אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

המושגים "פולס" ("זעזוע"), "פולס רוחב" ו"פולס אורך"

א. מוצע לפתוח את הפרק "גלים מכניים ואלקטרומגנטיים" בחיפוש אחר 'ישות' פיזיקלית השונה מחלקיקים, שתשמש בסיס למודל של אור. על 'ישות' פיזיקלית זו להיפלט ממקור כלשהו ולנוע במרחב. כאן המקום להציג תנועת פולס על קפיץ ולבנות את הבסיס למודל של הגלים המכניים: אור מתנהג כפולס מכני.

ב.את הפולס על הקפיץ יוצרים על ידי תנועת היד בכיוון מאונך לקפיץ הנייח, ואז מסתבר שכל שאר חלקיקי הקפיץ נעים בכיוון מאונך לכיוון התפשטות הפולס. אפשר לעשות זאת בכמה דרכים: ניתוח סרטון וידאו, מעקב בחושך אחר תנועת נורית הקשורה לנקודה כלשהי של הקפיץ, מעקב אחר תנועת סרט-נייר או סרט-בד הקשורים לנקודה כלשהי של הקפיץ.

אחרי פעילויות אלה מוצע להגדיר את המושגים "פולס רוחב" ו"פולס אורך".

ג. מומלץ להדגים גם פולס מים (למרות שהוא שייך לנושא "גלים דו-ממדיים") ולהראות שגוף הצף על פני המים עולה ויורד עם מעבר הפולס ואינו מתקדם אתו.

קשיי תלמידים

א. תלמידים נוטים לבלבל בין כיוון ההתפשטות של פולס רוחב, לבין כיוון התנועה של חלקיקי התווך. בהקשר זה יש להדגיש כי מים בקרבת חוף ים ("גלי חוף") אינם תנועה גלית, אלא שילוב של תנועה גלית ותנועת המים לעבר החוף או ממנו. תנועת המים במרחקים העולים על מאות מטרים מן החוף היא בדרך כלל גלית בלבד.

ב. עם השלמת הלימוד של סעיף זה, רצוי שתצטייר אצל התלמידים התמונה הבאה: פולס רוחב נע בקפיץ - חלקיקי הקפיץ הנמצאים לפני שיא הפולס מתרחקים מקו הקפיץ (הקו שלאורכו משתרע הקפיץ הנייח) בכיוון מאונך לקו הקפיץ; חלקיקי הקפיץ שנמצאים מאחורי שיא הפולס מתקרבים לקו הקפיץ בכיוון מאונך לו, ובסופו של דבר נעצרים לאורך קו הקפיץ. יוצא שצורת הפולס הנע אינה משתנה כמעט במהלך תנועתו.

תיאור של פולס

א. יש לאפיין את מקומו של חלקיק קפיץ באמצעות ציר x, את מקומו של חלקיק מים על פני המים באמצעות מערכת צירים xו-y, ואת מקומו של חלקיק אוויר באמצעות מערכת צירים x ,y(x,t) yו-z, ובהתאם לכך למיין את הגלים לחד-ממדיים, דו-ממדיים ותלת-ממדיים.

ב. יש להציג בעזרת תרשים את המושג "העתק". בגל חד-ממדי, יש להגדיר נוסף לציר xגם ציר yהמאונך לקו הקפיץ, כך שראשיתו בקו הקפיץ. ההעתק של נקודת קפיץ מסוימת, שמקומה הוא x, מוגדר כשיעור נקודת הקפיץ בציר ה-y.

ג. אחד הקשיים של תלמידים בנוגע למושג "גל" הוא הבנת תלות ההעתק במקום ובזמן: . לכן יש לדון בשתי תמונות של גל: ההעתק כפונקציה של המקום עבור רגע מסוים, ובקיצור פונקציית "העתק-מקום" (התמונה המתקבלת כאשר מצלמים קפיץ שבו מתפשט גל); העתק כפונקציה של הזמן עבור מקום מסוים של הקפיץ, (התמונה המתקבלת כאשר מצלמים אותה נקודה במספר תמונות עוקבות), ובקיצור פונקציית "העתק-זמן".

מהירות פולס וסוג התנועה בתווך אחיד, השוואה לאור, ומהירות חלקיקי התווך

א. התווך שבו מתקדם הפולס המכני הוא בעל תכונות פיזיקליות (לדוגמה: אלסטיות), שמאפשרות את תהליך העברת האנרגיה והתנע ממקום למקום. לדוגמה: ניתן להסביר גליקול המתקדמים בגזים כמין 'מירוץ שליחים' שבו האנרגיה מועברת באמצעות המולקולות לאורך המסלול. כל מולקולה המקבלת בשלב מסוים את האנרגיה והתנע, מתנודדת ומעבירה הלאה את הגדלים הפיזיקליים האלה.

ב. יש להראות, למשל באמצעות סרטון וידאו, כי מהירות פולס בקפיץ אחיד היא קבועה. זאת בדומה לאור, שמהירותו בתווך אחיד היא קבועה.

ג. יש לעמוד על ההבדל בין מהירות התקדמותו של הפולס המכני לבין מהירותם וכיוון התקדמותם של חלקיקי התווך.

עקרון הסופרפוזיציה

א. אחת התופעות הבסיסיות הקשורות לאור היא העובדה ששתי אלומות אור הנחתכות אינן משפיעות זו על זו.

ב. יש להדגים חיתוך שני פולסים בקפיץ כדי להיווכח שכל פולס ממשיך בדרכו ואינו מושפע מן החיתוך עם הפולס האחר וכדי להראות שההעתק המתקבל בנקודת החיתוך הוא סכום העתקי הפולסים הבודדים.

מעבר פולס מתווך אחד למשנהו, השוואה לאור

א. יש להדגיש שכאשר הפולס מגיע למשטח המעבר בין תווך אחד למשנהו, אין בדרך כלל התאמה שמאפשרת העברה של כל האנרגיה מתווך לתווך. כתוצאה מכך, רק חלק מן הגל מועבר, בעוד שחלק אחר מוחזר. החלק המוחזר מתקדם כך שזווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה. (העברה מושלמת מצריכה "התאמת אימפדנסים" - נושא שאין מלמדים בבית הספר.)

ב. באמצעות מערכת של שני קפיצים השונים זה מזה במסה ליחידת אורך, יש להדגים כי בדומה לאור, גל הנע בקפיץ ופוגע בנקודת הקשר עם קפיץ אחר, מתפצל לגל מוחזר ולגל עובר. כאן רואים יתרון מובהק של מודל הגלים המכניים על פני המודל החלקיקי – באמצעות המודל החלקיקי אי-אפשר להסביר החזרה של אור יחד עם מעבר לתווך השני.

ג. יש להבחין בין מעבר גל מקפיץ 'קל' לקפיץ 'כבד', לבין מעבר גל מקפיץ 'כבד' לקפיץ 'קל'.

החזרת פולס, קצה חופשי וקצה קשור

א. באמצעות קפיץ, יש להדגים כי בדומה לאור, גם פולסים מוחזרים כאשר הם מגיעים לתווך שאינו חדיר עבורם.

ב. יש להדגים החזרת פולס מקצה חופשי של הקפיץ והחזרה מקצה קשור של קפיץ ולעמוד על השוני בהחזרה.

פולס נושא אנרגיה, השוואה לאור

א. יש לדון בכך שפולס, בדומה לאור, נושא אנרגיה (מקורה בעבודה שעשה מקור הגל על קצה הקפיץ), ובסוגי האנרגיה של הפולס בקפיץ.

ב. יש לציין כי האנרגיה של פולס פרופורציונית לריבוע משרעת הפולס ולא לזמן.

ההבדל והדמיון בין חלקיק בתנועה לבין גל

לסיכום הנושא, יש לעזור לתלמידים לחדד את ההבדלים בין חלקיקים לגלים ולהדגיש את ההבדלים הבאים:

1. לחלקיק חומרי אנחנו מייחסים מיקום נקודתי במרחב, בעוד שלגל אנחנו מייחסים תחום קיום מורחב, שבכל נקודה בו קיימת מידה מסוימת של הפרעה לשיווי המשקל.
2. חלקיק חומרי הנע ממקום למקום נושא עמו מסה, אנרגיה, תנע קווי ותנע זוויתי. גל מתקדם נושא גם הוא אנרגיה, תנע קווי ותנע זוויתי ממקום למקום, אך ללא העברה של מסה. מדגימים שוני זה על ידי אבן הנזרקת לעבר לוח זכוכית וגורמת לזעזוע או לשבירה, לעומת גל קול המתקדם באוויר, פוגע בלוח הזכוכית וגורם גם הוא זעזוע או שבר.
3. חלקיקים חומריים אינם יכולים "לחפוף זה את זה", כלומר להתקיים באותו מיקום במרחב. לעומת זאת, גלים שונים יכולים להתקדם באותם אזורים במרחב, לחפוף זה את זה ולהצטרף על פי "עקרון הסופרפוזיציה". "התאבכות" ו"עקיפה" הם מאפיינים מובהקים של גלים: שני גלים יכולים לבטל זה את זה בנקודות מסוימות – דבר שאינו אפשרי עבור שני חלקיקים חומריים.
4. בין חלקיקים חומריים מתקיימות אינטראקציות אשר גורמות לשינויים באנרגיה, בתנע הקווי ובתנע הזוויתי שלהם. בין גלים לא מתקיימת אינטראקציה גם כאשר נוצרת ביניהם חפיפה, והם יוצאים מאזור החפיפה עם אותן תכונות פיזיקליות שאתן נכנסו לאזור זה.