190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

53
Το υλικό αυτό ετοιμάστηκε από τον ΑΝ∆ΡΕΑ ΙΩΑΝΝΟΥ ΚΑΣΣΕΤΑ (Φυσικό) και παρουσιάζεται στην ιστοσελίδα http://users.sch.gr/kassetas/education.htm ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ Ι∆ΕΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Επελέγησαν 190 εναλλακτικές ιδέες, που αντιστοιχούν σε ισάριθμα γνωστικά αντικείμενα. Βασικό κριτήριο της επιλογής ήταν το «να διδάσκεται το αντίστοιχο γνωστικό αντικείμενο» στα πλαίσια των Προγραμμάτων Σπουδών για τη διδασκαλία της Φυσικής στο Γυμνάσιο και στο Λύκειο Η παρουσίαση γίνεται σε τρεις στήλες. Στην πρώτη με τίτλο ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΙΔΕΕΣ εκτίθενται οι ιδέες των μαθητών για καθένα από τα 190 γνωστικά αντικείμενα . Στη δεύτερη στήλη, με τίτλο ΤΟ ΛΑΘΟΣ ΝΑ ΤΟ ΠΑΡΟΥΜΕ ΑΓΚΑΛΙΑ , γίνεται μία απόπειρα να δικαιολογηθεί η απόκλιση - κάθε μιας από τις εναλλακτικές ιδέες - από το επιστημονικώς αποδεκτό. Στην τρίτη στήλη Η ΑΠΟΨΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ - παρουσιάζεται η επιστημονικώς αποδεκτή άποψη. 1

Transcript of 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Page 1: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Το υλικό αυτό ετοιμάστηκε από τον ΑΝ∆ΡΕΑ ΙΩΑΝΝΟΥ ΚΑΣΣΕΤΑ (Φυσικό) και παρουσιάζεται στην ιστοσελίδα

http://users.sch.gr/kassetas/education.htm

ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ Ι∆ΕΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Επελέγησαν 190 εναλλακτικές ιδέες, που αντιστοιχούν σε ισάριθμα γνωστικά αντικείμενα. Βασικό κριτήριο της επιλογής ήταν το «να διδάσκεται το αντίστοιχο γνωστικό αντικείμενο» στα πλαίσια των Προγραμμάτων Σπουδών για τη διδασκαλία της Φυσικής στο Γυμνάσιο και στο Λύκειο Η παρουσίαση γίνεται σε τρεις στήλες. Στην πρώτη με τίτλο ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΙΔΕΕΣ εκτίθενται οι ιδέες των μαθητών για καθένα από τα 190 γνωστικά αντικείμενα . Στη δεύτερη στήλη, με τίτλο ΤΟ ΛΑΘΟΣ ΝΑ ΤΟ ΠΑΡΟΥΜΕ ΑΓΚΑΛΙΑ , γίνεται μία απόπειρα να δικαιολογηθεί η απόκλιση - κάθε μιας από τις εναλλακτικές ιδέες - από το επιστημονικώς αποδεκτό. Στην τρίτη στήλη – Η ΑΠΟΨΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ - παρουσιάζεται η επιστημονικώς αποδεκτή άποψη.

1

Page 2: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Το φαινόμενο κίνηση η περιγραφή του Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η ταχύτητα ενός αντικειμένου μας απαντά στο ερώτημα «πόσο γρήγορα κινείται το αντικείμενο» και μόνο σ’ αυτό. 2. Εάν ένα σημειακό αντικείμενο μετακινηθεί από την αρχική του θέση και επιστρέψει σ’ αυτή, η μέση (διανυσματική) ταχύτητά του κατά τη διάρκεια της κίνησης δεν είναι δυνατόν να είναι μηδέν. 3. Εφόσον δύο αντικείμενα βρίσκονται στην ίδια θέση έχουν ίσες ταχύτητες 4. Η ταχύτητα είναι κάτι σαν δύναμη

1. Η λέξη ταχύτητα στη γλώσσα της καθημερινής μας ζωής έχει σημασία διαφορετική από εκείνη της γλώσσας της επιστήμης. Η πρώτη σημασία αποδεικνύεται ισχυρότερη 2. Εμφανίζεται παράλογο διότι ο όρος υποδηλώνει το «πόσο γρήγορα» 3. Η ιδέα βασίζεται στο σχήμα «με κάποιον να κυνηγά κάποιον άλλο και να τον φθάνει» και στον λογικοφανή συλλογισμό «εφόσον τον ΕΦΘΑΣΕ έχει την ίδια ταχύτητα με τον προπορευόμενο». 4. Οι αναπαραστάσεις των μαθητών για τα διανυσματικά μεγέθη θεμελιώνονται στο ''σπρώχνει προς κάποια

1. Η ταχύτητα απαντά στο ερώτημα "πόσο γρήγορα" αλλά και στο ερώτημα "προς τα πού κινείται" το αντικείμενο

2. Η (διανυσματική) μέση ταχύτητα δεν επινοήθηκε για να περιγράψει την περιπέτεια της κίνησης αλλά για να συμβάλλει στην οικοδόμηση της έννοιας ταχύτητα. Το αντικείμενο κινήθηκε αλλά τελικώς δεν μετατοπίστηκε 'Αρα…

3. Η ταχύτητα ενός σημειακού αντικειμένου ορίζεται ως «ρυθμός μεταβολής της θέσης του αντικειμένου»

4. Η ταχύτητα -γεωμετρικού σημείου, υλικού σημείου ή μεταφερομένου σώματος-περιγράφει την κίνηση. Η

2

Page 3: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5 . Εάν η ταχύτητα ενός αντικειμένου είναι μηδέν. το αντικείμενο δεν είναι δυνατόν να έχει επιτάχυνση 6. Όταν ένα αντικείμενο έχει επιτάχυνση, αυξάνεται οπωσδήποτε η ταχύτητά του. 7. Για να έχει ένα αντικείμενο ταχύτητα πρέπει να έχει μάζα. Ένα δηλαδή γεωμετρικό σημείο δεν μπορεί –σύμφωνα με τη φυσική- να έχει ταχύτητα, συνεπώς ούτε και επιτάχυνση.

κατεύθυνση" και στο ''στιγμιαία κινείται προς κάποια κατεύθυνση". Το πρώτο το θεωρούμε ισχυρότερο. 5. Η αναπαράσταση ενός ακίνητου σώματος το θέλει κυρίως "αμετακίνητο", ενώ η επιτάχυνση αναπαριστάνεται με εικόνες μιας ''όλο και πιο γρήγορης'' κίνησης. 6. Η λέξη επιτάχυνση στη γλώσσα της καθημερινής ζωής σημαίνει "όλο και πιο γρήγορα΄΄. Το σημαινόμενο αυτό αποδεικνύεται ισχυρότερο από το αντίστοιχο της επιστήμης. 7. Οφείλεται στη -μερικώς δικαιολογημένη- βιασύνη των Προγραμμάτων να εισάγουν, στην περιγραφή της κίνησης, την έννοια "υλικό σημείο" -αντικείμενο με αδράνεια- χωρίς να χρειάζεται

δύναμη ασκείται σε υλικό σημείο ή σε σώμα και περιγράφει την αλληλεπίδρασή του με το περιβάλλον.

5. Εάν συνέβαινε αυτό κανένα ακίνητο σώμα δεν θα μπορούσε να ξεκινήσει

6. Η επιτάχυνση των φυσικών είναι μια νοητική κατασκευή τέτοια ώστε η στιγμιαία εμφάνισή της να συνεπάγεται αλλαγή -αύξηση, ελάττωση ή αλλαγή της κατεύθυνσης- της ταχύτητας και όχι υποχρεωτικά αύξηση.

7. Η "Κινηματική" είναι μια "Γεωμετρία με χρόνο" και δεν χρειάζεται την έννοια αδράνεια. Στο γεωμετρικό σημείο αποδίδει, σε κάθε χρονική στιγμή, μια θέση και -αν η θέση αυτή μεταβληθεί- του αποδίδει μια μετατόπιση, άρα...

3

Page 4: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΤΩΣΗ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Τα βαρύτερα πέφτουν πιο γρήγορα. 2. Η επιτάχυνση ενός σώματος κατά την ελεύθερη πτώση εξαρτάται από τη μάζα του 3. Στο κενό, άρα και στο διάστημα, δεν υπάρχει βαρύτητα 4. Η βαρύτητα επιδρά στα σώματα μόνο όταν πέφτουν.

1. Συνήθως αυτό συμβαίνει. Καθημερινή εμπειρία. Και τα νοησιακά σχήματα με τα οποία επιχειρούμε να θεωρητικοποιήσουμε τα γεγονότα εμπεριέχουν την καθημερινή εμπειρία 2. Συνήθως όσο πιο βαρύ είναι ένα σώμα τόσο πιο γρήγορα πέφτει. Καθημερινή εμπειρία 3. Εννοιακή σύγχυση. Σχετίζεται και με τις αναπαραστάσεις που δημιουργεί η φιλολογία περί διαστήματος 4. Μπροστά σε ακίνητο σώμα, η Σκέψη δεν έχει κίνητρο να ενδιαφερθεί για δυνάμεις.

1. Κατά την πτώση στον αέρα δεν μπορεί να γίνει πρόβλεψη

2. Κατά την ελεύθερη πτώση η επιτάχυνση είναι ανεξάρτητη από τη μάζα

3. Η βαρυτική αλληλεπίδραση λειτουργεί ανεξάρτητα από το ''εάν παρεμβάλλεται κενό, αέρας ή οτιδήποτε''.

4. Το γήινο βαρυτικό πεδίο "ποτέ δεν ξεχνά''. Ισχύει για κάθε βαρυτικό πεδίο

4

Page 5: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Το ελαφρότερο αντικείμενο πέφτει πιο αργά από το βαρύτερο διότι είναι μεγαλύτερη η ασκούμενη σε αυτό αντίσταση του αέρα.

5. Βιαστικός συλλογισμός ο οποίος είτε δεν προσφεύγει στην έννοια επιτάχυνση είτε αγνοεί το "από τι εξαρτάται η επιτάχυνση"

5. Η επιτάχυνση καθορίζεται από όλες τις ασκούμενες δυνάμεις και από τη μάζα του σώματος. Η αντίσταση του αέρα εξαρτάται από το εμβαδόν της μετωπικής επιφάνειας και από την ταχύτητα. Και η ανατροπή με πείραμα.

5

Page 6: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Η ΕΝΝΟΙΑ ΑΔΡΑΝΕΙΑ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

Για να μπορεί να κινείται ένα σώμα με σταθερή ταχύτητα πρέπει να ασκείται σταθερή δύναμη. Η δύναμη δημιουργεί την κίνηση 3. Όλα τα ακίνητα αντικείμενα μπορούν να κινηθούν το ίδιο εύκολα, εάν δεν υπάρχει βαρύτητα 4. Εάν σε κάποιο κινούμαντικείμενο ασκείται δύναμη και παύσει να ασκείται, το αντικείμε

1 και 2. Ενσωματωμένη στην αριστοτελική κοσμοθεωρία, ήταν μία από τις ακλόνητες πεποιθήσεις των ανθρώπων μέχρι τον 170 αιώνα. Η ανατροπή της ήταν ένας διαφορετικός τρόπος ορισμού της έννοιας δύναμη. Ωστόσο, όπως λέει ο Ebison, "newtonian in mind but aristotelian at heart"

3. Οφείλεται σε εννοιακή σύγχυση βάρους και μάζας καθώς και στο ότι δεν υπάρχει εμπειρία ανυπαρξίας βαρύτητας

4. Βασίζεται σε εμπιστοσύνη στις "συνήθεις αναγνώσεις" γεγονότων της εμπειρίας. Τα κινούμενα αντικείμενα του Μακρόκοσμου πράγματι

1 και 2. Ένα σώμα κινείται με σταθερή ταχύτητα εφόσον δεν ασκείται δύναμη (είτε εξουδετερώνονται οι δυνάμεις), Κίνηση μπορεί να υπάρχει και χωρίς δυνάμεις. Η δύναμη (συνισταμένη) προκαλεί μεταβολή της κίνησης.

3. Το "πόσο εύκολα" θα κινηθεί ένα αρχικά ακίνητο σώμα εξαρτάται από την αδράνεια του σώματος, μέτρο της οποίας είναι η μάζα του. Η μάζα είναι ανεξάρτητη από την βαρύτητα.

4. Η ταχύτητα του αντικειμένου ελαττώνεται και για το γεγονός "ευθύνεται" κάποια δύναμη όπως η τριβή. Εάν δεν ασκείται δύναμη η ταχύτητα του αντικειμένου

6

Page 7: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

«κάποτε» θα σταματήσειοπωσδήποτε. 5. Αδράνεια είναι η δύναμη που «διατηρεί» τα σώματα σε κίνηση 6. Η ταχύτητα είναι απόλυτη και δεν εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς

σταματούν, αλλά ασκείται σ' αυτά δράση την οποία δεν αναγνωρίζουμε ως δύναμη 5. Το ΑΔΙΑΝΟΗΤΟ "ένα σώμα μπορεί να κινείται χωρίς κάποια δύναμη να το κινεί" ως περιεχόμενο του Νόμου της Αδράνειας, αντιμετωπίζεται από ορισμένους μαθητές με την ΕΝΝΟΙΑΚΗ ΑΛΛΟΙΩΣΗ της Αδράνειας από "δικαίωμα του σώματος να κινείται χωρίς δυνάμεις" σε "ΔΥΝΑΜΗ που διατηρεί την κίνηση". 6. Στο ανθρώπινο υποσυνείδητο το βασικό σύστημα αναφοράς είναι το ψυχολογικά θεωρούμενο "αμετακίνητο" έδαφος του Πλανήτη. Όταν αναφερόμαστε σε ταχύτητα, συνήθως δεν αποσαφηνίζουμε τα σύστημα αναφοράς, οπότε η νόησή μας θεωρεί αυτονόητα τη Γη και η ταχύτητα κάθε σώματος γίνεται ουσιαστικά ΑΠΟΛΥΤΗ

διατηρείται , όπως συμβαίνει με το Pioneer-10.

5. Στον πρώτο νόμο της κίνησης-νόμο της Αδράνειας- το βασικό σημαινόμενο της έννοιας Αδράνεια είναι το "δικαίωμα κάθε σώματος να κινείται μόνο του", ένα δικαίωμα, για την εποχή εκείνη, "επαναστατικό".

6. Η ταχύτητα ενός αντικειμένου, σε μια χρονική στιγμή, δεν έχει εννοιακό περιεχόμενο εάν δεν αναφέρεται σε σύστημα αναφοράς. Ωστόσο, στον Μικρόκοσμο λόγου χάριν ενός αερίου, για την ταχύτητα κάθε μορίου σπάνια αναφέρεται το σύστημα αναφοράς (;)

7

Page 8: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Το γινόμενο της μάζας ενός σώματος επί την επιτάχυνσή του είναι κάποια δύναμη η οποία ασκείται στο σώμα. 2. Κατά την εφαρμογή της εξίσωσης F= ma, η F επιλέγεται ως μία από τις δυνάμεις που ασκούνται στο σώμα και έχει την κατεύθυνση της κίνησης. 3. Η δράση και η αντίδραση ασκούνται στο ίδιο σώμα 4. Η ασκούμενη σε ένα σώμα κάθετη αντίδραση είναι ίση με το βάρος του σώματος, λόγω του νόμου δράσης-αντίδρασης.

1. Δεν είναι λίγοι οι μαθητές που για λόγους ανασφάλειας απομνημονεύουν την εξίσωση F=ma, διότι έτσι αισθάνονται ότι "κάτι ξέρουν". Και πράγματι κάτι ξέρουν, μόνο που αυτό δεν αρκεί και το ερώτημα ''τι παριστάνει κάθε σύμβολο;" Παραμένει έκθετο, οπότε η F ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ «σε μία δύναμη που ασκείται στο σώμα». 2. Οι ασκούμενες σε κάποιο σώμα δυνάμεις δεν έχουν όλες το ίδιο κύρος στη σκέψη των διδασκομένων. Ορισμένες -και ειδικά αυτές που έχουν την κατεύθυνση της κίνησης- είναι "πιο επιταχύνουσες" από άλλες, όπως η τριβή ολίσθησης 3. Με εξαίρεση τον τρίτο Νόμο της κίνησης, όλες οι διδακτικές πρακτικές της Δυναμικής στοχεύουν στο να συνειδητοποιήσει ο μαθητής ότι πρέπει να ενδιαφέρεται για δυνάμεις ασκούμενες στο ίδιο σώμα και όχι για δυνάμεις τις οποίες ασκεί το σώμα. Είναι συνεπώς φυσικό να υιοθετεί τη συγκεκριμένη εναλλακτική ιδέα 4. Είναι πάρα πολλοί οι μαθητές που "αρνούνται" να αποδεχθούν ότι η δράση και η αντίδραση ασκούνται σε δύο διαφορετικά σώματα. Το "ζευγάρι'' αυτό των δύο αντιθέτων δυνάμεων ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΥΟΥΝ σαν ένα ζευγάρι δυνάμεων ιδανικό στο να ισορροπεί

1. Η F συμβολίζει τη συνισταμένη όλων των ασκουμένων στο σώμα δυνάμεων 2. Οι ασκούμενες σε ένα σώμα δυνάμεις είναι ισότιμες από την άποψη ότι όλες "συνωμοτούν' εξίσου για τη διαμόρφωση της επιτάχυνσης του σώματος 3. Δράση μπορεί να θεωρηθεί οποιαδήποτε δύναμη ασκείται σε κάποιο σώμα Α, από κάποιο άλλο Β. Η αντίδρασή της θα είναι κάποια δύναμη η οποία δεν ασκείται στο Α, αλλά την ασκεί το Α στο Β. 4. Εφόσον ένα σώμα ισορροπεί στηριζόμενο σε οριζόντια επιφάνεια, η κάθετη αντίδραση είναι κατακόρυφη και ίση, κατά μέτρο, με το βάρος του σώματος βάσει του Νόμου της Αδράνειας.

8

Page 9: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Η ισορροπία ενός σώματος είναι συνέπειτου τρίτου νόμου. 6. Η ασκούμενη σε ένα σώμα κάθετη αντίδραση είναι πάντοτε ίση με το βάρος του σώματος. 7. Όταν σε ένα σώμα ασκηθεί μια δύναμη, από το χέρι μας, η δύναμη θα εξακολουθεί να «υπάρχει» και όταν παύσουμε να το ακουμπάμε 8. Όταν δύο αντικείμενα συγκρουστούν, η δύναμη (δράση) την οποία ασκεί το βαρύτερο στο ελαφρύτερο είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη (αντίδραση) που ασκεί το ελαφρύτερο. 9. Μόνο οι άνθρωποι και τα ζώα μπορούν να ασκούν δυνάμεις.

5. και 6. Όταν κληθεί ένας μαθητής -και όχι μόνο μαθητής- να σχεδιάσει ένα αντικείμενο στηριζόμενο σε επιφάνεια ή να περιγράψει την εσωτερικευμένη εικόνα που έχει γι αυτό, στο σχήμα που θα κάνει η επιφάνεια θα είναι οριζόντια . Το γεγονός σχετίζεται με τις συνήθεις εμπειρίες μας στις οποίες υπάρχουν οριζόντια τραπέζια, οριζόντια πατώματα, με ανθρώπους ή αντικείμενα στηριζόμενα σ' αυτά δίχως να πέφτουν. 7. Η αριστοτελική θεώρηση εμπεριείχε και την ιδέα ότι η δύναμη είναι ένα είδος ορμής την οποία έχει το σώμα. Η ιδέα αυτή διατηρείται στη συνείδηση των ανθρώπων. 8. Εφόσον ο μαθητής διατηρεί την ιδέα ότι η δύναμη είναι "ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ" και ότι είναι "κάτι" που έχει ως φορέα το σώμα, είναι "λογικό" να πιστεύει ότι η δύναμη που ασκεί το τεράστιο σώμα στο μικρό είναι μεγαλύτερη από εκείνη που ασκεί το μικρό στο τεράστιο. 9. Εφόσον ο μαθητής διατηρεί την ιδέα ότι η δύναμη είναι "ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ" και ότι είναι ένα είδος δυνατότητας που διαθέτει το σώμα, θεωρεί παράδοξο το ότι το τραπέζι μπορεί να ασκεί δύναμη.

5 και 6. . Το να είναι η κάθετη αντίδραση ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ, όπως το βάρος, είναι "γεωμετρική" συνέπεια του ότι η επιφάνεια που την ασκεί είναι ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ. Το να είναι ίση κατά μέτρο με το βάρος είναι συνέπεια του Νόμου της Αδράνειας. Η συγκεκριμένη δηλαδή ισότητα ισχύει ΜΟΝΟ εφόσον το σώμα στηρίζεται σε οριζόντια επιφάνεια, έχει μηδενική επιτάχυνση και δεν ασκούνται άλλες δυνάμεις. 7. Η δράση της δύναμης και η αντίστοιχη μεταβίβαση ενέργειας λειτουργεί μόνο εφόσον το σπρώχνουμε 8. Ο τρίτος νόμος του Newton μας λέει το φαινομενικά "παράξενο" ότι η δύναμη που ασκεί το τεράστιο σώμα στο μικρούλι είναι ίση, κατά μέτρο, με εκείνη που του ασκεί το μικρούλι 9. Η νευτωνική θεώρηση «μας λέει» ότι η έννοια δύναμη αποτελεί ένα εργαλείο για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων και ότι αλληλεπιδράσεις συντελούνται στην ύλη είτε είναι ζωντανή είτε όχι.

9

Page 10: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

10. Όταν κάποιος σπρώχνει ένα αρχικά ακίνητο σώμα αυτό θα μετακινηθεί «διότι» η δύναμη την οποία ασκεί «εκείνος» είναι μεγαλύτερη από εκείνη που του ασκεί το αντικείμενο. 11. Η ασκούμενη σε ένα σώμα στατική τριβή δεν μπορεί να ασκείται προς την κατεύθυνση της κίνησής του. 12. Εφόσον ένα αντικείμενο βρίσκεται σε επαφή με ένα άλλο, του ασκεί οπωσδήποτε κάποια δύναμη

10. Εφόσον ο μαθητής διατηρεί την ιδέα ότι η δύναμη είναι "ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ" θεωρεί λογικό το ότι το κινούμενο σώμα ΕΧΕΙ μεγαλύτερη δύναμη από το ακίνητο. 11. Ο αντίπαλος "γλώσσα" δεν είναι διόλου ευκαταφρόνητος. Ο όρος στατική τριβή μεταφέρει την ΙΔΕΑ μιας τριβής, η οποία γενικώς είναι αντίθετη στην κίνηση. 12. Ο αντίπαλος "γλώσσα". Όταν χρησιμοποιούμε τον όρο ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΕΠΑΦΗΣ, είναι φυσικό ο μαθητής να πιστεύει ότι μια επαφή αρκεί για να ασκηθεί δύναμη. Και δεν είναι μόνο αυτό. Σε εγκεκριμένο σχολικό εγχειρίδιο (1987) υποστηρίζεται ότι ένα αντικείμενο με κατακόρυφα τοιχώματα ασκεί δύναμη σε ένα άλλο παρόμοιο (και τα δύο σε οριζόντιο

10. Το αντικείμενο θα μετακινηθεί διότι η δράση της δύναμης έχει ως συνέπεια να δημιουργηθεί συνισταμένη προς την κατεύθυνση της μετακίνησης. Αν το σώμα αρχικώς ακινητεί σε οριζόντια επιφάνεια, μία οριζόντια δύναμη θα συμβάλει στη μετακίνησή του εφόσον είναι μεγαλύτερη από τη στατική τριβή 11. Η ΣΤΑΤΙΚΗ τριβή δεν είναι ΤΡΙΒΗ, υπό την έννοια ότι "τίποτα δεν τρίβεται" . Η στατική τριβή εμφανίζεται "έτσι ώστε να ισχύουν οι νόμοι". 12. Σε επίπεδο Μακρόκοσμου ο όρος ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΕΠΑΦΗΣ χρησιμοποιείται στη διδασκαλία σε αντιδιαστολή με τον όρο δυνάμεις πεδίου. Η επαφή αποτελεί αναγκαία προϋπόθεση αλλά όχι ικανή. Στο επίπεδο των εμπειριών Μακρόκοσμου πρέπει το ένα σώμα να σπρώχνει ή να τραβάει το άλλο για να εκδηλωθεί δύναμη.

10

Page 11: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Ο ΝΟΜΟΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικώ

1. Ένα ακίνητο αντικείμενο δεν μπορεί να έχει ενέργεια. 2. Ένα σώμα έχει έργο. 3. Η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι η μόνη μορφή δυναμικής ενέργειας

4. Ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια εφόσον κινείται και δυναμική ενέργεια εφόσον είναι ακίνητο.

1. Στη σκέψη πολλών μαθητών η έννοια ενέργεια σχετίζεται μόνο με κίνηση΄. Κι αυτό διότι μόνο ένα κινούμενο αντικείμενο έχει δυνατότητα να κάνει ζημιά. 2. «Το έργο είναι ενέργεια. Ένα σώμα μπορεί να έχει ενέργεια. Άρα ένα σώμα μπορεί να έχει έργο». Οι συλλογισμοί αυτοί είναι δυνατόν να γίνουν εάν ο διδάσκων δεν επιμείνει στην αποσαφήνιση της διαφοράς ανάμεσα σε «ενέργεια που έχει ένα σώμα» και σε «ενέργεια μεταβιβαζόμενη». 3. Οι διδασκόμενοι διατηρούν αυτή την άποψη διότι στα Προγράμματα Σπουδών η συνήθης μορφή δυναμικής ενέργειας είναι η βαρυτική 4. Η ιδέα θεμελιώνεται στην υπόθεση ότι «η δυναμική ενέργεια είναι το αντίθετο της κινητικής». Ορισμένοι από τους διδάσκοντες, κατά την παρουσίαση της έννοιας, χρησιμοποιούν παραδείγματα αναφερόμενα μόνο σε ακίνητα σώματα προκειμένου να μην εμπλέκεται και η κινητική ενέργεια. Μία από τις συνέπειες αυτής της πρακτικής είναι ότι η υπόθεση ενισχύεται.

1. Σε επίπεδο Μικρόκοσμου η έννοια ενέργεια μπορεί να περιγράφει τόσο την κίνηση όσο και την αλληλεπίδραση. Σε επίπεδο Μακρόκοσμου η ενέργεια εμφανίζεται με διάφορα πρόσωπα 2. Η έννοια έργο υποδηλώνει μόνο «μεταβιβαζόμενη ενέργεια» και όχι ενέργεια ενός σώματος 3. Η έννοια δυναμική ενέργεια ενός συστήματος περιγράφει την αλληλεπίδραση των μερών του. Η βαρυτική αλληλεπίδραση δεν είναι η μοναδική 4.Η έννοια δυναμική ενέργεια ενός συστήματος περιγράφει την αλληλεπίδραση των τμημάτων του και η τιμή της είναι ανεξάρτητη από το εάν τα τμήματα κινούνται ή δεν κινούνται

11

Page 12: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Εφόσον σε ένα αντικείμενο ασκείται δύναμη, η δύναμη εκτελεί έργο ακόμα κι αν το αντικείμενο παραμένει ακίνητο. 6. Η ενέργεια καταστρέφεται καθώς μετατρέπεται από μία μορφή σε μια άλλη. 7. Η ενέργεια είναι μια δύναμη. 8. Η ενέργεια δεν έχει καμία σχέση με τους νευτωνικούς νόμους της κίνησης 9. Το κέντρο μάζας ενός συστήματος έχει κινητική ενέργεια.

5. Στη σκέψη μερικών μαθητών η δράση μιας δύναμης εσωτερικεύεται ως «πραγματοποίηση κάποιου έργου» 6. Δεν είναι τόσο εύκολο να συμφιλιωθεί κάποιος με την ιδέα ότι «παρόλα τα συνταρακτικά που μπορεί να συμβούν η ενέργεια είναι αθάνατη». Παράλληλα η διδασκαλία της έννοιας ενεργειακή υποβάθμιση εμπεριέχει τη λογική μιας «καταστροφής». 7. Ο αντίπαλος γλώσσα της καθημερινής μας ζωής. Και στη γλώσσα της καθημερινότητας συνηθίζονται διατυπώσεις όπως η κινούμενη νταλίκα διαθέτει μια δύναμη καταστροφής» 8. Υπάρχει ως άποψη στις αποσκευές των μαθητών. Η άποψη ενισχύεται όταν το Πρόγραμμα Σπουδών δεν προβλέπει την οικοδόμηση της έννοιας ενέργεια. 9. Για αρκετούς μαθητές – αλλά και για ορισμένους από τους διδάσκοντες – το κέντρο μάζας αποτελεί ΥΛΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ και είναι συνεπώς φυσικό να θεωρούν ότι, εφόσον μετακινείται, θα έχει και κινητική ενέργεια.

5. Για να εκτελεί έργο μία δύναμη ασκούμενη σε συγκεκριμένο σώμα πρέπει το σώμα να κινείται»ι. Η προϋπόθεση είναι αναγκαία αλλά όχι ικανή. 6. Στην κλασική φυσική, οτιδήποτε και να συμβεί η ενέργεια ποσοτικά ΔΙΑΤΗΡΕΙΤΑΙ και ποιοτικά ΥΠΟΒΑΘΜΙΖΕΤΑΙ 7. Οι έννοιες δύναμη και ενέργεια διαφέρουν 8. Η έννοια ενέργεια οικοδομείται πάνω σε έννοιες της νευτωνικής δυναμικής. Ο νόμος που για τη διατήρηση του αθροίσματος κινητικής και δυναμικής ενέργειας κατάγεται από τους νευτωνικούς νόμους της κίνησης 9. Το κέντρο μάζας ενός σώματος ή ενός συστήματος δεν είναι κάποιο υλικό σημείο με μάζα. Είναι ένα ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ και η έννοια «κινητική ενέργεια του κέντρου μάζας» στερείται νοήματος

12

Page 13: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

10. Η κινητική ενέργεια ενός συστήματος δύο σωμάτων με ίσες κινητικές ενέργειες είναι μηδέν, εφόσον τα σώματα κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις

10. Η ιδέα οφείλεται σε σύγχυση με την αντίστοιχη έννοια «ορμή ενός συστήματος»

10. Η κινητική ενέργεια ενός συστήματος είναι άθροισμα θετικών ποσοτήτων. Μόνο εφόσον όλα τα σώματα του συστήματος είναι ακίνητα , ως προς κάποιο σύστημα αναφοράς, η τιμή της κινητικής ενέργειας είναι μηδέν

ΝΟΜΟΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΟΡΜΗΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η ορμή είναι μια δύναμη. 2. Η ∆ιατήρηση της ορμής ισχύει μόνο κατά τις κρούσεις

1. Ο αντίπαλος γλώσσα. Και στη γλώσσα της καθημερινότητας συνηθίζονται διατυπώσεις όπως «η κινούμενη νταλίκα διαθέτει μια δύναμη καταστροφής». Και δεν είναι μόνο αυτό. Οι αναπαραστάσεις των μαθητών για τα διανυσματικά μεγέθη θεμελιώνονται στο αρχέτυπο της έννοιας δύναμη. Ας μην ξεχνάμε επίσης ότι η έννοια δύναμη πριν από τον Γαλιλαίο αποδιδόταν ένα νοητικό περιεχόμενο momentum. 2. Για την ιδέα αυτή ευθύνονται και τα Προγράμματα Σπουδών στα οποία παρουσιάζεται το «κεφάλαιο» ΟΡΜΗ-ΚΡΟΥΣΗ. Με τον τρόπο αυτόν η έννοια ορμή ταυτίζεται με το φαινόμενο κρούση.

1. Η έννοια ορμή είναι διανυσματικό μέγεθος που περιγράφει την κίνηση. Η έννοια δύναμη είναι και αυτή διανυσματικό μέγεθος και περιγράφει την αλληλεπίδραση . Η ασκούμενη σε ένα σώμα δύναμη ορίζεται και ως παράγωγος της ορμής του σώματος ι έννοιες δύναμη και ενέργεια διαφέρουν 2. Η Διατήρηση της ορμής ισχύει σε κάθε σύστημα στο οποίο δεν ασκούνται εξωτερικές δυνάμεις. Ορισμένα από τα φαινόμενα τα οποία μπορούμε να ερμηνεύσουμε ή να προβλέψουμε με την

13

Page 14: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

3. Ένα κινούμενο σώμα με ορμή 10 μονάδων δεν είναι δυνατόν να μεταβιβάζει σε ένα άλλο σώμα ορμή 12 μονάδων 4. Το κέντρο μάζας ενός συστήματος έχει ορμή. 5. Το κέντρο μάζας ενός σώματος πρέπει να βρίσκεται «μέσα» στο σώμα. 6. Η ορμή ενός συστήματος σωμάτων δεν μπορεί να είναι μηδέν και όλα τα σώματα να βρίσκονται σε κίνηση

3. Η ιδέα βασίζεται στη λογική αρχή «δεν μπορεί να δίνεις περισσότερα από όσα έχεις». 4. Οι μαθητές που έχουν αυτή την ιδέα έχουν επηρεαστεί από το δεδομένο ότι «η ορμή ενός συστήματος είναι ίση με το γινόμενο της μάζας του συστήματος επί την ταχύτητα του κέντρου μάζας» . Και το γινόμενο αυτό το εσωτερικεύουν ως ορμή του κέντρου μάζας. 5. Φαίνεται παράξενο το κέντρο ΜΑΖΑΣ να βρίσκεται έξω από το σώμα 6. Τη στιγμή που όλα τα σώματα κινούνται το μηδέν της ορμής είναι ένα παράξενο μηδέν.

εφαρμογή της Αρχής αυτής είναι οι κρούσεις, οι διασπάσεις και οι συσσωματώσεις 3. Η ορμή είναι μέγεθος διανυσματικό και τα διανύσματα δεν είναι ποσότητες όπου ένα κι ένα κάνουν δύο, όπως συμβαίνει με τους θετικούς αριθμούς και με τα χρήματα. 4. Το κέντρο μάζας ενός σώματος ή ενός συστήματος δεν είναι κάποιο υλικό σημείο με μάζα. Είναι ένα ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ και η έννοια «ορμή του κέντρου μάζας» στερείται νοήματος 5. Το κέντρο μάζας είναι ένα ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ. 6.Η ορμή του συστήματος είναι ένα διανυσματικό άθροισμα, το οποίο μπορεί να είναι μηδέν ακόμα και αν κανένα σώμα δεν είναι ακίνητο. Σε μια τέτοια περίπτωση το κέντρο μάζας του συστήματος διατηρείται ακίνητο

14

Page 15: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΥΚΛΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η ταχύτητα -κατά την ομαλή κυκλική κίνηση- εφόσον ούτε αυξάνεται ούτε ελαττώνεται διατηρείται σταθερή

2. Κατά την κυκλική κίνηση ενός σώματος χωρίς αυξομειώσεις ταχύτητας δεν μπορεί να υπάρχει επιτάχυνση

3. Κατά την κυκλική κίνηση ενός σώματος χωρίς αυξομειώσεις ταχύτητας δεν χρειάζεται να ασκείται στο σώμα κάποια δύναμη

4. Η φυγόκεντρος δύναμη είναι μία «πραγματική» δύναμη η οποία ασκείται στο σώμα, χωρίς να ξέρουμε ‘’ποιος την ασκεί’’

1. Αν θέσουμε σε κάποιον το ερώτημα: « Τι είναι αυτό που ούτε μεγαλώνει ούτε μικραίνει αλλά συνεχώς μεταβάλλεται ;» ΄το πιθανότερο είναι να μας απαντήσει ότι δεν υπάρχει κάτι τέτοιο . Κι αυτό γιατί η σκέψη του θα περιοριστεί σε ποσοτικά και μόνο στοιχεία. 2. Ο αντίπαλος ΓΛΩΣΣΑ. Η έννοια επιτάχυνση εσωτερικεύεται από τους διδασκόμενους σαν κάτι που όταν υπάρχει αυξάνεται η ταχύτητα 3. Είναι λογική συνέπεια της ιδέας ότι κατά την ομαλή κυκλική κίνηση η ταχύτητα δεν αλλάζει. 4. Όταν βρίσκεσαι σε ένα όχημα που παίρνει στροφή και νιώθεις κάτι να σε σπρώχνει προς τα έξω η λύση είναι να επινοήσεις μια δύναμη που σε σπρώχνει προς τα έξω. Στο μεταξύ εάν έχεις ακούσει τον όρο φυγόκεντρος, τον χρησιμοποιείς

1. Η ταχύτητα των φυσικών δεν προσδιορίζεται μόνο από ποσοτικά στοιχεία . Είναι διάνυσμα που εμπεριέχει και το γεωμετρικό στοιχείο ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ. Κατά την ομαλή κυκλική κίνηση το μέτρο της παραμένει σταθερό αλλά μεταβάλλεται συνεχώς η κατεύθυνσή της 2. Η επιτάχυνση των φυσικών προκαλεί μεταβολή της ταχύτητας και η ταχύτητα είναι διάνυσμα. Η λεγόμενη κεντρομόλος επιτάχυνση δεν προκαλεί αυξομειώσεις στην ταχύτητα , αλλά συνεπάγεται αλλαγή στην κατεύθυνσή της 3. Σύμφωνα με τον Νόμο της Αδράνειας εάν δεν του ασκηθεί δύναμη το κινούμενο σώμα δεν θα στρίψει 4. Με τον όρο «φυγόκεντρος» η φυσική υποδηλώνει μία «δύναμη αδρανείας» την οποία χρησιμοποιεί ένας παρατηρητής σε στρεφόμενο σύστημα αναφοράς. Για αδρανειακό παρατηρητή οι ασκούμενες δυνάμεις είναι πραγματικές δυνάμεις και η φυγόκεντρος δεν ανήκει σε αυτές

15

Page 16: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Όταν σε ένα σώμα κινούμενο κυκλικά παύσει να ασκείται η απαιτούμενη γι αυτό (συνισταμένη) δύναμη, το σώμα θα κινηθεί προς το κέντρο της τροχιάς.

6. Η «κεντρομόλος» δύναμη είναι μία ακόμα δύναμη που ασκείται στο κυκλικά κινούμενο σώμα.

5. Η σκέψη των μαθητών αντιστέ- κεται στο να εσωτερικεύσει τον νόμο της Αδράνειας. Συγχρόνως το κέντρο της τροχιάς διαθέτει τα προσόντα μιας θέσης στην οποία το σώμα θα μπορούσε να αναπαυθεί. 6. Πηγάζει από διατυπώσεις είτε του διδάσκοντος είτε των σχολικών βιβλίων τις οποίες οι μαθητές εκλαμβάνουν με ένα δικό τους τρόπο ένα δικό τους τρόπο επηρεασμένο από το νοησιακό σχήμα «Η ΔΥΝΑΜΗ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΕΙ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ.. Μία τέτοια διατύπωση είναι και η «για να συμβεί ομαλή κυκλική κίνηση πρέπει να υπάρχει ΜΙΑ δύναμη κεντρομόλος».

5. Αν συμβεί αυτό το σώμα θα κινηθεί αδρανειακά, θα κινηθεί δηλαδή με την ταχύτητα που είχε κατά τη στιγμή που έπαυσε να ασκείται δύναμη. 6. Η έννοια κεντρομόλος δύναμη σημαίνει τη συνισταμένη των ασκούμενων δυνάμεων σε σώμα που εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση και όχι μία ακόμη ασκούμενη δύναμη

16

Page 17: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ

Εναλλακτικές ιδέες Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Ένα υλικό σημείο σε ευθύγραμμη κίνηση δεν μπορεί να έχει στροφορμή. Ένα σώμα σε μεταφορική κίνηση δεν μπορεί να έχει στροφορμή.

2. Η στροφορμή ενός σώματος αναφέρεται σε άξονα.

3. Η κατεύθυνση της στροφορμής ενός σημειακού αντικειμένου ( υλικού σημείου) συμπίπτει με την κατεύθυνση της ορμής.

1. Ο αντίπαλος γλώσσα της καθημερινής ζωής. Η λέξη στροφορμή εσωτερικεύεται ως σημαίνον που έχει σχέση με στροφική κίνηση. 2. Σε πολλά σχολικά εγχειρίδια η στροφορμή αναφέρεται σε άξονα, οπότε ο μαθητής δεν ευθύνεται όταν -χωρίς να έχει κατανοήσει γεωμετρικά το ζήτημα- διατείνεται ότι αναφέρεται σε άξονα 3. Η ορμή γινόμενο της ταχύτητας επί τη μάζα έχει την κατεύθυνση της ταχύτητας. Γιατί η στροφορμή οριζόμενη ως γινόμενο της ορμής (επί τη θέση) να μην έχει την κατεύθυνση της ορμής;

1. Οποιοδήποτε κινούμενο αντικείμενο εφόσον έχει ορμή ως προς κάποιο σύστημα αναφοράς, έχει και στροφορμή ως προς το σημείο που θεωρείται αρχή των αξόνων. 2. Η στροφορμή ενός υλικού σημείου ορίζεται ως «ροπή της ορμής ως προς το σημείο που θεωρείται αρχή των αξόνων». Η έννοια δηλαδή αναφέρεται σε κάποιο γεωμετρικό σημείο. Σε περίπτωση που το αντικείμενο είναι στερεό στρεφόμενο ως προς κάποιον άξονα , θεωρούνε ως άξονα περιστροφής τον zz΄, οπότε ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνιστώσα της στροφορμής κατά τη διεύθυνση του άξονα zz΄ , η λεγόμενη στροφορμή κατά τον άξονα. 3. Η ως προς κάποιο σημείο Ο στροφορμή είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από το διάνυσμα της ορμής και το σημείο Ο, Είναι εξωτερικό γινόμενο του διανύσματος θέση επί το διάνυσμα ταχύτητα. Η ορμή είναι γινόμενο της μάζας επί το διάνυσμα της ταχύτητας και δεν είναι εξωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων

17

Page 18: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

4. Η στροφορμή ενός συστήματος σωμάτων δεν μπορεί να είναι μηδέν εφόσον όλα τα σώματα στρέφονται

5. Η ροπή μιας δύναμης ως προς άξονα παράλληλο προς τη δύναμη είναι ίση με το γινόμενο της δύναμης επί την απόσταση από τον άξονα. 6. Ο νευτωνικός νόμος της αδράνειας δεν μπορεί να ισχύει για ένα στρεφόμενο στερεό διότι δεν εκτελεί ευθύγραμμη κίνηση. 7. Για να διατηρείται η περιστροφή ενός σώματος πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει συνολική ροπή των ασκουμένων δυνάμεων.

4. Εφόσον όλα τα σώματα περιστρέφονται, το μηδέν της στροφορμής θεωρείται ένα παράξενο μηδέν. 5. Ο μαθητής που έχει εσωτερικεύσει ότι η ροπή είναι γινόμενο κάποιας δύναμης επί κάποια απόσταση Εφόσον ο φορέας της δύναμης είναι παράλληλος με τον άξονα μία «αυθόρμητη» κίνηση της σκέψης του μαθητή είναι να πολλαπλασιάσει τη δύναμη επί την απόσταση 6. Οι μαθητές διδάσκονται τον νόμο της Αδράνειας, χωρίς να γίνεται καμία αναφορά στο ότι το κινούμενο αντικείμενο είναι υλικό σημείο ή σώμα σε μεταφορική κίνηση. Εσωτερικεύουν έτσι τη ιδέα ότι η εκδήλωση της αδράνειας σχετίζεται μόνο με ευθύγραμμη κίνηση. 7. Σύμφωνα με τον κοινό νου είναι λογικά αδιανόητο ένα στερεό να στρέφεται μόνο του.

4. Η στροφορμή ενός συστήματος σωμάτων είναι διανυσματικό άθροισμα και μπορεί να είναι μηδέν ακόμα και αν όλα τα σώματα στρέφονται. 5. Η ροπή μιας δύναμης, όπως και η στροφορμή, αναφέρεται σε σημείο. Η λεγόμενη ροπή κατά τον άξονα είναι η συνιστώσα της -ως προς κάποιο σημείο του άξονα- ροπής κατά τη διεύθυνση αυτού του άξονα. Εφόσον η δύναμη είναι παράλληλη προς τον άξονα η συνιστώσα αυτή είναι μηδενική, 6. Ο νευτωνικός νόμος της αδράνειας για υλικό σημείο μας διακηρύσσει ότι η μόνη κίνηση χωρίς δυνάμεις είναι η ευθύγραμμη ομαλή. Το ίδιο ισχύει και για στερεό σε μεταφορική κίνηση. Για ένα στρεφόμενο στερεό η έννοια αδράνεια σημαίνει το «δικαίωμά του» να στρέφεται χωρίς ροπές. Ο Νεύτων στο Principia κατά την παρουσίαση του νόμου της Αδράνειας αναφέρει παραδείγματα με «σβούρες» που δεν σταματούν να στρέφονται μόνες τους 7. Ο νευτωνικός νόμος της αδράνειας ισχύει και για στρεφόμενο στερεό και διακηρύσσει ότι «εφόσον δεν ασκούνται ροπές, το στερεό θα στρέφεται αδιάκοπα με σταθερή γωνιακή ταχύτητα».

18

Page 19: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Η ΕΝΝΟΙΑ ΠΙΕΣΗ ΚΑΙ Η ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η πίεση είναι κάτι σαν δύναμη και ασκείται στην επιφάνεια κάποιου σώματος προς κάποια κατεύθυνση 2. Η πίεση ενός αερίου σε κλειστό δοχείο οφείλεται στο βάρος της αέριας στήλης. 3. Η παρουσία αέρα σε ένα δωμάτιο δεν μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το «να σπρώχνει ο αέρας το ταβάνι προς τα πάνω». 4. Η πίεση στην εξωτερική επιφάνεια ενός υγρού δεν είναι δυνατόν να μεταδίδεται σε όλη την έκταση του υγρού. 5. Η πίεση στα έμβολα του υδραυλικού πιεστηρίου είναι υδροστατική πίεση.

1. Ο αντίπαλος γλώσσα. Στη γλώσσα της καθημερινής μας ζωής τα σημαινόμενα των εννοιών πίεση και δύναμη είναι σχεδόν ισοδύναμα 2. Η ιδέα πηγάζει από τη διδασκαλία κατά την οποία η πίεση ενός υγρού ταυτίζεται με την υδροστατική πίεση, οπότε και οι σχετικές αναπαραστάσεις των μαθητών για την πίεση οικοδομούνται με το νοητικό σχήμα ενός «κάτι» που ασκεί μία τσιμεντοκολώνα στο έδαφος. 3. Η ιδέα πηγάζει από την υιοθέτηση του μοντέλου της τσιμεντοκολώνας ως μοναδικού διδακτικού μοντέλου για την κατανόηση της πίεσης. Και η δύναμη που ασκεί η τσιμεντοκολώνα στο έδαφος είναι μόνο προς τα κάτω. 4. Θεωρείται παράλογο. Κάτι ανάλογο δεν συμβαίνει, λόγου χάριν, με τον ήχο ο οποίος σβήνει μέσα στο νερό. 5. Συμβαίνει ενίοτε κατά τη διδασκαλία της η πίεση ενός υγρού να ταυτίζεται με την υδροστατική πίεση.

1. Η έννοια «πίεση» σχετίζεται με τις έννοιες « πιέζουσα δύναμη» –και μόνο- και επιφάνεια. Η ασκούμενη πιέζουσα δύναμη έχει κατεύθυνση, ενώ η πίεση δεν έχει κατεύθυνση. 2. Για να δώσουμε μία ερμηνεία στην ύπαρξη πίεσης ενός αερίου είμαστε υποχρεωμένοι να επικαλεστούμε τις ιδέες για τον Μικρόκοσμο. 3. Ο αέρας πάντα σπρώχνει και οι φυσικοί περιγράφουν το «σπρώχνει» με κάθετη πιέζουσα δύναμη που έχει κατεύθυνση προς το μέρος του σώματος 4. Αυτό μας διδάσκει η Αρχή του Pascal και στην Αρχή αυτή θεμελιώνεται η μελέτη της ισορροπίας των ρευστών 5. Η πίεση στα έμβολα του πιεστηρίου είναι «πίεση».

19

Page 20: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

6. Η λειτουργία του υδραυλικού πιεστηρίου δεν έχει σχέση με τη διατήρηση της ενέργειας. 7. Η πίεση στον πυθμένα ενός δοχείου με υγρό είναι ανάλογη με το βάρος του υπερκείμενου υγρού. 8. Τα στερεό σώμα, όταν βυθίζεται σε υγρό, χάνει το βάρος του. 9. Η άνωση σε βυθισμένο φελλό είναι μεγαλύτερη από την άνωση σε σιδερένιο αντικείμενο ίσου όγκου

6. Στους διδασκόμενους επικρατεί η εντύπωση ότι η διατήρηση της ενέργειας ισχύει για άλλου είδους φαινόμενα. 7. Η ιδέα πηγάζει από την ταύτιση της έννοιας πίεση με τη «κάτι» που οφείλεται στη βαρύτητα. 8. Είναι μία ιδέα η οποία κυριάρχησε επί αιώνες στην ανθρώπινη σκέψη. Σχετίζεται και με τη θεώρηση ότι «βάρος είναι αυτό που μας δείχνει η ζύγιση» 9. Η ιδέα δημιουργείται από το εμπειρικό γεγονός ότι ο φελλός ανεβαίνει στην επιφάνεια ενώ το σιδερένιο αντικείμενο βουλιάζει και οφείλεται σε ανάγνωση σύμφωνα με την οποία « το φαινόμενο έχει την αιτία του μόνο στην άνωση».

6. Η αρχή για τη λειτουργία του υδραυλικού πιεστηρίου μπορεί να βασιστεί θεωρητικά τόσο α. στην αρχή του Pascal όσο και β. στη διατήρηση της ενέργειας σε συνδυασμό με την ασυμπιεστότητα των υγρών. 7. Η πίεση στον πυθμένα ενός υγρού είναι μεγαλύτερη από την πίεση στην επιφάνεια κατά την ποσότητα ίση με την πίεση λόγω βαρύτητας μια ς υγρής στήλης ισοϋψούς με το βάθος του πυθμένα. 8. Το βάρος του βυθιζόμενου σώματος δεν χάνεται, αλλά στο σώμα ασκείται και η άνωση. 9. Ο φελλός ανεβαίνει επειδή η ασκούμενη σε αυτόν άνωση είναι μεγαλύτερη από βάρος του. Το σιδερένιο αντικείμενο βυθίζεται επειδή το βάρος του είναι μικρότερο από την άνωση που ασκείται σ’ αυτό

20

Page 21: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΒΑΡΥΤΗΤΑ «ΕΠΙ ΤΗΣ ΓΗΣ»

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Ο αέρας δεν έχει βάρος 2. Το λάδι είναι πιο βαρύ από το νερό 3. Το λάδι είναι πιο πηχτό από το νερό, άρα έχει μεγαλύτερη πυκνότητα.

1. Από σχετικές έρευνες σε διάφορες ευρωπαϊκές χώρες διαπιστώνεται ότι περίπου ένα 60% των μαθητών 15 ετών θεωρούν ότι ο αέρας δεν έχει βάρος. Η ιδέα οικοδομείται πάνω στο νοησιακό σχήμα «Εάν ο αέρας είχε βάρος θα έπεφτε προς τη γη». Μέχρι και τα μέσα του 18ου αιώνα οι άνθρωποι ήταν σίγουροι ότι ο αέρας δεν έχει βάρος. 2. Τα στοιχεία σχετικών ερευνών δείχνουν ότι σε ένα ποσοστό οι μαθητές θεωρούν το λάδι βαρύτερο. Η όψη του λαδιού - πιο σκούρο και πιο αδιαφανές από το νερό – συνδυαζόμενη με κάποιο σχετικό νοησιακό σχήμα οδηγεί στην ιδέα αυτή. Η ιδέα αποδεικνύεται ισχυρότερη από το εμπειρικό δεδομένο ότι «το λάδι επιπλέει στο νερό» και από τη δυνατότητα της ανάγνωσής του. 3. Τα στοιχεία σχετικών ερευνών σε έλληνες μαθητές δείχνουν ότι οι περισσότεροι αποδίδουν στο λάδι μεγαλύτερη πυκνότητα. Ο αντίπαλος γλώσσα. Η λέξη πυκνότητα παραπέμπει στον προσδιορισμό πυκνό, ο οποίος σχετίζεται με τις ιδιότητες πυκνόρρευστο και πηχτό. Το λάδι είναι πιο πηχτό από το νερό.

1. Ο αέρας έχει βάρος και αυτό ισχύει για οποιοδήποτε αέριο. 2. Το νερό είναι βαρύτερο από το λάδι υπό την έννοια ότι συγκρίνουμε ποσότητες ίσων όγκων. Εξάλλου το λάδι επιπλέει στο νερό. 3. Η πυκνότητα ενός υγρού, ως έννοια της φυσικής, δεν προσδιορίζει τη ρευστότητά του. Η πυκνότητα ορίζεται ως μάζα ανά μονάδα όγκου, αλλά, τουλάχιστον για ένα υγρό, προσδιορίζεται μέσα από τη βαρύτητα. Το λάδι επιπλέει στο νερό. Η πυκνότητά του είναι μικρότερη από εκείνη του νερού

21

Page 22: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

4. Το ‘’ένα κιλό’’ είναι η μονάδα μετρήσεως του βάρους. 5. Όταν, ζυγίζοντας ένα αντικείμενο, βρίσκουμε ότι το βάρος του είναι μηδέν πρέπει να συμπεράνουμε ότι δεν υπάρχει βαρύτητα. 6. Η βαρυτική δύναμη είναι ίδια για όλα τα σώματα που πέφτουν.

4. Στη γλώσσα της καθημερινής μας ζωής λέμε "το βάρος μου είναι 70 κιλά". Είναι συνεπώς φυσικό να δημιουργείται σύγχυση 5. Ο συλλογισμός βασίζεται στην αποδοχή της ιδέας «Βάρος είναι αυτό που μας δείχνει η ζυγαριά». 6. Ο μαθητής βλέπει με τα μάτια του, στο σχολικό εργαστήριο, ένα πολύ βαρύ αντικείμενο, μέσα στο σωλήνα του κενού, να πέφτει ταυτόχρονα με ένα πολύ ελαφρύ αντικείμενο. Η ανάγνωση την οποία κάνει είναι ότι κατά την πτώση των σωμάτων η βαρυτική δύναμη είναι ίδια. Το ίδιο συμβαίνει και με τον μαθητή που είδε κάποια εικόνα σχετική με το ζήτημα.

4. Η μονάδα μετρήσεως του βάρους είναι το ένα νιούτον. Το «ένα κιλό» είναι η συνήθης εκφορά του 1 kg, το οποίο είναι η μονάδα μετρήσεως του μεγέθους μάζα. Βάρος ενός «επίγειου» σώματος είναι η δύναμη Παγκόσμιας έλξης την οποία ασκεί στο σώμα ο Πλανήτης Γη. 5. Με τον ζυγό μετράμε κάποια δύναμη η οποία συνήθως είναι ίση με το βάρος κάποιου σώματος. Μπορεί όμως η δύναμη αυτή να είναι ίση με τη συνισταμένη κάποιων δυνάμεων μία από τις οποίες είναι και το βάρος. Αυτό συμβαίνει λόγου χάριν όταν ζυγίζουμε ένα αντικείμενο βυθισμένο στο νερό. 6. Γι α κάθε σώμα η βαρυτική δύναμη καθορίζεται από τη μάζα του και από την ένταση του πεδίου βαρύτητας. Η δύναμη αυτή δεν είναι ίδια για όλα τα σώματα είτε αυτά πέφτουν είτε όχι .

22

Page 23: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Η ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Οι νόμοι για τα ουράνια σώματα δεν είναι ίδιοι με τους νόμους για τα επίγεια 2. Η δύναμη τον οποία ασκεί η Γη στο μήλο δεν είναι ίδιας φύσης με εκείνη που ασκεί η Γη στη Σελήνη. 3. Στο διάστημα δεν υπάρχει βαρύτητα 4. Η βαρυτική δύναμη η ασκούμενη σε ένα δορυφόρο είναι μηδέν. 5. Η Σελήνη είναι ακίνητη. 6. Η Σελήνη διατηρείται σε τροχιά διότι η βαρυτική δύναμη την

1 και 2. . Για χιλιάδες χρόνια οι άνθρωποι είχαν την ακλόνητη πεποίθηση ότι "οι νόμοι που κυβερνούν τους ουρανούς είναι διαφορετικοί από εκείνους που ισχύουν για τα επίγεια και το φεγγάρι βρίσκεται στον Ουρανό, η ερμηνεία της συμπεριφοράς του ανήκει στη δικαιοδοσία των ουράνιων νόμων και εννοιών. 3 και 4 . Το νοησιακό σχήμα «ΔΙΑΣΤΗΜΑ-ΑΠΟΥΣΙΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ» είναι διαδεδομένο και μεταξύ των ενηλίκων σε όλες τις κοινωνίες. Ο μαθητής έχει δει, σε κινηματογραφικές ταινίες, ανθρώπινα πλάσματα να είναι μετέωρα μέσα στο διαστημικό σκάφος. Έχει επίσης δει «με τα μάτια του», στην τηλεόραση, σκηνές από το εσωτερικό δορυφόρων και θυμάται να του έκανε εντύπωση πως τόσο τα ανθρώπινα πλάσματα όσο και τα αντικείμενα παρέμεναν μετέωρα και σωστά υποθέτει ότι εάν τα ζύγιζε θα διαπίστωνε ένδειξη μηδενική. Οδηγείται έτσι στην ιδέα ότι εκεί που βρίσκεται ο δορυφόρος δεν υπάρχει βαρύτητα. 5, 6 και 7. Αντικρίζοντας το φεγγάρι η ανθρώπινη συνείδηση το εσωτερικεύει ως ένα ακίνητο αντικείμενο μετέωρο στον

1 και 2. Οι φυσικοί νόμοι είναι κοινοί για όλο το Σύμπαν. Η δύναμη την οποία ασκεί ο Πλανήτης Γη στο μήλο είναι ίδιας φύσης με εκείνη που ασκεί στη Σελήνη. Είναι δύναμη παγκόσμιας βαρύτητας. 3 και 4 . Σε αποστάσεις τάξης μεγέθους της ακτίνας της Γης, η βαρύτητα είναι εμφανής. Χωρίς αυτήν δεν θα υπήρχαν δορυφόροι 5, 6 και 7. Η Σελήνη διατηρείται σε τροχιά διότι έχει ταχύτητα και η βαρυτική

23

Page 24: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

οποία της ασκεί η Γη εξουδετερώνεται από δυνάμεις που ασκούν τα άλλα ουράνια σώματα. 7. Η Σελήνη διατηρείται σε τροχιά διότι η βαρυτική δύναμη την οποία της ασκεί η Γη εξουδετερώνεται από τη δύναμη που ασκεί η Σελήνη στη Γη. 8. Η στροφική κίνηση της Γης γύρω από τον άξονά της δημιουργεί τη βαρύτητα. 9. Η Παγκόσμια έλξη δεν ισχύει για όλα τα σώματα.

ουρανό. Οι μαθητές για να δώσουν μία ερμηνεία στο γεγονός ότι «δεν πέφτει» καταφεύγουν είτε σε επινοήσεις όπως το ότι ασκούνται και άλλες δυνάμεις είτε στη συνήθη λανθασμένη εφαρμογή του νόμου δράσης-αντίδρασης. Εξάλλου οι σχετικές έρευνες δείχνουν ότι είναι λίγοι οι μαθητές που έχουν κατανοήσει το ότι "κάθε δύναμη ασκούμενη κάθετα στην ταχύτητα ενός σώματος κάνει το σώμα να στρίβει". 8. Η ανάγκη να δώσει μία ερμηνεία στο «πώς δημιουργείται η βαρύτητα» ωθεί τη σκέψη σε ποικίλες επινοήσεις. Μία από αυτές είναι η ιδέα ότι οφείλεται στην κίνηση της Γης 9. Είναι αδύνατον όλα τα σώματα να έλκονται με μία παγκόσμια βαρύτητα. Εάν συνέβαινε κάτι τέτοιο θα έπρεπε να πλησίαζαν το ένα προς το άλλο και κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει.

δύναμη που της ασκεί η Γη λειτουργεί ως κεντρομόλος, την αναγκάζει δηλαδή συνεχώς να «στρίβει»". 8. Η Βαρύτητα δεν οφείλεται στη στροφική κίνηση της Γης 9. Η Παγκόσμια έλξη ισχύει για όλα τα σώματα του Σύμπαντος. Η τιμή όμως της όμως για δύο επίγεια αντικείμενα -μάζας συγκρίσιμης με εκείνη του ανθρώπινου σώματος - είναι περίπου μη ανιχνεύσιμη .

24

Page 25: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Εναλλακτικές ιδέες Το ΛΑΘΟΣ

«να το πάρουμε αγκαλιά» Η άποψη των φυσικών

1. Ένα ψυχρό σώμα δεν μπορεί να περιέχει εσωτερική θερμική ενέργεια 2. Ένα σώμα έχει θερμότητα η οποία μπορεί να αυξηθεί ή να ελαττωθεί 3. Η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι το ίδιο πράγμα. 4. Είναι αδύνατον να θερμάνουμε ένα σώμα χωρίς να του μεταβιβάσουμε θερμότητα

1. Ο αντίπαλος γλώσσα της καθημερινής μας ζωής. Η έννοια ψυχρό στη καθημερινή μας γλώσσα αποτελεί άρνηση του θερμό. Κατά λογική συνέπεια το ψυχρό σώμα δεν μπορεί να περιέχει κάτι, όπως η θερμική ενέργεια, που έχει σχέση με το θερμό 2. Στη γλώσσα της καθημερινής ζωής η λέξη θερμότητα έχει διαφορετικό σημαινόμενο από εκείνο που της αποδίδει η επιστημονική γλώσσα. 3. Οι έννοιες θερμότητα και θερμοκρασία συγχέονται και σε αυτό συμβάλλει και η κοινή ετυμολογική τους ρίζα στην ελληνική γλώσσα (θερμό), ενώ αυτό δεν ισχύει σε γλώσσες όπως η αγγλική, η γαλλική, η γερμανική, η ιταλική. 4. Πριν διδαχθούμε τις σημασίες των επιστημονικών εννοιών έχουμε ήδη οικοδομήσει εσωτερικές αναπαραστάσεις των σημασιών θερμότητα και θέρμανση οι οποίες βρίσκονται σε στενή σημασιακή αλληλεξάρτηση.

1. Εσωτερική θερμική ενέργεια περιέχει κάθε σώμα, ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία του

2. Στη γλώσσα της επιστήμης με τον όρο θερμότητα νοούμε μεταβιβαζόμενη ενέργεια και όχι ενέργεια την οποία «έχε»ι ένα σώμα

3. Κάθε αντικείμενο σε θερμική ισορροπία έχει μία δική του θερμοκρασία, ενώ δεν «έχει θερμότητα». Η θερμότητα είναι μορφή ενέργειας η οποία μεταβιβάζεται από σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία σε σώμα με χαμηλότερη. ενώ η θερμοκρασία δεν είναι ενέργεια.

4. Το έργο είναι και αυτό μορφή μεταβιβαζόμενης ενέργειας. Ένα σώμα μπορεί να θερμανθεί και με έργο, όπως συμβαίνει , λόγου χάριν, κατά την αδιαβατική συμπίεση.

25

Page 26: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Ένα σχετικά ψυχρότερο σώμα μεταβιβάζει ψύχος σε ένα θερμότερο. 6. Το μάλλινο πουλόβερ που φοράμε μας μεταβιβάζει θερμότητα

5. Όταν ακουμπάμε το χέρι μας στον πάγο αυτό που νιώθουμε το περιγράφουμε με φράσεις όπως « ένιωσα να μου έρχεται ψύχος» και η γλώσσα είναι οξυγόνο της σκέψης μας. 6. Το πουλόβερ το νιώθουμε ζεστό και το ζεστό το θεωρούμε, με τη σκέψη μας, σαν κάτι που μας «δίνει» θερμότητα

5. Για την επιστήμη δεν υπάρχει εννοιακή οντότητα ψύχος. Όταν ένα ψυχρότερο σώμα βρεθεί σε θερμική επαφή με ένα θερμότερο μεταβιβάζεται θερμότητα από το θερμότερο προς αυτό

6. Όταν φοράμε μάλλινο πουλόβερ, επηρεάζεται η αγωγή θερμότητας.

7. Εφόσον ένα αέριο μεταβιβάζει θερμότητα στο περιβάλλον η θερμοκρασία του ελαττώνεται οπωσδήποτε. 8. Η θερμότητα και το ψύχος ρέουν όπως ένα ρευστό 9. Το θερμότερο σώμα μεταβιβάζει «βαθμούς Κελσίου» στο ψυχρότερο, έτσι ώστε όσο χαμηλώνει η θερμοκρασία του κατά ίσους βαθμούς να αυξάνεται η θερμοκρασία του άλλου.

7. Κατά την εξέλιξη των ιδεών της θερμοδυναμικής, η θεώρηση ότι το έργο είναι μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας- ισοδύναμος με τη θερμότητα- καθυστέρησε να «κάνει την εμφάνισή της» Ο σχετικός διδακτικός στόχος έχει να αντιμετωπίσει τις προϋπάρχουσες ιδέες των μαθητών για τη φύση της θερμότητας. 8. Σχετίζεται με αναπαραστάσεις που κυριαρχούν στη σκέψη των όχι μυημένων στην την επιστήμη. Εξάλλου, μολονότι το ψύχος δεν χρησιμοποιήθηκε από την επιστήμη ως εννοιακή οντότητα, η εικόνα η οποία προτάθηκε για τη θερμότητα πριν από την επικράτηση της έννοιας ενέργεια ήταν η εικόνα ενός ρευστού. 9. Η ιδέα κατάγεται από την συνήθη σύγχυση των εννοιών θερμότητα και θερμοκρασία.

7. Η θερμοκρασία του αερίου επηρεάζεται και από τη μεταβίβαση ενέργειας με μηχανισμό έργου. Κατά την ισόθερμη συμπίεση το αέριο μεταβιβάζει θερμότητα αλλά η θερμοκρασία του δεν αλλοιώνεται «λόγω έργου». 8. Για την επιστήμη υπάρχει μόνο θερμότητα ως μορφή μεταβιβαζόμενης ενέργειας. 9. Η θερμοκρασία δεν μεταβιβάζεται. Εξάλλου η ελάττωση της θερμοκρασίας του ενός θα είναι ίση με την αύξηση της θερμοκρασίας του άλλου μόνο εφόσον τα δύο σώματα έχουν ίσες θερμοχωρητικότητες

26

Page 27: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

10. Η ανθρώπινη επιδερμίδα είναι ανιχνευτής της θερμοκρασίας. 11. Η καταστατική εξίσωση ισχύει ακόμα κι αν το αέριο δεν βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία.

10. Η ιδέα πηγάζει από εμπειρικά δεδομένα σχετιζόμενα με «αυτό που συμβαίνει συνήθως». 11. Κατά τη διδασκαλία της καταστατικής εξίσωσης δεν δίδεται έμφαση στο ζήτημα

10. Η επιδερμίδα μας μπορεί να ανιχνεύσει μόνο κάτι ανάλογο με τη ροή θερμότητας 11. Όταν το αέριο δεν βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας δεν έχει «μία» θερμοκρασία σε όλη την έκτασή του και η έννοια «θερμοκρασία του αερίου. δεν υφίσταται. Το ίδιο ισχύει και για την πίεση

27

Page 28: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Ο ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Το να υπάρχει κενό, μεταξύ των κινουμένων μορίων, είναι αδιανόητο 2. Η θερμοκρασία ενός μορίου 3. Τα μόρια του υδρατμού είναι ογκωδέστερα από τα αντίστοιχα του νερού 4. Τα μόρια του αερίου κινούνται συνεχώς και ο λόγος για τον οποίο κινούνται μας είναι άγνωστος

1. Επί εκατοντάδες χρόνια ο ανθρώπινος στοχασμός αρνιόταν να αποδεχθεί την ύπαρξη του κενού. Το δόγμα « η φύση απεχθάνεται το κενό» - horror vacui -εθεωρείτο αναντίρρητα σωστό Η εικόνα του κενού δεν έχει καμία σχέση με την καθημερινή εμπειρία των διδασκομένων. 2. Ενίοτε κατά τη σχετική διδασκαλία δεν αποδίδεται έμφαση στο ότι η θερμοκρασία και η πίεση αποτελούν έννοιες του Μακρόκοσμου και στο ότι ο Μικρόκοσμος είναι ένας κόσμος στον οποίο το μόνο που συμβαίνει είναι αδιάκοπη κίνηση και αλληλεπίδραση. 3. Εφόσον τα σώματα θερμαινόμενα διαστέλλονται γιατί να μην διαστέλλονται και τα μόρια. Ο συλλογισμός δείχνει να είναι λογικός και η εγκυρότητα του ενισχύεται από μία διδασκαλία η οποία παρουσιάζει το μόριο ως ένα κομμάτι ύλης με μοναδική ιδιαιτερότητα το ότι είναι πολύ μικρό 4. Η εικόνα μιας κίνησης η οποία συνεχίζεται αδιάκοπα και «χωρίς λόγο» δεν έχει καμία σχέση με τις εμπειρίες της καθημερινής μας ζωής.

1. Τα μόρια κινούνται αδιάκοπα και το κενό είναι ο φορέας της κίνησης 2. Η θερμοκρασία είναι έννοια του μακρόκοσμου. Η τιμή της -σε επίπεδο Μικρόκοσμου αντιστοιχεί στη μέση κινητική ενέργεια των μορίων. 3. Τα μόρια του υδρατμού είναι τα ίδια με εκείνα που συγκροτούσαν το νερό στην υγρή κατάσταση 4. Τα μόρια του αερίου δεν κινούνται για «κάποιο λόγο». Η κίνηση είναι ο τρόπος που υφίσταται η ύλη. Η ύλη υπάρχει ως κίνηση

28

Page 29: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Στον Μικρόκοσμο των κινουμένων μορίων ενός αερίου, η ενέργεια μεταβιβάζεται με δύο μηχανισμούς, με έργο και με θερμότητα 6. Σε επίπεδο Μικρόκοσμου, σύστημα αναφοράς για την ταχύτητα κάθε σωματιδίου είναι το τοίχωμα του δοχείου.

5. Όταν παρουσιάζεται στους μαθητές η διάκριση σε έργο και θερμότητα δεν επισημαίνεται ότι η διάκριση αφορά μόνο στον Μακρόκοσμο 6. Συνήθως κατά τη διδασκαλία δεν τίθεται το ερώτημα «σε ποιο σύστημα αναφοράς αναφέρεται η ταχύτητα κάθε μορίου;». Εμφανίζεται αρκετά λογικό στον μαθητή να φαντάζεται την ταχύτητα κάθε μορίου ως προς το τοίχωμα του δοχείου.

5. Η διάκριση της μεταβιβαζόμενης ενέργεια ς σε έργο και θερμότητα έχει νόημα μόνο για τον Μακρόκοσμο της ύλης. Στον Μικρόκοσμο η διάκριση αυτή δεν υπάρχει. 6. Σε επίπεδο Μικρόκοσμου, σύστημα αναφοράς για την ταχύτητα κάθε σωματιδίου είναι το κέντρο μάζας του αερίου

29

Page 30: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Όσο βαρύτερο είναι το σφαιρίδιο του εκκρεμούς, τόσο μικρότερη είναι η περίοδος. 2. Κάθε αιώρηση απλού εκκρεμούς είναι απλή αρμονική ταλάντωση, ανεξάρτητα από τη μέγιστη γωνία απόκλισης. 3. Το απλό εκκρεμές δεν είναι μοντέλο αλλά μια διάταξη την οποία μπορούμε να κατασκευάσουμε. 4. Η περίοδος μιας ελεύθερης ταλάντωσης εξαρτάται από το πλάτος της.

1. Η ιδέα πηγάζει από την αντιστεκόμενη στη διδασκαλία μας γενικότερη ιδέα ότι «τα βαρύτερα πέφτουν πιο γρήγορα» 2. Στη σκέψη του μαθητή η τροχιά του σφαιριδίου είναι τόξο κύκλου. Εφόσον η διδασκαλία δεν επιμείνει στην ιδιαιτερότητα της αιώρησης για μικρά πλάτη αλλά και στο γεγονός ότι η αρμονική ταλάντωση είναι μία ευθύγραμμη κίνηση, ο μαθητής ενδεχομένως υιοθετεί την ιδέα ότι και οι αιωρήσεις κατά τις οποίες διαγράφονται κυκλικά τόξα είναι αρμονικές ταλαντώσεις 3. Ενίοτε κατά τη διδασκαλία – αλλά και στα σχολικά βιβλία - δεν αποδίδεται η αρμόζουσα έμφαση στην έννοια μοντέλο και στην ιδιαίτερη σημασία της στο να συγκροτήσουμε θεωρίες για την Πραγματικότητα 4. Η άμεση αισθητηριακή αντίληψη προσφέρει βεβαιότητα μόνο για το πλάτος . Η ιδέα βασίζεται στον συλλογισμό «εφόσον μετακινείται σε μεγαλύτερη απόσταση είναι λογικό να χρειάζεται περισσότερο χρόνο για την κάθε αιώρηση». Η ιδέα αυτή κυριαρχούσε και στη σκέψη των ερευνητών πριν από τον Γαλιλαίο, ο οποίος την ανέτρεψε. 5. Συμβαίνει συχνά η προϋπόθεση

1. Η περίοδος του εκκρεμούς είναι ανεξάρτητη από το βάρος του σφαιριδίου. 2. Η αρμονική ταλάντωση είναι μία ευθύγραμμη κίνηση. Η αιώρηση μπορεί να θεωρηθεί αρμονική ταλάντωση μόνον εφόσον η μέγιστη γωνία απόκλισης είναι τόσο μικρή ώστε η τροχιά να μπορεί να θεωρηθεί ευθύγραμμη 3. Αν χρησιμοποιήσουμε σφαιρίδιο με ακτίνα ασήμαντη σε σχάση με το μήκος του νήματος και νήμα με μάζα ασήμαντη σε σχέση με τη μάζα του σφαιριδίου μπορούμε να έχουμε μία πραγματική κατασκευή με την οποία προσεγγίζεται το μοντέλο «απλό ή μαθηματικό εκκρεμές» 4. Η περίοδος της ελεύθερης ταλάντωσης είναι ανεξάρτητη από το πλάτος

30

Page 31: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Στη χρονική εξίσωση της απομάκρυνσης ( θέσης ) για να είναι η αρχική φάση μηδέν αρκεί κατά την αρχή των χρόνων ο ταλαντωτής να βρίσκεται στη θέση ισορροπίας. 6. Στα δύο άκρα της ταλάντωσης η επιτάχυνση του ταλαντωτή είναι μηδέν

να μην αποσαφηνίζεται κατά τη διδασκαλία 6. Η ιδέα σχετίζεται με τη γενικότερη ιδέα ότι «εφόσον ένα αντικείμενο δεν έχει ταχύτητα δεν μπορεί να έχει επιτάχυνση»

5. Για να ισχύει η συνάρτηση x = Αημωt πρέπει κατά την αρχή των χρόνων ο ταλαντωτής όχι μόνο να βρίσκεται στη θέση ισορροπίας αλλά και να κινείται προς τον θετικό ημιάξονα 6. Στα δύο άκρα της ταλάντωσης η επιτάχυνση του ταλαντωτή έχε τη μέγιστη απόλυτη τιμή και κατευθύνεται προς τη θέση ισορροπίας.

7. Κατά τη στιγμή που ο ταλαντωτής έχει τη μέγιστη ταχύτητα, δεν είναι δυνατόν οι ασκούμενες σ’ αυτόν δυνάμεις να ισορροπούν. 8. Εάν ο ταλαντωτής είναι αντικείμενο στο άκρο ελατηρίου, α. η θέση του (απομάκρυνση) είναι οπωσδήποτε ίση με την επιμήκυνση του ελατηρίου β. η δυναμική του ενέργεια είναι οπωσδήποτε ίση με την ελαστική δυναμική ενέργεια του παραμορφωμένου ελατηρίου

7. Η συνύπαρξη των δύο καταστάσεων μηδενική δύναμη και μέγιστη ταχύτητα δύσκολα γίνεται «λογικά» αποδεκτή από τους διδασκόμενους. Οι πηγές της δυσκολίας βρίσκονται στην προϋπάρχουσα ριζωμένη ιδέα ότι η δύναμη προκαλεί την ταχύτητα, άρα η μέγιστη ταχύτητα πρέπει να οφείλεται σε μέγιστη δύναμη 8. Η πηγή της ιδέας βρίσκεται στην εμπιστοσύνη των μαθητών στο νοησιακό σχήμα που παρουσιάζει τον ταλαντωτή σε οριζόντια επιφάνεια χωρίς τριβές στο άκρο οριζόντιου ελατηρίου.

7. Κάθε φορά που ο κινούμενος ταλαντωτής περνά από τη θέση ισορροπίας έχει τη μέγιστη ταχύτητα και η συνισταμένη των ασκουμένων δυνάμεων είναι μηδέν 8. Ισχύει μόνο εφόσον ο ταλαντωτής είναι αντικείμενο σε οριζόντια επιφάνεια χωρίς τριβές στο άκρο οριζόντιου ελατηρίου. Στη γενική περίπτωση α. η θέση του ταλαντωτή είναι ίση κατά μέτρο με την απόστασή του από την αρχή των αξόνων και ως αρχή των αξόνων επιλέγεται η θέση ισορροπίας. β. Η δυναμική ενέργεια του ταλαντωτή νοείται ως προς τη θέση ισορροπίας και είναι ίση με την ενέργεια που πρέπει να του μεταβιβάσουμε ώστε από τη θέση ισορροπίας να βρεθεί στη θέση που βρίσκεται «τώρα»

31

Page 32: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

9. Η έννοια ‘’δυναμική ενέργεια ταλαντωτή’’ δεν εκφράζει κάποια αλληλεπίδραση. 10. Εκτός από τις ασκούμενες -από το περιβάλλον- δυνάμεις, σε κάθε αρμονικό ταλαντωτή ασκείται και μία δύναμη επαναφοράς. 11. Η απλή αρμονική ταλάντωση ενός υλικού αντικειμένου ή ενός σώματος σε μεταφορική κίνηση δεν είναι οπωσδήποτε μια κίνηση κατά την οποία η ενέργεια του αντικειμένου διατηρείται σταθερή. 12. Η έννοια απομάκρυνση χρησιμοποιείται μόνο στο φαινόμενο ταλάντωση και δεν ταυτίζεται με την έννοια θέση που εμφανίζεται στην περιγραφή οποιασδήποτε κίνησης.

9. Η ιδέα πηγάζει από τον τρόπο παρουσίασης της έννοιας δυναμική ενέργεια κατά τη διδασκαλία. Η διατύπωση «δυναμική ενέργεια λόγω θέσης» -μολονότι είναι αποτελεσματική για την αρχική παρουσίαση του ζητήματος– αποκρύπτει το γεγονός ότι η δυναμική ενέργεια ενός συστήματος περιγράφει κάποια αλληλεπίδραση 10. Πηγάζει από διατυπώσεις είτε του διδάσκοντος είτε των σχολικών βιβλίων τις οποίες οι μαθητές εκλαμβάνουν με ένα δικό τους τρόπο επηρεασμένο από το νοησιακό σχήμα «Η ΔΥΝΑΜΗ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΕΙ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ. Τέτοιου είδους διατύπωση είναι και η «για να συμβεί αρμονική ταλάντωση πρέπει να υπάρχει ΜΙΑ δύναμη επαναφοράς». Παρόμοιες ιδέες διατηρούν οι μαθητές και για την κεντρομόλο δύναμη 11. Είναι ένα ζήτημα στο οποίο δεν δίδεται έμφαση ούτε στα σχολικά εγχειρίδια ούτε κατά τη διδασκαλία του μαθήματος, μολονότι η παρουσίασή του είναι επιστημονικώς αποδεκτή 12. Η ιδέα οφείλεται στη ελληνική παράδοση συγγραφής σχολικών και πανεπιστημιακών βιβλίων κατά η χρησιμοποιείται η έννοια απομάκρυνση μόνο στο φαινόμενο ταλάντωση και καθόλου κατά την περιγραφή μιας άλλης κίνησης υλικού σημείου .

9. Η δυναμική ενέργεια ενός ταλαντωτή περιγράφει τη συνολική του αλληλεπίδραση του με το περιβάλλον του. Περιγράφει δηλαδή αυτό που περιγράφει και η συνισταμένη των ασκουμένων δυνάμεων αλλά με τρόπο διαφορετικό. 10. Για να εκτελέσει ένα αντικείμενο αρμονική ταλάντωση πρέπει να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον έτσι ώστε όταν βρίσκεται σε οποιαδήποτε θέση εκτός της θέσης ισορροπίας να ασκούνται δυνάμεις η συνισταμένη των οποίων θα έχει κατεύθυνση προς τη θέση ισορροπίας. Τη συνισταμένη των ασκουμένων δυνάμεων σε αυτή την περίπτωση τη λέμε και δύναμη επαναφοράς. 11. Η απλή αρμονική ταλάντωση είναι μία κίνηση κατά την οποία η ενέργεια του υλικού σημείου ή του σώματος σε μεταφορική κίνηση – το άθροισμα δηλαδή της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας- διατηρείται σταθερή 12. Η έννοια θέση ( αγγλικά position, γαλλικά position, ιταλικά posizione) ως μέγεθος διανυσματικό οριζόμενο από το ζεύγος των σημείων «αρχή των αξόνων και γεωμετρικό σημείο στο οποίο βρίσκεται το κινούμενο αντικείμενο» μπορεί να περιγράψει μία οποιαδήποτε κίνηση, Αντί για αυτήν, ενίοτε, στην ελληνική βιβλιογραφία, χρησιμοποιείται ο όρος απομάκρυνση

32

Page 33: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΚΥΜΑΤΑ, ΗΧΟΣ, ΦΩΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Για να διαδοθεί ένα κύμα πρέπει να υπάρχει οπωσδήποτε κάποιο μέσο διάδοσης 2. Τα κύματα δεν έχουν ενέργεια. 3. Το στάσιμο κύμα είναι κύμα 4. Κατά τη διάδοση του κύματος ελαστικότητας ταλαντώνονται τα υλικά σημεία του μέσου δηλαδή τα μόρια του μέσου

1. Η ιδέα γεννιέται από την εμπιστοσύνη που δείχνουν οι μαθητές στην έννοια κύμα ελαστικότητας και στη διάδοση του ήχου. Σε αυτό συμβάλλει και η διδασκαλία της έννοιας κύμα η οποία κατά την αρχική παρουσίαση και με στόχο την κατανόηση της έννοιας βασίζεται – δικαιολογημένα – κυρίως στο κύμα ελαστικότητας. Εξάλλου η κυματικότητα του ήχου εμφανίζεται πιο έγκυρη από την κυματικότητα του φωτός και ο ήχος λειτουργεί ως αρχέτυπο της κυματικότητα περισσότερο από ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα 2. Η ιδέα βασίζεται στον φαινομενικά ορθό συλλογισμό «Κατά τη διάδοση ενός κύματος εφόσον δεν μεταφέρεται ύλη-μάζα είναι λογικό να μη μεταφέρεται και ενέργεια. Ο φορέας της ενέργειας είναι η ύλη μάζα» 3. Ο αντίπαλος γλώσσα. Το στάσιμο κύμα είναι πρωταρχικά κύμα. Ο όρος στάσιμο είναι επιθετικός προσδιορισμός. Και η γλώσσα είναι οξυγόνο της σκέψης. 4. Η εννοιακή σύγχυση μεταξύ των εννοιών υλικό σημείο και μόριο εμφανίζεται και σε ελληνικά σχολικά εγχειρίδια. Το πιθανότερο είναι να οφείλεται σε εσφαλμένη μετάφραση του αγγλικού όρου particles

1. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν έχουν ανάγκη από κάποιο υλικό μέσο διάδοσης 2. Κατά τη διάδοση του κύματος λαμβάνει χώρα μεταφορά ενέργειας 3. Το στάσιμο κύμα δεν είναι κύμα Είναι μία κατάσταση ταλάντωσης των υλικών σημείων του μέσου 4. Το ελαστικό μέσο είναι ένα μοντέλο. Πρόκειται για σύνολο υλικών σημείων καθένα από τα οποία είναι ταλαντωτής.

33

Page 34: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5 Το φως δεν προέρχεται από «κάπου». Απλά υπάρχει. 6. ∆ιαφορετικά χρώματα φωτός αντιστοιχούν σε διαφορετικούς τύπους κυμάτων 7. Το φως είναι ένα μίγμα σωματιδίων και κυμάτων 8. Η ακτινοβολία και τα ραδιοκύματα δεν έχουν την ίδια φύση 9. Το φως δεν αλληλεπιδρά με την ύλη

5. Οι σχετικές έρευνες δείχνουν ότι η ιδέα αυτή διατηρείται στη συνείδηση μαθητών μικρής ηλικίας αλλά και μαθητών εφηβικής ηλικίας. 6. Η ιδέα εμφανίζεται σε σχετικές έρευνες. Πηγάζει από την προσπάθεια ορισμένων μαθητών να δώσουν ερμηνεία στο αισθητηριακό δεδομένο των διαφορετικών χρωμάτων βασιζόμενοι σε έννοιες τις οποίες έχουν εσωτερικεύσει με «δικό τους» τρόπο. 7. Εφόσον κατά τη διδασκαλία του γνωστικού αυτού αντικειμένου δεν δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην αποσαφήνιση των σχετικών εννοιών, ορισμένοι μαθητές οικοδομούν την ιδέα «ενός μίγματος». 8. Η ιδέα οφείλεται στην απουσία εννοιακής αποσαφήνισης των όρων κύμα και ακτινοβολία . Η συγκεκριμένη «απουσία» διαπιστώνεται τόσο στα σχολικά εγχειρίδια όσο και στη διδασκαλία του ζητήματος 9. Στην καθημερινή εμπειρία δεν παρατηρούνται φαινόμενα για την ερμηνεία των οποίων θα χρειαζόταν να υποθέσουμε αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη

5. Το φως εκπέμπεται από κάποια πηγή και διαδίδεται ακόμα και στο κενό 6. Όλα τα χρώματα φωτός αντιστοιχούν σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαφέρουν στη συχνότητα 7. Για να προβλέψουμε ή να ερμηνεύσουμε ένα συγκεκριμένο φαινόμενο μπορούμε να αποδεχθούμε είτε την κυματική είτε τη σωματιδιακή υπόσταση. 8. Τόσο τα ραδιοκύματα όσο και οι οντότητες που περιγράφονται ως ακτίνες - υπέρυθρες, υπεριώδεις, Χ, γ - είναι και ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες. Όταν θέλουμε να εστιάσουμε στον τρόπο διάδοσης τα αποκαλούμε «κύματα» ενώ όποτε θέλουμε να εστιάσουμε στην ενεργειακό περιεχόμενο τις τα αποκαλούμε «ακτινοβολίες». 9. Σε επίπεδο ερευνητικής εμπειρίας διαπιστώθηκαν φαινόμενα - όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο Compton – για την ερμηνεία των οποίων απαιτείται να δεχθούμε ότι το φως αλληλεπιδρά με την ύλη

34

Page 35: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

10. Κατά τη διάθλαση α. αλλάζει το χρώμα του φωτός β. αλλάζουν όλα τα χαρακτηριστικά του φωτός 11. Η ταχύτητα του φωτός δεν αλλάζει ποτέ. 12. Το σκοτάδι είναι οντότητα

10. Κατά τη διάθλαση του ηλιακού φωτός παρατηρείται εμφάνιση χρωμάτων. Το εμπειρικό αυτό γεγονός ωθεί τη σκέψη στο να δημιουργήσει την ιδέα ότι «αλλάζει το χρώμα» αλλά και την ιδέα ότι αλλάζουν όλα τα χαρακτηριστικά του φωτός. Για την εξάπλωση των ιδεών αυτών ευθύνεται και το ότι κατά τη διδασκαλία δεν επισημαίνεται πως «το μέγεθος που περιγράφει το χρώμα μιας ακτινοβολίας είναι η συχνότητά της». Αντί γι αυτό δίδεται προτεραιότητα στο μήκος κύματος και εφόσον, κατά τη διάθλαση, το μήκος κύματος μεταβάλλεται η εννοιακή σύγχυση βρίσκει έδαφος 11. Η γέννηση της ιδέας σχετίζεται και με την επιστημονικά αποδεκτή υπόθεση της θεωρίας της Σχετικότητας ότι «η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή ανεξάρτητα από το σύστημα αναφοράς». Εξάλλου ο προσδιορισμός «σταθερή» για κάποια ποσότητα δημιουργεί εννοιακές συγχύσεις εφόσον κατά τη διδασκαλία μας δεν τονίζεται ότι σταθερότητα σημαίνει «ανεξαρτησία από ορισμένες μεταβλητές». 12. Πολλούς αιώνες πριν από την αποσαφήνιση των εννοιών από τη φυσική, οι στοχαστές θεωρούσαν ότι υπάρχουν δύο οντότητες. Το Φως και το Σκοτάδι.

10. Κατά τη διάθλαση μιας μονοχρωματικής ακτινοβολίας δεν αλλάζει το χρώμα. Κατά τη διάθλαση ηλιακού φωτός λαμβάνει χώρα ανάλυση του φωτός και όχι αλλαγή του χρώματος κάθε ακτινοβολίας από αυτέ ς που συμμετέχουν στο σύνθετο ηλιακό φως Κατά τη διάθλαση μιας μονοχρωματικής ακτινοβολίας η συχνότητα δεν μεταβάλλεται. 11. Σε φαινόμενα όπως η διάθλαση η ταχύτητα του φωτός μεταβάλλεται. Κατά τη διάδοση στο κενό η ταχύτητα του φωτός έχει την ίδια τιμή ανεξάρτητα από το σύστημα στο οποία η τιμή αυτή αναφέρεται. 12. Το φως θεωρείται οντότητα. Το σκοτάδι είναι απουσία φωτός.

35

Page 36: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και η ασκούμενη σε κάποιο φορτίο δύναμη έχουν πάντα την ίδια κατεύθυνση 2. Οι δυναμικές γραμμές μπορούν να ξεκινούν από οτιδήποτε και να καταλήγουν σε οτιδήποτε. 3. Ένα σημειακό φορτίο, μηδενικής αρχικής ταχύτητας επιταχυνόμενο από τη δύναμη του πεδίου, θα ακολουθεί πάντα μία δυναμική γραμμή.

1. Στην οικογένεια των διανυσματικών μεγεθών η έννοια δύναμη έχει μεγαλύτερο κύρος από την ένταση. Για ορισμένους μαθητές η ένταση είναι «κάτι σαν δύναμη». 2. Η «αόρατη» δυναμική γραμμή είναι έννοια με υψηλό επίπεδο αφαίρεσης. Ακόμα και μέσα από εργαστηριακή διδασκαλία με την οποία επιχειρούμε να εικονοποιήσουμε τις δυναμικές γραμμές με σπόρους χλόης και καστορέλαιο δεν μπορούμε να συνδέσουμε με την εμπειρία την ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ των δυναμικών γραμμών. 3. Η δυναμική γραμμή είναι έννοια με υψηλό επίπεδο αφαίρεσης. Η σκέψη ωθείται στο να την «εικονοποιήσει» με βάση την έννοια τροχιά η οποία είναι σχετικώς πιο οικεία

1. Βάσει του ορισμού της έννοιας ένταση ηλεκτρικού πεδίου η ασκούμενη σε θετικό φορτίο δύναμη έχει την κατεύθυνση της έντασης, ενώ η ασκούμενη σε αρνητικό φορτίο δύναμη έχει κατεύθυνση αντίθετη από εκείνη της έντασης 2. Οι δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου «ξεκινούν» από θετικά φορτία και καταλήγουν σε αρνητικά φορτία. 3. Το σημειακό φορτίο επιταχυνόμενο από τη δύναμη του πεδίου έχει επιτάχυνση ο φορέας της οποίας συμπίπτει με τη δυναμική γραμμή Εφόσον λοιπόν η δυναμική γραμμή είναι ευθεία η τροχιά του σημειακού φορτίου θα συμπίπτει με τη δυναμική γραμμή. Εάν όμως η δυναμική γραμμή είναι καμπύλη η επιτάχυνση του φορτίου θα είναι εφαπτομένη στη δυναμική γραμμή και δεν θα έχει κεντρομόλο συνιστώσα ώστε αντικείμενο να μπορέσει να στρίψει και η τροχιά του να συμπέσει με τη δυναμική.

36

Page 37: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

4. Ο νόμος του Coulomb εφαρμόζεται σε δύο οποιαδήποτε φορτία ακόμα κι αν δεν είναι σημειακά. 5. Σε μια περιοχή ηλεκτρικού πεδίου υπάρχει ένας πεπερασμένος αριθμός δυναμικών γραμμών 6. Σε κάθε γεωμετρικό σημείο του ηλεκτρικού πεδίου ασκούνται δυνάμεις

4. Η ιδέα οικοδομείται πάνω στη λογική ότι ο νόμος Coulomb ισχύει για «τις δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων». Η ιδέα βρίσκει έδαφος για εξάπλωση εφόσον, κατά τη διδασκαλία του ζητήματος, δεν δίδεται έμφαση στη γεωμετρική πτυχή του ζητήματος. 5. Οι μαθητές διδάσκονται ότι «σε περιοχή που το πεδίο είναι ισχυρότερο η πυκνότητα των δυναμικών γραμμών είναι μεγαλύτερη», Είναι λογικό ορισμένοι από αυτούς να οδηγηθεί στην ιδέα για «περισσότερες γραμμές» η οποία εμπεριέχει και την ιδέα ενός αριθμού δυναμικών γραμμών. 6. Η ιδέα σχετίζεται με τη θεώρηση ότι στο πεδίο ασκούνται δυνάμεις καθώς και με την εννοιακή σύγχυση μεταξύ των εννοιών ΣΗΜΕΙΟ, ΥΛΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ και ΣΗΜΕΙΑΚΟ ΦΟΡΤΙΟ

4. Ο νόμος του Coulomb περιέχει την γεωμετρική έννοια «απόσταση δύο σημείων» και ως «δύο σημεία» θεωρούνται τα γεωμετρικά σημεία στα οποία «βρίσκονται» δύο σημειακά φορτία. Ο νόμος δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε δύο φορτισμένα αντικείμενα με διαστάσεις και με τυχαίο σχήμα. 5. Από κάθε γεωμετρικό σημείο του πεδίου διέρχεται μία δυναμική γραμμή. Σε μια λοιπόν οποιαδήποτε περιοχή του πεδίου δεν μπορεί να «υπάρχει» πεπερασμένος αριθμός δυναμικών γραμμών.

6. Δύναμη μπορεί να ασκείται ΣΕ ΥΛΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ - το οποίο είναι αντικείμενο με αδράνεια - και όχι σε ΣΗΜΕΙΟ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΟ. Το σημειακό φορτίο είναι και υλικό σημείο

7. Οι δυναμικές γραμμές ακτινοβολούν από το θετικό φορτίο προς το αρνητικό και μεταβιβάζουν κίνηση 8. Το ηλεκτρικό πεδίο δεν υπάρχει εκτός αν εμφανιστεί κάτι που θα το ανιχνεύσει

7. Η εικόνα με τις δυναμικές γραμμές ενός ακτινικού πεδίου οδηγεί συνειρμικά τη σκέψη στην εικόνα μιας σημειακής φωτεινής πηγής με ακτίνες φωτός. Αντιμέτωπη με το φαινόμενο της προσέγγισης ενός θετικού και ενός αρνητικού σημειακού φορτίου η σκέψη ωθείται στην ανάγκη να αναζητήσει κάποιο φορέα ευθυνόμενο για τη «μετάδοση της κίνησης» και οι δυναμικές γραμμές προσφέρονται ως μία λύση. 8. Ενίοτε η διδασκαλία μας δεν αποσαφηνίζει το ζήτημα, και το παρουσιάζει έτσι ώστε να υπονοείται μία σύνδεση της ύπαρξης του πεδίου με την ανίχνευσή του.

7. Οι δυναμικές γραμμές είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος απεικόνισης του αόρατου πεδίου. Μας δίνουν πληροφορίες για το [τη δράση του σε κάποιο υπόθεμα το οποίο θα κάνει ενδεχομένως την εμφάνισή του στο πεδίο. 8. Το πεδίο μπορεί να υφίσταται και να μην το γνωρίζει ο ερευνητής. Υφίσταται δηλαδή ανεξάρτητα από το εάν το ανιχνεύσαμε.

37

Page 38: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

9. Η διαφορά δυναμικού είναι ενέργεια 10. ∆εν υπάρχει σχέση ανάμεσα στη διαφορά δυναμικού και στο ηλεκτρικό πεδίο 11. Ο σπινθήρας δημιουργείται όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εκτοξεύει φορτία.

9. Ενίοτε οι διδασκόμενοι «εντάσσουν» μία έννοια σε μία άλλη σημαντικότερη και η έννοια ενέργεια έχει μεγαλύτερο κύρος από την έννοια διαφορά δυναμικού.

10. Ενίοτε - κατά τη διδασκαλία μας, - οι δύο έννοιες παρουσιάζονται ως τους ανεξάρτητες η μία από την άλλη χωρίς να επισημαίνεται ο μεταξύ τους συσχετισμός. Για μια τέτοιου παρουσίαση ευθύνεται και η δομή ορισμένων Προγραμμάτων Σπουδών

11. Η από αισθητηριακή αντίληψη εικόνα ενός σπινθήρα παραπέμπει συνειρμικά στη γενικότερη εικόνα εκπομπής φωτός. Και το φως εκπέμπεται κατά κανόνα από κάποια φωτεινή πηγή. Ο μαθητής ενεργοποιεί ένα δικό του ερμηνευτικό σχήμα στο οποίο «για να υπάρχει φως πρέπει κάτι να εκπέμπεται» και τα ηλεκτρικά φορτία προσφέρονται ως κάποια λύση

9. Η διαφορά δυναμικού αναφέρεται σε ένα διατεταγμένο ζεύγος γεωμετρικών σημείων και δεν είναι ενέργεια. Εάν όμως γνωρίζουμε την τιμής της μπορούμε να υπολογίσουμε την ενέργεια που θα μεταβιβαστεί από το πεδίο σε κάποιο σημειακό φορτίο ( ή και από το φορτίο στο πεδίο) κατά τη μετακίνηση του φορτίου από το ένα γεωμετρικό σημείο στο άλλο. 10. Η διαφορά δυναμικού υφίσταται εφόσον υφίσταται ηλεκτρικό πεδίο, εφόσον, με άλλα λόγια, η ένταση δεν είναι μηδενική. Ισχύει και το αντίστροφο. Εφόσον υφίσταται διαφορά δυναμικού θα υφίσταται και ηλεκτρικό πεδίο. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων της ίδιας δυναμική ς γραμμής (ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου) είναι ίση με το γινόμενο της έντασης του πεδίου επί την απόσταση των δύο σημείων. 11. Ο σπινθήρας δεν δημιουργείται από φορτία εκτοξευόμενα από κάπου αλλά από τις διεγέρσεις σωματιδίων που προϋπάρχουν στον αέρα.

12. Το ομογενές ηλεκτρικό πεδίο είναι –χρονικώς- αμετάβλητο

12. Η ιδέα δημιουργείται υπό την πίεση του «σημασιακού φορτίου» που μεταφέρουν οι προσδιορισμοί ομογενές και σταθερό. Ο προσδιορισμός ομογενές παραπέμπει σε κάτι σταθερό και ο

12. Όταν ένα πεδίο το χαρακτηρίζουμε ομογενές εννοούμε ομογενές στον χώρο. Σε ορισμένη δηλαδή χρονική στιγμή όλα τα γεωμετρικά σημεία του

38

Page 39: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

13. Το σημειακό φορτίο είναι κάτι χωρίς μάζα 14. Αν ένα σημειακό φορτίο αφεθεί σε ομογενές πεδίο θα κινηθεί πάντα προς μικρότερα δυναμικά 15. Αν ένα ηλεκτρικό δίπολο αφεθεί σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο δεν κινείται πάντα έτσι ώστε να μειωθεί η δυναμική του ενέργεια. 16. Το ηλεκτρόνιο είναι καθαρό φορτίο χωρίς μάζα

προσδιορισμός σταθερό φέρνει στη σκέψη κάτι που διατηρείται ίδιο στο κύλημα του χρόνου. 13. Η φράση σημειακό φορτίο δεν παραπέμπει σε κάποια υλικότητα. 14. Η ιδέα δημιουργείται στους μαθητές που γνωρίζουν ότι αυτό συμβαίνει για θετικά΄ φορτία και στη συνέχεια γενικεύουν τη γνώση τους για οποιοδήποτε φορτίο. Δημιουργείται επίσης και σε όσους γνωρίζουν ότι ένα οποιοδήποτε φορτίο κινείται έτσι ώστε να αποκτήσει μικρότερη δυναμική ενέργεια και συγχέουν τις έννοιες δυναμική ενέργεια και δυναμικό. 15. Στο ζήτημα αυτό δεν δίδεται έμφαση κατά τη διδασκαλία. 16. Η ιδέα οφείλεται στην ταύτιση των εννοιών «σωματίδιο ηλεκτρόνιο» και ηλεκτρικό ΄φορτίο . Για την ταύτιση αυτή ευθύνονται και ορισμένες διατυπώσεις του τύπου «κατευθυνόμενη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων» ή «κινούμενο φορτίο» και διατυπώσεις που χρησιμοποιούνται – με μια ειδική σημασία- από τους διδάσκοντες, αλλά εμφανίζονται και σε σχολικά εγχειρίδια φυσικής.

χώρου έχουν την ίδια ένταση, ας υποθέσουμε Ε1 . Αυτό σημαίνει ότι σε μια άλλη χρονική στιγμή όλα τα σημεία θα έχουν κοινή ένταση αλλά η τιμή της θα είναι Ε2, χωρίς τίποτε να εξασφαλίζει ότι Ε1= Ε2 . 13. Το σημειακό φορτίο είναι ένα υλικό σημείο με ηλεκτρικό φορτίο. Πρόκειται με άλλα λόγια για ένα μοντέλο, αντικείμενο με αδράνεια και φορτίο τις διαστάσεις του οποίου μπορούμε να αγνοήσουμε σε σύγκριση με κάποια απόσταση ή με κάποιον όγκο. 14. Ισχύει για θετικό φορτίο. Αν ένα αρνητικό σημειακό φορτίο αφεθεί θα κινηθεί προς μικρότερα δυναμικά. 15. Το ηλεκτρικό δίπολο προσανατολίζεται έτσι ώστε να μειωθεί η δυναμική του ενέργεια. Στη θέση ευσταθούς ισορροπίας η δυναμική του ενέργεια έχει την ελάχιστη τιμή 16. Το ηλεκτρόνιο είναι σωματίδιο με συγκεκριμένη μάζα ηρεμίας και είναι φορέας ηλεκτρικού φορτίου

39

Page 40: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

Ο ΠΥΚΝΩΤΗΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Ο πυκνωτής και η ηλεκτρική στήλη λειτουργούν βάσει των ίδιων νόμων 2. ∆ιαφορά δυναμικού υφίσταται στους οπλισμούς του πυκνωτή και όχι στον μεταξύ των οπλισμών χώρο 3.Το ηλεκτρικό φορτίο «ρέει» μέσα από διηλεκτρικά όπως το γυαλί

1. Ανάμεσα στον εκφορτιζόμενο πυκνωτή και στην ηλεκτρική στήλη υπάρχει κάτι κοινό. Και στις δύο περιπτώσεις δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Είναι συνεπώς εύλογο σε ορισμένους από τους διδασκόμενους να δημιουργηθεί η ιδέα ότι η λειτουργία των δύο διατάξεων βασίζεται στους ίδιους νόμους. Το εργαλείο για την οικοδόμηση της εναλλακτικής αυτής ιδέας είναι το νοησιακό σχήμα του να ερμηνεύουμε με τον ίδιο τρόπο καταστάσεις που δημιουργούν τα ίδια αποτελέσματα ενίοτε λειτουργεί. 2. Η διαφορά δυναμικού στο ηλεκτρικό ΄πεδίο που πηγάζει από το φορτίο ενός πυκνωτή συνήθως – κατά τη διδασκαλία μας - παρουσιάζεται μόνο ως διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο οπλισμών 3. Ο αντίπαλος γλώσσα. Η λέξη διηλεκτρικό παραπέμπει δε αντικείμενο μέσα από το οποίο περνάει «κάτι ηλεκτρικό». Ορισμένοι μαθητές δημιουργείται η ιδέα ότι αυτό που «ρέει» μέσα από το υλικό αντικείμενο είναι το ηλεκτρικό φορτίο.

1. Ο εκφορτιζόμενος πυκνωτής λειτουργεί βάσει νόμων που είναι διαφορετικοί από εκείνους στους οποίους βασίζεται η λειτουργία μιας ηλεκτρικής στήλης. 2. Στον χώρο μεταξύ των οπλισμών ενός φορτισμένου πυκνωτή υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο και αυτό σημαίνει ότι μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σημείων του χώρου υπάρχει διαφορά δυναμικού. Εξαιρούνται βέβαια τα σημεία που ανήκουν σε ισοδυναμικές επιφάνειες κάθετες στις δυναμικές γραμμές. 3. Τα διιηλεκτρικά, χαρακτηριζόμενα και μονωτές, αποτελούν μη αγώγιμα υλικά. Ο όρος διηλεκτρικά παραπέμπει στο ότι αν βρεθούν σε ηλεκτρικό πεδίο μέσα από το υλικό τους είναι δυνατόν ν α «διέρχονται» δυναμικές γραμμές να εγκαθίσταται δηλαδή ηλεκτρικό πεδίο κάτι που δεν συμβαίνει με τους μεταλλικούς αγωγούς οι οποίοι μπορούν να θωρακίσουν «την ενδοχώρα τους» από την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου.

40

Page 41: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

4. Η εξίσωση «φορτίο = χωρητικότητα επί διαφορά δυναμικού» είναι ένας βασικός θεωρητικός νόμος 5. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι ανάλογη με το φορτίο του 6. Για να φορτιστεί ένας πυκνωτής δεν χρειάζεται έργο

4. Συμβαίνει συχνά κατά διδασκαλία του μαθήματος η παρουσίαση των ποικίλων εξισώσεων να μην γίνεται έτσι ώστε να αποσαφηνίζεται ποιες από αυτές αναφέρονται σε φυσικούς νόμους και ποιες σε εξισώσεις ορισμού, αλλά να γίνεται έτσι ώστε όλα να παρουσιάζονται ως «τύποι». 5. Η εξίσωση ορισμού του μεγέθους χωρητικότητα συχνά εσωτερικεύεται από τους μαθητές μόνο ως μνήμη - εικόνα με σύμβολα q = CV και ως μνήμη με ήχο κιου ίσον σε επί βε . Όταν η μάθηση περιορίζεται σε τέτοιου είδους απομνημονεύσεις δεν γίνεται κατανοητό σε τι ακριβώς αναφέρεται καθένα από τα τρία μεγέθη. 6. Για τους περισσότερους μαθητές η έννοια έργο παραπέμπει συνειρμικά σε δύναμη και σε μηχανικά φαινόμενα και δεν φαίνεται ότι θα μπορούσε να συμβάλει στην περιγραφή φαινομένων όπως η φόρτιση ενός πυκνωτή. Οι ευθύνες γι αυτό πρέπει να επιμεριστούν και στη διδακτική παρουσίαση της έννοιας έργο

4. Η εξίσωση «φορτίο = χωρητικότητα επί διαφορά δυναμικού» είναι η εξίσωση ορισμού της χωρητικότητας και δεν είναι μία εξίσωση που περιγράφει αλγεβρικά κάποιο φυσικό νόμο. 5. Για έναν συγκεκριμένο πυκνωτή η εξίσωση ορισμού της χωρητικότητας q = CV αποτελεί και μία συνάρτηση με μεταβλητές το φορτίο q και τη διαφορά δυναμικού V και με σταθερή ποσότητα την τιμή C της χωρητικότητας. Το πνεύμα του ορισμού είναι ότι η τιμή της χωρητικότητας είναι ανεξάρτητη από τις τιμές φορτίου και τάσης 6. Για να φορτιστεί ένας πυκνωτής πρέπει να μεταβιβαστεί σ’ αυτόν ενέργεια . Η συγκεκριμένη μεταβίβαση γίνεται με μηχανισμό έργου

41

Page 42: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Τα φορτία που κινούνται στο κύκλωμα προέρχονται από την μπαταρία 2. Το ρεύμα «ξεκινά» από τον θετικό πόλο της πηγής και καταλήγει στον αρνητικό πόλο μέσω του εξωτερικού κυκλώματος 3. Σε ρευματοφόρο κύκλωμα τα ηλεκτρόνια κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός 4. Τα ηλεκτρόνια, σε ρευματοφόρο κύκλωμα, καθυστερούν όταν περνούν από έναν αντιστάτη

1. Η ιδέα εκπορεύεται από το νοησιακό σχήμα «εφόσον τα με φορτίο σωματίδια έχουν σε δεδομένη στιγμή μια ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ από κάπου να ξεκινούν» Ως σημείο αφετηρίας η μπαταρία αποτελεί μία βολική λύση. 2. Η ιδέα εκπορεύεται από το νοησιακό σχήμα «εφόσον το ηλεκτρικό ρεύμα έχει σε δεδομένη στιγμή μια ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ πρέπει λογικά από κάπου να ξεκινάει και κάπου να κατευθύνεται». Ο θετικός πόλος της πηγής προσφέρεται ως λογική αφετηρία και ως αρνητικός ως λογική κατάληξη. Εξάλλου οι -κατά τη διδασκαλία του μαθήματος- διατυπώσεις του τύπου ως φορά του ρεύματος ορίζεται η φορά από το θετικό πόλο προς τον αρνητικό συμβάλλουν στη δημιουργία της ιδέας αυτής. 3. Η ιδέα πηγάζει από το εμπειρικό γεγονός ότι το λαμπάκι ανάβει σχεδόν αμέσως όσο μακριά κι αν βρίσκεται από τη μπαταρία. 4. Η ιδέα εκπορεύεται από το νοησιακό σχήμα «ο ρόλος ενός αντιστάτη είναι να αντιστέκεται»

1. Τα κινούμενα σωματίδια με φορτίο δεν προέρχονται από την μπαταρία. Είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προϋπάρχουν στο μέταλλο. 2. Το ηλεκτρικό ρεύμα δεν είναι κάτι που ξεκινά από κάπου. Σε κάθε χρονική στιγμή έχει μία κατεύθυνση χωρίς αυτό να σημαίνει ότι έχει μία αφετηρία και κάποιο προορισμό.

3. Τα ηλεκτρόνια σε ένα ρευματοφόρο κύκλωμα κινούνται πολύ αργά. Η ταχύτητά τους είναι πάρα πολύ μικρή σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός 4. Τα ηλεκτρόνια δεν καθυστερούν επειδή περνούν από έναν αντιστάτη.

42

Page 43: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Κατά τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, το αμπερόμετρο πριν από το λαμπάκι δείχνει περισσότερο από όσο το άλλο αμπερόμετρο μετά το λαμπάκι Κατά τη φορά του ρεύματος, όταν το ρεύμα περάσει από έναν αντιστάτη εξέρχεται με μικρότερη ένταση 6. Ανάμεσα στους πόλους μιας στήλης δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα 7. Όσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία τόσο περισσότερα τα βολτ

5. Οι ιδέες αυτές πηγάζουν από νοησιακά σχήματα όπως το «για να ανάψει το λαμπάκι πρέπει κάτι να ξοδευτεί» ή «το ρεύμα μετά την περιπέτεια με το λαμπάκι -και εφόσον χωρίς αυτό δεν θα άναβε το λαμπάκι- πρέπει λογικά να βγει εξαντλημένο» 6. Η ιδέα σχετίζεται με την ιδέα ότι η στήλη στο κύκλωμα έχει ένα ρόλο ξεχωριστό. είναι 7. Η ιδέα βασίζεται στο νοησιακό σχήμα «όσο πιο μεγάλο είναι ένα αντικείμενο τόσο πιο ισχυρό θα είναι Και το «πόσα βολτ» μιας μπαταρίας είναι στοιχείο ταυτότητας που σχετίζεται με το πόσο ισχυρή είναι

5. Οσαδήποτε αμπερόμετρα και να βάλουμε σε οποιαδήποτε σημεία του κυκλώματος θα δείχνουν – σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή – την ίδια τιμή, αρκεί να μην παρεμβάλλεται κάποια διακλάδωση. Σε όλο το μήκος ενός κλάδου του κυκλώματος η ένταση –σε δεδομένη χρονική στιγμή – έχει την ίδια τιμή. 6. Η ηλεκτρική στήλη αποτελεί μία αγώγιμη περιοχή του κυκλώματος και εφόσον το κύκλωμα είναι ρευματοφόρο η στήλη διαρρέεται από ρεύμα. 7. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη μιας μπαταρίας μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη μιας μεγαλύτερης σε μέγεθος μπαταρίας

9. Το ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση είναι το ίδιο πράγμα

9. Η ιδέα σχετίζεται με διατυπώσεις της καθημερινής ζωής στις οποίες οι έννοιες τάση και ρεύμα ταυτίζονται. Ορισμένες φορές, λόγου χάριν, λέμε ότι το ρεύμα είναι 220 βολτ.

9. Ο όρος ηλεκτρικό ρεύμα υποδηλώνει μία εκδήλωση της ύλης, ένα φαινόμενο. Ο όρος τάση είναι έννοια αναφερόμενη σε τμήμα κυκλώματος και σχετιζόμενη μ ε τη διαμόρφωση μιας αιτίας για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Ο ίδιος όρος τάση υποδηλώνει επίσης κάποια ποσότητα μετρούμενη σε βολτ.

43

Page 44: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

10. Οι αντιστάτες καταναλίσκουν ηλεκτρικό φορτίο 11. Όσο πιο ογκώδης είναι ο αγωγός, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση 12. Η ισοδύναμη αντίσταση δύο αντιστατών σε παράλληλη σύνδεση είναι μεγαλύτερη από τη μεγαλύτερη από αυτές. 13. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη αναφέρεται σε δύο σημεία του κυκλώματος 14. Ο αντιστάτης, ρευματοδοτούμενος, θερμαίνεται με τη θερμότητα που παράγεται από το ηλεκτρικό ρεύμα.

10. Εφόσον οι αντιστάτες περιγράφονται και ως καταναλωτές «κάτι» πρέπει να καταναλώνουν και η ποσότητα ηλεκτρικό φορτίο προσφέρεται. 11. Ένα ογκώδες αντικείμενο έχει μεγαλύτερη αδράνεια από ένα άλλο μικρότερου μεγέθους, από το ίδιο υλικό, και η αδράνεια εκδηλώνεται ως μία «αντίσταση σε αλλαγές» . Η σκέψη λειτουργεί αναλογικά και καταλήγει στην ιδέα ότι το πιο ογκώδες θα έχει και μεγαλύτερη ηλεκτρική αντίσταση. 12. Εφόσον χρησιμοποιούμε δύο αντιστάτες – έστω και σε παράλληλη σύνδεση- το να δημιουργείται αντίσταση μεγαλύτερη θεωρείται «λογικό» 13. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη, μετρούμενη σε βολτ, συγχέεται με την τάση η οποία επίσης έχει ως μονάδα το βολτ. Στη δημιουργία της σύγχυσης συμβάλλει και η παρουσίαση της έννοιας ηλεκτρεγερτική δύναμη στα Προγράμματα Σπουδών 14. Η ιδέα βασίζεται πάνω στη γενικότερη ιδέα ότι «για να θερμανθεί ένα αντικείμενο πρέπει οπωσδήποτε να του προσφέρουμε θερμότητα». Σχετίζεται επίσης και με διατυπώσεις του τύπου «με το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται θερμότητα»

10. Μπορούμε να θεωρούμε ότι κάθε αντιστάτης καταναλίσκει ενέργεια υπό την έννοια ότι μεταβιβάζεται σε αυτόν ενέργεια – με μηχανισμό έργου – η οποία υποβαθμίζεται 11. Ένας αντιστάτης μπορεί να έχει αντίσταση μικρότερη από έναν άλλο μικρότερου όγκου. Αν λόγου χάριν είναι και οι δύο κυλινδρικοί ίδιου μήκους και από το ίδιο υλικό, ο ογκωδέστερος έχει μικρότερη αντίσταση. 12. Η ισοδύναμη αντίσταση δύο αντιστατών σε παράλληλη σύνδεση είναι μικρότερη από τη μικρότερη από αυτές. 13. Η τάση αναφέρεται σε δύο σημεία του κυκλώματος. Για την ηλεκτρεγερτική δύναμη δεν ισχύει αυτό. Η έδρα της δεν είναι γεωμετρικά εντοπισμένη σε δύο σημεία. 14. Στον ρευματοδοτούμενο αντιστάτη μεταβιβάζεται ενέργεια με μηχανισμό έργου. Αυτό που κατά κανόνα συμβαίνει είναι να αποδίδει στο περιβάλλον ενέργεια με μηχανισμό θερμότητας η οποία είναι σε ποσότητα λιγότερη από το έργο, με συνέπεια να αυξάνεται η εσωτερική (θερμική) του ενέργεια και η θερμοκρασία του.

44

Page 45: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

15. Ο ηλεκτρισμός είναι ενέργεια.

15. Η ιδέα πηγάζει από το δεδομένο ότι ορισμένοι όροι ηλεκτρισμός και ενέργεια κυκλοφορούν στη γλώσσα της καθημερινότητας με σημαινόμενα μη επιστημονικά

15. Ο όρος ηλεκτρισμός υποδηλώνει μια σειρά από φαινόμενα και ιδιότητες. Η ενέργεια είναι έννοια της επιστήμης με την οποία μπορούμε να περιγράψουμε ορισμένα από τα ηλεκτρικά φαινόμενα.

45

Page 46: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΤΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου ενός μαγνήτη ξεκινούν από τον ένα πόλο και καταλήγουν στον άλλο 2. Οι πόλοι ενός μαγνήτη μπορούν να απομονωθούν 3. Η ασκούμενη δύναμη σε κινούμενο σωματίδιο με φορτίο έχει την κατεύθυνση της δυναμικής γραμμής του μαγνητικού πεδίου 4. Σε σημειακό φορτίο μηδενικής ταχύτητας ασκείται δύναμη από το μαγνητικό πεδίο

1. Η ιδέα πηγάζει α. από τη γνώση ότι οι δυναμικές γραμμές του -χρονικώς σταθερού- ηλεκτρικού πεδίου ξεκινούν από θετικά φορτία και καταλήγουν σε αρνητικά και β. από την αναλογία «θετικό φορτίο – θετικός (βόρειος) πόλος» Η εργαστηριακή εμπειρία με τον ραβδομαγνήτη και τα ρινίσματα σιδήρου ενισχύει την ιδέα αυτή καθώς τα ρινίσματα «δείχνουν» να διατάσσονται σε γραμμές που συνδέουν τους πόλους του μαγνήτη 2. Δεν υπάρχει κάτι αντίστοιχο στην τρέχουσα εμπειρία. Είναι συνεπώς «λογικό» εφόσον είναι δύο να μπορούν να ξεχωρίσουν. 3. Η ιδέα εδράζει α. στη γνώση για τη δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου και για τη δύναμη του πεδίου βαρύτητας και β. στη χρήση μιας λογικής αναλογίας. Εξάλλου ο όρος δυναμικές γραμμές που σημαίνει γραμμές δύναμης οδηγεί τη νόηση στη δημιουργία μιας τέτοιας ιδέας. 4. Η ιδέα εδράζει α. στη γνώση για τη δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου και β. στη χρήση μιας λογικής αναλογίας.

1. Oι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι κλειστές 2. Οι δύο πόλοι δεν απομονώνονται 3. Η ασκούμενη σε κινούμενο σωματίδιο με φορτίο δύναμη είναι κάθετη στη δυναμική γραμμή 4. Σε σημειακό φορτίο μηδενικής ταχύτητας ασκείται δύναμη από το μαγνητικό πεδίο

46

Page 47: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Η μαγνητική ροή που περνά από μια επιφάνεια είναι το ίδιο με τις δυναμικές γραμμές που περνούν από την επιφάνεια 6. Υπάρχουν δύο διαφορετικά μαγνητικά πεδία. Το ένα δημιουργείται από μαγνήτη και το άλλο από κινούμενα φορτία 7. Το ρευματοφόρο καλώδιο έλκει τη μαγνητική βελόνα

5. Η δημιουργία της ιδέας οφείλεται στον συνήθη τρόπο διδακτικής παρουσίασης των δύο γνωστικών αντικειμένων και Στο ότι πρόκειται για δύο γνωστικά αντικείμενα με υψηλό επίπεδο αφαίρεσης η κατανόηση του οπίου δεν μπορεί να θεμελιωθεί πάνω σε εργαστηριακή εμπειρία. 6. Η επιστημονική σκέψη της εποχής του Ampere διατηρούσε επί αρκετά χρόνια μια ερωτηματική στάση πάνω στο ζήτημα. 7. Οι αναπαραστάσεις των διαφόρων μορφών αλληλεπίδρασης βασίζονται κυρίως στα αρχέτυπα «έλξη- άπωση». Μέχρι την εμφάνιση των ιδεών του ηλεκτρομαγνητισμού η ιδέα για μια δύναμη όπως η μαγνητική δεν είχε κάνει την εμφάνισή της.

5. Η μαγνητική ροή είναι αλγεβρική ποσότητα αναφερόμενη σε μαγνητικό πεδίο και σε γεωμετρική επιφάνεια . Αναφερόμενοι στο ίδιο πεδίο, σε δύο επιφάνειες και στις αντίστοιχες τιμές των μαγνητικών ροών αποδεχόμαστε ότι ο λόγος των απόλυτων τιμών των δύο ροών μας δίδει τον λόγο των αντίστοιχων αριθμών των δυναμικών γραμμών. 6. Δεν υπάρχουν δυο μορφές μαγνητικών πεδίων. Θεωρούμε ότι στον Μικρόκοσμο κάθε μαγνήτη υπάρχουν κυκλικά ρεύματα. 7. Το ρευματοφόρο καλώδιο επιδρά στη μαγνητική βελόνα αλλά η συγκεκριμένη επίδραση δεν είναι έλξη

47

Page 48: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΠΑΓΩΓΗ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Η επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη δημιουργείται σε μια μεταλλική σπείρα μόνο κατά τη μετακίνηση του μαγνήτη και όχι με τη μετακίνηση της σπείρας 2. Η δημιουργία επαγωγικού ηλεκτρικού ρεύματος δεν προϋποθέτει μεταβίβαση ενέργειας 3. Η επαγόμενη τάση στα άκρα ενός αγωγού είναι πάντα ίση με την επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη. 4. Επαγωγική τάση δημιουργείται μόνο σε κλειστό κύκλωμα

1. Στα Προγράμματα Σπουδών δεν δίδεται ιδιαίτερη έμφαση στη σχετικότητα των κινήσεων και στην έννοια σύστημα αναφοράς. 2. Από αρκετούς μαθητές η έννοια ενέργεια εσωτερικεύεται ως έννοια της Μηχανικής 3. Τα Προγράμματα Σπουδών – κατά συνέπεια και οι διδασκαλίες των καθηγητών - δεν εστιάζουν στην εννοιακή διάκριση μεταξύ τάσης και ηλεκτρεγερτικής δύναμης. 4. Το φαινόμενο ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ταυτίζεται με το φαινόμενο δημιουργία επαγωγικού ρεύματος.

1. Η επαγωγική ηλεκτρεγερτική δύναμη δημιουργείται εφόσον ο μαγνήτης και η σπείρα βρίσκονται σε σχετική κίνηση. 2. Η δημιουργία οποιουδήποτε ηλεκτρικού ρεύματος προϋποθέτει μεταβίβαση ενέργειας 3. Η τάση αναφέρεται σε δύο σημεία του κυκλώματος. Εφόσον το κύκλωμα είναι ανοικτό, η επαγόμενη τάση στα «άκρα του» είναι ίση με την επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη στο κύκλωμα 4. Επαγωγική τάση δημιουργείται εφόσον συντελείται μεταβολή της μαγνητικής ροής είτε το κύκλωμα είναι κλειστό είτε ανοικτό. Εάν το κύκλωμα είναι κλειστό θα δημιουργηθεί και επαγωγικό ρεύμα

48

Page 49: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

5. Εάν, κατά τη διάρκεια μιας μεταβολής της μαγνητικής ροής ισχύει ∆Φ > 0 σημαίνει ότι οπωσδήποτε αυξήθηκε ο αριθμός των δυναμικών γραμμών που τρυπούν την επιφάνεια 6. Κάθε δυναμική γραμμή οποιουδήποτε ηλεκτρικού πεδίου ξεκινά από θετικό φορτίο και καταλήγει σε αρνητικό. 7. Στο εναλλασσόμενο ρεύμα κάθε ηλεκτρόνιο κάνει όλη τη διαδρομή κατά μήκος του κυκλώματος και στη συνέχεια την ξανακάνει με αντίθετη κατεύθυνση 8. Η ∆ΕΗ μας προσφέρει ηλεκτρόνια για να λειτουργήσουν οι ηλεκτρικές συσκευές

5. Κατά τη διδασκαλία χρησιμοποιείται η διατύπωση «η μαγνητική ροή είναι ανάλογη προς τον αριθμό των δυναμικών γραμμών». Η διατύπωση αυτή υπαινίσσεται ότι η μαγνητική ροή είναι θετική ποσότητα. 6. Στα Προγράμματα Σπουδών υιοθετείται ο όρος ηλεκτρικό πεδίο τόσο για το ηλεκτροστατικό όσο και για το χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτροστατικό πεδίο απασχολεί τους διδασκόμενους σε πολλαπλάσιο αριθμό μαθημάτων και εσωτερικεύεται ως ηλεκτρικό πεδίο. 7. Η ιδέα είναι συνέπεια της εικονικής αναπαράστασης για το ηλεκτρικό ρεύμα στην οποία τα ηλεκτρόνια κινούνται «γύρω- γύρω». Οι σχετικές εικόνες με ηλεκτρόνια συμβάλλουν στη διαμόρφωση αυτών των αναπαραστάσεων. 8. Το ηλεκτρικό ρεύμα εσωτερικεύεται ως ένα «ρεύμα ηλεκτρονίων» και το μηχανικό ανάλογο με το κύκλωμα νερού ενθαρρύνει την εικονική αυτή αναπαράσταση. Εφόσον η Εταιρεία Υδάτων μας προσφέρει νερό που το παίρνουμε με το άνοιγμα της βρύσης έτσι και η ΔΕΗ μας διοχετεύει ηλεκτρόνια που έρχονται μόλις πατήσουμε το διακόπτει για να ανάψουμε το φως

5. Μόνον εφόσον οι δύο τιμές της ροής – η αρχική και η τελική- είναι θετικές η σχέση ΔΦ>0 συνεπάγεται ότι αυξήθηκε ο αριθμός των δυναμικών γραμμών. 6. Στο χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο οι δυναμικές γραμμές είναι κλειστές 7. Στο εναλλασσόμενο ρεύμα τα ηλεκτρόνια , εκτός από τη θερμική τους κίνηση εκτελούν και ταλαντώσεις 8. Η ΔΕΗ μας προσφέρει ενέργεια . Τα ηλεκτρόνια προϋπάρχουν στους αγωγούς. Είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου.

49

Page 50: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. 2. Το ηλεκτρόνιο είναι όπως ένας τεχνητός δορυφόρος. Μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε τροχιά. 3. Κατά τη ραδιενέργεια τα άτομα εξαφανίζονται.

1. Το πλανητικό ανάλογο συνήθως «αποπλανεί» τους νεαρούς μαθητές και τις νεαρές μαθήτριες. 2. Είναι πολύ λογικό εφόσον «υπάρχει χώρος» 3. Το φαινόμενο Ραδιενέργεια εσωτερικεύεται ως ένα είδος καταστροφής

1. Το ηλιακό μας σύστημα απομονωμένο σε κάποια γειτονιά του Σύμπαντος γράφει την ιστορία του χωρίς «συγκρούσεις» με τα υπόλοιπα. Τα πράγματα είναι εντελώς διαφορετικά στην περίπτωση των ατόμων. Σε κάθε δευτερόλεπτο "της ζωής του" κάθε "πλανητικό" ατομικό συγκρότημα -ευρισκόμενο σε αδιάκοπη θερμική κίνηση- συγκρούεται με κάποιο άλλο ατομικό συγκρότημα δισεκατομμύρια φορές. Εάν κάτι ανάλογο συνέβαινε σε δύο ηλιακά συστήματα, στην καλύτερη περίπτωση οι τροχιές των πλανητών θα είχαν τόσο διαταραχθεί που το σύστημα δεν θα θύμιζε σε τίποτα "αυτό που ήταν" πριν από τη σύγκρουση. Στον Μικρόκοσμο των ατόμων η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Κάθε ατομικό "πλανητικό" συγκρότημα βγαίνει από τις αδιάκοπες συγκρούσεις εντελώς αναλλοίωτο. Αυτό τουλάχιστον συμπεραίνουμε από τη χημική του συμπεριφορά. 2. Στο Μοντέλο του Bohr το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε τροχιά 3. Κατά τη ραδιενέργεια τα άτομα αλλοιώνονται αλλά δεν εξαφανίζονται

50

Page 51: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

4. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι τα μόνα στοιχειώδη σωματίδια

4. Τόσο η Χημεία όσο και ο Ηλεκτρομαγνητισμός αναφέρονται μόνο σε αυτά τα δύο σωματίδια, δείχνουν να ενδιαφέρονται μόνο γι αυτά.

4. Σήμερα οι φυσικοί θεωρούν ότι το ηλεκτρόνιο είναι στοιχειώδες σωματίδιο και ότι το πρωτόνιο δεν είναι αλλά συγκροτείται από τρία κουάρκ

51

Page 52: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ

Εναλλακτικές ιδέες

Το ΛΑΘΟΣ «να το πάρουμε αγκαλιά»

Η άποψη των φυσικών

1. Τα φωτόνια μεγαλύτερης συχνότητας είναι πιο ογκώδη από τα φωτόνια μικρότερης συχνότητας. 2. Όλα τα φωτόνια έχουν την ίδια ενέργεια. 3. Το κύμα δεν μπορεί να έχει σωματιδιακές ιδιότητες. 4. Ένα σωματίδιο δεν μπορεί να έχει κυματικές ιδιότητες. 5. Το φωτόνιο είναι σωματίδιο και στο εσωτερικό του υπάρχει ένα κύμα. 6. Το φως, μπορεί σε κάποιο σημείο του χώρου να είναι σωματίδιο και την ίδια στιγμή, σε ένα άλλο σημείο, να είναι κύμα. 7. Μεγαλύτερη ένταση φωτός σημαίνει ότι το μέγεθος των φωτονίων είναι μεγαλύτερο

1. Η ιδέα πηγάζει από τη λογική σκέψη ότι τα μεγαλύτερης συχνότητας φωτόνια έχουν μεγαλύτερη ενέργεια είναι συνεπώς πιο «μεγάλα». Η αναπαράσταση ενός αντικειμένου που είναι «μεγάλο» σχετίζεται με την εικόνα ενός αντικειμένου που είναι ογκώδες. 2. Η ιδέα πηγάζει από το δεδομένο ότι όλα τα φωτόνια έχουν την ίδια ταχύτητα στο κενό . 3 και 4 . Η κοινή λογική αρνείται να αποδεχθεί ότι ένα κύμα μπορεί να έχει ιδιότητες σωματιδίου, όπως και το αντίστροφο. Θεωρεί ότι η έννοια σωματίδιο αποτελεί άρνηση της έννοιας κύμα. 5. Η νόηση αρνούμενη να αποδεχθεί τη διττή υπόσταση δημιουργεί ένα σχήμα δομημένο πάνω σε εικόνα 6. Η νόηση αρνούμενη να αποδεχθεί τη διττή υπόσταση δημιουργεί ένα σχήμα χρησιμοποιώντας αυθαίρετα τον χώρο και τον χρόνο 7. Η ανάγκη να εξηγήσει το «μεγαλύτερη ένταση» ωθεί τη νόηση στο να υιοθετήσει ένα σχήμα στο οποίο να παίζει ρόλο το μέγεθος των φωτονίων.

1. Η σύγκριση των όγκων δύο φωτονίων δεν έχει νόημα 2. Η ενέργεια κάθε φωτονίου είναι ανάλογη προς τη συχνότητά του. 3 και 4 . Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα έχει και σωματιδιακές ιδιότητες. Το οποιοδήποτε σωματίδιο έχει και κυματικές ιδιότητες 5. Το φωτόνιο είναι σωματίδιο με μηδενική μάζα ηρεμίας 6. Σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου το φως είναι σωματίδιο-κύμα 7. Η ένταση του φωτός σχετίζεται τόσο με τον ανά μονάδα χρόνου αριθμό φωτονίων όσο και με τη συχνότητα των φωτονίων.

52

Page 53: 190 εναλλακτικές ιδέες misconceptions

53

8. Το ηλεκτρονιακά νέφη είναι εικόνες των τροχιών. 9. Η Κυματοσυνάρτηση περιγράφει την τροχιά ενός ηλεκτρονίου. 10. Η θέση ενός σωματιδίου μπορεί να είναι πάντοτε γνωστή. 11. Η Αρχή της Απροσδιοριστίας απορρέει από τα όρια των συσκευών μέτρησης.

8. Η έννοια τροχιά προσφέρει μία εικόνα και προκειμένου να κατανοηθεί ένα γνωστικό αφηρημένο αντικείμενο η εικόνα είναι μία «καλή λύση». Η έννοια τροχιά προσφέρει μία εικόνα 9. Η έννοια Κυματοσυνάρτηση είναι ένα «σκληρό» αφηρημένο γνωστικό αντικείμενο. Η λύση μιας εικόνας τροχιάς προσφέρεται και καταφεύγει κανείς σ’ αυτήν με την αυταπάτη ότι κάτι κατανόησε. 10. Η ιδέα βασίζεται στη κοινή περί χώρου λογική και στις αντίστοιχες χωρικές αναπαραστάσεις. 11. Ο τρόπος που παρουσιάζεται συνήθως το ζήτημα οδηγεί στη δημιουργία μιας τέτοιας ιδέας

8. Το ηλεκτρονικό νέφος δεν είναι η εικόνα της τροχιάς 9. Η σχετική Κυματοσυνάρτηση επιχειρεί να περιγράψει τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου και όχι την τροχιά του 10. Η θέση ενός σωματιδίου δεν μπορεί να είναι πάντοτε γνωστή. 11. Η Αρχή της Απροσδιοριστίας δεν έχει σχέση με τα όρια των συσκευών μέτρησης