הצעה למבנה השיעור הראשון בהוראת האופטיקה
הגדל

ד"ר דוד זינגר, מתוך "תהודה" כרך 5, חוברת 2

את הוראת האופטיקה בבית-הספר התיכון מקובל לפתוח בפרק מבוא הסוקר את התכונות היסודיות של האור. כך נעשה הדבר, למשל, בספר "אופטיקה וגלים" של PSSC בהוצאת "יחדיו", ובספר "אור וגלים" בהוצאת המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן למדע, רחובות.

רוב התופעות המתוארות בפרק המבוא פשוטות הן ומוכרות, פחות או יותר, למרבית התלמידים. על-כן, רבים מן המורים סוקרים פרק זה סקירה מילולית בלבד, ללא ביצוע הדגמות או ניסויים.ניסיוני האישי מלמד, שלמרות שהתופעות פשוטות לאורה, חלק לא קטן מן התלמידים מתקשה להבינן, ולימוד התופעות תוך כדי ביצוע הדגמות איכותיות מקל על הבנת התלמיד.השימוש בהדגמות רצוי מעוד סיבה: חלק ניכר מהתלמידים המגיעים כיום לחטיבה העליונה הם בוגרי הטיבות הביניים שם למדו פיסיקה לפי תוכניות שבמרכזן עמדה המעבדה.מעבר מדרך הוראה ניסויית לדרך של הרצאה בלבד יכול להוות מעבר חד מידי עבורם, העלול ליצור אצל חלק מהם את הרושם המוטעה שכך יתנהלו שיעורי הפיסיקה בחטיבה העליונה גם בעתיד. יש גם לזכור שמורי החטיבה העליונה אינם בדרך-כלל אותם המורים שלימדו בחטיבת הביניים, ולכן פתיחה מעניינת ומרתקת עשויה ליצור כבר בהתחלה יחס חיובי מצד התלמידים למקצוע הנלמד ולמורה המלמד כאחת.

לביצוע סידרת ההדגמות, אותן אתאר בהמשך, נדרשת מעבדה או כיתה רגילה הניתנת להאפלה בצורה טובה; הציוד סטנדרטי ונמצא כמעט בכל מעבדה וכמובן שהמורה יכול לאלתר ולשפר בהתאם לציוד העומד לרשותו. מתוך ניסיוני התברר שיעיל יותר לבצע את כל סדרת ההדגמות כבר בשיעור הראשון ובשיעורים הבאים לפתח, להרחיב ולתרגל.

לאחר שהכיתה כונסה במעבדה המואפלת היטב, יכבה המורה את אור החשמל ולפני שתלמידיו הספיקו להתרגל לחשכה ידליק פנס חשמלי חזק (מקור האור לאופטיקה שמספרו הקטלוגי 0690 מתאים למטרה זו).את אלומת האור יש לכוון לעצמים שונים במעבדה ותוך כדי כך לפתח דיון במושגים: מקורות אור וגופים אפלים.יש להראות לתלמידים ולהדגיש שקיימים שני תנאים הכרחיים לכך שעצם אפל יראה: התנאי הראשון שיפגע בו אור והתנאי השני שהאור הפוגע (לפחות חלקו) יוחזר אל המסתכל.דבר זה יקל בהמשך בהסברת המופעים השונים של הירח בתקופות השונות של החודש (רבים מהתלמידים טועים ומסבירים את התופעה כליקוי לבנה, כלומר, כדור הארץ מטיל צל על הירח).

רצוי מאוד להדגים לתלמידים שניתן להבחין באלומות אור רק כשהן פוגעות בגוף כלשהו ומוחזרות ממנו (למעשה גם כשהן נשברות בגוף שקוף);לא ניתן להבחין באלומת אור העוברת בריק (באופן מעשי גם באוויר נקי).כדי להמחיש זאת מכוונים את הפנס לעבר התקרה.אם האוויר בחדר נקי, לא ניתן יהיה להבחין באלומת האור.כשמפזרים אבק בדרכה של האלומה היא נראית בצורה ברורה ומרשימה. דרך נוחה ופשוטה לפיזור אבק הוא ניעור המטלית המשמשת לניגוב הלוח. את אופיו האנרגטי של האור מקובל להדגים באמצעות תא-פוטואלקטרי. האור הפוגע בתא גורם להיווצרות מתח חשמלי וכאשר התא הוא חלק ממעגל חשמלי סגור יזרום במעגל זרם הניתן למדידה באמצעות מיקרואמפרמטר.

מניסיוני התברר לי שהתלמידים משתכנעים יותר שהאור הוא צורה נוספת של אנרגיה כאשר מתקבלת ממנו איזושהי אנרגיה מכנית. בבתי ספר רבים נמצאת "שפופרת קרוקס" (ראה תצלום).

זוהי שפופרת זכוכית המכילה אוויר בלחץ נמוך, ובמרכזה גלגל קל מאוד המסתובב סביב צירו בשעה שפוגע בו אור חזק (ראה הסרט "לחץ האור" של PSSC). אמנם מעבר האור לאנרגיה קינטית אינו ישיר כאן, אך אין זה גורע מהעובדה שניתן להפוך אור לאנרגיה מכנית.

בשלב הבא כדאי להראות לתלמידים את השפעת הטמפרטורה של גוף לוהט על צבע האור שהוא פולט. פותחים בשאלה:"מה יקרה לדעתכם אם נקטין את המתח המופעל על נורת הפנס?".מרבית התלמידים ידעו לענות שאור הנורה יחלש אולם רק מעטים ידעו שגם צבעו ישתנה.את הורדת המתח כדאי לבצע באמצעות פוטנציומטר.כאשר המתח ילך ויקטן יראו התלמידים שיחד עם העוצמה הנחלשת משתנה אור הנורה מלבן בהיר לצהוב ואף אדמדם.מיד לאחר ההדגמה והדיון בתופעה יש להדגיש, ואם אפשר גם כמובן להדגים, שלא בכל הסוגים של מקורות האור נקבע צבע האור על-ידי הטמפרטורה. אם ברשותך שפופרות של גזים שונים בלחץ נמוך, המופעלות עי-ידי מתח גבוה, רצוי להפעילן ולהראות שגזים שונים פולטים אור בצבעים שונים (כמובן שאין להיכנס לדיון מפורט בתופעה). אם אין ברשותך שפופרות כאלו, יש להזכיר את הנורה הפלואורסנטית (המוכרת לרבים משום מה בשם "מנורת ניאון"), ואת אור הניאון משלטי הפרסומת כדוגמאות למקורות אור בהם הצבע אינו נקבע על-ידי הטמפרטורה.

כאן המקום להיכנס לנושא הצבעים.זאת ניתן לעשות בצורה הפשוטה הבאה:מטילים את אור הפנס הלבן על חולצתו של אחד התלמידים.אם החולצה צבעונית תראה היא בצבעה שלה (כחול למשל).כאן יש לשאול: "בחולצה פוגע אור לבן, כיצד קורה שהאור המוחזר ממנה כחול הוא?".העובדה שהאור הלבן מהווה למעשה תערובת של צבעי הקשת מוכרת לתלמידים ולכן הדיון בתופעה ובהסברה יהיה פשוט: החולצה (הכחולה) החזירה רק את האור הכחול בעוד שאת שאר צבעי הספקטרום היא בלעה. דבר דומה מתרחש בגופים שקופים צבעוניים וכדאי להדגים זאת באמצעות נייר צלופן צבעוני המכסה את הפנס.את ספקטרום האור הלבן לא נהוג בדרך כלל להדגים ממש עם מנסרה ומסתפקים בהצגת תמונת הספקטרום הלקוחה מספר.הסיבה לכך היא שהדגמת ספקטרום האור בפני כיתה שלמה דורשת מנסרה טובה שאינה מצויה לרוב בבית-הספר.במקום זאת ניתן להשתמש בשריג הכלול במערכת לאור אולטרה-סגול (מספר קטלוגי 0660).כאשר מאירים על השריג באור לבן, יופיע על המסך (הקיר או התקרה) הנמצא מול השריג הספקטרום הרציף של האור הלבן בצורה בולטת ומרשימה.אם ברשותך גלגל צבעים, שכאשר מסובבים אותו במהירות הוא נראה לבן, סיים את הדיון בהרכב האור על-ידי הדגמה זו.

את סדרת ההדגמות אפשר לסיים בצורה משעשעת.ממחישים את תכונת האור להתפשט בקווים ישרים ואת היווצרות הצללים על-ידי הטלת צללים של חיות ודמויות שונות באמצעות אצבעות הידיים (בכל כיתה ימצא לפחות תלמיד אחד שיודע לעשות זאת).את תופעת הצל המלא והצל החלקי ניתן להציג בעזרת נורה בה חוט הלהט ישר (נורה של 75W, 24Vמתאימה לכך).כאשר חוט הלהט ניצב למישור המסך עליו מוטל הצל, הוא משמש כמקור אור נקודתי והגבולות בין איזור הצל לאיזור המואר יראו חדים וברורים.כאשר חוט הלהט מונח במקביל למישור המסך יוקף איזור הצל המלא באיזור של צל חלקי וגבולות הצל יראו מטושטשים.

לסיכום, סדרת ההדגמות שתוארה כאן ומגוון האפשרויות הנוספות העומדות לרשות המורה יפים הם להפוך פתיחה תאורטית די משעממת של הוראת האופטיקה לפתיחה מעניינת ומרתקת.

  להורדת קובץ השיעור