מדעי החומר לכיתה ז

לכיתות ז-ט

חוה בן חורין, יורם אורעד,

--

האעחלל

ד"ר בנצי ויליגר

הוצאת "מטח"

ישראל, תשע"ב, 2012

ב כרכים

כרךך

עמודים

עמודי דפוס

עמודי בראיל

העתיקה: מירית זנזורי

הספריה המרכזית לעיוורים

נתניה   ישראל  2013

הספר מדעי החומר לכיתה ז עוסק במבני הדעת כימיה ופיזיקה. ספר הלימוד פותח בהתאם לתכנית הלימודים החדשה של משרד החינוך, והוא כולל את כל הנושאים במדעי החומר שנקבעו לכיתה ז לפי התכנית הזו.

בספר שישה פרקים: מבוא למדעי החומר; אנרגיה סביבנו; גוף וחומר; חומרים, תכונות ושימושים; מבנה החומר; חום ושינויים בחומר.

לספר גרסה דיגיטלית באתר כותר ספרי לימוד, בכתובת

www.scjool.kotar.co.il.

הספר הדיגיטלי כולל מגוון פעילויות וקישורים לאתרי אינטרנט, לסרטונים, להדמיות ולחומרים נבחרים ברשת, וכן לחומרי לימוד מתוקשבים שפותחו בהלימה לספר הלימוד.

האתר ברשת המלווה את ספר הלימוד:

הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה:

www.ebaghigh.cet.ac.il

תוכן העניינים

(התוכן ערוך כך: שם הפרק  עמוד דפוס)

TOC \o "1-3" \n \h \z \u פרק 1: מבוא למדעי החומר

*5

פרק 2: אנרגיה סביבנו

*13

פרק 3: גוף וחומר

*53

פרק 4: חומרים, תכונות ושימושים

*103

פרק 5: מבנה החומר

*133

פרק 6: חום ושינויים בחומר

*169

מילון מונחים

*208

תוכן כרך ראשון

(התוכן ערוך כך: שם הפרק  עמוד דפוס  עמוד בראיל)

*4*

פתיחה

הספר מדעי החומר דן במושגים, בתופעות ובחוקים מתחום הכימיה ומתחום הפיזיקה, ובהיבטים טכנולוגיים הנוגעים לתחומים אלו.

בספר שישה פרקים:

פרק ראשון: מבוא למדעי החומר

בפרק זה נדון באופן כללי בתחומי המדע שבהם הספר עוסק – הכימיה והפיזיקה – ונכיר את המושגים חומרים ואנרגיה. הפרק גם מציג את דרך החקירה המדעית שבזכותה אפשר להבין תופעות ותהליכים ביקום ולהסבירם.

פרק שני: אנרגיה סביבנו

בפרק זה נכיר סוגי אנרגיה שונים, ונלמד כי אנרגיה יכולה לעבור מגוף לגוף ולשנות את סוגה, אך כמות האנרגיה הכללית תישאר תמיד קבועה.

פרק שלישי: גוף וחומר

בפרק זה נכיר את עולם החומר, הבנוי מגופים שונים העשויים מחומרים, נלמד לזהות ולמדוד את הנפח ואת המסה של גופים שונים, נלמד על מושג הצפיפות ונכיר את מצבי הצבירה השונים ואת התכונות האופייניות להם.

פרק רביעי: חומרים, תכונות ושימושים

בפרק זה נכיר תכונות שונות של חומרים, נתנסה בבדיקת תכונות של חומרים ונלמד כיצד תכונותיהם קובעות את השימוש הנעשה בהם.

פרק חמישי: מבנה החומר

בפרק זה נלמד כי החומר מורכב מחלקיקים זעירים הנמצאים בתנועה, ונבדוק כיצד המבנה החלקיקי מסביר את מצבי הצבירה ותופעות שונות בעולם החומר.

פרק שישי: חום ושינויים בחומר

בפרק זה נלמד על חום, על טמפרטורה ועל דרכים שבהן חום עובר מגוף לגוף. נראה כי כאשר חומרים מקבלים חום או מאבדים חום חלים בהם שינויים שונים.

*5*

(בספר תמונה של זיקוקים)

בפרק זה נלמד ש...

- תחומי הכימיה והפיזיקה הם שני תחומי מדע החשובים להבנת העולם ולהתפתחות טכנולוגית.

- ההנדסה עוסקת ביישומים טכנולוגיים של תגליות מדעיות.

- המושגים חומרים ואנרגיה חשובים להבנת תופעות ותהליכים.

מושגים שנכיר:

פיזיקה, כימיה, אנרגיה, חומר

*6*

מבוא

הספר מדעי החומר דן במושגים, בתופעות ובחוקים מתחום הכימיה ומתחום הפיזיקה, ובהיבטים טכנולוגיים הנוגעים לתחומים אלו.

מדע הכימיה חוקר את מבנה החומר, את הרכב החומרים הבונים את עולמנו, את תכונותיהם של חומרים שונים ואת השינויים המתרחשים בהם בתנאים שונים. בזכות המחקר במדע הכימיה אפשר, בין השאר, לפתח חומרים חדשים לייצור מוצרים שונים: תרופות ומוצרים רפואיים המשפרים את איכות החיים ותורמים להארכת תוחלת החיים, דשנים המאפשרים ייצור מזון בכמות הנחוצה לאוכלוסיית העולם הגדלה והולכת, מוצרי תקשורת מתקדמים, ביגוד, מבנים, כלי תחבורה ועוד.

מדע הפיזיקה עוסק בשאלות הבסיסיות ביותר של היקום. למשל: כיצד מתרחשים בטבע תהליכים שונים, כגון היווצרות כוכבים או כגון הופעת הברק והרעם בעקבותיו? כיצד יש לתאר את תנועתם של גופים על כדור הארץ וביקום כולו? מדוע גוף נע, מאט או מגביר את מהירותו? כדי להסביר תופעות ותהליכים, המדענים מנסחים חוקים בסיסיים שונים. לדוגמה, חוק הכבידה העולמי מסביר את נפילתם של גופים אל כדור הארץ, את תנועותיהם של כוכבי הלכת סביב השמש, את תופעת הגאות והשפל ועוד; וחוק שימור האנרגיה עוזר לנו להבין תהליכים שונים בעולם הפיזיקלי, הכימי והביולוגי, ולתאר אותם בשפת האנרגיה.

לצד מדעים אלה פועל תחום טכנולוגי הנדסי, העוסק ביישומים של מדע הכימיה, של מדע הפיזיקה ושל תחומים אחרים. למשל, במאה ה-19 גילה היינריך הרץ את הגלים האלקטרומגנטיים (שגלי הרדיו הם אחד מתחומי התדרים שלהם), ומאוחר יותר נוצלה תגלית זו לפיתוח משדרי הרדיו ומקלטי הרדיו (גם הטלפונים הסלולריים פועלים באמצעות גלים אלקטרומגנטיים).

שלושת התחומים הללו קשורים זה בזה, והבנתם המעמיקה מצריכה ידע משלושת התחומים.

*7*

שני מושגים חיוניים לתיאור היקום הם חומרים ואנמיה. החומרים מרכיבים את העולם הפיזי המוחשי – גם העולם הטבעי, למשל: אדמה, מים, אוויר או גופם של יצורים חיים, וגם העולם מעשה ידי אדם, למשל הבניינים, המכוניות, המחשבים, הטלפונים ועוד. אנרגיה היא הגורם המניע תהליכים ופעולות שונות, והיא מופיעה בכמה צורות, למשל: אור, חשמל, תנועה ועוד.

בכל הפעולות ובכל התהליכים המתרחשים, אלה הנראים לעין ואלה הסמויים מן העין, משולבים חומרים ואנרגיה. למשל: גלי הים עשויים מן החומר מים, והאנרגיה באה בהם לידי ביטוי בתנועה; מכונית עשויה מחומרים שונים, וכדי שתוכל לפעול ולנוע היא זקוקה לגז או לבנזין כמקור אנרגיה (חומר או תופעה שמפיקים מהם אנרגיה שימושית); כדי שנורה חשמלית תוכל לדלוק ולהפיץ אור צריך לייצר אותה מחומרים המתאימים לכך, וצריך לספק לה אנרגיה חשמלית.

גם בחומר עצמו אצורה אנרגיה. עדות לכך היא החומרים השונים המשמשים כמקורות אנרגיה, והאנרגיה העצומה שהאדם הצליח להפיק מביקוע גרעין האטום – האנרגיה הגרעינית.

שאלה

מה משותף לכל התמונות? (היעזרו במנחה)

(בספר תמונות של משחק טניס, הר געש, מחשב, אופנוע, סערה ומכונת כביסה.)

שאלה למחשבה

אילו חומרים שאתם מכירים יכולים לשמש כמקור אנרגיה?

*8*

חומרים

את העולם החומרי שבו אנו חיים מרכיבים חומרים, ולרוב אנו יכולים לחוש אותם בחושינו. בעולם חומרים רבים ומגוונים, הנבדלים אלה מאלה בצירוף תכונותיהם. בזכות צירוף התכונות הייחודי לכל חומר וחומר קיימת רבגוניות עצומה בעולם הטבע, ובזכותו האדם יכול לבחור את החומרים המתאימים לייצור מוצרים שונים לצרכיו.

האדם משתמש בחומרים כבר אלפי שנים לצרכים שונים. כבר בעבר הרחוק השתמש האדם בחומרים כגון אבן, צמר, ברזל ועצמות של בעלי חיים, וייצר מהם מוצרים שונים כגון מכשירים ומבנים, כלי אוכל, כלי ציד, בגדים ובתים. החומרים לבניית הכלים נבחרו כך שיתאימו לתפקידם. כבר בימי קדם גילה האדם שאפשר לערבב חומרים וליצור חומרים חדשים, המתאימים יותר לצרכיו. באופן זה יצר האדם הקדמון את הברונזה – סגסוגת שתכונותיה משופרות לעומת תכונותיהם של מרכיביה – הנחושת והבדיל.

כיום האדם יוצר חומרים חדשים לצרכיו בקצב מהיר מאוד. מספר החומרים מגיע כיום למיליונים רבים, והוא הולך וגדל ללא הרף. חומרים פלסטיים (חומרים פלסטיים – (פלסטיק) שם כולל לקבוצה של חומרים שרובם מלאכותיים (סינתטיים), הבנויים מיחידות רבות החוזרות על עצמן, וכוללים את הפוליאתילן, הניילון, הטפלון ועוד), הנפוצים מאוד בשימוש, פותחו לראשונה כבר בסוף המאה ה-19. דוגמאות לחומרים פלסטיים הם הפוליאתילן והניילון.

חומרים קרמיים (חומרים קרמיים – שם כולל לקבוצה של חומרים, ובהם חרסינה וזכוכית, המיוצרים בדרך כלל בחום גבוה והם בעלי עמידות וחוזק גבוהים) מרכיבים מוצרים רבים סביבנו, והם בעלי תכונות ייחודיות כגון עמידות יוצאת דופן לכוחות ולטמפרטורות גבוהות ומוליכות חשמלית הניתנת לשינוי. את החומרים הקדמיים זכוכית וחרסינה כולנו מכירים, אך כיום יש מלבדם גם חומרים קדמיים חדשניים אחרים, שמשתמשים בהם בתעשיית החשמל והאלקטרוניקה למוצרים שונים הדורשים עמידות לחום ועוד. תחום חדש יחסית ומלהיב הוא הננו-חומרים (ננו-חומרים – חומרים שלפחות אחד מהממדים שלהם קטן מ-100 ננומטר (ננומטר – אחד חלקי מיליארד המטר)) – אלה הם חומרים שלפחות אחד מהממדים שלהם קטן מ-100 ננומטר (ננומטר – אחד חלקי מיליארד המטר). הננו-טכנולוגיה היא טכנולוגיה חדשה המאפשרת להרכיב חומרים חדשים "מלמטה למעלה", בשימוש באבני הבניין הזעירות של החומר כמו באבני "לגו". טכנולוגיה זו פותחת אפשרויות ליצירת חומרים חדשים לכל תחומי החיים.

גם המוצרים הקיימים כיום בעולם הופכים להיות מורכבים יותר ויותר, לדוגמה: מכשירים אלקטרוניים מורכבים מעשרות או אף ממאות חומרים שונים.

(בספר תמונה של מכונית אדומה.)

(בספר תמונה של בקבוק פלסטיק)

שחזור של כלי עבודה מתקופת האבן, כלי עבודה זה הורכב משילוב של שלושה חומרים טבעיים, בתהליך עיבוד פשוט.

(בספר תמונה של גרזן אבן)

כדי לייצר את הטלפון הסלולרי הזה השתמשו במאות חומרים שונים. המעגלים החשמליים, שהם ה''מוח" של הטלפון, מכילים מתכות שונות, כמו נחושת, זהב, עופרת וניקל, וחומרים קרמיים, צג הטלפון מורכב מחומרים מסוג גביש נחלי, מזכוכית או מפלסטיק, הסוללה מכילה מתכות וחומרים אחרים, ומסגרת הטלפון מורכבת מחומרים פלסטיים. הטלפון רוטט או מצלצל בעקבות תנודות של חומר קרמי שהועבר בו זרם חשמלי.

(בספר תמונה של טלפון סלולרי)

*9*

בספר זה תלמדו על גופים ועל החומרים המרכיבים אותם, על תכונות של חומרים, על מצבי הצבירה השונים של החומר, על המבנה החלקיקי של החומר ועל האופן שבו, אפשר להסביר באמצעותו תכונות של חומרים ותופעות הקשורות בעולם התומר. כמו כן תלמדו על תהליכי תיכון (תיכון – תהליך בן שלבים אחדים שבעזרתו ניתן מענה לצורך או לבעיה טכנולוגיים) ועל בחירת חומרים מתאימים לבניית מוצרים.

אנרגיה

אנרגיה היא הגורם המניע את כל התהליכים והתופעות בטבע. הצורך באנרגיה מלווה אותנו ללא הרף. אנחנו משתמשים באנרגיה כשאנחנו ערים, למשל כשאנחנו הולכים ברחוב, אוכלים, חושבים או מדברים, ואנחנו זקוקים לאנרגיה גם כשאנחנו ישנים. אנרגיה נמצאת במזון שאנחנו אוכלים, והאנרגיה מן המזון מספקת לגופנו את האנרגיה הדרושה לו לפעולות השונות.

לא רק בני האדם זקוקים לאנרגיה אלא גם בעלי החיים והצמחים. היא קיימת גם בתופעות טבע כגון רוחות, רעידות אדמה, התפרצויות של הר געש, מפלי מים וזרימה של נהרות. אנרגיה קיימת לא רק בכדור הארץ, אלא ביקום כולו. למשל, לכוכבי הלכת הנעים סביב השמש יש אנרגיה, למטאוריט בתנועתו יש אנרגיה, בהיווצרותו של כוכב מעורבת אנרגיה, וכוכב המתפוצץ משחרר גם הוא אנרגיה.

האנרגיה גם משפיעה על תהליכים בחומר עצמו. שינויים במבנה החומר ושינויים במצבי צבירה של החומר נגרמים בעקבות פליטה או קליטה של אנרגיה.

אנרגיה מופיעה גם במערכות טכנולוגיות כגון רדיו, מחשב, מכונית, מטוס, חללית, מערכת מיזוג אוויר וקומקום חשמלי. המערכות הטכנולוגיות זקוקות לאנרגיה לפעולתן.

בספר זה תלמדו על סוגים שונים של אנרגיה, על שינויי אנרגיה מסוג אחד לסוג שני, על מעברי אנרגיה מגוף לגוף ועל חוק שימור האנרגיה. מצד אחד תלמדו על התועלת שהאדם מפיק משימוש באנרגיה, ומצד שני על הנזקים האפשריים של השימוש בה.

במהלך הלימוד בספר תבצעו ניסויים, תצפיות ומדידות שונות. בביצוע כל הפעולות האלו עליכם להקפיד על כללי בטיחות לזהירות מאש גלויה ולזהירות בטיפול בחומרים מסוכנים. במקרים כאלו הקפידו על הנחיות הבטיחות המופיעות בספר, והישמעו להנחיות המורה.

(בספר תמונות של מפל מים ושל מכונית נוסעת.)

*10*

שיטת החקר במדעי החומר

הסקרנות האנושית, הרצון להבין תופעות והצורך לפתור בעיות מעוררים שאלות שונות. השיטה המקובלת היום להשיב עליהן היא שיטת החקר המדעי. על בסיס ידע קודם או על בסיס תצפיות, המדענים מגדירים מה הם עדיין אינם מבינים, ומנסחים שאלות חקר. בעקבות שאלת החקר המדענים מעלים השערה המבוססת על העובדות הידועות להם ומספקת הסבר הגיוני לשאלה שהעלו, והם עורכים ניסויים כדי לבדוק את אמיתותה. תוצאות הניסויים מובילות למסקנה בנוגע לאמיתות ההשערה. רק כאשר תוצאות של ניסויים רבים מחזקות את ההשערה היא מתקבלת כאמת מדעית, ורק אז אפשר להשתמש בה כדי לחזות תופעות אחרות או כדי לתכנן ניסויים חדשים. מן המסקנות של כמה ניסויים אפשר ליצור מודל או תאוריה, המספקים הסבר כללי לתופעות הנחקרות. המודל או התאוריה הם שיא הפעילות המדעית.

במהלך לימודיכם בפרק זה תצפו בתופעות שונות הקשורות לעולם החומר, תיחשפו לדרך החשיבה המדעית ולהתפתחותה, תכירו מודלים שונים המסבירים את עולם החומר ותתנסו בשיטות החקר מדעי.

כיצד עורכים ניסוי?

למדנו כי המחקר המדעי עומד בבסיס הידע המדעי. בפעילות זו תלמדו מהם שלבי הניסוי המדעי בעזרת דוגמה: ניסוי בקפיץ.

1. הגדרה כללית של מטרת החקר

לדוגמה: חקירת התנהגותו של קפיץ כאשר מניחים עליו משקולות במשקלים שונים.

2. ניסוח שאלת החקר

שאלת חקר היא שאלה שהתשובה עליה אינה ידועה, ושאנו יכולים לענות עליה בניסוי או בתצפית. שאלת החקר עוסקת לרוב בקשר שבין שני גורמים: הגורם המשפיע, שאת ההשפעה שלו נרצה לבדוק בניסוי, והגורם המושפע, שאת השינויים המתרחשים בו נרצה לבדוק.

לדוגמה: מה הקשר בין משקל המשקולת הקשורה לקפיץ לבין מידת התארכותו?

3. העלאת השערה

ההשערה היא תשובה אפשרית לשאלת החקר, המתבססת על ידע קודם ועל שיקול דעת, שאפשר לבחון אותה בניסוי או בתצפית. לרוב ההשערה מניחה שקיים יחס כלשהו בין שני משתנים: הגורם המשפיע והגורם המושפע.

לדוגמה: ההשערה היא שהגדלת משקל המשקולת תגרום להתארכות הקפיץ, ושהקשר בין המשקל לבין ההתארכות הוא יחס ישר. במילים אחרות, אם נגדיל את המשקל פי מספר כלשהו, גם התארכות הקפיץ תגדל פי אותו המספר. במקרה זה הגורם המשפיע הוא משקל המשקולת והגורם המושפע הוא אורך הקפיץ.

4. תכנון ניסוי וביצועו

הניסוי בוחן את ההשערה. בכל ניסוי בוחרים גורם משפיע אחד ובודקים כיצד השינוי שלו משפיע על הגורם המושפע. כאשר יש כמה גורמים משפיעים חשוב לבדוק בכל פעם רק גורם משפיע אחד, ולהשאיר את השאר קבועים.

*11*

(בספר תמונה של קפיצים.)

לדוגמה: הגורם המשפיע במקרה הקפיץ הוא משקל המשקולת. לוקחים כמה משקולות (למשל 6) במשקלים שונים, תולים כל אחת מהן על הקפיץ ובודקים את מידת התארכותו בכל פעם. במהלך הניסוי לא משנים שום תנאים – משתמשים באותו הקפיץ ובאותו המתקן המחזיק את הקפיץ. משנים רק את הגורם המשפיע: משקל המשקולת.

בקרה: כאשר מתכננים את הניסוי מחליטים גם מהי הבקרה שלו. הבקרה היא ניסוי הנערך בדיוק באותה הדרך ובאותם התנאים כמו הניסוי עצמו, הכולל את כל הגורמים הנמצאים בניסוי מלבד הגורם המשפיע. תפקידה של הבקרה לבדוק אם הגורם המשפיע הוא הסיבה לממצאי הניסוי, או שמא יש להם סיבות אחרות.

חזרות: יש לבצע כמה חזרות על הניסוי כדי לבדוק את נכונותו. בשלב תכנון הניסוי יש להחליט כמה חזרות ייעשו. לדוגמה: חוזרים על ניסוי הקפיץ 5 פעמים באותם תנאים (אלו הן 5 סדרות של הניסוי).

כלים וציוד: בתכנון הניסוי מחליטים באילו כלים ובאיזה ציוד יש להשתמש, ומתארים את מהלך הניסוי. יש לתכנן את המדידות שייעשו, לקבוע באילו מכשירי מדידה להשתמש ומהן יחידות המידה המתאימות.

אמצעי זהירות: יש לתכנן היטב את כל אמצעי הזהירות שיינקטו – הרכבת משקפי מגן, לבישת כפפות, שמירה על מרחק בטוח ועוד.

5. קבלת תוצאות

מתארים את ממצאי הניסוי, ומייצגים אותם בדרך הממחישה היטב את השינוי שחל בגורם המושפע. כדאי לרכז את הממצאים בטבלה, בתרשים או בגרף. חשוב להקפיד על כותרת מתאימה לכל מקרה. דוגמה לטבלה ולגרף:

(בספר גרף – היעזרו במנחה)

משקל המשקולת ומידת התארכות הקפיץ

(בספר גרף המתאר את היחס בין משקל המשקולת למידת התארכות הקפיץ)

*12*

6. הסקת מסקנות והעלאת עוד שאלות ורעיונות להמשך החקר

המסקנה שאפשר להסיק מממצאי הניסוי היא התשובה לשאלת החקר. בודקים אם ממצאי הניסוי אישרו את ההשערה או הפריכו אותה. אם ממצאי הניסוי אישרו את ההשערה, אפשר להמשיך ולחשוב על ניסויים אחרים שיכולים לתמוך בה (או להפריך אותה), וכן לחקור ולהעלות שאלות חקר חדשות. אם ממצאי הניסוי הפריכו את ההשערה, מעלים השערה חדשה ובודקים אותה בניסוי.

לדוגמה: המסקנה מן הממצאים של ניסוי הקפיץ תהיה שהקפיץ מתארך, ושמידת התארכותו היא ביחס ישר למשקל התלוי עליו. זו אכן הייתה ההשערה, והממצאים מתאימים לה.

השערת מחקר אפשרית חדשה: מידת ההתארכות של הקפיץ כשמשקולת כלשהי קשורה אליו תלויה באורכו המקורי. (האם לדעתכם ההשערה נכונה?)

לסיכום

- חומרים ואנרגיה הם שני מושגים הקשורים זה בזה המתארים תופעות ביקום.

- מדע הכימיה עוסק בחקר מבנה החומר, תכונות חומרים והשינויים המתרחשים בהם, ובפיתוח חומרים חדשים.

- מדע הפיזיקה עוסק בחוקים הבסיסיים המסבירים תופעות ביקום.

- האדם מפתח יישומים טכנולוגיים על בסיס ידע מדעי.

*13*

(בספר תמונות של טורבינות רוח, לוחות סולאריים ושדות.)

פרק 2: אנרגיה סביבנו

בפרק זה נלמד ש...

- האנרגיה היא גורם חיוני לקיום תופעות טבע ולקיום החיים.

- האנרגיה חיונית לפעולתם של מכשירים.

- קיימים סוגים שונים של אנרגיה(תנועה, קרינה, חום, כימית ועוד).

- אנרגיה יכולה להשתנות מסוג לסוג.

- אנרגיה יכולה לעבור מגוף אחד לאחר.

מושגים שנכיר:

סוגי אנרגיה: אנרגיית תנועה, אנרגיית קרינה, חום, אנרגיה חשמלית, אנרגיה כימית,

אנרגיית גובה, אנרגיה אלסטית, אנרגיה גרעינית

קיימים מקורות אנרגיה שונים.

מעבר אנרגיה

המרת אנרגיה

חוק שימור האנרגיה

*14*

מבוא

גלי ים ענקיים נעים ושוטפים את חוף הים. ברק מבזיק בשמים. הר געש מתפרץ. השמש שלנו מפיצה את אורה לכל הכיוונים. קיומן של כל תופעות הטבע האלה ושל כל תופעות הטבע האחרות בעולם אפשרי בזכות האנרגיה. גם לפעולתם של מכשירים (כגון מקלט טלוויזיה, מחשב נייד, כלי רכב ועוד) נחוצה אנרגיה. נסו להעלות בדמיונכם פעולה או פעולות שעשיתם במהלך היום, ומהר מאוד תגלו שכל הפעולות שעשיתם זקוקות לאנרגיה.

האנרגיה באה לידי ביטוי גם במקומות רחוקים בחלל. למשל, השמש מפיקה אנרגיה עצומה בכל שנייה כבר מיליארדי שנים. כיום משתמשים יותר ויותר באנרגיה המגיעה מן השמש להפקת חשמל. שימוש כזה הוא אחד האמצעים להתמודד עם משבר האנרגיה, עם זיהום הסביבה ועם התחממות כדור הארץ. השמש תמשיך להפיק את האנרגיה שלה עוד מיליארדי שנים. כוכבי לכת, מטאוריטים, גלקסיות וגופים אחרים נעים בחלל, ויש להם אנרגיה הבאה לידי ביטוי בתנועתם. מיליארדים רבים של כוכבים מקרינים לכל עבר אנרגיה עצומה שהם מפיקים בעצמם.

אנחנו משתמשים באנרגיה בדרכים מגוונות. כדי לקבל אנרגיה השימושית לצרכינו אנחנו זקוקים למקורות אנרגיה כגון פחם, נפט ורוח. שיקולים שונים מנחים אותנו בבחירת מקורות אנרגיה. השיקולים הם כלכליים, פוליטיים, בטיחותיים, ביטחוניים וסביבתיים. שיקולים חשובים ביותר כיום הם מן התחום הסביבתי. כיום נעשה מאמץ רב ומושקעים כספים רבים כדי להשתמש באנרגיה באופן ידידותי לסביבה. למשל, נעשים ניסיונות להשתמש באנרגית המופקת מן הרוח, מן השמש או מגלי הים, וכך לצרוך אנרגיה בלי להזיק לסביבה.

(בספר תמונות של איש רץ ושל מחשב.)

*15*

כבר מאות ואלפי שנים, בני אדם משתמשים באנרגיה לתועלתם באמצעות מכונות שבנו. לדוגמה, בעבר שרפו דלק בכבשנים כדי לקבל חום להתכת ברזל, הניעו טחנות באמצעות מי נהר זורמים כדי לטחון קמח או כדי לנסר עצים ועוד. טחנת הקמח הראשונה שהונעה באמצעות מים זורמים הוקמה כבר לפני יותר מאלפיים שנה. זה מאות שנים בני אדם משתמשים גם בטחנות רוח, המנצלות את האנרגיה של תנועת הרוח. טחנת הרוח העתיקה ביותר הוקמה באנגליה לפני כאלף שנים. כיום האנרגיה של תנועת הרוח מנוצלת להפקת חשמל באמצעות טורבינות, המסתובבות ומפיקות חשמל.

בפרק זה נלמד על חשיבותה של האנרגיה, על סוגי אנרגיה שונים, על שינויים בסוג האנרגיה, על מעברי אנרגיה מגוף לגוף ועל ניצול האנרגיה לצרכינו. נבצע ניסויים במעבדה להבנת תהליכים הקשורים באנרגיה, ונסתייע רבות בהדמיות מחשב כדי להבין את "שפת האנרגיה".

(בספר תמונה של טחנת רוח)

(בספר תמונות של התכת ברזל, טורבינה בתחנת כוח וגלישת גלים)

*16*

סוגי אנרגיה

האנרגיה באה לידי ביטוי בתופעות טבע שונות, והיא היונית לפעולתם של מכשירים. יש סוגי אנרגיה שונים. לדוגמה:

אנרגיית תנועה

האנרגיה שיש לגוף בתנועה. למשל, כאשר מכונית נוסעת יש לה אנרגיית תנועה. ככל שהיא נוסעת מהר יותר, אנרגיית התנועה שלה גבוהה יותר. כאשר המכונית עומדת במקום אין לה אנרגיית תנועה. גם לאדם הולך יש אנרגיית תנועה, וגם למאוורר פועל.

שאלות

1. אילו מן הדוגמאות שלפניכם מציגות אנרגיית תנועה? הסבירו.

א. ילדה יושבת על ראש המגלשה

ב. כדור מתגלגל על מגרש הכדורגל

ג. מאוורר פועל

ד. קרינה מגיעה מן הכוכבים

ה. רוח נושבת

2. הציעו עוד דוגמאות למצבים שבהם מופיעה אנרגיית תנועה.

אנרגיית גובה

האנרגיה שיש לגוף המוגבה מעל משטח (כגון הקרקע). למשל, לילדים הנמצאים בראש מגלשה יש אנרגיית גובה. כאשר הם מחליקים על המגלשה למטה הם מאבדים בהדרגה את אנרגיית הגובה שצברו. גם לכדור טניס המורם מעל הקרקע יש אנרגיית גובה, וגם לתפוז שעל העץ.

חום

אנרגיה העוברת מגוף חם יותר (בטמפרטורה גבוהה יותר) לגוף קר יותר (בטמפרטורה נמוכה יותר). לדוגמה: אנרגיה העוברת מכוס התה החמה אל היד שאוחזת בכוס, או אנרגיה הנוספת למטאוריט כאשר הוא חודר לאטמוספרה ומתלהט (כוכב נופל).

(בספר תמונות של מכונית, רכבת הרים וכוס שתייה חמה.)

*17*

אנרגיית קרינה

האנרגיה המתבטאת בקרינה הנפלטת מגוף. לדוגמה: אנרגיה של אור המגיע מן השמש, קרינה תת אדומה (אינפרה אדומה) משלט הטלוויזיה, קרינת רנטגן (קרינת רנטגן – קרינה בלתי נראית החודרת מבעד לרקמות ביולוגיות, מבעד לעץ ולחומרים אחרים. הקרינה משמשת לצילום איברי גוף פנימיים, לבדיקות ביטחוניות (למשל לצפייה בתכולה של מזוודות ועוד) החודרת דרך רקמות חיות רכות בגופם של יצורים חיים ועוד.

שאלה

תארו שני סוגי אנרגיה נוספים של קרינה בלתי נראית.

אנרגיה חשמלית

אנרגיה המתבטאת, למשל, בזרם חשמלי. אנרגיה חשמלית מפעילה את המחשב, את הנורה וכל מכשיר חשמלי אחר.

אנרגיה כימית

אנרגיה כימית היא אנרגיה האצורה בתוך החומר. האנרגיה הכימית באה לידי ביטוי בתהליכים שבהם החומר עובר שינוי כימי. לדוגמה: כאשר עצים נשרפים במדורה העץ משתנה לחומר אחר, והאנרגיה הכימית האצורה בו נפלטת בצורה של חום ושל אור.

(בספר תמונות של עמודי חשמל ושל אש.)

*18*

(בספר תמונה של יד מותחת גומיה)

אנרגיה אלסטית

אנרגיה שיש לגוף גמיש כשהוא מתוח או מכווץ. אנרגיה אלסטית עומדת מאחורי פעולתן של מקפצות שונות, ומאחורי פעולתם של קפיצים המשמשים בשעונים, בצעצועים, בבולמי זעזועים ועוד.

(בספר תמונה של סמל של קרינה רדיואקטיבית)

אנרגיה גרעינית

אנרגיה הקושרת את החלקיקים שבגרעין האטום (כל חומר עשוי מחלקיקים זעירים בלתי נראים הנקראים אטומים. בתוך האטומים יש חלקיקים אחרים). כיום אנרגיה גרעינית מפעילה כורים גרעיניים המשמשים להפקת חשמל. ברחבי העולם קיימים כורים גרעיניים רבים להפקת חשמל.

*19*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

סוגי האנרגיה

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו ב-4 יחידות הלימוד האלה: (1) גלישה על סקייטבורד; (2) כדור קופץ; (3) כדור בגומה; (4) אנרגיה במכונית נוסעת.

הפעילו את ההדמיות ביחידות הלימוד האלה, וזהו את סוגי האנרגיה המופיעים בכל הדמיה. (היעזרו במנחה)

(בספר ציורים של (1) איש על סקייטבורד, (2) כדורסל), (3) כדור, (4) מכונית נוסעת)

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וכתבו בה את סוגי האנרגיה המופיעים בכל הדמיה. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

*20*

שאלות

1. בתמונות שלפניכם ביטויים של סוגי אנרגיה שונים בחיי היומיום.

(בספר תמונה של נר בוער, כיפוף סרגל, מכונת כביסה פועלת)

(בספר תמונה של קפיצה על טרמפולינה, כלב רץ, נורה מאירה)

(בספר תמונה של מים חמים, מכונית נוסעת, עמודי חשמל)

מכונת כביסה פועלת, כיפוף סרגל, נר בוער, נורה מאירה, כלב רץ, קפיצה על טרמפולינה, עמודי חשמל, מכונית נוסעת, מים חמים

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וכתבו בה את סוג האנרגיה או את סוגי האנרגיה הבאים לידי ביטוי בכל אחת מן התמונות. נסחו כותרת מתאימה לטבלה שהכנתם.

*21*

2. חפשו מכשירים ומתקנים בבית, ברחוב ובבית הספר, ותארו את סוג האנרגיה המתגלה בכל מכשיר או מתקן.

פעילות משימה קבוצתית

הכנת אלבום: סוגים של אנרגיה

1. עבדו בקבוצות בנות 5-3 תלמידים. צלמו או מצאו באינטרנט תמונות המתאימות לכל אחד מסוגי האנרגיה שלמדתם. הכינו אלבום תמונות משותף בכל קבוצה, ורשמו תחת כל תמונה מה רואים בה ואילו סוגי אנרגיה באים בה לידי ביטוי.

2. בחרו בכל קבוצה את אחד מסוגי האנרגיה וצלמו סרטון קצר המתאר אותו (עד שלוש דקות). הסרטון יכלול גם דוגמאות לסוג האנרגיה ולשימושיו. העלו את הסרטון לאחד מאתרי השיתוף, לדוגמה יוטיוב, והקרינו אותו לפני הכיתה.

(בספר תמונה של אנרגיה אלסטית (יד מותחת גומיה, קפיץ), אנרגיית גובה (כדור קופץ, מגלשה), אנרגיית תנועה (מכונית, כלב רץ, ילדים משחקים), אנרגיית קרינה (שלט, פנס, שמש))

אנרגיה אלסטית, אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה, אנרגיית קרינה

*22*

סוג אנרגיה לעומת מקור אנרגיה

הכרתם סוגי אנרגיה שונים, מה המקור שלהם?

בדרך כלל, אי אפשר להשתמש באנרגיה של מקורות אנרגיה (מקור אנרגיה – חומר או תופעה שמפיקים מהם אנרגיה שימושית) שונים לצורכי היומיום כפי שהיא. למשל: את האנרגיה הכימית של הדלק אי אפשר לנצל לתאורה או להפעלת מכשירים אלקטרוניים כפי שהיא. כדי להפוך אותה לשימושית, יש להמיר את סוג האנרגיה – להפוך אותו לסוג האנרגיה הנוח לנו.

לדוגמה, חשבו על סיר המתחמם מעל להבת הגז. בשרפת הגז חלק מן האנרגיה הכימית שהייתה אצורה בו הופכת לחום. חום זה מחמם את הסיר, והסיר המחומם מחמם את המים. במקרה זה, גז הבישול הוא המקור של האנרגיה.

אנו מנצלים אנרגיה ממקורות שונים. דוגמאות למקורות אנרגיה: רוח, חומרי דלק (נפט, פחם), שמש, מזון, מפל מים, גז טבעי, אורניום (אורניום- מתכת המשמשת כמקור לאנרגיה גרעינית), מקור אנרגיה גאותרמי (מקור אנרגיה גאותרמי – מקור חום המצוי במעמקי האדמה ומשמש כמקור אנרגיה. מתבטא, למשל, במים המים המצויים במעבה האדמה).

חשוב לדייק! אנרגיית מים או אנרגיית רוח הם לא מושגים שקיימים במדע. יש לומר "אנרגיית התנועה של הרוח", או "אנרגיית הגובה של המים".

- יש סוגים שונים של אנרגיה, ובהם: אנרגיית תנועה, אנרגיית קרינה, חום, אנרגיה חשמלית, אנרגיה כימית, אנרגיית גובה, אנרגיה אלסטית ואנרגיה גרעינית.

- ממקור אנרגיה אנו מפיקים אנרגיה לשימושנו.

(בספר תמונה של רוח (טורבינות רוח) וחומרי דלק (פחם))

(בספר תמונה של מפל מים ושמש)

*23*

שאלות לסיכום סוגי אנרגיה

1. עיינו בתמונה שלפניכם והשלימו את המשפט. השתמשו במילים רוח, ותנועה.

מקור האנרגיה המשמש לקבלת אנרגיית

--

של סירת המפרש היא

--

.

2. באילו מן התמונות שלפניכם בא לידי ביטוי סוג אנרגיה, באילו יש דוגמה למקור אנרגיה, ובאילו שניהם? הסבירו.

1. חומרי דלק (פחם)

(בספר תמונה של חומרי דלק, מדורה, שמש, עמוד חשמל, מאוורר)

2. מדורה

3. שמש

4. עמוד חשמל

5. מאוורר

6. דלקים ברוח

(בספר תמונה של עצים ברוח, גייזר, שלט רחוק, ילדה במגלשה, ריצה)

7. גייזר (מעיין של מים חמים וקיטור, המתפרץ מפעם לפעם)

8. שלט רחוק

9. ילדה במגלשה

10. ריצה

3. לפניכם דוגמאות למקורות אנרגיה.

(בספר תמונה של חומרי דלק, שמש, רוח, מפל מים, מזון)

חומרי דלק (פחם), שמש, רוח, מפל מים, מזון

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, תארו בה את סוגי האנרגיה שאפשר לקבל מהם, ופרטו כיצד אפשר לעשות זאת. היעזרו בדוגמה שלפניכם.

מקור האנרגיה: שמש

סוגי אנרגיה שאפשר לקבל ממנו: אנרגיית אור, חום

כיצד? אור – הארת בתים בחשיפתם לשמש דרך חלונות שקופים. חימום מים באמצעות דוד שמש.

4. רשמו מקורות אנרגיה שנהגו להשתמש בהם בעבר.

5. תהליך הפקת האנרגיה ממקורות אנרגיה עלול לכלות משאבי טבע יקרים, ולגרום לזיהום הסביבה. מבין מקורות האנרגיה המוזכרים בפרק זה, אילו מקורות אנרגיה הם ידידותיים לסביבה – אינם מכלים משאבי טבע ואינם מזהמים את הסביבה? נמקו.

*24*

המרות אנרגיה ומעברי אנרגיה

רוח גורמת להיווצרות גלי ים: אנרגיה עוברת מן הרוה אל מי הים, ומעבר זה מאפשר את היווצרותם.

בדוד שמש, אנרגיה עוברת מן השמש אל הדוד וגם סוגה משתנה – מאנרגיית קרינה לחום – דבר המאפשר את חימום המים בדוד. כאשר מפעילים מזגן לחימום הבית, אנרגיה חשמלית עוברת דרך השקע החשמלי מתחנת החשמל אל המזגן, ושם היא הופכת לחום.

באמצעות אנרגיה מתרחשים תהליכים טבעיים ותהליכים הנחוצים לפעולתם של מכשירים. בתהליכים אלה האנרגיה עוברת ממקום למקום או משנה את סוגה.

המרת אנרגיה (הפיכת אנרגיה מסוג לסוג)

אנרגיה יכולה לשנות את סוגה מאחד לאחר, למשל: כשכדור מתגלגל במדרון, אנרגיית הגובה שלו הופכת בהדרגה לאנרגיית תנועה. שינוי כזה, של סוג האנרגיה, נקרא המרת אנרגיה.

בניסויים ובהדמיות שלפניכם תחקרו תופעות שונות שבהן מתרחשות המרות אנרגיה, כלומר מצבים שבהם אנרגיה מסוג אחד הופכת לאנרגיה מסוג אחר.

פעילות התנסות

המרות אנרגיה

(בספר תמונה של גל)

(בספר תמונה של כדור שלג)

חלק א

--

גולה במישור משופע – המרת אנרגיה מאנרגיית גובה לאנרגיית תנועה

מטרת ההתנסות: מעקב אחרי המרת אנרגיית גובה לאנרגיית תנועה וניתוח ההמרה.

ציוד: מישור משופע, גולה

מהלך ההתנסות: קבלו מישור משופע והניחו גולה בשיא גובהו. הניחו לגולה להתגלגל למטה.

תוצאה: תארו את השינויים בתנועת הגולה.

הסבר: בתהליך זה התרחשה המרת אנרגיה באותו הגוף, הגולה: אנרגיית הגובה של הגולה הומרה לאנרגיית תנועה שלה.

אנרגיית הגובה של הגולה הומרה לאנרגיית התנועה של הגולה

(בספר תמונה של גולה בחלק העליון של מישור משופע, וגולה מתגלגלת במורד מישור משופע)

*25*

אפשר לתאר את המרת האנרגיה גם באמצעות תרשים המרות אנרגיה:

אנרגיית הגובה של הגולה איננה מומרת לאנרגיית תנועה בבת אחת. היא מומרת בהדרגה.

הסתכלו באיור שלפניכם, ותארו את המרת האנרגיה ההדרגתית של הגולה במהלך התגלגלותה למטה. (היעזרו במנחה)

(בספר איור של גולה מתגלגלת על משטח משופע)

חלק ב – מטוטלת נעה

מטרת ההתנסות: מעקב אחרי המרות אנרגיה במטוטלת וניתוח המרות האנרגיה.

ציוד: מטוטלת פשוטה שבקצה מחוברת משקולת.

מהלך ההתנסות: קבלו מטוטלת פשוטה שבקצה מחוברת משקולת. העלו את המשקולת כלפי מעלה ושחררו אותה. צפו בה עד שתגיע לשיא גובהה בצד הנגדי. תארו את המרת האנרגיה שהתרחשה מרגע ששמטתם את המשקולת ועד שהיא הגיעה לשיא גובהה בצד הנגדי.

תוצאה: תארו את השינויים בתנועת המטוטלת.

הסבר: גם כאן אפשר לתאר את המרת האנרגיה באמצעות תרשים זרימה. הפעם ההמרה מעט יותר מורכבת. תיאור המרת האנרגיה בדוגמת המטוטלת תיראה כך:

אנרגיית הגובה של המטוטלת הומרה לאנרגיית התנועה של המטוטלת הומרה לאנרגיית הגובה של המטוטלת

(הרחבה) שאלה

האם יש קשר בין הגובה ההתחלתי של המטוטלת לבין זמן עצירתה?

א. העלו השערה בנוגע לקשר שבין הגובה ההתחלתי של המטוטלת לבין הזמן החולף עד לעצירתה המוחלטת.

ב. תכננו כיצד לבדוק את ההשערה בניסוי, באמצעות הציוד העומד לרשותכם.

ג. בצעו את הניסוי שתכננתם.

ד. חזרו על הניסוי כמה פעמים (לפחות עוד פעמיים). הסבירו מדוע יש צורך לחזור על הניסוי כמה פעמים.

ה. תארו את התוצאה שקיבלתם.

ו. נסחו מסקנה לאור התוצאות שקיבלתם.

*26*

(הרחבה) שואלים עוד

1. נסו להעלות עוד שאלת חקר הנוגעת להשמטתה של מטוטלת (לא חייבים לעסוק דווקא במטוטלת שבניסוי), והעלו בעקבותיה השערה.

2. תכננו כיצד לבדוק את ההשערה בניסוי, באמצעות הציוד העומד לרשותכם ובאמצעות ציוד אחר, אם תידרשו לו.

3. תארו תסריט כלשהו בנוגע לתוצאות שיתקבלו. אם אכן אלה יהיו התוצאות שיתקבלו, מה תהיה מסקנתכם?

חלק ג – כדור קופץ

מטרת ההתנסות: מעקב אחרי המרות אנרגיה בכדורסל וניתוח המרות האנרגיה.

ציוד: כדור

מהלך ההתנסות:

הדרך למעלה-

העלו את הכדור לגובה ושחררו אותו. הכדור נופל אל הקרקע ומתפחס. לאחר מכן האנרגיה האלסטית של הכדור גורמת לו לעלות שוב למעלה, עד שהוא מגיע לנקודת השיא שלו, כפי שאפשר לראות באיור הזה:

(בספר תמונה של הכדור למעלה, לפני שחרורו)

- הכדור למעלה, לפני שחרורו.

(בספר תמונה של הכדור באמצע, בדרך למטה)

- הכדור באמצע הדרך למטה.

(בספר תמונה של הכדור למטה, פחוס)

- הכדור למטה, פחוס.

(בספר תמונה של הכדור באמצע הדרך למעלה)

- הכדור באמצע הדרך למעלה.

(בספר תמונה של הכדור בנקודת השיא שלו, למעלה)

- הכדור בנקודת השיא שלו, למעלה.

הסבר:

אפשר לתאר את המרת האנרגיה בכדור הקופץ באמצעות תרשים זרימה.

הפעם הוא מורכב עוד יותר מזה שבדוגמת המטוטלת הנעה:

אנרגיית הגובה של הכדור הומרה לאנרגיית התנועה של הכדור הומרה לאנרגיה האלסטית של הכדור הומרה לאנרגיית התנועה של הכדור הומרה לאנרגיית הגובה של הכדור

*27*

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

המרות אנרגיה

פעילות א

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו בפעילות כדור קופץ. הפעילו את ההדמיה בהילוך אטי (סמנו את המשבצת המתאימה).

הרימו את הכדור ושחררו אותו.

שימו לב כיצד מהירות התנועה של הכדור משתנה כאשר הכדור יורד ועולה. גרף העמודות משמאל מציג את אנרגיית התנועה של הכדור, את אנרגיית הגובה שלו ואת הסכום שלהן. התבוננו בכדור הקופץ ובייצוג של המרות האנרגיה בגרף העמודות. (היעזרו במנחה)

1. בשלב זה אנרגיית הגובה של הכדור מרבית.

2. הכדור מאבד אנרגיית גובה וצובר אנרגיית תנועה.

3. ברגע הפגיעה ברצפה הכדור מאבד את כל אנרגיית הגובה שהייתה לו, ואנרגיית התנועה היא המרבית.

4. לאחר פגיעת הכדור ברצפה הכדור נעצר ומתפחס, ואנרגיית התנועה שלו הופכת לאנרגיה אלסטית.

(בספר תמונות של (1) הכדור עם אנרגיית גובה מרבית, (2) הכדור מאבד אנרגיית גובה וצובר אנרגיית תנועה, (3) הכדור מאבק את אנרגיית הגובה ונשאר רק עם אנרגיית תנועה, (4) אנרגיית התנועה הופכת לאנרגיה אלסטית)

*28*

שאלות

1. מתי אנרגיית הגובה של הכדור היא הגבוהה ביותר (תארו במילים)?

2. מתי אנרגיית התנועה של הכדור היא הגבוהה ביותר?

3. מה קורה לאנרגיית התנועה של הכדור כאשר הוא פוגע ברצפה?

4. תארו את המרות האנרגיה מרגע השמטת הכדור ועד לחזרתו לגובהו המרבי (התייחסו לאנרגיית הגובה, לאנרגיית התנועה ולאנרגיה האלסטית).

5. לפניכם איור של הכדור במקומות ובמצבים שונים במהלך תנועתו.

בתחתית האיור תמצאו סדרה של תרשימי עוגה, המתארים את החלק היחסי של סוגי האנרגיה השונים בכל מצב. העיגול השלם מייצג את האנרגיה הכוללת במערכת. לדוגמה:

תרשים העוגה מתאר מצב בהדמיה שבו יש לכדור אנרגיית גובה בלבד.

תרשים העוגה מתאר מצב בהדמיה שבו יש לכדור אנרגיית תנועה בלבד.

תרשים העוגה מתאר מצב בהדמיה שבו יש לכדור גם אנרגיית גובה וגם אנרגיית תנועה, במידה שווה.

התאימו לכל מצב את תרשים העוגה המתאים לו (התאימו מספרים לאותיות)

(בספר תמונה של איור של הכדור במקומות ובמצבים שונים במהלך תנועתו)

*29*

פעילות 1

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו בפעילות גלישה על סקייטבורד.

הפעילו את ההדמיה והשיבו על השאלות שלפניכם.

שאלות

1. התאימו את הגרפים לאיורים. (היעזרו במנחה)

(בספר איורים המתארים גלישה בסקייטבורד על משטח קעור, וגרפים המתארים את המרות האנרגיה.)

2. לאחר שהתאמתם את הגרפים לאיורים, הסבירו כיצד הגרפים המתארים את המרות האנרגיה בסקייטבורד (שימו לב כיצד גובהי העמודות מייצגים את הכמויות של כל אחד משני סוגי האנרגיה).

3. בחרו שני מצבים של גולש הסקייטבורד והשוו ביניהם בטבלה. הקריטריונים להשוואה הם סוגי האנרגיה, גובה הגולש מעל הקרקע ותנועתו.

*30*

פעילות ג

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו ב-3 הפעילויות האלה: (1) כדור בגומה; (2) אנרגיה במכונית נוסעת; (3) קפיץ. הפעילו את ההדמיות, וזהו את המרות האנרגיה בכל הדמיה.

העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם, וסכמו באמצעותה את ההמרות. נסחו כותרת לטבלה.

- המרת אנרגיה היא שינוי של סוג האנרגיה מאחד לאחד.

(בספר תמונות של כדור מתגלגל על משטח קעור, וכדור מחובר לקפיץ)

(בספר תמונה של מכונית נוסעת)

*31*

מעבר אנרגיה מגוף לגוף

אנרגיה יכולה גם לעבור מגוף לגוף ללא כל שינוי בסוגה.

בניסויים שלפניכם ובהדמיות תחקרו תופעות שונות הקשורות במעברי אנרגיה.

פעילות התנסות

התנגשות גולות

מטרה: צפייה במעבר אנרגיה בהתנגשות בין גולות, וניתוחו.

ציוד: שתי גולות

מהלך ההתנסות: קחו גולה ודחפו אותה על פני השולחן אל גולה הנמצאת במרחק כלשהו ממנה.

תוצאות:

א. תארו מה קרה לגולה הנעה בעקבות ההתנגשות. תארו מה קרה לגולה הנחה בעקבות ההתנגשות.

ב. האם התרחש כאן מעבר אנרגיה? תארו אותו.

הסבר:

ראיתם כאן מעבר אנרגיה מגוף לגוף. אנרגיה עברה מגולה אחת לאחרת.

אנרגיית התנועה של גולה א עברה לאנרגיית התנועה של גולה ב

שאלות

1. סיר חם מונח על שולחן והשולחן מתחמם. האם השינוי הוא המרת אנרגיה או מעבר אנרגיה? נמקו.

2. ילד בועט בכדור הנמצא על מגרש. הכדור נע לאורך המגרש. האם השינוי הוא המרת אנרגיה או מעבר אנרגיה? נמקו.

3. תארו במילים תהליך או תופעה שבה מתרחש מעבר של אנרגיה ללא המרת אנרגיה. לאחר מכן תארו את תרשים הזרימה של התהליך.

*32*

המרות אנרגיה ומעברי אנרגיה ביחד

עד כה עסקנו בהמרת אנרגיה ובמעבר אנרגיה בנפרד, אך ברוב התהליכים מתרחשים המרות האנרגיה ומעברי האנרגיה ביחד.

דוגמאות

התחממות מים בקומקום חשמלי

(בספר תמונה של קומקום חשמלי)

לפניכם קומקום חשמלי מלא מים, המחובר אל השקע בכבל חשמלי. הקומקום החשמלי מקבל חשמל מתחנת החשמל. גוף החימום שבקומקום מתחמם, ומחמם את המים בקומקום.

שאלות

1. תארו במילים מה מתרחש בתהליך. כללו בתיאור התהליך את תחנת החשמל, את הכבל ואת הקומקום החשמלי המלא במים.

2. מה מתרחש בתהליך זה – המרת אנרגיה, מעבר אנרגיה או שניהם יחדיו? הסבירו.

התחממות המים בקומקום החשמלי היא דוגמה לתהליך שבו אנרגיה גם עוברת מגוף לגוף וגם מומרת לאנרגיה אחרת. אפשר לתאר את התהליך בתרשים הזרימה הזה:

אנרגיה חשמלית עברה והפכה לחום בגוף החימום שבקומקום.

חום מגוף החימום עבר – למים שבקומקום

3. לפניכם מכונית המונעת באמצעות תאי שמש. תא שמש הוא מתקן הבנוי מלוחות של תאים סולריים (תא סולרי – (תא פוטו-וולטאי) מתקן להפקה ישירה של אנרגיה חשמלית מאנרגיית קרינה. כאשר קרינה פוגעת בתא הסולרי, חלק מאנרגיית הקרינה הופכת לאנרגיה חשמלית. האנרגיה החשמלית באה לידי ביטוי בזרם חשמלי), ההופכים את קרינת השמש הפוגעת בו לאנרגיה חשמלית.

(בספר תמונה של מכונית צעצוע עם תאים סולריים)

תארו במילים ובתרשים זרימה את השינויים באנרגיה בתהליך. כללו בתהליך את השמש ואת תאי השמש המשובצים במכונית.

*33*

שינויי אנרגיה

חלק א – שפשוף לוח עץ בנייר לטש (נייר זכוכית)

מטרת ההתנסות: מעקב אחר שינוי בסוגי האנרגיה ואחר מעבר האנרגיה ממקום למקום.

ציוד: לוח עץ שטוח ונייר לטש

מהלך ההתנסות:

א. געו בלוח והרגישו את הטמפרטורה שלו.

ב. שפשפו את העץ השטוח במהירות באמצעות נייר הלטש.

ג. געו בלוח העץ. היזהרו – הקפידו לנגוע בו רק לזמן קצר. מה אתם חשים עכשיו?

תוצאה: תארו מה קרה בעקבות השפשוף.

סיכום: תארו בתרשים זרימה את השינויים באנרגיה בתהליך.

חלק ב – פעולת מאוורר סולרי

מטרת ההתנסות: מעקב אחרי שינוי אנרגיה במאוורר סולרי.

ציוד: מאוורר סולרי

מהלך ההתנסות:

קבלו מאוורר המחובר לתא סולרי.

האירו על התא הסולרי באמצעות מנורה חזקה, או חשפו אותו לאור השמש.

תוצאה: תארו מה קרה.

סיכום: תארו בתרשים זרימה את השינויים באנרגיה בתהליך.

*34*

חלק ג – דינמו מפעיל מרה

מטרת ההתנסות: מעקב אחר שינוי אנרגיה במתקן הכולל דינמו (דינמו – גנרטור קטן. גנרטור ממיר אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית באמצעות תנועה סיבובית) ונורה חשמלית.

ציוד: מכונה המורכבת מגלגל שאפשר לסובב ביד, דינמו ונורת חשמל

מהלך ההתנסות: הניעו את הגלגל. תוצאה: תארו מה קרה.

סיכום: סכמו במילים ובתרשים זרימה את המרות האנרגיה ואת מעברי האנרגיה.

הרחבה

פעילות חקר:

האם יש קשר בין מהירות הגלגל המסובב את הדינמו לעוצמת האור של הנורה?

1. העלו השערה בנוגע לקשר שבין מהירות הגלגל המסובב את הדינמו לבין עוצמת האור של הנורה.

2. תכננו כיצד לבדוק את ההשערה בניסוי, באמצעות הציוד העומד לרשותכם.

3. בצעו את הניסוי שתכננתם.

4. חזרו על הניסוי כמה פעמים (לפחות עוד פעמיים). הסבירו מדוע יש צורך לחזור על הניסוי כמה פעמים.

5. נסחו מסקנה לאור התוצאות שקיבלתם.

*35*

המרות אנרגיה ומעברי אנרגיה לכמה סוגים או לכמה גופים בו זמנית

לעתים אנרגיה מסוג אחד מומרת בבת אחת לכמה סוגי אנרגיה, או שהיא עוברת בבת אחת לכמה גופים.

לדוגמה: אנרגיה חשמלית מומרת ברמקולים של המחשב לאנרגיית קול, ובמסך המחשב היא מומרת לאנרגיית קרינה.

שאלה

בדירה פועלים באותו הזמן תנור אפייה, טלוויזיה ומאוורר.

א. האם זוהי דוגמה להמרת אנרגיה לכמה סוגי אנרגיה שונים באותו הזמן? הסבירו.

ב. האם זוהי דוגמה למעבר אנרגיה לכמה גופים באותו הזמן? הסבירו.

תנור סולרי (תמר שמש)

תנור סולרי (תנור סולרי – (תנור שמש) מתקן המנצל את אנרגיית הקרינה המגיעה מן השמש לחימום מזון) הוא מתקן המנצל את אנרגיית הקרינה המגיעה מן השמש לחימום מזון. בתנור הסולרי מרכזים באמצעות מראה את אור השמש על כלי שבתוכו מצוי מזון. הכלי שבו המזון מצוי צבוע בציפוי שחור. הסיבה לצביעתו בשחור היא שרוב האור הפוגע בגוף שצבעו שחור נבלע בו והופך לחום. בזכות הבליעה המוגברת המזון מתחמם יותר. התנור הסולרי מאפשר בישול ללא הדלקת אש, דבר המונע שרפה. עקב כך הוא גם איננו פולט חומרים מזהמים לסביבה. בתנור סולרי אפשר להשתמש לא רק בקיץ, אלא גם בימי חורף בהירים.

השימוש בתנורים סולריים חוסך במשאבי טבע. הוא מתאים לשימושם של מטיילים המעוניינים לחמם לעצמם אוכל, לשימושם של פליטים במחנות פליטים ואף לשימושם של חיילים החונים בשטח ומעוניינים באוכל חם.

(בספר תמונה של תנור סולרי)

*36*

הרחבה

תחנת החשמל ומקורות אנרגיה "נקיים"

כמעט כל המכשירים בבתינו פועלים באמצעות אנרגיה חשמלית, ואנו משתמשים בה גם במקומות רבים מחוץ לבית (תאורת רחוב, רמזורים ועוד).

את האנרגיה החשמלית מפיקים במתקן גדול הנקרא תחנת חשמל. רוב תחנות החשמל מפיקות אנרגיה חשמלית באמצעות טורבינה המחוברת לגנרטור. הטורבינה היא גלגל המצויד בכנפיים, המורכבות על ציר משותף. כשהטורבינה מסתובבת היא מסובבת את הגנרטור, וזה ממיר את אנרגיית התנועה לאנרגיה חשמלית. הדרך שהייתה נפוצה עד היום להפקת חשמל היא שרפת דלק כגון פחם, נפט וגז טבעי. שרפת הדלק יוצרת חום, והחום מחמם מים. המים הופכים לקיטור בתנועה (קיטור הוא אדי מים). בתנועתו הקיטור מסובב את הטורבינה, זו מסובבת את הגנרטור, והגנרטור מפיק אנרגיה חשמלית. בעת שרפת הדלק נפלטים לאטמוספרה גזי חממה (גזי חממה – גזים שאינם מאפשרים לחום הנפלט מהאדמה המתחממת להיפלט בחזרה לחלל) הגורמים להתחממות כדור הארץ. אחת הדרכים להתמודד עם בעיה זו היא לעבור בהדרגה להפקת אנרגיה בתהליכים שאינם פולטים גזי חממה. דוגמאות לתהליכים כאלה מפורטות כאן.

(בספר תמונה של טורבינות רוח)

- באמצעות הרוח: תנועת הרוח היא המשמשת להנעת הטורבינה. הרוח מניעה את הטורבינה, וזו מניעה את הגנרטור המחובר אליה. הגנרטור ממיר את אנרגיית התנועה של הרוח לאנרגיה חשמלית.

(בספר תמונה של תאים סולאריים)

- באמצעות תאי שמש: קרינת השמש פוגעת בתאי השמש. בתאי השמש הקרינה עוברת המרה לאנרגיה חשמלית.

(בספר תמונה של תחנת כוח גיאותרמית)

- באמצעות מקור גאותרמי: במקרה זה מנוצל חום הנמצא בתוך האדמה ליצירת קיטור בתנועה, והקיטור מניע את הטורבינה.

*37*

(בספר תמונה של טורבינת המונעת על ידי מפל מים)

- באמצעות מים בתנועה הנופלים מגובה (מפל מים):

במקרה זה תנועת המים היא המסובבת את הטורבינה.

(בספר תמונה של תחנת כוח גרעינית)

- אנרגיה גרעינית: בכורים גרעיניים מתרחש ביקוע גרעיני (של גרעין האטום) אשר במהלכו משתחרר חום רב. החום מביא ליצירת קיטור המפעיל טורבינה לייצור חשמל. כור גרעיני אינו מזהם את הסביבה מכיוון שהוא אינו פולט מזהמים, אך במקרה של תקלה שבה מתרחשת דליפה בכור יש חשש לזיהום רדיואקטיבי, שהוא מסוכן ביותר.

שאלות

1. היכנסו אל אתר האינטרנט מתח גבוה, ובחרו במדור חשמל ואיכות הסביבה. שיטת המחזור המשולב המתוארת באתר זה נחשבת שיטה "ירוקה" להפקת אנרגיה חשמלית. תארו אותה, והסבירו מדוע היא נחשבת "ירוקה".

2. בחרו שתי שיטות להפקת אנרגיה חשמלית "ירוקה", ותארו מה קורה לאנרגיה בכל אחת מן השיטות בעת הפקת האנרגיה. התייחסו להמרות אנרגיה, למעברי אנרגיה ולסוגי אנרגיה. העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם, ומלאו בה את הפרטים. נסחו כותרת לטבלה.

3. תארו בתרשימי זרימה את השינויים באנרגיה בכל אחת מן השיטות.

*38*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

הפקת חשמל ממקורות אנרגיה שונים

א. היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט''ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד הפקת חשמל בתחנת הכוח. הפעילו את ההדמיה, צפו בפעולתה של תחנת החשמל (תחנת הכוח) והשיבו על השאלות שביחידת הלימוד. (היעזרו במנחה)

(בספר איור של תחנת כוח)

ב. היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד אנרגיות חלופיות.

(בספר צילום מסך של המשחק בילקוט הדיגיטלי)

התנסו במשחק ובצעו את כל הפעילויות ביחידת הלימוד. (היעזרו במנחה)

- תהליכים שונים מתאפשרים באמצעות שינויים המתרחשים באנרגיה.

- השינויים באנרגיה באים לידי ביטוי בהמרת אנרגיה, במעבר אנרגיה או בשניהם ביחד.

*39*

שאלות לסיכום שינויי האנרגיה

1. לפניכם איור. תארו במילים ובתרשים זרימה את השינויים המתרחשים באנרגיה בתהליך המתואר בו: (היעזרו במנחה)

(בספר תמונה של גלגל המונע על ידי זרם מים, הנוצר על ידי מזרק)

2. תארו במילים או בתרשים זרימה מה קורה לאנרגיה בכל אחת מ-6 הדוגמאות שלפניכם. השתמשו במונחים העברת אנרגיה והמרת אנרגיה, לפי הצורך. (היעזרו במנחה)

(בספר תמונות של (1) שמש מאירה מים, (2) סקי, (3) כדור קופץ, (4) יד מותחת גומיה, (5) ילד קופץ, (6) איש מסיע עגלה)

3. מיינו את הדוגמאות שבשאלה 2, לכאלה שמתרחשת בהן רק המרת אנרגיה, לכאלה שמתרחש בהן רק מעבר אנרגיה ולכאלה שמתרחשים בהן המרה ומעבר ביחד.

*40*

4. ילדה מתנדנדת בנדנדה.

(בספר תמונה של ילדה מתנדנדת בנדנדה)

מצב א – הילדה בשיא הגובה בצד ימין

מצב ב

מצב ג – הילדה בשיא הגובה בצד שמאל

א. ציינו אילו סוגי אנרגיה יש בכל אחד מן המצבים (א, ב, ג).

העתיקו את הטבלה אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים. נסחו כותרת לטבלה.

ב. תארו את שינויי האנרגיה בתהליך בתרשים זרימה.

5. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת. כתבו בטבלה מכשיר אחד שאתם משתמשים בו, ותארו במילים ובתרשים זרימה את שינוי האנרגיה המתרחש בו. נסחו כותרת לטבלה.

6. תארו דוגמה המתאימה לכל אחת מהמרות האנרגיה המתוארות בתרשימי הזרימה שלפניכם.

א. אנרגיה חשמלית – חום.

ב. אנרגיית גובה – אנרגיית תנועה.

7. תארו דוגמה המתאימה לכל אחת מהמרות האנרגיה המתוארות בתרשימי הזרימה שלפניכם (הדוגמה יכולה להיות גם דמיונית).

א. אנרגיית קרינה – אנרגיה חשמלית – אנרגיית תנועה.

ב. אנרגיית גובה – אנרגיית תנועה – אנרגיה חשמלית – חום.

*41*

חוק שימור האנרגיה

לפניכם שלושה צילומים: גל קטן המתנפץ על החוף, גל גבוה הרחק מהחוף, וגל ענק של צונאמי. אמנם לכל הגלים יש אנרגיה, אך כמותה בכל אחד מהם שונה. לאנרגיה, אם כן, יש כמות, ובמצבים שונים – כמויות האנרגיה שונות בגודלן זו מזו.

(בספר תמונה של גלים בחוף)

(בספר תמונה של גל בלב ים)

(בספר תמונה של גל גדול)

ראינו שאפשר להמיר אנרגיה וראינו שאפשר להעביר אותה מגוף לגוף. למשל, האנרגיה החשמלית שבנגן המוזיקה הופכת (מומרת) לאנרגיית קול ועוברת אל אוזנו של הילד. האנרגיה הכימית של טיל מומרת לאנרגיית תנועה שלו, והאנרגיה הכימית שבדלק המכונית עוברת למנוע ומומרת בו לאנרגיית תנועה. אך מה קורה לכמות האנרגיה כאשר היא משתנה מסוג לסוג, או כאשר היא עוברת מגוף אל גוף?

בניסויים רבים שמדענים ערכו, הוכח שבכל התהליכים שבהם אנרגיה עוברת מגוף לגוף או משתנה מסוג לסוג כמותה נשארת קבועה. כלומר, בכל תהליך שיש בו העברת אנרגיה או שינוי אנרגיה, סך כל האנרגיה לסוגיה לפני תהליך השינוי שווה לסך כל האנרגיה לאחר תהליך השינוי. כלל זה נקרא חוק שימור האנרגיה.

אפשר לתאר זאת כך:

1. אנרגיה איננה נוצרת מעצמה.

2. אנרגיה איננה נעלמת.

3. כמות האנרגיה קבועה ואינה משתנה. כמות האנרגיה אינה גדלה ואינה פוחתת במהלך השינויים שהאנרגיה עוברת.

עד כה לא נתגלתה כל תופעה הסותרת את המסקנה, ולכן היא התקבלה כחוק טבע. החוק מוכר בשם חוק שימור האנרגיה.

- חוק שימור האנרגיה: כמות האנרגיה נשארת קבועה בכל תהליך של שינוי סוג האנרגיה ובכל מעבר של אנרגיה מגוף אל גוף.

- אנרגיה אינה נוצרת מעצמה ואינה נעלמת.

*42*

פעילות אוריינות מדעית

מבט אל העבר – דוגמה המנוגדת כביכול לחוק שימור האנרגיה

קראו את הקטע שלפניכם והשיבו על השאלות שאחריו.

(בספר איור של הגלגל של אורפיריוס)

הגלגל עול אורפיריוס

בגרמניה, בתחילת המאה ה-18, הציג אדם בשם אורפיריוס המצאה מדהימה – גלגל גדול מאוד בקוטר של מטרים אחדים. אורפיריוט נהג להציב את הגלגל על במה, לדחוף אותו קלות ולהתרחק. הגלגל הגדול היה צובר מהירות גדולה יותר ויותר, מגיע למהירות מסוימת ושומר עליה ללא כל מקור אנרגיה נראה לעין. אבל אורפיריוס לא הסתפק בכך. הוא חיבר אל הגלגל חבל, שאב באמצעותו מים והרים באמצעותו משקולות כבדות. גם לאחר שעשה זאת המשיך הגלגל להסתובב ללא צורך בדחיפה כלשהי.

הגלגל של אורפיריוס היה מכונה של תנועה מתמדת, או בלטינית: פרפטואום מובילה perpetuum mobile (פרפטואום מובילה – מכונה הנעה ללא הפסקה בלי להאט גם כשלא מספקים לה אנרגיה לאחר הנעתה הראשונית. במהלך תנועתה של מכונה כלשהי אנרגיית התנועה שלה הופכת לחום עקב החיכוך, ולכן המכונה הולכת ומאטה עד שהיא נעצרת (בתנאי של מספקים לה אנרגיה). אם דבר זה אינו קורה, סימן שהמכונה מפיקה בעצמה אנרגיה יש מאין, וזה מנוגד לחוק שימור האנרגיה. כמובן, לפי חוקי הפיזיקה המקובלים כיום, מכונה כזו לא תיתכן)

אורפיריוס לא גילה את סודו, ואנשים ניסו לפצח את סוד המכונה ולהראות שהיא אינה אפשרית, אך הם לא הצליחו. ועדה שבדקה את הגלגל ביסודיות נעלה אותו בחדר כשהוא מסתובב, וכשפתחו את החדר לאחר חודשיים גילו שהגלגל עדיין מסתובב. אך אז, באחד הימים, הודתה אחת המשרתות של אורפיריוס שהיא הניעה את הגלגל. היא עשתה זאת באמצעות סיבוב מנואלה (ידית המשמשת להנעה סיבובית) שהייתה מחוברת לגלגל מתחת לרצפה.

לפני תקופתו של אורפיריוס ניסו ממציאים רבים לתכנן ולבנות מכונה של תנועה נצחית – אפילו ליאונרדו דה וינציי, הממציא והאמן האיטלקי הגדול שחי במאות ה-15 וה-16. מעולם לא הצליח איש מהם לעשות זאת.

*43*

1. תארו באמצעות תרשים זרימה את השינויים באנרגיה שהתרחשו בעקבות הדחיפה הקלה שדחף אורפיריוס את הגלגל כדי לסובבו.

2. מדוע לא ייתכן שהגלגל יגביר את מהירותו?

בפעילויות שלפניכם נבחן את חוק שימור האנרגיה.

פעילות התנסות

בחינת חוק שימור האנרגיה

מטרת ההתנסות: בחינת קיומו של חוק שימור האנרגיה.

ציוד: מטוטלת המורכבת מחוט שבקצהו כדור

מהלך ההתנסות:

- אחזו את קצה החוט של המטוטלת, הגביהו את הכדור לגובה כלשהו, ושימו לב לגובהו.

- שמטו את הכדור ושימו לב לגובה שאליו הוא מגיע בצד הנגדי.

שאלות

1. תארו את השינויים באנרגיה מרגע שהכדור נשמט ועד להגעתו לשיא גובהו בצד השני.

2. מה השתנה בתהליך? הסבירו.

3. מה לא השתנה בתהליך (השוו בין גובה הכדור לפני שנשמט לבין שיא גובהו בצד הנגדי)? איך אתם יודעים זאת?

4. האם תוצאות הניסוי תומכות בחוק שימור האנרגיה? הסבירו.

*44*

פעילות אל הרשת

בחינת חוק שימור האנרגיה

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה. בחרו ביחידת הלימוד מטוטלת בתנועה.

הפעילו את ההדמיה וצפו בגרפים הנלווים לה (עמודות ועוגה). (היעזרו במנחה)

1. לפניכם מסך מההדמיה, הבה ננתח אותו:

(בספר תמונה של מסך מהדמיית מטוטלת בתנועה)

א. מה מייצגות הגזרה הכחולה והגזרה הכתומה שבגרף העוגה?

ב. מה מייצג העיגול השלם?

ג. כיצד מראה גרף העוגה בהדמיה את חוק שימור האנרגיה?

(בספר גרף עוגה)

ד. לאיזה מצב של המטוטלת מתאים גרף העוגה שלפניכם? תוכלו לנסח זאת במילים או לצייר את המטוטלת במצב המתאים.

ה. גרף העוגה משתנה בהתאם לתזוזת המטוטלת. כיצד השינויים בגרף העוגה מייצגים את שינויי האנרגיה במטוטלת?

(בספר גרף עמודות של סוגי האנרגיה וסה"כ אנרגיה)

2. התבוננו בגרף העמודות בהדמיה. מתוארות בו הכמויות של אנרגיית התנועה ושל אנרגיית הגובה של המטוטלת.

א. מה מייצגת כל עמודה בגרף?

ב. העמודה השמאלית מורכבת מהעמודות האחרות, מצויירות אחת מעל השנייה. כיצד משתנה גובה העמודה השמאלית? מה אפשר ללמוד מכך?

ג. הגרף שלפניכם מתאר את הכמויות של סוגי האנרגיה השונים של המטוטלת ברגע מסוים. תארו באיזה מצב נמצאת המטוטלת (נסחו זאת במילים או ציירו ציור).

*45*

הילקוט הדיגיטלי

HYPERLINK "http://www.ebaghigh.cet.ac.il" www.ebaghigh.cet.ac.il

(היעזרו במנחה)

(בספר תמונה של גרפים של אנרגיה )

3. לפניכם שלושה גרפים המתארים את כמויות האנרגיה של המטוטלת.

א. היכן נמצאת המטוטלת לפי כל אחד מן הגרפים (תוכלו לנסח זאת במילים או לצייר ציור)? הסבירו.

ב. מה נשאר קבוע בכל אחד מן המצבים? כיצד רואים זאת בגרף?

4. היכנסו אל יחידת הלימוד קפיץ, והפעילו את ההדמיה.

אילו גדלים פיזיקליים נשארים קבועים בהדמיה? אילו גדלים משתנים? בדקו את המהירות, את הגובה, את האורך ואת האנרגיה.

*46*

חום וחוק שימור האנרגיה

שפשפו את שתי כפות ידיכם זו בזו. בוודאי הרגשתם שידיכם מתחממות. גם אם תשפשפו לוח עץ בעזרת נייר זכוכית תרגישו בחום. אנרגיה חשמלית גם היא משתנה לחום, למשל: כאשר זרם חשמלי עובר בגוף חימום של קומקום, וכך גם אנרגיה כימית, בבעירה.

כאשר מכונית בולמת, הבלם מתחכך בגלגליה ונוצר חיכוך: בין הבלם לגלגלים, ובין הגלגלים לכביש. במצב זה אנרגיית התנועה של המכונית הופכת לחום גם בצמיג וגם בכביש. כמובן, גם במקרה זה חוק שימור האנרגיה מתקיים: לאחר עצירת המכונית סך כל החום שנוצר במקומות שונים כמו הבלמים, הצמיג והכביש שווה לאנרגיית התנועה שהייתה למכונית לפני הבלימה.

ומה קורה לאנרגיית התנועה של מטוטלת שנעה באוויר?

פעילות התנסות

תנועת מטוטלת

מטרת ההתנסות: בדיקת תנועת מטוטלת לאורך זמן.

ציוד: מטוטלת המורכבת מחוט שבקצהו כדור

מהלך ההתנסות:

- אחזו את קצה החוט של המטוטלת, הגביהו את הכדור לגובה כלשהו, ושימו לב לגובהו.

- שמטו את הכדור. הפעם הניחו למטוטלת להתנדנד עד שתעצור.

מה קרה לאנרגיית התנועה של המטוטלת? האם ניסוי זה עומד בסתירה לחוק שימור האנרגיה?

עצירת המטוטלת אינה סותרת את חוק שימור האנרגיה. אחרי ששומטים אותה היא נעה, ובתנועתה גם חוט המטוטלת וגם הכדור שבקצהו מתחככים עם האוויר. החיכוך גורם לאנרגיית התנועה שלה להפוך לחום. בזמן תנועתה הופכת עוד ועוד אנרגיית תנועה לחום ואנרגיית התנועה הולכת ופוחתת, עד שלבסוף היא נעצרת – מכיוון שכל אנרגיית התנועה שלה הופכת לחום. אנרגיית המטוטלת אינה נעלמת, וכמותה אינה משתנה. היא רק מומרת: מאנרגיית תנועה לחום.

שאלות

1. היכן נמצאת המטוטלת כאשר כל האנרגיה שלה הפכה (הומרה) לחום? הסבירו.

2. אם תגעו במטוטלת לפני השמטתה ולאחר שהיא נעצרה, לא תחושו בהבדלים בטמפרטורה. שערו מדוע.

*47*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

תנועת מטוטלת (היעזרו במנחה)

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו בנושא המשנה המרה ושימור אנרגיה.

היכנסו אל יחידת הלימוד מטוטלת בתנועה, בחרו באפשרות חיכוך והפעילו את ההדמיה.

צפו בגרף (עמודות או עוגה), והמתינו עד שהמטוטלת תעצור.

(בספר תמונת מסך של הדמיית מטוטלת בתנועה)

שאלות

1. אילו סוגי אנרגיה פוחתים בכמותם כשהזמן עובר? כיצד רואים את בגרף?

2. איזה סוג אנרגיה גדל כל הזמן? כיצד רואים זאת בגרף?

3. מה נותר קבוע? כיצד רואים זאת בגרף?

4. הסבירו לפי ההדמיה מדוע המטוטלת נעצרת לבסוף, ומדוע הדבר אינו סותר את חוק שימור האנרגיה.

*48*

שאלה

(בספר תמונה של רכבת הרים)

קרונית של רכבת הרים גולשת משיא המסלול. בראש המסלול היא עומדת ללא תנועה. בעת תנועתה על פסי המסלול, חלק מאנרגיית התנועה שלה הופך (מומר) לחום, משום שהיא מתחככת עם הפסים ועם האוויר. לאחר זמן מה חצי מהאנרגיה הכוללת שלה היא אנרגיית גובה, רבע ממנה היא אנרגיית תנועה, ורבע ממנה היא חום.

תארו בגרף עוגה את האנרגיה במצבים השונים של רכבת ההרים. אינכם צריכים לדייק, אלא רק להציג את סוגי האנרגיה המצויים במצב כזה או אחר. השתמשו בצבעים שונים לסימון אנרגיית הגובה, אנרגיית התנועה והחום.

משימה הרחבה

האם הציור הבא אפשרי מבחינה מדעית?

התמונה הבאה היא ציור של האמן אשר. המים בציור נופלים מן המישור שלמעלה ומניעים גלגל שיניים הנמצא בתחתית. לאחר מכן הם עולים עד שהם מגיעים בחזרה אל המישור שממנו יצאו.

(בספר האיור "מפל המים" של האמן אשר)

שאלה

האם זרימת המים הנראית בציור אפשרית מבחינה מדעית? הסבירו (חשבו מה קורה כשהמים מתחככים במשטח שעליו הם נעים).

*49*

משימה אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

אנרגיה ותנועה

חלק א – מכונית נוסעת

שאלות

(בספר איור של מכונית נוסעת)

1. התניעו את המכונית, והסיעו אותה עד שייגמר הדלק. מהם סוגי האנרגיה המוצגים בהדמיה?

2. מה קורה לכמויות של כל סוגי האנרגיה בסיום הנסיעה?

3. מכונית נסעה על כביש במהירות קבועה. תארו את המרות האנרגיה שהתרחשו. מה נשאר קבוע?

4. בזמן הנסיעה הבחין נהג המכונית בהולך רגל שהתפרץ לכביש, ועצר את המכונית בפתאומיות. לאחר העצירה עלה ריח של גומי חרוך מהצמיגים. מדוע? בהסברכם התייחסו להמרות האנרגיה בתהליך.

חלק ב – גלישה על סקייטבורד

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו ביחידת הלימוד גלישה על סקייטבורד.

סמנו את האפשרות חיכוך, גררו את הגולש כלפי מעלה, והפעילו את ההדמיה.

שאלות

(בספר צילום מסך של הדמיית גלישה על סקייטבורד)

1. השוו את שינויי האנרגיה המתרחשים בהדמיה לאלו שהתרחשו באותה הדמיה ללא החיכוך.

2. מה גחרום לחיכוך בהדמיית הסקייטבורד?

3. השוו את ההמרות לחום בהדמיית הסקייטבורד לאלו שבדמיה אנרגיה במכונית נוסעת – מה משותף לשתתי ההדמיות ומה השונה ביניהן?

*50*

הרחבה

ניסוי ג'ול: האם אפשר להעלות טמפרטורה של גוף לא בחימום?

הפיזיקאי גייימס פרסקוט ג'ול (James Prescott Joule), שחי במאה ה-19, הוכיח שאפשר לעשות זאת.

בניסוי שערך ג'ול בשנת 1843, הוא הניח למשקולת ליפול מגובה כלשהו. המשקולת הייתה מחוברת לגלגל כנפיים אופקי שנמצא בתוך מכל שהיו בו מים. גלגל הכנפיים הסתובב בתוך המים והטמפרטורה שלהם עלתה. עליית טמפרטורה מצביעה על התחממות של גוף, ולפיכך הניסוי הראה שאפשר לגרום לעליית טמפרטורה (להתחממות) לא רק בחימום אלא גם באמצעות המרתה של אנרגיה אחרת. במקרה הזה, אנרגיית הגובה של המשקולת הפכה לאנרגיית תנועה. ג'ול הוכיח כי בתנאים המתאימים אפשר להפוך אנרגיית גובה או אנרגיית תנועה לחום.

המתקן שבאמצעותו הראה ג'ול שאפשר להפוך את אנרגיית הגובה של משקולת לחום באמצעות חיכוך של גלגל כנפיים במים.

(בספר תמונה של המתקן)

שאלות

1. כיצד מאשר ניסוי ג'ול את ההשערה שאפשר להפוך(להמיר) אנרגיית גובה לחום?

2. תארו את המרות האנרגיה בניסוי ג'ול.

סיכום

- אנרגיה היא צורך חיוני לקיומן של תופעות טבע, לקיום תהליכי חיים וכן להפעלת מכשירים טכנולוגיים.

- האנרגיה מספקת לנו שירותים שונים, ובהם תאורה, תקשורת ותחבורה.

- ישנם סוגים שונים של אנרגיה, ובהם אנרגיית קרינה, אנרגיית תנועה, אנרגיה חשמלית וחום.

- אנרגיה יכולה להפוך מסוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר(המרת אנרגיה).

- בדרך כלל, בעת המרות אנרגיה הופך חלק מן האנרגיה לחום.

- אנרגיה יכולה לעבור מגוף לגוף (מעבר אנרגיה).

- בתהליכים רבים מתרחשים המרות אנרגיה ומעברי אנרגיה בו זמנית.

- בעת חיכוך, אנרגיית תנועה הופכת (מומרת) לחום.

- חוק שימור האנרגיה: כמות האנרגיה נשארת קבועה בכל תהליך של שינוי סוג האנרגיה ובכל מעבר של אנרגיה מגוף אל גוף.

*51*

שאלות סיכום

1. מהם סוגי האנרגיה הבאים לידי ביטוי בהתרחשויות שבטבלה? העתיקו את הטבלה אל המחברת, וסמנו במשבצות המתאימות.

2. העתיקו את הפסקה שלפניכם אל המחברת והשלימו בה את סוגי האנרגיה: גולש על סקייטבורד נע במורד מדרון. בעת נסיעתו כלפי מטה אנרגיית ה

--

שלו הופכת לאנרגיית

--

. באותו הזמן, בעקבות החיכוך בין גלגלי הסקייטבורד למדרון ולצירים המחזיקים אותם, ובעקבות החיכוך בין הגולש לאוויר, אנרגיית ה

--

של הגולש הופכת ל

--

.

3. סרטטו תרשימי זרימת אנרגיה המתארים את המרות האנרגיה בדוגמאות שלפניכם:

א. תנור חימום חשמלי מתחמם באמצעות אנרגיה חשמלית.

ב. אוטובוס משתמש בדלק בנסיעתו בכביש.

ג. בתחנת חשמל הידרואלקטרית מנצלים מפל מים לקבלת אנרגיה חשמלית. האנרגיה החשמלית מנוצלת להפעלת נורה חשמלית בבית.

ד. ילדה נופלת מטה אל טרמפולינה, פוגעת בה ומוחזרת למעלה.

4. איזה סוג של שינוי אנרגיה מתרחש בכל אחד מן האירועים שבטבלה?

העתיקו את הטבלה אל המחברת, וסמנו במשבצות המתאימות (פעם אחת בלבד בכל שורה).

5. מהו חוק שימור האנרגיה?

א. חוק למניעתו של שימוש מיותר בחומרי דלק שמטרתו לאפשר חיסכון באנרגיה ובזיהום אוויר.

ב. אנרגיה עשויה לשנת סוג ולעבור מגוף לגוף, אך כשמדובר במערכת סגורה כמותה הכוללת של האנרגיה נשארת קבועה.

ג. המלצה לשמור את האנרגיה לשעת הצורך.

ד. חוק האומר שאי אפשר לנצל את האנרגיה במלואה.

6. מקפיצים כדורסל מן הרצפה כלפי מעלה באמצעות הרגל. מה קורה מרגע יציאתו כלפי מעלה ועד הרגע שלפני פגיעתו בחזרה ברצפה, בהנחה שאין חיכוך?

א. הסכום הכולל של אנרגיית התנועה ושל אנרגיית הגובה שלו פוחת בעלייה.

ב. הסכום הכולל של אנרגיית התנועה ושל אנרגיית הגובה שלו גדל בעלייה.

ג. הסכום הכולל של אנרגיית התנועה ושל אנרגיית הגובה שלו נותר קבוע.

ד. הסכום הכולל של אנרגיית התנועה ושל אנרגיית הגובה שלו משתנה בהתאם לנסיבות.

*52*

7. הפעילו שעון מחוגים באמצעות סוללה חשמלית.

א. תארו את השינויים שחלו באנרגיה.

ב. כעבור שלוש שנים הפסיק השעון לפעול. האם זוהי סתירה לחוק שימור האנרגיה? הסבירו.

8. אמיר אמר לדנה: בשבת נסענו לקרובים ולאחר מכן חזרנו הביתה. כל הדרך נסעה המכונית על מישור והיא לא עלתה ולא ירדה. זאת אומרת – לא נוספה לה אנרגיית גובה וגם לא נוספה לה אנרגיית תנועה (כי בסוף היא שבה לנקודה שממנה יצאה). אם כך, אנרגיה כימית אבדה (בשרפת הדלק במנוע המכונית), וזה סותר את חוק שימור האנרגיה.

דנה השיבה לו: אין כאן שום סתירה לחוק שימור האנרגיה.

מי מהם צודק? הסבירו.

9. ילדה גולשת במגלשה ותוך כדי גלישתה, עקב חיכוך עם המגלשה, חלק מאנרגיית התנועה שלה מומר לחום. הצבע הצהוב מייצג את אנרגיית התנועה, הכחול – את אנרגיית הגובה והאדום – את החום.

א. איזה מן הגרפים שלפניכם מתאר נכון את האנרגיה של הילדה בכל אחד מן המצבים המפורטים? נמקו.

(בספר חמישה גרפי עוגה)

1. כשהיתה באמצע הדרך למטה.

2. מיד לאחר שהגיעה אל הקרקע ועצרה.

ב. מה נשאר קבוע במהלך המרות האנרגיה? מה מייצג זאת?

10. לרשותכם משקולת הקשורה בחוט למסמר בקיר, ועליכם להניע באמצעותה עגלה קטנה בעלת ארבעה גלגלים. לאחר הרמת המשקולת כלפי מעלה היא נשמטת ופוגעת בעגלה, והעגלה נעה ונעצרת לאחר מרחק כלשהו.

(בספר איור של עגלה ומשקולת)

א. תארו את השינויים באנרגיה מרגע שהמשקולת נשמטת ועד לעצירת העגלה.

ב. מה תוכלו לעשות כדי שהעגלה תנוע למרחק רב ככל האפשר לאחר שהמשקולת פוגעת בה? באפשרותכם לשנות כל דבר שתרצו – את גלגלי העגלה, את צורתה, את המשקולת עצמה ועוד, ובאפשרותכם להשתמש בכל דבר שתרצו – שמן ועוד. הסבירו איך פעולותיכם מגדילות את מרחק התנועה של העגלה.

*53*

(בספר תמונה של קוביות עץ)

פרק 3: גוף וחומר

פרק 3: גוף וחומר

פרק 3: גוף וחומר

בפרק זה נלמד ש...

- גופים עשויים מחומרים.

- לכל גוף יש צורה, נפח ומסה.

- צפיפות היא אחד ממאפייני החומר, והיא מתארת את כמות החומר בנפח כלשהו.

- בטמפרטורת החדר מרבית החומרים נמצאים באחד משלושת מצבי הצבירה המוכרים: מוצק, נוזל, וגז.

- מוצקים, נוזלים וגזים נבדלים זה מזה בתכונותיהם.

- האוויר הוא תערובת של גזים שונים.

מושגים שנכיר:

גוף, חומר, נפח, מסה, משקל, צפיפות, מצב צבירה, צמיגות

*54*

מבוא

ממה עשויים הדברים שבעולם שלנו?

התבוננו סביבכם – הטלפון, הקלמר, בקבוק המים, הספר, הבגדים שעליכם, קירות החדר והדלת – כל אלה הם גופים, העשויים מחומרים.

בשפת היומיום אנחנו משתמשים במונח גוף (דבר העשוי מחומר) כשאנחנו מדברים על גופנו או על גופם של בעלי-חיים. לדוגמה: בגוף האדם איברים שונים, גופו של הפיל גדול מאוד.

בשפה המדעית גוף הוא כל דבר, חי או דומם, העשוי מחומר. גוף יכול להיות חפץ שהאדם ייצר מחומרים שונים, כגון בקבוק, טלפון, ספר או מחשב. גוף יכול להיות גם דבר טבעי כמו חתול, טיפת מים, פרח או אבן. יש גופים שהם מוצקים, לדוגמה: סלע, ירח או סרגל, יש גופים שהם נוזלים, לדוגמה: המיץ שבבקבוק או המים בברכה, ויש גופים שהם גזים, לדוגמה: האוויר שבגלגלי האופניים.

כל הגופים, חיים או דוממים, עשויים מחומרים (חומר – ממנו עשויים הגופים). גופים הנמצאים בטבע, כמו עצים ואבנים, עשויים מחומרים טבעיים, ולעתים האדם משתמש בהם לייצור חפצים שונים כגון כלי עבודה, רהיטים העשויים עץ וגדרות העשויות אבן. האדם גם למד לפתח ולהכין לצרכיו חומרים שאינם נמצאים בטבע, כגון פלדה, פלסטיק, בטון ועוד.

חומרים שונים יכולים לשמש לייצור חפצים דומים, או חפצים שהשימוש בהם דומה. לדוגמה, כיסא מפלסטיק העומד בחצר וכיסא מעץ העומד בפינת האוכל שבביתכם. מאידך, האדם גם מייצר מאותו חומר חפצים שתפקידם ומטרתם שונים. לדוגמה, מעץ אפשר לייצר חפצים שונים כמו כף, עיפרון, כיסא או צעצוע, ומפלסטיק אפשר לייצר חפצים שונים כמו כלי מטבח, רהיטים, עכבר מחשב ועוד.

בפרק זה נלמד על גופים שונים ועל החומרים שמהם הגופים עשויים, נלמד על דרכים שונות למדידת נפח הגוף (המקום שהוא תופס בסביבה) ולמדידת מסת הגוף (כמות החומר שממנו הוא עשוי), נבין מהי צפיפות ואיך היא קשורה למסה ולנפח, ונכיר גופים במצבי צבירה שונים.

(בספר תמונה של כיסאות העשויים מחומרים שונים)

(בספר תמונה של חפצים שונים מעץ)

*55*

שאלות

1. לפניכם רשומים חומרים שונים: אלומיניום, זכוכית, קלקר, פלסטיק, קרטון. כתבו לפחות שני חפצים שאפשר לייצר מכל אחד מהחומרים. אתם יכולים להיעזר ברשת האינטרנט.

2. לפניכם חמישה חפצים. בחרו לפחות שני חומרים שבהם השתמשו כדי לייצר כל אחד מהחפצים.

(בספר תמונות של מחברת ספירלה, גיטרה, נעל, ספר, מברשת שיניים)

3. א. בחרו שלושה חפצים שונים שאתם מכירים (הם יכולים להיות חפצים הנמצאים בתיק, בחדר, בחדר האמבטיה ועוד). ציינו את החומרים שמהם עשוי כל אחד מהחפצים. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וסכמו בה את תצפיותיכם. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

ב. מהן מסקנותיכם מהמידע המופיע בטבלאות שלכם ובטבלאות של תלמידים אחרים בכיתה?

4. התבוננו ברשימת החפצים והחומרים בטבלה שלכם או בטבלאות של תלמידים אחרים בכיתה. בחרו אחד מן החפצים והסבירו: מדוע נבחרו דווקא חומרים אלה כדי לייצר מהם את החפץ?

5. לפניכם רשימה של צמדי מילים: כד זכוכית, מסמר פלדה, טיפת מים, סכין פלסטיק, נעל עור, כפית כסף, שולחן עץ, דף נייר, בלון חמצן.

א. ציינו איזו מילה בכל צמד ברשימה מציינת גוף, ואיזו מילה מציינת את החומר שממנו הגוף עשוי.

ב. הוסיפו לרשימה עוד חמישה צמדים דומים, ומיינו גם אותם לגופים ולחומרים.

*56*

נפח ומסה של גופים

מה המשותף לגופים כגון נמלה, ספר, אוויר בבלון ומים בכוס? מה שונה בין כל אלה לבין אהבה, מצב רוח או היסטוריה?

גופים עשויים מחומרים, והם מוחשיים.

לגופים יש צורה, מסה ונפח.

מסת הגוף היא כמות החומר בגוף. נפח הגוף הוא המקום שהגוף תופס במרחב.

לעומת הגופים, אהבה, מצב רוח והיסטוריה הם מושגים מופשטים: אין להם צורה, מסה או נפסח.

- צורה, מסה ונפסח הם גדלים המאפיינים גופים.

שאלה

האם ייתכן שיהיה בסביבה שלנו גוף שאין לו מסה? נמקו תשובתכם.

מדידות מסה ונפח – מדוע הן חשובות?

בחיי היומיום אנחנו מודדים מסה ונפח לעתים קרובות: אנחנו מודדים את המסה של העגבניות שקנינו, מודדים נפח של כוס קמח לעוגה ועוד. אנחנו קונים מוצרים רבים לפי המסה שלהם או לפי הנפח שלהם.

מדידות מסה ונפח חשובות גם למחקר המדעי. מדענים רבים מודדים כיצד מסת החומר או נפחו משתנים בעקבות פעולות שונות שעושים בחומר.

חלב – נפח החלב באריזה זו הוא 1 ליטר.

סוכר – מסת הסור באריזה זו היא 1 ק"ג.

(בספר תמונה של מיכל 1 ליטר חלב, ואריזת 1 ק"ג סוכר)

*57*

מדידות נפח

למדנו כי נפח (נפח – המקום שגוף תופס במרחב. נפח נמדד ביחידות של סנטימטר מעוקב (סמ"ק), מטר מעוקב (מ"ק), ליטר, מיליליטר (מ"ל) ועוד) של גוף הוא המקום שהגוף תופס במרחב. לדוגמה, נפח התפוזים הנמצאים בארגז הוא המקום שהתפוזים תופסים בו, נפח המים בכוס הוא המקום שהמים תופסים בכוס.

יחידות המידה של נפח

כשאנו עוסקים במדידות אנו מציינים בנוסף למספר גם את יחידות המידה המתאימות. לדוגמה: האורך של חדר הכיתה הוא 3 מטרים; הגובה שלי הוא 1 מטרים ו-45 סנטימטרים; הגיל שלי הוא 13 שנים; המכונית נוסעת במהירות 90 ק"מ לשעה.

מהן יחידות המידה המתאימות לנפח?

- יחידת המידה הבסיסית המשמשת אותנו למדידית נפח היא סמ"ק.

מהו סמ''ק?

נתבונן בקובייה שאורכה, גובהה ורוחבה שווים כל אחד 1 ס"מ.

מה יהיה נפחה של קובייה זו? (היעזרו במנחה)

נפח של גוף הנדסי כמו קובייה או תיבה מחושב בהכפלת שלושת ממדיו – האורך, הגובה והרוחב – זה בזה.

נפחה של הקובייה שלנו יהיה, לפיכך, 1 ס"מ כפול 1 ס"מ כפול 1 ס"מ שווה 1 סנטימטר מעוקב, ובקיצור סמ"ק. כאשר אנו מודדים נפח של גופים הגדולים מהקובייה הקטנה שלנו, אנו מחשבים למעשה כמה פעמים יוכל נפח הקובייה שלנו להיכנס בגופים הגדולים.

שאלה

(בספר איורים של תיבות המחולקות לקוביות 1 סמ"ק)

כמה קוביות שנפחן 1 סמ"ק נכנסות בכל אחת מהתיבות האלה? מהו הנפח של כל אחת מהן? (היעזרו במנחה)

נפח של גופים נמדד ביחידות שונות, לפי גודל הגוף. מיליליטר (מ"ל) או סנטימטר מעוקב (סנדק) משמשים כיחידות מידה לנפחים קטנים כמו כמות של חלב לתינוק או כמות של תרופה שיש לבלוע, וליטר משמש כיחידת מידה לנפח גופים גדולים יותר כמו קרטון חלב או בקבוקי שתייה קלה. למדידות נפח של גופים גדולים מאוד כמו ברכה, מכלית או אנייה, משתמשים ביחידות מידה של מטר מעוקב (מ"ק).

*58*

יחידות למדידת נפח ויחסי הגודל ביניהן

1 סמ"ק – 1 מ"ל

1 ליטר – 1000 סמ"ק – 1000 מ"ל

1 מ"ק – 1000 ליטר

- נפח הוא המקום שהגוף תופס במרחב, והוא נמדד ביחידות של סמ"ק, מ"ק, מ"ל, ליטר ועוד.

שאלות

(בספר תמונה של קוביה מחולקת לקוביות של 1 סמ"ק)

1. א. כמה קוביות בנפח של סמ"ק נכנסות בקובייה שלפניכם?

ב. מה נפחה? ציינו את נפח הקובייה ביחידות האלה: סמ''ק, מ"ל, ליטר.

ג. באילו יחידות תעדיפו להשתמש במקרה הזה? מדוע?

2. מצאו בביתכם (במטבח, בחדר האמבטיה או בכל חדר אחר) מוצרים שנפחם מצוין על האריזה. סרטטו טבלה ורשמו בה שמות המוצרים ואת נפחם, מהנפח הגדול ביותר ועד הנפח הקטן ביותר.

3. בקשו מההורים חשבון חשמל וחשבון מים. אילו מבין השתיים – צריכת החשמל או צריכת המים – נמדדות ביחידות של נפח?

4. נותנים לתינוק תרופה להורדת חום באמצעות מזרק. באילו יחידות מצוין הנפח על המזרק – בליטרים או במ"ל? מדוע?

5. מכלית המובילה נפט נוסעת בכביש. באילו יחידות עדיף למדוד את נפח הנפט במכלית – במ"ק, בליטרים או במ"ל? מדוע?

6. סדרו את המוצרים שלפניכם לפי גודל הנפח שלהם. כתבו בצד שמאל את המוצר שנפחו הוא הקטן ביותר ובצד ימין את המוצר שנפחו הוא הגדול ביותר. בקבוק בושם שנפחו 50 מ"ל, 1 ליטר חלב, קופסת שימורי חמוצים שנפחה 750 סמ"ק, בקבוק שוקו שנפחו 250 סמ"ק, 125 מ"ל ג'ל לשיער, 180 מ"ל אוכל לתינוק, בקבוק 1.5 ליטר מים.

7. כתבו את כל הנפחים הרשומים בשאלה הקודמת גם ביחידות של ליטר וגם ביחידות של מ"ל או סמ"ק. מומלץ לארגן את הנתונים בטבלה.

8. בשקית חלב יש 1 ליטר, שהם

--

מ"ל. מזגנו לבקבוק חצי מנפח השקית, כלומר

--

סמ"ק או

--

ליטר. עד שולחן האוכל היה גם בקבוק שמן זית שנפחו 750 סמ"ק, או

--

ליטר. שתינו שקית שוקו המכילה 250 סמ"ק משקה, שהם גם 0.25 (רבע)

--

.

*59*

כלים למדידת נפח

כשחישבנו את נפח הקובייה, ראינו שכדי למדוד את נפחם של גופים מוצקים שצורתם היא צורה הנדסית מוגדרת (תיבה, גליל ועוד), אפשר להשתמש בסרגל או בסרט מדידה: מודדים את ממדיהם ומחשבים את נפחם בעזרת הנוסחה המתאימה.

כשרוצים למדוד נפח של גופים אחרים – מוצקים בצורות שונות, נוזלים או גזים – עלינו להשתמש בכלים ובמכשירים המותאמים למדידת נפח.

בתמונה מצד שמאל כמה כלים הנפוצים בשימוש למדידת נפח.

(בספר תמונה של כלים למדידת נפח)

השנתות (שנתות – (ביחיד: שנת) קווי חלוקה המסומנים במרחק קבוע זה מזה, ומשמשים למדידה. השנתות שעל המשורה מאפשרות למדוד את נפח החומר המצוי בה: שנתות הסרגל מאפשרות למדוד את אורכו של הגוף; שנתות מד-הטמפרטורה מאשרות למדוד את הטמפרטורה וכדומה) שעל הכלים מציינות את גודל הנמדד.

- כלים למדידת נפח הם, למשל, משורה, מזרק, כוס מדידה ועוד.

- אפשר למדוד נפח של מוצק שצורתו הנדסית, כגון תיבה, באמצעות מדידת ממדיו בסרגל וחישוב הנפח לפי נוסחה.

שאלות

1. במה דומים כלי המדידה השונים של הנפח זה לזה? במה הם שונים זה מזה?

2. התבוננו באיורים שלפניכם וקבעו מהו הנפח של הגופים בכלי המדידה.

(בספר תמונה של מזרק)

(בספר תמונה של כוס כימית)

(בספר תמונה של משורה)

3. התבקשתם למדוד את נפחם של הגופים והחומרים האלה:

- סוכר להכנת עוגה

- טיפות אוזניים

- מים להכנת מרק

- גז המשמש להכנת משקה סודה

- קוביית משחק

- גוש פלסטלינה

א. העתיקו את הרשימה, וליד כל אחד ממרכיביה כתבו באיזה כלי תבחרו למדידת הנפח שלו ומדוע.

ב. האם נתקלתם בבעיה במציאת הכלי המתאים לאחד ממרכיבי הרשימה? מדוע?

*60*

פעילות התנסות

מדידת נפח של מוצקים

מטרת הפעילות: התנסות במדידות נפח של גופים בצורות שונות ובדיקה אם שינוי הצורה של הגוף משפיע על נפחו.

ציוד: קוביות מתכת, גוש פלסטלינה קשור לחוט וגופים שונים אחרים, כגון מפתח של בית, מכונית צעצוע, כפית, גולת משחק, סרט מדידה או סרגל, משורות בגדלים שונים, מים.

חלק א – מדידת נפח של גוף שצורתו צורה הנדסית מוגדרת – קובייה

מהלך הפעילות:

א. מדידה וחישוב של נפח קובייה באמצעות סרגל

מדדו את צלעות הקובייה בסרגל או בסרט מדידה וחשבו את נפחה (הכפילו את האורך, את הרוחב ואת הגובה זה בזה).

ב. מדידה וחישוב של נפח קובייה באמצעות השקעתה במשורה

1. הכניסו מים עד לגובה של 50 מ"ל למשורה שנפחה 100 מ"ל.

2. הכניסו כמה קוביות למים שבמשורה ומדדו את נפח המים והקוביות יחדיו.

3. בכמה סמ"ק עלו פני המים? רשמו את התוצאה.

4. נפח כל הקוביות שהכנסנו למים שווה לנפח המים שעלו. חשבו את נפחה של כל אחת מן הקוביות (לכל הקוביות נפח זהה).

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשוו בה בין תוצאות המדידות של נפח הקובייה בשתי הדרכים (מדידה בסרגל וחישוב הנפח בנוסחה או השקעת הקוביות במים וחישוב העלייה בנפח). נסחו כותרת לטבלה.

מסקנה:

מת אפשר להסיק מההשוואה בין תוצאות החישוב שערכתם ובין תוצאות המדידה שביצעתם במשורה כדי לגלות את נפח הקובייה?

*61*

חלק ב – מדידת נפח של גוף שצורתו אינה צורה הנדסית מוגדרת

מהלך הפעילות:

א. בחרו מן הגופים שלפניכם את הגופים שצורתם אינה צורה הנדסית מוגדרת.

ב. הציעו דרך למדידת נפחם של גופים אלה.

ג. מדדו את נפח הגופים.

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, וארגנו בה את התוצאות שהתקבלו במדידות הנפחים של הגופים השונים. נסחו כותרת לטבלה.

סיכום ומסקנה:

נסחו הסבר קצר על הדרך שבה אפשר למדוד את נפחם של גופים מוצקים שצורתם אינה צורה הנדסית מוגדרת.

חלק ג – מה קורה לנפח של גוף מוצק בעקבות שינוי צורתו?

מהלך הפעילות:

א. מדדו את נפח גוש הפלסטלינה באמצעות השקעתו במים.

ב. שנו את צורתו של גוש הפלסטלינה ומדדו את נפחו שוב.

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשוו בה בין התוצאות השונות של חישוב הנפח של גוף הפלסטלינה, לפני שמשנים את הצורה שלו ואחרי כן.

מסקנה:

מה מסקנתכם ממדידת נפח גוש הפלסטלינה לפני שינוי הצורה שלו ואחרי כן?

שאלות

1. כיצד תוכלו למדוד נפח של חפץ מעץ? (עץ צף על פני המים).

2. עליכם למדוד נפח של גוף גדול (הנכנס לקערה מים אך לא למשורה). לרשותכם מים, קערה, קערה גדולה אחרת ומשורה. הציעו דרך למדידת הנפח. (היעזרו במנחה)

*62*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

מודדים ואורזים

היכנסו אל אתר האינטרנט: הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום כימיה.

היכנסו לנושא: חומרים – תכונות ושימושים ובחרו בפעילות מודדים ואורזים.

בצעו את הפעילות בהתאם להנחיות. בדקו את תשובותיכם לשאלות שבפעילות ואת תשובותיכם לשאלות "בתנו את עצמכם".

-  כדי למדוד נפח של מוצק שצורתו אינה צורה הנדסית מוגדרת אפשר להשקיע אותו לגמרי במים ולמדוד את הנפח שנוסף להם.

- שינוי צורה של מוצק אינו משנה את הנפח שלו.

פעילות התנסות

גודל הכלי ודיוק המדידה

מטרת הפעילות: מדידות נפח ובחירת הכלי המתאים למדידת נפחים שונים.

ציוד: מבחר כלים בגדלים שונים למדידת נפח נוזלים, כגון משורות בגדלים שונים, כוסות כימיות, בקבוקים קוניים (ארלנמירים), פיפטות, מזרקים או כלים המלאים במים.

*63*

מהלך הפעילות:

התבוננו בשנתות המופיעות על כלים שונים המשמשים למדידת נפח נוזלים, ושימו לב להבדלים ביניהם.

א. מדדו נפח של 130 מ"ל מים בכלים שגודלם שונה, כגון משורות שנפחן 100,10, 250 ו-1,000 סמ"ק.

ב. העבירו 50 מ"ל מים לתוך בקבוק קוני שנפחו 250 מ''ל, וסמנו את גובה המים. כעת חזרו על הפעולה פעמיים נוספות. מדדו את הרווח בין הקווים שסימנתם.

תוצאות:

א. תארו את ההבדלים בין השנתות של כלי המדידה השונים שבדקתם.

ב. סכמו בטבלה את תוצאות המדידות של נפח המים בכלים שגודלם שונה.

ג. האם המרחקים בין הקווים שסימנתם על הבקבוק הקוני שווים זה לזה או שונים זה מזה?

סיכום והסקת מסקנה:

1. השוו בין התוצאות שקיבלתם כאשר מדדתם את נפח המים בכלים שגודלם שונה זה מזה. האם התוצאות זהות או שונות?

2. מה לדעתכם יכול לגרום להבדלים בין המדידות?

3. נסחו מסקנה בדבר הקשר בין גודל הכלי וסוגו לבין טווח המדידה של נפח הנוזל והדיוק במדידה.

4. הסבירו: מדוע יש הבדלים במרווחים בין השנתות בבקבוק קוני?

שאלה

תלמיד התקין משורה מבקבוק שצורתו אינה אחידה.

התלמיד סימן על הבקבוק שנתות במרחקים אחידים זו מזו. האם משורה זו מדויקת? נמקו.

*64*

מדידות של מסה

למדנו כי כמות החומר בגוף היא המסה (מסה – כמות החומר, נמדדת בגרמים (ג'), קילוגרמים (ק"ג), טונות ועוד) של הגוף. לדוגמה, כמות החומר בכיכר לחם היא המסה של כיכר הלחם, וכמות החומר באריזה של דגני הבוקר היא המסה שלה.

יחידות המידה של מסה

באילו יחידות מודדים את המסה?

היחידה הבסיסית למדידת מסה היא הקילוגרם (ק"ג), אך מקובל להשתמש גם ביחידות אחרות: גרם, מיליגרם, טונה ועוד.

כיצד נקבעה יחידת המידה של מסה?

הוסכם שמסה של 1 ק''ג תהיה המסה של 1,000 סמ"ק מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 מעלות צלסיוס. כיום, הקילוגרם התקני הוא מסתו של גליל מתכת, השמור בלשכה הבין-לאומית למידות ומשקולות שבפריז.

- יחידות למדידת מסה ויחסי הגודל ביניהן

1,000 מ"ג (מיליגרם) – 1 גרם

1,000 גרם – 1 ק"ג (קילוגרם)

1,000 ק"ג – 1 טונה

מכשירים למדידת מסה

במדידת מסה אנו משתמשים במאזניים. פעולתם של מאזניים למדידת מסה מבוססת על השוואה בין מסות של גופים שונים.

מאזני כפות – סוג זה של מאזניים היה נהוג בשימוש עוד מימי קדם. איך מודדים בהם? מניחים על כף אחת של המאזניים את הגוף שברצוננו למדוד, ועל הכף השנייה מניחים גופי מדידה (אבני מסה) שמסתם קבועה וידועה. מוסיפים גופי מדידה (או מסירים אותם) עד ששתי כפות המאזניים מתאזנות. בשפת היומיום אנו קוראים לגופי מדידה "משקולות".

כשכפות המאזניים מאוזנות מסת הגוף הנמדד בכף אחת של המאזניים שווה לסכום המסות של כל גופי המדידה שבכף הנגדית. במאזני כפות משתמשים גם כדי להשוות בין מסות של גופים שונים.

מאזני כף מכניים – במאזניים אלה יש כף, שעליה מניחים את הגוף הנמדד, ומשקולות הנעות על צירים שעליהם מסומנים סולמות שונים.

(בספר תמונה של מאזני כף מכניים)

מאזני כף מכניים: כאשר מאזני הכף המכניים במצב מאוזן מסת הגוף שווה לסכום המספרי שהתקבלו על כל אחד מן הצירים. לדוגמה, במקרה הזה מסת הגוף היא: 300 גרם פלוס 40 גרם פלוס 7 גרם שווה 347 גרם.

(בספר תמונה של מאזני כף מכניים במצב מאוזן)

*65*

- מסה היא כמות החומר בגוף והיא נמדדת ביחידות של גרם, ק"ג, טונה ועוד.

- מאזני כפות משמשים למדידת מסה.

שאלה

בחנות המכולת מדדו את המסה של שלושה תפוחים במאזני כפות. התבוננו בתמונות המתארות את המדידות השונות. מה מסתם של התפוחים? כיצד ידעתם זאת?

(בספר תמונה של מאזניים, שבצדם האחד תפוחים, ובצדם השני שלוש משקולות של 100 גרם)

(בספר תמונה של מאזניים, שבצדם האחד תפוחים ובצד השני משקולת של 100 גרם ומשקולת של 10 גרם)

(בספר תמונה של מאזניים, שבצדם האחד תפוחים ובצד השני משקולת של 100 גרם, משקולת של 20 גרם, ומשקולת של 1 גרם)

מסה ומשקל – מה ההבדל?

בחיי היומיום אנחנו משתמשים במילה משקל (משקל – כוח הכבידה הפועל על גוף. המשקל תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שבו הגוף נמצא. משקל נמדד ביחידות של ניוטון) כדי לתאר כובד של דברים. למשל, אנחנו מתארים את המשקל שלנו, את משקל הפרות שאנו קונים ועוד.

מסה ומשקל הם מושגים דומים, אך קיים ביניהם הבדל. בשפת המדע, המילה מסה מתארת את כמות החומר בגוף, ואילו המילה משקל מתארת את כוח הכבידה (כוח הכבידה – כוח משיכה הפועל בין שני גופים ותלוי במסה שלהם) הפועל על הגוף. כוח זה תלוי במסת הגוף, והוא משתנה בהתאם לגרם השמים המושך אותו. לדוגמה, כוח הכבידה שמפעיל הירח על גופים קטן פי 6 בערך מכוח הכבידה של כדור-הארץ. מסיבה זו יהיה משקלו של גוף על פני הירח קטן פי 6 ממשקלו על פני כדור-הארץ, אך המסה שלו תישאר קבועה. אם יימצא הגוף בחלל במקום שבו כוח הכבידה הוא 0, יהיה משקלו 0. המשקל משתנה גם במקומות שונים על פני כדור-הארץ – משקלו של אדם בפריז גדול במקצת ממשקלו בטוקיו.

בעולם המדע, יחידת המידה של משקל היא ניוטון. ניוטון אחד הוא משקלו של חפץ שהמסה שלו 102 גרם, כמסתו של תפוח עץ קטן. יחידת המידה של משקל קרויה על שמו של הפיזיקאי הנודע אייזק ניוטון, שחקר את כוח המשיכה שמפעילים גרמי השמים על הגופים השונים.

משקל - כוח הכבידה הפועל על הגוף. המשקל תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שבו הגוף נמצא. משקל נמדד ביחידות של ניוטון.

כוח הכבידה - כוח משיכה הפועל בין שני גופים ותלוי במסה שלהם.

*66*

כדי למדוד משקל אפשר להשתמש במכשיר מדידה הנקרא מד כוח, או בשפת היומיום מאזני קפיץ. במאזניים אלה מתבצעת המדידה באמצעות תליית החפץ שאנו רוצים למדוד על וו או על משטח המחובר לקפיץ. החפץ מפעיל על הקפיץ כוח הגורם לו להתארך כלפי מטה. תוצאת המדידה מחושבת לפי מידת התארכותו של הקפיץ. ככל שמסת החפץ גדולה יותר, הקפיץ יתארך יותר ויסיט יותר את המחוג.

(בספר תמונה של מד כוח (מאזני קפיץ) )

(בספר תמונה של מאזניים דיגיטליים)

גם המאזניים הדיגיטליים, שבהם משתמשים בחיי היומיום במסחר, בתעשייה, במחקר ועוד, הם למעשה מכשירים למדידת משקל. מדוע? פעולתם של המאזניים האלה מבוססת על הכוח שמפעיל עליהם משקלו של הגוף הנמדד.

שאלות

1. קנינו שקית תפוזים בשוק. הירקן מדד את התפוזים בעזרת מאזני קפיץ. אילו היינו עושים את אותה הפעולה בירח, האם הייתה תוצאת המדידה שונה? מדוע?

2. כמות הזהב בטבעת כלשהי נמדדה במאזני כפות פעמיים, פעם אחת על כדור הארץ ופעם אחת בירח. האם הייתה התוצאה דומה או שונה? נמקו.

3. כאשר נכנסים למי הברכה או למי הים מרגישים שהגוף קל יותר. כאשר טסים לחלל מרגישים חוסר משקל מוחלט. האם המסה (כמות החומר) של גופנו משתנה במקרים אלה? נמקו תשובתכם.

- משקל הוא כוח הכבידה הפועל על גוף, והוא נמדד ביחידות של ניוטון.

- המשקל משתנה בהתאם לגרם השמים שבו הגוף מצוי, ואילו המסה נשארת קבועה.

- מאזני קפיץ מודדים משקל.

*67*

פעילות משימה

חנות הפיצוחים בחלל

ניכנס לרגע למכונת זמן ונעבור לשנת 2129, לקריאת קטע חדשות שפורסם בעיתון:

7 במאי 2129

חנות הפיצוחים הישראלית הראשונה בחלל

מאת: הכתב לענייני חלל, גיל מעוף

אני גאה לדווח מחנות הפיצוחים הישראלית הראשונה בחלל, אשר נפתחה לאחרונה בתחנת החלל המקיפה את כדור-הארץ. בעת ביקורי בחנות התרשמתי מהסידור הקומפקטי – אך נוח – של החנות. בעל החנות, מר איציק מון, מקפיד שכל דבר יהיה במקומו למרות תנאי חוסר המשקל השוררים בחלל, וכמובן, גם בחנות. בעת ביקורי שם הזדמן לי לשמוע ויכוח בין מר איציק מון ובין הלקוח הראשון של החנות, שהגיע לקופה ובידו שקית מלאה גרעינים שחורים. הלקוח שם את השקית על מד המשקל, אך עקב תנאי חוסר המשקל שבתחנת החלל מד המשקל הראה 0 – ומסיבה זו סירב הלקוח לשלם על הסחורה. מנגד, טען מר איציק מון כי מכיוון ששניהם רואים שיש בשקית גרעינים ברור שעל הלקוח לשלם סכום כלשהו לחנות, וכי עליהם למצוא שיטה כלשהי לחישוב כמות הגרעינים שהלקוח מעוניין לקנות.

שאלה

מי לדעתכם צודק – הלקוח, הטוען שאינו צריך לשלם מכיוון שמד המשקל מראה אפס, או איציק מון, הטוען שהלקוח צריך לשלם מכיוון שהשקית מלאה בגרעינים? כיצד אפשר לפתור את הבעיה?

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

מסה ומשקל

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה. בחרו בתחום כימיה. בחרו בפעילות מסה ומשקל.

בפעילות זו תוכלו למדוד מסה במאזני כפות ומשקל במאזני קפיץ. את המדידות תוכלו לבצע בכדור הארץ, בירח, בכוכב הלכת מאדים ובכוכב הלכת צדק.

בחרו פריט כלשהו, מדדו את משקלו בכל אחד מגרמי השמיים ואת המסה שלו בכל אחד מגרמי השמים.

מה גיליתם? מהי מסקנתכם?

(בספר צילום מסך מתוך פעילות "מסה ומשקל" בילקוט הדיגיטלי)

*68*

פעילות התנסות

מדידת מסה

מטרות הפעילות:

א. התנסות במדידות מסה במאזני כפות.

ב. בדיקה אם המסה משתנה בעקבות שינוי צורה.

ג. השוואת המסה של גופים שנפחיהם שווים.

ציוד: לחלק א – מאזני כפות, מאזניים מכניים, גופי מדידה (אבני מסה), גופים מוצקים מחומרים שונים ובגדלים שונים; לחלק ב – גוש פלסטלינה; לחלק ג – קוביות מחומרים שונים שנפחן וצבען זהים

חלק א – מדידות מסה של מוצקים שונים

מהלך הפעילות:

א. התבוננו בגופים שלפניכם בלי להחזיק אותם, ושערו: איזה גוף הוא בעל המסה הקטנה ביותר? איזה גוף הוא בעל המסה הגדולה ביותר? נמקו את השערתכם. רשמו את שמות הגופים לפי הסדר, מן הגוף בעל המסה הקטנה ביותר אל הגוף בעל המסה הגדולה ביותר.

ב. בדקו את השערתכם: מדדו את המסה של הגופים השונים באמצעות מאזניים ורשמו בטבלה את התוצאות שהתקבלו.

תוצאות:

השוו את התוצאות שקיבלתם לתוצאות שקיבלו שאר התלמידים. האם הן זהות, או שונות? באילו מהגופים היו הבדלים גדולים בתוצאות שהתקבלו? מה משותף לגופים האלה?

סיכום ומסקנות:

האם ההשערה שלכם בנוגע למסת הגופים השונים הייתה נכונה?

מדוע חשוב לחזור על אותן המדידות כמה פעמים?

האם הייתם ממליצים למדוד מסה של גרגיר אורז במאזני כפות? מדוע?

חלק 1 – מה קורה למסה של גוף כאשר צורתו משתנה?

מהלך הפעילות:

א. שערו: האם מסתו של גוש הפלסטלינה תשתנה אם נשנה את צורתו? נמקו.

ב. בדקו את השערתכם: מדדו את מסתו של גוש הפלסטלינה באמצעות מאזניים, מעכו אותו ומדדו את מסתו שוב.

ג. ארגנו בטבלה את תוצאות המדידות של מסת הגוף לפני שינוי הצורה שלו ואחריו.

תוצאות:

לאחר ששינינו את צורתו של גוש הפלסטלינה – האם מסתו השתנתה או נשארה ללא שינוי?

סיכום ומסקנות:

כתבו את מסקנתכם: שינוי הצורה של גוף משנה/אינו משנה את מסתו.

*69*

חלק ג – השוואה בין מסה של מוצקים שונים שנפחיהם שווים

מהלך הפעילות:

לפניכם 2 קוביות שנפחן וצבען זהים. קובייה אחת עשויה מברזל והשנייה מעץ.

א. כיצד תוכלו לזהות את הקוביות?

ב. ערכו את המדידות המתאימות ורשמו את התוצאות שהתקבלו. תוצאות:

א. השוו את תוצאות המדידות של הקוביות. האם התוצאות זהות, או שונות?

ב. זהו את הקוביות בעזרת תוצאות המדידות. סיכום ומסקנות:

1. במה שונות קוביית הברזל וקוביית העץ?

2. כיצד אפשר להבדיל בין גופים שנפחם זהה העשויים מחומרים שונים?

חוק שימור המסה

בפעילות הקודמת ראינו כי כאשר שינינו את צורתו של גוש הפלסטלינה מסתו לא השתנתה. ניסויים רבים שמדענים ערכו הוכיחו שבכל התהליכים שבהם חומרים עוברים שינויים, המסה של החומרים לפני השינוי שווה למסה שלהם אחרי השינוי, בתנאי שלא נוסף ולא נגרע חומר. כלל זה נקרא בשם חוק שימור המסה.

מדידת מסה של נוזלים ושל גזים

עד כה עסקנו במדידות מסה של גופים מוצקים. איך אפשר למדוד מסה של נוזלים ושל גזים?

שאלות

1. להכנת עוגה עליכם למדוד 350 גרם של חלב. הציעו דרך למדוד את מסת החלב. תארו את אופן המדידה ואת החישובים שתערכו.

2. על מכל גז המיועד להכנת משקה מוגז רשום כי הוא מכיל 400 גרם גז. ברצונכם לבדוק אם זו אכן הכמות המדויקת במכל. תארו את אופן המדידה, את כלי המדידה שתצטרכו לשם כך ואת החישובים הנחוצים.

3. על סמך תשובותיכם לשאלות 1 ו-2 נסחו מסקנה: כיצד אפשר למדוד מסה של נוזל או של גז? פרטו גם את החישוב.

- מדידות מסה של נוזלים או של גזים ייעשו כאשר הנוזל או הגז נתון בתוך כלי מתאים, וחישוב המסה של החומר (הגז או הנוזל) ייעשה בחיסור מסת הכלי הריק ממסת הכלי המלא.

*70*

צפיפות

מה הקשר בין מסה ונפח?

בפעילות קודמת השווינו את המסה של קוביית ברזל ושל קוביית עץ שנפחיהן שווים, ומצאנו כי המסה של קוביית הברזל גדולה מזו של קוביית העץ. בשפה המדעית אנו אומרים כי הצפיפות (צפיפות – כמות החומר הנמצאת ביחידת נפח. צפיפות נמדדת ביחידות של גרם / סמ"ק) של החומר בקוביות שונה. הצפיפות של חומר מוגדרת ככמות החומר בנפח כלשהו, והיא נמדדת ביחידות מידה של גרם / סמ''ק.

המסה בגרמים

כדי לחשב את הצפיפות משתמשים בנוסחה הזאת: המסה בגרמים חלקי הנפח בסמ"ק שווה צפיפות

נחשב על פי הנוסחה את צפיפות המים:

המסה של 1 ליטר מים (1,000 סמ''ק) היא 1 ק"ג (1,000 גרם). מהי צפיפות המים?

צפיפות המים שווה 1,000 גרם חלקי 1,000 סמ"ק שווה 1 גרם / סמ"ק

שאלה

צפיפותו של איזה חומר גדולה יותר – של ברזל או של עץ? הסבירו את תשובתכם.

נתבונן בדוגמה אחרת: נפחה של כרית נוצות שמסתה 1 ק"ג גדול יותר מנפחה של משקולת ברזל בעלת אותה המסה. מדוע? לכרית הנוצות ולמשקולת הברזל צפיפות שונה.

צפיפות של חומר היא תכונה האופיינית לו, כמו צבע, קשיות ועוד. מסיבה זו, הצפיפות לא תשתנה גם אם נשנה את כמות החומר או את נפחו. מסיבה זו אפשר להשתמש בחישובי צפיפות של חומרים כדי לזהות חומרים שאינם ידועים.

צפיפות של חומרים שונים

*71*

- צפיפות היא כמות החומר ביחידת נפח והיא נמדדת ביחידות של גרכו / סמ''ק.

- צפיפות היא תכונה של החומר, והיא אינה משתנה כשמסת החומר או נפחו משתנים.

שאלות

1. אם ננסר קורת עץ גדולה לקוביות עץ קטנות, האם לדעתכם הצפיפות של קובייה קטנה אחת תהיה שונה מהצפיפות של קורת העץ הגדולה? נמקו.

היעזרו בטבלה שבעמוד הקודם כדי לענות על השאלות שלפניכם:

2. צפיפותו של איזה מן החומרים בטבלה היא הגדולה ביותר? צפיפותו של איזה מן החומרים היא הקטנה ביותר?

3. חפשו מידע ברשת האינטרנט.

א. כתבו דוגמה למוצק שצפיפותו גדולה מזו של זהב.

ב. כתבו דוגמה לגז שצפיפותו גדולה מצפיפות האוויר ושאינו מופיע בטבלה.

ג. כתבו דוגמה לנוזל שצפיפותו נמוכה מזו של המים, ושאינו מופיע בטבלה.

ד. כתבו דוגמה לצפיפות של חומר שאינו מופיע בטבלה, לפי בחירתכם.

4. איזה הבדל בולט בין צפיפויות של מוצקים ושל נוזלים לבין צפיפויות של גזים?

5. תלמידים קיבלו קובייה צבועה בשחור שמידותיה 2 ס''מ (האורך, הגובה והרוחב), והתבקשו לזהות מאיזה חומר הקובייה עשויה. הם ערכו את המדידה המאוירת לפניכם והגיעו לפתרון.

א. כיצד גילו התלמידים את הפתרון באמצעות הנתונים שעמדו לרשותם?

ב. מהו החומר שממנו הקובייה עשויה?

6. בחפירות ארכאולוגיות נמצא כד מלא במטבעות שצבען מוזהב.

כיצד אפשר לקבוע אם המטבעות שבכד עשויות מזהב או ממתכת אחרת שצבעה זהוב, כגון ברונזה? הסבירו. תארו את המדידות שברצונכם לערוך.

7. צורף הכין שתי טבעות זהב זהות. בטבעת אחת שיבץ זכוכית ובטבעת השנייה שיבץ יהלום באותו הגודל. איזו טבעת היא טבעת היהלום? הסבירו: כיצד החלטתם זאת? בתשובתכם כללו את המונחים נפח, מסה וצפיפות.

8. אתם צריכים להכין קופסה לאחסון של קוביית קלקר שמסתה 100 גרם וקופסה לאחסון של קוביית עץ אורן שמסתה 100 גרם. מה יהיה נפח הקופסה שתצטרכו להכין לכל אחת מן הקוביות?

*72*

פעילות אוריינות מדעית

קראו את הסיפור שלפניכם וענו על השאלות שאחריו.

האגדה על ארכימדס וכתר הזהב

ארכימדס היה מתמטיקאי וממציא שהי בעיר סירקוזה שבאיטליה לפני כ-2,300 שנים. המלך היווני היירון, ששלט באותו זמן בסירקוזה, ביקש מארכימדס לפתור בשבילו בעיה: הוא נתן לצורף הזהב מטיל זהב כדי שיכין לו כתר. הצורף הכין כתר יפהפה, אך המלך חשד שהצורף רימה אותו ושהכתר אינו עשוי מזהב טהור, אלא מעורב בחומר אחר, זול יותר. המלך ביקש מארכימדס לפתור את הבעיה – לגלות אם הכתר אמתי או מזויף.

האגדה מספרת שארכימדס ניסה לפתור את הבעיה במשך זמן רב, עד שמצא את הפתרון – כשרחץ באמבטיה. כיצד? כאשר נכנס ארכימדס לתוך האמבטיה המלאה במים, המים גלשו ממנה, כי לא היה מספיק מקום באמבטיה גם לארכימדס וגם לכל המים.

באותו הרגע הבין ארכימדס כיצד לפתור את הבעיה. הוא רץ החוצה ערום וצעק: "אאוריקה, אאוריקה!" (אאוריקה היא מילה יוונית שפירושה "מצאתי").

כיצד פתר ארכימדס את הבעיה?

הוא לקח גוש זהב טהור שמסתו בדיוק כמסת הכתר, וטבל אותו בקערה מלאה לגמרי במים. המים נשפכו מן הקערה. ארכימדס הוציא את הגוש בזהירות מן המים והכניס למים שנשארו בקערה את הכתר שהכין הצורף. התוצאה – עוד מים נשפכו מן הקערה.

שאלות

1. לפני שארכימדס ערך את הניסוי הוא הניח הנחה כלשהי. מה הייתה הנחתו?

א. לגופים העשויים מחומרים שונים יש נפח שונה.

ב. לגופים העשויים מזהב ונפחם זהה יש אותה המסה.

ג. לגופים העשויים זהב ומסתם זהה יש אותו הנפח.

2. נפח המים שגלשו מהקערה שארכימדס טבל בה את גוש הזהב היה -

א. שווה לנפח גוש הזהב.

ב. קטן מנפח גוש הזהב.

ג. גדול מנפח גוש הזהב.

3. מהן תוצאות הניסוי שערך ארכימדס ומהי מסקנתו? הסבירו.

א. נפח גוש הזהב ונפח הכתר זהים, ולפיכך הכתר עשוי מזהב טהור.

ב. נפח הכתר גדול מנפח גוש הזהב, ולפיכך הכתר מזויף.

ג. נפח הכתר קטן מנפח גוש הזהב, ולפיכך הכתר מזויף.

4. הסבירו את תרומתו של ארכימדס, כפי שהיא מתוארת בסיפור, למציאת השיטה כיצד למדוד נפח של גוף שצורתו אינה צורה הנדסית מוגדרת.

5. כיצד קשור תיאור הניסוי של ארכימדס לנושא הצפיפות?

*73*

הידעתם?

המוצק הקל ביותר בעולם

קבוצת מדענים מארצות הברית הצליחה ליצור חומר שהוא המוצק הקל ביותר בעולם (שצפיפותו היא הנמוכה ביותר). חומר זה עשוי מ-99.99 אחוז אוויר, וצפיפותו נמוכה פי 100 מזו של פוליסטירן מוקצף (קלקר). החוקרים קיבלו השראה לפיתוח החומר מהארכיטקטורה של מגדל אייפל, העשוי מצינורות מתכת. הם ייצרו רשת של צינורות מתכת מיקרוסקופיים, הדקים פי 1,000 משערה של אדם, וביניהם אוויר. למרות הקלות הרבה שלו, לחומר זה חוזק ועמידות יוצאי דופן, והוא עשוי לשמש בייצור סוללות, לבידוד חום ועוד.

(בספר תמונה של החומר מונח על ה"סבא" של צמח שן הארי)

חומר זה קל כל כך, עד שאפשר להניח אותו על ה"סבא" של צמח שן הארי בלי שיתפרק.

המקום הצפוף ביקיום

ככל הידוע לנו היום, המקום הצפוף ביותר ביקום הוא חור שחור. חור שחור נוצר כתוצאה מקריסה של כוכב גדול לנפח זעיר מאוד. בחורים השחורים מצטופפת בנקודה זעירה ביקום מסה שיכולה להגיע לפי 10 מיליארד ממסת השמש.

(בספר איור של חור שחור)

*74*

ציפה

מדוע עץ צף על פני המים ואילו אבן שוקעת בהם? בחיי היומיום אנחנו רגילים לומר כי העץ "קל" מן המים ולכן הוא צף בהם ואילו האבן "כבדה" מהמים ולכן היא שוקעת.

האם המסה של החומר קובעת אם יצוף או ישקע במים? כדי לענות על השאלה הזו, נדמיין מקרה שבו שמים במים קוביית עץ שמשקלה 100 קילוגרמים ואבן שמשקלה רק 100 גרם. איזה גוף יצוף ואיזה ישקע?

היכולת של חומר לצוף על פני הנוזל נקראת ציפה, והיא תלויה בצפיפות החומר – לא במסה שלו. אם החומר צפוף יותר מן הנוזל, הוא ישקע בו. אם החומר צפוף פחות מן הנוזל, הוא יצוף על פניו. לדוגמה: צפיפותם של המים היא 1 גרם / סמ"ק. ברזל, שצפיפותו 7.87 גרם / סמ"ק, צפוף מן המים, ולכן הוא ישקע בהם, ואילו שמן, שצפיפותו 0.9 גרם / סמ"ק נמוכה מצפיפות המים, יצוף בהם.

ומה בנוגע לגופים העשויים מכמה חומרים? במקרה זה הציפה של הגוף נקבעת לפי צפיפות הגוף כולו – היחס בין מסת הגוף כולו לנפחו.

- אם צפיפות החומר קטנה מצפיפות החומר שבו הוא נמצא הוא יצוף על פניו; ואם היא גדולה יותר מצפיפות החומר שבו הוא נמצא, הוא ישקע בו.

(בספר תמונה של מפתח ממתכת שוקע במים)

מתכת שוקעת במים

(בספר תמונה של עצים צפים במים)

עץ צף על פני המים

(בספר תמונה של בקבוק זכוכית צף במים)

- מדוע צף בקבוק הזכוכית על פני המים? אמנם הזכוכית צפופה מן המים, אך רוב נפחו של הבקבוק מלא באוויר, וצפיפותו של האוויר נמוכה מזו של המים.

שאלות

1. עץ צף על פני המים. הסבירו מדוע.

2. קוביות קרח צפות בכוס מים. האם צפיפות הקרח גבוהה או נמוכה מזו של המים?

3. בעבר היו כל האניות עשויות מעץ. כיום מייצרים אניות ממתכת. המתכת כבדה מן המים, אך למרות זאת האנייה צפה. איך תסבירו זאת?

הידעתם?

כיצד דגים צפים במים?

הסתגלות הדגים לחיים במים תלויה גם ביכולתם לצוף במים. גוף הדגים צפוף יותר מאשר המים שבהם הם נמצאים, ולכן ללא פעולה כלשהי הם עלולים לשקוע במים.

במשך השנים התפתחו אצל הדגים שני מנגנונים עיקריים המאפשרים להם לצוף: האחד, הדורש השקעת אנרגיה מרובה, הוא תנועת הסנפירים, והאחר הוא שלפוחית הציפה. שלפוחית הציפה היא קרום דמוי שק המכיל תערובת של גזים, המצוי בגופם של חלק מן הדגים. כאשר כמות הגזים בשלפוחית עולה, צפיפות גוף הדג כולו יורדת, והדג צף כלפי מעלה. כאשר כמות הגזים בשלפוחית יורדת, צפיפות גוף הדג עולה, והדג שוקע כלפי מטה. כך שלפוחית הציפה מאפשרת לדגים לשלוט בציפה שלהם באמצעות שינוי כמות הגזים, ללא השקעת אנרגיה מרובה.

*75*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

היכנסו אל אתר האינטרנט: הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום כימיה. היכנסו לנושא: חומרים – תכונות ושימושים ובחרו בפעילות צפיפות וציפה.

פעילות זו מאפשרת לכם לשנות את המסה או את הנפח של גופים העשויים מחומרים שונים, ולבדוק אם השינוי משפיע על הציפה שלהם במים. בפעילות תוכלו גם לבחור חומר לא ידוע, לקבוע את צפיפותו באמצעות שינוי המסה והנפח שלו ולבדוק אם הוא צף במים.

הפעילו את ההדמיה ובצעו את הפעילויות שבה. (היעזרו במנחה)

(בספר צילום מסך מהפעילות "צפיפות וציפה" בילקוט הדיגיטלי)

שאלות

1. תלמידים קיבלו קוביות שונות, חלקן עשויות מאלומיניום וחלקן מעץ, והתבקשו לשער אילו קוביות יצופו ואילו ישקעו. (היעזרו במנחה)

(בספר תמונה של ארבע קוביות בגדלים שונים)

- אופק שיערה שקוביות 1 ו-4 ישקעו כי הנפח שלהן הוא הגדול ביותר.

- יובל שיערה שהקוביות שמסתן גדולה ישקעו, ושלעומתן הקוביות שמסתן קטנה יצופו.

- טל טוענת ששניהם טועים, וכי ייתכן גוף שמסתו או נפחו גדולים והוא יצוף.

א. שערו: מי מהם צודק לדעתך? מדוע?

ב. תכננו ניסוי וירטואלי (בהדמיה) שיבדוק את הטענות של אופק, של יובל ושל טל, ושיענה על השערתכם. אילו בדיקות תבצעו?

ג. בצעו את הניסוי המתוכנן.

ד. תארו את תוצאות הניסוי.

ה. הסיקו מסקנות – האם התוצאות מאששות את השערתכם או מפריכות אותה? נמקו.

2. צפיפות של חומר מוצק בתנאים קבועים היא תכונה המאפיינת את החומר. תכונה זו משפיעה על הציפה או על השקיעה של החומר במים. כיצד מוכיחות תוצאות הניסויים שערכתם את הטענה הזאת?

3. האם טונה של קלקר תשקע במים או תצוף על פניהם? האם מיליגרם של אלומיניום ישקעו במים או יצופו על פניהם? נמקו.

*76*

פעילות התנסות

מדידות צפיפות

מטרת ההתנסות: התנסות במדידות של מסה ושל נפח וחישוב הצפיפות של גופים שונים.

ציוד: אמבט מלבני מלא במים, פחית משקה רגיל, פחית משקה דיאט, מאזניים

מהלך ההתנסות:

א. מדדו במאזניים את מסת פחיות השתייה.

ב. קראו על גבי האריזה מהו נפח פחיות השתייה.

ג. חשבו באמצעות הנוסחה את הצפיפות של כל אחת מן הפחיות.

ד. שערו: האם יהיה הבדל בציפה של שתי הפחיות?

ה. העבירו את הפחיות אל הכלי המלא מים.

תוצאות:

א. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת ומלאו בה את הנתונים החסרים. נסחו כותרת לטבלה.

ב. איזו פחית שקעה ואיזו צפה? סיכום ומסקנה:

סיכום ומסקנה:

1. למי צפיפות גבוהה יותר – למשקה רגיל או למשקה דיאטטי?

2. נסחו מסקנה בנוגע לקשר בין צפיפות של גוף לבין הציפה או השקיעה שלו במים.

3. הציעו הסבר להבדל שבין שני המשקאות.

*77*

הכנת "מגדל צבעים" מנוזלים שצפיפותם שונה

נוזלים שצפיפותם נמוכה מזו של המים יצופו על פניהם, בתנאי שאינם מתערבבים בהם, ואילו מים יצופו על פני הנוזלים הצפופים מהם. ננצל את ההבדלים בצפיפויות של נוזלים שונים כדי להכין "מגדל צבעים" מנוזלים.

מטרת הפעילות: הכנת עמוד נוזלים צבעוני המבוסס על הבדלים בצפיפויות של נוזלים שונים.

ציוד: משורה בינונית, כפית או משורה למדידת הנוזלים השונים, תרכיז למשקה ממותק (לא ויטמינצ'יק), גליצרין, מים צבועים בצבע מאכל (רצוי כחול או ירוק), שמן זית או שמן בישול, כוהל

מהלך הפעילות:

1. מזגו למשורה תרכיז ממותק בנפח של כ-15 מ"ל(כ-3 כפיות. תוכלו גם למדוד את הכמות במשורה).

2. הוסיפו למשורה כמות דומה של הנוזלים שלפניכם, לפי סדרם ברשימה. כדי שהנוזלים לא יתערבבו חשוב למזוג אותם באטיות ולתת להם לנזול לאורך דופן המשורה.

1. גליצרין

2. מים

3. שמן בישול

4. כוהל רפואי

3. בזהירות רבה, הכניסו למשורה קוביית קרח וקוביית עץ.

תוצאות:

א. האם הנוזלים התערבבו?

ב. מהו סדר הנוזלים שבמשורה?

ג. מה קרה לקוביית הקרח ולקוביית העץ שהכנסתם למשורה?

מסקנות:

1. מה הקשר בין סדר הנוזלים בכלי לבין הצפיפויות שלהם? רשמו את הנוזלים לפי הסדר, מן הצפוף ביותר אל הצפוף פחות.

2. מהי מסקנתכם בנוגע לצפיפות של קוביית העץ ושל קוביית הקרח?

*78*

פעילות חידה לפיצוח

1. צוללות מחקר וצוללות צבאיות עשויות ממתכת, אך אף שמתכת אמורה לשקוע במים – הצוללות יכולות לתמרן בהם, לעלות או לרדת לפי הוראות הקברניט. יכולת זו תלויה בהכנסת מים למכלים מיוחדים בגוף הצוללת הנקראים מכלי כובד, או בהוצאת המים ממכלים אלו. כאשר מכניסים מים למכלים הצוללת שוקעת, וכאשר מוציאים את המים בעזרת משאבות ומכניסים במקומם אוויר דחוס הצוללת עולה וצפה.

א. כיצד משתנה צפיפות הצוללת כאשר מכניסים מים למכלים?

ב. מה קורה לצפיפות הצוללת כאשר מוציאים את המים ומכניסים במקומם אוויר דחוס?

2. צוללת למחקר כרישים אמורה לצאת מנמל הבית שלה ולהגיע אל אזור המחקר. בדרכה היא צריכה לעבור שורה של שרטונים ומכשולים. אתם הנווטים. עליכם לשנות את צפיפות הצוללת כדי להעביר אותה במבוך בדרך המהירה והקצרה ביותר. התבוננו במבוך המאויר לפניכם וחשבו: כיצד עליכם לשנות את הצפיפות בכל מקום? מה תעשו כדי לשנות אותה?

(בספר איור של צוללת ומבוך)

*79*

מצבי הצבירה של החומר

אחת התכונות החשובות של כל חומר היא מצב הצבירה (צבירה – המצב שבו אפשר לצבור (לאגור) את החומר) שלו כפי שאנחנו מכירים אותו בטמפרטורת החדר (טמפרטורת החדר מוגדרת בטמפרטורה של 25 מעלות צלסיוס). בטבע אנחנו מכירים שלושה מצבי צבירה: מוצק, נוזל וגז. מרבית החומרים יכולים להיות בכל אחד משלושת מצבי הצבירה הללו, והדבר תלוי בטמפרטורה שלהם. לדוגמה, אם נחמם מתכת מוצקה היא תהפוך בשלב הראשון לנוזל. אם נמשיך ונחמם במידה מספקת, המתכת תעבור למצב צבירה של גז.

הרחבה

פלזמה

למעשה ישנו גם מצב צבירה רביעי בטבע, הנקרא פלזמה. זהו מצב של גז בעל מטען חשמלי.

מצב הצבירה פלזמה נדיר על פני כדור-הארץ, ולרוב נקבל אותו רק בתנאי מעבדה. עם זאת, מרבית החומר ביקום נמצא במצב הצבירה הזה, ובכלל זה גם השמש שלנו וכוכבים רבים אחרים. גם הברק שאנחנו רואים בחורף הוא צורה של מצב הצבירה פלזמה.

(בספר תמונות של ברק ושל כדור פלזמה)

*80*

גזים

אם נתבונן סביבנו, נמצא כי מצב הצבירה של מרבית הגופים בסביבה הוא מוצק. נבחין בקלות גם בגופים במצב צבירה נוזלי, אך יהיה לנו קשה להבחין בגזים שסביבנו. מדוע? ישנו מספר מועט יחסית של חומרים – רק כ-100 חומרים שונים – הנמצאים במצב צבירה של גז בטמפרטורת החדר. מלבד זאת, מרבית הגזים הם שקופים, חסרי טעם או ריח ואינם ניתנים לאחיזה או למישוש, ולכן קשה לנו להבחין בנוכחותם או אפילו להבין שאלה הם חומרים, ממש כמו המוצקים והנוזלים שסביבנו.

למעשה, מצב הצבירה גז נפוץ מאוד על פני כדור-הארץ. אנו חיים במעטפת של גזים – הם מרכיבים את האוויר שבאטמוספרה של כדור-הארץ.

בפעילויות שלפניכם נבדוק אם באוויר מתקיימים המאפיינים של החומר, ונזהה את האוויר כדוגמה למצב הצבירה גז.

אוויר

האם האוויר הוא חומר?

כיצד אפשר להוכיח שהאוויר הוא חומר?

ניזכר במאפייני החומר שעליהם למדנו בתחילת הפרק: לכל חומר יש מסה ולכל גוף של חומר יש נפח – הוא תופס מקום במרחב. אם כן, אם נוכיח כי לאוויר יש מסה וכי יש לו נפח – נוכיח כי הוא חומר.

שאלה

שערו: האם לגוף האוויר יש נפח?

ספקו תימוכין להשערתכם בעזרת דוגמאות מחיי היומיום.

*81*

פעילות התנסות

ציוד: מים, פיסת נייר, מזרק שנפחו 25 מ"ל, כוס כימית שנפחה 200 מ"ל וכוס כימית שנפחה 1,000 מ"ל

מהלך הפעילות:

פעילות 1

א. מלאו את הכוס הכימית הגדולה ב-500 מ"ל מים.

ב. הדביקו פיסת נייר יבשה בקרקעית הכוס הקטנה.

ג. הפכו את הכוס הקטנה וטבלו אותה במהירות

במים שבכוס הגדולה, כשפתחה כלפי מטה. השקיעו אותה עד לתחתית הכוס הגדולה.

ד. הוציאו את הכוס הקטנה מהמים בלי להפוך אותה.

פעילות 2

א. מלאו את המזרק ב-10 סמ"ק אוויר.

ב. טבלו במים את המזרק שבתוכו יש אוויר, והוסיפו לו עוד 10 מ"ל מים.

ג. אחזו את המזרק מעל לכוס הכימית הקטנה כשפייתו מופנית כלפי מטה

ד. לחצו על הבוכנה.

תוצאות:

א. בפעילות 1 – האם פיסת הנייר שבתוך הכוס הכימית הקטנה נרטבה?

ב. בפעילות 2 – כשלחצתם על בוכנת המזרק והמים יצאו ממנו – האם הבוכנה נגעה במים?

סיכום והסקת מסקנות:

בפעילות 1 – מדוע לא נכנסו המים לתוך הכוס, ומדוע פיסת הנייר לא נרטבה?

בפעילות 2 – מה דחף את המים מהמזרק?

3. רשמו את מסקנתכם מתוצאות שני הניסויים שערכתם. האם ההשערה שלכם התאמתה?

*82*

פעילות התנסות

האם לאוויר יש מסה?

לרשותכם כדור מרוקן מאוויר, משאבה המתאימה לו ומאזניים.

1. שערו: האם לאוויר יש מסה?

2. הציעו דרך שבה אפשר להוכיח כי לאוויר יש מסה. פרטו את המדידות שתעשו ואת החישובים שתערכו.

3. בצעו את המדידות.

4. רשמו את מסקנתכם מתוצאות המדידות – האם לאוויר יש מסה?

שאלה למחשבה

מהי לדעתכם מסת האוויר בכל חדר הכיתה?

- גז הוא אחד ממצבי הצבירה

- גז הוא חומר בעל מסה ונפח

ממה מורכב האוויר?

מעטפת האוויר שבה אנו חיים – האטמוספרה – חיונית לקיום שלנו ושל יצורים חיים אחרים. ממה מורכב האוויר שבאטמוספרה?

האוויר הוא תערובת אחידה של גזים שונים. כ-99 אחוז מנפח האוויר מורכבים מחנקן ומחמצן (שיעור החנקן באוויר הוא 78 אחוז ושיעור החמצן הוא 21 אחוז). האחוז הנותר מכיל בעיקר ארגון (0.9 אחוז) וכמויות זעירות של גזים שונים, ובהם פחמן דו-חמצני, ניאון, אוזון, מימן, מתאן ועוד.

(בספר גרף עוגה של הרכב האוויר)

החנקן הוא הגז העיקרי באוויר. גז זה אינו מאפשר נשימה או בערה. לחנקן חשיבות רבה – בהעדר חנקן, ריכוז החמצן שבאוויר היה הרבה יותר גבוה – ומסוכן (חמצן בריכוז גבוה יכול להיות רעיל ליצורים חיים). מלבד זאת, החנקן הוא מרכיב חשוב בחלבונים הבונים את גופם של היצורים החיים. יש חיידקים שיכולים לקלוט חנקן גזי מן האוויר ולהפוך אותו לזמין לקליטתם של יצורים חיים אחרים. כאשר מקררים חנקן לטמפרטורות נמוכות מאוד הוא הופך לחנקן נוזלי, המשמש להקפאה עמוקה לצורכי מחקר ורפואה.

(בספר תמונה של דשנים)

דשנים המשמשים להזנת צמחים מורכבים גם מחומרים המכילים חנקן, החיוניים לקיומם ולהתפתחותם של יצורים חיים.

*83*

החמצן הוא גז החיוני לבערה ולנשימה. מרבית היצורים החיים בכדור-הארץ זקוקים לחמצן לתהליכי החיים ולייצור האנרגיה בתאיהם. יצורים החיים ביבשה קולטים גז חמצן מהאוויר, ויצורים החיים במים קולטים גז חמצן המומס במים. צמחים ירוקים פולטים חמצן לאוויר בתהליך הפוטוסינתזה.

ללא החמצן שבמכל האוויר של הצוללן, לא יוכל הצוללן לשהות במים זמן ממושך.

(בספר תמונה של צוללן עם מיכל אוויר)

פחמן דו-חמצני (פד"ח) הוא גז הנפלט בתהליכי בערה ובתהליכי נשימה של כל היצורים החיים. צפיפות הפחמן הדו-חמצני גבוהה מזו של האוויר (הוא "כבד" יותר מן האוויר), ולכן הוא מצטבר במקומות נמוכים. במקומות שבהם ריכוז הפחמן הדו-חמצני גבוה ריכוז החמצן נמוך, ולכן קליטת החמצן של יצורים חיים נפגמת והבערה אינה אפשרית. בגלל הפגיעה בקליטת החמצן, במקומות סגורים ונמוכים כמו מערות ומכרות קיימת סכנה להרעלה ולמוות מפחמן דו-חמצני. בחיי היומיום אנו נתקלים לעתים קרובות בפחמן דו-חמצני במשקאות מוגזים, המכילים גז זה. פחמן דו-חמצני נקלט מן האוויר על-ידי הצמחים הירוקים, והם משתמשים בו לייצור חומרי מזון (סוכר) בתהליך הפוטוסינתזה.

(בספר תמונה של מכשיר לכיבוי שרפות)

לפחמן דו-חמצני צפיפות גבוהה מזו של האוויר, והוא אינו מאפשר בערה. לכן לכיבוי שרפות משתמשים במכלים המתיזים קצף ובו פחמן דו-חמצני.

המימן נמצא באוויר בריכוז נמוך מאוד. צפיפות המימן נמוכה בהרבה מצפיפות האוויר (המימן "קל" מן האוויר), ולכן בעבר שימש המימן למילוי כדורים פורחים. השימוש במימן הופסק מכיוון שהוא דליק מאוד, והשימוש בו גרם לאסונות רבים.

(בספר תמונת מודל של ספינת אוויר)

מודל של ספינת האוויר הינדנבורג. בשל צפיפותו הנמוכה של גז המימן השתמשו בו בעבר למילוי ספינות אתיר ששימשו לתחבורה אווירית. בשנת 1937 התלקח המימן שבספינת האוויר הינדנבורג והיא נשרפה לחלוטין. בעקבות כך הופסק לגמרי השימוש במימן בספינות אוויר.

בפעילויות שלפניכם נכיר כמה מן הגזים שבאוויר, נלמד על תכונותיהם ונלמד לזהות אותם.

*84*

פעילות

ניסוי בהדגמה והתנסות

זיהוי מימן, חמצן ופחמן דו-חמצני

מטרת הפעילות: לזהות מימן, חמצן ופחמן דו-חמצני במעבדה.

ציוד: מבחנות סגורות, מסומנות במספרים 3-1, ובהן חמצן, פחמן דו-חמצני ומימן; קיסמים; גפרורים; מבחנות ובהן מי סיד צלולים; קשיות לשתייה

מהלך הפעילות:

א. צפו בהדגמה המראה כיצד מקרבים או מכניסים לכל אחת מן המבחנות המכילות גז קיסם דולק או קיסם עומם (קיסם שהולך ודועך בהדרגה, כך שיש בו גחלת). העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, ורכזו את תוצאות ההדגמה בעמודה השלישית. נסחו כותרת לטבלה.

ב. קראו את המידע המופיע בעמודים הקודמים על תכונותיו של כל אחד מן הגזים. האם הגז מעודד בערה, מונע בערה או דליק? שערו: איזה גז נמצא בכל אחת מהמבחנות? רשמו במחברתכם ליד מספר המבחנה את השערתכם איזה גז מצוי בה.

ג. המורה תזהה את הגזים במבחנות. האם צדקתם בהשערתכם? השלימו את הטבלה ורשמו את שמות הגזים במקומות המתאימים לכך.

ד. מי סיד צלולים הם חומר בוחן (אינדיקטור) לפחמן דו-חמצני. נשפו בקשית לתוך מבחנה המכילה מי סיד צלולים. תארו מה קרה למי הסיד הצלולים.

שאלות

1. מדוע קיסם עומם הוא אמצעי טוב לזיהוי גז חמצן?

2. פחמן דו-חמצני משמש לכיבוי שרפות. ציינו שתי תכונות של הפחמן הדו-חמצני, שבזכותן הוא מתאים למטרה זו.

3. מדוע לא היה צורך להכניס את הקיסם הדולק לתוך מבחנת המימן, ודי היה להחזיק אותו מעל למבחנה הפתוחה?

4. א. בשל איזו תכונה מתכונותיו של המימן מילאו בו בעבר כדורים פורחים?

ב. מדוע כיום ממלאים את הכדורים הפורחים בהליום ולא במימן?

5. מדוע מעכירים מי סיד צלולים כאשר נושפים לתוכם בקשית?

מערת הכלבים

לפניכם ערכה לבדיקת תכונותיו של הגז פחמן דו-חמצני. ניסוי זה נקרא בשם מערת הכלבים, על שמה של מערה בדרום איטליה. כלבים או בעלי חיים נמוכים אחרים הנכנסים למערה הזו עלולים להיפגע מחוסר חמצן לאחר דקות ספורות. זאת משום שגז פחמן דו-חמצני חודר באופן רציף דרך קרקעית המערה כתוצאה מהפעילות הגעשית באזור, ולכן ריכוזו על הקרקעית גבוה ומסוכן לבעלי חיים הזקוקים לחמצן. ערכת הניסוי שבה נשתמש מחקה את התנאים במערה.

מהלך הניסוי:

א. מוציאים את המדרגות מתיבת הפרספקס ומניחים אותן על השולחן.

ב. מהדקים את הנרות למדרגות בלחיצה, ומדליקים אותם.

ג. מציבים את המדרגות עם הנרות הדולקים בתוך תיבת הפרספקס, כשהחלק הנמוך של המדרגות צמוד לדופן התיבה.

ד. פותחים את בקבוק הפחמן הדו-חמצני, ומניחים את פתחו על דופן התיבה מאחורי המדרגה הגבוהה. מטים את הבקבוק באטיות עד למצב אנכי (עד שפתחו מופנה כלפי מטה). מחזיקים אותו במצב זה כ-10 שניות. מה קרה לנרות?

ה. מנסים להדליק את הנרות באמצעות קיסם דולק בלי להוציאם מהתיבה. האם זה אפשרי?

ו. הציעו מה לעשות כדי שהנרות יבערו בתוך התיבה.

ז. מבצעים את ההצעה – האם זה הצליח?

סיכום ומסקנות:

1. הסבירו את התוצאות שהתקבלו בשלב ד של הניסוי.

2. מדוע לא הצלחתם להדליק את הנרות בשלב ה?

3. מה צריך לעשות כדי שהנרות יוכלו לבעור בתוך התיבה? הסבירו.

4. אילו שתי תכונות של הפחמן הדו-חמצני הכרנו בניסוי זה?

שאלות

1. מדוע כלבים ובעלי חיים נמוכים אחרים הנכנסים למערת הכלבים עלולים להיפגע, ואילו לאנשים ולבעלי חיים גבוהים יותר לא נשקפת סכנה?

2. אם הייתם נכנסים למערה כזו עם הכלב שלכם והייתם רואים שהוא מרגיש לא טוב, מה הייתם יכולים לעשות באופן מיידי כדי להציל אותו?

פעילות געשית – (וולקנית) פעילות שמקורה בחומר החם והמותך (המגמה) המצוי מתחת לקרום המוצק של כדור הארץ.

*86*

פעילות סיכום

הגזים שבאוויר

קראו על הגזים שבאוויר בפרק זה וברשת האינטרנט, ובחנו שוב את תוצאות הניסויים שערכתם. סכמו את המידע: העתיקו את הטבלה למחברתכם ומלאו אותה. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

- האוויר הוא דוגמה לתערובת של גזים שונים, והוא מורכב בעיקר מחנקן ומחמצן.

- חמצן מעודד בערה, פחמן דו-חמצני מכבה בערה וכבד מהאוויר, ומימן הוא גז דליק וקל מהאוויר.

הרחבה

פחמן דו-חמצני ותופעת התחממות כדור-הארץ

ריכוזו של הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה של כדור-הארץ – כ-0.04 אחוז – הוא זעיר. למרות זאת, בשנים האחרונות הימצאותו של פחמן דו-חמצני באטמוספרה של כדור-הארץ מעוררת דאגה גדולה, זאת בגלל תרומתו לתופעת ההתחממות של כדור-הארץ. מסתבר שב-150 השנים האחרונות עלה ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה עלייה חדה – זאת בעיקר כתוצאה משרפה של דלקים בתחנות הכוח, בתעשייה ובתחבורה, וכתוצאה מהצטמצמות שטחם של היערות, הקולטים את הפחמן הדו-חמצני מן האוויר.

בתרשים זה מתוארת העלייה בריכוזו של הפחמן הדו-חמצני באוויר בעשרות השנים האחרונות.

(בספר תרשים המתאר את עליית ריכוז הפחמן הדו חמצני באוויר בין 1960 ל-2010)

*87*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

התחממות כדור הארץ והפחתת הפליטה של פחמן דו-חמצני לאוויר

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט''ב – מדע וטכנולוגיה. בחרו בתחום אקולוגיה – השפעת האדם על הסביבה.

1. בחרו בפעילות התחממות כדור-הארץ.

הפעילו את הפעילות ולמדו על אפקט החממה ועל התגברות האפקט כתוצאה מפעולתם של גזי החממה שבאוויר.

2. בחרו בפעילות הפחתת ה-CO2 באוויר. ענו על השאלון ובדקו אילו מההרגלים שלכם משפיעים על העלייה בכמות הפחמן הדו-חמצני באוויר.

חשבו: מה יכולים כל אחד וכל אחת מכם לעשות כדי להפחית את פליטת הפחמן הדו-חמצני וכדי לצמצם את היקפה של תופעת ההתחממות של כדור-הארץ?

הפחמן הדו-חמצני הוא גז חממה – כלומר, הוא בולע קרינת חום הנפלטת מכדור-הארץ, וכתוצאה מכך חום רב יותר נלכד באטמוספרה והטמפרטורה של כדור-הארץ עולה. גם המתאן, שריכוזו באטמוספרה של כדור-הארץ נמוך, הוא גז חממה, וריכוזיו העולים באטמוספרה אחראיים במידה רבה להתחממות כדור-הארץ.

בתרשים זה מתוארים השינויים בטמפרטורה בעולם במאות השנים האחרונות. חוקרים מסבירים את העלייה בטמפרטורה בעלייה בריכוזם של גזי חממה, ובראשם הפרחמן הדו-חמצני והמתאן, הנובעת מהעלייה ברמת החיים, בתיעוש ובפיתוח.

(בספר תרשים המתאר את שינוי הטמפרטורה בעולם בין 1880 ל-2000)

כיצד אפשר להפחית את העלייה בריכוזי גזי החממה באטמוספרה ואת התחממות כדור הארץ הנובעת מכך? כפי שלמדנו בפרק הקודם, אחת הדרכים לעשות זאת היא באמצעות הפקת אנרגיה בתהליכים שאינם פולטים גזי חממה.

*88*

הרחבה

מתאן

מתאן הוא אחד מגזי החממה העיקריים באטמוספרה.

אספו מידע על המתאן וענו על השאלות שלפניכם:

1. מהם המקורות העיקריים לפליטת מתאן לאטמוספרה?

2. כיצד השתנה ריכוזו של המתאן באטמוספרה במאות השנים האחרונות?

3. כיצד גידול צאן ובקר בשטחי מרעה נרחבים וגידול צמחים להזנתם תורמים (גם אם בעקיפין) להעלאת ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה?

תכונות הגזים – צורה ונפח

בפעילויות שלפנינו נכיר את תכונות הגזים. נצפה בתהליך שבו גז מתפשט, ונבדוק אם גזים יכולים לשנות את צורתם או את נפחם, או שאלה קבועים כאשר המסה קבועה.

פעילות ניתוח ניסוי

התפשטות של גז

האיורים שלפניכם מתארים התפשטות של גז ברום, שצבעו חום-אדום, מבקבוקון קטן אל תוך כלי שנפחו גדול יותר.

(בספר איור המתאר התפשטות גזים)

1. האוויר הוא דוגמה לתערובת של גזים שונים, והוא מורכב בעיקר מחנקן ומחמצן.

2. כאשר משנים את צורתו של חומר מוצק כמו גוש פלסטלינה, כל עוד לא נוסף לגוש חומר ולא נגרע ממנו חומר, המסה שלו אינה משתנה.

א. שערו: האם מסת הגז השתנתה במהלך הניסוי? נמקו.

ב. הציעו דרך שבה אפשר לבדוק את השערתכם.

3. נסחו מסקנה כללית: מה הקשר בין נפח הגז לנפח הכלי שבו הוא נמצא?

4. מדוע לדעתכם נבחר בניסוי זה דווקא גז ברום?

5. שאלו שאלות בנוגע לניסוי.

*89*

פעילות התנסות

חלק א: האם צורתו של ם קבועה או משתנה?

מטרת הפעילות: לבדוק אם אפשר לשנות צורה של חומר במצב הצבירה גז.

ציוד: בלון מנופח באוויר

מהלך הפעילות: לחצו על הבלונים וצרו מהם צורות שונות.

תוצאות: האם צורת הגז (האוויר) שבתוך הבלונים השתנתה כאשר שינינו את צורת הבלון?

מסקנה: צורת הגז קבועה / משתנה

חלק ב: האם נפח הגז קבוע או משתנה?

מטרת הפעילות: לבדוק אם אפשר לשנות נפח של חומר במצב צבירה גז כשהכמות שלו קבועה.

ציוד: מזרק, פקק מתאים.

מהלך הפעילות:

א. מלאו את המזרק ב-20 סמ"ק אוויר.

ב. כעת סגרו את פתח היציאה של המזרק באצבע או בפקק מתאים.

ג. לחצו על הבוכנה והורידו אותה עד כמה שאפשר, כאשר האצבע או הפקק עדיין סוגרים את פתח המזרק.

ד. כשפתח המזרק עדיין סגור, משכו את הבוכנה בחזרה כלפי מעלה.

ה. שערו: האם מסת האוויר שבמזרק השתנתה בתהליך שבו לחצנו על הבוכנה או משכנו אותה למעלה? נמקו.

מסקנה:

איזו מסקנה אפשר להסיק מתוצאות הפעילות?

א. מסת הגז משתנה בהתאם לנפח הכלי שבו הוא נמצא.

ב. נפח הגז משתנה בהתאם לנפח הכלי שבו הוא נמצא.

ג. נפח הגז נשאר קבוע ואינו תלוי בנפח הכלי שבו הוא נמצא.

*90*

פעילות התנסות

האם אפשר להוסיף עוד גז לכלי המלא בגז?

לפניכם כדור מנופח באוויר ומשאבה המתאימה לו.

(בספר תמונה של כדור ומשאבה)

עליכם להוסיף ולנפח את הכדור – למלא את הכדור באוויר נוסף על הנמצא בו.

העבירו את הכדור ביניכם. כל אחד מכם ילחץ על המשאבה פעם אחת, עד שלא יהיה אפשר להכניס עוד אוויר לכדור.

שאלות

1. מה השתנה ומה לא השתנה כתוצאה מהניפוח? בחרו את התשובה הנכונה.

א. נפח הכדור

ב. נפח הגז (אוויר)

ג. כמות הגז (אוויר)

2. רשמו מסקנה שאפשר להסיק מתוצאות הניסוי.

3. לפניכם שני מכלי גז לפיקניק שגודלם זהה.

(בספר תמונה של שני מיכלי גז)

האם תוכלו לקבוע אם כמות הגז בתוכם זהה או שונה? הציעו דרך שבה תוכלו לדעת זאת.

4. על סמך תשובתכם לשאלה הקודמת, הסבירו מדוע רשומה כמות הגז על מכלי הגז בגרמים או בק"ג ולא במ''ל או בליטרים?

- הגזים זורמים, מתפשטים וממלאים את כל נפח הכלי שבו הם נמצאים. מסיבה זו אפשר לשנות גם את נפח הגז וגם את צורתו.

*91*

(בספר תמונה של כדור הארץ)

נוזלים

כדור-הארץ קיבל את שמו "כדור-הארץ הכחול" מכיוון שמרבית שטחו מכוסה במים, והם מקנים לו צבע כחול במבט מן החלל. מים הם גם מרכיב חשוב בגופם של יצורים חיים (גופנו מורכב ברובו ממים), והם נחוצים לקיום כל תהליכי החיים. אנו מכירים את המים בכל מצבי הצבירה, אך מצב הצבירה הנפוץ והשימושי ביותר עבורנו הוא הנוזל.

מהן התכונות של מים ושל נוזלים אחרים? כיצד תכונות הנוזלים מתאימות לשימושים השונים בהם? במה נבדלות תכונות הנוזלים מתכונות הגז שהכרנו קודם? בכך נעסוק בפעילויות הבאות.

*92*

פעילות התנסות

השוואה בין נוזלים שונים

מטרת הפעילות: להשוות בין נוזלים שונים.

ציוד: לחלקים א ו-ב – כוסות כימיות שנפחן 50 מ"ל, מים, שמן, דבש, תרכיז מיץ ממותק ונוזל לשטיפת כלים, כוסות וכלים בגדלים ובצורות שונות, משורות בגדלים שונים. לחלק ג – 2 מזרקים שנפחם 20 מ"ל, האחד מכיל 10 מ"ל שמן והאחר 10 מ"ל מים, פקקים המתאימים למזרקים.

חלק א – שופכים נוזלים מכלי לכלי

מהלך הפעילות:

שפכו כל אחד מהנוזלים מכלי אחד לכלי אחר ובדקו:

- האם הנוזל זורם?

- האם יש הבדל במהירות הזרימה של הנוזלים השונים?

- מה קורה לצורת הנוזל במעבר מכלי אחד לכלי אחר שצורתו שונה?

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וסכמו בה את תוצאות הפעילות. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

חלק ב – מה קורה לנפח הנוזל כאשר צורתו משתנה?

מהלך הפעילות:

א. שערו: כאשר צורתו של נוזל משתנה, האם הנפח שלו משתנה או נשאר קבוע? נמקו.

ב. הציעו דרך שבה אפשר לבדוק את השערתכם. פרטו את הציוד הנחוץ לכך ואת מהלך הניסוי.

ג. בצעו את הניסוי. כל קבוצת תלמידים תבדוק נוזל אחר.

תוצאות:

האם נפח הנוזל השתנה או לא השתנה כאשר צורתו השתנתה?

חלק ג – דוחסים נוזלים

מהלך הפעילות:

1. שערו: האם אפשר לדחוס מים ושמן כפי שאפשר לדחוס אוויר?

2. נסו לדחוס מים ושמן במזרק – סגרו את פתח המזרק באצבעכם או בפקק, ודחפו את הבוכנה כלפי מטה בלי שפתח המזרק ייפתח.

*93*

תוצאות:

האם הצלחתם לדחוס את המים ואת השמן?

סיכום ומסקנות:

1. העתיקו את הסיכום שלפניכם למחברת והשלימו בו את המילים המתאימות:

הנוזלים (זורמים / אינם זורמים) ממקום למקום, והם מקבלים את ה

--

(צורה / נפח) של הכלי שבו הם נמצאים. כשלא משנים את כמות הנוזל, נפחו

--

(קבוע / משתנה).

2. השוו בין הנוזלים השונים: מה משותף לכל הנוזלים שבדקתם ומה השונה ביניהם?

תכונות ושימושים של נוזלים

בפעילות הקודמת מצאנו כי כל הנוזלים זורמים ממקום למקום ומשנים את צורתם בהתאם לצורת הכלי שבו הם נמצאים, אך הם אינם משנים את נפחם.

את תכונת הזרימה של נוזלים אנו מנצלים למטרות שונות: הובלת נוזלים ממקום למקום בצינורות המים, בצינורות הנפט ועוד, והובלת אנשים וסחורות ממקום למקום בדרך הים או בנהרות ובנחלים. בטבע המים הזורמים מובילים אתם חומרים ויצורים חיים ממקום למקום. תכונת הזרימה של המים מאפשרת גם הובלה של חומרים ממקום למקום בגופם של יצורים חיים.

בשונה מגזים, הניתנים לדחיסה, את הנוזלים אי אפשר לדחוס. בזכות תכונה זו אפשר להשתמש בהם למכשירים שונים הדורשים העברה של כוח, לדוגמה במערכת של בלמים הידראולים במכונית. פעולתה של מערכת זו מבוססת על הפעלת לחץ על נוזל, שאינו נדחס.

(בספר תמונה של צינורות להובלת נוזלים)

צמיגות של נוזלים

למדנו כי כל הנוזלים זורמים, אך יש נוזלים הזורמים מהר יותר, כמו מים, ויש נוזלים הזורמים לאט יותר, כמו דבש או נוזל לשטיפת כלים. התכונה של החומר הקובעת את מהירות הזרימה שלו נקראת צמיגות (צמיגות היא תכונה של נוזלים. נוזלים צמיגים יותר זורמים לאט יותר). אם נשים גופים זרים בנוזלים צמיגים הם ינועו בתוכם לאט יותר מאשר בנוזלים צמיגים פחות. נוזלים צמיגים משמשים כשמני סיכה (שמן סיכה – שמן המקטין חיכוך בין חלקים נעים במכונות שונות) במנועים ובמכונות שונות. שמן הסיכה מקטין את החיכוך בין החלקים הנעים של המנוע או של המכונה, מאפשר תנועה חלקה ויעילה ומפחית את ההתחממות הנגרמת בגלל החיכוך.

בפעילות שבהמשך נשווה בין מידות הצמיגות של שלושה נוזלים שונים.

*94*

פעילות ניסוי

מטרת הפעילות: להשוות בין מידות הצמיגות של נוזלים שונים

ציוד: 3 משורות ארוכות וזהות, המכילות נפחים זהים של מים, של נוזל לשטיפת כלים ושל דבש, 3 גולות מזכוכית השוות בנפחן ובמסתן, שעון עצר (סטופר)

שערו על סמך היכרותכם עם החומרים בחיי היומיום – איזה נוזל הכי צמיג? איזה נוזל הכי פחות צמיג?

מהלך הפעולות:

לפניכם 3 משורות ובהן נפחים שווים של מים, של נוזל לשטיפת כלים ושל דבש. עליכם להניח גולה על פני כל אחד מן הנוזלים שבמשורות (לא לזרוק את הגולה פנימה), ולמדוד כמה זמן לוקח ל ולהגיע לתחתית.

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, וסכמו בה את משך הזמן שלקח לגולות להגיע לתחתית המשורה בכל אחד מן המקרים. נסחו כותרת לטבלה.

סיכום ומסקנות:

1. דרגו את הנוזלים שמדדתם לפי הסדר, מן הנוזל שמידת צמיגותו היא הגבוהה ביותר עד לנוזל שמידת צמיגותו היא הנמוכה ביותר. כיצד קבעתם זאת?

2. (אתגר) כיצד אפשר להשתמש בשיטה זו למדידת הצמיגות של נוזלים שונים?

3. באיזו שיטה אחרת, שבה התנסינו בהתנסות קודמת, אפשר למדוד את צמיגות הנוזלים?

שאלות

1. נפט גולמי הוא נוזל צמיג. מה יהיה יקר יותר להוביל למרחקים ארוכים – נפט או מים? נמקו.

2. במחלות אחדות ובמקרים של התייבשות הדם נעשה צמיג יותר. כיצד עלולה העלייה בצמיגות הדם לפגוע בהובלת חומרים בזרם הדם?

- נוזל הוא אחד ממצבי הצבירה.

- הנוזלים זורמים ויכולים לשנות את צורתם, אך הנפח שלהם נשאר קבוע.

- צמיגות היא תכונה של נוזלים. נוזלים צמיגים יותר זורמים לאט יותר.

*95*

המים – תכונותיהם וחשיבותם

למים חשיבות רבה בחיי היומיום שלנו ולקיום שלנו ושל יצורים חיים אחרים. ראינו כי המים, כמו נוזלים אחרים, זורמים ומקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים. המים גם ממסים חומרים רבים כגון סוכר, מלחים שונים ועוד. כיצד תורמות תכונות אלה לשימושים השונים במים? כיצד הן תורמות לחשיבות המים בעולם הטבע?

פעילות מידענות

תכונות המים וחשיבותם

א. חפשו מידע ברשת האינטרנט ובספרים על חשיבות המים ועל השימושים השונים בהם.

ב. הכינו רשימה של כל כתובות מקורות המידע שהסתמכתם עליהם.

ג. הכינו טבלה וסכמו בה אילו מתכונות המים שהכרנו תורמות לשימוש שעושים בהם או לחשיבותם (אפשר לרשום יותר מתכונה אחת). נסחו כותרת לטבלה.

הרחבה

מים מזוקקים ומים מינרליים

אנשים רבים מתבלבלים בין מים מזוקקים למים מינרליים. מים מינרליים הם מים שמקורם במי תהום. מים אלה הגיעו למעמקי האדמה לאחר שמי הגשמים חלחלו לתוכה ובדרכם המיסו חומרים שונים הנמצאים בה. מסיבה זו המים המינרליים מכילים חומרים שונים המומסים בהם.

מים מזוקקים הם מים שעברו תהליך פיזיקלי להרחקת כל המומסים הללו, והם משמשים למטרות שונות, כמו גיהוץ במגהצי קיטור וניסויים במעבדה. מים אלה אינם מומלצים לשתייה.

*96*

מוצקים

תכונות ושימושים של מוצקים

אם נתבונן סביבנו, נמצא כי מצב הצבירה של חלק גדול מהדברים בסביבה המיידית שלנו הוא מוצק. אלה הם למשל הספרים והמחברות שבתיק שלנו, הבגדים שאנו לובשים, השולחן שאנו כותבים עליו והאדמה או הרצפה שעליהן אנחנו עומדים.

לעומת נוזלים וגזים, מוצקים אינם זורמים ממקום למקום. המילה "מוצק" בשפת היומיום מתקשרת לעתים קרובות עם התואר "קשה", אך לא כל המוצקים קשים: ישנם מוצקים רכים, כמו פלסטלינה או גומי, שאפשר ללחוץ עליהם ולשנות את צורתם. גם החוטים שמהם מייצרים את הבגדים שאנו לובשים הם מוצקים.

אפשר לומר באופן כללי כי צורתו של חומר מוצק קבועה כל עוד לא מופעל עליו כוח חיצוני. נפח המוצקים תמיד קבוע, גם כאשר צורתם משתנה.

העובדה כי למוצקים יש צורה ונפח קבועים חשובה לאדם, המשתמש בהם לייצור חפצים שצורתם קבועה, כמו כלי אוכל, רהיטים, מבנים ועוד.

(בספר תמונה של תרמיל ושל כדור פלסטלינה)

- צורתו של גוש הפלסטלינה הזה יכולה להשתנות, אך נפחו אינו משתנה.

שאלה לדיון

חומרים רבים בסביבתנו, למשל חול ומלח, הם אבקות. האם אבקות הן נוזלים או מוצקים?

הביאו תימוכין לדעתכם: אילו מאפיינים של הנוזלים מתקיימים באבקות? מה ההבדל בין נוזלים לבין אבקות?

אבקה – נוזל או מוצק?

קמח, מלח, חול הים – האם הם נוזלים או מוצקים?

קל להתבלבל ולחשוב בטעות שאבקות הן נוזלים, מכיוון שהן מקיימות הלק ממאפייני הנוזל: הן זורמות ממקום למקום ומשנות את צורתן. אך אבקות הן למעשה אוסף של גרגירי מוצק קטנים: אפשר לקבל אבקה באמצעות טחינה או ריסוק של מוצק לחתיכות קטנות. לדוגמה, האדמה שאנו דורכים עליה היא אבקה שנוצרה כתוצאה מהתפוררות של סלעים לגרגירי סלע זעירים.

- חופן של חול מכיל המון גרגירים קטנים של חול.

(בספר תמונה של חופן של חול וגרגירי חול בהגדלה)

- גרגירי חול בהגדלה. כל גרגיר חול הוא חתיכה קטנטנה של סלע, המקיימת את כל תכונות המוצק.

*97*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.il

מעבירים חומרים מכלי לכלי

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה. בחרו בתחום כימיה, בנושא חומרים – תכונות ושימושים. בחרו בפעילות מעבירים מכלי לכלי.

(בספר צילום מסך של הפעילות "מעבירים מכלי לכלי" בילקוט הדיגיטלי)

האם החומרים זורמים? מה קורה לצורה ולנפח של חומרים במצבי הצבירה השונים כאשר מעבירים אותם מכלי לכלי? מה קורה למסה? השוו בין החומרים בטבלה שלפניכם: העתיקו את הטבלה אל המחברת והשלימו את הפרטים החסרים. נסחו כותרת לטבלה.

האם ג'ל הוא מוצק או נוזל?

ג'ל לשיער וג'לי למאכל – האם הם מוצקים או נוזלים?

ג'ל (תקריש) הוא חומר הבנוי מרשת לא מסודרת של סיבים, שביניהם לכוד נוזל (מים – כמו בג'לי למאכל, או שמן – כמו בחלק מן הג'לים לשיער). לג'ל תכונות של מוצק, אך רוב רובו מורכב מנוזל. מסיבה זו צפיפותו של הג'ל נמוכה, בדומה לצפיפות של מים או של שמן.

תוכלו לבדוק בעצמכם את תכונות הג'ל: הכינו בבית ג'לי למאכל – האם הוא זורם? האם צורתו משתנה? מה קורה כשלוחצים עליו?

*98*

מתכות

מתכות הן דוגמה לחומרים מוצקים, ויש להן חשיבות עצומה בתרבות האדם. ברזל הוא דוגמה למתכת אחת, וזהב, כסף, פלטינה, נחושת וחומרים אחרים גם הם מתכות. בטמפרטורת החדר כל המתכות במצב מוצק – מלבד כספית, הנוזלית בטמפרטורה זו.

השימוש במתכות החל כבר לפני כ-6,000 שנים, וכיום יש למתכות שימושים רבים. לעתים משתמשים במתכת טהורה כגון ברזל, נחושת, זהב או פלטינה. לעתים כדי לקבל תכונות משופרות, יוצרים תערובת של מתכת עם חומרים שונים, מתכתיים או אחרים. תערובת כזו נקראת סגסוגת. פלדה היא דוגמה לסגסוגת – תערובת של ברזל ופחמן – החזקה יותר מן הברזל. המתכות והסגסוגות הן מוליכות חשמל טובות ומוליכות חום טובות, ורובן מבריקות.

(בספר תמונה של סקסופון - העשוי סגסוגת מתכות)

סגסוגת – תערובת מוצקה של מתכת עם חומרים שונים, מתכתיים או אחרים.

מתכות

השימוש במתכות מוזכר בתנ"ך פעמים אחדות. מסופר לנו כי בתקופת מלכות שאול, הפלשתים, שמקורם בכרתים או ביוון, כבר למדו להפיק מתכות ולייצר מהן כלי נשק. בני ישראל עדיין לא למדו את הטכנולוגיה הזו, ולכן לזכות הפלשתים עמד יתרון חשוב, והם הקפידו לשמור אותו כסוד צבאי:

חרש לא ימצא, בכל ארץ ישראל: כי-אמר (אמרו) פלשתים

--

פן יעשו העברים, חרב או חנית. וירדו כל-ישראל, הפלשתים

--

ללטוש איש את- מחרשתו ואת-אתו, ואת-קרדומו, ואת, מחרשתו. והזתה הפצירה פים, למחרושת ולאתים, ולשלש קלשון, ולהקרדמים; ולהציב, הדרבן. והיה, ביום מלחמת, ולא נמצא חרב נמנית ביד כל-העם, אשר את-שאול ואת-יונתן; ותמצא לשאול, וליונתן בנו. ויצא מצב פלשתים, אל-מעבר מכמש.

שמואל א יג 23-19

- מוצק הוא אחד ממצבי הצבירה

- מוצקים אינם זורמים. הנפח והצורה של מוצקים הם קבועים

- אבקות הן מוצקים, והן בנויות מגרגירי מוצק קטנים.

- מתכות הן דוגמה למוצקים.

*100*

סיכום

- כל גוף עשוי מחומר או מחומרים שונים, ויש לו צורה, מסה ונפח.

- המסה היא כמות החומר שבגוף, והיא נמדדת ביחידות של גרם, ק"ג, טונה ועוד. י

- הנפח הוא המקום שהגוף תופס במרחב, והוא נמדד ביחידות של סמ"ק, מ"ל, ליטר, מ"ק ועוד.

- כל עוד לא מוסיפים לגוף חומר או גורעים ממנו חומר, המסה שלו קבועה.

- כלים למדידת נפח הם למשל סרגל, משורה, מזרק, כוס מדידה ועוד.

- מדידת מסה נעשית בעזרת מאזניים וגופי מדידה (אבני מסה).

- המשקל הוא כוח הכבידה הפועל על המסה, והוא משתנה בהתאם למקום שבו נמצאים ביקום.

- צפיפות היא כמות המסה בנפח כלשהו, והיא מבוטאת ביחידות של גרם/סמ"ק.

- מרבית החומרים יכולים להיות בכל אחד משלושת מצבי הצבירה, מוצק, נוזל או גז, בהתאם לטמפרטורה שבה הם נמצאים.

- למוצקים, לנוזלים ולגזים תכונות שונות: נוזלים וגזים שניהם מקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים אך מוצקים לא; נפחם של גזים אינו קבוע והוא תלוי בכלי שבו הם נמצאים, ונפחם של מוצקים ושל נוזלים קבוע.

שאלות סיכום

1. כתבו שני חומרים מכל קבוצה הנמצאים באותו מצב צבירה בטמפרטורת החדר.

א. שמן, יין, ברזל

ב. כספית, שמן, אוויר

ג. חול, עץ, מים

ד. מימן, מים, אוויר

ה. קרח, חול, כספית

ו. מים, חול, פלסטיק

2. בחבילת סוכר שמסתה 1 ק"ג יש – גרם סוכר. ב-3.5 חבילות יש – ק"ג סוכר, שהם – גרם. חצי חבילה של סוכר מכילה – גרם, וחצי כוס סוכר מכילה 40 גרם, שהם – ק"ג סוכר.

3. איזה מן הכלים שלפניכם מודד נפח של נוזל?

(בספר תמונה של כלי מדידה שונים)

כוס כימית, מאזניים, קפיץ, משורה, בקבוק הזנה לתינוקות, סרגל, סרט מדידה

*100*

4. סדרו את רשימת הנפחים שלפניכם בסדר עולה (המירו לפני כן את כל הנפחים לאותן יחידות מידה):

320 סמ"ק, 150 מ"ל, 2,250 סמ''ק, 2,250 מ"ל, 1.5 ליטר, 1,250 סמ''ק.

5. למשורה, שהכילה מים בנפח ידוע, הכניסו כדור פלסטלינה. גובה המים במשורה עלה. מה מדדו בניסוי זה?

א. את צפיפות הכדור

ב. את משקל הכדור

ג. את נפח הכדור

ד. את מסת הכדור

6. מה אפשר להסיק בנוגע לגופי המדידה (אבני המסה) ולגוף הנמדד כאשר כפות המאזניים מאוזנות?

א. הם עשויים מחומרים זהים.

ב. נפחם זהה.

ג. צורתם זהה.

ד. מסתם זהה.

7. סדרו את רשימת המסות שלפניכם בסדר עולה (המירו לפני כן את כל המסות לאותן יחידות מידה):

0.95 ק"ג, 1,510 גרם, 0.037 ק"ג, 50 גרם, 400 גרם, 0.35 ק"ג.

8. המוכר במכולת מדד מסה של שקית מלפפונים חמוצים באמצעות מאזני כפות. המאזניים התאזנו כשהונחו על כף המאזניים 5 אבני מסה של 100 גרם, 4 אבני מסה של 50 גרם, 2 אבני מסה של 10 גרם ו-5 אבני מסה של גרם אחד. מהי המסה של שקית המלפפונים החמוצים?

9. מכל שתייה המכיל מסה של 2,000 גרם מים הוכנס למקפיא. מה הייתה המסה של הקרח לאחר שהמים קפאו? נמקו.

א. יותר מ-2,000 גרם

ב. 2,000 גרם

ג. פחות מ-2,000 גרם

10. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו אותה באמצעות מחסן המילים. באיזה כלי או אמצעי מדידה תבחרו כדי למדוד או לחשב את הנפח של הגופים או החומרים הרשומים בה? (אפשר לציין את אותו כלי או אמצעי מדידה יותר מפעם אחת). מחסן מילים: מאזניים, משורה מלאה במים, כוס כימית, סרגל, שעון, משורה ריקה, מזרק

*101*

11. השוו את צפיפות הקוביות בכל מאזניים: האם הצפיפות זהה או שונה? נמקו.

(בספר איורים של מאניים עם קוביות במשקלים שונים עליהן )

12. צפיפות המים היא ד גרם / סמ"ק. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו בה את הפרטים החסרים. איזה מן החומרים יצוף במים ואיזה ישקע בהם?

13. תלמידים מזגו ארבעה נוזלים שונים לכוס, ונוצרו ארבע שכבות. לפניכם נתונים על צפיפות הנוזלים. איזה נוזל נמצא בכל שכבה?

(בספר תמונה של כוס עם נוזלים בשכבות)

14. איך הייתם מסבירים את נושא הצפיפות לתלמיד חדש או לתלמידה חדשה שהצטרפו לכיתה?

15. חוקרים מילאו 3 בלונים זהים בנפח זהה של גזים שונים: מימן, אוויר ופחמן דו-חמצני, ואז שחררו את הבלונים לאוויר מגובה רב. לאחר זמן קצר התקבלה התמונה הזאת: איזה גז נמצא בכל בלון? נמקו.

(בספר תמונה של שלושה בלונים בגבהים שונים)

*102*

16. מדורה דלקה זמן רב, ולאחר מכן נותרו ממנה רק גחלים שבעירתם הייתה חלשה מאוד. כדי להדליק מחדש את המדורה נפנפו הילדים מעליה באמצעות קרטון. מדוע?

17. אחת החלופות הירוקות למכוניות המונעות באמצעות בנזין, היא מכונית הפועלת על דלק מימני.

מה יכולה להיות הבעיה בתדלוק מכונית כזו (במימן)?

18. נר דולק כוסה בצנצנת הפוכה. לאחר זמן מה דעכה האש והנר כבה. מדוע?

19. צורף יצר מגוש זהב שמסתו 20 גרם טבעת, שרשרת וזוג עגילים. מה הייתה המסה של כל התכשיטים יחדיו? נמקו.

20. חוקרי חלל קיבלו לבדיקה חומר בלתי ידוע שהתגלה באחת הפלנטות. בבדיקות נמצא כי חומר זה זורם ואינו ניתן לדחיסה. מהו ככל הנראה מצב הצבירה של החומר הזה? נמקו.

*103*

פרק 4: חומרים, תכונות ושימושים

פרק 4: חומרים, תכונות ושימושים

בפרק זה נלמד ש...

- לכל חומר צירוף תכונות הייחודי לו (ברק, מוליכות חום, קשיות וכדומה), המבדיל אותו מחומרים אחרים.

- האדם משתמש בחומרים שונים בהתאם לתכונותיהם ובהתאם לצרכיו.

מושגיים שנכיר:

שקיפות, מוליכות חום, מוליכות חשמלית, שקיפות, בעירות, מצב צבירה, תיכון, הנדסת חומרים

*104*

מבוא

החומרים השונים שבהם אנו משתמשים הם חלק בלתי נפרד מהמציאות המודרנית שלנו, אך שימוש בחומרים אינו תופעה חדשה. כבר לפני מאות אלפי שנים בחרו בני אדם חומרים שונים מן הטבע, שהיו בעלי תכונות רצויות להם, ויצרו מהם כלים שונים. השימוש בחומרים השפיע במידה רבה כל כך על תרבות האדם, עד כי נהוג לחלק את ההיסטוריה האנושית הקדומה לתקופות שונות, לפי החומרים שמהם האדם יצר את כליו: תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל.

בתקופת האבן השתמש האדם הקדמון באבן ובחומרים טבעיים אחרים שמצא בסביבתו, כגון עצמות ופיסות עץ. בתחילה השתמש בהם האדם כמות שהם, ומאוחר יותר למד לעבד אותם בהתאם לשימוש שייעד להם. עצמות שימשו לתפירת עורות, עצים – להכנת כלי עבודה וכלי אוכל, ואבנים שימשו להכנת כלי נשק, כלי אוכל, כלי עבודה ועוד.

בהמשך החל האדם ליצור כלים מחרס, ששימשו בעיקר לאגירה. הוא עיצב כלים בצורות שונות מעיסה של טיט או מחומר (חימר), הקשה אותם בחום ובאש והפך אותם לחרס. אבנים וחומרים טבעיים אחרים שימשו כחומרי הגלם העיקריים עד שהאדם גילה את האפשרות להפיק נחושת, להתיך אותה ולייצר ממנה כלים שונים.

בתקופת הברונזה למד האדם להתיך את המתכות נחושת ובדיל יחדיו, וליצור מהן סגסוגת הנקראת ברונזה (ארד). הברונזה קשה מן הנחושת בהרבה, ולכן היה אפשר לייצר ממנה כלי עבודה וכלי נשק באיכות גבוהה יותר מזו של הכלים שיוצרו קודם לכן.

בתקופת הברזל, שבאה לאחר תקופת הברונזה, למד האדם להפיק את הברזל, שלו תכונות משופרות. הוא זמין וזול יותר, וקל יותר לעיבוד לעומת הברונזה. בברזל השתמשו בעיקר לייצור כלי עבודה וכלי נשק.

(בספר תמונות של ראשי חיצים וחניתות עתיקים מברזל, כלי חרס וכתר מנחושת)

*105*

חומרים "לפי הזמנה"

המהפכה התעשייתית במאה ה-18 ופיתוח הפלסטיק במאה ה-19 היו אבני דרך משמעותיות לתחילתו של עידן חדש בעולם החומרים, עידן שהואץ והתפתח במהלך המאה ה-20 ובתחילת האלף השלישי. כיום האדם אינו מסתפק במגוון החומרים והתכונות שהטבע מציע לו, אלא מפתח חומרים בעלי התכונות הרצויות לו. תחום חדש התפתח: הנדסת חומרים. מהנדסי חומרים חוקרים את תכונות החומר, משפרים את תכונותיהם של חומרים קיימים, ויוצרים מדי שנה בשנה אלפי חומרים חדשים שתכונותיהם "נתפרות" בהתאם לצרכים הקיימים, ובהם ננו-חומרים (חומרים שלפחות אחד מהממדים שלהם קטן מ-100 ננומטר. ננומטר-אחד חלקי מיליארד המטר), חומרים מרוכבים (חומרים שמורכבים משני חומרים לפחות במבנה הנדסי כלשהו לדוגמה במבנה של רשת, במבנה של כריך ועוד), חומרים מתכלים, חומרים חכמים (חומרים המסוגלים לשנות את התכונות שלהם בתגובה לגירויים שונים – אור, חום, מגע ועוד) (המשנים את התכונות שלהם בהתאם לתנאים) ועוד.

חומרים חכמים שיוצרים מתח חשמלי כשלוחצים עליהם שימשו עד היום לייצור מצתים, חיישני תנועה ועוד. בעתיד, בזכות חומרים כאלה, נוכל להפיק את האנרגיה החשמלית הנחוצה לטעינת המחשב או הטלפון הנייד פשוט בלחיצות על המקלדת או על המסך.

D3D הוא חומר חכם המשנה את תכונותיו בהתאם לכוח הפועל עליו. במצב רגיל הוא גמיש ורך, ואילו כאשר מופעל עליו כוח חזק ופתאומי הוא "ננעל" ומתקשה, וכך הוא יכול לבלום זעזועים. בזכות תכונותיו האלה אפשר להשתמש בו כחומר גלם בייצור אביזרי ספורט, מגני ברכיים, קסדות, נעליים ועוד.

(בספר תמונה של מגן ברכיים מ-D30)

לעלי הצמח נלומבו (מכונה במזרח הרחוק בשם לוטוס) מבנה מיוחד, הדוחה מים ממשטח העלה בצורה מושלמת. מדענים חקרו את המבנה של עלי הנלומבו, ובהשראתו יצרו משטחים דוחי מים המאפשרים לייצר בדים שאינם נרטבים או מתלכלכים, זגוגיות שאינן מתכסות באדים ועוד.

(בספר תמונה של עלי צמח הנלומבו, ותמונה של בד דוחה מים)

*106*

שיקולים אחרים לפיתוח של חומרים ושל טכנולוגיות חדשות, שחשיבותם הולכת וגוברת כיום, הם השיקולים הסביבתיים של השימוש בחומר. לדוגמה: האם תהליך ההפקה של החומר או ייצור המוצר ממנו מזהם את הסביבה או בזבזני באנרגיה? האם החומר מתכלה? האם אפשר למחזר אותו? האם השימוש במוצר מזהם את הסביבה או מבזבז משאבים?

חומרים מתכלים משמשים לייצור מוצרים שונים. לדוגמה: בתמונה שלפניכם חרוזים העשויים מעמילן מוקצף, המתכלה בטבע.

(בספר תמונה של חרוזים עשויים מעמילן מוקצף)

בפרק זה נלמד על תכונות של חומרים ועל החשיבות של בחירת חומר מתאים בעת בניית מוצר. נכיר חומרים שונים, ונבין שלכל חומר צירוף תכונות ייחודי לו, המבדיל אותו מחומרים אחרים. באמצעות ניסויים במעבדה נכיר תכונות שונות של חומרים, כמו למשל תכונת בידוד החום של אוויר או של עץ, תכונת הולכת החשמל של המתכות, תכונת המסיסות של מלח במים, הפלסטיות של בצק, האלסטיות של גומי, הקשיות של המתכת, השקיפות של הזכוכית ועוד. כמו כן נתנסה בהתאמת חומרים למוצרים, ונלמד כי כדי להתאים חומר למוצר יש להפעיל שיקולים רבים, כמו מידת ההתאמה בין תכונות החומר לשימוש הנעשה במוצר, השיקולים הסביבתיים שהזכרנו קודם, ושיקולים אחרים כגון זמינות החומר, מחירו, וההשקעה הכרוכה בעיבודו ובהפיכתו למוצר שימושי.

שאלות

1. הציעו שם הקשור בחומרים שלדעתכם יתאים לתקופה שבה אנו חיים. נמקו את הצעתכם.

2. בחרו אחד מסוגי החומרים החדשניים שתוארו קודם, או ציינו דוגמה אחרת הידועה לכם. תארו את צירוף התכונות הרצוי של החומר, והסבירו כיצד כל תכונה תורמת לשימוש שנעשה בו. חשבו: אילו שימושים נוספים על אלו שתוארו יכולים להיות לחומר?

3. חשבו על צורך כלשהו או על מוצר שיש לשפרו כיום. אם הייתם מהנדסי חומרים, מה הייתם משנים בתכונות המוצר? אילו רציתם להנדס חומר חדש שממנו ייצרו את המוצר – אילו תכונות הייתם מחפשים?

4. העלו רעיון לפיתוח של חומר חכם למוצר כלשהו, וציינו איזו מתכונותיו תהיה ניתנת לשינוי. מהו הגירוי שיגרום לשינוי התכונה? כיצד יתרום החומר החכם לתפקוד המוצר?

*107*

מגוון תכונות לחומר

לכל חומר תכונות האופייניות לג תכונות החומר תהיינה זהות בכל גוף ובכל חפץ העשויים ממנו. כוס זכוכית היא גוף העשוי מהחומר זכוכית. כשכוס זכוכית נשברת, הרסיסים המתקבלים שונים בנפחם ובמסתם זה מזה ומן הכוס, אך תכונות הזכוכית נשמרות בכל רסיס.

בחירת החומר למוצרים שהאדם מייצר לשימושיו נעשית לפי צירוף התכונות שלו, והיא חלק חשוב בתהליך תכנון המוצר. לדוגמה, כאשר אנו מייצרים מוצר כלשהו אנו משתמשים בחומרים שתכונותיהם מתאימות לייעודו. למשל, בחלונות הבית אנו מתקינים שמשות זכוכית, המעבירות את אור השמש ועמידות לאורך זמן. את דלת הכניסה נייצר מחומר אטום לאור וקשיח.

תכונות המאפיינות חומרים הן, למשל, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, מוליכות חשמל, מוליכות חום, חוזק, קשיות, אלסטיות, פלסטיות, מסיסות, ברק, שקיפות ובעירות.

מצב צבירה בטמפרטורה החדר

בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלסיוס) כל חומר נמצא במצב צבירה כלשהו. לדוגמה, שמן הוא נוזל, פלסטיק הוא מוצק, מימן הוא גז.

(בספר תמונה של בקבוק שמן)

- שמן הוא נוזל בטמפרטורת החדר.

מוליכות חשמל

היכולת של חומר להוליך (להעביר) דרכו זרם חשמלי. חומרים שהם מוליכים טובים של זרם נקראים מוליכים, וחומרים שהם מוליכים גרועים של זרם נקראים מבדדים. נחושת היא מתכת מוליכה חשמל, ופלסטיק הוא מבדד.

קיימים גם חומרים שהם מוליכים למחצה. לחומרים אלה מוליכות חשמלית נמוכה, המשתנה בהתאם לתאורה, לטמפרטורה ועוד.

(בספר תמונה של חוט נחושת)

- חוט נחושת מוליך חשמל

מוליכות חום

היכולת של חומר להעביר דרכו חום. מתכת וזכוכית הם מוליכי חום טובים. חומרים שהם מוליכי חום גרועים נקראים מבדדי חום. אוויר, פלסטיק ועץ הם דוגמאות למבדדי חום (או מוליכי חום גרועים). בידוד חום נקרא גם בידוד תרמי.

(בספר תמונה של סיר)

- מתכות מוליכות חום.

*108*

חוזק

תכונתו של החומר לעמוד בפני כוחות שונים המופעלים עליו, לדוגמה: מתיחה, לחיצה או כיפוף.

כאשר מופעל כוח הגדול מחוזקו של החומר, החומר נקרע, נסדק או נשבר, או שצורתו משתנה.

דוגמה לחומר חזק היא החומר שממנו עשויים קורי העכביש. בבדיקות מעבדה התברר כי קורי העכביש חזקים מחוט פלדה בעובי דומה, וכי הם יכולים לשאת משקל רב יותר מחוטי הפלדה.

קשיות

תכונה המתארת את התנגדות החומר לחדירה של גוף זר אליו. קשיות של חומר מתוארת באופן יחסי לחומרים אחרים, באמצעות "מבחן חריצה". חומר קשה יותר יוכל לחרוץ (לשרוט) חומר רך ממנו, אך לא להיפך. קשיות שונה מחוזק. לדוגמה: הזכוכית היא קשה וקשה לחרוץ בה, אך היא איננה חזקה, מכיוון שהיא נשברת בקלות יחסית.

יהלום הוא החומר הקשה ביותר בטבע. למעשה, יהלום אפשר לחתוך רק באמצעות יהלום אחר או בקרן לייזר. משום כך נמצא היהלום בשימוש רחב בתעשייה, כחומר שמסוגל לחתוך ולנסר חומרים אחרים.

(בספר תמונה של יהלום)

אלסטיות

תכונה המתארת את היכולת של חומר לחזור לצורתו המקורית לאחר שהופעל עליו כוח חיצוני כמו כיפוף או מעיכה. תכונה זו מאפיינת, לדוגמה, את הגומי, שממנו מייצרים גומיות לשיער, מזרנים, או כדורים. כל אלו חוזרים לצורתם המקורית לאחר שמותחים, מכופפים או מועכים אותם.

מרבית הכדורים מיוצרים מחומרים אלסטיים, וכך הם חוזרים תמיד לצורתם הכדורית גם אחרי שמפעילים עליהם כוח.

(בספר תמונה של יד מועכת כדור גומי)

*109*

פלסטיות

היכולת של חומר לקבל צורה חדשה בהתאם לכוח חיצוני שהופעל עליו. בצק או פלסטלינה הם פלסטיים. כאשר מופעל עליהם כוח הם משנים את צורתם ומקבלים צורה חדשה. בזכות הפלסטיות שלהם אפשר לעצב אותם בצורות שונות.

(בספר תמונה של בצק)

מסיסות

המידה שבה חומר (גז, נוזל או מוצק) יכול להתמוסס בחומר אחר וליצור עמו תערובת אחידה. מסיסות נמדדת על פי כמות החומר הגדולה ביותר (בגרמים) שאפשר להמס בחומר אחר ולקבל תערובת אחידה. לדוגמה, המסיסות של מלח שולחן במים היא הכמות המרבית של מלח שולחן שאפשר להמס במים ולקבל תערובת אחידה (בלי משקע או עכירות).

חומרים רבים נמסים במים, אך ישנם חומרים שאינם נמסים במים והם נמסים בחומרים אחרים. לדוגמה: הלכה שמורחים על הציפורניים אינה מסיסה במים, אך היא מסיסה באצטון, ולכן משתמשים בו להסרתה מהציפורניים.

(בספר תמונה של לכה לציפורניים)

ברק

היכולת של חומר להחזיר את האור הפוגע בו.

מתכות הן מבריקות. בזכות תכונה זו אפשר להשתמש בהן למגוון שימושים, כגון ייצור תכשיטים וחפצי נוי, ציפוי למראות ועוד.

(בספר תמונה של טבעות מתכת)

*110*

שקיפות

תכונתו של חומר להעביר דרכו אור. אם נסתכל מצד אחד של החומר השקוף נוכל לראות דברים שנמצאים בצדו השני. יש חומרים שקופים מאוד, כמו זכוכית, יש חומרים שקופים פחות, כמו חלק מסוגי הפלסטיק, ויש חומרים אטומים, כמו עץ.

כיום התרחב מאד השימוש בזכוכית שקופה כחומר ליצירת מעטפת של בניינים, ובפרט למעטפת של מגדלי משרדים.

(בספר תמונה של חלון זכוכית)

בעירות

היכולת של חומר לבעור. לחומרים שיכולים לבעור ולשחרר אנרגיה רבה בזמן הבערה אנו קוראים חומרי דלק. הבערה תלויה בשלושה גורמים: נוכחות חומר דלק (חומר בערה), נוכחות חמצן, וחום.

לדוגמה: חומר הדלק המשמש לחימום באח (קמין) הוא חומר בעיר, אך חלקי האח האחרים עשויים מחומרים שאינם בעירים, כגון ברזל, זכוכית וחומרים קדמיים.

(בספר תמונה של אח (קמין) דולק)

תכונות אחרות של חומרים הן טעם, צבע, ריח, עמידות לאורך זמן, זמן התכלות ועוד. אם נבחן את עולם החומרים נוכל למצוא תכונות רבות אחרות, שאינן מוזכרות כאן.

- לחומרים תכונות שונות המאפיינות אותם, לדוגמה: מוליכות חשמלית, מוליכות חום, חוזק, קשיות, אלסטיות, פלסטיות, מסיסות, ברק, שקיפות, בעירות ועוד.

- צירוף התכונות של החומר משפיע על בחירת החומר המתאים למוצר.

*111*

הידעתם?

אירוג'ל הוא חומר מוצק שצפיפותו היא מן הנמוכות שבצפיפויות המוצקים. את האירוג'ל מייצרים מג'ל אשר מרחיקים ממנו את המים בשיטות מיוחדות ובמקומם נכנס לרוב אוויר, וכך נוצר חומר שצפיפותו נמוכה ביותר. לאירוג'ל צירוף תכונות ייחודי: הוא שקוף, אפשר ליצור ממנו יריעות דקות מאוד שעוביין 3-2 מילימטרים, והוא בעל מוליכות חום נמוכה מאוד. בזכות צירוף תכונות זה אפשר להשתמש בו לציפוי חלונות, כחומר מבדד חום. הוא גם משמש לייצור הבידוד התרמי (בידוד חום) של חליפות חלל ושל חליפות צלילה.

(בספר תמונה של אירוג'ל)

שאלות

1. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים החסרים: מאילו חומרים אפשר לייצר את המוצרים המפורטים בטבלה, ומהם צירופי התכונות שבזכותם החומרים האלה מתאימים לשימוש? נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

2. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים החסרים: ציינו האם החומרים המפורטים בה מתאימים או אינם מתאימים, לדעתכם, לייצור גגון לתחנת אוטובוס? נמקו את טענתכם.

*112*

פעילות ניסויים:

היכרות עם תכונות החומר

ניסוי א: מוליכות חשמלית

מטרת הניסוי: בדיקת מוליכות חשמל של חומרים שונים.

ציוד: מוט עץ, מוט פלסטיק, מוטות ממתכות שונות, בד, נייר, גומי, גופים העשויים מחומרים שונים, סוללה, נורות, זמזם, חוטי חשמל

השערה: שערו אילו מהחומרים שלפניכם מוליכים חשמל, ואילו אינם מוליכים חשמל.

תכנון הניסוי וביצועו:

1. צרו מעגל חשמלי באמצעות סוללה, חוטי חשמל, נורה או זמזם, ובאמצעות גופים העשויים מחומרים שונים. כאשר המעגל החשמלי ייסגר יזרום זרם חשמלי במעגל, והנורה או הזמזם יידלקו.

2. בדקו אילו חומרים סגרו את המעגל החשמלי.

תוצאות:

ציירו טבלה במחברתכם וכתבו בה אילו חומרים הוליכו זרם חשמלי ואילו חומרים לא הוליכו זרם חשמלי.

סיכום והסקת מסקנות:

האם מצאתם מכנה משותף לכל המוליכים?

*113*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebagjigh.cet.ac.il

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט''ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות, ובחרו ביחידת הלימוד מעבדת חשמל – מוליכים ומבדדים.

בנו מעגל חשמלי, ובצעו את הפעילות בהתאם להנחיות. (היעזרו במנחה)

(בספר צילום מסך מתוך הפעילות "מעבדת חשמל - מוליכים ומבודדים" בילקוט הדיגיטלי)

שאלות

1. לפניכם רשימת חומרים. מיינו אותם: איזה מן החומרים הוא מוליך חשמל ואיזה מבדד? השתמשו במידע שהפקתם מתוצאות הניסויים שערכתם וממקורות מידע אחרים.

החומרים: ברזל, בד, מים, כסף, עץ, פלסטיק, זהבה, גומי, נייר, אלומיניום, זכוכית, נחושת

2. תקעים חשמליים עשויים מנחושת ומפלסטיק. מה תפקידו של כל חומר, ומה התכונה שבזכותה הוא נבחר לתפקיד שהוא ממלא?

3. בעבר מכשירי חשמל רבים, כגון מאווררים, מצנמים (טוסטרים), מנורות שולחן ועוד, היו עשויים ממתכת. עם הזמן עברו לייצר את הגוף החיצוני שלהם מפלסטיק. איזה סיבה בטיחותית הביאה לדעתכם לשינוי זה?

4. מדוע מסוכן להשתמש במכשיר חשמלי בידיים רטובות?

*114*

פעילות

ניסויים: היכרות עם תכונות החומר

ניסוי ב: מוליכות חום

מטרת הניסוי: בדיקת מוליכות חום של חומרים שונים.

ציוד: מוט עץ, מוט פלסטיק, מוטות ממתכות שונות, גומייה, כוס קלקר, כוס זכוכית, אבן, חפצים אחרים העשויים מחומרים שונים

השערה: שערו אילו מן החומרים שלפניכם מוליכים חום ואילו חומרים מבדדי חום.

תכנון הניסוי וביצועו:

א. הציעו דרך לבדיקת מוליכות החום של החומרים שלפניכם.

ב. לאיזה ציוד נוסף תזדקקו כדי לבצע את המשימה?

ג. בצעו את הניסוי שתכננתם.

תוצאות:

רכזו את התוצאות בטבלה. אילו חומרים הוליכו חום ואילו חומרים לא הוליכו חום?

מסקנות:

1. מה אפשר ללמוד מהניסוי על חומרים מוליכי חום?

2. האם הזכוכית יותר טובה או פחות טובה מן הקלקר כמוליכת חום? נמקו.

שאלות

באזורים קרים משתמשים בחלונות כפולים כדי לשמור על טמפרטורה נוחה בבית. בחלונות אלה שתי שכבות זכוכית ושכבת אוויר כלואה ביניהן. מה אפשר להסיק מכך?

א. האוויר מוליך חום טוב.

ב. האוויר מבודד חום גרוע.

ג. האוויר מוליך חום גרוע.

ד. האוויר מחמם את הבית.

נמקו את בחירתכם.

2. דוב הקוטב חי באזורים שבהם הטמפרטורה נמוכה מאוד.

א. כיצד מגנה הפרווה על דוב הקוטב מהקור השורר בסביבת החיים שלו?

ב. איזה מן החפצים בבית שומר בעזרת אותו העיקרון על חום גופכם?

3. כשחללית חוזרת לכדור הארץ, בגלל החיכוך עם האוויר גופה יכול להתחמם באופן ניכר, והוא יכול להגיע אף לטמפרטורה של כ-1500 מעלות צלסיוס. כדי למנוע את התחממות החללית ופגיעה בצוות האסטרונאוטים, מצפים אותה באריחי קרמיקה מיוחדים, העשויים מצורן דו-חמצני (סיליקה). מה תוכלו להגיד על מוליכות החום של אריחי הקרמיקה?

(בספר תמונה של חללית)

גופה של החללית מכוסה במגני חום, המונעים מהחום הנוצר בחיכוך בין החללית לבין האוויר לעבור אל תוך החללית בעת חדירתה לכדור הארץ ולהזיק לצוות האסטרונאוטים.

*115*

ניסוי ג: קשיות

מטרת הניסוי: דירוג חומרים על פי קשירתם.

ציוד: לוחיות ברזל, אלומיניום, עופרת, נחושת, עץ

השערה: שערו מהו החומר הקשה ביותר ומהו החומר הרך ביותר מבין החומרים שברשימת הציוד.

מהלך הניסוי:

א. נסו לחרוץ באמצעות לוחית אחת את הלוחיות האחרות.

ב. חזרו על הפעולה באמצעות כל אחת מהלוחיות. תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים החסרים: סמנו בכל שורה אם החומר המצוין בה חרץ כל אחד מהחומרים המצוינים בעמודות.

לדוגמה: אם ברזל חרץ אלומיניום סמנו במשבצת המשותפת לשורה של הברזל ולעמודה של האלומיניום. נסחו כותרת לטבלה.

סיכום והסקת מסקנות:

1. מה הקשר בין מידת הקשיות של חומר לביו יכולתו לחרוץ חומר אחר?

2. דרגו את החומרים שבחנתם על פי מידת הקשיות שלהם, מן החומר הקשה ביותר אל החומר הרך ביותר.

שאלות

1. קודחים באמצעות מקדחה בקיר. מה קשה יותר – המקדח, העשוי ממתכת, או הלבנים שמהן הקיר בנוי? הסבירו.

2. עיפרון מורכב ממעטפת של עץ שבתוכה גליל של גרפיט. להבי המחדד עשויים ממתכת. כיצד הקשיות השונה של החומרים מסבירה מדוע אפשר לחדד עיפרון במחדד?

3. זכוכית קשה מעץ, אך קערת זכוכית נשברת בנפילה ואילו קערת עץ אינה נשברת בנפילה. כיצד הדבר מוכיח את השוני בין חוזק לבין קשיות?

*116*

ניסוי ד: אלסטיות ומיסטיות

מטרת הניסוי: הכרת חומרים פלסטיים ואלסטיים, והבחנה בין תכונת הפלסטיות לתכונת האלסטיות.

ציוד: פלסטלינה, סרגל מתכת, סרגל פלסטיק, כדור גומי (למשל כדורים "קופצים")

השערה: שערו לאילו חומרים ברשימה תכונה של פלסטיות ולאילו חומרים תכונה של אלסטיות.

מהלך הניסוי:

א. החזיקו קצה אחד של סרגל הברזל בשתי אצבעות.

ב. כופפו את הסרגל מעט ועזבו אותו.

ג. חזרו על שתי הפעולות בסרגל הפלסטיק.

ד. צרו כדור מגוש הפלסטלינה, ולאחר מכן הפעילו עליו ועל כדור הגומי לחץ דומה.

ה. השתמשו בגוש הפלסטלינה ליצירת צורות שונות כגון כדור, תיבה, קובייה, נחש ועוד.

תוצאות:

א. מה קרה לסרגלים לאחר שעזבתם אותם?

ב. מה קרה לכדור הפלסטלינה ולכדור הגומי לאחר שהפסקתם ללחוץ עליהם?

סיכום והסקת מסקנות:

1. השוו בין תכונת הפלסטיות לתכונת האלסטיות. במה הן דומות ובמה הן שונות?

2. מה תוכלו להסיק בנוגע לאלסטיות ולפלסטיות של פלסטיק, של ברזל, של פלסטלינה ושל גומי?

3. האם יש גבול לאלסטיות? חשבו על גומי שמותחים אותו יותר מדי.

4. מה היה קורה אם הייתם ממשיכים לכופף את סרגל המתכת עוד ועוד, ומה היה קורה אם הייתם ממשיכים לכופף את סרגל הפלסטיק עוד ועוד? מה תוכלו ללמוד מכך על מידת האלסטיות של המתכת ושל הפלסטיק?

*117*

ניסוי ה: מסיסות

מטרת הניסוי: השוואת המטיסות של שני חומרים שונים.

ציוד: שתי כוסות שקופות, מים, כפיות, מלח שולחן (נתרן כלורי), סודה לשתייה (סידן פחמתי) השערה: שערו לאיזה מן החומרים מסיסות טובה יותר במים.

תכנון הניסוי וביצועו:

1. מלאו כל אחת מהכוסות בנפח זהה של מים(בערך עד שליש מגובה הכוס).

2. סמנו את הכוסות כך שתדעו איזה חומר הוספתם למים בכל אחת. הכניסו לכוס אחת שתי כפיות גדושות של מלח שולחן, ולכוס אחת שתי כפיות גדושות של סודה לשתייה.

3. ערבבו היטב את התערובת בכל אחת מן הכוסות בכפית – 30 ערבובים.

4. המתינו כ-5 דקות וצפו במתרחש.

תוצאות:

תארו את המראה של כל אחת מן הכוסות לאחר הוספת החומר וערבובו במים. בתיאורכם דונו בצלילות המים (האם הם צלולים או עכורים?) ובמשקע (האם שקע חומר לתחתית הכוס, ואם כן, באיזו כמות?).

סיכום והסקת מסקנות:

1. השוו בין המסיסות של מלח שולחן לבין המסיסות של סודה לשתייה. לאיזה חומר מסיסות טובה יותר במים?

2. העלו עוד שאלות בעקבות הניסוי.

3. על סמך הידע האישי שלכם:

א. הציגו דוגמאות לחומרים אחרים שלהם מסיסות טובה במים.

ב. הציגו דוגמאות לחומרים אחרים שאינם מתמוססים במים.

ג. הציגו דוגמה לחומר שאינו מתמוסס במים אך מתמוסס באצטון.

4. מים "קשים" הם מים המכילים מלחים קשי תמס, כלומר: שהמסיסות שלהם במים נמוכה ביותר. כיצד עלולים מים קשים לפגוע בתפקוד של מכשירים, של כלים ושל צינורות? (חשבו: מה יכול להיווצר על דפנות של כלים שבהם המים הקשים נמצאים?)

*118*

פעילות איסוף מידע

תעודות זהות לחומרים

לחומרים שונים יש תכונות שונות. בחרו באחד מהחומרים ברשימה שלפניכם, והכינו את תעודת הזהות שלו, שתפרט את תכונותיו. במעבדה תוכלו לבדוק מהן תכונות החומרים בשיטות שכבר למדתם. מידע בנוגע לתכונות הנוספות תוכלו לחפש באינטרנט ובמקורות מידע אחרים. ערכו את המידע שתגלו במהלך המשימה לפי הדוגמה של תעודת הזהות של החומר פוליאוריתן.

חומרים שתוכלו לבדוק: עץ, פלסטלינה, ברזל, נחושת, זכוכית, פלסטיק, אוויר, שמן, כוהל, בטון, מלח, סוכר.

תעודת זהו לחומר: פוליאוריתן

(בספר תמונה של נעל מפוליאוריתן)

פוליאוריתן הוא חומר פלסטי המיוצר במפעלים כימיים. החומר מיוצר מיחידה אחת החוזרת על עצמה מספר רב של פעמים (פולימר).

באמצעות כמויות שונות של המרכיבים אפשר לייצר את הפוליאוריתן במגוון דרגות של קשיות ושל צפיפות, ולצקת אותו בכל צורה רצויה.

הסוגים השונים של פוליאוריתן משמשים למטרות רבות, לדוגמה:

1. פוליאוריתן מוקצף, גמיש ובעל צפיפות נמוכה משמש לייצור מזרנים, כריות וריפודים שונים.

2. פוליאוריתן בדרגת קשיות גבוהה משמש לייצור חלקי פלסטיק קשיחים, לדוגמה: אריזות קשות וחלקי פלסטיק במכוניות.

3. פוליאוריתן מבודד חום מעולה, ולכן הוא משמש, למשל, לבידוד חום בדפנות של מקררים או בקירות של מבנים.

4. פוליאוריתן בעל צפיפות נמוכה ובעל עמידות גבוהה לשחיקה משמש לייצור סוליות נעליים.

תכונות:

מצב צבירה בטמפרטורת החדר – מוצק.

מוליכות חשמל – אינו מוליך חשמל.

מוליכות חום – אינו מוליך חום.

חוזק – משתנה בהתאם לדרך הייצור.

קשיות – משתנה בהתאם לדרך הייצור.

אלסטיות ופלסטיות – משתנה בהתאם לדרך הייצור. אפשר לייצר פוליאוריתן אלסטי כמו גומי, שתכונותיו משופרות לעומת אלו של גומי, למשל: פוליאוריתן הנמתח למרחק רב יותר בלי להיקרע.

בעירות – דליק.

צפיפות – משתנה בהתאם לדרך הייצור.

מסיסות – אינו מסיס במים.

ברק, שקיפות וצבע – הפוליאוריתן חסר ברק, הוא אינו שקוף וצבעו הטבעי צהבהב.

*119*

- לכל חומר צירוף תכונות הייחודי לו. האדם מנצל חומרים שונים לשימושיו, בהתאם לצירוף התכונות השונות שלהם.

שאלות לסיכום תכונות של חומרים

1. באמצעות איזו מרשימות הציוד שלפניכם אפשר להרכיב מעגל חשמלי ובו נורה דולקת?

א. חוט נחושת, סוללה, מפסק

ב. חוט פלסטיק, סוללה, נורה

ג. חוט נחושת, סוללה, נורה

ד. חוט צמר, סוללה, נורה

2. אתם ממלאים בקבוק מים קרים לקראת יציאה לטיול, ואתם מעוניינים לשמור את המים קרים לזמן ארוך ככל האפשר. הציעו דרך שבה תוכלו להשתמש בתכונת מוליכות החום של חומרים כדי למנוע מחום מן הסביבה לעבור אל המים הקרים שבבקבוק.

3. כוסות חד פעמיות לשתייה חמה מכינים בעיקר מנייר ולא מפלסטיק. מהן לדעתכם הסיבות לכך?

4. שמיכת חורף מורכבת בדרך כלל מנוצות שביניהן כלוא אוויר רב, או מחומר אוורירי אחר. הסבירו: כיצד שומרת שמיכת החורף על חום גופנו?

5. מיינו את החומרים שלפניכם לחומרים אלסטיים ולחומרים פלסטיים: בצק, גומי, מתכת, משחת שיניים, בד, סבון.

6. בניסוי שנעשה במעבדה התקבלו התוצאות שלפניכם. מיינו את החומרים שנבדקו בניסוי לפי דרגת קשיותם, מן החומר הרך ביותר אל החומר הקשה ביותר.

א. פלסטיק חרץ עץ

ב. פלדה חרצה עץ

ג. יהלום חרץ פלדה

ד. פלדה חרצה פלסטיק

ה. אבן חרצה פלסטיק

ו. פלדה חרצה אבן

7. כאשר מקרינים אור על משטח מתכת מרבית האור מוקרן חזרה מן המשטח. על איזו תכונה של המתכת זה מעיד?

א. שקיפות

ב. מוליכות חום

ג. ברק

ד. אלסטיות

*120*

8. אילו תכונות מבדילות בין החומרים בכל אחד מזוגות החומרים שלפניכם?

א. זכוכית ונחושת

ב. חול ומלח

ג. עץ ונחושת

ד. יהלום ועץ

ה. נפט ומים

9. לפניכם רשימת תכונות ומתחתיה רשימת חומרים. רשמו ליד כל תכונה את החומרים שבהם היא מתקיימת.

א. מוליכי חום

ב. מוליכי חשמל

ג. מבריקים

ד. בעירים

ה. מסיסים במים

ו. מוצקים בטמפרטורת החדר

החומרים: אלומיניום, סוכר, שמן, קמח, כוהל, ברזל, נחושת, נפט, מימן, פלסטיק, מלח, עץ, פחמן דו-חמצני, יהלום, חמצן, צמר, זכוכית

10. לעתים, כדי להאט את השחיקה של מקדחים המשמשים בענף הבנייה או בתעשייה, מצפים אותם ביהלום. הסבירו מדוע.

*121*

מרעיון למוצר: תהליך התיכון

האם הייתם הולכים עם נעליים מעץ, או עם צעיף ממתכת? קשה לדמיין זאת, אך בעבר נהגו לנעול בהולנד קבקבי עץ, ואבירים היו לובשים צווארון מרשת מתכת. חומרים אלה – העץ והמתכת – נבחרו לייצור הקבקבים והצווארון משיקולים שונים. התוכלו לשער מהם?

בחירת חומרים שיתאימו לתפקיד המוצר הרצוי היא חלק חשוב מתכנונו. בחלק זה של הפרק נתמקד בהבנת השיקולים העומדים מאחורי בחירת החומרים.

פתגם ישן אומר כי "הצורך הוא אבי ההמצאה" כלומר: כל מכשיר עונה על צורך כלשהו של בני אדם.

ואכן, תחילתו של תהליך תיכון (תיכון – תהליך בן שלבים אחדים שבעזרתו ניתן מענה לצורך או לבעיה טכנולוגיים) המוצר הוא זיהוי צורך או בעיה שנדרש להם פתרון טכנולוגי. לדוגמה, סוליות נעליים העשויות מגומי ומכרעת אוויר בולמות זעזועים, והן פותחו כמענה לצורך של ספורטאים להגן על ברכיהם מפגיעה.

לאחר שזוהה הצורך יש להעלות רעיונות לפתרונות אפשריים. לשם כך יש ללמוד את הנושא, להגדיר את הדרישות מהמוצר, לחקור אם קיימים כבר פתרונות, ואם קיימים – כיצד אפשר לשפרם, לבדוק מה יתאים לאוכלוסיית היעד ועוד.

לאתר בחירת הרעיון או הפתרון המתאים ביותר מגיע שלב בחירת החומרים והבנייה של אב הטיפוס (דגם ראשוני של המוצר). בשלב זה מעצבים את המוצר: מגדירים את התכונות הנדרשות ממנו, מתכננים את צורתו, את ממדיו ועוד, ובוחרים את החומרים המתאימים ביותר לבנייתו, בהתחשב באילוצים שונים (כגון עלויות, זמינות וכדומה).

לאחר מכן מעריכים את אב הטיפוס, ומחליטים אם הוא ענה על הדרישות מהמוצר ועל הצורך שיועד לו, ואם לא, מחליטים אילו שיפורים יש להכניס בו.

תימן – תהליך בן שלבים אחדים שבעזרתו ניתן מענה לצורך או לבעיה טכנולוגיים.

כל אחד משלבים אלה מכיל תתי-שלבים רבים, שיכולים להשתנות בהתאם למוצר, למתכנן וליצרן. בכל שלב יש לבצע לימוד ותחקיר מעמיקים. נסכם את התהליך בתרשים הזה:

(בספר תרשים של התהליך מרעיון למוצר)

הבעיה והגדרת הצורך – תחקיר – העלאת רעיונות פתרונות – תחקיר – בחירת חומרים ובנייה – בדיקה – הערכה

קבקב הקלוג, העשוי מעץ, הוא חלק מהלבוש המסורתי ההולנדי.

*122*

פעילות אוריינות מדעית

תיכון מכונית חדשנית

קראו את קטע המידע שלפניכם וענו על השאלות שאחריו.

בשנים האחרונות, בניסיון לצמצם את צריכת הדלק ואת זיהום האוויר הנגרם משימוש בדלק, פותחו מכוניות היברידיות, שלהן מנוע חשמלי הנוסף על מנוע הדלק הרגיל, ומכוניות חשמליות, שלהן רק מנוע חשמלי. בעיה מרכזית שהמדענים מתמודדים אתה היא צריכת החשמל הגבוהה של המכונית, המרוקנת את המצברים ומגבילה את טווח הנסיעה שלה.

בזמן כתיבת ספר זה פרסמה אחת מחברות המכוניות כי מהנדסיה מפתחים מכונית חדשה, שבו שולבו פתרונות חדשניים לבעיית צריכת החשמל של מכוניות חשמליות. לדוגמה, בגג המכונית שולבו תאים סולריים (תאים פוטו-וולטאיים), ההופכים את קרינת השמש לאנרגיה חשמלית, לטעינת המצברים.

את משקל המכונית הצליחו להפחית משמעותית באמצעות פלסטיק חדשני קל וקשיח, שבו השתמשו לייצור הגלגלים, ובאמצעות פלסטיק מחוזק בסיבי פחם, חומר קל וחזק מהרגיל, שבו השתמשו לייצור שלדת המכונית. חיסכון בצריכת החשמל הושג גם באמצעות ריפוד המושבים בחומר חדשני מוליך חום, המסייע בפיזור החום ומקטין את הצורך בחימום המושבים, ובאמצעות צביעת המכונית בצבע מיוחד, בעל קליטה מועטה של קרינה, המפחית את התחממות המכונית בימים חמים בכ-4 מעלות צלסיוס. ניצול אנרגיית השמש לטעינת הסוללות, הפחתת המשקל והקטנת צריכת החשמל הובילו לחיסכון משמעותי בצריכת האנרגיה של המכונית, ולשיפור משמעותי בטווח הנסיעה שלה.

שאלות

1. על איזה צורך ביקשו המהנדסים לענות?

2. אילו פתרונות טכנולוגיים הציעו המהנדסים?

3. בחרו שני פיתוחים חדשים המתוארים בקטע, וענו: מה היו לדעתכם המגבלות שהמדענים היו צריכים להביא בחשבון כשהציעו את הפיתוחים האלו?

א. איזה חומר נבחר לייצור הגלגלים, ומה הם יתרונותיו?

ב. איזה חומר נבחר לייצור שלדת המכונית ומה הם יתרונותיו?

ג. מצאו עוד חומר אחד שהמהנדסים השתמשו בו. מהו החומר, ומה יתרונותיו?

5. הציעו עוד פתרון להקטנת צריכת האנרגיה של המכונית.

6. תכננו מכונית צעצוע חסכונית בצריכת אנרגיה. פעלו על פי כל שלבי התיכון שהוצגו בתחילת הפרק.

*123*

פעילות תיכון

תיכון גן שעשועים

במסגרת המחויבות האישית, הוטל עליכם לתכנן גן שעשועים לילדי הגן בני שנתיים עד חמש שביישובכם. את הגן יש לבנות בשטח פתוח, בשכונה חדשה שעדיין אין בה עצים או צל, ועליו להכיל נדנדות "עלה ורד" מתקן הצללה, מתקן מגלשות, סוסי קפיץ אחדים, קרוסלה, מתקן חבלים לטיפוס, מתקני מנוחה לילדים, ריצוף ואזור ישיבה למבוגרים. התחלקו לקבוצות, ובחרו בכל קבוצה מרכיב אחר בגן השעשועים.

1. חקרו את גן השעשועים הקרוב לביתכם. בדקו אילו מתקנים יש בו, שימו לב לחלקים השונים של המתקנים ולחומרים שמהם הם עשויים. שימו לב לרצפה, לגווני הצבעים ולסוג הצבע.

2. דונו בקבוצה והגדירו את הצרכים המיוחדים של קבוצת היעד של גן השעשועים שלכם. הרכיבו רשימה של דרישות המתאימות לצורכי אוכלוסיית היעד שלכם. אל תשכחו לתת את הדעת לדרישות כמו אסתטיות וצורה נעימה המזמנת משחק. כאשר אתם מתכננים את גן השעשועים ומחליטים באילו חומרים תשתמשו, שימו לב בעיקר לבטיחות – אסור שתישקף סכנה לילדים.

3. כעת, משהגדרתם את הצרכים, את סוגי המתקנים ואת מיקומם, עליכם להגיש לעירייה תיק מוצר. בתיק זה עליכם לכתוב החלטות מנומקות בנוגע למאפיינים של כל מרכיבי גן השעשועים, החומרים שמהם יש לייצרם ואף הצבע שבו יש לצבעם. לדוגמה, עליכם להחליט מהם החומרים המומלצים לריצוף אזור הגן, באילו כבלים הייתם ממליצים להשתמש למתקן הטיפוס ולנדנדות השונות וכדומה.

4. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והיעזרו בה כדי להכין את תיק המוצר של כל מתקן. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

*124*

פעילות תיכון

יועצים בחברת "הבונים הירוקים"

כיום מושקעים מאמצים רבים להפחית את צריכת האנרגיה בבתי המגורים באמצעות חומרי הבניין הנכונים. אתם שותפים בחברת "הבונים הירוקים", המספקת פתרונות טכנולוגיים מתקדמים לבניית מבנים חסכוניים בצריכת אנרגיה, במטרה להפחית את הנזק שהאדם מסב לכדור הארץ. החברה קיבלה הזמנה לשיפוץ בית מגורים, כדי שיהיה אפשר לשמור בו על טמפרטורה נעימה ועדיין לחסוך באנרגיה ובהוצאות החשמל.

עקב אילוצים תקציביים הוחלט להתרכז בשיפור בידוד החום של מרכיבים שונים בבית: הגג, החלונות והקירות.

1. על אילו צרכים מהנדסי החברה נדרשים לענות?

2. הגדירו דרישות ומגבלות אפשריים לבנייה. נסו לדרג אותם לפי סדר חשיבותם.

3. חפשו באינטרנט ובמקורות אחרים (חוברות הסברה ועיתונים מקצועיים) מידע על פתרונות אפשריים לבידוד חום של בתי מגורים. זכרו כי תכונת בידוד החום (בידוד תרמי) של חומר היא יכולתו להאט או לעכב את מעבר החום מצד אחד של החומר (שבו הטמפרטורה גבוהה יותר) אל צדו השני.

4. על סמך המידע שמצאתם, העלו פתרונות אפשריים לבניית בית חסכוני באנרגיה. אילו חומרים אתם מציעים לבניית קירות הבית, הגג והחלונות? האם תוכלו להציע פתרונות ייחודיים לחלונות הבית?

5. הציגו את הפתרון שלכם לאחר דיון עם חברי קבוצתכם.

(בספר תמונה של אדם מתקים שכבת בידוד)

*125*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

(בספר צילום מסך מתוך הפעילות "תכנון בית מגורים חסכוני באנרגיה" בילקוט הדיגיטלי)

תיכון בית חסכוני באנרגיה

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב – מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום: כימיה. היכנסו לנושא: חומרים – תכונות ושימושים, ובחרו ביחידת הלימוד תכנון בית מגורים חסכוני באנרגיה.

בהדמיה שביחידת הלימוד אתם מתבקשים לתכנן בית "ירוק',, שבו צריכת האנרגיה נמוכה. תוכלו לבחור בין אפשרויות שונות בכל הגורמים הקשורים בבניית הבית:

- חומרי הבנייה והבידוד של הקירות

- צבע וחומרי הבידוד של הגג

- חומרי המסגרת וסוג הזיגוג של החלונות

שימו לב: השעון בהדמיה מציג את קצב איבוד החום של הבית. ככל שקצב איבוד החום גבוה יותר, כך עולה צריכת האנרגיה וחשבון החשמל הביתי מתייקר.

הפעילו את ההדמיה ובצעו את הפעילויות המצורפות אליה.

משימתכם:

בנו בהדמיה שני בתים, לפי התמונות שלפניכם.

מי משני הבתים חסכוני יותר באנרגיה? פרטו את המרכיבים השונים שזיהיתם, והסבירו כיצד הם משפיעים על צריכת האנרגיה.

שאלות

1. מה תפקיד שכבת האוויר בזיגוג כפול, ומה המשמעות של עובייה? האם תוכלו לחשוב על מכשירים בבית שבהם כדאי להשתמש בזיגוג כפול?

2. נניח שהבית היה מיועד לאזור קר במיוחד, שבו הטמפרטורות נמוכות במהלך רוב השנה. האם היה עדיף לבחור צבע שונה לגג, לעומת בית שנבנה באזורים חמים? תוכלו לבדוק בהדמיה. הסבירו את תשובתכם.

3. האם כדאי למלא את החלל שבין שתי הזכוכיות במים במקום בגז? נמקו.

*126*

פעילות אוריינות

בתים בעולם

קראו את שני קטעי המידע שלפניכם וענו על השאלות שאחריהם.

חלק מהאסקימואים, המתגוררים באזורים קפואים בצפון הרחוק, נוהגים לבנות בתי מגורים הקרויים איגלו (פירוש השם: "בית שלג").

זהו מחסה הבנוי בצורת כיפה ועשוי מלבנים של שלג דחוס, ומטרתו להגן על יושביו מפגעי החורף והקור. בשל צורת המבנה ובשל יכולת בידוד החום שלו, הטמפרטורות בתוך האיגלו גבוהות מהסביבה החיצונית במידה ניכרת. אפשר גם לכסות את קירותיו הפנימיים של האיגלו בעורות של בעלי חיים (כשכבת בידוד נוספת), ואז הטמפרטורה בתוך האיגלו תעלה ל-10-20 מעלות צלסיוס.

(בספר תמונה של איגלו)

בארצות חמות שבהן כמות המשקעים דלה (ובפרט באפריקה, בדרום אמריקה ובדרום אסיה), אנשים רבים נוהגים לבנות את בתיהם מלבנים העשויות מטיט או מחרסית, ממים ומתבן. את התערובת יוצקים לתבנית מלבנית או לרשת, וכשהיא מתייבשת נוצרות לבנים. הלבנים הנוצרות מבודדות מפני החום ומאפשרות קרירות נעימה בלב המדבריות.

(בספר תמונה של לבני בוץ)

שאלות

1. באמצעות אילו חומרים מתבצע בידוד החום בארצות הקרח בצפון ובארצות החמות בדרום?

2. איזה מן הפתרונות המוצעים מתאים לישראל? הסבירו.

3. ציירו טבלה במחברתכם, ורשמו בה את תכונות החומרים שמהם בונים בתים באזורים חמים ואת תכונות החומרים שמהם בונים בתים באזורים קרים. תנו כותרת לטבלה. אילו תכונות משותפות לחומרים אלה?

4. ציינו חומרים אחרים שמהם אפשר לבנות בתים. תוכלו להיעזר באינטרנט.

*127*

הרחבה

תהליכי עיבוד שומם

חומר גלם הוא החומר הלא מעובד שממנו מתחיל תהליך הייצור. עץ הוא חומר גלם להכנת רהיטים, ונחושת היא חומר גלם להכנת חוטי חשמל.

כדי לקבל את המוצרים הסופיים מחומרי הגלם מעבדים אותם בתהליכים שונים.

בדרך כלל נדרשת שורה של תהליכים עד שמגיעים למוצר המוגמר. הנה כמה שיטות נפוצות לעיבוד חומרים:

עיבוד שבבי

בשיטה זו משנים את צורתו של חומר הגלם באמצעות הסרת שבבים (פיסות קטנות) ממנו, עד שמתקבל המוצר הסופי. חלקי מנוע רבים מיוצרים בשיטה של עיבוד שבבי, מכיוון שעיבוד בשיטה זו אינו מעוות את החומר ואינו מחליש אותו.

שיטות של עיבוד לא שבבי כוללות יציקה או עיבוד פלסטי.

(בספר תמונה של עיבוד שבבי של מתכת)

יציקה

תהליך היציקה מנצל את ההבדלים בתכונות הנוזל והמוצק לשם עיבוד חומרים לצורה הרצויה. בתהליך היציקה מוזגים חומר נוזלי, שצורתו ניתנת לשינוי, לתוך תבנית, ושם הוא הופך למוצק ומקבל את צורת התבנית. צורת המוצר מתעצבת לפי צורת התבנית, ולכן אפשר לייצר מוצרים במגוון רב של צורות.

מוצרים רבים שאנו מכירים מיוצרים בשיטה זו, ובהם מוצרי פלסטיק למיניהם, מוצרי מתכת, בטון, קרחונים (ארטיקים) ועוד. מוצרים מפלסטיק, שצמיגותו כנוזל גדולה יחסית, מיוצרים בשיטה של הזרקה לתוך תבניות בצורות שונות, וכך מיוצרים לדוגמה חלקי מכוניות, צעצועים, רהיטי פלסטיק ועוד.

(בספר תמונה של אבני לגו)

עיבוד פלסטי

שיטה זו לעיבוד חומרים כוללת שיטות שונות, המנצלות את תכונת הפלסטיות של חומרים מוצקים כגון מתכות ופלסטיק כדי לשנות את צורתם באופן קבוע באמצעות הפעלת כוח. לדוגמה: חימום מוט מתכת וכיפופו. בשיטה זו ייצרו את רגלי הכיסא שעליו אתם יושבים. גם מושב הפלסטיק שלכם עבר עיבוד פלסטי: חיממו את הפלסטיק, וכשהוא התרכך העניקו לו את צורתו הסופית בעזרת מכבש.

(בספר תמונה של עיבוד פלסטי של חימר)

ריתוך

בתהליך הריתוך מחברים שתי פיסות מתכת זו לזו באמצעות חימום מקומי. בעזרת כלים מתאימים הרתך מחמם את נקודת החיבור. החום הרב גורם להתכת שתי פיסות המתכת. כאשר הן קופאות ומתמצקות מחדש נוצר קשר בין החלקיקים של שתי פיסות המתכת, וכך נוצר ביניהן חיבור.

(בספר תמונה של רתך בעבודתו)

*128*

שאלה

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו בה את הפרטים החסרים.

רשמו מתחת לכל אחד מן התהליכים המפורטים בה את שיטת העיבוד המתוארת בו. נסחו כותרת לטבלה.

פעילות התנסות

הכנת נרות

מטרת ההתנסות: היכרות עם תהליכי עיבוד שונים בתהליך ייצור של נרות.

ציוד: מבחר כלים שונים, פתיתי שעווה, קיסם, פתילים, שמנים ריחניים לפי בחירה

מהלך ההתנסות:

1. מלאו את הכלי שבו בחרתם להשתמש בקישוטים שונים כגון עלה של פרח או מטבע. אין להשתמש בחומר דליק כגון פלסטיק או עץ.

2. קשרו קיסם לפתיל שאורכו מתאים לגובה הכלי.

3. הניחו את הקיסם על שפת הכלי, כך שהפתיל יירד וייגע בתחתיתו.

4. בקשו מהמורה למלא את הכלי שלכם בשעווה.

5. הניחו לשעווה להתקרר עד סוף היום.

6. חרטו באמצעות קיסם על הנר קישוטים שונים (למשל את שמכם ואת שמות חבריכם, ציורי פרחים, חיות, מכוניות וכדומה).

תוצאות:

מה צורת הנר שקיבלתם בסוף התהליך? האם היא דומה לצורת הכלי? סיכום והסקת מסקנות:

1. באילו שיטות עיבוד חומרים השתמשתם?

2. מדוע צורת הנר דומה לצורת הכלי?

3. מדוע היה צורך לאפשר לשעווה להתקרר?

*129*

- האדם מפיק את חומרי הגלם מהטבע או מייצר אותם באופן מלאכותי. כדי להתאים אותם לשימוש יש לעבד אותם לצורתם הסופית. שיטות לעיבוד חומרי גלם הן, לדוגמה, עיבוד פלסטי, עיבוד שבבי ויציקה.

שימוש בחומרים ומחיר סביבתי

ההתפתחות הטכנולוגית העצומה שאנו חווים מאפשרת לשפר את איכות החיים של האדם ולהעלות את תוחלת החיים, ומביאה לעלייה מתמשכת במספר בני האדם החיים בעולם. שינויים אלה מלווים בעלייה גדולה בצריכה, הגורמת להתכלות משאבי טבע בכדור הארץ, לפליטה מוגברת של מזהמים לסביבה וליצירת כמויות עצומות של פסולת, המזהמות את הסביבה. כל אלה פוגעים בעולם הטבעי שבו אנו חיים, ומאיימים על המערכות האקולוגיות שהתפתחו בו במשך מיליארדי שנים.

המודעות לסכנה שבתהליכים אלה גוברת והולכת. יותר ויותר גופים – חברות, מפעלים, ממשלות וגופים בין-לאומיים – מאמצים דרכי התנהגות המבוססות על עקרונות של פיתוח בר-קיימה (פיתוח בר-קיימה – (בר-קיימא) פיתוח וניצול של משאבים בקצב המאפשר לתהליכים טבעיים לחדש את מה שנוצל, ושומר על המערכת האקולוגית): הפחתת הצריכה, שימוש במשאבים מתחדשים או במשאבים לא מתכלים (לדוגמה, אנרגיית השמש), שימוש בחומרים ידידותיים לסביבה, המתכלים במהירות ואינם פולטים חומרים רעילים, וייצור חסכוני במשאבי חומרים ובאנרגיה שאינו פולט מזהמים לסביבה.

כאשר מעוניינים לייצר מוצר ידידותי לסביבה, שהשפעתו השלילית על הסביבה פחותה, יש להביא בחשבון את כל שלבי מחזור החיים שלו – החל ברגע שחומר הגלם הופק, המשך בהובלה ובשינוע של חומרי הגלם למפעלים, בעיבוד חומרי הגלם ובייצור המוצר, וכלה בשימוש במוצר ובסוף חייו. בכל השלבים הללו המוצר משפיע על הסביבה, בצריכת חומרי טבע, אנרגיה ומים, בפליטת מזהמים ובייצור פסולת.

הידעתם?

פיתוח מוצר "מעריסה לעריסה"

היום קיימת גישה חדשנית לפיתוח מוצר, הקרויה "מעריסה לעריסה". במקום להשליך את המוצר לפסולת בסוף חייו יוצרים ממנו מוצר חדש. דוגמה לגישה זו אימצה חברה המייצרת חיתולים רב-פעמיים, המגיעים עם רפידה פנימית חד-פעמית שאפשר להפוך לקומפוסט בתום השימוש. באופן כזה גם מפחיתים את כמות הפסולת הנוצרת מהשלכת החיתולים החד-פעמיים, וגם מדשנים את האדמה.

*130*

פעילות אוריינות

צמצום נזקי הפלסטיק

הפלסטיק הוא אחד החומרים שהשפעתם השלילית על הסביבה, בכל מחזור חייהם, היא רבה.

הפלסטיק מיוצר מנפט – משאב מתכלה שתהליך ההפקה שלו צורך אנרגיה רבה ומזהם את הסביבה. תהליכי ההובלה של הנפט למרחקים ארוכים צורכים אנרגיה רבה, ויש סכנה לדליפה של נפט ולזיהום הסביבה. תהליכי העיבוד של הנפט וייצור הפלסטיק ממנו הם תהליכים הצורכים אנרגיה רבה ופולטים מזהמים רבים לסביבה. מוצרי הפלסטיק עצמם, הנמצאים בשימוש נרחב ביותר, מהווים חלק גדול מכמות הפסולת העולמית, בין היתר משום שחלק מהם מיועדים לשימוש חד-פעמי. זמן ההתכלות של פלסטיק ארוך מאוד, ולכן מוצר פלסטיק שהושלך לסביבה יישאר בה עוד מאות בשנים.

מה אפשר לעשות כדי לצמצם את הנזקים הסביבתיים שגורם הפלסטיק?

שאלות

1. סכמו: מהם נזקי הפלסטיק בכל מחזור החיים שלו?

2. הציעו דרכים לצמצום הפגיעה של הפלסטיק בסביבה.

3. מצאו ברשת האינטרנט מידע על פלסטיק מתכלה. בחרו את אחד מסוגי הפלסטיק המתכלה הקיימים, והשוו את תכונותיו לתכונות הפלסטיק. מה היתרונות ומה החסרונות של הפלסטיק המתכלה?

4. כחלק ממסע ציבורי שמטרתו לעודד מחזור פלסטיק, נבנתה הסירה פלסטיקי מבקבוקי פלסטיק, והפליגה למסע מסביב לעולם. חפשו באינטרנט מידע על מסעה של פלסטיקי וסכמו אותו. בסיכום תארו את הסיבות לבניית הסירה, ספרו על הצוות, ותארו את המסלול שפלסטיקי עברה.

סיכום

- חומרים שונים מאופיינים בתכונות שונות.

- חומרים נבחרים לשימוש לפי צירוף התכונות הייחודי להם.

- תהליך התיכון הוא התהליך המוביל מצורך או מרעיון לייצור מוצר מוגמר.

- בתהליך הייצור של מוצר מעורבים תהליכי עיבוד שונים של חומרים.

- הפקת חומרים, עיבודם והשימוש בהם משפיעים על הסביבה.

- עלינו לקבל על עצמנו אחריות לסביבה, ולאמץ פתרונות ודרכי התנהגות שימנעו את הפגיעה בסביבה.

*131*

שאלות סיכום

1. עליכם לתכנן כלי עבודה לשימושם של עובדי בניין. קצה הכלי צריך להיות מסוגל להדור לתוך קירות הבניין. בחלק מהמקרים ישתמשו בכלי לאחר שהבניין יחובר לרשת החשמל.

א. מאיזה חומר הייתם מייעצים לייצר את הידיות של כלי העבודה, ומאיזה חומר לדעתכם מומלץ לייצר את קצה הכלי? נמקו תשובתכם.

ב. איזה ניסוי הייתם מציעים לערוך כדי לוודא שביטחונם האישי של הפועלים אכן יישמר?

2. התקבלתם לעבודה במסעדה והשף הטיל עליכם משימה. בפעם האחרונה שהוא הכין מרק, הוא אחז בכף שהתחממה מהמרק החם, וידו נכוותה. הוא ביקש מכם לבדוק באיזו כף עדיף להשתמש כדי למנוע כוויות נוספות בעתיד: כף עץ, כף מתכת או כף פלסטיק. הציעו ניסוי שיאפשר לכם לבדוק את הכפות. איזו תכונה של החומר תבדקו?

3. גם ידיות סיר בישול וגם חיפוי (בידוד) של חוט חשמל עשויים פלסטיק. מה הסיבה לכך בכל אחד מהמקרים?

4. חומר לא ידוע שהתגלה במעמקי הים הגיע אל מעבדתכם. אילו שאלות הייתם יכולים לשאול עליו?

5. כשאנו קמים מהמיטה בחורף כלי המיטה חמים למגע. מהו מקור החום שחימם את כלי המיטה? בזכות איזו מתכונותיו של הצמר אנחנו משתמשים בו להכנת שמיכות?

6. בעבר נהגו להכין סביבונים מעופרת(סוג של מתכת) יצוקה. באיזה תהליך עיבוד השתמשו?

7. איזה מהחומרים שלפניכם אינו בעיר?

א. נפט

ב. מים

ג. עץ

ד. נייר

8. לזכוכית צירוף תכונות הייחודי לה. הקיפו את התכונות המאפיינות את הזכוכית ברשימה שלפניכם.

מוליכת חום, בעירה, קשה, חזקה, שקופה, מוליכת חשמל, אלסטית

*132*

9. בחדר ניצב כיסא בעל 4 רגליים שגובהו 60 ס''מ. צורת המושב שלו היא ריבוע, והוא עשוי מחומר רך ונעים לישיבה.

א. מה בתיאור הכיסא מתייחס לתכונה של החומר שממנו הכיסא עשוי? (אפשר לסמן יותר מסעיף אחד)

1. גובה הכיסא

2. צורת הכיסא

3. קשיות המושב

4. מספר הרגליים של הכיסא

ב. מה בתיאור הכיסא מתייחס לתכונות הכיסא כגוף? (אפשר לסמן יותר מסעיף אחד)

1. גובה הכיסא

2. צורת הכיסא

3. קשיות המושב

4. מספר הרגליים של הכיסא

10. א. החומרים בטבלה שלפניכם ממוינים לשתי קבוצות. לפי איזו תכונה מיינו אותם? הסבירו.

ב. הציעו דרך אחרת למיון אותם החומרים. לפי איזו תכונה תמיינו אותם?

*133*

מבנה החומר

פרק 5: מבנה החומר

בפרק זה נלמד ש...

- מודל החלקיקים מתאר את מבנה החומר.

- באמצעות מודל החלקיקים אפשר להסביר את ההבדלים הקיימים בין חומרים, את התכונות השונות של מצבי הצבירה ותופעות שונות הקשורות בחומרים.

מושגים שנכיר:

חלקיקים, ריק, פעפוע, לחץ גז

*134*

מבוא

מדוע אפשר לשפוך מים, אך אי אפשר לשפוך קרח? מדוע גז מתפשט בכל נפח הכלי שבו הוא נמצא? מדוע ברזל שונה מזהב?

מדוע סוכר נמס מהר יותר בתה חם מאשר בתה קר?

בפרקים הקודמים למדנו על התכונות השונות של מוצקים, של נוזלים ושל גזים, הכרנו כמה מתכונות החומר, המבדילות בין חומר אחד לאחר אך גם משותפות לקבוצות של חומרים, וחקרנו תופעות שונות הקשורות לעולם החומר.

בפרק הזה נצא למסע אל תוך החומר, נלמד על מודל החלקיקים המקובל כיום כמודל המדעי לתיאור מבנה החומר, ונבדוק כיצד מודל זה מסביר את התכונות השונות של חומרים ואת התופעות הקשורות לעולם החומר. במהלך הלמידה בפרק נלמד כיצד התפתחו מהעת העתיקה ועד לימינו הרעיונות השונים הנוגעים למבנה החומר.

(בספר איור של גז המתפשט בכלי)

- גז מתפשט בכלי

(בספר תמונות של זהב ובדיל, ותמונה של סוכר המתמוסס בתה חם)

- זהב וברזל שונים זה מזה.

- סוכר שמתמוסס בתה חם.

*135*

מבנה החומר במבט היסטורי

מאז ומתמיד התבוננו אנשים בחומרים הבונים את העולם. הם הבחינו בהבדלים הקיימים בין חומרים שונים, כמו אבן ועץ, צפו בתופעות הטבע שבהן חומרים משתנים, ולמדו לשנות בעצמם את החומרים כדי להשתמש בהם לצורכיהם.

דורות רבים של מדענים ושל פילוסופים שאלו שאלות הקשורות לתופעות אלה, ניסו לענות עליהן בהסברים שונים למבנה החומר והתווכחו ביניהם. בזמנים הקדומים לא היו הטכנולוגיות הקיימות היום, ולכן אנשים אלה השתמשו בשיטות כגון התבוננות על העולם ועל התופעות הטבעיות, דמיון ומחשבה כדי להוכיח את צדקתם ואת הטעות של המתנגדים לדעתם.

למבנה החומר הוצעו 2 הסברים עיקריים:

1. החומר בנוי מארבעה יסודות – את ההסבר הזה למבנה החומר הציע לראשונה הפילוסוף היווני אמפדוקלס, לפני כ-2,500 שנים. הוא טען כי כל החומרים בעולם בנויים מ-4 יסודות: אדמה, אוויר, אש ורוח, הנמצאים בהרכבים שונים. חומר נבדל מחומר אחר ביחס בין היסודות המרכיבים אותו. לפי הסבר זה, גם יצורים חיים, כמו הארנבון, מורכבים מאדמה, ממים, מאוויר ומאש. ההבדל בין ארנבון ואבן הוא שהארנבון מורכב ברובו ממים ומאש, ואילו האבן מורכבת ברובה מאדמה.

(בספר תמונה המדגימה את מודל ארבע היסודות של אמפדוקלס)

- על פי אמפדוקלס, גם הארנבון מורכב מארבעה יסודות.

את דעתו של אמפדוקלס אימץ הפילוסוף היווני החשוב אריסטו, כמאה שנים אחר כך. אריסטו הרחיב את ההסבר של אמפדוקלס, וטען כי השוני בין היסודות השונים הוא בתכונותיהם, וכי לכל יסוד יש שתיים מן התכונות האלה: קור או חום, ויובש או לחות.

*136*

2. החומר בנוי מחלקיקים – כמה עשרות שנים לאחר אמפדוקלס הציע דמוקריטוס, פילוסוף יווני אחר, הסבר משלו למבנה החומר: דמוקריטוס ועמיתיו טענו כי החומר בנוי מחלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה – אטומים (a-tomos ביוונית: בלתי ניתן לחלוקה), הנמצאים בתוך ריק (ריק (ואקום) מקום שאין בו שום חומר) ונעים ללא הרף. חומרים שונים אלה מאלה מכיוון שכל חומר בנוי מאטומים אחרים.

הוויכוח בין הפילוסופים הסתיים בניצחון גדול של אריסטו – דעתו התקבלה על הרוב, והתורה האטומית של דמוקריטוס נשכחה לכ-2,000 שנה.

שאלות

1. דמיינו שאריסטו ודמוקריטוס מתווכחים ביניהם ממה בנויה האבן.

א. התחלקו לזוגות. כל אחד מבני הזוג יבחר אחד מהפילוסופים וייצג אותו.

ב. כתבו טיעונים שייצגו את דעתו של הפילוסוף שבו בחרתם, ושיסבירו מדוע דעתו של השני אינה נכונה. הטיעון צריך לכלול טענה והסבר.

ג. המחיזו את הוויכוח – השתמשו בטיעונים שהכנתם מראש ובטיעונים חדשים.

2. מדוע לדעתכם במשך יותר מ-2,000 שנה נדחתה דעתו של דמוקריטוס ודעתו של אריסטו שלטה?

*137*

פעילות הדגמה

מה בבקבוק?

1. צפו בהדגמה שבה שואבים אוויר מתוך בקבוק מלא באוויר, כך שכמות האוויר בבקבוק אחרי השאיבה קטנה מכמותו לפני כן.

2. אילו הייתם מצוידים ב''משקפי קסם", שהיו מאפשרים לכם לראות כיצד האוויר שבבקבוק בנוי, מה הייתם רואים בבקבוק לפני השאיבה ואחריה? העתיקו את ציורי הבקבוקים שלפניכם למחברת. ציירו בבקבוק א את חלקיקי האוויר בבקבוק לפני השאיבה, ובבקבוק ב ציירו את חלקיקי האוויר בבקבוק אחרי השאיבה.

(בספר תמונה של הבקבוק "לפני" והבקבוק "אחרי")

3. הציגו את הציורים שלכם לכיתה והסבירו את מרכיביהם.

4. איזה מן הציורים שציירו התלמידים בכיתה (ובכלל זה גם הציור שלכם) מציג לדעתכם בדרך הטובה ביותר את האוויר שבבקבוק לפני השאיבה ואחריה? נמקו.

5. לפניכם כמה ציורים שציירו תלמידים מבית ספר אחר:

(הציור של פז)

(הציור של סיגל)

(הציור של דקל)

(הציור של אור)

א. הביטו בציורים של סיגל, של דקל ושל פז. מה לדעתכם מסמלים האזורים הריקים? הביטו בציור של אור. מה לדעתכם מסמל האזור שבו האוויר דליל יותר?

ב. הביעו את דעתכם על הציורים. איזה ציור מתאר בצורה הנכונה ביותר את האוויר שבבקבוק לפני הוצאת האוויר מן הבקבוק ואחריה? נמקו.

*138*

במאות השנים האחרונות חלה התפתחות עצומה במדע ובטכנולוגיה. דרך החשיבה המדעית, המבוססת על ניסויים, תפסה את המקום המרכזי בחקירת תופעות הטבע. אמצעים טכנולוגיים שונים התפתחו, ובעזרתם בוצעו ניסויים רבים שהוכיחו את צדקתם של דמוקריטוס ושל עמיתיו. היום יש בידינו אף אמצעי הגדלה משוכללים מאוד, המאפשרים לנו לראות את מה ששיער דמוקריטוס: החומר אכן בנוי מחלקיקים.

(בספר תמונה של צורן (סיליקון))

(בספר תמונה של חלקיקי צורן במיקרוסקופ אלקטרונים)

- תמונה זו. של חלקיקי צורן. נוצרה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, המאפשר הגדלה של עד פי מיליון.

- צורן (סיליקון)

תוצאות שהתקבלו מניסויים רבים ושונים התומכות בקיומם של החלקיקים, אפשרו לגבש מודל מדעי (הסבר מקיף למערכת מורכבת, שיכול להסביר תופעות שונות ולנבא תופעות אחרות. שתי דוגמאות למודלים מדעיים הם מודל החלקיקים ומודל כדור הארץ העגול), הנקרא מודל החלקיקים. מודל זה מסביר באופן מקיף את מבנה החומר ותופעות שונות הקשורות לעולם החומר.

אבי מודל החלקיקים המודרני הוא מדען בשם ג'ון דלטון, שפעל במאה ה-19 באנגליה. דלטון טען כי כל החומרים עשויים מחלקיקים הנמצאים בתנועה. חלקיקיו של כל חומר זהים זה לזה, אך שונים מחלקיקיו של חומר אחר. כמו דמוקריטוס לפניו, דלטון קרא לחלקיקים אלה בשם אטומים, ותיאר אותם ככדורים חלקים שאינם ניתנים לחלוקה. מאז ימי דלטון מודל החלקיקים התפתח, וכיום ידוע כי גם את האטום אפשר לחלק למרכיבים זעירים יותר.

הרחבה

מהו מודל מדעי?

אחד המרכיבים החשובים ביותר בשיטה המדעית הוא המודל המדעי. בעזרת מודלים מדעיים אפשר לתאר באופן כללי את התנהגותן של מערכות מורכבות, להסביר תופעות שונות הקשורות בהן ואף לנבא תופעות אחרות.

דוגמה מוכרת למודל מדעי הוא המודל הטוען כי כדור הארץ הוא עגול. מודל זה מסביר תופעות שונות כמו ליקוי לבנה (ליקוי ירח), וההיעלמות ההדרגתית של ספינות באופק.

בעזרתו יכלו ספנים ומגלי ארצות כמו קולומבוס לחשב את כיוון נסיעתם. קולומבוס, שהאמין במודל זה, טען כי אם נצא למסע מזרחה או מערבה מכל נקודה שהיא בכדור הארץ, נגיע בסופו של דבר לנקודה שממנה יצאנו. על סמך אמונתו הזו הפליג מספרד לכיוון מערב כדי להגיע למזרח – להודו, אך בסופו של דבר נתקל קודם ביבשת אמריקה.

צילו של כדור הארץ מוטל על הירח, בעת ליקוי לבנה. קו הצל המעוגל מעיד על צורתו הכדורית של כדור הארץ.

*139*

מבנה החומר – מודל החלקיקים

על-פי מודל החלקיקים המקובל היום, כל החומרים בנויים מחלקיקים (אבני הבניין הזעירות של החומר) זעירים, וביניהם רווחים שבהם אין שום חומר (ריק). החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת, ופועלים ביניהם כוחות משיכה. חומרים שונים זה מזה מכיוון שהחלקיקים המרכיבים אותם שונים.

עד כמה זעירים החלקיקים?

נוכל להבין זאת אם נשווה את עובייה של שערת אדם לקוטרו של חלקיק: בעובי של השערה ייכנסו כ-30,000 חלקיקים.

המבנה החלקיקי של החומר במצבי הצבירה השונים

בפרקים הקודמים הכרנו את תכונות החומרים במצבי הצבירה השונים: המוצקים – רובם קשים, ואינם משנים את צורתם; הנוזלים – זורמים, משנים את צורתם אך אינם משנים את נפחם; והגזים – זורמים, ומשנים גם את צורתם וגם את נפחם.

ניסינו לדחוס חומרים במזרק וראינו שאפשר לדחוס גז ושאי אפשר לדחוס נוזל ומוצק.

האם המבנה החלקיקי של מוצקים, של נוזלים ושל גזים יכול להסביר את ההבדלים בתכונות של חומרים במצבי הצבירה השונים?

כל החומרים בנויים מחלקיקים רבים. האופן שבו החלקיקים צבורים קובע את מצב הצבירה שלהם, ומסביר את תכונותיהם השונות: החלקיקים בגזים, בנוזלים ובמוצקים מסודרים בצורה שונה, נעים באופן שונה, והכוחות הפועלים ביניהם שונים.

האיורים שלפניכם ממחישים את המבנה החלקיקי של חומרים במצבי הצבירה השונים:

גז: במצב צבירה גז החלקיקים מרוחקים מאוד זה מזה, הם נעים במהירות רבה ובחופשיות, לכל הכיוונים. כוחות המשיכה הפועלים בין החלקיקים חלשים מאוד.

(בספר איורים הדגימים את צפיפות החלקיקים במוצק, נוזל וגז)

נוזל: במצב צבירה נוזל החלקיקים אמנם קרובים זה לזה, אך הם אינם מסודרים. הם נעים במהירות רבה יותר מאשר במוצק, ויכולים להסתובב ולהחליף את מקומם. כוחות המשיכה הפועלים בין החלקיקים חזקים.

מוצק: במצב צבירה החלקיקים מסודרים וקרובים זה לזה. הם רועדים (נדים) במקומם ואינם משנים את מיקומם. כוחות המשיכה הפועלים בין החלקיקים חזקים מאוד.

*140*

שאלה

השוו בין האופן שבו צבורים החלקיקים במצבי הצבירה השונים, על פי התרשים. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, ומלאו בה את התשובות הנכונות. נסחו כותרת לטבלה.

פעילות הדגמה

מכונת הכדורים

כדי להמחיש את המבנה החלקיקי של החומר נשתמש בעוד מודל – מכונת הכדורים.

מכונת הכדורים היא גליל שקוף ופתוח שבבסיסו נמצא לוח עגול המחובר למנוע.

על הלוח העגול מניחים כדורי זכוכית קטנים, אלו מדגימים את חלקיקי החומר.

כאשר מפעילים את המנוע הלוח העגול שבתחתית הגליל נע במהירות למעלה ולמטה, וכתוצאה מכך הכדורים נעים בתוך הגליל.

המורה יניח כדורים אחדים בתחתית המכונה ויפעיל אותה.

צפו במתרחש וענו על השאלות:

1. מהם הכיוונים העיקריים שבהם הכדורים נעים? מדוע?

2. מה גורם לכדורים לנוע גם בכיוונים אחרים?

3. מכונת הכדורים היא מודל שמטרתו להמחיש את המציאות. הכדורים מייצגים את החלקיקים. במה שונה מכונת הכדורים מהמציאות, ובמה היא דומה לה? השוו בין המודל למציאות: העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת והשלימו אותה. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

4. הציעו דרך להמחיש באמצעות מכונת הכדורים מצב צבירה של מוצק, של נוזל ושל גז.

*141*

כיצד בנוי הגז?

גז לבישול, גז חמצן, גז פחמן דו-חמצני ומים במצב של גז – אלה הם חומרים שונים, הבנויים מחלקיקים שונים, אך בכולם, כמו בכל הגזים, החלקיקים מסודרים בצורה דומה ונעים באופן דומה: החלקיקים מרוחקים מאוד זה מזה, כמעט שלא פועלים ביניהם כוחות משיכה, והם נעים בחופשיות ובמהירות לכל הכיוונים.

נבדוק כיצד המבנה החלקיקי של הגזים מסביר תכונות שונות המשותפות להם ותופעות שונות המיוחדות להם, כמו לחץ הגז.

מדוע אפשר לדחוס גז?

בפרקים הקודמים ראינו כי אפשר לדחוס גז במזרק, ואילו נוזל ומוצק – אי אפשר לדחוס.

כיצד אפשר להסביר זאת בעזרת מודל החלקיקים?

(בספר תמונה של בלון והדגמה של צפיפות החלקיקים בתוכו)

שאלות

נתבונן שוב בציורים שבהם תיארו אור ודקל את מבנה האוויר. (היעזרו במנחה)

(בספר הציורים של אור ודקל המתארים את מבנה האוויר)

1. איזה ציור יכול להסביר בצורה הטובה ביותר מדוע אפשר לדחוס גז? הסבירו מדוע.

2. מה משתנה ומה אינו משתנה כאשר דוחסים גז במזרק באמצעות דחיפת הבוכנה?

א. נפח החלקיקים

ב. המרווח בין החלקיקים

ג. מספר החלקיקים

ד. סוג החלקיקים

3. כתבו טיעון המסביר מדוע אפשר לדחוס גז. בכתיבת הטיעון השתמשו במושגים חלקיקים ומרווחים.

*142*

פעפוע – כיצד גזים מתפשטים ומתפזרים?

פותחים בקבוק של בושם בכיתה והריח מתפשט בהדרגה, עד שאפשר לחוש בו בכל רחבי הכיתה. כיצד ריח הבושם מגיע לאפנו?

האם לדעתכם קיים כוח חיצוני, כמו רוח, המניע את חלקיקי הבושם וגורם להם להתפזר, או שהם נעים מעצמם? איך תוכלו לבדוק זאת?

כשלמדנו על תכונות הגזים ראינו כי גזים מתפשטים מעצמם ותופסים את כל נפח הכלי שבו הם נמצאים. התפשטות הגזים נובעת מתנועתם המתמדת והמהירה של חלקיקי הגז, הנעים לכל הכיוונים. תוך כדי תנועתם, החלקיקים מתפזרים באופן אחיד במרחב שבו הם נמצאים.

כאשר גזים שונים באים במגע זה עם זה, חלקיקי גז אחד יכולים לנוע במהירות ובקלות למתוחים הגדולים שבין חלקיקי הגז האחר. תופעה זו, שבה חומר מתפשט מעצמו או שבה חומרים מתערבבים זה בזה ללא כל התערבות חיצונית, נקראת פעפוע.

- פעפוע הוא התפשטות של חומר או התערבבות של חומרים ללא כל התערבות חיצונית, כתוצאה מהתנועה העצמית של החלקיקים.

כשפותחים בקבוק בושם, חלק מחלקיקיו – אלו הנמצאים במצב צבייה של גז – מפעפעים החוצה מן הבקבוק ומתפזרים בין חלקיקי האוויר.

(בספר תרשים של התפזרות החלקיקים מבקבוק בושם לאוויר)

*143*

הרחבה

פעפוע והדברה ידידותית לסביבה – מה הקשר?

חרקים רבים מאתרים את בני-זוגם באמצעות ריחות. הנקבות מפרישות חומרים ריחניים הנקראים פרומונים (פרומונים – חומרים ריחניים המופרשים מגופו של יצור ממין כלשהו, המשפיעים על פרסים אחרים מאותו המין). חלקיקי הפרומונים מפעפעים באוויר ומתפזרים בו. הזכרים קולטים את הריח ועפים לכיוון מקור הריח, למקום שבו החלקיקים הם הצפופים (המרוכזים) ביותר. שם הם מוצאים את הנקבה.

מכיוון שחרקים רבים מזיקים לחקלאות, פרומוני מין של חרקים משמשים לעתים לצורכי הדברה ידידותית לסביבה. כיצד? אפשר להשתמש במלכודות פרומונים המושכות את החרקים הזכרים אליהן ולוכדות אותם, אפשר לבלבל את החרקים באמצעות פיזור פרומונים מלאכותיים בשטח ליצירת "מסך ריח" של פרומונים ועוד. כך מונעים מן הזכרים להגיע לנקבות ולהפרות אותן.

איברי חוש הריח של העש הזכר, הנמצאים במחושיו, רגישים מאוד. הם מסוגל 1 לקלוט אפילו חלקיק בודד של פרומון.

(בספר איור של עש הנמשך לחלקיקי הפרומונים של נקבת עש)

שאלות

1. בפרק השלישי של הספר (בעמוד 88) ראינו כי כאשר הכניסו מכל קטן של גז ברום למכל ריק גדול ממנו, הוא התפשט בכל הכלי ומילא את כל נפחו. האיור שלפניכם ממחיש את המצב בתחילת הניסוי, לפני שהברום התפשט מן הכלי הקטן לכלי הגדול.

א. איזה מהאיורים שלפניכם מתאר את הסידור הנכון של החלקיקים לאחר שהברום התפשט בכל הכלי? הסבירו.

(בספר איור המתאר את המצב בתחילת הניסוי)

(בספר איורים המתארים אפשרויות שונות להתפזרות הברום בכלי)

ב. מה השתנה ומה נשאר קבוע בחלקיקי הברום?

ג. הסבירו על סמך מודל החלקיקים: מה גרם לבתם להתפשט בכלי?

2. אילו מהתהליכים שלפניכם הם תהליכי פעפוע? נמקו.

א. הרוח נשאה את זיהום האוויר מתחנת הכוח למרחק רב.

ב. כשישבה בסלון הבית, לפתע הרגישה רותי ריח חזק של גז שדלף מן הכיריים שבמטבח.

ג. גיא ערבב את הסוכר בתה בכפית.

ד. ריחם הנעים של הפרחים באגרטל התפשט ברחבי החדר.

(בספר ניסוי – היעזרו במנחה)

*144*

מהו לחץ הגז?

כדי לבדוק אם צמיג האופניים שלנו מנופח מספיק, אנו לוחצים עליו באצבעות שלנו.

בהתנסות הפשוטה והיומיומית הזו אנו מרגישים את לחץ הגז (לחץ הגז – הכוח שהגז מפעיל על דופנות הכלי שבו הוא נמצא) שבתוך הצמיג, המפעיל על האצבעות שלנו כוח בכיוון הנגדי לכיוון הלחיצה שלנו.

מה הסיבה ללחץ הגז על דופנות הצמיג? בתוך צמיג האופניים נמצא אוויר, שהוא תערובת של גזים שונים. חלקיקי הגזים שבאוויר נעים במהירות, ותוך כדי כך הם מתנגשים לעתים קרובות בדופנות הצמיג. התנגשויות החלקיקים בדפנות מפעילות על שטח הדפנות כוח, והכוח הזה הוא לחץ הגז, במקרה הזה לחץ האוויר בצמיג.

(בספר תמונה של צמיג אופניים, ואיור המתאר את לחץ הגז בתוכו)

שאלות למחשבה

1. כיצד ישתנה לחץ הגז על הדפנות אם יתנגשו בהן יותר חלקיקים?

2. כיצד ישתנה לחץ הגז אם ההתנגשויות תהיינה חזקות יותר?

- לחץ הגז הוא הכוח שהגז מפעיל על דופנות הכלי שבו הוא נמצא.

כוח זה נובע מהתנגשויות חלקיקי הגז בדפנות.

*145*

מה משפיע על לחץ הגז?

ראינו כי כאשר גז נמצא בכלי סגור, כמו למשל צמיג אופניים, הוא מפעיל לחץ על הדפנות של הכלי. בצמיג יש אוויר.

שערו:

א. מה יקרה ללחץ האוויר אם נלחץ על הצמיג תקטין כך את הנפח שלו?

ב. מה יקרה ללחץ האוויר בצמיג האופניים אם נוסיף לתוכו עוד אוויר?

ג. מה יקרה ללחץ האוויר בצמיג בימים חמים?

לחץ של גז בתוך כלי מושפע מגורמים שונים, ובהם -

1. נפח הכלי שבו הגז נמצא

2. כמות הגז בכלי

3. הטמפרטורה של הגז

בפעילויות שבהמשך נבדוק כיצד גורמים אלה משפיעים על לחץ הגז, ונראה כיצד מודל החלקיקים מסביר את השינויים בלחץ הגז.

1. גורמים המשפיעים על לחץ הגז – שינוי בנפח הגז

דמיינו לעצמכם את חלקיקי הגז כמו קבוצה של אנשים המתהלכים בחדר סגור.

כאשר החדר קטן האנשים שבו צפופים, ולכן קיים סיכוי גדול יותר שיתנגשו זה בזה ובקירות החדר.

כאשר החדר גדול יותר לכל האנשים יש מרחב גדול יותר להתהלך בו, ולכן הם יתנגשו זה בזה ובקירות לעתים רחוקות יותר. חלקיקי הגז הנמצאים בתוך כלי סגור מתנהגים באופן דומה. לדוגמה: כשלוחצים על בלון הנפח שלו קטן וחלקיקי הגז שבתוכו מצטופפים יותר, ולכן הם מתנגשים יותר פעמים זה בזה ובדופנות הבלון. העלייה במספר ההתנגשויות בדופנות הבלון גורמת לעלייה בלחץ הגז בבלון. אם מפסיקים ללחוץ על הבלון, נפח הבלון גדל בחזרה, חלקיקי הגז מתרחקים זה מזה, ולחץ הגז יורד.

הקשר בין נפח הגז ללחץ שלו מסביר תופעות יומיומיות כמו התפוצצות של בלון כאשר לוחצים עליו (ומקטינים את נפחו). גם פעולת הנשימה, החיונית לקיומנו, מתאפשרת בזכות שינויים בנפח הריאות, המשפיעים על לחץ האוויר הנמצא בהן.

(בספר תמונה של בלון ואיור המדגים את לחץ הגז בתוכו)

(בספר תמונה של בלון שנדחס, ואיור המדגים את לחץ הגז בתוכו)

- נפח הגז משפיע על הלחץ שלו: כשנפח הגז גדל, לחץ הגז קטן; כשנפח הגז קטן, הלחץ שלו גדל.

*146*

שאלות

1. מילאנו שני כדורי משחק שונים בגודלם באותה כמות של אוויר. איזה כדור יהיה לנו קל יותר "למעוך"? הסבירו מדוע.

(בספר איורים של כדורי גדול וכדור קטן שמולאו באוויר)

2. דוחסים גז במזרק סגור: לוחצים על הבוכנה ומקטינים את נפחו.

(בספר תמונה של מזרק מלא אוויר, ומזרק מלא אוויר שלוחצים על הבוכנה שלו)

א. מה מרגישים במהלך הלחיצה על בוכנת המזרק – האם בשלב כלשהו קשה יותר ללחוץ עליה? הסבירו מדוע.

ב. העתיקו את ציורי המזרקים שלפניכם למחברת. ציירו את חלקיקי הגז במזרק בהתחלה, ואת החלקיקים לאחר שדחסו את הגז והקטינו את נפחו.

ג. התבוננו בציור שציירתם. מה השתנה ומה לא השתנה בגז במהלך הדחיסה? אם גורם כלשהו השתנה, פרטו מה היה השינוי שחל בו.

- גודל החלקיקים של הגז

- מספר חלקיקי הגז

- המרווחים בין חלקיקי הגז

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה.

היכנסו לנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בפעילות השפעת נפח הגז על הלחץ שלו.

שנו את הנפח של הכלי ובדקו -

א. מה קורה ללחץ הגז?

ב. האם חל שינוי בכמות החלקיקים או בטמפרטורה?

שאלות

1. בחקר שביצעתם בהדמיה, מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע?

2. אילו גורמים הם קבועים?

3. נסחו מסקנה הנובעת מן החקר שביצעתם.

*147*

2. גורמים המשפיעים עד לחץ הגז – שינוי בכמות הגז

כולנו מכירים את החוויה של בלון המתנפח כאשר אנחנו נושפים לתוכו, ומתפוצץ לאחר שניפחנו אותו יותר מדי.

מדוע זה קורה? תופעה זו קשורה להשפעת כמות הגז על לחץ הגז. כשאנו נושפים אוויר לתוך הבלון אנחנו מוסיפים לו חלקיקי גז. העלייה בכמות הגז בבלון גורמת לחלקיקי הגז שבו להצטופף, ולכן מספר ההתנגשויות ביניהם לבין דופנות הבלון עולה.

העלייה במספר ההתנגשויות גורמת ללחץ הגז על דופנות הבלון לעלות. בתחילה הדפנות הגמישות נמתחות והבלון מתנפח, אך בסופו של דבר הדפנות אינן יכולות להימתח עוד, ונשיפה נוספת של אוויר תגרום לבלון להתפוצץ.

התופעה ההפוכה מתרחשת כאשר שואבים חלקיקים מכלי. הירידה בכמות הגז גורמת לחלקיקי הגז להיות פחות צפופים, וכתוצאה מכך לחץ הגז בכלי יורד.

- כמות הגז בכלי משפיעה על הלחץ שלו: ככל שיש יותר גז בכלי החלקיקים שבו צפופים יותר ולחץ הגז גדל, ולהיפך – ככל שכמות הגז בכלי יורדת, החלקיקים שבו צפופים פחות ולחץ הגז קטן.

שאלות

1. מוסיפים אוויר לכדור (הניחו שנפחו אינו משתנה).

א. הסבירו: מדוע אחרי הניפוח אנו מרגישים שהכדור קשה יותר משהיה לפניו?

ב. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, וכתבו מה השתנה ומה לא השתנה בגז שבכדור. פרטו בכל שורה מה היה השינוי, אם אכן התרחש.

ג. כיצד שינתה תוספת האוויר את לחץ האוויר בכדור? פרטו. השתמשו במושגים חלקיקים והתנגשויות.

2. אילו מהתופעות שלפניכם קשורות להשפעת השינוי בכמות חלקיקי הגז על הלחץ שלו? הסבירו את תשובתכם.

א. ביום חם בלון מלא באוויר עשוי להתפוצץ.

ב. מכליות הנעות בכביש ומובילות גז מוגבלות במסת הגז שהן יכולות להוביל.

ג. כאשר שואבים אוויר מקשית שתייה הטבולה בכוס מים, המים נכנסים לתוכה.

ד. כאשר מעבירים גז ממכל גדול למכל קטן יותר הלחץ שלו עולה.

*148*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

כיצד משפיעה כמות הגז על הלחץ שלו?

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט''ב – מדע וטכנולוגיה ובחרו בתהום כימיה. היכנסו לנושא תהליכי שינוי בחומר ובחרו בפעילות השפעת שינוי כמות חלקיקי הגז על הלחץ שלו (בנפח קבוע).

שנו את כמות הגז בכלי הגדול – תוכלו להוסיף חלקיקים לכלי או להוציא ממנו חלקיקים.

בדקו –

א. מה קורה ללחץ הגזל

ב. האם חל שינוי בנפח הגז או בטמפרטורה?

שאלות

1. בחקר שביצעתם בהדמיה, מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע?

2. אילו גורמים הם קבועים?

3. מה תוצאות החקר בהדמיה? הסבירו את התוצאות. השתמשו במושגים חלקיקים, מקווחים, התנגשויות ולחץ הגז.

4. תלמידים ביצעו ניסוי במעבדה. הם שינו את מספר החלקיקים בגז בנפח קבוע, ומדדו את השינוי בלחץ של הגז.

איזה גרף יתאר בצורה הנכונה את תוצאות המדידות שערכו? (בספר גרף – היעזרו במנחה).

(בספר שלושה גרפים המתארים את כמות החלקיקים בגז, ביחס לשינוי בלחץ הגז)

*149*

3. גורמים המשפיעים על לחץ הגז – שינוי בטמפרטורה של הגז

- מדוע מודבקת תווית אזהרה מפני חשיפה לחום על מכלי גז או על תרסיסים?

- מדוע התפוצצו הבלונים לאחר שהיו תלויים בחוץ ביום חם?

התופעות האלה קשורות להשפעת החום על לחץ הגז.

כאשר מחממים גז הנמצא בכלי, חלקיקי הגז נעים מהר יותר ויש להם אנרגיית תנועה גבוהה יותר. כתוצאה מכך הם מתנגשים לעתים קרובות יותר ובעוצמה רבה יותר בדפנות של הכלי. מסיבה זו כשהגז מתחמם הלחץ שלו עולה. כאשר מקררים את הגז, מהירות החלקיקים ואנרגיית התנועה שלהם יורדות. קצב ההתנגשויות ועוצמת ההתנגשויות של החלקיקים בדפנות יורדים – ולחץ הגז יורד.

פעילות ניסוי מתואר

חימום גז הנמצא בכלי סגור

באיורים שלפניכם מתואר ניסוי שבו חיממו מבחנה המכילה אוויר. צפו בשלבים השונים של הניסוי וענו על השאלות.

שאלות

1. תארו את הניסוי. התייחסו למרכיבי הניסוי האלה:

- מטרת הניסוי

- ציוד

- מהלך הניסוי

- הגורם המשפיע, הגורם המושפע

- תוצאות הניסוי

2. בשלב 2 של הניסוי מחממים את המבנה. במה שונה המצב המתואר בשלב 2 מהמצב המתואר בשלב 1, לפני שחיממו אותה?

א. בכמות הגז

ב. בסוג החלקיקים של הגז

ג. במהירות החלקיקים של הגז

ד. בנפח הגז

3. הסבירו את תוצאות הניסוי. היעזרו בתשובתכם לשאלה 2 ובידע הקודם שלכם על לחץ הגז.

(בספר ניסוי – היעזרו במנחה)

*150*

העלייה בלחץ הגז כאשר הוא מתחמם מסבירה מדוע מסוכן להחזיק מכלי גז במקום חם: כאשר גז שנמצא במכל סגור מתחמם הלחץ שלו עולה, הוא מפעיל כוח על דופנות המכל והמכל עלול להתפוצץ.

(בספר איורים המתארים לחץ גז קר, לעומת לחץ גז חם)

גז קר: החלקיקים נעים לאט יותר ומתנגשים בדופנות הכלי בקצב ובעוצמה נמוכים יותר.

גז חם: החלקיקים נעים מהר יותר ומתנגשים בדופנות הכלי בקצב ובעוצמה גבוהים יותר.

שאלות

1. לפניכם כמה משפטים. היעזרו בידע שרכשתם בנושא השפעת חימום או קירור על לחץ הגז והסבירו את המשפטים.

א. תרסיסים ומכלי גז מומלץ לאחסן במקום קריר ומוצל.

ב. בימים חמים מומלץ לשחרר מעט אוויר מצמיגי המכוניות.

ג. בקבוק קולה שנשכח במכונית ביום חם עלול להתפוצץ.

ד. בימי הקיץ חשוב שכמות הגז המובל במכליות גז לא תהיה גבוהה מדי.

2. ביום ההולדת של יעל קישטו הוריה את החצר בבלונים. היום היה יום שמש חם במיוחד, ולאחר זמן קצר התפוצצו כל הבלונים.

מדוע התפוצצו הבלונים? סדרו את המשפטים שלפניכם בסדר הנכון, כך שיתקבל הסבר הגיוני.

א. מהירות החלקיקים של האוויר בבלונים עלתה.

ב. לחץ האוויר בבלונים עלה.

ג. קרינת השמש חיממה את הבלונים.

ד. הבלונים התפוצצו.

ה. הקצב והעוצמה של התנגשויות חלקיקי האוויר בדופנות הבלונים עלו.

*151*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

היכנסו אל האתר הילקוט הדיגיטלי לחט"ב – מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום כימיה.

היכנסו אל הנושא תהליכי שינוי בחומר ובחרו בפעילות מעבדת חקר – תכונות הגזים.

במעבדה זו תוכלו לשנות את המשתנים נפח הגז, טמפרטורת הגז וכמות הגז (כמות החלקיקים), ולבדוק כיצד השינויים משפיעים על חלקיקי הגז, על הלחץ שלו (בכלי שנפחו קבוע) או על הנפח שלו (בכלי שנפחו משתנה).

שאלה

העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, והשלימו אותה. מה משתנה ומה אינו משתנה בגז כאשר משנים את נפחו, את הטמפרטורה שלו או את הכמות שלו? כתבו בכל שורה אם הגורם הכתוב בה השתנה או לא השתנה. נסחו כותרת לטבלה.

*152*

כיצד בנוי הנוזל?

שמן, מים, כוהל וכספית הם נוזלים שונים, הבנויים מחלקיקים שונים, אך בכולם, כמו בכל הנוזלים, החלקיקים מסודרים בצורה דומה ונעים באופן דומה: חלקיקי הנוזל סמוכים זה לזה וביניהם פועלים כוחות משיכה חזקים. הם אינם יכולים להתרחק זה מזה או לנוע באופן חופשי כמו חלקיקי הגז, אלא הם מחליקים זה על גבי זה ובצורה כזו מחליפים מקומות ונעים ממקום למקום.

- חלקיקי הנוזל סמוכים זה לזה, וביניהם פועלים כוחות משיכה חזקים. הם יכולים להחליק זה על גבי זה ולהחליף מקומות.

נבדוק כיצד המבנה החלקיקי של הנוזלים מסביר תכונות שונות המשותפות לנוזלים.

מדוע נוזלים זורמים ומשנים את צורתם?

אנו שופכים שמן מן הבקבוק למחבת. השמן נשפך, נוזל ומשנה את צורתו לפי צורת המחבת. כיצד אפשר להסביר תכונה זו של השמן ושל נוזלים אחרים לפי מודל החלקיקים?

את התכונות האלה של הנוזל אפשר להסביר על סמך אופן התנועה של החלקיקים בנוזל: חלקיקי הנוזל יכולים לנוע ממקום למקום, כשהם מחליקים זה על גבי זה, מחליפים מקומות זה עם זה ומסתדרים מחדש בהתאם לצורת הכלי.

(בספר תמונה של שמן נשפך במקבוק, ואיור המדגים את תנועת החלקיקים בשמן)

*153*

פעילות המחשה

תנועת חלקיקי הנוזל

כדי להמחיש את חלקיקי הנוזל אפשר להשתמש בגרגירים שונים: גרגירי אורז או עדשים, או גרגירים אחרים.

מהלך הפעילות

1. מלאו כחצי משורה בגרגירים.

2. שפכו את הגרגירים מן המשורה לכוס.

3. עקבו אחר המתרחש ותארו את אופן התנועה של הגרגירים.

שאלות

1. בניסוי זה יצרנו מודל שמטרתו להמחיש את המציאות. הגרגירים במודל מייצגים את חלקיקי הנוזל. במה שונה המודל הזה מהמציאות, ובמה הוא דומה לה?

2. האם המודל שבו השתמשנו בהמחשה זו סייע לכם להבין טוב יותר את תנועת חלקיקי הנוזל? כיצד?

מדוע נפח הנוזלים נשאר קבוע?

כאשר מעבירים גז ממכל קטן למכל גדול, נפחו ישתנה. הגז יתפשט במכל הגדול ויתפוס את כל נפחו. לעומת זאת, כאשר מוזגים חלב מכוס קטנה לכוס גדולה נפח החלב אינו משתנה – הוא אינו ממלא את כל הכוס. מדוע?

בין חלקיקי החומר פועלים כוחות משיכה. חלקיקי הגז מרוחקים מאוד זה מזה וכוחות המשיכה הפועלים ביניהם חלשים מאוד. לכן כאשר מעבירים גז מכלי לכלי חלקיקי הגז יכולים להתרחק זה מזה או להתקרב זה אל זה, והגז מקבל את נפח הכלי ואת צורתו.

חלקיקי הנוזל, לעומת זאת, סמוכים מאוד זה לזה, וכוחות המשיכה הפועלים ביניהם חזקים. מסיבה זו נפח הנוזלים אינו משתנה גם אם מעבירים אותם מכלי לכלי – החלקיקים נמשכים זה אל זה והמרחק ביניהם נשמר.

בפעילות הבאה נדגים את כוחות המשיכה בנוזלים.

*154*

פעילות התנסות

כוחות משיכה בנוזלים

בפעילות זו נטפטף מים על מטבע וננסה ליצור טיפת מים גדולה ככל האפשר.

ציוד: מטבע נקי וחלק, כוס מים וטפטפת

מהלך הפעילות:

1. הניחו את המטבע על משטח יציב.

2. טפטפו טיפה אחת על המטבע.

3. אחרי שהטיפה תתייצב טפטפו טיפה נוספת.

4. חזרו על הפעולה הזאת שוב ושוב, וספרו בכל פעם את מספר הטיפות שטפטפתם, עד שהטיפה תתפצל.

תוצאות:

תארו את מה שהתרחש.

כמה טיפות מים הצלחתם להוסיף זו לזו בלי שתיפרדנה? מסקנה: הסיקו מסקנה מתוצאות הניסוי.

שערו: מה חיבר את טיפות המים זו לזו? מה מונע מטיפת המים הגדולה שנוצרה להתפצל לטיפות קטנות?

הרחבה

מדוע כספית אינה "מרטיבה" את הכלי?

כאשר שמים מים בכלי זכוכית, חלקיקי המים נמשכים גם זה לזה וגם לדפנות של הכלי. אם נשפוך את המים מן הכלי, כוחות המשיכה בין חלקיקי המים לבין דופנות הכלי יגרמו לכך שחלק מן המים יישארו צמודים לדפנות, והדפנות יישארו רטובות.

בכספית כוחות המשיכה בין החלקיקים חזקים הרבה יותר מאלו שבינם לבין דופנות הכלי שבו היא נמצאת. מסיבה זו כאשר שמים כספית בכלי זכוכית, הכספית יוצרת צורה של טיפה כדורית, ואינה "מרטיבה" את הכלי.

- טיפת כספית בכלי זכוכית

(בספר תמונה של טיפת כספית בכלי זכוכית)

- חרק הולך על פני המים.

(בספר תמונה של חרק הולך על פני המים)

הרחבה

ללכת על המים

כיצד חרקים מסוימים יכולים ללכת על פני המים? כוחות המשיכה החזקים שבין חלקיקי המים הנמצאים בשטח הפנים של המים הופכים אותו למין קרום אלסטי, שאינו נקרע אם מופעל עליו לחץ קל.

*155*

פעפוע בנוזלים

ראינו כי גזים מתערבבים זה בזה מעצמם. תופעה זו נקראת פעפוע והיא נובעת מכך שחלקיקי הגז נעים בתנועה אקראית ומתמדת.

(בספר תמונה המדגימה פיעפוע נוזלים)

האם גם נוזלים מפעפעים?

מטרת ההתנסות: לבדוק אם נוזלים מפעפעים (מתערבבים זה בזה מעצמם).

ציוד: תרכיז מיץ פטל, כוס מים, מזרק של 20 סמ"ק מחובר לצינורית

השערה: שערו אם הנוזלים יתערבבו זה בזה ללא ערבוב. נמקו את השערתכם.

מהלך ההתנסות:

א. מלאו כוס במים, עד כשני שליש מגובהה.

ב. שאבו לתוך המזרק כ-15 סמ"ק של תרכיז מיץ פטל.

ג. הכניסו בזהירות ובאטיות את המזרק למים שבכוס, עד שפייתו תיגע בתחתית הכוס.

ד. הזרימו באטיות את מיץ הפטל מן המזרק למים.

ה. כסו את הכוס במכסה והניחו אותה ללא תנועה.

ו. עקבו אחר המתרחש מפעם לפעם – האם הנוזלים מתערבבים זה בזה?

תוצאות: תארו את תוצאות הפעילות. האם השערתכם התאמתה?

מסקנה: נסחו מסקנה הנובעת מתוצאות ההתנסות.

חלקיקי הנוזל יכולים לנוע ממקום למקום – הם מחליקים זה על גבי זה ומשנים את מקומם. התנועה של חלקיקי הנוזל מאפשרת לנוזלים להתערבב זה בזה גם ללא ערבוב, אך בנוזלים הפעפוע אטי בהרבה מאשר בגזים. מדוע?

חלקיקי הנוזל סמוכים זה לזה הרבה יותר מאשר חלקיקי הגז, ולכן הם נעים באטיות ומתנגשים זה בזה לעתים תכופות. מסיבה זו נוזלים אכן מפעפעים ומתערבבים זה בזה, אך לאט יותר מאשר גזים.

(בספר תמונה של תרכיז מיץ פטל מוזרק לתוך כוס מים)

*156*

כיצד משפיעה הטמפרטורה על הפעפוע?

ריחות מתפשטים באוויר מהר יותר בימים חמים מאשר בימים קרים. מדוע?

תופעת הפעפוע מתרחשת הודות לתנועתם העצמית של חלקיקי החומר. כאשר מחממים חומר כלשהו חלקיקיו נעים מהר יותר, דבר המתבטא בעליית הטמפרטורה שלו. העלייה במהירות החלקיקים גורמת לפעפוע להיות מהיר יותר.

- בטמפרטורה גבוהה יותר חלקיקי החומר נעים מהר יותר, ולכן הפעפוע מהיר יותר.

בפעילות שלפניכם נבדוק כיצד משפיעה הטמפרטורה על קצב הפעפוע בנוזלים.

פעילות  ניסוי

פעפוע והקשר לטמפרטורה

ציוד: תרכיז מיץ פטל, שתי כוסות, מים קרים, מים חמים (לא רותחים), מזרק שנפחו 20 סמ"ק מחובר לצינורית

כאשר מכניסים תרכיז מיץ פטל לתחתית כוס מים, שני הנוזלים מפעפעים (מתערבבים זה בזה גם ללא ערבוב).

שערו: האם קצב הפעפוע של הנוזלים בניסוי שערכנו היה משתנה לו השתמשנו במים חמים במקום במים קרים? נמקו את השערתכם.

(בספר תמונות של תרכיז פטל בכוס מים בתחילת תהליך הפעפוע ובסופו)

מהלך הניסוי:

חזרו על מהלך הניסוי הקודם, המתואר בעמ' 155, כאשר אתם מכניסים תרכיז מיץ פטל פעם אחת לכוס מים קרים ופעם אחת לכוס מים חמים. עקבו אחר קצב הפעפוע של הפטל ושל המים זה בזה בכל אחד מן המקרים.

סיכום ומסקנות:

מה המסקנה מתוצאות הניסוי? האם תוצאות הניסוי אישרו את ההשערה שלכם?

תלמידים ביצעו את הניסוי הזה: הם הכניסו 3 כפיות סוכר לכוס מים חמים ו-3 כפיות סוכר למים קרים, והשאירו את שתי הכוסות ללא תנועה ובלי לערבבן. באיזו מן הכוסות יתמוסס הסוכר מהר יותר? הסבירו על פי מודל החלקיקים.

*157*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

פעפוע של גזים ושל נחלים והקשר לטמפרטורה

www.ebaghigh.cet.ac.il

היכנסו אל האתר הילקוט הדיגיטלי לחט''ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה.

היכנסו אל הנושא תהליכי שינוי בחומר ובחרו בהדמיה השפעת הטמפרטורה על קצב הפעפוע בגזים ובנחלים.

(בספר צילום מסך של "השפעת הטמפרטורה על קצב הפעפוע בגזים ובנוזלים" בילקוט הדיגיטלי)

הדמיה זו מתארת חומרים שונים, גזים או נוזלים, הנמצאים בכלי ומופרדים ביניהם באמצעות מחיצה. חלקיקי הגזים והנוזלים השונים מומחשים באמצעות כדורים בצבעים שונים.

כאשר מפעילים את ההדמיה המחיצה בין שני צדי הכלי מוסרת, ושני החומרים מפעפעים זה בזה. אפשר לשנות את הטמפרטורה בכלי באמצעות הסרגל המצויר מתחתיו.

קצב הפעפוע מומחש באמצעות העמודות המונות את כמויות החומרים משני צדי הכלי, ובאמצעות מונה הזמן. כאשר גובה העמודות מגיע, פחות או יותר, לשוויון, החומרים מפוזרים זה בזה באופן אחיד.

1. בחרו: גז או נוזל.

2. הפעילו את ההדמיה בטמפרטורות שונות בכל פעם, בכל אחד ממצבי הצבירה האלה.

3. בדקו את קצב הפעפוע בטמפרטורות השונות בגזים ובנחלים: רשמו כמה זמן (שניות) עבר עד שגובה העמודות הגיע (פחות או יותר) לשוויון.

4. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, וסכמו בה את התוצאות. נסחו כותרת לטבלה.

*158*

שאלות

1. בהדמיה מומחש המבנה החלקיקי של גזים ושל נוזלים. במה שונה המבנה החלקיקי של גזים מזה של נוזלים?

2. מה כיוון התנועה של החלקיקים בהדמיה? מה גורם להם לשנות את כיוונם?

3. נניח שבאחד הצדדים של הכלי היה ריק (ואקום), ולא גז. שערו: האם קצב הפעפוע היה שונה? נמקו את השערתכם. היעזרו בתשובתכם לשאלה 2.

4. רשמו שתי שאלות חקר שהניסוי בהדמיה עונה עליהן.

5. תלמידה רצתה להשוות בהדמיה את קצב הפעפוע בגז ובנוזל. לצורך כך השוותה בין קצב הפעפוע של נוזל ב-20 מעלות צלסיוס לבין קצב הפעפוע של גז ב-80 מעלות צלסיוס. האם תוכל התלמידה להגיע למסקנות מהשוואה זו? נמקו.

6. השוו את קצב הפעפוע בגזים ובנחלים. על-פי ההדמיה, כיצד אפשר להסביר את ההבדל במהירות הפעפוע של חומרים במצבי הצבירה השונים?

7. תלמיד ביצע ניסוי בהדמיה, ובדק פעפוע בנוזל בטמפרטורות שונות. לאחר 10 שניות עצר את ההדמיה. לפניכם הגרפים שהתקבלו. איזה גרף מתאים לטמפרטורה הנמוכה, ואיזה גרף לטמפרטורה הגבוהה? נמקו.

(בספר שני גרפים התחארים את כמות חומר א וחומר ב משני צידי הכלי, בטמפרטורה גבוהה ובטמפרטורה נמוכה)

8. תלמידה אמרה שבעקבות הניסוי בהדמיה היא מבינה מדוע ריח מתפשט מהר יותר באוויר ביום חם. הסבירו: כיצד הגיעה להבנה זו?

*159*

כיצד בנוי המוצק?

אנו דופקים בידנו על השולחן המוצק. הוא קשה, ואינו משנה את צורתו. כיצד המבנה החלקיקי של מוצקים מסביר זאת?

חלקיקי המוצק סמוכים מאוד זה לזה, מסודרים וצפופים, וביניהם פועלים כוחות משיכה חזקים מאוד. חלקיקי המוצק אינם נעים ממקום למקום, והם רועדים (נדים) במקומם. מסיבה זו היד שלנו אינה יכולה לעבור בתוך מוצקים כמו עץ, אך היא יכולה לעבור בקלות בנוזלים, שהחלקיקים שלהם יכולים לזוז ממקום למקום, ובגזים, שהחלקיקים שלהם מרוחקים מאוד זה מזה ונעים בחופשיות לכל הכיוונים.

כוחות המשיכה החזקים בין חלקיקי המוצק והתנועה המוגבלת שלהם מסבירים גם מדוע מוצקים אינם זורמים ומדוע הנפח שלהם קבוע.

- חלקיקי המוצק סמוכים מאוד זה לזה ופועלים ביניהם כוחות משיכה חזקים מאוד. הם אינם נעים ממקום למקום, אלא רועדים (נדים) במקומם.

(בספר תמונה של יד, ואיור המדגים את מבנה החלקיקים במוצק)

*160*

פעילות הדגמה

כוחות משיכה במוצק

לפניכם ערכה להדגמת הכוחות הפועלים בין החלקיקים במתכת עופרת.

מהלך הפעילות

1. לטשו את מטילי העופרת באמצעות המחדד המיוחד, עד ששטח הפנים שלהם יהיה חלק ומבריק.

2. הצמידו את שני חלקי העופרת זה לזה והדקו אותם בלחיצה בתנועה סיבובית.

3. האם המטילים נצמדו זה לזה? אם עדיין לא נצמדו, לטשו אותם שוב והדקו אותם שוב זה לזה, עד שייצמדו.

4. שערו: מה מצמיד את מטילי העופרת זה לזה?

5. נסו להפריד בין שני המטילים. האם הצלחתם?

6. תלו את מטילי העופרת הצמודים על הוו המצוי בחלקו העליון של המעמד.

7. שערו: מה יתרחש אם נתלה משקולת בת חצי ק''ג על המטילים?

8. תלו את המשקולת על הלולאה שבחלק התחתון של מטילי העופרת הצמודים.

9. תארו: מה התרחש?

10. האם תוצאות הפעילות הפתיעו אתכם? פרטו.

*161*

פעילות סיכום מידע בטבלה

כיצד מודל החלקיקים מסביר את תכונות המוצק, הנוזל וגז?

הטבלה שלפניכם מסכמת את התכונות של הגזים, של הנוזלים ושל המוצקים שהכרנו, ומתארת כיצד מודל החלקיקים מסביר כל אחת מתכונות אלה. העתיקו את הטבלה למחברת והשלימו בה את התכונה או את ההסבר החסרים. נסחו כותרת מתאימה לטבלה.

הרחבה

מוצקים גבישיים ומוצקים לא-גבישיים (אמורפיים)

החלקיקים ברוב החומרים המוצקים שאנו מכירים ערוכים במבנה מסודר. מוצקים כאלה נקראים מוצקים גבישיים, או גבישים. כאלה הם, למשל, היהלום, הברזל, מלח השולחן ועוד.

ישנם גם מוצקים לא גבישיים (אמורפיים), שבהם החלקיקים ערוכים במבנה לא מסודר (אמורפי), בדומה לחלקיקים בנוזל. זכוכית היא דוגמה למוצק לא גבישי.

הגבישים מורכבים מיחידות בסיסיות. כל יחידה מורכבת מחלקיקים שהסידור שלהם מתווה צורה תלת ממדית כלשהי – לדוגמה: קובייה, תיבה, פירמידה ועוד.

במאה שעברה התפתח חקר הגבישים למדע, הנקרא קריסטלוגרפיה. אחת המוסכמות הבסיסיות של מדע זה הייתה שגביש הוא מבנה מחזורי – כלומר, היחידות הבסיסיות מסודרות באופן החוזר על עצמו שוב ושוב בתוך הגביש. הנחה זו הייתה תקפה בעיני רוב המדענים בתחום עד לסוף המאה שעברה, ואז פורסמה תגליתו של פרופ' דן שכטמן על קיומם של גבישים שאינם מחזוריים. על תגליתו של פרופ' שכטמן, שזכה בפרס נובל בשנת 2011, מסופר בהמשך.

- זכוכית היא מוצק לא גבישי (אמורפי).

(בספר תמונה של זכוכית)

- גביש של מלח שולחן.

(בספר תמונה של גביש של מלח שולחן)

(בספר איור המתאר את היחידה הבסיסית של גביש מלח שולחן)

- ליחידה הבסיסית של גביש מלח השולחן צורה של קובייה

*162*

הרחבה

פרופסור דן שכטמן: מתגלית מדעית עד לקבלת פרס נובל

(בספר תמונה של פרופסור דן שכטמן)

פרופסור דן שכטמן הוא חוקר ישראלי במוסד הטכניון, שזכה בפרס נובל בכימיה בשנת 2011. הפרס הוענק לו בזכות תגלית שגרמה למדענים לשנות את תפיסתם בנוגע לארגון של חלקיקי החומר במוצקים גבישיים.

עד לתגלית של שכטמן הוגדר הגביש כחומר מוצק בעל מבנה מסודר ומחזורי, כלומר: שהיחידה הבסיסית שלו חוזרת על עצמה שוב ושוב בתוך הגביש, בדומה לאריחי החרסינה המרצפים את חדר האמבטיה. ליחידות אלה סימטריה סיבובית. כלומר: אם נסובב את היחידה הבסיסית היא תיראה בדיוק אותו דבר.

לדוגמה, לאריחים הריבועיים שלפניכם יש סימטריה מרובעת – אפשר לסובב אותם ארבע פעמים, כל פעם רבע סיבוב, והם ייראו בדיוק אותו הדבר.

- "ריצוף" מסודר מחזורי באריחים בעלי סימטריה משולשת, מרובעת או משושה. היחידה הבסיסית בגביש היא תלת-ממדית.

(בספר איורים המדגימים "ריצוף" של מבנים גיאומטריים שונים)

ההנחה המקובלת הייתה שגביש לא יכול להיות בנוי מיחידות בעלות סימטריה מחומשת, כמו של מחומש, בגלל שאי אפשר ליצור באמצעותן מבנה מסודר ומחזורי, כפי שאי אפשר לרצף את חדר האמבטיה באריחים מחומשים.

ב-1982 גילה שכטמן גבישים בעלי סימטריה מחומשת, שאינם מחזוריים אך הם מסודרים. גבישים אלו קיבלו את השם קוואזי-מחזוריים, כלומר: כמו-מחזוריים. בצילום למעלה נראה שכטמן מחזיק בידיו דגם של יחידה בסיסית של גביש כזה.

(בספר איור המתאר "ריצוף" יחידות בצורת מחומש)

- האם יכול להיות גביש המורכב מיחידות בסיס בעלות סימטריה מחומשת?

*163*

(דגם הממחיש סידור מסודר אך לא מחזורי של יחידות בעלות סימטריה מחומשת)

דרכו של פרופ' שכטמן לא הייתה קלה. כבר לפני כ-30 שנים הוא גילה את המבנים המיוחדים הללו וניסה לפרסם את ממצאיו, אך קהילת המדענים לא האמינה לו, והוא אף נאלץ לעזוב את קבוצת המחקר שלו. אמנם גם בניסויים אחרים הוא הראה שוב ושוב כי תגליתו נכונה, אבל המדענים סירבו לקבלה ואף לעגו לו.

אך הדבר לא ריפה את ידיו. תוצאות הניסוי של שכטמן שוחזרו שוב ושוב פעמים רבות, אך גם אז נותרו מדענים רבים שעדיין הטילו ספק בתגלית. אחד מהם היה לעוס פאולינג, הכימאי המפורסם, הנחשב למשפיע ביותר בכל המאה העשרים. פאולינג סירב להכיר בתגלית עד יום מותו(בשנת 1994).

פרופ' שכטמן המשיך במחקריו, ולבסוף הצליח להוכיח שהוא צודק. בסופו של דבר, בזכות התמדתו ונחישותו, טענתו התקבלה, ובעקבותיה אף שונתה ההגדרה המדעית של גביש בספרים. לאחרונה, כ-30 שנה לאחר תגליתו, הוא זכה בזכותה להכרה בין-לאומית.

תחנות בחייו של פרופ' דן שכטמן

1941- נולד בתל אביב.

1962 – החל ללמוד לתואר ראשון בהנדסת מכונות בטכניון.

1972 – קיבל תואר דוקטור מהטכניון, בתחום הנדסת חומרים.

1983-1981 – עבד כחוקר בארצות הברית, שם גילה לראשונה את הגבישים הקוואזי-מחזוריים.

1986- התמנה לחוקר בדרגת פרופסור מן המניין בטכניון.

1998 – זכה בפרס ישראל.

2011 – זכה בפרס נובל לכימיה.

(בספר דגם:)

דגם הממחיש סידור מסודר אך לא מחזורי של יחידות בעלות סימטריה מחומשת.

שאלה

חפשו עוד מידע על פרופ' דן שכטמן ברשת האינטרנט, והשיבו על השאלה:

כאשר לחץ פרופ' שכטמן את ידו של מלך שוודיה וקיבל ממנו את הפרס היוקרתי, המלך אמר לו: "תגליתך הזכירה לנו כמה מעט אנו יודעים באמת, ולימדה אותנו שיעור קטן בענווה".

מדוע אמר זאת המלך? הסבירו.

(בספר תמונה של המחברת של פרופ' דן שכטמן)

המחברת שבה רשם פרופ' שכטמן את תוצאות התצפיות שלו ביום הגילוי. לפניו ראו את אותן התוצאות ארבעה חוקרים אחרים, אך הם לא הבינו את מה שראו.

*164*

פעילות ניתוח ניסוי

גידול גבישים בחלל

בשנת 2003 טסה אל החלל מעבורת החלל קולומביה. על סיפונה היו 7 אסטרונאוטים, שאחד מהם היה האסטרונאוט הישראלי הראשון, אלוף-משנה אילן רמון ז"ל.

שילוב האסטרונאוט שלנו בטיסה לחלל היה מקור לגאווה רבה לישראלים. על כך נוסף עוד מקור לגאווה: סוכנות החלל האמריקנית בחרה לבצע ניסוי מקורי ומעניין, שהציעה קבוצת תלמידים ישראליים. היה זה אחד מבין ניסויים מדעיים שהציעו תלמידים מכל העולם, ושנבחרו להתבצע במעבורת במשך 16 ימי הטיסה. חלקו האחד של הניסוי תוכנן להתבצע על פני כדור הארץ, וחלקו האחר במעבורת החלל, בתנאי חוסר המשקל השוררים בה כשהיא מקיפה את כדור-הארץ.

ואכן, ראשית ביצעה את הניסוי בחלל אסטרונאוטית שהייתה במעבורת, וכעבור ימים אחדים ביצע אותו גם אילן רמון.

בפלורידה, במעבדה של מרכז החלל האמריקני, ביצעה את הניסוי 3 פעמים קבוצה קטנה של תלמידים ישראליים, שהוזמנו לארצות הברית במיוחד לשם כך.

סופה המר של הטיסה ידוע לכולנו. המעבורת קולומביה התרסקה כשנכנסה אל האטמוספרה בדרכה חזרה אל כדור-הארץ, ואילן רמון, עם שאר האסטרונאוטים, נספה. אך לפני שהאסון התרחש הספיק צוות המעבורת לבצע את הניסוי, וגם לשלוח את התוצאות אל מרכז החלל האמריקני בזמן אמת (כלומר מיד בתום הניסוי).

(בספר תמונה של אילן רמון)

אילן רמון וניסוי "הגן הכימי" במעבורת החלל "קולומביה"

תיאור הניסוי ותוצאותיו

כאשר מכניסים גביש זעיר לתמיסה מתאימה, חלקיקים מהתמיסה מצטרפים לגביש והוא גדל: לעתים במהירות רבה ולעתים באטיות. הגביש הזעיר הוא הגרעין שעליו הגביש הגדול נבנה.

בניסוי הגן הכימי מגדלים גבישים: מכניסים גבישים של מלחים שונים – סידן כלורי וקובלט כלורי – לתוך תמיסה המכונה מי זכוכית. מיד לאחר שהמלחים מוכנסים לתמיסה כל אחד מהם מתחיל להתגבש בצורה של חוטים דקיקים, דמויי ענפים, הצומחים כלפי מעלה. בכדור-הארץ גידול הגבישים מתרחש בכיוון המנוגד לכוח הכבידה, וצמיחת הגבישים מסתיימת תוך 30 דקות.

הניסוי שהציעו התלמידים הישראלים היה מבוסס על ניסוי הגן הכימי. התלמידים הציעו לחקור כיצד יגדלו הגבישים בגן הכימי בתנאים של חוסר משקל, כמו אלה הקיימים במעבורת החלל.

הניסוי הגן הכימי לא נבחר במקרה: צבעו של הסידן הכלורי לבן, וכאשר מכניסים קובלט כלורי אל מי זכוכית צבעו משתנה מאדום לכחול. צבעי הכחול והלבן של הגבישים סימלו את צבעי הדגל של מדינת ישראל.

*165*

צילומי הניסויים שהתבצעו במעבורת החלל הראו את מהלך גידול הגבישים בחלל, בתנאי חוסר המשקל ששררו בה כשהיא ריחפה הרחק מעל כדור-הארץ. הסידן הכלורי התחיל להתגבש בצורה של כדור סימטרי לבן, ואחרי-כן התחיל להצמיח חוטים עבים של גבישים לכיוונים אקראיים. הקובלט הכלורי התגבש בצורת גוש כדורי כחול בעל בליטות היפים לצדדים שונים. תהליך ההתגבשות הסתיים כעבור יותר מ-24 שעות.

(בספר תמונה של תוצאות הניסוי)

- תוצאות הניסוי בגבישי סידן כלורי בכדור הארץ

- תוצאות הניסוי בגבישי סידן כלורי בחלל

שאלות

1. מטרת הניסוי הייתה לחקור את תהליכי ההתגבשות של גביש. מה הייתה שאלת החקר שנשאלה במחקר?

2. מה לדעתכם שיערו התלמידים שתכננו את הניסוי?

3. מה הייתה הבקרה לניסוי שנוסה בחלל? הסבירו.

4. מה היה הגורם המשפיע ומה היה הגורם המושפע בניסוי?

5. השוו את התוצאות שהתקבלו בחלל לתוצאות שהתקבלו על כדור-הארץ.

6. מהי המסקנה העולה מהניסוי?

7. נסחו שאלות חקר חדשות העולות מן הניסוי.

8. ניסוי זה נרשם בספר השיאים של גינס. בדקו באינטרנט בזכות מה נרשם הניסוי בספר השיאים.

*166*

סיכום

- כל החומרים בנויים מחלקיקים זעירים, וביניהם רווחים שבהם אין שום חומר (ריק). החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת, ופועלים ביניהם כוחות משיכה.

- באמצעות מודל החלקיקים אפשר להסביר את ההבדלים הקיימים בין חומרים, את התכונות השונות של מצבי הצבירה ותופעות שונות הקשורות בחומרים.

- חלקיקי הגז רחוקים מאוד זה מזה, הם נעים במהירות לכל הכיוונים וכמעט שלא פועלים ביניהם כוחות משיכה.

- חלקיקי הנוזל סמוכים זה לזה ופועלים ביניהם כוחות משיכה חזקים. הם יכולים להחליק זה על גבי זה ולהחליף מקומות.

- חלקיקי המוצק סמוכים מאוד זה לזה ופועלים ביניהם כוחות משיכה חזקים מאוד. הם אינם נעים ממקום למקום, אלא רועדים (נדים) במקומם.

- פעפוע הוא התפשטות של חומר או התערבבות של חומרים ללא כל התערבות חיצונית, כתוצאה מהתנועה העצמית של החלקיקים.

- לחץ הגז הוא הכוח שהגז מפעיל על דופנות הכלי שבו הוא נמצא. כוח זה נובע מהתנגשויות חלקיקי הגז בדפנות.

- לחץ של גז בתוך כלי מושפע מגורמים שונים, ובהם נפח הכלי שבו הגז נמצא, כמות הגז בכלי והטמפרטורה של הגז.

שאלות סיכום

1. מתוך בקבוק מלא באוויר נשאב חלק מהאוויר. מה אפשר לומר על חלקיקי האוויר שנותרו בבקבוק אחרי השאיבה?

א. מספרם לא השתנה, והם מרוכזים בחלקו העליון של הבקבוק.

ב. הם מעטים יותר, והם מפוזרים באופן אחיד בכל הבקבוק.

ג. הם מעטים יותר, והם מרוכזים בתחתית הבקבוק.

ד. מספרם לא השתנה, והם מפוזרים באופן אחיד בכל הבקבוק.

2. במה דומה ברזל לפחם?

א. לשניהם חלקיקים כהים.

ב. לשניהם חלקיקים קשים.

ג. לשניהם חלקיקים מוצקים.

ד. בשניהם החלקיקים מסודרים וסמוכים זה לזה.

*167*

3. מדענים איתרו חומר בלתי מוכר על המאדים והתלבטו אם הוא מוצק או נוזל. כשבדקו את המבנה החלקיקי שלו התקבל המבנה הזה:

א. מה מצב הצבירה של החומר?

ב. בזכות איזה מן המאפיינים שלפניכם הגעתם להחלטה? נמקו.

1. החלקיקים סמוכים זה לזה.

2. החלקיקים אינם מסודרים.

3. החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת.

4. איזו תכונה מאפיינת רק את המבנה החלקיקי של מוצקים?

א. בין החלקיקים קיימים כוחות משיכה.

ב. בין החלקיקים קיים ריק.

ג. החלקיקים אינם משנים את מקומם.

ד. החלקיקים סמוכים זה לזה.

5. מה נכון ומה אינו נכון בנוגע לנוזלים בתיאורים שלפניכם?

א. החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת.

ב. בין החלקיקים קיים ריק.

ג. החלקיקים נעים לכל הכיוונים בצורה חופשית.

ד. החלקיקים סמוכים זה לזה.

ה. החלקיקים משנים את מקומם.

ו. כוחות המשיכה הפועלים בין החלקיקים חלשים מאוד.

6. למוצקים צורה קבועה. מה יכול להסביר זאת?

א. חלקיקי המוצק אינם נעים ממקום למקום.

ב. חלקיקי המוצק קרובים זה לזה.

ג. לחלקיקי המוצק צורה קבועה.

ד. לחלקיקי המוצק נפח קבוע.

7. גזים ניתנים לדחיסה, נוזלים כמעט ואינם ניתנים לדחיסה, ואילו מוצקים אינם ניתנים לדחיסה כלל. איזו מן הטענות שלפניכם יכולה להסביר תופעה זו? הסבירו כיצד.

א. נפח החלקיקים שונה בגזים, בנוזלים ובמוצקים.

ב. המרחק בין החלקיקים שונה בגזים, בנוזלים ובמוצקים.

ג. צורת החלקיקים שונה בגזים, בנוזלים ובמוצקים.

8. טיפת מים נשארת שלמה ואינה מתפצלת לטיפות קטנות. כיצד?

א. חלקיקי הנוזל מחליקים זה על זה.

ב. חלקיקי הנוזל מושכים זה את זה.

ג. חלקיקי הנוזל סמוכים זה לזה.

ד. חלקיקי הנוזל גמישים.

*168*

9. מדוע מסוכן להמם כלי סגור שיש בו גז?

10. תארו את הקשר בין המשתנים שלפניכם כשמדובר בגזים.

א. טמפרטורה – לחץ

ב. כמות-לחץ

ג. קצב התנגשויות – לחץ

ד. נפח-לחץ

ה. טמפרטורה – מהירות חלקיקים

11. תלמידים ערכו ניסוי.

הם מילאו כוסות בנפח שווה של מים.

בכוס א מילאו מים בטמפרטורה של 10 מעלות צלסיוס ובכוס ב – בטמפרטורה של 50 מעלות צלסיוס. התלמידים טפטפו בזהירות לכל כוס 10 טיפות של צבע, והשאירו את הכוסות ללא תנועה ובלי לערבבן.

לאחר זמן מה הבחינו התלמידים כי הצבע בכוס ב(בטמפרטורה הגבוהה יותר) התפשט מהר יותר מאשר בכוס א.

א. כיצד התפשט הצבע במים אף שלא ערבבו אותם? איך נקרא תהליך זה?

ב. הסבירו על-פי מודל החלקיקים: מדוע בכוס ב התפשט הצבע מהר יותר?

12. פעפוע מתרחש בגזים ובנחלים, ואילו במוצקים כמעט שלא קיים פעפוע. היזכרו במבנה החלקיקי של גזים, של נוזלים ושל מוצקים, והסבירו מדוע.

13. הסבירו את התופעות שלפניכם על-פי מודל החלקיקים.

א. ריח הלחם הטרי הנאפה במאפייה מתפשט בכל רחבי החנות.

ב. צמיגי מכוניות עלולים להתפוצץ במזג אוויר חם.

ג. צורת הכיסא אינה משתנה כשיושבים עליו.

ד. כשמעבירים חלב מבקבוק גדול לכוס קטנה, נפח החלב אינו משתנה.

ה. כאשר מנפחים את הבלון יותר מדי הוא מתפוצץ.

*169*

(בספר תמונה של אש מניעה כדור פורח)

פרק 6: חום ושינויים בחומר

פרק 6: חום ושינויים בחומר

מושגים שנכיר:

חום

טמפרטורה

אנרגיה תרמית

הולכה, הסעה, קרינה

שינוי פיזיקלי

היתוך, קיפאון, רתיחה, אידוי, עיבוי

נקודת רתיחה (ועיבוי) ונקודת היתוך (וקיפאון)

בפרק זה נלמד ש:

- חום וטמפרטורה הם מושגים שונים.

- חימום או קירור גורמים שינויים שונים בגופים, כגון שינויי מצב צבירה, שינויי טמפרטורה ושינויי נפח.

- קיימות דרכים שונות למעבר חום: קרינה, הסעה או הולכה.

- באמצעות מודל החלקיקים אפשר להסביר את השינויים החלים בחומר בחימום או בקירור.

*170*

מבוא

מה המשותף לתופעות האלה: סיר מרק מתחמם על האש; לבה נוזלית וחמה מתפרצת מלוע הר הגעש, מתקררת והופכת לסלעים מוצקים; מטר של ברד יורד מן העננים; כדורים פורחים ובהם אוויר חם עולים לשמים; חוטי החשמל מתארכים ביום חם?

בכל התופעות האלה חלים שינויים בחומרים בהשפעת חימום או קירור, אם בתהליכים טבעיים ואם בתהליכים מעשה ידי האדם. ההשפעה של מעברי חום על החומר היא עוד דוגמה לכך שחומרים ואנרגיה – שני הנושאים שספר זה עוסק בהם – שלובים יחד גם בעולם הטבעי וגם בעולם הטכנולוגי. בפרק הראשון של הספר ראינו כי לגופים, הבנויים מחומרים, יש אנרגיה מסוגים שונים. בפרק זה נלמד על אחד מסוגי האנרגיה – חום, העובר מגוף לגוף ומשפיע על הגופים ועל החומרים הבונים אותם.

מעברי חום בין גופים יכולים לגרום שינויים שונים בחומרים הבונים אותם – שינויים בטמפרטורה, המלווים בשינויי הנפח או הלחץ של החומר, ושינויים במצב הצבירה, שבהם האופן שבו חלקיקי החומר צבורים משתנה. שינויים אלה הם שינויים פיזיקליים – משתנה בהם המצב של החומר, אך הרכב החומר אינו משתנה. לדוגמה: כאשר הקרחונים בקוטב מפשירים, המים הקפואים המרכיבים אותם ניתכים והופכים למים נוזלים. בתהליך זה מצב הצבירה של החומר משתנה ממוצק לנוזל, אך החומר עצמו אינו משתנה.

חום יכול לגרום בחומרים גם שינויים כימיים, שבהם החומר עצמו משתנה: הוא מתפרק לחומרים חדשים, או שהוא מתרכב עם חומרים אחרים ונוצרים חומרים חדשים. בנושא הזה נעסוק בשנה הבאה.

מהו חום? מה בין חום לבין טמפרטורה?

כיצד חום עובר מגוף לגוף?

כיצד החום משפיע על החומר?

בפרק הזה נעסוק בשאלות האלה.

- המים הקפואים שבקרחון ניתכים והופכים למים נוזלים. זהו שינוי פיזיקלי.

(בספר תמונה של המים הקפואים שבקרחון)

- היווצרות חלודה על חפץ עשוי מברזל היא שינוי כימי.

(בספר תמונה של היווצרות חלודה)

*171*

חום וטמפרטורה

מהו חום?

אנו מחזיקים בידינו את כוס התה ומרגישים שהיא חמה. אנו הולכים ברגליים יחפות על הרצפה ומרגישים שהיא קרה. בכל התהליכים האלה התרחשו מעברים של אנרגיה בין גוף חם לגוף קר ממנו – בין הכוס לבין היד או בין הרגל לבין הרצפה. האנרגיה העוברת בין הגופים נקראת חום.

- חום הוא אנרגיה העוברת בין גוף חם יותר (בטמפרטורה גבוהה יותר) לבין גוף קר יותר (בטמפרטורה נמוכה יותר).

מהי טמפרטורה?

הטמפרטורה היא משהו שכל אחד מאתנו יכול לחוש, והיא מבטאת עד כמה גוף כלשהו חם או קר. אפשר למדוד את הטמפרטורה באמצעות מד-טמפרטורה (בשפת היומיום הוא מכונה "מד-חום"), והיא נמדדת ביחידות של מעלות צלזיוס. הטמפרטורה קשורה לתנועת החלקיקים בחומר: לכל חלקיק חומר יש מהירות ויש אנרגיית תנועה. טמפרטורה גבוהה מעידה שחלקיקי החומר נעים מהר יותר ושאנרגיית התנועה שלהם גבוהה יותר, ולהיפך: טמפרטורה נמוכה מעידה שהחלקיקים נעים לאט יותר ושאנרגיית התנועה שלהם נמוכה יותר.

- הטמפרטורה של גוף כלשהו מבטאת עד כמה הוא חם או קר.

הטמפרטורה היא מדד למהירות ולאנרגיית התנועה של החלקיקים בחומר.

שאלות

1. אורכם של החצים באיורים האלה ממחיש את מהירות החלקיקים. באיזה איור מתואר חומר שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר?

(איור א)

(איור ב)

2. חום הוא:

א. ביטוי אחר לטמפרטורה.

ב. אנרגיה שיש לגוף חם.

ג. אנרגיה העוברת מגוף חם אל גוף קר ממנו.

ד. מעבר טמפרטורה מגוף לגוף.

*172*

מעבר חום בין גופים

בחדר יש מיטה, מצעים, ספר, שולחן, כוס מלאה במים ועוד. מה תוכלו להגיד על הטמפרטורות של הגופים האלה?

חום עובר בין גופים שהטמפרטורות שלהם שונות זו מזו, מן הגוף החם אל הגוף הקר ממנו, עד שהטמפרטורות שלהם משתוות. כאשר גוף מאבד חום הוא מתקרר, כלומר: הטמפרטורה שלו יורדת, וכאשר גוף מקבל חום הוא מתחמם, כלומר: הטמפרטורה שלו עולה.

חום עובר מגוף חם יותר לגוף קר יותר, עד שהטמפרטורות שלהם משתוות. (בספר איור – היעזרו במנחה)

(בספר תרשים המתאר את מעבר החום מגוף חם לגוף קר)

מסיבה זו תמיד יגיעו כל הגופים בחדר לטמפרטורה של סביבתם הקרובה. אם נכניס לחדר כוס מים קרים יתחממו המים שבכוס לאחר זמן מה והטמפרטורה שלהם תהיה שווה לטמפרטורה של הסביבה, ולהיפך: אם נכניס לחדר כוס מים חמים יעבור חום מן המים החמים לסביבה הקרובה והמים שבכוס יתקררו, עד שהטמפרטורה של המים בכוס תהיה שווה לטמפרטורה של הסביבה.

- חום עובר תמיד מגוף חם יותר לגוף קר יותר, עד שהטמפרטורות של הגופים משתווה.

- כאשר גוף מקבל חום הוא מתחמם. כאשר גוף מאבד חום הוא מתקרר.

שאלות

1. מאיזה גוף לאיזה גוף עבר החום במצבים שלפניכם?

א. שירה דרכה ברגליים יחפות על הרצפה הקרה.

ב. מתן מזג מים חמים לכוס קרה.

ג. דור הכניס בקבוק משקה פושר למקרר. לאחר כשעה המשקה התקרר מאוד.

2. מניחים בקבוק מים קרים בתוך קערה המלאה במים חמים יותר.

א. מאיזה גוף לאיזה גוף יעבור החום?

ב. מה יקרה לטמפרטורות? הסבירו.

3. מה נכון לומר על התהליך שתואר בשאלה הקודמת?

א. טמפרטורה עברה ממי הקערה אל הבקבוק.

ב. חום עבר מהבקבוק אל מי הקערה.

ג. חום עבר ממי הקערה אל הבקבוק.

ד. טמפרטורה עברה מהבקבוק אל מי הקערה.

4. אבא אמר: "סגרו בבקשה את דלת המקרר, כדי שהקור לא יצא החוצה.

במה אבא טעה? נסחו את דבריו בצורה נכונה.

*173*

פעילות ניסוי

מעבר חום בין שני גופי מים

מסרת הניסה: מעקב אחרי החום העובר בין שני גופים.

ציוד: מבחנה שבה 10 סמ''ק מים בטמפרטורת החדר (מי ברז), כוס כימית שבה 100 סמ''ק מים רותחים, 2 מדי טמפרטורה.

השערה: נניח את המבחנה בכוס. שערו מה יקרה לטמפרטורה של המים במבחנה ולטמפרטורה של המים בכוס כעבור זמן.

מהלך הניסוי:

א. מדדו את טמפרטורת המים במבחנה ובכוס הכימית, ורשמו את הטמפרטורות.

ב. הניחו את המבחנה שבה מי הברז בתוך המים שבכוס הכימית.

ג. מדדו את הטמפרטורה בכל אחד משני הכלים באמצעות מדי הטמפרטורה כל 30 שניות במשך 5 דקות.

תוצאות

א. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, וכתבו בה את תוצאות המדידות. נסחו כותרת לטבלה.

ב. יצגו את התוצאות בגרפים: גרף אחד לטמפרטורה של המים במבחנה וגרף שני לטמפרטורה של המים בכוס.

ג. תארו במילים מה קרה לטמפרטורות שני הכלים במהלך הניסוי.

סיכום והסקת מסקנות:

1. מה עבר בין שני הכלים? כיצד אתם יודעים זאת?

2. תארו את כיוון התהליך.

3. שאלו שאלות שהתעוררו בעקבות הניסוי.

באילו דרכים עובר חום?

כשאנחנו מערבבים תה חם בכפית מתכת, בתחילה רק קצה הכפית הטבול בתה מתחמם, אך לאחר זמן מה אנו מרגישים שהכפית כולה התחממה; כשאנחנו מחממים מרק על האש, בתחילה רק המרק שבתחתית הסיר מתחמם, אך עד מהרה המרק כולו מתחמם; כשקרינת השמש פוגעת בקולטים המחוברים לדוד השמש שעל גג הבית, המים שבתוכו מתחממים. בכל המקרים האלה חום עובר ממקום חם יותר למקום קר יותר, אבל בדרכים שונות.

באילו דרכים החום עובר?

- חום יכול לעבור בשלוש דרכים: הולכה, הסעה וקרינה.

הולכה

כשטובלים את הקצה של כפית המתכת בתה החם, חום עובר מן התה לקצה הכפית הטבול בו. החום גורם לחלקיקי המתכת שבקצה הכפית להתנועע מהר יותר ולהתנגש בשכניהם, ואלו מתחילים אף הם להתנועע מהר יותר. בדרך זו החום מועבר לאורך כל הכפית. לאחר זמן מה חלקיקי המתכת בכל הכפית נעים מהר יותר, והכפית כולה מתחממת.

שאלה למחשבה: מה קורה למים החמים שטובלים בהם את הכפית הקרה?

- הולכה היא מעבר חום באמצעות תנועת חלקיקי החומר עצמם. האנרגיה מועברת באמצעות התנגשויות חלקיקי החומר בחלקיקים שלידם.

(בספר איור המתאר העברת חום באמצעות הולכה)

הסעה

כשמחממים מרק בסיר, המרק שבתחתית מתחמם קודם, ובהמשך החום עובר למרק כולו. במקרה זה החום עובר בעיקר באמצעות הסעה. הסעה מתרחשת בנוזלים ובגזים באמצעות זרימה ממשית של גושי חומר, המעבירים אתם את האנרגיה ממקום למקום. בסיר המרק מתרחשת זרימה מתמדת של נוזל. המרק שבתחתית הסיר מתחמם ועולה למעלה, ובמקומו מגיע אל התחתית מרק בטמפרטורה נמוכה יותר. זה מתחמם ועולה שוב כלפי מעלה. באופן כזה מתערבב המרק בסיר, עד שהטמפרטורה של המרק בכל הסיר שווה.

- הסעה היא מעבר חום באמצעות זרימה של גושי חומר (ולא באמצעות תנועה של חלקיקים בודדים).

(בספר איור המתאר מעבר חום באמצעות הסעה)

קרינה

קולטי השמש על גג הבית קולטים חום שמקורו בשמש באמצעות קרינה. כאשר הקרינה פוגעת בגוף היא נבלעת בו ומחממת אותו. קרינה איננה זקוקה לחומר כדי לנוע. לכן, בניגוד להולכה ולהסעה, מעבר באמצעות קרינה איננו תלוי בהימצאותו של חומר זה או אחר בין המקומות שבהם עובר החום. לדוגמה, השמש נמצאת במרחק של כ-150 מיליון קילומטרים מכדור-הארץ. בין כדור-הארץ לבין השמש משתרע חלל ריק מחומר (ריק). הקרינה עוברת דרכו ומגיעה אל כדור-הארץ. היא פוגעת בגופים שונים ומחממת אותם.

- קרינה היא מעבר חום המתרחש גם בריק, ללא נוכחות של חומר כלשהו בין הגופים.

(בספר איור המתאר מעבר חום באמצעות קרינה)

הרחבה

כיצד נוצרת רוח?

רוח נוצרת כתוצאה מזרמי הסעה של אוויר באטמוספרה. הטמפרטורות במקומות שונים באטמוספרה שונות זו מזו. למשל, ביום חם האוויר שמעל היבשה חם מן האוויר שמעל הים. האוויר החם (הצפוף פחות) עולה כלפי מעלה, ואת מקומו תופס אוויר קר יותר שמגיע מכיוון הים. מסיבה זו בימים חמים אנו נהנים מן ה"בריזה', הקרירה הנושבת מן הים.

*176*

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

כיצד חום עובר ממקום למקום?

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט .הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו באנימציה כיצד חום עובר ממקום למקום?

הפעילו את האנימציה של כל אחת מדרכי מעבר החום – הולכה, הסעה וקרינה.

תארו כיצד החום עובר בכל אחת מן הדרכים. מהם ההבדלים ביניהן?

שאלות

1. לפניכם צילומים של מצבים שבהם מתרחש מעבר של חום. תארו את דרך מעבר החום בכל מצב – הולכה, הסעה, או קרינה. אם לדעתכם מתקיימת יותר מדרך אחת שבה החום עובר, ציינו זאת והסבירו.

(בספר תמונות של מייבר שיער, כוס משקה חם בידיים, רדיאטור, בקבוק מים בקרח, שמש וים, אח בוערת )

מייבש שיער, כוס משקה חם בידיים, רדיאטור, בקבוק מים בקרח, שמש וים, אח בוערת.

2. מדוע קר לנו כשאנו נכנסים לבריכה קרירה? באיזו דרך עובר החום במקרה הזה, ומאיזה גוף לאיזה גוף?

3. מדוע חם לנו כשאנו נוגעים במכסה מתכת המכסה סיר מרק רותח? באיזו דרך עובר החום במקרה הזה, ומאיזה גוף לאיזה גוף?

4. האם ייתכן שהשמש תחמם את כדור הארץ באמצעות הסעה? הסבירו.

כיצד חום משפיע על החומר?

חום עובר בין גופים שונים ובין חפצים שונים בסביבתנו, גם באופן טבעי, לדוגמה מקרינת השמש, וגם כתוצאה מפעילות האדם. כיצד החום משפיע על החומר?

מבחינים בשני שינויים עיקריים שהחום גורם בחומרים:

1. שינוי טמפרטורה – תוספת או איבוד של חום יכולים לגרום לשינוי טמפרטורה בחומר – החומר יתחמם או יתקרר.

2. שינוי במצב הצבירה של החומר – כאשר החומר מקבל או מאבד כמות חום המספיקה לכך, הוא יכול לעבור ממצב צבירה אחד למצב צבירה אחר.

חום ושינויים במצב הצבירה

שוקולד הניתך בסיר, מים הקופאים במקפיא או מים המתאדים מן השלוליות – תהליכים אלה הם דוגמאות לשינויים במצב הצבירה היכולים להתרחש כשחום נוסף לגוף או כשגוף מאבד חום.

כאשר מצב הצבירה של חומר משתנה, משתנה האופן שבו חלקיקי החומר שלו צבורים, כלומר: משתנים סידור החלקיקים, הכוחות הפועלים ביניהם ואופן תנועתם. בכל השינויים הללו החומר עצמו אינו משתנה – הוא אינו הופך לחומר אחר. מסיבה זו שינוי במצב הצבירה של חומר הוא דוגמה לשינוי פיזיקלי. גם מספר החלקיקים אינו משתנה בתהליך זה, כלומר: אם איננו מוסיפים חומר או גורעים ממנו, המסה שלו נשמרת.

שינויים במצב הצבירה של חומר יכולים להתרחש לכיוונים שונים: מוצקים יכולים להפוך לנוזלים, נוזלים יכולים להפוך למוצקים או לגזים, וגזים יכולים להפוך לנוזלים.

- תהליך שבו החומר משנה את הצורה שבה הוא צבור (מצב הצבירה) בלי שהחומר עצמו ישתנה נקרא שינוי במצב הצבירה.

הדוגמה המוכרת ביותר לשינוי במצב הצבירה היא המים, שאנו מכירים בכל שלושת מצבי הצבירה שלהם: מוצק (קרח), נוזל וגז (אדי מים).

התרשים שלפניכם מציג את השינויים במצבי הצבירה ובמבנה החלקיקי של מים בעקבות חימום או קירור: (בספר תרשים – היעזרו במנחה)

(בספר תרשים המציג שינויים במצבי צבירה ובמבנה חלקיקי מים בעקבות חימום או קירור)

בניסוי הבא נחמם מים, ונבדוק כיצד תוספת חום למים משפיעה על הטמפרטורה שלהם ועל מצב הצבירה שלהם.

היתוך – מעבר של חומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל.

קיפאון – מעבר של חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה מוצק.

אידוי או רתיחה – מעבר של חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז.

עיבוי – מעבר של חומר ממצב צבירה גז למצב צבירה נוזל.

*178*

פעילות ניסוי

כיצד משפיע חימום על הטמפרטורה של מים?

מטרת הניסוי: לבדוק את השינויים בטמפרטורה של מים במהלך חימום.

ציוד: כוס כימית של 250 מ"ל, מים, כוהליה או כירה חשמלית, שעון עצר או שעון רגיל, תלת רגל, רשת קרמית, גפרורים, מד טמפרטורה.

השערה: שערו מה יקרה לטמפרטורה של המים כשתחממו אותם.

מודל הניסוי:

א. מזגו מים לכוס הכימית עד מחציתה.

ב. הכניסו למים מד טמפרטורה ומדדו את הטמפרטורה שלהם. טמפרטורה זו היא הטמפרטורה ההתחלתית – בזמן 0.

ג. חממו את המים שבכוס באמצעות כוהליה או באמצעות כירה חשמלית.

ד. עקבו אחר שינוי הטמפרטורה באמצעות מד הטמפרטורה. הקפידו שמד הטמפרטורה לא ייגע בתחתית הכוס.

ה. מדדו את הטמפרטורה כל דקה ורשמו את תוצאות המדידות בטבלה.

ו. המשיכו למדוד את הטמפרטורה עד שלוש דקות לאחר התחלת הרתיחה (שלוש דקות לאחר השלב שבו בועות רבות עולות מכל נפח המים).

תוצאות:

א. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת ומלאו בה את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.

ב. יצגו את התוצאות גם בגרף.

ג. סכמו את התוצאות:

באילו שינויים במים הבחנתם במהלך הניסוי?

כיצד השתנתה טמפרטורת המים במהלך החימום?

בשלב כלשהו הטמפרטורה של המים נשארה קבועה אף שהמשכנו לחמם אותם. מה הייתה הטמפרטורה של המים בשלב זה? איזה תהליך עבר החומר בטמפרטורה זו?

סיכום והסקת מסכנות:

1. מה גרם למים לשנות את הטמפרטורה במהלך ההתנסות? מה סיפקנו למים?

2. האם התוצאות הפתיעו אתכם? תארו: מה שיערתם שיקרה? מה הפתיע אתכם?

3. אילו שאלות עולות בכם בעקבות הניסוי?

*179*

הגרף שלפניכם מציג את השינוי בטמפרטורה של המים ואת השינוי במצב הצבירה שלהם בעקבות תוספת של חום. (בספר גרף – היעזרו במנחה)

(בספר גרף המתאר שינוי טמפרטורה של מים ושינוי מצב הצבירה שלהם בעקבות תוספת חום)

בגרף מומחשות התופעות האלה:

1. שינוי מצב הצבירה מתרחש בטמפרטורות מסוימות. אלה הן נקודת ההיתוך ונקודת הרתיחה.

2. כאשר מחממים מים הטמפרטורה שלהם עולה עד טמפרטורה מסוימת, ובטמפרטורה זו מצב הצבירה שלהם משתנה.

3. כאשר מצב הצבירה של המים משתנה, הטמפרטורה שלהם אינה משתנה.

נקודת רתיחה (עיבוי) ונקודת היתוך (קיפאון)

כשמחממים מים במצב מוצק שהטמפרטורה שלהם היא 0 מעלות צלסיוס הם ניתכים – עוברים ממצב הצבירה מוצק למצב הצבירה נוזל. כשמקררים מים נוזלים שהטמפרטורה שלהם היא 0 מעלות צלסיוס הם קופאים – עוברים ממצב הצבירה נוזל למצב הצבירה מוצק.

ההיתוך והקיפאון מתרחשים באותה טמפרטורה. הטמפרטורה הזו היא נקודת ההיתוך (או נקודת הקיפאון) של החומר. אם נחמם חומר במצב מוצק בנקודת ההיתוך שלו הוא יותך לנוזל, ואם נקרר את אותו החומר באותה טמפרטורה כשהוא במצב נוזל, הוא יקפא למוצק.

הרתיחה והעיבוי גם הן מתרחשות באותה טמפרטורה. הטמפרטורה הזו היא נקודת הרתיחה (או נקודת העיבוי) של החומר. אם נחמם חומר במצב נוזל בנקודת הרתיחה שלו הוא ירתח ויהפוך לגז, ואם נקרר את אותו החומר באותה הטמפרטורה כשהוא במצב של גז, הוא יתעבה ויהפוך לנוזל.

נקודות ההיתוך והרתיחה אופייניות לכל חומר, והן שונות מאחד לאחר.

- חימום או קירור של חומר בנקודת ההיתוך או בנקודת הרתיחה שלו משנים את מצב הצבירה שלו.

*180*

שינוי הטמפרטורה בזמן חימום

כאשר מחממים חומר במצב מוצק תוספת האנרגיה גורמת עלייה במהירות החלקיקים, והטמפרטורה של החומר עולה עד לנקודת ההיתוך שלו.

בנקודה זו מצב הצבירה של החומר משתנה אך הטמפרטורה שלו אינה משתנה, אף שאנחנו ממשיכים לספק לו חום. מדוע?

בנקודת ההיתוך תוספת האנרגיה בחימום מושקעת בשינוי מצב הצבירה ממוצק לנוזל: החלקיקים מתרחקים מעט זה מזה, נעים ממקום למקום ועוברים מהמצב המסודר של מוצק למצב המסודר פחות של נוזל. בנקודה זו מהירות החלקיקים אינה משתנה, ולכן הטמפרטורה נשארת קבועה.

בהמשך החימום, לאחר שכל החומר הפך לנוזל, שוב חלה עלייה בטמפרטורה, עד לנקודה הבאה – נקודת הרתיחה – שבה החומר עובר ממצב הצבירה נוזל למצב הצבירה גז. גם בנקודה זו הטמפרטורה אינה משתנה, ותוספת האנרגיה בחימום מושקעת בשינוי מצב הצבירה. אם ממשיכים לחמם את הגז תוספת האנרגיה מגבירה את מהירות החלקיקים, והטמפרטורה של הגז עולה.

- כאשר מחממים חומר בנקודת ההיתוך או בנקודת הרתיחה שלו, כל האנרגיה מושקעת בשינוי מצב הצבירה ולכן הטמפרטורה אינה משתנה.

אידוי ורתיחה

חומרים יכולים לעבור ממצב של נוזל למצב של גז גם בטמפרטורות הנמוכות מנקודת הרתיחה שלהם. יעידו על כך תופעות יומיומיות כמו רצפה או כביסה רטובה המתייבשות. התופעות האלה מתרחשות כתוצאה מתהליך של אידוי, שבו המים שהיו על הרצפה או שהיו ספוגים בחולצה התאדו מהן – הפכו מנוזל לגז. אם כך, אידוי יכול להתרחש בכל טמפרטורה, ואילו רתיחה מתרחשת בנקודת הרתיחה בלבד. הבדל אחר בין רתיחה לאידוי הוא שבאידוי רק חלקיקי הנוזל הסמוכים לשטח הפנים של הנוזל עוברים למצב צבירה של גז, ואילו ברתיחה הנוזל שבכל נפח הכלי הופך לגז. אנו יכולים לראות זאת בבועות הגז הרבות העולות למעלה מכל נפח הנוזל כשהוא רותח.

(בספר תמונות של מים רותחים בסיר, ומי שלולית מתאדים, ואיורים של התנהגות החלקיקים בכל אחד מהמצבים)

- אידוי מתרחש בכל טמפרטורה, ובאידוי הופך לגז רק הנוזל משטח הפנים שלו. רתיחה מתרחשת בנקודת הרתיחה בלבד, וברתיחה הופך לגז כל נפח הנוזל.

*181*

פעילות אל הרשת

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

חימום של מים

היכנסו אל האתר הילקוט הדיגיטלי לחט''ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בפעילות שינויים במצבי הצבירה.

(בספר צילום מסך מתוך "שינויים במצב הצבירה" בילקוט הדיגיטלי)

בהדמיה זו תוכלו לחמם מים ממצב הצבירה מוצק (קרח) ועד למצב הצבירה גז (אדי מים), ולעקוב אחר השינויים החלים בחומר במהלך החימום.

הפעילו את ההדמיה. חממו את המים עד שיהפכו לגז.

1. באילו שינויים אתם מבחינים?

2. מה אינו משתנה בתהליך?

3. לפניכם הגרף שהתקבל בהדמיה. באותיות א-ה מסומנים השלבים השונים בחימום של מים ממצב הצבירה מוצק (קרח) עד למצב הצבירה גז (אדי מים).

(בספר גרף המציג שינויים בטמפרטורה ובמצב הצבירה של מים במהלך חימום)

(בספר גרף – היעזרו במנחה)

שינויים בטמפרטורה ובמצב הצבירה של מים במהלך חימום

א. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, והשלימו את הפרטים החסרים בה. ליד כל שלב כתבו אם טמפרטורת המים ומצב הצבירה שלהם השתנו בו או לא.

ב. האם מהירות החלקיקים השתנתה בשלבים ב ו-ד? כיצד אתם יודעים זאת?

*182*

המראה וריבוץ

ישנם חומרים שיכולים לעבור ישירות ממצב הצבירה מוצק למצב הצבירה גז, ובחזרה – ממצב הצבירה גז למצב הצבירה מוצק. חומר כזה הוא, לדוגמה, פחמן דו-חמצני (במצב מוצק נקרא "קרח יבש").

התהליך שבו חומר עובר ישירות ממצב מוצק למצב גז נקרא המראה.

התהליך שבו חומר עובר ישירות ממצב גז למצב מוצק נקרא ריבוץ.

(בספר תמונה של המראה של "קרח יבש")

שאלות

1. חום וטמפרטורה הם מושגים שונים. כיצד הגרף המתאר את שינוי הטמפרטורה של מים במהלך חימום ממחיש זאת?

2. לפניכם תמונות המתארות תהליכים שונים. רשמו איזה תהליך של שינוי במצב הצבירה מתואר בכל תמונה?

1. מחממים חמאה במחבת.

(בספר תמונה של מחממים חמאה במחבת)

2. הלבה החמה מתקררת והופכת לסלע.

(בספר תמונה של הלבה החמה מתקררת הופכת לסלע)

3. על דופנות הפחית הקרה מופיעות טיפות מים.

(בספר תמונה של דופנות הפחית)

4. מחממים מים בסיר עד שהם מבעבעים.

(בספר תמונה של איור 4, 5 ו-6)

5. נר דולק.

6. על הראי במקלחת מופיעות טיפות מים.

*183*

3. לפניכם גרף המתאר את השינויים בטמפרטורה של כסף בזמן חימומו. (היעזרו במנחה)

א. מה היה מצב הצבירה של הכסף בכל אחד מהשלבים א, ג ו-ה?

ב. איך נקרא התהליך שעבר הכסף בשלב ב?

ג. איך נקרא התהליך שעבר הכסף בשלב ד?

ד. מהי בערך נקודת ההיתוך של כסף? כיצד ידעתם זאת?

חימום בסף

ה. מהי בערך נקודת הרתיחה של כסף? כיצד ידעתם זאת?

(בספר גרף המתאר שינויים בטמפרטורה של כסף במהלך חימומו)

4. איזה תהליך מתואר באיור שלפניכם? (היעזרו במנחה)

(בספר איור המתאר תהליך פיזיקלי)

א. אידוי או רתיחה

ב. עיבוי

ג. קיפאון

ד. היתוך

5. התכנו שוקולד בסיר. ציירו במחברתכם את חלקיקי השוקולד לפני ההיתוך ואחריו.

הרחבה

עיבוי אדי מים – מקור מים בתנאי מדבר

חיפושיות מדבי

(בספר תמונה של חיפושיות מדבר)

במדבר נמיב שבאפריקה, שם הטמפרטורות עלולות להגיע ל-50 מעלות צלסיוס והגשם נדיר ביותר, חיה חיפושית בשם סטנוקרה. חיפושית זו פיתחה דרך מיוחדת להשיג מים מן הלחות שבאוויר: על גבה האחורי גבשושיות שעליהן מים יכולים להתעבות ביעילות מן האוויר. כאשר החיפושית גוחנת, ראשה מטה וגבה מעלה, אדי מים מתעבים מן האוויר על גבה, וטיפות המים מטפטפות לתוך פיה.

*184*

פעילות אוריינות מדעית

כיצד מזקקים נפט?

(בספר תרשים המתאר תהליך זיקוק נפט)

קראו את המידע על זיקוק נפט וענו על השאלה שבסופו.

אפשר לנצל את ההבדלים בין נקודות הרתיחה (העיבוי) כדי להפריד תערובת של חומרים נוזליים. תהליך הפרדה כזה של תערובת של חומרים נוזליים, על בסיס ההבדלים בנקודות הרתיחה שלהם, נקרא תהליך זיקוק.

תהליכי זיקוק נפוצים בתעשייה הכימית, ובעיקר בבתי הזיקוק לנפט, שבהם מפרידים מן הנפט הגולמי את מוצרי הנפט השונים.

כיצד מזקקים נפט? הנפט הגולמי הוא תערובת של חומרים שונים. כדי לזקק אותו, מחממים אותו בתנור עד שמרבית מרכיביו רותחים והופכים לתערובת של גזים. את תערובת הגזים מזרימים בצינור למגדל הזיקוק. מגדל הזיקוק הוא מכל גבוה מאוד, שהטמפרטורה בחלקו התחתון גבוהה מאוד ואילו בחלקו העליון היא נמוכה יחסית. כל חומר הנמצא בתערובת הגזים מתעבה בגובה אחר (בטמפרטורה אחרת) במגדל, על פי נקודת הרתיחה (העיבוי) שלו, ונאסף מן המגדל בצינור נפרד.

לפניכם נתונים על נקודות הרתיחה (העיבוי) של חומרים שונים הנמצאים בתערובת הנפט הגולמי.

העתיקו את הטבלה למחברתכם, ומספרו את החומרים המפורטים בה על סמך טמפרטורת הרתיחה שלהם: מי מהם יתעבה כבר בתחתית המגדל, ומי מהם יתעבה גבוה יותר?

נקודות הרתיחה של חומרים שונים בנפט גולמי

*187*

חום ושינויים בטמפרטורה

כאשר מוסיפים חום לגוף במצב צבירה כלשהו הוא מתחמם – הטמפרטורה שלו עולה. מלבד השינוי בטמפרטורה חלים בגוף ובחומרים הבונים אותו עוד שינויים. נבדוק אילו שינויים חלים במוצקים, בנוזלים ובגזים כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה.

חימום או קירור מוצקים ונוזלים

מכניסים מד-טמפרטורה לכוס שיש בה מים חמים. לאחר זמן מה מורה  מד הטמפרטורה על 50 מעלות צלסיוס. כיצד פועל מד הטמפרטורה?

מסילת רכבת בנויה מפסי מתכת המחוברים ביניהם באדנים (קורות עץ). בין פסי המתכת משאירים לעתים קרובות רווחים. מדוע?

(בספר תמונה של פסי רכבת)

כדי לענות על השאלות האלה נבדוק כיצד מוצקים ונוזלים משתנים כאשר הם מתחממים או מתקררים.

*188*

פעילות ניסוי

חימום מוט מתכת

(בספר תמונה של ערכת הניסוי)

לפניכם ערכה לבדיקת השפעתו של חום על מוט מתכת. בערכה זו אפשר לעקוב אחר שינויים באורכו של מוט המתכת בעזרת מחוג המחובר לקצהו.

מטרת הניסוי: לבדוק כיצד משפיע חימום על אורכו של מוט מתכת.

השערה: שערו מה יקרה לאורכם של מוטות המתכת השונים בערכה כאשר נחמם אותם.

מהלך הניסוי:

1. בחרו אחד מהמוטות הנמצאים בערכה.

2. רשמו בטבלה את שם המתכת שממנה המוט עשוי והדליקו את כל הכוהליות באותו זמן.

3. חממו את המוט במשך 3 דקות בדיוק. במשך כל זמן החימום עקבו אחר המחוג שעל הלוח.

4. לאחר 3 דקות של חימום כבו את הכוהליות, ורשמו כמה שנתות המחוג זז.

5. היזהרו לא לגעת במוט המתכת החם. המתינו עד שהמוט יתקרר ושחררו אותו, או בקשו מהמורה לשחרר אותו. את המוט ששחררתם הניחו בצד עד שיתקרר.

6. חזרו על סעיפים 5-2 עם שאר המוטות. חממו גם אותם במשך 3 דקות בדיוק, ועקבו אחר מיקומו הסופי של המחוג. רשמו את התוצאות בטבלה.

תוצאות:

1. תארו במילים: מה התרחש? האם ההשערה שלכם התאמתה?

2. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את כל הפרטים. נסחו כותרת לטבלה.

החומר שממנו המוט עשוי –

מידת התזוזה של המחוג –

(הטקסט של מהלך הניסוי באדיבות סיינס דמו)

*189*

סיכום והסקת מסקנות:

1. השוו בין התוצאות שהתקבלו בניסויים של מוטות המתכת השונים: במה הן דומות ובמה הן שונות?

2. מה קרה לאורכי המוטות כשחיממנו אותם? מה קרה לנפחם? (רמז: היזכרו כיצד מחשבים נפח של גוף)

3. התכונה שבה חומר משנה את נפחו בתגובה לשינוי טמפרטורה נקראת התפשטות תרמית. לאיזה מהחומרים שבדקתם ההתפשטות התרמית היא הגבוהה ביותר? לאיזה הנמוכה ביותר?

4. רשמו שתי מסקנות שאפשר להסיק מתוצאות הניסוי.

5. בניסוי זה משתמשים במחוג כדי למדוד את התארכות המוט, ולא מסתפקים במראה העין או במדידה בסרגל. מדוע?

שאלה

מסגרות של חלונות מיוצרות לעתים קרובות מאלומיניום. איזו תכונה של האלומיניום יש לקחת בחשבון בייצור החלון?

שינויי נפח במוצקים ובנוזלים בחימום או בקירור

בניסוי הקודם ראינו כי חומרים מוצקים, כדוגמת מתכות שונות, מתפשטים כאשר הם מתחממים. התהליך ההפוך מתרחש כאשר מוצקים מתקררים – אז הם מתכווצים. תופעה זו קיימת גם בנוזלים, המשנים את נפחם כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה. השינויים שהבחנו בהם בהתפשטות המוצקים היו אמנם קטנים, אך כאשר גופים מתפשטים ומתכווצים מופעל כוח רב. התכווצות והתפשטות של גופים בשינוי הטמפרטורה שלהם גורמות, לדוגמה, להיווצרות סדקים בסלעים או במבני בטון, להתעקמות של מוטות מתכת ועוד.

- כאשר מוצקים ונוזלים מתחממים, נפחם עולה והם מתפשטים. כשהם מתקררים נפחם יורד והם מתכווצים.

כיצד גורם החימום להתפשטות החומר? מדוע חומר מתכווץ כשהוא מתקרר? כדי להבין זאת ניעזר בהדמיה המציגה את השינויים החלים בחומר ובמבנה החלקיקי שלו במהלך חימום או קירור.

(בספר תמונה של סלע שנסדק בהשפעת חימום וקירור)

*190*

פעילות אל הרשת

כיצד משפיעים חימום או קימר על חומרים במצב מוצק או נוזל?

היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב – מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתהום כימיה. היכנסו לנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בהדמיה שינויי נפח בחימום ובקירור. בחרו בלשוניות מוצק ונוזל.

הפעילו את ההדמיה. בחרו חימום או קירור, ובדקו אילו שינויים חלים במוצקים ובנחלים בעקבות כל פעולה. מה אינו משתנה? (היעזרו במנחה)

(בספר צילום מסף מתוך "שינויי נפח בחימום וקירור" בילקוט הדיגיטלי)

*191*

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את הפרטים:

עולה; יורד או יורדת; גדל או גדלה; קטן או קטנה; משתנה; לא משתנה. נסחו כותרת לטבלה.

השפעת החימום על נפח החומר: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על מסת החומר: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על טמפרטורת החומר: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על מהירות החלקיקים: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על המרווח בין החלקיקים: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על גודל החלקיקים: נוזל

--

, מוצק –

השפעת החימום על סוג החלקיקים: נוזל

--

, מוצק –

שאלות

1. סכמו: מה השתנה ומה לא השתנה בחומרים כשחיממנו אותם וכשקיררנו אותם?

2. מה קרה לנפח החומרים במצב מוצק ובמצב נוזל בעקבות החימום? מה קרה לנפחם בעקבות הקירור?

3. כיצד אפשר להסביר את השינוי בנפח החומר בחימום?

א. חלקיקי החומר התנפחו.

ב. חלקיקי החומר התכווצו.

ג. חלקיקי החומר התרחקו זה מזה.

ד. נוסף עוד חומר בחימום.

4. לפניכם איורים הממחישים את פיזור החלקיקים בנוזל לאחר חימומו ולאחר קירורו. איזה איור מתאים לנוזל הקר ואיזה מתאים לנוזל החם? (היעזרו במנחה)

(איור א)

(איור ב)

5. שערו: האם מסת הנוזל או המוצק השתנתה בעקבות החימום או הקירור? נמקו את השערתכם.

6. מה צפוף יותר – מים חמים או מים קרים? הסבירו מדוע, בתשובתכם היעזרו בהדמיה זו ובהגדרת הצפיפות, שעליה למדתם בפרק 3 בספר זה.

7. האם השינויים שהבחנתם בהם הם שינויים פיזיקליים או שינויים כימיים? נמקו.

*192*

כיצד מסביר מודל החלקיקים מדוע נפחם של מוצקים ושל נוזלים משתנה בחימום או בקירור?

בחלקו הראשון של הפרק למדנו כי חימום של חומר עשוי לגרום עלייה בטמפרטורה שלו, המעידה על עלייה במהירות ובאנרגיית התנועה של חלקיקי החומר.

לצד העלייה בטמפרטורה של החומר, בדרך כלל עולה גם הנפח שלו. מדוע?

החלקיקים בחומר במצב מוצק או במצב נוזל סמוכים זה לזה, וביניהם פועלים כוחות משיכה חזקים. העלייה במהירות ובאנרגיית התנועה של החלקיקים בעקבות החימום גורמת להם להתרחק מעט זה מזה, והמרווחים ביניהם גדלים. מסיבה זו נפחם של חומרים מוצקים או נוזלים גדל כאשר אנו מחממים אותם: הם מתפשטים. כאשר מקררים חומר במצב מוצק או במצב נוזל המהירות של החלקיקים יורדת והם מתקרבים זה לזה, כלומר: המרווחים ביניהם קטנים. כתוצאה מכך נפחו של החומר קטן והוא מתכווץ.

מסת החומר אינה משתנה כאשר מחממים אותו או כאשר מקררים אותו, ולפיכך השינוי בנפח משפיע על צפיפות החומר: כאשר החומר מתחמם נפחו גדל וצפיפותו קטנה. כאשר החומר מתקרר נפחו קטן וצפיפותו גדלה.

- כאשר הטמפרטורה של חומר במצב מוצק או במצב נוזל עולה, המהירות ואנרגיית התנועה של חלקיקי החומר עולות, והחלקיקים מתרחקים זה מזה. מסיבה זו הנפח של חומרים מוצקים ושל נוזלים גדל בחימום. בקירור מתרחש התהליך ההפוך, ולכן בקירור הנפח קטן.

(בספר תמונה של כוס משקה קר, ואיור המדגים את צפיפות החלקיקים בה)

(בספר תמונה של כוס משקה חם, ואיור המדגים את צפיפות החלקיקים בה)

שאלות

1. מדוע לפעמים כאשר אנו טובלים בים אנו מרגישים שהמים באזור הרגליים שלנו קרים ואילו המים הקרובים יותר לפני הים חמימים יותר? בתשובתכם היעזרו במושגים צפיפות וציפה.

2. הסבירו: מדוע משאירים רווחים בין פסי הרכבת? (התבוננו שוב בתמונת פסי הרכבת המופיעה בעמ' 187).

3. מתכת חמה נוחה יותר לכיפוף ולעיבוד מאשר מתכת קרה. מדוע?

*193*

כיצד פועל מד טמפרטורה?

ישנם סוגים שונים של מדי טמפרטורה. סוג אחד מבוסס על התפשטות של נוזל בחום. בתוך מד טמפרטורה כזה יש צינורית זכוכית דקיקה ובה נוזל – לרוב כספית או אלכוהול צבוע – המתפשט בחום במידה ניכרת. הצינורית מבודדת מן הסביבה, אך קצה אחד של הצינורית רחב יותר וחשוף לסביבה, והחום עובר דרכו מן הסביבה אל הנוזל.

כאשר הקצה הרחב של מד הטמפרטורה נמצא בסביבה חמה, עובר ממנה חום אל הנוזל הנמצא בו. הנוזל מתפשט, וגובה פני הנוזל בצינורית עולה. שנתות הרשומות על גבי מד הטמפרטורה מציינות את הטמפרטורות השונות, בהתאם לגובה פני הנוזל.

1. חום עובר מן הסביבה אל הנוזל שבקצה הרחב של מד הטמפרטורה

2. הנוזל מתפשט ועולה בצינורית

3. גובה הנחל בצינורית קובע את הקריאה של הטמפרטורה.

צינורית, שנתות, כספית, קצה מד הטמפרטורה

(בספר תמונה של מד טמפרטורה והסבר על חלקיו השונים)

הידעתם?

סוגים שונים של מדי טמפרטורה

גם מדי טמפרטורה אחרים הנפוצים בשימוש, כמו מד הטמפרטורה המצחי או מד הטמפרטורה הדיגיטלי, מבוססים על שינויים החלים בחומר בעקבות חימום, אבל במדי הטמפרטורה האלה חימום החומר גורם לשינויים אחרים, כמו שינוי מצב צבירה המלווה בשינוי צבע או שינוי במתח חשמלי, שאותם אפשר לתרגם לתצוגה דיגיטלית.

שאלה

מה מודד מד הטמפרטורה – האם הוא מודד את הטמפרטורה של המים בכוס, או את הטמפרטורה של הנוזל שבתוכו?

*194*

פעילות משימה

הכנת מד טמפרטורה

מטרת הפעילות: הכנת מד טמפרטורה.

ציוד:

בקבוק פלסטיק קטן ריק

פלסטלינה

קשית שתייה שקופה

כוהל צבוע

קערה

מים חמים, קרח

מהלך הפעילות:

א. הכנת מד טמפרטורה

1. מלאו את הבקבוק כולו בכוהל הצבוע.

2. הכניסו את הקשית לבקבוק במאונך. הקפידו שהקשית לא תגע בתחתית הבקבוק. הקצה העליון של הקשית צריך לבלוט סנטימטרים אחדים מפתח הבקבוק.

3. אטמו את פתח הבקבוק בפלסטלינה, כך שהקשית תישאר במקומה.

4. מד הטמפרטורה מוכן.

5. טבלו את מד הטמפרטורה שהכנתם בקערה של מי קרח. מה קרה לפני הנוזל בקשית?

6. כעת העבירו את מד הטמפרטורה לקערה של מים חמים. מה קרה לפני הנוזל בקשית?

ב. כיול מד הטמפרטורה

כדי שיהיה אפשר להשתמש במד הטמפרטורה יש לכייל אותו, כלומר: לסמן עליו שנתות המציינות את הטמפרטורה המתאימה לכל גובה של פני הנוזל בקשית.

1. הציעו שיטה שבעזרתה תוכלו לכייל את מד הטמפרטורה שבניתם. אם תזדקקו לציוד נוסף ציינו מהו ומדוע אתם זקוקים לו.

2. הציגו את השיטה שבחרתם לפני מליאת הכיתה.

3. כיילו את מד הטמפרטורה בשיטה שהצעתם.

שאלה

שערו: מדוע משתמשים בפעילות זו בכוהל ולא במים? כיצד תוכלו לבדוק אם השערתכם נכונה?

*195*

האנומליה של המים

כאשר אנו מקררים חומר במצב נוזל הוא מתכווץ – הנפח שלו קטן והצפיפות שלו עולה. ההתכווצות נובעת מהקטנת המרווחים בין חלקיקי החומר בתהליך הקירור. אך ישנם גם חומרים יוצאי דופן.

אחד החומרים המגלים התנהגות "לא נורמלית", הוא דווקא החומר הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ – המים.

נסו את הדבר הזה: מלאו כוס פלסטיק במים (כשני שליש מנפחה), וסמנו את גובה המים בקו. הכניסו את הכוס למקפיא. למחרת פתחו את המקפיא והוציאו את הכוס. מה קרה לגובה המים בכוס?

כאשר מקררים מים נוזלים עד לטמפרטורה של 4 מעלות צלסיוס הנפח שלהם קטן, אבל מטמפרטורה של 4 מעלות צלסיוס ומטה, מתרחשת תופעה הפוכה: נפח המים עולה! בטמפרטורה של 0 מעלות צלסיוס המים הנוזלים הופכים למוצק – קרח – אשר הנפח שלו גדול מנפח הנוזל ולכן צפיפותו קטנה יותר.

תופעה זו נקראת: האנומליה של המים.

ההסבר להתנהגות הזו של המים נעוץ במבנה המיוחד שלהם. במצב נוזל קיימים קשרים חזקים בין חלקיקי המים, הגורמים להם להתקרב זה לזה. במצב מוצק (קרח), חלקיקי המים מסודרים כך שקיימים ביניהם חללים גדולים, כפי שנראה באיור העליון. מסיבה זו קרח צפוף פחות ממים, והוא יכול לצוף על פניהם. כאשר מקררים מים לטמפרטורה הנמוכה מ-4 מעלות צלסיוס חלקיקי המים מתחילים להסתדר בצורה האופיינית למבנה הקרח, והמרווחים ביניהם גדלים. כתוצאה מכך נפח המים עולה וצפיפותם יורדת.

- מים מתנהגים בצורה יוצאת דופן: כאשר מקררים מים מ-4 ל-0 מעלות צלסיוס נפחם עולה במקום לרדת.

- קרחונים צפים על פני הים. תופעה זו לא הייתה מתקיימת לולא המבנה המיוחד של המים, שבגללו קרח פחות צפוף ממים.

- האנומליה של המים

(בספר תמונה של קרחון, ואיורים המתארים את צפיפות החלקיקים במים ובקרח)

שאלות

1. מהי צורתו של גרף המתאר את השפעת הטמפרטורה של המים על הצפיפות שלהם? ציירו את צורת הגרף במחברת שלכם.

(בספר גרף המתאר את השפעת הטמפרטורה של מים על הצפיפות שלהם)

2. תלמיד החליט לבנות מד טמפרטורה שפעולתו מבוססת על שינויי נפח במים. האם יהיה מד הטמפרטורה מדויק בכל טווח הטמפרטורות מ-0 עד 100 מעלות צלסיוס? הסבירו.

3. בלילות קרים מאוד מבקשים מתושבים הגרים במקומות כמו ירושלים לפתוח את המים בברזים מפעם לפעם, כדי שהמים לא יקפאו בצינורות החשופים לקור. מדוע חשוב לעשות זאת?

*196*

חימום או קירור גזים

בלונים המכילים אוויר מתנפחים כאשר האוויר שבהם מתחמם, ומתכווצים כאשר האוויר שבהם מתקרר. מדוע?

בפרק הקודם למדנו כי גז מפעיל לחץ על דופנות הכלי שבו הוא נמצא. לחץ הגז נובע מההתנגשויות של חלקיקי הגז בדופנות הכלי. כאשר מחממים גז חלקיקיו נעים מהר יותר ומתנגשים בדופנות הכלי לעתים קרובות יותר ובעוצמה רבה יותר. מסיבה זו לחץ הגז עולה ככל שהטמפרטורה של החומר עולה. כאשר מקררים גז מתרחש התהליך ההפוך, ולחץ הגז יורד.

כיצד משפיע החימום על נפח הבלון ועל האוויר שבתוכו? האיור שלפניכם מתאר את הכוחות השונים הפועלים על דופנות הבלון.

(בספר איור המתאר את הכוחות השונים הפועלים על דופנות הבלון )

- האוויר שנמצא בתוך הבלון לוחץ על הדפנות מבפנים.

- האוויר שמחוץ לבלון לוחץ על הדפנות מבחוץ.

כשהאוויר בבלון מתחמם לחץ האוויר שבתוכו עולה, והוא גובר על לחץ האוויר שמחוץ לו. דופנות הבלון גמישות, ויכולות להתמתח במידה כלשהי. הבלון יתנפח ויגדל, וגם נפח האוויר בבלון יגדל.

אם האוויר בבלון ימשיך להתחמם לא יוכלו דופנות הבלון לעמוד בלחץ הגובר, ולבסוף ייקרעו – הבלון יתפוצץ.

תופעה הפוכה תתרחש כאשר האוויר שנמצא בבלון יתקרר: לחץ האוויר בבלון ירד ויפעיל פחות כוח על דופנות הבלון. לחץ האוויר מחוץ לבלון יגבר על הלחץ שהאוויר מפעיל עליהן מבפנים, והבלון יתכווץ. כתוצאה מכך יקטן גם נפח האוויר בבלון.

- כשמחממים גזים בכלי כמו בלון, שנפחו יכול להשתנות, לחץ הגז על דופנות הכלי עולה וגורם לדפנות לנוע כלפי חוץ. כתוצאה מכך נפח הכלי עולה, ואתו עולה גם נפח הגז.

*197*

פעילות

ניסוי – שואלים שאלת חקר

קרום הסבון

בפעילות זו נכניס מבחנות שעל פתחן קרום סבון למים בטמפרטורות שונות: מים בטמפרטורת החדר (מי ברז), מים רותחים ומים קרים, ונעקוב אחר המתרחש.

ציוד: 3 מבחנות ריקות, מסומנות במספרים: 3,2,1, כוסית ובה תמיסה של סבון כלים, 3 כוסות בנפח של כ-250 מ"ל, מים קרים מאוד, מים רותחים, מים בטמפרטורת החדר (מי ברז)

השערה: שערו מה יקרה לקרום הסבון הנמצא על פתח המבחנות כאשר נטבול אותן במים הרותחים, במים הקרים ובמים הפושרים.

מהלך הניסוי:

א. הכינו 3 כוסות מלאות עד חציין: האחת במי ברז, האחת במים רותחים והאחת במים קרים.

ב. טבלו את קצה של מבחנה 1 בתמיסת הסבון, כך שייווצר על פתחה קרום של סבון.

ג. הכניסו את המבחנה שקרום הסבון על פיה לכוס מי הברז, כשפתח המבחנה כלפי מעלה. האם חל שינוי בקרום הסבון?

ד. חזרו על הפעולה שבסעיף ב באמצעות מבחנה 2, והכניסו אותה לכוס המים הרותחים. מה התרחש?

ה. חזרו על הפעולה שבסעיף ב באמצעות מבחנה 3, והכניסו אותה לכוס המים הקרים. מה התרחש?

תוצאות:

העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת וסכמו בה את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.

סיכום והסקת מסקנות:

1. מה היה בכל אחת מהמבחנות?

2. הסבירו את תוצאות הניסוי: מה גרם לשינוי בקרום הסבון במבחנה 2 ובמבחנה 3?

3. מה היה תפקידה של מבחנה 1 בניסוי?

4. נסחו שאלת חקר המתאימה לניסוי.

5. רשמו מסקנה שאפשר להסיק מתוצאות הניסוי.

*198*

פעילות אל הרשת

שינויי נפח בחימום ובקירור

היכנסו אל אתר האינטרנט: הילקוט הדיגיטלי לחט''ב – מדע וטכנולוגיה.

בחרו בתהום: כימיה. בחרו בהדמיה: שינויי נפח בחימום ובקירור.

בחרו בלשונית: גז.

(בספר צילום מסך מתוך "כיצד משפיע חימום או קירור על חומרים" בילקוט הדיגיטלי)

הפעילו את ההדמיה – בחרו חימום או קירור, ובדקו אילו שינויים חלים בגז הנמצא במערכת הניסוי ובמבנה החלקיקי שלו בעקבות החימום או קירור. מה אינו משתנה?

א. העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת, וארגנו בה את הממצאים.

רשמו במקומות המתאימים: עלה, עלתה; ירד, ירדה; לא השתנה, לא השתנתה. נסחו כותרת לטבלה.

ב. סכמו במילים את המסקנות שלכם מתוצאות הניסוי.

*199*

הילקוט הדיגיטלי

www.ebaghigh.cet.ac.il

שאלות

1. איזה גרף מתאר בצורה הנכונה ביותר את השינוי בנפח הגז המתואר בניסוי זה?

(גרף א' - עולה)

(גרף ב' (ישר) וגרף ג' (יורד) )

(בספר שלושה גרפים – היעזרו במנחה)

2. הסבירו: מדוע השתנה נפח הגז? היעזרו בידע שרכשתם על השפעת החימום או הקירור על לחץ הגז.

3. האם כמות הגז במערכת הניסוי השתנתה? כיצד אתם יודעים זאת?

4. השוו בין שינוי הנפח שחל בגז לבין שינויי הנפח שחלים במוצק או בנוזל בעקבות חימום או קירור. היכן השינוי גדול יותר? שערו מדוע.

מדוע גזים מתפשטים יותר מנוזלים וממוצקים?

(בספר איור של שני בלונים, שבאחד מהם הגז מתפשט הרבה יותר מהשני)

ראינו כי גזים, כמו נוזלים ומוצקים, יכולים להתפשט בחימום ולהתכווץ בקירור (אם הם נמצאים בכלי כמו בלון, שיכול לשנות את נפחו).

עם זאת, אפשר להבחין בהבדל ניכר במידת ההתפשטות של החומרים במצבי הצבירה השונים: גזים יכולים להתפשט בחימום הרבה יותר מאשר נוזלים או מוצקים. מדוע? בין חלקיקי הגז כמעט לא פועלים כוחות משיכה. לכן הם יכולים להתרחק זה מזה במידה רבה מאוד, ולכן בחימום הנפח שלהם גדל מאוד. חלקיקי הנוזלים והמוצקים סמוכים זה לזה מאוד. כוחות המשיכה הפועלים בין החלקיקים של נוזלים ושל מוצקים חזקים יותר, והם אינם יכולים להתרחק זה מזה במידה ניכרת.

- גזים יכולים להתפשט בחימום ולהתכווץ בקירור הרבה יותר מנוזלים וממוצקים, בגלל שכוחות המשיכה בין החלקיקים של הגזים חלשים מאוד.

*200*

שאלות

1. הכניסו בלון מלא באוויר בטמפרטורת החדר לתוך אמבט קר.

לפניכם איורים המתארים באופן סכמטי את הבלון ואת חלקיקי האוויר המצויים בו לפני שהבלון נטבל באמבט הקר ולאחר מכן. בחרו את האיור המשקף את התוצאה הנכונה. הסבירו את בחירתכם. (היעזרו במנחה)

(איור המתאר את מצב הבלון בתחילת הניסוי, וארבעה איורים המתארים את תוצאות אפשריות של הניסוי)

2. איזו פעולה עשויה להביא למצב המתואר באיור גל

א. הוספת אוויר לבלון

ב. חימום הבלון

ג. קירור הבלון

3. לפניכם בלון (לא מנופח) המחובר לבקבוק ריק. המשימה שלכם: לנפח את הבלון בלי להפריד אותו מהבקבוק ובלי להכניס אליו אוויר מבחוץ. הציעו דרך לעשות זאת. הסבירו את הצעתכם באמצעות מודל החלקיקים.

(בספר תמונה של בלון המחובר לבקבוק ריק)

*201*

הרחבה

כדורים פורחים

כדורים פורחים באוויר. כיצד הם פועלים?

כדורים פורחים בנויים מבלון בד ענק (המעטפת), סל נשיאה לנוסעים ולמטען, ומבער הנמצא בתחתית המעטפת מעל סל הנשיאה.

כיצד מנפחים את המעטפת של הכדור הפורח כך שיוכל להמריא?

לתהליך זה שלבים אחדים:

1. כאשר הכדור עודו קשור לקרקע, מנפחים את המעטפת באמצעות מפוח חזק.

2. כאשר המעטפת מנופחת מעט, אך לא לגמרי, מדליקים את המבער ומכוונים אותו לעבר פי המעטפת.

3. האוויר שבתוך המעטפת מתחמם ומתפשט, המעטפת מתנפחת והכדור מתחיל להתרומם.

4. לאחר שהנוסעים או המטען עלו בבטחה לסל והכדור מוכן להמראה, מנתקים את הכבלים המחברים אותו לקרקע והכדור מתרומם.

ברשת האינטרנט תוכלו לצפות בסרטונים רבים המתארים את תהליך ההמראה.

מדוע עולה הכדור הפורח למעלה?

תחתיתה של מעטפת הכדור הפורח פתוחה, כך שאוויר יכול לצאת ממנה או להיכנס אליה. כאשר האוויר שבמעטפת הכדור מתחמם חלקיקי האוויר נעים מהר יותר, מתרחקים זה מזה וחלקם "בורח" מן הפתח החוצה. כתוצאה מכך צפיפות האוויר החם שבתוך מעטפת הכדור קטנה יותר מצפיפות האוויר הקר שמחוצה לה, והכדור עולה למעלה.

(בספר תמונה של כדור פורח, עם הסברים על חלקיו)

מעטפת, מבער, סל

(בספר איור המתאר את התנהגות החלקיקים בתוך הכדור ומחוץ לכדור )

בתוך הכדור – צפיפות נמוכה יחסית של חלקיקי אוויר הנעים במהירות גבוהה.

מחוץ לכדור – צפיפות גבוהה יחסית של חלקיקי אוויר הנעים במהירות נמוכה.

*202*

במשימה הזו עליכם להיעזר בידע שלכם בנושא ההשפעה של חימום או קירור על הנפח ועל הלחץ של חומרים, כדי לפתור בעיות או כדי להסביר תופעות.

1. נורית ניסתה לפתוח את המכסה של צנצנת הריבה אך המכסה "נתקע". האם תוכלו להציע לה דרך פשוטה לפתיחת המכסה? הסבירו על איזו תופעה מתבססת ההצעה שלכם.

2. (הדגמה) לפניכם כדור מתכת וטבעת מתכת. הכדור אינו עובר דרך הטבעת. מה אפשר לעשות? הציעו כמה דרכים אפשרויות.

(בספר תמונה של כדור המתכת וטבעת המתכת)

3. לפניכם בלון מנופח וצנצנת. כיצד תוכלו להכניס את הבלון לתוך הצנצנת בלי לפוצץ את הבלון ובלי להוציא ממנו את האוויר?

(בספר תמונה של בלון מנופח וצנצנת)

4. קחו בקבוק ריק. הרטיבו את שפת הבקבוק במים, טבלו את הבקבוק בקערת מים קרים והניחו על פתחו מטבע. כעת טבלו את הבקבוק בקערת מים חמים, כשהמטבע עדיין מונח על פתח הבקבוק. הסבירו מה התרחש.

*203*

העשרה

חום, טמפרטורה ואנרגיה תרמית

מרתיחים מים בשני כלים – כמות גדולה של מים בסיר, וכמות קטנה של מים בפינג'אן. היכן ירתחו המים קודם?

כולנו יודעים שבפינגיאן ירתחו המים קודם, ושכדי להרתיח את המים בסיר נזדקק לזמן רב יותר. כלומר, כדי להגיע לאותה הטמפרטורה צריך לספק למים שבסיר כמות גדולה יותר של חום מאשר למים בפינגיאן. מדוע?

הסיבה לכך קשורה לכמות החומר בשני הכלים – למספר חלקיקי המים.

בשני הכלים הטמפרטורה בתחילת החימום ובסופו זהה. כפי שלמדנו, הטמפרטורה קשורה למהירות ולאנרגיה של תנועת החלקיקים. כשמחממים את המים בכלים מוסיפים להם חום.

תוספת החום מעלה את המהירות ואת אנרגיית התנועה של חלקיקי המים, כלומר את הטמפרטורה של המים.

מכיוון שבסיר הגדול יש הרבה יותר חלקיקי מים מאשר בסיר הקטן, למים שבסיר הגדול צריך להוסיף הרבה יותר חום כדי להגביר את מהירותם של כל החלקיקים ולהגיע לאותה הטמפרטורה.

כדי לתאר את המצב אנו נעזרים במושג אנרגיה תרמית (אנרגיה תרמית – סכום כל אנרגיות התנועה של החלקיקים בגוף). אנרגיה תרמית היא הסכום של כל אנרגיות התנועה של החלקיקים בגוף, ולכן היא תלויה בכמות החומר (במסה שלו). בסיר הגדול יש הרבה יותר חלקיקי מים מאשר בסיר הקטן, ולכן, באותה הטמפרטורה תהיה האנרגיה התרמית של מי הסיר גבוהה יותר.

*204*

(בספר תמונה של כלי מים גדול וכלי מים קטן)

הטמפרטורה זהה, והאנרגיה התרמית שונה.

אנרגיה תרמית גבוהה יותר – 100 מעלות צלסיוס

אנרגיה תרמית נמוכה יותר – 100 מעלות צלסיוס

(בספר תמונה של כלי מים גדול וכלי מים קטן רותחים)

- באותה הטמפרטורה לגוף שהמטה שלו גדולה תהיה אנרגיה תרמית גבוהה מזו של גוף שהמטה שלו קטנה.

שאלות

1. בקנקן תה מלא ובכוס תה מלאה יש תה באותה הטמפרטורה. היכן האנרגיה התרמית גבוהה יותר? הסבירו.

2. נתונים שני גופים שהטמפרטורה שלהם זהה. לאחד מהם אנרגיה תרמית גבוהה ולשני אנרגיה תרמית נמוכה יותר. איך תייצגו באמצעות מכונת הכדורים את שני הגופים?

3. מחממים סיר שבתוכו יש מים. בחרו את הטענה הנכונה הנוגעת למים שבסיר.

א. האנרגיה התרמית של המים קטנה.

ב. החום של המים גדל.

ג. האנרגיה התרמית של המים גדלה.

ד. אנרגיית התנועה של חלקיקי המים קטנה.

*205*

סיכום

- חום הוא אנרגיה העוברת בין גוף חם יותר (בטמפרטורה גבוהה יותר) לבין גוף קר יותר (בטמפרטורה נמוכה יותר).

- טמפרטורה הלא מדד למהירות ולאנרגיית התנועה של החלקיקים בחומר.

- חום יכול לעבור בשלוש דרכים: הולכה, הסעה וקרינה.

- חימום או קירור עשויים לשנות את הטמפרטורה של חומרים או את מצב הצבירה שלהם.

- שינוי בטמפרטורה של מוצקים ושל נוזלים משנה את נפחם. שינוי בטמפרטורה של גזים משנה את לחצם ואת נפחם.

- כאשר מחממים או מקררים חומר בנקודת ההיתוך או בנקודת הרתיחה שלו, מצב הצבירה שלו משתנה אך הטמפרטורה שלו אינה משתנה.

- נקודות ההיתוך והרתיחה מאפיינות את החומר וקובעות מה יהיה מצב הצבירה שלו בטמפרטורה כלשהי.

שאלות סיכום

1. תארו את המהירות ואת אנרגיית התנועה של החלקיקים כאשר הטמפרטורה של גוף -

א. עולה.

ב. יורדת.

ג. אינה משתנה.

2. כשאנו יוצאים החוצה ביום חורף קר, אנו חשים שקר לנו. בחרו את ההסבר הנכון לכך:

א. קור עובר מגופנו אל האוויר.

ב. חום עובר מן האוויר אל גופנו.

ג. קור עובר מן האוויר אל גופנו.

ד. חום עובר מגופנו אל האוויר.

3. סוגרים בקבוק מים חמים בטמפרטורה של 60 מעלות צלסיוס, וטובלים אותו בתוך קערה המלאה במים חמים בטמפרטורה של 80 מעלות צלסיוס. בחרו את הטענה הנכונה.

א. חום יעבור ממי הקערה לבקבוק המים הקרים עד שהטמפרטורות של שניהם ישתוו.

ב. חום יעבור ממי הקערה לבקבוק המים הקרים אך טמפרטורת מי הקערה תישאר תמיד גבוהה מזו של מי הבקבוק.

ג. חום יעבור ממי הבקבוק למי הקערה ויגרום להעלאת הטמפרטורה של מי הקערה.

ד. חום יעבור ממי הקערה אל מי הבקבוק אך הטמפרטורה שלו לא תשתנה.

*206*

4. לפניכם שלושה משפטים הנוגעים להעברת חום. השלימו אותם באמצעות מחסן המילים: גושי חומר, חומר, התנגשויות של חלקיקים

א. הולכה היא העברת חום באמצעות.

ב. הסעה היא העברת חום באמצעות.

ג. קרינה היא מעבר חום באמצעות קרינה שאינו תלוי ב.

5. מה יש לעשות כדי להעביר את החומר ממצב צבירה אחד לאחר, לחמם אותו או לקרר אותו? רשמו ליד כל סוג של מעבר את הפעולה המתאימה לו.

היתוך –

עיבוי –

רתיחה –

קיפאון -

6. הרתחנו מים בסיר והם התאדו. מה קרה לחלקיקים?

א. הם נעו לאט יותר.

ב. הם התרחקו זה מזה.

ג. הם התקרבו זה לזה.

ד. הם הפכו לחלקיקים של אוויר.

7. מילאנו תבנית של קוביות קרח במים והכנסנו אותה למקפיא. כעבור יום כל המים הפכו לקרח. מה השתנה ומה נותר קבוע? הסבירו.

א. סוג החלקיקים השתנה / נותר קבוע

ב. גודל החלקיקים השתנה / נותר קבוע

ג. המרחק בין החלקיקים השתנה / נותר קבוע

ד. סידור החלקיקים השתנה / נותר קבוע

ה. מספר החלקיקים השתנה / נותר קבוע

ו. אופן התנועה של החלקיקים השתנה / נותר קבוע

8. תלמידים הרתיחו מים ומדדו את הטמפרטורה שלהם. כאשר המים התחילו לרתוח מד הטמפרטורה הורה על 100 מעלות צלסיוס. מה תהיה הטמפרטורה שימדדו התלמידים כמה דקות לאחר מכן, כאשר המים עדיין רותחים? הסבירו.

א. גבוהה מ-100 מעלות צלסיוס

ב. 100 מעלות צלסיוס

ג. קטנה מ-100 מעלות צלסיוס

9. מה המשותף לאידוי ולרתיחה ומה השונה ביניהם? ציינו גורם משותף אחד ושני הבדלים.

*207*

10. לפניכם נתונים על נקודות ההיתוך של מתכות שונות. המתכת בדיל משמשת להלחמה במעגלים חשמליים. הסבירו: מה יתרונה על פני המתכות האחרות המפורטות בטבלה?

נקודות היתוך של מתכות

11. לפניכם רשימה של תופעות. הסבירו כל תופעה בקצרה, בעזרת המושגים והרעיונות שלמדתם עד כה.

א. ביום קיץ חם חוטי הטלפון ארוכים יותר מאשר ביום חורף קר.

ב. כוס הזכוכית התפוצצה כששפכנו לתוכה מים רותחים.

ג. בימים קרים גלגלי האופניים נראים מנופחים פחות.

ד. קרחונים צפים על פני המים.

12. האם אפשר להכין מדי טמפרטורה המכילים גז או מוצק, במקום נוזל? מה יהיו המגבלות והחסרונות בהכנת מדי טמפרטורה כאלה ובאופן פעולתם?

*208*

מילון מונחים

אידוי – מעבר של חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז, המתרחש בכל טמפרטורה. באידוי הופך לגז רק הנוזל משטח הפנים.

אלסטיות – היכולת של חומר לחזור לצורתו המקורית לאחר שהופעל עליו כוח חיצוני כמו מתיחה, כיפוף או מעיכה. תכונה זו מאפיינת, לדוגמה, את הגומי.

אנרגיה אלסטית – אנרגיה שיש לגוף גמיש כשהוא מתוח או מכווץ. אנרגיה אלסטית עומדת מאחורי פעולתם של מקפצות, קפיצים, גומיות ועוד.

אנרגיה חשמלית – אנרגיה המתבטאת בזרם חשמלי. אנרגיה חשמלית מפעילה את המחשב, את המזגן וכל מכשיר חשמלי אחר. דוגמה לאנרגיה חשמלית: אנרגיה של זרם העובר בנורה.

אנרגיה כימית – אנרגיה האצורה בתוך החומר. האנרגיה הכימית באה לידי ביטוי בתהליכים שבהם החומר עובר שינוי כימי. לדוגמה: כאשר עצים נשרפים במדורה העץ משתנה לחומר אחר, והאנרגיה הכימית האצורה בו נפלטת בצורה של חום ושל אור.

אנרגיה תרמית – סכום כל אנרגיות התנועה של החלקיקים המיקרוסקופיים בגוף.

בעירות – היכולת של חומר לבעור. לדוגמה: חומר הדלק המשמש לחימום באח (בקמין) הוא חומר בעיר, אך האת עצמה עשויה מחומרים שאינם בעירים, כגון ברזל.

ברק – היכולת של חומר להחזיר את האור הפוגע בו. לדוגמה: רוב המתכות הן מבריקות.

גוף – דבר העשוי מחומר.

גופי מדידה – (אבני מסה) משקולות שמסתן קבועה וידועה.

דינמו – גנרטור קטן. גנרטור ממיר אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית באמצעות תנועה סיבובית.

הולכת חום – מעבר חום באמצעות תנועת חלקיקי החומר עצמם. האנרגיה מועברת באמצעות התנגשויות חלקיקי החומר בחלקיקים שלידם.

היתוך – מעבר של חומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל.

המראה – התהליך שבו חומר עובר ישירות ממצב צבירה מוצק למצב צבירה גז.

המרת אנרגיה – הפיכת אנרגיה מסוג אחד לסוג אחר. לדוגמה: כשכדור מתגלגל במדרון, אנרגיית הגובה שלו הופכת בהדרגה לאנרגיית תנועה.

הסעה – מעבר חום בנוזלים ובגזים באמצעות זרימה של גושי חומר (ולא באמצעות תנועה של חלקיקים בודדים).

חוזק – היכולת של חומר לעמוד בפני כוחות שונים המופעלים עליו, כגון מתיחה, לחיצה או כיפוף.

חום – אנרגיה העוברת בין גוף חם יותר(בטמפרטורה גבוהה יותר) לבין גוף קר יותר(בטמפרטורה נמוכה יותר).

חומר – ממנו עשויים הגופים.

חומרים מרובבים – חומרים שמורכבים משני חומרים לפחות במבנה הנדסי כלשהו (לדוגמה במבנה של רשת, במבנה של כריך ועוד). דוגמה לחומר מרוכב הוא בטון.

חומרים פלסטיים – (פלסטיק) שם כולל לקבוצה של חומרים שרובם מלאכותיים (סינתטיים), הבנויים מיחידות רבות החוזרות על עצמן, וכוללים את הפוליאתילן, הניילון, הטפלון ועוד.

חומרים קרמיים – שם כולל לקבוצה של חומרים, ובהם חרסינה וזכוכית, המיוצרים בדרך כלל בחום גבוה והם בעלי עמידות וחוזק גבוהים.

חלקיקים – אבני הבניין הזעירות של החומר.

טמפרטורה – הטמפרטורה היא מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים בחומר: ככל שאנרגיית התנועה גדולה יותר, הטמפרטורה גבוהה יותר.

כוח הכבידה – כוח משיכה הפועל בין שני גופים ותלוי במסה שלהם.

לחץ הגז – לחץ הנוצר כתוצאה של הכוח שהגז מפעיל על דופנות הכלי שבו הוא נמצא. כוח זה נובע מהתנגשויות חלקיקי הגז בדפנות.

מוליכות חום – היכולת של חומר להוליך (להעביר) דרכו חום. מתכת וזכוכית הם מוליכי חום טובים. חומרים שהם מוליכי חום גרועים נקראים מבדדי חום.

מוליכות חשמל – היכולת של חומר להוליך (להעביר) דרכו זרם חשמלי. חומרים שהם מוליכים טובים של זרם נקראים מוליכים, וחומרים שהם מוליכים גרועים של זרם נקראים מבדדים.

מסה – כמות החומר, נמדדת בגרמים (ג'), קילוגרמים(ק"ג), טונות ועוד.

מסיסות – היכולת של חומר(גז, נוזל או מוצק) להתערבב בחומר אחר, וליצור עמו תערובת אחידה. מסיסות נמדדת על פי כמות החומר הגדולה ביותר (בגרמים) שאפשר להמס בחומר אחר ולקבל תערובת אחידה (בלי משקע או עכירות).

מצב צבירה – המצב שבו אפשר לצבור (לאגור) את החומר. מצבי הצבירה המוכרים ביותר הם: מוצק, נוזל וגז.

מקור אנרגיה – חומר או תופעה שמפיקים מהם אנרגיה שימושית.

משקל – כוח הכבידה הפועל על גוף. המשקל תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שבו הגוף נמצא. משקל נמדד ביחידות של ניוטון.

נפח – המקום שגוף תופס במרחב. נפח נמדד ביחידות של סנטימטר מעוקב (סמ"ק), מטר מעוקב (מ"ק), ליטר, מיליליטר (מ"ל) ועוד.

סגסוגת – תערובת מוצקה של מתכת עם חומרים שונים, מתכתיים או אחרים.

עיבוי – מעבר של חומר ממצב צבירה גז למצב צבירה נוזל.

*209*

פיתוח בר-קיימה – (בר-קיימא) פיתוח וניצול של משאבים בקצב המאפשר לתהליכים טבעיים לחדש את מה שנוצל, ושומר על המערכת האקולוגית.

פלזמה – מצב צבירה של גז שלחלקיקים שבו יש מטען חשמלי.

פלסטיות – היכולת של חומר לשנות את צורתו ולקבל צורה חדשה בהתאם לכוח חיצוני שהופעל עליו, ולהישאר בה אחרי הפסקת פעולת הכוח החיצוני. לדוגמה: בצק או פלסטלינה הם פלסטיים.

פעפוע – התפשטות של חומר או התערבבות של חומרים ללא כל התערבות חיצונית, כתוצאה מהתנועה העצמית של החלקיקים.

צמיגות – תכונה של נוזלים המתארת את מידת ההתנגדות שלהם למעבר של גוף זר בתוכם. ככל שהחומר צמיג יותר, הוא יזרום לאט יותר.

צפיפות – מסת החומר הנמצאת ביחידת נפח. צפיפות נמדדת ביחידות של גרם/סמ''ק.

קיפאון – מעבר של חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה מוצק.

קרינה – דרך שבה אנרגיה עוברת ממקום למקום ללא צורך בחומר בתווך. למשל, אנרגיה רבה מגיעה אלינו מהשמש ומהכוכבים הלוהטים בצורת קרינה הנעה בריק.

קשיות – היכולת של חומר להתנגד לחדירה של גוף זר אליו.

ריבוץ – התהליך שבו חומר עובר ישירות ממצב צבירה גז למצב צבירה מוצק.

ריק – (ואקום) מקום שאין בו שום חומר.

רתיחה – מעבר של חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז, המתרחש בנקודת הרתיחה בלבד. ברתיחה הופך לגז כל נפח הנוזל.

שינוי כימי – שינוי שבו החומר עצמו משתנה: הוא מתפרק לחומרים חדשים, או שהוא מתרכב עם חומרים אחרים כך שנוצרים חומרים חדשים.

שינה פיזיקלי – שינוי שבו המצב של החומר משתנה אך הרכב החומר אינו משתנה. לדוגמה: שינוי מצב הצבירה של החומר ממוצק לנוזל.

שנתות – (ביחיד: שנת) קווי חלוקה המסומנים במרחק קבוע זה מזה, ומשמשים למדידה. השנתות שעל המשורה מאפשרות למדוד את נפח החומר המצוי בה; שנתות מד הטמפרטורה מאפשרות למדוד את הטמפרטורה וכדומה.

שקיפות – היכולת של חומר להעביר דרכו אור.

תיכון – תהליך בן שלבים אחדים שבעזרתו נבנה מוצר הנותן מענה לצורך או לבעיה טכנולוגיים.

סוף הספר