אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

א.מוצע להציג את המושג "עבודה" ואת "משוואת עבודה-אנרגיה" בשלושה שלבים:

שלב ראשון: דיון במצבים שבהם כוחות קבועים פועלים על גוף נקודתי ותנועתו מתרחשת לאורך קו ישר. במסגרת דיון זה יפותחו המושגים: "עבודה", "אנרגיה קינטית" ו"משפט עבודה-אנרגיה". 

לגבי המושג "עבודה":

1.  עבודה תוצג על-ידי שני ביטויים מתמטיים (שקולים): ביטוי אחד הוא   (כל אחד מן הגדלים  ו-  יכול להיות חיובי או שלילי - בהתאם לכיווּן הציר). הביטוי האחר הוא   ( ו- חיוביים). הביטוי השני מדגיש את הסקלריוּת של העבודה.

2.  מומלץ להציג את העבודה גם על-ידי מכפלה סקלרית: .

3. יש להדגיש כי ההעתק המופיע בהגדרת העבודה הוא של נקודת האחיזה של הכוח. ה- המופיע בפיתוח "נוסחת עבודה-אנרגיה", מייצג את העתק (מרכז המסה של) הגוף. אולם כיוון שהנוסחה מפותחת עבור גופים נקודתיים - שני ההעתקים שווים. לגבי גוף שאינו נקודתי - ההעתקים יכולים להיות שונים זה מזה, ואז עלולות להתעורר בעיות מושגיות. דוגמה: כאשר מכונית מואצת על-ידי כוח חיכוּך סטטי (ומזניחים את התנגדות האוויר), מכפלת כוח החיכוּך בהעתק המכונית שווה לשינוי באנרגיה הקינטית של (מרכז המסה של) המכונית. אולם, מכפלה זו אינה שווה לעבודה הנעשית על המכונית - העבודה הנעשית עליה על-ידי הכביש שווה לאפס.

4.  חשוב לומר כי המשמעות היום-יומית של המונח עבודה (תיאור פעילות המצריכה מאמץ גופני או שכלי) אינה זהה למשמעות של המונח בפיזיקה (כינוי לביטוי   המייצג כמות אנרגיה מומרת).

5.  יחידת העבודה תכוּנה ג'וּל - J .

 לגבי המושג "אנרגיה קינטית":

1. נוסף לביטוי ה"רגיל" , רצוי לפתח גם את הביטוי  המשמש בלימוד הנושא "קרינה וחומר".

2. יש לציין שאנרגיה קינטית היא גודל סקלרי וכי היא תלויה במערכת הייחוס.

שלב שני: דיון במצבים שבהם כוחות המשתנים בגודלם פועלים על גוף נקודתי הנע לאורך קו ישר.

1. את העבודה הנעשית על-ידי כוח משתנה בגודלו יש להציג כ'שטח' התָחום בין עקומת כוח-מקום לבין ציר המקום.

הערה: הסימן של העבודה נקבע גם על-פי סימן הכוח וגם על-פי סימן ההעתק. כאשר מחשבים עבודה על-פי ה'שטח' שמתחת לגרף, חשוב לשים לב שלא ניתן ללמוד מן הגרף בלבד מהו סימן ההעתק. ייתכן שגרף הכוח נמצא ברביע הרביעי, אולם ה'שטח' (ולכן גם העבודה) הוא חיובי.

יש להציג דרכים שונות לחישוב ה'שטח'. (בפרק 3 סעיף 3.1, מפורטות הדרכים לחישוב 'שטח' שמתחת לגרף בהקשר לגרף מתקף-זמן.)

2.   יש להראות כי "משפט עבודה-אנרגיה" תקף גם למצבים שבהם הכוח משתנה בגודלו. ניתן לעשות זאת על-ידי חלוקת מרווח הזמן הכולל של התנועה למרווחי זמן קצרים, שבהם התאוצה בקירוב קבועה, וליישם את "משפט עבודה-אנרגיה" לגבי כל אחד מקטעים אלה. כאשר מחברים את כל המשוואות, מתקבל "משפט עבודה-אנרגיה" לגבי מרווח הזמן הכולל.

שלב שלישי: דיון קצר במצבים שבהם כוחות משתנים פועלים על גוף נקודתי הנע על מסלול עקום.
כאן ניתן להסתפק בתיאור שיטת החישוב (חלוקת המסלול לקטעים קטנים, שבהם הכוח קבוע בקירוב, וקטע המסלול ישר בקירוב), ולהסתפק בדוגמה איכותית של תנועה מעגלית, שבה הכוח השקול יוצר בכל נקודה: א. זווית ישרה עם ההעתק; ב. זווית חדה עם ההעתק; ג. זווית קהה עם ההעתק.

ב. מומלץ שהתרגול יכלול שאלות שבהן התלמידים יתארו תופעות פשוטות במונחים של עבודה ואנרגיה קינטית.

 _________________________________________________________
תכנית הלימודים פיזיקה ל-5 יח"ל תשס"ח, האגף לתכנון ולפיתוח תכניות לימודים,
עמוד 68 מתוך 267 עמודים.
_________________________________________________________