מטענים ושדות

 

מטרת ההדמיה

הבנת מושגים הקשורים במודל השדה החשמלי הנוצר סביב מטענים חשמליים: כיוון השדה, עוצמת השדה בכל נקודה, משטחים שווי פוטנציאל, וכו'. הדמיה זו מתאימה עבור המצב בו כל המטענים החשמליים במצב סטטי (קבוע). להוראת נושאים דינמיים באלקטרוסטטיקה (תנועה בשדה חשמלי), יש להשתמש בהדמיה של "משחק הוקי בשדה חשמלי" (Electric Field Hockey).

 

קישור להדמיה

http://stwww.weizmann.ac.il/ptc/applets/charges-and-fields.swf

סוג הקובץ

Flash

להורדת Flash Player לחצו כאן

 

מקור ההדמיה

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/charges-and-fields

להנחיות כלליות לשימוש בהדמיות PhET לחצו כאן

 

הסעיף המתאים בסילבוס להדמיה

שדה אלקטרוסטטי:

נושא

פירוט

נוסחאות

פעילויות מומלצות


שעות

1.3

השדה האלקטרוסטטי, המושג "שדה" בפיזיקה

-     שדות בתחומים שונים של הפיזיקה.

-     השדה החשמלי  (האלקטרוסטטי) הנוצר ע"י מטען נקודתי - הגדרה ויחידות.

עקרון הסופרפוזיציה והשימוש בו לחישוב שדות חשמליים. תיאור שדות חשמליים בעזרת קווי שדה.

 

 

 

 

 

 

 

 

-       מיפוי של שדות חשמליים בעזרת כדור בוחן. מיפוי של שדות חשמליים באמצעות הדמיות. קווי שדה ומיפוי של שדות חשמליים עם "מצפנים חשמליים".

6

 

שימוש בהוראה

  • כעזר בזמן הוראת הנושא (הקרנה על הלוח) של שדה אלקטרוסטטי.
  • כשיעורי בית.
  • כפעילות תלמידים.

(ראה קבצי דוגמאות של דפי פעילות, באנגלית, שפותחו על ידי מורים בארה"ב והורדו באישור מהאתר באוניברסיטת קולורדו).

 

הנחיות הפעלה

קיימים פרמטרים רבים אותם ניתן לשנות בהדמיה זו:

  • ניתן להציב במישור ההדמיה מטענים חשמליים (חיוביים או שליליים) במקומות שונים.
  • ניתן להשתמש בחיישן (מטען בוחן) עליו מופיעים כיוון ועוצמת השדה המופעלים עליו.
  • ניתן לראות מהם המשטחים שווי הפוטנציאל של מערך מטענים חשמליים, ומכך לדעת מהי העבודה הנדרשת להעתקת מטען מנקודה אחת לאחרת במישור ההדמיה.

 

כפתורי הרצת ההדמיה

 

  • תחילה יש לגרור את המטענים החשמליים הרצויים (חיוביים (באדום) או שליליים (בכחול)) מהקופסאות שלהם אל משטח ההדמיה. אלו הם המקורות היוצרים סביבם את השדה החשמלי.
  • כאשר רוצים לדעת מה הכוחות הפועלים בנקודות שונות, יש לגרור לשם מהקופסה את חיישני השדה החשמלי (E-Field Sensors).
  • אין מגבלה מעשית למספר המטענים, ולכן, ניתן ליצור מערכים של קווי מטענים (היכולים לשמש להדמיה של שדות חשמליים של קבל לוחות). ניתן גם לסדר את המטענים על קווים מעוגלים, וליצור הדמיה של כדור טעון, או אפילו קבל כדורי.
  • מכיוון שהדמיה זו היא סטטית, אין כפתורי הרצה, אלא הזזת מטען הבוחן מראה את ערך השדה החשמלי בכל נקודה רצוייה.

 

תצוגות ההדמיה

ניתן להציג רמות פירוט שונות על מסך ההדמיה: החל מהמטענים החשמליים בלבד, עוצמה וכיוון השדה החשמלי הפועל בכל נקודה, משטחים שווי פוטנציאל, מדידת מרחקים (סרגל מדידה (Tape Measure)), , ...

התפריט הגרפי באמצעותו בוחרים מה להציג מופיע בתמונה:

סימון הריבוע המתאים יגרום להצגת:

  • שדה חשמלי (Show Electric Field).
  • ניתן להציג את המסך בשני אופנים:
  • כושר הפרדה נמוך (Low Resolution)- הצגה מיידית,
  • כושר הפרדה גבוה (High Resolution) – פועל לאט יותר.
  • הצגת רשת קווים (Grid) על המסך.
  • הצגת ערכים מספריים (Show Numbers).
  • ניתן גם למחוק הכול (Clear All).
  • יש אפשרויות נוספות של מהירות הצגה וכושר הפרדה (More Speed/Less resolution).

ניתן להציג על המסך מטען בוחן המראה את כיוון השדה החשמלי ועוצמתו בנקודה רצויה, בה שמים את מטען הבוחן:

 

ניתן להציג על המסך סרט מדידה, למדידת מרחקים בין שתי נקודות. באמצעות הצלבים המופיעים עליו, ניתן למקמו בכל כיוון ומיקום:

 

דוגמה למערך פשוט של שני מטענים חשמליים (אחד חיובי ואחד שלילי), עם מטען בוחן המראה את כיוון השדה החשמלי בלבד:

 

דוגמה לתמונת מסך עם כושר הפרדה גבוה, המראה 2 מטענים חשמליים (אחד חיובי ואחד שלילי), כולל מספר משטחים שווי פוטנציאל, רשת קווים ברקע, ומטען בוחן המראה את ערכי השדה החשמלי בנקודה מסוימת:

 

 

 

יש לשים לב ליחידות המופיעות בתצוגות, המטענים החשמליים נתונים בננוקולונים (10-9 C), והמרחקים במטרים.

גם הצבעים משמשים בהדמיה זו כדי להדגיש את האזורים בהם השדה חיובי יותר (אדום) או שלילי יותר (כחול).

 

 

 

צורת המסך עם מספר אפשרויות מופעלות, מופיעה בתמונה הבאה:

 

 

 

בדפי העבודה שהציעו המורים בארה"ב (קבצים מצורפים באנגלית), ניתן לראות דוגמאות של טבלאות נתונים שמבקשים מהתלמידים למלא, ניתן למצוא שאלות שכדאי לשאול את התלמידים: לפני הרצת ההדמיה, תוך כדי הפעילות, ואחרי הפעילות (מסקנות), וניתן גם לראות מערכי שיעור בנושא.

 

 דפי פעילות באנגלית שפותחו באוניברסיטת קולורדו: 

 

  Lesson Plan: Introduction to Static Electricity
  Lesson Plan: Demonstration to help with PE vs V
  Student Directions: Introduction to Static Electricity
  Student Directions: Charges and Fields
  Student Directions: Electric Fields
  Equipotential Surfaces Computer Lab Activity
  Electric Energy and Capacitance
  Charges Activity
  Forces and the Laws of Motion

יישומונים נוספים