פיזיקה וטכנולוגיה לכיתה ט
נכתב על-פי תכנית הלימודים המעודכנת
במדע וטכנולוגיה לכיתות ז-ט
בבית הספר הממלכתי והממלכתי-דתי
פיתוח וכתיבה: ד"ר ראפע ספדי,
חוה בן חורין, ד"ר דנה ירון-מרקוביץ, ד"ר נורית קינן
הוצאת "מטח"
ישראל, 2015
עמודי דפוס 4-197
העתיקה: ורד 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.
(על גב הספר כתוב:)
הספר פיזיקה וטכנולוגיה לכיתה ט עוסק בהיבטים פיזיקליים וטכנולוגיים של נושא האנרגיה. נושא האנרגיה הוא רב-תחומי ולכן בספר הלימוד באים לידי ביטוי היבטים מדעיים, הנדסיים-טכנולוגיים וסביבתיים.
ספר לימוד זה פותח בהתאם לתכנית הלימודים החדשה של משרד החינוך, והוא כולל את כל הנושאים במדעי החומר - פיזיקה ומערכות טכנולוגיות, שנקבעו לכיתה ט בתכנית הלימודים המעודכנת במדע וטכנולוגיה (2014).
בספר שבעה פרקים: מבוא; אנרגיית גובה וניצולה, אנרגיית תנועה ויישומה, אנרגיה במערכות חשמליות; חום וניצולו; אנרגיית קרינה והשימוש בה; אנרגיה גרעינית, ובסופו: פרויקט התייעלות אנרגטית בבית הספר.
הספר הדיגיטלי בסביבת כותר ספרי לימוד בכתובת www.school.kotar.co.il
עשיר בהטמעות של הדמיות, אנימציות ודפי עבודה אינטראקטיביים שפותחו בהלימה לספר הלימוד.
האתר ברשת המלווה את ספר הלימוד:
הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה
www.ebaghigh.cet.ac.il
תוכן העניינים
(התוכן ערוך כך: שם הפרק ועמוד דפוס)
*4*
פתיחה
הספר פיזיקה וטכנולוגיה לכיתה ט עוסק במושגים ובהיבטים פיזיקליים וטכנולוגיים של נושא האנרגיה, ובעיקר בנושא האנרגיה על כל סוגיה ובדרכים שהיא באה לידי ביטוי בתופעות שונות. בספר שבעה פרקים:
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
פרק זה הוא מבוא לכל נושא האנרגיה. בפרק זה נחשפים למושגים הנלמדים לעומק בהמשך הספר, ובהם: אנרגיה, שינויי אנרגיה, המרות אנרגיה לחום, יחידות מידה של אנרגיה ושימור אנרגיה.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה עוסקים בגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה ובקשרים ביניהם, מחשבים את אנרגיית הגובה ומכירים יישומים טכנולוגיים המנצלים אנרגיה זו לתועלת האדם. כמו כן מתנסים במשימה טכנולוגית-הנדסית המבוססת על העקרונות המדעיים שנלמדו בו.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה עוסקים בגורמים המשפיעים על אנרגיית התנועה ובקשרים ביניהם, מחשבים את אנרגיית התנועה, מכירים יישומים טכנולוגיים המנצלים אנרגיה זו לתועלת האדם ומתנסים בפעילות תיכון טכנולוגית-הנדסית. דגש מיוחד ניתן לאנרגיית התנועה בכביש.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה מכירים מעגלים חשמליים, מודדים ומחשבים את עוצמת הזרם החשמלי, המתח החשמלי וההתנגדות של רכיבים במעגל, מכירים את חוק אוהם, עוסקים בהספק ובנצילות של מכשירים חשמליים ומתכננים מערכת טלגרף המבוססת על העקרונות שנלמדו בו.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה עוסקים במושג חום ובהבדל בינו לבין המושג טמפרטורה, חוקרים את הגורמים המשפיעים על כמות החום שגוף קולט או פולט, מבינים את המושגים חום סגולי וחום כמוס ומכירים דרכים לניצולם במערכות טכנולוגיות, ומתכננים מתקן קירור ללא שימוש באנרגיית חשמל.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה עוסקים בסוגי קרינה אלקטרומגנטית ובמאפייניה. מכירים מגוון תופעות הקשורות באנרגיית קרינה, באינטראקציה בינה לבין חומר ובשימוש בה במערכות טכנולוגיות, ומתנסים בבניית תנור שמש.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
פרק 7: אנרגיה גרעינית
בפרק זה עוסקים בכמות האנרגיה העצומה המשתחררת בתהליכי ביקוע גרעיני ומיזוג גרעיני ובדרכים לניצול אנרגיה גרעינית לתועלת האדם. כמו כן מכירים את הסכנות שבחשיפה לקרינה רדיואקטיבית ואמצעים להפחית את נזקיה.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
פרויקט סיכום: התייעלות אנרגטית בבית הספר
פרויקט שיתופי המבוסס על שימוש במונחים ובעקרונות שנלמדו בתחום ההתייעלות האנרגטית. הפרויקט משלב מיומנויות חקר, מידענות ופתרון בעיות הנדסיות וטכנולוגיות, ומסכם את הספר בעשייה אותנטית החשובה לפרט ולכלל.
*5*
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
אמצעי זהירות במעבדה
לפניכם רשימת אמצעי זהירות כלליים לעבודה במעבדה. בנוסף על רשימה זו, ליד כל ניסוי בספר מפורטים אמצעי הזהירות המיוחדים לניסוי.
לפני תחילת העבודה במעבדה קראו היטב את מהלך הניסוי, הכירו את הציוד ואת החומרים שבהם תשתמשו ואת אמצעי הזהירות הנדרשים בעת השימוש בהם. התחילו את העבודה רק לאחר שהבנתם את מהלך הניסוי ונקטתם את כל אמצעי הזהירות הנחוצים.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
כללי הופעה והתנהגות אישית במעבדה
1. בכל ההתנסויות במעבדה יש להרכיב משקפי מגן. בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
2. עבדו בשיער אסוף בלבד.
3. הגיעו למעבדה בנעליים סגורות בלבד ובמכנסיים ארוכים. רצוי ללבוש חלוק מעבדה או חולצה ישנה מעל הבגדים כדי למנוע את הכתמתם.
4. אל תאכלו ואל תשתו במעבדה. אל תטעמו חומרים המשמשים לניסוי ולא חומרים המשמשים למאכל בחיי היום-יום, מרגע כניסתכם למעבדה!
5. אסור להריח מקרוב חומרים במעבדה, גם לא מאכלים שהוכנסו למעבדה.
6. אם הניסוי מחייב עבודה עם כפפות ו/או עבודה במנדף או במקום מאוורר, הקפידו על ביצוע הוראות אלה.
*6*
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
8. קראו היטב את התוויות על הקופסאות והבקבוקים המכילים את החומרים.
9. אם הבחנתם בציוד פגום (לדוגמה, כלי זכוכית סדוק או שבור), אל תשתמשו בו והודיעו על כך למורה.
10. רצוי לעבוד על מגש ולא ישירות על שולחנות המעבדה.
11. שולחן המעבדה צריך להיות נקי ומסודר ופנוי מחפצים מיותרים.
12. עבדו במקומכם בשקט, אל תרוצו או תנועו בפתאומיות.
13. אם מתרחש משהו חריג (לדוגמה: כלי מעבדה נשבר או חומר נשפך), הודיעו מיד למורה ופעלו על פי ההוראות שתקבלו.
14. אם נגעתם ביד חשופה בחומרי המעבדה, שטפו את הידיים במים וסבון והודיעו מיד למורה.
15. אל תשאירו את עמדת הניסוי ללא השגחה.
16. לפני כל יציאה מן המעבדה קבלו את אישור המורה.
17. רחצו ידיים במים וסבון לפני עזיבת המעבדה.
כללי זהירות בחימום חומרים
18. אין להדליק גזייה או כוהלייה על שולחן תלמיד. שימוש בגזייה או בכוהלייה יתבצע על ידי המורים או הלבורנטים מעל מגש נירוסטה או אלומיניום.
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
20. בחימום נוזל במבחנה, אין למלא יותר משליש הגובה של המבחנה.
21. אל תניחו כלים חמים על השולחנות, אלא רק על משטח העמיד בטמפרטורות גבוהות.
22. הרחיקו חומרים דליקים מלהבה וממקור חום.
כללי זהירות בחשמל
23. אל תיגעו במכשירים חשמליים בידיים רטובות.
24. הפעילו מכשירים חשמליים על פי ההוראות בלבד.
25. אין לגעת בחוטי חשמל חשופים או לפתוח ארונות חשמל. הודיעו למורה מיד על כל תקלה הקשורה לשימוש במכשירים חשמליים.
*7*
*7*
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
בפרק זה נלמד ש...
- פיזיקה היא מדע העוסק בחקר תופעות טבע בסיסיות.
- ההנדסה היא תחום העוסק ביישומים טכנולוגיים של הידע המדעי כדי לשפר את איכות חיינו.
- שינוי באנרגיה בא לידי ביטוי בתהליכים שבהם מתרחש שינוי בגדלים כמו הגובה, המהירות והטמפרטורה.
- האנרגיה מתבטאת בצורות שונות - אלה הם סוגי האנרגיה השונים.
- שינוי באנרגיה יכול להיות שינוי בסוג האנרגיה, מעבר של אנרגיה מגוף לגוף, או שניהם.
- כאשר תהליכים של שינוי באנרגיה מתרחשים במערכת מבודדת, כמות האנרגיה הכוללת שלה נשמרת, כלומר לא משתנה.
מושגים שנכיר:
פיזיקה
טכנולוגיה
אנרגיה
המרת אנרגיה
מעבר אנרגיה
חוק שימור האנרגיה
ג'ול
*8*
מבוא
הספר פיזיקה וטכנולוגיה לכיתה ט דן במושגים, בתופעות ובחוקים מתחום הפיזיקה הנוגעים לאנרגיה, בהיבטים הנדסיים-טכנולוגיים הנוגעים לתחום זה, ובהשפעת הטכנולוגיה על החברה ועל הסביבה.
פיזיקה היא מדע העוסק בחקר תופעות הטבע הבסיסיות. לדוגמה, גוף הנופל מגובה, תנועה של גרמי השמים כמו כוכבי לכת וירחים, קרינת השמש, קרינה רדיואקטיבית ועוד. הפיזיקה עוסקת בשאלות כגון אלו: כיצד משתנה המהירות של גוף הנופל מגובה? כיצד קרינה המגיעה מן השמש משפיעה על התחממות כדור-הארץ? מהו האור? מה משפיע על עוצמת הזרם במעגל החשמלי?
חוקרים בתחום הפיזיקה מנסחים חוקים המתארים באופן כללי תופעות שונות. בעזרת החוקים הללו אפשר לנבא כיצד יתנהגו מערכות רבות בתנאים מסוימים. לדוגמה, המדען גיאורג אוהם ניסח לפני כ-200 שנים את חוק אוהם. בעזרת החוק הזה אפשר לחשב מה תהיה עוצמת הזרם החשמלי במעגלים שונים כאשר יודעים מה חוזק המקור במעגל ומה ההתנגדות של הרכיבים השונים במעגל.
הנדסה היא תחום העוסק ביישומים של הפיזיקה ושל תחומים מדעיים אחרים כדי לתת מענה לצרכים של האדם. לדוגמה, מנוע המכונית הוא פיתוח טכנולוגי העושה שימוש בידע המדעי על תהליכי שריפה ועל המרות אנרגיה הנחוצות לפעולת המכונית. מכשיר הרנטגן הוא פיתוח טכנולוגי המבוסס על ידע מדעי בנושא קרינה והאינטראקציה שלה עם חומר, ומשמש לצרכים רפואיים, לצרכים ביטחוניים ועוד.
מטרת הטכנולוגיה היא לשרת את האדם ולשפר את איכות החיים. קשה לדמיין עולם ללא טלפונים ניידים, מכוניות, מזגנים ומנורות. השימוש בכל המוצרים האלה, ואפילו תהליכי הייצור של כל אחד מהם, תלויים במקורות אנרגיה.
ככל שאוכלוסיית בני האדם גדלה, וככל שהצמיחה הכלכלית העולמית מתגברת, כך גדל גם הביקוש למקורות אנרגיה. על פי מינהלת המידע האמריקנית, בעוד כ-25 שנים צריכת האנרגיה תוכפל בהשוואה לביקוש בימינו!
(בספר גרף:) צריכת אנרגיה עולמית.
(בגרף נתונים לגבי שנים 1990-2015 ותחזית לשנים 2015-2040, מקורות האנרגיה המצוינים בגרף, לפי סדר צריכת האנרגיה מהם, מהגדול לקטן: נפט גולמי ופחם, גז טבעי, מקורות מתחדשים, אנרגיה גרעינית)
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
*9*
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
אך לפיתוחים טכנולוגיים ולשימוש בהם עשויות להיות השפעות על הבריאות שלנו ועל איכות הסביבה. לכן חשוב לפתח אמצעים טכנולוגיים ולהשתמש בהם באופן מבוקר מתוך מודעות להשפעותיהם. לדוגמה, שימוש במכשירים חשמליים חסכוניים בחשמל מסייע להפחתת זיהום הסביבה כתוצאה מהשימוש בחשמל. שימוש בטלפונים סלולריים הפך מזמן לחלק משגרת חיינו, אך עלולה להיות לו השפעה מזיקה על בריאותנו, ועלינו לאמץ הרגלי זהירות שימנעו פגיעה אפשרית. גם נסיעה במכונית עלולה להיות מסוכנת, ולכן עלינו לנסוע במהירות המתאימה, כדי שנוכל לבלום בביטחון במידת הצורך.
אנרגיה
(בספר תמונה:) השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ
את עולם החומר קל לנו יותר להבין, שכן אנחנו יכולים לראות חומרים, למשש אותם וכדומה, אך האנרגיה היא מושג מופשט - לאבן המונחת בידנו יש אנרגיה, אבל אין אנו יכולים לראות אותה או לגעת בה.
*10*
שינויים באנרגיה: המרות אנרגיה ומעברי אנרגיה
לעתים קרובות אנו משתמשים במושג אנרגיה כאשר אנו מדברים על שימוש במשאבים שונים (נפט, פחם, גז, קרינת השמש וכדומה) לצרכיו של האדם: נסיעה, חימום, תאורה וכדומה. בתהליכים אלה מתרחשים שינויים מסוימים, לדוגמה: במהירות של הגופים, בגובהם, בטמפרטורה שלהם ועוד, והשינויים האלה כרוכים תמיד בשינוי בסוג האנרגיה.
ואכן, האנרגיה מתגלה לעינינו גם בתופעות הטבע וגם בתופעות מעשה ידי האדם בתהליכים שבהם מתרחש שינוי. בתהליכים האלה מתרחשות המרות אנרגיה - סוג האנרגיה משתנה, או מעבר אנרגיה - אנרגיה עוברת מגוף לגוף או ממקום למקום בלי שסוגה משתנה.
לדוגמה, נוכל להבחין באנרגיה של האבן אם היא תיפול מידנו. השינוי שחל באבן הנופלת הוא שינוי בסוג האנרגיה שלה - אנרגיית הגובה שלה הולכת ופוחתת, והיא מומרת בהדרגה לאנרגיית התנועה ההולכת וגדלה. דוגמה נוספת היא אנרגיית הקרינה המגיעה מן השמש. אנו יכולים להבחין באנרגיית הקרינה העוברת מן השמש אלינו בצורת אור. כאשר הקרינה פוגעת בעצמים כגון מכוניות היא מחממת אותם, ואנו יכולים להרגיש זאת אם ניגע במכונית החונה בשמש. בתהליך הזה אנרגיית הקרינה שהגיעה מהשמש הומרה במכונית לחום.
להבנה של נושא המרות האנרגיה יש חשיבות רבה עבורנו, בני האדם. אנחנו נמצאים בתקופה שבה צריכת האנרגיה בעולם עולה בהתמדה, ועלינו למצוא פתרונות שיבטיחו לנו ולילדינו אספקת אנרגיה שוטפת בכמות הנחוצה לקיומנו. אל כדור-הארץ מגיעה אנרגיית קרינה מן השמש בכמות שיכולה לספק את כל צורכי האדם.
האנרגיה הזאת מומרת לסוגים רבים של אנרגיה, כגון אנרגיית התנועה של הרוח ושל הגלים, אנרגיה כימית בחומרי דלק ואנרגיה כימית ביצורים חיים. עלינו לפתח טכנולוגיות מתאימות שיאפשרו לנו להמיר סוגי אנרגיה שונים ביעילות ובעלויות סבירות, כדי שיותר אנרגיה תהיה זמינה לשימושנו. חקר נושא האנרגיה ופיתוח מקורות אנרגיה חלופיים נמצא בראש סדר העדיפויות של מדינות רבות בעולם, המעניקות תקציבי מחקר ופיתוח למדענים ולמהנדסים העוסקים בנושא.
(בספר תמונה מתוך האתר: פעילות הכדור בגומה)
חוק שימור האנרגיה
אנרגיה יכולה לעבור מגוף לגוף ויכולה גם לשנות את סוגה, אך הכמות הכוללת של האנרגיה נשארת תמיד קבועה. אנרגיה איננה יכולה להיווצר יש מאין ואיננה יכולה להתכלות. עובדה זו נוסחה בחוק שימור האנרגיה: כמות האנרגיה הכוללת במערכת מבודדת (כלומר, במערכת שבינה לבין סביבתה אין חילופי אנרגיה) היא קבועה.
חוקי שימור, כגון חוק שימור האנרגיה וחוק שימור החומר (המסה), הם חוקים בסיסיים במדעי הטבע בכלל ובפיזיקה בפרט. חוק שימור האנרגיה הוא חוק אמפירי המבוסס על נתונים שהתקבלו מתצפיות ומניסויים שערכו מדענים במשך עשרות שנים.
*11*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, בחרו בנושא המשנה המרה ושימור האנרגיה והיכנסו אל יחידת הלימוד כדור בגומה.
(בספר שתי תמונות:)
חלק א: ללא חיכוך
1. הפעילו את ההדמיה (ללא חיכוך) וצפו בגרפים הנלווים לה (עמודות ועוגה).
2. תארו את תנועת הכדור.
3. אילו סוגי אנרגיה באים לידי ביטוי במהלך תנועתו של הכדור?
4. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה המתרחשות בעת תנועת הכדור.
5. האם האנרגיה הכוללת של המערכת נשמרת במהלך תנועתו של הכדור? נמקו את תשובתכם בעזרת הנתונים המוצגים בהדמיה.
חלק ב: עם חיכוך (הרחבה)
1. בחרו באפשרות חיכוך, הפעילו שוב את ההדמיה וצפו בגרפים הנלווים לה.
2. תארו את תנועת הכדור במצב שבו יש חיכוך.
3. אילו סוגי אנרגיה באים לידי ביטוי במהלך תנועתו של הכדור? איזה סוג אנרגיה מופיע במקרה שיש חיכוך ואינו מופיע כשאין חיכוך?
4. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה המתרחשות בעת תנועת הכדור.
5. האם כמות האנרגיה של הכדור (אנרגיית תנועה ואנרגיית גובה) נשמרת במהלך תנועתו? נמקו את תשובתכם בעזרת הנתונים המוצגים בהדמיה.
6. האם כמות האנרגיה הכוללת של המערכת נשמרת במהלך תנועת הכדור? נמקו את תשובתכם בעזרת הנתונים המוצגים בהדמיה.
*12*
יחידות מידה של אנרגיה
כדי להציג את הכמות או את הערך של גודל פיזיקלי, כגון אורך, זמן ומסה, יש צורך בהגדרת יחידת מידה עבורו. למשל, מטר היא יחידת מידה של אורך, שנייה היא יחידת מידה של זמן, וקילוגרם היא יחידת מידה של מסה. אנו נוהגים לומר שאורכו של השולחן הוא 1.5 מטרים, שהשיחה בטלפון נמשכה כ-40 שניות, ושמסתה של האבן היא 0.5 קילוגרם. ערכים אלו של האורך, של הזמן ושל המסה מבטאים את הכמות של גדלים פיזיקליים אלה. באופן דומה, כדי להציג את הכמות של האנרגיה יש להגדיר את יחידות המידה שלה. יחידת המידה של האנרגיה, לכל סוגיה, היא ג'ול (Joule). יחידה זו נקראת על שמו של הפיזיקאי ג'יימס פרסקוט ג'ול, שחי במאה ה-19.
- כאשר גוף שמשקלו 1 ניוטון משנה את גובהו ב-1 מטר האנרגיה שלו משתנה ב-1 ג'ול.
יחידות מידה נוספות שבהן מודדים אנרגיה הן: קלוריה, קילו-קלוריה, קילו-ואט-שעה ועוד.
המרות אנרגיה לחום
- חום - אנרגיה העוברת מגוף שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר אל גוף שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר.
בחיי היום-יום שלנו אנחנו מתנסים לעתים קרובות בהמרה של אנרגיה מסוגים שונים לחום. לדוגמה, מכונית העומדת בשמש מתחממת כתוצאה מהמרה של אנרגיית הקרינה לחום; מן המדורה הבוערת נפלטים אור וחום שמקורם בהמרה של אנרגיה כימית; ובקומקום החשמלי המים מתחממים כתוצאה מהמרה של אנרגיה חשמלית לחום. האם אפשר להמיר לחום עוד סוגי אנרגיה, כגון אנרגיית תנועה ואנרגיית גובה?
תמונה 1 - אנרגיה כימית מומרת לחום ולאנרגיית אור.
תמונה 2 - אנרגיה חשמלית מומרת לחום
(בספר תמונה:) ג'יימס פרסקוט ג'ול (רישום ראש)
*13*
ג'יימס פרסקוט ג'ול - מהפכן מדעי
עד לפני כ-200 שנה התייחסו המדענים לכל סוג אנרגיה בנפרד, והאמינו כי חום הוא סוג של חומר בלתי נראה הזורם מגוף חם אל גוף קר ממנו. החומר הזה כונה קלוריק. מחקריו של ג'יימס פרסקוט ג'ול, פיזיקאי אנגלי שחי במאה ה-19, הביאו לשינוי משמעותי בחשיבה על הנושא.
ג'ול היה בן למשפחה אנגלית אמידה. בילדותו חונך במסגרת ביתית ומאוחר יותר למד את השיטה המדעית, כימיה, מתמטיקה ופיזיקה ממיטב המורים הפרטיים, ובהם הכימאי הנודע ג'ון דלטון (המוכר לנו מהמודל שהציע למבנה האטום). במקביל לעבודתו בעסק המשפחתי הקים ג'ול בביתו מעבדה, ויום-יום לפני העבודה ואחריה הוא ביצע בה ניסויים בחום, בחשמל ועוד.
באמצעות מדידות מדויקות הוכיח ג'ול כי האנרגיה על כל סוגיה - אחת היא, וכי בתנאים המתאימים אפשר להמיר כל סוג של אנרגיה לחום. במילים אחרות, ג'ול הצליח להוכיח כי גם חום הוא צורה של אנרגיה.
(בספר תמונה:) המערכת שבה ביצע ג'ול את הניסוי שלו בשנת 1843.
הניסוי של ג'ול - האם אפשר להמיר כל אנרגיה לחום?
בשנת 1843 ערך ג'ול ניסוי שבו ניסה לחמם נוזל באמצעות שימוש באנרגיית גובה ובאנרגיית תנועה.
בניסוי הזה הוא הניח למשקולת ליפול מגובה כלשהו. המשקולת הייתה מחוברת לגלגל כנפיים שהיה בתוך מכל מלא בנוזל צמיג. גלגל הכנפיים הסתובב בתוך הנוזל והטמפרטורה של הנוזל עלתה.
הניסוי של ג'ול הוכיח כי בתנאים המתאימים אפשר להמיר אנרגיית גובה או אנרגיית תנועה לחום.
לג'ול לא הייתה השכלה אקדמית רשמית, וייתכן שזאת הסיבה לכך שהממסד המדעי התעלם בתחילה מתגליותיו. אך ג'ול לא התייאש, הוא המשיך במחקריו בתחום החום והאנרגיה עד שהם זכו להכרה רשמית. ג'ול התקבל לחברה המלכותית הבריטית ומאוחר יותר אף זכה בעיטור הגבוה ביותר שהיא מעניקה.
ג'ול המשיך במחקריו, הפעם כמדען מוערך על ידי הקהילה המדעית. בשנת 1852 ערך מחקר עם עמיתו ויליאם תומסון, והם גילו שכאשר גז מתפשט הטמפרטורה שלו יורדת. תגלית מדעית חשובה זו, הנקראת גם בשם אפקט ג'ול-תומסון, משמשת עד היום בטכנולוגיות של קירור ומאפשרת לנו לקרר את הבית באמצעות המזגן ולקרר מזון באמצעות המקרר.
ג'ול היה בעל יכולת טכנית מעולה, ולא אחת ביצע במו ידיו ניסויים מדעיים שבדקו את השערותיו של תומסון. ניסוייו של ג'ול הובילו ועיצבו את דעותיו שהיו מנוגדות לתיאוריה המדעית המקובלת בתקופתו. ג'ול היה לא רק נסיין מעולה, אלא גם עמד באומץ נגד התפיסה המדעית שרווחה עד אז, ודעותיו התקבלו על ידי שאר המדענים.
(בספר תמונה מתוך האתר: הניסוי של ג'ול)
*14*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
הדמיית הניסוי של ג'ול
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, בחרו בסעיף המרה ושימור האנרגיה ופתחו את יחידת הלימוד הניסוי של ג'ול.
לפניכם הדמיה המשחזרת את מערכת הניסוי של ג'ול. הניסוי המחיש כי בתנאים מתאימים אפשר להמיר אנרגיית גובה או אנרגיית תנועה לחום.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
בחרו באפשרות המרות אנרגיה. הרימו את המשקולת ושחררו אותה. חזרו על הפעולה בהילוך אטי.
1. תארו את מה שמתרחש בהדמיה של הניסוי של ג'ול. בתשובתכם התייחסו להמרות האנרגיה המתרחשות בניסוי.
2. מה ההפרש בין כמות האנרגיה של המערכת לפני נפילת המשקולת לבין כמות האנרגיה בסוף הנפילה?
בחרו באפשרות שינויי טמפרטורה. הרימו את המשקולת ושחררו אותה פעמים אחדות. בכל פעם שחררו את המשקולת מגובה שונה.
3. נסחו כלל המדגים את הקשר בין גובה המשקולת בתחילת הנפילה לבין טמפרטורת המים בסוף הנפילה.
*15*
שאלות
1. כיצד הניסוי של ג'ול הוכיח שאפשר להמיר אנרגיית גובה ואנרגיית תנועה לחום?
2. תארו בתרשים זרימה את המרות האנרגיה בניסוי של ג'ול.
3. הביאו שתי דוגמאות מחיי היום-יום להמרה של אנרגיית תנועה לחום.
4. קראו במקורות מידע נוספים על ג'ול ועל קורות חייו. לפי דעתכם, באילו תכונות ניחן ג'ול שרצוי שיהיו למדענים? כיצד התכונות האלה מסייעות למדענים בעבודתם המדעית?
הידעתם?
למה שווה ג'ול אחד?
ג'ול ערך מדידות מדויקות, שבהן הפיל גופים בעלי מסה ידועה מגבהים שונים כשהם מסובבים גלגל כנפיים בתוך נוזל צמיג, וחישב את שינויי הטמפרטורה של הנוזל שנגרמו כתוצאה מכך. בעקבות הניסויים הללו, היחידה שבה מודדים אנרגיה נקראת עד היום בשם ג'ול.
הנה כמה דוגמאות מחיי היום-יום שבהן מעורבת אנרגיה של 1 ג'ול.
ג'ול אחד הוא בערך:
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
- כמות החום שאדם הנמצא במנוחה פולט בכל 1/60 שנייה (כלומר בכל שנייה נפלט מהגוף חום בכמות של 60 ג'ול).
- כמות אנרגיית התנועה של כדור טניס הנע במהירות של 23 קמ"ש.
פעילות - ניסוי
כיצד לחמם מים?
מדי יום אנחנו מחממים מים לצרכים שונים: בישול, רחצה ועוד. את המים אנו מחממים בדרך כלל באמצעות חשמל, באמצעות להבת הגז על הכיריים, או באמצעות קרינת השמש.
האם אפשר לחמם מים גם באמצעים אחרים?
בפעילות הבאה תבצעו ניסויים שבהם יהיה עליכם לחמם מים באמצעים שונים - בשימוש בסוגי אנרגיה שונים. כדי למדוד את מידת התחממות המים, תמדדו את טמפרטורת המים בתחילת כל ניסוי ובסופו. תחקרו גם מה משפיע על מידת ההתחממות של המים.
כמו כן, תתבקשו לתכנן בעצמכם חלק מהניסויים. בתכנון הניסוי ובסיכומו תוכלו להיעזר במחולל הכתיבה ניסוי, שנמצא בילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה במדור כלים ומעבדות, בסעיף כלים לבניית מיומנויות.
*16*
ניסוי 1
(בספר תרשים זרימה:)
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
ציוד:
2 מבחנות זכוכית (האחת מסומנת בספרה 1 והאחרת כבקרה), פקק, מים, מד טמפרטורה.
מהלך הניסוי:
א. מזגו 2 מ"ל מים לתוך כל מבחנה.
ב. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בתחילת הניסוי.
ג. פקקו את שתי המבחנות. החזיקו את מבחנה 1 כך שידכם כמעט לא "עוטפת" את המבחנה מבחוץ, כדי שהמגע בין היד לבין המבחנה יהיה קטן ככל האפשר.
ד. נערו את מבחנה 1 במשך 5 דקות. אם אתם מתעייפים, העבירו את המבחנה בין חברי קבוצתכם.
ה. סיום הניסוי: הסירו את הפקקים ומדדו מיד את טמפרטורת המים במבחנת הניסוי ובמבחנת הבקרה.
תוצאות:
א. רשמו את תוצאות המדידות.
ב. תארו מה קרה לטמפרטורת המים בעקבות הניעור של המבחנה.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד השתנתה טמפרטורת המים בעקבות הניעור של המבחנה?
2. מה הגורם המשפיע בניסוי הזה על שינוי טמפרטורת המים? השתמשו בתשובתכם במונח אנרגיה.
3. מה הגורם הקבוע בניסוי שביצעתם?
4. בחרו את אחד הגורמים הקבועים ותכננו ניסוי הבודק את השפעתו על השינוי בטמפרטורת המים. בתכנון הניסוי פרטו את: שאלת החקר, ההשערה, הגורם המשפיע, הגורם המושפע, הגורמים הקבועים ומהלך הניסוי.
5. העתיקו למחברתכם את תרשים הזרימה שלפניכם, תנו לו כותרת והשלימו בו את שינויי האנרגיה שהתרחשו בתהליך.
אנרגיית ה-- של היד - העברה - אנרגיית ה-- של המים - המרה - --
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
*17*
ניסוי 2
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! יש להקפיד על שימוש נכון באמצעי החימום ולהיזהר מחום המים.
ציוד:
2 מבחנות זכוכית (האחת מסומנת בספרה 2 והאחרת כבקרה), 2 כוסות כימיות, מי ברז (בטמפרטורת החדר), מים חמים, מד טמפרטורה.
מהלך הניסוי:
א. מזגו 2 מ"ל של מי ברז לתוך כל מבחנה.
ב. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בתחילת הניסוי.
ג. הניחו את מבחנה 2 בתוך כוס שבה מים חמים מאוד למשך 5 דקות.
ד. הניחו את מבחנת הבקרה בתוך כוס שבה מי ברז למשך 5 דקות.
ה. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בסוף הניסוי.
תוצאות:
א. רשמו את תוצאות המדידות.
ב. תארו את השינוי בטמפרטורת המים במבחנות במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד השתנתה טמפרטורת המים במבחנות במהלך הניסוי?
2. אילו שינויי אנרגיה התרחשו בתהליך, האם התרחש מעבר אנרגיה או שהתרחשה המרת אנרגיה? הסבירו.
3. תלמידים הצמידו 2 מבחנות זהות זו לזו. במבחנה אחת היו 2 מ"ל של מים בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס ובמבחנה האחרת היו 2 מ"ל של מים בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס. לאחר 5 דקות הטמפרטורה של המים החמים ירדה ל-60 מעלות צלזיוס.
התלמידים חישבו ומצאו כי כמות האנרגיה שאיבדו המים החמים שווה ל-250 ג'ול.
א. שערו: כמה אנרגיה נוספה למים הקרים?
1. יותר מ-250 ג'ול
2. פחות מ-250 ג'ול
3. 250 ג'ול בדיוק
ב. נמקו את תשובתכם.
*18*
ניסוי 3
(בספר תרשים זרימה:)
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! יש להקפיד על כללי חימום במבחנה כמתואר בעמוד 6.
ציוד:
2 מבחנות זכוכית (האחת מסומנת בספרה 3 והאחרת כבקרה), אטב עץ, מים, כהלייה, מד טמפרטורה.
מהלך הניסוי:
א. מזגו 2 מ"ל של מים לתוך כל מבחנה.
ב. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בתחילת הניסוי.
ג. הדליקו את הכהלייה.
ד. החזיקו את מבחנה 3 באמצעות אטב עץ בהטיה, כך שתחתית המבחנה תהיה מעל ללהבה (ולא בתוך הלהבה) במשך כחצי דקה.
ה. כבו את הלהבה.
ו. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בסוף הניסוי, מיד לאחר כיבוי הלהבה.
תוצאות:
א. רשמו את תוצאות המדידות.
ב. תארו את השינוי בטמפרטורת המים במבחנות במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד השתנתה טמפרטורת המים במבחנות?
2. מה הגורם המשפיע בניסוי הזה על שינוי טמפרטורת המים?
3. מה הגורם הקבוע בניסוי שביצעתם?
4. בחרו את אחד הגורמים הקבועים, תכננו ניסוי שבו תבדקו את השפעת הגורם שבחרתם על השינוי בטמפרטורת המים.
בתכנון הניסוי פרטו את: שאלת החקר, ההשערה, הגורם המשפיע, הגורם המושפע, הגורמים הקבועים ומהלך הניסוי.
5. העתיקו למחברתכם את תרשים הזרימה שלפניכם, והשלימו בו את שינויי האנרגיה שהתרחשו בתהליך.
אנרגיה -- בכוהל - המרה - -- בלהבה - העברה- --
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
*19*
ניסוי 4
(בספר תרשים זרימה:)
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
ציוד:
2 מבחנות זכוכית (האחת רגילה והאחרת צבועה בצבע כהה או עטופה בציפוי כהה ומסומנת בספרה 4; או מבחנה רגילה ומשטח כהה שאפשר להניח מאחורי המבחנה), מנורת שולחן חזקה, מד טמפרטורה.
מהלך הניסוי:
א. מזגו 2 מ"ל של מים לתוך כל מבחנה.
ב. מדדו את טמפרטורת המים במבחנות בתחילת הניסוי.
ג. התבוננו בציוד שברשותכם והציעו דרך לחמם בעזרתו מים.
ד. החליטו מה תהיה הבקרה בניסוי שלכם.
ה. בצעו את התהליך על פי הצעתכם.
תוצאות:
1. רשמו את תוצאות המדידות.
2. תארו את השינוי בטמפרטורת המים במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1 . מדוע לדעתכם משתמשים בצבע כהה בניסוי הזה?
2. מה הגורם המשפיע בניסוי הזה על טמפרטורת המים? השתמשו בתשובתכם במונח אנרגיה.
3. ציינו לפחות שני גורמים קבועים בניסוי שביצעתם.
4. בחרו את אחד הגורמים הקבועים, תכננו ניסוי הבודק את השפעת הגורם שבחרתם על השינוי בטמפרטורת המים.
בתכנון הניסוי פרטו את: שאלת החקר, ההשערה, הגורם המשפיע, הגורם המושפע, הגורמים הקבועים ומהלך הניסוי.
5. העתיקו למחברתכם את תרשים הזרימה שלפניכם, והשלימו בו את שינויי האנרגיה שהתרחשו בתהליך.
אנרגיה -- - המרה - אנרגיית -- במנורה - המרה - -- במים
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
*20*
ניסוי 5
(בספר תרשים זרימה:)
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! יש להקפיד על שימוש נכון באמצעי החימום ולהיזהר מחום המים.
ציוד:
2 כוסות קטנות (האחת מסומנת בספרה 5 והאחרת כבקרה), מים, מד טמפרטורה, גוף חימום המחובר למעגל חשמלי.
מהלך הניסוי:
א. מזגו 40 מ"ל של מים לכל כוס.
ב. מדדו את טמפרטורת המים בכוסות בתחילת הניסוי.
ג. הכניסו את גוף החימום המחובר למעגל חשמלי לתוך המים וסגרו את המעגל החשמלי.
ד. לאחר 5 דקות נתקו את המעגל החשמלי ומיד אחר כך מדדו את טמפרטורת המים בכוסות.
תוצאות:
א. רשמו את תוצאות המדידות.
ב. תארו את השינוי בטמפרטורת המים במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד השתנתה טמפרטורת המים בעקבות החימום?
2. מה הגורם המשפיע בניסוי זה על שינוי טמפרטורת המים? השתמשו בתשובתכם במונח אנרגיה.
3. ציינו לפחות שני גורמים קבועים בניסוי שביצעתם.
4. בחרו את אחד הגורמים הקבועים, תכננו ניסוי שבו תבדקו את השפעת הגורם שבחרתם על השינוי בטמפרטורת המים.
בתכנון הניסוי פרטו את: שאלת החקר, ההשערה, הגורם המשפיע, הגורם המושפע, הגורמים הקבועים ומהלך הניסוי.
5. העתיקו למחברתכם את תרשים הזרימה שלפניכם, והשלימו בו את שינויי האנרגיה שהתרחשו בתהליך.
אנרגיה -- בגוף החימום - המרה - -- של גוף החימום - העברה - -- המים
(בספר שלוש תמונות: ילד גולש בסקייטבורד, ילדה מחליקה ברולרבליידס, קוף יושב על ענף ואוכל פירות).
*21*
סיכום הפעילות
1. העתיקו אל המחברת את הטבלה המסכמת שלפניכם, והשלימו אותה בעזרת התוצאות שהתקבלו מכל הקבוצות. תנו כותרת לטבלה.
מספר הניסוי, סוג האנרגיה ששימשה לחימום המים, השינוי באנרגיה (המרה / מעבר), שינוי הטמפרטורה של המים (ירידה / עלייה / אין שינוי)
1, --, --, --
2, --, --, --
3, --, --, --
4, --, --, --
5, --, --, --
(בספר שלוש תמונות: ילד גולש בסקייטבורד, ילדה מחליקה ברולרבליידס, קוף יושב על ענף ואוכל פירות).
2. רשמו מסקנה שאפשר להסיק מן הנתונים שבטבלה.
3. רשמו שתי שאלות חקר נוספות העולות מן הנתונים שבטבלה.
4. בחרו אחת מהדרכים לחימום מים המתוארות בטבלה והציעו דרך לייעול החימום. היעזרו בחוק שימור האנרגיה במערכת מבודדת.
5. המדען ג'יימס ג'ול טען כי אפשר להמיר כל סוג של אנרגיה לחום. כיצד הניסויים שערכתם מחזקים את טענתו?
בספר הזה נעמיק את ההיכרות עם אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה, חום, אנרגיית קרינה, אנרגיה כימית, אנרגיה חשמלית ואנרגיה גרעינית. נבין כיצד אפשר להשתמש בסוגי האנרגיה האלה לתועלת האדם.
נלמד לחשב את כמות האנרגיה מסוגים שונים, ונבדוק באמצעות החישובים כיצד חוק שימור האנרגיה מתקיים בתהליכים שבהם אנרגיה מומרת מסוג אחד לסוג אחר.
נעסוק בתהליכי חקר מדעיים בתחומי האנרגיה, במערכות טכנולוגיות ותהליכי תיכון, ובמקרים שבהם מהנדסים חוקרים ומציעים פתרונות לבעיות טכנולוגיות, כגון הגברת זמינות האנרגיה מסוגים שונים וממקורות שונים.
כמו כן נדון במושג התייעלות אנרגטית, ונציע דרכים לצמצום ההשפעה של השימוש באנרגיה על הסביבה, כגון שימוש במקורות אנרגיה מתחדשים והפחתת כמות האנרגיה הנדרשת לצורך הפקת מוצר מסוים או מתן שירות מסוים.
סיכום
- אנרגיה באה לידי ביטוי בצורות שונות בסוגי האנרגיה השונים.
- אנרגיה באה לידי ביטוי בתהליכים של שינוי. בתהליך שינוי אנרגיה עוברת מגוף לגוף, או מומרת מסוג אנרגיה אחד לסוג אחר או לכמה סוגי אנרגיה.
- בכל התהליכים שבהם האנרגיה משתנה במערכת מבודדת, סך כל האנרגיה נשמר.
- אפשר להמיר כל סוג אנרגיה לחום.
*22*
שאלות
1. מערבלים מים במעבד מזון במהירות גבוהה. מה קורה למים? נמקו את תשובתכם.
א. המים מתאדים.
ב. המים מתחממים.
ג. המים מתחילים לקפוא.
ד. המים משנים את צבעם.
2. איזו טענה מבין הטענות שלפניכם היא נכונה?
א. חוק שימור האנרגיה הוכח באופן מתמטי ואינו מבוסס על ניסויים.
ב. חוק שימור האנרגיה תואם תוצאות של תצפיות וניסויים רבים.
ג. חוק שימור האנרגיה הוא השערה שעדיין לא נבדקה.
ד. חוק שימור האנרגיה הוא הנחה שאי אפשר לבדוק אותה בניסויים.
3. ג'ול הוא יחידת המידה ל:
א. אנרגיית גובה בלבד.
ב. אנרגיית תנועה בלבד.
ג. אנרגיית גובה ואנרגיית תנועה בלבד.
ד. כל סוגי האנרגיה.
4. על פי חוק שימור האנרגיה:
א. רק אם לא משתמשים בה, הכמות הכוללת של האנרגיה בעולם נשמרת.
ב. מקורות האנרגיה בעולם מוגבלים ולכן עלינו לשמור עליהם.
ג. כמות האנרגיה הכוללת במערכת מבודדת היא קבועה.
ד. אי אפשר להשתמש באנרגיה מהר יותר מהקצב שבו היא נוצרת.
5. תלמידים ערכו ניסוי: הם ניערו מבחנה שבה מים במשך 5 דקות. הביקורת לניסוי הייתה מבחנה שבה כמות מים זהה שהייתה במנוחה. בתום התהליך עלתה הטמפרטורה של המים המנוערים, ואילו הטמפרטורה של המים שנמצאו במנוחה לא השתנתה. איזו מסקנה התלמידים יכולים להסיק מהניסוי שערכו?
א. ככל שמנערים את המבחנה מהר יותר, טמפרטורת המים תעלה יותר.
ב. העלייה בטמפרטורת המים תלויה בכמות המים במבחנה.
ג. טמפרטורת המים עלתה בגלל חום שעבר מן הסביבה.
ד. אפשר להמיר אנרגיית תנועה לחום.
6. ציינו 4 סוגי אנרגיה היכולים לשמש לחימום מים.
7. איזה סוג של שינוי אנרגיה מתרחש באירועים הבאים (המרה, מעבר או שניהם)?
א. פנס דולק
ב. רוח מניעה שבשבת
ג. סיר עם מים מתחמם מעל להבת אש
ד. כדור נופל
*23*
*23*
(בספר שלוש תמונות: ילד גולש בסקייטבורד, ילדה מחליקה ברולרבליידס, קוף יושב על ענף ואוכל פירות).
בפרק זה נלמד ש...
- אנרגיית הגובה תלויה במשקל של הגוף.
- אנרגיית הגובה תלויה בגובה של הגוף מעל למשטח ייחוס.
- אנרגיית הגובה שווה למכפלה של המשקל בגובה.
- אנרגיית גובה יכולה לעבור המרה לאנרגיית תנועה ולסוגי אנרגיות נוספות, ולהיפך.
- אנו מנצלים את אנרגיית הגובה לצרכינו, לדוגמה: להפקת חשמל בתחנה הידרואלקטרית.
מושגים שנכיר:
אנרגיית גובה
אנרגיית תנועה
אנרגייה מכנית
משטח ייחוס (מישור ייחוס)
*24*
מבוא
האם ביליתם בקיץ ב"פארק מים"? אם כן, ודאי החלקתם באחת המגלשות אל תוך הבריכה. שמתם לב מה קורה כאשר הגולשים פוגעים במים? - ככל שגובה המגלשה גדול יותר, מי הבריכה ניתזים לגובה רב יותר.
ומה קורה כאשר אדם קופץ לבריכה ממקפצה גבוהה? - ככל שהמקפצה גבוהה יותר, הצלילה תהיה לעומק גדול יותר במים. ואם שניים קופצים למים מאותו הגובה, מי שמשקלו גדול יותר צולל לעומק רב יותר.
(בספר שלוש תמונות: ילד גולש בסקייטבורד, ילדה מחליקה ברולרבליידס, קוף יושב על ענף ואוכל פירות).
מה משותף לתופעות האלה וכיצד אפשר להסביר אותן? - בכל אחת מהן יש גוף (הגולש, הצולל, אגוז הקוקוס) שנמצא בגובה מסוים ונופל כלפי מטה. האנרגיה שיש לגופים המוגבהים מעל משטח כלשהו היא אנרגיית גובה (אנרגיית גובה - האנרגיה שיש לגופים המוגבהים מעל משטח כלשהו (משטח הייחוס)). את תהליך הנפילה של הגוף אפשר לתאר באמצעות המרת אנרגיה: אנרגיית הגובה מומרת בהדרגה לאנרגיית תנועה. בכל רגע במשך התהליך, השינוי (הירידה) באנרגיית הגובה שווה לשינוי (לעלייה) באנרגיית התנועה.
כך קורה לדוגמה גם כאשר גולשים בסקייטבורד במורד מישור משופע. השינוי באנרגיית הגובה מלווה בשינוי באנרגיית התנועה: כאשר אנרגיית הגובה יורדת, בד בבד אנרגיית התנועה עולה.
בכל המקרים האלה התוצאה של נפילת הגופים תלויה בהפרש בין אנרגיית הגובה בתחילת הנפילה לבין אנרגיית הגובה בסיום הנפילה.
בפרק הזה נעמיק את הבנתנו במושג אנרגיית גובה. נכיר את הגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה, נחקור את הקשר ביניהם ונתאר את הקשר הזה באמצעות נוסחה. נלמד כיצד נוסחה זו מסייעת להסביר תופעות טבע והתנסויות יומיומיות, ואף מאפשרת לדעת מראש את התוצאות הצפויות בתופעות ובאירועים שונים.
כמו כן, נלמד למדוד ולחשב את השינויים באנרגיית הגובה ונכיר יישומים טכנולוגיים המנצלים את אנרגיית הגובה לתועלת האדם, כדוגמת תחנת כוח הידרואלקטרית.
מה משותף לשלוש התמונות?
הגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה
קפיצה למים (ממקפצה גבוהה) היא ענף ספורט אולימפי. ודאי כבר הבנתם כי כאשר הספורטאים עולים אל המקפצה וקופצים ממנה אל הבריכה, אנרגיית הגובה שלהם משתנה.
מהם הגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה של הקופצים לבריכה ושל גופים אחרים?
מהו הקשר בין אנרגיית הגובה לבין כל אחד מגורמים אלה? כדי לענות על שאלות אלה, בצעו את הפעילויות שלפניכם.
(בספר ציור של ילדים גולשים במגלשה למים)
במה תלויה אנרגיית הגובה של הגולשים?
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
*25*
פעילות - ניסוי
הקשר בין אנרגיית הגובה לבין גובה הנפילה
(בספר תרשים של משטח יחוס וחפצים מוחזקים מעליו בגבהים שונים).
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הניסוי: לבחון את הקשר בין השינוי באנרגיית הגובה של הגוף לבין הגובה שממנו הגוף נפל.
ציוד: מתקן להטלת משקולת, משקולת בצורה של גליל מתכתי, חוט תפירה, סרגל, פלסטלינה.
השערה: שערו איך ישתנה עומק השקעים שייווצרו בפלסטלינה אם תפילו את המשקולת מגבהים שונים אל הפלסטלינה שלמטה.
מהלך הניסוי:
א. קשרו את המשקולת באמצעות חוט התפירה.
ב. מקמו את צינור הזכוכית מעל לאחד מגושי הפלסטלינה שבבסיס מערכת הניסוי.
ג. השחילו באמצעות החוט את המשקולת לתוך צינור הזכוכית כך שהחלק התחתון שלה יהיה בגובה של כ-10 ס"מ מעל פני הפלסטלינה. מדדו גובה זה באמצעות הסרגל.
ד. שחררו את המשקולת מהגובה שקבעתם. הרימו בזהירות את המשקולת והתבוננו בשקע שנוצר בגוש הפלסטלינה לאחר שהמשקולת פגעה בו.
ה. חזרו על הסעיפים ב-ד שלוש פעמים נוספות, ובכל פעם מקמו את המשקולת מעל גוש פלסטלינה אחר, והגדילו את הגובה שממנו תטילו את המשקולת.
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
ציינו בטבלה אם עומק השקע בכל אחת מההטלות היה קטן, בינוני, גדול או גדול מאוד.
סיכום ומסקנות:
1. כיצד השתנה עומק השקע שנוצר בפלסטלינה כאשר הגובה שממנו הוטלה המשקולת הלך וגדל?
2. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערה שלכם? הסבירו.
3. מה מבטא עומק השקע בפלסטלינה?
4. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
5. הסבירו מדוע משתמשים בכל ההטלות באותה משקולת.
6. איזו מסקנה עולה מהניסוי הזה בנוגע לקשר בין אנרגיית הגובה של גוף לבין הגובה שלו ביחס למשטח כלשהו? הסבירו מדוע.
*26*
בניסוי הזה פני הפלסטלינה הם חלק ממשטח שיחסית אליו נמדד הגובה של המשקולת. משטח כזה נקרא משטח ייחוס (או מישור ייחוס). (משטח ייחוס - המשטח שיחסית אליו מודדים את הגובה כשרוצים לחשב את אנרגיית הגובה). מדידת הגובה של הגוף מעל משטח הייחוס מאפשרת לחשב את אנרגיית הגובה של הגוף ביחס למשטח זה.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
שאלות
1. אבן הנמצאת בגובה של 2 מטרים מעל הרצפה מתחילה ליפול כלפי מטה אל הרצפה (משטח הייחוס).
אנרגיית הגובה של האבן ביחס לרצפה ברגע תחילת הנפילה היא 20 ג'ול (זכרו כי יחידת המידה של האנרגיה על כל סוגיה היא ג'ול).
א. מהי אנרגיית הגובה של האבן כשהיא מגיעה לרצפה? הסבירו מדוע.
ב. מהו השינוי באנרגיית הגובה של האבן מהרגע שבו היא מתחילה ליפול עד לרגע שבו היא מגיעה לרצפה? הסבירו.
2. המשפט שלפניכם אינו מדויק: "אנרגיית הגובה של תפוח הנופל מן העץ מגובה של 3 מטרים ביחס לקרקע היא 200 ג'ול". איך נכון לתקן אותו?
- ככל שגובהו של גוף ביחס למשטח הייחוס גדול יותר, כך אנרגיית הגובה שלו גדולה יותר.
- אנרגיית הגובה של גוף הנמצא בגובה מסוים ביחס למשטח ייחוס היא למעשה השינוי באנרגיית הגובה שלו כאשר יעבור מהגובה הזה אל משטח הייחוס.
*27*
פעילות - ניסוי
הקשר בין אנרגיית הגובה לבין המשקל
(בספר תמונה של המכתש)
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הניסוי: לבחון את הקשר בין אנרגיית הגובה של גופים הנמצאים בגובה כלשהו מעל למשטח ייחוס לבין משקלם.
ציוד: מתקן להטלת משקולת, 3 משקולות גליליות שצורתן זהה אך משקלן שונה, חוט תפירה, סרגל, מד-כוח, פלסטלינה.
השערה: שערו מה יהיה עומק השקעים שייווצרו בפלסטלינה אם תפילו עליה גופים בעלי משקל שונה מאותו גובה.
מהלך הניסוי:
א. קשרו כל אחת מהמשקולות באמצעות חוט תפירה. אם המשקל של המשקולות אינו ידוע, מדדו את המשקל של כל משקולת.
ב. מקמו את צינור הזכוכית מעל לאחד מגושי הפלסטלינה שבבסיס מערכת הניסוי.
ג. השחילו באמצעות החוט את המשקולת לתוך צינור הזכוכית כך שהחלק התחתון שלה יהיה בגובה של כ-30 ס"מ מעל פני הפלסטלינה. מדדו גובה זה באמצעות הסרגל.
ד. שחררו את אחת המשקולות מהגובה שקבעתם. הרימו בזהירות את המשקולת והתבוננו בשקע שנוצר בגוש הפלסטלינה לאחר שהמשקולת פגעה בו.
ה. חזרו על הסעיפים ב-ד פעמיים נוספות. בכל פעם בדקו משקולת אחרת ומקמו אותה מעל גוש פלסטלינה אחר.
תוצאות:
הכינו טבלה וסכמו בה את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
ציינו בטבלה אם עומק השקע בכל הטלת משקולת היה קטן, בינוני או גדול.
סיכום ומסקנות:
1. תארו כיצד השתנה עומק השקע שנוצר כאשר משקל הגוף שהוטל על הפלסטלינה הלך וגדל.
2. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערה שלכם? הסבירו.
3. מה מבטא העומק של השקע בפלסטלינה?
4. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
5. הסבירו מדוע 3 המשקולות שוחררו מאותו הגובה?
6. מהי המסקנה העולה מהניסוי הזה בנוגע לקשר בין אנרגיית הגובה של גוף הנמצא בגובה כלשהו ביחס למשטח ייחוס לבין משקלו?
*28*
- ככל שמשקל הגוף הנמצא בגובה מסוים ממשטח הייחוס גדול יותר, כך גם אנרגיית הגובה שלו גדולה יותר.
שאלות
1. שני ילדים שמשקלם זהה קופצים אל שכבה עבה של חול לח המכסה את הרצפה. הילד קופץ מגובה של מדרגה אחת, והילדה קופצת מגובה של 5 מדרגות. תארו והסבירו את השינוי בצורת שכבת החול בכל אחד מהמקרים.
2. שני ילדים שמשקלם שונה קופצים מגובה של 2 מטרים אל טרמפולינה. תארו את השינוי בצורת הטרמפולינה בכל אחד מהמקרים. הסבירו את תשובתכם.
3. צלמו תופעה הממחישה כי הגובה של הגוף הנופל משפיע על אנרגיית הגובה שלו. הסבירו את התופעה שצילמתם וציינו מהו משטח הייחוס במקרה הזה.
הידעתם
באריזונה שבארצות הברית יש מכתש מפורסם, מכתש בארינגר (Barringer), שקוטרו כ-1.5 ק"מ ועומקו כ-230 מטרים. המכתש הזה נוצר לפני עידנים רבים מפגיעה של מטאוריט באדמה. על פי גודל המכתש, חוקרים מעריכים שהמטאוריט שפגע באריזונה היה בקוטר של כ-45 מטרים.
האנרגיה הרבה של המטאוריט שפגע באדמה גרמה להיווצרות מכתש ענק.
(בספר שתי תמונות:)
*29*
מסה, משקל ואנרגיית גובה
בניסוי הקודם גיליתם כי משקל הגוף הוא אחד הגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה שלו. בעבר למדתם כי המשקל תלוי במסה של הגוף ובגרם השמים שהגוף נמצא בקרבתו. בשפת היום-יום יש בלבול בין המושגים 'מסה' ו'משקל', אך בשפת המדע מסה ומשקל הם מושגים שונים. לכן חשוב להיזכר במה שכבר למדתם על המושגים הללו.
בשפת המדע המושג משקל מתאר את כוח הכבידה שכדור-הארץ, או גרם שמים אחר, מפעיל על גוף כלשהו, והוא נמדד ביחידות של ניוטון. לעומת זאת, המושג מסה מתאר את כמות החומר בגוף, והיא נמדדת ביחידות של קילוגרם.
מדידות רבות הראו שכוח הכבידה שכדור-הארץ מפעיל על גוף שמסתו 1 ק"ג שווה ל-10 ניוטון בקירוב. ערך זה נהוג לסמן באות g (כלומר g שווה ל-10 ניוטון לכל קילוגרם) ורושמים זאת כך:
10 ניוטון/ק"ג = g
לדוגמה, אם נשקול על פני כדור-הארץ שקית שבתוכה חול שמסתו 1 ק"ג, נראה שמשקלה הוא 10 ניוטון. שקית חול שמסתה 2 ק''ג תשקול על כדור-הארץ 20 ניוטון, וכך הלאה. כלומר, קיים יחס ישר בין המשקל לבין המסה. כאשר המשקל גדל, גם המסה גדלה באותו היחס. שימו לב שהיחס בין המשקל למסה שווה לגודלו של g. את היחס הזה אפשר לתאר גם בנוסחה. אם נסמן את המסה של גוף באות m ואת משקלו באות W, הנוסחה שנקבל היא:
W=m * g
אם נשקול את שקיות החול האלה על הירח, שם כוח הכבידה קטן בערך פי 6 מזה של כדור-הארץ, נגלה שמשקלן יהיה קטן פי 6 אף שכמות החול בכל שקית לא השתנתה. כלומר, כאשר גוף עובר מגרם שמים אחד לגרם שמים אחר, המסה (כמות החומר) אינה משתנה אבל המשקל משתנה בהתאם לכוח הכבידה בכל מקום.
תמונה 1 - המשקל של גוף שמסתו 2 ק"ג על פני כדור-הארץ.
תמונה 2 - המשקל של גוף שמסתו 2 ק"ג על הירח
(בספר תמונה מתוך האתר:)
(בספר תמונה מתוך האתר:)
*30*
שאלות
1. מסתה של קוביית ברזל היא 24 ק"ג. מהו משקלה על פני כדור-הארץ? מהו משקלה על פני הירח?
2.
א. משקלו של כדור פלדה על פני כדור-הארץ הוא 6 ניוטון. מהי מסתו?
ב. דמיינו שחללית מעבירה את הכדור הזה אל פני הירח. חשבו את משקלו ואת מסתו של הכדור שם.
3.
א. ידוע כי כוח הכבידה שכוכב הלכת צדק מפעיל על גוף שמסתו 1 ק"ג הוא 23 ניוטון בערך. מהו משקלו של סלע שמסתו 100 ק"ג על פני כוכב הלכת הזה?
ב. דמיינו שחללית מעבירה את הסלע הזה אל כדור-הארץ. מה יהיו משקלו ומסתו של הסלע כשיגיע אל פני כדור-הארץ?
הפעילות מסה ומשקל מתוך הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה.
(בספר תרשים של שני גופים זהים מוחזקים מעל משטח יחוס, האחד בגובה מטר והשני בגובה 3 מטרים מעל משטח היחוס)
עד כה למדתם מה הקשר בין שני המושגים, מסה ומשקל, ומה ההבדל ביניהם. מדוע המשקל הוא אחד הגורמים המשפיעים על אנרגיית הגובה של הגוף (ולא המסה)?
אנרגיית הגובה נובעת מכוח הכבידה הפועל בין כדור-הארץ (או גוף שמימי אחר) לבין גוף כלשהו. את האנרגיה הזאת קובע המשקל, שהוא כוח הכבידה הפועל על הגוף. דמיינו לעצמכם שגוף הנמצא בגובה כלשהו מעל לקרקע של כדור-הארץ עובר באמצעות חללית אל גובה דומה מעל לקרקע של הירח. על הירח משקלו של הגוף קטן יותר ולכן גם אנרגיית הגובה שלו ביחס לקרקע הירח קטנה יותר, אך מסתו של הגוף אינה משתנה.
שאלה
כוס זכוכית נפלה משולחן אל הרצפה והתנפצה לרסיסים. אם אותה הכוס הייתה נופלת מאותו שולחן על פני מאדים, שכוח הכבידה עליו קטן בשליש מזה שעל כדור-הארץ, הכוס הייתה נשארת שלמה. הסבירו מדוע. בתשובתכם השתמשו במושגים אנרגיית גובה, מסה ומשקל.
*31*
חישוב אנרגיית הגובה
בשני הניסויים הקודמים שביצעתם, גיליתם שגובה הגוף מעל משטח הייחוס ומשקלו של הגוף משפיעים על אנרגיית הגובה שלו. הגובה והמשקל הם שני הגורמים הקובעים את אנרגיית הגובה של גוף כלשהו.
הנה הקשר בין אנרגיית גובה של גוף לבין משקלו וגובהו:
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף לבין גובהו מעל משטח הייחוס. כלומר, ככל שגוף גבוה יותר מעל משטח הייחוס, אנרגיית הגובה שלו גדלה באותו יחס. לדוגמה, אם המשקל של שני גופים זהה, אך אחד מהם גבוה פי 3 מעל משטח הייחוס בהשוואה לגוף האחר, גם אנרגיית הגובה של הגוף הגבוה יותר תהיה גדולה פי 3 מזו של הגוף הנמוך יותר.
(בספר תרשים של שני גופים מוחזקים בגובה מטר מעל משטח יחוס, האחד במשקל 1 ניוטון והשני במשקל 2 ניוטון)
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף לבין משקלו. כלומר, אם שני גופים נמצאים באותו הגובה מעל משטח הייחוס, אנרגיית הגובה של הגוף שמשקלו גדול יותר תהיה גדולה יותר באותה המידה. לדוגמה, אם משקלו של גוף אחד גדול פי 2 ממשקלו של גוף אחר, ושניהם נמצאים באותו הגובה מעל למשטח הייחוס, אנרגיית הגובה של הגוף הכבד יותר תהיה גדולה פי 2 מזה של הגוף הקל יותר.
(בספר תמונה:) באז אלדרין יורד בסולם אל פני הירח
*32*
עד כה נוכחתם לדעת שאנרגיית הגובה של גוף היא ביחס ישר לגובהו מעל משטח הייחוס ולמשקלו.
את היחס הזה אפשר לתאר גם בנוסחה:
אנרגיית הגובה = משקל * גובה מעל משטח ייחוס
אם נסמן את אנרגיית הגובה של הגוף כ-Eh, את משקלו באות W ואת גובהו מעל למשטח הייחוס באות h, תתקבל הנוסחה הזאת:
Eh=W*h
נוסחה זאת מאפשרת להשוות את אנרגיית הגובה של גופים שונים, שמשקלם שונה וגובהם מעל משטח הייחוס שונה גם הוא. כדי לקבל את אנרגיית הגובה ביחידות ג'ול, יש להציב בנוסחה את המשקל ביחידות ניוטון, ואת הגובה מעל משטח הייחוס - ביחידות מטר.
לדוגמה, הדרך לחישוב אנרגיית גובה של אבן שמשקלה 2 ניוטון ונמצאת בגובה של 1 מטר מעל לקרקע (משטח הייחוס) היא:
Eh=W*h=1 מטר * 2 ניוטון
כפי שכבר למדתם, יחידת המידה של אנרגיה היא ג'ול (Joule). יחידה זו משמשת גם לקביעת אנרגיית הגובה, ובהקשר הזה היא מוגדרת כך:
- 1 ג'ול הוא אנרגיית הגובה של גוף שמשקלו 1 ניוטון ונמצא בגובה של 1 מטר מעל למשטח הייחוס.
אנרגיית הגובה מתקבלת באמצעות מכפלה של המשקל בגובה מעל משטח הייחוס:W*h . לעתים ידועה דווקא המסה של גוף (m) ולא משקלו. במקרה כזה אנרגיית הגובה שווה למכפלת המסה ב-g ובגובה:
Eh=W*h=m*g*h
שאלות
1. קופסה שמשקלה 10 ניוטון נמצאת בגובה של 5 מטרים מעל לקרקע. מהי אנרגיית הגובה שלה ביחס לקרקע? בתשובתכם הציגו את דרך החישוב.
2. סלע שמסתו 24 קילוגרם נמצא על מצוק בגובה של 2 מטרים מעל הכביש ומסכן את הנוסעים בכביש שמתחתיו. חשבו את אנרגיית הגובה של הסלע ביחס לכביש. הציגו את דרך החישוב.
(בספר תמונה:) באז אלדרין יורד בסולם אל פני הירח
3. אדם שמסתו 50 קילוגרם נכנס למעלית שעולה מהקומה השנייה בבניין לקומה החמישית. גובה כל קומה הוא 3 מטרים. מהו השינוי באנרגיית הגובה של האדם כשהוא עולה מהקומה השנייה לקומה החמישית? הציגו את דרך החישוב.
4. קופצת מזנקת מקצה מקפצה אל מי הבריכה שמתחתיה. מסתה של הקופצת היא 75 ק"ג, ואנרגיית הגובה שלה ביחס לפני המים לפני הקפיצה הייתה 1,500 ג'ול. מה גובהה של המקפצה מעל פני המים? הציגו את דרך החישוב.
5. בשנת 2013 נחת על מאדים רכב החלל קיוריוסיטי (Curiosity - סקרנות באנגלית) שנשלח לחקור את פני מאדים. כוכב הלכת מאדים קטן מכדור-הארץ וכוח הכבידה שלו קטן פי 2.6 מכוכב הלכת שלנו.
רכב החלל הוא למעשה מעבדה ניידת שמסתה 900 ק"ג, ועליה ציוד רב שמטרתו לבדוק את האדמה ואת הסלעים על פני מאדים.
בזמן ביצוע המשימה התקרב רכב החלל אל פסגת הר שגובהו 5,500 מטרים.
מה תהיה אנרגיית הגובה של רכב החלל בפסגת ההר ביחס לתחתית ההר? הציגו את דרך החישוב.
(בספר תמונה:) באז אלדרין יורד בסולם אל פני הירח
ב. אם רכב החלל היה מטפס אל פסגת הר בגובה זהה על פני כדור-הארץ, מה הייתה אנרגיית הגובה שלו ביחס לתחתית ההר? הציגו את דרך החישוב.
*34*
משימה - אוריינות
הנחיתה על הירח
ב-20 ביולי 1969 עצרה האנושות את נשימתה: אדם נחת על הירח!
במבצע מדהים וראשון מסוגו הגיעה החללית האמריקנית אפולו 11 אל הירח והנחיתה עליו שני אסטרונאוטים.
מתקני הצילום והתקשורת של החללית העבירו בשידור ישיר לכדור-הארץ תמונות מהנחיתה ואת קולותיהם של שני האסטרונאוטים. מיליוני אנשים בכל העולם התרגשו כשצפו בטלוויזיה באסטרונאוטים הצועדים על הירח.
(בספר תמונה של רכבת הרים.
את תכנית אפולו, שתכליתה הייתה הגשמת החזון של נחיתת אדם על הירח, ייסדה NASA (סוכנות החלל האמריקנית) בשנת 1961 ובמסגרתה שוגרו 17 חלליות עד שנת 1972. התכנית הייתה הפרויקט האזרחי הגדול ביותר של ארצות הברית מאז כריית תעלת פנמה, ובשיאה העסיקה יותר מ-370,000 עובדים בתעשייה, במוסדות מחקר ובאוניברסיטאות.
התכנית הגיעה להגשמת יעדה כאשר אנשי צוות החללית אפולו 11, ניל ארמסטרונג ובאז אלדרין, היו האנשים הראשונים שדרכו על פני הירח. התמונות והקולות מהנחיתה שודרו לבסיס NASA בפלורידה, ומשם לכל רחבי העולם. מיליונים ראו את ארמסטרונג יורד מרכב הנחיתה, צועד לראשונה על פני הירח ואומר: "זהו צעד אחד קטן לאדם, זינוק אדיר לאנושות".
חלליות אפולו הביאו לכדור-הארץ מאות קילוגרמים של סלעים ושל קרקע ירח. ממצאים אלה נותחו ונלמדו בדקדקנות רבה במעבדות רבות ברחבי העולם, וחלק מהסלעים מוצגים כיום במוזיאונים, עדות למבצע האדיר הזה. ממצאים אלה העשירו את הידע שלנו על מבנה הירח והרכבו, ותרמו תרומה משמעותית להבנת היווצרותו של הירח והתפתחותו.
הנחיתה על הירח וההמראה ממנו סומנו כאחד האתגרים הגדולים בתכנית. רכב הנחיתה שפותח לצורך משימה זו הורכב ממתקן נחיתה בעל מסה של 10 טונות, ועליו מתקן המראה בעל מסה של כ-5 טונות. מתקן ההמראה נועד להחזיר את הצוות לחללית האם, שהקיפה את הירח בגובה 110 ק"מ מעל פני הירח, בעוד שמתקן הנחיתה נשאר על הירח.
אתגר נוסף היה פיתוח של חליפת חלל מיוחדת שתאפשר תנאי חיים מחוץ לאטמוספרה של כדור-הארץ. המסה של חליפת החלל הזאת הייתה 91 ק"ג, והיא כללה חליפת גוף לשמירת חום ולחות, שכבה חיצונית לבידוד ושימור לחץ, ומכשור תמיכה ביחידה על גב החליפה.
שאלות
1. בתמונה שלמעלה רואים את באז אלדרין יורד בסולם מרכב הנחיתה אל פני הירח. הניחו כי גובה השלב האחרון בסולם היורד מרכב הנחיתה היה 30 ס"מ, וכי מסת גופו של האסטרונאוט ללא החליפה הייתה 80 ק"ג.
א. חשבו את משקל האסטרונאוט יחד עם חליפת החלל על פני כדור-הארץ.
ב. חשבו את משקל האסטרונאוט יחד עם חליפת החלל על פני הירח (1.6 ניוטון/ק"ג =ירח g)
ג. חשבו מה היה השינוי באנרגיית הגובה כשאלדרין ירד מהשלב האחרון של הסולם אל פני הירח. אל תשכחו להמיר את הגובה מסנטימטרים למטרים.
ד. חשבו מה היה השינוי באנרגיית הגובה כשאלדרין ירד מהשלב האחרון של הסולם אל פני כדור-הארץ.
2.
א. חשבו מהו משקל מתקן ההמראה של רכב הנחיתה על פני הירח.
ב. חשבו מהו השינוי באנרגיית הגובה של המתקן כאשר מרימים אותו מפני הירח אל חללית האם.
ג. הדלק הרקטי שבו השתמשו ברכב הנחיתה נקרא "ארוזין 50". בשריפת מסה של 1 ק"ג מהדלק הזה אפשר להפיק אנרגיה של 15,000,000 ג'ול. העריכו מהי כמות הדלק שהייתה דרושה כדי להרים את מתקן ההמראה מהירח בחזרה לחללית האם.
3. האסטרונאוט צ'ארלי דיוק, מהחללית אפולו 16, סיפר כי במהלך הדקות שנשארו לו ולחברו צ'ארלי יאנג עד זמן ההמראה מהירח הם החליטו לקיים "אולימפיאדת ירח", ולקבוע את השיא בקפיצה לגובה על הירח. דיוק הצליח לקפוץ לגובה 1.20 מטרים (אף שבניסיון זה איבד את שיווי משקלו ונחת על גב חליפת החלל).
חשבו מה הייתה אנרגיית הגובה של דיוק בשיא גובה הקפיצה ביחס לפני הירח, אם ידוע שהמסה שלו ושל חליפת החלל הייתה 170 ק"ג.
(בספר תמונה של רכבת הרים.
שינוי באנרגיית גובה
במקרים רבים אנחנו דנים במצבים שבהם גופים עוברים מגובה אחד לגובה אחר. במקרים כאלה אנו נדרשים לחשב את השינוי באנרגיית הגובה Delta(Eh) (Delta מסומנת ע"י משולש, זוהי האות הרביעית באלף-בית היווני והיא נקראת דלתא. הסימן דלתא מסמן הפרש). השינוי באנרגיית הגובה תלוי בהפרש בין גובה אחד h1, לגובה אחר h2 ביחס למשטח ייחוס נתון. נסמן את השינוי בגובה כ-Delta(h) ואז Delta(h) = h2-h1. כלומר, הנוסחה המתארת את השינוי באנרגיית הגובה היא:
Delta(Eh)=W * Delta(h)=W * (h2-h1)
לדוגמה, אבן שמשקלה 2 ניוטון נופלת מגובה של 3 מטרים לגובה של 1 מטר מעל לקרקע (משטח הייחוס). הדרך לחישוב השינוי באנרגיית הגובה של האבן הזאת היא:
Delta(Eh)=W * Delta(h)=W * (h2-h1)=2 ניוטון * (3מטרים - 1מטר) = 4 ג'ול
*36*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
חלק א: מטוטלת בתנועה - השפעת הגובה
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, בחרו ביחידת הלימוד משקל, גובה ואנרגיה של מטוטלת.
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תמונה של רכבת הרים.
מטרת הפעילות:
לחקור את הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת לבין הגובה שלה.
מהלך הפעילות:
א. קבעו משקל כלשהו למטוטלת, הרימו אותה לגובה המרבי ושחררו אותה.
ב. מדדו את הגובה ביחס למשטח הייחוס ואת אנרגיית הגובה של המטוטלת בשיא גובה תנועתה (בצד ימין וגם בצד שמאל).
ג. כדי לראות את הגובה ואת אנרגיית הגובה בנקודות שיא הגובה, תוכלו לעצור את תנועת המטוטלת באמצעות לחיצה על כפתור ההשהיה ואחר כך להמשיך את תנועתה.
ד. חזרו על סעיפים ב ו-ג לפחות 6 פעמים נוספות, אך בכל פעם הרימו את המטוטלת לגובה התחלתי שונה.
תוצאות:
הכינו טבלה וכתבו בה את גובה המטוטלת ביחס למשטח הייחוס ואת אנרגיית הגובה שלה (בשיא גובה תנועתה). נסחו כותרת לטבלה.
סיכום והסקת מסקנות:
1. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
2. הסבירו מדוע נבחר משקל אחד למטוטלת ולא נערך בו שינוי במהלך הניסוי?
*37*
3. מדוע מודדים את אנרגיית הגובה של המטוטלת בנקודות שיא גובה תנועתה? האם אנרגיית הגובה בנקודות אלו הייתה שווה? הסבירו מדוע.
4. סרטטו גרף המציג את הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת (בשיא גובה תנועתה) לבין הגובה שלה ביחס למשטח הייחוס. שימו לב, נהוג לצייר את הגורם המושפע על הציר האנכי ואת הגורם המשפיע על הציר האופקי.
5. נסחו מסקנה על הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת לבין הגובה שלה ביחס למשטח הייחוס. הסבירו כיצד הגעתם למסקנה הזאת.
חלק ב: מטוטלת בתנועה - השפעת המשקל
מטרת הפעילות: לחקור את הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת לבין משקלה.
מהלך הפעילות:
א. קבעו משקל כלשהו למטוטלת, הרימו אותה לגובה המרבי ושחררו אותה.
ב. מדדו את אנרגיית הגובה של המטוטלת בשיא גובה תנועתה.
ג. חזרו על סעיפים א-ב לפחות 6 פעמים נוספות, אך בכל פעם קבעו למטוטלת משקל שונה.
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תתעדו את משקל המטוטלת ואת אנרגיית הגובה שלה (בשיא גובה תנועתה). נסחו כותרת לטבלה.
סיכום והסקת מסקנות:
1. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
2. הסבירו מדוע בכל החזרות בניסוי הזה שוחררה המטוטלת מאותו הגובה.
3. הסבירו מדוע מודדים את אנרגיית הגובה של המטוטלת בשיא הגובה שלה. האם אנרגיית הגובה בנקודות אלה הייתה שווה בכל החזרות בניסוי? הסבירו מדוע.
4. סרטטו גרף המציג את הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת (בשיא גובה תנועתה) לבין משקלה.
5. נסחו מסקנה על הקשר בין אנרגיית הגובה של המטוטלת לבין משקלה.
(בספר תמונה של רכבת הרים.
*38*
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף לבין הגובה שלו מעל משטח הייחוס.
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף ביחס למשטח הייחוס, לבין משקלו.
המרת אנרגיית הגובה וחוק שימור האנרגיה
הגולשים על סקייטבורד, המחליקים במגלשות בפארק השעשועים, המתנדנדים בנדנדה והקופצים ממקפצה או מצוק גבוה - בכל המקרים האלה מתרחש שינוי באנרגיית הגובה.
אם נתבונן בכל התהליכים המתרחשים בזמן שגוף נופל כלפי מטה, נראה כי השינוי באנרגיית הגובה של הגוף מלווה תמיד בשינוי נוסף - שינוי בסוג אחד של אנרגיה (או שינוי בסוגי אנרגיה אחדים). ואכן, במקביל לכך שאנרגיית הגובה של הגוף הנופל קטנה, אנרגיית התנועה שלו הולכת וגדלה. אנרגיית הגובה של גוף נופל מומרת לאנרגיית תנועה. לחיבור של אנרגיית הגובה עם אנרגיית התנועה של גוף כלשהו נהוג לקרוא בשם אנרגיה מכנית. (אנרגיה מכנית - סכום אנרגיית הגובה ואנרגיית התנועה שיש לגוף כלשהו).
בירידה - אנרגיית הגובה יורדת ואנרגיית התנועה עולה. בעליה - אנרגיית הגובה עולה ואנרגיית התנועה יורדת.)
(בספר תרשים רכבת הרים, היעזרו המנחה)
אנרגיית גובה ואנרגיית תנועה ברכבת הרים
לפניכם דוגמה למערכת שמתרחשים בה תהליכים של המרות אנרגיה. אנו מניחים כי המערכת מבודדת ומתקיים בה חוק שימור האנרגיה.
אחד המתקנים האהובים ביותר בפארק שעשועים הוא רכבת הרים. במתקן הזה קרונית נעה במסלול מפותל, כמתואר בתרשים. הקרונית מתחילה את תנועתה בנקודה הגבוהה ביותר (A) ויורדת במסילה המתפתלת. הנקודות D ,B ו-F נמצאות בגובה פני הקרקע.
גלגלי הקרונית והמסילה עשויים מחומרים המקטינים מאוד את החיכוך ביניהם ואפשר להתעלם מהחיכוך. התייחסו לפני הקרקע כאל משטח הייחוס.
על בסיס תנאים אלו, ענו על השאלות שלפניכם.
*39*
(בספר איור של נדנדה)
שאלות
1. באיזו מהנקודות המסומנות בתרשים אנרגיית הגובה של הקרונית היא הגבוהה ביותר?
2. באילו מהנקודות אנרגיית הגובה של הקרונית היא הנמוכה ביותר?
3. באילו נקודות אנרגיית התנועה של הקרונית גבוהה? באיזו נקודה היא הנמוכה ביותר?
4. תארו את נסיעת הקרונית במונחים של שינוי באנרגיה.
5. הגרף שלפניכם מתאר את כמויות האנרגיה שיש לקרונית בשלושה מקומות שונים על המסילה. כתבו איזו נקודה מהתרשים שלמעלה מייצג כל אחד מהמקומות. הסבירו כיצד זיהיתם את הנקודות.
(בספר גרף:) כמויות האנרגיה שיש לקרונית במקומות שונים על המסילה
מקום 1 -
אנרגיית גובה - 36,000 ג'ול
אנרגיית תנועה - 0 ג'ול
אנרגיה כוללת - 36,000 ג'ול
מקום 2 -
אנרגיית גובה - 30,000 ג'ול
אנרגיית תנועה - 6,000 ג'ול
אנרגיה כוללת - 36,000 ג'ול
מקום 3 -
אנרגיית גובה - 15,000 ג'ול
אנרגיית תנועה - 21,000 ג'ול
אנרגיה כוללת - 36,000 ג'ול
(בספר איור של נדנדה)
*40*
6. נתון שהמטה של הקרונית היא 300 ק"ג. חשבו את הגובה של כל אחת משלוש הנקודות האלה מעל לפני הקרקע.
7. הקרונית החלה את נסיעתה בנקודה A. לפניכם שלושה גרפים מסוג עוגה המתארים את כמויות האנרגיה שיש לקרון בשלוש הנקודות שתוארו בשאלה 5 (E ,C ,A). התאימו כל גרף לנקודה שלו על המסילה.
(בספר שלושה גרפים מסוג "עוגה":)
גרף 1 - 1/6 משטח העוגה - אנרגיית תנועה, 5/6 משטח העוגה - אנרגיית גובה.
גרף 2 - 5/12 משטח העוגה - אנרגיית גובה, 7/12 משטח העוגה - אנרגיית תנועה.
גרף 3 - כל שטח העוגה - אנרגיית גובה.
(בספר איור של נדנדה)
אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה וחום בנדנדה
במציאות מתרחשים גם שינויים נוספים בעת המרת אנרגיית גובה לאנרגיית תנועה.
היזכרו בנדנדה שעליה התנדנדתם בילדותכם, ממש כמו באיור. כאשר מרימים את הנדנדה ומניחים לה להמשיך להתנדנד (בלי לדחוף אותה שוב ושוב), תנועתה הולכת ונחלשת (בכל פעם היא עולה לגובה נמוך יותר) עד שהיא נעצרת בנקודה הנמוכה ביותר במסלול תנועתה.
נתייחס אל המשטח העובר דרך נקודה זו כאל משטח הייחוס. במצב הזה אנרגיית התנועה ואנרגיית הגובה שוות לאפס. כלומר האנרגיה המכנית שווה לאפס. לאן האנרגיה נעלמה - הרי לפי חוק שימור האנרגיה, הכמות הכוללת של האנרגיה במערכת נשארת תמיד קבועה - אנרגיה אינה יכולה להיווצר יש מאין ואינה יכולה להתכלות ו"להיעלם"?
אם הייתם נוגעים בציר הנדנדה שנעצרה הייתם מגלים את התשובה: הייתם מרגישים שאזור הציר של הנדנדה התחמם. תוך כדי התנועה הנדנדה מתחככת בציר שלה, והציר והאוויר שמסביב מתחממים. כלומר אנרגיה מכנית (אנרגיית גובה ואנרגיית תנועה) הפכה לחום. חלק קטן מהאנרגיה המכנית גם הפך לאנרגיית קול (החריקה של הציר), אך האנרגיה הכוללת של המערכת (הסכום של האנרגיה המכנית, של החום ושל אנרגיית הקול) לא השתנתה כי המערכת כוללת גם את ציר הנדנדה והאוויר שהתחממו.
בתהליך שבו הנדנדה מתחככת עם הציר שלה, אנרגיה מכנית מומרת לחום.
(בספר שתי תמונות:)
- לפי חוק שימור האנרגיה, אנרגיה במערכת מבודדת יכולה להיות מומרת מסוג אחד לסוג אחר ויכולה לעבור מגוף לגוף, אך האנרגיה הכוללת במערכת נשמרת.
*41*
שאלות
1. ילדה מתנדנדת על נדנדה.
א. תארו את המרות האנרגיה המתרחשות בנדנדה המתנדנדת.
ב. מדוע כדי להתנדנד בנדנדה זמן ארוך יש לדחוף אותה שוב ושוב? בתשובתכם הסתמכו על שיקולי אנרגיה.
2. המשקל של נדנדה ושל ילדה היושבת עליה הוא 400 ניוטון.
נניח שהרמתם את הנדנדה לגובה 1 מטר מעל הנקודה הנמוכה ביותר שהיא מגיעה אליה (משטח הייחוס), ושחררתם אותה.
א. חשבו מה הייתה התוספת של אנרגיית הגובה כשהרמתם את הנדנדה לגובה 1 מטר מעל משטח הייחוס.
ב. הנדנדה נעה הלוך פעם אחת ואז חוזרת לגובה 40 ס"מ מעל משטח הייחוס (זה שיא הגובה בזמן חזרתה). חשבו את אנרגיית הנדנדה שהומרה לחום בנקודה זו.
ג. מהי כמות החום שהתקבלה במערכת לאחר שהנדנדה נעצרה? נמקו.
(בספר שתי תמונות:)
א. מהי אנרגיית הגובה של הכדור בגובה המרבי, ומהי האנרגיה הכוללת של הכדור בנקודה זו?
ב. מהי אנרגיית הגובה ואנרגיית התנועה של הכדור כאשר הוא חלף בנקודת אמצע הגובה המרבי?
ג. מה הייתה אנרגיית הגובה של הכדור ואנרגיית התנועה שלו ברגע שנזרק כלפי מעלה?
ד. בהנחה שהחיכוך עם האוויר אינו זניח, האם אנרגיית התנועה הנדרשת לכדור ברגע הזריקה כלפי מעלה כדי להגיע לאותו גובה מרבי היא קטנה, שווה או גדולה לעומת אנרגיית התנועה שחישבתם בסעיף ג (ללא חיכוך)? נמקו את תשובתכם.
4. ילד שמשקלו 500 ניוטון קפץ מסולם שגובהו 2 מטרים אל שכבת חול רטובה. כתוצאה מכך שקעו כפות רגליו בחול. הניחו כי סוגי האנרגיה היחידים שבאים לידי ביטוי בתהליך הזה הם אנרגיית הגובה של הילד, אנרגיית התנועה שלו וחום.
א. חשבו את החום שהתקבל באזור כפות הרגליים והחול בעקבות החיכוך ביניהם.
ב. דמיינו לעצמכם שהילד והסולם הועברו אל הירח באמצעות חללית, והילד מבצע שם קפיצה דומה. חשבו את החום שהתקבל באזור כפות הרגליים והחול שעל הירח.
ג. תארו באמצעות תרשימי עוגה את שרשרת המרות האנרגיה מאז שהילד קפץ אל שכבת החול ועד שרגליו שקעו לגמרי בתוך החול.
*42*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
מטוטלת בתנועה - עם חיכוך ובלעדיו
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד משקל, גובה ואנרגיה של מטוטלת.
(בספר תמונת מסך מהאתר)
(בספר שתי תמונות:)
מטרות הפעילות:
לבחון את חוק שימור האנרגיה ואת המרות האנרגיה במערכת ללא חיכוך ובמערכת עם חיכוך.
מהלך הפעילות:
הפעילות מתבצעת בשני שלבים.
שלב 1: המערכת ללא חיכוך
1. בחרו מטוטלת במשקל של 9 ניוטון והפעילו את ההדמיה.
2. התבוננו בגרף העמודות ובגרף העוגה. אילו סוגי אנרגיה באים לידי ביטוי במהלך תנועת המטוטלת?
3. לפניכם שלושה גרפים המתארים מצבים שונים של המטוטלת.
(בספר שלושה גרפים, היעזרו במנחה)
א. חשבו באיזה גובה ביחס למשטח הייחוס נמצאת המטוטלת בכל אחד מהמצבים.
ב. מה נשאר קבוע בכל אחד מהמצבים האלה? כיצד רואים זאת בגרפים? מהי המסקנה העולה מכך בנוגע לחוק שימור האנרגיה? הסבירו את תשובתכם.
ג. איזו עמודה מתארת את האנרגיה המכנית של המטוטלת? מהי האנרגיה המכנית של המטוטלת (הסכום של אנרגיית הגובה ואנרגיית התנועה) בכל אחד מהמצבים?
(בספר שתי תמונות:)
*43*
ד. לפניכם שלושה גרפים מסוג עוגה המתאימים לגבהים שחישבתם בסעיף 3א. התאימו כל גרף לגובה שלו.
(בספר שלושה גרפים מסוג עוגה, היעזרו במנחה)
(בספר שתי תמונות:)
שלב 2: המערכת עם חיכוך
1. בחרו באפשרות חיכוך והפעילו את ההדמיה. במהלך תנועתה של המטוטלת היא מתחככת בעיקר עם הציר שלה אבל גם עם האוויר שבסביבתה, וכתוצאה מכך חלק מהאנרגיה המכנית הופכת לחום.
2. התבוננו בגרף העמודות ובגרף העוגה וזהו את סוגי האנרגיה שבאים לידי ביטוי במהלך תנועת המטוטלת. ציינו איזה סוג אנרגיה מופיע במערכת עם חיכוך ואינו מופיע במערכת בלי חיכוך.
(בספר שתי תמונות:)
*44*
3. לפניכם שלושה גרפים המתארים מצבים שונים של המטוטלת.
(בספר שלושה גרפים, היעזרו במנחה).
(בספר שתי תמונות:)
א. חשבו באיזה גובה ביחס למשטח הייחוס נמצאת המטוטלת בכל מצב.
ב. העריכו את כמות החום בכל מצב וקבעו כיצד היא משתנה ככל שהזמן חולף. הסבירו מדוע.
ג. בדקו בגרפים מהי האנרגיה המכנית של המטוטלת בכל מצב: האם היא פוחתת, אינה משתנה או גדלה ככל שהזמן חולף? האם קיבלתם תוצאה זהה במקרה שלא היה חיכוך?
ד. מה נשאר קבוע בכל אחד מהגרפים האלה? הסבירו מדוע. האם זה מאשש את חוק שימור האנרגיה?
4. לפניכם שלושה גרפים המתארים שלושה מצבים של המטוטלת במהלך ירידתה למטה לאחר שחרורה.
(בספר שלושה גרפים מסוג עוגה, היעזרו במנחה)
(בספר שתי תמונות:)
א. סדרו גרפים אלה בהתאם לגובה המטוטלת מעל למשטח הייחוס, מהגובה הגדול עד לגובה הקטן. הסבירו מדוע.
ב. כיצד משתנה האנרגיה המכנית ככל שהמטוטלת יורדת למטה? אם האנרגיה המכנית פוחתת, תארו לאיזה סוג אנרגיה היא מומרת.
5. כעבור זמן מה, המטוטלת שבהדמיה נעצרת. האם זה סותר את חוק שימור האנרגיה? הסבירו.
סיכום הפעילות והסקת מסקנות
1. האם חוק שימור האנרגיה מתקיים בשני המצבים (עם חיכוך ובלי חיכוך)? האם האנרגיה הכוללת נשארת קבועה או שהיא משתנה?
2. מה קרה לאנרגיה המכנית בשני המצבים?
*45*
ניצול אנרגיית הגובה לצורכי האדם
מאז ומעולם ידעו בני האדם לנצל אנרגיה לצרכים שונים. אחד מסוגי האנרגיה השימושיים ביותר הוא אנרגיית גובה. כבר בימי קדם, הרבה לפני שהכירו את המושגים אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה, אנרגיה תרמית והמרת אנרגיה, למדו האנשים לנצל את אנרגיית הגובה ולהשתמש בה לתועלתם.
טחנת קמח
אחת הדוגמאות הבולטות לכך הייתה השימוש באנרגיית הגובה של מים זורמים להפעלת טחנות קמח. האנשים למדו לנצל את מי הנחל, את מפלי המים הטבעיים ואת מי הסכרים הנופלים כלפי מטה, ולהפנותם באמצעות תעלות ייחודיות אל גלגל מים.
המים מסובבים את הגלגל ואת הציר שלו. ציר הגלגל מחובר אל אבן הרחיים העליונה באמצעות גלגלי שיניים ומסובב אותה. אבן זו מונחת על אבן הרחיים התחתונה, וגרעיני החיטה נמצאים בין שתי אבני הרחיים. התנועה של האבן העליונה על האבן התחתונה טוחנת את גרעיני החיטה לקמח.
תמונה 1 - אמת מים מובילה את המים אל הגלגל, והמים הנופלים על הלוחות של הגלגל מניעים אותו. ציר הגלגל המסתובב מחובר אל אבני הרחיים שבתוך חדר התחנה.
(בספר תרשים:) מערכת לניסור בולי עץ.
תמונה 2 - אבני רחיים: אבן הרחיים העליונה מחוברת לציר ומסתובבת בתוך הטחנה
(בספר תרשים:) מערכת לניסור בולי עץ.
שאלות
1. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה ואת מעברי האנרגיה המתרחשים בתהליך ההפעלה של טחנות קמח מסוג הטחנה שבתמונה.
2. טחנת קמח היא סוג של מערכת טכנולוגית. תארו את החלקים השונים (תת-המערכות) המרכיבים את טחנת הקמח.
3. מהו הקלט ומה הפלט של המערכת הטכנולוגית הזאת?
*46*
ניסור בולי עץ המנסרה
דוגמה נוספת לניצול אנרגיית גובה של מים היא מנגנון המיועד לניסור בולי עץ.
בדומה לטחנת הקמח, גם כאן מים זורמים מסובבים את גלגל המים. באמצעות מנגנון ייחודי, גלגל המים מניע מסור קדימה ואחורה. תנועתו של המסור גורמת לניסור בולי העץ.
(במערכת) גלגל מים, מנגנון של גלגלי שיניים, מסור מנסר בול עץ.
(בספר תרשים של המנגנונים בשעון מטוטלת:) אנרגיית הגובה של המשקולת מומרת בשעון מטוטלת לאנרגיית תנועה של מנגנון השעון ושל המחוגים
שאלות
1. התבוננו באיור שמימין, ותארו במילים שלכם את מנגנון המערכת ואת החלקים השונים שמהם המנגנון הזה בנוי.
2. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה ואת מעברי האנרגיה המתרחשים בתהליך ניסור בולי עץ.
שעון המטוטלת
שעון מטוטלת הוא דוגמה נוספת לשימוש באנרגיית הגובה לצורכי האדם. אחד הרכיבים העיקריים של שעון כזה הוא מטוטלת. כזכור, מטוטלת מורכבת מחוט שבקצהו קשורה מסה כלשהי. משך הזמן מהרגע שהמטוטלת נעה מהנקודה הגבוהה ביותר בצדה האחד אל הנקודה הגבוהה ביותר שבצדה האחר ובחזרה אל נקודת המוצא, נקרא זמן המחזור.
ניסויים רבים הראו שזמן המחזור של מטוטלת הנמצאת במקום מסוים על פני כדור-הארץ נשאר קבוע בקירוב רב וכמעט שאינו משתנה במהלך תנועתה הלוך וחזור. תכונה זו של המטוטלת מאפשרת למדוד זמן, למשל על ידי ספירת הפעמים שבהן המטוטלת נעה הלוך וחזור.
בשעוני מטוטלת יש מנגנון ייחודי הנקרא מחגר. תפקידו של המחגר הוא להעביר את תנועת המטוטלת של השעון לתנועה סיבובית של מחוגי השעון כדי שיורו על השעה הנכונה בשעון. גם בתהליך הזה חלק מאנרגיית הגובה של המטוטלת מומר לאנרגיית תנועה של מחוגי השעון, וחלק אחר מומר לחום בגלל החיכוך והתנגדות האוויר.
כתוצאה מכך, האנרגיה המכנית של המטוטלת הולכת ופוחתת באופן הדרגתי והיא עלולה להיעצר ולמנוע את תפקוד השעון.
כדי למנוע זאת, יש להוסיף למטוטלת את האנרגיה שאיבדה במהלך תנועתה. לשם כך משלבים שרשרת במחגר השעון. השרשרת מלופפת סביב ציר השעון ובקצה שלה יש משקולת. מדי פעם צריך למשוך את השרשרת למטה ולגרום למשקולת להתרומם למעלה.
באמצעות המחגר אנרגיית הגובה של המשקולת מועברת באופן הדרגתי לאנרגיית התנועה של המטוטלת. כך המטוטלת אינה נעצרת אלא ממשיכה לנוע הלוך וחזור, ובמקביל המשקולת מתחילה לרדת למטה בקצב אטי ומאבדת מאנרגיית הגובה שלה לטובת תנועת המטוטלת.
(בספר תרשים של תחנת חשמל הידרואלקטרית)
*47*
שאלות
1. למחגר בשעון המטוטלת יש שני תפקידים מרכזיים. תארו אותם והסבירו מה מטרתו של כל תפקיד.
2. לפי דעתכם, מדוע כאשר המשקולת יורדת למטה יש למשוך אותה בחזרה כלפי מעלה באמצעות השרשרת? הסבירו את תשובתכם.
תחנת חשמל הידרואלקטרית
שימוש נוסף באנרגיית גובה של מים הזורמים כלפי מטה אפשר למצוא בתחנות הידרואלקטריות המשמשות להפקת חשמל. תחנות אלה ממוקמות צמוד למפלי מים טבעיים או לסכרים. המים הזורמים כלפי מטה מסובבים טורבינה שהיא חלק מהתחנה ההידרואלקטרית. בתהליך הזה אנרגיית הגובה של המים הזורמים כלפי מטה, מהמפל או מהסכר, מומרת לאנרגיית תנועה שלהם, ואנרגיית התנועה הזו מועברת לאנרגיית תנועה של הטורבינה. הטורבינה המסתובבת מפעילה את הגנרטור, שגם הוא חלק מהתחנה ההידרואלקטרית. בתהליך הזה אנרגיית התנועה של הטורבינה מומרת לאנרגיה חשמלית שהאדם מנצל לצרכים רבים.
(בספר תמונה:) דגם של רכבת הרים שבנו תלמידי חטיבת הביניים "הראשונים" בגני תקוה, במסגרת פרויקט "פיסיקה בקרטון".
שאלות
1. תחנה הידרואלקטרית היא מערכת טכנולוגית מורכבת. מהו הקלט ומהו הפלט בתחנה כזו?
2. היכן מתרחש תהליך הפקת החשמל?
3. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה ומעברי האנרגיה המתרחשים בתהליך הפקת החשמל בתחנות הידרואלקטריות המופעלות על ידי מפלי מים טבעיים או מי סכרים הזורמים כלפי מטה.
4. מדוע שיטה זו להפקת חשמל נחשבת "ירוקה"?
5. מהם היתרונות והחסרונות בתחנה הידרואלקטרית?
*48*
פעילות - משימת תיכון
תכנון רכבת הרים
בעיר "ירוקה" בצפון הארץ הוחלט להקים פארק שעשועים. גולת הכותרת בפארק המתוכנן היא רכבת הרים שבה ינועו קרוניות במסלולים מפותלים, עולים ויורדים. מנהלי הפרויקט מזמינים אתכם לתכנן את רכבת ההרים. עליכם לתכנן ולהציג דגם פשוט של הרכבת. על הדגם להיות מלווה בסרטוט. כדי לתכנן את רכבת ההרים, פעלו בהתאם לשלבים שלפניכם.
שלב א: זיהוי הצורך להקמת רכבת הרים
זהו את הצורך בהקמת פארק שעשועים בעיר, ובמיוחד בבניית מתקן של רכבת הרים בפארק. תוכלו לציין יותר מצורך אחד.
שלב ב: הדרישות שיש להתחשב בהן בעת תכנון רכבת ההרים
מנהלי הפרויקט החליטו למנות אתכם כמומחים לביצוע הפרויקט. הם הציגו בפניכם רשימה של דרישות שבהן עליכם לעמוד בעת תכנון רכבת ההרים:
א. החיכוך בין הקרוניות לאוויר יהיה מינימלי.
ב. לקרונות לא יהיה מנוע חשמלי.
ג. יהיו מסילות לנועזים יותר ומסילות אחרות לנועזים פחות.
ד. הגובה בנקודת ההתחלה והגבהים השונים במסלול צריכים להיות כאלה שהקרוניות יוכלו לנוע לאורך כל המסלול בלי להתנתק מהמסילה.
ה. במתקן יהיו סוגי קרוניות שונים - מ-2 מקומות בקרונית ועד 10 מקומות.
ו. המסילה תעבור במקומות חמד שונים בפארק.
ז. מרגע שהקרוניות יתחילו לנוע, מקור האנרגיה היחיד יהיה אנרגיית הגובה ואנרגיית התנועה של הקרונית.
ח. המתקן יהיה בטיחותי.
ט. ייעשה שימוש בחומרים זמינים ומקומיים.
שלב ג: איסוף מידע וארגונו
התחלקו לקבוצות, ערכו תחקירים ואספו מידע בנושאים הבאים:
א. רכבת הרים בטיחותית: בדקו מהם אמצעי הבטיחות המשולבים ברכבות הרים בארץ ובעולם, כגון שימוש בחגורות ביטחון לנוסעים - העובי של החגורות וסוג החומר שממנו הן עשויות.
היעזרו באינטרנט או בקרו בפארקים שיש בהם רכבת הרים.
ב. מסלול הרכבת: התבססו על חוק שימור האנרגיה ועל הנוסחה לחישוב אנרגיית גובה, והציעו גבהים מתאימים למסלולים המפותלים.
ג. הקטנת החיכוך בין גלגלי הקרונית למסילה: הציעו דרכים להקטנת החיכוך (גלגלים, חומרים ועוד).
ד. הקטנת החיכוך עם האוויר: בדקו כיצד משיגים מטרה זו בכלי תחבורה שונים, למשל באמצעות צורה אווירודינמית.
ה. אסתטיות: אספו מידע ותמונות בנוגע לצורות שונות של רכבות הרים.
שלב ד: תכנון הרכבת
א. בהתבסס על הדרישות של מנהלי הפרויקט ועל התחקיר שעשיתם, סרטטו את רכבת ההרים שברצונכם להציע. רשמו כמה שיותר נתונים מספריים על הרכבת המתוכננת (כגון הגובה ההתחלתי של המסילה, הגובה של המקומות המוגבהים בהמשך המסילה וכדומה).
ב. הציגו את סרטוט הרכבת שלכם ושפרו את תכנונה לאור הערות התלמידים והמורה.
ג. הכינו דגם פשוט של רכבת הרים. ניתן לבנות דגם מצינורות פלסטיק, מצינורות מוקצפים, להיעזר בקרטונים לייצוב המסילה, ולהשתמש בגולות או בכדורי מתכת כדי לייצג את קרוניות הרכבת.
(בספר תרשים המתואר בשאלה 2)
סיכום
- ככל שגובהו של גוף ביחס למשטח הייחוס גדול יותר, כך גם אנרגיית הגובה שלו גדולה יותר.
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף לבין הגובה שלו מעל משטח הייחוס.
- ככל שמשקל הגוף הנמצא בגובה מסוים ממשטח הייחוס גדול יותר, כך גם אנרגיית הגובה שלו גדולה יותר.
- קיים יחס ישר בין אנרגיית הגובה של הגוף לבין משקלו.
- אנרגיית הגובה של גוף הנמצא בגובה כלשהו ביחס למשטח ייחוס, היא למעשה השינוי באנרגיית הגובה שלו כאשר יעבור מהגובה הזה אל משטח הייחוס.
- לפי חוק שימור האנרגיה, אנרגיה יכולה להיות מומרת מסוג אחד לסוג אחר ויכולה לעבור מגוף לגוף אך האנרגיה הכוללת נשמרת.
*50*
שאלות
1. יעל שחררה מידה כדור משחק שנפל ישירות אל משטח קפיצי. הכדור פגע במשטח הקפיצי וניתר בחזרה כלפי מעלה.
כאשר הכדור הגיע לשיא הגובה במהלך תנועתו כלפי מעלה, אנרגיית הגובה שלו הייתה:
א. גדולה מאנרגיית הגובה שהייתה לו בנקודה שממנה הוא שוחרר.
ב. קטנה מאנרגיית הגובה שהייתה לו בנקודה שממנה הוא שוחרר.
ג. שווה לאנרגיית הגובה שהייתה לו בנקודה שממנה הוא שוחרר.
2. לפניכם איור של מערכת ניסוי הכוללת שלושה כדורים בעלי נפח זהה, התלויים בגובה 3 מטרים מעל למשטח פלסטלינה. כדור אחד עשוי מעץ ומסתו 70 גרם, השני עשוי מעופרת ומסתו 1,130 גרם, והשלישי עשוי מברזל ומסתו 780 גרם.
א. חשבו את אנרגיית הגובה של כל אחד משלושת הכדורים ביחס למשטח הפלסטלינה.
ב. אם הכדורים ייפלו למטה, איזה מהם ישקע הכי עמוק בפלסטלינה? הסבירו.
(בספר תמונה של משחק הכדורים).
3. מסתו של דני היא 90 ק"ג. הוא טיפס על סולם עד לשלב העליון של הסולם. בנקודה זו אנרגיית הגובה של דני הייתה 2,700 ג'ול.
א. חשבו את הגובה שדני טיפס אליו.
ב. בכוכב הלכת נוגה כוח הכבידה הפועל על גופים הוא רק 0.9 מזה שעל כדור-הארץ (כלומר g על כוכב הלכת נוגה שווה ל-9 ניוטון/ק"ג). מה הייתה אנרגיית הגובה של דני אילו טיפס בכוכב הלכת נוגה עד לשלב העליון של הסולם?
4. באליפות העולם בקפיצה למים נערכים שני מקצים - לספורטאים ולספורטאיות. הספורטאים קופצים מצוק שגובהו 27 מטרים מעל פני הים, והספורטאיות קופצות מצוק שגובהו 20 מטרים מעל פני הים. משקלה של אחת הספורטאיות הוא 600 ניוטון. ברגע שהיא קפצה למים, קפץ גם ספורטאי למים ואנרגיית הגובה שלו הייתה שווה לאנרגיית הגובה שלה ביחס לפני המים. מה משקלו של הספורטאי הזה?
5. ילדים מצאו שתי גולות זכוכית בעליית הגג של הבית. לפתע נשמטו שתי הגולות ונפלו אל קומת הקרקע.
גולה א התגלגלה ממדרגה למדרגה עד שנעצרה בקומת הקרקע.
גולה ב נפלה ישירות מעליית הגג אל הרצפה בקומת הקרקע. כתוצאה מהנפילה נשברה אחת הגולות, ולאחרת לא נגרם כל נזק.
איזו גולה נשברה ואיזו לא ניזוקה? נמקו תשובתכם בעזרת שיקולי אנרגיה.
(בספר תמונה של משחק הכדורים).
6. כדור שמסתו 600 גרם נופל משולחן שגובהו 1 מטר מעל הרצפה.
א. חשבו את השינוי באנרגיית הגובה במעבר מהשולחן אל הרצפה.
ב. אילו השולחן והכדור היו נמצאים על הירח, מה הייתה התשובה לסעיף הקודם?
7. רכבת הרים שמשקלה 1,000 ניוטון גולשת מפסגה בגובה של 15 מטרים ביחס לקרקע. מה צריך להיות גובה הפסגה הבאה שהרכבת תוכל להגיע אליה, אם ידוע שחמישית מהאנרגיה שלה הופכת לחום ושאנרגיית התנועה של הרכבת בפסגה הבאה תהיה 2,000 ג'ול?
8. כדורגל נבעט כלפי מעלה. מהם שינויי האנרגיה שהתרחשו בתהליך הזה?
א. אנרגיית הגובה של הכדור עברה שינוי לאנרגיית תנועה.
ב. רוב אנרגיית התנועה של הכדור עברה שינוי לאנרגיה גובה.
ג. חל שינוי רק באנרגיית הגובה של הכדור.
ד. חל שינוי רק באנרגיית התנועה של הכדור.
*52*
9. משחק הכדורים: בבית של עומר יש מתקן המורכב מכדורי מתכת בגודל זהה ובמשקל זהה, הקשורים למסגרת בגובה זהה. כאשר מרימים את הכדור הראשון בשורת הכדורים ושומטים אותו הוא נע ופוגע בכדור שלידו, וכתוצאה מכך כל הכדורים בשורה נשארים במקומם, ורק הכדור המרוחק ביותר נדחף הצדה, מתרומם ומיד חוזר ופוגע בכדור שלידו. גם עכשיו כל הכדורים במרכז השורה נשארים במקומם, ורק הכדור הקיצוני בצד האחר מתרומם.
(בספר תמונות של סירת מנוע וגלשני רוח:)
א. תארו את המרות האנרגיה ואת מעברי האנרגיה במשחק הזה.
ב. הסבירו מדוע בכל "מחזור" של התרוממות ופגיעה פוחת הגובה שהכדורים מגיעים אליו, עד שכל התנועה נפסקת.
10. כדור פלדה שמסתו 2 ק"ג הופל מגובה 5 מטרים מעל לקרקע שעל פני כדור-הארץ. כדור דומה הופל מאותו גובה מעל לקרקע של כוכב הלכת מאדים.
אילנה טוענת שהשינוי בגודלה של אנרגיית הגובה היה זהה בשני המקרים כי שני הכדורים הופלו מאותו הגובה. האם לדעתכם אילנה צודקת? הסבירו את תשובתכם.
*53*
*53*
(בספר תמונות של סירת מנוע וגלשני רוח:)
בפרק זה נלמד ש...
- לכל גוף הנמצא בתנועה יש אנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית).
- אנרגיית התנועה של גוף תלויה במסה שלו ובמהירות שלו.
- אם שני גופים נעים באותה המהירות, ואם המסה של אחד מהם גדולה פי 2 מזו של הגוף האחר, גם אנרגיית התנועה של הגוף הזה גדולה פי 2 מאנרגיית התנועה של הגוף האחר.
- אם לשני גופים מסה שווה, ואחד מהם נע במהירות גדולה פי 2 ממהירות הגוף האחר, אנרגיית התנועה של הגוף הזה גדולה פי 4 (2 בריבוע, 2 בחזקת 2) מאנרגיית התנועה של הגוף האחר.
- אנרגיית תנועה יכולה לעבור המרה לסוגי אנרגיה אחרים (למשל לאנרגיה חשמלית), ולהיפך.
- אנו מנצלים את אנרגיית התנועה לצרכינו, למשל להפקת חשמל באמצעות אנרגיית התנועה של הרוח.
- מרחק העצירה של מכונית נוסעת שווה למרחק התגובה של הנהג ועוד מרחק הבלימה של המכונית.
מושגים שנכיר:
אנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית)
שינוי באנרגיית התנועה
מרחק עצירה
מרחק בלימה
מרחק תגובה
זמן תגובה
*54*
מבוא
גופים רבים מסביבכם נמצאים בתנועה. לפעמים תוכלו להבחין בתנועתם בלי קושי, כמו למשל בתנועת רכבת הדוהרת על המסילה, ולפעמים תתקשו להבחין בה, כמו למשל בתנועת היבשות בכדור-הארץ או בתנועה של האטומים הבונים את גופכם. אפילו כשאתם עומדים במקום, ממש בלי לזוז, כדור-הארץ סובב סביב צירו ואתם נעים יחד אתו במהירות של כ-30 ק"מ בשנייה! אך כדי להבחין בתנועה זו תצטרכו לעלות על חללית ולהתבונן על כדור-הארץ ממרחק. אכן, גופים רבים נמצאים בתנועה, ולכל הגופים הנעים יש אנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית). (אנרגית תנועה - האנרגיה שיש לגופים הנמצאים בתנועה).
מי שאוהב לבלות בקיץ על חוף הים בוודאי צפה ברוכבים על אופנועי-ים. הרוכבים נעזרים במנוע חזק המאפשר להם להתקדם על פני המים במהירות גדולה. בזמן שאופנועי-הים והרוכבים עליהם נמצאים בתנועה יש להם אנרגיית תנועה. ככל שהם נעים במהירות גדולה יותר, אנרגיית התנועה שלהם גדולה יותר, וככל שמספר הרוכבים על אופנוע הים גדול יותר, אנרגיית התנועה של האופנוע יחד עם הרוכבים עליו גדולה יותר.
כך גם הגולשים על המים: כאשר נושבת רוח היא מפעילה כוח על מפרש הגלשן ומאפשרת לגולשים להתקדם. לרוח הנושבת יש אנרגיית תנועה. ככל שהרוח חזקה יותר, אנרגיית התנועה שלה גדולה יותר. כאשר הרוח מפעילה כוח על גלשני הרוח ומניעה אותם, חלק מאנרגיית התנועה של הרוח מועבר לאנרגיית התנועה של הגלשנים. כתוצאה מכך מתרחש שינוי באנרגיית התנועה של הגלשנים. ככל שאנרגיית התנועה המועברת לגלשני הרוח גדולה יותר, כך השינוי באנרגיית התנועה של הגלשנים גדול יותר, והם מתקדמים על פני המים במהירות גדולה יותר.
המנוע בסירה והרוח במפרשית גורמים לשינוי באנרגיית התנועה.
(בספר תמונה:) טורבינות הממירות אנרגיית תנועה (של רוח) לאנרגיה חשמלית.
משימה
הביאו עוד דוגמאות מהבית, מהרחוב וממקומות אחרים, שבהן אפשר להבחין בגופים הנמצאים בתנועה ויש להם אנרגיית תנועה.
תארו כיצד אנרגיית התנועה והשינויים בה באים לידי ביטוי בכל מקרה כזה, וציינו מהו הכוח המשפיע על תנועת הגופים.
בכל התופעות שבהן באה לידי ביטוי אנרגיית תנועה או שינויים באנרגיית התנועה, מתרחשות גם המרות של אנרגיה. אנרגיית תנועה יכולה לעבור המרה לסוגי אנרגיה אחרים, וסוגי אנרגיה אחרים יכולים לעבור המרה לאנרגיית תנועה. בני האדם למדו לנצל עובדה זאת לתועלתם, והם מיישמים אותה במכשירים ביתיים רבים וגם במערכות טכנולוגיות מורכבות.
לדוגמה, בשנים האחרונות מקימים יותר ויותר תחנות כוח להפקת חשמל המנצלות את אנרגיית התנועה של הרוח. הרוח מניעה טורבינות ענק, ומאפשרת לייצר חשמל בדרך "ירוקה" שאינה מזהמת את הסביבה ואינה תלויה במשאבים מתכלים.
*55*
(בספר שתי תמונות:)
בפרק זה נעמיק את הבנתנו במושג אנרגיית תנועה.
נלמד על הקשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין המסה והמהירות שלו, נחקור את הקשר בין הגורמים האלה בעזרת ניסויים, ונלמד לחשב באמצעות נוסחה את אנרגיית התנועה ואת השינויים בה.
כמו כן, נלמד כיצד נוסחה זו מסייעת להסביר תופעות טבע והתנסויות יומיומיות שונות, ונכיר יישומים טכנולוגיים הרותמים את אנרגיית התנועה לצורכי האדם, לדוגמה בכלי תחבורה שונים.
חלק מיוחד בפרק מוקדש להבנת הגורמים הקשורים לאנרגיית התנועה של מכוניות על הכביש ולהפחתתה, כדי למנוע תאונות דרכים וכדי להקטין את הנזק העלול להיגרם במקרה של התנגשות.
הגורמים המשפיעים על אנרגיית התנועה
מהם הגורמים המשפיעים על אנרגיית התנועה של גוף נע? לפניכם תמונות של שני כלי טיס בזמן טיסה. לשניהם יש אנרגיית תנועה. מה קובע את גודלה של אנרגיית התנועה של כלי הטיס האלה?
כיצד משפיעה המסה של מטוס כלשהו על אנרגיית התנועה שלו? האם מספר הנוסעים במטוס משפיע על אנרגיית התנועה שלו? כיצד משתנה אנרגיית התנועה של מטוס כאשר מהירותו משתנה?
תמונה 1 - מסוק
תמונה 2 - מטוס נוסעים
מה משפיע על אנרגיית התנועה של כלי הטיס?
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
כדי לענות על שאלות אלו, בצעו את הפעילויות שלפניכם.
*56*
פעילות - ניסוי
הקשר ביו אנרגיית התנועה של גוף לבין המסה שלו
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
אמצעי זהירות - משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הניסוי:
לבדוק כיצד מסת הגוף משפיעה על אנרגיית התנועה שלו.
ציוד:
שני כדורים בעלי מסה שונה, שתי מסילות משופעות וזהות, ושתי קוביות עץ זהות.
מהלך הניסוי:
א. העמידו את המסילות קרוב לקצה השולחן, והניחו כל קובייה קרוב לקצה המסילה (ראו בתמונה).
ב. החזיקו כל כדור בקצה הגבוה של כל מסילה, שחררו את שני הכדורים באותו הזמן כך שינועו באותה המהירות במורד המסילה ויפגעו בקוביות שבקצה השולחן.
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
בטבלה תציינו את מסת הכדורים הנעים (קטנה/גדולה) ואת התוצאה של פגיעתם בקוביות שעמדו בקצה המסילה.
סיכום ומסקנות:
1. תארו את ההבדל בתוצאות הפגיעה של שני הכדורים בקוביות שעמדו בקצה המסילה.
2. על מה מעידה התוצאה של פגיעת הכדור הנע בקובייה שעמדה בקצה המסילה?
3. מהו הגורם המשפיע שבדקתם בניסוי זה ומהו הגורם המושפע?
4. מדוע חשוב להניע את שני הכדורים באותה המהירות? הסבירו.
5. מהי המסקנה העולה מניסוי זה בנוגע לקשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין מסתו?
- כאשר גופים שונים נעים באותה המהירות, ככל שמסת הגוף גדולה יותר, כך אנרגיית התנועה שלו גדולה יותר.
*57*
פעילות - ניסוי
הקשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין מהירותו
(בספר תרשים:)
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הניסוי:
לבחון כיצד מהירות הגוף משפיעה על אנרגיית התנועה שלו.
ציוד:
שני כדורים בעלי מסה זהה, שתי מסילות משופעות וזהות, ושתי קוביות זהות.
מהלך הניסוי:
א. העמידו את המסילות קרוב לקצה השולחן, והניחו כל קובייה קרוב לקצה המסילה (ראו בתמונה).
ב. החזיקו כל כדור בקצה הגבוה של כל מסילה, וגרמו לשניהם לנוע במהירות שונה במורד המסילה (כדור אחד משחררים ממנוחה, ואת הכדור האחר דוחפים מעט קדימה).
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
בטבלה תציינו את מהירות הכדורים הנעים (קטנה/גדולה) ואת התוצאה של פגיעתם בקוביות שעמדו בקצה המסילה.
סיכום ומסקנות:
1. תארו את ההבדל בתוצאות הפגיעה של שני הכדורים בקוביות שעמדו בקצה המסילה.
2. מה הגורם המשפיע ומה הגורם המושפע בניסוי שערכתם?
3. הסבירו מדוע השתמשתם בשני כדורים שמסתם זהה.
4. מהי המסקנה העולה מניסוי זה בנוגע לקשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין מהירותו?
- ככל שמהירותו של גוף גדולה יותר, כך אנרגיית התנועה שלו גדולה יותר.
*58*
כיצד מודדים מהירות?
בניסוי הקודם מצאתם כי קיים קשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין מהירותו. כדי לבטא באמצעות נוסחה את הקשר המדויק בין אנרגיית תנועה לבין המהירות, חשוב להיזכר במה שלמדתם בעבר על מהירות ועל השיטה שבה מודדים אותה.
תארו לעצמכם מכונית שנוסעת לאורך כביש ישר. במשך זמן מסוים היא עוברת דרך כלשהי (מנקודת ההתחלה למקום אחר). אילו המכונית הייתה נוסעת במהירות גדולה יותר, היא הייתה מספיקה לעבור בזמן זהה דרך ארוכה יותר, כלומר היא הייתה מגיעה למרחק גדול יותר מנקודת ההתחלה.
אם כן, מהירות של גוף נקבעת לפי הדרך שהוא עובר ולפי משך הזמן שבו עבר דרך זו. גוף הנע במהירות קבועה עובר דרכים שוות בפרקי זמן שווים.
בתנועה במהירות קבועה, היחס בין אורך הדרך שגוף עובר לבין משך הזמן שבו הגוף עובר את הדרך הזאת קובע את מהירות התנועה של הגוף. את היחס הזה אפשר לתאר גם בנוסחה. אם נסמן את מהירות הגוף באות v, את הדרך שהגוף עובר נסמן באות s ואת משך הזמן שבו הגוף עובר את הדרך הזאת נסמן באות t, הנוסחה לחישוב המהירות תהיה:
מהירות = דרך/זמן (דרך חלקי זמן)
V = s/t
יחידת המידה של המהירות מתקבלת מחלוקת יחידת המידה של הדרך ביחידת המידה של הזמן. כך למשל, כאשר מודדים את הדרך במטרים ואת הזמן בשניות, יחידת המידה של המהירות תהיה מטר/שנייה (מטר לשנייה).
המכונית עברה 50 מטר ב-5 שניות, כלומר, עברה 10 מטרים בשנייה. מהירותה היא 10 מטר/שנייה
(בספר איור של שתי המשאיות)
כאשר מודדים את הדרך בקילומטרים (ק"מ) ואת הזמן בשעות, יחידת המידה של המהירות תהיה ק"מ/שעה (ק"מ לשעה) או בקיצור קמ"ש. בדרך כלל משתמשים ביחידת המידה קמ"ש כדי לבטא את המהירות של מכוניות, משאיות, רכבות ואף מטוסים. כדי להמיר מהירות מיחידת המידה קמ"ש ליחידת המידה מטר/שנייה, יש לחלק את גודלה של המהירות ב-3.6. כך למשל, מהירות של 72 קמ"ש שווה ל-20 מטר/שנייה (72 חלקי 3.6).
*59*
שאלות
1. משאית נעה במהירות של 36 קמ"ש. בטאו את מהירותה במטר/שנייה.
2. מכונית נעה במהירות של 108 קמ"ש. בטאו את מהירותה במטר/שנייה.
(בספר תמונת מסך מהאתר:)
הפעילות זמן, דרך, מהירות מתוך הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה.
(בספר איור של שתי המשאיות)
חישוב אנרגיית התנועה
בניסויים הקודמים שביצעתם גיליתם שיש קשר בין אנרגיית התנועה של גוף לבין מסתו ומהירותו. מהירות ומסה הם שני הגורמים היחידים הקובעים את אנרגיית התנועה של גוף. אך מהו סוג הקשר בין אנרגיית התנועה של גוף לכל אחד משני הגורמים הללו? תחילה נבדוק מה הקשר בין אנרגיית התנועה למסה, ולאחר מכן נבדוק מה הקשר בין אנרגיית התנועה למהירות.
א. הקשר ביו אנרגיית התנועה למסה
כדי לבדוק את הקשר המדויק בין אנרגיית התנועה למסה נדון בדוגמה שלפניכם:
נהגת נוסעת במכוניתה במהירות קבועה. מסתה של הנהגת היא 80 ק"ג ואנרגיית התנועה שלה היא 20,000 ג'ול. אל הנהגת מצטרף נוסע שמסתו זהה לזו של הנהגת. מהי אנרגיית התנועה הכוללת של הנהגת ושל הנוסע?
אנרגיית התנועה נקבעת על פי המסה והמהירות. המהירות של הנהגת והנוסע שווה כי שניהם נעים יחד עם המכונית. מכיוון שהמסה של שניהם שווה, גם אנרגיית התנועה של הנוסע תהיה שווה לאנרגיית התנועה של הנהגת. אם כך, אנרגיית התנועה הכוללת של הנהגת והנוסע תהיה:
20,000 ג'ול + 20,000 ג'ול = 40,000 ג'ול. אנרגיית התנועה של הנהגת והנוסע ביחד גדולה פי 2 מזו של הנהגת בלבד. כלומר, כאשר המהירות אינה משתנה, אם המסה גדלה פי 2 גם אנרגיית התנועה גדלה פי 2.
*60*
שאלות
1. כיצד תשתנה אנרגיית התנועה של מריצה שמעבירים בעזרתה שקי חול?
א. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו אותה.
ב. מהי המסקנה העולה מהטבלה שמילאתם בנוגע לסוג הקשר בין אנרגיית התנועה למסה?
המסה הכוללת של המריצה יחד עם השקים (ק"ג), פי כמה גדלה המסה הכוללת בהשוואה למסת המריצה בלבד, אנרגיית התנועה הכוללת של המריצה עם השקים (ג'ול), פי כמה גדלה אנרגיית התנועה הכוללת בהשוואה לאנרגיית התנועה של המריצה
15 (המריצה בלבד), 1, 10, 1
30(המריצה + שק אחד), --, 20, --
45 (המריצה + שני שקים), --, --, --
60 (המריצה + שלושה שקים), --, --, --
75 (המריצה + ארבעה שקים), --, --, --
(בספר איור של שתי המשאיות)
2. שתי משאיות נסעו באותה המהירות אל מגרש משאיות.
משאית א נשאה מטען ומסתה הכוללת הייתה 15,000 ק"ג.
משאית ב הייתה ללא מטען ומסתה הכוללת הייתה 5,000 ק"ג.
העריכו פי כמה גדולה אנרגיית התנועה של המשאית הטעונה בהשוואה למשאית שאינה טעונה. נמקו.
(בספר תמונה של אישה היורה בחץ וקשת:)
3. שתי ספינות שטות באותה המהירות, 10 מטר/שנייה.
המסה של ספינה א היא 10,000 ק"ג והמסה של ספינה ב היא 50,000 ק"ג.
איזה מהמשפטים שלפניכם נכון?
א. אנרגיית התנועה של ספינה א שווה לחצי מאנרגיית התנועה של ספינה ב.
ב. אנרגיית התנועה של ספינה א גדולה פי 1,000 מאנרגיית התנועה של ספינה ב.
ג. אנרגיית התנועה של ספינה א קטנה פי 5 מאנרגיית התנועה של ספינה ב.
ד. שתי הספינות שונות ולכן אין אפשרות להשוות את אנרגיות התנועה של שתיהן.
- כאשר שני גופים נעים במהירות שווה, והמסה של הגוף האחד גדולה פי מספר כלשהו ממסת הגוף האחר, אנרגיית התנועה של הגוף האחד גדולה פי אותו מספר מאנרגיית התנועה של הגוף האחר.
*61*
ב. הקשר בין אנרגיית התנועה למהירות
כדי לבדוק את סוג הקשר בין אנרגיית התנועה למהירות, נדון בדוגמה שלפניכם:
4 מכוניות שוות במסתן נסעו במהירויות שונות. לפניכם ערכי המהירויות וערכי אנרגיית התנועה של כל מכונית. העתיקו את הטבלה אל המחברת, השלימו אותה והסיקו מהו סוג הקשר בין מהירות המכונית לבין אנרגיית התנועה שלה.
מהירות (מטר בשנייה), פי כמה גדלה המהירות, אנרגיית התנועה (ג'ול), פי כמה גדלה אנרגיית התנועה
8, 1, 64,000, 1
16, --, 256,000, --
24, --, 576,000, --
32, --, 1,024,000, --
(בספר תמונה של אישה היורה בחץ וקשת:)
שאלות
1. כאשר תנאי הדרך מיטביים, רכבת בישראל נוסעת במהירות 120 קמ"ש (33.33 מטר/שנייה).
ביפן יש רכבת מהירה (רכבת "קליע") שנוסעת במהירות של 240 קמ"ש (66.67 מטר/שנייה).
(בספר תמונה של אישה היורה בחץ וקשת:)
בהנחה שלשתי הרכבות יש אותה המסה, איזה מהמשפטים שלפניכם נכון?
א. אנרגיית התנועה של הרכבת היפנית קטנה פי 2 מאנרגיית התנועה של הרכבת הישראלית.
ב. אנרגיית התנועה של הרכבת הישראלית קטנה פי 2 מאנרגיית התנועה של הרכבת היפנית.
ג. אנרגיית התנועה של הרכבת היפנית גדולה פי 4 מאנרגיית התנועה של הרכבת הישראלית.
ד. אנרגיית התנועה של הרכבת הישראלית שווה לחצי מאנרגיית התנועה של הרכבת היפנית.
2. מכונית מתקרבת לרמזור במהירות של 5 מטר/שנייה ואנרגיית התנועה שלה היא 6,250 ג'ול.
לאחר שעברה את הרמזור, האיץ הנהג את מהירות המכונית ל-15 מטר/שנייה.
א. פי כמה גדלה מהירותה של המכונית לאחר שהאיצה?
ב. פי כמה גדלה אנרגיית התנועה שלה?
ג. מהי אנרגיית התנועה של המכונית לאחר שהאיצה? הסבירו.
ד. חשבו את השינוי באנרגיית התנועה של המכונית לאחר העלייה במהירותה.
3. לתומר יש אופנוע שמסתו 300 ק"ג, ולליאורה יש קטנוע שמסתו 100 ק"ג. תומר וליאורה נוסעים במהירות שווה של 20 מטר/שנייה.
העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם והשלימו אותה. תנו כותרת לטבלה.
--, אופנוע, קטנוע
א. המסה (ק"ג), --, --
ב. פי כמה מסת האופנוע גדולה מזו של הקטנוע?, --
ג. מהירות הנסיעה (מטר/שנייה), --, --
ד. מהו הריבוע של מהירות הנסיעה?, --, --
ה. פי כמה גדולה אנרגיית התנועה של האופנוע מזו של הקטנוע?, --
(בספר תמונה של אישה היורה בחץ וקשת:)
*62*
4. בעבר חץ וקשת היו כלי נשק נפוץ.
אילן טוען: חץ שנורה במהירות של 6 מטר/שנייה מסוכן פי 3 מחץ דומה הנורה במהירות של 2 מטר/שנייה ופוגע באותו המקום, מפני שמהירותו גדולה פי 3 ולכן גם אנרגיית התנועה שלו גדולה פי 3.
האם טענתו של אילן נכונה? נמקו.
ככל שמותחים את מיתר הקשת חזק יותר, כך החץ נורה במהירות גדולה יותר ואנרגיית התנועה של החץ גדולה יותר.
(בספר תמונה של קופץ במוט:)
- כאשר לשני גופים מסה שווה, וגוף אחד נע במהירות גדולה פי מספר כלשהו ממהירות הגוף האחר, אנרגיית התנועה של הגוף האחד גדולה פי אותו מספר בריבוע מאנרגיית התנועה של הגוף האחר.
את סוג הקשר בין אנרגיית התנועה למסה ולמהירות אפשר לבטא באמצעות נוסחה. לצורך כך נסמן את אנרגיית התנועה של הגוף ב-Ek (האות k באה מהמונח האנגלי kinetic energy - אנרגיה קינטית), את מסת הגוף נסמן באות m ואת מהירות הגוף נסמן באות v.
מקובל לבטא את אנרגיית התנועה של הגוף באמצעות הנוסחה:
Ek = 1/2 * m * v^2
נוסחה זאת מאפשרת להשוות את אנרגיית התנועה של גופים שונים שמסתם או מהירותם שונה. אם יודעים מה מסתו של גוף (ביחידות של ק"ג) ומהי מהירותו (ביחידות של מטר/שנייה), אפשר לחשב את אנרגיית התנועה שלו (ביחידות של ג'ול).
שימו לב: כאשר מהירותו של הגוף נתונה בקמ"ש יש להמירה תחילה למטר/שנייה (על ידי חלוקה ב-3.6). כאשר מסת הגוף נתונה בגרם יש להמירה תחילה לק"ג (על ידי חלוקה ב-1,000).
שאלות
1. אתלט שמסת גופו 50 ק"ג רץ במהירות של 5 מטר/שנייה.
חשבו את אנרגיית התנועה (האנרגיה הקינטית) של האתלט.
2. מכונית שמסתה 1,000 ק"ג מתחילה להאיץ ממהירות של 36 קמ"ש עד שהיא מגיעה למהירות של 72 קמ"ש. חשבו את השינוי באנרגיית התנועה של המכונית, מתחילת ההאצה ועד סופה.
*63*
המרת אנרגיית תנועה וחוק שימור האנרגיה
מה המשותף לכל ההתרחשויות האלה: ספורטאי המתחרה בקפיצה במוט, כדורגלן הבועט בכדורגל ומעיפו למרום, ספורטאית הקופצת לים מצוק וצוללת למעמקי המים, ורוח נושבת המניעה מפרשית?
במקרים אלה, ובמקרים רבים אחרים, באה לידי ביטוי אנרגיית תנועה, ואפשר לתארם באמצעות המרת אנרגיה - מאנרגיית תנועה לסוגי אנרגיה אחרים או להיפך. בכל המקרים האלה מתקיים חוק שימור האנרגיה, כלומר בכל מקרה סך האנרגיה של הגופים (במערכת) לפני ההמרה שווה לסך האנרגיה של הגופים אחרי ההמרה. שילוב של חוק שימור האנרגיה עם הנוסחה לחישוב אנרגיית התנועה, מאפשר לחשב את מהירותם של גופים הנמצאים בתנועה.
כדי להמחיש זאת נדון בדוגמה שלפניכם:
ספורטאי המתחרה בקפיצה במוט משתדל לקפוץ מעל לרף בלי להפילו. הוא מתחיל לרוץ, מגביר את מהירותו, וברגע המתאים תוקע את בסיס המוט באדמה, דוחף את עצמו כלפי מעלה בעזרת המוט, ונע באוויר עד שהוא מגיע לגובה המתאים המאפשר לו לעזוב את המוט ("רגע הניתור") ולעבור מעל הרף בלי להפילו. לאחר שהספורטאי עובר מעל הרף הוא נופל על מזרן הנמצא מתחת לרף. מרגע הניתור אנרגיית התנועה של הספורטאי מומרת לאנרגיית גובה שלו, או להיפך (כמובן בהזנחת החיכוך עם האוויר). בהתאם לחוק שימור האנרגיה, השינוי באנרגיית התנועה של הספורטאי שווה לשינוי באנרגיית הגובה שלו. שילוב של חוק שימור האנרגיה עם הנוסחה של אנרגיית התנועה יאפשר לכם לחשב את מהירות הספורטאי בנקודות שונות במהלך תנועתו.
השינוי באנרגיית התנועה של ספורטאי שווה לשינוי באנרגיית הגובה שלו.
(בספר תמונה של מאוורר:)
שאלה
ספורטאי המתחרה בקפיצה במוט קופץ בהצלחה מעל רף שהונח בגובה של 5 מטרים מעל לרצפה (משטח הייחוס). מסת גופו של הספורטאי היא 60 ק"ג. ברגע הניתור (כאשר הספורטאי עוזב את המוט) גובהו מעל לפני הקרקע הוא 3 מטרים. התעלמו מהחיכוך עם האוויר.
1. חשבו את השינוי באנרגיית הגובה ואת השינוי באנרגיית התנועה של הספורטאי כאשר הוא עולה מנקודת הניתור אל הגובה המרבי מעל לרף.
2. מהי אנרגיית התנועה של הספורטאי בנקודת הגובה המרבי? הסבירו.
3. מהי אנרגיית התנועה של הספורטאי בנקודת הניתור?
4. חשבו את מהירות הספורטאי ברגע הניתור.
5. מהי האנרגיה הכוללת של הספורטאי בנקודת הגובה המרבי?
6. מהי האנרגיה הכוללת ואנרגיית התנועה של הספורטאי כשהוא סמוך לפני הקרקע?
7. באיזו מהירות פוגע הספורטאי בקרקע בסיום הקפיצה? הסבירו מדוע.
8. תארו באמצעות גרפים מסוג עוגה את הכמות של כל אחד מסוגי האנרגיה שיש לספורטאי בנקודת הניתור למעלה, בגובה המרבי, ועל סף הפגיעה בקרקע.
*64*
שימוש באנרגית תנועה לצורכי האדם
אנרגיית התנועה היא אחד מסוגי האנרגיה השימושיים ביותר שבני האדם מנצלים לתועלתם. אנו מנצלים את אנרגיית התנועה הבאה לידי ביטוי בתופעות טבע כגון אנרגיית התנועה של רוח נושבת או של מי נהר זורמים. למשל, בתחנות כוח מומרת אנרגיית התנועה של הרוח לאנרגיה חשמלית השימושית לאדם. כמו כן, אנו מנצלים את אנרגיית התנועה, המתבטאת בתהליכים מעשה ידינו, וממירים אותה לסוגי אנרגיה הנחוצים לנו. כך למשל, אנרגיית התנועה של גלגל אופניים מסתובב מומרת באמצעות גנרטור (דינמו) הצמוד אליו לאנרגיה חשמלית העוברת לפנס. בנוסף, אנו ממירים סוגי אנרגיה אחרים לאנרגיית תנועה המשרתת את צרכינו. לדוגמה, במכוניות מתרחשת המרה של אנרגיה כימית (שריפת הדלק במנוע המכונית) לאנרגיית תנועה של המכונית. בכמה ממכשירי החשמל הביתיים יש מערכות טכנולוגיות הממירות אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה, כמו במערבל מזון (מיקסר), במכונת כביסה ובמקדחה.
מאוורר
אחת הדוגמאות הבולטות להפקת אנרגיית תנועה היא מאוורר. במאוורר מומרת אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה של כנפי המאוורר, המועברת לאנרגיית תנועה של האוויר בחדר.
יש הסבורים בטעות כי מאוורר מקרר את האוויר שבחדר וכך הוא מצנן את גופנו. למעשה, כנפי המאוורר המסתובבות רק מערבלות את האוויר. אם כך, מדוע גופנו מתקרר?
הפקת אנרגיית תנועה במאוורר
זרימת האוויר בחדר מרחיקה את האוויר החם והלח שמצטבר צמוד לגופנו, ומחליפה אותו באוויר קריר יותר. זרימת האוויר בקרבת הגוף גם מייעלת את התהליך של נידוף הזיעה מן העור ובכך המאוורר תורם בעקיפין לצינון גופנו.
מאוורר הוא דוגמה למערכת טכנולוגית, והוא יכול להיות גם אחד הרכיבים במערכות טכנולוגיות מורכבות יותר, כגון מערכות הקירור של כלי רכב, של מזגנים ושל מחשבים. בכל המקרים הללו תפקיד המאוורר הוא להרחיק אוויר חם שהצטבר במערכת.
במאוורר ממירים אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה.
(בספר תמונה של בלון מנופח:)
שאלות
1. עקבו אחר אופן פעולתו של מאוורר. תארו באמצעות תרשים זרימה את המרות האנרגיה ואת מעברי האנרגיה המתרחשים בתהליך ההפעלה של המאוורר.
2. למדתם שלמערכת טכנולוגית יש שלושה מרכיבים: קלט, עיבוד ופלט. ציינו מהו הקלט במאוורר, מהם תהליכי העיבוד המתרחשים בו, ומהו הפלט.
3. יום אחד התגבר הרעש הנשמע בעת הפעלתו של המאוורר ומאז הוא מרעיש יותר מבעבר.
איזה משפט נכון במקרה כזה?
א. פחות אנרגיה חשמלית מומרת לחום.
ב. חום רב יותר מומר לאנרגיה של קול.
ג. יעילות הפעולה של המאוורר השתפרה.
ד. פחות אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיית תנועה.
*65*
מכונית
רוב המכוניות מונעות באמצעות דלק נוזלי כגון בנזין או סולר. הדלק הוא מקור האנרגיה של המכונית. אנרגיה זו מומרת מסוג לסוג ועוברת מגוף לגוף, וכך מתאפשרת תנועת המכונית.
הדלק מאוחסן במכל הדלק ומשם הוא עובר אל המנוע. באמצעות מערכת הצתה ייחודית מציתים את הדלק, ומההצתה נפלטים גזים בעוצמה רבה ונוצר חום. בשלב זה אנרגיה כימית (הבאה לידי ביטוי בתהליך הצתת הדלק) מומרת לאנרגיית תנועה של הגזים, ולחום המחמם את האוויר שמסביב. הגזים הנפלטים מפעילים לחץ על הבוכנות ומניעים אותן, כלומר אנרגיית התנועה של הגזים הנפלטים מועברת לאנרגיית תנועה של הבוכנות. במנוע יש מנגנון ייחודי הממיר את תנועת הבוכנות לתנועה סיבובית של גלגלי המכונית. כאשר המכונית נעה, אנרגיית התנועה שלה מומרת לחום בגלל החיכוך בין הגלגלים לבין הכביש ובגלל החיכוך בין המכונית עצמה לבין האוויר המתנגד לתנועתה. כל החום הזה נפלט גם הוא לסביבה.
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
מכונית נוסעת
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא אנרגיה, בחרו בסעיף המרה ושימור אנרגיה, ופתחו את הפעילות אנרגיה במכונית נוסעת.
(בספר תמונת מסך מהאתר)
(בספר תמונה של בלון מנופח:)
א. התניעו את המכונית והסיעו אותה עד שייגמר הדלק.
ב. היעזרו בגרפים שבהדמיה ועקבו אחר השינויים בסוגי האנרגיה השונים ואחר סך האנרגיה במערכת.
ג. שימו לב להמרות האנרגיה במערכת, במיוחד בשלב העצירה.
שאלות
1. הכינו תרשים זרימה של כל המרות האנרגיה ומעברי האנרגיה במכונית נוסעת.
2. המכונית נוסעת עד שהדלק שהיה במכל אוזל, ואז היא נעצרת.
א. בסוף הנסיעה, לאיזו אנרגיה הומרה האנרגיה הכימית של הדלק?
ב. מדוע המכונית נעצרה כאשר אזל הדלק במכל?
*66*
3. יואב שכח למלא דלק, וכאשר מכל הדלק במכוניתו התרוקן, המנוע הפסיק לעבוד והמכונית נעצרה. איזה מהמשפטים שלפניכם מתאר את מה שהתרחש מרגע התנעת המכונית ועד שהיא נעצרה?
א. כל האנרגיה הכימית הומרה לחום.
ב. כל האנרגיה הכימית הומרה לאנרגיית תנועה.
ג. רוב האנרגיה הכימית הומרה לאנרגיית תנועה, ומיעוטה הומרה לחום.
ד. רוב האנרגיה הכימית הומרה לחום, ומיעוטה הומרה לאנרגיית תנועה.
4. הסבירו: מדוע מפזרים חול על הכביש לאחר פינוי מכוניות שנפגעו בתאונת דרכים?
רקטה וטיל
רקטות וטילים נעים באמצעות מנוע רקטי. במנוע כזה נוצרים גזים בתהליכי בעירה או בתהליכים כימיים אחרים. הגזים נפלטים מהמנוע הרקטי בכיוון אחד ודוחפים את הרקטה או את הטיל בכיוון ההפוך.
מרגע השיגור הרקטות ממשיכות לנוע ללא כל שליטה חיצונית. לעומת זאת, טילים מצוידים במערכות ניווט המאפשרות לשלוט על כיוון מעופם.
עיקרון ההנעה הרקטית דומה במהותו לבלון מנופח שמשחררים ממנו את האוויר. מכיוון שהבלון עשוי גומי אלסטי, הוא מפעיל כוח על האוויר שבתוכו ודוחף אותו החוצה. האוויר היוצא מהבלון מפעיל כוח על הבלון ודוחף אותו בכיוון ההפוך. בתהליך זה האנרגיה האלסטית של הבלון המנופח מומרת לאנרגיית תנועה של האוויר הנדחף החוצה ושל הבלון הנע.
אנרגיה אלסטית - אנרגיה שיש לגוף גמיש כשהוא מתוח או מכווץ.
הכוח שהבלון מפעיל על האויר - בכיוון החוצה מהבלון.
הכוח שהאוויר מפעיל על הבלון - בכיוון ההפוך - פנימה.
הבלון נע קדימה כי האוויר, הנדחף ממנו החוצה, דוחף את הבלון בכיוון ההפוך.
(בספר תמונה של רקטה:)
כיוון התנועה של הרקטה מנוגד לכיוון התנועה של הגזים הנפלטים מהמנוע הרקטי.
(בספר תרשים:)
*67*
פעילות - משימת תיכון
הכנת מכונית רקטית או סירה רקטית
במסגרת פרויקט לתלמידים שוחרי מדע וטכנולוגיה קיבלו התלמידים משימה: לתכנן מכונית או סירה הנעים באמצעות מנוע רקטי. נסו גם אתם לתכנן מוצר מסוג זה.
שלב א: זיהוי הצורך
זהו את הצורך והאתגר העומדים בפיתוח המכונית או הסירה הרקטית.
שלב ב: זיהוי הדרישות
שערו באילו דרישות יש להתחשב בעת תכנון המכונית או הסירה הרקטית. כתבו את הדרישות על פי מידת חשיבותן, מהחשובה ביותר ועד לפחות חשובה.
שלב ג: איסוף מידע וארגונו
התחלקו לקבוצות ואספו מידע בנושאים הבאים:
1. מנוע רקטי: אספו מידע על דרכים שונות ליצירת גזים שיניעו את המכונית/הסירה שלכם: הרתחת כמות קטנה של מים הנמצאים במבחנה באמצעות נר, הגזים הנפלטים מתגובה כימית המתרחשת בין חומץ וסודה, אוויר הנפלט מבלון מנופח, דחיפת אוויר באמצעות מאוורר ועוד. תארו את המרות האנרגיה המאפיינות כל דרך.
2. דרכים לשינוי כיוון תנועתו של גוף הנע באמצעות מנוע רקטי: אספו מידע בנוגע לדרכים שונות לשינוי כיוון תנועתם של גופים הנעים באמצעות מנוע רקטי. לדוגמה, ניתן לשחרר את האוויר מבלון מנופח דרך קשית שתייה. שינוי בכיוון פליטת האוויר דרך הקשית משפיע על כיוון התקדמות הבלון לאחר שחרור האוויר.
3. הקטנת החיכוך עם האוויר או עם המים: בדקו כיצד משיגים מטרה זו בכלי תחבורה שונים, למשל באמצעות צורה הידרודינמית או אווירודינמית.
4. בחירת חומרים: אספו מידע על החומרים שמהם בונים כלי רכב, למשל כאלה שמקטינים את מסת הכלי, שמקנים לו חוזק וכדומה.
שלב ד: תכנון המכונית או הסירה הרקטית
בהתבסס על הצורך והאתגר שזיהיתם ועל הדרישות ועל התחקיר שעשיתם, ציינו באיזו דרך בחרתם להניע את המכונית/הסירה שלכם, וסרטטו את המכונית/הסירה שברצונכם להציע. רשמו נתונים מספריים ככל הניתן אודותיהן.
שלב ה: בניית דגם
בנו את המכונית/הסירה הרקטית שתכננתם, או הכינו דגם המציג את המאפיינים שלה. הציגו את הדגם שבניתם בפני הכיתה ודונו באפשרויות לשכלל אותו.
"מכונית רקטית" שנעה באמצעות בלון מנופח
(בספר תרשים המדגים את מרחק העצירה, היעזר במנחה)
*68*
אנרגיית התנועה בכביש
אתם נוסעים ברכב, ופתאום הרכב שלפניכם נעצר. נהגת הרכב שבו אתם נוסעים לוחצת חזק על דוושת הבלם כדי לעצור את הרכב, הרכב מאט בהדרגה וממשיך לנסוע מרחק מסוים עד שהוא נעצר, למרבה המזל, בלי להתנגש ברכב שלפניכם. בנסיעה זו נשמר מרחק מתאים מהרכב שלפניכם, ולכן נמנעה תאונה שהייתה עלולה לגרום נזק למכוניות, או גרוע יותר, לפגוע בכם או באחרים. לעתים קרובות מצבים כאלו עלולים לגרום לפגיעה ברכוש או בנפש. 1 מכל 5 תאונות דרכים בישראל נגרמת בשל אי-שמירה על מרחק מתאים בין כלי רכב.
מהו המרחק הבטוח שאותו צריך לשמור מהרכב שלפנינו כדי להימנע מפגיעה במקרה של בלימת חירום? כדי להבין זאת נבדוק מה מתרחש כאשר רכב נעצר בבלימת חירום, ונכיר את המושגים: מרחק בלימה, זמן תגובה, מרחק תגובה ומרחק עצירה.
אתם כבר יודעים שלכל רכב הנמצא בתנועה יש אנרגיית תנועה. כאשר לוחצים על דוושת הבלם בבלימת חירום, בלמי הרכב מתחככים בחוזקה בגלגלים ומאטים את מהירות הסיבוב של הגלגלים. כתוצאה מהחיכוך בין הגלגלים לבלמים ובין הגלגלים לכביש, אנרגיית התנועה של הרכב פוחתת בהדרגה ומומרת לחום. כאשר כל אנרגיית התנועה של הרכב הומרה לחום - הרכב נעצר.
מתיאור זה עולה שבלימה היא תהליך הדרגתי. כאשר נהגים בולמים, רכבם אינו עוצר בבת אחת, אלא עובר מרחק מסוים עד לעצירתו המוחלטת. המרחק שרכב עובר מהרגע שלוחצים על דוושת הבלם בבלימת חירום ועד שהוא נעצר לחלוטין נקרא מרחק בלימה. (מרחק בלימה - המרחק שהרכב עובר מהזמן שבו מתחילים לבלום בבלימת חירום ועד שהוא נעצר לחלוטין.)
המרחק שרכב עובר מהרגע שבו יש צורך או חובה לעצור ועד לעצירתו המוחלטת של הרכב גדול ממרחק הבלימה. מדוע?
מרחק הבלימה נמדד מהרגע שבו לוחצים חזק על דוושת הבלם, אבל לכל אחד ואחת לוקח זמן מסוים מהרגע שבו הם מבחינים בצורך לעצור ועד לרגע שבו הם לוחצים על דוושת הבלם. זמן זה נקרא זמן התגובה. (זמן תגובה - הזמן שחולף מרגע זיהוי הצורך לעצור ועד להתחלת הבלימה.)
בפרק זמן זה עובר כלי הרכב מרחק מסוים הנקרא מרחק התגובה. (מרחק תגובה - המרחק שעוברת המכונית בזמן התגובה.)
המרחק הכולל שרכב עובר מהרגע שבו הנהג או הנהגת הבחינו בצורך לעצור ועד לעצירתו המוחלטת של הרכב, מורכב ממרחק התגובה וממרחק הבלימה. מרחק זה נקרא מרחק עצירה.
(מרתק העצירה - המרחק הכולל שרכב עובר מהרגע שבו הנהג או הנהגת הבחינו בצורך לעצור ועד לעצירתו המוחלטת. מרחק זה שווה לסכום של מרחק התגובה ומרחק הבלימה.) מרחק העצירה הוא למעשה המרחק המינימלי שצריך לשמור מהרכב שלפנינו כדי שלא נפגע בו בשעת בלימת חירום.
(בספר תרשים המדגים את הגידול במרחק הבלימה בעקבות הכפלת המהירות:)
*69*
אפשר לבטא את הקשר בין מרחק התגובה, מרחק הבלימה ומרחק העצירה באמצעות הנוסחה:
מרחק עצירה = מרחק תגובה + מרחק בלימה
גורמים המשפיעים על מרחק העצירה
מרחק העצירה של הרכב קובע את המרחק המינימלי שעלינו לשמור מהרכב שלפנינו, אך הוא אינו קבוע ויכול להתארך בתנאים מסוימים. הבדל של סנטימטרים ספורים במרחק העצירה יכול לקבוע אם תתרחש תאונה או לא, ולכן חשוב להכיר את הגורמים המשפיעים על מרחק העצירה ולהתנהג בהתאם.
כמה גורמים עיקריים משפיעים על מרחק העצירה:
1. מהירות הרכב
2. זמן התגובה של הנהגים
3. החיכוך עם הכביש
1. השפעת המהירות על מרחק העצירה
נהיגה במהירות גבוהה עלולה להיות מסוכנת מסיבות שונות. אחת הסיבות העיקריות היא הגדלת מרחק העצירה: כאשר נוהגים מהר, פוחת הסיכוי שהמכונית תספיק לעצור בזמן לפני התנגשות. המהירות משפיעה על מרחק העצירה, על מרחק התגובה וגם על מרחק הבלימה, אך באופן שונה על כל אחד מהם.
השפעת המהירות על מוחק הבלימה - מרחק הבלימה תלוי באנרגיית התנועה של המכונית בעת בלימת חירום. על פי הנוסחה לחישוב אנרגיית התנועה, כאשר מהירותה של מכונית גדלה פי מספר מסוים, אנרגיית התנועה שלה גדלה פי אותו המספר בריבוע. לכן גם מרחק הבלימה של המכונית יתארך פי אותו המספר בריבוע. לדוגמה, אם המהירות גדלה פי 2, מ-40 קמ"ש ל-80 קמ"ש, מרחק הבלימה יגדל פי 2 בריבוע, כלומר פי 4.
כאשר מגדילים את מהירות המכונית פי 2, מרחק התגובה גדל פי 2 ומרחק הבלימה גדל פי 2 בריבוע.
(אם במהירות 40 קמ"ש - מרחק התגובה 62 מטרים ומרחק הבלימה 60 מטרים,
אז במהירות 80 קמ"ש - מרחק התגובה 124 מטרים ומרחק הבלימה 240 מטרים)
(בספר תרשים המדגים את השוני בין מרחקי הבלימה על כביש יבש ועל כביש רטוב:)
*70*
השפעת המהירות על מרחק התגובה - אפשר לבטא את מרחק התגובה באמצעות הנוסחה:
מרחק תגובה = מהירות המכונית * זמן התגובה
על פי הנוסחה הזו אפשר לראות שמרחק התגובה יגדל ככל שמהירות הנסיעה תגדל, ובאותו היחס. לדוגמה, אם המהירות גדלה פי 2, גם מרחק התגובה יגדל פי 2.
שאלה
בתנאי מזג אוויר רגילים, מרחק הבלימה של מכונית משפחתית הנוסעת במהירות של 36 קמ"ש הוא 20 מטרים. מה יהיה מרחק הבלימה של המכונית הזאת אם מהירותה תעלה ל-72 קמ"ש?
2. השפעת זמן התגובה על מרחק העצירה
זמן התגובה הממוצע של נהגים הוא כ-0.75 שניות, אך הוא שונה מאדם לאדם ותלוי בגורמים שונים כמו גיל הנהגים ומידת הערנות שלהם. לזמן התגובה יש השפעה על מרחק התגובה, ולכן גם על מרחק העצירה, על פי הנוסחה:
מרחק תגובה = מהירות המכונית * זמן התגובה
לדוגמה, נחשב בעזרת הנוסחה את מרחק התגובה של מכונית הנוסעת במהירות של 25 מטר/שנייה (90 קמ"ש) ובה נוהג אדם שזמן התגובה שלו שנייה אחת:
מרחק התגובה = (1 שניות) * (25 מטר/שנייה) = 25 מטר
אם מסיבות שונות זמן התגובה יתארך פי 2, הרי מרחק התגובה יתארך אף הוא פי 2 ויהיה 50 מטרים! זה הבדל משמעותי במרחק, והוא עלול להיות מסוכן אם הנהגים אינם שומרים על מרחק מתאים מהרכבים שלפניהם, או אם הולכי רגל חוצים פתאום את הכביש.
שאלה
נהג שזמן התגובה שלו הוא 0.75 שניות נוסע במכונית בנסיעה עירונית במהירות של 15 מטר/שנייה (54 קמ"ש).
א. חשבו את מרחק התגובה שהמכונית תעבור.
ב. כדור נזרק בפתאומיות אל הכביש, במרחק של 10 מטרים מהמכונית הנוסעת. האם המכונית תפגע בו? אם כן, באיזו מהירות היא תפגע בכדור? הסבירו מדוע.
*71*
3. השפעת החיכוך על מרחק העצירה
בלימת חירום של רכב מתאפשרת בזכות החיכוך בין הבלמים לגלגלי הרכב ובזכות החיכוך בין הגלגלים לאספלט של הכביש. החיכוך גורם להמרת אנרגיית התנועה לחום. ככל שהחיכוך קטן יותר, כמות האנרגיה המומרת לחום בכל שנייה קטנה יותר, ולכן מרחק הבלימה גדול יותר. החיכוך של גלגלי הרכב עם הכביש תלוי בגורמים שונים, כגון: מצב הכביש ומצב הצמיגים. כאשר הכביש רטוב או מכוסה בשכבת שמן או קרח, החיכוך בין הכביש לצמיגים קטן ומרחק הבלימה גדל. בנסיעה בתנאי כביש כאלה הנהגים מתבקשים, מטעמי זהירות, לשמור על מרחק גדול יותר מהרכב שלפניהם בהשוואה לנסיעה בכביש שאינו רטוב או שאינו מכוסה בשכבת שמן או קרח.
נמחיש זאת באמצעות הדוגמה שלפניכם.
אנרגיית התנועה של מכונית נוסעת, 40,000 ג'ול
הכמות של אנרגיית התנועה המומרת לחום בעקבות חיכוך, בכל מטר אחד של בלימה על כביש יבש, 4,000 ג'ול
מרחק הבלימה של המכונית, 10 מטרים (= 40,000/4,000)
הכמות של אנרגיית התנועה המומרת לחום בעקבות חיכוך, בכל מטר אחד של בלימה על כביש רטוב, 2,000 ג'ול
מרחק הבלימה, 20 מטרים ( = 40,000/2,000)
(בספר תרשים המדגים את השוני בין מרחקי הבלימה על כביש יבש ועל כביש רטוב:)
בבלימת חירום בכביש רטוב, החיכוך בין גלגלי המכונית לכביש קטן ומרחק העצירה גדל
(בספר תמונה:) תאונה כתוצאה מהחלקה על קרח שנוצר על הכביש.
(בספר תמונה:) מסוכן לכתוב או לקרוא מסרון בזמן נהיגה.
*72*
שאלות
1. על איזה מרכיב במרחק העצירה משפיע החיכוך עם הכביש - על מרחק התגובה, על מרחק הבלימה, או על שניהם? הסבירו.
2. לפניכם נתונים על מרחקי העצירה של משאית הנוסעת באותה המהירות בכביש רטוב, בשני מצבים: כאשר הצמיגים חדשים, וכאשר הצמיגים שחוקים.
צמיגים חדשים - 34 מטר
צמיגים שחוקים - 49.6 מטר
(בספר תמונה:) מסוכן לכתוב או לקרוא מסרון בזמן נהיגה.
הסבירו בעזרת הנתונים מדוע חשוב להקפיד להחליף את הצמיגים הישנים בצמיגים חדשים. התייחסו בהסבר שלכם להשפעת החיכוך על מרחק העצירה.
פעילות - אל הרשת - פעילות שיתופית, הילקוט הדיגיטלי
גורמים המשפיעים על מרחק העצירה
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא תנועה וכוחות, ובחרו ביחידת הלימוד מרחק עצירה.
בפעילות שלפניכם תתכננו ניסויים לבדיקת ההשפעה של גורמים שונים על מרחק העצירה של מכונית, ותחקרו אותם באמצעות הדמיה.
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תמונה:) מסוכן לכתוב או לקרוא מסרון בזמן נהיגה.
תוכלו לחקור בפעילות נושאים שונים, לדוגמה:
- השפעת המהירות על מרחק העצירה (מרחק התגובה ומרחק הבלימה).
- השפעת זמן התגובה על מרחק העצירה (מרחק התגובה ומרחק הבלימה).
- השפעת גורמים שונים (כגון היסח דעת) על זמן התגובה.
א. היעזרו בשלבי תהליך החקר: שאלו שאלת חקר, שערו מה התשובה לשאלת החקר, הגדירו את הגורם המשפיע, את הגורם המושפע ואת הגורמים הקבועים. חזרו על הניסוי פעמים אחדות, תארו את תוצאות החזרות השונות בניסוי והסיקו מסקנות. התייחסו גם למגבלות הניסוי.
ב. הציגו את החקר שביצעם בפני הכיתה. פרטו את הניסוי שביצעתם והציגו את התוצאות, את המסקנות ואת המלצותיכם.
ג. הכינו תוצר שיתופי (כרזה, מצגת, עלון מידע וכדומה) ובו המלצות להתנהגות נכונה בכביש עבור הולכי הרגל ועבור הנהגים על סמך תוצאות הניסויים שערכתם בהדמיה.
*73*
פעילות - אוריינות מדעית
מסרונים (SMS) בנהיגה - מדוע זה מסוכן?
קראו את קטע המידע שלפניכם ובצעו את המשימות הכתובות בסופו.
על פי נתונים שפורסמו בארצות הברית, יותר מ-100 אלף תאונות דרכים המתרחשות במדינה נובעות מכתיבה וקריאה של מסרונים או הודעות דואר אלקטרוני בנהיגה. התאונות הללו גובות את חייהם של כ-6,000 אנשים בממוצע מדי שנה. כמו כן, יותר מ-600 אלף איש בארצות הברית (כרבע מנפגעי תאונות הדרכים) נפצעים מדי שנה בתאונות המתרחשות מכיוון שהנהגים שולחים מסרונים או גולשים באינטרנט בזמן הנהיגה.
כ-20 אחוזים מן הנהגים בארצות הברית שולחים מסרונים תוך כדי נהיגה באופן קבוע, וגם בישראל המצב לא טוב יותר. בסקר שנערך מטעם עמותת "אור ירוק" נמצא כי כל נהג ישראלי רביעי כותב או קורא מסרונים בנהיגה. שימוש בטלפון הנייד בזמן נהיגה הוא אחד הגורמים העיקריים להסחת דעת הפוגעת בזמן התגובה של הנהגים.
מחקר שנערך בארצות הברית בשנת 2011 בדק את ההשפעה של העיסוק במסרונים בזמן נהיגה על זמן התגובה. במחקר השתתפו 42 גברים ונשים בגילאים שונים, שנהגו ברכב אמיתי במסלול ישר באורך של כ-18 ק"מ. החוקרים עקבו אחר זמן התגובה של הנהגים לאור ירוק מהבהב, ואחר האופן שבו הם שמרו על נתיב הנסיעה. החוקרים בדקו 3 קבוצות: נהגים שלא השתמשו בטלפון הנייד, נהגים שכתבו מסרון בזמן הנהיגה, ונהגים שקראו מסרון בזמן הנהיגה.
תוצאות המדידה של זמן התגובה מפורטות בטבלה הבאה:
זמן תגובה, זמן תגובה ממוצע (שניות)
ללא שימוש בטלפון הנייד (בקרה), 1.754
כתיבה של מסרון, 4.302
קריאה של מסרון, 3.278
(בספר תמונה:) מסוכן לכתוב או לקרוא מסרון בזמן נהיגה.
(בספר תרשים)
שאלות
1. תארו במילים שלכם את תוצאות הניסוי.
2. חשבו את מרחק התגובה של רכב הנוסע במהירות של 25 מטר/שנייה (90 קמ"ש) במצבים שונים של הנהגים. העתיקו את הטבלה למחברתכם, והוסיפו לה עמודה שבה תרשמו את מרחק התגובה שחישבתם. אתם יכולים להוסיף עוד עמודות לטבלה, ובהן תרשמו את מרחקי התגובה של רכב הנוסע במהירויות שונות.
3. מה המסקנות מתוצאות הניסוי?
4. כיצד תוצאות הניסוי מסבירות את הקשר בין שימוש בטלפון הנייד בזמן נהיגה לבין עלייה בתאונות הדרכים?
5. (משימה שיתופית) הכינו תוצר מסכם (כרזה, מצגת, סרטון וכדומה) שמטרתו לשכנע את הנהגים שלא להשתמש בטלפון הנייד בזמן נהיגה.
בהכנת התוצר המסכם התבססו על המידע שאספתם במשימה, ועל הידע שלכם בנושאים של אנרגיית תנועה ומרחק עצירה. תוכלו לאסוף עוד מידע באמצעות הפצת שאלונים ולהיעזר במקורות מידע נוספים.
*74*
סיכום
- מרחק התגובה הוא המרחק שהמכונית עוברת מהרגע שהנוהגים בה מבחינים בצורך לעצור ועד הלחיצה על דוושת הבלם.
- מרחק הבלימה הוא המרחק שהמכונית עוברת מהרגע שבו מתחילים לבלום בבלימת חירום ועד שהיא נעצרת לחלוטין.
- מרחק העצירה הוא המרחק הכולל שהמכונית עוברת מהרגע שבו הנהג או הנהגת הבחינו בצורך לעצור ועד לעצירה המוחלטת. מרחק זה שווה לסכום של מרחק התגובה ומרחק הבלימה.
- כאשר מהירותה של מכונית גדלה פי מספר מסוים, מרחק הבלימה שלה גדל פי אותו המספר בריבוע.
- ככל שהחיכוך בין המכונית לכביש גדול יותר, כך מרחק הבלימה קטן יותר.
- לזמן התגובה של הנהגים יש השפעה על מרחק התגובה. זמן התגובה מושפע מגורמים שונים, ובהם גיל הנהגים ומידת ערנותם.
- שימוש בטלפון נייד מגדיל את זמן התגובה של הנהגים בצורה ניכרת, ולכן מגדיל את מרחק התגובה ואת מרחק העצירה.
שאלות
1. מכונית שמסתה 1,000 ק"ג נעה במהירות של 36 קמ"ש.
א. חשבו את אנרגיית התנועה (האנרגיה הקינטית) של המכונית. הציגו את דרך החישוב.
ב. מהו השינוי באנרגיית התנועה של המכונית כאשר היא נעצרת?
ג. נהג המכונית מגביר את מהירות המכונית מ-36 קמ"ש ל-90 קמ"ש. פי כמה תגדל המהירות? פי כמה תגדל אנרגיית התנועה של המכונית?
2. כדורגל שמסתו 1 ק"ג נבעט במהירות של 5 מטר/שנייה כלפי מעלה.
א. חשבו את אנרגיית התנועה שיש לכדור מיד לאחר הבעיטה.
ב. מהו השינוי באנרגיית התנועה שלו מרגע הבעיטה עד שהוא מגיע לנקודת הגובה המרבי במסלול תנועתו? הסבירו מדוע.
3. אנרגיית התנועה של מכונית הנוסעת במהירות של 54 קמ"ש (15 מטר/שנייה) היא 100,000 ג'ול. במצב של בלימת חירום, אם המכונית מחליקה מרחק של מטר אחד על הכביש, כמות של 5,000 ג'ול מאנרגיית התנועה שלה מומרת לחום. חשבו את מרחק הבלימה שלה.
4. כיצד משתנה מרחק הבלימה של המכונית המתוארת בשאלה הקודמת כאשר מהירותה עולה ל-108 קמ"ש (30 מטר/שנייה)? פי כמה גדל מרחק הבלימה?
*75*
(בספר תרשים)
א. מהי אנרגיית התנועה של הילד בעת שהוא מתחיל לגלוש? הסבירו מדוע.
ב. מה תהיה מהירותו של הילד בתחילת הקטע האופקי במגלשה? הציגו את דרך החישוב.
ג. חול שפוזר על הקטע האופקי של המגלשה גרם לחיכוך בין הילד למגלשה בקטע זה. כתוצאה מכך בכל מטר שהילד גולש על הקטע האופקי, אנרגיית תנועה של 500 ג'ול מומרת לחום. איזה מרחק יעבור הילד על גבי המשטח האופקי עד שיעצור לחלוטין? הציגו את דרך החישוב.
6. קליע שמסתו 60 גרם נורה במהירות של 1,000 מטר/שנייה לעבר לוח העשוי עץ. הקליע פגע בלוח, חדר דרכו ובצאתו המשיך לנוע במהירות של 500 מטר/שנייה.
א. חשבו את השינוי באנרגיית התנועה של הקליע בזמן שעבר דרך הלוח. הציגו את דרך החישוב.
פי כמה קטנה מהירות הקליע? פי כמה קטנה אנרגית התנועה שלו?
ב. מד טמפרטורה הראה שהתרחשה עלייה בטמפרטורה של הלוח באזור שבו פגע הקליע. הסבירו מדוע.
7. מסילה מורכבת משני חלקים: חלק אחד בצורת מדרון חלק מאוד, וחלק אחר אופקי ומחוספס. משחררים בראש המדרון כדור ברזל שמסתו 500 גרם, מגובה של מטר אחד ביחס לחלק האופקי של המסילה, ובהגיעו לתחילת החלק האופקי הוא פוגע בקוביית עץ המונחת שם. לאחר הפגיעה קוביית העץ נעה מרחק כלשהו לאורך החלק האופקי של המסילה ונעצרה.
א. הסבירו: מדוע קוביית העץ נעצרה בסוף?
ב. חשבו את מהירות כדור הברזל לפני התנגשותו בקוביית העץ. הציגו את דרך החישוב.
(בספר שתי תמונות:)
8. לשתי מכוניות מסה שווה. האחת נוסעת במהירות של 90 קמ"ש, והאחרת נוסעת במהירות של 30 קמ"ש. לאחר זמן מה שתי המכוניות נעצרות. פי כמה גדול השינוי באנרגיית התנועה של המכונית המהירה מהשינוי באנרגיית התנועה של המכונית האטית?
*76*
9. הגרף הבא מתאר את מרחק העצירה, את מרחק הבלימה ואת מרחק התגובה של מכונית כאשר היא נוסעת במהירויות שונות. התבוננו בגרף וענו על השאלות הבאות:
(בספר גרף המתאר את מרחק התגובה ומרחק הבלימה של מכונית במהירויות נסיעה שונות בין 60 ל-110 קמ"ש, היעזר במנחה)
(בספר שתי תמונות:)
א. כיצד גדל מרחק התגובה כאשר מהירות המכונית גדלה פי 1.5? תנו דוגמה מתוך הנתונים שבגרף.
ב. כיצד גדל מרחק הבלימה כאשר מהירות המכונית גדלה פי 1.5? תנו דוגמה מתוך הנתונים שבגרף.
10. תלמידים בפרויקט "נוער שוחר מדע" רצו לבחון את הקשר בין אנרגיית התנועה של מכונית לבין מהירותה. לרשותם עמד נהג מתנדב שהיה מוכן לשתף איתם פעולה בפרויקט. הם ביקשו ממנו לנהוג במכוניתו שמסתה 1.5 טון בכמה מהירויות שונות, ובכל פעם לבלום עד לעצירת המכונית. כתוצאה מהבלימה, הטמפרטורה של הכביש ושל הצמיגים עולה. התלמידים היו מצוידים בחיישן טמפרטורה ייחודי שאפשר להם למדוד את העלייה בטמפרטורה של צמיגי המכונית. להלן טבלה המתארת את התוצאות שקיבלו התלמידים:
מהירות המכונית (קמ"ש), העלייה בטמפרטורה (מעלות צלזיוס)
15, 10
30, 40
45, 90
60, 160
75, 250
90, 360
105, 490
(בספר שתי תמונות:)
א. מה מטרת הניסוי שהתלמידים ביצעו?
ב. מהו הגורם המשפיע ומהו הגורם המושפע בניסוי זה?
ג. תארו את התהליך של עצירת המכונית במונחים של המרות אנרגיה.
ד. מה מבטאת העלייה בטמפרטורה של הצמיגים?
ה. סרטטו גרף המתאר את העלייה בטמפרטורה כתלות בריבוע מהירות המכונית. האם הגרף שקיבלתם מתאר יחס ישר בין העלייה בטמפרטורה לבין ריבוע המהירות?
ו. מהי המסקנה העולה מהניסוי?
*77*
*77*
(בספר שתי תמונות:)
בפרק זה נלמד ש...
- אפשר להמיר אנרגיה חשמלית למגוון סוגי אנרגיה אחרים.
- במעגל טורי: המתח של המקור שווה לסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים בו, ועוצמת הזרם שווה בכל נקודה ונקודה בו.
- במעגל מקבילי: המתח של המקור שווה למתח שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים בו, ועוצמת הזרם במסלול הראשי שווה לסכום של עוצמות הזרמים בכל הענפים המסתעפים ממנו.
- חוק אוהם מתאר את הקשר בין עוצמת הזרם, המתח וההתנגדות החשמלית.
- ההספק החשמלי הוא קצב המרת האנרגיה החשמלית במכשיר החשמלי.
- נצילות המכשיר החשמלי מבטאת את יעילותו להפקת אנרגיה שימושית.
מושגים שנכיר:
אנרגיה חשמלית
זרם חשמלי
עוצמת הזרם החשמלי
מד זרם (אמפרמטר)
מוליכות חשמלית
התנגדות חשמלית
מתח
מד מתח (וולטמטר)
הספק
נצילות
*78*
מבוא
אנרגיה חשמלית היא האנרגיה השימושית, הזמינה והרווחת ביותר מבין סוגי האנרגיה שאנו משתמשים בהם בימינו. תופעת החשמל התגלתה במאה ה-18, אך רק בסוף המאה ה-19 נבנתה בעיר ניו-יורק תחנת חשמל ראשונה שסיפקה חשמל לעיר שלמה. מאז ועד היום האנרגיה החשמלית משמשת אותנו בבית, בתעשייה ובחקלאות. כיום התלות שלנו באנרגיה חשמלית הולכת וגוברת, וההערכה היא כי בין השנים 2010-2040 צפויה צריכת האנרגיה העולמית לעלות ב-56 אחוזים.
(אנרגיה חשמלית - האנרגיה שיש לחלקיקים נושאי מטען חשמלי (כגון אלקטרונים) הנעים בתנועה מכוונת (בכיוון מסוים) במעגל חשמלי סגור.)
לשימוש באנרגיה חשמלית יתרונות חשובים: היא ניתנת להעברה למרחקים באמצעות חוטי חשמל, ואפשר להמיר אותה בקלות לסוגי אנרגיה אחרים (כגון חום, אנרגיית אור, אנרגיית קול או אנרגיית תנועה) באמצעות מכשירים שונים. לכן אין פלא שהמכשירים החשמליים הפכו להיות חלק בלתי נפרד מחיי היום-יום שלנו. חשוב לזכור שכדי שזרם חשמל יעבור דרך מכשיר חשמלי וכדי שאנרגיה חשמלית תעבור המרה לסוג האנרגיה הרצוי לנו, המכשיר החשמלי צריך להיות חלק ממעגל חשמלי סגור.
כיום יש בשוק מגוון רחב מאוד של מכשירים חשמליים, ובקנייה של מוצר חשמלי עולות התלבטויות רבות. למשל, איזו נורה כדאי לקנות: ליבון, פלואורסצנטית, LED או PL? מהם השיקולים לבחירה נבונה ומושכלת של מוצרי חשמל ולשימוש נכון בהם? כיצד קובעים את צריכת האנרגיה החשמלית במכשירים חשמליים? מה קובע את קצב המרת האנרגיה במכשיר?
התשובות לשאלות אלו ואחרות נמצאות בפרק שלפנינו. נלמד בו על המרות ועל מעברי אנרגיה חשמלית המתרחשים בעת הפעלתם של מכשירים חשמליים. נעמיק את הבנתנו במעגלים חשמליים פשוטים ומורכבים. נלמד מהו מתח חשמלי, מהי עוצמת הזרם החשמלי, מהי התנגדות חשמלית, ומה הקשר בין כולם.
כמו כן, נבין מהו הספק חשמלי ומהי נצילות, נלמד לחשב ערכים שונים הקשורים למעבר הזרם החשמלי במעגלים חשמליים, ונכיר קריטריונים שינחו אותנו בקבלת החלטות בעת רכישת מכשירים חשמליים ובעת שימוש בהם.
לפרק זה נלווית מעבדת חשמל מקוונת שבעזרתה תוכלו לבנות מעגלים חשמליים על גבי לוח חשמלי. במעבדה זו עומדים לרשותכם רכיבים שונים: תילים מוליכים, סוללות, מצבר, מתג, מבודדים, ומוליכים שונים. במעגלים שתבנו במעבדה זו תוכלו לשלב מכשירים חשמליים כגון נגן, רובוט מרקד, מאוורר ונורות, וכן לבצע מדידות של עוצמת הזרם החשמלי ושל המתח החשמלי בעזרת מד זרם ומד מתח.
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר שתי תמונות:)
*79*
(בספר שתי תמונות:)
המעגל החשמלי
מעגל חשמלי מורכב מאוסף של רכיבים חשמליים המחוברים ביניהם באמצעות מוליכים באופן המאפשר זרימה של זרם חשמלי. הרכיבים הבסיסיים במעגל חשמלי הם: מקור חשמלי (סוללה, מצבר או גנרטור), תילים מוליכים (חוטים חשמליים) וצרכנים (מכשירים חשמליים). מקובל לכנות מקור חשמלי בשם ספק מתח. כאשר כל הרכיבים מחוברים במעגל, נוצר מעגל חשמלי סגור והמכשירים החשמליים פועלים. כאשר הרכיבים אינם מחוברים, המעגל החשמלי פתוח והמכשירים אינם פועלים.
תמונה 1: מעגל חשמלי פתוח
תמונה 2: מעגל חשמלי סגור
(בספר תמונות של נגדים שונים:) גוף חימום, נגד משתנה - עמעם אור, נגד משתנה, חוט להט בנורה.
מעגלים חשמליים יכולים להכיל רכיבים חשמליים נוספים, כגון נגדים המצויים גם בצרכנים. נגד הוא רכיב חשמלי העשוי מחומרים מוליכים מסוימים (כגון מתכות), ותפקידו הוא להתנגד למעבר הזרם החשמלי דרכו. (נגד - רכיב חשמלי המתנגד למעבר הזרם דרכו. הנגד עשוי מחומרים מוליכים מסוימים (כגון מתכות)) .ההתנגדות החשמלית של נגד (ושל כל רכיב חשמלי אחר) היא תכונה המתארת את מידת התנגדותו למעבר הזרם דרכו, ומידת ההתנגדות תלויה בסוג החומר שממנו הרכיב החשמלי עשוי ובצורתו. (התנגדות חשמלית - תכונה של נגד או של כל רכיב חשמלי אחר המבטאת את מידת ההתנגדות למעבר זרם חשמלי דרכו.) למשל, התנגדותו של רכיב חשמלי בצורה של תיל מוליך העשוי מכרום-ניקל תלויה באורכו ובעוביו. ככל שהתיל ארוך יותר - כך התנגדותו גדולה יותר, וככל שהתיל עבה יותר - כך התנגדותו קטנה יותר. גם לתילים המוליכים במעגל החשמלי יש התנגדות, אך הם עשויים מחומרים שהתנגדותם קטנה ככל האפשר. במעגלים שנדון בהם אנו מזניחים את ההתנגדות של התילים ושל הסוללה.
*80*
יש נגדים שמטרתם להגדיל את ההתנגדות החשמלית במעגל ולהוריד את עוצמת הזרם (למשל, כדי להגן על רכיבים מפני נזק), ויש נגדים שמטרתם להמיר אנרגיה חשמלית לחום (למשל, גוף החימום בתנור אפייה ובקומקום חשמלי). גם חוטי הלהט של נורות הם דוגמה לנגדים שמטרתם להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור (מתרחשת בהם גם המרה לחום). כמו כן, יש נגדים שניתן לשנות את מידת התנגדותם למעבר זרם חשמלי דרכם. נגד כזה מכונה נגד משתנה, והוא אחד הרכיבים הבסיסיים בעמעם אור (דימר) - מתקן חשמלי המאפשר לשלוט על עוצמת ההארה של גופי תאורה.
(בספר שלושה תרשימים של מעגלים חשמליים, היעזר במנחה)
מקובל לייצג את רכיבי המעגל החשמלי על ידי סימנים מוסכמים, כפי שרואים בטבלה שלפניכם.
טבלת סימנים לייצוג רכיבים במעגל החשמלי
נורה, (בספר תרשים של נורה), (הסימון: עיגול עם X)
מתג פתוח, (בספר תרשים של מתג פתוח), (הסימון: שלושה קוים שהאמצעי מנותק מאחד הצדדים)
מתג סגור, (בספר תרשים של מתג סגור), (הסימון: שלושה קוים מחוברים)
מקור חשמל, (בספר תרשים של סוללה), (הסימון: שני קוים מקבילים, אחד קצר ואחד ארוך, הקו הקצר מסמל את ההדק השלילי של הסוללה והארוך את ההדק החיובי)
תילים מוליכים, (בספר תמונה של תיילים), (הסימון: קו ישר)
נגד, (בספר תמונה של נגד), (הסימון: קו זיגזג)
מד זרם, (בספר תמונה של מד זרם), (הסימון: עיגול ובתוכו האות A)
מד מתח, (בספר תמונה של מד מתח), (הסימון: עיגול ובתוכו האות V)
(בספר שלושה תרשימים של מעגלים חשמליים, היעזר במנחה)
*81*
שאלה
לפניכם 3 מעגלים המאוירים בעזרת סימנים מוסכמים של רכיבים במעגל חשמלי.
א. ציינו בנוגע לכל מעגל אם הוא פתוח או סגור.
ב. ציינו את הרכיבים החשמליים במעגל ג.
היעזרו בלוח הסימנים המוסכמים לייצוג רכיבי המעגל החשמלי.
(בספר תרשים:) תנועת האלקטרונים וכיוון הזרם במעגל החשמלי
במעגל החשמלי 3 מרכיבים בסיסיים:
- מקור חשמלי
- תילים מוליכים
- צרכן אחד או יותר
גדלים במעגל החשמלי
שלושה גדלים מאפיינים את תפקודו של מעגל חשמלי:
א. עוצמת הזרם החשמלי.
ב. המתח החשמלי של המקור.
ג. ההתנגדות החשמלית של רכיבי המעגל.
א. עוצמת הזרם החשמלי (I)
מכשיר חשמלי פועל כאשר עובר דרכו זרם חשמלי. זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת (בכיוון מסוים) של חלקיקים נושאי מטען חשמלי. במעגלים חשמליים שבהם יש תילים מוליכי חשמל, הזרם החשמלי הוא תנועה מכוונת של אלקטרונים.
מתכות וגרפיט הם דוגמאות לחומרים מוליכים. מוליך הוא חומר המאפשר לזרם החשמלי לעבור דרכו. יש מוליכים טובים ויש מוליכים גרועים. חומר שאינו מאפשר לזרם לעבור דרכו מכונה מבדד, לדוגמה עץ ופלסטיק.
*82*
כיצד נוצר זרם חשמלי במעגל?
חומרים מוליכי חשמל (כגון מתכות) בנויים כך שהם מכילים גם אלקטרונים חופשיים. האלקטרונים האלה נעים בתוך החומר לכל הכיוונים באופן אקראי, כלומר ללא כיוון מועדף. כאשר המעגל נסגר, המקור החשמלי (הסוללה) מספק "דחיפה" לאלקטרונים החופשיים הללו ומניע אותם בו-בזמן בכיוון אחד, נוסף על התנועה האקראית שלהם. כלומר, ברגע שהמעגל החשמלי נסגר, נוצר זרם חשמלי בו-בזמן בכל חלקיו השונים. ככל ש"דחיפת" האלקטרונים חזקה יותר, כך עוצמת הזרם החשמלי גדולה יותר. הכיוון שבו הסוללה מניעה את האלקטרונים הוא מההדק השלילי שלה אל ההדק החיובי דרך המעגל, אך מסיבות היסטוריות מוסכם שכיוון הזרם החשמלי במעגל הוא מההדק החיובי של הסוללה אל ההדק השלילי שלה דרך המעגל. בניגוד לחומרים מוליכי חשמל כמו המתכות, חומרים מבודדי חשמל אינם מכילים אלקטרונים חופשיים ואי אפשר להעביר דרכם זרם חשמלי.
(בספר תרשים:)
שאלות
לפניכם שני מעגלים חשמליים שבהם הסוללות והנורות זהות. שני המעגלים פתוחים.
(בספר תרשים:)
1 . מה ההבדל בין שני המעגלים?
2. אילו עמדו לרשותכם מכשירים מדויקים מאוד למדידת זמן והייתם סוגרים את שני המעגלים בדיוק באותו הזמן, מה הייתם מגלים? הסבירו מדוע.
א. הנורה שבמעגל א נדלקת ראשונה.
ב. הנורה שבמעגל ב נדלקת ראשונה.
ג. שתי הנורות נדלקות באותו הזמן בדיוק.
*83*
- זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת (בכיוון מסוים) של חלקיקים נושאי מטען חשמלי (כגון אלקטרונים).
- מיד לאחר שהמעגל החשמלי נסגר, נוצר זרם חשמלי בכל חלקיו בו-בזמן.
- נהוג לסמן את כיוון הזרם החשמלי במעגל מההדק החיובי של הסוללה אל ההדק השלילי שלה דרך שאר הרכיבים במעגל.
כאשר זרם חשמלי עובר דרך תיל מוליך (חוט חשמל), האלקטרונים העוברים דרך חתך הרוחב של התיל נושאים עמם כמות מסוימת של מטען חשמלי. עוצמת הזרם החשמלי שווה לכמות המטען החשמלי העוברת דרך חתך הרוחב של המוליך בכל שנייה. ככל שכמות המטען החשמלי העוברת בכל שנייה דרך חתך הרוחב גדולה יותר, כך עוצמת הזרם החשמלי גדולה יותר.
(עוצמת הזרת החשמלי (I) - כמות המטען החשמלי העוברת דרך חתך הרוחב של המוליך בכל שניה).
התנועה המכוונת של האלקטרונים החופשיים במוליך בעת שנוצר זרם חשמלי במעגל סגור.
(בספר תמונות:) סוללות, מצבר
נהוג לסמן את עוצמת הזרם החשמלי באות האנגלית I (האות הראשונה במילה Intensity - עוצמה).
A - יחידת המידה של עוצמת הזרם החשמלי היא אמפר והיא מסומנת באות A (האות הראשונה במילה Ampere)
mA - כאשר עוצמת הזרם החשמלי נמוכה (אלפיות אמפר) משתמשים ביחידות מילי-אמפר (mA)
micro A - כאשר היא נמוכה מאוד (מיליוניות אמפר) משתמשים ביחידות מיקרו-אמפר (מיקרו מסומן באות היוונית מיו).
יחידת המידה של הזרם החשמלי נקראת על שמו של הפיזיקאי הצרפתי אנדרה מרי אמפר. את עוצמת הזרם החשמלי מודדים באמצעות מד זרם המכונה אמפרמטר. מד זרם המיועד למדידת זרמים חשמליים שעוצמתם קטנה מאוד (מיקרו-אמפרים) מכונה מיקרו-אמפרמטר.
- עוצמת הזרם החשמלי היא כמות המטען החשמלי העוברת דרך חתך הרוחב של המוליך בכל שנייה.
- אמפרמטר ומיקרו-אמפרמטר הם מכשירים המשמשים למדידת עוצמת הזרם החשמלי.
*84*
ב. המתח החשמלי (V)
המקור החשמלי הוא אחד הרכיבים הבסיסיים במעגל החשמלי והוא הגורם לזרימה מתמשכת של האלקטרונים לאורך המעגל. מקור חשמלי יכול להיות סוללה, מצבר, דינמו או גנרטור. המתח החשמלי הוא גודל המבטא את חוזק המקור, כלומר את עוצמת ה"דחיפה" שלו לאלקטרונים החופשיים. ככל שהמתח של המקור גדול יותר, כך עוצמת ה"דחיפה" של האלקטרונים גדולה יותר. לכל מקור חשמלי יש מתח אופייני שהוא מספק למעגל, ולכן מקור חשמלי מכונה גם ספק מתח. כאשר מחברים רכיבים חשמליים כגון נגד ונורה אל מקור מתח, נוצר מתח חשמלי בין קצותיו של כל רכיב. המתח החשמלי על כל רכיב (כלומר בין קצותיו) משפיע על עוצמת הזרם החשמלי שעובר דרכו.
(בספר תמונות:) סוללות, מצבר
(מתח חשמלי (V) - גודל המבטא את העוצמה שבה המקור החשמלי (ספק המתח) "דוחף" את האלקטרונים החופשיים במוליכים המחוברים במעגל.)
V - יחידת המידה של המתח החשמלי היא וולט והיא מסומנת באות V (האות הראשונה של המילה האנגלית Volt).
mV - כאשר המתח החשמלי קטן (אלפיות וולט) משתמשים ביחידת המידה מילי-וולט (mV).
kV - כאשר המתח החשמלי גדול (אלפי וולט) משתמשים ביחידת המידה קילו-וולט (kV).
מתח חשמלי מודדים באמצעות מד מתח המכונה גם וולטמטר. כדי למדוד את המתח על רכיב חשמלי יש לחבר את ההדקים של מד המתח בשני צדיו של הרכיב. למשל, כדי למדוד את המתח החשמלי של סוללה יש לחבר הדק אחד של מד המתח להדק החיובי של הסוללה, ואת ההדק האחר של מד המתח יש לחבר להדק השלילי של הסוללה.
(בספר תמונה:) חיבור ההדקים של מד המתח משני צדי רכיב במעגל החשמלי.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
- המתח החשמלי של מקור חשמלי (ספק מתח) מבטא את העוצמה שבה המקור "דוחף" את האלקטרונים החופשיים.
- על כל אחד מהרכיבים המחוברים אל המקור במעגל חשמלי נוצר מתח.
- את המתח החשמלי מודדים באמצעות מד מתח (וולטמטר).
*85*
הקשר בין עוצמת הזרם לבין המתח החשמלי
המתח של המקור החשמלי הוא גורם המשפיע על עוצמת הזרם החשמלי במעגל. מה הקשר בין עוצמת הזרם החשמלי במעגל לבין המתח החשמלי של המקור?
כדי לענות על השאלה הזאת בצעו את הפעילות שלפניכם.
פעילות - ניסוי
הקשר בין עוצמת הזרם לבין המתח של המקור
(בספר תמונה של ברקים)
אמצעי זהירות: אין לגעת בציוד ובמכשירים בידיים רטובות. יש להקפיד על הוראות הביצוע.
מטרת הניסוי: לבדוק את הקשר בין עוצמת הזרם החשמלי במעגל חשמלי המכיל רכיב חשמלי אחד לבין המתח החשמלי של המקור.
ציוד: 5 סוללות של 1.5 וולט כל אחת, בתי סוללות, נגד, מתג, מד זרם, מד מתח, תילים מוליכים.
השערה: נסחו השערה המתארת את הקשר בין עוצמת הזרם החשמלי במעגל לבין המתח של המקור.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל הבנוי מסוללה אחת (המקור), נגד, מתג ומד זרם המחוברים ביניהם באמצעות תילים מוליכים.
ב. סגרו את המעגל ומדדו את עוצמת הזרם במעגל ואת המתח של המקור. תעדו את התוצאות.
ג. הגדילו את מתח המקור במעגל: פתחו את המעגל, וחברו סוללה נוספת כך שההדק החיובי של הסוללה הראשונה יהיה מחובר אל ההדק השלילי של הסוללה השנייה (חיבור כזה נקרא חיבור טורי של סוללות). סגרו את המעגל ומדדו את עוצמת הזרם בו ואת המתח של המקור.
ד. חזרו על השלב הקודם עד שתחברו במעגל את כל 5 הסוללות שברשותכם. בכל פעם מדדו את עוצמת הזרם ואת מתח המקור ותעדו את התוצאות.
תוצאות:
א. הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
בטבלה ציינו את מספר הסוללות, את המתח הכולל שלהם (מתח המקור) ואת עוצמת הזרם בכל אחד מהמעגלים שהרכבתם.
ב. סרטטו גרף על פי הנתונים שבטבלה. היעזרו בגיליון אלקטרוני כמו אקסל.
סיכום ומסקנות:
1. תארו כיצד השתנתה עוצמת הזרם במעגל כאשר מספר הסוללות הלך וגדל.
2. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערה שלכם? הסבירו.
3. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
4. הסבירו מדוע בניסוי הזה משתמשים באותו נגד.
5. מהי המסקנה העולה מהניסוי הזה בנוגע לקשר בין עוצמת הזרם במעגל החשמלי לבין מתח המקור?
*86*
למעשה, במעגל המכיל נגד אחד בלבד, המתח על הנגד שווה למתח של המקור. על סמך התוצאות של הניסוי הקודם אפשר להגיע למסקנה הבאה: יש יחס ישר בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד לבין המתח עליו (בין קצותיו). כלומר, כאשר המתח על הנגד גדל פי מספר מסוים, עוצמת הזרם דרכו גדלה פי אותו המספר.
- קיים יחס ישר בין עוצמת הזרם במעגל המכיל רכיב חשמלי אחד לבין מתח המקור: כאשר מתח המקור גדל פי מספר מסוים, עוצמת הזרם גדלה פי אותו המספר (כל עוד התנגדות הרכיב נותרה בלי שינוי).
- קיים יחס ישר בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד לבין המתח עליו.
הידעתם?
ברקים
חוקרים מעריכים שבכל רגע נתון נוצרים על פני כדור-הארץ 100 ברקים. המתח החשמלי הנוצר בזמן שברק פוגע באדמה נע בין 100 מיליון וולט ל- 1 מיליארד וולט. עוצמת הזרם הנוצרת במקרה כזה יכולה להגיע למאות קילו-אמפרים.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
*87*
ג. ההתנגדות החשמלית (אוהם) (אוהם מסומן ע"י האות היוונית אומגה)
למדנו שההתנגדות החשמלית היא תכונה של רכיב חשמלי המבטאת את מידת התנגדותו של הרכיב למעבר זרם חשמלי דרכו. ככל שהתנגדות הרכיב החשמלי גדולה יותר, כך נדרש מתח גדול יותר כדי לקבל את אותה עוצמת זרם דרכו. לכן היחס בין המתח שעל רכיב חשמלי לבין עוצמת הזרם העובר דרכו מבטא את התנגדותו החשמלית של הרכיב החשמלי. אם מסמנים את עוצמת הזרם החשמלי שעובר דרך הרכיב החשמלי באות I, ואת המתח החשמלי על הרכיב החשמלי מסמנים באות V, ניתן לחשב את התנגדותו החשמלית R (האות הראשונה במילה האנגלית Resistance) באמצעות הנוסחה:
R=V/I
אוהם - יחידת המידה של ההתנגדות החשמלית היא אוהם (מסומן באות היוונית אומגה). בהתאם לנוסחה, 1 אוהם הוא התנגדותו של רכיב חשמלי שכאשר מפעילים עליו מתח של 1 וולט עובר דרכו זרם בעוצמה של 1 אמפר.
שאלה
עוצמת הזרם החשמלי במעגל המורכב מנורה ומסוללה אחת של 1.5 וולט היא 0.5 אמפר. חשבו את התנגדותה של הנורה. הציגו את דרך החישוב.
בניסוי הקודם הסקתם שקיים יחס ישר בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד לבין המתח עליו. במילים אחרות, כאשר משנים את המתח על הנגד, עוצמת הזרם העובר דרכו משתנה כך שהיחס ביניהם נותר בלי שינוי. המשמעות היא שהתנגדותו של נגד היא קבועה ואינה תלויה במתח עליו ובעוצמת הזרם העובר דרכו. הקביעה הזאת נכונה ברוב המקרים, אבל במקרים שבהם הנגד מתחמם מאוד, כמו למשל במקרה של סליל חימום בנורת להט או בתנור חימום, ההתנגדות אינה קבועה אלא עולה במידה כזאת שהיחס בין המתח לבין עוצמת הזרם אינו קבוע. כלומר, במקרה כזה עוצמת הזרם אינה גדלה באותו היחס שבו גדל המתח.
- ההתנגדות החשמלית של רכיב חשמלי שווה ליחס בין המתח החשמלי שעליו לבין עוצמת הזרם העובר דרכו.
- יחידת המידה של ההתנגדות החשמלית היא אוהם.
*88*
הקשר בין עוצמת הזרם לבין ההתנגדות
ההתנגדות החשמלית היא אחד הגורמים המשפיעים על עוצמת הזרם החשמלי. כיצד משפיעה ההתנגדות של רכיב חשמלי המחובר במעגל על עוצמת הזרם?
כדי לענות על השאלה הזאת בצעו את הפעילות שלפניכם.
פעילות - ניסוי
עוצמת הזרם וההתנגדות החשמלית
(בספר תמונות:)
אמצעי זהירות: אין לגעת בציוד ובמכשירים בידיים רטובות. יש להקפיד על הוראות הביצוע.
מטרת הניסוי: לבדוק את הקשר בין עוצמת הזרם במעגל חשמלי המכיל רכיב חשמלי אחד לבין התנגדותו של הרכיב.
ציוד: 3 סוללות של 1.5 וולט, בתי סוללות, נגד משתנה, מד זרם, תילים מוליכים, מתג.
השערה: נסחו השערה המתארת את הקשר בין עוצמת הזרם במעגל חשמלי הכולל רכיב אחד לבין התנגדותו של הרכיב.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל חשמלי הבנוי מ-3 סוללות, נגד משתנה, מתג ומד זרם.
ב. כוונו את הנגד המשתנה כך שרבע מאורכו (כלומר מאורך התיל המוליך בו) יהיה מחובר למעגל החשמלי. סגרו את המעגל החשמלי ומדדו את עוצמת הזרם במעגל. ודאו כי עוצמת הזרם שווה בנקודות שונות במעגל. תעדו את התוצאות.
ג. חזרו על השלב הקודם עוד 3 פעמים: כאשר מחצית מאורך הנגד המשתנה מחובר למעגל, כאשר שלושה רבעים מאורכו מחובר למעגל, וכאשר כל אורכו מחובר למעגל.
תוצאות:
א. הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה. ציינו בטבלה איזה חלק מאורך הנגד המשתנה מחובר למעגל, ואת עוצמת הזרם בכל אחד מהמקרים.
ב. סרטטו גרף על פי הנתונים שבטבלה. היעזרו בגיליון אלקטרוני כמו אקסל.
סיכום ומסקנות:
1. תארו כיצד השתנתה עוצמת הזרם החשמלי במעגל כאשר התנגדותו של הנגד המשתנה הלכה וגדלה.
2. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערה שלכם? הסבירו.
3. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
4. הסבירו מדוע לא משנים בניסוי זה את מספר הסוללות המחוברות במעגל.
5. מהי המסקנה העולה מהניסוי הזה בנוגע לקשר בין עוצמת הזרם החשמלי העובר במעגל המכיל רכיב חשמלי אחד לבין התנגדותו של הרכיב?
על סמך התוצאות של הניסוי הקודם ניתן להגיע למסקנה הבאה: קיים יחס הפוך בין עוצמת הזרם החשמלי במעגל המכיל רכיב חשמלי אחד (כמו נגד) לבין התנגדותו: כאשר התנגדות הרכיב החשמלי גדלה פי מספר כלשהו, עוצמת הזרם קטנה פי אותו המספר (כל עוד מתח המקור נותר בלי שינוי). כלומר, כאשר התנגדות הנגד גדלה פי מספר מסוים, עוצמת הזרם דרכו קטנה פי אותו המספר (כל עוד המתח עליו נותר בלי שינוי).
- קיים יחס הפוך בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד לבין התנגדותו (כל עוד המתח עליו נותר בלי שינוי).
4 נגדים בעלי התנגדויות שונות
(בספר תרשים של מעגל טורי)
*90*
חוק אוהם
שני גורמים עיקריים קובעים את עוצמת הזרם העובר דרך כל רכיב חשמלי: התנגדותו והמתח עליו, כמו כך קיים יחס ישר בין עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך נגד לבין המתח עליו, וקיים יחס הפוך בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד לבין התנגדותו של הנגד (כל עוד המתח עליו נותר בלי שינוי). התנהגות כזאת קיימת בתחום רחב של שינויי מתח וזרם ולכן נוכל לבטאה על ידי חוק.
אם מסמנים את עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך הנגד באות I, את המתח החשמלי על הנגד מסמנים באות V ואת התנגדות הנגד מסמנים באות R, אפשר לבטא את היחסים בין המשתנים האלה באמצעות הנוסחה הנקראת חוק אוהם:
I=V/R
על פי חוק אוהם, מחשבים את עוצמת הזרם העובר דרך נגד (ביחידות של אמפר), כאשר ידועים המתח עליו (ביחידות של וולט) והתנגדותו (ביחידות של אוהם).
אם ההתנגדות ועוצמת הזרם ידועים, חוק אוהם מאפשר לבודד את המתח ולחשב אותו כך:
V=I * R
כמו כן, אם המתח ועוצמת הזרם ידועים, חוק אוהם מאפשר לבודד את ההתנגדות ולחשב אותה כך:
R=V/I
(בספר תרשים של מעגל טורי)
הידעתם?
גאורג אוהם
גאורג אוהם היה מורה, פיזיקאי ומתמטיקאי גרמני (1780-1854). בעזרת ציוד שתכנן ובנה במו ידיו הוא ערך מדידות של מתח וזרם במעגלים חשמליים פשוטים. את תוצאות מדידותיו ואת מסקנותיו פרסם בשנת 1827. כאות הוקרה על מחקריו החשובים, יחידת המידה של ההתנגדות נקראת על שמו, והיא מסומנת באות היוונית (אומגה).
*91*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
חוק אוהם
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות, ובחרו ביחידת הלימוד חוק אוהם.
בהדמיה זו תוכלו לבחון את הקשר בין עוצמת הזרם שעובר דרך נגד לבין המתח עליו ובין התנגדותו.
(בספר תמונת מסך מהאתר)
(בספר תרשים של מעגל טורי)
א. שנו את המתח של המקור החשמלי (ספק המתח), בלי לשנות את ההתנגדות של הנגד המשתנה. תארו כיצד משתנה עוצמת הזרם.
ב. שנו את ההתנגדות של הנגד המשתנה בלי לשנות את מתח המקור. תארו כיצד משתנה עוצמת הזרם.
ג. מהי המסקנה העולה מהפעילות בנוגע לקשר בין עוצמת הזרם העובר דרך הנגד לבין המתח עליו ובין התנגדותו?
שאלות
1. נגד מחובר באמצעות תילים מוליכים אל מקור חשמלי שהמתח שלו 24 וולט. עוצמת הזרם במעגל היא 2 אמפר. חשבו את התנגדותו של הנגד. הציגו את דרך החישוב.
2.
א. מחברים נגד שהתנגדותו 4 אוהם למקור חשמל של 24 וולט. חשבו את עוצמת הזרם העובר דרך הנגד.
ב. מחליפים את הנגד הקודם בנגד אחר שהתנגדותו 8 אוהם. בלי לחשב, קבעו מה תהיה עוצמת הזרם העובר דרך הנגד השני. הסבירו מדוע.
*92*
מעגלים טוריים ומעגלים מקביליים
ניתן לחבר רכיבים חשמליים במעגל חשמלי בצורות שונות. יש שני סוגי חיבור בסיסיים: חיבור טורי וחיבור מקבילי. בשני סוגי המעגלים הללו יש קשרים בין הגדלים השונים במעגל: עוצמת הזרם החשמלי, ההתנגדות החשמלית והמתח החשמלי. עם זאת, סוג הקשרים בין הגדלים האלה במעגל הטורי שונה מאלה שבמעגל המקבילי.
(מעגל טורי - מעגל שהרכיבים החשמליים מחוברים בו ברצף, בזה אחר זה, ויוצרים מסלול אחד למעבר זרם חשמלי).
(מעגל מקבילי - מעגל ובו מסלול ראשי המחובר למקור חשמל, ומהמסלול הראשי מסתעפים ענפים שבכל אחד מהם רכיב חשמלי אחד לפחות).
מעגלים טוריים
בחיבור טורי, הרכיבים החשמליים מחוברים ברצף בזה אחר זה כך שהם יוצרים מסלול אחד למעבר הזרם.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
מה הקשר בין עוצמת הזרם החשמלי בנקודות השונות של המעגל הטורי? האם המתח של המקור החשמלי גדול, שווה או קטן מסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים המחוברים בטור? כיצד חיבור רכיבים חשמליים נוספים בטור משפיע על עוצמת הזרם החשמלי במעגל טורי, וכיצד הוא משפיע על המתח שעל כל אחד מהרכיבים שהיו מחוברים קודם?
כדי לענות על שאלות אלה בצעו את הפעילות שלפניכם.
*93*
פעילות - ניסוי
מדידות מתח וזרם במעגל טורי
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
אמצעי זהירות: אין לגעת בציוד ובמכשירים בידיים רטובות. יש להקפיד על הוראות הביצוע.
מטרות הניסוי:
1. לבדוק את עוצמת הזרם החשמלי בנקודות שונות במעגל הטורי.
2. לבדוק אם מתח המקור גדול, שווה או קטן מסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים בטור.
3. לבחון כיצד חיבור רכיבים חשמליים נוספים בטור משפיע על עוצמת הזרם במעגל.
4. לבחון את ההשפעה של חיבור רכיבים חשמליים נוספים במעגל טורי על המתח שעל כל אחד מהרכיבים שכבר מחוברים במעגל.
ציוד: 3 סוללות של 1.5 וולט, בתי סוללות, 4 נגדים שונים, מד זרם, מד מתח, תילים מוליכים ומתג.
השערה: הציעו השערה לכל אחת ממטרות הניסוי.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל חשמלי הבנוי מ-3 הסוללות (המקור) ומנגד אחד.
ב. סגרו את המעגל ומדדו את עוצמת הזרם בנקודות שונות במעגל. מדדו את המתח של הסוללות ואת המתח על הנגד.
ג. חברו נגד נוסף בטור. זכרו לנתק את המעגל בעזרת המתג לפני כל הזזת מד זרם או הוספת נגד למעגל. מדדו את עוצמת הזרם בנקודות שונות במעגל, את המתח של הסוללות ואת המתח על כל נגד.
ד. חזרו על הסעיף הקודם, כאשר בכל פעם תחברו נגד נוסף בטור.
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
בטבלה תציינו עבור כל אחד מהמעגלים שבניתם: (א) את עוצמת הזרם החשמלי בנקודות שונות במעגל; (ב) את מספר הנגדים שחוברו בטור; (ג) את המתח של הסוללות; (ד) את המתח על כל נגד; (ה) את סכום המתחים שעל כל אחד מהנגדים המחוברים במעגל.
סיכום ומסקנות:
1. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערות שלכם? הסבירו.
2. תארו את הקשר בין עוצמת הזרם בנקודות השונות במעגל טורי.
3. מהי המסקנה העולה מהניסוי הזה בנוגע להשפעה של חיבור נגדים נוספים במעגל טורי על עוצמת הזרם במעגל?
4. תארו כיצד השתנה המתח על כל אחד מהנגדים שכבר היו במעגל כאשר חיברתם נגד נוסף בטור.
5. מהי המסקנה העולה מהניסוי הזה בנוגע לקשר בין סכום המתחים שעל כל אחד מהנגדים המחוברים במעגל טורי לבין מתח המקור?
*94*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
מעבדת חשמל - מעגל טורי
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות, ובחרו ביחידת הלימוד מעבדת חשמל.
בפעילות זו תבדקו: (א) את הקשר בין המתח של המצבר לבין סכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל טורי; (ב) כיצד הוספת רכיבים חשמליים בטור משפיעה על עוצמת הזרם לאורך המעגל; (ג) כיצד הוספת רכיבים חשמליים בטור משפיעה על המתח שעל כל אחד מהרכיבים שכבר מחוברים במעגל.
(בספר תמונת מסך מהאתר)
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
א. הרכיבו מעגל חשמלי על פי האיור, ומדדו את המתח של המצבר ואת המתח על כל אחד מהרכיבים המחוברים במעגל. האם מתח המצבר שווה לסכום של מתחים אלו? בדקו את עוצמת הזרם בנקודות שונות במעגל כדי לוודא שהיא שווה.
ב. שנו את מספר הרכיבים המחוברים במעגל, ומדדו שוב את המתח של המצבר ואת המתח על כל אחד מהרכיבים המחוברים עכשיו במעגל. מדדו את עוצמת הזרם בנקודות שונות במעגל כדי לוודא שהיא שווה.
ג. בדקו מה קורה אם נורה "נשרפת". כדי לדמות מצב כזה, נתקו את אחד החיבורים של הנורה.
סיכום הפעילות:
1. תארו מהו הקשר בין המתח על המצבר לבין סכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל.
2. כיצד השתנתה עוצמת הזרם במעגל כאשר מספר המכשירים המחוברים במעגל הלך וגדל? הסבירו מדוע חל שינוי.
3. תארו כיצד השתנה המתח על כל אחד מהרכיבים החשמליים שכבר קיימים במעגל כאשר חיברתם נגד נוסף בטור.
4. תארו מה קורה אם הנורה "נשרפת".
*95*
מתח המקור שווה לסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים בטור.
אם מסמנים את המתח החשמלי של המקור באות V, את המתח על הרכיב הראשון מסמנים כ-V1, את המתח על הרכיב השני מסמנים כ-V2 וכך הלאה, אפשר לבטא את הקשר בין המתח של ספק המתח לבין המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל טורי באמצעות הנוסחה הזאת:
V = V1 + V2 + V3 + ...
אפשר להשתמש בנוסחה זו, יחד עם חוק אוהם, כדי לחשב את הגדלים השונים במעגל טורי: עוצמת הזרם, המתח החשמלי וההתנגדות.
שאלה
שתי נורות שונות חוברו בטור אל סוללה של 4.5 וולט. המתח שנוצר בין הקצוות של אחת הנורות הוא 2.5 וולט.
א. מהו המתח על הנורה השנייה? הסבירו מדוע.
ב. חשבו את עוצמת הזרם החשמלי שעובר דרך כל נורה, אם נתון שהתנגדותה של הנורה השנייה היא 2 אוהם.
ג. חשבו את ההתנגדות של הנורה הראשונה.
במעגל טורי:
- עוצמת הזרם החשמלי שווה בכל נקודה במעגל.
- המתח החשמלי של המקור שווה לסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל.
- כאשר מספר הרכיבים החשמליים המחוברים במעגל גדל, עוצמת הזרם במעגל קטנה (כל עוד מתח המקור נותר בלי שינוי).
*96*
מעגלים מקביליים
חיבור במקביל הוא חיבור שיש בו מסלול ראשי שממנו מסתעפים כמה ענפים. במסלול הראשי מחובר מקור חשמלי, ובכל ענף מחובר רכיב חשמלי כגון נורה, נגד או כל מכשיר חשמלי אחר. כל ענף הוא מסלול נפרד למעבר הזרם, ולכן לכל רכיב חשמלי יש מעגל משלו שבו הוא מחובר למקור. מקובל לכנות את הזרם העובר במסלול הראשי בשם הזרם הראשי.
מעגל מקבילי
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
מה הקשר בין עוצמת הזרם הראשי במעגל מקבילי לבין עוצמת הזרם בענפים השונים? מה הקשר בין המתח שעל כל אחד מהרכיבים המחוברים במקביל לבין מתח המקור? כיצד הוספת רכיבים חשמליים במקביל משפיעה על עוצמת הזרם הראשי ועל עוצמת הזרם בכל ענף? כיצד היא משפיעה על המתחים השונים במעגל?
כדי לענות על שאלות אלה בצעו את הפעילות שלפניכם.
*97*
פעילות - ניסוי
מדידות מתח וזרם במעגל מקבילי
(בספר תרשים של מעגל מקבילי ובו מד זרם מחובר בכל ענף מקביל במעגל, היעזר במנחה)
אמצעי זהירות: אין לגעת בציוד ובמכשירים בידיים רטובות. יש להקפיד על הוראות הביצוע.
מטרות הניסוי:
1. לבדוק מהו הקשר בין עוצמת הזרם הראשי במעגל מקבילי לבין עוצמות הזרם בענפים השונים.
2. לבדוק מהו הקשר בין מתח המקור לבין המתח שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במקביל.
3. לבדוק כיצד הוספת רכיבים חשמליים במקביל משפיעה על עוצמות הזרם ועל המתחים השונים במעגלים מקביליים.
ציוד: 3 סוללות של 1.5 וולט, בתי סוללות, 4 נגדים שונים, מד זרם, מד מתח, תילים מוליכים, מתג.
השערות: נסחו השערה עבור כל אחת מ-3 מטרות הניסוי.
מהלך הניסוי:
א. הרכיבו מעגל חשמלי הבנוי מ-3 סוללות המחוברות ביניהן בטור (המקור החשמלי) ומ-2 נגדים המחוברים אליהן במקביל, על פי התמונה שלפניכם.
ב. סגרו את המעגל ומדדו את עוצמת הזרם הראשי ואת עוצמת הזרם העובר דרך כל נגד. תעדו את התוצאות.
ג. מדדו את המתח החשמלי של הסוללות (המקור) ואת המתח על כל נגד, ותעדו את התוצאות.
ד. חזרו על שני השלבים הקודמים כאשר בכל פעם תחברו נגד נוסף במקביל, עד שתחברו את כל הנגדים שברשותכם.
תוצאות:
הכינו טבלה שבה תסכמו את תוצאות הניסוי. נסחו כותרת לטבלה.
תארו בטבלה את כל המעגלים שבניתם, ציינו עבור כל מעגל את המתח החשמלי של המקור, את המתח על כל נגד, את עוצמת הזרם הראשי ואת עוצמת הזרם העובר דרך כל נגד.
סיכום ומסקנות:
1. תארו מהו הקשר בין עוצמת הזרם הראשי לבין עוצמת הזרם העובר דרך כל נגד.
2. תארו מהו הקשר בין המתח על הסוללות לבין המתח על כל נגד.
3. תארו כיצד השתנתה עוצמת הזרם הראשי ועוצמת הזרם העובר דרך כל נגד כאשר חיברתם נגדים נוספים במקביל.
4. תארו כיצד השתנו המתח על הסוללות והמתח על כל נגד כאשר חיברתם נגדים נוספים במקביל.
5. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערות שלכם? הסבירו.
6. כתבו מהן המסקנות העולות מניסוי זה בנוגע לנקודות הבאות: (א) הקשר בין עוצמת הזרם הראשי לבין עוצמות הזרם בענפים השונים; (ב) הקשר בין מתח המקור לבין המתח על כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל מקבילי; (ג) ההשפעה של חיבור רכיבים חשמליים נוספים במקביל על עוצמות הזרם ועל המתחים השונים במעגל.
*98*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
מעבדת חשמל: מעגל מקבילי
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי חט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא חשמל ומגנטיות, ובחרו ביחידת הלימוד מעבדת חשמל.
(בספר תמונת מסך מהאתר)
(בספר תרשים של מעגל מקבילי ובו מד זרם מחובר בכל ענף מקביל במעגל, היעזר במנחה)
בפעילות זו תבדקו:
1. את הקשר בין עוצמת הזרם הראשי לעוצמות הזרם בענפים השונים במעגל.
2. את הקשר בין המתח של המקור לבין המתח שעל כל אחד מהמכשירים המחוברים במקביל.
3. כיצד הוספת מכשירים חשמליים במקביל משפיעה על עוצמת הזרם הראשי, על עוצמת הזרם העובר דרך כל מכשיר, על מתח המקור ועל המתח שעל כל מכשיר.
מהלך הפעילות:
א. הרכיבו מעגל מקבילי על פי האיור, ומדדו את עוצמת הזרם הראשי, את עוצמת הזרם העובר דרך כל מכשיר, את המתח של הסוללה ואת המתח על כל אחד מהמכשירים המחוברים במעגל.
ב. הוסיפו מכשירים במקביל בזה אחר זה, ובכל פעם חזרו על המדידות הקודמות.
ג. בדקו מה קורה במעגל המקבילי אם הנורה "נשרפת". כדי לדמות מצב כזה, נתקו את אחד החיבורים של הנורה ומדדו את עוצמות הזרם ואת המתחים השונים במעגל.
סיכום הפעילות:
1. תארו את הקשר בין עוצמת הזרם הראשי במעגל לבין עוצמת הזרם העובר דרך כל אחד מהמכשירים שבמעגל.
2. תארו את הקשר בין המתח של הסוללה לבין המתח שעל כל אחד מהמכשירים המחוברים במעגל.
3. כיצד חיבור מכשירים נוספים במקביל משפיע על עוצמות הזרם והמתחים השונים במעגל?
4. במה שונה ההשפעה של הנורה השרופה במעגל מקבילי מהשפעתה במעגל הטורי?
5. החיבור של רשת החשמל הביתית הוא חיבור מקבילי. הסבירו מדוע.
*99*
עוצמת הזרם החשמלי במסלול הראשי שווה לסכום עוצמות הזרם בענפים השונים במעגל מקבילי.
אם מסמנים את עוצמת הזרם שעובר דרך המסלול הראשי באותיות Iראשי, את עוצמת הזרם בענף הראשון מסמנים כ-I1, את עוצמת הזרם בענף השני מסמנים כ-I2 וכן הלאה, אפשר לבטא את הקשר בין עוצמת הזרם הראשי לעוצמות הזרם בענפים השונים של המעגל המקבילי בנוסחה הזאת:
Iראשי = I1 + I2 + I3 + ...
(בספר תרשים של מעגל מקבילי, היעזר במנחה)
המתח החשמלי של המקור שווה למתח החשמלי בכל אחד מהענפים השונים במעגל מקבילי.
אם מסמנים את המתח החשמלי של המקור באות V, את המתח על הרכיב הראשון מסמנים כ-V1, את המתח על הרכיב השני מסמנים כ-V2 וכן הלאה, אפשר לבטא את הקשר בין המתח של הסוללה לבין המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל מקבילי בנוסחה הזאת:
V = V1 = V2 = V3 = ...
(בספר תמונה:)
*100*
שאלות
1. שתי נורות שונות מחוברות במקביל אל סוללה. עוצמת הזרם העובר דרך הסוללה היא 5 אמפר, ועוצמת הזרם שעובר דרך אחת הנורות היא 3 אמפר. חשבו את עוצמת הזרם שעובר דרך הנורה השנייה.
2. שני נגדים, האחד של 5 אוהם והשני של 2 אוהם, מחוברים במקביל לסוללה. עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך הנגד השני היא 0.5 אמפר.
א. חשבו את המתח על הנגד השני ואת המתח של הסוללה.
ב. חשבו את עוצמת הזרם הראשי.
ג. מחברים נגד נוסף של 4 אוהם במקביל לסוללה. חשבו את עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך נגד זה. הסבירו.
ד. האם בעקבות חיבור הנגד הנוסף משתנה עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך כל אחד משני הנגדים הראשונים? אם כן, חשבו את עוצמת הזרם החדשה. אם לא, הסבירו מדוע.
ה. האם עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך הסוללה משתנה? אם כן, חשבו את עוצמת הזרם החדשה. אם לא, הסבירו מדוע.
במעגל מקבילי:
- המתח החשמלי של המקור שווה למתח שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל.
- עוצמת הזרם הראשי שווה לסכום של עוצמות הזרם בכל אחד מהענפים.
- כאשר מגדילים את מספר הרכיבים החשמליים המחוברים במקביל, עוצמת הזרם הראשי עולה אך עוצמת הזרם העובר בכל רכיב אינה משתנה.
- כאשר אחד הרכיבים החשמליים "נשרף", עוצמת הזרם הראשי יורדת אך עוצמות הזרם בשאר הענפים אינה משתנה. לכן המכשירים המחוברים בשאר הענפים ממשיכים לפעול.
*101*
הספק חשמלי (P)
קומקום חשמלי וכף חשמלית הם שני מכשירים חשמליים ביתיים המשמשים להרתחת מים. אם מחממים ליטר אחד של מים בקומקום חשמלי המים רותחים כעבור 2 דקות, אם מחממים כמות זהה של מים באמצעות כף חשמלית הם רותחים כעבור 6 דקות.
מדוע יש הבדל במשך הזמן הדרוש להרתחת אותה כמות של מים בשני המכשירים האלה?
אמנם בשני המכשירים (הקומקום והכף החשמלית) אותה כמות של אנרגיה חשמלית הומרה לחום, אך קצב המרת האנרגיה החשמלית לחום בשני המכשירים היה שונה. כלומר, כמות האנרגיה החשמלית שהומרה לחום בכל שנייה הייתה שונה בכל אחד מהמכשירים. קצב המרת האנרגיה החשמלית לחום בקומקום החשמלי היה גדול יותר מקצב ההמרה בכף החשמלית, ולכן המים בקומקום רתחו מהר יותר.
בתווית המכשיר החשמלי מופיע ההספק שלו (1,850-2,200 ואט) ומידע חשוב נוסף.
(בספר איור - קריקטורה)
המונח המבטא את קצב המרת האנרגיה החשמלית במכשיר חשמלי לסוגי אנרגיה אחרים הוא הספק חשמלי. (הספק חשמלי (P) - כמות האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר בכל שנייה).
את ההספק החשמלי נהוג לסמן באות P (האות הראשונה של המילה האנגלית Power). אם מסמנים את כמות האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר חשמלי ב-Eelc, ואת הזמן שבו המכשיר פעל מסמנים באות t, אפשר לבטא את ההספק של המכשיר בנוסחה הזאת:
P = Eelc / t
W - יחידת המידה של ההספק החשמלי שווה ליחידת המידה של האנרגיה החשמלית (ג'ול) חלקי יחידת המידה של הזמן (שנייה), כלומר ג'ול/שנייה. יחידת מידה זו נקראת ואט (Watt) על שם המדען ג'יימס ואט. 1 ואט = 1 ג'ול/שנייה.
כלומר, 1 ואט הוא ההספק החשמלי של מכשיר שבו אנרגיה חשמלית בכמות של 1 ג'ול מומרת בכל שנייה לסוגי אנרגיה אחרים.
kW - כאשר ההספק גבוה (אלפי ואט) משתמשים ביחידות קילו-ואט (kW)
MW - כאשר ההספק גבוה מאוד (מיליוני ואט) משתמשים ביחידות מגה-ואט (MW).
*102*
באמצעות הנוסחה P = Eelc/t אפשר לחשב את ההספק החשמלי של מכשיר (בוואט) כאשר יודעים מה כמות האנרגיה החשמלית המומרת בו (בג'ול) וזמן פעולתו (בשניות). אם הספק המכשיר נתון ביחידות של קילו-ואט או מגה-ואט יש להמירן תחילה ליחידות של ואט. אם הזמן נתון בדקות או בשעות יש להמירן לשניות.
על גבי כל מכשיר חשמלי צריך להיות רשום ההספק החשמלי שלו. לדוגמה, אם על גבי תנור חימום רשום 1,000 ואט, המשמעות היא שכאשר מחברים את תנור החימום למערכת החשמל ומדליקים אותו, בכל שנייה מומרת לחום אנרגיה חשמלית בכמות של 1,000 ג'ול.
מהנוסחה P = Eelc/t אפשר לבודד ולחשב את האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר חשמלי (בג'ול), אם ההספק (בוואט) וזמן פעולתו (בשניות) ידועים: Eelc = P * t
- הספק חשמלי של מכשיר מבטא את קצב המרת האנרגיה החשמלית בו לסוגי אנרגיה אחרים.
שאלות
1. בחרו מכשיר חשמלי שנמצא ברוב הבתים (כגון קומקום חשמלי, מגהץ או מאוורר) ובדקו מה ההספק הרשום עליו. הביאו את הנתונים שמצאתם לכיתה והשוו אותם לנתונים שהביאו התלמידים האחרים. מה אפשר ללמוד מהשוואה זו?
2. ההספק של קומקום הוא 900 ואט וההספק של כף חשמלית הוא 300 ואט. מה המשמעות של ערכים אלו?
3. כאשר מאוורר פועל במשך 120 שניות, אנרגיה חשמלית של 6,000 ג'ול מומרת בו לאנרגיית תנועה, לאנרגיית קול ולחום. חשבו את ההספק החשמלי של המאוורר. הציגו את דרך החישוב.
4. ההספק של נורת הלוגן הוא 500 ואט. חשבו את כמות האנרגיה החשמלית המומרת בה כאשר היא פועלת במשך 10 דקות. הציגו את דרך החישוב.
הרחבה
חישובי אנרגיה חשמלית
את האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר חשמלי לסוגי אנרגיה אחרים אפשר לחשב באמצעות הנוסחה הזאת:
Eelc = V * I * t
כאשר V מציין את המתח על המכשיר (ביחידות של וולט), I מציין את עוצמת הזרם העובר דרך המכשיר (ביחידות אמפר) ו-t מציין את משך הזמן שבו המכשיר פועל (בשניות).
*103*
1. מחברים נורה חשמלית לסוללה שהמתח החשמלי שלה 3 וולט. עוצמת הזרם שעובר דרך הנורה במעגל זה היא 0.2 אמפר. חשבו את האנרגיה החשמלית המומרת בנורה במשך 10 דקות.
2. כדי לחמם כמות מסוימת של מים מטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס עד לטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס, טבלו במים כף חשמלית המורכבת מנגד שהתנגדותו 20 אוהם וחיברו אותה למקור חשמל של 24 וולט למשך 100 שניות. חשבו את האנרגיה החשמלית שהומרה לחום.
3. התנגדותו של גוף החימום בתנור חימום היא 20 אוהם.
התנגדותו של גוף החימום בקומקום חשמלי היא 25 אוהם. התנור והקומקום מחוברים במקביל למקור חשמל של 220 וולט למשך 100 שניות. חשבו את האנרגיה החשמלית הכוללת המומרת לחום בשני המכשירים יחד.
לשם כך חשבו תחילה את עוצמת הזרם העוברת דרך כל מכשיר ואת האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר לחום.
ההספק הכולל של מכשירי החשמל ברשת הביתית
כאשר מספר גדול של מכשירי חשמל מחוברים לרשת ומופעלים בו-בזמן, במיוחד מכשירים "זוללי חשמל" כמו מכונת כביסה, מזגן ודוד חימום, נוצר עומס יתר. כלומר, עוצמת הזרם הראשי עולה על המותר, והמפסק האוטומטי בלוח החשמלי מנתק את אספקת הזרם החשמלי לבית. מכשירים "זוללי חשמל" הם מכשירים שההספק שלהם גדול יחסית. מייבש כביסה שההספק החשמלי שלו 4,400 ואט נכלל בקבוצת "זוללי החשמל", אך רדיו שההספק שלו 10 ואט בלבד אינו נכלל בקבוצה זו.
חיבור מכשיר "זולל חשמל" לרשת החשמל הביתית מעלה את עוצמת הזרם הראשי במידה ניכרת. חיבור כמה מכשירים כאלה בו-בזמן לרשת הביתית עלול להביא למצב של עומס יתר. כדי למנוע מצב כזה, חברת החשמל מאפשרת לנו להשתמש במכשירים חשמליים רבים, בתנאי שההספק הכולל שלהם אינו חורג מערך מוגבל מראש. בחלק מהבתים ההספק המרבי המותר הוא 8,800 ואט. במקרה כזה כל חיבור של יותר משני מכשירים "זוללי חשמל" עלול לגרום למצב של עומס יתר.
(בספר תמונה:) דוד לחימום מים.
*104*
(בספר תמונה:) דוד לחימום מים.
בטבלה שלפניכם מוצג מידע על ההספק החשמלי של מכשירי חשמל ביתיים. בחרו צירוף של מכשירים שכאשר מפעילים אותם יחד נוצר מצב של עומס יתר בבתים שההספק המרבי המותר בהם הוא 8,800 ואט.
המכשיר, ההספק (ואט)
רדיו, 10
נורת ליבון, 150
טלוויזיה, 70
תנור חימום, 1,000
קומקום חשמלי, 2,000
דוד חימום, 3,300
מכונת כביסה, 4,000
מייבש כביסה, 4,400
(בספר תמונה של חשבון חשמל)
כדי להימנע ממצבים של עומס יתר, מומלץ לדעת מהו הזרם המרבי המותר במפסק האוטומטי, לבדוק מהו מספר המכשירים "זוללי החשמל" שכבר מחוברים לרשת ומהו ההספק החשמלי הכולל שלהם. כמו כן, לפני שמחברים מכשיר חשמלי נוסף, חשוב לברר מהו הספקו ואם גם הוא מכשיר "זולל חשמל". אם מתברר שהפעלת המכשיר הנוסף עלולה לגרום לחריגה מההספק המותר אין לחברו לרשת הביתית.
*105*
הרחבה
הקשר בין הספק למתח ולזרם חשמלי
אם ידוע מהו המתח החשמלי על המכשיר (V) ביחידות וולט, וידועה עוצמת הזרם העובר דרכו (I) ביחידות אמפר, אפשר לחשב את ההספק החשמלי של המכשיר (P) ביחידות ואט באמצעות הנוסחה הזאת:
P = V * I
מנוסחה זו אפשר לבודד ולחשב את הזרם, כאשר ידועים ההספק והמתח:
I = P / V
שאלות
1. מהו הספקו של מייבש שיער המחובר למקור חשמלי קבוע של 220 וולט, ושבעת הפעלתו עובר דרכו זרם בעוצמה של 10 אמפר? הציגו את דרך החישוב.
2. ההספק החשמלי של מאוורר הוא 50 ואט, של נורת ליבון 200 ואט, ושל מגהץ 1 קילו-ואט. מחברים את שלושתם במקביל למקור חשמלי של 220 וולט.
א. חשבו את עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך כל מכשיר.
ב. מהי המסקנה העולה מחישוב זה בנוגע לקשר בין עוצמת הזרם העובר דרך מכשיר במעגל מקבילי לבין ההספק החשמלי של המכשיר?
היחידות שבהן חברת החשמל מעריכה את צריכת האנרגיה החשמלית שלנו
בכל חודשיים חברת החשמל שולחת אלינו את חשבון החשמל. חשבון זה מציג את כמות האנרגיה החשמלית שצרכנו בתקופה זו ביחידות של קוט"ש (קילו-ואט-שעה). באנגלית מסמנים אותן כך: kilo-Watt-hour) k.W.h).
(בספר שלוש תמונות:) נורות פלואורסצנטיות, נורת LED, נורת ליבון.
1 קוט"ש שווה לכמות האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר חשמלי שההספק שלו הוא 1 קילו-ואט (כלומר 1,000 ואט) כאשר הוא פועל במשך שעה אחת.
כדי לחשב את האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר ביחידות של קוט"ש, מבטאים את ההספק ביחידות של קילו-ואט ואת הזמן בשעות ומציבים בנוסחה:
Eelc = P * t
את האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר אפשר לחשב גם ביחידות של ג'ול. לצורך כך מציבים בנוסחה את הזמן בשניות ואת ההספק ביחידות של ואט.
שאלות
1.
א. חשבו (ביחידות של ג'ול) את האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר שההספק שלו הוא 1 קילו-ואט כאשר הוא פועל במשך שעה אחת.
ב. מהי המסקנה העולה מתוצאת החישוב שקיבלתם בנוגע לקשר שבין קוט"ש לבין ג'ול?
2. ההספק של דוד חשמלי הוא 2,500 ואט. הדוד הופעל במשך 3 שעות.
א. חשבו (ביחידות של קוט"ש) את כמות האנרגיה החשמלית המומרת בדוד לחום.
ב. לפי התעריף של חברת החשמל, מחירו של 1 קוט"ש הוא 0.54 ש"ח. חשבו כמה משלמים עבור כמות האנרגיה החשמלית שהדוד צרך במשך 3 השעות שבהן פעל.
*106*
נצילות של מכשיר חשמלי
כולנו קונים מדי פעם מכשירים חשמליים. לעתים עלינו לבחור מוצר אחד מתוך כמה סוגים המוצעים בשוק. למשל, קיים בשוק מבחר של גופי תאורה: נורת ליבון, נורה פלואורסצנטית ונורת LED או PL. האם נורה פלואורסצנטית עדיפה על נורת ליבון? מדוע? מהם השיקולים המנחים בעת קבלת החלטות מסוג זה?
(בספר תמונה:) תוויות אנרגיה מציגות את דירוג הנצילות של מכשירים. דרגה A (צבע ירוק) מסמלת את הנצילות הגבוהה ביותר.
אחד השיקולים שיש להתבסס עליהם הוא יעילות אנרגטית. כלומר, בחירה במכשיר שצורך פחות אנרגיה חשמלית אך נותן אותו שירות (או אפילו טוב יותר) בלי לפגוע באיכות.
מקובל לקרוא לאנרגיה החשמלית המומרת במכשיר גם בשם האנרגיה המושקעת. ברוב המכשירים החשמליים האנרגיה המושקעת מומרת לא רק לסוגי האנרגיה השימושיים (למשל לאנרגיית תנועה סיבובית של המערבל) אלא גם לסוגי אנרגיה שאינם שימושיים (כמו אנרגיית קול וחום). סוגי האנרגיה השימושיים הם בעצם סוגי האנרגיה הרצויים שלשמם המכשיר החשמלי נבנה (למשל, בנורה חשמלית האנרגיה הרצויה היא אנרגיית האור, ואילו החום המתקבל הוא אנרגיה לא רצויה).
אחד המדדים ליעילותו האנרגטית של מכשיר הוא הנצילות שלו. הנצילות היא היחס בין האנרגיה השימושית המופקת ממכשיר חשמלי לבין האנרגיה החשמלית המושקעת בו. את הנצילות אפשר לבטא בצורה הבאה:
נצילות = אנרגיה שימושית / אנרגיה מושקעת
(נצילות - גודל המבטא את יעילותו של מכשיר חשמלי בהפקת סוגי האנרגיה הרצויים.)
הנצילות מבטאת את יעילות המכשיר החשמלי בהפקת אנרגיה שימושית. ככל שהנצילות גדולה יותר, כך יעילות ההפקה של האנרגיה הרצויה גבוהה יותר.
מקובל לייצג את הנצילות באחוזים. לדוגמה, נצילותה של נורת ליבון היא 5 אחוז, כלומר רק 5 אחוז מהאנרגיה החשמלית מומרת בנורת הליבון לאנרגיית אור. שאר האנרגיה החשמלית (95 אחוז) מומרת לחום. אם כך, רוב האנרגיה החשמלית המושקעת בנורת ליבון "הולכת לאיבוד". זאת הסיבה שנהוג לקרוא לנורות כאלה "נורות בזבזניות".
(בספר איור של מחנה נופש)
*107*
שאלות
1. בטבלה שלפניכם מוצגים פרטים על אנרגיית האור ועל כמות החום המתקבלות בנורות ליבון, פלואורסצנט ו-LED. מהי הנצילות של הנורות האלה על סמך הטבלה? הסבירו מדוע.
תא ריק, נורת ליבון, נורה פלואורסצנטית, נורת LED
אנרגיית האור (אחוז מתוך האנרגיה החשמלית המושקעת), 5 אחוז, 30 אחוז, 80 אחוז
כמות החום (אחוז מתוך האנרגיה החשמלית המושקעת), 95 אחוז, 70 אחוז, 20 אחוז
(בספר איור של מחנה נופש)
2. בחרו את סוג הגרף (עמודות, קווי, עוגה וכדומה) המייצג בצורה הטובה ביותר את המידע שבטבלה עבור כל נורה וסרטטו אותו. מה מייצג בגרף את הנצילות של הנורה?
3. ועדת הכלכלה של הכנסת החליטה שמינואר 2012 אסור למכור בחנויות נורות ליבון. על סמך המידע המתואר בטבלה או בגרף שהכנתם, מה לדעתכם היו הנימוקים לכך?
בשיקולים לרכישת מכשיר יש להתחשב לא רק בנצילות של המכשיר אלא גם בהספק החשמלי שלו, במיוחד כאשר עומדים לבחור בין מכשירים הנותנים שירות דומה. עדיף לבחור מכשיר שהספקו קטן ושנצילותו גדולה. למשל, בעת בחירה בין נורת ליבון לנורה פלואורסצנטית (המאירות בעוצמת אור זהה), עדיף לבחור בנורה פלואורסצנטית שהספקה קטן יותר ונצילותה גדולה יותר.
שאלה
העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם, ונסחו לה כותרת.
א. חשבו את כמויות האנרגיה המושקעת והאנרגיה הרצויה (השימושית) שהנורות מפיקות במהלך שעת עבודה אחת, והוסיפו לטבלה את התוצאות שתקבלו.
ב. על סמך כל המידע הזה, המליצו להורים שלכם איזו נורה מומלץ לקנות. הסבירו מדוע.
סוג הנורה, ההספק (ואט), הנצילות (אחוזים), האנרגיה המושקעת (ואט-שעה), האנרגיה הרצויה (ואט-שעה)
נורת ליבון, 75, 5, --, --
נורה פלואורסצנטית רגילה, 40, 40, --, --
נורה פלואורסצנטית קומפקטית, 30, 80, --, --
(בספר איור של מחנה נופש)
*108*
נוסף על ההספק והנצילות, יש עוד גורמים שיש להתחשב בהם כאשר מתלבטים איזה מכשיר חשמלי כדאי לקנות: עלות המכשיר ומשך חייו. לפעמים העלות של מכשיר גבוהה כל כך עד שאינה מצדיקה את רכישתו על אף יעילותו האנרגטית הגבוהה. בנוסף, כדאי להעדיף מכשיר שאורך החיים שלו ארוך יותר. לדוגמה, על פי יצרני הנורות, אורך החיים הממוצע של נורת ליבון הוא 1,000 שעות, ואורך החיים הממוצע של נורה פלואורסצנטית קומפקטית הוא 8,000 שעות.
בטבלה שלפניכם מידע על שתי נורות מסוגים שונים המאירות בעוצמה זהה. על סמך המידע שבטבלה ענו על השאלות שאחריה.
סוג הנורה, עלות (ש"ח) , אורך חיים ממוצע (שעות) , הספק (ואט)
נורת ליבון, 5, 2,000, 150
נורה פלואורסצנטית קומפקטית, 25, 8,000, 40
(בספר איור של מחנה נופש)
שאלות
1. חשבו את החיסכון באנרגיה (בקילו-ואט-שעה) כאשר משתמשים בנורה פלואורסצנטית קומפקטית אחת (במשך כל אורך חייה) במקום נורות ליבון (במשך אותו פרק זמן). הסבירו.
2. מהו החיסכון הכספי (בשקלים) אם עלות של קילו-ואט-שעה היא 0.54 ש"ח?
3. הסיקו מסקנה: האם החיסכון הכספי מצדיק את השימוש בנורות פלואורסצנטיות קומפקטיות? נמקו.
4. הסבירו את המשפט הזה: "לשימוש בנורות חסכוניות יש גם יתרון סביבתי".
הטכנולוגיה בשירות האדם
הטלגרף
הטלגרף הוא מערכת חשמלית המיועדת לשיגור מברקים. אפשר להתייחס לטלגרף כאל פריצת הדרך הראשונה שהובילה לעולם התקשורת המודרני. מהו העיקרון המדעי שלפיו נבנה הטלגרף?
הטלגרף הראשון התבסס על העובדה שכאשר מעגל חשמלי נסגר נוצר זרם בכל חלקיו השונים בו-בזמן, וכאשר המעגל נפתח הזרם מפסיק לזרום מיד. אם כך, אפשר להתייחס לסגירת המעגל החשמלי ולפתיחתו כאל סוג של אינפורמציה המועברת באמצעות הזרם החשמלי לכל חלקי המעגל החשמלי באופן מיידי. המדענים גילו שסוג כזה של אינפורמציה מועבר באמצעות הזרם החשמלי במהירות עצומה - כמעט במהירות שבה מתקדם האור באוויר (כ-300,000 קילומטרים בשנייה).
את הטלגרף הראשון שאפשר לשדר מברקים למרחקים ארוכים בנה סמואל מורס. כדי להעביר את המברקים באמצעות שינויים בזרם חשמלי, קבע מורס צירוף מסוים של סימנים לכל אות, לכל סימן פיסוק ולכל ספרה. צירופים אלו נקראים על שמו של מורס: כתב מורס, צופן מורס או קוד מורס.
*109*
פעילות - משימת תיכון
תכנון טלגרף במחנה נופש
(בספר תרשים המעגל החשמלי - הנגדים מחוברים בטור זה לזה ולסוללה)
תלמידים יצאו למחנה נופש בטבע, במקום שאין בו קליטה סלולרית ואין בו אמצעי תקשורת אחרים. החדרים שבהם התלמידים והמדריכים לנים נמצאים בעמק, ליד אגם. המטבח, חדר האוכל והחדר של מנהלי המחנה נמצאים על גבעה סמוכה.
תלמידים העלו רעיון - לבנות אמצעי תקשורת בין החדרים השונים במחנה כדי להעביר הודעות ביניהם. אמצעי התקשורת יפעל בדומה לעיקרון שלפיו פועל הטלגרף.
מטרת הפעילות:
לתכנן אמצעי קשר להעברה יעילה ומהירה של מידע בין המקומות השונים במחנה: חדר המנהלים, המטבח, חדר האוכל, חדרי המדריכים וחדרי המגורים של התלמידים.
הציוד:
לרשותכם עומד ציוד מגוון, כגון מקורות חשמל (סוללות שונות), מפסקים, נורות, פעמונים, תילי חשמל וכדומה.
מהלך הפעילות:
א. חיפוש מידע
חפשו מידע על העיקרון שלפיו פועל הטלגרף ומידע על כתב מורס ששימש להעברת מידע באמצעות הטלגרף.
ב. תכנון מערכת תקשורת במחנה
התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תתכנן דגם של המחנה ובו מערכת תקשורת שתהיה האמצעי היעיל ביותר להעברת מסרים בין חלקי המחנה.
עליכם להגדיר את הצרכים של מערכת התקשורת במחנה. לדוגמה, החליטו באילו חדרים חשוב שתהיה אפשרות גם לשלוח הודעות וגם לקבל הודעות, באילו חדרים יוכלו רק לשלוח הודעות או רק לקבל הודעות, איך אפשר לדעת שעומדים לקבל מסר וכדומה.
עליכם לפרט את הדרישות מהמערכת, לדוגמה:
- שהמידע העובר במערכת החשמלית שלכם יהיה בעוצמה מספיק חזקה כדי שאפשר יהיה לפענח אותו בכל החדרים.
- תצטרכו להחליט אם המערכת שלכם מורכבת ממעגלים מקביליים בלבד, ממעגלים טוריים בלבד או משילוב של שני סוגי המעגלים.
- החליטו אם להסתפק במקור חשמל אחד או שצריך כמה מקורות חשמל במערכת שלכם. אם צריך יותר ממקור חשמל אחד, החליטו היכן צריך לחבר את המקורות השונים במערכת שלכם.
- החליטו אם צריך מפסק אחד או יותר בחדרי המחנה השונים.
- שהמערכת תהיה בטיחותית.
- שהמערכת תהיה אסתטית.
חשוב שתציינו את כל הדרישות מהמערכת ותסדרו אותן לפי מידת חשיבותן.
ג. בניית מערכת התקשורת במחנה
כל קבוצה תבנה דגם של המחנה ושל מערכת התקשורת החשמלית שתכננה. הקפידו על מילוי כל הדרישות שפירטתם.
ד. העברת מסר
כל קבוצה תבדוק את יעילות המערכת שבנתה באמצעות שליחת הודעה בת 4-3 מילים בשפת מורס. שאר הקבוצות יתחרו בפענוח נכון ומהיר של ההודעה.
ה. הערכת עמיתים
כל קבוצה תיעזר במחוון כדי להעריך את הביצועים של הקבוצות האחרות. על בסיס הערכה זו, כל קבוצה תעלה הצעות לשיפור המערכת שבנתה.
סיכום
- כאשר מעגל חשמלי נסגר, נוצר זרם חשמלי בכל נקודותיו בו-בזמן.
- לפי חוק אוהם: קיים יחס ישר בין עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך נגד כלשהו לבין המתח עליו, וקיים יחס הפוך בין עוצמת הזרם העובר דרך נגד כלשהו לבין התנגדותו (כל עוד המתח עליו נותר בלי שינוי).
- במעגל טורי: המתח של המקור שווה לסכום המתחים שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים במעגל, ועוצמת הזרם שווה בכל הנקודות לאורך המעגל. כאשר מספר הרכיבים החשמליים המחוברים בטור גדל, עוצמת הזרם במעגל קטנה (כל עוד מתח המקור נותר בלי שינוי).
- במעגל מקבילי: המתח של המקור שווה למתח שעל כל אחד מהרכיבים החשמליים המחוברים בו, ועוצמת הזרם הראשי שווה לסכום של עוצמות הזרם בענפים השונים. כאשר מחברים עוד רכיבים חשמליים במקביל: עוצמת הזרם הראשי גדלה, אך עוצמת הזרם בכל ענף אינה משתנה והמתח על כל רכיב נותר גם הוא בלי שינוי.
- ההספק החשמלי של מכשיר חשמלי מבטא את קצב המרת האנרגיה החשמלית בו.
- נצילות המכשיר החשמלי היא מדד ליעילותו בהפקת אנרגיה שימושית.
- הנצילות, ההספק, אורך החיים ועלות המכשיר החשמלי הם בין הגורמים העיקריים שיש להתחשב בהם בעת קניית מכשיר חשמלי.
*111*
שאלות
1. קומקום חשמלי שההספק החשמלי שלו הוא 3 קילו-ואט הופעל במשך רבע שעה.
א. חשבו את כמות האנרגיה החשמלית המומרת בו לחום ביחידות של ג'ול וביחידות של קוט"ש.
ב. עלות 1 קוט"ש היא 0.54 ש"ח. מהי עלות האנרגיה החשמלית של הפעלת הקומקום?
2. שני נגדים, R1 ו-R2, חוברו למקור חשמל שהמתח שלו הוא 24 וולט. התנגדותו של R1 היא 4 אוהם. קריאת מד המתח המחובר במעגל היא 16 וולט.
(בספר תרשים המעגל החשמלי - הנגד מחובר בטור לסוללה ולנורה. שני מדי זרם מחוברים משני צדדיו של הנגד)
א. חשבו את קריאת מד הזרם המחובר במעגל.
ב. חשבו את התנגדותו של R2.
3. הנצילות של נורות להט של 150 ואט היא 10%. חשבו את כמות אנרגיית האור שהנורה מפיקה במשך שעתיים. הציגו את דרך החישוב.
4. מד הזרם המחובר בצדו הימני של הנגד שבאיור מראה 1.2 אמפר. מה מראה מד הזרם בצדו השמאלי של הנגד?
א. יותר מ-1.2 אמפר
ב. פחות מ-1.2 אמפר
ג. 1.2 אמפר בדיוק
נמקו את בחירתכם.
(בספר תרשים המעגל החשמלי - שני נגדים, R1 ו-R2, מחוברים במקביל זה לזה ולסוללה)
5. כאשר מחברים נורה ל-3 סוללות זהות של 1.5 וולט, עובר דרכה זרם שעוצמתו 900 מילי-אמפר. חשבו את התנגדותו של חוט הלהט של הנורה במצב זה.
6. אם מחברים תיל עשוי כרום-ניקל שאורכו 40 ס"מ אל מקור חשמל שהמתח שלו הוא 12 וולט, מתקבל זרם שעוצמתו 2 אמפר. רוצים לחבר תיל כזה שאורכו כפול (80 ס"מ) בלי לשנות את עוצמת הזרם החשמלי (2 אמפר). מה צריך להיות חוזק המקור במקרה כזה?
7. שני נגדים, האחד של 5 אוהם והאחר של 2 אוהם, חוברו בטור לסוללה. המתח על הנגד הראשון הוא 2.5 וולט.
א. חשבו את עוצמת הזרם העובר במעגל.
ב. חשבו את המתח החשמלי של הסוללה.
8. קריאת האמפרמטר במעגל שלפניכם היא 6 אמפר. נתון כי R1 הוא 3 אוהם. המתח של המקור הוא 12 וולט.
(בספר תמונה:) דימות חום (תרמוגרמה) של אישה האוחזת בידה כוס משקה חם. הצבעים השונים מייצגים טמפרטורות שונות.
א. חשבו את עוצמת הזרם העובר דרך כל אחד משני הנגדים. הציגו את דרך החישוב.
ב. חשבו את R2. הציגו את דרך החישוב.
*112*
9. בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על נורת ליבון ועל נורת LED המאירות בעוצמה זהה. עלות 1 קוט"ש היא 0.54 ש"ח.
מאפיינים, נורת LED, נורת ליבון
הספק (קילו-ואט), 0.01, 0.15
נצילות, 80 אחוז, 5 אחוז
משך חיים (שעות), 40,000, 2,000
עלות (ש"ח), 100, 5
(בספר תמונה:) דימות חום (תרמוגרמה) של אישה האוחזת בידה כוס משקה חם. הצבעים השונים מייצגים טמפרטורות שונות.
על סמך נתונים אלה חשבו:
א. איזו נורה מתחממת יותר במהלך 5 שעות עבודה? הסבירו מדוע.
ב. מהי עלות הפעלתה של נורת LED למשך 40,000 שעות?
ג. מהי עלות הפעלתה של נורת ליבון למשך 40,000 שעות?
ד. על סמך הנתונים שבטבלה והחישובים שערכתם, איזו נורה הייתם ממליצים לקנות? הסבירו מדוע.
10. חשבו את עוצמת הזרם החשמלי העובר דרך נורת ליבון שההספק החשמלי שלה 45 ואט ודרך מייבש כביסה שההספק החשמלי שלו 4,500 ואט, כאשר הם מחוברים לספק מתח קבוע של 220 וולט. מהי המסקנה העולה מכך בנוגע לקשר בין עוצמת הזרם להספק, עבור אותו מקור מתח?
*113*
*113*
(בספר ארבע תמונות:)
בפרק זה נלמד ש...
- חום הוא אנרגיה העוברת מגוף בטמפרטורה גבוהה יותר לגוף בטמפרטורה נמוכה יותר.
- טמפרטורה היא מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים בחומר.
- חום סגולי הוא כמות החום הנחוצה להעלאת הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר מסוים במעלת צלזיוס אחת.
- חום כמוס הוא כמות החום הנחוצה לשינוי מצב הצבירה של 1 ק"ג חומר.
- במערכות טכנולוגיות שונות מנצלים את החום הכמוס של חומרים למטרות קירור או חימום.
מושגים שנכיר:
חום
טמפרטורה
חום סגולי
חום כמוס
חום היתוך
חום רתיחה
*114*
מבוא
ביום קיץ חם החול שבשפת הים לוהט ואילו המים צוננים. מדוע? מדוע אנו חשים תחושה של קרירות כאשר מים מתנדפים מעורנו? כיצד המזגן מקרר בקיץ ומחמם בחורף?
תמונה 1 - ביום קיץ החול שבשפת הים לוהט.
תמונה 2 - כאשר מים מתנדפים מעורנו אנחנו מרגישים שקר לנו.
תמונה 3 - מזגנים יכולים לשמש גם לחימום וגם לקירור.
תמונה 4 - בנורת הלהט חלק ניכר מן האנרגיה החשמלית מומר לחום.
(בספר שני תרשימים של חלקיקים נעים: בתרשים א' חיצים ארוכים ובתרשים ב' חיצים קצרים).
(בספר שני תרשימים של חלקיקים נעים: בתרשים א' חיצים ארוכים ובתרשים ב' חיצים קצרים).
תופעות אלה ותופעות רבות אחרות (בטבע ובעולם מעשה ידי האדם) נובעות ממעברי חום. חום הוא סוג של אנרגיה. בכל פעם שאנרגיה מומרת מסוג לסוג או עוברת ממקום למקום, חלק מהאנרגיה "אובדת" ומומרת לחום העובר לסביבה. לדוגמה, כדור שנבעט מתחכך בקרקע ובאוויר תוך כדי תנועתו, ואנרגיית התנועה שלו מומרת בהדרגה לחום העובר לסביבה; בנורה החשמלית רק חלק מן האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיית אור, ואילו חלקה האחר מומר לחום המחמם את גוף הנורה ואת הסביבה. כך גם בתגובות הכימיות המתרחשות בגוף שלנו, חלק מן האנרגיה הכימית הנפלטת מומר לחום, והחום הזה עובר בגוף שלנו ומחמם אותו.
בפרק הזה נעמיק בהבנת המושג "חום", ונדון בהבדל בינו לבין המושג "טמפרטורה". נלמד לחשב באמצעות נוסחה את כמות החום שגוף קולט או פולט, ונחקור כיצד משפיעים גורמים שונים על כמות החום הזו. נדון בשינויי הטמפרטורה החלים בחומרים שונים בעקבות חימום, ונכיר את המושג חום סגולי המסביר מדוע חומרים שונים (כגון מים וחול) מתחממים במידה שונה גם כשהם קולטים כמות שווה של חום. נבין גם מדוע החום הסגולי הגבוה של המים חשוב לחיים שלנו ונכיר את השפעתו על מזג האוויר.
נחקור מה משפיע על כמות החום שצריך לספק לגוף כדי שהוא יתחמם, ונלמד לחשב אותה.
נעסוק בחום הכמוס הנקלט או הנפלט כאשר חומרים שונים עוברים ממצב צבירה אחד לאחר, ונכיר מערכות טבעיות (כמו מנגנון ההזעה), ומערכות טכנולוגיות (כמו המזגן והמקרר), העושות שימוש בחום הזה.
*115*
חום וטמפרטורה
לעתים קרובות אנחנו מבלבלים בשפת היום-יום בין חום לבין טמפרטורה. אנחנו מתייחסים לדברים מסוימים כאל "חמים" או "קרים" וכשמישהו חולה אנחנו אומרים ש "יש לו חום" ומודדים את "החום" שלו באמצעות מד טמפרטורה. למעשה, שני המושגים האלה - חום וטמפרטורה - שונים זה מזה.
נמחיש זאת בעזרת דוגמה המוכרת לנו מחיי היום-יום:
מחממים כמויות שונות של מים בשני כלים זהים על להבה בעוצמה שווה, במשך פרק זמן זהה.
בכלי אחד מחממים כמות גדולה של מים, ואילו בכלי האחר מחממים כמות קטנה של מים. בשני הכלים הטמפרטורה בתחילת החימום זהה.
לאחר 5 דקות מודדים את הטמפרטורה של המים בשני הכלים בעזרת מד טמפרטורה.
(בספר שני תרשימים של חלקיקים נעים: בתרשים א' חיצים ארוכים ובתרשים ב' חיצים קצרים).
שאלות
1. השוו את כמות החום שסופקה למים בשני הכלים. הסבירו.
2. שערו: האם יהיה הבדל בטמפרטורה שאליה יגיעו המים בכלים השונים כאשר מחממים אותם במשך אותו פרק זמן? אם כן, מהו? נמקו את תשובתכם.
3. כיצד תופעה זו ממחישה את ההבדל בין חום לטמפרטורה?
4. הביאו דוגמה נוספת שאתם מכירים שממחישה את ההבדל בין חום לבין טמפרטורה.
*116*
מניסיוננו אנו יודעים שכמות קטנה של מים תתחמם מהר יותר מאשר כמות גדולה של מים, ולכן הטמפרטורה שלהם לאחר 5 דקות תהיה גבוהה יותר. כלומר, אף על פי שסיפקנו את אותה כמות חום לשני הכלים, הטמפרטורה שאליה הגיעו המים בכל אחד מן הכלים שונה. דוגמה זו ממחישה שחום וטמפרטורה הם מושגים שונים.
מהי טמפרטורה?
מודדים את טמפרטורת המים בשני הכלים בעזרת מד טמפרטורה. מהי טמפרטורה?
חלקיקי החומר נמצאים בתנועה מתמדת, ולכל חלקיק עשויה להיות מהירות שונה ולכן גם אנרגיית תנועה שונה. מכיוון שאיננו יכולים למדוד את מהירותו של כל חלקיק בנפרד ולחשב את אנרגיית התנועה שלו, אנו מתייחסים לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים. הטמפרטורה היא מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של כל חלקיקי החומר, היא נמדדת בעזרת מד טמפרטורה ומבוטאת ביחידות של מעלות צלזיוס (הסימון הוא עיגול קטן מעל השורה והאות C).
ככל שמד הטמפרטורה מראה על טמפרטורה גבוהה יותר, סימן שהחלקיקים נעים בממוצע מהר יותר ושאנרגיית התנועה הממוצעת שלהם גבוהה יותר, ולהיפך: ככל שמד הטמפרטורה מראה על טמפרטורה נמוכה יותר, סימן שהחלקיקים נעים בממוצע לאט יותר ושאנרגיית התנועה הממוצעת שלהם נמוכה יותר.
שאלה
אורכם של החצים באיור שלפניכם ממחיש את מהירות החלקיקים בחומר א ובחומר ב. הטמפרטורה של איזה חומר גבוהה יותר?
(בספר שתי תמונות:)
- הטמפרטורה היא מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים בחומר.
*117*
מהו חום?
חום הוא אנרגיה העוברת מגוף שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר לגוף שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר. תהליך זה נקרא: מעבר חום.
מעבר חום בין גופים יכול לגרום לשינויים בטמפרטורה שלהם או במצב הצבירה שלהם.
תמונה 1 - חום עובר מכוס התה אל היד, והיד מתחממת.
תמונה 2 - חום עובר מכף הרגל אל הרצפה, וכף הרגל מתקררת.
(בספר תרשים של מעבר חום מגוף חם לגוף קר, היעזר במנחה)
- מעבר חום בין גופים יכול לגרום לשינוי בטמפרטורה.
כאשר גוף פולט חום, הטמפרטורה שלו יכולה לרדת והוא יתקרר; כאשר גוף קולט חום, הטמפרטורה שלו יכולה לעלות והוא יתחמם. לדוגמה, כשאנחנו אוחזים בידינו כוס תה חמה, חום עובר מכוס התה אל היד שלנו, שהטמפרטורה שלה נמוכה יותר. כתוצאה מכך היד שלנו מתחממת וכוס התה מתקררת. כשאנחנו דורכים ברגליים יחפות על הרצפה, חום עובר מן הגוף שלנו אל הרצפה, שהטמפרטורה שלה נמוכה יותר. כתוצאה מכך הגוף שלנו מתקרר והרצפה מתחממת.
שינוי הטמפרטורה בעקבות מעבר החום מעיד על שינוי באנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים הבונים את הגוף: כאשר גוף קולט חום, תוספת החום גורמת לעלייה במהירות ובאנרגיית התנועה הממוצעת של חלקיקי החומר, כלומר הטמפרטורה שלו עולה. כאשר גוף פולט חום, אנרגיית התנועה הממוצעת של חלקיקי החומר יורדת, כלומר הטמפרטורה שלו יורדת.
מעבר החום בין שני גופים נמשך עד שהטמפרטורות של שניהם משתוות. לכן גופים הנמצאים באותה סביבה יגיעו תמיד לאותה הטמפרטורה, אם מעבר החום ביניהם נמשך מספיק זמן.
(בספר תמונה:) חום עובר מן המחבת אל החמאה, והחמאה ניתכת.
- מעבר חום בין גופים יכול לגרום לשינוי במצב הצבירה שלהם.
יש מקרים שבהם מעבר חום גורם לשינוי במצב הצבירה של החומר בלי שהטמפרטורה שלו תשתנה. לדוגמה, כשאנו מניחים גוש מוצק של חמאה על מחבת חמה, חום עובר מהמחבת אל החמאה והיא ניתכת לנוזל בלי שהטמפרטורה שלה תשתנה. אם ממשיכים לחמם את החמאה הנוזלית, הטמפרטורה שלה עולה. בהמשך הפרק נלמד עוד על מעברי חום בין גופים, הגורמים לשינויים במצב הצבירה שלהם.
(בספר תמונה:) כאשר דלת המקרר פתוחה, חום עובר מהחדר לתוך המקרר.
*118*
בשפת היום-יום נהוג להשתמש במושג קור כדי להביע תחושה הנובעת מכך שהגוף שלנו מאבד חום כשהוא בא במגע עם גוף קר ממנו. אך קור אינו מושג מקובל בפיזיקה. כאשר קיימים שני אזורים, האחד קר יותר והאחר חם יותר, חום יעבור תמיד מהאזור החם לאזור הקר. לדוגמה, כאשר אנו פותחים את דלת המקרר, חום עובר מן הסביבה החיצונית אל המקרר ולא להיפך. האמירה הרווחת שלפיה קור יוצא מן המקרר החוצה מקורה בטעות. למעשה אנו מאבדים חום כשאנו נוגעים באוויר שהיה במקרר והטמפרטורה שלו נמוכה מזו של גופנו.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
יחידות מידה של חום
מכיוון שחום הוא צורה של אנרגיה, אפשר לחשב את הכמות שלו, הנמדדת ביחידות של אנרגיה - ג'ול. עוד יחידת מידה נפוצה לחום היא הקלוריה. קלוריה אחת שווה ל-4.18 ג'ול בערך.
- חום הוא אנרגיה העוברת מגוף שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר לגוף שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
1. מניחים בקבוק מים קרים בתוך קערה שבה מים בטמפרטורה גבוהה יותר.
א. מה יקרה לטמפרטורות של המים בבקבוק ושל המים בקערה לאחר זמן קצר? מה יקרה לטמפרטורות של המים בכלים האלה לאחר זמן רב?
ב. מה נכון לומר בנוגע לתהליך שהתרחש? בחרו באפשרות הנכונה.
1. טמפרטורה עברה מן המים שבקערה אל המים שבבקבוק.
2. חום עבר מן המים שבקערה אל המים שבבקבוק.
3. חום עבר מן המים שבבקבוק אל המים שבקערה.
4. טמפרטורה עברה מן המים שבבקבוק אל המים שבקערה.
2. בחדר שבו הטמפרטורה קבועה ושווה ל-20 מעלות צלזיוס, מניחים את הפריטים הבאים בטמפרטורות הנתונות: שמיכת צמר(30 מעלות צלזיוס), כדורסל (30 מעלות צלזיוס), כוס זכוכית (25 מעלות צלזיוס), קערה ממתכת (15 מעלות צלזיוס). מה תהיה הטמפרטורה של כל אחד מהפריטים האלה לאחר זמן רב?
3. אוחזים בכוס מים קרים. מדוע מרגישים תחושה של קור?
*119*
פעילות - ניסוי
מעבר חום בין שני גופים
(בספר תמונה:) כמה חום צריך לספק למים שבקומקום כדי לחמם אותם לטמפרטורה מסוימת?
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! בניסוי משתמשים במים רותחים ויש להיזהר מלהיכוות.
מטרת הניסוי: מעקב אחר החום העובר בין שני גופים.
ציוד: מבחנה עם 10 סמ"ק מים בטמפרטורת החדר (מי ברז), כוס כימית המכילה 100 סמ"ק מים רותחים, 2 מדי טמפרטורה.
השערה: נניח את המבחנה בכוס. שערו מה יקרה לטמפרטורה של המים במבחנה ולטמפרטורה של המים בכוס כעבור זמן. נמקו את השערתכם.
מהלך הניסוי:
א. מדדו את טמפרטורת המים במבחנה ובכוס הכימית, ורשמו את הטמפרטורות.
ב. הניחו את המבחנה שבה מי הברז בתוך המים שבכוס הכימית.
ג. באמצעות מדי הטמפרטורה, מדדו את הטמפרטורה בכל אחד משני הכלים בכל 30 שניות במשך 5 דקות.
תוצאות:
א. העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם, וכתבו בה את תוצאות המדידות. נסחו כותרת לטבלה.
זמן מתחילת המדידות (שניות), טמפרטורת המים במבחנה (מעלות צלזיוס), טמפרטורת המים בכוס (מעלות צלזיוס)
0, --, --
30, --, --
60, --, --
90, --, --
120, --, --
וכן הלאה, עד 5 דקות (300 שניות)
(בספר תמונה:) כמה חום צריך לספק למים שבקומקום כדי לחמם אותם לטמפרטורה מסוימת?
ב. יצגו את התוצאות בגרפים: גרף אחד לטמפרטורה של המים במבחנה, וגרף אחר לטמפרטורה של המים בכוס. החליטו איזה סוג גרף מתאים להצגת התוצאות (גרף עמודות, גרף קווי, דיאגרמת עוגה וכדומה).
ג. תארו במילים מה קרה לטמפרטורות שני הכלים במהלך הניסוי.
סיכום ומסקנות:
1. השוו בין הגרפים השונים שהכנתם: הטמפרטורה של המים במבחנה והטמפרטורה של המים בכוס. התייחסו למגמת השינוי של הטמפרטורה, לצורת הגרף ולטמפרטורה הסופית של המים בשני הכלים.
*120*
2. באיזו דרך עבר החום בין המים שבכוס למים שבמבחנה: הולכה, הסעה או קרינה? היזכרו בדרכי מעבר החום שלמדתם בעבר.
3. מהיכן להיכן עובר החום? תארו את כיוון התהליך.
4. מתי התהליך של מעבר החום נפסק?
5. רוני טענה שניסוי זה אינו מדויק, מכיוון שחום עובר מהמים שבשני הכלים גם לגופים נוספים. מה דעתכם על טענתה של רוני? נמקו.
6. הציעו שיפורים מתאימים בניסוי כדי להבטיח שמעבר החום יתקיים רק בין המים בכוס למים שבמבחנה.
מהי כמות החום העוברת בין גופים?
לעתים קרובות מדענים ומהנדסים צריכים לדעת את כמות החום שצריך לספק לגוף כלשהו כדי לחמם אותו לטמפרטורה מסוימת (למשל, כדי לחמם את האוויר בחדר), או את כמות החום שגוף כלשהו מאבד לסביבה. כיצד מחשבים את כמות החום? מהם הגורמים הקובעים את כמות החום ומה הקשר ביניהם?
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
מדענים ערכו ניסויים רבים כדי לבדוק זאת, ומצאו כי כמות החום הדרושה לחימום גוף מסוים מטמפרטורה אחת לטמפרטורה אחרת תלויה בגורמים הבאים:
א. המסה של הגוף (m)
ב. סוג החומר שהגוף עשוי ממנו, הבא לידי ביטוי בחום הסגולי של החומר (c)
ג. הפרש הטמפרטורות (דלתא T, dT) - ההפרש בין הטמפרטורה הסופית לטמפרטורה ההתחלתית של הגוף.
(הערה: הפרש מסומן ע"י האות היוונית דלתא, אנחנו נשתמש באות האנגלית d שגם בה נהוג לסמן הפרש).
נבדוק את הקשר בין כמות החום לבין שלושת גורמים אלה.
א. הקשר בין כמות החום הדרושה להתחממותו של גוף לבין מסתו.
מניסיוננו היומיומי אנחנו יודעים שכדי לחמם גוף שמסתו גדולה, נדרש פרק זמן ארוך יותר מאשר פרק הזמן הנדרש כדי לחמם לאותה הטמפרטורה גוף שמסתו קטנה יותר. בפעילות שלפניכם תתכננו ניסוי מדעי שיבדוק זאת.
*121*
פעילות - תכנון ניסוי וביצועו
חימום מסות שונות של מים
(בספר תרשים:) כאשר מספר החלקיקים גדול יותר, אותה תוספת של חום מתחלקת על פני יותר חלקיקים, ולכן תוספת אנרגיית התנועה הממוצעת לכל חלקיק קטנה יותר.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב: בניסוי משתמשים במים חמים ויש להיזהר מלהיכוות.
מטרת הניסוי: בדיקה של כמות החום הנחוצה לחימום מסות שונות של מים לאותה הטמפרטורה.
את כמות החום נעריך בעזרת זמן החימום: ככל שזמן החימום ארוך יותר, כך כמות החום שסופקה למים גדולה יותר.
ציוד: כירה חשמלית לחימום, 2 כוסות כימיות בנפח של 100 סמ"ק, 2 משורות בנפח של 100 סמ"ק, 2 מדי טמפרטורה, שעון עצר, מים.
שאלת חקר
נסחו שאלת חקר המתאימה למטרות הניסוי.
תכנון הניסוי וביצועו:
פעילות זו תתבצע בקבוצות.
א. התבוננו בציוד העומד לרשותכם ותכננו ניסוי שיבדוק את שאלת החקר. בתכנון הניסוי כתבו השערה מנומקת, ציינו את הגורם המשפיע, את הגורם המושפע ואת הגורמים הקבועים. כתבו את השלבים השונים במהלך הניסוי ומספרו אותם.
ב. לאחר קבלת אישור מהמורה, בצעו את הניסוי והקפידו על כל אמצעי הזהירות הדרושים.
תוצאות:
א. הכינו טבלה שבה תרשמו את התוצאות ותנו לה כותרת מתאימה.
ב. רשמו את התוצאות שקיבלתם בטבלה.
סיכום ומסקנות:
1. כתבו את המסקנות העולות מתוצאות הניסוי. האם התוצאות איששו או הפריכו את ההשערה שלכם?
2. כתבו רפלקציה על הניסוי שביצעתם. התייחסו לאופן ביצוע הניסוי, לשגיאות מדידה, להצעות לשיפור מהלך הניסוי ועוד.
3. הכינו דוח ניסוי שבו תסכמו את מהלך הניסוי, את תוצאותיו ואת המסקנות העולות ממנו.
*122*
- ככל שמסת הגוף גדולה יותר, כך דרושה כמות חום גדולה יותר כדי לחמם אותו לטמפרטורה מסוימת.
כיצד מסביר מודל החלקיקים את הקשר בין כמות החום לבין המסה?
כשמחממים חומר הוא קולט חום (אנרגיה). תוספת החום גורמת לעלייה במהירות ובאנרגיית התנועה הממוצעת של חלקיקי החומר, כלומר הטמפרטורה שלו עולה. ככל שמסת החומר גדולה יותר, כך כמות החלקיקים שבו גדולה יותר, ולכן אותה כמות חום שנוספה לו מתחלקת על פני יותר חלקיקים, ותוספת האנרגיה לכל חלקיק קטנה יותר. לדוגמה, כאשר מחממים כמות גדולה של מים, תוספת החום מתחלקת בין מספר גדול יותר של חלקיקים מאשר בחימום כמות קטנה של מים על ידי אותה כמות חום. ככל שהתוספת לאנרגיית התנועה של החלקיקים קטנה יותר, כך העלייה בטמפרטורה קטנה יותר.
(בספר תרשים:) כאשר מסות שוות של חול ושל מים מתחממות בשמש, החול מתחמם יותר מהמים.
*123*
ב. הקשר בין כמות החום הדרושה להתחממותו של גוף לבין סוג החומר שממנו הגוף עשוי.
מדוע ביום שמש חם החול לוהט ומי הים קרירים, אף ששניהם חשופים לקרינת שמש במידה זהה?
כאשר מספקים את אותה כמות של חום לכמויות זהות של חומרים שונים, כל חומר יתחמם במידה שונה. לדוגמה: אם נניח כלים זהים ובהם מסות שוות של חול ושל מים למשך שעה בשמש, החול יתחמם יותר מהמים.
(בספר ארבע תמונות:)
הסיבה לכך היא שכדי שהטמפרטורה של החול תשתנה, דרושה כמות קטנה יותר של חום מאשר כמות החום הדרושה לשינוי הטמפרטורה של מים באותה המידה. לתכונה זו של החומר קוראים חום סגולי. חום סגולי הוא כמות החום הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר במעלת צלזיוס אחת.
לכל חומר יש חום סגולי האופייני לו. החום הסגולי של החול נמוך מזה של המים, ולכן מסה כלשהי של חול מתחממת יותר מאשר מסה שווה של מים כאשר מספקים להם את אותה כמות חום.
(חום סגולי - כמות החום הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר במעלת צלזיוס אחת).
יחידות המידה של חום סגולי
החום הסגולי נמדד ביחידות ג'ול לק"ג למעלת צלזיוס, כלומר כמה חום נדרש כדי שהטמפרטורה של ק"ג אחד של חומר תעלה במעלת צלזיוס אחת. אפשר למדוד את החום הסגולי גם ביחידות של קלוריה לגרם למעלת צלזיוס.
*124*
בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על החום הסגולי של חומרים שונים.
החומר, חום סגולי (ג'ול לק"ג למעלה צלזיוס)
מים (נוזל), 4,200
כוהל, 2,440
מים (קרח, מוצק), 2,100
נפט, 2,100
מים (אדים, גז), 2,010
(בספר ארבע תמונות:)
צמר גפן, 1,400
פלסטיק, כ-1,300
שמן בישול, כ-1,200
אספלט, 920
אלומיניום, 900
בטון, 880
חול, 830
זכוכית, כ-670
ברזל, 450
נחושת, 385
כסף, 235
כספית, 140
זהב, 130
תמונה 1 - החום הסגולי של שמן הוא 1,200 ג'ול לק"ג למעלה.
(בספר תרשים של שני גופים:
תמונה 3 - החום הסגולי של עץ הוא 1,700 ג'ול לק"ג למעלה.
תמונה 4 - החום הסגולי של ברזל הוא 450 ג'ול לק"ג למעלה.
תמונה 5 - החום הסגולי של זהב הוא 130 ג'ול לק"ג למעלה.
שאלות
1. השוו את נתוני החום הסגולי של חומרים שונים המוצגים בטבלה. רשמו שתי עובדות העולות מן ההשוואה.
2. מניחים קוביית אלומיניום וקוביית ברזל בעלות מסה זהה בתוך כוס עם מים חמים. לאחר זמן מה מוציאים את שתי הקוביות מן המים ומודדים את הטמפרטורה שלהן. תוצאות המדידה מראות שהטמפרטורות של שתי הקוביות אינן שוות. לאיזו קובייה תהיה טמפרטורה גבוהה יותר? מדוע?
*125*
3. מסות זהות של שמן ושל מים בטמפרטורת החדר נמצאות בכלים זהים. צריך לחמם את השמן ואת המים לטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס על להבה בעוצמה זהה. לאיזה מהחומרים יהיה צורך לספק כמות חום גדולה יותר (ולכן גם זמן החימום יהיה ארוך יותר)? נמקו.
4. הסיקו מסקנה: כיצד משפיע החום הסגולי על כמות החום שצריך לספק למסות שוות של חומרים שונים כדי שיתחממו באותה מידה?
- חום סגולי הוא תכונה של החומר, ולכן לחומרים שונים יש חום סגולי שונה.
- ככל שהחום הסגולי של חומר גדול יותר, כך דרושה כמות חום גדולה יותר כדי להעלות את הטמפרטורה שלו באותה המידה.
ג. הקשר בין השינוי בטמפרטורה של הגוף לבין כמות החום הדרושה להתחממותו.
מניסיוננו היומיומי אנחנו יודעים שככל שנחמם גוף זמן רב יותר, כך הטמפרטורה שלו תעלה יותר. בפעילות שלפניכם תבדקו את השינוי בטמפרטורה של מים בזמן שהם מתחממים, ותסיקו מסקנות בנוגע לקשר בין השינוי בטמפרטורה לבין כמות החום.
פעילות - אוריינות מדעית - ניתוח ניסוי
השינוי בטמפרטורה של מים במשך חימום
(בספר תרשים של שני גופים:
את השינוי בטמפרטורה, כלומר את ההפרש בין הטמפרטורה הסופית לטמפרטורה ההתחלתית של הגוף, מסמנים באותיות
דלתא T (או dT).
התלמידים חישבו את dT, כלומר את העלייה בטמפרטורת המים מתחילת החימום בכל פרק זמן, והציגו את התוצאות בגרף שבעמוד הבא.
*126*
שאלות
התבוננו בגרף וענו על השאלות שאחריו.
(בספר גרף, היעזר במנחה)
(בספר תרשים של שני גופים:
עליית הטמפרטורה (dT) של המים בזמן החימום
1. הטמפרטורה ההתחלתית של המים הייתה 25 מעלות צלזיוס. מה הייתה הטמפרטורה שלהם לאחר 3 דקות של חימום? פרטו את דרך החישוב.
2. כמה זמן נחוץ כדי להעלות את הטמפרטורה של המים ב-12 מעלות צלזיוס?
3. כמה זמן נחוץ כדי להעלות את הטמפרטורה של המים ב-24 מעלות צלזיוס?
4. הסיקו מסקנות מן הנתונים המוצגים בגרף: מה הקשר בין העלייה בטמפרטורה של המים (dT) לבין כמות החום שמספקים למים?
- ככל שהפרש הטמפרטורות גדול יותר, כך דרושה כמות חום גדולה יותר כדי לחמם כמות מסוימת של חומר.
*127*
שאלות
כדי לסכם את הקשר בין כמות החום לבין המסה של הגוף, החום הסגולי האופייני לחומר שממנו הגוף עשוי, והפרש הטמפרטורות בין הטמפרטורה הסופית לטמפרטורה ההתחלתית של הגוף, בחרו את המילים הנכונות מבין אלה המסומנות בקווים בכל אחד מהמקרים האלה:
1. מחממים שני גופים העשויים מאותו החומר, אך כמות החומר (m) שלהם שונה. ככל שהמסה של הגוף קטנה יותר, כך דרושה כמות חום זהה / גדולה יותר / קטנה יותר כדי לחמם את שני הגופים האלה באותה המידה.
גוף א' - m = 100 גרם, dT = 10 מעלות צלזיוס
גוף ב' - m = 50 גרם, dT = 10 מעלות צלזיוס)
(בספר תרשים של שני גופים:
2. מחממים שני גופים שמסתם זהה, אך לכל אחד מהם חום סגולי (c) שונה. ככל שהחום הסגולי של גוף קטן יותר, כך דרושה כמות חום זהה / גדולה יותר / קטנה יותר כדי לחמם את שני הגופים האלה באותה המידה.
גוף א' - m = 100 גרם, dT = 10 מעלות צלזיוס, חום סגולי = c
גוף ב' - m = 100 גרם, dT = 10 מעלות צלזיוס, חום סגולי = 2c)
(בספר תרשים של שני גופים:
3. מחממים שני גופים העשויים מאותו החומר והמסה שלהם זהה. ככל שהפרש הטמפרטורות (dT) של הגוף קטן יותר, כך דרושה כמות חום זהה / גדולה יותר / קטנה יותר כדי לחמם את שניהם לאותה טמפרטורה סופית.
גוף א' - m = 100 גרם, dT = 10 מעלות צלזיוס, חום סגולי = c
גוף ב' - m = 100 גרם, dT = 20 מעלות צלזיוס, חום סגולי = c)
(בספר תרשים של מעבר חום בין גופים:)
כיצד מחשבים את כמות החום?
בפעילויות שביצענו מצאנו שיש קשר בין כמות החום שצריך לספק לגוף כדי שיתחמם במידה מסוימת לבין מסתו, החום הסגולי של החומר שהגוף עשוי ממנו והפרש הטמפרטורות. במהלך השנים ערכו מדענים ניסויים שהוכיחו שקיים יחס ישר בין כמות החום לבין המסה, החום הסגולי והפרש הטמפרטורות. לדוגמה, אם הפרש הטמפרטורות גדול פי 2, גם כמות החום הנחוצה לחימום גדלה פי 2 (בתנאי שהמסה והחום הסגולי אינם משתנים).
אם יודעים מה המסה (m) ביחידות של ק"ג, מה החום הסגולי (c) ביחידות ג'ול לק"ג למעלה צלזיוס ומה הפרש הטמפרטורות (dT) במעלות צלזיוס, אפשר לחשב את הקשר בינם לבין כמות החום שיש לספק לגוף (Eq) ביחידות של ג'ול באמצעות הנוסחה:
Eq = m * c * dT
הנוסחה הזאת מתאימה הן למקרה של חימום (קליטת חום) הגוף והן למקרה של קירורו (פליטת חום).
*128*
(בספר תרשים של מעבר חום בין גופים:)
תמונה 1 - קיים יחס ישר בין כמות החום שנקלטת במים שבקומקום כאשר הם מתחממים לבין מסת המים והפרש הטמפרטורות.
תמונה 2 - קיים יחס ישר בין כמות החום שנפלטת מהמרק כאשר הוא מתקרר לבין מסת המרק והפרש הטמפרטורות.
דוגמה:
חיממו בתוך סיר 2 ליטר מים (1 ליטר מים = 1 ק"ג מים) בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. טמפרטורת המים עלתה ל-75 מעלות צלזיוס. מהי כמות החום שהמים קלטו?
מסת המים: 2 ק"ג = m
החום הסגולי של המים: 4,200 ג'ול לק"ג למעלה = c
הפרש הטמפרטורות (במעלות צלזיוס): dT = 72 - 25 = 50
כמות החום שהמים קלטו היא 420,000 ג'ול (420 קילו ג'ול) על פי החישוב הבא:
Eq = 2 * 4,200 * 50 = 420,000 ג'ול
דוגמה נוספת:
מוט ברזל במסה של 0.5 ק"ג ובטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס מתקרר לטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס). מהי כמות החום שנפלטה מהמוט?
נשתמש בנוסחה לחישוב כמות החום ונציב בה את הערכים הבאים:
מסת הברזל: 0.5 ק"ג = m
החום הסגולי של ברזל: 450 ג'ול לק"ג למעלה = c
הפרש הטמפרטורות (במעלות צלזיוס): dT = 25 - 50 = -25
(הפרש הטמפרטורות שלילי כי הטמפרטורה הסופית נמוכה מהטמפרטורה ההתחלתית).
כמות החום שנפלטה ממוט הברזל היא 5,625 ג'ול, על פי החישוב הבא:
Eq = m * c * dT = 0.5 * 450 * (-25) = -5,625 ג'ול
(המשמעות של המספר השלילי של כמות החום היא שהמוט פלט חום).
מעבר חום בין גופים וחוק שימור האנרגיה
על פי חוק שימור האנרגיה, אם חום עובר בין שני גופים במערכת סגורה ומבודדת, כמות החום שגוף אחד פלט שווה לכמות החום שהגוף האחר קלט. לכן אפשר להשתמש בנוסחת החום לחישובים שונים במקרים שבהם חום עובר מגוף לגוף.
כמות החום שנפלטת מהקובייה הימנית שווה לכמות החום שנקלטת בקובייה השמאלית.
(בספר תמונה:) בקבוק חימום.
- כמות החום שגוף קולט או פולט נמצאת ביחס ישר למסת הגוף (m), לשינוי הטמפרטורה (dT) ולחום הסגולי (c) של החומר שממנו הגוף עשוי.
- כמות זו מתוארת באמצעות הנוסחה:
Eq = m * c * dT
*129*
שאלות
1. בארצות קרות נוהגים להשתמש בבקבוקי חימום (שבהם מים חמים) לחימום המיטות שבהן ישנים. בקבוק חימום שבו 1 ק"ג מים רותחים (בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס) הונח במיטה והתקרר לטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס. חשבו את כמות החום שנפלטה מן המים שבבקבוק.
(בספר תרשים:) לחום הסגולי הגבוה של המים יש השפעה על מזג האוויר - רוח קרירה נושבת בשעות היום מן הים הקר יותר אל היבשה החמה ממנו.
2. חיממו על פלטה חשמלית 1 ק"ג מים בסיר. על פלטה חשמלית זהה חיממו בסיר זהה 1 ק"ג שמן. טמפרטורת המים עלתה ב-10 מעלות צלזיוס וטמפרטורת השמן עלתה ב-20 מעלות צלזיוס. באיזה מהמקרים כמות האנרגיה החשמלית שסופקה הייתה גדולה יותר? הסבירו מדוע.
3. חיממו גוש מתכת ל-100 מעלות צלזיוס והניחו אותו בתוך 0.1 ק"ג מים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס עד שהטמפרטורות של המתכת ושל המים השתוו. החום שעבר מהמתכת אל המים גרם לטמפרטורת המים לעלות ל-23 מעלות צלזיוס. הניסוי התרחש בקלורימטר - מכל מבודד לחום. כמה חום איבד גוש המתכת?
הידעתם?
החום הסגולי של המים והשפעתו על חיינו
החום הסגולי של מים הוא גדול מאוד יחסית לחומרים אחרים. לכן מים מתחממים לאט וגם מתקררים לאט. לתכונה זו של המים יש השפעה רבה על מזג האוויר והיא חשובה לחיים. לדוגמה:
- החום הסגולי של המים גדול מזה של הקרקע. במהלך היום השמש מחממת את הים ואת היבשה - מי הים מתחממים לאט, ואילו היבשה מתחממת מהר. לכן, הים והאוויר שמעליו קרירים יותר במהלך היום מאשר היבשה והאוויר שמעליה. האוויר הקריר הזורם מן הים אל היבשה בשעות החמות של היום מסייע בצינון אזורי היבשה הסמוכים לחוף הים.
- גופם של יצורים חיים מורכב ברובו ממים. לחום הסגולי הגדול של המים חשיבות במנגנון המווסת את טמפרטורת הגוף של יצורים חיים. בדומה למים, גם גופם של היצורים החיים מתחמם לאט ומתקרר לאט. העובדה הזאת מסייעת להגן על יצורים חיים משינויים מהירים בטמפרטורת הגוף כאשר הטמפרטורה של הסביבה החיצונית משתנה בקיצוניות, למשל כאשר יוצאים מחדר ממוזג לסביבה חמה.
(בספר תמונה:) כאשר יוצאים רטובים מן הבריכה, מרגישים תחושה של קרירות.
*130*
חום כמוס
כאשר מים מתאדים מהעור שלנו אנחנו מרגישים תחושה של קרירות. מדוע?
(בספר תרשים המתאר מעברים בין מצבי צבירה וכוון פליטה וקליטת חום, היעזר במנחה)
היזכרו בניסוי שבו מחממים מים בכלי ומודדים את הטמפרטורה שלהם במהלך החימום כולו.
בתחילת הניסוי טמפרטורת המים עולה, אך כאשר המים מגיעים לטמפרטורת הרתיחה, הטמפרטורה של המים אינה משתנה גם כשאנחנו ממשיכים לספק להם חום.
אפשר לעשות ניסוי דומה כאשר מחממים קרח ומודדים את הטמפרטורה במהלך כל החימום. הגרף שלפניכם מתאר את שינויי הטמפרטורה ומצבי הצבירה המתרחשים בניסוי כזה. אפשר להבחין בגרף באזורים מסוימים שבהם הטמפרטורה של המים עולה, ובאזורים אחרים שבהם הטמפרטורה של המים אינה משתנה. אותו הגרף מתקבל גם בתהליך ההפוך, שבו מקררים מים במצב של גז ומודדים את הטמפרטורה במהלך הקירור.
(בספר גרף, היעזר במנחה:)
חימום או קירור של מים
שינויים בטמפרטורה של המים ובמצב הצבירה שלהם בעקבות חימום או קירור.
(ציר ה-X בגרף הוא חום, ציר ה-Y הוא טמפרטורה במעלות צלזיוס.
הגרף מחולק לקטעים:
קטע 1 - מוצק - תוספת חום גורמת לעליית טמפרטורה - יחס ישר בין חום לטמפרטורה.
קטע 2 - מעבר מצב צבירה של היתוך או קיפאון - שינוי בחום אינו גורם לשינוי בטמפרטורה, הטמפרטורה קבועה.
קטע 3 - נוזל - יחס ישר בין חום לטמפרטורה.
קטע 4 - מעבר מצב צבירה של רתיחה או עיבוי - שינוי בחום אינו גורם לשינוי בטמפרטורה, הטמפרטורה קבועה.
קטע 5 - גז - יחס ישר בין חום לטמפרטורה.)
(בספר תרשים המתאר מעברים בין מצבי צבירה וכוון פליטה וקליטת חום, היעזר במנחה)
האזורים שבהם הטמפרטורה אינה משתנה מעידים על תהליכים שבהם החומר עובר ממצב צבירה אחד למצב צבירה אחר. התהליך שבו מצב הצבירה של חומר משתנה הוא תהליך קולט חום או פולט חום, תלוי בכיוון התהליך. התהליך שבו החומר עובר ממוצק לנוזל (היתוך) או מנוזל לגז (רתיחה) הוא תהליך קולט חום. לעומת זאת, התהליך שבו החומר עובר מגז לנוזל (עיבוי) או מנוזל למוצק (קיפאון) הוא תהליך פולט חום. החום הנקלט או הנפלט במעבר מצב הצבירה של 1 ק"ג חומר נקרא: חום כמוס.
(חום כמוס - כמות האנרגיה הנפלטת או הנקלטת כאשר 1 ק"ג של חומר עובר ממצב צבירה אחד לאחר).
*131*
לדוגמה, החום הכמוס של קרח הוא 335,000 ג'ול/ק"ג (335 קילו ג'ול/ק"ג). המשמעות היא שכמות החום הנחוצה להתכת 1 ק"ג קרח היא 335,000 ג'ול. החום הזה נקלט מהסביבה. כמות זהה של חום נפלטת לסביבה גם כשמתרחש תהליך הפוך. לדוגמה, כאשר 1 ק"ג מים עוברים מנוזל למוצק (קופאים), נפלטת מהם כמות חום של 335,000 ג'ול.
פעולתם של מכשירים שונים שבהם אנחנו משתמשים בחיי היום-יום, כגון מקרר ומזגן, מבוססת בין היתר על קליטה ופליטה של חום כמוס בתהליכים של שינוי מצבי צבירה.
(בספר תרשים:) ג'וזף בלק (ציור)
שאלות
1. חפשו במילון את משמעות המילה כמוס. מדוע לדעתכם נקרא חום זה בשם חום כמוס?
2. התבוננו בגרף שבעמוד הקודם, המתאר את שינויי הטמפרטורה המתרחשים בעקבות חימום או קירור של מים. המקטעים השונים בגרף מסומנים במספרים.
א. אילו מקטעים בגרף מתייחסים לשלבים שבהם החום הכמוס של המים נפלט לסביבה או נקלט ממנה?
ב. אילו מקטעים בגרף מושפעים מן החום הסגולי של המים?
ג. השוו בין חום ההיתוך (קיפאון) של מים לבין חום הרתיחה (עיבוי) שלהם. מה המסקנה שלכם?
3.
א. כאשר חומר מתאדה הוא קולט אנרגיה מהסביבה. מה יקרה לטמפרטורה של הסביבה כתוצאה מכך?
ב. כאשר חומר מתעבה הוא פולט אנרגיה לסביבה. מה יקרה לטמפרטורה של הסביבה כתוצאה מכך?
ג. הסבירו מדוע התאדות של מים מהעור שלנו גורמת לתחושת קרירות.
4. כיצד תופעת החום הכמוס ממחישה את ההבדל בין חום לטמפרטורה?
*132*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
חום כמוס (ושינויי אנרגיה) במעברי צבירה
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תרשים:) ג'וזף בלק (ציור)
היכנסו אל האתר הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא תהליכי שינוי בחומר, ובחרו בפעילות שינויים במצבי הצבירה.
בהדמיה זו תוכלו לחמם מים ממצב הצבירה מוצק (קרח) ועד למצב הצבירה גז (אדי מים), ולעקוב אחר השינויים החלים בחומר במהלך החימום.
א. הפעילו את ההדמיה וחממו את המים עד שייהפכו לגז. במהלך החימום תוכלו לעצור ולהפעיל מחדש את ההדמיה על ידי לחיצה על הפסקה או הפעלה.
ב. עקבו אחר השינויים בטמפרטורה ואחר השינויים במצב הצבירה ובמבנה החלקיקי של המים.
ג. הסבירו את שינוי הטמפרטורה בתהליך שבו מחממים את המים מ-0 מעלות צלזיוס ועד 100 מעלות צלזיוס. מה קורה לאנרגיית התנועה הממוצעת של חלקיקי המים בתהליך?
ד. תארו את השינויים המתרחשים במים שהטמפרטורה שלהם היא 100 מעלות צלזיוס, כאשר ממשיכים לחמם אותם אך הטמפרטורה שלהם אינה משתנה. בתשובתכם התייחסו למצב הצבירה ולמבנה החלקיקי של המים (סידור החלקיקים ואופן תנועתם).
ה. שערו: למה משמשת תוספת האנרגיה (החום) שנקלטה בתהליך מעבר מצב הצבירה? היעזרו באנימציות המתארות את המבנה החלקיקי.
פעילות - אוריינות מדעית
גילוי החום הכמוס
ג'וזף בלק (Joseph Black) היה כימאי ופרופסור לרפואה ממוצא סקוטי. הוא חקר לעומק את נושא החום, ומחקריו עזרו למדענים להבחין בין חום לטמפרטורה והניחו את היסודות להולדתו של תחום מדעי חדש: תרמודינמיקה - תורת מעבר החום.
בין היתר, בלק מצא את הקשר בין כמות החומר, הפרש הטמפרטורות וכמות החום, וגילה כי לכל חומר נחוצה כמות חום שונה כדי להתחמם באותה המידה. התכונה הזאת כונתה תכונת החום הסגולי.
לפניכם תיאור של אחד הניסויים המפורסמים שערך בלק, הניסוי שבו הוא גילה את תכונת החום הכמוס. קראו את תיאור הניסוי וענו על השאלות שאחריו.
(בספר תמונה:) קרחונים ניתכים
*133*
מהלך הניסוי:
בלק מילא שני מכלים זהים בכמות שווה של מים וקירר אותם. מכל אחד הוא קירר כך שהמים שבו התקררו ל-0 מעלות צלזיוס אך לא קפאו. את המכל האחר הוא קירר כך שהמים שבו התקררו ל-0 מעלות צלזיוס וקפאו לקרח. הוא הניח לשני המכלים לעמוד ולהתחמם באותה סביבה, ומדד את פרק הזמן שנדרש למים בכל אחד מהמכלים להגיע לטמפרטורה שקבע מראש.
תוצאות הניסוי:
תוצאות המדידות: המים במכל הראשון, שקוררו רק עד לנקודת הקיפאון אך לא קפאו, הגיעו לטמפרטורה הרצויה בתוך חצי שעה, ואילו המים הקפואים שבמכל האחר הפשירו והגיעו לטמפרטורה הרצויה רק לאחר כ-10 שעות וחצי.
מסקנות הניסוי:
לפי התוצאות הבין בלק שכמות החום שקלטו המים מן הסביבה במכל שבו קפאו המים הייתה גדולה בהרבה (לפי חישוביו פי 21 בערך) מכמות החום שקלטו המים במכל הראשון. מתוך כך הוא הסיק שנחוצות 20 "יחידות חום" כדי להעביר את המים ממצב מוצק למצב נוזל, ועוד "יחידת חום" אחת כדי לחמם את המים לטמפרטורה הרצויה. משתמע מכך שחלק מהחום שסופק למים הוא "נסתר" ואינו משפיע על הטמפרטורה שלהם. בלק קרא לכמות חום זו בשם "חום כמוס".
שאלות
1. כיצד המרכיבים והעקרונות של שיטת החקר המדעי (כגון בידוד משתנים, זיהוי גורם משפיע וגורם מושפע, ניסוח התוצאות ודרך הסקת המסקנות) באים לידי ביטוי בניסוי של בלק?
2. בארצות קרות שיורד בהן הרבה שלג, כאשר מזג האוויר מתחמם השלג מפשיר לאטו, ובמקומות מסוימים קרחונים נשארים עד סוף הקיץ. כיצד תוצאות ניסויו של בלק מסבירות את תופעות הטבע הללו?
(בספר תמונה:) כדי להתיך מתכת צריך לספק לה חום.
3. לפני זמנו של בלק סברו שנחוצה רק כמות קטנה של חום כדי להפוך מוצק לנוזל או נוזל לגז, ושהחום הנוסף גורם לעליית הטמפרטורה.
א. בלק התנגד לתפיסה זו, וטען ששיטפונות עצומים היו שוטפים את הארצות הקרות באביב אם התפיסה הזאת הייתה נכונה. מה הנימוק המדעי לטענתו?
ב. כיצד הניסוי של בלק הפריך את התפיסה הזו?
4. שחזרו את הניסוי של בלק. תכננו ניסוי ובצעו אותו. האם הגעתם למסקנות דומות? השוו את הניסוי שביצעתם לניסויו של בלק, ואם קיימים הבדלים בתוצאות דונו בסיבות לכך.
*134*
חום כמוס של התכה ושל רתיחה
חום כמוס של התכה או חום ההיתוך הוא כמות החום הנחוצה ל-1 ק"ג של חומר כדי לעבור ממצב צבירה של מוצק למצב צבירה של נוזל.
חום כמוס של רתיחה או חום הרתיחה הוא כמות החום הנחוצה ל-1 ק"ג של חומר כדי לעבור ממצב צבירה של נוזל למצב צבירה של גז.
חום כמוס (חום היתוך או חום רתיחה) הוא תכונה של החומר, ולכל חומר יש חום כמוס האופייני לו.
(בספר תמונה:) בתהליך ההזעה מים מתאדים מהעור והוא מתקרר.
בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על חום כמוס של חומרים שונים (ביחידות של ג'ול/ק"ג).
התבוננו בטבלה וענו על השאלות שאחריה.
החומר, חום היתוך (ג'ול/ק"ג), חום רתיחה (ג'ול/ק"ג)
כוהל, 108,000, 846,000
אמוניה, 339,000, 1,369,000
מימן, 58,000, 461,000
חמצן, 13,900, 213,000
מים, 335,000, 2,257,000
עופרת, 23,200, 5,858,000
כסף, 105,000, 2,336,000
נחושת, 207,000, 4,730,000
כספית, 11,400, 296,000
(בספר תמונה:) בתהליך ההזעה מים מתאדים מהעור והוא מתקרר.
שאלות
1. בחרו שני חומרים המוצגים בטבלה והשוו בין חום ההיתוך לחום הרתיחה שלהם.
2. (הרחבה) הציעו הסבר להבדל בין חום ההיתוך לחום הרתיחה. היעזרו בידע הקודם שלכם על המבנה החלקיקי של החומר ועל השינויים החלים במבנה הזה כאשר חומר עובר ממצב צבירה של מוצק לנוזל, ומנוזל לגז.
3.
א. כמה חום (בקילו ג'ול) נפלט כאשר 1 ק"ג אדי מים מתעבים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס?
ב. היעזרו בנוסחה Eq = m * c * dT וחשבו: כמה חום (בקילו ג'ול) נפלט כאשר 1 ק"ג מים נוזליים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס מתקררים לטמפרטורת הגוף (37 מעלות צלזיוס)?
ג. הסבירו על פי תשובותיכם לסעיפים א ו-ב, מדוע כווייה מאדי מים מסוכנת יותר מאשר כווייה ממים רותחים?
*135*
הרחבה
חישוב כמות החום הנפלטת או הנקלטת בעת שינוי מצב צבירה
אם ידועה כמות החומר (ק"ג) והחום הכמוס של החומר (ג'ול/ק"ג), אפשר לחשב את סך כל שינוי האנרגיה (ג'ול) הכרוך בשינוי מצב הצבירה של החומר באמצעות הנוסחה שלפניכם.
כמות החום הכרוכה בשינוי מצב הצבירה = מסה * חום כמוס
אם שינוי מצב הצבירה הוא מנוזל לגז או להיפך, מציבים בנוסחה את החום הכמוס של הרתיחה. אם שינוי מצב הצבירה הוא ממוצק לנוזל או להיפך, מציבים בנוסחה את החום הכמוס של ההיתוך.
היעזרו בנוסחה וענו על השאלות שלפניכם.
שאלות
1. בסיר יש 2 ק"ג של מים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס. כמה חום (בקילו ג'ול) צריך להוסיף למים כדי שיתאדו כליל?
2. כוס שבה 250 גרם (0.25 ק"ג) של מים בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס מונחת במקפיא. תארו את שינוי האנרגיה בתהליך שבו כל המים בכוס הופכים לקרח, וחשבו את החום (בקילו ג'ול) הכרוך בשינוי מצב הצבירה שלהם.
הידעתם?
חום הרתיחה של מים וחשיבותו למאזן החום בגוף האדם
רתיחה היא תהליך קולט אנרגיה, ולכן התהליך הזה מקרר את הסביבה. חום הרתיחה של מים הוא גבוה מאוד - נחוצים 2,257,000 ג'ול כדי שק"ג אחד של מים יעבור ממצב נוזל למצב גז. יש לכך חשיבות רבה בשמירה על מאזן החום בגוף האדם: כאשר הזיעה מתנדפת מפני העור, מים עוברים ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה גזי. לכן, בדומה לרתיחת מים, תהליך נידוף הזיעה הוא תהליך קולט אנרגיה. האנרגיה הזאת נלקחת מפני העור ומקררת אותו. מנגנון ההזעה הוא הדרך היעילה ביותר לקירור גוף שהתחמם, למשל בזמן פעילות גופנית נמרצת.
(בספר תמונה:) בסופרמרקט משתמשים במקררים ובמזגנים כדי לאחסן את מוצרי המזון בטמפרטורה המתאימה.
*136*
חום ומערכות טכנולוגיות להמרת אנרגיה
מערכות טכנולוגיות שונות עושות שימוש בחום לצרכים שונים - לחימום או לקירור, להנעה של מכשירים שונים ועוד. במערכות אלה מתרחשות המרות אנרגיה - חום הופך לאנרגיה כימית, לאנרגיית תנועה ועוד, ולהיפך - אנרגיית תנועה או אנרגיה כימית מומרת לסוגי אנרגיה אחרים, כולל לחום.
(בספר תרשים:) מחזור הקירור במקרר
יש מערכות טכנולוגיות, כגון מזגנים ומקררים, העושות שימוש בחום הכמוס של חומרים לצורך קירור או חימום. מערכות כאלה נקראות גם משאבות חום.
משאבות חום - כיצד פועלים מקררים ומזגנים?
תהליך הרתיחה הוא תהליך קולט אנרגיה, ולכן הוא מקרר את הסביבה. תהליך העיבוי הוא תהליך פולט אנרגיה, ולכן הוא מחמם את הסביבה. מדענים ומהנדסים משתמשים בידע הזה כדי לתכנן מכשירים לחימום ולקירור.
מכשירים כמו מקררים ומזגנים פועלים על פי עיקרון הנקרא מחזור הקירור.
במחזור הקירור, נוזל קירור בעל טמפרטורת רתיחה נמוכה נע באופן מחזורי בצינורות סגורים. תוך כדי תנועתו הוא עובר 4 תהליכים בזה אחר זה: רתיחה, דחיסה, עיבוי והתפשטות. בתהליכים האלה הוא קולט אנרגיה מהאזור שרוצים לקרר, כגון חלל הבית או תא ההקפאה, ופולט אותה לסביבה החיצונית. לפניכם תיאור מחזור הקירור במקרר והתהליכים המתרחשים בו.
(בספר תרשים:) חוץ, חדר
2. מן המאייד הגז נשאב למדחס חשמלי הדוחס אותו. לחץ הגז עולה, והוא מתחמם.
3. הגז הדחוס מוזרם למעבה - מערכת של צינורות בחלקו האחורי של המקרר, מחוץ לתאי הקירור וההקפאה. במעבה הגז מתעבה לנוזל תוך כדי שהוא פולט חום לסביבה ומתקרר. מסיבה זו אנו מרגישים שחלקו האחורי של המקרר חם.
4. הנוזל הדחוס עובר לשסתום התפשטות, שם הוא מתפשט, הלחץ שלו יורד והוא מתקרר. נוזל הקירור נכנס לתא ההקפאה... (שלב 1 וכך הלאה).
*137*
שאלות
1. מה יקרה לטמפרטורת האוויר בחדר סגור שמקרר פועל בו? בחרו את האפשרות הנכונה: האוויר בחדר יתחמם/יתקרר/יישאר באותה הטמפרטורה.
נמקו את בחירתכם.
2. פעולתם של מזגנים מבוססת גם היא על מחזור הקירור, אלא שבמזגנים אפשר להפוך את כיוון פעולת המחזור ולכן המזגן יכול לקרר את החדר או לחמם אותו, בהתאם לצורך.
א. מדוע מזגנים ומקררים נקראים משאבות חום?
ב. לפניכם סרטוט סכמטי של חדר. העתיקו את הסרטוט למחברתכם. ציינו את כיוון מעבר החום בשני המקרים - כאשר המזגן שבחדר פועל על חימום וכאשר המזגן שבחדר פועל על קירור.
(בספר תמונה של מפרשית בים)
פעילות - תכנון
תכנון מתקן קירור ללא חשמל
גילי ויואב יוצאים להפלגה בת יומיים בים. כיצד יוכלו לקרר את מוצרי המזון שברשותם ללא שימוש באנרגיה חשמלית (גם לא סוללות)?
א. עבדו בקבוצות. תכננו מתקן קירור למוצרי מזון שלא יעשה שימוש באנרגיה החשמלית של מנוע הסירה או של סוללות.
פעלו לפי שלבי תהליך התיכון. מתקן הקירור יכול להיות מבוסס על החום הכמוס של רתיחה או אידוי מים, על שימוש באנרגיה סולרית או באנרגיה כימית (ערבוב חומרים הגורם לתהליך שקולט חום מהסביבה ומקרר אותה) וכדומה. קחו בחשבון את יעילות הקירור, את זמינות החומרים (מים, למשל, יש בשפע) וכדומה.
ב. הציגו את הדגמים (בנויים או מתוכננים) בפני חבריכם. תארו את עקרון הפעולה של המתקן, את המרות האנרגיה בו ואת כיוון מעבר החום.
ג. דונו במתקנים השונים שתכננו תלמידי הכיתה - מהם היתרונות ומהם המגבלות שלהם? הציעו רעיונות לשיפור המתקנים.
(בספר שתי תמונות:)
*138*
סיכום
- טמפרטורה היא מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים בחומר. היא נמדדת בעזרת מד טמפרטורה ומבוטאת ביחידות של מעלות צלזיוס.
- חום הוא אנרגיה העוברת מגוף "חם" יותר (שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר) לגוף "קר" יותר (שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר) עד שהטמפרטורות שלהם משתוות. חום נמדד ביחידות של ג'ול או של קלוריה.
- בכל פעם שאנרגיה מומרת מסוג לסוג או עוברת ממקום למקום, חלק מהאנרגיה מומר לחום העובר לסביבה.
- חום סגולי הוא כמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר במעלת צלזיוס אחת. חום סגולי הוא תכונה של החומר, ולכן לחומרים שונים יש חום סגולי שונה.
- כמות החום שגוף קולט או פולט בעת חימום או קירור נמצאת ביחס ישר למסת הגוף (m), לשינוי (להפרש) הטמפרטורה (dT, דלתא T), ולחום הסגולי (c) של החומר שממנו הגוף עשוי. כמות זו מתוארת באמצעות הנוסחה:
Eq = m * c * dT
- חום כמוס הוא כמות האנרגיה הנפלטת או נקלטת כאשר 1 ק"ג של חומר עובר ממצב צבירה אחד לאחר.
- פעולתן של מערכות טכנולוגיות שונות, כגון מקרר ומזגן, מבוססת בין היתר על קליטה ועל פליטה של חום כמוס בתהליכים של שינוי מצבי צבירה.
שאלות
1. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת והשלימו בה את הפרטים החסרים. היעזרו במידע על היחס הישר בין כמות החום לבין החום הסגולי, המסה והפרש הטמפרטורות (אין צורך להיעזר בנוסחה לחישוב החום).
המסה (ק"ג), החום הסגולי (ג'ול לק"ג למעלה צלזיוס), הפרש הטמפרטורות (מעלה צלזיוס), כמות החום (קילו ג'ול)
1, 4,200, 50, 210
3, 4,200, 50, --
1, 2,100, 50, --
1, 2,100, 100, --
(בספר שתי תמונות:)
2. בשעות הלילה הטמפרטורה של מי הים גבוהה מזו של החול בחוף הים. הסבירו מדוע.
3. האוקיינוסים מכסים כ-71 אחוז משטחו של כדור-הארץ. מרבית האנרגיה המגיעה לפני כדור-הארץ (כ-93.4 אחוז) נבלעת במי האוקיינוסים ומחממת אותם.
א. הסבירו: כיצד ייתכן שכמות חום גדולה כל כך אינה גורמת לעלייה גדולה מאוד בטמפרטורה של מי הים?
ב. לאוקיינוסים יש תפקיד חשוב בהפחתת התחממות כדור-הארץ. הסבירו כיצד.
*139*
4. שתי קוביות שמסתן שווה נמצאות בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס). קובייה אחת עשויה מפלסטיק וקובייה אחרת עשויה מברזל. החום הסגולי של הפלסטיק הוא כ-1,300 ג'ול לק"ג למעלה צלזיוס, והחום הסגולי של ברזל הוא 450 ג'ול לק"ג למעלה צלזיוס. מכניסים את שתי הקוביות לתוך כוס מים רותחים, ולאחר דקה מודדים את הטמפרטורות של כל אחת מהקוביות ומקבלים תוצאות שונות. הטמפרטורה של איזו קובייה תהיה גבוהה יותר? מדוע?
5. את הקוביות המתוארות בשאלה 4 מניחים למשך שעות אחדות בתוך המים. איזה מהמשפטים הבאים יהיה נכון בנוגע לקוביות? נמקו את בחירתכם.
א. הטמפרטורה בשתי הקוביות תהיה זהה: 100 מעלות צלזיוס.
ב. הטמפרטורה בשתי הקוביות תהיה זהה: קטנה מ- 100 מעלות צלזיוס.
ג. הטמפרטורה של קוביית הברזל תהיה גבוהה מהטמפרטורה של קוביית הפלסטיק.
ד. הטמפרטורה של קוביית הפלסטיק תהיה גבוהה מהטמפרטורה של קוביית הברזל.
6. אילן חימם 400 גרם מים מטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס לטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס. החימום נעשה במשך 2 דקות באמצעות כף חשמלית. נתון כי החום הסגולי של מים הוא 4,200 ג'ול לק"ג למעלת צלזיוס.
א. חשבו את השינוי בטמפרטורה של המים.
ב. מהי כמות החום הנדרשת כדי לגרום לשינוי הזה בטמפרטורה? הציגו את דרך החישוב.
ג. מהו ההספק של הכף החשמלית? הציגו את דרך החישוב.
(בספר שתי תמונות:)
8. שעווה חמה מטפטפת מנר דולק אל היד, והופכת לשעווה מוצקה. מדוע במצב כזה עלולים לקבל כווייה? בתשובתכם השתמשו במושג חום כמוס.
9. באילו גורמים תלויה כמות החום שצריך לספק לגוף העשוי מחומר כלשהו כדי שיתחמם? בחרו את האפשרות הנכונה.
א. במשקל הגוף, בחום הסגולי שלו ובצבעו.
ב. במסת הגוף, במהירותו, ובשינוי הטמפרטורה מהמצב ההתחלתי.
ג. במסת הגוף, בחום הסגולי שלו ובשינוי הטמפרטורה מהמצב ההתחלתי.
ד. במסת הגוף, בטמפרטורה הסופית שלו ובחום הסגולי שלו.
*140*
10. חיממו שני גופים שהטמפרטורה שלהם בתחילת החימום הייתה זהה.
לפניכם גרפים המתארים את שינוי הטמפרטורה (dT) של הגופים כתלות בזמן החימום שלהם. מה אפשר להגיד על שני הגופים האלה? (אפשר לבחור יותר מתשובה אחת.)
נמקו את בחירתכם.
(בספר גרף המתאר את עליית הטמפרטורה של שני גופים כפונקציה של הזמן. עבור שני הגופים היחס בין עליית הטמפרטורה לזמן הוא יחס ישר. גוף 1 מתחמם במשך 6 דקות מטמפרטורה 0 מעלות צלזיוס ל-36 מעלות צלזיוס, גוף 2 מתחמם במשך 6 דקות מטמפרטורה 0 מעלות צלזיוס ל-12 מעלות צלזיוס)
(בספר שתי תמונות:)
א. ייתכן שלשניהם מסה זהה, אך הם עשויים מחומרים שונים.
ב. ייתכן ששניהם עשויים מאותו החומר, אך לכל אחד מהם מסה שונה.
ג. ייתכן ששניהם עשויים מאותו החומר וגם המסה שלהם זהה.
ד. ייתכן שכל אחד מהם עשוי מחומר שונה וגם המסה שלהם שונה.
*141*
*141*
(בספר שתי תמונות:)
בפרק זה נלמד ש...
- השמש היא המקור העיקרי לאנרגיה על פני כדור-הארץ.
- הקרינה האלקטרומגנטית נושאת אנרגיה.
- קרינה אלקטרומגנטית מאופיינת בסוגים שונים: אור, קרינה תת-אדומה, גלי רדיו, קרני רנטגן ועוד.
- אנרגיית קרינה יכולה לעבור המרה לסוגי אנרגיה שונים ולהיפך.
- גוף שפולט קרינה מאבד אנרגיה, וגוף שקולט קרינה קולט אנרגיה.
- בזכות האור הנראה אנו יכולים לראות עצמים וללמוד על מה שקורה בשמש וביקום.
- קרינה אלקטרומגנטית יכולה להגיב עם חומר ולגרום לשינויים בו.
- אנו מנצלים את אנרגיית הקרינה לצרכינו, למשל לחימום מים ולצילומי רנטגן.
- חשיפה לסוגים מסוימים של קרינה עלולה להיות מסוכנת, וחשוב להתגונן מפניהם.
מושגים שנכיר:
אנרגיית קרינה
ספקטרום אלקטרומגנטי
ספקטרום האור הנראה
החזרה
שבירה
בליעה
נפיצה
צל
צללית
אורך גל
תדירות
*142*
מבוא
(בספר שתי תמונות:)
מה משותף לכל הפעולות האלה: שיחה באמצעות הטלפון הסלולרי, צפייה בטלוויזיה, האזנה לרדיו, שליחת מסרון (הודעת טקסט), הכנת פופקורן במיקרוגל, צילום רנטגן של רגל כואבת, קיומו של תהליך הפוטוסינתזה בצמח? בכל המקרים האלה באה לידי ביטוי קרינה. (קרינה - אחת מהדרכים שבה אנרגיה עוברת ממקום למקום). קרינה נפלטת ממקור כלשהו, כגון השמש, מתפשטת במרחב ונושאת אנרגיה המכונה אנרגיית קרינה. אנרגיית הקרינה יכולה לעבור המרה לסוגים שונים. לדוגמה, אנרגיית האור מומרת לחום בדוד השמש, ואנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית בתהליך השיזוף.
השמש היא המקור העיקרי של אנרגיית קרינה על פני כדור-הארץ והיא מאפשרת את קיום החיים בעולמנו. השמש מעניקה לעולמנו אור וחום, ובלעדיה היה העולם חשוך, קפוא וחסר חיים. בזכות אור השמש המומר לסוגי אנרגיה אחרים מתקיים מחזור המים, הצמחים יכולים לבצע את תהליך הפוטוסינתזה ויצורים חיים יכולים להתקיים בטמפרטורות השוררות בכדור-הארץ. תהליכים המתרחשים בשמש גורמים לפליטה של קרינה המעבירה את האנרגיה מהשמש אלינו. קרינה זו נקראת קרינה אלקטרומגנטית. כך גם מגיעה האנרגיה מכוכבים אחרים אל כדור-הארץ. הקרינה האלקטרומגנטית כוללת את האור הנראה (אור), קרינה תת-אדומה (אינפרה-אדומה), קרינה על-סגולה (אולטרה-סגולה), קרינת גלי מיקרו, קרינת גלי רדיו וקרני רנטגן.
לקרינה האלקטרומגנטית שימושים רבים. בזכות האור הנפלט מהשמש ומכוכבים אחרים, למדנו ואנו עדיין לומדים על מה שקורה בשמש ובכוכבים. קרינה מסוג אחר, המכונה גלי מיקרו, משמשת לתקשורת כגון תקשורת בין טלפונים סלולריים ועוד.
למעשה, בכל מקום ובכל רגע במשך חיינו אנו חשופים לקרינה אלקטרומגנטית. לא תמיד אנו מודעים לכך, מפני שהעין האנושית אינה רגישה לרוב סוגי הקרינה האלה.
העין האנושית מסוגלת לחוש רק בקרינת אור, כלומר בתחום האור הנראה שבזכותו אנו יכולים לראות את החפצים מסביב. אך האור הנראה הוא רק חלק זעיר מטווח הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת מהשמש, מהכוכבים ומגופים חמים בכלל.
*143*
אם כן, איך אפשר לזהות ולעבד את סוגי הקרינה? לכל סוג קרינה פותחו קולטים הרגישים לאותה קרינה. למשל, מכשיר רדיו מסוגל לקלוט ולעבד קרינת (גלי) רדיו. בלי מכשיר הרדיו לא היינו מבחינים בקיומה של קרינת הרדיו. מכשיר GPS קולט ומעבד גלי רדיו בתדירות גבוהה הנשלחים ממערך לוויינים.
האם חשיפה לקרינה אלקטרומגנטית משפיעה על הבריאות שלנו? האם כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית מסכנים את בריאותנו? התשובה לכך היא שסוגים אחדים של הקרינה האלקטרומגנטית, כגון קרינת רנטגן וקרינה על-סגולה, אכן מסכנים את בריאותנו, אך יש סוגים אחרים של קרינה אלקטרומגנטית, כגון אור נראה, שאינם משפיעים על בריאותנו.
בפרק זה נעסוק בסוגי קרינה אלקטרומגנטית ובמגוון תופעות הקשורות בה:
- נדון בקרינה האלקטרומגנטית (כולל האור הנראה) ובתכונותיה.
- נלמד על אינטראקציות בין קרינה אלקטרומגנטית לבין חומר.
- נעסוק בהמרות האנרגיה שבקרינה האלקטרומגנטית לסוגי אנרגיה אחרים.
- נדון בשימושים של קרינה אלקטרומגנטית במערכות טכנולוגיות.
- נכיר את הסכנות שבחשיפה לקרינה אלקטרומגנטית ודרכי התגוננות מתאימות.
תמונה 1 - אנטנות המשדרות וקולטות גלי רדיו בתדרים שונים.
(בספר שתי תמונות:)
תמונה 2 - אנטנות לתקשורת עם לוויינים המבוססות על שידור גלי רדיו וקליטתם.
(בספר שתי תמונות:)
*144*
אור - תכונות ומאפיינים
העין האנושית מסוגלת לחוש רק בחלק זעיר של הקרינה האלקטרומגנטית, תחום הנקרא האור הנראה (או בקיצור: אור). תחום זה מאפשר לנו לראות את העצמים שסביבנו ולהבחין בצבעים שלהם, ועובדה זו מאפשרת לנו לבדוק תכונות המאפיינות אור, כמו מהירות התקדמותו וכיוון התפשטותו במרחב. תכונות אלה אופייניות לא רק לאור, אלא גם לתחומי הקרינה האלקטרומגנטית האחרים שאותם אנו לא יכולים לחוש.
מקורות אור ומחזירי אור
התבוננו סביבכם. העובדה שאתם יכולים לצפות בטלוויזיה ולהבחין בקירות, באנשים, בצמחים ובשאר הגופים הנמצאים סביבכם, מוכיחה שכולם מפיצים אור. הסיבה לכך היא שאור החודר אל עינינו מאפשר לנו לראות את הגוף שממנו האור מגיע.
את הגופים המפיצים אור ניתן למיין לשני סוגים: מקורות אור ומחזירי אור.
מקור אור הוא גוף המייצר בעצמו את האור שהוא מפיץ. לדוגמה השמש והכוכבים, נר דולק, מדורה בוערת ונורה דולקת. יש גם בעלי-חיים שהם מקור אור, כגון גחליליות ודגי מעמקים ממינים מסוימים, המייצרים אור בתהליך ייחודי.
רוב הגופים הנמצאים סביבכם אינם מקורות אור אלא גופים מחזירי אור. גופים מחזירי אור אינם מייצרים בעצמם אור, אלא מפזרים אור שמגיע ממקור אור חיצוני כלשהו ופוגע בהם. בתהליך הזה חלק מהאור המפוזר מוחזר אלינו. הירח הוא דוגמה לגוף מחזיר אור, הוא מחזיר את אור השמש הפוגע בו. אם הייתם עומדים על הירח הייתם יכולים לראות את כדור-הארץ מואר באור השמש המוחזר ממנו. הצמחים, הקירות, הריהוט, העיפרון והספר הם דוגמאות נוספות לגופים מחזירי אור.
תמונה 1 - נר דולק הוא דוגמה למקור אור.
תמונה 2 - עפרונות צבעוניים הם דוגמה לגופים מחזירי אור.
(בספר תרשים, היעזר במנחה) מחזור המים בטבע
שאלות
1. הסבירו כיצד נוצר אור בנר דולק וכיצד רואים את להבת הנר. התייחסו להמרות האנרגיה בזמן שריפת השעווה של הנר.
2. כוכב, כוכב לכת, ירח - מי מהם מחזיר אור ומי מפיץ אור? היעזרו באינטרנט ובמקורות מידע אחרים.
3. התבוננו בפנסי המכונית. האם הם מקרינים אור או מחזירים אור? הסבירו.
*145*
האור נושא אנרגיה
תופעות רבות מעידות על כך שהאור נושא עמו אנרגיה. לפניכם דוגמאות שונות הממחישות זאת.
כאשר אור השמש פוגע בבני אדם, במכוניות החונות לצד הכביש או בחול שעל שפת הים, הוא נבלע בהם וכתוצאה מכך הם מתחממים. במקרים כאלה אנרגיית האור מומרת לחום. תהליך דומה מתרחש כאשר אור השמש פוגע בקולטי שמש הניצבים על גגות בתים: אנרגיית האור מומרת לחום והמים שבדוד השמש מתחממים.
אנרגיית האור משפיעה גם על תהליכים שונים המספקים צרכים חיוניים ליצורים חיים. לדוגמה, העובדה שהאור נושא עמו אנרגיה מאפשרת את קיום אפקט החממה על כדור-הארץ. קרינת השמש חודרת מבעד לאטמוספרה, מגיעה אל כדור-הארץ, פוגעת בקרקע ובים ומומרת לחום. כתוצאה מכך הקרקע והים מתחממים ופולטים בחזרה אל האטמוספרה קרינה המכונה קרינה תת-אדומה (קרינה אינפרה-אדומה). גזי החממה המצויים באטמוספרה בולעים חלק גדול מהקרינה התת-אדומה, מתחממים בעצמם ומחממים גם את סביבתם. אפקט החממה חיוני לקיום חיים משום שבזכותו נשמרת על פני כדור-הארץ טמפרטורה המאפשרת קיום של יצורים חיים. בלי אפקט החממה, הטמפרטורה הממוצעת בכדור-הארץ הייתה נמוכה מאוד בהשוואה לטמפרטורה הממוצעת הנוכחית, וכוכב הלכת שלנו היה גוש סלע קפוא ונטול חיים. האנרגיה שאור השמש נושא אל כדור-הארץ מאפשרת גם את קיומו של מחזור המים בטבע. המים הנמצאים באוקיינוסים, במקווי המים האחרים, בקרקע, באוויר ובגופם של יצורים חיים, מתאדים ומתעבים בתהליכים המרכיבים את מחזור המים בטבע. בתהליכים האלה מעורב חום, שהכרחי לקיום תופעות אקלימיות ולשינויים במזג האוויר.
(בספר תמונת מסך:) הפעילות התחממות כדור-הארץ מתוך הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה
(בספר תרשים, היעזר במנחה) מחזור המים בטבע
(בספר תמונה:) מועד נדידת העופות מושפע מקרינת השמש.
*146*
קרינת האור משפיעה גם באופן ישיר על יצורים חיים. לדוגמה, תהליך הפוטוסינתזה שבו האור נקלט בצמחים ירוקים. האור הנבלע בתאי הצמח מאפשר קיום תהליכים שונים בצמחים שבמהלכם אנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית. קרינת האור משפיעה על תהליכים נוספים בצמחים, כגון מועדי שלכת, לבלוב ופריחה, ומשפיעה גם על תהליכים שונים אצל בעלי-חיים, כגון מועדי רבייה, נדידה והחלפת נוצות או פרווה.
(בספר שש תמונות:)
שאלות
בתמונות שלפניכם באה לידי ביטוי אנרגיית הקרינה של האור.
1. תארו בתרשים את המרות האנרגיה המתרחשות בתהליכים המוצגים בתמונות.
2. מדוע תהליכים אלה תומכים בעובדה שהאור נושא אנרגיה? נמקו בעזרת חוק שימור האנרגיה.
תמונה א' - גג מכוסה בלוחות תאים סולריים.
תמונה ב' - לוויין עם לוחות תאים סולריים.
תמונה ג' - דוד שמש.
תמונה ה' - תרשים של תהליך פוטוסינתזה בצמח.
תמונה ו' - גפרור דולק.
תמונה ז' - ברק.
(בספר תמונה:) אלומת לייזר מתקדמת בקו אחד ישר.
*147*
כיוון התפשטות האור
כאשר האור נפלט מהמקור שלו הוא מתפשט במרחב שמסביב. לדוגמה, אור הנפלט מנורה דולקת מתפשט לכל הכיוונים ומאיר את הסביבה. לעומת זאת, אור הנפלט ממכשיר לייזר מתפשט בצורה של אלומה צרה המתקדמת בכיוון אחד בלבד. האלומה הזאת נקראת קרן לייזר.
(בספר תמונה של מערכת הניסוי)
כיצד אור הנפלט ממקור כלשהו מתפשט במרחב? האם הוא נע בקווים ישרים או שהוא נע במסלולים עקומים? בפעילות שלפניכם תחקרו את התשובות לשאלות אלו.
פעילות - תצפית
כיוון התפשטות האור
(בספר תרשים של נורת ליבון:) החצים מייצגים קרני אור (כיוון התפשטות האור הנפלט משני מקורות אור נקודתיים בחוט הלהט).
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
אסור לכוון אור לייזר אל העיניים!
מטרת הפעילות: לזהות את כיוון התפשטות האור.
ציוד: מכשיר לייזר ("מצביע לייזר"), אבקה לבנה (קורנפלור או קמח) וצינור גומי (לא שקוף) חלול וישר.
אמצעי בטיחות: בשום אופן אסור לכוון אור לייזר לעיניים (שלכם או של אנשים אחרים). פגיעת אור לייזר בעיניים מסוכנת ויכולה לגרום לכווייה בעין ואפילו לעיוורון!
מהלך הפעילות:
א. הפעילו את מכשיר הלייזר בתוך חדר חשוך וכוונו אותו אל אחד הקירות.
ב. פזרו באוויר את האבקה, באזור שבין הקיר ללייזר.
(בספר תרשים של נורת ליבון:) החצים מייצגים קרני אור (כיוון התפשטות האור הנפלט משני מקורות אור נקודתיים בחוט הלהט).
ג. הצמידו את מכשיר הלייזר לאחד מפתחי הצינור. כוונו את הפתח האחר של הצינור אל הקיר והפעילו את מכשיר הלייזר.
ד. חזרו שוב על הפעולות המתוארות בשלבים א-ב, אבל הפעם כופפו את הצינור והאירו אל הקיר דרך הצינור הכפוף.
*148*
פעילות - תצפית (המשך)
תוצאות:
תארו במילים מה אתם רואים.
סיכום ומסקנות:
1. מהי המסקנה העולה מתוצאת הניסוי, האם האור מתפשט בקו ישר או שהוא מתפשט במסלול עקום או בשניהם?
2. מדוע היה צריך לפזר באוויר את האבקה?
- האור מתפשט במרחב בקווים ישרים (בתווך אחיד).
קרני האור
דרך נוחה להמחיש כיצד האור מתפשט במרחב היא באמצעות "קרני אור". קרן אור (או בקצרה "קרן") היא קו ישר דמיוני המתאר את כיוון התפשטות האור במרחב. הקו מיוצג על ידי ציור של חץ, שכיוונו מתאר את כיוון התפשטות האור.
חשוב לזכור שקרני אור אינן קיימות במציאות ואי אפשר לראותן. הן מיועדות רק להמחיש באמצעות ייצוג חזותי (סרטוט של חץ) את כיוון התפשטות האור.
(קרן אור - קו ישר דמיוני המתאר את כיוון התפשטות האור במרחב).
עם זאת, נהוג לומר משפטים כמו "הקרן פוגעת במראה" ו"הקרן מוחזרת מהמראה". הכוונה היא שאלומה צרה מאוד של אור פוגעת במראה ומוחזרת ממנה.
האיור שלפניכם ממחיש באמצעות מודל הקרניים את כיוון התפשטות האור ממקור אור כלשהו. במקרה זה האור מתפשט לכל הכיוונים, אך מקובל להציג רק חלק מקרני האור.
(בספר תמונה של צלליות המוטלות ע"י שני אנשים)
*149*
אור וצל
כולנו מכירים את תופעת הצל, המלווה בצללית שצורתה הגיאומטרית כצורת הגוף יוצר הצל. הנה דוגמה בתמונה שלפניכם.
(בספר תרשים של צל וצללית, היעזר במנחה)
מהי צללית? מהו צל?
כדי שייווצרו צל וצללית חייבים להיות מקור אור, משטח שהאור מגיע אליו וגוף אטום לאור ביניהם.
האזור במרחב שבין הגוף האטום החוסם את האור לבין המשטח שהצללית נראית עליו מכונה צל. האזור הכהה הנוצר על גבי המשטח מכונה צללית.
צל - אזור במרחב שבו מוסתר מקור האור ולכן הוא חשוך יותר.
צללית - אזור כהה הנוצר על גבי משטח כלשהו כאשר גוף אטום נמצא בין מקור אור לבין המשטח.
(בספר תמונה של ברקים:)
שאלה למחשבה
העובדה שצורת הצללית היא כצורת הגוף האטום היא הוכחה לכך שהאור נע בקווים ישרים. מדוע?
גורמים המשפיעים על גודל הצללית
גודל הצללית מושפע מכמה גורמים, ובהם המרחק בין מקור האור לגוף האטום והמרחק של מקור האור מן המשטח שעליו נראית הצללית.
כדי לבדוק גורמים אלה בצעו את הפעילויות שלפניכם.
*150*
פעילות - ניסוי
הגורמים המשפיעים על גודל הצללית
מטרת הפעילות: לבדוק גורמים המשפיעים על גודל הצללית של גוף אטום.
ציוד: מקור אור (מנורה או פנס), גוף אטום (מפתח או עט), משטח לבן (לוח או קיר לבן), סרגל.
השערה:
1. שערו מהו הקשר בין המרחק של מקור האור מהגוף לבין גודל הצללית, כאשר מרחק המקור מן המשטח הלבן נשאר קבוע.
2. שערו מהו הקשר בין המרחק של מקור האור מהמשטח הלבן לבין גודל הצללית, כאשר מרחק המקור מן הגוף נשאר קבוע.
מהלך הפעילות:
א. החשיכו את החדר, העמידו את הגוף האטום בין מקור האור לבין המשטח הלבן והאירו על הגוף כך שצללית תיראה על המשטח הזה.
ב. הציבו את מקור האור במרחק של כמטר אחד מן המשטח הלבן. הציבו את הגוף האטום במרחק של כ-20 ס"מ מן המשטח הלבן ומדדו את אורך הצללית. הגדילו את מרחק הגוף מן המשטח (בלי לשנות את מיקום מקור האור). מדדו בכל פעם את המרחק של מקור האור מהגוף ואת אורך הצללית.
ג. הציבו את מקור האור במרחק של כ-40 ס"מ מן המשטח הלבן ומקמו את הגוף ביניהם במרחק של כ-20 ס"מ ממקור האור. הגדילו את מרחק מקור האור והגוף מן המשטח (בלי לשנות את מרחק המקור מן הגוף). מדדו בכל פעם את המרחק של מקור האור מהמשטח ואת אורך הצללית.
תוצאות:
הכינו טבלה וסכמו בה את התוצאות. נסחו כותרת לטבלה.
סיכום ומסקנות:
1. תארו את הקשר בין המרחק של מקור האור מהגוף לבין אורך הצללית (כאשר מרחק המקור מן המשטח נותר קבוע).
2. תארו את הקשר בין המרחק של מקור האור מהמשטח לבין אורך הצללית (כאשר מרחק המקור מן הגוף נותר קבוע).
3. האם תוצאות הניסוי תומכות בהשערות שלכם? הסבירו.
4. מדוע אין לשנות בשלב ב את המרחק של מקור האור מהמשטח?
5. מדוע אין לשנות בשלב ג את המרחק של מקור האור מהגוף?
שאלות
1. כבר בימי קדם גילו בני האדם שאפשר לנצל את מיקום הצללית המשתנה במשך שעות היום כדי להכין שעון שמש ולמדוד בעזרתו את הזמן.
הסבירו את העיקרון שלפיו פועל שעון שמש.
2. אורך הצללית שלנו שונה בקיץ ובחורף (בשעות הצהריים). מתי הצללית ארוכה יותר ומתי היא קצרה יותר? הסבירו מדוע.
*151*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
מה קובע את גודל הצללית ואת מיקומה?
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תמונה של ברקים:)
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה.
היכנסו אל הנושא גלים, קרינה וחומר, בחרו בסעיף בליעה, החזרה ושבירה, ופתחו את יחידת הלימוד מעבדת אור וצל.
במעבדה וירטואלית זו תוכלו לחקור גורמים שונים המשפיעים על גודל הצללית, על צורתה ועל מיקומה. לדוגמה, תוכלו לבדוק את ההשפעה של הגורמים האלה: גודל הגוף החוסם את האור, הדלקה של יותר ממקור אור אחד, שינוי המיקום של מקור האור, שימוש ביותר מגוף אטום אחד ועוד.
בצעו ניסויים שונים באמצעות ההדמיה וסכמו את התוצאות ואת המסקנות מהניסויים שביצעתם.
- כאשר גוף אטום נמצא בין מקור אור לבין משטח כלשהו, מתקבלת על המשטח צללית כהה שצורתה דומה לגוף האטום.
- צל הוא האזור במרחב שבו מוסתר מקור האור, ולכן האזור הזה חשוך יותר.
מהירות התפשטות האור
מיד אחרי שמדליקים נורה בחדר חשוך אפשר להבחין בחפצים שנמצאים בחדר. אי אפשר להבחין שחלף זמן כלשהו מרגע הדלקת הנורה ועד להארת החדר. דבר דומה מתרחש כאשר מדליקים פנס במערה חשוכה. עדויות אלו ואחרות מלמדות כי האור הנפלט מהמקור שלו נע במהירות עצומה. מדידות שערכו מדענים הראו כי האור מתקדם בריק (חלל ריק, שאין בו כל חומר), ובקירוב טוב גם באוויר, במהירות של כ-300,000 ק"מ בשנייה.
מהירות האור בריק, שהיא גם מהירות ההתפשטות של כל סוגי הקרינות האלקטרומגנטיות, היא המהירות הגדולה ביותר שאליה חלקיק חומר יכול להתקרב, אך בשום מקרה הוא לא יכול לעבור אותה. מהירות האור היא גדולה מאוד, כמעט פי מיליון ממהירות הקול באוויר. זאת הסיבה לכך שאנו רואים את הברק הרבה לפני שאנו שומעים את קול הרעם.
כאשר האור עובר מהאוויר אל תווך שקוף אחר, כמו מים או זכוכית, מהירותו פוחתת. כך למשל, אור עובר במים במהירות של כ-225,000 ק"מ בשנייה, ועובר בזכוכית במהירות של כ-200,000 ק"מ בשנייה.
בגלל מהירות האור העצומה אנו רואים את הברק לפני ששומעים את קול הרעם, שמהירותו איטית יותר.
(בספר תמונה:) צילום אל תוך הבית דרך שמשה סגורה: הצמחים בגינה שמאחור משתקפים בחלון הבית.
*152*
המרחק שהאור יכול להגיע אליו
ידוע שאור השמש עובר מרחק עצום של כ-150,000,000 ק"מ עד שהוא מגיע אל כדור-הארץ. מכיוון שמהירות האור גדולה כל כך, אור שנפלט מהשמש ברגע כלשהו מגיע אלינו בתוך כ-8.3 דקות. כמו כן, ביקום יש כוכבים (שמשות) רחוקים מאתנו כל כך, עד שהאור הנפלט מהם מגיע אלינו לעתים כעבור אלפי שנים. עובדות אלה מספקות עדויות לכך שהאור הנפלט מהמקור שלו יכול להתפשט ולהתרחק ממנו למרחקים עצומים כל עוד אין גוף שחוסם אותו או מפריע להתפשטותו.
שאלה
המרחק הממוצע בין כוכב הלכת נפטון לשמש הוא כ-4,498,252,900 ק"מ. האם לדעתכם אור הנפלט מהשמש יוכל לעבור את המרחק העצום הזה ולהגיע אל כוכב הלכת נפטון? הסבירו מדוע. אם כן, חשבו בתוך כמה זמן אור השמש יגיע לכוכב הלכת נפטון.
- האור מתקדם בריק, ובקירוב טוב גם באוויר, במהירות הגדולה ביותר - כ-300,000 ק"מ בשנייה.
- האור יכול להתפשט מהמקור שלו למרחק אינסופי כל עוד אין גוף החוסם אותו.
- כאשר האור עובר מריק או אוויר אל תווך שקוף כלשהו, כגון מים וזכוכית, מהירותו קטנה.
אינטראקציה של אור עם חומר
כאשר נמצאים בשעת יום בתוך חדר ומביטים החוצה דרך שמשת החלון, אפשר לראות היטב את הגופים הנמצאים בחוץ.
לעומת זאת, אם תעמדו מחוץ לבית ותסתכלו אל תוך החדר דרך השמשה הסגורה, תתקשו לראות את מה שנמצא בתוך החדר ורוב הסיכויים שתראו את ההשתקפות של עצמכם בשמשת החלון.
כיצד קורה שאותו לוח זכוכית מתפקד לפעמים כגוף שקוף ולפעמים כמראה? התשובה לכך תלויה באינטראקציה של האור עם לוח הזכוכית.
כאשר אור פוגע בגוף כלשהו יכולות להתרחש שלוש תופעות: בליעת אור, החזרת אור והעברת אור. העברת אור עשויה להיות מלווה גם בשתי תופעות נוספות: שבירת אור ונפיצת אור. בהמשך תכירו תופעות אלה.
כאשר אור פוגע בלוח זכוכית, חלק ממנו עובר דרך הזכוכית וממשיך בדרכו הלאה, חלק אחר מוחזר, והשאר (האור שאינו מוחזר ואינו עובר) נבלע בזכוכית. גוף העשוי מחומר המאפשר לאור לעבור דרכו מכונה גוף שקוף. בזכות האור שעובר דרך שמשת החלון אל תוך החדר, אנו מצליחים לראות את הגופים שמחוץ לחדר ומהם האור הגיע. בזכות האור המוחזר משמשת החלון, אנו מצליחים להבחין בהשתקפותם של גופים הנמצאים מול השמשה ומהם האור המוחזר הגיע. לכן, אותו לוח זכוכית יכול להיראות לעתים כגוף שקוף ולעתים כמראה.
(גוף שקוף - גוף המאפשר לאור לעבור דרכו).
(בספר תמונה:) שבירה (א) והחזרה (ב) של קרן לייזר הפוגעת בזכוכית.
*153*
(בספר תמונה של הנחת תאים סולריים:) אנרגיית האור הנבלעת בתאים סולריים מומרת לאנרגיה חשמלית ולחום.
כמות האור הנבלעת בזכוכית תלויה בעובי הזכוכית. ככל שהזכוכית עבה יותר, כך אחוז האור הנבלע בה גדל ואחוז האור העובר קטן, כמו שרואים בתמונה שלמעלה. למעשה, אין במציאות גוף שקוף לחלוטין לאור, כלומר גוף שכל האור הפוגע בו עובר דרכו. כמעט תמיד חלק מהאור הפוגע בגוף שקוף נבלע בו או מוחזר ממנו.
גוף שאינו שקוף הוא אטום. גוף כזה אינו מאפשר לאור לעבור דרכו. בעת אינטראקציה של אור עם גןף אטום, כמעט תמיד חלק מהאור הפוגע בגוף מוחזר וחלקו האחר נבלע בגוף. למשל, גוף בצבע לבן מחזיר את רוב האור הפוגע בו, וגוף בצבע שחור בולע את רוב האור הפוגע בו.
(גוף אטום - גוף שהאור אינו יכול לעבור דרכו).
בליעת אור
(בליעת אור - קליטה של קרינת אור בחומר).
כאשר אור פוגע בגוף כלשהו מתרחשת בליעת אור - קליטה של קרינת אור. בתהליך הזה אנרגיית האור מומרת בגוף שבלע את האור לסוגי אנרגיה אחרים, כגון חום או אנרגיה כימית.
בליעת אור עשויה להשפיע על הגוף. לדוגמה, כאשר אור השמש נבלע בדוד שמש או במכונית הם מתחממים. במצבים כאלה אנרגיית האור מומרת לחום. כאשר אור נבלע בתא סולרי, אנרגיית האור מומרת בעיקר לאנרגיה חשמלית. במצב זה נוצר זרם חשמלי במעגל שבו התא הסולרי מחובר - שינוי חשמלי. במצבים אחרים בליעת אור גורמת לשינוי צבע. למשל, כביסה צבעונית דוהה כשהיא חשופה לשמש. ככל שכמות האור הנבלע בגוף גדולה יותר, כך ההשפעה על הגוף שבלע את האור גדולה יותר.
כיצד משפיע צבעו של גוף אטום על שינויים בטמפרטורה שלו בעת חשיפתו לאור? בדקו זאת בפעילות שלפניכם.
(בספר שני תרשימים:)
*154*
פעילות - מתכננים ומבצעים ניסוי
השפעת צבע הגוף על בליעת האור בו
מטרת הניסוי: לבדוק את השפעת הצבע של כלי החשוף לאור על השינוי בטמפרטורת המים שבתוכו.
ציוד: מים, מד טמפרטורה, מבחנות צבועות בצבעים שונים, רדיד אלומיניום, מנורות.
השערה: שערו כיצד משפיע צבע הכלי על טמפרטורת המים שבתוכו בזמן חשיפה לאור. נמקו את השערתכם.
מהלך הפעילות:
א. התבוננו בציוד שלפניכם ותכננו ניסוי שבו תבדקו את השערתכם. רשמו את סדר השלבים במהלך הניסוי.
בתכנון הניסוי פרטו את: שאלת החקר, ההשערה, הגורם המשפיע, הגורם המושפע, הגורמים הקבועים והבקרה של הניסוי.
ב. בצעו את הניסוי שתכננתם.
תוצאות:
הכינו טבלה וכתבו בה את התוצאות שקיבלתם. תנו כותרת לטבלה.
סיכום ומסקנות:
א. נסחו מסקנה העולה מן הניסוי.
ב. כתבו דוח ניסוי שבו תפרטו את מהלך הפעילות, את התוצאות, את המסקנות ואת התשובות לשאלות שלפניכם.
שאלות
1. מה גרם להבדלים בטמפרטורת המים במבחנות השונות? בתשובתכם השתמשו בביטויים בליעה, המרה או מעבר אנרגיה.
2. תלמיד התבקש להציג את תוצאות הניסוי בגרף. איזה סוג גרף עליו לבחור, גרף עמודות, גרף עוגה, או גרף קווי רציף? נמקו.
3. בניסוי הזה בדקתם את השפעת צבע הכלי על השינוי בטמפרטורת המים שבתוכו. האם יש גורמים נוספים שעשויים להשפיע על תהליך המרת אנרגיית הקרינה לחום? נמקו.
4. בשנים האחרונות מתפתחת המודעות לחיסכון באנרגיה גם בתחום הבנייה. הסבירו כיצד אפשר ליישם את מסקנות הניסוי לצורך חיסכון באנרגיה בבתים.
5. מחקר שנערך בקליפורניה, שמזג האוויר בה די דומה למזג האוויר בישראל, מצא כי מכוניות כהות צורכות יותר דלק מאשר מכוניות בהירות. הסבירו מדוע.
*155*
כאשר גוף קולט קרינה הוא למעשה קולט אנרגיה. גם המצב ההפוך אפשרי - כאשר גוף פולט קרינה הוא למעשה מאבד אנרגיה. לדוגמה, כאשר חומר פלואורסצנטי בולע אור, הוא קולט אנרגיה ומתחיל לזהור, כלומר לפלוט אור. בזמן שהוא פולט אור הוא מאבד אנרגיה, וכאשר הוא מאבד את כל האנרגיה שהוא קלט קודם לכן הוא מפסיק לזהור.
גופים שנראים לנו לבנים מחזירים את רוב האור הפוגע בהם, בולעים רק חלק קטן מהאור ומתחממים רק מעט. לכן בקיץ נעים יותר ללבוש בגדים בהירים או לצבוע את גג הבית בצבע לבן.
- גוף שפולט קרינה, למעשה מאבד אנרגיה.
- גוף שקולט קרינה, למעשה קולט אנרגיה העשויה להיות מומרת לחום או לסוגי אנרגיה אחרים.
החזרת אור
אם תביטו לעבר מראה או אל פני מים שקטים תוכלו להבחין בהשתקפותכם. זה קורה בזכות התופעה של החזרת אור - העובדה שחלק מהאור הפוגע במשטח כלשהו שב ממנו אל הסביבה.
(החזרת אור - שינוי בכיוון התפשטות האור בעת שהוא פוגע במשטח כלשהו ושב ממנו אל הסביבה).
יש הבדל בין החזרת אור ממשטחים חלקים כמו מראה או זכוכית לבין החזרת אור ממשטחים מחוספסים כמו רדיד אלומיניום ("נייר אלומיניום") מקומט.
כאשר אור מגיע מכיוון מסוים ופוגע במשטח חלק, כל האור הפוגע מוחזר בכיוון אחיד. לעומת זאת, כאשר אור פוגע במשטח מחוספס הוא מוחזר ומתפזר לכל הכיוונים.
תרשים 1 - החזרת אור ממשטח חלק. כל האור מוחזר הכיוון אחיד.
תרשים 2 - החזרת אור ממשטח מחוספס. האור המוחזר התפזר.
(בספר ארבע תמונות:)
התופעה של החזרת אור ממשטחים חלקים כמו מראה או זכוכית חלון, מאפשרת להבחין בהשתקפות ברורה של חפצים במשטחים כאלה. החזרת אור ממשטח מחוספס כמו מים גליים, אינה מאפשרת זאת.
*156*
תמונה 1 - החזרת אור ממראת המכונית.
תמונה 2 - החזרת אור משטח פני המים.
תמונה 3 - מבט אל החצר דרך תריס סגור למחצה.
תמונה 4 - החצר, הנמצאת מאחורי גבה של המצלמה, משתקפת בחלון.
(בספר תמונה של עיפרון טבול בכוס מים)
(בספר תמונה של עיפרון טבול בכוס מים)
שאלות
1. בצהרי יום קיץ בהיר סגרו בני הבית את התריסים באופן חלקי. מה המטרה של פעולה זאת?
א. להפחית את בליעת האור בתריסים.
ב. להגדיל את שבירת האור בזכוכית החלונות.
ג. להפחית את מעבר האור דרך התריסים.
ד. להגדיל את החזרת האור בזכוכית החלון.
2. במקרים רבים, כאשר עומדים מחוץ לבית ומסתכלים דרך זכוכית החלון פנימה, מצליחים לראות את מה שנמצא בתוך הבית, אבל גם הרחוב (הנמצא מאחורי המתבונן) משתקף בחלון.
א. אילו תופעות מעורבות במקרה כזה: העברת אור, החזרת אור או שתיהן? נמקו.
ב. האם ייתכן שבמקרה כזה מתרחשת גם בליעת אור? הציעו דרך לבדוק זאת.
3. מדוע חשוב מאוד שגולשי סקי ירכיבו משקפי שמש כשהם גולשים על השלג ביום בהיר?
*157*
שבירת אור
(בספר תמונה של מטבע בתחתית כוס מים)
התבוננו בעיפרון שבתמונה. אף שהעיפרון שלם, הוא נראה שבור בגבול שבין האוויר למים שבכוס. ההסבר לכך מתבסס על התופעה של שבירת אור: שינוי כיוון התפשטות האור בזמן שהוא עובר מתווך שקוף אחד (למשל אוויר) לתווך שקוף אחר (למשל מים). השינוי הזה מתרחש במשטח המפריד בין שני התווכים.
(שבירת אור - שינוי בכיוון התפשטות האור כאשר הוא עובר מתווך שקוף אחד אל תווך שקוף אחר. שינוי זה מתרחש במשטח המפריד בין שני התווכים).
שבירת אור יכולה לגרום למגוון של תופעות. למשל, כאשר ממלאים מים בקערה שבתחתיתה יש מטבע, נדמה כאילו המטבע מתחילה לעלות למעלה: כאשר טובלים כפית בכוס תה, הכפית נראית שבורה. בפעילות הבאה תתנסו בתופעות כאלה.
*158*
פעילות - תצפית
שבירת אור
(בספר תרשים המתאר את שבירת קרני האור המגיעות מהדג לעינו של הדייג)
מטרת הפעילות: להתבונן בתופעת הקשורות לשבירת האור.
ציוד: כוס, מי ברז, מצלמה (אפשר גם מצלמת הטלפון הסלולרי), חפצים שונים כמו כפית, עיפרון, מטבע, מהדק משרדי וכדומה.
מהלך הפעילות:
א. מלאו את הכוס במים עד מחצית גובהה.
ב. הכניסו לתוכה את הכפית והתבוננו בכוס מכל הכיוונים (מהצדדים וגם מלמעלה), מקרוב ומרחוק.
ג. בחרו כיוון שממנו הכפית נראית שבורה וצלמו את התופעה או ציירו את מה שאתם רואים.
ד. חזרו על שלבים ב ו-ג בעזרת החפצים השונים.
תוצאות:
1 . תארו במילים מה ראיתם בכל מקרה: האם החפצים נראו גדולים יותר או קטנים יותר מגודלם האמיתי? האם הם נראו שלמים או שבורים?
2. האם החלק הטבול במים נראה שונה מהחלק שמחוץ למים?
3. האם המראה של החפץ הטבול במים זהה כאשר מסתכלים עליו מכיוונים שונים?
4. האם המראה של החפץ הטבול במים זהה כאשר מסתכלים עליו ממרחקים שונים?
5. האם מצאתם כיוון שממנו החפצים נראו רגילים, גם שלמים וגם בגודל הנכון?
סיכום הפעילות:
הסבירו את התוצאות שקיבלתם.
מה גרם לשבירת האור במקרה הזה?
הידעתם?
דייגים מיומנים
בדרום אמריקה יש שבטים המתמחים בלכידת דגים באמצעות צלצל (כידון שבקצהו חץ חד). בגלל התופעה של שבירת האור, דייגים אלה אינם מבחינים בדג במיקום האמיתי שלו אלא במקום אחר (המקום המדומה) כמתואר בסרטוט, אך הניסיון לימד אותם לאיזה כיוון כדאי להשליך את הצלצל כדי לתפוס בהצלחה את הדג.
(בספר תמונה:) נפיצת אור במנסרת זכוכית משולשת.
לשבירת האור יש השפעה גם על עופות מים, כמו שלדגים, העומדים על ענפי עצים ומאתרים את הדגים שנמצאים במים. קרוב לוודאי שהשלדג אינו מבין את התופעה של שבירת אור, אך בכל זאת הוא מזנק וצולל אל המקום הנכון במים ולוכד את הדג בלי קושי.
*159*
נפיצת אור
קשת בענן היא אחת מתופעות הטבע המרהיבות ביותר. אפשר להבחין בה בזמן שאור השמש פוגע בטיפות גשם. בקשת שבענן רואים סדרה של 6 צבעים: סגול, כחול, ירוק, צהוב, כתום ואדום, והמעבר מצבע לצבע נעשה באופן רציף. לצבעים אלה קוראים צבעי הקשת והם מתגלים גם במקרים אחרים: כאשר מתיזים מים באוויר ביום שטוף שמש, כאשר אור פוגע בבועת סבון או בתקליטור, וכאשר אור עובר דרך מנסרת זכוכית משולשת. בכל התופעות האלה סדר הצבעים המתגלה הוא תמיד קבוע. את התופעה של נפיצת האור הלבן גילה הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי המפורסם אייזיק ניוטון (1642-1727), כאשר ערך ניסוי שבו העביר אור שמש דרך מנסרה.
(בספר תמונות של עגבניה, קוביית משחק שחורה, ביצה ולימון)
מדוע מתגלים צבעי הקשת?
כאשר אור השמש עובר דרך מנסרת זכוכית משולשת אפשר להבחין בסדרת צבעי הקשת, ומכך אפשר להסיק שאור השמש הוא תערובת של מרכיבי אור שונים, שכל אחד מהם מעורר בנו תחושה של צבע אחר כשהוא חודר אל תוך עינינו.
נהוג לכנות את מרכיבי האור האלה על שם התחושה שהם מעוררים בנו. לדוגמה, האור המעורר תחושה של צבע אדום נקרא אור אדום אף שהוא אינו באמת אדום, האור המכונה אור ירוק מעורר בנו תחושה של צבע ירוק גם הוא אינו באמת ירוק וכך גם שאר צבעי הקשת.
הפרדת האור הלבן למרכיביו נקראת נפיצת אור, והיא מתרחשת כי תחומים שונים של האור הנראה נשברים בזווית שונה ואופיינית.
נפיצת אור מתקבלת גם במעבר אור של נורת להט דרך קדקוד של מנסרה משולשת, והרכב הצבעים כאן דומה לזה של צבעי הקשת. הסדרה של צבעי הקשת המתגלה לעינינו בעקבות נפיצת האור נקראת ספקטרום האור הנראה.
נפיצת אור - הפרדה של האור הלבן למרכיביו כתוצאה משבירת האור ושינוי בכיוון התקדמותו, כאשר הוא עובר מתווך העשוי מחומר שקוף אחד אל תווך העשוי מחומר שקוף אחר.
ספקטרום האור הנראה - סדרת הצבעים המתקבלת מנפיצת האור הלבן.
(בספר תמונת מסך:) הפעילות קשת בענן מתוך הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה.
(בספר תמונות של עגבניה, קוביית משחק שחורה, ביצה ולימון)
*160*
אור וצבע
התבוננו בשפע הצבעים שסביבכם: האדמה נראית לנו חומה, הדשא ירוק, השמים כחולים, הכלנית אדומה והחולצה סגולה. מה גורם לצבעוניות של הגופים השונים? איך ייתכן שמקור אור אחד (השמש, הנורה בבית וכדומה) מאיר את כל הגופים האלה ולמרות זאת כל גוף נראה לנו בצבע אחר?
אחד הגורמים העיקריים הקובעים את צבעו של גוף שאנו רואים הוא הרכב הצבענים (פיגמנטים) המרכיבים את החומר שהגוף עשוי ממנו. כל צבען בולע אחד (או יותר) ממרכיבי האור הלבן ומחזיר את שאר המרכיבים שאינם נבלעים בו. רק מרכיבי האור המוחזרים מן הגוף וחודרים אל עינינו הם אלה הגורמים אצלנו לתחושה של ראיית צבע.
לדוגמה, כאשר אור לבן פוגע בעגבנייה היא נראית לנו אדומה מפני שרק האור האדום אינו נבלע בצבעני העגבנייה ומוחזר לסביבה, ואילו שאר מרכיבי האור נבלעים בה. האור האדום שמוחזר אל הסביבה חודר אל עינינו וכתוצאה מכך אנו קולטים שהעגבנייה אדומה. הלימון נראה צהוב מפני שרק האור הצהוב אינו נבלע בו אלא מוחזר ממנו אל הסביבה וחודר אל עינינו. גופים שנראים לנו לבנים, כמו ביצת תרנגולת, מחזירים את כל מרכיבי האור. לעומתם, גופים שנראים לנו שחורים גם כאשר מקרינים עליהם אור לבן, כמו קוביית המשחק השחורה שבתמונה, בולעים את כל מרכיבי האור הפוגע בהם.
(בספר תמונה:) "אלומת אור" באולם הקולנוע.
גורם נוסף הקובע את צבעם של הגופים שאנו רואים הוא הרכב האור המוקרן עליהם. אם הסביבה מוארת באור לבן, נוכל להבחין בכל קשת הצבעים של הגופים הצבעוניים שבסביבה. אך אם נאיר סביבה חשוכה באור המכיל רק חלק ממרכיבי האור הלבן, נוכל להבחין רק בגופים שצבעיהם מתאימים לאותם מרכיבים של האור המוקרן שהם מחזירים, ולא נוכל להבחין בגופים שבולעים את כל האור המוקרן עליהם.
לדוגמה, אם נקרין בחדר חשוך אור ירוק בלבד, נוכל לראות את העלים הירוקים של הצמח שבעציץ ואת הענבים הירוקים המונחים על הצלחת כי הם מחזירים את האור הירוק שפוגע בהם, אך לא נוכל לראות את העגבנייה האדומה כי היא בולעת את האור הירוק שפוגע בה.
*161*
שאלות
1. מדוע אי אפשר לראות גופים הנמצאים בחדר חשוך?
2. התבוננו מסביב כאשר הנורות, המחשבים ושאר הגופים העשויים להקרין אור בכיתה אינם דולקים. מה מקור האור שבזכותו אתם יכולים לראות את השולחנות, את המורה ואת התלמידים האחרים בכיתה?
3. לפעמים אפשר להבחין באולם הקולנוע במשהו הנראה כמו "אלומת אור" המגיעה מכיוון מכשיר ההקרנה עד למסך. היזכרו בפעילות שביצעתם בתחילת הפרק והסבירו את התופעה.
(בספר תרשים של גל סינוס, עליו מסומנים אורך הגל וכיוון התקדמות הגל, היעזר במנחה)
4. לפניכם רשימה של תנאים. סמנו שני תנאים שהשילוב ביניהם מאפשר להבחין בגוף כלשהו. האם קיימות אפשרויות נוספות? אם כן, מה המשותף בין כל האפשרויות?
א. הגוף יקרין אור.
ב. הגוף יחזיר אור.
ג. האור יחדור אל תוך עינינו.
ד. הגוף יפיץ את כל מרכיבי האור.
ה. הגוף יפיץ לפחות אחד ממרכיבי האור.
5. תלמידי כיתה ט ערכו תצפית בחדר חשוך: הם האירו בפנס המפיץ אלומה צרה של אור לבן על קיר הכיתה, והבחינו בצבע לבן באזור המואר על הקיר.
א. מהי המסקנה העולה מכך?
ב. לאחר מכן הם עטפו את הפנס בנייר צלופן אדום (שבולע את כל מרכיבי האור הלבן שפוגע בו ומאפשר רק לאור האדום לעבור דרכו). מה היה צבעו של האזור המואר על הקיר במקרה זה? הסבירו.
ג. העברה, החזרה או בליעה - אילו אינטראקציות מתרחשות בין האור היוצא מהפנס לבין נייר הצלופן האדום? נמקו את תשובתכם.
ד. התלמידים הוסיפו גם נייר צלופן כחול לעטיפת הפנס. מה היה עכשיו צבעו של האזור המואר על הקיר? הסבירו.
- כדי שאפשר יהיה לראות גוף צריכים להתקיים שני התנאים האלה:
1. שהגוף יפיץ (יקרין או יחזיר) אור.
2. שהאור המופץ מהגוף יחדור אל תוך עינינו.
- כדי שאפשר יהיה לראות גוף ולהבחין בצבעו צריכים להתקיים שני התנאים האלה:
1. שהגוף יפיץ (יקרין או יחזיר) לפחות אחד ממרכיבי האור הלבן.
2. שהאור המופץ מהגוף יחדור אל תוך עינינו.
*162*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
אורות וצבעים
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום פיזיקה. היכנסו אל הנושא גלים, קרינה וחומר, בחרו בסעיף צבע, ופתחו את 4 יחידות הלימוד:
(1) גופים צבעוניים;
(2) חיבור צבעים;
(3) ראיית צבע ועיוורון צבעים;
(4) שיטת ה-RGB: אל תוך הצבע.
בעזרת ההדמיות ביחידות הלימוד האלה תוכלו לחקור היבטים שונים הקשורים לאור, לצבע ולראיית צבעים.
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תרשים של גל סינוס, עליו מסומנים אורך הגל וכיוון התקדמות הגל, היעזר במנחה)
שאלות
1. מהם שלושת צבעי היסוד של האור בשיטת חיבור הצבעים?
א. צהוב, כחול ואדום
ב. אדום, ירוק וכחול
ג. כחול, צהוב ולבן
ד. צהוב, אדום ושחור
2. איזה צבע רואים כאשר מחברים אור ירוק עם אור אדום?
א. צבע ירוק-אדום, אם עוצמת האורות גבוהה.
ב. צבע ירוק-אדום, אם עוצמת האורות נמוכה.
ג. צבע צהוב, אם עוצמת האורות חזקה.
ד. צבע לבן, אם עוצמת האורות חזקה.
3. מה צריך לעשות כדי לראות צבע לבן על צג המחשב, ומה צריך לעשות כדי לראות צבע שחור על צג המחשב?
4. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, הוסיפו לה כותרת והשלימו את הפרטים החסרים בה בעזרת ההדמיות.
תא ריק, האורות הדולקים, עוצמות התגובה של המדוכים השונים, הצבע הנראה
א, הרגישים לכחול - בעוצמה גבוהה; הרגישים לירוק - בעוצמה חלשה; הרגישים לאדום - בעוצמה חלשה, כחול
ב, --, הרגישים לירוק והרגישים לאדום - שניהם בעוצמה גבוהה, --
ג, ירוק וכחול, --, --
ד, --, --, אפור כהה
(בספר תרשים של גל סינוס, עליו מסומנים אורך הגל וכיוון התקדמות הגל, היעזר במנחה)
*163*
מהות האור הנראה
עד כה הכרתם תכונות שונות של האור (כמו הכיוון, המהירות והמרחק שהוא נע במרחב) ותופעות הקשורות בו (כמו שבירת אור, בליעת אור והחזרת אור). אך עדיין נשאלת השאלה: מהו אור?
אור הוא גל אלקטרומגנטי. כדי להבין זאת דמיינו לעצמכם שאתם מפילים אבן קטנה על פני מים שקטים. כאשר האבן פוגעת בפני המים נגרמת הפרעה לפני המים השקטים, וכתוצאה ממנה נוצר גל (פולס) בצורת מעגל שמרכזו בנקודת הפגיעה של האבן במים. גל זה מתרחב ומתפשט על פני המים ומתרחק מנקודת המרכז במהירות מסוימת. מהירות זו מכונה מהירות הגל. כאשר מפילים עוד אבנים קטנות באותו המקום, בזו אחר זו ובקצב קבוע, נגרמת הפרעה מחזורית (שחוזרת על עצמה בפרקי זמן שווים) היוצרת סדרה של גלים מעגליים המתפשטים על פני המים בזה אחר זה ומתרחקים מנקודת המרכז. סדרה כזאת מכונה גל מחזורי.
באופן דומה, האור הנפלט מהמקור שלו הוא גל אלקטרומגנטי הנוצר כתוצאה מסדרה של הפרעות מחזוריות. אך בשונה מאבנים הפוגעות במים, במקרה זה הגורם המפריע הוא חשמלי/מגנטי, ואנו לא יכולים לראות בעינינו את הצורה של הגלים האלה.
מספר הגלים הנוצרים בשנייה אחת מכונה תדירות (או תדר) הגל. תדירות הגל נמדדת ביחידות של הרץ, על שם הפיזיקאי הגרמני היינריך רודולף הרץ (1857-1894). נהוג לסמן יחידות אלו כך: Hz. תדירות של 1 הרץ משמעותה שגל אחד נוצר בכל שנייה. יחידות מידה נוספות לתדירות הן קילו-הרץ (kHz) ומגה-הרץ (MHz). 1 קילו-הרץ = 1,000 הרץ; 1 מגה-הרץ = 1,000,000 הרץ.
(מהירות הגל - המרחק שעובר גל בודד (פולס) במשך שנייה אחת. מהירות הגל תלויה בתווך שבו הגל מתקדם.)
(גל מחזורי - נוצר כאשר יוצרים גלים (פולסים) בקצב קבוע.)
(תדירות - מספר הגלים (הפולסים) הנוצרים בכל שנייה. יחידות המידה של התדירות הן הרץ, קילו-הרץ ומגה-הרץ.)
שאלות
1 . למה מתכוונים כשאומרים שתדירותו של גל מחזורי היא 100 הרץ?
2. מהי המשמעות בכך שתדירות הגל היא 1 מגה-הרץ?
המרחק בין שני גלים (פולסים) סמוכים בגל מחזורי מוגדר כאורך הגל. אורך הגל נמדד ביחידות של: קילומטר, מטר, מילימטר (אלפית המטר), מיקרון (מיליונית המטר, כלומר 10 בחזקת מינוס 6 מטרים) וננומטר (מיליארדית המטר, כלומר 10 בחזקת מינוס 9 מטרים).
(אורך הגל - המרחק בין שתי נקודות זהות בשני גלים (פולסים) עוקבים בגל מחזורי.)
אורך הגל, תדירות הגל ומהירות התקדמות הגל הם שלושה גדלים המאפיינים גלים, ובכללם גם גלים אלקטרומגנטיים.
(בספר תרשים של הספקטרום האלקטרומגנטי)
*164*
סוגי קרינה אלקטרומגנטית
העין האנושית מסוגלת לחוש רק בחלק זעיר של הקרינה האלקטרומגנטית, רק בתחום הנקרא האור הנראה. אך הקרינה האלקטרומגנטית כוללת גם סוגים אחרים: קרני גמא (אחד מסוגי הקרינה הרדיואקטיבית), קרני רנטגן (קרני x), קרינה על-סגולה (אולטרה-סגולה), קרינה תת-אדומה (אינפרה-אדומה), גלי מיקרו וגלי רדיו. כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית מרכיבים את הספקטרום האלקטרומגנטי.
(ספקטרום אלקטרומגנטי - כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית הנכללים בטווח אורכי הגל של הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים מן השמש.)
(בספר תמונה:) תצלום רנטגן של יד.
גלי רדיו - קרינה שאורך הגל שלה בין 0.3 מטרים לכמה ק"מ. גלי רדיו המשודרים לאוויר נקלטים במכשירי הרדיו והטלוויזיה שלנו. גלי רדיו מתקבלים מעצמים שונים בחלל ומשמשים את האסטרונומים לחקר החלל.
גלי מיקרו - קרינה שאורך הגל שלה בין 0.3 מטרים ל-10 מטרים. משתמשים בה במכשירי מיקרוגל, במכשירי מכ"ם, בטלפונים סלולריים, לתקשורת לוויינים, לחיזוי מזג אוויר ועוד.
קרינה תת-אדומה - קרינה שאורך הגל שלה בין 780 ננומטר ל-1 מ"מ. אנו חשים בחלק ממנה כחום. הקרינה הזאת משמשת למגוון רחב של יישומים, כמו שלט-רחוק של טלוויזיה, גלאי חום, מכשירים לראיית לילה, מכשירים לזיהוי כוכבי לכת רחוקים ועוד. קרינה כזאת נפלטת גם מתנורי חימום.
האור הנראה - תחום צר מאוד של קרינה שאורך הגל שלה 400-700 ננומטרים. קרינה זו נקלטת בעינינו וגורמת לתחושה של ראיית גופים, אורות וצבעים.
קרינה על-סגולה - קרינה שאורך הגל שלה 10-360 ננומטרים. היא חיונית ליצירת ויטמין D בגופנו, אך חשיפה ממושכת עלולה לגרום נזק לתאים. שכבת האוזון שבאטמוספרה חוסמת את רוב הקרינה העל-סגולה המזיקה שמקורה בשמש.
קרינת רנטגן (קרני x) - קרינה שאורך הגל שלה 10 בחזקת מינוס 9 עד 10 בחזקת מינוס 11 מטרים. היא נבלעת ברקמות קשות כמו העצמות, אך עוברת כמעט ללא הפרעה דרך רקמות רכות, ולכן משמשת בעיקר לצורכי צילומים ברפואה.
קרינת גמא - קרינה שאורך הגל שלה 10 בחזקת מינוס 10 עד 10 בחזקת מינוס 14 מטרים. היא חודרת בקלות דרך רקמה וגורמת נזק. השמש וגרמי שמים נוספים פולטים קרינה זו. למזלנו, שכבת האוזון חוסמת אותה.
*165*
לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית יש מאפיינים משותפים, אך לכל סוג יש גם מאפיינים נוספים הייחודיים רק לו. תכונות האור שהכרתם, כגון החזרה, בליעה, שבירה ועוד, מאפיינות גם את שאר סוגי הקרינה האלקטרומגנטית שאנו לא יכולים לחוש בהם. אורך הגל, האנרגיה שיש לגל, מידת החדירה לחומרים שונים וקליטה בעין האנושית, הם דוגמאות למאפיינים ייחודיים של כל סוג. אורך הגל הוא אחד הגורמים הקובעים את האנרגיה שיש לכל אחד מסוגי הקרינה - ככל שאורך הגל קצר יותר, כך האנרגיה שהגל נושא עמו גדולה יותר.
אפשר לגלות ולקלוט סוגי קרינה שונים גם אם אנו לא יכולים לקלוט אותם בחושינו. למשל, מקלטי רדיו תוכננו ונבנו במיוחד כדי לקלוט את הקרינה הבלתי נראית בתחום של גלי רדיו, ולהמיר את הגלים האלה לקולות שאנו יכולים לשמוע. מכשיר הטלוויזיה מתוכנן להגיב לקרינה התת-אדומה (אינפרה-אדומה) שאנו שולחים לעברו בעזרת שלט-רחוק, ולכן הערוץ שאנו צופים בו מתחלף.
(בספר תמונה:) תנור שמש.
פעילות - משימה שיתופית - חקרשת
הספקסרום האלקטרומגנטי
מטרת הפעילות: להכיר את סוגי הקרינה הנכללים בספקטרום האלקטרומגנטי.
מהלך הפעילות:
א. התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תאסוף מידע על אחד מסוגי הקרינה האלקטרומגנטית. חפשו מידע מעניין העונה על שאלות הנוגעות לסוג הקרינה שבחרתם, לדוגמה:
- מהם מאפייני הקרינה (מהירות התקדמותה, האם יכולה להתקדם בריק, וכדומה)?
- כיצד התגלתה ועל ידי מי?
- איזה שימוש אנו עושים בה (על איזה צורך היא עונה, באילו מכשירים, וכדומה)?
- האם החשיפה לקרינה זו מסוכנת? מדוע?
- אילו אמצעי הגנה נדרשים בעת החשיפה לקרינה זו?
ב. ארגנו את המידע שמצאתם בדרך המתאימה להצגה בכיתה: דף מידע, כרזה (פוסטר), מצגת הכוללת תמונות או סרטונים וכדומה.
ג. כל קבוצה תציג את המידע שאספה במסגרת הזמן המוקצב לה. השאירו זמן גם לשאלות ותשובות.
ד. העתיקו את הטבלה שלפניכם אל המחברת, והשלימו בה את המידע על כל סוגי הקרינה שהוצגו בכיתה. תנו כותרת לטבלה והוסיפו שורות ועמודות בהתאם לצורך.
תא ריק, קרני גמא, --
תחום אורכי הגל, --, --
נחוץ תווך כדי להתקדם (כן/לא), --, --
מהירות ההתקדמות בריק, --, --
נקלטת בחושי האדם (כן/לא), --, --
כושר החדירה לחומרים שונים, --, --
השפעות על חומרים שונים, --, --
מידת הסיכון לגוף האדם, --, --
פרטים נוספים, --, --
(בספר תמונה:) תנור שמש.
*166*
ה. ערכו השוואה בין סוגי הקרינה השונים: במה הם דומים זה לזה ובמה הם שונים זה מזה?
ו. סכמו: מהם המאפיינים המשותפים לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית?
הרחבה
הדואליות של הקרינה - גלים וחלקיקים
למדנו שאור הוא סוג של גל המכונה גל אלקטרומגנטי. מחקרים רבים מוכיחים שבתופעות מסוימות האור מתנהג כמו גל (גל אלקטרומגנטי), אך בתופעות אחרות הוא מתנהג כמו חלקיקים חסרי מסה המכונים פוטונים. כל פוטון נושא עמו כמות מסוימת של אנרגיה הנקבעת על פי אורך הגל. כפילות זאת מכונה דואליות גל-חלקיק (דואליות = כפילות). גם שאר סוגי הקרינה האלקטרומגנטית מתנהגים באופן דומה. לכן המדענים מתייחסים לקרינה האלקטרומגנטית גם כחלקיקים (פוטונים) וגם כגלים אלקטרומגנטיים, בהתאם לתופעה שחוקרים אותה.
התכונות המשותפות לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית:
- כולם גלים אלקטרומגנטיים.
- כולם מעבירים אנרגיה (למשל מהשמש אל כדור-הארץ).
- היעדר הצורך בתווך כלשהו כדי להתקדם בו (כלומר כולם מתקדמים גם בריק).
- מהירות ההתקדמות של כולם זהה למהירות האור בריק (כ-300,000 ק"מ בשנייה).
- ההתפשטות היא לאורך קווים ישרים (כל עוד הם נעים בריק או באותו התווך).
- במעבר בין תווך אחד לאחר עשויות להתרחש תופעות של בליעה, החזרה, שבירה או נפיצה.
התכונות הייחודיות לכל אחד מסוגי הקרינה האלקטרומגנטית:
- אורך הגל (או התדירות).
- מידת החדירה לחומרים שונים.
- האנרגיה נקבעת, בין היתר, על ידי אורך הגל. ככל שאורך הגל קצר יותר, כך האנרגיה גדולה יותר.
- אפשרות הקליטה בחושי האדם.
- אינטראקציה אופיינית עם חומרים שונים.
*167*
אנרגיית הקרינה - תועלת וסיכונים
השמש היא מקור האנרגיה העיקרי של כדור-הארץ, וכמות הקרינה האלקטרומגנטית המגיעה ממנה אלינו היא עצומה. בעבר נעזרו בני האדם באנרגיית השמש בעיקר בצורה ישירה לצורכי חימום, אידוי או ייבוש מזון. כיום אנו נעזרים בכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית: ברפואה, במחקר מדעי, בתעשייה, בתקשורת ובמערכות טכנולוגיות רבות ושונות. עם זאת, אנו מודעים גם לנזקים שקרינה מסוגים שונים עלולה לגרום לבני אדם, ויודעים כיצד יש להיזהר מסכנות אלו.
פעילות - התנסות
תנור שמש
(בספר תרשים המתאר את הניסוי)
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הפעילות: בניית תנור שמש, וחימום מים באמצעותו.
ציוד: קופסת קרטון, צנצנת צבועה בשחור, שקית ניילון שקופה, מד טמפרטורה, מים, רדיד אלומיניום.
מהלך ההתנסות:
א. כסו את הדפנות הפנימיות של הקופסה ברדיד אלומיניום. הקפידו שהצד הבוהק של רדיד האלומיניום יהיה מופנה כלפי חוץ.
ב. מלאו את הצנצנת הצבועה בשחור במים, הכניסו לתוכה מד טמפרטורה ועטפו אותה בשקית ניילון שקופה.
ג. העמידו את צנצנת הזכוכית בתוך הקופסה.
ד. הניחו את המערכת שבניתם באור השמש בחוץ או מול מקור אור חזק.
ה. עקבו אחרי שינוי הטמפרטורה של המים במשך כ-30 דקות.
תוצאות: סכמו את התוצאות בטבלה. תנו כותרת לטבלה.
סיכום:
1. עומר טוען שמיותר לצבוע את הצנצנת בצבע שחור, משום שקרינת השמש עוברת דרך חומר שקוף אבל אינה עוברת דרך חומר אטום. האם הוא צודק? נמקו.
2. מה תפקיד רדיד האלומיניום הנמצא בתנור השמש שבניתם?
3. אילו תופעות (בליעה, החזרה וכדומה) באות לידי ביטוי בתנור השמש? הסבירו.
4. תארו את מסלול קרני השמש בתנור השמש ואת המרות ומעברי האנרגיה המתרחשים בו.
5. באילו נסיבות כדאי לדעתכם להיעזר בתנור שמש?
6. ציינו את היתרונות ואת החסרונות של תנור כזה.
*168*
פעילות - משימה שיתופית
קרינה אלקטרומגנטית - שימושים, מחיר ופתרונות
מטרת הפעילות: הכרת יישומים של סוגי קרינה לתועלת האדם, בדיקת השפעתם על הבריאות והסביבה, וקבלת החלטות מושכלות בדבר שימוש בקרינה והגנה מנזקים אפשריים.
מהלך הפעילות:
א. התארגנו בכיתה בכמה קבוצות עבודה - כל קבוצה תתמחה ביישום טכנולוגי אחר של קרינה אלקטרומגנטית ושל השימוש בה.
ב. חפשו מידע על היישום הטכנולוגי שבחרתם. תוכלו לבחור אחד מהיישומים שברשימה שלפניכם או כל יישום מתאים אחר שמעניין אתכם.
רשימת היישומים:(1) דוד שמש (2) מכשיר מיקרוגל (3) טלפון סלולרי (4) תאי שמש (תאים פוטו-וולטאיים) (5) סיבים אופטיים (6) צג של מחשב או של טלוויזיה צבעונית (7) משקפת לראיית לילה (8) תחנה סולרית להפקת חשמל (9) מכשיר לצילומי רנטגן (10) מערכת לעיקור מזון או ציוד רפואי בעזרת קרינה.
ג. אספו מידע על היישום הטכנולוגי שבחרתם. התייחסו במיוחד לשאלות אלה: (א) לאיזה צורך הוא נבנה? (ב) מי המציא אותו ומתי? (ג) כיצד הוא פועל? (ד) אילו תכונות של הקרינה מנוצלות בו? (ה) אילו תופעות מתרחשות בזמן הפעלתו (בליעה, שבירה, החזרה וכדומה)? (ו) אילו המרות אנרגיה מתרחשות בו (הציגו אותן בתרשים זרימה)? (ז) מה המחיר הסביבתי הכרוך בתהליכי הייצור שלו? (ח) מה השפעותיו על הבריאות? (ט) אילו אמצעי זהירות חייבים להישמר בעת הפעלתו?
ד. אם אפשר, הכינו דגם המציג את פעולת המערכת שחקרתם.
ה. ארגנו את המידע שמצאתם, והכינו תוצר שיתופי של קבוצתכם שיוצג בכיתה או בתערוכה.
סיכום
- הקרינה האלקטרומגנטית כוללת סוגים שונים: אור, גלי רדיו, קרני רנטגן ועוד.
- הקרינה האלקטרומגנטית נושאת אנרגיה.
- אנרגיית קרינה יכולה לעבור המרה לסוגי אנרגיה שונים ולהיפך.
- גוף שפולט קרינה למעשה מאבד אנרגיה, וגוף שקולט קרינה למעשה קולט אנרגיה.
- השמש פולטת אנרגיה המגיעה אלינו בעיקר באמצעות האור.
- קרינה אלקטרומגנטית יכולה להגיב עם חומר ולגרום לשינוים בו.
- אנו מפיקים תועלת רבה מהקרינה האלקטרומגנטית בתחומים רבים: רפואה, תעשייה, מחקר, תקשורת ועוד.
- חלק מהקרינה האלקטרומגנטית עלול לגרום נזק לגוף החי.
- חשוב להשתמש באמצעים שמקטינים את סכנת הפגיעה מהקרינה המזיקה.
*169*
(בספר תרשים המתאר את הניסוי)
1. בכיתה התעורר ויכוח: מה קורה כאשר מוזגים מים חמים אל בקבוק שחור ואל בקבוק לבן?
יערה טענה שהמים בבקבוק השחור יתקררו לאט יותר.
יניב טען שהמים בבקבוק הלבן יתקררו לאט יותר.
נירית טענה שהמים בשני הבקבוקים יתקררו באותה המהירות.
מי משלושתם צודק? נמקו.
2. איזה מהמשפטים הבאים נכון?
א. כאשר מקרבים מקור אור לגוף אטום, אורך הצללית גדל.
ב. כאשר מרחיקים גוף אטום מהמקום שבו נוצר צל, אורך הצללית אינו משתנה.
ג. כאשר מחליפים גוף אטום גדול בגוף קטן יותר, אורך הצללית גדל.
ד. כאשר מגבירים את עוצמת אור המנורה, אורך הצללית קטן.
3. כשמסתכלים לעבר רדיד אלומיניום ("נייר כסף") לא מקומט אפשר להבחין בהשתקפות של החפצים הניצבים מולו. אך אם נייר הכסף מקומט לא מצליחים להבחין בהשתקפות של אותם החפצים. הסבירו מדוע.
4. הסבירו מדוע במשך היום כביש האספלט חם יותר מאשר מרצפות האבן של המדרכה.
5. האם ייתכן חומר שהוא גם שקוף וגם צבעוני? ענו בעזרת דוגמה.
6. תלמיד רצה לבדוק מה הקשר בין מידת החשיפה לאור של כלי שבו מים לבין השינוי בטמפרטורת המים שבכלי. הוא ערך ניסוי שבו הניח שני כלים כהים זהים: כלי א לפני מקור אור, וכלי ב מאחורי מקור האור.
(בספר שתי תמונות:)
בכלי א טמפרטורת המים עלתה, ובכלי ב טמפרטורת המים נשארה ללא שינוי. כיצד אפשר להסביר את תוצאות הניסוי?
א. בכלי א התרחש תהליך בליעת אור והמרת אנרגיית אור לאנרגיית קרינה.
ב. בכלי ב התרחש תהליך של החזרת אור והמרת אנרגיית קרינה לחום.
ג. בכלי ב התרחש תהליך של בליעה והחזרת אור ולכן לא חל שינוי בטמפרטורה.
ד. בכלי א התרחש תהליך של בליעת אור והמרת אנרגיית אור לחום.
*170*
7. תארו והסבירו מה רואים כאשר מפעילים פנסי מכונית בליל ערפל.
8. מטיילים מצאו פרי הנראה צהוב באור השמש. התברר כי צבעני הפרי הזה מחזירים הרבה אור ירוק ואור אדום (ובולעים את שאר מרכיבי האור הלבן).
א. הסבירו מדוע באור השמש הפרי הזה נראה צהוב.
ב. באיזה צבע ייראה הפרי אם יכניסו אותו לחדר שיש בו מקור אור יחיד המקרין אור ירוק בלבד? הסבירו.
9. בחורף פרחו בשדה כלניות אדומות וכלניות לבנות. איזה מהמשפטים שלפניכם נכון?
א. הכלנית הלבנה בולעת יותר אור מהכלנית האדומה.
ב. הכלנית האדומה מחזירה פחות אור מהכלנית הלבנה.
ג. הכלנית האדומה מעבירה יותר אור מהכלנית הלבנה.
ד. בכלנית הלבנה נשבר פחות אור מהכלנית האדומה.
(בספר שתי תמונות:)
10. בתמונה שלפניכם רואים את האסטרונאוט באז אולדרין יורד מהחללית אפולו 11 שנחתה על הירח בשנת 1969. האם התמונה צולמה ביום או בלילה? נמקו בעזרת העקרונות המדעיים שלמדתם בפרק זה.
*171*
*171*
(בספר שתי תמונות:)
בפרק זה נלמד ש...
- תהליכים גרעיניים הם תהליכים שבמהלכם משתנה המבנה של גרעין האטום ונפלטת אנרגיה עצומה. אנרגיה זו נקראת אנרגיה גרעינית.
- גילוי קיומם של תהליכים גרעיניים סלל את הדרך להבנת מבנה הגרעין ותהליכים הקשורים בו, ולתחילתו של עידן חדש בתחומי מדע רבים.
- בשמש מתרחשים תהליכים גרעיניים שהם המקור לאנרגיה העצומה המגיעה אל כדור-הארץ ומניעה את התהליכים המתרחשים בו.
- גרעין האטום יכול להתבקע לגרעינים קלים יותר בתהליך הנקרא ביקוע גרעיני, או להתמזג עם גרעין אחר ליצירת גרעין כבד יותר בתהליך הנקרא מיזוג גרעיני.
- את האנרגיה העצומה הנפלטת בתהליך הביקוע הגרעיני אפשר לנצל להפקת חשמל. להפקת חשמל בכורים גרעיניים יש יתרונות ויש חסרונות.
מושגים שנכיר:
אנרגיה גרעינית
איזוטופים
התפרקות רדיואקטיבית
קרינת אלפא, בטא וגמא
ביקוע גרעיני
מיזוג גרעיני
תגובת שרשרת
העשרת אורניום
כור גרעיני
*172*
מבוא
השמש היא מקור האנרגיה שרוב היצורים החיים על פני כדור-הארץ תלויים בו לקיומם. האם ידעתם שבמשך שנה אחת השמש מאירה את כל שטח כדור-הארץ בעוצמה השווה לעוצמת אור של 10 בחזקת 15 (1,000 ביליון) נורות בעלות הספק של 100 ואט?
מה מקורה של אנרגיה זו? ומה הקשר בינה לבין אנרגיה גרעינית?
בעבר חשבו כי השמש עשויה פחם ושמקור האנרגיה שלה הוא בבעירת הפחם. כלומר, שהאנרגיה המשתחררת היא תוצאה של תהליכי פירוק ויצירה של קשרים כימיים בין אטומים ומולקולות. אך חישובים הראו שאם השמש הייתה אכן מורכבת מפחם, היא הייתה דועכת בתוך כמה אלפי שנים.
גם רעיונות אחרים לא הצליחו להסביר את מקור האנרגיה העצום של השמש, עד שבתחילת המאה ה-20 העלו חוקרים השערה כי מקור האנרגיה של השמש הוא לא באנרגיה כימית אלא באנרגיה גרעינית, שמקורה בגרעיני האטומים ובתהליכים המתרחשים בהם.
כבר בסוף המאה ה-19 התגלו באקראי תהליכים גרעיניים ספונטניים (ללא התערבות חיצונית). חוקרים הבחינו כי אטומים מסוימים פולטים באופן טבעי קרינה וקראו לה קרינה רדיואקטיבית. התברר כי בתהליכים גרעיניים מסוימים, אטומים של יסוד אחד הופכים באופן ספונטני לאטומים של יסוד אחר. התגלית החשובה הזאת תרמה מאוד לחקר מבנה האטום והגרעין, ולמעשה הביאה לתחילתו של עידן חדש בכל תחומי המדע.
מי שמצא בתחילת המאה ה-20 את הקשר בין מסה לבין אנרגיה, והראה כי בתהליכים גרעיניים ירידה מזערית במסה גורמת לפליטת כמות אדירה של אנרגיה, היה המדען הדגול אלברט איינשטיין.
בעקבות איינשטיין גם מדענים נוספים הבינו שלאנרגיה העצומה הנפלטת בתהליכים הגרעיניים יש פוטנציאל רב וכי היא ניתנת לניצול לצרכים רבים. בשנת 1942 דיווחו בהתרגשות מדעני הכור הגרעיני הראשון לממשל בארצות הברית: "יורד הים האיטלקי הגיע לעולם החדש". המשפט הזה היה צופן שפירושו הוא שהם הצליחו לשחרר לראשונה אנרגיה גרעינית בתגובה מבוקרת, וכי נפתחה הדרך ליצירת פצצת אטום.
תמונה 1 - אנרגיה גרעינית היא המקור לאנרגיה בשמש.
(בספר תמונה:) כור גרעיני להפקת חשמל בטמלין, צ'כיה.
תמונה 2 - אלברט איינשטיין, צילום משנת 1921.
(בספר תמונה:) כור גרעיני להפקת חשמל בטמלין, צ'כיה.
*173*
(בספר תרשים:) מבנה האטום: במרכזו גרעין המורכב מפרוטונים ומנויטרונים וסביבו נמצאים אלקטרונים במעין "ענן".
לתהליכים גרעיניים יש חשיבות גדולה מאוד לעתיד האנושות, מכיוון שהם יכולים לתת מענה לאחד האתגרים הגדולים הניצבים בפנינו - פיתוח מקורות אנרגיה שיענו הן על צורכי האוכלוסייה המתרבה בקצב מואץ והן על הצורך להפחית בפליטת מזהמים לסביבה.
בפרק הזה נלמד על האנרגיה הגרעינית המשתחררת בתהליכים המתרחשים בגרעין האטום, ונבין מדוע האנרגיה המשתחררת בתהליכים גרעיניים היא אדירה בהשוואה לאנרגיה המשתחררת בתהליכים כימיים.
נלמד מהי קרינה רדיואקטיבית, ונכיר את תהליך הביקוע הגרעיני ואת תהליך המיזוג הגרעיני שבהם משתחררת אנרגיה גרעינית.
כמו כן, נדון באנרגיה גרעינית כמקור חלופי לייצור חשמל, ונלמד על כורים גרעיניים להמרת אנרגיה גרעינית לצרכים שונים: להפקת אנרגיה חשמלית, לצורכי מחקר ולייצור חומרים המשמשים לנשק גרעיני. נכיר את הסכנות שבחשיפה לקרינה הרדיואקטיבית ואמצעים שאפשר לנקוט כדי להפחית את נזקיה.
*174*
גרעין האטום ותהליכים גרעיניים
מאז ימי דמוקריטוס (שחי ביוון לפני כ-2,500 שנה) ועד סוף המאה ה-19, סברו מדענים כי האטום הוא החלקיק הקטן ביותר של החומר ואינו ניתן לחלוקה. בתחילת המאה ה-20 נערכו ניסויים שנועדו לחקור את מבנה האטום, ונצפו תופעות שערערו את הסברה כי האטום אינו ניתן לחלוקה. גילוי תופעת הרדיואקטיביות, שבה נצפתה קרינה לא ידועה שנפלטה מחומרים מסוימים, סלל את הדרך להבנת מבנה האטום והתהליכים הקשורים בו, ולתחילתו של עידן חדש בתחומי מדע רבים.
(רדיואקטיביות - פליטה ספונטנית של קרינה אלקטרומגנטית או של חלקיקים מגרעיני אטומים מסוימים.)
גרעין האטום
האטום הוא ברובו חלל ריק שבמרכזו גרעין דחוס מאוד וסביבו נמצאים אלקטרונים (בעלי מטען שלילי) במעין "ענן". קוטרו של האטום זעיר, כ-10 בחזקת מינוס 10 מטרים, והגרעין קטן פי 100,000 מהאטום וקוטרו כ-10 בחזקת מינוס 15 מטרים. גרעין האטום מורכב מפרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי) ונויטרונים (חסרי מטען). מרבית המסה של האטום מרוכזת בגרעין, שכן לאלקטרונים מסה קטנה מאוד ביחס למסת הפרוטונים והנויטרונים. מספר הפרוטונים בגרעין נקרא מספר אטומי.
(מספר אטומי - מספר הפרוטונים בגרעין האטום (זהה למספר האלקטרונים באטום ניטרלי.)
(בספר תרשים:) תגובת שרשרת: ביקוע גרעיני של אטומי אורניום 235.
*175*
מסת האטום נקבעת על ידי סכום מספר הפרוטונים ומספר הנויטרונים שבגרעין. סכום זה נקרא מספר המסה של האטום.
(בספר תרשים:) תגובת שרשרת: ביקוע גרעיני של אטומי אורניום 235.
C 12 (קטן למעלה), 6 (קטן למטה)
(12 הוא מספר המסה, 6 הוא מספר אטומי).
אטומים של יסוד מסוים שיש להם אותו מספר פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים, והם נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית.
(איזוטופים - (ביוונית: איזו = שווה; טופוס = סוג, טיפוס) אטומים של יסוד מסוים שיש להם אותו מספר של פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים, כלומר מסתם שונה.)
לדוגמה, ליסוד פחמן שמספרו האטומי 6 יש שלושה איזוטופים טבעיים שמספר המסה שלהם שונה: 13,12 או 14, והם מכונים בקיצור פחמן 12, פחמן 13 ופחמן 14. גם ליסוד אורניום שמספרו האטומי 92 יש כמה איזוטופים (האורניום הוא היסוד הכבד ביותר הקיים בטבע, יסודות כבדים ממנו אפשר לייצר רק במעבדה). האיזוטופים הטבעיים הנפוצים שלו הם אורניום 238, אורניום 235 ואורניום 234:
(הסימון של אורניום הוא U עם 92 קטן משמאל למטה (זהו המספר האטומי) והמספרים 238, 235 או 234 קטנים משמאל למעלה בהתאם לאיזוטופ. זהו מספר המסה).
(בספר תרשים:) תגובת שרשרת: ביקוע גרעיני של אטומי אורניום 235.
האיזוטופ אורניום 235 (235 U) הוא המרכיב החשוב בחומר הדלק בכורים גרעיניים להפקת חשמל.
- לאיזוטופים השונים של אותו היסוד מספר אטומי זהה אך מסה אטומית שונה (מספר מסה שונה).
לרוב היסודות בטבע יש לפחות שני איזוטופים. חלק מהאיזוטופים יציבים (כלומר אינם מתפרקים ואינם פולטים קרינה רדיואקטיבית) וחלקם רדיואקטיביים. יציבות האיזוטופים תלויה ביחס בין מספר הנויטרונים לבין מספר הפרוטונים בגרעין, והיא נובעת מקיומם של כוחות שונים בגרעיני האטומים.
בגרעין האטום פועלים בו-בזמן כוחות מנוגדים:
א. כוחות דחייה חשמליים. כוחות אלה פועלים בין הפרוטונים הנושאים מטען חיובי.
ב. כוחות משיכה גרעיניים. כוחות חזקים הפועלים בין הפרוטונים לבין עצמם, בין הנויטרונים לבין עצמם, ובין הפרוטונים לנויטרונים. הכוח הזה ידוע בשם הכוח הגרעיני החזק, ובתוך הגרעין הוא חזק יותר מכוחות הדחייה החשמליים. אם הכוח הזה לא היה קיים, גרעין האטום היה מתפרק.
*176*
הכוח החזק מורגש רק במרחק זעיר בין החלקיקים, לכן השפעתו מורגשת רק בתוך גרעין האטום ואינה מורגשת מחוץ לגרעין. באטומים של יסודות כבדים, שבהם יש בגרעין מספר רב של נויטרונים ושל פרוטונים, הכוח הגרעיני אינו מצליח להתגבר על הדחייה החשמלית בין הפרוטונים. כתוצאה מכך, גרעינים של יסודות כבדים כמו אורניום אינם יציבים ונוטים להתפרק תוך כדי פליטה של קרינה רדיואקטיבית.
(יסוד כבד - אטום שהגרעין שלו מורכב ממספר גדול של פרוטונים ונויטרונים.)
שאלות
1. כמה נויטרונים יש בגרעין של כל אחד מהאיזוטופים של הפחמן: פחמן 14, פחמן 13 ופחמן 12?
2. כמה נויטרונים יש בגרעין של האיזוטופים של אורניום: אורניום 238, אורניום 235, אורניום 234?
תהליכים גרעיניים
תהליכים גרעיניים הם תהליכים שבהם חל שינוי במבנה של גרעין האטום, כגון התפרקות רדיואקטיבית, ביקוע גרעיני ומיזוג גרעיני. בעת שמתרחשים תהליכים גרעיניים משתחרת אנרגיה גרעינית. נדון בקצרה בכל אחד מן התהליכים.
(אנרגיה גרעינית - אנרגיה המשתחררת כאשר מתרחשים תהליכים גרעיניים שבהם משתנה המבנה של גרעיני האטומים.)
התפרקות רדיואקטיבית
בטבע קיימים אטומים, כמו אורניום, שהגרעין שלהם אינו יציב והם נוטים לעבור שינוי גרעיני ספונטני הנקרא התפרקות רדיואקטיבית. במהלך השינוי הזה נפלטת קרינה מסוגים שונים הנקראים אלפא, בטא וגמא.
(התפרקות רדיואקטיבית - תהליך גרעיני שבו גרעין האטום מתפרק באופן ספונטני והופך לאטום של יסוד אחר. בהתפרקות רדיואקטיבית נפלטת קרינה מסוגים שונים.)
ביקוע גרעיני
בתהליך זה גורמים באופן מלאכותי לביקוע גרעינים של יסודות כבדים מסוימים לגרעינים בעלי מסה קטנה יותר, ובמהלך הביקוע משתחררת אנרגיה גרעינית עצומה. הביקוע מתבצע על ידי "הפצצה" של גרעינים של יסודות כבדים בנויטרונים.
לדוגמה, בתהליך ביקוע גרעיני של אורניום 235, נויטרון פוגע בגרעין האורניום במהירות גבוהה, נבלע בו וגורם לאי יציבות הגרעין. כתוצאה מכך גרעין האורניום מתפרק לשני גרעינים קלים יותר, תוך כדי פליטה של נויטרונים נוספים ושל אנרגיה רבה. כל אחד מן הנויטרונים שנפלטו יכול לגרום לביקוע של אטומי אורניום שכנים וגם הם פולטים עוד נויטרונים וקרינה. התהליך הזה נקרא תגובת שרשרת, והוא יכול להימשך כל עוד יש מספיק אטומי אורניום.
(בספר תמונה:) גוש של עפרת אורניום.
*177*
בכורים גרעיניים להפקת חשמל גורמים לביקוע גרעיני, אבל מקפידים שתתרחש תגובת שרשרת מבוקרת. כלומר, שולטים בכמות האנרגיה המשתחררת ולא מסכנים את הסביבה כמו שקורה בפיצוץ של פצצת אטום.
שאלה
אם בביקוע של גרעין נפלטים בכל שלב 3 נויטרונים, כמה נויטרונים ייפלטו לאחר 3 שלבים? הסבירו.
הידעתם?
העשרת אורניום
לא כל האיזוטופים של אורניום הם בקיעים (כלומר יכולים לשמש לביקוע גרעיני המוביל לתגובת שרשרת). כדי להפיק חשמל או לייצר פצצה צריכים חומר בקיע. האיזוטופ אורניום 235 הוא בקיע אבל זמינותו בטבע נמוכה. עפרות אורניום מכילות בעיקר אורניום 238 וגם מעט אורניום 235. לכן עפרות אורניום טבעי שאותן חוצבים במקומות שונים בעולם אינן משמשות דלק גרעיני בכורים גרעיניים. עפרות אלו צריכות לעבור תהליך עיבוד הנקרא העשרת אורניום כדי שיהיה אפשר להשתמש בהן כדלק גרעיני. בתהליך זה מגדילים בצורה מלאכותית את ריכוז האיזוטופ אורניום 235, והאורניום המתקבל מכונה אורניום מועשר. באורניום הזה יכולה להתרחש תגובת השרשרת.
(בספר תמונה:) צילום של השמש מחללית המחקר SOHO ששוגרה בשנת 1995 במטרה לחקור את פעילות השמש.
מיזוג גרעיני
תהליך זה מתרחש כאשר גרעינים של אטומים קלים מתמזגים לגרעין של אטום כבד יותר תוך כדי שחרור אנרגיה גרעינית בכמות עצומה.
תהליכי מיזוג גרעיני מתרחשים באופן טבעי בשמש (ובכוכבים אחרים) והם המקור לאנרגיה המגיעה מהשמש אלינו. השמש מורכבת ברובה ממימן, ובמרכזה הטמפרטורה גבוהה יותר מ-15 מיליון מעלות צלזיוס. בטמפרטורה גבוהה כזו האנרגיה של האלקטרונים גבוהה מאוד והם מתנתקים מגרעיני המימן, כלומר אטומי המימן הופכים ליוני מימן +H. יוני המימן מתנגשים זה בזה במהירות עצומה ומיעוטם מתקרבים מאוד זה לזה. בתהליך מורכב הם מתמזגים לגרעיני אטומים כבדים יותר - הליום (He) תוך כדי שחרור אנרגיה רבה.
על פי חישובים וראיות שונות, חוקרים מעריכים כי תהליך המיזוג הגרעיני המתרחש בליבת השמש יאפשר לה להקרין אור במשך עוד כ-6 מיליארד שנים לפחות, כל עוד יש בה מספיק יוני מימן.
(בספר תרשים:) בהתפרקות אלפא גרעין האטום מאבד שני פרוטונים ושני נויטרונים.
*178*
הרחבה
קרינה רדיואקטיבית
בהתפרקות רדיואקטיבית נפלטת קרינה רדיואקטיבית רבה. קרינה זו נחלקת ל-3 סוגים:
קרינת אלפא (מסומנת באות היוונית אלפא): פליטה של חלקיקי אלפא מן הגרעין. חלקיק אלפא מורכב מ-2 פרוטונים ומ-2 נויטרונים, כלומר הוא גרעין של אטום הליום (He). לכן לקרינת אלפא יש מטען חשמלי חיובי.
כאשר נפלט חלקיק אלפא מגרעין של איזוטופ רדיואקטיבי כלשהו במהלך התפרקות רדיואקטיבית, הגרעין מאבד 2 פרוטונים ו-2 נויטרונים, המסה שלו פוחתת והוא הופך לגרעין של אטום אחר. לדוגמה, כאשר נפלט חלקיק אלפא מאטום של היסוד הרדיואקטיבי רדון 222, מספר המסה קטן ב-4, המספר האטומי קטן ב-2 והוא הופך לאטום של היסוד פולוניום 218.
(בספר תרשים:) בהתפרקות בטא גרעין האטום מאבד נויטרון ונוסף לו פרוטון.
קרינת בטא (מסומנת באות היוונית בטא): פליטה של אלקטרונים - חלקיקי בטא - מן הגרעין. לכן לקרינת בטא יש מטען חשמלי שלילי.
בהתפרקות בטא של איזוטופ רדיואקטיבי כלשהו, אחד הנויטרונים שבגרעין מתפרק והופך לפרוטון ולחלקיק בטא (אלקטרון). האלקטרון נפלט מהאטום, והפרוטון נשאר בגרעין. כלומר, עכשיו יש בגרעין פרוטון אחד עודף ונויטרון אחד חסר, והוא הופך לאטום של יסוד אחר. לדוגמה, כאשר האיזוטופ הרדיואקטיבי פחמן 14 פולט קרינת בטא, הגרעין מאבד נויטרון אחד ונוסף לו פרוטון אחד, מספר המסה אינו משתנה והוא הופך לגרעין של חנקן שמספרו האטומי גדול ב-1.
(בספר תרשים:) כאשר נפלטת קרינה אלקטרומגנטית מסוג גמא, הרכב גרעין האטום אינו משתנה.
קרינת גמא (מסומנת באות היוונית גמא): קרינה אלקטרומגנטית, הנפלטת בדרך כלל יחד עם קרינת אלפא או בטא כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית. קרינת גמא חסרת מטען חשמלי.
(בספר תמונה:) בול שבדי שהודפס ב-1963 לכבוד 3 חתני פרס נובל: אנרי בקרל, מארי קירי ופייר קירי.
*179*
הידעתם?
גילוי הרדיואקטיביות
מדען צרפתי בשם אנרי בקרל גילה באקראי בשנת 1896 קרינה לא ידועה שנפלטה מדוגמה של החומר אורניום חמצני. הוא אחסן את הדגימה במגירה שהכילה לוחות צילום, וגילה להפתעתו כי תרכובת האורניום גרמה להשחרת הלוחות (כפי שקורה בעת חשיפה לאור) אף שהם היו עטופים בחומר אטום לאור. הוא הסיק שהתרכובת פולטת קרינה כלשהי, ושיער שמקור הקרינה הוא באטומי האורניום.
בעקבות תגליתו של בקרל החלו חוקרים לחפש מה מקור הקרינה הנפלטת מחומרים רדיואקטיביים.
לצד בקרל עבדו זוג חוקרים צעירים בשם פייר ומארי קירי. הם בדקו עשרות חומרים שהכילו יסודות שונים כדי לראות אם גם הם פולטים קרינה, ואף הציעו לקרוא לתופעה זו רדיואקטיביות (שפירושה: פעילות הקרנה). בשנת 1903 הוענק פרס נובל בפיזיקה להנרי בקרל ולפייר ומארי קירי על תגליותיהם בנושא הרדיואקטיביות. מארי קירי הצליחה לבודד שני יסודות רדיואקטיביים חדשים: פולוניום (על שם ארץ מולדתה פולין) ורדיום (שפירושו: קורן), ונתנה הסבר כמעט מדויק לתופעת הרדיואקטיביות אף שאז עדיין לא היה ידוע מודל האטום הגרעיני. בשנת 1911 קיבלה מארי קירי פרס נובל בכימיה, והייתה לאישה הראשונה שקיבלה פרס נובל במדע. עד היום מארי קירי היא המדען היחיד שקיבל פרסי נובל במדע, בשני תחומים שונים.
(בספר תרשים, היעזר במנחה)
האנרגיה בתהליכים גרעיניים
בתהליכים גרעיניים שינויי האנרגיה גדולים הרבה יותר מאשר בתהליכים כימיים (כגון בעירה של דלקים מאובנים). לדוגמה, אם נתדלק מכונית ממוצעת בליטר דלק, היא תוכל לנסוע מרחק של בערך 15-10 ק"מ. לעומת זאת, כמות זהה של דלק גרעיני פולטת אנרגיה בסדר גודל פי מיליון, ולכן אילו היינו מצליחים "לתדלק" מכונית זו באנרגיה המופקת ממסה שווה של דלק גרעיני, היא הייתה יכולה להקיף את כדור הארץ בנסיעה מאות פעמים!
מניין מגיעה אנרגיה עצומה זו? ומדוע היא כה גדולה בהשוואה לאנרגיה המשתחררת בתהליך כימי?
בתהליכים כימיים מתפרקים ונוצרים קשרים כימיים ונוצרות מולקולות חדשות. כדי לפרק מולקולה ולהרחיק את האטומים המרכיבים אותה זה מזה, יש להשקיע אנרגיה הנקראת אנרגיית הקשר הכימי (אנרגיה כימית). בכל התהליכים הכימיים מתקיימים חוקי שימור האנרגיה והמסה. כלומר, לא מתרחש שינוי בגרעיני האטומים ובמספרם, אלא רק משתנה סידור האטומים והאלקטרונים במולקולות, וכתוצאה מכך משתנות אנרגיות הקשר ואנרגיה
*180*
נקלטת או נפלטת. למשל, בתהליך הבעירה של דלק מתרחשת תגובה של מולקולות הדלק עם מולקולות החמצן שבאוויר תוך כדי יצירת מולקולות חדשות (מים ופחמן דו-חמצני). בתהליך הזה נפלטת אנרגיה (חום ואנרגיית אור) - כלומר בתהליך זה אנרגיה כימית מומרת לחום ולאנרגיית אור.
אנרגיה גרעינית (אנרגיית הקשר הגרעיני) היא האנרגיה המשתחררת בעת שמתרחשים תהליכים גרעיניים שבהם מתרחש שינוי בגרעיני האטומים ובמספרם. אנרגיה זו גדולה יותר מאנרגיית הקשר הכימי, מכיוון שמקורה בכוחות הגרעיניים שהם הרבה יותר חזקים מהכוחות החשמליים המעורבים בקשר הכימי. לכן בתהליכים גרעיניים, כגון ביקוע ומיזוג, האנרגיה הגרעינית המשתחררת היא עצומה בהשוואה לשינויי אנרגיה בתהליכים כימיים.
התרשים שלפניכם מציג תהליכים שבהם מתרחשים שינויים בחומר ובאנרגיה.
(בספר תרשים:) מסת גרעין ההליום קטנה ממסת חומרי המוצא של תהליך המיזוג.
בשני התהליכים הגרעיניים, ביקוע גרעיני ומיזוג גרעיני, משתחררת אנרגיה בכמות עצומה, ואילו המסה של התוצרים קטנה מהמסה של חומרי המוצא.
לדוגמה, המסה של גרעין ההליום קטנה מהמסה של שני הפרוטונים ושני הנויטרונים שמהם ההליום נוצר בתהליך של מיזוג גרעיני.
(בספר תרשים:) מסת גרעין האורניום גדולה ממסת התוצרים של תהליך הביקוע.
מצב דומה מתקבל גם בביקוע גרעיני של אורניום: מסת גרעין האורניום גדולה ממסת הגרעינים של האטומים הקלים יותר הנוצרים בתהליך זה.
(בספר תמונה:) כמות קטנה של דלק גרעיני (אורניום).
לאן נעלמה המסה החסרה בתהליכי ביקוע ומיזוג גרעיניים? האם חוק שימור המסה אינו מתקיים בתהליכים אלו?
מי שהצליח להסביר זאת היה אלברט איינשטיין. איינשטיין הבין שקיים קשר בין המסה החסרה לבין האנרגיה המשתחררת בתהליכי המיזוג והביקוע הגרעיניים. הוא ניסח חוק שימור חדש: חוק שימור המסה-אנרגיה המהווה חלופה לחוק שימור המסה ולחוק שימור האנרגיה כפי שאנו מכירים אותם. לפי חוק זה, הכמות הכוללת של המסה ושל האנרגיה נשמרת בתהליכים גרעיניים.
הידעתם?
אנרגיה / מסה
תורת היחסות הפרטית של אלברט איינשטיין הייתה אחת המהפכות המדעיות שהתחוללו במאה ה-20, וחוק שימור המסה-אנרגיה הוא אחד העקרונות החשובים בה. לפי תורה זו, בתהליכים שבהם מתרחש שינוי מסה יתרחש גם שינוי באנרגיה. איינשטיין הציע את אחת הנוסחאות המפורסמות במדע, שלפיה אפשר לחשב את כמות האנרגיה הנפלטת כאשר המסה פוחתת.
מסמנים באות E את כמות האנרגיה המשתחררת בתהליך (ג'ול), באות m את המסה החסרה (ק"ג) ובאות c את מהירות האור (3 כפול 10 בחזקת 8 מטר בשנייה). הנוסחה המתארת את הקשר בין שלושתן היא:
E = m * c^2
(בספר תמונה:) כמות קטנה של דלק גרעיני (אורניום).
*182*
לפניכם טבלה ובה נתונים של כמות האנרגיה הנפלטת בשריפה של דלקים מאובנים (תהליך כימי) בהשוואה לאנרגיה הנפלטת בתגובה גרעינית. כפי שאפשר לראות בטבלה, בתהליך גרעיני מפיקים יותר אנרגיה מאשר משריפת דלקים מאובנים.
חומר הדלק, כמות חומר הדלק (גרם), כמות האנרגיה הנפלטת (ג'ול)
פחם, 1, 35,242
נפט, 1, 48,458
גז טבעי, 1, 55,066
דלק גרעיני (אורניום), 1, 8.1 כפול 10 בחזקת 10
(זכרו: לא כל אטומי האורניום שבדלק גרעיני הם איזוטופים בקיעים.)
(בספר תמונה:) כמות קטנה של דלק גרעיני (אורניום).
(בספר תרשים, היעזר במנחה:) כור גרעיני
שאלות
1. היעזרו בטבלה המשווה בין חומרי הדלק, וחשבו פי כמה גדולה כמות האנרגיה המתקבלת מ-1 גרם של אורניום בהשוואה לשריפת 1 גרם של (א) פחם; (ב) נפט; (ג) גז טבעי.
2. העתיקו אל המחברת את הטבלה שלפניכם, תנו לה כותרת והשוו בין תגובות כימיות לתגובות גרעיניות.
תא ריק, תגובות כימיות, תגובות גרעיניות
א. מספר האטומים מאותו הסוג במגיבים ובתוצרים (משתנה/אינו משתנה), --, --
ב. מה קורה לגרעיני האטומים המגיבים (משתנים/אינם משתנים), --, --
ג. המעורבים בתגובה (אלקטרונים/פרוטונים/נויטרונים), --, --
ד. כמות האנרגיה הנקלטת או נפלטת בתגובה (קטנה/גדולה), --, --
ה. תגובה של האיזוטופים השונים של אותו היסוד (זהה/שונה), --, --
ו. מסת המגיבים לעומת מסת התוצרים (משתנה/אינה משתנה), --, --
(בספר תרשים, היעזר במנחה:) כור גרעיני
- תהליכים גרעיניים הם תהליכים שבמהלכם מתרחש שינוי במבנה גרעין האטום ומשתחררת אנרגיה גרעינית עצומה.
- בתהליך ביקוע גרעיני מתבקעים גרעינים של אטומים כבדים ומתקבלים גרעינים בעלי מסה קטנה יותר.
- בתהליך מיזוג גרעיני מתמזגים גרעינים של אטומים קלים ומתקבל גרעין של אטום בעל מסה גדולה יותר. התהליך הזה מתרחש באופן טבעי במרכזי השמש והכוכבים.
*183*
מערכות להמרת אנרגיה גרעינית
האנרגיה הגרעינית ניתנת לניצול באופן מבוקר בכורים גרעיניים לייצור חשמל. בכורים גרעיניים מתבצע ביקוע גרעיני באופן מלאכותי ומבוקר. למעלה מ-50 מדינות בעולם מפעילות כורים גרעיניים לצרכים שונים. תחזיות מראות כי עד שנת 2040 תעלה צריכת האנרגיה הגרעינית בעולם בקצב של 2.5 אחוז בשנה, ובסופו של דבר תוכפל במהלך השנים הללו. הסיבות העיקריות לשימוש בכורים גרעיניים להפקת חשמל הן: הצורך בהפחתה משמעותית של מזהמים הנפלטים לאטמוספרה מתחנות כוח המבוססות על דלקים מאובנים, התמעטות מקורות הדלקים המאובנים, והרצון להשתחרר מן התלות במדינות השולטות על מקורות אנרגיה אלה.
קיימים סוגים שונים של כורים גרעיניים הנבדלים זה מזה בטכנולוגיה, בחומר הדלק ובשימושים שלהם. יש כורים גרעיניים להפקת חשמל ויש כורים גרעיניים לייצור חומרים רדיואקטיביים. תוצרי הביקוע הרדיואקטיביים מנוצלים בתחומים שונים כמו מחקר, תעשייה, חקלאות ורפואה. חלק מתוצרי הביקוע יכולים לשמש גם לייצור נשק גרעיני.
כיצד פועל כור גרעיני להפקת חשמל?
תחנת כוח גרעינית מפיקה חשמל בתהליך ביקוע גרעיני מבוקר הנקרא תגובת שרשרת מבוקרת.
(בספר תמונה:) כור גרעיני להפקת חשמל.
*184*
ליבת הכור - כאן מתחיל התהליך. בליבת הכור נמצאים מוטות אורניום מועשר, שהגרעין שלו ניתן לביקוע. בביקוע האורניום נפלט גם חום רב שמחמם את המים הנמצאים במגע עם מוטות האורניום. המים מוזרמים בצינור שנמצא במגע עם מכל מים גדול.
מוטות בקרה - מוטות (העשויים מגרפיט) המאפשרים לשלוט בקצב תגובת השרשרת הגרעינית ולמנוע פליטה של חום רב מדי.
טורבינה - המים שבמכל הגדול מתחממים והופכים לקיטור המפעיל טורבינה.
מחולל זרם (גנרטור) - הטורבינה המסתובבת מפעילה את מחולל הזרם שמייצר חשמל.
שאלה
לפניכם היגדים המתייחסים לתחנת כוח המבוססת על דלק גרעיני. אילו מהם נכונים?
א. כמות חומר הדלק קטנה בהשוואה לכמות חומר הדלק בתחנת כוח הפועלת באמצעות דלק מאובן.
ב. מקור האנרגיה הנפלטת הוא בתהליך כימי.
ג. ייצור החשמל מתבצע בגנרטורים המונעים באמצעות טורבינה.
ד. הקיטור שמניע את הטורבינה נוצר על ידי חימום מים בתהליך בעירה.
פעילות - משימת מידענות שיתופית
הקמת תחנת כוח גרעינית
(בספר תמונה:) סימון מוסכם לקרינה רדיואקטיבית.
במדינה מסוימת החליט שר האנרגיה לבנות תחנת כוח גרעינית שתייצר 3,000 מגה-ואט חשמל בשנה (בערך כמו כמות החשמל המיוצרת בתחנת הכוח בחדרה).
מטרת הפעילות: להכין עבור שר האנרגיה תכנית לפעילות הסברה שתתייחס להיבטים שונים, ליתרונות ולבעיות של הפקת חשמל באמצעות תחנת כוח גרעינית.
מהלך הפעילות:
א. התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תאסוף מידע על 3-2 מהנושאים שלפניכם ותערוך השוואה בין תחנה גרעינית לתחנה פחמית שמפיקה אותה כמות חשמל.
הסתמכו על מקורות מידע מהימנים בלבד, במיוחד כאלה המבוססים על נתונים מדעיים.
- היתרונות של תחנת כוח פחמית/גרעינית.
- החסרונות של תחנת כוח פחמית/גרעינית.
- עלויות הקמה של תחנת הכוח.
- זמינות מקורות אנרגיה (אורניום בטבע, פחם וכדומה).
- עלויות הובלה והפקה של חומרי הגלם.
*185*
- "זמן חיים" של תחנת הכוח (התקופה שהיא תמשיך לייצר חשמל).
- השטח הנדרש להקמת התחנה.
- שיקולים בטיחותיים ובריאותיים.
- שיקולים גיאולוגיים-סיסמולוגיים (כמו רעידות אדמה וגלי צונאמי).
- סוג הפסולת, כמות הפסולת ואמצעי הטיפול בה.
- מידת הסכנה להתרחשות תאונה, כשל במערכת הבקרה, דליפה של חומר רדיואקטיבי ועוד, ואפשרות הטיפול במקרים כאלה.
ב. כל קבוצה תציג בפני הכיתה את הממצאים שאספה ותציע תכנית הסברה המתבססת על המידע הנוגע לנושאים שבדקה.
(בספר תמונה:) פיצוץ גרעיני.
סיכום הפעילות:
1. תארו קשיים שהתעוררו בביצוע המשימה וכיצד התגברתם עליהם.
2. סכמו את השיקולים בעד ונגד הקמת תחנת כוח גרעינית על סמך המידע שהציגו כל הקבוצות.
3. ערכו הצבעה בכיתה ובדקו כמה תלמידים תומכים בהקמת תחנת כוח גרעינית וכמה תלמידים מתנגדים לה.
4. האם עמדתכם בנושא שימוש באנרגיה גרעינית לצורך הפקת חשמל השתנתה בעקבות לימוד הנושא? נמקו.
הידעתם?
נשק גרעיני - פצצת אטום
עם גילוי תהליך הביקוע הגרעיני, הבינו מדענים שאפשר לנצל את האנרגיה האדירה הנפלטת בתהליך הזה לפיתוח פצצות בעלות עוצמה רבה. ואכן, עוד לפני שהוקמו כורים גרעיניים להפקת חשמל, נוצלה האנרגיה הגרעינית לצורכי מלחמה.
במלחמת העולם השנייה חששה ארצות הברית שגרמניה הנאצית תקדים אותה בייצור פצצה גרעינית, ותשתמש בה במהלך המלחמה. החשש של ארצות הברית היה מבוסס על העובדה שביקוע גרעיני התבצע לראשונה בשנת 1939 בגרמניה. לכן החליטו האמריקאים להשקיע כספים רבים בתכנית שנקראה "פרויקט מנהטן", והצליחו לייצר פצצות גרעין שהוטלו על הערים היפניות הירושימה ונגסקי והביאו לסיום המלחמה.
אלברט איינשטיין, המדען הדגול, חשש מאוד מההשלכות של ייצור פצצות גרעין וכתב (תרגום חופשי של דבריו): "הגילוי של תגובות שרשרות גרעיניות לא צריך להביא להרס האנושות, כשם שגילויים של הגפרורים לא הביא לכך. אנו צריכים לעשות את כל שביכולתנו כדי למנוע ניצול לרעה של אנרגיה זו".
(בספר תרשים:) מידת החדירות של קרינה רדיואקטיבית
*186*
הרחבה
בריאות ואנרגיית קרינה רדיואקטיבית
הקרינה הרדיואקטיבית כוללת סוגים שונים של קרינה הנבדלים זה מזה ביכולת שלהם לחדור חומרים שונים. האיור שלפניכם ממחיש את כושר החדירה של סוגי הקרינה השונים.
(קרינת אלפא - נבלעת בנייר.
קרינת בטא - עוברת נייר ונבלעת ברדיד אלומיניום.
קרינת גמא - עוברת נייר ורדיד אלומיניום ונבלעת בעופרת או בטון.)
(בספר תמונה:) מכשיר טומוגרפיה ממוחשבת (CT) לאבחון רפואי. המכשיר מבצע מיפוי של האיברים, גודלם וצורתם נבדקים ומאותרים גידולים שונים. במהלך הבדיקה מזריקים חומר המכיל איזוטופ רדיואקטיבי המתרכז באיבר הנבדק. בעזרת הקרינה הנפלטת מן החומר הרדיואקטיבי אפשר לאתר את מיקומם של הגידולים.
כאשר קרינה פוגעת בתאים חיים היא עלולה לגרום לנזק חמור כתוצאה משינוי בהרכב ובמבנה החומרים הבונים את התא: כוויות בעור, הרס תאים ואף פגיעה ב-DNA.
במינונים נמוכים אפשר להשתמש באיזוטופים רדיואקטיביים לצרכים רפואיים כמו אבחון גידולים סרטניים או לטיפולי הקרנה המשמידים תאים סרטניים.
בשני המקרים, טיפול ואבחון, חשוב לבחור בחומר רדיואקטיבי שהגוף מפריש במהירות בתהליכי חילוף החומרים, או בחומר שדועך במהירות, כלומר מתפרק בפרק זמן קצר והופך ליסוד שאינו רדיואקטיבי ואינו מהווה סכנה.
(בספר תמונה:) מונה גייגר המודד קרינה רדיואקטיבית הנפלטת מחומרים שונים.
שימוש חשוב נוסף באיזוטופים רדיואקטיביים הוא תיארוך: קביעת גילם של סלעים או של ממצאים ארכיאולוגיים שונים באמצעות מדידת כמות האיזוטופים הרדיואקטיביים הנמצאים בהם.
(בספר תמונה:) בחירת נורות חסכוניות.
אמצעי הגנה מפני קרינה רדיואקטיבית
יש להקפיד על שמירת מרחק מתאים ממקור הקרינה, וכן על איטום הולם כדי למנוע דליפות. לקרינה הרדיואקטיבית יש חדירות מוגבלת ולכן אפשר לחסום אותה באמצעות חומרים מתאימים: קרינת אלפא ו-בטא אפשר לחסום באמצעות שכבה דקה של אלומיניום או פלסטיק, וקרינת גמא אפשר לחסום באמצעות שימוש בעופרת, בבטון, במים ועוד.
*187*
סיכום
- תהליכים גרעיניים הם תהליכים שבמהלכם משתנה המבנה של גרעין האטום.
- התפרקות רדיואקטיבית היא תהליך גרעיני המתרחש בטבע באופן ספונטני, ובמהלכו נפלטת קרינה.
- בתהליך ביקוע גרעיני מבקעים גרעינים של אטומים כבדים לגרעינים בעלי מסה קטנה יותר, ובמהלכו משתחררת אנרגיה גרעינית רבה.
- בתהליך מיזוג גרעיני מתמזגים גרעינים של אטומים קלים ומתקבל גרעין של אטום בעל מסה גדולה יותר. בתהליך זה משתחררת אנרגיה גרעינית עצומה.
- תהליכי מיזוג גרעיני מתרחשים באופן טבעי במרכזי השמש והכוכבים בטמפרטורות גבוהות מאוד של מיליוני מעלות צלזיוס.
- בכור גרעיני להפקת חשמל מתרחש ביקוע מבוקר של אורניום. בתהליך של תגובת שרשרת מבוקרת נפלטת אנרגיה רבה המומרת לאנרגיה חשמלית, ונפלטת קרינה מסוכנת לסביבה.
שאלות
1. בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על הפקת החשמל בכורים גרעיניים בכמה מדינות בעולם בשנת 2013. היעזרו בנתונים שבטבלה וענו על השאלות שאחריה.
מדינה, מספר כורים גרעיניים פעילים, קצב ייצור אנרגיה חשמלית (מגה-ואט), אחוזים מסך הפקת החשמל במדינה, גיל ממוצע של הכורים (שנים), מספר טורים גרעיניים בבנייה
ארצות הברית, 100, 98,903, 19, 34, 3
צרפת, 58, 63,130, 75, 28, 1
אוקראינה, 15, 13,107, 46, 25, 2
שבדיה, 10, 9,395, 38, 34, תא ריק
פינלנד, 4, 2,736, 33, 34, 1
קוריאה הדרומית, 23, 20,718, 30, 18, 4
אנגליה, 16, 9,243, 18, 30, תא ריק
ספרד, 7, 7,112, 21, 29, תא ריק
רוסיה, 33, 23,643, 18, 30, 9
גרמניה, 9, 12,068, 16, 28, תא ריק
קנדה, 19, 13,532, 15, 30, תא ריק
סין, 18, 13,816, 2, 8, 28
יפן, 44, 39,009, 2.1, 26, תא ריק
איראן, 1, 915, פחות מ-1, 2, תא ריק
(בספר תמונה:) בחירת נורות חסכוניות.
*188*
א. איזו מדינה מפיקה את הכמות הגדולה ביותר של חשמל מאנרגיה גרעינית ואיזו את הקטנה ביותר?
ב. באיזו מדינה אחוז החשמל המופק מאנרגיה גרעינית הוא הגבוה ביותר?
ג. באיזו מדינה מוקמים כעת מספר רב של כורים גרעיניים? מדוע לדעתכם?
2. אלברט איינשטיין אמר: "אינני יודע באיזה נשק יילחמו במלחמת העולם השלישית, אך במלחמת העולם הרביעית יילחמו במקלות ואבנים". דונו בכיתה על משמעות אמירה זו.
3. ציינו שני יתרונות ושני חסרונות להפקת אנרגיה חשמלית בכורים גרעיניים.
4. מה תפקידם של מוטות הגרפיט בליבת הכור הגרעיני?
5. מקור האנרגיה הנפלטת מן השמש הוא:
א. דלקים מאובנים.
ב. נויטרונים.
ג. ביקוע גרעיני אורניום.
ד. מיזוג גרעיני מימן לגרעיני הליום.
6. אילו מההיגדים שלפניכם נכונים?
א. הפרוטונים והנויטרונים שבגרעין מוחזקים על ידי כוח גרעיני חזק יותר מן הדחייה החשמלית בין הפרוטונים.
ב. תהליך גרעיני הוא תהליך שבו משתנה הרכב הגרעין.
ג. תהליכים גרעיניים מלווים בפליטה של אנרגיה רבה.
ד. בתגובה כימית נפלטת יותר אנרגיה מאשר בתגובה גרעינית.
7. לפניכם 4 משפטים שעוסקים בביקוע גרעיני. איזה מהמשפטים נכון?
א. התהליך מתרחש רק בשמש ובכוכבים אחרים.
ב. במהלך הביקוע משתחררת אנרגיה רבה וקרינה.
ג. בתהליך מתפרקות מולקולות לאטומים בודדים.
ד. בתהליך מתחברים שני גרעינים קלים לגרעין כבד.
8. אם יהיה אפשר לגרום למיזוג גרעיני בצורה מבוקרת, האם לדעתכם תהליך זה יכול להיחשב מקור אנרגיה מתחדשת? נמקו.
9. היעזרו בטבלה המחזורית וענו על השאלות:
א. האיזוטופ של אמריציום 241 (Am) המצוי בגלאי העשן אינו יציב. במהלך התפרקות רדיואקטיבית הוא פולט קרינת אלפא. אטום של איזה יסוד נוצר? מה מספרו האטומי ומה מספר המסה שלו?
ב. גרעין אטום האשלגן 40 (K) איננו יציב. הוא עובר התפרקות רדיואקטיבית שבמהלכה נפלטת קרינת בטא. אטום של איזה יסוד נוצר? מה מספרו האטומי ומה מספר המסה שלו?
*189*
פרויקט סיכום לספר: התייעלות אנרגטית
בספר זה למדתם על היבטים שונים, פיזיקליים וטכנולוגיים, של האנרגיה: סוגי אנרגיה, המרות אנרגיה, ודרכים לחישוב אנרגיה ולשימור אנרגיה.
כמו כן, עסקתם במערכות טכנולוגיות שונות המנצלות את האנרגיה לתועלת האדם. במשימת הסיום שלפניכם תכינו תכנית להתייעלות אנרגטית בבית ספרכם.
פעילות מסכמת - משימה שיתופית
תכנית להתייעלות אנרגטית בבית הספר
(בספר תמונה:) בחירת נורות חסכוניות.
כמעט כל תחום בחיינו תלוי באספקת אנרגיה, ובמיוחד אנרגיה חשמלית: אנו מאירים את הסביבה, ממזגים את החדרים, מפעילים מכשירים רבים, ומשתמשים באמצעי תקשורת כמו מחשבים, טלוויזיות וטלפונים סלולריים. אך לשימוש בחשמל יש גם מחיר סביבתי:
- פליטת גזים וחלקיקים המזהמים את הסביבה ופוגעים בבריאותנו.
- פליטת גזי חממה הגורמים לשינויי אקלים ולאירועי מזג אוויר קיצוניים (שיטפונות, שריפות, סערות עזות, בצורת וכדומה).
- הגברת קצב ההתכלות של משאבי טבע חשובים.
המחיר הסביבתי של השימוש בחשמל מחייב אותנו לצרוך אנרגיה בצורה חכמה ויעילה. אחת הדרכים שבהן אפשר להפחית את צריכת האנרגיה, ובעיקר את צריכת החשמל, בלי לפגוע ברמת החיים היא התייעלות אנרגטית. בדרך זו אפשר להשיג את כל השירותים החיוניים ולקבל מענה לכל הצרכים הנחוצים תוך שימוש בכמויות אנרגיה קטנות ככל האפשר.
*190*
מהנדסים, מדענים ואדריכלים בכל העולם עומלים על מציאת פתרונות טכנולוגיים שמפחיתים בצורה משמעותית את צריכת האנרגיה. גם אנחנו, ולא רק מומחים שונים, יכולים לפעול לניצול מושכל של משאבי אנרגיה, ואפילו באמצעים פשוטים כמו מניעת בזבוז ושינויים קטנים בהתנהגותנו.
האם תוכלו לשמש שגרירי אנרגיה ולגרום להתייעלות אנרגטית בבית הספר שלכם?
מטרת הפעילות
הכנת תכנית להתייעלות אנרגטית של בית הספר.
התכנית תכלול סקירה של צריכת החשמל בבית הספר, איתור מקרים של ניצול לא יעיל של חשמל, והצעות לשינוי ההתנהגות ולשימוש בפתרונות טכנולוגיים כדי לשפר את ההתנהלות האנרגטית בבית הספר. ההצעות המתאימות יבוצעו בפועל, ותיבדק השפעתן על צריכת החשמל הבית-ספרית.
מהלך הפעילות
שלב 1: דיון כיתתי
דונו בגורמים העלולים לגרום לצריכה לא יעילה של אנרגיה בבית ספרכם והציעו רעיונות לפעולות שישפרו את המצב. התייחסו לגורמים רבים ככל האפשר, כגון המכשירים והציוד הנמצאים בבית הספר, דרכי השימוש והתחזוקה שלהם, צבעי הקירות החיצוניים והגג של בית הספר, אמצעי אטימה והצללה וכדומה.
שלב 2: בדיקה מקדימה וביצוע סקר
א. תעדו את צריכת החשמל בבית הספר, כפי שהיא מופיעה במונה החשמל או בחשבון החשמל.
ב. תכננו סקר בקרב המורים, התלמידים והצוות הטכני בנוגע להרגלי התנהגות המשפיעים על צריכת החשמל בבית הספר.
לצורך כך נסחו שאלות שיעזרו לכם לקבל מידע על מה שקורה בבית הספר, כמו מיפוי הרגלי הכיבוי של מכשירי חשמל שונים (תאורה, מזגנים, מחשבים וכדומה) בזמן עזיבת הכיתות, סגירת חלונות ודלתות כאשר המזגנים בכיתות פועלים, התחושה בכיתות (חם מדי או קר מדי) וכדומה.
בקשו מהמשתתפים בסקר לציין בעיות שלדעתם צריך לפתור בנושא זה בבית הספר או נקודות שחשוב לשפר.
ג. הכינו תכנית פעולה מתאימה ולוח זמנים לביצוע הסקר בבית הספר שלכם. לדוגמה, תוכלו להתחלק לצוותים, וכל צוות יהיה אחראי על ביצוע הסקר בקרב קבוצה מסוימת של בעלי תפקידים בבית הספר.
ד. בצעו את הסקר וסכמו את התוצאות שלו.
(בספר תמונה:) בחירת נורות חסכוניות.
*191*
שלב 3: ניסוח הצעות להתייעלות אנרגטית
התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תסתמך על רעיונות שעלו בדיון ועל תוצאות הסקר, תאסוף מידע על נושא שייקבע מראש, תציע הצעות להתייעלות אנרגטית בנושא שבטיפולה ותציע דרך מתאימה לבדיקת הצעותיה.
את המידע שתמצאו סכמו בגרפים, בטבלאות או בכל דרך שמתאימה להצגתו בסיכום הפעילות. תוכלו לבחור נושא מהרשימה שלפניכם או כל נושא אחר שקשור למצב צריכת האנרגיה בבית הספר שלכם.
- תאורה
על חברי קבוצה זו לבדוק את הכמות ואת הסוגים של הנורות וגופי התאורה הנמצאים בכיתות, במסדרונות בית הספר, ובמקומות אחרים כגון אולם הספורט, חדרי סדנאות, ספרייה וחצר בית הספר.
חפשו מידע על העלות, על ההספק ועל הנצילות של הנורות הקיימות ושל נורות חסכוניות אחרות, וחשבו את החיסכון האנרגטי (בקילו-ואט-שעה) והכספי שאפשר להפיק מהחלפת אמצעי התאורה בבית הספר. היעזרו במה שלמדתם על הספק ועל נצילות בפרק האנרגיה החשמלית ובחישובים שערכתם שם.
(בספר תמונה:) בדיקה של איבוד חום אל הסביבה.
- חלונות ודלתות
על חברי קבוצה זו למדוד את הטמפרטורה בחוץ ולבדוק את מידת האיטום של החלונות והדלתות בכיתות ובחדרים אחרים שבהם האוויר מקורר או מחומם במשך שנת הלימודים. חפשו מידע על סוג הזכוכית בחלונות (זכוכית רפלקטיבית שמחזירה את רוב האור הפוגע בה, זכוכית שקופה "רגילה" וכדומה) ועל מידת השפעתה על הטמפרטורה ועל התאורה בחדר. חשבו את החיסכון האנרגטי שאפשר להפיק מהחלפת הזכוכיות בחלונות.
- מיזוג האוויר
על חברי קבוצה זו להשיג פרטים על גיל הציוד למיזוג האוויר (קירור או חימום) ועל איכותו, ולברר את דרך התחזוקה והטיפול בו (כמו ניקוי מסננים תקופתי וכיול התרמוסטט). יש לברר אם קיימת בבית הספר מערכת לוויסות הטמפרטורה (מערכת מרכזית או לכל מזגן בנפרד), למדוד את הטמפרטורה בחדרי הכיתות בזמן שמיזוג האוויר מופעל ובזמן שאינו מופעל, ולהשוות אותן לטמפרטורה הקבועה בתרמוסטט המזגן. חשוב לשים לב לכיוון התריסים של המזגן, שדרכם זורם האוויר הקר או החם אל החדר.
חפשו מידע על הקשר בין הטמפרטורה בחדר לבין צריכת החשמל של המזגן, וחשבו את החיסכון האנרגטי שאפשר להפיק מבחירה של טמפרטורה נוחה בחדר (לא נמוכה מדי בקיץ ולא גבוהה מדי בחורף).
- מאפייני הבינוי
על חברי קבוצה זו לאסוף מידע על הבינוי של בית הספר, כגון צבע הקירות החיצוניים, מבנה הגג וסוג הכיסוי שלו (הגג ישר או משופע, מכוסה ברעפים או בשכבת בטון, צבעו וכדומה), ולבדוק אם קיימים אמצעי הצללה על הקירות או על החלונות (במיוחד בצדי הבניין החשופים לשמש). היעזרו בפעילות שבעמוד הבא וחפשו ברשת מידע שיאפשר לחשב את החיסכון האנרגטי שאפשר להפיק מאמצעי הצללה או מאמצעי בינוי אחרים. אם לבית הספר שלכם יש תו תקן "ירוק", ציינו את המאפיינים המגבירים את היעילות האנרגטית שלו.
בדיקה של איבוד חום א'ל הסביבה
(בספר תמונה:) חשוב לכבות את המזגן ביציאה מהחדר.
*192*
פעילות - אל הרשת, הילקוט הדיגיטלי
תכנון בית חסכוני באנרגיה
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו אל הנושא חומרים - תכונות ושימושים, ובחרו ביחידת הלימוד תכנון בית מגורים חסכוני באנרגיה.
(בספר תמונת מסך מתוך האתר)
(בספר תמונה:) חשוב לכבות את המזגן ביציאה מהחדר.
בהדמיה שביחידת לימוד זו תוכלו לבדוק את ההשפעה של גורמים שונים על היעילות האנרגטית של בית.
הגורמים שאת השפעתם תוכלו לבדוק:
- חומרי הבנייה והבידוד של הקירות.
- הצבע וחומרי הבידוד של הגג.
- חומרי המסגרות וסוג זיגוג של החלונות.
- גודל החלונות.
- ההפרש בין טמפרטורת הסביבה לטמפרטורה בתוך הבית (בהדמיה הטמפרטורה בתוך הבית קבועה: 23 מעלות צלזיוס).
שימו לב ל"שעון" שבהדמיה. הוא מציג את קצב איבוד החום של הבית. ככל שקצב זה גבוה יותר, כך צריכת האנרגיה עולה, היעילות האנרגטית של הבית יורדת וחשבון החשמל מתייקר.
היעזרו בהדמיה בבחירת הגורמים שאתם בודקים במסגרת פרויקט ההתייעלות האנרגטית בבית הספר שלכם.
- נוהל כיבוי תאורה וציוד חשמלי
על חברי קבוצה זו לבדוק אם נוהלי הכיבוי של התאורה ושל הציוד החשמלי בבית הספר מותאמים לעוצמת התאורה בחוץ ולשעות הפעילות בבית הספר. למשל, לבדוק באילו מצבים מדליקים את האורות בבית הספר, האם מותקנים בחדרים גלאי תאורה ונפח או מפסקים אוטומטיים המכבים את התאורה (או את הציוד החשמלי האחר), מה רואים הראשונים שנכנסים בבוקר אל החדרים (כיתות, מעבדות, חדר ספורט וכדומה), ומה משאירים אחריהם האחרונים שעוזבים אותם בסוף יום הלימודים. בדקו וחשבו את צריכת החשמל של אמצעי התאורה המותקנים בכיתות במשך יממה אחת, וחשבו את החיסכון האנרגטי (קילו-ואט-שעה) והכספי כתוצאה מכיבוי האורות בכיתות למשך זמן מדוד (למשל שעה אחת בכל יום).
(בספר תמונה:) התקנת תאי שמש על הגג.
*193*
- תאי שמש
על חברי קבוצה זו לבדוק אם יש בבית הספר תאים סולריים (תאים פוטו-וולטאיים) ולברר איזה אחוז מצריכת החשמל תאים כאלה יכולים לספק. אם אין בבית הספר תאים כאלה, בררו אם יש מקום ושטח המאפשרים להתקין אותם (למשל על הגג). חפשו מידע שיאפשר לשקול את כדאיות ההתקנה של תאי שמש כאלה (לצורך תאורת בית הספר ומיזוג האוויר בו) לאור החיסכון האנרגטי שאפשר להפיק באמצעותם.
(בספר תמונה:) מונה חשמל.
שלב 4: בדיקת ההצעות להתייעלות אנרגטית
כל קבוצה תציג את הצעותיה להתייעלות אנרגטית ותנמק אותן בעזרת מושגים שנלמדו השנה, כגון מעברי אנרגיה, המרות אנרגיה, הספק, נצילות וכדומה. כל קבוצה תציע את הדרך המתאימה לבדיקת הצעותיה.
לדוגמה, אפשר להשוות את הטמפרטורות בכיתות ממוזגות כאשר הדלתות והחלונות פתוחים וכאשר הם סגורים, אפשר להקפיד על כיבוי אורות ומכשירי חשמל בכל המקומות שבהם לא מתקיימת פעילות באותה שעה או בזמן שהתאורה הטבעית חזקה מספיק, ולראות את ההשפעה של פעולה זו על צריכת החשמל של בית הספר, אפשר להשוות בין ההשפעה של מזגן על הטמפרטורה בכיתה להשפעה של מאוורר וכדומה.
בחרו הצעה אחת או יותר ובדקו אותה בבית הספר. אם ההצעה מחייבת פעולה בכל רחבי בית הספר, הכינו מסע הסברה: דפי מידע שתחלקו בבית הספר ובאמצעותם תשכנעו את כולם לשתף פעולה עם הבדיקות שבחרתם לבצע.
תעדו את צריכת החשמל הבית-ספרית לפני ביצוע הפרויקט, במהלכו ובסיומו. סכמו את תוצאות הבדיקות שביצעתם בגרפים, בטבלאות או בכל דרך שמתאימה להצגתן בסיכום הפעילות.
(בספר תמונה:) מונה חשמל.
שלב 5: סיכום הפעילות
הכינו תוצר שיתופי שבו תציגו את המידע שאספתם ואת התוצאות של החישובים שערכתם ושל הבדיקות שביצעתם. זה יכול להיות סרטון שבו מתועדים כל שלבי הפעילות, מאמר לעיתון או לאתר האינטרנט של בית הספר, כרזה ובה "אמנת התנהגות" להתנהלות חוסכת חשמל בבית הספר וכדומה.
*194*
מילון מונחים
אורך הגל - המרחק בין שתי נקודות זהות בשני גלים (פולסים) עוקבים בגל מחזורי.
איזוטופים - (ביוונית: איזו = שווה; טופוס = סוג, טיפוס) אטומים של יסוד מסוים שיש להם אותו מספר של פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים, כלומר מסתם שונה.
אנרגיה גרעינית - אנרגיה המשתחררת כאשר מתרחשים תהליכים גרעיניים שבהם משתנה המבנה של גרעיני האטומים.
אנרגיה חשמלית - האנרגיה שיש לחלקיקים בעלי מטען חשמלי (כגון אלקטרונים) הנעים בתנועה מכוונת (בכיוון מסוים) במעגל חשמלי סגור.
אנרגיה מכנית - סכום אנרגיית הגובה ואנרגיית התנועה שיש לגוף כלשהו.
אנרגיית גובה - האנרגיה שיש לגופים המוגבהים מעל משטח כלשהו (משטח הייחוס).
אנרגיית תנועה - האנרגיה שיש לגופים הנמצאים בתנועה.
ביקוע גרעיני - תהליך שבו גרעין האטום מתבקע (מתפצל) לגרעינים קלים יותר.
בליעת אור - קליטה של קרינת אור בחומר.
גוף אטום - גוף שהאור אינו יכול לעבור דרכו.
גוף שקוף - גוף המאפשר לאור לעבור דרכו.
גל מחזורי - נוצר כאשר יוצרים גלים (פולסים) בקצב קבוע.
החזרת אור - שינוי בכיוון התפשטות האור בעת שהוא פוגע במשטח כלשהו ושב ממנו אל הסביבה.
הספק חשמלי - כמות האנרגיה החשמלית המומרת במכשיר בכל שנייה.
התנגדות חשמלית - תכונה של נגד או של כל רכיב חשמלי אחר המבטאת את מידת ההתנגדות למעבר זרם חשמלי דרכו.
התפרקות רדיואקטיבית - תהליך גרעיני שבו גרעין האטום מתפרק באופן ספונטני והופך לאטום של יסוד אחר. בהתפרקות רדיואקטיבית נפלטת קרינה מסוגים שונים.
זמן תגובה - הזמן שחולף מרגע זיהוי הצורך לעצור ועד להתחלת הבלימה.
חום - אנרגיה העוברת מגוף שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר לגוף שהטמפרטורה שלו נמוכה יותר.
חום היתוך - כמות החום הכרוכה בשינוי מצב הצבירה ממוצק לנוזל או מנוזל למוצק.
חום כמוס - כמות האנרגיה הנפלטת או הנקלטת כאשר 1 ק"ג של חומר עובר ממצב צבירה אחד לאחר.
חום סגולי - כמות החום הנדרשת כדי לשנות את הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר במעלת צלזיוס אחת.
חום רתיחה - כמות החום הכרוכה בשינוי מצב הצבירה מנוזל לגז או מגז לנוזל.
טמפרטורה - מדד לאנרגיית התנועה הממוצעת של החלקיקים בחומר.
יסוד כבד - אטום שהגרעין שלו מורכב ממספר גדול של פרוטונים ונויטרונים.
מהירות הגל - המרחק שעובר גל בודד (פולס) במשך שנייה אחת. מהירות הגל תלויה בתווך שבו הגל מתקדם.
מיזוג גרעיני - תהליך שבו גרעין של אטום מתמזג עם גרעין אחר ליצירת גרעין כבד יותר.
מספר אטומי - מספר הפרוטונים בגרעין האטום (זהה למספר האלקטרונים באטום ניטרלי).
מספר המסה - סכום מספר הפרוטונים ומספר הנויטרונים שבגרעין האטום.
מעגל טורי - מעגל שהרכיבים החשמליים מחוברים בו ברצף, בזה אחר זה, ויוצרים מסלול אחד למעבר זרם חשמלי.
מעגל מקבילי - מעגל ובו מסלול ראשי המחובר למקור חשמל, ומהמסלול הראשי מסתעפים ענפים שבכל אחד מהם רכיב חשמלי אחד לפחות.
מרחק בלימה - המרחק שהרכב עובר מהזמן שבו מתחילים לבלום בבלימת חירום ועד שהוא נעצר לחלוטין.
מרחק העצירה - המרחק הכולל שרכב עובר מהרגע שבו הנהג או הנהגת הבחינו בצורך לעצור ועד לעצירתו המוחלטת. מרחק זה שווה לסכום של מרחק התגובה ומרחק הבלימה.
מרחק תגובה - המרחק שעוברת המכונית בזמן התגובה.
משטח ייחוס - המשטח שיחסית אליו מודדים את הגובה כשרוצים לחשב את אנרגיית הגובה.
מתח חשמלי - גודל המבטא את העוצמה שבה המקור החשמלי (ספק המתח) "דוחף" את האלקטרונים החופשיים במוליכים המחוברים במעגל.
נגד - רכיב חשמלי המתנגד למעבר הזרם דרכו. הנגד עשוי מחומרים מוליכים מסוימים (כגון מתכות).
נפיצת אור - הפרדה של האור הלבן למרכיביו כתוצאה משבירת האור ושינוי בכיוון התקדמותו, כאשר הוא עובר מתווך העשוי מחומר שקוף אחד אל תווך העשוי מחומר שקוף אחר.
נצילות - גודל המבטא את יעילותו של מכשיר חשמלי בהפקת סוגי האנרגיה הרצויים.
ספקטרום אלקטרומגנטי - כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית הנכללים בטווח אורכי הגל של הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים מן השמש.
ספקטרום האור הנראה - סדרת הצבעים המתקבלת מנפיצת האור הלבן.
עוצמת הזרם החשמלי - כמות המטען החשמלי העוברת דרך חתך הרוחב של המוליך בכל שנייה.
צל - אזור במרחב שבו מוסתר מקור האור ולכן הוא חשוך יותר מהסביבה.
צללית - אזור כהה הנוצר על גבי משטח כלשהו כאשר גוף אטום נמצא בין מקור אור לבין המשטח.
קרינה - אחת מהדרכים שבה אנרגיה עוברת ממקום למקום.
קרינת אלפא - פליטה של חלקיקי אלפא (2 פרוטונים ו-2 נויטרונים) מן הגרעין. לקרינת אלפא יש מטען חשמלי חיובי.
קרינת בטא - פליטה של חלקיקי בטא (אלקטרונים) מן הגרעין. לקרינת בטא יש מטען חשמלי שלילי.
קרינת גמא - קרינה אלקטרומגנטית, הנפלטת בדרך כלל יחד עם קרינת אלפא או בטא כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית. קרינת גמא היא חסרת מטען חשמלי.
קרן אור - קו ישר דמיוני המתאר את כיוון התפשטות האור במרחב. קרני אור אינן קיימות במציאות ואי אפשר לראותן. הן מיועדות רק להמחיש באמצעות ייצוג חזותי (סרטוט של חץ) את כיוון התפשטות האור.
רדיואקטיביות - פליטה ספונטנית של קרינה אלקטרומגנטית או של חלקיקים מגרעיני אטומים מסוימים.
שבירת אור - שינוי בכיוון התפשטות האור כאשר הוא עובר מתווך שקוף אחד אל תווך שקוף אחר. שינוי זה מתרחש במשטח המפריד בין שני התווכים.
תדירות - מספר הגלים (הפולסים) הנוצרים בכל שנייה.
*195*
סימנים מוסכמים ויחידות מדידה
יחידות מידה וייצוג מספרי של גדלים
השם, ייצוג מילולי, ייצוג מספרי
מגה, מליון, 10 בחזקת 6 (1,000,000)
קילו, אלף, 10 בחזקת 3 (1,000)
מילי, אלפית, 10 בחזקת מינוס שלוש (1/1,000)
מיקרו, מיליונית, 10 בחזקת מינוס 6 (1/1,000,000)
ננו, מיליארדית, 10 בחזקת מינוס 9 (1/1,000,000,000)
סימנים מוסכמים ויחידות מידה
הגודל, הסימון המוסכם, היחידות שבהן השתמשנו
אנרגיה, E, ג'ול, ואט-שנייה, קלוריה (1 ג'ול = 1 ואט-שנייה = 0.239 קלוריות)
אנרגיה חשמלית, Eelc, ג'ול, קילו-ג'ול, ואט-שנייה, קילו-ואט-שנייה
אנרגיית גובה, Eh, ג'ול, קילו-ג'ול
אנרגיית תנועה, Ek, ג'ול, קילו-ג'ול
גובה, h, מטר, סנטימטר (ס"מ), קילומטר (ק"מ)
דרך, s, מטר, סנטימטר (ס"מ), קילומטר (ק"מ)
הספק חשמלי, P, ואט (1 ואט = 1 ג'ול/שנייה), קילו-ואט, מגה-ואט
התנגדות חשמלית, R, אוהם
זמן, t, שנייה, שעה
עוצמת הזרם החשמלי, I, אמפר, מילי-אמפר, מיקרו-אמפר
חום, Eq, ג'ול, קילו-ג'ול, קלוריה
חום כמוס, L, ג'ול/ק"ג (ג'ול לק"ג)
חום סגולי, c, ג'ול/(ק"ג*מעלת צלזיוס) (ג'ול לק"ג למעלת צלזיוס)
טמפרטורה, T, מעלות צלזיוס
כוח הכבידה, g, ניוטון/ק"ג (ניוטון לק"ג)
מהירות, v, מטר/שנייה, קילומטר/שעה (קמ"ש) (1 מטר/שנייה - 1/3.6 קמ"ש; 1 קמ"ש = 36 מטר/שנייה)
מסה, m, גרם, קילוגרם (ק"ג)
משקל, W, ניוטון
מתח חשמלי, V, וולט, מילי-וולט, קילו-וולט
*196*
נוסחאות חישוב
הערך, נוסחת החישוב
אנרגיית גובה, Eh=W*h=m*g*h
שינוי באנרגיית גובה, dEh=W*dh=W*(h2-h1)
אנרגיית תנועה, Ek=1/2*m*v^2
מהירות, v=s/t
הזרם החשמלי (חוק אוהם), I=V/R
המתח החשמלי, V=I*R
התנגדות חשמלית, R=V/I
זרם במעגל מקבילי, Imain=I1+I2+I3+...
מתח במעגל חשמלי טורי, V=V1+V2+V3+...
מתח במעגל חשמלי מקבילי, V=V1=V2=V3=...
הספק חשמלי של מכשיר, P=Eelc/t
האנרגיה המומרת במכשיר חשמלי, Eelc=P*t=V*I*t
כמות החום הנוספת לגוף או הנגרעת ממנו, Eq=m*c*dT
חוק שימור המסה-אנרגיה, E=m*c^2
*197*
מקורות וזכויות
אנו מודים לאנשים ולמוסדות, אשר נתנו לנו את רשותם להשתמש בתמונות ובאיורים.
סוף הספר