أكتشف بنفسك : الصفحة الرئيسية > أنشطة > > > تجارب علي الطاقة الشمسية
سلسلة دراسية: : تجارب علي الطاقة الشمسية  [الدورة ٣]
تجارب علي الطاقة الشمسية
  Thérèse Lemoine (لمزيد من المعلومات)
مؤلفون
 

نقترح علي التلاميذ في هذه السلسلة تحديد أفضل طريقة لتسخين الماء بواسطة الطاقة الشمسية.

 

ملخص
 
٠١/٠١/١٩٩٧
تاريخ النشر : 
 

- استبعاد وتنويع معايير القياس.
- دراسة امتصاص وانعكاس الضوء.
- إعداد بروتوكول تجريبي.
- تصميم وقراءة رسم بياني.
- تصميم وقراءة جدول

هدف
 

الطاقة

مفاهيم مستهدفة
 

: يصعب تقدير المدة المعطاة حيث أن ذلك يتعلق بعمل متعدد الأنظمة. ومع ذلك، فإليكم بعض التوضيحات علي الأحداث والمدد التقريبية:- الحصة الأولى: (٤٥ دقيقة تقريبًا) – إجابة فردية للأسئلة (١) و (٢) – اختبار إجابات للمجموعات، تفسيرات وبحث المجموعات عن الحل – اقتراحات– الحل. ويظهر خلال تلك السلسلة بعض الأشياء المستبعدة والمفارقات؛ وقد تم تخصيص بعض الوقت "لترتيب الأفكار!" –الحصة الثانية: (ساعة واحدة تقريبًا) فكرة التجربة الفردية ثم التجربة في مجموعات. إحصاء الأدوات اللازمة لكل مجموعة. – الحصة الثالثة: (ساعتان تقريبًا) تنفيذ بعض التجارب من خلال مقترحات المجموعات. تصحيح الصِيَغ غير المضبوطة والتي تحول دون تنفيذ التجربة. الحد من التجارب التي تتطلب الكثير من الوقت (أواني ضخمة مثلا). مشروع تم إعداده جماعيًا بعد مناقشة وكتابة محددة (ثلاثة تجارب). - الحصة الرابعة: (ساعة ونصف) إجراء التجربة الأولى (خمسة أوانٍ متماثلة، وتنوع المعايير: عدد المرايا. إعداد وقياس درجات الحرارة (من خلال المجموعات). تقرير. رسم للتجربة. الاستنتاجات الأولى. – الحصة الخامسة: (ساعة واحدة + العمل المنزلي) قياس درجات الحرارة في جدول (العمل علي الحاسب)    – رسم منحنيات علي ورقة مقسمة إلي مليمترات (تستكمل في المنزل).     - الحصة السادسة (ساعة ونصف) التجربة الثانية: علب متماثلة ولكن من ألوان مختلفة – قياس درجات الحرارة؛ جدول. تقرير. رسم. - الحصة السابعة (ساعة واحدة) التجربة الثالثة: أواني بنفس السعة، ومن نفس المادة ولكن مختلفة الأشكال – قياس ؛ ملاحظة الفشل. تقرير. - الحصة الثامنة: (ساعة ونصف) استنتاجات؛ وكتابة تقرير جماعي. – الحصة التاسعة: امتدادات الأنشطة، المنزل الشمسي – والمرجل الشمسي لأوديللو (Odeillo) – (البحث المستندي والمرئي) الخ.

المدة الزمنية:
 
 

تمهيد:
بما أننا لدينا مشروع عمل يتناول الطاقات المتجددة، فقد قمنا باختيار الطاقة الشمسية والتي تعد بالنسبة لنا حلا للتطوير في عصرنا هذا. ويسمح هذا الموضوع بالعمل في إطار تجريبي: مشكلة، وافتراضات، وتجارب (ومنها محاولات متعثرة)، واستنتاج؛ ويواجه التلاميذ بالتالي صعوبات في التنظيم، ومعادلات المواد، والصيغ، الخ.. وقد عملنا بعد ذلك علي طاقة المد المحركة في أثناء إقامتنا في بريطانيا.


التصور التربوي

الخطوات التعليمية تنظيم الفصل تواصل الفصل
طرح الأسئلة

فرديًا   ثم في مجموعات
ثم مناقشة جماعية

كتابةً ثم
شفهيًا
التعبير عن الأفكار المسبقة في مجموعات ثم الفصل بأكمله  شفهيًا
تطبيق بروتوكول تجريبي للإجابة علي السؤال فرديًا ثم الفصل بأكمله كتابةً ثم شفهيًا 
المشاركة العامة الفصل بأكمله  شفهيًا
فحص تجريبي ٥ مجموعات  
تجميع النتائج في جدول  مسئول من المجموعة العمل علي الحاسب
كتابة تقرير  بحث في مجموعات
ثم الفصل بأكمله
ثم فرديًا

كتابةً في كراسة التجارب
صياغة استنتاجات  في مجموعات ثم الفصل بأكمله شفهيًا ثم كتابةٍ
نفس البروتوكول للتجربتين الأخيرتين  يتم تناول العمل بنفس الطريقة المتبعة في التجربتين الأخيرتين  
عمل استنتاج بالرجوع للسؤال الأساسي
فرديًا
في مجموعات
الفصل بأكمله

كتابةً

شفهيًا
شفهيًا ثم إعداد الاستنتاجات المتشابهة المكتوبة



مثال لموقف إشكالي :
فلنحاول حل اللغز بالاستعانة بالإشارات المعروضة المتتابعة (بواسطة جُمًل أو رسم).
١. حاصر الجنرال الروماني مارسيليوس (Marcelllus) سيراكيوس (Syracuse) في عام ٢١٤ قبل الميلاد.
وقد دافع أرشميدس (Archimède)، المهندس العسكري، عن البلاد؛
وفي هذا اليوم، حيث كان الجو معتدلا، نجح المحاصَرون من موقعهم على الأرض الصلبة من إشعال السفن الحربية الرومانية.
فكيف تفوقوا عليهم من وجهة نظرك؟
٢. إشارة إضافية: لم يتم إلقاء أي قذيفة. فقد تم تزويد المحاربين بخوذ، ودروع وأسلحة بحالة جيدة جدًا.


أمثلة الإجابات:
١. بواسطة قنابل المدفع، والأسهم المشتعلة، والرشاشات! وجد تلميذ حلا باستخدام مرايا والشمس. (المرجع تانتان Tintin)؛
٢. ومع الإشارة الثانية، لم يعد هناك إجابات منطقية عديدة.
استنتاج جماعي مصحوب برسم يمثل مسيرة الأشعة الشمسية.


الموقف الإشكالي:
مستوحياً بفكرة أرشميدس (Archimède)، نتخيل تجربة تسمح بتسخين الماء باستخدام الطاقة الشمسية.


أمثلة الإجابات:
أضع كوباً مليئاً بالماء في مواجهة الشمس. وأقوم بوضع بعض المرايا أمام الكوب. وسوف يسخن الماء.
أضع العديد من المرايا أسفل إناء الماء.
وسوف أقف أمامها ماسكًا إناء مياه باردة مع بعض المرايا.
وتقترح بعض الإجابات من نفس النوع استخدام أوانٍ مختلفة (حوض، حوض سباحة)
أما بالنسبة لعدد المرايا فهو يتغير حسب التلاميذ؛ والبعض لا يتكلم عن المرايا إطلاقًا.
يتم تجميع الأفكار ومناقشتها.


أمثلة لتجارب اقترحها التلاميذ وتم تنفيذها:
بعد مقارنة كل المقترحات ومناقشتها بصورة جماعية، قرر التلاميذ إجراء التجارب الآتية:


التجربة الأولى:
تنوع المعايير: عدد المرايا.
وفي هذه التجربة كما في التجارب القادمة، يحتوي كل إناء علي نفس مقدار الماء وبنفس درجة الحرارة.
ملاحظة: تكمن الصعوبة هنا في مدى دقة الترمومتر. فيجب أولا وضع كل الترمومترات في إناء واحد واختيار الترمومترات التي تشير إلي نفس درجة الحرارة (معايرة غير دقيقة) قبل بدء التجربة.
• تم وضع العلب علي أطباق والتي يكون مثبتاً فوقها ٠، ١، ٢، ٣ أو٤ مرايا.
• توزيع التلاميذ على ٥ مجموعات حيث تقوم كل مجموعة بإجراء تجربة (صفر، واحد اثنين، ثلاثة أو أربعة مرايا) ولا يزال بدء التنفيذ بسيطاً للغاية حيث أن الحيز الذي نتحرك فيه ضيق (يتم إجراء التجارب في قاعة الفصل)
• تم توجيه المرايا بحيث تتوجه أشعة الشمس نحو العلب المليئة بالماء.
• وتقاس درجة الحرارة كل دقيقتين.
ملاحظة: أخذ هذا القرار أثناء التجربة: في البداية، كانت درجة الحرارة تقاس كل دقيقة، ولكن وجد التلاميذ صعوبات في دقة القراءة. فتقرر إذن ألا يتم قياس درجة الحرارة إلا كل دقيقتين.

• جدول يسمح بتسجيل درجات الحرارة التي يتم قياسها من الخمسة ترمومترات.
• رسم يسمح بالتحقق إذا كان قد تم إدراك مسيرة الأشعة الشمسية جيدًا.
• ويتنقل التلاميذ في أثناء التجربة ليشاهدوا أحداث التجارب الأخرى. ويكتبون بعد ذلك تقريراً عن الخمس تجارب.
• وقد تم تصميم منحني لدرجات الحرارة (خمسة ألوان مختلفة).
استنتاج: كلما ازداد عدد المرايا، كلما ازدادت درجة الحرارة. 
 

التجربة الثانية:
تنوع المعايير: لون العلب،: زرقاء، بيضاء، سوداء، ومغطاة بالألمنيوم.
• تم تنظيم الفصل بنفس الطريقة كما في التجربة السابقة.
• تجرى التجربة بواسطة ٤ مرايا علي كل صينية.
• يتم تسليط الأشعة علي جسم العلبة (وتلك الأخيرة تكون مغلقة، وبها ثقب يسمح بوضع الترمومتر).
• ويتم أيضاً قياس درجات الحرارة كل دقيقتين.

  درجات حرارة سجلت عند:                                         
لون العلبة ٠ ´ ٢´ ٤´ ٦´ ٨´ ١٠' ١٢´    ١٤´   ١٦´ ١٨ ٢٠´   ٢٢´ 
بيضاء  ٢٤ ٢٤  ٢٥

 ٢٦

 ٢٧  ٢٨  ٢٩  ٢٩.٥  ٣٠.٥  ٣٢  ٣٣  ٣٣.٥
ألمنيوم  ٢٤  ٢٤  ٢٤.٥  ٢٥  ٢٥  ٢٦  ٢٦.٥  ٢٧  ٢٨  ٢٨  ٢٨.٥  ٢٩
سوداء  ٢٤  ٢٦.٥  ٢٨  ٣١  ٣٤  ٣٧  ٣٨  ٤٠  ٤١  ٤٣  ٤٤  ٤٦
زرقاء  ٢٤ ٢٥.٥ ٢٦.٥  ٢٨  ٣٠ ٣٢  ٣٥.٥  ٣٧  ٣٩  ٤٠ ٤١  ٤٢

• يعد التلاميذ تقرير.
• نقوم بوضع العلب بالترتيب التنازلي حسب درجات الحرارة التي وصلت إليها: سوداء، زرقاء، بيضاء، مغطاة بالألمنيوم.
استنتاج: كلما كان لون العلبة داكناً كلما ازدادت درجة الحرارة.


التجربة الثالثة:
تنوع المعايير: شكل العلبة.
نستخدم الآن علب شفافة بها نفس المحتوى ولكنها مختلفة الأشكال.
وحيث أن الفروق في درجات الحرارة صغيرة جدًا، فلا يمكن استخلاص أي استنتاج من هذه التجربة. 



استنتاج عام:
• إذا كنا نريد تسخين المياه بواسطة الطاقة الشمسية، فيجب استخدام إناء أسود وتوجيه أكبر عدد من المرايا نحو هذا الإناء.
• كل جسم يتلقى ضوء الشمس يسخن.
• كلما كان الجسم داكناً، كلما ارتفعت درجة الحرارة.


تطبيقات:
• احتياطات تراعى في فصل الصيف (ملابس فاتحة، تجنب الملابس الملونة وبخاصة في البلاد الحارة).
• تصميم مرجل شمسي بالاستعانة بمصباح سيارة.
• الفرن الشمسي لأوديللو (Odeillo) (فيلم "هذا ليس ساحر")


التقييم
تم عمل التقييم مفاجأة أثناء السنة الدراسية التالية: فقد طلب مني المرشد التربوي استقبال متدربي "باليد في العجين" لأشرح لهم طريقتي في العمل (ليلة اليوم التالي)، وقد قررت، بعد توضيح الخطوط العريضة، أن أترك الحديث للمهتمين: التلاميذ. فقد شارك هؤلاء في العمل في المرحلة الأولى (CM١). حتى أن التلاميذ الأقل إبداعاً كانوا قادرين علي سرد التجارب والاستنتاجات بتفاصيل كافية. وقد وردت إليهم في نهاية العام ببريطانيا فكرة استخدام البلاستيك الأسود للتسخين السريع – فلم تكن الشمس تقابل مياه البحر للحصول علي مياه عذبة.
وخلال الإقامة في بريطانيا، تمكن التلاميذ من رؤية الألواح الشمسية لأحد الأقمار الصناعية بمتحف الاتصالات لبلومور-بودو (Pleumeur-Bodou)، مما أتاح لي من جديد الفرصة لعمل موازنة صغيرة وعرض تطبيق آخر عن الطاقة الشمسية علي التلاميذ.


تعليق المعلم:
حظي هذا العمل باهتمام كبير من جانب التلاميذ
وقد أعطي السؤال الأول المجال لإجابات غير متوقعة (رشاشات، ومدافع)
تظهر الرسوم أشياء مستبعدة الحدوث بالنسبة لمسيرة الأشعة الشمسية
ووجد بعض التلاميذ الحل اعتمادًا علي "ثقافتهم" الشخصية (تانتان (Tintin) أو أفلام تروي مواقف مشابهة)
وبالنسبة لموضوع فكرة التجربة:
صعوبات التعبير عن الفكرة: وصف غير دقيق قد يتسبب في إصدار حكم خاطئ.


خطوات التجربة:
صعوبات التوجيه السليم للمرايا
الشمس "تتحرك"، فيجب إعادة توجيه المرايا!
لقد تغيرت شدة أشعة الشمس، مما أبطأ من سرعة ارتفاع درجة الحرارة.
صعوبات تتعلق بقراءة درجات الحرارة حيث أن الزيادة بسيطة. 
وقد تعجب التلاميذ من قدرتهم علي تسجيل درجة حرارة الماء من ١٥˚ إلي ٦٦.٥˚ في ٤٠ دقيقة في فصل الشتاء.

مهارات إضافية:
القدرة على تسجيل قياسات بسيطة، عرض وتفسير النتائج.
تجارب المعلم العملية
أحب أن أشكركم في التفكير الذي يتعلق بتلك البطاقة وتلك الأخرى التي تتناول قياس الوقت: وقد شارك بالفعل بعض التلاميذ في هذا العمل (عام ٢٠٠٠) وكانوا بالمرحلة الرابعة أو الثالثة، ويحدثونني عندما أراهم عن هذه النشاطات والتي أثرت فيهم بشدة. وأعتقد إذاً أن الهدف المراد قد تحقق.
لذا يجب اتاحة الوسائل للجميع للعمل بنفس الكيفية. ويتطلب ذلك الكثير من الوقت ولكن النتيجة تكون أكيدة.
وأتمني أن تسمح خطة التطوير الجارية للتلاميذ بأن "يكتشفوا بأنفسهم". 

  


 



أدوات: 

- ٥ أوانٍ متماثلة سوداء (علب أفلام تصوير)؛ وقد تم اختيار هذه الأواني بسبب حجمها؛ ونقوم بتجهيز عدد كبير من العلب (ورشة التدريب الفني، صورة العام السابق).
- ٤ أوانٍ متماثلة من ألوان مختلفة (نفس العلب ولكن مغطاة بورقة بيضاء، زرقاء، ألمنيوم + واحدة سوداء)؛
- ٥ أوانٍ من نفس المادة ونفس السعة ولكن مختلفة الأشكال (أدوات مثل الأواني المدرجة من البلاستيك الشفاف)؛
- ٥ أطباق؛ -١٠ مرايا متماثلة – ٥ ترمومترات؛ - عجينة للتشكيل (لتثبيت العلب والمرايا)؛ - ١ مقياس للوقت؛ - والشمس.


© اكتشف بنفسك ٢٠٢١