الفيزياء

ملاحظات الأطفال حول التغيرات المصاحبة للمادة عند التسخين والتبريد

1999 أطفالنا والعلوم في المرحلة الابتدائية

KFAS

مادة التسخين والتبريد التغيرات المصاحبة للمادة الفيزياء

يمكن للمادة أن تتحول من حالة إلى أخرى باكتساب أو فقدان الطاقة الحرارية، ويمكن للأطفال التفكير في العديد من الأمثلة من خبرتهم الخاصة بذلك، مثل غليان الماء في الإبريق، وانصهار الشمع والشوكولاتة، وتجمد الماء، وتكثف البخار، ويمكن استكشاف بعض هذه التحولات بتفصيل أكبر.

إن استخدام الماء في التجارب سيساعد الأطفال على إدراك العلاقة بين السوائل والغازات والمواد الصلبة، كما سيمدهم بأساس جيد لفهم دورة الماء في الطبيعة.

ولا بد أن الأطفال قد استكشفوا سلفا كيفية تكون الثلج في سنواتهم الأولى (فصل -2)، ويمكن تلخيص عملهم السابق لمساعدتهم على التوسع في البحث.

فيمكن للأطفال في الأيام شديدة البرودة البحث عن أماكن تجمد الماء، وإذا تمعنوا في البرك بدقة، فقد يلاحظون أن البرك الضحلة قد تجمدت تماما، في حين أن البرك العميقة تتجمد عند الحواف أو السطح فقط..

 

وهذه الملاحظة هامة من ناحية الأمن والسلامة، حيث إنها تمكن الأطفال من إدراك مدى خطورة اللعب على سطح البرك المتجمدة، حيث من المحتمل أن يكون الثلج رقيق السماكة في المنتصف، وقد يكون الأطفال لاحظوا عند تزحلقهم على البرك المتجمدة كيفية تكسر الثلج.

ومرة أخرى فإن طرح الأسئلة سيساعد الأطفال على التفكير في مشاهداتهم: هل حواف القطع الثلجية المتكسرة حادة؟ هل هي على استقامة واحدة أم منحنية؟ هل لها جميعا نفس السماكة؟ ماذا يحدث للثلج عند القبض عليه بشدة باليد؟ وما هو ملمس الثلج المنصهر؟

وقد يكون الأطفال قادرين على ملاحظة الكتل الثلجية المتدلية (icicles)، واقتراح سبب حدوثها في بعض الأماكن دون الأخرى، وكيفية نموها. فالكتل الثلجية المتدلية ستكون في الأماكن المحمية، حيث يكون هناك تدفق بطيء للماء، وقد يربطون ملاحظاتهم تلك بتكون الهوابط (Stalactites). (الرواسب الكلسية المتدلية من سقوف المغارات).

ويمكن للمعلم الطلب إلى الأطفال التفكير في خبرتهم عن الثلج، والتنبؤ فيما إن كان الثلج يطفو دائما فوق الماء، وقد يسترجعون عندئذ طفو الثلج في شرابهم، والثلج المتكوّن على سطح البرك، ولكنهم قد لا يكونون متأكدين من طفوها في جميع الظروف.

وقد يكون الأطفال قادرين على صنع أشكال ثلجية مختلفة وتجميدها.. وقبل اختبار طفوها، يجب عليهم أن يتنبؤوا إن كانت ستطفو، وكيفية طفوها.

 

فعلى سبيل المثال، هل ستطفو الأشكال الطويلة الرفيعة رأسيا، بحيث تكون تحت الماء تماما؟ سيجد الأطفال أن جميع أشكال الثلج ستطفو مع وجود معظم كتلتها أسفل السطح. ومن الضروري معرفة ذلك، حيث تمثل الكتل الثلجية مع قطع الثلج المختفية أسفل سطح البحر خطورة عظيمة على الملاحة.

ولاكتشاف خواص الثلج بتوسع أكبر، يمكن إعطاء الأطفال قنانٍ زجاجية ذات أغطية فلّينية، فإذا مُلئت القناني تماما بالماء، ثم تم تغطيتها بإحكام بالأغطية الفلّينية، ووضعت في الخارج في ليلة شديدة البرودة، فسوف يتجمد الماء في هذه القناني، إلا أن الثلج يشغل مساحة أكبر، ولذا فإن الثلج سيدفع الفلّينة لخارج القنينة، ويجب أن توضع كل قنينة في سطل منفصل، حيث تتشقق القناني أحيانا بتأثير قوة الثلج المتمدد.

وهذه طريقة مثيرة لتوضيح كيف أن الثلج عامل أساسي في التجوية، وتشقق الصخور وكسرها، فالماء يتسرب للشقوق ثم يتجمد، فيزيد من مقدار الشق بتمدده، وتكرار تلك العملية عدة مرات سيؤدي لتكسر الصخور وأسطح الطرق المختلفة.

وما أن يدرك الأطفال أن الثلج يشغل حيزا أكبر من الماء المكون له، فيمكنهم فهم سبب طفو الثلج، فكمية المادة متساوية في كل من الحالتين، ولكن التركيب الجزيئي في حالة الثلج يتمدد في حجم أكبر، وهذا ما يجعل الثلج أقل كثافة من الماء. فالثلج الأقل كثافة سيطفو على سطح الماء الأكبر كثافة.

والبالونات الثلجية طريقة مثيرة لاستكشاف خواص الثلج، حيث تملأ البالونات بالماء، وتربط نهايتها، ثم توضع في بيت الثلج (فريزر الثلاجة)، ويجب أن توضع في داخل أكياس بلاستيكية تحسبا لانفجارها.

 

وبعد حوالي ثلاثة أيام تستطيع مجموعات الأطفال تمزيق البلاستيك، ثم ملاحظة النتائج من حيث ملمسها، وإن كانت تنصهر بنفس الطريقة في كل من الهواء والماء، وماذا سيحدث عند إضافة الملح، أو السكر، أو الأصباغ لها. وقد يود الأطفال صنع بالونات ثلجية بطرق مختلفة.

فقد يودون صنع بالون متعدد الألوان عن طريق إضافة ماء مختلف اللون عند أوقات مختلفة في عملية التجمد، أو محاولة استخدام محاليل مختلفة مثل الماء والملح، أو الماء والقهوة. وسيجد الأطفال أن المحلول الملحي المركّز لا يتجمد في بيت الثلج العادي في المنزل، وذلك لأن المحلول الملحي له نقطة تجمد أقل من الماء النقي.

ويمكن التوسع في بحث تأثير مزج الملح والثلج، حيث يحتاج الأطفال مرطبانين من الحجم نفسه، يملآن بالثلج المجروش، ويمكن تكسير الثلج بوضعه في كيس بلاستيكي سميك وضربه بالمطرقة، ثم يضاف ملء ملعقة كبيرة من الملح إلى أحد المرطبانين ويخلط بالثلج، ثم تقاص درجة حرارة المرطبانين كل خمس دقائق على مدى عشرين دقيقة.

وسيكتشف الأطفال أن الثلج النقي ستظل درجة حرارته عند درجة صفر مئوي تقريبا. أما الثلج المخلوط بالملح فسيعطي قراءة أقل من صفر مئوي، وسينصهر بسرعة أقل.. ونظريا فإن السوائل تتجمد عند درجة انصهارها، ونقطة تجمد المحلول الملحي أقل من الماء النقي، (كما اكتشف الأطفال عند صنع البالونات الثلجية من المحلول الملحي)، وهذا سبب إضافة الملح إلى الطرق الثلجية أو الجليدية للإبقاء عليها سالكة.. ويستطيع الأطفال بحث إن كانت المواد الأخرى مثل الرمل أو السكر لها التأثير نفسه.

 

عندما يسخن الماء إلى نقطة غليانه، فإنه يتحول إلى بخار، أي في الحالة الغازية، وإذا لاحظ الأطفال غليان الماء في قدر ذي غطاء أو إبريق ذي صافرة، فسيلاحظون أن البخار الناتج هو من القوة بحيث يرفع غطاء القدر، أو يصدر صوت صفير..

ويمكن بعد ذلك مناقشة بخار الماء كمصدر للقوة في الآلات البخارية. وإذا وضع المعلم طبقا باردا أمام الإبريق في طريق البخار المتصاعد فسيرى الأطفال تكثف البخار، ويستطيع الأطفال عندئذ بحث أمثلة على حدوث التكثيف، ومحاولة تفسيرها، وذلك مثلما يحدث عند مقابلة تيار الهواء الساخن لسطح بارد.

وقد يحب الأطفال أن يتذوقوا الماء المغلي المبرّد، ومقارنة طعمه بالماء العادي، وسيلاحظون أنه عديم النكهة غير مستساغ، وذلك لخروج الهواء منه عند الغليان، إلا أن هذه العملية يمكن عكسها، فإذا وضع الماء المغلي في وعاء، بحيث يكون نصف مملوء، وتم رجه بقوة، فسيعود الماء لطعمه الأصلي.

وهناك عدة مواقف تبرد فيها الأشياء أو تسخن، دون أن يكون هناك اكتساب أو فقد واضح للحرارة، فيمكن للمعلم أن يسأل الأطفال، لماذا يبرد كوب الشاي أو ينصهر الثلج في الفصل؟

إذ إنه بدون تأثير قوة أو طاقة خارجية، فإن الأشياء ستغير حرارتها حتى تصل إلى درجة حرارة الجو المحيط بها، ومعدل حدوث ذلك يعتمد على عدة عوامل، ويمكن حث الأطفال على التفكير في بعض هذه العوامل، بالطلب إليهم اقتراح طرق لتبريد الشاي الساخن، وقد يقترحون وضعه في مكان بارد، أو النفخ عليه، أو وضعه في وعاء رديء العزل، أو سكبه في طبق، ثم يمكنهم بعد ذلك اختبار بعض هذه الأفكار.

 

فإذا أرادوا اختبار كيف أن الماء الساخن في الطبق المسطح يمكن أن يبرد أسرع منه في الكوب، يمكنهم وضع الكمية نفسها من الماء الساخن في ثلاثة أو أربعة أوعية ذات مساحات سطحية مختلفة، ثم تسجيل التغيرات في درجات الحرارة.

وتؤثر العوامل السابقة نفسها في معدل التبخير، ويستطيع الأطفال اقتراح عدة عوامل يعتقدون بأهميتها، مثل نوع الماء، ودرجة حرارة الجو المحيط، وحالة الرياح، وكمية الماء، وحدم أو شكل الوعاء.

وتستطيع مجموعات الأطفال المختلفة تصميم وإعداد تجربة مضبوطة لاختبار كل عامل، ثم تسجيل وعرض نتائجهم أمام باقي الفصل. وفي كل تجربة يجب تغيير العامل الذي يتم اختباره فقط، كما يمكنهم اختبار السوائل الأخرى لملاحظة إن كانت تتبخر مثل الماء، فيمكنهم ملاحظة ما يحدث لقطرات قليلة من سوائل مختلفة مثل الحليب، أو الزيت أو سائل الغسيل، مقارنة مع نفس العدد من قطرات الماء.

 

والطهي وسيلة جيدة، تمكّن الأطفال من ملاحظة تأثير التسخين والتبريد على مواد أخرى غير الماء، فبعض هذه التغيرات يمكن عكسها، ولكن بعضها الآخر لا يمكن فيها ذلك، فغلي الحليب تغيير لا يمكن عكسه بسبب تلف بعض الإنزيمات خلال الغليان، وسيلاحظ الأطفال أن طعم الحليب وشكله يبدو مختلفا بعد الغليان، كما يمكنهم ملاحظة تأثير التسخين والتبريد على الزبدة، والمارجرين، والجبنة، والشكولاته أيضا، كجزء من أنشطة الطهي، أو بوضع المواد المختلفة في أوعية صغيرة تطفو على الماء الساخن مرة، ثم تطفو على الماء البارد مرة أخرى، وملاحظة التغيرات التي تحدث بسبب التغير في درجة الحرارة.

كما أن الأنشطة الفنية تتيح العديد من الفرص لتنمية الملاحظات العلمية وطرح الأسئلة، فعند استخدام الشمع مثلا في التطبيع الباتيكي سيتمكن الأطفال أيضا من ملاحظة تأثير انصهار وتجمد الشمع.

كما أن صناعة الفخار أو الخزف تتضمن ملاحظة تأثير حرق الفخار وصقلة. هذا، وإذا كان المعلمون محيطون بالمهارات والمعرفة المطلوبة من طفل المرحلة الابتدائية، فسوف يكونون قادرين على تنويع الفرص وزيادتها لمساعدة الأطفال على زيادة إدراكهم العلمي، وملاحظة كيفية إمكان تطبيقها.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
Loading cart ⌛️ ...
إغلاق
إغلاق