ΣΥΧΝΑ ΛΑΘΗ KAI ΠΑΡΑΝΟΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

askhseisfysikhs.wordpress.com Τσιφλικιώτης Αντώνιος

Υπάρχουν αρκετά φαινόμενα και έννοιες τις οποίες οι μαθητές δεν έχουν αντιληφθεί με την ακρίβεια που απαιτεί η επιστήμη της φυσικής, είτε λόγω αντιφάσεων στα βιβλία που μελετούν κατά τη διάρκεια της μαθητικής τους ζωής, είτε λόγω μιας λαθεμένης διδακτικής μεθόδου σε μικρότερες τάξεις η οποία έχει καθιερωθεί για τα καλά στη σκέψη των μαθητών και αδυνατούν αργότερα να βρουν τα σημεία στα οποία υστερούν. Μερικά από αυτά θα προσπαθήσω να παρουσιάσω παρακάτω, ελπίζοντας να είμαι όσο το δυνατόν πιο ακριβής και κατανοητός.

1. Θερμοκρασία, θερμότητα, θερμική ενέργεια, εσωτερική ενέργεια. Πολύ συχνά υπάρχουν παρανοήσεις σε αυτές τις έννοιες, έστω και σε μεγάλες τάξεις του Λυκείου. Ας τα πάρουμε ένα ένα. Θερμοκρασία είναι αυτό που μετράμε με τα θερμόμετρα. Στη καθημερινότητα λέμε ότι το σώμα ζεστάθηκε ή κρύωσε, και στη γλώσσα της φυσικής λέμε αυξήθηκε ή μειώθηκε η θερμοκρασία του. Ξέρουμε επίσης ότι συνδέεται με την κινητική ενέργεια των μικροσκοπικών σωματιδίων που απαρτίζουν το σώμα. Θερμότητα ονομάζουμε την

ενέργεια που μεταβιβάζεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Έτσι η έννοια αυτή χρησιμοποιείται πάντα με λέξεις όπως ροή, μεταφορά, μεταβίβαση. Δεν είναι ιδιότητα του σώματος, και γι’ αυτό δεν λέμε ότι το σώμα έχει θερμότητα. Άλλη συχνή παρανόηση είναι ότι όταν θερμαίνουμε ένα σώμα (προσφέρουμε θερμότητα σε αυτό) πάντα αλλάζει τη θερμοκρασία του ή ότι για να αλλάξει τη θερμοκρασία του απαιτείται μεταφορά θερμότητας. Είναι λάθος και οι δυο προτάσεις. Για τη πρώτη περίπτωση ξέρουμε ότι ένα σώμα δεν αυξάνει την θερμοκρασία του ακόμα και αν θερμαίνεται, αν βρίσκεται σε τήξη ή βρασμού, ενώ για τη δεύτερη περίπτωση ξέρουμε από τη θερμοδυναμική ότι όταν συμπιέζουμε ένα αέριο μονωμένο και πολύ γρήγορα (αδιαβατική συμπίεση) τότε αυξάνεται η θερμοκρασία του χωρίς μεταφορά θερμότητας. Εσωτερική ενέργεια ονομάζουμε το άθροισμα των ενεργειών των στοιχειωδών σωματιδίων που απαρτίζουν ένα σώμα. Δηλαδή της κινητικής ενέργειας που έχει κάθε σωματίδιο λόγω της κίνησης του σε σχέση με το κέντρο μάζα του σώματος και της δυναμικής λόγω των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων. Θερμική ενέργεια ονομάζουμε το κομμάτι της εσωτερικής ενέργειας του σώματος που υπάρχει λόγω της άτακτης κίνησής τους σε σχέση με το κέντρο μάζας του σώματος. Προσοχή, αναφερθήκαμε σε κινητική ενέργεια των μικροσκοπικών σωματιδίων που απαρτίζουν το σώμα, αλλά δε πρέπει να συγχέεται με την κινητική ενέργεια που ενδεχομένως να έχει το σώμα λόγω μεταφορικής κίνησης.

2. Στατική τριβή και τριβή ολίσθησης. Το πρώτο συχνά λάθος που γίνεται με αυτές τις έννοιες έχει να κάνει με τον συντελεστή τους. Από όσο θυμάμαι στο σχολικό βιβλίο της Α΄ Λυκείου δεν αναφέρεται κάτι σχετικά με τον συντελεστή στατικής τριβής συγκριτικά με τον συντελεστή τριβής ολίσθησης, αλλά σε πολλά άλλα βιβλία γράφεται ότι ο συντελεστής τριβής ολίσθησης μολ είναι πάντα μικρότερος από τον συντελεστή στατικής τριβής μστ. Είναι λάθος, έχει βρεθεί ότι σε περίπτωση που και οι δύο επιφάνειες είναι teflon, οι δύο συντελεστές είναι ίσοι. Γενικά το φαινόμενο της τριβής και η δύναμη εξαιτίας του φαινομένου εξετάζεται κυρίως πειραματικά, και είναι λάθος να προβαίνουμε σε φράσεις καθολικού περιεχομένου. Το δεύτερο λάθος σκεπτικό που έχει καθιερωθεί στους μαθητές,

μάλλον λόγω της έλλειψης διαφορετικών τύπων ασκήσεων, είναι ότι η στατική τριβή δεν

ΣΥΧΝΑ ΛΑΘΗ KAI ΠΑΡΑΝΟΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

askhseisfysikhs.wordpress.com Τσιφλικιώτης Αντώνιος

προσφέρει ποτέ στην κίνηση του σώματος, αλλά την εμποδίζει. Είναι όμως πολύ απλό το παράδειγμα ενός φορτηγού, στην καρότσα του οποίοι κάθεται ένα σώμα. Το φορτηγό κινείται, και στο σώμα ασκείται από την επιφάνεια της καρότσας στατική τριβή με φορά την κίνηση του φορτηγού. Η στατική τριβή τώρα παράγει έργο, και είναι αυτή που ευθύνεται για την επιτάχυνση του σώματος.

3. Πού οφείλεται το φαινόμενο της τριβής και από ποιους παράγοντες εξαρτάται. Χώρισα αυτήν ενότητα από τη προηγούμενη γιατί είναι πιο σημαντική κατά τη γνώμη μου. Σχεδόν όλα τα βιβλία αφήνεται να εννοηθεί ότι η τριβή οφείλεται στις μικροσκοπικές ανωμαλίες που εμφανίζουν οι επιφάνειες των σωμάτων. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες όμως έχουν γίνει πειράματα που δείχνουν ότι από κάποιο σημείο και έπειτα, η λείανση των επιφανειών αυξάνει τον συντελεστή τριβής αντί να τείνει να τον μηδενίσει. Το θεωρητικό μοντέλο που αποδίδει το φαινόμενο της τριβής στη σύνθεση των δυνάμεων λόγω μικροσκοπικών ανωμαλιών έχει σχεδόν τελείως εγκαταλειφθεί. Αντιθέτως, αρχικά ξεκίνησε να υιοθετείται

το μοντέλο που λέει ότι η τριβή οφείλεται στη συγκόλληση λόγω ελκτικών δυνάμεων ανάμεσα στις επιφάνειες, ή πιο μετά υπήρξε και το μοντέλο σύμφωνα με το οποίο αυτό που προκαλεί την τριβή είναι η ενέργεια που χάνεται όταν λόγω της σχετικής κίνησης των επιφανειών παράγονται οι μηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων των σωμάτων (φωνόνια). Οι μικρές ανωμαλίες των επιφανειών παίζουν σαφώς ρόλο στη τριβή, αλλά αυτό συμβαίνει για τραχιές επιφάνειες, ενώ για να περιγράψουμε λείες επιφάνειες ή επιφάνειες που έχουν λιπανθεί δεν αρκεί αυτό το μοντέλο. Ακόμη, δεν είναι μόνο η φύση των επιφανειών και η «κάθετη αντίδραση» Ν που παίζει ρόλο στον συντελεστή τριβής, αλλά και η θερμοκρασία, η λείανση των επιφανειών, η ταχύτητα όταν είναι αρκετά μεγάλη κ.ά.

4. Όροι δράση-αντίδραση. Έχει καθιερωθεί, πολύ κακώς, η φράση «δράση-αντίδραση» όταν αναφερόμαστε στον 3ο νόμο Νεύτωνα. Πολύ κακώς γιατί πολλές φορές ο μαθητής εκλαμβάνει ως την «αντίδραση» ως αποτέλεσμα και την «δράση» ως αίτιο. Γνωρίζουμε πολύ καλά ότι κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει, αλλά ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα μιλάει απλά για δυνάμεις που πάντα υπάρχουν σε ζεύγη, και η μία είναι αντίθετη της άλλης. Ακόμη, πολλές φορές χρησιμοποιείται λανθασμένα η φράση «δύναμη ίση και αντίθετη», ενώ η δύναμη, αφού είναι διάνυσμα δεν μπορεί να είναι και ίση και αντίθετη. Δύο διανύσματα αντίθετα δεν είναι ίσα, αλλά μπορεί να έχουν ίσα μέτρα.

5. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταβιβάζεται από μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Συχνά κατά την

εισαγωγή του συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος ή της ηλεκτρικής πηγής, για να κατανοήσουν οι μαθητές πώς λειτουργεί ένα απλό κύκλωμα με πηγή συνεχούς τάσης και έναν

καταναλωτή (έστω λαμπτήρας), διδάσκονται ή διαβάζουν ότι ο ρόλος της πηγής είναι να προσφέρει ενέργεια σε κάθε ηλεκτρόνιο που διέρχεται μέσα από αυτήν, και ο ρόλος του καταναλωτή-λαμπτήρα είναι να παίρνει αυτήν την ενέργεια από κάθε ηλεκτρόνιο και να την μετατρέπει σε άλλη μορφή ενέργειας. Δηλαδή παρουσιάζεται το κάθε ηλεκτρόνιο ως «φορέας» ενός ποσού ενέργειας που του προσφέρει η πηγή και το «αποθέτει» στον καταναλωτή. Μια τέτοια αναλογία, από πλευράς θεωρητικής είναι τελείως λάθος. Ακόμα και αν χρησιμοποιείται για λόγους πρακτικότητας ή κάτι τέτοιο, μπορεί να φαίνεται σωστό στον νου των μαθητών που μαθαίνουν για το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά σίγουρα θα δημιουργήσει πρόβλημα για την κατανόηση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην

ΣΥΧΝΑ ΛΑΘΗ KAI ΠΑΡΑΝΟΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

askhseisfysikhs.wordpress.com Τσιφλικιώτης Αντώνιος

περίπτωση AC κυκλώματος, τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται καν προς μια ορισμένη φορά, αλλά δονούνται και μάλιστα ελάχιστα. Σωστότερο θα ήταν να σκεφτούμε τα ηλεκτρόνια ως μια «ζώνη» ηλεκτρονίων, που μεταξύ τους κάθε άλλο παρά ανεξάρτητα είναι. Και η πηγή προσφέρει ενέργεια σε όλα μαζί, τα κάνει να κινούνται όλα μαζί ταυτοχρόνως. Και ο λαμπτήρας αφαιρεί ενέργεια από όλο το κύκλωμα, από όλη τη «ζώνη ηλεκτρονίων» και όχι μόνο από αυτά που διέρχονται μέσα από αυτόν κατά τη ροή του συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι ο μαθητής δεν θα έχει αντιφάσεις στο μυαλό του όταν μάθει για το

εναλλασσόμενο ρεύμα, και ερωτήσεις τύπου «αφού στο εναλλασσόμενο τα ηλεκτρόνια πρακτικά δεν κινούνται από τη θέση ισορροπίας τους, πώς είναι φορέας ενέργειας από την πηγή προς τον λαμπτήρα;».

6. Φορέας του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα ηλεκτρόνια, ενώ τα ιόντα όχι. Το ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα είναι η ροή των ελεύθερων ηλεκτρονίων, αυτό είναι σωστό. Αλλά αυτό συμβαίνει στα μέταλλα, όπου υπάρχει η «θάλασσα των ελεύθερων ηλεκτρονίων» όπως συχνά αποκαλείται. Αλλά δε συμβαίνει αυτό παντού. Δεν είναι πάντα τα ηλεκτρόνια φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ τα ιόντα είναι για να προσφέρουν στην ωμική αντίσταση, δημιουργώντας ένα πλέγμα για να συγκρούονται τα ηλεκτρόνια. Σε καταστάσεις πλάσματος (όπως στους σωλήνες νέον) στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος συμβάλουν και τα θετικά φορτισμένα άτομα που κινούνται αντίθετα από τα ηλεκτρόνια. Μάλιστα, στους ηλεκτρολύτες δεν έχουμε καν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ηλεκτρικά σήματα στον εγκέφαλο και τους νευρώνες μας. Εκεί το ρεύμα διαδίδεται μόνο με ιόντα καλίου και νατρίου.

Τσιφλικιώτης Αντώνης Φυσικός