Transcript אינטראקציה ומנופים 2

‫כוחות ותנועה‬
‫גישה ותכנים חדשים להוראת פיזיקה "איכותית"‬
‫בחטיבת הביניים‬
‫נושאים‪:‬‬
‫אינטראקציה‪ ,‬כוחות‪ ,‬תנועה‬
‫מכונות פשוטות‪ :‬מנופים‬
‫תיאור תנועה קצובה‬
‫הוראה סביב תופעות‬
‫מחיי היום יום‬
‫תיאור האירוע‪:‬‬
‫אדם מושך כלב אך הכלב אינו זז‪.‬‬
‫שאלות‪:‬‬
‫‪ .1‬אלו כוחות פועלים על הכלב?‬
‫‪ .2‬הסבירו למה הכלב לא זז?‬
‫תשובות אופייניות של תלמידים לפני הוראה‪:‬‬
‫‪ .1‬הכוח שמפעיל האדם שמושך את הכלב והכוח שמפעיל הכלב שמתנגד‪.‬‬
‫‪ .2‬הכוח של הכלב גדול יותר מהכוח של האדם‬
‫מהי הבנה איכותית בפיזיקה?‬
‫לדעת להסביר (ו‪/‬או לנבא) תופעות‬
‫באמצעות מושגים ועקרונות פיזיקליים (שפת‬
‫הפיזיקה)‬
‫תשובה רצויה (בסוף תהליך ההוראה)‪:‬‬
‫תרשים כוחות והסבר מילולי (אזכור חוקי ניוטון)‬
‫רצפה‬
‫רצועה‬
‫כלב‬
‫כדור הארץ‬
‫חיכוך עם הרצפה‬
‫עוד דוגמא‪:‬‬
‫מכונית לא מצליחה למשוך עגלה‪.‬‬
‫הסבירו מדוע העגלה אינה זזה‪.‬‬
‫אפיון מערכת‪ :‬מכונית‪ ,‬עגלה‪ ,‬כביש‪ ,‬כדור הארץ‪ ,‬אוויר‬
‫מושגים בסיסיים‪ :‬אינטראקציות‪ ,‬כוחות‪ ,‬חיכוך‪ ,‬תנועה‪ ,‬חוקי ניוטון‬
‫הסבר פיזיקלי‪ :‬תרשים כוחות לגוף נבחר והסברתו המילולית‬
‫כביש )‪(N‬‬
‫חיכוך עם הכביש ‪f‬‬
‫עגלה‬
‫כדור‬
‫הארץ )‪(mg‬‬
‫מכונית‬
‫‪F‬‬
‫האם הוראה מסורתית מקנה הבנה‬
‫איכותית?‬
‫לא‬
‫‪ (1‬תוצאות מבחן ‪FCI‬‬
‫‪ (2‬הבדלים משמעותיים בהבנה בעקבות הוראה עם‬
‫שיטות הוראה מבוססת מחקר לעומת שיטות‬
‫מסורתיות‬
‫‪ (3‬ספרות ענפה בנושא‬
‫ידע קודם נאיבי‬
‫אסטרטגיה‬
‫לפתרון‬
‫בעיות‬
‫מסגרת‬
‫תפיסתית‬
‫הסבר וחיזוי של תופעות יומיומיות‬
‫אסטרטגיה לפתרון בעיות‪:‬‬
‫אפיון מערכת‬
‫מאינטראקציות‬
‫לכוחות‬
‫כוחות ותנועה‬
‫הילד מושך את הכלב אך‬
‫הכלב אינו זז‪.‬‬
‫הסבירו מדוע הכלב אינו זז‪.‬‬
‫אפיון מערכת‪:‬‬
‫א‪ .‬ציירו מלבנים המתארים את הגופים‬
‫המשתתפים בהתרחשות‬
‫ב‪ .‬רשמו בטבלה את כל האינטראקציות‬
‫בהן מעורב כל גוף בהתרחשות‬
‫מושגים ועקרונות נלמדים‪:‬‬
‫* אינטראקציה‬
‫* מאפייני אינטראקציה [שינויים בצורה (עיוות) ושינויים במהירות]‬
‫אפיון מערכת‪:‬‬
‫מלבנים המתארים את הגופים‬
‫המשתתפים בהתרחשות‪:‬‬
‫ילד‬
‫רצועה כלב‬
‫רצפה‬
‫כדור הארץ‬
‫כל האינטראקציות בהן‬
‫מעורב כל גוף בהתרחשות‪:‬‬
‫כדור הארץ‬
‫רצפה‬
‫ילד‬
‫רצועה‬
‫כלב‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪-‬‬
‫‪+‬‬
‫‪0‬‬
‫כלב‬
‫‪+‬‬
‫‪-‬‬
‫‪+‬‬
‫‪0‬‬
‫‪+‬‬
‫רצועה‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪0‬‬
‫‪+‬‬
‫‪-‬‬
‫ילד‬
‫‪+‬‬
‫‪0‬‬
‫‪+‬‬
‫‪-‬‬
‫‪+‬‬
‫רצפה‬
‫‪0‬‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫כדור הארץ‬
‫מאינטראקציות לכוחות‪:‬‬
‫א‪ .‬הוסיפו את כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות‬
‫לציור המלבנים‬
‫ב‪ .‬התמקדו בגוף מסוים וציירו מלבן המייצג אותו בנפרד‬
‫עם כל הכוחות הפועלים עליו‬
‫מושגים ועקרונות נלמדים‪:‬‬
‫* עוצמת האינטראקציה‪ -‬כוח‬
‫* החוק השלישי‬
‫כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות‬
‫בציור המלבנים‪:‬‬
‫ילד‬
‫רצועה‬
‫רצפה‬
‫כדור הארץ‬
‫כלב‬
‫מיקוד בגוף מסוים ומלבן המייצג אותו בנפרד‬
‫עם כל הכוחות הפועלים עליו‪:‬‬
‫רצפה‬
‫רצועה‬
‫כלב‬
‫כדור הארץ‬
‫חיכוך*‬
‫* החיכוך נוסף‬
‫לתרשים רק לאחר‬
‫לימוד חוקי ניוטון‬
‫כוחות ותנועה‬
‫התאימו את גודל הכוחות הפועלים‬
‫על הגוף הנבחר בהתאם למאפייני‬
‫התנועה שלו‬
‫מושגים ועקרונות נלמדים‪:‬‬
‫* שקול כוחות‬
‫* חוקי ניוטון‬
‫* חיכוך‬
‫נתון‪ :‬הכלב אינו משנה את מהירותו‬
‫רצפה‬
‫רצועה‬
‫כלב‬
‫כדור הארץ‬
‫חיכוך עם הרצפה‬
‫משאית גדולה התקלקלה באמצע הדרך ונעזרת במכונית קטנה הדוחפת‬
‫אותה מאחור כדי להתקדם קדימה‪.‬‬
‫‪ .1‬ציירו תרשים כוחות לכל אחד מכלי הרכב‪.‬‬
‫‪ .2‬איזה משפט מהבאים מתאר נכון את הכוחות הפועלים על כלי הרכב?‬
‫א‪ -‬גודל הכוח בו המכונית דוחפת את המשאית שווה בדיוק לגודל הכוח בו המשאית דוחפת‬
‫את המכונית הקטנה‪.‬‬
‫ב‪ -‬גודל הכוח בו המכונית דוחפת את המשאית קטן מגודל הכוח בו המשאית דוחפת את‬
‫המכונית בחזרה‪.‬‬
‫ג‪ -‬גודל הכוח בו המכונית דוחפת את המשאית גדול מגודל הכוח בו המשאית דוחפת את‬
‫המכונית בחזרה‪.‬‬
‫ד‪ -‬מנוע המכונית פועל ולכן המכונית היא זו שדוחפת את המשאית‪ .‬מכיוון שמנוע המשאית‬
‫אינו פועל‪ ,‬היא אינה דוחפת את המכונית חזרה‪ ,‬ולכן רק המכונית היא זו שמפעילה כוח‪.‬‬
‫שאלה עתירת תוכן‬
‫• חברת "אליאנס" המייצרת צמיגים מנסה לעצב את סוליית‬
‫הצמיג (החלק בצמיג שבא במגע עם בכביש) כך שתהיה‬
‫חזקה ועמידה לשחיקה‪ ,‬אך בעיקר מתרכזים מהנדסי‬
‫החברה בהקטנת כוח החיכוך בין סוליית הצמיג לכביש‪.‬‬
‫הקטנת כוח החיכוך המתוארת תגרום למנוע המכונית‬
‫לדחוף את המכונית ביותר קלות‪ ,‬לצרוך פחות דלק‬
‫ולהקטין את זיהום האוויר‪ ,‬כי המנוע לא יבזבז אנרגיה על‬
‫מנת להתגבר על כוח החיכוך עם הכביש המפריע לתנועת‬
‫המכונית‪.‬‬
‫שאלה מורכבת‬
‫נתונה המערכת הבאה‪:‬‬
‫משקולת בנפח של ‪ 100‬סמ"ק תלויה מעל אמבט‬
‫מלא מים (צפיפות המים‪ 1 :‬גרם\סמ"ק)‬
‫מד משקל ‪ 1‬מראה ‪ 1.5‬ניוטון (‪" 150‬גרם")‬
‫מד משקל ‪ 2‬מראה ‪ 2‬ניוטון (‪" 200‬גרם")‬
‫טובלים את כל הגוף במים‪.‬‬
‫המים עולים באמבט אך אינם נשפכים החוצה‪.‬‬
‫הגוף לא נוגע בתחתית האמבט‪.‬‬
‫מה יראו מדי המשקל? הסבירו‪.‬‬
‫מד משקל ‪)2N( 2‬‬
‫אמבט‬
‫לפני‬
‫כדור הארץ (‪)2N‬‬
‫חוט ( ‪)1.5N‬‬
‫גוף‬
‫כדור הארץ (‪)2N‬‬
‫מד משקל ‪)3N( 2‬‬
‫מים ("אמבט") ‪1N‬‬
‫אחרי‬
‫חוט ‪0.5N‬‬
‫אמבט‬
‫גוף‬
‫גוף ‪1N‬‬
‫כדור הארץ ‪2N‬‬
‫כדור הארץ ‪1.5N‬‬
‫מנופים‬
‫• המושג "עבודה"‬
‫• חוק המנוף‬
‫• מבנה המנוף (שלושת סוגי המנופים)‬
‫• מנופים נוספים‪ :‬מישור משופע‪ ,‬גלגלות‪ ,‬גלגלי‬
‫שיניים‪ ,‬מנוף הידראולי‪ ,‬בורג‬
‫עבודה (‪)1‬‬
‫הכוח פועל בכיוון הדרך‪:‬‬
‫יוסי דוחף ארגז על הרצפה בכוח ‪ F‬העושה עבודה‬
‫על הארגז‬
‫‪F‬‬
‫כיוון התנועה‬
‫עבודה (‪)2‬‬
‫כוח פועל אך אין תנועה‪:‬‬
‫יוסי דוחף קיר בטון בכוח ‪ . F‬אין עבודה‪.‬‬
‫עבודה (‪)3‬‬
‫כוח פועל בניצב לכיוון התנועה‪:‬‬
‫דיסקת הוקי מחליקה על משטח מצופה קרח (אין‬
‫חיכוך)‪ .‬הכוח שמפעילה הרצפה על הדיסקה כלפי‬
‫מעלה לא מבצע עבודה על הדיסקה‪.‬‬
‫כיוון התנועה‬
‫עבודה (‪)4‬‬
‫כוח הפועל בכיוון היוצר זווית עם כיוון התנועה של‬
‫גוף נע‪ :‬יוסי מושך קופסא קטנה עם חבל בכיוון‬
‫אלכסוני‪ :‬רכיב הכוח ‪ Fx‬בכיוון הדרך מבצע עבודה‬
‫על הגוף‪.‬‬
‫‪F‬‬
‫‪Fx‬‬
‫כיוון התנועה‬
‫מנופים‬
‫חוק המנוף‪F1d1=F2d2 :‬‬
‫מבוסס על חוק שימור האנרגיה‬
‫‪F2‬‬
‫‪F1‬‬
‫משא‬
‫כוח‬
‫‪d1‬‬
‫‪d2‬‬
‫נקודת משען (ציר)‬
‫(מנוף מסוג ראשון)‬
‫אופניים‪:‬‬
‫• מערכת הבלימה‬
‫• מערכת החלפת ההילוכים‬
‫מנוף מסוג שני‬
‫כוח‬
‫משא‬
‫מנוף מסוג שלישי‬
‫כוח‬
‫משא‬
‫‪F2‬‬
‫‪F1‬‬
‫נפוץ ביותר בעולם החי‬
‫מנוף הידראולי‬
‫גלגילות וחבלים‬
‫מישור משופע וברגים‬
‫בורג‬
‫מערכות עם גלגלי שיניים (גיר)‬
‫אופניים‬
‫סיבוב סביב ציר‬
‫כיוון הסיבוב‬
‫כאשר כיוון הכוח ניצב לזרוע‪,‬‬
‫הגוף יסתובב (בכיוון השעון)‬
‫הכוחות פועלים בכיוונים מנוגדים על‬
‫אותה נקודה ולכן שקול הכוחות‬
‫בנקודה הוא אפס‪ .‬הגוף לא יסתובב‬
‫‪F‬‬
‫ציר‬
‫‪F‬‬
‫‪F‬‬
‫כאשר כיוון הכוח מקביל לזרוע‪ ,‬הגוף‬
‫לא יסתובב‬
‫‪F‬‬
‫ציר‬
‫ציר‬
‫‪N 10‬‬
‫ציר הסיבוב‬
‫סיבוב סביב ציר‬
‫יש תנועה‪ :‬הגוף מסתובב‬
‫בכיוון השעון‬
‫‪N 10‬‬
‫‪N 10‬‬
‫‪N 10‬‬
‫אין תנועה‬
‫‪N 10‬‬
‫‪N 10‬‬
‫‪N 10‬‬
‫אין תנועה‪ :‬הכוחות פועלים‬
‫בכיוונים מנוגדים על אותה‬
‫נקודה ולכן שקול הכוחות‬
‫בנקודה הוא אפס‪.‬‬
‫‪ N 10‬אין תנועה‪ :‬אין רכיב כוח‬
‫בכיוון התנועה האפשרי של‬
‫המוט‬
‫סיבוב סביב ציר‪ :‬באיזה מקרה הגלגל יסתובב?‬
‫תנועה ומהירות‬
‫יחידות תקניות במדע (המכונות ‪)S.I System International,‬‬
‫‪‬מרחק‪ -‬מטרים‬
‫‪‬זמן‪ -‬שניות‬
‫‪‬מסה‪ -‬ק"ג‬
‫אורך המסלול ‪ 20‬מטרים‬
‫תחילת המסלול‬
‫מודד מס' ‪4‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫מודד מס' ‪3‬‬
‫מודד מס' ‪2‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫מודד מס' ‪1‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫ניסוי מוצע‪ :‬צעידה לאורך מסלול‪ .‬חזרה על הניסוי‬
‫במהירויות שונות‬
‫אורך המסלול ‪ 20‬מטרים‬
‫תחילת המסלול‬
‫מודד מס' ‪4‬‬
‫מודד מס' ‪3‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫מודד מס' ‪2‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫מודד מס' ‪1‬‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫‪ 5‬מטרים‬
‫תיאור התוצאות בטבלה ובגרף‬
‫מדידה‬
‫‪1‬‬
‫זמן נמדד‬
‫מרחק מתחילת המסלול‬
‫מרחק (מטרים)‬
‫‪90‬‬
‫מדידה ‪1‬‬
‫מדידה ‪2‬‬
‫‪60‬‬
‫‪2‬‬
‫‪30‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫זמן‬
‫(שניות)‬
‫‪15‬‬
‫‪10‬‬
‫‪5‬‬
‫‪0‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫הגרף הבא מתאר את תלות המקום בזמן של שתי מכוניות‪ .‬סמנו איזה מכונית‬
‫נוסעת מהר יותר?‬
‫מרחק (מטרים)‬
‫‪90‬‬
‫מכונית ‪2‬‬
‫‪60‬‬
‫מכונית ‪1‬‬
‫‪30‬‬
‫זמן (שניות)‬
‫‪15‬‬
‫‪10‬‬
‫‪5‬‬
‫‪0‬‬
‫שאלה ממבחן ה‪TIMSS -‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫מרים יצאה לטיול באופניים שבמהלכו אירע לה תקר (פנצ'ר)‪ .‬היא תקנה אותו‬
‫ומיד לאחר מכן המשיכה בנסיעתה‪ .‬הגרף מראה את מהלך התקדמותה של‬
‫מרים‪.‬‬
‫כמה זמן לקח למרים לתקן את התקר?‬
‫‪ 20‬דקות‬
‫‪ 30‬דקות‬
‫‪ 40‬דקות‬
‫‪ 70‬דקות‬