אנרגיה

1. אנרגיה אנרגיה: סוגים, המרות ושימור

2. מה אומר לכם המושג אנרגיה? • אילו סוגי אנרגיה אתם מכירים? • האם אתם מזהים המרות אנרגיה בתהליכים? • האם אתם מבדילים בין מקורות אנרגיה מתחדשים/מתכלים?

3. ניתן לתאר תופעות באמצעות "שפת האנרגיה" תוך שימוש במונחים שימור אנרגיה, המרות אנרגיה וסוגי אנרגיה

4. "בעיות" האנרגיה • בעיה ראשונה: מהי אנרגיה? • הגדירו את המושג אנרגיה • בעיה שנייה: מהם "סוגי" אנרגיה? • האם יש לאנרגיה מהויות שונות? • בעיה שלישית: מהן "המרות אנרגיה"? • האם כאשר סוג אנרגיה אחד הופך לאחר, המהות שלו משתנה? • בעיה רביעית: מהו חוק שימור אנרגיה? • האם אנרגיה יכולה שלא להשתמר?

5. עולם התופעות • בטבע קיימות מערכות שונות שחלים בהן תהליכי שינוי שונים ומגוונים. • שאלות : • מהם תהליכי השינוי שאנו מכירים? • מה מתרחש בהם? מה משתנה? • האם יש משהו משותף לחלק מהתהליכים? • האם אפשר להשוות ביניהם?

6. שינויים במצבים של מערכת • לפניכם שלושה תהליכים שבהם חל שינוי במערכת כלשהי: • גוף נופל על משטח אלסטי וקופץ חזרה • נר בוער • אור הפוגע בגוף אלומיניום • אופנוע נוסע • רשמו את כל השינויים בהם אתם מבחינים • בלי להשתמש במושג אנרגיה...

7. באלו שינויים הבחנתם? • שינויים בגובה (שינוי במרחק בין הגוף לפני כדור הארץ)? • שינויים במהירות של אחד או יותר ממרכיבי המערכת? • נוספו מרכיבים למערכת או נגרעו ממנה (שינויים במרכיבי המערכת עצמם)? • שינוי בצורה של אחד או יותר ממרכיבי המערכת? • שינוי בלחץ? • שינוי בנפח? • שינוי בטמפרטורה? • שינוי כימי? • שינוי גרעיני?

8. שאלת המפתח • האם יש משהו משותף לכל השינויים הללו? • בלי אנרגיה בבקשה... אפשר להשתמש בהם כדי לחמם

9. לומדים מההיסטוריה: הניסוי של ג'ול • כיצד מחממים בעזרת שינוי בגובה?

10. תהליכים הגורמים לשינוי במצב של מערכת • הפעלת כוח חיצוני • חום (כאשר המערכת באה במגע עם גוף בעל טמפרטורה שונה משלה) • תהליכים כימיים • תהליכים גרעיניים • פליטה או בליעה של קרינה אלקטרו מגנטית (אור למשל) • האם אפשר למצוא גורם משותף לכל השינויים הללו? כולם יכולים לחמם! (וגם לקרר...)

11. סיכום • מצבה של מערכת יכול להשתנות על ידי תהליכים שונים ומגוונים. • תהליכי שינוי רבים יכולים לשמש כדי לחמם הגדרה: שינוי באנרגיה הוא מדד ליכולת של תהליך שינוי כלשהו לחמם (או לקרר)

12. סוגים שונים של אנרגיה (אור, תנועה, חשמלית, קול) משמשים לתיאור של תהליכים שונים המתרחשים בטבע • ניתן לתאר תופעות ותהליכים על ידי "מעברי אנרגיה" מסוג אחד לסוג אחר וממערכת אחת למערכת אחרת. • שינוי באנרגיה" משמש לתיאור ההתרחשות של תופעות ותהליכים בטבע. • יצורים חיים זקוקים לאנרגיה כדי להתקיים ולפעול בסביבה. • בני האדם מנצלים משאבי טבע שונים ("מקורות אנרגיה") לשם חימום או יצירת זרם חשמלי. קצב הצריכה של חלק ממשאבים אלו הוא מהיר ביחס לקצב היווצרותם ("מקורות מתכלים" כמו נפט ופחם), ואילו קצב הצריכה של חלק מהמשאבים הוא איטי ביחס לקצב היווצרותם ("מקורות מתחדשים", כגון אור השמש).

13. סוגי אנרגיה • סוגי אנרגיה: • סוגי האנרגיה הם מופעים שונים של אותה מהות. • סוגי האנרגיה כוללים: אנרגיית תנועה, אנרגיית גובה, אנרגיה אלסטית, אנרגיית קרינה (אור), אנרגיית קול, אנרגיית חום, אנרגיה כימית, אנרגיה גרעינית. • לכל סוג אנרגיה יש גורמים (מאפיינים) המשפיעים על גודלו (למשל גורם המהירות משפיע /קובע את גודל אנרגיית התנועה).

14. שפת האנרגיה: מהם "סוגי" אנרגיה? • מפאת נוחיות הדיבור נהוג לקרוא לשינויי אנרגיה בשמות שונים לפי התהליך שאותו הם מתארים: • שינוי באנרגית תנועה: מתייחס לשינוי הנמדד בעת שמהירות התנועה של גוף משתנה; • שינוי באנרגיית גובה מתייחס לשינוי הנמדד בעת שהגובה של גוף משתנה; • שינוי באנרגיית חום (האנרגייה הקינטית הפנימית של חומר) מתייחס לשינוי הנמדד בעת שהטמפרטורה של גוף משתנה; • שינוי באנרגיה של אור מתייחס לשינוי הנמדד בעת שאור נבלע או נוצר; • שינוי באנרגיה כימית מתייחס לשינוי הנמדד בעת שחלים שינויים בהרכב הכימי של חומרים; • שינוי באנרגיה חשמלית מתייחס לשינוי הנמדד בעת שחלים שינויים הקשורים במטענים חשמליים; • שינוי באנרגיה גרעינית מתייחס לשינוי הנמדד בעת שגרעינים של אטומים משתנים

15. "אנרגיה חשמלית" - משמשת לתיאור תופעות בהן נוצר זרם חשמלי (בתחנת כוח למשל) או שהזרם החשמלי מפעיל מכשירי חשמל שונים. • "אנרגיית חום"- משמשת לתיאור של תהליכים בהם גופים מתחממים או מתקררים. קרינת השמש היא ה"מקור" (המשאב) הטבעי הגדול ביותר של אנרגית חום: הבליעה של קרינת השמש היא התהליך העיקרי הגורם להתחממות של גופים על פני כדור הארץ. משאב טבעי נוסף הוא במעמקי כדור הארץ. אנרגית חום גדלה גם בתהליכי שריפה של חומרי דלק והפעלת מכשירי חשמל. • "אנרגיית אור"- (או "אנרגיית קרינה") משמשת לתיאור של תהליכי בליעה או פליטה של אור. קרינת השמש היא המקור הטבעי הגדול ביותר של אנרגיית אור (התהליך העיקרי בו נפלט אור ומגיע לכדור הארץ מתרחש בשמש). תהליך בליעת האור מנוצל על ידי הצמחים הירוקים לייצור מזונם. • "אנרגיה כימית"- משמשת לתיאור של תהליכי שינוי כימיים בחומרים שונים. למשל שריפה של חומרי דלק (כגון עץ, פחם, נפט, גז), שריפה של חומרים בגופם של יצורים חיים (פחמימות, שומנים). שינויים באנרגיה הכימית מסבירים גם כיצד יצורים חיים פועלים (למשל: כיצד הם מפעילים את השרירים). • "אנרגיית תנועה"- משמשת לתיאור שינויים במהירות התנועה של גופים שונים. למשל כדורים קופצים, כלי רכב נעים, מים זורמים ורוח נושבת. • "אנרגיית קול"- משמשת לתיאור תופעות הקשורות בקול: הפקת צליל, שמיעה, העברת קול וכו'.

16. שפת האנרגיה - שפת השינויים • תופעה מעניינת: תהליכי שינוי אף פעם לא מתרחשים לבד! • תמיד כאשר חל שינוי כלשהו נלווה אליו שינוי נוסף או מספר שינויים נוספים. • אם מגמת שינוי (או שינויים) מסוים היא מגמה של גידול הרי שהמגמה של שינויים אחרים תהיה הפוכה. • אפשר לתאר תופעה זו בפשטות בציון העובדה שכאשר אנרגיה "מסוג" מסוים גדלה אנרגיה (או אנרגיות) מסוג אחר קטנה • תרשיםעוגה

17. שפת האנרגיה: דוגמאות לשינויי אנרגיה • דוגמאות: • כאשר גוף נופל אנרגיית הגובה קטנה ובה בעת אנרגיית התנועה גדלה • כאשר נר בוער השעווה שלו מתכלה (וגם החמצן החופשי סביבו) ובה בעת הנר והאוויר שסביבו מתחממים • כאשר אור נבלע בקולט השמש הוא נעלםובאותה עת המים שבקולט מתחממים • במכונית המתחילה לנסוע המהירות, ההרכב הכימישל הדלק (והאוויר) והטמפרטורה של המנוע כולם משתנים יחדיו

18. שפת האנרגיה: מהן "המרות" אנרגיה? • דרך הדיבור שהשתרשה היא של "המרה": נוהגים לומר כי סוג האנרגיה שקטן "מומר" לסוג האנרגיה שגדל: • אנרגיית הגובה מומרת ("הופכת ל") אנרגיית תנועה • שגרת דיבור זו יכולה ליצור את הרושם שחל שינוי במהות האנרגיה למרות שאין לה מהויות שונות.

19. שפת האנרגיה: מהו שימור אנרגיה? • אם מודדים באופן מדויק* את כל שינויי האנרגיה המיוחסים לתהליכי השינוי השונים, מגלים ש"זה שעולה" מתקזז באופן מלא עם "זה שיורד". • מסקנה אמפירית: כלל השינוי באנרגיה במערכת סגורה הוא אפס: הערך הכללי של הגידול באנרגיה מתקזז לחלוטין על ידי הערך של הקטנתה. • בשפת המדע מכנים גודל שאינו משתנה בתהליכים מסוימים כגודל "נשמר". * ברור שמדידות כאלו אינן אפשריות בדרך כלל במעבדת ביה"ס

20. עיקרון שימור האנרגיה והמרות אנרגיה • עקרון שימור האנרגיה:גודלה של האנרגיה הכוללת במערכת סגורה נשאר קבוע. אנרגיה אינה הולכת לאיבוד ואינה נוצרת יש מאין. • המרות אנרגיה: • אנרגיה יכולה להפוך מסוג אחד לסוג אחר ו/או לעבור מגוף לגוף. • במערכת סגורה המרות האנרגיה מקיימות את עקרון שימור האנרגיה, כלומר בכל המרה של אנרגיה מסוג אחד לסוג אחר המידה בה קטן הסוג האחד שווה למידה בה גדל הסוג האחר.

21. שימוש ב"שפת האנרגיה" "שפת האנרגיה" היא דרך לתאר תופעות טבע שונות בעזרת המונחים סוגי אנרגיה, המרות אנרגיה, שימור אנרגיה ומקורות אנרגיה*

22. פתרון "בעיות" האנרגיה • בעיה ראשונה: מהי אנרגיה? • פתרון: הגדרה אופרציונלית כוללת של המושג שינוי אנרגיה: שינוי באנרגיה הוא מדד ליכולת של תהליך שינוי כלשהו לחמם (או לקרר) • בעיה שנייה: מהם "סוגי" אנרגיה? • פתרון: אין סוגים של אנרגיה אבל קיימים תהליכי שינוי מסוגים שונים. כל "סוג" של אנרגיה מתאים לשינוי האנרגיה שנמדד (כפי שהוגדר) בתהליך מסוים. • בעיה שלישית: מהן "המרות אנרגיה"? • פתרון: כפי שאין אנרגיה מסוגים שונים כך אין המרה מסוג לסוג. בטבע שינויים מתרחשים במקביל ולעולם לא לבד. • בעיה רביעית: מהו חוק שימור אנרגיה? • פתרון: זהו חוק אמפירי לפיו כאשר מודדים את כל שינויי האנרגיה המתרחשים בתהליכים שונים במערכת שאין לה אינטראקציה חיצונית, מוצאים שמידת העלייה באנרגיה בחלק מהתהליכים מתקזזת עם המידה שבה האנרגיה קטנה באחרים.

23. הכרת ייצוג גרפי לתיאור תופעות מנקודת המבט של אנרגיה

24. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה שימוש בייצוג גרפי לתיאור המרות אנרגיה במערכת סגורה (בה האנרגיה הכוללת קבועה) נשתמש בייצוג בצורת דיאגראמת פאי המתאר את השינויים בגודל היחסי של סוגי האנרגיה השונים במערכת. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה

25. דיון בתופעה של כדור קופץ מנקודת מבט של אנרגיה • נתייחס למערכת ולסוגי האנרגיה. • מהם מרכיבי המערכת? • כדור, רצפה, אויר, (כדור הארץ) • מהם סוגי האנרגיה המעורבים? • אנרגית גובה (פוטנציאלית),אנרגית תנועה, אנרגיה אלסטית ואנרגיית חום • כיצד מזהים את המרות האנרגיה? • אנרגית תנועה: מתייחסת לשינויים בתנועתו של הגוף (שינויים בגודל המהירות) • אנרגית גובה: מתייחסת לשינויים בגובה הגוף יחסית לנקודת ייחוס

26. תופעה: כדור קופץ • האיור מתאר את מסלול תנועת הכדור • כל עיגול מציין נקודה מסוימת בזמן לאורך המסלול • נתייחס למערכת של: • כדור (ביחס לרצפה) + רצפה

27. מישור הייחוס איך ייראה הייצוג בכל נקודה? דיאגראמת העוגה מייצגת את השינויים בגודל היחסי של סוגי האנרגיה השונים במערכת (כדור+רצפה+אויר)

28. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה מסקנה :יש שימור אנרגיה

29. תיאור מדויק יותר של התופעה http://www.engr.colostate.edu/~dga/high_speed_video/Sports%20Equipment/basketball_bounce.wmv http://www.engr.colostate.edu/~dga/high_speed_video/#Sports_Equipment אילו סוגי אנרגיה יש עכשיו במערכת?

30. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית התייחסות לאנרגיה אלסטית מדוע הכדור אינו חוזר לאותו גובה? לאן נעלמה האנרגיה?

31. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית התייחסות לאנרגיות נוספות מסקנה האנרגיה הומרה לסוגים אחרים (חום, קול) ועברה למערכת אחרת

32. התייחסות למעברי האנרגיה במערכת הכדור ניתר לגובה נמוך יותר יחסית לנקודת ההתחלה כיוון ש: • חלק מאנרגית המערכת הומר לאנרגיה תרמית (הכדור והרצפה התחממו) ולא ניתן להמיר אנרגיה זו לאנרגיה קינטית/גובה של הכדור

33. תיאור תופעת הפחית המתגלגלת תוך שימוש בשאלות מנחות, בתבנית הסבר ובייצוג עוגת פאי נתייחס לפחית וסביבתה (רצפה ואוויר) כמערכת נסכם את סוגי האנרגיה המעורבים במספר מצבים של הפחית בעוגת פאי נזהה כל סוג אנרגיה בעזרת אינדיקאטור מאפיין 1 2 (stationary) 3 (rolling back)

34. מה היה לנו בניסוי?

35. לאן נעלמה האנרגיה החסרה?

36. הפחית המתגלגלת מהם מרכיבי המערכת? פחית, גומייה, אום מתכת, רצפה, אויר, (כדור הארץ) מהם סוגי האנרגיה המעורבים? קינטית (תנועה), אלסטית, תרמית (חום), קול מהם האינדיקאטורים להמרות אנרגיה? אנרגיה קינטית: שינוי בתנועה אנרגיה אלסטית: מתיחה-כיווץ,פיתול, שינוי צורה אנרגיה תרמית: שינוי טמפרטורה אנרגית קול: רעש (או צליל כלשהו)

37. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית אנרגית קול 1 2 (stationary) 3 (rolling back) שימוש בייצוג גרפי לתיאור המרות אנרגיה במערכת 3 1 2

38. תבנית לייצוג מילולי שלסוגי האנרגיה במערכת במצב 1 אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית אנרגית קול שאלה: אילו סוגי אנרגיה יש במערכת במצב 1?

39. תבנית לייצוג מילולי שלסוגי האנרגיה במערכתבמצב 2 אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית אנרגית קול שאלה: אילו סוגי אנרגיה יש במערכת במצב 2?

40. תבנית לייצוג מילולי שלסוגי האנרגיה במערכתבמצב 3 אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית אנרגית קול שאלה: אילו סוגי אנרגיה יש במערכת במצב 3?

41. תאור התופעה של פחית מתגלגלת בשפת האנרגיה מה קרה במערכת בשפת האנרגיה? בהתבסס על חוק שימור האנרגיה, אנרגית התנועה של הפחית הומרה לאנרגיה אלסטית של הגומיה במצב 2, ובחזרה לאנרגית תנועה במצב 3. חלק מהאנרגיה עבר מחוץ למערכת הפחית אל הסביבה (חום וקול). אנרגיית גובה אנרגיית תנועה אנרגיה אלסטית אנרגיה תרמית אנרגית קול

42. תאור שינויים באנרגיה (ייצוג איכותי)

43. תאור שינויים באנרגיה (ייצוג איכותי) 2 1 3 2

44. ניתוח התופעה בשפת האנרגיה • זיהוי מרכיבי התופעה והגדרת מערכת • זיהוי סוגי האנרגיה המרכזיים • תאור התהליך כמעבר בין סוגי אנרגיה • תאור השוואתי (דירוגי) של השינויים באנרגיה (ייצוג בטבלה) הוספת שימור אנרגיה באמצעות ייצוג חזותי (תרשימי פאי*) • שימוש באנלוגיה להמרת כסף

45. מטוטלת 1 3 2

46. אנרגיית גובה מטוטלות - ניסויים עם מטוטלות http://il.youtube.com/watch?v=ehUrsIAbYjk&feature=channel

47. 1 2 3 4 5 ניסוי מפתח תיאור השוואתי פחית נופלת על כדור פלסטלינה ומועכת אותו. "מידת המעיכה" משמשת כמדד לאנרגיית הפחית הפוגעת בכדור

48. מטרות הניסוי: • הדגמת הקשר בין מאפיינים של גוף לסוג האנרגיה • אנרגיית תנועה תלויה במהירות ובמסה • אנרגיית גובה תלויה בגובה ובמסה • תאור השוואתי (דירוגי) של האנרגיה במערכת

49. תלות האנרגיה במאפיינים שלבי הניסוי א.מעיכת הפלסטלינה כמדד לשינויי אנרגיה מעיכה "איטית" של כדור פלסטלינה באמצעות היד. ככל שהמעיכה גדולה יותר השינוי באנרגיית כדור הפלסטלינה גדול יותר (אנאלוגיה לקפיץ) . ב. זיהוי המאפיינים המשפיעים על אנרגיית גובה • תלות בגובה (נפילה של אותה פחית מגבהים שונים) • תלות במסה (נפילה של פחיות שונות מאותו גובה) ג. זיהוי המאפיינים המשפיעים על אנרגיית תנועה • תלות במהירות (נפילה לעומת זריקה כלפי מטה מאותו גובה) • תלות במסה (נפילה של פחיות שונות מאותו גובה)

50. אנרגיית גובה אנרגיית תנועה 1 2 3 4