מדעי החומר
לכיתה ח
רות שטנגר
חוה בן חורין
הוצאת "מטח"
תשע"ג, 2013
ב כרכים
כרך ראשון
עמודים
עמודי דפוס
עמודי בראיל
העתיקה: אורלי שרף
הספריה המרכזית לעיוורים
נתניה ישראל 2014
תוכן הספר
(התוכן ערוך כך: שם הפרק ועמוד דפוס)
TOC \o "1-3" \n \h \z \u פרק 1: מבוא
*5
פרק 2: אטומים, יסודות והטבלה המחזורית
*15
פרק 3: תרכובות ותערובות
*45
פרק 4: שינויים בחומר
*87
פרק 5: אנרגיה חשמלית
*125
פרק 6: כוחות ותנועה
*177
תוכן כרך ראשון
(התוכן ערוך כך: שם הפרק עמוד דפוס עמוד בראיל)
*4*
פתיחה
הספר מדעי החומר לכיתה ח דן במושגים, בתופעות ובחוקים בתחומי הכימיה והפיזיקה, בהיבטים הנדסיים-טכנולוגיים הנוגעים לתחומים אלה ובהשפעת הטכנולוגיה על החברה ועל הסביבה. במהדורה הדיגיטלית של הספר משולבות הדמיות שבאמצעותן תוכלו לחקור תופעות שונות במדע.
בספר שישה פרקים:
פרק ראשון: מבוא
בפרק הזה נכיר את תחומי המדע והטכנולוגיה: פיזיקה, כימיה והנדסה, ואת השפעתם על החברה ועל הסביבה. הפרק מציג את שיטת החקר המדעי בליווי ניסוי לדוגמה, וכן מסביר את אמצעי הזהירות לעבודה במעבדה.
פרק שני: אטומים, יסודות והטבלה המחזורית
בפרק הזה נכיר את האטומים, המרכיבים את כל החומרים בעולם, ואת היסודות הבנויים רק מסוג אחד של אטומים, ונלמד כיצד מתארים את היסודות בשפה הכימית. נכיר את מבנה האטום ונבין במה נבדלים אטומים של יסודות שונים זה מזה. נכיר את הטבלה המחזורית שבה מאורגנים היסודות הידועים לנו, ונערוך היכרות ראשונית עם המבנה של חומרים שונים.
פרק שלישי: תרכובות ותערובות
בפרק הזה נכיר את התרכובות - חומרים הבנויים מאטומים של כמה יסודות שקשורים זה לזה. נכיר סוגים אחדים של תרכובות, את המבנה שלהן ואת תכונותיהן, ונלמד כיצד מתארים תרכובות בשפה הכימית. נלמד מהי תערובת, נכיר סוגים שונים של תערובות, ונלמד להפריד תערובות לחומרים המרכיבים אותן.
פרק רביעי: שינויים בחומר
בפרק הזה נלמד כיצד חומרים שונים נוצרים בתהליך שנקרא "תהליך כימי". נכיר סוגים אחדים של תהליכים כימיים ונעקוב אחר שינויי האנרגיה המלווים אותם. נבין כיצד יצירת חומרים חדשים והשימוש בחומרים משפיעים על הפרט, על החברה ועל הסביבה.
פרק חמישי: אנרגיה חשמלית
בפרק הזה נכיר את האנרגיה החשמלית ונבין את המרות האנרגיה המתרחשות כאשר אנו מפעילים מכשיר חשמלי. נכיר את המעגל החשמלי ונבין מהו זרם חשמלי וכיצד אפשר לחסוך באנרגיה חשמלית. כמו כן, נלמד לבנות מעגלים חשמליים, נלמד כיצד מפיקים אנרגיה חשמלית ממקורות אנרגיה שונים, מהן הבעיות הסביבתיות הנגרמות בתהליכי הפקת האנרגיה ומהן הדרכים להתמודד עם בעיות אלה.
פרק שישי: כוחות ותנועה
בפרק הזה נכיר סוגים שונים של כוחות הפועלים על גופים ומשפיעים עליהם. נלמד על הכוחות ההדדיים שמפעילים זה על זה שני גופים הנמצאים באינטראקציה (פעולה הדדית). נלמד מהי מהירות ונתנסה בחישובים ובמדידות של מהירות. נלמד גם על מכונות פשוטות שהאדם פיתח והן מאפשרות לו לבצע פעולות יותר בקלות, וכן נעסוק במושג לחץ.
*5*
*5*
בפרק זה נלמד ש...
- כימיה היא מדע העוסק בחקר החומרים, מבנה החומרים, תכונותיהם ושיטות לייצור חומרים חדשים.
- פיזיקה היא מדע העוסק בחקר תופעות טבע בסיסיות כמו תנועה, חשמל, מגנטיות ועוד.
- הנדסה היא תחום העוסק ביישומים טכנולוגיים של תגליות מדעיות כדי לשפר את חיינו.
- המחקר המדעי נערך על פי שיטת החקר המדעי.
- בעת ביצוע ניסויים במעבדה יש לשמור על כללי הזהירות.
מושגים שנכיר:
פיזיקה
כימיה
טכנולוגיה
חקר מדעי: שאלת חקר, השערה, תכנון ניסוי, תצפיות, תוצאות, מסקנות
(בספר תמונה:)
הזוהר הצפוני - חגיגה צבעונית של פליטת אנרגיית אור בצבעים שונים מחלקיקים באטמוספרה
*6*
מבוא
הספר מדעי החומר לכיתה ח דן במושגים, בתופעות ובחוקים מתחום הכימיה ומתחום הפיזיקה, בהיבטים הנדסיים-טכנולוגיים הנוגעים לתחומים אלה, ובהשפעת הטכנולוגיה על החברה ועל הסביבה.
כימיה היא המדע העוסק בחקר החומרים. הכימיה עוסקת בשאלות כגון אלו: כיצד בנויים החומרים השונים? מהן התכונות המאפיינות אותם? אילו שינויים מתרחשים בהם? כיצד נוצרים חומרים וכיצד הם מתפרקים? חוקרים העוסקים בתחום הכימיה נעזרים בשפה כימית, המסייעת להם לתאר את החומרים ואת השינויים החלים בהם בצורה מקוצרת ופשוטה. בזכות המחקר במדע הכימיה אפשר, בין היתר, לפתח חומרים חדשים שמהם מייצרים מוצרים שונים הנחוצים לאדם: תרופות, דשנים, חומרי בניין חדשניים, מוצרי תקשורת מתקדמים ועוד.
פיזיקה היא מדע העוסק בחקר תופעות הטבע הבסיסיות שבהן מעורבים חומרים ואנרגיה, לדוגמה: תנועה, כוחות, חום, חשמל, מגנטיות ועוד. הפיזיקה עוסקת בשאלות כגון אלו: מה גורם לגוף להגביר את מהירותו או להאט אותה? מה זורם בזרם החשמלי ומה משפיע על עוצמת הזרם? חוקרים בתחום הפיזיקה מנסחים חוקים המתארים באופן כללי תופעות שונות, לדוגמה: החוק השלישי של התנועה, שניסח המדען אייזיק ניוטון, מסביר תופעות כמו תנועת הרקטות, הכאב שחשים בכף היד כאשר מכים על שולחן ועוד.
הנדסה היא תחום העוסק ביישומים של הכימיה, של הפיזיקה ושל תחומים אחרים, כדי לתת מענה לצרכים של האדם ולשפר את איכות חייו. לדוגמה, המנוף הוא פיתוח טכנולוגי המנצל את הידע המדעי הנוגע לכוחות ולפעולתם על גופים שונים כדי להקל על הרמת משאות כבדים: תא שמש הוא פיתוח טכנולוגי המנצל את הידע המדעי הנוגע לקרינה ולהשפעתה על חומר, ומסייע בהפקת אנרגיה חשמלית זולה וידידותית לסביבה מקרינת השמש.
מטרת הטכנולוגיה היא לשרת את האדם ולשפר את איכות חייו, אך לפיתוחים טכנולוגיים ולשימוש בהם עשויות להיות השפעות על איכות הסביבה. לכן חשוב לפתח אמצעים טכנולוגיים ולהשתמש בהם באופן מבוקר תוך כדי מודעות להשפעותיהם. איננו יכולים לדמיין את חיינו היום ללא חשמל, המאפשר לנו להאיר את ביתנו ולחמם אותו, להכין אוכל, לעבוד במחשב, לשוחח בטלפון הסלולרי ולהפעיל מכשירים כגון מכונת כביסה, מדיח כלים, מיקרוגל ועוד. עם זאת, שרפת הפחם והסולר בתחנות הכוח גם פולטת חומרים המזהמים את האוויר. המודעות לשמירת הסביבה מובילה למציאת פתרונות המאפשרים לנו להשתמש בחשמל תוך כדי צמצום זיהום האוויר.
(בספר ארבע תמונות:)
1. איזה שינוי מתרחש כאשר ברזל מחליד?
2. מה מניע את האופניים קדימה?
3. כיצד פועל מנוף?
4. כיצד מפיקים אנרגיה חשמלית מקרינת השמש?
*7*
שיטת החקר המדעי
תופעות רבות סביבנו אינן מובנות מאליהן, וכדי להבין אותן אנו שואלים שאלות ומחפשים להן תשובות. המדע הוא תהליך של התבוננות, של לימוד ושל חשיבה על דברים שאנו רואים סביבנו. כשמדענים שואלים שאלות, עליהם לבצע מחקר כדי למצוא את התשובות. המחקר כולל איסוף מידע, עריכת ניסויים ותצפיות, וכן הסקת מסקנות לפי התוצאות.
מדענים משתמשים בשיטת החקר המדעי, השיטה הטובה ביותר שנמצאה עד כה לבדיקת שאלות בצורה אמינה, מדויקת ואובייקטיבית.
נלמד מהם השלבים בשיטת החקר המדעי, וניעזר בדוגמה שתדגים לנו את השיטה הזאת.
דוגמה לתהליך חקר
יעילות אבקת כביסה
במפעל כימי המייצר אבקות כביסה פיתחו אבקת כביסה חדשה. במעבדת המפעל בדקו איזו כמות אבקה יש לשים במכונת הכביסה כדי לקבל כביסה נקייה בלי לבזבז אבקה מיותרת. המדענים במעבדת המפעל ביצעו ניסוי: הם לקחו כמה חתיכות בד זהות והכתימו כל אחת מהן בכתם קפה. הם טבלו כל חתיכת בד בכוס שבה מים עם אבקת כביסה בכמות שונה. לאחר 10 דקות הוציאו המדענים את חתיכות הבד מהכוסות, והשוו אותן לחתיכת בד שנטבלה במים ללא אבקת כביסה. המדענים ביצעו את הניסוי זה כמה פעמים. נעקוב אחר שלבי החקר שביצעו.
*8*
1. הגדרה כללית של מטרת החקר
מטרת החקר במפעל: לבדוק את ההשפעה של כמות אבקת הכביסה על הסרת כתמים.
2. שאלת החקר
שאלת החקר היא שאלה שהתשובה עליה אינה ידועה, ושניסוי יכול לספק לה תשובה. שאלת החקר עוסקת לרוב בקשר בין שני גורמים: הגורם המשפיע, שאת השפעתו נרצה לבדוק, והגורם המושפע, שאת השינויים המתרחשים בו נרצה לבדוק.
דוגמאות לניסוח של שאלות חקר:
כיצד משפיע -- על --?
מה הקשר בין -- לבין --?
מהי ההשפעה של -- על --?
כיצד שינוי ב-- גורם ל--?
כיצד משתנה -- כתוצאה משינוי של --?
שאלת החקר במפעל: כיצד כמויות שונות של אבקת כביסה משפיעות על הסרת כתם קפה מריבוע בד לבן לאחר 10 דקות?
3. השערה
ההשערה היא תשובה אפשרית ומנומקת לשאלת החקר. ההשערה והנימוק מבוססים על ידע מדעי קודם או על שיקול דעת.
לפעמים תוצאות הניסוי מאשרות את ההשערה, ואז אם רוצים להמשיך ולחקור, אפשר לשאול שאלות חקר חדשות, לשער השערות המתאימות להן ולבצע ניסויים חדשים. במקרים אחרים תוצאות הניסוי אינן מאשרות את ההשערה ולעתים אף סותרות אותה. במקרים כאלה צריך להציע השערה מנומקת אחרת, ואז אפשר לתכנן ניסוי שיבדוק אם היא אכן נכונה - ולבצעו.
ההשערה במפעל: ככל שכמות אבקת הכביסה תגדל, כתם הקפה יוסר ביעילות רבה יותר לאחר 10 דקות.
4. תכנון הניסוי
הניסוי המתוכנן צריך לבדוק את ההשערה. בכל ניסוי משנים גורם אחד ובודקים את השפעתו. הגורם שאנו משנים הוא הגורם המשפיע, והגורם שאת השינויים שלו אנו מודדים הוא הגורם המושפע. כל שאר הגורמים בניסוי צריכים להיות קבועים כדי שלא ישפיעו על תוצאות הניסוי.
לדוגמה, הגורם המשפיע במפעל הוא כמות אבקת הכביסה בכוס, והגורם המושפע הוא צבע הכתם על הבד לאחר 10 דקות. הגורמים הקבועים הם: גודל הכוס, נפח המים, זמן טבילת הבד בכוס, סוג הבד, צבע הבד, גודל הבד וסוג אבקת הכביסה.
יש לכתוב בצורה ברורה את כל שלבי הניסוי בלי לדלג על אף שלב. רצוי למספר את השלבים השונים. בכל ניסוי יש לנקוט אמצעי זהירות מתאימים.
*9*
תכנון מפורט של הניסוי:
1. גזרו 5 ריבועי בד בגודל 10 כפול 10 ס"מ.
2. שפכו במרכז כל ריבוע כפית אחת של קפה מכוס קפה שהוכנה מראש.
3. הניחו את פיסות הבד בצד לייבוש מלא של כתם הקפה.
4. סמנו 5 כוסות בספרות 5-1. לכל כוס מזגו 100 מ"ל מי ברז.
5. לכוס מספר 2 הכניסו חצי כפית אבקת כביסה, לכוס מספר 3 הכניסו כפית אחת של אבקת כביסה, לכוס מספר 4 הכניסו כפית וחצי של אבקת כביסה, ולכוס מספר 5 הכניסו 2 כפיות של אבקת כביסה. את כוס מספר 1 השאירו ללא אבקת כביסה. ערבבו את התכולה בכל אחת מהכוסות.
6. הכניסו לכל אחת מהכוסות 5-1 ריבוע בד אחד המוכתם בקפה.
7. המתינו 10 דקות והוציאו את ריבועי הבד.
8. פרסו את הריבועים על מגש מתאים והשוו את צבע הכתמים.
כדי להוכיח בוודאות כי השינוי בגורם המשפיע הוא הסיבה לתוצאות, מבצעים ניסוי מבוקר. הבקרה היא ניסוי הנערך בדיוק באותה דרך ובאותם תנאים כמו הניסוי עצמו, אך ללא הגורם המשפיע (אם זה אפשרי).
בניסוי הזה, הבקרה היא הניסוי שנערך בכוס שאין בה אבקת כביסה בכלל.
5. ביצוע הניסוי
מבצעים את הניסוי כפי שתוכנן. חשוב לחזור על כל ניסוי יותר מפעם אחת כדי לוודא שהתוצאות אינן מקריות. אם התוצאות המתקבלות בניסויים החוזרים שונות זו מזו, מחשבים את הערך הממוצע של התוצאות.
6. תיאור התוצאות וסיכומן
רושמים את התצפיות ואת תוצאות הניסוי בצורה ברורה ומפורטת בטבלה, ואם הדבר אפשרי - גם בגרף. התצפיות הן תיאור המתרחש בניסוי, כפי שנקלט בחוש הראייה, בחוש הריח וכדומה, ללא התערבות וללא פירוש והסבר. חשוב לכתוב כותרת מתאימה לכל טבלה ולכל גרף.
לדוגמה, טבלת תוצאות הניסוי במפעל:
תוצאות ניסוי - השפעת כמות אבקת הכביסה על מידת הסרת כתם קפה לאחר 10 דקות
ריק, כוס מספר 1, כוס מספר 2, כוס מספר 3, כוס מספר 4, כוס מספר 5
כמות אבקת הכביסה בכוס, ללא אבקת כביסה, חצי כפית, כפית אחת, כפית וחצי, שתי כפיות
תיאור כתם הקפה בתחילת הניסוי, חום כהה, חום כהה, חום כהה, חום כהה, חום כהה
תיאור כתם הקפה לאחר 10דקות בכוס, חום כהה - מעט בהיר יותר מאשר בהתחלה, חום בהיר, חום בהיר מאוד, חום בהיר מאוד (כמו בכוס 3), חום בהיר מאוד (כמו בכוס 3)
תיאור התוצאות:
עד לכפית אבקה אחת, ככל שכמות אבקת הכביסה בכוס גדלה, כתם הקפה הוסר מהבד ביעילות רבה יותר. כאשר בכוס הייתה יותר מכפית אחת של אבקת כביסה, התוצאות לא השתנו לעומת כמות של כפית אחת.
*10*
7. סיכום ומסקנות
מתוצאות הניסוי אפשר להסיק מסקנה, שהיא התשובה לשאלת החקר ששאלנו. בשלב הזה בודקים אם ההשערה אומתה (הוכחה כנכונה) או הופרכה (הוכחה כלא נכונה). אם תוצאות הניסוי הפריכו את ההשערה, מעלים השערה חדשה ובודקים אותה בניסוי חדש.
מסקנת החוקרים הייתה כי כפית אחת של אבקת כביסה בכוס היא הכמות המיטבית להסרת כתמים. כמות גדולה יותר של אבקת כביסה היא מיותרת. ההסבר המדעי לכך הוא זה: החלקיקים של הלכלוך שעל הבד נצמדים לחלקיקים שבאבקת הכביסה וכך הם מוסרים מהבד. כשמוסיפים כמות גדולה מדי של אבקת כביסה, כמות החלקיקים באבקת הכביסה גדולה הרבה יותר מכמות חלקיקי הלכלוך, ולכן הם מיותרים.
8. העלאת שאלות ורעיונות להמשך החקר
בעקבות הניסוי אפשר לנסח עוד שאלות חקר, ולבדוק עוד היבטים של הנושא.
במפעל ערכו ניסויים נוספים כדי לבדוק את אבקת הכביסה החדשה בתנאים שונים. לפניכם עוד שתי שאלות שעניינו את מדעני המפעל:
1. האם טמפרטורות שונות של המים משפיעות על יעילות הסרת הכתם?
2. האם הכתם יורד מסוגי בד שונים באותה המידה?
סיכום
לפניכם תרשים זרימה המסכם בקצרה את שיטת החקר המדעי:
מנסחים את מטרת המחקר
שואלים שאלת חקר
מחפשים מידע על הנושא
מנסחים השערה מנומקת
שואלים שאלות להמשך החקר
מתכננים ניסוי ומבצעים אותו
מקבלים תוצאות, מעבדים ומציגים אותן
מסיקים מסקנות ומדווחים על הניסוי
אם ההשערה אומתה
שואלים שאלות להמשך החקר
אם ההשערה הופרכה או אומתה חלקית
מנסחים השערה מנומקת
שואלים שאלות להמשך החקר
מתכננים ניסוי ומבצעים אותו
מקבלים תוצאות, מעבדים ומציגים אותן
מסיקים מסקנות ומדווחים על הניסוי
*11*
פעילות סיכום
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
הכנת דוח ניסוי
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מיומנויות. היכנסו לנושא: מחולל כתיבה - דוח ניסוי.
כתבו דוח קצר לניסוי שביצעו המדענים במפעל:
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
פעילות
הקניית מיומנויות חקר
תכנון ניסוי
א. בחרו אחת מהשאלות הנוספות שעניינו את מדעני המפעל, או רשמו שאלה אחרת המעניינת אתכם בנושא, ונסחו אותה כשאלת חקר. ציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע.
ב. רשמו את השערתכם בנוגע לתוצאות הצפויות של הניסוי. בססו אותה על ידע שלכם או על מידע שחיפשתם ומצאתם ברשת או בספרות המקצועית. יש לכתוב בצורה ברורה את כל מקורות המידע שהשתמשתם בהם.
ג. תכננו ניסוי לבדיקת שאלת החקר ששאלתם. רשמו את מהלך הניסוי בצורה ברורה ומפורטת. מספרו את שלבי הניסוי.
ד. ערכו רשימה של כל הציוד והחומרים הנחוצים לביצוע הניסוי.
ה. רשמו באילו אמצעי זהירות יש לנקוט בניסוי הזה.
ו. ציינו מהם הגורמים הקבועים בניסוי.
ז. הסבירו מהי הבקרה בניסוי.
*12*
אמצעי זהירות במעבדה
במהלך העבודה במעבדה יש להקפיד מאוד על כללי הזהירות. בעת תכנון ניסוי יש לכתוב בצורה מפורטת את כל אמצעי הזהירות הנדרשים לביצוע הניסוי, ולפני התחלת העבודה יש לוודא כי כל אמצעי הזהירות הדרושים ננקטו.
1. יש לעבוד עם משקפי מגן בלבד.
2. אין לאכול ולשתות במעבדה (וכמובן אין לטעום חומרים המשמשים לניסוי בשום פנים ואופן).
3. אין להריח מקרוב חומרים במעבדה.
4. יש לעבוד בשיער אסוף בלבד.
5. יש להגיע למעבדה בנעליים סגורות בלבד ובמכנסיים ארוכים. רצוי ללבוש חלוק מעבדה או חולצה ישנה מעל הבגדים כדי למנוע את הכתמתם.
6. יש לעבוד על פי הוראות הניסוי במדויק, ללא שינויים וללא אלתורים.
7. רצוי לעבוד על מגש ולא ישירות על שולחנות המעבדה.
8. יש להקפיד על לבישת כפפות ועל עבודה במנדף או במקום מאוורר, אם הניסוי מצריך זאת.
9. יש לקרוא היטב את התוויות על הקופסאות ועל הבקבוקים המכילים את החומרים.
10. אם מתרחש משהו חריג, לדוגמה: נשבר כלי מעבדה או נשפך חומר, יש להודיע מיד למורה ולפעול על פי ההוראות שתקבלו.
11. אם נגעתם ביד חשופה בחומרי המעבדה, יש לשטוף את הידיים במים וסבון ולהודיע מיד למורה.
12. אין לעזוב את עמדת הניסוי ללא השגחה.
13. בעת חימום מבחנה יש לוודא שפתח המבחנה אינו מכוון אליכם או אל חבריכם. יש להחזיק את המבחנה באלכסון בזמן סיבובה מעל הלהבה. שימו לב: במעבדה אתם אחראים גם לשלום חבריכם.
14. אין להניח כלים חמים על השולחנות, אלא על משטח העמיד בטמפרטורות גבוהות.
15. יש להרחיק חומרים דליקים מלהבה וממקור חום.
16. אין לגעת במכשירים חשמליים בידיים רטובות.
17. יש להפעיל מכשירים חשמליים על פי ההוראות בלבד.
18. אסור לגעת בחוטי חשמל חשופים או לפתוח ארונות חשמל. יש להודיע למורה על כל תקלה הקשורה לשימוש במכשירים חשמליים.
19. בסיום העבודה במעבדה יש לשטוף היטב את הכלים, להחזיר את כל הציוד, ולנקות את השולחנות על פי הוראות המורה.
20. לפני כל יציאה מן המעבדה יש לקבל אישור מן המורה.
21. יש לרחוץ ידיים במים וסבון לפני עזיבת המעבדה.
משימה
עבודה קבוצתית
הכנת פוסטר של כללי הזהירות לתלייה במעבדה
הכינו פוסטר וכתבו בו בצורה ברורה ובולטת את כללי הזהירות. איירו את הפוסטר באיורים מתאימים. הפוסטר צריך להיות צבעוני ואסתטי.
*13*
סיכום
- מדע הכימיה עוסק בחקר מבנה החומרים, בתכונות החומרים ובפיתוח שיטות ליצירת חומרים חדשים.
- מדע הפיזיקה עוסק בחקר תופעות טבע ובניסוח החוקים המסבירים אותן.
- ההנדסה עוסקת בפיתוח יישומים טכנולוגיים על בסיס הידע המדעי.
- פיתוחים הנדסיים-טכנולוגיים עלולים לגרום לפגיעה בסביבה.
- שיטת החקר המדעי כוללת שאילת שאלת חקר, השערה, תכנון ניסוי, איסוף תוצאות והסקת מסקנות.
- בעת העבודה במעבדה יש להקפיד על כללי הזהירות.
שאלות סיכום
1. כימאים הכינו דשן חדש, ועליכם לקבוע באמצעות ניסוי את זמן ההתמוססות של הדשן החדש במים בטמפרטורות שונות.
א. ציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי.
ב. רשמו לפחות 3 גורמים קבועים בניסוי.
ג. רשמו את מהלך הניסוי שלב אחר שלב. מספרו את השלבים.
2. תלמיד טען כי אם נוסיף מעט מלח למי הבישול של הפסטה היא תתרכך מהר יותר. הציעו ניסוי לבדיקת טענת התלמיד. ציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי שלכם, וכן מהם הגורמים הקבועים.
*14*
3. תלמידים החליטו לבדוק באיזה סוג שמן ישחים הצ'יפס מהר יותר בזמן הטיגון.
א. כתבו שאלת חקר מתאימה לניסוי שעליהם לבצע, וציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע.
ב. מהם הגורמים הקבועים בניסוי?
ג. רשמו את מהלך הניסוי שלב אחר שלב. מספרו את השלבים.
ד. התלמידים ביצעו את הניסוי שהצעתם בסעיף ג, אך אחת התלמידות טענה כי חלו שיבושים במהלך הניסוי ואי אפשר לסמוך על התוצאות שהתקבלו. מה התלמידים צריכים לעשות כעת?
ה. תלמידים ביצעו במעבדת בית ספר את הניסוי שהצעתם בסעיף ג. כל אחד מהם הביא מהבית תפוח אדמה אחד, חתך אותו לצ'יפס, וטיגן את הצ'יפס באחד מן השמנים שהקבוצה החליטה לבדוק (שמן סויה, שמן קנולה, שמן זית וכן הלאה). לאחר מכן השוו התלמידים את תוצאות הטיגון בשמנים השונים. חוו דעתכם על האופן שבו בוצע הניסוי הזה.
4. איזה מבין ההיגדים שלפניכם אינו תצפית? נמקו.
א. הטמפרטורה של הנוזל הייתה 43 מעלות צלסיוס.
ב. בתחתית הכוס נוצרו גושים לבנים והיו בועות.
ג. ערבבנו את המלח והמים באמצעות מקל זכוכית.
ד. בעת החימום הרחנו ריח לא נעים.
5. במאה ה-16 אנשים האמינו כי ככל שלגוף מסה גדולה יותר, הוא נופל במהירות גדולה יותר.
גלילאו גליליי החליט לבדוק זאת בעזרת ניסוי. הוא עלה למגדל פיזה וזרק ממנו כמה משקולות בעלות מסה שונה. חבר שלו עמד בתחתית המגדל, התבונן במשקולות הנופלות ורשם את תצפיותיו.
א. רשמו את שאלת החקר שבדק גלילאו.
ב. רשמו שני גורמים קבועים בניסוי.
6. נגה ואילן החליטו להכין טוסטים לארוחת הערב. הם שמו פרוסות לחם בטוסטר וגילו כי הטוסטר אינו פועל.
ההשערה של אילן הייתה כי מקור התקלה הוא בשקע החשמל. ההשערה של נגה הייתה כי מקור התקלה הוא בטוסטר.
לאחר "ניסוי" פשוט הבינו נגה ואילן כי הטוסטר מקולקל.
תארו את הניסוי שבוצע, את תוצאות הניסוי ואת המסקנות מהניסוי.
*15*
*15*
בפרק זה נלמד ש...
- כל החומרים בנויים מאטומים.
- יסודות הם חומרים הבנויים מסוג אחד בלבד של אטומים, ואי אפשר לפרק אותם לחומרים פשוטים יותר.
- החלקיקים המרכיבים את היסודות הם אטומים או מולקולות. חלקיקים אלה יכולים להיות מסודרים באופנים שונים.
- האטום בנוי מגרעין זעיר המורכב מפרוטונים ומנויטרונים, וסביבו נעים אלקטרונים.
- באטום ניטרלי מספר האלקטרונים זהה למספר הפרוטונים. ביון (אטום בעל מטען חשמלי) מספר האלקטרונים שונה ממספר הפרוטונים.
- היסודות מאורגנים בטבלה המחזורית לפי מספרם האטומי.
- ליסודות המסודרים באותו הטור בטבלה המחזורית יש תכונות דומות והם נקראים "משפחה כימית".
מושגים שנכיר:
אטום
יסוד
גרעין, "ענן" אלקטרונים
אלקטרון, פרוטון, נויטרון
כוחות חשמליים (אלקטרוסטטיים)
מספר אטומי
מולקולה
סריג
יון
טבלה מחזורית
משפחה כימית
*16*
מבוא
מה המשותף לכל החומרים שמסביבנו? מה מבדיל בין חומר אחד לחומר אחר? כיצד: נוצר המגוון העצום של החומרים בעלי התכונות השונות בעולם?
כל החומרים בנויים מחלקיקים שביניהם ריק. חלקיקי החומר נמצאים בתנועה מתמדת, ופועלים ביניהם כוחות משיכה.
המבנה החלקיקי של החומר מאפשר להסביר תופעות שונות בעולם החומר, כמו התפשטות ריח של בושם בחלל החדר, התארכות של מוט מתכת בעקבות חימומו, התעבות של מים ועוד.
המבנה החלקיקי של החומר מסביר גם את התכונות המשותפות לגזים, לנוזלים ולמוצקים, ואת ההבדלים ביניהם.
בפרק הזה נעמיק את המבט אל תוך חלקיקי החומר, ונחקור: מהם אותם חלקיקים? כיצד אפשר להסביר באמצעותם את ההבדלים שבין חומרים שונים או את המגוון העצום של החומרים בעולם?
(בספר שלוש תמונות - היעזר במורה)
מוצק
זהב וברזל הם חומרים שונים, אך המבנה החלקיקי שלהם דומה: חלקיקים מסודרים וסמוכים מאוד זה לזה, כוחות המשיכה הפועלים ביניהם חזקים מאוד, הם רועדים (נדים) במקומם ואינם נעים ממקום מקום.
נוזל
שמן ומים הם חומרים שונים, אך המבנה החלקיקי שלהם דומה: החלקיקים סמוכים זה לזה אך אינם מסודרים, כוחות המשיכה הפועלים ביניהם חזקים, והם יכולים לנוע ממקום למקום כשהם מחליקים זה על זה ומתחלפים במקומם.
גז
פחמן דו-חמצני וחמצן הם חומרים שונים, אך המבנה החלקיקי שלהם דומה: החלקיקים מרוחקים מאוד זה מזה, נעים לכל הכיוונים בחופשיות ובמהירות, וכוחות המשיכה הפועלים ביניהם חלשים מאוד.
נכיר גם את עבודתו של אחד מהמדענים החשובים ביותר בתחום הכימיה, דימיטרי מנדלייב, שחקר את עולם החומר וארגן את החומרים בטבלה - הטבלה המחזורית. עבודתו של מנדלייב פרצה דרך למחקר ולתגליות רבות בעולם החומר, והיא הבסיס לעבודתם של כימאים ושל חוקרים בתחומים שונים עד היום.
*17*
חלקיקי החומר - אטומים ומולקולות
תפוח, מכונית, סלע, חתול, מים ועוד - כל הגופים בעולם עשויים מחומרים, ואלה בנויים מאטומים. (אטום - החלקיק הקטן ביותר המרכיב את החומר)
האטומים זעירים מאוד - גרגיר אחד של חול או של מלח מכיל מיליארדי מיליארדים של אטומים (כ- 10 בחזקת 18).
(בספר איור - היעזר במורה)
בעוביו של קו זה, שסורטט בעיפרון, נכנסים כ-3 מיליון אטומי פחמן (העיפרון עשוי מגרפיט, המורכב מאטומי פחמן).
מסיבה זו אי אפשר לראות את האטומים בעין או במיקרוסקופ פשוט. רק במאה ה-20 הצליחו מדענים "לראות" אטומים באמצעות מיקרוסקופים היכולים להגדיל את תמונות החפץ הנצפה פי מיליון ויותר.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
צורן (סיליקון)
2 מיקרומטר - תמונה זו של אטומי צורן נוצרה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים. (מיקרומטר - מיליונית המטר. 10 בחזקת מינוס 6 מטר)
*18*
אטומים הם החלקיקים הבסיסיים ביותר הבונים את החומרים. יש חומרים שהחלקיקים שלהם הם אטומים מסוגים שונים, ויש חומרים שהחלקיקים שלהם הם מולקולות - צירופים של אטומים שהתחברו ביניהם. (מולקולה - שני אטומים או יותר המחוברים ביניהם)
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
1. חלקיקים של מים הם מולקולות מים, המורכבות מאטומים של חמצן ושל מימן.
2. חלקיקים של הליום הם אטומים של הליום.
- כל החומרים בעולם מורכבים מאטומים.
- חלקיקי החומר יכולים להיות אטומים מסוגים שונים או מולקולות.
שאלה
באיורים שלפניכם מוצגים חלקיקים של חומרים שונים באוויר.
סרטטו במחברתכם טבלה, ומיינו בה את החומרים על פי סוג החלקיקים המרכיבים אותם (אטומים או מולקולות).
(בספר איורים - היעזר במנחה)
חנקן, פחמן דו-חמצני, מתאן, ארגון, חמצן, מימן, ניאון
*19*
יסודות
יסודות הם חומרים הבנויים מסוג אחד בלבד של אטומים. לדוגמה, חמצן הוא יסוד מפני שהוא עשוי מאטומי חמצן בלבד. (יסוד - חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים.) לעומתו, פחמן דו-חמצני אינו יסוד - הוא מורכב גם מאטום של פחמן וגם מאטומי חמצן. יסודות שונים בנויים מאטומים שונים. יסודות המוכרים לכולנו הם: זהב, ברזל, פחמן ומימן. יסודות הם חומרים בסיסיים שאי אפשר לפרק אותם לחומרים פשוטים יותר. לכל יסוד תכונות המאפיינות אותו ומבדילות אותו מיסודות אחרים.
(בספר שלושה איורים:)
1. ברזל - (מצופה בשכבת חלודה)
2. כספית
3. פחמן (בצורת פחם)
כיצד בנויים היסודות?
החלקיקים שהיסודות מורכבים מהם יכולים להיות אטומים או מולקולות. חלקיקים אלה יכולים להיות מסודרים באופנים שונים.
(בספר שלושה איורים - העזר במורה)
1. יש יסודות הבנויים מאטומים בודדים. כאלה הם, למשל, ההליום והארגון.
2. יש יסודות הבנויים ממולקולות, שבהן קשורים ביניהם שני אטומים או יותר של אותו היסוד. כאלה הם, למשל, החמצן והמימן.
3. יש יסודות הבנויים מאטומים הקשורים זה לזה במבנה ענק ומסודר של גביש (סריג). (גביש - (סריג) מבנה ענק ומסודר שבו קשורים יחד חלקיקים של חומר.)
כזה הוא, למשל, הפחמן (המופיע בצורה של יהלום או של גרפיט).
בשפת הכימיה ניתן לכל יסוד סימול כימי: אות אחת או שתיים. (סימול כימי של יסוד - סמל של יסוד, המורכב מאות אחת או שתיים משמו הלועזי.) האות הראשונה בסמל היסוד היא תמיד אות גדולה, והיא האות הראשונה של שמו הלועזי של היסוד. האות הבאה אחריה היא אות קטנה. לפניכם מוצגים כמה יסודות נפוצים והסימול הכימי שלהם:
סימול כימי, שם היסוד
H, מימן
O, חמצן
Ag, כסף
Fe, ברזל
Hg, כספית
S, גפרית
*20*
כיום מוכרים 118 יסודות שונים שנצפו ונחקרו, כ-90 מהם הם יסודות המופיעים בטבע, והיתר הם יסודות מלאכותיים שאפשר ליצור במעבדות מחקר, והם אינם יציבים, כלומר: הם מתפרקים לאחר זמן קצר מאוד. כל החומרים בעולם עשויים מאטומים של יסודות - אטומים של יסוד אחד או צירופים שונים של אטומי יסודות.
- יסודות הם חומרים הבנויים מסוג אחד בלבד של אטומים.
- כל החומרים בעולם מורכבים מאטומים של יסוד אחד או מצירופים שונים של אטומי יסודות.
שאלה
האיורים שלפניכם מתארים חלקיקים של חומרים שונים. אילו מבין האיורים מתארים יסודות? נמקו.
(בספר חמישה איורים - היעזר במורה)
הרחבה
הסדר כן משנה - על יהלום ועל גרפיט
היהלום הוא החומר הטבעי הקשה בעולם, והוא שקוף, מבריק ואינו מוליך חשמל. הגרפיט, המצוי בעפרונות, הוא חומר אפור, רך, אטום לאור ומוליך חשמל. שני החומרים האלה עשויים רק מאטומי פחמן, אך צורתם ותכונותיהם שונות לחלוטין.
כיצד אפשר להסביר את תכונותיהם השונות כל כך?
סידור האטומים השונה ביהלום ובגרפיט הוא שמסביר את תכונותיהם השונות.
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
1. גרפיט
2. יהלום
*21*
גרפן
האם ידעתם שלפעמים, כשמציירים קו בעיפרון פשוט, נוצר חומר מן המתקדמים ומן היקרים בעולם?
מילוי העיפרון עשוי מגרפיט, שהוא אחת הצורות של היסוד פחמן. הגרפיט בנוי משכבות שטוחות של אטומי פחמן המסודרות זו על גבי זו.
כאשר אנחנו מציירים קו בעיפרון, נוצרת לעתים על הנייר שכבה אחת בלבד של אטומי פחמן. חומר זה נקרא: גרפן.
במשך שנים רבות ניסו מדענים לבודד את הגרפן מן הגרפיט - הם גירדו את הגרפיט וקילפו ממנו שכבות שכבות כדי להגיע לשכבה הדקה ביותר - בעובי של אטום פחמן אחד.
בשנת 2004 הצליחו לראשונה המדענים אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב ליצור שכבה בודדת של גרפן משבבים של גרפיט שהצמידו אליהם נייר דבק ("סלוטייפ"), ועל השכבה הזאת הם הצליחו לבצע מדידות חשמליות שונות. בשנת 2010 זכו שני המדענים על הישגם הזה בפרס נובל לפיזיקה.
לגרפן שילוב תכונות הייחודי לו: הוא שקוף, גמיש, דק מאוד וחזק מאוד, והוא מוליך מצוין של חשמל ושל חום. אפשר ליצור יריעות של גרפן במגוון גדלים וצורות.
בזכות שילוב התכונות הזה הגרפן מתאים לשימוש בטכנולוגיות חדשניות. לדוגמה:
- הגרפן שקוף ומוליך חשמל, ולכן אפשר יהיה בעתיד להשתמש בו בתאים סולריים, שמטרתם להפיק חשמל מקרינת השמש. מכיוון שהגרפן דק וגמיש, אפשר לצפות בתאים סולריים העשויים ממנו משטחים בעלי צורות שונות.
- הגרפן דק, שקוף ומוליך חשמל, ולכן הוא יוכל לשמש ציפוי למסכי מגע או לייצור מסכי וידאו דקים ושקופים.
*22*
יסודות ומגוון החומרים בעולם
כיום מוכרים בעולם כ-70,000,000 חומרים, ובזכות גילויים ופיתוחים של מדענים שונים, מספר החומרים המוכרים גדל מרגע לרגע.
כיצד ייתכן שמגוון גדול כל כך של חומרים נוצר מכ-90 יסודות המופיעים בטבע? בפעילות הבאה נבדוק זאת.
(בספר תמונה)
טלפונים חכמים (סמארטפונים) עשויים ממאות חומרים שונים
פעילות
התנסות
מצרפים אותיות
באל"ף-בי"ת העברי יש 22 אותיות.
1. לפניכם 3 אותיות: ק, ר, ש.
2. כתבו במחברתכם צירופים שונים של האותיות האלה. אתם יכולים להשתמש בכל האותיות או רק בשתיים מהן, ואתם יכולים להשתמש באותה האות פעם אחת או פעמיים.
3. כמה צירופים שונים הצלחתם ליצור?
4. אילו מן הצירופים שיצרתם הם מילים בעלות משמעות בשפה העברית? הקיפו את המילים בעיגול. כמה מילים כאלה הצלחתם ליצור?
5. בפעילות זו נעזרנו במודל כדי להמחיש כיצד מגוון החומרים בעולם מתקבל מצירופים שונים של היסודות.
א. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, והיעזרו בה כדי להשוות בין המודל למציאות.
מודל, מציאות (עולם החומר)
אותיות, --
צירופים, --
צירופים בעלי משמעות (מילים), --
צירופים חסרי משמעות, --
ב. במה שונה המודל מן המציאות, ובמה הוא דומה לה?
ג. כיצד סייע לכם השימוש במודל להבין את הנושא של מגוון החומרים בעולם?
ד. הציעו מודל אחר שיכול להמחיש את הנושא.
*23*
מבנה האטום
כיצד בנוי האטום? שמו היווני מרמז שאי אפשר לחלקו (ביוונית a-tomos פירושו "בלתי ניתן לחלוקה"), האם הוא אכן בלתי ניתן לחלוקה?
כדי לתאר את מבנה האטום, מדענים נעזרים במודל מדעי. המודל המדעי הוא דגם מוחשי או דימוי שבעזרתו אפשר לתאר תופעה מורכבת בעולם הטבע ולהסביר אותה.
הפילוסוף היווני דמוקריטוס הציע מודל מדעי שלפיו האטום דומה לכדור, וטען שהוא בלתי ניתן לחלוקה. המודל הזה התקבל גם על דעתם של החוקרים במאה ה-16, כ-2,000 שנים לאחר מכן.
בחלוף השנים, הלכו המדע, הטכנולוגיה והמחשבה המדעית והתפתחו. מדענים ערכו ניסויים בחומרים וקיבלו נתונים שמהם היה אפשר ללמוד על מבנה האטום. בידע החדש שצברו הם השתמשו כדי להציע מודלים מדעיים מעודכנים למבנה האטום.
מהו המודל המדעי המודרני למבנה האטום?
על פי הידוע היום, במרכזו של האטום נמצא אזור זעיר המכונה גרעין שסביבו נעים חלקיקים זעירים בעלי מטען חשמלי שלילי הקרויים אלקטרונים. (גרעין - אזור זעיר במרכז האטום בעל מטען חשמלי חיובי, המורכב מפרוטונים ומנויטרונים.) (אלקטרונים - חלקיקים זעירים הנמצאים מסביב לגרעין האטום. בעלי מטען שלילי.)
הגרעין מורכב משני סוגי חלקיקים: פרוטונים, בעלי מטען חשמלי חיובי, ונויטרונים, חסרי מטען חשמלי. לכן מטענו החשמלי של הגרעין חיובי. (פרוטונים - חלקיקים בגרעין האטום, בעלי מטען חשמלי חיובי.) (נויטרונים - חלקיקים בגרעין האטום, חסרי מטען חשמלי (ניטרליים).)
האזור מסביב לגרעין שבו האלקטרונים נמצאים נקרא "ענן" אלקטרונים. ("ענן" אלקטרונים - האזור שבו נמצאים האלקטרונים, מסביב לגרעין.)
המחקר אודות מבנה האטום נמשך ונתונים חדשים מתגלים כל הזמן. כיום אנו יודעים שהפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את גרעין האטום מורכבים מחלקיקים יותר יסודיים, אך בהם לא נעסוק כאן.
(בספר איור - היעזר במורה)
המודל המודרני של מבנה האטום
*24*
בטבלה שלפניכם מפורטים החלקיקים השונים המרכיבים את האטום ותכונותיהם השונות:
החלקיק, סמל החלקיק, מטענו החשמלי, מסת החלקיק (יחידות יחסיות), גודל החלקיק (יחידות יחסיות)
אלקטרון, e בחזקת מינוס, מינוס 1, 1, 1
פרוטון, p בחזקת פלוס, פלוס 1, 1,840, 1,000
נויטרון, n, 0, 1,840, 1,000
שאלות
1. העתיקו את הפסקה שלפניכם למחברת, והשלימו בה את המילים החסרות. היעזרו לשם כך במידע המופיע בטבלה.
לפרוטונים מטען חשמלי --, לאלקטרונים מטען חשמלי -- ולנויטרונים -- מטען חשמלי. מסת הפרוטונים -- למסת הנויטרונים, ומסת האלקטרונים -- הרבה יותר. הפרוטונים והנויטרונים -- בגודלם, ואילו האלקטרונים -- הרבה יותר.
2. על פי הנתונים בטבלה, מה בעיקר קובע את מסת האטום?
א. מספר האלקטרונים בלבד
ב. מספר הפרוטונים והנויטרונים
ג. מספר הנויטרונים בלבד
ד. מספר הפרוטונים בלבד
3. לפניכם תרשים זרימה המתאר את מבנה האטום.
העתיקו אותו למחברתכם, והשלימו את הפרטים החסרים בו.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
על סדרי גודל - הגרעין והאטום
קוטר הגרעין זעיר מאוד ביחס לממדי האטום כולו. קוטר הגרעין הוא כ-10 בחזקת מינוס 15 מטרים, וקוטר האטום גדול ממנו פי מאה אלף - קוטרו כ-10 בחזקת מינוס 10 מטרים. מסיבה זו האטום הוא ברובו חלל ריק.
נוכל להבין זאת אם נדמיין נמלה קטנה העומדת על הדשא שבמרכז אצטדיון ספורט גדול. גודלו של הגרעין ביחס לגודל האטום הוא כגודל הנמלה ביחס לגודל האצטדיון כולו.
*25*
כוחות משיכה ודחייה חשמליים
כאשר מסרקים את השער במסרק בימים יבשים, השער נמשך למסרק ונעמד.
מדוע? התופעה הזאת נובעת מכוחות משיכה חשמליים בין המסרק לבין השער. כאשר מסרקים את השער, המסרק נטען במטען חשמלי שלילי ואילו השער נטען במטען חשמלי חיובי. גופים בעלי מטענים חשמליים מנוגדים נמשכים זה לזה, ולכן השער והמסרק נמשכים זה לזה. לעומת זאת, בין גופים בעלי מטען חשמלי דומה פועלים כוחות דחייה ולכן השערות נדחות זו מזו. גופים בעלי מטען חשמלי חיובי יידחו זה מזה, וכך גם גופים בעלי מטען חשמלי שלילי.
הכוחות האלה, המשיכה והדחייה בין גופים הטעונים במטען חשמלי, נקראים כוחות חשמליים (אלקטרוסטטיים) (כוחות חשמליים - (אלקטרוסטטיים) כוחות של משיכה ודחייה הפועלים בין מטענים חשמליים. מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה, ואילו מטענים חשמליים בעלי אותו סימן דוחים זה את זה.)
אפשר לסכם זאת בתרשים המוצג משמאל.
(בספר תרשים - העזר במורה)
מטענים חשמליים בעלי אותו סימן דוחים זה את זה.
מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה.
שאלה
ענו על השאלות הבאות לפי המידע שקראתם על המטענים החשמליים של מרכיבי האטום ועל כוחות המשיכה והדחייה בין מטענים חשמליים.
א. אילו כוחות פועלים בין הפרוטונים לבין האלקטרונים? הסבירו.
ב. אילו כוחות פועלים בין הפרוטונים לבין עצמם? הסבירו.
ג. אילו כוחות פועלים בין האלקטרונים לבין עצמם? הסבירו.
- האטום הוא ברובו חלל ריק. במרכז האטום נמצא גרעין זעיר, וסביבו נעים אלקטרונים במעין "ענן".
- גרעין האטום מורכב משני סוגים של חלקיקים - פרוטונים ונויטרונים.
- לגרעין מטען חשמלי חיובי, הנובע ממטען הפרוטונים. לאלקטרונים מטען חשמלי שלילי.
- מסת האלקטרונים קטנה מאוד ביחס למסת הפרוטונים והנויטרונים, ולכן מרבית מסת האטום מרוכזת בגרעין.
- בין מרכיבי האטום פועלים כוחות משיכה ודחייה חשמליים (אלקטרוסטטיים): בין הפרוטונים החיוביים שבגרעין לבין האלקטרונים השליליים הסובבים את הגרעין פועלים כוחות משיכה. בין הפרוטונים לבין עצמם ובין האלקטרונים לבין עצמם פועלים כוחות דחייה.
בפעילות הבאה נבחן כמה מודלים למבנה האטום, שהיו אבני דרך חשובות בפיתוח התאוריה האטומית המודרנית.
*26*
העשרה
אוריינות מדעית
התפתחות של תיאוריה מדעית - מבנה האטום
בציר הזמן שלפניכם אפשר לראות כיצד מדענים תיארו את מודל האטום במשך השנים. בחרו אחד מהמודלים המדעיים המופיעים בתרשים.
1. באילו דימויים נעזרו החוקרים שהציעו את המודל?
2. מה חידש המודל לעומת קודמו?
3. במה דומה המודל שבחרתם למודל המדעי המודרני של מבנה האטום, ובמה הוא שונה ממנו?
(בספר ציר זמן)
460 לפנה"ס - דמוקריטוס - החומר בנוי מאטומים שאינם ניתנים לחלוקה. לחומרים שונים יש אטומים השונים זה מזה.
1860 - דלתון - האטומים הם כדורים קשים וחלקים שאינם ניתנים לחלוקה. כל האטומים של אותו היסוד זהים זה לזה, ויש להם אותה המסה. ליסודות שונים יש אטומים השונים זה מזה, ויש להם מסה שונה. אטומים יכולים להתרכב זה עם זה ביחסים מספריים קבועים וליצור חומרים חדשים.
1897 - תומסון - האטומים מכילים חלקיקים זעירים בעלי מטען חשמלי שלילי - אלקטרונים - המפוזרים בכדור בעל מטען חיובי בדומה לצימוקים המפוזרים בעוגה.
*27*
1912 - רתרפורד - האטום הוא ברובו חלל ריק שבו נמצאים האלקטרונים השליליים, ובמרכזו גרעין זעיר שבו נמצאים חלקיקים זעירים בעלי מטען חיובי ששמם פרוטונים.
1913 - בוהר - האלקטרונים חגים במסלולים קבועים מסביב לגרעין, כשם שהכוכבים במערכת השמש נעים במסלולים קבועים מסביב לשמש.
מ-1926 ואילך - שרדינגר, צ'דויק ואחרים - במרכזו של האטום נמצא גרעין זעיר שבו נמצאים פרוטונים - חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי, ונויטרונים - חלקיקים חסרי מטען חשמלי. סביב הגרעין נעים האלקטרונים במעין "ענן".
(בספר איור - היעזר במורה)
גרעין, נויטרון, פרוטון, אלקטרון, "ענן" אלקטרונים
*28*
מספר אטומי
במה נבדלים אטומים של יסודות שונים? לדוגמה, במה נבדל אטום של מימן מאטום של זהב?
כיום ידוע כי מה שמבדיל בין יסוד אחד לאחר הוא מספר הפרוטונים בגרעין האטום.
לדוגמה, בגרעין של אטום מימן יש פרוטון אחד, ואילו גרעין של אטום זהב גדול הרבה יותר - הוא מכיל 79 פרוטונים!
(בספר תמונה - זהב)
מספר הפרוטונים בגרעין האטום של כל יסוד ויסוד נקרא המספר האטומי של היסוד.
(מספר אטומי - מספר הפרוטונים באטום (זהה למספר האלקטרונים באטום ניטרלי).
באטום ניטרלי (שאינו טעון חשמלית) מספר הפרוטונים זהה למספר האלקטרונים, מטענם החיובי של הפרוטונים מאזן את מטענם השלילי של האלקטרונים, ולכן המטען הכולל שלו הוא 0.
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
אטום זהב
(79 פרוטונים ו-79 אלקטרונים)
זהב -Au , המספר האטומי 79
אטום מימן
(פרוטון אחד ואלקטרון אחד)
מימן - H, המספר האטומי 1
יונים - אטומים בעלי מטען חשמלי
כשאטומים מתחברים זה עם זה ונוצרים חומרים חדשים, לפעמים אלקטרונים עוברים מאטום אחד לאטום אחר ולכן מספר האלקטרונים שבאטום משתנה. כעת מספר האלקטרונים שבאטום שונה ממספר הפרוטונים שבו.
במקרה כזה המטענים החשמליים החיוביים (שמקורם בפרוטונים) והמטענים החשמליים השליליים (שמקורם באלקטרונים) אינם מאזנים זה את זה, ולאטום יש מטען חשמלי - שלילי או חיובי.
אטום הטעון במטען חשמלי נקרא יון. (יון - אטום בעל מטען חשמלי. מספר הפרוטונים ביון שונה ממספר האלקטרונים.)
ביון שלילי מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים, וביון חיובי מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים.
(בספר איור - היעזר במורה)
יון שלילי של פלואור
מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים.
יון חיובי של מגנזיום
מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים.
(בספר תמונה:)
משחות שיניים מכילות חומרים שבהם יונים של פלואור.
*29*
מטען האטום מחושב לפי ההפרש בין מספר המטענים החיוביים (מספר הפרוטונים, שהוא גם המספר האטומי) לבין מספר המטענים השליליים (מספר האלקטרונים).
מספר הפרוטונים (המספר האטומי) מינוס מספר האלקטרונים שווה מטען האטום
לדוגמה,
מטענו של אטום זהב, שבו 79 פרוטונים ו-79 אלקטרונים הוא: 79 מינוס 79 שווה אפס
מטענו של יון הפלואור, שבו 9 פרוטונים ו-10 אלקטרונים הוא: 9 מינוס 10 שווה מינוס 1
מטענו של יון מגנזיום, שבו 12 פרוטונים ו-10 אלקטרונים הוא: 12 מינוס 10 שווה פלוס 2
מקובל לרשום את מטען היון בצדו הימני העליון של סמל היסוד.
אם גודל המטען הוא 1, רושמים בצד סמל היסוד רק את הסימן + או -, המייצג את סוג המטען (חיובי או שלילי).
אם גודל המטען שונה מ-1, רושמים קודם את גודל המטען ורק אחר כך את סוגו.
(בספר מופיעים יסודות. הם הועתקו כך: שם היסוד ומספרו האטומי, ובסוגריים מטען היון)
לדוגמה:
H1 (פלוס) - יון חיובי של מימן, Cl17 (מינוס) - יון שלילי של כלור, Mg12 (2 פלוס) - יון חיובי של מגנזיום, S16 (2 מינוס) - יון שלילי של גופרית
- מספר הפרוטונים בגרעין האטום הוא שמבדיל בין יסוד ליסוד, והוא נקרא המספר האטומי של היסוד.
- באטום ניטרלי מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים.
- יון הוא אטום בעל מטען חשמלי, שבו מספר הפרוטונים שונה ממספר האלקטרונים.
- מטען היון הוא ההפרש שבין מספר הפרוטונים למספר האלקטרונים באטום.
שאלה
העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו אותה: רשמו את מטען האטום של כל אחד מן היסודות, והחליטו אם הוא אטום ניטרלי או יון.
שם היסוד, סמל היסוד, מספר פרוטונים, מספר אלקטרונים, מטען, אטום ניטרלי/ יון
ברום, Br, 35, 35, --, --
חמצן, O, 6, 8, --, --
נתרן, Na, 11, 10, --, --
אבץ, Zn, 30, 28, --, --
*30*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
בניית אטומים ויונים
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה האטום והטבלה המחזורית, ובחרו ביחידת הלימוד בניית אטומים ויונים.
בפעילות זו תוכלו להתנסות בבניית אטומים ויונים לפי הנתונים עליהם בטבלה המחזורית שביחידה. לאחר מכן בדקו אם תשובתכם נכונה.
(בספר צילומי מסך מחשב - היעזר במורה)
שאלות
1. תלמידה קיבלה בפעילות את התוצאה המוצגת משמאל.
א. האם זהו אטום ניטרלי או יון? נמקו.
ב. מהו מספרו האטומי של האטום הזה?
ג. מהו האטום הזה?
2. רשמו את שמו ואת הסימול הכימי שלו.
מה מטענו של כל אחד מן היונים שלפניכם?
*31*
הטבלה המחזורית של היסודות
עד למאה ה-18 היו ידועים יסודות מועטים לאדם. מקצתם היו מוכרים לו עוד מתקופות קדומות, לדוגמה: ברזל, זהב, נחושת וגפרית.
במאה ה-18 הואץ קצב גילוי היסודות. מדענים החלו לחפש את החוקיות בתכונות של היסודות, וניסו למיין את היסודות לקבוצות המגלות תכונות משותפות.
פריצת הדרך הושגה בזכות עבודתו של דמיטרי מנדלייב, כימאי רוסי שפרסם בשנת 1869 את הטבלה המחזורית.
בשנה זו כבר הכירו 63 יסודות. מנדלייב, שנהג לשחק בקלפים, הכין לכל יסוד כרטיס שבו כתב את שמו ואת תכונותיו. כאשר סידר את 63 הכרטיסים של היסודות בסדר עולה, לפי המסה האטומית שלהם, גילה כי קיימת מחזוריות בתכונות היסודות: כל כמה יסודות מופיע יסוד שתכונותיו דומות ליסוד אחר, שקדם לו. התמונה שלפניכם מציגה את הטבלה המחזורית המודרנית, המבוססת על עבודתו של מנדלייב. בטבלה הזאת מאורגנים היסודות משמאל לימין ומלמעלה למטה בסדר עולה של מספרים אטומיים, החל במימן, שמספרו האטומי 1.
שורות הטבלה מכונות גם מחזורים. (מחזור - קבוצת היסודות המסודרים באותה השורה בטבלה המחזורית.) הטורים של הטבלה מכונים גם משפחות כימיות, ובהם נמצאים יסודות שלהם תכונות משותפות.
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
הטבלה המחזורית של היסודות
(בספר תמונה)
פסלו של מנדלייב, לצד תבליט של הטבלה המחזורית על קיר המכון למדידה בסנקט פטרבורג שברוסיה
- הטבלה המחזורית היא טבלה המארגנת את כל היסודות הידועים לפי סדר עולה של מספרים אטומיים.
- שורות הטבלה נקראות גם מחזורים.
- טורי הטבלה נקראים גם משפחות כימיות, ובהם נמצאים יסודות בעלי תכונות דומות.
*32*
שאלות
1. מצאו בטבלה את היסוד מגנזיום (Mg). מה מספרו האטומי?
2. ציינו שם של יסוד אחר שתכונותיו דומות לאלו של המגנזיום. נמקו את תשובתכם.
3. ציינו שם של יסוד השייך לאותו המחזור בטבלה המחזורית כמו המגנזיום.
4. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים החסרים.
שם היסוד, סימול כימי, מספר אטומי, מספר פרוטונים, מספר אלקטרונים
מימן, H, 1, 1, --
פחמן, --, --, --, --
--, --, --, --, 29
--, --, --, 15, --
--, --, 16, --, --
ברזל, --, --, --, --
סידן, --, --, --, --
העשרה
ניבוי תכונותיהם של יסודות על פי הטבלה המחזורית
כאשר מנדלייב סידר את היסודות בטבלה המחזורית, הוא שם לב שבמקומות אחדים "חסרים" יסודות. מנדלייב שמר בטבלה המחזורית מקומות ריקים ליסודות האלה, וטען כי הם קיימים והם עדיין לא התגלו. הוא אף חישב את המסה האטומית של היסודות וניבא את תכונותיהם. מאוחר יותר התברר כי במרבית המקרים צדק.
בתמונה שלפניכם קטע המבוסס על הטבלה המחזורית המקורית של מנדלייב, ובו מקום ריק המיועד ליסוד הנמצא מתחת לאלומיניום (בטור השלישי).
שורה, קבוצה1, קבוצה 2, קבוצה 3, קבוצה 4, קבוצה 5, קבוצה 6, קבוצה 7, קבוצה 8
1, H, ריק, ריק, ריק, ריק, ריק, ריק, ריק
2, Li, Be, B, C, N, O, F, ריק
3, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, ריק
4, K, Ca, ?, Ti, V, Cr, Mn, Ni Cu Fe, Co,
מנדלייב חישב את המסה האטומית של היסוד הזה, וניבא כי תכונותיו יהיו דומות לאלה של האלומיניום. בשנת 1875 התגלה היסוד, שנקרא בשם גליום, ונמצא כי תכונותיו אכן דומות לאלה שמנדלייב ניבא.
*33*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
הטבלה המחזורית - היכרות עם יסודות
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה האטום והטבלה המחזורית, ובחרו ביחידת הלימוד הטבלה המחזורית.
בטבלה האינטראקטיבית הזו תוכלו ללחוץ על שמות היסודות ולקבל מידע עליהם. תוכלו גם למיין את היסודות לפי קריטריונים שונים.
שאלות
1. העתיקו למחברתכם את הטבלה הבאה והשלימו בה את הסימולים הכימיים של היסודות המופיעים בה.
היסוד, זרחן, נתרן, ניאון, כלור, זהב
סימול כימי, --, --, --, --, --
2. לפניכם תיאורים של כמה יסודות ורשימת יסודות. היעזרו בטבלה המחזורית האינטראקטיבית, והתאימו את שם היסוד לתיאורו.
התיאורים
א. ממנו מייצרים שבבים אלקטרוניים (צ'יפים).
ב. מרכיב של האבן היקרה ברקת (אזמרגד).
ג. היסוד בעל הצפיפות הנמוכה בעולם (ה"קל" בעולם).
ד. המרכיב העיקרי באוויר.
ה. גז הפולט אור אדום בנורות מיוחדות.
ו. גז רדיואקטיבי המצטבר במקומות נמוכים.
ז. המתכת השכיחה ביותר בקרום כדור הארץ.
ח. מתכת המשמשת להגנה מפני קרינה בצילומי רנטגן.
רשימת היסודות
בריליום
ניאון
אלומיניום
רדון
חנקן
מימן
צורן
עופרת
3. בחרו באחד היסודות המעניינים אתכם. קראו את המידע המופיע על היסוד הזה בטבלה האינטראקטיבית, והיכנסו גם לקישורים למידע ולסרטונים עליו. בחרו עובדה אחת על היסוד שעניינה אתכם במיוחד, והציגו אותה לכיתה. הסבירו גם מדוע בחרתם ביסוד הזה.
(בספר שתי תמונות)
1. אבן ברקת (אזמרגד)
2. שבב אלקטרוני (צ'יפ)
*34*
מתכות ואל-מתכות
את היסודות אפשר לחלק לשתי קבוצות: מתכות ואל-מתכות. מתכות הן הקבוצה הגדולה ביותר של היסודות. קבוצת האל-מתכות מכילה יסודות מועטים, השונים מן המתכות במראם החיצוני ובתכונות אחרות.
בניסוי שלפניכם נבדוק תכונות של כמה יסודות ונכיר את התכונות המבדילות את המתכות מן האל-מתכות.
פעילות
התנסות
מתכות ואל-מתכות
מטרת הניסוי: הכרת תכונות של מתכות ואל-מתכות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד: יסודות שונים כגון ברזל, נחושת, אלומיניום, גפרית, חמצן ויוד, ומערכת לבדיקת מוליכות חשמלית המכילה סוללות, בית סוללה, תילים מוליכים, נורה ובית נורה.
מהלך ההתנסות:
א. התבוננו ביסודות השונים, ושערו: אילו מהם מתכות ואילו מהם אינם מתכות (אל-מתכות)? נמקו את השערתכם.
ב. שערו: אילו מן היסודות מוליכים חשמל? נמקו.
ג. בדקו את השערתכם באמצעות הציוד המתאים.
תוצאות:
העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, תנו לה כותרת והשלימו בה את הנתונים הנכונים, על פי תוצאות הניסוי ועל פי ידע קודם.
שם היסוד, ברזל, יוד, גפרית, חמצן, נחושת, אלומיניום
מצב צבירה (בטמפרטורת החדר), --, --, --, --, --, --
מראה חיצוני (צבע, ברק מתכתי), --, --, --, --, --, --
מוליך חשמל (כן או לא), --, --, --, ריק, --, --
סיכום ומסקנות:
1. אילו תכונות מאפיינות את המתכות שבדקתם?
2. מדוע אסור להשתמש בחושים אחרים, כמו חוש המגע, הריח או הטעם, לבדיקת החומרים?
*35*
תכונות של מתכות ושל אל-מתכות
אפשר להבחין במתכות על פי מראן החיצוני - מרביתן כסופות והן בעלות ברק מתכתי. המתכות חולקות גם תכונות משותפות אחרות: את רובן אפשר לעבד, כלומר: אפשר לרקע אותן (להכות עליהן כדי לקבל מתכת דקה יותר), לכופף אותן ועוד, בלי שיישברו או שיתפוררו, והן מוליכות טובות של חשמל ושל חום.
אל-מתכות שונות מן המתכות במראן החיצוני ובתכונות אחרות: הן אינן כסופות ומרביתן אינן מבריקות, הן נוטות להישבר ולהתפורר, והן מוליכות גרועות של חשמל ושל חום.
נהוג לציין גם קבוצה אחרת של יסודות - מתכות למחצה. אלה יסודות שיש להם חלק מהתכונות של המתכות וחלק מהתכונות של האל-מתכות. היסוד המפורסם ביותר בקבוצה זו הוא צורן (סיליקון), אחד החומרים החשובים ביותר בתעשיית האלקטרוניקה. בשלב הזה בלימוד נתמקד בחלוקה למתכות ולאל-מתכות בלבד.
בטבלה המחזורית המתכות ממוקמות במרכז ובצד שמאל, והאל-מתכות ממוקמות בצד ימין. המתכות למחצה ממוקמות בטבלה המחזורית באזור המפגש שבין המתכות לאל-מתכות.
(בספר שלוש תמונות)
1. אלומיניום הוא מתכת
2. גפרית היא אל-מתכת
3. צורן הוא מתכת למחצה
הרחבה
מדוע מתכות מוליכות חשמל?
כל המתכות מוליכות חשמל. מדוע?
את תופעת הולכת החשמל של מתכות אפשר להסביר באמצעות המבנה החלקיקי של המתכות.
במרבית המתכות האטומים יוצרים מבנה מסודר הנקרא סריג (גביש) מתכתי. באטום של מתכת, חלק מן האלקטרונים נמשכים בכוחות חלשים מאוד אל הגרעין, ולכן הם יכולים להתנתק מהאטום בקלות יחסית ולנוע בחופשיות בין האטומים האחרים. אלקטרונים אלה נקראים אלקטרונים חופשיים. הולכת החשמל הטובה של מתכות נובעת מהתנועה של האלקטרונים החופשיים בגוף המתכת.
(בספר איור - היעזר במורה)
אלקטרונים חופשיים
יונים חיוביים של מתכת
*36*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
הטבלה המחזורית - מתכות ואל-מתכות
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה האטום והטבלה המחזורית, ובחרו ביחידת הלימוד הטבלה המחזורית.
1. לחצו על הכפתור מתכות/ אל-מתכות שבתחתית המסך, ועיינו במיון היסודות למתכות ולאל-מתכות. רשמו במחברתכם עוד דוגמאות למתכות ולאל-מתכות, מלבד אלו שכבר הוזכרו בספר (לפחות שתיים מכל סוג).
2. לחצו על הכפתור מצב צבירה, ועיינו במיון היסודות לפי מצב הצבירה שלהם בטמפרטורת החדר.
א. באיזה מצב צבירה נמצאות מרבית המתכות בטמפרטורת החדר?
ב. איזו מתכת יוצאת דופן? מה מצב הצבירה שלה?
ג. מה תוכלו לומר על מצב הצבירה של האל-מתכות?
- רוב היסודות המוכרים לנו הם מתכות. בטבלה המחזורית המתכות ממוקמות במרכז ובצד שמאל.
- מרבית המתכות הן מוליכות טובות של חשמל ושל חום, הן בעלות ברק כסוף ואפשר לעבדן. בטמפרטורת החדר מרביתן מוצקות.
- האל-מתכות הם היסודות הממוקמים בצדה הימני של הטבלה המחזורית. הם מוליכים גרועים של חשמל ושל חום, אינם בעלי ברק כסוף ואי אפשר לרקעם.
*37*
משפחות כימיות
יסודות המסודרים באותו הטור בטבלה המחזורית נקראים משפחה כימית. בניסויים שלפניכם נבדוק את תכונותיהם של יסודות השייכים לאחת המשפחות הכימיות - משפחת המתכות האלקליות.
פעילות
תצפית והתנסות בהדגמה
תכונות של משפחת המתכות האלקליות
מטרת הפעילות: להכיר את תכונותיהן של המתכות האלקליות נתרן ואשלגן.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, מנדף.
ציוד: משקפי מגן, צנצנת שיש בה גושי נתרן בתוך נפט, כוס כימית שנפחה 250 מ"ל ויש בה כ-150 מ"ל מים, מלקטת, סכין.
מהלך הפעילות:
א. מצאו את היסודות נתרן ואשלגן בטבלה המחזורית. היכן הם ממוקמים?
ב. הנתרן נמצא בתוך צנצנת כשהוא מכוסה בנפט. צפו בו ותארו את מראהו החיצוני.
ג. חותכים חתיכה זעירה מהנתרן באמצעות סכין. האם המתכת רכה - נחתכת בקלות - או שקשה לחתוך אותה? התבוננו באזור החתך: מה צבעו? האם הוא מבריק?
ד. לאחר החיתוך מוציאים את חתיכת הנתרן מן הנפט באמצעות מלקטת, ומניחים אותה בכוס מים. תארו את מה שמתרחש.
שערו: מה יתקבל בהתנסות דומה עם אשלגן? נמקו את תשובתכם.
ה. צפו בסרטון ברשת האינטרנט המתאר התנסות דומה עם אשלגן. האם צדקתם בהשערתכם בנוגע לתוצאות ההתנסות עם אשלגן?
תוצאות:
ארגנו את תוצאות התצפית וההתנסות בטבלה. תנו כותרת מתאימה לטבלה. סיכום ומסקנות:
1. מה היה דומה ומה היה שונה בתכונות הנתרן והאשלגן?
2. מדענים ביצעו את אותה הפעילות עם המתכת רובידיום.
שערו: מה תהיינה תוצאות הפעילות? הסבירו.
*38*
העשרה
ניסוי בהדגמה
להבות צבעוניות
מטרת ההתנסות: הכרת הצבעים האופייניים ללהבה כשמכניסים אליה מלחים של מתכות אלקליות שונות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד: מבער בונזן, 3 כפיות שרפה, מלחים של המתכות האלקליות ליתיום כלורי, נתרן כלורי (מלח שולחן) ואשלגן כלורי.
מהלך ההתנסות:
א. מרכיבים את משקפי המגן ומדליקים את מבער הבונזן.
ב. מעמיסים מעט מן האשלגן הכלורי בכפית שרפה, ומניחים אותה במרכז הלהבה של המבער.
ג. איזה צבע התקבל בלהבה?
ד. חוזרים על הפעילות עם ליתיום כלורי ועם נתרן כלורי.
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
חקר תכונות משפחות של יסודות בטבלה המחזורית
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה האטום והטבלה המחזורית, ובחרו ביחידת הלימוד הטבלה המחזורית.
בחרו בטבלה המחזורית באחת מהמשפחות האלה: משפחת המתכות האלקליות, משפחת ההלוגנים או משפחת הגזים האצילים.
קראו את המידע על היסודות השייכים למשפחה שבחרתם, בדקו את מצב הצבירה שלהם בטמפרטורת החדר ובדקו אם הם שייכים לקבוצת המתכות או לקבוצת האל-מתכות.
1. ציינו את שמות היסודות המשתייכים למשפחה שבחרתם.
2. פרטו את התכונות המשותפות ליסודות האלה.
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
*39*
משפחת המתכות האלקליות
המתכות האלקליות הן המתכות הנמצאות בטור מספר 1 בטבלה המחזורית (חוץ מהמימן, הנמצא אף הוא בטור מספר 1 ואינו שייך לקבוצה זו). המתכות האלקליות הן מתכות מוצקות, רכות וכסופות-מבריקות.
הן מוליכות טובות של חשמל ופעילות מאוד מבחינה כימית - הן מתרכבות בקלות עם חומרים אחרים. מסיבה זו, המתכות האלקליות אינן מופיעות בטבע כיסודות נפרדים אלא בתרכובות עם יסודות אחרים. המתכות האלקליות מגיבות עם החמצן שבאוויר, ומגיבות במהירות (ולעתים בעוצמה רבה) עם מים, תגובה שבה נפלט גז מימן.
(בספר איור - היעזר במורה)
Li3 - ליתיום, Na11 - נתרן, K19 - אשלגן, Rb39 - רובידיום, Cs55 - צסיום, Fr87 - פרנציום
משפחת ההלוגנים
ההלוגנים הם היסודות הנמצאים בטור מספר 7 בטבלה המחזורית. ההלוגנים הם משפחה של יסודות אל-מתכתיים צבעוניים ורעילים, הבנויים ממולקולות דו-אטומיות (מולקולות המורכבות משני אטומים). ההלוגנים פעילים מאוד מבחינה כימית - הם נוטים להתרכב בקלות עם יסודות אחרים. שמם של ההלוגנים (מיוונית: "הלו" - מלח, "גן" - יוצר) מעיד על פעילותם הרבה. ההלוגנים אינם מופיעים בטבע כיסודות נפרדים אלא בתרכובות עם יסודות אחרים, לדוגמה, עם מתכות ממשפחת המתכות האלקליות. תרכובות כאלה מכונות מלחים.
ההלוגנים הם המשפחה היחידה שבה אפשר למצוא בטמפרטורת החדר יסודות בכל שלושת מצבי הצבירה: מוצק (יוד ואסטטין), נוזל (ברום) וגז (כלור, פלואור).
(בספר איור - היעזר במורה)
F8 - פלואור, Cl17 - כלור, Br35 - ברום, I53 - יוד, 85At - אסטטין
(בספר שלוש תמונות)
1. מלחי ליתיום ונתרן משמשים כמקור לצבעים אדומים וצהובים בזיקוקי די-נור.
2. נתרן הוא מתכת אלקלית.
3. כלור הוא הלוגן.
*40*
משפחת הגזים האצילים
הגזים האצילים הם משפחה של יסודות אל-מתכתיים במצב צבירה גזי, שאינם פעילים כמעט מבחינה כימית. לכן הם קיימים בטבע כאטומים בודדים ולא כתרכובות.
(בספר איור - היעזר במורה)
He2 - הליום, Ne10 - ניאון, Ar18 - ארגון, Kr36 - קריפטון, Xe54 - קסנון, Rn86 - רדון
העשרה
נורות צבעוניות בשלטי פרסום
בשלטי פרסום משתמשים לעתים קרובות בנורות צבעוניות המעוצבות בצורות שונות, המכונות בשפת היומיום "נורות ניאון". פעולתן של הנורות האלה מבוססת על העברת זרם חשמלי דרך גז הממלא את חלל הנורה. כאשר זרם חשמלי עובר דרך הגז הוא פולט אור בצבע האופייני לו. כאשר הנורה מלאה בגז ניאון נפלט ממנה אור אדום. כדי לקבל תאורה בצבעים אחרים ממלאים את הנורה בגזים אחרים או בתערובות של גזים שונים.
(בספר צילום)
כיכר טיימס בלילה, ניו יורק, 2008
*41*
פעילות
סיכום
היסוד שלי
היעזרו בטבלה המחזורית שבאתר הילקוט הדיגיטלי - מדע וטכנולוגיה, ובמקורות מידע אחרים לבחירתכם. בחרו יסוד אחד המעניין אתכם.
אספו מידע על היסוד שבחרתם, והכינו איקון (צלמית) שייצג אותו.
על האיקון לייצג אחד ממאפייניו של היסוד או יותר: המראה שלו, התכונות שלו, השימושים שלו, ההיסטוריה של גילויו או מידע אחר הנוגע ליסוד.
הציגו את האיקון בתערוכה בכיתה, והסבירו כיצד הוא מייצג את היסוד שבחרתם.
(בספר איור)
נובליום - No
שאלה
לפניכם תבנית של טבלה מחזורית, שבה מסומנים במספרים 4 מקומות.
(בספר תבנית - היעזר במנחה)
בטבלה שלפניכם מתוארות התכונות של כמה יסודות.
התאימו בין היסוד לבין המספר המסמן את מקומו המשוער בטבלה. הסבירו את בחירותיכם.
היסוד, מראה חיצוני, האם הוא פעיל מבחינה כימית?, האם הוא מוליך חשמל?
א, גז חסר צבע, כמעט שלא, ריק
ב, מוצק שצבעו כסוף, מאוד, כן
ג, גז חסר צבע, מאוד, ריק
ד, מוצק שחור-סגול, כן, לא
*42*
סיכום
- האטומים הם יחידות המבנה הבסיסיות הבונות את החומרים.
- יסודות הם חומרים בסיסיים הבנויים מסוג אחד בלבד של אטומים.
- האטום הוא ברובו חלל ריק שבו נעים אלקטרונים שליליים באזור דמוי ענן. במרכז האטום נמצא אזור זעיר המכונה גרעין, המורכב מפרוטונים חיוביים ומנויטרונים חסרי מטען חשמלי. בין הגרעין החיובי לאלקטרונים השליליים פועלים כוחות משיכה חשמליים.
- מספר הפרוטונים בגרעין האטום מבדיל בין יסוד ליסוד, והוא נקרא המספר האטומי של היסוד.
- באטום ניטרלי מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים. באטום טעון, יון, מספר האלקטרונים שונה ממספר הפרוטונים.
- הטבלה המחזורית היא טבלה שבה היסודות הידועים מאורגנים לפי סדר עולה של מספרים אטומיים.
- טורי הטבלה נקראים גם משפחות כימיות, מכיוון שבטורים האלה יש יסודות בעלי תכונות דומות, לדוגמה: משפחת המתכות האלקליות, משפחת ההלוגנים ומשפחת הגזים האצילים.
- קבוצת המתכות היא הקבוצה הגדולה ביותר של יסודות, והיא ממוקמת בצדה השמאלי של הטבלה המחזורית ובמרכזה. המתכות מוליכות טובות של חשמל ושל חום, הן מבריקות ואפשר לעבדן. מרביתן מוצקות.
- היסודות הממוקמים בצדה הימני של הטבלה הם האל-מתכות. היסודות האלה הם מוליכים גרועים של חשמל ושל חום, אינם מבריקים ואי אפשר לרקעם.
(בספר קריקטורה - היעזר במורה)
דימיטרי מנדלייב,
מספיק כבר עם המשחקים!
בוא לאכול...
*43*
שאלות
1. סמנו את ההיגד הנכון מבין ההיגדים שלפניכם:
א. רק יצורים חיים בנויים מאטומים.
ב. גם יצורים חיים וגם גופים דוממים בנויים מאטומים.
ג. רק גופים דוממים בנויים מאטומים.
ד. רק יסודות בנויים מאטומים.
2. איזה מן הסעיפים הבאים מכיל רק יסודות?
א. מים, אוויר, מלח, שמן
ב. פחמן דו-חמצני, מים, גפרית, חמצן
ג. חמצן, מימן, פחמן, גפרית
ד. חמצן, מים, פחמן, גפרית
3. איזה מהאיורים שלפניכם מתאר חומר שאינו יסוד? הסבירו.
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
4. השלימו את הפסקה שלפניכם.
האטום בנוי מ-- זעיר ודחוס, שבתוכו -- בעלי מטען חיובי ו-- חסרי מטען חשמלי. ה-- הם חלקיקים זעירים בעלי מטען שלילי הנעים באזור דמוי ענן מסביב לגרעין.
5. לאחרונה התגלה כוכב לכת חדש בחלל, שבו ריכוז גבוה מאוד של יסוד שמספרו האטומי 6.
מהו היסוד הזה? כמה פרוטונים וכמה אלקטרונים יש בו?
6. כמה פרוטונים ואלקטרונים יש ליון חיובי של אשלגן (K פלוס)? (היעזרו בטבלה המחזורית)
א. 19 פרוטונים, 19 אלקטרונים
ב. 20 פרוטונים, 19 אלקטרונים
ג. 19 פרוטונים, 18 אלקטרונים
ד. 19 פרוטונים, 20 אלקטרונים
*44*
7. תלמידים בדקו במעבדה כמה יסודות. כאשר הכו בפטיש על אחד היסודות, הוא התפורר.
א. באיזה אזור בטבלה המחזורית נמצא היסוד הזה? נמקו.
ב. איזו עוד תכונה עשויה להיות ליסוד הזה?
1. מבריק
2. מוליך חשמל
3. מבודד חשמל
4. ניתן לריקוע
8. היסוד כלור הוא גז צבעוני, רעיל ופעיל מאוד מבחינה כימית. לאיזה מהיסודות הבאים יש תכונות דומות? נמקו.
א. לנתרן
ב. לבור
ג. לארגון
ד. לפלואור
9. חוט הלהט בנורת להט עשוי ממתכת ששמה טונגסטן. את חלל הנורה ממלאים בגז האציל ארגון ולא באוויר. הסבירו מדוע.
10. העתיקו את התרשים שלפניכם אל המחברת, והשלימו בו את המושגים האלה: אל-מתכות, מתכות אלקליות, הלוגנים, מתכות, יסודות, גזים אצילים.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
*45*
*45*
בפרק זה נלמד ש...
- תרכובות הן חומרים שבנויים מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה.
- התכונות של תרכובת שונות מהתכונות של היסודות המרכיבים אותה.
- יש תרכובות הבנויות ממולקולות, ויש תרכובות הבנויות מיונים במבנה ענק ומסודר.
- חומצות ובסיסים הם סוגים של תרכובות.
- יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים.
- תערובות נוצרות מערבוב של כמה חומרים טהורים.
- אפשר להפריד תערובת למרכיביה באמצעות שיטות הפרדה שונות.
מושגים שנכיר:
חומר טהור
תרכובת: נוסחה כימית, תרכובת יונית
תערובת: תערובת אחידה (הומוגנית), תערובת לא אחידה (הטרוגנית)
תמיסה: ממס, מומס, תמיסה מרוכזת, תמיסה מהולה
שיטות הפרדה: סינון, זיקוק, כרומטוגרפיה
*46*
מבוא
יש חומרים הבנויים מאטומים של יסוד אחד בלבד - אלה הם היסודות שהכרנו בפרק הקודם. היסודות מתחלקים למתכות ולאל-מתכות. חמצן ומימן הם דוגמאות ליסודות אל-מתכתיים, ואילו ברזל ונתרן הם דוגמאות ליסודות מתכתיים.
חומרים רבים סביבנו בנויים מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה. חומרים כאלה נקראים תרכובות. (תרכובת - חומר טהור המורכב מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה בקשר כימי.) מים, סוכר, מלח, פלסטיק, ניילון וחומרים רבים אחרים הם תרכובות. אפשרויות הצירוף של אטומי היסודות השונים רבות מאוד, ולכן מכ-90 היסודות הקיימים בכדור הארץ אפשר ליצור מיליוני תרכובות שונות.
(בספר שני איורים)
1. סוכר הוא תרכובת.
מולקולה אחת של סוכר: כל מולקולה מורכבת מאטומי פחמן, מאטומי חמצן ומאטומי מימן הקשורים זה לזה בקשרים כימיים.
2. גפרית היא יסוד.
מולקולה אחת של גפרית: כל מולקולה מורכבת מאטומי גפרית הקשורים זה לזה בקשרים כימיים.
יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים. (חומר טהור - חומר בעל הרכב קבוע ומגוון תכונות אופייניות. יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים.) לחומרים האלה יש הרכב קבוע ומגוון תכונות אופייניות. לדוגמה: הסוכר הוא תרכובת לבנה מוצקה בטמפרטורת החדר שטעמה מתוק, והמים הם תרכובת נוזלית חסרת צבע בטמפרטורת החדר.
*47*
רוב החומרים סביבנו אינם עשויים מחומר טהור אחד, אלא מערבוב של כמה חומרים טהורים. חומרים כאלה נקראים תערובות. (תערובת - חומר העשוי מערבוב של כמה חומרים טהורים. כל אחד מן החומרים הטהורים בתערובת שומר על תכונותיו.)
האוויר הוא תערובת של כמה חומרים טהורים: הגזים חנקן, חמצן וארגון - שהם יסודות, והגזים פחמן דו-חמצני ואדי מים - שהם תרכובות.
כל אחד מהחומרים הטהורים בתערובת שומר על התכונות המאפיינות אותו: בתערובת של מלח ושל סוכר גרגירי המלח נשארים מלוחים, וגרגירי הסוכר נשארים מתוקים.
(בספר שתי תמונות)
1. מיונז הוא תערובת של שמן החומרים הרבים הנמצאים בביצים.
2. משקה קל הוא תערובת של כמה תרכובות: מים, סוכר, צבע מאכל וחומרי טעם שונים.
בפרק הזה נכיר מגוון רחב של חומרים. נלמד לזהות חומרים טהורים שהם יסודות ותרכובות. נכיר סוגים שונים של תרכובות - כמו חומצות ובסיסים, הנמצאים במזון ובחומרים רבים סביבנו - ונלמד אילו תכונות מאפיינות אותן. נלמד את השפה הכימית ונכתוב בה נוסחאות כימיות, שהן סימול שהכימאים משתמשים בו לתיאור ההרכב של התרכובת. נכיר סוגים שונים של תערובות, ונשתמש בשיטות מעבדה שונות כדי להפריד תערובות וכדי לקבל את החומרים הטהורים המרכיבים אותן. במעבדה נתנסה בעבודת הכימאי: נלמד לזהות חומצות ובסיסים, להפריד תערובות של חומרים ואף נתכנן בעצמנו ניסויים שונים.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
חומרים - תערובות
חומרים - חומרים טהורים - יסודות
חומרים - חומרים טהורים - תרכובות
*48*
תרכובות
תרכובות הן חומרים טהורים המורכבים מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה. לכל תרכובת מגוון תכונות המאפיינות אותה, השונות מהתכונות של היסודות המרכיבים אותה.
נתבונן בתרכובת הנוצרת מהיסודות נחושת וגפרית הנקשרים זה לזה.
פעילות
ניסוי בהדגמה
יצירת התרכובת נחושת – גפרית
מטרת ההדגמה: יצירת תרכובת מיסודות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן. יש להקפיד על כללי הזהירות בעת חימום החומרים, ויש לעבוד במנדף בלבד.
ציוד וחומרים: שבבי נחושת, אבקת גפרית, שתי כפיות, מבחנה, אטב, מבער בונזן.
מהלך ההדגמה:
א. לפניכם מבחנה ובה שבבי נחושת ואבקת גפרית.
ב. צפו במתרחש בעת חימום המבחנה.
תוצאות: רשמו את תצפיותיכם. תארו את החומרים לפני החימום ואחרי החימום, ואת התהליך שהתרחש במבחנה בזמן החימום.
סיכום ומסקנות:
1. השוו את הצבעים ואת המראה של שני היסודות נחושת וגפרית, לצבע ולמראה של התרכובת נחושת-גפרית המתקבלת מהם.
2. מהי מסקנתכם: האם תכונות התרכובת דומות לתכונות היסודות שמהם הוכנה, או שונות מהן?
כיצד בנויות התרכובות?
אפשר למיין את התרכובות על פי המבנה שלהן.
נכיר עתה שתי קבוצות של תרכובות השונות זו מזו במבנה שלהן: תרכובות הבנויות ממולקולות (תרכובות מולקולריות) ותרכובות הבנויות מיונים (תרכובות יוניות).
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
תרכובות - תרכובות מולקולריות
תרכובות - תרכובות יוניות
*49*
תרכובות מולקולריות
מים, סוכר, שמן ופחמן דו-חמצני הם דוגמה לתרכובות שבנויות ממולקולות (תרכובות מולקולריות).
כל מולקולה בנויה מאטומים של כמה יסודות הקשורים זה לזה. מולקולה של מים, לדוגמה, מורכבת מאטום אחד של חמצן ומשני אטומים של מימן הקשורים זה לזה. בתרכובת מולקולרית כל המולקולות זהות.
נוסחה כימית של תרכובת מולקולרית
כימאים מתארים את הרכב המים בנוסחה כימית - סימול של הרכב התרכובת. (נוסחה כימית - סימול של הרכב התרכובת, המתאר את היסודות המרכיבים את התרכובת ואת היחס הכמותי ביניהם.)
הנוסחה הכימית של המים היא H2O. הנוסחה כוללת את היסודות שהמים מורכבים מהם: חמצן (0) ומימן (H), ומספרים בכתב תחתי הנמצאים מימין לסימול של כל יסוד. המספרים מציינים את מספר האטומים מכל סוג במולקולה אחת: שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד (אין צורך לציין את הספרה 1). המספרים גם מציינים את היחס בין אטומי החמצן והמימן במים - 2:1 בהתאמה.
גם ליסודות הבנויים ממולקולות אפשר לרשום נוסחה כימית. לדוגמה H2 היא הנוסחה הכימית של היסוד מימן, המורכב משני אטומי מימן הקשורים זה לזה. נוסחאות כימיות אחרות של יסודות הן P4, S8, O2 ועוד.
(בספר איור - היעזר במורה)
מודל של המבנה החלקיקי של מים נוזליים
שאלות
1. לפניכם מודל של מולקולה.
רשמו נוסחה כימית של החומר הבנוי ממולקולות כאלה.
2. הגלוקוז הוא תרכובת המורכבת ממולקולות. הנוסחה הכימית של הגלוקוז היא C6H12O6. תארו במילים את המידע המופיע בנוסחה.
3. בטבלה שלפניכם מצוינות כמה תרכובות הבנויות ממולקולות. העתיקו את הטבלה למחברתכם, והשלימו אותה.
שם התרכובת, הנוסחה הכימית, תיאור מילולי
זרחן כלורי, PCl3, --
חומצה זרחתית, --, כל מולקולה מורכבת מ-3 אטומי מימן, מאטום אחד של זרחן ומ-4 אטומי חמצן.
מתאן, CH4, --
מתיל ברומיד, --, כל מולקולה מורכבת מאטום אחד של פחמן, מ-3 אטומי מימן ומאטום אחד של ברום.
*50*
4. לפניכם נוסחאות של כמה חומרים הבנויים ממולקולות:
1. C3H8, 2. C3H6CIF, 3. C6H7O, 4. C5H12
א. באיזו מולקולה מספר האטומים הכולל הוא הגדול ביותר?
ב. באיזו מולקולה מספר היסודות הוא הגדול ביותר?
ג. באילו מולקולות יש מספר זהה של אטומים?
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
מאטומים למולקולות
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה החומר, ובחרו בפעילות מאטומים למולקולות.
שאלות
1. בחרו בחומר פרצטמול - החומר הפעיל בתרופות מסוימות נגד כאבים.
א. העתיקו את נוסחת החומר למחברת.
ב. מאילו יסודות מורכב החומר פרצטמול? העתיקו את המודל של המולקולה למחברת.
2. מצאו שני זוגות של מולקולות בפעילות מאטומים למולקולות שמספר האטומים הכולל בהן זהה.
3. באיזו מהמולקולות המופיעות בפעילות מאטומים למולקולות מספר היסודות הוא הגדול ביותר?
4. לפניכם איורים אחדים של מודלים של מולקולות. רשמו במחברת איזו נוסחה מתאימה לכל אחד מהמודלים.
(בספר איורים - היעזר במורה)
*51*
תרכובות יוניות
המלח שבמלחייה, הסודה לשתייה המתפיחה את העוגות, האבנית הנוצרת בקומקום, תרופות רבות ודשנים שמוסיפים לצמחים הם תרכובות יוניות.
את היונים, אטומים בעלי מטען חשמלי, הכרנו בפרק הקודם. (יון - אטום בעל מטען חשמלי. מספר הפרוטונים ביון שונה ממספר האלקטרונים.)
היונים נוצרים כאשר אלקטרונים עוברים מאטום אחד לאטום אחר. האטום שמאבד אלקטרונים הופך ליון חיובי, ואילו האטום שמקבל אלקטרונים הופך ליון שלילי.
לדוגמה, כל גרגיר של מלח בישול מורכב ממספר גדול מאוד של יונים חיוביים של נתרן, שסימולם Na פלוס וממספר גדול של יונים שליליים של כלור, שסימולם Cl מינוס.
(בספר צילום)
כאשר מפזרים ממטוסים גבישים של התרכובת היונית כסף יודי אדי המים שבאוויר מתעבים סביב הגבישים והופכים לטיפות גשם.
(בספר צילום ואיור - היעזר במורה)
1. מלח, כפי שהוא נראה בעינינו.
2. מודל של המבנה החלקיקי של המלח -מבנה ענק הבנוי מיוני נתרן ומיוני כלור.
נוסחה כימית של תרכובת יונית
בכל גרגיר של מלח יש מיליארדי יונים של נתרן ויונים של כלור. ככל שגרגיר המלח גדול יותר, יש בו יותר יוני נתרן ויותר יוני כלור, אך אם נשווה גרגיר מלח קטן לגרגיר מלח גדול, נראה כי גם כאשר כמות היונים משתנה, היחס בין כמות יוני הנתרן לכמות יוני הכלור תמיד קבוע: 1:1. לכן הנוסחה של מלח הבישול היא NaCl.
דוגמה נוספת: התרכובת היונית CaBr2 מורכבת מיונים חיוביים רבים מאוד של סידן, שסימולם Ca (2 פלוס) ומיונים שליליים רבים מאוד של ברום, שסימולם Br (מינוס). היחס בין היונים האלה בתרכובת הוא קבוע: יון סידן אחד מול שני יוני ברום.
כלומר, הנוסחה הכימית של תרכובות שהמבנה שלהן הוא מבנה ענק אינה מציינת את המספר המדויק של האטומים מסוגים שונים במבנה, אלא רק את היחס הכמותי ביניהם.
*52*
יונים של מתכות ויונים של אל-מתכות
ראינו כי התרכובות היוניות מורכבות מיונים חיוביים ומיונים שליליים. היונים החיוביים הם יונים שנוצרו מאטומים של מתכות, והיונים השליליים הם יונים שנוצרו מאטומים של אל-מתכות.
כשהתרכובת היונית נוצרת, אלקטרונים עוברים מאטומי המתכת אל אטומי האל-מתכת. אטומי המתכת הופכים ליונים חיוביים, ואטומי האל-מתכת הופכים ליונים שליליים. היונים החיוביים והשליליים נמשכים אלה לאלה במשיכה חשמלית (אלקטרוסטטית) חזקה. כך נוצר מבנה ענק, שבו היונים מסודרים בצפיפות זה בצד זה: כל יון חיובי מוקף ביונים שליליים, וכל יון שלילי מוקף ביונים חיוביים.
(בספר איור - היעזר במורה)
בנוסחה הכימית של התרכובת, היון החיובי (יון המתכת) נרשם תמיד בצד שמאל של הנוסחה, והיון השלילי (יון האל-מתכת) נרשם בצד ימין של: הנוסחה.
לדוגמה: מגנזיום כלורי,MgCl2 הוא תרכובת יונית. יון המגנזיום, המופיע בצד שמאל בנוסחה הכימית הוא היון החיובי (יון המתכת), ויוני הכלור המופיעים בצד ימין בנוסחה, הם היונים השליליים (יוני האל-מתכת).
(בספר תמונה)
מפלסת שלג מפזרת מגנזיום כלורי כדי למנוע הצטברות קרח על הכביש.
הקשר היוני
היונים החיוביים והיונים השליליים שבתרכובת היונית נמשכים זה לזה במשיכה חשמלית (אלקטרוסטטית) חזקה. כל יון חיובי במבנה הענק נמשך לכל היונים השליליים סביבו, וכל יון שלילי במבנה הענק נמשך לכל היונים החיוביים שסביבו. כוחות המשיכה האלה בין היונים נקראים קשרים יוניים. (קשר יוני - משיכה חשמלית (אלקטרוסטטית) בין יונים חיוביים ליונים שליליים.) קשרים יוניים הם סוג אחד של קשרים כימיים הנוצרים בין חלקיקי החומר. בהמשך לימודיכם תכירו עוד סוגים של קשרים כימיים.
כדי להתיך תרכובת יונית (להפוך את התרכובת המוצקה לנוזל), צריך להרחיק את היונים אלה מאלה. לשם כך צריך להתגבר על חלק מכוחות המשיכה האלקטרוסטטיים, ומכיוון שכוחות אלה חזקים, צריך להשקיע בתהליך ההתכה אנרגיה רבה. לכן טמפרטורות ההיתוך של חומרים יוניים הן גבוהות.
*53*
1. ברזל חמצני (חלודה) הוא תרכובת יונית שהנוסחה הכימית שלה היא Fe2O3. איזה מההיגדים שלפניכם אינו נכון בנוגע לתרכובת הזאת?
א. יוני הברזל הם יונים חיוביים.
ב. יוני החמצן הם יונים שליליים.
ג. בין יוני הברזל ליוני החמצן קיימת משיכה אלקטרוסטטית חזקה.
ד. היחס בין היונים בתרכובת הוא 3 יוני ברזל מול שני יוני חמצן.
2. לפניכם 3 זוגות של יסודות. היעזרו בטבלה המחזורית וקבעו מאיזה זוג של יסודות יכולה להיווצר תרכובת יונית. נמקו את תשובתכם.
- Cu, Ca
- Ba, O
- Cl, O
3. לפניכם שני איורים. אחד האיורים מתאר יון של יסוד כלשהו.
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
א. איזה יסוד מוצג באיורים? רשמו את שם היסוד ואת הסימול שלו.
ב. האם מהיסוד הזה נוצר יון חיובי או יון שלילי? נמקו. היעזרו בטבלה המחזורית.
ג. קבעו איזה איור מתאר את היון שנוצר מהיסוד הזה. נמקו.
ד. רשמו את סימול היון.
4. התרכובת סידן פלואורי היא תרכובת יונית, ומשתמשים בה כאבן חן בתכשיטים. היונים המרכיבים את התרכובת הם יוני סידן, Ca (2 פלוס), ויוני פלואור F (מינוס). היחס בין היונים הוא יון סידן אחד מול שני יוני פלואור.
א. תארו את המבנה החלקיקי של התרכובת.
ב. רשמו כמה פרוטונים וכמה אלקטרונים יש ביון הסידן וביון הפלואור. היעזרו בטבלה המחזורית.
ג. איזו מבין הנוסחאות הכימיות שלפניכם היא הנוסחה הנכונה לתרכובת סידן פלואורי? נמקו.
1. CaF2
2. F2Ca
*54*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא מבנה האטום והטבלה המחזורית, ובחרו ביחידת הלימוד הטבלה המחזורית. לחצו על הכפתור מטען היון, וענו על השאלות שלפניכם.
1. מהם מטעני היונים הנפוצים של מתכות ושל אל-מתכות? תוכלו לבדוק אם יסוד כלשהו הוא מתכת או אל-מתכת בלחיצה על הכפתור מתכות/ אל-מתכות.
2. הביאו שתי דוגמאות מהטבלה המחזורית המקוונת של יונים של מתכות, ושתי דוגמאות של יונים של אל-מתכות.
3. לפניכם 4 היגדים. איזה מההיגדים נכון?
א. אטומי מתכת מקבלים אלקטרונים והופכים ליונים שליליים.
ב. אטומי אל-מתכת מוסרים אלקטרונים והופכים ליונים שליליים.
ג. אטומי מתכת מוסרים אלקטרונים והופכים ליונים חיוביים.
ד. אטומי אל-מתכת מוסרים אלקטרונים והופכים ליונים חיוביים.
4. לפניכם נוסחאות כימיות של שתי תרכובות יוניות: Lif ו-CaO. היעזרו בטבלה המחזורית וקבעו איזה יון הוא החיובי ואיזה יון הוא השלילי בכל אחת מהתרכובות.
5. העתיקו את המשפט שלפניכם אל המחברת, והשלימו אותו לפי תשובתכם לשאלה 4, באמצעות המילים המופיעות בבנק המילים.
בנוסחת התרכובת היונית, היון החיובי (יון המתכת) נמצא תמיד בצד --, והיון השלילי (יון האל-מתכת) נמצא תמיד בצד --.
בנק המילים: ימין, שמאל.
- יש תרכובות הבנויות ממולקולות (תרכובות מולקולריות), ויש תרכובות הבנויות מיונים (תרכובות יוניות).
- נוסחה כימית היא סימול המתאר את הרכב התרכובת.
- הנוסחה הכימית של תרכובת מולקולרית מכילה את סימולי היסודות המרכיבים אותה, את היחס הכמותי ביניהם ואת מספרם המדויק בכל מולקולה.
- הנוסחה הכימית של תרכובת יונית מכילה רק את סימולי היסודות המרכיבים אותה ואת היחס הכמותי ביניהם.
- תרכובות יוניות מורכבות ממספר גדול מאוד של יונים חיוביים ושל יונים שליליים, במבנה ענק ומסודר.
- יסודות מתכתיים יוצרים את היונים החיוביים, ויסודות אל-מתכתיים יוצרים את היונים השליליים.
*55*
חומצות ובסיסים
נכיר עתה שתי קבוצות של תרכובות המוכרות לנו מחיי היומיום: חומצות ובסיסים. לכל אחת מהקבוצות תכונות המאפיינות אותה.
חומץ, מיץ לימון ונוזל להסרת אבנית מהקומקום הם דוגמאות לחומצות הנמצאות בביתנו. גם בקיבה שלנו יש חומצה הנחוצה לתהליכי העיכול של המזון. מניסיוננו אנו יודעים כי למיץ לימון ולחומץ יש טעם חמוץ. זו תכונה המאפיינת חומצות (ומכאן מקור המילה "חומצה"), אם כי מותר לטעום אך ורק חומצות שהן גם מצרכי מזון.
סודה לשתייה המומסת במים ונוזל לניקוי תנורים הם דוגמאות לבסיסים. לבסיסים טעם מר, ונוכל לחוש זאת אם נטעם במטבח סודה לשתייה מומסת במים - שאף היא מצרך מזון. מותר לטעום אך ורק בסיסים שהם גם מצרכי מזון.
כיצד אפשר לקבוע אם חומר הוא חומצה או בסיס בלי לטעום אותו?
אפשר לבדוק זאת באמצעות אינדיקטור (חומר בוחן). זהו חומר המשנה את צבעו בנוכחות חומר אחר, ובמקרה הזה - בנוכחות בסיס או חומצה. (אינדיקטור - (חומר בוחן) חומר המשנה את צבעו בנוכחות חומר אחר. כל אינדיקטור מזהה בצורה ייחודית קבוצת חומרים מסוימת בלבד.)
במעבדות כימיות משתמשים באינדיקטורים רבים לזיהוי מגוון של חומרים. למשל, בנוכחות עמילן - טיפות יוד משנות את צבען מצהוב לכחול-שחור, בנוכחות פחמן דו-חמצני - מי סיד משנים את צבעם משקוף ללבן. אינדיקטור נפוץ לזיהוי חומצות ובסיסים הוא נייר לקמוס.
(בספר שתי תמונות)
1. מיץ לימון הוא חומצה
2. סודה לשתייה המומסת במים היא בסיס.
*56*
פעילות
ניסוי בהדגמה
זיהוי חומצות ובסיסים באמצעות נייר לקמוס
מטרת ההדגמה: זיהוי חומצות ובסיסים באמצעות נייר לקמוס.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: נייר לקמוס אדום, נייר לקמוס כחול, 4 מבחנות בכן, חומץ או מיץ לימון, אבקת סודה לשתייה מומסת במים, מלקטת.
מהלך ההדגמה:
א. לפניכם שתי מבחנות שבהן מיץ לימון (או חומץ), ושתי מבחנות שבהן אבקת סודה לשתייה מומסת במים.
ב. התבוננו בשינוי הצבע של ניירות הלקמוס השונים לאחר שטובלים אותם במבחנות.
תוצאות:
סכמו את תוצאות הניסוי בטבלה מתאימה. כתבו כותרת לטבלה.
סיכום ומסקנות: קבעו לפי תוצאות ההדגמה כיצד אפשר לזהות חומצות ובסיסים באמצעות נייר לקמוס.
(בספר שלוש תמונות)
1. (היעזר במורה)
2. הוספת חומצה לניירות לקמוס.
3. הוספת בסיס לניירות לקמוס.
*57*
סולם ה-pH
חומצות ובסיסים הם חומרים פעילים המסוגלים ליצור תרכובות עם מגוון רחב של חומרים.
חלק מחומרי הניקוי שאנו משתמשים בהם הם חומצות או בסיסים פעילים מאוד (או חזקים מאוד), העלולים לגרום כוויות קשות לאדם ונזקים חמורים לחומרים שונים. לכן, בעת השימוש בהם יש ללבוש כפפות ולהגן על העיניים.
בדרך כלל אנו משתמשים בחומצות ובבסיסים כשהם מומסים במים. רוב חומרי הניקוי שאנו רוכשים מומסים במים, וגם החומץ שאנו קונים במרכול מכיל כמות קטנה בלבד של חומץ, המומס במים.
יחידת המידה pH מציינת את מידת פעילותם (מידת חוזקם) של החומצות והבסיסים המומסים במים.
סולם ה-pH נע בין הספרות 0 ל-14. חומרים המומסים במים שאינם חומצות ושאינם בסיסים הם בעלי pH שווה 7, חומרים חומציים המומסים במים הם בעלי pH נמוך מ-7, וחומרים בסיסיים המומסים במים הם בעלי pH גבוה מ-7.
(בספר ציר pH - היעזר במורה)
חומצה חזקה - קיבה - pH שווה 1
חומץ - pH - שווה 3
עגבניה - pH שווה 4
חומצה חלשה - מים - pH שווה 6.5
pH שווה 7 חומרים שאינם חומצות ושאינם בסיסים
בסיס חלש - חומר לניקוי חלונות - pH שווה 10
בסיס חזק - חומר לניקוי תנורים - pH שווה 13
את הpH- של חומר המומס במים אפשר לקבוע באמצעות מכשיר אלקטרוני מתאים, הנקרא מד - pH) pH מטר) או באמצעות אינדיקטור (חומר בוחן) מתאים.
(בספר תמונה)
חומרי ניקוי רבים הם חומצות או בסיסים מומסים במים.
שאלות
1. לפי תוצאות ההדגמה בנייר הלקמוס, קבעו איזה נייר לקמוס (אדום או כחול) ישנה את צבעו ב-pH קטן מ-7, ואיזה ישנה את צבעו ב-pH גדול מ-7. נמקו.
2. חומצה לניקוי אסלות היא בעלת pH שווה 2, וחומצה לניקוי אבנית מהקומקום היא בעלת pH שווה 5. איזה חומר פעיל יותר? הסבירו מדוע לא רצוי לנקות את הקומקום בחומר ניקוי בעל pH שווה 2.
3. חומר לניקוי תנורים הוא בעל pH שווה 13, וסודה לשתייה המומסת במים היא בעלת pH שווה 8. איזה משני הבסיסים מחייב עבודה בכפפות? נמקו.
*58*
נייר pH
נייר pH הוא אינדיקטור מדויק יותר מנייר לקמוס, ובאמצעותו אפשר לקבוע את ה-pH המדויק של חומר המומס במים. כאשר טובלים נייר pH, שצבעו צהוב, בחומר חומצי או בסיסי המומס במים, צבע הנייר משתנה. את הצבע שהתקבל משווים לגלגל הצבעים המצויר על אריזת הנייר, וכך מפענחים איזו רמת pH הוא מסמל.
(בספר שלוש תמונות - היעזר במורה)
שאלה
בתמונה 1 מוצג גלגל הצבעים המופיע על אריזת נייר pH. הנייר מתאים למדידת pH בטווח 10-0. על הגלגל חתיכת נייר pH שנטבלה בחומר מומס במים.
א. מהו ה-pH של החומר המומס?
ב. האם החומר המומס חומצי או בסיסי? נמקו.
ג. מהו ה-pH של מיץ הלימון שבתמונה 2? האם מיץ הלימון חומצי או בסיסי?
ד. מהו ה-pH של הסבון הרטוב שבתמונה 3? האם הסבון חומצי או בסיסי?
ה. איזה מ-3 החומרים שנבדקו בתמונות יאדים נייר לקמוס כחול? נמקו.
(בספר צילום)
פרחי עכנאי יהודה משנים במהלך חייהם את צבעם מוורוד לתכלת בגלל שינויי pH החלים בעלי הכותרת. עלי הכותרת מכילם חומר המשנה את צבעו (אינדיקטור) בעקבות שינוי ה-pH בצמח.
*59*
פעילות
התנסות
מטרת הפעילות: בדיקת ה-pH של חומרים שונים סביבנו באמצעות נייר pH.
אמצעי זהירות: כפפות ומשקפי מגן.
ציוד וחומרים: נייר pH, גלגל צבעים של נייר pH, נייר לקמוס אדום ונייר לקמוס כחול, מלקטת, סדרת מבחנות בכן, סבון נוזלי, חומץ, מיץ לימון, מעט משקה קולה, מי ברז, אבקת סודה לשתייה מומסת במים, אבקת כביסה מומסת במים, חלב, שמפו, מיץ סחוט מעגבנייה.
מהלך ההתנסות:
א. רשמו על המבחנות בעט צבעוני מתאים את שמות החומרים שאתם עומדים לבדוק.
ב. מזגו לכל מבחנה מעט מהחומר המתאים לבדיקה.
ג. טבלו בכל אחת מהמבחנות, באמצעות המלקטת, ריבוע של נייר לקמוס אדום. הקפידו שהמלקטת לא תיגע בחומר הנבדק. חזרו על הבדיקה באמצעות נייר לקמוס כחול.
ד. חתכו את נייר ה-pH לריבועים קטנים, וסדרו אותם בשורה על הנייר הלבן.
ה. רשמו מתחת לכל ריבוע את שם אחד החומרים לבדיקה.
ו. קחו את הריבוע הראשון של נייר ה-pH באמצעות המלקטת, וטבלו אותו בחומר הנבדק שבמבחנה הראשונה. הקפידו שהמלקטת לא תיגע בחומר הנבדק.
ז. החזירו את הריבוע לנייר הלבן.
ח. בדקו את החומרים האחרים באותה הצורה.
ט. השוו את צבע ניירות ה-pH לגלגל הצבעים שעל האריזה.
תוצאות:
רשמו את תצפיותיכם. ארגנו את התוצאות בטבלה מתאימה במחברת.
סיכום ומסקנות:
1. מיינו את החומרים לחומצות ולבסיסים לפי הבדיקות שביצעתם באמצעות נייר הלקמוס האדום ובאמצעות נייר הלקמוס הכחול.
2. סרטטו סולם pH, וכתבו בו את שמות החומרים שבדקתם, לפי ה-pH שמדדתם בעזרת נייר ה-pH.
*60*
פעילות
מתכננים ניסוי ומבצעים אותו
החמצת מלפפונים במי מלח
מטרת הניסוי: בדיקת pH במהלך החמצת מלפפונים במלח (כ-5 ימים).
שאלת החקר: רשמו שאלת חקר המתאימה לבדיקת מטרת הניסוי.
תכנון הניסוי:
א. מצאו מתכון להחמצת מלפפונים במי מלח, וכתבו באמצעותו את מהלך הניסוי. מספרו את השלבים. הוסיפו למהלך הניסוי את רשימת הציוד והחומרים הדרושים.
ב. ציינו מה הגורם המשפיע ומה הגורם המושפע בניסוי.
ג. רשמו מהם הגורמים הקבועים בניסוי שלכם.
ד. ציינו מהי הבקרה בניסוי.
ה. הסבירו בבירור כיצד תמדדו את הגורם המושפע בניסוי.
ו. מנו את אמצעי הזהירות הדרושים בניסוי.
ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות:
א. הכינו טבלה מתאימה ופרטו בה את תצפיותיכם.
ב. הוסיפו לטבלה את נתוני שאר הקבוצות בכיתה.
ג. הזינו לגיליון אלקטרוני את נתוני ה-pH שכתבתם בטבלה.
ד. חשבו באמצעות התוכנה את ממוצע התוצאות של מדידות ה-pH.
ה. סרטטו גרף לתיאור תוצאות הניסוי לפי ממוצע התוצאות.
סיכום ומסקנות:
1. הסבירו מדוע חשוב להשתמש בממוצע התוצאות הכיתתי ולא בתוצאות שהתקבלו בניסוי של קבוצתכם בלבד.
2. חפשו ברשת מידע מדעי על החמצת מלפפונים, המסביר את התוצאות שהתקבלו בכיתה.
3. העלו עוד שאלות או רעיונות להמשך החקר בנושא של החמצת מלפפונים.
*61*
פעילות
התנסות בבית
תה כאינדיקטור
מטרת ההתנסות: בדיקת האפשרות לשימוש בתמצית תה כאינדיקטור.
ציוד וחומרים: כוס תה "חזק" (שהוכן משקית תה), חצי לימון, כפית, אבקת סודה לשתייה.
מהלך ההתנסות:
א. סחטו מעט מיץ לימון לתוך התה, וערבבו אותם.
ב. הוסיפו כפית אבקת סודה לשתייה לתה, וערבבו אותם.
ג. חזרו שוב על שלבים א ו-ב.
תוצאות:
כתבו את תצפיותיכם בפירוט לאחר הוספת כל אחד מהחומרים לתה. רכזו את התוצאות בטבלה מתאימה.
סיכום ומסקנות:
האם התה יכול לשמש אינדיקטור לזיהוי חומצות ובסיסים? נמקו.
פעילות
אוריינות מדעית
pH ובריאות השיניים
ה-pH של הרוק בפה משתנה מאדם לאדם, אך הוא נע סביב pH שווה 6.5. לאחר אכילת מזון נותרות שאריות מזון בין השיניים, והחיידקים בפה מפרקים את שאריות המזון האלה. בתהליכי הפירוק נוצרים חומרים חומציים הממסים את זגוגית השן (אמאיל), הציפוי הקשיח של השן, וגורמים עששת ("חורים" בשן).
כדי למנוע נזק לשיניים, לאחר האכילה יש לנקות את שאריות המזון שנותרו בין השיניים באמצעות חוט דנטלי ובאמצעות צחצוח השיניים.
*62*
שאלות
1. נוסחת זגוגית השן היא Ca5P3O13H. רשמו את שמות היסודות שמהם התרכובת בנויה.
2. לפניכם שני גרפים המתארים את שינויי ה-pH החלים בפה בעקבות אכילה, ולאחר מכן בעקבות ניקוי וצחצוח יסודי של השיניים. איזה מן הגרפים הוא הגרף הנכון? נמקו.
(בספר שני גרפים - היעזר במורה)
תהליך הסתירה בין חומצה לבין בסיס
בתאונת דרכים שאירעה בדרום הארץ, התהפכה מכלית שהובילה חומצה לאחד המפעלים בנגב. החומצה דלפה מן המכלית אל הכביש, והכביש נסגר לתנועה. כוחות ההצלה שהוזעקו למקום נטרלו את החומצה שהתפשטה על הכביש, ומנעו נזקים לבני אדם ולחומרים בסביבה.
כיצד אפשר לנטרל חומצה או בסיס?
הוספת בסיס לחומצה מנטרלת את החומצה, כלומר: מבטלת את השפעתה, וזאת מכיוון שכאשר מערבבים חומצה עם בסיס נוצרים חומרים אחרים. פעולה דומה מתרחשת גם כשמוסיפים חומצה לבסיס. פעולת נטרול זו של חומצה באמצעות בסיס, או של בסיס באמצעות חומצה, נקראת תהליך סתירה. (תהליך סתירה - נטרול חומצה באמצעות בסיס, או נטרול בסיס באמצעות חומצה.)
תהליך הסתירה בין חומצה לבסיס משמש למטרות רבות. לדוגמה: בקיבה שלנו נמצאת חומצת מלח, הנחוצה לתהליך הפירוק של החלבונים במזון. לעתים החומצה הזאת עולה מן הקיבה אל הוושט וגורמת גירוי ותחושת צריבה בחזה. זוהי צרבת. תרופות נגד צרבת מכילות בסיסים חלשים, הסותרים את החומצה ומנטרלים אותה.
(בספר איור)
תרופות נגד צרבת מכילות בסיסים חלשים.
בהתנסות הבאה נבדוק מה קורה כאשר מוסיפים בסיס לחומצה.
*63*
פעילות
התנסות
תהליך הסתירה
מטרת ההתנסות: לבדוק את שינוי ה-pH בעת ערבוב חומצה ובסיס.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: כוס שנפחה 50 מ"ל, 2 מ"ל חומצת מלח מומסת במים, מקל זכוכית או קיסם לערבוב, משורה שנפחה 5 מ"ל, בקבוקון שבו בסיס הנתרן מומס במים, טפי, כמה ריבועים של נייר pH, מלקטת.
מהלך ההתנסות:
א. מדדו 2 מ"ל של החומצה ומזגו לכוס.
ב. קחו במלקטת את אחד הריבועים של נייר ה-pH ומדדו את pH החומצה.
ג. קחו במלקטת את אחד הריבועים של נייר ה-pH ומדדו את pH הבסיס.
ד. טפטפו בטפי באטיות טיפות של בסיס הנתרן לכוס. לאחר כל הוספה של 3-2 טיפות, ערבבו את הנוזל במקל הזכוכית או בקיסם, ומדדו את ה-pH באמצעות ריבוע חדש של נייר pH.
ה. לאחר שה-pH מגיע ל-7 הוסיפו עוד 3 טיפות של בסיס הנתרן, ומדדו שוב את ה-pH.
תוצאות:
א. כתבו את תוצאות כל המדידות בטבלה מסודרת.
ב. לאחר כמה טיפות התקבל pH שווה 7 בכוס?
ג. תארו את מגמת השתנות ה-pH במהלך כל ההתנסות.
ד. צרו גיליון אלקטרוני והזינו בו את תוצאות ההתנסות.
ה. סרטטו בגיליון האלקטרוני גרף המתאר את תוצאות ההתנסות.
בציר x רשמו את מספר הטיפות של הבסיס שהוספתם, ובציר y את רמת ה-pH.
סיכום ומסקנות:
1. הסבירו את תוצאות ההתנסות.
2. השוו בין תוצאות מדידות שביצעו תלמידים שונים. אם קיים הבדל בתוצאות המדידות השונות, שערו ממה הוא נובע.
3. אילו שינויים ושיפורים אפשר להכניס בתכנון ההתנסות, כך שהתוצאות של המדידות השונות יהיו דומות ככל האפשר?
4. בהתנסות דומה טפטפו טיפות חומצה לבסיס המומס במים. תארו את מגמת השתנות ה-pH במהלך כל ההתנסות.
*64*
שאלות
1. על משאיות המובילות חומצה למפעלים כימיים מאויר סימון בולט המציין את תכולתן. הסבירו מדוע החוק מחייב סימון כזה.
2. באדמות אחדות קיימים חומרים חומציים, וגידולים רבים אינם יכולים לצמוח בהן. איזה חומר צריכים החקלאים להוסיף לאדמות כאלה כדי לאפשר לגידולים האלה לצמוח? נמקו.
- חומצות ובסיסים הם תרכובות המוכרות לנו מחיי היומיום.
- אינדיקטור (חומר בוחן) הוא חומר המשנה את צבעו בנוכחות חומר אחר.
- יחידת המידה pH מציינת את מידת הפעילות של חומצות ושל בסיסים. לחומצות המומסות במים pH קטן מ-7, ולבסיסים המומסים במים pH גדול מ-7.
- חומצות ובסיסים חזקים הם חומרים פעילים ומסוכנים.
- כשמוסיפים בסיס לחומצה (או חומצה לבסיס) מתרחש תהליך סתירה.
*65*
תערובות
חומרים טהורים ותערובות
רוב החומרים המקיפים אותנו אינם עשויים מחומר טהור אחד. אוויר, חלב, מי ברז, דבש, שמפו, משקאות מוגזים וחומרים רבים אחרים סביבנו הם תערובות - ערבוב של כמה חומרים טהורים: של יסודות, של תרכובות או של שניהם.
החלב הוא תערובת של כמה תרכובות: מים, חלבונים, שומנים, סוכר ותרכובות אחרות. גם מי הברז הם תערובת של מים עם תרכובות יוניות שונות ועם תרכובות שחברות המים הוסיפו להם כדי לשמור על איכותם.
בתערובות כל חומר שומר על התכונות האופייניות לו: הסוכר נשאר מתוק גם כשהוא מעורבב עם חומרים אחרים בחלב, והחומר הריחני שמוסיפים לשמפו שומר על ריחו הנעים גם כשהוא מעורבב עם שאר מרכיבי השמפו.
(בספר תמונה)
שמפו, דבש, וחלב הם תערובות.
חומרים טהורים (יסודות או תרכובות) מורכבים מסוג אחד בלבד של חלקיקים. לדוגמה: החמצן מורכב רק מסוג אחד של מולקולות - שבהן אטומי חמצן, ואילו הפחמן הדו-חמצני מורכב רק מסוג אחד של מולקולות - שבהן אטומי פחמן ואטומי חמצן. מכיוון שתערובת היא צירוף של שני חומרים טהורים או יותר, היא עשויה מכמה סוגים של חלקיקים.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
1. תערובת: מולקולה של תרכובת, מולקולה של יסוד
2. חומר טהור - יסוד: מולקולה של יסוד
3. חומר טהור - תרכובת: מולקולה של תרכובת
לכל חומר טהור יש מגוון תכונות המאפיינות אותו. תכונות כאלה הן, למשל: צבע, ריח, קשיות, גודל חלקיקים, טמפרטורת היתוך, טמפרטורת רתיחה, מוליכות חשמלית, מוליכות חום, צפיפות, משיכה למגנט, שקיפות ומידת התמוססות החומר במים. את התכונות האלה אפשר למדוד, והן נקראות תכונות פיזיקליות. (תכונה פיזיקלית - תכונה המאפיינת את החומר וניתנת למדידה.) אפשר לזהות חומר באמצעות בדיקת מגוון התכונות הפיזיקליות שלו, בדומה לזיהוי אדם לפי מאפיינים כגון פניו, קולו, גובהו, משקלו, צבע עיניו וכדומה.
*66*
התכונות הפיזיקליות של חומר טהור הן קבועות ואינן ניתנות לשינוי: זהב הוא תמיד מתכת רכה שצבעה זהוב, וטונגסטן הוא תמיד מתכת אפורה שטמפרטורת ההיתוך שלה גבוהה מאוד(3,422 מעלות צלסיוס).
לעומת זאת, כשאנו מכינים כוס מיץ פטל, אנו יוצרים תערובת של תרכיז פטל עם מים. אפשר לשנות את כמות התרכיז ואת כמות המים כרצוננו, וכך לקבל מיץ פטל בגוונים שונים של צבע אדום ובדרגות מתיקות שונות.
כלומר, כשמכינים תערובת אפשר לערבב כמויות שונות של החומרים הטהורים המרכיבים אותה, וכך לשנות את הרכב התערובת ואת תכונותיה.
(בספר תרשים זרימה)
חומרים: תערובות
חומרים: חומרים טהורים
שאלות
1. לפניכם מאוירים חלקיקים של חומרים שונים, ולידם תיאורים של החומרים האלה. רשמו במחברת איזה תיאור מתאים לכל אחד מן האיורים.
(בספר שמונה איורים - היעזר במנחה)
א. יסוד אחד המורכב מאטומים בודדים
ב. יסוד אחד המורכב ממולקולות
ג. יסוד אחד בעל מבנה של סריג ענק
ד. תערובת של שני יסודות
ה. תערובת של 3 יסודות
ו. תרכובת אחת
ז. תערובת של שתי תרכובות
ח. תערובת של יסוד ושל תרכובת.
2. אילו מהחומרים המתוארים באיורים A-H הם חומרים טהורים? נמקו.
3. העתיקו את רשימת החומרים שלפניכם למחברתכם. סמנו קו מתחת לחומרים הטהורים, והקיפו בעיגול חומרים שהם תערובות.
משקה מוגז, פחמן דו-חמצני, מי ים, טחינה, טיפות אף, אדמה, הליום, סבון נוזלי, ברזל
4. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברתכם והשלימו אותה.
ריק, חומר טהור, תערובת
מכמה סוגי חלקיקים מורכב החומר?, --, --
האם התכונות הפיזיקליות של החומר קבועות?, --, --
*67*
5. לפניכם 6 תיאורים של תלמידים לאיור.
העתיקו למחברתכם את האיור ואת כל התיאורים הנכונים.
(בספר איור - היעזר במורה)
א. זה חומר במצב צבירה גז.
ב. זה חומר במצב צבירה נוזל.
ג. זה יסוד.
ד. זו תרכובת.
ה. זו תערובת.
ו. זה חומר טהור.
תערובות אחידות (הומוגניות) ובלתי אחידות (הטרוגניות)
כשנערבב בדלי מלח וחול, גם לאחר שנערבב בחוזקה נוכל להבחין בגרגירי המלח ובגרגירי החול.
לעומת זאת, כשנערבב כפית סוכר בכוס מים, הסוכר יתמוסס ולא נוכל לראות יותר את גרגירי הסוכר.
תערובות שאפשר להבחין בהן בחומרים השונים המרכיבים אותן נקראות תערובות לא אחידות (הטרוגניות). תערובות שאי אפשר להבחין בהן בחומרים השונים המרכיבים אותן נקראות תערובות אחידות (הומוגניות).
(תערובת לא אחידה - (הטרוגנית) תערובת שאפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.
תערובת אחידה - (הומוגנית) תערובת שאי אפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.)
(בספר תרשים זרימה)
חומרים - תערובות - תערובות אחידות
חומרים - תערובות - תערובות לא אחידות
חומרים - חומרים טהורים
פעילות
התנסות
השוואת תערובות שונות
מטרת ההתנסות: השוואת המראה של תערובות שונות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: שתי כוסות, שתי כפיות, מלח, קמח, מים.
מהלך הניסוי:
א. מזגו חצי כוס מים.
ב. הוסיפו למים חצי כפית מלח, וערבבו את התערובת היטב עד שהמלח מתמוסס.
ג. מזגו בכוס נפרדת חצי כוס מים.
ד. הוסיפו לכוס השנייה חצי כפית קמח, וערבבו את התערובת היטב.
תוצאות:
כתבו את תצפיותיכם בפירוט במהלך ההתנסות.
סיכום ומסקנות:
האם שתי התערובות שהכנתם הן תערובות אחידות או תערובות לא אחידות? נמקו.
*68*
שאלות
1. העתיקו את רשימת התערובות שלפניכם למחברתכם. סמנו בקו אחד את התערובות האחידות (ההומוגניות), ובשני קווים את התערובות שאינן אחידות (ההטרוגניות).
משקה מוגז, אבקת מרק, מי ברז, קטשופ, אוויר, מיץ תפוזים טבעי, שוקו, שוקולד למריחה
2. על חלק מבקבוקי התרופות כתוב כי יש לערבב את התרופה היטב לפני השימוש. הסבירו מדוע.
- יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים. כל חומר טהור מורכב מסוג אחד של חלקיקים.
- תערובת היא ערבוב של כמה חומרים טהורים.
- שינוי הרכב התערובת גורם לשינוי בתכונותיה.
- אם התערובת אחידה (הומוגנית) אי אפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.
- אם התערובת לא אחידה(הטרוגנית) אפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.
סוגים של תערובות אחידות (הומוגניות)
מסגים
הזהב הטהור הוא מתכת רכה מאוד, שקל מאוד לשרוט אותה או לעקם אותה. כדי למנוע מתכשיטי הזהב לאבד את צורתם, יוצרים אותם ממסג - תערובת אחידה (הומוגנית) של מתכות. (מסג - תערובת אחידה (הומוגנית) של מתכות.) מסגי הזהב שמהם מייצרים תכשיטים הם תערובת של זהב עם מתכת אחרת, כמו נחושת או כסף, והם קשים יותר מן הזהב הטהור. גם פלדת אל-חלד, שממנה מייצרים סירים שאינם מחלידים, עשויה ממסג המכיל ברזל, כרום, פחמן ויסודות מתכתיים אחרים. הארד - שממנו מייצרים, למשל, את המדליות לזוכים במקום השלישי בתחרויות וחפצי אמנות שונים, הוא מסג של נחושת עם בדיל. אפשר לשנות את הרכב המסג כדי לקבל את התכונות הרצויות למוצר מסוים. לדוגמה: כדי שפלדה לא תחליד אפילו במי ים, מוסיפים לה יותר כרום.
(בספר תרשים זרימה)
תערובות אחידות - מסגים
תערובות אחידות - תמיסות
(בספר שתי תמונות)
1. תכשיט ממסג זהב
2. מדליית ארד
*69*
העשרה
חלב הומוגני
החלב שאנו קונים במרכולים הוא חלב הומוגני.
חלב הפרה מכיל כ-3 אחוז שומן. השומן אינו מתמוסס במים, שהם המרכיב העיקרי בחלב, ומכיוון שצפיפותו קטנה מצפיפות המים, לאחר החליבה השומן צף על פני החלב.
כדי ליצור מהחלב תערובת אחידה (הומוגנית), "שוברים" את שומן החלב לטיפות זעירות מאוד, המפוזרות בו בצורה אחידה. שבירת השומן לטיפות הזעירות מתבצעת באמצעות שאיבת החלב בלחץ גבוה דרך צינוריות דקיקות. חלב שעבר תהליך כזה נקרא "חלב הומוגני".
תערובת אחידה (הומוגנית) שבה טיפות זעירות של שומן מפוזרות במים (או טיפות זעירות של מים מפוזרות בשומן) נקראת תחליב. חלב, טחינה, מיונז ומוצרים קוסמטיים שונים הם תחליבים.
תמיסות
כשמלח מתמוסס במים נוצרת תמיסה. (תמיסה - תערובת הומוגנית הנוצרת כאשר חומר מתמוסס בחומר אחר.) תמיסה היא תערובת אחידה (הומוגנית) שבה חומר אחד מתמוסס בחומר אחר. החומר שכמותו בתמיסה גדולה יותר נקרא ממס, והחומר שכמותו בתמיסה קטנה יותר נקרא מומס. במקרה הזה, המים הם הממס והמלח הוא המומס.
בתמיסה יכולים להיות גם כמה מומסים, לדוגמה: כשאנו מכינים כוס תה עם לימון, אנו ממסים במים החמים כמה חומרים: תרכובות שונות שמקורן בעלי התה, סוכר, ותרכובות שונות שמקורן בלימון.
ברוב התמיסות שאנו מכירים בחיי היומיום, הממס הוא מים. תמיסות כאלה הן, למשל, חומץ לתיבול הסלט, מיץ פטל שמכינים מתרכיז, מי ברז, חומרי ניקוי שונים, תרופות, משקאות שונים, דבק פלסטי, צבעים על בסיס מים ועוד.
יש חומרים שאינם מתמוססים במים, אך הם מתמוססים בממסים אחרים. לכן, יש גם תמיסות שהממס שלהן אינו מים.
(בספר שלוש תמונות)
1. בלק לציפורניים, תרכובת צבעונית ותרכובות אחרות מומסות בממס אצטון, שנוסחתו הכימית היא C3H60.
2. בטיפות של ויטמין A ושל ויטמין D הניתנות לתינוקות, הממס של הוויטמינים הוא שמן.
3. בנוזל מחיקה (טיפקס), תרכובת לבנה מומסת בממס ברומופרופאן, שנוסחתו הכימית היא C3H7Br.
את הלק, את נוזל המחיקה או את הדבק הפלסטי נוח למרוח באחידות כשהם מומסים בממס מתאים. לאחר המריחה הממס מתאדה והמומס נשאר צמוד לציפורן או לדף. תרופות רבות נמכרות לנו כתמיסה כדי שנוכל לבלוע אותן בקלות, למרוח אותן על העור או להזריק אותן לגוף.
*70*
פעילות
התנסות
התמוססות בממסים שונים
מטרת ההתנסות: בדיקת ההתמוססות של כמה מומסים בממסים שונים.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: 6 מבחנות, 6 פקקים, מלח, מים, שמן, אתאנול (כוהל), כן מבחנות, עט סימון.
מהלך ההתנסות:
א. סמנו את המבחנות במספרים 6-1.
ב. מזגו מים למבחנות 3-1, עד לגובה מחצית המבחנה.
ג. הוסיפו למבחנה 1 מעט מלח, למבחנה 2 מעט שמן, ולמבחנה 3 מעט אתאנול.
ד. מזגו שמן למבחנות 4 ו-5, עד לגובה מחצית המבחנה.
ה. הוסיפו למבחנה 4 מעט מלח ולמבחנה 5 מעט אתאנול.
ו. מזגו אתאנול למבחנה 6, עד לגובה מחצית המבחנה.
ז. הוסיפו למבחנה זו מעט מלח.
ח. שימו את הפקקים על המבחנות ונערו היטב את המבחנות.
תוצאות:
כתבו את תצפיותיכם. תכננו טבלה מתאימה ורכזו בה את התצפיות.
סיכום ומסקנות:
1. אילו מהחומרים מתמוססים במים?
2. אילו מהחומרים מתמוססים בשמן?
3. אילו מהחומרים מתמוססים באתאנול?
4. הסבירו מדוע אי אפשר להסיר כתם שמן מהבגד באמצעות מים.
5. שתיית מים לאחר אכילת פלפל חריף אינה יעילה להפחתת תחושת החריפות, שכן היא אינה מסירה את התרכובות החריפות מהלשון. מדוע?
*71*
תמיסה מהולה ותמיסה מרוכזת
כשממסים 5 כפות מלח בסיר מרק, כמות המומס בסיר גדולה והמרק מלוח מאוד. כשממסים רק חצי כפית מלח בסיר, כמות המומס בסיר קטנה והמרק מלוח פחות. תמיסה שבה הומס מעט מומס בממס נקראת תמיסה מהולה, ואילו תמיסה שבה הומס הרבה מומס בממס נקראת תמיסה מרוכזת.
כשאנו מציירים בצבעי מים אנו יוצרים תמיסה של הצבע במים. ככל שנוסיף יותר מים, התמיסה תהיה מהולה יותר ובהירה יותר.
(בספר שלוש תמונות)
1. תמיסה מרוכזת
2. תמיסה מהולה
3. ציור בצבעי מים
שאלה
לפניכם 3 תמיסות: מי ים, מי ברז, מי ים המלח.
א. סדרו את התמיסות לפי מידת ריכוזן, מתמיסת המלח המרוכזת ביותר ועד למהולה ביותר.
ב. ציינו מהו הממס ומהו המומס בתמיסות.
גורמים המשפיעים על מהירות ההתמוססות
האם אפשר להשפיע על מהירות ההתמוססות של מומסים במים? בפעילות שלפניכם נבדוק שני גורמים שונים: טמפרטורת המים וערבוב התמיסה, ואת השפעתם על מהירות ההתמוססות.
*72*
פעילות
ניסוי בהדגמה
מהירות ההתמוססות של אשלגן על-מנגנטי
מטרת ההדגמה: בדיקת מהירות ההתמוססות של אשלגן על-מנגנטי בתנאים שונים. אמצעי זהירות: משקפי מגן, כפפות.
ציוד וחומרים: 3 גבישים של אשלגן על-מנגנטי דומים בגודלם זה לזה ככל האפשר, 3 כוסות שנפחן 250 מ"ל, מים קרים, מים חמים, מקל זכוכית, מלקטת, שעון עצר.
השערה: נסחו השערה - כיצד ישפיע שינוי הטמפרטורה על מהירות ההתמוססות? כיצד ישפיע ערבוב על מהירות ההתמוססות?
מהלך הניסוי:
א. לפניכם כוס אחת ובה 100 מ"ל מים חמים, ושתי כוסות ובהן 100 מ"ל מים קרים.
ב. מוסיפים גביש אחד של אשלגן על-מנגנטי לכוס עם מים חמים, וגביש אחד לאחת הכוסות עם המים הקרים. מניחים את הכוסות ולא מערבבים את התמיסות.
ג. מוסיפים גביש של אשלגן על-מנגנטי לכוס האחרת של המים הקרים ומערבבים בעזרת מקל זכוכית.
ד. מודדים את הזמן באמצעות שעון העצר עד להמסת הגבישים בכל אחת מכוסות המים.
תוצאות:
הכינו טבלה מתאימה וכתבו בה את התוצאות.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד משפיעה הטמפרטורה על מהירות ההמסה של האשלגן העל-מנגנטי במים?
הסבירו מדוע. בתשובתכם דונו במבנה החלקיקי של החומר.
2. כיצד משפיע הערבוב על מהירות ההמסה של האשלגן העל-מנגנטי במים?
הסבירו מדוע. בתשובתכם דונו במבנה החלקיקי של החומר.
*73*
שאלה
לפניכם צילומים של שתי כוסות שבהן מתמוסס גביש של אשלגן על-מנגנטי. שני הגבישים שווים בגודלם, והם הוכנסו באותו הזמן לשתי כוסות המים. איזו מהטענות הבאות נכונה?
(בספר שתי תמונות - היעזר במורה)
א. בכוס 1 הטמפרטורה 20 מעלות צלסיוס, ובכוס 2 הטמפרטורה 35 מעלות צלסיוס.
ב. בכוס 1 לא ערבבו את התמיסה, ובכוס 2 ערבבו אותה.
ג. בכוס 1 הטמפרטורה 50 מעלות צלסיוס, ובכוס 2 הטמפרטורה 35 מעלות צלסיוס.
ד. בכוס 1 ערבבו את התמיסה לאט, ובכוס 2 ערבבו אותה מהר.
פעילות
מתכננים ניסוי ומבצעים אותו
המסת סוכר במים
מטרת הניסוי: בדיקת השפעת הטמפרטורה של המים על מהירות ההמסה של סוכר במים.
שאלת החקר: חברו שאלת חקר המתאימה לבדיקת מטרת הניסוי.
השערה: נסחו השערה לשאלת החקר שחיברתם.
תכנון הניסוי: כתבו את מהלך הניסוי, ומספרו את השלבים. צרפו רשימה של הציוד ושל החומרים הדרושים לביצוע הניסוי.
א. ציינו מה הגורם המשפיע ומה הגורם המושפע בניסוי.
ב. רשמו מהם הגורמים הקבועים בניסוי שלכם.
ג. ציינו מהי הבקרה בניסוי.
ד. הסבירו כיצד תמדדו את הגורם המושפע.
ה. רשמו מהם אמצעי הזהירות הדרושים בניסוי.
ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות:
1. הכינו טבלה ופרטו בה את תצפיותיכם.
2. צרו טבלה בגיליון אלקטרוני, הזינו בה את הנתונים שאספתם וסרטטו גרף המתאר את תוצאות הניסוי שלכם.
סיכום ומסקנות: הסיקו מסקנות מתוצאות הניסוי שלכם.
*74*
מוליכות חשמלית של תמיסות
אנו יודעים כי מתכות מוצקות מוליכות חשמל. האם גם תמיסות מוליכות חשמל?
כדי שחומר יוכל להוליך חשמל, צריכים להיות בו חלקיקים בעלי מטען חשמלי שיכולים לנוע. מתכות מוליכות חשמל כי יש בהן אלקטרונים חופשיים, בעלי מטען חשמלי שלילי, שיכולים לנוע.
כשתרכובת יונית מתמוססת במים, היונים החיוביים והשליליים מתרחקים זה מזה ומתפזרים במים בצורה אחידה. לפיכך, בתמיסות של חומרים יוניים במים יש יונים חיוביים ויונים שליליים החופשיים לנוע במים. גם במקרה הזה יש תנועה של חלקיקים בעלי מטענים חשמליים, ולכן תמיסות של חומרים יוניים במים מוליכות חשמל. לדוגמה: מי ברז הם תמיסה שבה חומרים יוניים התמוססו במים, ולכן מי ברז מוליכים חשמל.
תמיסות שאין בהן יונים החופשיים לנוע במים אינן מוליכות חשמל. לדוגמה במים מזוקקים אין חומרים יוניים מומסים, ולכן מים מזוקקים אינם מוליכים חשמל.
דוגמה אחרת היא כשתרכובת מולקולרית, כמו סוכר, מתמוססת במים. במקרה זה מולקולות המומס מתפזרות במים בצורה אחידה. מולקולות המומס חופשיות לנוע במים, אך מכיוון שאין להן מטען חשמלי, התמיסה אינה מוליכה חשמל.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
1. תמיסת מלח במים מוליכה חשמל.
2. מים מזוקקים אינם מוליכים חשמל.
3. תמיסת סוכר במים אינה מוליכה חשמל.
*75*
פעילות
התנסות
מוליכות חשמלית של תמיסות
מטרת ההתנסות: מדידת מוליכות חשמלית של תמיסות שונות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: מים מזוקקים, מי ברז, תמיסת סוכר, תמיסת מלח בישול, סוללות, חוטי חשמל, מד-זרם, שני מוטות גרפיט.
השערה: שערו אילו מהתמיסות שאתם עומדים לבדוק מוליכות חשמל. נמקו.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל חשמלי שבו סוללות, מד-זרם ושני מוטות גרפיט (כמו בצילום).
ב. טבלו את מוטות הגרפיט בכל אחת מהתמיסות. הקפידו שמוטות הגרפיט לא יגעו זה בזה.
תצפיות:
רשמו את עוצמת הזרם בכל אחת מן התמיסות. ארגנו את התוצאות בטבלה מתאימה.
סיכום ומסקנות:
1. אילו מהתמיסות מוליכות חשמל, ואילו מהתמיסות אינן מוליכות חשמל?
2. רשמו שני גורמים קבועים בהתנסות.
3. מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בהתנסות הזאת?
*76*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
המסה של תרכובות שונות במים
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בפעילות תהליך ההמסה.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
בחרו בחומר מלח, והתבוננו במתרחש בעת המסת גרגיר מלח.
בחרו בחומר סוכר, והתבוננו במתרחש בעת המסת גרגיר סוכר.
שאלות:
1. אילו חלקיקים מפוזרים בין מולקולות המים לאחר המסת המלח?
2. אילו חלקיקים מפוזרים בין מולקולות המים לאחר המסת הסוכר?
3. תארו במילים את תהליך ההמסה שרואים בהדמיה. השתמשו במילים: מולקולות, יונים חיוביים, יונים שליליים.
4. השלימו את המשפטים שלפניכם לפי הנלמד בפעילות הזאת, ולפי ההתנסות שבה מדדתם את המוליכות החשמלית של תמיסות שונות.
בתמיסות של חומרים יוניים במים יש -- שליליים ו-- חיוביים החופשיים לנוע במים, ולכן התמיסות -- חשמל. תמיסות שבהן אין יונים -- אינן מוליכות חשמל.
*77*
- מסגים, תמיסות ותחליבים הם תערובות אחידות (הומוגניות).
- תמיסה היא תערובת אחידה( הומוגנית) שבה חומר אחד - המומס - מתמוסס בחומר אחר - הממס.
- הממס בתמיסה יכול להיות מים או חומרים אחרים.
- תמיסה שכמות המומס בה קטנה היא תמיסה מהולה, ותמיסה שכמות המומס בה גדולה היא תמיסה מרוכזת.
- מהירות ההמסה של המומס בממס תלויה בטמפרטורה של הממס ובערבוב התמיסה.
- תמיסות של תרכובות יוניות במים מוליכות חשמל, כי יש בהן יונים החופשיים לנוע.
הרחבה
חומרים מרוכבים
הגבס שמשתמשים בו לקיבוע עצמות שבורות הוא אבקה לבנה המפוזרת על תחבושות רטובות. בזכות גמישות הבד של התחבושת אפשר להניח את הגבס במקום הרצוי בגוף במדויק, ובזכות החוזק של הגבס לאחר התקשותו אפשר לקבע את העצם השבורה עד שהיא מתאחה.
אם נתבונן בגבס נוכל להבחין בקלות כי הוא עשוי משני חומרים שונים: בד וגבס. במקרה הזה, החיבור של שני החומרים, שהם בעלי תכונות שונות לגמרי, יצר מוצר בעל התכונות הרצויות לגיבוס.
חומרים כמו גבס נקראים חומרים מרוכבים. גם הבטון המשוריין, שממנו בונים את רוב הבתים בארץ, הוא חומר מרוכב. בתוך הבטון נמצאות רשתות של מוטות ברזל. הבטון הוא חומר חזק, אך הוא אינו עמיד בלחץ או בכיפוף, והוספת מוטות הברזל מקנה לבטון גמישות ומשפרת את יכולתו לעמוד בלחץ. חומר מרוכב ידוע אחר הוא הפיברגלס. מן החומר הזה מייצרים יכטות, אמבטיות, ברכות, גלשנים ומכוניות. הפיברגלס עשוי מסיבי זכוכית דקיקים המאוגדים יחד ומפלסטיק. כדי להכינו יוצקים פלסטיק נוזלי על סיבי זכוכית שסודרו בצורה הרצויה של המוצר, ומחכים להתקשות הפלסטיק.
סיבי הזכוכית חזקים מאוד אך שבירים, ומשילוב של שני החומרים יחד מתקבלים מוצרים חזקים מאוד שאינם שבירים.
(בספר שתי תמונות)
1. סירה העשויה מפיברגלס
2. בטון
*78*
הפרדת תערובות
חומרים רבים בטבע קיימים כתערובות עם חומרים אחרים, וכדי להשתמש בהם צריך להפרידם. לדוגמה, חול הים הוא תערובת של צורן חמצני ושל חומרים אחרים, כמו מלח. מן הצורן החמצני מפיקים צורן טהור, הדרוש לייצור שבבים אלקטרוניים. כדי לעשות זאת יש להפריד את הצורן החמצני מן המלח.
כיצד אפשר להפריד חומר טהור אחד מתערובת של חומרים?
למדנו, כי התכונות הפיזיקליות של כל חומר טהור נשארות ללא שינוי גם כשהוא נמצא בתערובת. לדוגמה: בתערובת של סוכר ושל מים, הסוכר שומר על טעמו המתוק. בתערובת של מלח ושל אבקת פלפל שחור, גרגירי המלח נשארים לבנים ומלוחים, וגרגירי הפלפל נשארים שחורים וחריפים.
האם אפשר להיעזר בתכונות הפיזיקליות המאפיינות חומר טהור כדי להפרידו משאר החומרים בתערובת? כאשר לאחד החומרים בתערובת יש תכונה פיזיקלית המאפיינת רק אותו, אפשר להשתמש בתכונה הזאת כדי להפרידו מהתערובת. תכונה כזאת נקראת תכונה מפרידה. (תכונה מפרידה - תכונה פיזיקלית המאפשרת להפריד חומר מתערובת.) לדוגמה: אפשר להפריד גרגירי תירס מחול באמצעות סינון במסננת מתאימה. שיטת ההפרדה סינון מבוססת על התכונה המפרידה גודל החלקיקים.
פעילות
התנסות
הפרדת תערובת חול ומים
מטרת ההתנסות: להכיר שיטה להפרדת תערובת של חול ומים.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
ציוד וחומרים: חול, משטפת מים, כפית, כוס שנפחה 100 מ"ל, בקבוק קוני שנפחו 100 מ"ל, משפך, נייר סינון, מקל זכוכית או קיסם לערבוב.
מהלך ההתנסות:
א. ערבבו כפית חול ב-50 מ"ל מים.
ב. קפלו את נייר הסינון, שימו אותו במשפך והצמידו אותו לדופנות המשפך. הרטיבו אותו באמצעות משטפת המים, כדי שיישאר צמוד למשפך.
ג. הניחו את המשפך בתוך הבקבוק הקוני.
ד. ערבבו היטב את המים ואת החול, ושפכו את התערובת למשפך במהירות.
ה. אם עדיין נותר חול בכוס, הרטיבו אותו שוב באמצעות משטפת המים, ערבבו היטב ומזגו שוב למשפך.
תוצאות: כתבו את תצפיותיכם בפירוט.
סיכום ומסקנות:
1. מדוע המים עוברים דרך נייר הסינון, וחלקיקי החול נותרים בתוך נייר הסינון?
2. איזו תכונה פיזיקלית אפשרה לכם להפריד את המים מן החול?
3. לפניכם תרשים זרימה המתאר את מהלך הניסוי. שבצו בו את המילים האלה: חול ומים; חול; מים.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
*79*
פעילות
פתרון בעיה
הפרדת תערובת
מטרת הניסוי: הפרדת תערובת של מלח, אבקת ברזל וחול.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
א. התבוננו בתערובת שקיבלתם: האם היא תערובת אחידה (הומוגנית) או לא אחידה (הטרוגנית)? נמקו.
ב. הכינו רשימה של התכונות הפיזיקליות המוכרות לכם של כל אחד ממרכיבי התערובת. ארגנו את המידע בטבלה מתאימה.
ג. לפי התכונות הפיזיקליות שמניתם, הציעו דרך שבעזרתה תוכלו להפריד את כל מרכיבי התערובת זה מזה. פרטו את שלבי הפעולה וצרפו רשימה של הציוד ושל החומרים הדרושים לצורך ההפרדה.
ד. תכנון הניסוי: כתבו את מהלך הניסוי שאתם מציעים, ומספרו את השלבים. צרפו רשימה של הציוד ושל החומרים הדרושים לביצוע הניסוי.
ה. הכינו תרשים המתאר את שלבי הניסוי שלכם. היעזרו בתרשים המצורף.
(בספר תרשים - היעזר במורה)
שלב 1: הפרדה באמצעות --
מלח, אבקת ברזל, חול - --
מלח, אבקת ברזל, חול - --
שלב 2: הפרדה באמצעות --
-- - --
-- - --
ו. ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם. הקפידו על כללי הזהירות.
ז. תוצאות: כתבו את תצפיותיכם במהלך הניסוי בפירוט.
ח. סיכום ומסקנות: הסבירו איזו תכונה מפרידה אפשרה לכם להפריד את הברזל מן התערובת, ואיזו תכונה מפרידה אפשרה לכם להפריד את המלח מן התערובת.
פעילות
ניסוי בהדגמה
משפך מפריד
מטרת ההדגמה: הפרדת חומרים באמצעות משפך מפריד.
אמצעי זהירות: משקפי מגן.
חומרים וציוד: משפך מפריד, שמן מאכל, מים, פן ואטב מתאים לחיבור המשפך לכן, כוס כימית שנפחה 250 מ"ל.
מהלך ההדגמה:
א. לפניכם משפך מפריד שמוזגים לתוכו מים ושמן.
ב. עקבו אחר המים והשמן בהתחלת ההדגמה, לאחר ערבובם במשפך ובסוף ההדגמה.
*80*
תוצאות: כתבו את תצפיותיכם בפירוט.
סיכום ומסקנות:
1. האם תערובת המים והשמן היא תערובת אחידה (הומוגנית) או לא אחידה (הטרוגנית)? נמקו.
2. היכן נמצא השמן והיכן נמצאים המים בסוף ההדגמה?
3. מהן שתי התכונות המפרידות שמאפשרות להפריד את תערובת המים והשמן למרכיביה? נמקו.
שאלות
1. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברתכם והשלימו אותה.
תערובת להפרדה, שיטת הפרדה, התכונות המפרידות
קמח ומים, סינון דרך נייר סינון, --
אבקת ברזל ואבקת חול, מגנוט, --
שמן ומים, משפך מפריד, --
2. כדי להפיק צורן מחול יש צורך בחול נקי. החול משפת הים מכיל גם מלח. כיצד אפשר להפריד את החול מהמלח?
3. בתאונה שאירעה בלב ים נשפכה כמות גדולה של נפט מאנייה שהובילה נפט. הנפט צף על פני המים. כדי לצמצם את הנזק לסביבה, הביאו למקום האסון סירות בעלות משאבות מיוחדות, ושאבו את שכבת הנפט. מהן התכונות המפרידות שעליהן מתבססת השיטה להפרדת הנפט ממי הים?
זיקוק
זיקוק היא שיטה להפרדת תערובת אחידה (הומוגנית) של נוזלים. התכונה המפרידה היא טמפרטורות הרתיחה השונות של החומרים שבתערובת.
כיצד מזקקים?
נבדוק כיצד מפרידים באמצעות זיקוק תערובת של שני חומרים: חומר A וחומר B. לחומר A טמפרטורת רתיחה נמוכה מזו של חומר B, ולכן הוא רותח והופך לגז בטמפרטורה נמוכה יותר מאשר חומר B.
1. מחממים בגולת זכוכית תערובת של שני נוזלים: A ו-B.
2. התערובת מתחממת עד לטמפרטורת הרתיחה של החומר A. חומר A מתאדה, הופך לגז, מתפשט ויוצא מהגולה. בגולה נשאר רק נוזל B.
3. האדים של חומר A עוברים למעבה, שהוא צינור מקורר.
האדים של חומר A מתקררים ומתעבים במעבה.
4. הטיפות של חומר ש שנוצרו במעבה זורמות לכלי שבקצה המעבה ונאספות בו.
*81*
שאלות
1. א. היכן נמצאים חומר A וחומר B בתחילת תהליך הזיקוק?
ב. היכן נמצאים החומרים בסוף תהליך הזיקוק?
2. האזורים השונים במערכת הזיקוק מסומנים בספרות 4-1. כתבו מה מצב הצבירה של חומר A בכל אחד מהאזורים.
פעילות
ניסוי בהדגמה
זיקוק
מטרת ההדגמה: הכרת מערכת זיקוק.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שמירת כללי הזהירות בעת חימום חומרים במעבדה. רצוי לערוך את הניסוי במנדף.
חומרים וציוד: מערכת זיקוק המחוברת לברז ומורכבת מגולת זיקוק, מעבה, מד-טמפרטורה, כוס וצינורות, מבער בונזן או גזייה, מים, אתאנול, משורה שנפחה 100 מ"ל, מקל זכוכית.
מהלך ההדגמה:
א. לפניכם מערכת זיקוק. בגולה יש תערובת של מים ואתאנול (כוהל).
ב. עקבו אחר שינויי הטמפרטורה במד-הטמפרטורה ואחר המתרחש בגולה, במעבה ובכלי האיסוף בקצה המעבה.
תוצאות:
א. האם תערובת המים והכוהל היא תערובת אחידה (הומוגנית) או לא אחידה (הטרוגנית)? נמקו.
ב. חפשו מידע ברשת, וכתבו את טמפרטורות הרתיחה של מים ושל אתאנול.
ג. כתבו את כל התצפיות בטבלה מתאימה.
סיכום ומסקנות:
1. איזה חומר רתח והפך לגז: המים או האתאנול? נמקו.
2. הסבירו כיצד ידעתם מתי לא נשאר עוד אתאנול בגולת הזיקוק.
זיקוק בנפט
הנפט הגולמי הנשאב מבטן האדמה הוא תערובת הומוגנית של תרכובות רבות.
בבית הזיקוק מזקקים את הנפט הגולמי לקבוצות של תרכובות, כאשר לכל קבוצת תרכובות שימוש שונה. לדוגמה: דלק למכוניות הוא תערובת של תרכובות שטמפרטורות הרתיחה שלהן מגיעות עד 210 מעלות צלסיוס.
(בספר תמונה)
בית הזיקוק בחיפה
*82*
כרומטוגרפיית נייר
כרומטוגרפיית נייר היא שיטה להפרדת תערובת שבה כמה חומרים מומסים יחד במים או בממס אחר. מקור השם כרומטוגרפיה ביוונית: כרומה שווה צבע, ו-גרפיה שווה רישום.
כדי להפריד את החומרים מניחים טיפה של התערובת בקצה של פיסת נייר סינון, וטובלים את קצה הנייר בכלי מים. המים מטפסים במעלה הנייר ומגיעים אל הטיפה. חלק מן החומרים בתערובת שבטיפה מתקדמים מעלה עם המים, ואילו חומרים אחרים בתערובת נקשרים לנייר בכוחות משיכה חזקים, ומתעכבים. החומרים שמתקדמים מהר יותר הם החומרים שנקשרים לנייר בכוחות משיכה חלשים יחסית, וכך החומרים נפרדים זה מזה לאורך הנייר.
פעילות
התנסות
כרומטוגרפיית נייר
מטרת ההתנסות: להפריד צבעי טושים למרכיביהם.
ציוד וחומרים: טושים על בסיס מים בצבעים שונים: שחור, כחול, ירוק, סגול, אדום וכתום, נייר סינון, כוס שנפחה 100 מ"ל, מים, סרגל, עיפרון.
מהלך ההתנסות:
א. גזרו מנייר סינון מלבן שאורכו כ-15 ס"מ ורוחבו 10 ס"מ.
ב. סרטטו בעיפרון קו במרחק 2 ס"מ מן הקצה התחתון של הנייר.
ג. סמנו נקודה באחד הטושים על הקו שסרטטתם. סמנו על הקו עוד נקודות בטושים בצבעים אחרים ובמרווחים גדולים ככל האפשר.
ד. מזגו לתוך הכוס מים עד לגובה של 1 ס"מ.
ה. טבלו את הנייר במים. הקפידו להשאיר את הנקודות מעל גובה המים.
ו. הוציאו את הנייר מהמים כאשר נקודות הצבע מגיעות כמעט לקצה העליון של הנייר.
תוצאות: כתבו את תצפיותיכם בפירוט במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
אילו צבעי טושים הם תערובות של צבעים, ואילו צבעי טושים הם חומרים טהורים? פרטו.
(בספר צילום)
הפרדה של תערובת צבעים
- בתערובת, כל חומר טהור שומר על התכונות הפיזיקליות האופייניות לו.
- תכונה פיזיקלית המאפשרת להפריד חומר אחד מהתערובת נקראת תכונה מפרידה.
- אפשר להפריד תערובות למרכיביהן באמצעות שיטות הפרדה שונות.
*83*
סיכום
- תרכובות הן חומרים הבנויים מצירוף אטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה בקשרים כימיים.
- תכונות התרכובות שונות מאלו של היסודות המרכיבים אותן.
- חומרים המורכבים מסוג אחד בלבד של חלקיקים נקראים חומרים טהורים.
- יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים.
- את הרכב התרכובת אפשר לתאר בנוסחה כימית.
- לתרכובות יוניות מבנה ענק ומסודר של יונים חיוביים ויונים שליליים.
- יחידת המידה pH מציינת את מידת הפעילות (החוזק) של חומצות ושל בסיסים.
- לחומצות המומסות במים pH קטן מ-7. לבסיסים המומסים במים pH גדול מ-7.
- תערובת נוצרת מערבוב של כמה חומרים טהורים, ולכן היא מורכבת מכמה סוגים של חלקיקים.
- אפשר למיין תערובות לתערובות אחידות (הומוגניות) ולתערובות לא אחידות (הטרוגניות).
- תמיסה היא תערובת אחידה (הומוגנית) שבה חומר אחד - המומס - מתמוסס בחומר אחר שכמותו בתמיסה רבה יותר - הממס.
- תמיסות של תרכובות יוניות במים מוליכות חשמל.
- אפשר להפריד תערובת למרכיביה בשיטות הפרדה שונות, כגון סינון, אידוי, מגנוט, שימוש במשפך מפריד, זיקוק וכרומטוגרפיה.
- בתערובת כל חומר טהור שומר על התכונות הפיזיקליות האופייניות לו.
- תכונה פיזיקלית המאפשרת להפריד חומר מתערובת נקראת תכונה מפרידה.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
חומרים: תערובות - חומרים טהורים
חומרים: תערובות: תערובות אחידות - תערובות לא אחידות
חומרים: תערובות: תערובות אחידות: מסגים - תמיסות
חומרים: חומרים טהורים: יסודות - תרכובות
חומרים: חומרים טהורים: יסודות: מתכות - אל-מתכות
חומרים: חומרים טהורים: תרכובות: תרכובות מולקולריות - תרכובות יוניות
*84*
1. חומר המורכב מאטומים של כמה יסודות הקשורים זה לזה הוא:
א. יסוד.
ב. תערובת אחידה הומוגנית).
ג. תרכובת.
ד. תערובת לא אחידה (הטרוגנית).
2. לפניכם הנוסחה הכימית של התרכובת חומץ: C2H4O2.
העתיקו את המשפט שלפניכם למחברת, והשלימו בו את המספרים המתאימים.
בכל מולקולה של התרכובת -- אטומי פחמן, -- אטומי מימן ו-- אטומי חמצן. בכל מולקולה יש -- אטומים בסך הכול. היחס בין אטומי החמצן לאטומי המימן בחומץ הוא -- אטומי חמצן מול -- אטומי מימן.
3. איזה מהחומרים שלפניכם הוא חומר טהור?
א. מי ברז
ב. מי ים
ג. אוויר
ד. פחמן דו-חמצני
4. לפניכם 4 איורים המייצגים חלקיקים של חומרים שונים.
א. איזה איור מייצג תערובת? כמה חומרים טהורים יש בתערובת זו?
ב. אילו מהאיורים מייצגים יסודות?
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
5. העתיקו את הנוסחאות הכימיות של החומרים שלפניכם למחברתכם.
HCl ,ZnCl2 ,CuO ,S02 ,Li20 ,KH ,HF ,KF
א. הקיפו את התרכובות היוניות, היעזרו לשם כך בטבלה המחזורית.
ב. מתחו קו מתחת ליון החיובי בכל אחת מהתרכובות היוניות.
*85*
6. כמה יסודות שונים מרכיבים את הממתיק המלאכותי אספרטיים, הנמצא במשקאות קלים דיאטטיים?
נוסחת האספרטיים היא C14H18N2O5.
7. פיריט הוא חומר בעל גוון זהוב המצוי בטבע. מחפשי זהב רבים מצאו פיריט וחשבו בטעות כי מצאו גוש זהב, ולכן הפיריט נקרא גם"זהב של שוטים". הפיריט בנוי מיוני גפרית ומיוני ברזל המסודרים במבנה ענק ומסודר. היחס בין היונים הוא יון אחד של ברזל על שני יוני גפרית.
א. רשמו נוסחה כימית לפיריט. היעזרו בטבלה המחזורית למציאת הסימולים הכימיים של ברזל ושל גפרית.
ב. לפניכם שני היגדים המשווים בין גוש קטן של פיריט לגוש גדול של פיריט.
1. בגוש הגדול יש יותר יוני ברזל ויותר יוני גפרית מאשר בגוש הקטן.
2. היחס בין יוני הברזל ליוני הגפרית שונה בשני הגושים.
האם ההיגדים נכונים? נמקו.
8. בעת מאמץ אנו מזיעים. הזיעה שלנו מורכבת בעיקר ממים שבהם מומס מלח. האם הזיעה שלנו מוליכה חשמל? נמקו.
9. הציעו שיטה להפרדת תערובת של חול, מלח ואבקת טלק.
10. לפניכם רשימה של שיטות להפרדת תערובות, ורשימה אחרת של תכונות מפרידות. העתיקו את שתי הרשימות למחברתכם, ומתחו קווים בין שיטת ההפרדה לתכונה המפרידה המתאימה לה. אפשר להשתמש בכל תכונה מפרידה יותר מפעם אחת.
שיטת הפרדה: סינון, אידוי, מגנוט, הפרדה במשפך מפריד, זיקוק, כרומטוגרפיית נייר
תכונה מפרידה: טמפרטורת רתיחה, חוזק קישור לנייר, גודל חלקיקים, צפיפות, אי התמוססות של חומר אחד בחומר אחר, משיכה למגנט
*86*
11. לפניכם תוצאות בדיקה של כרומטוגרפיית נייר.
א. כמה חומרים היו בתערובת שהופרדה?
ב. איזה מהחומרים נקשר לנייר בקשרים החזקים ביותר? נמקו.
(בספר איור – היעזר במורה)
תערובת לפני ההפרדה
12. במעבדה התערבבו בטעות שמן, מלח ואבקת ברזל. תלמידים הצליחו להפריד את התערובת בעזרת סדרת ניסויים. לפניכם תרשים המתאר את הפעולות שהתלמידים ביצעו. התאימו במחברותיכם את הסימולים X, Y ו-Z לחומרים המתאימים בתערובת: שמן, מלח ואבקת ברזל.
(בספר תרשים - היעזר במורה)
שלב 1: שימוש במגנט.
שלב 2: הוספת מים ושימוש במשפך מפריד.
שלב 3: אידוי.
*87*
*87*
בפרק זה נלמד ש...
- לכל חומר יש מגוון תכונות המאפיינות אותו: תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות.
- חומרים יכולים לעבור שינויים כימיים ושינויים פיזיקליים.
- בתהליך כימי נוצרים חומרים חדשים.
- שינויים בחומר מלווים בהמרות אנרגיה.
- בתהליך כימי מתקיים חוק שימור המסה.
- ייצור חומרים ושימוש בחומרים תורמים לאיכות חיינו, אך עלולים לפגוע בסביבה. את הפגיעה הזאת אפשר לצמצם באמצעות פתרונות שונים.
מושגים שנכיר:
תכונה כימית
שינוי כימי ושינוי פיזיקלי
מגיבים ותוצרים
ניסוח תהליך כימי
תהליך קולט אנרגיה (אנדותרמי)
תהליך פולט אנרגיה (אקזותרמי)
חוק שימור המסה
מיחזור
שימוש חוזר
הפחתה
*88*
מבוא
חומרים נוצרים ומתפרקים סביבנו כל הזמן. לעתים החומרים נוצרים בלי שנשים לב לכך. למשל, בעת עיכול המזון בגופנו, חומרים המרכיבים את המזון שאנו אוכלים מתפרקים לחומרים אחרים, ומהחומרים האלה נוצרים חומרים חדשים הנחוצים לתפקודו התקין של הגוף.
בעת בישול, טיגון ואפייה נוצרים חומרים חדשים במזון. בעת אפיית עוגה, לדוגמה, נוצרים חומרים חדשים, ולכן מראה העוגה והריח שלה שונים מהמראות ומהריחות של הקמח, של אבקת האפייה, של הביצים ושל הסוכר שמהם היא נאפתה.
(בספר תמונה)
בעת אפיית העוגה נוצרים חומרים חדשים.
כימאים ומהנדסי חומרים מייצרים במעבדות מחקר ובמפעלים חומרים חדשים, שלא היו מוכרים קודם לכן. באמצעות החומרים האלה אפשר לפתח אמצעי תקשורת חדשניים, תרופות חדשות, חומרים שיהיו עמידים בחלל ועוד.
חומרים חדשים כאלה מוכרים לנו בחלקם מחיי היומיום: במרכולים אנו יכולים לרכוש היום כלים חד-פעמיים ושקיות אשפה העשויים מחומרים מתכלים. החומרים האלה מחליפים את מוצרי הפלסטיק שמתפרקים במשך אלפי שנים ויוצרים בעיה סביבתית קשה. לפעמים נדמה שכמה מהחומרים החדשים הוצאו מספרים או מסרטי מדע בדיוני. הנה דוגמאות אחדות לחומרים חכמים כאלה:
(בספר שלוש תמונות)
1. חומר ציפוי לרעפים על גגות בתים, המפרק מזהמי אוויר לחומרים לא מזיקים ועוזר לנקות את האוויר סביבנו.
2. חומר המוכנס לאגד מידבק (פלסטר), המשנה את צבעו של האגד כשהפצע מזדהם. כך איננו צריכים להסיר את האגד כדי לבדוק את הפצע.
3. בטון המתקן בעצמו סדקים הנוצרים בו. בתוך הבטון מפוזרות כמוסות זעירות המכילות ג'ל. כשהבטון נסדק הכמוסות נשברות אף הן, והג'ל נוזל, ממלא את הסדק ומתקשה בתוך ימים אחדים.
בפרק הזה נלמד כיצד חומרים חדשים נוצרים בתהליך שנקרא תהליך כימי. נלמד לזהות מתי השינויים החלים בחומר הם שינויים פיזיקליים, המשנים את צורת החומר ואת מראהו אך לא יוצרים חומרים חדשים, ומתי הם שינויים כימיים, היוצרים חומרים חדשים. נכיר סוגים אחדים של תהליכים כימיים ונבדוק מה קורה למסה של החומרים במהלכם. נעקוב אחר שינויי האנרגיה המלווים שינויים בחומר, ונעסוק בכמה בעיות סביבתיות הנגרמות בגלל ייצור חומרים או בגלל שימוש בהם. נכיר פתרונות אפשריים לבעיות הסביבתיות האלה, ונבחן מה כל אחד מאתנו יכול לעשות כדי לצמצם את הפגיעה בסביבה.
*89*
שינוי פיזיקלי ותהליך כימי
תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות
לכל חומר צירוף של תכונות האופייניות לו. אפשר לחלק את התכונות של החומר לשני סוגים: תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות.
את התכונות הפיזיקליות של חומרים הכרנו בפרק הקודם, אלו הן התכונות הניתנות למדידה ומאפיינות את החומר, כמו צבע, קשיות, טמפרטורת היתוך ועוד.
תכונות כימיות הן התכונות המתארות את נטייתו של חומר להתפרק לחומרים אחרים או את נטייתו להתחבר עם חומרים אחרים כדי ליצור תרכובות חדשות.
(תכונה כימית - נטייתו של חומר להתפרק לחומרים אחרים או נטייתו להתחבר חומרים אחרים.)
כאשר ברזל מחליד הוא מתחבר עם חמצן האוויר ונוצרת תרכובת חדשה: ברזל חמצני (חלודה). נטייתו של חומר להחליד היא תכונה כימית.
בפרקים הקודמים הכרנו גם תכונה כימית המשותפת למתכות האלקליות: כולן מגיבות עם מים, ובתהליך הזה נוצר, בין השאר, הגז מימן.
(בספר שתי תמונות)
ברזל נוטה להתחבר לחמצן וליצור חלודה, אך זהב אינו נוטה להתחבר עם חמצן.
שאלה
רשמו ליד כל משפט אם הוא מתאר תכונה כימית או תכונה פיזיקלית.
א. גזים אצילים אינם נוטים ליצור תרכובות.
ב. הזכוכית היא חומר שביר.
ג. לחומץ יש טעם חמוץ.
ד. כלי כסף משחירים בחלוף הזמן.
*90*
שינוי פיזיקלי ושינוי כימי
חומרים יכולים להשתנות בכמה אופנים. לעתים חל שינוי במראה ובצורה של החומר, אך לא נוצרים חומרים חדשים, ולעתים החומר משתנה ונוצרים ממנו חומרים חדשים.
שינוי פיזיקלי יכול לגרום שינוי בצורה ובמראה של החומר, אך בעקבות שינוי פיזיקלי לא נוצרים חומרים חדשים.
(שינוי פיזיקלי - שינוי שחל במראה ובצורה של החומר ללא היווצרות חומרים חדשים.)
(בספר שלושה תצלומים)
שינויים פיזיקליים
1. קריעת נייר
2. היתוך שלגון
3. ייבוש כביסה
שינוי במצב הצבירה של החומר, כמו היתוך השלגון או ייבוש הכביסה, הוא דוגמה לשינוי פיזיקלי. כאשר החומר ניתך (הופך ממוצק לנוזל) או מתאדה (הופך מנוזל לגז), חלקיקי החומר מתרחקים זה מזה וכוחות המשיכה ביניהם נחלשים, אך לא נוצרים חומרים חדשים.
במקרים רבים, כאשר מתרחש שינוי פיזיקלי אפשר להחזיר את המצב לקדמותו בקלות. לדוגמה: כשקרח ניתך אפשר לקרר את המים שנוצרו, והם ייהפכו שוב לקרח.
(בספר תמונה)
שינוי פיזיקלי הפיך: קרח הופך למים ומים הופכים לקרח.
שינוי כימי (או תהליך כימי) יוצר חומר חדש או כמה חומרים חדשים. שינוי כימי מתרחש כאשר תרכובת מתפרקת לתרכובות קטנות יותר או ליסודות המרכיבים אותה, או כאשר יסודות או תרכובות מתחברים ונוצרים קשרים כימיים ביניהם, המובילים ליצירת תרכובות חדשות.
(שינוי כימי - (תהליך כימי) שינוי בחומר שבמהלכו נוצר חומר חדש או כמה חומרים חדשים בעלי תכונות חדשות.)
לכל חומר טהור יש מגוון של תכונות פיזיקליות וכימיות המאפיינות אותו. בתהליך כימי נוצרים חומרים חדשים, ולכל חומר כזה יהיה מגוון של תכונות פיזיקליות וכימיות האופייניות לו, השונות מהתכונות הפיזיקליות והכימיות של החומרים שהוא נוצר מהם.
*91*
בפרק הקודם ראינו כיצד היסודות גפרית ונחושת עוברים שינוי כימי (תהליך כימי). לאחר שחיממו אותם יחדיו נוצרו ביניהם קשרים כימיים, וחומר חדש נוצר: התרכובת נחושת-גפרית. לתרכובת הזאת תכונות פיזיקליות האופייניות לה.
נשווה בטבלה שלהלן חלק מהתכונות הפיזיקליות של הנחושת, של הגפרית ושל התרכובת נחושת-גפרית שהתקבלה מהן:
החומר, נחושת-גפרית, גפרית, נחושת
הצבע, שחור-כחול, צהוב, זהוב-אדמדם
המראה, מוצק-מתפורר, אבקה, ברק מתכתי
לאחר שהתרחש תהליך כימי, לא תמיד אפשר להחזיר את המצב לקדמותו ולקבל בחזרה את החומרים הראשונים. אם הדבר אפשרי, הוא דורש אמצעים לא פשוטים.
נתבונן בדוגמה נוספת - הכנת חביתה. בהכנת החביתה שני שלבים: שבירת הביצה וטיגון החביתה.
שבירת הביצה היא שינוי פיזיקלי: צורת הקליפה משתנה מקליפה אחת לחתיכות קטנות, ובעת השבירה לא נוצרים חומרים חדשים.
טיגון החביתה הוא שינוי כימי: בעקבות החימום הביצה מתקשה, נוצרות תרכובות חדשות שצבען שחום, והריחות העולים מן המחבת הם ריחותיהן של התרכובות החדשות הנוצרות בעת הטיגון.
*92*
שאלה
כשמסמר ברזל מחליד, הברזל מתחבר עם חמצן האוויר ומתקבל ברזל-חמצני (חלודה).
סרטטו טבלה והשוו בה את התכונות הפיזיקליות של הברזל, של החמצן ושל הברזל- החמצני המתקבל מהם (לדוגמה: מצב צבירה, צבע ועוד).
זיהוי תהליך כימי
כיצד אפשר לקבוע אם שינוי בחומר הוא שינוי פיזיקלי או תהליך כימי?
בתהליך כימי נוצרים חומרים חדשים, בעלי תכונות פיזיקליות האופייניות להם, השונות מהתכונות הפיזיקליות של החומרים שמהם הם נוצרו. לכן, כשאנו מבחינים בתכונות פיזיקליות חדשות, כמו צבע או ריח שלא היו קודם לכן, הדבר עשוי להעיד שנוצרו חומרים חדשים בעקבות התרחשות תהליך כימי.
לעתים מצבי הצבירה של החומרים החדשים שונים ממצבי הצבירה של החומרים שמהם הם נוצרו: הופעת בועות עשויה להצביע על היווצרות של חומר חדש במצב צבירה גזי, הופעת משקע (אבקה השוקעת לאט לתחתית הכלי) עשויה להצביע על היווצרות חומר חדש במצב צבירה מוצק, ושינויי צבע או ריח עשויים להצביע על היווצרות של חומרים חדשים שצבעיהם וריחותיהם שונים מאלה של החומרים שהיו בתחילת התהליך הכימי.
לדוגמה, אבקת האפייה מתפרקת בעת האפייה לכמה תרכובות חדשות. אחת מהן היא הגז פחמן דו-חמצני, והוא המתפיח את העוגה או את הלחם.
(בספר איור)
בעת אפיית לחם מתרחש תהליך כימי שבו נוצר הגז פחמן דו-חמצני.
*93*
פעילות
התנסות
חומרים בשקית
מטרת ההתנסות: לקבוע אם השינויים המתרחשים בשקיות הם שינויים כימיים או פיזיקליים.
אמצעי זהירות: בניסוי הזה יש ללבוש משקפי מגן וכפפות. רצוי לבצעו במקום מאוורר.
ציוד וחומרים: שתי שקיות בינוניות בעלות פס סגירה, בקבוקון חומץ, קופסת אבקת סודה לשתייה, קופסת מלח בישול, שתי כפיות, משטפת מים, שתי משורות שנפחן 50 מ"ל.
מהלך ההתנסות:
א. הכניסו לשקית אחת 50 מ"ל חומץ. סגרו את השקית כמעט לגמרי והשאירו פתח קטן בלבד.
ב. דרך הפתח הקטן שפכו לשקית שתי כפיות גדושות של סודה לשתייה, ואטמו את השקית במהירות.
ג. לושו את השקית בידיכם לערבוב החומרים שבתוכה.
ד. הכניסו לשקית האחרת 50 מ"ל מים ושתי כפיות גדושות של מלח בישול.
ה. אטמו את השקית, לושו את השקית בידיכם לערבוב החומרים שבתוכה.
אזהרה: אם השקית מתנפחת מאוד יש לפתוח אותה כדי שלא תתפוצץ.
תוצאות: עקבו אחר המתרחש בכל אחת מן השקיות וכתבו את תצפיותיכם בפירוט.
סיכום ומסקנות:
1. האם השינוי שהתרחש בכל אחת מהשקיות הוא כימי או פיזיקלי? נמקו את קביעתכם.
2. האם השינויים שצפיתם בהם הפיכים? אם כן, הסבירו כיצד אפשר להחזיר את המצב לקדמותו.
הידעת?
פופקורן
בוודאי אכלתם פופקורן פעמים רבות, אך האם שאלתם את עצמכם מדוע גרעיני התירס הצהובים מתפוצצים והופכים לפופקורן? האם יצירת הפופקורן היא שינוי כימי או פיזיקלי?
בתוך כל גרעין תירס נמצאת טיפת מים קטנה. בעת חימום גרעיני התירס, בסיר או בשקית במיקרוגל, מתרחש שינוי פיזיקלי: טיפת המים מתאדה והופכת לגז. הגז מתפשט ויוצר לחץ על קליפת הגרעין. מכיוון שקליפת הגרעין אינה גמישה היא אינה יכולה להתנפח כמו בלון, וכשהלחץ גדל הקליפה מתפוצצת, ותוכנו הלבן של הגרעין (העמילן) פורץ החוצה. כך נוצר הפופקורן.
*94*
- שינוי פיזיקלי יכול לשנות את הצורה של החומר ואת המראה שלו, אך הוא לא הופך אותו לחומר אחר.
- כשמתרחש שינוי כימי (תהליך כימי) נוצרים חומרים חדשים.
- לחומרים החדשים שנוצרים בתהליך הכימי יש תכונות פיזיקליות האופייניות להם, השונות מהתכונות הפיזיקליות של החומרים שמהם הם נוצרו.
שאלות
1. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וסמנו ב-וי במקום המתאים את המאפיינים המתאימים לשינוי כימי ואת המאפיינים המתאימים לשינוי פיזיקלי.
המאפיין, שינוי כימי, שינוי פיזיקלי
בעת השינוי נוצרים חומרים חדשים, --, --
השינוי בדרך כלל הפיך, --, --
2. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וכתבו אם בתהליכים המופיעים בה חלים שינויים פיזיקליים או שינויים כימיים. נמקו את בחירתכם בכל מקרה.
התהליך, שינוי פיזיקלי או שינוי כימי?, הסבר
קילוף בננה, --, --
השחמת תפוח אדמה לאחר חיתוכו, --, --
המסת כפית סוכר בשוקו, --, --
רתיחת מים בקומקום, --, --
החמצת חלב, --, --
3. העתיקו את הסרטוט שלפניכם אל המחברת, והשלימו את הפרטים החסרים בו.
(בספר שרטוט - היעזר במורה)
כתבו בכל מלבן דוגמה לשינוי כימי או לשינוי פיזיקלי שיכולים להתרחש בקופסה או בתכולתה.
4. רשמו דוגמה אחת לשינוי כימי ודוגמה אחת לשינוי פיזיקלי המוכרות לכם מחיי היומיום.
5. על אריזות של תרופות ושל מוצרי מזון מסוימים מסומן תאריך תפוגה, שהוא התאריך האחרון לשימוש במוצר. לאחר התאריך הנקוב יש לזרוק את המוצר. מדוע?
*95*
פעילות
סיכום
למה קופצות הסוכריות?
סוכריות קופצות הן סוכריות זעירות, הנמכרות בשקית קטנה או משולבות בממתקים אחרים (למשל: בשוקולד), שכאשר מכניסים אותן לפה מרגישים אותן קופצות על הלשון. בפעילות הזאת נחקור מדוע הסוכריות קופצות על הלשון.
1. חפשו באינטרנט מידע על אופן פעולתן של הסוכריות הקופצות. סכמו בקצרה מדוע הסוכריות קופצות על הלשון בפה. הסתמכו על שני מקורות מידע לפחות. רשמו בבירור את המקורות שהשתמשתם בהם.
2. קבעו בעקבות המידע שמצאתם: האם פעולת הסוכריות הקופצות בפה היא תהליך כימי או שינוי פיזיקלי? נמקו.
3. קנו במרכול שקית של סוכריות קופצות.
מזגו מים לכוס שקופה עד מחציתה, ושפכו את תכולת השקית לתוך הכוס. עקבו אחר המתרחש וכתבו את תצפיותיכם.
4. חוו דעתכם בעקבות התצפית הזו ובעקבות ניסויים קודמים שביצעתם או שראיתם במהלך הפרק: האם הופעת בועות היא תמיד סימן להתרחשות תהליך כימי? נמקו. ציינו עוד דוגמאות מחיי היומיום התומכות בדעתכם.
5. לסיכום הפעילות, הציגו את תשובותיכם לשאלות 4-1 במצגת או בסרטון. בתשובתכם לשאלה 3 הקפידו לתאר את הניסויים שביצעתם ואת התצפיות שערכתם, ופרטו את מסקנותיכם. השתדלו שהמצגת או הסרטון יציגו את המידע באופן מעניין ויצירתי.
*96*
סוגים של תהליכים כימיים
חלודה הנוצרת על ברזל, גז הבוער בכיריים וחלב שמחמיץ הם דוגמאות לתהליכים כימיים שבהם נוצרים חומרים חדשים. יש כמה סוגים של תהליכים כימיים:
- תהליך הרכבה - בתהליכים הכימיים האלה נוצרת תרכובת חדשה מיסודות שונים או מתרכובות אחרות.
היווצרות חלודה משני היסודות ברזל וחמצן היא דוגמה לתהליך הרכבה מיסודות. גם בפרק הקודם ראיתם דוגמה לתהליך הרכבה מיסודות: התרכובת נחושת-גפרית היא תוצאה של תהליך הרכבה של היסודות נחושת וגפרית.
- תהליך בעירה - בתהליך בעירה, חומר בעיר כמו גז, עץ, נפט וכדומה מתחבר עם חמצן האוויר ונוצרים חומרים חדשים.
דוגמאות לכך הן הדלקת הגז לבישול בכיריים שבמטבח, שרפת הדלק במנוע המכונית או שרפת עץ במדורה.
- תהליך פירוק - בתהליכים הכימיים האלה מפרקים תרכובת ליסודות השונים שהרכיבו אותה או לכמה תרכובות אחרות. לדוגמה: כשאופים עוגות, אבקת האפייה שמוסיפים לבצק מתפרקת לפחמן דו-חמצני המתפיח את הבצק ולתרכובות אחרות.
הידעת?
אנטואן-לורן לבואזיה היה כימאי צרפתי שפעל במאה ה-18, ותרם רבות למחקר הכימיה המודרנית. במחקריו גילה, בין השאר, את נחיצותו של החמצן בעת התרחשות בעירה ובתהליך הנשימה, והמציא שיטה מסודרת לקביעת השמות של החומרים הכימיים. לבואזיה עבד עם אשתו, כימאית אף היא. הוא הוצא להורג בזמן המהפכה הצרפתית. לאחר מותו כתב עליו המתמטיקאי לגראנז' כי "לקח להם רגע אחד לכרות את ראשו, אך 100 שנים לא יספיקו כדי ליצור עוד ראש כזה".
*97*
תהליך כימי, מגיבים ותוצרים
בתהליך כימי, החומרים שהיו בתחילת התהליך נקראים מגיבים, והחומרים שמתקבלים בסופו נקראים תוצרים. כשהתהליך מתרחש כמות המגיבים פוחתת עם הזמן, ובמקומם מתקבלים התוצרים.
כשאופים עוגיות, לדוגמה, כמות המגיבים במטבח - קמח, סוכר, שמן, אבקת אפייה וכן הלאה - פוחתת, ואילו כמות התוצרים - העוגיות - עולה. כאשר גז הבישול בוער בכיריים, המגיבים - גז הבישול והחמצן שבאוויר - הופכים לתוצרים - פחמן דו-חמצני ומים.
אפשר לייצג תהליכים כימיים בקיצור באמצעות ניסוח.
בניסוח רושמים את המגיבים בצד שמאל ואת התוצרים בצד ימין, ומפרידים ביניהם בחץ.
(בספר הועתק קו מפריד במקום חץ)
מגיבים - תוצרים
דוגמאות
א. פירוק מים לחמצן ולמימן בתהליך האלקטרוליזה. המים הם המגיב, והחמצן והמימן הם התוצרים.
מים (מגיבים) - מימן פלוס חמצן (תוצרים)
ב. יצירת מלח בישול (נתרן כלורי) משני היסודות נתרן וכלור.
נתרן פלוס כלור (מגיבים) - נתרן כלורי (תוצרים)
גם שינויים פיזיקליים, כמו שינוי במצב צבירה והתמוססות במים, אפשר לייצג באמצעות ניסוח מתאים.
דוגמאות
א. רתיחה של מים
מים (נוזל) (מגיבים) - מים (גז) (תוצרים)
ב. המסת סוכר במים
סוכר (מוצק) (מגיבים) - מים - סוכר (מומס במים) (תוצרים)
*98*
בפרקים הקודמים למדנו כי לכל חומר יש נוסחה כימית. בהמשך לימודיכם תלמדו כי בניסוחים שהכימאים רושמים מופיעות נוסחאות החומרים ולא שמותיהם בעברית.
לדוגמה, יצירת החומר ברזל-גפרי, משני היסודות ברזל וגפרית:
ניסוח מילולי:
ברזל פלוס גפרית - ברזל-גפרי
ניסוח באמצעות נוסחאות החומרים:
S(s) פלוס Fe(s) - FeS(s)
הסימון בסוגריים מימין לנוסחה הכימית של החומר המשתתף בתהליך, מציין את מצב הצבירה של החומר, במקרה זה: s - מוצק.
- החומרים שהיו בתחילת התהליך הכימי נקראים מגיבים. החומרים המתקבלים בסוף התהליך הכימי נקראים תוצרים.
- אפשר לייצג שינויים בחומר באמצעות ניסוח מילולי או ניסוח בעזרת סימולים כימיים.
שאלות
1. כדי לנקות קומקום מאבנית שהצטברה בו מוסיפים לקומקום חומצה. בין האבנית לחומצה מתרחש תהליך כימי, שבו נוצר הגז פחמן דו-חמצני וחומר נוסף: מלח-סידן.
רשמו ניסוח לתיאור התהליך המתרחש. סמנו מהם המגיבים ומהם התוצרים בתהליך.
2. רשמו ניסוח לתהליך הכימי של יצירת חלודה.
*99*
פעילות
התנסות והדגמות - עבודה בקבוצות
הכרת תהליכים כימיים
מטרת ההתנסות וההדגמות: מיון תהליכים כימיים לסוגים שונים.
א: התנסות - חימום סוכר
אמצעי זהירות: משקפי מגן והקפדה על כללי הזהירות בעת חימום חומרים. יש לבצע את הניסוי במקום מאוורר.
ציוד וחומרים: מבחנה, ספטולה, אטב, מבער בונזן, סוכר.
מהלך ההתנסות:
א. הכניסו למבחנה שתי ספטולות של סוכר.
ב. הדליקו את מבער הבונזן, החזיקו את המבחנה באמצעות האטב וחממו את הסוכר.
תוצאות וסיכום:
א. רשמו את תצפיותיכם.
ב. העתיקו את הניסוח המתאר את התהליך למחברתכם והשלימו בו את החסר:
פחמן פלוס מים - --
ב: ניסוי בהדגמה - בעירת מגנזיום
אמצעי זהירות: משקפי מגן והקפדה על כללי הזהירות בעת חימום חומרים. יש לשרוף את המגנזיום במנדף, מעל כלי זכוכית המונח על מגש נירוסטה מלא בחול. אין להתבונן ישירות על סרט המגנזיום הנשרף, אלא רק על האור המוקרן סביבו.
ציוד וחומרים: סרט מגנזיום, מלקחיים, מבער בונזן, צלחת זכוכית, מגש, חול.
מהלך ההדגמה: לפניכם סרט מגנזיום הנשרף בלהבת המבער.
תוצאות:
א. רשמו את תצפיותיכם.
ב. העתיקו את הניסוח המתאר את התהליך למחברתכם והשלימו בו את החסר:
מגנזיום פלוס -- - מגנזיום חמצני
*100*
ג: התנסות - אלקטרוליזה של נחושת-כלורית
(אלקטרוליזה - פירוק באמצעות זרם חשמלי. ביוונית: אלקטרו שווה חשמל, ליזיס שווה פירוק.)
אמצעי זהירות: משקפי מגן ועבודה במנדף או במקום מאוורר היטב.
ציוד וחומרים: תמיסת נחושת-כלורית בריכוז 1M, כוס שנפחה 250 מ"ל, שני מוטות גרפיט, סוללות, שני חוטי חשמל עם הדקים, מד-זרם, דוגמת נחושת-כלורית מוצקה להצגה לתלמידים.
מהלך ההתנסות:
א. הרכיבו מעגל חשמלי שבו סוללות, מד-זרם ושני מוטות גרפיט (אלקטרודות). היעזרו בתמונה.
ב. מזגו לכוס את תמיסת הנחושת הכלורית.
ג. טבלו את מוטות הגרפיט בכוס. הקפידו שהמוטות לא ייגעו זה בזה.
ד. התבוננו היטב במתרחש ליד מוטות הגרפיט, בתמיסה ובמד-הזרם.
תוצאות וסיכום:
א. רשמו את תצפיותיכם.
ב. העתיקו את הניסוח המתאר את התהליך למחברתכם והשלימו בו את החסר:
-- פלוס -- נחושת כלורית
ד: ניסוי בהדגמה - אלקטרוליזה של מים
אמצעי זהירות: משקפי מגן וכפפות.
ציוד: ערכה לביצוע אלקטרוליזה של מים. הערכה כוללת מכל מים שבו מוטות מוליכים, שתי מבחנות משונתות מלאות במים ובראשן ברז, סוללות ותילים מוליכים.
חלק א - מעבירים זרם חשמלי במים
מהלך הניסוי:
א. לפניכם ערכה לביצוע אלקטרוליזה של מים.
ב. צפו במתרחש ליד שני המוטות המוליכים בערכה.
תוצאות:
א. תארו מה התרחש במים ליד המוטות המוליכים כאשר המעגל החשמלי היה סגור, והזרם החשמלי עבר במים.
ב. שערו מה קרה בעת מעבר הזרם החשמלי במים.
*101*
חלק ב - ממה מורכבים המים?
מטרת הניסוי: לזהות את החומרים שנוצרו מן המים בעקבות מעבר של זרם חשמלי בהם.
ציוד (מלבד הציוד המפורט בחלק א של הניסוי): שתי מבחנות מלאות עד סופן במים, פקקים תואמים למבחנות, מעמד למבחנות, קיסמים, גפרורים, עט סימון.
מהלך הניסוי:
א. התבוננו בשתי המבחנות המלאות במים שבתוכן נאספים הגזים הנוצרים ליד המוטות המוליכים בערכה.
ב. חכו עד ששתי המבחנות תתמלאנה בגז.
ג. סמנו את המבחנות במספרים:
מבחנה 1 היא המבחנה שהתמלאה ראשונה, ומבחנה 2 היא המבחנה שהתמלאה אחריה.
ד. פותחים את מבחנה 1 ומקרבים לפתחה קיסם דולק. מה התרחש?
ה. פותחים את מבחנה 2 ומכניסים לתוכה קיסם עומם. מה התרחש?
תוצאות וסיכום:
א. תארו מה התרחש במבחנות. האם יש הבדל בין המתרחש במבחנות השונות? אם כן, מהו ההבדל?
ב. זהו את הגזים במבחנות, והסבירו כיצד זיהיתם אותם.
הגז במבחנה 1 (התמלאה ראשונה בגז) הוא --.
הגז במבחנה 2 הוא --.
ג. העתיקו את הניסוח המתאר את התהליך למחברתכם והשלימו בו את החסר:
-- פלוס -- - מים
סיכום ומסקנות:
ענו על השאלות הבאות עבור כל אחד מ-4 הניסויים שביצעתם:
1. מהם המגיבים ומהם התוצרים בתהליך הכימי?
2. האם התהליך הכימי הוא תהליך פירוק, הרכבה או בעירה? נמקו.
3. השוו בטבלה את התכונות הפיזיקליות של המגיב או המגיבים לתכונות הפיזיקליות של התוצר או התוצרים. האם הן דומות או שונות? נמקו.
*102*
הידעת?
בתחנת החלל הבין לאומית מייצרים את החמצן הנחוץ לנשימת האסטרונאוטים באמצעות אלקטרוליזה של מים: המים מפורקים לשני היסודות המרכיבים אותם: חמצן ומימן, והחמצן מועבר למערכת אספקת האוויר של תחנת החלל.
(בספר תמונה)
בתוך תחנת החלל הבינלאומית
תהליך האלקטרוליזה
מה קורה באלקטרוליזה של נחושת-כלורית?
כשביצעתם אלקטרוליזה של נחושת-כלורית, ראיתם כי על אחד ממוטות הגרפיט נוצר ציפוי של נחושת, וכי ליד מוט הגרפיט האחר השתחרר הגז כלור.
הניסוח המילולי של התהליך הוא:
כלור פלוס נחושת - נחושת-כלורית
בשפה הכימית ננסח את התהליך באמצעות נוסחאות החומרים ונציין את מצב הצבירה שלהם (מוצק - s, גז - g):
Cu(s) פלוס Cl2(g) - CuCl2(s)
כיצד החומרים האלה נוצרו?
כאשר ממיסים את התרכובת היונית נחושת-כלורית במים, יוני הנחושת החיוביים ויוני הכלור השליליים נפרדים זה מזה, ומתפזרים במים באופן אחיד (שינוי פיזיקלי). בחיבור המעגל החשמלי, יוני הנחושת החיוביים נמשכים למוט הגרפיט המחובר להדק השלילי של הסוללה (האלקטרודה השלילית). כשהיונים האלה מגיעים למוט הם מקבלים ממנו את האלקטרונים החסרים להם והופכים לאטומי נחושת (תהליך כימי), ואטומי הנחושת האלה מצפים את המוט.
יוני הכלור השליליים נמשכים למוט הגרפיט המחובר להדק החיובי של הסוללה (האלקטרודה החיובית). כשהיונים האלה מגיעים למוט הם מוסרים לו את עודף האלקטרונים שלהם, והופכים לאטומי כלור (תהליך כימי). אטומי הכלור הם שיוצרים את הגז המשתחרר ליד המוט.
(בספר איור - היעזר במורה)
*103*
שאלות
1. מדוע הנחושת מצפה את מוט הגרפיט המחובר להדק השלילי של הסוללה (האלקטרודה השלילית)
2. ביון נחושת יש 29 פרוטונים ו-27 אלקטרונים. מהו המטען החשמלי של היון?
3. כמה אלקטרונים מקבל כל יון נחושת ממוט הגרפיט כדי להפוך לאטום נחושת?
4. ביון כלור יש 17 פרוטונים. מטען היון הוא - 1. כמה אלקטרונים יש ביון כלור?
5. איזה מן המשפטים הבאים הוא הנכון?
א. כל יון כלור מקבל ממוט הגרפיט שני אלקטרונים.
ב. יוני הכלור נמשכים למוט הגרפיט המחובר להדק השלילי של הסוללה.
ג. יוני הכלור הופכים לאטומים של כלור ליד מוט הגרפיט המחובר להדק החיובי של הסוללה.
ד. כל יון כלור מקבל ממוט הגרפיט אלקטרון אחד.
פעילות
מתכננים ניסוי ומבצעים אותו
ציפוי מטבע בנחושת
באלקטרוליזה של נחושת-כלורית ראינו כי מוט הגרפיט המחובר להדק השלילי של הסוללה (האלקטרודה השלילית) צופה בציפוי נחושת. אם נכין מערכת דומה אך נחליף את המוט הזה במטבע של שקל אחד, המטבע תצופה בציפוי נחושת.
מטרת הניסוי: בדיקת השפעתן של תמיסות נחושת-כלורית שריכוזיהן שונים על ציפוי מטבע בנחושת.
הערה: אפשר ליצור תמיסות שריכוזיהן שונים באמצעות הוספת מים לתמיסה הנתונה ביחסים שונים: 1:1, 1:2, 1:3 וכדומה.
השערה: כתבו את השערתכם ונמקו אותה.
תכנון הניסוי: כתבו את כל מהלך הניסוי, שלב אחר שלב. מספרו את השלבים. רשמו בצורה מסודרת את הציוד ואת החומרים הנחוצים לביצוע הניסוי.
א. ציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי.
ב. כתבו שני גורמים קבועים בניסוי.
ג. הסבירו כיצד תמדדו את הגורם המושפע.
ד. כתבו את אמצעי הזהירות הנדרשים בניסוי הזה.
ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות: הכינו טבלה מתאימה ופרטו בה את תצפיותיכם.
סיכום ומסקנות: הסבירו את תוצאות הניסוי.
דוח ניסוי: כתבו דוח מלא של הניסוי. בדוח כתבו את הפרטים הבאים: שאלת החקר, הציוד והחומרים, מהלך הניסוי, התוצאות והמסקנות. אם התעוררו קשיים בביצוע הניסוי ציינו אותם, ותארו איך התגברתם עליהם.
*104*
שינויי אנרגיה המלווים שינויים בחומר
תהליכים פולטי אנרגיה (אקזותרמיים)
ותהליכים קולטי אנרגיה (אנדותרמיים)
כשאנו מבעירים אש בכיריים מתרחש תהליך בעירה: גז הבישול מגיב עם חמצן האוויר, נוצרים פחמן דו-חמצני ואדי מים, ונפלט חום. תהליך בעירה הוא דוגמה לתהליך כימי הפולט חום אל הסביבה הקרובה.
תהליכים כימיים כמו תהליך הבעירה, הפולטים אנרגיה אל הסביבה, נקראים תהליכים פולטי אנרגיה (תהליכים אקזותרמיים).
יש תהליכים כימיים שבעת התרחשותם נקלטת אנרגיה מהסביבה הקרובה. רק לאחר שהמגיבים קולטים אנרגיה, התהליך יכול להתרחש. דוגמאות רבות לכך אפשר לראות במטבח: אפיית עוגה, לדוגמה, דורשת קליטת חום. רק לאחר שהמגיבים (הקמח, השמן, הסוכר, הביצים, אבקת האפייה וכן הלאה) קולטים חום מתנור האפייה, מתרחשים תהליכים כימיים רבים ומתקבל התוצר הסופי - העוגה. תהליכים כימיים כאלה נקראים תהליכים קולטי אנרגיה (תהליכים אנדותרמיים).
גם שינויים פיזיקליים כמו מעבר בין מצבי צבירה שונים מלווים בשינויי אנרגיה. לדוגמה: רתיחת מים בקומקום החשמלי מתרחשת רק לאחר שהמים קלטו חום מגוף החימום שבקומקום.
כאשר הזיעה שלנו מתאדה מהעור, המים (המרכיב העיקרי בזיעה) הופכים מנוזל לגז. התהליך הזה דורש אנרגיה. החום הדרוש נקלט מהסביבה הקרובה - העור, וכתוצאה מכך העור מתקרר. רתיחה ואידוי הם תהליכים קולטי אנרגיה. לעומת זאת, כשאדי מים מתעבים והופכים למים, חום נפלט לסביבה הקרובה. לכן כווייה שגרמו אדים בטמפרטורה 100 מעלות צלסיוס, חמורה יותר מכווייה שגרמו מים באותה הטמפרטורה. האדים מתעבים על העור ופולטים חום נוסף, המזיק לעור.
שאלה
אילו מהתהליכים שלפניכם הם תהליכים פולטי אנרגיה ואילו קולטי אנרגיה?
א. אפיית פשטידה
ב. זיקוקים מתפוצצים בשמים
ג. פוטוסינתזה
(בספר שלוש תמונות)
1. תהליך בעירה הוא תהליך פולט אנרגיה.
2. בעת האפייה מתרחשים תהליכים כימיים קולטי אנרגיה.
3. אידוי מים מגוף הפיל הוא תהליך הקולט חום מעור הפיל ומקרר אותו.
*105*
- שינויים בחומר מלווים בשינויי אנרגיה.
- בתהליכים פולטי אנרגיה משתחררת אנרגיה אל הסביבה.
- בתהליכים קולטי אנרגיה נקלטת אנרגיה מן הסביבה.
פעילות
ניסוי
תהליכים פולטי אנרגיה ותהליכים קולטי אנרגיה
מטרת הניסוי: זיהוי תהליכים פולטי אנרגיה ותהליכים קולטי אנרגיה.
אמצעי זהירות: משקפי מגן ועבודה במנדף או במקום מאוורר היטב.
ציוד: תמיסת נחושת-כלורית, חתיכות של רדיד אלומיניום, שתי מבחנות, אטב, מד-טמפרטורה, משורה שנפחה 10 מ"ל, חומץ, סודה לשתייה, כפית קטנה, שני קיסמי עץ.
מהלך הניסוי:
א. מזגו לתוך מבחנה 5 מ"ל של התמיסה נחושת-כלורית.
ב. מדדו את הטמפרטורה של התמיסה ורשמו אותה.
ג. הוסיפו למבחנה פיסות קטנות של רדיד אלומיניום.
ד. ערבבו בזהירות את תכולת המבחנה באמצעות קיסם, ורשמו את הטמפרטורה כל חצי דקה עד להתייצבותה.
ה. שטפו את מד-הטמפרטורה לפני ביצוע הניסוי השני.
ו. למבחנה אחרת הכניסו 10 מ"ל חומץ.
ז. מדדו את הטמפרטורה של החומץ ורשמו אותה.
ח. הוסיפו למבחנה כפית קטנה של סודה לשתייה.
ט. ערבבו בזהירות את תכולת המבחנה באמצעות קיסם, ורשמו את הטמפרטורה כל חצי דקה עד להתייצבותה.
תוצאות:
א. צרו טבלה בגיליון אלקטרוני והזינו לתוכה את תוצאות הניסוי הראשון. הציגו את התוצאות בגרף רציף: הגדירו את ציר x כציר הזמן, ואת ציר y כציר הטמפרטורה.
ב. פתחו טבלה אחרת והזינו בה את תוצאות הניסוי השני. צרו גרף גם לייצוג תוצאות הניסוי הזה.
ג. הזינו בטבלה שהכנתם את התוצאות שהתקבלו מן המדידות שביצעו שאר תלמידי הכיתה.
סיכום ומסקנות:
1. האם התהליכים הכימיים שהתרחשו הם פולטי אנרגיה או קולטי אנרגיה? נמקו לפי הגרפים שהכנתם.
2. השוו בין התוצאות השונות של המדידות שביצעו תלמידים שונים. אם קיים הבדל בתוצאות המדידות השונות, שערו ממה הוא נובע.
3. אילו שינויים ושיפורים אפשר להכניס בתכנון הניסוי כדי שהתוצאות של המדידות השונות יהיו דומות ככל האפשר?
*106*
המרות אנרגיה במהלך שינויים בחומר
למדתם הרבה על המרת אנרגיה מסוג אחד לסוג אחר. גם כשמתרחשים שינויים בחומר מתרחשות המרות אנרגיה: אנרגיה כימית הופכת לסוגים אחרים של אנרגיה, כמו אנרגיית קרינה, חום או אנרגיה חשמלית, או שסוגים שונים של אנרגיה הופכים לאנרגיה כימית. (המרת אנרגיה - אנרגיה יכולה להשתנות מסוג אחד לסוג אחר. שינוי כזה נקרא המרת אנרגיה.) אנו מכירים דוגמאות רבות לכך מחיי היומיום שלנו:
(בספר שלוש תמונות)
1. בתהליך הבעירה של הגז בכיריים, אנרגיה כימית מומרת לחום ולאנרגיית אור.
2. בגופן של גחליליות מתרחש תהליך כימי, שבמהלכו אנרגיה כימית מומרת לאנרגיית אור.
3. בסוללות מתרחש תהליך כימי, שבמהלכו רוב האנרגיה הכימית מומרת לאנרגיה חשמלית, ומעט ממנה מומר לחום. בסוללות נטענות מתרחש בעת הטעינה תהליך הפוך: אנרגיה חשמלית מומרת בחזרה לאנרגיה כימית.
- שינויים בחומר מלווים בהמרות אנרגיה: אנרגיה כימית הופכת לאנרגיה חשמלית, לחום, לאנרגיית קרינה, ולהפך.
*107*
הרחבה
מהי אנרגיה כימית?
כשמתרחש שינוי בחומר (שינוי כימי, או שינויים פיזיקליים כמו שינוי מצב צבירה) מתפרקים בין האטומים בחומר קשרים מסוגים שונים, ונוצרים ביניהם קשרים חדשים.
כדי לפרק קשר יש להשקיע אנרגיה, וכשקשר נוצר משתחררת אנרגיה.
(בספר שני איורים - היעזר במורה))
1. כשקשר נוצר נפלטת אנרגיה.
2. כדי לפרק קשר יש להשקיע אנרגיה
אנרגיה כימית היא האנרגיה הקשורה לפירוק קשרים בחומר וליצירתם. מדוע חלק מן התהליכים הכימיים הם קולטי אנרגיה, ואחרים הם פולטי אנרגיה? כדי להבין זאת נתבונן, כדוגמה, בתהליך הזה:
מים פלוס פחמן דו-חמצני - חומצה-פחמתית
(בספר איור - היעזר במורה)
נבדוק אילו קשרים מתפרקים בין האטומים בתהליך ואילו קשרים נוצרים בו בין האטומים.
לשם כך, נחלק את התהליך לשני שלבים:
בשלב א הקשרים בין האטומים בחומצה-הפחמתית מתפרקים. בשלב הזה נקלטת אנרגיה הנחוצה לפירוק הקשרים. בשלב ב נוצרים קשרים חדשים בין האטומים, ליצירת התוצרים. בשלב הזה נפלטת אנרגיה.
סך כל שינוי האנרגיה בתהליך תלוי ביחס שבין האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים, לבין האנרגיה הנקלטת, הנחוצה לפירוק הקשרים. אם האנרגיה הנפלטת בתהליך גדולה מהאנרגיה הנקלטת בו - התהליך הוא פולט אנרגיה; אם האנרגיה הנקלטת בתהליך קטנה מהאנרגיה הנפלטת בו - התהליך הוא קולט אנרגיה.
(בספר איור - היעזר במורה)
שלב א:
פירוק קשרים במגיבים
שלב ב:
יצירת קשרים חדשים
*108*
אנו מערבבים קמח, סוכר, שמן, ביצים ואבקת אפייה, ואופים מהם עוגה. בזמן האפייה מתרחשים תהליכים כימיים רבים ונוצרים חומרים חדשים. האם המסה של העוגה שווה למסה של החומרים שמהם היא נוצרה?
אנטואן-לורן לבואזיה, מדען צרפתי מהמאה ה-18, המציא מאזניים שאפשרו לבצע מדידות מסה מדויקות יותר מאלה שנערכו לפני כן. במאזניים האלו ערך לבואזיה ניסויים שונים. לבואזיה שקל את המסה של המגיבים ושל התוצרים בתהליך הכימי, וגילה כי מסת המגיבים בתהליך הכימי שווה למסת התוצרים. העיקרון הזה נקרא חוק שימור המסה.
מדוע נשמרת המסה בתהליך כימי?
(בספר תמונות - היעזר במורה)
נתבונן בקוביות הלגו שבתמונות:
במבנה א קוביות לגו אחדות בצבעים שונים ובגדלים שונים. אותן קוביות בדיוק נראות גם במבנה ב (3 קוביות קטנות ו-3 קוביות גדולות), אך הן מחוברות זו לזו בצורה שונה. מכיוון שלא נוספו ולא נעלמו קוביות לגו, המסה של מבנה א זהה למסה של מבנה ב.
גם בתהליך כימי לא נוספים אטומים ולא נעלמים אטומים: האטומים קשורים זה לזה בצורה שונה. מכיוון שכמות האטומים מן הסוגים השונים נותרת ללא שינוי, המסה אינה משתנה.
- כשמתרחש תהליך כימי מתקיים חוק שימור המסה: מסת המגיבים שווה למסת התוצרים.
שאלה
63 גרם נחושת הגיבו עם 32 גרם גפרית בשלמותם, ובתהליך הכימי נוצרה התרכובת נחושת-גפרית. מה מסת התרכובת שנוצרה?
*109*
פעילות
ניסוי
מטרת הניסויים: להשוות את מסת המגיבים למסת התוצרים בתהליכים כימיים שונים.
ניסוי א - תהליך כימי בין חומץ לסודה לשתייה
אמצעי זהירות: משקפי מגן וכפפות. יש לבצע את הניסוי במקום מאוורר היטב.
ציוד: בקבוק קוני שנפחו 100 מ"ל, סודה לשתייה, חומץ, כפית, משורה שנפחה 25 מ"ל, מאזניים, בלון.
מהלך הניסוי:
א. הכניסו לתוך הבלון שתי כפיות של סודה לשתייה.
ב. מזגו לבקבוק הקוני 25 מ"ל חומץ.
ג. שקלו יחד את הבלון ואת הבקבוק הקוני עם החומרים שבתוכם.
ד. חברו היטב את הבלון לפתח הבקבוק הקוני, בלי שהסודה לשתייה תישפך לבקבוק.
ה. הרימו את הבלון, כך שהסודה לשתייה תישפך לבקבוק הקוני. נענעו את הבקבוק כמה פעמים כדי לערבב את תכולתו.
ו. בתום התהליך שקלו את הבקבוק הקוני שעליו הבלון.
תוצאות:
א. כתבו את תצפיותיכם במהלך הניסוי.
ב. כתבו על הלוח את תוצאות קבוצתכם: המסה שמדדתם בראשית הניסוי, והמסה שמדדתם בתום הניסוי.
ג. העתיקו למחברתכם את התוצאות של כל הקבוצות.
ד. צרו טבלה בגיליון אלקטרוני, והזינו לתוכה את התוצאות של כל הקבוצות: בטור אחד כתבו את המסות בראשית הניסוי, ובטור אחר את המסות בתום הניסוי.
ה. בטור השלישי חשבו באמצעות התוכנה את ההפרש בין המסה הראשונית לסופית.
ו. חשבו באמצעות התוכנה את ממוצע התוצאות בכל אחד מ-3 הטורים.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד ידעתם מתי הסתיים התהליך הכימי?
2. הסבירו את תוצאות הניסוי.
*110*
ניסוי ב - בעירת צמר פלדה
אמצעי זהירות: משקפי מגן והקפדה על כללי הזהירות בעת חימום חומרים. יש לבצע את ההדגמה במנדף או במקום מאוורר היטב.
ציוד וחומרים: זכוכית שעון גדולה, חתיכה גדולה של צמר פלדה, מלקחיים, מאזניים, גפרורים.
מהלך הניסוי:
א. מתחו את חתיכת צמר הפלדה לכל הכיוונים. מדוע לדעתכם יש למתוח את צמר הפלדה?
ב. הניחו את חתיכת צמר הפלדה על זכוכית השעון.
ג. שקלו את זכוכית השעון עם צמר הפלדה.
ד. הדליקו את צמר הפלדה באמצעות גפרור.
ה. בסיום תהליך הבעירה, חכו עד שהחומרים יתקררו ושקלו את זכוכית השעון ואת החומרים שעליה.
תוצאות: כתבו את תצפיותיכם במהלך הניסוי. סכמו את התוצאות בטבלה מתאימה.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד תסבירו את תוצאות הניסוי?
2. מהו סוג התהליך? נמקו.
3. הציעו שיטה לביצוע הניסוי כך שהמסה לא תשתנה במהלכו. הסבירו את שיטתכם.
4. האם התהליך פולט אנרגיה או קולט אנרגיה? נמקו.
*111*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
חוק שימור המסה
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו לנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בפעילות חוק שימור המסה.
א. סרטטו טבלה ורכזו בה את תוצאות 3 הניסויים המופיעים בפעילות.
ב. הסבירו מדוע תוצאות הניסוי של החומץ והסודה לשתייה בכלי הסגור שונות מהתוצאות שהתקבלו בכלי הפתוח.
ג. הסבירו מדוע תוצאות הניסוי של הברזל והחמצן בכלי הסגור שונות מהתוצאות שהתקבלו בכלי הפתוח.
ד. תלמידים שקלו יחד שני מוצקים: נחושת וגפרית. הם חיממו את החומרים בכלי פתוח, וקיבלו את התרכובת המוצקה נחושת-גפרית. התלמידים שקלו את התוצר שהתקבל.
האם מסת המגיבים תהיה שווה למסת התוצרים? נמקו.
ה. התבוננו ב-3 הניסויים המוצגים בפעילות, וכתבו אילו סימנים מצביעים על התרחשות תהליך כימי בכל אחד מהם.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
*112*
שאלות
קבוצת תלמידים עקבה אחר נר דולק במעבדה, ורשמה את תצפיותיה.
1. אחד התלמידים התבלבל כשכתב את התצפיות במחברתו:
(1) אורך הנר בראשית הניסוי 5 ס"מ.
(2) אורך הנר בסוף הניסוי 4.6 ס"מ.
(3) מדליקים את הנר באמצעות גפרור.
(4) מעט פרפין ניתך ויוצר שלולית פרפין ליד הפתיל.
(5) חמצן האוויר מגיב עם הפרפין.
(6) מעט פרפין נוזלי נוזל לאורך הנר ומתקשה.
(7) הפתיל בוער והנר נשאר ללא שינוי.
(8) הפתיל בוער והנר מתקצר.
א. התלמיד רשם בטעות שני משפטים שאינם תצפיות. מצאו את המשפטים האלה, והסבירו מדוע כל אחד מהם אינו תצפית.
ב. סדרו את התצפיות לפי סדר הגיוני.
2. חלק מן התצפיות מתארות שינויים בחומר. העתיקו את התצפיות האלה למחברתכם, וקבעו אם כל אחת מהן מתארת תהליך כימי או שינוי פיזיקלי.
3. כתבו אילו המרות אנרגיה מתרחשות בעת בעירת הנר.
4. האם בעירת הנר היא תהליך פולט אנרגיה או קולט אנרגיה? נמקו.
5. תלמידה טענה כי מכיוון שמסת הנר קטנה בעת הבעירה, המסה אינה נשמרת, ולכן חוק שימור המסה אינו מתקיים במקרה הזה. מה דעתכם?
*113*
חומרים סביבנו: תועלת ומחיר סביבתי
האם תוכלו לדמיין לעצמכם כיצד היו חייכם נראים ללא מגוון המוצרים העצום שאתם משתמשים בהם בכל יום, ללא אספקה שוטפת של חשמל או ללא כלי רכב?
המוצרים השונים שאנו משתמשים בהם בכל יום - מוצרי פלסטיק, בגדים, מכשירים אלקטרוניים, תרופות, חומרי ניקוי, מוצרי מזון ועוד - מיוצרים במפעלים שמתרחשים בהם תהליכים כימיים שונים. תהליכים כימיים כאלה עלולים לזהם מקורות מים, לזהם את האוויר ועוד. במפעלים כאלה מתרחש גם תהליך בעירה של דלק, כדי לספק את האנרגיה הדרושה לייצור. בעירה של דלק מספקת גם את האנרגיה הדרושה להפקת החשמל בתחנות הכוח, וגם להנעת כלי הרכב שאנו משתמשים בהם. בגלל בעירת הדלקים, משאבי הטבע מתכלים, חומרים מזהמים נפלטים לאוויר וכדור הארץ מתחמם.
אספקת חשמל שוטפת ומגוון המוצרים העומד לרשותנו הם חלק משגרת חיינו וקשה לנו לחיות בלעדיהם, אך מה אפשר לעשות כדי לצמצם את הנזקים לסביבה? מדינות רבות, ובהן ישראל, חתומות על אמנות בין-לאומיות המחייבות אותן לנקוט צעדים לצמצום הפגיעה בסביבה. גם מפעלים ותחנות כוח חייבים לעמוד בתקנים הדואגים להפחית את הנזק הסביבתי, וגם כל אחד מאתנו יכול לנקוט צעדים שונים לצמצום הפגיעה בסביבה.
*114*
כיצד משפיעים תהליכי בעירה של דלקים על איכות הסביבה?
רוב תחנות הכוח המספקות לנו חשמל בארץ ובעולם, מפיקות אנרגיה בתהליכי בעירה של סולר או של פחם. (סולר - דלק נוזלי, אחד מהתוצרים המתקבלים בזיקוק נפט גולמי.) במנועי כלי הרכב מתרחש תהליך בעירה של דלק, וגם הבישול בבית מתבצע בעיקר באמצעות בעירת הגז בכיריים. גם במפעלים שמייצרים בהם מוצרים שונים משתמשים באנרגיה המופקת בעיקר בתהליכי בעירה. בעירה של פחם, של סולר, של בנזין או של גז, הן תהליכים כימיים שחלק מהתוצרים שלהם גורמים זיהום אוויר.
מהם התוצרים ומהם המגיבים בתהליכי הבעירה של הדלקים?
לפניכם תהליך הבעירה של פחם:
פחמן דו-חמצני - חמצן פלוס פחמן (בצורת פחם)
חומרי דלק אחרים, כמו סולר, בנזין או גז, מכילים תרכובות שבהן אטומי פחמן ומימן קשורים זה לזה. כאשר שורפים את חומרי הדלק נפלטים בתהליך פחמן דו-חמצני ואדי מים:
מים פלוס פחמן דו-חמצני - חמצן פלוס דלק
מניסוח תהליכי הבעירה אפשר לראות כי נוצרת התרכובת פחמן דו-חמצני(CO2).
פחמן דו-חמצני הוא גז שריכוזו באוויר שאנו נושמים נמוך. תהליכי הבעירה של דלקים גורמים לעליית הריכוז של הפחמן הדו-חמצני באוויר, והעלייה הזאת משפיעה על התחממות כדור-הארץ.
חומר אחר הנפלט בתהליכי הבעירה הוא הגז הרעיל פחמן חד-חמצני (CO). הגז הזה נוצר במנועי המכוניות, למשל, כאשר לא משתתף מספיק חמצן בתהליך הבעירה של הדלק.
דלקים מכילים גם מעט גפרית, שמקורה בפחם או בנפט הגולמי. בעירה של דלקים המכילים גפרית גורמת פליטה של תרכובת הנוצרת בין גפרית וחמצן - גפרית דו-חמצנית (SO2). הגז הזה מזיק לבריאות, וכשהוא מתמוסס בגשם נוצר גשם חומצי שמזיק למבנים ולחקלאות. גפרית דו-חמצנית נפלטת בעיקר מארובות של תחנות כוח ושל מפעלים שונים.
בשרפת דלק בתחנות כוח ובמפעלים נפלטות גם תחמוצות חנקן - תרכובות הנוצרות בין חנקן וחמצן. גם התחמוצות האלה מזיקות לבריאות ואחראיות ליצירת גשם חומצי. לפעמים אפשר לראות גז הנפלט מארובות - אלה הן תחמוצות החנקן.
(בספר תמונה)
תהליכי בעירה של דלקים פולטים מזהמי אוויר.
*115*
פעילות
אוריינות מדעית
מפיקים אנרגיה ושומרים על הסביבה
לפניכם קטעי מידע אחדים שבהם מוצגים פתרונות שונים לבעיות זיהום האוויר הנוצרות כתוצאה משרפת דלקים. קראו אותם, וענו על השאלות שאחרי כל קטע. לאחר מכן ענו על שאלת הסיכום המופיעה בסוף הפעילות.
ממיר קטליטי בכלי הרכב
כשדלק נשרף במנוע המכונית, נוצר במנוע גם החומר הרעיל פחמן חד-חמצני. כדי לצמצם את פליטת החומר הרעיל ממפלט המכונית לאוויר, בכל המכוניות מותקן היום מתקן הנקרא ממיר קטליטי. בממיר הקטליטי מתרחש תהליך כימי: הפחמן החד-חמצני היוצא מן המנוע מגיב עם חמצן מהאוויר ונוצר פחמן דו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני נפלט מן המכונית. החוק הישראלי מחייב התקנה של ממיר קטליטי במכוניות, ובכל שנה המכוניות נבדקות מחדש כדי לוודא שהממיר הקטליטי שלהן עובד ביעילות.
שאלות
1. רשמו ניסוח לתהליך הכימי המתרחש בממיר הקטליטי. כתבו מהם המגיבים ומהם התוצרים בתהליך.
2. 28 גרם של פחמן חד-חמצני הגיבו בממיר הקטליטי עם חמצן, ונוצרו 44 גרם של פחמן דו-חמצני. כמה גרם של חמצן הגיב עם הפחמן החד-חמצני?
שימוש בדלקים דלי גפרית לתחבורה ולהפקת חשמל
אחד מהתוצרים הנוצרים בתהליכי הבעירה של דלקים מסוגים שונים הוא גפרית דו-חמצנית.
בדלקים שונים תכולת הגפרית שונה, ולכן יש הבדל ניכר בכמויות הגפרית הדו-חמצנית הנפלטת לאוויר כתוצאה משרפת הדלקים השונים בתחנות הכוח ובמפעלים.
כדי להפחית את פליטות הגפרית הדו-חמצנית, תחנות הכוח והמפעלים עוברים בהדרגה להשתמש בדלקים דלי גפרית. בדלקים האלה יש פחות גפרית, אך הם גם יקרים יותר. החל משנת 2009 חל בישראל חוק המחייב את כלי הרכב לעמוד בתקן "יורו 5" - תקן מחמיר לפליטת מזהמים. לכן בכל הדלקים לתחבורה המשווקים כיום בישראל כמות הגפרית נמוכה.
הגרף שלפניכם מתאר את כמות הגפרית הדו-חמצנית הנפלטת בשרפה של דלקים שונים.
(בספר גרף - היעזר במורה)
השוואת נתוני פליטת גפרית דו-חמצנית (SO2) מדלקים שונים לייצור חשמל
על פי המשרד להגנת הסביבה, מדינת ישראל 2012
(בספר תמונה)
כלי רכב בישראל משתמשים בדלק דל-גפרית.
*116*
שאלות
1. התייחסו לנתונים המוצגים בגרף שבעמוד הקודם, וענו על השאלות שלפניכם.
א. בעירה של איזה דלק גורמת לפליטה הרבה ביותר של גפרית דו-חמצנית?
ב. איזה דלק הוא הידידותי ביותר לסביבה מבחינת פליטה של גפרית דו-חמצנית?
2. הסבירו מדוע בעירה של דלק דל גפרית מפחיתה את פליטת הגפרית הדו-חמצנית.
בתשובתכם דונו בחוק שימור המסה.
התקנת סולקנים בארובות תחנת הכוח
בתחנות כוח הפועלות באמצעות בעירת פחם אפשר להתקין סולקנים, מתקנים שבאמצעותם מסלקים את הגפרית הדו-חמצנית הנפלטת בתהליך בעירת הפחם. הסולקן מורכב בארובות תחנת הכוח, ומתרחש בו תהליך סתירה בין הגפרית הדו-חמצנית, שהיא תרכובת חומצית, לבין תרכובת בסיסית. הסולקנים יקרים מאוד, ועלות השימוש בהם גבוהה.
שאלה
בזמן התרחשות תהליך הסתירה בסולקן, הטמפרטורה בסולקן עולה. האם תהליך הסתירה הוא תהליך פולט אנרגיה או תהליך קולט אנרגיה? נמקו.
סיכום:
העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וסכמו בה את המידע המוצג בקטעי המידע.
הבעיה הסביבתית, הפתרון, ההסבר, התוצאה
--, שימוש בממיר קטליטי ברכב, ההסבר, --
--, --, --, --
--, --, --, --
*117*
כיצד משפיע ייצור מוצרים על איכות הסביבה
מחזור החיים עול מוצר
קניתם בקבוק משקה קל ושתיתם אותו. האם פעולתכם השפיעה על איכות הסביבה?
לכל מוצר שאנו משתמשים בו יש "מחזור חיים". כל אחד מהשלבים במחזור החיים של המוצר משפיע על איכות הסביבה - הוא צורך משאבי טבע ואנרגיה, יוצר פסולת ופולט לסביבה חומרים מזהמים.
התרשים שלפניכם מתאר את מחזור החיים של מוצר.
(בספר תרשים)
מחזור החיים של המוצר
שימוש במוצר - מיחזור המוצר - הפקת חומרי גלם - עיבוד חומרי גלם - שינוע - ייצור המוצר - אריזת המוצר - שינוע - הפצת המוצר - שימוש במוצר - השלכה לפסולת
שימוש במוצר - מיחזור המוצר - הפקת חומרי גלם - עיבוד חומרי גלם - שינוע - ייצור המוצר - אריזת המוצר - שינוע - הפצת המוצר - שימוש במוצר - מיחזור המוצר
שאלות
1. בחרו אחד מהשלבים במחזור החיים של המוצר. איך הפעולות הנעשות בשלב הזה משפיעות על הסביבה? איזו פעולה אפשר לעשות בשלב הזה כדי להפחית את הפגיעה באיכות הסביבה?
2. התהליך שבו המוצר ממוחזר בסוף חייו לחומר גלם נקרא "מעריסה לעריסה", והתהליך שבו המוצר נזרק בסוף חייו והופך לפסולת נקרא "מעריסה לקבר". הסבירו מדוע.
3. כיצד תהליך "מעריסה לעריסה" תורם לאיכות הסביבה?
4. בחרו מוצר שאתם משתמשים בו, והכינו את תרשים מחזור החיים שלו. שימו לב: האם בתום השימוש בו המוצר בדרך כלל נזרק או עובר למיחזור? תוכלו לחפש מידע על מחזור החיים של מוצרים שונים באינטרנט.
*118*
הפחתה, מיחזור ושימוש חוזר
הפסולת שאנו זורקים לפח השכונתי נאספת במשאיות הזבל ומועברת להטמנה באדמה. שטחי הטמנת האשפה בארץ אוזלים במהירות, והטמנת הפסולת באדמה פוגעת באיכות הסביבה: איכות המים, איכות האוויר, הנוף והשטחים הפתוחים. לכן על כל אחד מאתנו להשתדל לצמצם את כמות הפסולת שאנו מעבירים להטמנה.
הצעד החשוב ביותר הוא ההפחתה - צמצום הצריכה של מוצרים אחדים, שמביא להפחתה בכמות הפסולת שנוצרת. דוגמאות להפחתה בחיי היומיום הן, למשל, קניית חומרי ניקוי ומזון באריזות גדולות מעטות במקום באריזות קטנות רבות, אריזת הקניות בסופרמרקט בסלים במקום בשקיות פלסטיק, שימוש בכלים רב-פעמיים ולא בכלים חד-פעמיים ועוד.
(הפחתה - צמצום צריכה במוצרים המפחית את כמות האשפה הנוצרת.)
במקומות יישוב רבים התושבים מתבקשים להפריד את האשפה לסוגים שונים - ניירות, קרטונים, אריזות פלסטיק, שקיות פלסטיק, אריזות זכוכית, פחיות מתכת, אשפה אורגנית (קליפות של ירקות ופירות, למשל), ואפילו בגדים שאינם נחוצים לנו יותר - ולהשליך כל סוג אשפה למכל מיוחד.
חלק מסוגי האשפה האלה מועבר למיחזור. לדוגמה:
מניירות ומקרטונים משומשים מייצרים ניירות להדפסת עיתונים, ניירות טואלט, ניירות טישו, תבניות ביצים, ארגזי קרטון ועוד. את מכלי הפלסטיק שוטפים וגורסים לפתיתים קטנים, ואז מתיכים אותם ומייצרים מהם מגשים לירקות ולפירות, בגדי פליז, רהיטי גן ושלל מוצרים אחרים. מהאשפה האורגנית מייצרים קומפוסט וביוגז - גז המשמש לייצור חשמל.
(מיחזור - תהליך תעשייתי שבו משתמשים בחפץ כחומר גלם -ליצירת מוצר חדש.
קומפוסט - דשן עשיר ואיכותי הנוצר מפירוק חומרים אורגניים.
ביוגז - גז הנוצר מפירוק חומרים אורגניים.)
סוגי אשפה אחרים מיועדים לשימוש חוזר: חלק מבקבוקי הזכוכית, למשל, נשטפים, ואז ממלאים אותם שוב במשקה ומשווקים אותם שוב לצרכן. גם את מחסניות הדיו הריקות של המדפסת שאנו מחזירים לחנויות ממלאים שוב בדיו ומוכרים שוב לצרכן.
(שימוש חוזר - שימוש נוסף במוצר קיים, לאותה המטרה או למטרה אחרת.)
(בספר איור)
הפחתה - מיחזור - שימוש חוזר
(בספר תמונה)
תבניות ביצים ומגשי פלסטיק לפירות וירקות מחומרים ממוחזרים.
*119*
שאלות
1. לפניכם 3 שינויים בחומר המוזכרים בקטע המידע. העתיקו את הרשימה למחברתכם, וכתבו ליד כל אחד מהשינויים אם הוא שינוי כימי או פיזיקלי. נמקו.
א. גריסת מכלי פלסטיק לפתיתים קטנים.
ב. התכת פתיתי הפלסטיק.
ג. ייצור קומפוסט וביוגז מאשפה אורגנית.
2. רשמו את הניסוח המתאים לכל השינויים הכימיים המפורטים בשאלה 1. ציינו מהם המגיבים ומהם התוצרים.
3. לפניכם תרשים זרימה המתאר את השלבים השונים של מיחזור פלסטיק. העתיקו את התרשים אל המחברת, והשלימו את הפרטים החסרים בו.
(בספר תרשים זרימה)
מכלי פלסטיק מהאשפה - -- - -- - -- - ייצור מוצר חדש
4. הסבירו מדוע מיחזור ושימוש חוזר מקטינים את כמות האשפה המועברת להטמנה.
5. לפניכם דוגמאות אחדות לצריכה נכונה של מוצרים. העתיקו את המשפטים למחברתכם, ורשמו ליד כל משפט אם הוא מתאר הפחתה, מיחזור או שימוש חוזר.
א. שימוש בסוללות נטענות במקום סוללות רגילות.
ב. קניית בגדים ורהיטים בחנויות יד שנייה.
ג. בניית פסל מבקבוקי פלסטיק.
ד. ייצור ריצוף רך ובטיחותי למגרשי משחקים מצמיגים משומשים.
ה. קריאת קבצים על מסך המחשב במקום להדפיסם על נייר.
(בספר תמונה)
פסל של פיל מבקבוקי מים ריקים.
*120*
טביעת הרגל הפחמנית
האם ידעתם כי בכל פעם שלוחצים על כפתור החיפוש בגוגל נפלטים לאטמוספרה של כדור הארץ 0.2 גרם של פחמן דו-חמצני? הפחמן הדו-חמצני הזה נפלט בגלל בעירת דלק בתחנת הכוח המספקת את החשמל לשרת של גוגל שמבצע את החיפוש שביקשתם. כמות הפחמן הדו-חמצני הנפלטת כשמגהצים חולצה אחת, או כשמייבשים את הידיים במייבש ידיים חשמלי, דומה לזו הנפלטת כשמבצעים 100 חיפושים בגוגל.
את כמות הפחמן הדו-חמצני הנפלטת כשמייצרים כל מוצר וכשמשתמשים בו אפשר לחשב. כמות הפחמן הדו-חמצני הזאת נקראת טביעת הרגל הפחמנית של המוצר. זהו סך כל כמות הפחמן הדו-חמצני הנפלטת במהלך הייצור, האריזה, השימוש, ההובלה והפינוי לאשפה של כמות כלשהי של המוצר. בכמה מדינות מופיע על המוצרים "תו פחמן": סימון טביעת הרגל הפחמנית של המוצר. סימון כזה מאפשר לקונים להשוות את ההשפעה הסביבתית של מוצרים שונים.
גם לכל אחד מאתנו יש טביעת רגל פחמנית. טביעת הרגל הפחמנית שלנו היא מסת הפחמן הדו-חמצני הנפלטת בגלל הפעולות שאנו עושים ובגלל המוצרים שאנו צורכים בתקופה כלשהי.
(בספר שתי תמונות)
1. ייצור פחיות אלומיניום מחומרי גלם גורם לפליטת פחמן דו-חמצני גדולה הרבה יותר מאשר ייצור של אותן הפחיות מפחיות ממוחזרות.
2. "תו פחמן" על אריזת מיץ.
שאלות
1. כתבו 3 פעולות שאתם יכולים לעשות כדי לצמצם את טביעת הרגל הפחמנית שלכם. הסבירו.
2. חלק מהמוצרים שאנו משתמשים בהם מיובאים מחו"ל באניות ובמטוסים. שערו: האם טביעת הרגל הפחמנית של המוצרים האלה גדולה מטביעת הרגל הפחמנית של מוצרים דומים המיוצרים בארץ, או קטנה ממנה? הסבירו.
3. בקרו במרכול הקרוב לביתכם ומצאו 3 מוצרים המיובאים מחו"ל. רשמו מהם המוצרים ומאילו מדינות הגיעו המוצרים האלה לארץ. בדקו ברשת מהו המרחק שהמוצרים האלה עברו מהמדינות שיוצרו בהן עד לישראל.
*121*
- ייצור חומרים ושימוש בהם עלולים לגרום לבעיות סביבתיות.
- בעירה של דלק להפקת אנרגיה צורכת משאבים מתכלים ומזהמת את הסביבה.
- שימוש בדלק דל גפרית, שימוש בסולקנים, מיחזור, הפחתה ושימוש חוזר, הם דוגמאות לפתרונות אפשריים להקטנת הנזק הסביבתי.
פעילות
עבודה בקבוצות
סקר שוק: "תו פחמן" - האם זה כדאי?
האם, לדעתכם, סימון מוצרים ב"תו פחמן" ישפיע על הרגלי הצריכה בארץ? האם צרכנים יעדיפו לקנות מוצרים בעלי טביעת רגל פחמנית קטנה יותר? האם צרכנים יהיו מוכנים לשלם יותר תמורת מוצרים בעלי טביעת רגל פחמנית קטנה יותר? האם הם יהיו מוכנים להחליף מוצרים שהם רגילים לקנות במוצרים דומים בעלי טביעת רגל פחמנית קטנה יותר?
הכינו שאלון סקר הבודק עד כמה כדאי לפרסם את "תו הפחמן" על מוצרים. הפיצו את השאלון בין חבריכם ובני משפחתכם.
סכמו את תוצאות הסקר והציגו אותן במצגת מתאימה.
*122*
סיכום
- שינוי פיזיקלי יכול לשנות את הצורה ואת המראה של החומר, אך הוא לא הופך אותו לחומר אחר.
- בעת התרחשות שינוי כימי (תהליך כימי) נוצרים חומרים חדשים.
- החומרים שהיו בתחילת התהליך הכימי נקראים מגיבים. החומרים המתקבלים בסוף התהליך הכימי נקראים תוצרים.
- לתוצרים בתהליך הכימי יש תכונות פיזיקליות האופייניות להם, השונות מהתכונות הפיזיקליות של המגיבים.
- אפשר לייצג שינויים בחומר באמצעות ניסוח מילולי או באמצעות סימולים כימיים.
- בתהליכים פולטי אנרגיה משתחררת אנרגיה אל הסביבה.
- בתהליכים קולטי אנרגיה נקלטת אנרגיה מן הסביבה.
- שינויים בחומר מלווים בהמרות אנרגיה: אנרגיה כימית הופכת לאנרגיה חשמלית, לחום, לאנרגיית קרינה, ולהפך.
- כשמתרחש תהליך כימי מתקיים חוק שימור המסה: מסת המגיבים שווה למסת התוצרים.
- ייצור חומרים ושימוש בהם עלולים לגרום לבעיות סביבתיות.
- בעירה של דלק להפקת אנרגיה מזהמת את הסביבה ומגבירה את ההתחממות העולמית.
- שימוש בדלק דל גפרית, שימוש בסולקנים, מיחזור, הפחתה ושימוש חוזר, הם דוגמאות לפתרונות אפשריים להקטנת הנזק לסביבה.
(בספר קריקטורה - היעזר במורה)
*123*
שאלות סיכום
1. לפניכם שתי תוויות המופיעות על אריזות שונות.
על התוויות מצוינות תכונות שונות של החומרים שבאריזה.
איזו מהתכונות היא תכונה כימית ואיזו היא תכונה פיזיקלית? נמקו.
(בספר שתי תוויות)
א. דליק
ב. שביר
2. איזה מהשינויים שלפניכם הוא שינוי כימי? נמקו.
א. ניסור עץ
ב. כיפוף מסמר ברזל
ג. הבשלת בננות
ד. קיפול דף נייר
3. איזה מהתהליכים שלפניכם הוא תהליך קולט אנרגיה?
א. פיצוץ חומר נפץ
ב. צליית בשר על המנגל
ג. בעירת נר
4. פסל החירות מצופה בלוחות נחושת. בחלוף השנים נוצר על הפסל ציפוי ירקרק. הציפוי הזה הוא תרכובת שנוצרה בתהליך כימי בין הנחושת לחומרים שבסביבתה. מהו התהליך הכימי שהתרחש?
א. תהליך פירוק
ב. תהליך הרכבה
ג. תהליך בעירה
ד. שינוי מצב צבירה
5. איזה מהתהליכים שלפניכם אינו דוגמה לתהליך כימי?
א. היתוך גלידה
ב. תפיחת בצק
ג. עיכול מזון
ד. בעירת גפרור
6. לפניכם ניסוח של תהליך כימי שבו נוצרת תרכובת יונית:
אבץ פלוס ברום - אבץ-ברומי
Zn פלוס Br2 - ZnBr2
א. המגיבים בתגובה הם: --
ב. התוצרים בתגובה הם: --
ג. העתיקו את המשפט שלפניכם אל המחברת, ובחרו את התשובה הנכונה (היעזרו לשם כך בטבלה המחזורית):
היונים החיוביים בתרכובת היונית אבץ-ברומי הם יוני האבץ/ יוני הברום.
*124*
7. תלמידים שקלו חתיכת עץ יבשה, והבעירו אותה עד שהפכה לפחם. התלמידים שקלו את הפחם, וגילו כי מסתו קטנה ממסת העץ. מדוע?
א. במקרה הזה חוק שימור המסה אינו מתקיים.
ב. בתהליך הבעירה נוצרו גזים והשתחררו לאוויר.
ג. בעת החימום התרחקו חלקיקי העץ זה מזה.
ד. בתהליך הבעירה העץ התחבר עם חמצן האוויר.
8. באזורים שנפגעו משיטפונות או מאסונות טבע אחרים, מחלקים לתושבים ארוחות ארוזות שאפשר לחמם בהוספת מים לאריזה. הארוחות ארוזות באריזה כפולה: האריזה החיצונית מכילה גרגירי מגנזיום, והאריזה הפנימית מכילה את המזון. כשמוסיפים מים לאריזה החיצונית, מתרחש תהליך כימי בין המגנזיום למים, ובעקבותיו המזון מתחמם.
א. האם התהליך הכימי בין המגנזיום למים הוא תהליך פולט אנרגיה או קולט אנרגיה? נמקו.
ב. מדוע, לדעתכם, האריזה מכילה גרגירי מגנזיום קטנים ולא גוש אחד גדול של מגנזיום?
9. לפניכם 4 דרכים שונות לשימוש בבקבוקי יין ריקים:
1. שטיפת הבקבוק ומילויו מחדש ביין.
2. התכת הבקבוק במפעל זכוכית וייצור כלי זכוכית חדש.
3. שבירת הבקבוק לרסיסים וערבובם עם חול ועם חצץ, לשימוש כמצע לכבישים לפני סלילתם.
4. שימוש בבקבוק כאגרטל לפרחים.
א. ציינו אילו מהשימושים הם מיחזור ואילו הם שימוש חוזר.
ב. העתיקו את המשפטים שלפניכם אל המחברת, ובחרו בתשובות הנכונות.
- התכת הבקבוק היא שינוי כימי/ שינוי פיזיקלי.
- שבירת הבקבוק היא שינוי כימי/ שינוי פיזיקלי.
ג. רשמו ניסוח להתכת הזכוכית.
10. אלעד קיבל במתנה קקטוס קטן. לאחר חודשים אחדים הקקטוס גדל וגבה מאוד. אלעד טען כי מסת הקקטוס גדלה מאוד במהלך הגדילה, ושלכן חוק שימור המסה לא נשמר. האם אלעד צודק? נמקו.
*125*
*125*
בפרק זה נלמד ש...
- אפשר להמיר אנרגיה חשמלית למגוון סוגי אנרגיה.
- בכל מעגל חשמלי יש מקור לאנרגיה חשמלית, תילים מוליכים ומכשיר חשמלי.
- מכשיר חשמלי הוא מערכת טכנולוגית.
- במעגל חשמלי סגור זורם זרם חשמלי.
- הזרם החשמלי עובר במעגל החשמלי ברכיבים המחוברים בטור וברכיבים המחוברים במקביל.
- עוצמת הזרם במעגל נקבעת באמצעות חוזק המקור, הרכיבים במעגל והתילים המוליכים.
- על ידי העברת זרם חשמלי בתיל המלופף סביב מוט ברזל נוצר מגנט מלאכותי הנקרא אלקטרומגנט.
- בעת השימוש בחשמל יש לנהוג על פי כללי בטיחות מתאימים ולהשתמש באמצעי זהירות נדרשים.
- קיימות דרכים מגוונות להפקת אנרגיה חשמלית.
- כיום מחפשים מקורות אנרגיה חלופיים להפקת אנרגיה חשמלית.
מושגים שנכיר:
אנרגיה חשמלית
זרם חשמלי: עוצמת זרם, מד-זרם (אמפרמטר)
התנגדות חשמלית
מוליכות חשמלית
חיבור בטור
חיבור במקביל
נגד
מוליך
תיל
קצר במעגל חשמלי
אלקטרומגנט
מקורות להפקת חשמל: סוללה, דינמו, גנרטור, תחנת כוח
מקורות אנרגיה (מתחדשים, מתכלים, חלופיים)
*126*
מבוא
כמעט שאי אפשר לדמיין את חיינו היום ללא שימוש באנרגיה חשמלית (חשמל). האנרגיה החשמלית מקלה על חיינו ומשפרת את איכות החיים - היא מאפשרת לנו להאיר את ביתנו, לחמם ולקרר אותו, לחמם מזון במיקרוגל, לכבס בגדים, לשמוע מוזיקה, לצפות בסרטים, לנסוע במכונית, ועוד. גם אמצעי התקשורת השונים שאנחנו משתמשים בהם מדי יום - ובהם רשת האינטרנט - זקוקים לאנרגיה חשמלית כדי לפעול.
השימוש באנרגיה חשמלית הפך להיות בהדרגה חלק בלתי נפרד מחיי היומיום של האדם החל מסוף המאה ה-19, כאשר תומאס אלווה אדיסון המציא את הנורה החשמלית הראשונה. כדי להפעיל נורות חשמליות אלה היה צורך באספקת חשמל סדירה לבתים ולרחובות, ועל כן נבנו תחנות חשמל שהפיקו חשמל והחלו למכור אותו לצרכנים.
השימוש בחשמל הלך וגבר מאוד במשך השנים, והשימוש הרב באנרגיה חשמלית החל ליצור בעיות סביבתיות. תחנות חשמל רבות, בארץ ובעולם, עדיין מפיקות אנרגיה חשמלית באמצעות שרפה של דלקים מאובנים כגון פחם, גז ונפט, הנחשבים למשאבים מתכלים שהולכים ומידלדלים. במהלך השרפה נפלטים לאוויר מזהמים מסוכנים וגזי חממה המאיצים את התחממות כדור הארץ. ואכן, נעשים היום מאמצים רבים להפיק אנרגיה חשמלית באמצעים חלופיים, העושים שימוש גם במקורות אנרגיה מתחדשים כדי להפחית את זיהום האוויר ואת התחממות כדור הארץ.
בשנות ה-60 של המאה ה-20 נשמעו בישראל פרסומות כגון "יותר חשמל, פחות עמל" שעודדו את האזרחים לקנות יותר מכשירי חשמל ולצרוך יותר חשמל. לעומת זאת, היום הציבור דווקא מתבקש לחסוך בחשמל ולהפעיל את מכשירי החשמל שברשותו בצורה יעילה ונבונה. גם מכשירי החשמל החדשים הנמכרים היום בחנויות חסכוניים יותר בחשמל מאשר בעבר, ועל כל מכשיר מצוינת היעילות האנרגטית שלו, כלומר: עד כמה המכשיר חסכוני בחשמל.
(בספר שתי כרזות:)
1. מעתה רק חשמל במטבח - יותר חשמל פחות עמל. פרסום של חברת חשמל משנות ה-60.
2. מה זה פה, אלסקה?! תזכורת: כוונו את המזגן ל-25 מעלות, לא פחות. פרסום של חברת חשמל משנת 2010.
*127*
בפרק הזה נלמד על המרות של אנרגיה חשמלית לסוגי אנרגיה אחרים בעת הפעלת מכשירים חשמליים. נבין מהו הזרם החשמלי ובמה הוא תלוי ונכיר דרכים למדידתו. נכיר סוגי חומרים שונים: מבדדים ומוליכים. נבנה מעגלים חשמליים במעבדה, ונבנה גם מעגלים חשמליים בהדמיית מחשב. נבין מהי מערכת טכנולוגית ומדוע מכשירי החשמל סביבנו הם מערכות טכנולוגיות, ונלמד על דרכים שונות להפקת אנרגיה חשמלית והשפעתן על איכות הסביבה. כמו כן נכיר את אמצעי הבטיחות שיש לנקוט כשמשתמשים באנרגיה חשמלית במעבדה ובבית.
שאלות
הגרף שלפניכם מתאר את השינוי בצריכת החשמל בשנים 2010-2001 במגזרים שונים: בתים פרטיים, מבני ציבור ומסחר (כמו בתי חולים, בתי ספר ומרכזי קניות), ומפעלים תעשייתיים.
(בספר גרף - היעזר במורה)
השינוי בצריכת החשמל- בשנים 2010-2001 במגזרים שונים
1. באיזה מגזר חלה העלייה הגדולה ביותר בצריכת החשמל בשנים 2010-2001?
2. אילו פעולות עשויות למנוע צריכה מוגברת במגזר הזה?
3. בקיץ 2012 הודיע משרד האנרגיה על הפסקות חשמל יזומות. מדוע, לדעתכם, בוצעו הפסקות אלו?
*128*
השימוש באנרגיה החשמלית
ממירים אנרגיה חשמלית לשימושנו
מבין סוגי האנרגיה שאנו משתמשים בהם, אנרגיה חשמלית היא השימושית, הזמינה והנוחה ביותר עבורנו - היא ניתנת להעברה למרחקים באמצעות חוטי חשמל, ואפשר להמיר אותה בקלות לסוגי אנרגיה אחרים באמצעות מכונות ומכשירים שונים. האנרגיה החשמלית הופכת במכשירי החשמל למגוון סוגים של אנרגיה, בהתאם לפעולת המכשירים השונים: לתאורה, חימום, הנעה, העברת מידע, אגירת מידע ועיבוד מידע.
לדוגמה: כאשר אנו מפעילים בבית מכשיר חשמלי, כמו תנור חימום, האנרגיה החשמלית מגיעה מתחנת החשמל אל השקע החשמלי בבית, וממנו היא עוברת אל התנור והופכת לחום. במקרה כזה מתרחשת המרת אנרגיה - שינוי סוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר.
אפשר לתאר את תהליך המרת האנרגיה החשמלית במכשירים שונים בעזרת תרשים אנרגיה, לדוגמה:
אנרגיה חשמלית - הומרה בתנור חימום - לחום
אנרגיה חשמלית - הומרה במנוע חשמלי של המאוורר - לאנרגיית תנועה
אנרגיה חשמלית - הומרה בנורה – לאנרגיית אור
אנרגיה חשמלית - הומרה ברדיו – לאנרגיית קול
*129*
בדוגמאות האלו יש המרה גם לסוגי אנרגיה אחרים. בכל המרת אנרגיה, מלבד ההמרה לסוגי האנרגיה הרצויים, חלק מן האנרגיה מומר גם לחום. לכן כל מכשיר חשמלי מתחמם בזמן השימוש בו. למשל, בנורה דולקת ההמרה הרצויה היא לאור, אבל בו זמנית נפלט גם חום. יש מכשירים שבהם מתכננים מראש להמיר את האנרגיה החשמלית בו זמנית לכמה סוגי אנרגיה. לדוגמה: האנרגיה החשמלית במחשב ובטלוויזיה מומרת בו זמנית גם לאנרגיית קול ברמקולים וגם לאנרגיית קרינה במסך.
(בספר תרשים)
אנרגיה חשמלית - הומרה במחשב - לאנרגיית קול, לאנרגיית קרינה
שאלות
1. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, ורשמו בה דוגמאות למכשירים הממירים אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה, לחום, לאנרגיית אור או לאנרגיית קול.
המכשיר, השימוש במכשיר, השינוי באנרגיה
תנור אפייה, חימום מזון, אנרגיה חשמלית עוברת מתחנת החשמל אל התנור ומומרת לחום. החום עובר אל המזון והמזון מתחמם.
--, --, --
--, --, --
--, --, --
2. תנו דוגמה אחת למכשיר חשמלי שמתרחשות בו כמה המרות אנרגיה בו זמנית.
תארו את המרות האנרגיה המתרחשות בו.
אנרגיה חשמלית וחוק שימור האנרגיה
בכל התהליכים שבהם אנרגיה עוברת מגוף לגוף ומומרת מסוג אחד של אנרגיה לסוג אחר של אנרגיה, כמות האנרגיה נשארת קבועה. סך כל האנרגיה בתחילת התהליך שווה לסך כל האנרגיה בסוף התהליך. הכלל הזה נקרא חוק שימור האנרגיה.
על פי חוק שימור האנרגיה:
1. אנרגיה אינה נוצרת מעצמה ואינה נעלמת.
2. כמות האנרגיה קבועה: האנרגיה אינה גדלה ואינה פוחתת במהלך השינויים שהאנרגיה עוברת.
ראינו שכאשר אנו מפעילים מכשירים חשמליים, אנרגיה חשמלית מומרת לסוגים אחרים של אנרגיה. על פי חוק שימור האנרגיה, סך כל האנרגיה נשמר.
*130*
פעילות
התנסות
המרות אנרגיה במכשירי חשמל
מטרת ההתנסות: לבדוק המרות אנרגיה בפנס.
ציוד: פנס, סוללה.
מהלך ההתנסות:
א. הכניסו את הסוללה לפנס.
ב. הפעילו את הפנס.
ג. קרבו את היד שלכם אל נורת הפנס. מה אתם מרגישים?
תוצאות: רשמו את תצפיותיכם.
סיכום ומסקנות:
1. תארו את המרות האנרגיה שהתרחשו בנורה בעת הפעלת הפנס.
2. מה יקרה לסוללה אם נשאיר את הפנס פועל במשך זמן רב?
3. כאשר מכבים את הפנס, הנורה מפסיקה להאיר. האם חוק שימור האנרגיה מתקיים גם במקרה זה?
הידעת?
את הפנס החשמלי המציא יהודי אמריקני בשם ליונל כהן בסוף המאה ה-19. כהן ביקש להאיר את הצמחים הגדלים בעציצים שבביתו, וחיפש שיטה יעילה שתעשה זאת. לשם כך הוא חיבר לראשונה שני מוצרים שכבר היו מוכרים - סוללה, ונורה חשמלית. כהן לא הצליח למכור את פנסי העציצים שייצר, ומכר את המצאתו לאיש עסקים בשם קונרד יוברט. יוברט הבין שהפנס יכול לשמש גוף תאורה נייד שיחליף את עששיות הנפט שהיו פחות נוחות לשימוש.
(בספר תמונה)
הפנס החליף את עששית הנפט
*131*
פעילות
מייצגים מידע בתרשים
סוגי נורות
אנו משתמשים בביתנו בסוגים שונים של נורות: נורות ליבון (להט), נורות פלואורסצנטיות ונורות LED. בהפעלה של כל אחד מסוגי הנורות האלה, אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיית אור ולחום.
לפניכם תרשימי עוגה ותרשימי עמודות המייצגים את היחס בין אנרגיית האור לבין החום עבור כל אחת מהנורות.
(בספר שלושה תרשימים - היעזר במורה)
תרשים 1: נורת ליבון
תרשים 2: נורה פלואורסצנטית
תרשים 3: נורת LED
התבוננו בתרשימים השונים, וענו על השאלות שלפניכם:
שאלות
1. מה מייצג העיגול השלם בתרשים העוגה?
2. איזה סוג תרשים מייצג טוב יותר את החלוקה בין אנרגיית האור לחום, תרשים העוגה השלם או תרשים העמודות המציג בנפרד כל סוג אנרגיה? הסבירו.
3. על פי הנתונים שבתרשימים, באיזו נורה כדאי להשתמש? הסבירו.
*132*
הידעת?
נורת הליבון הומצאה על ידי תומאס אלווה אדיסון בשנת 1879, והיא עדיין נמצאת בשימוש.
בתחילת שנת 2012 הוציא משרד האנרגיה והמים בישראל תקנות האוסרות יבוא ומכירה של נורות ליבון (נורות להט) שהספקן עולה על 60 ואט. נורות אלו אינן חסכוניות, שכן רוב האנרגיה החשמלית מומרת בהן לחום ולא לאנרגיית אור.
- אנרגיה חשמלית היא אחד מסוגי האנרגיה.
- האדם מנצל אנרגיה חשמלית להפעלת מכשירי חשמל בכל תחומי החיים.
- אפשר להמיר אנרגיה חשמלית לסוגי אנרגיה אחרים, כגון לאנרגיית קול, לאנרגיית תנועה, לחום ולאנרגיית אור.
- בהמרת אנרגיה מסוג אחד לסוג אחר נפלט חום.
- בתהליך ההמרה של אנרגיה חשמלית מתקיים חוק שימור האנרגיה.
מכשיר חשמלי כמערכת טכנולוגית
המכשירים החשמליים שאנחנו משתמשים בהם הם מערכות טכנולוגיות.
מערכת טכנולוגית היא מוצר (מכשיר, מכונה וכדומה) שנועד להקל עלינו לבצע פעילויות מסוימות ולשפר את חיינו. לכל מערכת טכנולוגית יש מאפיינים קבועים: היא מורכבת מאוסף של רכיבים הפועלים יחד כדי להשיג צורך או מטרה. לדוגמה, מטרתו של שעון מעורר היא לצלצל כדי להעיר אותנו בזמן הרצוי לנו. מטרתו של פנס היא להאיר כדי שנוכל להתמצא בחושך. לכל חלק או רכיב במערכת הטכנולוגית יש תפקיד. אם מוציאים את אחד החלקים מהמערכת היא אינה יכולה להשיג את מטרתה. לדוגמה: הפנס לא יוכל לפעול ללא נורה.
במערכת יש חשיבות לסדר ההרכבה של החלקים ולארגונם בתוכה. אם לא נעשה זאת נכון, המערכת לא תפעל. למשל, אם הסוללה בנגן המוזיקה תוכנס בצורה הפוכה, הנגן לא יפעל ולא ישמיע מוזיקה.
למערכת טכנולוגית דרוש קלט: קבלת אנרגיה ומידע, ובמקרים מסוימים גם חומרים.
*133*
לדוגמה: הקלט של מכשיר המיקרוגל הוא האנרגיה החשמלית, המזון, וגם המידע הנמצא במכשיר ומאפשר לנו לבחור תכניות הפעלה שונות (חימום, הפשרה וכדומה).
כדי שהעיבוד הרצוי לנו יתבצע, מתרחשים בתוך המערכת תהליכים של עיבוד הקלט בדרכים שונות. לדוגמה: העיבוד במיקרוגל הוא הפעלת המכשיר על פי תכנית ההפעלה שבחרנו.
למערכת טכנולוגית יש גם פלט, שהוא התוצר של פעולת המערכת. הפלט של מכשיר המיקרוגל הוא מזון מופשר או מחומם.
מטרת המערכת הטכנולוגית היא להשיג את הפלט הרצוי.
תרשים הזרימה שלהלן מתאר את אופן הפעולה של מערכת טכנולוגית:
קלט - עיבוד - פלט
לדוגמה, אופן הפעולה של המזגן:
קלט - אנרגיה חשמלית, מידע, אוויר
עיבוד - פעולת המזגן
פלט - אוויר קר או חם
לעתים, למערכות טכנולוגיות יש גם פלט לא רצוי, בנוסף על הפלט הרצוי. לדוגמה: בנורת הליבון הפלט הרצוי הוא אור, אך יש גם פלט לא רצוי - חום.
שאלה
א. תארו את הקלט, את העיבוד ואת הפלט של כל אחד מן המכשירים האלה:
- מכונת כביסה
- תריס חשמלי
ב. תארו את המרות האנרגיה בכל אחד מן המכשירים.
הידעת?
בר-קוד הוא סדרת קווים המייצגים ספרות, ותפקידו הוא לקודד מידע על מוצרים ועל שירותים שונים. מכשיר הבר-קוד, שהומצא בשנת 1971, "קורא" את הספרות ומעביר את המידע למחשב. במחשב קיים מידע אודות המוצר - מחיר המוצר, סוג המוצר, שם היצרן, כמות המוצר במחסן החנות ועוד. כאשר הקופאים במרכול סורקים בר-קוד של מוצר כלשהו, הקלט הזה מועבר למחשב, והפלט הנחוץ - מחיר המוצר העדכני - נשלף ממאגרי המידע של המחשב כדי שנקבל חשבון.
*134*
שאלות סיכום
1. איזה מבין הסעיפים הבאים מתאר את המאפיינים של כל מערכת טכנולוגית?
א. קלט, עיבוד, אנרגיה חשמלית.
ב. קלט, עיבוד, פלט.
ג. חומרים, עיבוד, פלט.
ד. מידע, עיבוד, פלט.
2. א. העתיקו את הטבלה למחברתכם, ורשמו בה שתי מערכות טכנולוגיות הפועלות באמצעות אנרגיה חשמלית (מלבד מכשירים שכבר הוזכרו בפרק הזה), ותארו את המטרה, את הקלט, את העיבוד ואת הפלט של כל אחת מהן.
שם המערכת הטכנולוגית, מטרה, קלט, עיבוד, פלט
קומקום חשמלי, הרתחת מים, מים קרים, אנרגיה חשמלית, מידע הטמון במכשיר ומאפשר את הפעלתו ואת הפסקת פעולתו בצורה אוטמטית לאחר הרתיחה, חימום, מים רותחים
--, --, --, --, --
--, --, --, --, --
ב. אילו המרות אנרגיה מתרחשות במערכת הטכנולוגית שתיארתם?
פעילות
תצפית
פירוק והרכבה של מערכת טכנולוגית
מטרת התצפית: הכרת המבנה של מאוורר הכיס.
ציוד: מאוורר כיס, סוללה.
מהלך התצפית:
א. פרקו את המאוורר לרכיביו. רשמו את שלבי הפירוק.
ב. סרטטו טבלה במחברת ורשמו בה את שמות הרכיבים ואת תפקידו של כל אחד מהם.
ג. רשמו מהם סוגי הקלט הדרושים להפעלת המאוורר, ומהו הפלט הנוצר.
ד. הרכיבו את הרכיבים השונים וודאו שהמאוורר עובד. תארו את שלבי ההרכבה.
סיכום ומסקנות:
1. האם מאוורר הכיס החשמלי הוא מערכת טכנולוגית? נמקו על פי תצפיותיכם.
2. מהם הקלט, העיבוד והפלט בעת פעולת המאוורר?
*135*
בקרה במערכת הטכנולוגית
המים בקומקום החשמלי רותחים, ומיד לאחר הרתיחה הקומקום כבה. בקומקום החשמלי יש מנגנון שתפקידו להפסיק את מעבר הזרם החשמלי אל הקומקום ברגע שהמים רותחים.
תהליך כזה של שליטה על הפלט או על התהליכים המתבצעים במערכת נקרא בקרה.
למערכות טכנולוגיות רבות יש מנגנון בקרה.
לדוגמה: במצנם (טוסטר), כשהצנימים מוכנים בדרגה הרצויה הם מוקפצים למעלה והמכשיר כבה. ללא הבקרה היו הצנימים נשרפים.
שאלה
לפניכם כמה תמונות של מערכות טכנולוגיות חשמליות. תארו את תפקידו של מנגנון הבקרה בכל אחת מהמערכות.
(בספר ארבע תמונות)
דוד חשמלי, מזגן, תנור אפייה, מעלית
סיכום
- מערכת טכנולוגית מורכבת מרכיבים המאורגנים ופועלים בתיאום כדי להשיג מטרה או צורך כלשהם.
- למערכת טכנולוגית יש קלט ופלט. הקלט יכול להיות אנרגיה, מידע ו/או חומרים.
- בעקבות הקלט מתרחשים במערכת תהליכים שונים, והתוצאה היא הפקת הפלט הרצוי.
- התפקיד של מנגנון הבקרה במערכות טכנולוגיות הוא לשלוט על פעולת המערכת כדי לקבל את הפלט הרצוי.
שאלות סיכום
1. סרטטו שני תרשימי אנרגיה המתארים המרות אנרגיה המתרחשות בחדר שלכם בבית. היעזרו בדוגמאות שבעמוד 128.
2. המאוורר של עומר הפסיק פתאום לעבוד. האם חוק שימור האנרגיה אינו מתקיים במקרה הזה?
3. לפניכם רשימת חפצים: צלחת, טלוויזיה, שולחן, מקרר.
א. אילו מהחפצים הם מערכות טכנולוגיות? נמקו את תשובתכם.
ב. תארו מהו הקלט, מהו העיבוד ומהו הפלט בכל אחת מהמערכות הטכנולוגיות שבחרתם בסעיף הקודם.
*136*
המעגל החשמלי
במכשירי חשמל מתרחשת המרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה הרצויה לנו. כדי שמכשיר חשמל יפעל, הוא חייב להיות חלק ממעגל חשמלי. מעגל חשמלי מורכב מאוסף של רכיבים חשמליים המחוברים ביניהם באמצעות מוליכים, באופן המאפשר זרימת זרם חשמלי. המעגל החשמלי מכיל 3 רכיבים בסיסיים: מקור אנרגיה (סוללה, מצבר או גנרטור), תילים מוליכים (חוטי חשמל), וצרכני האנרגיה (בדרך כלל מכשירי חשמל שונים). (מוליך - חומר שאפשר להעביר דרכו זרם חשמלי.)
כאשר כל הרכיבים מחוברים במעגל, נוצר מעגל חשמלי סגור והמכשיר החשמלי פועל. להפעלת מכשיר חשמלי או להפסקת פעולתו משתמשים במתג (מפסק) המצוי בו. כשלוחצים על המתג, המעגל החשמלי נסגר ומאפשר את פעולתו של המכשיר.
כאשר הרכיבים אינם מחוברים, המעגל החשמלי פתוח, והמכשיר אינו פועל.
(מעגל חשמלי סגור - חיבור של מקור חשמלי באמצעות אוסף של מוליכים המאפשר זרימת זרם חשמלי.
מעגל חשמלי פתוח - סידור רכיבים חשמליים במעגל שאיננו מאפשר מעבר של זרם חשמלי.)
(בספר שתי תמונות - היעזר במורה)
1. מעגל חשמלי פתוח
2. מעגל חשמלי סגור
- המעגל החשמלי מכיל 3 מרכיבים בסיסיים:
- מקור אנרגיה
- תיל מוליך
- צרכן
שאלות
1. התבוננו באיורים שלפניכם ושערו באיזה מהמצבים המתוארים הנורה תפעל. נמקו.
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
.2. האם ייתכן שמעגל חשמלי יהיה פתוח גם כאשר המפסק שלו סגור?
*137*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
מעבדת חשמל
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. בחרו במעבדת החשמל.
לפניכם מעבדת חשמל שבה תוכלו לבנות מעגלים חשמליים מרכיבים שונים - סוללות, נורות, תילים מוליכים, חומרים מבדדים וחומרים מוליכים, מאוורר, נגן, רובוט ומתג, וכן מד-זרם. באמצעות המעבדה תוכלו לחקור היבטים שונים הקשורים למעגל החשמלי.
1. בנו מעגל חשמלי סגור הכולל סוללה, נורה, תילים מוליכים.
2. תארו את המרות האנרגיה במעגל הסגור.
3. היעזרו ברכיבים שבמעבדה, ובנו מעגל שבו האנרגיה בסוללה מומרת לאנרגיית קול.
4. היעזרו ברכיבים שבמעבדה, ובנו מעגל שבו האנרגיה בסוללה מומרת לאנרגיית תנועה.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
*138*
ייצוג גרפי של מעגל חשמלי
כדי לייצג מעגל חשמלי מקובל להשתמש בסימנים מוסכמים.
כל חלק מהמעגל מיוצג בסימן פשוט שאפשר לציירו בקלות.
(בספר טבלת סימנים - היעזר במורה)
נורה, מתג פתוח, מתג סגור, מקור חשמל, תילים מוליכים, נגד (נגד - רכיב חשמלי במעגל שתפקידו להתנגד למעבר הזרם החשמלי בו. נגד הוא צרכן אנרגיה במעגל חשמלי.), מד-זרם.
שאלה
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
באילו מהמצבים הבאים הנורה דולקת?
*139*
פעילות
הכנת תרשים
מסרטטים מעגל חשמלי
א. סרטסו מעגל חשמלי סגור שבו שתי סוללות, נורה ומתג סגור.
ב. סרטטו מעגל חשמלי שבו סוללה אחת, 3 נורות ומתג פתוח.
ג. סרטטו מעגל חשמלי שבו סוללה אחת, נורה ומד-זרם.
ד. סרטטו מעגל חשמלי שבו 3 סוללות, נגד ונורה.
הזרם החשמלי
זרם חשמלי בחומרים מוליכים (מתכות וגרפיט)
מכשירי חשמל פועלים כאשר זרם חשמלי עובר בהם. מהו זרם חשמלי?
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של חלקיקים נושאי מטען חשמלי. במעגלים שיש בהם תילי מתכת או גרפיט, התנועה היא של אלקטרונים. תפקיד מקור החשמל הוא "לדחוף" את האלקטרונים שבחומר המוליך ולגרום להם לנוע בכיוון מסוים, כלומר: לגרום לזרם חשמלי. במקור חשמל כמו סוללה יש שני קטבים. האחד, קוטב שלילי שבו יש עודף של מטענים חשמליים שליליים; והאחר, קוטב חיובי שבו יש מחסור במטענים חשמליים שליליים. האלקטרונים נעים מההדק השלילי אל ההדק החיובי של מקור החשמל, דרך המעגל החשמלי.
קל להבין מהו זרם חשמלי כאשר משווים בין זרם מים לבין זרם חשמלי.
תנועת האלקטרונים בתילים במעגל החשמלי, מההדק השלילי אל ההדק החיובי של המקור, דומה לזרימה של מים ממקום גבוה למקום נמוך. בדומה למים זורמים היכולים להניע גלגל, גם הזרם החשמלי מסוגל לגרום לסיבוב של מנוע או לחימום של חוט להט.
(זרם חשמלי - תנועה של חלקיקים בעלי מטען חשמלי (אלקטרונים או יונים) לאורך מעגל חשמלי סגור.)
(בספר איור - היעזר במורה)
תנועת אלקטרונים נושאי מטען חשמלי במעגל חשמלי.
(בספר תמונה)
זרימת מים מניעה גלגל.
*140*
שאלה
העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת והשלימו אותה.
ריק, זרם מים, זרם חשמלי
מה עובר, --, --
אילו חלקיקים נעים, --, --
כיוון התנועה, --, --
פעילות
ניסוי
יצירת זרם ללא סוללה
מטרת הניסוי: לבדוק אם אפשר ליצור זרם חשמלי במעגל ללא סוללה.
ציוד: תיל מוליך מבודד מלופף כסליל, תילים מוליכים עם חיבורים בקצוות, מיקרו מד-זרם, מגנט.
מהלך הניסוי:
א. קחו את הסליל וחברו את שני קצותיו אל מד-זרם באמצעות שני תילים מוליכים.
ב. העבירו מגנט בצורה מהירה בתוך הסליל שוב ושוב.
ג. החליפו את מד-הזרם בנורה וחזרו על הפעולה שעשיתם בסעיף ב.
ד. עקבו אחר 3 שלבי הניסוי. בדקו אם עובר זרם במעגל בכל אחד מהשלבים.
תוצאות:
העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו אותה.
שלב בניסוי, האם זורם זרם במעגל החשמלי?
א, --
ב, --
ג, --
סיכום ומסקנות:
1. האם אפשר ליצור זרם במעגל ללא סוללה?
2. למה גורמת תנועת המגנט בסליל?
3. מה המשותף לחיבור סוללה במעגל החשמלי ולתנועת המגנט בסליל?
*141*
זרם חשמלי בתמיסות של תרכובות יוניות
בפרק הקודם למדנו כי גם תמיסות של תרכובות יוניות מוליכות חשמל. ביצענו ניסוי שבו העברנו זרם חשמלי דרך תמיסה של נחושת-כלורית. מהניסוי למדנו כי במעגל החשמלי הסגור נמשכו יוני הנחושת החיוביים למוט הגרפיט המחובר להדק השלילי של הסוללה, ואילו יוני הכלור השליליים נמשכו למוט הגרפיט המחובר להדק החיובי של הסוללה. היונים, הנושאים את המטען החשמלי, נעים בתמיסה והם המאפשרים את מעבר זרם החשמל בתוכה.
מי ברז הם תמיסה שבה תרכובות יוניות התמוססו במים, ולכן מי ברז מוליכים חשמל.
גם כל התמיסות שבגוף האדם הן למעשה תמיסות מימיות המכילות מלחים שונים המומסים בהן, ועל כן גוף האדם הוא מוליך חשמל.
שאלה
לפניכם איור של מעגל חשמלי סגור. רשמו מהם החלקיקים האחראיים להעברת הזרם החשמלי בכל אחד מהחלקים המסומנים בספרות 3-1.
1. תילים מוליכים
2. מוטות גרפיט
3. תמיסה של נחושת כלורית
(בספר איור - היעזר במורה)
- זרם חשמלי הוא זרם של מטענים חשמליים.
- הזרם החשמלי בגרפיט ובמוליכים מתכתיים הוא תוצאה של תנועת אלקטרונים.
- הזרם החשמלי בתמיסות מוליכות חשמל הוא תוצאה של תנועת יונים חיוביים ויונים שליליים.
עוצמת הזרם החשמלי
למדנו כי הזרם החשמלי הוא תנועה של חלקיקים בעלי מטען חשמלי בכיוון מסוים, והשתמשנו במד-זרם כדי לבדוק אם במעגל זורם זרם חשמלי. (מד-זרם - (אמפרמטר) מכשיר המודד את עוצמת הזרם.)
מה מודד מד-הזרם?
את עוצמת הזרם מודדים ביחידה אמפר המסומנת באות A. עוצמת זרם של 1A נמדדת כאשר בחוט המוליך עוברים 6,241,000,000,000,000,000 אלקטרונים בכל שנייה. יחידת המידה נקראת על שם המדען הצרפתי אנדרה מרי אמפר, ומד-הזרם נקרא בלועזית אמפרמטר. (עוצמת זרם - מבטאת את כמות המטען העוברת בחתך של המוליך ביחידת זמן אחת. עוצמת זרם נמדדת ביחידות של אמפר.)
יש מדי זרם בעלי רגישות שונה, המותאמים לזיהוי עוצמות שונות של הזרם החשמלי. כשעוצמת הזרם קטנה מאוד, מודדים אותה בעזרת מיקרו מד-זרם (מיקרו אמפרמטר), היכול למדוד זרמים בעוצמה נמוכה מאוד של מיקרו אמפר. (מיקרו אמפר - מיליונית (10 בחזקת מינוס 6) האמפר.)
*142*
הידעת?
אנדרה מרי אמפר (1836-1775)
פיזיקאי צרפתי שגילה את הקשר בין תופעת המגנטיות לבין הזרם החשמלי. יחידת המידה של הזרם החשמלי נקראה על שמו כאות הוקרה של עולם המדע כלפיו.
פעילות
התנסות
מדידת הזרם החשמלי בעזרת מד-זרם
מטרת ההתנסות: מדידת עוצמת הזרם במעגל חשמלי.
ציוד: שתי סוללות, בית סוללה, תילים מוליכים, נורה, בית נורה, מד-זרם.
מהלך ההתנסות:
א. הרכיבו מעגל חשמלי על פי התמונה. שימו לב: מד-הזרם הוא חלק מהמעגל החשמלי.
ב. סגרו את המעגל החשמלי.
תצפיות: רשמו את התוצאה של מדידת עוצמת הזרם.
סיכום ומסקנות: כאשר המעגל סגור, הנורה דולקת ומד-הזרם פועל.
האם אפשר להשתמש בנורה למדידת עוצמת הזרם ולוותר על מד-הזרם?
(בספר תמונה)
מד-זרם
*143*
מה משפיע על עוצמת הזרם במעגל החשמלי?
שני גורמים עיקריים משפיעים על עוצמת הזרם במעגל: חוזק המקור (סוללה או מחולל זרם), וההתנגדות למעבר הזרם החשמלי במעגל.
חוזק המקור
הזרם החשמלי נוצר באמצעות מקור חשמלי.
מקורות אנרגיה חשמליים נבדלים זה מזה בחוזק שבו הם דוחפים את המטענים החשמליים. חוזק של מקור חשמלי נקרא גם מתח חשמלי. ככל שהמתח החשמלי גדול יותר, כך המטענים החשמליים נדחפים חזק יותר.
וולט (v) היא יחידת מידה של מתח, המבטאת את חוזק הסוללה או חוזק של מקור חשמל אחר.
(בספר 2 תמונות)
1. מחולל זרם בתחנת חשמל
2. סוללות בעוצמות שונות
הידעת?
אלסנדרו וולטה
והסוללה החשמלית
אלסנדרו וולטה (1827-1745) היה פיזיקאי איטלקי שהתעניין בתורת החשמל ויצר את "עמוד וולטה", הסוללה החשמלית הראשונה. בכך הוא סלל את הדרך לניסויים בזרם חשמלי. יחידת המידה "וולט" המודדת מתח חשמלי נקראת על שמו.
התנגדות הרכיבים במעגל החשמלי
עוצמת הזרם במעגל החשמלי תלויה בעוצמת המקור. מלבד זאת, הזרם במעגל תלוי בהתנגדות הרכיבים השונים למעבר המטענים דרכם. גם למוליכים במעגל יש התנגדות והיא נקבעת לפי סוג החומר המוליך, אורכו ועוביו.
סוג החומד המוליך
מוליכות חשמלית היא אחת מהתכונות הפיזיקליות המאפיינות חומרים. ככל שהמוליכות החשמלית של החומר גדולה יותר, כך יהיה קל יותר להעביר בו זרם חשמלי. מתכות וגרפיט הם חומרים שאלקטרונים נעים בהם בקלות, ולכן הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית טובה. תמיסות של תרכובות יוניות במים הן תערובות שיונים שליליים וחיוביים יכולים לנוע בהן, ולכן הן בעלות מוליכות חשמלית.
חומרים בעלי מוליכות חשמלית טובה נקראים חומרים מוליכים. למוליכים התנגדות חשמלית קטנה.
*144*
לעומת זאת, אל-מתכות וסוגי פלסטיק שונים הם חומרים שאלקטרונים אינם יכולים לנוע בהם בקלות, ולכן הם בעלי מוליכות חשמלית נמוכה מאוד. חומרים כאלה, בעלי מוליכות חשמלית נמוכה מאוד, נקראים מבדדים, וההתנגדות החשמלית שלהם גדולה. מוליכות חשמלית והתנגדות חשמלית הפוכות זו לזו: ככל שהמוליכות החשמלית גדולה יותר, כך ההתנגדות החשמלית קטנה יותר, ולהפך.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
למתכת מוליכות חשמלית גדולה והתנגדות חשמלית קטנה.
לפלסטיק מוליכות חשמלית נמוכה והתנגדות חשמלית גבוהה.
במכשירי החשמל השונים משולבים רכיבים חשמליים שתפקידם להתנגד למעבר הזרם החשמלי במעגלים החשמליים.
החומרים הללו נקראים נגדים. החוט בנורת הלהט, וסלילי גוף החימום במגהץ הם דוגמאות לנגדים, והם למעשה תילי חשמל מוליכים העשויים מחומר מסוים, באורך מסוים ובעובי מסוים, לפי הצורך. הנגד מתנגד למעבר זרם חשמלי דרכו, וממיר אנרגיה חשמלית לחום הנפלט לסביבה כאשר עובר דרכו זרם.
(בספר תמונה)
תילים מוליכים מנחושת מלופפים בציפוי פלסטיק.
הרחבה
מוליכים למחצה
(Semiconductors)
חומרים הנמצאים בטבלה המחזורית בגבול שבין המתכות לאל-מתכות, כמו צורן (סיליקון) וגרמניום, הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית נמוכה יחסית, המשתנה בהתאם לתאורה, לטמפרטורה ועוד. הם אינם מוליכים טובים אך גם אינם מבדדים. חומרים כאלה נקראים מוליכים למחצה.
השבבים האלקטרוניים הנמצאים במכשירים אלקטרוניים שונים עשויים ממוליכים למחצה.
(בספר תמונה)
שבבים אלקטרוניים
*145*
1. העתיקו למחברתכם את המשפטים הבאים והשלימו אותם:
א. זהב הוא -- חשמל מצוין. הוא בעל התנגדות חשמלית -- מוליכות חשמלית --.
ב. גומי הוא --. הוא בעל התנגדות חשמלית -- ומוליכות חשמלית --.
2. העתיקו למחברתכם את רשימת החומרים המוצקים שלהלן. הקיפו בעיגול את החומרים בעלי המוליכות החשמלית הגבוהה, וסמנו קו מתחת לחומרים בעלי המוליכות החשמלית הנמוכה. היעזרו בטבלה המחזורית.
זרחן (p), אשלגן (K), סידן (Ca), גפרית (S), זהב (Au), קדמיום (Cd).
3. האם האוויר מוליך חשמל? נמקו.
אורך ועובי המוליך
ראינו שסוג החומר המוליך משפיע על התנגדותו לזרם במעגל חשמלי. גם אורכו ועוביו של המוליך משפיעים על התנגדותו במעגל החשמלי, ולכן גם על עוצמת הזרם העובר בו.
ננסה להבין זאת בעזרת השוואה של תיל מוליך לצינור מים. באיורים שלפניכם מתוארים צינורות מים שונים המחוברים למכל מלא במים. באיזה מהצינורות תהיה התנגדות גדולה יותר למעבר המים, בצינור הארוך או הקצר? הרחב או הצר?
(בספר איור - היעזר במורה)
צינור צר לעומת צינור רחב
צינור קצר לעומת צינור ארוך
שאלה
כיצד הדוגמה יכולה להסביר את ההשפעה של מאפייני תיל מוליך מחומר מסוים על התנגדותו ובכך גם על עוצמת הזרם במעגל בו המוליך מחובר?
מהשוואה בין צינור מים לתיל מוליך אפשר להסיק כי ההתנגדות החשמלית של תיל בעל אורך נתון קטנה יותר, ככל שעוביו (שטח החתך של רוחבו) גדול יותר. מוליכים עבים הם בעלי התנגדות נמוכה יותר, ומעבר הזרם בהם גדול יותר. במילים אחרות, מספר האלקטרונים העוברים דרך חתך של מוליך עבה ביחידת זמן מסוימת, גדול יותר ממספר האלקטרונים העוברים דרך חתך של מוליך דק.
מההשוואה הזאת אפשר גם להגיע למסקנה שההתנגדות של תיל בעל רוחב נתון גדולה יותר, ככל שאורכו גדול יותר. לכן עוצמת הזרם במעגל חשמלי הסגור בתיל קצר, גדולה יותר מעוצמת הזרם העובר באותו מעגל הסגור בתיל ארוך שעשוי מאותו חומר מוליך.
- ההתנגדות של תיל מוליך בעובי נתון גדולה יותר, ככל שהמוליך ארוך יותר.
- ההתנגדות של תיל מוליך באורך נתון גדולה יותר, ככל שעוביו (שטח החתך של רוחבו) קטן יותר.
*146*
פעילות
ניסויים
בדיקה של השפעת חוזק המקור, סוג החומר המוליך, עוביו ואורכו על עוצמת הזרם במעגל החשמלי
לפניכם 4 ניסויים. בצעו את השלבים שלהלן עבור כל אחד מהניסויים.
שאלת החקר: נסחו שאלת חקר על פי מטרת הניסוי.
השערה: רשמו מהי השערתכם ונמקו מדוע.
תכנון הניסוי:
א. תכננו ניסוי המבוסס על הציוד הנתון. רשמו את כל מהלך הניסוי, שלב אחר שלב, ומספרו את השלבים.
ב. ציינו מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי.
ג. רשמו שני גורמים קבועים בניסוי.
ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות: הכינו טבלה ופרטו בה את תצפיותיכם.
מסקנה: כתבו את המסקנה העולה מהניסוי.
ניסוי א: השפעת חוזק המקור על עוצמת הזרם במעגל חשמלי
מטרת הניסוי: בדיקת ההשפעה של חוזק המקור על עוצמת הזרם החשמלי.
ציוד: שתי סוללות, מד-זרם, תילים מוליכים, נורה.
ניסוי ב: השפעת סוג החומר המוליך על עוצמת הזרם במעגל חשמלי
מטרת הניסוי: בדיקת ההשפעה של סוג החומר שממנו עשוי המוליך על עוצמת הזרם החשמלי.
ציוד: שתי סוללות, מד-זרם, מפסק, תילים מוליכים, שני תילים בעלי אורך ועובי שווים: חוט נחושת וחוט העשוי מכרום-ניקל.
ניסוי ג: השפעת עובי המוליך על עוצמת הזרם במעגל חשמלי
מטרת הניסוי: בדיקת ההשפעה של עובי המוליך על עוצמת הזרם העובר במעגל החשמלי.
ציוד: שתי סוללות, מד-זרם, שני תילי נחושת בעלי אורך שווה ועובי שונה, תילים מוליכים.
*147*
ניסוי ד: השפעת אורך המוליך על עוצמת הזרם במעגל החשמלי
מטרת הניסוי: בדיקת ההשפעה של אורך המוליך על עוצמת הזרם במעגל החשמלי. ציוד: שתי סוללות, מד-זרם, שני תילי נחושת בעלי אורך שונה ועובי שווה, תילים מוליכים.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד משפיע חוזק המקור על עוצמת הזרם במעגל?
2. האם סוג החומר המוליך משפיע על עוצמת הזרם במעגל?
3. כיצד משפיע אורך המוליך על עוצמת הזרם במעגל?
4. כיצד משפיע עובי המוליך על עוצמת הזרם במעגל?
5. לאיזה משני החומרים, נחושת ומסג כרום-ניקל, יש מוליכות חשמלית גדולה יותר? נמקו.
6. לאיזה משני החומרים, נחושת ומסג כרום-ניקל, יש התנגדות חשמלית גדולה יותר?
7. העתיקו את המשפטים שלהלן למחברתכם והקיפו בעיגול את התשובות הנכונות:
א. ככל שהמוליך עבה יותר, עוצמת הזרם העובר במעגל החשמלי קטנה / גדולה יותר, כי ההתנגדות של המוליך קטנה / גדולה יותר.
ב. ככל שהמוליך ארוך יותר, עוצמת הזרם העובר במעגל החשמלי קטנה / גדולה יותר, כי ההתנגדות של המוליך קטנה / גדולה יותר.
*148*
שאלה
בטבלה שלפניכם מתוארים התילים המוליכים של כמה מעגלים חשמליים. כל שאר הרכיבים במעגלים זהים. באיזה מהמעגלים תימדד עוצמת הזרם הגבוהה ביותר? באיזה מהמעגלים תימדד עוצמת הזרם הנמוכה ביותר?
מספר המעגל, מספר הסוללות, סוג המוליך, אורך המוליך (במטרים), עובי המוליך (במ"מ)
1, 1, נחושת, 1, 3
2, 1, כרום-ניקל, 1, 3
3, 2, נחושת, 1, 3
4, 2, נחושת, 1, 5
5, 3, נחושת, 0.5, 5
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
מעבדת חשמל
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה.
בחרו ביחידת הלימוד מעבדת חשמל.
בדקו את הגורמים המשפיעים על עוצמת הזרם. בנו מעגל חשמלי כמתואר במסך:
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
א. סגרו את המתג ורשמו את עוצמת הזרם במעגל. שנו את המעגל בדרכים המתוארות להלן. לאחר כל שינוי רשמו כיצד השתנה הזרם.
ב. החליפו את הסוללה במצבר.
ג. החליפו את פס הכרום-ניקל הדק בפס הכרום-ניקל העבה.
ד. הוסיפו עוד פס כרום-ניקל למעגל.
ה. החליפו את פסי הכרום-ניקל בפסי נחושת.
ו. בצעו עוד שינויים במעגל, ותארו כיצד השפיע כל אחד מהשינויים שביצעתם על עוצמת הזרם.
*149*
שאלה
העתיקו למחברתכם את המשפטים שלהלן והשלימו אותם:
א. ככל שהמקור חזק יותר, עוצמת הזרם הנמדד במעגל -- יותר.
ב. ככל שהמוליך ארוך יותר, עוצמת הזרם הנמדד במעגל -- יותר.
ג. ככל שהמוליך עבה יותר, עוצמת הזרם הנמדד במעגל -- יותר.
- חוזק המקור החשמלי משפיע על עוצמת הזרם במעגל החשמלי. ככל שהמקור החשמלי חזק יותר, כך עוצמת הזרם גבוהה יותר.
- סוג החומר המוליך, אורכו ועוביו משפיעים על התנגדות הרכיבים במעגל החשמלי. התנגדות הרכיבים במעגל משפיעה על עוצמת הזרם החשמלי העובר בו. ככל שההתנגדות קטנה יותר, כך עוצמת הזרם גדולה יותר, ולהפך.
חיבור רכיבי המעגל החשמלי בטור ובמקביל
עד עתה עסקנו במעגל חשמלי שבו צרכן (מכשיר חשמלי) יחיד, אך ברוב המעגלים החשמליים יש יותר מצרכן אחד. האם סידורם במעגל משפיע על עוצמת הזרם? כיצד יש לחבר את הצרכנים השונים במעגל כך שפעולתם תהיה תקינה? נבדוק זאת בפעילות שלהלן.
אפשר לחבר צרכנים בשני אופנים:
בטור (איור א) ובמקביל (איור ב).
התבוננו באיורים. מה דומה ומה שונה במעגלים האלו?
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
חיבור בטור הוא חיבור שבו המרכיבים החשמליים יוצרים מסלול אחד למעבר זרם בין שני ההדקים של מקור החשמל.
חיבור במקביל הוא חיבור שיש בו מסלול ראשי שממנו מסתעפים כמה ענפים - מעגלים חשמליים. כל אחד מהענפים הוא מסלול נפרד למעבר זרם.
*150*
פעילות
ניסויים
בניית מעגלים בחיבור בטור ובחיבור במקביל ובדיקת עוצמת הזרם החשמלי בהם
ניסוי א: חיבור בטור
ציוד: סוללה, תילים מוליכים, מד-זרם, נורות זהות, מתג.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל חשמלי פשוט שבו נורה אחת, ומדדו את עוצמת הזרם במעגל.
ב. הוסיפו עוד נורה למעגל ומדדו את עוצמת הזרם.
תוצאות:
כיצד משתנה עוצמת הזרם במעגל לאחר הוספת נורה זהה?
סיכום ומסקנות:
1. האם הוספת נורה למעגל מגדילה את ההתנגדות החשמלית במעגל או מקטינה אותה?
2. נסחו את הקשר בין הוספת נורות במעגל בטור לבין עוצמת הזרם החשמלי.
3. האם ניתוק אחת הנורות ישפיע על פעולת הנורה השנייה?
חלק ב: חיבור במקביל
ציוד: סוללה, תילים מוליכים, מד-זרם, נורות זהות, מתג.
מהלך הניסוי
א. הרכיבו מעגל חשמלי פשוט שבו נורה אחת (נורה מספר 1).
מדדו את עוצמת הזרם במעגל.
ב. הוסיפו עוד נורה המחוברת במקביל (נורה מספר 2), כמתואר באיור.
ג. מדדו שוב את עוצמת הזרם החשמלי ליד הסוללה, וכן מדדו את הזרם ליד כל נורה.
ד. נתקו את נורה מספר 1, האם נורה מספר 2 ממשיכה להאיר?
האם עוצמת הזרם העוברת דרך נורה מספר 2 משתנה?
ה. חברו שוב את נורה מספר 1 ונתקו את נורה מספר 2. האם נורה מספר 1 ממשיכה להאיר? האם עוצמת הזרם העוברת דרך נורה מספר 1 משתנה?
תוצאות: רשמו בצורה מסודרת את תוצאות המדידות של עוצמת הזרם בכל אחד מהמצבים שבדקתם.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד משפיע מספר הנורות במעגל חשמלי בחיבור במקביל על עוצמת הזרם במסלול הראשי?
2. מה הקשר בין עוצמת הזרם הכוללת במסלול הראשי לבין עוצמות הזרם בסעיפים?
3. האם הפעלתו של מכשיר חשמלי המחובר בחיבור במקביל תלויה בפעולת המכשירים האחרים במעגל?
(בספר שלו תמונות - היעזר במורה)
*151*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
מעבדת חשמל
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. בחרו ביחידת הלימוד מעבדת חשמל.
(בספר ארבעה מסכים - היעזר במורה)
בנו את המעגלים החשמליים שבמסך 1.
1. סגרו את המתגים ומדדו את עוצמת הזרם במעגלים.
2. הוסיפו למעגל אחד עוד נורה בטור, ולמעגל האחר הוסיפו עוד נורה במקביל.
מדדו ורשמו את עוצמת הזרם בשני המעגלים.
3. בנו את המעגל החשמלי שבמסך 2 המכיל נורה ונגן בטור.
4. מדדו את עוצמת הזרם במעגל, ולאחר מכן חברו בטור גם מאוורר ורובוט. כיצד השתנתה עוצמת הזרם?
5. בנו את המעגל החשמלי שבמסך 3 המכיל נורה ונגן במקביל.
6. רשמו את הזרם העובר דרך הסוללה ואת הזרם העובר דרך הנורה. חברו במעגל במקביל רובוט ומאוורר. כיצד השתנה הזרם בנורה? כיצד השתנה הזרם בסוללה?
7. הוסיפו למעגל החשמלי שבניתם מתגים שיכולים לכבות כל אחד מהמכשירים בנפרד.
8. התבוננו במסך 4:
א. שערו מה לדעתכם יקרה כשהמעגל ייסגר: האם הנורות יאירו חזק יותר או חלש יותר? האם הזרם דרך הסוללה יתחזק או ייחלש?
ב. בנו את המעגל המתואר באיור.
ג. סגרו את המתג ותארו מה התרחש. הסבירו.
*152*
לסיכום, ראינו כי בחיבור בטור יש לכל אחת מן הנורות התנגדות חשמלית למעבר הזרם ולכן ההתנגדות הכללית במעגל גדלה. ככל שמוסיפים יותר נורות, כך ההתנגדות גדלה ומקטינה את עוצמת הזרם. כאשר מתנתקת אחת הנורות, המעגל נפתח והזרם החשמלי פוסק במעגל כולו.
לעומת זאת, בחיבור במקביל זרם החשמל הזורם במסלול הראשי מתפצל להסתעפויות של המעגלים הנפרדים. במצב כזה לזרם החשמלי יש כמה מסלולים של זרימה לאורך המעגל הכללי, ולכן עוצמת הזרם גדולה יותר. נתק בכל אחד מהמסלולים אינו מפריע לזרם לזרום במסלולים האחרים. הזרם במסלול הראשי שווה לסכום הזרמים הזורמים בסעיפים השונים.
שאלה
האם שתי הנורות במעגל דולקות? אם לא, כיצד יש לפעול כדי שהנורות ידלקו?
חיבור מכשירי חשמל בבית
כשאנו מכבים את הטלוויזיה בבית, המקרר ממשיך לעבוד. אנחנו יכולים לשלוט על כל מכשיר חשמלי בנפרד מכיוון שהמכשירים החשמליים בבית מחוברים במקביל. בניסויים שערכנו נוכחנו לדעת שכאשר כמה מכשירים מחוברים במקביל לסוללה, כשמוסיפים או מנתקים אחד מהם אין פגיעה בצריכת הזרם של המכשירים האחרים. בבית כל המכשירים החשמליים מחוברים למקור החשמל הביתי (לרשת החשמל) במקביל, ולכן הפעלתו של מכשיר אחד אינה תלויה בהפעלתם של מכשירים אחרים.
פעילות
פתרון בעיה
תכנון מעגל חשמלי רצוי לחדר מגורים
הבית שאתם גרים בו עומד בפני שיפוץ, ועליכם לתכנן את המעגל החשמלי עבור החדר שלכם. תכננו את המעגל החשמלי לפי השלבים שלהלן:
1. ערכו רשימה של 7-5 מכשירים חשמליים ומנורות שיהיו בחדר לאחר השיפוץ.
2. עברו על הרשימה וקבעו לאילו מהמכשירים והמנורות דרוש מפסק על הקיר.
3. סרטטו מעגל חשמלי מתאים לחדרכם, הכולל את כל הפריטים ברשימה שערכתם.
4. הוסיפו למעגל את כל המפסקים הדרושים. בדקו היטב שהמפסקים מפעילים רק את המכשירים הרצויים.
*153*
- חיבור בטור: חיבור שבו המכשירים מחוברים ברצף בזה אחר זה. בחיבור כזה עוצמת הזרם שווה בכל נקודה במעגל. פעולת מכשירי חשמל המחוברים בטור אפשרית רק אם כל המכשירים מחוברים, וניתוק של אחד מהם גורם להפסקת הזרם החשמלי במעגל כולו.
- חיבור במקביל: חיבור שבו כל אחד מהמכשירים החשמליים מחובר לענף נפרד של המעגל, וכך נוצרים כמה מעגלים חשמליים שפעולתם אינה תלויה זה בזה. ניתוק של אחד המכשירים במעגל לא יגרום להפסקת פעילותו של מעגל אחר.
צריכת אנרגיה חשמלית של מכשירי חשמל
מכשירים חשמליים פועלים כאשר זרם חשמלי עובר בהם. במכשירים מתרחשות המרות אנרגיה לסוג האנרגיה שהמכשיר מתוכנן לספק. לדוגמה, האנרגיה החשמלית במאוורר מומרת ברובה לאנרגיית תנועה, והאנרגיה החשמלית בתנור חשמלי מומרת ברובה לחום. כיצד משפיע השימוש במכשירים החשמליים על צריכת האנרגיה החשמלית?
כאשר מכשיר חשמלי פועל הוא צורך אנרגיה חשמלית בקצב מסוים. מידת צריכת האנרגיה של מכשיר ליחידת זמן נקראת הספק. ככל שמכשיר צורך יותר אנרגיה ליחידת זמן, כך ההספק שלו גבוה יותר. יחידות ההספק נמדדות ביחידות של ואט או של קילוואט. כמות האנרגיה החשמלית שמכשיר צורך היא ההספק שלו כפול זמן פעולתו של המכשיר.
על מה אנחנו משלמים לחברת החשמל?
עלות הפעלתם של מכשירי חשמל נובעת מצריכת האנרגיה החשמלית שלהם. חברת החשמל מודדת את סך כל צריכת האנרגיה של יחידת מגורים בזמן מסוים. המדידה נעשית ביחידות של קילוואט-שעה (קוט"ש). (קילוואט-שעה (קוט"ש) - כמות האנרגיה החשמלית הנצרכת בהספק של קילוואט אחד (1,000 ואט) למשך שעה.)
(בספר תמונה)
נורה חסכונית
בעלת הספק נמוך (10 ואט)
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות ובחרו ביחידת הלימוד צריכת החשמל של משפחת ישראלי.
בצעו את הפעילות כמה פעמים ונסו לחסוך בחשמל ככל שתוכלו. אילו שיקולים הפעלתם בעת ביצוע המטלה?
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
*154*
הידעת?
כיום לכל מכשיר חשמלי צריכה להיות תווית אנרגיה. תווית האנרגיה כוללת מידע על צריכת האנרגיה של המכשיר. המידע הזה נועד לסייע לקנייה נבונה של מכשירי חשמל באמצעות השוואת דגמים שונים של המכשירים. על התווית מצוין הדירוג של המכשיר מבחינת חיסכון באנרגיה, מהאות A, המציינת את הדרגה הטובה ביותר, ועד האות G, המציינת את הדרגה הגרועה ביותר. כדאי לרכוש מכשיר בדרגה A או בדרגה הקרובה ל-A ככל תאפשר. בתווית מצוין גם ההספק של המכשיר.
חשבון החשמל
אחת לחודשיים חברת החשמל שולחת לצרכנים חשבון חשמל.
בואו נכיר את חשבון החשמל.
קריאת חשבון החשמל
1. עיינו בחשבון החשמל של הדירה שלכם. מה אפשר ללמוד ממנו?
2. עיינו בחשבון החשמל בדיאגרמה התפלגות צריכת החשמל.
מה היא מתארת?
א. תארו במילים שלכם את השתנות צריכת האנרגיה החשמלית במהלך החודשים המוצגים בדיאגרמה.
ב. מהן היחידות המציינות את צריכת האנרגיה החשמלית בחשבון החשמל?
3. אתרו בחשבון החשמל את מחירו של קילוואט-שעה. אתרו את צריכת החשמל בחודש האחרון המופיע בחשבון, וחשבו כמה עלתה צריכת החשמל בחודש הזה.
4. הציעו פעולות להוזלת חשבון החשמל בבית ונמקו את הצעתכם. תוכלו להיעזר באתר חברת החשמל.
5. כיצד יכולות הפעולות שהצעתם להשפיע לטובה גם על הסביבה?
*155*
חשמל ובטיחות בחשמל
שימוש בטוח בחשמל
כדי להפיק את מלוא התועלת מהיתרונות ומהנוחות שמקנה לנו האנרגיה החשמלית, צריך להיזהר מאוד בעת שימוש במכשירים חשמליים. חשוב מאוד להיות מודעים לכללי בטיחות בסיסיים בחשמל.
לפניכם שני קטעים שנלקחו מעיתון יומי. קראו אותם ורשמו את הסיבות המוזכרות לשרפה.
ביולי 2011 פרצה דליקה בארכיון של בית המשפט המחוזי בתל אביב.
על פי הערכה ראשונית, האש פרצה בשל כשל טכני כלשהו בארכיון בתי המשפט שבקומת הכניסה, ככל הנראה קצר חשמלי.
בפברואר 2009 פרצה שריפה בחדר שירות בקומה השנייה באחד הבניינים בעיר מודיעין. מכבי אש הוזנקו למקום וכיבו במהירות את השריפה. סיבת השריפה היא ככל הנראה עומס יתר בשימוש בחשמל.
למדנו שבמעגל החשמלי תמיד מתלווה המרת אנרגיה חשמלית לחום. המרת האנרגיה הזאת מתבטאת בהתחממות של המוליך. בדרך כלל, החום מתפזר לסביבה, וכאשר יש תקלה במכשיר או כשמשתמשים בו בצורה לא נכונה, עלולה הטמפרטורה לעלות בצורה ניכרת ולהביא לסכנה בטיחותית. המעטה הפלסטי של התיל המוליך עלול להינתך או להישרף ולהביא להתלקחות של חומרים דליקים הנמצאים בסביבה. יש שתי סיבות עיקריות לעלייה חריגה בטמפרטורה של המוליך:
א. קצר חשמלי
ב. עומס יתר
קוצר חשמלי
מצב שבו שני חוטים מוליכים, המחברים מכשיר למקור חשמל (סוללה או רשת החשמל), נוגעים זה בזה נקרא קצר. במצב כזה הזרם עובר ישירות במוליכים ולא דרך המכשיר, ההתנגדות החשמלית יורדת בבת אחת באופן חריג, ובשל כך עוצמת הזרם עולה מאוד והחוטים המוליכים מתחממים באופן ניכר ועלולים לגרום להתחשמלות ואפילו לשרפה.
עומס יתר
עומס יתר הוא עומס על מערכת החשמל הביתית, שנוצר בשל מספר גדול של מכשירי חשמל המחוברים במקביל ומופעלים בו זמנית, במיוחד מכשירים צורכי אנרגיה כגון מכונת כביסה, מייבש כביסה ודוד חימום. כאשר מפעילים כמה מכשירי חשמל בו זמנית, בחוטים המוליכים עובר זרם גבוה הגורם לחימומם, להרס הבידוד שלהם, להתכת המוליכים ולגרימת קצר שיכול להוביל לשרפה.
*156*
פעילות
התנסות
קצר במעגל חשמלי
מטרת הפעילות: הכרת תופעת הקצר במעגל החשמלי.
ציוד: סוללה, נורה, תילים מוליכים.
מהלך ההתנסות:
א. בנו מעגל חשמלי המורכב מתילים, נורה וסוללה.
ב. חברו לשני צדי הנורה תילים שקצותיהם חשופים.
ג. שימו את שני קצות התילים זה על גבי זה. האם הנורה מאירה?
הסבירו את מה שהתרחש.
פעילות
אוריינות מדעית
זהירות! נשרים על עמודי חשמל!
עד סוף המאה ה-19 היה הנשר עוף נפוץ מאוד בארץ ישראל, אך במשך השנים הלך ופחת מספר הנשרים בשל שימוש בלתי מבוקר ברעלים ובחומרי הדברה וגם בשל התחשמלותם מעמודי חשמל. הנשרים, ועופות גדולים אחרים, עומדים על עמודי חשמל או על קווי חשמל לצורך תצפית, לינת לילה או כמקום עמידה זמני (למשל, לייבוש כנפיהם לאחר רחיצה במים). כאשר העופות נוחתים על עמוד החשמל הם נעזרים בכנפיהם כדי לייצב את עצמם. מכיוון שלעופות האלה יש מוטת כנפיים גדולה מאוד היכולה להגיע ל-2.80 מ', הם עשויים לגעת בו זמנית בשני תילים מוליכים ולגרום לסגירת מעגל חשמלי. התחשמלות מתרחשת גם כאשר העוף עומד על אחת מזרועות עמוד החשמל, וראשו נוגע בתילי החשמל שמעליו. מקרים כאלה גרמו גם להפסקות חשמל ולנזקים כספיים גדולים לחברת החשמל.
בשנת 1996 חברו יחד חברת החשמל וגופים לשמירת הטבע כדי להגן על אוכלוסיית הנשרים בארץ. באמצעות מעקב לווייני, הם חקרו את אורח חייהם של הנשרים, את מסלול תעופתם ואת צורת חיפוש המזון שלהם, והמידע שנאסף הוצלב עם נתוני הפגיעות בקווי רשת החשמל. בעקבות המחקר החלה חברת החשמל להלביש על עמודי החשמל ועל קטעי חוטים שלידם, שרוולים מחומר מבדד, וכן להשתמש בתילים מוליכים המצופים בחומר מבדד באזורים שנצפתה בהם תנועה של נשרים ושל עופות גדולים.
(בספר תמונה)
מיגון של עמודי חשמל כדי למנוע התחשמלות של נשרים.
שאלות
1. הסבירו מדוע רק עופות גדולים כמו נשרים עלולים להתחשמל.
2. אילו עופות נוספים עלולים להתחשמל? היעזרו ברשת האינטרנט ונמקו את תשובתכם.
3. בקטע המידע מוצגים פתרונות שננקטו כדי למנוע מנשרים להתחשמל. תארו אותם.
*157*
אמצעי בטיחות למניעת התחממות המוליך
בלוח החשמל הראשי, בכניסה לדירת מגורים, מותקנים אמצעי בטיחות שונים שתפקידם למנוע פגיעה בעת שימוש במכשירים חשמליים.
מפסק אוטומטי הוא מכשיר שתפקידו לנתק את אספקת הזרם החשמלי כשעוצמתו מגיעה לערך מסוכן שבו המוליכים עלולים להתחמם יותר מדי. המפסק האוטומטי מנתק את הזרם באמצעות פתיחת המעגל החשמלי. כאשר המפסק האוטומטי מנתק את זרם החשמל, יש לבדוק את הסיבה לתקלה ולתקנה.
(בספר תמונה)
מפסק אוטומטי
מפסק פחת
אמצעי בטיחות למניעת התחשמלות
התחשמלות ("מכת חשמל") היא מצב שבו זרם חשמלי עובר דרך הגוף. מעבר זרם כזה עלול לפגוע במערכות גוף האדם. רוב מקרי ההתחשמלות מתרחשים כתוצאה ממגע מקרי במכשירי חשמל שאינם תקינים או בחוטים חשופים.
בלוח החשמל הראשי מותקן מפסק פחת, מכשיר המנתק את זרם החשמל בכל הבית במקרה של התחשמלות או של מכשיר לא תקין. פעולתו של מפסק הפחת מבוססת על מדידת ההפרש שבין הזרם המגיע אל תוך המכשיר, לבין הזרם היוצא ממנו בחזרה. אם יש הפרש בין הזרמים, כלומר הזרם היוצא נמוך יותר, סימן שבמקום מסוים יש דליפת זרם (למשל, זרימת חשמל דרך גוף האדם אל הרצפה - במקרה של התחשמלות).
כדי להקטין את סכנת ההתחשמלות קיים אמצעי נוסף הנקרא הארקה. הארקה היא חיבור לאדמה, באמצעות תיל מוליך נוסף, של גוף מכשיר העשוי מתכת במעגל החשמלי. במקרה של דליפת זרם, ההארקה מנקזת את הזרם העודף לאדמה, ומונעת סכנת התחשמלות בעת מגע במכשיר.
(בספר תמונה)
תיל מוליך מחובר לאדמה)
- עומס יתר וקצר חשמלי עלולים לגרום לעלייה חריגה בטמפרטורת המוליכים ולהביא לשרפה.
- מעבר זרם חשמלי דרך גוף האדם הוא מסוכן.
- קיימים אמצעי בטיחות למניעת סכנות הכרוכות בשימוש בחשמל - מפסק אוטומטי, מפסק פחת והארקה.
שאלה
קצר חשמלי ועומס יתר גורמים להתחממות המוליך. העתיקו את ההיגדים שלהלן אל מחברתכם ורשמו ליד כל אחד מהם אם הוא מתאר קצר, עומס יתר או את שניהם.
א. חיבור ההדק החיובי להדק השלילי ללא מכשיר חשמלי ביניהם.
ב. הפעלת מכשירי חשמל רבים בו זמנית.
ג. ירידה פתאומית של ההתנגדות החשמלית.
ד. הזרם במעגל החשמלי גדל במידה ניכרת.
ה. התחממות רבה של המוליכים.
ו. התנגדות המעגל הולכת וקטנה, ועוצמת הזרם גדלה.
*158*
חשמל ומגנטיות
מהו האלקטרומגנט?
מקרבים שני מגנטים זה אל זה. אם שני הקטבים המנוגדים של המגנט פונים זה אל זה (צפון מול דרום) - המגנטים מושכים זה את זה. אם שני הקטבים הזהים פונים זה אל זה (צפון מול צפון או דרום מול דרום) - הם דוחים זה את זה.
(בספר איור - היעזר במורה)
שני מגנטים מושכים זה את זה.
שני מגנטים דוחים זה את זה.
האם אפשר ליצור מגנט באופן מלאכותי? באמצעות העברת זרם חשמלי סביב מוט ברזל, המלופף בסליל של תיל מוליך, אפשר ליצור מגנט מלאכותי. מגנט כזה נקרא אלקטרומגנט. כמו במגנט, גם באלקטרומגנט יש שני קטבים. אלקטרומגנט יכול למשוך או לדחות אלקטרומגנט אחר לפי אותה חוקיות כמו במגנט. ברגע שהזרם החשמלי בסליל נפסק, הברזל מאבד את תכונתו המגנטית. (אלקטרומגנט - מוט ברזל המלופף בסליל תילים מוליכים. כאשר זרם חשמלי עובר בסליל, הברזל הופך למגנט.)
(בספר תמונה - היעזר במורה)
אלקטרומגנט
פעילות
התנסות
בניית אלקטרומגנט
מטרת ההתנסות: בניית אלקטרומגנט.
ציוד: בורג ברזל באורך של כ-10 ס"מ, מסמרי פלדה קטנים או פירורי ברזל, סוללה, חוטי חיבור, תיל נחושת עטוף בבידוד, מתג, מד-זרם.
מהלך הניסוי:
א. לפפו על מוט הברזל את תיל הנחושת (הקפידו ללפף אותו באופן מסודר. השאירו תיל נחושת חופשי באורך של כ-20 ס"מ מכל אחד משני צדי המוט ללא ציפוי המבדד).
ב. בנו מעגל חשמלי שיכיל את תיל הנחושת המלופף מסביב למוט הברזל, סוללה ומד-זרם.
ג. סגרו את המעגל וקרבו את המסמר אל פירורי הברזל או אל מסמרי הפלדה הקטנים.
ד. פתחו את המעגל החשמלי.
תוצאות
רשמו את תצפיותיכם. סיכום ומסקנות:
1. מה קרה כאשר עבר זרם חשמלי במעגל?
2. מה קרה כשהמעגל נפתח?
*159*
שאלות
חפשו מידע ברשת על האלקטרומגנט וענו על השאלות שלהלן:
1. מה יקרה אם תקרבו שני אלקטרומגנטים זה לזה?
2. איזה יתרון יש לאלקטרומגנט לעומת מגנט טבעי?
3. מה החיסרון של האלקטרומגנט לעומת מגנט טבעי?
פעילות
ניסוי
השפעת חוזק המקור על הכוח המגנטי של האלקטרומגנט
מטרת הניסוי: לקבוע כיצד חוזק המקור משפיע על הכוח המגנטי שמפעיל האלקטרומגנט.
ציוד: אלקטרומגנט, 3 סוללות, תילים מוליכים, מהדקי נייר מברזל, מתג.
שאלת החקר: נסחו שאלת חקר מתאימה שאפשר לבדוק באמצעות ניסוי.
השערה: כתבו את השערתכם ונמקו אותה.
תכנון הניסוי: תכננו ניסוי המבוסס על הציוד הנתון. רשמו את כל מהלך הניסוי, שלב אחר שלב. מספרו את השלבים.
א. ציינו מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי.
ב. רשמו שני גורמים קבועים בניסוי.
ג. הסבירו כיצד תמדדו את הגורם המושפע.
ביצוע הניסוי: בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות:
א. הכינו טבלה ופרטו בה את תצפיותיכם.
ב. הזינו לגיליון אלקטרוני את הנתונים מהטבלה.
ג. סרטטו גרף לתיאור תוצאות הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. הסבירו, על פי תוצאות הניסוי, כיצד משפיע חוזק המקור על הכוח המגנטי של האלקטרומגנט.
2. נסחו שאלת חקר נוספת.
*160*
הידעת?
שימושים של אלקטרומגנטים
אלקטרומגנטים חזקים משמשים להרמת משאות כבדים העשויים מברזל או מפלדה (פלדה היא מסג שעשוי ברובו מברזל), מפני שהמשאות נמשכים למגנט. יש אלקטרומגנטים קטנים גם באפרכסת הטלפון ובפעמון החשמלי שבכניסה לדירה.
אלקטרומגנט קיים גם במנוף להרמת גרוטאות של מכוניות. כאשר המעגל החשמלי נסגר, האלקטרומגנט מושך את המכונית למעלה. לאחר שהמנוף מזיז את הגרוטאה ליעדה, פותחים את המעגל החשמלי והמכונית נופלת למקום הרצוי.
הידעת?
גילוי תופעת האלקטרומגנטיות
את הקשר בין החשמל למגנטיות גילה בשנת 1820 באופן מקרי פיזיקאי מדנמרק בשם הנס כריסטיאן אורסטד. כאשר התכונן אורסטד להרצאה שהעביר בנושא השפעת חימום על הזרם החשמלי, הוא גילה שזרם חשמלי העובר בחוט מוליך גורם לתנועה במחוגים של מצפן הנמצא לידו, והסיק שיש קשר בין שתי התופעות - זרם חשמלי ומגנטיות.
- העברת זרם חשמלי בסליל של תיל מתכת המלופף סביב מוט חשמל, גורמת להפיכת המתקן לאלקטרומגנט הפועל כמגנט לכל דבר. האלקטרומגנט פועל רק בזמן מעבר זרם חשמלי בסליל.
- אפשר לשנות את עוצמת הכוח המגנטי שמפעיל האלקטרומגנט.
*161*
שאלות סיכום
1. לפניכם 4 מעגלים חשמליים:
א. אילו מן המעגלים פתוחים ואילו סגורים?
ב. מה צריך לשנות בכל אחד מהמעגלים הפתוחים כדי לסגור אותם? הסבירו.
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
2. מהו תפקיד מקור האנרגיה במעגל החשמלי?
א. לספק אלקטרונים למעגל החשמלי כדי שייווצר זרם חשמלי.
ב. ליצור חום.
ג. לדחוף את האלקטרונים לאורך המוליכים במעגל החשמלי.
ד. להניע את האטומים במעגל החשמלי.
3. במה תלויה עוצמת הזרם (תיתכן יותר מתשובה אחת נכונה)?
א. בכמות המטענים העוברים דרך החתך הרוחבי של המוליך ביחידת זמן אחת.
ב. בחוזק מקור האנרגיה.
ג. בכמות המטענים במוליכים בזמן הפעלת המכשיר.
ד. בכמות המטענים בסוללה.
4. מדוע מודדים את עוצמת הזרם באמצעות מד-זרם ולא על פי עוצמת האור של נורה חשמלית?
א. כי נורה נשרפת מהר.
ב. כי מדידה במד-זרם מדויקת יותר.
ג. כי נורה אינה מחזיקה מעמד כאשר עוצמת הזרם גדולה.
ד. כי נורה מתחממת.
5. נועם ודן מדדו את עוצמת הזרם במעגלים חשמליים שבהם סוללה, תילים מוליכים ונורה. הסוללה והנורה היו זהות בשני המעגלים. עוצמת הזרם שמדדה נועם הייתה 5 אמפר, ועוצמת הזרם שמדד דן הייתה 3 אמפר. מה הסיבה לתוצאות השונות שהתקבלו? פרטו.
6. פס של מוליך המחובר במעגל חשמלי הוחלף בפס אחר העשוי מאותו החומר. הזרם החשמלי העובר במעגל גדל כאשר (ציינו את התשובות הנכונות):
א. הפס החדש קצר יותר אך באותו עובי.
ב. הפס החדש ארוך יותר אך באותו עובי.
ג. הפס החדש קצר יותר ועבה יותר.
ד. הפס החדש ארוך יותר ודק יותר.
*162*
7. במעגל חשמלי מבצעים מדידות עם מוליכים העשויים מחומרים שונים. למוליכים אורך וקוטר זהים, וחוזק המקור החשמלי נשאר קבוע.
בטבלה שלהלן מתוארים המוליכים השונים שנבדקו ועוצמות הזרם שעברו דרכם.
שם המוליך, עוצמת הזרם (באמפר)
כרום-ניקל, 2
ברזל, 10
נחושת, 22
אלומיניום, 14
כסף, 28
א. לאיזה חומר המוליכות החשמלית הטובה ביותר? נמקו.
ב. איזה חומר הוא בעל ההתנגדות החשמלית הגדולה ביותר?
ג. דרגו את המוליכים מהמוליך בעל ההתנגדות הגבוהה ביותר, ועד למוליך בעל ההתנגדות הנמוכה ביותר.
8. התבוננו במעגל החשמלי שלפניכם:
(בספר איור - היעזר במורה)
א. האם זהו חיבור במקביל או בטור? נמקו.
ב. מנתקים את התיל המוליך האמצעי.
האם הזרם החשמלי בשני התילים המוליכים האחרים ייפסק? הסבירו.
9. במחסן גרוטאות ברזל צריך להעביר גרוטאות ברזל ממקום למקום. מדוע כדאי להשתמש לשם כך במנוף עם אלקטרומגנט ולא במנוף עם מגנט רגיל?
10. אורי ונועה הכינו למסיבה שרשרת של נורות לקישוט. בזמן הכנת השרשרת הם הבחינו שככל שמוסיפים נורות לשרשרת, האור בנורות נחלש. הסבירו מדוע.
*163*
הפקת אנרגיה חשמלית – היום ובעתיד
אנרגיה חשמלית היא האנרגיה הנוחה והנפוצה ביותר. אפשר בקלות להפוך אנרגיה חשמלית לחום, לאנרגיית אור, לאנרגיית קול או לאנרגיית תנועה. אפשר גם, באמצעות זוג מוליכים, להעביר כמויות גדולות של אנרגיה חשמלית למרחקים גדולים. נוסף על כך, מפסק פשוט יכול לאפשר מעבר כמויות גדולות של אנרגיה. בגלל כל הסיבות הללו צריכת האנרגיה החשמלית עולה בהתמדה משנה לשנה.
שאלה
הגרף שלהלן מציג את השינוי בצריכת האנרגיה שהתרחש בעולם בשנים 2008-1990 ואת צריכת האנרגיה המשוערת עד לשנת 2035. בגרף מוצגת צריכת האנרגיה למדינות מפותחות, החברות בארגון ה-OCED, ולמדינות שאינן חברות בארגון הזה. (OECD - ארגון בינלאומי לשיתוף פעולה ולפיתוח כלכלי שבו חברות 34 מדינות מפותחות, ובהן ישראל.)
(בספר גרף - היעזר במורה)
א. מה אפשר ללמוד מהגרף על השינוי בצריכת האנרגיה בכל העולם? השוו את צריכת האנרגיה בשנת 1990 לצריכה בשנת 2035 (צריכה משוערת).
ב. מה אפשר ללמוד מהגרף על ההבדל בצריכת האנרגיה בין מדינות החברות ב-OECD לבין מדינות שאינן חברות בארגון הזה?
ג. שערו ממה נובע ההבדל הזה.
ד. אילו בעיות עשויות להתעורר כתוצאה מהעלייה בצריכת האנרגיה החשמלית בעולם?
ג'אול - (ג'ול) יחידת מידה לאנרגיה
*164*
באילו אמצעים מפיקים אנרגיה חשמלית?
כשם שאפשר להמיר אנרגיה חשמלית לכל סוגי האנרגיה, אפשר גם להפיק אנרגיה חשמלית מסוגי אנרגיה שונים.
לפניכם כמה מתקנים המשמשים להפקת אנרגיה חשמלית:
1. סוללה - האנרגיה החשמלית המופקת בסוללה נובעת מהאנרגיה הכימית שבחומרים המרכיבים אותה. התהליכים הכימיים המתרחשים בסוללה גורמים להצטברות של אלקטרונים על הדק אחד שהופך לשלילי, ולחוסר אלקטרונים על ההדק האחר שהופך לחיובי. עם חיבור צרכן (נורה, זמזם וכו') באמצעות שני תילים אל שני הדקי הסוללה, נוצר זרם חשמלי במעגל והצרכן צורך אנרגיה שמקורה באנרגיה הכימית. כשמסתיים התהליך הכימי בסוללה, היא כבר אינה מקור לאנרגיית חשמל.
קיימים שני סוגים של סוללות: סוללות המיועדות לשימוש חד-פעמי, וסוללות נטענות המיועדות לשימוש רב--פעמי.
2. המצבר - המצבר הוא סוללה נטענת, וכפי שמרמז שמו הוא אמצעי יעיל לאגירת אנרגיה חשמלית. המצבר משמש מקור זרם חשמלי לכל צורכי המכונית: הצתת הדלק במנוע, תאורה, השמעת מוסיקה ועוד. המצבר נטען מתנועת המנוע במכונית.
המאוורר באיור שלפניכם מונע באמצעות סוללה.
אילו המרות אנרגיה מתרחשות במהלך הפעלת המאוורר?
3. מחולל זרם (גנרטור) - מחולל זרם הוא האמצעי הנפוץ ביותר להפקת חשמל. עקרון פעולתו של מחולל הזרם מתבסס על תופעת האלקטרומגנטיות. שני חלקיו העיקריים של המחולל הם מגנט, וסליל העשוי מחומר מוליך. המגנט נמצא בתוך הסליל. אחד משני החלקים (הסליל או המגנט) קבוע במקומו, והחלק האחר מסתובב. תנועה סיבובית של אחד משני החלקים גורמת להמרה של אנרגיית התנועה לאנרגיה חשמלית.
הדינמו, שבעבר היה נהוג להתקין באופניים, הוא גנרטור קטן בעל סליל ומגנט שמוצמד אל הגלגל. סיבוב גלגל האופניים גורם לסיבוב המגנט ולזרימת החשמל, וכתוצאה מכך נדלקת הנורה בפנס האופניים. ככל שמהירות הנסיעה גבוהה יותר, כלומר מהירות סיבוב הגלגלים גדולה יותר, כך גדל הזרם החשמלי וגדלה עוצמת האור של נורת הפנס.
(בספר שתי תמונות)
1. הדינמו מחובר לגלגל האופניים כדי להפעיל את הפנס.
2. פנס יד המופעל באמצעות דינמו.
*165*
פעילות
אוריינות מדעית
מדוושים וחוסכים
בעליו של אחד ממכוני הכושר בארצות הברית החליט לחסוך בהוצאות החשמל של תאורת המכון. הוא חיבר מחולל זרם (דינמו) לאופני הכושר במכון, ורק כשהמתאמנים מתחילים לדווש הם מפעילים את הנורות בחדר הכושר.
גם בעל מסעדה בניו-יורק החליט לחסוך בהוצאות החשמל, והחל להציע ללקוחותיו שייקים בשני מחירים. לקוחות שידוושו באופניים שמחוברים אליהם מחולל זרם ובלנדר, ישלמו מחיר זול יותר מלקוחות שמלצר יגיש להם את השייק. האנרגיה החשמלית שנוצרת בדינמו מפעילה את הבלנדר וחוסכת בהוצאות החשמל של המסעדה.
לאחרונה הפיץ יצרן של מכשיר סלולרי מתקן חדש, המאפשר לטעון את המכשיר באמצעות מחולל זרם המותקן על אופניים. דיווש של 10 דקות באופניים במהירות נמוכה, מטעין את הסוללה של המכשיר הסלולרי ומאפשר לשוחח במכשיר במשך כחצי שעה. החברה תשווק את המתקן בעיקר במדינות שאספקת החשמל בהן אינה סדירה.
שאלות
1. צרו תרשימי אנרגיה (כמוצג בעמוד 128) המתארים את המרות האנרגיה בכל אחד מהמקרים האלה:
א. בחדר הכושר
ב. במסעדה
ג. בטעינת המכשיר הסלולרי
2. במסעדה הבלנדר מופעל רק בזמן הדיווש, ואילו במכשיר הסלולרי אפשר לדבר גם אחרי הדיווש. הסבירו מדוע.
4. תא שמש (תא פוטו-וולטאי) - מתקן שבו אנרגיית השמש (אנרגיה סולרית) הופכת לאנרגיה חשמלית. כאשר קרינת השמש פוגעת בחומרים המרכיבים את תא השמש נוצר בהם זרם חשמלי. התהליך מתבצע באמצעות שכבות של חומרים מוליכים למחצה (כמו הסיליקון), שדרכם עוברים המטענים רק בכיוון אחד, וכך יוצרים זרם חשמלי.
תאי שמש משמשים להפקת אנרגיה חשמלית הנחוצה לפעולתם של עמודי תאורה, של מחשבי כיס, ועוד. אנרגיית השמש מצויה בשפע בישראל, ולכן חוקקה הממשלה חוק המאפשר לבעלי בתים להתקין על גג ביתם תאי שמש ולייצר באמצעותם חשמל.
(בספר שלוש תמונות)
תאי שמש הם מקור לאנרגייה חשמלית לתאורה, לחימום וגם לביצוע פעולות חישוב במחשבון.
*166*
תחנות חשמל (תחנות כוח)
רוב החשמל שאנחנו צורכים מיוצר בתחנות חשמל. יש תחנות חשמל מסוגים שונים, שמשתמשות במקורות אנרגיה שונים, אך לכולן שני מרכיבים משותפים: בכולן יש טורבינה שמסתובבת ומסובבת מגנט (או אלקטרומגנט) הנמצא על ציר בתוך סליל. הסליל נמצא בתוך מחולל זרם (גנרטור), ותנועתו של המגנט בתוך הסליל גורמת להפקת החשמל. את הטורבינה מסובבים באמצעות קיטור (אדי מים בלחץ גבוה), רוח, זרימה של מים ועוד (ראו איור בעמוד 170).
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
הפקת חשמל בתחנת החשמל (תחנת כוח)
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות ובחרו בפעילות הפקת חשמל בתחנת הכוח. עברו עם העכבר על חלקי תחנת הכוח ועקבו אחר שלבי הפקת החשמל.
שלבי הפקת החשמל בתחנת חשמל קיטורית המשתמשת בפחם כמקור אנרגיה:
1. הפחם מגיע דרך הים לתחנת החשמל הקיטורית.
2. לפני השרפה טוחנים את הפחם לאבקה.
3. האוויר מניע את הפחם אל דוד השרפה ושם הוא נשרף. החום הנוצר במהלך השרפה גורם לחימום המים שבצינור הדוד, וכך נוצר קיטור. הקיטור עובר בצינורות אל הטורבינה.
4. גזים הנוצרים בדוד השרפה נפלטים אל הסביבה מן הארובה.
5. הקיטור שנוצר בדוד השרפה גורם לכפות הטורבינה להסתובב עם הציר.
6. הטורבינה והגנרטור נמצאים על ציר משותף, ולכן כפות הטורבינה מסובבות את המגנט (או האלקטרומגנט) הנמצא על ציר בתוך הגנרטור, ותנועתו יוצרת חשמל.
7. הקיטור, באמצעות המעבה, הופך בחזרה למים.
8. בחדר הבקרה מפקחים על כל התהליכים בזמן הפקת החשמל. את כמות החשמל מפיקים לפי הביקוש והצריכה.
9. כבלי החשמל מובילים את החשמל אל כל הצרכנים בחלקי הארץ. הכבלים מורכבים על עמודי חשמל גדולים ומתחברים לרשת החשמל הארצית.
(בספר תמונה)
תחנת חשמל המשתמשת בפחם כמקור אנרגיה.
*167*
שאלה
בתהליך הפקת החשמל בתחנת חשמל פחמית מתרחשים התהליכים שלהלן:
פחם נשרף וחום נפלט: החום נקלט במים שהופכים לקיטור: הקיטור מניע טורבינה המניעה את מגנט המחולל שמפיק את הזרם החשמלי.
כתבו את שרשרת המרות האנרגיה בתהליך הרב-שלבי של הפקת הזרם החשמלי בתחנת חשמל.
מקורות להפקת אנרגיה חשמלית בתחנות החשמל
מרבית החשמל שאנו צורכים מגיע אלינו מתחנות החשמל. לתהליך הפקת האנרגיה החשמלית בתחנות החשמל יש השפעה רבה על איכות הסביבה, ולכן יש חשיבות גדולה לשימוש במקורות אנרגיה ובתהליכי ייצור ידידותיים יותר לסביבה.
אילו מקורות אנרגיה משמשים להפקת אנרגיה חשמלית בתחנות החשמל? אפשר להבחין בשני סוגים עיקריים של מקורות אנרגיה:
- מקורות אנרגיה מתכלים - חומרים שהאדם מפיק מן הטבע, כגון דלקים מאובנים (בהם פחם, נפט וגז טבעי). (דלקים מאובנים - חומרי דלק שנוצרו מחומר אורגני (צמחים ובעלי חיים) במשך מיליוני שנים.)
הכמות של החומרים האלה בטבע מוגבלת, הם אינם מתחדשים, ולכן הם הולכים ומידלדלים עם הזמן. בתהליך השרפה של הדלקים האלה נוצרים גזי חממה וגזים מזהמים הנפלטים לאוויר, ולכן השימוש בהם פוגע באיכות הסביבה. גם דלק גרעיני כמו אורניום, שמשתמשים בו בתחנות כוח גרעיניות, נחשב למקור אנרגיה מתכלה.
- מקורות אנרגיה מתחדשים - מקורות אנרגיה שאינם מתכלים. המקורות האלה מבוססים על תהליכים טבעיים שמתמשכים ומתחדשים כל העת. מקורות האנרגיה המתחדשים העיקריים הם שמש, רוח, ומים בתנועה (כגון מים הנופלים במפלי מים). סוגים אחרים הם אנרגיה גיאותרמית, שמקורה בחום המצוי בעומק כדור הארץ, גאות ושפל, וביומסה, שמקורה בחומרים אורגניים כגון צמחים ופסולת. בעולם גוברת הדאגה מן ההשלכות השליליות של שימוש בדלקים מאובנים להפקת חשמל, והממשלות מעודדות פיתוח ושימוש במקורות אנרגיה מתחדשים. לכן השימוש במקורות האנרגיה האלה גדל במהירות.
שאלה
מדוע מקורות אנרגיה מתחדשים נחשבים ידידותיים יותר לסביבה?
*168*
פעילות
עבודת חקר מסכמת
אנרגיה בישראל - העתיד
מניעת המשך התחממות כדור הארץ, מניעת זיהום הסביבה, ושמירה על משאבי הטבע בעולם, הם כמה מהאתגרים הגדולים העומדים בפני מדינות העולם. כדי לשמור על איכות החיים שלנו, בהווה ובעתיד, אנו חייבים לפתח מקורות אנרגיה חלופיים למקורות ההולכים ומתכלים המשמשים אותנו כיום, ולהפחית את פליטת גזי החממה והמזהמים השונים באמצעות טכנולוגיה, ידע ופתרונות מעשיים. כדי להתמודד עם האתגרים הללו, אנשי מקצוע מחפשים אחר מקורות אנרגיה חלופיים לדלקים המאובנים, ומגבירים את הפיתוח של מקורות אנרגיה מתחדשים ושל "אנרגיה ירוקה" ואת השימוש במקורות האנרגיה הללו.
אנרגיה ירוקה היא שם כולל לכל מקורות האנרגיה הידידותיים לסביבה. דוגמאות למקורות אנרגיה ידידותית הן: שמש, רוח, מקור ביולוגי, מקור גיאותרמי, ומקור הידרואלקטרי (מים בתנועה).
מטרת הפעילות: הכרת מקורות אנרגיה חלופיים להפקת אנרגיה חשמלית, ובדיקת הפוטנציאל להשתמש בהם בהפקת אנרגיה חשמלית בתחנות חשמל בישראל.
מהלך הפעילות:
1. התארגנו בכיתה בכמה קבוצות עבודה - כל קבוצה תתמחה במקור אנרגיה חלופי אחר:
א. שמש
ב. רוח
ג. מקור הידרואלקטרי - סכירת נהרות
ד. מקור הידרואלקטרי - גלים, גאות ושפל
ה. מקורגיאותרמי
ו. ביומסה
ז. דלק גרעיני
2. אספו מידע על מקור האנרגיה שבחרתם להתמקד בו. תוכלו להיעזר בקטעי המידע המופיעים בהמשך הפרק ובמקורות מידע נוספים. התייחסו לנקודות שלפניכם:
א. כיצד משתמשים במקור האנרגיה הזה להפקת חשמל בתחנת החשמל?
ב. היכן יש למקם תחנת חשמל הפועלת על מקור אנרגיה כזה?
ג. זמינות: האם מקור האנרגיה הזה קיים בארץ ובאיזו כמות? האם אפשר להפיק ממנו אנרגיה במשך כל השנה ובמשך כל היום?
ד. היבטים כלכליים: מה מחיר האנרגיה המופקת ממנו לעומת מחיר האנרגיה המופקת מנפט או מפחם (דומה/ זול יותר/ יקר יותר)?
ה. היבטים טכנולוגיים: האם קיימת טכנולוגיה מפותחת להפקת אנרגיה מהמקור הזה? האם אפשר להפיק ממנו כמויות גדולות של אנרגיה באופן מסחרי?
ו. היבטים סביבתיים: כיצד השימוש במקור האנרגיה הזה משפיע על הסביבה?
*169*
3. גבשו המלצות בנוגע לשימוש במקור האנרגיה הזה בישראל. נמקו את המלצותיכם על סמך המידע שאספתם. ציינו את מקורות המידע שהשתמשתם בהם.
4. הציגו את המידע ואת ההמלצות שלכם לפני הכיתה. תוכלו לעשות זאת באמצעות מצגת, דגם, סרטון או בדרכים אחרות. התייחסו גם לנקודות שלהלן:
א. עד כמה להערכתכם יכול מקור האנרגיה הזה לספק מענה לצורכי האנרגיה המתגברים בישראל?
ב. מהם היתרונות של מקור האנרגיה הזה ומהם חסרונותיו?
ג. האם הדרך שבה בחרתם להפיק אנרגיה יכולה להיות יעילה גם למקום אחר ברחבי כדור הארץ?
קטעי מידע
אנרגיה מן הרוח
רוח היא משאב נפוץ וזמין של אנרגיה מתחדשת. משתמשים בה להפקת אנרגיה חשמלית באזורים שבהם משטר הרוחות קבוע וידוע. באזורים כאלה מקימים טורבינות רוח גבוהות שבראשן להבים. תנועת הרוח מסובבת את הלהבים, ואנרגיית התנועה של הלהבים מניעה טורבינה לייצור חשמל. מהירות הרוח, כיוונה ואופי הזרימה שלה, הם הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על הפקת האנרגיה בשיטה הזאת.
(בספר איור - היעזר במורה)
*170*
אנרגיה מן השמש
יש שתי שיטות המאפשרות להפוך את קרינת השמש לאנרגיה חשמלית:
1. השיטה התרמו-סולרית מרכזת את חום השמש ומנצלת את החום לייצור קיטור המסובב טורבינה. מראות קעורות קולטות את אור השמש ומחזירות אותו בזווית שמרכזת את הקרינה במקום אחד לצורך חימום. יש תחנות תרמו-סולריות שבהן האור מרוכז לראש מגדל, ומשם החום מועבר ליצירת קיטור. בתחנות אחרות האור המוחזר מחמם צינורות שבהם יש נוזל השומר על החום, כגון שמן. הנוזל החם מוזרם אל מכל גדול ומחמם את המים שבו לקיטור. באמצעות הקיטור מניעים את הטורבינה.
(בספר איור - היעזר במורה)
2. השיטה הפוטו-וולטאית מנצלת את אנרגיית השמש לייצור ישיר של חשמל בתאי שמש באמצעות שימוש בחומרים מיוחדים (מוליכים למחצה), היוצרים זרם של אלקטרונים כשאור פוגע בהם. החומרים האלה משמשים לבנייה של משטחים - לוחות סולריים, שאותם אפשר לייצר בצורות שונות ובגדלים שונים.
(בספר איור - היעזר במורה)
*171*
מקור אנרגיה הידרואלקטרי - מי נהרות
מקור אנרגיה הידרואלקטרי הוא מקור אנרגיה של תנועת מים הזורמים או נופלים מגובה. השיטה הנפוצה ביותר כיום להפקת אנרגית חשמל בדרך הזאת, היא באמצעות בניית סכר העוצר את זרימת הנהר ויוצר מאגר מים. המים נופלים מן המאגר באופן מבוקר, ותנועתם מפעילה טורבינות המפיקות אנרגיה חשמלית. לצד היתרונות הגדולים של תחנות החשמל ההידרואלקטריות שבנהרות, יש להן גם השפעות סביבתיות שליליות שונות, ובהן: הסטת הזרם וחסימת הזרימה הטבעית של הנהר, פגיעה בבעלי החיים ובמערכת האקולוגית של הנהר, הצפת שטחים העשויים לשמש למגורים, לחקלאות או לשימושים אחרים.
(בספר איור - היעזר במורה)
מקור אנרגיה הידרואלקטרי - גאות ושפל, גלים
גאות ושפל הם תהליכים שבהם גובה פני הים משתנה באופן מחזורי לפי כוח הכבידה שמפעיל הירח על כדור הארץ. אפשר לנצל את תנועת מי הים הנוצרת מן הגאות והשפל להפקת אנרגיה חשמלית. ההפרש בין הגאות לבין השפל שונה באזורים שונים בעולם. בישראל ההפרש נמוך (עשרות ס"מ בלבד), אך יש מקומות שבהם ההפרש מגיע למטרים אחדים. בחופי אוקיינוסים, שבהם ההפרשים בין גובה הים בשעות הגאות לבין גובהו בשעות השפל הם גדולים, אפשר לנצל את תנועת המים לצורך הנעת טורבינות להפקת אנרגיה חשמלית.
*172*
מקור אנרגיה גיאותרמי
במקור אנרגיה גיאותרמי עושים שימוש בחום הקיים במעמקי כדור הארץ להפקת אנרגיה. רוב תחנות החשמל הפועלות באמצעות מקור האנרגיה הזה משתמשות בזרם של קיטור (אדי מים בלחץ גבוה), הפורץ ממעמקי האדמה באופן טבעי (גייזרים) או מלאכותי כדי להניע טורבינות. חסרונו העיקרי של המקור הגיאותרמי הוא שאפשר להפיק ממנו אנרגיה חשמלית רק באזורים מעטים בעולם, אזורים שבהם יש מקורות זמינים של אנרגיה גיאותרמית, כגון אזורים געשיים.
(בספר איור - היעזר במורה)
ביומסה
זהו שם כללי לדלקים העשויים מחומרים אורגניים שמקורם בחי ובצומח ובשייריהם. מהדלקים האלה מפיקים אנרגיה באמצעות שרפתם. חומרים אורגניים מכילים תרכובות של פחמן, ושרפתן פולטת חום. בעזרת חום זה מייצרים את הקיטור הנחוץ לתנועת הטורבינות ולהפקת האנרגיה החשמלית. דוגמאות לביומסה הן: עצים, גזם חקלאי, שאריות מזון, פסולת חקלאית, זבלים אורגניים ושפכים.
הפקת אנרגיה חשמלית באמצעות שרפת ביומסה היא תהליך מזהם יחסית, מכיוון שבעת השרפה נפלטים מזהמי אוויר ונפלט גז החממה פחמן דו-חמצני. עם זאת, מכיוון שהצמחים עצמם קלטו את הפחמן הדו-חמצני מן האוויר במהלך גידולם, מתקיים איזון וסך כל כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה אינו משתנה כתוצאה מתהליכי השרפה.
(בספר תמונה)
אתאנול, משאב מתחדש, מיוצר מזרעי תירס ומזרעי סויה.
*173*
אנרגיה גרעינית
בכורים הגרעיניים מפיקים חום כדי להניע תחנת חשמל שתפיק אנרגיה חשמלית. בכור גרעיני מתרחש ביקוע גרעיני. בתהליך הזה גרעין האטום מתפצל לגרעינים קטנים יותר תוך כדי פליטת נויטרונים ושחרור כמות עצומה של חום. החומרים שמשתמשים בהם בכורים גרעיניים הם חומרים רדיואקטיביים, כגון אורניום או פלוטוניום. האנרגיה החשמלית שמפיקים בכורים גרעיניים היא זולה.
כור גרעיני אינו פולט חומרים לאטמוספרה, אולם במקרה של תקלת דליפה בכור, עלולה לדלוף קרינה רדיואקטיבית ולהביא לאסון בקנה מידה גדול. נוסף על כך, קיימת בעיה של סילוק הפסולת הרדיואקטיבית. את הפסולת קוברים במעמקי האוקיינוס או עמוק באדמה במקומות מרוחקים מיישוב. כיום לא קל למצוא מקומות שבהם אפשר לקבור פסולת כזו.
(בספר תמונה)
תינת כוח גרעינית
סיכום
- בתחנת חשמל מומרת אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית באמצעות סיבוב טורבינה המחוברת לגנרטור. סיבובו של מגנט הגנרטור יוצר זרם חשמלי.
- קיימים מקורות אנרגיה שונים המשמשים להפעלת תחנות חשמל - נפט, פחם, גז ועוד.
- יש מגוון של מקורות חלופיים להפקת אנרגיה חשמלית - שמש, רוח, מפלים ועוד.
*174*
שאלות לסיכום
1. מהו עקרון הפעולה של תחנת חשמל?
א. מחולל הזרם (גנרטור) מסתובב, מניע את הטורבינה ונוצר זרם חשמלי.
ב. הטורבינה מניעה את מגנט הגנרטור ונוצר חום.
ג. זרם חשמלי מפעיל את הגנרטור, והגנרטור מניע את הטורבינה.
ד. הטורבינה מסתובבת, מניעה את מגנט הגנרטור ונוצר זרם חשמלי.
2. תארו שני יתרונות שיש לשימוש במקורות אנרגיה מתחדשים להפעלת תחנות חשמל.
3. העתיקו למחברתכם את הקטע שלהלן והשלימו את המילים החסרות באמצעות מחסן המילים שלמטה (אפשר להשתמש במילה יותר מפעם אחת):
שימוש במקורות אנרגיה -- מפחית את קצב ההתכלות של --. מקורות אנרגיה -- מפחיתים את -- וכן את פליטת -- הגורמים ל-- האטמוספרה.
מחסן מילים: הנפט והפחם, זיהום האוויר, גזי החממה, מתחדשים, התחממות
4. דינמו ידני מחובר לפעמון. מסובבים את ידית הדינמו במהירות, וכתוצאה מכך הפעמון מצלצל. העתיקו את התרשים שלהלן למחברתכם והשלימו את המרות האנרגיה המתרחשות בתהליך.
(בספר תרשים זרימה - היעזר במורה)
אנרגיה -- הומרה ל - אנרגיית -- של חלקי הדינמו הומרה ל - אנרגיה -- הומרה ל - אנרגית --
5. לפניכם תרשים המציג תהליך של הפקת אנרגיה חשמלית בסוגים שונים של תחנות חשמל. העתיקו את התרשים למחברת והשלימו אותו בעזרת מחסן המילים.
מחסן מילים: סיבוב הטורבינה, סיבוב הגנרטור, רוח, שמש, פחם, גז טבעי, אנרגיה חשמלית
(בספר תרשים - היעזר במורה)
6. איזו המרת אנרגיה מתרחשת בתחנת חשמל הפועלת על גז טבעי? סמנו את התשובה הנכונה ביותר
א. אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיית תנועה.
ב. אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית.
ג. אנרגיית גובה מומרת לאנרגיה חשמלית.
*175*
7. א. העתיקו למחברתכם את התרשים שלהלן והשלימו את המרות האנרגיה באירוע הזה:
אנרגיה חשמלית מופקת בתחנת חשמל באמצעות שרפת דלק, היא מועברת לבית משפחת ישראלי, שמפעילים בו תנור חשמלי כדי להכין עוגה לשבת.
(בספר תרשים - היעזר במורה)
אנרגיה -- - אנרגיה -- - --
ב. אם הפקת החשמל תיעשה בעזרת מקורות אנרגיה מתחדשים, האם התרשים המתאר את המרות האנרגיה יהיה שונה? הסבירו.
8. מהו תפקיד הטורבינה?
א. ליצור את הקיטור.
ב. לסובב את המגנט (האלקטרומגנט) שבתוך הגנרטור.
ג. להעביר חשמל מתחנת כוח לבתים.
ד. להעביר פחם לתחנת חשמל.
9. איזה מקור אנרגיה אינו מצריך טורבינה וגנרטור בתהליך הפקת החשמל?
א. רוח
ב. מים
ג. גז
ד. סוללה
*176*
כללי זהירות בחשמל
- יש להתקין בבית מפסק פחת המנתק את זרם החשמל במקרה של התחשמלות.
- במקרה של תקלה במכשיר חשמלי, יש לנתקו מיד מזרם החשמל.
- יש להתריע על כל תקלה הקשורה לשימוש במכשירים חשמליים: חוטי חשמל חשופים (ללא בידוד פלסטי), שקעים שאינם מחוברים היטב לקיר, או תקעים שאינם מחוברים היטב לחוט החשמל של מכשיר חשמלי.
- אין לפתוח ארונות חשמל ואין לטפס על ארונות חשמל ועל עמודי חשמל.
- אין לגעת במכשירים חשמליים בידיים רטובות.
- יש לנעול נעליים בעת שימוש במכשיר חשמלי.
- יש להפעיל מכשירים חשמליים על פי ההוראות בלבד.
- בחורף יש לפנות מגגות וממרפסות חפצים שעלולים לעוף ברוח ולקרוע חוטי חשמל.
- יש להודיע בדחיפות לחברת החשמל על כל תקלה ברשת החשמל: חוטי חשמל קרועים, ארונות חשמל שנפגעו וכדומה.
*177*
*177*
בפרק זה נלמד ש...
- כוחות פועלים בין גופים שונים ויכולים לשנות את תנועתם או את צורתם.
- כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף אחר, הגוף האחר מפעיל עליו בו זמנית כוח שווה בגודלו, בכיוון ההפוך.
- יש כוחות הפועלים במגע בין גופים, ויש כוחות הפועלים ממרחק ללא צורך במגע בין הגופים.
- קיימים כוחות מסוגים שונים, לדוגמה: כוח חיכוך, כוח כבידה, כוח מגנטי וכוח חשמלי.
- מהירותו של גוף נקבעת לפי הדרך שהגוף עובר והזמן שלוקח לו לעבור אותה.
- האדם פיתח מכונות כמו המישור המשופע והמנוף, המאפשרות לו לבצע פעולות יותר בקלות.
- לחץ הוא הכוח הפועל על יחידת שטח של גוף בניצב לפני השטח. הלחץ תלוי בגודל הכוח הפועל על הגוף ובשטח שהכוח פועל עליו.
מושגים שנכיר:
כוח
ניוטון (יחידת מידה)
נקודת אחיזה
מהירות
תאוצה ותאוטה
כוח כבידה
כוח מגנטי
כוח חיכוך
כוח חשמלי
משקל ומסה
מנוף: נקודת משען, זרוע כוח, זרוע משא
מישור משופע
לחץ
*178*
מבוא
אם נתבונן סביבנו נוכל לראות שבכל מקום יש שינוי ותנועה: עננים נעים בשמים, עצים מתכופפים ברוח, מכוניות נוסעות בכביש, עקבות נוצרים בחול, מים זורמים ממקום למקום. גם אנו, בני האדם, ובעלי חיים אחרים, נמצאים כל הזמן בשינוי ובתנועה.
כיצד נעים גופים ומה גורם להם לנוע?
בשאלות האלה עוסק ענף בפיזיקה הנקרא מכניקה. המכניקה דנה בתנועה של גופים ובכוחות המשפיעים על תנועתם.
(כוח - מה שגורם לשינוי בצורתו של גוף ו/או לשינוי במצב התנועה שלו, כלומר: בגודל מהירותו או בכיוון תנועתו. כוח נמדד ביחידות של ניוטון.)
(בספר ארבע תמונות)
1. מה גורם לגשם לרדת מן השמים?
2. מה גורם לגוש החמר להפוך לכד?
3. מה גורם להיווצרות העקבות בחול?
4. מה גורם לכדור במשחק טניס שולחן לנוע?
המדען גלילאו גליליי נחשב למי שייסד את המכניקה. גלילאו גליליי חי במאה ה-17, וחקר, בין היתר, את המהירות שבה נופלים גופים הנשמטים מגובה. מסופר על גלילאו כי השמיט כדורים במשקלים שונים מראשו של המגדל הנטוי המפורסם בעיר פיזה שבאיטליה, ובדק מתי יפגעו בקרקע. כך גילה גלילאו כי גופים השונים במשקלם נופלים יחד ומגיעים לקרקע באותו הזמן. הגילוי הזה היה מנוגד לתפיסה של הפילוסוף היווני אריסטו שהייתה מקובלת מאות שנים, ולפיה הגוף הכבד יגיע קודם.
שאלה
מסופר כי פעם הזמין גלילאו קהל רב לחזות בניסוי שערך במגדל פיזה, ובו הפיל מראש המגדל גוף קל וגוף כבד בו זמנית. אף שהנוכחים יכלו לראות במו עיניהם שהגופים פגעו באותו הזמן בקרקע, הם לעגו לגלילאו והמשיכו להאמין בתפיסה המקובלת אז, שלפיה הגוף הכבד יפגע בקרקע לפני הגוף הקל.
לפי דעתכם, מדוע הצופים לא האמינו לו?
*179*
המכניקה הפכה למדע מגובש בזכות אייזק ניוטון. כאשר ניוטון היה בן 23 בלבד הוא ניסח שלושה חוקים יסודיים של המכניקה - אלה הם חוקי התנועה המפורסמים הקרויים על שמו. החוקים פורסמו בספרו החשוב עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע.
ניוטון השתמש במשוואות מתמטיות שבאמצעותן אפשר לחשב כיצד גוף ינוע, אם יודעים מה הכוחות הפועלים עליו. למשל, ניוטון הצליח לחזות באופן מדויק את תנועותיהם של כוכבי הלכת באמצעות משוואה מתמטית המתארת את כוחות הכבידה הפועלים עליהם.
המכניקה שפיתח ניוטון עשתה רושם רב על בני דורו, ותרמה רבות לאמונה בכוח של המדע ושל השיטה המדעית המבוססת על תצפיות וניסויים.
כיום ידוע כי למכניקה שפיתח ניוטון יש מגבלות: היא אינה מסבירה באופן מדויק תופעות אחדות, כמו תנועה של גופים במהירות הקרובה למהירות האור או את המתרחש בתוך האטומים. עם זאת, יש לה שימוש רב במדע ובהנדסה, ובאמצעותה מתכננים מכונות ומבנים.
בפרק הזה נעסוק בחלקים מהמכניקה - נכיר סוגים שונים של כוחות הפועלים על גופים וגורמים לשינויים בהם. נלמד גם את החוק השלישי של ניוטון, הנקרא חוק הפעולה והתגובה - אם גוף אחד מפעיל כוח על גוף אחר, הגוף האחר יפעיל עליו כוח שווה בגודלו והפוך בכיוונו. נלמד מה מאפיין את התנועה של הגופים ומה משפיע עליה. נלמד גם על מכשירים ומכונות שהאדם פיתח, ומבוססים על הפעלת כוח - ממפצח אגוזים ועד נדנדה ומנופים משוכללים.
(בספר שתי תמונות:)
1. הספר עקרונות מתמטיים ש'ל פילוסופיית הטבע
2. אייזק ניוטון
*180*
כוחות פועלים בין גופים וגורמים לשינויים בהם
כאשר כוחות פועלים על גופים הם יכולים לגרום לשינויים בהם - הכוחות משנים את צורתם של הגופים או את התנועה שלהם.
השינוי שכוח גורם לתנועה של גוף יכול להיות שינוי במהירות התנועה, בכיוון התנועה או בשניהם יחד.
לדוגמה: עגלת קניות עומדת ללא תנועה. אנו דוחפים את העגלה והיא נעה. במקרה הזה הפעלנו כוח ששינה את מהירות התנועה של העגלה ממצב של חוסר תנועה, כלומר ממהירות אפס, למצב של תנועה. אנו יכולים להשפיע גם על כיוון התנועה של העגלה אם נדחף אותה לכיוון זה או אחר.
לעתים קרובות כוחות גורמים לגופים לשנות גם את המהירות שלהם וגם את כיוון התנועה שלהם. דוגמה לכך היא התנועה של גלשן רוח. הרוח מפעילה כוח על מפרש הגלשן וגורמת לגלשן לשנות את תנועתו - גם את כיוון התנועה וגם את מהירות התנועה.
- כוח פועל בין שני גופים שונים.
- כוח יכול לשנות תנועה של גוף או צורה של גוף או את שתיהן.
*181*
שאלות
בצילומים שלפניכם מתוארים שינויים שונים בגופים, שנגרמו בהשפעת כוחות הפועלים עליהם.
1. העתיקו את הטבלה שלהלן למחברתכם, ותארו בה את המתרחש בשניים מן הצילומים.
הגוף, מי (או מה) הפעיל עליו את הכוח?, מה השתנה כתוצאה מהפעלת הכוח?
--, --, --
--, --, --
2. מיינו את הצילומים על פי סוג השינוי שחל בגופים - באילו צילומים מתוארים שינויים בתנועה של הגוף, ובאילו צילומים מתוארים שינויים בצורה של הגוף?
(בספר שש תמונות)
1. מתיחת גומייה
2. שבירת לבנים
3. סוס ועגלה
4. כלב וכדור
5. בועט בכדור
6. מפל מים
3. צלמו דוגמה נוספת לשינויי צורה או לשינויי תנועה הנגרמים בהשפעתם של כוחות, והביאו את התמונה לכיתה.
*182*
כיצד מתארים כוחות?
אדם דוחף עגלת קניות. כיצד אפשר לתאר את הכוח המופעל על העגלה?
כדי לתאר כוחות אנו משתמשים ב-3 מאפיינים:
1. כיוון הכוח - הכיוון שבו הכוח מופעל.
2. גודל הכוח - מתאר את עוצמת הכוח.
3. נקודת אחיזה - המקום בגוף שעליו מופעל הכוח באמצעות מגע.
1. כיוון הכוח
כוח פועל תמיד בכיוון מסוים. את כיוון הפעולה של הכוח אפשר לייצג באמצעות חץ. לדוגמה, בתמונה שמימין החץ מתאר את כיוון הפעולה של הכוח שעמו דוחף האיש את עגלת הקניות.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
2. גודל הכוח
לכוח יש גודל. כוחות נבדלים זה מזה בגודלם. אפשר להיעזר באורך החץ כדי לייצג את גודל הכוח - ככל שהכוח גדול יותר, הוא מיוצג באמצעות חץ ארוך יותר.
לדוגמה, אם פעוטה תדחף בכל כוחה עגלת קניות, הכוח שהיא תפעיל על העגלה יהיה קטן יותר מכוח של מבוגר שדוחף את העגלה, ולכן נייצג אותו באמצעות חץ קצר יותר.
3. נקודת האחיזה של כוח
האופן שבו כוח משפיע על גוף תלוי גם במקום שעליו הוא פועל בגוף. המקום הזה נקרא נקודת אחיזה. גם את נקודת האחיזה אפשר לייצג באמצעות חץ הכוח, כאשר נקודת ההתחלה של החץ תהיה נקודת האחיזה של הכוח. למשל, באיורים שלהלן ילדה דוחפת כיסא בנקודות אחיזה שונות, בעוצמה זהה של כוח.
(בספר איורים - היעזר במורה)
שאלות
1. מה תהיה, לדעתכם, תוצאת הדחיפה בכל אחת מנקודות האחיזה שבדוגמאות?
2. תארו הפעלה של כוח (משיכה או דחיפה) על נקודת אחיזה אחרת בכיסא. מה יקרה בעקבות הפעלת הכוח על הנקודה הזו?
- כוחות מאופיינים באמצעות כיוון הכוח, גודל הכוח ונקודת האחיזה של הכוח.
*183*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה.
היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות ובחרו בפעילות אדם דוחף גוף.
הפעילו את ההדמיה כשהיא מכוונת לכוח המרבי. ענו על השאלות שלהלן:
1. מי מפעיל את הכוח ועל מה?
2. אילו שינויים מתרחשים בעקבות הפעלת הכוח? הסבירו.
3. מהי נקודת האחיזה של הכוח?
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
כוחות הפועלים במגע וכוחות הפועלים ממרחק
כוחות הפועלים במגע בין גופים
- אנו דוחפים את הכיסא לכיוון השולחן או מושכים אותו לכיוון שלנו. בפעולות היומיומיות האלה אנו מפעילים כוחות שדורשים מגע בין גופים. הכוחות האלה יכולים להביא לשינוי בתנועה של הגוף, כמו במקרה של הכיסא שהזזנו, או בצורה של הגוף, כמו בלחיצת סכין על ירקות כדי לחתוך אותם לסלט.
- כוח החיכוך פועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע ונעים זה על זה או "מנסים" לנוע, כלומר: נדחפים זה על זה או נמשכים זה לזה. כיוונו של הכוח מנוגד לכיוון התנועה של הגוף או לכיוון שאליו הגוף "מנסה" לנוע. לדוגמה: ברכיבה על אופניים, כוח החיכוך בין האוויר לבין הרוכבים פועל בניגוד לכיוון הנסיעה, ולכן מאט את מהירות הרכיבה. כוח חיכוך פועל גם בין צמיגי האופניים לבין הקרקע. צמיג האופניים "מנסה" לנוע אחורה לעומת הקרקע, וכוח החיכוך דוחף אותו לכיוון המנוגד ומניע את האופניים קדימה.
- הכוח האלסטי פועל בגוף בעל תכונות אלסטיות, לדוגמה: קפיץ או גומייה. כאשר אנו מותחים גומייה, למשל, הכוח האלסטי מתנגד לשינוי צורתה, ופועל עלינו נגד כיוון המתיחה.
*184*
כוחות הפועלים בין גופים ממרחק
יש שינויים רבים בעולם המתרחשים כתוצאה מהשפעה של כוחות בין גופים הפועלים ממרחק, גם ללא מגע.
- כוח הכבידה הוא דוגמה לכוח הפועל ממרחק ואינו דורש מגע בין הגופים. בין כדור הארץ לגופים שונים פועל כוח כבידה. כתוצאה מכך אנחנו וגופים אחרים נמשכים כלפי מרכז כדור הארץ. כוח הכבידה אחראי לתופעות רבות ומוכרות בחיי היומיום שלנו: כדור הנופל כלפי מטה אחרי שזורקים אותו, מי ברז הזורמים כלפי מטה, הקושי שלנו לקפוץ כלפי מעלה, הקושי להרים חפצים כבדים, ועוד.
למרות המרחקים העצומים ביניהם, גם גופים שונים ביקום נמשכים אלה לאלה באמצעות כוח הכבידה. לדוגמה, כדור הארץ מפעיל כוח כבידה על הירח וגורם לו לנוע מסביב לכדור הארץ. גם כוח הכבידה של הירח משפיע על כדור הארץ, והוא אחראי לתופעות כמו גאות ושפל.
- עוד כוח הפועל ממרחק הוא הכוח המגנטי. נסו לקרב שני מגנטים זה אל זה - ועוד לפני שהמגנטים ייגעו זה בזה תוכלו להרגיש בכוח המשיכה או בכוח הדחייה הפועל בין המגנטים.
- כוחות חשמליים של משיכה או של דחייה פועלים בין מטענים חשמליים ממרחק, ללא צורך במגע.
הכוחות האלה אחראיים, למשל, להימשכות של שער למסרק ביום יבש.
(בספר ארבע תמונות)
1. כדור הארץ והירח נמשכים זה אל זה בכוח הכבידה.
2. הכדור נופל כלפי מטה בהשפעת כוח הכבידה.
3. מגנט ענק המחובר למנוף מושך אליו גרוטאות מתכת בכוח מגנטי.
4. כוחות חשמליים גורמים לשער ל"עמוד".
- יש כוחות הפועלים במגע, ויש כוחות הפועלים ממרחק גם ללא מגע בין הגופים.
- כוחות הפועלים ממרחק הם: כוח הכבידה, הכוח החשמלי והכוח המגנטי.
*185*
פעילות
התנסות
כוחות הפועלים ממרחק
ציוד: מגנטים, תערובת של חפצים מברזל או מניקל ופירורי קלקר או פתיתי נייר, סרגל פלסטיק, בד.
מהלך הפעילות:
א. לפניכם תערובת של חפצים מברזל או מניקל ופירורי קלקר (או פתיתי נייר).
ב. קרבו מגנט אל התערובת, בלי לגעת בתערובת.
ג. שפשפו את סרגל הפלסטיק בבד, ולאחר מכן קרבו את הסרגל אל התערובת בלי לגעת בה.
תוצאות:
תארו מה התרחש כאשר קירבתם מגנט אל התערובת, ומה התרחש כאשר קירבתם סרגל פלסטיק משופשף אל התערובת.
סיכום ומסקנות:
1. איזה כוח פעל בין המגנט לבין חפצי הברזל או הניקל?
2. איזה כוח פעל בין סרגל הפלסטיק לבין פירורי הקלקר (או פתיתי הנייר)?
3. מה משותף לכוחות האלה?
כוחות פועלים בזוגות - פעולה הדדית בין גופים
- מכים בכף היד בשק אגרוף. מה מרגישים בכף היד? מדוע?
- מותחים קפיץ ביד. מה מרגישים? מדוע?
- מנפחים בלון ומשחררים ממנו בבת אחת את האוויר. מה מתרחש? מדוע?
כוחות לעולם אינם פועלים לבד, אלא הם נובעים מאינטראקציה (פעולה הדדית) בין שני גופים: כאשר גוף אחד מפעיל כוח בכיוון מסוים על גוף אחר, הגוף האחר מפעיל עליו בו זמנית כוח בגודל שווה בגודלו אך מנוגד בכיוונו. את התופעה הזו חקר המדען אייזק ניוטון, והוא ניסח אותה בחוק הנקרא חוק הפעולה והתגובה, הידוע גם בשם החוק השלישי של ניוטון.
(אינטראקציה - (הידוד) פעולה הדדית שבה שני גופים משפיעים זה על זה. למשל, שני גופים המפעילים זה על זה כוחות שווים ומנוגדים בכיוונם.)
חוק הפעולה והתגובה מסביר את התופעות שבהן דנו קודם:
כאשר אנו מכים בשק אגרוף אנחנו מפעילים עליו כוח. שק האגרוף מפעיל עלינו בחזרה, בכיוון מנוגד, כוח שווה בגודלו.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
הכוח שהיד מפעילה על שק האגרוף
הכוח ששק האגרוף מפעיל על היד
*186*
כאשר אנו מושכים קפיץ אנחנו מפעילים עליו כוח. הקפיץ מפעיל עלינו בכיוון מנוגד כוח שווה בגודלו, שאותו אנו יכולים לחוש כהתנגדות הקפיץ למתיחה.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
הכוח שהיד מפעילה על הקפיץ
הכוח שהקפיץ מפעיל על היד
הבלון דוחף את האוויר החוצה, האוויר היוצא מהבלון דוחף את הבלון בכיוון ההפוך.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
הכוח שהאוויר/ מפעיל על הבלון
הכוח שהבלון מפעיל על האוויר
על העיקרון הזה מבוססת תנועתן של חלליות בחלל - הגזים הנדחפים אחורה ממנוע החללית הם הדוחפים אותה קדימה.
חוק הפעולה והתגובה נכון בכל מקרה שבו שני גופים נמצאים באינטראקציה זה עם זה, גם אם כל אחד מן הגופים מגיב לכוח המופעל עליו בצורה שונה.
לדוגמה, אבן נופלת למטה. כוח הכבידה של כדור הארץ מפעיל על האבן כוח כלפי מטה, והכוח הזה גורם לה ליפול. גם האבן מפעילה על כדור הארץ כוח שווה בגודלו בכיוון ההפוך, כלפי מעלה. מדוע התוצאה של הכוח הזה לא מורגשת? הסיבה לכך היא המסה העצומה של כדור הארץ, שכמעט אינה מושפעת מהכוח שהאבן הפעילה על כדור הארץ.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
כדור הארץ מושך את האבן למטה
האבן מושכת את כדור הארץ למעלה
- כאשר גוף אחד מפעיל כוח בכיוון מסוים על גוף אחר, הגוף האחר מפעיל עליו בו זמנית כוח שווה בגודלו אך מנוגד בכיוונו.
*187*
פעילות
הדגמה
חוק הפעולה והתגובה
מטרת הפעילות: המחשת חוק הפעולה והתגובה.
ציוד: שני כיסאות משרדיים על גלגלים.
מהלך הפעילות:
א. שניים מתלמידי הכיתה ("דוחף" ו"נדחף") ישבו זה מול זה על כיסאות, כאשר רגליהם אינן נוגעות ברצפה.
ב. "הדוחף" יניח את רגלו, כשהיא מקופלת, על הכיסא שמולו, ואז יישר אותה באטיות.
ג. מה התרחש?
תוצאות:
איזה שינוי חל בכל אחד מן הכיסאות כאשר "הדוחף" דחף את הכיסא שמולו?
סיכום ומסקנות:
1. האם "הדוחף" הפעיל כוח על "הנדחף"? נמקו.
2. האם "הנדחף" הפעיל כוח על "הדוחף"? נמקו.
3. התרשים שלפניכם מתאר את הגופים המשתתפים באינטראקציה.
"הדוחף" - "הנדחף"
(בספר תרשים - היעזר במורה)
העתיקו את התרשים למחברתכם והוסיפו לו חצים המתארים את האינטראקציה בין הגופים. בסרטוט החצים שימו לב לכיוון הכוח ולגודלו. סמנו מי הפעיל את הכוח ועל מי.
4. כיצד ההתנסות הזאת ממחישה את חוק הפעולה והתגובה?
*188*
פעילות
התנסות
המחשה כמותית של חוק הפעולה והתגובה
בניסוי הזה נשתמש במאזני קפיץ, המשמשים בדרך כלל למדידת משקל גופנו. פעולתם של מאזניים אלה מבוססת על התארכותו או על התכווצותו של הקפיץ הנמצא בתוך המכשיר. ההתארכות וההתכווצות נובעות מהפעלת כוח על הקפיץ. כאשר עומדים על המאזניים או מפעילים עליהם כוח, המחוג המחובר לקפיץ מורה את הכוח שהגוף מפעיל על הקפיץ.
ציוד: שני מאזני קפיץ.
מהלך ההתנסות:
א. תלמידים ערכו בכיתה את ההתנסות שלהלן:
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
1. אחת התלמידות עמדה על מאזני קפיץ והחזיקה את מאזני הקפיץ הנוספים בידיה.
2. לאחר מכן, התלמידה הרימה למעלה את מאזני הקפיץ שהחזיקה בידיה ודחפה אותם אל משקוף הדלת.
ב. שערו מה יורו שני מאזני הקפיץ בשלב 1 של ההתנסות ובשלב 2 של ההתנסות. נמקו את השערתכם.
ג. בצעו את ההתנסות המתוארת ורשמו את הוראת שני המכשירים, בשלב 1 ובשלב 2 של ההתנסות.
תוצאות:
א. בכמה גדלה קריאת המאזניים שעמדתם עליהם בשלב השני של ההתנסות, לאחר שהרמתם את המאזניים האחרים ודחפתם אותם אל המשקוף?
ב. השוו את התוצאה הזו לקריאה של המאזניים שדחפתם אל המשקוף.
סיכום ומסקנות:
1. את מה מדדו המאזניים שעמדתם עליהם בתחילת ההתנסות?
2. מדוע בשלב הראשון של ההתנסות מאזני הקפיץ שהחזקתם ביד הורו על אפס?
3. סרטטו תרשים המתאר את האינטראקציה בין מאזני הקפיץ לבין המשקוף שאליו דחפתם את המאזניים. תארו את הכוחות באמצעות חצים, שימו לב לכיוון החצים ולגודלם. סמנו מי הפעיל את הכוח ועל מי.
4. את מה מדדו מאזני הקפיץ שדחפתם אל המשקוף בשלב השני של ההתנסות?
5. הסבירו את תוצאות הניסוי לפי החוק השלישי של ניוטון.
*189*
1. דוחפים קיר, והקיר אינו זז.
א. האם הכוח שאנחנו מפעילים על הקיר גדול, קטן או שווה לכוח שהקיר מפעיל עלינו? נמקו.
ב. דמיינו שאנו עומדים על גלגיליות והקיר גם הוא עומד על גלגלים. מה יתרחש?
האם תשובתכם לסעיף א תשתנה? מדוע?
2. אדם מושך חמור במושכות, אך החמור מתעקש שלא לזוז.
איזה תרשים מתאר בצורה נכונה את האינטראקציה בין החמור לאדם במקרה הזה?
נמקו.
(בספר שלושה תרשימים - היעזר במורה)
א. חמור - אדם
ב. חמור - אדם - (חץ קצר) חמור
ג. חמור - אדם - (חץ ארוך) חמור
3. לפניכם צילומים המציגים מצבים שונים שבהם קיימת אינטראקציה בין שני גופים. בחרו שני מצבים, ובצעו את ההוראות שלהלן עבור כל אחד מן המצבים שבחרתם:
א. תארו במילים את האינטראקציה הקיימת - את הגופים ואת הכוחות הפועלים ביניהם.
ב. סרטטו תרשים מתאים, הכולל את הגופים ואת כוחות הפעולה והתגובה הפועלים ביניהם.
(בספר ארבע תמונות - היעזר במורה)
4. אישה יושבת בסירה הצפה על פני אגם רוגע. לאישה יש כדור. כיצד יכולה האישה לגרום לסירה לנוע לכיוון החוף, בלי לגעת במים?
5. אם כוח הפעולה וכוח התגובה שווים זה לזה ומנוגדים בכיוונם, מדוע הם אינם מאזנים זה את זה?
6. הברון מינכהאוזן סיפר כי שקע בביצה כשרכב על סוסו, ונחלץ ממנה כשמשך את עצמו בשערותיו. האם הדבר אפשרי? נמקו.
*190*
כמה כוחות הפועלים על גוף
בדרך כלל פועלים על גופים כמה כוחות, הנובעים מכמה אינטראקציות שיש להם עם גופים אחרים.
לדוגמה, מנורה תלויה בחוט מן התקרה. אילו כוחות פועלים על המנורה?
כדי להבין את הכוחות הפועלים על המנורה, עלינו להבין עם אילו גופים היא נמצאת באינטראקציה, במגע וממרחק. נבודד כל אינטראקציה בנפרד, ונסרטט עבורה תרשים המתאר את הכוחות הפועלים בין הגופים. את הכוחות הפועלים על המנורה נציין בחץ בצבע כחול.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
ו. אינטראקציה (ממרחק) של המנורה עם כדור הארץ
כדור הארץ מפעיל כוח כבידה על המנורה, המושך אותה כלפי מטה. המנורה מפעילה על כדור הארץ כוח תגובה שווה בגודלו כלפי מעלה.
מנורה - כדור הארץ - מנורה
2. אינטראקציה (במגע) של המנורה עם החוט
המנורה מפעילה על החוט כוח כלפי מטה. החוט מפעיל על המנורה כוח תגובה שווה בגודלו כלפי מעלה.
חוט - מנורה - חוט
אם כן, מהם הכוחות הפועלים על המנורה?
נסרטט תרשים כוחות המתאר רק את הכוחות הפועלים על המנורה: כדור הארץ מפעיל על המנורה כוח כלפי מטה, ואילו החוט מפעיל עליה כוח שווה בגודלו כלפי מעלה.
לפי תרשים הכוחות נוכל להבין כי המנורה נשארת תלויה ואינה נופלת למטה מפני שפועלים עליה כוחות שווים, לכיוונים מנוגדים, המאזנים זה את זה. על כך נרחיב בהמשך.
חוט מנורה כדור הארץ
*191*
נבחן עוד דוגמה:
אדם מושך בשק, אך השק אינו זז.
אילו כוחות פועלים על השק?
כדי לענות על השאלה הזאת נבדוק עם אילו גופים השק נמצא באינטראקציה, במגע וממרחק:
1. עם האדם (במגע)
2. עם הרצפה (במגע)
3. עם כדור הארץ (ממרחק)
בהמשך נבחן אילו כוחות מפעיל כל גוף על השק:
1. האדם מפעיל על השק כוח כלפי שמאל.
2. הרצפה מפעילה על השק כוח כלפי מעלה (זהו כוח התגובה לכוח שהשק מפעיל על הרצפה).
3. הרצפה מפעילה על השק גם כוח חיכוך לכיוון ימין (בכיוון המנוגד לכיוון שאליו האדם מושך את השק).
4. כדור הארץ מפעיל על השק כוח כבידה כלפי מטה.
את הכוחות הפועלים על השק אפשר לתאר באמצעות תרשים הכוחות המוצג משמאל. החצים מתארים את הכוחות הפועלים על הגוף ואת כיוונם. בקצה החץ רשום איזה גוף הפעיל אותו.
(בספר איור - היעזר במורה)
שאלות
1. שולחן עומד על הרצפה. על השולחן מונחת צלחת ועליה תפוח.
א. אילו גופים נמצאים באינטראקציה עם השולחן?
1) הצלחת
2) כדור הארץ והצלחת
3) כדור הארץ, הצלחת והרצפה
4) הצלחת והרצפה
ב. הכינו טבלה ורשמו בה את כיוון הכוח שכל אחד מן הגופים מפעיל על השולחן.
ג. בחרו גוף אחר המתואר באיור, רשמו עם אילו גופים הוא נמצא באינטראקציה ותארו בתרשים כוחות את הכוחות הפועלים עליו.
(בספר איור - היעזר במורה)
2. שני מגנטים מונחים זה על זה, כמתואר בתרשים שמשמאל. המגנטים מושכים זה את זה.
אילו כוחות פועלים על מגנט א? שימו לב כי לגוף יכולה להיות יותר מאינטראקציה אחת עם גוף אחר.
(בספר איור - היעזר במורה)
*192*
כיצד מודדים כוחות?
כדי למדוד כוח משתמשים במכשיר הנקרא מד-כוח.
פעולתו של מד הכוח מתבססת על ההשפעה של כוח על צורתו של גוף - במקרה הזה על קפיץ. קפיצים הם אלסטיים, כלומר: הם משנים את צורתם כאשר מופעל עליהם כוח, וחוזרים לצורתם המקורית כאשר מפסיקים להפעיל עליהם כוח.
בפעילות הבאה נבדוק את הקשר בין התארכות של קפיץ לבין הכוח המופעל עליו.
פעילות
ניסוי
מדידת כוח באמצעות קפיץ
מטרת הניסוי: בדיקת הקשר בין התארכות הקפיץ לבין הכוח הפועל עליו.
ציוד: קפיץ, משקולות, סרגל ומתלה למשקולות.
מהלך הניסוי:
א. התקינו את המערכת על פי האיור.
ב. הזיזו את הסרגל כך שכאשר אין משקולת תלויה על הקפיץ הוא יורה על הספרה אפס.
ג. תלו משקולת בקצה הקפיץ, המתינו עד שהמשקולת תפסיק לנוע ורשמו את המספר שמורה הסרגל. המספר הזה הוא מידת התארכות הקפיץ.
ד. הוסיפו משקולות בקצה הקפיץ ורשמו בכל פעם את המספר שמורה הסרגל.
תוצאות:
א. תארו מה קורה לקפיץ במהלך הניסוי.
ב. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, ורשמו בה את תוצאות המדידה.
מספר המשקולות, התארכות הקפיץ (ס"מ)
0, 0
1, --
2, --
3 וכן הלאה, --
ג. הציגו את תוצאות הניסוי באמצעות גרף. איזה משתנה תרשמו בציר ה-x? איזה משתנה תרשמו בציר ה-ץ?
סיכום ומסקנות:
1. מי מפעיל את הכוח הגורם לשינוי צורת הקפיץ, ולאיזה כיוון הכוח מופעל?
2. על פי התוצאות, מה אפשר להסיק על הקשר בין התארכות הקפיץ לבין הכוח הפועל עליו?
3. בהתנסות הזאת יש 3 זוגות שונים של אינטראקציות. תארו אותם.
*193*
יחידות מידה של כוח
יחידת המידה של הכוח נקראת ניוטון והיא מסומנת באות N.
ניוטון אחד הוא כוח הכבידה שמפעיל כדור הארץ על גוף שנמצא עליו ושהמסה שלו 102 גרם. הכוח הזה הוא משקלו של הגוף על פני כדור הארץ.
יחידת המידה ניוטון נקראת על שמו של המדען הנודע אייזק ניוטון, שגילה את כוח הכבידה הפועל בין כל שני גופים בטבע.
(כוח כבידה - כוח משיכה הפועל בין שני גופים ותלוי במסה שלהם ובמרחק ביניהם.)
(משקל - כוח הכבידה הפועל על הגוף. המשקל תלוי במסת הגוף ובגרם השמים שהגוף נמצא בו. משקל נמדד ביחידות של ניוטון.)
שאלות
1. תלמיד רצה למדוד את משקלם של כמה גופים (למדוד את כוח הכבידה שכדור הארץ מפעיל עליהם), ולשם כך הוא נעזר במד-כוח. האיורים שלהלן מתארים את תוצאות מדידות הכוח. התבוננו באיורים ורשמו מהו משקלו של כל אחד מהגופים.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
2. לפניכם תרשים כוחות המתאר את הכוחות הפועלים על משקולת התלויה על מד-כוח. לפי התרשים, המשקל של המשקולת (גודל כוח הכבידה שמפעיל כדור הארץ על המשקולת) הוא 10 N
איזה כוח מפעיל הקפיץ על המשקולת?
(בספר תרשים - היעזר במורה)
*194*
פעילות
התנסות
מדידת כוחות במד-כוח
מטרת ההתנסות: התנסות במדידת כוחות במד-כוח, ובדיקה של חוק הפעולה והתגובה באמצעות מד-כוח.
ציוד: מדי-כוח מסוגים שונים, חפצים שונים.
מהלך הניסוי:
חלק 1 - מדידת כוחות במדי-כוח שונים
א. לפניכם 2 סוגים של מדי-כוח. בחנו אותם ורשמו מה ההבדל ביניהם.
ב. מתחו את הקפיץ בכל אחד ממדי הכוח לאורך 1, 2, ו-3 ס"מ. רשמו מהו הכוח הנדרש לשם כך בכל אחד מן המכשירים.
ג. משקלו של גוף נמדד באמצעות מד-כוח. מדדו במדי הכוח את משקלם של חפצים שונים. רשמו את התוצאות בטבלה.
חלק 2 - בדיקת חוק הפעולה והתגובה באמצעות מדי-כוח
א. חברו את הקצוות של שני מדי הכוח זה לזה, ומשכו את הקצוות החופשיים בידכם.
ב. מה מורים כעת מדי הכוח?
ג. השאירו יד אחת יציבה, וביד האחרת משכו את מד הכוח. רשמו מה מורים מדי הכוח.
ד. חזרו על ההתנסות כאשר אתם משאירים את היד האחרת יציבה, ומשכו את מד הכוח ביד החופשית. רשמו מה מורים מדי הכוח.
סיכום ומסקנות:
1. השוו בין תוצאות מדידת הכוח המופעל על הקפיצים בשני מדי הכוח בחלק 2 של הפעילות.
הכוח שמפעיל קפיץ 1 (הנמצא במד-כוח 1) על קפיץ 2 (הנמצא במד-כוח 2):
א. קטן בגודלו מהכוח שמפעיל קפיץ 2 על קפיץ 1.
ב. גדול מהכוח שמפעיל קפיץ 2 על קפיץ 1.
ג. שווה בגודלו לכוח שמפעיל קפיץ 2 על קפיץ 1.
2. שני הכוחות פועלים בכיוונים:
א. זהים זה לזה.
ב. הפוכים זה מזה.
3. הציגו בתרשים את האינטראקציה בין שני הקפיצים במדי הכוח.
4. כיצד הניסוי הזה מוכיח את קיומו של חוק הפעולה והתגובה?
5. אורית אוחזת בקצה של קפיץ אחד, ויואב אוחז בקצה של קפיץ אחר. שני הקפיצים זהים ומחוברים זה לזה. אורית ויואב מושכים בכוח, כל אחד לצד שלו, את הקפיץ שבידם ואינם זזים ממקומם.
א. אורית אומרת ליואב: "אני חזקה יותר ממך, ולכן אני מושכת את הקפיץ בכוח רב יותר".
האם אורית צודקת?
ב. שערו: מה יקרה לשני הקפיצים?
1) שני הקפיצים יתארכו במידה שווה.
2) הקפיץ שבידי אורית יתארך יותר.
3) הקפיץ שבידי יואב יתארך יותר.
*195*
- כדי למדוד כוח משתמשים במכשיר הנקרא מד-כוח.
- כוח נמדד ביחידות של ניוטון.
איזון בין כוחות
ראינו כי לעתים קרובות פועלים על גוף כמה כוחות בו זמנית. האם במקרים כאלה הגוף ישנה את מהירותו או את כיוון התנועה שלו? הדבר תלוי בגודל של הכוחות הפועלים על הגוף ובכיוונם.
- כאשר על הגוף פועלים כוחות שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם, אנו אומרים שהם מאזנים זה את זה. לכן הגוף אינו משנה את מהירותו ואת כיוון התנועה שלו.
- כאשר על הגוף פועלים כוחות שאינם מאוזנים, כלומר כיווניהם מנוגדים אך הם אינם שווים בגודלם - מהירותו של הגוף תשתנה. אם הגוף היה במנוחה הוא ינוע בכיוון פעולת הכוח הגדול יותר.
לדוגמה, כיסא מונח על הרצפה ללא תנועה. אילו כוחות פועלים על הכיסא?
כדור הארץ מושך את הכיסא בלפי מטה בכוח הכבידה.
המשקל של הכיסא, שהוא כוח הכבידה הפועל עליו, לוחץ על הרצפה ודוחף אותה כלפי מטה.
הרצפה מפעילה על הכיסא כוח שווה כלפי מעלה, על פי חוק הפעולה והתגובה.
במקרה הזה שני הכוחות הפועלים על הכיסא שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם, ולכן הם מאזנים זה את זה. התוצאה במקרה כזה תהיה זהה למצב שבו אין כוח הפועל על הכיסא - הכיסא אינו זז ממקומו.
(בספר איור - היעזר במורה)
*196*
(בספר איור - היעזר במורה)
נבדוק דוגמה אחרת:
ניר דוחף את הכיסא כלפי ימין כך שהכיסא מתחיל לזוז לכיוון ימין. במקרה הזה ניר מפעיל כוח בכיוון ימין על הכיסא, והרצפה מפעילה על הכיסא כוח חיכוך בכיוון ההפוך לתנועתו, לכיוון שמאל.
במקרה הזה הכוחות הפועלים על הכיסא אינם מאוזנים - הכוח שניר מפעיל על הכיסא לכיוון ימין, גדול מכוח החיכוך הפועל על הכיסא בכיוון ההפוך, ולכן הכיסא מתחיל לנוע ימינה.
חשוב לזכור כי כאשר הכוחות הפועלים על הגוף מאוזנים, הם אינם מבטלים זה את זה. כלומר על הגוף עדיין פועלים כוחות, אלא שהם אינם משפיעים על מהירות הגוף או על כיוון תנועתו.
שאלה
שני אנשים מושכים מד-כוח בכוחות שווים של 100 N, כל אחד מושך מצדו האחר של מד הכוח. מה יראה מד הכוח? הסבירו.
א. 0 N
ב. N 100
ג. 200 N
- שינוי בתנועה של גוף הוא תוצאה של כל הכוחות הפועלים עליו. כאשר על הגוף פועלים כוחות שווים בכיוונים מנוגדים הם מאזנים זה את זה, ולכן התוצאה זהה למצב שבו לא פועל כוח על הגוף - הגוף אינו משנה את מהירותו ואת כיוון התנועה שלו.
- כאשר על הגוף פועלים כוחות שאינם מאוזנים - מהירותו של הגוף תשתנה. אם הגוף היה במנוחה הוא ינוע בכיוון פעולת הכוח הגדול יותר.
*197*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
כוחות ומשקולות
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות ובחרו בפעילות כוחות ומשקולות.
בפעילות הזאת תוכלו לתלות משקולות על גוף המונח על שולחן, לבדוק מה יקרה לו כתוצאה מהפעלת הכוח על ידי המשקולות ולצפות בתרשים הכוחות הפועלים עליו.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
שאלה:
תלמידים ערכו את הניסוי שלהלן בהדמיה: הם תלו על התיבה שתי משקולות זהות במסתן:
א. האם התיבה תנוע? הסבירו.
ב. איזה תרשים כוחות מתאר בצורה נכונה את הכוחות הפועלים על הגוף?
(בספר ארבעה תרשימים ומקרא - היעזר במורה)
מקרא
- הכוח שהמשקולות מפעילות על הגוף
- הכוח שכדור הארץ מפעיל על הגוף
- הכוח שהשולחן מפעיל על הגוף
- כוח החיכוך
*198*
שאלות:
(בספר שלושה תרשימים - היעזר במורה)
1. לפניכם תרשימים המתארים כוחות הפועלים על גופים שהיו במנוחה.
א. באיזה מן המצבים שלהלן פועלים על הגוף כוחות מאוזנים? מה יקרה לגוף במצב כזה?
ב. באיזה מן המצבים שלהלן הכוחות הפועלים על הגוף אינם מאוזנים? האם הגוף יתחיל לנוע כתוצאה מהפעלת הכוחות האלה? אם כן, לאיזה כיוון? נמקו את תשובתכם בנוגע לכל אחד מהמצבים.
2. לפניכם תיאור של שני מצבים.
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
א. אדם מושך בשק, והשק מתחיל לזוז.
1. סרטטו את תרשים הכוחות הפועל על השק.
2. האם הכוחות הפועלים על השק מאוזנים או אינם מאוזנים?
ב. מנוף שאליו מחובר מגנט ענק שמרים גרוטאת רכב. הגרוטאה נמצאת ללא תנועה.
1. סרטטו את תרשים הכוחות הפועלים על הגרוטאה.
2. האם הכוחות הפועלים על הגרוטאה מאוזנים או אינם מאוזנים?
3. הסבירו: מדוע המנורה אינה נופלת מן התקרה? היעזרו בתרשים כוחות מתאים.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
*199*
כוחות מסוגים שונים
כוח החיכוך
- מדוע כדור שמתגלגל נעצר לבסוף?
- מדוע כשדוחפים ארגז כבד המונח על הרצפה קשה להזיזו?
- מדוע כתם שמן על הכביש עלול לגרום למכוניות להחליק?
ההסבר לתופעות האלה נמצא בכוח החיכוך. כוח החיכוך פועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע ונעים זה לעומת זה או "מנסים" לנוע (נדחפים או נמשכים זה לעומת זה). כיוונו של כוח החיכוך הפועל על גוף מסוים מנוגד תמיד לכיוון התנועה של הגוף או לכיוון שבו הגוף "מנסה" לנוע.
(כוח החיכוך - כוח הפועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע ונעים זה לעומת זה או "מנסים" לנוע זה לעומת זה. כיוונו של הכוח מנוגד לכיוון התנועה של הגוף או לכיוון שאליו הגוף "מנסה" לנוע.)
(בספר איור - היעזר במורה)
הכיוון של כוח החיכוך מנוגד לכיוון התנועה.
כוח החיכוך הוא הסיבה לתחושה שלנו שהארגז שאנו דוחפים על הרצפה "מתנגד" לדחיפה, לתחושה שהמים "מתנגדים" לנו כשאנחנו שוחים, ולכך שכדור המתגלגל על משטח ייעצר לבסוף. בכל המקרים האלה, כוח החיכוך פועל בניגוד לכיוון התנועה ומפריע לה.
האם כוח החיכוך תמיד מפריע לתנועה? למעשה, לחיכוך יש חשיבות רבה בטכנולוגיה ובחיי היומיום, ובלעדיו לא היינו יכולים לבצע פעולות בסיסיות כמו הליכה או נסיעה במכונית. כיצד?
לדוגמה, כשאנחנו הולכים קדימה, כף הרגל שלנו מתחככת עם הקרקע ומפעילה עליה כוח חיכוך. כוח החיכוך דוחף את הקרקע לאחור. בתגובה, הקרקע מפעילה עלינו כוח חיכוך והכוח הזה דוחף אותנו קדימה. במקרה הזה כוח החיכוך בין הקרקע לבין כף הרגל הוא שמאפשר את התנועה קדימה. אם ננסה ללכת על רצפה חלקה המרוחה בשמן, נמצא שהדבר כמעט בלתי אפשרי - השמן מקטין את החיכוך של כף הרגל עם הרצפה ולכן קשה לנו לדחוף את הרצפה לאחור.
(בספר איור - היעזר במורה)
אנחנו מפעילים על הקרקע כוח אחורנית
והקרקע מפעילה עלינו כוח תגובה קדימה
*200*
רכיבה על אופניים היא דוגמה להשפעתם השונה של שני סוגי כוחות החיכוך על תנועתו של גוף - כוח החיכוך המאט את התנועה, וכוח החיכוך המאפשר את התנועה.
כוח החיכוך הפועל בין צמיגי האופניים לבין הקרקע מאפשר לאופניים לנוע - צמיגי האופניים נאחזים בקרקע ודוחפים אותה לאחור. הקרקע בתגובה מפעילה על האופניים כוח הדוחף אותם קדימה.
גם בין גוף האופניים והרוכבת לבין האוויר פועל כוח חיכוך. כוח החיכוך הזה פועל על האופניים בניגוד לכיוון הנסיעה ולכן מאט את תנועתם.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
- כוח החיכוך עם האוויר פועל בניגוד לכיוון הנסיעה
- הגלגל דוחף את הקרקע אחורנית
- כוח החיכוך עם הקרקע דוחף את האופניים קדימה
- כוח חיכוך פועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע ונעים זה לעומת זה או "מנסים" לנוע זה לעומת זה, לדוגמה: בין הרצפה לבין הארגז הנע לעומתה פועל כוח חיכוך. כיוונו של הכוח מנוגד לכיוון התנועה של הגוף או לכיוון שאליו הגוף "מנסה" לנוע.
- סוג נוסף של כוח חיכוך מאפשר תנועה, לדוגמה: חיכוך הרגל בקרקע בזמן הליכה או חיכוך צמיגי האופניים בכביש.
שאלות
1. שחיינים ושחייניות מקצועיים המשתתפים בתחרויות לובשים חליפות שחייה מיוחדות, המקטינות את החיכוך שלהם עם המים. לעומת זאת, אצנים ואצניות נועלים נעלי ספורט שהסוליות שלהן מגדילות את החיכוך עם המשטח. הסבירו מדוע.
2. אסטרונאוטית מבצעת תנועות של הליכה בחלל הריק. האם היא תנוע? הסבירו.
3. מדוע קשה יותר ללכת על קרח מאשר על אדמה?
מה משפיע על כוח החיכוך?
שני גורמים משפיעים על כוח החיכוך הפועל בין גופים:
- החומר שמשטחי הגופים עשויים ממנו - סוג החומר, אופן עיבודו והמרקם שלו משפיעים על גודל כוח החיכוך הפועל בין המשטחים.
- גודל הכוח הלוחץ על המשטחים זה לעומת זה - כאשר המשטחים נלחצים זה אל זה חזק יותר, כוחות החיכוך שהם מפעילים זה על זה חזקים יותר.
*201*
פעילות
התנסות
חיכוך ומרקם
בפעילות שלהלן תתכננו ניסוי הבודק את הקשר בין המרקם של המשטח לבין כוח החיכוך שנוצר בינו לבין גוף הנגרר עליו.
א. נסחו שאלת חקר מתאימה לניסוי.
ב. מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי שתתכננו?
ג. העלו השערה מה יקרה לכוח החיכוך במשטחים בעלי מרקמים שונים.
ד. תכננו כיצד לבדוק את ההשערה בניסוי באמצעות הציוד העומד לרשותכם (מד-כוח, גוף עם וו או ספל עם ידית, משטחים שונים - נייר זכוכית גס, נייר זכוכית עדין, משטח זכוכית).
ה. בצעו את הניסוי שתכננתם.
ו. הכינו טבלה מתאימה, תנו לה כותרת ורשמו בה את התוצאות.
ז. נסחו מסקנה לאור התוצאות שקיבלתם.
שאלות
1. באיזה מבין המשטחים נדרש להפעיל כוח בעוצמה הקטנה ביותר? באיזה מבין המשטחים נדרש להפעיל כוח בעוצמה הגדולה ביותר? הסבירו מדוע.
2. מה אפשר להסיק מתשובתכם לשאלה 1 על השפעת המרקם של המשטח על כוח החיכוך בינו לבין גוף המתחכך אתו?
3. במסגרת הפעילות ניסו תלמידים להזיז ספר כבד על משטח זכוכית, וקופסת גפרורים על נייר זכוכית גס. האם הם יוכלו להסיק מסקנות מתוצאות הניסוי שביצעו? הסבירו.
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
כיצד משפיע החומר שממנו עשוי המשטח על כוח החיכוך?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות. בחרו בהדמיה אדם דוחף גוף.
שנו את סוג החומר שממנו עשויה הקובייה ובדקו כמה כוח נחוץ לאדם כדי שהקובייה תתחיל לזוז. התבוננו בתרשים הכוחות ובדקו: כיצד משתנה כוח החיכוך כאשר מפעילים כוח על הקובייה העשויה מהחומרים השונים?
(בספר צילום מסך - היעזר במורה)
*202*
1. על פי תוצאות הניסוי שביצעתם בהדמיה, דרגו את החומרים עץ, קרח ושעווה לפי גודל הכוח שצריך להפעיל כדי שקובייה העשויה מהם תתחיל להחליק על המשטח. דרגו מהכוח הקטן ביותר (1) ועד לכוח הגדול ביותר (3).
2. מה אפשר להסיק מתשובתכם לשאלה 1 על כוח החיכוך הנוצר במשטחים העשויים מהחומרים האלה?
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
כיצד משפיע המשקל על כוח החיכוך?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות. בחרו בהדמיה כוחות ומשקולות.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
בהדמיה הזאת גוף (המורכב מתיבה וממשקולות) מונח על שולחן. אפשר לשנות את משקלו הכולל של הגוף אם מניחים משקולות על התיבה.
א. בחרו במצב של הצגת כוחות.
ב. תלו על אחד מצדי התיבה משקולת אחת כדי להפעיל על התיבה כוח, וצפו בתנועת התיבה ובכוחות הפועלים עליה.
ג. תלו על התיבה עוד משקולות בזו אחר זו.
ד. בדקו כיצד משפיעה הוספת המשקולות על התיבה על המשתנים שלהלן:
- הכוח שהתיבה מפעילה על השולחן
- כוח התגובה שהשולחן מפעיל על התיבה כלפי מעלה
- כוח החיכוך בין התיבה לבין השולחן
- מהירות התנועה של התיבה
*203*
שאלות
1. למה שווה הכוח שהתיבה מפעילה על השולחן?
א. למשקל התיבה
ב. למסת התיבה
ג. לסכום משקל התיבה ומשקל המשקולות שעליה
ד. לסכום המשקלים של כל המשקולות שעל התיבה
2. מה הקשר בין הכוח שהשולחן מפעיל כלפי מעלה על התיבה לבין הכוח שהתיבה מפעילה על השולחן?
3. מה המסקנה מתוצאות הניסוי שערכתם בהדמיה?
4. התיבה אינה נעה כאשר 3 משקולות מונחות עליה ומשקולת אחת תלויה בצדה.
א. הסבירו מדוע התיבה אינה נעה במצב הזה.
ב. כיצד תוכלו לגרום לתיבה לנוע במצב הזה? השתמשו במונחים "כוח החיכוך" ו"הכוח הדוחף את הגוף" או "הכוח המושך את הגוף".
- כוח החיכוך מושפע מסוג המשטח, מאופן עיבודו וממידת חספוסו.
במשטחים מחוספסים כוח החיכוך גדול יותר מאשר במשטחים חלקים.
כוח חשמלי
בין מטענים חשמליים פועלים כוחות משיכה או כוחות דחייה ללא צורך במגע ביניהם. מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה, ואילו מטענים חשמליים בעלי אותו סימן דוחים זה את זה. הכוחות האלה נקראים כוחות חשמליים (או כוחות אלקטרוסטטיים).
למדנו כי כוחות חשמליים פועלים בין החלקיקים הטעונים שבאטום - הפרוטונים והאלקטרונים. האטום עצמו הוא ניטרלי מבחינה חשמלית, מכיוון שמספר הפרוטונים בו שווה למספר האלקטרונים. באופן דומה, כל גוף שמספר האלקטרונים בו שווה למספר הפרוטונים יהיה ניטרלי. רוב הגופים בסביבה שלנו הם ניטרליים, אך יש גופים שהם טעונים. גוף טעון הוא גוף שיש בו חסר או עודף באלקטרונים בהשוואה למספר הפרוטונים. אם לגוף יש עודף באלקטרונים הוא טעון במטען חשמלי שלילי, ואם לגוף יש חסר באלקטרונים הוא טעון במטען חשמלי חיובי.
(בספר איור - היעזר במורה)
מטענים חשמליים בעלי אותו סימן דוחים זה את זה.
מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה.
- כוחות חשמליים של משיכה ושל דחייה פועלים בין גופים הטעונים במטען חשמלי.
- בגוף טעון במטען חשמלי שלילי יש עודף באלקטרונים. בגוף טעון במטען חשמלי חיובי יש חסר באלקטרונים.
*204*
שאלה
לפניכם 3 איורים סכמטיים המתארים את היחס בין מספר המטענים החיוביים למספר המטענים השליליים בגופים שונים.
א. קבעו עבור כל אחד מהאיורים אם הוא מתאר גוף ניטרלי, גוף טעון במטען חשמלי שלילי או גוף טעון במטען חשמלי חיובי. נמקו.
ב. בין אילו מן הגופים יפעלו כוחות משיכה או כוחות דחייה חשמליים? מדוע?
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
טעינה של גופים באמצעות חיכוך
אפשר לטעון גופים ניטרליים במטען חשמלי באמצעות חיכוכם זה בזה. לדוגמה, ראינו שכאשר מסרק ושער מתחככים זה בזה, הם נטענים במטענים חשמליים מנוגדים ונמשכים זה לזה. כיצד?
בעת החיכוך בין המסרק לשער עוברים אלקטרונים מן השער אל המסרק. כתוצאה מכך נוצר במסרק עודף של אלקטרונים והוא נטען במטען חשמלי שלילי, ואילו בשער נוצר מחסור באלקטרונים ולכן הוא נטען במטען חשמלי חיובי.
טעינה חשמלית של גופים
אפשר לטעון גופים ניטרליים במטען חשמלי גם באמצעות חיבורם למקור חשמלי חזק. כאשר הגוף מחובר להדק השלילי של המקור החשמלי החזק עוברים אליו אלקטרונים והוא נטען במטען חשמלי שלילי. כאשר הגוף מחובר להדק החיובי של המקור החשמלי החזק הוא מוסר אליו אלקטרונים ונטען במטען חשמלי חיובי. נבדוק זאת בפעילות שלהלן.
- כאשר גוף ניטרלי מוסר אלקטרונים או מקבל אלקטרונים הוא נטען במטען חשמלי.
*205*
פעילות
הדגמה
טעינה חשמלית של "עלי מתכת"
מטרת הפעילות: התנסות בטעינה חשמלית של גופים וזיהוי הכוחות החשמליים הפועלים ביניהם.
ציוד: מקור חשמלי חזק (ספק מתח גבוה), שני "עלי מתכת" (פסים דקים של רדיד אלומיניום).
אמצעי זהירות: במוליכים המחוברים למקור חשמלי חזק, זורם זרם בעוצמה מסוכנת לאדם. שימוש לא נכון במקור החשמלי עלול לגרום לנזק, ועל כן רק מורים רשאים להפעילו.
השערה: שערו מה יתרחש כאשר נחבר את שני "עלי המתכת" לאותו הדק של המקור החשמלי החזק (ההדק השלילי או ההדק החיובי), ומה יקרה כאשר נחבר את שני "עלי המתכת" להדקים מנוגדים.
מהלך ההתנסות:
עקבו אחר המתרחש בשלבים השונים של ההתנסות כאשר:
א. מחברים שני "עלי מתכת" להדק השלילי של המקור החשמלי.
ב. מפעילים את המקור החשמלי.
ג. מחברים את שני "עלי המתכת" להדק החיובי של המקור החשמלי.
ד. מפעילים את המקור החשמלי.
ה. מחברים את שני "עלי המתכת" להדקים שונים של המקור החשמלי.
ו. מפעילים את המקור החשמלי.
תוצאות:
א. מה התרחש כאשר "עלי המתכת" היו מחוברים להדקים של המקור החשמלי, לפני שהפעלנו אותו?
ב. מה התרחש כאשר הפעלנו את המקור החשמלי במצב שבו שני "עלי המתכת" היו מחוברים להדק השלילי?
ג. מה התרחש כאשר הפעלנו את המקור החשמלי במצב שבו שני "עלי המתכת" היו מחוברים להדק החיובי?
ד. מה התרחש כאשר הפעלנו את המקור החשמלי במצב שבו שני "עלי המתכת" היו מחוברים להדקים שונים?
סיכום ומסקנות:
1. באילו מצבים פעלו כוחות בין שני "עלי המתכת", ובאילו מצבים לא פעלו ביניהם כוחות? כיצד אתם יודעים זאת?
2. הסבירו את התוצאות שקיבלתם בסעיפים ב, ג ו-ד.
*206*
כוח מגנטי
הכוח המגנטי, בדומה לכוח החשמלי, פועל גם ממרחק, ללא צורך במגע בין הגופים. בהתנסות שלהלן נבדוק אילו כוחות פועלים בין שני מגנטים.
(כוח מגנטי - כוח של משיכה או של דחייה הפועל בין מגנטים, גם ממרחק. כוחות משיכה מגנטיים פועלים גם בין מגנטים למתכות מסוימות, כגון ברזל.)
פעילות
התנסות
כוחות הפועלים בין שני מגנטים
מטרת ההתנסות: בחינת כוחות הפועלים בין שני מגנטים.
ציוד: שני מגנטים זהים בצורת מוט.
מהלך ההתנסות:
א. הניחו שני מגנטים זה מול זה כמתואר בתמונה. אחזו בהם וקרבו אותם זה אל זה. שחררו את שני המגנטים בו זמנית. תארו מה התרחש.
ב. מצאו את המרחק הגדול ביותר שבו המגנטים התחילו לנוע.
ג. הפכו את אחד המגנטים. תארו מה התרחש.
סיכום ומסקנות:
1. העתיקו את המשפטים שלפניכם למחברת, ובחרו את התשובות הנכונות:
א. בין קטבים זהים פועלים כוחות משיכה/ כוחות דחייה.
ב. בין קטבים מנוגדים פועלים כוחות משיכה/ כוחות דחייה.
2. הכוח המגנטי פועל ממרחק, גם ללא מגע. כיצד תוצאות ההתנסות תומכות בטענה הזאת?
3. שערו: כיצד משפיע המרחק בין המגנטים על הכוחות שהם מפעילים זה על זה?
*207*
כוחות משיכה וכוחות דחייה מגנטיים
לכל מגנט יש שני קצוות המכונים קטבים: קוטב "צפוני" וקוטב "דרומי".
בין הקטבים השונים של שני המגנטים פועלים כוחות: בין קטבים זהים פועלים כוחות דחייה, ובין קטבים מנוגדים פועלים כוחות משיכה.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
קטבים מנוגדים מושכים זה את זה.
קטבים דומים דוחים זה את זה.
חומרים אחדים יכולים להימשך למגנט. החומרים האלה מכילים את היסודות ברזל, ניקל או קובלט.
- כוחות מגנטיים של משיכה ושל דחייה פועלים בין קטבים של מגנטים, גם ממרחק. כוחות משיכה מגנטיים פועלים גם בין מגנטים למתכות מסוימות, כגון ברזל.
הרחבה
רכבות ריחוף מגנטי
רכבת ריחוף מגנטי (Maglev) היא הרכבת המהירה בעולם. סוג הרכבות הזה יכול להגיע עד למהירות 530 קמ"ש. רכבת כזאת נעה ללא גלגלים ומרחפת מעל המסילות בלי לגעת בהן, ולכן מהירותה אינה מופחתת בגלל חיכוך עם המסילה. רכבות ריחוף מגנטי נעות באמצעות מגנטים ואלקטרומגנטים הנמצאים על המסילה ועל הרכבת עצמה. במהלך הנסיעה האלקטרומגנטים משנים את מצבם ודוחפים את הרכבת או מושכים אותה בהתאם לפעולות של נהג הרכבת.
(בספר תמונה)
רכבת ריחוף מגנטי
*208*
משקל
בחיי היומיום אנו משתמשים במילה "משקל" כדי לתאר כובד של גופים - אנו אומרים שהגוף "קל" או שהגוף "כבד".
בשפת המדע משקל הוא כוח הכבידה שמפעיל על הגוף כדור הארץ או גרם שמים אחר. גרמי שמים שונים מפעילים כוח כבידה שונה, ולכן בגרמי שמים שונים יהיה משקל אחר לאותו הגוף.
מדוע קשה להרים חפצים "כבדים" וקל להרים חפצים "קלים"? כאשר אנחנו מרימים גוף כלשהו כלפי מעלה אנחנו צריכים להתגבר על כוח הכבידה הפועל על הגוף כלפי מטה, כלומר: להפעיל עליו כוח השווה למשקלו לפחות. כוח הכבידה הפועל על גוף תלוי בכמות החומר - במסה שלו. לגוף "כבד" יש מסה גדולה יותר ולכן כוח הכבידה הפועל עליו גדול יותר, ואנו נצטרך להפעיל יותר כוח כדי להרים אותו כלפי מעלה.
(מסה - מבטאת את כמות החומר. נמדדת בקילוגרמים (ק"ג), בגרמים (ג') ועוד.)
- משקלו של גוף בגרם שמים כלשהו הוא כוח הכבידה שגרם השמים הזה מפעיל עליו.
- המשקל תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שהגוף נמצא בו.
שאלות
1. לפניכם שתי תמונות של מצבים מחיי היומיום.
(בספר שתי תמונות - היעזר במורה)
א. כיצד המצבים האלה ממחישים שמשקל הוא כוח?
ב. הביאו עוד דוגמה הממחישה כי משקל הוא כוח.
2. מרים משקולות דמיוני מרים בכדור הארץ ובכוכב הלכת צדק משקולות שמסתן 80 ק"ג. כוח הכבידה הפועל על משקולת של 1 ק"ג בכדור הארץ הוא 98 ניוטון, וכוח הכבידה הפועל על אותה משקולת בצדק הוא 231 ניוטון. היכן יהיה לו קשה יותר להרים את המשקולות? נמקו.
*209*
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
מסה ומשקל
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה.
היכנסו אל הנושא חומרים - תכונות ושימושים ובחרו בפעילות מסה ומשקל.
בפעילות הזאת תוכלו למדוד בגרמי שמים שונים את משקלם של גופים באמצעות מאזני קפיץ, ואת מסתם באמצעות מאזני כפות.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
ענו על השאלות שלהלן:
1. חקרו את הקשר בין מסה למשקל:
א. בחרו בלשונית כדור הארץ. מדדו על פני כדור הארץ את המסה ואת המשקל של החפצים הבאים: ספר, אבטיח וסוכרייה.
ב. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, ורכזו בה את תוצאות המדידות.
הגוף, מסה (גרם), משקל (ניוטון)
ספר, --, --
סוכרייה, --, --
אבטיח, --, --
2. חקרו את הקשר בין גודל כוח הכבידה לבין המשקל והמסה של גוף:
א. מדדו את משקלו ואת מסתו של הספר בגרמי שמים שונים.
ב. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, ורכזו בה את התוצאות.
הגוף, מסה (גרם), משקל (ניוטון), כוח הכבידה (ניוטון/ ק"ג)
כדור הארץ, --, --, --
מאדים, --, --, --
צדק, --, --, --
ירח, --, --, --
3. הסיקו מסקנות מן התוצאות:
חברו משפטים המבהירים את הקשר בין זוגות המושגים שלהלן:
א. מסה - משקל
ב. משקל - כוח כבידה
ג. מסה - כוח כבידה
*210*
הרחבה
כוח העילוי וחוק ארכימדס
מדוע כשאנו נמצאים במים אנחנו מרגישים שמשקלנו קטן יותר? הסיבה לכך היא כוח העילוי של המים, הפועל עלינו כלפי מעלה בניגוד לכיוון של כוח הכבידה.
כאשר גוף נמצא בתוך נוזל או בתוך גז הוא דוחה מפניו נפח של חומר השווה לנפחו. חוק ארכימדס קובע כי כוח העילוי פועל על כל גוף הנמצא בתוך נוזל או בתוך גז, וגודלו שווה למשקלו של החומר (נוזל או גז) שנדחה מפני הגוף. החוק הזה נקרא על שמו של הפילוסוף היווני ארכימדס, שחקר את תופעת הציפה והשקיעה של גופים במים.
(בספר איור - היעזר במורה)
כוח העילוי, (המשקל) כוח הכבידה
לדוגמה, מכניסים קוביית מתכת שנפחה 100 סמ"ק לכוס מים. משקלה של הקובייה באוויר הוא 10 N, אבל כאשר הקובייה נמצאת במים, מד הכוח מראה משקל של N 9 מדוע?
כאשר הקובייה נמצאת כולה במים, היא דוחה מפניה מים בנפח השווה לנפחה (100 סמ"ק) שמשקלם 1 N.
זהו גם כוח העילוי הפועל על הקובייה כלפי מעלה, ולכן מד הכוח יראה על משקל קטן יותר - 9 N.
(בספר איור - היעזר במורה)
הקובייה מחוץ למים
הקובייה נמצאת כולה בתוך המים
כוח העילוי מסביר גם את תופעת השקיעה והציפה של גופים, תופעה שעליה למדנו בשנים קודמות:
אם נשקיע במים גוף שצפיפותו גבוהה מצפיפות המים (לדוגמה, קוביית מתכת), משקלם של המים שנדחים מפניו יהיה קטן ממשקלו של הגוף, ולכן כוח העילוי הפועל על הגוף כלפי מעלה יהיה קטן מכוח הכבידה הפועל עליו כלפי מטה, והגוף ינוע כלפי מטה וישקע במים.
אם ננסה להשקיע במים גוף שצפיפותו נמוכה מצפיפות המים (לדוגמה, קוביית עץ או קלקר), משקלם של המים שנדחים מפניו יהיה גדול ממשקלו של הגוף, ולכן כוח העילוי הפועל על הגוף יהיה גדול ממשקלו של הגוף, והגוף ינוע כלפי מעלה ויצוף במים.
שאלות
1. גל בן ה-6 מצליח להרים בקלות את אחיו בן ה-16 כשהם במי הברכה. הסבירו כיצד.
2. משקיעים קוביית קרח שמשקלה N 1 במים ומרפים ממנה. מה אפשר לומר על כוח העילוי הפועל עליה כאשר מרפים ממנה? נמקו.
א. הוא גדול מ-N 1
ב. הוא שווה ל-N 1
ג. הוא קטן מ-N 1
*211*
בתנועה
ראינו כי כוחות יכולים להשפיע על תנועתו של גוף, הן על מהירות התנועה והן על כיוון התנועה.
מהי מהירות?
בחיי היומיום אנחנו מתארים לעתים קרובות גופים הנמצאים בתנועה כ"מהירים" או כ"אטיים". כך אנחנו למעשה מתארים את גודל המהירות שבה הגופים האלו נעים. הגופים המהירים הם, כמובן, בעלי המהירות הגדולה יותר, ואילו הגופים האטיים הם בעלי המהירות הקטנה יותר.
כיצד אפשר לקבוע מהירות של גוף?
נבדוק זאת בדוגמה הבאה: 3 נשים יוצאות לריצה משותפת. כמה דקות לאחר שהחלו לרוץ צולמה התמונה שלהלן:
(בספר תמונה - היעזר במורה)
מי מהן רצה במהירות הגדולה ביותר? מי מהן רצה במהירות הקטנה ביותר? על פי מה החלטתם זאת?
במקרה הזה המצלמה "הקפיאה" את התנועה של הרצות בנקודה כלשהי. עד לנקודה הזאת עברה כל אחת מהן דרך שונה: הרצה המהירה ביותר, מספר 3, עברה את הדרך הגדולה ביותר, ואילו הרצה האטית ביותר, מספר 1, עברה את הדרך הקטנה ביותר. כדי להחליט מי מהרצות מהירה יותר, בדקנו מה הדרך שעברה כל אחת מהן באותו הזמן. דרך אחרת להחליט על מהירותן של הרצות היא לחכות עד לסיום הריצה המשותפת ולבדוק כמה זמן לקח לכל אחת מהן לעבור את אותה הדרך.
*212*
בדוגמה הזאת ראינו כי מהירות של גוף נקבעת לפי הדרך שהגוף עובר ולפי הזמן שלוקח לו לעבור אותה. כדי לחשב מהירות של גוף שנע במהירות קבועה יש לחלק את הדרך שהגוף עבר בזמן שלקח לו לעבור אותה, כפי שמתואר בנוסחה שלהלן:
דרך לחלק לזמן שווה מהירות
יחידות המידה של מהירות
יחידות המידה של המהירות מתקבלות מתוך הנוסחה לחישוב המהירות:
יחידות המידה של הדרך לחלק ליחידות המידה של הזמן
- אם מדדנו את הדרך במטרים ואת הזמן שהגוף עבר אותה בשניות, יחידות המידה של המהירות יהיו מטר/ שנייה.
- אם מדדנו את הדרך בקילומטרים (ק"מ) ואת הזמן בשעות, יחידות המידה של המהירות יהיו ק"מ/ שעה, או בקיצור קמ''ש.
השימוש ביחידות מידה שונות נובע מן הצורך לבטא מהירות בצורה נוחה. לדוגמה, אם נרצה לבטא את מהירותו של לוויין ביחידות מידה של קילומטרים לשעה, נקבל מספר גדול מאוד - כ-30,000 קמ"ש. נוח יותר לבטא את מהירות הלוויין ביחידות מידה של קילומטרים לשנייה. במקרה הזה תהיה מהירותו כ-8 ק"מ/ שנייה.
שאלות
1. הרכבת המהירה "יורוסטאר" עוברת את הדרך מפריז ללונדון, מרחק של 730 ק"מ, בשעתיים ורבע. רכבת ה"מגלב" - רכבת מהירה הנוסעת באמצעות ריחוף מגנטי מעל הפסים - תוכל לעבור מרחק זהה בזמן של שעה וחצי. אם הרכבות נעות במהירות קבועה, מה המהירות של כל אחת מהן? ציינו את יחידות המידה המתאימות למהירות.
2. צבי מסוג תומסון, החי בסוואנה האפריקנית, יכול לעבור מרחק של 13 ק"מ ב-12 דקות. לביאה יכולה לרוץ במהירות של עד 80 קמ"ש. האם הלביאה יכולה להשיג את הצבי? פרטו את חישוביכם.
*213*
תיאור גרפי של התנועה
אפשר לתאר את התנועה של גוף באמצעות גרף דרך-זמן. ציר ה-Y של הגרף מציין את הדרך שהגוף עבר, וציר ה- X של הגרף מציין את הזמן שלקח לגוף לעבור את הדרך. נראה כיצד מתארים תנועה של גוף באמצעות גרף, לדוגמה: תנועה של מכונית, וכיצד אפשר ללמוד מן הגרף על מהירות הגוף.
(בספר שלושה גרפים - היעזר במורה)
גוף הנמצא במנוחה
בגרף הזה רואים כי כאשר הזמן חולף, הדרך שהמכונית עוברת אינה משתנה, כלומר - המכונית נמצאת במנוחה ואינה נעה. במקרה הזה מהירותה של המכונית שווה לאפס.
גוף הנע במהירות קבועה
בגרף הזה רואים כי הדרך שהמכונית עוברת גדלה באופן קבוע עם הזמן, כלומר - המכונית נעה במהירות קבועה. את מהירות המכונית אפשר לחשב באמצעות שיפוע הגרף.
גופים הנעים במהירויות שונות
מהירותה של המכונית הירוקה גדולה ממהירות המכונית האדומה. כיצד אפשר לראות זאת בגרף? גרף תלול יותר (בעל שיפוע גדול יותר) מתאר מצב שבו הגוף עובר דרך גדולה יותר באותו הזמן, כלומר מהירותו גדולה יותר.
*214*
ניתוח תנועה של גוף באמצעות גרף דרך-זמן
(בספר גרף - היעזר במורה)
הגרף שלפניכם מתאר תנועה של מכונית.
נוכל לראות שבשלבים שונים של הנסיעה שיפוע גרף שונה, ולהסיק שמהירותה של המכונית השתנתה במשך הזמן. באמצעות הגרף נוכל תאר את מהירותה של המכונית.
ב-20 הדקות הראשונות של הנסיעה המכונית נסעה במהירות קבועה. לאחר מכן היא עצרה משך 20 דקות, ואז המשיכה בנסיעתה במהירות קבועה, קטנה יותר מהמהירות שנסעה בה ב-20 דקות הראשונות של הנסיעה.
שאלות
1. לפניכם טבלה ובה נתונים על תנועתה של סירת מנוע הנעה במהירות קבועה.
זמן (דקות), דרך (ק"מ)
12, 30
20, 50
30, 75
36, 90
א. העתיקו את הנתונים לגיליון אלקטרוני והפיקו גרף דרך-זמן.
ב. מה מהירותה של הסירה? בטאו את המהירות ביחידות של קמ"ש. כדי לעשות זאת המירו קודם את יחידות הזמן מדקות לשעות (חלקו את מספר הדקות ב-60).
ג. אם הסירה תמשיך לנוע במהירות הקבועה, כמה ק"מ היא תעבור לאחר שעתיים מתחילת הנסיעה?
ד. אם הסירה תמשיך לנוע במהירות הקבועה, כמה זמן ייקח לה להגיע לאי המרוחק 225 ק"מ מהנקודה שבה התחילה את נסיעתה?
2. בגרפים שלפניכם מתוארת תנועתם של 3 שחיינים בתחרות שחייה למרחק של 100 מטרים.
(בספר גרף - היעזר במורה)
א. איזה שחיין ניצח בתחרות? נמקו.
ב. השחיינים סיימו את השחייה בזמנים של 45.5 שניות, 52.6 שניות ו-62.5 שניות. בהנחה שהשחיינים שחו במהירות קבועה, מה הייתה מהירותו של כל אחד מהם?
*215*
פעילות
משימה
יישומונים (אפליקציות) שונים לטלפונים ניידים מאפשרים לרצים ולרוכבי אופניים לעקוב אחר מסלולם ואחר הזמן שבו הם רצים או רוכבים.
לפניכם מפת מסלול של רוכב אופניים וגרף המתאר את הדרך שעבר.
נקודות שונות במסלולו של הרוכב מסומנות על גבי המפה ועל גבי הגרף. תארו במילים את תנועת הרוכב בקטעים השונים במסלול. מתי הייתה מהירותו של הרוכב הגדולה ביותר?
(בספר גרף ומפה - היעזר במורה)
פעילות
אל הרשת
הילקוט הדיגיטלי
www.ebaghigh.cet.ac.il
זמן, דרך, מהירות
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות, בחרו בפעילות זמן, דרך, מהירות ובצעו את המשימות השונות שבפעילות.
(בספר צילום מסך מחשב - היעזר במורה)
*216*
כיצד מחשבים את הדרך שעובר גוף הנע במהירות קבועה?
נבדוק זאת בדוגמה הבאה: שחיינית שוחה במהירות קבועה. מהירותה של השחיינית היא 2 מטר/ שנייה. מה תהיה הדרך שתעבור השחיינית בשנייה אחת? ב-3 שניות? ב-6 שניות?
הדרך שעובר גוף הנע במהירות קבועה נתונה בנוסחה:
זמן כפול דרך שווה מהירות
לדוגמה, כדי לחשב את הדרך שתעבור מכונית הנוסעת במהירות של 50 קמ"ש במשך 3 שעות נכפיל את מהירותה של המכונית בזמן הנסיעה:
3 שעות כפול 50 ק"מ/ שעה שווה 150 ק"מ
חשוב להקפיד שיחידות המידה של המהירות ושל הזמן יתאימו זו לזו: אם הערך של המהירות נתון במטרים לשנייה, יש להכפיל אותו בשניות. אם הערך של המהירות נתון ביחידות של ק"מ/ שעה יש להכפיל אותו בשעות וכן הלאה.
חישובי זמן התנועה של גוף הנע במהירות קבועה
באופן דומה נשתמש בנוסחה כדי לחשב את זמן התנועה, אם ידועה לנו מהירות התנועה והדרך:
דרך לחלק למהירות שווה זמן
שאלות
1. נורית יוצאת על אופניה לכיוון תחנת הרכבת, במרחק נסיעה של שני ק"מ מביתה. היא רוכבת במהירות קבועה של 18 קמ"ש.
א. האם תספיק להגיע לרכבת היוצאת מן התחנה 6 דקות לאחר מכן? פרטו את חישוביכם.
ב. באיזו מהירות, לכל הפחות, עליה לנסוע כדי להגיע לתחנה בזמן? פרטו את חישוביכם.
*217*
2. לפניכם 3 שעוני מהירות של מכוניות שונות, המציינים את מהירות המכונית בקמ"ש. בהנחה שהמכוניות נוסעות במהירות קבועה, כמה זמן ייקח לכל מכונית לעבור מרחק של 100 ק"מ?
(בספר שלושה שעונים - היעזר במורה)
א ב ג
3. מהירות האור היא כ-300,000 ק"מ/שנייה. המרחק של השמש מכדור הארץ הוא כ-150,000,000 ק"מ. כמה זמן לוקח לקרן אור הנפלטת מהשמש להגיע לכדור הארץ? בטאו את התוצאה שקיבלתם גם ביחידות של שניות וגם ביחידות של דקות.
מהירות משתנה
עד כה דנו בגופים הנעים במהירות קבועה. במציאות היומיומית מהירותם של גופים בדרך כלל משתנה עם הזמן.
- כאשר מהירותו של הגוף עולה עם הזמן, אנו אומרים שהגוף מאיץ או נע בתאוצה.
(תאוצה - מצב שבו מהירותו של גוף עולה.)
- כאשר מהירותו של הגוף יורדת עם הזמן, אנו אומרים שהגוף מאט או נע בתאוטה.
(תאוטה - מצב שבו מהירותו של גוף יורדת.)
לדוגמה, מכונית עומדת ברמזור אדום. מהירות המכונית שווה לאפס.
כאשר האור ברמזור מתחלף לירוק, המכונית מתחילה לנסוע ומגבירה בהדרגה את מהירותה - היא מאיצה. בהמשך הנסיעה מהירות המכונית משתנה בהתאם לתוואי הדרך: לפעמים היא מאיצה, לפעמים היא מאטה, ולפעמים היא נוסעת במהירות קבועה. בסיום הנסיעה המכונית מאטה בהדרגה עד לעצירה מוחלטת.
כדי שגוף ישנה את מהירותו צריך שכוח יפעל עליו. לדוגמה, כאשר זורקים כדור מפעילים עליו כוח, ואז הוא מאיץ ממהירות אפס למהירות גבוהה יותר. בפעילות שלהלן נעקוב אחר שינוי מהירות של כדור ונבין איזה כוח גרם לכך.
*218*
פעילות
תצפית
מהירות של כדור
מחזיקים כדור ביד ושומטים אותו מן היד. מה קורה למהירות הכדור כשהוא נופל?
כדי לעקוב אחר הדרך שהכדור עובר מזמן תחילת נפילתו, ניעזר בסדרה של 11 צילומים המתארת את מיקומו של הכדור בפרקי זמן שווים מהרגע שהיד עזבה אותו. הצילומים האלה נעשו באמצעות מבזק (פלאש) מחזורי, הפולט הבזק אור בפרקי זמן קבועים וקצרים מאוד, כ-20 פעמים בשנייה. בכל פעם שהמבזק מאיר על הכדור - מתקבלת תמונה.
התבוננו בצילומים. המספרים מציינים את הדרך בס"מ שהכדור עובר בזמן הנפילה מטה.
(בספר צילומים - היעזר במורה)
כדור נופל למטה
העתיקו את הטבלה למחברתכם וסכמו בה את תוצאות התצפית.
מספר המדידה, מרחק הכדור מנקודת ההתחלה (ס"מ), הדרך שהכדור עשה מהמדידה הקודמת
1, 0, ריק
2, --, --
3, --, --
וכן הלאה, --, --
סיכום ומסקנות:
1. מה קרה למהירות הכדור עם הזמן? כיצד אתם יודעים זאת?
2. העתיקו את המשפט שלפניכם אל המחברת והשלימו אותו לפי
האפשרויות שלהלן: הכדור נע כלפי מטה ב --.
תאוצה/ תאוטה/ מהירות קבועה
3. איזה כוח הפועל על הכדור עשוי להסביר את התוצאות?
4. סדרת צילומים דומה מתארת את הדרך שעשה כדור הנזרק כלפי מעלה, בפרקי זמן קצובים.
א. מה קרה למהירות של הכדור בתנועתו כלפי מעלה? כיצד אתם יודעים זאת?
ב. העתיקו את המשפט שלפניכם אל המחברת והשלימו אותו לפי האפשרויות שלהלן: הכדור נע כלפי מעלה ב --.
תאוצה/ תאוטה/ מהירות קבועה
ג. איזה כוח הפועל על הכדור עשוי להסביר את התוצאות? הסבירו.
(בספר תמונה)
כדור נזרק כלפי מעלה.
*219*
פעילות
התנסות
מהירות משתנה של אופניים
מטרת הפעילות: חישוב מהירות של אופניים בלי דיווש, מתוך מדידות דרך וזמן.
ציוד: 10 שעוני עצר ממוספרים מ-1 עד 10, אופניים, סרט מידה ארוך (עדיף מהסוג המשמש למדידות מרחקים בשיעורי חינוך גופני), מצלמת וידאו(רשות).
מהלך הפעילות:
א. הפעילות תתבצע בחוץ, במגרש ספורט או בשטח ציבורי אחר שבו יש מספיק מרחב לנסיעה על אופניים ומשטח חלק המתאים לנסיעה (לא חול).
ב. סמנו מסלול על הקרקע באמצעות גיר או באמצעי סימון אחר. סמנו על המסלול נקודת זינוק. במרחק של כ-20 מטרים מנקודת הזינוק סמנו עוד קו, ואחריו עוד 10 קווים במרחקים שווים של 5 מטרים זה מזה. היעזרו באיור.
(בספר איור - היעזר במורה)
ג. ליד כל קו יעמוד מוכן לפעולה אחד התלמידים, ויחזיק את שעון העצר המתאים (ליד הקו הראשון שעון עצר מספר 1, ליד הקו השני שעון עצר מספר 2, וכן הלאה).
ד. התלמיד הרוכב על האופניים יחכה על אופניו בנקודת הזינוק, כאשר הגלגל הקדמי של האופניים נמצא על קו הזינוק.
ה. בהינתן סימן יתחיל התלמיד לנסוע, ובו זמנית יפעילו כל התלמידים את שעוני העצר שבידיהם.
ו. בנקודה מספר 1 ירפה התלמיד מדוושות האופניים, כך שהאופניים ימשיכו לנסוע בלי שיפעיל עליהם כוח.
ז. כל אחד מן התלמידים יעצור את שעון העצר שבידו ברגע שהגלגל הקדמי של האופניים יחצה את הקו שלידו הוא עומד.
*220*
תוצאות:
א. העתיקו את הטבלה שלהלן למחברתכם, וסכמו בה את תוצאות המדידות. חשבו את מהירות האופניים לפי הנתונים, והשלימו את תוצאות החישוב בעמודת המהירות.
מדידה מספר, המרחק שעברו האופניים מנקודת ההתחלה (מטרים), זמן מתחילת הנסיעה (שניות), מהירות האופניים (מטר/ שנייה)
1, 20 (נסיעה בדיווש), --, --
2, 25, --, --
3, 30, --, --
4, 35, --, --
וכן הלאה, --, --, --
ב. העתיקו את הנתונים לגיליון אלקטרוני.
ג. צרו בגיליון האלקטרוני שני גרפים - גרף אחד יתאר את הדרך שעברו האופניים עם הזמן, והגרף האחר יתאר את השינוי במהירות האופניים עם הזמן.
סיכום ומסקנות:
1. מה קרה למהירות של האופניים מהרגע שהתלמיד הרפה מהדוושות?
2. איזה כוח שפעל על האופניים יכול להסביר את התוצאות?
3. שערו: מה היה קורה למהירות האופניים אילו הרוכב היה מרפה מהדוושות בתחילתו של מדרון, ואילו היה מרפה בתחילתה של עלייה? אילו כוחות היו מסבירים את התוצאות במקרים האלה?
- מהירות של גוף נקבעת באמצעות הדרך שהגוף עובר והזמן שלוקח לו לעבור אותה.
- כאשר מהירותו של הגוף עולה עם הזמן, הגוף נע בתאוצה.
- כאשר מהירותו של הגוף יורדת עם הזמן, הגוף נע בתאוטה.
*221*
הידעת?
כיצד פועל אקדח לייזר?
אקדח לייזר הוא מכשיר המודד את מהירות הנסיעה של מכוניות בכביש, ומשתמשים בו שוטרי תנועה. הפעולה של המכשיר הזה מבוססת על שיגור של קרני לייזר לעבר הרכב בהפרשי זמן קצרים וקבועים מראש. המכשיר בודק את המרחק שעברה המכונית בזמנים האלה וכך מחשב את מהירות הנסיעה. אם המכשיר מראה שמהירות נסיעת הרכב גבוהה מהקבוע בחוק, הנהג יקבל דוח על מהירות מופרזת.
(בספר תמונה)
אקדח לייזר
הידעת?
תכנית אפולו ומדידת המרחק לירח
האסטרונאוטים שיצאו בחלליות לירח במסגרת תכנית אפולו עסקו במשימות רבות. אחת המשימות המדעיות שלהם הייתה להניח על פני הירח מראות מיוחדות כדי לסייע במדידת המרחק בין כדור הארץ לירח. קרני לייזר ששוגרו מכדור הארץ לעבר הירח פגעו במראות שהאסטרונאוטים הניחו, והוחזרו מהן. המדענים מדדו את משך הזמן שלקח לקרניים להגיע אל הירח ובחזרה ממנו, וכך חישבו את המרחק בין כדור הארץ לירח.
(בספר תמונה)
קרן לייזר המשוגרת מכדור הארץ לעבר הירח.
*222*
מכונות פשוטות
מרבית הפעולות שאנו עושים בחיי היומיום דורשות מאתנו להפעיל כוח, לפעמים אפילו כוח רב. אנחנו הולכים, עולים במדרגות, סוחבים תיקים, מרימים חפצים, פותחים קופסאות, דוחפים עגלות ועוד. האדם פיתח מכונות שמקלות עליו בחיי היומיום ומאפשרות לו להפעיל כוח למרחק גדול או להשקיע פחות כוח בעבודות הדורשות מאמץ גופני, כגון הרמת חפצים כבדים או עלייה לגובה.
התבוננו בתמונות שלפניכם:
באילו מבין התמונות מופיעות מכונות? אילו פעולות מבצעות המכונות האלו?
(בספר ארבע תמונות)
1. לשונית פתיחה לפחית
2. מפצח אגוזים
3. כבש
4. מסחטת מיץ
מרבית האנשים חושבים על מכונה כעל דבר מסובך המורכב מרכיבים רבים, אבל מכונה יכולה להיות דבר פשוט כמו מסחטת מיץ, לשונית פתיחה לפחית שתייה, מפצח אגוזים או כבש (מישור משופע) המשמש להעלאה של משאות כבדים.
לדוגמה, כדי לפצח את קליפת האגוז הקשה צריך להפעיל כוח רב, ומפצח האגוזים מאפשר להפעיל פחות כוח כדי לעשות את אותה הפעולה; כדי להעמיס משאות כבדים על משאית צריך להפעיל כוח רב, והכבש מאפשר להפעיל פחות כוח כדי להרים את המשאות.
מפצח האגוזים והכבש הם דוגמאות למכונות פשוטות: מפצח האגוזים הוא דוגמה למנוף והכבש הוא דוגמה למישור משופע.
(מישור משופע - משטח בעל שיפוע)
נבדוק כיצד פועלים מישורים משופעים ומנופים, נכיר עוד דוגמאות למכונות כאלה ונלמד כיצד המכונות האלה מאפשרות לנו להשקיע פחות כוח בפעולות שונות.
מישור משופע
אם נתבונן סביבנו נראה מישורים משופעים במקומות רבים: כבישים המתפתלים בשיפוע ההר מקלים את העלייה לגובה, כבשים המיועדים לנכים בכיסאות גלגלים או לנושאי עגלות, וגם גרמי מדרגות.
כיצד פועל המישור המשופע וכיצד הוא מאפשר להשקיע פחות כוח?
נבדוק זאת בניסוי שלהלן.
*223*
פעילות
התנסות
מישור משופע
מטרת הניסוי: בדיקת גודל הכוח במישור משופע.
ציוד: מד-כוח, סרגל (או קרש מעץ) באורך 50 ס"מ, סרגל (או קרש מעץ) באורך 30 ס"מ, עגלה קטנה (או חפץ בעל מתלה), ספרים.
מהלך הניסוי:
(בספר איור - היעזר במורה)
א. הכינו ערמה של ספרים בגובה 20 ס"מ.
ב. הרימו את העגלה במאונך לגובה 20 ס"מ באמצעות מד-כוח, ורשמו את התוצאה שמד הכוח מורה.
ג. הניחו את הסרגל שאורכו 50 ס"מ על ערמת הספרים, כך שייווצר מישור משופע.
הניחו את העגלה בקצה התחתון של הסרגל (המישור המשופע) ומשכו אותה באמצעות מד הכוח במעלה המישור בכוח מתגבר, עד שהיא תתחיל לנוע. זהו הכוח הקטן ביותר (הכוח המינימלי) שצריך להפעיל כדי שהעגלה תתחיל לנוע. רשמו את התוצאה שמד הכוח מורה.
ד. הכינו באופן דומה מישור משופע שאורכו 30 ס"מ, וחזרו על הפעולה שעשיתם בסעיף הקודם. רשמו את התוצאה שמד הכוח מורה.
תוצאות:
העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, ורשמו בה את תוצאות הניסוי.
מדידה, הגובה (ס"מ), אורך המישור המשופע (ס"מ), דירוג השיפוע (א-ללא שיפוע, ב-מתון, ג-תלול), הכוח שנמדד במד הכוח (ניוטון)
1, 20, 0, א, --
2, --, --, --, --
3, --, --, --, --
סיכום ומסקנות:
1. באיזה מבין שני המישורים המשופעים שהשתמשתם בהם היה השיפוע מתון יותר?
2. באיזו מן המדידות שערכתם נדרש הכוח הגדול ביותר, ובאיזו נדרש הכוח הקטן ביותר כדי להרים את העגלה לגובה 20 ס"מ?
3. העתיקו את המשפט שלהלן למחברתכם ובחרו את המילה המתאימה כדי להשלים אותו בצורה נכונה.
כאשר הגובה קבוע, ככל שהשיפוע של המישור מתון / תלול יותר, כך צריך להפעיל כוח קטן יותר כדי להרים את אותו הגוף.
*224*
4. איזה מבין הסרטוטים שלפניכם מתאר את הצירים הנכונים לגרף המתאר את תוצאות הניסוי?
נמקו את בחירתכם.
(בספר ארבעה איורים - היעזר במורה)
5. עגלה הורמה לגובה זהה בשתי דרכים שונות: במאונך, ובגרירה על מישור משופע.
א. השוו את האנרגיה של העגלה כאשר היא בשיא הגובה בשני המקרים. האם היא שווה או שונה? נמקו.
ב. שימוש במישור משופע מאפשר לנו "להרוויח" כוח, כלומר להפעיל פחות כוח בעבודה שבלי המישור המשופע היינו נדרשים להפעיל בה כוח גדול יותר. האם אפשר באופן דומה גם "להרוויח" אנרגיה? נמקו.
כיצד פועלים מישורים משופעים?
כדי להעלות גוף לגובה מסוים צריך להפעיל כוח. במישורים משופעים מפעילים את הכוח על פני דרך ארוכה יותר מאשר בהעלאת הגוף במאונך, ולכן במישור משופע נדרש פחות כוח כדי להעלות את הגוף לאותו הגובה.
גודל הכוח שצריך להפעיל תלוי בגובה שאליו יש להרים את הגוף ובאורך המדרון של המישור המשופע. ככל שהמישור המשופע ארוך יותר - הוא מתון יותר, וצריך להפעיל כוח קטן יותר כדי להניע בו את אותו הגוף. ה"מחיר" שמשלמים הוא באורך הדרך: אמנם הכוח שמפעילים קטן יותר, אך יש להפעיל את הכוח לאורך דרך ארוכה יותר.
כבישים מפותלים הנסללים במעלה הרים ממחישים זאת:
הכביש המפותל והארוך הוא למעשה מישור משופע, המקל על הרמת הגוף (המכונית, במקרה הזה) לגובה רב. ככל שהכביש מפותל וארוך יותר, כך שיפועו קטן יותר, ויידרש פחות כוח למכונית כדי לעלות בהר.
- מישורים משופעים מאפשרים להפעיל פחות כוח כדי להרים גוף לגובה מסוים. גודל הכוח שיש להפעיל תלוי בשיפוע המישור.
(בספר תמונה)
כביש מפותל בהר
*225*
פעילות
ניתוח ניסוי
הרמת עגלה במישור משופע
תלמידים בכיתה ח למדו על נושא מישור משופע, וביצעו את הניסוי שלהלן: הם הרימו עגלה במישורים משופעים שונים ומדדו את הכוח המינימלי הדרוש להרמת העגלה.
הניסוי שביצעו התלמידים מתואר באיורים שלפניכם:
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
1. מה היו הגורמים הקבועים בניסוי שביצעו התלמידים?
2. מה היה הגורם המשפיע בניסוי?
3. מה היה הגורם המושפע בניסוי?
4. נסחו את שאלת החקר של הניסוי.
5. תוצאות הניסוי מסוכמות בטבלה שלהלן:
הגובה של המישור המשופע (ס"מ), הכוח הדרוש להרמת העגלה
10, 10
20, 21
30, 37
איתי טען שמתוצאות הניסוי אפשר להסיק שככל שמגדילים את גובה המישור המשופע, בלי לשנות את אורכו, הוא נעשה תלול יותר. אורי אמרה שהטענה של איתי נכונה, אבל זו אינה מסקנת הניסוי. האם אורי צודקת? נמקו.
6. נסחו מסקנה מן הניסוי.
*226*
מנוף
בדרך כלל המילה "מנוף" משמשת אותנו לתיאור מכונה גדולה שמרימה משאות כבדים, אבל מנופים יכולים להיות גם מכשירים קטנים ופשוטים שאנחנו משתמשים בהם בחיי היומיום. פינצטה, כותש שום, חכה, מספריים ומפצח אגוזים - גם הם מנופים. באמצעות המנוף אנחנו יכולים להגביר את הכוח, כלומר להתגבר בכוח קטן על כוחות גדולים יותר, לשנות את כיוון הכוח, או להפעיל כוח למרחק גדול. כיצד?
המנוף הפשוט ביותר הוא מוט או משטח קשיח המונח על נקודת משען (או ציר) ויכול לנוע סביבה. למנוף יש שתי זרועות: זרוע המשא וזרוע הכוח. הכוח שמפעילים על זרוע הכוח נקרא הכוח המופעל. הכוח הזה גורם לזרוע המשא להפעיל כוח שנקרא הכוח הפועל ולבצע עבודות שונות, כגון להרים משאות, לפצח אגוזים, לגזור נייר, ועוד.
(בספר איור - היעזר במורה)
כיצד פועל המנוף?
בהתנסות שלהלן נבדוק זאת.
*227*
פעילות
התנסות
בונים מנוף פשוט
מטרת ההתנסות: הבנת עקרון הפעולה של מנוף.
ציוד: סרגל קשיח, ספר (או תיבה), עט (או תיבה קטנה).
מהלך ההתנסות: הניסוי יתבצע על שולחן.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
א. הניחו עט על השולחן. על העט הניחו סרגל, בצורה שבה שהעט יהיה בערך במרכז הסרגל. כעת הניחו ספר על קצה אחד של הסרגל.
ב. הפעילו כוח על הקצה האחר של הסרגל (לחצו עליו). האם הספר התרומם?
ג. כעת הזיזו את העט, כדי שיהיה סמוך יותר אל הספר. לחצו שוב על קצה הסרגל בכוח דומה. האם הספר התרומם?
ד. הרחיקו את העט מן הספר, כדי שיהיה סמוך יותר אל קצה הסרגל החופשי. לחצו שוב על קצה הסרגל בכוח דומה. האם הספר מתרומם?
תוצאות:
באיזה מן המקרים הספר התרומם במאמץ הקטן ביותר?
סיכום ומסקנות:
1. הסרטוט שלהלן מתאר באופן סכמטי את המנוף הפשוט שהכנתם. העתיקו אותו למחברתכם וסמנו בו את המרכיבים הבאים: זרוע הכוח, זרוע המשא, נקודת המשען. סמנו בחצים גם את הכוחות - הכוח המופעל (הכוח שאתם הפעלתם) הכוח הפועל (הכוח הפועל על הספר). שימו לב לכיוון החצים.
(בספר איור - היעזר במורה)
2. באיזה מהמצבים שלהלן היה לכם קל יותר להרים את הספר?
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
3. נסחו מסקנה בנוגע לקשר שבין המרחק של נקודת המשען מהספר לבין הכוח שצריך להפעיל כדי להרים אותו.
*228*
פעילות
ניסוי
מרימים משא
מטרת הניסוי: חקירה של הכוח הנדרש להרמת משא בתנאים שונים.
ציוד: סרגל עם חריצים או מוט מחורר לאורכו, משקולות, כן.
מהלך הניסוי:
א. בנו מנוף - הרכיבו את המערכת על פי התמונה.
ב. הזרוע השמאלית של המוט תהיה זרוע המשא של המנוף. הזרוע הימנית של המוט תהיה זרוע הכוח.
ג. תלו משקולת של שני ניוטון על קצה זרוע המשא (הזרוע השמאלית של המוט). מדדו את המרחק מן המקום שבו המשקולת תלויה ועד לנקודת המשען. זהו אורך זרוע המשא. מהו אורכה?
ד. עליכם לאזן את המוט באמצעות תליית משקולות בצד ימין של המוט. משקל המשקולות הוא הכוח המופעל על זרוע הכוח. רשמו מהו הכוח המופעל כאשר המוט נמצא במצב מאוזן. מדדו ורשמו גם את אורך זרוע הכוח - את המרחק של הכוח המופעל מנקודת המשען.
ה. מהו הכוח הפועל על המשא (המשקולת התלויה על זרוע המשא)?
ו. חזרו על הפעולה הזאת כאשר אתם משנים את אורך זרוע הכוח בלבד - תלו משקולות על הזרוע הימנית של המנוף במרחקים שונים מנקודת המשען עד שהמנוף יתאזן. רשמו בכל מדידה את הכוח המופעל ואת אורך זרוע הכוח.
תוצאות:
א. העתיקו את הטבלה שלהלן למחברתכם ורשמו בשני הטורים הימניים את אורך זרוע הכוח ואת הכוח המופעל בכל אחת מן המדידות.
אורך זרוע הכוח (המרחק של המשקולות מנקודת המשען), ס"מ, הכוח המופעל (משקל המשקולות על זרוע הכוח), ניוטון, מכפלת הכוח המופעל באורך זרוע הכוח (ניוטון כפול ס"מ)
--, --, --
--, --, --
ב. חשבו בכל אחד מהמקרים את מכפלת הכוח המופעל באורך זרוע הכוח ורשמו את התוצאות בטור ה-3.
ג. חשבו גם את המכפלה של הכוח הפועל באורך זרוע המשא (המרחק של המשקולת מנקודת המשען).
מסקנות:
1. הסיקו מסקנה מן התוצאות שקיבלתם בסעיף א: מה הקשר בין אורך זרוע הכוח לבין הכוח שצריך להפעיל כדי לאזן את המוט? הביאו לדוגמה שני זוגות נתונים שעליהם המסקנה שלכם מתבססת.
2. השוו בין התוצאות שהתקבלו בסעיף ג לבין התוצאות שקיבלתם בסעיף ב. מה אפשר להסיק מכך?
*229*
חוק המנוף
בניסוי הקודם מצאנו כי במנוף מאוזן מכפלת הכוח המופעל באורך זרוע הכוח שווה למכפלת אורך זרוע המשא בכוח הפועל. אפשר לרשום זאת בנוסחה שלהלן:
הכוח המופעל כפול אורך זרוע הכוח שווה הכוח הפועל כפול אורך זרוע המשא
המסקנה הזאת נקראת חוק המנוף והיא נכונה לכל מקרה שבו משתמשים במנוף.
לפי חוק המנוף אפשר להסיק כי ככל שזרוע הכוח ארוכה יותר ביחס לזרוע המשא, צריך להפעיל כוח קטן יותר על הזרוע כדי לקבל כוח גדול יותר הפועל על המשא. כלומר: זרוע כוח שארוכה מזרוע המשא מאפשרת את הגברת הכוח באמצעות המנוף.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
כאשר זרוע הכוח ארוכה מזרוע המשא, המנוף מגביר את הכוח.
במקרה ההפוך, כאשר זרוע הכוח קצרה יחסית לזרוע המשא, צריך להפעיל כוח גדול יותר על הזרוע כדי לקבל כוח קטן יותר הפועל על המשא. היתרון במנופים מהסוג הזה הוא שהם מאפשרים להפעיל את הכוח לאורך דרך ארוכה יותר.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
כאשר זרוע הכוח קצרה מזרוע המשא, המנוף מגדיל את הדרך שעובר המשא.
כאשר זרוע הכוח שווה לזרוע המשא, והכוח הפועל שווה לכוח המופעל, המנוף נמצא בשיווי משקל - שתי הזרועות מאוזנות.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
זרוע הכוח שווה לזרוע המשא, והכוח הפועל שווה לכוח המופעל.
בשקילה במאזניים משתמשים בעיקרון הזה כדי להשוות בין מסות שונות: שתי זרועות המאזניים שוות באורכן. על כף אחת של המאזניים מניחים את הגוף שאת מסתו רוצים לשקול, ועל הכף האחרת מניחים משקולות שונות שמסתן ידועה. המאזניים מאוזנים כאשר המסות בשני הצדדים שוות, כלומר: הכוח שמפעילות המשקולות כלפי מטה (משקלן) שווה.
*230*
דיון
ארכימדס, מדען יווני שחי לפני כ-2,300 שנים, טען: "תנו לי נקודת משען ואניף את העולם". האם ארכימדס צדק? האם באופן עקרוני אפשר להניף גוף שמסתו עצומה כמו כדור הארץ? אם כן, מה תוכלו לומר על המנוף שיניף אותו?
- מנוף הוא מכונה המאפשרת להגביר את הכוח (כלומר להתגבר בכוח קטן על כוחות גדולים יותר), לשנות את כיוון הכוח, או להפעיל כוח למרחק גדול.
- מנוף מורכב מזרוע כוח שעליה המשתמש מפעיל את כוחו, מנקודת משען, ומזרוע משא שעליה פועל הכוח.
- ככל שזרוע הכוח ארוכה מזרוע המשא, כך המנוף מגביר יותר את הכוח, כלומר: הכוח הפועל גדול מהכוח המופעל.
שאלות
1. יואב ואחותו הקטנה תמר יושבים על נדנדה. כיצד אפשר לתכנן את הנדנדה כך שתמר הקטנה תוכל להניף את יואב למעלה, אף שמשקלו גדול בהרבה ממשקלה?
2. בתמונות שמימין מוצגות שתי מזמרות שונות המשמשות לגיזום צמחייה.
א. השוו בין מבנה המזמרות. השתמשו במונחים זרוע הכוח וזרוע המשא.
ב. איזו מזמרה תתאים יותר לפעולה הדורשת כוח רב של גיזום ענפי עצים קשים? הסבירו מדוע.
(בספר שתי תמונות - היעזר במורה)
3. אביב הניחה בצד השמאלי של מוט המונח על נקודת משען, במרחק 20 ס"מ מנקודת המשען, גוף שמשקלו 20 ניוטון. כדי לאזן את המוט היא תלתה במרחק 40 ס"מ מימין לנקודת המשען עוד משקולת. מה משקלה של המשקולת הזאת? פרטו את חישוביכם.
4. אור מתכנן מנוף שיוכל להרים משא שמשקלו 100 ניוטון. איזה כוח יצטרך אור להפעיל בכל אחד מהמנופים המתוארים באיורים שלהלן כדי להרים את המשא? פרטו את חישוביכם.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
5. התבוננו בתמונה שמימין והסבירו כיצד ייתכן שהמערכת נמצאת בשיווי משקל. השתמשו במושגים זרוע הכוח וזרוע המשא.
*231*
סוגי מנופים
קיימים סוגים שונים של מנופים, הנבדלים זה מזה במיקום נקודת המשען ביחס למיקום הכוח המופעל והכוח הפועל.
מנוף מסוג ראשון
במנוף הזה, שהכרנו בהתנסויות הקודמות, נקודת המשען נמצאת בין הכוח המופעל לבין הכוח הפועל. המנופים האלה משנים את כיוון הכוח, ויכולים להגדיל את הכוח או את המרחק שלאורכו הוא פועל. דוגמה למנוף מסוג ראשון היא עגלת המטען המאפשרת להרים משאות כבדים.
עוד דוגמאות למנוף מסוג ראשון הן נדנדה ומספריים. למעשה המספריים הם שני מנופים מסוג ראשון המחוברים זה לזה בנקודת המשען.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
מנוף מסוג שני
במנוף הזה נקודת המשען נמצאת באחד מקצות המוט, והכוח המופעל נמצא בקצה האחר. המשא שאנחנו רוצים להרים או להזיז נמצא בין נקודת המשען לבין הכוח הפועל. מנופים מסוג שני מגבירים את הכוח, אך אינם משנים את כיוונו. דוגמה למנוף מסוג שני היא מריצה.
עוד דוגמה למנוף מסוג שני היא מפצח אגוזים. בדומה למספריים, גם מפצח האגוזים הוא למעשה שני מנופים מחוברים.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
*232*
מנוף מסוג שלישי
במנוף הזה נקודת המשען סמוכה לנקודת הפעלת הכוח, והמשא רחוק יותר. המנופים האלה מגדילים את המרחק שלאורכו פועל הכוח, אך אינם משנים את כיוון הכוח ואינם מגבירים אותו. מלקטת (פינצטה) היא דוגמה לשני מנופים מסוג שלישי המחוברים יחד.
עוד דוגמה למנוף מסוג שלישי היא חכה.
(בספר שלושה איורים - היעזר במורה)
גם בגוף שלנו יש חלקים הפועלים כמו מנופים. זרוע האדם היא דוגמה למנוף מסוג שלישי. המרחק שבין הכוח המופעל (באמצעות שריר הזרוע) לבין הציר (המרפק), קטן מהמרחק שבין המשא, שאנו מרימים בכף היד, לבין הציר. המבנה של זרוע האדם אמנם מצריך אותנו להפעיל כוח גדול יחסית כדי להרים משאות שמשקלם קטן, אך הוא מאפשר לנו להרים משאות הנמצאים במרחק גדול.
(בספר איור - היעזר במורה)
- הסוגים השונים של המנופים נבדלים זה מזה במיקום נקודת המשען ביחס לכוח המופעל ולכוח הפועל.
*233*
שאלה
לפניכם איורים של מכשירים שונים שפעולתם מבוססת על עקרון המנוף.
א. זהו את נקודת המשען, זרוע הכוח וזרוע המשא בכל אחד מהמכשירים.
ב. רשמו איזה סוג מנוף כל אחד מהמכשירים הללו (סוג 1, סוג 2 או סוג 3).
(בספר ארבעה איורים)
1. משוט
2. קוצץ ציפורניים
3. פותחן בקבוקים
4. מלקחיים
לחץ
אנחנו מכים בפטיש על מסמר כדי לנעוץ אותו בקיר. מדוע אנו מפנים דווקא את קצהו החד של המסמר אל הקיר, ולא את ראשו השטוח?
ננסה להפוך את המסמר, כך שראשו השטוח יהיה מופנה אל הקיר, ולהכות בו בפטיש באותו הכוח. האם הוא יינעץ בקיר? לא בטוח. סביר להניח שכדי לנעוץ אותו בקיר נצטרך להפעיל כוח גדול יותר מאשר הכוח שהפעלנו כאשר קצהו החד של המסמר היה מופנה אל הקיר. מה הסיבה לכך?
ההסבר נמצא במושג לחץ. הכוח שהפעלנו על המסמר היה שווה בשני המקרים, אבל הלחץ שהופעל על הקיר בכל אחד מהמקרים היה שונה.
בפעילות שלהלן תתכננו ניסוי הבודק את הקשר בין השטח שעליו הכוח פועל לבין הלחץ.
*234*
פעילות
תכנון ניסוי
כוח הפועל על שטחים שונים
מטרת הפעילות: תכנון ניסוי הבודק את הקשר בין השטח שעליו פועל הכוח לבין הלחץ.
ציוד: גוף בצורת תיבה (למשל קופסה או ספר), מגש מלא בקמח.
השערה: העלו השערה כיצד ישפיע השטח שעליו פועל הכוח על הלחץ.
מהלך הפעילות:
תכננו ניסוי הבודק את השפעת השטח שעליו פועל הכוח על הלחץ. השתמשו בציוד שלרשותכם.
א. מהו הגורם המושפע ומהו הגורם המשפיע בניסוי הזה?
ב. אילו גורמים קבועים יש בניסוי?
ג. בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות:
רשמו את תוצאות הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. כתבו את מסקנתכם לאור התוצאות שקיבלתם.
2. אליה ואריאל תכננו ניסוי במטרה לבדוק את השפעת השטח שעליו פועל הכוח על הלחץ. הם הניחו תיבה מפלסטיק ותיבה בגודל זהה מברזל על מגש מלא בחול, והשוו את מידת השקיעה של התיבות בחול. האם הניסוי שתכננו מתאים למטרת החקר? הסבירו.
3. מכים במסמר על קיר. מתי הלחץ על הקיר גדול יותר, כאשר הקצה החד של המסמר מופנה אל הקיר, או כאשר ראשו השטוח של המסמר מופנה אל הקיר? הסבירו מדוע.
*235*
לחץ הוא הכוח הפועל על יחידת שטח של גוף בניצב לפני השטח.
אפשר לתאר לחץ גם באמצעות נוסחה:
כוח חלקי השטח שעליו הכוח פועל שווה לחץ
(בספר איור - היעזר במורה)
מהן יחידות המידה של לחץ?
כאשר יחידות המידה של הכוח הן ניוטון ויחידות המידה של השטח הן מטר מרובע (מ"ר), יחידות הלחץ הן ניוטון/מ"ר שווה פסקל.
יחידות נוספות המשמשות למדידת לחץ הן אטמוספרה, מילימטר כספית ו-בר.
- 1 אטמוספרה שווה 760 מ"מ כספית שווה 1.013 בר שווה 101,325 פסקל
כיצד תלוי הלחץ בשטח שעליו הכוח פועל?
בפעילות הקודמת ראינו כי הלחץ הפועל על גוף, תלוי בשטח שעליו הכוח פועל:
- ככל שהשטח שעליו פועל הכוח קטן יותר, כך הלחץ גדול יותר.
- ולהפך: ככל שהשטח שעליו פועל הכוח גדול יותר, כך הלחץ קטן יותר.
(בספר איור - היעזר במורה)
שטח קטן - לחץ גדול יותר
שטח גדול - לחץ קטן יותר
דיון
לפניכם תמונה של אדם העומד על משטח העשוי מחודי מסמרים.
הסבירו: כיצד האדם הזה אינו נפצע? מה עלול לקרות לו אם יציב את כל משקלו על מסמר אחד?
(בספר תמונה - היעזר במורה)
*236*
שאלות
1. באיורים שלהלן מתוארות שתי לבנים המונחות על שני ספוגים זהים. איזו לבנה שוקלת יותר? הסבירו מדוע.
(בספר איור - היעזר במורה)
2. כיצד אפשר לחשב את הלחץ המופעל על כפות רגלינו?
לחץ האוויר
בתחזית מזג האוויר מדווחים לעתים קרובות על הלחץ האטמוספרי. מהו הלחץ הזה?
לאוויר שבאטמוספרה יש משקל, והוא לוחץ על פני הקרקע. לחץ האוויר שבאטמוספרה נקרא לחץ אטמוספרי. כדי להבין מהו הלחץ הזה, נדמיין שעל כל פיסת קרקע בגודל סנטימטר רבוע אחד, ניצב עמוד של אוויר שבסיסו בפיסת הקרקע הזאת וראשו בפסגת האטמוספרה. ככל שעמוד האוויר גבוה יותר, כך משקלו גדול יותר, והלחץ שהוא יוצר על פני השטח גדול יותר. זאת הסיבה לכך שלחץ האוויר משתנה ממקום למקום על פני כדור הארץ: במקומות הנמוכים (עמקים) עמוד האוויר גבוה יותר, ולכן הלחץ האטמוספרי גבוה יותר. במקומות הגבוהים (הרים) עמוד האוויר קטן יותר, ולכן הלחץ האטמוספרי נמוך יותר.
(בספר תמונה)
לחץ האוויר בגבהים שונים מעל פני הים
מיליבר - יחידה למדידת לחץ גז. בר אחד שווה ל-100,000 פסקל, מיליבר היא אלפית הבר.
שאלה
היכן הלחץ האטמוספרי גדול יותר - בחרמון או בים המלח? הסבירו מדוע.
*237*
לחץ האוויר שבאטמוספרה אינו לוחץ רק על פני השטח של כדור הארץ, הוא לוחץ מכל הכיוונים גם על הגוף שלנו ועל כל גוף אחר שנמצא על פני כדור הארץ, ביבשה, בים, וגם באוויר.
הלחץ האטמוספרי הפועל על הגוף שלנו הוא כה עצום עד שהכוח שהוא מפעיל על גופנו שווה לכוח שיפעילו עליו כמה מכוניות שמסתן כמה טונות.
כיצד הלחץ הזה אינו מועך את הגוף? בגוף שלנו פועל לחץ דומה לכל הכיוונים, והלחץ הזה מאזן את הלחץ החיצוני הפועל על הגוף. בדרך כלל אנחנו איננו מרגישים בלחץ האוויר כי אנו מורגלים לחיות בו. כאשר אנו נוסעים במכונית ממקום גבוה למקום נמוך או להפך, או בעת שאנו ממריאים או נוחתים כמטוס, אנו מרגישים לחץ קל ולא נעים באוזניים. למעשה אנו מרגישים בשינויים בלחץ האוויר בגלל השינוי המהיר בגובה.
(בספר תמונה - היעזר במורה)
לחץ האוויר לוחץ על כל גוף בכדור הארץ מכל הכיוונים.
לחץ האוויר - הסבר על פי מודל החלקיקים
האוויר הוא תערובת של גזים שונים. למדנו כי חלקיקי הגז נמצאים כל הזמן בתנועה. תוך כדי תנועתם הם מתנגשים בחלקיקים אחרים ובמשטחים שונים, ומפעילים עליהם כוח. לדוגמה, לחץ האוויר על דפנות של בלון נובע מן הכוח שמפעילים החלקיקים המתנגשים בדפנות.
(בספר איור - היעזר במורה)
לחץ בנוזל
כאשר צוללים במים מרגישים את לחץ המים על עור התוף שבאוזן. ככל שצוללים עמוק יותר, כך הלחץ גובר.
מדוע בנוזלים קיים לחץ? הלחץ שבתוך הנוזל נובע ממשקלו של הנוזל ומהלחץ שמפעיל האוויר על פני הנוזל. אם נבחן שתי נקודות בנוזל בעומקים שונים, נגלה שבנקודה העליונה הלחץ נמוך יותר מאשר בנקודה התחתונה, כי מעל הנקודה התחתונה יש כמות גדולה "יותר של נוזל מאשר הכמות שמעל הנקודה העליונה. כלומר: ההבדל בלחץ בין השכבות השונות נובע מהמשקל שמפעילות השכבות על השכבות שמתחתן. אפשר לומר שלחץ הנוזל בכלי תלוי בגובה עמוד הנוזל.
(בספר תמונה היעזר במורה)
לחץ נוזל עולה
*238*
פעילות
ניסוי
לחץ המים בגבהים שונים
מטרת הניסוי: בדיקת עוצמה של זרם מים היוצאים ממכל מים שבו מנוקבים חורים בגבהים שונים.
ציוד: מכל פלסטיק או קרטון, אמבט או קערה גדולה, מספריים, פלסטלינה.
השערה: התבוננו באיור ושערו מה תהיה עוצמת זרם המים שיצאו מן החורים שבגבהים השונים במכל. נמקו.
(בספר איור - היעזר במורה)
מהלך הניסוי:
א. חוררו במכל חורים בגבהים שונים, זה מעל זה כמתואר באיור.
ב. סתמו את החורים בפלסטלינה.
ג. מלאו את הבקבוק במים והניחו אותו מעל קערה גדולה או בכיור.
ד. הסירו את הפלסטלינה שעל החורים וצפו במתרחש.
תוצאות:
רשמו את תצפיותיכם - מה התרחש כאשר הסרתם את הפלסטלינה מן החורים? האם צדקתם בהשערתכם?
מסקנות:
1. השוו את העוצמה של זרימת המים בגבהים השונים. היכן עוצמת הזרימה הייתה הגדולה ביותר? והיכן הקטנה ביותר?
2. איזה מבין הגורמים שלהלן משפיע על עוצמת הזרימה?
הסבירו כיצד.
א. גודל החורים שבמכל
ב. כוח המשיכה הפועל על המים
ג. גובה עמוד המים
ד. מהירות התנועה של חלקיקי המים
- לחץ הוא הכוח הפועל על יחידת שטח של גוף בניצב לפני השטח, והוא תלוי בגודל הכוח הפועל על הגוף ובשטח שעליו הכוח פועל.
- נוזלים וגזים מפעילים לחץ מכל הכיוונים על הגופים הנמצאים בהם.
*239*
הידעת?
צוללים בלחץ גבוה
בצלילה לעומק, לחץ המים על גופנו הולך ועולה. בעומק של 10 מטרים למשל, לחץ המים הוא שתי אטמוספרות - פי שניים מלחץ האוויר שגופנו רגיל אליו. כאשר אדם צולל ללא ציוד, הלחץ מסביב לגופו גדול יותר מלחץ האוויר בחללי הפה, האף, האוזניים והריאות, והדבר עלול לגרום למעיכה של הריאות ולקריעת עור התוף באוזניים.
כדי למנוע זאת, צוללים משתמשים במכל אוויר בלחץ גבוה, ובווסת המחובר למכל ונמצא בפיהם של הצוללים. תפקידו של וסת האוויר הוא לספק לצוללים אוויר בלחץ השווה ללחץ המים שבסביבתם.
במקרי חירום, כאשר הצוללים נדרשים לעלות במהירות אל מעל פני המים, קיימת סכנה הפוכה - לחץ האוויר בריאות עלול להיות גבוה מהלחץ החיצוני, והריאות עלולות להיקרע. לכן, כדי להפחית את לחץ האוויר בריאות ולהשוות אותו ללחץ החיצוני, צוללים העולים במהירות למעלה צריכים לשחרר בהדרגה אוויר מן הריאות במשך כל זמן העלייה.
כוח ואנרגיה
אנרגיה וכוח הם מושגים נפוצים מאוד במדע ובחיי היומיום. אלו שני מושגים שונים אך קשורים זה לזה, ולכן לעתים מתבלבלים ביניהם.
מה הקשר בין כוח לאנרגיה? נבדוק זאת בדוגמה שלהלן:
אדם רוכב על אופניו במעלה גבעה. הוא משתמש באנרגיה כדי להפעיל את הכוח הדרוש לתנועה - האנרגיה הכימית האצורה בשריריו של הרוכב מומרת לאנרגיית התנועה של השרירים, העוברת לאנרגיית התנועה של הרגליים. אנרגיית התנועה של הרגליים עוברת לאנרגיית התנועה של הדוושות המניעות את גלגלי האופניים. האופניים נעים על האדמה, ואנרגיית התנועה שלהם מומרת בהדרגה לאנרגיית גובה.
בדוגמה הזאת מעברי האנרגיה והמרות האנרגיה היו מלווים בהפעלה של כוח, הגורם לרוכב ולאופניו לנוע ממקום למקום. באופן דומה, מעברים והמרות של אנרגיה במכונית משמשים להפעלה של כוח הגורם למכונית לנוע ממקום למקום.
לעומת זאת, כאשר הכוח אינו מלווה בתנועה, הוא גם אינו מלווה במעבר אנרגיה. לדוגמה, כאשר ספר מונח על שולחן אין שום שינוי באנרגיה של הספר, אך הוא מפעיל כוח על השולחן.
הטבלה שלהלן משווה בין מאפייני הכוח למאפייני האנרגיה.
ריק, כיוון, שימור, המרות
כוח, לכוח יש כיוון, אין שימור כוח - אפשר "להרוויח" כוח, אי אפשר להמיר כוח מסוג לסוג
אנרגיה, לאנרגיה אין כיוון, יש שימור אנרגיה, אי אפשר "להרוויח" אנרגיה, אפשר להמיר אנרגיה מסוג לסוג
- כוח ואנרגיה הם מושגים שונים.
- לכוח יש כיוון ולאנרגיה אין כיוון; אנרגיה נשמרת אך כוח אינו נשמר – אפשר "להרוויח" כוח; אפשר להמיר אנרגיה מסוג לסוג אך אי אפשר להמיר כוח מסוג לסוג.
*240*
שאלה
לפי הטבלה שבעמוד הקודם, השוו בין כוח לאנרגיה בדוגמה של רוכב האופניים העולה במעלה הגבעה. ערכו את ההשוואה על פי הקריטריונים (התבחינים) הבאים:
א. כיוון
ב. שימור
ג. המרות
סיכום
- גופים הנמצאים באינטראקציה (פעולה הדדית) מפעילים זה על זה כוחות. כאשר כוח פועל על גוף הוא יכול לשנות את תנועתו של הגוף (את מהירות התנועה או את כיוון התנועה), את צורתו של הגוף, או גם את תנועתו וגם את צורתו.
- כאשר גוף אחד מפעיל כוח בכיוון מסוים על גוף אחר, הגוף האחר מפעיל עליו בו זמנית כוח שווה בגודלו אך מנוגד בכיוונו.
- כאשר פועלים על הגוף כוחות שווים בכיוונים מנוגדים, הם מאזנים זה את זה. במקרה כזה הגוף לא ישנה את תנועתו - את מהירותה או את כיוונה.
- כאשר פועלים על הגוף כוחות שאינם מאוזנים - מהירותו של הגוף תשתנה. אם הגוף היה במנוחה הוא ינוע לכיוון פעולת הכוח הגדול יותר.
- יש כוחות הפועלים במגע, כמו כוח החיכוך, ויש כוחות הפועלים ממרחק גם ללא מגע בין הגופים, כמו כוח הכבידה, הכוח החשמלי והכוח המגנטי.
- כדי למדוד כוח משתמשים במכשיר הנקרא מד-כוח. יחידות המידה של כוח הן ניוטון.
- משקלו של גוף בגרם שמים מסוים הוא כוח הכבידה שמפעיל עליו גרם השמים הזה, והוא תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שהגוף נמצא בו.
- כוח חיכוך פועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע, ונעים זה לעומת זה או "מנסים" לנוע זה לעומת זה. כיוונו של כוח החיכוך הפועל על כל אחד מהגופים מנוגד לכיוון התנועה של הגוף, או לכיוון שאליו הוא "מנסה" לנוע.
- מהירות של גוף נקבעת לפי הדרך שהגוף עובר ולפי הזמן שלוקח לו לעבור אותה.
- מישורים משופעים מאפשרים להפעיל פחות כוח כדי להרים גוף לגובה מסוים. גודל הכוח שיש להפעיל תלוי בשיפוע המדרון.
- מנוף הוא מכונה המאפשרת להגביר את הכוח (כלומר להתגבר בכוח קטן על כוחות גדולים יותר), לשנות את כיוון הכוח, או להפעיל כוח למרחק גדול.
- לחץ הוא הכוח הפועל על יחידת שטח של גוף בניצב לפני השטח. הלחץ תלוי בגודל הכוח הפועל על הגוף ובשטח שעליו הכוח פועל.
*241*
שאלות סיכום
באיור א מוצג מסמר תלוי על חוט.
באיור ב מקרבים למסמר הזה מגנט.
(בספר שני איורים - היעזר במורה)
ו. האם המגנט מפעיל כוח על המסמר? כיצד יודעים זאת?
2. אילו גופים נמצאים עם המסמר באינטראקציה במצב המתואר באיור ב?
א. החוט והמגנט
ב. המגנט
ג. החוט, כדור הארץ והמגנט
ד. החוט וכדור הארץ
3. איזה מההיגדים הבאים נכון?
א. המגנט מפעיל על המסמר כוח, והמסמר אינו מפעיל כוח על המגנט.
ב. המגנט מפעיל על המסמר כוח, והמסמר מפעיל עליו כוח שווה בכיוון ההפוך.
ג. המגנט מפעיל על המסמר כוח, והמסמר מפעיל עליו כוח קטן יותר בכיוון ההפוך.
ד. המגנט מפעיל על המסמר כוח, והמסמר מפעיל עליו כוח שווה לאותו הכיוון.
4. ציינו שני כוחות הפועלים על המסמר ממרחק.
5. קפיץ תלוי על כן. על הקפיץ תולים משקולת כמתואר באיור.
(בספר איור - היעזר במורה)
איזה מבין ההיגדים שלהלן אינו נכון?
א. מידת התארכות הקפיץ תלויה במשקל של המשקולת.
ב. מידת התארכות הקפיץ תהיה שווה בגרמי שמים שונים.
ג. מידת התארכות הקפיץ תלויה בכוח הכבידה הפועל על המשקולת.
ד. מידת התארכות הקפיץ תהיה שווה עבור חפצים במשקל שווה.
6. שתי כוסות מונחות על שולחן. כוס אחת נופלת למטה כמתואר באיור.
(בספר איור - היעזר במורה)
א. על איזו מהכוסות פועל כוח הכבידה?
ב. על איזו מהכוסות פועלים כוחות מאוזנים?
פרטו באמצעות תרשים כוחות.
7. מאיה מתחרה עם איש חזק במשיכת חבל. האיור שלהלן מתאר את המצב כאשר החבל אינו נע.
(בספר איור - היעזר במורה)
*242*
א. איזה תרשים כוחות מתאר את הכוחות הפועלים על מאיה?
(בספר ארבעה תרשימים - היעזר במורה)
ב. האיש החזק מפעיל כוח של 100 ניוטון על החבל. איזה כוח מפעילה מאיה על החבל?
1. פחות מ-100 ניוטון
2. יותר מ-100 ניוטון
3. 100 ניוטון
4. 0.4 ניוטון
ג. מה כיוונו של כוח החיכוך הפועל על האיש החזק?
8. אוטובוס יוצא מנתניה לכיוון תל אביב, מרחק של 30 ק"מ. הגרף שלהלן מתאר את הדרך שעבר האוטובוס. שלבים שונים בנסיעתו של האוטובוס ממוספרים במספרים.
(בספר גרף - היעזר במורה)
א. כמה ק"מ עבר האוטובוס עד שעצר בפעם הראשונה?
ב. באיזה שלב נסע האוטובוס במהירות הגבוהה ביותר?
ג. אם האוטובוס היה נוסע כל הדרך במהירות הגבוהה ביותר, ללא עצירות, כמה זמן הייתה נמשכת נסיעתו מנתניה לתל אביב?
*243*
9. בוני הפירמידות בעת העתיקה היו צריכים להרים אבנים כבדות ולהובילן ממקום למקום. האיור שלהלן מתאר את אחת השיטות שבהן השתמשו הבונים להרמת האבנים.
(בספר איור - היעזר במורה)
א. כיצד נקרא המכשיר שבאיור?
ב. הסבירו כיצד המכשיר הזה מאפשר לפועל להרים אבן כבדה שלא היה בכוחו להרימה ללא המכשיר?
10. שני אנשים דוחפים עגלה הנעה על גלגלים ללא חיכוך.
לאן תנוע העגלה? הסבירו מדוע.
(בספר איור - היעזר במורה)
*244*
מילון מונחים
אטום - החלקיק הקטן ביותר המרכיב את היסוד. האטום בנוי מגרעין, המורכב מפרוטונים ומנויטרונים, ומ"ענן" אלקטרונים מסביב לגרעין.
אינדיקטור - (חומר בוחן) חומר המשנה את צבעו בנוכחות חומר אחר. כל אינדיקטור מזהה בצורה ייחודית קבוצת חומרים מסוימת בלבד.
אינטראקציה - (הידוד) פעולה הדדית שבה שני גופים משפיעים זה על זה. למשל, שני גופים המפעילים זה על זה כוחות שווים ומנוגדים בכיוונם.
אלקטרוליזה - פירוק באמצעות זרם חשמלי.:יוונית: אלקטרו שווה חשמל, ליזיס שווה פירוק.
אלקטרומגנט - מוט ברזל שסביבו מלופף סליל העשוי מתיל מוליך. כאשר זרם חשמלי עובר בסליל, מוט הברזל הופך למגנט.
אלקטרונים - חלקיקים זעירים הנמצאים מסביב לגרעין האטום. בעלי מטען שלילי.
ביוגז - גז הנוצר מפירוק חומרים אורגניים.
גביש - (סריג) מבנה ענק ומסודר שבו קשורים יחד חלקיקים של חומר.
גרעין - אזור זעיר במרכז האטום בעל מטען חשמלי חיובי, המורכב מפרוטונים ומנויטרונים.
דלקים מאובנים - חומרי דלק שנוצרו מחומר אורגני (צמחים ובעלי חיים) במשך מיליוני שנים.
המרת אנרגיה - אנרגיה יכולה להשתנות מסוג אחד לסוג אחר. שינוי כזה נקרא המרת אנרגיה.
הפחתה - צמצום צריכה במוצרים המפחית את כמות האשפה הנוצרת.
זרם חשמלי - תנועה מסודרת של חלקיקים בעלי מטען חשמלי (אלקטרונים או יונים) במעגל חשמלי סגור.
חומר טהור - חומר בעל הרכב קבוע ומגוון תכונות אופייניות. יסודות ותרכובות הם חומרים טהורים.
יון - אטום בעל מטען חשמלי. מספר הפרוטונים ביון שונה ממספר האלקטרונים.
יסוד - חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים.
כוח - מה שגורם לשינוי בצורתו של גוף ו/או לשינוי במצב התנועה שלו, כלומר בגודל מהירותו או בכיוון תנועתו. כוח נמדד ביחידות של ניוטון.
כוח החיכוך - כוח הפועל בין משטחים של גופים הנמצאים במגע ונעים זה לעומת זה או "מנסים" לנוע זה לעומת זה. כיוונו של הכוח מנוגד לכיוון התנועה של הגוף או לכיוון שאליו הגוף "מנסה" לנוע.
כוח כבידה - כוח משיכה הפועל בין שני גופים ותלוי במסה שלהם ובמרחק ביניהם.
כוח מגנטי - כוח של משיכה או של דחייה הפועל בין מגנטים, גם ממרחק. כוחות משיכה מגנטיים פועלים גם בין מגנטים למתכות מסוימות, כגון ברזל.
כוחות חשמליים - (אלקטרוסטטיים) כוחות של משיכה ודחייה הפועלים בין מטענים חשמליים. מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה, ואילו מטענים חשמליים בעלי אותו סימן דוחים זה את זה.
לחץ - הכוח הפועל על יחידת שטח של גוף ובניצב לפני השטח. לחץ נמדד ביחידות של פסקל (ניוטון למטר רבוע).
מד זרם - (אמפרמטר) מכשיר המודד את עוצמת הזרם.
מהירות - מהירות של גוף נקבעת על ידי הדרך שהגוף עובר והזמן שלוקח לו לעבור אותה. מהירות נמדדת ביחידות של מטר לשנייה, ק"מ לשעה (קמ''ש) ועוד.
מוליך - חומר שאפשר להעביר דרכו זרם חשמלי.
מולקולה - שני אטומים או יותר המחוברים ביניהם.
מחזור - קבוצת היסודות המסודרים באותה השורה בטבלה המחזורית.
מיחזור - תהליך תעשייתי שבו משתמשים בחפץ כחומר גלם ליצירת מוצר חדש.
מיקרו אמפר - מיליונית (10 בחזקת מינוס מינוס) האמפר.
מישור משופע - משטח בעל שיפוע.
מסג - תערובת אחידה (הומוגנית) של מתכות.
מסה - מבטאת את כמות החומר. נמדדת בקילוגרמים (ק"ג), גרמים (ג') ועוד.
מספר אטומי - מספר הפרוטונים באטום (זהה למספר האלקטרונים באטום ניטרלי).
מעגל חשמלי סגור - חיבור של מקור חשמלי באמצעות רצף של מוליכים מההדק החיובי של המקור אל ההדק השלילי שלו.
מעגל חשמלי פתוח - סידור רכיבים חשמליים שאיננו מאפשר מעבר של זרם חשמלי.
*245*
משפחה כימית - קבוצת היסודות המסודרים באותו הטור בטבלה המחזורית.
משקל - כוח הכבידה הפועל על הגוף. המשקל תלוי במסת הגוף ובגרם השמים שבו הגוף נמצא. משקל נמדד ביחידות של ניוטון.
נגד - רכיב חשמלי במעגל שתפקידו להתנגד למעבר הזרם החשמלי בו. נגד הוא צרכן אנרגיה במעגל חשמלי.
נויטרונים - חלקיקים בגרעין האטום, חסרי מטען חשמלי (ניטרליים).
נוסחה כימית - סימול של הרכב התרכובת המתאר את היסודות המרכיבים את התרכובת ואת היחס הכמותי ביניהם.
נקודת אחיזה - המקום בגוף שעליו מופעל כוח הפועל במגע.
סולר - דלק נוזלי, אחד מהתוצרים המתקבלים בזיקוק נפט גולמי.
סימול כימי של יסוד - סמל של יסוד המורכב מאות אחת או משתי אותיות משמו הלועזי של היסוד.
עוצמת זרם - מבטאת את כמות המטען העוברת בחתך של המוליך ביחידת זמן אחת. עוצמת זרם נמדדת ביחידות של אמפר.
"ענן" אלקטרונים - האזור שבו נמצאים האלקטרונים מסביב לגרעין.
פרוטונים - חלקיקים בגרעין האטום, בעלי מטען חשמלי חיובי.
קומפוסט - דשן עשיר ואיכותי הנוצר מפירוק חומרים אורגניים.
קשר יוני - משיכה חשמלית (אלקטרוסטטית) בין יונים חיוביים ליונים שליליים.
שימוש חוזר - שימוש נוסף במוצר קיים לאותה המטרה או למטרה אחרת.
שינוי כימי - (תהליך כימי) שינוי בחומר שבמהלכו נוצר חומר חדש או כמה חומרים חדשים בעלי תכונות חדשות.
שינוי פיזיקלי - שינוי שחל במראה ובצורה של החומר ללא היווצרות חומרים חדשים.
תאוטה - מצב שבו מהירותו של גוף יורדת.
תאוצה - מצב שבו מהירותו של גוף עולה.
תהליך סתירה - נטרול חומצה באמצעות בסיס או נטרול בסיס באמצעות חומצה.
תכונה כימית - נטייתו של חומר להתפרק לחומרים אחרים או נטייתו של חומר להתחבר עם חומרים אחרים.
תכונה מפרידה - תכונה פיזיקלית המאפשרת להפריד חומר מתערובת.
תכונה פיזיקלית - תכונה המאפיינת את החומר הניתנת למדידה.
תמיסה - תערובת הומוגנית הנוצרת כאשר חומר אחד או כמה חומרים מתמוססים בחומר אחר.
תערובת - חומר העשוי מערבוב של כמה חומרים טהורים. כל אחד מן החומרים הטהורים בתערובת שומר על תכונותיו.
תערובת אחידה - (הומוגנית) תערובת שאי אפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.
תערובת לא אחידה - (הטרוגנית) תערובת שאפשר להבחין במרכיבים השונים שלה.
תרכובת - חומר טהור המורכב מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה.
סוף הספר