Transcript lec1.ppt

‫פיסיקה ‪I‬‬
‫אמנון מועלם‬
‫המחלקה לפיסיקה‪,‬אוניברסיטת בן גוריון‬
‫באר שבע ‪,84105‬ישראל‬
‫יעקב פורטנוי‬
‫היחידה לפיסיקה‪ ,‬המכללה להנדסה סמי שמעון‬
‫באר שבע‪ ,‬ישראל‬
‫‪1‬‬
‫פיסיקה ‪ I‬לתלמידי הנדסה ומדעים‬
‫מס' קורס‬
‫מחלקה‬
‫המחלקה להנדסה כימית‬
‫המחלקה לכימיה‬
‫המחלקה להנדסת תקשורת‬
‫המחלקה להנדסה ביו‪-‬רפואית‬
‫המחלקה להנדסת ותעו"נ‬
‫המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים‬
‫המחלקה להנדסה ביו טכנולוגית‬
‫המחלקה להנדסת מכונות‬
‫פיסיקה ב‬
‫‪2‬‬
‫‪203-1-1491‬‬
‫‪203-1-1491‬‬
‫‪203-1-1451‬‬
‫‪203-1-1451‬‬
‫‪203-1-1711‬‬
‫‪203-1-1471‬‬
‫‪203-1-1461‬‬
‫‪203-1-1721‬‬
‫‪0400101‬‬
‫לתלמידי המכללה להנדסה סמי שמעון ‪.‬‬
‫ספרות מומלצת‬

Physics vol 1, D. Halliday, R. Resnick & K. S. Krane, 4th edition,
john Wiley & Sons, Inc. 1992.

Mechanics, The Berkeley Physics Course Vol 1, Charles Kittel,
Walter D. Knight, Malvin A. Ruderman, Mcgraw-Hill Book
Company.

The Feynman Lectures on Physics, Vol I, Richard P. Feynman,
Robert B. Leighton, Matthew Sands, Addison-Wesley Publishing
Com., 1963.

Fundamental University Physics, Vol I, Marcelo Alonso, Edward
J. Finn, Addison-Wesley Publishing Com., 1967.
.‫ תשנ"ח‬,‫ כתב יד‬,‫ ש"י בן אברהם‬,‫ לתלמידי הנדסת חשמל‬1 ‫פיסיקה‬

3
‫הרצאה ‪1‬‬
‫מבוא כללי‬
‫תחומי עניין‬
‫מינוח‬
‫גדלים פיסיקליים ויחידות‬
‫אבני מבנה של החומר‬
‫אנאליזה של מימדים‬
‫‪4‬‬
‫תחומי עניין‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪5‬‬
‫פיסיקה‪-‬היא המדע של הטבע במובן הרחב ביותר‪.‬‬
‫מיונית ‪( fusikoz :‬קרי פיסיקוז) שפירושו טבעי‬
‫‪( fusiz‬קרי פיסיז) שפירושו טבע‪.‬‬
‫הפיסיקה דנה בחומר‪ ,‬באנרגיה ובכוחות היסודיים של הטבע‪.‬‬
‫היקום‪ ,‬כפי שאנו מכירים אותו‪ ,‬עשוי חומר ואנרגיה‪ .‬ומכאן נגזר ‪:‬‬
‫תופעות פיסיקליות מתפרסות על תחום רחב מאוד; מתופעות‬
‫מתחום הפיסיקה של החלקיקים האלמנטרים (שהם אבני הבניין של‬
‫החומר) ועד לתופעות קוסמולוגיות שדנות במכלול החומר ביקום‪.‬‬
‫תיאוריות פיסיקליות מרכזיות‬
‫‪‬‬
‫חוקים יסודיים ‪ :‬תכונות ותופעות שהן משותפות לכל מערכת חומרית‪.‬‬
‫‪‬‬
‫תיאוריה פיסיקלית ‪ :‬מערכת גדלים פיסיקליים והקשרים ביניהם‪.‬‬
‫תיאוריות פיסיקליות מרכזיות ‪:‬‬
‫ מכניקה קלאסית‪ -‬מכניקה ניוטונית (חוקי התנועה) ‪ ,‬או בניסוחים‬‫אחרים ‪ :‬מכניקה לגרנג'יאנית‪,‬מכניקה המילטוניאנית‪ ,‬כאוס‪ ,‬מיכניקה של‬
‫נוזלים‪ ,‬מכניקת הרצף‪.‬‬
‫ אלקטרומגנטיות‪-‬תורת החשמל והמגנטיות‪.‬‬‫ תרמודינאמיקה ומכניקה סטטיסטית‪-‬התיאוריה הקינטית‪ ,‬תורת החום‬‫ומכונות חום‪.‬‬
‫ מכניקה קוונטית‪ ,‬תורת שדות קוונטית ‪ ,‬פורמליזם של אינטגרלי‬‫מסילה‪.‬‬
‫‪ -‬תורת היחסות‪-‬יחסות פרטית‪,‬יחסות כללית‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪6‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪7‬‬
‫מכניקה ואלקטרומגנטיות ‪ -‬כלים מרכזיים וחשובים ביותר לכל מי‬
‫שעוסק במדעים‪ ,‬ללא קשר לתחום המחקר הפרטני שבו הוא עוסק‪,‬‬
‫ושומה על כל סטודנט למדעים או הנדסה שיכיר וגם ישלוט בהן‪.‬‬
‫במרבית המקרים תיאוריה פיסיקלית טובה בתנאים מגבילים;‬
‫תיאוריה כללית יותר ייתכן ותהיה טובה בלי תנאים מגבילים‪.‬‬
‫לדוגמא‪ ,‬חוקי התנועה של ניוטון (‪)Isaac Newton 1642-1727‬‬
‫תקפים לגופים שנעים במהירויות קטנות והם אינם מדויקים לגופים‬
‫שנעים במהירויות שקרובות למהירות האור‪.‬‬
‫תורת היחסות הפרטית של איינשטיין ( ‪Albert Einstein 1879-‬‬
‫‪ )1955‬לעומת זאת נותנת תוצאות זהות לאילו שמנבאים חוקי ניוטון‬
‫לגופים שנעים במהירויות קטנות‪ ,‬אבל‪ ,‬באותה מידה של הצלחה‬
‫מתארת היא גם את התנועה של גופים אשר מהרותם גדולה כשל‬
‫מהירות האור‪ .‬ולכן‪ ,‬תורת היחסות הפרטית של איינשטיין הנה‬
‫תיאוריה כללית יותר של התנועה‪.‬‬
‫גדלים פיסיקליים ויחידות פיסיקליות‬
‫גודל פיסיקלי או כמות פיסיקלית הנה תכונה של גוף או (באופן כללי) של‬
‫מערכת פיסיקלית‪ .‬כמתודה הפיסיקה מבוססת על תצפיות (אובזרבציות)‬
‫ניסיוניות ומדידה של גדלים פיסיקליים שונים‪ ,‬חקר הקשרים שבניהם‬
‫וניסוח קשרים אלה בשפה מתמטית‪ .‬הגדרה ומדידה של גודל פיסיקלי‬
‫יש לעשות במרב הדיוק‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪8‬‬
‫כיצד נקבע גודל פיסיקלי? בשתי דרכים ‪:‬‬
‫‪ .1‬ע"י מדידה אמפירית ישירה במרב הדיוק האפשרי‪.‬‬
‫‪ .2‬מגדלים מדודים אחרים ושימוש בחוקים פיסיקליים‪.‬‬
‫גודלי יסוד ‪ ,‬לכל תיאוריה מספר מנמלי של גדלים‪ ,‬אשר עפ"י הההנחה‬
‫הנם בלתי תלויים‪.‬‬
‫גדלים נגזרים אותם ניתן להציג בעזרת יוחסות (קשרים) אלגבריים של‬
‫גודלי בסיס‪ .‬מרבית הגדלים הפיסיקליים הנם גדלים נגזרים‪.‬‬
‫גדלי יסוד במכניקה‬
‫‪‬‬
‫במכניקה שלושת גודלי היסוד ע"פ בחירה הם ‪:‬‬
‫אורך ‪,‬‬
‫‪, L‬‬
‫‪‬‬
‫זמן ‪ ,‬מסה‬
‫‪M ,‬‬
‫‪T‬‬
‫כל הגדלים האחרים במכניקה‪ ,‬ניתן לתאר בעזרת‬
‫האורך‪ ,‬הזמן והמסה‪.‬‬
‫מהירות ‪,‬תאוצה‪ ,‬כוח‪ ,‬תנע‪ ,‬אנרגיה‬
‫‪,‬הנם גדלים נגזרים‪.‬‬
‫‪9‬‬
‫שיטת יחידות‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪10‬‬
‫לתורה פיסיקלית (מערכת גדלים פיסיקליים והקשרים ביניהם)‬
‫מתאימה שיטת יחידות‪ .‬כאשר שתי קבוצות או יותר של חוקרים‬
‫מודדות אותו גודל תוצאותיהן צריכות להיות זהות‪ .‬כדי שיהיה‬
‫אפשרי לדווח על התוצאות הכרחי לקבוע סטנדרטים‪ .‬הסטנדרט‬
‫הוא יחידה של גודל בסיס שמקובלת על כל החוקרים‪ .‬בוועידה‬
‫בינלאומית ב‪ 1960-‬הוסכם על שיטת יחידות‪-‬שיטת היחידות‬
‫הבינלאומית‪ ( SI-‬קיצור מצרפתית ‪Systeme International‬‬
‫‪ ) d'Unites‬שמבוססת על שבע יחידות בסיס‪.‬‬
‫בשיטת היחידות הבינלאומית ‪ SI‬היחידות של גודלי היסוד הן‪:‬‬
‫המטר )‪ -(m‬יחידת המידה של האורך‬
‫השנייה )‪ - (S‬יחידת המידה של הזמן‬
‫הקילוגרם )‪ - (kg‬יחידת המידה של המסה‬
‫במהלך הקורס אנו נשתמש בעיקר בשיטת היחידות ‪.SI‬‬
‫שיטת היחידות – ‪SI‬‬
‫גודל‬
‫מימד‬
‫יחידה‬
‫סמל‬
‫קיצור‬
‫אורך‬
‫‪L‬‬
‫מטר (‪(metre‬‬
‫‪M‬‬
‫מ'‬
‫מסה‬
‫‪M‬‬
‫קילוגרם (‪(kilograme‬‬
‫‪Kg‬‬
‫ק"ג‬
‫זמן‬
‫‪T‬‬
‫שנייה (‪(second‬‬
‫‪S‬‬
‫ש'‬
‫זרם חשמלי‬
‫‪I‬‬
‫אמפר (‪(Ampere‬‬
‫‪A‬‬
‫א'‬
‫טמפרטורה תרמודינמית‬
‫‪Θ‬‬
‫קלוין (‪(Kelvin‬‬
‫‪K‬‬
‫ק'‬
‫כמות חומר‬
‫‪N‬‬
‫מול (‪(mole‬‬
‫‪Mol‬‬
‫מול‬
‫עוצמה אורית‬
‫‪J‬‬
‫קנדלה )‪(candela‬‬
‫‪Cd‬‬
‫ק"ד‬
‫זווית מישורית‬
‫‪--‬‬
‫רדיאן )‪(radian‬‬
‫‪Rad‬‬
‫רד'‬
‫__________________________________________________________ר‬
‫ס"‬
‫‪Sr‬‬
‫סטרדיאן )‪(Steradian‬‬
‫‪-‬‬‫זווית מרחבית‬
‫‪11‬‬
‫הטבלה כוללת שתי יחידות משלימות (יחידות לוואי) שהן יחידות נגזרות חסרות‬
‫ממד‪ ,‬הרדיאן היחידה של זווית במישור והסטרדיאן היחידה לזווית מרחבית‪.‬‬
‫הגדרת יחידות‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫המטר הוגדר כמרחק בין שני קוים שסומנו על מוט אירידיום‪-‬פלטינום‬
‫שמאוחסן בתנאים מבוקרים בפאריס‪ .‬הגדרה זו נזנחה מסבות שונות אשר‬
‫העיקרית שבהן היא הדיוק המוגבל שבו ניתן לקבוע את המרחק שבין‬
‫הקווים‪ ,‬דיוק שאינו מספק את הדרישות כיום במדע ובטכנולוגיה‪.‬‬
‫הקילוגרם מוגדר כמסה של גליל העשוי מנתך של אירידיום‪-‬פלטינום‬
‫שנשמר בתנאים מבוקרים ב‪Sevres -‬בצרפת‪ .‬נתך של אירידיום פלטינום‬
‫משום שהוא יציב יותר‪ .‬יחידה משוכפלת של הק"ג נמצאת גם ב‪NIST--‬‬
‫‪National Institute of Standards and Technology‬ב‪Gaithersburg -‬‬
‫(מירילנד)‪.‬‬
‫‪12‬‬
‫הגדרת יחידות‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪13‬‬
‫השנייה הוגדרה במונחים של יום שמשי ממוצע של שנת ‪. 1900‬‬
‫יום שמשי מוגדר כפרק הזמן בין שתי הופעות שמשיות עוקבות של‬
‫השמש שמתאימות לנקודה הגבוה ביותר אליה מגיעה השמש בכל‬
‫יום‪ .‬השנייה מוגדרת כחלק ה‪ 86400-‬של יום שמשי ממוצע‪,‬‬
‫‪.S =(1/60)(1/60)(1/24) 1 Solar day‬‬
‫הגדרת השנייה כנ"ל אינה טובה משום שזמן סבוב הארץ משתנה‬
‫כפונקציה של הזמן‪ .‬הגדרה חדשה משנת ‪ 1967‬מתבססת על‬
‫הדיוק המרבי של שעון אטומי שבו קובעים את התדירות של קרינה‬
‫אופיינית של אטום צזיום ‪.(Cs133)133‬‬
‫השנייה‪-‬הגדרה תקנית ‪ :‬פרק הזמן של ‪919 263 177 09‬‬
‫מחזורים של הקרינה הנפלטת בין שתי רמות על דקות של מצב‬
‫היסוד של אטום צזיום ‪.)Cs133( 133‬‬
‫הצגה של גודל פיסיקלי‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ע"י מכפלה של מספר מודד (ערך מספרי) ושל יחידה סטנדרטית‬
‫(יחידת מידה)‪.‬‬
‫[יחידה] {מס' מודד} = גודל פיסיקלי‬
‫גודל פיסיקלי ‪ Q‬ניתן למדוד ביחידות שונות ‪:‬‬
‫]‪Q = {q1} [q1] = {q2} [q2] = {q3} [q3‬‬
‫‪=…..‬‬
‫כאשר הערכים המספריים השונים מייצגים שוב את הגודל של ‪Q‬‬
‫ביחידות הסטנדרטיות המתאימות‪.‬‬
‫‪‬‬
‫דוגמא‪-‬אורך שולחן )‪ .L = 1.90 m (meter) : (L‬המשמעות‬
‫הפיסיקלית של ההצגה הזאת היא שאורך השולחן גדול פי ‪1.90‬‬
‫מן האורך של המטר הסטנדרטי‪ .‬וביחידות אחרות ‪:‬‬
‫‪L = 1.90 m = 190 cm = 1900 mm = ….‬‬
‫‪14‬‬
‫יחידות אורך אחרות‬
‫פרסק‬
‫‪1 pc  3.09  1016 m‬‬
‫שנת אור‬
‫‪1 ly  9.46  1015 m‬‬
‫יחידה אסטרונומית‬
‫‪15‬‬
‫‪1 AU  1.50  1011 m‬‬
‫קילומטר‬
‫‪1 km  103 m‬‬
‫סנטימטר‬
‫‪1 cm  10-2 m‬‬
‫מילימטר‬
‫‪1 mm  10-3 m‬‬
‫מיקרון‬
‫‪1 m  10-6 m‬‬
‫ננומטר‬
‫‪1 nm  10-9 m‬‬
‫אנגסטרום‬
‫‪1 A o  10-10 m‬‬
‫פרמי‬
‫‪1 F  10-15 m‬‬
‫סקלרים‪ ,‬ווקטורים‪ ,‬טנזורים‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪16‬‬
‫גדלים סקלרים – גדלים שמוגדרים לחלוטין ע"י ערכם‬
‫הנומרי ביחידה סטנדרטית מתאימה‪.‬‬
‫גדלים ווקטורים – גדלים שמוגדרים לחלוטין אם ידוע‬
‫ערכם המספרי וכוונם‪ .‬הווקטורים בפיסיקה הם גדלים‬
‫בעלי תכונות גיאומטריות משותפות וכללים אלגבריים‬
‫משותפים של חיבור וחיסור‪ .‬יש גם גדלים פיסיקליים‬
‫שאינם סקלרים אן ווקטורים‪ .‬אופיים הגיאומטרי מורכב‬
‫יותר מזה של הווקטורים והם נקראים טנזורים‬
‫מימד של גודל פיסיקלי‬
‫‪‬‬
‫לתורה פיסיקלית מתאימה שיטת יחידות‪.‬‬
‫‪‬‬
‫לגודלי בסיס מתאימות יחידות בסיס‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫לגדלים נגזרים מתאימות יחידות נגזרות‪.‬‬
‫כל גודל פיסיקלי מבוטא בעזרת יוחסה (קשר אלגברי) שבין גודלי בסיס‪ .‬אם נשמיט את‬
‫האופי האלגברי של גודל פיסיקלי ואת הכופלים המספרים שלו נקבל את מימד הגודל‪.‬‬
‫‪ ‬מימד של גודל פיסיקלי ‪ a‬נסמן על ידי‪,‬‬
‫]‪A = dim a = [a‬‬
‫המימד הנו תכונה משותפת לכל הגדלים מאותו סוג‪ .‬כך הממד של רדיוס של הגלקסיה‪,‬‬
‫רדיוס השמש ואורך של השולחן הוא ממד של אורך‪ ,‬אותו נסמן ב‪.]L[-‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪17‬‬
‫במכניקה הממדים היסודיים הם (עפ"י בחירה) שלושה‪:‬‬
‫מסה [‪]M‬‬
‫‪,‬‬
‫‪ ,‬זמן [‪]T‬‬
‫אורך [‪]L‬‬
‫הממדים של הגדלים האחרים נגזרים מתוך שלושת הממדים האלה‪ .‬דוגמא‪-‬למהירות‪,‬‬
‫]‪V = dim v = [v] = [L/T] = [L] / [T‬‬
‫נשים לב ‪ :‬המימד אינו יחידת הגודל‪ .‬כך‪ ,‬יחידת המהירות היא מטר לשנייה (‪(m/s‬‬
‫בשוני מן המימד שהוא מימד אורך על מימד של זמן ]‪.]L] /[T‬‬
‫טבלת ממדים ויחידות‬
‫גודל‬
‫מימד‬
‫שיטת‬
‫יחידות ‪SI‬‬
‫שיטת‬
‫יחידות ‪CGS‬‬
‫‪18‬‬
‫מהירות‬
‫‪L‬‬
‫‪T‬‬
‫‪m‬‬
‫‪s‬‬
‫‪cm‬‬
‫‪s‬‬
‫תאוצה‬
‫‪L‬‬
‫‪2‬‬
‫‪T‬‬
‫‪m‬‬
‫‪2‬‬
‫‪s‬‬
‫‪cm‬‬
‫‪2‬‬
‫‪s‬‬
‫כוח‬
‫‪M L‬‬
‫‪2‬‬
‫‪T‬‬
‫‪kg m‬‬
‫‪s2‬‬
‫‪kg cm‬‬
‫‪2‬‬
‫‪s‬‬
‫אנרגיה‬
‫‪2‬‬
‫‪M L‬‬
‫‪T2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪kg m‬‬
‫‪s2‬‬
‫‪kg cm‬‬
‫‪2‬‬
‫‪s‬‬
‫כתיבה מקובלת של הערך המספרי של גדלים‬
‫• נוהג אירופאי ‪ -‬אין מפרידים בין קבוצות של ספרות בנקודות או בפסיקים‪.‬‬
‫מספרים עשרוניים ארוכים מחולקים לשלשות של מספרים על ידי רווח בין‬
‫השלשות‪.‬‬
‫• דוגמא מהירות האור ‪:‬‬
‫‪c = (299 794 200 +/- 1 900) m / s‬‬
‫‪= (299 794.2 +/- 1.9) km / s‬‬
‫מהירות האור ‪ c‬בריק הנה אחד מן הקבועים היותר בסיסיים בפיסיקה‪.‬‬
‫• ממהירות האור ‪ c‬כגודל בסיסי ומן האורך ניתן לגזור את הזמן ‪ .t‬זה הנוהג‬
‫בתורת היחסות‪ .‬או לחלופין מן המהירות ‪ c‬ומן הזמן ניתן לגזור את האורך‪.‬‬
‫זו למעשה השיטה העכשווית שבה נהוג להגדיר את המטר‪.‬‬
‫‪19‬‬
‫שיטת הקידומות‬
n
10
-n
10
n
1
d
deci
da
deka
2
c
centi
h
hecto
3
m
mili
k
kilo
6
m
mici
M
mega
9
n
nano
G
giga
12
p
pico
T
tera
15
f
femto
P
peta
18
a
atto
E
exa
21
z
zepto
Z
zeta
24
y
yocto
Y
yotta
20
‫מרחקים בפיסיקה‪-‬סדרי גודל‬
‫רדיוס היקום הנראה‬
‫‪21‬‬
‫‪1  10 26 m‬‬
‫קוטר הגלקסיה (שביל החלב)‬
‫‪7.6  10 20 m‬‬
‫מרחק בין שמש לארץ‬
‫‪1.5  1011 m‬‬
‫רדיוס השמש‬
‫‪6.96  109 m‬‬
‫רדיוס הארץ‬
‫‪6.37  10 6 m‬‬
‫רדיוס הירח‬
‫‪1.74  106 m‬‬
‫מרחק בין האלקטרון לגרעין באטום מימן‬
‫‪~ 1  10-10 m‬‬
‫רדיוס הגרעין של אטום מימן‬
‫‪~ 1  10-14 m‬‬
‫רדיוס של פרוטון‬
‫‪~ 1  10-15 m‬‬
‫מסות של עצמים‪-‬סדרי גודל‬
‫‪22‬‬
‫היקום הנראה‬
‫‪~ 1  1052 kg‬‬
‫שביל החלב‪-‬הגלקסיה‬
‫‪~ 1  1042 kg‬‬
‫שמש‬
‫‪1.99  1030 kg‬‬
‫ארץ‬
‫‪5.99  10 24 kg‬‬
‫ירח‬
‫‪7.36  10 22 kg‬‬
‫אטום מימן‬
‫‪1.67  10-27 kg‬‬
‫פרוטון‬
‫‪1.6725  10-27 kg‬‬
‫אלקטרון‬
‫‪9.11  10-31 kg‬‬
‫קטעי זמן אופייניים בפיסיקה‪-‬סדרי גודל‬
‫‪23‬‬
‫גיל היקום‬
‫‪5  1017 s‬‬
‫גיל הארץ‬
‫‪1.3  1017 s‬‬
‫שנה‬
‫‪3.2  107 s‬‬
‫מחזור גל שמע‬
‫‪~ 10 -3 s‬‬
‫מחזור גל רדיו‬
‫‪~ 10 -6 s‬‬
‫מחזור תנודה של אטום במוצק‬
‫‪~ 10-13 s‬‬
‫מחזור גל אור נראה‬
‫‪~ 10-22 s‬‬
‫זמן התנגשות גרעינית‬
‫‪~ 10-24 s‬‬
‫אבני בניין של החומר‬
‫כל החומרים בטבע מורכבים‬
‫ממולקולות‪.‬‬
‫מולקולות מורכבות מאטומים‪.‬‬
‫אטומים מורכבים מחלקיקים תת‪-‬‬
‫אטומיים‪:‬‬
‫אלקטרונים‬
‫גרעין אטומי‬
‫הגרעין האטומרי מורכב מנוקליאונים‪:‬‬
‫פרוטונים‬
‫נויטרונים‬
‫‪u u‬‬
‫‪d‬‬
‫הנוקליאונים מורכבים מקוארקים‪.‬‬
‫‪u d‬‬
‫‪d‬‬
‫‪24‬‬
‫טבלת מנדלייב ‪ -‬המיקום בטבלא קובע את התכונות הכימיות‬
‫‪25‬‬
‫צפיפות של חומרים שונים‬
‫חומר (סמל כימי)‬
‫צפיפות‬
‫)‪(10 3 kg m 3‬‬
‫פלטינום ) ‪(Pt‬‬
‫‪21.45‬‬
‫זהב ) ‪( Au‬‬
‫‪19.3‬‬
‫אורניום ) ‪( U‬‬
‫‪18.7‬‬
‫עופרת) ‪( Pb‬‬
‫‪11.3‬‬
‫נחושת ) ‪( Cu‬‬
‫‪8.92‬‬
‫ברזל ) ‪( Fe‬‬
‫‪7.86‬‬
‫אלומיניום ) ‪( Al‬‬
‫‪2.70‬‬
‫מגניזיום ) ‪( Mg‬‬
‫‪1.75‬‬
‫מים ) ‪( H2O‬‬
‫‪1.00‬‬
‫אויר‬
‫‪0.0012‬‬
‫‪26‬‬
‫צפיפות החומר‪-‬דוגמא לגודל פיסיקלי נגזר‬
‫• צפיפות מסה של חומר (כלשהו) מוגדרת כמסה ליחידת נפח אחת של החומר‪.‬‬
‫• צפיפות נסמן באות ‪( ρ‬האות היונית רוא)‪.‬‬
‫• הגדרה הנה אופרטיבית במובן זה שהיא מצביעה על האופן‬
‫שבו ניתן לקצוב את הגודל של הצפיפות‪ .‬אם הנפח והמסה של החומר‬
‫הנתון הם בהתאמה ‪ V‬ו‪ m-‬אזי‪,‬‬
‫‪ρ=m/V‬‬
‫• כלל ‪ :‬כל הגדרה של גודל פיסיקלי חייבת להיות אופרטיבית‪.‬‬
‫‪27‬‬
‫• מסה אטומית של אלמנט מוגדרת כמסה של אטום בודד‪.‬‬
‫נהוג לציין מסה אטומית ביחידות מסה אטומיות‪.‬‬
‫• יחידת מסה אטומית מוגדרת כחלק ה‪ 12-‬של אטום פחמן‪.‬‬
‫‪-27‬‬
‫‪kg‬‬
‫‪1 amu  1.660 538 7  10‬‬
‫המסה של פרוטון או נויטרון שוות בקירוב טוב ליחידת מסה אטומרית אחת‪ .‬קיים אפוא‬
‫קשר בין מספר המסה האטומי (המספר הכולל של פרוטונים ונויטרונים בגרעין האטום) לבין‬
‫מסת האטום‪.‬‬
‫• דוגמא‪-‬מסה של אטום ‪) Al27‬קרי אלומיניום ‪ – 27‬בגרעין האטומרי יש ‪ 13‬פרוטונים ו‪14 -‬‬
‫נויטרונים שהם ‪ 27‬נוקליאונים) הנה ‪ . ~27 amu‬חשוב לדעת ‪ :‬יחס המסות של ‪Pb 207‬‬
‫(עופרת ‪ )207‬ושל ‪ Al 27‬הנו ‪ .207/27 ~ 7.67‬לעומת זאת יחס הצפיפויות הוא‪:‬‬
‫) ‪ρ ( Pb ) 11.3  10 3 (kg/ m3‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 4.19‬‬
‫‪3‬‬
‫‪3‬‬
‫) ‪ρ ( Al ) 2.7  10 (kg/ m‬‬
‫הפער ביחסים האלה נובע מן השוני במרווחים הבין‪-‬אטומרים של המבנה הגבישי של שני‬
‫האלמנטים‪.‬‬
‫‪28‬‬
‫•‬
‫היחידה הקטנה ביותר של החומר היא המולקולה‪.‬‬
‫• המספר המולקולרי הוא סכום מספרי המסה של האטומים מרכיבי המולקולה‪.‬‬
‫במולקולה של מים ‪ H2O‬שני אטומי מימן שמספר המסה של כל הוא ‪ , 1‬ואטום חמצן אחד‬
‫שמספר המסה שלו ‪ .16‬לכן המשקל המולקולרי שווה ל‪. 1+1+16 = 18 -‬‬
‫• הגרם מול ‪ -‬היחידה של כמות חומר ‪ -‬מוגדרת ככמות חומר השווה למספר המוליקולרי של‬
‫החומר כשהוא מבוטא בגרמים‪ .‬במול חומר ‪ ,‬של כל חומר‪ ,‬יש מספר מולקולות זהה השווה‬
‫‪23‬‬
‫למספר אבוגדרו‪,‬‬
‫‪N A  6.02  10‬‬
‫• דוגמא ‪ -‬מספר המולקולות בליטר מים‪ .‬המסה של ליטר מים הנה ‪.1 kg = 1000 gr‬‬
‫המשקל המוליקולרי של מים שווה ל‪ .m =18 -‬מכאן מספר המולים בליטר מים הוא‪,‬‬
‫‪n = 1000 gr / 18 = 55.556 mol‬‬
‫ומספר המוליקולות בליטר מים ‪:‬‬
‫‪25‬‬
‫‪29‬‬
‫‪N  n N A  55.556  6.02  10  3.34  10‬‬
‫‪23‬‬
‫פיתרון מקורב‪-‬סדר גודל‬
‫• לעיתים בדיקת רעיון או פיתרון מדויק של בעיה כרוכים בחישובים ארוכים ומיגעים‪.‬כדי‬
‫לבדוק את נכונותו של רעיון או אם גישה לפיתרון בעיה הנה נכונה‪ ,‬נכון לחפש פיתרון‬
‫מקורב אשר הצלחתו או אי הצלחתו תקבע אם כדאי או לא כדאי להשקיע זמן ועבודה‬
‫בפיתרון מפורט ומדויק יותר‪.‬‬
‫• פיתרון מקורב מתבסס בד"כ על הנחות שאותן יש לשנות או לבטל בפיתרון המדויק‬
‫של הבעיה‪ .‬אנו נתייחס לפיתרון כחישוב סדר גודל או הערכה אשר משמעותם תתבהר‬
‫מאוחר יותר‪.‬‬
‫• גודל פיסיקלי ניתן לכתוב בצורה מקורבת כחזקה של ‪ . 10‬כך את הצפיפות של אויר‬
‫נתן לקחת כ‪-‬‬
‫‪  0.0012 10 3 kg m -3‬‬
‫‪~ 1 kg m -3‬‬
‫הסימן " ~ " מציין "סדר גודל" ‪.‬‬
‫‪30‬‬
‫כדוגמה נחשב את מספר הנשימות שאדם מבצע בשנות חיו‪.‬‬
‫אדם חי בממוצע ‪ 70‬שנים והוא נושם בממוצע ‪ 10‬נשימות בדקה‪ .‬נמצא תחילה מספר‬
‫דקות בשנה‪.‬‬
‫)‪1 yr  1yr (365 day / 1 yr) (24 hr / day)(60 min / 1 hr‬‬
‫)‪~ 1yr (400 day / 1 yr) (25 hr / day)(60 min / 1 hr‬‬
‫‪ 4 x 25 x 100 x 60 min  6x 100x 1000 min  6 10 5 min‬‬
‫אם כן מספר הדקות בשנה הנו מסדר גודל של‪,‬‬
‫‪1 yr ~ 6  10 5 min‬‬
‫ומספר הנשימות שאדם נושם בממוצע ב‪ 70 -‬שנים יהיה‪,‬‬
‫‪N  70  10  6  10 5  42  10 7 ~ 4  10 8‬‬
‫אם כן מספר הנשימות שאדם עושה בממוצע בשנות חיו הנו מסדר גודל של ‪~ 10 8 - 10 9 ,‬‬
‫‪31‬‬
‫אנליזה של מימדים‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫באנליזה של ממדים אנו מתייחסים למימדים כאל גדלים אלגברים‪ .‬נוסחה או יוחסה‬
‫בין גדלים פיסיקליים חייבת לקיים אחר התנאי שהממד של הביטוי באגף שמאל של‬
‫הנוסחה יהיה זהה למימד של הביטוי באגף ימין‪ .‬קיום התנאי הזה אינו מבטיח‬
‫שהנוסחה הנה נכונה אבל אי קיומו הנו תנאי מספיק להבטיח שהיא אינה נכונה‪.‬‬
‫דוגמה ‪ :‬פונקצית מקום‪-‬זמן של גוף שנע בתאוצה קבועה נתונה ע"י ‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪x(t)  x 0  a t‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫ההפרש באגף שמאל מייצג את הדרך שהגוף עושה מן הנקודה )‪ X0=(t=0‬אל‬
‫הנקודה )‪ X(t‬בפרק הזמן )‪ .(0,t‬הממד של אגף שמאל הוא אפוא של אורך‪ .‬נראה‬
‫שגם לביטוי באגף ימין יש ממד של אורך‪.‬‬
‫‪[ 12 a t 2 ]  [a][t 2 ] / [2]  ( L / T 2)( T 2)  L‬‬
‫‪‬‬
‫אנאליזה של ממדים מאפשרת לבדוק תוצאה ו‪/‬או לפתח יוחסה בין גדלים‬
‫פיסיקליים‪ .‬בדוגמה לעיל יכולנו להניח יוחסה כללית יותר‪ ,‬שבה מופיעים כל הגדלים‬
‫הקינימטיים – המקום‪ ,‬הזמן‪ ,‬המהירות‬
‫והתאוצה‪,‬‬
‫‪m‬‬
‫‪32‬‬
‫‪x(t)  x 0 ~ v t  a t‬‬
‫‪n‬‬
‫‪l‬‬
‫‪k‬‬
‫אנליזה של מימדים (המשך)‬
‫‪‬‬
‫לכל אחד מן המחוברים באגף ימין צריך שיהא מימד ‪x(t)  x 0 ~ v k t l  a n t m‬‬
‫של אורך‪.‬‬
‫עבור מחובר ראשון ‪:‬‬
‫]‪[v t ]  [ v] [t‬‬
‫‪k‬‬
‫‪l‬‬
‫‪l‬‬
‫‪k‬‬
‫‪ ( TL ) k ( T)l  Lk T (l-k)  L‬‬
‫‪k  1; l  k‬‬
‫‪‬‬
‫ועבור המחובר השני נקבל‪,‬‬
‫]‪[a t /2]  [a] [t‬‬
‫‪m‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪n‬‬
‫‪m‬‬
‫‪n‬‬
‫‪ ( TL2 ) n ( T) m  Ln T (m-2n)  L‬‬
‫אם כן ההעתק של כפונקציה של הזמן חייב‬
‫להיות מן הצורה‪,‬‬
‫‪2n - m  0 ; m  2 , n  1‬‬
‫‪ 33‬את הפקטור ‪ 1/2‬ניתן לקבל משיקולים אחרים‪.‬‬
‫‪x(t)  x 0  vt  12 a t 2‬‬
‫אנליזת מימדים‪-‬התאוצה בתנועה מעגלית קצובה‬
‫‪‬‬
‫תנועה על מסילה מעגלית מאופיינת ע"י שני גדלים‪ ,‬רדיוס‬
‫המסילה ‪ r‬והמהירות המשקית ‪ .v‬אנו יכולים לנחש אפוא‬
‫שהתאוצה היא מן הצורה‪,‬‬
‫‪a  k r n vm‬‬
‫‪[a]  [k r n v m ]  [k][r] n [v] m‬‬
‫‪‬‬
‫אנליזה של מימדים‪:‬‬
‫‪‬‬
‫שפתרונה‪,‬‬
‫‪‬‬
‫יוצא שהתאוצה היא‬
‫] [ ]‪ [k][L‬‬
‫‪L m‬‬
‫‪T‬‬
‫‪n‬‬
‫‪ 1 [L] n  m / [T] m‬‬
‫‪ L T -2‬‬
‫‪n  m  1 ; m  2 , n  -1‬‬
‫‪34‬‬
‫‪a  k v 2/ r‬‬
‫• מניתוח קינימטי מפורט של הבעיה אנו נראה בשלב מאוחר יותר כי אם נמדוד‬
‫מהירות ב‪ (m / s) -‬ואת התאוצה ב‪ (m / s 2) -‬נקבל ‪.k = 1‬‬
‫• בשיטת יחידות לא קוהרנטית לקבוע הפרופורציה יהיה ערך נומרי אחר‪.‬‬
‫• נדגים זאת‪ .‬במקרה שבו יחידת המהירות היא )‪ (km / hr‬קיים‪,‬‬
‫‪1(m /s)  (10 km )/(1 / 3600)(s/h)  3.6 km/hr ‬‬
‫‪-3‬‬
‫• אם נציב ייחס זה בביטוי שרשמנו לתאוצה נקבל‪,‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪v2‬‬
‫‪v‬‬
‫‪a ‬‬
‫‪(m / s 2 ) ‬‬
‫) ‪(10 -3 km ) / (hr /3600‬‬
‫‪r‬‬
‫‪r‬‬
‫‪ 1.296  10 4 v 2 / r‬‬
‫יש לזכור שבביטוי הזה המהירות נתונה ב‪ km / hr -‬ו‪ r -‬ב‪.km -‬‬
‫‪35‬‬
‫תרגיל ‪ :‬איזה מבין היוחסות הבאות הן יוחסות אפשריות ‪,‬‬
‫)‪; x  (2 m) cos (kx‬‬
‫‪vf  vi  ax‬‬
‫כדי לענות על השאלה נשתמש באנליזה של מימדים‪ .‬נבדוק אם המימד של אגף‬
‫שמאל זהה למימד של אגף ימין‪ .‬לגבי הנוסחה הראשונה‪,‬‬
‫‪[v ]  L‬‬
‫‪f‬‬
‫] ‪[v i  a x]  [v i ]  [a ] [ x‬‬
‫‪‬‬
‫)‪ (L/T)  (L/T 2 )(L‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪ (L/T)  (L/T‬‬
‫הנוסחא אינה אפשרית וזאת משום שהמימד של אגף שמאל שונה מן המימד של אגף‬
‫ימין‪ .‬החיבור בין שני המחוברים באגף ימין גם הוא אינו אפשרי משום שאין להם אותו‬
‫המימד‪ .‬ככלל המימדים של אגף ימין ואגף שמאל חייבים להיות מוגדרים היטב וזהים‬
‫כמו כן כל המחוברים שמופיעים באגף ימין ובאגף שמאל בהכרח שיהיו מימדיהם‬
‫זהים‪.‬‬
‫הנוסחה השנייה היא אפשרית; לשני האגפים מימד של אורך‪,‬‬
‫‪[ x ] = [(2 m)] [cos (kx)] = L‬‬
‫‪ 36‬נשים לב הארגומנט ‪ kx‬הוא חסר מימד‪ .‬הוא נתון ברדיאנים‪.‬‬
‫תרגיל‬
‫השתמש באנאליזה של מימדים כדי להראות כי הכוח שפועל על כדור‬
‫שנופל בתוך נוזל צמיג הנו מן הצורה‪,‬‬
‫‪F=6πηrv‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫‪37‬‬
‫‪ -η‬הנו קבוע הצמיגות של הנוזל‬
‫‪ - r‬רדיוס הכדור‬
‫‪ -v‬מהירות הכדור‬
‫שיטת היחידות הבינלאומית‪-‬היחידות וסמליהן‬
‫שיטת יחידות קוהרנטית ‪ -‬אם כל היחידות הנגזרות‬
‫מוגדרות ע"י יוחסות אלגבריות אנלוגיות להגדרת הגדלים‬
‫בלי כופלים מספריים‪ .‬שיטת היחידות ‪(CGS‬סג"ש) שבה‬
‫מודדים אורכים בסנטימטר‪ ,‬מסה בגרם וזמן בשנייה היא‬
‫שיטה קוהרנטית‪.‬‬
‫ה‪ SI -‬הינה שיטה לא קוהרנטית‪.‬‬
‫‪38‬‬