תכונות מתכות-הולכת חום -מדריך למורה נושא שכבת גיל זמן רציונאל
אפיון מתכות באמצעות זיהוי תכונותיהן – הולכת חום -תצפית כיתה ה 90דקות יחידה זו עוסקת בנושא חומרים ותכונותיהם במסגרת תחום התוכן -מדעי החומר -פיזיקה. כל החומרים בטבע מאופיינים על פי ההרכב ,המקור ,התכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם .המתכות כסוג של חומר הן קבוצה גדולה של חומרים שיש להן תכונות משותפות ( מוצקות בטמפרטורת החדר למעט הכספית ,קשות, מבריקות ,ניתנות לריקוע ,משמיעות צליל מתכתי בהקשה ,מוליכות חום ומוליכות חשמל) .יחד עם זה כל מתכת מאופיינת בתכונות ייחודיות משלה. היחידה מתמקדת בהולכת חום בחומרים עם דגש על קבוצת המתכות ומומלץ לשלבה עם היחידה העוסקת בהולכת חשמל .בתחילת הפעילות התלמידים בוחנים את המוליכות כתכונה דיכוטומית :מוליך או מבודד ,התלמידים מודדים טמפרטורה של מתכות שונות (נחושת ,ברזל ,אלומיניום) וחומרים אחרים (עץ, זכוכית ,פלסטיק) ,משווים בין מוליכות החום בחומרים השונים וממיינים אותם למוליכים( :חומרים שמעבירים חום טוב) ו-מבודדים( :חומרים שמעבירים חום גרוע) .בהמשך הם בוחנים את המוליכות כתכונה יחסית :כל המתכות מוליכות חום אך לא כולן מוליכות חום באותה המידה .התלמידים מדרגים את המוליכים על פי מידת המוליכות שלהם. הולכת חום היא תכונה הקשורה במעבר של אנרגית חום דרך חומרים מוצקים, מחומר לחומר או מאזור אחד לאזור אחר בחומר שחומם .האנרגיה עוברת קטע אחרי קטע ללא תזוזה של החומר( .למשל ,קצה כפית שמתחמם לאחר הכנסתה לכוס תה חם ,החום יעבורמהחלק התחתון של הכפית הנמצא במים החמים עד לחלק העליון לידית וליד שאוחזת בידית הכפית) .הולכת חום מעלה את החום בצד הקר ומורידה את החום בצד החם .חומרים בהם החום מתפשט (עובר) במהירות נקראים מוליכי חום טובים ,מתכות הן חומרים מוליכי חום .חומרים בהם החום מתפשט (עובר) לאט הם מוליכי חום גרועים ונקראים מבודדים .עץ, בד ,פלסטיק ,גומי וקלקר הם חומרים מבודדים .ניתן לדרג את החומרים המוליכים חום על-פי מידת המוליכות שלהם ,ממוליכים טובים ועד למוליכים
גרועים. על מנת לא ליצור תפיסות מדעיות שגויות אצל תלמידים במושגים של חום וטמפרטורה ניתנת כאן הברה המיועדת למורה בלבד (הבניית המושגים על פי מודל החלקיקים לתלמידים ,מתקיימת בחט"ב) .אנרגית חום וטמפרטורה שונים זה מזה ,אך קשורים זה לזה ונוטים לבלבל בינהם (בשל השימוש במושגים בחיי היום והשאלתם לתחום הפיזיקה) .כאשר אומרים חום הכוונה היא לאנרגיית חום ,כלומר חום הוא צורה של אנרגיה העוברת מגוף אחד לגוף אחר כתוצאה
imagine explore learn •
•
מהפרשי הטמפרטורה בינהם .טמפרטורה של גוף היא מדד לאנרגית התנועה של החלקיקים שמהם הוא עשוי .שני המושגים קשורים לתנועת החלקיקים של הגוף( .כל גוף בנוי מחלקיקים ,כל החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת ,ככל שהטמפרטורה של הגוף עולה ,גוברת גוברת תנועת החלקייקים ,ככל שהטמפרטורה של הגוף יורדת ,מואטת תנועת החלקיקים) .הטמפרטורה היא מדד שמציין את מהירות תנועת החלקיקים .אנרגית החום היא שמניעה אותם, תוספת אנרגיה לגוף גורמת לתנועה מוגברת של החלקיקים ואילו איבוד אנרגיה מאט את תנועתם .מעבר חום :כאשר הגוף הנמצא בטמפרטורה גבוהה נוגע בגוף בעל טמפרטורה נמוכה ממנו ,תנועת החלקיקים בגוף החם הולכת ומאיטה ואילו תנועת החלקיקים בגוף הקר הולכת ומתגברת ,עד להשתוות הטמפרטורה בינהם( .לכן כל הגופים הנמצאים בחדר אחד במשך הזמן מגיעים לאותה טמפרטורה הנקראת " טמפרטורת החדר"). מטרות תוכן וציוני דרך
מדעי החומר –פיזיקה תת נושא :חומרים רעיונות והדגשים: חומרים מאופיינים על -פי ההרכב ,המקור ,התכונות הכימיות והפיזיקליות ציוני דרך: תכונות המשותפות למתכות :מבריקות ,מוליכות חום ,מוליכות חשמל ,מוצקות בטמפרטורת החדר (מלבד כספית). הקשר בין תכונות המתכות לבין השימושים בהן בבית ,בתעשייה, בתחבורה ועוד: מוליכות חום (בישול ,חימום) מוליכות חשמלית (הפעלת מכשירי חשמל)
מושגים עיקריים ידע קודם נדרש
מיומנויות המאה 21-
מוליכות חום ,הולכת חום ,מעבר חום בין גופים ,מתכות ,מבודדים, מוליכים.טמפרטורה. ידע תחום התוכן: מתכות כסוג של חומר דוגמאות למתכות :ברזל ,בדיל ,עופרת ,אלומיניום ,נחושת,זהב ,כסף מיומנויות למידה: איסוף נתונים על תכונות המתכות ,ארגון המידע בטבלה ,השוואה בין תכונותמתכות והבניית הכללות על מאפייני המתכות. מיומנויות חקר וגילוי: עריכת תצפית ,איסוף וארגון מידע ,קריאת נתונים מגרף ,כתיבת תוצאות ,הסקת מסקנות. חשיבה ביקורתית
מהלך הפעילות
אתגר
צפייה בסרטון " חפץ חומר תכונה" משמשת כגרוי ללמידה בנושא הולכת חום ולבדיקת ידע קודם של תלמידים .התלמידים מתבקשים לצפות בסרטון ולכתוב את התופעות שהם מזהים בסרטון .בסרטון רואים תופעות של מגנטיות ( תליית אותיות ממוגנטות על המקרר) ,הולכת חום (מערבבים את הקפה שמכינים על הגז עם כפית) מבודדים (אוחזים בידית הקנקן העשוייה פלסטיק). מה נחקור? -בשלב הזה יש לציין שמבצעים תצפית המבוססת על מדידות של תכונת מוליכות חום ללא התערבות .זה לא ניסוי .הדיון בהבדל בין תצפית לניסוי מתקיים לאחר ביצוע הניסוי ,בשלב שבו מנתחים תוצאות ומסיקים מסקנות.
סרטון :חפץ חומר תכונה צפו בסרטון ורשמו אילו תופעות אתם מזהים בסרטון?
מה נחקור? נערוך תצפית שמטרתה לבדוק הולכת חום במתכות שונות (נחושת ,ברזל, אלומיניום) וחומרים אחרים (עץ ,זכוכית ,פלסטיק) ,נמדוד את הטמפרטורה של החומרים השונים כשנכניס אותם למים חמים ,נשווה בין התוצאות המתקבלות ונמיין את החומרים שנבדקו לשתי קבוצות :מוליכים( :חומרים שיעבירו חום) ומבודדים( :חומרים שלא יעבירו חום).
התלמידים עובדים עם מים חמים כדי לנקוט זהירות יתר ,הם מתבקשים לשרטט על כל כוס בטוש קו בגובה של 2סמ מתחתית הכוס .הקו הזה הוא
ציוד
הסימן שיעזור למלא כל כוס באותה כמות מים בכל מדידה וכן ימנע התעסקות מיותרת עם מים חמים (במקום לשפוך לתוך כוס מדידה ומכוס המדידה לכוס חד פעמית).
טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+
חיישן טמפרטורה חיצוני
תרמוס עם מים חמים
כוס עם מי ברז
טוש שחור
סרגל מדידה
7כוסות חד פעמיים
פס או מוט ברזל
פס או מוט נחושת
פס או מוט אלומיניום
פס או מוט עץ
פס או מוט זכוכית
פס או מוט פלסטיק *יש להשתמש בערכת המוטות שבה כל המוטות זהים בגודלם וצורתם.
רגע לפני...
ההשערה מתבססת על ידע קודם שיש לתלמידים על חומרים שנמצאים בטבע שערו אילו חומרים מבין החומרים שתבדקו יוליכו חום ואיזה חומרים לא יוליכו חום .מיינו את החומרים לשתי קבוצות: מוליכים( :חומרים שיעבירו חום) ומבודדים( :חומרים שלא יעבירו חום)
עבודה קבוצתית
ביצוע הניסוי .1
.2 .3 .4
בביצוע כל ניסוי יש להקפיד לשמור על גורמים שווים בשל העובדה שאסור לחמם את המתכת ושאר החומרים באש גלוייה בכיתה אנו נעזרים בחימום באמצעות טבילת החומרים במים חמים .כדי לשמור על טמפרטורת מים התחלתית קבועה בחימום כל חומר נמלא את התרמוס מים חמים מבר מים או מקומקום חשמלי .לפני טבילת כל חומר במים החמים יש לשפוך בזהירות מתוך התרמוס לכוס חד פעמית כמות קבועה של מים (על לגובה 2סמ ,הסימון שהתלמידים התבקשו לשרטט בכל כוס). בכל ביס ישנם מתכות שונות למדידה ,לכן יש למדוד בהתאם למתכות שיש בציוד של כל ביס. משך זמן הדגימה משתנה אם טובלים מוט מתכת או פס מתכת .יש לבחור את זמן הדגימה לפי הציוד שקיים בביס. בין מדידה אחת לשניה יש לטבול את החיישן במי ברז עד להתייצבות כדי להתחיל שוב מטמפרטורת החדר ולשמור על גורמים קבועים .
.5בטיחות :יש להיזהר ממגע עם גופים חמים מדי .הדבר אמור במיוחד כאשר מדובר במים חמים שעלולים להישפך. .1חברו את חיישן הטמפרטורה החיצוני. .2הגדירו את מערך אוגר הנתונים.
מערך אוגר הנתונים טמפרטורה חיצוני
.3 .4 .5 .6
)) -40-140 0°c
קצב הדגימה:
1בשנייה
משך הדגימה:
180שניות (למוט מתכת) 80שניות (פס מתכת)
הכניסו את חיישן הטמפרטורה החיצוני לתוך כוס מי הברז . מדדו את טמפרטורת מי הברז במשך עד להתייצבות הטמפרטורה. השלימו את תוצאת טמפרטורת מי הברז בטבלת עיבוד הנתונים. סמנו בטוש שחור קו בגובה של 2סמ בכל אחת מהכוסות החד
פעמיות. .7הניחו את אחת מהכוסות החד פעמיות קרוב אליכם. .8מזגו בזהירות את המים מהתרמוס לכוס החד פעמית עד לגובה המסומן בטוש . .9הכניסו לתוך הכוס את מוט האלומיניום .10הניחו את חיישן הטמפרטורה כך בקצה העליון במוט. .11מדדו את הטמפרטורה במשך 3דקות. .12בתום כל מדידה הכניסו את החיישן למי הברז וחכו להתייצבות טמפרטורת המים. .13השלימו את הטבלה במהלך המדידה. .14בתום המדידה הכניסו את חיישן הטמפרטורה לתוך כוס מי הברז למשך דקה להורדת הטמפרטורה (או עד להשוואת הטמפרטורה עם טמפרטורת האוויר). .15חזרו על סעיפים 8-16עם כל אחד מהמוטות האחרים . .16בצעו חזרה על המדידות למניעת טעויות מדידה ולהגדלת מהימנות הניסוי (העתיקו את טבלת איסוף הנתונים ומדדו שוב).
עיבוד נתונים
טמפרטורת מי הברז__________
ברזל
אלומיניום
נחושת
פלסטיק
טמפרטורה התחלתית טמפרטורה סופית הפרש
תוצאות ומסקנות
לשאלה -1התלמידים נעזרים בטבלת הנתונים שנאספה במהלך המדידה כדי למיין את המתכות לשתי קטגוריות :מוליכים (חומרים שהעבירו חום במהירות ) לעומת מבודדים ( שהעבירו חום לאט מאוד או לא העבירו כלל). לשאלה -2לאחר יצירת שתי קטגוריות של מוליכים ומבודדים התלמידים מגלים שהיכולת להעביר את החום במהירות משתנה גם בתוך קבוצת המוליכים הם מתבקשים לדרג את המוליכים מהמוליכה הטובה ביותר (המתכת שתעביר חום במהירות הרבה ביותר מצד אחד של הגוף אל הצד האחר) למוליכה הכי פחות טובה ( למתכת שתעביר חום במהירות נמוכה יותר מצד אחד של הגוף אל הצד השני) .להלן דרוג המתכות על פי רמת המוליכות שלהם :כסף, נחושת,,אלומיניום ,ברזל,זכוכית ,עץ. שאלות 3-4הן שלב בהבנית ההמשגה של התופעה .חומרים מוליכי חום
עץ
ז
טובים יעבירו חום במהירות .חומרים מוליכי חום גרועים לא יעבירו חום כלל או שיעבירו חום לאט מאוד .יש כאן התייחסות למהירות העברת החום .בהמשך בדיון במליאה כשהתלמידים ימשיגו את התופעה . לשאלה -6השימוש בתרמוס נועד כדי לשמור על גורמים קבועים התרמוס שמר על טמפרטורת המים החמים ,כך שבכל מדידה השתמששו באותה טמפרטורת מים חמים. דיון במליאה שאלה :6המללת התופעה היא חלק משמעותי בהבנתה ,ניתן להמליל ולהציג בתרשים זרימה חזותי. הולכת חום היא תכונה תרמית הקשורה ליכולת חומרים מוצקים להעביר חום דרכם .היכולת להעביר חום משתנה מחומר לחומר .ישנם חומרים אשר מעבירים חום דרכם במהירות ,וישנם חומרים אשר מעבירים חום לאט מאוד או לא מעבירים כלל: יכולת של חומר להעביר חום דרכו זמן העברה :מהירות חומר אשר לא
חומר המתחמם בקלות ומעביר חום במהירות רבה יחסית מצד אחד של גופו אל הצד האחר
מתחמם ואינו מעביר חום דרכו או מעביר לאט מאוד נקרא
נקרא מוליך חום טוב (מוליך) קטגוריה מתכות
מוליך חום גרוע (מבודד) קטגוריה חומרים אל מתכתיים
חומרים המשתייכים לקבוצת מוליכי החום הם המתכות (אלומיניום ,ברזל, נחושת ,כסף) .חומרים אשר שייכים לקבוצה מוליכי חום גרועים או מבודדים הם חומרים אל מתכתיים (לא מתכתיים) ,כמו למשל עץ ,קל-קר ,צמר. לשאלות :7-8להמחיש בדוגמאות טכנולוגיות שהאדם פיתח לשימוש בתכונות הללו למשל הולכת חום בבישול באפיה( כלי מתכת שמעבירים חום) בידוד בחומרי בניה בבתים ,בידוד בלבוש-מעילים וכו. לשאלה 8התרמוס אינו מוליך חום הוא מבודד ,טמפרטורת המים נשמרה בשל מבנו המיוחד :התרמוס בנוי ממכל זכוכית בעל מעטפת כפולה .בין הדפנות של המעטפת יש ואקום .הואקום מונע העברת החום בין סביבת הבקבוק לתוכו על ידי מניעת תהליכי הולכת חום והסעת חום.
בסוף הדיון מומלץ לנצל את הזדמנות כדי להבין את ההבדל בין תצפית לבין ניסוי .התלמידים בצעו תצפית ולא ניסוי ,המבוססת על מדידות של התופעה ללא התערבות (למעט בידוד גורמים -כל פעם בודקים מתכת/חומר שונה) יש כאן הזדמנות ללמד את התלמידים את ההבדל בין תצפית לבין ניסוי. תצפית :בידוד גורמים ומדידתם תוך כדי התבוננות בתופעה ,בלי התערבות ושינוי בגורמים הנבדקים (ההתערבות היחידה היא בידוד הגורמים) ואין השפעה על התוצאות המתקבלות .ניסוי :התערבות במהלך התופעה כדי להוכיח קשר בין גורם (משתנה ) בלתי תלוי לגורם (משתנה ) תלוי .החוקר מבצע שינוי מתוכנן של הגורם (משתנה) הבלתי תלוי ובודק כיצד משפיע השינוי על הגורם (המשתנה) הבלתי תלוי. .1מיינו את החומרים שמדדתם לשתי קבוצות :חומרים מוליכים( :חומרים מעבירים חום טוב ) וחומרים מבודדים (חומרים שמעבירים חום גרוע).
מוליכי חום
מבודדים
.2הביטו על הפרשי הטמפרטורות שהתקבלו במדידות ודרגו את מוליכי החום מהמתכת מוליכת החום הטובה ביותר עד המתכת מוליכת החום הכי פחות טובה. .3השוו את תוצאות המדידה שקיבלתם עם השערתכם .האם אששתם את השערתכם? האם הייתם משנים משהו? .4הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים שהם מוליכי חום טובים? .5
הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים שהם מוליכי חום גרועים?
.6הסבירו מדוע השתמשו בתרמוס?
דיון במליאה המשגת התופעה :הולכת חום
.7נסו להגדיר את תופעת הולכת החום ,התייחסו לכל סוגי החומרים, למהירות העברת החום ולהכללתם כקטגוריה בעלת תכונות משותפות. .8כיצד ניתן לנצל את התכונה של הולכת חום טובה? .9כיצד ניתן לנצל את התכונה של הולכת חום 'גרועה'? .10האם התרמוס מוליך חום? מדוע?
יישום
מטרת משימת היישום לראות אם ישנה העברת ידע בנושא מוליכי חום ומבודדים .מגהץ -ידית המגהץ עשויה מפלסטיק= חומר מבודד ואילו תחתית המגהץ עשוי ממתכת להעברת החום .מכסה הסיר -עשוי מזכוכית ובמרכזו מתכת ,כיוון שהמתכת מוליכת חום נעזרים במחזיק סירים -ירוק לבידוד החום. מחבת -ידית המחבת מצופה בפלסטיק= חומר מבודד לאפשר נשיאת המחבת ואילו המחבת עשוייה ממחומר מוליך חום כדי שאפשר יהיה להעביר את החום לבישול .דוגמאות נוספות למבודדים :תרמוס ,לבנים מאיטונג .דוגמאות למוליכים :תנור ספירלות ,רשת מנגל. .1רשמו על כל איור מוליך או מבודד?
תנו לפחות עוד 2דוגמאות למוצרים טכנולוגיים המשמש כמוליך חום או כמבודד חום: _____________________.____________________ , .2אם הייתם צריכים לתכנן בית חדש ,האם הייתם מעדיפים לבנות אותו מחומרים מבודדי-חום או מוליכי-חום?
חקירת המשך
ניצול תופעות ותכונות לשימושיו של האדם בחומרים מוליכי חום או מבדד חום:
היכנסו לאתר קל וחומר מתכננים מוצרים ובצעו את הפעילות":מאילו חומרים כדאי לייצר"
רקע מדעי
הולכת חום היא היכולת של חומרים (במצב צבירה מוצק) להעביר חום מחומר לחומר או מאזור אחד בחומר לאזור אחר בחומר שחומם .ישנם חומרים אשר מעבירים חום במהירות רבה יחסית ונקראים מוליכי חום וישנם חומרים שמעבירים חום לאט או לא מעבירים כלל ונקראים מוליכי חום גרועים או מבודדים .מתכות מוליכות חום היטב ,לכן מרבים להשתמש בהן כאשר יש צורך בהעברת חום :למשל ,כלי מתכת בבישול על כיריים מגז או חשמל ,החום עובר דרכן למזון וכך הוא מתבשל .מבודדים מעבירים חום באיטיות רבה ומשתמשים בהם כדי למנוע את העברת החום למשל ,כלי המתכת בבישול הידיות הנושאות את כלי הבישול עשויות ממבודדים כדי שהאדם יוכל להחזיק בסירים מבלי שהחום יגיע אליו בשעת הבישול.