הבנת מושגים באנרגיה באמצעות מפת מושגים

Transcription

1 הבנת מושגים ב באמצעות מפת מושגים תמי יחיאלי הקדמה מפות מושגים הן מארגן גרפי להצגת תחום ידע מסוים, צר או רחב. המפה מכילה מושגים המוצגים בדרך כלל בתוך תיבות, ומילים המקשרות ביניהם וכתובות על חיצים. את מפות המושגים הציעו (84) Gowin Novak & כאמצעי להגברת הלמידה המשמעותית של מושגים ולייצוג ידע של תלמידים. מאז, נעשה בהם שימוש רחב בהקשרים שונים ובתחומים שונים. רעיון מיפוי המושגים מעוגן בתיאוריות קונסטרוקטיביסטיות של למידה, לפיהן כדי שתתרחש למידה משמעותית, על הלומד לבנות באופן פעיל את הידע שלו )לדוגמה: ברוקס וברוקס, 97; יחיאלי, תשס ח 2008( 1. במאמר זה ייעשה ניסיון להציג היבטים מסוימים של המושג באמצעות מפת מושגים. המושג כולל בתוכו מושגים רבים ומתקשר למושגים רבים נוספים, ולכן אי אפשר להציג את כולם במפת מושגים אחת. כדי להקל ולפשט את הבנת המושגים מתחום ה בהם עוסק מאמר זה, תוצג המפה בהדרגה ולבסוף תוצג המפה השל מה. מפת המושגים בנושא מיועדת לכל מי שהנושא מעניין אותו, ובמיוחד להעשרת הידע המדעי של מורי מדע וטכנולוגיה בחטיבת הביניים. המפה אינה מיועדת לתלמידי חטיבת הביניים, אך ניתן לגזור ממנה מפות חלקיות העשויות לשמש ככלי להוראת המושג בחטיבת הביניים. - מהי? היא מילה יוונית שמשמעותה המקורית היא פעולה. במשמעותה המודרנית היא מייצגת מושג מופשט שניתן באמצעותו להסביר תהליכים שונים ומגוונים המתרחשים בטבע, כגון: גוף נופל, נר בוער, נורה נדלקת, קולט שמש מתחמם, כוס תה חמה מתקררת ועוד ועוד. תהליכים אלו שונים מאוד זה מזה ומעורבים בהם גורמים שונים לחלוטין, ואף על פי כן ניתן לתאר את כולם ולהסביר את ההבדל בין המצב של מערכת כלשהי בתחילת התהליך לבין המצב של אותה מערכת בסוף התהליך, באמצעות המושג. כלומר, המושג מאפשר לאחד תופעות שונות ותהליכים שונים תחת קורת גג מושגית אחת ולהסבירם. בהקשרים שונים נוהגים לדבר על סוגים שונים של, לדוגמה: קינטית, פוטנציאלית, אנרגיית אור, אנרגיית קול, כימית ועוד כל ה סוגים הללו הם מופעים שונים של אותה ישות מופשטת ואותו מושג המכונים בשם. הערה: בתהליכים שונים מתרחשים שינויים בסוגי ה השונים, ולכן אין משמעות להתייחס ל המסוימת של גוף מסוים, אלא לשינוי החל בסוג ה כתוצאה משינוי שחל בגוף או בחומר. אף על פי כן, כדי לא לסרבל את המפה, מוצגים בה סוגי ולא שינויים בסוגי ה. ד"ר תמי יחיאלי, מרצה להוראת המדעים, מכללה ירושלים. 1 יש סוגים רבים של מפות מושגים. מפת המושגים המופיעה במאמר זה מבוססת על סוג מפות המושגים שפיתחו (84) Gowin,Novak & בה כל שני מושגים והמילים הכתובות על החץ המקשר אותם, צריכים להוות משפט בעל משמעות. למידע נוסף על מפות מושגים ראו כאן נדלה ב >קריאתביניים

2 - היבט מקרוסקופי והיבט מיקרוסקופי מטרתה של מפת המושגים שבה עוסק מאמר זה היא להציג את סוגי ה ואת הקשרים ביניהם. נהוג להבחין בין תופעות המתרחשות בטבע, שאותן ניתן לקלוט באמצעות החושים, ובין ההסברים המדעיים לתופעות אלו. המודל המקובל להסבר מבנה החומרים ותופעות הקשורות לחומרים, הוא המודל החלקיקי של החומר, שלפיו ניתן להסביר את כל התופעות המתרחשות בטבע באמצעות הרעיון שלפיו החומר בנוי מחלקיקים שביניהם יש ריק. החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת, וביניהם פועלים כוחות. עולם התופעות יכונה במאמר זה בשם העולם המקרוסקופי, ועולם ההסברים על פי המודל החלקיקי של החומר יכונה בשם העולם המיקרוסקופי. לאור זאת גם המושג ממוין להיבט מקרוסקופי ולהיבט מיקרוסקופי. מן ההיבט המקרוסקופי ה לגוף מקרוסקופי )כגון: שולחן, אדם, מכונית, כדור ועוד( בשל היותו תחת השפעה של כוח או בשל תנועתו )כפי שנראה בהמשך(. ה מן ההיבט המיקרוסקופי שלה לצבר החלקיקים )מולקולות ואטומים( שמהם החומר מורכב. לא לכל גוף יש מקרוסקופית )לדוגמה: שולחן העומד על רצפה. אם אנו מתייחסים לרצפה כאל נקודת הייחוס - הרי לשולחן אין פוטנציאלית יחסית לרצפה; ואם השולחן אינו בתנועה יחסית לרצפה - ממילא גם אין לו קינטית(, לעומת זאת, לכל גוף ניתן לייחס מיקרוסקופית, כפי שנראה בהמשך. ה לצבר החלקיקים שמהם החומר מורכב ( מיקרוסקופית ) עשויה להיות ה לגוף כולו ( מקרוסקופית ) איור 2: שני ההיבטים של ה- מקרוסקופית ו מיקרוסקופית >קריאתביניים 22 נהוג לכנות את ה המקרוסקופית - ה ה לגוף כולו - בשם מכנית Energy(,)Mechanical ואילו את ה ה לצבר החלקיקים שמהם החומר מורכב מכנים פנימית Energy(.)Internal מכנית נתרכז תחילה ב המכנית. כפי שאנו רואים במפה שבאיור 3, נהוג לחלק את ה המכנית לשני סוגים: פוטנציאלית ו קינטית. פוטנציאלית (מיקרוסקופית) מכנית עשויה להיות קינטית איור 3: שני הסוגים של ה המכנית - פוטנציאלית ו קינטית קינטית ניתן לייחס קינטית לכל גוף שנע. גודלה של ה הקינטית תלוי במסת הגוף )ככל שלגוף שנע יש מסה גדולה יותר - תהיה ה הקינטית שלו גדולה יותר( ובצורה חזקה יותר - במהירות הגוף )ככל שריבוע המהירות של הגוף גדול יותר - מייחסים לו קינטית גבוהה יותר(. הביטוי המתמטי ל הקינטית הוא: E k = ½ mv 2 )כאשר m היא מסת הגוף ו- v היא מהירות הגוף(. חשוב לשים לב שמדובר ב קינטית של גופים מקרוסקופיים )שולחן, אדם, מכונית, רוח, מפל וכדומה(. לגוף שאינו נע יחסית לכדור הארץ - אין קינטית מקרוסקופית. מבחינה היסטורית הראשון שהבין את החשיבות של מכפלת המסה בריבוע המהירות היה גוטפריד לייבניץ, שהגה בסוף המאה ה- 17 את המושג ויס ויוה ) כוח חי (, אולם

3 הראשון שקישר בין הגודל ½ mv 2 ל היה תומאס יאנג )בשנת 1807(. קינטית )כאשר m היא מסת הגוף, g הוא תאוצת הכובד ו- h הוא הגוף אליו הורם הגוף יחסית לנקודת הייחוס(. פוטנציאלית (מיקרוסקופית) גופים הנמצאים בתנועה לדוגמה עשויה להיות גופים הנמצאים תחת השפעה של כוחות (כוח הכובד, הכוח החשמלי, הכוח המגנטי) רוח - אוויר נע מכונית נעה אלסטית מגנטית חשמלית כובדית מפל - מים בתנועה איור 4: קינטית מקרוסקופית פוטנציאלית פוטנציאלית היא ה שבפיזיקה נוהגים לייחס לגופים שכוח פועל עליהם לאורך דרך מסוימת, כלומר, כאשר נעשית עליהם עבודה במובן הפיזיקלי של המילה. מנקודת מבט פיזיקלית, פועלים בעולם המקרוסקופי רק שני סוגי כוחות: כוח הכבידה והכוח החשמלי, ולכן את ה הפוטנציאלית המקרוסקופית ניתן לייחס לגופים הנמצאים תחת אחד משני כוחות אלו. הסוג המוכר ביותר של פוטנציאלית הוא פוטנציאלית כובדית )המכונה גם בשם כובדית, גרביטציונית ואנרגיית גובה. אנו נשתמש במאמר זה בשם כובדית (. אם גוף מועלה מהאדמה )המשמשת במקרה זה כנקודת ייחוס( לגובה מסוים - נעשית עליו עבודה כנגד כוח הכובד, וניתן לייחס לו כובדית יחסית לנקודת הייחוס. הביטוי המתמטי ל הכובדית הוא: גופים אלסטיים שכווצו או נמתחו מערכת של מגנטים גופים בעלי מטען חשמלי איור 5: פוטנציאלית מקרוסקופית גוף הנמצא תחת השפעת כוח הכבידה (מעל או מתחת לנקודת הייחוס) המילה פוטנציאלית בתוך המונח פוטנציאלית רומזת ש פוטנציאלית היא אינה הבאה לידי ביטוי וקיים בה פוטנציאל ההתבטאות(. כדי לממש את הפוטנציאל הזה - על ה הפוטנציאלית להפוך ל קינטית. בדוגמה של הגוף המורם - הרי אם יתאפשר לגוף ליפול בחזרה למקומו הקודם, ה הכובדית שלו תהפוך בשל תנועתו ל קינטית, וכאשר יגיע חזרה לאדמה - לא יהיה עוד בעל כובדית. ניתן לייחס פוטנציאלית גם לגופים שעליהם נעשתה עבודה על ידי הכוח החשמלי. אמנם יש כוח אלקטרו-מגנטי אחד, אולם מטעמי נוחות נהוג להבחין בין 3 סוגי פוטנציאלית חשמלית: 1. חשמלית; 2. מגנטית; 3. אלסטית. E p = mgh >קריאתביניים 23

4 .1 את ה החשמלית ניתן לייחס למערכת של גופים טעונים חשמל,2 לדוגמה : באיור 6 מצוירים שני בלונים ששופשפו בצמר, והם תלויים על חוטים ומוחזקים במקומם. ניתן לייחס למערכת זו פוטנציאלית חשמלית, כי אם נעזוב את הבלונים, הם יתרחקו זה מזה כי הם בעלי מטענים חשמליים זהים. צ צ איור :8 פוטנציאלית שאפשר לייחס למערכת של שני מגנטים שקוטביהם הזהים פונים זה כלפי זה ניתן לייחס למערכת זו פוטנציאלית מגנטית שכן אם נעזוב את שני המגנטים - הם יתרחקו זה מזה (כלומר, ה הפוטנציאלית המגנטית תהפוך ל קינטית)..3 פוטנציאלית אלסטית ניתן לייחס לגוף המגלה תכונות של קפיץ. מקורה של זו הוא בכוחות חשמליים פנימיים שבין חלקיקי מוצק. צמר צמר איור :9 לגוף קפיצי פוטנציאלית אלסטית איור :6 פוטנציאלית חשמלית הגורמת לבלונים להתרחק זה מזה. הדמית התהליך ניתנת לצפייה באתר "סוגרים מעגל" של מט"ח כאשר קפיץ נמתח או נדחס ומוחזק - ניתן לייחס לו פוטנציאלית אלסטית שכן אם ישחררו אותו מהאחיזה שלו - הוא ינוע..2 את ה הפוטנציאלית והמגנטית ניתן לייחס למערכת של מגנטים, לדוגמה 2 : מגנטים המונחים על שולחן ומוחזקים כאשר הקטבים המנוגדים פונים זה אל זה (איור.)7 ד לסיכום : בחלק זה הוצגו הסוגים המקרוסקופיים של ה. סיכום סוגי ה המקרוסקופית מוצג באיור.10 צ הערות : איור :7 פוטנציאלית הניתנת לייחוס למערכת של שני מגנטים שקוטביהם המנוגדים פונים זה כלפי זה.1 אנרגית קול גם היא סוג של מכנית. ראו התייחסות לאנרגיית קול בעמוד 46 להלן. ניתן לייחס למערכת זו פוטנציאלית מגנטית, שכן אם נעזוב את שני המגנטים - הם ינועו זה כלפי זה (כלומר, ה הפוטנציאלית המגנטית תהפוך ל קינטית). הוא הדין בשני מגנטים המונחים על השולחן כאשר קטבים זהים פונים זה לזה (איור.)8.2 במפת המושגים הכללית המופיעה בסוף המאמר מופיעים בתחום העולם המקרוסקופי מושגים נוספים : טמפרטורה, חום, קרינה, עבודה וחימום, קיבול חום סגולי וחום כמוס - אבל אין הם סוגי שניתן לייחס אותם לגופים או לחומרים. מושגים אלו יוצגו בהמשך. 2 בפיזיקה נהוג להבחין בין פוטנציאלית אלקטרוסטטית שהיא ה הפוטנציאלית של מטענים במנוחה, לבין פוטנציאלית אלקטרודינמית שהיא פוטנציאלית שנובעת מכך שהחלקיקים הטעונים חשמל נמצאים בתנועה. במסגרת מאמר זה לא ניכנס להבחנות הללו. <קריאתביניים 24

5 ה לגוף כולו ( מקרוסקופית ) מכונה בשם מכנית עשויה להיות פוטנציאלית קינטית עשויה להיות גופים הנמצאים תחת השפעה של כוחות (כוח הכובד, הכוח החשמלי, הכוח המגנטי) גופים הנמצאים בתנועה לדוגמה אלסטית מגנטית חשמלית כובדית רוח - אוויר נע מכונית נעה מפל - מים בתנועה גופים אלסטיים שכווצו או נמתחו מערכת של מגנטים גופים בעלי מטען חשמלי גוף הנמצא תחת השפעת כוח הכבידה (מעל או מתחת לנקודת הייחוס) איור 10: סוגי - מבט מקרוסקופי >קריאתביניים 25

6 פנימית ככתוב לעיל, נהוג לכנות את ה ה לחומר בשל מבנהו המיקרוסקופי בשם פנימית Internal(.)Energy כפי שנהוג לחלק את ה המכנית )ה המקרוסקופית( ל קינטית ול פוטנציאלית, כך ניתן לחלק את ה הפנימית לשני סוגים אלו - קינטית פנימית ו פוטנציאלית פנימית. המקרוסקופי - הטמפרטורה. טמפרטורה היא תכונה של גופים שאנו חשים בה ומסוגלים למדוד אותה. בשל כך היא ממוקמת במפת המושגים בתחום של העולם המקרוסקופי. אך יש לטמפרטורה קשר לעולם המיקרוסקופי. לפי המודל החלקיקי של החומר, הטמפרטורה היא ביטוי ומדד לממוצע ה הקינטית הפנימית )ל התרמית(. 4 יש בה מרכיב של... פנימית יש בה מרכיב של... קינטית מכונה לעיתים גם בשם תרמית היא מדד לממוצע ה... טמפרטורה פוטנציאלית (מיקרוסקופית) קינטית מכונה לעיתים גם בשם תרמית תנועותיהם של מרכיבי החומר: אטומים, מולקולות, אלקטרונים איור 11: סוגי ה המיקרוסקופית קינטית פנימית ) תרמית( כבר ציינו כי את ה הקינטית המקרוסקופית ניתן לייחס לגופים בשל תנועתם. גם את ה הקינטית המיקרוסקופית ניתן לייחס לגופים בשל תנועה, אולם אין המדובר בתנועת הגוף כולו, אלא בתנועת מרכיבי החומר: אטומים ומולקולות. לפי התאוריה המקובלת - המודל החלקיקי של החומר - כל מרכיבי החומר נעים )מדובר בכמה סוגי תנועות של מולקולות: מעתק - טרנסלציה, סיבוב - רוטציה ותנודה - ויברציה(. תנועות אלו הן אקראיות מבחינת הכיוון שלהן )אין לתנועות אלו כיוון מועדף ויש מולקולות שנעות לכל כיוון(. בשל תנועות אלו ניתן לייחס לחומר קינטית. 3 כמו ה הקינטית המקרוסקופית, גם גודלה של ה הקינטית הפנימית תלוי במסת החלקיקים ובריבוע מהירותם. ל הקינטית הפנימית )ה התרמית( יש ביטוי בעולם איור 12: הקשר בין ה הקינטית הפנימית ובין הטמפרטורה הנוסחה המתמטית המקשרת בין הגודל המקרוסקופי )טמפרטורה( לבין הגודל המיקרוסקופי ) קינטית פנימית( היא: T = 2/3 Ek kb E k היא ה כאשר T היא הטמפרטורה בסולם קלווין, E b היא קבוע המכונה קבוע בולצמן. הקינטית הממוצעת ו- מהנוסחה ניתן לראות שאכן הטמפרטורה שהיא גודל מקרוסקופי פרופורציונית לגודלה של ה הקינטית הפנימית שהיא גודל מיקרוסקופי. זאת אומרת שבכל פעם שאנו מודדים עליית טמפרטורה - אנו יכולים לומר כי ה הקינטית הממוצעת עלתה, ובכל פעם שאנו מודדים ירידה בטמפרטורה - אנו יכולים לומר כי ה הקינטית הממוצעת ירדה. 3. זו מכונה לעתים גם בשם תרמית Energy( )Thermal או אנרגיית חום energy( )Heat. שמות אלו הם בעייתיים כי הם קושרים בין ה הקינטית הפנימית לבין המושג חום, וכפי שנראה בהמשך - קישור זה אינו חד חד-ערכי. 4. חלקיקי החומר אינם בעלי מסה אחת ואינם נעים באותה מהירות, ולכן יש היגיון בהתייחסות לממוצע ה הקינטית. >קריאתביניים 26

7 חום סגולי )או קיבול חום סגולי( - 5 צוין לעיל שהטמפרטורה היא מדד ל הקינטית הממוצעת של חלקיקי החומר. כדי להעלות את הטמפרטורה של גוף מסוים )כלומר, את ה הממוצעת של חלקיקיו(, יש לספק לו. כמות ה שיש לספק לגרם של חומר מסוים כדי להעלות את הטמפרטורה שלו במעלה אחת צלזיוס מכונה בשם חום סגולי )או קיבול חום סגולי(. גודלו של החום הסגולי שונה מחומר לחומר, ונהוג לסמנו באות c. בטבלת ערכי החום הסגולי שמופיעה בתרשים 1, ניתן לראות כי החום הסגולי של המים הוא ערך גבוה יחסית לערכי החום הסגולי של חומרים אחרים 6 פוטנציאלית פנימית ציינו לעיל כי את ה הפוטנציאלית ניתן לייחס לגופים שעליהם פועל כוח לאורך דרך מסוימת, כלומר, כאשר נעשית עליהם עבודה במובן הפיזיקלי של המילה. בעוד שבעולם המקרוסקופי פועלים כוח הכבידה והכוח החשמלי, הרי בעולם המיקרוסקופי פועלים הכוח החשמלי והכוחות הגרעיניים )הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש(, וניתן לייחס לגופים חומריים פוטנציאלית פנימית בשל כוחות אלו הפועלים בין חלקיקי החומר. Substance c in J/gm K Aluminum פנימית קיבול חום סגולי Bismuth Copper יש בה מרכיב של... הוא כמות ה שיש לספק לגרם של חומר כדי להעלות במעלה אחת את ה... Brass Gold Lead קינטית מכונה לעיתים גם בשם תרמית היא מדד לממוצע ה... טמפרטורה Silver Tungsten Zinc Mercury Alcohol(ethyl) 2.4 Water תנועותיהם של מרכיבי החומר: אטומים, מולקולות, אלקטרונים העולם המיקרוסקופי העולם המקרוסקופי Ice (-10 C) 2.05 Granite.790 Glass.84 תרשים 1: טבלת ערכי החום הסגולי עבור איור 13: קיבול חום סגולי חומרים נפוצים )מתוך: ) 5. יש מונחים רבים בהקשר ל שאינם מבטאים בדיוק את משמעותם )חום, חום סגולי וכו (. מושגים אלו מבטאים למעשה ולאו דווקא חום. לפי גליליו ועובדיה )תשנ ה 95(, אי דיוקים אלו הם שרידים לתקופות שבהן לא הובנה בדיוק מהות החום כתופעה פיזיקלית, ואנשים שייכו את תכונות החום והקור של גופים לנוכחותו של חומר מסוים שכונה קאלוריק. 6. לעובדה זו יש משמעות רבה. ראו לדוגמה: וכן: 27 >קריאתביניים

8 ניתן להבחין ב- 3 סוגים של פוטנציאלית פנימית: כימית, ה למצב הצבירה של החומר ו גרעינית. כימית הסוג הידוע ביותר של ה הפוטנציאלית הפנימית הוא סוג ה המכונה בשם כימית. זוהי בעצם פוטנציאלית חשמלית, אך משום שהיא משתנה בכל ר אקציה )תגובה( כימית, היא מכונה בשם כימית. בכל תגובה כימית נערכים אטומי החומר מחדש בצורה שונה. השינוי יכול להיות במבנה המולקולות או בהרכב שלהן. השינוי המתרחש במבנה המולקולות או בהרכבן נובע משינוי בחוזקם של הקשרים )הכוחות החשמליים( בין האטומים, ולכן מעורבים בשינויים אלו גם שינויים ב. יש תגובות כימיות שכאשר הן מתרחשות - ה הכימית של החומר קטנה. במקרים כאלו משתחררת מהחומר גרעינית כוחות גרעיניים הפועלים בין מרכיבי גרעיני האטומים פוטנציאלית (מיקרוסקופית) ניתן למיינה ל... הסוג הכי ידוע שלה הוא כימית כוחות חשמליים תוך מולקולריים פוטנציאלית חשמלית סוג ללא שם מיוחד הוא ה למצב הצבירה של החומר כוחות חשמליים בין מולקולריים איור 14: ה הפוטנציאלית הפנימית 7 הרחבה על המושג "חום כמוס" אפשר למצוא באתר "דוידסון און ליין" >קריאתביניים 28 לסביבה )בדרך כלל בצורת חום אך גם בצורת אור וקול(. תגובות אלו מכונות בשם תגובות אקסותרמיות. בתגובות כימיות אחרות גדלה ה הכימית באמצעות קליטת מהסביבה. תגובות כאלו מכונות תגובות אנדותרמיות. ה הכימית היא צורת ה החשובה ביותר לקיום חיים בכלל והאדם בפרט. חום כמוס המעבר של חומר ממצב צבירה אחד לאחר כרוך אף הוא בשינויים ב הפנימית. בתהליכי המעבר בין מצבי צבירה, החומר נשאר אותו חומר מבחינה כימית, כלומר, לא חל כל שינוי במבנה המולקולות או בהרכבן. השינוי שחל הוא שינוי בכוחות החשמליים הבין-מולקולריים: במצב מוצק - הכוחות הם החזקים ביותר, ובמצב גז - הכוחות הם החלשים ביותר. לא יוחד בפיזיקה שם ל ה לחומר בשל הכוחות הבין-מולקולריים, והיא מכונה במפת המושגים בשם ה למצב הצבירה של החומר. כוחות הפועלים בין חלקיקי החומר כדי להתיך חומר )כלומר, להעבירו ממצב מוצק למצב נוזל( וכדי להרתיח חומר )כלומר, להעבירו מממצב נוזל למצב גז( - יש להשקיע )כלומר, ה הפנימית גדלה( וכשחומר מתעבה )כלומר, עובר ממצב גז למצב נוזל( או קופא )כלומר, עובר ממצב נוזל למצב מוצק( - הוא פולט )כלומר, ה הפנימית קטנה(. ה שיש להשקיע כדי להעביר את החומר ממצב צבירה אחד למשנהו מכונה בשם חום כמוס Heat(.)Latent השימוש במילה חום בביטוי חום כמוס נובע מהעובדה שבדרך כלל מעבר בין מצבי צבירה כרוך בקליטת חום או בפליטת חום )אם כי אפשר להתיך חומר גם על ידי קרינה או עבודה, כפי שיצוין בהמשך(. השימוש במילה כמוס בביטוי זה נובע מהעובדה שבזמן המעבר בין מצבי צבירה, אין שינוי בטמפרטורת החומר, ולכן נראה כאילו ה המסופקת בצורת חום מסתתרת במקום כלשהו בחומר, כלומר, היא כמוסה. 7 ראינו לעיל כי יש לספק למסה שווה של חומרים

9 ניתן למיינה ל... יש בה מרכיב של... פוטנציאלית (מיקרוסקופית) פנימית יש בה מרכיב של... קינטית מכונה לעיתים גם בשם תרמית חום כמוס הוא כמות ה שיש לספק לגרם אחד של חומר כדי לשנות את... מצב הצבירה של החומר הסוג הכי ידוע שלה הוא פוטנציאלית חשמלית סוג ללא שם מיוחד הוא כוחות הפועלים בין חלקיקי החומר תנועותיהם של מרכיבי החומר: אטומים, מולקולות, אלקטרונים כימית ה למצב הצבירה של החומר תלוי ב... כוחות חשמליים תוך מולקולריים כוחות חשמליים בין מולקולריים העולם המיקרוסקופי העולם המקרוסקופי איור 15: חום כמוס שונים - כמויות חום שונות כדי שהטמפרטורה של החומר תעלה באותה מידה )חום סגולי(. גם כדי להעביר מסות שוות של חומרים שונים ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל - יש לספק לחומרים אלו כמויות )חום כמוס( שונות. ניתן למצוא בספרים שונים טבלאות לערכי החום הכמוס של חומרים שונים במעבר בין מצבי צבירה שונים. מן הטבלה בתרשים 2 עולה שהערך המספרי של החום הכמוס של הרתיחה גדול הרבה יותר מהערך המספרי של החום הכמוס של ההתכה. כיצד ניתן להסביר את ההפרש בין החום הכמוס של הרתיחה לבין החום הכמוס של התכה? כשחומר עובר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל - יש שבירה חלקית של הקשרים הבין מולקולריים, בעוד שכאשר חומר עובר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז, מתרחשת שבירה מלאה של הקשרים הבין- מולקולריים ולכן נצרכת יותר. גרעינית כל אטום מורכב מגרעין ומאלקטרונים. גרעין האטום מורכב מפרוטונים ונויטרונים הקשורים זה לזה על ידי הכוח הגרעיני החזק. למערכת זו ניתן לייחס גרעינית משום שכאשר >קריאתביניים 29

10 מופרדים מרכיבי גרעין האטום - ה הפנימית קטנה משום ש רבה משתחררת. חום כמוס וטמפרטורות שינוי מצב צבירה של נוזלים וגזים נפוצים חומר אלכוהול, אתיל אמוניה פחמן דו-חמצני הליום מימן חנקן חמצן טולואן )מתיל-בנזין( טרפנטין מים חום כמוס התכה J/g טמפ התכה C חום כמוס רתיחה J/g טמפ רתיחה C הקול מתבטאים בשינויי לחץ המתפשטים דרך התווך. המקור היוצר את גלי הקול גורם לעליית לחץ בנקודה מסוימת בתווך, מאחר שחלקיקי האוויר נדחקים זה אל זה ונוצרת צפיפות גדולה יחסית של חלקיקי אוויר. עליית הלחץ הזאת מתפשטת משם, כשחלקיקי האוויר באזור הצפוף דוחפים את חלקיקי האוויר שלידם, וכשהם זזים הם הופכים את האזור הבא לצפוף יותר וכך הלאה. באופן כזה צפיפות החלקיקים נעה ממקום למקום בעוד שהחלקיקים עצמם מתנודדים ונשארים פחות או יותר במקומם. 8 אנרגיית קול היא אם כן ביטוי מקרוסקופי לתנודות חלקיקי החומר. אולם בעוד שהטמפרטורה היא ביטוי מקרוסקופי לתנועות האקראיות )מבחינת הכיוון( של החלקיקים, אנרגיית פנימית יש בה מרכיב של... פוטנציאלית (מיקרוסקופית) ניתן למיינה ל תרשים 2: חום כמוס וטמפרטורות שינוי מצב צבירה של נוזלים וגזים נפוצים )מתוך ויקיפדיה( גרעינית פוטנציאלית חשמלית כוחות הפועלים בין חלקיקי החומר לסיכום באיור 16 מוצג כל העולם המיקרוסקופי בהקשר למושג. אנרגיית קול בעמוד 48 צוין כי אנרגית קול היא סוג של מכנית - מקרוסקופית, אך יש לה קשר לעולם המיקרוסקופי. קול הוא התפשטות של הפרעה מכנית בתווך חומרי, וגלי כוחות גרעיניים הפועלים בין מרכיבי גרעיני האטומים הסוג הכי ידוע שלה הוא כימית כוחות חשמליים תוך מולקולריים סוג ללא שם מיוחד הוא איור 16: סיכום ה הפנימית ה למצב הצבירה של החומר כוחות חשמליים בין מולקולריים 8 אנימציה המדגימה יפה את מהותו של הקול כהפרעה המתפשטת בתווך נמצאת באתר. נדלה ב >קריאתביניים 30

11 קול היא ביטוי מקרוסקופי לתנודות חלקיקי החומר באותו כיוון - בכיוון התפשטות ההפרעה המכנית בחומר. זו יכולה לגרום לשינויים בחומר ולהיות מומרת לסוגי אנרגיות אחרות )לדוגמה: אם שמים גרגרי אורז ליד רמקול שממנו בוקע קול - הם יקפצו, כלומר: הם יתרחש שינוי ב הקינטית שלהם(. כדי לא לסבך את מפת המושגים יתר על המידה, לא מוצג במפה בצורה גרפית, הקשר בין אנרגית הקול לתנועות חלקיקי החומר. חימום, קרינה ועבודה עד עתה הוצגו סוגי ה בעולם המקרוסקופי והמיקרוסקופי. נשאלת השאלה: כיצד יכולים סוגי אלו לגדול או לקטון? לשון אחרת - מהם התהליכים הגורמים לגדילה או להקטנה של סוגי ה השונים? תהליכים אלו מתרחשים בעולם המקרוסקופי )למרות שיש להם השפעה גם על העולם המיקרוסקופי(. כדי לענות על השאלות הללו, נחזור לחלק המקרוסקופי של המפה. יש שלושה תהליכים הגורמים לגדילה או להקטנה של סוגי ה השונים. שלושת התהליכים הללו הם: חימום, קרינה ועבודה. חימום - חימום מוגדר כהבאת גוף בעל טמפרטורה גבוהה לידי מגע עם גוף בעל טמפרטורה נמוכה יותר. כאשר שני גופים כאלו באים במגע, הרי תופעת טבע היא שלאחר זמן מה הם יהיו באותה טמפרטורה. אנו מפרשים את התופעה הזו באמצעות הטענה כי כאשר שני גופים כאלו באים במגע - מהגוף ה חם )בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר( עוברת לגוף ה קר )בעל הטמפרטורה הנמוכה יותר(. הכינוי המקובל בפיזיקה ל שעוברת בתהליך זה הוא חום )או אנרגיית חום(. יש לשים לב לכך כי חום אינו סוג של שנמצאת בגופים, וכי גופים אינם מכילים חום )כי כפי שהוסבר לעיל, ה הנמצאת בגופים מכונה בשם פנימית (, אלא שם זה מיוחד ל שעוברת מגוף חם )כלומר, גוף בעל טמפרטורה גבוהה יחסית( לגוף קר )כלומר, גוף בעל טמפרטורה נמוכה יחסית(. גוף בעל פנימית מסוימת יכול להעביר חום לגוף בעל פנימית אחרת בתנאי שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר מהטמפרטורה של הגוף האחר. קרינת חום ניתנת לחלוקה ל... ה העוברת מגוף לגוף כאשר יש הפרש טמפרטורות מכונה לעיתים קרובות בשם קרינה או אנרגית קרינה חום או אנרגית חום זו ה למבנה המיקרוסקופי של החומר מכונה בשם פנימית קרינת אינפרה אדומה אור נראה קרינת רנטגן קרינת מיקרו לדוגמה הוא סוג ה העובר בתהליך קרינה עבודה הם תהליכים שבאמצעותם יכולה לגדול או לקטון ה... הוא סוג ה העובר בתהליך חימום ה לגוף כולו ( מקרוסקופית ) מכונה בשם מכנית >קריאתביניים איור 17: תהליכים הגורמים להגדלה או להקטנה של ה המכנית ושל ה הפנימית 31

12 לאנשים רבים קשה להסכים עם ניסוח זה; אין זה מתקבל על דעתם שלגוף אין חום, אך הוא יכול להעביר חום לגוף אחר, ולאחר ההעברה - גם לגוף האחר לא יהיה חום. כדי שניסוח זה יתקבל על הדעת, מציע זימנסקי )90 )Zemansky, אנלוגיה מעניינת. הוא משווה את ה חום ל גשם )ראו איור 18(. נניח שיש בשמים עננים. כתוצאה מתהליכים שונים המתרחשים בעננים - יורד גשם לאדמה ויוצר עליה שלולית. יש לשים לב לכך שכאשר המים הם חלק מהענן - אין אנו מכנים אותם במונח גשם )שכן ענן הוא תרחיף של אדי מים, טיפות מים זעירות וגבישי קרח(. כאשר המים נמצאים בדרכם לאדמה - הם מכונים גשם. כאשר הם מצויים בתוך השלולית - אין הם מכונים גשם אלא מי שלולית )משום שאין ודאות שכל המים בשלולית הגיעו מהגשם - ייתכן שמישהו הוסיף מים לשלולית באמצעות צינור השקיה(. כלומר - המונח גשם מציין רק את המים שנתונים בתהליך המעבר בין האטמוספרה לאדמה. הוא הדין ב חום. כל זמן שה נמצאת בתוך הגוף - היא מכונה בשם פנימית. כאשר היא עוברת לגוף אחר )בעל טמפרטורה נמוכה יותר( - היא מכונה בשם חום. כאשר החום נקלט בגוף - הוא מעלה את ה הפנימית של גוף זה. אנלוגיה בין גשם ל חום לפי זימנסקי, 70 לאור הדברים הללו נראה שניתן להבין מדוע חום אינו אחד מסוגי ה המיוחסים לחומר ) מכנית או פנימית(, והוא מופיע במפת המושגים בתחום העולם המקרוסקופי )כי זו תופעה מקרוסקופית(. החימום, כלומר מעבר חום, יכול להשפיע הן על האנרגיות ה מקרוסקופיות והן על האנרגיות ה מיקרוסקופיות, כפי שיפורט להלן: 1. חימום הגורם לשינוי ב המקרוסקופית - לדוגמה: כדור פורח. מקור האש מחמם את האוויר, והאוויר החם עולה למעלה - במקרה זה החום משנה הן את ה הקינטית של הכדור ואת ה הפוטנציאלית )אנרגיית גובה( שלו. 2. חימום הגורם לשינוי ב המיקרוסקופית - כאשר מחממים חומר, הטמפרטורה שלו עולה. כלומר, יש שינוי ב הקינטית הפנימית של החומר. אולם אם החומר נמצא באחת מטמפרטורות המעבר שלו )טמפרטורת ההתכה או טמפרטורת הרתיחה(, יש שינוי ב הפוטנציאלית הפנימית ) חום כמוס ( שלו. ואם בעקבות החימום מתרחש שינוי במבנה החומר )למשל: קרישת חלבון( או בהרכב החומר )כתוצאה מר אקציה כימית( - יש שינוי ב הכימית. גשם ענן גוף בעל פנימית X וטמפרטורה T מעביר גוף Z חום מעביר קרינה שלולית גוף בעל פנימית Y וטמפרטורה T איור 18: אנלוגיה בין גשם לחום לפי זימנסקי )90( ראוי לשים לב לכך שהמונח קרינה מציין הן את התהליך והן את סוג ה. >קריאתביניים 32

13 קרינה - קרינה היא תהליך נוסף שבאמצעותו יכולה לעבור מגוף לגוף. 9 מקובל לחלק את הקרינה לשני סוגים עיקריים: קרינה אלקטרומגנטית וקרינה גרעינית. אנו נתייחס במאמר זה לקרינה האלקטרומגנטית בלבד. הקרינה האלקטרומגנטית מתוארת כהפרעה מחזורית, או גל היוצא ממקור מסוים ומתפשט במרחב. אחד המאפיינים של תהליך הקרינה הוא שהקרינה יכולה לעבור גם ללא תווך חומרי. לדוגמה: קרינה מגיעה אלינו מהשמש ומהכוכבים כשהיא עוברת בחלל, הריק מחומר. כאשר קרינה פוגעת בחומר מסוים, היא עשויה להיבלע בחומר, לחזור מהחומר או לעבור דרכו. תוצאות המפגש )האינטראקציה( בין הקרינה האלקטרומגנטית ובין חומר תלויות בסוג הקרינה בסוג החומר. חומרים שקרינה באורך גל מסוים עוברת דרכם ללא אינטראקציה עם מרכיבי החומר, מכונים בשם חומרים שקופים לקרינה המסוימת הזו. לדוגמה: זכוכית היא שקופה לאור נראה, אך אטומה לקרינה אינפרה-אדומה. כמו כן עור האדם אטום לקרינת אור נראה, אך שקוף לקרינת רנטגן. כאשר חומר בולע קרינה - יכולה להתרחש עלייה הן באנרגיות המקרוסקופית שלו והן באנרגיות המיקרוסקופיות שלו. נפרט ונדגים: 1. עלייה ב המקרוסקופית של גוף כתוצאה מבליעת קרינה - חללית מצוידת במפרש ענק הפונה אל השמש ובולע את הקרינה. בסופו של דבר הפוטונים של הקרינה משנים את מהירות החללית, כלומר, הקרינה משנה את ה המכנית. 2. עלייה ב המיקרוסקופית של גוף כתוצאה מבליעת קרינה - עליית הטמפרטורה של המים במיקרוגל. הקרינה האינפרה-אדומה היא סוג של קרינה אלקטרומגנטית ומתאפיינת באורך גל שבין 750 ננומטר ל- 1 מילימטר. קרינה זו מיוחדת בזה שרוב החומרים בולעים אותה. ברוב המקרים בליעת הקרינה האינפרה-אדומה גורמת לעלייה ב הקינטית הממוצעת של החלקיקים - כלומר, לעלייה בטמפרטורה; לכן היא מכונה לעתים קרובות בשם קרינת חום, 10 למרות שאין היא מעבירה חום אלא יכולה לגרום להתחממות. האור הנראה גם הוא סוג של קרינה, המכונה לעתים בשם קרינת אור. עבודה - עבודה היא תהליך נוסף היכול לגרום לשינויים ב המכנית או הפנימית. אדם הזורק כדור כלפי מעלה - מבצע עבודה על הכדור שבעקבותיה הוא משנה הן את ה הפוטנציאלית המקרוסקופית שלו והן את ה הקינטית המקרוסקופית שלו. כמו כן מיקסר הבוחש מים גורם לעליית הטמפרטורה של המים, כלומר, גורם לשינוי ב הקינטית הפנימית של המים, ואילו אדם המחליק על קרח - גורם להתכת הקרח על ידי לחץ, כלומר, על ידי ביצוע עבודה במובן הפיזיקלי. לסיכום בעמוד הבא תוצג מפת המושגים השלמה. בעזרת מפת מושגים זו מוצגים מושגים רבים הקשורים למושג כמו גם הקשרים ביניהם. מפה זו מיועדת למורים למדע וטכנולוגיה בחטיבת הביניים ואינה מיועדת לתלמידיהם. על מושגים אלו להיות חלק מהידע של המורים למדע וטכנולוגיה בחטיבת הביניים, שכן הידע שלהם צריך להיות רחב ומעמיק יותר מהידע של תלמידיהם. >קריאתביניים 9 ראוי לשים לב לכך שהמונח "קרינה" מציין הן את התהליך והן את סוג ה. 10 ראו לעיל הערה 3. 33

14 העולם המיקרוסקופי העולם המקרוסקופי איור : מפת מושגים להסבר מושגים בנושא "" Novak, J. D. & Gowin, D. B. (84). Learning how to learn. Cambridge: Cambridge University Press. Zemansky, M. W. (70). The use and misuse of the word heat in physics teaching. The Physics Teacher, 8, ביבליוגרפיה ברוקס, ז ג וברוקס, מ ג )97(. לקראת הוראה קונסטרוקטיביסטית בחיפוש אחר הבנה. ירושלים: מכון ברנקו וייס לטיפוח החשיבה. גלילי, י ועובדיה, ד )תשנ ה 95(. יסודות הפיסיקה. תל-אביב: מאור. יחיאלי, ת )תשס ח 2008(. איך עושים למידה קונסטרוקטיביסטית? הד החינוך, 4, עמ >קריאתביניים 34