חוקרים חומר ואנרגיה ב'
כיתה ח'
מרסל פרייליך
מטמו"ן חדש מדע וטכנולוגיה לחטיבת הביניים
מכון ויצמן למדע
תשע"ג, 2013
עמודי דפוס 16-425
העתיקה: אורלי שרף
הספריה המרכזית לעיוורים
נתניה ישראל 2016
העתקה או העברה של העותק המותאם בניגוד להוראות חוק התאמת יצירות, ביצועים ושידורים לאנשים עם מוגבלות התשע"ד - 2014, מהווה הפרה של זכות יוצרים.
(בספר תמונה)
(על גב הספר כתוב:)
מטמו"ן חדש
מדע וטכנולוגיה מכון ויצמן
סביבת הלמידה מטמו"ן חדש פותחה במחלקה להוראת המדעים שבמכון ויצמן למדע. הסביבה כוללת חומרי למידה מודפסים לתלמידים, מדריכים למורה וסביבה לימודית מתוקשבת, הנותנים מענה שלם ללמידה, לגיוון ולהעמקה בתחומי הכימיה, הפיזיקה, הביולוגיה והטכנולוגיה, בהלימה לתכנית הלימודים המעודכנת (2012) במדע וטכנולוגיה לחטיבת הביניים. ספר התלמיד חוקרים חומר ואנרגיה בי כולל את השערים הבאים: מסע אל היסודות, מסע אל התרכובות, מתחברים לחשמל ואינטראקציה, כוחות ותנועה.
בחומרי הלמידה של מטמו"ן חדש באים לידי ביטוי הניסיון המצטבר של המחלקה להוראת המדעים במכון ויצמן למדע בפיתוח, במחקר ובפדגוגיה, והמעורבות רבת השנים בפיתוח מקצועי של מורי מדע וטכנולוגיה בחטיבת הביניים.
תוצרי מטמו"ן חדש מתמקדים בהיבטים הבאים:
- הבניית רעיונות ועקרונות מרכזיים במדע וטכנולוגיה ומתן הזדמנויות להיכרות עם חידושים ופריצות דרך בתחום.
- הקניה ויישום של מיומנויות למידה, חשיבה, חקר ותיכון ושילובם המפורש בחומרי הלמידה.
- התאמה לצורכיהם של לומדים שונים.
- התנסות בפעילויות מעבדה, חקר ופתרון בעיות.
- שילוב פריטי הערכה לצורכי למידה.
- טיפוח העניין, המוטיבציה, הלמידה השיתופית והמכוונות העצמית של הלומדים.
ספרי מטמון חדש לכיתה ח':
- חוקרים חומר ואנרגיה ב'
- חוקרים מערכות חיים ב'
פתח דבר
ספר הלימוד "חוקרים חומר ואנרגיה ב", הוא הספר השלישי בסדרת 'מטמו"ן חדש' - מדע וטכנולוגיה לחטיבת הביניים. ספר זה, המיועד לתלמידי כיתה ח', עוסק בנושאים מעולם הכימיה והפיזיקה, ובו ארבעה שערים: "מסע אל היסודות", "מסע אל התרכובות", "מתחברים לחשמל" ו"אינטראקציה, כוחות ותנועה".
(בספר תמונה)
בשער "מסע אל היסודות" נעסוק ביסודות הכימיים, בתכונותיהם ובשימושיהם (ברמה המאקרוסקופית) ובמבנה שלהם (ברמה המיקרוסקופית). השער נפתח בפרק "נפלאות החומר", המהווה חשיפה לעולם הכימיה ובמהלכה נצפה בהדגמות, נבצע ניסויים, נעקוב אחר שינויים המתחוללים בחומרים ונרכוש מיומנויות הדרושות לביצוע חקר במדע. בהמשך נצא למסע מרתק להכרת היסודות ונשוטט ברחבי טבלת היסודות תוך היכרות עם שפת הכימיה. נסיים את השער ב"צלילה" למעמקי האטום, נכיר את התאוריות המקובלות של מבנה האטום ונתוודע אל החלקיקים התת אטומיים הקובעים את המבנה הזה.
(בספר תמונה)
השער "מסע אל התרכובות", המהווה המשך ישיר לשער "מסע אל היסודות", פותח אשנב לעולם המופלא של תרכובות ותהליכים כימיים. נכיר מבנה ותכונות של תרכובות מסוגים שונים - תרכובות מולקולריות, תרכובות יוניות, חומצות ובסיסים - ואת תרומתם לפיתוחים בתחומי הטכנולוגיה, הרפואה והחברה. במהלך הלימוד נחווה כימיה בפעולה ונעקוב באמצעות ניסויים ותצפיות אחר שינויים המתרחשים כתוצאה מתהליכים כימיים. נחתום את השער בהיכרות עם תערובות - תכונותיהן, הדרכים להפרדתן לחומרים טהורים והשימוש בהן בתעשייה ובטכנולוגיה.
מה ב"מתחברים לחשמל"?
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
השער"אינטראקציה, כוחות ותנועה" עוסק במכניקה ובחוקי ניוטון בגישה חדשה, אימתנית, המשלבת אסטרטגיה לפתרון בעיות עם תכנים פיזיקליים. נכיר את המושג "אינטראקציה" ואת מושג הכוח הנגזר ממנו. נלמד להסביר באמצעות חוקי הפיזיקה תופעות ואירועים שונים מחיי היום-יום תוך בניית תרשים כוחות לגופים מרכזיים באירוע, נכיר את עקרונות הפעולה של מכונות פשוטות (מנופים) ונעסוק בתיאור תנועה ובמושג הלחץ. במהלך הלימוד נעשה שימוש במיומנויות כגון פתרון בעיות ובייצוגים מגוונים, המשתלבים בתכנים הנלמדים.
אנו מאחלים לכם למידה מהנה ופורייה צוות מטמו"ן חדש
מקרא הסמלים
(בספר תמונה)
שאלות - שאלות שיש לענות עליהן במחברת.
(בספר תמונה)
משימה - משימת כתיבה במחברת כמו: השלמת טבלה, גרף, איור וכדומה.
(בספר תמונה)
פעילות - פעילות מורכבת בכיתה או בבית, המלווה בתוצר.
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
ניסוי - ניסוי לביצוע במעבדה.
(בספר תמונה)
הדגמה - ניסוי המודגם על-ידי המורה או נצפה באתר 'מטמו"ן חדש'
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה - פעילות להקניה או לתרגול של מיומנויות למידה.
(בספר תמונה)
משקפי קסם - משקפיים דמיוניים המאפשרים "לראות" את מה שעין האדם אינה רואה.
(בספר תמונה)
מענן ומסקרן - העשרת הידע באמצעות מידע נוסף הקשור לתוכנית הלימודים.
(בספר תמונה)
מידע והרחבה - מידע והרחבה על תכנים שמעבר לתכנית הלימודים.
(בספר תמונה)
פעילות ברשת - פעילות ממוחשבת באתר 'מטמו"ן חדש'.
(בספר תמונה)
צפייה בסרט - צפייה בסרטון באתר 'מטמו"ן חדש'.
תוכן העניינים
(בספר תמונה)
מרסל פרייליך, זהבה שרץ
פרק 1: מבוא: נפלאות החומר
(בספר תמונה)
*16*
*16*
(בספר תמונה)
הטבע מעורר בבני האדם את הסקרנות ואת הדחף להכיר ולחקור את הבסיס לקיומם של חומרים במגוון כה רחב, ולהבין את התופעות המופלאות המתרחשות בו.
במהלך מאות השנים האחרונות, עם התבססות המדע הניסויי ובעקבות ההתפתחות הטכנולוגית, הצטבר ידע רב והתגבשה הבנה בנוגע לעולם החומרים, תכונותיהם והמבנה שלהם - נוצר התחום המדעי המכונה כימיה.
הכימיה היא המדע העוסק בהרכב החומר, במבנהו, בתכונותיו ובשינויים החלים בו במהלך תגובות כימיות.
מדענים מצליחים להסביר את תכונות החומרים השונים ואת אופן התנהגותם על סמך מודל החלקיקים של החומר.
בלימודיכם הקודמים הכרתם את "מודל החלקיקים של החומר" על-פי מודל זה: - החומר בנוי מחלקיקים;
- בין החלקיקים קיים ריק;
- חלקיקי החומר נמצאים בתנועה מתמדת;
- בין חלקיקי החומר קיימים כוחות משיכה.
בפרק זה, המשמש פתיחה לתחום הכימיה, נתמקד בצפייה בתהליכים שבהם מתרחשים שינויים כימיים, נרחיב את יכולתנו לשאול שאלות מדעיות מסקרנות ומשמעותיות ונעסוק במיון חומרים, תוך שימוש במושגים מעולם הכימיה.
*17*
*17*
מחקרים מדעיים בכימיה בארץ ובעולם הובילו ליצירת חומרים חדשים ומוצרים מגוונים, אשר תרמו לשינויים באורח חייהם של בני האדם. מחקרים אלו מבוססים על ניסויים במעבדה הנערכים במטרה להתחקות אחר תכונות החומרים, לפתח דרכים להפקת חומרים חדשים ולבחון תגובות בין חומרים. במהלך הניסויים הכימאים מבצעים תצפיות בעולם המאקרוסקופי - על התופעות והשינויים שחלים בחומרים. ההסברים לתופעות ולשינויים הנצפים בניסויים מסתמכים על העולם המיקרוסקופי - עולם החלקיקים. המעבר בין העולם המאקרוסקופי לעולם המיקרוסקופי הוא חלק בלתי נפרד ממדע הכימיה וילווה אותנו לאורך לימודינו.
לצורך היכרות עם עולם הכימיה אתם מוזמנים לצפות בהדגמות ולבצע ניסויים.
(בספר תמונה)
שאילת שאלות היא מיומנות חשובה, ואותה התחלנו לתרגל בהקשרים שונים בלימודים קודמים. שאילת שאלות מניעה את האדם לחפש תשובות, ועל-ידי כך להגיע לגילויים חדשים ולהרחבת הידע. השאלה היא חלק מרכזי המקדם את המחקר המדעי ואת עבודת המדענים. נהוג לומר שכל חקר מדעי מתחיל בשאלה טובה.
עדה יונת במעבדה
(בספר תמונה)
דיון
קיימו דיון בכיתה סביב השאלות הבאות:
- מי שואל/ ת שאלות?
- מתי שואלים שאלות?
- את מי אתם שואלים ומדוע?
- מדוע חשוב לשאול שאלות
- אילו מילות שאלה אתם מכירים? רשמו אותן.
- האם קשה לשאול שאלות? הסבירו.
- האם נתקלתם במצב שבו ניסוח שאלה גרם לקבלת תשובה בלתי מספקת? הביאו דוגמה.
- איפה שואלים שאלות: בבית הספר? במשפחה? בעולם המקצועי?
*18*
(בספר תמונה)
פעילות
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
הדגמה
פעילות 1
הדגמת מורה 1: "קסמי" הכימיה
א. העתיקו למחברתכם את הטבלה, ותוך כדי צפייה בהדגמה רשמו את תצפיותיכם (מה רואים, מריחים, שומעים?).
פעולה, ממצאים: רואים, ממצאים: מריחים, ממצאים: שומעים, ?
מזיגת נוזל מהכד לכוס 1, --, --, --, --
מזיגת נוזל מכוס 1 לכוס 2, --, --, --, --
מזיגת נוזל מכוס 2 לכוס 3, --, --, --, --
מזיגת נוזל מכוס 3 לכוס 4, --, --, --, --
(בספר תמונה)
ב. רשמו במחברת לפחות 3 שאלות שהתעוררו במהלך הדגמת הניסוי.
(בספר תמונה)
מהלך הניסוי
1. שפיכה של החול על מכסה פח (או על צלחת) ויצירת גומה של בערך 2 ס"מ בעזרת האצבע.
2. טפטוף ופיזור בעזרת טפי במידה שווה חצי מכמות הנוזל (חומר 1) בגומה.
3. שפיכת התערובת הלבנה (חומר 2) לתוך הגומה.
4. פיזור בטפטוף של חומר 1 שנותר סביב חומר 2 על החול בגבול שבין חומר 2 לבין החול.
5. הדלקת חומר 1 בעזרת גפרור.
(בספר תמונה)
מיומנויות למידה במדע
רשמו במחברת לפחות 3 שאלות שהתעוררו במהלך הדגמת הניסוי.
*19*
(בספר תמונה)
דיון
המורה י/תרשום על הלוח את השאלות שאותן שאלו תלמידי הכיתה.
1. עיינו בשאלות ומיינו אותן לקבוצות. תנו כותרת לכל קבוצה.
2. השוו את הצעתכם למיון השאלות עם הצעותיהם של עוד 3 תלמידים בכיתה. מהם ההבדלים בין סוגי המיון שהוצעו בכיתה, ומתי כדאי להשתמש בכל סוג?
קיימות כמה דרכים למיין שאלות לקבוצות. אפשר למיין לפי סוג השאלה, נושא השאלה, מילות השאלה ועוד.
(בספר תמונה)
פעילות
פעילות 2
בפעילות זו תבצעו בעצמכם שני ניסויים ותתבקשו לנסח שאלות על אודות התופעות שבהן תצפו במהלך הניסוי. עליכם לשאול לפחות שאלה אחת מכל אחת מקבוצות השאלות הבאות:
1. שאלות על מה שרואים (שאלות ברמת התופעה)
לדוגמה: מדוע נוצרו בועות בכוס האחרונה? (בניסוי "קסמי" הכימיה).
2. שאלות על מה שאיננו יכולים לראות (שאלות על ההסבר המדעי ברמת החלקיקים)
לדוגמה: האם לחומר בצבע סגול יש חלקיקים שצבעם סגול? (בניסוי כתב סתרים - ראו בהמשך).
3. שאלות על מה שאפשר למדוד (טמפרטורה, זמן, מסה, אורך וכדומה) לדוגמה: מהי מסתו של הנחש השחור? (בניסוי"הנחש" השחור).
4. שאלות על השפעות והשלכות סביבתיות
לדוגמה: האם צבעי מאכל הם חומרים מזיקים לבריאות? (בניסוי"ריקוד" בצבעים - ראו בהמשך).
(בספר תמונה)
ניסוי
ניסוי 1: כתב סתרים
מהלך הניסוי
1. טבלו קיסם מחודד בבקבוק (מספר 1) שלפניכם וציירו / כתבו ברכה לכבוד השנה החדשה על גבי פיסת נייר סינון.
2. יבשו את הנייר באמצעות נפנוף באוויר. כשהנייר יבש, הכתב אינו נראה.
3. הניחו את הנייר על גבי מגש והגישו אותו לאחד/ ת התלמידים בכיתה.
4. כל התלמידים אשר יקבלו נייר, יטבלו מכחול בבקבוק השני (מספר 2) ויצבעו את כל הנייר.
תארו מה קרה.
*20*
(בספר תמונה)
מיומנויות למידה במדע
רשמו במחברת לפחות 4 שאלות שהתעוררו במהלך הניסוי. השתדלו לשאול שאלה אחת לפחות המתקשרת לכל אחת מקבוצות השאלות 1-4 שהוצגו בפעילות 2.
(בספר תמונה)
ניסוי
ניסוי 2: "ריקוד" בצבעים
מהלך הניסוי
1. מזגו חלב לתור צלחת פטרי, עד שהוא יכסה לפחות את תחתית הצלחת.
2. טפטפו טיפה מכל צבעי המאכל ב- 2 או 3 מקומות שונים. היזהרו שלא לנער את צלחת הפטרי בזמן הניסוי.
3. טבלו קיסם בסבון נוזלי מרוכז, ולאחר מכן טבלו אותו במרכז כתמי הצבע שבצלחת הפטרי. רשמו מה קרה.
(בספר תמונה)
מיומנויות למידה במדע
ךשמו במחברת לפחות 4 שאלות שהתעוררו במהלך הניסוי. השתדלו לשאול שאלה אחת לפחות המתקשרת לכל אחת מקבוצות השאלות 1-4 שהוצגו בפעילות 2.
(בספר תמונה)
דיון
1. כיצד מיון שאלות לפי קבוצות יכול לתרום לקידום ההבנה של ניסויי ההדגמה (התייחסו לפעילות 1)?
2. האם מיון שאלות לפי קבוצות מסוג 1-4 בפעילות 2, תרם לקידום ההבנה של הניסויים שערכתם? מדוע?
לסיכום
כל ההתפתחויות במדע ובטכנולוגיה התרחשו בזכות סקרנותם של בני האדם, ובזכות יכולתם לשאול שאלות, לחקור ולחפש תשובות.
סביר להניח שלא נוכל לענות על רוב השאלות ששאלנו בשלב זה של הלימוד. לחלק מהשאלות נקבל תשובות במהלך לימודי הכימיה השנה. לחלק מהשאלות גם אנשי המדע עדיין מחפשים תשובות.
השינויים שצפינו בהם במהלך ביצוע ההדגמות והניסויים, אינם מעשי קסמים, יש לכולם הסבר מדעי הגיוני. כדי להסביר באופן מדעי את התופעות והתהליכים שהביאו לשינויים נצטרך להיעזר במדע הכימיה - המדע העוסק בחקר החומרים, במבנה שלהם, בתכונות הנובעות מהמבנה, בשימושים של החומרים ובשינויים שהחומרים עוברים. בשלב זה של לימודינו מתחיל מסע קסום אל תוך עולם החומרים. במסענו נשתדל לענות על רוב השאלות שהעלינו.
דרך צלחה!
*21*
*21*
*21*
חומרים מקיפים אותנו מכל עבר. הם מצויים באוויר, בים, ביבשה, בגוף האדם, בצומח, בחי ובדומם. אנו משתמשים בחומרים שונים בהתאם לצרכים שלנו: מזון, תרופות, חומרים קוסמטיים, חומרי ניקוי, דשנים, צבעים ועוד ועוד. גופים עשויים מחומרים שונים. כמו כן, מחומרים מגוונים אפשר לייצר מוצרים שונים כגון: בגדים, רהיטים, משחקים, כלים. קיימים מיליוני חומרים שונים, חלקם חומרים טבעיים הנוצרים בטבע, וחלקם חומרים מלאכותיים שאותם יוצרים בני האדם. החלוקה של החומרים לטבעיים ולמלאכותיים היא אחת הדרכים למיין חומרים. במקרה זה התבחין (הקריטריון) למיון הוא מקור החומר - טבעי או מלאכותי. בהמשך נכיר דרכי מיון נוספות.
מוצרים מחיי היומיום
(בספר שלוש תמונות)
(בספר שלוש תמונות)
פעילות
1. רשמו שמות של 10 חומרים המשמשים אתכם בחיי היומיום.
2. מיינו את החומרים שמניתם על-פי השימוש בהם.
3. התבחין למיון בסעיף 2 הוא השימוש בחומר. הציעו שני תבחינים נוספים למיון חומרים ומיינו לפיהם את רשימת החומרים שאותם הצעתם בסעיף 1.
*22*
(בספר שלוש תמונות)
דיון
עבדו הזוגות ודונו בשאלות הבאות:
1. האם רשימות החומרים שהצעתם דומות או שונות?
2. אחדו את רשימת החומרים של שניכם. בחרו תבחין למיון ומיינו את הרשימה המאוחדת.
3. מהו התבחין למיון שבחרתם?
4. דונו בכיתה עם המורה על דרכי מיון שונות.
מדענים נוהגים למיין חומרים בדרכים שונות המייצגות את הגילויים ואת ההתפתחויות הקשורים לחומרים. במהלך הספר תיחשפו לאופני מיון שונים. בכימיה נהוג למיין חומרים לחומרים טהורים ולתערובות. חומר טהור הוא חומר מסוג אחד בלבד. בעל הרכב קבוע ואחיד ותכונות ייחודיות המאפיינות רק אותו. כמו טמפרטורת היתוך וטמפרטורת רתיחה. ואכן, אחת הדרכים לזהות חומר טהור היא על-פי ערכי טמפרטורות ההתכה, והרתיחה. מים מזוקקים, סוכר, מלח בישול, חמצן, וכספית - הם דוגמאות לחומרים טהורים. לעומת זאת, תערובת כוללת לפחות שני חומרים שונים, המעורבבים יחד ביחס כמויות שאפשר לשנותו. לתערובת אין הרכב קבוע, ולכן התכונות שלה משתנות בהתאם לסוג החומרים המעורבבים בה ולכמותם היחסית. אוויר, סלט ירקות. בצק, רוטב של שמן ולימון - הם דוגמאות לתערובות.
רוב החומרים המצויים בטבע והחומרים שבהם אנו נתקלים בחיי היומיום, הם תערובות.
תערובות בטבע: אוויר הוא תערובת המכילה גזים שונים: חנקן, חמצן וכמות קטנה של גזים נוספים אחרים; מי ים הם תערובת של מים ומלחים שונים המומסים בהם; חלב הוא תערובת של שומנים, חלבונים, ויטמינים ומים.
תערובות מחיי היומיום: משקה מוגז הוא תערובת המכילה מים, פחמן דו-חמצני וחומרי טעם (לדוגמה: משקה קולה); גז הבישול הוא תערובת של חומרים הנקראים פחמימנים (המורכבים כעיקר מפחמן וממימן); פלדה היא תערובת של ברזל ופחמן.
תערובות מחיי היומיום ומהטבע: 1. גז בישול 2. מי ים 3. משקה קולה
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
כוהל הנמכר בבתי מרקחת, הוא תערובת של אתאנול (הנוזל האלכוהולי שבמשקאות החריפים) והחומר מתאנול המשמש כדלק, אך רעיל ומסוכן מאוד לשתייה. היזהרו!
*23*
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
האם התרופה היא חומר טהור או תערובת?
חומרים טהורים נמצאים במעבדות מחקר ובתעשיית התרופות. חומרים אלו, המשמשים כחומרי מוצא בתעשיית התרופות ובתעשייה הכימית, עברו תהליכי הפרדה, ניקוי ומיצוי. לדוגמה, כל תרופה מכילה חומר פעיל אשר מטפל בגורמי המחלה ומביא לריפוי החולים. החומר הפעיל צריך להיות נקי מאוד, כלומר, חומר טהור. כגון: פרצטמול, אספירין, אינסולין, פניצילין. חשוב להבחין בין החומר הפעיל לבין השם המסחרי של התרופה. החומר הפעיל של תרופה מסוימת מצוי בתרופות המיוצרות על-ידי חברות מסחריות שונות, המכונות בשמות שונים. לדוגמה: פרצטמול (החומר הפעיל) נמצא בתרופות אקמול, דקסאמול ועוד (השמות המסחריים).
התרופות הן תערובות, שכן בנוסף לחומר הפעיל הטהור המופק בתהליך מוקפד ביותר, ואשר משמש לריפוי, יש בתרופה חומרים טהורים נוספים שאינם פעילים אך נועדו לשפרה. בין החומרים שמכילה טבלייה של תרופה יש פעמים רבות סוכרוז או לקטוז (סוגי סוכרים) המשמשים כחומרי דילול, ותפקידם ליצור נפח לטבלייה, מפני שכמות החומר הפעיל היא מזערית, וכן עמילן תפוחי-אדמה או חמאת קקאו המשמשים כחומרים מפוררים וגורמים לפירור הטבלייה במערכת העיכול. בנוסף, נמצאים בתרופה גם ג'לטין או גלוקוז המשמשים כחומרים מלכדים ושומרים על שלמותה עד הגעתה למערכת העיכול. תרופות שונות מכילות חומרי עזר נוספים בהתאם לצורך.
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. למה משמש החומר הפעיל בתרופה?
2. אילו חומרים פעילים הוזכרו בקטע לעיל?
3. האם התרופה הניתנת בבית המרקחת היא חומר טהור או תערובת? הסבירו.
4. מהם המרכיבים השונים בתרופה, ולמה הם משמשים?
5. אתרו מידע על אודות התרופה "אקמול" וסכמו בקצרה:
א. מהו הרכב התרופה?
ב. מהו החומר הפעיל בתרופה?
ג. אילו אופנים אפשריים לנטילת התרופה (סירופ, טבלייה וכדומה)?
ד. האם קיימות תרופות בעלות שמות אחרים, הדומות בהרכבן ל"אקמול"? מהן?
ה. ציינו את מקורות המידע שבהם נעזרתם.
*24*
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
תרשים 1: מיון חומרים 1
חומרים - יכולים להיות - תערובת
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. בכל קבוצות החומרים שלפניכם יש חומר אחד טהור, והשאר - תערובות המכילות את החומר הטהור.
ציינו מהו החומר הטהור בכל קבוצה. הסבירו את תשובתכם.
קבוצה 1: מים מינרלים, מים מזוקקים, מי ברז, מי ים המלח.
קבוצה 2: מיץ פטל, קולה, סוכר, קורנפלקס, שוקולד.
קבוצה 3: זהב 24 קרט, זהב 18 קרט, זהב 14 קרט.
קבוצה 4: אקמול, דקסאמול לילדים, פרמול, פרצטמול, קולדקס, אלגוליזין.
2. על-פי מודל החלקיקים של החומר, חומרים בנויים מחלקיקים.
א. האם התערובות מכילות חלקיקים מסוגים שונים? הסבירו.
ב. במה נבדלים החלקיקים זה מזה בתערובת?
ג. האם יש קשר בין סוג החלקיקים לבין תכונות החומרים?
3. היעזרו במודל החלקיקים של החומר וציירו חלקיקים של חומר טהור וחלקיקים של תערובת.
*24*
- חומר טהור עשוי מסוג אחד בלבד של חומר.
- לחומר הטהור תכונות ייחודיות וקבועות.
- תערובת כוללת לפחות שני חומרים שונים.
- תכונות התערובת נובעות מתכונות החומרים שהיא מכילה.
- מרבית החומרים בעולם הם תערובות.
(בהמשך לימודנו יוקדש פרק מיוחד לנושא תערובות.)
*25*
*25*
1. מדע הכימיה עוסק ב:
א. הרכב החומרים
ב. תכונות חומרים
ג. תגובות כימיות
ד. כל התשובות נכונות
2. במה שונים החומרים זה מזה? הסבירו והציגו דוגמאות.
3. החומר ברזל מוצק בטמפרטורת החדר וצבעו אפור. האם גם החלקיק הבודד של הברזל הוא בעל אותן התכונות? הסבירו את תשובתכם.
4. מיינו את החומרים הבאים לשתי קבוצות על-פי שיקול דעתכם וציינו מהו התבחין (קריטריון) למיון שבחרתם. תנו כותרת לכל קבוצה. רשימת החומרים: זהב, קמח, פלססיק, עץ, נחושת, מים, יין, דבש, חמאה, זכוכית, ניילון, כותנה.
5. בפרק זה עסקתם במיומנות של שאילת שאלות ומיון השאלות. לפניכם 10 שאלות שהעלו תלמידים בתצפית על נר דולק. אתם מתבקשים למיין את השאלות לפי החלוקה הבאה:
- שאלות על מה שרואים (ברמת התופעה)
- שאלות על מה שאין רואים (ברמת החלקיקים)
- שאלות על מה שאפשר למדוד (טמפרסורה, מסה, זמן וכדומה)
- שאלות על השפעות ועל השלכות סביבתיות
א. כמה זמן עובר מרגע ההדלקה ועד שהנר נגמר?
ב. מדוע מבחינים בכמה צבעים שונים בלהבה?
ג. האם יש הבדל בטמפרטורה בין האזורים השונים של הלהבה?
ד. מדוע ממדי הנר קטנו?
ה. מה תפקיד הפתיל של הנר?
1. האם בעירת הנר משפיעה על הטמפרטורה בסביבה הקרובה לנר?
ז. כיצד בעירת הנר משפיעה על הרכב האוויר סביב הנר?
ח. מדוע להבת הנר "רוקדת"?
ט. כמה זמן יכול נר לבעור בתוך מכל אטום?
י. האם צבע הנר משפיע על צבע הלהבה?
*26*
(עמוד ריק)
*27*
*27*
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
*28*
*28*
בפרק הקודם פגשנו חומרים הקיימים בעולמנו - חומרים הקיימים בטבע וחומרים שהם מעשה ידי אדם. הכרנו דרך אחת מקובלת למיין אותם, והבחנו בין חומרים טהורים לבין תערובות. בפרק זה נמשיך במיון. נתחיל בקבוצת החומרים הטהורים, שאותם נהוג למיין ליסודות ולתרכובות, ונתמקד ביסודות. נפגוש באחד מכלי העזר - מיון וארגון היסודות בטבלה - טבלת היסודות. במקביל נפגוש דרכי מיון נוספות.
בפרק זה נתמקד בשאלות ובנושאים הבאים:
- מהם יסודות?
- מתכות ואל-מתכות
- מה מיוחד ביסוד פחמן?
- טבלת היסודות - משפחות כימיות של יסודות
*28*
הזהב, המוכר לכולנו, הוא חומר נוצץ הקוסם לבני האדם. בכל הדורות הלהיב הזהב את דמיונם של בני האדם, מכיוון שנחשב לאחד החומרים הנדירים והיקרים ביותר בעולם. הוא סימל את העושר והשפע, אבל גם את הסגידה לחומר.
(בספר תמונות, היעזר במנחה)
כלים של אלכימאים
מוצרים מזהב
(בספר שש תמונות, היעזר במנחה)
*29*
*29*
הקשר בין אטומים, יסודות ותרכובות
החומרים הטהורים מתאפיינים בהרכב קבוע ואחיד המקנה להם תכונות ייחודיות הנגזרות מסוג החלקיקים המרכיבים אותם, מאופן היערכותם בחומר ומהכוחות הפועלים ביניהם. למרות שהחומרים הטהורים שונים זה מזה בתכונותיהם, הם כולם בנויים מיסודות. וממה בנויים היסודות?
כל החומרים בעולמם בנויים מחלקיקים שנקראים אטומים. האטומים הם חלקיקים זעירי-ממדים. קוטר האטום הוא כעשירית של מיליארדית המטר, 0.0000000001 מטר (בשיטת החזקות כותבים מספר זה כך: 10 בחזקת מינוס עשר מטר). זהו מספר כל כך קטן שקשה לם להבין את משמעותו.
ננסה להמחיש: אילו היה אפשר לסדר אטומים זה לצד זה, או-אז על קו שאורכו מטר אחד היה אפשר למקם כעשרה מיליארד אטומים. לו החלפנו את האטומים הקטנטנים בגולות רגילות (בקוטר 1 ס"מ), פס "האטומים" שנמצאים על כשלושה מטרים, היה מגיע לירח.
כבר אמרנו שכל החומרים בנויים מאטומים, ועוד אמרנו. שהחומרים הטהורים שונים זה מזה בהרכבם, לכל אחד מהם הרכב קבוע ואחיד המקנה לו תכונות ייחודיות. נוהגים לחלק את החומרים הטהורים לשתי קבוצות: אלה שמורכבים מאותו סוג אטומים - היסודות, ואלה שמורכבים לפחות משני סוגי אטומים שונים - התרכובות.
בעולמנו יש כמאה ועשרה סוגי אטומים, ולכן יש כמאה ועשרה יסודות.
כל החומרים הטהורים שבנויים לפחות משני סוגי אטומים, הם תרכובות, ומכיוון שיש מספר עצום של צירופים, יש מספר עצום של תרכובות.
אטומים הם החלקיקים שמהם בנויים כל החומרים.
יסוד הוא חומר טהור הבנוי מאטומים זהים, השונים מאטומים של יסודות אחרים.
תרכובת היא חומר טהור הבנוי משני סוגי אטומים לפחות.
נוסיף את היסודות והתרכובות לתרשים המלווה את לימודנו:
תרשים 1: מיון חומרים 2
חומרים - יכולים להיות - תערובת
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות - יסודות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות – תרכובות
(בספר שש תמונות, היעזר במנחה)
*30*
חלק מהיסודות היו ידועים ומוכרים לאדם כבר בימי קדם, ואחרים התגלו ואף נוצרו עם התפתחות הידע המדעי. זהב, כסף, נחושת, ברזל, גפרית ואחרים - הם יסודות שאותם הכירו כבר אבות אבותינו. קיימים כ- 110 יסודות שונים. לכל יסוד יש אטומים מסוג מסוים שמקנים לו את תכונותיו כגון: צבע, ריח, טמפרטורת רתיחה והתכה (אשר קובעות את מצב הצבירה בטמפרטורת החדר), קשיות, שבירות, מוליכות חשמלית ועוד ועוד. כאמור, אטומים של יסוד אחד שונים מאטומים של יסוד אחר, ובהתאם קיימים כ- 110 אטומים שונים.
בתמונה מופיעים יסודות ומוצרים העשויים מיסודות המוכרים לרובנו מחיי היומיום: ברזל, נחושת, גפרית, אלומיניום, כספית ומגנזיום.
1. נחושת 2. ברזל 3. אלומיניום 4. כספית 5. גפרית 6. מגנזיום
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
בני אדם מתקשרים זה עם זה באמצעות שפות כמו שפת דיבור, שפת סימנים ושפת גוף. חלק משפות אלה מיוצגות גם באמצעות סימנים כתובים. שפה היא אוסף של סמלים וסימנים מוסכמים, שבני אדם משתמשים בהם כדי להביע את עצמם. שפת הכתיבה והקריאה מורכבת מאותיות. בשפות הכתובות האותיות הן הסמלים, שהצירופים שלהם יוצרים את המילים. צירופי המילים יוצרים משפטים לפי חוקי התחביר. ממספר קטן של אותיות אפשר ליצור מספר עצום של צירופים. הצירופים יכולים להכיל אותיות זהות או שונות. לדוגמה, מהאותיות מ' ש' ר' אפשר להרכיב את המילים: שמר, רשם, מרשם, משמר, מרשרש ועוד. ייתכנו גם צירופי אותיות חסרי משמעות כגון: מרשר, שמשש, ששרם ועוד.
בדומה לשפות הדיבור הכתובות, קיימת שפה כתובה בתחום המוזיקה, שהיא בינלאומית, וה"אותיות" שבה הן התווים. התווים הם סמלים המוכרים לעוסקים במוזיקה בעולם כולו. צירופים שלהם (יחד עם כללים נוספים) מייצגים את המנגינה והרכיבים השונים של היצירה המוזיקלית.
העוסקים בכימיה משתמשים בשפת הכימיה הכוללת סמלים שמייצגים שמות וביטויים לאטומים, לחומרים, למבנים ולתהליכים. שפת הכימיה היא שפה בינלאומית, וככל שפה היא חייבת להיות מוסכמת, ברורה ומובנת לכל העוסקים בה. זוהי שפה כתובה שבה לכל סוג של אטום יש סמל. סמל האטום הוא גם סמל היסוד. 110 סמלי היסודות (סמלי האטומים)
*31*
הם האותיות שבאמצעותן נייצג את החומרים הבנויים מהאטומים - אלה יהיו ה"מילים" של שפה זו. כשם שמ - 22 אותיות בשפה העברית אפשר ליצור מספר רב של מילים, כך מ- 110 אטומים שונים אפשר ליצור מספר עצום של חומרים.
כתב 2. סמל היסוד חנקן 3. תווים במוזיקה 4. סמל היסוד ברזל
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
לכל יסוד שם משלו, לדוגמה: שמו של היסוד החיוני לנשימה ונמצא באוויר הוא חמצן, ובלועזית - Oxygen. שמו של היסוד המורכב מהאטומים הקטנים ביותר המוכרים, הוא מימן, ובלועזית - Hydrogen. בדרך כלל מסמלים יסוד באמצעות האות הראשונה של שמו בלועזית, כשהיא מסומנת באות גדולה. לדוגמה: חמצן - O, מימן - H.
ישנם יסודות ששמם מתחיל באותה האות, לדוגמה: חנקן - Nitrogen ונאון - Neon. במקרים אלו הוחלט לסמל יסוד אחד באות הראשונה של שמו, ואת היסודות האחרים בשתי האותיות הראשונות (כאשר האות הראשונה היא אות גדולה, והאות השנייה - קטנה). לדוגמה: חנקן - N, נאון - Ne וניקל - Ni. מימן - H והליום - He. פחמן - C, סידן - Ca וקובלט - Co.
חלק מהיסודות שהתגלו עוד בעת העתיקה, מסומלים על-פי שמם בלטינית או ביוונית. לדוגמה: השם הלטיני של ברזל הוא Ferrum ולא (Iron), וסמלו - Fe. השם הלטיני של זהב הוא Aurum, ולכן סמל הזהב הוא Au.
להלן רשימה חלקית של היסודות:
השם בעברית, סמל
אלומיניום, Al
אשלגן, K
ברום, Br
ברזל, Fe
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
הליום, He
זהב, Au
זרחן, P
חמצן, O
חנקן, N
יוד, I
כלור, Cl
כסף, Ag
מגנזיום, Mg
מימן, H
נחושת, Cu
נאון, Ne
נתרן, Ne
סידן, Ca
עופרת, Pb
פחמן, C
פלטינה, Pt
צורן, Si
רדון, Rn
*32*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. נהוג לחלק את החומרים הטהורים לשתי קבוצות. מהו ההבדל בין שתי הקבוצות?
2. בעולמנו יש כמאה ועשרה סוגי אטומים. האם נכון לומר, שבעולמנו יש כמאה ועשרה סוגי חומרים? הסבירו את תשובתכם.
3. השלימו את המשפטים הבאים מתוך מחסן המילים. מותר להשתמש באותו המושג יותר מפעם אחת.
א. גם יסודות וגם תרכובות הם --.
ב. היסוד בנוי מסוג אחד של --.
ג. התרכובת בנויה משני -- סוגי או יותר.
ד. יש בעולם כמאה ועשרה -- שמהם אפשר לבנות מספר עצום של --.
מחסן מילים: יסודות, תרכובות, אטומים, חומרים, חומרים טהורים.
4. החומר סוכר הוא תרכובת, ואילו החומר נחושת הוא יסוד. במה דומים החומרים האלה, ובמה הם שונים?
5. נסו להרכיב כמה שיותר צירופי אותיות מארבעת האותיות: א' ב' ג' ד'.
א. כמה צירופי אותיות בעלי משמעות בעברית מצאתם?
ב. כמה צירופי אותיות חסרי משמעות בעברית מצאתם?
6. בפרק הוזכרו מספר שפות מקצועיות שונות, שפת המוזיקה, שפת האותיות. שערו ותארו כיצד היו נראים ונשמעים חיינו ללא המצאת שפות אלו.
7. מדוע היה צורך להמציא שפה לשימוש של כל הכימאים בעולם? הסבירו את תשובתכם.
8. כיצד מסמלים שני יסודות ששמם מתחיל באותה אות? הביאו דוגמה.
9. בשפת הכימיה, הסמל של היסוד קסמן יכול להיות אך ורק:
א. xe
ב. XE
ג. xE
ד. Xe
10. הסמל של היסוד כלור הוא:
א. CL
ב. CI
ג. cl
ד. cL
*33*
*33*
היסודות הכימיים השונים מאורגנים בתוך טבלת היסודות המכונה "הטבלה המחזורית של היסודות". כל יסוד- מופיע בטבלה בשמו ובסמל הכימי המייצג אותו. היסודות ערוכים בטבלת היסודות בצורה הממחישה את המחזוריות הקיימת בתכונות היסודות, כפי שיובהר בהמשך. טבלת היסודות משמשת כלי עבודה חשוב של מדענים העוסקים בכימיה ושל תלמידים הלומדים מקצוע זה. טבלת היסודות תלווה אותנו לאורך כל לימודי מדעי החומר.
טבלת היסודות
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*33*
במאה ה- 19 היו מוכרים כ- 60 יסודות, ובמשך השנים נתגלו יסודות רבים נוספים. במהלך השנים חיפשו מדענים דרך הגיונית למיון היסודות לקבוצות. החוקר הרוסי דמיטרי מנדלייב, הציע ב- 1869 דרך לארגון היסודות בטבלה. הצעתו של מנדלייב התקבלה על המדענים בשל פשטותה ובשל אופן הארגון המוצלח שבה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונת בול)
דמיטרי מנדלייב
*34*
בעלי תכונות משותפות על כן טור מכונה משפחה. מנדלייב השאיר בטבלה מקומות ריקים ליסודות שעדיין לא נתגלו, ואשר לפי השערתו, ולפי החוקיות שבטבלה, היו חייבים להתגלות במוקדם או במאוחר. ואכן במשך השנים התמלאו ה"חורים" ביסודות שהתגלו בהתאם לתחזיותיו. החוקיות שעליה הצביע מנדלייב, מיקדה את תשומת לב הכימאים לתופעות מחזוריות, ולכן הטבלה נקראת "הטבלה המחזורית של היסודות". גדולתה של טבלת היסודות של מנדלייב התבטאה, בין היתר, בכך ששימשה בסיס לשיבוץ כל היסודות שנתגלו או נוצרו באופן מלאכותי במשך השנים.
עד היום מקובל לסדר את היסודות בטבלה הדומה לזאת שהציע מנדלייב, אם כי במשך השנים נערכו בה שינויים בהתאם לידע המדעי שהתפתח. כיום היסודות ערוכים בטבלה בשורות לפי מספר סידורי עולה. על המשמעות של המספר הסידורי ועל החוקיות שבמבנה הטבלה המחזורית של היסודות, נלמד בפרק הבא בהתבסס על מודל האטום.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
סיפור הגליום - יסוד שניבאו את גילויו
גליום (Ga) הוא אחד מהיסודות שאת תכונותיו חזה מנדלייב (בשנת 1871) והשאיר מקום ריק עבורו בטבלת היסודות, על סמך המחזוריות שגילה בטבלה שיצר. המדען הצרפתי פאול אמילה לאקוק דה באודרן זיהה את הגליום בשנת 1875. מקורו של השם גליום הוא במילה הלטינית גליה, שמשמעותה צרפת, המדינה שבה זוהה היסוד לראשונה. גליום הוא מתכת כסופה שניתכת בטמפרטורה של 29.9 מעלות צלסיוס. בדומה למים, נפח הגליום עולה, כאשר הוא הופך למוצק (בניגוד למרבית החומרים האחרים, שנפחם קטן במעבר מנוזל למוצק).
לגליום שימושים מגוונים: מדי טמפרטורה למדידת טמפרטורות גבוהות, ייצור מראות מצוינות, בתעשיית המוליכים למחצה ובייצור רכיבים מוצקים כמו טרנזיסטורים. הגליום יוצר תערובות עם מתכות אחרות (סגסוגות) בעלות טמפרטורות היתוך נמוכות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. על שם מה כונה היסוד גליום?
2. מהו מצב הצבירה של הגליום בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלסיוס)?
3. מהו מצב הצבירה של הגליום בטמפרטורה של 40 מעלות צלסיוס?
4. למה משמש הגליום?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
מתי גילו את היסודות?
היסודות השונים, המוכרים לנו היום, התגלו במהלך השנים בארצות שונות.
בטבלה שבנספח 1 בסוף הפרק, מוצגים יסודות שונים, שמות הארצות בהן התגלו לראשונה ותקופת הגילוי.
פעילות א: משפרים ייצוג נתונים בטבלה
1. התבוננו בטבלה שבנספח 1 בסוף הפרק וחשבו כיצד אפשר להשיב על השאלות הבאות:
א. באילו שנים התגלה המספר הרב ביותר של יסודות?
ב. באילו שנים התגלה המספר המועט ביותר של יסודות?
2. האם ארגון המידע כפי שהוא מופיע בטבלה שבנספח 1, מאפשר מענה מידי על השאלות שנשאלו בשאלה 1?
הטבלה שבנספח 1 היא טבלה גולמית. בטבלה זאת המידע מפורט מאוד. על מנת להקל על קריאת הנתונים בטבלה ולאפשר, בין היתר, גם מתן תשובות על השאלות לעיל, יש צורך לעבד את הנתונים ולהציגם באמצעות טבלה מעובדת. מכיוון ששאלה 1 מתייחסת למספר היסודות שהתגלו בכל תקופה, נשמיט מהטבלה המעובדת את העמודה של "מקום גילוי היסוד". בנוסף, במקום לפרט את שמות היסודות, נספור את מספר היסודות שהתגלו בכל תקופה, ונייצג זאת באמצעות ספרה. לפניכם הטבלה המעובדת שמתקבלת. השלימו במחברותיכם את מספרי היסודות שהתגלו בכל תקופה.
טבלה 1: מספר היסודות שהתגלו בתקופות השונות
תקופת הגילוי, מספר היסודות שהתגלו
העת העתיקה לפני הספירה, 12
1250 - 1734, 3
1735 - 1800, --
1801 - 1900, --
1901 - 2000, --
2001 - 2012, --
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. השיבו כעת על שאלה 1.
4. האם היה קל יותר לענות על השאלות באמצעות הטבלה המעובדת? מדוע?
5. במה דומה הטבלה המעובדת לטבלה שמופיעה בנספח 1, ובמה היא שונה ממנה?
*36*
פעילות ב: בונים גרף עמודות
בלימודינו עד כה עסקנו בהפקת מידע מגרפים נתונים. בפעילות הבאה נלמד לבנות גרף מסוג מסוים המכונה גרף עמודות, המתאים לייצוג הנתונים שמופיעים בטבלה 1 המעובדת.
למדנו בעבר כי גרפים מתאימים לייצוג קשר בין גורמים (משתנים).
קיימים גורמים (משתנים) מסוגים שונים וביניהם:
1. גורם כמותי רציף - גורם כמותי הוא גורם שמבוטא במספרים. גורם כמותי רציף הוא גורם שבין כל שני ערכים שלו קיים רצף של ערכים נוספים. לדוגמה, בין הערך 1 לערך 2 יש אינסוף ערכים נוספים: 1 חלקי 4, 1 חלקי 8, 1 חלקי 9 וכן הלאה. הגורמים זמן, גיל וגובה הם דוגמאות לגורמים כמותיים רציפים.
2. גורם כמותי בדיד - גורם כמותי בדיד הוא גורם שאמנם מבוטא במספרים, אך אינו יכול לקבל ערכים מסוימים. לדוגמה: הגורם מספר ילדים בכיתה הוא גורם כמותי, מכיוון שהוא מבוטא במספרים, אבל גורם זה אינו יכול לקבל כל ערך. לדוגמה, אי אפשר לבטא גורם זה באמצעות הערך 20.5, מכיוון שלא יכולים להיות בכיתה 20.5 ילדים.
3. גורם איכותי - גורם איכותי הוא גורם אשר אינו מבוטא במספרים. דוגמאות לגורמים איכותיים הם: שמות של ארצות, צבעים, או סוגים של חומרים.
נוהגים להשתמש בגרף עמודות, כשאחד מהגורמים (או המשתנים) הוא גורם כמותי בדיד או גורם איכותי. במקרה שלנו, הגורם "מספר יסודות שהתגלו" הוא גורם כמותי בדיד (אי אפשר לגלות חצי יסוד).
כמו כל גרף, גרף עמודות בנוי משני צירים: ציר x מייצג את הגורם הנבדק (שאינו כמותי). וציר y מייצג את הערכים הכמותיים של אותו הגורם הנבדק.
תקופת הגילוי
איור 1: גרף עמודות
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שלבים בבניית גרף עמודות
1. ייצוג הגורם הנבדק בטבלה מעובדת.
2. קביעת הגורם הנבדק והגורם הכמותי. בדוגמה שלנו הגורם הנבדק הוא תקופת הגילוי, והערך הכמותי הוא מספרי היסודות שהתגלו בכל תקופה.
3. הכנת מערכת הצירים:
א. על דף משובץ משרטטים את מערכת הצירים (ראו איור 2א').
ב. כתיבת הכותרת של כל ציר:
בדוגמה שלנו כותרת ציר ה- x היא: תקופת הגילוי (ראו איור 2ב').
כותרת ציר ה- ץ היא: מספר היסודות שהתגלו (ראו איור 2ב').
*37*
ג. כותבים את שמות הקטגוריות על ציר x ואת טווח הערכים של הגורם הכמותי על ציר ץ. בדוגמה שלנו על ציר x יופיעו הקטגוריות (ראו איור 2ג').
- העת העתיקה (עד שנת 1250)
- 1250 - 1734
- 1735 - 1800
- 1801 - 1900
- 1901 - 2000
- 2001 - 2012
על ציר y ירשמו הערכים 1-50, מכיוון שהמספר הגדול ביותר של יסודות שהתגלו בתקופה אחת, הוא 46. חשוב להקפיד על מרווחים שווים בין הערכים שעל ציר y (ראו איור 2ג').
(בספר 3 גרפים, היעזר במנחה)
איור 2 (א'-ג'): שלבים בבניית גרף עמודות
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*38*
ד. שרטוט גרף עמודות.
איור 2ד': שלבים בבניית גרף עמודות
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
5. כתיבת כותרת לגרף.
בדוגמה שלנו הכותרת היא: מספרי היסודות הכימיים שהתגלו בתקופות שונות לאורך ההיסטוריה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
התבוננו בגרף העמודות שבניתם, וענו על השאלות הבאות:
1. השוו בין הטבלה המעובדת לבין גרף העמודות. ציינו את היתרונות והחסרונות של כל צורת ייצוג.
2. כיצד תסבירו את הירידה במספר היסודות שהתגלו במאה הנוכחית?
3. מדוע, לדעתכם, התגלו יסודות רבים בין השנים 1801-1900?
4. מדוע, לדעתכם, התגלו יסודות מעטים בין השנים 2001-2012?
5. חברו 2 שאלות נוספות שעליהן אפשר להשיב באמצעות הגרף, וענו עליהן.
6. חברו שאלה אחת הקשורה לנתונים שאי אפשר להשיב עלייה באמצעות הגרף.
*39*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
1. עליכם לבנות גרף עמודות שייצג את מספרי היסודות שהתגלו בארצות השונות. היעזרו בטבלה שבנספח 1 בסוף הפרק.
א. בשלב הראשון הציגו את הנתונים באמצעות טבלה מעובדת שתצרו.
ב. בנו את הגרף לפי הטבלה המעובדת שיצרתם.
ג. לאחר בניית הגרף ענו על השאלות הבאות:
(1) באיזו ארץ התגלה מספר היסודות הרב ביותר?
(2) באיזו ארץ התגלה מספר היסודות הקטן ביותר?
(3) מדוע, לדעתכם, לא התגלו יסודות בארצות הברית לפני שנת 1900?
(4) באיזו ארץ התגלה המספר הרב ביותר של יסודות בין השנים 1735-2000? הציעו הסבר מתאים (השתמשו בנימוקים היסטוריים ו/ או מדעיים).
פעילות בהמשכים
היסוד שלי
הבה נכיר מקרוב את היסודות השונים!
היות שקיימים מעל 100 יסודות, כל תלמיד/ ה י/ תבחר (בהתייעצות עם המורה) יסוד אחד ומיוחד - "היסוד שלי". כל התלמידים יקבלו הזדמנות להציג את היסוד שלהם בפני הכיתה, ובסופו של התהליך יתקבל מאגר מידע כיתתי שיכלול רבים מהיסודות.
מהלך המשימה
פעילות מקדימה: בחירת יסוד אחד בהתייעצות עם המורה.
שלב א: איתור מידע על אודות היסוד והערכתו (היעזרו בנספח 2).
שלב ב: הכנת דף מידע על היסוד וארגונו בפוסטר או במצגת.
שלב ג: הצגת "היסוד שלי" בפני הכיתה (בתיאום עם המורה).
המשימה תתבצע לאורך שלבי הלימוד של פרקים 2 ו- 3 על-פי הנחיות המורה וההתקדמות בלימוד הנושא. ראו פירוט המשימה בנספח 3 בסוף הפרק: משימת אורך - היסוד שלי.
*40*
*40*
*40*
המיון בטבלת היסודות נעשה תוך הצלבת מידע על מספר תכונות של היסודות השונים. בפעילות שבניסוי הבא תתבקשו לבדוק מספר תכונות של יסודות שונים, ולמיינם על-פי תכונות אלו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 1: מיון יסודות
מטרת הניסוי: למיין יסודות שונים על פי תכונותיהם.
ציוד וחומרים: מערכת לבדיקת הולכה חשמלית (בתמונה), פטיש קטן, נייר זכוכית, סרט מגנזיום, מוט (או פס) אבץ, פס נחושת, פס כסף, גוש גפרית, גוש פחם, מסמר פלדה, כלי עשוי נחושת, גביע כסף, מים חמים.
שימו לב: המערכת שבתמונה בודקת את ההולכה החשמלית של מוצקים בלבד.
מערכת לבדיקת הולכה חשמלית)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מהלך הניסוי
1. שפשפו כל אחד מפסי היסודות המתכתיים בעזרת נייר הזכוכית ובדקו, אם הם מבריקים או עמומים.
2. נסו לשרוט את היסודות בעזרת מסמר הפלדה ובדקו את קשיותם היחסית.
3. בדקו גם את התכונות הבאות עבור כל אחד מהיסודות שבידיכם: מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, ריח, ורשמו אותן בטבלה 2. אם יש לכם רעיונות לתכונות נוספות - בדקו גם אותן והוסיפו לטבלה 2.
4. בדקו את המוליכות החשמלית עבור כל אחד מהיסודות הנתונים.
5. הכו בפטיש על פסי המתכת השונים. במה הבחנתם? רשמו את תצפיותיכם.
6. מלאו במים חמים את הכלי העשוי נחושת ואת גביע הכסף. געו בצד החיצוני של הכלים הללו. במה חשתם? האם
כלי המתכת שבהם השתמשתם מוליכים חום? השלימו בטבלה.
7. טבלו את מוטות/פסי המתכות הנתונים במים חמים, געו בהם בזהירות לאחר הוצאתם מהמים. תארו, מה חשתם? האם המתכות שבדקתם מוליכות חום?
8. השתמשו במקורות מידע וציינו - האם גם המתכות האחרות המופיעות בטבלה 2 מוליכות חום?
*41*
ממצאים
סכמו בטבלה הבאה את הממצאים (הוסיפו עמודות לפי הצורך).
טבלה 2: תכונות היסודות שנבדקו בניסוי 1
שם היסוד, סמל כימי, ברק כן/ לא, רך/ קשה, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, ריח, הולכה חשמלית כן/ לא, הולכת חום כן/ לא
מגנזיום, --, --, --, --, --, --, --, --
אבץ, --, --, --, --, --, --, --, --
נחושת, --, --, --, --, --, --, --, --
כסף, --, --, --, --, --, --, --, --
גפרית, --, --, --, --, --, --, --, --
פחמן, --, --, --, --, --, --, --, --
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. מיינו את היסודות שבטבלה שערכתם לשתי קבוצות עיקריות: יסודות המוליכים חשמל בטמפרסורת החדר - מתכות, ויסודות שאינם מוליכים חשמל בטמפרטורת החדר - אל-מתכות. ציינו אילו יסודות נמצאים בכל קבוצה.
2. האם כל המתכות שבדקתם, מוליכות במידה שווה?
3. היעזרו בניסיונכם מחיי היומיום ותנו דוגמאות למתכות המוליכות חום.
4. לפניכם טבלה, ובה מידע על אודות יסודות נוספים שאותם לא מתאפשר לבדוק במעבדה בבית-הספר:
טבלה 3: תכונות יסודות נוספים
שם היסוד, סמל כימי, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, ברק, רך/ קשה, הולכה חשמלית כן, לא, הולכת חום כן/ לא
חמצן, O, גז, חסר צבע, חסר ברק, לא רלוונטי, לא, לא
כספית, Hg, נוזל, אפור, מבריקה, לא רלוונטי, כן, כן
ליתיום, Li, מוצק, אפור, מבריק, רך, כן, כן
כלור, Cl, גז, ירקרק, חסר ברק, לא רלוונטי, לא, לא
פלטינה, Pt, מוצק, אפור, מבריקה, קשה, כן, כן
ברום, Br, נוזל, כתום חום, חסר ברק, לא רלוונטי, לא, לא
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מיינו גם את היסודות המופיעים בטבלה זו למתכות ולאל-מתכות.
*42*
5. אחדו את הנתונים משתי הטבלאות, על אודות המתכות והאל-מתכות, וענו על השאלות הבאות:
א. האם גיליתם תכונות המשותפות למתכות? מהן?
ב. האם גיליתם תכונות המשותפות לאל-מתכות? מהן?
6. סכמו את מסקנותיכם בעקבות הניסוי שערכתם.
היסודות המתכתיים שונים בתכונותיהם מהיסודות האל-מתכתיים, כמתואר בטבלה 4.
טבלה 4: השוואה בין המאפיינים של יסודות מתכתיים לבין המאפיינים של יסודות אל-מתכתיים
מאפיינים, יסודות מתכתיים (מתכות), יסודות אל-מתכתיים (אל-מתכות)
מצב צבירה, רובם מופיעים במצב צבירה מוצק בטמפרטורת החדר, אין מצב צבירה אחד אופייני לכל היסודות האל-מתכתיים בטמפרטורת החדר
מוליכות חשמל, מוליכים חשמל בדרגות שונות, מוליכים חשמל בצורה גרועה (להוציא גרפיט)
מוליכות חום, מוליכים חום בדרגות שונות, מוליכים חום בצורה גרועה
ריקוע, ניתנים לריקוע ולמתיחה בדרגה שונה, שבירים ופריכים (להוציא יהלום)
ברק, בדרך כלל אפורים, בעלי ברק, בעלי צבעים מגוונים, חסרי ברק
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
בזכות תכונותיהן המיוחדות יש למתכות יישומים טכנולוגים חשובים, לדוגמה:
המתכות ניתנות לריקוע - תכונה זו מאפשרת ליצור מגוון רב של כלים מנחושת, כסף, ברזל ומתכות אחרות. אפשר לעצב כלים אלו בצורות ובעוביים שונים ולעטרם בתחריטים מגוונים.
המתכות מוליכות חום - לכן סירי בישול רבים עשויים ממתכות. המתכות מוליכות את חום הלהבה ביעילות אל התבשיל שבסיר. בוודאי הבחנתם שבדרך כלל הידיות של הסירים עשויות מחומר אחר שאינו מוליך חום, חומר מבודד (כגון עץ או פלסטיק). כך אפשר לאחוז באמצעותן את הסיר מבלי להיכוות.
המתכות מוליכות חשמל - לכן עשויים חוטי החשמל ממתכות (בדרך כלל נחושת). על מנת להגן על המשתמשים מהולכת החשמל, מצופה חוט המתכת בחומר מבודד מפלסטיק.
כלים ממתכות
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
*43*
נצרף לתרשים המתפתח של ייצוג החומרים את מיון היסודות ליסודות מתכתיים ואל-מתכתיים.
תרשים 2: מיון חומרים 3
חומרים - יכולים להיות - תערובות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות - תרכובות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות - יסודות - יכולים להיות - אל-מתכות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות - יסודות - יכולים להיות - מתכות
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
זהב - מתכת אצילה
הזהב הטהור (Au) הוא מוצק בטמפרטורת החדר, רך, מבריק, בעל מוליכות חשמלית גבוהה, והוא עמיד בפני קורוזיה. (קורוזיה או שיתוך הוא תהליך כימי שבו מתכת מגיבה עם חמצן, מים. חומצה או בסיס שבמהלכו היא מתפוררת ונהרסת. לדוגמה: ברזל מחליד כתוצאה מקורוזיה.) הוא כמעט שאינו מגיב עם חומרים אחרים, על כן הוא מכונה מתכת אצילה. תכונה זאת גורמת לכך שהזהב מופיע בטבע בצורה כמעט טהורה. הזהב יקר, ולכן נהוג לציין את ריכוזו בחומר ביחידות של קרט: 14 קרט, 18 קרט ו- 24 קרט. לצורכי מסחר מסת הזהב נמדדת באונקיות, שהן יחידות מידה הייחודיות למתכות יקרות. בשל רכותו, הזהב נוח לעיבוד ולריקוע. אפשר לייצר עלה זהב דקיק במיוחד בעובי של שישה מיקרומטרים (0.006 מילימטר). מזהב אפשר לייצר חוטים דקים מאוד לשזירה ולרקמה. מגרם אחד של זהב אפשר למתוח חוט שאורכו כשני קילומטרים! בזכות תכונותיו הייחודיות של הזהב, שימושיו רבים ומגוונים. מעבר לשימוש בו לייצור תכשיטים, משתמשים בו רבות גם בתעשיות שונות: לציפוי מגעים חשמליים באלקטרוניקה, לרכיבי מחשבים, לציפויים דקים למשטחים, ברפואה (לדוגמה לכתרים לשיניים), לגביעים ולמדליות, מטבעות זהב לאספנים ועוד.
*44*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. רשמו את תכונות הזהב.
2. מדוע מכנים את הזהב בשם "מתכת אצילה"?
3. מדוע מוסיפים מתכות אחרות בהכנת תכשיטים המכילים בעיקר זהב?
4. האם אפשר להכין בקלות תכשיטים מזהב טהור 24 קרט? הסבירו.
5. אילו שימושים יש לזהב?
6. היעזרו במקורות מידע והשיבו על השאלות הבאות:
א. באיזו צורה נמצא הזהב בטבע, וכיצד מקבלים זהב נקי?
ב. מהי "הבהלה לזהב", ומהו מקור השם?
*44*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 2: חקר פחית שתייה
מטרת הניסוי: הכרת תכונותיה של פחית שתייה והבנת הקשר בין תכונות החומר לבין השימוש במוצר.
ציוד וחומרים: פחית שתייה ריקה, מאזנים, סרגל, מגנט, משורה, מים.
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
שלב א': אפיון הפחית
התבוננו בפחית וענו על השאלות הבאות:
1. מהי צורתה?
2. מאילו חלקים מורכבת הפחית? מהי צורתו של כל חלק?
3. מהם הצבעים של חלקיה השונים?
4. חפשו את סמלי המחזור שעל הפחית. העתיקו אותם ורשמו מה כתוב בתוכם.
שלב ב': מדידות
מדדו את חלקי הפחית הבאים (תחילה תכננו כיצד לבצע מדידות אלו):
1. גובה הפחית
2. קוטר בסיס הפחית
3. מסת הפחית הריקה
שלב ג': תכונות הפחית
1. קרבו את המגנט לכל אחד מחלקי הפחית. רשמו מה קורה (האם קורה משהו?).
2. שרטו כל אחד מחלקי הפחית באמצעות מסמר. האם הרגשתם הבדל בקשיות בין החלקים? הסבירו.
3. האם מכל המדידות והתצפיות שערכתם עד כה, תוכלו לשער מאיזו מתכת עשוי כל אחד מחלקי הפחית? נמקו.
*45*
4. הניחו את הפחית השרוטה במים למשך יממה.
5. תארו מה קרה לכל אחד מהחלקים השרוטים כעבור יממה.
6. השוו את התוצאות עם אלו של חבריכם. האם התוצאות דומות או שונות? שערו מדוע.
7. הציעו הסבר המתבסס על השערתכם שבסעיף 3.
סיכום הניסוי
ייתכן שבמהלך העבודה עם הפחית נתקלתם בשני סוגים של פחיות.
פחית אלומיניום - פחית שעלייה רשום הסימן AL בתוך סמל המחזור. כשבודקים את תכונות הפחית, רואים שהפחית אינה נמשכת למגנט ואינה מחלידה, גם אם שורטים אותה. (שימו לב: סמל היסוד אלומיניום הרשום כאן שונה מזה המקובל בכימיה. בטבלה המחזורית הסמל הוא AI).
פחית פלדה - פחית שעלייה רשום סימן FE בתוך סמל המחזור. כשבודקים את תכונות הפחית רואים שבסיסה התחתון והמעטפת שלה נמשכים למגנט. חלקים אלה גם מחלידים במשך הזמן במקום השריטה (שימו לב שגם על פחית זאת סמל היסוד שבתוך סימן המחזור נכתב באופן שונה מהמקובל בכימיה). המכסה עשוי מאלומיניום, שאינו נמשך למגנט ואינו מחליד.
סמל מחזור של פחית מאלומיניום
סמל מחזור של פחית מפלדה
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שתי הפחיות שבדקנו עשויות ממתכות. כאמור, אפשר לרקע מתכת, והיא נוחה לעיבוד ועיצוב. מהניסוי למדנו שהמתכת חזקה. על כן הפחית יכולה לעמוד בלחץ הגז שבתוכה ובמכות שהיא מקבלת במהלך המילוי, השיווק והשימוש. לשתי הפחיות ממדים שווים, אולם מסת פחית הפלדה גדולה ממסת פחית האלומיניום.
*46*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. כידוע, נהוג לשווק משקאות בבקבוקים או בפחיות.
א. מהם היתרונות והחסרונות של השימוש בפחיות לאחסון משקאות?
ב. מהם היתרונות והחסרונות של האחסון בבקבוק זכוכית? בבקבוק פלסטיק?
2. במהלך הלימודים הכרתם תכונות של יסודות מתכתיים. הציעו דרך לייצור הפחית, תוך כדי שימוש בתכונות אלו (ציינו את דרך הייצור בשלבים, היעזרו בתמונות שלפניכם).
שלבים שונים בייצור של פחית שתייה
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. הציעו דרכים למחזור פחיות וציינו מהן המטרות של מחזור הפחיות.
4. הסבירו מדוע מייצרים מאלומיניום את המוצרים הבאים:
א. עטיפות מזון
ב. מסגרות לחלונות
ג. תבניות למזון
5. כסף מוליך חשמל טוב יותר מנחושת, ובכל זאת משתמשים בנחושת ליצירת כבלים חשמליים. מהי, לפי דעתכם, הסיבה לכך?
6. מדוע מצפים כבלי חשמל לשימוש ביתי בחומר פלסטי?
*46*
אם נתבונן בתבנית טבלת היסודות בעמוד הבא, נראה כי היסודות המתכתיים והאל-מתכתיים ממוקמים בשני אזורים שונים בטבלה: היסודות המתכתיים מרוכזים בצד שמאל של הטבלה (מסומנים בכחול) ואילו היסודות האל-מתכתיים מרוכזים בצד ימין (מסומנים בצהוב בהיר). היסוד מימן הוא יוצא דופן מבחינת המיקום. בין שתי הקבוצות, בצד הימני של הטבלה, אפשר להבחין ב"קו מדרגות" בולט.
חלק מהיסודות הגובלים ב"קו המדרגות" (הצבועים בורוד) הם יסודות בעלי תכונות ייחודיות שאינן מאפיינות בהכרח מתכות או אל-מתכות. היסודות בקבוצה זו הם: בור, סיליקון, גרמניום, ארסן, אנטימון, טלור ואסטטין. זוהי קבוצת יסודות אשר בתנאים מסוימים מוליכים חשמל, ואילו בתנאים אחרים מבודדים מבחינה חשמלית. הם אינם שייכים לקבוצת המתכות וגם לא לקבוצת האל-מתכות אלא לקבוצת המוליכים למחצה, (הרחבה לתוכנית הלימודים) ובשלב זה של לימודינו לא נדון בהם.
*47*
תבנית טבלת היסודות
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
התבוננו בתבנית טבלת היסודות המוצגת לעיל והשיבו על השאלות הבאות:
1. היכן ממוקמים היסודות המתכתיים?
2. היכן ממוקמים היסודות האל-מתכתיים?
3. האם רוב היסודות הם מתכות או אל-מתכות?
4. האם היסוד צורן (סיליקון) הוא מתכת או אל-מתכת?
5. בטבלה שלפניכם רשימה של יסודות. מיינו אותם על-פי מיקומם בטבלת היסודות למתכות ולאל-מתכות.
אפשר להעזר בטבלת היסודות שבסוף השער בעמוד 108.
שם היסוד, סמל היסוד, מתכת/ אל מתכת
נתרן, Na
סידן, Ca
חנקן, N
יוד, I
כסף, Ag
גרמניום, Ge
טיטניום, Ti
(בספר איור, היעזר במנחה)
*48*
*48*
*48*
ממה נובעות התכונות של היסודות השונים? מדוע דומות התכונות של יסודות מתכתיים? מדוע שונות כל כך התכונות של המתכות מאלו של האל-מתכות? התשובה נעוצה במבנה החלקיקי של היסודות השונים. המתכות הן יסודות בעלי מבנה חלקיקי דומה. האטומים של המתכת מסודרים במבנה מסודר המכונה סריג מתכתי (הרחבה לתכנית הלימודים) שבו אטומי מתכת רבים מאוד קשורים זה לזה במבנה תלת-ממדי ענק ומיוחד. בין אטומי המתכת פועלים כוחות משיכה חזקים יחסית, משום כך המתכות מוצקות בטמפרטורת החדר. הסבר על תכונות נוספות של המתכות יתאפשר, לאחר שנלמד על מבנה האטום.
ממה נובעות התכונות של האל-מתכות? כמו כל החומרים גם היסודות האל-מתכתיים בנויים מחלקיקים. מדענים גילו כי חלק מהיסודות האל-מתכתיים בנויים מאטומים בודדים, ואילו חלק מהיסודות האל-מתכתיים בנויים מחלקיקים הנקראים מולקולות. מולקולה היא חלקיק המורכב ממספר אטומים הקשורים זה לזה באמצעות כוחות משיכה חשמליים.
מולקולה היא חלקיק המורכב משני אטומים או יותר, זהים או שונים, אשר קשורים זה לזה באמצעות כוחות משיכה חשמליים.
לכימאים יש דרך לסמן כמה אטומים יש במולקולה בעזרת נוסחה. בנוסחה מציינים את סוג האטומים בעזרת הסמל שלהם, ואת מספר האטומים מכל סוג במולקולה, בעזרת מספר קטן המופיע מימין לסמל, למטה. לדוגמה, היסודות גפרית, מימן וחמצן בנויים מהמולקולות S8, H2, O2 בהתאמה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מולקולת הגפרית מורכבת משמונה אטומי גפרית הקשורים זה לזה. הסמל של גפרית הוא S, לכן הנוסחה של מולקולת הגפרית היא S8.
מולקולת מימן מורכבת משני אטומי מימן זהים הקשורים זה לזה (מולקולה דו-אטומית). הסמל של אטום המימן הוא H, לכן הנוסחה של מולקולת המימן היא H2.
מולקולת חמצן מורכבת משני אטומי חמצן הקשורים זה לזה (גם זו מולקולה דו-אטומית). הסמל של אטום החמצן הוא: O, ולכן הנוסחה של מולקולת החמצן היא O2.
*48*
בלימודינו הקודמים למדנו כי החומר בנוי ממספר גדול מאוד של חלקיקים. בפרק זה למדנו כי קיימים סוגים שונים של חלקיקים, ביניהם אטומים, מולקולות וסריגים. אוסף של מספר גדול מאוד של חלקיקים מסוג מסוים יוצרים צבר. להמחשה נשתמש בדוגמה הבאה: גרם אחד של היסוד פחמן מכיל מספר עצום של אטומי פחמן. לו החלפנו את מספר אטומי הפחמן במספר זהה של גרגרי תירס, או אז אפשר היה לכסות את שטחה של ארצות הברית במעטה תירס שגובהו כחצי קילומטר.
*49*
לצבר יש תכונות כמו צבע ומצב צבירה. תכונות אלו ייחודיות לכל חומר. על כן כשמדובר בחומר (צבר חלקיקים) ולא במולקולה בודדת- נהוג לציין את מצב הצבירה של החומר בטמפרטורת החדר בתחתית הנוסחה בצד ימין באמצעות האות הראשונה של מצב הצבירה. (הרחבה לתוכנית הלימודים).
מוצק - (Solid (s, נוזל - (Liquid (I, גז - (Gas (g.
החמצן שאותו אנו נושמים, נמצא בטמפרטורת החדר במצב צבירה גזי, ולכן ייצוגו בשפת הכימיה הוא: O2(g). לייצוג כזה הכימאים קוראים נוסחת החומר. הוא כולל את נוסחת המולקולה ואת מצב הצבירה של החומר בטמפרטורה מסוימת.
היסוד מימן, שהמולקולות שלו דו-אטומיות (כלומר, כל מולקולה שלו בנויה משני אטומים), נמצא בטמפרטורת החדר במצב צבירה גזי. בשפת הכימיה נוסחת גז המימן היא: H2(g). גם היסודות חנקן, פלואור, כלור, ברום ויוד הם יסודות מולקולריים הבנויים ממולקולות דו-אטומיות. N2(g) מייצג הרבה מאוד מולקולות חנקן במצב צבירה גזי, כשכל מולקולה היא דו-אטומית.
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
גז חמצן וגז אוזון - צורות של היסוד חמצן
האוזון הוא גז בטמפרטורת החדר. הגז אוזון הוא בעל ריח חריף הגורם בכמויות גדולות לקשיי נשימה, ולכן הימצאותו באטמוספרה הקרובה לפני כדור הארץ מסוכנת ופוגמת באיכות האוויר. הגז אוזון נוצר במתקני תעשיה מסוימים ונפלט מצינורות הפליטה של כלי רכב כתוצאה מתהליכים כימיים שונים. ככזה נחשב האוזון באטמוספרה הקרובה למזהם ומכונה בשם "האוזון הרע".
האוזון מצוי גם בשכבות הגבוהות של האטמוספרה - בשכבת הסטרטוספרה אשר נמצאת כ- 25 ק"מ מעל כדור הארץ. בהימצאו שם קולט האוזון את הקרינה האולטרה-סגולה, המזיקה לבני האדם (גורמת לפגעי שמש ולסרטן העור), מונע את חדירתה לכדור הארץ, כך מגן עלינו מפני השפעתה המזיקה. אותו גז אוזון, כשהוא נמצא בסטרטוספרה מכונה בשם "האוזון הטוב". אם כך, האוזון מגן על החיים בכדור הארץ כשהוא נמצא במרחק רב ומזיק כשהוא קרוב.
ממחקרים עולה, שהאטומים המרכיבים את המולקולה של האוזון הם אטומים של חמצן (O). אולם בעוד שכל מולקולה של חמצן בנויה משני אטומי חמצן ונוסחתה היא O2, המולקולה של האוזון מכילה שלושה אטומי חמצן ונוסחתה היא O3. על כן תכונות הגז חמצן O2(g) שונות מאלה של הגז אוזון O3(g). כידוע, הגז חמצן שהתגלה על-ידי המדען ג'וסף פריסטלי (1776), הוא גז חסר צבע המהווה כ- 20 אחוז מהאוויר, חיוני לנשימה ומשמש לבעירה.
החמצן והאוזון הם שתי צורות אלוטרופיות של החמצן. אלוטרופיה היא תופעה שבה יסוד קיים בשתי צורות או יותר, השונות זו מזו בתכונותיהן הכימיות והפיזיקליות. תופעת האלוטרופיה שבה אטומים מאותו סוג יוצרים כמה סוגים של מולקולות (כמו חמצן ואוזון), קיימת בחלק מהיסודות.
*50*
*50*
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
(בספר 6 מודלים, היעזר במנחה)
מודל של אטום מימן
מודל של אטום חמצן
מודל של אטום גפרית
מודל של מולקולת מימן
מודל של מולקולת חמצן
מודל של מולקולת גפרית
הסבר: כדור לבן מייצג אטום מימן, כדור אדום מייצג אטום חמצן, ואילו כדור צהוב מייצג אטום גפרית. שני כדורים לבנים המחוברים זה לזה מייצגים מולקולה של מימן. שני כדורים אדומים מחוברים מייצגים מולקולה של חמצן. שמונה כדורים צהובים מחוברים זה לזה תוך יצירת טבעת, מייצגים מולקולה של גפרית. במעבדת הכימיה או בכיתה נמצאים בוודאי מודלים מוחשיים כאלה, ועמם תוכלו לעבוד במהלך לימודיכם בספר זה.
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
דיון
1. מדוע המודלים של האטומים הם בגדלים שונים ובצבעים שונים?
2. האם לאטום גפרית אמיתי יש צבע צהוב? הסבירו.
*51*
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. השלימו את הטבלה הבאה בעזרת טבלת היסודות בעמוד 33 (או בעזרת הטבלה בסוף השער בעמוד 108):
שם היסוד, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, סמל היסוד, נוסחת החומר (היסוד)
חנקן, גז, N, N2(g)
חמצן, גז, O, O2(g)
פלואור, גז, --, --
כלור, גז, --, --
ברום, נוזל, --, --
יוד, מוצק, --, --
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
2. היסוד גפרית הוא בעל מבנה מולקולרי (כלומר מורכב ממולקולות). כל מולקולה של גפרית מכילה 8 אטומי גפרית (סמל היסוד גפרית הוא: S), הקשורים זה לזה. מצב הצבירה של יסוד הגפרית בטמפרטורת החדר הוא מוצק.
א. רשמו את הנוסחה הכימית של מולקולה אחת של גפרית.
ב. רשמו את הנוסחה הכימית של היסוד הגפרית (צבר של מולקולות).
3. היסוד זרחן הוא בעל מבנה מולקולרי. כל מולקולה של זרחן מכילה 4 אטומי זרחן הקשורים זה לזה, ומצב הצבירה של יסוד הזרחן בטמפרטורת החדר הוא מוצק (סמל היסוד זרחן הוא P).
א. רשמו את הנוסחה הכימית של מולקולה אחת של זרחן.
ב. רשמו את הנוסחה הכימית של יסוד הזרחן (צבר של מולקולות).
(בספר 2 איורים, היעזר במנחה)
מודל: מולקולת חמצן
מודל: צבר של מולקולות חמצן (במצב צבירה גז)
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
בחרו צורה שתייצכ אטום (למשל עיגול) וציירו מודלים של:
א. מולקולת חנקן, N2 ושל מדגם היסוד חנקן N2(g).
ב. מולקולת ברום, Br2 ושל מדdם היסוד ברום Br2(l).
ג. מולקולת זרחן, P4 (הציעו כמה הצעות) ושל מדdם היסוד זרחן P4(s).
*52*
*52*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
היסוד פחמן הוא אל-מתכת שמופיעה במספר צורות בעלות מבנים שונים - צורות אלוטרופיות. לכל צורה שם שונה, ומתייחסים אליה כאל חומר שונה. שתי צורות נפוצות של היסוד פחמן שבהן אנו נתקלים בחיי היומיום הן החומרים יהלום וגרפיט. שני החומרים הם צורות אלוטרופיות שונות של היסוד פחמן, אולם היהלום הוא אבן יקרה המפארת תכשיטים וחפצים יקרים, ואילו הגרפיט הוא חומר זול, אפור-שחור הנמצא בעיפרון. בשנת 1985 התגלתה צורה אלוטרופית נוספת של הפחמן - הפולרן.
*52*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
חיפוש מידע
1. חפשו ברשת האינטרנט מידע על אודות היהלום והגרפיט.
2. רשמו את תכונות היהלום ואת תכונות הגרפיט (התייחסו לקשיות, להולכה חשמלית ולתכונות מעניינות נוספות).
3. ערכו השוואה בין התכונות של היהלום לאלו של הגרפיט.
4. למה משמשים היהלומים בתעשייה? איזו תכונה של היהלום מנוצלת בשימוש זה?
5. למה משמש הגרפיט בחיי היומיום? איזו תכונה (או תכונות) של הגרפיט מנוצלת בשימוש זה?
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
המבנה החלקיקי של יהלום וגרפיט
היהלום והגרפיט הם חומרים השונים מאוד זה מזה בתכונותיהם, על אף ששניהם בנויים רק מאטומים של היסוד פחמן, שהסמל שלו C. מה גורם להבדלים בתכונות של היהלום והגרפיט?
ההבדלים נובעים מהמבנה הפנימי של שני החומרים. היערכות (אופן הסידור) של אטומי הפחמן ביהלום שונה מהיערכות של אטומי הפחמן בגרפיט.
דגמים הם מודלים מוחשיים, המייצגים את המבנה של היהלום ושל הגרפיט.
*53*
תמונות של דגמים אלה, ממחישים את ההבדל במבנה שני החומרים:
- מודל של יהלום
- מודל של גרפיט
(בספר תרשים)
אפשר לראות כי היהלום והגרפיט בנויים ממספר רב של אטומי פחמן הקשורים ומסודרים במבנה רב חלקיקי - מבנה ענק - המכונה סריג אטומרי. הם שייכים לקבוצת חומרים המכונה קבוצת הסריגים האטומריים.
אטומי הפחמן ביהלום מסודרים במבנה שונה מזה של הגרפיט. ההיערכות השונה של אטומי הפחמן בגרפיט וביהלום גורמת לשינוי משמעותי בתכונות החומרים. מבנה היהלום סימטרי ולכן כוחות המשיכה בין כל אטומי הפחמן לשכניהם בכל הכיוונים הם חזקים ביותר. מכאן, שהיהלום הוא בעל מבנה ענק המכתיב את תכונותיו - קשה מאוד ולא שביר. לעומת זאת בגרפיט קיים מבנה שכבתי, שבו כוחות המשיכה בין השכבות חלשים, יחסית. לכן החומר גרפיט רך, שביר ונמרח.
לסיכום: נוכחנו לדעת כי היסודות האל-מתכתיים עשויים להיות בנויים מאטומים בודדים (כגון: הליום, נאון, ארגון), ממולקולות (כמו: יוד, חמצן, ברום) וגם מאטומים המאורגנים במבנה סריגי ענק - סריג אטומרי (כגון: יהלום, גרפיט).
אל מתכות - בנויות מ... - אטומים בודדים - כמו... - הליום, נאון, ארגון
אל מתכות - בנויות מ... - מולקולות - כמו... - חמצן, ברום, יוד
אל מתכות - בנויות מ... – סריג אטומרי (מבנה ענק) - כמו... - פחמן (יהלום, גרפיט)
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
1. בניית מודלים ממוחשבים תלת-ממדיים של גרפיט ויהלום.
להלן ההוראות לבניית מודל של יהלום במחשב:
א. לחצו על הקישור
ב. במסך שנפתח גשו ל Build Diamond ולחצו על: Covallently Bondatom
ג. המשיכו ללחוץ על Keep Bonding כ-10 לחיצות
ד. לחצו על Add C atoms ותקבלו מודל תלת-ממדי של יהלום.
2. לבניית מודל תלת-ממדי של גרפיט גשו באותו מסך ל Build Graphite וחזרו על אותן הפעולות המתוארות לעיל.
*54*
פולרן (Fullerene)
מסתבר שבנוסף לגרפיט ויהלום קיימות צורות מבנה נוספות של היסוד פחמן. ב-1985 התגלה החומר פולרן, שאף הוא בנוי מהיסוד פחמן. מולקולת הפולרן בנויה מ-60 אטומי פחמן היוצרים מבנה דמוי כדורגל. החומר פולרן נקרא על שם הארכיטקט האמריקני בקמינסטר פולר, שעיצב ב-1967 מבנה דמוי כדורגל בתערוכה שנערכה במונטריאול בקנדה באמצע המאה ה-20. בשנת 1996 ניתן פרס נובל על תגלית הפולרן והמחקרים על אודותיו לרוברט קארל, הרולד קרוטו וריצ'רד סמאלי. מדענים רבים גילו עניין רב במבנה היציב והבלתי שגרתי של הפולרן, חקרו את תכונותיו וחיפשו שימושים לחומר זה. הם גילו כי הפולרנים הם חומרים יציבים מאוד ואינם מתמוססים בממסים רבים. הם עמידים לחום ומשתייכים לקבוצת חומרים בעלי מוליכות על - כלומר, בעלי התנגדות חשמלית אפסית. המבנה הייחודי שלהם, אשר מקנה להם את תכונותיהם, הוביל את המדענים לחשוב על שימושים אפשריים, למשל בגופי שריון ובתחום הרפואה: בפגיעה בחיידקים ואף בתאים סרטניים.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
מודל של פולרן
(בספר איור, היעזר במנחה)
*55*
ננוטכנולוגיה
לאחרונה התגלו שני חומרים חדשים הבנויים מאטומי הפחמן והם הגרפן וננו-צינוריות פחמן, שגם הם צורות אלוטרופיות של הפחמן. חומרים אלה נחקרים בתחום הננוטכנולוגיה. פירוש המילה היוונית ננו הוא ננס או זעיר. ננומטר שווה למיליארדית המטר, כלומר 0.000000001 המטר. הננוטכנולוגיה היא טכנולוגיה חדשה המבוססת על עיבוד חומר ברמה של אטומים בודדים, כלומר בשכבה בודדת של אטומים שעוביה כעובי האטום הבודד ולא בצבר עצום של אטומים (שבו עוסקת הכימיה הקלסית). טכנולוגיה חדשה זאת פותחת אפשרויות חדשות בכל תחומי החיים, כמו ברפואה ובתעשייה.
גרפן (Graphene) הוא יריעה דו-ממדית של אטומי פחמן המסודרים בצורה של משושים בעובי של שכבה אטומית אחת (בדומה לשכבה אחת של הגרפיט), ומהווה את אבן היסוד לגרפיט, פולרנים וננו-צינורית פחמן. החומר בודד לראשונה מהגרפיט שמצוי בעפרונות. גרפן הוא אחד החומרים הדקיקים ביותר והחזקים ביותר הידועים לחוקרים בימינו. צבעו שקוף, ודחיסותו גבוהה. הוא מוליך חשמל מעולה ומוליך חום מצוין. הגרפן שולב במספר טכנולוגיות עדכניות כמו תאים סולאריים ומסכי מגע, בשל מוליכותו הרבה ושקיפותו. גילוי הגרפן ותכונותיו זיכה את ממציאיו, אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב, בפרס נובל בפיזיקה בשנת 2010.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
מודל של גרפן
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מהן הצורות השונות שבהן מופיע פחמן בטבע?
2. במה עוסק תחום הננוטכנולוגיה?
3. מהו היסוד המרכיב את הגרפן? תארו במילים את מבנה הגרפן.
4. רשמו את תכונות הגרפן ואת השימושים שלו.
5. אתרו מידע נוסף על אודות הגרפן, ורשמו מתי התגלה הגרפן, מי היו המגלים, ומדוע תגלית הגרפן זיכתה את המדענים בפרס נובל. רשמו את מקורות המידע שבהם השתמשתם.
*56*
ננו-צינוריות פחמן (Carbonnanotube-CNT): ננו-צינוריות פחמן הן מבנים גליליים בגודל ננומטרי. אפשר לתאר את הצינוריות כמשטחי גרפן שהסתדרו בצורת גליל וסגרו על עצמם. השם "ננו-צינורית" ניתן להן בשל גודלן, שכן קוטר הצינוריות הוא מספר בודד של ננומטרים (ננומטר אחד שווה למיליארדית המטר-10-9 מסר), בערך 1 חלקי 50,000 מעובי שערה אנושית, ואילו אורכן נע בין מיקרומטר עד מספר מילימטרים. לעיתים אחד הקצוות או שניהם נסגרים על עצמם ויוצרים מבנה בצורת חצי כדור. המבנה המולקולרי הייחודי של הננו-צינורית גורם לתכונות ייחודיות כגון: חוזק גבוה למתיחה, עמידות גבוהה לחום ופעילות כימית נמוכה. לדוגמה: חוט בקוטר של מילימטר אחד (כקוטר חוט תפירה) הטווי מננו-צינוריות פחמן מאפשר להרים משא של יותר משישה טון, כלומר, מסה של כ-10 פרות, או משאית קטנה או אפילו פיל. כיום, מדענים ומהנדסים מנסים לנצל תכונות מיוחדות של ננו-צינוריות פחמן לשימושים עתידיים בתחומים שונים. למשל: במסכי מגע ענקיים, מחשבים ממוזערים ומהירים יותר, מטוסים העשויים פלסטיק שבתוכו ננו-צינוריות פחמן ושימושים ברפואה לטיפול בתאים סרטניים וחולי פרקינסון.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
מודל של ננו-צינורית-פחמן
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. תארו במילים את המבנה של נמ-צימרית פחמן.
2. מדוע ניתן להן השם נמ-צינוריות?
3. מהן התכונות של ננו-צינוריות פחמן?
4. באילו תחומים משתמשים בננו-צינוריות? הסבירו מדוע.
5. גרפיט וננו-צינוריות פחמן בנויים מאטומי פחמן. מה ההבדלים ביניהם? הסבירו.
*57*
*57*
עד כה ראינו כי ההבדלים בין תכונותיהם של היסודות השונים נובעים מהמבנה החלקיקי שלהם. בסעיף זה נצעד בעקבותיו של מנדלייב ונבחן משפחות של יסודות בעלי תכונות ומבנה דומים ואת מיקומיהם בטבלת היסודות.
היסודות בטבלה שארגן מנדלייב, מסודרים בטורים ובשורות. מסתבר של יסודות הנמצאים באותו הטור תכונות משותפות, הקשורות במבנה הפנימי של האטומים של אותם היסודות. ההסבר לכך יינתן בפרק הבא שיעסוק במבנה האטום.
היסודות הממוקמים בטור הראשון (בצד שמאל) בטבלה מכונים משפחת המתכות האלקליות.
היסודות הממוקמים בטור השביעי בטבלה מכונים משפחת ההלוגנים. היסודות הממוקמים בטור השמיני (האחרון) בטבלה מכונים משפחת הגזים האצילים.
תבנית טבלת היסודות
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*57*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
אחד השימושים של יסודות אלו הוא בסוללות. סוללות ליתיום משמשות לטלפונים סלולריים, שעונים וכדומה. סוללת הליתיום קלה במיוחד ובעלת אורך חיים ממושך. בצזיום וברובידיום משתמשים לבניית תאים פוטואלקטריים, המוכרים יותר כ"עין אלקטרונית", בדלתות של מעליות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
סוללות ליתיום
*58*
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
הדגמה
ניסוי 3: מתכות אלקליות
מטרת הניסוי: להכיר תכונות ייחודיות של המתכת נתרן.
ציוד וחומרים: משקפי מגן, שתי כוסות כימיות בעלות נפח של 250 מ"ל המכילות כ-150 מ"ל מים כל אחת, נייר סופג, מלקטת (פינצטה), סכין, מערכת לבדיקת הולכה חשמלית, צנצנת המכילה מספר גושי נתרן בתוך נפט.
מהלך הניסוי
1. התבוננו ביסוד שעל שולחן המורה. תארו את צורתו ורשמו את צבעו.
2. אתרו את היסוד נתרן בטבלת היסודות. היכן הוא ממוקם?
המורה והתלמידים שיתבוננו מקרוב ביסוד נתרן, ירכיבו משקפי מגן!
3. המורה י/ תחתוך בעזרת סכין (מעל הנייר הסופג) חתיכה קטנה של נתרן. התבוננו בה: מה צבעו של הנתרן? האם הוא מבריק?
4. המורה י/ תבדוק מוליכות חשמלית של נתרן.
5. המורה י/תניח פיסת נתרן קטנטנה בזהירות רבה בכוס מים.
תצפיות וממצאים
סכמו את תצפיותיכם וציינו את התכונות המיוחדות למתכת נתרן שמשתייכת למשפחת המתכות האלקליות.
חיתוך נתרן בסכין
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*59*
*59*
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
יסודות אלו יוצרים עם מתכות תרכובות המכונות מלחים ומכאן מקור שמם "יוצר מלח" (ביוונית הלו-מלח, גן-יוצר). בטבע הם אינם מופיעים כיסודות כי אם בתרכובות בלבד.
כל ההלוגנים רעילים, והם בנויים ממולקולות דו-אטומיות. חומרים אלו משמשים להפקת תרכובות רבות בתעשייה הכימית. בחיי היומיום משתמשים בתרכובותיהם לצרכים שונים ומגוונים כגון טפלון (תרכובת של פלואור) המשמשת לציפוי כלים לבישול ללא שמן: אקונומיקה (תרכובת של כלור) המשמשת לניקוי והלבנה: חומרי הדברה והרדמה (תרכובות של ברום) ועוד.
הברום והכלור בצורתם הטבעית וגם במספר תרכובות משמשים להלבנה ולחיטוי של מאגרי מים.
גז כלור, ברום נוזל, יוד מוצק
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
ברתולס, מדען צרפתי שחי במאה ה-18, ערך ניסויים בכפר ז'וול בצרפת, ובמהלכם בדקו הכובסות את התכונות המלבינות של האקונומיקה. האקונומיקה קיבלה את הכינוי ז'וול ועד היום משתמשים בשם ז'וול כשם נוסף למותגים כמו אקונומיקה, אבקות כביסה וחומרי ניקוי.
*60*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משפחת הגזים האצילים כוללת את כל היסודות בטור השמיני בטבלת היסודות: הליום g))He, נאון, (Ne(g, ארגון (Ar(g, קריפטון (Kr(g, קסמן (Xe(g וראדון (Rn(g.
אטומים של יסודות אלו אינם נוטים להתחבר ביניהם ליצירת מולקולות של יסוד ולא עם אטומים אחרים כדי ליצור תרכובות. הם קיימים בטבע כיסודות הבנויים מאטומים בודדים (לא ממולקולות) ומכונים גזים אצילים או אדישים. יסודות אלו מצויים במצב צבירה גזי בטמפרטורת החדר, והם מהווים כאחוז מכלל האוויר.
הגזים האצילים משמשים למילוי נורות שונות. בעת מעבר זרם חשמלי בגז מתרחש תהליך, שבעקבותיו נפלט אור בצבע האופייני לכל גז.
OPEN 24 HOURS
נורות נאון בשלט פרסומת
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
גם היסוד ארגון הוא גז "אדיש", המשמש למילוי נורות חשמל במטרה למנוע התלקחות של חוט הלהט בעת התחממותו.
*61*
נסכם את הידוע לנו על משפחת הגזים האצילים בטבלה הבאה:
טבלה 5: תכונות היסודות ממשפחת הגזים האצילים
שם היסוד, סמל היסוד, נוסחה כימית של היסוד, צפיפות בהשוואה לאוויר, צבע האור הנפלט במעבר זרם חשמלי, שימושים
הליום, He, He(g), נמוכה, כתום-צהבהב, מילוי בלונים וכדורים פורחים. במצבו הנוזלי משמש לקירור מוליכי על לטמפרטורות נמוכות מאוד קרובות לאפס המוחלט.
נאון, Ne, Ne(g), גבוהה, אדום, נורות פרסום ובקרה
ארגון, Ar, Ar(g), גבוהה, סגול, מילוי נורות להט רגילות למניעת שרפת חוט הלהט.
קריפטון, Kr, Kr(g), גבוהה, לבן, פנסי מכוניות ונורות הבזק (פלאש).
ראדון, Rn, Rn(g), גבוהה, לבן-ירוק, חומר המשמש לטיפול בחולי סרטן. עלול להצטבר במקלטים ומקומות סגורים. מזיק לבריאות.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
מדוע נקראים יסודות טור 8 בשם "גזים אצילים"?
השם "גזים אצילים" ניתן לקבוצה זאת בתחילת המאה ה-19 באירופה, זמן קצר אחרי המהפכה הצרפתית שכוונה נגד האצולה בגלל התנשאותה והתעלמותה מפשוטי העם הסובלים. הכינוי "אצילים" שניתן לגזים אלו, הוא במשמעות השלילית של המילה, כלומר למתנשאים, מתבדלים, לא עממיים, לא חברותיים, אדישים. וזאת מדוע? כי הגזים האצילים בנויים מאטומים בודדים ולא ממולקולות, וכמעט שאינם מתחברים לאטומים אחרים ואינם יוצרים תרכובות עם יסודות אחרים.
*62*
*62*
- יסודות הם חומרים טהורים. כל יסוד בנוי מאטומים זהים השונים מאטומים של יסודות אחרים.
- בשפת הכימיה מסמלים יסודות באותיות לועזיות. סמל היסוד הוא האות הראשונה או שתי האותיות הראשונות (בדרך-כלל) של שמו בלועזית.
- אפשר לחלק את היסודות למתכות ולאל-מתכות.
- היסודות המתכתיים שונים בתכונותיהם מהיסודות האל-מתכתיים.
- המתכות הן בעלות מבנה של סריג מתכתי. (הרחבה לתוכנית הלימודים)
- האל-מתכות הן בעלות מבנים שונים; אטומים בודדים, מבנה מולקולרי וסריג אטומרי. (הרחבה לתוכנית הלימודים)
- ליסוד הפחמן יש חמש צורות אלוטרופיות שונות: יהלום, גרפיט, פולרן, גרפן, ננו-צינוריות.
- יסודות בעלי תכונות דומות ממוקמים באותו הטור בטבלת היסודות ומשתייכים לאותה המשפחה הכימית.
סיכום התרשים המלווה את לימודנו על מיון החומרים:
חומרים - יכולים להיות - תערובות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות... - תרכובות
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות - מתכות - בנויות מ... - סריג מתכתי (מבנה ענק) - כמו... מגנזיום נתרן
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות - אל-מתכות - בנויות מ... - מולקולות - כמו... - חמצן, ברום, יוד
חומרים - יכולים להיות - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות - אל-מתכות - בנויות מ... - סריג אטומרי (מבנה ענק) - כמו... – פחמן (יהלום, גרפיט)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*63*
*63*
1. סמנו את ההיגד הנכון:
א. חמצן, מימן ומים הם יסודות.
ב. חמצן ומימן הם יסודות.
ג. חמצן ואוויר הם יסודות.
ד. מים הם יסוד.
2. לפניכם ארבע רשימות של חומרים. באיזו רשימה מופיעים יסודות בלבד?
א. מים, חנקן, פחמן, ברזל.
ב. פחמן, יוד, סוכר, כספית.
ג. יוד, מימן, חנקן, כספית.
ד. חנקן, פחמן, יוד, עץ.
3. האם מגנזיום הוא מתכת או אל-מתכת? כיצד קבעתם זאת?
רשמו לפחות שלוש תכונות האופייניות ליסוד זה. הסבירו את תשובתכם.
4. איזה מבין החומרים הבאים אינו חומר טהור? הסבירו.
א. ברזל
ב. אוויר
ג. חמצן
ד. מלח בישול
5. מיינו את היסודות הבאים למתכות ולאל-מתכות (אפשר להיעזר בטבלה המחזורית):
גפרית, חמצן, ברזל, זהב, כספית, חנקן, כלור, סידן, אשלגן, מימן, ליתיום.
6. התאימו את התכונות הבאות ליסודות מתכתיים או ליסודות אל-מתכתיים ורשמו אותן במקום המתאים בטבלה:
יסודות מתכתיים, יסודות אל-מתכתיים
--, --
--, --
--, --
--, --
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
תכונות:
א. מוליכים זרם חשמל
ב. לא מוליכים זרם חשמלי
ג. יש ביניהם חומרים נוזליים, מוצקים וגזים בטמפרטורת החדר
ד. רובם מוצקים בטמפרטורת החדר
ה. המוצקים ניתנים לריקוע
ו. המוצקים מתפוררים
ז. לרוב מבריקים
ח. לרוב אינם מבריקים
*64*
7. האבץ הוא יסוד בעל צבע אפור, אפשר לרקע אותו והוא מוליך חשמל. הברום הוא יסוד במצב צבירה נוזלי בטמפרטורת החדר, צבעו חום, והוא אינו מוליך זרם חשמלי. מה נכון? נמקו את תשובתכם.
א. שני היסודות הם מתכות.
ב. שני היסודות הם אל-מתכות.
ג. האבץ הוא מתכת והברום הוא אל-מתכת.
ד. האבץ הוא אל-מתכת והברום הוא מתכת.
8. ציינו מספר מאפיינים אשר באמצעותם תוכלו להבחין אם יסוד X הוא מתכת או אל-מתכת.
9. המשותף ליהלום ולגרפיט:
א. שני החומרים קשים במיוחד.
ב. שני החומרים הם תרכובות של היסוד פחמן עם יסודות נוספים.
ג. שני החומרים בנויים מאטומי פחמן בלבד.
ד. בשני החומרים ערוכים האטומים במבנה דומה.
10. לפניכם מספר משפטים המתארים אחת משלוש המשפחות הכימיות. רשמו ליד כל משפט איזו משפחה הוא מתאר: משפחת הגזים האצילים, משפחת המתכות האלקליות, משפחת ההלוגנים.
א. יסודות הבנויים מאטומים בודדים ואינם נוטים להתרכב בקלות. --
ב. משפחה הכוללת את היסוד אשלגן. --
ג. כולם מצויים במצב צבירה גזי בטמפרטורת החדר. --
ד. מוליכים חשמל. --
ה. יסודות המופיעים בטור הראשון (מצד שמאל) של טבלת היסודות. --
ו. משפחה הכוללת את היסוד הליום. --
ז. יסודות המופיעים בטור שביעי (מצד ימין) של טבלת היסודות. --
ח. יסודות המוליכים היטב חום. --
ט. יסודות המופיעים בטור שמיני (מצד ימין) של טבלת היסודות. --
י. יסודות שאינם נוטים ליצור תרכובות עם יסודות אחרים. --
יא. יסודות מוצקים בטמפרטורת החדר. --
יב. משפחה הכוללת את היסוד פלואור. --
11. השלימו את התרשים הבא:
יסודות - יכולים להיות... - -- בנויות מ... - --
יסודות - יכולים להיות... - -- בנויות מ... - --
יסודות - יכולים להיות... - -- בנויות מ... - --
יסודות - יכולים להיות... - -- בנויות מ... - --
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
*65*
12. חברו או אתרו שירים המתייחסים למתכות, אל-מתכות וטבלת היסודות.
13. מהי מולקולה של יסוד? תנו דוגמאות.
14. הכינו דגם מפלסטלינה של:
א. מולקולת מימן
ב. מתכת הליתיום
ג. מולקולת גפרית
15. עיינו במאפיינים הבאים ובחרו במאפיין העיקרי שבאמצעותו אפשר להבחין בין מתכות לבין אל-מתכות:
א. מצב הצבירה של החומר בטמפרטורת החדר.
ב. מוליכות חשמלית.
ג. מידת הקשיות.
ד. צבע
15. מה אפשר לומר על יסודות השייכים לאותה משפחה כימית?
17. היסוד צזיום (Cs) נמצא באזור השמאלי של טבלת היסודות.
א. האם הוא מתכת או אל-מתכת?
ב. רשמו שלוש תכונות של צזיום.
18. לפניכם ארבע רשימות של יסודות. באיזו רשימה מופיעים יסודות השייכים למשפחת ההלוגנים בלבד?
א. ארגון, כלור, יוד.
ב. נתרן, אשלגן, ליתיום.
ג. נתרן, אשלגן, ברום, כלור.
ד. ברום, יוד, פלואור.
19. קראו את הקטע המעובד מתוך הספר "האלכימאי" מאת פאול קאולו וענו על השאלות.
"....האלכימאי מזמין את הנער להיכנס למטבח המנזר. הנזיר הביא לאלכימאי גוש עופרת. האלכימאי הדליק אש מתחת לסיר והתיך את גוש העופרת בסיר ברזל. לעופרת המותכת הוסיף שכבה דקיקה מזכוכית צהובה שהוציא מכיסו. התערובת קיבלה צבע אדום, לאחר מכן, הניח לתסיסה להתקרר. כאשר התקררה - היא הפכה לדסקית זהב..."
א. אילו יסודות הוזכרו בקטע זה?
ב. מה קרה ליסוד עופרת לאחר החימום בסיר הברזל?
(1) היסוד עופרת התרכב עם הברזל ויצר תרכובת.
(2) היסוד עופרת שינה מצב צבירה ממוצק לנוזל.
(3) היסוד עופרת שינה מצב צבירה מנוזל למוצק.
*66*
20. לפניכם ארבעה איורים (1-4) המייצגים חומרים מסוגים שונים. העיגולים בגדלים ובצבעים השונים מייצגים אטומים של יסודות שונים.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
היעזרו במודל החלקיקים והשיבו על השאלות הבאות:
א. איזה איור מייצג תערובת של גזים אצילים?
ב. איזה איור מייצג יסוד דו-אטומי במצב צבירה גזי?
ג. איזה איור מייצג מבנה של מתכת?
ד. איזה איור מייצג גז אציל?
21. התבוננו במודלים הנתונים בשאלה 20 ורשמו מהם יתרונותיהם (מה הם ממחישים) ומהן מגבלותיהם (מה הם לא ממחישים)?
22. רינה ורמי קיבלו שני יסודות מוצקים. עליהם לגלות איזה מהם הוא מתכת ואיזה אל-מתכת. הציעו ניסוי שיסייע להם לקבוע איזה יסוד הוא מתכתי ואיזה אל-מתכתי.
23. א. לפניכם נוסחאות של חומרים. מיינו אותם בטבלה ליסודות ולתרכובות:
SO2(g), Cs(s), Na(s), Co(s), CS2(I), NaCI(s), CO(g), Os(s)
יסודות, תרכובות
--, --
--, --
--, --
--, --
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
ב. הסבירו כיצד מיינתם את רשימת החומרים.
24. יסוד מסוים אינו מתכתי, אך הוא מוליך זרם חשמלי. הציעו יסוד המתאים לתיאור זה. הסבירו מדוע הוא מוליך זרם חשמלי.
*67*
25. ליסודות שונים מבנה שונה; מבנה מתכתי ענק, מבנה אטומרי ענק. לפניכם יסודות שונים. השלימו בטבלה את המבנה שלהם ונמקו את תשובתכם.
יסוד, סמל, מבנה מתכתי/ מבנה אטומרי
מנגן, Mn, --
גרפיט, C, --
זהב, Au, --
מגנזיום, Mg, --
יהלום, C, --
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
26. התבוננו באיורים הבאים והסבירו אילו מתכונות הכלור והברום המודלים מייצגים ואילו לא:
בתשובותיכם התייחסו לצבע, גודל וסוג החלקיקים, היערכותם בחומר, מצב צבירה, כוחות משיכה בין החלקיקים, תנועת החלקיקים.
מודל המתאר את המבנה החלקיקי של כלור
מודל המתאר את המבנה החלקיקי של ברום
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*68*
*68*
בטבלה הבאה רשומים תאריכי גילוי היסודות השונים לפי התקופות והארץ שבהן התגלה כל יסוד לראשונה:
תקופה, שמות היסודות שהתגלו, מקום גילוי היסוד
העת העתיקה, לפני הספירה, זהב, מזרח התיכון
העת העתיקה, לפני הספירה, כסף, לא ידוע
העת העתיקה, לפני הספירה, נחושת, מזרח התיכון
העת העתיקה, לפני הספירה, ברזל, לא ידוע
העת העתיקה, לפני הספירה, עופרת, טורקיה
העת העתיקה, לפני הספירה, בדיל, לא ידוע
העת העתיקה, לפני הספירה, כספית, סין/ הודו
העת העתיקה, לפני הספירה, גפרית, סין/ הודו
העת העתיקה, לפני הספירה, פחמן, מצרים
העת העתיקה, לפני הספירה, אנטימון, מזרח התיכון
העת העתיקה, לפני הספירה, כרום, סין
העת העתיקה, לפני הספירה, אבץ, הודו
1250-1732, ארסן, צרפת
1250-1732, זרחן, גרמניה
1250-1732, קובלט, שוודיה
1735-1800, פלטינה, ספרד
1735-1800, ניקל, שוודיה
1735-1800, מגנזיום, סקוטלנד
1735-1800, ביסמוט, צרפת
1735-1800, מימן, אנגליה
1735-1800, חנקן, סקוטלנד
1735-1800, חמצן, צרפת/ אנגליה
1735-1800, כלור, שוודיה
1735-1800, בריום, שוודיה
1735-1800, מוליבדן, שוודיה
1735-1800, טלריום, אוסטריה
1735-1800, טונגסטן, שוודיה
1735-1800, זירקוניום, גרמניה
1735-1800, אורניום, גרמניה
1735-1800, סטרונציום, סקוטלנד
1735-1800, טיטניום, אנגליה
1735-1800, איטריום, שוודיה
1801-1900, ניאודימיום, אוסטריה
1801-1900, בריליום, צרפת
1801-1900, ונדיום, ספרד
1801-1900, ארגון, אנגליה
1801-1900, ניאוביום, אנגליה
1801-1900, טנטלום, שוודיה
1801-1900, צריום, שוודיה
1801-1900, פלדיום, אנגליה
1801-1900, רודיום, אנגליה
1801-1900, אוסמיום, אנגליה
1801-1900, אירידיום, אנגליה
1801-1900, נתרן, אנגליה
1801-1900, אשלגן, אנגליה
1801-1900, סידן, אנגליה
1801-1900, בריום, צרפת
1801-1900, פרסאודימיום, אוסטריה
1801-1900, דיספרוסיום, צרפת
1801-1900, ליתיום, צרפת
1801-1900, קדמיום, צרפת
1801-1900, יוד, צרפת
1801-1900, סלניום, שוודיה
1801-1900, סיליקון, שוודיה
1801-1900, גרמניום, גרמניה
1801-1900, אלומיניום, דנמרק
1801-1900, ברום, צרפת
1801-1900, תוריום, שוודיה
1801-1900, לנתן, שוודיה
1801-1900, טרביום, שוודיה
1801-1900, ארביום, שוודיה
1801-1900, רותניום, פולין
1801-1900, צזיום, גרמניה
1801-1900, רובידיום, גרמניה
*69*
תקופה, שמות היסודות שהתגלו, מקום גילוי היסוד
1801-1900, תליום, אנגליה
1801-1900, אינדיום, גרמניה
1801-1900, הליום, צרפת
1801-1900, פלואור, צרפת
1801-1900, גליום, צרפת
1801-1900, איטרביום, שוויץ
1801-1900, הולמיום, שוויץ
1801-1900, תוליום, שוודיה
1801-1900, סמריום, צרפת
1801-1900, סקנדיום, שוודיה
1801-1900, גדוליניום, שוויץ
1801-1900, נאון, סקוטלנד
1801-1900, קסנון, סקוטלנד
1801-1900, קריפטון, סקוטלנד
1901-2000, פולניום, צרפת
1901-2000, רדיום, צרפת
1901-2000, ראדון, גרמניה
1901-2000, אקטיניום, צרפת
1901-2000, אירופיום, צרפת
1901-2000, לוטטיום, צרפת
1901-2000, הפניום, צרפת
1901-2000, פרוטקטיניום, אנגליה
1901-2000, רניום, יפן
1901-2000, טכנציום, איטליה
1901-2000, פרנציום, צרפת
1901-2000, אסטטין, ארה"ב
1901-2000, נפטוניום, ארה"ב
1901-2000, פלוטוניום, ארה"ב
1901-2000, קוריום, ארה"ב
1901-2000, מנדלביום, ארה"ב
1901-2000, פרמיום, ארה"ב
1901-2000, אינשטייניום, ארה"ב
1901-2000, אמריקיום, ארה"ב
1901-2000, פרומתיום, ארה"ב
1901-2000, ברקליום, ארה"ב
1901-2000, קליפורניום, ארה"ב
1901-2000, נובליום, ארה"ב
1901-2000, לורנציום, ארה"ב
1901-2000, רותרפורדיום, ארה"ב
1901-2000, דובניום, רוסיה
1901-2000, סיבורגיום, גרמניה
1901-2000, בוהריום, גרמניה
1901-2000, מייטנריום, גרמניה
1901-2000, האסיום, גרמניה
1901-2000, דרמשטטיום, גרמניה
1901-2000, קופרניקיום, גרמניה
1901-2000, רנטגניום, גרמניה
2000-2012, Ununnilium, רוסיה/ ארה"ב
2000-2012, Ununumium, רוסיה/ ארה"ב
2000-2012, Ununbium, רוסיה/ ארה"ב
*70*
*70*
- קריטריון להערכת האתר:
עדכניות האתר
- כיצד בודקים זאת?
בדקו מהו התאריך האחרון שבו עודכן האתר?
האם על פי תאריך זה האתר מעודכן?
- ציון (הקיפו את הציון המתאים)
1. מעודכן.
2. מעודכן באופן חלקי.
3. כלל אינו מעודכן.
- קריטריון להערכת האתר:
אמינות האתר
- כיצד בודקים זאת?
בדקו האם מצוין שם כותבי המידע.
האם כותבי המידע הם אנשי מקצוע או חובבנים?
האם האתר שייך לארגון מוכר? (על מנת לבדוק זאת, בדקו את סיומת האתר כמתואר בטבלה בתחתית העמוד).
האם יש פרסומות בדף המידע?
אם מצאתם פרסומות סביר שזה אתר מסחרי, ואין ביטחון שהמידע אמין.
- ציון (הקיפו את הציון המתאים)
1. המידע באתר אמין.
2. איני בטוח באמינות המידע.
3. המידע אינו אמין.
- קריטריון להערכת האתר:
ארגון המידע באתר
- כיצד בודקים זאת?
האם נוח למצוא באתר את המידע שאתם זקוקים לו?
האם המידע מאורגן בצורה בהירה?
האם יש ייצוגים חזותיים העוזרים להבנה?
- ציון (הקיפו את הציון המתאים)
1. המידע מאורגן היטב.
2. המידע מאורגן במידה בינונית.
3. המידע אינו מאורגן.
- קריטריון להערכת האתר:
התאמת המידע לצרכים
- כיצד בודקים זאת?
האם נמצא רוב המידע שחיפשתם?
האם יש קישורים למידע נוסף?
האם המידע נכתב ברמה שמתאימה לכם?
- ציון (הקיפו את הציון המתאים)
1. האתר מכיל מספיק מידע ומתאים לצרכיי.
2. האתר מתאים במידה בינונית.
3. האתר אינו מכיל מספיק מידע ואינו מתאים לצרכיי.
הסיומת, ההסבר לסיומת
ac, אתר אקדמי. לרוב אפשר לסמוך על המידע שבאתר זה.
gov, אתר ממשלתי. לרוב המידע באתר זה אמין.
com או co.il, אתר מסחרי. צריך לבדוק את הארגון שעומד מאחורי האתר ואת אמינותו.
edu, אתר חינוכי. לרוב המידע אמין.
*71*
*71*
בפעילות זו כל תלמיד/ ה י/ תבחר יסוד וי/ תתבקש לאסוף ולסכם מידע על אודותיו. איסוף המידע יתבצע במהלך לימוד פרקים 2 ו-3.
לסיום, כל תלמיד/ ה י/ תציג את המידע שאסף/ ה על היסוד שלו/ ה בפני התלמידים לכיתה וי/ תלמד מהחברים על היסודות האחרים.
מהלך הפעילות
הפעילות כוללת מספר שלבים:
פעילות מקדימה: בחירת יסוד אחד בהתייעצות עם המורה.
שלב א': איתור והערכת מידע אודות היסוד.
שלב ב': הכנת דף מידע על היסוד וארגונו בפוסטר או במצגת.
שלב ג': הצגת"היסוד שלי" בפני הכיתה (בתיאום עם המורה).
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
שלב א' - איתור המידע והערכתו
בעבר למדנו לחפש מידע באופן מושכל. בפעילות זו תשתמשו במיומנות זאת לאיתור המידע על אודות היסוד הנבחר ובדיקת מהימנותו.
1. בחרו יסוד אחד שמעניין אתכם במיוחד (קבלו אישור מהמורה על הבחירה).
2. חפשו מידע במקורות מידע על היסוד שאותו בחרתם. עליכם לחפש לפחות בשני מקורות מידע שונים. על מנת לוודא שמקור המידע שמצאתם הוא מהימן ומתאים לעבודתכם, היעזרו בטבלה שבנספח 2 בסוף פרק 2.
3. סכמו את תוצאות ההערכה של האתר: האם אתר זה מתאים ושימושי לכם? אם האתר נמצא מתאים, היעזרו בו על מנת לבצע את המשימה שלכם. אם האתר אינו מתאים, חפשו אתר אחר ובדקו את מידת התאמתו למשימה.
שלב ב' - הכנת דף מידע על היסוד וארגונו בפוסטר או במצגת
כללו בעבודתכם על אודות היסוד את הסעיפים הבאים:
1. תעודת זהות ליסוד: שם היסוד בעברית ובלועזית, סמל כימי של היסוד, טמפרטורת התכה וטמפרטורת רתיחה.
2. תכונות היסוד: מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, ברק, מידת הקשיות, דרגת חוזק, הולכה חשמלית, הולכת חום, צפיפות, רעילות ותכונות נוספות שמצאתם.
3. שימושים: שימושי היסוד (או תרכובותיו) בחיי היומיום, במזון, ברפואה, בתעשייה ועוד. התייחסו לקשר בין תכונות היסוד לשימושים שלו (שימו לב לכך שתכונות התרכובת שונות לגמרי מתכונות היסוד, ולכן קשרו - במידת האפשר - בין התכונות לבין השימוש רק לגבי היסודות עצמם).
4. גילוי היסוד: מי גילה/ גילתה אותו? כיצד התגלה? מתי התגלה? היכן?
5. אירועים היסטוריים חשובים הקשורים ליסוד (אם יש).
*72*
6. עליכם להשיב על השאלות הבאות:
האם היסוד הוא מתכת או אל-מתכת?
מהו מיקומו בטבלה המחזורית (טור ושורה)?
האם היסוד מופיע בטבע כיסוד או בתרכובת (או גם וגם)? פרטו.
היכן נפוץ ביותר היסוד (או תרכובותיו) - באוויר, באדמה, במים או ביצורים חיים?
האם היסוד מוזכר בתנ"ך? אם כן, ציינו היכן ובאיזה הקשר.
7. רשמו ביטויי לשון הקשורים ליסוד (אם יש).
8. צרפו תצלום של היסוד. כתבו מתחת לתצלום את מקור התצלום ופירוט של הנראה בתצלום. במידת האפשר - הביאו לכיתה דוגמה של יסוד זה.
9. הוסיפו קישור לסרטון על היסוד.
10 שאלו לפחות 5 שאלות נוספות שלא נשאלתם, על אודות היסוד. הקפידו להשתמש במגוון מילות שאלה.
אם מעניין אתכם לחקור על אודות היסוד במעבדת הכימיה, התייעצו בנדון עם המורה והלבורנט/ ית.
11. רשמו את רשימת מקורות המידע שבהם נעזרתם (כולל קישורים אינטרנטיים).
שלב ג' - הצגת "היסוד שלי" בפני הכיתה
עליכם להציג את המידע שאספתם על היסוד בפני הכיתה באמצעות מצגת או פוסטר על-פי הנחיות המורה.
*73*
פרק 3: בתוככי האטום
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*74*
*74*
בפרק הקודם למדנו שכל החומרים בעולם בנויים מאטומים. כ-110 סוגי אטומים בלבד בונים אינספור חומרים. אבני בניין אלו נמצאות בטבלת היסודות המאורגנת בשיטתיות ומציגה בפנינו תמונה מרשימה ומרוכזת של עולם החומר. למדנו שהאטומים הם חלקיקים זעירים, אבל עד עתה התייחסנו אליהם כאל כדורים שלמים. בפרק זה נשאל שאלות על הרכבם של האטומים ועל המבנה הפנימי שלהם; נכיר מודלים של האטום ובעזרתם - את החלקיקים התת-אטומיים; נלמד על מגבלות המודל ועל השתנותו, בידיעה שהוא ממשיך להתפתח בעקבות הצטברות מתמדת של עדויות מדעיות חדשות. בפרק זה נקשר בין מבנה האטום לבין הטבלה המחזורית של היסודות, ויתגלה בפנינו עוד מנפלאותיה של הטבלה החשובה הזו.
בפרק זה נתמקד בנושאים הבאים:
- המודל של סבנה האטום
- מודלים במדע וטכנולוגיה
- מטענים חשמליים והקשר למודל מבנה האטום
- טבלת היסודות והקשר למבנה האטום
(בספר שלושה בולים)
המדען: וילהלם רנטגן
המדענית: מארי קירי
המדען: ארנסט רתרפורד
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*74*
מקורו של השם אטום בשפה היוונית ופירושו "אי-אפשר לחתוך אותו". את השם אטום טבע במאה ה-5 לפנה"ס הפילוסוף היווני דמוקריטוס, שהניח שלחומר יש מבנה חלקיקי ולא רציף. בניגוד לסברה של הפילוסופים היוונים כי אי אפשר לחלק את האטום, התברר מניסויים שנעשו מאמצע המאה ה-19 ועד ימינו, כי האטום אינו עשוי מקשה אחת, אלא בנוי מחלקיקים קטנים יותר הנקראים חלקיקים תת-אטומיים.
האטומים הם חלקיקים זעירים מאוד. הידע על מבנה האטום, כפי שהוא מקובל היום, מבוסס על תצפיות וניסויים שנעשו באמצעות מכשירים משוכללים הרגישים לשינויים בסדרי גודל קטנים והמאפשרים הבחנה וזיהוי של האטום. טכנולוגיות מתקדמות אלו הובילו לפיתוח תאוריות ומודלים המייצגים את תפיסותיהם של המדענים על מבנה האטום, ואשר מסייעים להם בהמשך המחקר ובהבנת תופעות בטבע. גם בימינו מנסים מדענים רבים לפצח את חידת מבנה האטום ומציעים מודלים חדשים. אנו נזכיר חלק מניסיונות אלו בפרק זה, אך עלינו לזכור, כי גם הידע המקובל כיום הוא סופי לעת עתה.
ללמידה ולהבנה של מבנה האטום דרוש ידע בנושאים הקשורים לטעינה חשמלית, מטענים חשמליים ואינטראקציות חשמליות. על כן, בטרם נצלול למעמקי האטום נלמד על תופעות פיזיקליות מתחום החשמל ונתנסה בהן. נתמקד בעיקר באלקטרוסטטיקה, שתהווה פתיח ללימוד על מבנה האטום.
(אלקטרוסטטיקה הוא תחום בפיזיקה, העוסק במטענים חשמליים שאינם נעים (סטטיים).)
*75*
*75*
*75*
הניסוי הבא יסייע לנו ללמוד על טעינה חשמלית ועל המתרחש בין גופים הטעונים במטענים חשמליים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 1: טעינה חשמלית של גופים על-ידי חיכוך
מתקן לביצוע ניסוי 1
מטרת הניסוי: לבחון את אשר קורה בין שני גופים לפני טעינה חשמלית ואחריה.
ציוד וחומרים: זכוכית שעון, פקק-שעם, פלסטלינה, 2 פסי P.V.C, מyלית צמר, 2 פסי צלולואיד, פיסת נייר.
(p.v.c - פולי ויניל כלוריד הוא חומר סינתטי המשמש לייצור צינורות ולבידוד חוטי חשמל.)
(צלולואיד הוא חומר קרני גמיש ומבריק המעובד מצלולוזה (תאית). משמש לייצור לוחות וסרטי צילום.)
מהלך הניסוי
חלק א'
הניחו על זכוכית שעון פקק שעם שבו חריץ שאפשר לנעוץ בו פס P.V.C.
במקום פקק שעם אפשר להשתמש במעט פלסטלינה. אפשרות נוספת לביצוע הניסוי מתוארת בתרשים 1.
1. נעצו בחריץ שבפקק השעם פס P.V.C אחד וקרבו אליו פס P.V.C אחר.
האם מתרחש משהו?
2. שפשפו במטלית צמר את שני פסי ה- P.V.C וקרבו את הצדדים המשופשפים של שני הפסים זה לזה (בלי שיגעו זה בזה). תארו מה קורה.
3. האם חשתם בכוח שפועל בין שני פסי ה- P.V.C המשופשפים? האם הוא כוח משיכה או דחייה?
(בספר ציור, היעזר במנחה)
תרשים 1
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*76*
חלק ב'
נערוך עתה ניסוי הדומה לחלק א', אך הפעם נשתמש בשני פסי צלולואיד.
1. קרבו את שני פסי הצלולואיד זה לזה.
2. מה קרה כשקרבתם את שני פסי הצלולואיד לפני שפשוף הפסים בנייר?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
4. האם חשתם בכוח שפועל בין שני פסי הצלולואיד המשופשפים? האם הוא כוח משיכה או דחייה?
פס צלולאיד ונייר
חלק ג'
1. קחו פס P.V.C, שפשפו במטלית צמר והניחו בתוך החריץ שבפקק השעם.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. קרבו את הצדדים המשופשפים של שני הפסים זה לזה.
4. תארו מה קרה.
5. האם חשתם בכוח שפועל בין פס ה-P.V.C לפס הצלולואיד? האם הוא כוח משיכה או דחייה?
פס P.V.C ומטלית צמר
מה למדנו מניסוי 1?
אנו מסיקים כי בזמן השפשוף (החיכוך) של גופים הם מקבלים תכונות חדשות. בשפה מדעית אנו אומרים כי הגופים נטענים במטען חשמלי.
*76*
על סמך תופעות דומות לאלה שנצפו בניסוי מספר 1 ובניסויים רבים אחרים, הסיקו מדענים שקיימים שני סוגים של מטענים חשמליים: האחד מהסוג שנטען בו פס ה-P.V.C ששופשף במטלית צמר, והאחר מהסוג שנטען בו פס הצלולואיד ששופשף בנייר. נוהגים לקרוא להם מטענים חשמליים שליליים ומטענים חשמליים חיוביים.
את המטענים החשמליים השליליים מסמנים בסימן מינוס (-).
את המטענים החשמליים החיוביים מסמנים בסימן פלוס. (+).
לביטויים "חיובי" ו"שלילי" אין משמעות של טוב או רע, הכוונה היא למטענים בעלי תכונות מנוגדות.
הואיל ושני גופים העשויים מאותו חומר ונטענו באותו אופן במטען חשמלי דומה, דוחים זה את זה (כמתואר בתצלום 1), אנו מסיקים כי מטענים דומים דוחים זה את זה. גופים אשר עשויים מחומרים שונים, כמו פס ה - P.V.C ופס הצלולואיד ונטענו במטענים מנוגדים, מושכים זה את זה (כמתואר בתצלום 2), אנו מסיקים שמטענים מנוגדים מושכים זה את זה.
*77*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
בין מטענים חשמליים שונים (+ ו-) יש משיכה.
לכוח שמפעילים מטענים חשמליים זה על זה קראו המדענים "כוח חשמלי".
תצלום 1
דחייה בין גופים בעלי מטען חשמלי דומה
תצלום 2
משיכה בין גופים בעלי מטען חשמלי מנוגד
הכוח החשמלי פועל ממרחק. הוא יכול להיות כוח דחייה (כוח מרחיק) או כוח משיכה (כוח מקרב).
בדרך כלל החפצים והגופים סביבנו הם ניטרליים מבחינה חשמלית, כלומר, כמות המטען החיובי בגוף שווה בדיוק לכמות המטען השלילי. גוף ניטרלי יכול להפוך לגוף טעון על-ידי פעולה כמו שפשוף. כאשר יש בגוף יותר מטענים מסוג אחד מאשר מהסוג השני - הגוף נקרא "גוף טעון" מבחינה חשמלית.
לסיכום
- יש שני סוגים של מטענים חשמליים - מכנים אותם "מטענים חיוביים" ו"מטענים שליליים".
- רוב הגופים מאוזנים מבחינה חשמלית ונקראים גופים ניטרליים. בגופים אלה מספר המטענים החיוביים שווה למספר המטענים השליליים.
- פעולה המביאה להפרת האיזון בין כמות המטענים החיוביים לבין כמות המטענים השליליים בגוף, נקראת טעינה חשמלית.
- טעינה חשמלית יכולה להתבצע על-ידי שפשוף (חיכוך) זה בזה של שני גופים לא טעונים העשויים מחומרים שונים.
- בין שני גופים טעונים פועלים כוחות חשמליים. בין גופים הטעונים במטענים מאותו סוג פועל כוח דחייה חשמלי, ובין גופים הטעונים במטענים מנוגדים פועל כוח משיכה חשמלי.
- גופים ניטרליים אינם טעונים, ועל כן לא פועל ביניהם כוח משיכה או דחhhה חשמלי.
*78*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה קורה במהלך שפשוף פס ה- P.V.Cבמyלית הצמר?
2. מה קורה במהלך שפשוף פx הצלולואיד בנייר?
3. האם פסי ה-P.V.C והצלולואיד ששופשפו הם בעלי אותו המטען החשמלי? הסבירו.
4. האם פסי צלולואיד שלא שופשפו עם נייר הם ניטרליים או טעונים במטען חשמלי? הסבירו.
5. העתיקו למחברת את המשפטים הבאים והשלימו אותם:
א. בין שני גופים הטעונים במטען חשמלי חיובי פועל כוח --
ב. בין שני גופים הטעונים במטען חשמלי שלילי פועל כוח --
ג. בין גוף הטעון במטען חשמלי חיובי לבין גוף טעון במטען חשמלי שלילי פועל כוח –
*79*
*79*
*79*
בלימודיכם הקודמים בכיתה ז' למדתם על מודלים שונים (דימויים או דגמים) המסייעים להמחשה ולהבנה של תופעות טבע שונות.
מודלים יכולים להיות דגמים מוחשיים של העצם שאותו הם אמורים לייצג. לדוגמה, דגם של מטוס הוא מודל מוחשי המתאר את המטוס. דגם כזה מציג בדרך כלל בקנה מידה קטן את צורתו החיצונית של המטוס, את המבנה והמרכיבים שלו, ולעיתים את החלוקה הפנימית שלו. החומרים שמהם עשוי הדגם, בדרך כלל שונים מהחומרים שמהם עשוי המטוס המקורי. דגם כזה יכול לשמש לדיון בתכנון המטוס, לתצוגה ולהמחשת יכולות. רוב דגמי המטוסים אינם מסוגלים באמת להמריא, לנחות ולטוס או לבצע פעולות של תנועה וכן הלאה. מודל יכול להיות גם דגם מוגדל של חפץ (או תופעה) קטן או בלתי נראה כמו גוף הנמלה או מבנה הלב.
דגם של מטוס
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
דיון
דונו עם חבריכם לכיתה במודלים נוספים שאתם מכירים. התייחסו לשימוש ולצורך במודל, הוסיפו חיסרון (או מגבלה) אחד ויתרון אחד של המודל. רשמו את תוצאות הדיון בטבלה הבאה:
המודל (מה הוא מייצג), מטרות המודל (הצרכים שהמודל משרת), שימוש (התחום או המקצוע שבו נעזרים במודל), חיסרון המודל (או מגבלה), יתרון המודל
--, --, --, --, --
(בספר תמונה)
מודל במדע הוא דימוי מחשבתי או דגם שאנו יוצרים כדי שנוכל להבין ולהסביר בעזרתו תופעות, עובדות וחוקים. המודל המדעי מסייע "לראות" את הבלתי נראה, מחלקיקים זעירים ביותר (כגון: אטומים ומולקולות) ועד גופים גדולים מאוד, רחוקים מאוד או מוסתרים מעינינו (כגון: מערכת השמש או כדור הארץ).
*80*
במדע מבחינים בין מודל תאורטי (רעיוני, מחשבתי) לבין מודל מוחשי או חזותי. המודל התאורטי, הנקרא לפעמים גם תאוריה, הוא אוסף של עקרונות וחוקים מדעיים הנותנים הסבר או מסגרת רעיונית לתופעות מדעיות. המודל התאורטי מהווה בסיס להבנה, לפיתוח רעיונות חדשים ולהמשך המחקר המדעי. לעומת זאת, מודל מוחשי (או חזותי), הוא מודל שבו מתורגמים העקרונות הבסיסיים של המודל התאורטי לציור, ייצוג תלת-ממדי או אנימציה. המודל המוחשי יכול לסייע בהמחשת המודל התאורטי המדעי.
במהלך לימודינו בספר זה ובהמשך לימודי המדעים ניתקל בדוגמאות רבות למודלים מוחשיים ותאורטיים.
חשוב לזכור כי לכל מודל יש מגבלות, ולכן מודל מסוים אחד אינו מתאר בדיוק את כל העובדות הידועות ואת כל רכיבי התאוריה המתוארת.
*80*
מדענים עומדים לעיתים בפני אתגרים לא פשוטים. הם חוקרים תופעות בלתי ידועות המתרחשות בטווחים שאינם נקלטים על-ידי החושים או באמצעות מכשירים, ועליהם לגלות את הבלתי נראה. בפעילות הבאה נבדוק כיצד אפשר לגלות את הבלתי נראה.
(בספר תמונה)
פעילות
פעילות עם קופסה שחורה
מטרת הפעילות: לפענח את תוכן הקופסה.
נתונה קופסה שחורה. דמיינו שאתם שייכים לקבוצת מדענים המתבקשת לעזור באבחון תוכן הקופסה מבלי לפתוח אותה.
1. א. מה, לדעתכם, מכילה הקופסה? כיצד אפשר להוכיח זאת?
ב. תכננו עם חברי הקבוצה בדיקות שונות שאותן ברצונכם לעשות, כדי לגלות את תוכן הקופסה.
ג. סכמו את ההצעות בטבלה שתכיל את תיאור הבדיקה ואת תיאור הממצאים שאותם אפשר להפיק מהבדיקה.
2. לפניכם תיאור הבדיקות שאפשר לעשות בפועל, וכן עזרים שאותם אפשר לקבל מהמורה:
- מדידת המסה של הקופסה השחורה ומדידת המסה של קופסה ריקה דומה לה.
- בדיקת הקופסה בעזרת מגנט.
- תצלום רנטגן של הקופסה (מבט מלפנים).
- תצלום רנטגן של הקופסה (מבט צד).
א. תכננו מחדש את מהלך החקר שברצונכם לעשות.
ב. בצעו את שתכננתם או קבלו מהמורה תוצאות של הבדיקות השונות.
קופסה שחורה
*81*
כדי לפענח את תצלום הרנטגן היעזרו בעובדות הבאות: תצלום רנטגן מאפשר לראות מבנה פנימי של גופים. אם מקרינים באמצעות קרני רנטגן (קרני X) חפץ מסוים, מתקבלת תמונה בשחור-לבן על גבי לוח הצילום (ראו תצלומי רנטגן). גופים העשויים מחומרים צפופים כגון עצמות, מתכות וגבישים שונים, ייראו לבנים על גבי לוח הצילום, ואילו גופים העשויים מחומרים אשר אינם צפופים כמו מים, סוגים מסוימים של רקמות ופלסטיק - הם שקופים לקרני הרנטגן, ועל כן אי אפשר להבחין בהם בתצלום הרנטגן. גופים אלו לא ייראו, הואיל והתמונה שלהם תתמזג עם הרקע השחור של הצילום.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
תצלומי רנטגן
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ג. סכמו את מהלך החקר בטבלה על-פי הסעיפים הבאים:
- מטרת הפעילות: לשם מה בוצעה הפעילות?
- השערה: שערו אילו ממצאים אתם עשויים לקבל.
- תצפית: תארו מה ראיתם, שמעתם, חשתם, מדדתם.
- ממצאים: תארו את הממצאים שהתקבלו בפועל.
- מסקנות: כתבו את מסקנותיכם לגבי תוכן הקופסה. הוסיפו ציור.
3. א. לאחר סיום הבדיקות, העתיקו למחברת את התרשים המתאר את הקופסה והוסיפו לתרשים את תיאור תכולת הקופסה. התייחסו לגורמים הבאים:
- תכולת הקופסה - העצמים שנמצאים בה.
- סידור העצמים - כיצד מסודרים העצמים בתוך הקופסה?
ב. האם אפשר לומר בביטחון שמסקנותיכם באשר לתוכן הקופסה נכונות? הסבירו.
4. א. שערו: מה מחזיק את העצמים במקומם?
ב. הסבירו כיצד הגעתם להשערה זאת.
הסקת המסקנות שלכם בנוגע לתכולת הקופסה, מבוססת על ממצאי הבדיקות שהתקבלו, והיא מהווה מודל מחשבתי. על סמך ממצאים אלו העליתם השערות בנוגע לתכולת הקופסה ולארגון מרכיביה.
השוו את מודל הקופסה השחורה שפיתחתם למודלים של חבריכם לכיתה. כתבו תיאורים אחרים שהתקבלו, והסבירו מדוע התיאורים אינם זהים.
*82*
בתרגיל זה יצרתם מודל ובעזרתו הסברתם תוצאות של תצפיות ושל בדיקות שערכתם. ראיתם כי קיים קשר הדוק בין שיטת הבדיקה לבין המידע המתקבל על תוכן הקופסה. בעזרת מגנט התגלו שני עצמים. כדי לדעת מהי צורתם נעזרתם בתצלום רנטגן. תצלום זה סייע לכם לגלות עצם נוסף, אך בעזרתו לא יכולתם לקבוע את תכונות כל העצמים. ככל שנעזרתם בשיטות בדיקה רבות ומגוונות יותר, התקבל מידע מפורט יותר.
בדיקת מהימנות המודל
בתרגיל הקופסה השחורה יצרתם מודל שבאמצעותו אפשר לתאר את תכולת הקופסה. עתה תבחנו את מהימנות המודל באמצעות חיזוי תופעות חדשות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
1 א. נסו לחזות מה יתרחש, אם תניחו צלחת פטרי המכילה אבקת ברזל על חלקה העליון של הקופסה ותניעו את הצלחת באטיות.
אבקת ברזל ומגנט
בחנו את התוצאה של הסעת צלחת הפטרי המכילה אבקת ברזל על גבי הקופסה.
ב. האם התיאור של תכולת הקופסה (המודל) שהצגתם סייע לכם בחיזוי התוצאה?
2. המורה י/ תפתח את הקופסה שברשותו/ ה. האם התגלו ממצאים חדשים בנוסף לאלו שאת קיומם הסקתם? מדוע לא גיליתם ממצאים אלו לפני פתיחת הקופסה?
ג. תארו את מידת ההתאמה בין ההשערות שלכם לבין הממצאים שהתקבלו.
סיכום תרגיל הקופסה השחורה
בתרגיל זה ניתנה לכם האפשרות לראות את הקופסה פתוחה. זוהי זכות שאינה ניתנת לעיתים קרובות. פעמים רבות במסגרת מחקר מדעי, אפשר רק ליצור מודל אשר בעזרתו מסבירים תופעות שמבחינים בהן. כל תופעה חדשה שמתגלה מסייעת לשיפור המודל. החשוב מכול הוא לזכור, שהמחקר אינו מסתיים והמודל אינו סופי. ההתקדמות במדע באמצעים הטכנולוגיים ובשיטות המחקר, מעלה עובדות חדשות, מעוררת שאלות ומצריכה שיפור של המודל, ולעיתים - אף החלפתו באחר.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מודל של DNA
(קנה המידה בציור אינו נכון עקב מגבלת מקום)
*83*
*83*
המודל התאורטי של מבנה האטום גובש על-פי תוצאות של ניסויים ושל חישובים רבים ומורכבים שמדענים ערכו לאורך תקופות ארוכות. מודלים הועלו ונפלו, משום שלא יכלו להסביר תופעות מסוימות שהתגלו עם התפתחות והתקדמות המחקר. המודל המתאר את מבנה האטום השתנה מעת לעת בעקבות תגליות, עובדות וממצאים חדשים שהתגלו במרוצת השנים על-ידי חוקרים שונים (מידע נוסף בנספח 1 בסוף הפרק - מודל האטום בראי ההיסטוריה).
המודל של מבנה האטום שישרת את מטרותינו ביחידה זאת, החל להתגבש על-ידי מדענים כבר לפני כ-100 שנים. להלן כמה מעקרונותיו הבסיסיים:
- האטום בנוי מגרעין ומאלקטרונים.
- רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין.
- האלקטרונים נעים במהירות גבוהה במרחב האטום באזור שמחוץ לגרעין ותופסים רק חלק קטן מנפח האטום.
- רדיוס האטום גדול פי 10,000 עד 100,000 מרדיוס הגרעין.
רוב רובו של נפח האטום הוא חלל ריק שבו נעים האלקטרונים.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
מודל מבנה האטום
(בספר תמונה)
מודל זה אינו כולל מרכיבים נוספים שהתגלו במרוצת השנים, ועליהם תלמדו בלימודי מדע מתקדמים יותר. נוסיף ונציין כי המודל המקובל כיום הוא המודל הסטנדרטי שפותח בשנות ה-70 של המאה ה-20, ולפיו האלקטרונים מוצגים כענן, כלומר: הם נעים ללא הרף, ומיקומם ברגע מסוים אינו אפשרי לאיתור מדויק. אפשר לדבר על סיכוי למצוא את האלקטרון במקום מסוים ועל צפיפות אלקטרונית. ציור "ענן האלקטרונים" הוא אחת הדרכים לתאר את אוסף האפשרויות להימצאות האלקטרון במרחב האטום.
לשם המחשת היחס בין גודל האטום כולו לגודל הגרעין, נוהגים להשוות את האטום לגודל של מגרש כדורגל ואת הגרעין לגודלה של נמלה. מכאן אפשר לנסות להבין עד כמה זעירים הם ממדיו של גרעין האטום ביחס לאטום כולו.
*83*
גרעין האטום התגלה על-ידי המדען האנגלי ארנסט רתרפורד בשנת 1911.
- גרעין האטום מורכב משני סוגי חלקיקים תת-אטומיים: פרוטונים וניטרונים.
- הפרוטונים (Protons - p) הם חלקיקים תת-אטומים בעלי מטען חשמלי חיובי (+). על כן נסמן פרוטון כך: p^+.
(בספר תמונה)
בול מניו-זילנד המתאר את הניסוי של רתרפורד
*84*
- הניטרונים (Neutrons - ח) הם חלקיקים תת-אטומיים חסרי מטען חשמלי. נסמן ניטרון כך: n^0.
- גרעין האטום הוא בעל מטען חשמלי חיובי.
המסה של הפרוטון והניטרון כמעט שווה.
- רוב רובה של מסת האטום מרוכזת בצפיפות רבה בגרעין האטום.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
גרעין אטום ההליום בהגדלה
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
ג'וזף ג'ון תומסון גילה את האלקטרונים באנגליה, בשנת 1897.
- האלקטרונים (e - Electrons) הם חלקיקים קטנים מאוד ביחס לפרוטונים ולניטרונים.
- האלקטרונים הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי (-). מטען האלקטרון הוא יחידת המטען החשמלי הקטנה ביותר המוכרת, והוא מסומן כ-1-. נסמן אלקטרון כך: e^-.
- המטען החשמלי של האלקטרון זהה בגודלו למטען החשמלי של הפרוטון אך מנוגד לו בסימנו.
- האלקטרונים נעים בתנועה מתמדת באזור שמחוץ לגרעין במהירות גבוהה מאוד (הקרובה למהירות האור), תוך יצירת "ענן אלקטרונים".
- מסת האלקטרון קטנה בערך פי 2,000 ממסת הפרוטון.
- באטום ניטרלי מבחינה חשמלית, מספר האלקטרונים זהה למספר הפרוטונים.
(בספר תמונת בול, היעזר במנחה)
(בספר מודל, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
כל האלקטרונים הם בעלי מטען חשמלי זהה (שלילי), על כן קיימת ביניהם דחייה חשמלית אשר גורמת לתנועתם מסביב לגרעין. האלקטרונים נמצאים בתנועה מתמדת שמגדירה ומכתיבה, בעצם, את נפח האטום.
לשם המחשה נדמה את תנועת האלקטרונים לכנפי מאוורר בתנועה. כאשר כנפי מאוורר מסתובבות, אי אפשר לראות בבירור את הכנפיים וגם לא את גבולותיהן, מה שנגלה לעינינו הוא אזור מעגלי מטושטש, שאין בו הבחנה בין הכנפיים. כך גם האלקטרונים באטום: הם נעים כאמור ללא הרף, כך שנוצר מעין ענן עקב תנועתם.
*85*
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
אנימציה של מודל אטום המימן
1. לחצו על הקישור הבא התבוננו באנימציה, מוצג בה מודל אטום מימן. ככל מודל - גם הוא מוגבל, אבל מרמז על האופי של ענן האלקטרונים.
2. באנימציה מתוארות נקודות המצויות בתנועה באטום המימן, באזור שמחוץ לגרעין. נקודות אלה מייצגות "ענן אלקטרונים". הענן אינו מייצג את האלקטרונים עצמם, אלא רק את הסיכוי להימצאות אלקטרון מסוים במרחב סביב הגרעין: אזורים צפופים מייצגים סיכוי גבוה יותר להימצאות אלקטרון, ואילו אזורים דלילים מייצגים סיכוי נמוך יותר להימצאותו.
הטבלה הבאה מסכמת את התכונות של החלקיקים התת-אטומיים הבונים את האטום.
טבלה 1: חלקיקים תת-אטומיים
(בספר איור, היעזר במנחה)
פרוטון, p^+, +1, גרעין, 10^-15, 1
ניטרון, n^0, 0, גרעין, 10^-15, 1
אלקטרון, e^-, -1, מרחב האטום שמחוץ לגרעין, קטן מ- 10^-15, 1 חלקי 2,000
(בספר איור, היעזר במנחה)
התרשים הבא מסכם את האטום ומרכיביו:
אטום - מורכב מ... - אלקטרונים
אטום - מורכב מ... - גרעין - מורכב מ... - ניטרונים
אטום - מורכב מ... - גרעין - מורכב מ... - פרוטונים
(בספר איור, היעזר במנחה)
האיור משמאל מציג סרגל סדרי גודל של גופים וחלקיקים שונים.
אלקטרון
10^-16
10^-14: גרעין (פרוטונים וניטרונים)
10^-10: אטום
10^-9: ננו-צינורית פחמן
10^-8: מולקולת חלבון
10^-6: חיידק
10^-4: תא צמח
10^-1: עיפרון
1: אדם
10^2: בניין
10^4: הר
10^6
כדור הארץ
10^8
*86*
(בספר תרשים זרימה, היעזר במנחה)
שאלות
1 בסעיף הקודם למדנו כי גופים הטעונים במטענים דומים דוחים זה את זה, וגופים הטעונים במטענים מנוגדים מושכים זה את זה.
התייחסו למודל האטום וסמנו את הכוחות החשמליים הפועלים בין החלקיקים המרכיבים את האטום בסעיפים הבאים:
א. הכוח הפועל בין פרוטונים לבין פרוטונים הוא כוח משיכה/ דחייה חשמלי.
ב. הכוח הפועל בין אלקטרונים לבין אלקטרונים הוא כוח משיכה/ דחייה חשמלי.
ג. הכוח הפועל בין אלקטרונים לבין פרוטונים הוא כוח משיכה/ דחייה חשמלי.
2. בהסתמך על מודל האטום שתיארנו, כתבו הסבר מדעי לטיעונים הבאים:
א. רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין.
ב. רוב האטום הוא חלל ריק.
3. השלימו את תרשים הזרימה הבא:
אטום - מורכב מ... - אלקטרונים - שמטענם... - -- - שנעים... - --
אטום - מורכב מ... - -- - מורכב מ... - -- - שמטענם... - אפס
אטום - מורכב מ... - -- - מורכב מ... - -- - שמטענם... - --
(בספר איור, היעזר במנחה)
*87*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
מבנה האטום
גילויים על מבנה האטום תופסים מקום נכבד במחקר בפיזיקה ובכימיה. שני קטעי ה"מידע והרחבה": "כוחות גרעיניים" ו-"בוזון היגס" מהווים הצצה לשדה המחקר המתקדם בנושא.
כוחות גרעיניים
התבוננו באיור של גרעין האטום: (בספר איור, היעזר במנחה)
באיור זה רואים פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי המצויים בקרבה זה לזה. כיצד הדבר ייתכן? כיצד ייתכן שהפרוטונים בעלי המטען החיובי מוחזקים יחד למרות הדחייה החשמלית הקיימת ביניהם?
העובדה שהפרוטונים מרוכזים במקום כה קטן כמו גרעין האטום. הביאה להבנה כי קיימים כוחות נוספים שהם חזקים יותר מהכוחות החשמליים. כוחות אלה "מתגברים" על הכוחות החשמליים ומאפשרים לפרוטונים להימצא בקרבה זה לזה. כוחות אלו נקראים "כוחות גרעיניים". הכוחות הגרעיניים פועלים בין חלקיקים הנמצאים במרחק קטן מאוד זה מזה. כמו הפרוטונים והניטרונים בגרעין האטום, והם חזקים בהרבה מהכוחות החשמליים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות
מחפשים "מטמון" וירטואלי: בעקבות הכוחות הגרעיניים
הפעילות הבאה מזמנת העמקה בנושא הכוחות הגרעיניים תוך ניווט במסלול חידות פתלתל וחווייתי. אפשר לפתור את החידות באמצעות חיפוש באינטרנט. בכל משימה תתבקשו לחשוב על מילות מפתח מתאימות לחיפוש המידע, למצוא את המידע, להשיב לשאלות ובסוף לשמור בטבלה המצורפת את כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
בסוף המסלול תופנו לאתר ה"מטמון". כדי להיכנס לאתר עליכם להצטייד בקוד המטמון. קוד המטמון מורכב מרצף של ארבע אותיות/ ספרות - בסוף כל משימה תתבקשו לשבץ אות אחת או ספרה שמהווה חלק מהקוד.
העתיקו למחברת את תבנית הקוד והשלימו אותו במהלך פתרון המשימות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
קוד המטמון
1 --
2 --
3 --
4 --
מוכנים? נצא לדרך!
*88*
העתיקו את הטבלה הבאה למחברת. בטבלה זאת תרכזו את כתובות האתרים שבהם תמצאו את המידע.
משימה, מילות מפתח, כתובת האתר שבו מצאתי את המידע
1, --, --
2, --, --
3, --, --
4, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה 1: מי אני?
1. נולדתי בניו-זילנד אבל את רוב עבודתי ביצעתי בקימברידג' שבאנגליה.
2. בשנת 1908 קיבלתי פרס נובל לכימיה (למרות שאני פיזיקאי ולא כימאי!)
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי עלה הזהב
4. בשנת 1914 הוענק לי תואר אבירות על-ידי מלך בריטניה.
א. בעזרת מידע זה, חשבו על מילות מפתח מתאימות וחפשו באינטרנט את שם המדען.
שם המדען: --.
ב. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
5. שבצו במשבצת הראשונה של קוד המטמון את האות הראשונה בשם משפחתו של המדען.
משימה 2: מי האיש/ ה?
1. מהפכן/ ית מדעי/ ת מהמאה ה-17.
2. שמו/ ה מזכיר אזור בארצנו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מודל של מערכת השמש
א. בעזרת מידע זה חשבו על מילות מפתח מתאימות וחפשו באינטרנט את שם המדען/ ית.
שם המדען/ית: --.
ב. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
4. שבצו במשבצת השנייה של קוד המטמון את האות הראשונה בשם משפחתו/ ה של המדען/ ית.
*89*
משימה 3: מה שם כתב העת?
1. ערכו חיפוש אחר כתב עת " -- צעיר", הנושא את שמו של המדען שאותו חשפתם במשימה 2.
2. עברו לגיליון 83 דצמבר 2010. קראו את הכתבה "מפצחים את הגרעין" והשיבו על השאלות הבאות:
א. מהו השם הנוסף לכוח הגרעיני?
ב. פי כמה חזק הכוח הגרעיני מכוח הדחיה החשמלי הקיים בין הפרוטונים?
ג הכוח הגרעיני קיים בין פרוטון לפרוטון וגם בין פרוטון ל --.
3. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
4. שבצו במשבצת השלישית של קוד המטמון את הספרה הראשונה של המספר בתשובה לשאלה 2ב'.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה 4: פצצה גרעינית (פצצת אטום)
פיצוץ גרעיני
- חפשו את הערך "פצצה גרעינית" בכרך 14 באנציקלופדיה שקרויה על שם עונה מעונות השנה.
- קראו את המידע וענו:
1. מתי פותחה הפצצה הגרעינית הראשונה?
א. בימי מלחמת העולם הראשונה.
ב. בימי מלחמת העולם השניה.
ג. בשנת 1948.
ד. בין מלחמת העולם הראשונה למלחמת העולם השנייה.
2. מה הקשר בין פצצה זאת לבין גרעין האטום?
א. פצצת אטום היא התנגשות בין שני גרעיני אטום תוך שחרור אנרגיה רבה.
ב. הפצצה הגרעינית מבוססת על תהליכים שמתרחשים בתוך גרעין האטום תוך שחרור אנרגיה רבה.
ג. הפצצה הגרעינית מבוססת על התנגשות בין אלקטרון לבין גרעין האטום תוך שחרור אנרגיה רבה.
ד. כל התשובות נכונות.
- כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
- שבצו במשבצת הרביעית של קוד המטמון את האות המייצגת את התשובה הנכונה לשאלה 1.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
אם הגעתם לשלב זה ושמרתם את הכתובות בספריה, כל הכבוד!
- רשמו במחברת את קוד המטמון שמצאתם.
- הראו למורה את קוד המטמון ואת מה שביצעתם ובקשו את אישורו/ ה.
להזנת קוד המטמון לחצו כאן.
*90*
*90*
מלימודינו הקודמים ידוע לנו כי יסודות שונים הם בעלי תכונות שונות. לאחר ש"צללנו" אל תוך האטום והכרנו את רעיון המודל התאורטי והמודל לתיאור מבנה האטום, נראה כיצד משפיע מבנה האטום על תכונותיהם של היסודות השונים, ונראה במה דומים אטומים מסוג אחד לאטומים מסוג אחר, ובמה הם שונים זה מזה. נתייחס לכל אחד משלושת סוגי החלקיקים המרכיבים את האטום (החלקיקים התת-אטומיים): הפרוטונים, האלקטרונים והניטרונים.
*90*
הפרוטון (p^+) הוא, כאמור, חלקיק הטעון מטען חשמלי חיובי. הפרוטונים זהים בכל סוגי האטומים. אם כן, במה נבדלים האטומים זה מזה? מספר הפרוטונים בגרעין האטום הוא שקובע את הזהות של האטום ושל היסוד הבנוי מאטומים אלה. מספר הפרוטונים שונה מיסוד ליסוד ואופייני לכל יסוד. לכל אחד מהאטומים של יסוד מסוים יש מספר פרוטונים קבוע וייחודי שנקרא "מספר אטומי". המספר האטומי הוא מעין "מספר זיהוי" של אטומי היסוד. לדוגמה: באטום היסוד מימן יש פרוטון אחד בלבד בגרעין, ולכן המספר האטומי של מימן הוא 1. באטום ההליום קיימים שני פרוטונים בגרעין, ולכן מספרו האטומי הוא 2. כל אטום שבגרעינו פרוטון אחד, הוא אטום של היסוד מימן. לעומת זאת, אטום שבגרעינו שני פרוטונים, הוא אטום של היסוד הליום, ומספרו האטומי הוא 2.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
סמל היסוד: H
שם היסוד: מימן
מספר אטומי: 1
הפרוטונים זהים בכל סוגי האטומים, אך סוגי האטומים השונים נבדלים זה מזה במספר הפרוטונים שהם מכילים!
מספר אטומי מסוים אופייני לאטום מסוג מסוים. לכל האטומים מסוג זה יש אותו מספר אטומי שמציין את מספר הפרוטונים בגרעין האטום.
כך, למשל:
בגרעין אטום חמצן, שסמלו O, יש 8 פרוטונים, ולכן הוא בעל מספר אטומי 8.
בגרעין אטום ברזל, שסמלו Fe, יש 26 פרוטונים, ולכן הוא בעל מספר אטומי 26.
בגרעין אטום אורניום, שסמלו U, יש 92 פרוטונים, ולכן הוא בעל מספר אטומי 92.
*90*
האלקטרון הוא, כאמור, חלקיק הטעון מטען חשמלי שלילי. האלקטרונים זהים בכל סוגי האטומים.
למדנו בסעיפים קודמים, שהפרוטון p^+)) והאלקטרון (e^-) הם חלקיקים תת-אטומיים בעלי מטענים חשמליים מנוגדים
*91*
בסימנם אך זהים בגודלם. האטום הוא חלקיק ניטרלי, על כן אפשר להסיק כי:
- באטום ניטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים.
- אטומי היסודות השונים נבדלים זה מזה במספר הפרוטונים והאלקטרונים שהם מכילים.
- באטום ניטרלי המספר האטומי המציין את מספר הפרוטונים בגרעין, מציין גם את מספר האלקטרונים.
לדוגמה: באטום ניטרלי של מימן יש פרוטון אחד בגרעין ואלקטרון אחד מחוץ לגרעין. באטום ניטרלי של ליתיום יש שלושה פרוטונים בגרעין ושלושה אלקטרונים מחוץ לגרעין.
הסיבה לכך שיסודות שונים הם בעלי תכונות שונות, היא שבאטומים שלהם יש מספר שונה של פרוטונים ואלקטרונים שונה. מכאן שהמספר האטומי קובע את זהות היסוד ומכתיב את תכונותיו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
בשנת 1932 גילה סר ג'יימס צ'דוויק את הניטרון לאחר 19 שנות מחקר. הניטרון (n^0) הוא, כאמור, חלקיק ניטרלי מבחינה חשמלית (מטען חשמלי 0), ולכן אינו משפיע על המטען החשמלי של האטום. מחקרים מדעיים העלו כי מספר הניטרונים בגרעין האטום יכול להיות שווה, גדול או קטן ממספר הפרוטונים.
(בספר תמונת בול, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
מספר מסה
מסת גרעין האטום היא סכום מסת הפרוטונים ומסת הניטרונים בגרעין. היות שמסת הניטרון דומה מאוד למסת הפרוטון, בעוד שמסת האלקטרון מזערית ביותר (ולכן זניחה בהשוואה למסת הפרוטון והניטרון), אפשר לומר כי מסת האטום דומה מאוד למסת הגרעין שלו. סכום הפרוטונים והניטרונים בגרעין האטום מכונה מספר מסה, והוא קובע את מסת הגרעין, ולכן גם את מסת האטום.
מספר מסה שווה מספר הפרוטונים פלוס מספר הניטרונים באטום
יש טבלאות של יסודות שבהן נוהגים לרשום ליד סמל היסוד את המספר האטומי שלו ואת מספר המסה שלו. את המספר האטומי נוהגים לרשום למעלה מעל לסמל היסוד, ואת מספר המסה רושמים למטה, כמוצג לפניכם:
(בספר דוגמא, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מספר אטומי: 8
מספר מסה: 16
הסבר: בגרעין אטום החמצן יש שמונה פרוטונים. מספר המסה של החמצן הוא 16, על כן מספר הניטרונים בגרעין החמצן הוא 8.
*92*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*92*
לאחר שהכרנו את מבנה האטום, נוכל להמשיך ולהבין את הקשר שבין מבנה טבלת היסודות לבין מבנה האטומים של אותם היסודות ותכונותיהם. קשר זה בין המבנה לבין התכונות של החומרים חשוב מאוד להבנת מדע הכימיה, ואנו נחזור ונעסוק בו לאורך לימודינו.
מנדלייב סידר את 63 היסודות שהכיר לפי סדר עולה של מסת האטומים שלהם. בעקבות סידור זה התגלתה לו מחזוריות קבועה בתכונות היסודות. על כן מכונה טבלת היסודות גם בשם: "הטבלה המחזורית של היסודות" או "המערכה המחזורית".
כיצד מתבטאת המחזוריות? לאחר שורה של מספר יסודות, מתחילה שורה חדשה, ובה מופיע שוב יסוד שתכונותיו והתנהגותו דומים ליסוד שבשורה שמעליו (שנמצא מעליו בטור). כך מצא כי היסודות בשורות האופקיות מסתדרים במחזורים, ובהם יסודות שתכונותיהם משתנות בהדרגה, ואילו היסודות בטורים האנכיים מהווים משפחות של יסודות הדומים בתכונותיהם. על שלוש ממשפחות אלו למדנו בפרק הקודם: משפחת המתכות האלקליות (טור מספר 1), משפחת ההלוגנים (טור מספר 7) ומשפחת הגזים האצילים (טור מספר 8).
כדאי לזכור שמנדלייב ערך את טבלת היסודות לפני שהתגלה מבנה האטום. לאחר גילוי מבנה האטום התברר שהיא מאורגנת כמעט במדויק גם על פי המספר האטומי!
במשך השנים חלו בטבלת היסודות שינויים: נוספו לה יסודות שלא היו מוכרים בימי מנדלייב, ושינויים שהוצעו בעקבות בחינה מדוקדקת של המספרים האטומיים. עם זאת - הבסיס נותר כשהיה, וטבלת היסודות מהווה עד היום כלי עבודה חשוב בידי המדענים.
(בספר תמונת בול)
דמיטרי מנדלייב
*92*
טבלת היסודות בנויה משורות (המתקדמות משמאל לימין) ומטורים (המתקדמים מלמעלה למטה). בטבלה מוגדרים שמונה טורים ראשיים הממוספרים מ-1 עד 8. הטורים בטבלת היסודות יוצרים משפחות של יסודות, ואילו השורות מכונות גם מחזורים. גם השורות ממוספרות מ-1 עד 7 כמתואר בטבלת היסודות בעמוד הבא.
*93*
טבלת היסודות
שורה 1: מימן-H-1 (טור 1), הליום-He-2 (טור 8)
שורה 2: ליתיום-Li-3 (טור 1), בריליום-Be-4 (טור 2), בור-B-5 (טור 3), פחמן-C-6 (טור 4), חנקן-N-7 (טור 5), חמצן-O-8 (טור 6), פלואור-F-9 (טור 7), נאון-Ne-10 (טור 8)
שורה 3: נתרן-Na-11 (טור 1), מגנזיום-Mg-12 (טור 2), אלומיניום-Al-13 (טור 3), צורן-Si-14 (טור 4), זרחן-P-15 (טור 5), גפרית-S-16 (טור 6), כלור-Cl-17 (טור 7), ארגון-Ar-18 (טור 8)
שורה 4: אשלגן-K-19 (טור 1), סידן-Ca-20 (טור 2), סקנדיום-Sc-21, טיטניום-Ti-22, ונדיום-V-23, כרום-Cr-24, מנגן-Mn-25, ברזל-Fe-26, קובלט-Co-27, ניקל-Ni-28, נחושת-Cu-29, אבץ-Zn-30, גליום-Ga-31 (טור 3), גרמניום-Ge-32 (טור 4), ארסן-As-33 (טור 5), סלניום-Se-34 (טור 6), ברום-Br-35 (טור 7), קריפטון-Kr-36 (טור 8)
שורה 5: רובידיום-Rb-37 (טור 1), סטרונציום-Sr-38 (טור 2), איטריום-Y-39, זרקוניום-Zr-40, ניאוביום-Nb-41, מולבידן-Mo-42, טכנציום-Tc-43, רותניום-Ru-44, רודיום-Rh-45, פלדיום-Pd-46, כסף-Ag-47, קדמיום-Cd-48, אינדיום-In-49 (טור 3), בדיל-Sn-50 (טור 4), אנטימון-Sb-51 (טור 5), טלור-Te-52 (טור 6), יוד-I-53 (טור 7), קסנון-Xe-54 (טור 8)
שורה 6: צזיום-Cs-55 (טור 1), בריום-Ba-56 (טור 2), (ריק)-(ריק)-57-71, הפניום-Hf-72, טנטלום-Ta-73, טונגסטן-W-74, רניום-Re-75, אוסמיום-Os-76, אירידיום-Ir-77, פלטינה-Pt-78, זהב-Au-79, כספית-Hg-80, תליום-Tl-81, (טור 3), עופרת-Pb-82 (טור 4), ביסמוט-Bi-83 (טור 5), פולניום-Po-84 (טור 6), אסטטין-At-85 (טור 7), רדון-Rn-86 (טור 8)
שורה 7: פרנציום-Fr-87 (טור 1), רדיום-Ra-88 (טור 2), (ריק)-(ריק)-89-103, רותפורדיום-Rf-104, דובניום-Db-105, סיבורגיום-Sg-106, בוהריום-Bh-107, הסיום-Hs-108, מייטנריום-Mt-109, דרמשטטיום-Ds-110, רנטגניום-Rg-111, Uub-112, Uut-113, (טור 3), Uuq-114 (טור 4), Uup-115, (טור 5), Uuh-116 (טור 6), (לא קיים עדיין)-Uus-117 (טור 7), (לא קיים עדיין)-Uuo-118 (טור 8)
- לנתן-La-57, צריום-Ce-58, פרסאודימיום-Pr-59, ניאודימיום-Nd-60, פרומתיום-Pm-61, סמריום-Sn-62, אירופיום-Eu-63, גדוליניום-Gd-64, טרביום-Tb-65, דיספרוסיום-Dy-66, הולמיום-Ho-67, ארביום-Er-68, תולום-Tm-69, איטרביום-Yb-70, לוטציום-Lu-71
- אקטיניום-Ac-89, תוריום-Th-90, פרוטאקטיניום-Pa-91, אורניום-U-92, נפטוניום-Np-93, פלוטוניום-Pu-94, אמריציום-Am-95, קיוריום-Cm-96, ברקליום-Bk-97, קליפורניום-Cf-98, אינשטיניום-Es-99, פרמיום-Fm-100, מנדלביום-Md-101, נובליום-No-102, לורנציום-Lr-103
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
1. כמה יסודות יש בשורה הראשונה? רשמו את שמותיהם וסמליהם הכימיים.
2. כמה יסודות יש בכל אחת מהשורות 2, 3?
3. כמה יסודות יש בכל אחת מהשורות 4, 5?
4. כמה יסודות יש בכל אחת מהשורות 6, 7?
5. בחרו בשתי שורות עוקבות והשיבו על השאלות הבאות:
א. כיצד משתנה המספר האטומי לאורך השורה?
ב. מהו המספר האטומי של היסוד בסוף השורה הראשונה שבחרתם?
ג. מהו המספר האטומי של היסוד בתחילת השורה העוקבת לשורה הראשונה שבחרתם?
ד. מה המסקנה שלכם בעקבות תשובותיכם לסעיפים ב' ו-ג'?
ממקומו של היסוד בטבלת היסודות אפשר ללמוד על הרכב האטומים שלו, כלומר, על מספר הפרוטונים והאלקטרונים באטומי היסוד. על מספר הניטרונים אפשר ללמוד מהטבלאות שבהן מוצג גם מספר המסה של היסוד. חשבו מדוע.
*94*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
היעזרו בטבלה המחזורית של היסודות וענו על השאלות הבאות:
1. כמה אלקטרונים נמצאים באטום ניטרלי של היסודות הבאים: ליתיום (Li), סידן (Ca), עופרת (Pb), רובידיום (Rb)?
2. השלימו:
א. בכל אחד מהאטומים הניטרליים של פלואור (F) יש מספר שווה של -- ו --.
ב. אטום ניטרלי של פלואור שונה מאטום ניטרלי של מימן במספר ה- --, במספר ה- -- ובמספר ה- -- שלו.
ג. אטום ניטרלי של זרחן שסימולו P מכיל -- פרוטונים -- ניטרונים ו- --אלקטרונים.
ד. אטום ניטרלי בעל מספר אטומי 17 הוא אטום של היסוד --, שבו – פרוטונים ו- -- אלקטרונים.
3. המשפטים הבאים מתארים את ההרכב של אטומים שונים. ציינו את המשפטים הנכונים, תקנו את המשפטים השגויים.
א. מספרו האטומי של חנקן נקבע על-פי מספר הניטרונים שבגרעין האטום.
ב. בכל האטומים של נתרן יש מספר פרוטונים שווה.
ג. האטום הוא חלקיק ניטרלי, מכיוון שהוא מורכב מחלקיקים ניטרליים.
ד. לפרוטון ולניטרון מטענים מנוגדים.
ה. הגרעין החיובי תופס את רוב נפחו של האטום.
ו. רוב מסתו של האטום מרוכזת בגרעין.
ז. כל אחד מהפרוטונים באטומי הליום כבד מכל אחד מהפרוטונים באטומי מימן.
ח. בכל האטומים (של כל היסודות) יש אלקטרונים זהים בגודלם ובמטענם.
4. כמה פרוטונים יש בכל אחד מאטומי הזהב שסימולם Au?
5. כמה אלקטרונים יש בכל אחד מאטומי הכספית שסימולם Hg?
6. מה סמלו של היסוד שמספרו האטומי 35?
7. מה שמו של היסוד שמספרו האטומי הוא 47?
8. באיזה טור בטבלה המחזורית נמצא היסוד סידן?
9. באיזו שורה בטבלה המחזורית נמצא היסוד קריפטון?
10. מהו סמלו של היסוד הנמצא בשורה 3 ובטור 4?
11. מהו סמלו של היסוד שהמספר האטומי שלו קטן ביחידה ממספרו האטומי של היסוד קובלט?
12. מהו סמלו של היסוד שהמספר האטומי שלו גדול ביחידה אחת ממספרו האטומי של היסוד נתרן (Na)?
13. כמה יסודות ממוקמים בשורה הרביעית בטבלה המחזורית?
*95*
14. השאלה שלפניכם דנה בתשעה יסודות שנבחרו באופן אקראי מטבלת היסודות. העתיקו את הטבלה למחברותיכם והשלימו את החסר:
סמל: Ne 10 20
מספר מסה: 20
מספר פרוטונים: 10
מספר ניטרונים: 10
סמל: Ca 20 40
מספר אטומי: --
מספר מסה: 40
מספר פרוטונים: 20
מספר ניטרונים: --
סמל: Zn 30 65
מספר אטומי: --
מספר מסה: 65
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: 35
סמל: Zr 40 91
מספר אטומי: 40
מספר מסה: --
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: --
סמל: Sn 50 118
מספר אטומי: --
מספר מסה: 118
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: --
סמל: Nd 60 144
מספר אטומי: --
מספר מסה: --
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: --
סמל: Yb 70 173
מספר אטומי: --
מספר מסה: --
מספר פרוטונים: 70
מספר ניטרונים: --
סמל: Hg 80 200
מספר אטומי: --
מספר מסה: 200
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: --
סמל: Th 90 232
מספר אטומי: 90
מספר מסה: --
מספר פרוטונים: --
מספר ניטרונים: 142
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*95*
למדנו בפרק הקודם כי למתכות יש תכונות משותפות: הן מוליכות היטב זרם חשמלי וחום, כמעט כולן מוצקות בטמפרטורת החדר (להוציא כספית), בעלות ברק, ניתנות לריקוע ולעיבוד בקלות יחסית.
ממה נובעות התכונות המשותפות של המתכות?
הסיבה לכך נעוצה במבנה החלקיקי של המתכת. כידוע, כל יסוד מכיל אוסף עצום של אטומים זהים. כיצד מסודרים אטומים אלה במתכת? האם יש קשר ביניהם? מה מאפיין את המבנה המתכתי?
המודל המתאר את מבנה המתכת כולל את העקרונות הבאים:
- המתכת בנויה מאטומים רבים הערוכים במבנה תלת-ממדי ענק, מסודר ומאורגן שנקרא "סריג מתכתי".
מודל של סריג מתכתי
- חלק מהאלקטרונים של כל אטום (1-3, תלוי בזהות המתכת) מאבדים את השייכות שלהם לאטום מסוים ונעים בחופשיות יחסית ברחבי הסריג המתכתי. הם שייכים לסריג כולו ולא לאטום מסוים ונקראים, על כן, "אלקטרונים חופשיים". כלל האלקטרונים החופשיים מכונים לעיתים "ים של אלקטרונים".
- קיימים כוחות משיכה חזקים בין אטומי המתכת לבין ים האלקטרונים.
גם מודל זה נחשב היום לפשטני והשתכלל במשך השנים, אולם הוא מסביר היטב תופעות רבות, ולכן ממשיכים להשתמש בו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*96*
הקוטב החיובי של הסוללה, ונוצר זרם חשמלי. בגלל תכונה זו רוב כבלי החשמל והטלפון בבתינו וברחובותינו עשויים ממתכת (בעיקר מנחושת). בהמשך נלמד בהרחבה על הזרם החשמלי.
*96*
כבר למדנו כי מודל מסייע להסביר תופעות. לאחר שלמדנו על מודל האטום. נוכל להיעזר בו כדי להסביר את תופעת הטעינה החשמלית שהכרנו בראשית הפרק.
ראינו שטעינה חשמלית של גופים העשויים מחומרים שונים, מתרחשת עקב שפשופם זה בזה.
מה קורה בזמן השפשוף (חיכוך)?
נחזור ונזכיר כי הגופים סביבנו נמצאים בדרך כלל במצב חשמלי ניטרלי. כתוצאה משפשוף חומרים שונים זה בזה, חלק מהאלקטרונים עובר מאטומים של חומר מסוג אחד לאטומים של חומר מסוג אחר. בעזרת ניסויים שונים אפשר לדעת אילו חומרים מוסרים ואילו חומרים קולטים אלקטרונים במהלך השפשוף (חיכוך).
נבהיר כי הפרוטונים, שנמצאים בגרעיני האטומים, אינם מושפעים מהשפשוף ואינם עוברים מאטום לאטום.
כידוע לנו, האלקטרונים הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי. מכאן שעקב מעבר האלקטרונים מגוף ניטרלי אחד לגוף ניטרלי אחר, שני הגופים נטענים בו-זמנית. זה שהתווספו לו אלקטרונים, נטען במטען חשמלי שלילי (בגוף זה מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים), וזה שניתקו ממנו אלקטרונים, נטען במטען חשמלי חיובי (בגוף זה מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים). נבחן זאת באמצעות ניסוי 2.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 2: טעינה חשמלית של פס P.V.C ומטלית צמר באמצעות חיכוך
מתקן לביצוע ניסוי 2
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
מטרת הניסוי: לבחון מה קורה מבחינת הטעינה החשמלית לשני גופים ששופשפו זה בזה?
ציוד וחומרים: זכוכית שעון, פקק-שעם, פלסטלינה, פס P.V.C, מטלית צמר.
מהלך הניסוי
1. הניחו פס P.V.C בתוך החריץ שבפקק השעם.
2. שפשפו את הפס במטלית צמר.
3. קרבו את הצד המשופשף של המטלית אל פס ה-P.V.C.
4. תארו מה קרה (מה רואים?).
5. איזה כוח פועל בין המטלית ופס ה-P.V.C?
6. אם ידוע שפס ה-P.V.C. טעון במטען שלילי לאחר השפשוף, מה תוכלו לומר על סוג המטענים שבהם נטענה המטלית?
*97*
מה למדנו מניסוי 2?
ראינו כי בין המטלית לבין פס ה-P.V.C פעלו כוחות משיכה, לכן ברור כי המטלית ופס ה-P.V.CנYענו במטענים מנוגדים. ידוע מניסויים אחרים כי פס ה-P.V.C הוא חומר שקולט אלקטרונים. מכאן שהוא טעון במטען חשמלי שלילי. מכאן ששפשוף מוט ה-P.V.C במטלית הצמר גרם לכך שמטענים שליליים עברו מהמטלית לפס ה-P.V.C. ובמונחים של חלקיקים תת- אטומיים: אלקטרונים עברו ממטלית הצמר לפס ה-P.V.C. כתוצאה מכך יש עודף של אלקטרונים על פס ה-P.V.C, והוא טעון במטען חשמלי שלילי; בעוד שהמטלית שמסרה את האלקטרונים, נטענה במטען חשמלי חיובי.
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 3: מוליכים ומבדדים
מטרת הניסוי: ללמוד על חומרים המאפשרים או שאינם מאפשרים מעבר ותנועה של מטענים חשמליים דרכם.
ציוד וחומרים: כדור קלקר מצופה גרפיט התלוי על חוט ניילון, גליל מתכת, כוס קלקר, פס P.V.C, מטלית צמר.
מהלך הניסוי
לפניכם כדור קלקר מצופה גרפיט התלוי על חוט ניילון. הכדור נוגע בגליל מתכת המונח על כוסית קלקר.
1. קחו פס P.V.C טעון (ששופשף במטלית צמר) וגעו בגליל המתכת.
2. תארו מה קרה (מה רואים)?
3. הסבירו מה קרה בעזרת המודלים שלמדתם בפרק זה.
4. חזרו על הניסוי אך הפעם במקום גליל המתכת השתמשו בגליל זכוכית או פלסטיק.
5. מה קרה הפעם (מה רואים)?
6. נסו להסביר זאת בעזרת המודלים שלמדתם בפרק זה.
מה למדנו מניסוי 3?
כפי שראינו בניסויים קודמים גם בניסוי זה פס ה-P.V.C נטען כתוצאה מהחיכוך עם מטלית הצמר במטען חשמלי שלילי. כאשר הפס הטעון נגע בגליל המתכת, כדור הקלקר התרחק מהמתכת, כלומר נדחה ממנה (תצלום 3ב).
כיצד אפשר להסביר זאת?
תצלום 3: א. לפני קירוב פס P.V.Cטעון
ב. אחרי קירוב פס P.V.C טעון
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
*98*
בעת הנגיעה האלקטרונים עברו ממוט ה-P.V.C הטעון במטען שלילי, למתכת. המתכת מוליכה היטב חשמל, על כן האלקטרונים עברו דרכה. חלקם הגיעו לכדור הקלקר המצופה בגרפיט וטענו אותו במטען שלילי, וחלקם נותרו במתכת וטענו אותה במטען שלילי. כעת המתכת והכדור טעונים במטען זהה, ועל כן הייתה דחייה ביניהם.
כאשר גליל המתכת הוחלף במוט פלסטיק, לא נצפתה דחייה. פלסטיק אינו מוליך חשמל. הוא אינו מעביר דרכו אלקטרונים, ולכן כדור הקלקר לא נטען, ועל כן לא פעל עליו כוח חשמלי, והוא נותר במקומו (תצלום 4ב').
תצלום 4: א. לפני קירוב פס P.V.C טעון
ב. אחרי קירוב פס P.V.C טעון
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
חומרים המוליכים זרם חשמלי מאפשרים למטענים חשמליים לעבור דרכם.
חומרים מבודדים מבחינה חשמלית אינם מאפשרים למטענים חשמליים לעבור דרכם.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
פעילות על האטום ומבנה האטום
בפעילות זו "תבנו" אטומים באמצעות סימולציה.
1. לחצו על הפעילות "בניית אטומים".
2. לחצו על "בנה אטום" בסרגל העליון בצד שמאל.
3. נתונים "סלים" עם חלקיקים תת-אטומיים, היעזרו בטבלה המחזורית ובנו באמצעות הסימולציה מודל מוחשי של האטומים הבאים: מימן H, הליום He, ליתיום Li, פחמן C, חמצן O.
4. בחרו אטומים נוספים ובנו מודל מוחשי שלהם.
5. התייחסו למודל שבניתם ורשמו מה ממחיש המודל ומה מגבלותיו?
*99*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
החלקיק האלוהי - בוזון היגס
במרוצת השנים התקדם המחקר על מודל האטום בד בבד עם ההתפתחות הטכנולוגית ובניית מאיצי חלקיקים שהובילו לגילוי חלקיקים תת-אטומיים נוספים פרס לשלושת החלקיקים: פרוטון, ניטרון ואלקטרון, שעליהם למדנו בפרק זה. (מאיץ חלקיקים הוא מתקן המגביר את מהירותם של חלקיקים על-ידי העברתם בשדות חשמליים ומגנטיים, וגורם להתנגשויות ביניהם ולהיווצרות חלקיקים אחרים.) המאיצים מאפשרים ליצור התנגשויות בין החלקיקים, ותוצאות ההתנגשות מאפשרות לזהות חלקיקים חדשים וללמוד על תכונותיהם. ב-1964 הניחו המדענים גלמן וצייג כי קיימים חלקיקים נוספים שמהם מורכבים הפרוטונים והניטרונים, והם כינו אותם קוורקים. חלק ניכר מהמחקר המדעי לגילוי חלקיקים אלו ולהכרת תכונותיהם מתבצע במרכזי מחקר מדעיים בתוך מאיצי חלקיקים. מחקר נמרץ בנושא החלקיקים התת-אטומיים מתקיים במאה ה- 21 במרכז המחקר צרן (Cern) שליד ז'נבה בשוויץ העורך את אחד הניסויים המדעיים היקרים והגדולים בהיסטוריה. במשך כ-15 שנים עמלו יותר מ-8,000 מדענים מ-40 מדינות ויותר ואלפי מהנדסים וטכנאים על בנייתו של מאיץ החלקיקים הגדול בעולם, שעלותו מוערכת ביותר משמונה מיליארדי אירו. אחד הניסויים העיקריים בפרויקט הוא ניסוי אטלס, שמטרתו למצוא את "החלקיק האלוהי". "החלקיק האלוהי", או בשמו המדעי הבוזון של היגס, הוא חלקיק המייצר מסביבו שדה כוח המעכב את תנועתם של חלקיקים הנעים בשדה זה, ולכן הם נעשים כבדים, כלומר שדה היגס מקנה לחלקיקים מסה. נמשיל זאת למצב הבא: נניח שאנו נעים בתוך ברכת מים, כתוצאה מכך נרגיש שהמסה שלנו גדולה יותר. המים הם משל לשדה היגס. חלקיק היגס מייצר מסה עבור החלקיקים המוכרים בטבע, כגון האלקטרון, וזאת היא אחת הסיבות לכך שיש לו ולנו מסה, אחרת היינו כולנו חלקיקים חסרי מסה שנעים במהירות האור. זיהוי חלקיק היגס באמצעות מאיץ החלקיקים בצרן (יולי 2012) הוא תגלית מדעית חשובה בפיזיקת החלקיקים ובהבנת תהליך יצירת היקום.
לשם העמקת הידע בנושא צפו בהרצאתו של פרופסור עילם גרוס "החלקיק האלוהי - היגס".
מאיץ חלקיקים במכון וייצמן למדע
מאיץ החלקיקים במתחם צרן
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*100*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
פעילות
מחפשים "מטמון" וירטואלי - בעקבות "החלקיק האלוהי"
פעילות זו מזמנת העמקה בנושא "החלקיק האלוהי" תוך ניווט במסלול חידות פתלתל וחווייתי. אפשר לפתור את החידות באמצעות חיפוש באינטרנט. בכל משימה תתבקשו לחשוב על מילות מפתח מתאימות לחיפוש המידע, למצוא את המידע, להשיב לשאלות ולבסוף - לשמור את כתובת האתר שבו מצאתם את המידע בטבלה המצורפת.
בסוף המסלול תופנו לאתר ה"מטמון". כדי להיכנס לאתר עליכם להצטייד בקוד המטמון. קוד המטמון מורכב מרצף של ארבע אותיות/ ספרות - בסוף כל משימה תתבקשו לשבץ אות אחת או ספרה שמהווה חלק מהקוד.
העתיקו למחברת את תבנית הקוד והשלימו אותו במהלך פתרון המשימות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
קוד המטמון
1. --
2. --
3. --
4. --
מוכנים? נצא לדרך!
העתיקו את הטבלה הבאה למחברת. בטבלה זאת רכזו את כתובות האתרים שבהם תמצא! את המידע.
משימה, מילות מפתח, כתובת האתר שבו מצאתי את המידע
1., --, --
2., --, --
3., --, --
4., --, --
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה 1: מי האיש/ ה?
1. מהפכן/ ית מדעי מהמאה ה-17.
2. שמו/ ה מזכיר אזור בארצנו.
3. גילה/ גילתה תגליות מדעיות חשובות, ביניהן תגליות על אודות מערכת השמש.
א. בעזרת מידע זה חשבו על מילות מפתח מתאימות וחפשו באינטרנט את שם המדען/ ית.
שם המדען/ית: --.
ב. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
4. שבצו במשבצת הראשונה של קוד המטמון את האות הראשונה בשם משפחתו/ ה של המדען/ ית.
*101*
משימה 2: מהו שם כתב העת?
1. ערכו חיפוש אחר כתב העת "-- צעיר" הנושא את שמו של המדען שאותו חשפתם במשימה 1.
2. עברו לגיליון 55, אוגוסט 2008. קראו את הכתבה "על חלקיקים וגוזלים-התעלומה הגדולה ביקום"
א. מהי התעלומה הגדולה שעלייה מסופר בכתבה?
(1) מדוע יש לפרוטונים מסה ולניטרונים אין מסה?
(2) מה הסיבה להקמת מאיץ החלקיקים בשוויץ?
(3) מה הסיבה לכך שפרוטונים מתנגשים אלו באלו?
(4) מה הסיבה לכך שלחלקיקים שונים בחלל ישנה מסה?
ב. מה מטרת מאיץ החלקיקים בצרן על-פי הכתבה? (השלימו את התשובה): לגרום להתנגשות בין --.
3. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
4. שבצו במשבצת השנייה של קוד המטמון את האות הראשונה בשם העיר בשוויץ שבה נמצא מאיץ החלקיקים.
משימה 3: מי גילה אותי?
1. חפשו: מי גילה את החלקיק מתשובתכם לשאלה 2 במשימה 2? חשבו על מילות מפתח מתאימות וחפשו באינטרנט את שם המשפחה של המדען/ ית: --.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. שבצו במשבצת השלישית של קוד המטמון את האות הראשונה בשם המשפחה של המדען/ ית.
מאיץ החלקיקים בצרן
משימה 4: מהו שמי?
מדוע, בעצם, מכונה בוזון היגס "החלקיק האלוהי"?
1. על מנת לברר זאת חפשו את שם המדען/ ית שנולד/ ה בשנת 1922 וזכה/ תה בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1988.
שם המדען/ ית: --.
- בשנת 1993 נכתב ספר, המתקשר לנושא שלנו, על-ידי המדען/ ית שמצאתם בסעיף 1.
2. חשבו על מילות מפתח מתאימות וחפשו באינטרנט את שם הספר.
שם הספר: --.
א. כתבו בטבלה את מילות המפתח שהשתמשתם בהן לצורך חיפוש ואת כתובת האתר שבו מצאתם את המידע.
ב. עכשיו נסו לענות: מדוע כונה בוזון היגס "החלקיק האלוהי"?
3. שבצו במשבצת הרביעית של קוד המטמון את האות הראשונה בשם המשפחה של המדען/ ית.
משימה 5: אתר ה"מטמון"
אם הגעתם לשלב זה ושמרתם את הכתובות בספרייה, כל הכבוד!
- רשמו במחברת את קוד המטמון שמצאתם.
- הראו למורה את קוד המטמון ואת מה שביצעתם ובקשו את אישורו/ ה.
להזנת קוד המטמון לחצו כאן.
*102*
*102*
- בין שני גופים טעונים פועלים כוחות חשמליים. בין גופים הטעונים במטענים מאותו סוג פועל כוח דחייה חשמלי, ובין גופים הטעונים במטענים מנוגדים פועל כוח משיכה חשמלי.
- מודל האטום: האטום בנוי מגרעין ואלקטרונים.
- גרעין האטום בנוי מפרוטונים וניטרונים.
- האלקטרונים נעים בתנועה מתמדת מחוץ לגרעין תוך יצירת "ענן אלקטרונים".
- אלקטרון הוא חלקיק טעון מטען חשמלי שלילי.
- פרוטון הוא חלקיק טעון מטען חשמלי חיובי, הנמצא בגרעין האטום.
- ניטרון הוא חלקיק ניטרלי מבחינה חשמלית, הנמצא בגרעין האטום.
- האלקטרונים והפרוטונים נמשכים זה לזה שכן הם בעלי מטענים מנוגדים.
- רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין האטום.
- הפרוטונים והאלקטרונים זהים בכל סוגי האטומים.
- סוגי האטומים השונים נבדלים זה מזה במספר הפרוטונים והאלקטרונים שהם מכילים.
- מספר אטומי מייצג את מספר הפרוטונים בגרעין האטום.
- מתכות הן בעלות מבנה של סריג מתכתי (ענק) ובו יש "אלקטרונים חופשיים".
שאלות סיכום
1. פרוטון הוא:
א. חלקיק חסר מטען חשמלי הנמצא רק באטומים של אל-מתכות.
ב. חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי שנמצא בכל אטום.
ג. חלקיק בעל מטען חשמלי שלילי שנמצא בכל אטום.
ד. חלקיק חסר מטען חשמלי הנמצא רק באטומים של מתכת.
2. גרעין האטום הוא בעל מטען חשמלי:
א. שלילי
ב. חיובי
ג. ניטרלי
ד. חיובי או שלילי תלוי ביסוד.
*103*
3. בין אלקטרון לפרוטון:
א. קיים כוח דחייה חשמלי.
ב. קיים כוח משיכה חשמלי.
ג. קיימים כוח דחייה חשמלי וכוח משיכה חשמלי.
ד. אין כלל כוחות חשמליים.
4. איזה משפט מבין המשפטים הבאים מתאר נכונה את מבנה האטום?
א. האלקטרונים והפרוטונים נמצאים בגרעין האטום, והניטרונים נעים סביבם מחוץ לגרעין.
ב. האלקטרונים והניטרונים נמצאים בגרעין האטום, והפרוטונים נעים סביבם מחוץ לגרעין.
ג. הפרוטונים והניטרונים נמצאים בגרעין האטום, והאלקטרונים נעים סביבם מחוץ לגרעין.
ד. הפרוטונים נמצאים בגרעין האטום. האלקטרונים והניטרונים מפוזרים באטום באופן אקראי.
5. בין אילו חלקיקים קיימת משיכה חשמלית?
א. בין שני אלקטרונים.
ב. בין שני פרוטונים.
ג. בין אלקטרון לפרוטון.
ד. בין ניטרון לפרוטון.
6. המספר האטומי נקבע על-פי:
א. מספר האלקטרונים באטום.
ב. מספר הפרוטונים באטום.
ג. מספר הפרוטונים ומספר הניטרונים.
ד. מספר הניטרונים.
7. המספר האטומי של היסוד פלטינה הוא 78. איזה משפט נכון?
א. סכום הפרוטונים יחד עם האלקטרונים בגרעין אטום הפלטינה הוא 78.
ב. סכום הפרוטונים יחד עם הניטרונים בגרעין אטום הפלטינה הוא 78.
ג. בגרעין אטום הפלטינה יש 78 פרוטונים.
ד. בגרעין אטום הפלטינה יש 78 ניטרונים.
8. העתיקו את המשפטים לאחר בחירת המילה המתאימה להשלמת כל משפט:
א. גופים שבהם מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, הם גופים ניטרליים/ טעונים.
ב. גופים שבהם מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים, הם גופים טעונים במטען חיובי/ שלילי.
ג. גופים שבהם מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים, הם גופים טעונים במטען חיובי/ שלילי.
ד. גופים הטעונים במטענים דומים, נמשכים זה לזה/ נדחים זה מזה.
ה. גופים הטעונים במטענים שונים, נמשכים זה לזה/ נדחים זה מזה.
*104*
9. איזה מהאיורים הבאים מראה באופן הנכון ביותר את מיקום הפרוטונים (p בחזקת פלוס), האלקטרונים (e בחזקת מינוס) והניטרונים (n בחזקת 0) באטום?
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
10. אטום של היסוד נחושת שונה מאטום של היסוד ברזל:
א. במבנה הבסיסי של האטום.
ב. במבנה הבסיסי של גרעין אטום.
ג. בסוג הפרוטונים שבגרעין האטום.
ד. במספר הפרוטונים שבגרעין האטום.
11. לפניכם איורים 1-4 המתארים אטומים של יסודות שונים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. איזה אטום מתואר באיור 1? הסבירו.
ב. איזה אטום מתואר באיור 2? הסבירו.
ג. איזה אטום מתואר באיור 3? הסבירו.
ד. איזה אטום מתואר באיור 4? הסבירו.
12. מה משותף לאטומים של אותו היסוד?
13. אם מרססים שמן מבקבוק פלסטי בעל פייה צרה, מוצאים כי הטיפות הנוצרות הן בעלות מטען (שלילי). הסבירו כיצד נטענו הטיפות?
14. במכליות הדלק הנוסעות בכבישי הארץ רואים שרשרת מתכת התלויה על המכל ונוגעת בכביש. התוכלו להסביר לשם מה היא נחוצה?
*105*
15. כאשר יוצאים ממכונית ביום חמסין ונוגעים בידית הדלת. מרגישים לפעמים "מכה חשמלית". מדוע? מדוע אין זה קורה ביום לח?
16. האם אפשר לטעון מוט מתכת על-ידי שפשוף בשעה שאוחזים בו ביד? אם כן. באילו תנאים? אם לא, מה הייתם עושים כדי לאפשר את טעינת המוט על-ידי שפשוף?
17. האם ניסיתם פעם לעטוף כריך בפלסטיק נצמד ולהחזיק את הפלסטיק פרוש, מבלי שחלקים יידבקו זה לזה? אולי הבחנתם בזוג גרביים שנצמדו זה לזה לאחר ייבוש במכונת ייבוש? הסבירו אחת מהתופעות האלה בעזרת המודל שלמדתם.
18. השלימו את התשבץ הבא:
מאוזן
1. בו מרוכזת רוב המסה של האטום (5 אותיות) --
4. מסודרים בו יסודות בעלי תכונות דומות (3 אותיות) --
7. מספר הזיהוי של היסוד (9 אותיות) --
8. החלקיק השלילי באטום (7 אותיות) --
10. מסודרים בה יסודות בעלי מספר אטומי עולה (4 אותיות) --
12. אטום המכיל 28 פרוטונים (4 אותיות) --
13. מטען הפרוטון (5 אותיות) --
14. יסוד המופיע בטבלה בטור 7 שורה 5 (3 אותיות) --
15. יכול להיות תאורטי או מוחשי (4 אותיות) --
16. מופיע בטבלת היסודות (4 אותיות) --
מאונך
2. חלקיק ניטרלי באטום (6 אותיות) --
3. אבן היסוד של כל חומר (4 אותיות) --
5. חלקיק חיובי באטום (6 אותיות) --
6. הכוח הפועל בין מטענים שווי סימן (5 אותיות) --
8. טור 1 הוא: משפחת המתכות ה-- (7 אותיות) --
9. יסוד ממשפחת הגזים האצילים (כתיב מלא) (5 אותיות) --
10. מטען של האלקטרון (5 אותיות) --
11. היסוד שסמלו Rh (6 אותיות) --
(בספר איור, היעזר במנחה)
*106*
נספח 1: מודל האטום בראי ההיסטוריה
עד שלהי המאה ה-19 מודל האטום המקובל היה "המודל הכדורי" שהציע הכימאי האנגלי ג'ון דלטון (1803), ולפיו כל חומר בנוי מחלקיקים אחידים קטנים שאינם ניתנים לחלוקה, חלקיקים אלו נקראו אטומים.
בשנת 1897 ערכו הפיזיקאים האנגלים ג'וזף ג'ון תומסון וויליאם קרוקס סדרת ניסויים שבאמצעותם הוכיחו את דבר קיומם של חלקיקים תת-אטומיים בעלי מטען חשמלי שלילי - האלקטרונים. בעקבות ממצאים אלו, הציע תומסון מודל חדש שכונה מודל "עוגת הצימוקים". עיקרו של המודל - האטום הוא כדור טעון חיובית ובו משובצים אלקטרונים נייחים כמו צימוקים בעוגה.
כעבור עשור נחשפו גילויים חדשים שהמודל שהוצע על-ידי תומסון לא יכול היה להסבירם. בעקבות גילויים אלו הציע המדען ארנסט רתרפורד מודל משוכלל יותר: "מודל האטום הגרעיני". לפי מודל זה, האטום מתואר כמערכת השמש: במרכזו גרעין חיובי זעיר-ממדים, וסביב הגרעין נעים האלקטרונים בתנועה חופשית מתמדת (ואינם תקועים כצימוקים בעוגה).
(בספר איור, היעזר במנחה)
במשך השנים שונה מודל זה (מודל המסלולים), והוא אינו מתייחס עוד באופן ודאי למיקומו של האלקטרון אלא מציג את מיקומו במונחים הסתברותיים, כלומר, הוא מתייחס לסיכוי למצוא אלקטרון במקום מסוים במרחב. מודל זה מכונה "המודל הקוונטי".
מדענים ממשיכים לחקור את מבנה האטום, והמודל המקובל כיום הוא סופי רק לעת עתה.
ציר הזמן באיור אינו על-פי קנה מידה
- 1803: המודל הכדורי של ג'ון דלטון
- 1897: מודל "עוגת הצימוקים: של תומסון
- 1911: מודל האטום הגרעיני של ארנסט רתרפורד
- 1913: מודל המסלולים של נילס בוהר
- 1926: המודל הקוונטי
- 2012: ?
*107*
1. מי גילה/ גילתה את האלקטרונים?
2. מהו מודל "עוגת הצימוקים" של תומסון?
3. מהו מודל האטום שהציע ארנסט רתרפורד?
4. מהי תרומתו של המדען נילס בוהר למודל האטום?
5. מהו המודל הקוונטי? האם זהו מודל האטום הסופי? הסבירו.
6. מדוע היה הכרח לשנות את מודל האטום מעת לעת?
7. חפשו במקורות מידע והשיבו על השאלות הבאות:
א. כיצד גילה תומסון את האלקטרונים?
ב. תארו את הניסוי שערך ארנסט רתרפורד אשר הוביל לפיתוח מודל האטום הגרעיני.
*108*
טבלת היסודות
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
שורה 1: מימן-H-1 (טור 1), הליום-He-2 (טור 8)
שורה 2: ליתיום-Li-3 (טור 1), בריליום-Be-4 (טור 2), בור-B-5 (טור 3), פחמן-C-6 (טור 4), חנקן-N-7 (טור 5), חמצן-O-8 (טור 6), פלואור-F-9 (טור 7), נאון-Ne-10 (טור 8)
שורה 3: נתרן-Na-11 (טור 1), מגנזיום-Mg-12 (טור 2), אלומיניום-Al-13 (טור 3), צורן-Si-14 (טור 4), זרחן-P-15 (טור 5), גפרית-S-16 (טור 6), כלור-Cl-17 (טור 7), ארגון-Ar-18 (טור 8)
שורה 4: אשלגן-K-19 (טור 1), סידן-Ca-20 (טור 2), סקנדיום-Sc-21, טיטניום-Ti-22, ונדיום-V-23, כרום-Cr-24, מנגן-Mn-25, ברזל-Fe-26, קובלט-Co-27, ניקל-Ni-28, נחושת-Cu-29, אבץ-Zn-30, גליום-Ga-31 (טור 3), גרמניום-Ge-32 (טור 4), ארסן-As-33 (טור 5), סלניום-Se-34 (טור 6), ברום-Br-35 (טור 7), קריפטון-Kr-36 (טור 8)
שורה 5: רובידיום-Rb-37 (טור 1), סטרונציום-Sr-38 (טור 2), איטריום-Y-39, זרקוניום-Zr-40, ניאוביום-Nb-41, מולבידן-Mo-42, טכנציום-Tc-43, רותניום-Ru-44, רודיום-Rh-45, פלדיום-Pd-46, כסף-Ag-47, קדמיום-Cd-48, אינדיום-In-49 (טור 3), בדיל-Sn-50 (טור 4), אנטימון-Sb-51 (טור 5), טלור-Te-52 (טור 6), יוד-I-53 (טור 7), קסנון-Xe-54 (טור 8)
שורה 6: צזיום-Cs-55 (טור 1), בריום-Ba-56 (טור 2), (ריק)-(ריק)-57-71, הפניום-Hf-72, טנטלום-Ta-73, טונגסטן-W-74, רניום-Re-75, אוסמיום-Os-76, אירידיום-Ir-77, פלטינה-Pt-78, זהב-Au-79, כספית-Hg-80, תליום-Tl-81, (טור 3), עופרת-Pb-82 (טור 4), ביסמוט-Bi-83 (טור 5), פולניום-Po-84 (טור 6), אסטטין-At-85 (טור 7), רדון-Rn-86 (טור 8)
שורה 7: פרנציום-Fr-87 (טור 1), רדיום-Ra-88 (טור 2), (ריק)-(ריק)-89-103, רותפורדיום-Rf-104, דובניום-Db-105, סיבורגיום-Sg-106, בוהריום-Bh-107, הסיום-Hs-108, מייטנריום-Mt-109, דרמשטטיום-Ds-110, רנטגניום-Rg-111, Uub-112, Uut-113, (טור 3), Uuq-114 (טור 4), Uup-115, (טור 5), Uuh-116 (טור 6), (לא קיים עדיין)-Uus-117 (טור 7), (לא קיים עדיין)-Uuo-118 (טור 8)
- לנתן-La-57, צריום-Ce-58, פרסאודימיום-Pr-59, ניאודימיום-Nd-60, פרומתיום-Pm-61, סמריום-Sn-62, אירופיום-Eu-63, גדוליניום-Gd-64, טרביום-Tb-65, דיספרוסיום-Dy-66, הולמיום-Ho-67, ארביום-Er-68, תולום-Tm-69, איטרביום-Yb-70, לוטציום-Lu-71
- אקטיניום-Ac-89, תוריום-Th-90, פרוטאקטיניום-Pa-91, אורניום-U-92, נפטוניום-Np-93, פלוטוניום-Pu-94, אמריציום-Am-95, קיוריום-Cm-96, ברקליום-Bk-97, קליפורניום-Cf-98, אינשטיניום-Es-99, פרמיום-Fm-100, מנדלביום-Md-101, נובליום-No-102, לורנציום-Lr-103
*109*
שער 2: מסע אל התרכובות
מרסל פרייליך
זהבה שרץ
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
*110*
תוכן השער (לא הועתק)
*111*
פרק 4: תרכובות
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
*112*
*112*
עד כה ערכנו היכרות עם יסודות שונים. למדנו כי היסודות ממוינים למתכות ולאל-מתכות. עוד למדנו כי יסודות שונים בנויים מאטומים שונים הנבדלים זה מזה במספר הפרוטונים שבגרעיני האטומים שלהם. יסודות מתכתיים ערוכים במבנה ענק המכונה סריג מתכתי, ואילו יסודות אל-מתכתיים שונים יכולים להיות ערוכים במבנים שונים: במבנה של אטומים בודדים (כמו הגזים האצילים), במבנה של מולקולות (כמו חמצן, חנקן, כלור ועוד) או במבנה ענק של סריג אטומרי (כמו יהלום וגרפיט). העמקנו לתוככי האטום, ערכנו היכרות עם מבנה האטום ודנו בקשר שבין מבנה האטום לבין תכונות היסודות.
בפרק זה נכיר חומרים נוספים המכונים תרכובות. תרכובות הן חומרים המורכבים מאטומים של יסודות שונים. היות שכלל התרכובות מורכבות מצירופים שונים של למעלה ממאה יסודות, הרי שמספר התרכובות הקימות הוא רב. כיום ידועות כשבעים מיליון תרכובות. נהוג לחלק את החומרים לשתי קבוצות עיקריות: תרכובות יוניות ותרכובות מולקולריות. במה נבדלות התרכובות זו מזו? האם קיימות תרכובות בעלות מאפיינים דומים? מהו מבנה התרכובות השונות? מהו הקשר שבין מבנה התרכובת לבין תכונותיה?
מענה לחלק משאלות אלה ואחרות יינתן במהלך פרק זה.
בפרק זה נתמקד בנושאים הבאים:
- סוגי תרכובות
- תרכובות מולקולריות
- תרכובות יוניות
- חומצות ובסיסים וסולם pH
חומרים בחיי היומיום: 1. פחמן דו-חמצני 2. מפלי מים 3. חול 4. סוכר חום 5. מלח בישול
(בספר איור, היעזר במנחה)
*113*
*113*
בחיי היומיום אנו נתקלים בתרכוכות מסוגים שונים. התרכובות מים, סוכר, כוהל, פחמן דו-חמצני - הן תרכובות מולקולריות, ואילו תרכובות אחרות כמו מלח בישול, סודה לשתייה, סיד וגיר - הן תרכובות יוניות. כפי שנראה בהמשך, התרכובות המולקולריות בנויות ממולקולות. לעומת זאת, החלקיקים המרכיבים את התרכובות היוניות הם "יונים", שהם אטומים הטעונים במטען חשמלי, ועליהם נרחיב במהלך הפרק. חומרים שונים הם בעלי תכונות שונות אשר נובעות מסוג החלקיקים המרכיבים אותם, מאופן היערכותם בחומר ומהכוחות הפועלים ביניהם. בניסוי הבא נבחן מספר תכונות של תרכובות נפוצות ונגלה מספר מאפיינים של התרכובות היוניות והמולקולריות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 1: זיהוי תכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות
מטרת הניסוי: להשוות בין תרכובות יוניות לבין תרכובות מולקולריות.
ציוד וחומרים: כוסות וכלים לערבוב, מערכת לבדיקת מוליכות חשמלית של תמיסות מימיות.
תרכובות מולקולריות: כוהל (אתאנול), מים, סוכר, פחמן דו-חמצני. תרכובות יוניות: מלח בישול, סיד, אשלג, כסף יודי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מערכת לבדיקת מוליכות חשמלית של תמיסות מימיות
מהלך הניסוי
1. התבוננו בתרכובות השונות, העתיקו למחברת את הטבלה הבאה והשלימו אותה.
2. המיסו כל אחת מהתרכובות בנפרד במים מזוקקים ובדקו את המוליכות החשמלית של התמיסה הנוצרת בעזרת המערכת לבדיקת המוליכות החשמלית של תמיסות המתוארת באיור הבא:
ממצאים
שם התרכובת, סוג התרכובת מולקולרית/ יונית, צבע התרכובת, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, ריח יש/ אין, הולכה חשמלית של התמיסה כן/ לא
--, --, --, --, --, --
--, --, --, --, --, --
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מסקנות
נסחו מסקנות הקשורות להבדלים העקרוניים בין תרכובות יוניות לבין תרכובות מולקולריות.
*114*
לסיכום: מניסוי 1 אפשר להבחין בבירור במאפיינים מרכזיים בתכונות התרכובות המולקולריות והתרכובות היוניות שנבדקו בניסוי זה. התרכובות היוניות מוצקות בטמפרטורת החדר, ותמיסותיהן המימיות מוליכות זרם חשמלי, בעוד התרכובות המולקולריות מופיעות במצבי צבירה שונים בטמפרטורת החדר, ותמיסותיהן המימיות אינן מוליכות זרם חשמלי. מדענים ערכו ניסויים נוספים וחקרו תרכובות רבות משני הסוגים, ומסקנותיהם בעקבות הניסויים מרוכזות בטבלה הבאה:
טבלה 1: מאפיינים מרכזיים של תרכובות יוניות ותרכובות מולקולריות
מאפיינים, תרכובות יוניות, תרכובות מולקולריות
מצב צבירה בטמפרטורת החדר, מוצק, מוצק, נוזל או גז
מוליכות זרם חשמלי בתמיסה מימית, מוליכות, בדרך-כלל לא מוליכות (רוב התרכובות המולקולריות אינן מוליכות זרם חשמלי בתמיסה מימית, פרט לתרכובות מולקולריות אחדות (לדוגמה: HCI, NH3).)
מוליכות זרם חשמלי במצב צבירה נוזל, מוליכות, לא מוליכות
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
במהלך הסעיפים הבאים ננסה להבין מאין נובעים ההבדלים בין סוגי התרכובות הללו. לשים כך עלינו לערוך היכרות מעמיקה יותר עם המבנה ועם התכונות של התרכובות השונות.
*115*
*115*
תרכובות מולקולריות נפוצות הן: מים המהווים כשני שליש מכדור הארץ; פחמן דו-חמצני, הגז המשמש לכיבוי שרפות (מטף כיבוי אש); גלוקוז, המוכר לנו מחיי היומיום כסוכר ענבים ומצוי בפירות; סוכר (סוכרוז), המשמש להמתקת משקאות; כוהל אתאנול, המשמש לחיטוי וכן מצוי במשקאות חריפים; אצטון, המשמש לניקוי לכה לציפורניים. ראינו בניסוי 1, שיש תכונות משותפות לתרכובות מולקולריות שונות, מהו הגורם לכך? התשובה נעוצה במבנה החלקיקי של התרכובת. נדגיש כי חומר מולקולרי מורכב מיסודות אל-מתכתיים, הוא בעל מבנה מולקולרי, כלומר בנוי מצבר של מולקולות קטנות וזהות. על כך נרחיב במהלך פרק זה.
תרכובות מולקולריות מחיי היומיום: 1. מטף עם פחמן דו-חמצני 2. סוכר לבן 3.כוהל אתאנול 4. מים בטבע
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*115*
כאמור, לכימיה יש שפה בינלאומית, ולכל תרכובת יש נוסחה כימית מתאימה הכוללת את סמלי היסודות שמהם היא מורכבת. כדי לציין בשפת הכימיה מולקולה המורכבת מאטומים שונים, כותבים את הסמלים של האטומים השונים ברצף. כאשר המולקולה מורכבת ממספר אטומים מאותו סוג, נהוג לציין את מספר האטומים של סוג אטום מסוים במולקולה במספר קטן מצד ימין של סמל האטום. לצורת רישום זאת קוראים נוסחה מולקולרית.
לדוגמה, הנוסחה המולקולרית של מולקולת מים היא:
(בספר נוסחה, היעזר במנחה)
H: סוג האטום: מימן
2: מספר אטומי מימן
O: סוג האטום: חמצן
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מתחת לסמל אטום המימן רשום מספר 2 המציין את מספר אטומי המימן במולקולה, בעוד שמתחת לסמל אטום החמצן, אין מספר. בנוסחה מולקולרית, כאשר רשום סמל של אטום ללא מספר מתחתיו, המשמעות היא שיש רק אטום אחד מסוג זה במולקולה.
*116*
דוגמה נוספת - גפרית דו-חמצנית:
(בספר נוסחה, היעזר במנחה)
S: סוג האטום: גפרית
O: סוג האטום: חמצן
2: מספר אטומי החמצן
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שני הייצוגים לעיל מתייחסים לתיאור ההרכב של מולקולה בודדת. כאשר מעוניינים לייצג נוסחה כימית של חומר (צבר מולקולות (הרחבה לתכנית הלימודים)), יש לרשום את מצב הצבירה בתחתית הנוסחה בצד ימין כך:
מים (H2O(l, גפרית דו-חמצנית (So2(g.
כאשר האות (I) מייצגת מצב צבירה נוזל (l- liquid) והאות (g) מייצגת מצב צבירה גז (gas - g). בהתאם ייוצג מצב הצבירה המוצק באות (solid - s) (s).
בעולם החומר (השלם המאקרוסקופי) נהוג לדבר על צבר של חלקיקים שאנו מסוגלים לראות ולמדוד/ לבדוק את תכונותיהם - חומרים או תרכובות.
בעולם החלקיקים (בעולם המיקרוסקופי) נהוג לדבר על חלקיקים בודדים - אטומים או מולקולות, שאותם אי אפשר לראות.
דוגמאות נוספות לנוסחאות של תרכובות מולקולריות מחיי היומיום:
- מולקולה של פחמן דו-חמצני מורכבת מאטום פחמן C ומשני אטומים של חמצן O, הנוסחה שלה CO2. התרכובת (החומר) פחמן דו-חמצני היא גז המורכב מהרבה מולקולות של CO2, ולכן מסמנים אותה CO2(g).
- הכוהל, אתאנול (C2H6O(l, הוא חומר נוזלי שמורכב ממולקולות רבות (צבר), שבכל אחת מהן שני אטומים של פחמן C, שישה אטומים של מימן H ואטום אחד של חמצן O.
- הנוסחה המולקולרית של תרכובת הגלוקוז היא: (C6H12O6(s, משמעותה היא: תרכובת של גלוקוז הבנויה ממולקולות רבות (צבר), וכל מולקולה בנויה מ-6 אטומי פחמן, 12 אטומי מימן ו-6 אטומי חמצן.
- נוסחאות מולקולריות של תרכובות מולקולריות נוספות: סוכר (סוכרוז) (C12H22O11(s. אצטון (C3H6O(l, מימן כלורי HCl(g), אמוניה NH3(g), קרח יבש CO2(s).
אצטון, סוכרוז, אתאנול, קרח יבש
(בספר איור, היעזר במנחה)
*117*
*117*
(בספר איור, היעזר במנחה)
למדנו כי במדע נהוג להשתמש במודלים שונים. מודל החלקיקים של החומר הוא מודל תאורטי אשר מתאר את מבנה החומר כמקובל בעולם המדעי. אפשר ליצור על פיו מודל מוחשי שבו אטומים שונים מיוצגים על-ידי כדורים בגדלים ובצבעים שונים. לדוגמה, דגם של מולקולה הוא דגם מוחשי המייצג בקנה מידה גדול מאוד את מבנה המולקולה, סוגי האטומים ומספר האטומים המרכיבים אותה. ישנם מספר סוגים של מודלים מוחשיים המקובלים כיום. לדוגמה. מודל ממלא נפח (ראו איור) מייצג את האטומים ככדורים קשיחים המחוברים זה לזה בזוויות המתאימות. במודל שבאיור מתוארת מולקולת המים באמצעות שני סוגים של כדורים המייצגים שני סוגי אטומים שונים: מימן וחמצן. כדור לבן קטן המייצג אטום מימן, וכדור אדום גדול יותר המייצג אטום חמצן. אפשר לראות את המבנה המרחבי של המולקולה ואת הזווית שבין האטומים השונים במולקולה.
מודל ממלא נפח של מולקולת המים
(בספר איור, היעזר במנחה)
בל נשכח כי לכל מודל יש מגבלות. למודל המוחשי המתאר מולקולות ואטומים מספר מגבלות ברורות:
- המודל משתמש בכדורים קשיחים ובעלי נפח מוגדר המייצגים אטומים, ואינו מייצג את המבנה של החלקיקים התת-אטומים שמהם בנוי האטום.
- הכדורים במודל גדולים הרבה יותר מהאטומים שאותם הם מייצגים.
- צבע הכדורים אינו מייצג את צבע האטומים. לאטומים אין צבע, רק לצבר שלהם יכול להיות צבע.
- החומר שממנו עשויים הכדורים שונה מהחומר שאותו הם מייצגים.
עם זאת, לשימוש במודל המוחשי של הכדורים מספר יתרונות לא מבוטלים:
(בספר איור, היעזר במנחה)
- המודל מייצג את סוג האטומים ואת מספרם במולקולה.
- המודל מייצג את היערכות האטומים במולקולה.
- המודל ממחיש את הבלתי נראה.
המודל של התרכובת מים מייצג אוסף של מולקולות מים (צבר), כמתואר באיור הבא:
מודל של תרכובת מים (צבר של מולקולות)
*118*
האיור הבא מתאר מודל של מולקולת פחמן דו-חמצני ומודל התרכובת פחמן דו-חמצני, המייצג אוסף (צבר) של מולקולות פחמן דו-חמצני:
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
- מודל של מולקולת פחמן דו-חמצני
- מודל של תרכובת פחמן דו-חמצני (צבר של מולקולות)
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
פעילות
בניית מודלים של מולקולות שונות
בפעילות זו תתנסו בבניית מודלים של מולקולות שונות. קופסת המודלים שתקבלו מהמורה מכילה כדורים בצבעים ובגדלים שונים. כל כדור מייצג אטום מסוים. לדוגמה, כדור לבן קטן מייצג אטום מימן, כדור אדום גדול יותר מייצג אטום חמצן. בטבלה הבאה מוצגים הכדורים שבהם תשתמשו לבניית מולקולות.
טבלה 2: מודלים של אטומים
כדור, מייצג אטום
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
לבן, מימן, H
אדום, חמצן, O
שחור, פחמן, C
כחול, חנקן, N
צהוב, כלור, Cl
1. היעזרו בטבלה 2 ובנו את המודלים של המולקולות הבאות:
א. פחמן חד-חמצני, CO.
ב. מים, H2O (החמצן הוא האטום המרכזי).
ג. חנקן דו-חמצני, NO2 (החנקן הוא האטום המרכזי).
ד. אמוניה, NH3 (החנקן הוא האטום המרכזי).
ה. מימן כלורי, HCl.
*119*
2. ציירו במחברתכם את המודלים שבניתם בסעיף 1.
3. ציירו במחברתכם את המודלים של התרכובות המולקולריות הבאות (צבר מולקולות): (CO(g) ,H2O(l.
4. בנו מודלים של המולקולות הבאות: O2, H2.
5. במה שונים המודלים שבניתם בסעיף 4 מהמודלים שבניתם בסעיף 1? ציינו לפחות 3 הבדלים.
6. ציירו במחברתכם את המודלים של היסודות הבאים: O2(g), H2(g).
7. בנו מודלים של מולקולות נוספות לפי בחירתכם וציירו במחברתכם את המודלים שבניתם.
זכרו כי המודלים שבניתם בפעילות הם לצורך המחשת הרכב המולקולות והמבנה שלהן בלבד!
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
בפעילות זאת תבנו מודלים ממוחשבים של מולקולות שונות. להלן הוראות לפעילות:
1. לחצו על הקישור "בנה מולקולה".
2. בצד ימין מופיעות "מולקולות" שאותן יש לבנות, ובתחתית המסך יש"אטומים" שבהם אפשר להשתמש ("ערכה"). יש לגרור באמצעות העכבר את האטומים הרלוונטיים לבניית המולקולה הרצויה ולעקוב אחר ההוראות.
3. אפשר ללחוץ על הסימן 3D שמופיע ליד המודל הווירטואלי שבניתם ולקבל את המודל הדינמי של המולקולה בתלת-ממד.
4. אפשר לבחור בסרגל למעלה ב"אסוף רבים" ולבנות מספר מולקולות מאותו סוג - צבר מולקולות.
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
דיון
דונו עם המורה ביתרונות ובמגבלות של המודלים המוחשיים ושל המודלים הממוחשבים שבניתם.
*120*
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
כיצד מפיקים סוכר?
אפשר להפיק סוכר משני צמחים שונים, האחד הוא קנה-סוכר והאחר הוא סלק-סוכר.
קנה-סוכר הוא צמח המגיע לגובה שישה מטרים, וגבעוליו עשירים בעסיס סוכרי. יש לקצור את קני-הסוכר לפני שנוצר הפרי, כדי שהסוכר לא יעבור מהגבעולים לפרי.
בשלב הראשון קוצצים את הקנים לפיסות קצרות, מנקים ומעבירים בין גלילים של מכונת ערגול, הסוחטת את המיץ. ממיסים את שאריות הסוכר שנותרו בקנים באמצעות מים חמים. כמו כן מוסיפים חומרים שונים שתפקידם לנטרל טעמי לוואי.
התערובת שמתקבלת מהשלב הראשון, מוזרמת לתוך מכלים גדולים שמסתובבים במהירות, בפעולה זו מופרדים גבישי הסוכר משאר החומרים. המוצר המתקבל בדרך זו הוא סוכר חום, שבחלקו ישווק בצורה זאת (לאחר ייבוש חלקי), ובחלקו יעבור תהליכים נוספים.
לקבלת סוכר לבן ממיסים שנית את התערובת ומבצעים תהליכי סינון נוספים לשם סילוק חומרים לא רצויים. הוספת חומרי הלבנה מעניקה לסוכר את צבעו הלבן.
סלק-סוכר הוא צמח הדומה מאוד לסלק האדום המצוי, אך צבעו לבן, והוא מכיל אחוז גבוה יותר של סוכר. לאחר הקציר. מנקים את סלק-הסוכר ופורסים אותו לפרוסות דקות. הוצאת הסוכר מרקמת הצמח מתבצעת על-ידי זרמים של מים חמים. גם בתהליך זה מוסיפים חומרים שונים המסלקים את טעמי הלוואי. לאחר שלב הסינון, המשך התהליך דומה מאוד לתהליך של הפקת הסוכר מקנה-סוכר שתואר לעיל. נציין כי הסוכר המופק מסלק-סוכר זהה לסוכר המופק מקנה-סוכר. שמו הכימי של הסוכר הוא סוכרוז (או סוכרוזה). ונוסחתו C12H22O11(s).
סלק-סוכר
שדה של קנה-סוכר
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
למידע נוסף צפו בסרטון תהליך הפקת הסוכר מקנה-סוכר
*121*
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. מהו שמו הכימי של הסוכר, ומהי נוסחתו הכימית?
2. כיצד מופרדים גבישי הסוכר משאר החומרים?
3. רשמו באמצעות תרשים זרימה את שלבי הפקה של הסוכר מקנה-סוכר ומסלק-סוכר.
4. היעזרו במקורות מידע נוספים וענו על השאלות הבאות:
א. מהו ההבדל בין סוכר חום לבין סוכר לבן?
ב. באיזה מהם עדיף להשתמש ומדוע?
5. רשמו באילו מקורות מידע מצאתם את התשובות לשאלה 4.
*121*
החומרים המולקולריים השונים יכולים להיות במצבי צבירה שונים בטמפרטורת החדר, בהתאם לסוג החומר. חלק מהחומרים המולקולריים בטמפרטורת החדר הם גזים (פחמן דו-חמצני, גפרית דו-חמצנית), חלקם נוזלים (מים, אצטון. כוהל), ואחרים הם מוצקים (גלוקוז, שעוות נר). תכונות התרכובת המולקולרית שונות מתכונות היסודות המרכיבים אותה כמתואר בטבלה 3.
טבלה 3: השוואה בין תכונות התרכובת לבין תכונות היסודות המרכיבים אותה
חומרים, יסוד/ תרכובת, סמל כימי, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, צורה, מוליכות חשמלית
פחמן, יסוד, C(s), מוצק, שחור, אבקה/ גוש, לא מוליך
מימן, יסוד, H2(g), גז, חסר צבע, חסר צורה, לא מוליך
חמצן, יסוד, O2(g), גז, חסר צבע, חסר צורה, לא מוליך
סוכר, תרכובת מולקולרית, C12H22O11(s), מוצק, לבן, גרגירים, לא מוליך
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
מעיון בנתונים המובאים בטבלה 3, אפשר להבחין כי תכונות התרכובת המולקולרית סוכר שונות מהתכונות של כל אחד מהיסודות המרכיבים אותה, פחמן, מימן וחמצן.
המבנה של החומר הוא שקובע את תכונותיו. בהתאם, לחומרים המולקולריים השונים יש מבנה שונה המתבטא בסוג האטומים, במספרם ובאופן היערכותם במולקולה. התכונות השונות של החומרים מכתיבות את השימושים השונים לחומרים שונים. ניקח, לדוגמה, סוכר C12H22O11(s) ואצטון C3H6O(l) - שתי תרכובות מולקולריות בעלות מולקולות הבנויות מאטומים של אותם היסודות - מימן, חמצן ופחמן. הסוכר הוא חומר מוצק (בטמפרטורת החדר) מתוק, משמש למאכל ומתמוסס היטב במים, בעוד האצטון הוא נוזל נדיף ודליק ואסור למאכל. התכונות השונות של הסוכר והאצטון נובעות מכך שהמבנה של מולקולת הסוכר שונה מזה של מולקולת האצטון. במילים אחרות, מספר האטומים מכל סוג בכל אחת מהמולקולות הוא שונה, וכן האופן שבו קשורים האטומים זה לזה.
*122*
לסיכום
- תרכובות מולקולריות שונות עשויות להיות במצב צבירה מוצק, נוזל או גז בטמפרטורת החדר.
- רוב התרכובות המולקולריות אינן מוליכות זרם חשמלי בתמימה מימית ובמצב צבירה נוזל.
- חומרים מולקולריים מורכבים מצבר של מולקולות, והם בעלי מבנה מולקולרי.
- לחומרים מולקולריים נוסחה כימית המייצגת את סוג האטומים ואת מספרם במולקולה.
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. הסבירו במילים את המשמעות של הנוסחאות הכימיות הבאות, על פי הדוגמה הנתונה:
(CO2(g - פחמן דו-חמצני - תרכובת פחמן דו-חמצני הבנויה מצבר של מולקולות CO2 וכל מולקולה בנויה מאטום פחמן ושני אטומי חמצן הקשורים ביניהם.
א. (C12H22O11(S - סוכר (סוכרוז)
ב. (C3H6O(l - אצטון
ג. (NH3(g – אמוניה
2. השלימו את הטבלה הבאה:
שם התרכובת, נוסחת התרכובת, נוסחת המולקולה, סוג האטומים במולקולה, סך כל האטומים במולקולה
פחמן דו-חמצני, CO2(g), CO2, C, O, 3
סוכרוז, C12H22O11(S), C12H22O11, --, --
כוהל, C2H6O(l), --, --, --
אצטון, C3H6O(l), --, --, --
גפרית דו-חמצנית, SO2(g), --, --, --
מימן כלורי, HCl(g), --, --, --
אמוניה, NH3(g), NH3, --, --
מימן גפרי, H2S(g), --, --, --
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
3. אילו מבין התרכובות הנתונות בשאלה 2 מורכבות משני סוגי יסודות?
4. אילו מבין התרכובות הנתונות בשאלה 2 מורכבות משלושה סוגי יסודות?
5. ציירו מודל של מולקולת מימן כלורי HCl.
6. ציירו מודל של התרכובת (צבר מולקולות) (HCI(g.
*123*
*123*
בסעיף הקודם הכרנו את התרכובות המולקולריות. סוג נוסף של חומרים הוא תרכובות יוניות שאינן בנויות ממולקולות אלא מיונים. כדי לעמוד על טיבן, עלינו לערוך תחילה היכרות עם חלקיקים המכונים יונים.
*123*
היסודות הם ניטרליים מבחינה חשמלית, מכיוון שהם בנויים מאטומים שבהם מספר שווה של פרוטונים (בעלי מטען חיובי) ואלקטרונים (בעלי מטען שלילי). כמו כן הם מכילים גם ניטרונים, שהם ממילא בעלי מטען אפס (חסרי מטען חשמלי). השוויון בין מספר האלקטרונים לבין מספר הפרוטונים באטום עשוי להיות מופר בתהליכים כימיים מסוימים. במהלך תהליכים אלה אלקטרונים מתנתקים מאטומים או נוספים אליהם, כך שנוצרים אטומים טעונים במטען חשמלי המכונים יונים. יש לציין כי בתהליכים כימיים אלה רק מספר האלקטרונים באטום משתנה. לא חל שינוי במספר הפרוטונים והניטרונים שבגרעין האטום. האטומים שאליהם התווספו אלקטרונים, מכונים יונים שליליים, כי מספר האלקטרונים שבהם גדול ממספר הפרוטונים; בעוד האטומים שמהם התנתקו אלקטרונים, מכונים יונים חיוביים מפני שמספר האלקטרונים שבהם קטן ממספר הפרוטונים. חומר המורכב מיונים חיוביים ושליליים מכונה בשם חומר יוני או תרכובת יונית. המטען הכולל של היונים החיוביים שווה בגודלו למטען הכולל של היונים השליליים בתרכובת היונית, מכאן שהמטען החשמלי שלה הוא אפס, ועל כן החומרים היוניים הם ניטרליים.
חומרים יוניים בחיי היומיום הם מלח בישול, גבס, גיר, כמו כן יונים שונים (חיוביים ושליליים) מצויים בגוף האדם, במים מינרלים, מי ברז, מי ים ובסלעים שונים.
יונים הם חלקיקים טעונים במטען חשמלי חיובי או שלילי.
יון שלילי הוא אטום שבו מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים, ולכן הוא בעל מטען חשמלי שלילי.
יון חיובי הוא אטום שבו מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים, ולכן הוא בעל מטען חשמלי חיובי.
חומרים יוניים בטבע: 1. סלעים שונים 2. סלע גיר 3. סלע המכיל פלואוריט 4. מלחים בים המלח 5. מי ים
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*124*
יונים חיוביים
נזכור כי חומר יוני מורכב מיונים חיוביים ושליליים, והמטען החשמלי הכולל בחומר הוא אפס. בסעיפים הבאים נפרט על היונים החיוביים והשליליים. נתחיל ביונים החיוביים, שכמובן, מהווים מרכיב בתרכובת היונית.
אחת הדרכים שבמהלכן נוצר יון חיובי היא הינתקות אלקטרון אחד או יותר מאטום ניטרלי (בדרך כלל - עד שלושה אלקטרונים).
מהו ההבדל בין אטום סידן ליון סידן ברמה האטומית? עיינו בטבלה הבאה לקבלת התשובה.
טבלה 4: אטום סידן ויון סידן ברמה האטומית
סוג החלקיק, מספר אטומי, מספר פרוטונים (p בחזקת פלוס), מספר אלקטרונים (e בחזקת מינוס)
אטום סידן, 20, 20, 20
יון סידן, 20, 20, 18
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מעיון בטבלה אפשר לראות כי ביון סידן מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים ב - 2, לכן יון הסידן הוא בעל מטען חיובי (+2). חישוב מטען היון נעשה באופן הבא:
(-18)+(+20)=(+2)
אטום הסידן שונה בתכונותיו מיון הסידן. ההבדלים בין אטום הסידן לבין יון הסידן ברמה האטומית, וכן מטען יון הסידן, הם האחראים להבדלים בתכונותיהם, כפי שניווכח בהמשך לימודנו.
יונים בשפת הכימיה
התרכובת היונית נתרן כלורי המוכרת לנו מחיי היומיום בשם מלח הבישול, מורכבת מיונים חיוביים של נתרן ומיונים שליליים של כלור. נתמקד בסימול יוני הנתרן החיוביים שנוצרו בתהליך כימי שבו ניתק אלקטרון אחד מאטום הנתרן, כך שמספר האלקטרונים ביון הנתרן קטן באחד ממספר הפרוטונים בו. מכאן שמטען היון הוא +1, על כן סימול יון הנתרן בשפת הכימיה יהיה:
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
Na^+
מטען היון: פלוס
סמל הנתרן: Na
הסבר: רושמים את סמל האטום שממנו יצאו האלקטרונים. כאשר המטען הוא פלוס 1 כותבים את סוג המטען בלבד (פלוס) ללא ספרות. כאשר המטען גדול מאחד, כותבים את גודל המטען (בספרות 2, 3) ואחר כך את סימנו. לדוגמה, יון סידן:
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מטען היון: 2 פלוס
סמל הסידן: Ca
*125*
יונים שליליים
יונים שליליים נוצרים כאשר מתווספים אלקטרונים לאטומים. אטום שמספר האלקטרונים שבו גדול ממספר הפרוטונים, מכונה יון שלילי.
מלח הבישול המשמש לתיבול מזון, מורכב מיונים שליליים של כלור (בנוסף ליוני נתרן חיוביים). מה מטענו של יון כלור? ניעזר בטבלה הבאה כדי לתת מענה על השאלה:
טבלה 5: אטום כלור ויון כלור ברמה האטומית
סוג החלקיק, מספר אטומי, מספר פרוטונים (p^+), מספר אלקטרונים (e^-)
אטום כלור, 17, 17, 17
יון כלור, 17, 17, 18
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
יון הכלור נוצר כשמתווסף אלקטרון אחד לאטום אחד של כלור, כלומר מספר האלקטרונים שבו גדול באחד ממספר הפרוטונים. מכאן שהוא טעון במטען שלילי אחד, כלומר מינוס 1.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
Cl^-
יונים שליליים נוספים המוכרים מחיי היומיום הם יוני הפלואור, שהם מרכיב בתרכובת יונית הנמצאת במשחת שיניים. יוני הפלואור פועלים למניעת עששת בשיניים.
מהו מטענו החשמלי של יון הפלואור? מספרו האטומי של היסוד פלואור (F) הוא 9. יון פלואור בנוי מ-9 פרוטונים שמטענם הכולל הוא +9 ומ-10 אלקטרונים שמטענם הכולל הוא -10.
לכן, מטענו החשמלי של יון הפלואור הוא: (+9)+(-10)=(-1)
ליון הפלואור יש אלקטרון אחד יותר מאשר לאטום הניטרלי של פלואור, לכן יון הפלואור הוא חלקיק בעל מטען חשמלי שלילי. סימנו של יון הפלואור בשפת הכימאים הוא:
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*126*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
פלואוריד ועששת
השיניים שלנו מורכבות מדנטין המכוסה בזגוגית השן (אמייל), שהיא הרקמה הקשיחה ביותר בגוף. פעמים רבות יש על השיניים רובד של חומר לבן עשיר בחיידקים (פלאק, plaque), היוצר חומצות כתוצר לוואי של פירוק הסוכרים בחלל הפה. חומצות אלו גורמות לפגיעה באמייל ולחורים בשיניים - זוהי העששת.
יון הפלואוריד (יון פלואור) משפר את עמידות אמייל השן מפני העששת, כי הוא יוצר תרכובת המגנה על השיניים מהשפעתן המזיקה של החומצות. על כן אפשר למנוע עששת בקלות רבה באמצעות צחצוח השיניים באופן קבוע ושימוש במשחת שיניים ובמי-פה המכילים פלואוריד.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. ממה נגרמת עששת וכיצד?
2. רשמו את הסמלים הכימיים של היסוד פלואור ושל היון פלואור.
3. אילו אמצעים מסייעים להגנה על השיניים? פרטו והסבירו.
4. היעזרו במקורות מידע וענו על השאלות הבאות:
א. תארו את מבנה השן והוסיפו תרשים.
ב. מהם המרכיבים של משחת השיניים? אילו מהם מסייעים לבריאות השן?
ג. רשמו מספר דרכים לשמירה על בריאות השיניים.
5. רשמו באילו מקורות מידע מצאתם את התשובות לשאלה 4.
*126*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
בטבלה הבאה מוצגים היונים הנפוצים של חלק מהיסודות.
*127*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
היעזרו בטבלת היונים ודונו בשאלות הבאות:
1. האם היונים החיוביים הם יונים של יסודות מתכתיים או של יסודות אל-מתכתיים?
2. האם היונים השליליים הם יונים של יסודות מתכתיים או של יסודות אל-מתכתיים?
3. מהו הקשר בין מטען היון החיובי לבין מספר הטור במערכה המחזורית שבו נמצא היון?
4. מהו הקשר בין מטען היון השלילי לבין מספר הטור במערכה המחזורית שבו נמצא היון?
לסיכום: אנו רואים שיוני היסודות המתכתיים הם יונים חיוביים, בעלי מטען חיובי: +1, +2 או +3, כאשר גודל המטען זהה למספר הטור שבו הם ממוקמים בטבלה המחזורית: ואילו יוני היסודות האל-מתכתיים הם יונים שליליים בעלי מטען שלילי: -1, -2 או -3 וגוודל מטענם מחושב כך: מספר הטור שבו הם ממוקמים בטבלת היסודות מינוס 8. לדוגמה, המטען של יון חמצן (המופיע בטור 6) יחושב כך: 6-8=-2
*128*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. המשפטים הבאים מתארים תהליכים שבהם משתנה המטען החשמלי של חלקיק. ציינו את המשפטים הנכונים, תקנו את המשפטים השגויים.
א. כשמוסיפים אלקטרונים לאטום ניטרלי, הוא נטען במטען חשמלי חיובי.
ב. כשיון חיובי הופך לאטום ניטרלי, ניתקים ממנו אלקטרונים.
ג. כדי להפוך יון שלילי לחלקיק ניטרלי, יש לגרוע ממנו אלקטרונים.
ד. כתוצאה מניתוק שני אלקטרונים מאטום ניטרלי נוצר יון חיובי בעל מטען +2.
2. היעזרו בטבלה המחזורית של היסודות וכתבו את הסמל הכימי עבור כל אחד משלושת היונים הבאים:
א. 7 פרוטונים, 10 אלקטרונים ו-7 ניטרונים.
ב. 15 פרוטונים, 18 אלקטרונים ו-16 ניטרונים.
ג. 12 פרוטונים, 10 אלקטרונים ו-12 ניטרונים.
3. ענו על השאלות הבאות בהתייחס לשלושת היונים הנתונים בשאלה 2:
א. אילו יונים ממוקמים באותו טור בטבלת היסודות?
ב. אילו יונים ממוקמים באותה שורה בטבלה היסודות?
4. מהו מטענו של יון המגנזיום המורכב מ-12 פרוטונים ו-10 אלקטרונים?
5. מדוע, לדעתכם, קל יותר להוסיף אלקטרונים לאטום מאשר לנתק פרוטונים מגרעין האטום כדי ליצור יון שלילי?
6. מה משותף לחלקיקים: s^2-, Cl^-, K^+?
7. במה נבדלים היונים הנתונים בשאלה 6?
8. העתיקו את הטבלה הבאה למחברתכם והשלימו את המידע החסר בה. היעזרו בטבלת היסודות:
שם החלקיק, סמל החלקיק, מספר אטומי, מספר פרוטונים, מספר אלקטרונים, מטען החלקיק
אטום ליתיום, --, 3, --, --, --
יון ליתיום, Li^+, --, --, --, --
אטום אלומיניום, --, --, --, 13, --
--, --, --, 13, 10, --
אטום ברום, Br, 35, --, --, --
יון ברום, --, --, --, --, -1
-- זרחן, --, 15, --, 18, --
-- זרחן, P, --, 15, --, --
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*129*
*129*
תרכובת יונית מורכבת מיונים חיוביים ומיונים שליליים, כך שסך המטענים החשמליים של היונים הוא אפס, על כן התרכובת היונית היא ניטרלית מבחינה חשמלית. בחיי היומיום אנו נתקלים בחומרים יוניים שונים, לדוגמה, תרכובות יוניות אשר גופנו זקוק להן, נמצאות במזון שאנחנו אוכלים, כמו מלח בישול. אנו מתגוררים בבתים העשויים מתרכובות יוניות כמו סיד. תרכובות יוניות רבות נמצאות בטבע; מי הימים והאוקיינוסים עשירים בתרכובות יוניות מגוונות. הבולט ביניהם הוא ים המלח, שבו יש מגוון של תרכובות יוניות המורכבות מיוני נתרן, כלור, ברום, מגנזיום ועוד. מערות נטיפים עשויות מחומרים יוניים כמו אבן גיר. הסלעים השונים בנויים מחומרים יוניים המקנים להם צבע אופייני. כך, למשל, סלעים המכילים יוני נחושת הם בעלי צבע כחול, ואילו צבעם של סלעים המכילים יוני ברזל הוא חום-אדמדם.
תרכובות יוניות בטבע: 1. גוש, מלחים בים המלח 2. סלע המכיל תרכובות נחושת 3. מערת נטיפים 4. סלע המכיל ברזל חמצני
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
תרכובות יוניות חיוניות לתפקודם התקין של מערכות ושל תהליכים בגוף האדם. כדי לשפר את איכות חיינו ובריאותנו, אנו נוהגים להיעזר בתרכובות יוניות רבות. נציין מספר דוגמאות:
- למלח בישול (המורכב מיוני כלור ויוני נתרן) הנמכר בחנויות נהוג להוסיף גם תרכובות המכילות יוני יוד (מינוס I) המסייעים במניעת פיגור שכלי הנגרם עקב מחסור ביון זה.
- אנשים הסובלים מאנמיה צריכים להרבות באכילה של מזונות המכילים יוני ברזל Fe^2+ הנחוצים לתפקוד תאי הדם האדומים ונמצאים במאכלים כמו כבד, דגים, שוקולד וצימוקים.
- יוני הסידן Ca^2+ דרושים לבניית העצמות, ועל כן חשוב לאכול מזונות העשירים ביוני סידן, כגון מוצרי חלב, טחינה ודגים.
- אנשים הסובלים מבעיות עור טובלים במי מרפא או בים המלח, שבהם יש תמיסות המכילות יונים שונים.
- מקורם של המים המינרלים הוא במי מעיינות שבהם מומסות תרכובות יוניות החשובות לבריאותנו. גם מי ברז, הראויים לשתייה, מכילים את רוב התרכובות היוניות הנמצאות במים המינרליים.
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
התרכובות היוניות מורכבות מצבר ענק של יונים חיוביים ושל יונים שליליים. כיצד ערוכים היונים בתרכובת היונית?
היערכות היונים בתרכובת יוצרת סריג יוני בעל מבנה תלת-ממדי ענק. סריג יוני הוא מבנה מסודר של יונים מסוגים שונים היוצרים גוף בעל צורה גאומטרית מסוימת. בסריג היוני כל יון חיובי מוקף ביונים שליליים, וכל יון שלילי מוקף ביונים חיוביים. למדנו בפרק הקודם כי חלקיקים בעלי מטען מנוגד מושכים זה את זה, ואכן קיימת משיכה חשמלית בין היונים החיוביים לבין יונים השליליים של החומר. בעקבות משיכה חשמלית זאת נוצרים קשרים חזקים בין היונים החיוביים לבין היונים השליליים בתרכובת היונית.
*130*
מלח בישול, או בשמו הכימי נתרן כלורי, הוא דוגמה לחומר יוני, בעל סריג יוני (הרחבה לתכנית הלימודים) במבנה ענק המכיל אוסף עצום של יונים חיוביים של נתרן פלוס Na ויונים שליליים של כלור מינוס Cl המאורגנים בסריג באופן מסודר, כמתואר באיור הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
מודל סריג יוני של מלח בישול
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
תרכובות יוניות בשפת הכימיה
כאמור, לכל תרכובת יש נוסחה כימית מתאימה המורכבת מסמלי היסודות. שמו הכימי של מלח הבישול הוא נתרן כלורי, מפני שהוא מורכב מיונים חיוביים של נתרן ומיונים שליליים של כלור. בסעיף הקודם למדנו לסמל יונים חיוביים ויונים שליליים בשפת הכימיה, לדוגמה יון הנתרן: Na^+ ויון הכלור: Cl^-. כאשר מציינים כל יון בנפרד, יש לרשום את מטען היון וגודלו, אך כאשר רושמים את הנוסחה של תרכובת יונית, יש לרשום ברצף את סמלי היסודות המרכיבים אותה ואין לציין את מטעני היונים, לדוגמה הנוסחה הכימית של נתרן כלורי היא:
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
Na: יון נתרן
Cl(s): יון כלור
הסבר הנוסחה: בשל המבנה הענק של החומר היוני, הנוסחה הכימית שלו מייצגת רק את היחס המספרי הפשוט ביותר בין היונים החיוביים לבין היונים השליליים. במקרה של נתרן כלורי יחס מספרי זה הוא 1ל-1, כלומר על כל יון חיובי של נתרן - יש יון שלילי של כלור בסריג היוני. מכאן שהנוסחה הכימית של תרכובת יונית מייצגת את סוג היונים ואת היחס ביניהם. שימו לב: היון החיובי נרשם תמיד ראשון משמאל, ואחריו נרשם היון השלילי.
דוגמה נוספת לתרכובת יונית היא סידן כלורי:
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
Ca: יון סידן
Cl2(s): יון כלור
*131*
נדגיש כי התרכובת היונית אינה בנויה ממולקולות אלא מסריג יוני במבנה ענק.
מה אנו מבינים מהנוסחה הכימית של סידן כלורי?
בתרכובת היונית של סידן כלורי על כל יון סידן (Ca^2+), יש שני יוני כלור (Cl^-), כלומר היחס בין יוני הסידן לבין יוני הכלור הוא 1:2.
נציין כי חלק ניכר מהתרכובות היוניות מורכבות מיונים חד-אטומיים חיוביים שמקורם ביסודות מתכתיים, ומיונים חד- אטומיים שליליים שמקורם ביסודות האל-מתכתיים, אך קיימות תרכובות יוניות רבות שבהן היונים מורכבים יותר (רב- אטומיים), ולא נעסוק בהן בשלב זה של לימודנו.
ומה באשר לתכונות החומר היוני?
תכונות החומרים היוניים נגזרות מהמבנה החלקיקי שלהם. כך, למשל, כל החומרים היוניים מוצקים בטמפרטורת החדר. תכונה זו נובעת מכך, שקיימים כוחות משיכה חזקים מאוד בין היונים החיוביים לבין היונים השליליים בסריג היוני. יש להדגיש כי תכונות התרכובת היונית אינן דומות כלל לתכונות היסודות שמהם היא נוצרה, שכן חל שינוי במבנה החלקיקי של מרכיבי התרכובת ובכוחות המשיכה בין החלקיקים. בטבלה 6 מוצגות חלק מתכונות היסודות נתרן וכלור והתרכובת נתרן כלורי. עיינו בטבלה הבאה ומצאו את ההבדלים בין תכונות היסודות נתרן וכלור לבין התרכובת היונית נתרן כלורי.
טבלה 6: השוואה בין תכונות התרכובת לבין תכונות היסודות המרכיבים אותה
חומרים, יסוד/ תרכובת, סמל כימי, מצב צבירה בטמפרטורת החדר, צבע, צורה, ריח, רעילות, מוליכות חשמלית
נתרן, יסוד, Na(s), מוצק, אפור, גוש, חסר ריח, רעיל, מוליך
כלור, יסוד, Cl2(g), גז, צהבהב, חסר צורה, ריח חריף, רעיל, לא מוליך
נתרן כלורי, תרכובת יונית, NaCl(s), מוצק, לבן, גרגירים, חסרת ריח, אינו רעיל, מוליך במצב צבירה נוזל ובתמיסה מימית
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
מעיון בנתונים המובאים בטבלה 6, אפשר להבחין כי תכונות התרכובת היונית נתרן כלורי שונות מהתכונות של כל אחד מהיסודות המרכיבים אותה, נתרן וכלור. ההבדל בתכונות נובע מההבדל במבנה החלקיקי שלהם; הנתרן (Na(s הוא יסוד בעל מבנה ענק של סריג מתכתי המכיל ים של אלקטרונים, לכן הוא מוצק בטמפרטורת החדר ומוליך זרם חשמלי, כמו רוב המתכות. הכלור Cl2(g) הוא יסוד אל-מתכתי בעל מבנה של מולקולות דו-אטומיות, ובהתאם בעל מצב צבירה גזי ואינו מוליך זרם חשמלי; ואילו התרכובת היונית נתרן כלורי (NaCl(s מורכבת מצבר של יונים חיוביים ושליליים הערוכים בסריג היוני במבנה ענק; היא מוצקה בטמפרטורת החדר ואינה מוליכה זרם חשמלי במצב המוצק, אך היא מוליכה במצב הנוזל ובתמיסה מימית.
*132*
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
מינרל הליט ומודל הסריג היוני של נתרן כלורי
(בספר מודל, היעזר במנחה)
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. רשמו את שמו הכימי של מלח בישול ואת נוסחתו הכימית.
2. האם מלח הבישול הוא תרכובת יונית או מולקולרית? הסבירו.
3. היעזרו במודל שמופיע בקטע והסבירו במילים את המבנה החלקיקי של מלח הבישול.
4. האם כל מלח הוא מלח בישול?
5. מהי ההגדרה המדעית למושג "מלח"?
6. מהם השימושים של מלח הבישול?
7. היכן בעולם מפיקים מלח בישול וכיצד? אפשר להיעזר במקורות מידע נוספים.
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
מבנה יוני של מלח בישול, נתרן כלורי (NaCI(s.
בפעילות זו תבנו מודל ממוחשב של הסריג היוני של מלח בישול.
1. לחצו על הקישור מבנה יוני של מלח בישול.
2. גללו את העמוד עד לתחתית, לחצו על המילים החמות וצרו מבנה "ענק" של סריג יוני של מלח בישול.
*133*
על שפת הכימאים ושפת היומיום
לעתים בשפת היומיום מכנים בטעות חומר יוני בשם של היסוד ולא בשם של יוני היסוד המצויים כחומר היוני. כך, לדוגמה, נוהגים לומר כי "פלואור טוב לשיניים". זהירות, היסוד פלואור (F2(g הוא רעל מסוכן! אך תרכובות המכילות יוני פלואור אכן מגינות על השיניים. בעצם, החלקיקים הפעילים נגד עששת הם יוני פלואור (F^-) שמצויים בתרכובת יונית (המכונים פלואורידים) ולא הפלואור כיסוד.
דוגמאות נוספות מחיי היומיום:
בחיי יומיום נהוג לדבר על מזונות העשירים ב"ברזל" אולם האמת המדעית היא שמזונות אלה מכילים יוני ברזל Fe^2+ ולא את היסוד ברזל.
באופן דומה, מזונות העשירים ב"סידן" מכילים יוני סידן Ca^2+ ולא את היסוד סידן.
לסיכום
- יונים הם חלקיקים טעונים במטען חיובי או שלילי.
- סימול של יון חיובי כולל את סמל האטום (שממנו נוצר) ומטען היון.
- סימול של יון שלילי כולל את סמל האטום (שממנו נוצר) ומטען היון.
- תרכובת יונית מורכבת מיונים חיוביים ויונים שליליים.
- סכום המטענים החשמליים בתרכובת היונית שווה לאפס, לכן היא ניטרלית מבחינה חשמלית.
- התרכובת היונית בעלת מבנה תלת-ממדי ענק - סריג יוני.
- הנוסחה הכימית של התרכובת היונית מייצגת את סמלי היונים שמהם היא מורכבת ואת היחס בין היונים בסריג היוני.
- חלק מהתרכובות היוניות מורכבות מיונים חיוביים שמקורם ביסודות מתכתיים ומיונים שליליים שמקורם ביסודות אל-מתכתיים.
- החומרים היוניים הם מוצקים בטמפרטורת החדר ומוליכים זרם חשמלי במצב צבירה נוזל ובתמיסותיהם המימיות.
*134*
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
משימה
1. יש האומרים כהיסח דעת כי מלח הבישול NaCl(s) מכיל נתרן. האם אמירה זאת נכונה? כדי להשיב על שאלה זאת יש להשיב על השאלות הבאות:
א. כתבו שלוש תכונות של היסוד נתרן.
ב. מה, לדעתכם, היו התוצאות, אילו היינו מתבלים תבשילים בנתרן?
ג. כתבו שלוש תכונות של התרכובת נתרן כלורי NaCl.
ד. האם האמירה "מלח הבישול מכיל נתרן" נכונה? נמקו.
2. כתבו דוגמאות לאי-דיוקים המופיעים בפרסומים בטלוויזיה, בתוויות שבהן מפורט הרכב המזון או בשיחות בחיי היומיום. הסבירו מדוע ברור כי הכוונה בפרסום היא ליונים ולא ליסודות עצמם.
3. הסתכלו בתוויות של דגני-בוקר, מוצרי חלב, מים מינרליים, קרקרים ומאכלים אחרים, וכתבו בטבלה את שמות החומרים שהם מכילים ואת היונים המרכיבים חומרים אלו.
סיכום התרשים המלווה את לימודנו על מיון חומרים בתרשים 1.
תרשים 1: מיון חומרים 5
חומרים - יכולים להיות... - תערובות
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - מתכות - בנויות מ... סריג מתכתי (מבנה ענק) - כמו... - מגנזיום, נתרן
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - אטומים בודדים - כמו... - הליום, נאון, ארגון
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - מולקולות - כמו... - חמצן, ברום, יוד
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - סריג אוטומרי (מבנה ענק) כמו... - פחמן (יהלום, גרפיט)
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - תרכובות - יכולות להיות... - תרכובות יוניות - בנויות מ... - יונים חיוביים ויונים שליליים (מבנה ענק) - כמו... - נתרן כלורי, אשלגן יודי
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - תרכובות - יכולות להיות... - תרכובות מולקולריות - מולקולות - כמו... - מים, סוכר, פחמן דו-חמצני
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*135*
*135*
בסעיף זה תכירו שתי משפחות נוספות של חומרים כימיים: חומצות ובסיסים. בחיי היומיום אנו נתקלים בחומצות ובסיסים במזונות שונים, בחומרי ניקוי ובגוף האדם. לדוגמה, מיץ לימון וחומץ, שטעמם חמוץ, שייכים למשפחת החומצות, ואילו סבון כביסה, שטעמו מר, שייך למשפחת הבסיסים.
זהירות: אין לטעום חומצות ובסיסים שהם אינם מזונות!
חומרים מחיי היומיום המכילים חומצה או בסיס
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
החומצות והבסיסים הם חומרים פעילים מאוד המגיבים עם חומרים רבים ויוצרים חומרים חדשים. החומצות והבסיסים מגיבים בקלות גם ביניהם (חומצות עם בסיסים) ויוצרים מלחים, שבהם עסקנו בסעיפים הקודמים. עקב פעילותם הרבה נחקרו חומרים אלה ופותחו שימושים מגוונים בהם.
*135*
כיצד נוכל לזהות אם חומר כלשהו שייך למשפחת החומצות או למשפחת הבסיסים? זיהוי חומצות ובסיסים מתבצע באמצעות אינדיקטור.
אינדיקטור (חומר בוחן) - חומר כימי המשמש לזיהוי חומרים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
האינדיקטורים הם חומרים כימיים המגיבים לנוכחות חומרים מסוימים גם בכמויות קטנות. אינדיקטורים מסוגים שונים משמשים לזיהוי חומרים מגוונים. אפשר לזהות מים באמצעות נייר הספוג בחומר קובלט כלורי המשנה צבעו מכחול לוורוד בנוכחות מים, כלומר נייר קובלט כלורי הוא אינדיקטור לזיהוי מים. תמיסת מי סיד צלולים משמשת כאינדיקטור לזיהוי פחמן דו-חמצני; כאשר מזרימים פחמן דו-חמצני לתמיסה, מתקבלת תמיסה עכורה (לבנה). נחוצות כמויות קטנות של אינדיקטורים מסוג מסוים לזיהוי חומרים כמו חומצות ובסיסים. לזיהוי החומרים נהוג להשתמש במספר טיפות של תמיסת אינדיקטור או בניירות מיוחדים המוספגים בתמיסות אינדיקטור. ניירות אלו נוחים לשימוש, ועל כן השימוש בהם נפוץ במרפאות, בבתי חולים, במעבדות ובתעשייה.
נייר אינדיקטור לזיהוי חומצות ובסיסים
*136*
להלן מספר דוגמאות לזיהוי חומצות ובסיסים באמצעות אינדיקטורים:
האינדיקטור נייר לקמוס אדום משנה צבעו לכחול בנוכחות בסיס, ואילו נייר לקמוס כחול משנה צבעו לאדום בנוכחות חומצה.
החומר פנול-פתלאין הוא אינדיקטור נוסף לזיהוי חומצה או בסיס. כאשר מטפטפים 2-3 טיפות של תמיסת פנול פתלאין לתמיסה חומצית, לא חל שינוי בצבע. כאשר מטפטפים 2-3 טיפות של תמיסת פנול פתלאין לתמיסה בסיסית, התמיסה משנה צבעה לסגול.
אינדיקטור נוסף לזיהוי חומצות ובסיסים הוא תמיסה מימית של כרוב אדום, שאותה אפשר להכין במטבח הביתי. כיצד מכינים אותה?
מבשלים כרוב אדום בסיר עם מים. לאחר רתיחה מתקבלת תמיסה מימית של כרוב אדום, ואפשר להשתמש בה כאינדיקטור. צבע תמיסת כרוב אדום משתנה בנוכחות חומצות לגוונים שונים של אדום. בנוכחות בסיסים צבע התמיסה משתנה לגוונים של ירוק וצהוב.
(בספר תמונה)
כרוב אדום
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 2: היכרות עם האינדיקטורים נייר לקמוס ומי-כרוב אדום
מטרת הניסוי: לבחון את פעילותם של שני אינדיקטורים שונים בנוכחות חומצות ובסיסים.
ציוד וחומרים: 4 מבחנות, 4 טפי, מקל זכוכית, 2 כפיות, טוש לכתיבה על זכוכית, חומץ, מיץ לימון, אבקת סודה לשתייה, אבקת כביסה, בקבוק מים מזוקקים, נייר לקמוס כחול, נייר לקמוס אדום, מי-כרוב אדום.
מהלך הניסוי
1. מספרו את המבחנות 1-4.
2. למבחנה 1 מזגו כשליש מבחנה חומץ.
3. למבחנה 2 מזגו כשליש מבחנה מיץ לימון.
4. למבחנה 3 הוסיפו כרבע כפית אבקת סודה לשתייה ומזגו מים מזוקקים עד כמחצית המבחנה. בחשו היטב עם מקל זכוכית.
5. למבחנה 4 הוסיפו כרבע כפית אבקת כביסה ומזגו מים מזוקקים עד כמחצית המבחנה. בחשו היטב עם מקל זכוכית.
6. טבלו מקל זכוכית במבחנה 1 וגעו בו בנייר לקמוס כחול ובנייר לקמוס אדום.
7. חזרו על בדיקה זו גם במבחנות 2-4 ושטפו את מקל הזכוכית בתום כל בדיקה.
8. טפטפו כ-6 טיפות מי-כירוב אדום לכל אחת מהמבחנות 1-4.
ממצאים
השלימו בטבלה בעמוד הבא את התצפיות והממצאים:
*137*
מבחנה מספר, חומר, נייר לקמוס כחול, נייר לקמוס אדום, צבע מי כרוב
מבחנה 1, חומץ, --, --, --
מבחנה 2, מיץ לימון, --, --, --
מבחנה 3, סודה לשתייה, --, --, --
מבחנה 4, אבקת כביסה, --, --, --
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מסקנה
האינדיקטורים נייר לקמוס כחול ואדום ותמיסת מי-כרוב אדום סייעו לזהות את החומצות והבסיסים בניסוי במהלך שינוי צבע התמיסה.
תמיסות מימיות של חומצות ובסיסים עם מי כרוב אדום וניירות אינדיקטור
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
בתמונה מתוארות תמיסות מימיות של חומצות ובסיסים עם מי כרוב אדום (תמיסה 1 החומצית ביותר ותמיסה 7 הבסיסית ביותר) וניירות אינדיקטור ששינו את צבעם בהתאם לחומציות או הבסיסיות של התמיסה שבה נטבלו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
החומצות והבסיסים הקיימים בטבע נבדלים זה מזה במידת הפעילות שלהם. חלקם פעילים מאוד ומהווים חומצות ובסיסים חזקים, וחלקם פעילים פחות.
מדענים בנו סולם מיוחד הנקרא סולם pH, שבאמצעותו אפשר לדרג את מידת הפעילות של החומצות והבסיסים, או במילים אחרות - את מידת החומציות והבסיסיות של חומרים.
הסולם נע בין 0 ל-14, כמתואר באיור.
רמת pH של 7 מעידה על חומר ניטרלי, כלומר חומר שהוא לא חומצי ולא בסיסי.
לדוגמה: מים מזוקקים הם בעלי pH ניטרלי.
רמת pH קטנה מ-7 מעידה על חומר חומצי.
לדוגמה: הקיבה שלנו מכילה חומצה בעלת pH שווה 2 המעיד על קיום חומצה חזקה, ואילו למיץ עגבניות יש pH שווה 4 המעיד על קיום חומצה חלשה יחסית.
(בספר סולם pH, היעזר במנחה)
*138*
מידת החומציות הולכת ומתחזקת כשעוברים מ-pH שווה 7 לכיוון Ph שווה 0
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
זהירות: חומצות ובסיסים חזקים מזיקים לעור ולנשימה. יש להימנע ממגע ישיר אתם!
נייר pH הוא אינדיקטור כללי (אוניברסלי) שבאמצעותו אפשר לבדוק את מידת החומציות והבסיסיות של חומצות ובסיסים חזקים וחלשים בהתאם לסולם pH.
נייר pH
(בספר איור, היעזר במנחה)
בדרך החקר
בתהליך החקר יש מספר שלבים, עד כה התנסנו בחלק מהם: שאילת שאלות, העלאת השערות, ביצוע ניסויים, איסוף וארגון ממצאים והסקת מסקנות. בפעילות הבאה נבצע תהליך של חקר בו תתבקשו לתכנן ניסוי ולבצעו על כל שלביו.
ניסוי 3: זיהוי חומצות ובסיסים באמצעות נייר pH ומי-כרוב אדום
מטרת הניסוי: לזהות חומצות ובסיסים מחיי היומיום באמצעות שני אינדיקטורים שונים ולקבוע את דרגת ה-pH שלהם.
ציוד וחומרים: 8 מבחנות, 8 טפי, מקל זכוכית, בקבוק מים מזוקקים, מיץ מעגבנייה, מיץ מתפוז, יוגורט, יין, חומץ בלסמי, תמיסת קפה, תמיסת אבקת מדיח כלים, תמיסת מלח לימון, נייר pH, מי-כרוב אדום.
תכנון מהלך הניסוי
1. תכננו בקבוצות ניסוי שבאמצעותו תשיבו על השאלה: אילו מהחומרים הנתונים הם חומצות, ואילו הם בסיסים?
2. רשמו את שלבי הניסוי, הראו למורה וקבלו את אישורו/ ה לביצוע הניסוי.
3. שערו אילו מהחומרים הנבדקים הם חומצות, ואילו בסיסים (על מה מבוססת השערתכם).
4. בצעו את הניסוי.
5. הציעו דרך לארגן את ממצאי הניסוי שתכננתם.
6. אילו מסקנות אפשר להסיק מניסוי זה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
1. מהי חשיבותו של שלב תכנון הניסוי? פרטו.
2. בהמשך לימודי המדע והטכנולוגיה תתבקשו לתכנן תהליכי חקר נוספים. רשמו מהם שלבי תהליך החקר.
*139*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
האם לעיסת מסטיק מועילה לבריאות השן?
כולנו מכירים את הפרסומת של יצרנית מסטיק מסוימת.
לפי דבר המפרסם, אחרי האכילה רמת ה-pH בפה יורדת לרמה מסוכנת, שבה מתחילה מתקפת חומציות על השיניים העלולה לגרום לעששת. לעיסת מסטיק ללא סוכר מחזירה את רמת ה-pH לתחום הבטוח, וכך נמנעת העששת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מחקרים שבדקו את רמת ה-pH בפה אחרי אכילה של מגוון מאכלים, מצאו שרמת החומציות בפה עולה אחרי הארוחה. העלייה בחומציות נובעת מפירוק המזון הנמצא בין השיניים על-ידי חיידקי הפלאק. בהמשך המחקר הנבדקים התבקשו ללעוס מסטיק ללא סוכר של מספר יצרנים במשך 20 דקות. התוצאות הראו שאחרי לעיסה של מסטיק (בלי קשר ליצרן המסטיק) ה-pH בפה עלה.
מהו ההסבר לעלייה ברמת ה-pH? האם יש לזה קשר ישיר או עקיף ללעיסת מסטיק?
מסתבר שלעיסת המסטיק מעודדת הפרשה של רוק בפה הגורם לעלייה ברמת ה-pH, מפני שהרוק הוא בסיסי ולכן הוא גורם לשינוי ב-pH. כמו כן, הרוק שוטף את חלל הפה ומפחית את הצטברות החיידקים. בנוסף, התברר שגם מציצת סוכרייה ללא סוכר גורמת לאותה התגובה של עלייה בכמות הפרשת הרוק וירידה ברמת החומציות בפה. כלומר אין קשר בין מסטיק מסוים לבריאות השיניים, וכל סוגי המסטיק ללא סוכר יכולים להביא לאותה התוצאה. מכאן אפשר להסיק שהקשר בין לעיסת מסטיק לבין בריאות השיניים אינו קשר ישיר אלא עקיף.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. רשמו 3-4 מושגים מדעיים חשובים שהופיעו בקטע המידע והסבירו אותם.
2. האם הכותרת מתאימה לקטע המידע? נמקו. הציעו כותרת חלופית לקטע.
3. האם לעיסת מסטיק מועילה לבריאות השן?
4. כיצד משפיעה מציצת סוכרייה ללא סוכר על רמת החומציות בפה?
*140*
פעילות בהמשכים
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
ספר העיון שלנו
תחומי המדע והטכנולוגיה אינם קופאים על השמרים אלא מתחדשים ומחדשים כל הזמן. ידיעות בנושאי מדע וטכנולוגיה מופיעות ברדיו, בטלוויזיה, באינטרנט, בעיתונות היומית, בכתבי עת העוסקים במדע פופולרי ובכתבי עת מדעיים.
המשימה שלכם היא לאסוף ידיעות וכתבות בנושאים מדעיים ממקורות שונים וליצור ספר עיון מדעי משלכם, שירחיב ויעדכן את המידע המדעי המצוי בספר הלימוד. ספר העיון שלכם יעסוק בנושא "חומרים ותהליכים בעולם הכימיה".
מהלך המשימה
שלב ראשון - איסוף קטעי מידע העוסקים בנושא הנבחר ממגוון מקורות מידע.
שלב שני - מיון קטעי המידע, יצירת פרקי הספר והכנת תוכן עניינים לספר.
שלב שלישי - יצירת מאגר מילות מפתח לקטעי המידע והכנת אינדקס.
שלב רביעי - עריכה של הספר.
שלב חמישי - עיצוב סופי וכריכת הספר.
המשימה תתבצע לאורך שלבי הלימוד של פרקים 4-6 על-פי הנחיות המורה וההתקדמות בלימוד הנושא (ראו פירוט המשימה בנספח 1 בסוף הפרק).
*140*
- יש מספר עצום של תרכובות טבעיות ומלאכותיות, כ-70 מיליון!!!
- בנוסף לכ-100 יסודות, ישנם סוגים שונים של תרכובות: תרכובות יוניות, תרכובות מולקולריות וביניהן גם חומצות ובסיסים.
- חלק מהתרכובות היוניות מורכבות ממתכות ואל-מתכות.
- תרכובות מולקולריות מורכבות מיסודות אל-מתכתיים.
- התרכובות השונות נבדלות זו מזו במבנה החלקיקי שלהן. התרכובות המולקולריות בנויות מצבר של מולקולות, בעוד שהתרכובות היוניות בנויות מצבר של יונים חיוביים ושליליים בסריג יוני ענק.
- המבנה החלקיקי של התרכובות מכתיב את תכונותיהן.
- אינדיקטור הוא חומר כימי המשמש לזיהוי חומרים, בכללם חומצות ובסיסים.
- לחומצות ולבסיסים שונים דרגת חומציות ובסיסיות שונה הניתנת לקביעה באמצעות סולם pH.
- מודלים מוחשיים וממוחשבים משמשים להמחשת מבנים של תרכובות. בשימוש במודל יש להתחשב במגבלות וביתרונות שלו.
*141*
שאלות סיכום
1. מהו מטענו של יון חנקן המורכב מ-7 פרוטונים ומ-10 אלקטרונים?
2. כמה פרוטונים וכמה אלקטרונים יש ביון חמצן O^2-?
3. היעזרו במסקנות שהסקתם מן הקשר בין מיקומו של היסוד בטבלה המחזורית לבין מטענו, וכתבו את מטען היונים הבאים והסמל הכימי של כל אחד מהם:
א. יון צזיום (מספר אטומי 55).
ב. יון יוד (מספר אטומי 53).
ג. יון בריום (מספר אטומי 56).
ד. יון זרחן (מספר אטומי 15).
4. א. מהו ההבדל בין יון לאטום ברמה האטומית?
ב. מהו ההבדל בין יון חיובי לבין יון שלילי ברמה האטומית?
5. א. במה שונה אטום כלור CI מיון כלור מינוס Cl ברמה האטומית?
ב. במה שונה אטום ליתיום (Li) מיון ליתיום (פלוס Li) ברמה האטומית?
6. יובל וגילי דנים ביניהם:
יובל טוען - "אטום הקולט אלקטרון הופך ליון שלילי".
גילי טוענת - "אטום המוסר פרוטון הופך ליון שלילי".
מי צודק/ ת? מדוע?
7. ציינו לגבי כל חלקיק אם הוא אטום, יון חיובי, יון שלילי או מולקולה?
א. Ca^2+
ב. S8
ג. פלוס K
ד. מינוס Cl
ה. Ar
ו. Cl2
ז. Cl
ח. מינוס l
ט. Mg^2+
8. התאימו בין המושגים בטור א לבין ההגדרות בטור ב:
טור א'
א. יון
ב. אלקטרון
ג. פרוטון
ד. יון שלילי
ה. יון חיובי
טור ב'
1. חלקיק באטום שיכול לעבור מאטום לאטום
2. חלקיק בעל מטען חיובי באטום
3. חלקיק שחסרים בו אלקטרונים
4. חלקיק טעון
5. חלקיק בעל עודף אלקטרונים
*142*
9. אפשר לזהות יסוד באמצעות מספרו האטומי. מספרו האטומי של יסוד מתייחס אך ורק למספר הפרוטונים שבגרעין האטום ולא למספר האלקטרונים. חשבו מהי הסיבה לכך והעלו השערה.
10. המספר האטומי של אטום נתון הוא 35. כאשר מוסיפים אלקטרון לאטום מתקבל יון שמטענו החשמלי מינוס 1.
א. כמה פרוטונים בגרעינו של האטום?
ב. כתבו את הסמל הכימי של היון.
11. א. לפניכם רשימה של תרכובות. מיינו אותן לתרכובות מולקולריות ולתרכובות יוניות:
ליתיום כלורי- LiCl(s), פחמן חד-חמצני- (CO(g, מגנזיום חמצני- MgO(s), חנקן דו-חמצני- ('NO2(g כוהל- C2H6O(l), אשלגן ברומי- KBr(s)
ב. הסבירו מה היה התבחין שבאמצעותו מיינתם את התרכובות.
12. הסבירו את המשמעות של הנוסחאות הבאות:
א. תרכובת יונית MgCl(s)
ב. תרכובת מולקולרית: C8h18(l)
13. נתונות תמיסות מימיות של מספר תרכובות. אילו מהן יוליכו זרם חשמלי? הסבירו.
א. NaBr
ב. C6H12O6
ג. KI
ד. C2H6O
14. רשמו אילו משפטים נכונים, ותקנו את המשפטים השגויים:
א. תמיסות של תרכובות יוניות מוליכות זרם חשמלי.
ב. התרכובות היוניות אינן ניטרליות מבחינה חשמלית.
ג. תרכובות מולקולריות מוליכות זרם חשמלי.
ד. התרכובת היונית (CaCI2(s מורכבת ממולקולות.
ה. הנוסחה הכימית (CO(g מייצגת חומר מולקולרי הבנוי ממולקולות, כל אחת מהן מורכבת מאטום פחמן ומאטום חמצן הקשורים ביניהם.
15. תזונאים ממליצים לצרוך מזון המכיל ברזל, סידן, אבץ ומינרלים נוספים. ההמלצה אינה מכוונת ליסודות אלא ליונים. נסחו המלצה מדויקת.
*143*
16. השלימו בטבלה הבאה את החסר בהתאם לדוגמה:
שם התרכובת, נוסחת התרכובת, סמלי היסודות בתרכובת, תרכובת יונית/ תרכובת מולקולרית
מים, H2O(l), H, O, תרכובת מולקולרית
פחמן דו-חמצני, --, --, --
גלוקוז, --, --, --
מלח בישול, --, --, --
אמוניה, --, --, --
כסף יודי, --, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
17. מה מהבאים הוא דוגמה לתמיסה חומצית?
א. לימונדה ב. תמיסת סוכר במים ג. מי מלח בישול ד. מי סבון
18. נתונות שלוש מבחנות. כל אחת מהן מכילה נוזל שקוף אחר:
מבחנה אי - מים מזוקקים, מבחנה ב' - תמיסת חומצה כלורית, מבחנה ג' - תמיסת בסיס הנתרן
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
- חנה הכניסה לכל אחת מהמבחנות פיסה של נייר לקמוס אדום ופיסה של נייר לקמוס כחול. באילו מבין המבחנות לא השתנה הצבע של שתי פיסות נייר הלקמוס?
א. רק במבחנות א' ו-ב'.
ב. רק במבחנה א'.
ג. רק במבחנות א'ו-ג'.
ד. רק במבחנה ג'.
*144*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מימנויות במדע וטכנולוגיה
נספח 1: פעילות בהמשכים בנושא: ספר העיון שלנו (המשך מעמוד 140)
במשימה זו כל קבוצת תלמידים תכין ספר עיון בנושא חומרים ותהליכים בעולם הכימיה. איסוף המידע יתבצע כמהלך לימוד פרקים 4-6 של ספר הלימוד. במשימה תערכו בעצמכם ספר עיון שיכלול ידיעות וכתבות מהעיתונות ומהאינטרנט הקשורות להיבטים מדעיים וטכנולוגיים של הנושא. התוצר הסופי של הפעילות יהיה ספר עיון מדעי המכיל כתבות ומאמרים בנושא חומרים ותהליכים בעולם הכימיה, והוא יוצג בפני הכיתה. ספר זה יוכל לשמש כמקור עדכני של מידע בנושאים מגוונים הקשורים לעולם החומרים והתהליכים בכימיה. הספר צריך להיות בעל מבנה ומרכיבים האופייניים לספר עיון, ולכלול נושאים מעניינים עבורכם ועבור שאר התלמידים בכיתה.
מהלך הפעילות
הפעילות כוללת מספר שלבים:
שלב ראשון - איסוף ממגוון מקורות מידע קטעי מידע העוסקים בנושא הנבחר
במשך תקופה של כשבועיים עליכם לאסוף לפחות 15 קטעי מידע שונים (ידיעות, מאמרים וכתבות) בנושאים הקשורים לחומרים ולתהליכים בכימיה, עם דגש על התפתחויות מדעיות וטכנולוגיות, אירועים ושימושים עכשוויים. עליכם להיעזר במגוון גדול של מקורות מידע: ספרי עיון, כתבי עת, מאגרי מידע ממוחשבים. מדורים מדעיים בעיתונים, כתבות בעיתונות היומית וכדומה. חשוב שהכתבות תהיינה מסקרנות ומעניינות ולא ארוכות מאוד. קטעי המידע יכולים להיות גזורים או מצולמים מהעיתונים, מודפסים או סרוקים מתוך כתבי עת ועיתונים (רצוי לשתף את המורה בסקרים שבהם תתלבטו אם קטע המידע מתאים).
שלב שני - מיון קטעי המידע, יצירת פרקי הספר והכנת תוכן עניינים לספר
לאחר שאספתם 15 קטעי מידע אתם מתבקשים לבצע את הפעולות הבאות:
1. למיין את קטעי המידע לפי נושאים שעליהם תחליטו ביניכם.
2. לקבץ את הקטעים לשלושה או לארבעה פרקים ולארגן אותם במבנה של ספר עיון. לשם כך החליטו על רצף הפרקים ותנו שם מתאים לכל פרק. הדביקו בכל עמוד כתבה אחת או שתיים (בהתאם לגודל הכתבה). אם קטע המידע נלקח מעיתון, רשמו את שם העיתון ואת תאריך הפרסום. אם קטע המידע נלקח מאתר אינטרנט, רשמו את כתובת האתר ואת תאריך הפרסום. אם קטע המידע נלקח מספר, רשמו את שם הספר, שם המחבר/ ת, שנת ההוצאה ושם ההוצאה לאור.
3. להכין את תוכן העניינים לספר שלכם. לרשום את רצף הפרקים ולהכין לכל פרק שער עם כותרת ותמונה מתאימה. לאחר הכנת גוף הספר יש למספר את עמודי הספר. זכרו שיש לכלול את דפי הפתיחה במספור העמודים.
4. לבחור שם לספר - חשבו על שם מושך, משעשע, ועם זאת בעל משמעות מדעית.
שלב שלישי - יצירת מאגר מילות מפתח לקטעי המידע והכנת אינדקס
1. לבחור מילות מפתח/ מושגים - לאחר שתסיימו את שלב הכנת גוף הספר, תתבקשו לקרוא את כל קטעי המידע שאספתם ולבחור את המושגים המרכזיים או מילות המפתח לכל קטע מידע. בחרו בין 2-4 מילים או מושגים שבהם דן קטע המידע. רשמו את מילות המפתח/המושגים מתחת לכל קטע מידע.
2. להכין את האינדקס - להכנת האינדקס יש להכין רשימה של כל מילות המפתח שאספתם מכל קטעי המידע ולארגן אותן לפי סדר א'-ב' (אפשר להכין רשימה בקובץ WORD ולהשתמש בפונקציה של מיון לפי סדר האותיות
*145*
אי-ב,). לאחר מיון המושגים עברו על כל קטעי המידע ורשמו את מספר העמוד שבספר שלכם שבו מופיע כל מושג שרשמתם באינדקס. שימו לב! קרוב לוודאי שחלק מהמושגים יופיעו במספר קטעי מידע.
שלב רביעי - העריכה של הספר
הספר יכיל את הרכיבים הבאים:
1. כריכה קדמית המציגה את השם שבחרתם לספר, שם העורך/ ת או עורכים (במידה ויש יותר מאחד או אחת), שנת הוצאה, שם בית-הספר.
2. בעמודים הראשונים של הספר יופיעו כמה רכיבים:
- שער ובו שם הספר, שם העורך/ ת, תאריך הפרסום, אפשר להוסיף תמונה שקשורה לנושא הספר.
- תוכן העניינים - הכולל מיון לפרקי הספר לפי נושאי הכתבות בעלי המכנה המשותף ומספר העמוד שבו מופיע כל קטע מידע.
- הקדמה או מבוא - כמה משפטים המתארים את תוכן הספר ואת התהליך שעברתם במהלך הכנת ספר העיון המדעי. אפשר להוסיף תודות למי שעזר/ ה לכם בהכנת הספר.
3. בגוף הספר - יופיע התוכן העיקרי של הספר, שבנוי מקטעי המידע שאספתם, מחולק לפרקים.
4. בסוף הספר - יופיעו 2 רכיבים:
- רשימת מקורות המידע - רכזו מכל קטעי המידע את המקורות שלהם והכינו רשימה מסודרת לפי סדר א'-ב' של כל המקורות שנעזרתם בהם להכנת הספר. - אינדקס
5. בכריכה האחורית אפשר לכתוב כמה מילים "שיווקיות" המתארות בצורה מושכת את תוכן הספר ומהללות את הניסיון המקצועי של מחברי ומחברות הספר.
שלב חמישי - עיצוב סופי וכריכת הספר
לפני הגשת העבודה למורה לבדיקה ודאו שכל הרכיבים הבאים נמצאים: כריכה (יכולה להיות מבריסטול קשיח, פוליגל, קלסר וכדומה), שער, תוכן עניינים, הקדמה או מבוא, גוף הספר (כולל מספור עמודים), רשימת מקורות מידע ואינדקס. הוסיפו עיצובים והדגשות במקומות הדרושים על פי טעמכם.
שימו לב:
1. עליכם להשתמש רק במידע שאותו אתם מבינים באופן מלא. איסוף של חומרים שאינם תואמים את רמת הלימוד בכיתה, יקשה על עריכת ספר העיון.
2. כשאתם בוחרים את קטעי המידע, רשמו על כל אחד מהם את הפרטים הביבליוגרפיים, כדי שתוכלו לארגן בהמשך
רשימת מקורות מידע.
מאפיינים, תוכן עניינים, אינדקס
מיקום, בתחילת הספר, בסוף הספר
צורת ארגון, רשימה לפי הרצף, לפי סדר א'-ב'
שיטת חיפוש, לפי מספר העמוד, לפי סדר א'-ב'
אחזור מידע, מפנה לעמוד הראשון של הפרק, מפנה לכל עמוד שבו מופיע המושג
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*146*
(עמוד ריק)
*147*
פרק 5: שינויים בחומר ותהליכים כימיים
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*148*
*148*
במהלך לימודי מדעי החומר עד כה התרכזנו בסוגי החומרים השונים ובמבנים שלהם: סוגי החלקיקים המרכיבים את החומרים, הרכב ומבנה החלקיקים ומבנה האטום. ראינו כי המגוון הגדול של החומרים בטבע נובע מסוג, מהרכב וממבנה החלקיקים המרכיבים אותם. בלימודינו בעבר הזכרנו שינויים ותהליכים פיזיקליים שעוברים חומרים, כגון שינויי מצב צבירה ומסיסות. בפרק זה נעסוק בשינויים הכימיים שחלים בחומרים בעת התרחשותם של תהליכים כימיים, הגורמים לכך שחומרים יגיבו זה עם זה ויווצרו חומרים חדשים, ולחילופין - שינויים המתרחשים עקב פירוק חומר לחומרים אחרים.
כיצד נוצרות תרכובות? מהו שינוי כימי? אילו תהליכים כימיים עוברים חומרים? על שאלות אלה ואחרות נדון בפרק זה.
בפרק זה נתמקד בנושאים הבאים:
- תהליכים כימיים וחוק שימור החומר
- יצירה ופירוק של תרכובות
- תהליכי בעירה
- אנרגיה בתהליכים כימיים
*148*
*148*
נפתח את הפרק במספר ניסויי הדגמה שיסייעו להעמקת ההיכרות עם תהליכים כימיים. אתם מתבקשים לשים לב לכל המתרחש במהלך הניסויים ולרשום באופן מפורט כל מה שאתם רואים, שומעים או מריחים במהלך תהליכי השינוי שבהם אתם צופים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
הדגמה
תהליכים כימיים
מטרת הניסויים: לצפות בשינויים המתחוללים בחומרים בעת התרחשותם של תהליכים כימיים.
ניסוי הדגמה 1
ציוד וחומרים: 2 כוסות כימיות של 100 מ"ל, משורות של 10 מ"ל, 25 מ"ל, 2 מקלות זכוכית, תמיסת נתרן פחמתי - Na2CO3, תסיסת סידן כלורי רוויה - CaCI2, תמיסת נחושת כלורית - CuCI2, תמיסת נתרן הידרוקסידי - NaOH.
מהלך הניסוי
1. מוזגים לכוס אחת 10 מ"ל תמיסת נתרן פחמתי - Na2CO3 ו-25 מ"ל תמיסת סידן כלורי רוויה - CaCI2.
רשמו את תצפיותיכם.
2. מוזגים לכוס שנייה 20 מ"ל תמיסת נחושת כלורית - CuCl2 מ"ל תמיסת נתרן הידרוקסידי - NaOH.
רשמו את תצפיותיכם.
*149*
ניסוי הדגמה 2
ציוד וחומרים: ארלנמאייר של 100 מ"ל, משורה של 25 מ"ל, כפית, בלון או כפפה חד-פעמית, חומץ, אבקת סודה לשתייה.
מהלך הניסוי
1. מוסיפים לארלנמאייר 2 כפיות אבקת סודה לשתייה.
2. מוסיפים לארלנמאייר כ- 20 מ"ל חומץ, ומלבישים מיד בלון על פיית הארלנמאייר. רשמו את תצפיותיכם.
ציוד וחומרים לניסוי הדגמה 2
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
בניסוי הדגמה 1, צפיתם בערבוב של תמיסות צלולות של חומרים שונים ובקבלת חומרים מוצקים. בניסוי הדגמה 2, צפיתם בתגובה בין שני חומרים המוכרים מחיי היומיום, חומץ וסודה לשתייה, שבעקבותיה השתחרר גז.
מסקנה: בהדגמות הללו התרחשו תהליכים כימיים, שבעקבותיהם החומרים המגיבים עברו שינוי כימי בהרכביהם ובתכונותיהם, ונוצרו חומרים חדשים.
שינוי כימי הוא שינוי בהרכב החומר ובתכונותיו הנובע משינוי במבנה החלקיקי של חומר.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
משימה
בהסתמך על ממצאי שני ניסויי ההדגמה שביצע/ ה המורה, השלימו את המשפטים הבאים:
השתמשו במחסן המילים:
תהליך -- הוא תהליך שבו חומר עובר -- ונוצר חומר --.
התהליך הכימי יכול להיות מלווה בשינויי -- או/ ו -- או/ ו בפליטת --.
מחסן מילים: צבע, חדש, גז, שינוי, כימי, מצב צבירה
*150*
בעולמנו חומרים מגיבים זה עם זה ללא הפסקה ובכל מקום: בגופנו, בגופהם של כל בעלי-הח"ם, בצמחים ובעולם המובב אותנו: בים, במעמקי האדמה, בעננים, בתעשיות השונות ובמסבח הביתי שלנו. לדוגמה: תהליכים כימיים שונים מתרחשים בתהליך הנשימה, בתהליכי עיכול בגופנו, בתהליכי שרפה (בעירה) ובמהלך אפיית לחם או עוגה.
תהליכים כימיים מחיי היומיום
תהליך כימי הוא תהליר שבו נוצר חומר חדש אחד או יותר, שהרכבו שונה מזה של חומרי המוצא. לדוגמה:
- תגובת יסוד מתכתי עם יסוד אל-מתכתי ליצירת תרכובת יונית.
- תגובת תרכובת עם יסוד כלשהו או עם תרכובת אחרת ליצירת חומרים אחרים.
- פירוק תרכובת לתרכובות פשוטות יותר או ליסודות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
בתהליך כימי יסודות מתרכבים זה עם זה ויוצרים תרכובת חדשה בעלת תכונות השונות מתכונות החומרים שהגיבו ויצרו אותה. כמו כן, תרכובת יכולה להתפרק וליצור תרכובת פשוטה יותר ו/ או יסוד/ ות שהם בעלי תכונות השונות מתמנות התרכובת שממנה נוצרו. בתהליכים כימיים מתחוללים שינויים כימיים בחומרים המגיבים, וכתוצאה מכך נוצרים חומרים חדשים בעלי תכונות חדשות ובעלי מבנה השונה מזה של המגיבים. כלומר בתהליר כימי חל שינוי במבנה החלקיקי של החומרים.
נציין כי אפשר להשתמש לחילופין במושגים "תהליר כימי" או"תגובה כימית".
נהוג לרשום תהליכים כימיים או תגובות כימיות משמאל לימין. בצד שמאל רושמים את נוסחאות המגיב (ים), מימין - את נוסחאות התוצר (ים), וביניהם חץ המכוון מהמגיבים לתוצרים והמצביע על כיוון התהליך.
מגיבים - תוצרים
(בספר איור, היעזר במנחה)
במהלר הפרק תכירו מספר תהליכים כימיים, תתבוננו בשינויים שחלו בחומרים ותלמדו כיצד לנסח תהליכים כימיים בשפת הכימיה.
*151*
*151*
שינוי מצב צבירה
שינויים במצבי צבירה אינם נחשבים לתהליכים כימיים כי הם אינם משנים את הרכב החומר. לדוגמה, חימום מים במצב נוזל גורם לשינוי במצב הצבירה שלהם מנוזל לגז. שינוי זה נחשב לשינוי פיזיקלי שבו חלקיקי החומר מתרחקים זה מזה. קירור מים במצב צבירה נוזל גורם לשינוי מצב הצבירה של המים מנוזל למוצק, שגם הוא שינוי פיזיקלי ובו החלקיקים מתקרבים זה לזה ויוצרים גביש. בשינוי מצב צבירה לא חל שימי בהרכב המולקולה של המים, שכן נוסחת מולקולות המים בכל מצבי הצבירה היא H2O. נוסחה זאת מייצגת את הרעיון שכל מולקולה של מים מורכבת משני אטומי מימן ומאטום חמצן בכל אחד ממצבי הצבירה. כלומר בשינויי מצב צבירה שנובעים מחימום או קירור, יש שינוי בהיערכות החלקיקים ובכוחות המשיכה בין החלקיקים, ואין שינוי בסוג החלקיקים ובמבנה שלהם.
אדי מים (מים במצב גז)
מים (מים במצב נוזל)
קרח (מים במצב מוצק)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שימו לב: כאשר מתרחש תהליך כימי שכתוצאה ממנו חל שינוי בהרכב החומר ובתכונותיו, לעתים חל שינוי גם במצב הצבירה ונוצרים חומרים חדשים שבטמפרטורת החדר מצב הצבירה שלהם יכול להיות מוצק, נוזל או גז, בהתאם למבנה החלקיקי שלהם.
מסיסות
למדתם כי אפשר להמיס חומרים שונים במים כגון מלח בישול, סוכר ועוד. האם תהליכים אלה הם תהליכים כימיים?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
כאשר מלח בישול - NaCI מתמוסס במים, נוצרים כוחות משיכה חשמליים בין יוני הנתרן ויוני הכלור לבין מולקולות המים. כתוצאה מכך "נהרס" המבנה הגבישי של המלח (כמתואר באיור). ההרכב הכימי שלו אינו משתנה, כלומר לפני ההמסה ואחרי ההמסה במים החומר הכיל יוני נתרן חיוביים – NA^+ ויוני כלור שליליים – Cl^-. מכאן שתהליך התמוססות מסוג זה נחשב לתהליך פיזיקלי. הדרך להבחין בין תהליך פיזיקלי לבין תהליך כימי היא באמצעות בדיקת הרכב החומר והמבנה החלקיקי שלו.
(בספר מודל, היעזר במנחה)
המסת נתרן כלורי (מלח בישול) במים ברמה החלקיקית
*152*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. עיינו בתרשים המתאר את המסת המלח נתרן כלוח במים וענו על השאלות הבאות:
א. כיצד מיוצג יון הנתרן?
ב. כיצד מיוצג יון הכלור?
ג. כיצד מיוצגת מולקולת המים?
2. תארו את המבנה החלקיקי של המלח נתרן כלורי.
3. הסבירו ברמה החלקיקית את תהליך המסת המלח נתרן כלורי במים.
שינוי פיזיקלי - שינוי שבמהלכו הרכב החומר ותכונותיו אינם משתנים.
בשינוי פיזיקלי אין שינוי בהרכב של חלקיקי החומר.
לדוגמה: שינוי מצב צבירה, מסיסות, כיפוף או ריקוע (שינוי צורה).
*153*
*153*
*153*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 1: יצירת התרכובת נחושת-גפרית - Cus
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ציוד וחומרים: 2 צלוחיות זכוכית, אטב, מבחנה, קיסם, מבער נייד, גפרורים, פס נחושת - (Cu(s, אבקת גפרית - (S8(s.
אבקת גפרית ופס נחושת
מהלך הניסוי
1. העתיקו את הטבלה למחברת, התבוננו בפס הנחושת ובאבקת הגפרית והשלימו בטבלה את תכונותיהם:
תכונות החומר, מגיבים, מגיבים, תוצר/ ים
--, נחושת Cu(s), גפרית S8(s), נחושת-גפרית CuS(s)
צבע, --, --, --
מצב צבירה, --, --, --
האם אפשר לכופף?, --, --, --
האם אפשר לפורר?, --, --, --
(בספר 3 תמונות, היעזר במנחה)
2. חלק זה של הניסוי יבוצע על-ידי המורה:
א. מוסיפים למבחנה כפית של אבקת גפרית - (S8(s ופס נחושת - (Cu(s, כך שיהיה מגע טוב ביניהם.
ב. אוחזים את המבחנה באמצעות אטב ומחממים אותה באמצעות מבער.
תהליך חימום גפרית ונחושת
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ממצאים
לאחר שהמבחנה התקררה, התבוננו בתוצר שנוצר במבחנה (התרכובת נחושת-גפרית - (CuS(s) והשלימו בטבלה שבמחברת את תכונותיו של החומר החדש שנוצר.
*154*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם תכונות התרכובת שנוצרה דומות לתכונות היסודות שיצרו אותה או שונות מהן? פרטו.
2. אילו שינויים חלו בחומרים המגיבים במהלך התרחשות התגובה הכימית?
מסקנות
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
החומר נחושת-גפרית היא התרכובת שנוצרה מהיסודות נחושת וגפרית באמצעות חימום. התהליך שהתרחש הוא תהליך כימי, כי התחוללו שינויים בהרכב החומר ובתכונותיו.
התרכובת נחושת-גפרית
(בספר תמונה)
ניסוח תהליך יצירת נחושת-גפרית במילים:
מגיבים - תוצרים
גפרית+נחושת - חימום - גפרית-נחושת
על החץ כותבים לעתים מידע כגון: הפעולה או התנאים הנדרשים לביצוע התהליך הכימי. במקרה זה נחוץ חימום.
(בספר הבראייל הפעולה תופיע בין במקפים)
בלימודיכם הקודמים למדתם כי לכל יסוד יש סמל כימי, על כן בשפת הכימיה יירשם התהליך באמצעות סמלי היסודות כמתואר בתיבה הבאה:
S(s)+Cu(s) - חימום - CuS(s)
(בספר תמונה)
הסבר לניסוח התהליך: הסמל של היסוד גפרית הוא: S, הסמל של היסוד נחושת הוא: Cu, הנוסחה הכימית של התרכובת נחושת-גפרית היא: CuS. כלומר מהיסודות נחושת וגפרית נוצרה התרכובת נחושת-גפרית, שתכונותיה שונות מתכונות היסודות שמהם נוצרה.
נחושת-גפרית - (CuS(s היא תרכובת יונית המורכבת מיוני נחושת חיוביים - Cu^2+ ומיוני גפרית שליליים - S^2-, בטבלה הבאה מתוארים השינויים הכימיים שעברו אטומי היסודות המגיבים - נחושת וגפרית - לקבלת החומר היוני נחושת-גפרית (CuS(s:
האטום, סימול האטום, מספר אטומי, מתכת/ אל מתכת, מאבד/ מקבל אלקטרונים, מספר האלקטרונים שמאבד/ מקבל, סוג היון שנוצר, סימול היון
נחושת, Cu, 29, מתכת, מאבד, 2, חיובי, Cu^2+
גפרית, S, 16, אל-מתכת, מקבל, 2, שלילי, S^2-
(בספר תמונה)
לסיכום: בתגובה בין יסוד מתכתי ויסוד אל-מתכתי (שאינו חמצן) נוצרת תרכובת יונית.
*155*
(בספר תמונה)
ניסוי
ניסוי 2: יצירת התרכובת ברזל גפרי - FeS
מטרת הניסוי: ליצור את התרכובת ברזל גפרי ולעקוב אחר השינויים המתחוללים בחומרים.
ציוד וחומרים: 2 צלוחיות זכוכית, אטב, מבחנה, קיסם, מבער נייד, גפרורים, פס ברזל - (Fe(s, אבקת גפרית - (S8(s.
מהלך הניסוי
1. העתיקו את הטבלה למחברת, התבוננו בפס הברזל ובאבקת הגפרית והשלימו בטבלה את תכונותיהם:
--, ברזל Fe(s), גפרית S8(s), ברזל גפרי FeS(s)
צבע, --, --, --
מצב צבירה, --, --,
האם אפשר לכופף?, --, --, --
האם אפשר לפורר?, --, --, --
האם נמשך למגנט?, --, --, --
(בספר תמונה)
1. הדגמת מורה
א. מוסיפים למבחנה כפית של אבקת גפרית - S8 ופס ברזל - Fe, כך שיהיה מגע טוב ביניהם.
ב. אוחזים את המבחנה באמצעות אטב ומחממים אותה באמצעות מבער. רשמו את תצפיותיכם.
ממצאים
לאחר שהמבחנה התקררה, התבוננו בתוצר שנוצר במבחנה (התרכובת ברזל גפרי) והשלימו בטבלה שבמחברת את תכונותיו.
(בספר תמונה)
שאלות
1. האם תכונות התרכובת שנוצרה דומות או שונות מתכונות היסודות שיצרו אותה? פרטו.
2. אילו שינויים חלו בחומרים במהלך התרחשות התגובה הכימית?
מסקנות: בניסוי זה נוצר חומר חדש - ברזל גפרי - בעל תכונות שונות מאלו של היסודות שמהם נוצר. ניסוח תהליך יצירת ברזל גפרי במילים:
מגיבים - תוצרים
גפרית+ברזל - חימום - ברזל גפרי
(בספר תמונה)
*156*
ניסוח התהליך בשפת הכימיה:
S(s)+Fe(s) - חימום - FeS(s)
(בספר תמונה)
הסבר: הסמל של יסוד גפרית הוא: S, הסמל של היסוד ברזל הוא: Fe, הנוסחה הכימית של התרכובת ברזל גפרי היא: FeS. כלומר מהיסודות ברזל וגפרית נוצרה התרכובת ברזל גפרי שתכונותיה שונות מתכונות היסודות שמהם נוצרה.
(בספר תמונה)
משימה
ברזל גפרי הוא חומר יוני המורכב מיונים חיוביים של ברזל - Fe^2+ ויונים שליליים של גפרית - S^2-. בטבלה הבאה מתוארים השינויים הכימיים שעברו היסודות המגיבים ברזל - Fe וגפרית - S לקבלת החומר היוני ברזל גפרי - FeS.
השלימו את הטבלה:
בספר טבלה ב-8 טורים ו-2 שורות)
האטום, סימול האטום, מספר אטומי, מתכת/ אל-מתכת, מאבד/ מקבל אלקטרונים, מספר האלקטרונים שמאבד/ מקבל, סוג היון שנוצר, סימול היון
ברזל, Fe, --, --, מאבד, 2, --, Fe^2+
גפרית, S, --, --, מקבל, 2, --, --
(בספר תמונה)
*156*
מים מקיפים אותנו מכל עבר ומצויים בטבע בשלושת מצבי הצבירה: באוקיינוסים - המים במצב צבירה נוזל, בקרחונים - המים במצב צבירה מוצק, וגם האוויר מכיל אחוז קטן של אדי מים (גז).
מים במצב צבירה נוזל בטבע
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
האם אפשר ליצור מים במעבדה?
הנוסחה הכימית של מולקולת המים היא H2O. מדענים גילו כי אפשר להפיק מים מהיסודות מימן - H2 וחמצן – O2 על-ידי העברת ניצוץ. כלומר לתערובת הגזים מימן וחמצן יש לספק אנרגיה מסוימת באמצעות ניצוץ חשמלי או הדלקת גפרור. כתוצאה מכך מתרחש תהליך כימי בין החמצן לבין המימן תוך כדי יצירת מים והשמעת קול נפץ. בתהליך כימי זה, כאמור, נוצרים מים, שהם תרכובת מולקולרית. ניסוח תהליך יצירת המים מהיסודות מימן וחמצן במילים:
מימן+חמצן - ניצוץ – מים
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*157*
היסודות מימן וחמצן הם גזים (בטמפרטורת החדר) ומורכבים ממולקולות דו-אטומיות. על כן נוסחאותיהן הכימיות הן H2 (גז המימן) ו- O2 (גז החמצן), ואילו הנוסחה הכימית של המים היא: H2O. על כן ניסוח התהליך בשפת הכימיה הוא:
H2(g)+O2(g) - ניצוץ - H2O(l)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
התבוננו בתהליך כימי זה. האם הוא מקיים את חוק שימור החומר?
על-פי חוק שימור החומר, בתהליך כימי נשמרת המסה של החומרים, כלומר סכום המסות של המגיבים שווה לסכום המסות של התוצרים.
בהתאם לחוק שימור החומר, כאשר נוצרת תרכובת כימית משני יסודות, סכום המסות של היסודות שמהם נוצרת התרכובת, חייב להיות זהה למסה של התרכובת שנוצרה מהם. בשפת הכימיה המגיבים והתוצרים בתהליך הכימי מיוצגים באמצעות הסמלים הכימיים של האטומים המרכיבים אותם. על-פי חוק שימור החומר מספר האטומים מכל סוג במגיבים שווה למספרם בתוצרים. עיון בתהליך יצירת המים המנוסח לעיל מראה כי מספר האטומים מכל סוג אינו זהה במגיבים ובתוצרים. על כן יש לנסח תהליך שבו מספר האטומים מכל סוג זהה במגיבים ובתוצרים.
כיצד נתקן את ניסוח התהליך של יצירת המים לפי חוק שימור החומר?
היות שנוסחאות החומרים המגיבים חמצן - O2 ומימן - H2 והתוצר מים - H2O אינן ניתנות לשינוי, יש לשנות את היחסים של החומרים המגיבים והתוצרים על-ידי הוספת מקדמים מספריים לפני הנוסחאות הכימיות שלהם, כמתואר בניסוח הבא:
2H2(g)+O2(g) - ניצוץ - 2H2O(l)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
הליך זה מכונה ניסוח מאוזן של תהליך כימי (הרחבה לתכנית הלימודים), והוא מבטא ומייצג את חוק שימור החומר.
בתהליך כימי נשמרת המסה של החומרים, סכום המסות של המגיבים שווה לסכום המסות של התוצרים. באיזון תהליך כימי יש להוסיף מקדמים מספריים לפני הנוסחאות הכימיות של המגיבים והתוצרים, כך שמספר האטומים מכל סוג יהיה שווה.
אפשר לבחון ולאשר את חוק שימור החומר על ידי ביצוע תהליכים כימיים במערכת סגורה, כלומר במערכת שאינה מאפשרת כניסה או יציאה של חומרים (למשל גזים). בניסויים אלה נמדוד את מסת המגיבים לפני ביצוע התהליך הכימי ונשווה אותה למסת התוצרים שנוצרו בתהליך הכימי. במערכת פתוחה אשר מאפשרת קליטה או פליטה של חומרים בתהליך כימי אי אפשר לבחון את חוק שימור החומר.
*158*
*158*
בסעיף ב' עסקתם בתהליכים כימיים שבהם נוצרו תרכובות מיסודות. כעת תכירו תהליכים כימיים שבהם תרכובות עוברות שינויים כימיים ומתפרקות לחומרים פשוטים יותר. יש דרכים רבות שבהן אפשר לפרק תרכובות (ליסודות או לתרכובות פשוטות יותר). בסעיף זה תכירו שתיים מהן. האחת - פירוק חומר בעזרת זרם חשמלי בתהליך המכונה אלקטרוליזה (אלקטרו שווה חשמל, ליזה שווה פירוק), והשנייה - פירוק באמצעות חימום.
מערכת האלקטרוליזה שבה נשתמש מורכבת מכוס זכוכית וממכסה שאליו מחוברות שתי אלקסרודות העשויות מחומרים המוליכים זרם חשמלי. (אלקטרודה היא מוליך חשמלי המשמש ליצירת מגע עם תווך לא מתכתי כגון תמיסה.) כל אלקטרודה מחוברת בחוט חשמל אל אחד מקוטבי מקור המתח החשמלי (או הסוללות).
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מערכת אלקטרוליזה
תמיסה של נחושת כלורית
כלור
נחושת
אלקטרודה
אלקטרודה
סוללה
*158*
בניסוי 3 תבצעו אלקטרוליזה של נחושת כלורית, שהיא תרכובת יונית המורכבת מיונים חיוביים של נחושת Cu^2+ ויונים שליליים של כלור - Cl^-.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מערכת אלקטרוליזה
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 3: אלקטרוליזה של נחושת כלורית - CuCl2
מטרת הניסוי: לפרק את התרכובת נחושת כלורית ליסודות המרכיבים אותה באמצעות זרם חשמלי (אלקטרוליזה) ולעקוב אחר השינויים המתחוללים במהלך האלקטרוליזה.
ציוד וחומרים: כוס כימית 100 מ"ל, מכסה תואם עם אלקטרודות גרפיט, חוטי חשמל, "תנינים", ספק מתח (או סוללות), כפית, מקל זכוכית, מים מזוקקים, גבישי נחושת כלורית - CuCI2.
מהלך הניסוי
1. מזגו כמחצית הכוס מים מזוקקים.
2. הוסיפו לכוס 4 כפיות נחושת כלורית - CuCl2 ובחשו היטב באמצעות מקל זכוכית. קיבלתם תמיסה מימית של נחושת כלורית.
3. הניחו את המכסה עם האלקטרודות על הכוס הכימית וחברו את האלקטרודות לספק המתח (או לסוללות) באמצעות חוטי חשמל שבקצותיהם "תנינים" (ראו תמונה).
*159*
4. הפעילו את ספק המתח על 6 וולט (או 3-4 סוללות של 1.5 וולט כל אחת).
5. התבוננו במתרחש ליד כל אחת מהאלקטרודות, תארו את המתרחש.
ממצאים
סכמו את התצפיות (מה רואים? מה מריחים? וכדומה) ואת הממצאים בטבלה הבאה:
שם החומר, נחושת כלורית, כלור, נחושת
סוג החומר, תרכובת יונית, יסוד אל-מתכתי, --
מצב צבירה, --, --, --
צבע, --, --, --
ריח, --, --, --
נמצא במערכת, בתמיסה מימית, ליד אלקטרודה א', ליד אלקטרודה ב'
נוסחה כימית/ סמל, CuCl2, Cl2, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
מסקנות
התבוננו בממצאים ונסחו מסקנות.
לסיכום: אפשר לפרק נחושת כלורית (ליסודות נחושת וכלור) באמצעות תהליך האלקטרוליזה של התמיסה המימית שלה.
ניסוח תהליך פירוק נחושת כלורית במילים:
נחושת כלורית - אלקטרוליזה - נחושת+כלור
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוח התהליך בשפת הכימיה:
CuCl2 (מומס במים) - אלקטרוליזה - Cu(s)+Cl2(g)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
אלקטרודה
נחושת
תמיסה של נחושת כלורית
כלור
אלקטרודה
באיור אפשר לראות כי הצטברה נחושת שצבעה חום- אדמדם על האלקטרודה השלילית, ובועות של גז כלור בצבע צהוב-ירקרק משתחררים ליד האלקטרודה החיובית.
*160*
*160*
בניסוי 3 ביצעתם פירוק של התרכובת נחושת כלורית ליסודות המרכיבים אותה - נחושת וכלור - באמצעות אלקטרוליזה.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 4: פירוק סוכר - סוכרוז
מטרת הניסוי: לפרק סוכר באמצעות חימום ולעקוב אחר השינויים המתחוללים במהלך החימום.
ציוד וחומרים: מבחנה, מבער, גפרורים, אטב, מלקטת, נייר קובלט כלורי כחול (נייר קובלט כלורי כחול הוא חומר המזהה מים. הוא משנה צבעו מכחול לוורוד בנוכחות מים, על כן הוא מכונה אינדיקטור/ חומר בוחן לזיהוי מים.), סוכר (סוכרוז) - C12H22O11(s).
מהלך הניסוי
1. נתונה מבחנה המכילה מעט סוכר - (C12H22O11(s. אחזו את המבחנה בעזרת אטב.
2. חממו בזהירות את המבחנה ואל תפנו את פתח המבחנה לעברכם או לעבר חבריכם.
3. שימו לב לטיפות הנוזל המצטברות על דפנות המבחנה.
4. הניחו בזהירות בעזרת מלקטת נייר קובלט כלורי כחול על דפנות המבחנה, כך שיבוא במגע עם טיפות הנוזל.
5. הוציאו את נייר הקובלט כלורי ותארו מה קרה.
6. המשיכו לחמם עד להופעת מוצק שחור.
סכמו את התצפיות ואת הממצאים בטבלה הבאה:
(ריק), מגיב, תוצר, תוצר
שם החומר, סוכרוז, פחמן, מים
סוג החומר, תרכובת, --, --
מצב צבירה, --, --, --
צבע, --, --, --
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מסקנה: בניסוי זה התרכובת סוכרוז התפרקה לתרכובת פשוטה יותר (מים) וליסוד הפחמן.
ניסוח תהליך פירוק הסוכרוז במילים:
סוכרוז - חימום - מים+פחמן
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*161*
ניסוח התהליך בשפת הכימיה:
C12H22O11(S) - חימום - H2O(l)+C(s)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
נוסחת הסוכרוז היא: (C12H22O11(s, נוסחת המים היא: (H2O(l וסמל יסוד הפחמן הוא: (C(s.
על-פי חוק שימור החומר התהליך המאוזן הוא:
C12H22O11(S) - חימום - 11H2O(l)+12C(s)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
תהליך חימום סוכר
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
*161*
אפשר לפרק באמצעות חימום את התרכובת כספית חמצנית - (HgO(s ליסודות כספית (Hg(s וחמצן O2(g). הכספית שנוצרת בתהליך היא חומר רעיל. על כן לא תבצעו תהליך זה במעבדה. תהליך פירוק התרכובת כספית חמצנית הוא בעל חשיבות היסטורית. המדען ג'וזף פריסטלי (1774) גילה את היסוד חמצן ותכונותיו כתוצאה מחימום תרכובת אדומה שהיא כספית חמצנית. כשחימם המדען את התרכובת האדומה, היא התפרקה ושחררה גז. מחקריו העלו, שהגז שהשתחרר הוא גז החמצן, שהוא אחד הגזים שבאוויר, והוא חיוני לתהליכי בעירה ונשימה.
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
פעילות ברשת
קראו על סיפור התגלית- המדען פריסטלי מגלה את החמצן
ניסוח התהליך של פירוק כספית חמצנית - (HgO(s, לכספית - (l)Hg ולחמצן O2(g) במילים ובשפת הכימיה:
כספית חמצנית - חימום - חמצן+כספית
2HgO(s) - חימום - O2(g)+2Hg(l)
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
*162*
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
צפייה בסרט
צפו בסרטון על פירוק כספית חמצנית.
1. כיצד זיהו את החמצן?
2. תארו את התכונות של הכספית (מצב צבירה, צורה וכדומה).
*162*
בסעיף ב למדתם כי אפשר לייצר מים ממימן וחמצן, האם התהליך ההפיך אפשרי? כלומר האם אפשר לפרק מים למימן וחמצן? אם כן, כיצד? האם אפשר לפרק מים באמצעות חימום? זכרו מה קורה למים, כשמחממים אותם.
למדתם כי חימום מים גורם לשינוי במצב הצבירה שלהם מנוזל לגז. זהו שינוי פיזיקלי שאינו גורם לפירוק כימי. מכאן שחימום בלבד לא יגרום לפירוק המים.
מסתבר שאפשר לפרק את המים באמצעות אלקטרוליזה. ניסוח תהליך פירוק המים במילים ובשפת הכימיה:
מים - אלקטרוליזה - מימן+חמצן
2H2O(l) - אלקטרוליזה - 2H2(g)+O2(g)
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
צפייה בסרט
צפו בסרטון אלקטרוליזה של מים
1. תארו את הרכב המערכת לפירוק המים.
2. תארו את המתרחש ליד כל אחת מהאלקטרודות.
לסיכום
- תהליך שבו חל שינוי בהרכב החומר ובתכונותיו, נקרא תהליך כימי.
- בשינוי פיזיקלי הרכב החומר ותכונותיו לא משתנים.
- אפשר ליצור תרכובת משני יסודות או יותר בדרכים שונות כמו חימום או העברת ניצוץ.
- אפשר לפרק תרכובות ליסודותיהן באמצעות אלקטרוליזה (תהליך כימי). כמו כן אפשר לפרק תרכובות ליסודותיהן או לתרכובות פשוטות יותר באמצעות חימום (תהליך כימי).
- בתהליך כימי סכום המסות של המגיבים שווה לסכום המסות של התוצרים.
- תהליך כימי מאוזן מבטא ומייצג את חוק שימור החומר בכך שמספר האטומים מכל סוג זהה במגיבים ובתוצרים.
- אפשר לאשר את קיומו של חוק שימור החומר בניסויים המתבצעים במערכת סגורה.
*163*
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
שאלות
1. איזה אירוע מהבאים מתאר תהליך כימי? נמקו את תשובתכם.
א. שרפת נייר
ב. ריקוע נחושת
ג. התכה של קרח
ד. ניסור עץ
2. לפניכם מאזניים, ועליהם כלים המכילים את החומרים A ו-B, שמסתם הכוללת יחד עם המכסה היא 110 גרם (כמתואר בתרשים 1).
מעבירים את חומר B לכוס עם חומר A ומכסים את הכוס. כתוצאה מכך נוצר חומר C (כמתואר בתרשים 2).
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
א. מה יראו המאזניים בתרשים 2?
(1) יותר מ-110 גרם
(2) 110 גרם
(3) פחות מ-110 גרם
ב. הסבירו את תשובתכם.
3. איזה מהתהליכים הבאים מתאר תהליך של פירוק תרכובת? נמקו את תשובתכם.
א. חימום גבישי יוד לקבלת אדי יוד
ב. הרתחת מים לקבלת אדי מים
ג. חימום כספית חמצנית לקבלת חמצן וכספית
ד. המסת סוכר במים
4. כאשר מחממים כספית חמצנית במבחנה פתוחה, נוצרים היסודות כספית וגז חמצן. כאשר מודדים את מסת המבחנה עם החומר בתחילת הניסוי ובסוף הניסוי - המסה קטנה. הסבירו מדוע.
*164*
5. בפירוק סוכר מקבלים מים H2O ופחמן C. מכאן אפשר להסיק כי:
א. הסוכר מורכב ממולקולות מים ואטומי חמצן.
ב. הסוכר מורכב מאטומים של פחמן ומאטומים של מים.
ג. הסוכר מורכב מאטומים של פחמן, אטומים של מימן ואטומים של חמצן.
ד. אף תשובה אינה נכונה.
6. תלמידים ערכו ניסוי. הם הכניסו שתי אלקטרודות של גרפיט מחוברות לסוללה לתוך תמיסה מימית של נחושת כלורית. מערכת הניסוי מתוארת באיור שלפניכם. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
תמיסה של נחושת כלורית
נחושת
כלור
אלקטרודה
אלקטרודה
סוללה
תמיסת הנחושת הכלורית מכילה יונים חיוביים של נחושת ויונים שליליים של כלור. לאחר זמן מה התרחשו שתי תופעות:
תופעה מספר 1: סביב האלקטרודה החיובית נראו בועות של גז בצבע ירקרק שהדיף ריח חריף.
תופעה מספר 2: על גבי האלקטרודה השלילית התקבל ציפוי בצבע חום אדמדם.
א. איזה חומר נאסף ליד האלקטרודה החיובית? האם הוא יסוד או תרכובת?
ב. איזה חומר נאסף ליד האלקטרודה השלילית? האם הוא יסוד או תרכובת?
ג. האם החומר נחושת כלורית הוא יסוד או תרכובת? נמקו את תשובתכם על סמך הניסוי שערכו התלמידים.
ד. האם התרחש תהליך של יצירה או פירוק של תרכובת? הסבירו.
ה. כיצד מכונה התהליך שהתרחש?
*165*
*165*
בסעיפים קודמים הכרתם תהליכים כימיים העוסקים ביצירת תרכובות ובפירוקן. בסעיף זה נתמקד בתהליכים כימיים שבהם נוצרות תרכובות כתוצאה מתגובה של חומר עם חמצן. חלק מהתגובות עם חמצן הן תהליכי בעירה המוכרים לנו מחיי היומיום, לדוגמה: בעירת נר, מדורה (שרפת עץ), בעירת גז בישול.
תגובות עם חמצן בחיי היומיום
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
תהליכי הבעירה מלווים בפליטת חום ואור ואפילו להבה. קיימים חומרים דליקים שאותם אפשר להבעיר בקלות תוך כדי פליטת חום רב, כמו בנזין, כוהל, עץ, בד, נייר, ועוד. בנוסף, קיימים חומרים שאינם דליקים כגון מים, קמח, חול ועוד. תגובה נוספת עם חמצן היא זו המתרחשת בכל תא ותא בגוף החי (צמחים ובעלי חיים) ונקראת תהליך הנשימה התאית. בתהליך זה, סוכר או רכיבי מזון (פחמימות, חלבונים ושומנים) שאנו אוכלים מגיבים עם החמצן שנכנס לגוף היצור החי (בנשימה).
לקיום תהליכי בעירה דרוש חמצן - בהיעדר חמצן לא יתקיים תהליך בעירה.
*165*
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
הדגמה
ניסוי 5: בעירה של מגנזיום - הדגמת מורה
זהירות: יש להרכיב משקפי מגן ולהרחיק תלמידים משולחן המורה. המגנזיום בוער בלהבה מסנוורת שעלולה לפגוע בעיניים, על כן יש להנחות את התלמידים לא להתבונן בלהבה באופן ישיר.
מטרת הניסוי: לבצע תהליך בעירה של מגנזיום ולעקוב אחר השינויים הכימיים במהלך הניסוי.
ציוד וחומרים: מלקחיים, מבער נייד, גפרורים, מגש, רשת קרמית, נייר זכוכית, סרט מגנזיום - (Mg(s.
*166*
מהלך הניסוי
1. התבוננו בסרט מגנזיום נקי (אפשר לנקותו בעזרת נייר זכוכית) ורשמו את תכונותיו בטבלה הבאה:
תכונות החומר, מגיבים, מגיבים, תוצר/ ים
--, מגנזיום Mg(s), חמצן O2(g), מגנזיום חמצני MgO(s)
צבע, --, --, --
מצב צבירה, --, --, --
האם אפשר לכופף?, --, --, --
האם אפשר לפורר?, --, --, --
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
2. השלימו בטבלה את תכונות החמצן.
3. הרכיבו משקפי מגן, אחזו את סרט המגנזיום בעזרת המלקחיים והדליקו אותו באמצעות המבער. הקפידו לעבוד מעל הרשת הקדמית במגש! אל תסתכלו ישירות בחומר הבוער, כי שרפתו
מלווה בלהבה מסנוורת.
ממצאים
השלימו בטבלה את תכונות התרכובת שנוצרה.
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם התרכובת החדשה שנוצרה דומה בתכונותיה ליסודות שמהם היא נוצרה? הסבירו.
2. האם הרכב התרכובת שנוצרה שונה מהרכב החומרים שיצרו אותה? הסבירו.
3. על סמך התצפית שביצעתם, האם התרחש תהליך בעירה אטי או מהיר? הסבירו.
4. נסחו במילים את התהליך הכימי שהתרחש, כאשר המגיבים "רשמו בצד שמאל של המשוואה, והתוצרים - בצד הימני של המשוואה.
תהליך בעירת מגנזיום
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*167*
מסקנות
כאשר מגנזיום נשרף באוויר, הוא מגיב עם החמצן שבאוויר, ונוצר חומר חדש (תרכובת): מגנזיום חמצני. תהליך בעירה זה הוא תהליך כימי, שכן במהלכו החומרים המגיבים עברו שינוי כימי, ונוצר חומר חדש בעל תכונות השונות מתכונות היסודות שיצרו אותו. התרכובת מגנזיום חמצני מכונה תחמוצת המגנזיום, שכן היא מורכבת מיסוד וחמצן.
(תחמוצת היא תרכובת המכילה יסוד כלשהו וחמצן, לדוגמה: MgO, FeO, Na2O, CO2. הרחבה לתוכנית הלימודים.)
ניסוח התהליך במילים ובשפת הכימיה:
מגנזיום+חמצן - מגנזיום חמצני
2Mg(s)+O2(g) – 2MgO(s)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מגנזיום חמצני הוא חומר יוני המורכב מיונים חיוביים של מגנזיום Mg^2+ ומיונים שליליים של חמצן - O^2-.
בעירת המגנזיום הוא תהליך המלווה בלהבה. בניסוי הבא תבצעו תגובה עם חמצן שאינה מלווה בלהבה.
תרכובת מגנזיום חמצני
*167*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 6: היווצרות חלודה
מטרת הניסוי: לעקוב אחר תהליך היווצרות החלודה ולבדוק את התנאים הנחוצים להיווצרותה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מבחנות ניסוי 6 ותכולתן
מהלך הניסוי
1. סמנו את המבחנות במספרים 1-3.
2. למבחנה 1- הוסיפו מספר גרגירי סידן כלורי. הוסיפו פיסת צמר גפן למרכז המבחנה והניחו עליו מסמר. סגרו את המבחנה בפקק.
3. למבחנה 2 - הוסיפו מסמר, מזגו מים קרים שהורתחו קודם עד מחצית המבחנה כך שיכסו את המסמר. מזגו שכבה דקה של שמן וסגרו את המבחנה.
(המים הורתחו כדי "לסלק" את החמצן המומס בהם.)
*168*
4. למבחנה 3 - הוסיפו מסמר, מזגו מים עד מחצית מגובה המסמר, השאירו את המבחנה פתוחה.
5. הוסיפו לכוס פיסת צמר פלדה וכסו את מחציתו במים.
ממצאים
עקבו אחר מסמרי הברזל וצמר הפלדה בסוף שיעור זה ובמשך מספר ימים וכתבו תצפיות וממצאים בטבלה הבאה:
כלי, תצפית בסיום השיעור, תצפית לאחר יום, תצפית לאחר מספר ימים
מבחנה 1, --, --, --
מבחנה 2, --, --, --
מבחנה 3, --, --, --
כוס - עם צמר פלדה, --, --, --
(בספר שלוש תמונות)
(בספר שלוש תמונות)
שאלות
1. היכן נוצרה חלודה בצורה המהירה ביותר?
2. היכן נוצרה חלודה בכמות הגדולה ביותר?
3. לשם מה הוסיפו סידן כלורי למבחנה 1?
4. אילו תנאים התקיימו במבחנה 1? (התייחסו למים ולחמצן).
5. אילו תנאים התקיימו במבחנה 2?
6. מדוע הוסיפו למבחנה 2 מים קרים שהורתחו ולא מים קרים שלא הורתחו?
7. מדוע הוסיפו שכבת שמן דקה למבחנה 2?
8. אילו תנאים התקיימו במבחנה 3?
9. מהם הגורמים המשפיעים על היווצרות החלודה?
10. נסחו במילים את תהליך היווצרות החלודה.
כדי לברר האם תהליך ההחלדה הוא תהליך כימי, נשווה את תכונות המגיבים - ברזל וחמצן לתכונות התוצר - חלודה. לשם כך השלימו את הטבלה הבאה:
תכונות החומר, מגיבים, מגיבים, תוצר/ ים
--, ברזל Fe(s), חמצן O2(g), חלודה Fe2O3(s)
צבע, --, --, --
מצב צבירה, --, --, --
האם אפשר לכופף?, --, --, --
האם אפשר לפורר?, --, --, --
(בספר שלוש תמונות)
האם התרכובת שנוצרה (חלודה) דומה בתכונותיה ליסודות שמהם נוצרה?
*169*
ניסוח תהליך היווצרות החלודה במילים ובשפת הכימיה:
ברזל+חמצן - מים - ברזל חמצני
4Fe(s)+3O2(g) - מים - 2Fe2O3(s)
(בספר שלוש תמונות)
החלודה היא תרכובת שנוצרה מברזל וחמצן (בנוכחות מים) ושמה הכימי הוא ברזל חמצני. תרכובת החלודה היא פריכה, וכאשר היא מתפוררת, שכבה חדשה של ברזל נחשפת למגע עם החמצן ואדי המים שבאוויר, ובמשך הזמן המוצר העשוי מברזל מתפורר כולו. אחת הדרכים להגנה מפני חלודה היא צביעת מוצרים, חומר הצבע מהווה חיץ בין הברזל לאוויר, וכך הוא מונע את תהליך ההחלדה.
*169*
מה בוער כאשר נר דולק?
נרות מיוצרים מחומר דליק כגון: פרפין (סוג של שעווה המופקת מנפט), סטארין, דונג דבורים, עצי דונג (דקל, סויה ועוד) או חלב. חום הגפרור המשמש להדלקת הנר, מתיך ומאדה כמות קטנה של חומר הדלק. לאחר ההתאדות, חומר הדלק מגיב עם החמצן שבאטמוספרה ויוצר להבה. הלהבה מספקת חום שמאפשר לנר להמשיך לבעור. חום הלהבה מתיך את הדלק שנמצא בראש הנר, הדלק הנוזלי זורם במעלה הפתיל של הנר באמצעות כוח הנימיות, ושם מתאדה, מגיב עם החמצן ו"משמר" את להבת הנר.
(נימיות - היכולת של נוזל לזרום כלפי מעלה בצינור דקיק בניגוד לכוח המשיכה.)
נרות מגוונים
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוח התהליך הכימי עבור בעירת נר העשוי שעווה מסוג מסויים, המורכבת מהפחמימן ופרפין - C25H52:
C25H52(S)+38O2(g) - 25CO2(g)+26H2O(I)
(בספר איור, היעזר במנחה)
תהליך בעירת הנר מורכב יותר מהתהליכים שהכרנו עד כה, מכיוון שבמהלכו חלו פירוק החומר (שעווה) והתרכבות עם חמצן.
*170*
לסיכום
- תהליך בעירה הוא תהליך שבו חומר כלשהו - יסוד או תרכובת - מגיב עם חמצן.
- ישנם תהליכים כימיים שבהם חומרים מגיבים עם חמצן תוך כדי פליטת חום, אור או להבה. לדוגמה: שרפת מגנזיום, בעירת נר וכדומה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. איזה חומר הכרחי להתרחשות בעירה?
א. אוזון
ב. חמצן
ג. מימן
ד. פחמן דו-חמצני
2. אפשר לכבות שרפה על-ידי כיסוי מקור האש בשמיכת כיבוי מיוחדת. הסבירו מדוע.
3. לפניכם רשימה של שלושה תהליכים כימיים:
א. שרפת אבקת ברזל.
ב. בעירת נר.
ג. תגובת הגזים חמצן ומימן לקבלת מים.
מה משותף לשלושת התהליכים?
4. א. מהי חלודה?
ב. מדוע החלודה פוגמת במוצר?
ג. כיצד אפשר להגן על מוצרים העשויים מברזל מפני חלודה?
5. מדדו 5 גרם של צמר פלדה, שרפו ומדדו את מסת החומר שהתקבל לאחר השרפה. המאזניים הראו 6 גרם.
א. מה גרם לעלייה במסה?
ב. מה היה קורה, לדעתכם, לו נערך הניסוי בתוך כלי סגור ללא חמצן?
*171*
*171*
תהליך כימי מלווה בדרך כלל בשינויי אנרגיה. חלק מהתהליכים הכימיים מתרחשים תוך כדי קליטת אנרגיה, וחלקם - תוך כדי פליטת אנרגיה. בסעיף הקודם ביצעתם וצפיתם בתגובות עם חמצן. בכל התהליכים הללו הייתה פליטה (שחרור) של אנרגיה.
כאשר בתהליך כימי נפלטת אנרגיה - התהליך הוא אקסותרמי וכאשר בתהליך כימי נקלטת אנרגיה - התהליך הוא אנדותרמי.
(אקסותרמי - פירוש המילה מיוונית: אקסו שווה החוצה, תרמי שווה חום. כלומר, שחרור חום.)
(אנדותרמי - פירוש המילה מיוונית: אנדו שווה פנימה, תרמי שווה חום. כלומר, הוספת חום.)
תהליך "קולט אנרגיה" מכונה תהליך אנדותרמי, לדוגמה: תהליך הפוטוסינתזה. תהליך"פולט אנרגיה" מכונה תהליך אקסותרמי, לדוגמה: נשימה תאית.
(בספר איור, היעזר במנחה)
לעתים אפשר לעקוב אחר שינויי הטמפרטורה של הסביבה באמצעות מד- טמפרטורה. בתהליך שבו נפלטת אנרגיה לסביבה - תהליך אקסותרמי - טמפרטורת הסביבה עולה. לדוגמה: כאשר נר בוער, אפשר לחוש בקרבתו את החום המשתחרר בתגובה בין השעווה של הנר לבין החמצן שבאוויר; כאשר גז בישול בוער (בכיריים במטבח) משתחרר חום המנוצל לחימום ובישול. בתהליך שבו נקלטת אנרגיה מהסביבה - תהליך אנדותרמי - טמפרטורת הסביבה יורדת, כפי שתראו בניסוי הבא.
*172*
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 8: תגובה בין תמיסה מימית של נחושת כלורית - CuCl2 ובין אלומיניום - AI
מטרת הניסוי: למדוד את השינוי בטמפרטורת הסביבה כתוצאה מתהליך כימי
ציוד וחומרים: כוס כימית 100 מ"ל, מד-טמפרטורה, מקל זכוכית, 30 מ"ל תמיסת נחושת כלורית – CuCl2, 1 גרם נייר אלומיניום.
מהלך הניסוי
1. העתיקו את הטבלה למחברת, התבוננו בחומרים המגיבים: תמיסת נחושת כלורית - CuCl2 ואלומיניום AI והשלימו בטבלה את תכונותיהם:
שם החומר, הנוסחה הכימית, צבע, מצב צבירה/ תמיסה
תמיסת נחושת כלורית, CuCl2, --, --
אלומיניום, Al, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. מוזגים לכוס הכימית 30 מ"ל תמיסת נחושת כלורית - CuCI2 ומודדים טמפרטורה.
3. גוזרים את נייר האלומיניום לפיסות קטנות ומוסיפים אותן לכוס הכימית.
4. בוחשים באמצעות מקל זכוכית ומודדים טמפרטורה סופית (עד שהטמפרטורה מתייצבת למשך כדקה).
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
תצפיות
כתבו במחברת מה אתם רואים, חשים, מריחים במהלך התגובה.
ממצאים
העתיקו את הטבלה למחברת והשלימו אותה:
טמפרטורה התחלתית (מעלות צלסיוס), טמפרטורה סופית (מעלות צלסיוס)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
*173*
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה העדות לכך שהתרחש תהליך כימי?
2. האם חלה עלייה או ירידה בטמפרטורה בתהליך הכימי שהתרחש?
3. מה היה השינוי בטמפרטורה?
4. האם התהליך אנדותרמי או אקסותרמי? הסבירו.
לסיכום: התרחש תהליך כימי בין נחושת כלורית ובין אלומיניום. כתוצאה מהתהליך הכימי שהתרחש טמפרטורת הסביבה עלתה, והתהליך שהתרחש הוא אקסותרמי.
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
משימה
השלימו במשפטים הבאים אם התרחש תהליך אנדותרמי או אקסותרמי (היעזרו בתהליכים כימיים שעליהם למדתם בפרק זה).
1. תהליך היווצרות נחושת גפרית הוא: --
2. תהליך היווצרות ברזל גפרי הוא: --
3. תהליך פירוק נחושת כלורית הוא: --
4. תהליך פירוק המים באמצעות חשמל (אלקטרוליזה) הוא: --
5. תהליך היווצרות המים ממימן וחמצן הוא: --
6. תהליך בעירת גז בישול הוא: --
7. תהליך פירוק הסוכר הוא: --
*174*
*174*
במהלך הפרק הכרתם תהליכים כימיים מסוגים שונים. בסעיף זה תתייחסו לתהליך כימי בין חומצה לבין בסיס המכונה תגובת סתירה. בתגובה זו חומצה ובסיס מגיבים ביניהם ומנטרלים זה את זה. בשפת הכימיה אומרים כי החומצה והבסיס סותרים זה את זה, על כן התהליך הכימי מכונה תגובת סתירה. בתגובת סתירה בין בסיס לחומצה נוצרים מים ומלח שהם בעלי pH ניטרלי. תגובת סתירה היא תגובה אקסותרמית, ובה נפלטת אנרגיה לסביבה.
ניסוח התהליך במילים:
חומצה+בסיס - מים+מלח
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
הדגמה
ניסוי 9: תגובת סתירה
מטרת הניסוי: לבצע תגובות סתירה שונות
ציוד וחומרים: 2 מבחנות, תמיסות מימיות של: חומצת מלח - HCI, בסיס הנתרן - NaOH, בסיס האשלגן - KOH, חומצה גפרתית -H2SO4, פנול פתלאין.
מהלך הניסוי
1. מוזגים כשליש מבחנה מתמיסת חומצת מלח - HCI ו-2 טיפות פנול-פתלאין. רשמו את תצפיותיכם.
2. מטפטפים תמיסת בסיס נתרן - NaOH למבחנה עד קבלת שינוי בצבע. יש לנער את המבחנה במהלך טפטוף בסיס הנתרן. רשמו את תצפיותיכם.
3. מוזגים כשליש מבחנה מתמיסת בסיס אשלגן - KOH ו-2 טיפות פנול-פתלאין. רשמו את תצפיותיכם.
4. מטפטפים חומצה גפרתית - H2SO4 עד קבלת שינוי בצבע. יש לנער את המבחנה במהלך טפטוף החומצה הגפרתית. רשמו את תצפיותיכם.
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה קרה כשהוסיפו פנול פתלאין לחומצת מלח? הסבירו.
2. מה קרה כשהוסיפו פנול פתלאין לבסיס האשלגן? הסבירו.
3. מדוע השתנה צבע התמיסה, כשהוסיפו בסיס נתרן לחומצת מלח? הסבירו.
4. מדוע השתנה צבע התסיסה, כשהוסיפו חומצה גפרתית לבסיס האשלגן? הסבירו.
5. לאיזה קבוצת חומרים שייך פנול פתלאין? הסבירו.
6. אילו חומרים נוספים השייכים לקבוצה זו אתם מכירים?
*175*
לסיכום: נוכחות האינדיקטור פמל-פתלאין מסייעת לעקוב אחר תהליך הסתירה בין החומצה לבין הבסיס, שכן צבע התמיסה משתנה בהתאם. בסביבה בסיסית התמיסה סגולה, בעוד שבסביבה חומצית היא חסרת צבע.
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
צרבת ודרכי טיפול
הצרבת מופיעה בדרך כלל לאחר אכילת מזון מסוים או רב. כתוצאה מכך הקיבה מפרישה חומצה בכמות מוגברת הגורמת לתחושת צריבה כואבת. צרבת היא בדרך כלל תופעה חולפת, אף כי פגמים בסוגר הקיבה (ראו איור) עלולים להפוך את התופעה לכרונית. צרבת כרונית עלולה להעיד על כיב קיבה (אולקוס).
הטיפול התרופתי שניתן לטיפול בצרבת, כולל תרופות המכילות בסיס הנוגד את החומצה שמופרשת בעודף מהקיבה. כלומר מתרחשת תגובת סתירה של החומצה בקיבה עם הבסיס בתרופה. גם תמיסת סודה לשתייה (נתרן מימן פחמתי), שאף היא תמיסה בסיסית, היא תכשיר ותיק לטיפול בצרבת.
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. הסבירו מהי צרבת, ומתי היא מופיעה.
2. מהו ההבדל בין צרבת לבין צרבת כרונית?
3. על איזה תהליך כימי מבוססת התרופה נגד צרבת?
4. היעזרו במקורות מידע וכתבו אילו תרופות נגד צרבת מצויות בשוק? רשמו באילו מקורות מידע נעזרתם.
*176*
*176*
- תהליך כימי הוא תהליך שבעקבותיו חל שינוי בהרכב ובמבנה החלקיקי של החומר. מהחומרים המגיבים נוצרים חומרים חדשים - התוצרים.
- חלק מהתהליכים הכימיים הם: תהליכי התרכבות, פירוק, בעירה או סתירה.
- התהליכים הכימיים מנוסחים באופן מאוזן על-פי חוק שימור החומר.
- תהליכים כימיים מלווים בשינויי אנרגיה; בתהליכים אקסותרמיים נפלטת אנרגיה, בעוד שבתהליכים אנדותרמיים נקלטת אנרגיה.
- תהליך סתירה הוא תהליך כימי בין בסיס לחומצה לקבלת מלח ומים, שהם בעלי pH ניטרלי.
הטבלה הבאה מסכמת את סוגי התהליכים הכימיים שלמדנו:
בטבלה מובאות דוגמאות לסוגי תהליכים כימיים מייצגים ולדרך שבה מנסחים אותם באופן כללי ושרירותי באמצעות האותיות (A-C). כמו כן מובאת דוגמה אחת לכל סוג של תהליך.
1. סוג התגובה: התרכבות יסודות אחדים ליצירת תרכובת
ניסוח התהליך באופן כללי ודוגמה לתהליך:
A+B - AB
S(s)+Cu(s) - CuS(s)
2. סוג התגובה: פירוק תרכובת ליסודותיה
ניסוח התהליך באופן כללי ודוגמה לתהליך:
AB - A+B
2H2O(l) - 2H2(g)+O2(g)
3. סוג התגובה: פירוק תרכובת לתרכובת פשוטה יותר וליסוד
ניסוח התהליך באופן כללי ודוגמה לתהליך:
ABC - AB+C
C12H22O11(s) - 11H2O(l)+12C(s)
4. סוג התגובה: תהליך בעירה של יסוד - התרכבות עם חמצן
ניסוח התהליך באופן כללי ודוגמה לתהליך:
A+O2 - AO
2Mg(s)+O2(g) - 2MgO(s)
5. סוג התגובה: תהליך בעירה של תרכובת פחמימנית - התרכבות עם חמצן
ניסוח התהליך באופן כללי ודוגמה לתהליך:
CxHy+O2 - CO2+H2O
C25H52(S)+38O2(g) - 25CO2(g)+26H2O(l)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
*177*
שאלות סיכום
1. באיזה מהתהליכים הבאים אין תגובה עם חמצן?
א. בעירת גפרית.
ב. בעירת נר.
ג. חימום כוהל.
ד. החלדת ברזל.
2. לאחר שרפת סרט מגנזיום מתקבלת תחמוצת של מגנזיום. המגנזיום החמצני הוא תרכובת של:
א. מגנזיום וחנקן.
ב. מגנזיום ונתרן.
ג. מגנזיום ומימן.
ד. מגנזיום וחמצן.
3. א. איזו נוסחה כימית מתארת תוצר התרכבות עם חמצן? הסבירו את תשובתכם.
(1) K2O(s)
(2) O2(g)
(3) Co(s)
(4) Os(s)
ב. הסבירו מה מתואר cמסיחים האחרים.
4. כמה יסודות אפשר לקבל כאשר מפרקים תרכובת ליסודותיה?
א. יסוד אחד.
ב. שלושה יסודות.
ג. רק שני יסודות.
ד. שני יסודות או יותר.
5. מדען/ית יצר/ה תרכובת במעבדתו/ה במערכת סגורה. מה אפשר להסיק לגבי מסת התרכובת כהשוואה למסת כל החומרים שמהן נוצרה התרכובת?
א. מסת התרכובת קטנה יותר ממסת החומרים שהרכיבו אותה.
ב. מסת התרכובת גדולה יותר ממסת החומרים שהרכיבו אותה.
ג. מסת התרכובת זהה למסת החומרים שהרכיבו אותה.
ד. אי אפשר להסיק דבר.
*178*
6. לפניכם רשימה של פעולות ותהליכים.
א. העתיקו את הטבלה למחברת וסמנו, עבור כל מקרה, האם מתרחש תהליך כימי או לא.
פעולות ותהליכים, אין תהליך כימי, יש תהליך כימי
חיתוך ברזל לקבלת שבבי ברזל, --, --
בעירת נר, --, --
חימום קרח לקבלת מים נוזליים, --, --
חימום כספית חמצנית לקבלת כספית נוזלית וגז חמצן, --, --
ערבוב סוכר במים לקבלת תמיסת סוכר, --, --
הרתחת מים בקומקום, --, --
שריפת בול עץ לקבלת פחמן דו-חמצני ומים, --, --
בעירת כוהל וקבלת פחמן דו-חמצני ומים, --, --
התכה של פלדה להכנת צינורות, --, --
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
ב. הסבירו כיצד קבעתם זאת.
7. לפניכם ניסוח של תהליך כימי:
S8(s)+8O2(g) - 8SO2(g)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
א. מי הם המגיבים בתהליך?
ב. מי הם התוצרים בתהליך?
ג. איזה סוג תהליך זה?
ד. בהנחה שהתהליך התרחש במבחנה פתוחה, וכל הגפרית הגיבה עם החמצן שבאוויר, מה מכילה המבחנה בסיום התהליך? הסבירו את תשובתכם.
8. נתון התהליך הכימי הבא:
2HgO(s) - 2Hg(l)+O2(g)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
חמצן כספית כספית חמצנית
מי הם המגיבים ומי הם התוצרים בתהליך?
א. המגיבים הם: Hg(l) ו-O2(g) והתוצר הוא: (HgO(s
ב. המגיב הוא: (HgO(s והתוצרים הם: Hg(l) ו- O2(g)
ג. המגיבים הם: HgO(s) ו-O2(g) והתוצרים הם: Hg(l) ו-O2(g)
ד. המגיב הוא: (Hg(l והתוצר הוא: (HgO(s
*179*
9. עיינו בתהליכים הכימיים הבאים ורשמו ליד כל אחד, מהו סוג התהליך והאם התהליך אנדותרמי או אקסותרמי.
א. 2H2(g)+O2(g) - 2H2O(l)
ב. CuCl2(s) - Cu(s)+Cl2(g)
ג. C2H6O(l)+3O2(g) - 2CO2(g)+3H2O(l)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
10. עיינו בתהליכים הכימיים הבאים ורשמו אילו מהתהליכים אינם מאוזנים.
א. 2Mg(s)+O2(g) - 2MgO(s)
ב. H2(g)+l2(g) - Hl(g)
ג. H2O(l) - H2(g)+O2(g)
ד. 2Na(s)+Cl2(g) - 2NaCl(s)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
11. חיים התלונן על כאבים בקיבה. במעבדה קבעו, שבקיבה שלו יש יותר מדי חומצה. הרופאה הסבירה לחיים: "הקיבה של כל אדם מכילה חומצה, העוזרת לעכל (לפרק) את חומרי המזון, אך עודף חומצה גורם לצרבת. חיים, אתה סובל מצרבת!" הרופאה רשמה לחיים סודה לשתייה לטיפול בצרבת.
מדוע המליצה הרופאה לחיים לטפל בצרבת באמצעות אבקת סודה לשתייה?
12. תמר הכניסה נייר לקסוס כחול לכוס חלב. נייר הלקמוס נשאר כחול. לאחר שלושה ימים שבהם נשמר החלב מחוץ למקרר וללא כל שינוי חיצוני, חזרה תמר ובחנה את החלב שבכוס בעזרת נייר לקמוס כחול. נייר הלקמוס הכחול הפך לוורוד.
איזה סוג של שינוי התרחש בחלב - שינוי כימי או שינוי פיזיקלי? הסבירו את תשובתכם.
13. תגובת סתירה היא תגובה בין חומצה לבסיס שתוצריה:
א. חומציים
ב. בסיסיים
ג. ניטרליים
ד. מלחים
14. צמחים מייצרים גלוקוז - C6H12O6 בתהליך הפוטוסינתזה. להלן ניסוח תהליך הפוטוסינתזה: (בתהליך הפוטוסינתזה מתרחשת שרשרת ארוכה ומורכבת של תהליכים. כאן רשומים רק המגיבים הראשוניים והתוצרים הסופיים בשרשרת.)
6CO2(g)+6H2O(l) - C6H12O6(s)+6O2(g)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
א. לאילו חומרים זקוק הצמח כדי לייצר גלוקוז?
ב. מיהם המגיבים ומיהם התוצרים בתהליך? רשמו שמות ונוסחאות כימיות.
ג. תהליך הפוטוסינתזה מתרחש רק בנוכחות אור (נחוצה אנרגיית אור), האם התהליך אנדותרמי או אקסותרמי? הסבירו.
*180*
15. תהליך הנשימה התאית מתרחש בכל תא חי. להלן ניסוח התהליך:
C6H12O6(s)+6O2(g) - 6CO2(g)+6H2O(l)
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
א. מיהם המגיבים ומיהם התוצרים בתהליך? רשמו שמות ונוסחאות כימיות.
ב. בתהליך הנשימה התאית משתחררת אנרגיה לביצוע פguלות בתא החי. האם התהליך אנדותרnי או אקסותרמי? הסבירו.
*181*
פרק 6: על ערבובים והפרדות
(בספר שבע תמונות, היעזר במנחה)
*182*
בפרקים הקודמים הכרנו חומרים טהורים: יסודות כמו חמצן. מימן וברזל ותרכובות כמו נתרן כלורי, מגנזיום חמצני, סוכר ועוד. למדנו על תהליכים כימיים שבעקבותיהם משתנה המבנה החלקיקי של החומר, וכתוצאה מכך משתנות תכונות החומר. פרק זה יתמקד בסוג נוסף של חומרים המכונה תערובות. בפרק הראשון ציינו כי תערובת מכילה לפחות שני חומרים טהורים שונים, המעורבבים יחד ביחס כמויות שאפשר לשנותו, כאשר הרכב התערובת אינו קבוע. כמו כן למדנו, כי מרבית החומרים בטבע ובחיי היומיום הם תערובות ואינם חומרים טהורים. ועוד למדנו, שתכונות התערובת מתבססות על התכונות השונות של החומרים המצויים בה.
בפרק זה נתמקד בשאלות ובנושאים הבאים:
- סוגי תערובות
- מהן תמיסות?
- מהן סגסוגות?
- שיטות להפרדת תערובות
*182*
תערובות בחיי היומיום
מה משותף לחומרים המתוארים בתמונות? כולם תערובות!
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
תערובת היא חומר המכיל שני חומרים טהורים או יותר.
*183*
חומרים רבים המשמשים בחיי היומיום הם תערובות:
האוויר הוא תערובת של הגזים חנקן, חמצן, פחמן דו-חמצני, אדי מים, גזים אצילים וגזים נוספים.
משקה מוגז הוא תערובת המכילה מים, פחמן דו-חמצני ובמשקאות רבים גם סוכר וחומרי טעם וריח.
תכשיטי זהב אינם עשויים מזהב טהור, שהוא מתכת רכה מאוד, אלא מזהב עם תוספת של מתכות אחרות כמו אבץ ונחושת בכמויות קטנות.
מי הים הם תערובת של מים ומלחים (תרכובות יוניות) המומסים בהם.
גז הבישול הוא תערובת של מספר תרכובות מולקולריות המכונות פחמימנים. והן מורכבות מאטומי פחמן ומימן.
בניסוי 1 נערוך היכרות עם מספר תערובות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 1: היכרות עם תערובות שונות
מטרת הניסוי: הכנת סוגים שונים של תערובות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ברזל וגפרית, שמן ומים, קפה שחור
מהלך הניסוי
1. התבוננו בחומרים שלפניכם, וסכמו את תצפיותיכם במחברותיכם בטבלה כדוגמת הטבלה הבאה:
החומר, צבע, מצב צבירה
אבקת ברזל, --, --
אבקת גפרית, --, --
שמן מאכל, --, --
מים מזוקקים, --, --
כוהל, --, --
אבקת קפה שחור, --, --
אבקת קפה נמס, --, --
(בספר תרשים)
2. הכינו את התערובות הבאות על-ידי ערבוב של החומרים הבאים:
- אבקת ברזל וגפרית
- שמן ומים
- משקה קפה שחור (להכנת הקפה השתמשו במים חמים).
- משקה קפה נמס (להכנת הקפה השתמשו במים חמים).
- כמו כן, קבלו מהמורה תערובת של כוהל ומים.
*184*
3. ענו על הסעיפים הבאים:
א. תארו את התוצרים שקיבלתם בכל אחד מהערבובים.
ב. במה שונה תערובת השמן והמים מתערובת הכוהל והמים?
ג. במה שונה תערובת הקפה נמס והמים מתערובת הקפה השחור והמים?
ד. בהסתמך על סעיפים ב' ו-ג', הציעו כיצד אפשר למיין את התערובות לשתי קבוצות.
ה. מהן המסקנות בעקבות ניסוי זה?
נוהגים להבחין בין שני סוגים של תערובות:
- תערובת אחידה (הומוגנית): תערובת של שני חומרים או יותר שבה אי אפשר להבחין בין החומרים. תמיסה היא תערובת אחידה, לדוגמה: יין, חלב, מי ים, מים מינרלים, מי ברז.
- תערובת לא אחידה (הטרוגנית): תערובת של שני חומרים או יותר שבה אפשר להבחין בין החומרים. לדוגמה: קמח וצימוקים, סלט, חול ומים.
(בספר תרשים)
תערובות - תערובת אחידה
תערובות - תערובת לא אחידה
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. סמנו את ההגדרה הנכונה ביותר לתערובת אחידה (הומוגנית):
א. תערובת של שני יסודות.
ב. תערובת של שתי אבקות מוצקות.
ג. תערובת של שני חומרים או יותר שבה אי אפשר להבחין בין החומרים.
ד. תערובת של שני חומרים או יותר שבה אפשר להבחין בין החומרים.
2. במה שונה תערובת מי מלח מתערובת גרגירי מלח ופלפל? ציינו לפחות שני הבדלים.
3. בבתי מרקחת מוכרים "יוד" לחיטוי פצעים. האם זהו היסוד יוד? התבוננו בתווית המפרטת את הרכב החומר.
האם ה"יוד" הרפואי הוא חומר טהור או תערובת של חומרים?
4. ערכו סיור במכולת או במרכול ואתרו לפחות 6 מוצרים שונים שהם תערובות. רשמו את שמות המוצרים, צלמו אותם ונמקו כיצד הסקתם שחומרים אלו הם תערובות (רמז: היעזרו בתוויות המופיעות על האריזות). ציינו לגבי כל מוצר, אם הוא תערובת אחידה או לא אחידה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
תערובות שונות
*185*
ב. תמיסות
*185*
3. תמיסות
תמיסה היא תערובת אחידה המכילה ממס ומומס. הממס הוא המרכיב בעל הכמות הגדולה ביותר בתמיסה, בעוד שהמומס נוכח בתמיסה בכמויות קטנות יותר (בדרך כלל). רוב התמיסות שבהן אנו נתקלים בחיי היומיום, הן תמיסות מימיות המבוססות על המים כממס, בעוד המומס יכול להיות מוצק, נוזל או גז. מי מלח הם תמיסה מימית שבה המלח המוצק, נתרן כלורי, מומס במים. כוהל רפואי הוא תמיסה שבה הנוזל כוהל מומס בנוזל מים. מי סודה הם משקה שבו מומס הגז פחמן דו-חמצני בממס מים. המומסים השונים גורמים להבדלים בין התכונות של התמיסות המימיות השונות. ישנן תמיסות המכילות כמויות שונות של מומס, כלומר תמיסות בריכוזים שונים. במקרה זה נוהגים להשתמש במושגים תמיסות מהולות ותמיסות מרוכזות. תמיסות אלה נבדלות זו מזו בכמות המומס שהן מכילות. לדוגמה, במי ים מומסים מלחים שונים ובעיקר מלח הבישול - נתרן כלורי. גם במי ברז מומסים מלחים, אך בכמויות קטנות יותר. דוגמה נוספת: במשקאות קלים שונים מומסים סוכר, חומרי צבע וטעם בריכוזים שונים. אפשר להכין תמיסה מהולה של מי סוכר על-ידי הוספת רבע כפית סוכר לכוס מים, או תמיסה מרוכזת של מי סוכר על-ידי הוספת שש כפיות סוכר לכוס מים.
ככל שהתמיסה מכילה כמות גדולה יותר של מומס באותה כמות של ממס, היא מרוכזת יותר.
(בספר 5 תמונות, היעזר במנחה)
תמיסות בחיי היומיום: 1. יין 2. מיץ עגבניות 3. צבעי שמן 4. מיץ תפוזים 5. מי ים
(בספר תמונה)
*185*
חוסר המתמוסס היטב במים או בממס אחר נקרא חומר קל תמס, ואילו חומר שאינו מתמוסס במים או בממס אחר נקרא חוסר קשה תמס.
לדוגמה: גרגרי חול ונסורת ברזל הם חומרים קשי תמס שאינם מתמוססים במים, אך מלח בישול או סוכר הם חומרים קלי תמס המתמוססים היטב במים.
גם חומרים אשר מתמוססים היטב במים, הם בעלי מסיסות מוגבלת, כלומר אי אפשר להמיס חומר בכמויות בלתי מוגבלות. לדוגמה: אם נמיס כמויות הולכות וגדלות של גבישי סוכר בכמות מים מסוימת (בטמפרטורה נתונה), נגיע
*186*
לשלב שבו הסוכר שנוסיף לא יתמוסס אלא ישקע על קרקעית הכלי. במקרה כזה תתקבל תמיסה רוויה (הרחבה לתוכנית הלימודים) שתכיל את הכמות המרבית של המומס שאפשר להמיס בכמות מסוימת של מים.
מסיסות נמדדת בדרך כלל על-פי הכמות המרבית (בגרמים) של החומר המומס שאותה אפשר להמיס ב-100 גרם של מסס בטמפרטורה מסוימת.
מסיסותם של חומרים יכולה לנוע בין קצוות קיצוניים ביותר, החל ממסיסות גבוהה מאוד עד למסיסות נמוכה מאוד, או מסיסות כמעט אפסית.
בניסוי 2 נבחן את מסיסות הסוכר במים.
(בספר תמונה)
ניסוי
ניסוי 2: האם יש גבול למסיסות?
מטרת הניסוי: לבדוק את מידת המסיסות של סוכר במים.
ציוד וחומרים: כוס כימית בנפח של 200 מ"ל, כוס זכוכית לבחישה, מים, קוביות סוכר.
מהלך הניסוי
(בספר תמונה)
2. הוסיפו קוביית סוכר אחת לכוס המים.
3. תארו מה קרה לקוביית הסוכר.
4. הוסיפו קוביית סוכר נוספת לכוס המים.
א. האם קוביית הסוכר התמוססה במים?
ב. האם אפשר להמיס כמות נוספת של סוכר באותה כמות מים? כתבו את השערתכם והציעו דרך לבדוק אותה.
קוביות סוכר לבן
*186*
יש חומרים שמסיסותם עולה, כאשר הטמפרטורה עולה. לדוגמה, המסיסות של סוכר במים עולה עם עליית הטמפרטורה. לעומת זאת, יש חומרים שמסיסותם בממס מסוים יורדת, כאשר הטמפרטורה עולה. לדוגמה, המסיסות של הגז פחמן דו-חמצני במים גדלה דווקא בקירור. יש חומרים שמסיסותם כמעט שאינה משתנה, כאשר הטמפרטורה משתנה, לדוגמה, המסיסות של מלח בישול במים אינה משתנה בקירור או בחימום. לכן כאשר עורכים ניסוי העוסק במסיסות של חומרים, חשוב לציין את הטמפרטורה שבה נעשה הניסוי. מהאמור לעיל אפשר להסיק, כי לעתים מסיסותם של חומרים תלויה בטמפרטורה.
*187*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
בפרק 4 (ניסוי 3) עסקנו בתכנון ובביצוע של חקר מדעי. בפעילות הבאה נמשיך לעסוק בתכנון חקר מדעי אך הפעם תתבקשו לנסח גם את מטרת הניסוי.
ניסוי 3: בדיקת מסיסות של חומרים בטמפרטורות שונות - בדרך החקר
תכננו ניסוי פשוט שבאמצעותו תבחנו את מסיסותם במים של שלושה חומרים שונים בטמפרטורות שונות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ב. כתבו את השערת הניסוי.
ג. הכינו רשימת כלים וחומרים (ציינו גדלים וכמויות).
ד. כתבו את מהלך הניסוי.
ה. הראו למורה את מהלך הניסוי שתכננתם, וקבלו את אישורו/ה לעריכת הניסוי.
ו. בצעו את הניסוי שתכננתם.
ז. כתבו תצפיות וממצאים.
ח. הציעו דרך לארגן את ממצאי הניסוי.
ט. כתבו מסקנות.
י. סכמו כיצד מותאם הניסוי למטרתו.
ערבוב שני נוזלים
*187*
עד כה התייחסנו בעיקר לממס מים המכונה בשם ממס אוניברסלי, מפני שהוא ממיס חומרים רבים. אילו עוד ממסים קיימים? תשובה לשאלה זאת תקבלו בעזרת הניסוי הבא.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 4: היכרות עם ממסים שונים
מטרת הניסוי: לבדוק מסיסות של חומרים בממסים שונים.
ציוד וחומרים: 8 מבחנות, כן מבחנות, 7 כוסות כימיות שכל אחת מכילה אחד מהחומרים הבאים: כוהל, שמן מאכל, מים מזוקקים, אצטון, פתיתי קלקר, נחושת גפרתית, מלח בישול.
מהלך הניסוי
1. הכינו מהחומרים שברשותכם 8 תמיסות שונות שבהן הממס הוא נוזל, והמומס הוא מוצק. תכננו אילו ממסים ואילו מומסים ישתתפו בניסוי. מטעמי בטיחות הכנת תמיסות המכילות את החומרים כהל ו/או אצטון תתבצע על-ידי המורה בלבד!
2. סכמו בטבלה כדוגמת הטבלה הבאה את התוצאות:
מספר מבחנה, מומס, ממס, תמיסה אחידה/לא אחידה
מבחנה 1, פתיתי קלקר, מים, לא אחידה
--, --, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
*188*
3. התבוננו בטבלה שבניתם, האם כל הממסים הם מים? הסבירו את תשובתכם.
4. אילו מהתמיסות שהכנתם הן תמיסות אחידות?
5. הסיקו מסקנות בעקבות הניסוי שערכתם.
לסיכום: בנוסף למים, קיימים ממסים נוזליים רבים אחרים. בהתאם, חומרים שאינם מתמוססים במים מתמוססים היטב בממסים השונים ממים. לעומת זאת, חומרים שמתמוססים היטב במים, אינם בהכרח מתמוססים במססים השונים ממים. תכונת המסיסות בממסים נוזליים שונים מסייעת בתעשיית התרופות והצבעים, הן להכנת תמיסות שונות והן להפרדת תערובות למרכיביהן.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*188*
כפי שראינו, לא כל החומרים מתמוססים זה בזה. כך, למשל, מלח בישול מתמוסס במים, אך אינו מתמוסס בשמן. לעומת זאת, החומר קלקר אינו מתמוסס במים, אך הוא מתמוסס באצטון.
מה גורם לחומרים מסוימים להתמוסס או לא להתמוסס זה בזה?
הדבר תלוי בסוג החלקיקים שמרכיבים הן את הממס והן את המומס. חומרים מתמוססים אלו באלו, כאשר בין החלקיקים שלהם קיימים כוחות משיכה דומים. במקרה כזה קיימת משיכה בין חלקיקי הממס לבין חלקיקי המומס, והתוצאה היא שחלקיקי החומר האחד מתפזרים בין חלקיקי החומר האחר. כוחות המשיכה בין מולקולות המים דומים לכוחות המשיכה הקיימים בין חלקיקי המלח, אך שונים מאלו הקיימים בין מולקולות השמן. לכן מלח הבישול מתמוסס במים אך אינו מתמוסס בשמן.
נראה, לדוגמה, מה קורה לחלקיקי המומס גלוקוז בהמסה במים.
כאשר חומר מסוים מתמוסס במים, מולקולות מים מסתדרות סביב חלקיקי החומר המומס ומתקבלת תמיסה מימית שהיא תערובת אחידה של החומר המומס במים. האיור הסכמתי הבא מייצג תמיסת גלוקוז, כפי שהייתה נראית דרך "משקפי קסם". כל מולקולה של גלוקוז מוקפת במולקולות של מים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*189*
לסיכום: כאשר חומר מתמוסס במים או בממס אחר, קיימים כוחות משיכה בין חלקיקי הממס לחלקיקי המומס, כך שחלקיקי הממס מקיפים את חלקיקי המומס. כאשר חומר אינו מתמוסס בממס מסוים, לא קיימים כוחות משיכה בין חלקיקי הממס לחלקיקי המומס, לפיכך חלקיקי הממס אינם מסתדרים סביב חלקיקי המומס.
*189*
במהלך הפרק הכרנו תמיסות שונות, דנו במסיסות של חומרים שונים ובתלות של המסיסות בטמפרטורה. האם אפשר להשפיע על מהירות ההתמוססות? אילו גורמים עשויים להשפיע על מהירות ההתמוססות? מענה לשאלות אלה יינתן בעזרת ניסוי 5.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
בניסוי הבא נשתמש במושגים גורם משפיע וגורם מושפע החשובים לתכנון, ביצוע ועיבוד ממצאים בתהליך החקר המדעי.
(המושגים נלמדו בשער "חוקרים מערכות רבייה" שבספר "חוקרים מערכות חיים ב'", מטמו"ן חדש, תשע"ג.)
גורם משפיע - גורם שהחוקר משנה באופן מבוקר במהלך ניסוי, במטרה לבחון את השפעתו (אם קיימת) על גורם אחר במערכת הניסוי (הגורם המושפע). בשאלת חקר יהיה תמיד רק גורם משפיע אחד.
גורם מושפע - גורם שאותו חוקרים, ואוספים נתונים בניסוי. ערכי הגורם המושפע מושפעים מערכי הגורם המשפיע.
כאשר רוצים לבדוק השפעה של גורם משפיע על גורם מושפע יש לשמור על תנאים זהים בכל מערכות הניסוי פרט לתנאי אחד - המתייחס לגורם המשפיע.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 5: גורמים המשפיעים על מהירות ההתמוססות
מטרת הניסוי: לבדוק האם טמפרטורת הממס או/ו ערבוב החומרים בתמיסה משפיעים על מהירות ההתמוססות.
ציוד וחומרים: 4 כוסות כימיות בנפח של 200 מ"ל, כפית, שעון עצר, עט סימון, מים בטמפרטורת החדר, מים חמים, קוביות סוכר.
מהלך הניסוי
לפניכם ארבע כוסות כימיות, מספרו את הכוסות במספרים 1-4 בעזרת עם סימון.
שלב א'
1. מזגו לכוס מספר 1 100 מ"ל מים בטמפרטורת החדר.
2. מזגו לכוס מספר 2 100 מ"ל מים חמים.
*190*
3. הוסיפו בו-זמנית לכל אחת מהכוסות קוביית סוכר אחת, והפעילו שעון עצר (סטופר) עם הוספת קוביית הסוכר
א. מדדו באמצעות שעון עצר את פרק הזמן שנדרש להתמוססותה של קוביית הסוכר בכל אחת מהכוסות. רשמו את התוצאות במחברותיכם.
ב. באיזו כוס התמוססה קוביית הסוכר מהר יותר?
שלב ב'
4. מזגו 100 מ"ל מים חמים לכל אחת מהכוסות 4-13.
5. הוסיפו בו-זמנית לכל אחת מהכוסות קוביית סוכר אחת, והפעילו שעון עצר עם הוספת קוביית הסוכר לכוסות.
6. ערבבו בעזרת כפית את תכולת כוס מספר 3 בלבד.
א. מדדו באמצעות שעון עצר את פרק הזמן שנדרש להתמוססותה של קוביית הסוכר בכל אחת מהכוסות. רשמו את התוצאות במחברותיכם.
ב. באיזו כוס התמוססה קוביית הסוכר במהירות רבה יותר?
שאלות
1. באיזו מארבע הכוסות התמוססה קוביית הסוכר בזמן הקצר ביותר?
2. אילו גורמים משפיעים על מהירות ההתמוססות של קוביית הסוכר?
3. מהן המסקנות שאותן אפשר להסיק בעקבות ניסוי זה?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
דיון
בתשובות לשאלות הבאות התייחסו לכל אחד משלבי הניסוי א' ו-ב'.
1. מהו הגורם המשפיע?
2. מהו הגורם המושפע?
3. מהם הגורמים הקבועים?
4. מדוע חשוב לשמור על גורמים קבועים במערכת של ניסוי?
5. מהו הגורם השונה בין כוס 1 לכוס 2?
6. מהו הגורם השונה בין כוס 3 לכוס 4?
7. הסבירו מדוע הגורמים המשפיעים על מהירות ההתמוססות נבחנו בשתי מערכות ניסוי נפרדות (בשלבים א ו-ב של הניסוי)
לסיכום: בניסוי זה ראינו ששני גורמים הגדילו את מהירות ההתמוססות של קוביית הסוכר במים:
א. ערבוב של החומרים בתמיסה.
ב. העלאת טמפרטורת המים (הממס).
כיצד נסביר זאת בעזרת מודל החלקיקים? בתהליך ההתמוססות חלקיקי קוביית הסוכר וחלקיקי המים נעים, חלקיקי המים מקיפים את חלקיקי הסוכר עד לקבלת תמיסת סוכר. חימום המים והסוכר מגדיל את מהירות תנועתם של חלקיקי
*191*
המים ושל חלקיקי הסוכר, ולכן מהירות ההתמוססות עולה. באופן דומה, גם פעולת הערבוב מגדילה את מהירות תנועת חלקיקי הממס והמומס, ולכן מגדילה את מהירות ההתמוססות.
מסקנה: העלאת הטמפרטורה ו/או ערבוב תמיד יגדילו את מהירות ההתמוססות של כסות מסוימת של מומס בתוך כמות נתונה של ממס מסוים. נדגיש כי העלאת הטמפרטורה והערבוב לא בהכרח משפיעים על מידת המסיסות של המומס בממס, דהיינו על כמות המומס המרבית שאותה אפשר להמיס בכמות נתונה של ממס. בתופעת המסיסות ותלותה בטמפרטורה דנו בסעיף הקודם.
*191*
ניסוי 6: כימיה במטבח
מטרת הניסוי: להכין תערובות שונות במטבח.
ציוד וחומרים: מכשיר להכנת סודה, כוסות שתייה, כפיות, מגש, מגבות נייר, כלי לערבוב, מים, מיץ לימון. סוכר, תרכיז פטל, 100 גרם קורנפלור.
מהלך הניסוי.
1. הכנת מי סודה:
א. הכניסו את הגז פחמן דו-חמצני למים באמצעות המכשיר להכנת סודה.
ב. ערבבו את הסוכר עם מיץ הלימון.
ג. ערבבו את מיץ הלימון הממותק עם מי הסודה.
ד. האם קיבלתם תערובת אחידה? הסבירו.
2. הכנת משקה פטל:
א. מלאו 3 כוסות שתייה בכמות שווה של מים.
ב. הכינו משקה פטל בשלושה ריכוזים שונים: מספרו את הכוסות 1-3. לכוס אחת הוסיפו כפית אחת של תרכיז פטל, לכוס השנייה - שתי כפיות, ולשלישית - שלוש כפיות.
ג. התבוננו במשקאות הפטל שהכנתם. תארו את ההבדל בין כוסות המשקה השונות שהכנתם.
ד. תנו לבני משפחותיכם או לחבריכם לטעום מכוסות המשקה שהכנתם, וציינו מהי התערובת המועדפת על כל אחת ואחד מהטועמים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ו. האם התערובות שהכנתם אחידות? כיצד נקראות תערובות אלו?
ז. האם יש הגבלה במספר כפיות מיץ הפטל שאפשר להמיס בכוס מים? הסבירו.
3 כוסות עם מיץ פטל
*192*
3. הכנת תערובת קורנפלור ומים -"התערובת המתעתעת"
א. שפכו לתוך קערה את הקורנפלור, הוסיפו בהדרגה מים וערבבו בידיים. תארו מה קרה ומה חשתם לאחר ביצוע הפעולות הבאות:
ב. ערבבו במהירות את התערובת.
ג. ערבבו באטיות את התערובת.
ד. העבירו את היד במהירות בחלק העליון של העיסה.
ה. הכניסו אצבע לתוך העיסה והוציאו אותה במהירות.
ו. הכניסו אצבע לתוך העיסה והוציאו אותה באטיות.
ז. צרו כדור מהעיסה והחזיקו אותו בידיכם. מה קורה לכדור?
(בספר תמונה)
ט. מה מקור השם קורנפלור?
י. מהו החומר העיקרי הנמצא בקורנפלור?
יא. למה משמש הקורנפלור?
יב. הכינו בבית רוטב טחינה ותארו את דרך ההכנה ואת תצפיותיכם. בתיאבון!
קורנפלור ומים
קורנפלור או עמילן תירס הוא עמילן המופק מתירס ומשמש לבישול, אפייה, הסמכת בלילות, רטבים ועוד. תוספת מים או חלב לקורנפלור יוצרת תערובת בעלת צמיגות משתנה. הכנת תערובת ביחס של מנת מים אחת לשתי מנות קורנפלור יוצרת תערובת, שבלישה זריזה בידיים תתנהג כחומר מוצק, אך בלישה אטית תתנהג כנוזל לכל דבר.
לסיכום
- תערובת מכילה שני חומרים טהורים או יותר.
- ישנן תערובות אחידות ותערובות לא אחידות.
- תמיסות נוזליות הן תערובות של מוצק, מזל או גז בממס נוזלי.
- מסיסות היא הכמות המרבית של מומס שאפשר להמיס בכמות נתונה של ממס בטמפרטורה מסוימת.
- לעתים מידת המסיסות של חומר בממס תלויה בטמפרטורה.
- תמיסה רוויה היא תמיסה שבה התמוססה הכמות המרבית האפשרית של המומס בכמות מסוימת של מסס.
- אפשר להשפיע על העלאת מהירות ההתמוססות על-ידי חימום (העלאת הטמפרטורה) או/ו על-ידי ערבוב.
- קיימים כוחות משיכה בין חלקיקי הממס לחלקיקי המומס בתהליך ההמסה, כך שחלקיקי הממס מקיפים את חלקיקי המומס.
*193*
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. עידן ורעות מעוניינים להכין תמיסת מלח במים. עידן טען שכל כמות של מלח שיוסיפו למים תמיד תתמוסס במים. רעות, לעומתו, טענה שעידן סועה, כי לכל תמיסה יש נקודת רוויה, ומעבר לנקודה זאת אי אפשר להמיס יותר את המומס בממס. מי משניהם צודק? הסבירו את תשובתכם.
2. בטבלה שלפניכם מרוכזים נתונים על מידת המסיסות של חומרים מסוימים במים בטמפרטורת החדר.
חומר, מסיסות במים (כמות מרבית בגרמים של החומר שאפשר להמיס ב-100 גרם מים ב-25 C)
מלח בישול, 35.7
סוכר, 211
גיר, 0.0014
חול, זניחה (0)
כוהל, בכל יחס שהוא
שמן סויה, זניחה (0)
חמצן, 0.0014
פחמן דו-חמצני, 0.144
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
עיינו בטבלה וענו על השאלות הבאות:
א. איזה חומר מבין זוגות החומרים הבאים הוא בעל המסיסות הגבוהה ביותר במים:
(1) מלח בישול או סוכר?
(2) פחמן דו-חמצני או חמצן?
(3) גיר או חמצן?
ב. דרגו את מסיסות החומרים הנתונים בטבלה: מהחומר בעל הססיסות הגבוהה ביותר לחומר בעל המסיסות הנמוכה ביותר. איזה מהחומרים הוא קשה תמס?
ג. נסחו מסקנה הנובעת מנתוני הטבלה.
3. ציינו שני גורמים המשפיעים על מהירות ההתמוססות של חומר מוצק בחומר נוזלי. תארו כיצד כל אחד מהגורמים משפיע על מהירות ההתמוססות.
4. תארו תופעות מחיי היומיום, שבהן מבחינים בהשפעת הטמפרטורה על מסיסותם של חומרים.
*194*
בטבלה הבאה נתונה מסיסות של מלחים שונים במים בטמפרטורה של 20 C. התבוננו בטבלה וענו על השאלות הבאות:
המלח, כמות (גרם בליטר מים)
מלח בישול - NaCl(s), 360
מגנזיום כלורי - MgCl2(s), 542
סידן כלורי - CaCl2(s), 745
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
א. מדוע חשוב לציין את טמפרטורת המים?
ב. איזה מהמלחים הוא המסיס ביותר במים בטמפרטורה של 20 C, ואיזה מלח הוא המסיס פחות מכול?
ג. מסיסות המלח נתרן ברומי בטמפרטורה של 50 C היא 1,160 גרם בליטר מים. האם אפשר לומר שהוא מסיס יותר במים בהשוואה למלחים המצוינים בטבלה? הסבירו את תשובתכם.
6. לפניכם ארבע כוסות המכילות אותה כמות של מים, אך טמפרטורת המים בכוסות שונה:
כוס 1- מים בטמפרטורה של 5 C.
כוס 2 - מים בטמפרטורה של 75 C.
כוס 3 - מים בטמפרטורה של 15 C.
כוס 4 - מים בטמפרטורה של 35 C.
לכל אחת מהכוסות נוספה קוביית סוכר אחת. ענו על השאלות הבאות:
א. סדרו את הכוסות על-פי מהירות ההתמוססות של קוביית הסוכר במים, מהכוס שבה ההתמוססות תהיה האטית ביותר ועד לכוס שבה ההתמוססות תהיה המהירה ביותר.
ב. הסבירו את תשובתכם.
*195*
7. א. השלימו את הטבלה הבאה על-פי הדוגמה:
חומר א', חומר ב', תיווצר תמיסה כן/לא, אם תיווצר תמיסה - ממס, אם תיווצר תמיסה - מומס
מים, סוכר, כן, מים, סוכר
שמן, מים, --, --, --
מלח, מים, --, --, --
חול, מים, --, --, --
תרכיז פטל, שמן, --, --, --
אצטון, לקה (לציפורניים), --, --, --
מים, קמח, --, --, --
כוהל אתאנול, מים, --, --, --
שמן, נפט, --, --, --
מים, פחמן דו-חמצני, --, --, --
(בספר חמש תמונות, היעזר במנחה)
ב. כמה תמיסות נוצרו? הסבירו מדוע נוצרו תמיסות אלה.
ג. מדוע לא נוצרו תמיסות ביתר הערבובים?
8. הסבירו ברמת החלקיקים מה קורה בתהליך ההמסה של כוהל אתאנול (חומר מולקולרי) במים?
9. הסבירו ברמת החלקיקים מה קורה בתהליך ההמסה של מלח בישול (חומר יוני) במים?
*196*
*196*
מוצרים מסגסוגות: 1. מנעולים מפלדה ופליז 2. ברגים ואומים מפלדה 3. מגש מברונזה 4. כלי נירוסטה 5. קערה מפליז
(בספר תמונה)
מסג או סגסוגת, היא תערובת אחידה שאחד ממרכיביה המרכזיים הוא מתכת, ושאר המרכיבים הם כמויות שונות של מתכות אחרות ו/או פחמן שהותכו יחד, על כן היא מכונה גם בשם נתך. המסג הוא בעל תכונות הדומות לתכונות היסודות המרכיבים אותו, כגון קשיחות, גמישות, מוליכות חשמלית ועוד.
דוגמאות לסגסוגות:
(בספר תמונה)
מדלית ארד
(בספר תמונה)
כלי נירוסטה
(בספר תמונה)
- פליז היא סגסוגת של נחושת ואבץ. הפליז היא סגסוגת קשה וחזקה הרבה יותר מאשר הנחושת הטהורה, אך המוליכות החשמלית שלה נמוכה יותר. סגסוגת הפליז שימשה בעבר לייצור ידיות של דלתות, פמוטים ועוד. כיום, היא משמשת למצפנים, כלי נשיפה ממתכת ובעיקר לחפצי נוי.
פמוטים מפליז
*197*
(בספר תמונה)
טבעת זהב
(בספר שתי תמונות)
מידע והרחבה
חומרים מרוכבים
חומר מרוכב הוא חומר מעשה ידי-אדם שתכונותיו עולות על התכונות של כל אחד מהחומרים שבו. כלומר צירוף של חומרים השונים בתכונותיהם מאפשר קבלת חומרים חדשים שתכונותיהם עדיפות על-פני תכונות החומרים המרכיבים אותם.
לחומרים המרוכבים מספר תכונות מיוחדות המעניקות להם יתרונות בכל הנוגע לשימושים בהם: משקל מוצר נמוך, עמידות מצוינת בקורוזיה, תכונות מכניות מובחרות, כגון חוזק וקשיחות. על כן הם משמשים במטוסים, סירות, גלשנים ויאכטות, צינורות, גשרים ועוד.
מוצרים העשויים מחומרים מרוכבים:
- לבנים העשויות מקש, תבן וטיט.
- בטון משוריין עשוי מצמנט (תערובת של אבן גיר, חול ים קוורצי וחרסית), מוטות ברזל וגרגירי חול וחצץ.
- קסדת אופנוענים העשויה מסיבי פיברגלס וחומר פולימרי.
קסדת אופנוענים
לבנים
(בספר תמונה)
להרחבה והעמקה עיינו במאמר "חומרים מרוכבים - היכרות על קצה המזלג".
(אקונס אביב, "על כימיה", גיליון 9, מרץ 2006).
(בספר תמונה)
שאלות
1. מהם חומרים מרוכבים, ומהן תכונותיהם?
2. מהם השימושים של החומרים המרוכבים המוזכרים בקטע?
3. הביאו דוגמאות למוצרים העשויים מחומרים מרוכבים.
4. היעזרו במקורות מידע וציינו דוגמאות נוספות למוצרים העשויים מחומרים מרוכבים. ציינו את מקורות המידע שבהם נעזרתם.
*198*
*198*
כאמור, רוב החומרים על-פני כדור הארץ נמצאים בתערובות: סלעים, קרקע, מי ים ועוד. ישנם סלעים המכילים סידן פחמתי (המינרל קלציט) או נתרן כלורי (המינרל הליט). בארצות רבות חוצבים את ההליט כשהוא מעורב בחומרים אחרים, ויש להפרידו מחומרים אלו, כדי שיהיה ראוי למאכל (מלח בישול). בארץ נמצא מלח בישול מעורב בחומרים אחרים בים המלח.
כדי להפריד בין החומרים השונים הנמצאים בתערובת, יש לאתר את התכונות האופייניות לכל חומר בתערובת, המבדילות בינו לבין שאר החומרים, כמו: מצב צבירה, מסיסות בממסים שונים, משיכה למגנט. תכונה המאפשרת להפריד בין החומרים הנמצאים בתערובת נקראת תכונה מפרידה.
*198*
אחד המאפיינים של תערובת הוא שאפשר להפרידה לחומרים השונים בשיטות פשוטות יחסית. נדגיש כי שיטות להפרדת התערובות הן תהליכים פיזיקליים, מפני שבמהלכם סוג החלקיקים והרכבם אינו משתנה. בסעיף זה נסקור ונבצע מספר שיטות שונות להפרדת תערובות.
הפרדת תערובות באמצעות סינון
שיטה זו מתאימה להפרדת תערובות לא אחידות של מוצק ונוזל או של מוצקים שונים.
(בספר תמונה)
ניפוי קמח
(בספר תמונה)
ניסוי
ניסוי 7: סינון מלח וקמח
מטרת הניסוי: הפרדה בין מלח בישול לבין קמח.
ציוד וחומרים: מלח בישול גס, קמח, מסננת או נפה לקמח, קערה.
מהלך הניסוי:
1. ערבבו מלח בישול (גס) בקמח.
2. שפכו את התערובת לתוך מסננת ביתית או נפה לקמח, וטלטלו בחוזקה מעל קערה.
א. איזה חומר עבר אל הקערה?
ב. מה נשאר במסננת?
ג. מה תוכלו לומר לגבי גודל החורים במסננת בהשוואה לגודל גרגרי הקמח ולגודל גרגרי מלח הבישול?
*199*
הפרדה באמצעות סינון מקובלת מאוד בתעשייה, בעיקר לניקוי ראשון של חומרי גלם טבעיים. לדוגמה: במפעל הפוספטים בנגב, חומר הגלם הוא סלעים העוברים גריסה. לאחר הגריסה מתקבלים שברי סלעים בגדלים שונים וחול. באמצעות נפות מתאימות מפרידים בין החול לבין האבנים, וכן בין אבנים בגדלים שונים.
בתעשייה הכימית ובתעשיית המזון והתרופות משתמשים בסינון להפרדת המים או ממסים אחרים מהתוצר המוצק. גם בטיפול בשפכים השלב הראשון הוא הפרדת מוצקים שונים מן המים באמצעות סינון.
(בספר תמונה)
צפייה בסרט
צפו בסרסון"הפרדה על-ידי סינון" וענו על השאלות הבאות:
1. מהם חומרי התערובת המוצגת בסרטון?
2. כיצד הופרדו חומרי התערובת זה מזה? בתשובתכם התייחסו לסעיפים הבאים:
א. כמה שלבים כוללת ההפרדה?
ב. רשמו עבור כל אחד מהשלבים את התכונה המפרידה ואת שיטת ההפרדה.
ג. תארו את המתרחש בכל אחד משלבי ההפרדה.
3. א. איזה חומר התקבל בכורית לאחר חימום הנוזל?
ב. איזה חומר שקע על גבי נייר הסינון בסוף הסרטון?
4. האם בסיום הניסוי התערובת הופרדה לחלוטין לשני החומרים שבה? נמקו את תשובתכם. אם תשובתכם שלילית, הציעו דרך להמשך תהליך ההפרדה.
הפרדת תערובות באמצעות אידוי
משתמשים בשיטה זו לייבוש או לקבלת החומר המומס שהיה בתמיסה.
התכונה המפרידה בשיטה זאת היא נקודת הרתיחה או יכולת ההתאדות השונה של כל חומר. מאדים את הממס (בדרך כלל נוזל) בחימום, והחומר המומס (בדרך כלל מוצק) שוקע. בים המלח ישנן ברכות אידוי ה"מנצלות" את חום השמש, ובהן שוקעים מלחים שונים, לאחר שרוב המים התאדו.
ברכת אידוי בים המלח
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
הפרדת תערובות באמצעות כרומטוגרפיה
כרומטוגרפיה הוא שם כולל לשיטות הפרדה המסתמכות על ההבדל ביכולת של החומרים השונים להסתפח לחומר נתון. פירוש המושג "כרומטוגרפיה" ביוונית הוא "רישום בעזרת צבעים". פעמים רבות החומרים הנפרדים הם צבעוניים, ומכאן מקור השם.
כשמכינים צבע, מערבבים צבענים (פיגמנטים) שונים (חומרים הנותנים לצבע את הגוון הרצוי) עד שמקבלים את הגוון המבוקש. אם אנו מעוניינים לבדוק אילו גוונים מרכיבים צבע מסוים, אפשר להשתמש בכרומטוגרפיה. כדי להפריד את הצבעניים זה מזה, וכך לגלות את החומרים בתערובת.
*200*
אנו נתאר הפרדה באמצעות כרומטוגרפיה, כאשר החומר הסופח הוא נייר סינון:
מערכת להפרדה בכרומטוגרפיה
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שמים טיפה מהתערובת על גבי פס נייר סינון. יש לסמן את מקום הטיפה בקו דק בעיפרון ולוודא שהטיפה נמצאת במרחק של 2 סנטימטרים מקצה נייר הסינון. ההפרדה נעשית על-ידי ספיגת ממס על גבי נייר הסינון. ממלאים כוס עם ממס עד לגובה של 0.5 סנטימטר. טובלים את נייר הסינון בממס. הממס מתחיל לנוע ו"לטפס" על נייר הסינון ותוך כדי התנועה במעלה נייר הסינון, הוא "גורר" עמו את החומרים המצויים בתערובת.
כוחות משיכה פועלים בין הנייר לבין כל אחד מהחומרים בתערובת. חומר שבינו לבין הנייר פועלים כוחות משיכה חלשים, ינוע במהירות רבה יותר. חומר שבינו לבין הנייר פועלים כוחות משיכה חזקים, ינוע באטיות רבה יותר. כמו כן פועלים כוחות משיכה שונים בין הממס לבין חומרים בתערובת, ולכן כל חומר יעבור מרחק שונה בזמן נתון.
אנו נראה זאת בנקודות בעלות צבעים שונים על גבי נייר הסינון. הנקודות מעידות על החומרים השונים בתערובת. להדגמת השיטה נעשה הפרדה של דיו. כיום, כרומטוגרפיה משמשת בתחומים שונים בביולוגיה, בכימיה, בתחום הזיהוי הפלילי, בתעשיית המזון ובתעשיית התרופות.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 8: הפרדת דיו בכרומטוגרפיה
מטרת הניסוי: לבדוק מהם הצבעים שמהם מורכב הדיו.
ציוד וחומרים: קיסם, נייר סינון, עיפרון, סרגל, כלי להחזקת הנייר, דיו או טוש, מים.
מהלך הניסוי
1. בדקו שנייר הסינון מגיע עד לתחתית הכלי כשהוא מוחזק בקיסם המושחל דרכו ונשען על דפנות הכלי. הוציאו את הנייר מהכלי (ראו תמונה לעיל).
2. שפכו בזהירות מים לכלי עד לגובה חצי סנסימטר והציבו אותו במקום שתבחרו. משלב זה יש להקפיד שלא להזיז את הכלי.
3. סמנו קו בעיפרון (השתמשו בעיפרון בלבד) כ-2 סנטימטרים מהקצה התחתון של נייר הסינון (ראו תמונה).
א. מדוע חשוב להקפיד ולסמן את הקו בעיפרון בלבד ולא בעט?
4. ציירו בדיו או בטוש, נקודה קטנה באמצע הקו שציירתם (ראו תמונה).
5. הניחו את נייר הסינון בכלי, כך שהמים יגעו בנייר אך לא בדיו. אל תזיזו את הכלי. המתינו כ-10 דקות.
6. רשמו את תצפיותיכם, בכמה צבעים הבחנתם?
*201*
7. רשמו את מסקנותיכם.
8. הוציאו את נייר הסינון, יבשו אותו והדביקו במחברת.
שלבים בכרומטוגרפיה של דיו
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
סוגי דיו
(בספר איור, היעזר במנחה)
בארצות ערב השתמשו בדיו עתיק שהיה מורכב מאבקת פחם (צבע) ומדבש (חומר מקשר וממס). תערובות כאלה יובשו, ובעת הכתיבה נהגו להוסיף מים להמסה.
הדיו העתיק הזה נותר עמיד מאוד לאורך מאות שנים. אפשר להכין דיו כזה מפחם ודבש.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. למה משמש הדיו?
2. האם הדיו הוא יסוד, תרכובת או תערובת?
3. מהו ההרכב של דיו עתיק, ובמה ייחודו?
4. אתרו מידע על אודות סוגי דיו שונים והתייחסו להרכב ולאופן השימוש. ציינו את מקורות המידע שבהם נעזרתם.
*202*
הפרדת תערובות באמצעות זיקוק
כאשר רוצים להפריד תערובת של שני נוזלים או יותר, התכונה המפרידה שמשתמשים בה לצורך ההפרדה היא נקודת הרתיחה של הנוזלים, האופיינית לכל אחד מהם. כאשר מחממים את התערובת, הנוזל בעל נקודת הרתיחה הנמוכה יותר ירתח ראשון ויהפוך לאדים. את האדים אוספים במכשיר זיקוק, האדים מתקררים לאורך המעבה של מכשיר הזיקוק והופכים שוב לנוזל (מתעבים), ואותו אוספים בכלי המתאים (ראו איור). באותו אופן מופרדים הנוזלים האחרים בתערובת.
איור 1: מערכת זיקוק
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
(בספר תמונה)
ניסוי 9: זיקוק יין - הדגמת מורה
מטרת הניסוי: הפרדת כוהל מיין על-ידי זיקוק.
ציוד וחומרים: מערכת זיקוק כמתואר באיור 1, רצועות נייר, קערת חרסינה, גפרורים, 50 סמ"ק יין שולחני אדום, מים מזוקקים, כוהל אתאנול בבקבוקון קטן עם טפי.
מהלך הניסוי
הרכיבו את מערכת הזיקוק, כמתואר באיור 1.
1. הכניסו לתוך בקבוק הבישול כ-50 סמ"ק יין אדום.
2. חממו בזהירות את היין.
3. כאשר הטמפרטורה מתקרבת ל-100 מעלות צלסיוס הפסיקו את החימום.
4. החזיקו רצועת נייר במלקחיים וטפטפו עליה מהל אתאנול (מהבקבוקון) עד להספגתה. הדליקו את הנייר בזהירות מעל קערת חרסינה.
*203*
5. חזרו על סעיף 4, אולם הפעם טבלו את הנייר במים.
6. חזרו על סעיף 4 עם הנוזל שנאסף בכלי האיסוף.
7. חזרו על סעיף 4 עם הנוזל שנשאר בבקבוק הבישול.
8. העתיקו את הטבלה למחברותיכם והשלימו את המידע החסר:
הנוזל, צבע, ריח, דליקות, חומר טהור/תערובת
כוהל אתאנול, --, --, --, --
מים, --, --, --, --
יין, --, --, --, --
הנוזל בכלי האיסוף, --, --, --, --
הנוזל שנשאר בבקבוק, --, --, --
(בספר תמונה)
9. מהו, לדעתכם, הנוזל בכלי האיסוף?
10. איזה נוזל, לדעתכם, נשאר בבקבוק הבישול? מהו צבעו? האם תוכלו לשער מדוע?
(בספר תמונה)
צפייה בסרט
צפו בסרטון "זיקוק"
1. מהי התכונה המפרידה שבעזרתה מפרידים את הנוזלים זה מזה?
2. מהי שיטת ההפרדה?
3. אילו נוזלים הופרדו זה מזה בסרטון?
4. היכן מיישמים שיטת הפרדה זאת?
*204*
(בספר תמונה)
מידע והרחבה
הפרדת האוויר למרכיביו
האוויר היבש הוא תערובת אחידה המכילה בהרכב נפחי 78.1 אחוז חנקן, 21 אחוז חמצן, 0.03 אחוז פחמן דו-חמצני, מעט גזים אצילים (נאון, הליום, קריפטון וקסנון) וגזים נוספים בכמויות קונות. האוויר הרגיל מכיל גם אדי מים (לחות האוויר תלויה בתנאי מזג האוויר). האוויר חיוני לתהליך הנשימה ולקיום החיים. מעבר לכך הוא מהווה מקור עיקרי להפקת הגזים חמצן, חנקן וגזים אצילים המשמשים לצרכים שונים. החמצן משמש לנשימה ברפואה ובצלילה (בלוני חמצן). החנקן משמש לייצור דשנים, בתעשיית המזון וברפואה להקפאת תאים. הגזים האצילים משמשים בעיקר לתאורה וההליום משמש כידוע למילוי בלונים. כיצד אפשר להפריד את האוויר למרכיביו?
בשלב ראשון האוויר עובר דרך מערכת מסננים המטהרים אותו מאבק, ומזיהומים מוצקים אחרים. בשלב שני האוויר עובר דרך מסננים נוספים הסופגים מים, פחמן דו-חמצני ופחמימנים. המים והפחמן הדו-חמצני מסולקים כי בטמפרטורות הנמוכות שבהן עובדים, הם הופכים למוצקים ועלולים לחסום את הצנרת. הפחמימנים שבאוויר מסולקים ממנו מפני שהם חומרים דליקים, שכן בבואם במגע עם חמצן ובנוכחות ניצוץ הם מתלקחים. אמנם כמותם באוויר מזערית, אולם בעבודה עם כמויות גדולות של אוויר היא בעלת משמעות.
לאחר מכן עובר האוויר הגזי תהליך של דחיסה וקירור לטמפרטורה של -200 מעלות צלסיוס, עד שהוא מתעבה (הופך לנוזל), ואז מבצעים זיקוק. טמפרטורת הרתיחה של חנקן היא: -195.65 מעלות צלסיוס והיא נמוכה מזו של חמצן, שהיא -182.96 מעלות צלסיוס, על כן בחימום אוויר נוזלי, החנקן יתאדה ראשון. את החנקן אוספים בכלי האיסוף, ואילו בבקבוק הבישול נשארת תערובת של אוויר מועשר בחמצן, שאריות של חנקן ושאר מרכיבי האוויר שנותרו בתערובת. בהמשך הזיקוק יופרדו גם החמצן ומרכיבי האוויר האחרים.
(בספר תמונה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
ייצוג קטע מידע
1. קראו קריאה ראשונית (מהירה) את קטע המידע לעיל וכתבו במה הוא עוסק.
2. קראו שוב את הקטע בעיון וייצגו את עיקרי המידע שבקטע, באופן שיעזור לכם לזכור ולהבין את עיקרי התוכן.
זכרו:
- אפשר לייצג את המידע שמופיע בקטע במספר דרכים: טבלה, תרשים זרימה, גרף עמודות, גרף עוגה, גרף קווי, תמונה. בחרו את הדרך המתאימה לתוכן ולכם.
- לאחר הכנת הייצוג עיינו שוב בקטע על מנת לוודא שכללתם בייצוג שהכנתם את מרב המידע שמופיע בקטע המידע.
3. לאחר הכנת הייצוג כתבו במה תרמה הכנת ייצוג המידע להבנת קטע המידע.
*205*
(בספר תמונה)
שאלות
1. הביאו דוגמאות נוספות מחיי היומיום לשימוש באידוי להפרדת תערובות.
2. דנה ומיכל התווכחו ביניהן. דנה טענה שאם ממסים מלח בישול במים לקבלת תמיסה, ולאחר מכן מחממים את התמיסה, המים והמלח יתאדו יחד. מיכל טענה לעומתה, שהמים יתאדו ראשונים, כך שהמלח יצטבר בתחתית הכלי. מי צודקת? הסבירו את תשובתכם.
3. תלמידים קיבלו שני בקבוקים זהים (א' ו-ב'), ובכל אחד מהם נוזל בנפח של 200 מ"ל. בקבוק א' הכיל מים מזוקקים, ובקבוק ב' הכיל תמיסת מלח מרוכזת. הציעו דרך שבה אפשר לזהות את תמיסת המלח ללא טעימת התמיסה.
4. השוו בין תהליך זיקוק היין לבין תהליך הפרדת האוויר. רשמו מאפיין אחד שבו שני התהליכים שונים זה מזה ומאפיין הדומה בשני התהליכים.
5. הנפט הגולמי הוא תערובת של תרכובות פחמן המכונות פחמימנים. הנפט הגולמי הוא נוזל דליק וסמיך שצבעו שחור, חום כהה או ירוק כהה, והוא בעל ריח אופייני. על מנת להפריד את מרכיבי הנפט הגולמי מבצעים זיקוק במגדל זיקוק. מרכיביו השונים מופרדים באמצעות הזיקוק, ובמהלכו מתעבים מרכיביו השונים של הנפט בגבהים שונים של המגדל, כך שבכל קומה במגדל נאסף מרכיב אחר; סולר, בנזין, קרוסין (דלק של מנועי סילון), שמני סיכה, אספלט.
א. מהם המרכיבים של הנפט הגולמי?
ב. מהי השיטה להפרדת הנפט הגולמי?
ג. במה דומה שיטה זו לשיטה להפרדת יין ובמה היא שונה ממנה?
ד. היכן יש בארצנו מגדלים לזיקוק נפט גולמי?
אתר קידוח נפט
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
ניסוי
ניסוי 10: הפרדת תערובת של ברזל, פלפל שחור ומלח בישול
מטרת הניסוי: הפרדת תערובת של מספר חומרים באמצעות מספר תכונות מפרידות.
ציוד וחומרים: זכוכית מגדלת, מגנט, נייר סינון, כוס כימית, אבקת ברזל, פלפל שחור, מלח בישול, מים.
מהלך הניסוי
1. לפניכם תערובת המכילה: אבקת ברזל, פלפל שחור ומלח בישול. התבוננו בתערובת דרך זכוכית מגדלת ורשמו את תצפיותיכם במחברת.
2. אלו תכונות תסייענה לכם להפריד את החומרים בתערובת?
3. דונו עם חבריכם ותכננו את מהלך ההפרדה של התערובת. היעזרו בתכונות החומרים המרכיבים את התערובת שקיבלתם ובשיטות ההפרדה המתוארות בפרק.
*206*
4. תכננו את ההפרדה לפי שלבים וחשבו על הסדר המתאים להפרדה. רשמו בכל שלב:
א. את התכונה המפרידה שבאמצעותה תיעשה ההפרדה.
ב. תיאור ההפרדה.
ג. כלים וחומרים הנחוצים לביצוע ההפרדה.
ד. מהו החומר שיופרד בכל שלב?
ה. אילו חומרים נותרו בתערובת בכל שלב?
ו. הראו למורה את הצעתכם להפרדת התערובת וקבלו את אישורו/ ה לביצוע ההפרדה.
5. לאחר קבלת אישור מהמורה, בצעו את ההפרדה.
6. בדקו תכונות של כל חומר בנפרד, העתיקו את הטבלה למחברת והשלימו אותה:
חומר/ תכונה, מצב צבירה, צבע, משיכה למגנט, מסיסות במים
אבקת ברזל, --, --, --, --
פלפל שחור, --, --, --, --
מלח בישול, --, --, --, --
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
נהוג להציג במדע תרשימי זרימה לתהליכים שונים. מטרת תרשימים אלה היא להציג באופן ויזואלי ומתומצת את השלבים העיקריים של התהליכים. בתרשים 1 מתואר תרשים זרימה של תהליך הפרדת התערובת מלח ופלפל.
תרשים 1: הפרדת התערובת מלח ופלפל
- מלח ופלפל - המסה במים - מלח פלפל מים - סינון - מי מלח - אידוי - מים
- מלח ופלפל - המסה במים - מלח פלפל מים - סינון - מי מלח - אידוי - מלח
- מלח ופלפל - המסה במים - מלח פלפל מים - סינון - פלפל ושאריות מים - אידוי - מים
- מלח ופלפל - המסה במים - מלח פלפל מים - סינון - פלפל ושאריות מים - אידוי – פלפל
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
*207*
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
צפייה בסרט
התבוננו בסרט הפרדת תערובות וענו על השאלות הבאות:
1. מהם חומרי התערובת המופיעה בסרטון?
2. מהו החומר הראשון שהופרד מהתערובת?
3. רשמו את התכונה המפרידה שבאמצעותה הופרד החומר הראשון.
4. מדוע נאלצו לבצע שלב נוסף להפרדת החומר הראשון בתערובת?
5. מה נותר בצלחת הפטרי לאחר הפרדת החומר הראשון של התערובת?
6. כיצד הציעו בסרטון להפריד את יתר חומרי התערובת? מה, לדעתכם, יקרה בעקבות זאת?
7. לאחר הפרדת החומר הראשון בתערובת, ציינו את התכונה המפרידה בכל שלב של הפרדת חומרי התערובת שנותרו בצלחת הפטרי.
8. לסיכום תהליך ההפרדה, בנו תרשים זרימה של תהליך הפרדת התערובת.
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
*208*
*208*
- תערובת מכילה שני חומרים או יותר.
- רוב החומרים בטבע ובחיי היומיום הם תערובות מסוגים שונים; תערובות אחידות ולא אחידות, תמיסות מהולות, מרוכזות, רוויות ועוד.
- מסיסות החומר תלויה לעתים בטמפרטורה.
- ערבוב או/ו טמפרטורה משפיעים על קצב ההתמוססות.
- המסג (הסגסוגת) הוא תערובת אחידה שמרכיביה המרכזיים הם מתכות.
- אפשר להפריד תערובת לחומרים שבה באמצעות תהליכים פיזיקליים.
- תכונה מפרידה היא תכונה המאפשרת להפריד חומרים בתערובת.
- שיyות מקובלות להפרדת תערובות הן: סינון, אידוי, כרומטוגרפיה, זיקוק.
- הטבלה הבאה מסכמת את המאפיינים העיקריים של תערובת ותרכובת:
מאפיינים עיקריים של תערובת, מאפיינים עיקריים של תרכובת
תערובת היא חומר לא טהור הכולל שני חומרים טהורים או יותר (יסודות ו/או תרכובות), תרכובת היא חומר טהור
נוצרת על ידי ערבוב של חומרים (יסודות ו/או תרכובות), נוצרת בתהליך כימי
הכמויות של החומרים בתערובת אינן קבועות, בעלת הרכב קבוע
ניתנת להפרדה בתהליכים פיזיקליים, ניתנת לפירוק בתהליכים כימיים בלבד
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
- תהליך החקר המדעי כולל מספר שלבים: תכנון - הגדרת מטרה, העלאת השערות, בחירת כלים וחומרים; ביצוע הניסוי; איסוף ועיבוד ממצאים; ייצוג והצגת הממצאים; הסקת מסקנות.
- ייצוג מידע בקטע מדעי יכול להיעשות בצורה מילולית או בצורה חזותית באמצעות טבלאות ואיורים: תרשימים, גרפים, תמונות ומפות.
*209*
להלן התרשים המסכם שליווה את לימודינו בנושא חומרים:
תרשים 2: מיון חומרים 6
חומרים - יכולים להיות... - תערובות
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - מתכות - בנויות מ... סריג מתכתי (מבנה ענק) - כמו... - מגנזיום, נתרן
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - אטומים בודדים - כמו... - הליום, נאון, ארגון
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - מולקולות - כמו... - חמצן, ברום, יוד
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - יסודות - יכולים להיות... - אל-מתכות - בנויות מ... - סריג אוטומרי (מבנה ענק) כמו... - פחמן (יהלום, גרפיט)
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - תרכובות - יכולות להיות... - תרכובות יוניות - בנויות מ... - יונים חיוביים ויונים שליליים (מבנה ענק) - כמו... - נתרן כלורי, אשלגן יודי
חומרים יכולים להיות... - חומרים טהורים - יכולים להיות... - תרכובות - יכולות להיות... - תרכובות מולקולריות - מולקולות - כמו... - מים, סוכר, פחמן דו-חמצני
חומרים - יכולים להיות... - תערובות - אחידות - כמו... - אוויר, משקה נס קפה
חומרים - יכולים להיות... - תערובות - לא אחידות - כמו... - סלעים, משקה קפה שחור
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
*210*
שאלות סיכום
1. היעזרו בהיכרותכם עם חומרים שונים מחיי היומיום וכתבו דוגמאות לתערובות:
סוג התערובת, מצב הצבירה של החומרים היוצרים את התערובת, דוגמה לתערובת
תערובת אחידה, גז וגז, --
תערובת אחידה, נוזל ונוזל, --
תערובת אחידה, מוצק ונוזל, --
תערובת אחידה, מוצק ומוצק, --
תערובת לא אחידה, נוזל ונוזל, --
תערובת לא אחידה, מוצק ונוזל, --
תערובת לא אחידה, מוצק ומוצק, --
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
2. לפניכם רשימת חומרים: נחושת, כלור, ברזל גפרי, מי-ים, אדמה, מגנזיום, נתרן כלורי ומי סודה.
מיינו את החומרים ליסודות, תרכובות ותערובות. הסבירו את תשובתכם.
3. כל מוצר הנמכר במדינת ישראל חייב לשאת תווית, ובה מפורטים מרכיביו. הסתכלו בתוויות של 5 מוצרים (תרופות, חומרי ניקיון, מאכלים וכדומה).
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
ב. האם בין המוצרים האלה יש המוגדרים יסודות? הסבירו.
ג. אילו מהם אפשר להגדיר כתרכובות?
ד. הסבירו כיצד קבעתם אם מדובר בתערובת. בתרכובת או ביסוד?
4. היעזרו במודל החלקיקים וציירו במחברת:
א. את גז החמצן הנמצא בבלון א' (כל מולקולה של חמצן מורכבת משני אטומי חמצן).
ב. את גז החנקן הנמצא בבלון ב' (כל מולקולה של חנקן מורכבת משני אטומי חנקן).
ג. את האוויר הנמצא בבלון ג' (כ-79% חנקן וכ-20% חמצן).
*211*
5. לפניכם איורים של מודלים למספר חומרים במצב גזי. העזרו במודל החלקיקים והשיבו על השאלות הבאות:
א. ציינו עבור כל איור, אם המודל מתאר יסוד, תרכובת או תערובת.
ב. ציינו עבור כל איור, אם החלקיקים המתוארים מייצגים מולקולות של חומר אחד או יותר.
ג. איזה מהאיורים מתאר תערובת של יסוד ותרכובת?
(בספר איור, היעזר במנחה)
6. אסתר קיבלה תערובת של מלח, חול, שבבי ברזל וחתיכות קטנות של שעם. היא הפרידה בין חומרי התערובת בארבעה שלבים, כמתואר באיור. האותיות השרירותיות ,W, X, Y ו-Z מייצגות את ארבעת חומרי התערובת. זהו את החומרים (מלח, חול, ברזל או שעם) והתאימו אותם לאותיות.
שלב 1:
שימוש במגנט
W, X, Z, Y - W
W, X, Z, Y - X, Z, Y
שלב 2:
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
X, Z, Y - X
X, Z, Y - Z, Y
שלב 3:
סינון
מים + Z, Y - Y
מים + Z, Y - מים + Z
שלב 4:
אידוי
מים + Z - Z
מים + Z - מים
חומר W הוא: -- חומר X הוא: --
חומר Y הוא: -- חומר Z הוא: --
*212*
7. תומר נפל מאופניו, והמלח שאותו נשא בשקית, נשפך. הוא אסף את המלח מהקרקע יחד עם חול ועלים, ושם את התערובת חזרה בשקית. העתיקו את הטבלה למחברת ותארו את השלבים שעל-פיהם צריך תומר לפעול כדי להפריד את המלח מהחול והעלים. נמקו כל שלב, היעזרו בדוגמה (שלב 1). ייתכנו יותר מארבעה שלבים או פחות.
שלב, תיאור הפעולה שעל תומר לבצע, הנימוק לביצוע השלב
1, לסנן את התערובת במסננת, כדי לסלק את העלים ולקבל מלח וחול בכלי נפרד
2, --, --
3, --, --
4, --, --
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
8. מזקקים תערובת המכילה את שלושת הנוזלים א', ב', ג'. טמפרטורות הרתיחה של הנוזלים:
נוזל א' 56 מעלות צלסיוס
נוזל ב' 220 מעלות צלסיוס
נוזל ג' 180 מעלות צלסיוס
א. איזה נוזל מהנוזלים שבתערובת יופרד ראשון בתהליך הזיקוק? נמקו את תשובתכם.
ב. איזה נוזל מהנוזלים שבתערובת יופרד אחרון בתהליך הזיקוק? נמקו את תשובתכם.
9. תלמידים ערכו ניסוי כדי לבדוק האם וכיצד משתנה מסה של חומר כאשר ממיסים אותו במים. בשלב א' התלמידים מדדו את מסת המלח והמיסו אותו במים. בשלב ב' הם חיממו את מי המלח, אידו את המים ומדדו שוב את מסת המלח. איזה גרף מהגרפים הבאים מתאר בצורה הטובה ביותר את מסת המלח (כמות המלח) במהלך שני שלבי הניסוי? נמקו את תשובתכם.
(בספר שלושה גרפים, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
10. איזה משפט מהמשפטים הבאים מתאר תהליך המסה של מוצק בנוזל לקבלת תמיסה?
א. חלקיקי המומס מתפזרים בין חלקיקי הממס ומוקפים בהם.
ב. חלקיקי החומר המוצק שהומס אינם משנים את מיקומם בתמיסה.
ג. חלקיקי החומר המומס נעלמים.
ד. החומר המומס הופך ממוצק לנוזל.
*213*
האוויר הוא:
א. תרכובת של גזים שאיננה ניתנת להפרדה.
ב. תרכובת של גזים הניתנת להפרדה באמצעות זיקוק.
ג. תערובת של גזים שאיננה ניתנת להפרדה.
ד. תערובת של גזים הניתנת להפרדה באמצעות זיקוק.
12. בסדום אפשר למצוא גושי מלח בישול המכוסים בגרגירי חול ובאבק. הציעו דרך שבאמצעותה אפשר לקבל מלח נקי. תארו בעזרת תרשים את שלבי ההפרדה וציינו את שיטת ההפרדה בכל שלב.
13. במהלך הפרק התנסיתם בהפרדת תערובת של המוצקים קמח ומלח בישול באמצעות שיטת ההפרדה: סינון באמצעות נפה. ישנם מוצקים כגון מלח בישול וחול שהם בעלי גרגירים בגודל דומה, ועל כן אי אפשר להפרידם על-ידי סינון באמצעות נפה.
א. הציעו דרך להפרדת תערובת של חול ומלח בישול.
ב. ציינו את שיטות ההפרדה.
ג. הוסיפו תרשים זרימה להפרדת התערובת.
14. בטון משוריין הוא חומר מרוכב. קראו בפרק את "מידע והרחבה" בנושא חומרים מרוכבים. היעזרו במקורות מידע נוספים על בטון משוריין וענו על השאלות הבאות:
א. מהם המרכיבים של בטון משוריין?
ב. במה שונה בטון משוריין מבטון רגיל?
ג. באילו תחומים ומוצרים עושים שימוש בבטון משוריין?
ד. עמודי תמיכה של מבנים עשויים מבטון משוריין. אילו היו בונים עמודים אלו מבטון רגיל, העמודים היו עבים מאוד. הסבירו מדוע.
*214*
(עמוד ריק)
*215*
שער 3: מתחברים לחשמל
אמנון חזן, יעל במברגר, בת-שבע אלון
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
*216*
תוכן השער (לא הועתק)
*217*
פרק 7: הזרם החשמלי
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
*218*
*218*
בפרקים הבאים תכירו מקרוב שני מושגים המשמשים אותנו רבות בחיי היומיום: זרם חשמלי ואנרגיה חשמלית. בעבר למדתם על מבנה האטום, ועל כך שבאטום יש חלקיקים טעונים. כעת נלמד כי זרם חשמלי הוא תנועה של המטענים הללו, ונכיר את אפשרויות השימוש בו ואת הגורמים המשפיעים על עוצמתו.
נלמד גם על אנרגיה חשמלית שאותה אפשר להמיר לסוגי אנרגיה שונים המשמשים אותנו במגוון עצום של תחומים. עם זאת, להפקת אנרגיה חשמלית ממקורות האנרגיה הקיימים בטבע יש מחיר סביבתי רב. לכן, ברחבי העולם כולו נעשים מאמצים למצוא מקורות אנרגיה חלופיים, שיאפשרו לנו להמשיך ולהינות מהחשמל, יחד עם שמירה על איכות הסביבה ועל עתיד כדור הארץ.
*218*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
מטרת הפעילות: לבחון תופעות אלקטרוסטטיות הרווחות בחיי היומיום.
ציוד וחומרים: דף נייר, מספריים, בלון, כוס חד-פעמית מנייר, נייר דבק, סיכה מתפצלת, קשית שתייה, גולה.
מהלך הפעילות
1. נקבו את הכוס במרכזה, והשחילו את הקשית דרך הנקב. גזרו את הקשית באורך של 15 ס"מ, והדביקו אותה לכוס באמצעות נייר דבק, כמודגם באיור 1.
2. גזרו את דף הנייר לשניים, לאורכו. את מחצית הדף קפלו לשניים לאורך. חזרו על פעולה זו שנית, כמודגם באיור 2.
3. באמצעות סיכה מתפצלת, נקבו חור באמצע הקפל של הדף, והשחילו דרכו את הסיכה אל הקשית, כמודגם באיור 3.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
4. נפחו את הבלון וקשרו אותו. שפשפו את הבלון בשערכם, וקרבו אותו אל הדף כמודגם באיור 4.
א. תארו מה מתרחש.
ב. הסבירו את התופעה באמצעות מה שלמדתם על מטענים חשמליים בשיעורי הכימיה.
איור 4
(בספר איור, היעזר במנחה)
5. הניחו גולה במרכז הדף, ובאמצעות הבלון המשופשף נסו למנוע את נפילתה, כמודגם באיור 5.
ערכו תחרות בין הקבוצות, ובדקו איזו קבוצה מצליחה למנוע את נפילתה של הגולה זמן ממושך יותר.
איור 5
מסקנות
1. מה גרם, לדעתכם, למשיכה של הדף לבלון?
2. האם אתם מכירים תופעות נוספות מחיי היומיום שמתרחש בהן תהליך דומה? ציינו מהן.
בלימודיכם הקודמים הכרתם את מבנה האטום, ולמדתם כי באטום יש חלקיקים הטעונים במטען חשמלי: פרוטונים (בעלי מטען חיובי) ואלקטרונים (בעלי מטען שלילי). בין חלקיקים אלה פועלים כוחות משיכה ודחייה: חלקיקים שווי- מטען דוחים זה את זה, וחלקיקים שוני-מטען מושכים זה את זה. כוחות המשיכה והדחייה בין החלקיקים הטעונים מתבטאים גם בתופעות יומיומיות, המכונות תופעות אלקטרוסטטיות: כאשר משפשפים גופים העשויים מחומרים מבדדים בחומרים כמו צמר, משי או נייר, הגופים נטענים במטען חשמלי ואז אפשר להבחין בכוחות משיכה או דחייה הפועלים ביניהם. למעשה הטעינה מתרחשת כתוצאה מהמגע בין הגופים. פעולת השפשוף מגבירה את מידת הטעינה. על פי מודל האטום שהכרתם, ההסבר לתופעות אלה מבוסס על תכונת הניידות של האלקטרונים: כאשר משפשפים חומרים שונים זה בזה, אלקטרונים עוברים מחומר אחד לחומר האחר. בחומר אחד נוצר חוסר באלקטרונים, כלומר, נוצר עודף של מטענים חיוביים, ובחומר שאליו הועברו האלקטרונים נוצר עודף של מטענים שליליים. לכן לאחר הטעינה גופים אלה מושכים או דוחים זה את זה, או חומרים ניטרלים אחרים.
משיכה חשמלית יכולה להתרחש גם בין גופים טעונים לגופים ניטרלים הסמוכים להם, נוכחות של גוף טעון במטען מסוים גורמת להסתדרות מטענים בעלי סימן מנוגד בגוף הניטרלי - בצד הקרוב לגוף הטעון. מטענים אלה נמשכים אל הגוף הטעון ולכן יש משיכה בין שני הגופים.
משיכה או דחייה של גופים הנובעת מעודף של מטען חשמלי מסוג מסוים מכונה תופעה אלקטרוסטטית.
*220*
*220*
בעבר למדתם כי חומרים אחדים מסוגלים להוליך דרכם את המטענים החשמליים טוב יותר מאחרים. בחומרים אלה, הנקראים מוליכים, חלק מהמטענים החשמליים חופשיים יחסית, ומסוגלים לנוע ולעבור ממקום למקום בתוך החומר שעה שפועלים עליהם כוחות חשמליים.
במוליכים מתכתיים מצויים אלקטרונים חופשיים.
כך למשל, מתכות הן מוליכות משום שמצויים בהן אלקטרונים חופשיים היכולים לנוע בחופשיות במתכת. אלקטרונים חופשיים אלה אינם "עוזבים" את גוף המתכת. הם נמצאים בתנועה אקראית מתמדת בין האטומים המרכיבים את המוליך המתכתי, תוך כדי התנגשויות. תנועה זו מתרחשת כל העת ומושפעת מהטמפרטורה של המוליך. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך התנועה מהירה יותר. דוגמאות נוספות לחומרים מוליכים: גרפיט ומים.
איור 6א': תנועה אקראית של אלקטרונים חופשיים במתכת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
העובדה כי האלקטרונים בחומרים אלה הם חופשיים מאפשרת להם להתקדם בכיוון מסוים כאשר מפעילים עליהם כוח באותו כיוון. (כוח זה יכול להיווצר, למשל, מעודף של מטענים חיוביים המרוכזים בקצה התיל)
איור 6ב'. מסלולו של אלקטרון בודד המדגים השפעת התנגשויות על תנועת האלקטרון.
החץ מציין את התקדמות האלקטרון בהשפעת כוח חשמלי.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
אפשר לדרג חומרים לפי המידה שבה הם מעבירים מטענים, כלומר, לפי המוליכות החשמלית שלהם: ממוליכים טובים מאוד דרך מוליכים פחות טובים ועד למוליכים גרועים מאוד - זאת בהתאם למידת יכולתם של המטענים לנוע בחופשיות בהשפעת כוחות חשמליים. מוליכים גרועים מאוד מכונים מבדדים.
אם כן אין מדובר בשני סוגים של חומרים, מוליכים ומבדדים, אלא בתכונה המשתנה באופן רציף. גוף האדם, לדוגמה, הוא מוליך פחות טוב ממתכת, אך בגלל היותו מוליך בכל זאת, קיימת סכנת התחשמלות שעליה נלמד בפרקים הבאים.
*221*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
מוליכים למחצה
מוליכים למחצה הם חומרים אשר ההולכה החשמלית שלהם מדורגת בין מוליכים למבודדים; אך בשונה מהם, המוליכות החשמלית של מוליך למחצה יכולה להשתנות מאוד בעקבות שינוי בטמפרטורה או בעקבות חשיפה לאור. חומרים אלו, לדוגמה סיליקון, יכולים להיות מבודדים ללא חשיפה לאור, ומוליכים טובים בעת חשיפה לאור. בגלל תכונה זו, יש להם שימושים רבים בתחום האלקטרוניקה, כמו בגלאי אור המשמשים למצלמות דיגיטליות וכן בגלאים המשמשים לראיית לילה.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. אילו סוגי חומרים מוזכרים בקטע הקריאה?
2. רשמו את תכונות החומרים המוזכרות בקטע.
3. העתיקו שלושה משפטי מפתח המופיעים בקטע שקראתם. נמקו את בחירתכם.
4. האם הכותרת מתאימה לקטע הקריאה? נמקו.
5. כתבו כותרת חלופית לקטע הקריאה.
*222*
*222*
בפעילות שלפניכם נכיר דרכים שונות להדליק נורה. השוואה בין דרכים אלה תאפשר לנו ללמוד על הקשר שבין מטענים חשמליים ובין זרם חשמלי.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
פעילות
יריד תופעות - הדלקת נורה בדרכים שונות
מטרת הפעילות: לבחון דרכים שונות שבהן אפשר להדליק נורה.
ציוד וחומרים: סרגל פלסטיק, מטלית צמר, נורת נאון. סוללה 1.5 וולט, 2 נורות ובתי נורה, 4 תילים, פנס דינמו, תפוח אדמה, לוחית אבץ, לוחית נחושת ונורת LED.
תיאור הפעילות
בפעילות זו תעברו בין תחנות המציגות דרכים שונות להדלקת נורה. בכל תחנה תצטרכו להשתמש בחומרים כדי להדליק את הנורה, ולענות על השאלות הבאות:
1. מהו המקור החשמלי?
2. מהו התהליך שגרם לנורה להידלק?
3. כיצד אפשר יהיה לשנות את עוצמת האור בנורה?
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
תחנה א'
לפניכם סרגל פלסטיק, מטלית צמר ונורת נאון. (בספרתמונה, היעזר במנחה)
דונו בקבוצה כיצד אפשר להשתמש בחומרים שלפניכם כדי להדליק את נורת הנאון. הדליקו את הנורה בדרך שהצעתם וכתבו במחברתכם תשובות לשאלות המופיעות למעלה.
תחנה ב'
לפניכם סוללה, נורה, בית נורה ושני תילים. (בספר תמונה, היעזר במנחה)
דונו בקבוצה כיצד אפשר להשתמש בחומרים שלפניכם כדי לבנות מעגל חשמלי שהנורה תידלק בו.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
תחנה ג'
לפניכם פנס דינמו. (בספרתמונה, היעזר במנחה)
דונו בקבוצה כיצד אפשר להשתמש בחומרים שלפניכם כדי להדליק את הנורה. הדליקו את הנורה וכתבו במחברתכם תשובות לשאלות המופיעות למעלה.
*223*
תחנה ד'
לפניכם תפוחי אדמה (או לימונים), לוחיות אבץ ולוחיות נחושת, שני תילים, ונורת LED אדומה.
(אפשר לצפות בסרטונים: בעבור תפוחי האדמה ו-בעבור הלימונים).
(בספר איור, היעזר במנחה)
דונו בקבוצה כיצד אפשר להשתמש בחומרים שלפניכם כדי להדליק את הנורה. היעזרו בתמונות.
הדליקו את הנורה בדרך שהצעתם וכתבו במחברתכם תשובות לשאלות המופיעות למעלה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
הסקת מסקנות
על סמך הפעילות, ערכו טבלה ובה השוו בין הדרכים השונות להדלקת נורה. בעמודה הימנית כתבו מהם התבחינים (הקריטריונים) להשוואה (לדוגמה: משך הזמן שהנורה דלקה), והשלימו את הטבלה.
טבלה 1: השוואה בין דרכים שונות להדלקת נורה חשמלית
התבחין, סרגל משופשף, סוללה, פנס דינמו, תפוח אדמה/ לימון
משך הזמן שהנורה דלקה, --, --, --, --
מידת הנוחות, --, --, --, --
--, --, --, --, --
--, --, --, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
מהם ההבדלים בין השיטות השונות להדלקת הנורה ומה תוכלו להסיק לגבי ההשלכות של השימוש בהן?
כאשר הצמדנו את הסרגל אל הנורה, גרמנו לעודף מטענים שנוצר כתוצאה מההצמדה ומפעולת השפשוף של שני החומרים. המטענים נעו דרך החומרים המוליכים שבנורה, וכתוצאה מכך הנורה דלקה. גם ביתר המקרים דלקה הנורה כתוצאה מזרימת מטענים דרכה. עם זאת קיים הבדל במשך הזמן שבו דלקה הנורה. למשל, בניסוי שביצענו עם הסרגל המשופשף היה הבזק אור רגעי. הסיבה לכך היא שבמהלך השפשוף טענו את הסרגל בכמות מסוימת של מטענים. לאחר שהמטענים האלה זרמו דרך הנורה, היא כבתה. כדי לחזור ולגרום לנורה להאיר יש להתמיד בשפשוף הסרגל. לעומת זאת, במעגל חשמלי, הסוללה מאפשרת זרימת מטענים רציפה לאורך זמן ממושך יחסית. כתוצאה מכך הנורה דולקת זמן ממושך. זרימה של מטענים מכונה זרם חשמלי.
*224*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
זרם של מטענים חשמליים מתרחש לא רק במתכות, אלא גם בתמיסות.
1. רשמו דוגמאות לזרימה של מטענים בתמיסות שעליהן למדתם בפרק הכימיה.
2. אילו מטענים נעים בתמיסות?
*224*
בעבר הכרתם את המושג מעגל חשמלי סגור המכיל מקורות חשמליים כמו סוללה, תילים ורכיבים חשמליים שונים, המאפשרים מעבר רציף של מטענים חשמליים דרך המוליכים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות
בנייה של מעגל חשמלי וייצוגו בדרכים שונות
מטרת הפעילות: להתנסות בבניית מעגלים חשמליים שבהם נורה דולקת ולהכיר ייצוגים שונים לתיאורם.
ציוד וחומרים: סוללות, נורות ובתי נורה, תילים, מתג.
מהלך הפעילות
1. השתמשו בציוד שברשותכם, ובנו מעגל שבו הנורה תדלוק באופן ממושך. מעגל כזה נקרא מעגל סגור.
2. עתה גרמו לניתוק הזרם החשמלי במעגל שבניתם. מעגל זה נקרא מעגל פתוח.
3. בנו מעגל חשמלי שדולקות בו שתי נורות.
4. בנו מעגל חשמלי עם שתי סוללות.
5. ציירו במחברתכם את המעגלים החשמליים שבניתם בפעילויות 1 ו-4.
(בספר איור, היעזר במנחה)
איור 7: סימנים מוסכמים (סכמטיים) של חלקי המעגל החשמלי
נורה, מקור חשמל, מפסק פתוח, מפסק סגור, מד-זרם, נגד
מעגלים חשמליים יכולים להיות מתוארים בצורות ייצוג שונות אשר לכל אחת מהן יתרונות וחסרונות. נדגים זאת באמצעות ייצוג של מעגל חשמלי המורכב מסוללה, נורה ותיילים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
תמונה - ייצוג תופעה על-ידי צילום שלה. היתרון בתמונה הוא הדמיון למקור. החיסרון הוא שתמונה כוללת פרטים נוספים שאינם רלבנטיים למעגל החשמלי (כגון צבע רכיבים וצורתם) וכן חלקים מסוימים מהמערכת אינם נראים. בנוסף, במעגלים מורכבים לא תמיד אפשר להבחין בבירור במרכיבי המעגל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
איור - ייצוג המעגל החשמלי באופן ש"מחקה" (מעתיק) את התופעה. היתרון באיור טמון באפשרות להבליט רכיבים אשר קשה או בלתי אפשרי להראות בתמונה. חסרונות האיור הם בממדיו הגדולים יחסית ובתלותו בכשרון המאייר/ת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר שרטוט, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. לפניכם מעגל חשמלי המתואר בסימנים מוסכמים. כתבו:
א. מהם רכיבי המעגל?
ב. האם המעגל פתוח או סגור?
ג. במצב המתואר, האם מאירה נורה במעגל? אם כן, סמנו איזו נורה מאירה.
2. ציירו את המעגלים שבניתם בפעילות שבעמוד הקודם באמצעות הסימנים המוסכמים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*226*
*226*
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
1. תנו דוגמאות מחיי היומיום שבהן אנו משתמשים בניסויים הקשורים במילה "זרם".
2. מה משותף לכל הדוגמאות שהעליתם?
3. האם עוצמת הזרם בדוגמאות שנתתם היא קבועה או משתנה?
4. במה, לדעתכם, תלויה עוצמת הזרם?
בחיי היום-יום אנו מרבים להשתמש בביטויים הקשורים במילה "זרם": זרם של מים, זרימה של כלי רכב, זרימת אוויר, זרם של אנשים, וכמובן - זרם חשמלי. ברוב המקרים די ברור מהו הדבר שזורם. למשל: חלקיקי המים או האוויר, מכוניות או אנשים. אך מה זורם בזרם החשמלי? למדנו כי הזרם החשמלי הוא תנועה של מטענים חשמליים. למשל, בתיל נחושת, המטענים הנעים הם האלקטרונים החופשיים המצויים מלכתחילה בתיל. בהשפעה של כוחות חשמליים (משיכה או דחייה) האלקטרונים מסוגלים להתקדם בתיל בכיוון מסוים. (ראו עמוד 220).
אחת השאלות שתעניין אותנו בהמשך הלימוד היא: מהי עוצמתו (חוזקו) של הזרם החשמלי במעגלים חשמליים שונים?
לצורך זה נחשוב על בעיה שמתמודדים איתה מומחי תחבורה: כיצד אפשר להשוות את עוצמת (גודל) זרם המכוניות הנוסעות בשני כבישים שונים? מהם הנתונים שלהם זקוקים המומחים על מנת לענות על שאלה זו?
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
1. חשבו על שיטה למדידת עוצמת זרם המכוניות בכביש מסוים.
2. מהם הנתונים שצריך לדעת על מנת ליישם את השיטה שחשבתם עליה בסעיף הקודם?
3. כאשר מעוניינים להשוות את עוצמת זרם המכוניות הנוסעות בשני כבישים שונים, כיצד אפשר לדעת היכן הזרם חזק יותר?
4. האם השיטה שהצעתם מתאימה למדידת עוצמת זרם המים העוברים בצינור?
5. האם השיטה שהצעתם מתאימה להשוואת עוצמת זרמי המים העוברים בשני צינורות שונים?
6. האם השיטה שהצעתם מתאימה גם למדידת זרם חשמלי, כלומר למדידה של עוצמת זרם המטענים במוליך?
*227*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
ההקבלות שעשינו בין הזרם החשמלי לתופעות אחרות (כמו זרם המכוניות או זרם המים) נקראות אנלוגיות. בעזרת אנלוגיה בין שני דברים אפשר ללמוד על האחד בעזרת האחר. כמובן לכל אנלוגיה יש מגבלות, וזאת משום שהיא משווה בין דברים שאינם זהים.
במדע מקובל לעשות שימוש באנלוגיות - הקבלה או השוואה בין שתי תופעות - לצורך לימוד והבנה.
הידעתם?
הפיזיקאי יליד ניו-זילנד ארנסט רתרפורד (1871-1937) הציע מודל למבנה האטום המבוסס על אנלוגיה למערכת השמש. באנלוגיה זו, השמש מייצגת את גרעין האטום, כוכבי הלכת מייצגים את האלקטרונים וכוח הכבידה מייצג את הכוח החשמלי. במהלך השנים הוחלף מודל זה במודלים אחרים, מתאימים יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
1. כתבו במה דומה עוצמת זרם המכוניות לעוצמת הזרם החשמלי.
2. כתבו במה שונה זרם המכוניות מהזרם החשמלי.
3. כתבו אנלוגיה אפשרית נוספת שבאמצעותה אפשר ללמוד על הזרם החשמלי. ציינו במה הזרם באנלוגיה שאתם מציעים שונה מזרם חשמלי ובמה הוא דומה לו.
על מנת לדעת מהי עוצמת זרם המכוניות הנוסעות בכל אחד מהכבישים עלינו לדעת כמה מכוניות נעות בכל כביש בפרק זמן מסוים, וכן את רוחב הכביש, מכיוון שאף הוא יכול להשפיע על עוצמת זרם המכוניות. הדבר דומה לזרם חשמלי. הואיל וכאן מדובר במטענים חשמליים הנעים במוליך, עלינו לדעת כמה מטען עובר בשטח חתך של מוליך זה בפרק זמן מסוים.
עוצמת הזרם החשמלי היא כמות המטען החשמלי העוברת דרך שטח החתך של מוליך במשך יחידת זמן אחת.
(שטח חתך - השטח של חתך מישורי בגוף תלת-ממדי. באיור, מדובר בשטח של העיגול המתקבל כאשר "חותכים" לרוחב את התיל המוליך. במקרה המתואר בציור אין הבדל אם בוחרים את החתך במקום אחר לאורך המוליך.)
*228*
*228*
עוצמת הזרם החשמלי בתיל מתכתי הוא כמות המטען העוברת ביחידת זמן דרך שטח החתך של התיל. ככל שקצב מעבר המטענים (כלומר המספר הכולל של אלקטרונים ביחידת זמן) במוליך גדול יותר. כך עוצמת הזרם גדולה יותר. יחידת המידה לעוצמת הזרם החשמלי מכונה אמפר. את ההגדרה של הזרם החשמלי אפשר לנסח גם באופן מתמטי, כלומר להביע בנוסחה:
(בספר איור, היעזר במנחה)
I - עוצמת הזרם
q - כמות המטענים העוברת בחתך של המוליך
t - משך הזמן
שאלה: פי כמה יגדל הזרם החשמלי במוליך, אם נגדיל פי 2 את כמות המטענים העוברת בו בכל שנייה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
יחידות מידה
יחידת המידה של עוצמת הזרם החשמלי מכונה אמפר. יחידה זו נקראת על שם אנדרה-מרי אמפר (1775-1836), פיזיקאי, מתמטיקאי וכימאי צרפתי אשר חקר את תכונותיו של הזרם החשמלי. מקובל לסמנה באות A.
(בספר איור, היעזר במנחה)
כאשר הזרם נמדד באמפר ומשך הזמן בשניות, המטען נמדד בקולון.
(בספר שני בולים)
איור 8א': אמפר
איור 8ב': קולון
מהו גודל המטען של אלקטרון בודד?
בתחילת המאה העשרים ערך הפיזיקאי האמריקאי רוברט מיליקן סדרת ניסויים אשר ממנה הסיק כי גודלם של כל המטענים החשמליים בטבע הוא כפולה של מטען בסיסי אחד, השווה למטען האלקטרון, ולכן הוא מכונה המטען החשמלי היסודי. גודלו של המטען היסודי קטן כל-כך, עד שמטענם של מיליארדי מטענים יסודיים שווה לקולון אחד:
1 קולון = 6,250,000,000,000,000,000 מטענים יסודיים
כאמור, יחידת הזרם החשמלי היא אמפר. כאשר כמות המטען הזורמת במוליך בכל שנייה היא 1 קולון הזרם יהיה 1 אמפר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. חשבו את המטען (בקולון) העובר כאשר זורם זרם בעוצמה של 2 אמפר במשך 7 שניות.
2. מדוע, לדעתכם, אנו מודדים את כמות המטען בקולון ולא במספר אלקטרונים?
*229*
*229*
בפעילות שערכנו בכיתה למדנו כי לזרם החשמלי, כמו לזרם המכוניות, עוצמה שיכולה להשתנות. האם עוצמת הזרם היא הגורם היחיד המאפיין את הזרם?
כאשר עסקנו בתנועה שלמטענים במוליך מתכתי, למדנו כי האלקטרונים החופשיים שבמוליך נמשכים אל המקום שיש בו עודף מטענים חיוביים. כעת, כשאנו יודעים שגם במעגל חשמלי סגור קיים זרם של מטענים, כיצד נדע מה כיוונו של זרם זה? ניסויים מראים שכיוון זרימת האלקטרונים מחוץ לסוללה הוא מההדק השלילי של הסוללה, דרך המוליכים, אל ההדק החיובי שלה.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
זרם חשמלי מאופיין על-ידי עוצמה (גודל) וכיוון.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
מקובל לתאר את כיוון הזרם במעגל מההדק החיובי לשלילי, כלומר הפוך לכיוון הזרימה של האלקטרונים. זו החלטה שרירותית, שמשמעותה היא שכיוון הזרם הוא הכיוון שבו היה נע במעגל מטען חיובי. נחזור לעניין זה בהמשך.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
משימה
העתיקו למחברתכם את המעגלים הבאים, וסמנו את כיוון הזרם החשמלי (זכרו כי הקו הארוך מייצג את ההדק החיובי של הסוללה, והקו הקצר מייצג את ההדק השלילי):
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
*230*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
בדרך החקר
מיומנות בידוד משתנים
לפניכם בעיה מחיי היום-יום: הטלפון הנייד של רונית משמיע רעשים במהלך השיחות והיא מעוניינת לזהות את הגורם לתקלה. לדעתה הגורם האפשרי לתקלה הוא הרמקול או הסוללה. לשם כך, רונית מחליטה להחליף גם את הרמקול וגם את הסוללה. האם הדרך שנקטה רונית נראית לכם? אם לא הציעו דרך אחרת. נמקו את תשובתכם.
במדע, וגם בחיי היום-יום, כאשר מעוניינים לבדוק אם גורם מסוים משפיע על תופעה ומהי השפעתו הייחודית יש לשנות רק את הגורם הזה, בעוד יתר הגורמים המעורבים בתופעה נותרים קבועים. פעולה זו נקראת "בידוד משתנים", הגורם שאותו משנים בניסוי מכונה "משתנה" או"גורם משפיע" והגורמים שאותם לא משנים נקראים "גורמים קבועים". גורם המשתנה בתופעה כתוצאה מהתערבותנו, מכונה "גורם מושפע". בדוגמה זו הגורם המושפע הוא איכות הקול בטלפון של רונית. בפעילות הבאה נערוך ניסוי המדגים כיצד מתבצע בידוד המשתנים.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
צפו בהדגמה שבה המורה מציגה בפניכם נורה המחוברת לשקע החשמלי, אך אינה דולקת.
שאלות לדיון
1. מדוע, לדעתכם, הנורה אינה דולקת?
2. העלו הצעות המאפשרות לבדוק בכל פעם מהו הגורם לכך שהנורה לא נדלקה.
3. תכננו ניסוי המתאים לבדיקת אחת ההצעות שהעליתם בסעיף הקודם.
בהשגחת המורה, בצעו את הניסוי שהצעתם לבדיקת הגורם לכך שהנורה לא נדלקה. מהו ההבדל בין ההדגמה של המורה לבין הניסוי שביצעתם זה עתה?
בהדגמה של המורה, התייחסתם לכמה גורמים בו-זמנית (למשל: השקע והנורה). לעומת זאת, בניסוי שהצעתם בודדתם את הגורמים ובדקתם כל אחד מהם בנפרד, כאשר היתר נותרו ללא שינוי.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. תנו שתי דוגמאות מחיי היומיום שמתבצע בהם בידוד משתנים.
2. מה למדתם מההדגמה של המורה ומהצעותיכם לבדיקת הגורם לכך שהנורה לא נדלקה.
3. מדוע, לדעתכם, חשוב להקפיד על בידוד משתנים בניסוי עם מספר גורמים?
השלבים בבידוד משתנים:
1. זיהוי גורמים אפשריים המשפיעים על התופעה.
2. בדיקה, האם וכיצד משתנה התופעה כתוצאה משינוי אחד הגורמים, כאשר יתר הגורמים נותרים קבועים.
3. חזרה על שלב 2 לבדיקת השפעתם של גורמים נוספים.
בסעיף הבא תבצעו ניסוי מורכב שבמהלכו תיישמו את בידוד המשתנים בתהליך חקר.
*231*
*231*
למדנו כי עוצמת הזרם נקבעת על-ידי כמות המטען החשמלי הזורם בחתך של המוליך ביחידת זמן: ככל שכמות המטען הזאת גדולה יותר, כך הזרם החשמלי במעגל גדול יותר. כמו כן, למדנו כי לזרם חשמלי יש כיוון - מההדק החיובי של הסוללה אל ההדק השלילי שלה.
כיצד נוכל למדוד את גודלו ואת כיוונו של זרם המטענים?
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
פעילות
מדידת עוצמת הזרם החשמלי וכיוונו באמצעי מדידה שונים
מטרת הפעילות: לבחון את יתרונותיהם וחסרונותיהם של אמצעי מדידה שונים למדידת עוצמה וכיוון של זרם חשמלי: מצפן, נורה ואמפרמטר (מד-זרם).
מצפן מד-זרם נורה
(בספר איור, היעזר במנחה)
ציוד וחומרים: לכל קבוצה: 3 סוללות, תילים, נורה ובית נורה, מצפן, מד-זרם, נורה נוספת.
הערות והדרכות
1. מצפן: את המצפן לא מחברים ישירות למעגל, אלא מניחים מתחת לאחד מחוטי התיל. יש להניח את המצפן כך שהמחט המורה על הצפון והדרום תהיה מקבילה לחוט התיל, כמוראה בתמונה.
2. מד-זרם: מד-זרם הוא מכשיר רגיש. זרם העולה על המותר עלול "לשרוף" אותו, לכן מומלץ לנקוט את כללי הזהירות הבאים:
א. אסור לחבר ישירות את שני ההדקים של מד-הזרם לאלה של המקור החשמלי!
ב. אם יש למד-הזרם כמה תחומי מדידה, התחילו את המדידה מן החיבור המיועד לעוצמת הזרם הגבוהה ביותר. אם הסטייה במחוג קטנה מאוד, עברו לחיבור המיועד לעוצמת זרם נמוכה יותר.
*232*
מהלך הפעילות
חלק א - פעילות בקבוצות
כל קבוצה תקבל מגש ועליו הציוד הרשום ואמצעי מדידה. חלק מהקבוצות תקבלנה נורה נוספת כאמצעי מדידה, חלק תקבלנה מצפן, וחלק מד-זרם. כל קבוצה תבדוק באמצעות הציוד שלה דרכים שונות לשנות את הזרם במעגל ולמדוד אותו.
1. רשמו מהו אמצעי המדידה שבאמצעותו תבדקו את עוצמת הזרם החשמלי: נורה, מצפן או מד-זרם.
2. כיצד לדעתכם אפשר לשנות את עוצמת הזרם החשמלי במעגל? (כדי להעלות הצעה היעזרו בציוד שעל המגש שלכם).
3. איזו תגובה של אמצעי המדידה יכולה להצביע על שינוי בעוצמת הזרם?
4. האם יכולתם לקבוע מהו כיוון הזרם? אם כן, כיצד, אם לא, מדוע?
העלאת השערה
נסחו השערה לגבי הקשר בין עוצמת הזרם לבין תגובת אמצעי המדידה שלכם.
תכנון ניסוי
תכננו ניסוי שיבדוק את השערתכם. כתבו את מערך הניסוי:
1. מהו הגורם שתשנו במהלך הניסוי? ("גורם משפיע").
2. מדוע חשוב שנשנה רק גורם זה ולא גורמים נוספים ("גורמים קבועים")?
3. מהם הגורמים הקבועים?
4. מהו הגורם שתמדדו? גורם זה מכונה גם "גורם מושפע".
5. שרטטו את המעגלים החשמליים אשר תכננתם.
6. העתיקו למחברתכם את טבלה 2 והשלימו אותה. ציינו מהו מכשיר המדידה שהשתמשתם בו.
טבלה 2: תכנון הניסוי: הגורמים המשתנים והקבועים בניסוי. מכשיר המדידה: --
(ריק), הגורמים הקבועים מראש בניסוי (סמנו"+" בתא המתאים), הגורם שאנו משנים בניסוי (סמנו"+" בתא המתאים), השערה על: תגובת אמצעי המדידה (פרטו)
מספר הסוללות, --, --, --
סוג הסוללות, --, --, --
מספר הנורות, --, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
איסוף נתונים
בצעו את הניסוי באמצעות הציוד שברשותכם ורשמו את תוצאותיכם בטבלה 3.
טבלה 3: תוצאות הניסוי
הגורם המשפיע, תוצאת המדידה באמצעי המדידה
--, --
--, --
--, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
*233*
הסקת מסקנות
1. האם אפשר לבדוק את עוצמת הזרם החשמלי באמצעי המדידה שברשותכם? אם כן, הסבירו כיצד.
2. חוו את דעתכם על השימוש באמצעי המדידה שברשותכם ככלי למדידת עוצמת הזרם החשמלי: האם הוא רגיש במידה מספקת למדידת עוצמות חלשות? האם אפשר להבחין באמצעותו בזרמים בעוצמות השונות במעט זו מזו?
3. מתי רצוי להשתמש בכל אחד מאמצעי המדידה הללו?
4. הפכו את הסוללה כך שהחוט שהיה מחובר להדק החיובי של הסוללה יהיה מחובר כעת להדק השלילי שבה. סגרו את המעגל ובדקו את תגובת אמצעי המדידה שלכם.
א. מה השתנה במעגל כאשר הפכתם את כיוון הסוללה?
ב. האם השתנה משהו בתגובת אמצעי המדידה?
ג. לפי התוצאה שקיבלתם בסעיף ב', האם אפשר להבחין באמצעות אמצעי המדידה שברשותכם האם השתנה כיוונו של הזרם החשמלי? הסבירו.
5. על סמך הניסוי שביצעתם העתיקו למחברתכם את תרשים המלבנים הבא והשלימו.
שינוי ב... - (גורם ל...) - שינוי בעצמת הזרם במעגל - (הנמדדת על-ידי...) - שינוי ב...
(בספר איור, היעזר במנחה)
חלק ב- - פעילות במליאה
הציגו בפני הכיתה את הניסוי שערכתם: הציגו את השערתכם, את מהלך הניסוי, את התוצאות שקיבלתם ואת מסקנותיכם. (התייחסו לעוצמת הזרם, לכיוון הזרם ולאמצעי המדידה בו השתמשתם.)
בפעילויות שביצעתם ראיתם דרכים שבהן אפשר להעריך את עוצמת הזרם במעגל באופן איכותני - באמצעות הנורה ובאמצעות המצפן. הערכה זו אפשרה לכם לקבוע מתי הזרם חזק יותר ומתי הוא חלש יותר. החיסרון בהערכה זו הוא ברור: היא אינה כמותית, ולכן אינה מדוייקת.
בפעילות השתמשתם במכשיר למדידת זרם הממנה אמפרמטר (מד-זרם). מכשיר זה מאפשר לבצע מדידה כמותית (מספרית) ומדויקת של הזרם החשמלי. כאשר מחברים את המכשיר למעגל, הוא מראה את עוצמת הזרם החשמלי הזורם במעגל ביחידות של אמפר.
- אפשר למדוד את עוצמת הזרם באופן כמותי באמצעות מד-זרם.
- אפשר לזהות את השינוי בכיוון הזרם באמצעות מעקב אחר מחט המצפן או מחוג מד-הזרם.
- שינוי בכיוון המחט או המחוג מעיד על שינוי בכיוון הזרם.
בידוד משתנים:
בתהליך חקר משתמשים בבידוד משתנים בכל פעם שבה יש צורך לקבוע מהו הגורם המשפיע על התופעה, ומהי השפעתו. לצורך זה משנים גורם זה, ובודקים את השפעתו על הסביבה כשיתר הגורמים קבועים. כך עשינו גם בניסוי זה.
*234*
*234*
למדנו כי במעגל חשמלי קיימת זרימה של מטענים. האם כמות המטענים הזורמת נשמרת, או שהמטען "מתבזבז" עם הזמן? ואולי המטען מצטבר במקומות שונים במעגל ונעלם ממקומות אחרים?
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
נתבונן במעגל המתואר באיור 1.
1. מה תהיה עוצמת הזרם במד-זרם 1 בהשוואה לעוצמת הזרם במד-זרם 2? נמקו תשובתכם.
2. על סמך תשובתכם לשאלה 1, האם כמות המטענים הזורמת נשמרת או שהמטען "מתבזבז" עם הזמן? נמקו.
איור 1
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
פעילות
האם הזרם החשמלי במעגל קבוע או משתנה?
מטרת הפעילות: לבחון אם עוצמת הזרם החשמלי במעגל קבועה או משתנה.
ציוד וחומרים: סוללה, נורה ובית נורה, שעון מעורר, תילים, מד-זרם.
מהלך הפעילות: בפעילות זו תמדדו את עוצמת הזרם בנקודות שונות במעגל החשמלי, מימין ומשמאל לרכיבים שונים (נורה ושעון מעורר). זאת, כדי לבחון אם עוצמתו של הזרם משתנה לאורך המעגל.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
*235*
העלאת השערה
האם לדעתכם עוצמת הזרם מימין לרכיב חשמלי (נורה, שעון מעורר) תהיה קטנה, גדולה או שווה לעוצמת הזרם משמאל לאותו רכיב חשמלי? נמקו.
ביצוע הניסוי
1. בנו את המעגל המתואר באיור 1, העתיקו את טבלה 4 ורשמו בשורה הראשונה את קריאת מד-הזרם.
2. עתה מקמו את מד-הזרם משמאל לנורה, כמתואר באיור 2. ורשמו בשורה השנייה בטבלה את קריאת המכשיר.
איור 1 איור 2
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
3. החליפו את הנורה בשעון מעורר, וחברו את מד-הזרם פעם מימין לשעון ופעם משמאלו, כמו שעשיתם בעבור הנורה. רשמו את קריאת מד-הזרם בשורות המתאימות בטבלה 4.
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
טבלה 4: קריאת מד-הזרם מימין ומשמאל לרכיב חשמלי
הרכיב החשמלי, מיקום מד-הזרם, קריאת מד הזרם
נורה, מימין לנורה, --
נורה, משמאל לנורה, --
שעון מעורר, מימין לשעון, --
שעון מעורר, משמאל לשעון, --
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
*236*
הסקת מסקנות
עיינו בתוצאות והסיקו מסקנות:
1. האם קריאת עוצמת הזרם בשני צדי הנורה זהה?
2. האם קריאת עוצמת הזרם בשני צדי השעון המעורר זהה?
3. האם השערתכם אוששה או הופרכה?
המסקנה מהפעילויות שערכנו היא: עוצמת הזרם מימין ומשמאל לרכיב חשמלי כלשהו היא שווה, כלומר מטענים אינם נוצרים ואינם "מתבזבזים" בשעת הזרימה, מכאן שהזרם החשמלי במעגל הוא קבוע. בשפה מדעית אנו מכנים את העובדה שהמטען אינו נוצר יש מאין ואינו נעלם, חוק שימור המטען החשמלי.
*236*
- הכרנו תופעות אלקטרוסטטיות הנובעות מעודף של מטענים חשמליים מסוג מסוים.
- הכרנו דרכים שונות ליצירת זרם של מטענים חשמליים.
- בנינו מעגלים חשמליים, ולמדנו את הסימנים המוסכמים (הסכמטיים) של חלקי המעגל החשמלי.
- הכרנו את יחידות המידה של מטען חשמלי ושל זרם חשמלי ואת משמעותן.
- מדדנו את עוצמת הזרם החשמלי וכיוונו באמצעות: נורה, מצפן ואמפרמטר (מד-זרם). בחנו את היתרונות והחסרונות של כל אחד מאמצעי המדידה.
- ראינו כי עוצמת הזרם החשמלי במעגל שווה מימין ומשמאל לרכיב חשמלי.
- השתמשנו באנלוגיה לזרם חשמלי, ודנו ביתרונות ובמגבלות האנלוגיה.
- עסקנו במיומנויות חקר: תכנון ניסוי מבוקר, בידוד משתנים, העלאת השערה, איסוף נתונים והסקת מסקנות.
*237*
*237*
1. אילו רכיבים במעגל חשמלי מייצגים הסימנים המוסכמים הבאים:
(בספר ארבעה סימנים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
2. באיורים הבאים מתוארים מעגלים חשמליים המכילים סוללות ונורות. עליכם לקבוע אם הנורות דולקות; ואם אינן דולקות, להציע כיצד לתקן את החיבורים כדי שתדלוקנה.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
3. נתון המעגל החשמלי הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
א. השלימו את שמות הרכיבים במעגל במשבצות הריקות.
ב. האם המעגל סגור או פתוח?
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
*238*
4. נתון המעגל החשמלי הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
א. השלימו את שם החלק המסומן במעגל במשבצת הריקה וציינו את מצבו.
ב. האם המעגל סגור או פתוח?
5. בסעיפים הבאים נתונים שרטוטים סכמטיים של מעגלים חשמליים המכילים סוללות ונורות. עליכם לקבוע לגבי כל אחת מהנורות אם היא דולקת, ואם אינה דולקת - להציע כיצד לתקן את החיבורים כדי שתדלוקנה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
6. ברשותכם נורה, סוללה וכמה תילי הולכה. (בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
א. השתמשו ברכיבים האלה ושרטטו מעגל חשמלי שבו הנורה דולקת.
ב. השתמשו ברכיבים האלה ושרטטו מעגל חשמלי שבו הנורה אינה דולקת.
ג. הסבירו את תשובותכם.
7. לפניכם צילום של מעגל חשמלי המכיל סוללה, תילי הולכה, נורה ומפסק.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. שרטטו באופן סכמטי את המעגל בעזרת סימונים המוסכמים בשרטוט מעגלים חשמליים.
ב. האם הנורה תאיר כאשר סוגרים את המפסק? הסבירו.
*239*
8. נתון המעגל הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. במצב המתואר, האם הנורות A ו-B מאירות? הסבירו את תשובתכם.
ב. אילו מפסקים יש לסגור כדי שתדלוק נורה A בלבד?
ג. אילו מפסקים יש לסגור כדי שתדלוק נורה B בלבד?
ד. אילו מפסקים יש לסגור כדי ששתי הנורות, A ו-B, תדלוקנה?
9. לפניכם תרשים של מערכת שבה מחוברים שני מפסקים פתוחים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. מפסק 1 בלבד.
ב. מפסק 2 בלבד.
ג. מפסקים 1 ו-2.
ד. אסור לסגור אף מפסק.
10. משפשפים סרגל פלסטי בבד משי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ב. מה עשוי להתרחש אם הסרגל המשופשף נוגע בשולחן? הסבירו.
11. ילד נגע במכונית לאחר שנסעה במהירות במזג אוויר יבש מאוד. כתוצאה מכך סמרו שערותיו.
א. הסבירו מדוע סמרו שערותיו של הילד.
ב. מה יקרה אם לאחר הנגיעה במכונית ייגע הילד בידו בקיר הבית? הסבירו.
*240*
12. נתון מוט מבודד הטעון חשמלית. כאשר מקרבים אליו פיסות נייר (או שיער), מתקבלת השפעה מרחוק (ללא מגע) על פיסות הנייר - הנמשכות למוט. הסבירו את התופעה.
13. לפניכם שרטוט המתאר שני עלי מתכת המחוברים לקטבים נגדיים של מקור חשמלי חזק מספיק. העלים נמשכים זה לזה.
(בספר חמישה איורים, היעזר במנחה)
א. מדוע לדעתכם העלים נמשכים?
ב. האם לדעתכם העלים טעונים? הסבירו.
ג. אם העלים טעונים לדעתכם, סמנו את המטענים שעל כל אחד מהעלים על גבי האיור.
14. ככל שעוצמת הזרם גדולה יותר, משמעות הדבר היא:
א. מספר המטענים העוברים דרך חתך המוליך ביחידת זמן נתונה הוא קטן יותר.
ב. מספר המטענים העוברים דרך חתך המוליך ביחידת זמן נתונה הוא גדול יותר.
ג. מספר המטענים העוברים דרך חתך המוליך ביחידת זמן נתונה אינו קשור לעוצמת הזרם.
15. מה קורה כאשר מקרבים מצפן לתיל חשמלי שעובר בו זרם חשמלי?
א. הזרם בתיל ייפסק.
ב. מחט המצפן יכולה לשנות את כיוונה.
ג. יתרחש היפוך קטבים במחט המצפן.
16. נתון המעגל הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
א. מה יראה מד-הזרם כאשר המפסק פתוח?
(בספר חמישה איורים, היעזר במנחה)
ב. האם הנורה מאירה כאשר המפסק פתוח? הסבירו.
ג. סוגרים את המפסק. האם עוצמת הזרם במעגל תשתנה בעקבות כך? הסבירו.
ד. הוסיפו לציור חץ המייצג את כיוון הזרם המוסכם.
*241*
17. במעגל חשמלי חוברו בזו אחר זו שתי נורות. את אחד מחוטי התיל הניחו על מצפן, ומחט המצפן סטתה.
א. מה יקרה לסטיית מחט המצפן כאשר יוסיפו למעגל נורה שלישית?
ב. מה יקרה לסטיית מחט המצפן כאשר יורידו מהמעגל נורה, כך שתישאר נורה אחת בלבד?
18. נועה ואיתי חיברו מעגל חשמלי סגור ובו סוללה, נורה ותילי הולכה. להפתעתם הנורה לא האירה. משהניחו את אחד המוליכים במעגל הסגור על מצפן, הבחינו בסטייה של מחט המצפן. כיצד זה ייתכן? הסבירו את התוצאות.
בתשובתכם התייחסו ל-
א. ראיות: האם יש זרם במעגל? איזו עדות יש לכך?
ב. נימוקים: מדוע הנורה לא האירה? מה נדרש להופעת אור בנורה?
הסבירו את הסתירה בין שתי התופעות שהתגלו בניסוי.
19. לפניכם מעגלים חשמליים. עוצמת הזרם בכל מעגל וכיוונו מיוצגים באיור באמצעות גודל חץ וכיוונו. סמנו את האיור שבו מתוארים חצי הזרם בצורה הנכונה ביותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*242*
(עמוד ריק)
*243*
פרק 8: מה משפיע על עוצמת הזרם החשמלי?
(בספר איור, היעזר במנחה)
*244*
*244*
בפרק הקודם למדנו כי לזרם החשמלי יש כיוון ועוצמה. למדנו כיצד למדוד את עוצמת הזרם החשמלי ואת כיוונו באמצעים שונים. בפרק זה נכיר את הגורמים השונים המשפיעים על עוצמת הזרם החשמלי הזורם במעגל. כמו כן, נלמד על אופנים שונים שבהם אפשר לחבר את רכיבי המעגל החשמלי.
*244*
בניסוי שערכנו ראינו כי עוצמת ההארה של הנורה, מידת הסטייה של המצפן, ומידת הסטייה של מחוג האמפרמטר (מד-הזרם) השתנו בהתאם למספר הסוללות ששולבו במעגל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
הקיפו בעיגול את התשובה הנכונה:
בניסוי ראינו כי ככל שמספר הסוללות שחיברנו היה רב יותר, כך הנורה דלקה בעוצמה חזקה/חלשה יותר, מחט המצפן סטתה בזווית גדולה/קטנה יותר, ומחוג מד-הזרם סטה בזווית גדולה/קטנה יותר. מכך אנו מסיקים כי עוצמת הזרם החשמלי מושפעת ממספר הסוללות במעגל. ככל שמספר הסוללות רב יותר, כך עוצמת הזרם במעגל חזקה/חלשה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*245*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
מדוע "מתרוקנת" הסוללה?
אנו יודעים כי אחרי שימוש ממושך בסוללה הזרם נפסק, ואז אומרים כי הסוללה "התרוקנה". עם זאת למדנו כי המכשירים החשמליים לא צורכים מטענים. כיצד, אם כך, התרוקנה הסוללה?
על מנת להסביר זאת, נתבונן במבנה של הסוללה הנפוצה ביותר, בה החשמל מופק מתהליך כימי. סוללה זו מורכבת משני חלקים המצויים זה בתוך זה, והעשויים מחומרים כימיים שונים. החלק הפנימי מהווה את ההדק החיובי של הסוללה והחלק החיצוני - את ההדק השלילי. פרט להדקים, כל הסוללה עטופה בחומר המבודד אותה מהסביבה (ראו איור). כאשר מחברים את הסוללה למעגל חשמלי מתאפשרת תנועה מסודרת של אלקטרונים מההדק השלילי לכיוון ההדק החיובי. תוך כדי כך נוצרת תגובה כימית בין החומרים המרכיבים את ההדקים של הסוללה, נוצרים חומרים חדשים, וכמות החומרים המקוריים הולכת ומתמעטת. כתוצאה מכך הסוללה אינה יכולה להמשיך ולקיים את זרימת הזרם החשמלי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
כיסוי מתכת (הדק חיובי), חלק פנימי, חלק חיצוני, חומר מבודד, תחתית מתכת (הדק שלילי)
החומרים שמשתמשים בהם לייצור הסוללה הם חומרים המזהמים את הסביבה. זוהי הסיבה שאין להשליך סוללות משומשת לפח האשפה, אלא לאסוף אותן בצורה מסודרת. לכן, המעבר לסוללות נטענות, בהן אפשר להשתמש עשרות פעמים לאחר התרוקנותן, מקטין את הזיהום הסביבתי.
עם זאת, עדיין נעשים מאמצים רבים לפתח סוללות העשויות מחומרים זולים יותר וידידותיים יותר לסביבה. כך למשל, מדווחים חוקרים על ניסויים מוצלחים בסוללה המבוססת על פירוק של נייר גרוס על ידי אנזימים, או על סוללות הפועלות על בסיס של מלח וסוכר, שאפשר להשתמש בהן, בין היתר, גם במכוניות הפועלות על אנרגיה חשמלית.
קראו עוד על סוללות השומרות על הסביבה.
בניסויים שערכנו, הסוללה מהווה עבורנו את המקור החשמלי. היא זו שאחראית לזרימת הזרם החשמלי במעגל. תפקידה של הסוללה הוא לספק את האנרגיה למטענים החשמליים. נדון בהמשך לימודנו במקורות חשמליים נוספים.
עוצמת הזרם החשמלי מושפעת מחוזקן של המקור: ככל שהמקור החשמלי (למשל סוללה) חזק יותר, הוא מסוגל לספק יותר אנרגיה למטענים החשמליים, כך שעוצמתו של הזרם במעגל גדולה יותר, ולהפך.
*246*
*246*
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
1. הציעו דרכים שבהן אפשר להגדיל או להקטין את עוצמת הזרם החשמלי הזורם במעגל, באמצעות שינויים בתכונות המוליך.
2. בעבור כל אחת מהתכונות שהצעתם נסחו שאלה שאותה תבדקו בניסוי:
כיצד משפיע -- של המוליך על עוצמת הזרם החשמלי במעגל?
פעילויות נוספות בנושא ניסוח שאלת חקר אפשר למצוא באתר המלווה את הספר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
בדרך החקר
השפעת תכונות מוליך על עוצמת הזרם החשמלי
(בספר איור, היעזר במנחה)
ציוד וחומרים: שתי סוללות, בתי סוללות, מד-זרם (אמפרמטר), נורה, תילי הולכה העשויים מחומרים שונים (נחושת וכרום ניקל), באורכים שונים ובעוביים שונים.
מהלך הפעילות
בחרו באחת מהשאלות שניסחתם בדיון בכיתה לצורך בדיקה בניסוי הבוחן את השפעת אורך המוליך, סוג המוליך ועוביו על עוצמת הזרם החשמלי.
תכנון ניסוי
1. כיצד תמדדו את השינוי בעוצמת הזרם?
2. מה הגורם שתשנו במהלך הניסוי?
3. מהם הגורמים שלא תשנו במהלך הניסוי?
4. על סמך תשובותיכם לשאלות 1-3, ציינו מהו הגורם המשתנה (המשפיע) ומהם הגורמים הקבועים בניסוי שתכננתם.
5. מדוע חשוב שרק גורם זה יהיה שונה ולא גורמים נוספים?
6. מדוע חשוב לשמור על גורמים קבועים?
7. רשמו מהם רכיבי המעגל.
8. שרטטו את המעגל שאותו תבנו.
*247*
איסוף נתונים
בצעו את הניסוי שתכננתם ורשמו את התוצאות שקיבלתם בטבלה 1. רשמו כותרת לטבלה המתייחסת למשתנה שבדקתם. רשמו את הערכים השונים של גורם זה ואת עוצמת הזרם המתאימה לכל אחד מהם.
טבלה 1: --
ערכי הגורם המשתנה (המשפיע) במוליך, עוצמת הזרם החשמלי (באמפר)
--, --
--, --
--, --
--, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
הסקת מסקנות
1. התבוננו בתוצאות שקיבלתם, וכתבו במחברת את מסקנתכם מהניסוי (מחקו את המיותר והשלימו את החסר): ככל שמגדילים/מקטינים את --, כך עוצמת הזרם החשמלי גדלה/קטנה.
2. האם איששתם את השערתכם? אם לא, הסבירו מהו ההבדל בין מה שידוע לכם כעת לבין מה שחשבתם לפני תחילת הניסוי.
שיתוף ידע
הציגו בפני הכיתה את תהליך החקר שביצעתם ואת הממצאים שקיבלתם. תארו מה הייתה השערתכם, כיצד בחנתם אותה, ומהי מסקנתכם הסופית.
לסיכום
- לחוזקו של המקור החשמלי יש השפעה על גודל הזרם במעגל.
- עוצמת הזרם החשמלי מושפעת מעוביו של התיל המוליך: ככל שהתיל עבה יותר, כך עוצמת הזרם במעגל גדולה יותר, ולהפך.
- עוצמת הזרם החשמלי מושפעת מהחומר שממנו המוליך עשוי.
- עוצמת הזרם החשמלי מושפעת מאורכו של התיל המוליך: ככל שהתיל ארוך יותר, כך עוצמת הזרם במעגל קטנה יותר, ולהפך.
*248*
*248*
כמו שלמדתם, מוליכות היא תכונה של חומר מסוים להעביר דרכו זרם חשמלי. יש חומרים שהם מוליכי חשמל טובים ויש כאלה שהם מוליכים פחות טובים. המשמעות היא שבמוליך פחות טוב, עוצמת הזרם החשמלי שתזרום בו תהיה קטנה יותר כשהוא מחובר למקור חשמלי נתון, מאשר במוליך טוב.
יש חומרים שהתנגדותם למעבר אלקטרונים גדולה יותר מאשר זו של חומרים אחרים. אנו אומרים שככל שהמוליך פחות טוב, התנגדותו למעבר זרם חשמלי גבוהה יותר.
אפשר לייצג את הקשר בין התנגדות למוליכות כמודגם באיור הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
התנגדות נמוכה התנגדות בינונית התנגדות גבוהה
מוליכות גבוהה מוליכות בינונית מוליכות נמוכה
התנגדות נמוכה - מוליכות גבוהה
התנגדות בינונית - מוליכות בינונית
התנגדות גבוהה - מוליכות נמוכה
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה מייצג החץ העליון באיור?
2. מה מייצג החץ התחתון באיור?
3. מה מייצגים החצים הקטנים, המקשרים את שני החצים הגדולים זה לזה?
4. מדוע הכיוונים של החצים הגדולים הפוכים?
ישנם כמה גורמים המשפיעים על ההתנגדות החשמלית של רכיב מסוים, עליהם נלמד בסעיפים הבאים.
*248*
רכיב במעגל החשמלי המגדיל את ההתנגדות במעגל - כלומר מקטין את יכולתו של המעגל להעביר את הזרם - מכונה נגד. מתברר שכל רכיב חשמלי המחובר למעגל משנה את התנגדות המעגל, ולכן הוא נגד. הסימון המוסכם לנגד חשמלי הוא: (היעזר במנחה)
בסעיף הקודם ערכתם ניסוי עם מוליכים מתכתיים ובו מצאתם כי הבדלים בתכונות המוליך משפיעים על עוצמת הזרם החשמלי העובר דרכו. הסתמכו על תוצאות הניסוי הזה וענו על השאלה הבאה.
*249*
שאלה
מהם הגורמים המשפיעים על מידת ההתנגדות החשמלית של מוליך מתכתי?
*249*
(בספר איור, היעזר במנחה)
^ סוג החומר שממנו עשוי המוליך קובע את מידת ההתנגדות שלו למעבר של זרם חשמלי דרכו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1 . בניסוי ראיתם כי עוצמת הזרם החשמלי במעגל עם מוליך מנחושת גבוהה מאשר עם מוליך מכרום ניקל בעל מבנה זהה.
א. מה אפשר לומר על המוליכות של נחושת ושל כרום ניקל? למי מהם מוליכות טובה יותר?
ב. מה אפשר לומר על ההתנגדות של נחושת ושל כרום ניקל? למי מהם התנגדות גבוהה יותר?
2. באחת הכיתות ערכו ניסוי לבדיקת עוצמת הזרם במעגל בחמישה חומרים שונים. לפניכם טבלה ובה תוצאות קריאת מד-הזרם של עוצמת הזרם בכל אחד מהמעגלים. המעגלים היו זהים בכול, פרט לחומר שממנו המוליך הנבדק עשוי.
טבלה 2: תוצאות קריאת מד-זרם למוליכים מתכתיים שונים
מספר מעגל, החומר שממנו המוליך עשוי, קריאת מד-הזרם
1, נחושת, 0.35 אמפר
2, ברזל, 0.15 אמפר
3, אלומיניום, 0.25 אמפר
4, כסף, 0.40 אמפר
5, כרום ניקל, 0.10 אמפר
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. הכינו רשימה מדורגת של חמשת החומרים שנבדקו. בראש הרשימה כתבו את החומר בעל ההתנגדות הגדולה ביותר, ובסופה את החומר בעל ההתנגדות הקטנה ביותר. נמקו את תשובתכם.
ב. אילו חיברו לכל מעגל נורה במקום מד-זרם, באיזה מעגל הנורה הייתה מאירה באור החזק ביותר? מדוע?
*250*
*250*
אורך המוליך
בניסוי שערכתם ראיתם כי אורך המוליך משפיע אף הוא על עוצמת הזרם החשמלי במעגל. ככל שהמוליך ארוך יותר, ההתנגדות החשמלית שלו גדולה יותר. זאת משום שבתיל ארוך מתרחשות יותר התנגשויות של אלקטרונים במהלך תנועתם, מאשר בתיל קצר.
ההתנגדות החשמלית של תיל מתכתי מושפעת מאורך המוליך: ככל שהמוליך ארוך יותר, ההתנגדות שלו גדולה יותר, ולהפך ככל שהמוליך קצר יותר - ההתנגדות קטנה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
נגד משתנה
נגד משתנה הוא רכיב חשמלי בעל התנגדות משתנה. את ההתנגדות של הרכיב משנים באמצעות שינוי באורכו.
הסימון הסכמטי של נגד משתנה הוא: (בספר איור ותמונה, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
לדוגמה, באיור אפשר לראות תיל נחושת המלופף על גלגל ומשמש מוליך. שינוי במיקום האטב השחור משנה את אורך המוליך שדרכו הזרם עובר: ככל שבמעגל משולב תיל ארוך יותר כך גדלה התנגדות המעגל. הנגד המשתנה משמש לשינוי עוצמת הזרם במעגל חשמלי מבלי לשנות את חוזק המקור. שימוש נפוץ של הנגד המשתנה הוא וסת עוצמת הקול (ווליום) ברדיו או במגבר, או וסת עוצמת האור בנורה.
*250*
בניסוי שערכתם ראיתם כי במעגל עם מקור חשמלי מסוים עובי המוליך משפיע על עוצמת הזרם החשמלי במעגל. ככל שהמוליך עבה יותר, יכולה לנוע דרכו כמות גדולה יותר של אלקטרונים חופשיים ביחידת זמן עם אותו מקור חשמלי. לכן עוצמת הזרם החשמלי תהיה גדולה יותר.
ההתנגדות החשמלית מושפעת מעובי המוליך: ככל שהמוליך עבה יותר, ההתנגדות שלו קטנה יותר, ולהפך: ככל שהמוליך דק יותר, ההתנגדות שלו גדולה יותר.
*251*
(בספר איור, היעזר במנחה)
המשפטים הבאים עוסקים בהשפעתן של תכונות שונות של המוליך על עוצמת הזרם דרך מוליך במעגל חשמלי. השלימו:
1. ככל ששטח החתך של המוליך גדול יותר, מספר האלקטרונים היכולים לעבור דרכו ביחידת זמן גדל. על כן עוצמת הזרם --.
2. ככל ששטח החתך של המוליך קטן יותר, מספר האלקטרונים היכולים לעבור דרכו ביחידת זמן קטן יותר, ולכן עוצמת הזרם --.
3. ככל שאורך המוליך גדול יותר, ההתנגדות ולכן עוצמת הזרם --.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
התנגדות חשמלית וטמפרטורה
(בספר איור, היעזר במנחה)
*252*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
חישוב ההתנגדות החשמלית
(בספר איור, היעזר במנחה)
R=רו כפול L חלקי A
כאשר: ההתנגדות המחושבת (R) נמדדת ביחידות המכונות אוהם ומסומנות באות היוונית אומגה Ω .
רו היא ההתנגדות הסגולית של החומר הנמדדת באוהם כפול מטר (אומגה כפול m) (m · Ω).
L הוא אורך התיל הנמדד במטר.
A הוא שטח החתך של התיל הנמדד במטר רבוע.
ככל שהתיל ארוך יותר (L), ההתנגדות (R) גדולה יותר, וככל שהתיל עבה יותר (A), ההתנגדות (R) קטנה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
גאורג סימון אוהם
פיזיקאי גרמני (1789-1854) שתרם רבות לחקר החשמל. אוהם גילה את הקשר בין עוצמת הזרם החשמלי, ההתנגדות והמתח החשמלי. אוהם גילה כי ההתנגדות החשמלית תלויה באורך התיל וביחס הפוך לשטח החתך שלו. מסיבה זו קרויה על שמו יחידת המידה להתנגדות חשמלית.
(בספר תמונת בול עם תמונת הפיזיקאי)
*252*
- למדנו כי המקור החשמלי (מספר הסוללות) משפיע על עוצמת הזרם החשמלי במעגל.
- למדנו שגם לתכונות המוליך יש השפעה על עוצמת הזרם הזורם בו: סוג החומר שממנו עשוי המוליך, אורכו ועוביו משפיעים על עוצמת הזרם החשמלי, כל אחד בדרכו.
- למדנו כי התנגדות חשמלית היא התכונה המנוגדת למוליכות. כלומר, ככל שההתנגדות של נגד גדולה יותר, המוליכות שלו קטנה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
- ערכנו ניסוי בו חקרנו השפעה של תכונות מוליך על עוצמת הזרם.
*253*
*253*
1. עיינו בתרשים שלפניכם והשלימו את המשפטים הבאים:
התנגדות נמוכה - מוליכות גבוהה
התנגדות בינונית - מוליכות בינונית
התנגדות גבוהה - מוליכות נמוכה
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. כאשר ההתנגדות של החומר גדולה, המוליכות --.
ב. כאשר ההתנגדות של החומר קטנה, המוליכות --.
ג. ככל שההתנגדות של חומר גדלה, המוליכות --.
2. נתונים שני תילי נחושת בעלי חתך עגול ובאורך 10 מטרים. קוטר תיל א' הוא 5 מ"מ וקוטר תיל ב' הוא 10 מ"מ. לאיזה מהתילים תהיה התנגדות נמוכה יותר? נמקו את תשובתכם.
א. לתיל א'.
ב. לתיל ב'.
ג. לשני התילים תהיה התנגדות זהה.
ד. שני התילים אינם מוליכים.
3. תלמידים חיברו את שלושת המעגלים הבאים.
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
כרום ניקל, ברזל, אלומיניום
הם הבחינו ש:
במעגל עם האלומיניום הייתה עוצמת האור חזקה מאוד.
במעגל עם הברזל הייתה עוצמת אור חזקה.
במעגל עם הכרום ניקל הייתה עוצמת אור חלשה.
א. באיזה משלושת המעגלים הייתה עוצמת הזרם הנמוכה ביותר? --
ב. באיזה משלושת המעגלים הייתה עוצמת הזרם הגבוהה ביותר? --
ג. באיזה משלושת המעגלים הייתה עוצמת הזרם בינונית? --
*254*
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
מהו לדעתכם המנגנון הגורם לשינוי בעוצמת האור של הנורה? התבססו על מה שלמדתם בנושא השפעת אויר המוליך על עוצמת הזרם במעגל.
5. ההדק החיובי בסוללה:
א. מושך אליו מטענים שליליים מהמוליר.
ב. מושך אליו מטענים חיוביים מהמוליך.
ג. דוחה מטענים שליליים לכיוון המוליך.
ד. אינו משפיע כלל על מטענים מכל סוג שהוא.
6. כיצד תשתנה עוצמת אור פנס אם נשתמש בסוללות משומשות? הסבירו מדוע.
7. נתון המעגל הבא: (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
א. כיצד משפיע חוזק הסוללה על עוצמת הזרם במעגל?
ב. איך אפשר להראות שתשובתכם נכונה? הסבירו.
ג. האם שני מדי-הזרם יראו את אותה עוצמת זרם? הסבירו.
8. ידוע כי ההתנגדות של תיל העשוי כסף שאורכו 1 מטר וקוטרו 1 מ"מ היא 0.016 W. התנגדותו של תיל זהה העשוי ברזל היא 0.12 W. חשבו פי כמה גדולה התנגדות תיל הברזל מזו של תיל הכסף.
באיזה סוג תיל עדיף להשתמש במעגל שבו יש צורך בעוצמת זרם גבוהה? הסבירו מדוע.
9. בשני הציורים שלפניכם מופיעים מעגלים חשמליים ובהם משולב נגד משתנה. באיזה מעגל (ימין או שמאל) ההתנגדות גדולה יותר? נמקו תשובתכם. (בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
*255*
פרק 9: חיבור רכיבי המעגל החשמלי
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
*256*
*256*
בפרק הקודם למדנו כי חוזק המקור החשמלי ותכונות המוליך משפיעים על עוצמת הזרם במעגל החשמלי. אך האם אפשר לשנות את עוצמת הזרם במעגל באופן אחר? מה יקרה כאשר נחבר נורות או נגדים נוספים למעגל? האם עוצמת הזרם תשתנה או תישאר קבועה? בפרק זה נלמד על אופנים שונים של חיבורים במעגל, ועל השפעתם על עוצמת הזרם החשמלי. בנוסף נלמד על האופן שבו מכשירי החשמל מחוברים בביתנו, ועל אמצעי זהירות ובטיחות הנדרשים בעת שימוש במכשירים חשמליים ביתיים.
(בספר איור ותצלום, היעזר במנחה)
דיון
1. מה יקרה לעוצמת הזרם במעגל חשמלי אם נשלב בו כמה נורות נוספות?
2. מה יקרה להתנגדות במעגל חשמלי אם נשלב בו כמה נורות נוספות?
3. האם לדעתכם אופן החיבור של רכיבי המעגל ישפיע על עוצמת הזרם? אם כן, כיצד?
*256*
כאשר הרכיבים מחוברים זה אחר זה במעגל החשמלי - כמו קרונות רכבת - החיבור מכונה חיבור בטור והמעגל נקרא מעגל טורי. המעגל המתואר בשרטוט נקרא מעגל טורי. גם בתצלום מופיע חיבור בטור של שלוש נורות.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
1. ציינו מהם רכיבי המעגל שבשרטוט.
2. שרטטו מעגל נוסף, המורכב מאותם רכיבים כמו בשרטוט, אך שהחיבור ביניהם שונה.
3. האם הרכיבים במעגל ששרטטתם מחוברים בטור?
*257*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
פעילות
מכשיר מורס
מטרת הפעילות: בניית מכשיר מורס המכיל נורות המחוברות בטור, ובחינת השינוי בעוצמת הזרם, כתוצאה מהוספת נורות בטור.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מהו מכשיר מורס?
קוד מורס הוא קוד פשוט המורכב מקווים ונקודות. לכל אות באל"ף-בי"ת, וכן לסימני פיסוק ומספרים, הוגדר צירוף אחר של קווים ונקודות. אפשר להעביר מידע בקוד מורס באמצעות צלילים, פעימות חשמליות או נצנוצי אור. אפשר להעביר מסרים באמצעות קוד מורס על-ידי פתיחה וסגירה של מעגל חשמלי באמצעות מפסק.
- הנקודה מצוינת באמצעות אות קצר.
- הקו מצוין באמצעות אות אחר שמשכו שווה למשר הזמן של שלוש נקודות.
- משר ההפסקה בין סימן לסימן זהה למשר הזמן של נקודה.
- משר ההפסקה בין אות לאות זהה למשר הזמן של קו (שלוש נקודות).
- משר ההפסקה בין מילה למילה זהה למשר הזמן של שבע נקודות.
עוד על מכשיר המורס אפשר למצוא באתר המלווה את הספר.
טבלה 1: סימני מורס המתאימים לאותיות בעברית
סימן מורס, אות
-., א
...-, ב
.--, ג
..-, ד
---, ה
., ו
..--, ז
...., ח
-.., ט
.., י
-.-, כ
..-., ל
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
.-, נ
.-.-, ס
---., ע
.--., פ
--., צ
-.--, ק
.-., ר
..., ש
-, ת
(ריק), (ריק)
...-., המתן
-.-.-., .
--..--, ,
(ריק), ;
..--.., ?
........, שגיאה
(ריק), סוף הודעה
ציוד וחומרים: לכל תלמיד/ה או קבוצה: משטח פוליגל בשטח20 כפול 20 סמ"ר, סיכת משרד, 2 סיכות מתפצלות, 2 סוללות, 3 נורות, תילים באורך 20 ס"מ לפחות, נייר דבק, מד-זרם.
(בספר שתי תמונות, היעזר במנחה)
מהלך הפעילות
1. נקבו חור במשטח הפוליגל והעבירו דרכו את הסיכה המתפצלת. חברו קצה אחד של סיכת המשרד אל המשטח באמצעות הסיכה המתפצלת.
*258*
2. מתחת לקצה השני של סיכת המשרד נקבו חור נוסף במשטח הפוליגל, והכניסו אליו את הסיכה המתפצלת השנייה. הרימו מעט את קצה סיכת המשרד, כך שלא ייגע בראש הסיכה, כמוראה באיור 1.
3. בנו את המעגל המתואר באיור 1 (מעגל א'), והרי לכם מכשיר מורס (כמוראה באיור 2).
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
איור 1: המעגל החשמלי
איור 2: מכשיר המורס בפעולה
4. שרטטו שרטוט סכמטי של המעגל.
5. כתבו משפט בן שלוש מילים, ושדרו אותו אל חבריכם בקוד מורס, על פי טבלה 1 שבעמוד הקודם. שימו לב - את סימני המורס יש לקרוא משמאל לימין.
6. פענחו את מסר המורס שקיבלתם מחבריכם.
7. עתה חברו בטור נורה נוספת למעגל.
א. שרטטו את המעגל החדש שהרכבתם (מעגל ב').
ב. שדרו מסר מורס לחבריכם, כך שהאותות מכל נורה יהיו מופנים לחבר/ה אחר/ת.
ג. האם שתי הנורות דלקו בעוצמה זהה?
ד. האם שתי הנורות כבו ונדלקו באותו הזמן?
ה. האם עוצמת האור בכל אחת מהנורות במעגל זה גדולה/קטנה/שווה ביחס לעוצמת האור בנורה שהרכבתם במעגל הראשון בשאלה 3?
ו. האם יש לכך השפעה על המידע שעובר?
8. מה לדעתכם יקרה אם נחבר למעגל נורה נוספת בטור? מדוע? היעזרו בתבנית הבאה.
טיעון
(טענה) דעתי היא --
(נימוק)) אני חושב/ת כך, כי --
*259*
9. בנו מעגל מתאים לבחינת השערתכם (מעגל ג').
א. האם עוצמת האור בנורות במעגל זה גדולה/קטנה/שווה ביחס לעוצמת האור בנורה שהרכבתם במעגל א בשאלה 3?
ב. האם עוצמת האור בנורות במעגל זה גדולה/קטנה/שווה ביחס לעוצמת האור בנורות שהרכבתם במעגל ב' בשאלה 7?
ג. השלימו את המסקנה הבאה:
מסקנה א'
בחיבור בטור, הוספת נגד למעגל גורמת ל -- של עוצמת הזרם הכללי במעגל.
10. סגרו את המעגל שבו שלוש נורות. עתה הוציאו את אחת הנורות מבית הנורה שלה. השאירו את בית הנורה מחובר למעגל.
א. האם הנורות האחרות עדיין דולקות? הסבירו מדוע.
ב. השלימו את המסקנה הבאה:
מסקנה ב'
בחיבור בטור, הוצאה של אחד הנגדים מהמעגל (מבלי לחבר את החוטים) גורמת ל --.
11. חברו שנית את הנורה למעגל. בקשו מהמורה מד-זרם.
חשבו על ניסוי שבו תבחנו בעזרת מד-הזרם האם עוצמת הזרם במעגל שווה לכל אורכו.
א. כתבו את מהלך הניסוי.
ב. תארו בשרטוט או בכמה שרטוטים את המעגל או המעגלים שאותם תבנו במהלך הניסוי.
ג. חברו את המעגל או המעגלים שתכננתם, ורכזו את תשובותיכם בטבלה 2.
טבלה 2: תוצאות הניסוי לבדיקת עוצמת הזרם לאורכו של מעגל חשמלי טורי
מיקום מד-הזרם, קריאת מד-הזרם
--, --
--, --
--, --
--, --
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
מסקנה גי
בחיבור בטור, עוצמת הזרם החשמלי במעגל --.
לסיכום
- הוספת נגד או מכשיר חשמלי בטור לנגד קיים במעגל מקטינה את עוצמת הזרם הכללי במעגל.
- ניתוק אחד הנגדים או המכשירים החשמליים המחוברים בטור מפסיק את הזרם במעגל כולו.
- במעגל טורי עוצמת הזרם קבועה לכל אורך המעגל.
*260*
*260*
בסעיף הקודם למדנו על החיבור הטורי, שבו קצה אחד של רכיב אחד מחובר לקצה אחד בלבד של הרכיב השני. כאשר רכיבים חשמליים מחוברים זה לזה בשני קצותיהם, החיבור מכונה חיבור במקביל. מעגל זה נקרא מעגל מקבילי (איור 3). חיבור זה מצוי במעגל חשמלי המכיל צמתים וענפים (הסתעפויות). איור 4 הוא שרטוט סכמטי של מעגל ובו שני נגדים המחוברים במקביל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות
פעילות א' - ניתוק אחד הענפים בחיבור במקביל
מטרת הפעילות: בדיקת ההשפעה של ניתוק נגד אחד על הזרם במעגל מקבילי.
ציוד וחומרים: מכשיר המורס שבניתם בפעילות בעמוד 257-258, חוטי חיבור ונורות.
מהלך הפעילות
השתמשו במכשיר המורס שבניתם בפעילות הקודמת ובנו מעגל עם נורה אחת בלבד.
1. עתה חברו אליה במקביל נורה נוספת.
א. שרטטו את המעגל החדש שהרכבתם. שימו לב לכך שהמתג ימוקם סמוך לסוללה ולא על אחד מהענפים.
ב. כתבו משפט בן שלוש מילים אחר מזה שכתבתם בפעילות הקודמת, ושדרו אותו אל חבריכם בקוד מורס, על פי טבלת סימני המורס. שדרו את המסר בו-זמנית לשני חברים, כך שהאותות מכל נורה יהיו מיועדים לחבר אחר.
ג. האם שתי הנורות כבו ונדלקו באותו הזמן?
2. עתה הוציאו את אחת הנורות מבית הסוללה שלה. השאירו את בית הסוללה מחובר למעגל. האם הנורה האחרת עדיין דולקת? נסו להסביר מדוע.
מסקנה (כתבו את המסקנה בצורתה הנכונה):
במעגל מקבילי, הוצאת אחד הנגדים (מבלי לחבר את החוטים) מפסיקה/איננה מפסיקה את הזרם החשמלי במעגל כולו.
*261*
פעילות ב- - עוצמת הזרם במעגל מקבילי
מטרת הפעילות: בדיקת עוצמת הזרם החשמלי בנקודות שונות במעגל מקבילי.
ציוד וחומרים: נורה, בית נורה, נגד (בעל התנגדות של 15 אוהם), 2 סוללות של 1.5 וולט, בית סוללות, מד-זרם, הולכה, מפסק.
מהלך הפעילות
1. בנו את המעגל המופיע באיור 5. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. העתיקו את טבלה 3 למחברתכם וכתבו בשורה הראשונה בטבלה 3 את תוצאת קריאת מד-הזרם.
3. עתה חברו את הנגד במקביל לנורה, כפי שמופיע באיור 6. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. כתבו בשורה השנייה בטבלה את תוצאת קריאת האמפרמטר.
עוצמה זו נקראת "עוצמת הזרם הכללי של המעגל".
ב. האם התוצאה שקיבלתם גדולה/קטנה/שווה ביחס לזו שקיבלתם בשאלה 1?
4. העבירו את מד-הזרם כך שיהיה מחובר ליד הנורה כפי שמופיע באיור 7. כתבו את קריאת מד-הזרם שקיבלתם בשורה המתאימה בטבלה. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
5 העבירו את מד-הזרם כך שיהיה מחובר ליד הנגד כפי שמופיע באיור 8. כתבו את קריאת מד-הזרם שקיבלתם בשורה המתאימה בטבלה. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
6. חזרו על סעיפים 4-5 אך החליפו את הנורה בנגד זהה לקודם.
תוצאות
טבלה 3: תוצאות קריאת מד-הזרם במעגל החשמלי בפעילות ב'
רכיבי המעגל (בנוסף לסוללות, למפסק ולמד-הזרם), מיקום מד-הזרם, קריאת מד-הזרם
נורה אחת, ליד הסוללות, --
נורה ונגד, ליד הסוללות, --
נורה ונגד, ליד הנורה, --
נורה ונגד, ליד הנגד, --
שני נגדים זהים, ליד נגד 1, --
שני נגדים זהים, ליד נגד 2, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
*262*
הסקת מסקנות
כתבו את המסקנות בצורתן הנכונה:
מסקנה א'
במעגל מקבילי, הוספת נגד במקביל לנגד נתון מקטינה/מגדילה/לא משנה את עוצמת הזרם הכללי במעגל.
מסקנה ב'
במעגל מקבילי, עוצמת הזרם על אחד מענפי המעגל איננה בהכרח שווה/בהכרח שווה לעוצמת הזרם על ענף אחר במעגל.
מסקנה ג'
במעגל מקבילי, עוצמת הזרם הכללי במעגל שווה/לא שווה לסכום הזרמים שבכל הענפים במעגל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
באמצעות טבלה 4 ערכו השוואה בין מעגל מקבילי למעגל טורי, על סמך הקריטריונים המופיעים בעמודה הראשונה בטבלה.
טבלה 4: השוואה בין חיבור מקבילי לחיבור טורי
התבחין (הקריטריון), מעגל טורי, מעגל מקבילי
השפעת ההוצאה של נגד מהמעגל, --, --
ההשפעה של הוספת נגד על הזרם הכללי:
- בטור לנגד נתון במעגל טורי
- במקביל לנגד נתון במעגל מקבילי, --, --
עוצמת הזרם העובר דרך כל אחד מהנגדים, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
לסיכום
- הוספת נגד במקביל לנגד נתון במעגל מגדילה את עוצמת הזרם הכללי במעגל.
- ניתוק אחד המכשירים ו/או הנגדים במעגל מקבילי אינו מפסיק את הזרם במעגל כולו וכן אינו מפסיק את הזרם בענפים של המעגל שלא נותקו.
- עוצמת הזרם אינה בהכרח שווה בכל אחד מענפי המעגל.
*263*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
מיומנויות תיכון - בניית משחק חשמלי
בפעילות זו תתנסו בתהליך תיכון של מוצר טכנולוגי. תוך כדי עבודה בקבוצות, תתכננו, תבנו, תבדקו ותעריכו משחק חשמלי.
תיכון ותכנון
תיכון (Design): תהליך המאופיין בזיהוי צורך ובבחירת פתרון מיטבי לצורך זה, באמצעות בנייה של מערכת או מוצר, תוך יישום הידע בתכנון, ייצור, הערכה ושכלול.
תכנון (Planning): קביעת תכנית למעשה מסוים.
תהליך התיכון הוא התהליך המשמש מהנדסים בייצור של מוצר טכנולוגי מכל סוג שהוא, כמו מכשיר לייזר, אייפון, מכונית, צינור הובלה ועוד. תהליך זה מורכב מכמה שלבים, כמתואר באיור הבא:
- הגדרת הצורך
זיהוי הבעיה
הגדרת דרישות מהמוצר
- העלאת רעיונות
- איסוף מידע והכרת אילוצים
- בחינת פתרונות אפשריים
קבלת תגובות לפתרונות
- תכנון מפורט -- ובניית דגם
קבלת תגובות לדגם ושיפור
- בנייה או ייצור
- הערכה ומשוב
(בספר איור, היעזר במנחה)
כפי שאפשר לראות תהליך התיכון חוזר על עצמו. אם זאת יש להדגיש שהתהליך אינו בנוי כך ששלב בא תמיד אחרי שהשלב הקודם הסתיים, אלא לעתים בשני שלבים במקביל. במקרים אחרים חוזרים לשלבים קודמים לפני המעבר לשלבים הבאים.
בפעילות הבאה תתנסו בשלבי התיכון השונים.
*264*
הגדרת הצורך
בפעילות זו תתכננו ותבנו בקבוצה משחק חשמלי כלשהו, המבוסס על חיבורים בטור ובמקביל (זיהוי הבעיה).
עליכם לתכנן את המשחק כך שיעמוד בדרישות ובאילוצים הבאים:
1. המקור החשמלי יהיה לא יותר מ-3 סוללות של 1.5 וולט.
2. אור נורה או צליל זמזם יאפשרו למשתמש/ת לדעת אם הצליח/ה במשחק.
3. עלות המשחק לא תעלה על 100 שקלים (כפי שיוסבר בהמשך).
העלאת רעיונות ואיסוף מידע
3. חשבו על משחקים חשמליים המוכרים לכם.
4. סווגו את המשחקים שרשמתם לקבוצות, על פי העיקרון שלפיו בנוי כל משחק (לדוגמה, התאמה בין שאלה לתשובה, משחקי דיוק יד, משחק תחרותי וכדומה).
בחירת פתרון אפשרי
5. בחרו בסוג המשחק שתרצו לבנות, והגדירו לאיזו קבוצת גיל הוא מיועד ומהו מספר המשתתפים.
6. עליכם לדעת מהו הציוד העומד לרשותכם - החומרים והכמויות שלהם. לצורך זה, על שולחן המורה תעמוד לרשותכם "חנות" של חומרים - ותוכלו "לקנות" מהמורה את החומרים שיידרשו לבניית המשחק שתכננתם. התקציב הכולל שיעמוד לרשותכם הוא 100 ש"ח.
(בספר איור, היעזר במנחה)
טבלה 5: טבלת מחירים לרכישת ציוד
הציוד, מחיר (ש"ח)
נורה חשמלית, 5
זמזם, 5
סוללה, 2
בית סוללה, 3
חוט תיל באורך 40 ס"מ, 2
סיכה מתפצלת, 2
נייר אלומיניום באורך 50 ס"מ (רוחב נתון), 5
נייר דבק באורך של 50 ס"מ, 4
משטח פוליגל (חצי גיליון), 10
בריסטול (חצי גיליון), 10
טוש לא מחיק, 2
*265*
תכנון מפורט
7. תכננו את המשחק שבחרתם. הגדירו מהי מטרת המשחק, וכתבו הוראות ברורות למשתתפים.
8. שרטטו את המעגל החשמלי שאותו תבנו. ציינו היכן נמצא חיבור בטור והיכן חיבור במקביל.
9. מלאו את הטבלה להזמנת הציוד הנדרש לכם לבניית המשחק (טבלה 6). בדקו שאינכם מזמינים ציוד בסכום כולל העולה על 100 ש"ח. רצוי שייוותר לכם "כסף", אשר ישמש אתכם אם תגלו במהלך הבנייה או הבדיקה שאתם זקוקים לציוד נוסף.
טבלה 6: טבלת הזמנת ציוד
הציוד, כמות, מחיר לתשלום
נורה חשמלית, --, --
זמזם, --, --
סוללה, --, --
בית סוללה, --, --
חוט תיל באורך 40 ס"מ, --, --
סיכה מתפצלת, --, --
נייר אלומיניום באורך 50 ס"מ (רוחב נתון), --, --
נייר דבק באורך של 50 ס"מ, --, --
משטח פוליגל (חצי גיליון), --, --
בריסטול (חצי גיליון), --, --
טוש לא מחיק, --, --
סה"כ, --, --
ציוד נוסף שנרכש בהמשך, --, --
--, --, --
--, --, --
--, --, --
--, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
בנייה
לאחר אישור המורה ורכישת הציוד, בנו את המשחק שתכננתם. אם תגלו כי הנכם זקוקים לציוד נוסף, רשמו אותו בהמשך הטבלה, ורכשו מה"חנות" שעל שולחן המורה.
*266*
הערכה ומשוב
בדקו את המשחק שבניתם ותנו לחבר/ה מקבוצה אחרת להתנסות במשחק ולהציע הצעות לשיפור.
העריכו את המשחק שבניתם על פי הקריטריונים הבאים:
10. מידת ההתאמה בין פעולת המשחק לתכנון המקורי.
11. מידת "הפתיחות" של המשחק לשינויים ולשיפורים, כלומר עד כמה קל לשנות ולשפר את המשחק בהתאם לרצוננו.
12. מידת העמידה בדרישות ובאילוצים כגון, עלות הבנייה של המשחק.
13. תגובת התלמידים המשחקים.
הערה: אם יש צורך בכך, שרטטו מעגל חשמלי חדש שאותו תבנו. אם אתם זקוקים לציוד נוסף, רשמו זאת בהמשך הטבלה ורכשו מה"חנות" שעל שולחן המורה.
14. תקנו או שפרו את המשחק שבניתם.
שיתוף ידע
הציגו את המשחק שבניתם לפני הכיתה. ספרו על התהליך שעברתם:
איזה סוג משחק בחרתם?
מהי מטרת המשחק?
מה היה התכנון המקורי?
האם שיניתם פרטים מהתכנון המקורי? אם כן, מדוע?
כיצד שיפרתם את המשחק?
מהם המעגלים החשמליים שמהם המשחק מורכב?
תנו לתלמידים אחרים להתנסות במשחק, והתנסו אתם במשחקים שבנו חברי הקבוצות האחרות.
לסיכום
בפרק הקודם למדנו כי המקור החשמלי ותכונות המוליך משפיעים על עוצמת הזרם במעגל החשמלי. כעת אנו יודעים כי עוצמת הזרם תלויה גם באופן שבו מחוברים הרכיבים במעגל החשמלי (בטור, במקביל או שילוב של שניהם). המקור החשמלי אינו מספק זרם קבוע: עוצמת הזרם במעגל תלויה בעוצמת המקור וכן ברכיבים המשולבים בו ובאופן סידורם: בטור או במקביל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*267*
*267*
הידע שצברנו עד כה בהקשר של המעגל החשמלי מאפשר לנו להבין כיצד מכשירי החשמל מחוברים בבית. בניגוד למעגלים החשמליים הפשוטים שהשתמשנו בהם בניסויים שלנו, בבית מותקנת רשת חשמל מסועפת, המכילה מעגלים חשמליים רבים. עובדה זו מאפשרת להעביר את זרם החשמל למקומות שונים בבית, לחבר מכשירים שונים ולהפעיל כל אחד מהם לחוד. כיצד ייתכן הדבר?
*267*
כדי לענות על שאלה זו ניזכר בשני סוגי המעגלים שלמדנו זה עתה: מעגל טורי ומעגל מקבילי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
1. שרטטו שני איורים סכמטיים, אשר אחד מהם מתאר חיבור בטור של שלוש נורות לסוללה, ואילו האחר מתאר חיבור במקביל של שלוש נורות לסוללה.
2. על סמך הניסוי שביצעתם בפרק הקודם, מה יקרה אם נוציא נורה אחת מהמעגל של החיבור הטורי?
3. על סמך הניסוי שביצעתם בפרק הקודם, מה יקרה אם נוציא נורה אחת מהמעגל של החיבור המקבילי?
4. על סמך תשובותיכם, הסיקו מהו החיבור הקיים ברשת החשמל הביתית - חיבור בטור או חיבור במקביל?
טיעון
(טענה) דעתי היא --
(נימוק) אני חושב/ת כך, כי --
אם רשת החשמל הביתית הייתה בנויה כחיבור טורי, כיבוי של אחד המכשירים בבית היה גורם להפסקת הזרם בכל המעגל, ומכאן לכיבוי כל יתר המכשירים הפועלים. זהו מצב שאיננו מעוניינים בו, כמובן. לכן רשת החשמל הביתית בנויה כחיבור מקבילי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*268*
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
בפרק זה ערכנו ניסוי שבו מדדנו את עוצמת הזרם במעגל טורי ובמעגל מקבילי.
1. מה ידוע לנו על עוצמת הזרם החשמלי הכללי במעגל שמחוברות בו כמה נורות בטור? האם עוצמת הזרם לכל אורך המעגל קבועה או משתנה?
2. מה ידוע לנו על עוצמת הזרם החשמלי הכללי במעגל שמחוברות בו כמה נורות במקביל? האם עוצמת הזרם בכל אחת מהסתעפויות המעגל קבועה או משתנה?
בבית, כל מכשיר חשמלי מיועד לצרכים שונים. לא בכל המכשירים בבית זורם זרם חשמלי באותה עוצמה. במכשירים המוגדרים "זוללי חשמל", כמו מדיחים או מכונות כביסה, עוצמת הזרם גדולה על מנת שאלה יוכלו לבצע את תפקידם. לעומתם, נורה או מחשב זקוקים לעוצמת זרם חלשה יותר לצורך פעולתם התקינה.
בפרק הבא נלמד כי האנרגיה החשמלית קשורה לעוצמת הזרם: עוצמת זרם גדולה יותר במכשיר מסוים מלמדת על צריכת אנרגיה גדולה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
על סמך המידע שקראתם זה עתה, כתבו שתי סיבות לכך שהחיבור החשמלי בבית הוא מקבילי ולא טורי: (בספר איור, היעזר במנחה)
סיבה א' - --
סיבה ב' - --
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
1. התבוננו במכשירי החשמל המצויים בביתכם.
שרטטו איור סכמטי של מערכת החשמל באחד החדרים בביתכם. השתמשו בסימנים מוסכמים, וכללו גם מתגים ומקור חשמל.
2. גשו לארון החשמל בביתכם והתבוננו במונה החשמל. מונה החשמל מודד את האנרגיה החשמלית שאנו צורכים. זהו במונה את הרכיב המציג את צריכת החשמל. בקשו מישהו/י מבני ביתכם שי/תפעיל מכשיר חשמלי כמו קומקום.
א. מה קורה למספרים במונה החשמל?
ב. עתה בקשו ממנו/ה להפעיל מכשיר חשמלי נוסף. מה קורה עתה למהירות שבה המספרים משתנים?
ג. מה אפשר ללמוד מכך על עוצמת הזרם הכללי בבית כאשר מפעילים בעת ובעונה אחת מכשירי חשמל רבים?
*269*
*269*
(בספר איור, היעזר במנחה)
כמו שלמדנו, ככל שמחברים למקור חשמלי מכשירים רבים יותר במקביל, עוצמת הזרם הכללי במעגל הולכת וגדלה. מתברר כי ככל שהזרם החשמלי גדול וממושך יותר, התילים המוליכים מתחממים יותר ויותר.
מצב כזה יכול להתרחש בבית כתוצאה מהפעלה בו-זמנית של מכשירים רבים. כפי שלמדנו, המכשירים החשמליים בבית מחוברים ביניהם במקביל. אם מפעילים מכשירים רבים בו-זמנית, עוצמת הזרם הכללי במערכת החשמל בבית גדלה, וכתוצאה מכך התילים שבקירות הבית עלולים להתחמם יתר על המידה. מצב זה מכונה עומס יתר, וקיימת בו סכנת שרפה.
כיצד נגן על ביתנו מפני שרפה הנובעת מעוצמת זרם גבוהה מדי?
כיום, בכל מבנה המחובר באופן תקין לרשת החשמל הארצית יש מנגנון הגנה המונע מעוצמת הזרם להיות גדולה מדי. כאשר פועלים בו-זמנית מספר רב של מכשירי חשמל, צריכת החשמל עולה, עוצמת הזרם הכללי בבית גדלה, וקיימת סכנת התלקחות. אז נכנס לפעולה "מפסק אוטומטי", שתפקידו לנתק את המעגל החשמלי מהמקור החשמלי, ובכך להפסיק את זרימת הזרם. פתיחת המעגל הגורמת להפסקת הזרם מובילה לכיבוי המכשירים. מפסק זה מכונה נתיך. (בעבר, לפני המצאת המפסק האוטומטי, היה בשימוש מתקן המכיל חוט מוליך שהיה ניתך במצב עומס יתר. מכאן מקור השם "נתיך".)
חשוב לדעת: לעתים הסיבה להפעלת הנתיך היא מכשיר חשמלי שאינו תקין וכתוצאה מכך עוצמת הזרם במעגל גדלה מאוד. לכן יש לבדוק מה הסיבה לכך שהמפסק פעל וגרם לניתוק הזרם.
עומס יתר הוא מצב שבו עוצמת זרם החשמל בבית גבוהה מדי, ועלולה לגרום לשרפה. על מנת למנוע זאת המפסק האוטומטי (הנתיך) מנתק את זרם החשמלי באותו אזור בבית שיש בו עומס יתר. לאחר שהזרם נותק יש לנתק את כל מכשירי חשמל באותו אזור, ולאחר מכן לחברם באופן הדרגתי, על מנת לאתר את הגורם לעומס היתר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
נניח כי הנתיך בביתכם ניתק את זרם החשמל.
1. מה יכולות להיות הסיבות לכך?
2. כיצד תבדקו מהי הסיבה הנכונה במקרה זה? אין לבצע את הבדיקה בעצמכם!
3. מה אפשר לעשות כדי להשיב את זרם החשמל? אין לבצע זאת בעצמכם!
*270*
(בספר איור, היעזר במנחה)
קצר חשמלי הוא מצב שבו שני תילים נוגעים זה בזה, ומחברים באופן ישיר את שני הקצוות של המקור החשמלי. לדוגמה, אם נחבר את שני קצותיה של הסוללה באמצעות חוט תיל, ללא חיבור לנורה או לנגד, כמוראה באיור 9; (בספר איור, היעזר במנחה)
במצב של קצר נוצר למעשה מעגל חשמלי סגור בעל התנגדות נמוכה מאוד, מכיוון שבמעגל אין נגד והתנגדות התילים היא נמוכה מאוד. כתוצאה מכך, זורם במעגל זרם גבוה בהרבה מזה המיועד למעגל או למכשירים המחוברים אליו. קצר חשמלי יכול להתרחש כאשר הבידוד העוטף את התילים נקרע, או כאשר מתקלקל רכיב במכשיר חשמלי וכתוצאה מכך שני תילי הולכה נוגעים זה בזה. קצר יכול להתרחש גם כאשר נוגע במכשיר החשמלי חומר מוליך אחר, כמו למשל חדירת מים. המים יכולים להעביר את הזרם ממקום למקום וכך לגרום לקצר.
התוצאה הישירה של הגברת עוצמת הזרם במעגל חשמלי היא התחממות יתר של המוליכים. כתוצאה מכך עלולים להישרף רכיבים שונים במעגל החשמלי, או אפילו הבידוד העוטף את המוליכים עצמם. לכן, אחת הסכנות הגדולות של קצר חשמלי, מעבר להרס מכשירים חשמליים, היא התפרצות דליקות.
על מנת למנוע התרחשות של קצר חשמלי יש לתכנן נכון את המעגלים החשמליים. יש לדאוג לבידוד טוב של המוליכים, כך שיותאם לעוצמות הזרם המיועד לזרום בהם. כמו כן יש לוודא כי המוליכים, כמו המכשירים החשמליים שהם מחוברים אליהם, אינם חשופים למגע של נוזלים או חומרים מוליכים אחרים. בנוסף, כמו שתיארנו בסעיף הקודם, בכל רשת חשמל תקינה משלבים מפסק אוטומטי (או נתיך) שתפקידם לנתק את הזרם במעגל כאשר הוא עולה מעל רמה מסוימת. גם כאן כמו במקרה של עומס יתר, לאחר ניתוק הזרם יש לנתק את מכשירי חשמל, ולחברם באופן הדרגתי כדי לזהות את גורם הקצר.
קצר חשמלי נראה כמו באיור 10 (איור סכמטי).
(בספר שבעה איורים, היעזר במנחה)
גם במעגל שמורכב בו רכיב חשמלי, כמו נורה, יכול להיווצר קצר חשמלי. באיור 11 מתואר קצר במעגל המכיל סוללה ונורה. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר שבעה איורים, היעזר במנחה)
בחוט התיל המחבר את שני קצות הסוללה ללא נגד יזרום זרם בעוצמה גבוהה מאוד, בעוד בהסתעפות שבה הנורה נמצאת תהיה עוצמת הזרם אפסית, ולכן הנורה לא תאיר.
הערה: אין לבצע זאת במעבדה!
(בספר שבעה איורים, היעזר במנחה)
*271*
(בספר שבעה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. מדוע, לדעתכם, במעגל המתואר באיור 10 (בעמוד הקודם) זורם זרם בעוצמה גבוהה מאוד?
2. מדוע, לדעתכם, במעגל המתואר באיור 11 (בעמוד הקודם) עוצמת הזרם דרך הנורה תהיה אפסית?
3. לפניכם מעגלים חשמליים א'-ז'.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
א. באילו מהמעגלים יש קצר? נמקו את בחירתכם.
ב. מה עלול להתרחש במקרה של קצר במעגלים המתאימים שבחרתם בשאלה הקודמת?
- הנורה תאיר בעוצמה גדולה מהרגיל.
- הנורה תאיר בעוצמה קטנה מהרגיל.
- הסוללה תיגמר בתוך זמן קצר.
- הנורה תאיר בעוצמה רגילה.
ג. מה עלול להתרחש במקרה של קצר במערכת החשמל הביתית? הסבירו.
תפקיד הנתיך הוא לגרום להפסקה מיידית של זרם החשמל בבית כאשר עוצמת הזרם גבוהה מדי. זרם גבוה מדי יכול לנבוע משתי סיבות עיקריות, עומס יתר או קצר.
*272*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מיומנויות במדע וטכנולוגיה
קראו את הקטע הבא וענו על השאלות המופיעות אחריו.
התחשמלות
סכנות הקשורות בזרם החשמלי יכולות לנבוע מעומס יתר ומקצר, אך גם מהתחשמלות. גוף האדם הוא מוליך, וזרם חשמלי יכול לעבור דרכו. החל מעוצמה מסוימת, זרם יכול להיות מסוכן לגוף האדם.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
מידת הנזק הנגרם מהתחשמלות תלויה גם בעוצמת הזרם החשמלי וגם במשך הזמן שבו נחשף הגוף לזרם. ככל שמשך הזמן שבו נתון האדם להשפעת הזרם ארוך יותר, כך גדלה הסכנה לפגיעה קשה יותר.
העובדה שגוף האדם מוליך חשמל מהווה סכנה גם כאשר מנסים לחלץ אדם שנפגע מהתחשמלות. מגע עם האדם המחושמל עלול לגרום להעברת הזרם גם דרך גופו של המציל/ה. לכן לפני שמושיטים עזרה לאדם הפגוע יש לנתק את זרם החשמל. אם הדבר בלתי אפשרי, יש לאחוז את הנפגע/ת באמצעות חומר מבודד, ולהרחיקו/ה מהמקור החשמלי.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. רשמו את המונחים המרכזיים המופיעים בקטע.
2. סמנו את משפטי המפתח.
3. כתבו שתי הנחיות ברורות, כיצד יש לטפל באדם שהתחשמל. כל הנחיה תכלול משפט אחד בלבד.
4. חברו תשדיר לרדיו או לטלוויזיה שאורכו 30 שניות, המסביר מהי הסכנה שבהתחשמלות, וכיצד יש לטפל באדם שנפגע ממנה.
*273*
אחד האמצעים להתמודד בביתנו עם סכנת ההתחשמלות הוא ממסר הפחת. ממסר פחת הוא מפסק המנתק אוטומטית את כל מערכת החשמל במקרה של שינוי פתאומי בזרם. עקרון הפעולה של ממסר הפחת מתבסס על מדידת ההפרש בין עוצמת הזרם המגיעה אליו לבין עוצמת הזרם היוצאת ממנו. כאשר עוצמת הזרם המגיעה למכשיר קטנה מזה היוצאת ממנו, משמעות הדבר היא שחלק מהזרם "יוצא" מהמעגל החשמלי הביתי, ועובר דרך גוף האדם או דרך מכשיר חשמלי פגום. במקרה זה, ממסר הפחת מנתק את הזרם במערכת החשמל הביתית. זוהי הסיבה שממסר הפחת מצוי בחיבור בין רשת החשמל החיצונית לרשת החשמל הביתית.
זרם מגיע - ממסר פחת - זרם יוצא
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
כפי שלמדנו, ממסר הפחת הוא מתקן המנתק את המעגל החשמלי כאשר ישנה חריגה בעוצמת הזרם הזורם דרכו. הדבר נעשה באמצעות שני סלילים, שבאחד עובר הזרם חשמלי המגיע אל המתקן, ואילו בשני - הזרם היוצא ממנו. במצב תקין שני הזרמים הללו שווים, ובמצב של התחשמלות, קיים הפרש ביניהם. עודף הזרם באחד הסלילים מפעיל מנגנון המנתק את הזרם במעגל החשמלי כולו.
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
משימה
עבור כל אחד מהאיורים הבאים, רשמו מהי הסכנה הקיימת: התחשמלות, קצר חשמלי או עומס יתר. כמו כן, הסבירו כיצד נגרמת הסכנה בכל אחד מהמקרים.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*274*
*274*
- למדנו כי רכיבי המעגל החשמלי יכולים להיות מחוברים ביניהם בטור או במקביל.
- ראינו שהוספת נגד בטור לנגד נתון גורמת להקטנת עוצמת הזרם הכללי במעגל.
- למדנו שבחיבור בטור הוצאה של אחד הרכיבים מהמעגל גורמת לפתיחת המעגל ולהפסקת הזרם.
- בדקנו שבחיבור בטור הזרם החשמלי במעגל הוא קבוע.
- ראינו שהוספת נגד (או מכשיר כלשהו) במקביל לנגד נתון מגדילה את עוצמת הזרם הכללי במעגל.
- למדנו שניתוק אחד הרכיבים המחובר במקביל לרכיבים אחרים במעגל אינו מפסיק את הזרם במעגל כולו וכן אינו מפסיק את הזרם בענפים של המעגל שלא נותקו.
- ראינו שבחיבור רכיבים במקביל עוצמת הזרם אינה בהכרח שווה בכל אחד מהרכיבים במעגל.
- למדנו שהחיבור החשמלי בביתנו הוא חיבור במקביל.
- למדנו על מצבי עומס יתר, קצר והתחשמלות, ועל דרכים למניעת מצבים אלה או להתמודדות עמם.
*274*
1. לפניכם תרשים של מערכת שבה מחוברים אמפרמטר ושני מפסקים פתוחים. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
על מנת שאמפרמטר A יראה את עוצמת הזרם הגדולה ביותר יש לסגור את המפסקים הבאים:
א. מפסק 1 בלבד.
ב. מפסק 2 בלבד.
ג. מפסקים 1 ו-2.
ד. אין לסגור אף מפסק. הסבירו את תשובתכם.
*275*
2. לפניכם תרשים של מערכת שבה מחוברים שני מפסקים פתוחים ואמפרמטר. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
א. אילו מהמפסקים יש לסגור כדי שהאמפרמטר A יראה את עוצמת הזרם הגדולה ביותר?
ב. מחליפים את מפסק 2 בנורה זהה לנורה הנמצאת במעגל וסוגרים את מפסק 1. כתוצאה מכך:
- שתי הנורות דולקות באור זהה.
- אף נורה אינה דולקת.
- הנורה הקרובה לסוללה דולקת בעוצמה גדולה מזו שבנורה השנייה, הרחוקה יותר.
- הנורה הקרובה לסוללה דולקת בעוצמה חלשה מזו שבנורה השנייה, הרחוקה יותר.
ג. האם הנורה מוליכה זרם חשמלי? הסבירו.
ביריד שעשועים גדול רצו להאיר גדר חיה ארוכה. המתקינים בחרו לחבר את הנורות בטור. איזה חיסרון בולט קיים בחיבור מערכת התאורה שנבחרה בטור? הסבירו.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
בביתו של דוד מותקנות שתי דלתות. דוד רצה להשתמש בפעמון חשמלי אחד שיופעל על-ידי שני מפסקים הנמצאים כל אחד ליד דלת אחרת כך שאפשר יהיה להפעיל את הפעמון מכל דלת בנפרד. (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
כיצד יהיה מחובר הפעמון אל מפסקי הדלתות?
א. במקביל
ב. בטור
ג. אין אפשרות לחבר את הפעמון כך שישרת את שתי הדלתות.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
5. המנעול החשמלי של כספות גדולות כולל שני מפתחות שצריכים להסתובב יחד כדי לפתוח את הכספת. כל מפתח כזה סוגר מפסק חשמלי אחר.
א. כיצד המפסקים מחוברים ביניהם, האם בטור או במקביל? הסבירו.
ב. שרטטו את המעגל החשמלי המכיל את המנעול החשמלי, מקור חשמלי ואת שני המפסקים.
*276*
6. מעגלי חשמל בבתי מגורים הם מקבילים, ולא טוריים. מה היתרון בשימוש במעגלים מקבילים בבתי מגורים? מנו לפחות שני יתרונות.
7. נתונים הרכיבים הבאים: שתי נורות, סוללה ותילים ממתכת.
א. שרטטו מעגל חשמלי המשלב את שלושת הרכיבים והתילים, שבו שתי הנורות תארנה בעוצמתן המרבית.
ב. הסבירו מדוע בחרתם בשיטת חיבור זו.
8. נתונים הרכיבים הבאים: שלוש נורות זהות, סוללה ותילים ממתכת.
א. שרטטו מעגל חשמלי המשלב את כל הרכיבים, שבו שלוש הנורות תארנה בעוצמתן המרבית.
ב. האם ישתנה אור הנורה הראשונה אם נפרק מהמעגל את שתי הנורות האחרות? הסבירו.
9. כדי ליצור קצר במעגל יש לסגור את המפסקים הבאים: (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
א. מפסק 1 בלבד.
ב. מפסק 2 בלבד.
ג. מפסקים 1 ו-2.
ד. אסור לסגור אף מפסק.
10. מה תפקידו של ממסר הפחת?
11. כיצד ממסר הפחת מזהה מצב שבו אדם יכול "להתחשמל"? הסבירו.
12 היכן ממסר הפחת ממוקם במערכת החשמל הביתית? בדקו בביתכם.
13. תארו מה עלול לקרות אם תחברו בביתכם מכשירי חשמל רבים בעת ובעונה אחת. כיצד מכנים תופעה זו?
14. מה ההבדל בין קצר לעומס יתר?
15. שאלת אתגר
דני אמר: "איזה יופי, חיבור מקבילי הוא 'המצאת המאה'. נוכל לחבר לסוללה אחת במקביל נורות רבות כרצוננו ובכך להפיק אנרגיה עצומהו!אפילו אינסופית".
יוסי אמר: "אי אפשר לעשות זאת בעזרת סוללה כי היא מתחממת, אבל אפשר לעשות זאת בעזרת רשת החשמל הביתית שאיננה מתחממת".
א. מי מהם צודק לדעתכם? מדוע?
ב. אם לדעתכם שניהם טועים, הסבירו מדוע.
*277*
פרק 10: אנרגיה חשמלית - המרות, מקורות, הפקה ושימושים
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
*278*
*278*
בשיעורים הקודמים התמקדנו בזרם החשמלי והכרנו את הגורמים המשפיעים עליו: עוצמת המקור החשמלי, תכונות המוליך, והאופן שבו רכיבי המעגל מחוברים במעגל. כעת נתבונן במעגל החשמלי כמכלול שלם: נסביר את המרות האנרגיה בתופעות המתגלות לנו ברכיבים השונים של המעגל החשמלי. כמו כן נלמד על הדרכים השונות להפקת אנרגיה חשמלית ועל משבר האנרגיה.
*278*
מה התרחש במעגלים החשמליים שבנינו? כאשר סגרנו את המתג, נדלקה נורה. במשחק שבנינו צלצל הזמזם. גם בבית, כאשר סוגרים את המתג, המאוורר מתחיל להסתובב והמים בקומקום מתחילים להתחמם. בכל אחד מהתהליכים הללו התרחשו המרות של אנרגיה חשמלית לסוג אנרגיה אחרת.
כאשר אנו סוגרים מעגל חשמלי, חל שינוי באנרגיה של המטענים החשמליים ונוצר זרם. בהתאם לרכיבים המחוברים למעגל מתרחשות המרות של אנרגיה חשמלית לסוגי אנרגיה שונים.
לדוגמה, כאשר אנו מדליקים נורה באמצעות סוללה, האנרגיה הכימית שבסוללה מומרת לאנרגיה חשמלית של המטענים במעגל, אשר מומרת לאנרגיית אור של הנורה וגם לאנרגיה תרמית המתבטאת בשינוי הטמפרטורה של התילים, של הנורה ושל סביבתה.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
שאלות
1. הביטו במכשיר המורס שבניתם בפרק הקודם. (בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
א. מהן המרות האנרגיה שהתרחשו במכשיר?
ב. תארו המרות אלו באמצעות תרשים זרימה: (בספר תרשים זרימה, היעזר במנחה)
-- - -- - --
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
2. תארו באמצעות תרשימי זרימה את המרות האנרגיה המתרחשות בהפעלת המכשירים החשמליים הבאים:
א. רדיו
ב. מאוורר
ג. פעמון חשמלי
*279*
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
פעילות
הסביבון המאיר
מטרת הפעילות: לבחון את המרות האנרגיה במשחק הסביבון המאיר.
ציוד וחומרים: סביבון הגורם להדלקת נורה בעת סיבובו (יש סביבונים הגורמים אף להשמעת מנגינה).
מהלך הפעילות
שלב א' - סובבו את הידית המחוברת לסביבון ומתחו את הקפיץ.
שלב ב'- - נתקו את הידית, כך שהסביבון יתחיל להסתובב.
שלב ג' - לאחר זמן קצר ייסגר מעגל חשמלי בתוך הסביבון (התנועה גורמת להזזת כדורים קטנים אשר סוגרים את המעגל החשמלי), ואפשר יהיה לראות אור.
שלב ד' - הסביבון יאט את תנועתו וייעצר.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
1. תארו את המרות האנרגיה שהתרחשו בכל אחד מהשלבים א'-ד'.
2. יצגו את המרות האנרגיה בתרשים זרימה.
(בספר ארבע תמונות, היעזר במנחה)
משימה
התייחסו לכל אחד מהמכשירים החשמליים המתוארים בתמונות, במהלך פעולתו:
א. כתבו מהן המרות האנרגיה.
ב. שרטטו תרשים סכמטי של המעגל החשמלי שבו מתרחשת המרת האנרגיה.
ג. יצגו את המרות האנרגיה בתרשים זרימה.
ד. ציינו מהו מקור האנרגיה של המעגל החשמלי (אנרגיה כימית, אנרגיית אור, אנרגיית תנועה וכדומה).
(בספר איור, היעזר במנחה)
מכונית צעצוע סולרית, מאוורר מנורה, דינמו אופניים, טוסטר
*280*
*280*
בתהליכים החשמליים, כמו בתהליכים אחרים שהכרתם, מתקיים חוק שימור האנרגיה. לדוגמה, במעגל חשמלי שדולקת בו נורה, הפחת באנרגיה החשמלית של המטענים החשמליים שווה לתוספת באנרגיית האור ובאנרגיה התרמית.
כאשר בחנתם ככיתה ז' את שינויי האנרגיה המתרחשים שעה שכדור מקפץ או שמטוטלת נעה, למדתם כי האנרגיה בתחילת התהליך (למשל גובה) מומרת לסוגי אנרגיה אחרים (למשל, אנרגיית תנועה או אנרגיה אלסטית). תוך כדי התהליך, חלקה של האנרגיה התרמית הולך וגדל, עובדה הבאה לביטוי בהתחממות הסביבה, עד שכל האנרגיה שבמערכת מומרת לאנרגיה תרמית, והתהליך פוסק.
כך קורה גם במעגל החשמלי: האנרגיה החשמלית ההתחלתית של המקור מומרת לסוגי אנרגיה שונים, כולל אנרגיה תרמית. לדוגמה, נתבונן בהמרות האנרגיה במערכת הכוללת: סוללה, נורה ותילים.
האנרגיה הכימית של הסוללה מומרת לאנרגיה חשמלית, המומרת לאנרגיית אור בנורה, ולאנרגיה תרמית של הנורה ושל חוטי התיל.
(בספר תמונה, היעזר במנחה) סוללות
נתאר תהליך זה באמצעות תרשים זרימה:
אנרגיה כימית - מומרת ל... - אנרגיה חשמלית - מומרת ל... - אנרגיית אור, אנרגיה תרמית
(בספר תמונה, היעזר במנחה) סוללות
(בספר תמונה, היעזר במנחה) סוללות
שאלות
(בספר תמונה, היעזר במנחה) סוללות
1. האם מערכת ב' היא מערכת פתוחה או מערכת סגורה? נמקו. התייחסו בתשובתכם להבדל בין מקורות החשמל בשתי המערכות.
2. מהו ההבדל בין משך הזמן שבו הנורה יכולה לדלוק במצב זה לעומת המצב שבו הנורה מחוברת לסוללה? מדוע?
במעגל חשמלי מתקיימות המרות אנרגיה, ובהן האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיות מסוגים אחרים, לרבות אנרגיה תרמית. כמות האנרגיה החשמלית המומרת שווה לסך כל סוגי האנרגיה האחרים המתקבלים בתהליך.
*281*
*281*
בפרקים הקודמים למדנו כי במעגלים החשמליים מתקיימים תהליכי שינוי, שעל מנת לקיימם יש צורך במקור החשמלי. האנרגיה שבמקור החשמלי מומרת ברכיבי המעגל השונים לסוגי אנרגיה אחרים (אור, חום, תנועה), וכך אנו יכולים להשתמש באנרגיה החשמלית לצרכים שונים. אנו יודעים גם שיש מגוון מקורות המספקים לנו את האנרגיה החשמלית, כמו למשל סוללה, דינמו או תחנת חשמל (תחנת כוח), אך גם מקורות אלה אינם מייצרים את החשמל, אלא מפיקים אותו באמצעות המרה של אנרגיה אחרת.
למה הכוונה? האנרגיה החשמלית אינה מצויה בטבע באופן זמין לאדם. הסוללה או תחנת החשמל ממירות את האנרגיה שבמקורות אנרגיה זמינים לאנרגיה חשמלית.
כל מתקן שבו יכול להתרחש תהליך המגדיל את האנרגיה של המטענים החשמליים נקרא "מקור חשמלי". עתה נכיר דרכים שונות להפקה של אנרגיה חשמלית, ונלמד כיצד תהליך ההפקה מתבצע בכמה מהמתקנים הנפוצים כיום.
(בספר תמונה, היעזר במנחה) סוללות
פעילות
כרטיסיות עבודה בנושא מקורות חשמליים
לפניכם כרטיסיות עבודה אשר כל אחת מהן מתארת מקור אחר להפקת חשמל.
כל קבוצה תקבל כרטיסייה, וחבריה יתארו את:
1. האופן שבו מופק החשמל.
2. המרות האנרגיה באמצעות תרשים זרימה.
כרטיסייה א' - הסוללה כמקור לאנרגיה חשמלית
(בספר תמונה, היעזר במנחה) תאי שמש
המתקן הביתי הנוח והנפוץ ביותר להפקת אנרגיה חשמלית הוא הסוללה. קיימים מכשירים רבים מספור, במגוון עצום של שימושים, הפועלים בזכות הסוללה. ובכולם מתרחשת המרה של אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. כיצד הדבר נעשה? כאשר מחברים את הסוללה למעגל החשמלי, התוצרים של התהליך הכימי המתרחש בסוללה מאפשרים את קיום הזרם החשמלי (תנועת האלקטרונים במוליך), וכך מתקבלת אנרגיה חשמלית המאפשרת הפעלה של מכשירים שונים.
*282*
ראוי להבחין בין סוללה רגילה, המסוגלת לספק אנרגיה חשמלית עד אשר אי אפשר לקיים את התהליך הכימי המתחולל בה (המאפשר ליצור את הזרם החשמלי), ובין סוללה נטענת או מצבר, שאותם אפשר לטעון מחדש, כלומר לחדש בהם את התהליך הכימי. עם זאת, גם מתקנים אלו מאבדים את יעילותם עם הזמן, ואי אפשר לטעון ולרוקן אותם שוב ושוב עד אין קץ.
כרטיסייה ב' - תאי שמש כמקור לאנרגיה חשמלית
(בספר תמונה, היעזר במנחה) דינמו
מתקן להפקת אנרגיה חשמלית מאנרגיית קרינה, שהשימוש בו גובר בשנים האחרונות, הוא תאי שמש. פעילותו של תא השמש מבוססת על תכונתן של מתכות מסוגים שונים לשחרר אלקטרונים כאשר אור פוגע בהן. בתא שמש נבלע אור ובה בעת גדלה האנרגיה של המטענים החשמליים. כמו שלמדנו, תנועת אלקטרונים (או זרם חשמלי) קשורה לאנרגיה החשמלית, שאותה אפשר להמיר לסוגי אנרגיה אחרים. מכאן שתא השמש ממיר אנרגיית קרינה לאנרגיה חשמלית. את תאי השמש אפשר למצוא היום במקומות כמו גגות בתים, עמודי תאורה ומכשירים אלקטרוניים. בדרך כלל תאי שמש האנרגיה החשמלית נאגרת במצבר, שהוא מתקן שבו אפשר "לשמור" על האנרגיה החשמלית לשימוש במועד מאוחר יותר, כמו בשעות החשכה. עקב מחירם הגבוה של תאי השמש, האנרגיה החשמלית המופקת מהם לא תמיד כדאית מבחינה כלכלית, אך הצפי הוא שבשנים הקרובות ירד המחיר, והשימוש בתאי השמש ילך ויגבר.
כרטיסייה ג' - הדינמו כמקור לאנרגיה חשמלית
(בספר תמונה, היעזר במנחה) תחנת חשמל
מתקן נוסף שאנו מכירים, והמשמש מקור לאנרגיה חשמלית, הוא הדינמו. הדינמו מורכב ממגנט ומסליל של מוליכים המלופפים בצפיפות רבה. כאשר אנו מסובבים את הסליל (או המגנט), אנרגיית התנועה מומרת לאנרגיה חשמלית, וכך מתאפשרת, למשל, הדלקה של נורה. בתמונה רואים דינמו המוצמד לגלגל האופניים. סיבוב הגלגל מסובב את הדינמו וכך נדלקת הנורה.
*283*
כרטיסייה ד' - תחנת החשמל (תחנת הכוח) כמקור לאנרגיה חשמלית
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מהו מקור האנרגיה החשמלית המגיעה לביתנו? אנו יודעים כי רשת החשמל הארצית מחוברת אל תחנות חשמל המפיקות אנרגיה חשמלית, ומשם, באמצעות זרם חשמלי, האנרגיה מגיעה אל ביתנו. מעניין לדעת כי אופן הפקת האנרגיה החשמלית בתחנות אלו דומה מאוד לזה המתרחש בדינמו, אלא שבתחנות הוא מכונה "מחולל זרם", או גנרטור. גם במחולל יש סליל של מוליכים המלופפים בצפיפות רבה והמסתובבים במהירות גבוהה מאוד בתוך מגנט. בזמן הסיבוב אנרגיית התנועה של המחולל מומרת לאנרגיה חשמלית, בדיוק כמו שנעשה בדינמו. הסליל שבמחולל הוא ענקי, ומסתו עשויה להגיע לעשרות טונות. כיצד מסובבים סליל כבד כל-כך? לכך יש דרכים שונות, המבדילות בין הסוגים השונים של תחנות חשמל, ועל כך בהמשך.
סיכום כרטיסיות עבודה
1. הציגו בפני הכיתה את המתקן להפקת אנרגיה חשמלית שעליו למדתם. תארו כיצד מופקת האנרגיה.
2. ערכו טבלת השוואה של המתקנים להפקת אנרגיה חשמלית, כשם שמתואר בטבלה 1. בכל תא רשמ1 "+" אם התכונה קיימת במתקן זה, ו"-" אם התכונה אינה קיימת במתקן.
טבלה 1: השוואה בין מתקנים להפקת אנרגיה חשמלית
התכונה, סוללה, תא שמש, דינמו, תחנת חשמל
משך שימוש ארוך, --, --, --, --
מקור אנרגיה "אינסופי", --, --, --, --
אפשר להשיגו בפשטות ובכל מקום, --, --, --, --
דרוש כוח פיזי להפעלתו, --, --, --, --
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. בחרו באחד המתקנים ותארו את יתרונותיו ואת חסרונותיו על סמך הטבלה.
*284*
*284*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
פעילות
יצירת זרם חשמלי ללא סוללה
מטרת הפעילות: להציג דוגמה לאופן שבו גנרטור חשמלי פועל.
ציוד וחומרים: לכל קבוצה: סליל נחושת בעל מספר ליפופים רב, מגנט, תילים מוליכים ומד-זרם (אמפרמטר) רגיש.
מהלך הפעילות
חברו מעגל הכולל את הסליל ואת מד-הזרם, כמתואר באיור 1. (בספר איור, היעזר במנחה).
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
2. הכניסו את המגנט לתוך הסליל בתנועה מהירה. מה אתם רואים?
3. הוציאו את המגנט מתוך הסליל בתנועה מהירה. מה אתם רואים?
4. נסחו מסקנה מתוך הפעילות. היעזרו בתבנית הבאה:
כאשר מתרחשת תנועה יחסית בין מגנט לבין סליל, נוצר בתילי ההולכה --.
כל אספקת החשמל לביתנו מתחנות החשמל מבוססת על העיקרון שראינו בפעילות - תנועה יחסית בין מגנטים לבין סלילים.
יש דרכים שונות לסובב את הסליל או את המגנט כדי ליצור תנועה יחסית ביניהם אשר תוביל ליצירת זרם חשמלי. למרות הדרכים השונות, בכל תחנות החשמל, אנרגיית תנועה מומרת לאנרגיה חשמלית.
*285*
אלקטרומגנט
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
כמו שבעזרת מגנט אפשר להפיק זרם חשמלי, כך אפשר ליצור "מגנט" באמצעות זרם חשמלי. למגנט כזה קוראים "אלקטרו-מגנט", והוא בנוי מתיל מוליך המלופף, בדרך כלל, על גוש ברזל. כאשר עובר זרם חשמלי בתיל המוליך, הופך הברזל למגנט, והוא מסוגל למשוך אליו מתכות שונות. היתרון באלקטרומגנט הוא בכך שבאמצעות ויסות הזרם החשמלי אפשר לשלוט בעוצמת הכוח המגנטי הנוצר, או לבטלו לחלוטין. יתרון נוסף הוא היכולת ליצור כוח מגנטי גדול מאוד באמצעות הזרמת זרם חזק. החיסרון הוא, כמובן, שכדי לקיים את הכוח הזה יש צורך בזרם חשמלי מתמיד.
לאלקטרומגנטים יש שימושים רבים, ובתחומים מגוונים. בגנרטור שבתחנת החשמל יש צורך במגנט חזק מאוד להפקת הזרם החשמלי ולשם כך משתמשים באלקטרומגנט. במפעלי מתכת נעזרים באלקטרומגנט על מנת להרים ולשנע מתכות ממקום למקום. במחשבים מתבצעת פעולת הכתיבה והקריאה של הכונן הקשיח בעזרת אלקטרומגנט. כיום יש רכבות ללא גלגלים, המרחפות מעל המסילה תוך כדי תנועה ובכך מצליחות להגיע למהירויות גבוהות מאוד בנסיעה שקטה. הרמת הרכבת מעל למסילה נעשית באמצעות כוח הנוצר על-ידי אלקטרומגנטים המחוברים לקרונות או למסילה.
עוד על רכבת רחף אפשר למצוא באתר המלווה את הספר.
(בספר שמונה תמונות, היעזר במנחה)
*286*
(בספר שמונה תמונות, היעזר במנחה)
משימה
1. אילו סוגים של תחנות חשמל מוכרים לכם? האם תחנות כאלה מצויות בארץ?
2. בחרו באחת מהשיטות הבאות להפקת חשמל: תחנה גרעינית, טורבינת רוח, תחנה הידרו-אלקטרית, תחנת גז טבעי, תחנות קיטור, פצלי שמן, תחנה גאו-תרמית ותחנת ביו-מאסה.
1. תחנת קיטור 2. ערימות ביו-מאסה 3. תחנה גיאו-תרמית 4. תחנה גרעינית 5. כריית פצלי שמן 6.טורבינת רוח 7. תחנת גז טבעי 8. תחנה הידרו-אלקטרית
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
היעזרו בנספח שבסוף השער וכן חפשו מידע במרשתת על תחנת החשמל שבחרתם, וכתבו מאמר בן שלושה עמודים המתאר את האופן שבו מופקת האנרגיה החשמלית בשיטה שבחרתם. השתמשו בראשי הפרקים הבאים:
א. תיאור התהליך שבו מופק החשמל.
ב. תיאור המרות האנרגיה בתחנה - באופן מילולי ובאמצעות תרשים זרימה.
ג. מה מידת היעילות של תהליך הפקת החשמל בתחנה זו?
ד. ציינו היבטים סביבתיים של השיטה שבחרתם (זיהום, רעש, פגיעה בחי ובצומח).
ה. מהם ההיבטים הכלכליים של השיטה מבחינת מדינת ישראל (עד כמה מקור האנרגיה מצוי בארץ, עד כמה הוא זמין להפקת חשמל).
ו. סיכום והתבוננות לאחור (מה למדנו על השיטה להפקת חשמל שאותה בחרנו).
3. ערכו משפט ציבורי בכיתה, שבו כל קבוצה תטען מדוע כדאי, במדינת ישראל, לבחור את השיטה שהצגתם. דונו ביתרונות ובחסרונות של כל שיטה, וערכו הצבעה לבחירת שלושה סוגים של תחנות חשמל שאתם תומכים בהקמתן בארץ.
*287*
*287*
בפרק הקודם למדנו כי האנרגיה החשמלית מתקבלת באמצעות המרות מסוגי אנרגיה אחרים, הזמינים בטבע. אנו גם יודעים כי בעשרות השנים האחרונות גבר מאוד השימוש באנרגיה החשמלית, ולכן גברה גם צריכת המקורות הזמינים המשמשים להפקתה. האם אפשר להשתמש במקורות הללו עד אין קץ? האם ייתכן מצב שבו מקור אנרגיה כלשהו יכלה (ייגמר)? שאלה זו קשורה גם למושג שאנו שומעים עליו רבות בשנים האחרונות: משבר האנרגיה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
דיון
1. מה ידוע לכם על משבר האנרגיה? מהן הסיבות למשבר זה?
2. למדנו על חוק שימור האנרגיה, שלפיו כמות האנרגיה במערכת סגורה נשמרת. אם כן, כיצד ייתכן "משבר אנרגיה"?
בעשרות השנים האחרונות אנו עדים לגידול רב בצריכת משאבי האנרגיה הזמינים ברחבי העולם. השימוש הגובר במשאבי (מקורות) האנרגיה נובע הן מהגידול הניכר באוכלוסיית העולם, והן מהעובדה שרמת החיים הכללית של אוכלוסייה זו הולכת ועולה, עלייה המתבטאת בשימוש רב יותר באנרגיה לצרכים שונים. הואיל ומקורות האנרגיה שבהם אנו משתמשים כיום הם ברובם המכריע (כ-90%) נפט, מזוט ופחם. קיימת סכנה כי מקורות אלה לא יוכלו לספק את הדרישה הגוברת לאנרגיה - מצב המכונה כאמור משבר אנרגיה. ראוי לציין כי משבר אנרגיה נגרם לעתים גם באופן מלאכותי, כאשר הארצות המפיקות נפט מקטינות את התפוקה על מנת להשיג רווח פוליטי או לגרום לעליית מחירים. משברי אנרגיה על בסיס פוליטי-כלכלי אירעו בעבר, ועשויים להתרחש גם בעתיד.
משבר אנרגיה מתרחש כאשר יש קושי לספק את הדרישה לאנרגיה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. הביאו דוגמה למשבר אנרגיה. אם לא ידועה לכם דוגמה כזאת, חפשו במרשתת דוגמאות למשבר אנרגיה בעולם ובישראל.
2. מה, לדעתכם, יכול להיות הפתרון למשבר האנרגיה?
*288*
*288*
כדי לפתור את משבר האנרגיה, מחפשים מדענים, מדינאים וכלכלנים תחליפים למקורות האנרגיה שעלולים להתכלות בעתיד הקרוב או הרחוק.
מקורות אנרגיה שהשימוש בהם מפחית את כמותם ובסופו של דבר ייגמרו מכונים מקורות אנרגיה מתכלים. מקורות אנרגיה שכמותם כמעט אינה מוגבלת, ונוכל להשתמש בהם ככל שנרצה, מכונים מקורות אנרגיה מתחדשים (שאינם מתכלים).
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. מיינו את תחנות החשמל הבאות לתחנות המבוססות על אנרגיה מתכלה ולתחנות המבוססות על אנרגיה מתחדשת: טורבינת רוח, פצלי שמן, תחנה גרעינית, תחנה פחמית, תחנה הידרואלקטרית, תאים פוטו- וולטאיים, תחנה גיאו-תרמית ותחנת ביומאסה.
2. הסבירו מדוע מקורות האנרגיה המתחדשים שרשמתם אכן מתחדשים.
חשמל ממקורות שאינם מתכלים (נהוג לכנותם מקורות "מתחדשים") כמו שמש, מים ורוח, מופק בתהליכים שמידת השפעתם השלילית על הסביבה פחותה מאשר השימוש בפחם, במזוט, בגז, ואף בביומאסה, הגורמים לזיהום הסביבה ולהתחממות כדור הארץ. הגדלת השימוש באנרגיה ממקורות מתחדשים, כאלה שאין סכנה לדלדולם, יכולה להיות הפתרון לזיהום הסביבה ולמשבר האנרגיה. הבעיה היא שמעבר לשימוש במקורות אלו הוא תהליך ממושך ומורכב, בין היתר מאחר שמקורות כמו רוח או מים אינם יכולים לספק את צריכת החשמל העולמית, ושהטכנולוגיות להפקת חשמל מאנרגיית השמש עדיין יקרות מדי. כמו כן, יש ארצות שאין להן מקורות אלו, ואי אפשר לרכוש אותם. בינתיים ימשיך האדם להשקיע מאמצים בחיפוש אחר מאגרים נוספים של מקורות אנרגיה ובייעול תהליכי ההפקה מהמאגרים הקיימים. זאת בד בבד עם שימוש במקורות אנרגיה מגוונים המקטינים את התלות במדינות המפיקות נפט או בזמינותם (הזמנית) של מקור זה או אחר. במדינת ישראל החליף הפחם את הנפט כמקור העיקרי להפקת אנרגיה, ובעתיד, אנו מקווים, יעשה זאת הגז הטבעי שהתגלה במרבצים שבים, בקרבת חופי הארץ.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלה
מיינו את המתקנים שבאיור הבא על-פי אלו המשתמשים במקורות אנרגיה מתכלים ואלו המשתמשים במקורות אנרגיה מתחדשים.
*289*
מתקנים המפיקים אנרגיה מתכלה ומתחדשת
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
במשך שנים נערכים בישראל חיפושים אחר מקורות אנרגיה זמינים - נפט וגז טבעי. לאחר מאמצים רבים, התגלה ב-2009 מאגר גדול מאוד של גז טבעי מול חופי חיפה.
קראו את הקטע הבא, הלקוח מכתבה שפורסמה בעיתון"כלכליסט" ב-18.1.2009, וענו על השאלות שאחריו:
תשובה: גילוי הגז הטבעי - אחת התגליות התגליות הגדולות בעולם
מאת גיא מי-טל
"זהו יום חג לנו ולמדינת ישראל כולה", כך אמר הבוקר יצחק תשובה, מבעלי חברת דלק קידוחים, לגבי גילוי מרבצי הגז הטבעי מול מפרץ חיפה.
דבריו של תשובה באים לאחר שהשותפות בקידוח הגז מול מפרץ חיפה הכריזו על תגלית גז טבעי בממדים עצומים ובשווי של מיליארדי דולרים. בהודעה שפורסמה הבוקר נכתב כי זוהו שלושה מאגרים באיכות גבוהה הכוללים שכבות חול המכילות גז טבעי. תשובה אמר בראיון, כי "כמויות הגז שהתגלו יספקו את צרכי האנרגיה של מדינת ישראל עשרות שנים-זו אחת התגליות הגדולות בעולם", אנחנו לא נהיה מדינה תלותית בכל מה שקשור לגז - יש לנו אפילו כמויות שאפשר לייצא החוצה".
לדבריו, "גז זה דבר נקי יעיל וטוב. שימוש בגז טבעי יוזיל ב-20% את עלויות האנרגיה של המדינה. אם חברת החשמל, לדוגמא, תעבור להשתמש בגז, גם מחירי החשמל לאזרחים צפויים להיות מוזלים בשיעור דומה. אנו מחזקים את הכלכלה של מדינת ישראל, גם האזרח צריך לחגוג היום. דרך יצוא הגז ייכנסו לקופת המדינה מסים בצורה עקיפה של מאות מיליוני שקלים". גלית שפיר מוסרת כי הרב מיכאל מלכיאור, מראשי התנועה הירוקה-מימד מסר כי "עתה, משנתגלו מאגרי הענק יש לגנוז את תכניות הקמת התחנה הפחמית אשר תביא לנזקים בריאותיים קשים לתושבי אזור אשקלון".
*290*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. מדוע גילוי מרבצי הגז הוא "יום חג למדינת ישראלי", כמו שתיאר יצחק תשובה?
2. אילו השלכות כלכליות המתוארות בקטע נובעות מגילוי הגז?
3. בקטע מופיע הציטוט הבא: "גז זה דבר נקי יעיל וטוב". האם אתם מסכימים עם טענה זו? נמקו.
4. האומנם החלפת תחנה פחמית בתחנת גז תקטין את הנזקים הבריאותיים? נמקו את תשובתכם.
5. חפשו במרשתת מידע עדכני על תגליות הגז בישראל. הסתמכו על המידע וענו על שאלות 6 ו-7.
6. האם בשנים הקרובות תוכל מדינת ישראל להסתפק אך ורק בגז כמקור אנרגיה?
7. האם בעוד כמאה שנה יוכל הגז לשמש את מדינת ישראל כמקור אנרגיה בלעדי?
8. הסתמכו על קטע הקריאה שבעמוד הקודם ועל המקור המופיע ברשת ומנו את היתרונות והחסרונות של הקמת תחנת חשמל מגז טבעי.
פעילות נוספת בנושא שיקולים בבחירת חלופות למקורות האנרגיה אפשר למצוא באתר המלווה את הספר.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
השמש - המקור של מקורות אנרגיה
למדנו כי האנרגיה החשמלית אינה מופיעה בצורה הזמינה לשימוש האדם, אלא יש להפיקה ממקורות אנרגיה אחרים, כלומר לקבלה תוך המרה מתאימה של סוגי אנרגיה אחרים. רובם של מקורות אנרגיה אלה, גם אם הם מצויים בטבע וזמינים לשימוש האדם, נוצרו מתהליכים שמקורם באנרגיה המגיעה אלינו מן השמש.
ואכן, מקור האנרגיה הראשוני למתרחש על פני כדור הארץ הוא השמש. קרינת השמש מחממת את כדור הארץ, מאפשרת את קיום החי והצומח על פניו, וגורמת לתופעות אטמוספריות כגון רוחות, עננים, מחזור המים וכיוצא באלה. השמש פולטת קרינה המתפשטת במידה שווה לכל הכיוונים. חלק גדול מהאנרגיה המוקרנת אלינו מהשמש (כ-30%) מוחזר ישירות ומפוזר לחלל על-ידי האטמוספרה. היתר (כ-47%) נבלע ביבשות ובאוקיינוסים ומחמם אותם; כ-23% נצרכים לאידוי מימי האוקיינוסים ועל-ידי כך ליצירת משקעים: גשמים, שלגים, ברד וטל. אחוז קטן מאוד, כ-0.2% מן האנרגיה המוקרנת, מנוצל ליצירת רוחות וגלים, ו-0.02% נקלטים על-ידי הכלורופיל שבצמחים הירוקים בתהליך המכונה פוטוסינתזה. בתהליך זה נבלע הפחמן בחלקי הצמח הירוקים באמצעות תגובות כימיות המתרחשות בעזרת אור השמש, נוצרות תרכובות סוכר ונפלט חמצן. המדענים סבורים שתהליך זה הוא שלב חשוב ביצירת פחם וגז. מכאן שגם מקורות האנרגיה הזמינים שבהם אנו משתמשים להפקת אנרגיה חשמלית - כולל רוח ומים - מקורם באנרגיית הקרינה מהשמש.
*291*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלות
1. סמנו את מילות המפתח המופיעות בקטע.
2. מהו מקור האנרגיה הראשוני לחלק מההתרחשויות על פני כדור הארץ? מדוע הוא מכונה כך?
3. על סמך הקטע שקראתם, הסבירו כיצד טורבינת רוח, תחנה הידרואלקטרית ותחנת פחם ממירות כולן אנרגיה שמקורה מהשמש.
4. רשמו דוגמאות הידועות לכם לשימוש באנרגיה - חשמלית או אחרת - שמקורה מן השמש.
5. בחלק מגגות הבתים בארץ מותקנים קולטים מיוחדים החשופים לקרינת השמש ומכונים תאים פוטו-וולטאיים או תאים סולריים.
א. עיינו באנציקלופדיה או ברשת, והסבירו מהי פעולתם של התאים הפוטו-וולטאיים.
ב. תארו את המרות האנרגיה בתאים אלו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*292*
*292*
בסעיפים האחרונים עסקנו רבות בתהליך ההפקה של אנרגיה חשמלית ממקורות אנרגיה שונים. מה המיוחד בסוג אנרגיה זו, שאנו עושים מאמצים כה רבים להפיקה למרות הקשיים הרבים והבעיות הטמונים בתהליך הפקתה?
האנרגיה החשמלית מצויה בכל בית, וכל שאנו נדרשים הוא לחבר את המכשיר החשמלי אל השקע שבקיר. המרת האנרגיה נעשית באופן מיידי, והשימוש בה נשלט על-ידנו באופן הפשוט והנוח ביותר, בהפעלת מתג.
נשווה את השימוש באנרגיה חשמלית למקור אנרגיה עתיק יומין והוא גזרי עץ:
1. האנרגיה החשמלית נגישה ונוחה מאוד לשימוש. חשבו על ההבדל בין הפעולות המתבקשות לצורך חימום הבית באמצעות תנור חשמלי, לעומת שימוש בתנור המוסק בגזרי עצים. השימוש בתנור חשמלי מצריך לחיצה על המתג בלבד, בעוד השימוש בתנור עצים מקשה על ויסות של הטמפרטורה לעוצמה הרצוייה ומצריך אגירה של גזרי עצים, ניקוי התנור והארובה ועוד. בנוסף מוצרי החשמל הקיימים כיום מאפשרים להפוך את האנרגיה החשמלית לסוגי אנרגיה רצויים אחרים כמו קול, אור וחום בקלות רבה.
2 האנרגיה החשמלית קלה ומהירה מאוד להעברה ממקום הפקתה למקום צריכתה. כבלי החשמל היוצאים מתחנת החשמל מגיעים אל הצרכנים, ומובילים את האנרגיה החשמלית במהירות, בקלות וללא צורך באמצעי תעבורה. כזכור החימום בתנור עצים מחייב לנסר ולהעביר את גזרי העץ הכבדים באמצעי תחבורה שונים אל הצרכנים.
3. השימוש באנרגיה חשמלית אינו מחייב אגירה ואחסון בצמוד לבית. בדוגמת תנור העצים, יש לדאוג לשטח אחסון גדול עבור גזרי העץ, בעוד שהחשמל מגיע ישירות למקומות השונים ללא צורך באגירה ואחסנה.
4. הפעלה נקייה. בדוגמת תנור החימום, בתהליך הבעירה נוצר פחם המלכלך את התנור, את הארובה ואת הסביבה. פסולת זו יש לנקות מדי פעם. לעומת זאת, הפעלת תנור חימום חשמלי היא נקייה, ללא צורך בפינוי פסולת. עם זאת יש לזכור כי פעולת תחנת החשמל עצמה מזהמת את הסביבה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
חשבו על דרכים שונות - חשמליות ושאינן חשמליות - להרתחת מים לשתיית קפה.
השוו בין הדרכים, ותארו כיצד ארבע הסיבות לשימוש בחשמל מתקיימות גם במקרה זה.
*293*
*293*
- תיארנו את המרות האנרגיה המתרחשות בעת הפעלת מכשירים חשמליים שונים.
- הכרנו מתקנים שונים להפקת אנרגיה חשמלית, כמו למשל: תחנות חשמל, תאי שמש ודינמו.
- בחנו יתרונות וחסרונות בסוגים שונים של תחנות חשמל ואת השפעתן על הסביבה.
- דנו בנושא משבר האנרגיה והבחנו בין מקורות אנרגיה מתכלים לבין מקורות אנרגיה מתחדשים שההבדל ביניהם הוא בכך שבמקורות מתחדשים אפשר להשתמש ככל שנרצה.
- ראינו כי למרות הקשיים הרבים והבעיות הסמונים בהפקת אנרגיה חשמלית אנרגיה מסוג זה היא הנפוצה והנוחה ביותר לשימוש.
שאלות סיכום
1. השלימו את תרשימי המלבנים הבאים (ראו דוגמה):
א. אנרגיה חשמלית - מומרת על-ידי חוט להט בתנור חימום ל- - אנרגיה תרמית, אנרגיית קרינה
ב. אנרגיה חשמלית - מומרת על-ידי נורה פלורסנטית ל- - אנרגיה --, אנרגיית --
ג. אנרגיה חשמלית - מומרת במעלית ל- אנרגיה --, אנרגיית --
ד. אנרגיה -- - מומרת של ידי מגבר שמע ל - אנרגיית תנועה של האוויר המתבטאת בקול
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*294*
2. המשפטים הבאים מתארים תהליכים שמעורבים בהם סוגי אנרגיה שונים. הקיפו בעיגול את המשפטים שבהם מעורבת אנרגיה חשמלית בתהליך. בעבור משפטים אלה ייצגו את המרות האנרגיה באמצעות תרשים זרימה.
א. ילד/ה צועק/ת בקול רם.
ב. מדורה מאירה את שמי הלילה.
ג. מדריך/ה מדבר/ת במיקרופון כדי שכל הנוכחים יוכלו לשמוע.
ד. להקה מנגנת שיר רוק על במה בהופעה.
ה. לייזר חזק מאיר את העננים.
ו. קופץ/ת לגובה שובר/ת את שיאו/ה האישי.
ז. תנור חימום הפועל על נפט מחמם את החדר.
ח. מזגן מופעל ביום חם.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. התבוננו בגרף העוגה המתואר באיור 2:
(בספר גרף, היעזר במנחה)
איור 2: התפלגות מקורות צריכת האנרגיה בישראל
א. מה מייצג העיגול השלם?
ב. מהו מקור האנרגיה המרכזי בישראל?
ג. מהו מקור האנרגיה השני בשכיחותו?
ד. מהם מקורות האנרגיה שמקורם בשמש?
ה. מהם מקורות האנרגיה המתחדשים המופיעים בגרף?
ו. אמדו מהו אחוז השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים בישראל.
4. כיצד מתיישב משבר האנרגיה עם חוק שימור האנרגיה?
5. בגרף שבאיור 3 מתוארת צריכת החשמל החודשית של משפחת נבון, במשך השנה האחרונה.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
איור 3: התפלגות צריכת החשמל
א. באילו חודשים הייתה צריכת החשמל הקטנה ביותר (מינימלית) של משפחת נבון?
ב. באילו חודשים הייתה צריכת החשמל הגדולה ביותר (מרבית) של משפחת נבון?
ג. ממה יכולים לנבוע ההבדלים בצריכת החשמל בין חודשי השנה השונים?
ד. בקשו מהוריכם את חשבון החשמל המשפחתי שלכם, וענו על שאלות א'-ג' בעבור הגרף המופיע בחשבון זה.
ה. העלו הצעות להקטנת צריכת החשמל על-ידי שינוי הרגלי התנהגות. אילו מהם כבר יש לכם? אילו מהם תאמצו?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
6. בשנים האחרונות מופיעה על מוצרי חשמל כמו מכונת כביסה, מקרר או מזגן, תווית המציינת מהו הדירוג האנרגטי של המכשיר.
התבוננו באיור של תווית האנרגיה המציינת את הדירוג האנרגטי של מכונת כביסה, וענו על השאלות הבאות:
א. מה מייצג הדירוג האנרגטי?
ב. מבחינת השמירה על איכות הסביבה מה עדיף לקנות, מכונת כביסה בעלת דירוג אנרגטי B או F? מדוע?
מידע נוסף שיעזור לכם לענות על השאלה תוכלו למצוא בקישור תוויות אנרגיה.
7. במעגל חשמלי סגור זורם זרם.
אלעד טוען כי: "למדנו כי הזרם החשמלי במעגל הוא קבוע, כלומר שווה לפני ואחרי הרכיב החשמלי. אם כך הזרם המגיע לבית הצרכן מוחזר דרך כבלי החשמל אל חברת החשמל, אז למה אני צריך לשלם לחברת חשמל על צריכת החשמל? הרי הם מקבלים בחזרה את כל הזרם החשמלי שהעבירו אלי?" האם אתם מסכימים עם אלעד? הסבירו.
טיעון
(טענה) דעתי היא --
(נימוק) אני חושב/ת כך, כי --
8. בטבלה הבאה מופיעים מתקנים ושיטות שונות להפקת אנרגיה חשמלית. העתיקו את הטבלה והשלימו אותה בעזרת מחסן המילים. ציינו אם המשאב שעליו מבוססת השיטה הוא מתכלה או מתחדש. תוכלו להיעזר בנספח 1 שבסוף הפרק.
שם המתקן להפקת אנרגיה, השיטה להפקת אנרגיה חשמלית, המשאב: מתכלה/מתחדש
תחנה הידרו-חשמלית, שינוי בגובה ה--, --
תחנה קיטורית, -- נפט/פחם/גז, --
חשמל מהרוח, -- טורבינה, --
תחנה גרעינית, הפקת חום המופק מתגובה --, --
תחנה גיאותרמית, שימוש בקיטור המופק מ--, --
תחנה סולרית, שימוש בקרינת ה--, --
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
מחסן מילים: גרעינית, שמש, שרפת, מים, בטן האדמה, סיבוב
*296*
9. השימוש בחוות סולריות המורכבות ממאות לוחות של תאים פוסו-וולסאים פופולרי בשנים האחרונות. הפקת אנרגיה חשמלית היישר מהשמש נחשבת נקייה לסביבה ויעילה למדי יחסית לתחנות החשמל הקיס!רי1ת המנצלות דלקים מתכלים. עם זאת, ייצור הלוחות הסולריים דורש אנרגיה רבה ויש הסוענים שבכל תקופת השימוש בלוח סולרי הוא אינו מייצר את כמות האנרגיה שנדרשה כדי ליצרו.
האם אתם סבורים שיש להמשיך לייצר לוחות סולריים אף-על-פי שלכאורה אין כדאיות כלכלית לכך? הסבירו את עמדתכם.
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
טיעון
טענה דעתי היא --
(נימוק) אני חושב/ת כך, כי –
*296*
גם אם בתחנות החשמל השונות מופקת האנרגיה החשמלית מאנרגיית התנועה של הסליל, הרי יש דרכים שונות לסובב את הסליל שבגנרטור. הדרך הנפוצה ביותר היא חימום מים עד הפיכתם לקיטור (אדי מים בטמפרטורה ובלחץ גבוהים מאוד), והזרמת הקיטור אל תוך טורבינה. הטורבינה היא מתקן שיש בו מערכת של כנפיים או כפות המסתובבות במהירות רבה כאשר מוזרם אליהן נוזל או גז. ציר הטורבינה מחובר ישירות אל הגנרטור, ובכך מאפשר לו להסתובב. באופן זה מתקיימת ההמרה של אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית.
תחנת קיטור המבוססת על מזוט או פחם
עד לפני שנים לא רבות, במרבית תחנות החשמל שפעלו בארץ וברחבי העולם השתמשו במזוט (אחד התוצרים של נפט גולמי, זה הנשאב מהאדמה) לצורך חימום המים. המחסור הגובר בנפט והזיהום הרב שהוא יוצר הובילו לבניית תחנות חשמל המבוססות על מקורות אנרגיה נוספים, כמו פחם או אורניום. למשל, בתחנות החשמל שבחדרה ובאשקלון שורפים פחם, ובאמצעות החום מחממים מים עד שהם הופכים לקיטור.
תחנת גז טבעי
בשנים האחרונות נפוץ השימוש בתחנות החשמל הפועלות על גז. בתחנות חשמל אלה משמש גז טבעי (המכיל בעיקר מתאן): האדים החמים המהווים את תוצרי השרפה של הגז, מוזרמים במהירות גבוהה אל תוך הטורבינה וגורמים לסיבובה. היתרון בתחנות החשמל הללו הוא ששרפת הגז אינה מזהמת את הסביבה כמו שרפת המזוט או הפחם. לאחרונה התגלו קרוב לחופי הארץ מאגרי גז טבעי גדולים מאוד, והתקווה היא שבעתיד יאפשרו מאגרים אלה לספק את כל תצרוכת החשמל של ישראל, וגם לייצא גז לארצות אחרות.
*297*
טורבינת רוח
קיימות אפשרויות נוספות להפקת חשמל שכמעט אינן כרוכות בסכנה של זיהום הסביבה. למשל, שימוש באנרגיית התנועה של הרוח. טורבינות הפועלות על תנועת רוח ממוקמות באזורים שמנשבת בהם רוח חזקה במהלך השנה. הרוח מסובבת את כנפי הטורבינה, המסובבות את הגנרטור - ובאופן זה מתקבלת אנרגיה חשמלית שהומרה מאנרגיית תנועה. דוגמה לכך בארץ היא טורבינות הרוח ברמת הגולן.
תחנה הידרו-אלקטרית
תחנות חשמל המשתמשות באנרגיית התנועה של המים מכונות תחנות חשמל הידרו-אלקטריות (הידרו = מים, אלקטרי = חשמלי). תחנות אלה ממוקמות בדרך כלל במקומות שקיים בהם הפרש גבהים המאפשר את נפילת המים, כמו למשל בצמידות לסכרים. המים הנופלים מסובבים את הטורבינה, וזו מסובבת את הגנרטור - ובכך אנרגיית התנועה (או הגובה) של המים מומרת לאנרגיה חשמלית. השינוי באנרגיית המים גורם בסופו של דבר לשינוי באנרגיה של המטענים החשמליים. בעבר הפיקו בארץ חשמל בתחנה הידרואלקטרית בנהריים (מפעל רוטנברג) שעשתה שימוש במי נהר הירדן ונהר הירמוך. גם כיום קיימת בארץ תחנת חשמל הידרואלקטרית: בקיבוץ כפר הנשיא היטו את אפיק הירדן ההררי כדי ליצור מפל מים שבאמצעותו אפשר לסובב טורבינה להפקת אנרגיה חשמלית. תעלת הימים היא תכנית הנדסית שעיקרה כריית תעלה מן הים התיכון אל ים המלח, וניצול הפרשי הגובה בין שני הימים ליצירת מפל מים שאפשר יהיה לנצלו להפקת אנרגיה חשמלית.
ברכת שמש
גם מהאנרגיה המגיעה מהשמש (אנרגיה סולרית) אפשר להפיק אנרגיה חשמלית, זאת למשל באמצעות "ברכת שמש".
ברכת השמש היא מאגר טבעי או מלאכותי של מים מלוחים בעל שטח פנים גדול. האנרגיה מהשמש, המגיעה בצורת קרינה, מומרת במי הברכה לאנרגיה תרמית. המים מתחממים, אך בגלל ריכוז המלחים הגבוה שבהם, אינם עולים למעלה (מים מלוחים כבדים יותר), ולכן אינם מתקררים, אלא נותרים בתחתית הברכה וממשיכים להתחמם. על קרקעית הברכה מניחים צינורות ובהם נוזל מיוחד. כתוצאה מהסביבה החמה הנוזל רותח והופך לאדים, ואלה מוזרמים על טורבינה המניעה גנרטור. בשיטה זו אנרגיית אור מומרת לאנרגיה חשמלית.
פצלי שמן
פצלי שמן הם סלע העשיר בחומר אורגני. את החומר האורגני אפשר למצות מתוך הסלע על-ידי חימום, ולהשתמש בו כמקור אנרגיה להפקת חשמל, בדומה לנפט או פחם. בארץ יש מרבצים גדולים מאוד של פצלי שמן, היכולים להספיק לכ-60 שנות צריכה לאומית. תהליך כרייתם של פצלי השמן מהאדמה הוא זול יחסית, אך כמות האנרגיה שאפשר להפיק מהם היא קטנה, והמחיר הסביבתי גבוה מאוד. העשן הנוצר בתהליך השרפה מסוכן לבריאות, ועדיין לא קיימות שיטות יעילות למיצוי השמן באופן תת-קרקעי, ללא צורך בשרפה חיצונית.
תחנת חשמל גרעינית
כאמור, גם גרעין האטום יכול לשמש מקור אנרגיה חשמלית. כמו שלמדנו, כל החומרים מורכבים מאטומים, ובכל אטום יש גרעין ואלקטרונים המקיפים אותו. בגרעין מצויים פרוטונים, שהם בעלי מטען חשמלי חיובי, וניטרונים, החסרים מטען חשמלי. בגרעין תיתכנה תגובות גרעיניות. בתגובות אלה יכול גרעין מסוים להתפרק לכמה גרעינים שונים (ביקוע), או שגרעינים שונים מתלכדים ויוצרים גרעין חדש (מיזוג). בתהליכי המיזוג והביקוע הגרעיני נפלטת אנרגיה רבה מאוד, היכולה לשמש למטרות שונות. אנרגיה זו מכונה אנרגיה גרעינית.
*298*
את תהליך המיזוג הגרעיני, המתקיים בשמש ומהווה את מקור האנרגיה שלה, עדיין לא הצליחו לקיים בצורה מלאכותית, באופן שיהיה אפשר לנצלו להפקת אנרגיה. לעומת זאת, תהליך הביקוע מנוצל זה עשרות שנים להפקת אנרגיה חשמלית במתקנים המכונים כורים גרעיניים. כור גרעיני המשמש להפקת חשמל הוא למעשה תחנת חשמל, שבה מתקבל החום הדרוש ליצירת הקיטור מתהליכי ביקוע בגרעיני אורניום, במקום על-ידי שרפת פחם, גז או מזוט.
תחנות חשמל גרעיניות פועלות במקומות רבים בעולם, בדרך כלל בצורה יעילה ובטוחה. עם זאת קיים חשש שבמקרה של תקלה, תוצרי הביקוע, שהם חומרים רדיואקטיביים, ישתחררו לסביבה. לפיכך קיימים בכורים סידורי בטיחות מיוחדים. הכור נתון במעטה מיגון העשוי בטון עבה מאוד, המאפשר מתן שהות מספקת לפינוי אנשים מסביבתו, אם חלילה תהיה צפויה דליפה של חומרים רדיואקטיביים. בציבור קיימים פחדים שמקורם בחשש שהכור יתפוצץ כמו פצצה אטומית. חשש כזה הוא בלתי מבוסס, ונובע מחוסר ידע כיצד כור פועל. כור גרעיני ליצירת חשמל הוא נקי, ואינו פולט עשן או קרינה רדיואקטיבית בכמות מסוכנת.
עם זאת, בשנים האחרונות התרחשו שני אסונות סביבתיים קשים מאוד הקשורים לכורים גרעיניים. הראשון אירע ב-1986 בכור בצ'רנוביל שבאוקראינה. באסון זה נספו אנשים רבים, ורבים אחרים נפגעו פגיעות קשות מהקרינה שהתפזרה על פני שטח גדול. באזורים שלמים אי אפשר יהיה לגור או לגדל צמחים ובעלי חיים במשך שנים רבות. האסון השני אירע ב-2011 בכור בפוקושימה שביפן, בעקבות רעידת אדמה חזקה. כתוצאה מפיצוץ שהתרחש בכור התפזרו חומרים רדיואקטיביים על פני שטחים נרחבים, וגם אם מרבית התושבים פונו בזמן, עדיין אין באפשרותם לחזור לבתיהם, וזאת עקב הקרינה הרדיואקטיבית השוררת במקום.
תחנה גיאו-תרמית
תחנה זו מבוססת על מקורות חום המצויים מתחת לקרום כדור הארץ. ישנם מקומות בעולם שבהם יוצאים אדים חמים (קיטור) מבטן האדמה. אדים אלו משמשים להנעת טורבינה, בדומה לקיטור המופק מחימום מים על ידי שרפת פחם או מזוט. בחלק מהמקומות האדים נפלטים בגייזרים על פני האדמה, ובחלק מהמקומות יש לקדוח באר אל המאגר התת- קרקעי של הזרם הגיאותרמי. רוב תחנות החשמל ממקורות גאותרמיים משתמשות בקיטור להפקת חשמל ומחזירות את המים החמים שנוצלו חזרה לאדמה.
כיום מצויים שדות גיאו-תרמים להפקת חשמל, בקליפורניה שבארצות הברית, באיטליה, בצרפת, בניו-זילנד ובארצות רבות אחרות. בשנת 2009 התגלה בארץ ברמת-הגולן מקור גיאו-תרמי המתאים לייצור חשמל.
תחנת ביומאסה
ביומאסה היא המסה הכוללת של חומר אורגני, כמו צמחים ובעלי חיים מתים, גללים של בעלי חיים וכן בצה (חומר אורגני מוצק) המתקבלת בתהליכי טיהור שפכים. הפקת האנרגיה מביומאסה מבוססת על שרפת החומר האורגני ושימוש בחום הנוצר ליצירת קיטור. הקיטור מסובב טורבינה המסובבת גנרטור המפיק חשמל, בדומה לתהליך המתבצע בתחנות הפועלות על פחם ומזוט. בשנים האחרונות, יצירת אנרגיה מביומאסה תופסת תאוצה וברחבי העולם, ואף בישראל ממוקמות תחנות חשמל מבוססות ביומאסה (למשל באילת).
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*299*
שער 4: אינטראקציה, כוחות ותנועה
אמנון חזן, רוני מועלם, בת-שבע אלון
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*300*
תוכן השער
(לא הועתק)
*301*
פרק 11: הכל עניין של אינטראקציות
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*302*
*302*
אנו חיים בעולם המשתנה לנגד עינינו ונמצא בתנועה רוב הזמן. עולם זה מכיל גופים המגיבים זה לזה ויוצרים אירועים שונים. אחת ממטרותיה החשובות של הפיזיקה היא להבין מדוע אירועים מתרחשים וכיצד אפשר לחזות את העומד להתרחש בעתיד. בשער זה נכיר כמה מושגים ועקרונות חדשים אשר יעזרו לנו להבין מדוע וכיצד אירועים מתרחשים ולמה הם יכולים להתפתח. לצורך זה ניזכר במושג "אינטראקציה" שאותו הכרתם בלימוד נושא האנרגיה, ונלמד כיצד אפשר לחזות את השפעתה של האינטראקציה על כל אחד מהגופים המשתתפים בה.
אינטראקציה = פעולה הדדית (אינטר = בין, אקציה = פעולה)
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
משימה
נתבונן בכמה דוגמאות של אירועים שיש בהם פעולה הדדית בין גופים.
- האם אפשר למחוא כף בעזרת יד אחת בלבד?
- האם אפשר להבקיע שער מבלי לבעוט בכדור?
- האם אפשר לגעת מבלי שיגעו בנו?
(בספר איור, היעזר במנחה)
מה משותף לכל הדוגמאות?
אילו גופים משתתפים בפעולה ההדדית בכל אחד מהאירועים?
ראינו שבכל אחת מהאינטראקציות בדוגמאות למעלה משתתפים שני גופים.
מה לדעתכם תהיה השפעתה של האינטראקציה על כל אחד מהגופים בכל אחד מהאירועים?
כאשר בועטים בכדור הוא מתחיל לנוע; כאשר מוחאים כפיים, הן מתעוותות ברגע שהן נוגעות זו בזו; כאשר אנו נוגעים במישהו גם הוא נוגע בנו; כמו כן, כאשר קופצים על טרמפולינה משטח הקפיצה גם מתעוות וגם נע. המסקנה היא שאינטראקציה יכולה לגרום לשינוי בתנועת הגופים המשתתפים בה, לשינוי בצורתם (עיוות), ולשינוי גם בתנועה וגם בצורה.
לפעולה הדדית בין שני גופים קוראים אינטראקציה בין גופים. בכל אינטראקציה בין גופים במגע משתתפים רק שני גופים וכל אחד מהם מושפע מהאינטראקציה. ההשפעה יכולה להיות עיוות ו/או שינוי במהירות הגוף.
*303*
*303*
הפעילויות הבאות עוסקות באופן מפורט יותר בשאלה כיצד אינטראקציה בין שני גופים משפיעה עליהם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
מטרת הפעילויות
בחינת השפעתה של אינטראקציה על גופים המשתתפים בה.
1. דוחפים ונדחפים
ציוד וחומרים: שני כיסאות עם גלגלים.
מהלך הפעילות
הושיבו שני תלמידים בעלי מסה שונה על שני כיסאות זהים המצוידים בגלגלים. הניחו את הכיסאות קרוב מאוד זה לזה. שרטטו שני קווים על הרצפה במרחק של מטר אחד מכל תלמיד (ראו איור). (בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
כעת התלמידים ידחפו זה את זה באופן הבא:
א. תלמיד א' ידחף את תלמיד ב' כך שלא יעבור את הקו על הרצפה.
ב. תלמיד ב' ידחף את תלמיד א' כך שלא יעבור את הקו על הרצפה.
ג. שני התלמידים ידחפו זה את זה בו-זמנית בעוצמה חלשה כך שלא יעברו את הקווים על הרצפה.
העלאת השערה
- מה לדעתכם יקרה לכיסאות בכל אחד מהאירועים?
- אילנה אומרת שכאשר תלמיד א' ידחף את תלמיד ב', רק תלמיד ב' ינוע כתוצאה מהדחיפה. האם אתם מסכימים עם אילנה? נמקו.
תצפית
- בצעו את הפעילות.
תארו מה התרחש בכל אחד מהאירועים המתוארים.
אין זה משנה מי מהתלמידים דוחף, תמיד תיהיה ביניהם פעולה הדדית - השניים דוחפים ונדחפים גם יחד.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*304*
2. יד לוחצת קפיץ
באיור משמאל רואים יד לוחצת קפיץ. (בספר איור, היעזר במנחה)
- מיהם הגופים המשתתפים באירוע?
- מה קורה לקפיץ וליד בזמן האירוע?
היד והקפיץ פועלים זה על זה. היד לוחצת על הקפיץ, והדבר מתבטא בהתכווצות הקפיץ (עיוות, שינוי צורה). בו-בזמן הקפיץ לוחץ על היד, והדבר מתבטא בעיוות כף היד ובתחושת כאב מסוימת. כלומר, האינטראקציה בין הגופים (יד וקפיץ) גורמת לעיוות של כל אחד מהם.
3. אינטראקציה בין אדם לקיר
האם הקיר זז כאשר חובטים בו?
ציוד וחומרים
מראה בגודל 4 כפול 4 ס"מ, מכשיר לייזר על מעמד מתכוונן (חצובה).
מהלך הפעילות
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. הראלה טוענת שאם תחבוט בקיר בידה, הקיר ירעד מעט. תום אומר שהקיר חזק בהרבה מידה של הראלה ולכן לא יזוז כלל. האם תום צודק? הסבירו.
ב. הפעילו את מכשיר הלייזר וחבטו בקיר ליד המראה. האם הקרן הפוגעת בקיר הסמוך רעדה? מה אפשר להסיק מכך? הסבירו.
*305*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
כדור פלסטלינה רך נזרק על קיר לבנים. השאלות הבאות מתייחסות לרגע ההתנגשות:
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
1. בין אילו שני גופים התקיימה אינטראקציה?
2. מה גרמה האינטראקציה עם הקיר לכדור?
3. מה גרמה האינטראקציה עם הכדור לקיר?
4. מה היה קורה לקיר קרטון בזמן האינטראקציה עם הכדור?
5. רוני טוענת שגם כאשר הכדור פוגע בקיר בטון חזק במיוחד, הוא עדיין גורם לו לרטט קל. האם אתם מסכימים עם רוני? נמקו.
באירועים שהכרנו ראינו תוצאות שונות להשפעת האינטראקציה: הגופים המשתתפים באינטראקציה יכולים לשנות את תנועתם או להישאר במנוחה. הם גם יכולים לשנות את צורתם או לא. התנהגותם זו של הגופים תלויה ישירות באינטראקציות שלהם עם הגופים האחרים המשתתפים באירוע.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
רשמו שתי דוגמאות נוספות של אינטראקציה בין גופים שיש בה שינויים באחד או יותר מהבאים:
1. מהירויות הגופים
2. צורות הגופים
3. מהירויות וצורות
דוגמאות להתנהגות גופים באינטראקציה יכולות להיות:
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
- רוח משפיעה על מפרשי הספינה וגורמת לספינה לנוע קדימה, והרוח עצמה נבלמת.
- דנה הדוחפת ארון נמצאת אתו באינטראקציה, משפיעה עליו וגורמת לו להתחיל לזוז, ודנה עצמה נדחפת מעט לאחור וכפות ידיה הדוחפות את הארון, מתעוותות.
- אינטראקציה בין ציפור לאוויר - השפעת האוויר על הציפור מאפשרת לה לעוף, ואילו הציפור משפיעה על האוויר וגורמת לו לנוע (יוצרת רוח קלה מתחת לכנפיה).
*306*
*306*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
משימה
האם החכה נמצאת באינטראקציה עם גוף כלשהו?
נתבונן ברצף האיורים א', ב', ג' - של חכה בידי דייג.
1. התבוננו באיור א', כאשר איורים ב' ו-ג' מוסתרים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
2. עתה גלו את איור ב'.
רואים שינוי בצורת המוט של החכה. עיוות של גוף אפשרי רק כתוצאה מאינטראקציה עם גוף אחר. לכן אפשר לשער שבאיור ב' מסתתר דבר נוסף אשר גורם לעיוות מוט החכה.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
3. אחת האפשרויות לאינטראקציה מתוארת בתרשים ג'. חוט החכה מושך את הדג. והדג מושך את חוט החכה. משיכת החוט גורמת לשינוי בצורתו של המוט. לפי השינוי בעמידת הדייג (בהשוואה לעמידתו באיור ב') אפשר להסיק שהדג שנלכד בחכה, מושך כעת את החכה בעוצמה רבה יותר.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*307*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
פעילויות
האם הגופים נמצאים באינטראקציה?
מטרת הפעילויות
בחינת השאלה: האם גוף המשנה את מהירותו חייב להיות באינטראקציה עם גוף אחר?
1. תחרות בין קבוצות - גלגול פחיות
ציוד וחומרים
לכל קבוצה: שני מאווררים, פחית משקה ריקה, מטרה.
מהלך הפעילות
(בספר איור, היעזר במנחה)
הניחו את הפחית על הרצפה כך שתוכל להתגלגל, ובנוסף הניחו מטרה כלשהי במרחק שלושה מטרים מהפחית.
מטרתכם היא להניע פחית בעזרת מאוורר ולהפיל את המטרה בזמן הקצר ביותר. האם היתה אינטראקציה בין האוויר המגיע מהמאוורר ובין הפחית? איך אפשר להיווכח בכך?
שימו לב, האוויר הוא גז הנמצא מסביבנו, וחלקיקי האוויר נוגעים בנו כל הזמן. עם זאת, במסגרת ספר זה נעסוק רק באינטראקציות בין גופים לאוויר בתנועה (רוח).
2. תחרות כיסאות
ציוד וחומרים
שני כיסאות המצוידים בגלגלים.
מהלך הפעילות
על שני כיסאות זהים המצוידים בגלגלים הושיבו שני תלמידים. העמידו את הכיסאות קרוב מאוד לקיר, כך שרגלי התלמידים לא תיגענה ברצפה.
מטרת התלמידים היושבים על הכיסאות היא לעבור מרחק של מטר אחד בזמן הקצר ביותר. תלמיד א' רשאי להשתמש בידיו לדחיפת חפצים (למשל הקיר) ואילו תלמיד ב' אינו רשאי להשתמש בידיו או ברגליו, אלא רק לטלטל את הכיסא (בעדינות! ללא תנועות גוף חזקות) ולנסות להתקדם.
העלאת השערה
מי לדעתכם ינצח במשימה? הסבירו.
תצפית
- מי מהתלמידים ניצח?
- האם השערתכם התאמתה?
- מי היה מעורב באינטראקציות רבות יותר - תלמיד א' או תלמיד ב'? הסבירו.
*308*
מסקנה: כשגוף משנה את מהירותו או מתעוות, אפשר להסיק מכך שהגוף היה מעורב באינטראקציה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
אפשר לסכם ולהציג זאת גם בצורה הבאה:
- השפעת אינטראקציה: אם גוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר - נראה: שינוי מהירות (לעיתים השינוי קטן מאוד ואין אפשרות לראות אותו בעין.)
- השפעת אינטראקציה: אם גוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר - או נראה: שינוי צורה (עיוות)
- השפעת אינטראקציה: אם גוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר - או נראה: שינוי מהירות ועיוות צורה
- זיהוי אינטראקציה: כאשר גוף משנה מהירות - נסיק כי: הגוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר
- זיהוי אינטראקציה: כאשר גוף מתעוות - נסיק כי: הגוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר
- זיהוי אינטראקציה: כאשר גוף משנה מהירות ומתעוות - נסיק כי: הגוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר
(בספר איור, היעזר במנחה)
לסיכום:
1. אם יש אינטראקציה, יש שינוי במהירות ו/או בצורה של גופים.
2. אם יש שינוי במהירות ו/או בצורה של גופים, אפשר להסיק שיש אינטראקציה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
ענו על השאלות בעזרת התרשים שלמעלה.
1. מהן ההשפשת האפשריות על גוף הנמצא באינטראקציה עם גוף אחר?
2. כיצד אפשר לזהות שגוף נמצא באינטראקציה עם גוף אחר?
*309*
*309*
רוב הגופים המשתתפים באירועים מחיי היומיום נמצאים על משהו: רצפה, אדמה, כביש, קרקע וכדומה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם קיימת אינטראקציה בין רצפה לבין גופים המונחים עליה? נסו להסביר בעזרת המושגים שלמדנו (פעולה הדדית, אינטראקציה, שינוי בתנועה, עיוות).
2. דנית אומרת שכאשר אנו עומדים על המדרכה, אנו נוגעים במדרכה והמדרכה נוגעת בנו. לכן מתקיימת אינטראקציה בינינו לבין המדרכה. האם אתם מסכימים עם דנית? הסבירו.
הבה נבחן אם אכן מתקיימות השפעות האינטראקציה שהכרנו לעיל גם באינטראקציה בינינו לבין הרצפה. לצורך כך נבחן תחילה "רצפה" ייחודית:
נניח שאנו עומדים על רצפה גמישה מאוד, העשויה גומי. משטח כזה קיים במציאות ומכונה טרמפולינה. כאמור, אנו רוצים לבחון אם השפעות האינטראקציה (שינוי מהירות ו/או עיוות) מתקיימות במשטח הגומי.
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
הביטו בתמונה הבאה וענו, האם משטח הגומי של הטרמפולינה נמצא באינטראקציה עם האדם? כיצד ידעתם זאת?
כאשר אדם עומד על טרמפולינה, אפשר להבחין בנקל בעיוות בטרמפולינה הנוצר מהשפעת האדם על הטרמפולינה. כאמור, עיוות זה מלמד על אינטראקציה בין האדם לטרמפולינה.
*310*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם האדם מושפע אף הוא מהאינטראקציה עם הטרמפולינה? הסבירו.
2. כאשר אנו עומדים על חול רך, האם מתקיימת אינטראקציה בינינו לבין החול? מה מעיד על כך?
3. כאשר אנו עומדים על קרקע בוצית, אפשר להבחין כי הקרקע שוקעת מעט וגם כפות הרגליים שלנו מתעוותות קלות.
א. מה מתרחש כאשר עומדים שוב על אותה הקרקע לאחר שהבוץ קצת התייבש? הסבירו.
ב. מה מתרחש כאשר עומדים שוב על אותה הקרקע לאחר שהבוץ התייבש לגמרי והתקשה? הסבירו.
כאשר אנו עומדים על רצפת החדר העשויה מבטון, אפשר להבחין כי כפות הרגליים מתעוותות מעט, אך מה לגבי רצפת הבטון? האם גם היא מתעוותת קצת?
מאחר שכפות הרגליים מתעוותות אנו לומדים שיש אינטראקציה ביניהן לבין רצפת הבטון, אשר גורמת לעיוות רצפת הבטון כמו שראינו בטרמפולינה. מובן מאליו שאי אפשר להבחין בעין בעיוות כזה, אך מתברר שאפשר להבחין בו באמצעות המכשירים המתאימים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
השתמשתם בעבר במכשיר פשוט שבניתם כדי לזהות תנודות זעירות בגופים גדולים ומוצקים.
1. מה מדדתם במכשיר זה?
2. הציעו מכשיר דומה שיזהה רעידות של רצפה כאשר אנו הולכים עליה.
כאשר גוף נמצא על משטח כלשהו ונוגע בו, יש אינטראקציה בינו לבין המשטח. זוהי אינטראקציה במגע. למשל, כאשר גוף נמצא על פני כדור הארץ, יש אינטראקציה במגע בינו לבין השכבה של כדור הארץ שבה הוא נוגע (רצפה, קרקע).
*311*
*311*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
לפניכם שני אירועים:
1. תלמיד דוחף שולחן, תלמיד נוסף ניגש ודוחף גם הוא את אותו השולחן מצדו האחר. עם מי נמצא השולחן באינטראקציה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. תלמידה עומדת על רצפה ונשענת על שולחן. עם אילו גופים נמצאת התלמידה באינטראקציה?
להלן כמה דוגמאות שבהן גוף משתתף בכמה אינטראקציות בו-זמנית.
דוגמאות
1. בתחרות, שני ילדים מושכים חבל עבה משני קצותיו. עם מי נמצא החבל באינטראקציה? כזכור, הגדרנו אינטראקציה כפעולה הדדית בין שני גופים, ולכן החבל נמצא באינטראקציה אחת עם ילד א' ובאינטראקציה נוספת עם ילד ב'. שימו לב שהחבל אינו נמצא באינטראקציה אחת עם שני הילדים, אלא בשתי אינטראקציות שונות, אחת עם כל אחד מהם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
חשוב לזהות את כל האינטראקציות שהחבל מעורב בהן על מנת לחזות לאן הוא יזוז בזמן התחרות.
*312*
(בספר איור, היעזר במנחה)
הגומייה מעורבת בו-זמנית בשתי אינטראקציות: אינטראקציה אחת עם הוו ואינטראקציה שנייה עם האצבע.
3. באירוע שבו כלב מושך אדם, עם מי נמצאת הרצועה באינטראקציה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
גם במקרה זה, כדי לדעת מה יקרה לרצועה חייבים להתחשב בכל האינטראקציות שבהן היא מעורבת.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
גוף יכול להשתתף בכמה אינטראקציות בו-זמנית.
*313*
*313*
- הכרנו את המושג אינטראקציה, שהיא פעולה הדדית בין שני גופים.
- למדנו כי בין שני גופים יכולה להיות אינטראקציה אחת בלבד.
- למדנו שאינטראקציה יכולה לשנות את צורתו של גוף ו/או את מהירותו.
- למדנו שאם רואים גוף המשנה את מהירותו ו/או את צורתו, אפשר להסיק מכך שהוא מעורב באינטראקציה עם גוף אחר.
- למדנו שגוף יכול להשתתף בכמה אינטראקציות בו-זמנית.
- ראינו כיצד אפשר לתאר ולהפיק מידע בעזרת תרשים.
*313*
1. כדור טניס נהדף אל עבר קיר אימון ומוחזר מהקיר. (בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
א. האם הכדור היה באינטראקציה עם הקיר? הסבירו את תשובתכם.
ב. האם האינטראקציה בין הכדור לבין הקיר קיימת רק כאשר הכדור נוגע בקיר, או גם כאשר הכדור אינו נוגע בקיר? הסבירו.
2. תמר צועדת על חול רך בחוף הים. האם קיימת אינטראקציה בין תמר ובין החול? הסבירו את תשובתכם.
3. דניאל יושבת על כורסה וצופה בטלוויזיה. האם קיימת אינטראקציה בין דניאל לבין הכורסה? הסבירו את תשובתכם.
4. דורית יצאה לטייל עם כלבה. לפתע הבחין הכלב בחתול ורצה לרוץ לעברו. דורית אחזה בחוזקה ברצועה ולא אפשרה לכלב לרוץ.
האם קיימת אינטראקציה בין דורית לבין הכלב? הסבירו.
*314*
5. סוס מושך עגלה. האם הסוס באינטראקציה עם העגלה? הסבירו את תשובתכם.
6. חתול יושב על ענף עץ. כתוצאה מכך מתכופף מעט הענף. האם החתול נמצא באינטראקציה עם הענף? הסבירו.
7. שתי חברות מתחרות במשיכת חבל. אמיר אומר שהחבל נמצא באינטראקציה אחת עם שתי החברות המתחרות, ואילו יעל אומרת שהחבל נמצא בשתי אינטראקציות שונות עם שתי החברות. מי לדעתכם צודק? הסבירו.
8. טחנות רוח היו בשימוש נרחב עד לא מזמן. הטחנות נבנו במקומות שבהם נושבת רוח חזקה רוב ימות השנה. בפעולתן, הרוח סובבה את כנפי הטחנה, ואלה סובבו את אבני הרחיים. את גרגירי החיטה היו מניחים מתחת לאבני הרחיים, ואלה היו טוחנות את הגרגירים לקמח. עם מה מקיימות כנפי התחנה אינטראקציה? הסבירו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
9. הכרתם מקרים רבים שבהם אפשר להבחין שמשהו משתנה בגופים כתוצאה מאינטראקציה. סכמו מה אינטראקציה יכולה לגרום לגופים.
*315*
פרק 12: מאינטראקציה לכוחות
(בספר איור, היעזר במנחה)
*316*
*316*
בפרק הקודם ראינו שאינטראקציות משפיעות על גופים, והשפעות אלה יכולות לגרום לשינוי במהירות הגופים, לעיוותם או לשני הדברים גם יחד. בפרק זה נכיר את מושג הכוח ונלמד כיצד לתאר אינטראקציות בין גופים באמצעות כוחות.
*316*
יאיר ורוני חובטים קלות בכפות ידיהם ("נותנים כיף"). עידו ושי חובטים הדדית בכפות ידיהם באופן דומה אך יותר בחוזקה. מה דומה ומה שונה בין שתי האינטראקציות?
אנו רואים כי בשני המקרים יש אינטראקציה בין כפות הידיים של התלמידים. ההבדל ביניהם הוא בעוצמת האינטראקציה ובהשפעתה על שני התלמידים, הבאה לידי ביטוי בתחושת הכאב בידיהם.
כדי שנוכל לתאר אירועים באופן מלא עלינו להביא בחשבון גם את עוצמת האינטראקציה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
אינטראקציה בין סרגל לבין אצבע
הניחו סרגל על השולחן כך שקצה אחד שלו בולט החוצה, הקפידו שהסרגל לא יוכל לזוז ממקומו תוך שימוש במלחציים. (בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
1. הניחו אצבע על הקצה החופשי של הסרגל. והפעילו עליו לחץ קל. מה קורה?
2. תארו את תוצאות האינטראקציה (פעולה הדדית) בין האצבע ובין הסרגל.
3. דחפו את הסרגל חזק יותר. תארו מה קרה.
אנו רואים כי כאשר ה"דחיפה" חזקה יותר, יש השפעה רבה יותר על הסרגל ועל האצבע, והעיוות שלהם גדול יותר. כלומר, ככל שעוצמת האינטראקציה גדולה יותר, השפעתה על הסרגל ועל האצבע גדולה יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
תלו גומייה על וו. משכו את הגומייה כלפי מטה בעוצמות שונות כך שהיא תימתח במידה משתנה. תארו את תחושתכם בעוצמות המתיחה השונות.
סכמו את שתי הפעילויות האחרונות תוך שימוש במונח עוצמת אינטראקציה.
*317*
עוצמת האינטראקציה קשורה בדוגמאות אלה ל"עוצמת הדחיפה או המשיכה".
בפיזיקה משתמשים במונח כוח כדי לתאר דחיפה או משיכה. נאסר שכאשר אנו"דוחפים חזק יותר", אנו מפעילים כוח גדול יותר, וכתוצאה מכך השפעתו של הכוח גדולה יותר. כך ראינו בכיפוף הסרגל ובמתיחת הגומייה.
הפיזיקאים הסכימו ביניהם לסמן את הכוח באות Force) F).
*317*
בפרק הקודם ראינו כי באירוע שבו ילד גדול וילד קטן דוחפים זה את זה בו-זמנית, כל אחד מהם נהדף למרחק אחר ולכיוון אחר. כלומר, לעתים תוצאות האינטראקציה לגבי כל אחד מהגופים הן שונות. כדי להבין את התופעה נתבונן בכל אחד מהילדים בנפרד ונשתמש במונח כוח כדי לתאר את מה שמתרחש.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
הילד הגדול: הילד הקטן מפעיל כוח על הילד הגדול לכיוון ימין (דוחף אותו ימינה).
הילד הקטן: הילד הגדול מפעיל כוח על הילד הקטן לכיוון שמאל (דוחף אותו שמאלה).
אפשר לתאר את האינטראקציה בין שני הילדים באמצעות זוג כוחות: כוח אחד מפעיל הילד הגדול על הילד הקטן שמאלה, וכוח שני מפעיל הילד הקטן על הילד הגדול ימינה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
נייצג מידע באופן גרפי.
נהוג לתאר את הכוח בחץ. גודל החץ מייצג את גודל הכוח, וכיוון החץ הוא בכיוון פעולת הכוח. ככל שעוצמת האינטראקציה גדולה יותר, הכוחות שהגופים מפעילים זה על זה גדולים יותר והחצים המייצגים אותם ארוכים יותר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
נסמן את הכוח שהילד הגדול מפעיל על הילד הקטן ב- F1. (חץ לכיוון שמאל)
נסמן את הכוח שהילד הקטן מפעיל על הילד הגדול ב- F2. (חץ לכיוון ימין)
*318*
בפרק הבא נדון בשאלה כיצד הכוחות שהופעלו על הילדים משפיעים על תנועתם.
יש גדלים נוספים בפיזיקה המאופיינים גם על-ידי כיוון. לדוגמה, כשגוף נע חשוב לדעת לא רק את גודל מהירותו אלא גם את כיוונה. גדלים מסוג זה מכונים וקטורים ונהוג לסמנם בחצים; גודלם של החצים מייצג את גודל הווקטור וכיוונם ככיוון הווקטור.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. התבוננו באיור הבא המציג שלושה כוחות המתוארים על ידי חצים. (F1 ו-F3 שווים באורכם, F2 ארוך יותר משניהם).
(בספר איור, היעזר במנחה)
F2 - חץ לכיוון ימין
F3 - חץ לכיוון שמאל
- איזה מהכוחות הגדול יותר?
- אילו מהכוחות שווים בגודלם?
- אילו מהכוחות זהים בכיוונם?
הסבירו את תשובתכם.
2. איירו שני חצים המתארים: F1 - כוח לכיוון ימין, F2 - כוח הגדול מF1 לכיוון שמאל.
3. כזכור, בתחילת הפרק הקודם בדקנו מה קורה באינטראקציה בין קפיץ ליד הלוחצת עליו, ובסעיף הקודם בדקנו מה קורה כאשר מותחים גומייה.
תארו אירועים אלה באמצעות חצי כוח בדומה לדוגמה של שני הילדים הדוחפים זה את זה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. תארו בעזרת המונח כוח את האינטראקציה בין האדם לבין הסירה בשעה שהאדם ניתר מן הסירה למזח.
ב. כיצד יודעים שהופעל כוח על האדם ועל הסירה?
ג. תארו את הכוחות הפועלים באינטראקציה בין הסירה לבין האדם באמצעות חצים. כתבו ליד כל אחד מהחצים איזה גוף מפעיל את הכוח ועל איזה גוף הכוח פועל.
5. הדר יצאה להשקות את גינת ביתה. היא השתמשה בצינור מים שקצהו פתוח; היא חיברה את קצהו האחד של הצינור לברז המים, הניחה את הצינור על הקרקע ואת קצהו השני הניחה ליד עץ הזית הגדול שאותו רצתה להשקות. בשלב הבא חזרה הדר לברז ופתחה אותו בעוצמה רבה.
א. מה לדעתכם התרחש לאחר פתיחת הברז?
ב. תארו באמצעות חצים את הכוחות הפועלים באינטראקציה בין קצה הצינור והמים הפורצים ממנו. כתבו ליד כל אחד מהחצים איזה גוף מפעיל את הכוח ועל איזה גוף הכוח פועל.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*319*
גודל פיזיקלי בעל כיוון מכונה וקטור. נוהגים לייצג אותו באמצעות חץ.
גודל החץ מייצג את גודל הווקטור, והכיוון את כיוונו של הווקטור.
מדידת כוחות
בפעילות שבתחילת הפרק דחפתם סרגל שהיה מקובע בקצהו לשולחן. בזמן האינטראקציה בין האצבע לבין הסרגל התעוותו האצבע והסרגל. ככל שדחפתם את הסרגל בכוח רב יותר, הוא התעוות במידה רבה יותר. כאשר הסרתם את האצבע, חזר הסרגל למצבו המקורי.
גופים אשר מתעוותים באינטראקציה וחוזרים לצורתם המקורית (לאחר זמן) כאשר נפסקת האינטראקציה, מכונים גופים אלסטיים. גופים אשר אינם חוזרים לצורתם המקורית לאחר אינטראקציה מכונים גופים פלסטיים.
אפשר לנצל אלסטיות של חומרים כדי לבנות מכשיר שישמש למדידת גודל של כוחות. מכשיר זה מכונה מד-כוח (דינמומטר).
(בספר איור, היעזר במנחה)
יחידת הכוח מכונה ניוטון ומסומנת באות N. (ניוטון אחד הוא משקלם של 100 סמ"ק מים על פני כדור הארץ.)
היחידה ניויטון נקראת על שם סר אייזק ניוטון (1642-1727) - מתמטיקאי ופיזיקאי אנגלי הנחשב לאחד מגדולי המדענים שידעה האנושות.
היחידות המופיעות על מד-הכוח הן "ניוטונים". כאשר אתם אוחזים בידכם בקבוק שתייה בנפח של חצי ליטר, הבקבוק מפעיל על ידכם כוח של כחמישה ניוטונים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות
חברו את קצהו האחד של מד-הכוח שלפניכם לשולחן.
(בספר איור, היעזר במנחה)
1. משכו את קצהו השני של מד-הכוח בעוצמה חלשה. כתבו את גודל הכוח שמד-הכוח מראה.
2. משכו את קצהו השני של מד-הכוח בעוצמה חזקה מזו שמשכתם בה בסעיף 1 (בזהירות, המכשיר עלול להיפגע אם מושכים בכוח רב מדי). רשמו את גודל הכוח שמד-הכוח מראה במקרה זה.
3. מתי הראה המכשיר כוח גדול יותר: האם כאשר משכתם בעוצמה חזקה או שמא כאשר משכתם בעוצמה חלשה?
*320*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
נגן גיטרה יכול לפרוט על מיתרי הגיטרה בעוצמה חזקה או חלשה.
1. כיצד עוצמת הפריטה משפיעה על המיתר? הסבירו.
2. מניסיונכם. מה הקשר בין עוצמת הפריטה לעוצמת הצליל הנשמע?
(בספר איור, היעזר במנחה)
*320*
המילה כוח מוכרת לכם היטב בחיי היומיום. אנו משתמשים במונח כוח בצורה נרחבת, בעיקר בהקשרים שאינם פיזיקליים. לדוגמה, "אין לי כוח ללכת", "אין לי כוח לקרוא את הספר", "יש לי כוח לשחק עכשיו". לעומת זאת בפיזיקה הגדרנו כוח כעוצמת האינטראקציה בין שני גופים. חשוב להבחין בין השימוש המדעי הפיזיקלי לבין השימוש בחיי היומיום, ולא לבלבל ביניהם.
1. כל אחד מהגופים באינטראקציה מפעיל כוח על האחר.
2. ככל שעוצמת האינטראקציה גדולה יותר, הכוחות הפועלים על הגופים גדולים יותר.
3. למונח כוח יש משמעויות שונות בחיי היומיום, שאינן מתאימות להגדרה הפיזיקלית של מושג הכוח.
*320*
למדנו שבאינטראקציה בין גוף א' לבין גוף ב' פועלים שני כוחות: גוף א' מפעיל כוח על גוף ב', ואילו גוף ב' מפעיל כוח על גוף א'. הכוחות האלה הפוכים בכיוונם.
האם יש קשר בין הגדלים של שני הכוחות האלה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
יוסי, הילד החזק בכיתה, ודני, שאינו חזק כמו יוסי, דוחפים זה את זה. יוסי דוחף את דני בכוח 20 ניוטון. תמר אומרת שהכוח שדני מפעיל על יוסי חייב להיות קטן מהכוח שיוסי מפעיל על דני, כי יוסי חזק יותר. האם אתם מסכימים עם דבריה של תמר? הסבירו והביאו דוגמאות נוספות התומכות בדעתכם.
*321*
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
לפני ביצוע כל פעילות: דונו בקבוצות וציינו מה אתם מצפים שיתרחש.
לאחר ביצוע כל פעילות: דונו בקבוצות והשוו את תוצאות הפעילות עם ציפיותיכם.
1. שני תלמידים עומדים עם מדי-כוח זהים המחוברים ביניהם. בכל פעם אחד התלמידים מושך את חברו. מה מראים מדי-הכוח בכל פעם?
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. נותנים לשני תלמידים שני מדי-כוח זהים המחוברים ביניהם. (מדי כוח אלה מיועדים למדוד כוחות גדולים, יחסית) משימת התלמידים היא להביא את מדי-הכוח למצב שבו הם לא יראו קריאה שווה. מותר לתלמידים לנוע בחדר. האם הם יצליחו?
(בספר איור, היעזר במנחה)
3. לוחצים שני מדי-כוח (מדי משקל אדם) המוצבים "גב לגב" אל שולחן (ראו איור). השוו בין הקריאות של שניהם. מה יראו מדי-הכוח?
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות אתגר
4. נער עומד על מד-כוח (משקל אדם) ולוחץ מד-כוח נוסף אל המשקוף. מה יראו מדי-הכוח?
(בספר איור, היעזר במנחה)
בפעילויות שראיתם אין התאמה בין מה שתלמידים בדרך כלל מצפים לו למה שקורה בפועל. לדוגמה, בפעילות הראשונה שבה שני תלמידים עומדים עם מדי-כוח, מצפים לעתים כי רק מד-הכוח הצמוד לידו של התלמיד הנמשך יראה קריאה כלשהי. כלומר, מצפים שהכוח יפעל רק על הילד שאותו מושכים ולא על הילד המושך. בהתאם, מצפים לכך שקריאת שני מדי-הכוח תהיה שונה. בפועל, הכוחות שמדי-הכוח מראים הם שווים.
*322*
שימו לב שבכל הפעילויות התוצאות זהות: באינטראקציה, שני הכוחות תמיד שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם. מקור הבלבול הקשור לגודלי הכוחות נובע משתי סיבות עיקריות:
1. התייחסות לגופים ולהיותם חיים או דוממים כגורמים המשפיעים על גודל הכוחות.
2. השפעתה של האינטראקציה על הגופים: כאשר הגופים המשתתפים באינטראקציה שונים בתכונותיהם (למשל אם הם בעלי מסה שונה או גודל שונה), תוצאות האינטראקציה על כל אחד מהגופים שונה.
באינטראקציה, גודל הכוח שמפעיל גוף א' על גוף ב' (F1) שווה לגודל הכוח שמפעיל גוף ב' על גוף א' (F2).
(בספר איור, היעזר במנחה)
(גוף ב' על גוף א') F2 חץ ימינה
חץ שמאלה F1 (גוף א' על גוף ב')
(היעזר במנחה)
גוף א' גוף ב'
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
לעתים קרובות שוויון הכוחות אינו נראה הגיוני. להלן כמה דוגמאות.
1. זבוב מתנגש בקיר גדול. יוסי טוען שבזמן ההתנגשות בין הזבוב לקיר, הכוח שהקיר מפעיל על הזבוב גדול בהרבה מהכוח שהזבוב מפעיל על הקיר. האם אתם מסכימים עם יוסי? הסבירו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. נירה זרקה כדור טניס במהירות גדולה. האם הכוח שהפעילה נירה על הכדור גדול מהכוח שהפעיל הכדור על נירה? הסבירו.
3. דנית מפעילה כוח של 30 ניוטון על נעץ וכתוצאה מכך הנעץ ננעץ בקרטון. תמר טוענת שהכוח שהנעץ מפעיל על דנית חייב להיות קטן מ-30 ניוטון; כי אם לא כן, לא היה הנעץ ננעץ בקרטון. האם אתם מסכימים עם תמר? הסבירו.
4. רכבת פוגעת בעגלה שנשכחה על פסיה, מפעילה עליה כוח של 500 ניוטון ומועכת אותה. מה הכוח שמפעילה העגלה על הרכבת במקרה זה? סמנו את התשובה הנכונה והסבירו.
א. 100 ניוטון
ב. 500 ניוטון
ג. העגלה אינה מפעילה כוח על הרכבת.
ד. אין אפשרות לדעת, כי גודל הכוח תלוי במהירות הרכבת.
היזכרו בניסוי שערכתם בעבר, ובו שני ילדים השונים בגודלם יושבים על כיסאות עם גלגלים ודוחפים זה את זה. הילדים נעו באופן שונה, אף-על-פי שהכוחות שפעלו עליהם היו שווים בגודלם. הכוח שפעל על הילד הקל יותר גרם לו לנוע למרחק גדול יותר מאשר המרחק שעבר חברו הכבד יותר, אף-על-פי שפעל עליו כוח זהה.
*323*
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
צפו בניסוי במעבורת החלל (חמש דקות ו-35 שניות מתחילת הסרטון).
תארו מה התרחש כאשר דחף האסטרונאוט את הקופסה; השתמשו בתיאורכם במונחים אינטראקציה וכוח.
בפיזיקה מקובל להשתמש במונח כוח לתיאור עוצמת האינטראקציה. את הכוח נסמן באות Force) F).
באינטראקציה, גודל הכוח שמפעיל גוף א' על גוף ב' שווה לגודל הכוח שמפעיל גוף ב' על גוף א'.
השפעתה של האינטראקציה על הגופים המשתתפים בה יכולה להיות שונה.
*323*
בסעיף זה נשתמש בתיאור הגרפי שהכרנו לייצוג כוחות באינטראקציה בין שני גופים: שני חצים הפוכים בכיוונם ושווים בגודלם.
כל חץ מציין את הכוח שגוף אחד מפעיל על משנהו.
חץ ימינה - כוח שמפעיל ב' על א'
כוח שמפעיל א' על ב' חץ שמאלה
כמו שציינו בעבר, כדי להבין את התנהגותו של גוף עלינו להתחשב בכל האינטראקציות שהוא מעורב בהן.
לפניכם שני אסטרונאוטים הנמצאים הרחק מכדור הארץ, כשהם"מרחפים" בחלל ואינם נוגעים בשום דבר. אסטרונאוט ב' דוחף את אסטרונאוט א'.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*324*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם קיימת אינטראקציה בין שני האסטרונאוטים בזמן הדחיפה?
2. תארו מה יתרחש כתוצאה מדחיפה זו.
נתאר את האינטראקציה באירוע בעזרת חצי כוח.
(מטעמי נוחות, הפרדנו בין שני האסטרונאוטים באיור.)
שימו לב שאורך החצים שווה. מדוע?
הכוח שאסטרונאוט ב' - מפעיל על אסטרונאוט א':
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שימו לב! אסטרונאוט א' מפעיל כוח (שדוחף בחזרה) על אסטרונאוט ב', גם בלי שהוא מתכוון לדחוף ומבלי שהשתמש בידיו כדי לדחוף.
הכוח שאסטרונאוט א' מפעיל על אסטרונאוט ב':
(בספר איור, היעזר במנחה)
*325*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
כיצד כדאי לייצג את הגופים המצויים באינטראקציה שבחרנו באירוע, וכיצד כדאי לייצג את סידורם המרחבי?
לא כל אדם יכול לצייר את הגופים בדייקנות, וכן ריבוי הפרטים המופיעים בציור מדויק עלול לבלבל. כדאי אפוא לתאר את הגופים בעזרת הצורה הגרפית הפשוטה ביותר, הכוללת מידע על מיקום הגוף יחסית לגופים אחרים. צורה זו יכולה להיות מלבן. לדוגמה נתייחס לשני האסטרונאוטים בסעיף הקודם ונייצג אותם באופן הבא:
(היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
אסטרונאוט א' אסטרונאוט ב'
ייצוג זה מדגים היטב את הגופים שבחרנו ואת סידורם המרחבי.
אפשר לתאר את האינטראקציה בין האסטרונאוטים בטבלת אינטראקציות שמצוינות בה האינטראקציות בין השניים:
(ריק), אסטרונאוט א', אסטרונאוט ב'
אסטרונאוט א', -- (אפור), +
אסטרונאוט ב', +, -- (אפור)
(בספר איור, היעזר במנחה)
הסבר: המשבצת המצטלבת בין אסטרונאוט א' בטור האופקי ואסטרונאוט א' בטור האנכי מסומנת כמשבצת כהה מאחר שהאסטרונאוט לא יכול להיות באינטראקציה עם עצמו. לעומת זאת, אסטרונאוט א' נמצא באינטראקציה עם אסטרונאוט בי' ולכן סומנה המשבצת בסימן"+".
אפשר להוסיף לתרשים שלמעלה את זוג הכוחות באינטראקציה:
(בספר איור, היעזר במנחה)
אסטרונאוט א' - אסטרונאוט ב'
אסטרונאוט ב' – אסטרונאוט א'
נכנה תרשים זה בשם תרשים מלבנים. אם נרצה, נתייחס לאחד האסטרונאוטים ולכוח הפועל עליו כפי שעשינו בעמוד הקודם, נייצג זאת כך:
הכוח שמפעיל אסטרונאוט ב' על אסטרונאוט א': אסטרונאוט ב' (חץ לימין) אסטרונאוט א'
הכוח שמפעיל אסטרונאוט א' על אסטרונאוט ב': אסטרונאוט א' (חץ לשמאל) – אסטרונאוט ב'
(בספר איור, היעזר במנחה)
אנו מכנים ייצוג זה בשם תרשים כוחות.
שני הייצוגים האחרונים עוסקים בגוף יחיד (המופיע לבדו בתרשים) - כל אסטרונאוט בנפרד במקרה זה. בתרשים הכוחות מופיע גוף אחד שעליו פועלים הכוחות, חץ המייצג את הכוח הפועל עליו ואת כיוונו, וכן שם הגוף המפעיל את הכוח.
*326*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה יקרה לאסטרונאוט ב' כתוצאה מהפעלת הכוח על-ידי אסטרונאוט א'?
2. מה יקרה לאסטרונאוט א' כתוצאה מהפעלת הכוח על-ידי אסטרונאוט ב'?
3. האם תוצאות הפעלת הכוח על שני האסטרונאוטים תהיה זהה? הסבירו.
התייחסו לאירוע הבא: שלושה ילדים אסטרונאוטים מרחפים בחלל, הרחק מכדור הארץ. שני ילדים נמצאים משני צדדיו של ילד שלישי ומושכים אותו בידיהם, כל אחד לכיוונו. הילד המרחף באמצע אינו זז. אנו רוצים להראות את האינטראקציות שבהן משתתף הילד ואת הכוחות הפועלים עליו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
במקרה זה אפשר לתאר את האירוע כך:
(בספר איור, היעזר במנחה)
ילד אדום - ב'
ילד ירוק - ג'
טבלת האינטראקציות תהיה:
(ריק), ילד כחול (א'), ילד אדום (ב'), ילד ירוק (ג')
ילד כחול (א'), -- (אפור), +, -
ילד אדום (ב'), -- (אפור), +
ילד ירוק (ג'), -, +, -- (אפור)
(בספר איור, היעזר במנחה)
הסימן "+" בטבלת האינטראקציות מציין שבין שני הגופים יש אינטראקציה.
הסימן "-" מציין שבין שני הגופים אין אינטראקציה.
נתאר את הכוחות הפועלים באירוע ונוסיף אותם לתרשים המלבנים (מטעמי נוחות, הפרדנו בין הילד שבאמצע ובין שני הילדים האחרים):
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*327*
ייצוג האירוע בתרשים המלבנים:
ילד כחול (א') - ילד אדום (ב') - ילד ירוק (ג')
ילד ירוק (ג') - ילד אדום (ב') - ילד כחול (א')
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
נתבונן בילד האדום ונבנה בעבורו תרשים כוחות.
ילד זה נמשך על-ידי כל אחד מהילדים האחרים המושך אותו לכיוונו (איור עליון).
בתרשים הכוחות של הילד האדום (איור תחתון) אנו רואים שהילד הכחול מפעיל עליו כוח לכיוון ימין (מושך אותו ימינה), והילד הירוק מפעיל עליו כוח לכיוון שמאל (מושך אותו שמאלה).
ילד אדום - ילד כחול
ילד אדום - ילד ירוק
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
אם הכוחות ששני הילדים מפעילים על הילד האדום שווים בגודלם, האם הוא ינוע? הסבירו.
לסיכום, השלבים בבניית תרשים כוחות לגוף הם:
- ייצוג האירוע בעזרת מלבנים.
- בניית טבלה המסכמת את כל האינטראקציות הרלבנטיות באירוע.
- הוספת חצי כוחות הפועלים באירוע לייצוג המלבנים.
- בניית תרשים כוחות: התמקדות בגוף אחד המשתתף באירוע ושרטוט הכוחות הפועלים עליו, בציון הגוף המפעיל כל כוח.
*328*
*328*
בכל הדוגמאות שניתנו עד כה, הגופים היו במגע ולכן כינינו את האינטראקציות "אינטראקציות במגע". האם יכולה להיות אינטראקציה בין שני גופים שאינם נוגעים זה בזה?
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
האם אתם מכירים אינטראקציות פיזיקליות המתרחשות גם ללא מגע ישיר (מרחוק)? אם כן, הביאו דוגמאות לכך.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
1. האם משהו זז פה?
ציוד וחומרים: שני מגנטים חזקים.
מהלך הפעילות: תלמיד א' אוחז בידו מגנט בחוזקה ומתבקש לא להזיז את ידו. תלמיד ב' אוחז במגנט נוסף ומקרב אותו למגנט שבו אוחז חברו. יש להקפיד שקוטבי שני המגנטים הקרובים ידחו זה את זה. מה קורה?
האם יש אינטראקציה בין שני המגנטים? איך אפשר להראות זאת? הסבירו.
האם היה מגע בין שני המגנטים?
2. הסרגל המחשמל
ציוד וחומרים: סרגל פלסטי, בד משי ופיסות נייר קטנות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מהלך הפעילות
א. שפשפו סרגל בבד המשי, וקרבו את הסרגל לפיסות הנייר הקטנות. הקפידו שהסרגל לא ייגע בנייר. כתבו מה מתרחש.
ב. שפשפו סרגל וקרבו אותו לשיער של חברכם (מוטב חבר ששערו חלק). הקפידו שהסרגל לא ייגע בשיער. כתבו מה מתרחש.
אם ביצעתם את הפעילות כשורה, ראיתם את פיסות הנייר והשיער נעים גם בלי שנגעו בהם. זוהי תופעה של חשמל סטטי.
*329*
האם הייתה אינטראקציה בין גופים בפעילות? הסבירו.
האם היה מגע בין הגופים בתחילת כל אירוע?
יכולות להיות אינטראקציות בין גופים ללא מגע (אינטראקציה מרחוק). דוגמאות לכך הן אינטראקציות חשמליות ואינטראקציות מגנטיות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מחט מצפן, היכולה לנוע בחופשיות על ציר, פונה תמיד לכיוון צפון. האם תנועתה של מחט המצפן קשורה לאחד משני סוגי האינטראקציות מרחוק שהכרנו? הסבירו.
2. עוזבים כדורסל והוא נופל. נתייחס לשני מצבים: רגע לפני העזיבה ורגע לפני הפגיעה בקרקע. האם לדעתכם חל שינוי במהירות הכדור? על מה יכול להעיד השינוי במהירות הכדור? הסבירו.
3. האם אתם מכירים סוגים נוספים של אינטראקציות מרחוק?
*329*
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
1. גולשים במדרון עם גלגשת (סקייטבורד)
הפעילו את הסימולציה גולשים במדרון: העבירו את האדם לתחילת המדרון וסמנו את כפתור ה-speed.
האם גדלה מהירות האדם בזמן הגלישה במדרון?
על מה עובדה זו יכולה להעיד?
2. מטוטלת
בלימודיכם הקודמים בנושא אנרגיה הכרתם את המטוטלת. קשרו משקולת לחוט באורך 50 ס"מ. נדנדו את המשקולת. עקבו אחר מטוטלת זו בתנועתה וציינו היכן מהירותה היא הגדולה ביותר.
3. כדור בתנועה
אחזו בידכם כדור קטן, וזרקו אותו כלפי מעלה.
תארו את מהלך תנועתו של הכדור.
האם הכדור שינה את מהירותו במסלול שעשה?
*330*
בפרק הקודם ראינו כי העובדה שגוף משנה את מהירותו מעידה על כך שהוא באינטראקציה עם גוף אחר. נתייחס לשלוש הפעילויות הקודמות. בכולן היה שינוי בגודל המהירות של הגוף הנע ובכיוונה. עובדה זו מעידה על כך שגופים אלה מצויים באינטראקציה עם גוף אחר. מהו לדעתכם הגוף האחר?
האם האוויר יכול להשפיע על מהירותו של הגוף בפעילות שערכתם?
מה היה קורה אילו ביצעתם את הפעילות בחדר שהאוויר הוצא מתוכו (ריק)?
האם ייתכן שהיד שהשליכה את הכדור ממשיכה להשפיע עליו גם כאשר הכדור באוויר ואינו נוגע ביד? הסבירו.
האוויר יכול להאט את מהירותם של גופים הנעים בו, אך הדבר מורגש בעיקר כאשר הגופים נעים באוויר במהירות גדולה. בכל מקרה, האוויר - שאינו נע - אינו יכול להגדיל את מהירות הגופים, ולכן כנראה אינו הגוף שהגדיל את מהירותו של הכדור. גם היד אינה משפיעה על הכדור כאשר הוא באוויר.
האם קיים גוף נוסף שיכול להיות אחראי להגדלת מהירות הכדור?
בודאי שמעתם על כוח המשיכה המופעל על-ידי כדור הארץ.
כוח זה גורם להגדלת המהירות של הכדור. כוח זה קשור לאינטראקציה מרחוק בין כדור הארץ והכדור.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
(בספר איור, היעזר במנחה)
השפעת האינטראקציה על תנועה של גופים שמימיים היא מורכבת. לדוגמה, האינטראקציה של כדור הארץ עם השמש גורמת לכדור הארץ להסתובב סביב השמש, ואילו האינטראקציה של כדור הארץ עם הירח גורמת לירח להסתובב סביב כדור הארץ וגורמת לתופעת הגאות והשפל בכדור הארץ. בהסבר לתופעות אלה של אינטראקציה בין גרמים שמימיים תעסקו בעתיד.
הכרנו שלוש אינטראקציות מרחוק: אינטראקציה של גופים עם כדור הארץ, אינטראקציה בין מגנטים ואינטראקציה בין מטענים חשמליים.
*331*
*331*
נבחן את האירוע הבא: שלושה ילדים עומדים על טרמפולינה.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
הילד הכחול (א') והילד הירוק (ג') מושכים את הילד האדום (ב') כל אחד לכיוונו, ואילו הילד האדום אינו זז.
אם אנו רוצים לייצג את האירוע בטבלת אינטראקציות ובתרשים מלבנים, עלינו לציין את הגופים המשתתפים באינטראקציה.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
דיון
אילו גופים משתתפים באירוע של שלושת הילדים הניצבים על הטרמפולינה? הסבירו מדוע בחרתם בגופים אלה.
נייצג את האירוע בעזרת ייצוג מלבנים. שימו לב שהוספנו שני מלבנים, אחד לטרמפולינה והאחר לכדור הארץ, לפי סדר מיקומם המרחבי:
(בספר איור, היעזר במנחה)
ילד כחול (אי), ילד אדום (בי), ילד ירוק (ג')
טרמפולינה
כדור הארץ
טבלת אינטראקציות לאירוע זה תהיה:
(ריק), ילד כחול (א'), ילד אדום (ב'), ילד ירוק (ג'), טרמפולינה, כדור הארץ
ילד כחול (אי), -- (אפור), +, -, +, +
ילד אדום (בי), +, -- (אפור), +, +, +
ילד ירוק (גי), -, +, -- (אפור), +, +
טרמפולינה, +, +, +, -- (אפור), +
כדור הארץ, +, +, +, -- (אפור)
(בספר איור, היעזר במנחה)
*332*
עתה נוסיף את חצי הכוח לייצוג המלבנים.
שימו לב שכוחות הקשורים לאינטראקציה עם כדור הארץ מסומנים בקווים מקווקווים, מהסיבה שהם מייצגים כוחות של אינטראקציה מרחוק (לדוגמה, הכוחות בין כדור הארץ לבין הילד). אפשר להשתמש גם בצבע אחר. נדגיש כי בתרשים הנוכחי גודלם היחסי של צמדי הכוחות השונים אינו מייצג את גודלם במציאות. לכן חצי הכוח שכדור הארץ מפעיל, הנראים ארוכים יותר באיור, אינם מעידים שכוחות אלה גדולים יותר מהכוחות האחרים.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
אילו כוחות פועלים על הילד האדום (ילד ב')?
לצורך כך נתמקד באינטראקציות בהן משתתף הילד האדום:
נזהה אינטראקציות אלה בעזרת תרשים המלבנים או טבלת האינטראקציות. לכל אחת מהאינטראקציות נשרטט רק חץ אחד, המייצג את הכוח הפועל על הילד האדום.
כיוון שהילד האדום מעורב בארבע אינטראקציות: עם הילד הכחול (א'), עם הילד הירוק (ג'), עם הטרמפולינה ועם כדור הארץ, נצפה שבתרשים הכוחות יופיעו ארבעה חצי כוח.
נתאר את בניית תרשים הכוחות לילד האדום שלב אחרי שלב:
1. תחילה נצייר את מלבן הילד האדום:
ילד אדום (ב')
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
2. הכוח שכדור הארץ מפעיל על הילד האדום: כדור הארץ מפעיל על הילד כוח כלפי מטה, ולכן:
ילד אדום (ב') - (חץ כלפי מטה) - כדור הארץ
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
*333*
3. הכוח שהילד הכחול מפעיל על הילד האדום: הילד הכחול מושך את הילד האדום לכיוון ימין, ולכן:
ילד אדום (ב') - (חץ לימין) ילד כחול (א')
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
4. הכוח שהילד הירוק מפעיל על הילד האדום: הילד הירוק מושך את הילד האדום לכיוון שמאל, ולכן:
ילד אדום (ב' ) – (חץ לשמאל) ילד ירוק (ג')
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
5. הכוח שהטרמפולינה מפעילה על הילד האדום: הטרמפולינה דוחפת את הילד האדום מלמטה למעלה, ולכן:
טרמפולינה - (חץ כלפי מעלה) - ילד אדום (ב')
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
בפיזיקה מקובל להוציא את חצי הכוח מהגוף הנבחר ולא לכוונם אליו. אין בזאת שום שינוי, אלא רק עניין של מוסכמות. לכן נשנה את השרטוט:
ילד אדום (ב') - (חץ כלפי מעלה) – טרמפולינה
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
6. בשלב האחרון נייצג את כל הכוחית בתרשים אחד:
ילד אדום (ב') - (חץ כלפי מעלה) - טרמפולינה
ילד אדום (ב') - (חץ לימין) - ילד כחול (א')
ילד אדום (ב') - (חץ לשמאל) - ילד ירוק (ג')
ילד אדום (ב') - (חץ כלפי מטה) - כדור הארץ
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
קיבלנו תרשים כוחות לילד האדום.
שימו לב: בתרשים כוחות מתמקדים בגוף אחד (מאלו המשתתפים באירוע) ומשרטטיים את הכוחות הפועלים עליו, בציון הגוף המפעיל כל כוח.
*334*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. כיצד הייתה טבלת האינטראקציות משתנה אילו עמדו הילדים על מזרן דק ולא על טרמפולינה?
2. ציירו תרשים כוחות לילד האדום לפי מצב שבו שלושת הילדים ניצבים על מזרן דק.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
דיון
כיצד היו טבלת האינטראקציות ותרשים הכוחות של הילד האדום משתנים אילו עמדו הילדים על הרצפה ולא על טרמפולינה?
כאשר גוף נמצא על משטח כלשהו (למשל רצפה), יש לו אינטראקציה עם כדור הארץ (המושך אותו בכל מקרה) ועם הרצפה. עם כדור הארץ זוהי אינטראקציה מרחוק ועם הרצפה (או הקרקע) זוהי אינטראקציה במגע.
שאלות על אירועים
בכל אירוע קיים גוף שאת התנהגותו אנו רוצים להבין. זהות הגוף הנבחר נקבעת בהתאם לשאלה ששואלים על האירוע. על התנהגותו של הגוף ישפיעו האינטראקציות שהוא מעורב בהן, ולכן אם נרצה להסביר את התנהגותו של הגוף או לחזות כיצד יתנהג בעתיד, עלינו להביא בחשבון את כל האינטראקציות האלה ולהבין את השפעתן. בדוגמה שלמעלה שאלנו על הילד האדום ולכן בחרנו לזהות את כל האינטראקציות שבהן הוא מעורב ולבנות בהתאם תרשים כוחות בעבורו.
כתבו ליד כל אירוע בטבלה שאלה אחת המתייחסת לאינטראקציה או לכוחות:
האירוע, שאלה מעניינת
תלמיד מזיז ארון, --
שחקן טניס חובט כדור, --
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
לסיכום, כיצד נזהה את הגוף הנבחר באירוע?
הגוף שאותו נבחר באירוע מסוים נקבע בהתאם לשאלה שאנו שואלים על האירוע. שימו לב, כל שאלה מתייחסת לגוף מסוים אחד.
אפשר לשאול שאלות מגוונות על אירוע בודד, ולכן יכולים להיות כמה גופים שכדאי לבחור בהתאם לשאלה שנשאלה. לדוגמה, באירוע שבו תלמיד מזיז ארון, אפשר לשאול "מדוע הארון מתחיל לזוז?" ואז הגוף המעניין אותנו יהיה הארון, ולעומת זאת אפשר לשאול "מדוע התלמיד מתחיל לנוע?" ואז השאלה עוסקת בתלמיד ולכן התלמיד יהיה הגוף המעניין אותנו.
*335*
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
נתון התרחיש הבא: שתי מכוניות - מכונית א' ומכונית ב' - מתנגשות חזיתית.
1. כתבו שתי שאלות על התרחיש.
2. מי הם הגופים בתרחיש?
3. באיזה מהגופים כדאי לבחור בשאלה הראשונה ששאלתם?
4. באיזה מהגופים כדאי לבחור בשאלה השנייה ששאלתם?
5. שני אומרת שהיא מתעניינת בשאלה "מדוע מכונית א' נמעכה?", ולכן מכונית א' חייבת להופיע, והיא הגוף הנבחר. לעומת זאת, שחף אומרת שהיא מתעניינת בשאלה "מדוע מכונית ב' נעצרה?" ולכן מכונית ב' היא הגוף הנבחר. מי לדעתכם צודקת? נמקו.
6. שרטטו למכונית א' תרשים מלבנים, טבלת אינטראקציות לאירוע וכן תרשים כוחות.
הערה
שימו לב, אף-על-פי שאנו מסמנים את הגוף במלבן, אנו מתייחסים אליו כאל גוף נקודתי (ללא גודל), ולכן אין אנו מייחסים חשיבות לנקודת ההפעלה של הכוח על הגוף בשלב זה. בהמשך נלמד שלעתים יש חשיבות לנקודה שבה הכוח מופעל.
דוגמאות נוספות לניתוח אירועים תמצאו בנספח לפרק זה.
*336*
ז. מסה ומשקל
לפניכם תרשימי כוחות של שני גופים שונים הנמצאים באינטראקציה עם כדור הארץ.
גוף 1 - (חץ קצר כלפי מטה) - כדור הארץ
גוף 2 - (חץ ארוך כלפי מטה) - כדור הארץ
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. כיצד מכנים את הכוח שכדור הארץ מפעיל על הגוף?
2. מה אפשר ללמוד מכך שהחצים המייצגים את הכוחות שכדור הארץ מפעיל על שני הגופים הם בעלי אורך שונה?
בפיזיקה נוהגים להגדיר את הכוח שגרם שמימי מפעיל על גוף בשם משקל הגוף.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
דנית טוענת שאם נעביר את גוף 2 (המתואר למעלה) לירח, ישתנה משקלו ולכן החץ המייצג את הכוח שמפעיל עליו הירח יהיה קצר יותר בהשוואה לחץ המייצג את הכוח שמפעיל עליו כדור הארץ.
תרשימי הכוחות של הגוף יחסית לירח ולכדור הארץ ייראו כך:
גוף 2 – (חץ קצר כלפי מטה) - ירח
גוף 2 – (חץ ארוך כלפי מטה) - כדור הארץ
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
1. האם אתם מסכימים עם דנית? הסבירו.
2. מה תוכלו לומר על כמות החומר של אותו הגוף על הירח ועל כדור הארץ? האם כמות החומר תלויה במקום שבו הגוף נמצא?
*337*
בלימודיכם הקודמים למדתם שכמות החומר מכונה גם מסה. מסת גוף אינה תלויה במקום שבו הגוף נמצא, מאחר שכמות החומר המרכיב את הגוף היא קבועה. לעומת זאת, כוח המשיכה (המשקל) תלוי גם במסת הגוף וגם בגרם השמימי שעליו הגוף נמצא.
יחידות של מסה ומשקל
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
שאלה
מהי יחידת המידה של משקל?
כדי לענות על שאלה זו חשוב לזכור שיחידת המידה של כוח היא ניוטון (ראו עמוד 319). עובדה זו תעזור לנו לקבוע את יחידת המידה של המשקל.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
דיון
שחף אומרת שיחידת המידה של המשקל חייבת להיות ניוטון, כי משקל הוא הכוח שבו כדור הארץ מושך את הגוף וכוח נמדד בניוטונים. אלעד אומר שיחידת המידה של משקל היא ק"ג, כי כאשר אנו מודדים את משקלנו, התוצאה ניתנת תמיד בקילוגרמים (למשל, אומרים "משקלי הוא 45 ק"ג", ולא: "משקלי הוא 450 ניוטון").
מי לדעתכם צודק? נמקו.
יחידת המידה לכוח היא ניוטון. מכיוון שמשקל הוא כוח, יחידת המידה למשקל (המבטא כוח משיכה) תהיה אף היא ניוטון. יחידה זו שונה מיחידת המידה שמשתמשים בה בחיי היומיום (ק"ג). זוהי דוגמה נוספת לשימוש השונה שנעשה במונחים בפיזיקה ובשפה היומיומית.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
דיון
הביאו דוגמאות נוספות למונחים מרכזיים שהכרתם אשר משמעותם בפיזיקה אינה זהה לזו שבחיי היומיום.
*338*
תכונות המשקל
- למשקל כיוון קבוע, והוא מכוון כלפי מרכז גרם השמים, כיוון זה הוא הכיוון האנכי לקרקע. למעשה, כיוונו של המשקל (כוח המשיכה) בנקודה נתונה מגדיר את הכיוון המכונה אנכי באותה הנקודה (ראו איור). למשל הבנאים משתמשים במשקולת תלויה על חבל (אנך) כדי לבדוק אם הקיר שבנו עומד אנכית לקרקע.
- משקלו של גוף משתנה בהתאם לגרם השמים שעליו הוא נמצא. למשל, על פני הירח משקלו של גוף קטן פי שישה בקירוב ממשקלו על פני כדור הארץ. במאדים הוא ישקול כשליש ממשקלו על פני כדור הארץ ובצדק פי 2.5 יותר! למשל, אדם שמסתו 60 ק"ג ישקול על כדור הארץ כ-600 ניוטון, ואילו על הירח יהיה משקלו 100 ניוטון בלבד. על פני צדק ישקול אותו אדם 1,500 ניוטון.
(בספר איור, היעזר במנחה)
- בפועל נקבע משקלו של גוף המצוי על פני גרם שמים כלשהו על-ידי שני גורמים: מסת הגוף, וגורם נוסף הקשור לגודלו ולצפיפותו של גרם השמים: ככל שאלה יהיו גדולים יותר. כך משקלו של הגוף יהיה גדול יותר.
- הגורם הקשור לגודלו ולצפיפותו של גרם השמים נקרא g. מתברר כי משקלו של גוף שווה למסתו (m) כפול g.
אנו נוהגים לסמן את משקל הגוף באות Weight) W), ומתקיים W=mg.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. שרטטו שני תרשימי כוחות לאסטרונאוט שמסתו 60 ק"ג העומד:
א. על הירח.
ב. על כדור הארץ.
(בספר איור, היעזר במנחה)
3. כיצד לדעתכם תיראה תנועה של אסטרונאוט על "פני" כוכב הלכת צדק?
(צדק הוא כוכב גז נוזלי. בתשובתכם התייחסו אל צדק כאל מוצק.)
*339*
כיצד מודדים משקל?
(בספר איור, היעזר במנחה)
כאשר רוצים לשקול גוף, תולים אותו על מד-המשקל. כתוצאה מכך נמתח הקפיץ, ומידת התארכותו מראה את משקלו.
כיצד אתם שוקלים את עצמכם? אתם נוהגים לעמוד על מד-משקל המכונה מד-משקל אדם. במקרה זה, הקפיץ נמצא מתחתיכם ומתכווץ (מתקצר) כאשר אתם עומדים עליו. ראוי להדגיש כי מד-משקל אדם מודד את משקלו של האדם. מקובל לסמן את יחידות המשקל בק"ג, ולא בניוטונים, למרות שיחידה זו משמשת למדידת מסה.
אנו מכנים את מידת כיווץ הקפיץ (או מתיחתו) בשם משקל נמדד.
בדרך-כלל המשקל הנמדד שווה לכוח המשיכה של כדור הארץ, אך קיימים מצבים אחדים שבהם אין המשקל הנמדד שווה לכוח המשיכה של כדור הארץ.
שתי הפעילויות הבאות עוסקות בהבדל בין משקל למשקל נמדד.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
1. עמדו על מד-משקל אדם ורשמו את הקריאה. בשלב הבא, בעומדכם על מד-המשקל, בקשו מחברכם להפעיל עליכם כוח כלפי מטה. רשמו את הקריאה במצב זה.
א. האם שתי הקריאות היו זהות?
(בספר איור, היעזר במנחה)
ג. האם חל שינוי במסה שלכם במהלך הפעילות? אם לא, כיצד תסבירו את הקריאות השונות?
2. תלו גוף על מד-משקל ידני (מד-כוח). רשמו את משקל הגוף כשם שמד-הכוח מראה.
א. משכו קלות בידכם את הגוף כלפי מטה. מה מראה מד-המשקל עכשיו?
ב. דחפו קלות את הגוף כלפי מעלה. מה מראה מד-המשקל עכשיו?
ג. האם חל שינוי במסת הגוף במהלך הפעילות? אם לא, כיצד תסבירו את הקריאות השונות?
*340*
פעילות אתגר
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר ציור, היעזר במנחה)
המשקולת הנעלמת: לפניכם קופסת נס קפה גדולה שמחובר אליה קפיץ (או גומייה) ובקצה משקולת. אחזו את הקופסה באוויר. המשקולת התלויה מותחת את הקפיץ ויוצאת מחלקה התחתון של הקופסה. מה יקרה למשקולת ולקפיץ אם נשחרר את הקופסה ונאפשר לה ליפול באופן חופשי? הסבירו.
נחזור לנושא מורכב זה בהמשך הלימודים.
*340*
- הכרנו את המושג כוח המתאר את עוצמת האינטראקציה. ראינו כי בחיי היומיום יכולות להיות למילה כוח משמעויות אחרות שאינן מדעיות.
- למדנו שאפשר למדוד כוח בעזרת מד-כוח (דינמומטר). יחידת הכוח נקראת ניוטון ומסומנת ב-N.
0- ראינו כי באינטראקציה פועלים זוג כוחות: הכוח שגוף א' מפעיל על גוף ב', והכוח שגוף ב' מפעיל על גוף א'. הכוחות האלה שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם. קשר זה מכונה החוק השלישי של ניוטון.
- למדנו לייצג כוחות בעזרת חצים (וקטורים): אורך החץ מציין את גודל הכוח, וכיוון החץ מציין את כיוון הכוח.
- למדנו לייצג את הגופים המשתתפים באירוע בעזרת תרשים מלבנים, ולתאר בטבלת האינטראקציות את האינטראקציות בין הגופים המשתתפים באירוע.
- הכרנו שלוש אינטראקציות היכולות להתקיים ללא מגע - אינטראקציות מרחוק - בין מגנטים, בין מטענים חשמליים ובין גופים לבין כדור הארץ.
- למדנו שכאשר גוף עומד על משטח כלשהו (או על הקרקע), הוא מעורב בשתי אינטראקציות שונות: עם כדור הארץ ועם המשטח (או הקרקע).
- למדנו כיצד לבחור גוף שאת התנהגותו אנו רוצים להבין בבעיה נתונה, ולשרטט עבורו תרשים כוחות (עמוד 327).
- למדנו כי בפיזיקה יש המגדירים את משקל הגוף ככוח המשיכה שמפעיל גרם שמימי על הגוף.
- למדנו כיצד מודדים משקל וכי יחידת המשקל היא ניוטון. הדגשנו כי קיימים מצבים שבהם המשקל הנמדד אינו שווה לכוח המשיכה הפועל על הגוף.
- למדנו כי קיים הבדל בין משקל למסה. יחידת המסה היא ק"ג. בחיי היומיום משתמשים במילה משקל לציון מסת הגוף.
*341*
(בספר ציור, היעזר במנחה)
1. הציור הבא מראה תפוח הנופל לקרקע. באיזה או אילו משלושת המצבים פועל כוח המשיכה על התפוח? (בספר ציור, היעזר במנחה)
א. רק במצב 2.
ב. במצבים 1 ו-2.
ג. במצבים 1 ו-3.
ד. במצבים 1, 2 ו-3.
2. ספר מונח על שולחן. שרטטו את תרשים הכוחות הפועלים על הספר.
3. ספורטאעי מניף משקולות ומחזיק אותן באופן יציב באוויר.
א. העתיקו למחברתכם את הרשימה הבאה. סמנו את הגופים המפעילים כוח על הספורטאי, ושרטטו לצדם חץ המראה את כיוון הכוח (למעלה/ למטה/ הצדה). ראו דוגמה.
1. שם הגוף: הרצפה. כיוון הכוח: חץ כלפי מעלה
2. שם הגוף: הספורטאי הדוחף את המשקולות. כיוון הכוח --
3. שם הגוף: המשקולות. כיוון הכוח: --
4. שם הגוף: כדור הארץ. כיוון הכוח: --
5. שם הגוף: צופים באירוע. כיוון הכוח: --
6. שם הגוף: האוויר. כיוון הכוח: --
ב. שרטטו את תרשים הכוחות הפועלים על המשקולת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
4. באיור שלפניכם בקבוק מוצב על ספר שנח על שולחן.
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. שרטטו תרשים של הכוחות הפועלים על הספר.
ב. שרטטו תרשים של הכוחות הפועלים על הבקבוק.
ג. שרטטו תרשים של הכוחות הפועלים על השולחן.
5. אילו גופים מפעילים כוח על המכונית הכחולה (ב')?
*342*
6. משאית גדולה התקלקלה באמצע הדרך ונעזרת במכונית קטנה המנסה להזיז אותה ללא הצלחה. איזה משפט מתאר נכונה את הכוחות הפועלים על כלי הרכב?
א. גודל הכוח שבו המכונית דוחפת את המשאית קטן מגודל הכוח שבו המשאית דוחפת את המכונית בחזרה.
ב. גודל הכוח שבו המכונית דוחפת את המשאית שווה בדיוק לגודל הכוח שבו המשאית דוחפת את המכונית הקטנה.
ג. מנוע המכונית הוא היחיד שפועל ולכן רק המכונית מפעילה כוח על המשאית. המשאית אינה מפעילה כוח על המכונית (אינה "דוחפת" אותה חזרה).
ד. גודל הכוח שבו המכונית דוחפת את המשאית גדול מגודל הכוח שבו המשאית דוחפת את המכונית בחזרה.
(בספר איור, היעזר במנחה) F1 - הכוח שמפעיל כדור הארץ על התיבה
8. אדם עומד על מאזני קפיץ מתחת למשקוף הדלת. קריאת המאזניים היא 70 ק"ג. עתה, בעודו עומד על המאזניים, נוטל האדם מאזני קפיץ נוספים (הזהים לאלה שעליהם הוא ניצב), ולוחץ אותם בידיו כלפי מעלה אל משקוף הדלת שמעליו. כתוצאה מהלחיצה של המאזניים הנוספים למשקוף, הם מראים קריאה של 15 ק"ג. מה יראו מאזני הקפיץ שעליהם ניצב אותו אדם? נמקו את תשובתכם.
(בספר איור, היעזר במנחה) F1 - הכוח שמפעיל כדור הארץ על התיבה
9. תיבה תלויה על חוט המחובר לתקרה (ראו איור). יוסי טוען כי הכוחות F1 ו-F2 הם זוג כוחות של אינטראקציה אחת.
F2 - הכוח שמפעיל החוט על התיבה
א. האם אתם מסכימים עם דעתו של יוסי? כן/ לא
ב. הסבירו את תשובתכם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
10. באיור שלפניכם מתוארים שני מגנטים זהים הנמצאים במצב מנוחה (ללא תנועה). מגנט א' מונח על מד-משקל, ומגנט ב' נמצא מעל מגנט א' (אין מגע בין המגנטים). יוסי טוען שמד-המשקל יראה את משקלו של מגנט א' בלבד.
א. האם טענתו של יוסי נכונה? נמקו את תשובתכם.
ב. האם יש אינטראקציה בין מגנט ב' למד-המשקל? הסבירו.
*343*
11. לפניכם שלוש טענות:
א. יתוש מתנגש בחלון זכוכית. באינטראקציה בין היתוש לחלון, הכוח שהחלון מפעיל על היתוש גדול בהרבה מהכוח שהיתוש מפעיל על החלון.
ב. רכבת דוהרת מתנגשת באבן קטנה. באינטראקציה בין הרכבת לאבן, הכוח שהרכבת מפעילה על האבן גדול בהרבה מהכוח שהאבן מפעילה על הרכבת.
ג. שחף אומרת שכאשר נועצים נעץ במשטח קרטון רך, הכוח שבו אנו דוחפים את הנעץ גדול בהרבה מהכוח שבו הנעץ דוחף אותנו בחזרה.
האם הטענות נכונות? הסבירו את תשובתכם ביחס לכל אחת מהטענות.
12. ליאור משפשף סרגל פלסטי בבד צמר. לאחר מכן הוא מקרב את הסרגל לפיסות נייר קטנות המונחות על השולחן. כתוצאה מכך"מזנקות" פיסות הנייר אל הסרגל ונדבקות אליו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
א. ליאור טוען שלסרגל הייתה אינטראקציה מרחוק עם פיסות הנייר. האם אתם מסכימים עם ליאור? הסבירו את תשובתכם.
ב. אם אכן הייתה אינטראקציה בין הסרגל ובין פיסות הנייר, מהי אותה אינטראקציה?
- אינטראקציה חשמלית
- אינטראקציה עם כדור הארץ
- אינטראקציה מגנטית
- אינטראקציה במגע
13. באיור שלפניכם מתוארים שני מגנטים זהים הנמצאים במצב מנוחה (ללא תנועה).
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
מגנט א' מונח על השולחן ומגנט ב' מרחף מעל מגנט א' (אין מגע בין המגנטים).
הגופים, הנמצאים באינטראקציה (פעולה הדדית) עם מגנט ב' הם:
א. הרצפה בלבד. ב. מגנט א' והרצפה.
ג. מגנט א' וכדור הארץ. ד. כדור הארץ בלבד.
14. דוד ויעל ביקרו בכוכב לכת שהחומר הבונה אותו צפוף במיוחד. הם מדדו את משקלם והתברר שהוא גדול פי שניים ממשקלם בכדור הארץ. יעל אמרה שאם משקלה גדל, הרי מסתה גדלה בהתאם. דוד אמר שהוא אינו מסכים אתה, ומסתה לא השתנתה אף-על-פי שמשקלה גדל. האם אתם מסכימים עם יעל או עם דוד? הסבירו.
*344*
15. כתבו במחברת"נכון" או"לא נכון" לגבי כל אחת מהטענות הבאות:
א. לגוף מסוים יש אותו משקל בכל מקום.
ב. בחיי היומיום נוהגים להשתמש ביחידה קילוגרם כיחידה של משקל.
ג. משקל מודדים במד-כוח.
ד. היחידה של משקל היא ניוטון.
ה. אם נעביר גוף מכדור הארץ לירח, ישתנה משקלו.
ו. אם נעביר גוף מכדור הארץ למאדים, ישתנה משקלו.
16. יד מותחת קפיץ:
אינטראקציה בין יד לבין קפיץ
(בספר איור, היעזר במנחה)
באינטראקציה בין היד לבין הקפיץ פועלים שני כוחות (ראו איור להלן). היד מפעילה כוח על הקפיץ (מותחת אותו ימינה), ובו בזמן הקפיץ מפעיל כוח על היד (לכיוון שמאל), והדבר מתבטא בעיוות כף היד ובתחושת כאב מסוימת. אפשר לתאר את הכוחות הפועלים בין היד לבין הקפיץ באמצעות חצים. רשמו ליד כל אחד מהחצים איזה גוף מפעיל את הכוח ועל איזה גוף הכוח פועל:
F1 - --
F2 - --
*345*
*345*
נקבו פקק גומי אשר יכול לאטום קנקל משקה קל (1.5 ליטר) ונעצו בו סיכת ניפוח של כדורסל. מלאו שליש מנפחו של הבקבוק במים וסגרו את פקק הגומי היטב. חברו משאבת אופניים אל הסיכה, כוונו את פיית הבקבוק כלפי מטה ונפחו את הבקבוק בעזרת המשאבה, עד ל"פיצוץ" (התנתקות הפקק).
הקפידו על אמצעי בטיחות נאותים!
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מה הם חלקיו של טיל המים, כיצד משגרים אותו, ומה נפלט ממנו בזמן המראתו?
2. כיצד אפשר להסביר בעזרת עקרונות פיזיקליים את המראת הטיל?
3. בנו תרשים כוחות לבקבוק בזמן המראתו.
4. מה לדעתכם יתרחש אם נמלא לגמרי את הבקבוק במים? הסבירו את תשובתכם.
*345*
לפניכם האירוע הבא (ראו איור בעמוד 311):
שני תלמידים עורכים תחרות משיכת חבל. התחרות שקולה ובשלב הראשון אף אחד מהתלמידים אינו נע. שאלה: מדוע ילד ב' אינו נע לכיוון ילד א' (כלומר מדוע ילד א' אינו מנצח)?
א. תרשים מלבנים
נתאר את האירוע בעזרת תרשים מלבנים, טבלת אינטראקציות וחצי כוחות.
מהם הגופים באירוע שיש לכלול בתרשים המלבנים ובטבלת האינטראקציות?
באופן עקרוני, כדאי שמספר הגופים הנבחרים יהיה הקטן ביותר אך עם התייחסות ברורה לגוף שעליו שואלים את השאלה. גוף זה (הגוף הנבחר) יופיע באחד המלבנים. כמו כן, חייבים להופיע כל הגופים שהוא נמצא במגע ישיר אתם היכולים להשפיע עליו.
לסיכום, בתרשים המלבנים חייב להופיע הגוף שעליו נשאלה השאלה וכל הגופים שאתם הוא נמצא באינטראקציה.
ב. טבלת האינטראקציות
טבלת האינטראקציות לאירוע שבו אנו דנים תהיה:
(ריק), ילד א', חבל, ילד ב', רצפה, כדור הארץ
ילד א', -- (רקע אפור), +, -, +, +
חבל, +, -- (רקע אפור), +, +, +
ילד ב', -, +, -- (רקע אפור), +, +
רצפה, +, +, +, -- (רקע אפור), +
כדור הארץ, +, +, +, +, -- (רקע אפור)
(בספר איור, היעזר במנחה)
*346*
ג. תרשים כוחות לגוף נבחר
כעת עלינו להתמקד בגוף המעניין אותנו ושאותו בחרנו בהתאם לשאלה: מדוע ילד ב' אינו נע לכיוון ילד א'?
כדי לענות לשאלה זאת עלינו לבנות לגוף הנבחר תרשים כוחות, ולפרשו. כלומר, ראשית עלינו לבחור בגוף ב' (במקרה זה) משום שהוא נושא הבעיה ("מדוע הוא אינו נע לכיוון ילד א'?").
מטרתנו היא לבודד את הגוף הנבחר משאר הגופים באירוע ולרשום את כל הכוחות הפועלים עליו. מטעמי נוחות, נשתמש בתרשים המלבנים שהכרנו. בדומה לאופן שבו הכנו תרשים כוחות לילד האדום בפרק זה, נצייר את הגוף הנבחר במלבן ונכתוב את שם הגוף בתוכו:
ילד ב' (מופיע בתוך מלבן)
(בספר איור, היעזר במנחה)
בשלב הבא נוסיף את חצי הכוחות הפועלים על ילד ב'. כלומר, עלינו להוסיף את כל הכוחות הפועלים על הילד ולרשום ליד ראש החץ את שם הגוף שהפעיל את הכוח.
כאמור, את מספר חצי הכוח אפשר לזהות מתרשים המלבנים. לדוגמה, אפשר לראות שילד ב' מעורב בשלוש אינטראקציות: עם החבל, עם הרצפה ועם כדור הארץ. לכן נצפה שיופיעו שלושה חצי כוח.
נתאר את בניית תרשים הכוחות שלב אחרי שלב:
1. הכוח שכדור הארץ מפעיל על ילד ב': כדור הארץ מפעיל על הילד כוח כלפי מטה.
ילד ב'
(חץ כלפי מטה)
כדור הארץ
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. הכוח שהחבל מפעיל על ילד ב': החבל מושך את הילד לכיוון ימין.
ילד ב'
(חץ לימין)
חבל
(בספר איור, היעזר במנחה)
3. הכוח שהרצפה מפעילה על ילד ב': הרצפה דוחפת את הילד כלפי מעלה.
ילד ב'
(חץ כלפי מעלה)
רצפה
(בספר איור, היעזר במנחה)
4. בשלב האחרון נחבר את כל הכוחות לתרשים אחד. קיבלנו תרשים כוחות לילד ב':
ילד ב'
(חץ כלפי מעלה) - רצפה
(חץ לימין) - חבל
(חץ כלפי מטה) - כדור הארץ
(בספר איור, היעזר במנחה)
כזכור, שאלתנו הייתה "מדוע ילד ב' אינו נע לכיוון ילד א'?"
(או "מדוע ילד א' אינו מנצח?") התשובה לכך תתברר בפרק הבא, כאשר נלמד על הקשר שבין כוחות הפועלים על גופים ותנועתם.
*347*
פרק 13: מכוחות לתנועה
(בספר איור, היעזר במנחה)
*348*
*348*
בפרקים הקודמים הכרנו את מושג הכוח ואת תכונותיו. ראינו שכוח יכול לגרום לעיוות של גוף ואף לגרום לגוף לשנות את תנועתו. למדנו לייצג בתרשים כוחות את כל הכוחות הפועלים על גוף הנוטל חלק באירוע. בפרק זה נלמד על הקשר בין הכוחות הפועלים על גוף לבין מאפייני התנועה שלו, וכיצד אפשר לדעת מהי השפעת כוחות על גוף.
*348*
מה קורה לגוף כאשר שני כוחות שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם פועלים עליו?
*348*
(בספר איור, היעזר במנחה)
1. לרשותכם טבעת קטנה המחוברת לשני מדי-כוח (ראו איור).
(בספר איור, היעזר במנחה)
הפעילו על הטבעת שני כוחות בעזרת מד-הכוח שבידכם כך שהטבעת לא תזוז.
א. מה היתה קריאת מדי-הכוח?
ב. האם קריאת מדי-הכוח היתה זהה בשניהם?
ג. עם אילו גופים נמצאת הטבעת באינטראקציה?
ד. ערכו תרשים כוחות לטבעת והוסיפו את ערכי הכוחות שמדדתם.
2. לרשותכם מד-כוח, משקולת, טבעת קטנה וחבל (ראו איור).
כאשר אתם אוחזים במד-הכוח, הטבעת לא נעה.
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
הסבירו.
ב. ערכו לטבעת תרשים כוחות והוסיפו את ערך הכוח שמדדתם.
*349*
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
שאלות
1. שני ארגזים - א' ו-ב' - נמצאים במנוחה. ברגע מסוים מופעלים על הארגזים כוחות כמתואר בתרשימי הכוחות הבאים. האם אחד מהארגזים יתחיל לנוע? הסבירו.
ארגז א': (חץ כלפי מעלה), 500N, (חץ כלפי מטה), 500N
ארגז ב': (חץ לימין), 60N, (חץ לשמאל), 60N
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
ילדה: (חץ לימין), 50N
ילדה: (חץ לשמאל), ?
ילדה: (חץ למעלה), 300N
ילדה: (חץ למטה), 300N
*350*
*350*
מי לא מכיר את סיפורו של לווין קיפניס על סבא אליעזר והגזר?
נחזור עליו בקצרה: פעם היה גזר גדול תקוע באדמה. סבא אליעזר ניסה להוציאו אך לא הצליח. לעזרתו נחלצה סבתא אלישבע. יחד הם משכו בגזר וניסו להוציאו מהאדמה, אן לא הצליחו. לסבא וסבתא הצטרפה גם הבת אביגיל. והכלב. והחתול. כולם עזרו למשוך בגזר באותו הכיוון, ולבסוף - בעזרתו של עכבר - הם הצליחו, ויצא הגזר.
ראינו כי צירוף הכוחות של כל בני המשפחה איפשר את הוצאת הגזר מהאדמה. את צירוף הכוחות הזה היה יכול להפעיל איש אחד חזק מאוד, ובכך להוציא את הגזר לבדו. כלומר, כוח יחיד יכול להוביל לאותה התוצאה שמגיעים אליה כמה כוחות הפועלים יחדיו. כוח כזה נקרא כוח שקול.
איך מחשבים את הכוח השקול של שני הכוחות?
נבחין בין שני מקרים:
1. כאשר שני הכוחות פועלים לאותו הכיוון, גודל הכוח השקול שווה לסכום שני הכוחות, וכיוונו בהתאם לכיוונם.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
-- F1, F2 (חץ לימין) - שקול ל... - -- F1+F2: הכוח השקול
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
2. אם שני כוחות שונים בעוצמתם פועלים על גוף בכיוונים מנוגדים, גודל הכוח השקול שווה להפרש שבין שני הכוחות. לכן הכוח השקול הוא בכיוון הכוח הגדול מהשניים. אם הכוחות שווים, שקול הכוחות יהיה אפס.
F2 (חץ לשמאל) -- F1 (חץ לימין) - שקול ל... - -- F1-F2 (חץ לימין)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
לדוגמה, בתרשים הכוחות הבא הכוח השקול הפועל על הכיסא הוא בגודל 40 ניוטון לכיוון ימין: עלינו לחסר מהכוח ימינה את הכוח שמאלה מהסיבה שהוא בכיוון הפוך.
כיסא: F2 (חץ קצר לשמאל), 20N
כיסא: F1 (חץ ארוך לימין), 60N
(בספר איור, היעזר במנחה)
הכוח השקול:
כיסא: F1-F2 (חץ לימין) 40N
(בספר איור, היעזר במנחה)
*351*
כאשר אנו רוצים לדעת מה תהיה השפעתם של כמה כוחות על גוף נבחר, עלינו לפעול לפי השלבים הבאים:
1. נתייחס לכוחות לאורך הציר האופקי והציר האנכי בנפרד.
2. נמצא את הכוח השקול (גודל וכיוון) לציר האופקי ואת הכוח השקול לציר האנכי. בכל אחד מהצירים, כאשר הכוחות באותו כיוון, נחבר ביניהם וכאשר הם בכיוונים נגדיים נחסר ביניהם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. דני ויוסי מתחרים ביניהם בדחיפת מכונית קלה בכיוונים מנוגדים. דני דוחף חזק יותר מיוסי. מה כיוונו של הכוח השקול הפועל על המכונית? האם הוא פועל בכיוון שבו דוחף יוסי או בכיוון שבו דוחף דני? הסבירו.
(בספר שני תרשימים, היעזר במנחה)
2. מה יהיה הכוח השקול ומה יהיה כיוונו בכל אחד משני תרשימי הכוחות הבאים?
א. כדור: (חץ כלפי מעלה), 500N
כדור: (חץ כלפי מטה), 500N
ב. ילד: חץ כלפי מעלה, 500N
ילד: (חץ כלפי מטה), 500N
ילד: (חץ לימין, 50N)
ילד: (חץ קצר לשמאל), 30N
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*352*
*352*
נתבונן במצב בו פועל כוח על גוף. נוח לפרק את הכוח למרכיביו לאורך שני צירים ניצבים: אופקי ואנכי. בסעיף זה נדון בהשפעת הכוחות על תנועת הגוף בכל אחד מהצירים.
נבחין בין שני מצבים:
1. בציר מסוים שקול הכוחות הוא אפס, או לא פועלים כוחות כלל. במקרה זה לא יהיה שינוי בתנועת הגוף לאורך ציר זה.
2. בציר מסוים שקול הכוחות שונה מאפס. במקרה זה הגוף ישנה את מהירותו.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
חוקי ניוטון
(בספר תמונת בול של ניוטון)
אייזק ניוטון (1642-1727) היה מתמטיקאי ופיזיקאי אנגלי. ניוטון ערך ניסויים רבים וסיכם את מסקנותיו במספר חוקים.
שני החוקים הראשונים של ניוטון עוסקים בשני המקרים אותם תיארנו לעיל.
החוק הראשון של ניוטון: החוק קובע כי גוף שלא פועלים עליו כוחות או שפועלים עליו כוחות שהשקול שלהם הוא אפס, יתמיד במצבו: אם היה במנוחה - ישאר במנוחה, ואם היה בתנועה - לא ישנה את תנועתו.
החוק השני של ניוטון: החוק קובע כיצד משפיע שקול הכוחות על תנועת גוף הנמצא באינטראקציה: אם שקול הכוחות אינו אפס, הגוף ישנה את מהירותו. לדוגמה, אם גוף נמצא במנוחה ופועל עליו כוח שקול שונה מאפס, הגוף יתחיל לנוע בכיוון הכוח השקול. אם הגוף כבר נמצא בתנועה, הוא ישנה את מהירותו.
החוק השלישי של ניוטון: החוק עוסק בכוחות באינטראקציה. כפי שלמדנו קודם לכן, החוק השלישי של ניוטון קובע כי כאשר גופים נמצאים באינטראקציה, הכוחות שהם מפעילים זה על זה שווים בגודלם ומנוגדים בכיווניהם. לדוגמה, שני האסטרונאוטים שהכרתם הדוחפים זה את זה, מפעילים כוחות זה על זה כמתואר בתרשים.
- כוח שמפעיל א' על ב'
- כוח שמפעיל ב' על א'
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*353*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
צפייה בסרט
צפו בסרטון המשעשע ניוטון והתפוח המתאר את אחד הרגעים החשובים בחייו של ניוטון: הפגישה עם התפוח!
אילו מחשבות עלו לדעתכם במוחו של ניוטון כאשר פגע בו התפוח?
דוגמאות
1. לפניכם תרשים כוחות המתאר את כל הכוחות הפועלים על ילד המתחיל ללכת.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
ילד: (חץ כלפי מעלה), 500N
ילד: (חץ כלפי מטה), 500N
ילד: (חץ לימין), 50N
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
2. לפניכם תרשים כוחות המתאר את כל הכוחות הפועלים על מכונית.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מכונית: חץ לימין, 2000N
מכונית: (חץ קצר יותר לשמאל), 1000N
מכונית: (חץ כלפי מעלה), 12,000N
מכונית: (חץ כלפי מטה), 12,000N
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מסוק: (חץ ארוך כלפי מעלה), 100N
מסוק: (חץ קצר יותר לימין), 20N
מסוק: (חץ קצר כלפי מטה), 50N
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*354*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
4. לפניכם ילד קטן העומד ללא תנועה על טרמפולינה.
איזה מחוקי ניוטון מסביר את העובדה שהילד אינו נע?
תרשים הכוחות הפועלים על הילד הוא
ילד: (חץ כלפי מעלה), 490N (טרמפולינה)
ילד: (חץ כלפי מטה), 490N (כדור הארץ)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
שימו לב שהטרמפולינה מפעילה על הילד כוח שכיוונו למעלה ומאזנת בדיוק את הכוח שכדור הארץ מפעיל על הילד כלפי מטה.
5. לפניכם איורים אחדים המתארים אירועים. בכל איור מופיע תרשים כוחות של גוף מסוים המשתתף באירוע.
א. העתיקו את תרשימי הכוחות וציינו את שמות הגופים המפעילים את הכוחות בכל אחד מהאיורים.
ב. תארו איך תנועת הגוף שבכל איור משתנה על פי חוקי ניוטון.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*355*
*355*
פועלים מכסים למשוך קוביית בטון כבדה באמצעות טרקטור.
(בספר איור, היעזר במנחה)
האם שאלתם את עצמכם מדוע הטרקטור אינו מצליח למשוך את קוביית הבטון?
ננסה להסביר זאת בעזרת ניתוח של תרשימי כוחות.
נשרטט את תרשים הכוחות הפועלים על קוביית הבטון, בהתאם למה שלמדנו:
גודל הכוחות המדויק אינו ידוע. אורך החצים מתאר את גודלם היחסי של הכוחות. ככל שהחץ ארוך יותר, הכוח גדול יותר. ליד כל חץ מופיע שם הגוף המפעיל את אותו הכוח.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
קובייה: (חץ כלפי מעלה), קרקע
קובייה: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
קובייה: (חץ לימין), טרקטור
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מה קורה לתנועת הקובייה בכיוון האנכי?
אנו יודעים שהקובייה אינה מתחילה לנוע בכיוון האנכי (היא אינה "נכנסת" לקרקע או ממריאה לאוויר) ולכן המסקנה היא ששקול הכוחות בכיוון האנכי הוא אפס. כלומר: הכוח שהקרקע מפעילה על הקובייה בכיוון מעלה שווה בגודלו (והפוך בכיוונו) לכוח שכדור הארץ מפעיל על הקובייה כלפי מטה.
משימה: חפשו ברשת את המילים "אסון ורסאי". תארו מה התרחש ונסו להסביר זאת בעזרת תרשימי כוחות.
מה קורה לתנועת הקובייה בכיוון האופקי?
על-פי תרשים הכוחות, שקול הכוחות בכיוון האופקי אינו אפס ולכן הקובייה אמורה להתחיל לנוע לכיוון ימין. אך לפי המתואר בבעיה, הקובייה אינה זזה! כלומר, תרשים הכוחות בכיוון האופקי אינו תואם לעובדה זו.
על-פי חוקי ניוטון נראה שתרשים הכוחות אינו נכון.
על-פי חוקי ניוטון, העובדה שהקובייה אינה נעה בכיוון האופקי מעידה על כך ששקול הכוחות בכיוון האופקי חייב להיות אפס.
*356*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
קובייה: (חץ כלפי מעלה), קרקע
קובייה: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
קובייה: (חץ לימין), טרקטור
קובייה: (חץ לשמאל), ?
(בספר איור, היעזר במנחה)
דיון
מהו כוח זה? מי מפעיל אותו?
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
1. הניחו תיבה על שולחן וחברו לתיבה חוט שבקצהו תלויה משקולת (ראו איור). אחזו בידכם את התיבה כך שלא תנוע.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. הרפו מהתיבה. האם היא נעה?
ב. מרחו על השולחן מי סבון לאורך מסלולה האפשרי של התיבה וחזרו על הניסוי המתואר בסעיף א'.
האם התיבה נעה?
ג. שרטטו את הכוחות הפועלים על התיבה ללא מי הסבון ועם מי הסבון. האם יש הבדל בין שני השרטוטים? מהו?
2. ילד יושב על כיסא ללא גלגלים.
א. נסו להזיז בעדינות את הילד עם הכיסא. האם הצלחתם?
ב. חצו שני תפוחי אדמה גדולים לשניים. הניחו כל אחד מארבעת הפלחים שהתקבלו בין כל אחת מרגלי הכיסא שעליו יושב הילד ובין הרצפה, כך שחלקו השטוח (החתוך) של כל חלק יפנה כלפי הרצפה. נסו להזיז את הילד במקרה זה. האם הצלחתם?
ג. שרטטו את הכוחות הפועלים על הכיסא ללא תפוח האדמה ועם תפוח האדמה. האם יש הבדל בין שני השרטוטים? מהו?
*357*
מתברר כי בין גופים לבין המשטח (למשל קרקע) שעליו הם ניצבים פועלים שני כוחות שונים:
1. כוח שכיוונו אנכי (אותו הכרנו בעבר). זהו הכוח שהמשטח (למשל הקרקע) מפעיל על הגוף המונח עליו, כלפי מעלה.
2. כוח נוסף, שכיוונו אופקי. כוח זה מכונה כוח החיכוך.
קובייה: (חץ כלפי מעלה), קרקע
קובייה: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
קובייה: (חץ לימין), טרקטור
קובייה: (חץ לשמאל), חיכוך עם הקרקע
(בספר איור, היעזר במנחה)
כיצד נסביר את כוח החיכוך?
כדי להסביר תופעות משתמשים המדענים, בין היתר, במודלים. אחד המודלים להסבר כוח החיכוך הוא מודל הבליטות והשקעים (ראו איור).
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
קיים מודל נוסף להסבר כוח החיכוך. על פי מודל זה, בנקודות המגע שבין שני המשטחים נוצרים קשרי משיכה בין האטומים של שני הגופים הנוגעים זה בזה, ואלה מקשים על תנועה יחסית בין שני המשטחים.
נחזור לדוגמה שבה תיארנו את הכוחות הפועלים על קוביית בטון הנמשכת על-ידי טרקטור; מדוע אפוא קוביית הבטון אינה נעה? ניעזר בתרשים הכוחות כדי להסביר את התופעה: הקובייה אינה מתחילה לנוע ימינה בכיוון הכוח שהטרקטור מפעיל, מאחר שכוח זה, הפועל לכיוון ימין, שווה בגודלו לגודל כוח החיכוך שבין הקובייה לבין הרצפה הפועל לכיוון שמאל. לכן שקול הכוחות בכיוון האופקי הוא אפס. על פי חוקי ניוטון, לא יהיה שינוי במהירות הגוף.
*358*
מה צריך להתרחש כדי שהטרקטור יצליח להניע את קוביית הבטו ימינה?
הפעילות הבאה תעזור לנו לענות על שאלה זו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות
הניחו תיבה על שולחן וחברו אליה מד-כוח.
(בספר תרשים)
א. התחילו למשוך את התיבה בהדרגה בעזרת מד-הכוח ותארו מה התרחש מהו הכוח שמד-הכוח מראה ברגע שהתיבה מתחילה לנוע?
ב. מרחו על השולחן מי סבון וחזרו על הניסוי המתואר בסעיף א'.
ג. מהי מסקנתכם מהפעילות?
ראיתם שכאשר משכתם את התיבה בכוח קטן, היא לא נעה; אבל כשהגדלתם את הכוח, בשלב מסוים (ובעבור כוח מסוים שהפעלתם), היא התחילה לנוע. ברגע שהתיבה התחילה לנוע שקול הכוחות לא היה אפס, כלומר, כוח החיכוך היה קטן מהכוח המושך.
מה אפשר ללמוד מכך על כוח החיכוך?
אפשר להסיק מניסוי זה כי כוח החיכוך יכול לגדול רק עד לערך מרבי מסוים. אנו מכנים את כוח החיכוך הגדול ביותר האפשרי באירוע מסוים כשגוף נמצא במנוחה חיכוך מקסימלי (מרבי). כאשר תנועה מתחילה, פועל כוח החיכוך המקסימלי (בקירוב - ראו בהמשך).
מדוע לאחר שמרחתם את השולחן במי סבון אפשר היה להתחיל להניע את התיבה בכוח קטן יותר?
הסיבה לכך היא שמי הסבון גרמו להקטנת ערכו של כוח החיכוך המקסימלי.
לסיכום
א. כיצד נראה תרשים הכוחות הפועלים על התיבה כאשר הפעלתם כוח הקטן מכוח החיכוך המקסימלי (המרבי)?
תיבה: (חץ כלפי מעלה), שולחן
תיבה: (חץ כלפי מטה (באותו אורך)), כדור הארץ
תיבה: (חץ קצר לימין), הכוח המושך
תיבה: (חץ קצר לשמאל), חיכוך עם השולחן
(בספר תרשים)
שימו לב, כוח החיכוך בין השולחן לתיבה המתואר בתרשים זה אינו המרבי. אנו יכולים להסיק כי הכוח המושך וכוח החיכוך שווים, כי התיבה עדיין לא התחילה לנוע.
*359*
ב. כיצד נראה תרשים הכוחות הפועלים על התיבה כאשר הפעלתם כוח חזק יותר אך התיבה עדיין לא התחילה לנוע?
תיבה: חץ כלפי מעלה, שולחן
תיבה: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
תיבה: (חץ לימין), הכוח המושך
תיבה: (חץ לשמאל), חיכוך עם השולחן
(בספר תרשים)
גם במקרה זה כוח החיכוך בין השולחן לתיבה שווה לכוח המושך ואינו הכוח המרבי, שכן התיבה עדיין לא התחילה לנוע, אף-על-פי שהכוח המושך את התיבה וכוח החיכוך גדולים יותר.
כלומר, כוח החיכוך גדל ומשתווה לכוח המושך את הגוף לכיוון ימין.
ג. כאשר התיבה נמצאת על סף תנועה, פועל עליה כוח החיכוך המרבי. כאמור, כוח החיכוך המרבי הוא הכוח הגדול ביותר שיכול להיות מופעל על-ידי החיכוך. אם הכוח המנסה להזיז את התיבה יהיה גדול מכוח החיכוך המרבי, הכוח השקול לא יהיה אפס, והתיבה תתחיל לנוע בכיוון הכוח המושך.
ד. כאשר התיבה כבר נמצאת בתנועה, פועל עליה כוח חיכוך שכיוונו בניגוד לכיוון התנועה.
כוח החיכוך בין השולחן לתיבה קטן מהכוח המושך, לכן, הכוח השקול שונה מאפס ועל-פי החוק השני של ניוטון התיבה נעה במהירות הולכת וגדלה.
(הרחבה: מתברר שכאשר גוף בתנועה, כוח החיכוך הפועל קטן מכוח החיכוך המרבי במנוחה.)
תיבה: (חץ כלפי מעלה), שולחן
תיבה: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
תיבה: (חץ לשמאל), חיכוך עם השולחן
תיבה: (חץ ארוך לימין), הכוח המושך
(בספר תרשים)
כאשר אנו מנסים להזיז גוף (כמו התיבה) המונח על משטח, ומפעילים עליו כוח בכיוון מסוים, אזי:
1. כוח חיכוך יפעל בין התיבה לבין המשטח בגודל זהה ובכיוון מנוגד, וימנע את תנועת הגוף (כוח החיכוך גורם לכך שהכוח השקול הוא אפס).
2. אם נפעיל כוח הגדול מכוח החיכוך המרבי, השקול כבר לא יהיה שווה לאפם, והגוף ינוע.
(הרחבה: כוח החיכוך הפועל על הגוף כאשר אינו נע נקרא כוח חיכוך סטטי. גם כאשר הגוף נע פועל עליו כוח חיכוך. כוח זה נקרא כוח חיכוך דינמי. מתברר שכוח החיכוך הדינמי קטן במעט מכוח החיכוך הסטטי המרבי הפועל על גוף במנוחה.
*360*
(בספר תרשים)
מעניין ומסקרן
תרשים הכוחות הפועלים על ילד העומד במנוחה על טרמפולינה הוא:
ילד: (חץ כלפי מעלה), 490N (טרמפולינה)
ילד: (חץ כלפי מטה), 490N (כדור הארץ
(בספר תרשים)
כלומר, הטרמפולינה מפעילה על הילד כוח זהה לכוח שכדור הארץ מפעיל עליו.
על הטרמפולינה עומד כעת במנוחה אדם בוגר הכבד מן הילד; תרשים הכוחות של האדם יהיה:
אדם: (חץ כלפי מעלה), 700N (טרמפולינה)
אדם: (חץ כלפי מטה), 700N (כדור הארץ)
(בספר תרשים)
כלומר, גם במקרה זה הטרמפולינה מפעילה על האדם כוח זהה לכוח שכדור הארץ מפעיל עליו, וכוח זה גדול מהכוח שהטרמפולינה מפעילה על הילד. כלומר, הטרמפולינה "מתאימה" את הכוח שהיא מפעילה על האדם לכוח שכדור הארץ מפעיל עליו.
אילו עמד על הטרמפולינה אדם כבד מאוד, הוא היה יכול לקרוע את הטרמפולינה וליפול למטה. הסיבה לכך היא שהטרמפולינה יכולה להפעיל כוח מרבי כלפי מעלה (במקרה זה 900N), ראו את תרשים הכוחות. ולכן, אם משקל האדם גדול יותר מכוח זה, הטרמפולינה תיקרע.
אדם כבד: (חץ כלפי מעלה), 900N (טרמפולינה)
אדם כבד: (חץ כלפי מטה), 1,200N (כדור הארץ)
(בספר תרשים)
*361*
(בספר תרשים)
שאלות
1. מכל מונח על רצפה. התבוננו בתרשים הכוחות. האם שני הכוחות הפועלים על המכל נובעים מאינטראקציה אחת או משתי אינטראקציות שונות? הסבירו.
מכל: (חץ כלפי מעלה), 400N (רצפה)
מכל: (חץ כלפי מטה), 400N (כדור הארץ)
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. נתון כי הכוחות הפועלים על המכל שווים. כיצד אפשר היה לדעת זאת? הסבירו.
באופן דומה נוכל לתאר את הכוחות בכיוון מעלה שמפעיל שולחן על גופים הניצבים עליו.
השולחן יפעיל כוח גדול יותר על גוף כבד יותר. דוגמה נוספת היא הכוחות שרצפה מפעילה על גופים הניצבים עליה.
*362*
*362*
בדוגמאות הקודמות ראינו שכוח החיכוך מפריע לתנועת גופים ולעתים אף יכול למנוע אותה לחלוטין.
להלן דוגמאות של השפעת כוח החיכוך על תנועה:
1. אדם דוחף ארגז. החיכוך מפריע לתנועת הארגז.
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. ילדה מושכת כיסא. כיוון כוח החיכוך מנוגד לכיוון תנועת הכיסא. כתוצאה מכך הכיסא מאט את תנועתו.
3. אישה דוחפת עגלת קניות. החיכוך מאט את תנועת העגלה.
(בספר איור ותרשים, היעזר במנחה)
בכל הדוגמאות למעלה, החיכוך"מפריע" לתנועה.
(בספר איור ותרשים, היעזר במנחה)
משימה
1. ילד מטפס במעלה מגלשה תלולה מאוד.
א. כיצד הילד מצליח לטפס למעלה? נסו לשרטט תרשים כוחות לילד.
ב. מה יקרה אם המגלשה תהיה רטובה? האם הילד יצליח לטפס? הסבירו.
2. ספורטאי מטפס על חבל.
א. כיצד הספורטאי מצליח לטפס?
ב. שרטטו תרשים כוחות לספורטאי.
ג. מה יקרה אם נמרח על החבל שמן? נסו להסביר את תשובתכם.
(בספר איור ותרשים, היעזר במנחה)
3. מכונית מנסה לנסוע על קרח.
האם המכונית תצליח להתקדם ביעילות? הסבירו.
*363*
(בספר איור ותרשים, היעזר במנחה)
דיון
האם כוח החיכוך מפריע תמיד לתנועה? הסבירו.
(בספר איור ותרשים, היעזר במנחה)
הדגמה
צפו בהדגמת המורה המראה מכונית נוסעת על משטח היכול לנוע.
השלימו את המשפט הבא: המכונית נעה לכיוון -- ואילו המשטח נע לכיוון --.
1. איזה גוף הפעיל כוח על המכונית וגרם לה לנוע?
2. איזה גוף הפעיל כוח על המשטח וגרם לו לנוע?
איך מכונית נוסעת?
גלגל המכונית דוחף את הרצפה (בעזרת כוח החיכוך) לכיוון הפוך מתנועת המכונית, וכתוצאה מכך הכביש דוחף את הגלגל (ואת המכונית) קדימה. תרשים כוחות של מכונית המתחילה לנסוע שמאלה יהיה:
חץ ימינה, הכוח שהגלגל מפעיל על הכביש
חץ שמאלה, הכוח שהכביש מפעיל על הגלגל
מכונית: (חץ כלפי מעלה), כביש
מכונית: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
מכונית: (חץ שמאלה), חיכוך עם הכביש
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. התבוננו באיור המכונית הנוסעת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. מה היה קורה אם מכונית עומדת הייתה מנסה להתחיל לנוע על כביש רטוב בשמן (כביש חלק מאוד)?
3. המשטרה ממליצה בכל חורף לנהוג בזהירות בכביש רטוב. הסבירו מדוע.
*364*
איך אנחנו מצליחים ללכת?
אדם מתחיל ללכת על רצפה לכיוון ימין. הכוח (חיכוך) שכף רגלו של אדם זה מפעילה על הרצפה הוא בכיוון הפוך לכיוון התקדמותו (כלומר שמאלה). כוח זה שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שהרצפה מפעילה על כף הרגל בכיוון ההליכה (ימינה), לכן האדם נע ימינה.
(חץ ימינה), הרצפה מפעילה כוח על הרגל
(חץ שמאלה), הרגל מפעילה כוח על הרצפה
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
כלומר, כאשר אנו מתחילים ללכת, אנו דוחפים את הרצפה לאחור ואילו הרצפה (בעזרת כוח החיכוך) דוחפת אותנו קדימה. תרשים כוחות של אדם המתחיל ללכת לכיוון ימין יהיה:
אדם: (חץ כלפי מעלה), קרקע
אדם: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
אדם: (חץ ימינה), חיכוך עם הרצפה
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
הסבירו כיצד סוס מרוצים עובר מעמידה לדהירה במהירות גדולה: השתמשו במונח חיכוך.
1. ראינו כי כוח החיכוך יכול למנוע תנועה של גופים מסוימים כמו ארגזים, כיסאות וכדומה - ואם הם מתחילים לנוע, להפריע להם בתנועתם.
2. ראינו גם שכוח החיכוך הוא הכוח המאפשר תנועה של גופים שיש להם הנעה עצמית, כמו מכוניות ובעלי חיים.
*365*
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילות אתגר
דחפו ספר קטן על שולחן והרפו.
1. תארו מה התרחש?
2. מדוע עצר הספר? הסבירו.
3. מה היה כיוון כוח החיכוך כאשר החליק הספר על השולחן בשעה שדחפתם אותו?
4. מה היה כיוון כוח החיכוך כאשר החליק הספר על השולחן לאחר שהרפיתם ממנו?
5. אבי טוען שלאחר עצירת הספר החיכוך אינו מתקיים עוד. האם אתם מסכימים עם אבי? הסבירו.
1. למדנו כי כוח החיכוך יכול להאט גופים ואף למנוע את תנועתם.
2. למדנו כי במצבים אחרים חיכוך יכול גם לעצור את הגופים הנעים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
כאשר מכונית בולמת, כוח החיכוך פועל בניגוד לכיוון המהירות וגורם לעצירת המכונית.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*366*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
לפניכם הטענה הבאה:
טל: כאשר אדם מתחיל ללכת, קיימת אינטראקציה בין ההולך לרצפה (כוחות חיכוך). על פי החוק השלישי של ניוטון, הכוח שמפעיל האדם על הרצפה שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שמפעילה הרצפה על האדם – כך שלמעשה הכוחות מבטלים זה את זה ולכן האדם לא אמור היה לנוע. עם זאת, מכיוון שהאדם מתחיל ללכת, הכוח שמפעילים שרירי האדם גדול מהכוח שמפעילה הרצפה ולכן יש תנועה.
טיעון
האם אתם מסכימים עם דבריו של טל? הסבירו. רשמן את דעתכם בתבנית הבאה.
(טענה) דעתי היא --
(נימוק) אני חושב/ת כך, כי --
*366*
- למדנו שכאשר כמה כוחות פועלים על גוף אחד, אפשר לתאר את השפעת הכוחות על הגוף בעזרת כוח אחד - הכוח השקול.
- תיארנו את השפעת הכוח השקול על התנועה של הגוף בעזרת חוקי ניוטון:
1. אם שקול הכוחות הפועל על גוף הוא אפס, הגוף אינו משנה את תנועתו.
2. אם שקול הכוחות אינו אפס, הגוף יגדיל את מהירותו.
- למדנו שכוח החיכוך פועל במצבים מסוימים בניגוד לכיוון הכוח המנסה להזיז את הגוף. במקרה זה, אם הגוף מתחיל לנוע, כוח החיכוך יהיה בגודלו המרבי וכיוונו יהיה בניגוד לכיוון התנועה. במצבים אחרים (כמו התחלת נסיעה במכונית או התחלת הליכה) החיכוך פועל בכיוון התנועה ולמעשה יוצר אותה. בנוסף, ראינו שהחיכוך יכול לעצור גופים נעים.
- בנינו שקול כוחות ולמדנו להסיק מסקנות מתרשימי כוחות בשני ממדים (ציר אופקי וציר אנכי). תרגלנו שיפוט נכונות של טענות בעזרת החוקים של ניוטון.
*367*
*367*
1. נער ניצב על גבי משטח קטן ממדים הצף בבריכה שקטה. המשטח יכול לנוע על פני המים. הנער מתחיל לרוץ על גבי המשטח וקופץ קפיצת ראש מקצהו.
א. מה יקרה למשטח כאשר הנער רץ על גביו? ינוע קדימה/ ינוע אחורה/ יישאר במקום? הסבירו את תשובתכם תוך שימוש בתרשים כוחות למשטח.
ב. האם קיים חיכוך בין הנער ובין המשטח? איך אפשר להראות זאת?
2. בעבר היו מתקינים בספינות מלחמה תותחים ניידים על גבי עגלות. התותחים היו יורים כדורי ברזל כבדים שהיו שוברים את אניות האויב ומטביעים אותן.
א. תארו (על-ידי שימוש בתרשים כוחות לתותח) מה יתרחש אם יירה התותח כדור ברזל בכיוון אופקי ימינה.
ב. תארו (על-ידי שימוש בתרשים כוחות) מה יתרחש אם יירה התותח כדור ברזל בניצב כלפי מעלה.
(בספר איור, היעזר במנחה)
3. לפניכם שתי טענות:
א. מנוע חשמלי מניע מעלית משא כלפי מעלה (באופן אנכי) במהירות קבועה, והמעלית נמצאת באינטראקציה עם המסילה האנכית שעליה היא נעה (כוחות חיכוך). דני טוען שהכוח שהמנוע מפעיל חייב להיות גדול מהכוח שמפעילים יחד כדור הארץ והמסילה (כוח החיכוך של המעלית עם המסילה).
(בספר איור, היעזר במנחה)
ב. חברת אליאנס המייצרת צמיגים למכוניות מנסה לעצב את סוליית הצמיג (החלק בצמיג שבא במגע עם הכביש) כך שתהיה חזקה ועמידה לשחיקה. מהנדסי החברה טוענים שיש להקטין את כוח החיכוך בין סוליית הצמיג לכביש. הקטנת כוח החיכוך תגרום למנוע המכונית לדחוף את המכונית בקלות רבה יותר, לצרוך פחות דלק ולהקטין את זיהום האוויר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
4. איזה גוף מפעיל את הכוח המאפשר לאופנוע שבתמונה לשנות את כיוון נסיעתו? סמנו את התשובה הנכונה.
א. האופנוע
ב. רוכב האופנוע
ג. הכביש, בעזרת כוח החיכוך.
ד. הרוח הנוצרת מתנועת האופנוע.
*368*
5. דוד מניח את ידיו על שולחן בכיתה ומתחיל לדחוף אותו לכיוון שמאל. לפניכם תיאור של ארבעת שלבי הפעולה. שרטטו במחברתכם את הכוחות הפועלים על השולחן בכל שלב. ציינו את שמות הגופים המפעילים את הכוחות והסבירו בעבור כל שלב כיצד קבעתם את גודל החצים.
לעזרתכם, נתונים הכוחות בשלב 3. הוסיפו לכל חץ-כוח שהוספתם את שם הגוף המפעיל כוח זה, וציירו את אורך חצי הכוחות שהוספתם, בהתייחסות לכוחות בשלב ג'. הסבירו בכל שלב כיצד קבעתם את גודל החצים.
שלב 1: דוד מתחיל לדחוף את השולחן בכוח חלש.
השולחן אינו נע.
שולחן
(בספר איור, היעזר במנחה)
שלב 2: דוד מגדיל את הכוח שבו הוא דוחף את השולחן.
השולחן עדיין אינו נע.
שולחן
(בספר איור, היעזר במנחה)
שלב 3: דוד מגדיל שוב את הכוח שבו הוא דוחף את השולחן.
השולחן מתחיל לנוע שמאלה.
שולחן (שלושה חצים באורך זהה למעלה, למטה ולימין. חץ שמאלה ארוך יותר)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שלב 4: דוד מגדיל למקסימום את הכוח שבו הוא דוחף את השולחן.
מהירות השולחן שמאלה גדלה בקצב מהיר.
שולחן
(בספר איור, היעזר במנחה)
*369*
6. טיל משוגר לחלל. ברגע מסוים בעת עלייתו, הטיל נמצא בגובה של 2,000 מטר מעל הקרקע.
הטיל פולט גזי פליטה מזנבו.
א. סמנו את התשובה הנכונה:
- כיוון הכוח שמפעילים גזי הפליטה על הטיל הוא
כלפי מעלה/ מטה/ לא פועל כוח
- כיוון הכוח שמפעיל כדור הארץ על הטיל
הוא כלפי מעלה/ מטה/ לא פועל כוח
ב. אם ידוע כי מהירותו של הטיל בגובה כ-2,000 מטר הולכת וגדלה, איזו מהדיאגרמות הבאות מתארת נכון את הגודל היחסי של הכוחות שמפעילים כדור הארץ וגזי הפליטה? הסבירו.
(בספר ארבע דיאגרמות, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. הטיל: (חץ קצר כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ ארוך כלפי מטה), כדור הארץ
ב.הטיל: (חץ כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ כלפי מטה באורך זהה), כדור הארץ
ג. הטיל: (חץ ארוך כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ קצר כלפי מטה), כדור הארץ
ד. אי אפשר לדעת
ג. שאלת אתגר: אם ידוע כי מהירותו של הטיל בגובה כ-2,000 מטר הולכת וקטנה, איזו מהדיאגרמות הבאות מתארת נכון את הגודל היחסי של הכוחות שמפעילים כדור הארץ וגזי הפליטה? הסבירו.
(בספר ארבע דיאגרמות, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. הטיל: (חץ קצר כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ ארוך כלפי מטה), כדור הארץ
ב. הטיל: (חץ כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ כלפי מטה באורך זהה), כדור הארץ
ג. הטיל: (חץ ארוך כלפי מעלה), גזי הפליטה. (חץ קצר כלפי מטה), כדור הארץ
ד. אי אפשר לדעת
*370*
(עמוד ריק)
*371*
פרק 14: תיאור תנועה
(בספר איור, היעזר במנחה)
*372*
*372*
בפרקים הקודמים ראינו שאינטראקציה יכולה לגורם לשינוי בתנועת הגופים המשתתפים בה, כלומר לשינוי מקום של הגופים כתלות בזמן. כמו כן, הכרנו את המושג כוח ואת חוקי ניוטון המאפשרים לדעת כיצד ישתנו מאפייני התנועה של גוף כתוצאה מהפעלת כוחות עליו. בפרק זה נעמיק את היכרותנו עם המושגים הקשורים לתנועה: מהירות ותאוצה.
*372*
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
התבקשתם לבחור את חמשת הרצים המהירים ביותר בכיתתכם, המונה 35 תלמידים. מסלול הריצה בחצר יכול לאפשר רק לחמישה תלמידים להתחרות בו-זמנית.
1. הציעו שיטה לבחירת הרץ המהיר ביותר, תוך בחינת מועמדותם של כל תלמידי הכיתה.
2. הציעו דרך להעריך פי כמה היה רץ זה מהיר יותר מהרץ האטי ביותר בכיתה.
מאמן קבוצת אתלטיקה רוצה לשפר את הישגי תלמידיו בריצה למרחק 40 מטר. לצורך כך עליו לדעת מהו קצב ריצתם לאורך כל מסלול הריצה. לדוגמה, האם יש רצים המתחילים מהר אך מאטים בהמשך, או להפך?
תמר הציעה לחלק את מסלול הריצה לארבעה חלקים שווים, ולמדוד את זמן הריצה בכל אחד מהם.
האם שיטה זאת תאפשר למאמן לקבל את המידע שבו הוא מעוניין?
הסבירו מדוע.
(בספר איור, היעזר במנחה)
המאמן החליט לקבל את הצעתה של תמר, וביצע את הניסוי הבא:
*373*
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
מטרת הניסוי: מדידת מהירות ריצה בקטעים שונים לאורך מסלול.
ציוד וחומרים: 4 שעוני עצר בדיוק של עשירית השנייה (אפשר להשתמש בטלפונים סלולריים מתאימים), סרט מדידה ארוך (10 מטרים לפחות).
מהלך הפעילות
צאו למסדרון או לחצר בית הספר. בחרו בתלמיד או בתלמידה מתנדבים שירוצו בשיא מהירותם בין שתי נקודות שהמרחק ביניהן הוא 40 מטרים.
בחרו בארבעה מתנדבים אחרים אשר יפעילו את שעוני העצר מתחילת הריצה ויעצרו את השעונים ברגע שהרץ עבר בסמוך אליהם.
כל מתנדב יעמוד במרחק 10 מטרים ממתנדב אחר, כמודגם באיור הבא:
(בספר איור, היעזר במנחה)
רשמו את תוצאות המדידות בטבלה הבאה וחשבו את הפרשי הזמן בין המודדים השונים:
טבלה 1: -- (תנו כותרת לטבלה)
מודד, מרחק מתחילת המסלול (במטרים), זמן (שניות), הפרש הזמן בין שני מודדים עוקבים (כלומר - זמן הריצה בכל קטע מרחק)
#1, 10 --, --
#2, 20, --, #2-#1=
#3, 30, --, #3-#2=
#4, 40, --, #4-#3=
(בספר איור, היעזר במנחה)
*374*
(בספר איור, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
המרת טבלה לגרף
את הנתונים בטבלה 1 נייצג בגרף קווי.
כמו שלמדתם, גרף קווי מציג קשר בין גורמים (משתנים). בגרף קווי משתמשים כדי לראות שינוי בערכים של גורם אחד המוצג על ציר ה-y, כאשר משתנים הערכים של הגורם השני המוצג על ציר ה-x בדוגמה שלפנינו נתאר כיצד בונים גרף ונעזר בנתונים שבטבלה 1. בהתאם, הגורם המוצג על ציר ה-x יהיה הזמן והגורם המוצג על ציר ה-y יהיה המרחק.
1. שלבים בבניית הגרף:
א. בנו מערכת צירים כמודגם באיור.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
ב. כתבו את הכותרות של ציר ה-x ושל ציר ה-y.
ג. בחרו את היחידות המתאימות לכל אחד מהצירים על-פי הטבלה וציינו אותן ליד כותרות הצירים.
ד. סמנו על כל אחד מהצירים את הערכים המתאימים (בעזרת שנתות).
ה. בהתאם לנתונים שבטבלה, נסמן את הערך הקטן ביותר בציר (זמן) ובציר ה-y (מרחק) ב-אפס. את הערך הגדול ביותר בציר ה-x נסמן על-פי הזמן המקסימלי שנמדד בפועל. הערך הגדול ביותר בציר ה-y נסמן על-פי המרחק הגדול ביותר שנמדד, כלומר 40 מטר.
ו. יש להקפיד שהמרווחים בין השנתות (המייצגות את הערכים) יהיו שווים. נמחיש זאת באמצעות הדוגמה הבאה: לפניכם שני צירים שצוינו עליהם יחידות של זמן.
(בספר שני צירים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
- באיזה מהגרפים מיוצגים ערכי היחידות באופן תקין? נמקו.
ז. הציבו את תוצאות המדידות של זמן הריצה כנקודות במקום המתאים להם במערכת הצירים.
ח. העבירו קו בין הנקודות שמיקמתם במערכת הצירים (דונו עם המורה כיצד לעשות זאת).
ט. תנו כותרת לגרף.
*375*
2. הביטו בגרף וענו:
א. לאחר כמה זמן היה הרץ במרחק של 25 מטר מנקודת המוצא?
ב. באיזה מרחק היה הרץ מנקודת המוצא לאחר 3 שניות?
חישוב מהירות
מהירותו של גוף נקבעת על-ידי המרחק שעבר הגוף ועל-ידי משך הזמן שבו עבר הגוף מרחק זה.
אפשר לחשב את המהירות (v) שבה גוף נע בין שני מקומות על-ידי חלוקת המרחק (x) בין שני המקומות, בזמן (t) שלקח לגוף לעבור מרחק זה. לעתים מסמנים את המרחק באות s. כלומר: v=s/t או v=x/t.
היחס שחישבנו מציין את המהירות הממוצעת בקטע התנועה שבו מדובר. מהירות ממוצעת = מרחק/זמן
3. הביטו בגרף וענו:
באיזה קטע של המסלול ריצת התלמיד/ה הייתה המהירה ביותר? (הקיפו את התשובה הנכונה)
א. בין 0-10 מטרים
ב. בין 10-20 מטר
ג. בין 20-30 מטר
ד. בין 30-40 מטר
מהירות ממוצעת: כדי למצוא את המהירות הממוצעת של גוף בפרק זמן מסוים, יש לחלק את המרחק שהגוף עבר בגודלו של פרק הזמן הזה. המנה המתקבלת היא מהירותו הממוצעת של הגוף.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלה
להלן נתוני התנועה של שתי מכוניות:
מכונית 1 עברה בשעה מרחק של 120 ק"מ.
מכונית 2 עברה בשעה מרחק של 180 ק"מ.
איזו מבין המכוניות מהירה יותר?
*376*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
משימה
1. חשבו את מהירות הרץ על פי נתוני הזמן והמרחק של כל מודד, והוסיפו את המהירות בעמודה חדשה בטבלה 1. האם כל המהירויות שקיבלתם זהות? הסבירו.
ראיתם שהמהירות הממוצעת בקטע הדרך הראשון (10 המטרים הראשונים) הייתה נמוכה מהמהירות הממוצעת בשאר הקטעים. הסיבה לכך היא שבקטע זה עבר הרץ מעמידה (מהירות אפס) לתנועה, בעוד שבקטעים האחרים המהירות בתחילתם הייתה גבוהה מאפס.
2. חזרו על המדידה עם שני תלמידים נוספים: תלמיד אחד ירוץ בקצב רגיל, ואילו התלמיד השני ירוץ בקצב מהיר. ערכו טבלאות חדשות לשני התלמידים הנוספים וחשבו את מהירותם הממוצעת בכל קטע דרך.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מיומנויות למידה במדע וטכנולוגיה
שרטוט גרף
יצגו בגרף אחד את נתוני שלושת התלמידים שמדדתם את ריצתם.
1. שרטטו את מערכת הצירים. הקפידו על ציון כותרת הציר, היחידות והערכים בכל ציר.
2. הציגו את תוצאות המדידות כנקודות במקום המתאים להן במערכת הצירים. לכל תלמיד הציגו את הנתונים בצבע אחר.
3. חברו את הנקודות של כל תלמיד. ציירו את הקו בצבע שבו ציינתם את הנקודות.
4. קיבלתם שלוש עקומות, אשר כל אחת מהן מייצגת את המדידה של תלמיד אחר.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלות
1. אפשר היה לייצג את המדידות של שלושת התלמידים במערכות צירים נפרדות, כלומר - לייצג כל תלמיד בגרף אחר.
בייצוג שלכם ייצגתם את שלושת התלמידים על גבי מערכת צירים אחת.
א. מה היתרון בייצוג התלמידים על גבי מערכת צירים אחת?
ב. מה החיסרון בייצוג התלמידים על גבי מערכת צירים אחת?
ג. הביטו בעקומות וענו: האם קיים קשר בין שיפוע העקומות ובין מהירות התלמידים? הסבירו.
*377*
2. יוסי מציע לאתר את הרץ המהיר ביותר בכיתה באופן הבא:
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. האם אתם סבורים שהשיטה של יוסי יכולה להצליח באיתור הרץ המהיר ביותר בכיתה? הסבירו.
ב. מהו ההבדל בין השיטה לקביעת מהירות שהציע יוסי ובין השיטה שבה השתמשתם בפעילות האחרונה? הסבירו.
ג. הציעו שתי שיטות לאיתור הרץ המהיר בכיתה. (היעזרו בהצעתכם לפתרון המשימה בתחילת הפרק.)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
משימה
להלן נתוני התנועה של שלוש מכוניות מרוץ. נניח כי בפרקי הזמן הנתונים המכוניות נעות במהירות קבועה.
מכונית 1 עברה מרחק של 120 ק"מ בשעתיים.
מכונית 2 עברה מרחק של 60 ק"מ בחצי שעה.
מכונית 3 עברה מרחק של 20 ק"מ ברבע שעה.
איזו מכונית נעה מהר יותר?
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
נוכל להשוות בין המהירויות של המכוניות באחת משתי השיטות הבאות:
1. נחשב את המרחקים השונים שהמכוניות עוברות בפרקי זמן שווים.
2. נחשב את הזמן שעבר כאשר המכוניות עברו מרחק שווה
קבעו בשתי הדרכים איזו מהמכוניות מהירה יותר?
*378*
יחידות תקניות במדע
בפיזיקה מתארים גדלים הנמדדים ישירות באירועים שונים בעזרת שלושה גדלים בסיסיים: מסה, מרחק וזמן. את כל הגדלים האחרים אפשר לתאר בעזרת גדלים בסיסיים אלה. לדוגמה, את המהירות אפשר לתאר בעזרת מרחק וזמן, למשל מטר בשניה (מ'/שנ').
יחידות תקניות במדע (המכונות S.l. - System International) הן היחידות המוסכמות שבעזרתן מבטאים את הגדלים השונים:
1. מרחק: מטרים
2. זמן: שניות
3. מסה: קילוגרמים.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מידע והרחבה
אפשר לתאר מהירות ביחידות שונות: למשל מטר בשניה (מ'/שנ'), קילומטר בשעה (קמ"ש).
אפשר לעבור מתיאור בשיטת יחידות אחת לתיאור בשיטה אחרת. לדוגמה:
כדי לעבור ממטר בשנייה ליחידות של קילומטר בשעה יש לכפול את גודל המהירות במ'/שנ' במספר 3.6.
כדי לעבור מקילומטר בשעה למטר בשנייה יש לחלק את גודל המהירות בקמ"ש במספר 3.6.
ההסבר לכך הוא כדלקמן: על מנת לעבור מקילומטרים למטרים יש לכפול את מספר הקילומטרים ב-1,000 (כי בקילומטר יש 1,000 מטר), ועל מנת לעבור משעות לשניות יש לכפול את מספר השעות ב-3,600 (כי בשעה יש 600 3 שניות).
1 מטר/3.6 שניה=1,000 מטר/3,600 שניה=1ק"מ/שעה
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
לדוגמה:
מהירות של 72 קמ"ש היא 20 מטר לשניה (72/3.6=20)
מהירות של 10 מטר לשנייה היא 36 קמ"ש (10
*3*
.6=36).
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלה
להלן נתוני תנועה של שתי מכוניות.
מכונית א עוברת בשעה 90 ק"מ.
מכונית ב עוברת בשנייה 20 מטר.
איזו מהמכוניות מהירה יותר?
*379*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
300,000,000 (שלוש מאות מיליון) מטר בשנייה.
מהירות חללית יכולה להגיע ל-15,000 מטר בשנייה (ואף יותר מכך).
מהירות מטוס קרב יכולה להגיע ל-1,000 מטר בשנייה.
מהירות כדור רובה יכולה הגיע ל-500 מטר בשנייה.
מהירות מכונית מרוץ יכולה להגיע ל-100 מטר בשנייה.
מכונית רגילה נוסעת במהירות של כ-30 מטר בשנייה (108 קמ"ש).
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
משימה
הביעו את מהירות החללית, המטוס ומכונית המרוץ בקמ"ש.
שיטה מוכרת למדידת מהירות היא בעזרת מד-מהירות (ספידומטר). הספידומטר נמצא בכל מכונית ומותקן גם על גבי אופניים. היחידה המקובלת למדידת מהירות של כלי רכב היא קמ"ש.
*380*
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
פעילות
זרקו כדור אנכית מעלה והתבוננו בתנועתו.
האם הכדור שינה את תנועתו במהלך עלייתו למעלה? הסבירו את תשובתכם.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלה
נהגת נוסעת בשטח בנוי במהירות 50 קמ"ש, וכאשר היא מגיעה לשטח פנוי, היא מגבירה את מהירותה עד למהירות המותרת של 90 קמ"ש. מהו השינוי במהירותה?
נגדיר שינוי במהירות:
ההפרש בין המהירות בראשית פרק זמן לבין המהירות בתום פרק הזמן שווה לשינוי במהירות (שינוי מובע בנוסחה באות היוונית"דלתא")
דלתאv=v2-v1
דלתא v= שינוי במהירות
v2 = מהירות בתום פרק הזמן
v1 = מהירות בראשית פרק הזמן
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
כאשר גוף מגדיל את מהירותו, אנו אומרים שהגוף מאיץ; וכאשר גוף מקטין את מהירותו, אנו אומרים שהגוף מאט.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלה
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שינוי המהירות יכול להתרחש במשך זמן ארוך או קצר. לדוגמה: מכונית ורוכב אופניים מתחילים את נסיעתם בהתחלף הרמזור לירוק. המכונית משנה את מהירותה מ-0 קמ"ש ל-30 קמ"ש במשך 2 שניות ורוכב האופניים משנה את מהירותו מ-0 קמ"ש ל-30 קמ"ש במשך 30 שניות.
מה אפשר לומר על שינוי המהירות של המכונית ושל רוכב האופניים?
מה בכל זאת מבדיל בין המכונית לאופניים?
*381*
דוגמה זו ממחישה את החשיבות בהתייחסות לא רק לשינוי המהירות אלא גם למשך הזמן שבו נעשה שינוי זה.
משתמשים במונח תאוצה לתיאור שינוי מהירות הגוף בפרק זמן מסוים. התאוצה חיובית כאשר המהירות גדלה ושלילית כאשר המהירות קטנה. כאשר המהירות קבועה התאוצה שווה לאפס. מצב זה נכון גם לגבי גוף במנוחה. נהוג להשתמש במונח תאוצה לציון הקטנת מהירות.
*381*
בפרקים הקודמים הכרנו את החוק השני של ניוטון הקושר בין הפעלת כוחות על גוף לבין שינוי מהירות הגוף. החוק מציין שאם הכוח השקול הפועל על גוף שונה מאפס, והכוח הוא בכיוון התנועה של הגוף, הרי הגוף יגדיל את מהירותו בכיוון הכוח השקול. כלומר, הגוף יאיץ.
מנגד, אם הכוח השקול פועל בניגוד לכיוון התנועה של הגוף, הגוף יקטין את מהירותו, כלומר יאט.
ככל שהכוח השקול הפועל על גוף מסוים גדול יותר, כך יהיה השינוי במהירות הגוף (התאוצה או התאוטה) בפרק זמן זה גדול יותר.
דוגמה:
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
מה אפשר לומר על התאוצה של הכדור?
כדור: (חץ ארוך כלפי מעלה), 500N
כדור: (חץ קצר כלפי מטה), 200N
תשובה: מאחר שהכוח השקול אינו אפס ומכוון כלפי מעלה, הגוף יגדיל את מהירותו - או יאיץ - בכיוון למעלה. ההאצה היא כל עוד היד דוחפת. לאחר מכן הכדור דווקא מאט עד שנעצר.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
שאלות
1. כיצד תשתנה מהירות הכדור לאחר הזריקה, כאשר הכדור נמצא בדרכו למעלה?
2. שרטטו תרשים כוחות לכדור בדרכו למעלה (לאחר הזריקה).
3. שרטטו תרשים כוחות לכדור בשיא גובהו.
4. שרטטו תרשים כוחות לכדור בדרכו למטה.
*382*
כאשר הכוח השקול הפועל על גוף אינו אפס, הגוף משנה את מהירותו.
אם כיוון הכוח השקול הוא בכיוון תנועת הגוף, מהירות הגוף תגדל. אם כיוון הכוח השקול הוא בניגוד לכיוון התנועה של הכדור, מהירות הגוף תקטן.
בעזרת המושג תאוצה אנו מתארים שינוי מהירות בפרק זמן מסוים. כאשר הגוף מגדיל את מהירותו, אנו אומרים כי הוא מאיץ, וכאשר הגוף מקטין את מהירותו, אנו אומרים כי הוא מאט.
קראו את הקטע הבא ובחרו את המילים הנכונות:
כאשר מכונית מאיצה מעמידה, כיוון הכוח השקול הוא בכיוון/בניגוד לכיוון התנועה, ואילו כאשר מכונית מאטה ממהירות לעמידה, כיוון הכוח השקול הוא בכיוון/בניגוד לכיוון התנועה.
*382*
- הכרנו את המושג מהירות ממוצעת. כדי לחשב את המהירות הממוצעת של גוף יש למצוא את המרחק שהגוף עבר בפרק זמן מסוים ולחלק את המרחק בפרק זמן זה.
- הכרנו את היחידות שבהן נהוג לתאר מהירות: מטר לשנייה (מ/שנ') וקילומטר לשעה (קמ"ש). ראינו שאפשר לעבור מיחידה אחת ליחידה השנייה על-ידי חלוקה או כפל במספר 3.6.
- למדנו שבמקרים מסוימים המהירות יכולה להשתנות: אם גוף מגדיל את מהירותו בפרק זמן מסוים, אנו אומרים שהגוף מאיץ; ואם גוף מקטין את מהירותו בפרק זמן מסוים, אנו אומרים שהגוף מאט.
- ראינו שהפעלת כוחות על גוף יכולה לגרום לשינוי מהירות, כלומר לתאוצה או לתאוטה.
- אפשר לייצג מידע בגרף קווי. בשרטוט גרף קווי חשוב להקפיד לרשום כותרות לצירים, לבחור יחידות וערכים מתאימים על-פי הנתונים ולציין את הערכים על הצירים במרווחים שווים ואחידים.
- על גבי אותה מערכת צירים אפשר לייצג כמה מערכות של מדידות. כל מערכת מיוצגת בעקומה נפרדת.
*383*
שאלות סיכום
1. יוסי יצא מביתו וצעד לכיוון הקניון. לאחר דקות אחדות של הליכה הוא עצר למנוחה קצרה וישב על ספסל שהיה בדרך. לאחר מכן המשיך ללא עצירה עד לקניון.
הגרף הבא מתאר את המרחק של יוסי מביתו לקניון כתלות בזמן שחלף מרגע צאתו מביתו.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. סמנו נקודות על הגרף וכתבו ליד כל נקודה מספר על-פי ההנחיות הבאות:
- סמנו נקודה על הגרף במקום המציין את ביתו של יוסי ולצדה כתבו את הספרה 1.
- סמנו נקודה על הגרף במקום המציין את עצירתו של יוסי למנוחה ולצדה כתבו את הספרה 2.
- סמנו נקודה על הגרף במקום המציין את הקניון ולצדה כתבו את הספרה 3.
ב. האם אפשר לקבוע מהגרף באיזה קטע של הדרך הלך יוסי מהר יותר? הסבירו את תשובתכם.
2. דני מתחרה בתחרות ריצה למרחק 100 מטרים: הגרף הבא מתאר את מהלך ריצתו בתחרות. כמה זמן עבר מתחילת ריצתו של דני ועד שנעצר?
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. 8 שניות
ב. 4 שניות
ג. 20 שניות
ד. 16 שניות
האם דני חצה את קו הגמר? הסבירו.
3. שרה יצאה לסיבוב קצר על אופניה. הגרף מתאר את המרחק של שרה מביתה כתלות בזמן שחלף מרגע צאתה מהבית.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. מהו המרחק המרבי מביתה שאליו הגיעה שרה? הסבירו.
ב. חשבו באיזה מרחק מביתה נמצאת שרה לאחר 5 שניות?
ג. היכן נמצאת שרה לאחר כ-22 שניות? סמנו את התשובה הנכונה.
- בביתה.
- במרחק של כ-80 מטרים מביתה.
- אי אפשר לדעת, מאחר שלא מפורט בשאלה לאן היא נסעה.
*384*
4. נועה נוסעת מתל אביב לחיפה. היא יוצאת בתשע בבוקר מתל אביב ונוסעת במהירות קבועה של 90 קילומטרים לשעה (קמ"ש).
א. נתון כי המרחק בין חיפה לבין תל אביב הוא 90 ק"מ, באיזו שעה תגיע נועה לחיפה?
- 12:00בצהריים
- 10:00 בבוקר
- 11:30 לפני הצהריים
- 10:30 בבוקר
ב. באיזה מרחק מתל אביב היא צפויה להיות בשעה 9:30? הסבירו את תשובתכם.
5. לאור השמש נדרשות 8 דקות להגיע לכדור הארץ, ולאור המגיע מהירח נדרשות רק 1.4 שניות. זאת אף-על-פי שבשני המקרים האור נע באותה מהירות. מדוע? הסבירו את תשובתכם.
6. הגרף מראה את שינוי המרחק שעוברת מכונית הנעה במסלול ישר בזמן שחלף. מהי מהירות המכונית?
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. 30 קמ"ש
ב. 60 קמ"ש
ג. 90 קמ"ש
ד. אי אפשר לדעת.
הסבירו את בחירתכם.
7. הטבלה הבאה מתארת את שינוי מקומו של כלי רכב המתחיל לנסוע ממגרש חניה בזמן שחלף.
מרחק מהחניה (מטר), זמן שעבר מרגע היציאה מהחניה (שניות)
5, 30
10, 60
15, 90
חשבו את מהירותו של כלי הרכב.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*385*
8. הגרף הבא מתאר את שינוי המקום של שתי מכוניות בזמן.
סמנו איזו מכונית נוסעת מהר יותר. הסבירו את תשובתכם.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. מכונית 1
ב. מכונית 2
ג. המכוניות נעות במהירות זהה.
ד. אי אפשר לקבוע.
9. לפניכם שתי עקומות המתארות את שינוי המרחק של שני אצנים בתחרות ריצה ממקום הזינוק.
סמנו איזה אצן סיים ראשון את התחרות. הסבירו את תשובתכם.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. אצן 1
ב. אצן 2
ג. האצנים סיימו את המרוץ יחד.
ד. אי אפשר לקבוע.
10. לפניכם תרשים כוחות של ילדה המתחילה ללכת.
ילדה: (חץ כלפי מעלה), 500N
ילדה: (חץ כלפי מטה), 500N
ילדה: (חץ לימין), 50N
הילדה:
א. תאיץ לכיוון שמאל.
ב. תאיץ לכיוון ימין.
ג. תנוע במהירות קבועה.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
11. לפניכם תרשים כוחות הפועלים על מכונית הנוסעת שמאלה.
מהירות המכונית ברגע מסוים היא 20 קמ"ש. לאחר שניות מספר מהירות המכונית:
מכונית: (חץ כלפי מעלה), כביש
מכונית: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
מכונית: (חץ שמאלה), חיכוך עם הכביש
א. תישאר 20 קמ"ש.
ב. תהיה גדולה מ-20 קמ"ש.
ג. תהיה קטנה מ-20 קמ"ש.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*386*
(ריק)
*387*
פרק 15: כוחות בשירות האדם
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*388*
בפרקים הקודמים למדנו על כוחות ותנועה ועל החוקים הקשורים אליהם. בפרק זה נלמד על מתקנים שבהם מיושמים החוקים והעקרונות האלה ועוזרים לנו בחיי היומיום.
*388*
כולנו מכירים את הנדנדה המאפשרת לשני ילדים לשבת על שני מושבים משני צדדיו של מוט ארוך. המוט נשען באמצעו על ציר המאפשר לו תנועה.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. מתי קל יותר להתנדנד, כאשר יושבים על המושבים שני ילדים בעלי משקל דומה או כאשר יושבים על המושבים שני ילדים בעלי משקל שונה? הסבירו.
2. תמר הגיעה לגן הציבורי עם בנה הקטן. היא רצתה להתנדנד בנדנדה שהייתה שם אבל ידעה שמשקלה גדול יותר ממשקל בנה ולכן יהיה לה קשה לעשות זאת. מה תציעו לה לעשות? הסבירו.
*389*
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
משימה
מאיר רוצה להרים ארגז כבד ולהניחו על כיסא בחדרו. לפניו כמה אפשרויות:
1. להרים את הארגז באופן ישיר.
2. להשתמש במוט עם נקודת משען באמצעו (ראו איור א').
3. להשתמש במוט דומה אך למקם את נקודת המשען קרוב יותר לארגז (ראו איור ב').
(בספר איור, היעזר במנחה)
באיזו אפשרות כדאי למאיר לבחור אם הוא רוצה להפעיל את הכוח הקטן ביותר? הסבירו את בחירתכם.
בוודאי שאלתם את עצמכם כיצד מתקנים קטנים יכולים להרים משאות כבדים מאוד, או למשל כיצד יכול פותחן בקבוקים קטן לחלוץ פקק מתכת של בקבוק, בעוד שאם תנסו לחלוץ אותו בידכם קרוב לוודאי שלא תצליחו? כלים או מתקנים המאפשרים לבצע פעולות כאלה נקראים מכונות פשוטות. גם הנדנדה יכולה להיות מכונה כזאת במצבים מסוימים.
בהמשך הפרק תמצאו את התשובות לשאלות אלה, ותבינו את אופן פעולתן של מכונות פשוטות נוספות, הנקראות מנופים. מנופים משמשים להפעלת כוחות הגדולים בהרבה מהכוחות שאנו יכולים להפעיל באופן עצמאי ללא עזרתם. גם בגופנו מצויים מנופים ובהמשך נביא מספר דוגמאות לדרך פעולתם.
כדי להבין כיצד מתקנים יכולים להעצים את כוחנו, נעסוק תחילה בדוגמאות פשוטות של איזון כוחות, ורק אחר כך נכיר מתקנים המאפשרים לנו להגביר כוחות ולבצע משימות שאי אפשר לבצען ללא שימוש במתקנים אלה.
*390*
*390*
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
האם תוכלו לתת דוגמאות נוספות למתקנים שבהם גוף קטן יכול לאזן גופים גדולים וכבדים ממנו בהרבה?
עד כה לא התייחסנו לעובדה שלגופים יש גודל. ייצגנו גוף באמצעות נקודה ולא התחשבנו במקום שבו הכוחות פועלים עליו. במציאות יש לגופים גודל, והפעלת כוחות במקומות שונים על פניהם עשויה להוביל לתוצאות שונות. כדי להבין את התוצאות של פעולת הכוחות במובייל יש להתייחס למקום שבו הם פועלים. בדוגמה זו מאזנים את שני צדי המובייל על-ידי כך ששמים את שלושת הפרפרים בצדו הימני קרוב יותר לציר מאשר את הפרפר היחיד בצדו השמאלי. גם בדוגמה של הנדנדה בסעיף הקודם ישבו האם ובנה במרחקים שונים משני צדי הציר. בניסוי הבא נחקור באופן כמותי איזון משקלים שונים על מאזניים.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ניסוי
מטרת הניסוי
מציאת חוקיות הקשורה לאיזון מוט התלוי על נקודת משען בעזרת משקולות שונות.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ציוד וחומרים
מוט התלוי על נקודת משען (ציר) וכמה משקולות זהות שאפשר לתלות על המוט.
מהלך הניסוי
1 . מקמו שתי משקולות על הזרוע השמאלית של המוט במרחק 10 ס"מ מנקודת המשען (נסמן מרחק זה ב- d1). המשקולות מפעילות על המוט כוח השווה בגודלו למשקלן (נסמן כוח זה ב-F1). אחזו את המוט בידכם כדי שלא יסתובב.
2. עליכם לאזן את המוט באמצעות משקולת אחת בלבד. סמנו את המרחק מנקודת המשען שבה התקבל האיזון ב-d2. את הכוח שמפעילה המשקולת על המוט נסמן ב-F2. מהו המרחק? האם הוא גדול או קטן מ-d1?
3. כעת נסו לאזן את המוט על-ידי מספר שונה של משקולות (זהות), וסמנו בעבור כל איזון את המרחק שהתקבל מנקודת המשען.
*391*
4. רשמו בטבלה 1 את פרטי האפשרויות שבהן הצלחתם לאזן את המוט שבצדו השמאלי שתי משקולות במרחק 10 ס"מ מנקודת המשען.
טבלה 1: אפשרויות האיזון (בזרוע ימין) של משקולות שונות
אפשרות, F2 - משקל המשקולת (או מספר המשקולות), d2 - מרחק מנקודת המשען
1, --, --
2, --, --
3, --, --
(בספר איור, היעזר במנחה)
הסקת מסקנות
1. כתבו במחברתכם את המשפט הבא תוך שימוש במילים הנכונות:
ככל שמשקל המשקולות (או מספרן) גדול יותר בזרוע ימין, יש להניחן קרוב/רחוק יותר מנקודת המשען כדי לאזן את המוט.
2. כפלו בכל אחת מהאפשרויות בטבלה 1 את משקל המשקולת במרחקה מנקודת המשען (F2 כפול d2). מה מסקנתכם מהתוצאה?
3. חשבו את המכפלה F1 כפול d1 על פי הנתונים שניתנו במהלך הניסוי (סעיף 1), והשוו אותה לתוצאה שקיבלתם בסעיף הקודם. מה מסקנתכם?
לקשר שקיבלתם קוראים חוק המנוף.
חוק המנוף
ראינו שאפשר לאזן גופים בעלי משקל שונה התלויים על מוט משני צדדיו, וזאת על-ידי התאמת המרחק שלהם מנקודת המשען.
במצב של שיווי משקל מתקיים שוויון בין: המכפלה של גודל הכוח שגוף מפעיל על הזרוע במרחקו מנקודת המשען, מצד אחד, לאותה מכפלה מהצד השני: F1*d1=F2*d2 קשר זה נקרא חוק המנוף.
*392*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. בצדו השמאלי של המתקן שהשתמשנו בו בניסוי הקודם הניח דוד משקולת שמשקלה 30N, במרחק 10 ס"מ מנקודת המשען. לרשותו משקולת נוספת שמשקלה 15N. באיזה מרחק מצד ימין של נקודת המשען עליו להניח את המשקולת כדי לאזן את המשקולת הנמצאת בצדו השמאלי של המוט? הציגו את החישוב.
2. גוף שמשקלו 30 ניוטון תלוי באמצע הזרוע הימנית של מאזניים. לרשותכם משקולת שמשקלה 15 ניוטון בלבד. האם תוכלו לאזן את המאזניים בעזרת המשקולת שברשותכם? הסבירו את תשובתכם בהסתמך על חוק המנוף.
3. בצדו השמאלי של המתקן שהשתמשנו בו בניסוי הקודם הניחה דנית משקולת שמשקלה 30N, במרחק 5 ס"מ מנקודת המשען. כעת היא רוצה לאזן את המתקן בעזרת משקולת נוספת שמשקלה 10N. באיזה מרחק מנקודת המשען עליה להניח את המשקולת כדי לאזן את המשקולת הנמצאת בצדו השמאלי של המתקן? הציגו את החישוב.
4. אפשר לנצל את השוויון בין הזרועות (ובכוחות) ולבנות מאזניים שבעזרתם אפשר להשוות בין שתי מסות. מדוע חשוב שאורך הזרועות יהיה שווה?
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מתקן נפוץ שפעולתו מבוססת על חוק המנוף הוא הנדנדה.
כאשר אנו יושבים על הנדנדה, אנו מפעילים כוח כלפי מטה (F1) על הנדנדה בצדה האחד, ואילו חברנו שיושב בקצה השני מפעיל כוח כלפי מטה (F2) על הנדנדה בצדה השני.
באיור נראה כי הנדנדה כוללת שתי זרועות ונקודת משען ביניהן. בדרך כלל זרוע שמאל שווה לזרוע ימין (d1=d2) ואז כדי להשיג איזון צריך להשוות בין הגדלים של הכוחות (F1=F2).
(בספר איור, היעזר במנחה)
*393*
כאשר הגדלים של הכוחות אינם שווים (F1 אינו שווה ל-F2), יש לוודא כי גם אורכי הזרועות אינם שווים (d1 אינו שווה ל-d2), על מנת לאזן את הנדנדה. כך מתקיים F1*d1=F2*d2 (חוק המנוף, בדומה למה שמצאנו בניסוי שערכנו).
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
שאלות
יוצאים מאיזון
1. דמיינו שילד אחד יושב על נדנדה מצדה האחד, ואילו מצדה האחר יושבת ילדה נוספת שמשקלה זהה במרחק זהה מנקודת המשען. הנדנדה מאוזנת ואינה נעה. ילד שלישי מגיע ודוחף את הילד כלפי מטה. מה יתרחש? הסבירו.
2. על שני צדי נדנדה יושבים שני ילדים שמשקל כל אחד מהם 400 ניוטון, במרחק 2 מטרים משני צדי נקודת המשען. הנדנדה מאוזנת. ברגע מסוים ילד נוסף דוחף בכוח של 200 ניוטון לכיוון מסה את אחד הילדים היושבים על הנדנדה. שרטטו תרשים כוחות לילד הנדחף ברגע הדחיפה. מה גודלו של הכוח השקול הפועל עליו?
כאשר מפעילים על נדנדה מאוזנת כוח נוסף, מופר האיזון בין שתי זרועות הנדנדה והיא מתחילה לנוע. מצב זה דומה למצב שבו החלפנו ילד אחד בילד אחר, כבד יותר. אם נתייחס לנוסחת חוק המנוף שבו מכפלת הכוח באורך הזרוע הייתה זהה בשני הצדדים, הרי הפעלה של כוח נוסף (בכיוון הכוח שכבר פועל) באחד הצדדים תגרום לכך שהכוח השקול בצד זה (F1) יגדל, ומכפלתו באורך הזרוע (d1)תהיה גדולה מהמכפלה של הכוח (F2) בזרוע בצד השני (d2).
F1*d1>F2*d2
בהמשך נדון במנופים שאנו מכירים בחיי היומיום ונסביר את פעולתם באמצעות חוק המנוף.
*394*
*394*
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
נהוג לכנות את הזרוע שעליה פועל הכוח שאנו מפעילים (F1) בשם זרוע הכוח (d1) ואילו את הזרוע שעליה מונח הגוף שאותו אנו מעונhhנים להרים, כלומר המשא, בשם זרוע המשא (d2). באופן דומה, נהוג לכמת את הכוח F1 בשם הכוח הפועל ואת הכוח F2 בשם הכוח המופעל. אפשר להציג זאת גם כך:
(בספר איור, היעזר במנחה)
*395*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. הביטו באיור שבעמוד הקודם והקיפו את התשובה הנכונה בכל אחד מהסעיפים הבאים (או ענו בכתב):
א. זרוע הכוח מיוצגת באיור בסימון d1/d2.
ב. זרוע המשא מיוצגת באיור בסימון d1/d2.
ג. הכוח שאתם מפעילים מיוצג באיור בסימון F1/F2.
2. מה מייצג הכוח F2 באיור הקודם?
3. האם משקל המשא מיוצג באיור הקודם? הסבירו.
4. יוסי מפעיל כוח כלפי מטה על זרוע שמאל של מנוף בעל זרועות לא שוות (d1>d2).
על פי התרשים, הכוח F2 גדול מהכוח F1. הסבירו מדוע.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
באופן מעשי, תפקידו העיקרי של המנוף הוא לאפשר שימוש בכוח קטן כדי להשיג כוח גדול שיאפשר הרמה של גוף, זאת בעזרת זרועות בעלות אורכים שונים. כך אפשר לקבל כוח גדול (F2) על-ידי הפעלת כוח קטן (F1). במצב זה מתקיים F1
למנופים יכולות להיות צורות מגוונות ולעתים קשה לזהות באופן מיידי את כל חלקי המנוף שתיארנו (שתי הזרועות ונקודת המשען).
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
משקל המשא
משא: (חץ ארוך כלפי מעלה) - F2, מוט
משא: (חץ קצר כלפי מטה) - משקל המשא, כדור הארץ
*396*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלות
1. מחקו את המיותר: אם רוצים להשתמש במנוף כדי להרים משא כבד שמשקלו W, הכוח שיפעיל המנוף על הגוף (F2) חייב להיות גדול מ/שווה ל/קטן מ משקל המשא W.
2. אבי רוצה להעלות אבן כבדה שמשקלה 1,000Nלמדרגה לא גבוהה.
לרשותו מוט באורך 6 מטרים ונקודת משען שיכולה לנוע. הכוח המרבי שאבי יכול להפעיל הוא 500N. מהו המרחק הקטן ביותר מנקודה A שבו עליו למקם את נקודת המשען כדי שיוכל להניף את האבן?
רמז: הכוח F2 צריך להיות גדול ממשקל האבן.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
*396*
קיימות שתי אפשרויות למיקום נקודת המשען יחסית לזרוע הכוח ולזרוע המשא:
1. נקודת המשען ממוקמת בין זרוע המשא לבין זרוע הכוח (מנוף מסוג 1)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
הכוח הפועל (החץ הימני F1) יכול להיות מופעל על-ידי האדם באופן ישיר או על-ידי מנוע. במקרה זה, גודל הכוח המופעל על המשא, F2, גדול יותר מהכוח הפועל (F1
משא: (חץ ארוך כלפי מעלה) - F2, מוט
משא: (חץ קצר כלפי מטה) - משקל המשא, כדור הארץ
*397*
מנופים מסוג 1 קיימים גם במכשירים שונים שאינם מתוכננים להרים משאות, אלא להשיג כוח גדול יותר ממה שאנו יכולים להפעיל בעצמנו כדי לבצע פעולה מסוימת.
דוגמאות: מספריים ומזוודת טרולי.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
מספריים
מזוודת טרולי
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. נקודת המשען ממוקמת בנקודה הנמצאת באחד מקצוות המנוף (מנופים מסוג 2 ומסוג 3)
א. המשא ממוקם במנוף סמוך יותר לנקודת המשען מאשר הנקודה שבה מופעל הכוח הפועל (מנוף מסוג 2).
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
דוגמאות: מפצח אגוזים ומריצה.
מפצח אגוזים
מריצה
(בספר איור, היעזר במנחה)
במריצה, כדי שהמשא יתרומם יש להפעיל על ידית המריצה כוח F1 כך ש-F2 יהיה גדול ממשקלו של המשא (או מ"חוזקו" - אם רוצים, לדוגמה, לפצח אגוז).
*398*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
האם במטף מסוג זה, הכוח הפועל (F1) קטן מהכוח המופעל על המשא (F2)? הסבירו.
ב. הנקודה במנוף שבה מופעל הכוח הפועל ממוקמת סמוך יותר לנקודת המשען מאשר מיקום המשא (מנוף מסוג 3).
(בספר איור, היעזר במנחה)
הערה: במקרה זה המוט חייב להיות עם ציר המקובע לנקודת המשען
לדוגמה: מלקטת (פינצטה):
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. האם במטף מסוג זה, הכוח הפועל (F1) קטן מהכוח המופעל על המשא (F2)? הסבירו.
2. במה שונה מטף זה (סוג 3) ממטף מסוג 2?
*399*
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
כיצד פועלת מלקטת? (או כיצד פועל מטף מסוג 3?)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
פעילות
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
א. איזו נקודה עברה מרחק גדול יותר?
ב. זהו את מרכיבי המטף במלקטת שבאיור:
1. מהי זרוע הכוח? מהי זרוע המשא?
2. העתיקו למחברתכם את האיור וסמנו את המיקום (נקודה A או B) של הכוח הפועל (F1) והכוח המופעל (F2).
מהתשובות לשאלות אלה אפשר ללמוד כי זרוע הכוח (d1) קטנה מזרוע המשא (d2): d2>d1.
בעזרת חוק המנוף (F1*d1=F2*d2) אפשר להסיק כי הכוח הפועל (F1) גדול מהכוח המופעל (F2): F2
מסקנה: אף-על-פי ש"הפסדנו כוח" משום שהכוח המופעל קטן מזה שהפעלנו, "הרווחנו" פעולה לאורך דרך ארוכה יותר (ראו תשובה לסעיף א). מנוף מסוג זה פועל הפוך מהמטפים שהכרנו עד כה. משתמשים בו כאשר האמצעי המפעיל את הכוח מוגבל ביכולת תנועתו, ולמרות זאת רוצים להשיג פעולה לאורך דרך ארוכה יותר. הרבה חפצים וכלים שבהם אנחנו משתמשים בחיי היומיום מנצלים את חוק המנוף.
האם ידעתם שדלת היא מנוף? נסו לזהות את נקודת המשען של דלת ואת זרוע הכוח (זרוע המשא נמדדת בדרך כלל ממרכז הדלת. האם תדעו מדוע?)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
פעילות
לפניכם כלי עבודה וחפצים ביתיים שונים (מyחנת בשר ידנית, פותחן בקבוקים, מפתח שבדי, פותחן קופסאות שימורים, פלייר uעוד). עליכם למיין אותם לפי סוג המנוף שהם מייצגים. ציירו את הכלים והחפצים במחברתכם וסמנו בהם את נקודת המשען, הכוח הפועל והכוח המופעל, וזרוע הכוח וזרוע המשא.
ראינו שאפשר להרים משאות כבדים תוך שימוש במנופים מסוגים שונים (סוג 1 וסוג 2). המנוף מאפשר להרים משא על-ידי הפעלת כוח הקטן ממשקל המשא או לבצע פעולה כלשהי הדורשת הפעלת כוחות גדולים יחסית. יש מנופים המאפשרים להגדיל את טווח התנועה (שלהם) על-ידי הפעלת כוח הגדול ממשקל המשא (מנוף מסוג 3).
*400*
*400*
גופנו, אחת המכונות המשוכללות ביותר שאנו מכירים, בנוי מאיברים מורכבים המאפשרים את קיום החיים, מעצמות (שלד) התומכות בצורת הגוף, וממפרקים ושרירים המאפשרים תנועה יעילה. גם בהקשר של גופנו אפשר להשתמש במושגים שהכרנו מעולם המנופים: הכוח הפועל (F1) שאותו מפעילים השרירים, והכוח על המשא (F2).
תנועת הגוף מתבצעת תוך שימוש במנופים שונים. נקודת המשען בגופנו נקראת "מפרק", ויש זרוע כוח וזרוע משא שיוצרים השרירים, הגידים והעצמות.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
משימה
צפו בסרטון המציג את גדול האצנים קארל לואיס בריצת ספרינט המוצגת בהילוך אטי.
1. מהם החלקים הנעים בגוף האדם כאשר הוא בתנועה?
2. זהו נקודת משען אחת בזמן הריצה (רמז: נקודת משען נמצאת בחיבור האיברים הנעים).
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
השרירים יכולים להפעיל כוח בכיוון אחד בלבד: משיכה (על-ידי התכווצות).
לכן תמיד חייב להיות שריר נגדי היכול להחזיר את האיבר למקומו הראשוני.
בגופנו אפשר למצוא את כל סוגי המנופים שהכרנו:
1. מנוף מסוג 1: כאשר נקודת המשען נמצאת בין זרוע הכוח לבין זרוע המשא: תנועות הראש.
האיור הבא מדגים את פעולת השריר בעורף, האחראי ליכולתנו להחזיק את ראשנו זקוף.
- הכוח המופעל ("מחזיק" את הראש)
- נקודת משען
- הכוח הפועל (שריר)
(בספר איור, היעזר במנחה)
*401*
(בספר איור, היעזר במנחה)
הנקודה במנוף שבה מופעל הכוח הפועל ממוקמת סמוך יותר לנקודת המשען מאשר מיקום המשא (מנוף מסוג 3). זהו סוג המנוף הנפוץ ביותר, ונמצא בכל הגפיים (ידיים ורגליים). אמנם מנוף מסוג זה "מפסיד" כוח, אך "מרוויח" טווח תנועה. נשאל אפוא מה היתרון של מנוף מסוג 3 בגוף האדם?
שרירי הגוף מוגבלים מאוד בטווח תנועתם. שריר יכול להתכווץ בעוצמה רבה, אך מידת התקצרותו (טווח תנועתו) קטנה מאוד. היתרון במנוף מסוג 3 הוא האפשרות לקבל תנועה גדולה יחסית למרות תנועת השריר הקטנה. החיסרון הוא בכך שזרוע המשא ארוכה מזרוע הכוח, ולכן יש להשקיע כוח רב יותר על מנת להפיק את הכוח הנדרש.
שאלה: בשני האיורים הבאים זהו את הכוח הפועל, את הכוח המופעל ואת המשא. היעזרו באיור הסכמטי שלמעלה.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
שאלות
1. הביטו באיור למעלה. מה היה קורה אילו השריר היה מחובר סמוך יותר לכף היד? נסו לתאר את טווח תנועת היד במקרה כזה, והתייחסו אל הכוח המופעל (משא) שהיה מתקבל.
2. הלסת נחשבת למנוף.
א. זהו את נקודת המשען ואת מיקום חיבור השרירים ללסת.
ב. האם יש קשר למיקום השיניים השונות בלסת? מדוע השיניים החותכות נמצאות בחזית הלסת ואילו הטוחנות נמצאות מאחור? היכן מתקבל כוח גדול יותר?
ג. השוו את פעולת הלסת לפעולת מפצח אגוזים. האם קיים דמיון בין שני המנופים? הסביר!.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*402*
מנוף מאפשר בדרך כלל לבצע משימות הדורשות כוחות גדולים מאלה שאנו יכולים להפעיל (מנופים מסוג 1 ו-2). יש מנופים (סוג 3) המאפשרים לזרוע המשא פעולה לאורך דרך ארוכה יותר (טווח תנועה גדול יותר), כאשר הכוח הפועל על המשא (F2) קטן מהכוח המופעל (F1). כמו שראינו בגוף האדם, לעתים דווקא נדרש טווח תנועה גדול יותר, ומכאן החשיבות של מנוף מהסוג השלישי.
*402*
(בספר איור, היעזר במנחה)
שאלה
נהג מכונית צריך להעמיס חבית על מכוניתו. החבית כבדה מאוד, והנהג אינו מצליח להרימה למכונית.
הציעו לנהג שיטה יעילה להרים את החבית למכונית.
מור הציעה לנהג להניח קרש רחב (רמפה או כבש) בשיפוע שבין הכביש לבין המכונית, ולגלגל את החבית על המישור המשופע שנוצר. האם אתם סבורים שהצעתה של מור יכולה לפתור לנהג את הבעיה? הסבירו.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
ניסוי
הנהג קיבל את הצעתה של מור ואכן הצליח להעמיס את החבית. כדי להבין כיצד הצליח, נערוך את הניסוי הבא.
מטרת הניסוי: לחקור כיצד משפיע השיפוע של מישור משופע על גודל הכוח הנדרש להרמת גופים.
ציוד וחומרים: מכונית קטנה, מד-כוח, לוח קשיח באורך 30 ס"מ, לוח קשיח באורך 50 ס"מ.
*403*
מהלך הניסוי
עליכם להרים את המכונית למדרגה בגובה 20 ס"מ מעל הרצפה.
1. הרימו את המכונית בעזרת מד-הכוח באופן ישיר במהירות קבועה (איור א') והניחו אותה על המדרגה. מה הראה מד-הכוח?
2. הניחו מישור משופע באורך של 30 ס"מ בין המדרגה לרצפה (איור ב'). משכו את המכונית בעזרת מד-הכוח במעלה המישור המשופע במהירות קבועה. מה הראה מד-הכוח?
3. הניחו מישור משופע באורך 50 ס"מ בין המדרגה לרצפה (איור ג'). משכו את המכונית בעזרת מד-הכוח במעלה המישור המשופע במהירות קבועה. מה הראה מד-הכוח?
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
תוצאות:
סכמו את ממצאיכם בטבלה הבאה:
מדידה, אורך המישור המשופע (ס"מ), הכוח שהראה מד-הכוח
1., --, --
2., --, --
3., --, --
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
התבוננו בטבלת התוצאות שהשלמתם. מה אתם יכולים ללמוד ממנה?
מה אפשר ללמוד מהניסוי?
מתברר כי כדי להעלות משא כבד במהירות קבועה בעזרת מישור משופע מסוים צריך להפעיל כוח קטן יותר מהכוח הדרוש להרמת המשא אנכית במהירות קבועה. כלומר, אפשר להשתמש במישור משופע כדי להקטין את הכוח הדרוש. הכוח שצריך להפעיל תלוי בשיפוע של המישור המשופע. בעבור גובה מסוים, ככל שהשיפוע מתון יותר - כלומר אורך המישור המשופע גדול יותר - הכוח הדרוש קטן יותר. ולכן, ככל ש"דוחפים" את הגוף בדרך ארוכה יותר בין שתי נקודות השונות בגובהן, כך הכוח שמפעילים על הגוף קטן יותר. את ההסבר המלא לכך תכירו בהמשך לימודיכם. כאשר מרימים את הגוף ישירות מעלה (ללא מישור משופע), הדרך היא הקצרה ביותר אך הכוח הנדרש הוא הגדול ביותר.
*404*
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
1. פלג ושחף יצאו לטיול עם כיתתם בשמורת הטבע עין גדי. בשלב מסוים השביל המסומן החל "לטפס" במעלה הר גבוה. השביל היה בנוי כך שהשיפוע בו לא היה גדול אך הוא היה ארוך מאוד ומפותל. שחף צעדה בשביל המסומן אך פלג החליט לקצר את הדרך וטיפס באופן תלול היישר לפסגת ההר. בשלב מסוים, הקרקע מתחת לרגליו של פלג החלה להידרדר, והוא נפל ונחבל.
שחף טענה שמכיוון שפלג בחר במסלול תלול מאוד, הרי הכוח שהיה עליו להפעיל על הקרקע בכיוון התקדמותו (על מנת "להרים" את עצמו) היה גדול יותר בכיוון זה, והדבר גרם בסופו של דבר לדרדור הקרקע, ולכן הוא מעד ונחבל. לעומת זאת, שחף הלכה בשביל עם שיפוע מתון (לא תלול), והכוח שהיא הפעילה על הקרקע בכיוון התקדמותה היה קטן יותר, ולכן הקרקע לא התפוררה, והיא עלתה בבטחה.
א. הסבירו מה הסיבה לנפילתו של פלג.
ב. האם לדעתכם ההסבר של שחף נכון?
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
א. לסלול את הכביש בשיפוע המרבי המותר.
ב. לסלול את הכביש בשיפוע המתון יותר מהשיפוע המרבי.
מה היתרון ומה החיסרון בכל אחת מהאפשרויות?
3. כעת אתם מהנדסים העובדים בשירות פרעה בבניית פירמידה גדולה במצרים. עליכם להרים אבן גדולה מאוד לראש הפירמידה, ואינכם יכולים להרימה באופן ישיר. בסביבת הפירמידה יש הרבה דיונות של חול שאפשר להעבירו בקלות יחסית. הציעו שיטה להרים את האבן לראש הפירמידה, וזאת בשימוש במשאבי הטבע העומדים לרשותכם.
מישור משופע מאפשר לנו להרים גופים על-ידי הפעלת כוח הקטן ממשקל הגוף, אך יש להפעיל את הכוח לאורך דרך ארוכה יותר.
*405*
*405*
- למדנו שאפשר לאזן גופים בעלי משקל שונה התלויים על מוט, בתנאי שמתקיים שוויון בין מכפלת גודל הכוחות הפועלים על גופים אלה במרחקיהם מנקודת המשען (או המרחק מציר הסיבוב):
F1*d1=F2*d2. קשר זה נקרא חוק המנוף.
- למדנו שאפשר להרים משאות כבדים, וזאת על-ידי שימוש במנופים מסוגים שונים (מנופים מסוג 1 ומסוג 2). המנוף מאפשר להרים משא על-ידי הפעלת כוח הקטן ממשקל המשא.
- ראינו שיש מנופים המאפשרים להגדיל את טווח התנועה של גוף על-ידי הפעלת כוח הגדול ממשקל המשא (מנוף מסוג 3).
- למדנו שמנופים מצויים גם בגופנו ומאפשרים לנו להניע איברים שונים בטווח תנועה גדול יחסית לאיבר המפעיל את הכוח (שריר).
- מישור משופע מאפשר לנו להרים גופים כבדים תוך הפעלת כוח הקטן ממשקל הגוף, אך לאורך דרך ארוכה יותר.
*406*
*406*
1. דוד השרברב מנסה לשחרר אום (סוג של בורג) "עקשן" בעזרת מפתח אומים (ראו איור). באיזו נקודה כדאי לו לאחוז במפתח האומים: בנקודה א' או בנקודה ב'? הסבירו את תשובתכם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
2. לפניכם איור של סרגל שבצדו האחד תלויה משקולת שמשקלה 10 ניוטון.
מרחק נקודת התלייה של המשקולת מהציר הוא 20 ס"מ (ראו איור). לרשותכם שלוש משקולות נוספות, במשקלים 5, 10 ו-20 ניוטון. הציעו שלוש אפשרויות לאזן את הסרגל בעזרת המשקולות הנוספות.
הערה: עליכם להביא בחשבון את משקל המשקולת ואת מרחקה מהציר.
(בספר איור, היעזר במנחה)
3. לפניכם איור של סרגל ועליו תלויה בצדו האחד משקולת במשקל 20 ניוטון. מרחק המשקולת מהציר הוא 20 ס"מ (ראו איור). ברצונכם לאזן את הסרגל על-ידי הוספת משקולת נוספת בצדו האחר של הסרגל, וזאת במרחק המתאים מהציר. סמנו את האפשרות הנכונה:
א. משקולת במשקל 10 N במרחק 20 ס"מ מהציר.
ב. משקולת במשקל 20 N במרחק 40 ס"מ מהציר.
ג. משקולת במשקל 10 N במרחק 40 ס"מ מהציר.
ד. משקולת במשקל 20 N במרחק 10 ס"מ מהציר.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
4. לפניכם שתי מריצות. איזו מריצה תאפשר להוביל משא כבד יותר? הסבירו את תשובתכם.
(בספר איור, היעזר במנחה)
(בספר איור, היעזר במנחה)
א. 2 אבנים (1,000 N)
ב. 4 אבנים (2,000 N)
ג. 5 אבנים (2,500 N)
ד. 6 אבנים (3,000 N)
*407*
6. איזה מציורים א'-ד' מראה את הדרך הנוחה לאדם לאזן על כתפיו דלי המכיל עשרה ליטרים של מים ודלי קטן יותר המכיל חמישה ליטרים של מים? הסבירו את בחירתכם
(בספר ארבעה איורים, היעזר במנחה)
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
7. כדי למנוע סגירה של דלת על-ידי הרוח נוהגים להצמיד אליה גוף כבד. היכן עדיף להניח גוף זה: בקרבת ציר הדלת או בריחוק ממנו? נמקו את תשובתכם.
8. מדוע קל לשבור בידיים גפרור שלם וקשה לשבור רבע מאותו גפרור? נסו זאת.
9. כשנסעתם בהרים ודאי שמתם לב כי הכבישים המעפילים לראש ההר אינם עולים היישר (בקו ישר) מלמטה, אלא מתפתלים סביב ההר עד לראשו.
הציעו לכך הסבר שיתבסס על הידע המדעי שרכשתם בפרק זה.
10. יובל ונועם רוצים להרים ארגז כבד לגובה מטר אחד. יובל מרימה את הארגז היישר לגובה המבוקש ואילו נועם מרים את הארגז לאותו הגובה לאורך מישור משופע חלק. מי לדעתכם יתאמץ יותר? הסבירו.
*408*
(ריק)
*409*
פרק 16: עולם בלחץ
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
*410*
*410*
בפרקים הקודמים הכרתם את מושג הכוח ולמדתם להשתמש בו על מנת להסביר אירועים שונים. עם זאת, ייתכן ששמתם לב שמושג הכוח לא תמיד יכול להסביר אירועים בצורה מלאה ומדויקת. בפרק זה נכיר מושג נוסף, לחץ, היכול לספק הסבר מתאים יותר לאירועים מסוימים.
*410*
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
(בספר שלוש תמונות, היעזר במנחה)
דיון
- נסו להסביר איך עוקץ הדבורה מצליח לחדור דרך משטחים "חזקים" יחסית?
- מדוע למחט תפירה חוד דק?
- מדוע מסמרים חדים בקצותיהם?
- מדוע קל יותר לחתוך בסכין חדה וקשה לעשות זאת בסכין קהה, גם כאשר מפעילים כוח זהה?
- מדוע טרקטורים כבדים וטנקים נעים על שרשראות?
- מדוע כאשר אדם הולך בשלג, רגליו שוקעות? ולעומת זאת כאשר הוא משתמש במגלשיים, הוא אינו שוקע בשלג אף-על-פי שמשקלו אינו משתנה?
- הביטו בתמונת השער של פרק 6. מדוע הספורטאי חובט בלבנה בצד הצר של היד ולא בכף היד?
(בספר איור, היעזר במנחה)
מושג הכוח שהכרנו אינו יכול לספק תשובה מלאה ומשביעת רצון לשאלות אלה.
הדוגמאות המובאות למעלה מרמזות על כך שבנוסף לגורם הכוח יש גורם המשפיע מאוד על תוצאות הפעולות השונות. נסו לתאר מהו גורם זה.
*411*
*411*
כדי שנוכל לענות על השאלות שהופיעו בסעיף א' ועל שאלות אחרות נשתמש במושג לחץ כפי שהוא מוגדר בפיזיקה.
את מושג הלחץ נהוג לסמן בפיזיקה באות Pressure) P), והוא מתייחס גם לכוח וגם לשטח שעליו הוא פועל. באופן מדויק יותר, לחץ מוגדר כיחס בין הכוח הפועל לבין השטח שעליו הוא פועל: לחץ = כוח/שטח
(בספר איור, היעזר במנחה)
משימה
מונח הלחץ מוכר לכם מחיי היומיום. לדוגמה, אתם בוודאי מכירים את המשפט "...אני נכנס ללחץ כאשר אני נמצא במקומות סגורים בחושך."
הביאו דוגמאות נוספות לשימוש במונח לחץ בחיי היומיום.
האם ההגדרה הפיזיקלית של מושג הלחץ מתאימה להגדרת הלחץ בחיי היומיום? הסבירו.
(בספר איור, היעזר במנחה)
פעילויות
מטרה: שימוש במונח הלחץ להסבר תופעות.
ציוד וחומרים: שתי לבנים, קופסה עם חול או קמח.
1. לבנים וארגז חול
א. הניחו לבנה אחת על משטח חול (איור א'). צפו באיזו מידה הלבנה שוקעת בחול עם גרגירים קטנים (אפשר להשתמש גם בקמח) - מצב א'.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ב. הניחו לבנה שנייה על גבי הלבנה הראשונה (איור ב'). צפו באיזו מידה זוג הלבנים שוקע בחול - מצב ב'.
(בספר איור, היעזר במנחה)
ג. רשמו משפט המשווה בין מצבים א' ו-ב' (בחרו במילים המתאימות): במצב ב' שטח המגע של הלבנה התחתונה עם החול קטן/ לא משתנה/ גדל ומשקל הלבנים קטן/ לא משתנה/ גדל בהשוואה למצב א'. כאשר משקל הלבנים קטן/ גדל, מידת השקיעה בחול קטנה/ לא משתנה/ גדלה.
ד. הסבירו ממה נובע ההבדל במידת השקיעה בחול בין מצב א' למצב ב'.
2. לבנה וארגז חול
א. הניחו לבנה על משטח חול או קמח כמו שמתואר באיור א'. צפו באיזו מידה הלבנה שוקעת בחול - מצב א'.
ב. הניחו את הלבנה כך שתישען על הדופן הצרה יותר שלה (איור ג') - מצב ב'.
צפו באיזו מידה הלבנה שוקעת בחול כעת.
(בספר איור, היעזר במנחה)
*412*
ג. רשמן משפט המשווה בין מצבים א' ו-ב'- (בחרו במילים המתאימות): במצב ב' משקל הלבנה קטן/ לא משתנה / גדל ושטח המגע קטן/ לא משתנה/ גדל בהשוואה למצב א'. כאשר שטח המגע של הלבנה והחול קטן/ גדול, מידת השקיעה בחול קטנה/ לא משתנה/ גדלה.
ד. הסבירו ממה נובע ההבדל במידת השקיעה בחול בין מצב א' לבין מצב ב'.
פעילויות 1 ו-2 מדגימות את חשיבות מושג הלחץ בהסבר תופעות שאי אפשר להסביר בעזרת מושג הכוח בלבד. לחץ מוגדר על-ידי היחס כוח/שטח. לפי הגדרה זו הלחץ המופעל על החול באיור ב' גדול יותר מהלחץ באיור א' מכיוון שהכוח גדל אך שטח המגע עם החול לא השתנה. כתוצאה מכך מידת השקיעה של הלבנה בחול גדלה.
בהשוואה בין המצב באיור א' למצב באיור ג' הכוח המופעל זהה בגודלו (ושווה למשקל האבן) אך השטח שונה: הוא קטן יותר במצב ג'. לפי ההגדרה, הלחץ במצב ג' גדול יותר ולכן מידת השקיעה בחול גדולה יותר.
השתמשו בהגדרה של מושג הלחץ על מנת להסביר את התופעות 3-7.
3. משחקים בחול
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
ב. הניחו אצבע על משטח החול. שימו לב באיזו מידה חדרה האצבע לתוך החול.
ג. הסבירו את ההבדל במידת החדירה של האצבע ושל כף היד לתוך החול.
4. סיפורו של פקיר
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
א. לפניכם שני משטחי עץ בגודל זהה שבהם נעוצים מסמרים. במשטח אחד יש מספר קטן של מסמרים ואילו במשטח השני נעוצים המסמרים בצפיפות גדולה יותר (יותר מסמרים בשטח זהה).
ב. אם תתבקשו לשבת על משטח מסמרים אחד מבין שני המשטחים שתוארו בסעיף הקודם, על איזה משטח תעדיפו לשבת? הסבירו מדוע בחרתם במשטח זה.
ג. מה היה מתרחש אילו התבקשתם לשבת על משטח עץ שבו יש אמנם הרבה מסמרים אך הם חדים מאוד? הסבירו.
5. נושאים תרמיל גב
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
6. יושבים בטח
א. לפניכם מזרן או כרית קטנה המתאימים למושב הכיסא.
ב. מתי יתעוות המזרן יותר, אם נעמוד עליו או אם נשב עליו? הסבירו.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*413*
7. סיפורו של גמל
לפניכם תמונת כף רגלו של גמל. שימו לב שהיא רחבה מאוד. האם צורה זאת של כף רגל מעניקה לגמל יתרון כלשהו בסביבה בה חול רך? הסבירו.
אנו רואים שמושג הלחץ מאפשר להסביר תופעות מסוימות מחיי היומיום שאיננו יכולים להסבירן באמצעות מושג הכוח בלבד. ננתח ביתר פירוט את סיפורו של הגמל. לגמל, החי בסביבה מדברית שיש בה דיונות של חול רך, יש כפות רגליים רחבות מאוד. נתקשה להסביר את היתרון של תכונה זו בעזרת תרשים כוחות בלבד. התרשים הבא מציג את הכוחות הפועלים על כף רגלו של גמל במנוחה.
(בספר תרשים)
גמל: (חץ כלפי מעלה), קרקע חולית
גמל: (חץ כלפי מטה), כדור הארץ
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
תרשים הכוחות מלמד אותנו שהכוח השקול על הגמל הוא אפס ולכן הגמל עומד על החול: אינו מתרומם ואינו שוקע. איננו לומדים מתרשים הכוחות מדוע כפות רגליו הרחבות של הגמל מעניקות לו יתרון מסוים בעומדו על חול רך. נוסף על כך, תרשים הכוחות אינו רומז לנו על הבעיה האפשרית של הליכה בחול רך. כלומר, הכוח השקול בציר האנכי הוא אמנם אפס בסיום הצעד, אך ייתכן מאוד שהגמל שוקע קצת בחול בכל צעד ולכן הליכתו אינה נוחה.
אם נרצה להבין מדוע כפות רגליו הרחבות של הגמל מעניקות לו יתרון בסביבת חול רך, נהיה חייבים להשתמש במושג הלחץ. השקיעה בחול הרך תלויה בלחץ שהגמל מפעיל על החול ואינה תלויה רק במשקלו (כוח) של הגמל. ככל שהכוח שהוא מפעיל על החול כתוצאה ממשקלו יתפרש על שטח גדול יותר, הלחץ שהוא יפעיל על החול יהיה קטן יותר, הוא ישקע פחות ויהיה לו נוח יותר ללכת.
לעומת זאת, בעלי חיים הגרים על מצוקים סלעיים "פטורים" מבעיות הליכה בחול רך ולכן כפות רגליהם המחודדות בנויות טוב יותר לאחיזה בנקיקים הצרים.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
*414*
*414*
כדי שנוכל להבין את הדוגמאות שהובאו בסעיף הקודם ולערוך חישובים שונים העוסקים בלחץ, נכיר את הקשר המתמטי בין לחץ (P) לבין גודל הכוח (F) וגודל השטח שעליו הוא פועל (A).
לחץ שווה ליחס בין הכוח הפועל לבין השטח שעליו הוא פועל (לחץ = כוח/שטח) ונתון על-ידי הביטוי המתמטי:
P=F/A
כאשר מודדים את הכוח בניוטון ואת השטח במטר רבוע (מ"ר), הלחץ המתקבל הוא ביחידות של פסקל, על שמו של הפילוסוף והמדען הצרפתי הדגול בלז פסקל.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מעניין ומסקרן
בלז פסקל (1623-1662) היה פילוסוף ואיש מדע רב-תחומי, שעסק בתחומים רבים ומגוונים, ובהם פיזיקה ומתמטיקה. פסקל חי בצרפת במאה השבע-עשרה והיה איש "רנסנס" קלאסי (איש אשכלות הבקי בתחומים רבים). פסקל לא האריך ימים ונפטר בגיל צעיר יחסית, 39, אך תרם רבות למדע בתחומים שונים ולכן הוחלט לכבדו ולקרוא ליחידת הלחץ על שמו.
(בספר תמונת בול עם תמונת בלז פסקל)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
מה הלחץ שמפעיל על הקרקע אדם שמשקלו 600 ניוטון?
פתרון: תחילה נחשב את שטח המגע בין רגליו של האדם לבין הרצפה. אם אורך כף הרגל הוא 20 ס"מ (0.2 מטר) ורוחבה 5 ס"מ (0.05 מטר), הרי שטח שתי כפות רגליו הוא 0.02 מ"ר (0.05
*0*
.2
*2*
). לכן הלחץ שיפעיל האדם על הרצפה יהיה: 30,000 פסקל=600/0.02
קיימות יחידות לחץ נוספות - "ברי, ו"אטמוספרה":
1 בר שווה ל-100,000 פסקל.
1 אטמוספרה שווה ל-1.013 בר (1013 מיליבר).
למשל, בשאלה הקודמת, הלחץ שמפעיל אדם שמשקלו 600 ניוטון על הקרקע יהיה 0.3 בר.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
שאלה
שני טוענת שכאשר היא נועלת נעלי עקב, הלחץ שהיא מפעילה על הקרקע גדול יותר מהלחץ שהיא מפעילה כאשר היא נועלת נעלי התעמלות. האם אתם מסכימים עם דברי שני? הסבירו.
*415*
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
מדידת הלחץ שמפעיל אדם על הרצפה
1. מדדו את משקלכם בעזרת מד-משקל. זכרו, יש להכפיל את "משקלכם" המובע בק"ג ב-10 (בכדור הארץ) כדי לקבלו בניוטון.
2. חשבו את שטחה. של נעל אחת שלכם.
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
(בספר תמונה, היעזר במנחה)
משימה
שבו על כיסא כמודגם בתמונה. אספו את הנתונים הדרושים לכם וחשבו את הלחץ שכל אחת מרגלי הכיסא מפעילה על הרצפה.
*415*
- הכרנו את הגדרתו הפיזיקלית של מושג הלחץ, אשר מביא בחשבון גם את הכוח וגם את השטח שעליו הוא פועל. לחץ מתואר בביטוי הבא: לחץ =כוח/שטח ונתון על-ידי הנוסחה P=F/A;
הלחץ מסומן ב-P (פסקל), גודל הכוח ב-F (ניוטון) וגודל השטח שעליו פועל הכוח ב-A (מ"ר).
- למדנו שיחידת המידה של לחץ מכונה פסקל. קיימות גם יחידות מידה אחרות ללחץ: בר ואטמוספרה.
- למדנו על יתרונו של מושג הלחץ במתן הסברים לתופעות מסוימות שאי אפשר להסבירן באמצעות מושג הכוח בלבד.
*416*
*416*
1. לפניכם כמה אירועים ושאלות נלוות.
א. חבלני משטרה המפרקים מוקשים בשטח נוהגים לנעול נעליים מיוחדות בעלות שטח גדול בהרבה מנעל רגילה.
הסבירו מדוע.
ב. כדי להחליק על השלג משתמשים במחליקי סקי. מה יתרון המחליקיים לעומת נעליים רגילות?
(בספר איור, היעזר במנחה)
ג. כדי לנסוע על משטח בוצי משתמשים בטרקטורים בעלי גלגלים רחבים ביותר (שימו לב לגלגל האחורי הענקי).
איזה יתרון מעניק גלגל גדול כזה לעומת גלגל רגיל (של מכונית)?
ד. מדוע טנק מצויד בשרשראות במקום בגלגלים?
2. נתונה תיבה שמשקלה 40 ניוטון. ממדי התיבה הם 20
*10*
4 ס"מ.
א. כיצד יש להניח את התיבה על שולחן כדי שהיא תפעיל עליו לחץ מרבי? נמקו.
(בספר שלושה איורים, היעזר במנחה)
ב. מה יהיה הלחץ המרבי הציגו את החישוב.
3. שטח הסוליות של נעלי הליכה ממוצעות הוא 600 סמ"ר. משקלו של גולש סקי הוא 1,000 ניוטון. פי כמה יקטן הלחץ שמפעיל הגולש על השלג אם שטח המגלשיים המיוחדות שלו הוא 2,400 סמ"ר?
4. לוח עץ לא עבה מונח בין שתי גדות נהר. הסבירו מדוע כדי לעבור לגדה השנייה מוטב לזחול על לוח העץ ולא ללכת עליו.
(בספר שני איורים, היעזר במנחה)
5. לפניכם שני ספרים זהים המונחים על מדף. איזה מהספרים מפעיל לחץ גדול יותר על חלק המדף? הסבירו.
*417*
מילון מונחים
אטום - חלקיק זעיר ממדים של חומר. קוטר האטום הוא 10^-10 מטר והוא בנוי מגרעין ואלקטרונים.
אינטראקציה - פעולה הדדית בין שני גופים. אינטראקציה יכולה לגרום לגוף להתעוות ו/או לשנות את מהירותו.
אלוטרופיה - תופעה שבה יסוד קיים בשתי צורות או יותר, השונות זו מזו במבנה שלהן ובתכונותיהן.
אל-מתכת - יסוד שאינו מוליך זרם חשמלי (פרט לגרפיט), יכול להופיע במצב צבירה מוצק, נוזל או גז בטמפרטורת החדר.
אלסטיות - תכונה של חומר המתייחסת ליכולתו לשנות צורה בעקבות הפעלת כוח עליו ולחזור לצורתו המקורית לאחר הפסקת ההפעלה של הכוח.
אלקטרוליזה - תהליך כימי של פירוק תרכובת בעזרת זרם חשמלי.
אלקטרומגנט - סוג של מגנט שבו הכוח המגנטי מופק באמצעות הזרמת זרם חשמלי בסליל מוליך. על מנת להעצים את הכוח המגנטי מלפפים את הסליל על מתכת, בדרך כלל ברזל.
אלקטרון - חלקיק תת-אטומי בעל מטען חשמלי שלילי.
אלקטרונים חופשיים - אלקטרונים אשר ניתקים מהאטום בקלות יחסית ויכולים לנוע בחופשיות בחומר. אלקטרונים חופשיים מצויים בעיקר במתכות.
אלקטרוסטטיקה - תחום בפיזיקה העוסק בתופעות הקשורות במטענים חשמליים שאינם נמצאים בתנועה.
אמפר - יחידת מידה לזרם חשמלי, המציינת את כמות המטען העוברת בחתך של המוליך במשך שנייה אחת.
בסיס - חומר שה-pH שלו גדול מ-7, המשנה את צבעו של נייר לקמוס מאדום לכחול.
גוף ניטרלי - גוף המכיל מספר שווה של מטענים חיוביים ושליליים
גוף - עצם שתופס מקום בחלל. גוף יכול להיות לא חי (דומם) או חי.
גורם משתנה - הגורם שלא נותר קבוע והשפעתו היא זו הנבדקת בניסוי.
גייזר - מעיין מים חמים המתפרץ ומעלה לאוויר עמוד של מים חמים וקיטור.
*418*
גלאי - חיישן. מכשיר המודד תכונה פיזיקלית וממיר אותה לאות אלקטרוני.
גרעין האטום - מורכב משני סוגי חלקיקים תת-אטומיים: פרוטונים וניטרונים.
דינמו - מתקן באמצעותו אפשר להמיר אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית. הדבר נעשה, למשל, על ידי סיבוב של מגנט בקרבת סליל מולך. כתוצאה מהסיבוב נוצר בסליל זרם חשמלי.
דינמומטר - מכשיר המודד את גודל הכוח הפועל בין שני גופים. דינמומטר נקרא גם מד-כוח (ראו ערך).
הדק סוללה - הנקודה שבה מחברים את תילי ההולכה לסוללה. לסוללה שני הדקים, אחד חיובי ואחד שלילי.
התחשמלות - מצב שבו זרם חשמלי בעוצמה מסוכנת עובר דרך גוף האדם.
התנגדות חשמלית - תכונה של החומר המבטאת את מידת הקושי להזרים דרכו זרם חשמלי.
וקטור - ייצוג של גודל פיזיקלי בעל ערך מספרי וכיוון. וקטור מציין את ערכו הכמותי של הגודל הפיזיקלי ואת כיוונו במרחב. דוגמאות לוקטורים: וקטור המהירות, וקטור התאוצה.
זיקוק - שיטה להפרדת תערובת אחידה של נוזלים שונים המבוססת על טמפרטורות הרתיחה השונות של הנוזלים בתערובת.
זרם חשמלי - תנועה של מטענים במוליך בכיוון אחד.
חומצה - חומר שה-pH שלו קטן מ-7, המשנה את צבעו של נייר לקמוס מכחול לאדום.
חומר בוחן (אינדיקטור) - חומר המשמש לזיהוי חומרים מסוימים. לדוגמה: קובלט כלורי משנה צבעו מכחול לוורוד בנוכחות מים ולכן משמש לזיהוי מים.
חומר טהור - חומר מסוג אחד בלבד, בעל הרכב קבוע ואחיד ותכונות ייחודיות המאפיינות רק אותו.
חומר מבודד (חשמלית) - חומר אשר יכולתו להעביר דרכו זרם חשמלי נמוכה מאוד ביחס לחומרים מוליכים.
חומר מוליך (חשמלית) - חומר שקיימים בו מטענים חשמליים המסוגלים לנוע בהשפעת כוח חשמלי.
חומר רדיואקטיבי - חומר הפולט חלקיקים או קרינה מגרעיני האטומים שלו. מעל רמה מסוימת, חלקיקים אלו מהווים סכנה ליצורים חיים.
חוק המנוף - חוק המאפשר לחשב את רווח הכוח במנוף (או את הפסד הכוח במקרה של מנוף מסוג 3).
*419*
חוק שימור האנרגיה - חוק פיזיקלי הקובע כי בתהליכים המתרחשים במערכת סגורה הכמות הכוללת של האנרגיה נשמרת (אינה משתנה).
חוק שימור המסה (חוק שימר החומר) - בכל התהליכים הכימיים והפיזיקליים נשמרת המסה הכללית של החומרים המשתתפים בתהליך. כלומר סכום מסות המגיבים זהה לסכום מסות התוצרים (הגדרה מדעית שלמה .מתייחסת לתהליכים המתרחשים במערכת סגורה).
חוקי ניוטון - שלושה חוקים שניסח ניוטון והמופיעים לראשונה בספרו "העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע" (1687).
החוק הראשון של ניוטון - עוסק בתנועה במהירות קבועה: גוף מתמיד בתנועתו כל עוד לא פועלים עליו כוחות, או ששקול הכוחות עליו הוא אפס.
החוק השני של ניוטון - עוסק בהשפעת כוח שקול על תנועת גוף: גוף משנה את מהירותו כאשר פועל עליו כוח שקול שאינו אפס.
החוק השלישי של ניוטון - עוסק בכוחות באינטראקציה: באינטראקציה פועלים שני כוחות השווים בגודלם, מנוגדים בכיוונם ופועלים על גופים שונים.
חיבור בטור - צורת חיבור שבה הרכיבים החשמליים במעגל מחוברים זה אחר זה. בחיבור בטור כל הרכיבים מקבלים זרם זהה.
חיבור במקביל - צורת חיבור שבה הרכיבים החשמליים מחוברים זה לזה בשני קצותיהם. בחיבור במקביל לא בהכרח כל הרכיבים מקבלים זרם זהה.
טרמפולינה - משטח אלסטי אופקי המאפשר לנתר עליו באופן אנכי.
יון - חלקיק טעון במטען חשמלי.
יון חיובי - אטום (או חלקיק) שבו מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים.
יון שלילי - אטום (או חלקיק) שבו מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים.
יחידות - אמות מידה לגדלים בפיזיקה. בין היחידות הנפוצות אפשר למצוא את המטר (למרחק), השנייה (לזמן), והקילוגרם (למסה).
יחידת זמן - יחידת מדידה הקשורה לזמן. לדוגמה: שנייה, דקה, שעה, שנה.
יסוד - חומר טהור המורכב מאטומים מאותו סוג.
כוח החיכוך - כוח הפועל בין שני גופים במגע וכיוונו תמיד מקביל למשטח המגע של הגופים.
כוח הכבידה - כוח המשיכה הפועל בין כדור הארץ לבין הגופים הנמצאים עליו. כוח זה פועל גם בכוכבים אחרים, ובין כל שני גופים.
*420*
כוח חשמלי - הכוח שמפעילים מטענים חשמליים זה על זה (משיכה או דחייה).
כוח מגנטי - כוח משיכה או דחייה הפועל בין שני מגנטים או בין מגנט לחומרים אחרים, בעיקר ברזל.
כוח שקול - סכום וקטורי של כוחות הפועלים על גוף.
כוח - גודל פיזיקלי המבטא את עוצמת האינטראקציה בין שני גופים. הכוח נמדד ביחידות ניוטון (הנפוצה ביותר), קילוגרם-כוח (קג"כ) ודין (ביחידות סג"ש: ס"מ-גרם-שנייה). כוח הפועל על גוף יכול לגרום לשינוי בצורתו או לשינוי בתנועתו. יש כוחות הפועלים במגע (כגון חיכוך), ויש כאלה הפועלים ללא מגע (כגון משקל).
כרומטוגרפיה - שיטה להפרדת תערובת המבוססת על ההבדל ביכולת של חומרים להסתפח לחומר נתון. לדוגמה: סיפוח חומר לנייר סופג.
לחץ - כוח הפועל על יחידת שטח. היחידה המקובלת ללחץ היא ניוטון למ"ר ונקראת "פסקל". בחיי היומיום אפשר להסביר תופעות טוב יותר בעזרת מושג הלחץ לעומת המושג כוח.
מד-זרם (אמפרמטר) - מכשיר המיועד למדידה של עוצמת הזרם החשמלי.
מד-כוח (דינמומטר) - מכשיר המודד את גודל הכוח הפועל בין שני גופים. מד-הכוח בנוי על פי רוב מקפיץ שמידת התארכותו משמשת מדד לגודל הכוח.
מד-אור - מכשיר למדידת עוצמת אור הנקלטת בנקודה מסוימת.
מדידה - תהליך של מתן ערך כמותי לתכונות ולגדלים של חומרים וגופים.
מהירות - היחס שבין המרחק שגוף עובר בזמן מסוים לגודלו של פרק זמן זה. בדרך כלל מהירות נמדדת במטרים לשנייה או בק"מ לשעה.
מוליך למחצה - חומר שמוליכותו החשמלית תלויה בגורמים חיצוניים כגון אור וטמפרטורה, ועל כן בתנאים מסוימים הוא מוליך זרם חשמלי ובתנאים אחרים - לא.
מוליכות חשמלית - תכונה של החומר המציינת את מידת יכולתו להעביר דרכו זרם חשמלי.
מולקולה - חלקיק המורכב משני אטומים או יותר, זהים או שונים, הקשורים זה לזה באמצעות כוחות משיכה חשמליים.
*421*
מישור משופע - מישור נטוי בזווית מסוימת יחסית למישור האופקי. מאפשר להקטין את הכוח הדרוש להרמת גופים תוך הגדלת המרחק שעליו פועל הכוח.
מנוף - מכשיר המאפשר הגברת כוח תוך הקטנת טווח התנועה (מנוף מסוגים 1 ו-2) ולהפך (מנוף מסוג 3). מנופים נפוצים מאוד בחיי היומיום וגם בגוף האדם.
מסג (או סגסוגת) - תערובת אחידה במצב מוצק שאחד ממרכיביה המרכזיים הוא מתכת, ושאר המרכיבים הם מתכות ו/או פחמן שהותכו יחד.
מסה - כמות החומר של גוף. היא נמדדת ביחידות שונות, ובהן גרם, ק"ג וטון.
מספר אטומי - מציין את מספר הפרוטונים בגרעין האטום.
מספר מסה - מציין את סכום מספר הפרוטונים והניטרונים בגרעין האטום.
מעגל חשמלי סגור - מערכת הכוללת מקור חשמל ואוסף רכיבים חשמליים המחוברים באמצעות מוליכים באופן המאפשר זרימת זרם דרכם.
מעגל חשמלי פתוח - מערכת הכוללת מקור חשמל ואוסף רכיבים חשמליים המחוברים באמצעות מוליכים, שיש בה יש נתק המונע זרימת זרם חשמלי.
מערכת סגורה - מערכת שאינה נתונה להשפעתם של גורמים חיצוניים ואינה משפיעה עליהם, כלומר אינה מצויה באינטראקציה עם סביבתה.
מערכת פתוחה - מערכת המשפיעה על גורמים חיצוניים ומושפעת מהם, כלומר מצויה באינטראקציה עם סביבתה.
מקור חשמל - רכיב חשמלי האחראי לזרימת הזרם במעגל
מקורות אנרגיה מתחדשים - מקורות אנרגיה שאינם מתכלים וכמותם בטבע איננה פוחתת כתוצאה מהשימוש בהם.
מקורות אנרגיה מתכלים - מקורות אנרגיה שכמותם בטבע פוחתת כתוצאה מהשימוש בהם.
משבר האנרגיה - מצב מדיני או עולמי שבו קיים קושי לספק את הדרישה לאנרגיה שימושית.
משפחה כימית - אוסף של יסודות בעלי תכונות משותפות הממוקמים בטור מסוים בטבלת היסודות.
משקל - הכוח שבו נמשך גוף אל מרכז גרם השמים שעליו הוא נמצא. (יחידה נפוצה של משקל היא ניוטון.) משקלו של גוף שונה בגרמי שמים שונים.
*422*
מתכת - יסוד המוליך זרם חשמלי וחום, מבריק ומוצק בטמפרטורת החדר (פרט לכספית) וניתן לריקוע.
ניטרון - חלקיק תת-אטומי חסר מטען חשמלי.
נגד - רכיב בעל התנגדות גבוהה יחסית למעבר של זרם דרכו.
ניוטון, אייזק - פיזיקאי ומתמטיקאי אנגלי שחי במאה ה-17 (1642-1727). תרומתו הגדולה ביותר הייתה הספר "העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע", שפורסם ב-1687 וכלל שלושה חוקים שהם הבסיס למכניקה הקלאסית.
ניוטון - יחידת מידה המבטאת גודל של כוח.
סולם - pH סדרת ערכים בין 0 ל-14 המשמשים לדירוג של מידת החומציות והבסיסיות של חומרים בתמיסות (0 - חומר בעל דרגת חומציות גבוהה מאוד, 14 - חומר בעל דרגת בסיסיות גבוהה מאוד, 7 - תמיסה ניטרלית).
סינון - שיטה להפרדת תערובת לא אחידה של מוצק ונוזל או של תערובת מוצקים בעלי גרגרים בגודל שונה.
סריג אטומרי - מספר רב של אטומים הקשורים זה לזה באמצעות כוחות משיכה חשמליים ויוצרים מבנה ענק.
סריג יוני - מבנה מסודר בעל צורה גאומטרית מסוימת של יונים חיוביים ויונים שליליים.
סריג מתכתי - אטומי מתכת רבים הערוכים במבנה תלת-ממדי ענק, מסודר ומאורגן.
עומס יתר - מצב שבו עוצמת הזרם החשמלי גבוהה מדי כתוצאה מהפעלה בו-זמנית של מכשירים שהם צרכני חשמל גדולים. עומס יתר עלול לגרום לשרפה כתוצאה מחימום יתר של הרכיבים החשמליים במעגל.
פוטוסינתזה - תהליך כימי המתרחש בצמחים ירוקים, באמצעות אנרגיית האור. בתהליך זה נוצרים חמצן ופחמימות מפחמן דו-חמצני, מים ואור השמש.
פרוטון - חלקיק תת-אטומי בעל מטען חשמלי חיובי.
צבר - אוסף של מספר גדול מאוד של חלקיקים.
קוד - צופן, כתב סימנים מוסכמים המועברים לצורך פיענוח.
*423*
קיטור - אדי מים, מים במצב צבירה גזי ובלחץ גבוה.
קפיץ - גוף אלסטי בעל מבנה ספיראלי היכול להתארך או להתכווץ כתוצאה מהפעלת כוחות עליו, ולחזור למצבו הראשוני לאחר הפסקת פעולת הכוחות.
קצר חשמלי - מצב שבו שני קצוות של מקור החשמל מחוברים באופן ישיר.
שטח חתך - השטח של חתך מישורי בגוף תלת-ממדי.
שינוי כימי - שינוי בהרכב החומר ובתכונותיו הגורם ליצירת חומר או חומרים חדשים הבנויים מחלקיקים שונים מאלו של חומר המוצא (המגיב). לדוגמה: החלדה של ברזל.
שינוי פיזיקלי - שינוי שבמהלכו הרכב החומר ותכונותיו אינם משתנים. לדוגמה: שינוי מצב צבירה.
תא שמש - מתקן המיועד להפקת אנרגיה חשמלית על ידי המרת אנרגיית הקרינה שהוא קולט מהשמש. תאי השמש משמשים להפעלת מכשירים כמו מחשבי כיס ושעונים, וגם להפקת חשמל בתחנות חלל ובלוויינים.
תאוצה - גודל פיזיקלי המתאר את קצב שינוי המהירות, כלומר את שינוי המהירות ביחידת זמן, ואת כיוונו של שינוי זה. יחידה נפוצה של תאוצה היא מטר לשנייה בריבוע (מ\שנ^2). תאוצה שלילית נקראת גם תאוטה.
תהליך בעירה (תגובת בעירה) - תהליך כימי שבו חומר מגיב עם חמצן. לעתים התהליך מלווה בפליטת חום, אור או להבה, או צירוף שלהם.
תהליך כימי - תהליך שבו נוצרים (אחד או יותר) חומרים חדשים - תוצרים, שהרכביהם ותכונותיהם שונים מאלה של חומרי המוצא - המגיבים.
תהליך סתירה (תגובת סתירה) - תהליך כימי בין חומצה ובסיס שבו נוצרים חומרים בעלי pH ניטרלי.
תהליך פולט אנרגיה (תהליך אקסותרמי) - תהליך כימי שבמהלכו כפלטת אנרגיה לסביבה.
תהליך קולט אנרגיה (תהליך אנדותרמי) - תהליך כימי שבמהלכו נקלטת אנרגיה מהסביבה.
תכונה מפרידה - תכונה המאפשרת להפריד חומרים בתערובת מאחר שהיא מתבטאת באופן שונה בחומרי התערובת. לדוגמה: מסיסות חומר במים.
תמיסה - תערובת אחידה שמכילה ממס ומומס.
*424*
תמיסה רוויה - תמיסה המכילה את הכמות המרבית של מומס שאפשר להמיס בכמות מסוימת של מסס.
תערובת - חומר הכולל שני חומרים טהורים שונים או יותר, המעורבבים ביחס כמויות משתנה.
תערובת לא אחידה (הטרוגנית) - תערובת של שני חומרים או יותר שבה אפשר להבחין בין החומרים.
תערובת אחידה (הומוגנית) - תערובת של שני חומרים או יותר שבה אי אפשר להבחין בין החומרים.
תרכובת - חומר טהור הבנוי לפחות משני סוגי אטומים.
תרכובת יונית - תרכובת המורכבת מיונים חיוביים ויונים שליליים.
תרכובת מולקולרית - תרכובת המורכבת ממולקולות זהות הבנויות מאטומים שונים של אל-מתכות.
תרשים כוחות (של גוף חופשי) - תרשים המציג את כל וקטורי הכוחות הפועלים על גוף בודד.
תרשים מלבנים - תרשים הכולל מלבנים המייצגים גופים וכן חצי כוח המצביעים על כיוון הפעלת כוחות בין הגופים.
*425*
*425*
טבלת היסודות
שורה 1: מימן-H-1 (טור 1), הליום-He-2 (טור 8)
שורה 2: ליתיום-Li-3 (טור 1), בריליום-Be-4 (טור 2), בור-B-5 (טור 3), פחמן-C-6 (טור 4), חנקן-N-7 (טור 5), חמצן-O-8 (טור 6), פלואור-F-9 (טור 7), נאון-Ne-10 (טור 8)
שורה 3: נתרן-Na-11 (טור 1), מגנזיום-Mg-12 (טור 2), אלומיניום-Al-13 (טור 3), צורן-Si-14 (טור 4), זרחן-P-15 (טור 5), גפרית-S-16 (טור 6), כלור-Cl-17 (טור 7), ארגון-Ar-18 (טור 8)
שורה 4: אשלגן-K-19 (טור 1), סידן-Ca-20 (טור 2), סקנדיום-Sc-21, טיטניום-Ti-22, ונדיום-V-23, כרום-Cr-24, מנגן-Mn-25, ברזל-Fe-26, קובלט-Co-27, ניקל-Ni-28, נחושת-Cu-29, אבץ-Zn-30, גליום-Ga-31 (טור 3), גרמניום-Ge-32 (טור 4), ארסן-As-33 (טור 5), סלניום-Se-34 (טור 6), ברום-Br-35 (טור 7), קריפטון-Kr-36 (טור 8)
שורה 5: רובידיום-Rb-37 (טור 1), סטרונציום-Sr-38 (טור 2), איטריום-Y-39, זרקוניום-Zr-40, ניאוביום-Nb-41, מולבידן-Mo-42, טכנציום-Tc-43, רותניום-Ru-44, רודיום-Rh-45, פלדיום-Pd-46, כסף-Ag-47, קדמיום-Cd-48, אינדיום-In-49 (טור 3), בדיל-Sn-50 (טור 4), אנטימון-Sb-51 (טור 5), טלור-Te-52 (טור 6), יוד-I-53 (טור 7), קסנון-Xe-54 (טור 8)
שורה 6: צזיום-Cs-55 (טור 1), בריום-Ba-56 (טור 2), (ריק)-(ריק)-57-71, הפניום-Hf-72, טנטלום-Ta-73, טונגסטן-W-74, רניום-Re-75, אוסמיום-Os-76, אירידיום-Ir-77, פלטינה-Pt-78, זהב-Au-79, כספית-Hg-80, תליום-Tl-81, (טור 3), עופרת-Pb-82 (טור 4), ביסמוט-Bi-83 (טור 5), פולניום-Po-84 (טור 6), אסטטין-At-85 (טור 7), רדון-Rn-86 (טור 8)
שורה 7: פרנציום-Fr-87 (טור 1), רדיום-Ra-88 (טור 2), (ריק)-(ריק)-89-103, רותפורדיום-Rf-104, דובניום-Db-105, סיבורגיום-Sg-106, בוהריום-Bh-107, הסיום-Hs-108, מייטנריום-Mt-109, דרמשטטיום-Ds-110, רנטגניום-Rg-111, Uub-112, Uut-113, (טור 3), Uuq-114 (טור 4), Uup-115, (טור 5), Uuh-116 (טור 6), (לא קיים עדיין)-Uus-117 (טור 7), (לא קיים עדיין)-Uuo-118 (טור 8)
- לנתן-La-57, צריום-Ce-58, פרסאודימיום-Pr-59, ניאודימיום-Nd-60, פרומתיום-Pm-61, סמריום-Sn-62, אירופיום-Eu-63, גדוליניום-Gd-64, טרביום-Tb-65, דיספרוסיום-Dy-66, הולמיום-Ho-67, ארביום-Er-68, תולום-Tm-69, איטרביום-Yb-70, לוטציום-Lu-71
- אקטיניום-Ac-89, תוריום-Th-90, פרוטאקטיניום-Pa-91, אורניום-U-92, נפטוניום-Np-93, פלוטוניום-Pu-94, אמריציום-Am-95, קיוריום-Cm-96, ברקליום-Bk-97, קליפורניום-Cf-98, אינשטיניום-Es-99, פרמיום-Fm-100, מנדלביום-Md-101, נובליום-No-102, לורנציום-Lr-103
סוף הספר
