אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מקומו של הפרק

פרק זה, המציג תופעות גליות מכניות ואלקטרומגנטיות, הוא שלב נוסף ביחידת הלימוד "קרינה וחומר" והוא בונה מערכת מושגים וקשרים בתחום תוכן זה. בד-בבד, הפרק ממשיך בפיתוח רעיונות חשובים לגבי התאמת מודל לאור תוך התייחסות לקשר בין תופעות למודלים, הצגת דרכים לאישוש או להפרכה של מודל וגבולות ישימות של מודל. מבחינה היסטורית, הפרק מלווה את התפתחות המודל הגלי של האור במאות ה-18 וה-19 תוך ציון תרומתם של מדענים ידועים.

תכנים ומטרות

מטרות הפרק הן להכיר ולבחון את התופעות הגליות ואת המאפיינים של גל מתקדם (חד-ממדי ודו-ממדי), ללמוד על המשותף והמבחין בין גל מתקדם לחלקיק בתנועה, להכיר תופעות גליות באור, להכיר את הגלים האלקטרומגנטיים ולברר את גבולות המודל הגלי של האור.

בתיאור הגלים והתנהגותם נדגיש את התיאור הצורני ולא נפתח את התיאור המתמטי. (עוד בנושא זה ראו בסעיף דרכי הוראה, להלן.)

ייחודו של הפרק וארגון ההוראה

הוראת הגלים בחטיבה העליונה שונה באופייה מהוראת המכניקה והחשמל מבחינת השימוש בייצוגים מתמטיים מופשטים. אם בהוראת המכניקה והחשמל אנו מקפידים על בניית חוקים מוכללים שמייצגים את התפתחות המערכת במהלך הזמן (החוק השני של ניוטון, חוק פרדיי, חוקי שימור וכיו"ב), ועוסקים בהצגת פתרונותיהם הפורמליים, אפילו עבור מקרים כלליים (תאוצה קבועה עבור כוח קבוע כלשהו, תנועה הרמונית עבור כוח לינארי וכיו"ב) – איננו עושים זאת בהוראת הגלים. איננו בונים משוואות גלים ואיננו מציגים את הצורה הכללית של הפתרונות (), משום שהצגה מופשטת כזאת מקשה על התלמידים. הדבר מחייב גישה פנומנולוגית, הצמודה לאמצעי המחשה. נדגיש את התיאור הצורני של הגלים, לא נְפתח את התיאור המתמטי וניעזר ביכולת ההמחשה של אמבט הגלים, הקפיץ או המיתר.

להבנת פרק זה נתבעת מהתלמידים בשלות מתמטית ופיזיקלית – הן כדי להבין לעומק את המודל הגלי (בממד המרחב ובממד הזמן) והן כדי ליישם אותו תוך בחינת תופעות ופתרון בעיות, בגלים מכניים ובגלים אלקטרומגנטיים. לכן יש לתכנן את מבנה ההוראה בהתאמה להתפתחות הידע והמיומנות של התלמידים.

בכיתה י' נתרכז בהכרת תופעות גליות בגלים מכניים ונעסוק בעיקר בצד הצורני של הגלים כמו שמירת הצורה, המהירות הקבועה, עקרון הסופרפוזיציה, הקשר בין מהירות, תדירות ואורך גל. נכיר תופעות גליות באור הנראה (התאבכות ועקיפה בסדק ובסריג) ונשתמש בהן לביסוס המודל הגלי של האור ולביסוס השלכותיו השימושיות והתאורטיות, כמו קישור בין תחושת הצבע ותדירות האור, זיהוי חומרים, ניתוח הרכב הכוכבים ותנועתם.

רצף ההוראה עשוי לשלב בכל תופעה גלית את ההדגמה הנצפית ומיד לאחריה את התופעה באור, או להדגים את כל התופעות הגליות ולאחר מכן לבדוק את התאמת המודל לאור.

בכיתה י"ב יש להדגיש את הגדלים הפיזיקליים שהגלים נושאים (אנרגיה ותנע) ואת מהות הגלים:גלי קול (וגלים סייסמיים) כתנודות אלסטיות של תווך; גלי אור כהתנהגות מחזורית של השדה האלקטרומגנטי; גלי המים, המסייעים לנו בהמחשה, אך אינם אף אחד משני הסוגים הקודמים.נציין כי הגלים הנוצרים באמבט, מורכבים וכוללים תנודות אורכיות ורוחביות. יש להימנע מדיון במורכבות זו ולהיעזר ביכולת ההמחשה של האמבט, הקפיץ או המיתר.

בהתאם לרמת הכיתה, ניתן לבסס באופן מעמיק יותר את יסודות המחלוקת בין מודל הגלים ומודל החלקיקים, בהסבר התנהגותהאור, ולהכין את הרקע לאפקט הפוטואלקטרי. בכיתות מתקדמות, ניתן לעסוק בקצרה בעקרון פרמה ובאפקט דופלר.

בכיתה י"ב נתאר את "קשרי הרוחב" בין פרק הגלים לבין יחידות המכניקה, והאלקטרומגנטיות. קישור למכניקה – לדוגמה: דיון ברמה האיכותית (מתוך קישור לחוקי ניוטון) על השפעת מתיחות המיתר וצפיפות המסה שלו על מהירות ההתפשטות של גל לאורכו; קישור לאלקטרומגנטיות - הוראת נושא האלקטרומגנטיות מוביל לדיון איכותי במשוואות מקסוול, המהוות בסיס לרעיון הגלים האלקטרומגנטיים המתפשטים במהירות האור, ולניסוי הרץ (1880) המקשר בין האור לגלים אלקטרומגנטיים.

דרכי הוראה מומלצות

בתחילת לימוד הנושא התלמידים מתקשים בהבנת המושג "גל". על כן יש להסביר כי גל מכני הוא יצירת הפרעה במצב שיווי המשקל של תווך חומרי (לדוגמה: טבילת חפץ במים, או פריטה על מיתר מתוח). יצירת ההפרעה גורמת ל'תגובת שרשרת', המתבטאת בהתקדמות ההפרעה לכיוונים שונים כתלות בתנאי הסביבה שהיא נעה בתוכה. יש ללוות את ההסבר בהדגמת תנועת פולס על קפיץ. מאוחר יותר יש להדגיש בפני התלמידים כי הגלים האלקטרומגנטיים שונים מהותית מהגלים המכניים, בכך שאינם נישאים על גבי תווך, ולהזכיר את המושג "אתר", שהומצא על מנת להסביר את מאפייני התפשטות של האור.

אמנם, התופעות הגליות המעניינות בחיי היומיום קשורות לגלי הקול ולגלים האלקטרומגנטיים ובכללם האור, אך לשם המחשה בהירה ניעזר בגלים במיתר ובאמבט. נוסיף כי האופי המיוחד של הגל במרחב ובזמן מחייב להיעזר בהמחשות רבות. את ההמחשות ניתן לבצע באמצעות תצפית ישירה, ניתוח סרטי וידיאו של מערכות פיזיקליות מתנודדות (מיתרים וקפיצים בממד אחד, אמבט גלים בשני ממדים) ובאמצעות הדמיות ממוחשבות בעלות ייצוגים גרפיים מתאימים.

המחשב מאפשר להציג תמונה דינמית של התפשטות ההפרעה, כזאת שאפשר לשלוט בה, לעצור אותה מדי פעם ולבחון את ההשפעה של שינוי פרמטרים בצורה נוחה ביותר. (ללא מחשב, המורה מציג באמצעות לוח וגיר סדרה סופית של מצבים עוקבים כמיטב כישרון הציור שלו, אלא שאין בהם כדי לתת תמונה דינמית.)

עקרון הסופרפוזיציה הוא מרכזי בגלים ומסביר הן את תופעת ההתאבכות והן את היעדר האינטראקציה בין הגלים. אלה הם מאפיינים חשובים, שיש להתעכב עליהם ולהבחין בינם לבין המאפיינים של ההתנהגות החלקיקית. אחת השאלות הקשות להמחשה היא מה מתרחש בעת ששני גלים מזדמנים מכיווּנים שונים לאותו אתר. מה התרחש בזמן החפיפה? מה מתרחש בעקבותיה? הדמיית המחשב מאפשרת שיגור גלים שוני צורה, תדירות או משרעת והמחשה כי בכל רגע ורגע ובכל נקודה ונקודה ההפרעות מצטרפות זו לזו, לפי חיבור אלגבריפשוט; לאחר מכן, כל אחת ממשיכה בדרכה כאילו לא פגשה כלל בהפרעה השנייה.

הערה: בהיעדר מחשב ניתן להתגבר חלקית על קשיי ההמחשה על ידי שימוש בסדרת שקפים מתאימה.