מקור: PhET – Physics Education Technology, University of Colorado, Boulder
סוג הפריט: יישומון
שפה: עברית/ אנגלית
אוכלוסיית יעד: מורים, תלמידים, כיתה י"א
סוג הפעילות: חקר
שימוש מומלץ: סיכום נושא
זמן הפעילות: שעתיים
נושא: מכניקה 5 יח"ל סעיפים 2.1 עד 2.8
מילות מפתח: כוח, תרשים כוחות, חיכוך סטטי, חיכוך קינטי, תאוצת הכובד
תקציר: הבנת מושגים הקשורים בתנועה במהירות קבועה, תאוצה, מפגש בין גופים.
הפנייה להדמיה
פריט קיים באתר התלמידים: לא
חומרים משלימים מהאתר:
סוג הקובץ: Java-based simulation (להורדת Java לחצו כאן)
הנחיות הפעלה והערות דידקטיות
מטרת ההדמיה
הבנת מושגים הקשורים בפעולת כוח בממד אחד, איך משפיעה הפעלת כוח חיצוני על תנועה (מהירות, תאוצה וכיוון).
הדמיה זו מתאימה כהדגמה על הלוח בזמן סיכום הוראה של נושא כוח ותנועה בממד אחד.
ההדמיה מאפשרת:
- מציאת קשר בין גרף הכוח המופעל לבין גרף המהירות, גרף התאוצה, וגרף המקום של הגוף הנע .
- הבנת הקשר בין כוח חיצוני מופעל לבין כוח החיכוך . הבדלים בין תנועה עם חיכוך (אמיתית) לבין תנועה בה מזניחים את החיכוך (אידאליזציה).
- השוואה בין כוחות על כדור הארץ לכוחות על גורמי שמיים אחרים (בהם יש תאוצה גרביטציונית שונה).
- הדגמת דיאגרמת הכוחות הפועלים על גוף (Free Body Diagram) .
- הבנת משמעות חיכוך סטטי לעומת חיכוך דינמי (קינטי) – התחלת תנועה ממצב מנוחה לעומת שמירה על תנועה קיימת.
הסעיף המתאים בסילבוס להדמיה
כוח בממד אחד:
נושא
|
פירוט
|
נוסחאות
|
פעילויות מומלצות
|
שעות
|
2.1
כוחות ומדידתם
|
- המושג "כוח", כוח הכובד.
- הגדרה ראשונית של יחידת הכוח "ניוטון". המושג "משקל" ככוח הכובד.
|
|
|
2
|
2.2
תכונות של כוחות
|
- הכוח כווקטור.
- המושג "כוח שקול".
- חיבור כוחות (באופן גאומטרי ובאופן אלגברי).
- החוק השלישי של ניוטון.
|
|
- הדגמה: כוחות מתחברים על פי כלל חיבור ההעתקים.
- הדגמות: כל פעולת כוח היא צד אחד של אינטראקציה.
- ניסויים: החוק השלישי של ניוטון באופן כמותי.
|
3
|
2.3
התמדה
|
- התמדה.
- תנאי להתמדה ().
- התמדה בציר מסוים.
|
|
- הדגמה: תנועת גוף על מסלול עם חיכוך קטן.
|
3
|
2.4 מתיחות, כוח נורמלי וכוח חיכוך
|
- כוח נורמלי;
- אדהזיה; חיכוך קינטי; חיכוך סטטי.
|
|
- ניסוי: דינמומטר אופקי קשור לשתי משקולות בחוטים הכרוכים סביב שתי גלגילות.
|
4
|
2.5
ניתוח מצבי התמדה פשוטים
|
דוגמאות:
- גוף נגרר במהירות קבועה על משטח אופקי באמצעות כוח אופקי ובאמצעות כוח נטוי.
|
|
- הדגמות שונות של מערכות הכוללות חוטים, משקולות ודינמומטרים.
|
4
|
2.6
החוק השני של ניוטון
|
- הקשר בין כיוון הכוח השקול לבין כיוון התאוצה בתנועה בקו ישר ובמישור.
- הקשר בין גודל הכוח השקול לבין גודל התאוצה בתנועה לאורך קו ישר ובמישור.
- המסה של גוף כמדד להתמדתו (מסה התמדית).
- הקילוגרם - יחידת המסה ב- SI .
- ניסוח החוק השני של ניוטון.
- משוואת תנועה.
|
|
- דף עבודה: מציאת הקשר בין כיוון הכוח השקול וכיוון התאוצה (בתנועה חד-ממדית).
|
4
|
|
2.7
כוח הכובד והמסה כמדד לעצמתו
|
- המסה של גוף כמדד לעצמת כוח הכובד הפועל עליו (מסה כובדית).
- מדידת מסה באמצעות מאזני כפות.
- צפיפות ומשקל סגולי.
|
|
- הדגמה: "מסה אינרציאלית" ו"מסה כובדית" הן גדלים פרופורציוניים.
|
2
|
|
2.8
יישום החוק השני לגבי תנועה לאורך קו ישר
|
דוגמאות:
- תנועה על משטח אופקי ועל משטח משופע בהזנחת החיכוך וללא הזנחתו.
- תנועת מעלית.
- הוראת מאזני קפיץ הנמצאים בתוך מעלית כאשר היא נעה במהירות קבועה, כאשר היא מואצת וכאשר היא נופלת חופשית.
- כוחות חיכוך הפועלים על מכונית בהאצה ובבלימה; האצת גוף באמצעות כוח חיכוך.
- מד-תאוצה - גוף קשור בחוט לתקרת מכונית מואצת.
- האצת שני גופים הקשורים בחוט.
- המושגים "דטרמיניזם" ו"יכולת ניבוי".
|
|
- ניסויים: מציאת מקדם החיכוך, יישום החוק השני של ניוטון במערכות דו-גופיות.
- גיליון אלקטרוני: פתרון נומרי של משוואת תנועה.
|
9
|
|
שימוש בהוראה
- כעזר בזמן הוראת הנושא (הקרנה על הלוח) של פעולת כוח על גוף בממד אחד.
- 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
כפתורי הרצת ההדמיה
בתחילה יש לקבוע את הכוח הפועל (Apply a Force) .
ניתן לבצע זאת במספר שיטות:
- ניתן לרשום את ערך הכוח הפועל במספרים.
- ניתן לגרור את ווקטור הכוח על המסך, להגדילו להקטינו, ואף להפוך את כיוונו.
לאחר קביעת הכוח, יש ללחוץ על כפתור ההרצה (Go) .
ניתן לנקות את המסך באמצעות לחיצה על כפתור "נקה" (Clear) .
את הפעילות שיצרנו ניתן להריץ מחדש (כמו לאחר הקלטה), תוך שימוש בכפתורים המוכרים ממכשירי הקלטה: נגן שוב (Playback) , עצור לרגע (Pause) , גלגל להתחלה (Rewind) :
ניתן לבחור גופים שונים להזזה , השונים זה מזה בתכונותיהם (גודל, משקל, מקדם חיכוך, וכו').
הבחירה מעשית באמצעות לחיצה על הגוף המתאים (כבתמונה):
ניתן לבחור אם רוצים להפעיל חיכוך (Friction) בהדמיה, ואם רוצים שיהיו גבולות או מחסומים (Barriers) בקצה מסלול התנועה .
מבצעים זאת באמצעות סימון הריבוע הקטן המתאים, כפי שרואים בתמונה:
ניתן ללחוץ על כפתור בקרות נוספות (More Controls) , ולקבל אפשרויות נוספות לשינוי פרמטרים, כפי שרואים בתמונה:
- ניתן לשנות את תאוצת הגרביטציה (Gravity) , גם באופן רציף, באמצעות גרירת הזחלן, וגם ברישום מספרי של הערך הרצוי בחלון הקטן. כמו כן מסומנים המקומות המתאימים לתאוצות הגרביטציה על הירח (Moon) ועל כוכב הלכת צדק (Jupiter) .
- ניתן לשנות את ערך המסה של הגוף הנע (Mass) , גם באופן רציף, באמצעות גרירת הזחלן, וגם ברישום מספרי של הערך הרצוי בחלון הקטן.
- ניתן לשנות את ערך מקדם החיכוך הסטטי (Static Friction) , גם באופן רציף, באמצעות גרירת הזחלן, וגם ברישום מספרי של הערך הרצוי בחלון הקטן.
- ניתן לשנות את ערך מקדם החיכוך הדינמי (קינטי) (Kinetic Friction) , גם באופן רציף, באמצעות גרירת הזחלן, וגם ברישום מספרי של הערך הרצוי בחלון הקטן.
- יש אפשרות להשתמש בעזרה (Help) , באנגלית.
תצוגות ההדמיה
באמצעות סימון הריבוע המתאים (ראה תמונה), ניתן להציג בהדמיה זו את:
- הכוח הכולל (Show F Total ) .
- כוח החיכוך (Show F Friction ) .
- הכוח החיצוני פועל (Show F Applied ) .
בהדמיה זו ניתן להציג גרפים שונים :
- גרף של הכוח החיצוני הפועל כפונקציה של הזמן (הגרף המופיע על המסך כברירת מחדל), כפי שרואים בתמונה:
ניתן לבחור הצגת גרפים שונים באמצעות לחיצה על הכפתור המתאים, עליו כתוב:
- גרף תאוצה (Graph Acceleration) .
- גרף מהירות (Graph Velocity) .
- גרף מיקום (Graph Position) .
ניתן להתקרב או להתרחק באמצעות שימוש בכפתורים המתאימים הנראים כמו "זכוכית מגדלת" סימן + להתקרבות (הגדלה), וסימן – להתרחקות (הקטנה):
תצוגה לדוגמה של גרף של כוח משתנה במהלך ההדמיה:
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. קבצי הפעילות כוללים הוראות להרצה של ההדמיה, איסוף נתונים מההדמיה, הדגמה של ההדמיה ביחד עם שאלות אינטראקטיביות שהתלמידים עונים באמצעות
דפי פעילות באנגלית שפותחו באוניברסיטת קולורדו: