الطرائف العلمية – مدخل لتدريس العلوم – للدكتور صبري الدمرداش

بئر مالها قرار !

دخل المعلم، وكان موضوع الدرس " الجاذبية الأرضية " وبعد أن شرح الدرس شرحا وافيا، أراد أن يناقش مع تلاميذه إحدى المسائل الطريفة.
المعلم:من المعروف أن أعمق بئر لا تمتد في باطن الأرض إلى أكثر من 7.5كم، ولكن لنفترض أن هناك بئرا تمتد بطول محور الأرض، أي من قطب إلى آخر ( نصف قطر الكرة الأرضية 6400كم)، وأن هناك شخصا قد سقط في هذه البئر التي ليس لها قرار، فماذا يمكن أن يحدث لهذا الشخص إذا ما تجاهلنا مقاومة الهواء؟
الفصيح: إنه سوف يصطدم بالقاع ويتهشم.
المعلم: قلنا إن البئر ليس لها قاع يا فصيح، فأين سيستقر إذن؟
الفصيح: في مركز الأرض.
المعلم: لا، ذلك لأنه عند وصوله إلى المركز تكون سرعة سقوطه قد بلغت حدا كبيرا جدا
( 8كم/ث)، مما يجعل وقوفه في تلك النقطة أمرا مستحيلا.
الفصيح: لا يصطدم بالقاع، ولا يستقر في المركز، فماذا إذن؟!!
المعلم: سوف يستمر في سقوطه إلى أسفل مع تخفيف سرعة السقوط تدريجيا إلى أن يصل إلى مستوى حافات فتحة البئر المقابلة، وهنا يجب أن يتشبث قويا بحافة البئر وإلا سقط فيها مرة ثانية وعاد أدراجه إلى الفتحة الأولى.
الفصيح:وإذا لم يستطع أن يتشبث هذه المرة بشيء ما؟!
المعلم: سوف يعاود السقوط ثانية، ويبقى على هذه الحالة من الذهاب والإياب.
الفصيح: إلى ما لا نهاية؟
المعلم: إلى ما لا نهاية؟ وهذا هو نفس الشيء الذي تؤكده قوانين الميكانيكا القائلة بأن الجسم في هذه الحالة، عند إهمال مقاومة الهواء في داخل البئر، يجب أن يتأرجح بين الفتحتين باستمرار.
الفصيح: ولكن ما هي المدة التي تستغرقها عملية السقوط ذهابا وايابا؟.
المعلم: حوالي الساعة والنصف،وعلى وجه التدقيق 84دقيقة و24ثانية.
الفصيح: هذا لو حفرت البئر بامتداد محور الأرض، أي من قطب إلى قطب، ولكن ماذا لو كانت الفتحتان واقعتين في مستوى محيط الأرض؟
المعلم: يمكننا في هذه الحالة أن نمسك الشخص الساقط في البئر من يده عند خروجه من الفتحة المقابلة حيث تكون سرعته مساوية للصفر.
الفصيح: وهل يمكن عمل ذلك أيضا بالنسبة للحالة الأولى؟
المعلم: يجب أن نحذر من مسك يد الشخص لأنه يتحرك بسرعة كبيرة جدا.
الفصيح: ذلك كله على افتراض تجاهل مقاومة الهواء، فماذا عند أخذ مقاومة الهواء في الاعتبار.
المعلم: هذا أمر متروك لتصورك يا فصيح * .

........................................
* : عند وجود مقاومة في الهواء ، فإن التأرجح سيهدأ بالتدريج ، وينتهي الأمر بتوقف الجسم عند مركز الأرض .

صدق أو لا تصدق... طن الخشب أثقل وزناً من طن الحديد!!

دخل المعلم، وكان موضوع المحاضرة ( أمثلة لكيفية تدريس العلوم في المرحلة الإعدادية ) لطلاب السنة الثالثة بكلية التربية جامعة عين شمس، وكان المثال الذي اختاره لطلاب شعبة العلوم الفيزيقية هو "قاعدة أرشميدس ". والمثال الذي اختاره لطلاب شعبة التاريخ الطبيعي
" فسيولوجيا الأوراق".وعندما فرغ من شرح المثال الأول الخاص بطلاب شعبة العلوم الفيزيقية، كانت المحاضرة قد انتهت بالفعل، ومن ثم بادر طلابه: أيهما أثقل وزنا طن الخشب أم طن الحديد؟!!. وهنا همهم بعض الطلاب وصاح بعضهم الآخر بأن هذا ليس سؤالا، ولولا معرفتهم لطريقة معلمهم في التدريس وهي تطعيم محاضراته ببعض الطرائف العلمية بقصد جذبهم وإثارتهم لأخذوا السؤال المطروح موضع الاستخفاف، ولكنهم جدوا في البحث عن إجابة له ووعدهم- كعادته – بأن من يوفق في معرفة الإجابة عليه له جائزة مادية رمزية، وانصرف المعلم وسط ضجيج طلابه بمقترحات تستهدف الإجابة على السؤال.
ولما كانت المحاضرة التالية، وجد المعلم طلابه قد انقسموا إلى فريقين: الأول يرى أنه لا فرق بين وزن طن الخشب وطن الحديد فهما متساويان، بينما يرى الثاني أن الخشب أثقل من الحديد ( وهي الإجابة الصحيحة فعلا)، وعندما سأل المعلم أصحاب هذا الفريق عن وجهة نظرهم قالوا: أبدا.. فما دامت هذه طرفة علمية فلا بد أن تكون الإجابة في منتهى الغرابة وهي الإجابة التي اقترحناها. فقال لهم: وهل لديكم تفسير لهذه الإجابة؟ فلم يحروا جوابا، وعندئذ أعلن على بقية المجموعة من الطلاب أن الوزن الحقيقي لطن الخشب أكبر فعلا من الوزن الحقيقي لطن الحديد. وقبل أن يسمع إجابة الطلاب، أسرع بالقول:...وإليكم التفسير:
إن قاعدة أرشميدس لا تنطبق على السوائل فحسب، وإنما تنطبق على الغازات أيضا، إن كل جسم موجود في الهواء يفقد من وزنة مقدارا يساوي وزن الهواء الذي يزيحه، وبالطبع، فإن الخشب والحديد أيضا يفقدان جزءا من وزنهما في الهواء، ولكي نحسب وزنيهما الحقيقيين، يجب إضافة الفقدان، وهكذا فإن الوزن الحقيقي للخشب في هذه الحالة يساوي طن + وزن الهواء الذي يزيحه الخشب، والوزن الحقيقي للحديد يساوي طن + وزن الهواء الذي يزيحه الحديد. ولكن طن الخشب يشغل حجما أكبر من الحجم الذي يشغله طن الحديد بـ15 مرة. ولذالك، فإن الوزن الحقيقية لطن الخشب أكبر من الوزن الحقيقي لطن الحديد! وإذا أردنا التعبير الدقيق وجب علينا أن نقول بأن الوزن الحقيقي للخشب الذي يزن في الهواء طنا واحدا أكبر من الوزن الحقيقي للحديد الذي يزن في الهواء طنا واحدا أيضا. وبما أن طن الحديد يشغل حجما قدرة 8/1 م3، بينما يشغل طن الخشب حوالي 2م3، فإن الفرق بين وزني الهواء المزاح في الحالتين يجب أن يساوي 2.5 كجم تقريبا، وهكذا يكون الوزن الحقيقي لطن الخشب أكبر من الوزن الحقيقي لطن الحديد بمقدار 2.5 كجم!.

رحم الله... الإحتكاك!

دخل المعلم وكان موضوع الدرس " الإحتكاك" وبعد أن أوضح مفهومة، أخذ في بيان أهميته حيث قال: إن الإحتكاك ظاهرة واسعة الانتشار جدا بحيث لا نستطيع الاستغناء عنه إلا في حالات استثنائية نادرة، إنه يهرع لمساعدتنا من تلقاء نفسه فهو يمكننا من المشي والجلوس والعمل دون أن نخشى من سقوط الكتب والمحبرة على الأرض، أو من زحف المنضدة أو من انفلات القلم من بين الأصابع. والاحتكاك يساعد كذلك على الاتزان المستقر، إن النجارين يقومون بتسوية الأرض الخشبية للغرفة لكي تقف المناضد والكراسي في الأماكن التي توضع فيها. والأواني والأطباق والأقداح الموضوعة على المنضدة تبقى ثابتة في أماكنها دون أن نهتم بأمرها إلا إذا كانت معرضة للاهتزاز مثلا عند وجودها على متن باخرة.
وبعد أن أفرغ المعلم مقولته، خطر للفصيح أن يسأله سؤالا.
الفصيح: ماذا يحدث – أستاذي- لو فرضنا أن الإحتكاك اختفى من العالم فجأة؟!.
المعلم سيحدث ما لا يحمد عقباه.
الفصيح: هل من أمثلة؟
المعلم: لولا وجود الإحتكاك لما كان باستطاعتنا أن نمسك أي شيء بأيدينا، ولما سكنت الأعاصير، ولما خفتت الأصوات وإنما كانت ستسمع مثل الصدى الأزلي الذي ينعكس مثلا على جدران الغرفة دون أن يضعف، ولما كان باستطاعتنا أن نمسك أي شيء بأيدينا.
الفصيح: وهل يمكن أن يحدث ذلك فعلا؟
المعلم: في بعض الحالات.
الفصيح: هل من أمثلة؟
المعلم: لقد أدى تكون غطاء جليدي صلب في شوارع لندن عام 1927 إلى صعوبة مرور المشاة، والسيارات مما ترتب عليه نقل حوالي 14000 شخص إلى المستشفيات، بسبب إصابتهم برضوض في الأيدي والأرجل وغيرها، كما دمرت سيارات ثلاث تدميرا كاملا بعد انفجار خزانات وقودها إثر اصطدامها بترامين بالقرب من " هايد بارك"، كذلك أدى تكون غطاء جليدي على الأرض في باريس إلى وقوع عدد كبير من الحوادث المؤلمة في المدينة وضواحيها .

شذوذ.. مغناطيسي!

دخل المعلم وكان موضوع الدرس" البوصلة: تركيبها، واستخدامها" وأثناء الشرح أراد أن يثير مع تلاميذه المسألة الطريفة التالية:
المعلم: لقد اعتدنا على التفكير بأن أحد طرفي الإبرة المغناطيسية يشير إلى الشمال دائما بينما يشير الطرف الآخر إلى الجنوب، ولكن في أي مكان من الكرة الأرضية يشير كلا من طرفي الإبرة المغناطيسية إلى الشمال؟.
الفصيح:إنه سؤال غير معقول بالمرة.
المعلم: وإليك سؤالا آخر يا فصيح، في أي مكان من الكرة الأرضية يشير كلا من طرفي الإبرة المغناطيسية إلى الجنوب؟.
الفصيح: أؤكد لك – أستاذي- أن هذين المكانين لا ولن يوجدا على سطح الكرة الأرضية.
المعلم: بل هما موجودان بكل تأكيد.
الفصيح: كيف؟!
المعلم: إذا علمت أن قطبي الأرض المغناطيسيين لا ينطبقان مع قطبيها الجغرافيين، فسوف تعرف من تلقاء نفسك عن أي مكانين من الكرة الأرضية يجري الحديث في هذه المسألة أي اتجاه ستشير إبرة البوصلة الموضوعة على القطب الجغرافي الجنوبي؟
الفصيح: لا أستطيع أن أعرف.
المعلم: سيكون أحد طرفي الإبرة المغناطيسية متجها نحو أقرب قطب مغناطيسي، وسيتجه الطرف الآخر في الاتجاه المعاكس، ولكن مهما كان الاتجاه الذي سنبتعد فيه عن القطب الجغرافي الجنوبي فإننا سنجد أنفسنا سائرين نحو الشمال.
الفصيح: كيف هذا؟! إن هذا محض تصوير غير معقول.
المعلم: لا يا فصيح. والسبب بسيط وهو أنه لا يوجد أي اتجاه آخر يبدأ من القطب الجغرافي الجنوبي حيث لا يحيط به إلا الشمال، وهذا يعني أن كلا طرفي الإبرة المغناطيسية الموضوعة هناك سيشيران إلى الشمال.
الفصيح: وأعتقد أن نفس الشيء يحدث بالنسبة لكلا طرفي الإبرة المغناطيسية الموضوعة على القطب الجغرافي الشمالي؟
المعلم: نعم، إنهما سيشيران حتما إلى الجنوب.
الفصيح: ياله من شذوذ مغناطيسي!.

لو عرف السبب...!

دخل المعلم وكان موضوع الدرس " المغناطيس الكهربي: تركيبه، وكيفية عمله"، وبعد الشرح قال: إن قوة المغناطيس الكهربي تستخدم أحيانا للقيام ببعض الخدع التي يمكن القيام بها بمساعده تلك القوة الخفية، وقد لفتت هذه العبارة نظر الفصيح وذكرته بواقعة كان قد رآها وأدهشته ولم يجد لها تفسيرا، فهب واقفا وقال: أستاذي لقد شاهدت حادثة حيرتني ولم أجد لها تفسيرا.
المعلم: ما هي؟.
الفصيح: كنت أتجول ذات مرة مع بعض زملائي في إحدى دور الملاهي، وإذا (بالساحر) في إحدى قاعاتها يضع على المسرح صندوقا حديديا صغيرا ركبت أطرافة بقلابات وله مقبض مثبت على الغطاء، ثم دعا شخصا قويا من المتفرجين إلى المسرح. وقد لبى دعوته شاب قوي البنية وصعد على المسرح بنشاط وحيوية وهو يبتسم بتهكم، ثم وقف بالقرب من الساحر حيث سأله الأخير:
- هل أنت قوي جدا؟
- نعم
- وهل أنت واثقا من قوتك دائما؟
- دائما؟.
- إنك مخطئ، لأنني أستطيع في لحظة واحدة أن أسلبك قوتك فتصبح بعدها ضعيفا كالطفل الصغير.
- لا تستطيع.
- تفضل هنا، وارفع هذا الصندوق.
وانحنى الشاب ورفع الصندوق، ثم سأل الساحر ساخرا: أ هذا كل ما في الأمر؟
فأجابه الساحر تمهل قليلا. ثم تظاهر بالجد وأومأ بإشارة آمره قال بعدها بلهجة الواثق : إنك الآن أضعف مما تتصور ، حاول أن ترفع الصندوق مرة أخرى .
وبدون أن يهتم الشاب القوي ( بالساحر ) حاول رفع الصندوق مرة ثانية ، ولكن الصندوق أبدى في هذه المرة مقاومة شديدة ، وبغض النظر عن الجهود المستميتة التي بذلها الشاب ، ظل الصندوق ثابتاً وكأنه تسمر في مكانه ، وحاول الشاب وحاول ولكن جهوده كلها ذهبت هباء ، وبعد أن اجهده الاعياء كف عن المحاولة .
المعلم : إن سر ( السحر ) الذي مارسه ( الساحر ) بسيط جداً ، لقد كانت قاعدة الصندوق الحديدية موضوعه على منصة هي في الحقيقة عبارة عن قطب لمغناطيس كهربي قوي جداً ، وعند عدم وجود تيار كهربي يسهل رفع الصندوق ، ولكن ما إن يمر التيار في ملف المغناطيس الكهربي فإنه يصعب رفع الصندوق تماماً حتى من قبل نفر من الرجال الأشداء .

بحر لايغرق فيه أحد !!

دخل المعلم ، وكان موضوع الدرس ( خواص السوائل ) ، وبعد أن شرح هذه الخواص أراد أن يثير مع طلابه مسألة ظريفة ، وهي أنه يوجد بحر لا يستطيع أن يغرق فيه إنسان ، وقد أثارت هذه المسألة – كالعادة – فضول الفصيح الذي قال : هل لهذا البحر وجود في الواقع ؟.
المعلم : يقع هذا البحر في الأرض المحتلة ( فلسطين ) ويطلق عليه اسم البحر الميت .
الفصيح : وماهو التفسير العلمي لعدم غرق إنسان أو أي كائن في هذا البحر ؟!.
المعلم : إن مياه البحر الميت مالحة جداً بحيث لايمكن لأي كائن حي أن يعيش فيها ، ويساعد مناخ المنطقة الحار ، الذي يندر فيه هطول الأمطار ، على تبخر مياه سطح البحر بكثرة ، وفي هذا الحالة يتبخر الماء النقي وحده وتبقى الأملاح في البحر ، فتزيد من ملوحة مياهه لتصل إلى نسبة 27 % أو أكثر ، وتزداد الملوحة بازدياد العمق على عكس معظم البحار والمحيطات التي تصل نسبة ملوحتها 2 % أو 3 % .
الفصيح : وهل معنى هذا أن حوالي ربع محتويات البحر الميت عبارة عن أملاح مذابة في مياهه ؟
المعلم : هذا صحيح ، وتُقدر الكمية الكلية للأملاح الموجودة فيه بنحو أربعين مليون طن ! .
الفصيح : ولكن إلى ماذا يعزى سبب الملوحة الزائدة لمياه البحر الميت ؟
المعلم : يعزى السبب إلى إحدى خواص البحر الميت المميزه ، وهي أن مياهه أثقل كثيراً من مياه البحر المعتادة ، ولهذا يستحيل الغرق في مثل هذا السائل الثقيل لأن جسم الإنسان أخف من ذلك السائل .
الفصيح : وهل يقل وزن جسم الانسان بدرجة ملحوظة عن وزن نفس الحجم من الماء الزائد الملوحة .
المعلم : نعم ، وتبعاً لقانون الطفو فإنه يستحيل أن يغرق الإنسان في البحر الميت ، لأنه سوف يطفو على صفحته كما تطفو بيضة الدجاجة في الماء المالح ( في حين أنها تغوص في الماء العذب ) .
الفصيح : وهل ذهب أحد بالفعل إلى ذلك البحر للتحقق من صدق تلك الاستنتاجات ؟.
المعلم : لنستمع إلى الوصف التالي لأحد العلماء الذين ذهبوا للبحر الميت ، بالفعل وسبحوا في مياهه الثقيلة : ( لقد كانت سباحة مضحكة ، حيث لم يكن بوسعي أن أغوص في الماء ، ويستطيع الإنسان هنا أن يتمدد على صفحة الماء بكامل طوله وهو مستلق على ظهره مع وضع يده على صدره وسيكون الجزء الأكبر من جسمه خارج الماء . ويمكنه عند ذلك أن يرفع رأسه تماماً ، وفي استطاعته أن يستلقي على ظهره براحة تامة مع رفع ركبتيه نحو ذقنه ومسكهما بيديه ولكنه سرعان ما ينقلب لأن ثقل الرأس سيرجح ، ويستطيع الإنسان الانتصاب على رأسه حيث سيكون الجزء الممتد من منتصف صدره إلى أخمص قدميه خارج الماء ، ولكنه لن يستطيع البقاء في هذا الوضع لمدة طويلة ) .
الفصيح : وهل يستطيع الإنسان السباحة على ظهره وقطع مسافة ملحوظة ؟
المعلم : لا . لأن قدميه ستكونان خارج الماء الأمر الذي يجعله يدفع الماء بعقبيه فقط .
الفصيح : وهل يستطيع الإنسان أن يسبح على بطنه ووجهه إلى أسفل كما هو المعتاد في أحواض السباحة العادية ؟
المعلم : إن فعل ذلك في البحر الميت فإنه لن يتحرك إلى الأمام وإنما إلى الوراء ! .
الفصيح : لقد قرأت في هذا الخصوص عن وجود نوع من الماء يكون في حالته النقية أثقل من الماء العادي بمقدار محسوس .
المعلم : نعم يوجد مثل هذا الماء الذي يبلغ وزنه النوعي 1.1 أي أكثر من الوزن النوعي للماء العادي بمقدار 10 % .
الفصيح : أعتقد أن الشخص الذي يستحم في مثل هذا الماء لايغرق فيه إلا بصعوبة .
المعلم : نعم ، حتى ولو كان لايجيد السباحة ، وقد أطلق على هذا الماء يافصيح اسم ( الماء الثقيل ) – صيغته الكيميائية D2O - ويحتوي الماء العادي على كمية قليلة جداً من هذا الماء حيث يوجد في كل سطل من الماء العادي حوالي 8 جم من الماء الثقيل .
الفصيح : بقيت نقطة أود أن أستفسر عنها يا أستاذي .
المعلم : ما هي ؟
الفصيح : معلوم أن درجة ملوحة المياه تختلف من بحر لآخر ، فهل يختلف تبعاً لذلك الجزء الغاطس من السفينة في مياه البحار المختلفة ؟
المعلم : هذا أمر بديهي ، ولهذا يوجد على كل سفينة بالقرب من خط الماء علامة تعرف بــ ( علامة لويد ) تبين حد الإنغمار في المياة المختلفة الكثافة .

ليس بالفم وحده .. يشرب الإنسان !

إذا وجهت السؤال التالي لتلاميذك : كيف نشرب ؟ فقد يقول معظمهم وهل هذا سؤال يستحق التفكير ؟ ولكنه – رغم ما يعتقدون خطأ – يستحق ، فعندما نشرب نقرب الكوب أو الملعقة المحتوية على السائل من الفم ثم نرتشف السائل منها ، والواقع أن ارتشاف السائل بهذه الطريقة البسيطة التي اعتدنا عليها يحتاج إلى تفسير ، لماذا يندفع السائل إلى فمنا ؟ .
السبب هو أننا عند الشرب نوسع القفص الصدري وبذلك نخلخل الهواء الموجود في الفم ، وتحت تأثير الضغط الجوي يندفع السائل إلى الفراغ الذي يكون فيه الضغط أقل وبذلك يدخل إلى الفم .
وهنا يحدث للسائل نفس الشيء الذي يحدث له في الأواني المستطرقه إذا خلخلنا الهواء فوق أحد الأواني المذكورة لأن السائل سيرتفع في هذا الإناء تحت تأثير الضغط الجوي ، وعلى العكس من ذلك ، لو وضعنا عنق الزجاجة في فمنا وأردنا أن نرتشف منها الماء لما استطعنا القيام بذلك مهما بذلنا من جهد ، وذلك لأن ضغط الهواء في داخل الفم يساوي ضغط الهواء الموجود في الزجاجة فوق الماء .
وهكذا فإننا على وجه التدقيق لا نشرب بالفم وحده بل وبالرئتين أيضاً ، لأن توسع الرئتين بالذات يؤدي إلى اندفاع السائل نحو الفم ! .

بإمكانك التحكم في وزنك .. بدون ريجيم !

ليس في استطاعتك أن تجد وزنك الصحيح بالضبط إلاّ إذا وقفت على منصة الميزان دون أن تتحرك البتة ، فإذا انحنيت فسيقل وزنك حالما تفعل ذلك ، لماذا ؟ لأن العضلات التي تحني النصف العلوي من الجسم تعمل في نفس الوقت على رفع النصف السفلي من الجسم إلى أعلى مقللة بذلك الضغط الذي يؤثر به الجسم على القاعدة . وعلى العكس من ذلك ، ففي اللحظة التي ينتصب فيها جسمك تعمل العضلات على دفع كل من نصفي الجسم أحدهما بعيداً عن الآخر . وهنا يشير الميزان إلى زيادة ملحوظة في الوزن بناءً على زيادة ضغط النصف السفلي من الجسم على منصة الميزان .
وهكذا حتى أن رفع اليد يجب أن يؤدي إلى تذبذب مؤشر الميزان الحساس طبقاً للزيادة القليلة التي تطرأ على الوزن الظاهري للجسم ، ذلك أن العضلات التي ترفع اليد إلى أعلى ترتكز على الكتف ومن ثم فهي تدفعه مع الجسم إلى أسفل وبذلك يزداد الضط على منصة الميزان ، وعندما نتوقف عن رفع اليد تتحرك العضلات المقابلة التي ترفع الكتف إلى أعلى محاولة تقريبه من طرف اليد وبذلك يقل وزن الجسم أي يقل الضغط المؤثر على القاعدة .
وعلى العكس من ذلك ، عندما نخفض اليد إلى أسفل فإننا نقلل من وزن جسمنا أثناء تلك الحركة فنزيده حالما نتوقف عن خفض اليد ، وباختصار فإننا نستطيع بتأثير القوى الداخلية أن نزيد أو نقلل من وزننا ، والذي نعني به الضغط المؤثر على القاعدة .