מעבדת פאראדיי (Faraday Electromagnetic Lab)

 

מטרת ההדמיה

הבנת מושגים הקשורים בשדה מגנטי הנוצר סביב מגנט ישר (Bar Magnet): קווי השדה, עוצמת השדה בכל נקודה, כיוון השדה, וכו'. הדמיה זו מתאימה כהדגמה על הלוח בזמן הוראה ראשונית של שדה מגנטי.

 

קישור להדמיה

http://stwww.weizmann.ac.il/ptc/applets/faraday.jar

סוג הקובץ

Java-based simulation

להורדת Java לחצו כאן

 

מקור ההדמיה

PhET – Physics Education Technology, University of Colorado, Boulder

להנחיות כלליות לשימוש בהדמיות PhET לחצו כאן

 

הסעיף המתאים בסילבוס להדמיה

שדה מגנטי והשראות:

נושא

פירוט

נוסחאות

פעילויות מומלצות

שעות

4.1

שדות מגנטיים של מגנטים וזרמים

- האופי הווקטורי של השדה המגנטי.

- זיהוי השדה המגנטי בנקודה.

-  השוואה בין קווי השדה המגנטי לבין קווי השדה האלקטרוסטטי.

 

- מיפוי שדות מגנטיים בעזרת מצפן.

2

4.2

השפעת השדה המגנטי על זרם, עצמת השדה המגנטי

- השדה המגנטי מפעיל כוח על מטענים נעים.

- כיוון הכוח המגנטי.

- תלות  הכוח המגנטי בפרמטרים.

- הגדרת עצמת השדה המגנטי והשוואה להגדרת עצמת השדה החשמלי
.

 

 

 

 

- תלות הכוח המגנטי בפרמטרים, ניסוי והדמיית מחשב
.

3

4.3

הקשר בין השדה המגנטי ומקורותיו: בקרבת תיל ארוך מאוד, במרכז כריכה מעגלית, בסילונית

- הזרם כמקור השדה המגנטי.

- חוק אמפר.

- הקשרים בין השדות המגנטיים והזרמים בקרבת: תיל ישר ארוך, במרכז כריכה מעגלית, בסילונית.

 

 

 

 

 

 

- מדידת השדה המגנטי בתוך סילונית (מאזני זרם).

- גלוונומטר טנגנטי
.

5

 

 

 

 

 

4.5

כוח הפועל על מטען הנע בשדה מגנטי

- מעבר מכוח הפועל על תיל נושא זרם לכוח הפועל על מטען נע (כוח לורנץ).

- הכוח המגנטי אינו משנה את גודל המהירות (עבודתו אפס).

- השוואה בין הכוח המגנטי והכוח החשמלי.

- הצגת המכפלה הווקטורית.

 

 

* 

 

 

- מדידת e/m או הדמיית מחשב.

-  הדמיית מחשב להדגמת תנועת מעטן במרחב.

 

4

 

 

 

 

 

 

נושא

פירוט

נוסחאות

פעילויות מומלצות

שעות

5.1

כא"מ מושרה, חוק פרדיי וחוק לנץ

-     כא"מ הנוצר בין קצות מוליך הנע בשדה מגנטי אחיד - הסבר בעזרת כוח לורנץ.

-     כא"מ הנוצר בלולאה כתוצאה מתנועתה יחסית לשדה מגנטי.

-     שטף מגנטי דרך משטח.

-     חוק פרדיי.

-     כא"מ הנוצר בלולאה כתוצאה משינוי בזמן של השדה המגנטי.

-     חוק לנץ וקביעת כיוון הזרם המושרה.

-     חוק לנץ כנובע שימור אנרגיה.

 

 

 

 

 

-     הדגמת זרם מושרה בסליל הנע בקרבת מגנט.

-     מדידת B בעזרת סליל בוחן.

10


5.2 יישומים טכנולוגיים

-     גנרטור AC - הכא"מ המושרה בסליל הטבעתי המסתובב בשדה מגנטי.

 

 

3

 

שימוש בהוראה

  • כעזר בזמן הוראת הנושא (הקרנה על הלוח) של שדה מגנטי.
  • כשיעורי בית בייחוד כמשחק להגברת התעניינות התלמידים, יצירת אתגרים מחשבתיים.
  • 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, ולכן היא למעשה מכילה 5 הדמיות שונות ומחולקת בהתאם ל 5 חלונות אפשריים, אליהם ניתן להגיע על פי התפריט המופיע בתמונה הבאה:

 

בהדמיה של מגנט מוט (Bar Magnet), מקבלים במסך הפתיחה את התמונה הבאה:

 

  • באמצעות שינוי המיקום של המגנט, או של המצפן, ניתן לעקוב אחר כיוון השדה המגנטי.
  • בתפריט מימין ניתן לשנות את הפרמטרים של המגנט:

 

o        את עוצמת השדה (Strength) היחסית באחוזים, ניתן לשנות גם באמצעות גרירת הזחלן (בין 0 ל 100), וגם באמצעות רישום הערך המספרי הרצוי בחלון העוצמה.

o        ניתן להפוך את כיוון המגנט (Flip Polarity).

o        ניתן לראות את כיוון השדה בתוך המגנט    (See Inside Magnet).

o        ניתן להראות את קווי השדה במישור        (Show Field), באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להראות את המצפן (Show Compass) על המסך, או להעלימו, באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להוסיף למסך מודד של השדה המגנטי    (Show Field Meter).

o        ניתן להחזיר את המערכת למצב התחלתי (Reset All).

 

 

בהדמיה של סליל המדידה (Pickup Coil), מקבלים במסך הפתיחה את התמונה הבאה:

 

  • באמצעות שינוי המיקום של המגנט לעומת הסליל, ניתן לעקוב אחר עוצמת השדה המגנטי באמצעות הדלקת הנורית (רק במצב של תנועה יחסית ביניהם!).
  • כמו עבור מגנט מוט, ניתן בתפריט מימין לשנות את הפרמטרים של המגנט:

 

o        את עוצמת השדה (Strength) היחסית באחוזים, ניתן לשנות גם באמצעות גרירת הזחלן (בין 0 ל 100), וגם באמצעות רישום הערך המספרי הרצוי בחלון העוצמה.

o        ניתן להפוך את כיוון המגנט (Flip Polarity).

o        ניתן לראות את כיוון השדה בתוך המגנט (See Inside Magnet).

o        ניתן להראות את קווי השדה במישור (Show Field), באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להראות את המצפן (Show Compass) על המסך, או להעלימו, באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להוסיף למסך מודד של השדה המגנטי    (Show Field Meter).

o        ניתן להחזיר את המערכת למצב התחלתי (Reset All).

 

  • בתפריט מימין ניתן גם לשנות את הפרמטרים של סליל הבוחן (PickupCoil):

 

o        במקום הנורית ניתן להציג מד מתח.

o        ניתן לשנות את מספר הליפופים של הסליל (בין 1 ל 3).

o        את גודל הסליל (השטח היחסי שהוא מכסה) (Loop Area) באחוזים, ניתן לשנות גם באמצעות גרירת הזחלן (בין 20 ל 100), וגם באמצעות רישום הערך המספרי הרצוי בחלון העוצמה.

o        ניתן להציג ייצוג לאלקטרונים בתיל               (Show Electrons).

 

 

 

 

בהדמיה של האלקטרומגנט (Electromagnet), מקבלים במסך הפתיחה את התמונה הבאה:

 

  • באמצעות שינוי המיקום של המצפן, ניתן לעקוב אחר כיוון השדה המגנטי.
  • בתפריט מימין ניתן לשנות את הפרמטרים של האלקטרומגנט:

 

o        ניתן לבחור בין חיבור מתח ישר (DC) או מתח חילופין (AC) לאלקטרומגנט.

o        ניתן לבחור את מספר הכריכות בסליל האלקטרומגנט (Loops), בין 1 ל 4.

o        ניתן להראות את קווי השדה במישור (Show Field), באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להראות את המצפן (Show Compass) על המסך, או להעלימו, באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להוסיף למסך מודד של השדה המגנטי         (Show Field Meter).

o        ניתן להחזיר את המערכת למצב התחלתי (Reset All).

 

  

במצב של מתח חילופין, ניתן לראות את השינויים באופן רציף, וכן ניתן לעצור (Pause), ולהריץ צעד אחר צעד (Step), כפי שרואים בתמונה:

 

בהדמיה של השנאי (Transformer), מקבלים במסך הפתיחה את התמונה הבאה:

 

  • באמצעות שינוי המיקום היחסי של האלקטרומגנט לעומת סליל הבוחן, ניתן לעקוב אחר עוצמת השדה המגנטי באמצעות הדלקת הנורית (רק במצב של תנועה יחסית ביניהם!).
  • כמו עבור האלקטרומגנט, ניתן בתפריט מימין לשנות את הפרמטרים של האלקטרומגנט:

 

o        ניתן לבחור בין חיבור מתח ישר (DC) או מתח חילופין (AC) לאלקטרומגנט.

o        ניתן לבחור את מספר הכריכות בסליל האלקטרומגנט (Loops), בין 1 ל 4.

o        ניתן להראות את קווי השדה במישור (Show Field), באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להראות את המצפן (Show Compass) על המסך, או להעלימו, באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להוסיף למסך מודד של השדה המגנטי (Show Field Meter).

o        ניתן להחזיר את המערכת למצב התחלתי (Reset All).

 

  • כמו עבור סליל הבוחן, ניתן בתפריט מימין גם לשנות את הפרמטרים של סליל הבוחן (PickupCoil):

 

o        במקום הנורית ניתן להציג מד מתח.

o        ניתן לשנות את מספר הליפופים של הסליל (בין 1 ל 3).

o        את גודל הסליל (השטח היחסי שהוא מכסה) (Loop Area) באחוזים, ניתן לשנות גם באמצעות גרירת הזחלן (בין 20 ל 100), וגם באמצעות רישום הערך המספרי הרצוי בחלון העוצמה.

o        ניתן להציג ייצוג לאלקטרונים בתיל               (Show Electrons).

 

 

בהדמיה של הגנרטור (Generator), מקבלים במסך הפתיחה את התמונה הבאה:

 

  • בתפריט מימין ניתן לשנות את הפרמטרים של הטורבינה (Turbine):

 

o        באמצעות שינוי עוצמת הזרימה היחסית של המים (על הברז במסך), ניתן לשלוט במהירות הסיבוב של המגנט, וכך לשלוט בעוצמת האור בנורית. על פי הגדרה יש כאן תנועה יחסית בין מגנט לסליל (המגנט מסתובב).

o        את עוצמת הטורבינה (Strength) ניתן לשנות באמצעות גרירת הזחלן בתפריט, או באמצעות רישום מספר העוצמה היחסית באחוזים.

o        ניתן להראות את קווי השדה המגנטי במישור   (Show Field), באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להראות את המצפן (Show Compass) על המסך, או להעלימו, באמצעות סימון הריבוע המתאים.

o        ניתן להוסיף למסך מודד של השדה המגנטי     (Show Field Meter).

 

  • כמו עבור סליל הבוחן, ניתן בתפריט מימין גם לשנות את הפרמטרים של סליל הבוחן (PickupCoil):

 

o        במקום הנורית ניתן להציג מד מתח.

o        ניתן לשנות את מספר הליפופים של הסליל (בין 1 ל 3).

o        את גודל הסליל (השטח היחסי שהוא מכסה) (Loop Area) באחוזים, ניתן לשנות גם באמצעות גרירת הזחלן (בין 20 ל 100), וגם באמצעות רישום הערך המספרי הרצוי בחלון העוצמה.

o        ניתן להציג ייצוג לאלקטרונים בתיל (Show Electrons).

 

 

בדפי העבודה שהציעו המורים בארה"ב (קבצים מצורפים באנגלית), ניתן לראות דוגמאות של פעילויות לתלמידים, 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: Induction
  Lesson plan: Induction - School
  Lesson plan: Induction - College version
  Lesson plan: Introduction to magnets using
  Student Directions: Induction
  Student Directions: Induction - School
   Student Directions: Induction - College version
  Student Directions: Introduction to magnets using
  Clicker Questions
  Clicker Questions - presentation
  AC/DC Current and Electromagnetism
  Generating Electricity
  Electromagnetic Induction
  Magnet Lab
  Forces and the Laws of Motion