new experiments on the kathode rays.€¦ · web viewאיך מודדים את כמות האור...

אוגדן למורה

בנושא: "קרינה וחומר"

בעריכת

רמי אריאלי

אמנון חזן

ברנד סרינג

עדי רוזן

קובי שוורצבורד

בת-שבע אלון

אסתר בגנו

2013 יוני

_________________________________ קובץ זה נועד אך ורק לשימושם האישי של מורי הפיזיקה ולהוראה בכיתותיהם. אין לעשות שימוש כלשהו בקובץ זה לכל מטרה אחרת ובכלל זה שימוש מסחרי, פרסום באתר אחר )למעט אתר בית הספר בו מלמד המורה(, העמדה לרשות הציבור או הפצה בדרך אחרת

כלשהי של קובץ זה או כל חלק ממנו.

תוכן העניינים

3מבוא

4מפרט פעילויות

8הפניות לחומרי רקע העוסקים בקרינה וחומר

11רשימת ציוד וחומרים לניסויים ולפעילויות

פעילויות לפי נושאים

17אופטיקה גאומטרית .1

105גלים מכניים חד-ממדיים .2

110התאבכות ועקיפה באור.3

117מודלים של האטום .4

184הדואליות של חלקיקים חומריים.5

191מבנה הגרעין ואנרגיית קשר גרעינית.6

205תגובות גרעיניות.7



מבוא

אוגדן הדרכה זה מציע למורים בראשית דרכם, וכן למורים ותיקים, מגוון פעילויות בנושא "קרינה וחומר" . האוגדן כולל את הנושאים שהועברו בהשתלמויות הרבות

שניתנו במהלך השנים בחסות המחלקה להוראת המדעים במכון ויצמן. חומרים אלו נועדו להרחבה והעמקה של הרקע המדעי הנחוץ להוראת התחום, דרכים לפיתוח חשיבה פיזיקלית על רעיונות מדעיים מרכזיים, דרכי טיפול בקשיי המשגה, קישורים

לאתרי אינטרנט, הדגמות, ניסויים, הפניות למאמרים רלוונטיים, סרטוני וידאו וקטעים מסרטים. האוגדן המוצע יכול לסייע למתכנני השתלמויות למורים, מדריכים ומורים

בגיוון ושיפור ההוראה בנושא "קרינה וחומר".



מפרט פעילויות

להלן פירוט הפעילויות המוצעות למורים על פי פרקי הלימוד:

אופטיקה גיאומטרית.1

התפשטות אור – הסתרה והחזרה – פעילות תכנון וביצוע של משימות יצירת1.1כתם צל וכתם אור, לפי דרישה.

אוריינטציה של דמות של עצם, במערכת מראות מישוריות – מה באמת הופכת1.2המראה המישורית?

הפריסקופ ופרויקטון בניית מערכת ייחודית המאפשרת ראייה מעבר1.3 (מסחרי ופריסקופPeriscopeלמחסומים – התבוננות מעבר למכשול. פריסקופ )

מתכוונן.

( מסחרי וחקירתPeriscope פעילות חשיפה בנושא: בניית פריסקופ )1.3.1פריסקופ מתכוונן

פרויקטון –תכנון ובנייה של מערכת ייחודית המאפשרת ראייה מעבר1.3.2למחסום

- כיצד ניתן ליצור, מעצם אחד, הרבה דמויות, בו זמנית, תוך קלידוסקופ 1.4שליטה במספרן?

כיצד ניתן להשתמש במראה מישורית, כאמצעי למדידת מרחק?1.5

מה רואים כאשר מתבוננים דרך חלון עבה, בעצם מואר בתאורה חזקה?1.6

( – איך ניתןCorner Cube = Retroreflector פינת קובייה – רטרו רפלקטור )1.7לגרום לאלומת אור, לחזור לכיוון ממנו היא מגיעה?

( – כיצד יוצרים דמות של עצם בתלתMirage אשליה אופטית )פרבולואיד 1.8ממד?



מראות כדוריות קמורה וקעורה, על מוט. איך מגדילים את שדה הראייה?1.9 מראה קמורה מסחרית )מראת נהג לרכב(. איך מגדילים את הדמות במראה?

)כדוגמת מראת איפור(.

מראה גלילית - קמורה וקעורה – כיצד משנים את שדה הראיה ושולטים1.10בגודל הדמות?

מה רואים, כאשר מתבוננים בעצם, דרך גליל מראה, כדור מראה וחרוט1.11(, כדור מראה )Anamorphic(, חרוט מראה )anamorphicמראה? גליל מראה )

Anamorphic.)

קולט פרבולואידי לאיסוף קרינה – איך אוספים כמות גדולה של אור לאזור1.12קטן?

ספירוגרף לייזר - אומנות אור בתנועה.1.13

כיצד ניתן לקבל אינסוף דמויות באמצעות מראות מקבילות?1.14

מהן השיטות למציאת מרחק מוקד של עדשה )דקה(?1.15

כיצד ניתן להשתמש בכדורי זכוכית, כעדשות מרכזות, וגם לגזור מהן עדשות1.16דקות?

עדשה גלילית - מהי עדשה גלילית וכיצד יוצרים הקרנה של פס דק של אור,1.17עם יכולת שליטה באורכו?

כיצד יוצרים פס דק של אור, עם יכולת שליטה באורכו?1.17.1

דמות של טקסט הנוצרת על ידי עדשה גלילית1.17.2

כיצד ניתן לראות את אלומת האור העוברת דרך עדשת נוזל כדורית?1.18

כיצד יוצרים "עדשת אוויר" בנוזל? מה קורה לאלומת אור מקבילה, העוברת1.19דרך עדשה שצורתה קמורה, מסוג זה?

כיצד ניתן להשתמש בעדשה מרכזת, כאמצעי למדידת מרחק?1.20

כיצד ניתן ליצור עדשה מרכזת גדולה, עד קוטר של מטרים )!(, קלת משקל,1.21זולה, בייצור המוני?



כיצד ניתן להשתמש בקונוס )חרוט( ממראות, לשליטה בתכונות אלומת אור )1.22Cone Optics?)

האם ניתן ליצור דמות ממשית באוויר ולראות )ולצלם( אותה ללא מסך?1.23

עוצמת האור של נורת פלואורסנט1.24

גלים מכניים חד-ממדיים.2

פעילות מתוקה – תכונות של גלים מכניים2.1

התאבכות ועקיפה באור.3

בניית ספקטרומטר3.1

מודלים של האטום. 4

קרני קתודה: חלקיקים או קרינה?4.1

זוהר מסתורי בתוך שפופרת ריק4.1.1

מהן קרני הקתודה?4.1.2

עדויות חדשות, אך הדילמה נמשכת4.1.3

מהו מטענן של קרני הקתודה? 4.2 הניסוי של פרין4.2.1 האם פרין צדק?4.2.2

פתרון תעלומת השדה החשמלי 4.3

קרני קתודה מוטות בשדה חשמלי4.3.1

ההסבר לתוצאות הניסוי.4.3.2

מציאת היחס בין מסת האלקטרון למטענו 4.4_________________________________

קובץ זה נועד אך ורק לשימושם האישי של מורי הפיזיקה ולהוראה בכיתותיהם. אין לעשות שימוש כלשהו בקובץ זה לכל מטרה אחרת ובכלל זה שימוש מסחרי, פרסום באתר אחר )למעט אתר בית הספר בו מלמד המורה(, העמדה לרשות הציבור או הפצה בדרך אחרת


המהלך התיאורטי המקדים4.4.1

ביצוע המדידה4.4.2

תוצאות ומסקנות4.4.3

Teltron חברת - מלטז צלב שפופרת באמצעות ניסוי4.5

הדואליות של חלקיקים חומריים.5

Teltron חברת" - אלקטרונים עקיפת "שפופרת באמצעות ניסוי5.1

מבנה הגרעין ואנרגיית קשר גרעינית.6

צפייה בסרט6.1

קריאת מאמר ראשון6.2

קריאת מאמר שני6.3

יום עיון - גרסה מלאה6.4

יום עיון - גרסה חלקית6.5

CMS מסלול ה-6.5.1

ATLAS/Zמסלול ה-6.5.2

רפלקציה6.6

תגובות גרעיניות .7

רואים קרינה קוסמית - בניית תא ערפל 7.1



הפניות לחומרי רקע העוסקים בקרינה וחומר

חומרי רקע

(. הפריסקופ, סיבוב המראות, והאוריינטציה של הדמות2005אריאלי, ר. ולנגלי, ד. ). ניתן לראות כקובץ אקרובט בכתובת:17-22, 25(1הניצפית. תהודה, )

http://stwww.weizmann.ac.il/ptc/Tehuda/25-1/17-22.pdf

(2(. בניית פריסקופ שאחת המראות בו ניתנת לסיבוב. תהודה, )2005אריאלי, ר. ). ניתן לראות כקובץ אקרובט בכתובת:28-31, . 25


(. דמויות במראה - אופטיקה, ראיה והכרה; סקירת מאמרים וחומר1994לנגלי, ד. )למחשבה. אלקטרונית49-55(, 3)16תהודה, נוסף בגרסה לקרוא ניתן .

בכתובת:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/MEGGY/tehuda/h163/m5163/m5163.htm

(. מיני פרויקטים בתכנית "פיזיקה ותעשייה":2006לנגלי, ד., אריאלי,ר. ואלון, ב.ש. ) ניתן. 21-31(, 2 )26גשרים בדרך לשילוב ידע פיזיקלי וידע טכנולוגי. תהודה,

לקרוא בגרסה אלקטרונית בכתובת:


Anicin, B. A., Babovic, V.M., & Davidovic, D. M. (1989). Fresnel lens. American

Journal of Physics, 57(4), 312-316.

Harris, W. S. (1983). The corner reflector. Mathematics Teacher, 76 , 92-95.

Heering P. & Osewold D. (eds.) (2007). Constructing Scientific Understanding

through Contextual Teaching. Berlin: Frank & Timme Publishers.







Heering, P. (2003). Analyzing unsuccessful experiments and instruments with the

replication method, Paper presented at the Itinerant Physicists of the 17th century

Conference, Pognana, Italy, June 1–6, 2003.

Matthews, M.R. (1994). Science Teaching. The Role of History and Philosophy of

Science. New York – London: Routledge.

Matthews, M.R., Bevilacqua, F. & Giannetto, E. (eds.) (2001). Science Education and

Culture: The Role of History and Philosophy of Science. Kluwer Academic

Publishers.

Metz, D. (2003). Understanding the Nature of Science through the Historical

Development of Conceptual Models, A paper presented at the Annual Meeting of

the National Association for Research in Science Education Conference,

Philadelphia, PA, USA. March 23–26, 2003.

Morton, N. (1991). Don't forget the reflector. Physics Education. 26, 243-248.

New experiments on the kathode rays. Nature, 53 (1370), 298-299.

Perrin, J. (1896). New experiments on the cathode rays. Nature, 53, 298-299.

Robb, N. I. (1991). Teaching reflection from corner cube reflector. The Physics

Teacher, 29(4), 255- 255.

Thomson, J.J. (1897). Cathode rays. Philosophical Magazine, 44(5), 293.

אתרים באינטרנט

"A fresh look at light: build your own spectrometer", Science in School, Issue 4,

March 2007.

"Taking Apart the Light", Originally published in The Technology Teacher, March

2002, by the International Technology Education Association.



http://spaceplace.nasa.gov/review/classroom-activities/pdf/eo3_spectroscopy.pdf

http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer

"Make your own Spectrometer", Cool Cosmic Web site,

http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_games/spectra/makeGrating.htm

National STEMמכונת הגלים נמצא בכתובות )הכתובת השנייה דורשת רישום לאתר

Center:)

https://www.youtube.com/watch?v=150kIA2l0uI

http://www.nationalstemcentre.org.uk/elibrary/resource/2096/wave-machine

מצויה בכתובת:e/mאנימציה המדגימה את השיטה הנ"ל למציאת

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072512644/student_view0/chapter2/

animations_center.html#

(:Mirageהסבר על אשליה אופטית )פרבולואיד

http://spie.org/etop/2007/etop07methodsv.pdf

CERN – http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.htmlאתר

בניית תא ערפל:

"Bringing particle physics to life: build your own cloud chamber", Science in School,

Issue 14, spring 2010.



http://www.scienceinschool.org/2010/issue14/cloud

http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html





http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072512644/student_view0/chapter2/animations_center.html





רשימת ציוד וחומרים לניסויים ולפעילויות

– אופטיקה גיאומטרית1לפרק

סנטימטרים, עם מגנט, לצורך חיבורן לזווית8*8 מראות מישוריות, כל אחת בגודל 2הברזל

מראות מישוריות, מחוברות לאורך ציר משותף2

מראות מישוריות מלבניות, בהן האורך גדול בהרבה מהרוחב4

דיודות פולטות אור, בצבעים שונים, מורכבות קבוע על מוט, במרחקים קבועים5אחת מהשנייה.

בסיס מגנטי ארוך + מחזיקים מגנטיים

גומיות

גלאי כיווני, הקולט אור רק מכיוון מוגדר

דבק חם

דף נייר לבן

דף נייר עם משבצות ריבועיות

חדר חשוך

כדור זכוכית גדול, עם עדשה דקה שנחתכה ממנו )מישורית קמורה(

כדור זכוכית קטן, עם עדשה דקה שנחתכה ממנו )מישורית קמורה(

לוח קאפה

לייזר פוינטר

מד זווית



(3600מד זווית, מודפס על נייר )

מחזיקי עדשות, עם מגנטים

מחזיר אור של אופניים בשני צבעים: שקוף ואדום

-ה למערכת מתייחסות זו בפעילות ההנחיות. אור חיישן עם A/D ומערכת, מחשבMultiLog 6.6 - 0 מדידתו שתחום אור חיישן עם Lux.

מכשיר לייזר

מכשיר קליידוסקופ מסחרי )צעצוע ילדים(

(Step Motorמנוע צעדים )

מסך

מסך גדול, הניתן להזזה, למרחקים שונים )נוח להשתמש במסך המחובר על זווית ברזל עם מגנטים(

בצידם הפנימי. מצופים במשטח מראה מספר מתקנים בצורת חרוטים קטומים, ההבדלים בין החרוטים יכולים להיות בפרמטרים המגדירים אותם )פעילות חקר של תלות התוצאה בפרמטר אותו משנים(: זווית ראש שונה, קוטר כניסה וקוטר

יציאה שונים, צורת אלומת האור הפוגעת )זווית התבדרות, מרחק, עוצמה(.

מספריים

בטלפונים משתמשים התלמידים )רוב התוצאות תיעוד לצורך לצילום, מצלמות החכמים(

)או יותר( דיודות פולטות אור צבעוניות )לדים = 3מקור אור המורכב מ- LEDs,) בצבעים שונים, המותקנות בשורה, במרחקים קבועים אחת מהשנייה.

מקור אור לבן חזק, הפולט אלומת אור מקבילה וצרה

מקור אור לייזר, הפולט אלומת אור מקבילה וצרה

)רצוי להט נורת כגון: נקודתי, אור מתאים2.5מקור אנרגיה ספק עם וולט(, סוללות( 2)לדוגמה: בית סוללות עם



מראה קעורה קטנה

משטח ברזל )שולחן למגנטים( + זוויות מתכת עם מגנטים, מגנטים נוספים להדבקהעל רכיבים.

גלילים, מצופים מבחוץ במראה גמישה )מודבקת(. כל גליל3משטח מראה גלילי - בקוטר שונה.

משטח מראה קוני - חרוטים, מצופים בצידם החיצוני במראה גמישה )מודבקת(. כלחרוט בקוטר שונה ובזווית ראש שונה.

משטחי מראה כדוריים בעלי קוטר שונה

משקולות )למניעת ציפה של עדשת האוויר(

מראות מישוריות מקבילות, שבאחת מהן יש חור במרכז2מתקן בו יש

דיודה, לייזר המכיל מוכן, מערכת3מתקן ועם מישוריות, מראות עם מנועים אלקטרונית לשליטה במהירות הסיבוב שלהם.

מתקן מסחרי עם מראה קמורה , צד אחד ומראה קעורה מצד שני

מתקן מסחרי קטן, המשמש למיקוד קרינת השמש

מתקן מסחרי של אשליה אופטית, המורכב משתי מראות בצורת פרבולואיד, אחתמול השנייה, כאשר באחת מהמראות יש פתח.

סנטימטר 1מתקן עם זכוכית עבה - רצוי בעובי גדול מ

מתקן עם מראה גלילית קמורה וקעורה

נורה להט קטנה, עם סוללות וחוטים להדלקתה

(הניסוי לביצוע מתאימה לתקרה הצמודה פלואורסנט נורת )פלואורסנט נורת

נייר דבק

(3Mנייר מיוחד עם מחזירי אור מיניאטוריים )מחברת

סכין חיתוך



סרגל

סנטימטר(.2-4עדשה גלילית עבה )חתוכה ממוט פרספקס בקוטר של

סנטימטר, עם מחזיק עדשה, על5-15עדשה מרכזת )דו קמורה(, מרחק מוקד של ספסל אופטי.

20, ו 15, 10עדשות "רגילות" של ניסויי האופטיקה, עם מרחקי מוקד של סנטיממטר

עדשות גליליות דקות )חתוכות ממוטות פרספקס בקטרים שונים(, או עשויות ממבחנות גליליות, המלאות גליצרין, שמקדם השבירה שלו זהה לזה של זכוכית

המבחנה(.

A,B,Cעדשות מרכזות, ועדשות מפזרות, מקיט האופטיקה עדשות

עדשת אוויר דו קמורה

עדשת נוזל כדורית ממבחנה גדולה, מלאה מים עם פלואורסין.

עדשת פרנל

עצם קווי, ארוך יותר מרוחב המראה )עיפרון ארוך(

עצם קווי שיש לו כיוון, והוא באורך הקטן מאורך המראה )עיפרון קצר(

עצם קטן, לשים בין המראות

פוליגל

פינת קובייה מסחרית גדולה

פינת קובייה משולשת, עם פילטר אדום

פינת קובייה קטנה שנבנתה על ידי תלמידים

פנס גלילי )רצוי פנס עם דיודות פולטות אור לבן( וספק להפעלתו

, עם ספק להפעלתוFפנס עם מסך בצורת

ביניהן(.450 מראות מקבילות בזווית של 2פריסקופ מסחרי )_________________________________



פריסקופ מתכוונן, בו שתי המראות נותרות מקבילות אחת לשנייה, אך בזווית הניתנתלשינוי

פריסקופ, שהזווית של אחת המראות ניתנת לסיבוב סביב ציר הפריסקופ

קרטון ביצוע

קרש חיתוך

תמונות צבעוניות על נייר

– גלים מכניים חד-ממדיים2לפרק

לכל קבוצה:

מטר2.5סרט הדבקה באורך של

כני מעבדה4

שני מוטות מתכת/פלסטיק באורך של לפחות שיפוד עץ

כליבות2

שיפודי עץ50

סוכריות ג'לי / מרשמלו / פלסטלינה100

שעון עצר

– התאבכות ועקיפה באור3לפרק

קופסה סגורה - המתאימה ביותר היא קופסת קורנפלקס

)אפשר תקליטור חדש ואפשר גם משומש(DVD או CDתקליטור

מספרים / סכין יפנית_________________________________



סרט הדבקה אטום

– מודלים של האטום4לפרק

(TEL 523) מלטז צלב שפופרת

(TEL 501) לשפופרת כן

חילופין או ישר מתח ומקור וולטמטר הכולל (5,000V - 0) גבוה ישר מתח ספק6.3V של

מוליכים תילים 6

מגנט

יחיד הלמהולץ סליל

נמוך ישר מתח ספק

משתנה נגד


– הדואליות של חלקיקים חומריים5לפרק

(TEL 555)" אלקטרונים עקיפת "שפופרת


- 0) גבוה ישר למתח ספק 5,000V) או ישר מתח ומקור וולטמטר הכולל 6.3V של חילופין

מוליכים יליםת 4



– מבנה הגרעין ואנרגיית קשר גרעינית6לפרק

מערכת אודיו-וידיאו לצפייה בסרט

להפעלת הסימולטוריםGoogle Chrome ו-Javaמחשב אישי מהיר עם

Excelלעיבוד נתונים

– תגובות גרעיניות7לפרק

(.isopropanol 99.5%אלכוהול )

קרח יבש

כפפות מבודדות )זוג לכל קבוצה(

פלטת מתכת שחורה )לכל קבוצה(

מטלית סופגת )לכל קבוצה(

סרט הדבקה מבד

כוס פלסטיק שקופה )לכל קבוצה(

פנס



אופטיקה גאומטרית.1

יישומים טכנולוגיים של אופטיקה גיאומטרית ורכיבים אופטיים

ד"ר רמי אריאלי ( זה פותח על ידי 1.1-1.23מקבץ פעילויות )

)חלק מהפעילויות המתוארות, פותחו ביחד עם ד"ר דורותי לנגלי(

מבוא

האם "רכיב אופטי" הוא הבעיה, או הפתרון לבעיה?

במסגרת הוראת הפיזיקה בתיכון, הרכיב האופטי )כגון מראה, או עדשה( בדרך כלל , ועליו שואלים שאלות חישוביות )דוגמאות של בעיות מסוף הפרקהבעיהמהווה את

בספר(.

"בעיה" אופיינית, כפי שהיא מופיעה בספרי הלימוד, מתייחסת אל הרכיב האופטיכאל בעיה, לדוגמה:

___ נמצא במרחק . עצם ___ "נתונה עדשה מרכזת, עם מרחק מוקד מהעדשה. היכן מתקבלת דמות העצם דרך העדשה?"

ההתייחסות במציאות היא, שיש להתייחס לרכיב אופטי, כאל פתרון לבעיה:

?איך ניתן להטות ממסלולה אלומת אור, כך שתתקדם לפי כיוון מוגדר מראש

?איך מודדים מרחקים, באמצעות שימוש במראה מישורית

? ____ איך מודדים את כמות האור האדום ב

כיצד ניתן לקלוט אור חלש )לייזר המוחזר מעצם רחוק(, בנוכחות אור חזק בסביבה?

.פתרון לבעיות במסגרת הנוכחית, נראה כיצד ניתן להתייחס לרכיבים אופטיים כאל

האור התקדמות כיוון שינוי כגון: אופטי, רכיב של המיידי האופטי ליישום פרט באמצעות החזרה ממראה, או מיקוד אלומת אור באמצעות עדשה, ניתן "להנדס"



את הרכיב האופטי לביצוע משימות מורכבות, ליצירת פתרונות טכנולוגיים לבעיותאמתיות מחיי היום-יום.

להלן מוצעות מספר פעילויות למורים לביצוע עם התלמידים, בדרך כלל באמצעותציוד פשוט וזמין.

רקע מדעי )דורותי לנגלי ורמי אריאלי(

)בשני מאמרים שפורסמו בעיתון מורי הפיזיקה: "תהודה", הוסבר נושא הפריסקופ

, כולל פעילות חקר לתלמידים בנושא. הפעילות המתוארת במאמר זה, מהווה(1,2 לתלמיד, שמופיעה בהמשך(, ופותחה,3מבוא לפעילות הפריסקופ )שהיא פעילות

לאחר שהתברר כי לתלמידים מסוימים יש קשיים בהבנת הנושא. אנו מציעים מספר רעיונות למורים, להוראה מעט שונה של נושא היווצרות דמויות במראות מישוריות.

לשם כך, תחילה מעט רקע לנושא האוריינטציה של דמות במראה מישורית:

ניסיון החיים מלמד אותנו כיצד נראית דמותנו הניבטת במראה מישורית.

כאשר מרימים יד שמאל אל מול המראה, נדמה לנו, כאילו הדמות המשתקפתבמראה מרימה את יד ימין שלה.

ש"מראה התפיסה מהתלמידים רבים אצל מושרשת זה, חיים מניסיון כתוצאה המראה מול אל תלמיד מציבים כאשר שמאל". ימין כיוונים: הופכת מישורית דומות גירסאות רואה, מקבלים הוא ומבקשים ממנו לתאר את מה המישורית,

,900המשקפות תפיסה זו. גם כאשר מסובבים את המראה המישורית בזווית של סביב ציר העובר במרכזה, ושואלים את התלמיד האם עכשיו המראה הופכת את"הופכת" בדיוק מה לקלוט מצליח הוא אין עדיין ולמטה", "למעלה הכיוונים

המראה המישורית.

הסבר מדעי לתופעה, הכולל סקירת ספרות מדעית בנושא, פורסם בעיתון "תהודה". וניתן לקרוא אותו בגירסה אלקטרונית בכתובת:49-55(, עמודים 3)16


הפעילות הכיתתית המתוארת בהמשך, מאפשרת להתמודד עם תפיסה מוטעית זו.




תחילה מסבירים לתלמידים שכדאי להוציא את עצמנו מתהליך המדידה, ולנסותלהתבונן בחפצים דוממים )עצמים( ובדמויות המתקבלות מהם במראה.

סדרת הדגמות, לפני ביצוע הפעילות עם התלמידים:

מניחים עצם קווי )חד ממדי( שיש לו כיוון מוגדר.1 )עיפרון עם חוד, או נר עם פתיל( אל מול המראהלמישור מקביל העצם שציר כך המישורית, ורואים המשטח, על מונח העצם המראה. במראה המתקבלת הדמות של שהאוריינטציה המישורית, היא ישרה )ללא כל היפוך(, כלומר האוריינטציה שלה זהה לזו

של העצם. )ראו תמונה(.

מסובבים את העצם הקווי במישור המקביל למראה, )סביב.2כך שהפעם העצם מאונך למשטח ציר המאונך למראה, הדמות של באוריינטציה וצופים למראה( מקביל ועדיין )ראו העצם. של לזו זהה זה, במקרה שגם המתקבלת,

תמונה(

ו 1כדי לשלב את המסקנות מהדגמות , מוסיפים2 אחר(, בצבע )רצוי דומה קווי עצם הקווי, לעצם

של בזווית אליו )באמצעות900המחובר פלסטלינה(. מתבוניים בדמות של העצם הדו ממדי המורכב משני העצמיםהקוויים המחוברים, כאשר הם נמצאים במישור המקביל למראה. )ראו תמונה(.



הנמצאים.3 עצמים של הדמות כי שנוכחנו לאחר במישור המקביל למראה אינה מתקבלת "הפוכה"ניתן להבין שמראה זהה לזו של העצם(, )הדמות מתקבלת באוריינטציה מישורית אינה "הופכת ימין שמאל". כדי להבין מה בעצם מתהפך בין העצם לדמותו במראה מישורית, משתמשים בעצם קווי שלישי )רצוי בצבע שונה(, אלא שהפעם מציבים אותו כך שהוא מאונך למראה, וקצהו קרוב אליה. התלמידים מתבוננים בדמות של העצם הקווי, ורואים שהאוריינטציה שלה הפוכה. חלק הנר שהיה קרוב למראה, גם החלק המתאים של הדמות קרוב

למראה. )ראו תמונה(.

כדי לשלב את כל המידע שראינו עד עתה, מצרפים את העצם הקווי השלישי.4 אל שני העצמים הקודמים, כך שנוצרת מערכת ישרת זווית, בה כל אחדהעצם של בדמות במראה מתבוננים לחבריו. מאונך הקוויים מהעצמים התלת ממדי, ומבחינים מה בדיוק "הופכת" המראה )בכיוון המאונך אליה(.

)ראה תמונה(

לאחר מכן, התלמידים צופים בהדגמת הדמויות של עצם המתקבל בקליידוסקופשינוי ציר המאפשר את על מישוריות המחוברות המורכב משתי מראות פשוט, הזווית ביניהן. הם מקבלים משימה לשיעורי הבית למצוא את הקשר בין הזווית ביןהדמויות של האוריינטציה את להסביר וכן הדמויות, מספר לבין המראות

של זוויות עבור לתמונות דוגמאות ו 600, 300המתקבלות. לראות900, ניתן , בתמונות הבאות:



במראה דמות יצירת של מחשב בהדמיית גם המלווה ההדגמות, סדרת לאחר ב לדוגמה )כמו הלייזריםמישורית אריאלי:אתר רמי של

http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserheb(, כדאי שהתלמידים יבצעו )בזוגות( את : "אוריינטציה של דמויות במראות מישוריות", המתוארת בהמשך.2פעילות

ביבליוגרפיה

הדמות.1 של והאוריינטציה המראות, סיבוב "הפריסקופ, ראשון: מאמר . ניתן לראות אותו כקובץ2005, 17-22, עמודים 25( 1הניצפית", תהודה )אקרובט, בכתובת:


(2מאמר שני: "בניית פריסקופ שאחת המראות בו ניתנת לסיבוב", תהודה ).2. ניתן לראות אותו כקובץ אקרובט, בכתובת:2005, 28-31, עמודים 25


לתופעה.3 מדעי ספרותהסבר סקירת כולל מישורית, במראה דמויות של וניתן לקרוא49-55( עמודים 3)16מדעית בנושא, פורסם בעיתון תהודה" .

אותו בגירסה אלקטרונית בכתובת:


בהתאם לכמות הזמן שיש למורה, ניתן להיעזר לצורך המחשת המושגים בכיתה,ברשימת ההדגמות הבאות.






http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserheb

http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserheb/default.asp

: התפשטות האור, הסתרה והחזרה1.1פעילות

מטרת הפעילות

בפעילות זו התלמידים מתנסים בתכנון וביצוע של משימות יצירת כתם צל וכתם אור,לפי דרישה.

ציוד וחומרים

תלמידים בעמדה(:2לכל עמדת ניסוי )עד

)רצוי נורת להט כגון: נקודתי, אור אנרגיה מתאים2.5מקור וולט(, עם ספק סוללות(.2)לדוגמה: בית סוללות עם

מראות מישוריות, כל אחת בגודל 2 סנטימטרים, עם מגנט, לצורך חיבורה8*8 לזווית הברזל.

מסך עם מגנט, לחיבורו לזווית הברזל.

נוספים מגנטים מגנטים, עם מתכת זוויות + למגנטים( )שולחן ברזל משטח להדבקה על רכיבים.

דף לבן, סרגל, מד זווית, פוליגל, מספריים, נייר דבק, סכין חיתוך עם קרש חיתוךמתאים.

בטלפונים משתמשים התלמידים )רוב התוצאות תיעוד לצורך לצילום, מצלמות החכמים(.

דפי פעילות לתלמידים

התפשטות האור, הסתרה והחזרה



משימה א

הציבו את הרכיבים המתאימים על הדף הלבן, המונח על משטח הברזל, כךא. של מחסום, שרוחבה, גדולצלליתשתיווצר ממקור האור הנקודתי, על המסך,

מרוחב המחסום.1.5פי

הנתוניםב. כל את ורשמו מדדו הרכיבים. מיקום את הלבן הדף על סמנו הרלוונטיים.

, המתאר ומסביר את התופעה בה צפיתם.תרשים קרנייםשרטטו על הדף ג.

ניתן לבצע את המשימה הנתונה בסעיף א, במיקום שונה של אותםד. האם רכיבים? נמקו.

בין הגדלים שמדדתם במערכת?הקשר המתמטי: מה אתגר לחשיבה בביתה. תארו בכתב ובאיור, מהי הדרך הנוחה ביותר להצבת הרכיבים, להשגת המטרה.

משימה ב

,ייווצר כתם אורהציבו את הרכיבים המתאימים על הדף הלבן, כך שעל המסך א.ש8ברוחב אור, אלומת מפגיעת כתוצאה ס"מ, המדומה נמצאמרכזה ,

ס"מ מן המסך.12במרחק של

הנתוניםב. כל את ורשמו מדדו הרכיבים. מיקום את הלבן הדף על סמנו הרלוונטיים.

, המתאר ומסביר את התופעה בה צפיתם.תרשים קרנייםשרטטו על הדף ג.

האם ניתן לבצע את המשימה הנתונה בסעיף א, עם מיקום שונה של אותםד.רכיבים? נמקו.

: מה הקשר המתמטי בין הגדלים שמדדתם במערכתם? תארו בכתבאתגר א'ה.ובאיור, מהי הדרך הנוחה ביותר להצבת הרכיבים להשגת המטרה.

: האם ניתן לבצע משימה זאת, תוך שימוש ברכיבים הבאים בלבד:אתגר ב'ו.נורית להט, מראה מישורית אחת, מסך, ללא שימוש במחסום נוסף.



משימה ג )אתגר לחשיבה בבית(

נמצא למסך הלייזר בין נקודה. בעיפרון מסומנת עליו ומסך, לייזר, לרשותכם ישיר בין הלייזר לנקודה על המסך(. עליכםמחסום אטום לאור )אין קו ראייה

להציב את הרכיבים המתאימים על הדף הלבן, כך שעל הנקודה המסומנת עלור מהלייזר. שרטטו את מסלול האור מהלייזר למסך.יואר כתם אהמסך,

משימה ד )אתגר לחשיבה בבית(

אם נעמיד גוף קטן )לדוגמה סיכה(, על נייר, לפני מראה מישורית, תארו בשרטוט שדה הראייה )האזור ממנו ניתן לראות את דמות העצם במראהעל הנייר, את

(. הסבירו מהם הפרמטרים הקובעים אזור זה? של הדמות

: אוריינטציה של דמות של עצם, במערכת מראות מישוריות1.2פעילות


פעילות זו מהווה בסיס לפעילות פרויקטון חקר המוצעת בהמשך, כך שכדאילהתעמק ברקע התיאורטי. לכן, כדאי להזכיר לתלמידים כי:

מראה מישורית יוצרת מעצם נקודתי דמות נקודתית מדומה, שמרחקה מן המראה, שווה למרחק העצם ממנה.

.דמות מדומה היא דמות הנוצרת מהמשכי אלומות הקרניים המוחזרות מהמראה

.דמות ממשית היא דמות הנוצרת מאלומת קרני האור עצמן המגיעות לצופה



יוצרת דמות יכול להיחשב כמורכב מאינסוף נקודות, אשר המראה עצם קווי נקודתית של כל אחת מהן.

.ציר העצם הקווי הוא קו דמיוני הנמשך לאורך העצם הקווי

"אוריינטציה" פירושה כיוון, מצב במרחב, נטייה ובהשלכה גם גישה, נקודת מבט.

המובילה את הניסוי היא: כיצד משפיעה הזווית בין מישור המראה,שאלת החקר לציר של העצם הקווי, על האוריינטציה של הדמות הנוצרת במראה, יחסית לעצם?

באופן יותר מפורט, אנו רוצים לדעת את התשובה לשאלה: כאשר מישור המראה , לעומת ציר העצם )במגמה מסוימת(, איזו זווית יוצרת הדמות עם ציריוצר זווית

העצם, ובאיזו מגמה?

ניתן לגשת לשאלה הזאת בגישה תיאורטית ובגישה אמפירית )ניסויית(. בפעילות הבאה, נבדוק מספר מצבים באופן אמפירי ולאחר מכן, תוכלו להסביר את

הממצאים האמפיריים, באמצעות ניתוח תיאורטי.


מגנטי2 )שולחן אופקי מישור על יציב שניתן להציבן באופן מישוריות, מראות וזוויות(.

עצם קווי שיש לו כיוון, והוא באורך הקטן מאורך המראה )עיפרון קצר(.

עצם קווי מאותו סוג, ארוך יותר מרוחב המראה )עיפרון ארוך(.

מכשיר כתיבה, נייר לבן עליו מסמנים את מיקום הרכיבים והדמויות.

מד זווית, סרגל.


אוריינטציה של דמות של עצם, במערכת מראות מישוריות_________________________________



חלק ראשון: דמות של עצם קווי במראה מישורית

מהלך הניסוי

: מקמו את המראה המישוריתאיתור מקום הדמות בשיטת ביטול הפרלקסה.1נייר לבן, כך שתהיה מאונכת לשולחן. דף נוח לבצע זאת על השולחןעל

המישורית.המגנטי המראה לפני הקווי( )העצם הקצר העיפרון את הניחו . , תוך התבוננות בדמותמאחורי המראההשתמשו בעפרון הארוך והניחו אותו

כך שהעיפרון הארוך הבולט משני צידי המראה, ייראההמשתקפת במראה, במראה הנראית הדמות דרךכהמשך בדמות ההתבוננות זווית את שנו .

. חושחפיפה בין הדמות לבין המשכי העיפרון הארוךהמראה, עד שתקבלו הראייה שלנו מאד מוצלח בקביעת מיקום במרחקים קטנים ולאחר אימון קצר

תצליחו במשימה זאת.

לאחר הצבת העיפרון הארוך במקום המתאים, סמנו את מיקומו באמצעות כלי.2 השאירו את המראה המישורית במקום קבועכתיבה אחר. במהלך הניסוי

שיסומן בקו על הדף הלבן, ושנו בהדרגה את הזווית בין מישור המראה לציר העצם )נוח ביותר לבצע זאת על ידי סיבוב העצם הקווי, סביב ציר אנכי המאונך

כולם מסובבים את העצם בכיוון מגמת התקדמותלמרכזו(. לצורך אחידות, , ואת כל הזוויות מודדים באותה מגמה, לעומת הציר האופקי.מחוגי השעון

עבור כל מצב, סמנו על הנייר את הקו המייצג את מיקום העצם הקווי, את מישור.3 המראה וכן את הקו המייצג את ציר הדמות. בין הקווים הנוצרים על דף הנייר,

נוח למדוד מרחקים וזוויות.

מדדו את הזווית בין ציר העצם לציר הדמות ואת מגמת הסיבוב )עם/ נגד מגמת.4מחוגי השעון( ורשמו בטבלה.

הזווית בין מישור המראהלציר העצם.

)סיבוב העצם עם מגמתמחוגי השעון(

04590135180225270



הזווית בין מישור המראהלציר הדמות

הזווית בין ציר העצם לצירהדמות

לעומת ציר העצם )במגמה: כאשר מישור המראה יוצר זווית מסקנה מסוימת(, יוצרת הדמות זווית _____ עם ציר העצם. האם הדמות הסתובבה

במגמה זהה, או נגדית, לכיוון הסיבוב של העצם?

הסבירו את הממצאים שלכם באמצעות חוקי האופטיקה הגיאומטרית )שרטוטים.5דמויות ויוצרות של אלומות אור היוצאות מהעצם, פוגעות במראה המישורית,

מדומות(.



חלק שני: דמות של עצם קווי במערכת שתי מראות מישוריות

הוסיפו מראה מישורית נוספת למערכת.

:1ניסוי

. במקבילהציבו את המראות זו מול זו, .1

הציבו עצם קווי קטן ביניהן, כך שצירו.2והוא מקביל המראות, למישורי שתיבמרכז בין

המראות )כמוראה בתרשים(.

התבוננו באחת המראות, באופן שתוכלו לראות את הדמויות המשתקפות בה. .3

תארו את האוריינטציה של הדמות הראשונה והשנייה הניצפות במראה, יחסית.4 לציר העצם )זווית ומגמה(. נסו למצוא קשר מתמטי, המתאר את המרחק בין

הדמויות הנוצרות.

ותארו מה השתנה. מה הקשר המתמטי.5 קרבו את העצם לאחת המראות, המתאר את המרחק בין הדמויות עתה? נסו למצוא קשר כללי בין כל הדמויות

הנוצרות בשתי המראות.

הסבירו את התופעות בהן צפיתם, לאור מסקנותיכם.6מהניסוי שביצעתם עם מראה מישורית אחת.

קווי .7 עצם עבור התהליך על מקבילחזרו שאינו )נמצא בזווית(. תחילה מקמו אותולמישור המראות

במרחק שווה משתי המראות, ותארו את האוריינטציה)זווית לציר העצם יחסית הניצפות במראה, והשנייה הדמות הראשונה של ומגמה(. נסו למצוא קשר מתמטי המתאר את המרחק בין הדמויות הנוצרות.

מקמו את העצם הקווי קרוב יותר לאחת משתי המראות המקבילות, ובצעו.8שוב את המדידות.

סכמו את מסקנותיכם לגבי המרחק היחסי )קשר מתמטי( בין כל שתי דמויות.9סמוכות המתקבלות במראה.



:2ניסוי

הציבו את שתי המראות באופן שמישוריהן מקבילים, אך אין חפיפה.1 .אין לשתי המראות אנך משותףבין השטחים מול המראות. כלומר

הציבו עצם קווי קטן מול אחת המראות, כך שצירו מקביל למישורי.2באופן השנייה, במראה התבוננו בתרשים(. )כמוראה המראות

שתוכלו לראות את הדמות של העצם הקווי המשתקפת בה.

העצם.3 לציר יחסית הניצפית, הדמות של האוריינטציה את תארו )זווית ומגמה(. יש להראות בשרטוט היכן נמצאת העין הצופה ביחס

למערכת.

הסבירו את התופעה לאור הניסוי הקודם..4

חזרו על התהליך עבור עצם קווי שאינו מקביל למישור המראות..5

כיצד משפיע מיקום העצם )מרחקו מהמראה הראשונה( על מיקום הדמות.6המתקבלת במראה השנייה?

:3ניסוי

באופן .1 המראות את ניצביםהציבו לזה,שמישוריהן זה כשהמשטחים המחזירים "רואים זה את זה".

הציבו עצם קווי קטן מול אחת המראות, כך שצירו מקביל למישור.2באופן השנייה, במראה התבוננו בתרשים(. )כמוראה המראה

שתוכלו לראות את הדמות המשתקפת בה.

הניצפית יחסית לצירהראשונהתארו את האוריינטציה של הדמות .3העצם )זווית ומגמה(.



הסבירו את התופעה לאור הניסוי הקודם..4

.עצם קווי שאינו מקביל למישור המראותחזרו על התהליך עבור .5

כיצד משפיע מיקום העצם )מרחקו מהמראה הראשונה( על מיקום הדמות.6המתקבלת במראה השנייה?

דוגמאות לתמונות של ביצוע הניסויים:



הפריסקופ ופרויקטון – תכנון ובנייה של מערכת ייחודית: 1.3פעילות המאפשרת ראייה מעבר למחסום


בפעילות זו יתנסו התלמידים בתהליך תיכון של מוצר טכנולוגי, תוך כדי עבודה בקבוצות בהן יתכננו, יבנו ויבדקו מערכת המאפשרת ראייה מעבר למחסום. זאת,

כמבוא לבניית פריסקופ.

תהליך התיכון הוא התהליך המשמש מהנדסים בייצור של מוצר טכנולוגי מכל סוג שהוא, כמו מכשיר לייזר, אייפון, מכונית, צינור הובלה ועוד. תהליך זה מורכב מכמה

שלבים כמתואר באיור הבא:

יש להדגיש, שהתהליך אינו בנוי כך ששלב בא תמיד אחרי שהשלב הקודם הסתיים, אלא לעיתים בשני שלבים במקביל. במקרים אחרים חוזרים לשלבים קודמים לפני

העבר לשלבים הבאים.

רקע מדעי למורה

( ?Periscope) מהו הפריסקופ



מתקן אופטי המשמש לראייה מעבר למחסום )כאשר אין קו ראייה הוא פריסקופישיר בין העצם הנצפה לגלאי(.

הפריסקופ היה בצוללות, כאשר הוא הוגדר כ: "המתקן שעולהעיקר פרסומו של מהמעמקים, כדי לתת לנו מבט אל מה שנמצא לפנינו". הפריסקופ היה המתקן

שאפשר למפקד הצוללת לראות מה מתרחש מעל פני המים, מבלי להתגלות.

היה שותף לפרסום ויישומיו,מחבר הפעילות נושא הפריסקופ על שני מאמרים ,PDFבפורמט בעיתון מורי הפיזיקה בישראל, "תהודה". מאמרים אלו ניתנים לצפייה

באמצעות לחיצה על הקישור המתאים:

"הפריסקופ - סיבוב המראות והאוריינטציה של הדמות הניצפית", תהודה,.1. 2005 , 17-22 (, עמודים 1 ) 25 כרך

) 25 "בניית פריסקופ שאחת המראות בו ניתנת לסיבוב", תהודה, כרך .2 2 ,) . 2005 , 28-31 עמודים

כדוגמה ל"מיני-פרויקט", שפותח במסגרת קורס בשם: "פיזיקההפריסקופ גם שימש ותעשייה", ופורסם בעיתון "תהודה":

מיני פרויקטים בתכנית "פיזיקה ותעשייה": גשרים בדרך לשילוב ידע פיזיקלי" . 2006 , 21-31 (, עמודים 2 ) 26 וידע טכנולוגי", תהודה, כרך

מראות מישוריות, ניתן לבנות פריסקופים לא רק באמצעותבאמצעות גם משתמשים אלא כאשר )פריזמות(, מנסרות

בתופעת ) בהן המלאה הפנימית Totalההחזרה Internal

Reflection.)

מהו המבנה הבסיסי של פריסקופ?

הפריסקופ בנוי כצינור )עם חתך גלילי, או ריבועי( בעל שניעליו הנוף לעבר מופנה אחד פתח מתבוננים,פתחים,

להשתמש ניתן הצופה. העין לכיוון פתוח השני והפתח בצינורות באורך לפי הצורך, אלא ששדה הראייה דרך הפריסקופ קטן ככול שהצינורשבנה פריסקופ דרך מתבונן עורך האתר את לראות ניתן בתמונה יותר. ארוך

מצינורות פלסטיק, אל מעבר לחומה:









אל מול כל אחד מהפתחים, קיים אלמנט אופטי )מראה מישורית, או מנסרה(,.900המטה את האור בזווית של

כיסוי(, )ללא פריסקופ של מבנה לראות ניתן בתמונה, על מבוססת לזו, שפעולתו זו המקבילות מישוריות מראות

מעלות לציר האורך המחבר את מרכזי45והנטויות בזווית המראות )במכשיר זהו ציר האורך של הצינור(.

לגבי חקירה, לבצע המאפשרת ניסיונית, מערכת זוהי האוריינטציה של דמות המתקבלת דרך פריסקופ מראות רגיל, ופריסקופ עם שינויים

בזוויות שבין המראות.

שפעולתו פריסקופ של מבנה לראות תוכלו בתרשים, מנסרות משולשות. מבוססת על

מערכת לראות ניתן בתמונה הבאה, מחבר שבנה גמיש", "פריסקופ של



לבצע פעילות חקר על השפעת שינוי הזווית היחסית בין המראות, הפעילויות, כדיכאשר הן נותרות מקבילות ביניהן:

כאשר רוצים לבצע פעילות בנייה של פריסקופים עם תלמידים להתמקד בתכנון תוך שימוש בעקרונות )בכל הגילים(, מומלץ

הנדסיים, כמו למשל, כיצד ניתן לוודא שהמראה תישאר תמיד? 450בזווית של

דוגמה לדרך תכנון הנדסי, כיצד באמצעות תכונות משולש ישרזווית, פותרים את הבעיה, מופיעה בתמונה הבאה:

מתקן ייחודי, המתואר בתמונה, משמש כעצם עם כיוונים מוגדרים, עליו מכוונת

המערכת הצופה של הפריסקופ. מתקן זה עוזר לבדוק את השינויים באוריינטציה של

.הדמות, לעומת העצם, בניסויים באופטיקה

( מסחרי וחקירתPeriscope פעילות חשיפה בנושא: בניית פריסקופ )1.3.1פריסקופ מתכוונן

לצורך בדיקה )חקר(, כיצד משפיע שינוי זווית המראות המקבילות, לעומת הציר המחבר את מרכזיהן, בנינו פריסקופ מתכוונן פשוט )פתוח(, משתי מראות מישוריותהקצרים המקלות שני כאשר קצרים, מלבניים מקלות על המודבקות קטנות,

ידי שני מקלות ארוכים )רוחב המקלות סנטימטר(. החיבור בין2-4מחוברים על



המקלות הוא באמצעות מסמר בודד, המאפשר סיבוב של המוטות הארוכים, ביחד,ביחס למוטות הקצרים )שינוי הזווית(. )ראו תמונה(


ביניהן(.450 מראות מקבילות בזווית של 2פריסקופ מסחרי )

בזווית אך לשנייה, אחת מקבילות נותרות המראות שתי בו מתכוונן, פריסקופ הניתנת לשינוי )ראו תמונה למעלה(.

פריסקופ, שהזווית של אחת המראות ניתנת לסיבוב סביב ציר הפריסקופ, ראהתמונה:




חקירת פריסקופ פשוט

צפו דרך הפריסקופים המתכווננים, על עצמים שונים.

השוו את האוריינטציה של הדמות המתקבלת, כאשר משנים את הזווית בין המראותוהסבירו את התופעות בהן לבין האנך המחבר את מרכזיהן. תעדו את התצפית

צפיתם.

כיצד משפיע שינוי הזווית על מיקום הדמות המתקבלת?א.

מה היה קורה לדמות המתקבלת במראה אחת, כאשר מסובבים אתב. 2, סביב ציר המאונך לציר המחבר את 900המראה השנייה, בזווית של

הפריסקופ באמצעות הפריסקופ, על במאמר )התשובה המראות? שאחת המראות ניתנת לסיבוב(.

של הפריסקופ המתכוונן, כתוצאה משינוישדה הראייהכיצד משתנה ג.הזווית?

הוסיפו שאלות חקר משלכם על המערכת.ד.

פרויקטון –תכנון ובנייה של מערכת ייחודית המאפשרת ראייה מעבר1.3.2למחסום


סנטימטרים. 8X8רכיבים אופטיים: מראות מישוריות, בממדים של עד

פוליגל

קרטון ביצוע_________________________________



קאפה

מספריים

סכין חיתוך

נייר דבק

דבק חם

גומיות


תכנון ובנייה של מערכת ייחודית המאפשרת ראייה מעבר למחסום

בפעילות זו תתנסו בתהליך תיכון של מוצר טכנולוגי. תוך כדי עבודה בקבוצותתתכננו, תבנו ותבדקו מערכת המאפשרת ראייה מעבר למחסום.

הגדרת הצורך

לפעמים נחוץ לראות "מעבר לפינות", או "לראות מבלי להראות". לדוגמה:

מפקד טנק היושב בתוך הטנק המשוריין, צריך לבחון את סביבותיו, מבלי להוציא את ראשו החוצה.

,מפקד צוללת השקועה במים, רוצה לראות את הספינות המשייטות בסביבה מבלי להתגלות.



חוקר טבע המסתתר בתוך שוחה, רוצה לצפות בהתנהגות בעלי חיים, בלי להראות.

לקהל מעבר נעשה מה לראות רוצה נמוך, ילד מבוגרים, המסתירים לו.

בצילום, ניתן לראות ילדה, המציצה דרך פתח תחתון שלמעבר מתרחש מה לראות יכולה היא וכך שפופרת

למחיצה.

בשיעורים הקודמים למדתם שאור מתפשט בקווים ישרים, וכן שהראייה מתבצעת באמצעות אור, המגיע מן העצם אל

העין של הצופה.

מטרת הפרויקטון היא לבנות מכשיר אופטי המאפשר לראות מעבר למחסומים. המערכת צריכה לאפשר לצופה לראות את דמותו של העצם, כאשר אין קו ראייה

ישיר בין העצם לצופה.

הגדרת הדרישות מהמערכת

על המערכת ליצור דמות באוריינטציה )מצב במרחב( זהה לאוריינטציה של.1העצם עליו מסתכלים )דמות ישרה(.

מקום.2 יש )כאן מירבית במידה גמיש ראייה שדה לאפשר המערכת על ליצירתיות !(.

שימו לב:

לא הוגדרו ממדי המכשול המסתיר, צורתו, ושאר מאפייניו. עליכם להגדיר אותם )הגדרה מפורטת של הבעיה אותה אתם רוצים לפתור( לפני

התחלת בניית המערכת.

.אין מגבלה על מספר המראות המישוריות, בהן מותר להשתמש

.)על המכשיר להיות יחידה ניידת אחת )קשיחה ועמידה עד כמה שניתן



רצוי שהמוצר יהיה חדשני, המרחיב את יכולות הראייה של האדם, בהקשר המתאים שתבחרו.

(, המאפשרת שינוי פרמטרים )כגון: צפייה2רצוי מערכת גמישה )דרישה בכיוונים שונים, בשדות ראייה שונים, בגבהי מכשול שונים, וכו'(.

.אין הכוונה לבנות פריסקופ סטנדרטי )!!!(, אלא יצירה ייחודית משלכם

בהמשך השיעור יהיה עליכם להציג את המכשיר הפועל לפני הכיתה, ולשכנעאת כולם, שכדאי להשקיע דווקא במוצר שלכם עקב הייחודיות שלו.

הגדרת אילוצים

לבניית המערכת עומד לרשותכם הציוד הבא:

סנטימטרים. 8X8רכיבים אופטיים: מראות מישוריות, בממדים של עד

ציוד עזר: פוליגל, קרטון ביצוע, קאפה, מספריים, סכין חיתוך, נייר דבק, דבקחם, גומיות, ועוד.

הצעת פתרון

תארו באופן תמציתי של הפתרון שבחרתם: עקרון הפעולה, רכיבים עיקריים,הערכת השגת התכלית.

הפתרון שפיתחתם מבוסס על הרעיון ... )תיאור עקרונות פיזיקליים, עליהם.1מבוסס המכשיר(

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________

המערכת כוללת את הרכיבים הבאים:.2______________________________________________________________________________________________________________________________

__________



שרטוט סכמטי של המערכת, המתאר את הרכיבים, את מהלך האור ואת.3 היווצרות הדמות )לפחות משתי נקודות על העצם, ומהלך של לפחות שתי

קרניים מכל נקודה(:

צילום המערכת:.4



הערכת המוצר

באיזו מידה עונה המערכת שבניתם על המפרט הדרישות? הסבירו..5

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

האם הדמות שרואה הצופה, נמצאת בדיוק באותו מקום בו נמצא העצם?.6הסבירו.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

האם גודל הדמות שרואה הצופה, שווה לגודל העצם? הסבירו..7

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ישירה.8 ראייה לעומת במערכת, הראייה המתקבל שדה רוחב את אפיינו באמצעות העיניים.

____________________________________________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________

מה למדתם במהלך העבודה?.9_________________________________



____________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________

לקראת יישום הפתרון שלנו למוצר במציאות, כך שניתן יהיה למכרו, יש לתת.10את הדעת לשאלות כגון:

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________

הצעות לשיפורים עתידיים במערכת: .11

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



כיצד ניתן ליצור, מעצם אחד, הרבה דמויות, בו– : קליידוסקופ 1.4פעילות זמנית, תוך שליטה במספרן?


בפעילות זו התלמידים יתנסו בבניית קליידוסקופ במטרה למצוא את הקשר הזווית ביןהמראות המישוריות לבין מספר הדמויות הנוצרות.


(?Kaleidoscope) מהו הקליידוסקופ

השם הוא הקליידוסקופ המתקבלות. הדמויות להכפלת המשמש אופטי מתקן מורכב משלושת המילים: קליידוסקופ

Kalos= ,יפהEidos ,צורה = skopios.לראות =

בשנת הומצא ידי1816הקליידוסקופ על ברוסטר , דייויד Sir) סר David

Brewster,) הוא אף הוציא פטנט על המצאה זו. הוא תיאר1817בסקוטלנד. בשנת עמודים בשם:174את המבנה ואופן הפעולה של הקליידוסקופ במאמר של

"Treatise on the Kaleidoscope."

, מכיוון שצופים דרך (Teleidoscopeטליידוסקופ) להמצאתו המקורית קוראים כיום: (, במקום מיכלTelescopic Kaleidoscopeהמתקן המקורי, בגופים הנמצאים מחוץ לו)

פנימי עם עצמים בהם צופים, הוא השתמש בעדשה )או חרוז זכוכית גדול( בקצהלקבל תמונה מרובת דמויות של הסביבה החיצונית. המתקן, כדי

סוגים של קליידוסקופים:3קיימים

1.Cell Scope ,המכיל מיכל בקצה המתקן, בו נמצאים גופים צבעוניים קטנים - היכולים לשנות את מיקומם היחסי, תוך תנועה באוויר, או במים.



2.Wheel Scopeהמכיל גלגל, או גלגלים צבעוניים, היכולים להסתובב סביב ציר - המקביל לציר המתקן. הגלגלים שהם בדרך כלל גדולים מהמיפתח של המתקן,

פילטרי צבע. צבועים בצבעים שונים, ומהווים3.Sphere Scopeבעולם מתבוננים דרכו המתקן, זכוכית בקצה כדור - המכיל

שבחוץ.

תת מערכות:4ניתן להתייחס לכל קליידוסקופ כמורכב מ

מרובע, - (Eyepiece) עינית.1 או משולש, בצורת מפתח החל להיות שיכולה שלעיתים סגור על ידי פלסטיק שקוף, או זכוכית להגנה, ועד מערכת אופטית עם

עדשות. - המחבר את המראות המישוריות לאורכן, ומחזיק אותן במצב הרצוי גוף המתקן.2

לצפייה. לעיתים משתמשים בסתם גליל מקרטון, בו מכניסים את המראות בלחץ,ולעומת זאת יש מתקנים מורכבים, המאפשרים שינוי מדוד של הזווית בין המראות.

האופטית.3 מ המערכת המורכבת מלבן,2-4- בצורת מישוריות מראות מזכוכית, להיות יכולות ביניהן. המראות מוגדרת זווית ויוצרות לאורכן המחוברות

ממתכת מלוטשת, או מציפוי אלומיניום על אקריליק. - הנמצא בסוף המתקן, ומכיל חלקים צבעוניים היכולים לשנות תא העצמים .4

את המצב היחסי ביניהם, או מערכת אופטית המאפשרת צפייה בכל תמונה שהיא.

ביותר הפשוט מראות מורכב הקליידוסקופ שניתן משתי כך לאורכן, המחוברות , או450לשנות את הזווית ביניהן. בקליידוסקופים הפשוטים בוחרים זווית קבועה של

מ 600של פשוט, קליידוסקופ בונים לעיתים זהים,3. מלבנים בצורת מראות ביניהם )משולש שווה צלעות(. 600המחוברות לאורכן, ויוצרות זווית של

דוגמה לתמונות המתקבלותעם מעבדתי, 2ממתקן

מראות המחוברות לאורך קושל צורה ויוצרות משותף,

.Vהאות באנגלית:

זווית של בין שתי 900עבור מראות:



בו ניתן באיור הבא, ההסבר הפיזיקלי לכך, משתקפת הראשון העצם דמות את רואים כל דמות ואת המראות, משתי אחת בכל במראה המשתקפת מהדמויות אחת

שמשתקפת במראה השנייה:

בין שתי המראות, 600עבור זווית של תתקבל התמונה הבאה:

בין שתי המראות, 300עבור זווית של תתקבל התמונה הבאה:



450כמה דמויות יתקבלו לדעתכם עבור זווית בין המראות של?

כאשר מוצאים את הקשר המתמטי בין מספר הדמויות הנוצרות, לבין הזווית בין שתי המראות, קיימת בעיה כאשר העצם נמצא במקום לא סימטרי ביחס לשתי המראות, מכיוון שאז ניתן במיקום שונה של עין הצופה לעומת המראות, למצוא מספר דמויות

שונה.

מה מספר הדמויות שרואה עין, הנמצאת במיקום השאלה הנכונה שיש לשאול, היא:בו נמצא העצם בין המראות?

יוצרת2היתרון, לצרכי הוראת מדע, של מערכת עם מראות בלבד, הוא שהיא תמונה עם סימטריה כלפי מרכז התמונה, בעוד שמספר גדול יותר של מראות, מסבך

את ניתוח התופעה מתקבלת.

העיקרון הפיזיקלי )מתמטי( של פעולת הקליידוסקופ הוא סימטריית השיקוף במראה מישורית. כל דמות הופכת להיות העצם המשתקף בדמות המראה, המשתקפת אף

היא במראה האמיתית.

2"כלל אצבע" חשוב, בהבנת מספר הדמויות המדומות הנוצרות בקליידוסקופ של ביניהן תחלק את סכום הזוויות של מעגל: 3600מראות מישוריות, הוא שהזווית

תמונות סימטריות מתקבלות עבור כל הזוויות המהוות חלוקה שלמה בצורה שלמה., ...2,3,4,5,6, ...,, בהתאם למספרים הטבעיים: 360, 450, 600, 900: 180של

הטבלה הבאה מסכמת את הנתונים:

906045363022.5201815101זווית במעלות

46810121618202436360סימטריה



345689101218180צלעות כוכב

של קליידוסקופ נוצרת3עבור מראות, יותר, והתמונה מתפשטת סימטריה מורכבת על פני כל שדה הראייה. לדוגמה, התמונה

עבור בין המתקבלת זווית ישר משולש המראות, נראית באיור הבא:

)סימטריה(, שלמות דמויות רק לקבל כדי בצורה לחלק חייבות המראות בין הזוויות

שלמה את סכום הזוויות במעגל.

3ברור כי חייב להתקיים גם התנאי ש: "סכום , מכיוון1800הזוויות בין המראות חייב להיות שזהו מספר המעלות במשולש.

תנאים אלו:2 אפשרויות של זוויות בין המראות, מקיימות 3רק מתברר כי

60-60-60.45-45-90.30-60-90.

זווית בין מראות )במעלות(60

45

36

30

15

68מספר חלוקות10

12

24

ניתוח יפה של מהלך אלומות האור ויצירת הדמויות השונות, בקליידוסקופ עם זוויות, מופיע באתר:60-60-60

http://www.4physics.com/phy_demo/kaleidoscope/kaleidoscope-3.html




מומלץ גם לקרוא את כל ההסבר:


יישום מעניין של קלידוסקופים, ניתן לבצע כאשר נמקם מקורות אור צבעוניים קטנים)כגון: דיודות פולטות אור( בתוך הקליידוסקופ.

דמוי נוצר מבנה כלומר לשנייה, מקבילות אחת אינן כאשר המראות המישוריות הגדלה ידי על בקליידוסקופ, המתקבלות התופעות את להעשיר ניתן פירמידה,

והקטנה של הדמויות המתקבלות. מתקבלת תמונה תלת ממדית !

בגליל, ומצפים את צידו הפנימי במשטח מחזיר )מראה(, מקבלים משתמשים כאשרתמונה של ספירלה.

חרוט, מקבלים הגדלה או הקטנה אם מחליפים את הגליל במבנה עם סימטריה שלשל הדמויות, בהתאם לכיוון ההסתכלות דרך החרוט.


מראות מישוריות, מחוברות לאורך ציר משותף.2

(.3600מד זווית, מודפס על נייר )

עצם קטן, לשים בין המראות.

מכשיר קליידוסקופ מסחרי )צעצוע ילדים(, להדגמה.

מראות מישוריות מלבניות, בהן האורך גדול בהרבה מהרוחב4

נייר דבק

דפי פעילות לתלמיד




כיצד ניתן ליצור, מעצם אחד, הרבה דמויות, בו זמנית, תוך– קליידוסקופ שליטה במספרן?

העמידו את שתי המראות אנכית, כך שיגעו אחת בשנייה. את מד הזווית העמידו מתחת למראות, כך שציר הסיבוב שלהן

יהיה מונח על מרכז מעגל הזווית,כמוראה בתמונה.

העמידו עצם כשלהו בין המראות, וצפו בדמויות המתקבלות במראות. לעיתים יש

צורך בהסתכלות בכיוונים ובזוויות שונים.

רשמו בטבלה הבאה את מספר הדמויות המתקבלות עבור זוויות שונות בין המראות.כתבו בטבלה זוויות נוספות עבורן תבדקו את מספר הדמויות.

זווית במעלותמספר הדמויות

120

90

60

45

30



15

שאלות

מהי התלות בין מספר הדמויות המתקבלות לזווית בין המראות?.1

מה קורה כאשר העצם לא במרכז בין המראות, אלא צמוד לאחת המראות?.2

מראות זהות, היוצרות3מה יקרה, לדעתכם, כאשר תשתמשו בקלידוסקופ עם .3 (?600ביניהן משולש שווה צלעות )זווית

מראות וכתבו מה קבלתם. האם התאמתה השערתכם?3עתה בנו קליידוסקופ עם .4

מראות זהות, היוצרות4מה יקרה, לדעתכם, כאשר תשתמשו בקלידוסקופ עם .5 ביניהן מעוין?

מראות וכתבו מה קבלתם. האם התאמתה השערתכם?4עתה בנו קליידוסקופ עם .6

שאלות מורכבות

מראות, שונה?2מה קורה, כאשר רוחב המראות, בקלידוסקופ של יותר מ .7 מראות סמוכות, יש2 מראות, בין כל 2מה קורה, כאשר בקלידוסקופ של יותר מ .8

זוויות שונות? מה משפיע על בחירת מרחק המוקד של העדשה, שנשים בקצה הקלידוסקופ, כדי.9

להפכו לטליידוסקופ?

דרכים לחקר על מנת לענות תשובות לשאלות

מניחים עצם בין שתי המראות, ומשנים את הזווית ביניהן. דמויות מלאות מתקבלות.1 מעלות במספר שלם(. הסבר מלא360רק עבור זוויות מסוימות )חלוקת

לתופעה מופיע בטקסט.



כאשר העצם לא במרכז, יש הבדלים במרחקים בין הדמויות, ויש לפעמים, בזוויות.2מסוימות, שרואים רק חלק מהדמויות.



: כיצד ניתן להשתמש במראה מישורית, כאמצעי למדידת מרחק?1.5פעילות


בדגמה של מדידת מרחקים באמצעות רכיבים אופטיים פשוטים.


תלמידים רבים יודעים נוסחאות הקשורות ברכיבים אופטיים, ובגיאומטריה של המישור)כגון משולשים(.

בדרך כלל, אין התלמיד מקשר בין הנוסחאות, לבין היכולת ליישם אותן להשגת מטרהמוגדרת.

(.:Triangulationנדגים זאת ב"שיטת המשולש" – טריאנגולציה )

נתונים על משולש, כגון צלע ושתי זוויות, ניתן לדעת הכול על3כאשר ידועים המשולש.

על פי הגדרה(.900, בו ידועה מייד אחת הזוויות )משולש ישר זוויתלנוחיות, בוחרים

( בין הגלאי למראה מישורית.Lקובעים מרחק ידוע )

( שליד הצלע הידועה, נוכל לחשב כל גודל שנרצהמכאן, שאם נדע את הזווית )במשולש.



המערכת הניסיונית למדידת מרחק, מתוארת באיור.

Stepאלומת האור מהלייזר, פוגעת במראה מישורית, הממוקמת על מנוע צעדים )

Motor.ומוקרנת אל המטרה ,)

גלאי כיווני, הקולט אור רק מכיוון מוגדר, מגיב כאשר יש החזרה של אלומת הלייזרמהמטרה.

רק כאשר נקודת הפגיעה במטרה, תהיה בדיוק מול הגלאי של המערכת, יתקבל בואות.

מספר ה"צעדים" שביצע המנוע ידוע, כך שידועה הזווית בה הייתה המראה. בחישוב טריגונומטרי ניתן לדעת את המרחק למטרה. בתרשים ניתן לראות את אלומת אור

הלייזר הפוגעת במראה המסתובבת, ואת האלומה המוחזרת מהמטרה לגלאי.

החישוב מבוצע באמצעות הנוסחה:

x= L* tan

כלומר, באמצעות מראה מישורית, יצרנו מערכת למדידת מרחקים.

דוגמה למערכת ניסיונית, שנבנתה על ידי תלמיד, לפרויקט של מדידת מרחק, נראיתבתמונה:




מכשיר לייזר

מראה מישורית

(Step Motorמנוע צעדים )

מטרה

גלאי כיווני, הקולט אור רק מכיוון מוגדר

הנחיות כלליות לביצוע הפעילות בכיתה

פעילות זו היא פתוחה, אותה רצוי להציג לתלמידים כשיעורי בית. כל תלמיד יביארעיונות משלו לפתרון, כדי לבצע דיון בכיתה.

בהסבר המדעי למורה, יש דוגמה לאחד הפתרונות האפשריים.

התלמידים יכולים לשנות את זווית המראה, באמצעות אספקת פולסים למנועהצעדים.

אם אין מנוע צעדים, ניתן לבצע את הפעילות עם מראה מישורית, אותה מזיזים באופן ידני )משנים את הזווית שלה, ביחס לכיוון הפגיעה המקורי של אלומת הלייזר(, על מד

זווית.



: מה רואים כאשר מתבוננים דרך חלון עבה, בעצם מואר חזק?1.6פעילות


בפעילות זו דנים בהחזרה של אור משני משטחים של חלון.


מדובר בהחזרה של אור משני משטחי החלון.

לדים צבעוניים:3דוגמה לתמונות המתקבלות בחלון עבה, כתוצאה מהארה עם

לחלון עבה, המשמש כחלון תצוגה מסחרי דוגמה




מתקן עם זכוכית עבה - רצוי בעובי גדול סנטימטר )ראו תמונה(. 1 מ

)או יותר( דיודות3מקור אור המורכב מ שונים, בצבעים צבעוניות, אור פולטות קבועים במרחקים בשורה, המותקנות

אחת מהשנייה.

עצמים קטנים שונים, המוארים על ידי מקור תאורה חזק )רצוי אזור חשוך מהצדהשני של החלון העבה(.


דוגמה לשאלות חקר

מהו מספר הדמויות המתקבלות מעצם מואר )או מאיר( בסמוך לזכוכיתא.עבה?

כיצד משפיעה הרחקת העצם מהזכוכית על המרחק בין הדמויות? ב.

האם הדמויות ממשיות או מדומות?ג.

מהם התהליכים הפיזיקליים המסבירים את מספר הדמויות המתקבלות?ד.

האם הדמויות המתקבלות הן בעלות בהירות )עוצמת הארה( דומה?ה.

דוגמאות לדרכים בהן ניתן למצוא תשובות לשאלות



כל מי שמבין את נושא החזרת האור חייב לדעת להסביר את התופעה, לאחר שצפהבה.

דמויות מכל עצם. הן מתקבלות כתוצאה מהחזרת האור משני משטחי2מתקבלות הזכוכית )הקדמי והאחורי(.

ממראה עצם הרחקת של מוכרות תופעות יוצרת מהזכוכית, העצם הרחקת מישורית. מכאן גם התשובה לגבי סוג הדמות )ממשית או מדומה(.

מכיוון שהחזרת האור היא של אחוזים בודדים מעוצמת האור הפוגע )בניגוד להחזרהממראה מישורית רגילה(, יש צורך בעצם מואר חזק, או במקור אור כעצם.

למתקדמים, יש כאן אפשרות לביצוע פעילות חקר של מדידות מדויקות של עוצמתבהתאם המוחזרת, פרנלהאור של ההחזרה )למשוואות Fresnel Reflection

Formula.)

השאלה לגבי בהירות הדמויות, קשורה לאחוז ההחזרה של האור. מכיוון שלמשטח השני מגיעה כמות אור קטנה בסדר גודל מכמות האור שמגיעה למשטח השני, ברור

שהדמות השנייה בהירה הרבה פחות.



(Corner Cube = Retroreflector: פינת קובייה )1.7פעילות


לפתור בעיה מעשית: כיצד מחזירים אלומת אור חזרה לכיוון ממנו היא מגיעה?


(?Corner Cubeמהי "פינת הקובייה" )

מתקן אופטי, המשמש להחזרת אלומת היא למעשה (Corner Cube) ""פינת קובייהקרינה בחזרה לכיוון ממנו הגיעה.

נקרא:, השם הכולל של מתקן המשמש להחזרת האור חזרה לכיוון ממנו הגיעאחורנית) מחזיר = בנוי (Retroreflectorרטרו-רפלקטור להיות יכול זה מתקן .

במספר שיטות, כאשר פינת הקובייה, הבנויה ממראות מישוריות, היא אחת מהן.החזרה פנימית בתוך דפנות מנסרה )פריזמה(, היא שיטה אחרת.

מ כל אחת קובייה, המורכבות פינות בגדלים3דוגמאות של מישוריות, מראות שונים, שבנו תלמידים, ממראות מישוריות, נראות בתמונה:

- בעיקר במבנה שימוש בכדורי זכוכית שיטה אחרת ליצירת "פינת קובייה" היא תוך (, או כדורי זכוכית השקועים עד גובה מרכז הכדור, בתוךCat's Eyesעין חתול ) של

שכבת צבע. זו השיטה הנהוגה במחזירי האור המוטבעים בכבישים, ומסמנים לנהגעל מסלול הנסיעה, או על קיום מעבר חצייה.



ניתן ליצור "פינת קובייה" גם באמצעות מנסרה )פריזמה( ישרת זווית, בה ההחזרההיא: "החזרה פנימית מלאה".

היוצר מבנה באמצעות הנוצרת קובייה" פי "פינת על פועל משולשות, מנסרות ", עבור זווית גדולה מהזווית הקריטית(. הפינה נוצרתהחזרה פנימית גמורהעקרון: "

בתוך חומר המנסרה ולא באוויר כמו במראות מישוריות.

משטחים מישוריים, הניצבים כולם אחד לשני, ויש3"פינת הקובייה" מורכבת מ להם פינה משותפת )המזכירה פינה של קובייה, ומכאן השם: "פינת קובייה".

כל אלומת אור מקבילה, הפוגעת באחת מהמראות המישוריות, תוחזר כאלומה מקבילה באותו כיוון )מקביל( ממנו הגיעה, ללא תלות בכיוון אלומת האור לעומת

המראות.

ניתוח )באנגלית( באמצעות תיאור וקטורי, המוכיח טענה זאת, פורסם ב:

"Teaching Reflection from Corner Cube Reflector", N. I. Robb, The Physics

Teacher, April 1991, p255."The Corner Reflector", W. S. Harris, Mathematics Teacher, Feb. 1983, pp.

92-95.

הסבר מדעי יפה, המתאר סוגים שונים של מחזירי אור, פורסם:

"Don't Forget the Reflector", N. Morton, Phys. Educ. 26, 1991, pp. 243-248.

הם מחזיר-אור של השימוש המקובל בחיי יום-יום לפינות קובייה כמחזירי אוראופניים, כפי שניתן לראות בתמונה:

מחזיר אור של אופניים, מורכב ממערך של פינות קובייה ממנסרות קטנות, כך שאור המוקרן עליהןנהג לכיוון ישירות יוחזר מתקרבת, ממכונית בנסיעה באופניים להבחין שיוכל כדי המכונית,

בלילה.



לייזר על הירח יותר, של מחזירי אור מחזיר אלומת ייחודי דוגמה לשימוש זוהי - שהושארו על הירח, על ידי האסטרונאוטים בחלליות

. מחזירי אור אלו משמשים עד15, 14, 11אפולו היום למדידה מדויקת של מיקום הירח ביחס לכדורהמערכת סנטימטרים. עשרות של בדיוק הארץ,

100, בנויות מ 14 ואפולו 11שהונחה על ידי אפולו של ממדי דו במערך המסודרות קובייה, פינות

10X10. וקוטרה מקווארץ עשויה קובייה פינת כל של 3.8 בצלע ריבוע הם כולו הלוח ממדי סנטימטרים. )ראה45 סנטימטרים

תמונה(.

פינות קובייה, במערך300, בנויה מ 15המערכת שהונחה על ידי החללית אפולו הקסגונלי, ומאפשרת מדידות מדויקות יותר.


פינת קובייה מסחרית גדולה )ראה תמונה(.

פינת קובייה קטנה שנבנתה על ידי תלמידים.

פינת קובייה משולשת, עם פילטר אדום.

לייזר פוינטר על מחזיק קבוע, מונח אל מול הקובייה,להדגמת התופעה.

מחזיר אור של אופניים )מכיל הרבה פינות קובייה(, בשניצבעים: שקוף ואדום )ראה תמונה(.

(.3Mנייר מיוחד עם מחזירי אור מיניאטוריים )מחברת




פינת קובייה

הוכח, באמצעות איור בשני ממדים בלבד, כי אלומת אור מקבילה, הפוגעת.1 בפינת קובייה דו ממדית )שתי מראות מאונכות(, מוחזרת תמיד לכיוון ממנוההחזרה, בחוק רק להשתמש אפשר )רמז: קטנה. בהסחה הגיעה,

ובגיאומטריה של זוויות בין קווים מקבילים ובמשולש(. מהם הגורמים הקובעים את מידת ההסחה של אלומת האור, מהציר האופטי.2

דרכו הגיעה?

תעדו את התצפיות והסבירו את ההבדלים בין המתקנים השונים.

האם אלומת האור מוחזרת בדיוק למקום ממנה נשלחה? א.

מה השפעת גודל הקובייה על התופעה? ב.

דרך קודקוד הקובייה(,ג. )לגבי הציר האופטי העובר זוויות אילו עבור המערכת פועלת?

במערכת להחזרת אלומת לייזר ממרחק רב, רצוי לאסוףכך, לצורך מהקובייה. אור מכסימלית המוחזרת כמות ניתן להשתמש ב"פטנט" אופטי: את אלומת אור הלייזר שולחים לפינת הקובייה הרחוקה, דרך חור קטן במראה מישורית )ראו תמונה(. האור המוחזר מהווה כתם אורמזווית כתוצאה האלומה התרחבות )עקב יותר גדול

ההתבדרות שלה(.

פעילות מעודדת חקר נוספת של "פינת קובייה", רצוי ממדים )במישור(:2להתחיל ב



מראות מישוריות, צמודות,2מציבים אלומת קרינת לייזר מקבילה, אל מול המאונכות אחת לשנייה.

המראות,2קרינת הלייזר מכוונת במקביל לציר האופטי היוצא מפינת החיבור של במישור המאונך לשתיהן. בתלת ממד, ציר אופטי זה מכוון לאורך אלכסון הקובייה.

משנים במעט את הזווית בין האלומה הפוגעת, לבין הציר האופטי, ומסמנים על מסך, הנמצא מאחורי הלייזר, את נקודת הפגיעה. מנסים למצוא איך משפיע שינוי

הזווית על מיקום הפגיעה.

נשארים מקבילים לציר האופטי, אך מזיזים את מיקום אלומת הלייזר במקביל לציר האופטי )הסחה הצידה(, ומסמנים על מסך, הנמצא מאחורי הלייזר, את נקודת

הפגיעה. מנסים למצוא איך משפיעה ההסחה על מיקום הפגיעה.

מבצעים פעילות דומה עם מינסרה משולשת ישרת זווית )כמו זאת המשמשת בניסוייהאופטיקה הגיאומטרית( – ראו תמונה.

מראות3מבצעים פעילות דומה עם פינת קובייה תלת ממדית )המורכבת מ מאונכות(.

משווים בין פינות קובייה מסוגים שונים, מחזירי אור של אופניים, כיסויי מנורות איתות של מכונית, וכו'.



(Mirage: אשליה אופטית )פרבולואיד 1.8פעילות


כיצד יוצרים דמות בתלת ממד?


הסבר מלא ניתן למצוא בחיפוש באינטרנט, עם מילים מתוך הכותרת של הפעילות.

http://spie.org/etop/2007/etop07methodsv.pdf לדוגמה,


מתקן מסחרי של אשליה אופטית, המורכב משתי מראות בצורת פרבולואיד, אחת מול השנייה, כאשר

באחת מהמראות יש פתח.

עצם קטן, המונח בתוך המתקן, על קרקעיתו ובו צופים)ראו תמונה(.

תאורה טובה מעל המתקן, שמאירה לתוכו.


אשליה אופטית

תעדו את התצפיות והסבירו את ההבדלים בין התצפיות.

ניתן לראות את העצם בתלת ממד )מכל הכיוונים, כדמות עםא. האם עומק(?

מה השפעת גודל העצם, על הדמות הניראית?ב._________________________________




מה השפעת תאורת המתקן מבחוץ, על הדמות המקבלת?ג.

האם ניתן לצלם את הדמות המתקבלת?ד.

האם זוהי דמות ממשית, או מדומה?ה.

, רצוי להתחיל עםפעילות חקר למתקדמים, של "אשליית פרבולואיד כפול"פרבולואיד אחד:

מנסים לאפיין תחילה את הפרבולואיד התחתון לבד. איפיון צורני כולל מידות,ולאחריו איפיון תיפקודי.

לשם כך יש להבין מהי פרבולה, כולל הנוסחאות המתמטיות המתארות אותה.

מוצאים מהי נוסחת מוקד הפרבולה )המיקום בו אלומת אור מקבילה מתמקדת)לפרבולה יש מוקד יחיד(.

לאחר מכן יש להבין כיצד באמצעות סיבוב דימיוני של הפרבולה, סביב צירהסימטריה שלה, ניתן ליצור פרבולואיד סיבוב.

שואלים שאלת חקר: כיצד ניתן למדוד את מרחק המוקד של הפרבולואיד?

מודדים, באמצעות אלומת אור מלייזר, את מרחק המוקד של הפרבולואיד התחתון, ולאחר מכן את מרחק המוקד של הפרבולואיד העליון )עם החור(. האם מרחקי

המוקד זהים?

חוקרים: מה קורה כאשר אלומת הלייזר אינה מגיעה במקביל לציר האופטי שלהפרבולואיד )בזווית(?

חוקרים: מה קורה כאשר אלומת הלייזר מגיעה במקביל לציר האופטי שלהפרבולואיד, אך פוגעת במרחקים שונים מהציר האופטי )הסחה הצידה(?

מנסים לאחד את כל המידע, באיור המתאר את מהלך אלומות האור, החל מהארת העצם הקטן הנמצא בתחתית המתקן, וכלה בדמות הממשית המופיעה על חלקו

העליון של המתקן.



: מראות כדוריות קמורה וקעורה, על מוט1.9פעילות


.להבין כיצד מראות קמורות וקעורות גורמות ליצירת דמויות


מראות קמורות וקעורות, מוסברות בכל ספר על אופטיקה גיאומטרית.


מתקן מסחרי עם מראה קמורה , צד אחד ומראה קעורה מצד שני )ראו תמונות(.

גוף שישמש כעצם לפני המראות.

רצוי כעצם לקחת נייר קשיח, עליו משורטטות משבצות ריבועיות, ולראות כיצד הןניראות בדמות.


המתקבלתהתבוננו בדמות והקעורה הקמורה .במראות: תעדו את התצפית והסבירו את התופעה, ובעיקר הראו באיור, כיצד נוצרות



הדמויות. חשוב להבין שהחוק הפיזיקלי היחיד בו משתמשים, הוא חוק ההחזרה.)!(

מתי מתקבלת דמות מוגדלת?א.

מתי מתקבלת דמות מוקטנת?ב.

מה משפיע על גודל הדמות המתקבלת?ג.

מה קובע את האוריינטציה של הדמות המתקבלת?ד.

מה לדעתכם יקרה לדמות אם המערכת תהיה קעורה )קמורה( רקה.בציר אחד )מראות גליליות(?



: מראה גלילית קמורה וקעורה1.10פעילות


ושונהxלבחון כיצד מראות גליליות מאפשרות שינוי שדה ראייה שונה בכיוון ציר .yבכיוון ציר


פעילות החקר של התלמידים יכולה להיות לגבי:

היווצרות דמויות )בעיקר שינויי אוריינטציה, גודל,-וכו'( במראות אלו.

השפעת מראות אלו על אלומות אור מקבילות,-הפוגעות בהן.

מציאת מרחק המוקד של מראות אלו.-


מתקן עם מראה גלילית קמורה וקעורה. )לוח עץמכופף( – ראו תמונות.

דיודות פולטות אור )לדים =3מקור אור המורכב מ LEDs צבעים שונים, אחת ליד השנייה.3(, ב

דף נייר קשיח, עליו משורטטות משבצות ריבועיות)רצוי בצבע בולט(.




מראה גלילית קמורה וקעורה

את התצפית. נסו להסביר: תעדו

אילו צבעים של הלדים רואים דרך המראה?א.

מה סדר הצבעים שרואים במראה?ב.

מי מהצבעים נראה ברור יותר?ג.

כמה צבעים רואים?ד.

מה יכול לגרום לקיום התופעה?ה.

מהי צורת הדמות המתקבלת מלוח המשבצות הריבועיות?ו.

מהי האוריינטציה של הדמות המתקבלת, ובמה היא תלויה?ז.

במראות גליליות, לעומת מראות מישוריות?שדה הראייהכיצד מושפע ח.

מה לדעתכם יכולים להיות היישומים של מראות גליליות? קמורותט.וקעורות.



: מה רואים כאשר מתבוננים בעצם דרך גליל מראה, כדור1.11פעילות מראה וחרוט מראה?


שילוב של אפקטים אומנותיים עם פיזיקה )תמונות אנאמורפיות(.


קיים ענף באומנות, שהיה נפוץ עוד בציורים מתקופות עתיקות, לצייר את הדמויותהמשתקפות במשטחי מראה קמורים וקעורים. ענף זה נקרא תמונות אנאמורפיות )

Anamorphic Images.)

חיפוש תמונות בגוגל, של שם זה, מאפשר לראות כמות גדולה של תמונות, שרק כאשר שמים אותן לפני המראה המתאימה, מקבלים את התמונה המקורית

המוכרת.

תלמידים יכולים לקחת תדפיסי תמונות שהם צילמו, לשים לפני מראות קמורותמסוגים שונים, ולצלם את התמונה המתקבלת במראה )שילוב אומנות ומדע(.

בפעילות זו ישנן מספר הצעות לחקירת הדמות המתקבלת עבור משטחי מראהשונים עבור צורות גיאומטריות שונות.


דף נייר עם משבצות ריבועיות )ראו תמונה(.

תמונות צבעוניות על נייר.

גלילים, מצופים מבחוץ במראה גמישה )מודבקת(. כל גליל3משטח מראה גלילי - בקוטר שונה.



משטח מראה קוני - חרוטים, מצופים בצידם החיצוני במראה גמישה )מודבקת(. כלחרוט בקוטר שונה ובזווית ראש שונה.

משטחי מראה כדוריים בעלי קוטר שונה


תמונות אנאמורפיות

צפו בדמויות המתקבלות על פני המשטחים השונים, וכתבו לגבי כל משטח:

האם הדמות ישרה או הפוכה? א.

האם הדמות מוגדלת או מוקטנת?ב.

הסבירו את התופעה באמצעות הידוע לכם על מראות קעורותג.וקמורות.

דמויות – אחתשתיהסבירו את התופעה הניראית בתמונה, בה רואים ד.ישרה ואחת הפוכה - המשתקפות בברז מתכת ממורק.



לאיסוף קרינה : קולט פרבולואידי1.12פעילות


הכרת שימושים במציאות לעדשות קעורות.


של לפעילות כצעצוע המופיע זה, מסחרי מתקן רבות לפעילויות לשמש יכול שמש, אנרגיית

באופטיקה.

התלמידים מכירים את נוסחת הפרבולה, אך אינםבמתמטיקה, שלמדו הנוסחאות את מקשרים

ליישומים במציאות.

ניתן להשתמש במתקן זה לאיסוף קרינת שמש, אך גם למיקוד אלומות אור מסוגיםשונים )אלומה מתכנסת, מקבילה, מתבדרת, וכו'(.


מתקן מסחרי קטן, המשמש למיקוד קרינת השמש.

מקורות אור מסוגים שונים )אלומת אור רחבה ומקבילה, אלומת אור מתפזרתממקור נקודתי, ...(.

מראה קעורה קטנה להשוואה.




קולט פראבולואידי

צפו באלומת אור מקבילה המוחזרת מהמתקן, כאשר אלומת האור פוגעתבמתקן בזוויות שונות.

צפו באלומות אור שונות, כמו לדוגמה: אלומה המתפזרת ממקור נקודתי, אואלומה מתכנסת, הפוגעות במתקן.

מהי הפעולה שמבצע המתקן על אלומות האור השונות?א.

כיצד יכול מתקן כזה לשמש לאיסוף קרינת השמש? ב.

האם חשוב שהשמש תפגע במתקן תמיד בכיוון הציר האופטי שלו )מחייבג.מעקב אחר מיקום השמש בשמים(?

כיצד ניתן למצוא את מרחק המוקד של הפרבולואיד?ד.

תעדו את התצפית והסבירו את התופעות בהן צפיתם.ה.

תשובות לשאלות

כאן ניתן לחקור את ההבדלים בין פרבולואיד סיבוב רגיל, לבין פרבולואידג, ד (. ניתן לחפש מידעOff Axis Paraboloidשלא נמצא על הציר האופטי הראשי )

באנגלית באמצעות העתקת מילים אלו לגוגל.



(Laser Spirograph: ספירוגרף לייזר )1.13פעילות


עם אומנותיים אפקטים של שילוב פיזיקה )יצירת אומנות בתנועה(.

יש כאן הזדמנות לעורר עניין בתלמידים, לשאול שאלות ולנסות למצוא הסברים, תוך שהם משתמשים רק בחוק ההחזרה

ממראה מישורית.

זוהי דוגמה, ליישום של חוק ההחזרה,לבניית מתקן פועל.


זוהי פעילות שיש להכין לקראתה, פעם אחת, את המתקן המתואר בתמונה.

( מראות מישוריות, המודבקות על2-3ספירוגרף לייזר הוא מתקן, המכיל מספר )צירי הסיבוב של מנועי זרם ישר, במאונך לציר הסיבוב.

מהירות הסיבוב של כל אחד מהמנועים ניתנת לשליטה בנפרד.

באמצעות שליטה על המתח הישר המסופק למנועים )מספיק מעגל חשמלי פשוטעם פוטנציומטר כמחלק מתח(, ניתן לשלוט במהירות הסיבוב שלהם.

למעשה, מספיק בפעם הראשונה, להכין מערכת אחת, שלמישורית אחת, המודבקת על מנוע במאונך לציר מראה

הסיבוב שלו )ראו תמונה(.

המישורית המראה כיצד בתמונה, לראות ניתן בהגדלה, מהלייזר, האור נקודת ואת המנוע, ציר על מודבקת

הפוגעת במרכז המראה.



לאחר שמבצעים פעילות עם מראה אחת, ניתן להכין מראות מישוריות נוספות, עלמנועים נוספים.

תלמידים נהנים לחקור, את תלות הצורה של אלומת האור המתקבלת על מסך,לאחר שהיא מוחזרת מהמראה המישורית המסתובבת.

אלומת הלייזר פוגעת במראות, אחת לאחר השנייה. בתמונה רואים את התמונההמתקבלת על משטח המראה השלישית.

בתמונה משמאל רואים תמונה שהתקבלה על מסך המוצב במרחק גדול )מספרמטרים(.

הסבר ראשוני: אלומת הלייזר פוגעת במראות אחת לאחר השנייה.

כאשר רק אחת מן המראות מסתובבת, התמונה המתקבלת היא מעגלים אואליפסות, כפי שרואים בתמונה הימנית.



ידי ניתן לראות את הצורה המעגלית הנוצרת על כאשר שתי מראות מסתובבות המראה הראשונה, על המראה השנייה, ועל המסך רואים את הצורה המורכבת,

המתקבלת כתוצאה משתי התופעות ביחד, כפי שרואים בתמונות.

צורות אלו מתרחשת אך ורק במוח האדם, זוהי טעות אופטית. הרי במציאות יש רק נקודת אור שנוצרה כתוצאה מפגיעת אלומת לייזר אחת על המסך. אולם המוח זוכר לשבריר שנייה את הצורה הקודמת באותו הזמן שהוא זוכר גם את התמונה

הנוכחית, ולכן העין רואה צורות שונות ומורכבות.

אלומת לייזר פוגעת בנקודה מסוימת על המראה הראשונה. המנוע שגורם לסיבובגורם )מכיוון שהמנוע גורם להופעת הנקודה המסוימת בצורת מעגלית המראה, השלישית, המראה של לסיבובה שגורם המנוע המראה(. של סיבובית לתנועה שעליה מוקרן מעגל מסיבובי המראה הראשונה, תיצור מספר מעגלים, והמראה

השלישית תיצור אף היא צורה חדשה.


מתקן מוכן, המכיל לייזר דיודה

מנועים עם מראות מישוריות, ועם מערכת אלקטרונית לשליטה במהירות הסיבוב3שלהם.

מסך מרוחק, עליו מוצגת אלומת האור, לאחר שהוחזרה מהמראות על המנועים.


ספירוגרף לייזר



וממוקמת. מוכנה חלקיםהמערכת להזיז אין בתופעה, להתבונן רק יש במערכת !

צפו באלומת אור הלייזר, המוחזרת כאשר מנוע אחד מסתובב. א.

צפו באלומת אור הלייזר, המוחזרת כאשר גם המנוע השני מסתובב. ב.

השלישיג. המנוע גם כאשר המוחזרת הלייזר, אור באלומת צפו מסתובב.

תעדו את התצפית והסבירו כיצד לדעתכם נוצרו התופעות בהן צפיתם.



: כיצד ניתן לקבל אינסוף דמויות באמצעות מראות מקבילות?1.14פעילות


הבנת תופעות שונות הקשורות בהחזרת קרני אור ממראותמישוריות.


השתקפות במראה מישורית. פעילות אוריינטציה של דמותבמראות מישוריות.


מראות מישוריות מקבילות, שבאחת מהן יש חור במרכז )ראו2מתקן בו יש תמונה(.

עצם קטן לשים בין המראות לצפייה.

נורית להט עם סוללות, לשים בין המראות.


מראות מקבילות

הניחו עצמים קטנים בין המראות, במיקומים שונים, והתבוננו דרך החור במראה,אל המראה הנגדית.

תעדו את התצפית והסבירו את התופעות בהן צפיתם. התייחסו לשאלות הבאות:



האם כל הדמויות, אותן רואים דרך החור במראה, נמצאות תמיד במרחקים.1שווים אחת מהשנייה?

מה קובע את המרחק בין הדמויות הנוצרות? .2

איך משפיע מיקום העצם בין המראות, על מיקום הדמויות?.3

איך משפיע המרחק בין המראות, על מיקום הדמויות?.4

מה קורה לדמויות הנראות דרך החור, כאשר מטים מעט את אחת המראות.5מהמצב בו הן מקבילות?

חברו שאלות נוספות אותן ניתן לשאול על מתקן זה..6



: מהן השיטות למציאת מרחק מוקד של עדשה )דקה(?1.15פעילות


בפעילות זו התלמידים מתנסים בשיטות שונות למציאת מרחק המוקד של עדשה,ונוכחים לראות שאין פתרון אחד ושיטה אחת, אלא מגוון פתרונות.


עדשה מרכזת – מוקד ממשי

בעדשה פוגעת מקבילה, אור אלומת כאשר מרכזת, כל אחד מחלקי האלומה עובר תהליךכתוצאה )"שבירה"(, תנועה כיוון שינוי של

מהמעבר מתווך לתווך.

כתוצאה מכך, האור מתרכז לאזור צר, לאחר המעבר בעדשה. ככל שהעדשה דקה יותר, שטח האזור בו מתרכז האור מצטמצם, וניתן להתייחס לנקודת התכנסות של

( של העדשה.Focal Pointהאלומה, אותה מגדירים כנקודת המוקד )

עדשה מפזרת – מוקד מדומה

כאשר אלומת אור מקבילה, פוגעת בעדשה מפזרת, כלכיוון שינוי של תהליך עובר האלומה, מחלקי אחד

)"שבירה"(, כתוצאה מהמעבר מתווך לתווך.

כתוצאה מכך, האור מתפזר לאחר המעבר בעדשה.

המרכז המדומה של האלומה, לאחר המעבר בעדשה )כלומר המרכז הגיאומטרי שלהמשכי הקרניים(, הוא המוקד המדומה של העדשה המפזרת.

מוקד ראשי, מוקד משני ומישור המוקד

אם האלומה הפוגעת מקבילה לציר האופטי הראשי - נקודת המוקד היא המוקד- נקודת המוקד היא ואם האלומה הפוגעת מקבילה לציר אופטי משני הראשי,



מוקד משני. קיימים אינסוף מוקדים משניים והמקום הגיאומטרי שלהם הוא מישורהמוקד.

הקשר בין תפקוד העדשה, צורתה, החומר ממנו היא עשויה וחומר הסביבה

עדשות כדוריות, מוגדרות לפי רדיוסי העקמומיות של המשטחים הכדוריים המגבילים’(. n( חומר הסביבה )nאותן, ומקדם השבירה היחסי בין חומר העדשה )

עבור עדשות דקות, מתקיים בקירוב הקשר הבא:

1/f = (n/n'-1)*(1/R1+1/R2)

( .Lens makers' formulaקשר זה ידוע בשם נוסחת לוטשי העדשות )

על מנת להבדיל בין משטחים קמורים לקעורים, נותנים סימן חיובי לרדיוס משטחוסימן שלילי לרדיוס משטח שהוא קעור מבחוץ. רדיוס של שהוא קמור מבחוץ,

משטח מישורי נחשב "שואף לאינסוף".

וכן מרחק המוקד ניתן להבין, שהתפקוד של עדשה כמרכזת, או מפזרת, מכאן שלה, תלויים במספר גורמים. עדשה מסוימת יכולה להיות מרכזת בסביבה מסוימת

ומפזרת בסביבה אחרת.

בנוסף לכך, מקדם השבירה קשור גם לאורך הגל של האור הפוגע – לכן, לעדשהיש מרחקי מוקד שונים במקצת לצבעי אור שונים.

שיטות שונות למדידת מרחק מוקד של עדשה

א. עדשה מרכזת

נשלח לעבר עדשה, אלומת אור מקבילה לציר האופטי הראשי. אם נציב מסך.1 מאחורי העדשה, ייווצר עליו כתם מואר. נוכל לאתר את מיקום נקודת המוקד על פי המרחק בו הכתם המואר יהיה מרוכז ביותר. בשיטה זו ניתן להשתמש גם כאשר משתמשים בגלאי אחר, המגיב בהתאם לעוצמת האור הפוגע בו,

במקום במסך ובעין.



על פי כלל הפיכות מהלך האור, אם מקור אור נקודתי יוצב בנקודת המוקד.2 של עדשה מרכזת, תתקבל לאחר העדשה אלומת אור מקבילה. נוכל לאתר את מוקד העדשה בשיטה זו, על ידי איתור הנקודה בה יש להציב מקור אור נקודתי, כך שרוחב הכתם המואר, הנוצר על מסך הנמצא אחרי העדשה,וזהה לקוטר העדשה, ללא תלות במרחק המסך מהעדשה. יישאר קבוע,

השיטה מבוססת על "ניסוי וטעייה" והיא עשויה להיות מייגעת ולא מדויקת.

על פי נוסחת העדשות הדקות:.3

u.מרחק העצם מהעדשה =

v.מרחק הדמות מהעדשה =

f.מרחק המוקד של העדשה =

ניתן להציב עצם/מקור אור קטן, במרחק מסוים מהעדשה, לאתר את דמותו הממשית המתקבלת בצידה השני של העדשה, על מסך הנמצא ברוחק מסוים

מהעדשה. את מרחק המוקד מחשבים באמצעות הנוסחה.

כדי לקבל דמות ממשית, יש להציב את העצם/מקור אור, במרחק גדול מהעדשה. כדי להתגבר על אי הדיוק של מדידה בודדת, רצוי לבצע סדרת

. נקודות החיתוך של הקוu/1 כפונקציה של v/1מדידות, ולשרטט גרף של .f/1הישר, עם הצירים של הגרף, נותנים את הערך של

על פי כלל העדשות הצמודות, ניתן למצוא מרחק מוקד של עדשה מרכזת לא.4 ידועה, באמצעות עדשה מרכזת שמרחק המוקד שלה ידוע. מתייחסים אל

שתי העדשות הצמודות כאל מערכת אופטית המקיימת את הכלל:

1/f = 1/f1+1/f2

נמדדf נקרא עוצמת העדשה, או הדיופטר של העדשה, כאשר f/1הגודל , ולכן:Dבמטרים. מסמנים אותו ב

Dsystem = D1+D2



( שתוארו קודם, ומחשבים1-3 של המערכת, באחת מהשיטות )Dמוצאים את את עוצמת העדשה הבלתי ידועה, לפי:

D2 = Dsystem - D1

מכאן ניתן למצוא את מרחק המוקד של העדשה הבלתי ידועה.

משתמשים בשיטה זו, כאשר מרחק המוקד של העדשה הבלתי ידועה הוא גדול מאוד, או קטן מאוד, יחסית למרחק המוקד של העדשה הידועה. אחרת

כדאי להשתמש באחת השיטות האחרות.

ב. עדשה מפזרת

כאשר אלומת אור מקבילה, פוגעת בעדשה מפזרת, אלומת האור מתפזרת, באופן שהמרכז המדומה שלה הוא בנקודת המוקד. לכן לא ניתן לאתר את

המוקד באופן ישיר.

שיטת הכתם המואר:

נשלח לעבר העדשה אלומת אור מקבילה, מאחורי העדשה. ישdונציב מסך במרחק

לחסום את מעבר האור הישיר ממקור האור למסך, כדי להבחין היטב בגבולות הכתם

(.ABהמואר )

= f(/f+d. לכן: )FAB, FCD משולשים דומים: 2כפי שמראה התרשים, נוצרים

AB/CD

.fואפשר לחשב את מרחק המוקד

,CD מאורך קטע 2( יהיה פי ABאם מכוונים מראש, שקוטר כתם האור ). d, ואין צורך בחישוב, אלא רק במדידת d = fמקבלים כי:



d

A

B D

C

שיטה זו ניתנת ליישום גם כאשר מדובר באור הפוגע בעדשה מפזרת, ממקור אור ’S(, הנמצא במרחק ידוע מן העדשה. במקרה זה נוצרת דמות מדומה Sנקודתי ) לפני העדשה.vבמרחק

. גם כאן כדאי לתכנןvמשתמשים בשיטת הכתם המואר כדי למצוא את הערך של . CD, יהיה שווה לפי שניים אורך ABשאורך

מחשבים את מרחק המוקד על פי נוסחת העדשות הדקות:

מספר שלילי, שכן מדובר בדמותvחשוב לזכור, שיש להציב עבור הערך של מדומה.

הערה: שיטה זו מתאימה גם למציאת מרחק דמות עבור דמות מדומה, הנוצרתבעדשה מרכזת.

שיטת העדשות הצמודות:

(, לעדשה מפזרת שמרחקf1מצמידים עדשה מרכזת שמרחק המוקד שלה ידוע ) (. יש לבחור עדשה מרכזת בעלת מרחק מוקד קטן, כךf2המוקד שלה בלתי ידוע )

שביחד תיווצר מערכת מרכזת:

Dsystem = D1+D2

מוצאים את מרחק המוקד של המערכת, באחת השיטות למציאת מרחק מוקדכמובן )שתתקבל עוצמת העדשה המפזרת ומחשבים את עדשה מרכזת, של

כמספר שלילי(:

D2 = Dsystem - D1


A,B,Cעדשות מרכזות, ועדשות מפזרות, מקיט האופטיקה עדשות



d

A

B D

C

עדשת פרנל

20, ו 15, 10עדשות "רגילות" של ניסויי האופטיקה, עם מרחקי מוקד של סנטיממטר

מחזיקי עדשות, עם מגנטים

בסיס מגנטי ארוך + מחזיקים מגנטיים

מסך

סרגל

נורה קטנה, עם סוללות וחוטים להדלקתה

פנס גלילי )רצוי פנס עם דיודות פולטות אור לבן( וספק להפעלתו

, עם ספק להפעלתוFפנס עם מסך בצורת




מרחק מוקד של עדשה

אפיינו את העדשות שקיבלתם: צורה, תפקוד, קוטר, עובי. א.

מצאו את מרחקי המוקד של כל העדשות, עבור כל עדשה, יש להשתמשב. לפחות בשתיים מהשיטות שהוצגו במבוא. תארו באילו שיטות בחרתם, רשמו

ממצאים כמותיים וציינו גורמי שגיאה.

שימו לב שכמו בפעילויות הקודמות, התיעוד הוא גורם חשוב בביצוע משימה זו.



: כיצד ניתן להשתמש בכדורי זכוכית, כעדשות מרכזות, וגם1.16פעילות לגזור מהן עדשות דקות?


לפעילות זו מגוון מטרות:

להבין מהי עדשה מרכזת.

להבין מהי עדשה כדורית )מהיכן מגיע השם(.

להבין מהי עדשה דקה, בניגוד לעדשה עבה. למדוד נתונים על עדשות, כגון מרחקימוקד שלהן.

להבין מהן עדשות צמודות.

להבין מה הקשר בין מרחק המוקד של עדשה אחת לשתי עדשות צמודות.

לראות מה הקשר בין רדיוס הכדור ממנו נגזרת העדשה למרחק המוקד שלה.

לקשר את מרחק המוקד באופן ניסיוני לרדיוס העקמומיות.


עדשות מרכזות.

לפעילות זאת יש להזמין מראש ציוד ייחודי, שאינו מצוי ברשות המורה הממוצע, אךיכול לשמש כאמצעי הוראה מוצלח להבנת עדשות דקות ועבות.


כדור זכוכית גדול, עם עדשה דקה שנחתכה ממנו )מישורית קמורה(.

כדור זכוכית קטן, עם עדשה דקה שנחתכה ממנו )מישורית קמורה(.



מקור אור לבן חזק, הפולט אלומת אור מקבילה וצרה.

עצם קטן, ו/או נייר עליו משורטטים ריבועים זהים כרשת.

מסך הניתן להזזה, על פס ברזל עם מגנטים.

את המערכת ניתן לראות בתמונות הבאות:


כדורי זכוכית כעדשות מרכזות

כוונו אלומת אור מקבילה אל כדורי הזכוכית, ונסו למדוד את מרחק המוקד שלהעדשה הכדורית העבה.

כוונו אלומת אור מקבילה אל העדשות הדקות שנגזרו מכדורי הזכוכית, ונסו למדודאת מרחק המוקד של כל אחת מהעדשות הדקות.

חברו את שתי העדשות הגזורות מהכדורים, וכוונו אליהן את אלומת האורהמקבילה. נסו למדוד את מרחק המוקד של שתי העדשות הדקות הצמודות.

שלדמותנסו לחזור על הפעילויות בשלבים הקודמים, אלא שהפעם נסו לקבל עצמים )או דף נייר עם ריבועים כרשת(, דרך העדשות למיניהן.

את התוצאות של הניסויים שביצעתם, והסבירו מהם ההבדלים בין מרחקיתעדוהמוקד של כל מגוון העדשות, וממה הם נובעים.



: עדשה גלילית1.17פעילות


להבין מהי עדשה כגלילית ומהן יישומיה.


עדשה גלילית דקה היא למעשה משטח קמור בכיוון ציר אחד, ומשטח ישר בכיוון הציר השני. לכן, בפועל, כל מי שלמד על עדשה כדורית, יכול היה להסיק מראש מה תהיה צורת האלומה המתקבלת לאחר מעברה בעדשה גלילית. מניסיון עם

תלמידים ומורים, התברר כי כמעט אף אחד לא הצליח לבצע את הניתוח המחשבתיהפשוט שתארנו.

כיצד יוצרים פס דק של אור, עם יכולת שליטה באורכו?1.17.1


עדשות גליליות דקות )חתוכות ממוטות פרספקס בקטרים שונים(, או עשויות ממבחנות גליליות, המלאות גליצרין, שמקדם השבירה שלו זהה לזה של זכוכית

המבחנה(.

מקור אור לייזר, הפולט אלומת אור מקבילה וצרה.

מסך גדול, הניתן להזזה, למרחקים שונים מהעדשה הגלילית, נוח להשתמש במסך המחובר על זווית ברזל עם מגנטים.




יצירת פס אור דק באמצעות עדשה גלילית

בנו את המערכת כפי ניתןלראות בתמונה.

כוונו את אלומת האור מהלייזר, דרך העדשה

הגלילית, כך שיתקבל פס אורעל המסך.

תעדו את התוצאות שלהניסויים שביצעתם.

מהי הצורה המתקבלת על המסך? א.

האם העדשה מרכזת, או מפזרת?ב.

,y, לעומת ציר xמהם ההבדלים בין ההתנהגות של העדשה בציר ג.המאונכים שניהם לכיוון התקדמות אלומת האור?

כיצד משתנה התנהגות אלומת האור לאחר העדשה?ד.

דמות של טקסט הנוצרת על ידי עדשה גלילית 1.17.2


סנטימטר(.2-4עדשה גלילית עבה )חתוכה ממוט פרספקס בקוטר של

".סוס לבןנייר לבן מואר, ועליו כתוב בכתב יד, עם טוש פרמננט בולט: "



נייר לבן, עליו משורטטות משבצות ריבועיות.


דמות של טקסט הנוצרת על ידי עדשה גלילית

התבוננו בטקסט הכתוב, דרך עדשה גלילית, כל פעם דרך עדשה בעלת

קוטר שונה.

תעדו ונסו להסביר את מה שאתםרואים.

האם ניתן להגיע למסקנהא. "המדעית", ש"עדשה גלילית הופכת

צבעים ולא הופכת סוסים"?

מה קורה למה שרואים, כאשר משנים את מיקום העדשה לעומת הנייר?ב.

מהם ההבדלים המתקבלים בשימוש בעדשות גליליות בקטרים שונים?ג.

מה רואים, כאשר מתבוננים בנייר, עליו משורטטות משבצות ריבועיות?ד.



: כיצד ניתן לראות את אלומת האור העוברת דרך עדשת נוזל1.18פעילות כדורית?


להבין מהם התנאים לראייה, וליצור חומרמפזר אור, כך שיוכל להגיע לעיני הצופה.


כדי לראות את מסלול אלומת האור בתוך הנוזל, חייב להיות בו גורם שיפזר את האורלצדדים, כך שחלק ממנו יגיע לעין הצופה.

חומר מתאים חד פעמי, יכול להיות מספרטיפות חלב במים.

חומר להדגמה שתתקיים לזמן ארוך, הוא . חומר זה מגיע בצורת אבקה, שמעט ממנה מכניסים לתוך הנוזל )בדרךפלואורסין

כלל מים(. ניתן להכין את ההדגמה פעם אחת, ולהשתמש בה במשך שנים.


עדשת נוזל כדורית ממבחנה גדולה, מלאה מים עם פלואורסין.

מקור אור היוצר אלומת אור לבן, מקבילה וחזקה. נוח להשתמש בדיודה פולטתאור, המולבשת על בוכנת מזרק גדול, כפי שרואים בתמונה.

בקצה הצינור בתוכו נעה הבוכנה, מדביקים עדשה מרכזת קבועה, כך שבאמצעות הזזת הבוכנה בתוך המזרק, ניתן לשנות את מיקום מקור האור לעומת העדשה

ולשלוט באלומת האור הנפלטת.

חדר חשוך_________________________________




אלומת האור העוברת דרך עדשת נוזל כדורית

עליכם לצפות ולתעד את מהלך האור דרך העדשה.

היכן מתמקדת אלומת אור מקבילה הנכנסת לעדשה?.1

כיצד מתנהגת אלומת אור מתפזרת הנכנסת לעדשה?.2

משטחי שבירה? הסבר.2האם זאת עדשה עם .3

האם ניתן להתייחס לעדשה זאת כאל עדשה דקה?.4

איך לדעתכם ניתן להגדיר מרחק מוקד עבור עדשה זאת?.5



: כיצד יוצרים עדשת אוויר בנוזל, ומה קורה לאלומת אור1.19פעילות מקבילה, העוברת דרך עדשה מסוג זה שצורתה קמורה?


להבין כי בין הגורמים המשפיעים על תכונות העדשה נמצאים גם מקדמי השבירהשל העדשה והתווך בו היא נמצאת.


את הפיזיקה של המערכת, ניתן להסביר באמצעות נוסחת לוטשי העדשות.


עדשת אוויר דו קמורה

מקור אור היוצר אלומת אור מקבילה בעוצמה גבוהה

כלי מלא מים, בתוכו שמים את עדשת האוויר

משקולות על המשטח, למניעת ציפה של עדשת האוויר




עדשת אוויר בנוזל

הניחו את עדשת האוויר בתוך כלי שקוף, מלא מים. רצוי להשתמש במכסה, עליושמים משקולות, כדי למנוע את ציפת הכלי עם האוויר המהווה עדשה.

כוונו מקור אור חזק, רצוי עם אפשרות שליטה בזווית ההתבדרות של האלומה, כגון.18המזרק שהוסבר בפעילות

את המערכת ניתן לראות בתמונה הבאה:

התבוננו באלומת האור המתקדמת דרך העדשה, וענו על השאלות הבאות. היעזרובנוסחת לוטשי העדשות.

תעדו את התצפית והסבירו את התופעה, ובעיקר הראו בעזרת איור, את מהלךא.אלומות האור.

איך ניתן להסביר את העובדה, שעדשה דו קמורה גורמת לפיזור האור?ב.

מה יקרה אם נרוקן את המים מהכלי?ג.

מה לדעתכם קובע את מרחק המוקד של עדשת האוויר?ד.



יותר, האם העדשה תפזר אתה. אם ניקח עדשת אוויר עם כדור ברדיוס קטן האור באופן אחר?

: כיצד ניתן להשתמש בעדשה מרכזת כמכשיר למדידת מרחק?1.20פעילות


שימוש בידע מדעי, ככלי הנדסי לפתרון בעיה במציאות.


קיימות מספר שיטות, באמצעותן ניתן ליצור עם עדשה מרכזת, מערכת למדידתמרחק.

לדוגמה, משנים את מרחק המוקד של מערכת עדשות, עד לקבלת תמונה חדה שלהעצם אליו מודדים את המרחק.

(, ידועu: מחפשים את המרחק מהעצם לעדשה )בנוסחת העדשותמשתמשים ( של מערכת העדשות.f(, וידוע מרחק המוקד )vהמרחק מהדמות לעדשה )

לגודל הדמות לעומת גודל העצם, ולנוסחת ההגדלהשיטה אחרת מתייחסת :הקווית

משתמשים בעצם מרוחק, ובמקרה שלנו, מחזיקים את המוט עם מקורות האור,במרחק של מספר מטרים מהעדשה.


סנטימטר, עם מחזיק עדשה, על5-15עדשה מרכזת )דו קמורה(, מרחק מוקד של ספסל אופטי.



דיודות פולטות אור, בצבעים שונים, מורכבות קבוע על מוט, במרחקים קבועים5אחת מהשנייה.

מסך על מחזיק, עם מגנטים.

(hoמכיוון ש"העצם" שלנו הוא מקורות אור שונים, הנמצאים במרחקים קבועים )אחד מהשני, אנו יודעים מהו "גודל העצם".

ממקמים את המסך במוקד העדשה.

(, וידיעת מרחק המוקד שלhiעל פי מדידת גודל הדמות המתקבלת על המסך )

(, fהעדשה )

X = f * ho / hi

באיור נראית המערכת הניסיונית למדידת מרחק, באמצעות גודל הדמות הנוצרתבאמצעות עדשה מרכזת:


עדשה מרכזת ככלי למדידת מרחק

הרכיבו את המערכת, והזיזו את המסך קדימה ואחורה._________________________________



hif

היכן נוצרת הדמות החדה? א.

מה קורה לדמות מעט לפני ומעט לאחר המוקד?ב.

האם הדמות ישרה? הפוכה? מוגדלת? מוקטנת? ממשית? מדומה?ג.

כיצד מחשבים את מיקום היווצרות הדמות? אילו פרמטרים קובעיםד.מיקום זה?

כיצד יכולה המערכת לשמש למדידת מרחקים? ה.

מהם התנאים )מגבלות( לפעולתה של המערכת?ו.



: כיצד ניתן ליצור עדשה מרכזת גדולה, עד קוטר של מטרים1.21פעילות )!(, קלת משקל, זולה ובייצור המוני? – הסבר והדגמה


להראות לתלמידים מה הגורם היוצר את הפעולה האופטית של העדשה.


מהי עדשת פרנל?

בצורתה המסחרית לציבור, מופיעה עדשת פרנל(Fresnel Lens,כלוח פלסטיק דק, קל משקל ,)

ונוח לשימושכמוראה בתמונה.

לאמיתו של דבר, העדשה בנויה מחומרAcetateהנקרא: Butyrate,יצרו בו ,

מעגליות, מדרגות מכבש, באמצעות שכל אחת מתחילה במקום שבו נפסקת

הקודמת לה. ראו איור:

מתוכננות כך, שכל אלומת קרניים מקבילות הפוגעות בהן, תמוקדנה המדרגות למוקד אחד )עדשה מרכזת(.

כל טבעת מהווה חתך של משטח עדשה קמורה.



אזהרה: כאשר משתמשים בעדשת פרנל למיקוד אנרגיית השמש, יש להקפיד עלביותר, גבוהה פרנל עדשת של הקרינה איסוף שיכולת מכיוון בטיחות, כללי

והטמפרטורה המתקבלת במוקד יכולה להגיע למאות מעלות.

למה שימשו עדשות פרנל?

שימושן העיקרי של עדשות פרנל, מהמצאתן ועד לאמצעבמרומי גדולות זכוכית כעדשות היה העשרים, המאה המגדלורים. מטרת עדשת פרנל במגדלור היא לאסוף אתאותו ולשלוח חזקה, ממנורה הנפלט האור מכסימום

כאלומת אור מקבילה למרחק הרב ביותר.

המנורה בראש המגדלור, שהספקה אלפי וואטים, ממוקדת במוקד עדשת פרנל. בתמונה מתוארת עדשת פרנל גדולה,

מהסוג ששימש בראש מגדלור.

השתלשלות היסטורית של עדשת פרנל

פורסם פרנל, עדשת המצאת של ההיסטורית ההשתלשלות על מפורט הסבר במאמר:

B.A. Anicin et al.: "Fresnel Lens", Am. J. Physics, Vol. 57(4), pp. 312-316, Apr.

1989.

זהו מאמר המכיל קטעים )בצרפתית( מהספר המקורי שנכתב על ידי פרנל, המתאראת חייו ואת פיתוח עדשת פרנל.

ה- במאה באירופה בספנות שיא את18בתקופת לשפר דרך בצרפת חיפשו , מינתה הממשלה הצרפתית את1819המגדלורים בחופי נורמנדי ובריטני. בשנת

( לפתח מערכת הארה משופרת למגדלור.34פרנל )שהיה בן

פרנל ניסה לבדוק את אפשרות השימוש במספר עדשות המקיפות את מקור האור, במקום עדשה אחת ומחזיר אור מאחוריה, כפי שהיה נהוג עד אז. פרנל מיקם מול מקור האור עדשות קמורות, ומתחתיו ומעליו השתמש במנסרות להטיית האור לכיוון הנדרש. סיבוב מערכת העדשות, איפשר ליצור אפקטים של הבהובים בתדירויות



מוגדרות, ושימוש בלוחות זכוכית צבעוניים לפני העדשה יצר אותות אור צבעוניים. בצורה כזו קיבל כל מגדלור את אותות האור האופייניים רק לו, כך שעל פי האור ניתן היה לזהות את המגדלור. השימוש במספר אלמנטים אופטיים, הקל על הייצור

,1827ההובלה וההרכבה של מערכת העדשות על המגדלור. פרנל נפטר בשנת ולא הספיק לראות את המצאתו מתפשטת לכל העולם.

מה הרעיון מאחורי עדשת פרנל?

רבות, מכיוון שהעדשות בהן השתמשו לפני שבא פרנל עם המצאתו, היו בעיות להפיכת אלומת האור למקבילה היו עדשות זכוכית עבות וגדולות. לעדשות אלו היה צורך להשתמש בכמות גדולה של זכוכית,ולכן היו בעלי משקל כבד, ומחירן היהכמות אור רבה משקלה הגיע למאות כך שתקלוט גדולה גבוה. עדשה מספיק

קילוגרמים, ומשקל זה הקשה על מנגנון הסיבוב.

גילה1748בשנת ( Georgeבופון de

Buffon,שלמעשה ,) מצד קמורה בעדשה בצידה ומישורית אחד השני, רק צד אחד של העדשה )הצד הקמור( מספיק כדי להשיג את אפקט הטיית האור. לכן, הוא חתך החוצה את החלקים הפנימיים של העדשה, כך שנוצרו עיגולים עם קירות בצד הפנימי, כפי שרואים באיורהקטעים את מסמנים הצבועים והאזורים המקורית, העדשה של חתך המתאר

שהוצאו.

פרנל ניסה למצוא דרך זולה יותר לייצורשניתן מצא, וכך בופון, שהציע העדשה להוריד למישור אחד את משטחי הבליטות שנוצרו בעדשת בופון, וליצור משטח ועליו

טבעות קונצנטריות, בצורת מנסרות )פריזמות( צפופות:



לכל אחת מהטבעות צורת חתך של טרפז, המורכב מקו ישר בבסיס, וקו אלכסוני בחלק העליון. זוויתהקו של הנטייה עם גדלה העליון רדיוס גידול )מרחק הטבעת

ממרכז העדשה(. כפי שרואים בתמונה:

זו שהמציא אוגוסטין זאן פרנל ) (, משמשת החלAugustin Jean Fresnelהמצאה בכל המגדלורים, וכן במספר רב של שימושים בחיי יום יום, כגון: מקרן1822משנת

שקפים.

, ובהתאם,5עדשת פרנל במגדלור, הגדילה את כמות האור שנאסף מהמנורה פי את המרחק אליו יכול היה האור להגיע כדי לסמן לאוניות על מיקום החוף. כאשר

מטרים, ניתן היה לראות את אורה30מנורת המגדלור הייתה בגובה של לפחות קילומטרים בים.25למרחק של למעלה מ

בצורה כזו נוצרה עדשה כמעט ללא עובי, ולכן קלת משקל. עדשה זו ניתן לייצרזכוכית לתבנית, או באמצעות הטבעה יציקה של ובזול בתהליך בכמויות גדולות

)במכבש( של הצורה בפלסטיק.

( לפי סדרים פרנל לחלק את עדשות נקבעו Ordersנהוג סדרים בהתאם11(. לגודל, למרחק המנורה מהעדשה, ולכמות האור של המנורה שהמערכת אוספת.

סדרים:7כיום נשארו בשימוש בעיקר

, ומשמש בעיקר לאגמים ומפרצים.6החלש ביותר הוא סדר

מסדר הוא יותר לאוניות1החזק החוף מיקום את לסמן החופים על ושימש , באוקיינוסים ובימים.

והיא מורכבת ממספר רב של מנסרות3עדשה מסדר ראשון גובהה כ מטרים, )מסדר גודל של אלף!(.

מהו העיקרון הפיזיקלי עליו מבוססת עדשת פרנל?



כיוון התקדמות האור הפוגע בה )פרט מכיוון שמנסרה מלבנית אינה משנה את להזזה קטנה של מיקום האלומה ללא שינוי כיוון(, ניתן בעדשה קמורה להוציא את

כל החלקים המורכבים ממנסרות מלבניות.

ונובעת ממהירות ידי חוק סנל, מבוטאת על כיוון התקדמות האור שינוי תופעת התקדמות שונה של האור בתווכים בעלי מקדם שבירה שונה.

מכאן, שרק במעבר בין תווך לתווך )במשטח הגבול בין האוויר לחומר העדשה(מבוצע שינוי הכיוון.

עדשות פרנל המקוריות למיגדלורים היו בנויות מזכוכית, והיו מורכבות ממספר קטן (. שימושן היה רק לצורך איסוף האור מהמנורה,10של טבעות )מסדר גודל של

ושליחתו כאלומת אור מקבילה.

קונצנטריות, טבעות מאלפי מורכבות כיום המשמשות מפלסטיק פרנל עדשות ומשמשות גם לצורכי מיקוד תמונה.

נשאלת השאלה מדוע במרכז העדשה יש עיגול עם רדיוס גדול, ואילו בהיקפה ישמספר הולך וגדל של טבעות קונצנטריות שרוחבן לא אחיד?

קיימת בעיה, כאשר משתמשים במספר רב של טבעות, מכיוון שהאור מכל טבעת עובר הזזת מופע )פאזה( שונה. כתוצאה מכך יכולה להיווצר התאבכות הורסת בין

אלומות האור המגיעות מטבעות שונות.

הפתרון לכך, הוא בחירת המרחקים )רוחב הטבעות( כך, שהן תהיינה ממוקמות(.2 פHי )2במרחקים הגורמים להפרשי מופע שהם כפולות של

מה קורה למופע האור בעדשה קמורה רגילה?

אור היוצא ממקור נקודתי לפני העדשה, עובר בדרכו עד לנקודת היווצרות הדמות במסלולים שונים )באזורים השונים של העדשה(. למרות זאת, האור מכל המסלולים

מגיע באותו מופע. ההסבר לכך הוא: _________________________________



אלומת האור העוברת דרך מרכז העדשה נעה במסלול קצר באוויר, אך במסלול ארוך יותר בתוך חומר העדשה. לעומת זאת, אור העובר בשולי העדשה נע

במסלול ארוך באוויר, אך עובר דרך עובי קטן של חומר העדשה.

(, כך שיהווה כפולותx0כאשר מתכננים את עדשת פרנל, יש להוריד עובי חומר )של:

X0 = Lamda/(n2/n1-1)

n2.מקדם השבירה של חומר העדשה =

n1 .)מקדם השבירה של של הסביבה )בדרך כלל אוויר =

Lamda.אורך הגל של האור בתווך הסביבה =

מהם מאפייני האור הנפלט ממגדלורים?

חלק מעדשות פרנל בראשי מגדלורים היו סטטיות )ללא תנועה(, ושלחואלומת אור רציפה לכל הכיוונים.

יכול היה זו אחרות יצרו אור מהבהב בתדר אופייני לכל מגדלור. בצורה אחד מכל האורות הבהוב תבנית לפי מיקומו את לזהות באוניה הספן

מהמגדלורים.

פרויקט לתלמידים של בניית תנור שמש, באמצעות עדשת פרנל

ניתן לבנות תנור שמש פשוט ויעיל באמצעות עדשת פרנל מפלסטיק.

יש לקבע את העדשה בתוך מסגרת )נוח לקחת פשוט מסגרת מעץ(.

את המסגרת יש להעמיד על ציר שניתן לכוונו כך שמראת פרנל תהיה בכיוון מאונךיהיה רוצים לחמם והגוף אותו לקרינת השמש, זה מסוג למערכת דוגמה העדשה. במוקד

מופיעה בתמונה הבאה.

יישומי עדשת פרנל:

מקרן שקפים.



עדשה פנורמית לראיית שטח מת מאחורי המכונית.

עדשה לאינפרא-אדום קרוב, עבור גלאי תנועה.



: כיצד ניתן להשתמש בקונוס )חרוט( ממראות, לשליטה1.22פעילות בתכונות אלומת אור

( Cone Optics?)


בניית אלמנט אופטי מחומרים פשוטים )נייר מראה(.

חשיפה לענף באופטיקה הנקרא: אופטיקה שלחרוטים.


חוק ההחזרה של האור.

האור נכנס לתוך הקונוס, ומבצע החזרות מהקירות.


מספר מתקנים בצורת חרוטים קטומים, מצופים במשטח מראה בצידם הפנימי. ההבדלים בין החרוטים יכולים להיות בפרמטרים המגדירים אותם )פעילות חקר של תלות התוצאה בפרמטר אותו משנים(: זווית ראש שונה, קוטר כניסה וקוטר יציאה

שונים, צורת אלומת האור הפוגעת )זווית התבדרות, מרחק, עוצמה, ...(.

לכול קונוס:

מקור אור היוצר אלומת אור מקבילה

מסך

מתקן של ספסל אופטי מגנטי, להעמדת הרכיבים



הקונוס ממוקם, האור מקור כאשר לצפייה, המערכת את מראש להכין רצוי ממוקם, והמסך ממוקם לאחר הקונוס.




קונוס מראות

תעדו את התצפית והסבירו את התופעות בהן צפיתם.

מהי השפעת זווית הקונוס על אלומת האור הפוגע?א.

מהי השפעת גודל הפתח על צורת האלומה היוצאת מהקונוס?ב.



: האם ניתן ליצור דמות ממשית באוויר ולראות )ולצלם( אותה1.23פעילות ללא מסך?


להראות לתלמידים שניתן לראות דמות ממשית, גם ללא מסך.


. רצוי לשים את מקור האורשיתוף פעולה של שני משתתפיםלפעילות זאת דרוש מרחקי מוקד מן העדשה. תחילה יש לקלוט את הדמות הממשית של2במרחק

מקור האור על מסך. אחד המשתתפים מחזיק את המסך והאחר "הצופה" עומד מרחק של חצי מטר עד מטר לפני המסך, ורואה את הדמות הברורה על המסך. רצוי שהעיניים יהיו בגובה המסך. לאחר מכן, התלמיד המחזיק את המסך מזיז אותו באיטיות, בעוד הצופה ממשיך להתבונן לאותה נקודה. כדי לוודא שתתבצע ראייה, צריך להיווצר על אחת העיניים של הצופה, כתם אור )יתכן תחושה קלה של סינוור(.

הצופה יוכל לראות את הדמות הממשית וההפוכה תלויה באוויר.


עצם מואר, או מקור אור נקודתי.

עדשה מרכזת עם מחזיק עדשה.

ספסל אופטי ארוך, למיקום המערכת.




דמות ממשית באוויר

צפו בדמות של העצם, הנוצרת על ידי העדשה, תוך כדי שינוי מיקום העין מעט לכלכיוון.

שאלות:

מהו המיקום בו נוצרת הדמות?א.

מהיכן ניתן לראות את הדמות באוויר )מהו שדה הראייה(?ב.

מכלג. אותה לראות היה ניתן הדמות, של במקום מסך היה כאשר מוגדרת ניתן לראות את הדמות רק בגזרה הכיוונים. אך ללא מסך,

)שדה ראייה צר(. מהם ההבדלים בין המצבים?

האם ניתן לצלם את הדמות הממשית? אם כן, עשו זאת. תעדו אתד.התצפיות והסבירו את ההבדלים בין התצפיות.



: עוצמת האור של נורת פלואורסנט1.24פעילות

פעילות זו פותחה על ידי עדי רוזן


הנפלט האור עוצמת בפעילות זו מתבצעת על ידי המורה הדגמה הבוחנת האם?הזמן של כפונקציה משתנה או, קבועה היא פלואורסנט מנורת


(הניסוי לביצוע מתאימה לתקרה הצמודה פלואורסנט נורת )פלואורסנט נורת

-ה למערכת מתייחסות זו בפעילות ההנחיות. אור חיישן עם A/D ומערכת, מחשבMultiLog 6.6 - 0 מדידתו שתחום אור חיישן עם Lux.


עוצמת האור של נורת פלואורסנט

הניסוי ממצאי לגבי השערה העלאת

פלואורסנט נורת של האור עוצמת של משוערת עקומה 1 בתרשים שרטטו.הזמן של כפונקציה



של כפונקציה פלואורסנט מנורת הנפלט האור עוצמת של משוער גרף: 1 תרשים.הזמן

הניסוי ביצוע

. MultiLog- ה תוכנת את אתחלו. 1

)יציב באופן האור חיישן את החזיקו. 2 המגיע האור בעוצמת שינויים למנוע כדי כדי, הרצפה לעבר החיישן את לכוון רצוי(. החיישן מקום משינוי כתוצאה, לחיישן שהחישן המרבי מהערך גבוהה תהיה לחיישן המגיע האור עוצמת שבו מצב למנוע

.למדוד יכול

.המחשב אל הדגימות את העבירו. 3

הממצאים ניתוח

?השערתכם את תואם הוא האם; שהתקבל בגרף התבוננו. 4

את( העקומה של נקודות שתי על המצביעים חצים שני )הסמנים בעזרת מצאו. 5.האור בעוצמת השינויים תדירות ואת, האור עוצמת של אחד מחזור של הזמן משך

נראית פלואורסנט נורת של האור עוצמת, שהתקבלה התוצאה למרות, מדוע. 6?קבועה

שאלות

.אור חיישן בעזרת פלואורסנט נורת של האור עוצמת נדגמה בניסוי. 7

הסבירו. הרץ 100- ל שווה האור בעוצמת השינויים תדירות כי בניסוי זה התקבל,.זה ערך מתקבל מדוע

.הרץ 50- ל שווה הנורה את המפעיל החילופין הזרם תדירות: הנחייה

.הסבירו? גל הוא האור כי מעידות הניסוי תוצאות האם. 8

נשאר העין רשתית על התמונה של הרישום - נעלמת וזו תמונה רואה אדם כאשר. 9_________________________________



בזו המופיעות בתמונות צופה אדם כאשר, לכן. נעלמת שהתמונה לאחר קצר זמן כאשר שמתרחש כפי, כרצף הופעתן את לראות עשוי הוא - גבוהה בתדירות זו אחר

.בסרט צופים

16-ל השווה בתדירות מוצגות התמונות אם כרצף לו נראות לאדם המוצגות תמונות ושל קולנוע מצלמת של הצילום תדירויות. זו תדירות על העולה בתדירות או, הרץ

.זה תנאי מקיימות ווידאו מצלמת

פלואורסנט מנורת הנפלט האור עוצמת מדוע, לעיל האמור לאור, הסבירו. א?קבועה לנו נראית

בפסי ומתבוננים, גלים באמבט מקורות משני מים גלי של התאבכות יוצרים כאשר. ב של התאבכות יוצרים כאשר, זאת לעומת. המים של בתנודות מבחינים - המקסימום

- חריצים זוג דרך העובר מונוכרומטי אור פסי של בעוצמה בשינויים מבחינים אין ?האור תדירות על מכאן להסיק ניתן מה. במסך הפוגע האור



גלים מכניים חד-ממדיים.2

פעילות מתוקה – תכונות של גלים מכניים2.1

פעילות זו פותחה על ידי קובי שוורצבורד


בפעילות זו התלמידים חוקרים את התכונות הבסיסיות של גלים מכניים בעזרת יצירת הפרעות שונות במערכת, מודדים את מהירות ההפרעות ואת הגורמים המשפיעים

על ערכה.


מכונות גלים קיימות במוזאוני מדע וניתן לרכוש אותן אך עלותם גבוהה, כאשר פעילות זו מציעה פרט לחוויה ולתוכן הפיזיקלי המוסק ממנה שימוש בציוד פשוט,

זמין ולא יקר.

באמצעות מכונת הגלים ניתן להדגים:

עקרונות בסיסיים הקשורים לגלים: גל הוא הפרעה נושאת אנרגיה תוך התייחסות לעובדה שהתווך לא מתקדם.

ניתן ליצור מעבר של ההפרעה מתווך לתווך באמצעות מכונת גלים, כאשר מחצית סרט ההדבקה עם שיפודים שהדובונים בקצוות שלהם ומחצית השנייה

עם שיפודים שהדובונים באמצע השיפודים. ניתן להראות שמהירות הגל תלויה בתווך בו בזמן המשרעת של הגל והתדירות

תלויים במקור על ידי שינוי גדלים שונים כמו: המרחק בין השיפודים, מספר סוכריות הגילי על השיפוד, פיזור סוריות לאורך הסרט, מיקום הסוכריות על

השיפוד. . ניתן לחשב את מהירות מעבר ההפרעה באמצעות שעון עצר

סרטונים המדגימים את בניית מכונת הגלים נמצא בכתובות )הכתובת השנייה דורשת(:National STEM Centerרישום לאתר





ניתן לבנות את מכונת הגלים מראש ולהדגים בעזרתה את מושגי היסוד בגליםמכניים אבל הכיף הגדול של התלמידים זה לבנות בעצמם את מכונת הגלים.

כמו כן, ניתן להציב מכונת גלים מתוקה וצבעונית ביריד מדעים בבית הספר.

ציוד וחומרים )לכל קבוצה(

מטר2.5סרט הדבקה באורך של

כני מעבדה4

שני מוטות מתכת/פלסטיק באורך של לפחותשיפוד עץ

כליבות2

שיפודי עץ50

סוכריות ג'לי / מרשמלו / פלסטלינה100

שעון עצר

הערות כלליות לביצוע הפעילות בכיתה

הפעילות אורכת שני שיעורים רצופיםומחולקת לשלושה חלקים עיקריים.

( 30חלק ראשון – בניית המערכת)'דק

( 40חלק שני – תצפית, מדידות ומסקנות דק'(

( 20חלק שלישי - סיכום ודיון)'דק _________________________________





תלמידים, כאשר כל קבוצה4-5את הפעילות התלמידים מבצעים בקבוצות של מקבלת את הציוד הרשום לעיל ודפי הנחייה לבניית המערכת וביצוע משימות שונות.

.סרט ההדבקה צריך להיות מתוח , אך לא יותר מדי .ניתן לאזן את המערכת על ידי הזזת סוכריות לאורך השיפוד .יש לדאוג שהסרט מחוזק היטב בשני קצותיו לשני המוטות מטר . 2.5ניתן לבנות מכונה ארוכה יותר מ


הנחיות לבניית "מכונת גלים"

. התכונות הבסיסיות של גלים מכנייםבפעילות זו נחקור את

נבצע זאת על ידי בנייה עצמית של המערכת, וכל זאת באמצעים פשוטים)ומתוקים(.

ציוד נדרש

מטר.2.5סרט הדבקה באורך של (1) כני מעבדה.4(2)שני מוטות מתכת/פלסטיק באורך של לפחות שיפוד עץ.(3) כליבות.2(4) שיפודי עץ.50(5) סוכריות ג'לי / מרשמלו / פלסטלינה.100(6)שעון עצר.(7)

הוראות בניית המערכת קבע את כני המעבדה לשולחן בעזרת הכליבות ותלה את סרט ההדבקה.1

למוטות המתכת/פלסטיק, המוחזקים בין זרועות הכנים, )הקפד שסרט ההדבקה יהיה מתוח, אך לא מתוח מדי(. שים לב כי

החלק הדביק יהיה מופנה כלפי מעלה._________________________________



על כל אחד מקצוות השיפודים סוכרי ג'לי..2את מרכז השיפוד הדבק למרכז סרט ההדבקה. .3

ס"מ בין שיפוד לשיפוד.5כמו כן, הקפד על מרווח של

לאחר סיום שלבי בניית המערכת, תתקבל מערכת כמתואר בתצלום:

דף משימות – מכונת גלים

לאחר שסיימתם את בניית המערכת בצעו את המשימות הבאות.

צרו הפרעה בודדת ועקבו אחריה. .1 בתרשים מתוארת המערכת במבט צד. את ההפרעה יוצרים מהצד הימני של

התרשים.

היעזרו בשושנת הרוחות המצורפת ותארו את כיוון תנועתההפרעה.

ואת כיוון תנועת חלקיקי המערכת )דובוני בג'לי(.

באחד מקצוות המערכת צרו הפרעה על ידי נדנוד השיפוד הראשון בקצהו..2תארו כיצד ההפרעה חוזרת לקצה ממנה התחילה.



בשני קצוות המערכת צרו הפרעה בו-זמנית, על ידי נדנוד השיפוד הראשון בכל.3קצה.

תארו את המתרחש במערכת כאשר ההפרעות נפגשות.

(, כאשר ההפרעות שונות זו מזו )למשל, ההפרעות מתבצעות3חזרו על סעיף ).4בנדנוד הפוך של השיפודים בקצוות, ההפרעות נעשות בעוצמה שונה ועוד(.

תארו את המתרחש במערכת.

שיצרתם. מהירות ההפרעה( וחשבו את 2חזרו על שלב ).5)רמז: מדידת המהירות קשורה לזמן מעבר ההפרעה ולאורך המכונה.(

ופעםיצירת זעזוע חזק יותר(, כך שפעם אחת תעשו זאת על ידי 5חזרו על שלב ).6 זעזוע חלש יותר.נוספת על ידי

האם מהירות ההפרעה גדלה, קטנה או אינה משתנה בכל אחד מהמקרים?(1) האם משרעת התנועה של ההפרעה גדלה, קטנה או אינה משתנה בכל אחד(2)

מהמקרים?

הזיזו את סוכריות הג'לי מקצוות השיפוד לאמצע המרחק בין קצה סרט.7(.5( ו- )4ההדבקה לקצה השיפוד, וענו על שאלות )

החזירו את סוכריות הג'לי לקצוות השיפוד, והקטינו את מספר השיפודים )הוציאו.8(.6( ו– )5כל שיפוד שני(. ענו על שאלות )

רשמו מספר מסקנות )רב ככל שתוכלו( העולות מתוצאות הפעילות..9



התאבכות ועקיפה באור.3

בונים ספקטרומטר3.1פעילות

פעילות זו פותחה על ידי קובי שוורצבורד


בפעילות זו התלמידים יוצרים, בעזרת ציוד נגיש ופשוט, ספקטרומטר ומתבונניםבמקורות אור שונים.

בעקבות פעילות זו ניתן לדון עם התלמידים בנושאים כגון ספקטרום בליעה,ספקטרום פליטה, ערור אטומי ומודל האטום.


על הספקטרומטר ניתן לקרוא במקורות הבאים:

"A fresh look at light: build your own spectrometer", Science in School, Issue 4,

March 2007.

"Taking Apart the Light", Originally published in The Technology Teacher, March

2002, by the International Technology Education Association.

"Make your own Spectrometer", Cool Cosmic Web site,



קופסה סגורה - המתאימה ביותר היא קופסת קורנפלקס.

)אפשר תקליטור חדש ואפשר גם משומש(DVD או CDתקליטור

מספרים / סכין יפנית




http://spaceplace.nasa.gov/review/classroom-activities/pdf/eo3_spectroscopy.pdf

http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer

סרט הדבקה אטום


הפעילות מחולקת לשלושה חלקים:

– בניית הספקטרומטר על ידי התלמידים.חלק א'

התלמידים, בעזרת דף הוראות בנייה והסבר המורה בונים את הספקטרומטר.

– צפייה במקורות אור שונים.חלק ב'

התלמידים עוברים בכיתה בין עמדות שונות הפזורות בכיתה, כאשר בכל פינה מקור אור שונה )כדאי להעמיד מספר מקורות בכל עמדה(, למשל: נורת להט, נורת

ניאון, נורת פלואורסצנט, נורת כספית, מסך מחשב, אור השמש.

דף ובעזרת בנו, עתה שזה הספקטרומטר דרך להתבונן מתבקשים התלמידים הפעילות התלמידים מתארים ומשרטטים את שהם רואים דרך המכשיר עבור כל

אחד ממקורות האור.

– דיון במליאה בכיתה.חלק ג'

המורה מסכם את ממצאי התלמידים לאחר שהתבוננו במקרות האור השוניםומתייחס למספר נקודות:

.הדומה והשונה בין מקורות האור השונים

-ספקטרום החזרה מCD.וכיצד הוא נוצר

.מהו מודל והאם ממצאי הפעילות מחזקים או מחלישים את מבנה האטום




שלב א' – בניית ספקטרומטר

הקדמה

בעזרת הציוד שלפניכם תבנו מכשיר הנקרא ספקטרומטר.

בעזרת מכשיר זה תוכלו בהמשך לחקור אילו צבעים משתתפים בקרינה של מקורותאור שונים, והשוות בין מקורות אור שונים.

ציוד

קופסה סגורה

DVD או CDתקליטור

סרט הדבקה אטום לאור

מספריים או סכין יפנית

הוראות הרכבה

.600 עד 450צרו חתך בדופן הקופסה כך שהתקליטור יכנס בחתך זה בזווית של .1

הכניסו את התקליטור לחריץ..2

חתכו פתח בחלק העליון של הקופסה בצמוד לתקליטור כך שניתן לראות את.3.1חלקו שבתוך הקופסה, כמתואר בתרשים



חתכו בדופן הקופסה, בדיוק ממול לחלק התקליטור שבתוך הקופסה, חריץ צר.4.2 מילימטר, כמתואר בתרשים 1-2ברוחב של

הדביקו בעזרת סרט ההדבקה כל חתך אשר מאפשר לאור להיכנס לתוך.5הקופסה.



תקליטור

תקליטור

כל שנותר כעת הוא להתבונן דרך הפתח כאשר הקרינה של מקור האור חודרת דרךהחריץ.

מתבוננים בספקטרומטר? כיצד

את יש לכוון המכשיר

כך

שהאור הנפלט ממקור האור יעבור דרך החריץ בדופן הקופסה. עליכם להתבונן במצב זה דרך

הפתח בחלק העליון של הקופסה, לעבר

התקליטור הנמצא בתוך הקופסה. ניתן להצמיד



תקליטור

את העין לפתח זה כדילראות באופן ברור יותר.



שלב ב' – צפייה במקורות אור שונים בעזרת הספקטרומטר

בפעילות זו עליכם לעבור בין מקורות האור השונים הפזורים בכיתה, ולהתבונן בהםדרך הספקטרומטר שבניתם.

בצעו את המשימות וענו על השאלות הבאות.

להלן טבלה אותה עליכם למלא עבור כל אחד ממקורות האור הנמצאים בכיתה.

ניתן להוסיף לטבלה מקורות אור נוספים הקיימים בכיתה.

מקור אור תארו את הספקטרום

המתקבל על התקליטורונראה דרך הספקטרומטר

שרטטו באופן איכותי את הספקטרום המתקבל על התקליטור ונראה דרך

הספקטרומטר

נורת להט

נורת כספית

נורת ניאון

נורת פלואורסצנט

שמש

מסך מחשב



שאלות

האם יש נקודות דמיון בין מקורות אור שונים? פרטו ורשמו מהם מקורות.1האור.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________

האם יש נקודות שוני בין מקורות אור שונים? פרטו ורשמו מהם מקורות.2האור.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________



מודלים של האטום.4

מקבץ פעילויות בגישה היסטורית, פיתוח: ד"ר אמנון חזן

פעילויות(3) קרני קתודה – חלקיקים או קרינה? 4.1

מטרות הפעילות

גילוין של קרני הקתודה והמחקר שנלווה אליהן, משמשים דוגמא מרתקת לאופן בו מתפתח לעיתים הידע המדעי: מתגלית צנועה למהפכה אדירה בהבנה, המניעה תגליות חדשות ופריצות דרך מדעיות נוספות. העיסוק במחקר המדעי סביב קרני

הקתודה במסגרת פעילויות האוריינות, מאפשר לחשוף בפני התלמידים היבט זה של העשייה המדעית, שאינו בא לביטוי באופן מספק בתכנית הלימודים. זאת, כמובן,

בנוסף לחשיבותה של פעילות האוריינות עצמה.

מקבץ פעילויות זה מוקדש לניסויים הראשונים בקרני הקתודה, לדילמות המדעיותאליהן הוביל גילוין, ובראשן לשאלה אם מדובר בקרינה או באלומת חלקיקים.

מטרות עיקריות:6למקבץ

התלמידים יפתחו יכולת למצוא מידע רלוונטי בתוך טקסט העוסק בנושא מדעי..1 התלמידים יסבירו את משמעותם של המושגים המופיעים בטקסט העוסק בנושא.2

מדעי. התלמידים יכירו את הניסויים שבוצעו ואת התוצאות הסותרות שהתקבלו, ובכך.3

ייחשפו לאופן בו מתמודדים המדענים עם מחסור בידע ודאי, וכיצד קורה שבד בבד עם הידע ההולך ומצטבר, גדלה גם המבוכה ומעמיקים חילוקי

הדעות.למשמעות.4 ניסויים של תוצאות בין לקשר יכולתם את ירחיבו התלמידים

ואת ההבנה כי בשלבים הראשונים של החקרהתיאורטית של תוצאות אלה, . המדעי לא תמיד ניתן להכריע בין טיעונים סותרים על סמך ניסוי



התלמידים יבינו כי הידע המדעי הוא תמיד תוצר של בחירה בין אלטרנטיבות..5מונעת את ומחלוקת, עימות כתוצר של כיום הצגת הרעיונות המקובלים

הרושם המקובל לעיתים אצל התלמידים, שהידע המדעי הוא מוחלט וסופי.יכולת לסכם מידע עיקרי )תמצית( המופיע בקטע הקריאה.6 התלמידים יפתחו

והתמודדות עם שנותרו להם אחרי קריאה מעמיקה ולהצביע על קשיים השאלות הנלוות.

הפעילות הראשונה מבין השלוש שבמקבץ זה עוסקת בגילוי קרני הקתודה, ובשאלות אותן עורר גילוי זה. הפעילות השנייה מוקדשת לניסוים הראשונים שבוצעו

בעזרת השפופרת הקתודית, ולחילוקי הדעות בין המדענים באשר למהותן של הקרניים: חלקיקי חומר או סוג של קרינה. בפעילות השלישית מתוארים ניסויים

מתקדמים יותר, שהוסיפו ידע מדעי משמעותי אך בניגוד למצופה דווקא העמיקו אתחילוקי הדעות בין המדענים.

הטקסטים המופיעים במקבץ זה נכתבו במיוחד לצורך הפעילות הכיתתית.


שיעורים.2משך הפעילות עבור המקבץ כולו:

מהלך הפעילות:

פעילויות( יודפסו מראש. כל תלמיד יקרא את3עבודה יחידנית: דפי המקבץ )א.קטעי הקריאה וינסה לענות על השאלות בכוחות עצמו.

עבודה בקבוצות: לאחר שלב העבודה היחידנית יעבדו התלמידים בקבוצות שלב.סופי המקובל2-3 תוצר ויגבשו בעקבות הקריאה הסוגיות שעלו את ילבנו

עליהם. התוצר יכלול מענה על השאלות וסיכום המיועד לדיון הכיתתי.קטעיג. מתוך שעלו החשובות הנקודות סביב דיון ינחה המורה כיתתי: דיון

הקריאה, ויתייחס לאותן שאלות, מושגים ונקודות בהן התעוררו קשיים ושעדייןביטוי לכמה תינתן אפשרות בו דיון פתוח נותרו לא ברורים. מומלץ לאפשר

שיותר תלמידים / צוותי עבודה.




קרני קתודה – חלקיקים או קרינה?

מבוא

קרני קתודה, הנקראות גם קרני אלקטרונים, הן זרם של אלקטרונים הנוצר בתוך שפופרת המכילה אוויר או גז אחר בלחץ נמוך. בתוך השפופרת הזו, הנקראת

שתי מצויות קתודית, למקוראלקטרודותשפופרת ואנודה המחוברות - קתודה שנעים בתוך השפופרת לעבר האנודה.אלקטרוניםמתח. הקתודה מהווה מקור של

,פיזיקה ופריצות דרך בתגליות בעזרת שפופרות קתודיות הובילו לשורה של ניסויים. האפקט הפוטואלקטרי וגילוי אלקטרון, גילוי הקרינת הרנטגןהכוללות את גילוי



: זוהר מסתורי בתוך שפופרת ריק4.1.1פעילות

סיפורן של קרני הקתודה, שלהן תפקיד מכריע בגיבוש המודל הפלנטרי של האטום,-von עם המצאת משאבת הריק על ידי אוטו פון-גיריקה )1690מתחיל כבר בשנת

Guerickeבעקבות המצאה זו החלו הפיזיקאים לבדוק כיצד משפיעות דרגות שונות .) של ריק על מעבר של זרם חשמלי. הם הכניסו אלקטרודות )אנודה וקתודה( לתוך

שפופרת שרוקנה מאוויר, חיברו אותן למתח חשמלי, וגילו כי הניצוצות הנוצרים מפריקת המטען האלקטרוסטטי עוברים מרחק גדול יותר ככל שמידת הריק רבה

העביר מייקל פאראדיי1838יותר. עם הזמן פותחו שיטות ליצירת מתח גבוה. בשנת (Faradayזרם חשמלי דרך שפופרת ריק העשויה זכוכית והבחין בקשת מוזרה של )

הקתודה לאנודה. אור המחברת בין

משאבת ריק שיכלה ליצור(Geissler פיתח נפח הזכוכית היינריך גייסלר )1855בשנת בתוך שפופרת זכוכית אטומה, לחץ של אלפית האטמוספרה. הוא וחברו, יוליוס

בין( חיברו אל שפופרת כזו שתי אלקטרודות שהמתח ביניהן נע Pluckerפלוקר ) כמה אלפים למאה אלף וולט, והבחינו בזוהר ירקרק בתוך שפופרת הזכוכית. כאשר מולאה השפופרת הזו, שכונתה שפופרת גייסלר, בגזים שונים, הזוהר שהתקבל היה

החלו לייצר1880בצבעים שונים, בדומה לנורות ניאון המוכרות כיום. עד שנת שפופרות גייסלר בייצור המוני, ואנשים קנו אותן למטרות שעשוע ויופי.

הידע בחשמל, שהיה קיים בתקופה ההיא לא הספיק על מנת להסביר את מהותו של הזוהר הצבעוני שהתקבל בשפופרת גייסלר. בין אינסוף השאלות המסקרנות שניתן היה לשאול על האור המוזר היו שאלות כמו: מניין הוא נובע? האם מקורו

באנודה או בקתודה? או אולי הוא נוצר בתוך הגז שנותר בשפופרת? וכמובן – שאלתהמהות: מהן קרני הקתודה?

הערה:

בשפופרות גייסלר, לחץ הגז לא היה מספיק נמוך, ולכן האלקטרונים מהקתודה יכלו לנוע מרחק קצר בלבד לפני התנגשותם עם אטומי הגז. האלקטרונים הללו נעו

בתהליך דיפוזיה איטי מבלי יכולת לצבור מהירות. הזוהר הצבעוני נגרם מהתנגשויות האלקטרונים באטומי הגז: כתוצאה מההתנגשויות שנוצרו עוררו האלקטרונים של



אטומי הגז לרמות אנרגיה גבוהות יותר, ובחזרתם לרמות הנמוכות שוחררה האנרגיהבצורת אור. תהליך זה נקרא פלואורסנציה.

שאלות

תארו בקצרה את עיקרי הדברים בהם עוסק קטע הקריאה..1מהי השאלה שעניינה את הפיזיקאים בעקבות המצאת משאבת הריק?.2מה היה מושא החקר של המדענים על פי המתואר בסופו של הקטע ?.3אלקטרודות.4 שתי ריק שפופרת אל חיברו ופלוקר גייסלר כי נאמר בקטע

שהמתח ביניהן נע בין כמה אלפים למאה אלף וולט. באותה התקופה לאניתן להפיק אז הייתה בנמצא אפילו רשת חשמל ביתית. שערו כיצד היה

מתח גבוה לצורך הניסויים הללו. התרשים הבא מייצג את הרכיבים העיקריים האמורים להופיע במערכי הניסוי.5

עליהם מדווח. היעזרו בקטע הקריאה וסמנו את שמות המרכיבים השוניםשבתרשים.

הבא:.6 המשפט את והסבירו הקריאה קטע שבסוף ההערה את קראו איטי מבלי יכולת לצבור1"האלקטרונים הללו נעו בתהליך דיפוזיה

מהירות".על פי ההערה, מה מקורו של הזוהר שהתגלה בשפופרת הריק?.7נוצר הזוהר שנוצר בשפופרת הריק הוא.8 והסבירו מדוע היעזרו בידע שלכם,

.2צבעוני ותלוי בסוג הגזמופיעים.9 כפי שהם אנרגיה" "רמות ו- "עירור" המושגים מה משמעותם של

בהערה?האם לדעתכם מהווה ההערה שבסוף הקטע חלק מהטקסט המקורי? מדוע?.10

דיפוזיה, או פעפוע, הוא מעבר של חלקיקים ממקום שבו מספר כתוצאה מהתנגשויות. 1_________________________________



: מהן קרני הקתודה?4.1.2פעילות

ככל שהתקדם המחקר סביב הזוהר הצבעוני המסתורי התבררו עובדות מעניינות: ( הציב עצמים אטומים בתוךHittorfלמשל, תלמידו של פלוקר, ווילהלם היטורף )

השפופרת בין הקתודה והזוהר הצבעוני, והבחין בהיווצרות צללים בצד הנגדי של השפופרת )ראו תרשים(. הוא הסיק כי הקתודה פולטת "משהו" שנע בקווים ישרים,

כמו קרני אור.

של הקתודה הובילה למסקנה כי קרניים אלו נפלטותהנגדיהיווצרות הצל בצד ( כינה אותן בשםGoldsteinמהקתודה, והפיזיקאי היהודי-הגרמני יוג'ין גולדשטיין )

הצל החד העיד על כך שמדובר בסוג של אור ולא בחלקיקים,"קרני קתודה". משום שעקב ההתנגשויות במולקולות הגז לא ניתן ליצור צל חד באמצעות אלומת

חלקיקים.

פלוקר גילה שכאשר מקרבים מגנט אל הזוהר שנוצר בשפופרת, האור מוסט בזווית ישרה. התרשים משמאל מתאר את ההסטה של קרני הקתודה כתוצאה מנוכחות

השדה מגנטי, לעומת העדר שדה )התרשים מימין(.

כאשר אטום מעורר (מושקעת בו אנרגיה), אלקטרון עולה לרמת אנרגיה גבוהה יותר. כאשר האלקטרון יורד2 חזרה לרמת האנרגיה המקורית שלו הוא פולט פוטון השווה בערכו האנרגטי להפרש האנרגיות בין הרמות

(למעשה רק בקירוב גבוה מאוד). אנרגיית הפוטון ואורך הגל שלו תלויים בהפרש בין הרמות. אורך הגל של הפוטון הוא למעשה הצבע אותו אנו רואים. כאשר הפוטונים מתנגשים בציפוי הפנימי של השפופרת הם מעבירים אנרגיה הגורמת בתורה לשחרור פוטונים מהחומר הזרחני, פוטונים אלו הם הגורם המאיר אותו אנו רואים.

אנרגיית הפליטה של הפוטונים משתנה ואיתה צבע האור (אורך הגל) הנפלט תלויים בחומר הציפוי. במקרה שלמנורת ניאון האור הנפלט הוא בטווח הנראה וצבעו קרוב ללבן (בשונה מנורת ליבון שם הצבע קרוב יותר לצהוב.



לחקור גם הוא( Crookes החל הפיזיקאי האנגלי וויליאם קרוקס )1870בסביבות את היווצרות קרני הקתודה בשפופרת הריק, בעזרת עמיתו ארתור שוסטר )

Shuster,קרוקס הצליח לרוקן את הגז עד ללחץ של מיליונית האטמוספרה .) ולמרבה ההפתעה נעלם הזוהר הצבעוני מחלל השפופרת, ונותר רק באזור הזכוכית

את קרני הקתודה לא ניתן היה לראות, ורק נקודת האורשמאחורי האנודה. הזוהרת על גבי הזכוכית אפשרה למדענים להסיק כי משהו מגיע מהקתודה אל

מעבר לאנודה. מאוחר יותר צופתה השפופרת בצד המנוגד לקתודה בחומר זוהר)פלואורסצנטי( על מנת להבליט את נקודת האור.

קרוקס טען כי המיקוד של קרני הקתודה רומז על העובדה כי מדובר דווקא בזרם של חלקיקי חומר זוהרים – מולקולות של הגז שרכשו מטען שלילי – ולא באלומת אור. קרוקס חזר על הניסויים של עמיתיו הגרמנים והראה גם הוא כי מגנט מצליחלהסיט את קרני הקתודה בזווית ישרה, ומכאן הסיק כי מדובר בחלקיקים טעונים.

ככל שיותר ויותר אוויר נשאב מהשפופרת, האלקטרונים יכלו לנוע, בממוצע,הערה: לאורך מסלול ארוך יותר לפני שהתנגשו באטומי הגז. במצב בו מרבית האלקטרונים

הצליחו להגיע מהקתודה לאנודה, נוצר בשפופרת חלל אפל, המעיד על כך שלא נוצרו התנגשויות בין האלקטרונים לאטומי הגז. ללא התנגשויות בדרך, הואצו

האלקטרונים למהירויות גבוהות מאוד, וכאשר הגיעו לאנודה הם יכלו לעבור דרכה ולפגוע בדופן הזכוכית של השפופרת. כתוצאה מפגיעה זו עוררו אטומי הזכוכית



לרמות אנרגיה גבוהות ונוצר זוהר של אור )פלואורסנציה(. מאוחר יותר ציפו המדענים את משטח הזכוכית בחומר פלואורסצנטי, ובכך אפשרו לזוהר להראות

ברור יותר.

שאלות

כיצד נפתרה שאלת הכיוון של האור המופיע בשפופרת הריק?.1על פי הקטע, מה מקור השם "קרני קתודה"?.2 בקטע מובאות שתי השערות באשר למהותן של קרני הקתודה: אלומת אור או.3

אלומת חלקיקים. מהן התופעות ששמשו בסיס להשערות אלה? מלאו את הטבלה הבאה על פי הנאמר בקטע..4

המסקנה הנובעת מעובדההעובדה הניסיוניתזו

הביסוס המדעי למסקנה

יוצאות מהקתודה.1

2.

3.

הבא: .5 ולאהסבירו את המשפט בקרינה שמדובר כל על העיד "הצל החד בחלקיקים, משום שעקב ההתנגשויות במולקולות הגז לא ניתן ליצור צל חד

.באמצעות אלומת חלקיקים" הוסברה הסיבה להיווצרות האור בשפופרת הריק. בהערה1בהערה שבפעילות .6

מוסבר מדוע חלל השפופרת הוא דווקא חשוך. האם יש סתירה2שבפעילות בין ההסברים?

נניח שאתם שייכים לצוות מדענים המנסים היום לקבוע את טיבן של קרני.7הקתודה.

בעיהא. ונסחו קרינה( או )חלקיקים האפשרויות אחת את בחרו המחקרית מתאימה.

מהי שאלת החקר בה עוסק הניסוי שלכםב.

תכננו ניסוי שיאפשרו להכריע בבעיה זו.ג.



מהן ההשערות?ד.

מהם מערכי הניסוי הדרושים?ה.

כיצד יאפשרו מערכים אלו לענות על שאלות החקר?ו.



: עדויות חדשות, אך הדילמה נמשכת4.1.3פעילות

בשלב זה הואץ המחקר המדעי סביב קרני הקתודה, והחלו להצטבר נתונים נוספים. הנקודה המעניינת היא שנוצרה מעין חלוקה גיאוגרפית בהתאם להשערה בדבר

מהותן של הקרניים: המדענים הגרמניים תמכו בהשערה כי מדובר בקרינה,והמדענים האנגליים – בהשערה החלקיקית.

גולדשטיין הראה כי לחומר ממנו עשויות האלקטרודות אין כל השפעה על.1 קרני הקתודה. הוא הסיק מכך שאין מדובר במשהו חומרי, אלא כנראה



, כלומר תגובה כימית שהתוצאה שלה היא גלי אור מסוג3בתופעה פוטוכימיתכלשהו.

ישירה.2 בצורה אותה לבחון ניסה החלקיקית, בהשערה שהאמין קרוקס, ומעניינת מאוד. הוא הניח גלגל מתכת קל משקל על מסילה שמוקמה בתוך שפופרת הריק. כאשר חובר המתח לאלקטרודות וקרני הקתודה נוצרו, החל הגלגל לנוע כלפי האנודה. המסקנה של קרוקס הייתה שעל מנת להניע אתולא צריך להיות תנע. מכאן שמדובר בחלקיקים הגלגל, לקרני הקתודה

בקרינה )תנע כתוצאה מקרינה לא יכול היה להניע את הגלגל(.

( הכניס אל תוך שפופרת הריק שני לוחותHertzהמדען הגרמני היינריך הרץ ).3קרני שאם הייתה ההשערה ביניהם. עברו הקתודה שקרני כך מתכת הקתודה הן חלקיקים טעונים, ברגע ששני הלוחות יחוברו לקטבים המנוגדים של מקור מתח חשמלי, ימשכו החלקיקים הטעונים אל אחד הלוחות ומסלולןיוסט. תוצאת הניסוי הייתה חד משמעית: קרני הקתודה לא של הקרניים הוסטו ממסלולן הישר, ולא משנה מה הייתה עוצמת המתח החיצוני שחובר אל הלוחות. המסקנה של הרץ הייתה ברורה: אין מדובר בחלקיקים טעונים אלא בקרינה אלקטרומגנטית, שהרי קרינה אינה מושפעת משדה חשמלי,

ואילו חלקיקים דווקא כן. ( ביצע ניסוי נוסף שחיזק את ההשערהLenardתלמידו של הרץ, פיליפ לנארד ).4

רדיד בין הקתודה לאנודה, הגלית. הוא הציב בתוך השפופרת הקתודית, המחסום דרך לעבור מצליחות הקתודה קרני כי וגילה דק, אלומיניום ומגיעות אל הדופן הנגדית של הזכוכית. מצד אחד ברור כי מולקולות אינןקרינה כי היה ידוע שני ומצד אטום, מחסום דרך לעבור מסוגלות

תופעה פוטוכימית היא תופעה הנוצרת מהשפעה של אור, כולל קרינת על סגול ותת אדום, על3 אטומים ועל תרכובות. בתהליכים פוטוכימיים, האור מספק את האנרגיה ליצירת התהליך הכימי

שתוצאותיו יכולות להיות שונות, כמו למשל פליטה של אור._________________________________



(. לכן1885 שהתגלתה ב- Xאלקטרומגנטית מסוגלת לעשות זאת )קרינת המסקנה המתבקשת היא שקרני הקתודה הן קרינה אלקטרומגנטית ולא

מולקולות גז טעונות.

שאלות

שרטטו תרשים המתאר את הניסוי של הרץ. סמנו בתרשים את שמו של כל אחד.1מהמרכיבים בניסוי.

מה ההסבר הפיזיקלי העומד בבסיס הניסוי של הרץ?.2 ניסויים. בנו טבלה, ובה תארו עבור כל4בקטע הקריאה מופיעים תיאורים של .3

ניסוי את השאלה המחקרית שנשאלה בו, ואת אופן הבדיקה שלה.

השערת הקרינה )סוג של אור(השערת החלקיקים הטעונים

1.

2.

3.

4.

רכזו בטבלה את הממצאים שתומכים בהשערה הגלית )השערת הקרינה( וכאלו.4התומכים בהשערה החלקיקית, כפי שמובאים בקטע הקריאה.

נסחו בצורת טיעון מדעי )הבנוי מטענה + נימוק( כל אחת מהנקודות התומכות.5בהשערת החלקיקים ובהשערת הקרינה.





הקטע מתאר את תחילת המחקר המדעי בשפופרת הריק. התברר כי ריקון.1 השפופרת מאוויר וחיבור קצותיה למתח חשמלי גבוה גרמו לזוהר צבעוני,זו עוררה שאלות בקרב בהתאם לגז שהיה בשפופרת מלכתחילה. תופעה

המדענים שחקרו אותה. השאלה שעניינה את הפיזיקאים בעקבות המצאת משאבת הריק הייתה הקשר.2

בין מידת הריק שבשפופרת למרחק שעוברים הניצוצות כתוצאה מהפריקההאלקטרוסטטית.

הזוהר.3 היה הקטע של בסופו המתואר פי על המדענים של החקר מושא )הגז, מקורו מה להבין ניסוי המדענים בתוך השפופרת. שנוצר הצבעוני

האנודה או הקתודה(, ומה מהותו. את המתח הגבוה הנדרש להפעלת השפופרת הקתודית יצרו באמצעות סליל.4

ההשראה, או סליל ניצוצות, שהיה בשימוש החל משנות השלושים של המאהידי19ה- גבוה על פולסים של מתח ליצור סוג של שנאי, שאפשר זהו .

אספקת זרם ישר במתח נמוך. על מנת ליצור את שינוי השטף הדרוש ליצירת המתח הגבוה בסליל המשני, נקטע הזרם הישר בסליל הראשוני שוב ושוב

על ידי מתג מכני רוטט. הסוללה )שמאל למטה( מהווה את מקור המתח, מימינה המתג ומימינו הסליל.5

וביניהן והקתודה, היוצר את המתח הגבוה. אל הסליל מחוברות האנודה רואים את השפופרת ואת הזוהר האדום שנוצר בתוכה.

תנועתם.6 כדי תוך התנגשו מהקתודה שנפלטו שהאלקטרונים היא הכוונה התפזרו והם מהירותם הואטה מההתנגשויות כתוצאה הגז. בחלקיקי

באיטיות בשפופרת מבלי שיכלו לצבור מהירות._________________________________



על פי ההערה, מקורו של הזוהר שהתגלה בשפופרת הריק הוא העירור של.7 אטומי הגז כתוצאה מהתנגשותם באלקטרונים שנפלטו מהקתודה. החזרה

לרמות האנרגיה הנמוכות יותר מלווה בפליטה של פוטון. צבעו של אור הנוצר תלוי באורך הגל של הפוטון שנפלט לאחר העירור של.8

אטומי הגז. אורך הגל תלוי בהפרש שבין רמות האנרגיה, וזה תלוי בסוג הגזהניאון אור של בצבעו לשלוט למשל, שניתן, הסיבה זוהי שבשפופרת.

באמצעות סוג הגז המוחדר לתוכן.כתוצאה.9 הגז אטומי של האנרגיה ברמת לעלייה מתייחס "עירור" המושג

מהתנגשותם עם האלקטרונים הנפלטים מהקתודה. המושג "רמות אנרגיה" מתייחס למצבים האנרגטיים בהם יכול אטום )או אלקטרון( להימצא. עליהיותר, אנרגטי להיות הופך )או אלקטרון( פירושה שאטום אנרגיה ברמת למשל כתוצאה מהתנגשות עם אלקטרון אחר. ירידה ברמת אנרגיה מלווה

בפליטת אנרגיה בצורת פוטון.משום.10 המקורי מהטקסט חלק מהווה אינה הקריאה קטע שבסוף ההערה

ידע זה ידע לא היה מצוי בתקופה בה עוסק הקטע. שהידע המופיע בה מהווה למעשה מענה לשאלות שהעסיקו את המדענים באותה תקופה בה

עוסק הקטע.


שאלת הכיוון של האור המופיע בשפופרת הריק נפתרה באמצעות הניסוי בו.1של הנגדי בצד צל של היווצרות וראו השפופרת, בתוך עצמים הציבו

הקתודה. על פי הקטע, מקור השם "קרני קתודה" הוא הסברה כי מדובר בקרינה, בסוג.2

של אור, הנפלטת מהקתודה והמסוגלת ליצור צללים כשהיא פוגעת בעצמיםאטומים.

( הסטת האלומה בהשפעה של1התופעות התומכות בהשערת החלקיקים: ).3 ( מיקוד האלומה. התופעה התומכת בכך שמדובר בקרינה:2שדה מגנטי )

היווצרות צל חד לאחר הכנסת עצמים אטומים לתוך השפופרת. 4.



המסקנה הנובעתהעובדה הניסיוניתמעובדה זו

הביסוס המדעי למסקנה

. קרני הקתודה1 יוצאות מהקתודה ויוצרות צל חד של

עצמים המוצביםבדרכן.

מדובר בקרינה )אור מסוג מסוים( הנפלטת

מהקתודה.

היווצרות הצל החד אופיינית בדרך כלל לאורולא לאלומת חלקיקים.

. קרני הקתודה2 מוסטות ממסלולן

בהשפעת שדה מגנטי.

מדובר בחלקיקים טעונים הנפלטים

מהקתודה

הסטה עקב שדה מגנטי אופיינית לחלקיקים טעונים

ולא לקרינה.

. ריקון גבוה של3 השפופרת גורם

למיקוד חזק של קרניהקתודה.

מדובר בחלקיקים טעונים הנפלטים

מהקתודה

אלומת חלקיקים יכולה להיות ממוקדת, בעוד

שאלומת אור בדרך כללמתפזרת עם המרחק.

עם.5 ההתנגשויות חלקיקים, באלומת היה מדובר שאם היא במשפט הכוונה מולקולות הגז לא היו מאפשרות להם ליצור צל חד. לכן מדובר בקרינה ולא

באלומת חלקיקים. אין סתירה בין ההסברים שניתנו בשתי ההערות. במקרה הראשון צפיפות הגז.6

הייתה גבוהה יחסית, מה שגרם להתנגשויות בין האלקטרונים לאטומי הגז באופן מידי, וליצירת אור. בהערה השנייה נאמר כי כאשר צפיפות הגז נמוכה מאוד האלקטרונים יכולים לנוע למרחק רב מבלי להתנגש באטומי הגז, ולכן

גם לא נפלט אור. זוהי הסיבה שהשפופרת נראתה חשוכה.

: עדויות חדשות אך הדילמה נמשכת4.1.3פעילות

. תרשים סכמטי של ניסוי הרץ:1



הסוללה בצדו השמאלי התחתון של התרשים מספקת את המתח הנדרש ליצירת קרני הקתודה, בעוד שהסוללה בחלק הימני העליון של התרשים מספקת את

המתח שאמור היה להסיט את קרני הקתודה. בניסוי של הרץ האלומה לו הוסטה,ולכן מסקנתו הייתה כי מדובר בקרינה, ולא בחלקיקים טעונים.

. ההסבר הפיזיקלי העומד בבסיס הניסוי של הרץ הוא שחלקיקים הטעונים במטען2 חשמלי יוסטו בהיכנסם אל אזור בו פועל שדה חשמלי. אזור זה נוצר בין הלוחות

הטעונים במטענים מנוגדים, אשר דרכם עברה אלומת קרני הקתודה.

. השאלה שנבדקה בניסוי ואופן הבדיקה שלה:3

אופן הבדיקה של השאלההשאלה שנבדקה בניסוי

האם לחומר ממנו עשויה הקתודה.1יש השפעה על הקרניים הנוצרות?

יצירת קרני הקתודה תוך שימושבמתכות שונות.

האם לשדה חשמלי יש השפעה על.2מסלול הקרניים?

העברת האלומה בין לוחות הטעוניםבמטענים חשמליים מנוגדים.

האם מחסום פיזי יכול לבלום את.3הקרניים?

הצבת רדיד מתכת דק בדרכה שלהאלומה.

האם הקרינה יכולה לגרום לגלגל4 מתכת לנוע, למרות שהיא בעוצמה

כה חלשה?

הצבת גלגל מתכת בדרכה שלהאלומה.

. הממצאים התומכים בהשערה הגלית )השערת הקרינה( והתומכים בהשערה4החלקיקית, כפי שמובאים בקטע הקריאה:



השערת החלקיקים הטעוניםהשערת הקרינה )סוג של אור(

. לחומר ממנו עשויות האלקטרודות אין כל1השפעה על קרני הקתודה

. קרני הקתודה מצליחות להניע1גלגל מתכת

. קרני הקתודה לא מוסטות ממסלולן הישר2בהשפעת שדה חשמלי

. קרני הקתודה מצליחות לחדור מבעד רדיד3 אלומיניום דק ומגיעות אל הדופן הנגדית של

השפופרת הקתודית

. ניסוח בצורת טיעון מדעי )הבנוי מטענה + נימוק( של כל אחת מהנקודות5התומכות בחלקיקים ובגלים, כפי שעלו בקטע הקריאה.

נימוקטענה

1.

קרני הקתודה הן סוג שלקרינה

לחומר ממנו עשויות האלקטרודות אין כל השפעה על קרני הקתודה, ולכן לא ייתכן

שמדובר בחלקיקים חומריים

2.


חלקיקים טעונים מוסטים ממסלולם בהשפעתשדה חשמלי, ואילו קרני הקתודה – לא.

3.


חלקיקי חומר אינם יכולים לחדור מבעד למחסום חומרי, אך ידוע כי קרינה יכולה

(.Xלעשות זאת )למשל קרני

קרני הקתודה הם סוג של4חלקיקים

קרינה בעוצמה כה חלשה אינה יכולה להזיז גלגל מתכת, אך אלומה של חלקיקים בעלי

תנע מספיק יכולה לעשות זאת.



פעילויות(2)מהו מטענן של קרני הקתודה? 4.2





מקבץ הפעילויות הבא מוקדש לאחת הדילמות המרכזיות שהעסיקו את המדענים בעקבות גילוין של קרני הקתודה. השאלה אם מדובר בקרינה או בזרם של

חלקיקים גרמה לחילוקי דעות גדולים בקרב הפיזיקאים של אותה התקופה, וזאת משום שהניסויים שבוצעו בשפופרות קתודיות לא הובילו למסקנה משכנעת באשר

לטיבן של הקרניים המסתוריות. במהלך הוויכוח הזה פרסם מדען צרפתי צעיר בשם ז'אן פרין מאמר שבו טען כי הוכיח בניסוי שקרני הקתודה הן אלומת חלקיקים

הטעונים במטן שלילי. מצדדי רעיון הקרינה טענו כי הניסוי שביצע פרין אינו מהווה הוכחה מכרעת באשר לטיבן של קרני הקתודה. שתי הפעילויות המצויות במקבץ זה

חושפות את התלמידים לשני הטיעונים הללו, ומאפשרות להם להתרשם מדוגמא של דילמה מהסוג בו לעיתים מעורבים המדענים, ומהאופן בו מתנהל הוויכוח סביב

הדילמה הזו.


התלמידים יפתחו יכולת למצוא מידע רלוונטי בתוך טקסט העוסק בנושא מדעי..1 התלמידים יסבירו את משמעותם של המושגים המופיעים בטקסט העוסק בנושא.2

מדעי. התלמידים יפתחו מיומנויות חשיבה בסיסיות של זיהוי מטרת המאמר והטענות.3

העיקריות המופיעות בו. התלמידים ילמדו למצוא במאמר תשובות לשאלות עיוניות הנוגעות להשערות.4

ולבחינתן, כפי שמוצגות במאמר. התלמידים יוכלו לקשר בין מסקנות הניסוי המופיעות במאמר לביסוס התיאורטי.5

שלהן.



תלמידים ירחיבו את יכולת הטיעון: הבנת טיעון, איתור טיעון, הצגת טיעון במילים.6של התלמיד; השוואה בין טיעונים סותרים והכרעה ביניהם.

התלמידים ירחיבו את הבנת המתודה המדעית: זיהוי והבנה של ניסוי בדיקה,.7והקשר בין תוצאותיו להסקת המסקנות ממנו.

למשמעות.8 ניסויים של תוצאות בין לקשר יכולתם את ירחיבו התלמידים התיאורטית של תוצאות אלה, ואת ההבנה בשלבים הראשונים של החקר

המדעי לא תמיד ניתן להכריע בין טיעונים סותרים על סמך ניסוי. התלמידים ייחשפו לוויכוח שהתעורר בעקבות הניסוי, יכיר בעובדה שמדענים לא.9

תמיד מסכימים ביניהם על המסקנות העולות מהניסוי, ושלא תמיד יש להםיכולת להכריע בין הטענות הסותרות.

יכולת לסכם מידע עיקרי )תמצית( המופיע בקטע הקריאה.10 התלמידים יפתחו והתמודדות עם שנותרו להם אחרי קריאה מעמיקה ולהצביע על קשיים

השאלות הנלוות.

הפעילות הראשונה מבין השתיים שבמקבץ זה עוסקת בקטע מתוך מאמר של ז'אן פרין, בו הוא טוען שהצליח להוכיח כי קרני הקתודה הן אלומה של מטענים

הטעונים במטען שלילי. קטע המאמר מתאר את הניסוי שביצע פרין, ואת המסקנות אותן הסיק מתוצאותיו. הפעילו השנייה מוקדשת לתגובתם של המדענים שתמכו

בהשערה כי קרני הקתודה הן אלומה של קרינה ולא של חלקיקים. מדענים אלההציגו את הבעייתיות במסקנתו של פרין, וסרבו לקבל אותה.

הפעילות הראשונה מתבססת על תרגום של טקסט מקורי, והפעילות השנייהמתבססת על טקסט שנכתב במיוחד לצורך פעילות זו.









הקריאה, ויתייחס לאותן שאלות ומושגים ונקודות בהן התעוררו קשיים ושעדייןביטוי לכמה תינתן אפשרות בו דיון פתוח נותרו לא ברורים. מומלץ לאפשר





מהו מטענן של קרני הקתודה?

מבוא

קרני קתודה נוצרות בתוך שפופרת המכילה אוויר או גז אחר בלחץ נמוך. בתוך - קתודה ואנודהאלקטרודותהשפופרת זו, הנקראת שפופרת קתודית, מצויות שתי

קתודיות בשפופרות שנערכו ניסויים של תוצאותיהם מתח. למקור המחוברות גרמו לחילוקי דעות בין המדענים באשר למהותו של1885 – 1870במהלך השנים

הזוהר הצבעוני שהתגלה בתוך השפופרת. חלק מהמדענים טען כי זוהר זה הוא סוגשל קרינה, וחלקם טען כי מדובר בזרם של חלקיקים טעונים.

שפופרת קתודית



: הניסוי של פרין4.2.1פעילות

לפניכם תרגום של קטע מתוך מאמר שנכתב בעיצומו של הוויכוח על מהותן של (,Perrinקרני הקתודה. המאמר מתאר ניסוי שערך פיזיקאי צרפתי בשם ז'אן פרין )

. קראו את הקטע וענו על השאלות.4במסגרת עבודת הדוקטורט שלו

( שתי השערות הועלו על מנת להסביר את תכונות קרני1)הקתודה.

כמה פיזיקאים סבורים כמו גולדשטיין, הרץ ולנארד, שתופעה , או אפילו כי5זו היא כמו אור, הנוצרת כתוצאה מתנודות באתר

קרני הקתודה הן אור ממש, בעל אורך גל קצר מאוד. קל מאוד להבין כי קרניים אלה אמורות להיות בעלות מסלול קווי,

ולהשפיע על לוח צילום.6ליצור פוספורסנציה

אחרים, כמו קרוקס וג'. ג'. תומסון, סבורים שקרניים אלה נוצרו על ידי חומר הטעון שלילית והנע במהירות גבוהה מאוד. על בסיס השערה זו ניתן להסביר מיידית את התכונות המכניות

כמו את האופן בו הן מתעקלות בשדה מגנטי.7של הקרניים

השערה אחרונה זו )חלקיקים( הובילה אותי להציע כמה ניסויים אותם אתאר כעת בקצרה, מבלי לעצור בשלב זה על

מנת לבחון אם היא אכן מספיקה על מנת להסביר את כל העובדות הידועות היום, והאם זוהי ההשערה היחידה

האפשרית. המצדדים בהשערה זו טוענים כי קרני הקתודה הן טעונות שלילית; ועד כמה שידוע לי, התכונה החשמלית הזו

עדיין לא נבדקה, ואני הייתי הראשון לקבוע אם היא קיימת אולא.

, שבעזרתם ניתן8( לצורך זה פניתי אל חוקי האינדוקציה2 ) לגלות הימצאות של מטענים חשמליים בתוך מוליך סגור,

ולמדוד אותם. לכן גרמתי לקרני הקתודה לעבור דרך גליל

30 המאמר, ששמו "ניסויים חדשים בקרני קתודה", נקרא בפני האקדמיה למדעים של פריז, ב- 4-298, עמודים 53, כרך Nature. התרגום לאנגלית של מאמר זה הופיע בעיתון המדעי 1895בדצמבר

.1896 בינואר 30, ב- 299_________________________________



. לצורך זה השתמשתי בשפופרת הריק המוצגת9פאראדיי

במרכז הדופן היא שפופרת בעלת פתח ABCD. 1בתרשים

Cשפופרת זו משמשת בתור גליל פאראדיי. תיל מתכת .

מחבר את הגליל הזה לאלקטרוסקופ.Sהמולחם בנקודה

1תרשים

EFGHהוא גליל שני המקושר באופן קבוע אל האדמה והוא מגן על הגליל ו- )הארקה(, ובו שני פתחים קטנים

ס"מ10הפנימי מהשפעה חיצונית. לבסוף, במרחק של כ-

שימשהN. האלקטרודה N הוצבה אלקטרודה FGלפני

, כךEFGHכקתודה. האנודה נוצרה על ידי הגליל המגן שאלומה דקה של קרני קתודה עברה דרך גליל פאראדיי. גליל

זה נטען באופן קבוע בחשמל שלילי.

את שפופרת הריק ניתן להציב בין שני הקטבים של אלקטרו-מגנט. כאשר הוא הופעל, קרני הקתודה הוסטו

ממסלולם, לא עברו עוד דרך גליל פאראדיי, וגליל זה לא נטען. לעומת זאת, הגליל נטען מיד כשהאלקטרומגנט חדל

לפעול.

על פי חוקי המכניקה של ניוטון, גלים זקוקים לתווך על מנת להתפשט דרכו: גלי מים מתפשטים במים,5 את התיאוריה האלקטרומגנטית19גלי קול מתפשטים באוויר וכדומה. כאשר פיתח מקסוול במאה ה-

שקבעה כי אור )וגלים א"מ אחרים( יכולים להתפשט גם בריק, הניחו המדענים את קיומו של תווך מיוחד המאפשר זאת. תווך זה, שנקרא אתר, נחשב כבעל תכונות מאוד מיוחדות: הוא מילא את כל

היקום, היה בלתי נראה וחסר התנגדות לגופים שעוברים דרכו. : פליטה של אור בתגובה מושהה לבליעה של אור, לעתים בצבע אחר. תיתכן גם המרה של זרחנות6

אור תת-אדום או על-סגול לאור נראה. הכוונה לניסוי של קרוקס שהראה כי קרני הקתודה מסוגלות לדחוף גלגל זעיר המצוי בתוך שפופרת7

הריק. השראה8 זהו גליל מוליך חלול, המצוי בתוך גליל שני מאורק המגן עליו משדות חשמליים, ומשמש לאיסוף9

ולגילוי אלומה של חלקיקים טעונים._________________________________



בקצרה, גליל פאראדיי נטען שלילית כאשר קרני הקתודה נכנסו לתוכו, ורק כאשר הם נכנסו לתוכו. לכן, קרני הקתודה

טעונות בחשמל שלילי.

...................

כמות החשמל שקרניים אלו נושאות ניתנת למדידה. עדיין לא סיימתי את החקירה הזו, אך אוכל לתת מושג לסדר הגודל של

המטענים שהתקבלו, כאשר אומר שעבור אחת מהשפופרות ובניתוק אחד של10 מיקרון של כספית20שלי, בלחץ של

הסליל )היוצר את המתח בין האלקטרודות(, גליל פאראדיי 600קיבל טעינה חשמלית שהספיקה להעלות קיבולת של

וולט.300. ל- C.G.Sיחידות

שאלות

א. הבנת הנקרא המדעי

מהי מטרת שתי הפסקאות הראשונות של המאמר?.1 "השערה אחרונה זו )חלקיקים( הובילה אותי להציעהסבירו את המשפט הבא: .2

זה על מנת ניסויים אותם אתאר כעת בקצרה, מבלי לעצור בשלב כמה לבחון אם היא אכן מספיקה על מנת להסביר את כל העובדות הידועות

היום, והאם זוהי ההשערה היחידה האפשרית".נסחו את הבעיה המחקרית שעמדה בפני פרין..3

ב. המערכת הניסויית

בתרשים .1 את1התבוננו ומלאו זה, לתרשים הרלוונטי הטקסט את קראו , הטבלה הבאה.

האותהרכיב בניסויהמייצגת

תפקידו בניסוי

מ"מ כספית.760 להמחשה, הלחץ האטמוספרי שווה לכ- 10_________________________________



ג. מהלך הניסוי

מהי הבדיקה שביצע פרין על מנת לקבוע את מטענם של קרני הקתודה? .1כיצד ניתן היה לדעת אם הגליל נטען בכלל במטען חשמלי? .2 פרין לא הסביר כיצד בדק את סוג המטען בו נטען הגליל. הציעו דרך לעשות.3

זאת. גליל פאראדיי קיבל טעינה חשמלית שהספיקה להעלותהסבירו את המשפט: ".4

וולט".300. ל- C.G.S יחידות 600קיבולת של מהי הבדיקה השנייה שביצע פרין?.5מה מטרתה של בדיקה זו?.6 נסחו את שאלת החקר שהנחתה את הבדיקה השנייה: "מה הקשר בין ____.7

לבין ____?".מהו המשתנה התלוי ומהו המשתנה הבלתי תלוי בבדיקה זו?.8

ד. הסקת המסקנות מהניסוי

מסקנתו של פרין מהבדיקה השנייה? נסחו זאת בצורת טענה + נימוק. .1 הסתמכו על הידע שלכם מתחום האלקטרומגנטיות והסבירו כיצד בדיקה זו.2

תואמת את מטרת הניסוי.ניסח פרין במשפט הבא:.3 גרף עמודות המתאר את המסקנה אותה נתון

בקצרה, גליל פאראדיי נטען שלילית כאשר קרני הקתודה נכנסו לתוכו," . תנוורק כאשר הם נכנסו לתוכו. לכן, קרני הקתודה טעונות בחשמל שלילי"כותרות לשני הצירים, והסבירו את משמעות העמודות המופיעות בגרף.



: האם פרין צדק?4.2.2פעילות

לפניכם כתבה )דמיונית( שפורסמה בעיתון מדעי מיד לאחר פרסום הניסוי של פרין:

"לאחרונה דווח על מדען צרפתי צעיר אשר ביצע ניסוי ובו הגיע לשתימסקנות מעניינות:

המטענים הנוצרים בתוך השפופרת הקתודית הם שלילייםא.

קרני הקתודה עצמן הן אלומת חלקיקים הטעונים שלילית ולאב.סוג של קרינה.

אנו קבוצת מדענים גרמניים הסבורים כי הזוהר המופיע בקרני הקתודה הוא כן סוג של קרינה, מקבלים את המסקנה הראשונה

של פרין כי בשפופרת נוצרים מטענים שליליים. עם זאת, איננו מקבלים את המסקנה השנייה שלו, הקובעת כי קרני הקתודה

עצמן הן חלקיקים טעונים. אנו סבורים כי ייתכן כי קרני הקתודה והחלקיקים הטעונים שלילית הם ישויות שונות, שכל אחת מהן

מושפעת בעצמה מהשדה המגנטי. לכן, האפשרות שקרני הקתודה הן קרינה ולא חלקיקים עדיין קיימת, והניסוי שערך פרין עם המגנט

אינו מבטל אותה. שני התרשימים המצורפים מציגים את ההסברהאפשרי, לטענתנו, לתוצאות אותן קיבל פרין."

שאלות:

מהי הטענה המרכזית של המדענים הגרמנים?.1



היעזרו במערך הניסוי של פרין מהפעילות הקודמת, והסבירו מה מתארים.2שני התרשימים של המדענים הגרמנים.

המדענים.3 של בניסוי תלוי הבלתי המשתנה ומהו התלוי המשתנה מהו הגרמנים?

כיצד תומכים שני התרשימים בטיעונם של המדענים הגרמניים?.4מטענה.5 הבנוי מדעי, טיעון בצורת הגרמנים המדענים של טענתם נסחו

ומנימוק. יכולים להיווצר בתוך שפופרת הריק .6 בנפרדאם אכן החלקיקים הטעונים

מקרני הקתודה, הסתמכו על הידע שלכם והסבירו מה יכולה להיות סיבהאפשרית להיווצרותם?


: הניסוי של פרין4.2.1פעילות


הניסויים.1 הממצאים את מתארות המאמר של הראשונות הפסקאות שתי מסוג )קרינה( אור של אלומה הן הקתודה קרני כי התומכים בהשערה

מסוים, ובהשערה כי קרני הקתודה הן אלומת חלקיקים. הסבר המשפט: המחבר מתכוון להציג במאמר כמה ניסויים הנובעים מהשערת.2

זו נכונה או לא. יש החלקיקים אך אינו מתכוון לדון בשאלה אם השערה להניח שאם הניסויים יהיו מוצלחים, הם יאששו את ההנחה כי קרני הקתודה

הן אלומת חלקיקים ולא קרינה. הבעיה המחקרית שעמדה בפני פרין הייתה קביעת המטען של קרני הקתודה..3

בהמשך לתשובה הקודמת, טענתו של פרין הייתה שאם קרני הקתודה הןאלומת חלקיקים, הוא מתכוון לקבוע את מטענם.



ב. המערכת הניסויית

1.

תפקידו בניסויהאות המייצגתהרכיב בניסוי

לקלוט את המטענים של קרני הקתודהABCDגליל פארדיי

פתח הכניסה של קרני הקתודה אלתוך גליל פארדיי

לאפשר חדירה של קרני הקתודה אל תוך גליל פארדיי

חיבור הגליללאלקטרוסקופ

Sלהעביר אל האלקטרוסקופ את המטענים העודפים שהצטברו בגליל כתוצאה מפגיעתסוגם, קביעת ולאפשר הקתודה, קרני

חיוביים או שליליים.

גליל נוסף העוטףאת גליל פארדיי

EFGHחשמלית פארדיי גליל את לבודד מהסביבה.

פתח הכניסה של קרני הקתודה אל

EFGHתוך הגליל

לאפשר חדירה של קרני הקתודה אל תוך הגליל העוטף את גליל פארדיי.

קתודה: אלקטרודה

המחוברת אלפוטנציאל שלילי

N.מהווה את המקור לקרני הקתודה

ג. מהלך הניסוי

על מנת לקבוע את מטענם של קרני הקתודה החדיר פרין את האלומה אל תוך.1גליל פארדיי כך שהוא נטען במטען חשמלי.

פי פריסת.2 על ניתן היה לקבוע נטען במטען חשמלי כי הגליל את העובדה האלקטרוסקופ.



את סוג המטען בו נטען הגליל )ומכאן גם האלקטרוסקופ( ניתן לקבוע על ידי.3 הצמדת גוף טעון אל האלקטרוסקופ. אם הגוף טעון במטען המנוגד לזה של האלקטרוסקופ הוא יגרום לפריקתו, והעלים ייצמדו. לכן, אם הצמדת גוף הטעון במטען חיובי תגרום לפריקת האלקטרוסקופ, ניתן להסיק שהוא היה

טעון במטען שלילי.כתוצאה מפגיעת קרני הקתודה.4 על הגליל כמות המטען שהצטברה מדידת

נתון בנוסחה: Qאפשרית על ידי טעינת קבל. המטען Q=CV כאשר Cהוא הוא המתח הנוצר על הקבל כתוצאה מהטעינה. לכן, אם פריןVהקיבול ו-

חיבר את הגליל לקבל שקיבולו ידוע, מדידת המתח שנוצר בין לוחות הקבלאפשרה לו לחשב את המטען שעבר מהגליל לקבל.

הקתודה.5 קרני של ההטיה השפעת הייתה: פרין שביצע השנייה הבדיקה באמצעות שדה מגנטי על טעינת הגליל )כלומר האלקטרוסקופ(.

הקתודה.6 קרני בין לקשר הייתה פרין שביצע השנייה הבדיקה של מטרתה לטעינה, ומכאן להסיק שמקורו של המטען שנאסף בגליל הוא קרני הקתודה

עצמן, ולא חלקיקים טעונים אחרים המצויים בשפופרת. שאלת החקר שהנחתה את הבדיקה השנייה היא: מה הקשר בין השדה המגנטי.7

)המונע את כניסת קרני הקתודה אל הגליל( לטעינת הגליל?הוא.8 התלוי והמשתנה המגנטי, הוא השדה זה בניסוי תלוי המשתנה הבלתי

טעינת הגליל. משתנים אלה הם משתנים בדידים, שערכיהם: "יש" או "אין".

ד. הסקת המסקנות מהניסוי

ניסוח מסקנתו של פרין מהבדיקה השנייה בעזרת טיעון מדעי. טענה: הגליל.1 נטען במטען שלילי רק כאשר קרני הקתודה חדרו אליו ופגעו בו. מסקנה:

קרני הקתודה נושאות מטען חשמלי שלילי. בדיקה זו תואמת את מטרת הניסוי משום שהשדה המגנטי אפשר להטות את.2

קרני הקתודה, ולשלוט על כניסתן אל הגליל. כך ניתן היה לקשר בין כניסתהקרניים אל תוך הגליל – לטעינה שלו במטען חשמלי.

הגרף שבתרשים מתאר את תוצאות הבדיקה השנייה. העמודות מציינות מידת.3 (. כאשרX(, בהתאם לנוכחות השדה המגנטי )ציר Yהטעינה של הגליל )ציר

הגליל, האלקטרוסקופ מראה תוך חודרת אל מגנטי, האלומה אין שדה



שהגליל טעון. כאשר יש שדה מגנטי והאלומה מוטת ממסלולה – הגליל אינונטען.

: האם פרין צדק?4.2.2פעילות

להוכיח.1 הצליח לא שפרין היא הגרמנים של המדענים הטענה המרכזית בוודאות כי קרני הקתודה הם חלקיקים טעונים, ולכן האפשרות שהן סוג של

קרינה עדיין קיימת. שני התרשימים של המדענים הגרמנים מתארים את הניסוי של פרין. בתרשים.2

העליון אין שדה מגנטי, ולכן אלומת קרני הקתודה )חץ אדום( חודרת אל הגליל וטוענת אותו. בתרשים התחתון יש שדה מגנטי, ולכן האלומה מוסטת ואינה חודרת אל תוך גליל פארדיי, אלא פוגעת בגליל החיצוני, העוטף אותו.

במצב זה אין טעינה. בניסוי של המדענים הגרמנים, כמו בניסוי של פרין, המשתנה התלוי הוא.3

טעינת הגליל, והמשתנה הבלתי תלוי הוא השדה המגנטי.שהם.4 משום הגרמניים המדענים של בטיעונם תומכים התרשימים שני

מטענים ישנם הקתודית שבשפופרת האפשרות על בנפרדמצביעים מאלומת הקרניים, המוטים גם הם עקב נוכחות השדה. )העובדה שקרני

הקתודה מוסטות בנוכחות שדה מגנטי כבר ידועה, ואין בה חידוש(. ניסוח טענתם של המדענים הגרמנים בצורת טיעון מדעי. הטענה: אין הכרח.5

לאלומת בנוסף כי ייתכן הנימוק: מטענים. אלומת הן הקתודה שקרני עקב יחדיו מוטים ושניהם חשמליים, מטענים גם בשפופרת יש הקרינה

השדה המגנטי.



סיבה אפשרית להיווצרותם של מטענים חשמליים בתוך השפופרת הקתודית.6 היא התנגשויות בין פוטונים של הקרינה לאטומי הגז. התנגשויות אלה יכולות ליינן את האטומים, ולהפכם ליונים טעונים חשמלית, המוסטים בנוכחות שדה

מגנטי.



פעילויות(2 ) פתרון תעלומת השדה החשמלי 4.3





מקבץ הפעילויות הבא מוקדש לאחד מהניסויים הידועים ביותר שבוצעו במהלך הוויכוח שהעסיק את המדענים בעקבות גילוין של קרני הקתודה: השאלה אם

מדובר בקרינה או בזרם של חלקיקים. ניסוי זה בוצע על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'. ג'. (, והיה אחד מתוך סדרת ניסויים שהכריעה לטובתThomson 1940-1856תומסון )

ההשערה החלקיקית. שתי הפעילויות שבמקבץ זה חושפות בפני התלמידים את האופן בו הציג הנסיין את השאלה המחקרית עמה התמודד, את המערכת אותה

בנה לצורך הניסוי ואת המסקנות אותן הסיק מהניסויים שערך בעזרתה.

המערכת אותה בנה תומסון לצורך הניסוי מוכרת לתלמידים מתכנית הלימודים. עם זאת, החשיפה להקשר בו נערך הניסוי מאפשרת להם להכיר את הסוגיה המדעית

הנדונה בהיבט רחב יותר, ולהציגה כחוליה בשרשרת של מחקר מדעי מתמשך. זאת,כמובן, בנוסף למטרות הלימודיות הישירות בהן עוסק מקבץ פעילויות זה.


התלמידים יפתחו יכולת למצוא מידע רלוונטי בתוך טקסט העוסק בנושא מדעי..1 התלמידים יפתחו מיומנויות חשיבה בסיסיות של זיהוי מטרת המאמר והטענות.2

העיקריות המופיעות בו. תלמידים ירחיבו את יכולת הטיעון: הבנת טיעון, איתור טיעון, הצגת טיעון במילים.3

של התלמיד. התלמידים יוכלו לקשר בין מסקנות הניסוי המופיעות במאמר לביסוס התיאורטי.4

שלהן. התלמידים ירחיבו את הבנת המתודה המדעית: זיהוי והבנה של ניסוי בדיקה,.5

והקשר בין תוצאותיו להסקת המסקנות ממנו._________________________________



התלמידים יציעו יישומים העושים שימוש במערכת הניסוי..6יכולת לסכם מידע עיקרי )תמצית( המופיע בקטע הקריאה.7 התלמידים יפתחו


הפעילות הראשונה מבין השתיים שבמקבץ זה עוסקת בקטע מתוך מאמר של תומסון, בו הוא מציג את הבעיה המחקרית שהנחתה אותו בביצוע הניסוי. ניסוי זה

היווה שיכלול של ניסוי קודם שערך פרנק הרץ, ותומסון מסביר מדוע התוצאותשקיבל שונות מאלו שקיבל קודמו.

הפעילות השנייה מבוססת על קטע אחר מתוך אותו מאמר, והיא מוקדשת להסקת המסקנות מתוצאות הניסוי ולקביעה כי קרני הקתודה הן אלומה של מטענים

הטעונים במטען שלילי, ולא קרינה מסוג כלשהו.

שתי הפעילויות מתבססות על תרגום של טקסט מקורי מתוך המאמר של תומסון.

הערות כלליות לביצוע הפעילות






הקריאה, ויתייחס לאותן שאלות ומושגים ונקודות בהן התעוררו קשיים ושעדייןביטוי לכמה תינתן אפשרות בו דיון פתוח נותרו לא ברורים. מומלץ לאפשר





פתרון תעלומת השדה החשמלי

מבוא

קרני קתודה נוצרות בתוך שפופרת המכילה אוויר או גז אחר בלחץ נמוך. בתוך - קתודה ואנודהאלקטרודותהשפופרת הזו, הנקראת שפופרת קתודית, מצויות שתי






: קרני קתודה מוטות בשדה חשמלי4.3.1פעילות

, בעיצומו של19לפניכם קטע מעיתון מדעי )דמיוני( שפורסם לקראת סוף המאה ה-הוויכוח באשר למהותן של קרני הקתודה.

"המדען הגרמני הידוע, פרנק הרץ, גילה שקרני הקתודה אינן מוסטות בשדה חשמלי. הוא העביר את אלומת הקרניים בין לוחות

של קבל, ולמרות שהלוחות היו מחוברים לקטבים המנוגדים של מקור מתח חשמלי חזק ביותר, האלומה לא סטתה ממסלולה )ראו

תרשים(.

הניסוי שערך הרץ

לכן, אנו מצטרפים לדעתו של המדען המהולל, כי קרני הקתודה אינן חלקיקים טעונים אלא קרינה אלקטרומגנטית, שהרי קרינהאינה מושפעת משדה חשמלי, ואילו חלקיקים טעונים דווקא כן."

תוצאות הניסוי של הרץ היוו טיעון חזק ביותר כנגד ההשערה כי קרני הקתודה הן זרם חלקיקים טעונים שלילית. הפיזיקאי האנגלי ג'. ג'. תומסון, אשר תמך דווקא

."קרני קתודה"בהשערת החלקיקים, ערך סדרת ניסויים שדווחו במאמר בשם: הציג תומסון189711במאמר זה, שהתפרסם בכתב העת "מגזין פילוסופי" בשנת

את מסקנתו כי קרני הקתודה הן אלומת חלקיקים טעונים שלילית ובעלי מסה קטנה מכל מה שהיה ידוע עד אז. הייתה זו תגלית מרעישה לא רק משום ששמה קץ

שנה בקרב הקהילה המדעית, אלא בעיקר משום שהובילה20לוויכוח שנמשך כ- להבנה כי האטום אינו יחידת החומר הקטנה ביותר בטבע, והוא עצמו מורכב

מחלקיקים קטנים יותר – האלקטרונים.

11 Thomson, J.J., Cathode Rays, Philosophical Magazine, Vol. 44 Series 5, page 293 (1897)._________________________________



לפניכם קטע מתורגם ממאמר זה, המתאר את אחד הניסויים שערך תומסון.

. הטיה של קרני הקתודה על ידי שדה2ניסוי אלקטרוסטטי

התנגדות הנשמעת לעיתים קרובות כנגד הדעה שקרני הקתודה הן חלקיקים מחושמלים שלילית היא, שעד היום לא התגלתה הטיה של הקרניים בהשפעה של כוח אלקטרוסטטי

חלש, זאת למרות שהקרניים מוטות כאשר הן עוברות ליד שדה מגנטי. הרץ העביר את קרני הקתודה בין שני לוחות מתכת

, אך מצא שאין12מקבילים שהונחו בתוך שפופרת ההתפרקות הן מוטות כאשר הלוחות חוברו לסוללה גדולה של תאי

. בחזרי על ניסוי זה קיבלתי בתחילה את אותה13אכסון התוצאה, אך ניסויים מאוחרים יותר הראו כי העדר ההטיה הוא

תוצאה של המוליכות שהוענקה לגז הדליל על ידי קרניהקתודה.

במדידת המוליכות הזו נמצא שהיא נעלמת מהר יותר כאשר מידת הריקון של השפופרת גדלה. אם כך, נראה כי בעריכת

הניסוי של הרץ בריקון גדול מאוד ישנו סיכוי להבחין בהטיה של קרני הקתודה על ידי כוח אלקטרוסטטי. המכשור בו נעשה

.2שימוש מוצג באיור

, שהיא פקקA עוברות דרך חריץ באנודה Cהקרניים מקתודה ומחובר אל האדמה. אל השפופרת בחוזקה מתכתי הצמוד

, שגם הוא מחוברBלאחר שהן עוברות דרך חריץ מתכתי שני אל האדמה, הן נעות בין שני לוחות אלומיניום מקבילות באורך

הכוונה לשפופרת ריק, כלומר לשפופרת קתודית.12_________________________________



ס"מ ורוחב של כ- 5של כ- ס"מ ובמרחק של 2 ס"מ.1.5 סימן ויוצרות השפופרת בקצה פוגעות הן מכן לאחר

מחוץ14פלואורסצנטי המודבקת סקלה היטב. ומוגדר צר לשפופרת משמשת למדידת ההטיה של סימן זה.

לוחות שני כאשר הוסטו הקרניים גבוהה ריקון במידת קטנים. אכסון תאי של סוללה לקוטבי חוברו האלומיניום הקרניים נדחפו מטה כשהלוח העליון חובר לקוטב השלילי שלהלוח כאשר והתרוממו החיובי, לקוטב והתחתון הסוללה לקוטב והתחתון הסוללה של החיובי לקוטב חובר העליון השלילי שלה. ההטיה הייתה ביחס ישר להבדל הפוטנציאליםויכולתי להבחין בה גם כשהבדל המתחים היה שבין הלוחות,

וולט. ההטיה התרחשה רק כאשר הריק היה במידה2קטן, כ- מספקת.

שאלות


מהו הטענה המוצגת בעיתון המדעי הדמיוני, ומהו הנימוק לטענה זו? .1תארו את הבעיה אותה מציג תומסון בפסקה הראשונה של המאמר..2 "הרץ העביר את קרני הקתודה בין שני לוחות מתכתמה הכוונה במשפט: .3

מקבילות שהונחו בתוך שפופרת ההתפרקות, אך מצא שאין הן מוטות כאשרהלוחות חוברו לסוללה גדולה של תאי אכסון"?

כיצד מסביר תומסון את העדר ההטיה של קרני הקתודה בשלבים הראשונים.4של הניסוי?

מה לדעתכם יכולה להיות הסיבה לכך שהגז הפך למוליך בעקבות המעבר.5של קרני הקתודה בתוכו?

ב. המערכת הניסויית וקישורה לתיאוריה

ובהסברים הנלווים של תומסון, ומלאו את הטבלה הבאה2היעזרו באיור .1 )הוסיפו שורות בהתאם לצורך(.

.( הם קבוצה של תאים הניתנים לטעינה חוזרת, ופועלים כסוללהstorage cells תאי אכסון )13 נקודת אור זוהרת.14





מדוע לדעתכם הציג תומסון את מרכיבי הניסוי ברמת פירוט כה.2גבוהה?

מהו המשתנה התלוי ומהו המשתנה הבלתי תלוי בניסוי אותו ערך תומסון?.3 שרטטו את דיאגרמת הכוחות הפועלים על החלקיק הטעון הנכנס אל האזור.4

שבין לוחות האלומיניום. מהי משוואת הכוחות המתאימה עבור התוצאות שקיבל הרץ? א.מהי משוואת הכוחות המתאימה עבור התוצאות שקיבל תומסון? ב.

מה אופי התנועה של החלקיק בין הלוחות בניסוי של תומסון? מה אופי.5התנועה מחוץ ללוחות? מדוע?

ג. הסקת המסקנות מהניסוי

מה ניתן להסיק ממגמת הסטייה של האלומה לגבי סוג המטען החשמלי של.1החלקיקים בניסוי של תומסון?

"ההטיה הייתה ביחס ישר להבדל הפוטנציאליםהסבירו את המשפט הבא:.2 וולט.2שבין הלוחות, ויכולתי להבחין בה גם כשהבדל המתחים היה קטן, כ-

מספקת במידה היה הריק כאשר רק התרחשה תומכת."ההטיה כיצד תוצאה זו של הניסוי בהסבר של תומסון לכך שהמדענים לפניו לא הצליחו

להראות הטיה של קרני הקתודה בשדה חשמלי?

ד. היבטים יישומיים של הניסוי

במערכת המתוארת בניסוי ניתן לשלוט בתנועת הקרן רק בממד אחד. הציעו.1 דרך שתאפשר שליטה בקרן בשני ממדים. מה השימושים האפשריים במתקן

המשופר?



על סמך השיטה שהצעתם, מצאו ביטוי לכוח השקול הפועל על כל מטען, בזמן.2תנועתו בחלל שבין הלוחות.

נניח שבמתקן המשופר מעוניינים להסיט קרן של אלקטרונים כך שתפגע בפינה.3 השמאלית העליונה של המסך. על סמך השיטה שהצעתם, מצאו ביטוי לכוח השקול הפועל על כל מטען בזמן תנועתו בחלל שבין הלוחות, באמצעות

המתח שבין הלוחות והמרחק ביניהם.

הסתמכו על התוצאות שקיבלתם בסעיף הקודם, וקבעו כיצד ניתן, עבור מהירות.4נתונה של האלקטרונים, להגדיל את מידת הסטייה של האלומה.

: ההסבר לתוצאות הניסוי4.3.2פעילות

...................

נובע הקתודה קרני אלומת של ההטיה שהעדר העובדה ממוליכות התווך, מתגלה כתוצאה מהמתרחש כשהריק מגיעהלוחות כאשר זה, במצב ההטיה. מתחילה בה למידה מחוברים לראשונה לקוטבי הסוללה הטיית הקרניים מבחיניםלמצב אט אט חוזר המואר הסימן זמן כעבור אך בהטיה, הבלתי מוטה שלו. זה בדיוק מה שהיה קורה אם החלל שבין



הלוחות היה מוליך, גם אם מוליך גרוע מאוד, משום שבמקרה זה, היונים החיוביים והשליליים שבין הלוחות היו מתפזרים אטוהלוח שליליים ביונים מצופה היה החיובי שהלוח עד אט, השלילי ביונים חיוביים, כך שהעוצמה החשמלית שבין הלוחותמכוח חופשיות יהיו הקתודה וקרני נעלמת הייתה נוספת לכך מתאפשרת בזמן שהלחץ אלקטרוסטטי. הדגמה נמוך מספיק על מנת להראות הטיה, והבדל פוטנציאלים גדול,

ישנה200למשל בין הלוחות. בנסיבות הללו וולט, מתקיים הטיה גדולה של קרני הקתודה, אך תחת הכוח אלקטרוסטטי הגדול הזה התווך נפרץ, ומידי פעם עובר ניצוץ בין הלוחות.ידי קרני הקתודה קופץ סימן האור הנוצר על כשזה קורה,

בחזרה למצבו הבלתי מוטה.

ידי כוח אלקטרוסטטי סדרת מדידות של הטיית הקרניים על שונות תימצא בהמשך, בחלק של המאמר העוסק בנסיבות החלקיקים של המסה בין וביחס הקרניים של במהירות

המחושמלים למטען הנישא על ידם.

שאלות

תארו בקצרה במה עוסק קטע הקריאה. .1מה מטרתו של הקטע, וכיצד הוא מתקשר לקטע הראשון?.2 "זה בדיוק מה שהיהמה ההסבר הפיזיקלי לתופעה המתוארת במשפט הבא: .3

קורה אם החלל שבין הלוחות היה מוליך, גם אם מוליך גרוע מאוד, משום שבמקרה זה, היונים החיוביים והשליליים שבין הלוחות היו מתפזרים אט אט, עד שהלוח החיובי היה מצופה ביונים שליליים והלוח השלילי ביונים חיוביים,יהיו וקרני הקתודה כך שהעוצמה החשמלית שבין הלוחות הייתה נעלמת

"חופשיות מכוח אלקטרוסטטי. על פי המידע המופיע בקטע הקריאה סרטטו גרף המתאר את השינוי במידת.4

ההטיה של קרני הקתודה כפונקציה של הזמן. תנו שמות מתאימים לציריםוסמנו ערכים מספריים שרירותיים, לצורך המחשה בלבד.

זו.5 הדגמה בין ההבדל מה שערך. נוספת הדגמה תומסון מתאר זה בקטע לקודמת מבחינת המשתנה התלוי והבלתי תלוי?



מה מקור הניצוץ שנוצר בין הלוחות? מה הקשר שלו לחזרת האלומה למצב.6הבלתי מוטה?

התנגדות הנשמעת לעיתים קרובות כנגדבתחילת החלק הראשון אומר תומסון: ".7 הדעה שקרני הקתודה הן חלקיקים מחושמלים שלילית היא, שעד היום לא התגלתה הטיה של הקרניים בהשפעה של כוח אלקטרוסטטי חלש, ולמרות

כיצד מחלישות תוצאותשהקרניים מוטות כאשר הן עוברות ליד שדה מגנטי".הניסוי שערך תומסון התנגדות זו?


: קרני קתודה מוטות בשדה חשמלי4.3.1פעילות


סוג של.1 הן היא שקרני הקתודה בעיתון המדעי הדמיוני הטענה המוצגת קרינה ואינן יכולות להיות אלומה של חלקיקים טעונים. הנימוק לטענה זושדה בתוך עוברות הן כאשר ממסלולן מוסטות לא אלו שקרניים הוא

חשמלי. היא הסתירה.2 של המאמר תומסון בפסקה הראשונה מציג אותה הבעיה

בהתנהגותן של קרני הקתודה: למרות שהן מוטות ממסלולן כשהן עוברותמוטות הן אין טעונים, חלקיקים של לאלומה בדומה מגנטי שדה ליד

ממסלולן בנוכחות של שדה חשמלי, גם אם הוא חזק יחסית.בין שני לוחות מתכת מקבילותהמשפט: .3 "הרץ העביר את קרני הקתודה

שהונחו בתוך שפופרת ההתפרקות, אך מצא שאין הן מוטות כאשר הלוחות , מתאר את הניסוי שערך הרץ. הרץחוברו לסוללה גדולה של תאי אכסון"

אתם וחיבר מקבילים מתכת לוחות שני קתודית שפופרת לתוך הכניס לקטבים המנוגדים של תאי אכסון )סוללה(. כאשר עברה אלומת הקרניים

בין הלוחות הטעונים היא המשיכה במסלולה הישר ללא סטייה.של.4 בשלבים הראשונים קרני הקתודה של העדר ההטיה תומסון, לדעת

למוליך הפך הקתודית השפופרת שבתוך שהגז מהעובדה נובע הניסוי



כתוצאה ממעבר הקרניים דרכו. הולכה זו גורמת לפריקת המטען החשמלישעל הלוחות, ולהקטנה משמעותית של השדה החשמלי השורר ביניהם.

העובדה שהגז הפך למוליך בעקבות מעבר קרני הקתודה בתוכו יכולה לנבוע.5 מההתנגשויות שבין החלקיקים הטעונים המהווים את אלומת קרני הקתודה לבין אטומי הגז. כתוצאה מהתנגשויות אלה הופכים אטומי הגז ליונים חיוביים וליונים שליליים הנמשכים אל הלוחות )בעלי המטענים המנוגדים(, מקטינים את כמות המטען המצטבר על הלוחות ובכך מחלישים את עוצמת השדה

החשמלי השורר ביניהם.

ב. המערכת הניסויית וקישורה לתיאוריה

1.



מהווה את המקור לקרני הקתודה.Cקתודה

הדרושAאנודה הפוטנציאלים הבדל את יוצרת להאצת קרני הקתודה.

אלומהSחריץ במחסום מתכתי הקתודה מקרני ליצור מאפשר ממוקדת שתעבור דרך הקבל.

לוחות אלומיניוםהמחוברים למקור מתח

D -ו Eעוברת בו החשמלי השדה את יוצרים אלומת קרני הקתודה

סקלה המוצמדתלשפופרת הקתודית

fשל ההטיה מידת סימון את מאפשרת האלומה על פי נקודת האור המתקבלת

על הזכוכית.

תומסון הציג את רכיבי הניסוי ברמת פירוט גבוהה משום שאחד מהעקרונות.2 הבסיסיים של מדע ניסויי כמו פיזיקה הוא יכולת השחזור של תוצאות ניסוי שנערך. הפירוט מאפשר למדענים אחרים לבצע במדויק את הניסוי שערך

הרץ, ובכך לאמת בעצמם את תוצאותיו._________________________________



המשתנה התלוי בניסוי אותו ערך תומסון היה המתח שבין הלוחות. המשתנה.3 הבלתי תלוי היה מידת ההטיה של הקרניים. זאת – עבור מידת ריקון נתונה

של השפופרת מהגז שבתוכה.לוחות.4 שבין האזור אל הנכנסים האלומה חלקיקי על הפועלים הכוחות

האלומיניום מתוארת בשרטוט )בהנחה שכיוונו של הכוח החשמלי הוא כלפימעלה(. מבחינה מעשית כוח הכבידה זניח בהשוואה לכוח החשמלי.

משוואת הכוחות המתאימה עבור התוצאות שקיבל הרץ )בהזנחת כוחא.הכבידה(:

משוואת הכוחות המתאימה עבור התוצאות של תומסון )בהזנחת כוחב.הכבידה(:

אופי התנועה של חלקיקי האלומה בניסוי של תומסון היה:.5תנועה בתאוצה קבועה, תחת השפעת הכוחyבין הלוחות: בציר א.

בציר הקבוע. השפעתxהחשמלי ללא קבועה, במהירות תנועה כוחות.

מחוץ ללוחות: תנועה במהירות קבועה, ללא השפעת כוחות.ב.

ג. הסקת המסקנות מהניסוי

בניסוי של תומסון סטתה אלומת החלקיקים כלפי מעלה כאשר הלוח העליון.1 חובר לקוטב החיובי של הסוללה והלוח התחתון חובר לקוטב השלילי שלה –



ולהפך. המסקנה הנובעת מכך היא שהחלקיקים המהווים את אלומת קרניהקתודה הם בעלי מטען שלילי.

הלוחות,במשפט:.2 שבין הפוטנציאלים להבדל ישר ביחס הייתה "ההטיה כ- קטן, היה כשהבדל המתחים גם בה להבחין וולט.2ויכולתי ההטיה

מדווח תומסון כי בניגוד התרחשה רק כאשר הריק היה במידה מספקת", לתוצאות שקיבל הרץ, ההטיה של קרני הקתודה התרחשה אפילו כשבין הלוחות שרר מתח קטן, וגדלה ככל שמתחים אלו גדלו. עם זאת, התופעה נצפתה רק כאשר הריק היה במידה מספקת. תוצאה זו תומכת בהסבר שלכי המדענים לפניו לא הצליחו להראות הטיה של קרני הקתודה תומסון בשדה חשמלי משום שמידת הריק בשפופרת לא הייתה מספקת, מה שגרם

לגז להפוך למוליך ולנטרל את המטענים שעל הלוחות.

ד. היבטים יישומיים של הניסוי

שליטה בקרן בשני ממדים מושגת ע"י הוספת צמד לוחות מקבילים שייצור.1 שדה חשמלי שכיוונו ניצב לזה של השדה החשמלי המקורי )ראו תרשים(. כך

ניתן יהיה ליצור שני שדות חשמליים שישפיעו בו זמנית על מהלכה הקרן.

,15המתקן המשופר יכול ליצור תרשימים )תמונות( על מסך פלואורסצנטי בהתאם למידע המועבר אל שני השדות החשמליים. מידע זה מתורגם

לתנועה של הקרן, שמקום פגיעתה במסך מסומן באמצעות נקודה זוהרת.אם תנועת הקרן מהירה דייה היא מותירה רישום רצוף על גבי המסך.

גודלו של הכוח השקול שפועל על מטען חשמלי בזמן תנועתו בין הלוחות הוא:.2

מסך המצופה בחומר הזוהר באור כאשר פוגע בו אלקטרון. האור נוצר כתוצאה מכך שהאלקטרונים15 המתנגשים באטומי החומר הפלואורסצנטי מעוררים אותם לרמות אנרגיה גבוהות יותר, ובחזרתם

לרמות הנמוכות משתחררת האנרגיה בצורת אור._________________________________



.y ו- x הם הכוחות החשמליים הפועלים בכל אחד מהכיוונים, FEy ו- FExכאשר

על מנת להסיט קרן אלקטרונים כך שתפגע בפינה השמאלית העליונה של.3ובכיוון –y( בכיוון +FEהמסך יש להפעיל על האלומה כוח חשמלי זהה ) x

)ראו תרשים(.

השקול של כוח זה, שגודלו:

יגרום לאלקטרונים לנוע בקו ישר לפינה השמאלית העליונה של המסך )הקו (Vהמרוסק שבתרשים(. נבטא את השקול באמצעות המתח שבין הלוחות )

(:dוהמרחק ביניהם )

הוא:E( הכוח החשמלי הפועל על מטען בשדה חשמלי 1)

F=qE

( השדה החשמלי השורר בין לוחות קבל הוא קבוע, וגודלו: 2)

( מכאן שהכוח החשמלי הפועל על האלקטרון בכל כיוון הוא:3)

( לכן, הכוח החשמלי השקול הפועל על האלקטרון הוא:4)



, כמוראה בתרשים. x יחסית לציר º45בכיוון

מהתוצאה ברור כי הגדלת המתח שבין הלוחות והקטנת המרווח ביניהם יגדילו.4סטייתו מידת גם תגדל ולכן האלקטרון, על הפועל הכוח עוצמת את אלומת של נתונה מהירות עבור כאמור, זאת, הישר. מהמסלול יפחת משך שהייתם האלקטרונים. ככל שמהירות האלקטרונים תגדל, כך

באזור השדה החשמלי, ומידת סטייתה של האלומה תקטן בהתאם.

: ההסבר לתוצאות הניסוי.4.3.2פעילות

הריק.1 כאשר האחת שערך. בדיקות שתי תומסון מתאר הקריאה בקטע שבשפופרת הקתודית אינו מספיק ליצור הטיה קבועה של קרני הקתודה, והשנייה כאשר הריק הוא במידה מספקת, אך המתח שבין הלוחות גדול

מאוד. מטרתו של הקטע היא לתאר את התנאים ואת הסיבה הפיזיקלית לכך שלמרות.2

ניתן נוכחות שדה חשמלי קרני הקתודה לא תמיד מוטות ממסלולן. בכך למעשה ההסבר לתוצאות הניסוי המתוארות בקטע הראשון, ולכך שהרץ לא

הצליח להטות את קרני הקתודה באמצעות שדה חשמלי.הגז.3 אטומי של שיונים הוא במשפט המתוארת לתופעה הפיזיקלי ההסבר

)שנוצרו כתוצאה מהתנגשויות עם החלקיקים הטעונים המהווים את קרני הקתודה( נמשכים אל הלוחות היוצרים את השדה החשמלי. במצב זה הגז הופך למעשה למוליך, ועודף המטענים שעל הלוחות מתבטל. התוצאה היא כמובן החלשת השדה החשמלי שבין הלוחות, המתבטאת בהעדר הטיה של

קרני הקתודה.גרף המתאר את השינוי במידת ההטיה של קרני הקתודה כפונקציה של הזמן:.4



על פי הגרף, ישנה הטיה גדולה יחסית של האלומה ברגעים הראשונים של הפעלת המערכת, אך היא הולכת וקטנה עם הזמן כתוצאה מההולכה

החשמלית של הגז שבשפופרת.

והמשתנה.5 הלוחות, שבין המתח היה התלוי המשתנה הקודמת בהדגמה הבלתי תלוי היה מידת ההטיה של הקרניים. בקטע הקריאה הנוכחי שינה תומסון גם את מידת הריקון של השפופרת, ולכן במקרה זה המשתנה הבלתישל ההטיה מידת היה התלוי והמשתנה הגז שבשפופרת, לחץ היה תלוי

האלומה. מקור הניצוץ שנוצר בין הלוחות הוא מעבר של המטענים מלוח אחד לשני, עקב.6

המתח הרב ששרר ביניהם. במקרה זה, מידת הריקון של השפופרת הייתהולכן החלשת השדה החשמלי לא נבעה ממעבר היונים של גבוהה מאוד, המקרים בשני הלוחות. של החשמלי המטען מפריקת אלא הגז, אטומי קרני של הטיה העדר – ולכן החשמלי, השדה החלשת היא התוצאה

הקתודה. ניסוי הרץ חיזק את הסברה שקרני הקתודה אינן אלומה של מטענים חשמליים,.7

משום שהן לא סטו בנוכחות שדה חשמלי. תומסון הצליח להראות כי קיימת הטיה של הקרניים, ומצא את הסיבה לכך שהיא לא התגלתה קודם לכן: הפיכת הגז שבשפופרת למוליך. הדבר מתרחש בשני מצבים: כאשר מידת הריקון של השפופרת אינה מספקת, וכאשר המתח שבין הלוחות חזק מאוד. תוצאות הניסויים של תומסון מצביעות על כך שקרני הקתודה אכן נוהגותכאלומת חלקיקים טעונים חשמלית, ומהוות טיעון כנגד השוללים השערה זו.



פעילויות(3 ) מציאת היחס בין מסת האלקטרון למטענו 4.4


גילוין של קרני הקתודה והמחקר שנלווה אליהן, משמשים דוגמא מרתקת לאופן בו מתפתח לעיתים הידע המדעי: מתגלית צנועה למהפכה אדירה בהבנה, המניעה תגליות חדשות ופריצות דרך מדעיות נוספות. העיסוק במחקר המדעי סביב קרני הקתודה והשלכותיו על ההבנה המדעית במסגרת פעילויות האוריינות, מאפשר

לחשוף בפני התלמידים היבטים שונים של העשייה המדעית, שאינם באים לביטוי באופן מספק בתכנית הלימודים. זאת, כמובן, בנוסף לחשיבותה של פעילות

האוריינות עצמה.

מקבץ פעילויות זה מוקדש לאחד מהניסויים המוכרים ביותר למורי ולתלמידי (,Thomson 1940-1856הפיזיקה. הניסוי בוצע על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'. ג'. תומסון )

והיה אחד מתוך סדרת ניסויים שהכריעה בוויכוח על מהותן של קרני הקתודה שנה לפני כן, ושבמסגרתה התגלה החלקיק התת-אטומי הראשון –50שהתגלו כ-

האלקטרון. גילוי האלקטרון היווה מהפכה בתפיסה המדעית את מבנה החומר, בכך שלראשונה התברר כי האטום אינו יחידת החומר הבסיסית של הטבע. שלוש

הפעילויות שבמקבץ הזה מתבססות על קטעים מתוך מאמר של תומסון, ועוסקות באחת משתי השיטות בהן הוא השתמש לצורך חישוב מהירות האלקטרון בשפופרתהקתודית וחישוב היחס בין מסתו למטענו, וכן במסקנות שהוסקו מהתוצאות הללו.

בפעילות הראשונה מתואר המהלך התיאורטי המקדים עליו מסתמך הניסוי. המעקב עבור האלקטרון,m/q ו- vאחר הפיתוח המתמטי של הקשרים המאפשרים מציאת

מאפשר לתלמידים ליצור קשר ישיר בין התיאוריה לניסוי, ובכך להבין טוב יותר את המערכת הניסויית, את התוצאות שהושגו בהסתמך עליה ואת המסקנות שהוסקו

מתוצאות אלה. בפעילות השנייה התלמיד מכיר את המערכת הניסויית שנבנתה על בסיס הפיתוח התיאורטי, ולומד לזהות מהם הגדלים הנמדדים ישירות ומהם הגדלים המחושבים מהם – על בסיס המהלך התיאורטי המקדים. בפעילות השלישית נחשףהתלמיד לתוצאות הניסוי אותן קיבל תומסון ולמסקנות אותן הסיק מתוצאות אלה.

מטרות עיקריות:8למקבץ זה

התלמידים יפתחו יכולת למצוא מידע רלוונטי בתוך טקסט העוסק בנושא מדעי..1התלמידים ידעו להסביר את משמעותם של המושגים המופיעים במאמר..2



התלמידים יוכלו לשחזר את המהלכים התיאורטיים המופיעים במאמר ולקשר בין.3התיאוריה לניסוי.

התלמידים ירחיבו את מיומנות הקישור בין נושאים שונים ובין גדלים פיזיקאליים.4שונים.

התלמידים יבחינו בין גדלים נמדדים וגדלים מחושבים המשולבים באותו הניסוי..5התלמידים יקשרו בין המסקנות המופיעות במאמר לביסוס התיאורטי שלהן. .6ניסוי שנועד.7 והבנה של זיהוי ירחיבו את הבנת המתודה המדעית: התלמידים

למדוד גדלים פיזיקליים, והקשר בין תוצאותיו להסקת המסקנות ממנו.יכולת לסכם מידע עיקרי )תמצית( המופיע בקטע הקריאה.8 התלמידים יפתחו


שלוש הפעילויות מתבססות על תרגום של טקסט מקורי מתוך המאמר של תומסון.

הערות כלליות לביצוע הפעילות




עבודה בקבוצות: לאחר שלב העבודה היחידנית יעבדו התלמידים בקבוצות שלב.ויגבשו תוצר סופי המקובל2-3 ילבנו את הסוגיות שעלו בעקבות הקריאה


הקריאה, ויתייחס לאותן שאלות ומושגים ונקודות בהן התעוררו קשיים ושעדיין נותרו לא ברורים. מומלץ לאפשר דיון פתוח בו תינתן אפשרות ביטוי לכמה


בסוף מקבץ זה ישנו נספח המיועד להרחבה, על פי שיקול דעתו של המורה. נספח זה עוסק באופן בו מדד תומסון את זווית ההטיה של הקרניים בהשפעת השדה

המגנטי.




מציאת היחס בין מסת האלקטרון למטענו

מבוא

קרני קתודה נוצרות בתוך שפופרת המכילה אוויר או גז אחר בלחץ נמוך. בתוך - קתודה ואנודהאלקטרודותהשפופרת הזו, הנקראת שפופרת קתודית, מצויות שתי




הפיזיקאי האנגלי ג'. ג'. תומסון, אשר תמך בהשערת החלקיקים, ערך סדרת ניסויים שבסופם הגיע למסקנה כי קרני הקתודה הן אלומת חלקיקים הטעונים שלילית.

תומסון אף מדד את היחס בין מסת החלקיקים הללו למטענם. תוצאות הניסויים של תומסון הראו כי מדובר בחלקיקים בעלי מסה קטנה מכל מה שהיה ידוע עד אז, מה שהוביל לתגלית המרעישה כי האטום אינו יחידת החומר הקטנה ביותר בטבע, והוא

מורכב מחלקיקים קטנים יותר. בעקבות גילויו פיתח תומסון מודל חדש לאטום,



. תומסון דיווח על ממצאיו לקהילה המדעית16המוכר כמודל "עוגת הצימוקים" . המאמר התפרסם בכתב העת "מגזין פילוסופי""קרני קתודה"במאמר בשם:

שנה בקרב הפיזיקאים, וזיכה את20 ובכך שם קץ לוויכוח שנמשך כ- 189717בשנת מחברו בפרס נובל על גילוי האלקטרון. לפניכם קטע מתורגם ממאמר זה, המתאר

את אחד הניסויים שערך תומסון למציאת היחס בין המסה והמטען של החלקיקהחדש שמצא. ניסוי זה נחשב לאחד מהניסויים המפורסמים בעולם הפיזיקה.

: המהלך התיאורטי המקדים4.4.1פעילות

. מציאת מהירות החלקיקים של קרני הקתודה והיחס בין מסתם4ניסוי למטענם – שיטה שנייה

...................

הואיל וקרני הקתודה נושאות מטען של חשמל שלילי, מוטות על ידי כוח אלקטרוסטטי בדומה לאופן בו מוטה מטען שלילי, ומושפעות מכוח מגנטי בדיוק באופן בו כוח מגנטי משפיע על

גוף המחושמל שלילית אשר נע לאורך המסלול של קרניים אלה, אינני רואה כל אפשרות להתחמק מהמסקנה שאלו הם

מטענים בעלי חשמל שלילי הנישאים על ידי חלקיקי חומר. השאלה הבאה שעולה היא, מהם חלקיקים אלו? האם הם אטומים, או מולקולות, או אולי חומר שמקורו בתת-חלוקה עדינה יותר? על מנת להאיר מעט נקודה זו, ערכתי סדרת

מדידות של היחס בין המסה של החלקיקים הללו למטען שהם נושאים. על מנת לקבוע את הגודל הזה, השתמשתי בשתי

שיטות שונות.

...................

באופן שונהv ו- m/eכעת אתאר שיטה נוספת למדידת הגדלים לחלוטין לזה שתואר קודם. שיטה זו מבוססת על ההטיה של

מודל זה מדמה את האטום לעוגת צימוקים, כאשר המטען החיובי מרוח בצורה אחידה על פני האטום16 )כדור קשיח, כפי שנתפס עד אז(, ובתוכו מפוזרים האלקטרונים, שהם חלקיקי מטען שלילי נקודתיים

כמו צימוקים בעוגה.17 Thomson, J.J., Cathode Rays, Philosophical Magazine, Vol. 44 Series 5, page 293 (1897).



קרני הקתודה בשדה אלקטרוסטטי. אם נמדוד את ההטיה שנגרמת לקרניים כאשר הם חוצים מרחק נתון תחת עוצמה

אחידה של שדה חשמלי בניצב לכיוון תנועתם, ואת ההטיה שלהם כשהם חוצים מרחק נתון תחת השפעה של שדה מגנטי

אחיד )גם כן בניצב לכיוון תנועתם(, נוכל לחשב את הערכים

באופן הבא:v ושל m/eשל

נניח כי המרחק )האופקי( דרכו עוברות קרני הקתודה תחת

. הזמן שייקחl הוא Fהשפעת שדה חשמלי אחיד בעל עוצמה

, ולכן המהירות שלl/vלקרניים לעבור את המרחק הזה הוא

היא:Fהאלומה בכיוון של

, הזווית בה הקרניים מוטות כאשר הן יוצאות מהשדהθכך ש- החשמלי ונכנסות לאזור החופשי מכוח חשמלי נתונה

במשוואה:

אם, במקום שדה חשמלי יפעל על הקרניים שדה מגנטי בעל

, המהירותl, בזווית ישרה לקרניים ולאורך המרחק Hעוצמה בזווית ישרה למסלול המקורי של הקרניים היא:

, הזווית בה הקרניים מוטות כאשר הן יוצאות מהשדהφכך ש- המגנטי, נתונה במשוואה:

ממשוואות אלה נקבל:



וכן:

, במקרהφ = θבניסוי נלקחה עוצמת שדה מגנטי כך שיתקיים זה המשואות המתקבלות הן:

שאלות:

בפסקה הראשונה? מהי הבעיה המחקרית אותה מציג תומסון.1 על מה מתבססת השיטה למדידת היחס בין המסה למטען של החלקיקים, אותה.2

מציע תומסון בפסקה השנייה? האם תומסון מתאר ניסוי או שיטה למדידה? נמקו תשובתכם..3מסתם.4 בין היחס ומהו החלקיקים מהירות מהי לקבוע מעונין היה תומסון

ישירות זה, חלק מהגדלים הפיזיקליים צריך היה למדוד למטענם. לצורך מהניסוי, וחלק אחר – צריך לחשב. בהתאם, השלימו את הטבלאות הבאות:

סימנוגדלים נמדדיםבקטע



סימנו בקטעגדלים מחושבים

שרטטו תרשים סכמטי של מערך הניסוי שהציע תומסון. סמנו בתרשים כל אחד.5מהרכיבים והשלימו את הטבלה בהתאם לכתוב בקטע:

תפקידו במערך המדידההרכיב המתאיםהאות

1.



2.

3.

4.

5.

6.

? =מדוע לדעתכם העדיף תומסון לבצע את המדידה כך שמתקיים .6)בשיטת .7 היחידות את אתMKSבדקו ואשרו תומסון, שקיבל הביטויים של )

התוצאות מבחינת היחידות שלהם. במאמר אין תומסון מפרט את כל השלבים בפיתוח המתמטי שערך. שחזרו את.8

החישוב בפירוט, וציינו את העיקרון הפיזיקלי בכל צעד בחישוב.מה מלמד הדבר על הקשר הקיים במדע בין התיאוריה לניסוי?.9 כיצד ניתן למדוד את זוויות ההטיה של אלומת קרני הקתודה? שאלת אתגר:.10



: ביצוע המדידה4.4.2פעילות

.....................

בשיטה זו מוצג באיורm/e ושל vהמכשיר ששימש למדידה של . השדה החשמלי נוצר על ידי חיבור של שני לוחות אלומיניום2



. הסימן המואר בקצה של18להדקים של סוללת תאי אכסון השפופרת הוטה, וההטיה נמדדה על ידי סקלה שהודבקה על דופן השפופרת. הואיל והיה צורך להחשיך את החדר על מנת לראות את הסימן המואר, מחט המצופה בצבע מאיר הוצבה

כך שבאמצעות בורג ניתן היה להזיזה מעלה ומטה לאורך הסקלה. את המחט הזו ניתן היה לראות כאשר החדר הוחשך,

והיא הוזזה עד שהתלכדה עם הסימן המואר )שיצרו קרני הקתודה(. כך, כאשר הודלק האור, ניתן היה למדוד את

ההטיה של הכתם המואר.

השדה המגנטי נוצר על ידי הצבה מחוץ לשפופרת של שני סלילים שקוטרם שווה לאורך הלוחות. הסלילים הונחו כך שהם

כיסו את החלל המכיל את הלוחות, כשהמרחק בין הסליליםשווה לרדיוס של כל אחד מהם.

שאלות.

כיצד יצר תומסון את השדה החשמלי?.1כיצד אפשרו הסלילים ליצור את השדה המגנטי הנדרש?.2מדוע חשוב היה שקוטר הסלילים ישתווה לאורך הלוחות?.3לשם מה צריך היה למדוד את ההטיה של כתם האור שיצרו קרני הקתודה?.4 בטבלה נתונים גדלים פיזיקליים המתוארים בקטע. פרטו כיצד הציע תומסון.5

למצוא אותם:

.( הם קבוצה של תאים הניתנים לטעינה חוזרת, ופועלים כסוללהstorage cells תאי אכסון )18_________________________________



כיצד מציע תומסון לבצע שלב זה? )חישוב אוהגודל הפיזיקלימדידה, פרטו(

1.

2.

3.

4.

5.

6.



: תוצאות ומסקנות4.4.3פעילות

......................

בניסויים שתוצאותיהם מופיעות בטבלה הבאה הזרם דרך הסלילים כוון כך שההטיה האלקטרוסטטית הייתה שווה בדיוק

להטיה המגנטית.

הקתודה בחמשת הניסויים הראשונים הייתה עשויה אלומיניום, ובשני הניסויים האחרונים הייתה עשויה מפלטינה. בניסוי

האחרון, נעשה שימוש בשיטה של סר וויליאם קרוקס להורדת

לא התאפשרm/e ושל vהלחץ בתוך השפופרת. בחישוב של לכוח המגנטי שנוצר מהסלילים להשפיע באזור שמחוץ

ללוחות. באזור זה הכוח המגנטי יהיה בכיוון הפוך לזה שבין הלוחות, וישאף להטות את קרני הקתודה בכיוון הפוך, ובכך

יהיה קטן מזה שבו נעשה שימושHהערך האפקטיבי של

v יהיו גדולים יותר ואלו של m/eבמשוואות, וכך הערכים של

קטנים יותר.

אינו תלוי בטבעוm/eמהקביעות הללו אנו רואים כי הערך של 10-4, הוא קטן מאוד בהשוואה ליחס 10-7של הגז, ושערך זה,



שהוא הערך הקטן ביותר הידוע של הגודל הזה, ושהוא הערך. 19של יון המימן באלקטרוליזה

קטןm/eמכאן שעבור נושאי החשמל בקרני הקתודה היחס מאוד בהשוואה ליחס המתקבל באלקטרוליזה. הערך הקטן

או הערך הגדולm יכול להיות בגלל הערך הקטן של m/eשל

, או שילוב של שניהם. eשל

שאלות

מכותרות.1 אחת כל של המשמעות את והסבירו התוצאות, בטבלת התבוננו הטורים.

מדוע לדעתכם חשוב היה לבצע את המדידות עם קתודות מחומרים שונים, ועם.2סוגים שונים של גז הממלא את השפופרת הקתודית?

הבאה: .3 בפסקה תומסון מתאר אותה הבעיה את הכוחהסבירו זה "באזור המגנטי יהיה בכיוון הפוך לזה שבין הלוחות, וישאף להטות את קרני הקתודה

יהיה קטן מזה שבו נעשה שימושHבכיוון הפוך, ובכך הערך האפקטיבי של

קטנים יותר."v יהיו גדולים יותר ואלו של m/eבמשוואות, וכך הערכים של

כיצד התגבר תומסון על הקושי המתואר בשאלה הקודמת?.4 אינו תלוי בטבעו של הגז?m/eמדוע קבע תומסון כי ערכו של .5מה יכולה להיות המשמעות של מסקנה זו לגבי מקורם של החלקיקים?.6 מה מסקנותיו של תומסון לגבי הסיבה לערך הקטן מאוד שהתקבל עבור היחס.7

m/e?


: המהלך התיאורטי המקדים4.4.1פעילות

סדרי3 עבור האלקטרון קטן ב- m/e כיום אנו יודעים כי יון המימן הוא למעשה פרוטון. ואכן, היחס 19 ממסת הפרוטון.1836גודל מזה של הפרוטון, וזאת משום שמסת המנוחה של האלקטרון קטנה פי כ-

היה עבור יון המימן, כלומר הפרוטון.m/eעד לניסוי זה, הערך הקטן ביותר הידוע של היחס _________________________________



בפסקה הראשונה קובע תומסון כי על סמך כל העדויות שהצטברו עד כה, קרני.1הבעיה חומר. חלקיקי ידי על הנישאים שליליים מטענים הן הקתודה המחקרית אותה הוא מנסה לפתור היא: האם חלקיקים אלו הם מולקולות, אטומים או חלקיקים קטנים יותר, כלומר חומרים תת אטומיים. יש לזכור כי

האטום נחשב אז כיחידת החומר הקטנה ביותר. השיטה אותה מציע תומסון למדידת היחס בין המסה למטען של החלקיקים.2

מבוססת על ההטיה של הקרניים תחת השפעת שדה חשמלי ושדה מגנטיובעזרת הגדלים פיתוח תיאורטי על הניצבים לתנועת האלומה. בהסתמך

שימדדו בניסוי ניתן לחשב את המהירות ואת היחס במבוקשים. ניסוי מאופיין ביכולת לשנות חלק מהפרמטרים על מנת לבחון את השפעתם על.3

פרמטרים אחרים. זאת בניגוד למדידה "רגילה", בה צופים בתופעה מבלי יכולת לשנות אותה )כמו למשל בחינת הספקטרום של אור השמש(. תומסון מתאר כיצד מדד את ההטיה של קרני הקתודה על מנת לחשב את מהירות החלקיקים ואת היחס בין המסה למטען שלהם. לצורך מדידת זווית ההטיה

היה צורך לשנות במהלך הניסוי את השדה חשמלי ואת השדה מגנטי. מסתם.4 בין היחס ואת החלקיקים מהירות את לקבוע מעונין היה תומסון

ישירות זה, חלק מהגדלים הפיזיקליים צריך היה למדוד למטענם. לצורך מהניסוי, וחלק אחר – צריך היה לחשב. השלימו את שתי הטבלאות הבאות:

סימנוגדלים נמדדיםבקטע

lמרחק התנועה של החלקיקים בשדה החשמלי והמגנטי

Hעוצמת השדה המגנטי

Fעוצמת השדה החשמלי

זווית ההטיה של קרני הקתודה היוצאות מהשדה החשמלי

זווית ההטיה של קרני הקתודה היוצאות מהשדה המגנטי



סימנו בקטעגדלים מחושבים

vמהירות החלקיקים

היחס בין המסה למטען של כלחלקיק

m/q

תרשים של מערך הניסוי שביצע תומסון הכולל סימון הרכיבים בהתאם לכתוב.5 בקטע )על מנת לפשט את התרשים הושמטו הסלילים היוצרים את השדה

המגנטי(:

תפקידו במערך הניסויהרכיב המתאיםהאות

1.

E, Dלשמש מקור לשדה החשמלילוחות קבל

2.

Fלהטות את אלומת החלקיקיםהשדה החשמלי

3.

Hלהטות את אלומת החלקיקיםהשדה המגנטי

4.

Pלקבוע את מידת הסטייה של אלומת החלקיקיםמיקום נקודת האור



5.

Kלהוות מקור לחלקיקיםקתודה

6.

Aלהאיץ את החלקיקיםאנודה

7.

Vמקור המתח שבין האנודה לקתודהמקור מתח ההאצה

8.

Fמשטח פלואורסצנטי

לסמן את מיקום הפגיעה של אלומת החלקיקים

על מנת להימנע ככל שניתן =תומסון העדיף לבצע את הניסוי כך שמתקיים .6 משגיאות מדידה שישפיעו על התוצאות. כתם האור שיוצרת הקתודה מתפזר מעט, ולכן ככל שיש פחות מדידות במהלך הניסוי, כך קטן הסיכוי לשגיאה

מצטברת )ראו נספח בסוף המקבץ(. בבדיקת היחידות יש לשים לב לסימונים המקוריים של תומסון באשר לעוצמת.7

(, לעומת הסימונים המשמשים אותנו:H( והשדה המגנטי )Fהשדה החשמלי )F ,לכוח E -ו לשדה חשמלי B:הן יחידות השדה החשמלי לשדה מגנטי.

( פי הגדרת הכוח המגנטיE=F/qניוטון/קולון )על יחידות השדה המגנטי .) )מטר/שניה((. לכן:x(( הן: ניוטון/)קולון F=qvBהפועל על יחידת מטען

בדיקת יחידות המהירות.

בדיקת יחידות היחס מסה/מטען:



להלן שיחזור מפורט של החישובים של תומסון, תוך ציון העיקרון הפיזיקלי בכל.8 לשם נוחות, נחליף את הסימונים בהם השתמש תומסון באלוצעד בחישוב.

המקובלים בכתה.

הסימון שלהגודל הפיזיקליתומסון

הסימון שלנו

FEעוצמת השדה החשמלי

HBעוצמת השדה המגנטי

Fe-כוח חשמלי

Fm-כוח מגנטי

החישוב של תומסון מתבסס על שני מערכי ניסוי. פעם אחד כאשר קרני הקתודה מצויים תחת השפעת שדה חשמלי בלבד, ובפעם השנייה – תחת השפעת שדה

מגנטי בלבד.

במקרה של שדה חשמלי:

a=F e

m

הואיל הכוח החשמלי הוא:

וזמן התנועה של האלומה בתוך השדה החשמלי:



נקבל:

ביחסθברגע יציאת האלומה מתוך השדה החשמלי היא מוטה בזווית )קטנה( למסלולה המקורי. את הזווית ניתן לחשב מתוך היחס בין המהירות האופקית

והמהירות האנכית של חלקיקי האלומה:

כעת, נחזור על החישוב עבור המקרה בו יש רק שדה מגנטי.

הואיל הכוח המגנטי הוא:

וזמן התנועה של האלומה בתוך השדה המגנטי:

t= sv

נקבל:

v y=( eBm )s

:φובאותו האופן, הפעם עבור זווית היציאה מהשדה המגנטי

tan ϕ=ϕ=v y

v=( eB

m ) sv



נקבל:φ ו- θמחלוקת המשוואות עבור

, ונציב בה אתm/e( את היחס θנחלץ מאחת המשוואות )למשל מהביטוי עבור :vהערך של

ולכן מתקבל:φ = θכאמור, תומסון ערך את הניסוי כך שיתקיים השוויון

דוגמא לקשר ההדוק הקיים.9 תומסון משמש המהלך התיאורטי המקדים של ידע מתוך מראש נגזר הניסוי מערך תכנון לניסוי: התיאוריה בין במדע ולכוח המגנטי הפועלים על חלקיק טעון תיאורטי הקשור לכוח החשמלי חשמלית, ולאופי התנועה של החלקיקים בהשפעת כוחות אלה. על סמך הפיתוח המתמטי שנגזר מידע זה הגיע תומסון למסקנה בדבר גודלם של מהירות החלקיקים ושל היחס בין מסתם למטענם, כתלות בגורמים אותםתיאורטי חדש נתון היוו הניסוי אותם מצא בעקבות ניתן למדוד. הגדלים שממשיך ומשמש בניסויים אחרים. באופן זה הולך ונבנה הידע המדעי, נדבך

אחר נדבך.התשובה לשאלת האתגר מצויה בנספח שבסוף מקבץ פעילויות זה. .10



מצויה בכתובת:e/mאנימציה המדגימה את השיטה הנ"ל למציאת

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072512644/student_view0/chapter2/

animations_center.html#:

: ביצוע המדידה4.4.2פעילות

לוחות7 לשני מתח מקור חיבור ידי על החשמלי השדה את יצר תומסון אלומיניום. בכך נוצר למעשה קבל שבחלל שלו שורר שדה חשמלי אחיד,

שגודלו:

מחוץ8 הניח אותם סלילים שני באמצעות המגנטי את השדה יצר תומסון לשפופרת. כאשר מזרימים זרם בסליל יוצרים בתוכו שדה מגנטי. כאשר הזרם

הוא קבוע, השדה המגנטי הנוצר בסליל )סמוך לצירו( הוא אחיד, וגודלו:

כיוונו של שדה המגנטי הנוצר מחוץ לסליל הוא הפוך מזה הנוצר בתוך הסליל9אלומת על המשפיעה השדה שעוצמת להבטיח כדי לכן, תרשים(. )ראו האלקטרונים היא זו המחושבת באמצעות הנוסחה, היה צורך לוודא שקוטר הסלילים ישתווה בדיוק לאורך הלוחות שבחלל שלהם נעה הקרן. כך מצויה

אלומת חלקיקים בשדה מגנטי אחיד שאת עוצמתו ניתן לדעת באופן מדויק.

מידת ההטיה של כתם האור שיצרו קרני הקתודה על המסך המאיר של10זווית הסטייה של הקרן בהשפעת השדה את לחשב השפופרת מאפשרת החשמלי ובהשפעת השדה המגנטי. זווית הסטייה היא גודל הנדרש על מנת

.m/eלחשב את היחס _________________________________





והיחס בין11 ניסה תומסון למצוא הם מהירות החלקיקים שני הגדלים אותם מסתם למטענם. הפיתוח התיאורטי אותו ביצע לפני הניסוי מלמד על הערכים

הבאים:

בטבלה נתונים הגדלים הפיזיקליים הנדרשים, והאופן בו מציע תומסון למצוא אותם.

כיצד מציע תומסון לבצע שלב זה?הגודל הפיזיקלי

זווית ההטיה של קרני.1 הקתודה היוצאות מהשדה

החשמלי )או מהשדההמגנטי(.

את מידת ההטיה של כתם האור שיצרו קרני הקתודה על המסך המאיר של השפופרת ניתן למדוד ישירות. נתון זה מאפשר לחשב את זווית ההטיה )ראו נספח

בסוף המקבץ(.

מרחק התנועה של.2 החלקיקים בשדה החשמלי

והמגנטי

מרחק זה נקבע על פי אורך לוחות הקבל. הלוחות תוחמים את השדה החשמלי, והסלילים, היוצרים את

השדה המגנטי, נקבעו כך שקוטרם שווה בדיוק לאורךהלוחות.

את עוצמת השדה החשמלי ניתן לחשב על פי המתחעוצמת השדה החשמלי.3אליו מחוברים הלוחות ועל פי המרחק ביניהם:

את עוצמת השדה המגנטי ניתן לחשב על פי נתוניעוצמת השדה המגנטי.4הסלילים והזרם הזורם דרכם:



מהירות החלקיקים והיחס בין.5המסה למטען של כל חלקיק

גדלים אלה ניתן לחשב על פי הנתונים האחרים,.1-4שפורטו בסעיפים

: תוצאות ומסקנות4.4.3פעילות

כותרות הטורים שבטבלה הן:.1סוג הגז הממלא את השפופרת הקתודיתא.זווית ההטיה של אלומת האלקטרוניםב.עוצמת השדה המגנטיג.עוצמת השדה החשמליד.אורך לוחות הקבלה.היחס המחושב של מסה/מטען עבור האלקטרוניםו.המהירות המחושבת של האלקטרוניםז.

את המדידות היה צורך לבצע עם קתודות מחומרים שונים, על מנת שניתן יהיה.2 לבדוק אם הגדלים הנמדדים עבור החלקיקים תלויים בסוג החומר ממנו הםתלות, אין אם בתוך השפופרת. עוברים הם דרכו הגז בסוג או נפלטים המשמעות היא שמדובר בחלקיקים "אוניברסליים", כלומר חלקיקים השייכים למהות הבסיסית של החומר, כפי שאכן התברר, ולאו דווקא לחומר מסוים

זה או אחר. כפי שראינו בפעילות הקודמת, השדה המגנטי מחוץ לסליל הפוך בכיוונו לזה.3

שבתוך הסליל. עובדה זו הייתה גורמת להחלשת השדה המגנטי הפועל על היה מתקבל גדול יותר והמהירות קטנהm/eהחלקיקים, וכתוצאה – היחס

יותר, כפי שניתן לראות מהביטויים התיאורטיים:



תומסון שקוטר הסלילים.4 דאג למנוע את ההפחתה בשדה המגנטי מנת על מגנטי שדה בתוך נעה שהאלומה הבטיח ובכך הלוחות, לאורך ישתווה

שגודלו ידוע, וניתן לחישוב מהביטוי:

m/eמתוך התבוננות בתוצאות שבטבלה, אנו רואים כי הסטייה בערכו של היחס .5

, ומקרה של מימן לעומת2%עבור גזים שונים קטנה מאוד )סדר גודל של כ- חומצה פחמתית לא קיימת(. לכן הסיק תומסון כי יחס זה אינו תלוי בסוג הגזעשויות היו מהם החומרים לשני גם נכון הדבר השפופרת. את הממלא

הקתודות )אלומיניום ופלטינה(. המשמעות של מסקנה זו היא שחלקיקים אלה עשויים להיות קטנים מיון המימן..6

בזמנו של תומסון היה ידוע כי יון המימן הוא יחידת החומר הקטנה ביותר,זה גדול בהרבה מזה שהתגלה עבור והיחס בין מסתו למטענו של אטום

כפי שהתגלה בניסוי(.,10-7 לעומת 10-4החלקיקים החדשים )סדר גודל של ובאשר למקורם של החלקיקים החדשים, אם הם אכן קטנים מיון המימן כפי שעשוי להיות, הם כנראה חלקיקים תת-אטומיים. השערה זו תואמת גם את העובדה שהיחס הזה אינו תלוי בחומר ממנו עשויה הקתודה, כפי שהתגלה

בניסוי. m/eמסקנותיו של תומסון לגבי הסיבה לערך הקטן מאוד שהתקבל עבור היחס .7

הן: או שהמסה של החלקיקים הללו היא קטנה מאוד, או שהמטען החשמליתומסון הסיק דבר של בסופו השניים. של שילוב או מאוד, גדול שלהם שהמקרה הראשון הוא הנכון, מה שמלמד על כך שהחלקיקים החדשים הם

חלקיקים תת אטומיים.

חישוב זווית הסטייה של אלומת האלקטרונים ממסלולם המקורי : נספח



. לצורך החישוב והמדידות, בדק תומסון את המצב בו זוויות הסטייה של הקרן1 בהשפעת השדה המגנטי שווה לזווית בהשפעת השדה החשמלי. את זווית הסטייה

במקרה של השדה המגנטי ניתן לחשב, ואז נוח למקם את האלומה של השדה החשמלי על הסקלה בדיוק על גבי הסימן שנוצר במקרה של השדה המגנטי. בכך

מובטח שוויון הזוויות.

. חישוב הזווית במקרה של השדה המגנטי:2

ידיעת רדיוס המסלול dאת מידת השקיעה .2 של הקרן אפשר לחשב מתוך :D להלן( ואורך הלוחות 4)סעיף

ניתן לחשב משיקולים גיאומטריים:L ואת pאת .3



כאשר .4 ההטיה, זווית עבור התוצאה המתקבלת מממדיxכעת, ידוע נמדד בניסוי, היא:S חושב לעיל ו- dהשפופרת,

יש לדעת את רדיוס המסלול של החלקיק dכאמור, לצורך חישוב .5 . מסלול כל את שיכסה מגנטי שדה בתחילה תומסון שילב זה לצורך

. בכך יצר את הקשתEהאלקטרון עד לפגיעתו בדופן הזכוכית, בנקודה AEהמאפשרת לחשב את רדיוס המסלול של החלקיק בהשפעת השדה

המגנטי הנתון. עוצמתו של שדה זה הייתה שווה לזו בה השתמש בניסוימימין התרשים המקורי שלעצמו, על מנת לשמור על אותו הרדיוס.

תומסון, ומשמאל תרשים סכמטי המתבסס עליו.



על פי התרשים משמאל מתקיים:

ממשפט פיתגורס:

ולאחר פיתוח:

. מאפשרת מציאת רדיוס המעגל, CE ו- ACוכך, מדידת האורכים של



Teltron חברת - מלטז צלב שפופרת באמצעות ניסוי4.5

פעילות ניסויית זו חוברה על ידי עדי רוזן

הפעילות מטרת

קתודה קרני של בסיסיות תכונות הכרת


השפופרת תיאור

.מתכתי מלטז וצלב אלקטרונים תותח עם מאוויר מרוקנת דיודה היא השפופרת(.1 תרשים ראה )לומיניסצנטי במסך מצופה השפופרת של הקידמי החלק

(filament) כנימה המשמש מטונגסטן תיל שהיא מקתודה הבנוי האלקטרונים תותח.גלילית ומאנודה, מתחממת היא כאשר ואור אלקטרונים פולטת אשר

מלטז צלב שפופרת מבנה: 1 תרשים

השפופרת מאפייני

7.5V: מרבי חימום מתח

2,000V - 5,000V: מאיץ ישר מתח

4,000V: 1.8mA- ב אופייני אנודי זרם




(TEL 523) מלטז צלב שפופרת


חילופין או ישר מתח ומקור וולטמטר הכולל (5,000V - 0) גבוה ישר מתח ספק6.3V של


מגנט

ה ניסוי עבור - נוסף ציוד

יחיד הלמהולץ סליל

נמוך ישר מתח ספק

משתנה נגד



הניסוי מערכת הרכבת

.בכן השפופרת את הצב. א

חימום לצורך השפופרת של האחוריים לשקעים 6.3V של המתח מקור את חבר. ב.הקתודה

ואת, החימום של השקעים לאחד הגבוה המתח מקור של השלילי ההדק את חבר. ג)ולצלב לאנודה החיובי ההדק ספק של” אדמה”ל השלילי ההדק את לחבר רצוי .המאיץ המתח הוא לאנודה הקתודה בין המתח(. המתח




קתודה קרני התפשטות: א ניסוי

הלומינסצנטי המסך על המתקבל הצלב של בצל וצפה, החימום מתח את הפעל. 1.האור ידי-על

ידי על הנוצר הצל האם ובחן, המאיץ המתח את( החימום למתח בנוסף )הפעל. 2.האור ידי על הנוצר לצל חופף הקתודה קרני

?קתודה קרני התפשטות על לעיל 2 לשאלה מהתשובה להסיק אפשר מה

מגנטי שדה ידי על הטייה: ב ניסוי

המגנטי השדה כי לב ושים, הקתודה לקרני מגנט קרב פועלת השפופרת כאשר. 3.הקתודה קרני ידי על הנוצר הצל להטיית גורם

ן היא קתודה קרני של ההטייה האם. א ?המגנטי השדה בכיוו

?המגנטי השדה בעוצמת תלויה קתודה קרני של ההטייה מידת האם. ב

?המאיץ במתח תלויה קתודה קרני של ההטייה מידת האם. ג

חשמליים מטענים של זרם הן קתודה קרני מדוע זה מניסוי מסקנותיך סמך על הסבר.שליליים

אלקטרומגנטית קרינה לבין קתודה קרני בין השוואה: ג ניסוי

.מגנטי שדה באמצעות האור את להטות ונסה המאיץ המתח את אפס. 4

יש אך. הקתודה קרני ידי על הנוצר הצל לבין האור של הצל בין דמיון אמנם יש.הקרינות שתי בין בסיסי הבדל

.קתודה קרני לבין אור בין הבדל, זה מניסוי מסקנותיך סמך על, ציין



אלקטרוסטטיות השפעות: ד ניסוי

(.220 תרשים ראה )שחל בשינוי וצפה האנודה מפוטנציאל הצלב את נתק. 5

מנותק הצלב כאשר הלומניסצנטי המסך על המתקבלת התמונה: 2 תרשיםמהאנודה

אלקטרונים של לאופטיקה מבוא: ה ניסוי

מוחזקת תהיה שהיא כך חזרה אותה והכנס, הכן מן השפופרת את הוצא. 6 שצוואר כך )יחיד הלמהולץ סליל ידי על מוקף יהיה והמסך, האוחזים שני באמצעות(.הכן של האוחזים שני עם ישרה זווית ייצור השפופרת

)דרכו הזרם את לשנות שאפשר כך, המתח למקור הסליל את חבר. 7 חיבור (.פוטנציומטרי

במהלך מסתובב המסך על הצל כי לב שים. המגנטי השדה עוצמת את הגדל. 8 כדי תוך, וגדל הולך הוא כך-אחר. לנקודה עד כמעט - וקטן הולך וגודלו, השדה שינוי

.הקודמת הסיבוב למגמת מנוגדת במגמה סיבובו

כל הזכויות לתצלום זה שמורות לד"ר ויטלי אינדנבאום מחמד"ע.20_________________________________



.הדואליות של חלקיקים חומריים5

Teltron חברת" - אלקטרונים עקיפת "שפופרת באמצעות ניסוי5.1

פעילות זו פותחה על ידי עדי רוזן

כל הזכויות לתצלומים בפעילות זו שמורות לד"ר ויטלי אינדנבאום מחמד"ע.

הפעילות מטרת

ובחינת, אלקטרונים של עקיפה מתרחשת הדגמה שבו ניסוי עריכת.ברויי-דה של להנחה הניסוי ממצאי של ההתאמה


על ניתן חלקיק של הגל אורך גליות; תכונות יש חלקיק לכל ברויי-דה הנחת פי-על .הקשר ידי

בין ההתאמה את לבחון יהיה שאפשר כך אלקטרונים של עקיפה ניסוי ערוך.ברויי-דה של להנחה הניסוי ממצאי

הניסוי מבוסס שעליו הרעיון

של דקה שכבה לעבר וולט אלפי כמה של מאיץ מתח ידי על אלקטרונים מאיצים הוא זה במתח המואצים אלקטרונים של הגל אורך כי עולה ברויי-דה מנוסחת. גביש

לכן. זה גודל מסדר הוא בגביש אטומים שכבות בין המרחק גם. 1Å של גודל מסדר- עקיפה סריג שמשמש הגביש דרך עוברים המואצים האלקטרונים אם עשויה

תבנית פי-על, לבחון יהיה ואפשר, האלקטרונים של משמעותית עקיפה להתרחש.ברויי-דה של להנחה הניסוי ממצאי התאמת את, העקיפה

פעולתה ואופן השפופרת תיאור



בשפופרת. מאוויר מרוקנת והיא מזכוכית עשויה האלקטרונים עקיפת שפופרת אלה אלקטרונים. אלקטרונים של צרה אלומה הפולט אלקטרונים תותח נמצא

.ישיר לא באופן מחוממת אשר מקתודה נפלטים

המשמש בגביש פוגעים הם האלקטרונים מתותח בוקעים שהאלקטרונים לאחר מיד ,השפופרת של הקידמי בחלק פוגעים הם מכן לאחר. דרכו ועוברים עקיפה סריג

)לומיניסצנטי מסך שהוא פוגעים שבהם במקומות זוהר המסך(. 1 תרשים .האלקטרונים

אלקטרונים עקיפת שפופרת מבנה :1 תרשים

איך תראה תמונת העקיפה כאשר אלומת אור תעבור סריג דו-ממדי?

סריגים משני המורכב ממדי-דו לסריג בניצב אור של מקבילה אלומה שמטילים נניח)הראשון הסריג של שהחריצים נניח. לזה זה מאונכים שחריציהם ממדיים-חד בו

פוגעת האלומה כאשר. אופקיים השני הסריג ושל, אנכיים הם( תחילה האור פוגע של אור פס כל. אופקית התאבכות תבנית מתקבלת, הראשון ממדי-החד בסריג

התאבכות תבנית ויוצר, אופקיים שחריציו השני בסריג פוגע האופקית התבנית. אנכית

אנכיים חריצים בעל, מצטלב יחיד בסריג המאונכים הסריגים שני את להחליף אפשר סריגים בשני כמו עקיפה תמונת מקבלים זה במצב גם. רשת כדוגמת ואופקיים

.מאונכים שחריציהם



העקיפה תבנית. בממדי-דו סריג. א המתקבלת

ממדי-דו סריג דרך ממעבר כתוצאה עקיפה :2 תרשים

איך תראה תמונת העקיפה כאשר אלומת אור תעבור דרך גביש?

.מושלם מבנה בעלי גבישים-מיקרו של צירוף כלל בדרך הינו רגיל גביש אחד כל. לזה ביחס זה אקראיים ניםבכיוו בגביש מצויים גבישים-המיקרו

עקיפה תבנית יוצרים גבישים-המיקרו וכל, ממדי-דו כסריג מתנהג גבישים-מהמיקרו .לאחרת ביחס האחת מסובבות תהיינה אלה העקיפה תבניות אולם. לזו זו דומות

היא לזו ביחס זו שונות בזוויות המסובבות העקיפה תבניות כל צירוף של התוצאה ומטבעות אלקטרונים פוגעים שבהן מטבעות מורכבת היא. תבנית עקיפה טבעתית

.מגיעים אינם אלקטרונים שאליהן

הממוקמת גרפיט של דקה שכבה הוא הניסוי שבמערכת בשפופרת הנמצא הגביש.האלקטרונים תותח של היציאה בנקב

המורכב גביש של העקיפה תבנית לגבי לעיל האמור את להמחיש כדי תבנית מתקבלת. לייזר אלומת עליו ונטיל, ממדי-דו סריג ניקח רבים גבישים-ממיקרו ציר סביב הסריג את נסובב א3 בתרשים המוצגת עקיפה

על המתקבלת התמונה מוצגת ב3 בתרשים. במרכזו והעובר הסריג למישור המאונך. מסך



הנראית התמונה. ב ממדי-דו בסריג אור עקיפת תבנית. אמסתובב הגביש כאשר המסך על

עקיפה כתוצאה ממעבר אור בסריג ד-ממדי:3 תרשים

האלקטרונים שפופרת מאפייני

בן הוא המרבי החימום מתח ;6.3V בן חילופין מתח או ישר מתח רצוי חימום: מתח9.0V( חילופין או ישר)

V - 5,000V1,500 בן ישר מתח מאיץ: מתח

mA 0.2 - 0.4 אנודי: זרם

מתמטי קשר פיתוח

קשרים: שלושה בעזרת מתמטי קשר נפתח

שווה האלקטרונים בתותח האלקטרונים את המאיץ החשמלי דההש עבודת. א מן נפלטו שהאלקטרונים בהנחה. האלקטרונים של הקינטית באנרגיה לתוספתלרשום: נוכל להזנחה הניתנת קינטית אנרגיה עם הקתודה



(1 )eV =mv2

2

המאיץ המתח-V כאשר:

m-האלקטרון מסת

e-האלקטרון מטען

v-האלקטרונים מתותח צאתו לאחר האלקטרון מהירות

קטנות זוויות עבור מתקיים, סריג דרך ממעבר כתוצאה הנוצרת בהתאבכות. בהקשר:

(2 )sin θ1=1 ∙ λd= r

L

לבין במרכזו והעובר לסריג שמאונך הישר בין הזווית -θ1 כאשר: טבעת על הנקודה עם הסריג מרכז את המחבר הישר

ראשון מסדר מקסימום

λ-הגל אורך

d-בסריג חריץ רוחב

r-התבנית ממרכז ההתאבכות תבנית של המקסימום טבעת של המרחק. מסדר מקסימום טבעת רדיוס הוא זה מרחק שלנו הניסוי במערכת

.ראשון

הביטוי: ידי על ניתן, ברוי-דה הנחת פי על, אלקטרון של הגל אורך

λ= hmv (3 )

כי: נובע( 3 )ומקשר( 2 )קשר של הימני מהחלק(, 1 )מקשר



(4 ) r= hLd √2em

∙ 1√V

hLהמקדם d √2 em

.הניסוי במערכת קבוע הוא( 4 ) בקשר

לכן:(5 ) r∝ 1

√V

1 של כפונקציה r כלומר√V

.ישר יחס הוא

הניסוי מערכת הרכבת

.בכן השפופרת את הצב. א

חימום לצורך השפופרת של האחוריים לשקעים 6.3V של המתח מקור את חבר. ב.הקתודה

ואת, החימום של השקעים לאחד הגבוה המתח מקור של השלילי ההדק את חבר. ג)האלקטרונים תותח של לאנודה החיובי ההדק באמצעות נעשה לאנודה החיבור (.השפופרת צוואר בצידי הממוקם בננה מצבט

וחומריםציוד

(TEL 555)" אלקטרונים עקיפת "שפופרת


- 0) גבוה ישר למתח ספק 5,000V) או ישר מתח ומקור וולטמטר הכולל 6.3V של חילופין

מוליכים יליםת 4_________________________________




אלקטרונים עקיפת

)6.3V של החימום מתח מקור את הפעילו. 1 עדיין שווה המאיץ המתח כאשר (.לאפס

. 1,000V-ל מאפס המאיץ המתח את והעלה, המאיץ המתח מקור את הפעילו. 2 את זהו. השפופרת של הלומיניסצנטי המסך על הנוצרת העקיפה בתבנית התבוננו

.וכיו”ב ראשון מסדר המקסימום את, אפס מסדר המקסימום

ורשמו, רדיוסה את חשבו, הראשון מהסדר העקיפה טבעת של קוטרה את מדדו. 3.שלהלן 1 בטבלה המתאים במקום הרדיוס של ערכו את

וחישובים מדידות של תוצאות :1 טבלה

מאיץ ) מתחV)Volts

r העקיפה ) טבעת רדיוס)cm

1 של הערכים√V

¿

1000

2000

3000

4000

5000

האחרים המתחים ערכי עבור לעיל 3 בשאלה הנדרשת המדידה אתו בצע. 4.1 בטבלה הרשומים



הממצאים עיבוד

ראשון מסדר המקסימום טבעת של, r, הרדיוס של פיזור דיאגרמת שרטטו. 5.V, המאיץ המתח של כפונקציה

1 של כפונקציה r של הגרף צורת מה. 6√V

?(4 )קשר פי על הצפוייה

.נמקו

1 הביטוי ערכי את חשבו. א. 7√V

ורשמו, 1 שבטבלה השונים המתחים עבור

.1 טבלה של השלישית בעמודה אלה ערכים

1 ערכי של כפונקציה r ערכי של פיזור דיאגרמת שרטטו. ב√V

.

.ביותר המתאים הישר את הפיזור לדיאגרמת הוסיפו. ג

.הסבירו ברויי?-דה של להנחה הניסוי ממצאי בין התאמה יש האם. ד



מבנה הגרעין ואנרגיית קשר גרעינית.6

כיתות אמן בפיזיקת החלקיקים האלמנטריים

מקבץ פעילויות זה נכתבה על ידי ברנד סרינג

5הפעילויות מיועדות לתלמידות ולתלמידים בשכבה י"ב שלומדים פיזיקה ברמה של יח"ל.

מטרת הפעילויות

הקניית ידע בסיסי בפיזיקה של החלקיקים האלמנטאריים )פיזיקה של אנרגיות גבוהות(

הקניית ידע בסיסי בהתפתחות ההיסטורית של התחוםהכרות ראשונית עם שאלות מחקר עכשוויות בתחוםהכרות עם ותרגול של שיטות ניתוח נתונים בסיסיות בתחום-הקניית ידע בסיסי על מבנה מאיץ הLHC של CERNועל הניסויים שמתבצעים בו בימינו" הכרות עם פרויקט שלbig science)מחקר שתופי בינלאומי רחב היקף( "


לפיזיקת החלקיקים האלמנטאריים )המכונה גם "פיזיקה של אנרגיות גבוהות"( ייצוג יח"ל. מבחינה זו הפעילות מהווה הרחבה של5מינימלי בתכנית הלימודים ברמה של

המכניקה חוקי של יישום מאפשרת הפעילות זאת, עם הלימודים. תכנית והאלקטרודינמיקה בהקשר בלתי שגרתי )ראה הטבלה בעמוד הבא(.



על מנת להבין אתידע קודם דרוש ...

מכניקה שימור אנרגיה מכנית ושימור תנע

קווי

הדינמיקה של התפרקויות חלקיקים ושל התנגשויות בין

חלקיקים

אלקטרודינמיקה

שימור מטען חשמלי כללי הברירה עבור

ריאקציות בין חלקיקים

כוח לורנץ המסלול של חלקיקטעון בשדה מגנטי

קרינה וחומר

המושגים: אלקטרון, פרוטון,נויטרון

המודל הסטנדרטי של החלקיקים

האלמנטאריים אנרגיית קשר

)יתבצע בביה"ס(שלב א': פעילויות הכנה לתלמידים

צפייה בסרט6.1

של פרופ' חיים הררי "מבט ממעמקי האדמה אל21 התלמידים יצפו בהרצאתו דקות(:90ראשית היקום" )אורך הסרט כ-

http://www.youtube.com/watch?v=blFU6MRHyJsאו http://multimedia.huji.ac.il/video/outreach/0708/m11.html

במסגרת סדרת ההרצאות "מדוע" באוניברסיטה העברית 9.3.2008 ההרצאה התקיימה בתאריך 21בירושלים.



http://multimedia.huji.ac.il/video/outreach/0708/m11.html

http://www.youtube.com/watch?v=blFU6MRHyJs

מטרת הצפייה היא הכרות ראשונית עם מושגי יסוד בפיזיקה של החלקיקים ובפיזיקה של אנרגיות גבוהות. רצוי שהתלמידים יגישו למוריהם תשובות בכתב

לשאלות המלוות )ראו בהמשך פעילות זו(, שאותן ירשמו תוך כדי צפייה בסרט. דקות נוספות. 60פעילות מלווה תדרוש כ-

קריאת מאמר ראשון6.2

" מאת פרופ' עילםהחיפוש אחרי החלקיק האלוהי התלמידים יקראו את המאמר " דקות(. המאמר מסביר את המנגנון שבאמצעותו60גרוס )זמן קריאה משוער:

חלקיקי ההיגס מעניק לשאר חלקיקי היסוד מסה. רצוי שבעקבות קריאת המאמר,התלמידים יגישו למוריהם תשובות בכתב לשאלות המלוות )ראו בהמשך פעילות זו(.

קישור מפורש למאמר:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Gross_God Particle.pdf

קריאת מאמר שני6.3

מאת פרופ' שמואל אליצור."מאיץ ההדרונים הגדול" התלמידים יקראו את המאמר , שמפעילים את מאיץCERNהמאמר עוסק בשאלות הפיזיקליות הבסיסיות להן מדעני

, מנסים למצוא תשובות.LHCההדרונים הגדול

קישור מפורש למאמר:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Elitzur_LHC.pdf

)יתבצע חלקית במוסד אקדמי(שלב ב': פעילויות הכנה למורים

שלב ההכנה של המורים יכלול את כל הסעיפים בשלב ההכנה של התלמידים. בנוסף בעזרת אתרי CMS-וה ATLAS-לכך יצטרכו המורים להתכונן לפעילויות עם גלאי ה





http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Gross_God%20Particle.pdf

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Gross_God%20Particle.pdf

אינטרנט המוקדשים לפעילויות אלה ולרכוש מיומנות בסיסית בהפעלת הסימולטורים.הממוחשבים של שני הגלאים. הזמן הדרוש: יום שלם

אנשי צוות מהמחלקה להוראת המדעים במכון ויצמן למדע יסייעו למורים במשימה.22זו

[email protected] לקבלת סיוע פנו אל 22_________________________________



mailto:[email protected]

)במוסד אקדמי או בביה"ס(שלב ג': יום עיון

גרסה מלאה6.4

התלמידים יגיעו בבוקר למוסד אקדמי קרוב. שם ישמעו סדרת הרצאות מבוא ותדריכים ויבצעו תרגיל ניתוח נתונים. בערב ישתתפו בועידת וידיאו בינלאומית מול

. פעילות זו אפשרית בתאריכים מסוימים בלבד )בדרך כלל בחודשיםCERNמנחים מ- +9:30-18:00. זמן דרוש: יום שלם 23פברואר-מרס( והיא בכרוכה בהרשמה מראש

זמן הסעות.

בגרסה זו של יום העיון, ההנחיה המקצועית נמצאת בידי אנשי הצוות של המוסדהעבודה סביבת את ללמוד מנת על זה בפורמט להיעזר יוכלו מורים המארח. ולהתרגל אליה. ככל שהמורים המלווים יגיעו מוכנים יותר, כך יום העיון יתנהל בצורה

יעילה יותר.

או פנו לדר'24להרשמה ליום עיון אנא עקבו אחרי הפרסומים באתר מורי הפיזיקהברגר עיון25חנה ליום טיפוסית תכנית ויצמן. במכון להוראת המדעים במחלקה

נמצאת בנספח לפעילות זו.

גרסה חלקית 6.5

כמו הגרסה המלאה, ללא ועידת הוידיאו. גרסה זו תוכל להתבצע בביה"ס בכל ימי שעות הוראה.8-10השנה. זמן דרוש: יום שלם,

CMS מסלול ה-6.5.1

היום ייפתח בשתי הרצאות:

הרצאה ראשונה: האינטראקציה הגרעינית החלשה..1מצגת לדוגמה:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Intro_WZ physics_CMS.ppsx

נכון לקיץ 23 ויצמן למדע ובאוניברסיטה2013 , כיתות אמן בחלקיקים אלמנטריים מתקיימים במכון [email protected]העברית בירושלים. למידע נוסף ולצורך הרשמה פנו ל-

24 http://62.90.118.237 25 [email protected]



http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Intro_WZ%20physics_CMS.ppsx


http://62.90.118.237/


ההרצאה תתחיל למשל עם הקרנת הסרטון:LHCהרצאה שניה: מבנה מאיץ ה-.2The ATLAS Experiment: Episode I( 7:)דקות בערך

http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1.

, שאותה אפשר להראות בהמשך:LHC דוגמה למצגת על מבנה מאיץ ה-

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/LHC_CMS.ppsx

זו עושה שימוש בשני צילומי המצורפים בקישורים הבאים. את שני°360מצגת המדיה נגן בעזרת לפתוח יש האלה בהםQuicktimeהקבצים לטייל אפשר .

באמצעות העכבר.

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/CMS_panorama1.mov


בחלקו השני של יום הפעילות יקבלו התלמידים תדריך בזיהוי ריאקציות בין חלקיקים. כדאי להתחיל את ההסבר באנימציה של הגלאי שנמצאת בקישור:CMSבגלאי ה-

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Particle Identification_CMS.swf

ה- גלאי של המקוון הסימולטור את לפתוח כדאי עםCMSבהמשך יחד ולנתח התלמידים מספר ריאקציות:

http://www.i2u2.org/elab/cms/event-display/

. כדאי לחלק להם26בחלק השלישי של היום יבצעו התלמידים את הפעילות המקוונתאת המסמך המצורף בקישור הבא:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/CheatSheet_CMS.pdf

בחלק האחרון של היום יתנהל דיון כיתתי על ממצאי התלמידים )בעזרת אותו גיליון הנתונים שבו נעשה שימוש בשלב ביצוע התרגיל(. היום יסתיים בחידון וחלוקת פרסים

למנצחים:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Quiz.ppsx

גיליון אקסל לעיבוד הנתונים אפשר להוריד מכאן:26http://quarknet.us/library/index.php/Spreadsheets_2013




http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/CheatSheet_CMS.pdf

http://quarknet.us/library/index.php/Spreadsheets_2013


http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Particle%20Identification_CMS.swf




http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1

ATLAS/Zמסלול ה-6.5.2

במחשבי התלמידים )ראהHypatiaלפני הפעילות יש להתקין את תוכנת הסימולציה (.3.3נספח

היום ייפתח בשתי הרצאות:

הרצאה ראשונה: האינטראקציה הגרעינית החלשה..3 לדוגמה: 27מצגת

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Intro_Z%20physics_ATLAS.ppsx

: LHCהרצאה שניה: מבנה מאיץ ה-.4

The ATLAS Experiment: Episode I( 7 28ההרצאה תתחיל למשל עם הקרנת הסרטוןדקות בערך(:

http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1אפשר להוריד את הסרטון מכאן:

, שאותה אפשר להראות בהמשך:LHCדוגמה למצגת על מבנה מאיץ ה-


זו עושה שימוש בשני צילומי המצורפים בקישורים הבאים. את שני°360מצגת המדיה נגן בעזרת לפתוח יש האלה בהםQuicktimeהקבצים לטייל אפשר .

באמצעות העכבר.



בחלקו השני של יום הפעילות יקבלו התלמידים תדריך בזיהוי ריאקציות בין חלקיקים. כדאי להתחיל את ההסבר באנימציה של הגלאי בקישור המצורף:ATLASבגלאי ה-

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Particle Identification_ATLAS.swf

ולנתח יחד עם התלמידים מספר ריאקציות.Hypatiaבהמשך כדאי לפתוח את

, אך לא מדובר במצגות זהות. בשקף שלפני האחרוןCMS מצגת זו דומה למצגת עבור פעילות ה-27. https://www.youtube.com/watch?v=3nxA4-lURyk” – שם יש להראות את הסרטון הבא: clipרשום “

.http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1 אפשר להוריד את הסרטון מכאן: 28_________________________________



http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Particle%20Identification_ATLAS.swf






http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Intro_Z%20physics_ATLAS.ppsx

https://www.youtube.com/watch?v=3nxA4-lURyk

בחלק השלישי של היום יבצעו התלמידים את הפעילות. לגבי הנחיות לביצועהפעילות רשימת קישורים לאתרי אינטרנט שיסייעו בהכנת הפעילות.

כדאי לחלק לתלמידים את המסמך המצורף בקישור הבא:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Cheat Sheet_ATLAS.docx

בחלק האחרון של היום יתנהל דיון כיתתי על ממצאי התלמידים )בעזרת אותו גיליון הנתונים שבו נעשה שימוש בשלב ביצוע התרגיל(. היום יסתיים בחידון וחלוקת פרסים

למנצחים:


דף למילוי התשובות על ידי התלמידים:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/AnswerSheet.pdf

)יתבצע בביה"ס(רפלקציה שלב ד':6.6

הרחבת הפעילות סביב יום עיון ע"י שלב מעקב המנוהל ע"י המורים בבתי-הספרשל הידע והעמקת העיון יום על רפלקציה היא זה שלב של מטרתו שלהם. ולביצוע ללימוד יום שלם הזמן הדרוש: נוספת. מורחבת פעילות ע"י התלמידים שני אופציונלית תכלול פעילות מעקב דו"ח מסכם. של כתיבה זמן הפעילות +

חלקים:

הפעילות- בדפי נמצאות ביצעו שהתלמידים הפעילות לגבי העמקה שאלות לתלמידים: פעילות רפלקטיבית לאחר יום העיון.

יבצעו את תרגילCMSביצוע תרגיל שני )לדוגמה, תלמידים שעבדו עם סימולטור ה--( וכתיבת דו"ח מסכם.Hypatia בעזרת ATLASה-

ציוד וחומרים_________________________________



http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/AnswerSheet.pdf


http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/radiation2013/Cheat%20Sheet_ATLAS.docx

משאבי אנושמשאבים חומרייםשלב הפעילות

שלב א': פעילות הכנה

לתלמידים

מערכת אודיו-וידיאו לצפייה בסרט )בביה"ס או בבית התלמיד(

מורה שיענה על שאלות ושיבדוק את

דפי המשוב

שלב ב': פעילות הכנה

למורים

מערכת אודיו-וידיאו לצפייה בסרט

עם מהיר אישי ו-Javaמחשב Google Chromeלהפעלת

הסימולטורים

עזרה לבקש רצוי מהמוסד קשר מאיש האקדמי שמקיים אתמנת על העיון יום תהליך את לקצר

הלמידה.

שלב ג':

יום העיון

הסעות + אוכלגרסה מלאה: 15מורה מלווה לכל

תלמידים

גרסה חלקית:

הקרנה מערכת + מצגות להרצאות המבוא

לכל זוג תלמידים מחשב אישי מהיר ו-Javaעם Google Chrome

להפעלת הסימולטורים


-10מורה\מדריך לכל תלמידים12

שלב ד':

לכל זוג תלמידים מחשב אישי מהיר ו-Javaעם Google Chrome

להפעלת הסימולטורים


10-12מורה לכל תלמידים

רשימת קישורים לאתרי אינטרנט שיסייעו בהכנת הפעילות



האתר הראשי של מארגני כיתותהאמן

http://www.physicsmasterclasses.org/

קישורים לחומרי עזר )מצגות וכו'(http://www.physicsmasterclasses.org/

index.php?

cat=local_organisation&page=organisation

קישורים להסברים על הפעילויותהשונות עם הנחיות אחדות

http://physicsmasterclasses.org/index.php?

cat=local_organisation&page=exercises

CMSפעילות ה-

)בעברית(CMSתיאור פעילות ה-http://cms.physicsmasterclasses.org/

cmshe.html

הנחיות מפורטות לביצוע הפעילותhttp://quarknet.us/library/index.php/

CMS_Masterclass_Documentation

הסימולטור המקוון של גלאי ה-CMS

http://www.i2u2.org/elab/cms/event-

display/

סרטון הדרכה קצר שמסביר אתהשימוש בסימולטור

http://www.screencast.com/users/

tloughran/folders/Jing/media/8d8a48c2-

7c8c-44c5-84ef-868baef56e69

ATLASפעילות ה-

תיאור הפעילות )באנגלית(http://atlas.physicsmasterclasses.org/en/

index.htm

הנחיות מפורטות לביצוע הפעילותhttp://cernmasterclass.uio.no/2013/

webpages/material/

InstituteInstructions2013-Zpath.pdf

/Hypatia http://hypatia.phys.uoa.gr/Downloadsאתר להורדת הסימולטור



http://hypatia.phys.uoa.gr/Downloads/

http://cernmasterclass.uio.no/2013/webpages/material/InstituteInstructions2013-Zpath.pdf



http://atlas.physicsmasterclasses.org/en/index.htm

http://atlas.physicsmasterclasses.org/en/index.htm

http://www.screencast.com/users/tloughran/folders/Jing/media/8d8a48c2-7c8c-44c5-84ef-868baef56e69





http://quarknet.us/library/index.php/CMS_Masterclass_Documentation

http://quarknet.us/library/index.php/CMS_Masterclass_Documentation

http://cms.physicsmasterclasses.org/cmshe.html

http://cms.physicsmasterclasses.org/cmshe.html

http://physicsmasterclasses.org/index.php?cat=local_organisation&page=exercises

http://physicsmasterclasses.org/index.php?cat=local_organisation&page=exercises

http://www.physicsmasterclasses.org/index.php?cat=local_organisation&page=organisation



http://www.physicsmasterclasses.org/

)את הסימולטור ישATLASשל להתקין במחשב המשתמש(

/ATLAShttp://atlas.chאתר גלאי ה-



http://atlas.ch/

http://hypatia.phys.uoa.gr/Downloads/

נספח - תכנית טיפוסית של יום עיון במסגרת "כיתת אומן"

תוכןמקוםזמן

הגעת התלמידיםמכון דוידסון9:15

מכון דוידסון9:30-10:004+5כיתות

)שתי קבוצות(

)רק היסוד החלקיקים של לפיזיקה קצר מבוא החומר הרלוונטי לפעילות הבוקר(

ATLAS וגלאי ה-LCמבנה מאיץ ה-10:00-10:30

*** הפסקה ***10:30-10:40

10:40- 11:30

מכון דוידסון4+5כיתות

)שתי קבוצות(

)סימולטורATLANTISתדריך בנושא השימוש בתוכנת (ATLASשל גלאי ה-

ביצוע התרגיל11:30-13:00

*** הפסקה ***13:00-13:10

13:10-13:30 ברחבה לפנימכון דוידסון

הכנת שאלות לוועידת הווידאו וקביעת נציגיהתלמידים

*** הפסקת צהריים ***13:30-14:20

מעבר רגלי למחלקה לפיזיקה14:20-14:45

אולם וייסמן15:00-15:50 המחלקהלפיזיקה

הרצאה של אוהד זילברט )תלמיד מחקר( עלהמודל הסטנדרטי של החלקיקים היסוד

16:00-17:00 וגלאיLHCהרצאה של דר' דניאל ללוש על מאיץ ה-

ATLASה-

*** הפסקה ***17:00-17:30

אולם וייסמן17:30-18:30 המחלקהלפיזיקה

:CERNוועידת ווידאו מול

דברי ברכה-שאלות ותשובות-



הצגת ממצאים-חידון-

חלוקת פרסים לזוכים בחידון וסיום18:30-19:00


"מבט ממעמקי האדמה אל ראשית היקום" מאת פרופ' חיים6.1פעילות הררי

תארו מהי התפרקות ביתא? .1

מהם ארבעת הכוחות בטבע ומהם טווחי הפעולה שלהם? .2

מהן השיטות בהן משתמשים הפיזיקאים כדי לגלות את מבנה החומר ברמה.3התת -אטומית?

מהם הדרונים? תן דוגמה להדרון. .4

מהו אנטי חומר? .5

מהו מיואון? .6

אלו קוורקים מרכיבים את הפרוטון?.7

מהו חוק השימור אנרגיה מסה?.8

מהם באריונים? .9

מהו ניטרינו? אלו סוגים של ניטרינו קיימים? .10

מהם לפטונים? תן דוגמה ללפטונים? מהו ההבדל הין לפטונים להדרונים?.11



"החיפוש אחרי החלקיקי האלוהי" מאת פרופ' עילם גרוס6.2פעילות

מהו גילו המשוער של היקום?.1

מה טוען עקרון אי-הוודאות של תורת הקוונטים?.2

למה מתכוונים פיזיקאים במונח "שדה"?.3

מהו פוטון? מה הקשר בינו לבין שדה אלקטרומגנטי?.4

דוגמת.5 )לא ספונטאנית סימטריה שבירת של לתופעה דוגמה הביאו הסומבררו(.

הסבירו במילים שלכם כיצד שדה היגס מקנה לחלקיקים מסה..6

המודל.7 ע"פ אחרים( מחלקיקים מורכבים )שאינם היסוד חלקיקי מהם הסטנדרטי )המקובל היום( של החלקיקים היסוד?

במאיץ .8 הגלאים שמות אחריLHCמהם מחפשים שבאמצעותם בג'נבה, חלקיק ההיגס?

מה הסיכוי להיווצרות חלקיק היגס בהתנגשות של שני פרוטונים במאיץ ה-.9LHCצפויים היגס כמה חלקיקי בשנייה אחת? מתנגשים פרוטונים כמה ?

להיווצר בשעה אחת של פעולת המאיץ?

האם לפי דעתכם מוצדק להשקיע סכומי כסף גדולים מאוד בחיפוש אחרי.10חלקיקים יסוד? נמקו.



פעילות רפלקטיבית לאחר יום העיון

מבין לאתר ניסיתם ה-50בפעילות בגלאי )התנגשויות( מאורעות ATLASאת התהליכים הבאים:

W+→μ++ν μ

W+→e++νe

W−→ μ−+νμ

W−→ e−+νe

מה-.1 ההדמיה תוכנת את ויצמן.DVDהתקינו במכון הפעילות ביום שקיבלתם . Hypatiaהפעילו את תוכנת

את אותו הקובץ, שעליו עבדתם במכון ויצמן.A.zip … T.zipטענו מבין הקבצים .2

3."- ב cheatהיעזרו sheetהסבירו הנ"ל. התהליכים לזיהוי הקריטריונים עם " בקצרה לגבי כל אחד מהקריטריונים, מדוע לפי דעתכם הוא נמצא ברשימה.

מבין .4 שלגביו אתם בטוחים 50בחרו מאורע אחד, המאורעות בקובץ שהוא את אחד מארבעת תהליכי ההתפרקות הנ"ל, ומאורע אחד, שלגביו אתםמתאר

משניכל אחד את אחד מארבעת תהליכים אלה. לגבי שאיננו מתארבטוחים המאורעות ענו על השאלות הבאות:

מהו מספר המאורע?א.

אלו קריטריונים הפעלתם על מנת להגיע להחלטה לגבי מאורע זה? האם כלב.הקריטריונים מתקיימים באותה המידה? אם לא, כיצד דירגתם אותם?

"? אם כן, כיצד בחרתם את הערך עבורcutsהאם הפעלתם את האופציה "ג.pt?האם שינוי של ערך זה ישפיע על החלטתכם לגבי המאורע ?

המאורעות בקובץ מאורע אחד, שלגביו 50בחרו מבין .5 שהואאינכם בטוחים מתאר את אחד מארבעת תהליכי ההתפרקות הנ"ל, וענו על השאלות הבאות:

מהו מספר המאורע?א.



מהו מקור האי-וודאות שלכם לגבי מיון המאורע? אלו קריטריונים מתקיימים,ב.אלו לא?

pt"? אם כן, כיצד בחרתם את הערך עבור cutsהאם הפעלתם את האופציה "ג.

? האם שינוי של ערך זה ישפיע על החלטתכם לגבי המאורע?

ה- מהוHiggsהאם אחד המאורעות מהווה מועמד להתפרקות חלקיק כן, ? אם מספר המאורע? כיצד קיבלתם את החלטתכם?



תגובות גרעיניות.7

רואים קרינה קוסמית - בניית תא ערפל 7.1

(, )המכון למחקר בפיזיקה גרעינית בשוויץCERNפעילות היא מבית היוצר של בעריכתו של קובי שוורצבורד.


פעילות זו מביאה לכיתה את פיזיקת החלקיקים ועוסקת במגוון נושאים בפיזיקה,כמו תורת היחסות של אינשטיין, המודל הסטנדרטי וכיצד ניתן "לראות" חלקיקים.

התלמידים בונים בפעילות זו תא ערפל באמצעים פשוטים, נגישים וזולים. הבנייה של המערכת חוויתית מאוד והתלמידים מצליחים לצפות בעקבות אשר מיואון מקרינה

קוסמית מותיר אחריו. בנוסף, ניתן לסקור את ההיסטוריה מגילוי הקרינה הקוסמית לפני מעט יותר ממאה שנה על ידי ויקטור הס ועד לשימוש בגלאים במכון למחקר

. סיפור היסטורי אשר כולל בתוכו מספר רב שלCERNבפיזיקה גרעינית בשוויץ – זוכי פרס נובל.


מהו תא ערפל?

תא ערפל הוא גלאי לחלקיקים טעונים ומבוסס על עיקרון של עיבוי אלכוהול בעקבות אזורי התגרענות של יונים. תא ערפל שימש בתחילת שנות העשרים את

הפיזיקאים לחקור את תכונותיהם של חלקיקים טעונים כגון פרוטונים, אלקטרונים, פוזיטרונים, חלקיקי אלפא ועוד. בעזרת תא זה ושדה מגנטי ניתן היה לקבוע את

סימן המטען החשמלי, התנע הקווי והיחס בין המטען למסה של החלקיקים.

כיצד תא ערפל פועל?

חלקיק טעון הנכנס לתוך התא מיינן את מולקולות האלכוהול ובעקבות כך נמשכות מולקולות אלכוהול שכנות ונוצר עיבוי של אדי האלכוהול. העיבוי מתרחש בעקבות

הבדלי טמפרטורה קיצוניים הנוצרים באמצעות קרח יבש. בעקבות עיבוי זה ניתן



לראות שובלים של טיפות האלכוהול הנופלת לעבר קרקעית התא, שובלים אלו הםעדות כי חלקיק טעון עבר שם.

אז מה ניתן לראות בעזרת תא ערפל?

בפעילות זו אנו לא משתמשים במקור רדיואקטיבי, אלא צופים בשובלים

המתקבלים על ידי מעבר של מיואונים הנוצרים מקרינה קוסמית הפוגעת

באטמוספרה של כדור הארץ.

בתמונה ניתן להבחין במרכז התא בשובל המעיד על מעבר של מיואון,

הגורם לעיבוי אדי האלכוהול ובכך אנויכולים להבחין במסלול התנועה שלו.

במשך זמן הצפייה בתא, פרק זמן של מספר דקות בודדות עד כרבע שעה, ניתן להבחין במספר שובלים אשר מגיעים מכיוונים שונים, אופקית ואנכית, מאחר

והקרינה הקוסמית מגיעה לכדה"א מכיוונים שונים.

מהי קרינה קוסמית?

קרינה קוסמית היא קרינה שמקורה מחוץ לכדור הארץ וכוללת ברובה אלקטרונים, פרוטונים ופוטונים. כאשר קרינה קוסמית פוגעת בשכבות הגבוהות של האטמוספרה

נוצרים פאיונים ואלו מתפרקים למיואונים המגיעים לפני כדור הארץ. למעשה המיואונים בהן אנו צופים בתא הערפל הם דור שני של חלקיקים בהתפרקות של

קרינה קוסמית באטמוספרה.

מקורות – לפעילות תא ערפל ולכללי:

CERN – http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.htmlאתר

"Bringing particle physics to life: build your own cloud chamber", Science in School, Issue 14, spring 2010.



http://www.scienceinschool.org/2010/issue14/cloud




( אלכוהולisopropanol 99.5%.)

שימו לב: התא לא יעבוד עם ריכוז אלכוהול נמוךיותר.

)ניתן להשיג במעבדת הכימיה בבית הספר או במקומות המוכרים חומרים כימיים. עלות בקבוק

₪(.30כ-

קרח יבש

)ניתן להשיג במקומות המוכרים קרח לאירועים. ₪(.10המחיר לק"ג קרח יבש הוא כ-

)כפפות מבודדות )זוג לכל קבוצה

)פלטת מתכת שחורה )לכל קבוצה

בתמונה מוצג מכסה מתכת הצבוע בצבע שמןבגוון שחור.

)מטלית סופגת )לכל קבוצה



סרט הדבקה מבד

)כוס פלסטיק שקופה )לכל קבוצה

חשוב להקפיד כי קוטר שפת הכוס יתאים לקוטרפלטת המתכת.

פנס


ניתן להשתמש במקורות של חלקיקי אלפא אותם ניתן לרכוש אצל חברות המספקות ציוד מדעי.

יחד עם זאת, יש משמעות לכך שהתלמיד מבחין בקרינה ללא מקור חלקיקים בכיתה ובכך מתעמת עם העובדה כי הוא חשוף לקרינה בכל מקום ובכל שעות

היממה.

מיקרו-שניות. מאחר והמיואונים נעים2.2זמן ההתפרקות של מיואנים הוא 660בקירוב במהירות האור, היה עליהם להתפרק לאחר שעברו מרחק של

מטר. מרחק זה קצר בהרבה מהמרחק בין השכבות העליוניות של האטמוספרה ק"מ( לקרקע. אנו יכולים לצפות בהם בכדור הארץ בעקבות תורת11)כ-

היחסות של אינשטיין.

הפעילות יכולה לתת במה להתייחס למהם חלקיקים אלמנטאריים ומהו המודל הסטדנרטי.

29הוראות בטיחות

טיפול בקרח יבש יש לוודא שהוראות הבטיחות ידועות ומייושמות. יש להתעדכן עם ספק המוצרים בביטחות. כל29

שרשום בקובץ זה הנו המלצה ואין לראות בו הוראות מדוייקות._________________________________



780קרח יבש הינו המצב המוצק של פחמן דו חמצני והוא בעל טמפרטורה של כ-C.

בשימוש בקרח יבש יש להקפיד על ההוראות הבאות:

.יש להשתמש בכפפות מגן מבודדות, אחרת עשויות להיווצר כוויות קור

יש לאחסן קרח יבש ולהשתמש בו במקום מאוורר, אחרת בריכוז גבוה הוא יכול לגרום להפרעות נשימה וחנק.

אסור לאחסן את הקרח היבש במיכל אטום וסגור, אחרת הוא עלול לגרום ללחץ ולביקוע המיכל.

isopropanol שימוש ואיחסון של

.יש לאחסן את האלכוהול הרחק ממקורות חום או להבה

.יש לעבוד רק במקום מאוורר היטב ובכפפות

.הרעלה אפשרית בבליעה, שאיפת אדים או ספיחה


בניית תא ערפל – שלב אחר שלב

גוזרים ריבוע ממטלית הספיגה כך שתתאים.1 לקרקעית הכוס, מהדקים אותה לקרקעית

ותופסים אותה בעזרת סרט ההדבקה.

שופכים את האלכוהול באופן מבוקר על מטלית.2 הספיגה בקרקעית הכוס עד שהיא ספוגה לגמרי

)חשוב מאוד שהיא תהיה ספוגה אך_________________________________



שהאלכוהול לא ישפך או יטפטף ממנה)

מצמידים את שפת הכוס לעבר המתכת.3השקופה בעזרת סרט ההדבקה.

מניחים את המתכת על חתיכה של קרח יבש..4

קרח יבש הינו המצב המוצק של פחמן דו780חמצני והוא בעל טמפרטורה של כ-

C.

בשימוש בקרח יבש יש להקפיד להשתמש בכפפות מגן מבודדות, אחרת עשויות

להיווצר כוויות קור.

לאחר המתנה של מספר דקות בודדות, כאשר.5 מאירים עם פנס את הכוס ומתבוננים לעבר

הקרקעית השחורה של המתכת ניתן להבחין בטיפות קטנות מאוד של טיפות האלכוהול

כמרחפות ונופלות לעבר החלק התחתון שלהתא.



new experiments on the kathode rays.€¦ · web viewאיך מודדים את כמות האור...

Documents