גלים גלי קול, התאבכות גלים

Transcript

1 גלים גלי קול, התאבכות גלים

2 מטרת הפעילות מטרתה של פעילות זו היא למידה על התפשטות גלי קול משני מקורות רוטטים, משני קולנים, הזהים בתדירותם העצמית. נעלה השערות באשר להתאבכות הגלים ונאושש או נפריכ אותן באמצעות שימוש בחיישן המיקרופון של מכשיר ה-"לאב-דיסק"., כריסטיאן הויגנס )בהולנדית מבוטא שמו הויחנס או האוחנס( יליד האג )אפריל 1629 יולי (, 1695 היה פיזיקאי, מתמטיקאי, אסטרונום וממציא הולנדי, מגדולי המדענים במאה ה- 17. בתחום ה פיזיקה פיתח את התיאוריה לפיה האור מורכב מגלים ולא מחלקיקים כפי שטען אייזק ניוטון.

3 מבוא ורקע עיוני מטרת המבוא והרקע העיוני היא למקד את הלומדים בנושא הנדון, לרענן את ידיעותיהם הקודמות בנושא הנדון, ובאמצעות העלאת סוגיות לעודד את הלומדים ללמידת חקר. יילמדו מושגים עיקריים, כ"מושגי מפתח" בתחום הנלמד. מבוא כאשר נקיש באמצעות כפית בנקישה עדינה בדופן כוס המלאה במים, נוכל להבחין בתנודות מחזוריות על-פני המים, למרות שהכפית לא נגעה במים. דופן הכוס העבירה את הרטט למים, והרטט התקדם אל הדופן הנגדית של הכוס. מה ידוע לכם אודות הגל; האם תוכלו לאפיין אותו? תנו דוגמאות לתופעות הגליות בהן אנו נתקלים בחיי יום-יום.

4 מבוא ורקע עיוני איזה ניסוי ניתן לבצע בכיתה, על מנת להשיב לשאלה הבאה: מהי האינטראקציה שבין שני גלים, כיצד משפיעים האחד על האחר

5 מבוא ורקע עיוני רקע עיוני ניתן להגדיר גל כהפרעה או שינוי, שמתקדם בתווך. ניתן לסווג את הגלים לפי התווך שבו הם נעים ולפי כיוון התקדמותם. באשר לתווך שבהם נע הגל, ניתן לסווג את הגלים לשניים: 1. גל מכני, שזקוק לתווך כדי לנוע בו. למשל: נקישה במוט ברזל בקצהו האחד, והרטט ינוע לאורכו של המוט לקצהו האחר; גל הקול זקוק לתווך, כאוויר או אף במים, כדי להתקדם ממקור הרטט והלאה. 2. גל אלקטרומגנטי, שאינו זקוק לתווך כדי לנוע בו, ומתקדם אף בריק, ללא תווך. כמו למשל, האור.

6 מבוא ורקע עיוני ניתן לסווג את הגלים לשתי קבוצות, לפי הכיוון בו הגל מתקדם: בגל אורך רוטטים חלקיקי התווך במגמת התקדמות הגל. בגל רוחב רוטטים חלקיקי התווך בניצב לכיוון התקדמות הגל. גלי אורך וגלי רוחב. גל אורך גל רוחב

7 מבוא ורקע עיוני להלן מספר מושגים הנוגעים לנושא הגלים: "רכבת גלים": רצף של גלים, המתקדמים זה לאחר זה, ברווחים קבועים ושווים. משרעת )A(: הערך המרבי של העתק נקודות הגל ממצב המנוחה של הגל. צומת: אזור לאורכו של הגל בו המשרעת אפסית. שיא הגל: האזור לאורך הגל בו מגיע הגל לערך המשרעת החיובי המרבי. שפל הגל: האזור לאורך הגל בו מגיע הגל לערך המשרעת השלילי המרבי. זמן מחזור )T(: משך הזמן בו משלים הגל מחזור תנודות אחד; במשך זמן זה התקדם הגל מרחק השווה לאורכו.

8 מבוא ורקע עיוני תדירות הגל (f): מספר המחזורים שמשלים הגל ביחידת הזמן )נהוג לנקוב בשניות(. כינוי יחידת התדירות היא "הרץ",(Hertz) וערכה הוא הערך ה ה פ כ י של זמן המחזור. אורך הגל )λ(: המרחק שבין שתי נקודות שיא "רכבת הגלים". )או בין שתי נקודות שפל( לאורכה של מהירות התקדמות הגל ההתפשטות של הגל. (v): מהירות ההתקדמות של נקודה על הגל לאורך ציר אם כך, משוואת הגל

9 מבוא ורקע עיוני מאחר וזמן המחזור של התנודה ה פ כ י לתדר התנודה, נקבל: אורך גל שיא הגל משרעת שפל הגל משרעת

10 מבוא ורקע עיוני כאשר שני גלים או יותר מתפשטים בתווך אחד באותה עת, תתרחש התאבכות בין שני הגלים: התאבכות זו עשויה להיות התאבכות בונה או התאבכות הורסת. התאבכות בונה מתרחשת כאשר שני גלים מתקדמים זה אל-מול זה בתווך, ושני שיאי גל או שני שפלי גל נמצאים באותו איזור בתווך; המשרעת המתקבלת היא סכם של המשרעות של שני הגלים, וזו גדולה יותר ממשרעתו של כל גל בנפרד. התאבכות הורסת מתרחשת כאשר שני גלים מתקדמים זה אל-מול זה בתווך, ושיאו של גל אחד נמצא עם שפלו של הגל האחר באותו איזור בתווך; המשרעת המתקבלת היא הפרש בין המשרעות של שני הגלים; הפרש זה קטן יותר מהמשרעת הגדולה שבין השתיים. הקול מתקדם באוויר, ממקורו הרוטט אל האוזן השומעת, באמצעות גל אורך, שבו מאולצות פרודות האוויר לנוע הלוך-וחזור, וכך יוצרות אזורי לחץ גבוה ואזורי לחץ נמוך, המכים בעור התוף שבאוזן, מחד, ומרפים מאידך, בהתאמה. מהלכן המרבי של פרודות האוויר בתנועתן הלוך-וחזור, זו האמפליטודה של הגל. ככל שמהלכן הלוך-וחזור של פרודות האוויר רב יותר, כך נוצרים הפרשי לחצים ניכרים יותר בין אזורי הלחץ הגבוה לבין אזורי הלחץ הנמוך, והקול נשמע לאוזן בעוצמה גדולה יותר; יותר אנרגיה הושקעה על-ידי מחולל הגל.

11 מבוא ורקע עיוני עוצמת הקול תלויה בגודל המשרעת של הגל )A(. עוצמת הקול נקבעת ככמות האנרגיה הקולית החולפת דרך יחידת שטח, יחידת עוצמת הקול נמדדת ביחידות "דציבל".(dB) עוצמת הקול ביחידות אלה פרופורציונית לגודל המשרעת של גל הקול. ביחידת הזמן. יש לעודד את הלומדים לשער השערות לסוגיות הבאות. השערות אלה תאוששנה או תופרכנה בניסויים הבאים. נקליט גל קול; איך תיראה ההקלטה על הצג? שני גלים, משני מקורות קול שונים, המתקדמים זה לקראת זה האם וכיצד ישפיעו האחד על האחר?

12 מהלך הניסוי הלומדים יניחו את המיקרופון של מערכת ה"לאב-דיסק" בסמוך לקולן, הרוטט בתדר ידוע, ויבחנו את צורתו. קולן נוסף, שירטוט באותו תדר, יונח מעברו האחר של המיקרופון, ותתבצע הקלטה נוספת כאשר ירטטו שני הקולנים בו-זמנית. בניסויים חוזרים ונשנים יבחינו הלומדים בהתאבכויות בונות והורסות שבין שני הגלים.

13 ציוד נדרש לניסוי לאב-דיסק כבל usb שני קולנים בתדר 440 הרץ עם תיבות תהודה ג ר ום לשינוי תדירות מזערי פטיש ג ר ום תיבת תהודה פטיש

14 השימוש ב-"לאב-דיסק" בכדי לבצע מדידות עם ה-"לאב-דסק" וחיישן המיקרופון, יש לתכן את השלבים הבאים: הדלק את ה"לאב-דיסק" בלחצן פתח את תכנת GlobiLab אם המחשב שלך נתמך בתקשורת Bluetooth נמליץ על תקשורת אלחוטית עם ה"לאב-דיסק"? היה ואין במחשבך תקשורת זו, עשה שימוש בכבל,USB פנה למדריך המהיר, זה שמצורף לערכת ה"לאב-דיסק", ולמד ממנו כיצד לקיים את התקשורת החוטית.

15 השימוש ב-"לאב-דיסק" במקרה של שימוש בתקשורת,Bluetooth הקש על סמליל ה- Bluetooth של תוכנת ה- GlobiLab )סמליל זה נמצא בפינה הימנית של הצג(, ובחר במספר "לאב-דיסק" שבו אתה משתמש )המספר מופיע ע"ג מדבקה בתחתית המכשיר(. צבעו של הסמליל יהפוך מאפור לכחול סימן שה"לאב-דיסק" והמחשב מחוברים זה לזה. בכדי להשתמש בתקשורת,USB חבר באמצעות כבל USB בין ה"לאב- דיסק" והמחשב והקש פעמיים על סמליל USB )סמליל זה נמצא בפינה הימנית של הצג(. צבעו של הסמליל יהפוך מאפור לכחול סימן שה-"לאב- דיסק" והמחשב מחוברים באמצעות הכבל.

16 השימוש ב-"לאב-דיסק" לחץ על לחיץ, בחלון setup" "Logger בחר בחיישן מיקרופון, בקצב דגימה 25,000, וב דגימות, כמתואר בצילום מטה.

17 ניסוי ראשון יש לבצע את הניסוי בשלבים הבאים: נתחיל בהקלטה של קולן אחד. תחוב את הקולן למקומו בגב תיבת התהודה הנח את ה"לאב-דיסק" במרחק של כ- 10 סנטימטר מתיבת התהודה; פתח התיבה יפנה אל חיישן המיקרופון שבלאב-דיסק.

18 ניסוי ראשון הכה במזלג הקולן באמצעות הפטיש, והמתן שנייה או שתיים להתייצבות הצליל. לחץ בסמליל RUN שבתוכנה של.Globilab ה"לאב-דיסק" יקליט 1,000 הדגימות על צג התוכנה. דגימות בתוך כשנייה אחת, ומיד תוצגנה

19 תוצאות הניסוי וניתוחן בצעדים הבאים יוסבר כיצד לנתח את תוצאות הניסוי:. אם הדגימות לא עלו על הצג, התבונן בגרף שעל הצג. לחץ על לחיץ לחץ על לחיץ כדי להגדיל קטע של הגרף. לחץ בלחיץ ורשום הערות על-גבי הגרף, בעיקר ציין את ערכי שיא ושפל של המשרעת. לחץ בלחיץ ובחר בשתי נקודות על הגרף, האחת תסמן תחילתה של תנודה, והאחרת את סיומה. השתמש בנתוני הזמן בין שתי נקודות אלה למציאת משך המחזור התנודה, ומכאן - את תדירותה.

20 תוצאות הניסוי וניתוחן כיצד נראה על הצג גל הקול? מהו התדר של הגל?

21 תוצאות הניסוי וניתוחן הגרף להלן הוא גרף שהלומדים עשויים לקבלו:

22 ניסוי שני השלבים מטה ידריכו את הלומד לבצע ניסוי בשני גלים: בניסוי זה נקליט שני קולנים רוטטים, שתדירותם שונה במקצת. בחר setup" "Logger 10,000 בחלון ה- דגימות, כמתואר מטה.

23 ניסוי שני תחוב גם את הקולן השני לגב תיבת התהודה השנייה. הדק את הגרום לאחת הזרועות של הקולן האחר; גרום זה יגרום לשינוי בתדירות הרטט. הנח את שתי תיבות התהודה במרחק כ- 20 סנטימטרים זו מזו, כשפתחיהן פונים זה אל מול זה. הנח את ה"לאב-דיסק" במרכז בין שני פתחי תיבות התהודה, כך שחיישן המיקרופון פונה לשתיהן בצורה זהה. הכה בפטיש את שני הקולנים, והמתן שנייה אחת או שתיים עד להתייצבות הצליל. לחץ על סמליל RUN שבתוכנת ה-.GlobiLab ה"לאב-דיסק" יקליט 10,000 דגימות בתוך כשנייה אחת, ומיד תוצגנה הדגימות על צג התוכנה.

24 תוצאות הניסוי וניתוחן בצעדים הבאים יוסבר כיצד לנתח את תוצאות הניסוי:. אם הדגימות לא עלו על הצג, התבונן בגרף שעלה על הצג. לחץ בלחיץ לחץ על לחיץ כדי להגדיל קטע של הגרף. לחץ בלחיץ ורשום הערות על-גבי הגרף, שיא ושפל של המשרעת. בעיקר ציין את ערכי לחץ בלחיץ ובחר בשתי נקודות על הגרף, האחת את תחילת תנודה אחת, והאחרת את סיומה. השתמש בנתוני הזמן בין שתי נקודות אלה למציאת משך המחזור התנודה, ומכאן - את תדירותה.

25 תוצאות הניסוי וניתוחן האם תואמות התוצאות את השערותיך? היכן תסמן את נקודות השיא והשפל על התצוגה? היכן תסמן את אזור ההתאבכות הבונה ההורסת?

26 תוצאות הניסוי וניתוחן הגרף להלן הוא גרף שהלומדים עשויים לקבלו:

27 מסקנות מהניסוי להלן מוצגות סוגיות אחדות ורמזים לפתרונן, מסקנותיו מהניסוי ומתוצאותיו. כדי לסייע ללומד לבסס את מהו גל? התלמיד יחזור לעיין בהקדמה העיונית, ויבהיר, שגל הוא מסר אנרגטי, המתפשט בתווך, ממקור מסוים אל המרחב שסביבו. תאר מהו גל קול, התייחס לתווך בו מתפשט הגל, ולכיוון התפשטותו. הלומד יצביע על כך שגל הקול הוא גל מכאני המתקדם בתווך )אוויר(. גל הקול מתקדם בכיוון התקדמות הצפיפויות שבאוויר, הנגרמות על-ידי מקור הקול ולכן הוא גל אורך.

28 מסקנות מהניסוי בהתאם לגרף שהתקבל, אלו התאבכויות מופיעות בו ומדוע? הלומד יבחין בין ההתאבכויות הבונות וההורסות המשתנות על ציר הזמן בגרף שהתקבל. הלומד יחזור וייווכח באמצעות ניתוח הגרף, כיצד נוצרת התאבכות בונה וכיצד נוצרת התאבכות הורסת. האם יכול הגרף שהתקבל לחזק ולבסס את הנושאים שנדונו במבוא העיוני? הלומד יחקור את הגרף, שקושר בין המשרעת של הגל לזמן, משרעות כתוצרי התאבכויות, תדר של כל גל ומשך מחזורו. ויחשוף את משרעת הגל,

29 מסקנות מהניסוי רצוי כי הלומדים יגיעו למסקנות הבאות: ניתן לאפיין גלים באמצעות מושגים שונים מתוך התבוננות בגרף הגל )משרעת, אורך הגל וכד'( וכן למיין את הגלים לסוגים שונים )מכאניים ואלקטרומגנטיים; אורח ורוחב(. פרט למאפיינים אלו ניתן לחשב מאפיינים נוספים של גל באמצעות הצבת נתונים בנוסחאות )מהירות התנועה, תדר וכד'(. כשמספר גלים נעים בתוך תווך זהה יכולה להתרחש תופעת התאבכות. התאבכות בונה גורמת למשרעת גבוהה יותר חיבור שני הגלים; התאבכות הורסת גורמת למשרעת נמוכה יותר חיסור שני הגלים. צפייה בשני סוגי ההתאבכות בגרפים במהלך הניסוי תעזור להמחיש תופעה זו עבור התלמידים ותחדד את ההבנה שלהם.

30 פעילויות ויישומים נוספים מטרתו של חלק זה היא ליישם את הנושא הנלמד, להרחיב את יריעת ידיעותיהם והבנתם של הלומדים, ולשפר את כושר ההיקש שלהם לניתוח מצבים בלתי מוכרים, שיש בהם נגיעה לתופעת התקדמות הגל בתווך. מהירות התקדמותו של גל בתווך היא,400m/s 1.2m. חשב את משך מחזורו של הגל. ואורכו של הגל התלמידים צריכים ליישם את המושגים שנלמדו, להפיק את המשתנים הידועים מתוך הטקסט ולחשב את המשתנה הרצוי תוך שימוש בנוסחה המתאימה: נתון: מהירות התקדמות הגל: v=400m/s, אורכו של הגל: λ=1.2m משתנה רצוי - משך מחזורו של הגל: T

31 פעילויות ויישומים נוספים פתרון: ניזכר בנוסחה: נשנה את צורת הביטוי: נשתמש בנתונים, נציבם, ונקבל את הנדרש:

32 פעילויות ויישומים נוספים התאם את המושגים שבטור השמאלי להגדרתם שבטור הימני: תדירות מתקדם בחלל ריק מרחק בין שני שיאים או בין שני שפלים גל אלקטרומגנטי יחידתו הפיזיקלית היא "הרץ" "חבילת גלים" הנעה יחדיו זקוק לתווך כדי להתקדם הנקודה הגבוהה בגל המרחק המרבי של נקודת הגל מציר התקדמות הגל גל קול הפרעה שנחלשת ככל שמתרחקת ממקור ה גל מכאני שיא הגל גל משרעת רכבת גלים מהירות התקדמות גל אלקטרומגנטי אורך גל גל אורך גל רוחב

33 פעילויות ויישומים נוספים = = הלומדים יבחנו הצלחתם בהתאמת הטורים: = = = = = = = = =

34 פעילויות ויישומים נוספים על-גבי תרשים זה יש לרשום את כל המושגים שנלמדו בהקשר לגל. הלומדים ירשמו ע"ג התרשים את המושגים שלמדו במקומות הנכונים.

35