاقة عندما يحترق (لا يمتلك الغاز طاقة أثناء تواجده بالقارورة والحنفية مغلقة).
- للجسم طاقة أثناء سقوطه (لا يمتلك طاقة عند تواجده ساكنا في الأعلى)
ولا يدركون وجود إشكالية.
فعلى الأستاذ أن يوجه تفكيرهم بـ:
- حثهم على إكمال السلاسل الطاقوية - إن لم تكن كاملة - بحيث تبدأ بكلمة تصف الحالة الطاقوية للجسم الأول وتنتهي هذه السلسلة بالحالة الطاقوية للجسم النهائي.
- التحقق من احترام قواعد رسم السلسلة.
- التساؤل حول الجملة ( الجسم) المختارة ، وربما من الأحسن تغييرها مثلا: ماذا في غاز فرن بنزن؟ لماذا نقول أن لديه طاقة؟ وعندما نريد أن نجد طبيعة الطاقة نطرح السؤال: لماذا تقول بأن للغاز طاقة؟
وعند الحاجة يوجه الأستاذ التلاميذ مباشرة نحو جملة ابتدائية من الشكل: خليط هواء- غاز(في الحالة الثانية)
أو جسم- عند ارتفاع معين(في الحالة الأولى).
في كل الحصص يوجه الأستاذ المناقشة دون التدخُّل إلا إذا تناقضت نتائج القسم كله مع النتائج الصحيحة.
وتبقى التساؤلات الجوهرية التي يجب أن يدور حولها النقاش:
- هل للنابض المضغوط طاقة قبل تمدده ؟
- هل للجسم طاقة وهو ساكن في الوضع العلوي ؟
- هل للخليط غاز-هواء طاقة قبل احتراقه؟
ويحرص على أن يصوغ التلاميذ بوضوح العنصرين التاليين :
* إلى أي جملة تنسب الطاقة ؟ ) تموقع الطاقة(
* ما هو مصدر الطاقة ؟ ) شكل الطاقة(
عند كل تحليل يؤكد الأستاذ ومن أجل تناسق المبدأ أنه من الضروري إدخال شكل جديد من أشكال الطاقة وهو الطاقة الكامنة ، وأن يُوسع مفهوم الطاقة الداخلية ( الوضعية الأخيرة) :
إن طاقة الجملة (غاز-أوكسجين) لا تمثل تحويلا للطاقة يتسبب فيه الاحتراق بل تمثل شكلا جديدا للطاقة الداخلية والذي يُنسب للمزيج (غاز-أوكسجين) بصفة مستقلة عن كل احتراق، مع العلم أن الطاقة الداخلية تتغير أثناء الأحتراق .
يُوضَح في كل مرة موقع الطاقة وأصلها : عياني (الطاقة الكامنة المرونية أو الطاقة الكامنة الثقالية) ، ومجهري (الطاقة الكامنة الداخلية ).
(دروس) 3h الوحدة -3-: مبدأ انحفاظ الطاقة
نتعرض في هذه الوحدة إلى تحويلات الطاقة نحو المحيط للتمييز بين التحويل المفيد للطاقة والتحويل غير المفيد للطاقة (الضياع في الطاقة) .
كما يثرى الترميز بفكرة التفرع للسلسلة الطاقوية ، إذ تشكل الوحدة تدريبا جديدا على استعمال السلاسل الطاقوية .
نتبع نفس التحليل الوارد في الوحدة السابقة أي ندرس اشكالية مطروحة بالرجوع دائما إلى مبدأ انحفاظ الطاقة .
ومن أجل احترام هذا المبدأ ننجر إلى الاخذ بالحسبان تحويلات الطاقة نحو المحيط حتى وإن كانت غير معتبرة.
ينبغي أن نولي أهمية خاصة للملاءمة بين مبدأ انحفاظ الطاقة والضياع في الطاقة ، لأن معظم التلاميذ يربطون انحفاظ الطاقة بعدم ضياعها .
(مبدأ انحفاظ الطاقة لا ينطبق فقط على الطاقة المفيدة ولكنه ينطبق على كل أشكال الطاقة بما فيها غير المفيدة).
مثال :
كما نتعرض في هذه الوحدة إلى تمثيل تطورالطاقة في جملة ما.
ننتقل الآن إلى تحليل كل الدراسة بربطها بعامل الزمن، حتى نبرز مختلف المراحل ونستعمل بشكل سليم تحويل وتخزين الطاقة ، مع الأخذ بعين الأعتبار الضياع في الطاقة.
نقترح توزيع هذه الوحدة على الحصص التالية:
الحصة الأولى: 1h (درس)
يذكر الأستاذ كل المعطيات ويكتبها على السبورة (نص مبدأ انحفاظ الطاقة، الاشكال المعروفة للطاقة ، أنماط تحويل الطاقة، بعض السلاسل الطاقويةالتي درست من قبل)، ثم يقدَّم العمل الجديد المتمثل في التفكيرفي كيفية تحسين التجهيز المعتمد في الوضعية الغاز- المصباح دون استعمال طاقة إضافية.
المرحلة الأولى : يعمل التلاميذ بمجموعات مصغرة للاجابة على السؤالين التاليين:
- كيف نحسن التركيب لكي يتوهج المصباح أكثر؟
- ماذا يجب فعله ليشتعل المصباح مدة أطول؟
تعرض المجموعات أعمالها للمناقشة وعلى الأستاذ انتقاء الأقتراحات العملية (القابلة للتجسيد).
المرحلة الثانية : يتواصل عمل المجموعات بإجراء مجابهة مع مبدأ انحفاظ الطاقة حول التساؤلات التالية:
لقد اقترحت تحسينات للتجهيز(غاز، مصباح)، وكمَن البعض منها في تحسين أجزاء النقل، ونوعية التوصيلات وبالتالي الحصول في نهاية السلسلة على طاقة أكثربتجهيز مركب جيدا، مقارنة بتجهيز تركيبه رديء ، وحسب مبدأ الانحفاظ ، الطاقة لا تستحدث ، فمن أين أتت الطاقة التي زادت من توهج المصباح؟
كيف يمكن الحصول على طاقة أكثر دون أن تتناقض مع مبدأ انحفاظ الطاقة ؟
اشرح كيفية تطبيق المبدأ في كلا التجهيزين ، وخاصة في التجهيز الرديء.
اثناء المناقشة للأستاذ أن يقحم مفاهيم الطاقة المفيدة والطاقة الضائعة والمردود ، وأن يثري الترميز بفكرة التفرع في السلسلة .
يؤكد الأستاذ على أن الأنحفاظ ينطبق على كل أشكال الطاقة وليس على الطاقة المفيدة فقط.
مثال: إثراء الترميز
المرحلة الثالثة: يتواصل عمل المجموعات بالعودة إلى الأمثلة المدروسة في الوحدة الأولى(اشعال مصباح معين بواسطة حجر، - تحريك عربة صغيرة بواسطة مدخرة، اشعال مصباح معين بواسطة قارورة غاز، ...) مع طلب إنشاء السلاسل الطاقوية الكاملة بما فيها الضياع في الطاقة.
يتدخل الأستاذ ليوضح ما يلي:
- ما هي الجملة وما هو شكل الطاقة الذي ينسب لها ؟
- عند تعرض التلاميذ للحديث عن الضياع في الطاقة، على الأستاذ أن يطلب منهم التدقيق في ما يلي:
هل الضياع في الطاقة يعني:
- زوال الطاقة ؟
- تحويل للطاقة ؟ فإلى أين؟ وإلى أي شكل؟
الحصة الثانية : 1h (درس)
يكرر الأستاذ نفس المعطيات المقدمة في الحصة السابقة لترسيخ نص المبدأ و الأشكال المعروفة للطاقة و أنماط التحويل والسلاسل الطاقوية .
المرحلة الأولى: يقترح الأستاذ إكمال تمثيل اشتغال جملة بإضافة القاعدة التالية للحالتين:
من أجل الوضعيتين (1، 4)المحددتين في القائمة الأولى ، نمثل أشكال الطاقة المتغيرة ( أو القابلة للتغيير) داخل فقاعة بواسطة أعمدة (عمود لكل شكل من أشكال الطاقة) مملوء جزئيا كما هو في الرسم:
المرحلة الثانية:
يطلب الأستاذ من التلاميذ الموزعين وفق مجموعات مصغرة أن يطبقوا القواعد السابقة الخاصة بالتحليل الطاقوي لشرح تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة في بعض الوضعيات مثل:
أ) توجد خشبة عند سطح الأرض ثم رفعت فوق سطح عمارة بواسطة رافعة.
ب) سيارة كهربائية متوقفة أسفل طريق صاعدة، لحظات من بعد ، تتوقف أعلى الطريق.
جـ) تُشغل مدفأة كهربائية، بعد مدة تسخن،وتواصل فيما بعد تسخين الحُجرة مع بقائها ساخنة بنفس الكيفية.
د) نُشغل مصباح جيب،بعد لحظات نطفئه.
يحرص الأستاذ على تطبيق التلاميذ لقواعد التعبير الكتابي والرمزي دون أن يبالغ في توجيههم.
الحصة الثالثة : 1h (درس)
ينظم الأستاذ المناقشة حول اقتراحات التلاميذ ولا يتدخل في حالة عدم اتفاق التلاميذ فيما بينهم ، ويدلي برأيه في خلاصة الدرس.
يطلب الأستاذ من التلاميذ أن يتأكدوا من احترامهم للقواعد ، ومن تطبيق مبدأ الانحفاظ.
يوضح الأستاذ العناصر التالية عند تلخيصه للدرس:
- اختيار الجملة (لا يبالغ في تقسيمها).
- حسن اختيار اللحظتين (1، 2 ).
- حوصلة أشكال الطاقة عند كل لحظة وحوصلة التحويلات بين اللحظتين (1 ،2 ).
أمثلة عن أجوبة منتظرة :
الوضعية -1 الرافعة والخشبة.
الخشبة على سطح الارض (t1)
الخشبة على سطح العمارة(t2)
الوضعية -2 السيارة الكهربائية.
السيارة متوقفة في الأسفل (t1)
السيارة متوقفة في الأعلى (t2)
الوضعية- 3 المدفأة الكهربائية
بداية تشغيل المدفأة (t1)
وصول المدفأة إلى درجة حرارة تشغيلها(t2)
المدفأة تسخن الغرفة(t3)
بين t1 ، t2 ، تسخن المدفأة كما تسخن الحجرة قليلا.
بعد (t2) المدفأة (السخنة) لا تسخن إلا القاعة.
الوضعية -4 مصباح الجيب
اشعال المصباح (t1)
اطفاء المصباح (t2)
بتطبيق التحليل الطاقوي على تشغيل بعض الآلات:
تدرس هنا (على شكل تمارين) بعض الأجهزة والآلات المتداولة والمعروفة من طرف التلاميذ.
مثال :
المثقاب الكهربائي.
الثلاجة
المحرك الكهربائي
دينامو الدراجة
يمكن أن تتم الدراسة في إطار مجموعات أو في المنزل ، تعطى للتلاميذ وثائق وصفية .
بإمكان كل مجموعة تحضير بحث يحتوي نبذة تاريخية وبعض الشرح عن كيفية تشغيل التجهيز المدروس.
الوحدة التعيلمية -4-: الاستطاعة h1 (درس)h + 1 (أم)
تقدم الاستطاعة على أنها سرعة تحويل الطاقة، ومن هذا المنطلق، فإن الاستطاعة لها نفس البعد لمفهوم السرعة في الميكانيك أو معنى الغزارة في المائع . ومنه فلا وجود للتعبيرين: الاستطاعة المكتسبة والاستطاعة المفقودة، وإنما تصاغ الاستطاعة كما يلي: استطاعة الجملة على اكتساب الطاقة أو استطاعة الجملة على فقدان الطاقة.
وذلك للتمييز بين الطاقة كمقدار فيزيائي وحدته الـ ( جولj) ، والاستطاعة كمقدار عددي للتعبير عن مدى سرعة تحويل الطاقة ووحدته في الجملة الدولية الـ (واط w ).
يمكن توزيع هذه الوحدة على حصتين:
الحصة الأولى :
المرحلة 1-:
الدراسة الكيفية والدراسة نصف الكمية لاستطاعة التحويل لجملة:
بالرجوع إلى الوحدتين التعليميتين (2، 3) تعطى أمثلة عن الطاقة وتحويلاتها لترسيخ مفهوم الطاقة كمقدار فيزيائي مع التركيز على وحدة القياس (جول) ثم تتم مقارنة التحويلات الطاقوية الحاصلة بين بعض الجمل (فقد الطاقة أو اكتساب الطاقة) ومنه الانتقال إلى مقارنة سرعة التحويل من وإلى الجملة المدروسة للوصول إلى التعبير عن الاستطاعة على أنها السرعة التي تكتسب بها الجملة طاقة أو تفقدها.
مثال: دفع عربة من طرف طفل أو من طرف شخص أكبر منه.
تدرس الأمثلة المعطاة دراسة وصفية بالدرجة الأولى ثم تكمم جزئيا(دراسة نصف كمية) على سبيل المثال تثبيت مقدار الطاقة ويقارن مقدار التحويل بالزمن اللازم للتحويل.
المثال السابق: الطفل والشخص يؤديان نفس التحويل الميكانيكي ولكن أحد هما يؤديه خلال فترة زمنية أقل من الآخر أي أن استطاعة التحويل الميكانيكي للرجل أكبر من استطاعة التحويل الميكانيكي للطفل.
تناقش عبارة الاستطاعة رياضيا من خلال العبارة الحرفية بأمثلة عددية.
تستعمل الوحدة الدولية (واط - watt) ويرمز لها بالرمز (w)، الواط هو مقدار عددي يعبر عن مقدار الطاقة المحولة خلال وحدة الزمن . ( أي تحويل 1 جول خلال 1ثانية).
كما يستعمل الكيلو واط ساعي ( kwh) لقياس مقدار التحول الطاقوي، حيث الكيلو واط ساعي هو مقدار تحويل الطاقة المكتسبة أو المفقودة خلال ساعة واحدة في تبادل طاقوي بين جملتين في حالة تأثير متبادل.
1kwh = 103 3600 = 3.6 106 J
1kwh = 3.6 M J
في عموم الحالات يستعمل الكيلوواط ساعي للتعبير عن التحويل الكهربائي للطاقة في دارة كهربائية.
أمثلة :
استطاعة التحويل الكهربائي للطاقة لبعض الأجهزة الكهرومنزلية :
المصباح الكهربائي 60w 75w 100w
المكواة الكهربائية 1000w
استطاعة تحويل المفاعل النووي للطاقة النووية : MW900 إلى MW 1300
الحصة الثانية (عمل مخبري) : قراءة فاتورة الكهرباء والغاز
إجراء بعض الحسابات في الاستطاعة ومقارنة استطاعة تحويل الطاقة لبعض الجمل.
قراءة فاتورة الكهرباء والغاز وتحليل كل عناصرها.
ُيحضر الأستاذ فاتورة استهلاك الكهرباء والغاز ويعطي مكوناتها .
يُحضر كل تلميذ فاتورة من البيت ليقوم بقراءتها داخل فوجه المصغر ويناقشها.