מהי ההשפעה של צבע התיבה על טמפרטורת האוויר שהיא מכילה -מדריך למורה נושא
שכבת גיל זמן רציונאל
בליעת אור
כיתה ו 90דקות יחידה בנושא אנרגיית קרינה (אור) במסגרת תחום התוכן -מדעי החומר- פיזיקה .מומלץ ללמד יחידה זו בהמשך ליחידה" :מהי ההשפעה של גופים אטומים שחורים ולבנים על עוצמת האור". האור נע תמיד ממקור האור ומתפשט לכל הכיוונים .האנרגיה הנישאת על- ידו מועברת במהירות עצומה (כ 300,000-ק"מ בשניה) דרך חומרים מסוימים ,כגון אוויר ,מים ,זכוכית ועוד ,וכן במרחב ריק מחומר מבלי שמקור האור משנה את מקומו .לדוגמה :אור מהשמש מגיע אל כדור-הארץ ,לאחר שעבר מרחקים עצומים .האור היוצא ממקור האור נע לכל הכיוונים בקווים ישרים ,זהו כלל חשוב ,אך כלל זה מופר אם ,למשל ,גוף כלשהו עומד בדרכו של האור .כאשר האור פוגע בגוף כלשהו יכולות להתקיים תופעות של החזרת אור ,העברת אור או בליעת אור .אם האור אינו עובר דרך גוף, הגוף מוגדר כאטום .כשאור פוגע בגוף אטום ,חלק מהאור מוחזר ,רוב האור נבלע ,ולכן הגוף מתחמם (כאשר אור נבלע בחומר הוא גורם לחימומו) .כאשר אור עובר דרך גוף ,הגוף מוגדר כשקוף .למעשה ,אין במציאות גוף ששקיפותו "אידיאלית" כלומר 100 %מהאור עובד דרכו. העברת האור מלווה תמיד בהחזרה ובבליעה .בדרך כלל מתקיימות שלוש התופעות גם יחד ,כאשר האור פוגע בגוף :בליעה ,העברה והחזרה של או בפרופורציות שונות .כל אנרגיית האור (המוחזר ,הנבלע והעובר) משתמרת כמו כל סוג של אנרגיה.
החלק היחסי של האור המוחזר ,האור הנבלע והאור העובר דרך הגוף משתנה בהתאם לתכונות הגוף (סוג החומר ,עובי ,צורה ,אופי המשטח
imagine explore learn •
•
ועוד) .תכונת השקיפות משתנה עם עובי החומר ,למשל .כמו כן לוח זכוכית (או פלסטיק) שקוף שהאור עובר דרכו ,ייעשה שקוף למחצה ,אם פני השטח יהיו שרוטים או מחוספסים .האור שעובר דרך הגוף יתפזר לכל הכיוונים ,ולכן לא יראו דרך הגוף בבירור.
(מתוך מבט אל האור – מדריך למורה) התלמידים עוסקים בקשר שבין צבע ובליעת אור ,הם מודדים את טמפרטורת האוויר בתוך תיבה מוארת שצבעה שחור ובתות תיבה מוארת שצבעה לבן מארגנים את הנתונ ים בטבלה ומסיקים שגוף לבן בולע מעט אור (ומחזיר את רוב האור שפוגע בו) ואילו צבע שחור בולע את רוב האור הפוגע בו (ומחזיר מעט ממנו) .כלומר ,אנרגיית האור שנבלעה בגוף השחור מומרת לאנרגיית חום ונמדדת באמצעות חיישן הטמפרטורה המובנה בתוך הטאבלט.
מטרות תוכן וציוני דרך
מדעי החומר –פיזיקה תת נושא :אנרגיה רעיונות והדגשים: אנרגיה יכולה להפוך מסוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר (המרת אנרגיה) ציוני דרך: בליעת אור ,החזרת אור: גוף כהה גוף בהיר
מושגים עיקריים ידע קודם נדרש
מיומנויות המאה 21-
החזרת אור ,בליעת אור ,גוף כהה ,גוף בהיר ,המרת אנרגית אור לאנרגית חום ידע תחום התוכן: החזרת אור ,מעבר אור ,האור כמתקדם בקווים ישרים מיומנויות למידה: עריכת ניסוי איסוף נתונים והסקת מסקנות.מיומנויות חקר וגילוי: העלאת השערה ,עריכת ניסוי ,קריאת נתונים מגרף ,כתיבת תוצאות ,הסקת מסקנות. חשיבה ביקורתית
מהלך הפעילות
אתגר
מטרת שאלת האתגר ליצור גירוי ללמידה ולביצוע הניסוי .האם לבוש הבדווים והאסקימואים נסמך על ידע מדעי (החזרת ובליעת אור) או שלהתאמת צבעי הלבוש יש סיבות אחרות? (זמינות חומרים בסביבה). ממדבר הקרח למדבר החול הבדווי מכין בגדים כהים מהעזים שהוא מגדל ואילו האסקימואי מכין בגדים בהירים מפרוות של אילים שהוא צד או מגדל .לבדווי במדבר בגדים שחורים .לאסקימואי במדבר הקרח בגדים לבנים. האם צבע הבגדים של כל אחד מתאים לדעתכם לתנאי הטמפרטורה בסביבת החיים ? כן /לא נמק
מה נחקור? בניסוי זה נבחן את תופעת בליעת אור ,באמצעות ניסוי הבודק את השפעת צבע התיבה (אחת לבן ואחת שחורה) על טמפרטורת האוויר שהיא מכילה. כל קבוצה תבחר תיבה בצבע אחר לניסוי ותעמיד את הניסוי בשיתוף קבוצה שנייה .כך ננסה לגלות אם אכן לבוש בצבע שחור מתאים לתנאי הטמפרטורה במדבר החול ואילו לבוש בצבע לבן מתאים לתנאי הטמפרטורה במדבר הקרח.
ציוד
טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+
2מנורת שולחן 100ואט
2קופסאות קרטון (להקפיד שהאריזה פשוטה ולא בעלת דופן כפולה לבידוד ) ממדי הקופסא :אורך 28ס"מ ,רוחב 16ס"מ ,גובה 4ס"מ.
מסקינטייפ
סרגל
סכין יפנית לחיתוך (יעשה על ידי מבוגר בלבד)
2שקפים מפלסטיק
צבע גואש/אקרילי שחור
צבע גואש/אקרילי לבן
מברשת צבע
כללי בטיחות :החיתוך בסכין יפנית יעשה על ידי מורה או מבוגר עבודה קבוצתית
העמדת הניסוי
.1הפעילו את טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+ .2לחצו על תוכנת ה) MiLAB- .3הגדירו את מערך אוגר הנתונים
)
אוגר הנתונים
טמפרטורה קצב הדגימה:
1בשנייה
משך הדגימה:
10דקות
ההשערה כוללת שלב מילולי וכמותי. רגע לפני...
בשלב הראשון הילדים מתבקשים לנסח במילים את ההשערה ולנמק את בחירתם בהסתמך על ידע העבר (מניעת ניחושים) .אפשר לשאול את התלמידים מה משמעות הביטוי שינוי בטמפרטורה? קרי הטמפרטורה יכולה לעלות או לרדת .בשאלה האם יהיה שינוי? מסתתרת האפשרות שלא יהיה שינוי והטמפרטורה תישאר ללא שינוי .כלומר יתכנו שלושה מצבים בשינוי הטמפרטורה :עליה/ירידה /ללא שינוי בטמפרטורה. בשלב השני התלמידים מתבקשים לצייר את הגרף .בפיתוח מיומנויות גרף יש משמעות רבה ליצירת גרף וקריאת נתונים מגרף.מתלמידים טובים אפשר לבקש להוסיף כותרת לגרף ויחידות לציר ה X -ו.Y- שערו האם יהיה שינוי בטמפרטורת האוויר בתיבה הלבנה? האם יהיה שינוי בטמפרטורת האוויר בתיבה השחורה? האם יהיה שינוי בשתיהן? הסבירו. ציירו את עקומת הגרף שהנכם משערים שתתקבל.
ביצוע הניסוי
עבודה קבוצתית כל שתי קבוצות חוברות יחד ומודדות במשותף את שינויי הטמפרטורה של האוויר בתיבה הלבנה והתיבה השחורה .התלמידים מכינים יחדיו את התיבות (צביעה וחיתוך פאה) ומבצעים את הניסוי. עבודה קבוצתית
עיבוד נתונים
כדי להבין מהלך של ניסוי ולדעת לנתח את תוצאותיו התלמידים צריכים להבין את עקרונות הניסוי ,לשם כך יש להדגיש שבניסוי בכל פעם בודקים גורם משפיע אחד (בידוד משתנים) .ולבצע אנליזה של הגורמים בניסוי יחד עם שיום והמשגת התהליך. .1מהם הגורמים השווים בניסוי? התיבות (סוג ,גודל ,נפח ,חומר), המנורות (סוג ,עוצמה ) ,מרחק (בין המנורה לתיבה) .2מהו הגורם השונה והמשפיע בניסוי? הצבע של התיבה .3מה הגורם המושפע בניסוי? הטמפרטורה .4כמה חזרות ביצעתם? מדוע חשוב לבצע חזרות? ביצוע חוזר של מדידות וקבלת תוצאות דומות המראות אותה מגמה מעלה את מהימנות הניסוי וניתן להכליל ממנו עקרונות ומסקנות. .5השלימו את הנתונים בטבלה עבור הגרף המייצג את צבע התיבה שבחרתם בניסוי :לבנה /שחורה כל קבוצה קוראת את הנתונים שלה בצורה אינטראקטיבית על הגרף .וממלאת את הנתונים
בטבלה השיתופית.
הקישו בגרף על הנקודה המציינת את הטמפרטורה ההתחלתית .הצבעה על הנקודה בעקומה מציגה את הטמפרטורה.
הקישו בגרף על הנקודה המציינת את הטמפרטורה הסופית .הצבעה על הנקודה בעקומה מציגה את הטמפרטורה.
מהו הפרש הטמפרטורה שהתקבל?הפרש הטמפרטורות מופיע בתחתית הגרף כdy -
.6העלו את ממצאי הטבלה השיתופית ל .Google Doc-והשוו את הממצאים עם קבוצות אחרות .אפשר להכין טבלה שיתופית להעלות לאתר הכיתתי כדי שהתלמידים יוכלו להשוות את הממצאים בהמשך ,ולהגיע לתוצאות על סמך כל הממצאים: בתיבה השחורה טמפרטורת האוויר עולה הרבה יותר מטמפרטורת האוויר בתיבה הלבנה. מדידה 1
שחור לבן מדידה 2
שחור לבן מדידה 3
שחור לבן
טמפרטו רה התחלת ית
טמפרטורה
הפרש
סופית
טמפרטורות
תוצאות ומסקנות
דיון במליאה לדיון שתי מטרות :העמקת השיח והדיון לפיתוח החשיבה ודיון בממצאים ובמסקנות :בעקבות תוצאות הניסוי השוואה בין בליעת האור על ידי צבע כהה בהשוואה לבליעת אור על ידי צבע בהיר ,ועל המרת האנרגיה – מקרינת אור לחום .וכן להמשגת התופעה .בסוף הדיון חוזרים לשאלת האתגר. המשגת התופעה .1באיזו תיבה טמפרטורת האוויר עלתה יותר ?בתיבה השחורה .2מדוע עלתה הטמפרטורה בתיבה זו? טמפרטורת האוויר בתוך התיבה השחורה עולה בגלל בליעה של רוב אנרגיית האור . האנרגיה יכולה להפוך מסוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר (המרת אנרגיה) וזה התהליך שמתרחש -אנרגיית הקרינה (אור) מומרת לאנרגיית חום. .3איזו תכונה של אור מתגלה בניסוי הזה?בליעת אור .4האם השערתם עלתה בקנה אחד עם תוצאות המדידה? .5חזרה לשאלת האתגר :האם אתם מופתעים מכך שהאסקימואי והבדווי אינם מתלבשים על סמך רעיונות מדעיים? חשבו על הסיבה לשימוש בחומרים הללו. התלמידים מגלים שגם אצל הבדווי וגם אצל האסקימואי צבע הלבוש אינו מתאים לתנאי הטמפרטורה בסביבה .כל אחד משתמש בחומרים שבסביבתו ,בחומרים הנוחים לשימוש ,בחמרים הזמינים ביותר .לא על סמך רעיונות מדעיים של יתרונות ,אלא על סמך זמינות .הבדווים מגדלים עיזים ,לובשים מוצרי צמר עיזים כלומר :צמר שחור. האסקימואים צדים חיים ומתקיימים מסביבתם ,בסביבה זאת חיות בעלות פרווה בהירה (איילים) האסקימואים פשוט צדים את המצוי בסביבתם ולכן לובשים את הפרוות בצבע הלבן.
.1רשמו אילו תופעות הקשורות לאור מתרחשות כשמאירים על יישום
גופים אלה: העברת אור
בליעת אור
החזרה
החזרה
.2חזרה לשאלת האתגר: "האם צבע הבגדים של כל האסקימואי והבדואי מתאים לדעתכם לתנאי הטמפרטורה בסביבת החיים"?
העזרו בתוצאות הניסוי המדעי שערכתם כדי לנסח טיעון בו תמליצו איזה צבע בגדים מומלץ ללבוש בתנאי טמפרטורה של אקלים מדברי ובאקלים קוטבי .
טיעון
נימוק מדעי
טענה
חשבו על הסיבה של האסקימואי והבדואי לשימוש בחומרים הללו למרות שצבע הבגדים אינו מתאים לתנאי הטמפרטורה בסביבתם.
חקירת המשך
.1אספו מידע על מערכת טכנולוגית לחימום מים באמצעות אנרגית קרינה (אור). א .פרטו את הצורך במערכת כזו ,מהי מטרתה ומהם מרכיבי המערכת הטכנולוגית. ב .תכננו ניסוי הבודק כיצד מסייעים קולטי שמש לחימום המים ? התייחסו לעוצמה וכוון הקרינה.
רקע מדעי
השמש היא מקור אור טבעי הפולט אור .לאור מכל מקור שהוא יש תכונות משותפות :הוא נע בקווים ישרים במהירות הגדולה ביותר המוכרת בטבע (כ 300,000-ק"מ בשניה) .כאשר האור פוגע בגוף כלשהו מתקיימות בו זמנית תופעות של החזרת אור ,שבירת אור ואו בליעת אור. העוצמה של תכונה כזו או אחרת מושפעת מתכונות החומר בו קרני האור נפגשות .תכונות כגון: סוג החומר ,העובי ,הצורה ,שטח הפנים של המשטח (חלק או מחוספס), מידת השקיפות ועוד. הקשר בין החזרה ובליעה כאשר מאירים גוף אטום כהה ,הוא בולע את רוב האור הנופל עליו ומחזיר מעט ממנו .גוף בהיר המואר באותה מידה ,מחזיר את רוב האור הפוגע בו. ובולע מעט ממנו.
בליעת אור בצבע כהה וגלגול אנרגיה מה קורה לאור שנבלע בתוך הגוף? אור הנבלע בתוך גוף מחמם אותו .כלומר,
אנרגית האור הופכת לאנרגית חום.