Energia

W tym odcinku bohaterowie zgłębiają pojęcie energii, przygotowując sztukę teatralną na temat projektu supermaszyny energetycznej. Omawiając różne aspekty sztuki, napotykają na rzeczywiste pytania dotyczące transformacji, zachowania i rozpraszania energii. Ich dialog prowadzi ich do pytania, czy energia może być „zużyta” i jak możemy odróżnić energię użyteczną od nieużytecznej. Angażując się w eksperymenty historyczne i dyskusje koncepcyjne, stopniowo udoskonalają swoje rozumienie energii jako zasady jednoczącej różne dziedziny fizyki, chemii i biologii.

Ten odcinek, wraz z towarzyszącymi mu materiałami dydaktycznymi, ma na celu pomóc uczniom rozwinąć jakościowe zrozumienie zasady zachowania i rozpraszania energii. Dzięki dyskusjom z przewodnikiem, historycznym perspektywom i praktycznym ćwiczeniom uczniowie zrozumieją, że energia jest zawsze zachowana, ale może stać się mniej użyteczna w zależności od systemu i jego zamierzonego celu.

Pojęcie energii stanowi dobrze udokumentowane wyzwanie w nauczaniu przedmiotów ścisłych na poziomie szkoły średniej. Do trudności tych przyczynia się kilka czynników:

• Abstrakcyjny charakter energii - energia nie jest bezpośrednio obserwowalna, co sprawia, że jej konceptualizacja jest dla uczniów trudna.
• Polisemia słowa „energia ” - termin ten jest używany w języku potocznym na wiele sposobów, co prowadzi do mylenia jego naukowego i potocznego znaczenia.
• Perspektywy dyscyplinarne - energia jest wprowadzana w różnych przedmiotach (fizyka, biologia, geografia itp.), często z różnymi definicjami i zastosowaniami.

Trudności te przyczyniają się do powszechnych błędnych przekonań, w tym

• Błędna identyfikacja energii - uczniowie często mylą energię z siłą, mocą lub temperaturą.
• Błędna interpretacja zasady zachowania energii - wiele osób uważa, że energia jest „zużywana” lub „tracona”, a nie przekształcana.
• Alternatywne koncepcje energii (Watts, 1983; Trumper, 1993):
  • Pogląd antropologiczny - Energia jest związana tylko z żywymi istotami.
  • Pogląd substancjalistyczny - energia jest traktowana jako namacalna substancja, która wyczerpuje się jak paliwo.

Celem tego odcinka jest odniesienie się do tych błędnych przekonań poprzez podkreślenie zachowania energii i transferu energii wzdłuż łańcucha energetycznego, przy jednoczesnym podkreśleniu różnicy między energią związaną ze zmianami fizycznymi, która jest „użyteczna” lub „nieużyteczna” w zależności od perspektywy obserwatora.

Odcinek wprowadza różne kluczowe idee, które można nazwać koncepcjami związanymi z energią.

• Aby myśleć w kategoriach energii, należy najpierw zdefiniować pojęcia stanu fizycznego i zmiany. Stan fizyczny obiektu lub systemu składa się z mierzalnych zmiennych, takich jak położenie, prędkość lub temperatura w danym momencie. Zmiana następuje, gdy co najmniej jedna z tych zmiennych zmienia się między stanem początkowym a końcowym.
• Jakościowe podejście do energii pomaga w jej intuicyjnym zrozumieniu: Różne stany początkowe mogą czasami prowadzić do tej samej zmiany, co oznacza, że mają równoważną zdolność do wytworzenia tej transformacji. Na przykład szklankę wody można podgrzać do tej samej temperatury za pomocą wielu różnych mechanizmów (tarcie, ściskanie, promieniowanie słoneczne, ogrzewanie w piekarniku itp.) Ta równoważność pozwala naukowcom wprowadzić pojęcie energii jako miary zdolności do wywoływania zmian. Dzięki temu energia staje się narzędziem do porównywania różnych transformacji i zrozumienia ich relacji.
• Transfer energii może być również rozumiany jako łańcuch zmian. W życiu codziennym zmiany rzadko zachodzą w izolacji; raczej jedna transformacja wywołuje kolejną (można to zmetaforyzować za pomocą Maszyny Goldberga). Chociaż energia nie jest substancją fizyczną przemieszczającą się z miejsca na miejsce, język „transferu energii” pomaga opisać te procesy w uproszczony sposób. To narzędzie koncepcyjne pozwala na dyskusje na temat magazynowania i transferu energii , ułatwiając śledzenie transformacji w złożonych systemach.
• Szybkość transferu energii również odgrywa kluczową rolę w tym, jak zachodzą zmiany. Ta sama transformacja może zachodzić z różną prędkością w zależności od mocy źródła energii. Na przykład roztopienie tabliczki czekolady pod słabą żarówką trwa znacznie dłużej niż przy użyciu żarówki o większej mocy. Ilustruje to znaczenie mocy - szybkości, z jaką energia jest przekazywana - podczas analizowania łańcuchów energetycznych i wydajności.
• Rozważając transformacje energii, przydatne jest rozróżnienie między użytecznymi i nieużytecznymi zmianami w zależności od kontekstu. W żarówce światło widzialne jest użyteczną zmianą, podczas gdy ogrzewanie żarówki nie jest. Podobnie w tosterze, pożądaną zmianą jest wzrost temperatury chleba, podczas gdy emitowane czerwone światło jest niezamierzoną konsekwencją. Fizycy określają zjawisko zmniejszania się użytecznej energii wzdłuż łańcucha energetycznego jako degradację energii.
• Degradacja energii jest naturalną konsekwencją wszystkich przemian zachodzących w przyrodzie. Za każdym razem, gdy energia jest wykorzystywana do wytworzenia zmiany, zmniejsza się zdolność systemu do generowania dalszych użytecznych transformacji. Oznacza to, że ilość energii dostępnej do wykonania zamierzonych zmian zmniejsza się z czasem, ponieważ rozprasza się ona w mniej użyteczne formy.
• Jeśli energia ulega degradacji, dlaczego niektóre zmiany wokół nas trwają w nieskończoność? W takich przypadkach do systemu musi zostać wprowadzona dodatkowa energia z zewnętrznych źródeł, aby zrekompensować te straty. Dzieje się tak na przykład w wielu cyklach biogeochemicznych, takich jak cykl węglowy lub cykl wodny, ponieważ system energetyczny Ziemi jest podtrzymywany przez ciągły dopływ energii ze Słońca. Bez tego zewnętrznego źródła, zdolność do podtrzymywania zmian na dużą skalę spadłaby.
• Pomimo degradacji energii, całkowita ilość energii pozostaje zachowana. Gdyby zmierzyć wszystkie transfery energii, w tym te użyteczne i nieużyteczne, całkowita wartość pozostałaby stała. Aby zilustrować tę koncepcję, zastosowano podejście historyczne, koncentrując się na eksperymencie Joule'a z kołem łopatkowym, który wykazał, że ciepło nie jest substancją, ale formą ruchu. Eksperyment ten odegrał kluczową rolę w opracowaniu koncepcji zachowania energii, mimo że sam Joule nie ujął jej w tych kategoriach. Jednak w praktycznych zastosowaniach zmniejszenie strat energii poprzez wydajne procesy może pomóc zmaksymalizować użyteczne transformacje. Zwiększając wydajność, możemy kontrolować część energii, która pozostaje dostępna dla pożądanych zmian.
• W tym momencie pojawia się ważne pytanie: Jeśli całkowita ilość energii pozostaje zachowana, ale w całym łańcuchu energetycznym całkowita ilość użytecznej energii zmniejsza się na każdym etapie, gdzie trafia „reszta” energii? Gdy energia ulega degradacji wzdłuż łańcucha, zazwyczaj rozprasza się w środowisku jako ciepło, dźwięk lub mikroskopijne ruchy cząstek. Podczas gdy ta rozproszona energia jest nadal obecna w systemie, coraz trudniej jest ją wykorzystać do dalszej użytecznej pracy. Zrozumienie tej koncepcji pomaga uczniom zrozumieć, dlaczego ciągły dopływ energii jest niezbędny do podtrzymania złożonych procesów zarówno w systemach naturalnych, jak i technologicznych.
• Aby przedstawić ilość energii przekazywanej w łańcuchu energetycznym, można użyć diagramów Sankeya. Jest to rodzaj diagramu przepływu, w którym szerokość strzałek jest proporcjonalna do reprezentowanego przepływu. Diagramy Sankeya mogą być wykorzystywane do wizualizacji, z jednej strony, wkładu energii wymaganego do obsługi jednego lub więcej systemów (lamp, pojazdów, ogrzewania itp.). Innymi słowy, rozkład energii wytwarzanej przez system(y) z energii przychodzącej (w szczególności, co jest faktycznie „użyteczne” dla działania systemu, a co wynika z degradacji energii przychodzącej, zwanej „energią bezużyteczną”). Diagram Sankeya ma tę zaletę, że pokazuje ilości energii przychodzącej i wychodzącej, a zgodnie z zasadą zachowania suma szerokości strzałek przychodzących musi być równa sumie szerokości strzałek wychodzących.

W 1842 roku niemiecki lekarz Robert Mayer przedstawił wartość mechanicznego ekwiwalentu ciepła. Zaczął od zasady, że „każda przyczyna równa się skutkowi”. Jak to wykorzystał? Energicznie mieszając wodę w naczyniu, zaobserwował, że jedynym efektem był wzrost temperatury wody. Następnie stwierdził, że mieszanie było przyczyną, a powstałe ciepło było skutkiem. Postulował, że „coś” związane z działaniem mechanicznym powinno być równe „czemuś” związanemu z wytwarzanym ciepłem. Następnie wprowadził nowy termin. Przyczynę nazwał „siłą”, a skutek „siłą”. Ponieważ zaczął od idei, że „przyczyna=skutek”, to „siła=siła”. Stwierdził więc, że „siła” się nie zmienia. Ponieważ nie zmienia się, powiedział, że siła jest zachowana. Jak mógł argumentować, że siła jest zachowana, podczas gdy dwa obserwowane zjawiska bardzo się od siebie różnią (mechaniczne działanie mieszania wody i ciepło, o czym świadczy wzrost temperatury wody)? Aby argumentować za tym zachowaniem, Mayer dodał pomysł, że „siła” jest „przekształcana”. Tak więc jedna forma „siły” (działanie mechaniczne) jest przekształcana w inną formę (ciepło). Te właściwości „siły” Mayera - „siła” jest niezniszczalna i transformowalna - zostały przyjęte dla energii. Widać to w zasadzie zachowania energii: energia nie jest ani tworzona, ani niszczona, a jedynie przekształcana.

W 1843 roku Joule, młody człowiek, który przeprowadzał eksperymenty jako hobby, przeprowadził eksperyment, aby udowodnić, że ciepło nie jest substancją, ale rodzajem ruchu. W tym czasie ciepło było uważane za coś materialnego związanego z obiektem. Kiedy dwa obiekty wchodziły w interakcję, całkowita ilość ciepła nie mogła się zmienić. Aby udowodnić, że to nieprawda, konieczne było wykazanie, że w niektórych sytuacjach ta całkowita ilość może się zmieniać. To właśnie pokazał w swoich eksperymentach, gdzie temperatura wzrasta wraz z działaniem mechanicznym, wtedy całkowita ilość ciepła nie jest stała.

Aby to udowodnić, wystarczyło pokazać, że „ilość ciepła” w zjawisku może się zmieniać. Dlaczego? Jeśli może się zmieniać, to nie może być substancją. Jeśli nie jest substancją, to zgodnie z ówczesną nauką musi być ruchem. Eksperymenty wykazały, że ilość ciepła zmieniała się, więc ciepło powinno być rodzajem ruchu. Zapytał, czy istnieje proporcjonalność między działaniem mechanicznym użytym w eksperymencie a wytworzonym ciepłem. Aby odpowiedzieć na to pytanie, przeprowadził te same eksperymenty i określił to, co nazywamy mechanicznym ekwiwalentem ciepła. W latach 1845-1850 przeprowadził eksperymenty - eksperymenty z kołem łopatkowym - w celu dokładniejszego określenia mechanicznego ekwiwalentu ciepła.

W 1851 roku Thomson (późniejszy Lord Kelvin) wprowadził termin „energia” do teorii ciepła. Słowo to istniało w leksykonie i oznaczało „aktywność”. Znaczenie energii zmieniało się z czasem. Zaczęło więc obejmować podejścia Mayera i Joule'a, tak jakby obaj robili to samo. Zgadzali się co do mechanicznego ekwiwalentu ciepła; różnili się co do interpretacji zjawisk. Mayer nie twierdził, że ciepło jest ruchem, ale raczej, że jest „formą (siły) energii”. W latach osiemdziesiątych XIX wieku różni brytyjscy naukowcy wpadli na pomysł, że energia jest „prawdziwą rzeczą, która porusza się w przestrzeni” i od tego czasu nadal mamy pomysł, że energia jest przenoszona. Rozwój tej koncepcji był kontynuowany i stał się mylący. Laureat Nagrody Nobla Richard Feynman powiedział w latach sześćdziesiątych XX wieku: „Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że w dzisiejszej fizyce nie mamy wiedzy o tym, czym jestenergia „ (Feynman et al., 1963, Sect. 4-1). Obecnie wielu fizyków wciąż zadaje sobie to pytanie: Czym dokładnie jest energia?

Z tego powodu podejście koncepcyjne zaproponowane w tym materiale nie koncentruje się na definicji energii, ale na jej operacyjnym wykorzystaniu do opisywania, przewidywania i wyjaśniania zjawisk naturalnych wokół nas w zakresie transferu energii, oszczędzania energii i jej degradacji.

Wymagania wstępne

Jak omówiono w poprzedniej sekcji, nie ma potrzeby formalnego definiowania energii przed zaangażowaniem się w komiks, ponieważ taka definicja jest kontrowersyjna i może prowadzić do abstrakcyjnego i bezsensownego stwierdzenia. W przeciwieństwie do tego, uczniowie mogą używać prostych wielkości fizycznych, takich jak temperatura lub ruch, aby intuicyjnie korzystać z idei energii, takich jak „im wyższa temperatura, tym więcej energii”, „im większa prędkość, tym więcej energii” itp. Używając tego rozumowania intuicyjnie, zakładamy, że prawdopodobnie napotkamy błędne przekonania i pomyłki dotyczące energii w trakcie procesu uczenia się (patrz sekcja punkt widzenia uczniów powyżej). Te błędne przekonania - takie jak to, że energia jest namacalną substancją, przekonanie, że energia jest tracona, a nie przekształcana, lub niezrozumienie użytecznej i nieużytecznej energii - pojawią się, gdy uczniowie będą angażować się w komiks i ćwiczenia.

Rolą komiksu i towarzyszących mu ćwiczeń jest pomoc uczniom w konfrontacji z tymi błędnymi przekonaniami i stopniowe budowanie spójnego modelu energii w oparciu o kluczowe koncepcje naukowe (patrz sekcja Podejście koncepcyjne powyżej). Śledząc historię i zastanawiając się nad sytuacjami związanymi z energią, oczekuje się, że uczniowie przejdą od intuicyjnego, ale błędnego rozumienia do ustrukturyzowanej i naukowo uzasadnionej konceptualizacji energii. Dyskusje i eksperymenty będą służyć jako rusztowanie do kierowania tym rozwojem pojęciowym.

Zajęcia praktyczne promujące dyskusję

Jednym ze skutecznych sposobów na wzmocnienie zrozumienia przez uczniów zasady zachowania energii są praktyczne eksperymenty, które pozwalają im obserwować i analizować rzeczywiste przemiany energii. Prosty, ale wnikliwy eksperyment polega na upuszczaniu piłek z różnych materiałów i o różnych rozmiarach z tej samej wysokości. Uważnie obserwując i omawiając wyniki, uczniowie zauważą, że energia spadającej piłki jest przekazywana do piasku i środowiska, powodując wzrost temperatury i dźwięku po uderzeniu. Eksperyment ten służy jako konkretna demonstracja równoważności energii w różnych stanach początkowych: upuszczenie masy dwa razy cięższej jest równoważne upuszczeniu masy dwa razy wyższej.

Kolejna wciągająca aktywność obejmuje badanie historycznych prób zrozumienia perpetuum mobile. Uczniowie analizują projekty z różnych okresów i identyfikują, dlaczego takie maszyny ostatecznie zawodzą. Dyskusja ta podkreśla zasady rozpraszania energii i entropii, wzmacniając zrozumienie, że transformacje energii zawsze wiążą się z pewnymi stratami dla otoczenia, zazwyczaj w postaci ciepła. Krytycznie analizując, dlaczego perpetuum mobile jest niemożliwe, uczniowie rozwijają głębsze zrozumienie praw termodynamiki.

Modelowanie za pomocą reprezentacji wizualnych

Wykorzystanie diagramów Sankeya pomaga wizualizować transfery energii w różnych systemach. Uczniowie mogą analizować różne rzeczywiste scenariusze energetyczne, takie jak silnik samochodowy lub domowy system grzewczy, i mapować, w jaki sposób energia przepływa przez te procesy. Rozróżniając energię użyteczną i rozproszoną, uczniowie mogą zastanowić się nad wydajnością i tym, jak optymalizacja zużycia energii jest kluczowym zagadnieniem w inżynierii i naukach o środowisku. Takie podejście zachęca ich do myślenia poza teoretycznymi koncepcjami i rozważenia, w jaki sposób oszczędzanie energii ma zastosowanie do postępu technologicznego i wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju.

Powiązanie z zagadnieniami społeczno-naukowymi (SSI)

Aby jeszcze bardziej kontekstualizować dyskusje na temat energii, uczniowie mogą badać współczesne kwestie społeczno-naukowe związane z produkcją i zużyciem energii. Jednym ze sposobów jest zbadanie globalnych trendów zużycia energii, analizując rzeczywiste dane dotyczące zużycia energii w różnych krajach i sektorach gospodarki. Takie podejście pozwala uczniom zrozumieć, w jaki sposób zapotrzebowanie na energię ewoluowało w czasie i jakie wyzwania wiążą się z równoważeniem potrzeb energetycznych ze zrównoważonym rozwojem.

Powiązana dyskusja może koncentrować się na efektywności energetycznej i tym, jak postęp technologiczny pomaga zoptymalizować zużycie energii. Patrząc na studia przypadków, takie jak energooszczędne urządzenia, pojazdy elektryczne lub ulepszone techniki izolacji, uczniowie mogą ocenić praktyczne zastosowania oszczędzania energii. Zachęca to do krytycznego myślenia o tym, jak nauka i inżynieria przyczyniają się do rozwiązywania wyzwań związanych z energią.

Wreszcie, uczniowie mogą zaangażować się w debaty lub projekty omawiające wpływ różnych źródeł energii na środowisko. Porównując energię odnawialną i nieodnawialną, mogą rozważyć korzyści i wady różnych metod produkcji energii. Dyskusja ta może prowadzić do zbadania roli polityki i innowacji w kształtowaniu zrównoważonej przyszłości. Łącząc koncepcję energii z rzeczywistymi zagadnieniami, uczniowie zyskują szerszą perspektywę na jej znaczenie poza klasą fizyki, wspierając bardziej interdyscyplinarne i stosowane zrozumienie tematu.

W celu wsparcia i poszerzenia wiedzy uczniów dostępne są różne zasoby uzupełniające. Można je pobrać w formie edytowalnego dokumentu.

Dokument 1: Krótka inwentaryzacja koncepcji energii

Ten krótki inwentarz składa się z pytań wielokrotnego wyboru mających na celu zdiagnozowanie istniejących wcześniej pomysłów uczniów i potencjalnych błędnych przekonań na temat energii. Obejmując tematy takie jak grawitacyjna energia potencjalna, transfer energii i jej ochrona, to narzędzie oceny pomaga nauczycielom zidentyfikować obszary wymagające dalszych wyjaśnień i pozwala uczniom śledzić ich postępy koncepcyjne w czasie.

Dokument 2: Pytania naukowe, na które należy odpowiedzieć po przeczytaniu komiksu

Ten zasób zawiera zestaw pytań, na które można odpowiedzieć dopiero po przeczytaniu komiksu przez uczniów. Pytania zachęcają uczniów do zastanowienia się nad kluczowymi pojęciami, takimi jak zachowanie energii i transformacje, jednocześnie rysując bezpośrednie powiązania z historią. Promują również krytyczne myślenie, prosząc uczniów o wyjaśnienie zjawisk fizycznych i przedstawienie przepływów energii za pomocą diagramów.

Dokument 3: Badanie, w jaki sposób przedmioty toną w piasku

To praktyczne ćwiczenie bada związek między masą obiektu, wysokością upadku i tym, jak głęboko tonie w piasku. Eksperymentując z różnymi zmiennymi, uczniowie mogą analizować równoważność różnych stanów początkowych w celu uzyskania tego samego efektu. Zasób zapewnia ustrukturyzowane etapy badania, przewidywania i możliwości analizy danych.

Dokument 4: Zrozumienie rozpraszania energii za pomocą diagramu Sankeya

Ćwiczenie w Dokumencie 4 angażuje uczniów w analizowanie rozpraszania energii za pomocą diagramów Sankeya. Wizualizując przepływy energii w różnych systemach, uczniowie badają, w jaki sposób energia jest dzielona na energię użyteczną i energię rozproszoną. Takie podejście zachęca ich do krytycznej oceny wydajności i zrozumienia zasad oszczędzania energii. Poprzez różne ćwiczenia będą modyfikować i interpretować diagramy Sankeya, aby odzwierciedlić różne rzeczywiste scenariusze, pomagając im zrozumieć wpływ rozpraszania energii i znaczenie optymalizacji zużycia energii.

Dokument 5: Badanie perpetuum mobile

Ten zasób stanowi wyzwanie dla uczniów, aby krytycznie przeanalizowali filmy rzekomo prezentujące perpetuum mobile. Analizując interakcje mechaniczne i identyfikując źródła zewnętrznego wkładu energii, uczniowie angażują się w naukowe rozumowanie, aby obalić wykonalność perpetuum mobile. Ćwiczenie kładzie nacisk na drugą zasadę termodynamiki, podkreślając, dlaczego rozpraszanie energii uniemożliwia maszynom działanie w nieskończoność bez zewnętrznego źródła energii.

Dokument 6: Wideo z rzekomą maszyną perpetuum mobile opartą na przekładni zębatej

Ten film przedstawia system mechaniczny, który twierdzi, że działa w nieskończoność bez zewnętrznego źródła energii. Mechanizm składa się z połączonych ze sobą kół zębatych, dźwigni i elementów obrotowych, które wydają się same podtrzymywać ruch. Jednak analizując działające siły, uczniowie mogą krytycznie ocenić, dlaczego perpetuum mobile jest niemożliwe zgodnie z prawami termodynamiki. Film służy jako narzędzie do identyfikacji ukrytych wkładów energii, strat tarcia i rozpraszania energii w systemach mechanicznych.

Dokument 7: Wideo rzekomego systemu perpetuum mobile opartego na wodzie

Ten drugi film przedstawia system napędzany wodą, który pozornie porusza się bez zewnętrznego wkładu energii. Konfiguracja obejmuje ciągły przepływ cieczy przez rury i koła, co sugeruje niekończący się cykl energetyczny. Uczniowie są zachęcani do analizowania komponentów, kwestionowania roli grawitacji i identyfikowania, dlaczego straty energii spowodowane tarciem i oporem sprawiają, że prawdziwe perpetuum mobile jest nieosiągalne. Poprzez dekonstrukcję twierdzeń przedstawionych w filmie, uczniowie lepiej rozumieją zasady zachowania i rozpraszania energii.

Poniższa sekwencja nauczania ma na celu zintegrowanie czytania komiksu z ustrukturyzowanymi ćwiczeniami, które pomagają uczniom analizować i doskonalić ich zrozumienie pojęć związanych z energią. Sekwencja obejmuje dwie sesje lekcyjne i obejmuje dyskusje, ćwiczenia praktyczne i oceny w celu utrwalenia wiedzy.

Pierwsza klasa (1h)

Kwestionariusz indywidualny - Dokument 1 (20 min)

Uczniowie rozpoczynają od udzielenia odpowiedzi na indywidualny kwestionariusz mający na celu ocenę ich wcześniejszej wiedzy i zidentyfikowanie potencjalnych nieporozumień związanych z energią. To ćwiczenie diagnostyczne, zawarte w Dokumencie 1, pozwala uczniom zapoznać się z kluczowymi pojęciami przed wprowadzeniem do komiksu. Nauczyciel zbiera i przegląda odpowiedzi, aby dostosować następujące dyskusje.

Czytanie indywidualne (20 min)

Następnie uczniowie czytają komiks indywidualnie, co pozwala im zapoznać się z fabułą i tematami naukowymi bez wcześniejszego wyjaśnienia. Zachęcamy ich do robienia notatek na temat wszelkich niejasnych aspektów lub zaskakujących spostrzeżeń, które napotkali podczas czytania. Komiks służy jako sposób na stopniowe wprowadzanie pojęć związanych z energią, umożliwiając uczniom naturalne zaangażowanie się w te pomysły.

Ćwiczenia po przeczytaniu - Dokument 2 (20 min)

Po przeczytaniu komiksu uczniowie wykonują ustrukturyzowane ćwiczenia oparte na Dokumencie 2, który zawiera pytania przewodnie zachęcające ich do zastanowienia się nad kluczowymi pojęciami wprowadzonymi w komiksie. Ćwiczenia te mają na celu zapewnienie ram do dyskusji na temat niektórych pojęć zawartych w komiksie. Uczniowie pracują w małych grupach, aby porównać swoje odpowiedzi przed zaangażowaniem się w dyskusję prowadzoną przez nauczyciela.

Druga klasa (1h)

Eksperyment: Badanie, jak przedmioty toną w piasku - Dokument 3 (20 min)

Uczniowie biorą udział w praktycznym eksperymencie z wykorzystaniem Dokumentu 3, który koncentruje się na tym, jak obiekty o różnej masie i wysokości opadania zapadają się w piasek. Przeprowadzają eksperymenty, upuszczając różne przedmioty i mierząc głębokość, na jaką toną, zapisując swoje obserwacje. Celem jest powiązanie tych wyników eksperymentalnych z koncepcją transferu energii, wzmacniając sposób, w jaki energia kinetyczna przenosi się na inne obiekty po uderzeniu. Nauczyciel ułatwia dyskusję, aby powiązać ideę równoważności różnych stanów, które powodują tę samą zmianę.

Diagram Sankeya - Dokument 4 (20 min)

Uczniowie odzyskują diagram Sankeya przedstawiony już w komiksie, wizualną reprezentację transferu energii w systemie. Korzystając z Dokumentu 4, analizują różne przykłady i identyfikują, w jaki sposób energia przepływa przez różne procesy. Nacisk kładziony jest na rozróżnienie między energią użyteczną a rozproszoną, wzmacniając koncepcję degradacji energii i wydajności w rzeczywistych zastosowaniach.

Analiza maszyn o ruchu jednostajnym - Dokument 5, 6 i 7 (20 min)

Uczniowie oglądają i analizują filmy przedstawiające rzekome perpetuum mobile. Wykorzystują swoją wiedzę na temat zachowania i degradacji energii, aby krytycznie ocenić, dlaczego takie maszyny nie mogą działać w nieskończoność. Dzięki temu ćwiczeniu uczniowie lepiej rozumieją drugą zasadę termodynamiki i niemożność stworzenia systemu, który działałby bez ciągłego dopływu energii. Dyskusja w klasie ma na celu dekonstrukcję mechanizmów przedstawionych w filmach i wzmocnienie zrozumienia, dlaczego transfery energii zawsze wiążą się z pewnymi stratami dla otaczających obiektów lub systemów.

Opcjonalne rozszerzenia

W przypadku klas z większą ilością dostępnego czasu lub w celu głębszego zaangażowania, można włączyć dodatkowe działania:

• Globalna dyskusja o energii: Uczniowie analizują dane dotyczące zużycia energii na świecie i omawiają konsekwencje dla zrównoważonego rozwoju.
• Porównanie transferów energii: Korzystając z rzeczywistych przykładów, uczniowie oceniają wydajność w różnych systemach i sposób, w jaki technologia ma na celu optymalizację zużycia energii.
• Debata na temat zużycia energii i wydajności: Uczniowie angażują się w zorganizowaną debatę na temat tego, czy środki efektywności energetycznej powinny być obowiązkowe w przemyśle i gospodarstwach domowych.

Bächtold, M., Munier, V., Guedj, M., Lerouge, A., & Ranquet, A. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée? Une analyse des programmes et des manuels. Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10. https://doi.org/10.4000/rdst.932

Bächtold, M., & Guedj, M. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée? Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10, 63-94.

Lawrence, I. (2007). Nauczanie energii: Przemyślenia z projektu SPT11-14. Physics Education, 42(4), 402-406 . https://doi.org/10.1088/0031-9120/42/4/011.

Goldring, H., & Osborne, J. (1994). Trudności uczniów z energią i pokrewnymi pojęciami. Physics Education, 29, 26-31.

Bächtold, M. (2021). Wprowadzenie eksperymentu z kołem łopatkowym Joule'a w nauczaniu energii: Dlaczego i jak? Foundations of Science, 26(4), 791-805. https://doi.org/10.1007/s10699-020-09664-2

Coelho, R. L. (2024). O eksperymencie z kołem łopatkowym Joule'a w podręcznikach. Physics Education, 59(2). https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/ad2104