על כוחות ואינטראקציה והמיצ"ב

על כוחות ואינטראקציה והמיצ"ב תמי יחיאלי tamy1@zahav.net.il

מהן הטענות כנגד הוראת הנושא • "אינטראקציה וכוחות"? • למה להכניס נושא חדש שלא לימדנו עד עתה? • אין ספר לימוד • המורים לא שולטים בחומר • הנושא קשה לתלמידים • לשאלות רבות בנושא זה יש תשובות יומיומיות טובות - אז למה יש צורך ללמד את ההסבר המדעי?

הסבירו מדוע המכונית האמצעית נמעכת משני הכיוונים ואינה זזה? תשובה יומיומית: משום שמכונית האדומה האופניים מתנגשים בה.

הסבירו מדוע המתאגרף הימני "עף" אחורה תשובה יומיומית: משום שהמתאגרף השמאלי חזק יותר והוא דוחף אותו ימינה בכוח חזק יותר מאשר המתאגרף הימני דוחף אותו.

הסבירו מדוע העגלה הכחולה תקועה ומדוע המכונית האדומה תקועה? תשובה יומיומית: משום שלמכונית האדומה אין מספיק כוח למשוך אותה והעגלה מונעת מהמכונית להתקדם.

הסבירו מדוע מגדילה העגלה את מהירותה ימינה תשובה יומיומית: משום שהאדם מושך אותה חזק

הסבירו מה מניע את המפרשית תשובה יומיומית: הרוח

הסבירו מדוע המגדל אינו "מרחף" באוויר תשובה יומיומית: זו שאלה שטותית! הרי בנו אותו על האדמה ולכן הוא עומד על האדמה!

הסבירו מדוע מגדילה העגלה את מהירותה לכיוון שמאל תשובה יומיומית: כי הסוס מושך אותה!

נבאו מה יתרחש כאשר פיית הבלון תשוחרר ומדוע? תשובה יומיומית: הבלון ינוע שמאלה בגלל התנופה.

ואף על פי כן - מדוע כן ללמד נושא זה? • לנושא זה יש פוטנציאל להיות נושא מרתק, הכרוך בהדגמות רבות ומעניינות. • ספרי לימוד לעתים מגבילים אותנו. זו הזדמנות לעצב את ההוראה ולהתאימה לכיתה שלנו (ראו חוברת של אור יהודה באתר מו"טנט) • זו הזדמנות למורים ללמוד יחד עם התלמידים וללמוד משאלות של תלמידים. • אם המורה אוהב את הנושא - יש סיכוי שגם התלמידים יאהבו אותן. הנושא עוסק בתופעות יומיומיות והוא הרבה יותר קשור לעולם התלמידים מאשר נושא כמו מבנה האטום! • פוטנציאל לעיסוק בנושא של מהות המדע.

האם גיליתי את כוח המשיכה או המצאתי אותו?

מהו היחס בין עובדות, תיאוריות ו"אמת"? עובדה יכולה לזכות בתואר "אמיתית". תיאוריה - אינה יכולה לזכות בתואר זה. הדבר הטוב ביותר שאנחנו יכולים לומר על תיאוריה הוא שהיא מסבירה היטב את התופעות ומנבאת אותן. האם מגלים עובדות ותיאוריות או ממציאים אותן? עובדות - מגלים! תיאוריות, והסברים - ממציאים!

מהי תיאוריה מדעית? מערכת מונחים, הגדרות וטענות, המייצגים השקפה על תופעה מסויימת (או תופעות מסויימות) על ידי הצגת היחסים בין המונחים במטרה להסביר ולנבא את התופעה (תופעות) באמצעות מספר קטן של מושגים. המכניקה של ניוטון היא תיאוריה מדעית המסבירה ומנבאת באמצעות מספר קטן של מושגים וטענות - תופעות רבות. היא איננה "אמת", אלא היא מסבירה ומנבאת היטב תופעות רבות. יש הסברים חלופיים (אריסטו, איינשטיין).

עמנואל קאנט "אנו עצמנו מכניסים אותו סדר ואותה סדירות שבתופעות שאנו מכנים בשם "טבע" ולא היינו יכולים לגלותם בו, לולא הכנסנו אותם מלכתחילה". 1724-1804

כוחות ותנועה גישה ותכנים חדשים להוראת פיזיקה "איכותית" בחטיבת הביניים שפיתח ד"ר רוני מועלם על בסיס הספר "אינטראקציה כוחות ותנועה| של מרדכי בן צוק

הוראה סביב תופעות מחיי היום יום

מהי הבנה איכותית בפיזיקה? לדעת להסביר (ו/או לנבא) תופעות באמצעות מושגים ועקרונות פיזיקליים (שפת הפיזיקה)

הצעה לרצף של הצגת המושגים: 1. להתחיל ממושג האינטראקציה (במגע) • כל מגע בין שני גופים הוא אינטראקציה (פעולת גומלין) • גוף לא יכול לגעת בגוף אחר מבלי שהגוף האחר יגע בו • האם מתקיימת אינטראקציה - אם כן, בין מי למי?

איך נזהה אינטראקציה? • איך מזהים אינטראקציה? • ניתן לזהות אינטראקציה בעזרת עיוות בגוף, שינוי במהירותו או בעזרת שתי התופעות גם יחד.(ברמה של כיתה ח' לא תמיד ניתן לשכנע שיש עיוות ולכן ניתן לתת הגדרה אופרטיבית שכל פעם שיש - מגע יש אינטראקציה)

2. איך נבטא את עוצמת האינטראקציה? כוח כמדד לעוצמת האינטראקציה. • בפיסיקה מבטאים את עוצמת האינטראקציה בעזרת הגודל "כוח" (שמשמעותו המדעית שונה ממשמעותו היומיומית) • בפיסיקה - עוצמתה של כל אינטראקציה ניתנת לביטוי באמצעות הגודל " כוח" (מבלי להתייחס לשאלות "יומיומיות" כגון: מי התחיל? למה הופעל כוח? מה מטרת המגע" וכדומה)

2א. הצגת המושג "שקול הכוחות" או "הכוח השקול" • לכוח יש גודל וגם כיוון. • שקול הכוחות הוא הכוח "נטו" הפועל על הגוף. • אם שני ילדים ימשכו שולחן באותו כוח ובאותו כיוון -הכוחות יתווספו זה לזה וישוו לכפליים הכוח שהפעיל כל אחד מהילדים. שקול הכוחות במקרה זה הוא סכום הכוחות שהילדים הפעילו והוא באותו כיוון. • אם שני ילדים ימשכו שולחן באותו כוח אבל בכיוונים מנוגדים- הכוחות יבטלו זה את זה ושקול הכוחות יהיה 0.

3. יש גם אינטראקציות ממרחק • בפיסיקה מבטאים את עוצמת האינטראקציה בעזרת הגודל "כוח" (שמשמעותו המדעית שונה ממשמעותו היומיומית) • בפיסיקה - עוצמתה של כל אינטראקציה ניתנת לביטוי באמצעות הגודל " כוח" (מבלי להתייחס לשאלות "יומיומיות" כגון: מי התחיל? למה הופעל כוח? מה מטרת המגע? וכדומה) • האינטראקציות ממרחק הן רק כאלו שמעורבים בהם הכוחות הבאים: כוח הכבידה (המשיכה), הכוח המגנטי והכוח החשמלי.(בתוך האטומים יש כוחות נוספים)

4. 3 חוקי ניוטון ומידת ה"הגיוניות" שלהם מבחינת החשיבה היומיומית חוקים אלו מתארים קשר בין כוחות לבין תנועה • החוק הראשון - • אם שקול הכוחות הפועל על גוף הוא 0 - הגוף יתמיד במצבו. • חוק זה "הגיוני" אם הגוף נמצא במנוחה, לא כל כך "הגיוני" אם הגוף נמצא בתנועה. • החוק השני - • אם שקול הכוחות הפועל על גוף שונה מ-0, הגוף יאיץ בכיוון שקול הכוחות , כאשר גודל התאוצה יהיה הכוח חלקי המסה. • חוק (הכללה) "הגיוני". • החוק השלישי • בכל אינטראקציה מופעל זוג כוחות שווה בגודלו והפוך בכיוונו (החוק השלישי). • חוק זה לא "הגיוני" מבחינת החשיבה היומיומית.

4. החוק השלישי של ניוטון • בכל אינטראקציה מופעל זוג כוחות שווה בגודלו והפוך בכיוונו (השם "חוק הפעולה והתגובה" הוא שם מטעה!) • מהן הבעיות בלמידת חוק זה?1. שמופעל זוג כוחות2. שהם שווים בגודלם • הפוכים בכיוונם

הדגמות המיועדות להתיידדות עם החוק השלישי: • התיידדות עם הרעיון שמופעל זוג כוחות: • ישיבה על עגלה או כסא גלגלים ודחיפת קיר, ילד על סקטבורד הרוצה לנוע חייב לזרוק משהו לכיוון השני, • הסבר שבשפת הפיזיקה במקום לומר "השולחן מחזיק את הספר" - אומרים "השולחן מפעיל על הספר כוח כלפי מעלה" • סרטו Youtube - האסטרונאוט בחלל. ציטוט של המהנדס: "כולנו שכחנו את החוק השלישי של ניוטון" • http://www.youtube.com/watch?v=PrJnWTcW55s • התיידדות עם הרעיון שהכוחות שווים בגודלם: • שני דינמומטרים • הדגמה עם שני משקלי אדם • רעיונותנוספים במאמר ב"קריאת ביניים" • http://stwww.weizmann.ac.il/tech-center/mot-net/kriat-beinaim/gilayon11/13-30.pdf • אופק מט"ח • http://ofekhigh.cet.ac.il/ShowSubject.aspx?SubjectID=80248eac-e454-4fcc-ae9e-c3d3375e1c89

אפיון מערכת כוחות ותנועה 5. אסטרטגיה לפתרון בעיות האירוע: המכונית מושכת את העגלה והעגלה זזה. השאלה: הסבירו מדוע העגלה זזה. מאינטראקציות לכוחות

אפיון מערכת: א. ציירו מלבנים המתארים את הגופים המשתתפים בהתרחשות ב. רשמו בטבלה את כל האינטראקציות בהן מעורב כל גוף בהתרחשות

אפיון מערכת: רמה בסיסית מלבנים המתארים את הגופים המשתתפים בהתרחשות: עגלה מכונית טבלת אינטראקציות: התייחסות לכל האינטראקציות בהן מעורב כל גוף בהתרחשות:

אפיון מערכת: רמה מתקדמת תרשים מלבנים: עגלה מכונית רצפה כדור הארץ טבלת אינטראקציות: שאלה: מדוע יש צורך ב"רצפה"?

א. הוסיפו את כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות לתרשים המלבניםב. התמקדו בגוף מסוים וציירו מלבן המייצג אותו בנפרד עם כל הכוחות הפועלים עליו מאינטראקציות לכוחות: מושגים ועקרונות נלמדים: * עוצמת האינטראקציה- כוח * החוק השלישי

אפיון מערכת: רמה מתקדמת תרשים מלבנים עם סימון כוחות : עגלה מכונית רצפה כדור הארץ

כללי הברזל של הנושא "אינטראקציה וכוחות": • יש אינטראקציות במגע ויש אינטראקציות ממרחק. • האינטראקציות ממרחק הן רק אינטראקציות בהן מעורב כוח המשיכה, או הכוח המגנטי, או הכוח החשמלי. כל שאר האינטראקציות הן רק במגע! • גוף לא יכול להיות באינטראקציה עם עצמו! ולכן, גוף לא יכול להניע את עצמו. אם אנחנו יודעים שגוף מתחיל לנוע - הגורם לכך חייב להיות גוף אחר! • בין שני גופים יכולה להתקיים יותר מאינטראקציה אחת.דוגמאות:1. אדם דוחף שולחן על הרצפה בין השולחן לבין הרצפה יש 2 אינטראקציות (כוח נורמל וכוח חיכוך).2. אדם דוחף מגנט א' על גבי מגנט ב' - בין שני המגנטים יש 3 אינטראקציות! (כוח נורמל, כוח חיכוך וכוח מגנטי)

כללי הברזל של הנושא "אינטראקציה וכוחות"- המשך - : • כוח הנורמל וכוח החיכוך לא תמיד מתקבלים על הדעת בכל סיטואציה. לעתים - הם כוחות שחייבים להניח את קיומם כדי להסביר מדוע הגוף לא נע בכיוון הכוח שפועל עליו. • תנועתו של גוף נגרמת אך ורק כתוצאה מהכוחות הפועלים עליו ולא בגלל הכוחות שהוא מפעיל על גופים אחרים! • תוצאות האינטראקציה תלויות במאפייני הגופים. אותו כוח יכול לגרום לתוצאות שונות לגבי גופים שונים.

כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות בתרשים המלבנים: עגלה מכונית רצפה כדור הארץ מיקוד בגוף מסוים ומלבן המייצג אותו בנפרד עם כל הכוחות הפועלים עליו (כללי ציור החיצים - בסיס החץ הוא על הגוף המושפע וכיוון החץ הוא כיוון ההשפעה): רצפה מכונית עגלה כדור הארץ

נתון: העגלה זזה (משנה את מהירותה( שרטטו את תרשים הכוחות רצפה עגלה מכונית כדור הארץ שאלה: האם אלו כל הכוחות הפועלים על העגלה?

שאלה: האם אלו כל הכוחות הפועלים על העגלה? שאלה: האם יהיה הבדל בעוצמת האינטראקציה בין המכונית והעגלה, אם העגלה תהיה על משטח חלק או מחוספס? הכנסת מושג ה"חיכוך" שבינתיים מסתדר מאד עם האינטואיציה. רצפה עגלה חיכוך עם הכביש מכונית כדור הארץ

מקרה שני: המכונית מושכת את העגלה אך העגלה אינה משנה את מהירותה. מהו תרשים הכוחות? מדוע יש צורך בכוח החיכוך? רצפה חיכוך עם הרצפה עגלה מכונית כדור הארץ

מקרה שלישי: העגלה עומדת על הכביש ואינה קשורה למכונית מהו תרשים הכוחות? האם יש חיכוך בין העגלה לבין הכביש? נמקו. רצפה עגלה כדור הארץ

טבלת הסבר מדעי למקרה השני- המכונית מושכת את העגלה - מדוע העגלה אינה זזה ממקומה?

שאלה: מכונית מושכת עגלה והעגלה אינה זזה ממקומה. מדוע? תשובה נכונה ושלימה (הצדקה המקשרת בין הטענה והנתונים) במישור האופקי - הכוח שמפעילה המכונית על העגלה ימינה, שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח החיכוך שמפעילה עליה הרצפה שמאלה. במישור האנכי - כוח המשיכה שמפעיל כדור הארץ על העגלה כלפי מטה שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שהרצפה מפעילה על העגלה כלפי מעלה. שקול הכוחות הפועלים על העגלה בכיוון האופקי הוא 0, וגם שקול הכוחות הפועלים על העגלה בכיוון האנכי הוא 0. שקול הכוחות הכללי על העגלה הוא 0 ולכן לפי חוקי ניוטון העגלה לא תתחיל לנוע ממקומה.

אבא של רוני התקין במשקוף החדר של רוני מוט מתח. מדוע מוט המתח אינו נופל? דוגמה

מדוע המוט אינו נופל? הכח שמפעיל עליו משקוף ימין שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שמפעיל עליו משקוף שמאל כוח המשיכה שמפעיל כדור הארץ על המוט שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח החיכוך שהמשקופים מפעילים על המוט כלפי מעלה שקול הכוחות הפועלים על המוט הוא 0 ולכן, על פי חוקי ניוטון, המוט לא ינוע ממקומו.

ניסוח הסברים נכונים ושלמים אדם הצמיד פומפה (או וו הצמדה) לקיר. מדוע הפומפה או הוו אינם נופלים? שלומי, כ"א חשוון תשס"ט 19.11.08

מדוע הפומפה אינה נופלת? הכוח שהאוויר מפעיל עליה במישור האופקי שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שהקיר + האוויר הכלוא מפעילים עליה. כוח המשיכה שמפעיל כדור הארץ על הפומפה שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח החיכוך שהקיר מפעיל על הפומפה כלפי מעלה שקול הכוחות הפועלים על הפומפה הוא 0 ולכן, על פי חוקי ניוטון, הפומפה לא תנוע ממקומו. מה הקשר בין ההסבר זה להסבר הניתן לשאלה זו בכיתה ז'?

האם יש חיכוך? כדור הארץ א. אדם דוחף ארון והארון לא זז. ב. ציירו את תרשים הכוחות על הארון רצפה האדם הדוחף ארון חיכוך ג. מה יקרה אם אדם אחר ידחוף את הארון מהצד ההפוך והארון לא זז. מה יהיה תרשים הכוחות? האם יש חיכוך או אין חיכוך?

שאלה לחזרה: משאית גדולה התקלקלה באמצע הדרך ונעזרת במכונית קטנה הדוחפת אותה מאחור כדי להתקדם קדימה. • ציירו תרשים כוחות לכל אחד מכלי הרכב כאשר הם מגדילים את מהירותם.

כביש כביש רכב חיכוך* (כביש) משאית חיכוך* (כביש) רכב משאית כדור הארץ כדור הארץ תרשים כוחות מלא:

שאלה נוספת לחזרה: משאית גדולה התקלקלה באמצע הדרך ונעזרת במכונית קטנה הדוחפת אותה מאחור כדי להתקדם קדימה. • ציירו תרשים כוחות לכל אחד מכלי הרכב כאשר הם נעים במהירות קבועה. • מה השתנה בתרשים כוחות זה יחסית לתרשים הקודם שתיאר את התנועה כאשר המהירות הלכה וגדלה?

כביש כביש רכב חיכוך (כביש) משאית חיכוך (כביש) משאית רכב כדור הארץ כדור הארץ תרשימי כוחות:

על כוחות ואינטראקציה והמיצ"ב