by
Από τον Παναγιώτη Μπενετάτο, Καθηγητή Φυσικής του Kyungpook National University, Daegu της Νοτίου Κορέας, υπήρξε μια σοβαρή ένσταση σχετικά με την ορθότητα της απάντησης στο φετινό Θέμα Α2 των Πανελληνίων Εξετάσεων. Σχετική δημοσίευση υπάρχει εδώ και αναδημοσίευση εδώ.
Ο συγγραφέας επισημαίνει: “Το επιχείρημα ότι το κύκλωμα είναι ανοιχτό και κατά συνέπεια δεν μπορεί να υπάρχει ρεύμα είναι τελείως λάθος.”
Πράγματι αυτό το γνωρίζουν οι μαθητές, όπως αναφέρεται στο σχολικό βιβλίο της Γ’ Λυκείου (2ο Τεύχος), σελ. 207: “Στο σχήμα 5.37 ο μεταγωγός αρχικά είναι στη θέση Α και το κύκλωμα διαρρέεται από σταθερό ρεύμα Ι0. Τη στιγμή μηδέν, ο μεταγωγός τοποθετείται στη θέση Β. Το κύκλωμα συνεχίζει για λίγο χρόνο να διαρρέεται από ρεύμα. Το πηνίο, αντιδρώντας στη μείωση του ρεύματος δημιουργεί ηλεκτρεγερτική δύναμη που δίνει για μικρό χρόνο ρεύμα ίδιας φορά με το αρχικό ρεύμα.”
Οχι Ανδρεα διοτι μια επιταχυνση προυποθετει παντα μια δυναμη.Κλασικη Φυσικη κανουμε εδω. Αν δεν υπαρξει αλλη δυναμη πλην της κεντρομολου που δημιουργει το μαγνητικο πεδιο,δεν γινεται το φορτιο να χασει κινητικη ενεργεια.
Η προταση “Η μοναδική δύναμη που δέχεται το φορτίο είναι από το μαγνητικό πεδίο.” Ειναι υπερ αρκετη.
Γεια σας παιδιά. Ο ερωτών πρέπει να διευκρινίζει τι ζητάει και σε ποια πλαίσια. Αν δεν ήμουν στο Ρέθυμνο θα έγραφα κάτι πιο εκτεταμένο και με παραδείγματα.
Καλησπέρα σας.
Δεν θα διαφωνήσω ως προς την άποψη που έχει καθένας από εμάς για το πώς οι μαθητές επεξεργάζονται τις γνώσεις τους ώστε να καταλήξουν σε κάποιο συμπέρασμα.
Ωστόσο θα ήθελα να διερευνήσουμε το εξής: Αν στο μαθητή δοθεί η διευκρίνιση “Η μοναδική δύναμη που δέχεται το φορτίο είναι από το μαγνητικό πεδίο” και του ζητηθεί να τεκμηριώσει την επιλογή της πρότασης (γ), ποια τεκμηρίωσή του θα είναι αποδεκτή;
Νομίζω το νοητικό εμπόδιο που πρέπει ο μαθητής να ξεπεράσει είναι αυτό (Σχολικό, Φυσική Γενικής Παιδείας σελ. 17) : “Όπως μάθαμε, κάθε φορτίο ασκεί δύναμη σε κάθε άλλο φορτίο…Επομένως, ένα ηλεκτρικό φορτίο ασκεί δύναμη σε κάθε άλλο ηλεκτρικό φορτίο που θα βρεθεί στο χώρο γύρω από αυτό. Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζουμε το χώρο μέσα στον οποίο όταν βρεθεί ηλεκτρικό φορτίο δέχεται ηλεκτροστατική δύναμη.”
Δηλαδή ο μαθητής δεν μπορεί να σκεφθεί ότι το φορτίο μέσω του πεδίου του ασκεί δύναμη στον εαυτό του: Θεωρεί πάντα ότι ένα φορτίο δημιουργεί το πεδίο και ένα άλλο φορτίο δέχεται τη δύναμη από το πεδίο.
Αλλά ας δούμε τι περιμένουμε από το μαθητή ως αποδεκτή τεκμηρίωση.
Ανδρεα και Γιαννη με την υποθεση που προστεθηκε εκ των υστερων οτι η μοναδικη δυναμη που δεχεται το φορτιο ειναι απο το μαγνητικο πεδιο,η μονη σωστη απαντηση ειναι η γ) ειτε εισαι μαθητης ειτε φοιτητης ειτε οτιδηποτε. Η δικαιολογηση ειναι στοιχειωδης.
Κ=(p^2)/2m, και p^2=σταθερο διοτι η δυναμη απο το μαγνητικο πεδιο ειναι συνεχως καθετη στην ταχυτητα και επομενως δεν μπορει να μεταβαλει το μετρο της ορμης.Δεν υπαρχει κανενα νοητικο εμποδιο. Δεν χρειαζεται να ξερει η να σκεφτει τιποτα αλλο ο μαθητης.
Ο μαθητής έχει να διαλέξει ανάμεσα στα εξής:
Επειδή η μόνη δύναμη είναι η Lorentz, το φορτίο έχει κεντρομόλο επιτάχυνση και γι’ αυτό μεταβάλλεται η ορμή του αλλά όχι η ενέργειά του. Άρα το (γ) είναι σωστό
Επειδή η μόνη δύναμη είναι η Lorentz, το φορτίο έχει (κεντρομόλο) επιτάχυνση και γι’ αυτό εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία μεταφέρει ενέργεια και ορμή. Άρα το (β) είναι σωστό.
Με ποιο συλλογισμό θα απορρίψει τη δεύτερη επιλογή;
Οχι διοτι εχει προστεθει μια επιπλεον υποθεση η οποια ο μαθητης δεν γνωριζει και ουτε χρειαζεται να γνωριζει, αν επιτρεπει την εκπομπη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Αρα μονο το γ) ειναι σωστο.
Θα βοηθούσε αν είχαμε τον πλήρη συλλογισμό του μαθητή, με τον οποίο απορρίπτεται η επιλογή: “Επειδή η μόνη δύναμη είναι η Lorentz, το φορτίο έχει (κεντρομόλο) επιτάχυνση και γι’ αυτό εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία μεταφέρει ενέργεια και ορμή. Άρα το (β) είναι σωστό.”
“Επειδή η μόνη δύναμη είναι η Lorentz, το φορτίο έχει (κεντρομόλο) επιτάχυνση και γι’ αυτό εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία μεταφέρει ενέργεια και ορμή.” Εάν συνέβαινε αυτό, από τη διατήρηση ενέργειας και ορμής θα άλλαζε η ενέργεια και η ορμή τού φορτίου, αυτό συνεπάγεται δύναμη επί τού φορτίου άλλης φύσης από τη μαγνητική που ξέρουμε πως είναι κεντρομόλος, η εκφώνηση λέει πως άλλη δύναμη δεν υπάρχει, άρα δεν υπάρχει και ακτινοβολία. Αυτό το πρόβλημα είναι ξεκάθαρο. Καμία απολύτως σχέση με το Α2.
Εστω οτι εκπεμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Eπειδη εκπεμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η κινητικη του ενεργεια αναγκαστικα μειωνεται.Αρα καποια δυναμη παραγει εργο πανω στο σωματιδιο.Ομως εξ υποθεσεως η μονη δυναμη που ασκειται στο σωματιδιο ειναι η μαγνητικη η οποια δεν παραγει εργο. Οπερ Ατοπον.
Αρα δεν εκπεμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Το οτι εκπεμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και η υποθεση που δινεται ειναι αντιφατικες προτασεις. Αρα μονο το γ) μπορει να ειναι σωστο.
“Επειδή εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η κινητική του ενέργεια αναγκαστικά μειώνεται. Άρα κάποια δύναμη παράγει έργο πάνω στο σωματίδιο.” Νομίζω ότι εδώ ο μαθητής, για να ελέγξει το επιχείρημά του, θα πρέπει να αναρωτηθεί: Ποιος ασκεί αυτή τη δύναμη, όταν εκπέμπεται ακτινοβολία; Θα πρέπει λοιπόν να απαντήσει ότι η δύναμη στο φορτίο ασκείται από το πεδίο που εκπέμπεται από το ίδιο το φορτίο. Ωστόσο αποκλείεται να δώσει αυτή την απάντηση, διότι έχει μάθει ότι ένα φορτίο δημιουργεί πεδίο και από το πεδίο ασκείται δύναμη σε άλλο φορτίο.
Καλημέρα σας. Όταν ένα σώμα ορισμένης θερμοκρασίας εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας όπως για παράδειγμα η ακτινοβολία ” μέλανος” σώματος, αυτό μπορεί να ερμηνευτεί ότι οφείλεται σε κάποια δύναμη που με το έργο της αφαιρεί ενέργεια από το σώμα; Ότι το έργο αυτής της δύναμης είναι αρνητικό και ίσο κατά απόλυτη τιμή με την ακτινοβολουμενη ενέργεια;;Το ίδιο ισχύει και με τις ανταλλαγές ενέργειας με την μορφή θερμότητας ; Ή η ακτινοβολία και η θερμότητα είναι μηχανισμοί ανταλλαγής ενέργειας σώματος ή συστήματος με το περιβάλλον διαφορετικοί του έργου;;
Kαλημερα Γιωργο. Ενα σημειακο σωματιδιο δεν εχει εσωτερικη ενεργεια. Αρα για να δωσει καπου αλλου ενεργεια πρεπει καποια δυναμη να παραγει πανω του εργο.Αλλο τροπο δεν γνωριζω.
Καλημέρα σε όλους!
Εδώ τίθεται το εξής ερώτημα: “Η θερμότητα είναι μηχανισμός ανταλλαγής ενέργειας σώματος ή συστήματος με το περιβάλλον διαφορετικός του έργου;”
Διερευνητική Απάντηση
Επιλέγω ως παράδειγμα το οικείο σε εμάς ιδανικό αέριο. Σε ιδανικό αέριο επιβεβαιώνεται πειραματικά ότι: Q = ΔU + W και γι’ αυτό αποτελεί νόμο της Φυσικής (1ος νόμος της Θερμοδυναμικής).
Q είναι η ενέργεια που μεταφέρεται όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του περιβάλλοντος και του αερίου. Αν το σύστημα απορροφά θερμότητα, το Q είναι θετικό, αν αποβάλλει θερμότητα είναι αρνητικό. ΔU είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου και W το έργο της δύναμης που ασκείται από το αέριο στο έμβολο.
Μπορούμε λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε αυτό το νόμο και να υπολογίσουμε π.χ. την απόδοση μια θερμικής μηχανής που λειτουργεί με συγκεκριμένη κυκλική μεταβολή. Το αποτέλεσμά μας επίσης θα επιβεβαιωθεί από αντίστοιχες εργαστηριακές μετρήσεις μας.
Μπορούμε ωστόσο να διατυπώσουμε εναλλακτικά το εξής ορισμό: Q είναι το έργο δύναμης που εκτελείται από το περιβάλλον στο σύστημα, όταν μεταξύ τους υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι υψηλότερη/χαμηλότερη από του συστήματος το έργο είναι θετικό/αρνητικό.
Νομίζω αν χρησιμοποιήσουμε αυτόν τον ορισμό στον 1ο νόμο της Θερμοδυναμικής και εφαρμόσουμε το νόμο στην ίδια κυκλική μεταβολή, όπως προηγουμένως, θα πάρουμε την ίδια τιμή για την απόδοση της μηχανής.
Συμπέρασμα: Από αυτή την άποψη η θερμότητα δεν είναι μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας διαφορετικός από το έργο.
Ερώτημα: Στην περίπτωση του εναλλακτικού ορισμού της ποσότητας Q μέσω έργου, ποια είναι η δύναμη και ποια η μετατόπιση; Απάντηση: Οι υπολογισμοί μας δεν θα τροποποιηθούν εξισώνοντας την ποσότητα Q με το εσωτερικό γινόμενο κάποιας δύναμης με κάποια μετατόπιση. Άρα κατ’ αρχήν δεν είναι απαραίτητο να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, διότι ανεξάρτητα από την απάντησή μας οι προβλέψεις μας θα επιβεβαιώνονται από τις εργαστηριακές μετρήσεις. Και ευτυχώς αυτό είναι το ζητούμενο στη Φυσική!
Κάποιες σκέψεις περί τη φυσική εν μέσω θερινής ραστώνης:
1. Για την τριβή και το έργο της: Οι δυνάμεις της τριβής προκαλούν μεταφορά μέρους της ενέργειας των τριβόμενων σωμάτων από την μεγάλης κλίμακας κίνησή τους, σε μικρής κλίμακας κίνηση των δομικών μονάδων τους, στο εσωτερικό τους. Έτσι αυξάνεται η εσωτερική κινητική ενέργεια των δομικών μονάδων τους κατά ΔK’ ισόποσα είτε με την μείωση της μακροσκοπικής κινητικής ενέργειάς τους είτε με το έργο της τριβής κατ’ απόλυτη τιμή. Έχουμε μετατροπή της τακτικής κίνησης σε άτακτη. Αυτός είναι κατά βάσιν ο ρόλος της τριβής και του έργου της. Αν θεωρήσουμε αυτά τα σώματα ως θερμοδυναμικό σύστημα τότε αυτό έχει ως μακροσκοπικό αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας τους. Αν το περιβάλλον αυτών των σωμάτων λειτουργεί ως δεξαμενή σταθερής θερμοκρασίας τότε η αύξηση ΔΚ’ της κινητικής ενέργειας των δομικών μονάδων των σωμάτων θα μεταφερθεί στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας (Q=ΔΚ’ ), λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Αυτό γίνεται με τις ελαστικές «κρούσεις»- αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα περί την επιφάνεια «επαφής» τους μεταξύ των δομικών μονάδων των εν λόγω σωμάτων και αυτών του περιβάλλοντός τους .
2. Τι θα συνέβαινε αν το περιβάλλον δεν λειτουργούσε ως δεξαμενή σταθερής θερμοκρασίας; Αν ήταν για παράδειγμα το κενό όπου απουσιάζουν οι στοιχειώδεις δομικές μονάδες ; ΄Θα παρέμενε η ενέργεια ΔΚ’ στα τριβόμενα σώματα; Όχι . Υπάρχει και η εκπομπή ενέργειας από ένα θερμό σώμα , για παράδειγμα η λεγόμενη «ακτινοβολία μέλανος σώματος» . Η Γη για παράδειγμα παίρνει μέρος της ενέργειας που ακτινοβολεί ο Ήλιος και εκπέμπει και αυτή ενέργεια στο διάστημα ως θερμό σώμα. Αυτό το ισοζύγιο σε πολύ γενικές γραμμές είναι που καθορίζει τη μέση θερμοκρασία του πλανήτη μας. Η ακτινοβολούμενη ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι το έργο κάποιας δύναμης; Αν ναι ποια είναι η δύναμη ποια η μετατόπιση, ποιο το σώμα όπου εφαρμόζεται; Γιατί ο ορισμός του έργου μέσω αυτών των εννοιών διατυπώνεται.
3.Το κινούμενο ομαλά κυκλικά φορτισμένο σωματίδιο μέσα σε ΟΜΠ σύμφωνα με τη ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ θα εκπέμπει ενέργεια . Η ακτινοβολούμενη κατ’ αυτό τον τρόπο ενέργεια σχετίζεται με το έργο κάποιας δύναμής; Ποιάς; Η ενέργεια που έχει το σωματίδιο θα μειώνεται συνεχώς . Επειδή όμως η ενέργεια που έχει είναι μόνο κινητική θα μειώνεται συνεχώς η κινητική ενέργειά του άρα και η ακτίνα της τροχιάς του. Θα διαγράφει δηλαδή σπειροειδή τροχιά. Βέβαια , αν το σωματίδιο είναι μικροσκοπικό τότε η κίνηση του υποθέτω ότι θα περιγράφεται ακριβέστερα με την Κβαντομηχανική.
4. Για το έργο και τη θερμότητα: Ο αείμνηστος Πανεπιστημιακός καθηγητής Ν. Α. Οικονόμου στο μάθημα της Γενικής Φυσικής και σε σχετική ερώτηση μας έλεγε ότι η θερμότητα και το έργο είναι δυο διαφορετικές φυσικές διεργασίες ή μηχανισμοί ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ σωμάτων ή συστημάτων. Με το μηχανισμό του έργου η ανταλλαγή ενέργειας γίνεται με οργανωμένο τρόπο και αντιστοιχεί στις οικονομικές ανταλλαγές μεταξύ δύο κρατών, για παράδειγμα αγορά πολεμικού υλικού. Με τον μηχανισμό της θερμότητας αυτή η ανταλλαγή γίνεται με τυχαίο, ανοργάνωτο τρόπο μεταξύ των δομικών μονάδων τους και αντιστοιχεί στις οικονομικές ανταλλαγές μεταξύ των πολιτών αυτών των κρατών. Μια τέτοια αναφορά υπήρχε και σε κάποιο βιβλίο των αδερφών Σαββάλα. Τώρα όμως όπως προανέφερα είμαι σε διακοπές και δεν έχω πρόσβαση σε βιβλία . Γράφω βάσει αυτών που έρχονται στη σκέψη μου .
Γιώργο καλημέρα!
Νομίζω ότι θα μας δοθεί η ευκαιρία να συζητήσουμε αυτό το θέμα κάποια άλλη στιγμή, ίσως σε ξεχωριστεί ανάρτηση.
Προς το παρόν καλή ξεκούραση!