תדריך מעבדה לפיזיקה
Transcription
תדריך מעבדה לפיזיקה
מכון טכנולוגי לישראל- הטכניון TEC H N IO N - IS R AEL IN S TITU TE O F TEC H N O LO GY DEPARTM ENT OF PRE -UNIVERSITY STUDIES היחידה ללימודים קדם אקדמיים _____________________________________________________________________________________ תדריך מעבדה לפיזיקה 2015 מרץ TECHNION CITY, HAIFA 32000, ISRAEL :אלקטרוני ישראל ,32000 חיפה ,הטכניון דואר, FAX: 972-4-8225023 TEL: 972-4-8294536,7 :'טל E- M AIL: K D AM @TX .TEC H N IO N .AC .IL :פקס תוכן פרק – Iהקדמה. הנחיות כלליות . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . דו"ח הכנה 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ציון מעבדה 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . מדידת גדלים פיזיקליים ,יחידות ושגיאות מדידה 4 . . . . . . . . . טבלאות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 גרפים 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . פרק – IIניסויים במכניקה. ניסוי .1נפילת גופים ( פגישה 17 . . . . . . . . . . . . . . . ) I ניסוי .2נפילת גופים ( פגישה – IIלימוד אקסל ) . . ניסוי . 3החוק השני של ניוטון (שיעור כפול) . . . . . ניסוי . 4חוק הוק . 23 . . . . . . . 31 34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ניסוי . 5חוק שימור תנע בשני ממדים 41 . . . . . . . . . . . . . . ניסוי . 6תנועה הרמונית פשוטה בקפיץ. . . . . . . . . . . . . ניסוי .7גלים במיתר (ניסוי בביצוע עצמי) . . . . . . . . . . . 51 57 . פרק – IIIניסויים בחשמל מכשירים חשמליים 61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ניסוי . 8מיפוי שדה חשמלי . . . . . . . . 63 . . . . . . . . . . ניסוי .9חוק גאוס . . . . . . . . . . . . . . . ניסוי .11מעגל חשמלי (חוק אוהם) . . . . . 72 . . . . . . . . . . . . ניסוי .11כא"מ ,התנגדות פנימית והספק במעגל חשמלי . 76 . . 82 . . . . . . ניסוי .12טעינת קבל (ניסוי בביצוע עצמי) 86 . . . . . . . . . . . . ניסוי .13שדה מגנטי במרכז סליל (ניסוי בביצוע עצמי) 91 . . . . . . . פרק – IVניסויים באופטיקה ניסוי .14שבירה והחזרה של אור במעבר מתווך לתווך (חוק סנל) . . ניסוי .15עדשה דקה (ניסוי בביצוע עצמי) ניסוי .16ספקטרומטר סריג . . . 95 . . . . . . . . . . 111 . . . . . . . . . . . . . 116 נספחים: נספח .1דו"ח מסכם לדוגמא לניסוי " 1נפילת גופים". נספח .2יחידות מדידה. נספח .3חוקי מרפי למעבדה. הערה: באתר המכינה ישנה תיקייה של מע בדה ל פיזיקה ,שבתוכה נמצאת חוברת המעבדה הזאת. h t t p : / / w w w . m e c h i n a . t e c h n i o n . a c . i l / h e / m e c h i n a / i n d e x. h t m l 1 פרק - Iה ק ד מ ה. נוהל עבודה במעבדה הנחיות כלליות. .1לימוד במעבדה כולל 16ניסויים ,המחולקים ל 3-קבוצות :ניסויים במכניקה ,ניסויים בחשמל ,ניסויים באופטיקה. .2קיימים שני סוגים של הניסויים: ניסויים רגילים – בהם מדריך מסביר את הביצוע בתחילת השיעור ועוזר במהלכו, ניסויים ב ביצוע עצמי (ניסויים מס' – )15 ,13 ,12 ,7שהם בעצם מבחנים ,ומתבצעים ללא הסברים בתחילת השיעור וללא עזרת המדריך בזמן השיעור. .3תלמידים מבצעים את הניסויים בזוגות קבועים .על כל זוג התלמידים לעבוד תמיד באותה עמדה (שולחן). תלמיד ללא בן זוג רשאי להצטרף לתלמיד בודד אחר בקבוצתו או בקבוצה השנייה במידה ויש או לעבוד לבד בהדרכה מיוחדת של המדריך. .4משך שיעור מעבדה הוא שעתיים ,פרט לניסויים ארוכים יותר ("החוק השני של ניוטון"" ,חוק הוק"" ,תנועה הרמונית בקפיץ"" ,חוק גאוס"" ,חוק אוהם"" ,כא"מ"" ,עדשה דקה") ,שיארכו עד שעתיים וחצי. .5אין לאחר למעבדה! תלמיד המאחר לתחילת שיעור מעבדה לא יורשה לבצע את הניסוי עם כיתתו ,הוא יצטרך להשלים אותו במועד ההשלמות. שימו לב! מעבדות המתקיימות בשיעור הראשון יחלו בשעה ,8:00בשיעור השני יחלו בשעה ,10:15 בשיעור השלישי יחלו בשעה ,12:30ובשיעור הרביעי יחלו בשעה ,14:45 זאת אם לא נכתב אחרת במערכת השעות השבועית. .6יש לבוא לכל מעבדה מצויד בכלי כתיבה ,ניירות כתיבה ("פוליו") ,מחשבון ,תדריך מעבדה ,דו"ח הכנה לניסוי (ראה הסבר בהמשך 6ג') .לניסוי ראשון בלבד תצטרכו נייר מילימטרי בגודל 3( A4דפים כל תלמיד) וסרגל שקוף באורך 30סמ'. .7על התלמיד להתכונן לכל ניסוי ולהיות מוכן להיבדק על נושא הניסוי ע"י מדריך. ההכנה לניס וי כוללת: א .לימוד הרקע התיאורטי לניסוי מתוך התדריך ,חומר הלימוד בכיתה ,וספרי הלימוד. ב .הבנת מהלך הניסוי לפרטיו .במידה והסבר לניסוי מסויים בחוברת לא ברור ,יש לפנות למעבדה לקבלת עזרה בהבנה לפני מועד הביצוע). ג .כתיבת דו"ח הכנה ע"י כל תלמיד לפי דוגמה לדו"ח הכנה לניסוי ראשון בנספח ( 1עמוד )Iבסוף החוברת ולפי הסבר בעמוד .2כל תלמיד כותב דו"ח הכנה לבד ובנפרד מבן זוגו – על דו"חות הכנה זהים יינתן ציון .0 במעבדה – חדר – 116ניתן לקבל עזרה בהכנה לכל ניסוי כולל ניסוי בביצוע עצמי. תלמיד שיגיע לא מוכן לא יורשה לבצע את הניסוי עם כיתתו ויצטרך להשלים אותו במועד ההשלמות ( בתשלום )₪ 50וציונו הסופי בניסוי זה יופחת בהתאם להחלטת המדריך. 2 בדו"ח ההכנה אמורים להופיע לפי הסדר המרכיבים הבאים: שם הניסוי (לפי התדריך). מטרת הניסוי (לפי התדריך). מהלך הניסוי :תיאור קצר ותמציתי בשפה חופשית המתאר את המהלך הצפוי של הניסוי ושיטות המדידה( אין להעתיק את מהלך הניסוי מהתדריך!). תשובות לשאלות ההכנה ותרגילי ההכנה שמופיעים בתדריך הניסוי. נוסחאות הדרושות לביצוע הניסוי ,כולל פיתוח במידה ויש צורך. מסקנות צפויות וגרפים צפויי ם (שרטוט ביד חופשית). נקודות לתשומת לב ושגיאות מדידה צפויות. .8יש למסור את דו" ח ההכנה מיד עם תחילת השיעור למדריך לצורך רישום נוכחות .תלמיד ,שלא ימסור את הדו"ח בזמן ,ייחשב כנעדר מהשיעור .לאחר הרישום על התלמיד לדאוג לקבלת הדו"ח ולצרפו לדו"ח המסכם. .9במשך שיעור המעבדה יש לבצע את המדידות של כל חלקי הניסוי ,לעבד את התוצאות ולכתוב דו"ח עבודה בצורה מסודרת ,ברורה ומפורטת לפי דוגמה לדו"ח עבודה לדוגמה לניסוי ראשון (ניספח 1עמוד .)III כל זוג תלמידים צריך לכתוב דו"ח עבודה אחד. .10בדו"ח העבודה אמורים להופיע לפי הסדר המרכיבים הבאים: רישום נתוני מדידות (בטבלאות או בצורה אחרת) כולל הסברים, ניתוח תוצאות כולל עיבוד נתונים וחישובי גדלים פיזיקאליים הדרושים להשגת מטרת הניסוי, סיכום תוצאות ומסקנות מהניסוי.נפרט את הסעיפים: א .נתוני המדידות רושמים בטבלאות בגליון ( Excelפרט לניסוי - )1ראה סעיף "טבלאות" בפרק זה והסברים לבניית טבלאות ב Excel-בניסוי .2 בכותרת כל טבלה יש לציין מספר הטבלה ,חלק הניסוי אליו מתייחסות התוצאות ,תנאי המדידה. דוגמא" :טבלה מס' .1נתוני מהירות רגעית וזמן עבור כוח מאיץ ".F=5.88N יש להקפיד מאוד לרשום יחידות לכל גודל פיסיקלי ולא לערבב מערכות יחידות במהלך ניסוי אחד! יש לתת הסברים לביצוע מדידות ובחירת פרמטרים הניסי (במידה ויש צורך). ב .עיבוד נתונים אמור לכלול את שרטוטי הגרפים (עם הכותרות בהתאם לטבלאות) ב ,Excel-חישובי גדלים פיזיקאליים על סמך הגרפים ,הערכת השגיאות המדידה והתחשבות בהן. חשוב לציין את הצפוי על פי הרקע התיאורטי ,להשוותו למתקבל מהניסוי ולחשב סטייה באחוזים. ג .לסיכום יש לכתוב מסקנות מהניסוי .בסעיף זה יש: להסביר את התוצאות שהתקבלו ,האם הן מתאימות לערכים הצפויים ,אם לא -מדוע. להתייחס לסיבות האפשריות לשגיאות המדידה ולחשב את הסטיות בתוצאות בהתאם לאותן השגיאות. להשוות את שיטות המדידה השונות ולחשב את הסטייה ביניהן ,להעריך איזו שיטה עדיפה ומדוע,ואולי אף להציע דרך לשיפור שיטת המדידה. מסקנות יכולות להיות איכותיות (ראינו ש ..ולכן אנו מבינים כי ,) ...או כמותיות (קיבלנו תוצאה ...ולכן אנו מבינים כי ,)...אך חייבות להיות בהתאם למטרות הניסוי ולתוצאות שהתקבלו. ניסוי ללא מסקנות הוא חסר משמעות! 3 .11בתום הניסוי יש להגיש את הדו"ח המסכם למדריך (כל זוג מגיש דו"ח מסכם אחד). סעיפי הדו"ח המסכם צריכים להופיע אחד אחרי השני לפי הסדר הענייני: דף ניסוי (שיחולק בכיתה) ,שני דו"חות הכנה של בני זוג ,דו"ח עבודה שנעשה בכיתה וכולל לפי הסדר טבלאות, גרפים ,חישובים ,מסקנות. .12בדף ניסוי יש לרשום את :שם הניסוי ,תאריך ,מספר העמדה ,שמות בני הזוג ,כיתה ,קבוצה ,שמות המדריכים והערות לכל עניין הקשור בניסוי -במידה ויש .על גבי אותו דף ירשום המדריך את שמו והערכתו (ציון). ציון מעבדה. א .בכל ניסוי יי ערך מעקב אחר ההתקדמות של כל אחד מהתלמידים על פי של ו שה קריטריונים הבאים: .1הכנה לניסוי מתוך התדריך וחומר הלימוד השייך לעניין (הבנה מטרת הניסוי ,ציפיות תיאורטיות ומהלך הניסוי). .2עבודה בכיתה ( אופן ביצוע ניסוי ים ,הבנה והש תתפות בביצוע). .3כתיבת דו"ח מסכם כולל שליטה בתוכנת מחשב "אקסל". ב .ציון סופי במעבדה ייקבע לפי חישוב הבא: - 30%ממוצע ציוני דוחות מסכמים בניסויים רגילים. - 20%ציון מדריך -הכנה ועבודה בניסויים רגילים. - 50%ממוצע ציוני 4ניסויים בביצוע עצמי. ג .ציון דו"ח מסכם זהה יינתן לזוג התלמידים ,פרט למקרה שדו"ח ההכנה של אחד מבני הזוג לא עונה לכל הדרישות. ציון דו"ח מסכם יהיה ציון הערכה (מצוין ,טוב מאוד ,טוב ,כמעט טוב ,מספיק ,לא מספיק ,בלתי מספיק). ד .ציון על הכנה לניסויים ועבודה בכיתה תיעשה ע"י שאלות ותצפיות של המדריך בזמן ביצוע ניסוי (ציון מדריך בכיתה). ה .ציון סופי בניסוי יהיה ממוצע משוקלל בין ציון מדריך בכיתה (על הכנה ועבודה) וציון דו"ח מסכם. ו .יש לבצע את כל הניסויים שבתדריך .אי -ביצוע ניסוי תגרום להורדת 7נקודות מהציון הסופי במעבדה. ז .ניסוי שבו תלמיד נמצא מעתיק ייפסל ומציונו הסופי של התלמיד יורדו 7נקודות. ח .ניסוי שלא בוצע ניתן להשלימו במועדי השלמות .תלמיד שלא יבצע (ולא ישלים) שלושה ניסוים יקבל ציון סופי 0במעבדה .לא ניתן להשלים יותר משלושה ניסויים. נהלי השלמות מעבדה א .במשך הלימודים יתקיימו 3מועדי השלמה לניסויים .מועד מדויק ושמות התלמידים הנדרשים להשלים ניסוי יפורסמו על לוחות המודעות בחדרי הכיתות כשבוע לפני מועד ההשלמה. ב .על כל תלמיד המבקש להשלים ניסוי להירשם אצל יועצת במזכירות המכינה .ההרשמה מתבצעת ע"פ קבלה על תשלום עבור ההשלמה (.)50₪ ג .זכות ההשלמה תקפה רק למועד שאליו התלמיד נרשם .השלמת הניסוי במועד אחר יחויב בתשלום נוסף. ד .תלמיד שלא ביצע ניסוי במועד מסיבה מוצדקת (באישור היועצת) רשאי להשלימו ללא תשלום ,אך רק במועד שאליו התלמיד נרשם. ה .ניתן לבצע השלמות במועדים מיוחדים בתיאום עם צוות המעבדה ,בעלות של .200₪ 4 עבודת מעבדה המטרות העיקריות של עבודה במעבדה לפיזיקה הן: א .התנסות מעשית בחוקי הפיזיקה. הנוסחאות שלומדים בפיזיקה מתארות מקרים אידיאליים למצבים שאין בהם השפעות חיצוניות נוספות. בניסויי המעבדה נבדוק מה מידת הסטייה של מערכות ממשיות מהאידיאל ,וננסה לאתר את הגורמים שאחראים לסטיות ושגיאות המדידה הנ"ל ושלא נלקחו בחשבון מראש. ב .הכרת שיטות מדידה שונות ,והקניית דרכי עבודה בסיסיות במחקר מדעי והנדסי כללי. ג .לימוד צורת כתיבת דו"ח על עבודה שבוצעה (גם ביד וגם בעזרת מחשב). מדידת גדלים פיזיקליים ,יחידות ושגיאות מדידה. כאשר רושמים את ערכו של גודל פיז יקלי שמדדנו או חישבנו ,יש לציין שני פרטים חשובים ,אשר בלעדיהם אין משמעות לערך הרשום :יחידות פיזיקליות ושגיאת המדידה. יחידות פיזיקליות. גודל פיזיקלי אינו מספר טהור בעל ערך מוחלט ,אלא יש לו מימדים פיזיקליים. ערכו המספרי של גודל פיזיקלי תלוי במערכת היחידות היסודיות המבטאות את הממדים, לכן יש לציין ליד כל ערך מספרי של גודל פיזיקלי את היחידות בהן הוא נמדד. קיימות שתי מערכות יחידות עיקריות :המערכת הסטנדרטית ( M.K.S.מטר,קילוגרם ,שנייה) והמערכת הפיזיקלית ההיסטורית ( C.G.S.סנטימטר ,גרם ,שנייה) .ראה נספח 2ליחידות מדידה בסוף החוברת. בתחילת כל ניסוי יש לבחור את מערכת היחידות ולא לשנות אותה במשך הניסוי, כי ערבוב יחידות ממערכות שונות בחישוב אחד יגרום לטעות בחישוב ולקבלת תוצאה מספרית שגויה. דוגמא .1 בחישוב כוח מאיץ לפי החוק השני של ניוטון במערכת M.K.S.מקבלים. F ma 1[kg] 1[m / s 2 ] 1[ N ] : g cm אותו כוח במערכת C.G.S.שווה] 10 5 [dyn] : s2 [. F ma 1000[ g ] 100[cm / s 2 ] 100 000 מסקנה – חובה לציין יחידות ,כי במערכות שונות אותו כוח מקבל ערך אחר. אם בזמן ביצוע ניסוי של החוק השני של ניוטון בטעות נערבב יחידות ממערכות שונות נקבל טעות בחישוב מסת F ] 18[ N kg m s 2 3.315[ 2 ] 3.315kg , m מערכת הניסוי ,כלומר ,במקום החישוב הנכון: ] a 5.43[m / s 2 s m נקבל חישוב שגוי (היחידות לא מצטמצמות): F ] 18[ N kg m s 2 kg m m 0 . 03315 [ [] 0.03315 ] 2 2 ] a 543[cm / s cm s cm 5 שגיאות מדידה. אין גודל שנמדד בדיוק מוחלט .לכל מדידה תהיה שגיאה מסויימת בהתאם למכשיר המדידה ותנאי הניסוי. דוגמא :2 דיוק מדידה בסרגל רגיל לפי גודל שנתה הוא לפחות מילימטר ,לכן תוצאת מדידה בעזרתו יש לרשום בצורה הבאה: .L=(4.70.1)cm .1הערכת שגיאות מדידה. השגיאה המינימלית של מכשיר מדידה היא בדרך כלל שנתה אחת (או חצי שנתה ,במקרה שהשנתות גדולות). זו איננה בהכרח שגיאת המדידה הממשית. לפעמים תנאי המדידה לא מאפשרים קביעה מדוייקת של נקודת המדידה (לדוגמה :מיקום נקודה "עבה" ,אורכו של עצם רועד ,מרחק מוקד של עדשה) .במקרים אחרים המדידה לא יציבה (קריאת מתח משתנה) .לעיתים מכשיר המדידה או צורת המדידה לא מאפשרים דיוק טוב (מחוג המכשיר רחב יותר מסימון השנתות ,חוסר אפשרות להתקרב לקריאה מדוייקת). במקרים כאלה יש להעריך את הקריאה המינימלית והמכסימלית של התחום שבתוכו נמצאת הנקודה המבוקשת. ערך המדידה יהיה אמצע התחום הזה וגודל השגיאה יהיה מחצית התחום. .2סוגי שגיאת מדידה ומקורותיה. קיימים שני סוגי שגיאה עיקריים: א .שגיאה מקרית -אקראית היא השגיאה הנובעת מסיבות אקראיות או בלתי ידועות .הגודל הנמדד הוא בעל סיכוי שווה להיות מעל או מתחת לגודל האמיתי. דוגמא :3במדידת זמן על ידי שעון עצר נמדוד לעתים זמן קצר מדי ולעתים זמן ארוך מדי. סיבות לשגיאה אקראית יכולות להיות שונות ,למשל: אי-דיוק באופן מדידה ,חוסר יציבות של מערכת המדידה או חוסר יציבות של המערכת הנמדדת. ב .שגיאה שיטתית: שגיאה הנובעת מגורם כלשהו בניסוי המסיט את התוצאות תמיד באותו כיוון .שגיאה זו נובעת מפגמים במכשירי המדידה או בשיטת המדידה עצמה .בדרך כלל סיבת הסטייה איננה ידועה ,אחרת אפשר היה להתחשב בה ולקזז אותה. דוגמאות :4 .1שעון עצר "ממהר" ייתן תמיד סטייה לכיוון אחד ונמדוד זמנים קצרים מדי. . 2במידה ומסתכלים על הסרגל מהצד (לא ממול לשנתות) במדידת המרחק נקבל שגיאה שיטתית. .3שינוי טמפרטורה עלול להשפיע על מכשיר המדידה בכיוון מסוים. .3שגיאה מוחלטת ושגיאה יחסית. א .שגיאה מוחלטת: שגיאה קבועה לכל גודל של מדידה .למשל במדידות ע"י סרגל ,לכל אורך שנמדוד תהיה שגיאה מוחלטת 0.1ס"מ. דוגמא L2=(52.30.1)cm :5 ; . L1=(4.70.1)cm 6 ב .שגיאה יחסית: היחס בין השגיאה המוחלטת של המדידה לגודל אותו אנו מודדים .שגיאה יחסית היא חסרת מימדים. עבור L1מדוגמא 5השגיאה היחסית היא 0.1 4.7 0.021 ועבור L2השגיאה היחסית היא 0.1 52.3 . 0.002 את השגיאה היחסית נהוג להכפיל ב 100%-ולקבל שגיאה באחוזים: עבור L1השגיאה היחסית באחוזים היא 0.1 100% 2.1% 4.7 ונוכל לרשום , L1=4.7 cm 2.1% עבור L2השגיאה היחסית באחוזים היא 100% 0.2% 0.1 52.3 ונוכל לרשום .L2=52.3 cm 0.2% בדרך כלל שגיאה יחסית נותנת מדד טוב יותר לדיוק המדידה .בדוגמא שנתנו למרות שהשגיאה המוחלטת הייתה שווה בשני המקרים ,השגיאה היחסית בגודל L2קטנה בהרבה מהשגיאה היחסית ב , L1-לכן מדידת L2 מדוייקת יותר. .4דרכים לצמצום שגיאה אקראית. א .מדידה חוזרת: אם מבצעים אותה מדידה פעמים אחדות ,חלק מהתוצאות תהיינה גבוהות מדי וחלקן נמוכות מדי בגלל שגיאות אקראיות .ממוצע חשבוני של כל תוצאות המדידה החוזרות מקזז חלק מהסטיות ,ולכן יהיה יותר מהימן מאשר תוצאת מדידה בודדת. על כן ,רצוי לחזור מספר פעמים על כל מדידה בה יש שגיאה אקראית גדולה ,ולחשב את הגודל הממוצע של התוצאות .שגיאת המדידה במקרה כזה נחשב כהפרש בין הגודל הממוצע ובין אחד מהתוצאות הקיצוניות. ב .הקטנת השגיאה היחסית על ידי מדידת ערכים גדולים: מאחר ומידת דיוק מכשירי המדידה אינה ניתנת לשליטת התלמיד במעבדה ,עליו לשאוף להשתמש בהם כך שלשגיאת המדידה תהיה השפעה מינימאלית" .חלוקת" השגיאה על תחום מדידה רחב מקטינה את השגיאה היחסית. דוגמאות : 6 .1במדידות על ידי סרגל נעדיף למדוד מרחקים גדולים ככל האפשר. .2במדידת עובי דף בספר ,נמדוד את עובי הספר ונחלק אותו ואת השגיאה במדידתו במספר הדפים. .3למדידת זמן מחזור של מטוטלת נמדוד זמן של מספר מחזורים ,נחלק במספר המחזורים ונקבל את הזמן של מחזור אחד .גם השגיאה המוחלטת מחולקת באותו מספר מחזורים. 7 .5ספרות משמעותיות ומספרים מקורבים. א .ספרות משמעותיות הן ספרות שמכילות מידע ,למשל במספר 0.074יש שתי ספרות משמעותיות. מידת הדיוק בה ניתן לרשום את תוצאת מדידה (כלומר ,מספר ספרות משמעותיות שיכלול רישום התוצאה) נקבעת בהתאם לגודל שגיאת מדידה. את אורכו השולחן הנמדד בעזרת סרגל רגיל ,שדיוקו , 0.1cmיש לרשום בצורה. L=(152.40.1)cm : אין משמעות לנסות למדוד את אורכו של השולחן בדיוק רב יותר מאשר גודל שגיאת המדידה ,כלומר לא נכון לרשום .L=(152.430.1)cm כאשר מספר הוא תוצאת חישוב ,מידת הדיוק בה ניתן לרשום אותו נקבעת בהתאם לגודל סטייה בתוצאה. למשל ,תוצאת חישוב תאוצת גוף aעל סמך גרף מסוים יש לרשום בהתאם לסטייה בתוצאה שהתקבלה מאותו גרף: . a=aopta a= amax-aopt= 403.12-384.87=18.25 cm/s2 18 cm/s2 a=aopt a=(384.87 18) cm/s2 a= (385 18)cm/s2 יש לעגל את גודל הסטייה עד לשתי ספרות משמעותיות ( )18ובהתאם לעגל את ערך התאוצה ל ,385-כי אז אין משמעות בספרות אחרי נקודה. לסיכום :גודל שגיאת המדידה או הסטייה קובע כמה "ספרות משמעותיות" נרשום בתוצאה. ב .מספרים מקורבים: במקרים רבים רושמים קבועים פיסיקליים ומתמטיים שונים בצורה מקורבת. נהוג לרשום אותם כמכפלה של מספר בעל ספרות אחדות (ספרות משמעותיות) בחזקה חיובית או שלילית של .10כל הספרות המשמעותיות עד זו שלפני האחרונה הן מדוייקות ובטוחות .הספרה שלפני אחרונה בטוחה לפחות עד כדי יחידה אחת ואילו הדיוק של הספרה האחרונה מצוין על ידי השגיאה. דוגמא :7את מהירות האור בריק ניתן לרשום כך: אך אפשר לרשום גם: , C=(2997964)km/s .C=(2.997960. 00004)km/s אם רוצים לעגל מספר זה אפשר לרשום: .C=3105 km/s לעומת זאת לא נכון לרשום , C=300000 km/sכי רשום כזה אומר שכל האפסים עד אחד לפני האחרון הם מדוייקים ,והדבר איננו נכון. .6קביעת השגיאה של גודל פיסיקלי מחושב. א .עד כה די ברנו על שגיאות הנובעות מהמדידה עצמה .לעיתים קרובות נקבעים גדלים פיזיקליים מחישוב מסויים ולא ממדידה ישירה .כאשר הקשר בין הגודל המחושב ובין הגודל הנמדד הוא פשוט ,כגון כאשר גודל מחושב cמתקבל ע"י הכפלת גודל נמדד xעם שגיאת מדידה xבגודל קבוע נתון ,c=bx :bאז שגיאה בגודל המחושב היא השגיאה בגודל הנמדד כפול הגודל הקבוע, c=bx :כלומר. c=bxbx : 8 ב .כאשר הגודל המחושב תלוי במספר גדלים נמדדים שלכל אחד מהם יש שגיאת מדידה ,ניתן לחשב במדוייק את גודל השגיאה מתוך נוסחאות ידועות ומסובכות ,אותן לא נלמד כאן. בניסויים שלנו בדרך כלל גודל פיזיקלי אחד נמדד בדיוק טוב בהרבה מהשני .במקרה כזה ניתן להזניח את השגיאה הקטנה ולהתייחס לשגיאה הגדולה בלבד ,כלומר -חוזרים למקרה של סעיף א'. דוגמא :8 בניסויים מס' 1ו 3-נצטרך למדוד את המרחקים שגוף עבר בפרקי זמן קבועים ,ולחשב את מהירותו הרגעית. נניח שנמדד מרחק של Y Y (9.7 0.1)cm , שגוף עובר בפרק זמן של . t t (0.04000 0.00001)s חישוב המהירות נותן Y 9.7 242.5cm / s t 0.04 . V מה תהיה השגיאה בקביעת מהירות הגוף ? V לפי הנתונים של הדוגמא ,השגיאה היחסית בזמן ( )0.05%קטנה בהרבה מהשגיאה היחסית במרחק ( ,)1%על כן ניתן להזניח את השגיאה בזמן ,כלומר להתי יחס לזמן כערך מדוייק .בכך קבענו שהשגיאה במהירות נובעת בקירוב טוב Y 0.1 רק מהשגיאה במרחק .לכן נוכל לרשום 2.5cm / s : t 0.04 , V אז תוצאת חישוב המהירות.V=(242.5 2.5)cm/s : ג .כאשר הקשר בין הגודל המחושב ובין הגודל הנמדד הוא מסובך נעריך את השגיאה בגודל מחושב בדרך עקיפה .לשם כך באופן כללי נחשב את הגודל המחושב ) y=f(xעבור xועבור . x+xההפרש בין הגדלים יהיה השגיאה בגודל המחושב. דוגמא :9בניסוי מס' 2נמדד גודל xעם שגיאת מדידה xויש צורך לחשב את השגיאה ב x2-ניתן לחשב לפי הביטויים: . x2±x2 x 2 ( x x ) 2 x 2 2 x ( x x ) x 2 2 . באותה צורה ניתן לחשב שגיאה בגודל מחושב עבור כל פונקציה אחרת log ,tan ,sin :וכו'. למשל ,במידה ויש צורך לחשב ) log(x)± log(xהביטויים לחישובי השגיאות: +log(x)=log(x+x)-log(x) . -log(x)= log(x-x)-log(x) לעיתים +ו --קרובים ואז מספיק לחשב אחד מהם ,אך לעיתים הערכים שונים בהרבה ויש לחשב כל אחד מהם (למשל tan ,עבור זוויות קרובות ל.)90- 9 .7קביעת סטייה בתוצאה על ידי השוואה לערך נתון. במידה ואנו מחשבים גודל פיסיקלי מתוך מדידה ,גרף או חישוב ,ואותו ערך ניתן לקביעה בדרך אחרת מדוייקת יותר (או שהוא גודל ידוע) ועל כן יכול להיחשב כערך נתון ,נוכל לחשב את אחוז הסטייה של הערך שהתקבל בניסוי מהערך הנתון. דוגמא :10 בניסוי חוק שני של ניוטון (מס' )3שקלנו את מערכת הניסוי וקיבלנוm=(3.1720.001)kg :נתון. עבורנו זהו ערך נתון ,מאחר והשגיאה היחסית במקרה זה זניחה -כ. 0.03%- מתוך שיפוע הגרף קיבלנו מסת המערכת שונה מהערך הנתון m=(3.3150.177)kg :נמדד. ברישום תוצאת חישוב מקובל לעגל את הסטייה עד לשתי ספרות משמעותיות ( )0.18ובהתאם לעגל את גודל המסהm=(3.320.18)kg :נמדד. אחוז הסטייה מהערך הנתון יתקבל על ידי ההפרש היחסי בין הערכים: 100% 4.7% 5% 3.17 - 3.32 3.17 100% mנמדד m - m נתון נתון m 100% mנתון וזה מדד לדיוק הניסוי ,כלומר קיבלנו בניסוי את מסת המערכת עד כדי דיוק של .5% בדרך כלל יש לצפות שהסטייה בתוצאה מהערך הנתון תהיה מאותו סדר גודל של שגיאת המדידה .בדוגמא כאן 0.18 הסטייה שהתקבלה (כ )5%-קרובה לשגיאה בשיפוע הגרף שהיא כ 100% 5.4% 5% ( 4%- 3.32 ). במידה ויש הבדל גדול (מעל )10%בין שגיאת המדידה ובין הסטייה בתוצאה יש להניח שקרתה טעות בביצוע או בחישוב ולנסות לאתר אותה. טבלאות. הטבלה באה לתת סיכום מסודר של התוצאות .יש לרשום בה באופן ברור את הגדלים הנמדדים (אם יש צורך יש לייצג הערכים בצורת חזקה -ראה דוגמא למדידת זמן) ,את היחידות הפיסיקליות ואת שגיאות המדידה .אם השגיאה קבועה בכל המדידות אפשר לרשום אותה בעמודה הראשונה פעם אחת ,אם לא -לרשום כל פעם (ראה דוגמא). טבלה .1דוגמאות למילוי טבלה במקרים שונים. 3 0.425 0.663 0.008 2 1 0.230 0.115 0.455 0.004 0.235 0.001 0.06 0.04 0.02 3.6 1.6 0.4 מספר מדידה אורך ]L 0.001 [m מסה ]M M [kg זמן ]t [s ]t2 [s210-3 יש לציין בכותרת את שם ומספר הטבלה על פי חלק הניסוי אליו מתייחסות התוצאות. כמו כן יש לרשום באילו תנאים נעשתה המדידה )למשל ,אילו גדלים פיסיקליים נשארו קבועים בזמן המדידה(. במידה ונעשה עיבוד נתונ ים בדרך גרפית או מתמטית ,יש לרשום זאת מיד לאחר הטבלה ולמספר את הגרף או החישוב בהתאמה. 10 גרפים. כל גרף מורכב ממערכת צירים ניצבים (מערכת קרטזיאנית) שבה מסומנים נקודות מדידה המקושרים ע"י קו מגמה. קו מגמה הוא העקום האופטימלי (לא בהכרח ליניארי) אותו אנחנו מנסים להתאים לנקודות המדידה. .1מטרות גרף: א .ייצוג וויזואלי של היחס בין המשתנים שנמדדו בניסוי שהוא ממוצע פיזיקאלי בין הנקודות שנמדדו. ב .קביעת הקשר הפונקציונאלי בין המשתנים ( ( x, yשנמדדו בניסוי ומציאת ערכי הפרמטרים ( )K, p, Cעל פי ביטוי כללי , y=Kxp+Cכאשר - Kמקדם פרופורציה – p ,מעריך (חזקה) – C ,איבר חופשי. ממוצע פיזיקאלי: במקרה והגודל הפיזיקלי Kניתן לחישוב מתוך ידיעת משתנים x, yעל פי קשר ליניארי , y=Kx+Cאפשר לחשב את Kעל ידי מדידה אחת של ) (x ,yוידיעת .Cאפשר גם למדוד מספר ערכי ( ,)x,yלחשב את Kמכל אחד מהם ולעשות ממוצע. אבל המהימנות תשתפר מאוד אם נוכל להציג גרף ליניארי של yכתלות ב x-ע"י מדידת מספר זוגות של )(x,y בתנאים שונים ונמצא את Kעל ידי מדידת שיפוע הקו העובר דרך הנקודות .כך גם לא נדרש לדעת מהו ערך הקבוע . C נוכל לקבוע גם את ערכו של Cמתוך הגרף ,כאשר , y=C x=0כלומר Cהוא נקודת חיתוך הקו עם ציר .y .2צורת רישום גרף. בניסוי ראשון נשרטט גרף על נייר מילימטרי בגודל ( A4בשאר הניסויים נעשה גרפים בגיליון אקסל) ,ונקפיד על הדברים הבאים: א .על כל גרף יש לרשום מספר ו כותרת. למשל" :גרף מס' .3מהירות רגעית כתלות בזמן עבור גוף מעץ". ב .יש לקבוע מערכת צירים ,ולסמן ליד כל ציר מה הוא מציין ובאילו יחידות ]יחידות מסמנים בסוגריים מרובעים[. ג .לכל ציר יש לבחור קנה מידה ולסמן אותו בחלוקה שווה על אותו ציר. יש לבחור בשיטה עשרונית ,כלומר כל יחידה של גודל פיזיקאלי (זמן ,העתק )...תתאים ל 5 ,2 ,1-או 10ס"מ. יש להתחיל את רישום קנה המידה מ ,0-פרט למקרים חריגים בהתייעצות עם מדריך בכיתה. ד .לכל נקודה המתארת זוג ערכים ניסיוניים ) (x,yיש להוסיף שגיאות מדידה באמצעות סימן צלב (ראה גרף מס' 1לדוגמא) .אורך הקטע האופקי של הצלב שווה לפעמיים השגיאה בשיעור ה ,x-ואורך הקטע האנכי לפעמיים השגיאה בשיעור ה. y- פרוש הסימן הוא שהערך האמיתי הנמדד נמצא בתוך המלבן המוגדר ע"י הצלב .במקרים ,בהם גודל אחת השגיאות קטן מכדי שאפשר יהיה לציינו ,במקום צלבים יסומנו קווים (ראה גרף מס' 2לדוגמא). 11 דוגמא :11גרף מס' .1דוגמא לרישום זוג ערכים עבור תלות מהירות בזמן עם שגיאות המדידה. ]v [m/s 6 v=(4.0±0.5) m/s t=(2.0±0.2) s 4 2 ]t [s 2 3 0 1 ה .אם התלות בין הגדלים היא ליניארית ,יש להעביר בין הצלבים קו ישר בצורה כזו שצלבים יתפזרו במידה שווה משני עבריו .יש להתחשב רק בנקודות שנמדדו בפועל בניסוי .אם נקודה מסויימת יוצאת דופן ומתרחקת במידה ניכרת מהקו ,הדבר רומז על טעות בניסוי או בעיבוד התוצאות .יש לבדוק את דרך הניסוי שהובילה לנקודה השגויה .אם לא מוצאים את סיבת התקלה יש להתעלם מנקודה זו בזמן העברת הקו ולציין כך בהערה. השיפוע של קו ישר קבוע לכל אורכו ,וניתן לחשבו על פי שתי נקודות כלשהן הנמצאות על הגרף .הקו הוא ממוצע פיזיקלי של נקודות המדידה ולכן לאחר העברת הקו אין להתייחס יותר לנקודות שנמדדו. את השיפוע מודדים על פי שתי נקודות על הקו שאינן נקודות שנמדדו בניסוי. ו .ניקח לדוגמא גרף המתאר מהירות של גוף כפונקציה של הזמן ,כפי שהתקבל בניסוי מסויים (דוגמה .)12 מכוון שקו המגמה עבר בתחומי שגיאות המדידה של כל הנקודות ניתן לומר שניסוי הצליח במסגרת שגיאות המדידה – זאת המסקנה מתוך הגרף .מסקנה נוספת -מאחר והתקבל קו ישר (ליניארי) ,ברור שמדובר בתנועה שוות תאוצה ושיפוע הגרף ייתן את התאוצה. דוגמא :12גרף מס' :2דוגמא לחישוב שיפוע הגרף עבור תלות מהירות בזמן. ]v [m/s opt 6 4 vopt=6.0-1.0=5.0 m/s 2 topt=3.5-0=3.5 s ]t [s 3 חישוב התא וצה: 2 2 1.43m / s 5.0 3.5 0 1 v opt t a opt 12 יש לבחור על הגרף שתי נקודות לחישוב השיפוע שאינן נקודות מדידה ,כך שההפרשים Vו t-יהיו גדולים, וזאת כדי להקטין את השגיאה היחסית. בין נקודות אלו יש לסמן את המשולש לחישוב שיפוע הגרף בעזרת קווים מקווקווים ולחשב את שיפוע הגרף ומתוכו – את תאוצת הגוף. ה ערה חשובה: שיפוע פיזיקאלי של גרף שונה מהותית מהשיפוע המתמטי – α( tanαזווית השיפוע). V שיפוע הגרף מוגדר כ- t ואינו תלוי בקנה המידה ,אלא רק בערכי הנקודות. לשיפוע יש יחידות פיזיקליות -במקרה זה .m/s2 tanאיננו מתאר את השיפוע הפיסיקלי. tanהוא גודל חסר יחידות ,התלוי בקנה המידה ,והוא מושג חסר מובן בגרף פיזיקלי. אין לסמן זווית αעל הגרף ואין להשתמש ב tan-ברישום! .3הערכת השגיאה בחישוב השיפוע. השגיאה בחישוב שיפוע הגרף נובעת מאי הוודאות לגבי מקומו המדוייק של הישר בין נקודות המדידה ,כלומר ישנן אפשרויות נוספות למתוח קו ישר העובר דרך אותן נקודות. לאוסף הנקודות הנתונה בגרף לדוגמא מס' 2ניתן להעביר שלושה קוים בהתחשבות בשגיאות המדידה המסומנות על הגרף (ראה גרף לדוגמא מס' :)3 דוגמא :13גרף מס' :3מהירות כתלות בזמן (להערכת השגיאה בחישוב התאוצה משיפוע הגרף). ]v [m/s max opt min 6 Vopt= 6.0-1.0=5.0 m/s 4 Vmax= 6.2-0.8=5. 4 m/s topt= tmax= 3.5-0=3.5 s ]t [s 3 2 1 2 0 א .קו השיפוע האופטימלי על פי הערכתנו העובר בין הנקודות בתחום שגיאות המדידה .נסמן את שיפועו כ.aopt - ב .קו השיפוע המקסימלי על פי הערכתנו העובר בין הנקודות .נסמן את שיפועו כ.amax- ג .קו השיפוע המינימלי על פי הערכתנו העובר בין הנקודות .נסמן את שיפועו כ.amin- 13 בדרך כלל מספיק לחשב שיפוע אופטימלי וסטייה בינו ובין שיפוע קיצוני (מקסימלי או מינימלי) .כאשר קשה להעביר ישירות קו אופטימלי ,אז מעבירים את הקווים הקיצוניים ,אותם בדרך כלל קל יותר להעביר ,ומותחים קו ממוצע ביניהם בתור קו אופטימלי. מתוך שיפוע הקו האופטימלי נחשב את התאוצה האופטימלית: 5.0 1.43 m/s 2 3.5 ΔVopt Δt opt . a opt מתוך שיפוע הקו המקסימלי נחשב את התאוצה המקסימלית: ΔVmax 5.4 1.54 m/s 2 Δt max 3.5 נעריך את גודל השגיאה בתאוצה: ומכאן ,התוצאה הסופית היא: . a max . a a maax a opt 1.54 1.43 0.11 m/s 2 . a a opt a 1.43 0.11 m/s 2 0.11 התוצאה היא סבירה ,כאשר aביחס ל aopt-קטן מ 100% 7.7% : 10%- 1.43 . במידה וצריך לחשב את נקודת החיתוך מהגרף יש לעשות זאת באופן דומה לחישוב שיפוע: . b = bopt bmax-bopt .4קבלת גרף ליניארי מפונקציה לא ליניארית( .או "והיה העקום לישר"). קו ישר (גרף ליניארי) הוא הקו המדוייק ביותר אותו ניתן להעביר באמצעים פשוטים בין נקודות .קל לברר את הפרמטרים המתמטיים השונים המאפיינים גרף ליניארי (שיפוע ,חיתוך עם הצירים) .על כן יש לשאוף לשרטט גרף של שני גדלים כך שתהיה ביניהם תלות ליניארית גם במקרים שהקשר בין הגדלים הנמדדים הוא לא ליניארי. ניקח לדוגמא ניסוי בתנועה שוות תאוצה (כמו בניסוי מס' " 1נפילת גופים"): גוף מתחיל לנוע ממנוחה בזמן t=0עם תאוצה קבועה . a 1 2 ההעתק Yכתלות בזמן שיעבור הגוף ניתן על ידי at 2 גרף 4א' :העתק כתלות בזמן ]Y [m ( Y גרף 4א'). 0.6 בניסוי מודדים העתק וזמן ,ומטרת הניסוי היא אישור הקשר ביניהם 0.5 וקביעת התאוצה .aהעקומה המתקבלת הינה פרבולה. 0.4 באמצעים פשוטים קיים קושי לשרטט במדוייק את העקומה העוברת 0.3 דרך הנקודות שנמדדו .כמו כן קשה לברר מתוכה באופן מיידי את תאוצת 0.2 הגוף . a - 0.1 בתוכנת אקסל יש אפשרות לקבל את הפרמטרים המבוקשים ע"י הוספת פונקציה לא ליניארית המתאימה לנקודות המדידה. ]t [s 1.0 0.6 0.8 0.2 0.4 0 14 כדי לקבל גרף ליניארי שמתוכו ניתן לחלץ את הפרמטרים המבוקשים ,יש באפשרותנו לבחור בין שתי דרכים: דרך א :החלפת משתנים. כאשר הערך של ( pחזקה) ידוע מהתיאוריה אפשר להחליף את המשתנה xבמשתנה חדש . z=xpהמשוואה החדשה תהיה y=Kz+Cשהיא משוואה ליניארית. בדוגמה שלנו חזקה pידועה ,אזי במקום לשרטט את ההעתק כתלות בזמן ,ניתן לשרטט את ההעתק כתלות בריבוע הזמן על מנת לישר את הפונקציה .בכך החלפנו את המשתנה tבמשתנה t2ומאחר שבין ההעתק וריבוע הזמן יש תלות ליניארית -הגרף של ההעתק כתלות בריבוע הזמן גם הוא ליניארי ושיפועו שווה למחצית ערך התאוצה .נראה זאת בצורה מתמטית: משוואת קו ישר היא מהצורה y=Kx+Cכאשר x ,yהם המשתנים K ,מקדם הפרופורציה (שיפוע) ו C -האיבר החופשי (נקודת החיתוך של הקו עם ציר , yכאשר .p=1 ,)x=0 1 2 את המשוואה at 2 Y שהיא מהצורה , y=ax2כלומר פרבולה, ניתן לתאר גם באמצעות משוואת הקו הישר במידה גרף 4ב' :העתק כתלות בריבוע הזמן ונרשום את הגדלים באופן הבא: 1 2 ]Y [m max . y=Y, x=t2, C=0, K=a 0.6 opt 0.5 נציג את הערכים המחושבים בגרף 4ב': שים לב שחלוקת המספרים על שני הצירים היא ליניארית. Yopt=0.56-0= 0.56 m 0.4 Ymax=0.58-0= 0.58 m 0.3 כאמור ,מאחר שהקשר התאורטי בין ההעתק t2opt=0.8-0= 0.8 s2 t2max=0.80-0.02= 0.78 s2 Yוריבוע הזמן t2הוא ליניארי נוכל לחשב את שיפוע הגרף ( Kאופטימאלי ומקסימאלי): Yopt 0.56 1 a opt 2 0.70m / s 2 2 t opt 0.80 0.2 ]t2 [s2 0.8 0.6 0.4 K opt a opt 1.40m / s 2 Y 1 0.58 a max 2 max 0.74m / s 2 2 t max 0.78 a max 1.49m / s 2 K max a 1.49 1.40 0.09m / s 2 אז תוצאת חישוב התאוצה בשיטת החלפת משתנים. a=aopt a=(1.400.09) m/s2 : a 0.09 100% שגיאה יחסית בתוצאה התקבלה 100% 6.4% : a opt 1.40 0.1 0.2 0 15 דרך ב' :שימוש בלוגריתמים. דרך אחרת לקבלת קו ישר היא על ידי שימוש בלוגריתמים. 1 2 at 2 בדוגמא הקודמת רצינו לאשר את הקשר בין ההעתק לזמן: Y []1 1 1 ) log(Y) log( at 2 ) log( a) log(t 2 2 2 אם נוציא logשל שני האגפים נקבל: 1 והתוצאה הסופית תהיה: ) log(Y) log( a) 2 log(t 2 כלומר ,אם מתקיים קשר [ ]1בין ההעתק לזמן ,אזי צריך להתקיים קשר [ ]2בין הלוגריתם []2 של ההעתק ) log(Yללוגריתם של הזמן ). log(t גרף 4ג' :לוג העתק כתלות בלוג הזמן 1 אם נסמן את ) log(tכ log(Y) , x-כ log( a) , y-כ, C- 2 ואת 2כשיפוע Kנקבל קשר ליניארי . y= Kx + C )log(Y -1.25 -1.0 -0.75 -0.50 -0.25 )log(t אם נחשב את ערכי ) log(Yו log(t)-ונשרטט גרף של -0.5 ) log(Yכתלות ב log(t)-נקבל קו ישר ששיפועו 2והוא max opt log(Y)opt=2.17-0.17= 2.0 -1.0 חותך את הציר האנכי בנקודה .C -1.5 0.8 מנקודת החיתוך הנ"ל נוכל לחלץ את התאוצה : a -2.0 0.4 ) . y[ x 0 ] log( Y)[log( t )0 ] C log( a -2.5 1 2 log(t)opt=1.0-0=1.0 1 אם חישבנו את הלוגריתם בבסיס 10נקבל a 10 C : 2 . 1 ניתן לחשב לוגריתם גם בבסיס טבעי ( ) lnואז נקבלa e C : 2 . גם כאן צירי הגרף הם ליניאריים במרחקים שווים בין המספרים ,רק ערכי הנקודות מתקבלים מהטבלה הלוגריתמית. 2.0 שיפוע אופטימלי של הגרף 2.0 : 1.0 log(Y)opt log(t)opt מנקודת החיתוך של הקו האופטימלי: 1 1 - 0.17 C opt log( a opt ) -0.17 a opt 10 2 2 1 2 2 a opt 0.68 m/s a opt 1.36 m/s 2 16 באופן דומה מבצעים חישובים עבור קו מקסימאלי: 1 1 - 0.15 C max log( a max ) -0.15 a max 10 2 2 1 2 2 a max 0.71m/s a max 1.42m/s 2 את השגיאה בשיפוע באופן מוחלט; a 1.42 - 1.36 0.06m / s 2 : a 0.06 100% ובאופן יחסי 100% 4.4% : a opt 1.36 . אז תוצאת חישוב התאוצה בשיטת שימוש בלוגריתמים. a=aopt a=(1.360.06) m/s2 : בדוגמה שלנו בשתי השיטות התקבלו תוצאות קרובות עד כדי 3אחוז, כלומר שתי התוצאות סבירות: 100% 2.9% 1.40 1.36 1.36 . לפי שגיאה יחסית בשתי השיטות ניתן להסיק שהתוצאות סבירות (בשיטה 6.4% :1ובשיטה .(4.4% :2 דיוק תוצאה טוב יותר התקבל בשיטה שנייה -לוגריתמים ,אך זה לא בהכרח כך תמיד. שימו לב! שגיאות המדידה עבור הגרף הלוגריתמי חישבנו לפי הסבר בסעיף 6ג' של פרק "שגיאות מדידה" (עמוד ,)8כלומר: +log(x)=log(x+x)-log(x) . -log(x)= log(x-x)-log(x) 17 פרק - IIניסויים במכניקה. הוראות הכנה לניסוי הראשון. ל נ י סו י הר א שו ן " ,נ פ ילת גו פ ים " ,צר יך להתכו נ ן ב אותה מ ידה כ מו ל כל ה נ י סו י ים : א .לקרו א את התדר יך מ ע מוד 1ו עד ע מוד ( 2 2כולל) ,ודו " ח לדו ג מ א – נ ס פ ח 1ע מוד ים I - Vב סוף ה חו ברת. ב .לכתו ב דו " ח הכ נה ל נ י סו י ל פ י דו ג מ א ב דו " ח לדו ג מ א ( נ ס פ ח 1ע מוד ים . ) I - I I ג .ל שר ט ט שת י ט בל אות ר יקות ( מ ס פר ) 2ל ש י מו ש בז מ ן ב י צו ע ה נ י סו י בכ יתה ( על ד פ ים נ פרד ים ). בנ ו ס ף להכ נה ר ג ילה י ש : א .ל נת ח את סר ט ה נתו נ ים ה מו פ י ע ב ע מוד 1 1בתדר יך ב שת י ה ש י טו ת ה מו ס ברות ב ע מוד ים 1 1 - 2 1בתדר יך ו לר שום את ה נתו נ ים ב שת י ה ט בל אות . ב .על ס מך ה ט בל אות ל שר ט ט ש נ י גר פ ים (כל א חד על דף נ י יר מ יל י מ טר י א חר) ול ח ש ב את הת או צות מ תוכם . ג .לה שוות את שת י ה ש י טות ב י נ יה ן ולה ס יק מ סק נות . ה ע ז ר ב ד ו " ח ל ד ו ג מ א ש ב נ ס פ ח 1ב ס ו ף ה ח ו ב ר ת ( ע מ ו ד י ם . ) III - V את הטבלאות והגרפים עם החישובים יש להביא לניסוי "נפילת גופים". ניסוי : 1 נושאים נפילת גופים – פגישה . I לניסוי :תנועה שוות תאוצה ,מהירות רגעית ,השפעת חיכוך. מטרות הניסוי : . 1בדיקת אופי תנועת גופים נופלים. . 2מציאת תאוצת הנפילה של גופים שונים. . 3בדיקת ה גורמים בהם תלויה התאוצה. רקע תאורטי. כאשר גוף מבצע תנועה רק בהשפעת כוח הכובד נאמר שהגוף מבצע "נפילה חופשית" .לפי חוק הכבידה של ניוטון מתקבלת תאוצת נפילה חופשית זהה עבור כל הגופים ללא תלות במסתם, ניפחם ,צורתם ,הרכבם הכימי וכו'. ערכה של תאו צת הנפילה החופשית בקרבת פני כדור הארץ הוא בקירוב . g=9.8 m/s 2 לפיכך ,בתנאים אידיאלים ,כאשר גוף נופל בהשפעת כוח הכובד בלבד ,הוא מקיים תנועה שוות תאוצה עם תאוצה שגודלה 9.8 m/s 2וכיוונה אנכי למטה (לכיוון מרכז כדור הארץ). כאשר פועלים על גוף נופל כוחות נוספים פרט לכוח הכובד הוא אינו מבצע נפילה "חופשית". אם הכוחות הפועלים בנוסף לכוח הכובד הם כוחות מעכבים קבועים (שאינם משתנים תוך כדי נפילת הגוף) תתקבל תנועה שוות תאוצה עם תאוצת נפילה הקטנה מ . g -הכוחות המעכבים י כולים להשתנות מגוף לגוף ולהיות תלוי י ם בצורתו ,במסתו או בגורמים נוספים. 18 יש גם כוחות מעכבים לא קבועים ,כלומר תלויים במהירות הגוף .כאשר פועלים כוחות כאלה תאוצת הנפילה איננה קבועה. בניסוי שלנו יש כוחות מעכבים קבועים -התנגדות סרט הנייר מנוחה בתוך רשם הזמן ,וכוחות משתנים -התנגדות אוויר ( שהיא יחסית לריבוע המהירות). במהירויות קטנות השפעת התנגדות האוויר קטנה. במהירויות גדולות היא עלולה להשפיע ולהקטין את התאוצה . a Y=0, t=0 t t Y5 , t5 בכל מקרה aיהיה קטן מתאוצת הכובד . g v Y6 , t6 נתבונן בגוף הנופל כלפי מטה לאחר שהתחיל את התנועה במנוחה מנקודה מסויימת ( תרשים .) 1נע קוב אחרי תנועת הגוף כאשר נבדוק את מיקומו בפרקי זמן במרווחים קצובים. Y7 , t7 כדי לתאר את תנועת הגוף נסמן את קו התנועה של הגוף המכוון אנכית כלפי מטה ,כציר . Y Y,t תרשים 1 בהנחה שהתנועה שוות תאוצה נוכל לתאר את התנועה על פי משוואות הקינמטיקה . המהירות הרגעית בכיוון Yשל הגוף בזמן tכלשהו נתונה על ידי: ההעתק של הגוף בזמן tכלשהו: v(t) = v 0 at ][1 - 1 Y = v0 t ][1 - 2 1 2 at 2 אם נבחר את ראשית הציר Y=0בנקודה ממנה התחיל הגוף לנוע ממנוחה וגם את הזמן tנמדוד החל מאותו הרגע ( כלו מר t=0 ,ב Y=0 -ושם גם ,) v0 =0יתקבלו משוואות קינמטיות פשוטות יותר : v( t) = at ][1- 3 יש אם כן אפשרות להתחיל את מדידת הזמן מנקודת התחלת התנועה ,ש בה , v0 =0אבל ניתן גם לבחור למדוד את הזמן החל מנקודה בה הגוף נמצא בתנועה . v 0 0 נסמן נקודת התחלה שבחרנו כ , t=0 -ועל פי מרווחי הזמן הקצובים נוכל לקבוע את הזמן לכל שאר הנקודות העוקבות .אם הנקודה שבחרנו היא ברא שית ,אז בנקודת ההתחלה v t 0 0ואם היא לא בראשית אז . v t 0 v 0 בשני המקרים נמדוד את ההעתק Yביחס לנקודת ההתחלה : t=0 1 2 at 2 =Y ][1 - 4 תיאו ר המערכת. המערכת מורכבת ממשקולת גלילית אליה מוצמד (בעזרת "קרוקודיל") סרט נייר המהווה "סרט סימון". סרט הסימון מושחל דרך שתי סיכות חיבור היוצרות נתיב תנועה ברשם הזמן שבעזרתו נעקוב אחרי נפילת המשקולת. 19 רשם הזמן :כדי לסמן את מקומו של הגוף הנופל בפרקי זמן קצובים נשתמש ברשם זמן . רשם זמן מורכב מאלקטרומג נט המופעל על ידי מקור מתח חילופין שתדירותו . f=50 Hz האלקטרומגנט נמצא בסמוך למגנט קבוע .כתוצאה מהתחלפות הזרם באלקטרומגנט נוצרת תנועה מחזורית של מקש מתכתי היוצא ממנו .תדירות הנקישות של המקש שווה אף היא ל - ( f=50 Hzכלומר 05 ,נקישות בשניה). 1 פרק הזמן החולף בי ן כל שתי נקישות עוקבות של המקש הוא 0.02 s 50 המקש מקיש על נייר העתקה ,שמתחתיו עובר סרט הסימון המוצמד בקצהו אל המשקולת = . T הנופלת . כאשר המשקולת נעה ,מסומנות נקודות על סרט הסימון בפרקי זמן קצובים של . 0.02 s את הספקת מתח החילופין מקבל רשם הזמן מ שנ אי מתח חילופין הממיר את מתח הרשת מ 220V -ל מתחים של 6V , 9V , 12Vו . 3V -יש לבחור מתח מתאים לקבלת נקודה ברורה על הסרט הסימון (בדרך כלל . ) 6V - מהלך הניסוי. בניסוי נחקור אופי התנועה ותאוצת נפילה של שלושה גופים בעלי אותה צורה ,אך עשויים מ חומרים שונים -פליז ,אלומיניום ועץ ( כבד ,בינוני וקל בהתאמה). עבור הגוף הכבד בצענו את הניסוי והסרט הסימון שהתקבל מופיע בצד ימין של העמוד. בתור הכנה לניסוי כל אחד מהתלמידים אמור לנתח בבית את הסרט ולהביא את ה תוצאות לפגישה ראשונה במעבדה .עבור שאר שני הגופים ניתוח עושים בכיתה לאח ר ביצוע ניסוי מעשי . ניתוח תוצאות הניסוי על פי סרט סימון . קביעת הזמנים :הנקודה הראשונה (בדרך כלל מודגשת) ,מציינת את מקומו של הגוף הנופל ברגע השחרור .מתוך הידיעה שפרק הזמן בין כל שתי הקשות עוקבות של רשם הזמן הוא , T=0.02sנוכל לקבוע את הזמן המתאים לכל נקוד ה על סרט הסימון .אם נבחר את רגע השחרור של הגוף בתור t=0נתייחס אל הנפילה כאילו התחילה ממנוחה ( ראה בהמשך שיטה .) 1 ניתן לקבוע גם נקודה מאוחרת יותר בתור t=0ואז מדובר בנפילה ש"התחילה" עם מהירות התחלתית שונה מאפס ( שיטה .) 2 הערה: עבור הנקודה השני י ה על סרט הסי מון לא ניתן לקבוע את מרווח הזמן במדוייק מאחר ואין ו ו דאות שרשם הזמן מקיש את הנקודה הראשונה בדיוק ברגע השחרור ממנוחה על כן מרווח הזמן בין הראשית לנקודה זו הוא בין 0ל 0.02-שניות . כאשר התאוצה קטנה הנקודות הראשונות חופפות אחת לשני י ה וקשה לדעת כמה זמן חלף מרגע השחרור עד לנקודה המובדלת הראשונה. 20 קביעת ההעתק :ההעתק של הגוף ברגע מסוי י ם מוגדר כמרחק הרגעי של הגוף מהראשית שבחרנו. לפיכך נוכל לקבוע עבור כל אחד ממצבי הגוף שסומנו על ידי רשם הזמן את ההעתק .Y נמדוד את ההעתק על ידי סרגל מדידה . לצורך ניתוח תנועת הגוף נבחר ב סרט הסימון חמש נקודות לא צמודות ,המייצגות אזורים שונים של מהלך הנפילה ,ו נ מספר אות ן . הער ה : כדאי לבחור נקודות ש עבור ן מדידת ) Yהמרחק אל הראשית ( או ( Yהמרחק בין הנקודה שלפני הנקודה שנבחרה לנקודה שאחריה) תהיה גדולה מ 2 -ס"מ ,כך נקטין את השגיאה היחסית של המדידה .זכרו -השגיאה הקבועה במדידה בסרגל מדידה רגיל היא כ . 0.1cm - הניתוח נעשה בשתי ה שיטות הבאות . שיטה : 1העתק כתלות בריבוע הזמן. א .התחל את מדידת הזמן וההעתק בנקודה הראשונה על סרט סימון .לכל אחת מהנקודות שבחרתה מדוד את ההעתק מהנקודה הראשונה ,וחשב את הזמן ור יבוע הזמן. רכז את התוצאות בטבלה מס' ( 1ראה נספח – 1דו"ח לדוגמה) : ] ] [ t ] [ t2 [ Y ב .רשום בטבלה את ה שגיא ה במדידת ההעתק .זכור ,ש שגיאה מינימלית בקריאת סרגל שווה לגודל שנתה .השגיאה בזמן ז ניחה ,כ' מדידת זמן מבוססת על תדר רשת החשמל שנתונה ללא שגיאה . ג .שרטט גרף של ההעתק כתלות בריבוע הזמן .הצג על הגרף את שגיאת המדידה בהעתק. העבר קו אופטימלי וקו קיצוני -מקסימלי או מינימלי. ד .מה מסקנותך מהגרף? האם הקו האופטימלי עבר את כל הנקודות בתח ומי שגיאות המדידה? האם הגרף מעיד על תנועה שוות תאוצה? ה .קבע מתוך הגרף את התאוצה האופטימלית של הגוף (או מינימלית בהתאם לקו) Ymax t 2 max Yopt t 2 opt a opt 2ו את התאוצה ה מקסימלית . a max 2 הערך את השגיאה בקביעת תאוצת הגוף , a= a opt - a max ,ורשום את התוצאה של תאוצת הגוף בצורה . a = a opt a 21 שיטה : 2מהירות רגעית כתלות בזמן. Y . lim א .המהירות הרגעית של הגוף היא המהירות הממוצעת שלו בפרק זמן קצר מאוד t 0 t בניסוי שלנו פרק זמן הקטן ביותר שניתן לקבל הוא בין שתי נקודות סמוכות ( , (0.02sלמשל בין נקודות מס' 0ו ( 6 -ראה תרשים . ) 1חישוב מהירות ממוצעת ביניהן ייתן את ה מהירות הרגעית ב רגע זמן מסוים בין t 5ל t 6 -שלא מוגדר במערכת שלנו .כדי לקבל מהירות בזמן מוגדר ,למשל t 6 יש לחשב את המהירות הממוצעת לאורך הקטע המתחיל בנקודה מס' 0והמסתיים בנקו דה מס' , 7 שזמן האמצע שלו הוא : t 6 Y Y7 Y5 Y7 Y5 Y t t7 t5 2T 0.04 את הגודל Yנמדוד ישירות בעזרת סרגל .על מנת להקטין שגיאת המדידה בסרגל ,התחל את . V6 המדיד ות בנקודה שבה Yגדול מ 2-ס"מ .בחר את שאר הנקודות (לא פחות מ ) 4 -לאורך כל ה סרט במידה שווה ככל האפשר ,כך שהנקודה האחרונה תהיה קרובה לסוף הניסוי . לכל אחת מהנקודות שבחרת חשב את המהירות הרגעית וקבע את הזמן ביחס לנקודת ההתחלה ש בחרת .רכז את התוצאות בטבלה מס' : 2 ] Y [ ] ] [ [ Y 0.04 t =V ב .רשום בטבלה את שגי אות המדידה ב העתק ובמהירות .השגיאה במהירות היא השגיאה בהעתק חלקי פרק הזמן בין הנקודות. ג .שרטט גרף של המהירות כתלות בזמן .הצג על הגרף את שגי את המדידה במהירות .העבר קו אופטימלי וקו קיצוני -מקסימלי או מינימלי. ד .מה מסקנותך מהגרף? האם הקו האופטימלי עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה? האם הגרף מעיד על תנועה שוות תאוצה? ה .קבע מתוך הגרף את התאוצה האופטימלית של הגוף Vopt t opt a opt והתאוצה המקסימלית Vmax (או מינימלית בהתאם לקו) t maxt הערך את השגיאה בקביעת תאוצת הגוף , a= a opt - a max ,ורשום את התוצאה של תאוצת . a max הגוף בצורה המקובלת . a = a opt a ו .חשב את אחוז הסטייה ,כלומר aבאופן יחסי לגודל – a optראה דו"ח לדוגמה בסוף החוברת. השווה בין התאוצות שקבלת בשתי השיטות על סמך אחוזי הסטייה שלהן .איזו שיטה התקבלה מדוייקת יותר ? זכור להביא את תוצאות הניתוח האלה (שתי השיטות) לפגישה ראשונה במעבדה! 22 המשך העבודה נעשה ב פגישה ראשונה ב כיתת מעבדה בזמן ביצוע ניסוי מעשי. הרכבת מערכת וביצוע ניסוי ( זמן מקסימלי מומלץ לחלק זה - 30דקות ). .1השחל את רשם הזמן על המוט עד השולחן. . 2חבר בעזרת שני חוטי חשמל את רשם הזמן אל השנאי (לשקע 0ולשקע ,)6ואת השנאי לרשת החשמל .הפעל לרגע את השנאי כדי לוודא שרשם הזמן פועל כראוי. .3חבר את האטב למוט בחלקו העליון בעזרת המחבר. . 4בחר אורך סרט הסימון מתאים לגובה השולחן (מרחק הנפילה של הגוף) .הצמד את הסרט אל אחד הגופים הנותרים (עשויים מעץ ומאלומיניום) בעזרת מהדק תנין. .0השחל את הסרט דרך הנתיבים המתאימים (סיכות חיבור) ברשם הזמן כך שהוא יעבור מתחת לנייר העתקה. וודא כי נייר ההעתקה מונח כך שצידו המעתיק מכוון אל סרט הנייר והוא חופשי להסתובב. . 6הדק את סרט הסימון על האטב כך שהגוף יהיה תלוי גבוה ככל האפשר מתחת לרשם הזמן אבל לא יגע בו. כוון את מיקום האטב ורשם הזמן כך שסרט הסימון יימתח אנכית ללא פיתול ,ויעבור חופשי ככל האפשר ברשם הזמן. .7הפעל את רשם הזמן (על ידי הפעלת השנאי) רגע קצר לפני שחרור הסרט הסימון מהאטב ,והפסק מיד עם תום נפילת הגוף. הערות לביצוע: א .אם נקודות הסימון חלשות יש להזיז מעט את זרוע ציר סיבוב ניר ההעתקה ,כדי להשתמש באזור אחר בנייר ההעתקה או להגדיל מתח העבודה. ב .שים לב שאם יתקבלו נקודות גם לאחר שהגוף פגע ברצפה ,כמובן שנקודות אילו אינן מייצגות את הניסוי ואין להתייחס אליהן .את הנקודה האחרונה צריך לבחור כך שתישאר נקודה (או שתיים) אחריה שעדיין ייצגו נפילה. .8הדבק את סרט הסימון אל השולחן כדי שיהיה נוח לערוך מדידות ,ורשום עליו את סוג הגוף. .1חזור על הסעיפים 4 8עם הגוף השני. .15נתח את סרטי הסימון שיתקבלו בכיתה בשיטה השנייה בלבד (עמוד ,)21כי שיטה ראשונה מתאימה יותר לתאוצות גדולות יחסית ,שאפשר להפריד בין הנקודות הראשונות ,אך בתאוצות קטנות יותר (כמו ,למשל ,עבור גוף מעץ) עדיף להשתמש בשיטה השנייה. הערה: כל תלמיד ינתח סרט אחד (עבור גוף אחר). זמן מקסימלי למילוי טבלה ,שרטוט גרף וחישוב תאוצה מתוכו סיכום ומסקנות (זמן מומלץ - 60דקות. 10דקות). .1מה מסקנותיך מהניסוי? האם תוצאות שהתקבלו הן סבירות? השווה את התאוצות שהתקבלו עבור שלושת הגופים .האם הנפילה הייתה חופשית? אם לא ,מדוע? .2האם לתאוצות שהתקבלו לגופים שונים יש תלות בגורם כלשהו? אם כן ,באיזה גורם ומה אופי התלות? נמק את תשובתך .העזר במסקנות בדו"ח לדוגמא בסוף החוברת (נספח 1עמוד .)VI ( סה"כ זמן עבו דה 155דקות נטו ). 23 ניסוי : 2 נפילת גופים -חלק ( IIממוחשב ) . מטרות הניסוי. .1לימוד עקרונות עיבוד הנתונים בעזרת גיליון אלקטרוני אקסל (.)Excel .2מציאת תאוצת הנפילה של גופים שונים בשתי השיטות בעזרת אקסל. מהלך הניסוי. בניסוי זה נעשה עיבוד הנתונים שקיבלנו בניסוי קודם – נפילת גופים פגישה .I העיבוד מלווה בהדרכה מפורטת לגבי אופן השימוש בגיליון האלקטרוני ,לצורך קבלת הגרפים והחישובים הדרושים. העיבוד נעשה בשתי שיטות המוסברות בניסוי קודם. חלק .Iשיטה – Iהעתק כתלות בזמן עבור גוף עשוי מפליז. עי צוב דף עבודה ,בנית טבלת נתונים ושמירת קובץ . על מנת להתחיל לעבוד ב Excel -יש ללחוץ לחיצה שמאלית כפולה על הצלמית ( " ) Iconטפסים" הנמצא על שולחן עבודה במחשב ולבחור (לפתוח) קובץ בשם "טופס לניסוי נפילת גופים". שים לב כי בקובץ זה ישנם שני דפי עבודה ( גיליונות ) – אחד לשיטה ראשונה ושני לשיטה שנייה ,נתחיל משיטה ראשונה עבור גוף עשוי מפליז .הטופס נראה ככה: שמות התלמידים: כיתה: קבוצה: עמדה: דו"ח עבודה לניסוי : 2נפילת גופים -חלק . II חלק .Iשיטה – Iהעתק כתלות בזמן עבור גוף פליז. טבלה מס' .1נתוני העתק וזמן עבור גוף פליז. ]t [s ]t2 [s2 ] y± [ m הוראות למילוי הטופס: .1דבר ראשון שצריך לעשות תמיד בכל דף עבודה – לרשום שמות התלמידים ,כיתה ,קבוצה ועמדה. עשה את זה בתאים מתאימים בשתי שורות עליונות של הדף. .2דבר שני – לרשום כותרות – לניסוי ,לחלק שלו ולטבלה ,בטופס זה הכותרות רשומות בשורות 3,4ו ,5-אך בניסויים הבאים תצטרכו לכתוב אותם בעצמכם. .3כמו כן בטופס זה מופיעה כבר טבלה למילוי נתונים – בניסוי הבא תצטרכו לבנות אותה בעצמכם. הכנס את הנתונים שאספתה בפגישה ראשונה של הניסוי לתאים המתאימים של הטבלה. .4חישוב t2יש לעשות ע"י נוסחה , =t^2כלומר בתא E7יש לרשום . =E6^2 הערה לבניית נוסחאות ( חישובים ) ב : Excel - א .כל נוסחא ( חישוב ) ב Excel -מתחילה בסימן השוויון. ב .להלן מספר פונקציות Excelבהן נשתמש בהמשך המעבדות: ) SQRT(E6כדי להוציא שורש ריבועי מהמספר הנמצא בתא .E6 ) LOG(E6כדי לחשב את הלוגריתם העשרוני של המספר הנמצא בתא .E6 כדי לחשב את הלוגריתם הטבעי (לפי בסיס ) eשל המספר הנמצא בתא .E6 )LN(E6 כדי לחשב את הסינוס של המספר הנמצא בתא ( E6אליו מתייחסת התוכנה ברדיאנים!). )Sin(E6 כדי לכפול את המספר הנמצא בתא D4במספר הנמצא בתא .C4 D4*C4 כדי לחלק את המספר הנמצא בתא D4במספר הנמצא בתא .C4 D4/C4 24 הס ַמן על .5כדי לבצע את פעולת ההעלאה בריבוע גם על שאר התאים שבשורה ,לחץ על התא E7והצב את ָ הפינה השמאלית התחתונה של מסגרת התא .ברגע שהסמן הופך לצלב ( ,)+בצע גרירה (כאשר כפתור שמאלי של עכבר לחוץ) לאורך כל התאים. .6יש שמור את גיליון העבודה שלך כדי להימנע מאבדן הנתונים עקב תקלות ... לשמירת הקובץ ניתן להשתמש בקיצור המקשים , Ctrl+Sאו לבחור saveבתפריט .File במעבדה שלנו ניתן לשמור קבצי תלמידים רק במקום אחד המיועד לכך בכונן Hבלבד. עיצוב גרף מס' y 1כנגד . t .7כדי לבנות את הגרף של yכתלות ב , t -סמן (צבַ ע) ע"י לחיצה שמאלית על העכבר את שתי שורות הנתונים (ללא הכותרות של השורות!) .מכיוון ששתי השורות לא סמוכות יש לסמן את השורה הראשונה ( )tללחוץ על כפתור Ctrlבמקלדת ולסמן את השורה השנייה ( )yללא עזיבת הכפתור. לאחר מכן ,היכנס לתפריט "( Insertהוספה") ובחר באיזור chartsאת סוג התרשים Scatterומתוך האפשרויות שיופיעו בחר .Scatter with only markers .8הגרף שיופיע יש למקם מתחת לטבלה צמוד לימין ולבחור גודל שלו בהתאם לגודל הדף. על מנת לקבל גבולות של הדף בהדפסה יש לבחור בתפריט Viewאופציה Page Break Previewולחזור לתצוגה רגילה .Normalהקו המקווקו שיופיע משמאל יציין את גבול ההדפסה. .9כדי לעצב את הגרף יש לפתוח תפריט לעיצוב גרפים .Chart Tools לשם כך יש לבחור את הגרף ע"י לחיצה שמאלית על העכבר והתפריט Chart Toolsיופיע בסרגל כלים. התפריט מורכב משלושה חלקים Layout ,Design :ו.Format - עיצוב בסיסי של כל גרף נעשה ב ( Layout -בחר אותו): א .הוספת כותרות. על מנת להוסיף כותרת לגרף יש לבחור ב Chart Title -את המיקום הרצוי לכותרת ולכתוב את הכותרת. על מנת להוסיף כותרות לצירים יש לבחור ב Axis Title -את המיקום הרצוי לכותרת ולכתוב את הכותרת (גם לציר אופקי וגם לציר אנכי בנפרד). לאחר כתיבת הכותרות ניתן להשתמש בכפתורי הגדלת והקטנת הגופן ( AΔ Aבתפריט הראשית ) Home עד לקבלת כותרת בגודל רצוי. ב .הוספת קו מגמה עם משוואה ומקדם קורלציה. קו מגמה ( )Trendlineהוא העקום האופטימלי אותו אנחנו מנסים להתאים לממצאי הניסוי. על רקע התיאוריה של ניסוי זה ,הגיוני לבדוק את מידת ההתאמה של תוצאות הניסוי לעקום בצורת פרבולה. כדי להוסיף קו מגמה יש לבחור ב Trendline -את .More Trendline Options בשלב זה יפתח חלון Format Trendlineשבו יש לבחור את סוג הקו – , )Order 2( Polynomial להוסיף משוואה Display equation on chartומקדם קורלציה Display R-squared value on chart R2 25 הערה -המשמעות של R2 נדון כאן במקדם הקורלציה Rמבלי להיכנס לנוסחאות המתמטיות הקשורות לנושא. (המתָאם) ,R ,הוא מושג סטטיסטי ,המתאר עד כמה טובה ההתאמה בין הפונקציה המתמטית מקדם הקורלציה ִ לבין סידרת המדידות (כלומר ,סידרת הנקודות שביניהן הועבר הגרף) ,להן הותאמה הפונקציה. ככל שקשר זה יותר הדוק ,מקדם הקורלציה קרוב יותר ל. 1 - ריבוע מקדם הקורלציה ,R2 ,מקבל ערכים בין 0ל ,1 -והוא מהווה מדד לאיכות ההתאמה של קו המגמה למדידות .כאשר R2 = 1הנתונים המדודים תואמים באופן מושלם את קו-המגמה. כאשר R2 = 0אין כל קשר בין הנתונים המדודים לבין קו-המגמה. ג .הוספת שגיאות המדידה. אפשרות להוסיף את שגיאות המדידה נמצאת ב. Error Bars - בניסויים שלנו נשתמש בהוספת שגיאות המדידה בשתי צורות: - הוספת שגיאות קבועות כפי שנמדדו בניסוי ביחידות פיזיקאליות .Fixed Values - - הוספת שגיאות המדידה באחוזים . Percentage - לחץ על Error Barsובחר באפשרות האחרונה .More Error Bars Options - תתבונן בשינויים על הגרף עקב הבחירה – באופן אוטומטי אקסל מייצג את שגיאת המדידה בגודל 1גם בציר האנכי וגם בציר האופקי ,וקווי השגיאות האלה מופיעים על הגרף בצורת הצלב .שים לב ,שבחלק העליון של החלון הנפתח רשום vertical error ,barsכלומר ניתן לשינוי כרגע גודל השגיאה האנכית בלבד .במקרה של גרף מס' 1רשום גודל השגיאה בשורה Fixed Valuesעבור ציר אנכי . y ללא סגירת החלון בחר ע"י העכבר על הגרף את הקו האופקי המייצג את השגיאה האופקית ,כתוצאה יפתח חלון חדש ,בו ניתן לשנות את הגודל השגיאה האופקית ( .)horizontal error barsמכוון שבניסוי זה השגיאה הקבועה היא בציר האנכי בלבד יש לרשום גודל 0בשורה . Fixed Values האם ניתן להסיק שהקו עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה כפי שנמדדו בניסוי? רשום את התשובה בדף המסקנות. על מנת להעריך את פיזור הנקודות סביב הקו המגמה ,כלומר לענות על השאלה "מהו דיוק הגרף באחוזים", יש להשתמש באפשרות לעלות שגיאות מדידה באחוזים (.(percentage ברירת מחדל של אקסל -שגיאה של . 5%גודל השגיאה בפועל יש לקבוע בהתאם לסטיית הנקודות מהקו. אם קו המגמה יעבור מחוץ לתחומי השגיאות או קרוב מדי לנקודות המדידה עצמן ביחס לגודל השגיאה יש לשנות את גודל השגיאה באחוזים עד שיכיל בצורה סבירה את קו המגמה ,כלומר שהקו יעבור בתחום החדש של שגיאות המדידה בצורה סבירה. הוסף את שגיאת המדידה באחוזים עבור שני הצירים ,כך שהקו יעבור בתחום השגיאות וציין את ערך האחוז במסקנות מהגרף .שים לב שבמקרה הזה השגיאה תהיה שונה מנקודה לנקודה ,יחסית לגודל הנמדד. האחוז שנקבע עבור פיזור הנקודות ,כלומר אחוז אי-דיוק הגרף ,מבטא את השגיאה בתוצאה המחושבת מתוך הגרף – בניסוי הזה – בתאוצת הגוף . 26 בסוף תהליך העיצוב אמור להתקבל גרף דומה לזה שמופיע למטה: בצד ימין של הגרף מופיע המקרא – שם הסדרה וסוג קו המגמה. .10עיצוב גרף מס' y - 2כנגד . t 2 חזור על כל השלבים של מילוי טבלה ובנית גרף שתוארו עבור גרף מס' ,1אך הפ עם בחר בקו מגמה ליניאר י. הערות כלליות לעיצוב נתונים : .1לחיצה על הכפתור הימני של העכבר פותחת רשימת אופציות לשינויים בגופן ,פיסקה ודברים אחרים. לדוגמה ,כדי לכתוב בכתב עילי (או תחתי) ,למשל t2יש להקליד , t2לסמן ( לצבוע ) ע"י לחיצה שמאלית על העכבר את סיפרה ,2 ללחוץ לחיצה ימנית על העכבר ולבחור בתפריט הנפתח את Fontאו ( Format Cellsבמידה וכתיבהבכתב עילי נדרשת בגרף או בטבלה ). לבחור superscriptאו subscriptבהתאם לצורך. .2להורדה דברים מיותרים או שגויים בצורה פשוטה ביותר כדאי להשתמש בכפתור Deleteשל המקלדת – לשם כך סמן (צבַ ע) ע"י לחיצה שמאלית על העכבר את הדבר שרוצה להוריד ולחץ על הכפתור .Del הבא את הגרף למצב סופי דומה לזה המתואר בתרשים המופיע למטה: 27 הדפסת דף עבודה ,מסקנות וחי שובים . .11על מנת להדפיס את דף העבודה הראשון שכולל טבלת נתונים מס' 1ושני הגרפים יש לבצע פעולות הבאות: א .לסמן תא כלשהו מחוץ לגרף, ב .לפתוח בתפריט Fileאופציה , Print ג .בתצוגה מימין לוודא שכול משעומד להדפסה נמצא על דף אחד באופן תקין, ד .לבחור Printשליד ציור מדפסת. .12התבונן בגרפים שהתקבלו וענה על השאלות. מה מסקנתך לגבי התאמת קו המגמה אל נקודות המדידה :האם הקו עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה כפי שנמדדו בניסוי? מהו אי-דיוק הגרף באחוזים לפי פיזור הנקודות סביב הקו המגמה? מה ניתן לומר לגבי היחס בין העתק ובין הזמן שנובע מהגרפים? .13מצא את תאוצת הנפילה של גוף פליז מתוך כל אחד מהגרפים a1ו a2 -וחשב את הממוצע של שתי התוצאות a a2 a (I) 1ממוצע . עבור גוף פליז לפי שיטה : I 2 a ( I) a 1 ממוצע .האם הסטייה סבירה? חשב את הסטייה באחוזים יחסית לממוצע של שיטה *100% :I ) a ( Iממוצע חלק .IIשיטה – IIמהירות רגעית כתלות בזמן עבור גוף עשוי מפליז. מילוי טבלה מס' 2ו ע יצוב גרף מס' 3 v כנגד . t .1פתח דף עבודה שני ( שיטה – 2פליז ) ) v(tע"י לחיצה על הלשונית המתאימה הנמצאת בתחתית דף העבודה. טבלה מס' 2נראית ככה: ]∆y [m ]t [s ] v [ m/s .2חזור על כל השלבים של מילוי טבלה. y חישוב המהירות בשורה שלישית תעשה ע"י אקסל לפי הביטוי 0.04 בעמודה ראשונה וגרור אותו לכל השורה כדי לשכפל. , v כלומר רשום את הביטוי לחישוב v .3כמו כן חזור על כל השלבים של בנית גרף שתוארו עבור גרף מס' ,1אך עם קו מגמה ליניארי כמו בגרף . 2 הבא את הגרף למצב סופי דומה לזה המתואר בתרשים המופיע למטה: 28 הדפס ת דף עבודה ,מסקנות וחי שובים. .4הדפס את הדף השני עם טבלה מס' 2וגרף מס' 3בהתאם להוראות בחלק .I .5התבונן בגרף שהתקבל וענה על השאלות: מה מסקנתך לגבי התאמת קו המגמה אל נקודות המדידה :האם הקו עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה? מהו אי-דיוק הגרף באחוזים לפי פיזור הנקודות סביב הקו המגמה? מה מסקנתך לגבי היחס בין מהירות הגוף ין הזמן? האם ניתן לומר שתאוצת הנפילה הייתה קבוע? .6מצא מתוך הגרף את תאוצת הגוף ) a(IIוחשב את אי-דיוק בתאוצת לפי אחוז אי-דיוק הגרף. .7השווה בין התאוצה שמצאת בשיטה IIמתוך גרף מס' 3ובין הגודל הממוצע של התאוצה שהתקבל בשיטה .I חשב את הסטייה באחוזים בין התוצאות שהתקבלו בשיטות שונות עבור גוף פליז לפי הביטוי: * 100% ) a(I) a(II ) a( Iממוצע ממוצע . האם הסטייה שהתקבלה סבירה? 29 חלק .IIIשיטה – 2מהירות רגעית כת לות בזמן עבור גופים עשויים מאלומיניום ועץ. .1על מנת לנתח תוצאות עבור שני הגופים האחרים יש לשכפל את הדף העבודה של שיטה .2 לשם כך עשה קליק ימני על הלשונית של שיטה 2הנמצאת בתחתית דף העבודה ובחר אופציה . Move or Copy בחלון שנפתח בחר .Create a copy .2בדף המשוכפל שנה שם הלשונית ל"אלומיניום" והכנס לטבלה את נתוני המדידה עבור גוף אלומיניום. הגרף אמור להשתנות אוטומטית ( שנה שם שלו לגרף מס' 4עבור גוף מאלומיניום ). .3חזור על השכפול עוד הפעם עבור גוף עץ ( גרף מס' .) 5 הדפסת דף עבודה ,מסקנות וחי שובים. .4הדפס את שני דפי העבודה שהתקבלו בחלק IIIשל הניסוי. .5מה מסקנתך מהגרפים שהתקבלו עבור שלושה גופים שונים בשיטה ?2 .6האם ניתן לומר שככל שמסת הגוף גדלה תאוצת הנפילה שלו גם גדלה? תן הסבר. .7השווה בין התאוצות שמצאת מתוך הגרפים באקסל ( פגישה ) IIובין התאוצות שהתקבלו עבור אותם הגופים בפגישה הראשונה ( על נייר מילימטרי ) .מה הסטייה באחוזים בין התוצאות? האם הסטייה סבירה? 30 ניסוי : 3 נושאים החוק השני של ניוטון. לניסוי :נושאי נפילת גופים +החוק השני של ניוטון. מטרות הניסוי: .1חקירת הקשר בין תאוצת המערכת והכוח המאיץ אותה ,כאשר מסת המערכת קבועה. .2מציאת מסת המערכת בדרך לא ישירה -ללא שקילה. רקע תאורטי. החוק השני של ניוטון אומר שקיים יחס ישר בין סכום הכוחות הפועלים על גוף לבין התאוצה שלו ,כאשר קבוע היחס הוא מסת הגוף. אחד הניסוחים המתמטיים של החוק השני של ניוטון ניתן ע"י: , F ma כאשר Fהוא שקול הכוחות הפועל על גוף - m ,מסתו ו - a -התאוצה שהוא מקבל. ר ואים אם כך שתאוצתו של גוף היא בעלת כוון הזהה לכיוון הכוח השקול הפועל עליו ובעלת גודל הפרופורציוני לגודלו של כוח זה .ניתן לפרק את הביטוי הווקטורי לשלושה רכיבים: , Fx ma x , Fy ma y . Fz ma z היחידות המקובלות למדידת כוח מוגדרות מחוק זה (ראה נספח 2בסוף החוברת): .1מערכת יחידות - M.K.S.ניוטון 1N -הוא הכוח הדרוש כדי להאיץ מסה של 1kgבתאוצה של , 1m/s2 כלומר] : m s2 . [N] [kg .2מערכת יחידות - C.G.S.דין 1dyn -הוא הכוח הדרוש כדי להאיץ מסה של 1gבתאוצה של , 1cm/s2 כלומר ] : cm s2 . [dyn] [g היחס בין שתי היחידות הוא .1N = 105dyn : .3יחידה נוספת -ק"ג -כוח (ק"כ) הוא כוח המשיכה הפועל על מסה של 1Kgהנמצאת בגובה פני הים. היחס בין ניוטון וק"כ הוא 1 = 9.81N :ק"כ. 31 הקשר בין משקל ומסה. מסה הינה תכונה של הגוף ,שגודלה הוא היחס בין הכוח השקול הפועל על הגוף ותאוצתו .היא נמדדת בק"ג ,גרם, טון וכו'. משקל הינו כוח משיכה שמפעיל כדור הארץ על הגוף .הוא נמדד בניוטונים ,דינים ,ק"כ וכו' -כמו כל כוח אחר. כאשר גוף נמצא חופשי באוויר הכוח היחידי הפועל עליו (בהזנחת חיכוך) הוא משקלו , W -דהיינו כוח הכובד .גוף חופשי ירכוש תאוצה שכוונה ככיוון כוח זה -כלפי מטה .גודלה שווה לכל הגופים וסימנה ,gבגובה פני הים = g .9.81 m/s2 החוק השני של ניוטון במקרה זה ,W = mg :כלומר משקל הגוף שווה למסתו כפול תאוצת הכובד .הדבר נכון גם כאשר gשונה ,למשל על הר גבוה או על הירח. m1 דוגמה לשימוש בחוק השני של ניוטון. עגלה ומשקולת קשורים באמצעות חוט חסר מסה וגלגלת חלקה ,בצורה המתוארת m2 בתרשים .1החיכוך בין עגלה והמשטח זניח. מהי תאוצת הגופים ?a - תרשים 1 מתוך התבוננות בתרשים רואים שגודל התאוצות של שני הגופים שווה אם כי כיוונן שונה. Y a פתרון. N נבדוק את מערך הכוחות על כל גוף בנפרד: T על העגלה m1פועלים כוח הכובד , W - הכוח הנורמלי של המשטח , N -ומתיחות החוט . T - X כיוון התאוצה של m1הוא ציר . X Fx m1 a1x T m1 W=m1g []2-1 אין תנועה בכיוון ,Yולכן . a1Y=0 ( N = m1g Y T ) Fy 0 a על המסה m2פועל כוח הכובד , W2 -ומתיחות החוט . T - כיוון התאוצה של m2הוא ציר Yהשלילי. m 2 g T m 2 a 2y Fy m 2 a 2y X [2 - 2] m2 W2=m2g (אין תנועה בכיוון , Xולכן ).FX =0 בתנאי המערכת שלנו שתי התאוצות a1xו a2y-שוות בגודלן ,אך שונות בכיוונן ,וזאת כיוון ששתי המסות קשורות בחוט. קיבלנו שתי משוואות [ ]2-1ו ]2-2[-עם שני נעלמים Tו.a- 32 חיבור שתי המשוואות נותן: T m 2 g T m1a m 2 a m 2 g ( m 1 m 2 )a [2 - 3] m2gהוא הכוח המאיץ של המערכת ,F - m1+m2היא המסה הכוללת של המערכת .M - משוואה [ ]2-3היא ביטוי לחוק השני של ניוטון למערכת שני גופים: F=am [ ]2 - 4 שאלות הכנה: .1כיצד ישתנו משוואות [ ] 2 - 1עד [ ] 2 - 4ב גלל ה ש פ עת ה ח יכוך ב מ ערכת נ י סו י ? . 2כיצד ישתנ ה ה גר ף ה צפוי של התאוצה aכנגד הכוח Fבגלל החיכוך? האם הגרף יעבור דרך ראשית הצירים ,כאשר כוח חיכוך לא זניח במערכת? יש לענות על כך בדו"ח הכנה ,כולל שרטוט הגרף הצפוי. מהלך הניסוי. הרכבת המערכת ובי צוע ניסוי. בניסוי נבדוק את הקשר בין תאוצת המערכת והכוח המאיץ אותה ,כאשר משנים את הכוח המאיץ בלי לשנות את המסה המואצת .נעשה זאת ע"י העברת משקולות מנושא המשקולות אל העגלה. הנח את מסלול ההרצה על השולחן ,כך שהגלגלת תבלוט מעברו ודאג שיהיה אופקי. הנח את רשם הזמן על ההגבהה בקצה מסלול ההרצה .העבר את החוט של נושא המשקולות על הגלגלת וחבר אותו אל הוו בעגלה .חבר את רשם הזמן לשנאי במתח 6וולט .וודא שרשם הזמן פועל. חלק .Iמציאת תאוצות המערכת בחמישה מקרים שונים של הכוח המאיץ. א .העבר משקולת אחת מנושא המשקולות אל העגלה .וודא שעל הנושא נשארו 8משקולות. ב .השחל סרט נייר דרך מובילי רשם הזמן והצמד אותו לעגלה בעזרת הקרוקודיל. ג .הפעל את רשם הזמן ושחרר את העגלה .לאחר שהעגלה הגיעה לקצה המסלול הפסק את פעולת רשם הזמן .בדוק שהנקודות על הנייר ברורות ,אחרת יש להגדיל מתח של השנאי או להחליף את נייר העתקה של רשם הזמן .סמן על הסרט את קצה תחום הניסוי ,כאשר נושא המשקולות נגע ברצפה. ד .הוצא את סרט הנייר והדבק אותו לשולחן לצורך עיבוד נתונים .סמן עליו את מספר משקולות בעגלה. ה .חזור על השחרור 4פעמים נוספות עם מספר משקולות שונה בעגלה -יש להעביר כל פעם משקולת אחת מנושא המשקולות אל העגלה. ניתוח תוצאות הניסוי . עבור כל אחד מהסרטים מצא את תאוצת הגוף לפי מהירות רגעית כמתואר בניסוי " 1נפילת גופים" .לשם כך : - פתח טופס לניסוי "ניוטון" (בתיקייה "טפסים" על שולחן עבודה במחשב), - בנה טבלה עבור סרט ראשון ( צורת הטבלה ראה בניסוי קודם בעמוד .) 27קווי רשת לאזור הנבחר עבור הטבלה הוסף בעזרת אייקון ( All borders ( Iconבתפריט . Home - שרטט גרף מס' 1של מהירות רגעית כתלות בזמן עבור סרט ראשון. - הוסף לגרף שגיאות המדידה באחוזים ( Percentageב )Error Bars -בהתאם לפיזור הנקודות סביב הקו גם לציר Xוגם לציר .Y - רשום מסקנות מתוך הגרף עבור סרט ראשון ,כולל קביעת גודל התאוצה aואי-דיוק הגרף באחוזים. 33 שכפל את דף העבודה 4פעמים עבור שאר 4סרטים (ע"י בחירת אופציה Move or Copyבכפתור ימני של עכבר כפי שהוסבר בחלק IIIשל ניסוי קודם – עמוד .)29 במקרה כזה יישאר לשנות רק נתוני מדידה בטבלאות והגרפים ישתנו אוטומטית בהתאם . כמו כן רשום את המסקנות והחישובים עבור שאר 4הגרפים. חלק .IIבדיקת יחס בין הכוח המאיץ ותאוצת המערכת – מציאת מסת המערכת. א .פתח דף עבודה לחלק IIבקובץ הניסוי ובנה טבלה מס' :6 ] ] ] [ m2 [F [a ב .בשורה ראשונה של הטבלה רשום את המסה של נושא המשקולות עם מספר שונה של המשקולות m2בכל אחד מהמקרים (מסה כל משקולת 20גרם ומסה נושא משקולות גם 20גרם). ג .בשורה שנייה בנה את הנוסחה לחשוב הכוח המאיץ במערכת לפי ביטוי ( F m 2 gראה את ההסברים לביצוע חישובים ב Excel -בניסוי קודם). ד .רשום בטבלה 6את תאוצה aעבור כל אחד מהמקרים שקבלת בחלק .I ה .לפי טבלה 6בנה גרף של התאוצה aכפונקציה של הכוח המאיץ Fעם קו-מגמה ליניארי .הוסף אל הגרף את משוואת הפונקציה ומקדם הקורלציה . R2 ו .מה מסקנתך מהגרף לגבי התאמת קו המגמה אל נקודות המדידה? הוסף לגרף שגיאות המדידה באחוזים ( Percentageב )Error Bars -בהתאם לפיזור הנקודות סביב הקו גם לציר Xוגם לציר Yורשום בדו"ח העבודה את גודל האחוז. ז .קבע את מסת המערכת Mגרף מתוך הגרף ,כאחד חלקי שיפועו ( תן הסבר ). ח .חשב את – Mאי-דיוק במסת המערכת בקילוגרמים – לפי אי-דיוק הגרף באחוזים ,למשל ,אם התקבל פיזור נקודות ,5%אזי חשב M0.05גרף= Mורשום את התוצאה הסופית מתוך הגרף בצורה הבאהM M [kg] :גרף . ט .שקול את המערכת – M שקילה – למסה זו נתייחס כמסה אמתית .בדוק האם גודלה נמצאת בתחום התוצאה הסופית שהתקבלה בסעיף הקודם .כמו כן חשב את הסטייה ביניהם באחוזים 100% : Mגרף M- M שקילה .האם הסטייה שקילה סבירה? מהן הסיבות לסטייה ,לדעתך? י .מה מסקנתך מהניסוי? האם החוק השני של ניוטון מתאים למדידת מסה ללא שקילה בתנאיי המעבדה? 34 ניסוי :4 נושאים לניסוי: חוק הוק ואנרגיה בקפיץ. חוק הוק ,כוח ואנרגיה של קפיץ. מטרות הניסוי: .1מציאת קבוע קפיץ ע"י שימוש בחוק הוק. .2מציאת קבוע קפיץ ע"י שימוש במעבר אנרגיה כובדית לאנרגיה אלסטית אצורה בקפיץ. רקע תאורטי. כאשר קפיץ נמצא במצב של התארכות (או כווץ) ביחס למצבו הרפוי (מצב בו קצוות הקפיץ לא מפעילים כוח על הגופים המחוברים אליהם) ,הוא מפעיל כוחות על הגופים המחוברים לקצותיו .עבור קפיץ אידיאלי, הכוחות האלה שווים בגודלם והפוכים בכיוונם. נתבונן בקפיץ שקצהו האחד מחובר אל בסיס קבוע ונמתח את קצהו השני. מצב רפוי נסמן את התארכות הקפיץ ממצבו הרפוי ב( X-תרשים .)1 מתברר ניסיונית שגודל הכוח שהקפיץ מפעיל בקצותיו נתון ע"י: F = kX m []3-1 X כלומר ,הכוח פרופורציוני לגודל ההתארכות מהמצב הרפוי. kהוא קבוע הכוח של הקפיץ (או בקיצור" :קבוע הקפיץ") ,והוא מהווה תכונה המאפיינת כל קפיץ. F F m תרשים 1 כמו כן מתברר שמדובר בכוח "מחזיר" :כשהקפיץ נמתח הכוח שקצותיו מפעילים מכוון "פנימה" (במגמה להתקצר) וכשמכווצים אותו הכוח מכוון "החוצה" (במגמה להתארך). פורמלית ,ניתן לרשום סימן מינוס לפני הביטוי kXולבטא בכך את התנהגות הכוח מבחינת הכיוון. לא נשתמש כאן באפשרות זו כי נתייחס בהמשך רק לגודל הכוח. הקשר הזה בין הכוח וההתארכות נקרא חוק הוק והוא מתקיים כל עוד ההתארכות לא גדולה מדי ,הן עבור מתיחה והן עבור כיווץ הקפיץ. עבור התארכויות גדולות מתקבל קשר לא ליניארי בין הכוח לבין ההתארכות. העבודה החיצונית שיש להשקיע כדי למתוח את הקפיץ או לכווצו בשיעור Xביחס למצבו הרפוי מוגדרת בתור "האנרגיה האלסטית" האצורה בקפיץ. האנרגיה האלסטית האצורה בקפיץ כאשר הוא מתוח בשיעור ( Xכלומר ,אורכו גדול ב X -לעומת אורכו הרפוי) נתונה ע"י: 1 Ee(x)= kX2 2 התלות הריבועית הזאת בין האנרגיה וההתארכות נכונה כל עוד חוק הוק בתוקף. ככל שההתארכות או הכווץ של קפיץ גדולים יותר – אצורה בו יותר אנרגיה אלסטית. רק כאשר הקפיץ רפוי אין בו אנרגיה אלסטית. []3-2 35 דוגמא :שימוש בחוק שימור האנרגיה כדי למדוד אנרגיה אלסטית. משקולת שמסתה mתלויה בקצהו של קפיץ אנכי הקשור לתקרה (תרשים .)2 g מצב רפוי X0 m Xmax מצב התארכות מקסימאלית מנוחה X m מנוחה רגעית תרשים 2 מחזיקים את המשקולת כך שהקפיץ יהיה במצב רפוי ,ומשחררים אותה ממנוחה. המשקולת נופלת תוך כדי משיכת הקפיץ ומתיחתו ,עד להתארכות מקסימלית Xmaxבה נעצרת המשקולת רגעית .במצב זה ניתן לומר שכל האנרגיה הכובדית E pשהשתחררה הפכה לאנרגיה אלסטית האצורה בקפיץ ( E eזאת ,בהנחה שבתהליך נשמרת האנרגיה המכנית של המערכת ,כלומר אין הפסדי אנרגיה). לאחר מכן יחזור הקפיץ לאורכו המקורי והמשקולת תתנודד. השוואת האנרגיות בנקודות המנוחה העליונה ( ) E pוהתחתונה ( ,) E eנותנת : E p Ee 1 אבל הביטויים עבור האנרגיות הנ"ל הם Ep=mgXmax :וkX2max - 2 []3-3 Ee ולכן ,שימור אנרגיה מכנית מתבטא במשוואה הבאה: 1 mgXmax= kX 2max 2 []3-4 ממשוואה זו ניתן למצוא את המרחק , Xmaxאך מטרתנו כאן היא לחשב את האנרגיה האלסטית האצורה בקפיץ (ברגע העצירה הרגעית של המשקולת!) ,ולאנרגיה זו שווה כל אחד מאגפי המשוואה. גם במהלך הניסוי נתבסס על המשוואה האחרונה כדי לחשב את האנרגיה האלסטית האצורה בקפיץ הנמצא במצב של התארכות מקסימלית ,מתוך האנרגיה הכובדית שהשתחררה בתהליך. 36 תאור המערכת. המערכת (ראה תרשים )3מורכבת בעיקרה משני חלקים המוצמדים למוט ( )1המחובר לשולחן העבודה .החלק העליון -מתקן תלייה ( )2מוצמד למוט ע"י שני תפסנים קפיציים ( .)3בחזית הנושא יש לוחית מגנטית ( )4ובורג ( )5המשמשים לתליה והצמדת סרגל המתכת ( .)14בתחתית מתקן התלייה יש וו ( )6שעליו ניתן לתלות את הקפיץ ,כאשר מתכוונים להשתמש במלוא אורכו ( .)8בקצה המתקן יש שקע (( )7עם פחית בתחתיתו ומגנט קטן בפנים) לאחיזת הקפיץ באמצעו ,כאשר מתכוונים להשתמש רק בחלק מאורכו הקפיץ (קפיץ במצב .)9 החלק התחתון של המערכת (מציין מיקום )11משמש לסימון ומדידה של מידת התארכותו של הקפיץ ,הוא מוצמד למוט ע"י תפסן קפיצי ( .)12בחזיתו יש לוחית מגנטית ( )13להצמדת חלקו התחתון של הסרגל. על הקפיץ ניתן לתלות נושא משקלות ( ,)10שמסתו ומסת כל משקולת מוספת הן 20גרם. 0 5 2 7 1 4 9 3 6 8 14 10 11 13 12 תרשים 3 1 2 3 4 5 6 7 - מוט (מחובר לשולחן) מתקן תלייה (חלק עליון) תפסנים קפיציים לוחית מגנטית להצמדת סרגל בורג לתליית סרגל וו תליה שקע לאחיזת קפיץ חלקי - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13 - 14 קפיץ תלוי למלוא אורכו קפיץ פעיל בחלקו בלבד ( שימושי רק בניסוי " 6תה"פ" ) נושא משקלות עם משקלות מציין מיקום (גבול התארכות קפיץ) תפסן קפיצי לוחית מגנטית להצמדת סרגל סרגל מתכת 37 מהלך הניסוי. חלק :Iחוק הוק. הרכבת המערכת וביצוע מדידות (זמן מומלץ 20דקות). .1תלה את הקפיץ על הוו כך שאורכו המלא ישתלשל ממתקן התלייה .על הקפיץ תלה את נושא המשקולות ריק .הרכב את סרגל המתכת אל הבורג כך שהוא ייצמד ללוחיות המגנטיות בשני חלקי המערכת. הבא את נושא המשקולות לידי שווי-משקל .פתח את הקובץ אקסל לניסוי זה שבחבילת "טפסים". הזז את מציין המיקום (( )11החלק התחתון של המערכת) כך ,שיגע בתחתית נושא המשקלות ,אבל לא ירים אותו .קרא את המיקום על הסרגל ורשום X1בשורה ראשונה בטבלה ( 1אותו גודל בכל השורה). .2העמס את הנושא במשקולת אחת .הזז את מציין המיקום למיקומו החדש ומדוד את המיקום נושא המשקלות במצב שווי המשקל החדש ( Xרשום בטבלה). התארכותו של הקפיץ מהמצב ההתחלתי X1כתוצאה מהעמסת משקולת על התושבת נתונה ע"י , X = X – X1רשום אותה בעמודה ראשונה בטבלה .1 שים לב: X1אינו אורכו הרפוי של הקפיץ ,אלא המצב ההתחלתי לביצוע הניסוי ו X-הוא שינוי ההתארכות מהמצב ההתחלתי !X1 Fהוא תוספת הכוח מהמצב ההתחלתי ולא הכוח הכולל המופעל על קצה הקפיץ! הערך את אי-דיוק במדידת ( Xשגיאת המדידה) ורשום בטבלה בצורת .± ] [ X1 ] [ X [ ] [ X ± ] F רשום בטבלה גם את תוספת הכוח Fהפועל על הקפיץ עקב הוספת משקולת אחת. מסת כל משקולת היא . 20gr .3חזור על המדידות של סעיף ,2כאשר נושא המשקלות עמוס במספר שונה של משקולות והשלם את הטבלה F .היא תוספת הכוח הנובעת מכל המשקולות שהוספת על הנושא. ניתוח תוצאות המדידה (זמן מומלץ 20 דקות). .4שרטט גרף 1של תוספת הכוח המופעל על הקפיץ Fכתלות בהתארכות Xעם קו מגמה ליניארי. זכור להעלות על הגרף את שגיאת המדידה כפי שנמדדה ורשומה בטבלה. האם הקו המגמה עבר את כל הנקודות בתחום שגיאת המדידה? האם ישנה התאמה טובה בין שגיאת המדידה ובין פיזור נקודות המדידה סביב הקו? הערך את פיזור הנקודות סביב הקו באחוזים – זה אי-דיוק הגרף ,כלומר אי-דיוק בתוצאות החישוב מתוכו. .5מתוך הגרף מצא את קבוע הקפיץ ,kתן הסבר לחישוב ורשום את התוצאה של kעם הסטייה בהתאם לאחוז אי-דיוק הגרף כפי שנערך בסעיף הקודם. .6כתוב את המסקנה מחלק Iלגבי התאמה של הגרף לתיאוריה (חוק הוק) .האם דיוק הניסוי הוא סביר? 38 חלק :IIמעבר אנרגיה כובדית לאנרגיה אלסטית. על מנת לבדוק שכל האנרגיה הכובדית (במצב רפוי) הופכת לאנרגיה אלסטית האצורה בקפיץ (במצב התארכות מקסימאלית) לפי משוואה [ ,]3-4נמדוד את התארכות מקסימאלית Xmaxשל הקפיץ ממצבו הרפוי X0עבור מספר שונה של המשקולות. ביצוע מדידות (זמן מומלץ 20דקות). .1כדי למצוא את מצבו הרפוי של הקפיץ החזק את נושא המשקולות בידך כך ,שהקפיץ ימצא במצב רפוי, אך צמוד לנושא (כמוראה בתרשים .)4 הזז את מציין המיקום ורשום את מיקומו במצב זה ()X0 רווח מינימלי בין קפיץ לתושבת החזקת נושא המשקולות באצבעות בשורה ראשונה של טבלה ( 2אותו גודל לכל השורה). בהמשך הניסוי יוחזר הקפיץ העמוס כל פעם למצבו הרפוי. .2הורד את מציין המיקום אל מתחת למקום שיווי המשקל. .3העמס את הנושא במשקולת אחת ורשום בטבלה 2את המסה הכוללת ) (mהתלויה על הקפיץ (מסה נושא המשקלות ומסת תרשים 4 משקולת אחת). .4הבא את הקפיץ למצב הרפוי .שחרר את הנושא מידך ובדוק את מצבו בתחתית התנועה ביחס למציין המיקום .אם נושא המשקלות פוגע במציין – הורד אותו .אם נשאר מרחק ביניהם – הרם אותו. חזור על השחרור וההזזה עד שנושא המשקלות יגע אבל לא יעצור על ידי המסמן. רשום את הערך בטבלה .X - 2 .5חשב את התארכותו המקסימאלית של הקפיץ ממצבו הרפוי Xmaxלפי הביטוי . Xmax = X-X0 הערך את שגיאת המדידה ב Xmax -ורשום בטבלה בצורת ±ליד . Xmax .6חזור על סעיפים 3ו ,4 -כאשר בכל פעם תלוי על הנושא מספר שונה של משקולות והשלם את הרישומים בטבלה :2 5 4 3 2 1 מס' משקולות ] [ mכוללת ] [ X0 ] [ X ] [ Xmax ± ] [ Ep=mgXmax 39 ניתוח תוצאות המדידה (זמן מומלץ 40דקות). .7חשב את האנרגיה הפוטנציאלית Epלפי נתוני הטבלה. בהנחה שאין הפסדי אנרגיה בתהליך נפילת נושא המשקולות ,האנרגיה הכובדית הזאת שווה לאנרגיה האלסטית Eeהאצורה בקפיץ במצב בו ההתארכות היא Xmaxלפי משוואה [.]3-4 . 8שרטט גרף 2של האנרגיה כנגד ההתארכות המקסימאלית. מכיוון שהיחס בין Eeובין Xmaxצפוי להיות חזקי הוסף קו מגמה חזקה ,לשם כך בחלון " "Add Trendlineבחר . powerכמו כן הוסף משוואת הפונקציה ומקדם הקורלציה. .9הוסף שגיאות המדידה אל הגרף .האם הקו המגמה שהעברת בסעיף הקודם עבר בתחומי שגיאות המדידה של כל הנקודות? הערך את אי-דיוק הגרף באחוזים לפי פיזור הנקודות .מה מסקנתך מתוך הגרף? .10השווה בין הגודל המעריך שבמשוואת הפונקציה של גרף 2ובין הגודל הצפוי באופן תיאורטי ,כלומר חשב את הסטייה באחוזים .האם הסטייה סבירה ביחס לאחוז אי-דיוק הגרף? .11חשב את ערך קבוע הקפיץ מתוך גרף 2עם תוספת הסטייה ( לפי אי-דיוק הגרף ) ורשום את התוצאה. .12השווה בין ערך קבוע הקפיץ מתוך גרף 2ובין ערכו מתוך גרף ( 1מצא את הסטייה באחוזים) .האם הסטייה סבירה ביחס לאחוז אי-דיוק הגרף? .13מה מסקנתך בחלק IIשל הניסוי לגבי מעבר אנרגיה? שאלת הכנה: כיצד ישתנה הגרף הצפוי של תוספת הכוח Fכתלות בהתארכות Xבמקרה שבמקום Fנעלה על הגרף את הכוח הכולל Fהמופעל על הקפיץ (של משקולות +תושבת)? יש לשרטט את התשובה בדו"ח הכנה. 40 ניסוי : 5חוק שימור תנע בשני ממדים. נושאים לניסוי: מתקף ותנע ,שימור תנע בשני ממדים ,התנגשות בין גופים זהים וגופים שונים ,אנרגיה קינטית בהתנגשות, חשבון ווקטורי :חיבור וחיסור ווקטורים ,כפל וחילוק בקבוע. מטרות הניסוי: .1בדיקת שימור תנע ושימור אנרגיה בהתנגשות בין שני כדורים בתנאים שונים. . 2מציאת יחס מסות בין שני כדורים העשויים מחומרים שונים ללא מדידה ישירה. רקע תאורטי P mv תנע קווי של גוף מוגדר כמכפלת מסתו במהירותו: [.]4-1 המתקף של כוח הפועל על הגוף מוגדר כמכפלת הכוח Fבמשך זמן פעולתו : t J F Δt חוק שימור התנע: בת הליך שבו לא פועלים על מערכת גופים כוחות חיצוניים התנע הכולל של המערכת נשמר ,כלומר התנע הכולל של המערכת לפני התהליך שווה לתנע הכולל אחריו: . Ptot 0 כוחות הפועלים בין הגופים המרכיבים את המערכת לא משנים את התנע הכולל שלה. כאשר כן פועלים כוחות חיצוניים על המערכת( ,מספיק שיפעל כוח על גוף אחד) נגרם שינוי בתנע הכולל. Ptot J הקשר בין הכוח החיצוני ושינוי התנע נתון ע"י: [,]4-2 כאשר - Ptot :התנע הכולל של כל המערכת (התנע הכולל הוא סכום וקטורי של התנע של כל הגופים המרכיבים את המערכת), - Jמתקף חיצוני הפועל על מרכיב או מרכיבי המערכת. במידה וההתנגשות בין הגופים אלסטית ואין איבוד אנרגיה בזמן ההתנגשות מתקיים גם שימור אנרגיה קינטית ,EK tot =0 :כאשר האנרגיה הקינטית של גוף iהיא : 1 2 . E K i m i v i2 41 מקרה של התנגשות דו ממדית בין שני כדורים. כדור אחד בעל מסה m1ומהירות התחלתית v 0נע לעבר כדור שני שמסתו m2והנמצא במנוחה ,ומתנגש בו (תרשים 1א') .ההתנגשות איננה מצחית ,כלומר כיוון תנועת הכדור הראשון איננו על הקו המחבר את מרכזי הכדורים בעת ההתנגשות. לאחר ההתנגשות נעים הכדורים במהירויות v1 :ו v 2 -בהתאמה היוצרות זווית ו -ביחס לכוון v 0 (תרשים 1ב'). בהנחה שבמשך ההתנגשות לא פועלים כוחות חיצוניים על מערכת שני הכדורים והכוחות היחידים המשפיעים הם הכוחות ההדדיים שלהם זה על זה ,התנע הכולל של המערכת יישמר בזמן ההתנגשות (כווקטור). לפני התנגשות מיד אחרי התנגשות P1 m1 v 1 P0 m1 v 0 P2 m 2 v 2 תרשים 1א' תרשים 1ב' תרשים 1 התנע הכולל לפני ההתנגשות שווה לתנע הכולל אחריה ,לפי חוק שימור התנע( P0 P1 P2 :לפני ההתנגשות התנע של הכדור השני הוא .)0 חוק שימור התנע ניתן לביטוי בצורה גרפית ,כלומר שלושת הווקטורים שבתרשים 1 ( P1 , P0ו ) P2 -סוגרים משולש (תרשים :)2 P2 P0 P1 תרשים 2 סגירת המשולש מתקיימת ללא קשר לאופי ההתנגשות (אלסטית או פלסטית) ולתופעות הקורות בתוך הכדורים .הסגירה נובעת רק מהעובדה שלא היו כוחות חיצוניים בזמן ההתנגשות ,והיא מבטאת את חוק שימור התנע. 42 בניסוי נבדוק אם התנע נשמר במהלך ההתנגשות בין שני כדורים שווים .במידה ולא, נמדוד את מידת אי השימור (גודל וכוון ווקטור הפרש התנע) וננסה לזהות את הגורמים לכך. הבדיקה נעשית ע"י השוואת וקטור התנע של הכדור הפוגע לפני ההתנגשות עם סכום וקטורי התנע של שני הכדורים לאחר ההתנגשות. בניסוי לא נמדוד ישירות את התנע של הכדורים וגם לא את מהירויותיהם ,אלא את ההעתק האופקי שהכדורים עוברים תוך כדי נפילה לאחר ההתנגשות .אם המערכת מכוונת כך שהמהירות האנכית ההתחלתית של הכדורים לאחר ההתנגשות היא אפס (תנועה אופקית) ,נוכל לקבל את מהירות הכדורים לאחר ההתנגשות מתוך ההעתק האופקי. הוכחה לכך ניתנת להלן. בניסוי משתמשים במסילה מתכתית .ACאת A v0 הכדור משחררים ממנוחה בנקודה העליונה ,A וממנה הוא מתגלגל לאורך המסילה .בנקודה C C הכדור עוזב את המסילה במהירות אופקית v0 B h (בתנאי שהמסילה מכוונת כך שהקטע BC אופקי) .מרגע עזיבתו את המסילה הרי נוסף לתנועתו האופקית הכדור נופל בצורה חופשית עד פגיעתו בשולחן (תרשים .)3 E D x תרשים 3 הכדור פוגע בשולחן האופקי בנקודה Eהנמצאת במרחק xמנקודה Dהנמצאת מתחת קצה המסילה .בהנחה שתוך כדי נפילתו לא פועלים כוחות אופקיים על הכדור הרי שמהירותו האופקית נשמרת .ההעתק האופקי x שהכדור עובר עד פגיעתו בשולחן נתון ע"י , x v 0 tכאשר tהוא זמן הנפילה מ C-ל.E- זמן הנפילה מקיים: 1 2 gt 2 הקשר הסופי בין התנע והמרחק הוא: h 2h g =t g x . P mv 0 m mx t 2h מכיוון שכל הכדורים נופלים מאותו גובה , hאז תנע הכדור נמצא ביחס ישר להעתק xשהוא עובר בזמן הנפילה. אפשר לייצג את משוואת שימור התנע במקרה זה ע"י משוואת ווקטורית של העתקים: m 1 r0 m 1 r1 m 2 r2 נחלק את המשוואה ב( m1-מסת הכדור הפוגע) ונקבל: במקרה שהכדורים שווים m1=m2 m r0 r1 r2 2 m1 r0 r1 r2 [.]4-4 [.]4-5 43 כאשר הכדור המתגלגל פוגע בכדור השני הנמצא במנוחה בנקודה Cשני הכדורים ינועו לאחר ההתנגשות במהירויות v 1ו v 2 -ויפגעו בשולחן בנקודת E1ו E2-בהתאמה. אם מיד לאחר ההתנגשות הכדורים נעים במהירות אופקית בלבד (אין מהירות התחלתית אנכית) המרחקים DE1ו DE2-יחסיים ל v 1ו v 2 -ולכן גם ל P1 -ו. P2 - במקרה שההתנגשות היא אלסטית ,אזי מתקיים גם שימור אנרגיה, E0=E1+E2 : 1 1 1 2 2 2 ובמפורש: m1 V0 m1 V1 m 2 V2 2 2 2 במקרה הפרטי שבו שני הכדורים חלקים ,בעלי מסה שווה וההתנגשות ביניהם אלסטית לחלוטין ,כלומר אין [. ]4-6 הפסדי אנרגיה ,ניתן להראות בעזרת חוק שימור האנרגיה שהכדורים נפרדים לאחר ההתנגשות בזווית ישרה , + = 90כלומר וקטורי התנע יוצרים משולש ישר זווית. כאשר הכדורים אינם שווים וההתנגשות היא אלסטית ,תנע נשמר לפי משוואה [ ]4-4ואנרגיה נשמרת לפי המשוואה הבאה: 2 m 1 r0 m 1 r1 m 2 r2 2 2 m2 2 r2 m1 1 1 1 2 2 2 m1 V0 m 1 V1 m 2 V2 2 2 2 r0 r1 2 2 [. ]4-7 כלומר ,עבור כדורים שונים לא יתכן מקרה שהכדורים נפרדים לאחר ההתנגשות בזווית ישרה ,אפילו m2 בהתנגשות אלסטית לחלוטין (הגורם m1 מקלקל את פיתגורס). 44 מערכת הניסוי . מערכת הניסוי מוצגת בתרשים 4במבט צד ומבט על: 18 19 11 1 17 5 2 15 6 7 9 8 3 12 4 16 14 5 7 17 18 19 1 2 8 9 10 15 12 14 13 תרשים 4 .1כדור מטרה. .2תושבת כדור מטרה. .3שרשרת למשקולת. .4משקולת אנך. .11מוט אחיזה. .12תושבת המסילה. .13חור להשחלת מערכת על המוט האחיזה. .5מוט זחיח. .6ציר סיבוב של לוח הגזרה. .7לוח גזרה. .8בורג לקביעת זווית הפגיעה. .14בורג הידוק לקביעת גובה המערכת מהשולחן. .15בורג לקביעת אופקיות זווית שיגור. .16בסיס (שולחן). .9בורג לקביעת מרחק כדור המטרה .17מסילה. מהמסילה. .10חריץ למעבר בורגי אחיזה. .18כדור פוגע. .19אוחז כדור פוגע. 45 מערכת הניסוי מתבססת על המסילה ( )17המוצמדת לתושבת המסילה ( )12בצורה המאפשר שינוי זווית הגבהת השיגור במישור אנכי ע"י כיוון בורג פרפר ( .)15תושבת המסילה ( )12מושחלת על מוט ( )11דרך חור ( )13כך שאפשר לשנות את גובה המערכת מהשולחן וגם את כיוונה הכללי .התושבת מהודקת למוט בעזרת בורג-פרפר (.)14 בקצה המסלול מוכנס אל תוך פרופיל המסילה מוט זחיח מרובע ( )5בצורה המאפשרת לו להחליק קדימה ואחורה בתוך פרופיל המסילה .המוט יכול להיקבע במקומו בעזרת בורג פרפר ( .)9ברגים ( )8ו )9(-נעים בתוך חריץ ( )10שכורסם במסילה .בעזרת מוט זה אפשר לקבוע את מרחק כדור המטרה מהמסילה בזמן ההתנגשות. למוט הזחיח מחובר לוח בצורת גזרת מעגל עם בליטה ( .)7בקצה הבליטה מחוברת תושבת לכדור מטרה (.)2 במרכז התושבת יש שקע קטן המאפשר לכדור המטרה ( )1להיות מוצב בתוכו .לוח הגזרה מחובר למוט הזחיח בציר ( ) 6שסביבו לוח הגזרה יכול להסתובב .סיבוב הלוח מאפשר שינוי זווית הפגיעה בכדור המטרה. לאחר קביעת הזווית הדרושה הלוח מהודק למסילה בעזרת בורג פרפר ( .)8על לוח הגזרה מסומנות זוויות הסטייה ממצב התנגשות חזיתית .אומנם הזווית המדוייקת במצב מסויים מוסתרת ע"י הפרופיל ואפשר רק להעריכה ,אבל למידתה המדוייקת אין חשיבות לביצוע הניסוי והיא משמשת רק לקביעה מקורבת של זווית הפגיעה. בתחתית תושבת כדור המטרה יש קרס שעליו אפשר לתלות אנך ( )4בעזרת שרשרת ( ,)3כך אפשר לסמן על גיליון הניר את מקומו של כדור המטרה. בראש המסילה יש מתקן אחיזה ( )19לכדור ( )18המאפשר את שחרורו בצורה מבוקרת עדינה. 46 מהלך הניסוי. הרכבה וכוון המערכת ,ביצוע ניסויים מקדימים (זמן מומלץ 15דקות). .1הנח את לוח העץ (דיקט) על השולחן (הלוח מיועד להגנת השולחן). הקפד שהלוח לא יבלוט מעבר לשפת השולחן .הנח נייר לבן על לוח העץ והדבק את הנייר לשולחן בעזרת סרט דביק (לא ללוח!) ,פרוש את "הגדר" ,הנח אותה על הנייר. הסר את הנייר מהשולחן רק לאחר סיום כל חלקי הניסוי! .2השחל את מערכת הניסוי על המוט הקבוע בקצה השולחן. הקפד על חיבורו בגובה כזה שיאפשר מדידת המרחקים האופקיים על הנייר הלבן מבלי לגרום לפגיעות חזקות מדי (מסלול שיחובר גבוה מדי יגרום לרעש חזק בזמן הפגיעה בשולחן ללא תועלת לביצוע הניסוי). .3כוון את גובה המסילה ואת אורך השרשרת כך ,שקצה המשקולת יימצא מעט מעל הנייר הלבן שעל השולחן. .4כוון את המערכת (באמצעות בורג מס' )15כך ,שקצה המסילה יהיה אופקי. לצורך בדיקת אופקיות הקצה ,הנח אחד מכדורי הפלדה שברשותך בסמוך לקצה ובדוק אם אינו מתגלגל ימינה או שמאלה( .אם הוא נשאר במקומו ,קצה המסילה אופקי כנדרש). .5פתח את בורג מס' 9וכוון את מרחק התושבת מקצה המסילה כך ,שבזמן ההתנגשות יהיה מרכזו של הכדור הפוגע באוויר (הדק בעזרת בורג מס' .)9 מדוע זה דרוש? מרכז כדור הפוגע בציור ( 5מבט על) מרכז הכדור הפוגע כבר באוויר בזמן ההתנגשות. מסילה תרשים 5 הערה :הקפד שלא להרחיק את התושבת יתר על המידה (מדוע חשובה דרישה זו?). .6כוון את המסילה כך ,ששני הכדורים יפגעו בנייר הלבן בתוך "הגדר" ללא הזזת המסילה ,במקרים הבאים: זווית בין התושבת ולוח הגזרה של כ 45-מעלות לכדורים שווים זווית בין התושבת ולוח הגזרה של כ 30-מעלות לכדורים שווים, זווית בין התושבת ולוח הגזרה של כ 30-מעלות לכדורים שונים.לשם כך בצע כמה ניסויים מקדימים ללא הנחת ניר ההעתקה על הנייר הלבן. הנח את כדור המטרה ( 1בתרשים ) 4בתושבת ( ) 2וכדור הפוגע באוחז ( ) 19בקצהו העליון של המסילה. שחרר כדור הפוגע מקצהו העליון של המסילה ע"י הורדה עדינה של הכיסוי השחור באוחז הכדור. במידה ויש צורך לשנות את כיוון המסלול פתח את בורגי ההידוק ( ,)14סובב את המסלול סביב המוט והדק חזרה את הבורג. אין לסובב את המערכת ללא פתיחת בורג (!)14 47 ביצוע שחרור כדור בודד ללא התנגשות ( זמן מומלץ 5דקות ). .1סובב הצידה את התושבת של כדור המטרה כך שלא יפריע לתנועת כדור בודד ושחרר כדור פלדה מקצהו העליון של המסלול. .2הנח את נייר ההעתקה על הנייר הלבן במקום פגיעתו הכדור. אין להדביק את ניר ההעתקה!!! .3חזור על שחרור הכדור מספר פעמים. וודא שמתקבל מקבץ טוב (פחות מחצי ס"מ מרחק בין פגיעות) וסמן את הנקודה המהווה את מרכז המקבץ. הערה לביצוע: במהלך הניסוי יש להקפיד על שחרור הכדור מאותה נקודה ,לשם כך ישנו אוחז בקצה העליון של המסילה וניתן לשחרר את הכדור בעזרת הורדת הקצה השני של האוחז בעדינות. לפני שחרור כל כדור יש לוודא שהמערכת יציבה (איננה רועדת). וודא שהכדור אכן מבצע את התנועה המבוקשת ללא הפרעה. חלק – Iביצוע התנגשות בין מסות זהות בזוויות שונות (זמן מומלץ 10דקות). .1קבע את הזווית בין תושבת כדור המטרה ובין לוח הגזרה כ 45-מעלות ( אין צורך לקביעת זווית מדויקת ). סמן בזווית זו את הנקודה שמתחת למשקולת האנך (זו נקודת היציאה של כדור המטרה). הנח את כדור המטרה בתושבת ושחרר כדור פוגע. .2הנח את ניירות ההעתקה על הנייר הלבן במקום פגיעתם הצפוי של הכדורים ושחרר שוב את הכדור הפוגע ,כאשר כדור המטרה מונח בתושבת .חזור על הניסוי מספר פעמים. בדוק שקבלת מקבץ טוב (פחות מס"מ) .אם קבלת מקבץ גדול יותר יש ליקוי בכיוון המערכת או בדרך ביצוע הניסוי. .3סמן את מרכז הכובד של המקבץ שהתקבל לכל כדור ורשום לידו לאיזה כדור ובאיזה מקרה הוא שייך ( זווית פגיעה ,סוג כדור ) .המרחק ממרכז זה לנקודת הפגיעה הרחוקה ביותר הוא שגיאת המדידה. .4שנה את הזווית בין המסילה ובין התושבת ל 30-מעלות (הקפד לא להזיז את המסילה! ) חזור על סעיפים 1-3עבור אותם הכדורים .בצע זאת על אותו הצד של הנייר. על תשכח לסמן גם בזווית זו את הנקודה שמתחת למשקולת האנך (זו נקודת היציאה של כדור המטרה ב.)30- חלק - IIביצוע התנגשות בין מסות שונות בזווית ( 30זמן מומלץ 10דקות). בחלק זה נשתמש בכדור הזכוכית ככדור המטרה ובכדור הפלדה ככדור הפוגע. (מדוע? מה עלול לקרות אם נעשה הפוך – כדור הזכוכית בתור הכדור הפוגע?) .1הנח את כדור הזכוכית בתושבת וחזור על ביצוע שלבים 3 ,2של חלק Iעל אותו הצד של הנייר. שים לב שבמקרה זה צפוי להתקבל מקבץ גדול יותר עבור כדור זכוכית (עד . (3cm .2בדיקת סיום :חזור על שחרור הכדור הפוגע ללא התנגשות על מנת לוודא שהוא פוגע באותו מקום ,כלומר לבדוק שמסילה לא זזה תוך כדי ביצוע הניסוי. 48 ניתוח תוצאות הניסוי ע"י בנית תרשים ווקטורי ( זמן מ ומ ל ץ 20 דקות ) . בנית התרשים .1חבר את מרכז המקבץ של כדור המטרה במקרה של 45עם נקודת האנך שמסמן את מרכז כדור המטרה בעת ההתנגשות בזווית זאת .התקבל ווקטור . r2 .2על מנת לשרטט את הקו האופקי המייצג את מהירויות הכדור הפוגע (לפני ואחרי ההתנגשות r1 -ו) ro - יש לקבוע את מיקום מרכזו בעת ההתנגשות: בעת ההתנגשות מרכז הכדור הפוגע נמצא במרחק שווה לקוטר הכדור ממרכזו של כדור המטרה ,שהוא 22 מילימטר ( ראה תרשים .) 6 בהנחה שהכדור הפוגע מפעיל כוח נורמלי בלבד על משטח המגע בין הכדורים בעת ההתנגשות (אין חיכוך בין הכדורים) ,אזי כיוון תנועת כדור המטרה לאחר הפגיעה הוא בהמשך הקו המחבר את מרכזי הכדורים, אשר ניצב אל משטח המגע ביניהם. לכן מרכז הכדור הפוגע נמצא על המשכו לאחור של הווקטור r2במרחק 22מילימטרים. .3לאחר שמצאת את ה מקום של מרכז הכדור הפוגע בעת ההתנגשות חבר אותו עם מרכז המקבץ שהתקבל לאחר ההתנגשות – ווקטור . r1 כמו כן חבר את הנקודה גם למקום הנחיתה של הכדור הבודד . ro תרשים ווקטורי שאמור להתקבל מיוצג בתרשים הבא מס' .6 r1 הכדור הפוגע שמרכזו יש לקבוע r0 מסילה 22mm תרשים 6 r2 כדור המטרה שמרכזו מסומן ע"י האנך - roהעתק אופקי המייצג את מהירות הכדור הפוגע ללא התנגשות. - r1העתק אופקי המייצג את מהירות הכדור הפוגע לאחר ההתנגשות. - r2העתק אופקי המייצג את מהירות הכדור המטרה לאחר ההתנגשות. .4חזור על הסעיפים 1-3עבור שני המצבים האחרים : התנגשות בין כדורים זהים בזווית ( 30חלק )I והתנגשות בין כדורים שונים בזווית ( 30חלק .)II .5בדוק שמרכז הכדור הפוגע שמצאת עבור 45מתלכד עם מרכזו ב.30 - אם לא ,יש ליקוי בכיוון המערכת או בדרך ביצוע הניסוי. 49 בדיקת שימור תנע עבור זוויות שונות לפי תרשים ווקטורי ( זמן מומ ל ץ 20דקות ) . .3לפניך כעת שלושה ווקטורים על מישור אחד r2 , r1 , r0שאינם מתחילים מאותה נקודה .בדוק האם שלושת הווקטורים שקיבלת אכן מקיימים קשר ווקטורי של שימור תנע ע"י בדיקה גרפית לפי תרשים .7 לשם כך העבר את הווקטור r2בצורה מקבילה אל ראש הווקטור . r1 האם הווקטורים סוגרים משולש לפי משוואה ? r0 r1 r2 r2 אם לא ,חשב אחוז הסטייה r לפי הביטוי. 100% : r0 r1 r r0 .4מהן מסקנותיך מהתוצאות שקיבלת? האם ניתן לקבוע שהתנע אכן נשמר בהתנגשות במסגרת שגיאות המדידות? .5חזור על בדיקת שימור תנע עבור כדורים זהים בזווית .30 .6מהן מסקנותיך לגבי שימור תנע מהתוצאה שהתקבלה? האם ניתן לקבוע שהתנע נשמר בשתי הזוויות באותה מידה? r2 תרשים 7 בדיקת שימור אנרגיה עבור כדורים זהים ועבור כדורים שונים בזווית ( 30 זמן מומלץ 20דקות). 2 .1הראה בעזרת חישוב לפי משוואה r0 r1 r2האם האנרגיה הקינטית נשמרת בהתנגשות כדורים 2 2 זהים בזווית של ,30כלומר עבור מצב שיחס המסות שווה .1 הסבר את החישוב בדו"ח המסכם וחשב את אחוז איבוד האנרגיה לפי הביטוי 100% : ) r02 (r12 r22 r02 . .2עבור כדורים שונים בהנחה שהתנע נשמר ,מצא את גודל יחס המסות בין שני הכדורים לפי תרשים .8 r1 r0 r1 r2, r1במקרה של התנגשות בין כדורים זהים r0 מסילה r2 תרשים 8 התנאי שהתנע נשמר מכתיב סגירת משולש ווקטורי בין הווקטורים r1 , r0והווקטור . r2,ממשוואה []4-4 m רואים ש r2, -שווה ל , r2 2 -כלומר קצר מ r2 -פי יחס המסות .מזה נובע שכדי למצוא את יחס המסות יש m1 למצוא הפרש ווקטורי בין ווקטורים r0ו r1 -לקבלת r2,ולחלק את אורכו באורך ווקטור : r2 'r2 m2 . m1 r2 50 שים לב ,שניתן לחלק אורך ווקטור אחד באורך ווקטור אחר רק בתנאי שהתנע נשמר ,כלומר שני הווקטורים ( r2,ו ) r2 -מקביליים זה לזה ( זווית ביניהם 0מעלות ). בדוק האם זה מתקיים בתרשים של הניסוי ותתיחס לזה במסקנות. .3בדוק האם מתקיים שימור אנרגיה גם עבור כדורים שונים ,כלומר חשב אחוז איבוד האנרגיה לפי הביטוי: ) 100% m2 m1 r02 (r12 r22 r02 . .4מהן מסקנותיך לגבי שימור אנרגיה מהתוצאה שהתקבלה? האם ניתן לקבוע שהאנרגיה אכן נשמרת בהתנגשויות כדורים זהים ושונים באותה מידה? מה הגורמים המפריעים ,לדעתך ,לשמירת התנע והאנרגיה בהתנגשות במערכת הניסוי? (סה"כ זמן עבודה 100דקות נטו). תרגיל הכנה. במערכת הניסוי מתנגשים שני כדורים חלקים בעלי קוטר זהה ,אך מסות שונות -כדור המטרה ( הנייח ) קל פי 2מהכדור הפוגע. בהנחה שהתנע נשמר בהתנגשות זאת ,שרטט בדו"ח ההכנה את תרשים הווקטורים המייצגים את המהירויות בהתאם למשוואה [. ]4-4 הראה והסבר כיצד מתבטא יחס המסות בתרשים. 51 ניסוי : 6 נו ש א י ם תנועה הרמונית פשוטה בקפיץ. לנ י סו י : כל ה נושאים של ניסוי חוק הוק ,תנועה הרמונית פשוטה ,חיבור קפיצים . מטרת הנ י סו י : חקירת תלות זמן ה מחזור של גוף ה תלוי על קפיץ בקבוע הכוח של הקפיץ וב מסת הגוף. רקע ת או ר ט י . נתבונן בחלקיק שמסתו mהנע לאורך ציר xכלשהו. נגדיר שהחלקיק מבצע תנועה הרמונית פשוטה ( ובקיצור תה"פ) חד ממדית לאורך ציר , xאם שקול הכוחות החיצוניים הפועלים עליו (לאורך ציר ) xמהווה כוח מחזיר ,שגודלו יחסי להעתק של החלקיק מנקודת שיווי המשקל (נש"מ) : ΣFx kX שקול הכוחות החיצוניים הפועלים על החלקיק לאורך ציר x ההעתק של החלקיק "קבוע הכוח" של התה"פ. מנקודת שווי המשקל קבוע חיובי המהווה שלו על ציר x תכונה של מערכת הכוחות (המוגדרת בתור ) x= 0 הפועלת על החלקיק המשוואה האחרונה מתארת את הצורה המתמטית שמקבל שקול הכוחות החיצוניים הפועלים על חלקיק המבצע תה"פ. המקדם kהוא קבוע חיובי המאפיין את מערכת הכוחות הפועלת על החלקיק. סימן המינוס מראה שהכוח הו א מחזיר ,כלומר כיוונו הפוך לכיוון ההעתק של החלקיק מנקודת שיווי המשקל ,ולכן הוא מכוון תמיד אליה. מהגדרה זו נובעות שלוש תכונות חשובות של הכוח השקול שתחת פעולתו תתרחש תה"פ: . 1קיימת נקודה בה סכום הכוחות החיצוניים הוא אפס ( הנקודה .) x = 0 . 2הכוח השקול הפועל על הגוף מכוון בכל רגע ורגע לעבר הנש"מ. . 3גודלו של הכוח משתנה ביחס ישר להעתקו של הגוף מ הנש"מ. מניתוח התנועה הנוצרת תחת השפעתו של כוח כנ"ל מתברר ש תנועה הרמונית פשוטה היא תנועה מחזורית ו סימטרית ביחס לנש"מ. כמו כן ניתן להראות ש ז מן המחזור ( Tמשך התנודה) של גוף המבצע תה"פ נתון ע"י: m k T 2 []5-1 כאשר כאן mהיא כל המסה התלויה בקצה הקפיץ ו k -הוא קבוע הכוח המחזיר. המשרעת (אמפליטוד ה) Aשל התנודה שמבצע הגוף מוגדרת בתור המרחק המקסימל י (מנקודת שווי -המשקל) אליו מגיע הגוף תוך כדי תנודותיו. הנוסחה לזמן ה מחזור מראה שהוא אינו תלוי במשרעת התנודה ,זאת בניגוד לתנועות מחזוריות אחרות שאינן תה"פ .זמן המחזור של תה"פ מהווה מאפיין של המערכת המתנודדת והוא לא תלוי בתנאי ההתחלה שנבחר כדי להתחיל את התנודות. 52 דו ג מה :ת נו עה הר מו נ ית פ שו טה של מ סה תלו יה על הק פ י ץ גוף שמסתו mמחובר אל קצהו התחתון של קפיץ בעל קבוע הכוח . kהקפיץ תלוי אנכית מהתקרה .נוכיח כאן ,שבהזנחת התנגדות האוויר ,תנודותיו של הגוף הן תה"פ. מצב 1בתרשים הבא מתאר את הקפיץ התלוי כאשר אין הוא עמוס במשקולת .בהזנחת המסה העצמית של הקפיץ ,ניתן להניח שבמצב זה הוא רפוי. מצב 3 מצב 2 K קפ יץ קפ יץ x=-b מצב 1 F F מצב רפוי שקיעה סטטית x=0 נש"מ m x=X m mg mg mg x מצב 2בתרשים מתאר g אתmהגוף התלוי בקצה הקפיץ כאשר הוא בנקודת שווי -המשקל ש לו. מכיוון שעל הגוף פועלים רק שני כוחות (כוח הכובד והכוח שמפעיל הקפיץ) ,הרי ששיווי - משקל יוכל להתקיים רק כאשר הקפיץ י י מתח ממצבו הרפוי בדיוק במידה שתביא את הכוח האלסטי שהוא מפעיל על הגוף ,להשתוות לכוח הכובד. נסמן את התארכות הקפיץ (ממצבו הרפוי) בזמן שהגוף נ מצא בנקודת שווי -המשקל שלו ב b - (המרחק bנקרא גם "השקיעה הסטטית" של המערכת ,והוא מוגדר בתור המרחק בין המצב הרפוי של הקפיץ לבין נקודת שווי -המשקל של הגוף). במצב שיווי -המשקל מתקיים השוויון: b mg k kb mg F mg קפ יץ F 0 []5-2 נוציא את הגוף מנקודת שיווי -המשקל של ו (אותה נגדיר בתור ) x=0ונתבונן בו כאשר הוא חולף בנקודה כלשהי שהעתקה מהנש"מ הוא ( Xמצב .) 3הכוחות החיצוניים הפועלים על הגוף הפעם הם אותם סוגי כוחות שפעלו עליו בנש"מ אלא שהפעם הם לא שווים בגודלם, והשקול שלהם אינו אפס. נסכם באופן פורמלי את הכוחות הפועלים על הגוף בנקוד ה שהעתקה מהנש"מ הוא X (יש לשים לב לכך שההתארכות של הקפיץ ממצבו הרפוי היא כעת b+Xוהיא קובעת את הכוח שהוא מפעיל על הגוף): F mg k(b X) mg kb kX kXקפ י ץ ΣFx mg ביטול שני האיברים מתבסס על משוואה [ . ] 5 - 2 [ ]5-3 53 מ ש מ עות ה תו צ אה :הגוף נע ב השפעת כוח שקול שצורתו המתמטית , -kXכאשר כאן Xהוא ההעתק של ה גוף מהנש"מ ,ובתפקיד קבוע הכוח של התה"פ kנמצא קבוע הקפיץ .לפיכך , ה גוף מבצע תה"פ סביב הנש"מ (ולא סביב המצב הרפוי של הקפיץ!) . אותה תוצאה בדיוק היית ה מתקבלת גם אילו לא פעל על הגוף כוח הכובד אלא שאז התנודות היו סביב המצב הרפוי של הקפיץ .כוח הכובד המצטרף כאן לכוח ה"תנודי" של הקפיץ ,אינו כוח מחזיר ,והוא לא משפיע על זמן המחזור של התנודות .למעשה ניתן להסיק מכאן שכל כוח קבוע המתווסף לכוח הרמוני הפועל על גוף ,לא משפיע על אופי תנודת ו ההרמונית אלא משנה רק את מקום נקודת שווי -המשקל . תאור המערכת. ראה תאור המערכת בתדריך ל ניסוי "חוק הוק" (תרשים .) 3 מהלך הניסוי. חלק - Iתלות זמן המחזור בקבוע הקפיץ . מדידת קבוע כוח וזמן מחזור עבור אורכים שונים של קפיץ ( זמן מומלץ 40דקות ). בניסוי זה נמדוד את זמן המחזור עבור קפיצים בעלי קבוע שונה ,כאשר על כולם תלויה אותה מסה mכוללת. במקום ל השתמש באוסף קפיצים שונים ,נשתמש בחלקים שונים של אותו קפיץ ע"י כך שנאפשר לאורכים שונים שלו להשתלשל ממתקן התליה .אורכים רפויים שונים של קפיץ יוצרים קפיצים בעלי קבועי קפיץ שונים. עבור כל אורך קפיץ נצטרך למדוד מחדש את קבוע הקפיץ המתאים .נעשה זאת לפי השיטה המתוארת בניסוי "חוק הוק" (חלק ,)Iאלא שכדי לחסוך זמן נסתפק הפעם במדידה אחת לכל אורך קפיץ. .1תלה את הקפיץ עם נושא המשקלות על מתקן התלייה כך שאורכו המלא יהיה פעיל .רשום את קריאת מציין המיקום במצב שווי-משקל X1 -במשבצת המתאימה של עמודה ראשונה טבלה :1 מס' משקולות F ] ¼ ½ ¾ 1 [ m כוללת האורך היחסי של הקפיץ ] [ X1 ] [ X2 X k=F/X [ ] ] [ 1/k ] [ T± 54 הוסף לנושא מספר מסוים של המשקולת לפי בחירתך (רשום את המספר בחלק עליון של טבלה .)1 הבא את המערכת למצב שווי-משקל חדש ומדוד שוב את המיקום לפי מציין המיקום .X2 - חשב את התארכות הקפיץ יחסית למצב שווי-המשקל הראשון. X=X2-X1 , .2בחלק עליון של טבלה 1חשב את תוספת הכוח הפועל על הקפיץmg ,משקולות= , Fבהתאם למספר המשקולות. .3קבע את קבוע הקפיץ לפי חוק הוק k=F/Xבעמודה הראשונה ,כלומר עבור קפיץ באורכו המלא. .4רשום את המסה הכוללת התלויה על הקפיץ mכוללת (מסת התושבת 20grומסת כל משקולת )20grבחלק העליון של טבלה .1 .5מדוד את זמן המחזור עבור אותו מספר משקולות שרשמת בחלק עליון של טבלה .1לשם כך: א .הוצא את המערכת מהנש"מ והחזק אותה במנוחה לפני שחרורה לתנועה .העתק זה הוא משרעת התנודה לאחר שחרור המערכת ממנוחה .בחר משרעת יחסית קטנה. ב .שחרר את המערכת ממנוחה לתנועה אנכית ומדוד את זמן המחזור של התנודות באופן הבא: הנח למערכת להתנודד מספר פעמים ,וודא שהתנודות מתרחשות בצורה סדירה ולאורך ציר אנכי. בהיות המערכת בקצה מסלולה הפעל את שעון העצר .מנה 10תנודות והפסק את פעולת השעון. את הזמן שמדדת יש לחלק ב 10 -כדי לקבל את אורכו של מחזור בודד. ג .חזור על מדידת זמן המחזור במשרעת דומה על מנת למצוא שגיאת המדידה Tשהוא ההפרש בין ה T-הממוצע של שתי המדידות ובין ה T-שהתקבל באחד המדידות ,כלומר ( TקיצוניT -ממוצע) =.T ד .רשום זמן המחזור הממוצע T ממוצע עבור קפיץ שלם בטבלה 1וציין גודל שגיאת המדידה Tבצורת ±ליד .Tהאם שגיאת המדידה שהתקבלה היא סבירה יחסית לגודל זמן המחזור ?T ה .חזור על מדידת זמן המחזור במשרעת גדולה יותר .האם תוצאה המדידה נמצאת בתחום Tשקיבלת בסעיף קודם? כלומר ,האם ניתן להסיק מסקנה שזמן המחזור אינו תלוי במשרעת התנועה בתחום שגיאת המדידה שהתקבלה? .6חבר את הקפיץ אל מתקן התלייה כך שבערך שלושת רבעי מאורכו הרפוי יימצא מתחת למתקן ויהיה פעיל (ראה "תאור המערכת" בניסוי חוק הוק) .מצא את קבוע הכוח של הקפיץ הנ"ל כמתואר בסעיפים 3 ,1ואת זמן המחזור כמתואר בסעיף , 5רכז את התוצאות בעמודה השנייה של טבלה .1 .7חזור על הסעיף הקודם עבור קפיצים באורכים נוספים ( 1/4 , 1/2מהאורך המלא) ,אך עם אותה מסה כוללת ורכז את התוצאות בשאר העמודות של טבלה .1 תוצאות ומסקנות ( זמן מומלץ 30דקות ). ניתוח גרף מס' .1 בחלק זה של הניסוי נבדוק האם היחס בין זמן המחזור ובין קבוע הקפיץ הוא אכן לפי המשוואה []5-1 בשיטה החלפת משתנים (עמ' 14בפרק הקדמה) .לשם כך נחשב kונבנה גרף של זמן המחזור Tכנגד 1 k במקום גרף Tכנגד ,kנ מצא מתוכו את מסה שתלויה על הקפיץ ונחשב את הסטייה יחסית למסה הידועה. 55 1 .8שרטט גרף מס' 1של Tכנגד k עם קו מגמה ליניארי כולל משוואת הפונקציה. .9הוסף שגיאות המדידה Tאל הגרף .מה מסקנתך לגבי התאמת קו המגמה אל נקודות המדידה? האם קו המגמה עבר בתחומי שגיאות המדידה של כל הנקודות? האם ישנה התאמה טובה בין שגיאות המדידה ופיזור נקודות המדידה סביב הקו? הערך את פיזור הנקודות סביב הקו באחוזים ,כלומר אי-דיוק הגרף .האם אחוז שהתקבל הוא סביר? מ צ י את ה מ סה הכוללת m כוללת מתוך גרף . 1 .10מתוך שיפוע הגרף מצא את המסה הכוללת שתלויה על הקפיץ mכוללת . .11השווה בין m כוללת מתוך הגרף ובין הגודל הצפוי של המסה (רשומה בטבלה )1וחשב את הסטייה באחוזים. האם הסטייה תואמת את אי-דיוק הגרף שמצאת בסעיף ? 9אם לא ,מה לדעתך הסיבה? חלק - IIתלות זמן המחזור במסה . מדידת זמן מחזור עבור מסות שונ ות ע ל ה קפיץ ( זמן מומלץ 30דקות ). .1תלה את הקפיץ עם משקולת אחת בנושא המשקלות על מתקן התלייה כך שאורכו המלא יהיה פעיל. רשום בטבלה את המסה הכוללת במקרה זה (נושא+משקולת אחת) . .2הבא את המערכת לידי תנועה במשרעת קטנה ומדוד את זמן המחזור בשיטה המוסברת בחלק .I .3בצע את הניסוי 5פעמים עם מסות שונות (הוסף כל פעם משקולת אחת) ורכז את התוצאות בשלוש השורות הראשונות של טבלה :2 5 4 3 2 1 מס' משקולות ] [m ] [ כוללת T± log m log T .4ציין גודל שגיאת המדידה Tבטבלה. ניתוח תוצאות ( זמן מומלץ 40דקות ). בחלק זה של הניסוי נמצא את היחס בין זמן המחזור ובין המסה התלויה על הקפיץ כאילו לא ידועה לנו נוסחה [ ,]5-1כלומר נמצא מהו המעריך (חזקה) pומהו המקדם פרופורציה ( Kלא להתבלבל עם קבוע קפיץ )k בין המשתנים Tו m-בצורה כללית הבאה . T= mp : (בעצם כן נשתמש בנוסחה [ ]5-1לחישובים מתוך הגרפים גם בחלק זה). שים ל ב – בצורה כזאת נשתמש בניסוי הבא " גל ים ב מ יתר " ל מציאת יחס לא ידועה בין שני משתנ ים. 56 על מנת למצוא את המעריך והמקדם פרופורציה נשתמש בשתי שיטות הבאות: שיטה ראשונה – שימוש בפונקציה חזקה. א .שרטט גרף מס' 2של Tכנגד m כוללת עם קו מגמה חזקי ( באקסל ( power -כולל משוואת פונקציה. ב .הוסף שגיאות המדידה Tאל הגרף .מה מסקנתך לגבי התאמת קו המגמה אל נקודות המדידה? האם הקו עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה? האם ישנה התאמה טובה בין שגיאות המדידה ופיזור נקודות המדידה סביב הקו? קבע את גודל השגיאה שמתאים לפיזור הנקודות באחוזים .האם האחוז המתקבל הוא סביר? ג .השווה בין גודל המעריך שבמשוואת הפונקציה ובין הגודל הצפוי באופן תיאורטי מנוסחה [. ]5-1 האם הסטייה סבירה יחסית לדיוק הגרף (יחסית לשגיאת המדידה באחוזים שהתקבלה בסעיף קודם)? ד .מצא את קבוע הקפיץ מתוך גרף מס' ( 2לפי נוסחה [ ,)]5-1והשווה בינו ובין הערך שקיבלת בטבלה ( 1עבור קפיץ באורכו המלא). חשב סטייה באחוזים .האם הסטייה סבירה יחסית לדיוק הגרף? שיטה שנייה -שימוש בלוגריתמים. א .חשב את הערכים המתאימים ל 2-השורות האחרונות בטבלה .2 ב .שרטט גרף מס' 3של ) log(Tכנגד ) log(mעם קו מגמה ליניארי כולל משוואת פונקציה. ג .קבע את גודל שגיאת המדידה באחוזים שמתאים לפיזור הנקודות ורשום מסקנה לגבי דיוק הגרף. ד .וודא ששיפוע הגרף שווה לגודל המעריך שהתקבל בגרף מס' .2 ה .וודא שחישוב קבוע הקפיץ מתוך גרף מס' 3נותן גודל זהה לגודל קבוע הקפיץ שהתקבל בגרף מס' .2 הראה את החישוב. מסקנות מהניסוי. מה ניתן להסיק לגבי תלות זמן המחזור במשרעת ,בקבוע הקפיץ ובמסה הכוללת? האם בשני החלקים קיבלת תוצאות סבירות ותואמות את התיאוריה? ( סה"כ זמן עבודה 140 דקות נטו). 75 ניסוי : 5 גלים במיתר ( ניסוי בביצוע עצמי ). הערה לגבי ניסוי בביצוע עצמי : ניסוי עצמי מתבצע ללא לימוד החומר התיאורט י בכיתה וללא הסברי מדריך בזמן ביצוע ניסוי במעבדה ! אך דו"ח הכנה יש להכין באופן רגיל ועזרה בהכנה לניסוי כזה ניתן לקבל באופן רגיל! בדו"ח ה ה כ נה יש להסביר את ה דרך הביצוע המתוכנן ! מטרות הניסוי : .1הכרת מאפייני גל עומד במיתר. .2מציאת קשר בין מהירות התקדמות הגל במיתר Vומתיחותו .F m . .3מציאת צפיפות אורכית של מיתר -מסה ליחידת אורך L הגדרות. גל בחומר :שינוי מקומי ממצב סטטי המתקדם לאורך תווך חומרי. משרעת :מרחק נקודה של התווך ממצב הסטטי .משרעת שיא :ההפרש בין השינוי המקסימלי מהמצב הסטטי. גל מחזורי :שינוי החוזר על עצמו באופן מחזורי .למשל ,גלי ים ,גלי קול וגלים במיתר .בדרך כלל כשאומרים "גל" הכוונה לגל מחזורי. גל הוא תופעה מחזורית במקום ובזמן .אפשר לתאר אותו ע"י גודל משרעת התנודה (אמפליטודה) כפונקציה של המקום או הזמן (ראה תרשים .)1 אם מסתכלים על צורת הגל ברגע מסוים ,הגרף של גודל המשרעת כתלות במקום ,מתאר את המשרעת של נקודות לאורך התווך ,בכיוון התקדמות הגל .הציר האופקי של הגרף ייצג את המרחק – Xמנקודת ייחוס. אם מסתכלים על נקודה מסוימת לאורך הגל ,הגרף של גודל המשרעת כתלות בזמן ,מתאר את השינוי במשרעת בנקודה זו לאורך זמן .הציר האופקי בגרף ייצג את הזמן – .tצורת הגרף המתקבלת בשני המקרים היא דומה. זמן מחזור :הזמן שלוקח לשינוי להשלים מחזור אחד .מסומן באות .T תדירות :מספר הפעמים שהשינוי חוזר על עצמו ביחידת זמן .התדירות מסומנת באות fוהיחידות הן "הרץ" . Hz 1 :קיים הקשר .f=1/T sec למשל ,אם נתייחס לתרשים ,1כמתאר את משרעת התנודה כתלות בזמן ,תדירות הגל היא 7Hzאם נקודה 2 באותו תרשים יורדת למינימום וחוזרת למקסימום 5פעמים בשניה. אורך גל :אורך גל היינו המרחק הקצר ביותר בין שתי נקודות לאורכו של הגל ,הנמצאות באותו מצב מבחינת הגל :אותו שינוי ואותה מגמת שינוי (נגזרת השינוי) .אורך הגל מסומן באות היוונית "( למדה") ויש לו יחידות של אורך .תיאור גרפי של גל מחזורי מתואר בתרשים :1 משרעת מקום או זמן [[t ][x תרשים 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 אורך הגל הוא המרחק בין כל זוג נקודות מתאימות להגדרה ,למשל נקודות 2ו ,6-או 3ו ,5-או זוג נקודות כמו בתרשים .1 75 גל עומד :בגל עומד יש נקודות קבועות בהן התווך לא נע (צמתים) ונקודות בהן התנודה היא מקסימלית (טבורים). ניתן לרשום גל עומד כאילו הוא סכום שני גלים מתקדמים בכיוונים הפוכים .גל מתחיל להתקדם ממקור התנודה ,מתקדם עד הקיר ומוחזר ממנו .צרוף שני הגלים יוצר בתנאיים מתאימים גל עומד .בגל עומד אורך הגל יכול להימדד כמרחק בין שתי נקודות צומת שביניהן יש נקודת צומת אחת נוספת ,ראה תרשים .2 מהירות הגל :מהירות ההתקדמות של השינוי המקומי לאורך התווך .המהירות מסומנת ב.v- המהירות שווה למספר אורכי הגל שעוברים במשך שניה בנקודה מסויימת. v f על כן נקבל שמהירות הגל היא מכפלת אורך הגל בתדירות : f []5-1 מהירות גל עומד היא מהירות אחד הגלים המתקדמים היוצרים אותו. במקרה של גל עומד במיתר ניתן לרשום את הקשר בין מהירות הגל vוהמתיחות במיתר Fבאופן הבא: v KF p ,כאשר Kו p-הם קבועים []5-2 אחת ממטרות הניסוי – מציאת הקשר הכללי בין מהירות התקדמות הגל במיתר ומתיחותו .לשם כך יש למצוא גודל של מעריך pומימד של הקבוע . K על מנת למצוא ערכים של pו K-צריך למדוד את אורכי הגל עבור ערכים שונים של מתיחות המיתר , Fלחשב את המהירות V ולשרטט גרף של המהירות כנגד המתיחות . מהלך הניסוי. תיאור מערכת הניסוי. חוט צמר רך מהווה את המיתר .החוט מתוח בין מתנד דרך גלגלת למד כוח. לפי השנתות על מד הכוח ניתן לקרוא את המתיחות Fבמיתר. כאשר מפעילים את המתנד ( המחובר דרך שנאי לרשת 220Vעם תדירות ) f=50Hzנוצרים גלים. מד כוח 1.5 גלגלת צמתים 1 0.5 מתנד שנאי 220V תרשים 2 על ידי שינוי המתיחות ניתן לקבל גלים עומדים במצבים שונים של מספר אורכי גל. בתרשים ,2למשל ,נראה מצב של 3גלים עומדים מהצומת הקרובה למתנד (אך לא מנקודת אחיזה של החוט!) ועד אמצע הגלגלת. 75 הרכבת מערכת ו הכנה טבלת נתונים ( זמן מומלץ 17דקות). .1חבר שני תפסנים למוט הצמוד לשולחן .אל התפסן התחתון חבר גלגלת ,על התפסן העליון תלה את מד הכוח. .2קשור את החוט (המיתר) בין המתנד דרך הגלגלת אל מד הכוח (ראה תרשים .)2הצב את המתנד כך שהחוט לא יגע בשולחן. .3חבר את המתנד ליציאת 3Vשל השנאי (מתח של 3וולט) וחבר אותו לרשת החשמל. .4הפעל את השנאי ,בדוק שמתקבלים גלים במיתר .במידה והגלים לא מספיק גדולים שנה את מתח השנאי ל 6V-או יותר. .7ערוך טבלת נתונים שבה יופיעו לפחות שורות הבאות: מתיחות המיתר , Fמספר הגלים שנמדדו בכל מצב של גל עומד ,אורך נמדד ע"י סרגל למציאת אורך הגל, אורך הגל ומהירותו . V הוסף לטבלה שורות נוספות עבור נתוני עזר נוספים במידה ויהיו או תן בצורה אחרת הסברים מפורטים לאופן ביצוע מדידות. ביצוע מדידות ( זמן מומלץ 27דקות). .6ללא הזזת המתנד (חבר אותו אל השולחן ע"י נייר דבק) שנה את המתיחות במיתר ע"י הזזת מתלה מד הכוח עד לקבלת מצב של גל עומד עם מספר רצוי של גלים – נמק את בחירת המספר. .5קרא את מתיחות המיתר Fבמצב זה ורשום בטבלה .הערך את שגיאת המדידה במתיחות וציין אותה בטבלה. .5ערוך מדידות לקבלת אורך הגל באופן מדויק ביותר לדעתך .רשום בטבלה את האורך הנמדד ותן הסבר לאופן המדידה בדו"ח העבודה .הערך את שגיאת המדידה באורך הגל וציין אותה בטבלה. .5שנה כמה פעמים את מספר הגלים במיתר (ע"י שינוי מתיחות ללא הזזת המתנד) ,מדוד כל פעם את Fו -ורשום אותם בעמודים נוספים בטבלה. .11שנה את "האורך היעיל" של המיתר (האורך שבין המתנד והגלגלת) באופן משמעותי וחזור על מדידות של Fו -עבור האורך החדש -סעיפים מ 6-עד ( 5ציין בטבלה שהאורך השתנה). חזור על המדידות מספר פעמים ,שלדעתך מספיק לקבלת גרף מדוייק. .11עבור כל אחד מהמצבים חשב את מהירות הגל במיתר לפי משוואה [ ( ]5-1זכור – תדירות רשת החשמל .)f=50Hz ניתוח תוצאות המדידה כולל חישובים ומסקנות (זמן מומלץ 31דקות). .12עבור כל נקודות המדידה שרטט את הגרף הנדרש ,לדעתך ,לקבלת pו( K-העזר בהסברים לחלק II של ניסוי "תנועה הרמונית פשוטה") .הוסף קו המגמה המתאים לגרף כולל משוואת הפונקציה. .13הוסף את שגיאות המדידה אל הגרף. מה מסקנתך לגבי התאמת הפונקציה לנקודות המדידה יחסית לתחום שגיאות המדידה? מהו גודל שגיאת המדידה שמתאים לפיזור הנקודות באחוזים? 61 .14האם נקודות על הגרף שהתקבלו במצבים שונים של "האורך היעיל" מתאימות לאותו קו מגמה? כלומר ,האם מותר היה לשנות את "האורך היעיל" של המיתר תוך כדי ביצוע הניסוי? .17קבע מתוך הגרף את הערך של pועגל אותו לאחת האפשרויות המקובלות ברוב המשוואות הפיזיקליות ±2 ,±1 -או .±1/2 הראה שהדבר ניתן לעשות במסגרת שגיאות המדידה (באחוזים) .אם לא ,תן הסבר ובדוק את המדידות. .16מתוך נוסחה [ ]5-2וגודל pשהתקבל בסעיף הקודם מצא את הממדים הפיזיקליים של ( Kהראה את הפיתוח). m .15בטא את Kבעזרת צפיפות אורכית של המיתר L ורשום בצורה כללית את הנוסחה שהתקבלה לאחר הניסוי -קשר בין מהירות התקדמות הגל ומתיחות המיתר (ובצורה שמתאימה לכל מיתר). .15חשב את הצפיפות האורכית של המיתר .האם הערך שהתקבל נראה סביר? 61 פרק - IIIניסוי י ם בחשמל. מכשירים חשמליים. בניסויי המעבדה נשתמש בעיקר בשני מכשירים – ספק אלקטרוני ורב מודד ספרתי. ספק. ספק הוא החלק במעגל שמספק מתח וזרם להפעלת שאר חלקי המעגל חשמלי .ספק יכול להיות מקור כימי - סוללה ,מקור אלקטרומכני -דינמו ,מקור זרם חילופין בלבד -שנאי ,או מקור זרם ישר -ספק אלקטרוני. לכל ספק יש תכונות המיוחדות לו :סוג או סוגי הזרם שהוא יכול לספק (ישר ,חילופין) ,מקור אנרגיה שהוא צורך (כימי ,מכני ,חשמלי מהרשת) .תחומי המתח והזרם שהוא מספק (קבוע ,מווסת ,גבוה ,נמוך) ,התנגדותו הפנימית, יציבות המתח והזרם ועוד. במעבדה שלנו נשתמש בספק אלקטרוני. ספק אלקטרוני. הספק מקבל אנרגיה מרשת החשמל ( ,)222Vומספק זרם ישר במתחים ,2-02Vוזרם . 2-5A במעבדה שלנו ישנם שני דגמי ספקים ,אך הבדל ביניהם קטן ולא עיקרוני. בדגם א' ,הנראה בתרשים ,ישנם שני כפתורי וויסות המתח והזרם – גם וויסות גס וגם עדין. בדגם ב' (שלא בתרשים) אין וויסות עדין – כלומר ישנו רק כפתור אחד למתח וכפתור אחד לזרם. . 1כפתור הפעלה . ON-OFF 6 4 . 2שקעים ל יציאות זרם ישר . DC . 0כפתורי ו ו י ס ו ת מתח ישר (גס ועדין). 5 . 4וסת זרם ישר (גס ועדין). 11.1 3 . 5תצוגת מתח. מתח . 6תצוגת זרם. . 7נורות בקרה (ב דגם ב' – קיימת רק נורה אחד – בקרת זרם) . 1.11 זרם 2 DC 7 1 שני הספקים יכולים לשמש הן כספק מתח והן כספק זרם ,בהתאם לכיוון כפתורי הבקרה .בדרך כלל נשתמש בספק כמקור מתח ,ולצורך כך יש לוודא שבספק סוג א' דולקת הנורה שמתחת לכפתורי ויסות מתח ,ובספק סוג ב' הנורה מתחת לכפתור ויסות זרם כבויה. כדי לקבל מצב של ספק מתח ,בדגם א' אם נדלקת הנורה בין שני כפתורי וויסות הזרם סובב את הכפתור וויסות- גס של זרם ( )5עוד ימינה עד מעבר למצב שבו הנורה כבויה (ונדלקת הנורה שבין כפתורי ויסות המתח) .בדגם ב' סובב את כפתור וויסות הזרם עד מעבר למצב כיבוי הנורה שמתחת לכפתור. השקע האדום הוא היציאה החיובית ( )+פוטנציאל גבוה ,והשחור הוא היציאה השלילית ( )-פוטנציאל נמוך. השקע הירוק הוא שקע הארקה ( - ) לא נשתמש בו בניסוים שלנו. 62 הוראות ה פעל ת ספק. וודא לפני הדלקת המכשיר שכפתורי וו יסות המתח והזרם מסובבים נגד כוון השעון עד הסוף (יציאות מתח וזרם מינימליים) .לאחר הדלקת המכשיר סובב את כפתור וויסות-גס של הזרם ( )5עם כוון השעון בחצי סיבוב וכוון את כפתורי ויסות המתח ( )4עד לקבלת המתח הדרוש. כיבוי ספק: בסיום העבודה יש לכבות את הספק לפני הוצאת התקע מהשקע. רב מודד ספרתי ( מ ו ל ט י מ ט ר ) . המולטימטר ישרת אותנו במעבדה בכל הניסויים בחשמל ומגנטיות .הוא ישמש לעיתים כוולטמר (מד מתח) ,לעיתים כאמפרמטר (מד זרם) ולעיתים כאו ה מטר (מד התנגדות) .קיימות אפשרויות נוספות בהן לא נשתמש . הוראות ה פעל ת מולטימטר . א .לפני חיבור כבל הזנה לרשת חשמלי 220Vיש לוודא שהמתג ,power inputשבפנל האחורי של המכשיר, נמצא במצב ACוכפתור powerנמצא במצב כבוי ". "2 ב .הדלק את המכשיר ע"י כפתור powerתוך כדי לחיצה על לחצן rangeשבחזית המכשיר (כדי למנוע "הירדמות המכשיר). A mA V A 88.88 sel ect AC ra ng e V com AmA mV 10 A A C+ D C הוראות שימוש. א .הכניסה השחורה מסומנת ב COM-משותפת לכל מצבי המדידה. הכניסה האחרת בה משתמשים לביצוע המדידה ומצב כפתור סיבוב בורר פונקציה קובעים את תפקיד המולטימטר במדידה זו. ב .לפני כל שימוש במכשיר יש לוודא שכפתור לחיצה עגול קטן יהיה לחוץ למצב .AC+DC ג .למדידת מתח השתמש בשקע ימני Vוכפתור סיבוב בורר פונקציה בתחום מתח .V ד .במדידת התנגדות כניסות כמו מדידת מתח ,וחוגה בתחום התנגדות .R ה .במדידת זרם בתחום mAהשתמש בשקע A mAוכפתור סיבוב בורר פונקציה בתחום זרם .mA אין לעבור על זרם של 500 mAבמצב זה! כיבוי המכשיר: בסיום העבודה עם המכשיר יש לכבות את המכשיר ע"י כפתור powerמאחור לפני הוצאת התקע מהשקע. לצורך הניסוים נניח שדיוק מדידו ת במולטימטר הוא כ 1% -בכל תחומי מדידה. רגישות המדידה. לכל סוג מדידה יש מספר תחומי מדידה אפשריים. יחידות המדידה הן היחידה המסומנת בתחום כפול גורם המסומן באות : - Kקילו 10 3 - - Mמגה 10 6 - - mמילי 10 -3 - - מיקרו 10 -6 - - n ננו 10 -9 - 63 ניסוי : 8 נושאים מיפוי שדה חשמלי לניסוי :שדה חשמלי ,פוטנציאל חשמלי ,התכונות האלקטרוסטטיות של מוליכים, מכשירי מדידה חשמליים (ידע בסיס י בלבד) . מטרת הניסוי : חקירת קווי הפוטנציאל וקווי השדה החשמלי הנוצרים ע"י גופים מוליכ ים טעונים. רקע תאורט י . . 1שדה חשמלי . השדה החשמלי Eבנקודה כלשהי במרחב מוגדר כ ו וקטור שכיוונו ככיוון הכוח הפועל על מטען בוחן חיובי נקודתי המוצב בנקודה. גודלו מוגדר כגודל הכוח הפועל על יחידת מטען בנקוד ה. בכתיב וקטורי ניתן להגדיר את וקטור השדה באופן הבא: F E= q כאשר Fהוא הכוח הפועל על המטען הנקודתי qבנקודה בה מחושב השדה . E Volt Newton או ב - במערכת היחידות M.K.S.השדה החשמלי נמדד ביחידות של met er Coulomb . . 2קווי שדה (קווי כוח חשמלי) . קו שדה הוא קו דמיוני המשורטט במרחב כך שהמשיק אליו בכל נקודה ונקודה מתאר את כיוון וקטור השדה בנקודה. על קווי השדה מסומנים תמיד חצים המצביעים על הכיוון אליו מכוון וקטור השדה המשיק לקו. קוו י שדה יוצאים ממטען חיובי (או מהאינסוף) ומ סת י ימים על מטען שלילי (או באינסוף). בין כל שני קוו י שדה ניתן לשרטט עוד אינסוף קוו י שדה. בדרך כלל עוצמת השדה אינה קבועה לאורך קו שדה. באזורים שבהם עוצמת השדה חזקה יותר -קוו י השדה צפופים יותר. נקוד ות למחשבה :מדוע קווי שדה נקראים גם קווי כוח? האם חלקיק חומרי הנע בהשפעת שדה חשמלי בלבד ,נע לאורך קווי השדה? . 3פוטנציאל חשמלי . הפוטנציאל החשמלי ,בנקודה Aכלשהי במרחב בו פועל שדה אלקטרוסטטי ,מוגדר כעבודה החיצונית שיש להשקיע כנגד הכוחות החשמליים כדי להעתיק באיטיות מ טען יחידה חיובי מרמת ייחוס שרירותית מוסכמת (בד רך כלל באינסוף) ועד הנקודה . A לחילופין ,ניתן להגדיר את הפוטנציאל בנקודה Aכעבודה שמבצע השדה החשמלי על יחידת מטען חיובי המועתקת מהנקודה Aאל רמת הייחוס (שתי העבודות הנ"ל שוות) . פוטנציאל חשמלי הוא גודל יחסי לרמ ת הייח וס וערכו המספרי ניתן לשינוי ע"י שינוי בחירת 64 רמת הייחוס .יש משמעות רק ל הפרש הפוטנציאלים (או ,במילים אחרות למתח החשמלי) בין שתי נקודות במרחב והוא לא תלוי בבחירת רמת הייחו ס . Joule במערכת היחידות M.K.S.פוטנציאל חשמלי נמדד ביחידות של Coulomb או ,בקיצור ב . Volt - . 4קווי פוטנציאל (קווים שווי פוטנציאל) . קו שווה פוטנציאל (או בקיצור" ,קו פוטנציאל") הוא קו דמיוני המשורטט במרחב כך שכל הנקודות עליו הן בעלות פוטנציאל שווה ביחס לרמת הייחוס. בד"כ קו פוטנציאל המופיע בתרשים דו -מימדי מייצג משטח שכל נקודות יו שוות פוטנציאל במרחב התלת ממדי ( .למשל ,קווי הפוטנציאל של מטען נקודתי בודד הם מעגלים קונצנטריי ם למטען כאשר הם מופיעים בתרשים דו -מימדי ,אך למעשה מייצגים קווים אלה קליפות כדוריות במרחב התלת ממדי). בד רך כלל קווי הפוטנציאל הם קווים סגורים. בין כל שני קווי פ וטנציאל ניתן לשרטט עוד אינסוף קווי פוטנציאל (עבור כל ערכי הביניים) . . 5הקשר בין קווי שדה ובין קווי פוטנציאל . מערכת קווי השדה ומערכת קווי הפוטנציאל הן מערכות קווים אורתוגונליות ,כלומר, בכל נקודה בה קו שדה וקו פוטנציאל נחתכים ,הזווית ביניהם ישרה. קווי השדה מכוונים תמיד בכיוון אליו יורד הפוטנציאל החשמלי. E אין להסיק מכאן שהשדה נחלש בכוון מורד הפוטנציאל! ניתן לחשב את רכיב ה X -הממוצע של השדה החשמלי לאורך .B קטע כלשהו , ABבתור הקצב הממוצע בו יורד הפוטנציאל, EX X כאשר מתקדמים מ A -ל : B- ΔV ΔX הפרש הפוטנציאלים בין קצוות הקטע .) VB–VA ( AB במילים אחרות :תוספת הפוטנציאל עקב ההתקדמות בשיעור Xלאורך ציר .X A. X Ex [ ] 8-1 XA XB תרשים 1 הערך הממוצע של רכיב השדה החשמלי בכוון ,X לאורך הקטע ABשאורכו (Xהמונח במקביל לציר )X נסביר כאן בהרחבה את הרקע למשוואה [ .] 8-1תלמיד שלא מעונין בהרחבה זו יכול לדלג על הקטע המופיע במסגרת האפורה ולהמשיך לנקודה הבא ה. את הירידה בפוטנציאל בין שתי נקודות כלשהן Aו B -שהמרחק ביניהן הוא , ΔXניתן לבטא בעזרת רכיב ה x -הממוצע של השדה החשמלי הפועל בין הנקודות .עבודתו של שדה זה על מטען יחידה שווה להפרש פוטנציאלים זה: ΔV VA VB E x ΔX סימן המינוס בא להדגיש שמדובר בירידה שחלה בפוטנציאל החשמלי ולא בתוספת. ירידה זו נובע ת מ ה התקדמות עם כיוון השדה (או ליתר דיוק ,התקדמות לאורך רכיב שלו). מהמשוואה האחרונה נובע שניתן לחשב את הרכיב בכוון Xשל השדה החשמלי הממוצע השורר בקטע ABלפ י נוסחה [ .] 8-1 65 אם ידוע שלאורך הקטע ABהשדה החשמלי אח יד ,או אם ידוע שאורך הקטע Δ Xקטן מאוד ,ניתן להתייחס אל הערך הממוצע הנ"ל של רכיב השדה כאילו הוא רכיב השדה בנקודה . Aבמקרים כאלה ,ניתן להשמיט את סימן הממ וצע המופיע מעל השדה ולרשום את גודלו וכיוונו בעזרת הנוסחה: V dV x dX E x lim x0 [ ] 8-2 מהנוסחה האחרונה נובע למעשה שרכיב השדה החשמלי בכיוון xשווה למינוס הנגזרת של הפוטנציאל החשמלי לפי המשתנה . x ניסוח אחר לאותה משוואה :רכיב ה X -של השדה החשמלי בנקודה כלשהי במרחב שווה ל קצב ירידת הפוטנציאל כאשר מתקדמים מנקודה זו בכוון החלק החיובי של ציר . X מפה של קווי פוטנציאל דומה מאוד למפה טופוגרפית בה מסומנים קווי גובה ( כלומר, קווים שלאורך כל אחד מהם מקבלת מס ה נקודתית אנרגיה פוטנציאלית כ ובדית קבועה). במפת קווי פוטנציאל ,מסומנים קווים שלאורך כל אחד מהם מקבל מטען נקודתי אנרגיה פוטנציאלית חשמלית קבועה. ב אזור שבו קווי הפוטנציאל צפופים ( אזור של "מורד תלול" בפוטנציאל) הגודל ΔV ΔX מ קבל ערך גבוה ולכן לשדה החשמלי יש עוצמה חזקה .ב אזור בו קווי פוטנציאל דלילים, ה שדה חלש. דוגמ ה :בתרשים מופיעה מפת קווי הפוטנציאל (קווים מרוסקים) וקווי השדה ) קווים רציפים) שי י וצר כדור מוליך חיובי . במפה הדו -מימדית קווי הפוטנציאל הם מעגלים קונצנטריים ,אך הם מייצגים משטחי פוטנציאל כדוריים במרחב התלת -מימדי בו נמצא הכדור הטעון. הערכים של הפוטנציאל הרשומים ליד חלק מקווי הפוטנציאל מיוחסים לרמת הייחו ס הנמצאת באינסוף. 01V 01V . . . B M 01V 01V A 011V תרשים 2 נבדוק שאכן מתקיימות כל התכונות הכלליות שצוינו קודם לכן ,במקרה פרטי זה: 66 ניתן לראות שבכל מקום קווי השדה ניצבים לקווי הפוטנציאל . קווי השדה יוצאים מהמטען החיובי ומתפשטים לאינסוף (אין במע רכת מטען שלילי). צפיפות קווי הפוטנציאל (וגם קווי השדה) גבוהה יותר ככל שמתקרבים אל המטען, מקום בו השדה החשמלי חזק יותר. בכל מקום ,כוון השדה החשמלי מצביע על כוון מורד הפוט נ ציאל .כאשר נמצאים בנקודה כלשהי במרחב ורוצים להתקדם בכוון בו הפוטנציאל "יורד הכי מהר" ,יש ללכת עם כוון השדה החשמלי .אם נתקדם בניצב לשדה החשמלי הפוטנציאל לא ישתנה כלל (נתקדם לאורך קו פוטנציאל). נניח שתרשים 2משורטט בקנה מידה של . 1:1ניתן לחשב את הערך הממוצע של השדה החשמלי בקטע ( ABשאורכו ) 2 cmמתוך נוסחה [ :] 8-1 ΔV ΔV 20 - 40 10 Vol t / cm 1000 Vo lt / m ΔX AB 2 E חישוב זה יכול לשמש כהערכה מקורבת לעוצמת השדה בנקודה . M תרגיל מומלץ (לא להגשה) כדי לוודא את הבנת התאוריה עד כאן ,מומלץ מאוד לענות על השאלה הבאה: בתרשים 3מופיעים קווי השדה (קווים רציפים) וקווי הפוטנציאל (קווים מרוסקים) הנוצרים ברביע ה I -ע"י מערכת מטענים מסו י ימת .הפוטנציאל לאורך הצירים xו y -קבוע ,והוא נבחר בתור ( V 0 V otהצירים הם רמת הייחו ס ) .התרשים משורטט בקנה מידה של 1:1 (כלומר ,סנטימטר בתרשים מ י יצג 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V סנטימטר במציאות). א .באילו אזורים נוצר שדה חזק y ובאילו אזורים נוצר שדה חלש? 10V ב .הערך את עוצמת השדה החשמלי בנקודה Aהמופיעה בתרשים. ג .הערך את רכיב ה x -של השדה החשמלי בנקודה Aשבתרשים. ד .לאיזה כוון יש להתקדם מהנקודה 9V 8V 7V 6V 5V 4V Aכדי שהפוטנציאל יגדל "הכי 3V מהר"? 2V ה .תאר איכותית כיצד משתנה עוצמת השדה החשמלי, כאשר מתקדמים לאורך קו הפוטנציאל עליו רשום . 3 V . A 1V 0V x תרשים 3 67 . 6התכונות האלקטרוסטטיות של מוליך. כאשר מוליך מתכתי מהווה חלק ממערכת מטענים הנמצאת במצ ב אלקטרוסטטי (בין אם המוליך עצמו נטען במטען עודף כלשהו ,ובין אם הוא נייטרלי ,אך נמצא בקרבת גופים טעונים אחרים) ,מתקיימות עבורו התכונות הבאות: א .השדה החשמלי מתאפס בכל נקודה פנימית של הגוף המוליך. ב .כל אזור של המוליך בו יש מטען עודף מסוג כלשהו (אזור בו אין איזון בין שני סוגי המטען) חייב להימצא רק על שפת המוליך. ג .המוליך מהווה גוף שווה -פוטנציאל .כל חלקי המוליך נמצאים באותו פוטנציאל חשמלי. ד .השדה החשמלי בכל נקודה על שפת המוליך מכוון בניצב לפני המוליך. ה .עוצמת השדה בנקודה כלשהי על שפת המוליך פרופורציונית לצפיפות המטען בסביבת הנקודה. . 7שיטת המדידה. בניסוי הזה מודדים הפרש פוטנציאלים בוולטמטר הרגיש לזרם ולא לשדה חשמלי מכיוון ש לא ניתן למדוד בעזרת הוולטמטר את המתח בין שתי נקודות הנמצאות באוויר. כדי ליצור זרם יש צורך ש בין הגופים המוליכים הטעונים (האלקטרודות) יימצא "נייר ההתנגדות" המאפשר מעבר זרם חשמלי דרכו " .נייר ההתנגדות" מצופה חומר מוליך בעל התנגדות גבוהה .בתוך נייר ההתנגדות נעים המטענים החשמליים ) היוצרים את הזרם) לאורך קווי השדה ,ולכן צורת קווי הזרימה משקפת את צורת קווי השדה (בתוך נייר ההתנגדות). בזמן שהו ולטמטר נמצא במגע עם נקודות של נייר ההתנגדות ,עובר דרכו זרם קטן וכך הוא מצליח למדוד את המתח בין הנקודות. מערכת הניסוי המערכת מורכבת מספק מתח ,וולטמטר ,לוח בסיס עם משטח פח ברזל ,נייר התנגדות ו ניי ר העתקה המוצמדים בצד הלוח ,נייר ל בן 3 ,אלקטרודות בצורות שונות עם מגנטים ו חוטים מוליכים. 1 - 1מקור מתח 2 - 2וולטמר (מולטימטר) A - 3אלקטרודות mA A V AC AC+DC - 4נייר התנגדות 7 + 88.88 sel com V ect ra ng e - - 5נייר העתקה - 6נייר לבן – 7אוחז דפים 8 3 4 3 5 – 8גשש . 6 תרשים 4 68 מהלך הניסוי . במהלך הניסוי יש להפעיל מתח חשמלי (הפרש פוטנציאלים) קבוע בין שני מוליכים מתכתיים ש ייק ראו להלן " -אלקטרודות" ,ולמדוד את המתח בין נקודה קבועה (הנמצאת על האלקטרודה בעלת הפוטנציאל הנמוך) ונקודות שונות הנמצאות בסביבת האלקטרו דות. סימון נקודות בהן נמדד מתח זהה ,יאפשר שרטוט מפת ק ו וים שווי פוטנציאל ,ולאחר מכן שרטוט קווי השדה. הרכבת מערכת וסימון נקודות עבור מצב ראשון (זמן מומלץ 30דקות ) . . 1הכנס את ה נייר הלבן שקיבלת מהמדריך מתחת לנייר ה העתקה .בדוק שכל הניירות מגיעים מקצה עד קצ ה ללא ק י פ ו לים וקימוטים. להלן נגדיר את המצבים השונים בהם נמקם את האלקטרודות בניסוי : מצב – 2מפה שניה מצב – 1מפה ראשונה תרשים 5 . 2הנח שתי אלקטרודות על נייר ההתנגדות לפי מצב 1ב תרשים . 5 הערה חשובה : אלקטרודות מוצמדות ללוח ע"י מגנטים .כדי להזיז או להסיר את האלקטרודה יש להרים אותה ולא לגרור אותה על פני הנייר! . 3חבר כל אחת מהאלקטרודות ליציאות זרם ישר DCשל הספק (ראה תרשים . ) 4 את האלקטרודה הארוכה חבר לשקע היציאה החיובית של הספק ( פוטנציאל גבוה ) ואת האלקטרודה המשולשת לשקע היציאה השלילית של הספק ( פוטנציאל נמוך ). . 4כוון את המולטימטר למצב בו הוא משמש כוולטמטר ,כלומר הבא את הבורר מצבים ל . V- וודא שכפתור לחיצה עגול קטן לחוץ למצב . AC+DC . 5חבר ע"י חוט חשמלי את כניסת ה COM -של ה וולט מטר עם האלקטרודה המחוברת לשקע השלילי של מקור המתח. חבר את חוט הגשש (חוט חשמלי ארוך) לכניסה ה ימנית של ה וולט מטר (עליה רשום ) V והשאר אותו חופשי. סמן את מיקום האלקטרודות על הנייר הלבן ע "י העברת הגשש סביב כל אחת מהן על פני נייר ההתנגדות. 69 . 6חבר את הספק לרשת החשמל ,אך א ל תפעיל אותו .וודא שכפתורי ו ו יסות המתח והזרם מסובבים נגד כוון השעון עד הסוף ( יציאות מתח וזרם מינימליים ). הדלק את ה ספק ו סובב את כפתור ו ו יסות הז רם עם כוון השעון בחצי סיבוב וכוון את כפתור ויסות המתח עד לקבלת המתח הדרוש . 10V - . 7חבר את הגשש אל ה אלקטרודה המחוברת להדק החיובי של מקור המתח. וודא שהפוטנציאל של האלקטרודה החיובית הוא אכן . 10Vבמידה ואין הדבר כך ,כוון את כפתור הוויסות המתח עד לקבלת 10 Vבצג המולטימטר. . 8איתור נקודות שוות פוטנציאל על גבי הנייר ,באמצעות הגשש . הפוטנציאל הנמדד על ידך בניסוי זה הוא למעשה המתח בין הגשש ובין האלקטרודה המחוברת אל ההדק השלילי של המקור ( אל הפוטנציאל שלה ניתן להתייחס כאל . (0 V כדאי להתחיל מפוטנציא ל נמוך ולהמשיך לכיוון פוטנציאל גבוה .סימון הנקודות נעשה ע"י לחיצה קלה של הגשש על נייר ההתנגדות. למשל -חפש תחילה את הנקודות שהפוטנציאל שלהן הוא . 1Vכאשר אתה מוצא נקודה כזו ,לחץ קלות על נייר ההתנגדות .נייר ההעתקה הנמצא מתחתיו ישאיר את רישומה של הנקודה על הנייר הלבן .בקרבת הנקודה שסימנת חפש נקודה נוספת שהפוטנציאל בה הוא 1Vוסמן אותה ע"י לחיצה .באופן דומה המשך באיתור נקודות נוספות שהפוטנציאל בהן הוא . 1Vעשה זאת מקצה אחד של נייר התנגדות עד קצה השני שלו לאורך קו שווה פוטנציאל. הערות : א .הסימון על ניי ר ההתנגדות יבוצע באמצעות גשש בלבד ! אין להשתמש בכלי כתיבה ! ב .דאג לסמן נקודות רבות וצפופות כך שתוכל לשרטט בעזרתן בבירור קו שווה -פוטנציאל ( בשלב מאוחר יותר ,כאשר תסיים את המדידות ותוציא את הנייר ) . המרחק בין נקודות על קו שווה -פוטנציאל צריך להיות קטן יותר מהמרחק בין קווי פוטנציאל סמוכים. ג .אין ללחוץ חזק על הגשש! על מנת לבדוק את מידת הלחץ ה נכונה להעברת סימון נקודה לנייר הלבן ,יש להכניס קצה נייר לבן נוסף בין נייר ה העתקה לנייר הלבן של ניסוי ,ללחוץ לחיצה קלה עד בינונית ,להוציא את ה נייר ולבחון את ה נקודה על יו . לחיצה נכונה לא צריכה להשאיר סימני שקע על נייר ההתנגדות. .9 חזור על סעיף 8ואתר את הנקודות שהפוטנציאל בהן הוא 3V , 2Vוכן הלאה עד . 9V תרשים מפה ( Iזמן מומלץ 20דקות – תוך כדי ביצוע סימון נקודות עבור מצב 2 ע"י תלמיד שני). . 11עם תום ה מדידות הסר את האלקטרודות ו הוצא את הדף הלבן .ה עבר קו ו ים ביד חופשית בין הנקודות שוות -הפוטנציאל .רשום ליד כל קו את הפוטנציאל שהוא מייצג (בוולטים). כמו כן ,רשום על תרשים האלקטרודות את הפוטנציאל שלהן . 70 . 11בהסתמך על הקווים שווי הפוטנציאל סמן על כל אלקטרוד ה את פילוג המטען שלה . התייחס בתרשימך לאזורי מטען צפופים יותר וצפופים פחות . . 12הוסף למפת קווי -הפוטנציאל גם את קווי -השדה. שים לב לכיוון קווי -השדה (סמן עליהם חצים) ולצפיפותם . בקרבת האלקטרודות צפיפות הקווים צריכה להתאים לפילוג המטען שסומן בסעיף . 11 הרכבת מערכת וסימון נקודות עבור מצב שני . (זמן מומלץ 30דקות במקביל לביצוע סעיף קודם ). . 13הכנס דף לבן חדש אל מתחת ל נייר ההעתקה .הנח את האלקטרודות במצבן הקודם . הנח את האלקטרודה השלישית ביניהן כמוראה במצב 2ב ת רשים . 5 חבר לספק רק את שתי האלקטרודות הראשונות כמו במצב , 1את האלקטרודה השלישית תשאיר לא מחוברת (ניטרלית). . 14מדוד את הפוטנציאל על פני האלקטרודה האמצעית בעזרת חיבור הגשש .במידה וגודל הפוטנציאל קרוב מידי לגודל שלם (למשל 5וולט) הרם והעבר מ עט את האל קטרודה עד לקבלת קראת וולטמטר 4.5או 5.5וולט – במצב כזה ה מפה שתתקבל תהיה יותר מ למד ת . . 15מדוד את הפוטנציאל במספר נקודות בחלל ש בתוך האלקטרודה העגולה (על הנייר ההתנגדות) ורשום את התוצא ות בדו"ח העבודה .מה ניתן להסיק מהן לגבי השדה החשמלי בתוך האלקטרודה העגולה ? את התשובה רשום בדו"ח העבודה . . 16סמן את מיקום האלקטרודות ע"י העברת הגשש סביב כל אחת מהאלקטרודות. חזור על סעיפים 11 , 11 , 9 , 8ו . 12 - ניתוח תוצאות ו מסקנות (זמן מומלץ 20דקות ) . בתום הניסוי ימצאו בידיך שתי מפות אותן יש למסור בצרוף מסקנות הנוגעות לשאלות הבאות (יש לבסס את התשובות על המפות שהתקבלו): . 1התבונן בשתי המפות שברשותך וענה על סמך תרשים קווי הפוטנציאל על השאל ות הבאה: א .היכן על המפה הראשונה מתקבל שדה חשמלי חזק והיכן מתקבל שדה חלש? ב .בחר במפה הראשונה שתי נקודות שונות הנמצאות על אותו קו שדה המדגימו ת את תשובותי ך לשאלה א' וחשב בהן את עוצמת השדה החשמלי המקומי ( ביחידות של . ) Volt / meterהאם תוצאות חישובי השדה תואמות את תשובותיך לשאלות א'? ג .מה השינויים שנוצרו במפת הקו ו ים בעקבות הכנסת ה אלקטרודה ה שלישית ? ד .בחר במפה הראשונה נקודה שהשדה בה ה שת נה במידה ניכרת עם הכנסת אלקטרודה שלישית .חשב את עוצמת השדה בנקודה זו בשתי המפות . (סה"כ זמן עבודה 81 ד ק ו ת נ ט ו ). 71 שאלות הכנה : . 1מה צורת קו -הפוטנציאל של 0 Vו מה צורת קו -הפוטנציאל של 10 Vהצפויה במפת הקווים הראשונה? היכן ממוקמים קוים אלה? . 2א .שרטט ב דו"ח ה הכנה את מפת קווי -השדה ו קווי -הפוטנציאל עבור שתי אלקטרודות כלשהן (לפי בחירתך) ,הממוקמות במרחק יחסית קטן זו מזו ,והמחוברות אל הדקיו של מקור מתח. ב .הסבר כיצד הי י תה נראית מפת -הקו ו ים אילו היה המרחק בין האלקטרודות גדול מאוד ב יחס לממדיהן? התייחס בהסברך לאזורים הנמצאים סמוך מאוד לאלקטרודות. . 3כיצד משתנה גודלו של השדה החשמלי בנקודה מסוימת של נייר ההתנגדות אם מחליפים בין ההדקים אליהם מחוברות האלקטרודות אל הספק? (האלקטרודה שהייתה מחוברת אל הפוטנציאל הגבוה תחובר אל הפו טנציאל הנמוך ,ולהיפך). 27 ניסוי :9חוק גאוס. נושאים לניסוי :שדה חשמלי ,שטף חשמלי ,חוק גאוס. מטרות הניסוי: .1בדיקת חוק גאוס במערכת דו-ממדית (מישורית). .7חקירת השדה האלקטרוסטטי על פני עקום גאוס. רקע תאורטי. חוק גאוס אלמנט השטף החשמלי dהעובר דרך אלמנט שטח dSהוא המכפלה של רכיב ווקטור השדה החשמלי הניצב לאלמנט השטח E -בווקטור אלמנט השטח: , dΦ E dS []9-1 לפי חוק גאוס השטף החשמלי הכולל העובר דרך משטח סגור כלשהו בשדה אלקטרוסטטי ("משטח גאוס") פרופורציוני לסה"כ המטען החשמלי הנמצא בתוך המשטח: Q 0 d E dS []9-7 יש להדגיש שגודלו של השטף החשמלי איננו תלוי בצורתו של משטח גאוס אלא רק בגודל המטען הכלוא בתוכו. אם השינויים בשדה על פני המשטח אינם גדולים אפשר בקירוב להחליף את הנ"ל בצורה של סכימה רגילה- Q 0 , E S []9-3 כאשר - Sאלמנט שטח קטן על משטח גאוס .הסכימה היא על כל אלמנטי השטח המרכיבים את המשטח הסגור. - Qסה"כ המטען ה"כלוא" בתוך המשטח. - 0הקבוע הדיאלקטרי של הריק . היחידות של השטף חשמלי הן וולט כפול מטר : V m2 V m m [] [E] [s] חוק גאוס הוא חוק תלת-ממדי ויש להתייחס לשלושת רכיבי וקטור השדה החשמלי: . EZ , EY , EX עם זאת ,יש מקרים שבהם בגלל גיאומטריה של הגוף באזורים מסוימים על פני משטח גאוס EZמתאפס והבעיה הופכת לדו-ממדית. בניסוי שלנו יש שתי אלקטרודות המונחות על פני נייר מוליך .המערכת היא אותה מערכת כמו בניסוי "מיפוי שדה חשמלי" בתוספת תבנית גאוס וגשש מדידה -ראה "תיאור המערכת" בהמשך .כמו בניסוי הנ"ל אנו מודדים את הפרש פוטנציאלים בין שתי נקודות על פני הנייר ולא הפרש פוטנציאלים בתווך דיאלקטרי בין מוליכים (אוויר). 23 במערכת שלנו ניתן לבדוק את חוק גאוס רק בצורתו הדו -ממדית: E i i []9-4 i הסכימה הפעם היא על כל אלמנטי האורך המרכיבים את עקום גאוס במקום אלמנטי שטח המרכיבים את משטח גאוס .גם כאן גודל השטף החשמלי איננו תלוי בצורת עקום גאוס. בניסוי אנחנו מודדים הפרשי פוטנציאל (מתח חשמלי) בין שתי נקודות על פני נייר המוליך שהמרחק ביניהן הוא . X הקשר בין שדה והפרש פוטנציאלים הואV : Vi , E ולכן השטף הכולל הוא i : X X i i V1 V2 Vn 1 2 . . . n X1 X 2 X n ובצורה מפורשת: []9-5 , כאשר nהוא מספר אלמנטי אורך על עקום גאוס. מכיוון שבניסוי שלנו כל - Xים שווים ביניהם וכן - ים שווים ביניהם ( אך לא בהכרח שווים ל ) X -ניתן ) (V1 V2 . . . Vn להוציא אותם כגורם משותף : X n ובצורה מקוצרת: Vi i 1 X []9-6 תיאור המערכת: מערכת הניסוי דומה מאוד לזו שבניסוי מיפוי שדה :אלקטרודות בעלות צורות שונות מונחות על נייר התנגדות. בין שתי האלקטרודות מפעילים מתח חשמלי (הפרש פוטנציאלים) באמצעות ספק מתח. בניסוי זה מודדים הפרשי פוטנציאל בין שתי נקודות מדידה (מגעים) במרחק קבוע על פני המשטח (נייר התנגדות) ,בניגוד לניסוי מיפוי שדה ,בו מודדים הפרשי פוטנציאל בין נקודה על נייר ההתנגדות ובין "האפס". המרחק בין נקודות המדידה Xנקבע ע"י מגעים למדידת "שדה ניצב" גשש מדידה כמרחק בין המגעים ,והוא 1 cm 1 cm – ראה תרשים .1 שקעים לחיבור וולטמטר נמצאים בחלק העליון של הגשש ומגעי מדידה נמצאים בחלקו התחתון. בניסוי זה ניתנת גם תבנית פלסטיק שטוחה בעלת סימנים במרחקים קבועים לאורך התבנית .התבנית מהווה "עקום גאוס" – ראה תרשים .7 מגעים למדידת " 1 cmשדה משיק" שקעים לחיבור וולטמטר תרשים 1 מהלך הניסוי: חלק .Iבדיקת חוק גאוס במישור ע"י השוואת שני מצבים של עקום גאוס (תבנית). מדידות "שדה ניצב" במצב 1של התבנית (זמן מומלץ 20דקות). .1הכנס את הנייר הלבן שקיבלת מהמדריך מתחת לנייר ההעתקה .בדוק שכל הניירות מגיעים מקצה עד קצה ללא קיפולים וקימוטים. .7הנח על נייר ההתנגדות אלקטרודה ארוכה בצד הנגדי לאוחז הדפים. 24 .3הנח את האלקטרודה המשולשת והלבש עליה את התבנית ( מצב – 1תרשים ) 7כך ,שהמספרים הרשומים על התבנית יהיו כלפי מעלה .בדוק שפינות האלקטרודה נכנסו לשקעים המתאימים בתבנית. קבע את מקום האלקטרודה עם התבנית כך ,שיישאר מקום להעביר את הגשש מסביב לתבנית. מכיוון שבהמשך הניסוי נצטרך לשנות את המצב ללא הזזת האלקטרודה ,בדוק שיש מקום להעברת הגשש גם במצב אחר. הערה : אל ת סמן את מיקום התבנית על הנייר ה לבן עבור מצב ! 1 הסי מון נבצע רק במצב 7של התבנית. . 4חבר את האלקטרודה המשולשת ליציאה ( )+של הספק ואת האלקטרודה הישרה ליציאת ( .)-הפעל את הספק בהתאם להוראות הפעלת ספק מתח .קבע בין האלקטרודות מתח לפי הנחיית המדריך ורשום את גודלו .אל תש נה את המתח בהמ שך הניסו י. .5בחר את השקעים המתאימים בגשש למדידת "שדה ניצב" ( תרשים ) 1וחבר אליהם וולטמטר .ערוך סדרת מדידות מס' .Iהעבר את הגשש לאורך הקף התבנית החל מנקודה מס' 1ורשום את קריאות הוולטמטר עבור כל נקודה מסומנת על התבנית ( סה"כ 72נקודות ) .בזמן המדידה הצמד את הגשש לתבנית כך ,שהמגע הימני שלו יתלכד עם חריץ המסומן על התבנית כמוראה בתרשים .7הדק את הגשש לנייר ע"י לחיצה עדינה במרכז הגשש עד שהקריאה בוולטמטר תהיה יציבה. אלקטרודה מחוברת לשקע שלילי של ספק E אלקטרודה מחוברת לשקע חיובי של ספק E קו שדה בסמוך לנקודה נבחנת E 19 16 13 עקום גאוס - תבנית 22 10 7 25 4 1 גשש מדידה נייר התנגדות תרשים מדידות "שדה ניצב" במצב 2 2של התבנית (זמן מומלץ 20 דקות). .6ללא הזזת האלקטרודות הרם בזהירות את התבנית וקבע אותה במצב אחר – מצב .2 .2סמן את מיקום התבנית והאלקטרודה בתוכה על הנייר הלבן (דרך נייר העתקה) ע"י העברת הגשש הבודד מסביב לתבנית .כמו כן סמן את מיקום האלקטרודה הארוכה. .8חזור על תהליך המדידה לפי סעיף 5עבור אותו המתח שנקבע בסעיף ( 4סדרת מדידות מס' .)II 25 חישוב שטף חשמלי עבור שני מצבים (זמן מומלץ 15 דקות). .9בהנחה שהחריצים על פני עקום גאוס נמצאים במרחקים קבועים ,מדוד את המרחקים בין החריצים ( ) בשיטה המדויקת ביותר. .10הערך את השטף החשמלי לפי נוסחה [ ]9-6בכל אחד מהמצבים. .11מה הן היחידות של השטף באופן כללי (תלת ממדי) ובניסוי שלנו (דו-ממדי)? .17השווה בין השטף מצב 1ובין השטף מצב ( 7חשב סטייה באחוזים). מה מסקנתך לגבי אישוש חוק גאוס? האם השטף הכולל נשאר קבוע בתחום שגיאת המדידה סבירה? חלק . IIבדיקת השדה האלקטרוסטטי על פני עקום גאוס בעזרת תרשים ווקטורי (זמן מומלץ 35 דקות). . .1בחר בגשש את השקעים למדידת "שדה משיק" (ראה תרשים .)1מדוד את המתח עבור כל נקודה שלישית לאורך התבנית במצב ( 7ללא שום שינוי במיקום האלקטרודות והתבנית) ורשום אותו בדו"ח (סדרת מדידות מס' .)III הפעם מתקבלים קריאות גם חיוביות וגם שליליות ,על תשכח ל ציין את הסימנים בטבלה! .7הסר את האלקטרודות והוצא את הנייר הלבן עם תרשים האלקטרודות והתבנית .הצמד את התבנית אל הנייר וסמן עליו את נקודות המדידה (חריצים בתבנית) לאורך הקף התבנית ,ורשום את הפוטנציאלים על תרשים האלקטרודות. .3עבור כל נקודה שמדדת בה את שדה המשיק ב סעיף 1צייר בקנה מידה ( רשום אותו על התרשים ) את הווקטורים של רכיב השדה הניצב Eורכיב השדה המשיק ( Eגודל וכיוון ) בהתאם לסדרות המדידות II ו .III-צייר את כיוון השדה המשיק עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון לפי סימן המדידה וכיוון השדה הצפוי מתיאוריה בנקודה הנבחנת .למשל ,בנקודה 13שבתרשים 7שדה משיק אמור להיות עם כיוון השעון ובכל נקודות אחרות עם סימן זהה יש לשרטט את הווקטור המשיק גם כן עם כיוון השעון .לעומת זאת בנקודות 1 ו 4-צפוי כיוון שדה משיק נגד כיוון השעון ,כלומר סימני קריאה שונים מנקודה .13 .4מצא את השדה השקול Eבצורה גרפית עבור אותן הנקודות ( כמו בנקודה 13בתרשים .)7 .5הוסף את קווי השדה בסמוך לנקודות שנבחנו (ראה תרשים .)7וודא שכיווני השדה שהתקבלו סבירים בהתאם להבנתך את שדה האלקטרוסטטי בין האלקטרודות? חלק .IIIחוק גאוס עבור אלקטרודה לא טעונה (זמן מומלץ 30 דקות). .1העבר את האלקטרודה המשולשת עם התבנית למרכז הלוח. .7הנח אלקטרודה עגולה בסמוך לאוחז הדפים ,כך שניתן להעביר גשש סביב התבנית (מצב 3בתרשים :)3 .3חבר את שתי האלקטרודות הקיצוניות לספק. .4מדוד את "השדה הניצב" בכל הנקודות (סדרת מדידות .)IV האם הפעם קיבלת מספרים בעלי אותו הסימן או סימנים שונים? מדוע? .5התבונן בתוצאות המדידה והערך את הסטייה בין התוצאה שהתקבלה והתוצאה הצפויה (סטייה יחסית בין סכום ערכים חיוביים וסכום ערכים שליליים) .האם הסטייה סבירה? .6מה מסקנתך לגבי שטף חשמלי במקרה של חלק ? III שאלו ת הכנה .1 :במה שיטת המדידה בניסוי זה שונה מזו שבניסוי הקודם (מיפוי שדה) ומדוע זה נחוץ ? . 7מה צפוי להיות השטף המתקבל עבור עקום גאוס שהיקפו כפול מהנתון? .3כיצד ישתנה השטף החשמלי בחלק IIIשל הניסוי עבור אותו עקום גאוס אם נעשה 26 את המדידות ללא אלקטרודה משולשת? 76 ניסוי :10 מעגל חשמלי (חוק אוהם) . נושאים לניסוי :זרם חשמלי ,מעגל חשמלי ,חוק אוהם ,מוליכות והתנגדות ,גורמי ההתנגדות, חיבורי נגדים בטור ובמקביל ,מכשירים חשמליים. מטרו ת הניסוי .1 :בחירת המעגל האופטימלי למציאת התנגדויות הנגדים הנתונים. .2חקירת אופיין חשמלי של נגדים קבועים. .3חקירת אופיין חשמלי של נורה. רקע תאורטי. מעגל חשמלי. R מעגל חשמלי פשוט הוא מעגל חשמלי המורכב מלולאת זרם בודדת הכוללת מקור I מתח ,ועומס חיצוני בעל התנגדות .Rעומס יכול להיות :נורה ,תנור ,מנוע חשמלי, נגד או כל התקן המנצל אנרגיה חשמלית. ראה תרשים .1 1 התנגדות חשמלית מוגדרת כיחס בין המתח על פני קצוות העומס לבין הזרם העובר V דרכו: I , R כלומר כדי למדוד את התנגדות העומס (הנגד בתרשים )1יש למדוד את המתח על פניו ואת הזרם העובר דרכו. הגרף שמתאר את התלות הזרם Iבמתח Vנקרא גרף אופיין וזה הגרף שנשרטט בניסוי זה. שים לב! ההתנגדות היא היחס בין המתח לזרם עבור מתח מסוים ולא שינוי במתח חלקי שינוי בזרם - ! R V I כלומר ,לפי ההגדרה לא ניתן לקבל את Rמשיפוע גרף האופיין! כדי למדוד את הזרם והמתח במעגל חשמלי משתמשים במכשירי מדידה: מד זרם (אמפרמטר) ומד מתח (וולטמטר). מכיוון שמד זרם (אמפרמטר) מודד את הזרם העובר A R B A דרכו ,מחברים אותו בטור לעומס (נגד) ,כך שימדוד את הזרם שעובר בעומס. V I מכיוון שמד מתח (וולטמטר) מודד את הפרש הפוטנציאלים (המתח) בין שתי נקודות אליו הוא מחובר, מחברים אותו במקביל לעומס (תרשים – 2מעגל א'). ההתנגדות העומס תחושב כיחס בין קריאת הוולטמטר לקריאת האמפרמטר: Vvoltmetr I ampermetr 2 ' . R למכשירי המדידה ממשיים (בניגוד למכשירים אידיאליים) יש התנגדות פנימית אשר יכולה להשפיע על הגדלים הנמדדים במעגל בזמן השימוש בהם. לדוגמה בתרשים 2הזרם היוצא ממקור מתח עובר דרך האמפרמטר ,אך מתפצל ועובר דרך הוולטמטר וגם דרך נגד העומס .לכן הזרם שמודד האמפרמטר אינו מייצג את הזרם בעומס בלבד ,אלא את סכום הזרמים הזורמים דרך העומס ודרך הוולטמטר. כדי שהזרם הנמדד באמפרמטר ייצג את הזרם העובר בעומס ,נדרש שהתנגדות הוולטמטר תהיה גדולה מאוד ביחס לעומס (בסדר גודל אחד לפחות ,רצוי בשני סדרי גודל). 77 בתרשים ( 3מעגל ב') הזרם שמודד האמפרמטר הוא אכן הזרם העובר דרך העומס ,אך המתח שמודד הוולטמטר A R B A אינו המתח על העומס ,אלא נוסף אליו גם המתח על האמפרמטר. C V I כדי שהמתח שמודד הוולטמטר יהיה המתח של העומס בלבד נדרש שהתנגדות האמפרמטר תהיה קטנה מאוד ביחס להתנגדות העומס (בסדר גודל אחד לפחות ,רצוי בשני סדרי גודל) ,כדי שהמתח הנופל עליו יהיה קטן מאד ביחס למתח על העומס. 3 ' נסכם: מכשיר מדידה "טוב" ,כלומר ,מתאים לשימוש במעבדה הוא מכשיר שהכנסתו למעגל חשמלי לא משפיעה על ערכי הזרם והמתח במעגל. במהלך הניסוי יש לבנות מעגל חשמלי שיאפשר את מציאת התנגדות שני נגדים שונים והתנגדות נורה ,ע"י מדידת זרמים ומתחים. לשם כך אפשר להשתמש באחד משני המעגלים החשמליים – א' או ב' .כיצד נדע באיזה מעגל לבחור? זה תלוי בגודל התנגדות של העומס יחסית להתנגדויות מכשירי המדידה שנשתמש בהם. כדי לבחור מעגל אופטימאלי יש לבנות את מעגל א' (תרשים )2ולשנות אותו למעגל ב' ע"י העברת חיבור הוולטמטר מנקודה Bאל נקודה ( Cתרשים ,)3אם קריאות המכשירים לא ישתנו ,זה אומר ,ששני המעגלים מתאימים באותה מידה. במעגל ב' מדידת המתח היא לא רק על פני העומס אלא גם על פני האמפרמטר. אם במעבר ממעגל א' למעגל ב' גדלה קריאת הוולטמטר באופן משמעותי ,הרי שלפי הגדרת ההתנגדות ניתן להסיק שהתנגדות האמפרמטר איננה זניחה ביחס להתנגדות העומס. במקרה כזה לא נוכל לקבל תוצאה נכונה של התנגדות העומס על ידי שימוש במעגל ב'. במעגל א' האמפרמטר מודד את סכום הזרמים של העומס והוולטמטר. אם במעבר ממעגל ב' למעגל א' גדלה קריאת האמפרמטר באופן משמעותי ,ניתן להסיק שההתנגדות הפנימית של הוולטמטר איננה גדולה מספיק ביחס להתנגדות העומס. במקרה כזה לא נוכל לקבל תוצאה נכונה של התנגדות העומס על ידי שימוש במעגל א'. כאמור ,ממדידת הזרם והמתח אפשר לחשב את התנגדות העומס. יש מקרים שהתנגדות זו מקיימת חוק מסויים: "חוק" אוהם קובע שהיחס בין המתח לזרם במוליך הוא קבוע ,כלומר ההתנגדות איננה משתנה עם שינוי המתח. חוק אוהם הוא חוק ניסויי ומתקיים רק בתנאים מוגבלים ,כגון בחומרים מסויימים (בד"כ מתכות) ,בתחומי תנאים פיזיקליים צרים או קבועים (טמפרטורה ,שדה מגנטי ,אור וכו') ובתחומי מתח וזרם מסוימים. אלמנט אוהמי הוא אלמנט (למשל ,נגד) שהאופיין החשמלי שלו ליניארי ועובר דרך ראשית הצירים ,כלומר אלמנט המקיים את חוק אוהם. 78 שאלת הכנה (הראה ע"י נוסחאות בדו"ח הכנה). כאשר מחלקים את קריאת הוולטמטר Vבקריאת האמפרמטר :I .1מהי ההתנגדות R = Vאליה מתייחסת המדידה המבוצעת על פי מעגל א'? I .2מהי ההתנגדות אליה מתייחסת המדידה המבוצעת על פי מעגל ב'? בטא את תשובותיך בעזרת התנגדות הנגד ,R -התנגדות פנימית של מד המתח ,RV - התנגדות פנימית של מד הזרם .RA - .3באיזה מעגל תוצאת החישוב התנגדות הנמדדת 'R גדולה מ R-האמיתי ובאיזה קטנה ממנו? .4נתון , R=200Ω :התנגדות הוולטמטר RV=1400Ωוהתנגדות האמפרמטר . RA=5Ω במידה ונעבור ממעגל א' אל מעגל ב' ע"י שינוי חיבור הוולטמטר מנקודה Bאל נקודה ( Cתרשים )3 האם קריאת האמפרמטר או קריאת הוולטמטר תשתנה משמעותית? .5בהתאם לתוצאה שקיבלת בשאלה ,4איזה מעגל תעדיף לבחור ,מעגל א' או מעגל ב' עבור מצב הנתון? הסבר. מהלך הניסוי. חלק .Iבחירת המעגל האופטימלי למציאת התנגדויות הנגדים הנתונים. .1בי צוע מדידות מתח וזרם עבור מעגלים שונים (זמן מומלץ 20דקות). א .הרכב את המעגל החשמלי א' עבור אחד משני הנגדים העומדים לרשותך ( R1 -רשום עליו), כשהאמפרמטר נמצא בתחום המדידה של ( mAכפתור סיבוב במצב mAוחוט חשמלי מחובר לשקע .)mAוודא שכפתורי הוויסות בספק מסובבים שמאלה עד הסוף. אל תפעיל את הספק עד שמדריך יבדוק את חיבור המעגל. ב .הפעל את הספק כמקור מתח לפי הוראות הפעלה בפרק "מכשירים חשמליים". סובב את כפתור וויסות המתח עד לקבלת קריאות משמעותיות על מכשירי המדידה בתחום mAשל האמפרמטר. אין לעבור על זרם של ! 200mAאחרת הנתיך של המודד יישרף. רשום את הקריאות בטבלה 1עבור מעגל א'. ג .שנה את מעגל א' למעגל ב' ע"י העברת חיבור הוולטמטר מהנקודה Bאל נקודה ,Cורשום את הקריאות החדשות בטבלה מס' :1 מעגל ב' מעגל א' ] [מתח ] [ זרם ] [מתח ] [ זרם תחום של mA תחום של A ד .שנה תחום המדידה של האמפרמטר ל( A -כפתור סיבוב במצב Aוחוט חשמלי מחובר לשקע .)10Aרשום את קריאות מתח וזרם במצב זה בשורות מתאימות של טבלה מס' 1גם עבור מעגל א' וגם עבור מעגל ב'. . 2ניתוח תוצאות ומסקנות (זמן מומלץ 79 10דקות). א .השווה את תוצאות המדידה במעגל א' עם התוצאות במעגל ב' בשני התחומים. לאיזה פרמטר (זרם או מתח) ובאיזה מקרה (תחום האמפרמטר) התקבלו השינויים הניכרים ביותר במעבר בין המעגלים? תן הסבר לשינויים בהתאם להסבר בחלק תיאורטי. ב .בהתאם לתשובתך לסעיף א' בחר את המעגל האופטימאלי למציאת התנגדות הנגד . R1 . 3ביצוע מדידות התנגדות ע"י אוהםטר (זמן מומלץ 20דקות). כדי לוודא תוצאות מדידה טבלה 1ובחירת המעגל האופטימלי בסעיף 2ב' נמדוד באופן ישיר (ע"י אוהמטר) את התנגדויות מכשירי המדידה ואת הנגדים R1ו. R2- לשם כך: א .חבר שני מכשירי מדידה ביניהם (לפי תרשים ,)4 כאשר העליון מבין השניים מכוון כמד התנגדות והתחתון מכוון כמד זרם במצב ( 10Aכפתור A mA 5.88 V r a n ge A AC סיבוב במצב Aוחוט חשמלי מחובר לשקע .)10A V Am A m V com 10A A C+ D C מדוד ורשום בטבלה 2את התנגדות מד הזרם במצב זה. ב .שנה את המצב ל mA-ע"י העברת החוט לשקע A mA המתאים ,וסיבוב כפתור בורר התחום בהתאם. 88.88 V r a n ge A רשום את הגודל ההתנגדות בשורה הבאה AC בטבלה .2 V com Am A m V 10A A C+ D C ג .שנה את המצב ל A-ע"י סיבוב כפתור בורר תרשים 4 התחום בלבד (ללא שינוי חיבור לשקע). רשום את הגודל ההתנגדות בשורה השלישית בטבלה .2 ד .חזור בצורה דומה על מדידות התנגדות עבור שני התחומים של מד המתח ( Vו.)mV- ה .כמו כן מדוד ע"י אוהמטר את התנגדויות הנגדים הקבועים R1ו R2 -ורשום את התוצאות בטבלה .2 טבלה מספר :2 ד ז ד דה חו ד ה נ דו [ ] ד דה חו A V mA mV ח ה נ דו נ ד R1 [ ] ה נ דו נ ד R2 [ ] ה נ דו [ ] µA . 4ניתוח תוצאות ומסקנות (זמן מומלץ 10דקות). א .האם תוצאות המדידות בסעיף 3מסבירות את השינויים במתח והזרם כפי שהתקבלו בטבלה ?1הסבר. ב .האם תוצאות המדידות בסעיף 3מצדיקות את בחירת המעגל בסעיף 2ב' ? נמק. ג .האם המעגל שבחרת כאופטימאלי לנגד R1יתאים גם לנגד השני ? R2נמק תשובתך. 80 חלק . IIחקירת אופיין חשמלי של נגדים קבועים. .1ביצוע מדידות (זמן מומלץ 30דקות). א .חבר את המעגל החשמלי שבחרת כאופטימאלי בחלק Iעבור נגד .R1קבע את תחום האמפרמטר "."mA שנה 5פעמים את המתח ( החל ממתח קרוב ל ) 0-ומדוד את הזרם בהתאמה. עבור נגד ( R1בעל התנגדות קטנה יותר ) ניתן לעלות זרם עד ,200mAאך לא לעבור את הגודל ,אחרת נתיך של המודד יישרף! סכם את תוצאותיך בטבלה ,3וחשב את ערכי ההתנגדות בכל העמודות והתנגדות הממוצעת עבור נגד :R1 ] [ Vמתח ] [ Iזרם ] [ Rהתנגדות ] [ Rממוצעת ב .בצורה דומה בצע מדידות הזרם והמתח עבור הנגד השני ( R2בעל התנגדות גדולה יותר ). ג .ערוך טבלה מס' - 4זהה לטבלה מס' 3וחשב את ההתנגדות הממוצעת עבור נגד . R2 הערה לביצוע מדידות: בחר תחו מי מדידה של מתח וזרם לשני הנגדים כאלה ,שניתן יהיה לעלות את תוצאות המדידות של שני הנגדים בצורה טובה על מערכת צירים אחת ( גרף אחד לשני הנגדים ). לשם כך בחר זרם מקסימלי עבור נגד ( R2טבלה )4כשליש מהזרם המקסימלי שהיה עבור ( R1טבלה .)3 .2ניתוח תוצאות ומסקנות (זמן מומלץ 10דקות). א .שרטט גרף אופיין מס' 1של הזרם Iכנגד המתח Vעבור שני הנגדים על מערכת צירים אחת. לשם כך בנה גרף עבור R1מטבלה 3והוסף אל הגרף סדרת נתונים חדשה מטבלה 4בצורה הבאה: - לחץ על כפתור ימני של עכבר ,כאשר סמן העכבר נמצא על הגרף ,בחר . Select Data - בחלון הנפתח בחר Editורשום שם של סדרה ראשוני ( . ) R1לחץ . OK - בחר Addכדי להוסיף סדרה שנייה ורשום גם את שמה . R2 - - (צבַּ ע) בטבלה 4את שורת נתוני מתח V העבר את הסמן לחלון ערכי ציר ( X Valu es) Xוסמן ְ (ע"י לחיצה שמאלית על העכבר) ,העבר סמן לחלון ערכים של . ( Y Valu es) Y אם כתוב בחלון } ={1מחק אותו וסמן את כל השורה של הזרם Iבטבלה . 4ל ח ץ . O K ב .קבע את גודל שגיאת המדידה שמתאים לפיזור הנקודות באחוזים .מה מסקנתך לגבי דיוק הגרף והקשר בין המתח והזרם? ג .חשב את ההתנגדות ה ממוצעת של כל נגד ( בכל אחת מהטבלאות ע"י פונקציה AVERAGEבאקסל ) והשווה למדידות ישירות של ההתנגדויות בחלק . Iמצא את הסטייה באחוזים. זכור – לפי ההגדרה לא ניתן לקבוע ערך ההתנגדות Rמשיפוע הגרף! 81 חלק .IIIחקירת אופיין חשמלי של נורת להט. . 1קביעת התנגדות הנורה במצבים שונים (זמן מומלץ 10דקות). א .מדוד בעזרת אוהמטר את התנגדות הנורה ורשום את Rנמדד בטבלה מס' .5 ב .חשב את התנגדות הנורה על סמך הנתונים הרשומים עליה (הראה את החישוב) – אלה ערכי העבודה של הנורה ,כאשר היא דולקת. רשום בטבלה מס' 5גם את Rמחושב : .2מדידות מתח וזרם עבור אופיין הנורה (זמן מומלץ ] [ R ] [ R נמדד מחושב 20דקות). א .חבר את הנורה במקום הנגד במעגל הנבחר (נמק את הבחירה). ב .ערוך סדרת מדידות של מתח וזרם עבור הנורה בכל תחום המותר (החל ממתח קרוב ל 0-ועד המתח הרשום עליה). פזר את מדידותיך כך ,שעל גרף האופיין יהיו נקודות מדידה צפופות יותר באזור המתח הנמוך. שים לב למתח הרשום על הנורה ואל תעבור מתח זה ,כי הדבר יגרום לשריפת הנורה! ג .סכם את התוצאות בטבלה מס' 6וחשב את התנגדות הנורה עבור כל מתח: ] .3ניתוח תוצאות ומסקנות (זמן מומלץ ] [ Vמתח ] [ Iזרם [ Rהתנגדות 10דקות). א .שרטט את גרף האופיין של הנורה ,כלומר :גרף של Iכנגד , Vללא התאמת פונקציה ,אלא רק עם חיבור נקודות על ידי קו מוחלק (.(smoothed line לשם כך ,היכנס לתפריט "( Insertהוספה") ובחר באזור Chartsאת סוג התרשים Scatterומתוך האפשרויות שיופיעו בחר . Scatter with Smooth Lines and Markersמה מסקנתך לגבי צורת הגרף? ב .מהי ההתנגדות הנורה לפי טבלה 6עבור הזרם הנמוך ביותר שניתן היה למדודR ,זרם נמוך ? מהי ההתנגדות הנורה לפי טבלה 6עבור הזרם הגבוה ביותר שניתן למדוד בניסויR ,זרם גבוה ? ג .השווה בין תוצאות סעיף ב' ובין הנתונים בטבלה .5מהן מסקנותיך מההשוואה? ד .הסבר את ההבדל בין ההתנגדות הנמדדת וההתנגדות המחושבת בטבלה .5 (סה"כ זמן עבודה 140דקות נטו). 82 ניסוי : 11 נושאים לניסוי: כא " מ ,התנגדות פנימית והספק במעגל חשמלי. כוח אלקטרומניע ,התנגדות פנימית ,חיבורי נגדים ,הספק חשמלי, נצילות ,מכשירים חשמליים. מטרות הניסוי: חלק .1 .Iבדיקת הקשר בין מתח הדקים וזרם במעגל חשמלי הכולל מקור מתח בעל התנגדות פנימית לא זניחה. .2מדידת כא"מ ,התנגדות פנימית והתנגדויות קבועות חיצוניות. חלק .IIחקירת הספק במעגל חשמלי. חלק .Iכא"מ והתנגדות פנימית. רקע תיאורטי. בחלק ראשון של הניסוי נחקור את הקשר בין מתח ההדקים Vוהזרם Iעבור מקור מתח ,שהכא"מ שלו - והתנגדותו הפנימית r -לא ידועים. V Ir הקשר התיאורטי בין הגדלים (נקרא גם "חוק אוהם המוכלל") הוא: ][11-1 הניסוי יבוצע בעזרת מעגל חשמלי (תרשים )1המורכב ממקור מתח בעל התנגדות פנימית גדולה יחסית ,r אמפרמטר בעל התנגדות , RAנגד חיצוני קבוע Rונגד עומס משתנה ( Rpפוטנציומטר). בניסוי נשנה את התנגדות העומס Rpוכתוצאה מכך D ישתנה הזרם במעגל ( Iהנמדד ע"י האמפרמטר), V RA R C A V כאשר הכא"מ יישאר קבוע .זה בניגוד לניסוי קודם "חוק אוהם" שבו שינינו מתח ומדדנו זרם ,כאשר I התנגדות העומס הייתה קבועה. V V את מד המתח מחברים כך שהדק אחד שלו מחובר באופן קבוע להדק המקור (נקודה .)Aההדק השני של מד המתח מחובר בכל פעם אל נקודה אחרת בסדרת Rp הנקודות .D ,C ,B A B , r 1 I מהלך הניסוי. הרכבת מעגל חשמלי וביצוע מדידות (זמן מומלץ 30דקות). .1הרכב את המעגל כמוראה בתרשים ( ,1בחר פוטנציומטר של .)5k .2קבע מתח מסויים לפי הוראת המדריך ועל תשנה אותו במשך הניסוי. .3מדוד את הזרם המקסימאלי האפשרי עבור המצב ההתנגדות המינימאלית של הפוטנציומטר Rpוהמתחים VAD ,VAC , VABעבור אותו הזרם ורשום את התוצאות בעמודה ראשונה בטבלה .1 83 .4חזור על הסעיף הקודם עבור התנגדויות שונות בכל תחום הפוטנציומטר (עד הזרם המינימאלי האפשרי). רכז את תוצאות המדידות בטבלה :1 מעגל פתוח ] [I ] [ VAB ] [ VAC ] [ VAD .5פתח את המעגל החשמלי ומדוד אותם המתחים VAB ,VAC ,VADורשום בעמודה אחרונה בטבלה. ניתוח תוצאות ומסקנות (זמן מומלץ 30דקות). .6שרטט גרף מס' - 1את המתחים VAB ,VAC , VADכנגד הזרם Iבמערכת צירים אחת (ללא מצב מעגל פתוח) .ציין עבור כל קו מה הוא מייצג. .7התבונן בגרף שקבלת .האם הוא מאשר את הקשר התיאורטי בין מתח הדקים לזרם? מניין נובע ההבדל בין הגרפים? .8מצא מתוך הגרף את ערך הכא"מ .חשב את הסטייה בין הכא"מ המחושב מתוך הגרף ובין הנמדד במעגל פתוח .האם התוצאה סבירה? .9מתוך הגרף מצא את ההתנגדות הפנימית של המקור – , rואת ההתנגדויות של האמפרמטר RAוהנגד הקבוע .Rכיצד ניתן לעשות זאת? תן הסבר בדו"ח הכנה. .11לאחר פרוק המעגל מדוד בעזרת אוהמטר את התנגדויות RAו.R- האם תוצאת המדידה מתאימה לתוצאה שקבלת מתוך הגרף? חשב את הסטייה באחוזים. 84 חלק .IIהספק במעגל חשמלי. RA רקע תאורטי. A בחלק זה של הניסוי נחקור את תלות ההספק המסופק ע"י הספק בזרם במעגל ,אשר נקבע על פי התנגדות I V העומס (התנגדות חיצונית) במתח נתון. V ההספק המיוצר ע"י מקור המתח הוא הכא"מ שהספק מייצר כפול הזרם העובר דרכו ,שהוא שווה לזרם בעומס: Psource = I Rp , r ][11-2 II 2 ההספק היעיל במעגל פשוט הוא המתח על פני העומס כפול הזרם העובר דרכוPeffective = VI : ][11-3 מהגדרה זו ומהמשוואה ] [11-1נובע שההספק היעיל Peהוא פונקציה ריבועית של הזרם החולף דרך המקור: Pe = VI = ( - r'I) I = I - r' I2 ][11-4 במעגל שלנו (תרשים )2הנגד המשתנה ( Rpהפוטנציומטר) מהווה את "העומס" .ה"התנגדות פנימית של המקור" ' rכוללת גם את התנגדות האמפרמטר ,RAכלומר התנגדות ליד I2במשוואה ] [11-4היא .r'= r+RA כאשר התנגדות העומס Rpהיא אפס (מבוצע ע"י חוט קצר על פני העומס) ,יזרום במעגל הזרם המקסימלי ε ) (r R A האפשרי בתנאים אלה -זרם קצר : I max ][11-5 כאשר התנגדות העומס היא אינסופית ( נתק ) יהיה הזרם אפס. I max Peמקבל ערך מקסימאלי ,כאשר זרם במעגל שווה ל- 2 ,כלומר מחצית מזרם הקצר . Imax מכיוון שהמתח על העומס נמוך מהכא"מ הרי שההספק היעיל נמוך מההספק המיוצר. נצילות המעגל תהיה היחס בין ההספק היעיל להספק המיוצר: Pe V I V Ps I ][11-6 שאלות הכנה: .1מה צריכה להיות לפי התאוריה התנגדות העומס ביחס להתנגדות הפנימית של המקור כדי לקבל את ההספק היעיל מקסימלי? הראה ע"י משוואות. .2מה תהיה הנצילות כאשר ההספק היעיל מקסימלי? .3מה צריכה להיות ההתנגדות הפנימית של המקור ביחס להתנגדות העומס כדי לקבל נצילות גבוהה? .4כיצד מתבטא בגרף ההספקים ( )Ps , Peכנגד ההתנגדות ההספק שאינו מנוצל בעומס? 85 מהלך הניסוי. .1הרכבת מעגל ,תכנון מדידות ,ביצוע מדידות ומילוי טבלה (זמן מומלץ 40דקות). א .הרכב את המעגל כמוראה בתרשים ( 2הפעם בחר פוטנציומטר של .) 0.5k בדומה למדידות בחלק ,Iגם בחלק IIנמדד מתח ההדקים של המקור והזרם החולף דרכו. ב .לאחר בדיקת המעגל ע"י המדריך ,הדלק את הספק. ג .מטרת המדידות בחלק זה היא חקירת ההספק שהמקור מפתח כתלות בהתנגדות החיצונית (הפוטנציומטר). על פי התאוריה ,צפוי שלהספק היעיל יהיה ערך מקסימאלי עבור התנגדות חיצונית מסוימת ,כלומר – בזרם מסוים (משוואה ] .)11-5כדי לפזר את המדידות בצורה שווה פחות או יותר סביב אותו מצב ,יש לתכנן את המדידות (לא פחות מ 11-נקודות המדידה) .לשם כך התחל בנקודות הקיצון: מדוד את זרם הקצר ( Imaxזרם מקסימאלי במעגל ,כאשר מקצרים את הפוטנציומטר) ורשום את הערךבטבלה מס' 2עבור מתח .1הוצא את חוט הקצר. הוסף לטבלה גם נקודת המדידה ,כאשר זרם שווה ,1כלומר מדוד ישירות את במעגל פתוח.מדוד את ערכי המתח והזרם עבור עומסים שונים .לשם כך: סובב את הכפתור של הפוטנציומטר לקצוות ומדוד את המתחים עבור הזרם המקסימלי ועבור הזרםהמינימאלי שניתן למדוד במעגל הנתון עם הפוטנציומטר ,ורשום את הנתונים בטבלה (IminנמדדImax ,נמדד), מדוד מתח עבור זרם שהוא מחצית מזרם הקצר והוסיף לטבלה את הנקודה – Imax /2זאת נקודתהמקסימום של הספק היעיל, מדוד את ערכי המתח והזרם עבור עומסים שונים ע"י סיבוב הפוטנציומטר למצבים שונים .בחר אתנקודות המדידה כך ,שיהיו צפופות יותר באזור המקסימום של ההספק היעיל. ד .חשב בעזרת אקסל את ההתנגדות ,את ההספק היעיל ,את ההספק המיוצר ע"י הספק ,ואת נצילות המעגל (ב 4-השורות האחרונות של הטבלה). Imax 0 Imaxנמדד .2ניתוח תוצאות ומסקנות Imax /2 (זמן מומלץ Iminנמדד 0 ] ] ] ] ] [ I [ V [ R [ Pe [ Ps 30דקות). א .על סמך טבלה מס' 2שרטט גרף מס' - 2הספק יעיל Peכתלות בזרם .Iהוסף לגרף קו מגמה ריבועי ( )Polynomial order 2כולל משוואה ומקדם קורלציה .מה מסקנתך מהגרף? ב ..מתוך משוואה של גרף 2קבע את הערכים של ו r -בהתאם לביטוי ]( [11-4זכור ,שהתנגדות במשוואה כוללת גם ,)RAוהשווה לערכים הצפויים של ו( r -שנמדדו קודם). ג .על סמך טבלה מס' 2שרטט שני גרפים נוספים עם נקודות המדידה מחוברות ע"י קו ללא התאמת פונקציה: גרף מס' " 3הספקים Peו Ps-כתלות בהתנגדו ( Rבמערכת צירים אחת) וגרף מס' " 4נצילות כתלות בהתנגדות . " R ד .הדפס את שני הגרפים האחרונים עם קווי רשת צפופים מספיק כדי לוודא התאמה בין התאוריה והתוצאות שהתקבלו בניסוי ,כלומר ,בדוק את תשובותיך לשאלות ההכנה וכתוב את המסקנות. ה .לאן נעלם ההספק שאינו מנוצל בעומס ומה תלותו בזרם הזורם במעגל? בסס את הסברך על גרף ההספקים Ps , Peכנגד התנגדות. (סה"כ זמן עבודה 130דקות נטו). 86 ניסוי : 12 נושאים טעינ ת קבל ( ניסוי ב ביצוע עצמי ) . לניסוי :זרם ומטען חשמלי ,כא"מ ,קיבול ומטען קבל ,קבל במעגל חשמלי ,מכשירים חשמליים. מטרות הניסוי: .1חקירת השתנות זרם טעינת קבל בזמן עבור מתח הספקה קבוע. .2מציאת קיבול קבל במספר דרכים. רקע תאורטי. טעינת קבל. S נתבונן במעגל טעינה (תרשים )1הכולל מקור מתח בעל C RA A כא"מ , נגד משתנה (פוטנציומטר) ,Rpמפסק , Sקבל שקיבולו Cואמפרמטר RAהמחוברים בטור. I ההתנגדות הפנימית של מקור המתח וגם התנגדות חוטי V החשמל נכללות בהתנגדות המיוצגת ע"י הפוטנציומטר.Rp נניח שלפני סגירת המפסק Sהקבל אינו טעון ,ושהמפסק Rp 1 נסגר ברגע . t=0 המטען ההתחלתי של הקבל הוא לפיכך . Q(t=0)=0 בעקבות סגירת המפסק מתחיל מקור המתח להזרים זרם (כמוראה בתרשים) דרך הנגד וגורם להעברת אלקטרונים דרך הספק מלוח אחד של הקבל אל הלוח השני .תוך כדי כך נוצר מתח ההולך וגדל בין לוחות הקבל. הזרם מפסיק לזרום כאשר הפוטנציאל על הלוחות הקבל שווה לפוטנציאל המקור. ניתן להראות שהמטען על לוחות הקבל גדל מ 0 -בזמן ,t=0עד ערכו הסופי Cבזמן ∞= tעל פי הנוסחה: ) , Q (t) = C (1 e t/τ ).(e=2.7182... כאשר כאן הוא סימון עבור המכפלה , RCוהוא נקרא "קבוע הזמן" של המעגל. קבוע הזמן =RCקובע למעשה את קצב הטעינה .אפשר לראות ש: כאשר t=המטען על הקבל מגיע ל (1- e-1( -מערכו הסופי (ל 0.632 -מערכו הסופי), כאשר t=2המטען מגיע ל (1- e-2( -מערכו הסופי (ל 0.865-מערכו הסופי), כאשר t=5המטען מגיע ל 0.993 -מערכו הסופי, Q כך שניתן לומר שהקבל כבר טעון כמעט לחלוטין. C תלות מטען הקבל כפונקציה של הזמן נתונה בתרשים .2 קבוע הזמן נותן מידע על משך זמן תהליך טעינת הקבל והוא נקבע ע"י רכיבי המעגל. בתרשים 2רואים שבמעגל שקבוע הזמן שלו קטן הקבל נטען מהר ,במעגל שקבוע הזמן שלו גדול הקבל נטען לאט. t 2 0 87 הזרם במעגל מוגדר בתור קצב הצטברות המטען על לוחות הקבל: dQ d 1 = (C (1 - e -t/ )) = C e - t/ = e - t/ dt dt R כלומר ,הזרם במעגל דועך עם הזמן ,כאשר ברגע הראשון לסגירת I(t) I המפסק ב ,) e0 1 ( , t=0 -הוא מקבל את ערכו המכסימלי Io ε R הזרם הראשוני אינו תלוי בקיבול כי ברגע הראשון לסגירת ( I 0 ראה תרשים .)3 Io/e המפסק הקבל אינו טעון כך שלא נופל עליו מתח .כל המתח של ε המקור נופל על הנגד Rולכן הזרם ההתחלתי הוא R (קבל לא t 5 4 טעון מתנהג ברגע הראשון כקצר חשמלי). בכל רגע ורגע יהיה הזרם במעגל: 3 1 2 0 3 I(t) I 0 e t/ גם כאן קבוע זמן משחק תפקיד חשוב: בזמן t=הזרם יורד ל 1/e=0.368 -מערכו ההתחלתי, בזמן t=2הזרם יורד ל 1/e2=0.135 -מערכו ההתחלתי, בזמן t=5הזרם יורד ל 1/e5=0.0067 -מערכו ההתחלתי וניתן לומר שבאופן מעשי הוא אפס, כלומר הקבל טעון כמעט לחלוטין .במצב זה המתח על הקבל הוא והמטען עליו הוא . Q C ε t כאשר נתון גרף טעינת הקבל אפשר לקבל ממנו את המטען על הקבל בכל רגע ע"י אינטגרציית הזרם. Q( t ) Idt : 0 כידוע אינטגרל הוא השטח מתחת לגרף ,כלומר ) Q(tהוא השטח מתחת לגרף זרם Iכתלות בזמן (מ 0-עד .)t קבל אלקטרוליטי ממשי (לא אידיאלי) קבל אלקטרוליטי מורכב משתי שכבות מוליכות וביניהם חומצה מוליכה .בזמן הזרמת הזרם פעם ראשונה (במפעל) נוצרת שכבת תחמוצת מבודדת על פני אחד הלוחות .הזרמת זרם בכיוון הפוך מפרקת את השכבה המבודדת ,כלומר ,מקלקלת את הקבל ,לכן יש להקפיד על חיבור הקבל בקוטביות נכונה. שכבת התחמוצת המבודדת היא דקה מאוד ופגיעה למדי .שימוש לא מוקפד עלול + ליצור "חורים" קטנים בשכבת הבידוד שבהם יכול זרם קטן לדלוף מלוח אחד של הקבל למשנהו .כלומר קבל אלקטרוליטי ממשי מתנהג כקבל בתוספת זרם דליפה Rc קטן .בקירוב ראשון אפשר להתייחס כאילו במקביל לקבל מחובר גם נגד בעל 4 התנגדות גבוהה ( Rcתרשים .)4בקירוב זה נוסחת הזרם בטעינת קבל ממשי תהיה: )V(t Rc I(t) I 0 e t/ ,כאשר ) V(tהוא המתח על הקבל המשתנה בזמן (מ 0-ל.)- בתחילת הטעינה המתח על הקבל קטן ,ולכן זרם הדליפה קטן ,לעומת זאת זרם הטעינה גדול ,ולכן זרם הדליפה הקטן לא יורגש .בסוף הטעינה זרם הטעינה מתאפס ,המתח על הקבל מגיע לערכו המקסימאלי ולכן גם זרם הדליפה הוא מקסימאלי. במצב זה יורגש זרם הדליפה כך שגם אחרי זמן רב הזרם במעגל לא יתאפס אלא יגיע לערך קבוע ,בדרך כלל קטן. - Rההתנגדות הכוללת לזרם של טעינת הקבל. 88 שאלת הכנה . 1 :הראה על הגרף הצפוי של הזרם כתלות בזמן בטעינת הקבל ,כיצד הוא ישתנה במקרים הבאים: א .כאשר מקטינים את מתח ההדקים של הספק פי,2- ב .כאשר מקטינים את ההתנגדות Rפ?2- .2כיצד יראה גרף הטעינה עבור קבל ממשי? שרטט את הגרף והסבר כיצד ניתן לחלץ ממנו את ערכה ההתנגדות של נגד הדליפה. .3מהם המימדים (יחידות) של ? הראה זאת מהביטוי .=RC .4הסבר בדו"ח הכנה את שלושת הדרכים המבוקשות למציאת קיבול הקבל. C מהלך הניסוי. .1מעגל חשמלי לטעינת קבל. RA התבונן במעגל החשמלי המופיע בתרשים ,5שכולל ספק , פוטנציומטר , Rpאמפרמטר ,RAקבל , Cומפסק .S A S כאשר המפסק Sפתוח הספק מטעין את הקבל ע"י הזרמת I זרם דרך הפוטנציומטר. V כאשר המפסק סגור הוא מהווה שני תפקידים: מצד אחד -מאפשר פריקת הקבל במהירות רבה ,כי הפריקה מתקיימת רק דרך החוטים ,שהתנגדותם זניחה; Rp מצד שני -סוגר מעגל ללא קבל ,כאשר זרם בו תלוי בהתנגדות 5 הפוטנציומטר Rpוהתנגדות האמפרמטר ( RAהתנגדות החוטים והספק זניחה) ,כלומר נשאר קבוע בערכו המקסימאלי .I0 פתיחת המפסק מתחילה שוב את טעינת הקבל. הערות: .1קבל שהיה פרוק ,ברגע הראשון לאחר חיבורו לספק מתנהג כקצר ,כך שהמתח על פניו הוא אפס ,והוא מהוה התנגדות אפסית למעבר זרם הטעינה .זהו זרם הטעינה המקסימאלי הרגעי . I0 .2קצר בין שתי נקודות נוצר כאשר מחברים אותן ע"י מוליך בעל התנגדות אפסית (יכול להיות מוליך בתוך המפסק). נתק בין שתי נקודות קיים כאשר הן אינן מחוברות ע"י מוליך כלשהוא. . 2הפרמטרים הדרושים לניסוי. על מנת לקבל גרף זרם טעינת קבל כתלות בזמן בצורה מתאימה לקבלת נתונים מדויקים מתוכו ,יש לקבוע ערכים אופטימאליים ל פרמטרים הניתנים לבחירה במעגל: ─ מתח הספק (בעצם זה - )ניתן לבחור עד ,30V ─ התנגדות הפוטנציומטר - Rpיש ל השתמש בפוטנציומטר של ,50kΩ ─ פרקי הזמן בין ה מדידות וזמן המדידות הכולל, ─ תחום מדידה של אמפרמטר .µA - 89 עליך לבחור את הפרמטרים בהתאם לקריטריונים הבאים: הזמן בין מדידות עוקבות צריך להיות קצר בתחילת הטעינה ,כאשר השינויים מהירים ,וארוך יותר בסוף, כאשר השינויים איטיים .מדידה מס' 2של הזרם צריכה להיות לא פחות מ 90%-ממדידה מס' .1 קריאת הזרם האחרונה צריכה להיות קטנה מספיק ביחס ל , I0-כך שאפשר יהיה להניח שהקבל טעון כמעט לחלוטין (בהתאם לרקע תאורטי לניסוי זה). זמן טעינת קבל (זמן המדידות) לא צריך להיות גדול מידי ,על מנת להספיק לסיים את כל העבודה בשעתיים. יש לדאוג למדידת זרם בדיוק טוב מספיק לקבלת תוצאות אמינות ,כלומר -לפחות שתי ספרות משמעותיות גם במדידות אחרונות. . 3ביצוע ניסויים מקדימים לקביעת הפרמטרים (זמן מומלץ 30 דקות). א .הרכב את המעגל החשמלי כנראה בתרשים 5עם פוטנציומטר של . 50 kΩ הערות לביצוע: א .הקפד לחבר את הקבל האלקטרוליטי בהתאם לקוטביות הרשומה עליו! ב .א ל תפעיל ספק לפני שמדריך יבדוק את המעגל! ב .קבע את מתח העבודה (תן נימוק לבחירתו בדו"ח העבודה). ג .פרוק את הקבל ע"י סגירת המפסק Sורשום את הזרם ההתחלתי I0בדו"ח העבודה. ד .כדי להתחיל את טעינת הקבל פתח את המפסק Sוהפעל בו זמנית את שעון העצר (כאשר הפוטנציומטר Rpנמצא במצב כלשהו). מדוד את קבוע הזמן של הניסוי , כלומר הזמן לירידת זרם ל 1/e -מערכו ההתחלתי. ה .האם ערכו של שמצאת מאפשר קבלת גרף סביר מבחינת קצב ומשך הניסוי? במידה ותחליט שה -לא מתאים לעבודה ,שנה אחד הפרמטרים וחזור על הסעיף הקודם. רשום בדו"ח העבודה את כל השינויים שעשית במשך ניסויים מקדימים עד לקבלת ה -הרצוי. ו .לאחר קביעת הפרמטרים (את ההתנגדות מדוד בעזרת אוהמטר) ,רשום אותם בדו"ח העבודה ואל תשנה אותם במשך הניסוי. ז .חשב את הזרם ההתחלתי לפי הפרמטרים שקבעת .האם הערך שקיבלת במדידה ישירה מתאים לזרם המחושב? (חשב את הסטייה באחוזים). 90 . 4טעינת הקבל עם מדידת הזרם (זמן מומלץ 20 דקות). א .פרוק את הקבל ע"י סגירת המפסק והתחל את טעינתו ע"י פתיחת המפסק והפעלה בו זמנית את שעון העצר (במצב התנגדות הפוטנציומטר Rpשמצאת בסעיף הקודם). ב .ערוך מדידות של עוצמת הזרם במעגל -בהתאם לקצב ירידת הזרם בזמן (לא פחות מ 15-מדידות). סכם את תוצאותיך בטבלה: [t ] [I ] )ln(I . 5ניתוח תוצאות הניסוי (זמן מומלץ 30 דקות). א .שרטט גרף מס' 1של עוצמת הזרם Iכנגד הזמן tעם נקודות המדידה מחוברות ע"י קו ללא התאמת פונקציה. ב .על מנת לקבוע במדויק מתוך גרף מס' 1את קבוע הזמן של הטעינה ,הדפס את הגרף על דף שלם עם קווי רשת צפופים ,ומצא את מתוכו (הראה על הגרף). ג .חשב בעזרת מסעיף ב' את הקיבול Cשל הקבל (דרך .)I ד .מתוך הגרף המודפס מס' 1חשב את סה"כ המטען שעבר בתהליך הטעינה ע"י הערכת השטח מתחת לגרף (הראה את השיטה על הגרף) וחשב בעזרתו את הקיבול Cשל הקבל (דרך .)II ה .שרטט גרף מס' 2של עוצמת הזרם כנגד הזמן בצורה חצי לוגריתמית ,כלומר ) ln(Iכנגד .t מצא מתוכו את וחשב בעזרתו את הקיבול Cשל הקבל (דרך .)III ו .מה מסקנתך מצורת גרף מס' ?2האם יש התאמה סבירה לפונקציה ליניארית צפויה? מהו דיוק הגרף באחוזים? האם גודל מגרף מס' 2תואם את מגרף מס' 1במידה סבירה? חשב את הסטייה באחוזים. ז .במידה ולדעתך אין התאמה סבירה בין גודל מגרף מס' 2וגודל מגרף מס' 1כדאי לבדוק האם אפשר להסביר את הסטייה בעזרת העובדה שהקבל הוא ממשי ולא אידיאלי ,כלומר הזרם המעשי בסוף הטעינה גדול מהזרם הצפוי לפי התיאוריה ,בגלל זרם הדליפה דרך הקבל. לשם כך ,בנה גרף נוסף ln(I) -כנגד tללא נקודות אחרונות (שבהן זרם הדליפה משמעותי) ,ונתח אותו מבחינת התאמה לפונקציה ליניארית (הדפס גרף חדש שהתקבל) .חשב את ה -החדש. כיצד השתנתה הסטייה שחישבת בסעיף ו'? חשב את ההתנגדות הדליפה על סמך נתוני מתח וזרם בנקודה האחרונה. מה מסקנתך לאחר הניתוח בסעיף זה? . 6מסקנות מהניסוי (זמן מומלץ 10 דקות). א .מהי הדרך המועדפת למציאת הקיבול? נמק תשובתך. ב .השווה את התוצאות משתי הדרכים האחרות לתוצאה בדרך הנבחרת כמועדפת (חשב את הסטייה באחוזים). ג .במידה והסטייה גדולה מידי יש לנסות למצוא את הסיבה ולנמק אותה. (סה"כ זמן עבודה 110דקות). 19 ניסוי : 91 שדה מגנטי במרכז סליל ( ניסוי ב ביצוע עצמי ) . לניסוי :שדה מגנטי הנוצר ע"י זרם ,שדה מגנטי ארצי ,מצפן ,מכשירים חשמליים. נושאים מטרות הניסוי : מציאת גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי בעזרת שדה מגנטי במרכז סליל נושא זרם . רקע תאורטי. .9השדה הנוצר במרכז לולאה נושאת זרם. נתבונן בסליל שרדיוס ו Rבעל nכריכות ,הנושא זרם ( iתרשים :) 9 B כאשר מדובר בסליל דק (קוטר ה סליל גדול מאוד ביחס לעובי ו ) μ i Bi o n יהיה ה שדה במר כז הסל יל: -7 N -7 T m 12.57 10 A A2 R i 2 R , μ 0 4π 10 תרשים 9 כאשר [ – ] Tטסלה – ] m [ ,מטר – ] A [ ,אמפר – ] N [ ,ניוטון. כיוון השדה המגנטי הוא לאורך ציר הסימטריה של הסליל (ניצב למישור הכריכות) ,בהתאם לכלל יד ימין. .2שיטת המדידה של השדה המגנטי הנחקר. סליל כריכות במישור אנכי כדי למצוא את הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי ,נשתמש במכשיר מדידה שנקרא גלוונומטר טנגנטי (תרשים .)2 הגלוונומטר מורכב מסליל ומצפן במרכזו ,שמגיב הקוטב הצפוני של המגנט רק על הרכיב האופקי ( )Horizontalשל השדה הארצי . B H מצפן הסליל מותקן כך שכריכותיו תמצאנה במישור האנכי. כאשר לא עובר זרם בכריכות הסליל ,מצביעה מחט חוטי חיבו ר ל בחירת מס פר כריכות המצפן על כיוון הצפון המקומי ומתלכדת עם הרכיב . B H בתרשים 2מישור כריכות הסליל מתלכד עם כיוון צפון-דרום לפי מחט המצפן. 8 כ ריכ ות 2 כ ריכ ות 1 תרשים 2 6 91 כ ריכ ות כ ריכות כ ריכ ות 12 כאשר במצב שבתרשים 2עובר זרם בכריכות הסליל ,הוא יוצר שדה מגנטי B iומחט המצפן סוטה מהצפון ומתלכדת עם כיוון השדה המגנטי השקול. בעזרת שנתות המצפן ניתן למדוד את זווית הסטייה -תרשים .1 Bi B tot כאשר B iמייצג את השדה המגנטי הנוצר מהזרם העובר בסליל, B Hמייצג את הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי ו B tot -מייצג את שקול השדות המגנטיים. BH תרשים 1 מאחר שהמחט סוטה בכיוון השקול של השדה המגנטי של הכריכות מתקיים : Bi . tan BH מכאן השם -גלוונומטר טנגנטי. .1בחירת דרכים למציאת גודל . BH בניסוי יש למצוא את גודל BHבשלוש דרכים ,שבכל אחת מהן למצוא גם את אי-דיוק השיטה .BH בניסוי ניתן לשנות את הפרמטרים ה באי ם: כיוון מישור הכריכות ביחס לצפון (מצב גלוונומטר), מספר כריכות פעילות (שבהן זורם זרם), זרם במעגל, זווית הסטייה מסויימת שאליה יגיע המצפן.אופן שינוי מצב הגלוונומטר: יש לנצל אפשרות לסובב את מישור כריכות הגלוונומטר ממצב צפון-דרום למצב מזרח -מערב ולמצוא את BH בכל אחד מהמצבים. כאשר דרוש שמישור הכריכות יהיה במצב צפון-דרום ,ניתן לוודא את דיוק הכיוון ע"י הבדיקה הבאה: העבר בסליל זרם ובדוק את סטיית מחט המצפן .החלף את כיוון הזרם מבלי לשנות את גודלו (ואת מצב הגלוונומטר) ובדוק אם סטיית מחט המצפן סימטרית לסטייה הקודמת. במידה ולא ,הסט את הסליל מעט בכיוון הדרוש. אופן שינוי מספר הכריכות: בבסיס הגלוונומטר נמצאים 1שקעים .בין כל שני שקעים רשום מספר הכריכות הפעילות בין אותם שקעים (ראה תרשים .)2כדי לשנות את מספר הכריכות הפעילות יש להעביר חוטי חיבור משקע אחד לשקע אחר. למשל ,חיבור הגלוונומטר דרך השקע הראשון והשלישי מפעיל n=4+2=6כריכות. המספר המכסימלי של כריכות פעילות הוא .n=4+2+8=14 אופן שינוי הזרם: הפעלת הספק כספק זרם: לפני הדלקת הספק סובב את כל כפתורי הוויסות שלו נגד כיוון השעון עד הסוף ולחץ על כפתור הפעלה. סובב את כפתור ויסות המתח חצי סיבוב עם כיוון השעון. קבע את הזרם הדרוש בכל פעם באמצעות כפתורי וויסות הזרם. 11 מהלך הניסוי. . 9הרכבת מעגל. RA א .כוון את מד-הזרם לתחום מדידה של ( 10Aחבר חוטים A לשקעים מתאימים) .בחר מצב Aבכפתור סיבוב בורר מצבים. I ב .בחר מספר רצוי של הכריכות ע"י חיבור חוטים לשקעים מתאימים בגלוונומטר. ג .חבר את הגלוונומטר אל הספק דרך מד-הזרם לפי תרשים .1 V גלוונומטר 4 . 2ביצוע מדידות . א .במהלך הניסוי שנה את הפרמטרים לפי בחירתך וערוך טבלאות נתונים המתאימות למקרים שונים. ב .בבחירת דרכים למציאת BHיש להקפיד לשאוף למדידות מדויקות ,כלומר להשתדל לבחור דרכים בהן ניתן לצפות לתוצאות מדויקות יותר מדרכים אחרות .הסבר כיצד ניתן להקטין את שגיאות המדידה. הערה: מצא את דיוק קריאת הזרם ואת דיוק קריאת זווית הסטייה .בהתאם לכך בצע את המדידות ,כלומר – תחליט איזה פרמטר תשנה ואיזה תקרא ,כדי להקטין שגיאות המדידה. הסבר את בחירתך בדו"ח העבודה. ג .שרטט את הגרפים דרושים. . 1ניתוח תוצאות ומסקנות מהניסוי. א .קבע את השדה המגנטי הארצי BHבשלוש דרכים וחשב את אי-הדיוק בגודלו BHבכל אחת מהן. מהי הדרך המדויקת ביותר? ב .השווה בין התוצאות שהתקבלו בדרכים שונות (חשב סטייה באחוזים יחסית לדרך המדויקת ביותר לדעתך). ג .מה מסקנותך מהניסוי? . 1הערה לשימוש באקסל: במידה ותצטרך לחשב טנגנס זווית הסטייה הנמדדת במעלות בטבלת Excelיש להקליד ביטוי הבא: ))=tan(radians( 11 שאלות הכנה: .9עבור המצב בו מישור הכריכות מתלכד עם כיוון מישור צפון-דרום (תרשים ,)1הוכח כי הביטוי המתמטי μ i n . BH o אשר ממנו ניתן לחשב את רכיב השדה המגנטי הארצי הוא 2R tan .2מתוך הביטוי שמצאת בשאלה ,9תכנן ניסוי מעבדתי שבו תוכל לחשב את רכיב השדה המגנטי .BH הצע שלוש שיטות שונות למציאת BHעם הסברים וגרפים וכתוב מה היתרון והחיסרון של כל שיטה לפי דעתך. .1מהו תחום הזויות שמחט המצפן יכולה להצביע ובאיזה תחום כדאי לעבוד על מנת לקבל תוצאות אמינות? .1עבור המצב בו מישור הכריכות ניצב לכיוון מישור צפון-דרום גיאוגרפי ,רשום כיצד ניתן לגלות את גודל רכיב השדה המגנטי .BHהאם יתכן שבמצב זה מחט המצפן לא תזוז בהגדלת הזרם? הסבר. .5האם BHהמחושב בניסוי נובע מהשדה הארצי בלבד? מה יכול לשנות את השדה בחדר? האם מיקום הספק ביחס לגלוונומטר עלול להשפיע על תוצאות הניסוי? 95 פרק - IVניסוי י ם ב אופטיקה . ניסוי : 41 נושאים שבירה והחזרה של אור במעבר מתווך לתווך . לניסוי : שבירה והחזרה של אור ,חוק סנל ,זווית קריטית ,החזרה גמורה. מטרות הניסוי : מציאת מקדם השבירה וזווית הקריטית של חומר שקוף מסוים בעזרת חוקי השבירה וההחזרה. רקע תאורט י מקדם שבירה מהירות האור בחומר שקוף , u ,קטנה ממהירות האור בריק. c , היחס בין מהירות האור בריק ובין מהירותו בתווך שקוף מסוים נקרא "מקדם השבירה של התווך". מקדם השבירה מסומן באות nוהוא מספר טהור גדול מ:4 - c u n []14-1 למעשה ,מקדם השבירה של תווך מסוים תלוי גם באורך הגל של האור הנשבר ,ולכן הוא שונה מצבע לצבע. o כשלא מציינים את אורך הגל ,הכוונה היא למקדם שבירה עבור אור צהוב שאורך הגל שלו הוא . 5890 A על פי ההגדרה ,מקדם השבירה של ריק הוא .n = 4 שבירה והחזרה כאשר קרן אור פוגעת במשטח המפריד בין תווך שקוף אחד לתווך שקוף שני ,מתקבלות שתי תופעות :החזרה ושבירה. חלק מהאנרגיה של הקרן הפוגעת מוחזר אל תוך התווך שממנו היא הגיעה .שאר האנרגיה של הקרן הפוגעת עובר אל התווך השני .האנרגיה המוחזרת והאנרגיה המועברת הן בצורת קרני אור ,כלומר ,אל משטח ההפרדה נכנסת קרן אחת ויוצאות ממנו שתי קרניים :קרן מוחזרת וקרן עוברת .בדרך כלל כיוון הקרן העוברת שונה מכיוון הקרן הפוגעת ,כלומר הקרן "נשברת" במעבר. נורמל בתרשים 4נראית דוגמא של קרן אור הפוגעת במשטח ההפרדה שבין תווך דליל בעל מקדם שבירה n1לתווך צפוף בעל מקדם שבירה . n2 קרן פוגעת קרן מוחזרת '1 1 כיווני הקרניים מוגדרים בעזרת הנורמל (הניצב) למשטח ההפרדה שבין התווכים ,בנקודת הפגיעה של הקרן. n1 n2 נגדיר את הזויות הבאות: - 1הזווית בין הקרן הפוגעת והנורמל " -זווית הפגיעה". - '1הזווית בין הקרן המוחזרת והנורמל " -זווית ההחזרה". - 2הזוית בין הקרן הנשברת והנורמל " -זווית השבירה". קרן נשברת 2 תרשים 1 חוקי ההחזרה והשבירה תהליך מעבר האור מתווך לתווך מקיים את שלושת החוקים הגאומטריים הבאים: א .הקרן הפוגעת ,הקרן המוחזרת ,הקרן הנשברת והנורמל לנקודת הפגיעה נמצאים כולם במישור אחד. ב .זווית ההחזרה שווה לזווית הפגיעה: 1 '1 ג .הקשר בין זווית השבירה לזווית הפגיעה נתון על ידי חוק סנל: n1 Sin 1 n2 Sin 2 []14-2 כאשר n1הוא מקדם השבירה של התווך בו מתקדמת הקרן הפוגעת ,ו n2 -הוא מקדם השבירה של התווך בו מתקדמת הקרן הנשברת .במקרה המתואר בתרשים ,האור עובר מתווך בעל מקדם נמוך לתווך שמקדמו גבוה. מסקנה מחוק סנל :ככל שמקדם השבירה גבוה יותר הזווית בין הקרן ובין הנורמל קטנה יותר. 96 ה חזרה גמורה ,זוו ית קריט ית כאשר הקרן הפוגעת במשטח ההפרדה מגיעה מ"תווך צפוף" ל"תווך דליל" (תרשים ,)2כלומר ,מתווך בעל מקדם שבירה גדול יותר מזה של התווך שאליו היא נשברת ( , ) n1 n2יכולה להתרחש תופעה של "החזרה גמורה" (או "החזרה מלאה"). תופעה זו באה לידי ביטוי בכך שבתחום מסוים של זוויות פגיעה (מעל זווית גבולית מסוימת ) C ,לא מתקבלת קרן נשברת ,וכל האנרגיה המגיעה עם הקרן הפוגעת עוברת לקרן המוחזרת. הסיבה לתופעת ההחזרה הגמורה היא שבמעבר מתווך "צפוף" לתווך "דליל" זווית השבירה גדולה מזווית הפגיעה. כאשר זווית השבירה מגיעה ל ,90o -כלומר הקרן נשברת במשיק למשטח ההפרדה ,זווית הפגיעה (הקטנה מ,)90o - נקראת " זווית קריטית". אם זווית הפגיעה גדולה יותר מהזווית הקריטית ,הסינוס של זווית השבירה "הייתה צריכה" להיות גדול מ( 1 -לפי חוק סנל) ,דבר שאיננו אפשרי .במצב כזה (של פגיעה בזווית גדולה מהזווית הקריטית) לא מתקבלת קרן נשברת, ומתרחשת החזרה גמורה. למעשה ,כאשר הקרן הנשברת מתקרבת ל 90o -האנרגיה שהיא נושאת הולכת וקטנה ומתאפסת ב.90o- את גודל הזווית הקריטית כתלות במקדמי השבירה נוכל לקבל מתוך חוק סנל: n1 Sin C n2 Sin 90o =n2 []14-3 קרן נשברת 90o ומכאן ,הזווית הקריטית: n2 n1 Sin C n2 C []14-4 קרן מוחזרת n1 קרן פוגעת תרשים 2 עבור כל זווית פגיעה הקטנה מהזווית Cיש גם שבירה וגם החזרה, עבור כל זווית פגיעה הגדולה מהזווית Cיש החזרה גמורה. ניתן לראות שהזווית הקריטית קיימת רק כאשר , n1 n2כלומר ,רק במעבר מתווך "צפוף" יותר לתווך "צפוף" פחות. במקרה כזה משטח ההפרדה שבין שני התווכים השקופים משמש כמראה אידיאלית! תאור מערכת הניסוי מערכת הניסוי מורכבת מלייזר כמקור אלומת אור צרה ,ספק (שמחבר לייזר לשקע חשמל) ,משטח אופקי עגול הניתן לסיבוב ,לוחית שקופה חצי-עגולה (העשויה פֶּ ְר ְספֶּ ְקס) המונחת על המשטח. על המשטח העגול מודבק נייר קוטבי (נייר שעליו משורטטות זוויות) שבעזרתו ניתן למדוד את כיוון קרני האור. תרשים 3 שים לב! אין לכוון את אלומת הלייזר ישירות אל תוך העין! פגיעת האלומה בעין עלולה לגרום לנזק בלתי הפיך! 97 מהלך הניסוי. בניסוי נבדוק את שני המקרים: חלק – Iמעבר קרן אור מתווך דליל לתווך צפוף (מאוויר ללוחית חצי-עגולה), חלק – IIמעבר קרן אור מתווך צפוף לתווך דליל (מלוחית חצי-עגולה לאוויר). להלן תרשים סכמטי (מבט על) של המערכת במקרה של חלק :I משטח מסתובב 90o 0o ספק לייזר 1 0o 90o תרשים 4 במקרה הזה n1במשוואה [ ]41-2הוא מקדם השבירה של אוויר nאוויר וניתן בקרוב טוב להחשיב אותו בתור 4 nאוויר ,ו n2 -הוא מקדם השבירה של הלוחית החצי-עגולה nלוחית. n sin1 sin1 sin 2 sin 2 אוויר בחלק Iלפי חוק סנל ניתן לחשבו : n( I ) לוחית בתרשים 5מוצג מהלך הקרניים במקרה של חלק .IIקרן אור נכנסת לצד המעגלי של הלוחית החצי-עגולה ללא שבירה ,כי מתלכדת עם נורמל (רדיוס) ונשברת במעבר מהתווך הצפוף (לוחית) לתווך הדליל (אוויר) בחלק המישורי של הלוחית. משטח מסתובב 90o 0o לייזר 1 ספק 0o 90o תרשים 5 במקרה הזה n1במשוואה [ ]41-2הוא מקדם השבירה של הלוחית החצי-עגולה n לוחית ו n2 -הוא מקדם השבירה של אוויר nאוויר . בחלק IIלפי חוק סנל מקדם השבירה של הלוחית ניתן לחשב : n sin 2 sin 2 sin1 sin1 אוויר n(II) לוחית 98 הרכבת המערכת וודא שהלייזר מחובר לספק וחבר את הספק לשקע חשמלי. מקם את הלייזר וסובב את המשטח העגול כך שהאלומה היוצאת מהלייזר תתקדם לאורך ציר 0 – 0של הנייר הקוטבי. הנח את הלוחית החצי-עגולה על המשטח כך שצידה המחוספס פונה כלפי מטה ,ומונח על המשטח המסתובב. כוון את הלוחית כך שהצד הישר של הלוחית יפנה אל אלומת האור המגיעה מהלייזר ,ויתלכד עם הציר 90o – 90o של הנייר הקוטבי ,כמתואר בתרשים ,1כאשר אמצע של הלוחית במרכז המשטח (העזר בעיגולים הקונצנטריים) . המערכת מכוונת רק כאשר קרן האור מכוונת אל מרכז המשטח המישורי של הלוחית השקופה. סובב את המשטח העגול (לא את הלוחית השקופה!) למצב בו הקרן מתקדמת לאורך הישר ,0o – 0oופוגעת במרכז הלוחית השקופה .המערכת מכוונת כהלכה אם הקרן הנשברת החוצה מהלוחית (דרך החלק העגול) לא סוטה מהישר .0o – 0o יש לוודא שהמערכת מכוונת לפני תחילת כל מדידה ע"י מדידת זווית ההחזרה ,שצריכה להיות שווה לזווית הפגיעה. o o חלק – Iמעבר אור מאו ו יר ללוחית השקופה . .4רשום בטבלה מצב הראשוני עבור זווית הפגיעה של .0o .2סובב את המשטח העגול שעליו מונחת הלוחית עד לקבלת זווית הפגיעה של .10o מדוד את זווית ההחזרה '1ואת זווית השבירה ( 2הזווית שיוצרת הקרן היוצאת מהצד העגול של הלוחית השקופה עם הציר . ) 0o – 0o הערות: .4מטרת מדידה זווית ההחזרה היא לוודא שהמערכת מכוונת כראוי ,כלומר ,העדשה נמצאת במרכזה. .2אם עוצמת הקרן המוחזרת נמוכה מידי בכדי לקרא את זווית ההחזרה ,העזר בגיליון נייר לבן כמסך מפזר, על ידי הצבתו במקום המשוער של פגיעת הקרן המוחזרת. .3חזור על מדידת זווית הפגיעה ,זווית ההחזרה וזווית השבירה עבור זוויות פגיעה שונות (עד 80oכולל). סכם את תוצאות המדידות בטבלה :4 ] [ 1 ] [ '1 ] [ 2 Sin1 Sin 2 .1שרטט גרף של 2כנגד 1במעבר מתווך "דליל" לתווך צפוף .מה מסקנתך מצורת הגרף? .5שרטט גרף של Sin 2כנגד Sin1למעבר מתווך "דליל" לתווך "צפוף" .מה מסקנתך מצורת הגרף? .6מתוך הגרף ששרטטת בסעיף ,5קבע את מקדם השבירה של החומר השקוף ממנו עשויה הלוחית (n) Iלוחית. 99 חלק – IIמעבר אור מלוחית השקופה ל אוויר ,מציאת הזווית הקריטית. .7 סובב את המשטח העגול עד למצב בו תתלכד הקרן היוצאת מהלייזר עם הציר , 0o – 0oאלא שהפעם יפנה הצד העגול של הלוחית השקופה לכיוון מקור האור (המשטח העגול עליו מונחת הלוחית מסובב ב180o - ביחס למצב ההתחלתי של הניסוי הקודם) .וודא שהלוחית נמצאת במקום המרכזי הנכון. .8 שנה באיטיות את זווית הפגיעה של הקרן בחלק השטוח של הלוחית השקופה (הפגיעה הפעם היא מבפנים, מתוך החומר השקוף) ,ע"י סיבוב המשטח העגול שעליו מונחת הלוחית .עקוב אחרי הקרן הנשברת אל האוויר (הקרן היוצאת מהצד השטוח של הלוחית השקופה ) עד שהיא נעלמת. המצב הגבולי בו נעלמת הקרן הנשברת ,הוא המצב בו זווית הפגיעה היא הזווית הקריטית למעבר אור מהחומר השקוף אל האוויר ) .( c שים לב לשינויים בעוצמת האור הנשבר מהלוחית אל האוויר ,וכן לשינויים בעוצמת האור המוחזר! .9 חזור על מדידת זווית הפגיעה 1וזווית השבירה 2עבור זוויות פגיעה שונות בתחום שבין 1 0o ל. 1 C - סכם את תוצאות המדידות בטבלה :2 ] [ 1 ] [ 2 Sin1 Sin 2 .41 שרטט גרף של Sin 2כנגד Sin1עבור מעבר מתווך "צפוף" לתווך "דליל". .44 מתוך הגרף ,קבע את מקדם השבירה של החומר השקוף ממנו עשויה הלוחית (n)IIלוחית. .42חשב את הערך הממוצע של מקדם השבירה n לוחית שמצאת בחלק - II בין הערך שמצאת בחלק n)I( - I לוחית בין הערך (n)IIלוחית (כולל סטייה ב.)%- .43מדוד בצורה המדויקת ביותר שאתה יכול את זווית הפגיעה הקריטית ואת שגיאת המדידה ורשום בדו"ח העבודה. .41בעזרת הזווית הקריטית שנמדדה בסעיף הקודם ,קבע את מקדם השבירה של הלוחית (n) cלוחית. הערך את השגיאה בקביעת מקדם השבירה לפי שגיאה במדידת הזווית הקריטית . .45השווה את הערך (n) c לוחית המתקבל בסעיף הקודם עם הערך הממוצע של מקדם השבירה nלוחית (סעיף .)42 שאלות הכנה .4מדוע מ שתמשים בניסוי זה ב לוח ית חצי -עגולה? מה ה יתרונות של צורתה ? א .צייר בדו"ח הכנה דוגמא של מהלך הקרניים שמסביר את תשובתך עבור מעבר מתווך "צפוף" לתווך "דליל ". ב .בתרשים אחר צייר את מהלך הקרניים עבור קרן לא מרכזית ,כלומר ,עבור קרן שלא תעבור במרכז הלוחית החצי-עגולה. .2לפי חוק סנל שרטט את הגרף הצפוי של Sin 2כנגד Sin1עבור מעבר קרן אור מהחומר השקוף של הלוחית אל האוויר (מתווך צפוף לתווך דליל). הראה על הגרף כיצד ניתן למצוא מתוכו את הזווית הקריטית .הסבר את תשובתך. 100 נושאים לניסוי: ניסוי : 51עדשה דקה ( ניסוי בביצוע עצמי ) . עדשה דקה מרכזת/מפזרת ,מרחק מוקד ,מהלך קרניים ,חוזק אופטי של עדשה ,עיקרון ההופכיות. מטרות הניסוי: . 5מציאת מרחק מוקד של עדשה דקה מרכזת (חיובית) בעזרת נוסחת העדשה . . 2שימוש ב עצם מדומה ל מציאת מרחק מוקד של עדשה דקה מפזרת (של י לית) . רקע תאורטי. עדשות דקות לכל עדשה דקה יש שתי נקודות מוקד הנמצאות על הציר האופטי הראשי משני צידי העדשה, במרחקים שווים מ מרכז ה אופטי של ה עדשה .מרחק ה מוקד של כל עדשה מאפיין אותה והוא נקבע ע"י צורתה הגאומטרית ,מקדם השבירה של החומר הש קוף ממנו היא עשויה ,והתווך בו היא נמצאת. עדשה דקה מרכזת היא עדשה ,שכאשר מעבירים דרכה אלומת קרניים מקבילות ,הקרניים מתרכזות לנקודה אחת .נקודה זאת נקראת נקודת המוקד ,ומרחקה מהעדשה נקרא מרחק המוקד . f מציאת דמות Pשל עצם Pכתוצאה משבירת קרניים בעדשה מתבסס על שיחזור הדמות של ראש העצם (ראה תרשים . ) 5מתוך מכלול הקרניים הבוקעות מראשו של העצם ניתן להתייחס לשלוש קרניים בעלות תכונות מיוחדות: . 5קרן הפוגעת בעדשה במקביל לציר האופטי הראשי נשברת ועוברת דרך המוקד (על פי הגדרת נקודת מוקד). . 2קרן הפוגעת במרכז העדשה לא סוטה ממסלולה כתוצאה מה שבירה דרך העדשה (במרכז העדשה משטחי המעבר מקבילים זה לזה). . 3קרן הפוגעת בעדשה לאחר שעברה דרך נקודת המוקד הראשונה לאחר השבירה בעדשה מתקדמת במקביל לציר ה אופטי הראשי ( .מסלול הופכי לקרן ). 5 f f P ציר אופטי בתרשים מס' 5 F B ראשי מוגדרים המרחקים הבאים: - U = AOהמרחק בין העצם והעדשה. - V B Oהמרחק בין הדמות והעדשה. ' - f = OF = OFמרחק המוקד של העדשה. F O P U V תרשים 1 A 101 נוסחת העדשה הדקה מקשרת בין מרחק העצם , Uמרחק הדמות Vומרחק המוקד : f 1 1 1 [ ] 51-5 U V f לעיתים נוח להתייחס ל חוזק העדשה ע"י מספר הדיופטריות ,כאשר fנמדד במטרים : 1 1 [ ] 51-2 D ]f [m עדשה דקה מפזרת היא עדשה שכאשר מעבירים דרכה אלומת קרניים מקבילות ,הקרניים מתפזרות ,כך שהמשכי הקרניים לאחור מתרכזים לנקודה אחת (ראה תרשים . ) 2הקרניים המתפזרות נראות כאילו יצאו מנקודה אחת לפני העדשה .נקודה זאת נקראת נקודת המוקד, ומרחקה מהעדשה נ קרא מרחק/אורך המוקד . f מציאת הדמות המדומה Pשל עצם Pנעשית ע"י מציאת מקום מפגש המשכי הקרניים. f f P ציר אופטי ראשי P V תרשים 2 U מקור אור יוצר אלומת קרני אור המגיעה אל מערכת הדימות באופן מסודר. מקור ממשי הוא עצם המהווה מקור אור למערכת דימות אופטית (למשל עדשה) ,או דמות שנוצרת ע"י חלק קודם של המערכת ומשמשת כמקור אור להמשך המערכת. מקור מדומה הוא מקור אור שהיה נוצר ע"י חלק מהמערכת האופטית ,אלמלא המשך המערכת האופטית מנע זאת. דמות (כללית) נוצרת ע"י אלומת קרני אור היוצאת ממערכת הדימות באופן מסודר. [דמות] < [ ---מע רכת דימות] < [ ---מקור] דמות ממשית היא דמות של עצם שנוצרת ע"י התקבצות קרני אור ממשיות ,לאחר שעברו דרך מערכת אופטית כלשהי (למשל עדשה) .קרניים היוצאות מנקודה מסוימת בעצם מתרכזות בנקודה אחת בדמות . 102 לדוגמה :עדשה מרכזת יוצרת דמות ממשית של עצם שמרחקו מהעדשה גדו ל יותר מאשר מרחק המוקד שלה. דמות מדומה היא דמות של עצם הנוצרת ע"י התקבצות המשך דמיוני של קרני אור ממשיות, לאחר שעברו דרך מערכת אופטית כלשהי (למשל עדשה) .המשכן הדמיוני של הקרניים היוצאות מנקודה מסוימת בעצם מתרכזות לנקודה אחת בדמות המדומה ( "המשך דמיוני" של קרן הוא קו בכיוון הפוך להתקדמות הקרן). לדוגמה :עדשה מפזרת איננה יכולה ליצור לבדה דמות ממשית אלא רק דמות מדומה .וכן גם עדשה מרכזת כאשר מרחק העצם מה עדשה קטן יותר ממרחק המוקד שלה . עיקרון ההופכיות . מהלך קרני אור הוא הופכי .כלומר בכל מערכת אופטית בה קרני האו ר עוברות מסלול מסוים ,אם נהפוך את קרני האור הן תעבורנה אותו מסלול רק בכיוון הפוך .למשל כאשר עדשה יוצרת דמות של עצם במקום מסוים ,אם נציב באותו המקום את העצם ,העדשה תיצור דמות שלו במקום שבו היה העצם במצב הקודם. על פי עקרון ההופכיות ,מכיוון שעדשה מפזרת יוצרת דמות מדומה מעצם ממשי ,אפשר לקבל בעדשה מפזרת דמות ממשית אם המקור הוא עצם מדומה. העצם המדומה צריך להיווצר ע"י עדשה מרכזת -ראה תרשים מצב לחלק IIבהמשך. שאלות הכנה . .5עצם ומסך נמצאים במרחק Dאחד מהשני .עדשה מרכזת בעלת מרחק מוקד fמוכנסת בין העצם והמסך. א .הראה שאם המרחק בין העצם והמסך מקיים את התנאי ,D>4fכאשר fהוא מרחק המוקד של העדשה הנמצאת ביניהם ,אזי ניתן להציב את העדשה בין העצם והמסך בשני מצבים ,כך שתיווצר תמונה חדה של )d D(D 4f []51-3 העצם על המסך .הראה ששני מצבים אלה נבדלים ע"י המרחק :d D2 d 2 []51-4 ולכן ניתן לבטא את המרחק המוקד ע"י : 4D זאת שיטה למציאת מרחק מוקד של עדשה כאשר אין אפשרות לקבוע את המישור האופטי שלה. ב .הראה ששני המצבים בהם יש להציב את העדשה לקבלת דמות חדה סימטריים ביחס לנקודת האמצע בין העצם והמסך. .2כיצד צפוי להיות גרף 5/Vכנגד 5/Uלעדשה מפזרת? שרטט אותו! .3מה המשמעות של ערכי נקודות החיתוך של גרף 5/Vכנגד 5/Uעם הצירים? f מהלך הניסוי. ח לק . Iעדשה מרכזת. . 5מדוד את מרחק המוקד של העדשה המרכזת העומדת לרשותך f1ע"י בניית דמות חדה של עצם רחוק על המסך .לצורך זה הצב את העדשה המרכזת והמסך על הספסל ו בחר עצם הנמצא במרחק מעל 2מטר מהעדשה .במקרה כזה , Ufכלומר ניתן להתייחס למרחק העצם כאינסופי. רשום את התוצאה ב שורה ראשונה של טבלה 5כולל שגיאת המדידה. 103 . 2הרכב את ה מערכת כמוראה בתרשים : 3 V1 U1 V2 U2 d עדשה מרכזת במצב 1 מקור אור כעצם שנאי עדשה מרכזת במצב 2 מסך תרשים - 3מדידות בחלק I . 3ערוך מדידות מרחקי עצם Uומרחקי דמות Vעבור שני מצבים של עדשה מרכזת .לשם כך: א .הוסף את הפנס על הספסל במרחק גדול במקצת מ 4f 1 -מהמסך ,כ ך ש ה עדשה המרכזת נמצאת ביניהם .רשום את המרחק בשורה שניי ה של הטבלה ( .) D ב .חבר את הפנס למתח 12Vמהשנאי . ג .הזז את העדשה עד לקבלת דמות חדה של ה עצם על המסך. ד .רשום בטבלה את מרחק העצם מהעדשה , U 1ואת מרחק המסך מהעדשה . V5 ה .מצא מצב שני בו מתקבלת דמות חדה של העצם על המסך ע"י הזזת העדשה בלבד (מבלי להזיז את הפנס או את המסך) ו רשום שוב את Uו V-עבור מיקום . 2 . 4חזור על המדידות של סעיף 3ארבע פעמים עבור מרחקים שונים בין העצם והמסך ( Dהגדל כל פעם את המרחק ב ערך ב 1 -ס " מ) .ל כל מרחק בין העצם והמסך מדוד שני מצבים בהם מתקבלת תמונה חדה על המסך .סכם את תוצאות מדידותך בטבלה : 5 מרחק מוקד לפי מדידה ישירה ± 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ] [ f1 [D מרחק עצם-מסך ] מיקום עדשה מרחק עצם ] [U מרחק דמות ] [V 1 ] [ U 1 ] [ V ] [ d = U1-U2 לפי משוואה ± 51-4 ] [ f1 לפי משוואה ] [ 51-4 5fממוצע 104 1 1 כנגד .1שרטט גרף של U V .מה מסקנתך מצורת הגרף? האם שיפועו שווה לגודל הצפוי מהתיאוריה? .6מתוך הגרף מצא את מרחק המוקד f1של העדשה המרכזת ,ואת השגיאה (התייחס לשתי נקודות החיתוך). מה החוזק האופטי של העדשה? .7חשב את המרחק בין שני מיקומי העדשה ( dראה תרשים )d=U1-U2 , 3ובעזרתו את מרחק המוקד f1 במצבים שונים ע"י נוסחה [. ]51-4 מצא את f1ממוצע והשגיאה של השיטה (כלומר ,השלם רישומים בטבלה .)5 .8השווה בין שלושת השיטות למציאת ( f1סעיף ,5סעיף 6וסעיף .)7איזו שיטה מדויקת ביותר? .9במצב כלשהו של דמות חדה הצב מחסום צמוד לעדשה ,כך ש יחסום חלקית את מעבר האור דרך העדשה. מה משתנה ומה אינו משתנה בתכונות הדמות ומיקומה בעקבות החסימה? חלק : IIמציאת מרחק מוקד של עדשה מפזרת. .5הצב את הפנס והמסך בקצות הספסל. .2הרכב את שתי העדשות (המרכזת והמפזרת) על הספסל כך ,שיהיו צמודות והעדשה המרכזת בצד הקרוב לפנס .הזז אותן יחד עד לקבלת דמות מוגדלת חדה. .3הצב סימניה ראשונה לציין את מקום העדשה המרכזת (למקרה של הזזה לא רצויה). הסר את העדשה המפזרת מבלי להזיז את העדשה המרכזת .הזז את המסך עד לקבלת דמות חדה. .4הצב סימניה שניה לציין את מקום המסך. מקום הדמות הממשית של העדשה המרכזת יהו וה העצם המדומה לעדשה המפזרת. .1החזר את העדשה המפזרת ואת המסך למקום שהיו בסעיף .2וודא שהדמות עדיין חדה. מדוד את המרחק בין העדשה המפזרת למציין מקום העצם המדומה U -ואת המרחק בין העדשה המפזרת למסך ( V -ראה תרשים .)4 v u שנאי מקור אור כעצם עדשה מרכזת – סימניה ראשונה עדשה מפזרת תרשים - 4מדידות בחלק II דמות ממשית כעצם מדומה – סימניה שנייה מסך 105 רשום את התוצאות בטבלה .2 זכור לרשום מרחק Uעם סימן מינוס ,כי מדובר על עצם מדומה ,שנמצא באותו צד שהדמות נמצאת. ] [ Uמרחק עצם ] [ Vמר חק דמות ] ] 1 [ U 1 [ V .6הרחק את העדשה המפזרת מהעדשה המרכזת במרחק שבין 5ל 2 -ס"מ .חזור על מדידות Uו V-לפי סעיף קודם ,אך לצורך מדידת Vהזז את המסך עד לקבלת דמות חדה . .7חזור על המדידות לפי סעיף קודם לפחות שלוש פעמים נוספות ,שסה"כ יהיו 1נקודות המדידה. 1 1 כנגד . 8שרטט גרף של U V שווה לגודל הצפוי מהתיאוריה? בדומה לחלק הראשון של הניסוי .מה מסקנתך מצורת הגרף? האם שיפועו . 9מצא מתוך הגרף את מרחק המוקד של העדשה המפזרת ואת השגיאה ( ה תיי חס לשתי נקודות החיתוך). האם השגיאה סבירה? 106 ניסוי : 61 נושאים מטרות ספקטרומטר סריג. לניסוי :קרינת אור ,רמות אנרגיה ופליטת אור ,ספקטרום רציף ובדיד ,סריג אופטי. הניסוי .6 :הכרת סריג עקיפה אופטי ,מציאת קבוע סריג. .2הכרת ספקטרום רציף וספקטרום בדיד. .3הערכת תחומי צבעים בספקטרום רציף (נורת להט). .4הערכת אורכי גל בספקטרום הכספית והנאון. רקע תאורטי. אור אור הוא קרינה של גלים אלקטרומגנטיים .גל אלקטרומגנטי הוא קרינה הנוצרת משינוי מחזורי של שדה חשמלי ומגנטי .גלים אלקטרומגנטיים מתקדמים בריק במהירות האור .C גל מונוכרומטי (חד-צבעי) הוא בעלי תדר fואורך גל ,כאשר C=f ))C=3105 km/s ][16-1 o תחום הגלים האלקטרומגנטיים הוא בין אורך גל של קילומטרים (גלי רדיו ארוכים) ועד ל( 10-5 A -קרינת גאמה) ,ובתדרים מהרצים בודדים עד 1018הרץ. o את אורכי הגל תחום האור הנראה מקובל להציג באנגסטרמים (אנגסטרם – .)6 A =10-10m o o התחום הוא בין 3500 Aל – 7500 A -מצבע סגול עד צבע אדום. בדרך כלל מקור אור קורן ביותר מאורך גל יחיד וכולל תחום מסוים של אורכי גל ,בהתאם לאופי המקור. ספקטרום האור הוא תאור של הרכב אורכי הגל בקרינת אור מסויימת .ניתן לתאר אותו כעוצמת הקרינה בכל אורך גל. רמות אנרגיה ופליטת אור על ידי אטומים חומר מורכב מאטומים .אטומים מורכבים מגרעין ואלקטרונים סביבו .האלקטרונים יכולים להימצא רק במרחקים מסוימים מהגרעין ,כאשר כל מרחק הוא בעל רמת אנרגיה מסוימת של האטום .כאשר האלקטרון נמצא במרחק הקטן ביותר האפשרי מהגרעין ,האטום נמצא ברמת יסוד .כאשר האלקטרון קולט אנרגיה מבחוץ (על ידי בליעת פוטון או על ידי התנגשות עם אטום שכן) האטום יכול לעלות לרמה אנרגטית גבוהה יותר .בדרך כלל מצב כזה איננו יציב ובמוקדם או במאוחר האלקטרון ירד לרמה אנרגטית נמוכה יותר תוך כדי פליטת פוטון בעל אנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין שתי הרמות. האנרגיה Eשל הפוטון מתבטאת באורך הגל (או התדר )fשלו לפי הקשר ( E=hfכאשר hהוא קבוע פלנק). ספקטרום רציף וספקטרום בדיד. כאשר מפרידים אור למרכיביו אפשר להציג את התוצאה על גרף של ספקטרום רציף עצמת ההארה בכל אורך גל (צבע) .הגרף מאפיין את סוג מקור האור. ייצוג ספקטרום של מקור תרמי – נורת להט ,הוא גרף רציף על פני התחום הנראה ,כלומר כולל את כל אורכי הגל בתחום שבו מקור האור קורן. λ עוצמה יחסית 107 ישנם גם ספקטרומים לא רציפים של מקורות הפולטים אור על ידי מעברי אנרגיה של אטומים .לכל יסוד בטבע יש ספקטרום אופייני לו המכיל קווים ספקטראליים בעלי אורך גל אופייני ליסוד ,ולמעשה ניתן לזהות יסודות לפי קווי הספקטרום שלהם. לדוגמא כשמעוררים גז ניאון בלחץ נמוך הוא פולט קרינה הנראית לעין שלנו כאור אדמדם. למעשה מתברר שהאור הנפלט מהניאון מורכב מכמה אורכי גל מסוימים בעיקר בתחום הצבע האדום ואינו מכיל את כל אורכי הגל ברצף. ספקטרום גרף פליטה של חומר כזה יראה כמספר קווים בדידים עוצמה יחסית י שגובהם מייצג את עצמת האנרגיה של כל קו ספקטראלי. λ5 λ λ4 λ3 λ2 λ1 ספקטרומטר הוא מכשיר מעבדתי היכול להפריד את האור לאורכי גל שונים (צבעים שונים). בדרך כלל שולחים אליו קרן אור צרה והספקטרומטר מוציא אוסף קרניים כאשר כל קרן באורך גל אחר יוצאת בזווית אחרת .החלק במכשיר העושה את הפרדת הצבעים יכול להיות מנסרה או סריג עקיפה. סריג עקיפה האור ,בהיותו תופעה גלית ,יכול לעבור עקיפה כאשר הוא עובר דרך סדק צר שרוחבו מסדר גודל של אורך הגל ,והתאבכות כאשר הוא עובר דרך מ ספר סדקים במקביל .סדק צר יחיד שאור עובר דרכו מתנהג כאילו הוא מקור נקודתי ,כלומר גם אם האור הפוגע בסדק הוא אלומה צרה ,אחרי הסדק האור מתפזר לכל הכיוונים. כאשר יש מספר סדקים סמוכים כל אחד מתנהג כמקור נקודתי .על פני מסך הנמצא במרחק מהסדקים גלי האור מתחברים ויוצרים בזויות שונות :קווי אור (כאשר סכום חיבור האמפליטודות הוא בעל ערך גדול – התאבכות בונה) וקווי חושך (כאשר סכום חיבור האמפליטודות הוא אפס ,כי חלקן בסימן שלילי – התאבכות הורסת). אם המרחק בין סדקים סמוכים הוא ,dקרן אור באורך גל הפוגעת בניצב למשטח הסריג תתפזר לאחר המעבר ותיצור פס אור בעל עוצמת הארה מקסימאלית בזווית ,θכאשר d sinθ = n ][16-2 nיכול לקבל מספר ערכים שלמים .כאשר n=6זה סדר ראשון ( בניסוי שלנו ) ,ב n=2-סדר שני ,וכך הלאה. מהנו סחה אפשר לראות שלכל אורך גל מתקבל מקסימום בזווית אחרת .כך הסריג יכול להפריד בין אורכי גל (צבעים) שונים. מספר הסדקים ליחידת אורך נקרא "קבוע הסריג" . N=1/d , Nהיחידות המקובלות לקבוע סריג – מספר קוים למילימטר .למשל ,סריג בעל קבוע 222פרושו שיש 222קוים בכל מילימטר של הסריג .הסריג עצמו יכול כמובן להיות גדול יותר ממילימטר אחד. משוואה [ ]61-2ניתן לרשום בצורה הבאה: sinθ = N כאשר קבוע סריג Nהוא מקדם פרופורציה בין סינוס זווית הסטייה ובין אורך הגל. בניסוי שלנו נשתמש בסריג עקיפה ונחקור שלושה מקורות אור: נורת להט הפולטת ספקטרום רציף ,נורת ניאון ו נורת כספית הפולטות ספקטרום קווים בדידים. ], [16-3 108 תיאור המערכת. מערכת הספקטרומטר מורכבת מבסיס בצורת . Tבקצה רגל ה T -מוצב סריג עקיפה .בראש ה T -מותקנת סקלה משתי קשתות וביניהן סדק הנוצר כרווח בין שני החלקים. השנתות על הסקלה הן ב -ס"מ ,אבל מכיוון שרדיוס הקשת הוא 57.3ס"מ ,והסריג נמצא במרכז המעגל הקשת ,כל ס"מ על הסקלה מתאים לזווית מרכזית של . 1 שקעי נורות התאורה ליד הסקלה יש נורות קטנות להארת השנתות. מקור האור הנבדק מוצב מאחורי הסדק. סקלה ימנית סקלה שמאלית מקור אור כאשר המערכת מכוונת ,האור מהמקור עובר בסדק ופוגע בסריג .הסריג מפזר את האור לכיוונים מסוימים. האור נקלט בהתאם לאורך הגל ע"י העין של הצופה נורות תאורה R=57.3 cm הרואה כאילו מקור האור נמצא על הסקלה. השנתה על הסקלה במקום שנראה כאילו האור בא ממנו ,מציינת את זווית הפיזור .כל צבע מתפזר בזווית מסויימת בהתאם לאורך הגל שלו. סריג עקיפה צופה שאלת הכנה: הסבר מדוע המצב שבו רדיוס הקשת של הספקטרומטר הוא 3..3ס"מ גורם שסטייה של 6ס"מ על פני הקשת שווה לסטייה זוויתית של 6מעלה. מהלך הניסוי. .6הרכבת המערכת. חבר את שני חלקי הספקטרומטר כך שתתקבל צורה של Tבהתאם לתרשים הספקטרומטר. הכנס את שני חלקי סקלת המדידה לתוך תושבותיהן כך שתחילת הסקלה (ספרות אפס) תהיה באמצע. השאר במרכז רווח הקטן ביותר שיאפשר ביצוע ניסוי .יש לכוון את רוחב הסדק כך ,שיהיה קטן ככל האפשר, כדי למנוע חפיפה של תמונת פסי האור המתקבלים מהסריג אבל יעביר מספיק אור כדי לראות משהו. את הרוחב המתאים של הסדק תקבע בניסוי .הכנס את סריג העקיפה לתושבת המתאימה בקצה ה. T- .2כיוון המערכת. א .הצב את נורת הלהט מאחורי הסדק בין שני חלקי הסקלה .חבר את הנורה לשקע חשמל .220V ב .כוון את מקום הנורה כך שהאור העובר בסדק יאיר את הסריג ולא יעבור לצידו. ג .הבט דרך הסריג על הסקלה באזור הנורה הקטנה .אם אינך רואה שום צבעי אור על הסקלה הבט דרך הסריג לכוון מרכז הסקלה וכלפי מטה לתוך השולחן .אם אתה רואה צבעים שנה את מצב הסריג כך שהצבעים יראו על הסקלה. ד .חבר את שקעי נורות התאורה למתח DCקטן .כוון את המתח כך שניתן יהיה לקרוא את שנתות הסקלה בלי להפריע לצפייה בספקטרום. ה .כוון את המערכת כך ,שכאשר תתבונן אל מקור האור דרך הסריג יופיע אותו ספקטרום פעמיים בצורה סימטרית משני צידי הסדק. 109 .3מדידת זוויות עבור נורות שונות. א .מדידת תחומי צבעים בספקטרום רציף של נורת להט. מדוד את הזווית הקטנה minוהזווית הגדולה maxשל כל צבע (גבולות של הצבע) ורשום בטבלה מס' :6 צבע ] [ min ] [ max ] [ min ] [ max על מנת למצוא אורכי גל של כל הצבעים שבטבלה יש לבצע כיול הסריג – ראה את ההסבר בסעיף הבא. ב .ביצוע כיול סריג עקיפה. כדי למצוא אורכי גל של כל הצבעים (קווים) יש לבצע כיול הסריג. גרף כיול הוא התאמה בין שתי סדרות של מספרים ,במקרה שלנו – בין סינוס זווית קרן האור ובין אורך גל שלה (בהתאם לנוסחה ].)[16-2 כדי לקבל נתוני מדידה לגרף כיול נשתמש בחמשה "מסנני המדרגה" העומדים לרשותנו. "מסנן מדרגה" מעביר אור מתדר נמוך עד תדר קיטעון f קיטעון מסויים הרשום עליו. עבור כל מסנן חשב את אורך הגל ק יטעו ן לפי משוואה ] [16 - 1ורשום בשורה שנייה של טבלה .2 הכנס מסנן מדרגה לתושבת במנורת הלהט (בכיוון אנכי) תוך כדי הסתכלות דרך הסריג ושים לב לשינויבספקטרום .הזווית שבה נקטע הספקטרום היא זווית הקיטעון. -כדי למצוא ערך זוויות הקיטעון קיטעון מדויק יותר ,מדוד אותו בשתי הסקלות (שמאלית וימינית) ,חשב את הערך הממוצע של קיטעון ורשום אותו בטבלה. חזור על הניסוי עבור כל המסננים שקבלת והשלם טבלה מס' .2 -חשב ) ק יטעו ן ( sinבשורה אחרונה של הטבלה. ] [ f ] [ ] [ ] [ )קיטעון(sin קיטעון קיטעון קיטעון את שרטוט גרף הכיול תבצע לאחר סיום כל המדידות. ג .מדידת ספקטרום הפליטה של נורה כספית. הצב את נורת הכספית מאחורי הסדק בין שני חלקי הסקלה .חבר את הנורה לרשת החשמל .220V מדוד את הזוויות בהן מופיעים הקווים השונים (ממוצע בין הזוויות של שתי הסקלות) ,רשום בטבלה מס' 3 עם ציון צבע של כל קו: 110 צבע ] ] [ [ ממוצעת הערה :את שורו ת אורכי הגל בטבלאות 3ו 4-תמלא לאחר שרטוט גרף הכיול. ד .מדידת ספקטרום הפליטה של נורת נאון. החלף את נורת הכספית בנורת הני און ומדוד את הזויות בהן מתקבלים קווים שונים. אם הקווים צפופים מאוד בצבע מסויים רשום את הזוויות של קבוצת הקווים (זווית הקטנה ביותר וזווית הגדולה ביותר של אותו צבע) וציין כמות הקווים בקבוצה .מלא טבלה :4 צבע ] ] [ [ ממוצעת .4עיבוד ו ניתוח תוצאות המדידה ומסקנות. א .לפי טבלה 2שרטט גרף כיול של סינוס זווית הקיטעון )קיטעון( sinכפונקציה של אורך הגל קיטעון . ב .מתוך גרף הכיול ובעזרת משוואה ] [16-3מצא את קבוע הסריג Nורשום אותו בדו"ח העבודה ביחידות המקובלות לקבוע סריג. ג .בעזרת משוואת הפונקציה של גרף הכיול מצא את אורכי הגל עבור כל הזוויות בטבלאות 3 ,6ו 4-ורשום אותם בטבלאות. ד .לפי תוצאות של טבלה מס' 6רשום את תחום אורכי הגל של האור הנראה .האם התחום שהתקבל סביר ביחס לתחום הידוע? ה .האם צבעי הקווים שזיהית בספקטרום הניאון ובספקטרום כספית מתאימים לתחומי הצבעים שמצאת בספקטרום הרציף של נורת הלהט ,כלומר האם צבע של קו מסויים בספקטרום הניאון/כספית נמצא בתחום הזוויות של אותו הצבע בספקטרום הרציף? ו .מה ההבדל בין ספקטרום נורת הלהט לספקטרום נורות הכספית והנאון? I נספח . 1דו"ח מסכם לדוגמא לניסוי " : 1נפילת גופים " . דו"ח הכנה מגיש :כהן דוד. כתה: א' קבוצה: 2 עמדה9 : מטר ו ת הניסוי: . 1בדיקת אופי תנועת הגופים הנופלים. . 2מציאת תאוצת ה נפילה של גופים שונים. . 3מציאת הגורמים המשפיעים על תאוצת הגופים בנפילה. מהלך ה ניסוי: לרשותנו שלושה גופים :גוף כבד מפליז ,גוף קל מעץ וגוף בינוני מאלומיניום .לכל אחד מהגופים ניצמד סרט נייר .הסרט מושחל דרך הסיכות על רשם הזמן וניתלה על אטב המחזיק את סרט הנייר אנכי. על ידי שחרור ה סרט גוף נופל כך שהוא מושך אחריו את סרט הנייר ,רשם הזמן מס מן על סרט הנייר נקודות המתארות את הדרך ואת זמן הנפילה ( זמן בין הנק' .) ...2 s - עיבוד נתונים: עיבוד התוצאות מתוך סרטי הנייר לפי שתי שיטות . שיטה ראשונה -העתק כתלות בריבוע הזמן – Y ][ c m עבור 5נקודות נבחרות נמדוד העתק ΔΥ a Δ t2 2 וזמן מתחילת הנפילה ונבנה גרף על פי הקשר 1 2 at 2 Y נחשב תאוצת הנפילה. גרף צפוי . 2 2 ] t [s יתרונות השיטה -מדידת מרחקים יחסית גדולים ,כלומר שגיאת מדידה יחסית קטנה. חסרונות השיטה -מדידה זמן מנקודה ראשונה מביאה לטעות בקביעת זמן ,כי אם הגוף משוחרר לא באותו רגע שרשם הזמן סימן נקודה ראשונה tהראשון יכול להיות קטן מ , 0.02s - כדי לחשב את התאוצה מגרף 1צריך להכפיל את השיפוע בשניים,זאת אומרת להכפיל את שגיאת המדידה. II שיטה . 2מהירות רגעית כתלות בזמן, לפי ההגדרה מהירות רגעית היא Y t 0 t . lim כדי לקבל מהסרט מהירות ב נקודה מסויימת נ מדוד את אורך הקטע בין שתי הנקודות הסמוכות מימין ומשמאל לנקודה מסויימת ונחלק בפרק הזמן שחלף ביניהן: Y Y t 0.04 . V נערוך טבלה של ערכי מהירות רגעית Vבזמנים שונים .t גרף צפוי לשיטה .2 את התאוצה נמצא על פי גרף של Vכנגד t v על פי הקשר V=V 0 +atונשווה לתאוצה בשיטה .. 1 ][m/s Δv =a Δt ]t [s יתרונות -מדידת זמן מנקודה כלשהי -אין שגיאה של תחילת ה סרט. מקבלים את התאוצה בלי צורך להכפיל את השיפ]ע ,כלומר להכפיל אתהשגיאה. חסרונות -מדידת מרחקים יחסית קטנים -שגיאה יחסית גדולה במדידת מרחק. מסקנות צפויות: לגופים שונים נקבל תאוצות שונות, השפע ו ת התנגדות אוויר וחיכוך בין סרט ו רשם זמן שונ ות לגופים שונים : לגוף הקל התנגדות גדולה ביותר יחסית למסה שלו, אז תאוצתו תהיה קטנה ביותר -רחוקה ביותר מנפילה חופשית. כדי להשוות שיטות שונות נחשב את תאוצת הגוף הכבד בשתי השיטות. III דו"ח עבודה . ריכוז תוצאו ת: העתק כתלות בריבוע הזמן. שיטה ראשונה - בחרנו לעשות את השיטה הראשונה עבור הגוף הכבד ,כי עבורו בראשית הסרט התקבלה הפרדת נקודות הטובה בין כל הגופים. בחירת הנקודות לחישוב התאוצה נעשתה על פי הקריטריון שהנקודות ייצגו את כל מהלך הנפילה ולכן בחרתי תחילה נקודה מאזור תחילת הניסו במרחק כ 2-סמ' מהראשית .נקודה מאזור סוף הניסוי ועוד 4נקודות הנמצאות בניהן. מדדנו את ההעתק מהראשית אל הנקודות הנבחרות ורכזנו את התוצאות בטבלה . 1 טבלה . 1נתוני העתק וזמן לחישוב תאוצת גוף מפליז. הערה: המספרים בטבלה לדוגמא בלבד ,כלומר -שונים מהמספרים שאמורים להתקבל בניסוי שלנו במעבדה. ]t [s 0.08 0.14 0.20 0.24 0.30 90.0 57.6 40.0 19.6 6.4 0.427 0.27 0.186 0.086 0.028 ] t 2 [s 2 10 3 ]Y0.001 [m השגיאה בזמן זניחה t=t 0מאחר ותדר הרשת על פיו נקבעים מרווחי הזמן מדוייק ביותר 2 והשגיאה היחידה בזמן היא במרווח הזמן הראשון. הנתונים של ההעתק כתלות בריבוע הזמן הועלו על גרף . 1 גרף : 1העתק opt ) ( Yכתלות בריבוע הזמן ) ( t2 עבור גוף מפליז . Y ][m max 0.5 0.4 Yopt=0.5m 0.3 Ymax=0.5m 0.2 t2opt=108-0 =10810-3 s2 0.1 t2max=106-3=10310-3 s2 ]t2 [s2 10-3 100 80 60 40 20 0 IV קו ליניארי עבר את כל הנקודות בתחומי שגיאות המדידה ,לכן בין העתק ובין ריבוע הזמן התקבלה פונקציה ליניארית ,כלומר התנועה היתה שוות תאוצה. 1 2 על פי הקשר הצפוי at 2 Y התאוצה במקרה זה שווה לפעמיים שיפוע הגרף. בחירת הנקודות לחישוב השיפוע נעשתה על פי נוחיות החישוב ,דהיינו :נקודה אחת משותפת לשני הקווים ,ואותו Y לקו האופטימלי ולקו המקסימלי. m s2 m = 9.71 2 s a o p t = 9.26 a max m s2 a 0.45 100% 100% 4.9% a opt 9.26 ΔΥ o p t 1 0.5 m ao p t 2 4.63 2 2 Δt o p t 0.108 s ΔΥ 1 0.5 m a max 2 max 4.85 2 2 Δt max 0.103 s a a max - a o p t 9.71 - 9.26 0.45 m s2 )a = a o p t a (9.26 0.45 שיטה שניה -מהירות רגעית כתלות בזמן. בחרתי נקודה ראשונה לטבלה כזאת שעבורה Yגדול מ 2-ס"מ . בצורה זו הקטנתי את השגיאה היחסית המקסימלית של מדידת ההעתק ע"י הסרגל כ ך שלא תעלה על 0.001m 100% 5% 0.02m טבלה .2 המהירות חישבתי לפי . ΔY ΔY Δt 0.04 . V נתוני מהירות רגעית וזמן לחישוב תאוצת גוף מפליז. 0.115 0.092 0.078 0.052 0.029 0.22 0.16 0.12 0.06 0.00 2.86 2.30 1.95 1.31 0.725 השגיאה בקריאת הסרגל קבועה ]Y 0.001 [ m ]t [s ]V 0.025 [m/s , 0.001 mהשגיאה בזמן זניחה , t=0 השגיאה במהי רות הרגעית קבועה Δ(ΔΥ) 0.001 0.025 m/s Δt 0.04 ΔV הנתונים של המהירות הרגעית כתלות בזמן הועלו על גרף מס' . 2 על פי הקשר הצפוי V=V 0 +at התאוצה במקרה זה שווה לשיפוע הגרף. V גרף : 2מהירות הרגעית ( ) Vכתלות בזמן ( .) t opt [ v ]m/s max 3.2 2.8 2.4 2.0 vopt=3.0-0.8=2.2m/s 1.6 vmax=3.075-0.725=2.35m/s 1.2 topt=tmax =0.24s 0.8 0.4 ]t [s 0.28 0.24 0.20 0.12 0.16 0.08 0 0.04 קו ליניארי עבר את כל הנק ודות בתחומי שגיאות המדידה ,לכן בין המהירות ובין הזמן התקבלה פונקציה ליניארית ,כלומר התנועה היתה שוות תאוצה. מתוך שיפוע הקו האופטימלי נחשב את התאוצה ,ומתוך שיפוע הקו המקסימלי נעריך את גודל השגיאה : 2.2 9.17 m/s 2 0.24 ΔVopt Δ t opt ΔVmax 2.35 9.79 m/s 2 Δ t max 0.24 a opt a max a a max - a o p t 9.79 - 9.17 0.62m/s 2 0.62 100% 6.8% 9.17 מסקנות לגבי תאוצת ג וף מפליז : a = a o p t a (9.17 0.62) m/s 2 . 1ניתן לראות ב שני הגרפים שהייתה תנועה שוות תאוצה, . 2את תאוצ ת הגוף הכבד ק י בל נו בשתי שיטות : 0.45 2 בשיטה 100% 4.9% , (9.26 0.45) m/s – 1 9.26 , 0.62 2 בשיטה 100% 6.8% , (9.17 0.62) m/s – 2 9.17 התוצאות הן סבירות גם מבחינת גודל התאוצה – שני הגדלים קרובים אחד לשני עד כדי 1% 2 ( ) 9.26 9.17 100% 1%וקטנים מ , 9.81m/s -וגם מבחינת דיוקן – בשתי השיטות הוא קטן 9.17 מ , 10%-אך רואים שדיוק שיטה 1יותר טוב משיטה השנייה. VI הערה: בדו"ח לדוגמא הזה לא נציג המשך העבודה ,שמבצעים בכיתה בזמן שיעור המעבדה . שאר הטבלאות ,ה גרפים ו ה חישובים הם : טבלה וגרף - 3מהירות רגעית כתלות בזמן לחישוב תאוצת גוף 2מאלומיניום , טבלה וגרף - 4מהירות רגעית כתלות בזמן לחישוב תאוצת גוף 3מעץ . מסקנות כלליות לדוגמא (לגבי שלושת הגופים לאחר ביצוע ניסוי בכיתה) : . 3תאוצ ות של שני גופים נוספים קיבלנו בשי טה שנייה גם ברמת הדיוק טובה – קטנה מ : 10% - 0.65 2 עבור גוף מאלומיניאום – 100% 7.3% , (8.94 0.65) m/s 8.94 עבור גוף מעץ - 0.73 2 100% 9.3% . (7.84 0.73) m/s 7.84 . 4רואים שלגוף ה כבד ביותר תאוצת נפילה גדולה ביותר (ראה עמוד – Vשיטה : ) 2 עבור גוף מ פליז - 0.62 2 100% 6.8% , (9.17 0.62) m/s 9.17 זאת אומרת -גילינו תלות של התאוצה במסה .את ה תלות ניתן ל ה ראות ע"י משו ו אות התנועה של הגוף הנופל . נניח שכוח החיכוך קבוע וגודלו : f f m ag . ma mg - f כך שככל שהמסה גדלה ,כוח החיכוך בא פחות לידי ביטו ,והתאוצה מתקרבת לתאוצת הנפילה החופשית .ככל שהמסה קטנה כוח החיכוך משפיע יותר עלהתנועה והתאוצה קטנה. . 5לא קיבלנו נפילה חופשית בניסוי וזה ב גלל ה חיכוך של הסרט הסימון עם רשם ה זמן . שגיאות ובעיות מדידה בניסוי: א .יש שגיאה הנובעת מדיוק מדידת ההעתקים – גודל השגיאה לפחות ב .השגיאה במדידת הזמן זניחה בגלל הדיוק הרב של תדר הרשת. . 0.001 m . ג .מאחר ויש גם כוח חיכוך שאינו קבוע ,התאוצה במהלך הנפילה לא לגמרי ק בועה, דבר המגדיל את השגיאה בחי שוב תאוצה קבועה . נספח . 2יחידות מדידה. מערכת יחידות אורך זמן מסה אנרגיה כוח C.G.S cm סנטימטר g גרם s שנייה dyn דין erg ארג M.K.S m מטר kg קילוגרם s שנייה N ניוטון J ג'אול המרת יחידות 1 m = 10 2 cm 1 kg = 10 3 g 1 N = 10 5 dyn ------ 1 J = 10 7 erg גור מים המסומ נים ב אות ברישום גדלים פיזיקליים : k - קילו - 10 3 m -מילי - 10 - 3 M - - 10 6 -מיקרו - 10 - 6 G -גיגה 10 9 n - ננו - 10 - 9 טרה 10 22 - p -פיקו - 10 - 22 T - מגה -