ונגב ב רתסא ד " ר :ט : קייורפה שאר ןולא א עבש ש תב ב 'פורפו ונגב ב רתסא ד " ר :י : עדמ ץועי רגרב ב הנח ד " ר :ה : כירעו הביתכ חפאק תירוהז

Transcript

1

2 בגנו אסתר הפרוייקט: דד"רר ראש אלון שבע ופרופ' בתת בגנו אסתר מדעי: ד ד"רר יעוץ ברגר חנה ועריכה: ד ד"רר כתיבה זהורית קאפח

3 1 דגם הוראה דגם הוראה זה מציג את תכנית הלימודים והמטרות הלימודיות של הפרק "", מדגים כיצד ניתן לקדם את המטרות הלימודיות באמצעות מגוון פעילויות ומציע פעילויות הערכה מתאימות. תוכן העניינים עמ' א ב ג ד ה ו מבוא מהלך הפעילויות בכיתה קשיים צפויים והצעות להתמודדות הצעות להערכה מקורות נספחים

4 מטרות לימודיות 2 מבוא א. הנושא "כא"מ מושרה חוק פרדיי וחוק לנץ" הוא הנושא הפותח את הפרק האחרון באלקטרומגנטיות שנקרא השראה אלקטרומגנטית. המטרה המרכזית בהוראת נושא זה, היא הצגת חוק פרדיי וחוק לנץ, המסכמים את דרכי היצירה של כא"מ מושרה וזרם מושרה בעזרת שדה מגנטי. מטרות לימודיות פרק זה מכוון לקדם את ביצועי ההבנה של התלמיד בתחום התוכן ואת מיומנויות הלמידה שלו כמפורט להלן: מטרות בתחום התוכן פיתוח, בדרכים שונות, של הביטוי לכא"מ המושרה המתפתח בין קצות מוט מוליך הנע בשדה מגנטי אחיד והצגה של הרעיונות המרכזיים העומדים בבסיס הפיתוח. קישור בין עבודת הכוח החיצוני המניע מוט מוליך בשדה מגנטי, הפרש הפוטנציאלים המתקבל כתוצאה מהקיטוב במוט וההספק המתפתח בנגד החיצוני. הסבר המשמעות של חוק פרדיי: שינוי בזמן של השטף המגנטי יוצר כא"מ מושרה. שינוי השטף יכול להיווצר בשתי דרכים: שינוי שטח המעגל דרכו עובר השדה המגנטי או שינוי השדה המגנטי דרך המעגל. יישומו של חוק פרדיי במקרים שונים. הסבר סימן המינוס (חוק לנץ) בנוסחה של חוק פרדיי ויישום החוק במקרים שונים. "תרגום" תרשים של מעגל חשמלי שבו מתפתח כא"מ מושרה לתרשים של מעגל חשמלי שווה ערך המכיל סוללה, ופיתוח ביטויים לזרם המושרה וההספק המתפתח במעגל. קישור בין ביטויים אלגבריים לבין הדגמות. מטרות בתחום המיומנויות יכולת להבחין בין מושגים (למשל, כא"מ מושרה לעומת זרם מושרה) ולקשר ביניהם. יכולת לקשר בין תופעה לבין ההסבר הפיזיקאלי שלה. יכולת לתאר תופעה/חוק בייצוגים שונים (למשל, ניסוח מילולי, נוסחה, תרשים גרף) ולקשר בין הייצוגים יכולת לפרוט הגדרה/חוק לשלבים ולמצוא בעזרתם ביטויים נדרשים (למשל, מציאת כיוון הזרם המושרה במעגל חשמלי). יכולת לראות תופעות/חוקים בראייה מערכתית (למשל, חוק לנץ כביטוי לחוק שימור האנרגיה). יכולת להיעזר בדף עבודה כדי לפתור בעיות מורכבות. יכולת לפתור בעיות בנושאים של דגם הוראה זה. יכולת לעבוד בצוות, להקשיב, לתת משוב וללמוד מעמיתים..

5 תוכנית הלימודים 3 תוכנית הלימודים על פי תוכנית הלימודים הזמן המוקצב להוראת הנושא ברמת 5 יחידות לימוד הוא 10 שעות, מכלל 17 השעות המוקצות להוראת הפרק השראה אלקטרומגנטית. ברמת 3 יחידות הזמן המוקצב להוראת הנושא הוא 12 שעות מכלל 16 השעות המוקצות להוראת הפרק השראה אלקטרומגנטית. טבלה 1: פירוט הנושאים על פי תוכנית הלימודים לרמת 3 יח"ל: נושא פירוט נוסחאות פעילויות מומלצות שעות כא"מ מושרה. זרם מושרה. הדגמת יצירת כא"מ 4.1 כא"מ וזרם מושרה. 5 ε= Blvsinα מושרה תנועת מוליך בשדה מגנטי קבוע שטף מגנטי. 4.2 השראה אלקטרומגנטית 3 הדגמות בעזרת מנוע חשמלי מתפרק. d * ε= N Φ dt חוק פרדיי וחוק לנץ (איכותי). * הנוסחה איננה נכללת בחומר החובה

6 תוכנית הלימודים 4 טבלה 2: פירוט הנושאים על פי תוכנית הלימודים לרמת 5 יח"ל: נושא פירוט נוסחאות פעילויות מומלצות שעות 10 ε= φ Blvsinα r r = B da כא"מ הנוצר בין קצות מוליך הנע הסבר בשדה מגנטי אחיד בעזרת כוח לורנץ. הדגמת זרם מושרה בסליל הנע בקרבת מגנט. B 5.1 כא"מ מושרה, חוק פרדיי וחוק לנץ כא"מ הנוצר בלולאה כתוצאה מתנועתה יחסית לשדה מגנטי. הדגמות אוסצילוסקופ. בעזרת dφ ε = N B dt שטף מגנטי דרך משטח. מדידת B בעזרת סליל חוק פרדיי. בוחן. כא"מ הנוצר בלולאה כתוצאה משינוי בזמן של השדה המגנטי. מרים במנוע כא"מ משא. חוק לנץ וקביעת כיוון הזרם המושרה. מרים מנוע בלימת משא. חוק לנץ כנובע משימור אנרגיה. מגנט נופל בתוך צינור אלומיניום.

7 רצף הפעילויות המוצע 5 ב. מהלך הפעילויות בכיתה בפרק זה מוצעות 6 פעילויות שונות הוראה ולמידה של ברצף של הפרק. בטבלה הבאה מופיע פירוט הפעילוי תו 1 המוצעות ומספר השעות המומלץ לכל פעילות. רצף הפעילויות המוצעות תאור הפעילות נושאי הפעילות מרכיבי הפעילות מספר שעות הדגמת תופעת ההשראה האלקטרומגנטית על ידי תנועה של מגנט מוט בסביבת סילונית 5) 4 יח"ל) 3) 7 יח"ל) פתיחה הכרת תופעת ההשראה האלקטרומגנטית השראה אלקטרומגנטית המתקבלת עלידי פעילות 1 תנועה של מוט מוליך בשדה מגנטי אחיד זרם מושרה המקור לאנרגיה המתפתחת במעגל תרגול 1 חלוקת השעות המוצעת כאן היא עבור סך השעות הרשומות בתוכנית הלימודים. מורה שמקדיש מספר שעות כולל גדול יותר יתייחס לחלוקה היחסית של שעות אלה.

8 רצף הפעילויות המוצע 6 תאור הפעילות נושאי הפעילות מרכיבי הפעילות מספר שעות מושג השטף המגנטי 3 חוק פרדיי וחוק לנץ חוק פרדיי: הקשר בין קצב השינוי בשטף מגנטי ובין הכא"מ המושרה חוק לנץ: קביעת כיוון הזרם המושרה על פי שימור אנרגיה. וניסוח ראשוני לחוק פרדיי: ε= φ B d dt יישום של חוק פרדיי בדוגמת הכא"מ הנוצר בין קצות מוט מוליך הנע בשדה פעילות 2 מגנטי אחיד חוק לנץ הכא"מ המושרה 2 הכא"מ המושרה הנוצר בלולאה כתוצאה משינוי השטף המגנטי דרכה יישום חוק פרדיי וחוק לנץ בלולאה מוליכה במקרה שהיא נעה בשדה מגנטי או במקרה שחלים שינויים בשדה המגנטי בו היא נמצאת. יישום חוק פרדיי וחוק לנץ עבור כא"מ מושרה הנוצר בין קצות סליל דק או סילונית. הנוצר בלולאה כתוצאה מתנועתה 2 יחסית לשדה מגנטי כא"מ הנוצר בלולאה כתוצאה משינוי בזמן של השדה המגנטי הרחבת חוק 3 פרדיי : כא"מ הנוצר בין קצות סליל דק וסילונית כתוצאה משינוי של השדה המגנטי: פעילות 3 φ B d ε= N dt 2 3 ניתן להיעזר במצגת הרחבה זו מיועדת לרמת 5 יח"ל

9 רצף הפעילויות המוצע 7 תאור הפעילות נושאי הפעילות מרכיבי הפעילות מספר שעות 1 דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת ניתוח בעיה ככלי לארגון ידע: בעיה שבה נתון מקור לשדה מגנטי המשתנה בזמן ולא השדה המגנטי עצמו לפני חלק ראשון פתרון הבעיה פתרון חלק שני הבעיה אחרי חלק שלישי פתרון הבעיה 4 פעילות 4 שטף מגנטי משתנה יישומון חקירה באמצעות הדמיה של הגורמים המשפיעים על הכא"מ המושרה ו/או: חוק פרדיי שיעורי בית להגשה פעילות 5 *1 6 הדגמת חוק לנץ הדגמה המדגישה את סימן המינוס בנוסחה הדגמת גלילים הנופלים בתוך צינור אלומיניום אנכי וקישור בין הנוסחה ε dφ = N dt B 5 פעילות 6 לבין ההדגמה בדגם הוראה זה נפרט את פעילויות 4 2, 1, ו, 6, את פעילות 3 אנחנו ממליצות לבצע בהתאם לכתוב בספרי הלימוד *ברמת 5 יח"ל, נספר כחלק משעות המעבדה פעילות זו מיועדת להוראה ברמת 5 יח"ל ניתן להקדים פעילות זו בהמשך לפעילות 2. ברמת 3 יח"ל ניתן להמיר פעילות זו הדגמות בעזרת מנוע חשמלי מתפרק.

10 פעילות 1: פתיחה 8 פעילות : 1 פתיחה קודם לנושא זה הכירו התלמידים את המושג "שדה מגנטי" ומקורות לשדה המגנטי שאחד מהם הוא זרם חשמלי. התלמידים למדו על השדה המגנטי הנוצר עלידי תיל ישר וארוך, לולאה מעגלית, סליל דק וסילונית נושאי זרם. בנוסף, התלמידים למדו על הכח המגנטי הפועל על חלקיק טעון הנע בשדה מגנטי, כח לורנץ, וכן על כח מגנטי הפועל על תיל נושא זרם. בפעילות הנוכחית התלמידים יכירו את התופעה ההפוכה ליצירת שדה מגנטי ע"י זרם והיא: יצירת כא"מ וזרם ע"י שדה מגנטי, תופעה שנקראת "השראה אלקטרומגנטית". ההכרות הראשונית תתמקד בהשראה אלקטרומגנטית המתקבלת בעת תנועה יחסית בין מגנט ומוליך ותעשה ע"י הדגמת זרם מושרה בסילונית וניתוח, בעזרת כוח לורנץ, של זרם מושרה הנוצר במוט מוליך הנע בשדה מגנטי. מטרות: 1 הדגמת תופעת ההשראה האלקטרומגנטית עלידי תנועה של מגנט מוט בסביבת סילונית התלמידים יצפו בהדגמת מגנט מוט המונע אל ומתוך סילונית ויעקבו אחרי הוריית מד זרם המחובר לסילונית. התלמידים יוכלו לציין, עלפי הוריית מד זרם, מתי נוצר כא"מ מושרה במעגל חשמלי זה, התלמידים ידעו לתאר במילים מספר דרכים ליצירת הכא"מ המושרה בסילונית באמצעות מגנט מוט, מהם הגורמים המשפיעים על גודל הזרם המושרה ועל כיוונו. כמו כן, התלמידים ידעו לציין באילו מצבים יחסיים בין המגנט והסילונית, לא נוצר כא"מ מושרה בסילונית. 2. השראה אלקטרומגנטית המתקבלת עלידי תנועה של מוט מוליך בשדה מגנטי אחיד התלמידים ידעו לציין את הרעיונות המרכזיים על פיהם ניתן להסביר את אופן יצירת הכא"מ המושרה במהירות קבועה במאונך לשדה מגנטי אחיד ובמאונך לציר האורך שלו: קיטוב בין קצות מוט מוליך הנע המטענים החופשיים שבמוט המוליך הנע בשדה המגנטי, הפרש הפוטנציאלים הנוצר בין קצות המוט כתוצאה מקיטוב זה, השדה החשמלי הנוצר בסביבת המוט, הכוח שהשדה החשמלי מפעיל על אלקטרונים חופשיים במוליך והקשר בין הכח החשמלי ובין הכוח המגנטי הפועל על אלקטרונים אלה כל עוד עובר זרם חולף במוט. התלמידים ידעו גם לתאר בתרשים את הכיוונים של הכוח המגנטי, הכוח החשמלי ואת סימני הקטבים המושרים במוט בהינתן כיוון השדה המגנטי וכיוון תנועת המוט. 3. הביטוי לכא"מ המושרה בין קצות מוט מוליך הנע במהירות קבועה בשדה מגנטי אחיד התלמידים ידעו לפתח ולהסביר את הפיתוח של הביטוי לכא"מ המתפתח בין קצות המוליך בשלוש דרכים שונות: עלפי הקשר בין גודל הכח החשמלי וגודל הכח המגנטי הפועלים על מטען חופשי במוט ברגע בו נפסקת תנועת המטענים במוט הנע, עלפי עבודת הכח החיצוני הדרוש על מנת שהמוט הנע יתמיד בתנועתו ועלפי עבודת הכח המגנטי הפועל על מטען חופשי בתנועתו לאורך המוט.

11 פעילות 1: פתיחה 9 4. זרם מושרה במוט מוליך התלמידים ידעו לקבוע את כיוון הזרם המושרה במוט מוליך הנע בשדה מגנטי. התלמידים ידעו להבחין בין המצבים בהם זורם במוט זרם רגעי (חולף) לבין מצבים בהם זורם זרם עמיד וידעו להסביר את ההבדל ביניהם במושגים של מעגל סגור ומעגל פתוח. במקרה של מילוי התנאי של זרם עמיד, התלמידים ידעו ל"תרגם" תרשים של מעגל חשמלי שבו מוליך נע בשדה מגנטי לתרשים של מעגל שווה ערך שבו מחליפה סוללה את המוליך הנע. התלמידים ידעו גם להראות את הקוטביות הנכונה של הסוללה, לסמן את כיוון הזרם במעגל (כולל במוט) לפתח ביטוי לעוצמת הזרם הזורם במעגל ולהספק המתפתח בנגד חיצוני. התלמידים ידעו גם להסביר מדוע קיום כא"מ מושרה בין קצות המוט הנע בשדה מגנטי אינו מחייב בהכרח קיום זרם מושרה. 5. המקור לאנרגיה המתפתחת במעגל במקרה של מוט נע בשדה מגנטי התלמידים ידעו להסביר מדוע נדרש כוח חיצוני שיבטיח את תנועת המוט בשדה החשמלי, ידעו לפתח ביטוי לעבודה שמבצע כוח זה על המוט ולהראות שהאנרגיה המוענקת לכל יחידת מטען על ידי כוח זה שווה לכא"מ המושרה. התלמידים ידעו גם ליישם את ההגדרה של כא"מ של סוללה למקרה של קיטוב המוט ולהראות שהעבודה שמבצע הכוח המגנטי על יחידת מטען בהסיעו אותו לאורך המוט שווה לעבודה ליחידת מטען שמבצע הכוח החיצוני. יחד עם זה, התלמידים ידעו להסביר מדוע מקור האנרגיה המתפתחת במעגל היא עבודתו של הכוח החיצוני. 6. תרגול התלמידים ידעו לפתור בעיות בנושאים הנ"ל ע"י שימוש בעקרונות שנלמדו בפעילות זו. מהלך הפעילות: משך זמן: 4 שעות ברמת 5 יח"ל, 7 שעות ברמת 3 יח"ל הציוד הנדרש להדגמה: סילונית, 2 תיילים מוליכים, 7 מיקרו אמפרמטר אנלוגי שמצב האפס שלו במרכז הסקלה (כך שבכיוון זרם אחד, מחוג מד הזרם ינוע אל צידה הימני של הסקלה ובכיוון זרם מנוגד, המחוג ינוע אל צידה השמאלי של הסקלה), שני מגנטי מוט השונים בעצמת השדה המגנטי שהם יוצרים (למשל, מגנט מוט אחד ומגנט המורכב משני מגנטי מוט המוצמדים זה לזה במקביל כך שהכיוונים שלהם מתלכדים). 7 אם נמצא במעבדה מיקרואמפרמטר אנלוגי המשמש להדגמה (גדול מימדים), מומלץ להשתמש בו.

12 פעילות 1: פתיחה 10 תאור הפעילות: פעילות זו מתקיימת בדיונים.1 8 במליאה ובעבודה אישית. הדגמת תופעת ההשראה האלקטרומגנטית עלידי תנועה של מגנט מוט בסביבת סילונית במליאה: ב. א. המורה יחבר סילונית אל המיקרואמפרמטר במעגל סגור וישאל את התלמידים מדוע מד הזרם מורה אפס. הסילונית אינה מחוברת לסוללה, אין מקור אנרגיה במעגל החשמלי ולכן לא מתקיימת תנועה של מטענים. המורה יבצע סדרת הדגמות בהן יניע, הלוך ושוב, מגנט מוט אל תוך ומחוץ לסילונית, מיקרואמפרמטר. המורה יניע את המגנט במהירויות שונות, יעצור מדי פעם מחוץ לסילונית ובתוכה, המחוברת אל יהפוך את כיוון המגנט ויחזור להניע את המגנט, יחליף את המגנט במגנט חזק יותר ויחזור על התנועות. המורה יבקש מן התלמידים לעקוב אחרי הוריית מד הזרם במשך ההדגמות. עבודה אישית: ההדגמה. במליאה: המורה יבקש מהתלמידים לתאר א. תשובות התלמידים תרשמנה על הלוח. למשל, תנועה יחסית בין המגנט והסילונית במחברותיהם את גרמה לזרם דרך הסילונית. במנוחה בתוך הסילונית או מחוץ לסילונית לא זרם דרכה זרם. כיוון תנועת המגנט משפיע על כיוון הזרם בסילונית כיוון השדה המגנטי שיוצר המגנט משפיע על כיוון הזרם בסילונית מהירות הנעת המגנט משפיעה על עצמת הזרם החשמלי בסילונית התנהגות מד הזרם עצמת השדה המגנטי שיוצר המגנט הנע משפיעה על עצמת הזרם בסילונית בשלבים השונים של לעומת זאת כאשר המגנט היה ב. המורה יפנה את השאלה הבאה אל התלמידים: "האם העובדה שמגנט יוצר זרם חשמלי מפתיעה?", ויכוון את הדיון לכך שעד כה למדנו שזרם יוצר שדה מגנטי ולכן מתבקש לבדוק אם קיימת גם התופעה ההפוכה: שדה מגנטי יוצר זרם. המורה יסכם חלק זה של הפעילות: התופעה שבה נוצר זרם חשמלי ע"י שדה מגנטי נקראת "השראה אלקטרומגנטית", הכא"מ שנוצר נקרא 9 "כא"מ מושרה". 10 השראה אלקטרומגנטית המתקבלת עלידי תנועה של מוט מוליך בשדה מגנטי אחיד כאמור לעיל, הניתוח הראשוני לאופן שבו נוצר כא"מ מושרה יעשה ע"י ניתוח תנועת מוט מוליך בשדה מגנטי. לשם כך יציג המורה במליאה את הדוגמה הבאה: בפעילות מליאה כל התלמידים ממוקדים באותו עניין, למשל, דיון כיתתי, הצגת פתרון בעיה על הלוח או הדגמה כאן יש להדגיש שבעוד שכא"מ מושרה מתקבל בכל מקרה, הזרם המושרה הינו זרם חולף. הכוונה למוט שהעובי/הרוחב שלו זניח ביחס לאורכו. לעיתים השימוש הוא במונח תיל.

13 פעילות 1: פתיחה 11.B v מוליך ישר לא טעון שאורכו l נע במהירות קבועה באזור בו קיים שדה מגנטי אחיד המוליך, מהירותו והשדה המגנטי מאונכים זה לזה כמוראה בתרשים הבא: x x x x x x x x x x x x v x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x מוט מוליך הנע בשדה מגנטי, המוט, מהירותו והשדה המגנטי בו הוא נע, מאונכים זה לזה א. את הצגת ההסבר לאופן שבו נוצר כא"מ מושרה, מומלץ להתחיל בעזרת כח לורנץ. הרעיונות המרכזיים בהסבר זה הם: במוליך יש מטענים החופשיים לנוע. כאשר מניעים את המוליך במאונך לקווי השדה המגנטי, נעים גם המטענים החופשיים הנמצאים בו בכיוון מאונך לקווי השדה המגנטי. על מטען חשמלי הנע בשדה מגנטי פועל כח לורנץ שאת כיוונו קובעים בעזרת כלל יד לפיכך מטענים חופשיים שבמוליך ינועו לאורך המוט וייווצר קיטוב מטענים בקצות המוט המוליך. ימין/שמאל. קיטוב המטענים החשמליים יוצר הפרש פוטנציאלים בין קצות המוט ושדה חשמלי מחוץ לו ובתוכו. שדה זה מפעיל על המטענים החופשיים במוט כח חשמלי, המנוגד בכיוונו לכיוון הכח המגנטי הפועל עליהם. בעוד שהכוח המגנטי הפועל על המטענים החופשיים קבוע בגודלו, הכוח החשמלי גדל כל עוד ממשיכים מטענים חופשיים לנוע לאורך המוט. ברגע בו הכוחות החשמלי והמגנטי יהיו שווים בגודלם תיפסק תנועת המטענים החופשיים לאורך המוליך. הפרש הפוטנציאלים תנועת המטענים החופשיים פוסקת. 11 בין קצות המוט הוא הכא"מ המושרה בו. כא"מ זה מגיע לערכו המירבי כאשר במהלך הקיטוב יש תנועת מטענים, כלומר נוצר 12 זרם מושרה על הסיבה מדוע כא"מיורחב בהמשך קיים מקור, בו נדון בהמשך, המספק אנרגיה למטענים החופשיים המונעים לאורך המוליך,

14 פעילות 1: פתיחה 12 המוט אם יונע במקביל לקווי השדה המגנטי, על המטענים החופשיים שבו לא יפעל כח לורנץ, לא תהיה תנועת מטענים לאורך המוט ולא יהיה קיטוב של מטענים חשמליים בין קצות המוט, לכן לא 13 ייווצר כא"מ מושרה בין קצות המוט. ב. המורה יפתח את הנוסחה לגודלו של הכא"מ המושרה הנוצר בין קצות המוט כדלהלן: את השדה החשמלי הנוצר במוט וסביבו כתוצאה מקיטוב המטענים ניתן לתאר כמוראה בתרשים הבא: השדה החשמלי הנוצר בסביבת המוט המוליך כתוצאה מהקיטוב החשמלי הנוצר בו במהלך 14 תנועתו בשדה המגנטי במצב בו מסתיימת תנועת המטענים החופשיים לאורך המוט קיים שיוויון בין כח לורנץ והכח החשמלי הפועל על המטען החופשי: qvbsivα=qe השדה האלקטרוסטטי E, שנוצר במוליך עקב הפרדת המטענים החשמליים בתוכו, הוא שדה אחיד הפועל לאורך המוליך, לכן: בין קצות המוט. V E= l ומכאן הפרש הפוטנציאלים בין קצות המוט הוא: כאשר l הוא אורך המוט ו V הוא הפרש הפוטנציאלים (הכא"מ) Blvsinα במקרה שלנו הזווית היא 90=α 0 ולכן הכא"מ המושרה בין קצות המוט הוא: ε=blv 3. זרם מושרה הזרם שנוצר ע"י שדה מגנטי נקרא "זרם מושרה". בהקשר זה יש להבחין בין המצב בו הזרם הוא רגעי (חולף) ובין המצב בו הזרם הוא עמיד. א. זרם מושרה רגעי (זרם מושרה חולף): בדוגמת המוט הנ"ל, במשך הזמן הקצר מאוד מהרגע שבו המוליך מתחיל את תנועתו בשדה המגנטי ועד לרגע שבו נוצר שיווי המשקל בין הכוחות החשמלי והמגנטי (לורנץ) הפועלים על המטענים החופשיים שבתוכו, קיימת במוליך תנועת מטענים, כלומר זורם בו "זרם מושרה חולף". 13 כאן, יכול המורה להפנות לתלמידים שאלה: "מה יקרה אם המוט ינוע בזוית שונה מאפס או 90 מעלות ביחס לקווי השדה המגנטי?" 14 מתוך: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב'

15 פעילות 1: פתיחה 13 ב. כעת ניתן לשאול את התלמידים מה אפשר להוסיף למערכת על מנת שהזרם דרך המוט יהיה כפי עמיד. שנלמד במעגלי זרם, על מנת לקבל זרם עמיד יש צורך במעגל 15 חשמלי סגור. לכן אחת ההצעות שיכולה לעלות מהכיתה היא מבנה המערכת הבא: מוט מוליך נע בשדה מגנטי אחיד על פני מסילה מוליכה, מעגל חשמלי סגור ג. במערכת זו, מהווה המוט הנע בשדה המגנטי את הסוללה במעגל. עכשיו, יחד עם התלמידים המורה יסביר את האנלוגיה למעגל החשמלי המוכר מלימודים קודמים תוך הדגשת ההיבטים הבאים: 18 (1) כיוון הזרם החשמלי הזורם במעגל, עם או נגד כיוון סיבובם של מחוגי השעון לשם כך ישתמשו התלמידים בכלל יד ימין/יד שמאל לקביעת כיוונו של כח לורנץ הפועל על מטען חופשי במוט. (2) תאור המערכת עלידי מעגל חשמלי שווה ערך: R ε=blv כאשר את כיוון חיבור הסוללה קובעים על פי כיוון הזרם המושרה ב( 1 ). (3) האמצעים שבעזרתם ניתן לוודא שאכן זורם זרם במעגל הוספת מד זרם בטור למוט ולנגד התחממות הנגד אם נחליף את הנגד, למשל בנורה, היא תאיר (4) ביטוי עצמתו של הזרם המושרה במעגל בעזרת חוק אוהם I= Blv R אם ניתן להזניח את התנגדות המוט והמסילה ביחס להתנגדות הנגד: כדאי להזכיר לתלמידים שמעגל חשמלי סגור אינו תנאי לזרם במוליך אלא לזרם עמיד. נזניח את החיכוך בין המוט והמסילה מתוך: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות כדאי לחזור ולהדגיש שכיוון הזרם המושרה במוט קובע את הקוטביות של הסוללה ובכל פעם לציין את הקוטב החיובי והקוטב השלילי של המוט הנע.

16 פעילות 1: פתיחה 14 I= :R T אם התנגדות המוט הנע אינה ניתנת להזנחה (ומאחר והוא מתפקד כסוללה במעגל נתייחס להתנגדותו כהתנגדות פנימית של סוללה, r, וההתנגדות השקולה (נגד+התנגדות המסילה) היא Blv + r R T ולאחר ההספק המתפתח בנגד: R P=I 2 וניתן כמובן, להציב במקום הזרם את הביטוי שהתקבל ב (4) כאן יכול המורה להפנות לתלמידים שאלה: "מה מקור האנרגיה המתפתחת בנגד?" שתלמידים יציעו רעיונות, לכוון את הדיון לפי הנקודות המתוארות בסעיף הבא: (5) 4. המקור לאנרגיה המתפתחת במעגל מקור לאנרגיה כלשהי הוא ביצוע עבודה. על מנת להבין את המקור לאנרגיה המתפתחת בנגד או בכל צרכן אחר במעגל החשמלי שנוצר, א. ב. כדאי לקיים בכיתה דיון שעיקריו הם: כדי שהמוט המוליך ינוע במהירות קבועה יש להפעיל עליו כח חיצוני. הסיבה: כתוצאה מהכא"מ המושרה במוט, זורם דרכו זרם. על מוט שזורם דרכו זרם ונמצא במאונך לקווי שדה מגנטי, פועל כח מגנטי. על פי כלל יד ימין/שמאל כיוון הכוח מנוגד לכיוון תנועת המוט את הכח החיצוני צריך להפעיל בכיוון תנועת המוט על מנת שסכום הכוחות עליו יהיה אפס ומהירותו לא תשתנה גודלו של הכח החיצוני שווה לגודלו של הכח המגנטי הפועל על הזרם במוט: BIlsinα עבודת הכח החיצוני היא המקור לאנרגיה המתפתחת במעגל (למשל בנגד). המורה יפתח ביטוי לעבודת הכח החיצוני הזה: וזהו W q q W= F x= BIlsinα (v t) = B lsinα v t= B q l sinα v= (Blvsinαs q t על פי הביטוי הזה, האנרגיה המוענקת לכל יחידת מטען על ידי עבודת הכוח החיצוני היא: = Blvsinα הביטוי שפיתחנו לכא"מ המושרה שנוצר בין קצות המוט המוליך כתוצאה מהנעתו בשדה המגנטי. במקרה שלנו הזווית היא 90=α 0 והכא"מ המושרה בין קצות המוט הוא: ε=blv הרחבה: קישור להגדרת כא"מ של סוללה. ניתן להרחיב את הדיון ולקשר את עבודת הכוח החיצוני שפותח לעיל עם הגדרת הכא"מ של סוללה, כפי שנלמד בפרק מעגלי זרם ישר.

17 פעילות 1: פתיחה 15 המורה יזכיר לתלמידים שניתן לראות את המוט המונע בשדה המגנטי כמקור הכא"מ ויבקש מהתלמידים לכתוב במחברותיהם את ההגדרה של כא"מ: העבודה ליחידת מטען שמבצעת הסוללה בהעתיקה מטען חיובי מן ההדק השלילי אל ההדק החיובי שלה. עכשיו יפותח ביטוי לעבודת הכוח המגנטי הפועל על יחידת מטען בתהליך הקיטוב: בתהליך הקיטוב הכח 19 המגנטי מבצע עבודה על מטענים חיוביים התחתון של המוט אל חלקו העליון: בהעתיקו אותם (בתנאים המתוארים בתרשים הנתון) מחלקו 20 הכח המגנטי הפועל על חלקיק חיובי כתוצאה מהנעת המוט היות שהכח המגנטי קבוע בגודלו ובכיוונו, 21 עבודתו שווה ל : x=(qvbsinα)l F, B לכן העבודה ליחידת מטען שמבצע הכוח המגנטי שווה ל:.Blvsinα וזהו, על פי הגדרת הכא"מ, הכא"מ המושרה הנוצר בין קצות המוט. במקרה שלנו הזווית היא 90=α 0 והכא"מ המושרה בין קצות המוט הוא: ε=blv מהו אם כך המקור לכא"מ עבודת הכח החיצוני הפועל על המוט הנע או עבודת הכח המגנטי הפועל על המטענים? הסיבה לפעולתו של הכח המגנטי על חלקיק טעון היא מהירותו של חלקיק זה המוענקת לו ע"י הכח החיצוני הפועל על המוט. לכן, ברור שמקור האנרגיה הוא עבודת הכוח החיצוני, עבודתו של כוח זה גורמת לקיטוב המהווה את הסיבה ליצירת הזרם המושרה במעגל. 22 אחת משתי הדרכים שתוארו לעיל. לכן, המורה ידגיש שלגיטימי להתייחס למקור הכא"מ בכל 5. תרגול לתרגול הנושאים הנלמדים בפעילות זו מומלץ להשתמש בשלושה סוגי תרגילים: תוך רצון לשמור על עקביות עם הגדרת הזרם ככיוון התנועה של מטענים חיוביים מתוך: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' בביטוי הצבנו שההעתק שלאורכו מבצע הכח המגנטי עבודה על המטען הוא אורך המוט מהסיבה הבאה: על המטען פועל כח לורנץ כתוצאה ממהירות המטען הנובעת מתנועת המוט. כח זה מניע את המטען לאורך המוט, מכאן שבתנועת המטען בלולאה הסגורה הכח המגנטי מבצע עבודה לאורך העתק השווה לאורך המוט. ובלבד שהתלמיד ידע להראות את הקשר בין שתי דרכים אלה.

18 פעילות 1: פתיחה 16 תרגילים בהם מוט מוליך נע שלא כחלק ממעגל חשמלי סגור. תרגילים לדוגמה: מתוך הספר חשמל ומגנטיות מאת ד"ר דוד זינגר: עמ' 248 תרגילים: 5 4, 2, מתוך הספר חשמל ומגנטיות, כרך ב' מאת משה פרידמן: עמ' 173 תרגילים: 14 מתוך הספר פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע: עמ' תרגילים: 10,7 תרגילים בהם מוט מוליך נע כחלק ממעגל חשמלי סגור. תרגילים לדוגמה: מתוך הספר חשמל ומגנטיות מאת ד"ר דוד זינגר: עמ' תרגילים: 17 11, 3, א. ב. ג. מתוך הספר חשמל ומגנטיות, כרך ב' מאת משה פרידמן: עמ' תרגילים: 511, מתוך הספר פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע: עמ' תרגילים:,19,18,8,23 תרגילים המשווים בין המצב בו המוט נע שלא כחלק ממעגל חשמלי סגור עם מצב בו המוט נע כחלק ממעגל חשמלי סגור. מתוך הספר חשמל ומגנטיות מאת ד"ר דוד זינגר: עמ' 249 תרגיל: 9 מקורות: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע פיסיקה תיכונית, חשמל ומגנטיות, פ.סירס מ.זימנסקי חשמל ומגנטיות, ד"ר דוד זינגר חשמל ומגנטיות, כרך ב', משה פרידמן Physics for Students of Science and Enginiring. Part II. D. Halliday & R. Resnick "טיפים": בהדגמה ניתן להשתמש גם באנימציה הבאה: לדיון ביצירת כא"מ בין קצות מוט מגנטי ניתן להיעזר בהדמיה הבאה: ניתן להיעזר במצגת בתרגילים בהם מוט מוליך נע כחלק ממעגל חשמלי סגור, מומלץ להמליץ בפני התלמידים לשרטט מעגל חשמלי ובו במקום מוט מוליך לשרטט סוללה עם קוטביות מתאימה וכך לנתח את המעגל. יש לשים לב שבמהלך הפעילות מדברים על שני כוחות מגנטים:

19 פעילות 1: פתיחה 17 האחד: הכח המגנטי הפועל על מטען חופשי בתוך המוליך כתוצאה מתנועתו ביחד עם המוט בשדה המגנטי, כח לורנץ:,qvBsinα (הכוח שגורם להפרדת המטענים החשמליים במוט) השני: הכח המגנטי הפועל על המטענים הנעים לאורך המוט, כח מגנטי הפועל על תיל מוליך נושא זרם הנמצא בשדה מגנטי: Bilsinα (הכוח הפועל על המוט נושא הזרם שנוצר כתוצאה מהפרדת המטענים החשמליים במוט) יש לחזור ולהדגיש נקודה זו שוב ושוב במהלך ההוראה. במהלך הפעילות מוצעות שלוש דרכים שונות שבעזרתן ניתן להגיע לביטוי הכא"מ המושרה: ע"י מציאת המתח בין קצות המוט ברגע בו הכח המגנטי והכח החשמלי שווים בגודלם, ע"י עבודת הכח החיצוני הדרוש על מנת להניע את המוט במהירות קבועה וע"י עבודת הכח המגנטי הפועל על המטענים הנעים לאורך המוט הנע בשדה המגנטי. מומלץ להציג את שלושת הניתוחים הללו לתלמידים מאחר ובכל אחת מהדרכים מוצעים שיקולים בפיזיקה המשלימים זה את זה וכולם מובילים לאותה התוצאה. בניתוח עבודת הכח המגנטי הפועל על המטען הנקודתי הנע לאורך המוט יש לשים לב שבעוד שפרק הלימוד הקודם, מצאנו שהכוח המגנטי הפועל על מטען נקודתי הנע בשדה מגנטי לא ביצע עבודה על המטען הנקודתי, כאן אנו מבטאים ביטוי לעבודת הכוח המגנטי הפועל על מטען נקודתי הנע בתוך המוליך הנע. דיון בסוגייה זו ניתן למצוא במאמר שכתבו אלי שלו ועוזי שכטר "מאזן האנרגיה במעגל המכיל כא"מ מושרה תנועתית, האם הכוח המגנטי מבצע עבודה?", תהודה כרך 19 חוברת מס' 2.

20 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 18 פעילות : 2 חוק פרדיי וחוק לנץ בפעילות זו מוצגים חוק פרדיי וחוק לנץ, הנובע ישירות מחוק שימור האנרגיה, ויישומם בדוגמת המוט הנע בשדה מגנטי כחלק ממעגל חשמלי סגור. מטרות: 1 מושג השטף המגנטי וניסוח ראשוני לחוק פרדיי התלמידים ידעו לתאר מצבים נוספים, מעבר לתנועת מוט מוליך בשדה מגנטי, בהם נוצר כא"מ מושרה. התלמידים ידעו להסביר מהו שטף מגנטי, ידעו להיעזר באנלוגיה 23 לשטף חשמלי ולחשב את השטף המגנטי העובר דרך שטח נתון. התלמידים ידעו למנות את הגורמים המשפיעים על גודל השטף המגנטי ולתאר במילים דרכים בהן ניתן לשנות את השטף המגנטי דרך שטח נתון. התלמידים ידעו לזהות את השטח שדרכו ימדד השטף המגנטי במעגל החשמלי. התלמידים ידעו להגיד בכתב ובעלפה, כא"מ מושרה שייווצר רק כאשר יש שינוי של שטף שדה מגנטי המעגל החשמלי שטח דרך וידעו להצביע, בדוגמאות שבהן נוצר כא"מ מושרה, מהו השינוי בשטף המגנטי (למשל, הגדלת שטח הכריכה שדרכה עובר שדה מגנטי) שגרם ליצירת הכא"מ מושרה זה. התלמידים ידעו לכתוב את הכתיב המתימטי של חוק פרדיי בניסוחו הראשוני, ל"תרגם" את הנוסחה לניסוח מילולי ולהסביר את משמעות הביטוי "קצב השינוי של השטף המגנטי". 2. יישום של חוק פרדיי בדוגמת הכא"מ הנוצר בין קצות מוט מוליך הנע על גבי מסילה מוליכה בשדה מגנטי אחיד התלמידים ידעו להראות את השלבים ביישום חוק פרדיי כדי לחשב את הכא"מ המושרה בין קצות המוט המוליך הנע על גבי מסילה מוליכה הנמצאת בשדה מגנטי אחיד, יוכלו להראות שהתוצאה המתקבלת תואמת את התוצאה שהתקבלה בניתוח של מושרה במצבים נוספים בהם יש שדות וכוחות וידעו להשתמש בתבנית של שלבים אלה למציאת כא"מ שינוי בשטף מגנטי. 3. חוק לנץ התלמידים ידעו לנסח במילים את חוק לנץ, וידעו להראות את מימושו של חוק לנץ, בדוגמה הנ"ל, כחוק שימור האנרגיה בשני היבטים: א. עצם תנועת מוט מוליך בשדה מגנטי וב. השינוי בשטף המגנטי במעגל החשמלי כתוצאה מתנועתו של המוט. 4. הקשר בין חוק פרדיי וחוק לנץ הנוצר התלמידים ידעו להגיד שחוק לנץ בא לידי ביטוי בסימן המינוס המופיע בנוסחה של חוק פרדיי וידעו לממש את השלבים במציאת כיוון הכא"מ/הזרם המושרה במקרים מגוונים. 5. תרגול התלמידים ידעו לפתור בעיות בנושאים הנ"ל ע"י שימוש בעקרונות שנלמדו בפעילות זו. 23 במידה והנושא נלמד בפרק האלקטרוסטטיקה

21 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 19 מהלך הפעילות: משך זמן: 3 שעות תאור הפעילות: ε= d dt φ B 1. מושג השטף המגנטי וניסוח ראשוני לחוק פרדיי: א. ב. הקדמה: בפעילות הפתיחה ראו התלמידים הדגמה בה נוצר זרם מושרה בסילונית ע"י תנועת מגנט מוט בקרבתה. בנוסף, עסקו התלמידים בניתוח פיזיקאלי של יצירת כא"מ מושרה בין קצות מוט מוליך הנע בשדה מגנטי אחיד ומצאו שכאשר המוט הוא חלק ממעגל חשמלי סגור, נוצר במעגל זרם מושרה, כל עוד המוט נע. כעת המורה יכול לספר לתלמידים שישנם מצבים נוספים שבהם נוצר זרם מושרה ולתאר את ניסויי פרדיי המתוארים בספרי הלימוד. למשל, כאשר מניעים מוליך שצורתו ריבועית בשדה מגנטי אחיד, המאונך למישור הריבוע כך שמהירות תנועתו מאונכת למישור הריבוע ולשדה המגנטי, נוצר זרם מושרה במוליך בעת הכניסה שלו לשדה המגנטי ובעת היציאה שלו מהשדה ואילו כאשר כולו נמצא בשדה המגנטי לא נוצר בו זרם מושרה. בהכללה לכל המקרים שבהם זרם מושרה, הידוע בשם חוק פרדיי: 24 במעגל חשמלי סגור נוצר זרם מושרה, ניסח פרדיי את התנאי ליצירת במעגל חשמלי סגור שבו משתנה השטף המגנטי, זורם זרם חשמלי מושרה. הכא"מ המושרה במעגל פרופורציונלי לקצב שינוי השטף המגנטי דרכו. מושג השטף המגנטי 25 כעת יציג המורה את מושג השטף המגנטי : כאשר: φ = B A cosα B B הוא עצמת השדה המגנטי, וקטור השדה המגנטי ובין וקטור A השטח שדרכו נמדד השטף המגנטי ובין ההיטל שלו המאונך לקווי השדה. השטח שדרכו נמדד השטף המגנטי ו α היא הזווית שבין (דרכים נוספות לתיאור הזווית α: 1. הזווית שבין המשטח.2 הזווית שבין קווי השדה המגנטי ובין המשטח שדרכו נמדד השטף המגנטי). כעת ניתן לשאול את התלמידים: מגנטי התרחש בדוגמאות של פעילות 1? כיצד ניתן לשנות את השטף המגנטי? הזווית המשלימה ל 90 0 את ובהמשך: איזה שינוי שטף חוק פרדיי אינו מתקיים בתנועת מוט מוליך הנע כשאינו חלק ממעגל חשמלי סגור ניתן להזכיר לתלמידים את מושג השטף החשמלי שנלמד בנושא חוק גאוס לחישוב שדות חשמליים.

22 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 20 ג. ע"י שינוי השדה המגנטי, (מגנט המונע לעבר סילונית) ע"י שינוי השטח שדרכו יימדד השטף המגנטי (מוט מוליך המונע על גבי מסגרת מוליכה הנמצאת במאונך לשדה מגנטי) ע"י שינוי הזווית α. 26 ניסוח מתמטי ראשוני לחוק פרדיי כעת המורה יחזור לניסוח חוק פרדיי 27 ויציג את הכתיב המתמטי שלו : dφ כלומר הכא"מ, ε= B dt המושרה במסגרת מוליכה שווה לקצב השינוי של השטף המגנטי דרכה. מבחינה מתמטית, קצב השינוי של השטף הוא הנגזרת של פונקצית השטף לפי הזמן, (t) φ. B ε= d dt φ B פירוש הערך המוחלט: בעזרת הניסוח ניתן לחשב את ערך הכא"מ. את כיוון הזרם ניתן 28 למצוא כפי שלמדנו בפעילות ניתן לסכם זאת ע"י התרשים הבא : I אם המעגל סגור ε dφ יוצר B dt כעת המורה יציע לתלמידים לבדוק את קיומו של חוק פרדיי ע"י יישומו בדוגמה מוכרת, כמפורט להלן: יישום של חוק פרדיי בדוגמת הכא"מ הנוצר בין קצות מוט מוליך הנע בשדה מגנטי אחיד. 30 על גבי מסגרת מלבנית מוליכה, בדוגמת המוט המוליך הנע במהירות קבועה, כך שהמסגרת, מהירות המוליך והשדה המגנטי מאונכים זה.2 לזה, התקבל שהכא"מ המושרה הנוצר במעגל החשמלי הסגור הוא.ε=Blv בטבלה המציגה את רצף הפעילויות (עמ' 67) מוצגת גישת בניית הניסוח המתמטי לחוק פרדיי ברמת 3 יח"ל הנוסחה איננה נכללת בחומר החובה בשלב זה של ההוראה מתוך: פיסיקה, מעוף, שדה ופוטנציאל ארגון מושגים, אסתר בגנו, בתשבע אלון, אורי גניאל, עמ' 173 נזניח את החיכוך בין המוט והמסילה

23 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 21 מוט מוליך נע בשדה מגנטי אחיד על פני מסילה מוליכה 31 ויוצר מעגל חשמלי סגור האם גם מיישום חוק פרדיי, בדיקת קצב השינוי של השטף המגנטי דרך המעגל החשמלי, יתקבל במקרה זה?ε=Blv כדי להשתמש בחוק פרדיי, יש למדוד את קצב השינוי של השטף המגנטי דרך המעגל החשמלי, כלומר דרך השטח המוגדר ע"י המוט, הנגד ושתי צלעות המסילה המחברות את הנגד והמוט. כאשר המוט נע ימינה, כמוראה בתרשים, המגנטי גדל. לכן לפי חוק פרדיי ייווצר כא"מ מושרה במעגל. נביע את תלות השטף המגנטי בזמן ונגזור אותה לפי הזמן: השטח שדרכו נמדד השטף המגנטי גדל. מכאן שהשטף לשם כך נסמן את המרחק של המוט ברגע התחלת תנועתו מהנגד כ x, 0 כלומר ברגע התחלת תנועת המוט,. A 0 = x 0 השטח שדרכו נמדד השטף הוא: l מאחר והמוט נע במהירות קבועה מרחקו x 0 + v מהנגד בכל רגע ורגע הוא: t לכן: φ B = B 0 0 A cosα= B [ l (x + vt)]cos0= Blx + Blvt d B ε= φ dt = Blv אכן אותה התוצאה כפי שהתקבלה בפעילות 1. חוק לנץ בדוגמת המוט הנע מצאנו את כיוון הזרם המושרה במעגל החשמלי על פי כיוונו של הכוח המגנטי הפועל על מטען הנע עם המוט. בדוגמה הנ"ל כיוון הזרם הוא נגד כיוון מחוגי השעון. כעת המורה יציג לתלמידים כיצד מוצאים את כיוון הזרם המושרה בעזרת חוק לנץ. החשיבות של הצגת חוק לנץ היא בכך שחוק זה מסביר את סימן המינוס בניסוח המתמטי של חוק פרדיי כביטוי לחוק שימור האנרגיה א. הצגת חוק לנץ: הכא"מ המושרה מזרים במעגל סגור זרם מושרה בכיוון כזה שתיווצר פעולה מגנטית המנוגדת לסיבה היוצרת את הזרם המושרה מתוך: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות

24 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 22 חוק לנץ נובע ישירות מחוק שימור האנרגיה ומכאן חשיבותו. ה"סיבה" היוצרת את הזרם המושרה, עליה מדבר חוק זה, יכולה להיות תנועתו של מוליך בשדה מגנטי, או שינוי בשטף המגנטי כביטוי לחוק שימור האנרגיה 32 בשטח המוגדר ע"י המעגל החשמלי. לכן, מומלץ שהמורה יציג את חוק לנץ 33 בשתי דרכים. ב. בראשונה בהתייחס לכך שהסיבה היוצרת את הזרם המושרה היא תנועתו של המוט המוליך. בשנייה בהתייחס לכך שהסיבה היוצרת את הזרם המושרה היא השינוי בשטף המגנטי בשטח המוגדר ע"י המעגל החשמלי (כתוצאה משינוי שטח זה). פירוט: המשמעות של חוק לנץ בדוגמת המוט המוליך הנע ללא חיכוך על גבי מסילה מוליכה ויישומו. מוט מוליך נע בשדה מגנטי אחיד על פני מסילה מוליכה, מעגל חשמלי סגור דרך ראשונה: הסיבה היוצרת את הזרם המושרה היא תנועתו של המוט המוליך כאשר המוט המוליך נע ימינה נוצר זרם מושרה במעגל. נניח שיש שתי אפשרויות לכיוון הזרם במעגל: עם כיוון תנועת מחוגי השעון ונגד כיוון תנועת מחוגי השעון ונראה שעל פי חוק שימור האנרגיה רק האפשרות השנייה יכולה להתקיים: אילו הזרם המושרה היה בכיוון תנועת מחוגי השעון, השדה המגנטי שבו נע המוט היה מפעיל על המוט כח מגנטי שכיוונו מתלכד עם כיוון תנועת המוט. במקרה זה, המוט היה מגביר מהירותו והכא"מ המושרה היה גדל מבלי שנדרשת התערבות חיצונית ליצירתו. הגדלת הכא"מ המושרה, היתה גוררת את הגדלת הזרם המושרה העובר במעגל ולכן את קצב יצירת האנרגיה המתפתחת בנגד. כלומר, מתקבל מצב של קבלת אנרגיה ללא השקעת אנרגיה. דבר זה סותר את חוק שימור האנרגיה. לעומת זאת, כיוון זרם מושרה במעגל שהוא בניגוד לכיוון תנועת מחוגי השעון גורם לכך שהשדה המגנטי שבו נע המוט מפעיל על המוט כח מגנטי שכיוונו הוא נגד כיוון תנועתו המקורית של המוט וכדי להבטיח 34 תנועה קצובה (ולכן כא"מ קבוע) של המוט ימינה, יש להפעיל עליו כוח קבוע, שגודלו ככוח המגנטי הפועל על המוט בכיוון התנועה. ושוב אנחנו רואים שכדי להבטיח שיתקיים זרם מושרה במעגל נדרשת עבודה של כח חיצוני למערכת במקרה בו המוליך נע או במקרה בו המעגל נייח אנחנו ממליצות להציג את שתי הדרכים שכן הן משלימות זו את זו ומאפשרות לתלמידים להתמודד עם מגוון גדול של מצבים. גם כאשר תנועתו של המוט איננה קצובה, חוק שימור האנרגיה יחייב להפעיל כוח חיצוני שיפעל על המוט עם כיוון התנועה המקורי, אלא שגודלו לא יהיה קבוע כמתואר באחד הטיפים בהמשך.

25 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 23 לסיכום: אם נתייחס לכך שהסיבה ליצירת הכא"מ (והזרם) המושרה במעגל היא תנועת המוט המוליך, על פי חוק לנץ, כיוון הזרם המושרה במוט הוא כזה, שעל המוט יפעל כוח מגנטי שכיוונו מנוגד לכיוון תנועת המוט. דרך שנייה: הסיבה היוצרת את הזרם המושרה היא שינוי בשטף המגנטי בשטח המוגדר ע"י המעגל החשמלי אילו הזרם המושרה היה בכיוון תנועת מחוגי השעון, הזרם המושרה היה יוצר שדה מגנטי מושרה שכיוונו בכיוון השדה המגנטי שבו נע המוט. דבר זה היה מגדיל עוד יותר את השינוי בשטף המגנטי הנמדד דרך המעגל והכא"מ המושרה היה גדל ללא גבול ומבלי שנדרשת התערבות חיצונית ליצירת אנרגיה זו. דבר זה סותר את חוק שימור האנרגיה. לעומת זאת כיוון זרם מושרה במעגל בניגוד לכיוון תנועת מחוגי השעון יוצר שדה מגנטי מושרה שכיוונו מנוגד לכיוון השדה המגנטי שבו נע המוט, דבר הגורם להקטנת השינוי בשטף המגנטי. מכאן שנוכל ליישם את חוק לנץ לקביעת כיוון הזרם המושרה לפי השלבים הבאים: I. נבדוק האם השטף המגנטי הנמדד דרך המעגל החשמלי גד ל או קט ן..II נקבע את כיוון השדה המגנטי שיוצר הזרם המושרה באופן הבא: אם השטף המגנטי גד ל, הזרם המושרה יהיה בכיוון כזה שהוא ייצור שדה מגנטי מושרה המנוגד לכיוון השדה המגנטי הנתון. אם השטף המגנטי קט ן, הזרם המושרה יהיה בכיוון כזה שהוא ייצור שדה מגנטי מושרה שכיוונו ככיוון השדה המגנטי הנתון..III נקבע את כיוון הזרם המושרה בעזרת כלל יד ימין/שמאל (כלל הבורג) בעזרת כיוון השדה המגנטי המושרה שקיבלנו בשלב.II כעת המורה יסכם עם התלמידים את הרעיונות המרכזיים של פעילות 2: I. השטף המגנטי דרך המעגל החשמלי, נמצא ביחס ישר לגודל השדה המגנטי, B, לשטח המעגל החשמלי,. φb השטף המגנטי ניתן לשינוי ע"י שינוי = B A cosα שבין וקטור השטח ווקטור השדה. α, ולזווית, A, כל אחד משלושת הגדלים אלה..II חוק פרדיי: תנאי ליצירת זרם מושרה במעגל חשמלי סגור הוא שינוי בשטף המגנטי דרכו. ערך הכא"מ המושרה שיוצר את הזרם המושרה פרופורציונלי לקצב השינוי של השטף המגנטי דרך המעגל החשמלי,. ε= d dt φ B הכא"מ הנוצר בין קצות מוט מוליך הנע על גבי מסילה מוליכה בשדה מגנטי פרדיי, עבורו שינוי השטף המגנטי בזמן מתקבל כתוצאה משינוי השטח. הוא מקרה פרטי של חוק.III

26 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 24.IV חוק לנץ: הכא"מ המושרה מזרים במעגל סגור זרם מושרה בכיוון כזה שתיווצר פעולה מגנטית המנוגדת לסיבה היוצרת את הזרם המושרה. בין אם נתייחס אל ה"סיבה" היוצרת את הזרם המושרה כתנועתו של מוליך בשדה מגנטי, או כשינוי בשטף המגנטי בשטח המוגדר ע"י המעגל החשמלי, חוק שימור האנרגיה מחייב פעולה מנוגדת לסיבה זו. V. הקשר בין חוק לנץ וחוק פרדיי: בעוד שפרדיי לא הסביר את סימן המינוס בכתיב המתמטי של חוק פרדיי, לנץ הסביר אותו. מבחינה מעשית, ניתן להסתמך על ההסבר של לנץ ולמצוא את כיוון הזרם המושרה על=פי השלבים הבאים: בדיקה אם השטף המגנטי הנמדד דרך המעגל החשמלי גד ל או קט ן, החלטה על כיוון השדה ה"מושרה" בהתאם לבדיקה, שימוש בכלל יד ימין/שמאל לקביעת כיוון הזרם המושרה. מקורות: פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע פיסיקה תיכונית, חשמל ומגנטיות, פ.סירס מ.זימנסקי פיסיקה, מעוף, שדה ופוטנציאל ארגון מושגים, אסתר בגנו, בתשבע אלון, אורי גניאל "טיפים": בכל מקרה שבו מטפלים בקוטביות של הכא"מ המושרה, יש לעודד את התלמידים, למצוא את הקוטביות בכל הדרכים האפשריות ולהסביר את מהות שימור האנרגיה בכל אפשרות. יש להדגיש: הכא"מ המושרה פרופורציונלי לקצב השינוי בשטף המגנטי ולא לשטף המגנטי. בהחלט יתכן מצב בו השטף המגנטי אינו אפס אך הכא"מ המושרה הוא אפס (מצב בו השטף המגנטי קבוע). בשלב זה של ההוראה, מומלץ להראות לתלמידים שהביטוי לכא"מ המושרה בין קצות מוט נע,,ε=Blv תקף גם כאשר המוט נע במהירות שאיננה קבועה (הרחבה לאופן שבו הביטוי פותח בפעילות 1): השטף המגנטי בכל רגע פרופורציונאלי לשטח המכוסה על ידי המסגרת. שטח זה פרופורציונלי להעתק (שינוי המקום) של המוט. לכן קצב שינוי השטף המגנטי פרופורציונלי לקצב שינוי המקום של המוט. קצב שינוי המקום הוא מהירות המוט. לכן הביטוי תקף בין אם מקומו של המוט משתנה בקצב קבוע (מהירות קבועה) או בקצב שאינו קבוע. לשם כך ניתן להיעזר בתרגילים כדוגמת התרגילים הבאים: מתוך הספר חשמל ומגנטיות מאת ד"ר דוד זינגר: עמ' תרגילים: 12 10, מתוך הספר חשמל ומגנטיות, כרך ב' מאת משה פרידמן: עמ' תרגילים: 32 30, מתוך הספר פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע: עמ' תרגילים: 26,22,20,17

27 פעילות 2: חוק פרדיי וחוק לנץ 25 ברצף ההוראה המוצג בדגם הוראה זה אנחנו מציעות שפעילות 3 תוקדש ליישום חוק פרדיי וחוק לנץ בדוגמאות נוספות, ובהרחבת חוק פרדיי לסליל דק ולסילונית (במקרה שיש יותר מליפוף אחד במעגל החשמלי) כמתואר בספרי הלימוד.

28 פעילות 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת 26 ברוב הבעיות העוסקות פעילות בכא"מ מושרה, 35 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת במיוחד בתחילת הפרק, עצמת השדה המגנטי החיצוני וכיוונו הם חלק מנתוני הבעיה. בפעילות הנוכחית מוצעת דרך עבודה להתמודדות עם בעיה מורכבת יותר. למשל בעיה שבה לא נתון השדה המגנטי, אלא מקור לשדה מגנטי המשתנה בזמן, ועל התלמידים להסיק תחילה מסקנות על השדה המגנטי שנוצר ורק אחר כך להסיק על הזרם המושרה. הפעילות מורכבת מניתוח הבעיה עוד לפני פתרונה, מפתרון הבעיה ובמשוב על הפתרון והיא יכולה לשמש מסגרת לחזרה על הפרק. מטרות: 1.הכרת הבעיה ותכנון הפתרון התלמידים יקראו את הבעיה, יזהו את המרכיבים של המערכת המתוארת בבעיה (למשל, מעגל הכולל סילונית ומקור מתח) ויתנו שם לכל מרכיב. התלמידים יתארו בכתב כל אחד מן המרכיבים במשפטים קצרים, תוך שימוש במושגים ובעקרונות בפיזיקה. לגבי כל מרכיב, התלמידים יכתבו על אילו גורמים הקשורים למרכיב זה ניתן להסיק מניסוח הבעיה (למשל, ביטוי לשטף השדה המגנטי דרך סילונית כתלות בזמן), ומהם החוקים והעקרונות בפיזיקה שעליהם ניתן להסתמך כדי למצוא את הגורמים האלה. 2. פתרון הבעיה התלמידים יעזרו בניתוח שעשו בשלב קודם ויפתרו את הבעיה. 3. משוב על פתרון הבעיה התלמידים יסכמו לעצמם את הלמידה שחוו במהלך הפעילות במענה בכתב על מספר שאלות רפלקטיביות. 4. אחרי פתרון הבעיה התלמידים יוכלו ליישם את מה שלמדו בפעילות זו בהתייחס לבעיות מורכבות אחרות. מהלך הפעילות: משך זמן: שעה אחת 36 תאור הפעילות: הפעילות מחולקת לשלושה חלקים: חלק ראשון לפני פתרון הבעיה, (סעיפים א' ג') חלק שני פתרון הבעיה, חלק שלישי אחרי פתרון הבעיה. חלקה הראשון של הפעילות משלב עבודה אישית, עבודה בקבוצות ודיון במליאה פעילות זו מיועדת להוראה ברמת 5 יח"ל הפעילות מתבססת על השגרות לארגון ידע: "בעיות הן לא רק נוסחאות" הפיזיקה ו"אז מה עשינו?" שפותחו במרכז הארצי למורי

29 פעילות 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת הפעילות המוצעת כאן עוסקת בשאלה הבאה : סילונית קטנה ובה 300 כריכות שרדיוס כל אחת מהן ובין 0.3cm קצותיה מחובר נגד,R=4Ω נמצאת במרכזה של סילונית ארוכה (ראה תרשים). צפיפות הליפופים בסילונית הארוכה היא m/5000, עוצמת הזרם דרכה ניתנת על ידי הביטוי (t I=5t נמדד בשניות ו I באמפר) וכיוון הזרם דרכה נתון בתרשים. מהו כיוון הזרם דרך R ומהי עוצמתו? 1. חלק ראשון לפני פתרון הבעיה בחלק זה של הפעילות, המשלב עבודה אישית, עבודה בקבוצות ודיון במליאה, התלמידים יזהו את מרכיבי הבעיה ויתכננו בעזרתם את פתרון הבעיה. א. עבודה אישית חלוקת המערכת המתוארת בבעיה למרכיבה ותאור של כל מרכיב בעזרת מושגים ועקרונות בפיזיקה. התלמיד יקרא את הבעיה, יפרט מהם מרכיבי המערכת הנתונה בבעייה, יתן שם לכל מרכיב ויתאר כל אחד מהם תוך שימוש במושגים ובעקרונות בפיזיקה. כל תלמיד יציג את תשובותיו בטבלה כדוגמאת הטבלה הבאה: תאור המרכיב תוך שימוש במושגים ובעקרונות בפיזיקה שם המרכיב מספר המרכיב מעגל חשמלי הכולל מקור מתח וסילונית 1 (מעגל ארוכה ראשוני) עיבוד לתרגיל מהספר חשמל ומגנטיות, כרך ב', משה פרידמן: עמ' 181 תרגיל 36

30 פעילות 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת 28 כדי לחסוך בזמן, ניתן לחלק לכל תלמיד את דף העבודה שבנספח 1 ובו נמצאת הטבלה הזאת. בנספח 2 מובאת הצעה למילוי אפשרי של הטבלה. ב. עבודה קבוצתית תכנון הפתרון כעת המורה יחלק את הכיתה לקבוצות עבודה בנות 23 תלמידים. כל קבוצת עבודה (1) תמלא את הטבלה הבאה: שם המרכיב הגורמים, הקשורים החוקים או העקרונות כיצד נעזרים בחוקים או העקרונות למרכיב זה, שעליהם ניתן בפיזיקה עליהם ניתן למציאת גורמים אלה? להסיק מנוסח הבעיה להסתמך במציאת הגורמים מעגל חשמלי הכולל מקור מתח וסילונית ארוכה (מעגל ראשוני) ביטוי המתאר את גודלו של השדה המגנטי במרכז כפונקציה של הסילונית הזמן המגנטי השדה כיוון במרכז הסילונית (2) תשתמש בטבלה על מנת לארגן את שלבי פיתרון הבעיה גם כאן, כדי לחסוך בזמן, ניתן לחלק לכל קבוצה את דף העבודה שבנספח 3 ובו נמצאת הטבלה הזאת. בנספח 4 מובאת הצעת פתרון למשימות שבדף העבודה הקבוצתית. ג. מליאה תכנון כיתתי של פתרון הבעיה על הלוח תמולא טבלה שתבוסס על העבודות בקבוצות, יגובש תכנון כיתתי לפתרון הבעיה ויובהרו סימני שאלה של תלמידים.

31 פעילות 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת 29 חלק שני פתרון הבעיה עבודה אישית. כעת כל תלמיד יפתור את הבעיה הנתונה..2 חלק שלישי אחרי פתרון הבעיה עבודה אישית. כל תלמיד יכתוב משוב אישי לפעילות, מתוך מטרה שיסכם לעצמו את הלמידה שחווה בפעילות זו. לשם כך כדאי לעודד אותו לענות על השאלות הבאות: מהו הדבר החשוב ביותר שלמדת בפעילות זו? א. במה הועיל הדיון הקבוצתי בהבנת הבעיה? ב. במה הועיל הדיון הכיתתי בהבנת הבעיה? ג. מה עדיין לא ברור לך? ד. האם תיקח איתך משהו מהפעילות הזו לפתרון בעיות בעתיד? אם כן, ציין מה. אם לא, כתוב מדוע. ה..3 מקורות: חשמל ומגנטיות, כרך ב', משה פרידמן לקראת מבנה שונה של בחינת הבגרות חוברת פעילויות, באתר של המרכז הארצי של מורי הפיזיקה, טיפוח מיומנויות חשיבה בפיזיקה, חוברת למורה באתר של המרכז הארצי של מורי הפיזיקה, "טיפים": כדי לחסוך בזמן, ניתן לבקש מן התלמידים לבצע את העבודה האישית בבית. בכל מקרה, מאד חשוב לא לוותר על העבודה האישית כדי שכל תלמיד יבוא מוכן לדיון הקבוצתי וישתתף בו על בסיס הידע שלו. העבודה האישית (בכתב) נחוצה גם להערכת הלמידה שיבצע כל תלמיד בשלב המשוב האישי. כדאי להקדיש מספיק זמן לעבודה הקבוצתית. הניסיון מלמד ששלב זה מעורר שיח פורה וענייני בין התלמידים. בקבוצות בהן לא מתעורר דיון (כתוצאה למשל, מכך שתלמידים פשוט מעתיקים את התשובות מעבודה של תלמיד מסויים) כדאי שהמורה יתערב באמצעות שאלות מנחות המבוססות על תשובות התלמידים בעבודה היחידנית. רצוי שהמורה ירשום לעצמו נקודות מעניינות (כולל שגויות) שעולות בקבוצות השונות על מנת שיוכל לשלבם בזמן הדיון הכיתתי. את שלב הדיון הכיתתי חשוב לנהל על בסיס הסיכומים הקבוצתיים. דיון זה מזמן תיקון שגיאות וחשיפת כל התלמידים לתשובות מגוונות ולדרכי חשיבה מעניינות שהוצעו עלידי חבריהם.

32 פעילות 4: דוגמה להוראה של פתרון בעיה מורכבת 30 שלב המשוב האישי חיוני לתהליך הבקרה של התלמיד על מה שלמד. בכיתות בהן התלמידים אינם רגילים לבצע משוב על מה שלמדו, עלולה להתעורר התנגדות לשלב זה. מומלץ לא לוותר אלא לשלב את המשוב בהדרגה (להתחיל בשאלה רפלקטיבית אחת ולהרחיב בהמשך) ולאפשר לתלמידים לבטא בקול את מה שכתבו. לעיתים, תלמידים מגלים שהדברים ה"פעוטים" בעיניהם אותם למדו בפעילות, משותפים להרבה מחבריהם, וזה מחזק אצלם את התחושה שלמדו משהו חשוב ולא "פעוט". דוגמה זאת מדגישה את ההבדל בין השטח המכוסה על ידי קווי השדה המגנטי שנוצר בתוך הסילונית הארוכה לבין שטח החתך המכוסה ע"י הסילונית הקצרה, שהוא הרלוונטי לחישוב השינוי בשטף דרכו. יש לחדד עם התלמידים את ההבדל הזה. לאחר הפעילות ניתן לתת לתלמידים כשיעורי בית את מסילונית 38 כדוגמת הבעיה הבאה : הבעיה כריכה מלבנית מוליכה נמצאת בקרבת תייל ארוך הנושא זרם שעצמתו.I המתייחסת למקור לשדה מגנטי השונה התייל והכריכה נמצאים במישור הדף (ראה תרשים). ציין את כיוון הזרם המושרה בכריכה המלבנית במקרים הבאים: A B D C מקרבים את הכריכה אל התייל. א. מניעים את הכריכה במקביל לתייל במהירות קבועה. ב. הכריכה והתייל קבועים במקומם, מקטינים את עצמת הזרם בתייל. ג. בעיות דומות נוספות: מתוך הספר חשמל ומגנטיות מאת ד"ר דוד זינגר: עמ' 251 תרגיל: 21 מתוך הספר חשמל ומגנטיות, כרך ב' מאת משה פרידמן: עמ' תרגילים: 40 36, 22,23, 20, מתוך הספר פיסיקה, פרקי חשמל ומגנטיות, חלק ב' פרקי מגנטיות, מכון ויצמן למדע: עמ' 130 תרגיל: מתוך: חשמל ומגנטיות, כרך ב', משה פרידמן, עמ' 178 תרגיל 23

33 פעילות 6: הדגמת חוק לנץ 31 פעילות : 6 הדגמת חוק 39 לנץ פעילות זו עוסקת בהדגמת משמעות סימן המינוס (חוק לנץ) שבנוסחת חוק פרדיי. ההדגמה מתבצעת בעזרת גלילים (האחד מגנט והשני לא) הנופלים בתוך צינור אלומיניום חלול אנכי. מטרות: 1. צפייה בהדגמה וניתוח האירועים התלמידים ידעו לתאר את ההבדל בזמני התנועה של שני גלילים, אחד מגנט והשני לא, בתוך צינור אלומיניום ולייחס את ההבדל לעובדה שהגליל שזמן תנועתו גדול יותר הינו מגנט. התלמידים ידעו להשתמש בידע שלהם אודות חוקי ניוטון ולהסביר שההבדל בזמני התנועה של שני הגלילים מחייב שעל כל אחד מהם פועל כוח שקול שונה, כך שעל גליל המגנט פועל בנוסף לכח הכובד כח בכיוון מנוגד לו. התלמידים ידעו להגיד שכוח מתנגד זה הוא הכוח המעכב המתחייב מחוק לנץ וידעו גם להסביר מדוע קיומו של חוק לנץ מחייב כוח מעכב שמגמתו מעלה. כמו כן, התלמידים ידעו להסביר מדוע הוריית הדינמומטר בעת תנועת המגנט בצינור, תומכת בטענה שמגמת הכוח המעכב היא כלפי מעלה. 2. הכללת החוק שהודגם ויישומו בדוגמאות נוספות התלמידים ידעו להסביר את המשמעות של סימן המינוס כחוק שימור האנרגיה בנוסחה של חוק פרדיי וידעו להראות את יישומו של החוק בדוגמאות שונות מבלי להכנס לפרטי המנגנון המניע את האלקטרונים במוליך (במתכונת: "הסיבה שגורמת לכא"מ המושרה היא..., הפעולה המנוגדת לסיבה היא..., לכן כיוון הזרם המושרה הוא...) מהלך הפעילות: משך זמן: 1 שעה (ברמת 5 יח"ל משעות המעבדה) הציוד הנדרש להדגמה: ערכת הדגמה לחוק לנץ, הכוללת צינור אלומיניום חלול וארוך, שבתוכו יכולים לנוע בחופשיות שני גלילים האחד מגנט והשני אינו מגנט וכן מד כח הניתן לתליה לתיקרה ובצידו השני ניתן לתלות את צינור האלומיניום בצורה אנכית לרצפה. (ראו למשל, שולמן או כמודגם 40 בסרטון ( 39 ברמת 3 יח"ל ניתן להמיר פעילות זו בהדגמות בעזרת מנוע חשמלי מתפרק.

34 פעילות 6: הדגמת חוק לנץ 32 תאור הפעילות: א. ב. 41 להלן שתי אפשרויות לביצוע חלק זה של הפעילות: אפשרות I: הדגמה איכותית (במקרה שהציוד להדגמה זמין) התלמידים יצפו בתנועת כל אחד מהגלילים שישוחררו ממנוחה בפתח צינור אלומיניום אנכי. לשם כך ניתן לבחור באחת משתי הדרכים הבאות: דרך 42 הגלילים, שני שחרור בטרם : 1 מראים לתלמידים את צינור האלומיניום ואת הגלילים ומציינים שהאחד הוא מגנט והשני לא. שואלים את התלמידים האם יהיה הבדל בתנועת הגלילים כאשר הם ישוחררו בפתח העליון של צינור האלומיניום. לאחר שהתלמידים יבטאו את התחזיות שלהם, שני הגלילים ישוחררו והתלמידים יראו שאחד מהגלילים מגיע מהר יותר לתחתית הצינור. עכשיו מבקשים מהתלמידים להסביר את ההבדל בתנועת שני הגלילים. אחת מהתשובות המוצעות ע"י התלמידים היא שאחד הגלילים הוא מגנט ולכן הוא "נצמד" למוט האלומיניום. כדי לסתור טענה זו אפשר להראות לתלמידים שאלומיניום אינו מגנט ולכן כשמקרבים את גליל המגנט אל מוט האלומיניום אין משיכה/דחייה מגנטית ביניהם. דרך 2: התלמידים יצפו תחילה בתנועת שני הגלילים מבלי לדעת מהו ההבדל ביניהם ויציעו סיבות להבדל בהתנהגות שני הגלילים. כדי לבצע זאת בדרך חווייתית נציע את האפשרות הבאה: שתי קבוצות תלמידים (אפשר בנים נגד בנות) יתחרו ביניהם כמה פעמים הם יכולים לגרום לגליל לנוע ממנוחה בתוך צינור 43 האלומיניום במשך דקה אחת, מבלי לדעת שיש שני גלילים. לקבוצה הראשונה המורה ייתן את הגליל שאינו מגנט. לקבוצה השנייה, מבלי שישימו לב שהגליל הוחלף, ייתן המורה את גליל המגנט. בשלב הזה ההפתעה של התלמידים רבה, הקודמת. גם כאן נציין, שמיד לאחר היות שלא ציפו ל"עיכוב" בתנועת הגליל, מאחר וזה לא קרה לקבוצה שהתלמידים מציעים את האפשרות שאחד הגלילים הוא מגנט ושזהו המגנט שמשך זמן תנועתו בצינור האלומיניום הוא הארוך יותר, הם מייחסים זאת לכח מגנטי הפועל בינו ובין צינור האלומיניום. לפני שחוזרים על ההדגמה המתוארת בא', תולים את צינור האלומיניום על מד הכוח ומזמינים תלמיד לכתוב על הלוח את הוריית מד הכח. עכשיו, מבקשים מהתלמידים לכתוב במחברותיהם מה יקרה להוריית 40 ככל שצינורות האלומיניום ארוכים יותר, ההבדל בין תנועות הגלילים בולט יותר. כל צינור אלומיניום ומגנט מוט יתאימו להדגמה בפרק הטיפים של פעילות זו מובאת אפשרות לפעילות חקר ברמת 5 יח"ל. ביצוע ההדגמה כפי שמתואר כאן, מבוסס על אסטרטגיית ההוראה. POE Predict, Observe, Explain לפי אסטרטגיה זו, התלמיד מתבקש תחילה לתאר מה יתרחש בהדגמה (תחזית,(Predict לצפות בהדגמה (Observe) ואחר כך להסביר (Explain) מדוע צדק בתחזית שלו או לחילופין, מדוע לדעתו טעה בתחזית. לשם כך, כל קבוצה מעמידה תלמיד אחד סמוך לתחתית הצינור ותלמיד אחד סמוך לפתחו העליון, כך שעם סיום תנועה אחת של הגליל לאורך הצינור, הוא יועבר חזרה לפתחו בדרך המהירה ביותר.

35 פעילות 6: הדגמת חוק לנץ 33 ג. ד. מד הכח בשעה שהגלילים ינועו בתוך הצינור. חוזרים על הניסוי ומסבים את תשומת ליבם של התלמידים לכך שבעוד שנפילת הגליל שאינו מגנט לא שינתה את הוריית מד הכח, הרי שקריאת הדינמומטר גדלה כאשר הגליל המגנטי נע בתוך הצינור. משרטטים את הכוחות הפועלים על הצינור לפני נפילת המגנט בתוכו ומוסיפים כוח הפועל עליו כלפי מטה בזמן נפילת המגנט. לפי החוק השלישי של ניוטון, מתחייב מהדגמה זו, שבעת נפילת המגנט כלפי מטה, מפעיל הצינור על המגנט כוח מעכב כלפי מעלה וזה מתאים לחוק לנץ. (לחילופין, ניתן לתת הסבר בהשוואה למה שהתלמידים למדו על תנועת מוליך בשדה מגנטי: יחסית לגליל המגנטי, צינור האלומיניום נע כלפי מעלה וכתוצאה מכך, על פי חוק לנץ, פ עו ל עליו כח מעכב שכיוונו מטה) עכשיו מומלץ לשאול את התלמידים כיצד ישפיע כיוון השדה המגנטי של הגליל הנופל על תוצאות ההדגמה, ולבצע את ההדגמה כשהגליל המגנטי מוכנס בשני כיוונים שונים אל תוך צינור האלומיניום, פעם כשהקוטב הצפוני שלו פונה כלפי מטה ובפעם השניה, כשהקוטב הצפוני שלו פונה כלפי מעלה. התלמידים יראו שכיוון השדה המגנטי של הגליל הנופל אינו משפיע על התופעה שנצפתה. כלומר: לא משנה מהו כיוון השדה המגנטי של הגליל הנופל בצינור, בשני המקרים של המגנט הנופל, פועל עליו כוח מעכב כלפי מעלה. דיון: הדגמה זו מעידה על כך שעל המגנט הנופל בתוך צינור האלומיניום פועל כוח בכיוון המנוגד לכיוון כוח המשיכה הגורם לתנועתו כלפי מטה. שינוי השטף המגנטי דרך צינור האלומיניום, יוצר לאורך היקף הצינור 44 זרם מושרה המפעיל על המגנט כוח כלפי מעלה. הדגמה זו ממחישה את משמעות סימן המינוס בנוסחה המתארת את חוק פרדיי. עכשיו ניתן לשאול את התלמידים: "מה היה קורה אם הכוח המגנטי ה"מושרה" היה פועל במגמה מטה?" במקרה הזה תאוצת המגנט היתה גדלה, קצב השינוי במהירות היה גדל וכך קצב תוספת האנרגיה הקינטית היה גדול מקצב ההפסד באנרגיה הפוטנציאלית של הגליל, מה שסותר את חוק שימור האנרגיה המכנית. אפשרות : II דף עבודה המלווה בסרטון דף העבודה המלווה בסרטון של ההדגמה, המופיע בקישור הבא: מקורות:,2330 (3)17 ברגר חנה, 1996, חקירת תנועה של גוף בהשפעת כח משתנה: חוק לנץ, תהודה עמ' 44 הסבר מפורט ניתן למצוא ברקע התיאורטי של המאמר "חקירת תנועה של גוף בהשפעת כוח משתנה" תהודה כרך 17 גיליון 3 המופיע בכתובת: לרמת 5 יח"ל בלבד, אולם בכל רמת לימוד ניתן לעשות בכיתה שימוש בסרטון במקרה ואין בביה"ס הציוד הנדרש להדגמה. ניתן לתת כשיעורי בית. במסגרת הזמן המומלצת בתיאור פעילות זו ניתן לבצע רק את הדיון הכיתתי לאחר מילוי דף העבודה.

36 פעילות 6: הדגמת חוק לנץ 34 "טיפים": 47 ניתן לנצל את מערכת הההדגמה לפעילות חקר כמותית כמוצע במאמר "חקירת תנועה של גוף בהשפעת כוח משתנה" "תהודה" 17/3. הסבר הזרמים המושרים בהיקף הצינור אינו פשוט ודורש זמן, לכן מומלץ להציעו כקריאה בבית לתלמידים מתעניינים. לעומת זאת, מומלץ להדגיש שגם אם המנגנון המסביר איך בדיוק הזרם המושרה מעכב את סיבת יצירתו מורכב, חוק לנץ כביטוי לחוק שימור האנרגיה מאפשר לנו מבט גלובאלי על תופעות: אם מושכים ימינה מוט מוליך הנמצא בשדה מגנטי המאונך לו ולכיוון התנועה, יווצר במוט זרם מושרה שיגרום לכוח מתנגד הפועל שמאלה, אם מגנט נע כלפי מטה בתוך צינור מתכת, יפעל עליו כוח מעכב כלפי מעלה. 47 לרמת 5 יח"ל בלבד

37 קשיים צפויים והצעות להתמודדות עם קשיים אלה 35 ג. קשיים צפויים והצעות להתמודדות עם קשיים אלה על פי הספרות המחקרית (ראו למשל מנוסים, על התלמידים להתמודד עם הקשיים הבאים: ( ודיווחי מורים קיום כא"מ מושרה אינו מחייב בהכרח זרם מושרה, או לחילופין, לא דרוש מעגל חשמלי סגור כדי שיווצר כא"מ מושרה. הבנה כי הכא"מ המושרה נמצא ביחס ישר לקצב השינוי של השטף המגנטי ולא לשטף המגנטי הרגעי או לגודל השינוי בשטף המגנטי. הבנה שה כ.א.מ. המושרה נוצר בכל מקרה בו השטף המגנטי משתנה. הבנה מתי להשתמש ב B =ε φ ומה ההבדל ביניהם. t =ε ומתי להשתמש ב d dt φ B קביעת הכיוון של ה כ.א.מ. המושרה. הבנה שכיוון השדה המגנטי שיוצר הזרם המושרה מנוגד לשינוי בשטף המגנטי (ולא לכיוון השדה המגנטי) שגרם להיווצרותו הבנת הקשר בין חוק לנץ לבין חוק שימור האנרגיה. הבנה שזרם משתנה יכול להיות סיבה להיווצרות כ.א.מ. מושרה. הבחנה בין כוחות שונים המעורבים בתהליך של יצירת הכא"מ המושרה במקרה של מוט מוליך הנע בשדה מגנטי (הכוח האחראי לתנועת המוט, הכוח המגנטי הדוחף אלקטרונים חופשיים לאורך המוט, הכוח המגנטי הפועל על מוט כתוצאה מן הזרם הזורם דרכו). הבחנה בין השדה המגנטי הנתון (שהשטף המגנטי שלו משתנה) ובין השדה המגנטי הנוצר כתוצאה מן הזרם המושרה (השדה ה"מושרה"). עלמנת להתמודד עם קשיים אלה מומלץ: להדגיש בכל מקרה שבו דנים על זרם מושרה, אם הזרם חולף או מתמשך ולבקש מהתלמידים להסביר מדוע. להדגיש שהביטוי dφ B dt בחוק פרדיי הינו יחידה אחת שאיננה ניתנת להפרדה ולהתמיד בשימוש של ה"תרגום".1.2 שלו למילים: "קצב שינוי השטף המגנטי". =ε. לפתח באופן מפורט לפחות דוגמה אחת d dt φ B B ε= φ t להדגיש שהביטוי הינו מקרה פרטי של הביטוי.3 של מקרה פרטי זה ולהעזר גם בייצוגים גרפיים המדגישים את ההבדל. לנתח מקרים מגוונים של קבלת כא"מ מושרה, כולל שינוי בכיוון השדה המגנטי (ולא רק בגודלו) ושינוי בעצמת זרם כיוצר שינוי בשדה מגנטי..4

38 קשיים צפויים והצעות להתמודדות עם קשיים אלה 36 לחזור על המשמעות של הביטוי החוזר בספרי לימוד: "הזרם המושרה מתנגד לסיבת יצירתו" סיבת היצירה היא השינוי בשטף המגנטי, מתנגד לסיבת היווצרותו פירושו הזרם המושרה זורם בכיוון כזה שכיוון השדה המגנטי המושרה שהוא יוצר יקטין את השינוי בשטף המגנטי. לעודד תלמידים ל"תרגם" תרשימים של מעגלים שבהם נוצר כא"מ מושרה למעגלים שווי ערך הכוללים סוללה מעגלים המוכרים לתלמידים מהפרקים הקודמים של תוכנית הלימודים. לעודד תלמידים לתאר באופן מסודר, כולל יישום כלל יד ימין/שמאל המתאים, את א. תהליך יצירת הכא"מ המושרה, ב. השיקולים במציאת כיוון הזרם המושרה. השימוש בכלל יד ימין/שמאל ילווה תדיר בתאור מפורש של מטרת השימוש (למשל: כדי למצוא את כיוון השדה המגנטי שנוצר על ידי הזרם הנתון, כדי למצוא את כיוון השדה המגנטי המושרה, כדי למצוא את כיוון הכח המגנטי שפועל על אלקטרונים חופשיים שבמוליך, כדי למצוא את כיוון הכוח הפועל על המוט שבו מושרה זרם)