מדריך למורה מדע וטכנולוגיה לבתי הספר הממלכתיים והממלכתיים דתיים מסע ברכב שטח ביבשות רחוקות

Transkripsi

1 מדריך למורה מ דע ו סע מ מדע וטכנולוגיה לבתי הספר הממלכתיים והממלכתיים דתיים מסע ברכב שטח ביבשות רחוקות

2 ד"ר שרה קלצ'קו, דפנה לב כתיבה: שרון עצמון קראה והעירה: פרופ' עידו יצחקי, פרופ' ריקרדו טרומפר ייעוץ מדעי: ד"ר יהודית ויינברגר ייעוץ בפדגוגיה ופיתוח חשיבה: סקרלט מאור ייעוץ דידקטי: ד"ר צפרירה שחם ייעוץ מגדרי: איל אילת עיצוב עטיפה ואיורים יהודית נווה עריכה לשונית: צילומים:,asap creative אודי גילת, יוסי קוסט, גיא חיימוביץ, אודי גילת, ניצן שורר פ כל הזכויות שמורות לאקו"מ אין לשכפל, להעתיק, לצלם, להקליט, לתרגם, לאחסן במאגר מידע, לשדר או לקלוט בכל דרך או אמצעי אלקטרוני, אופטי או מכני או אחר כל חלק שהוא מהחומר שבספר זה. שימוש מסחרי מכל סוג שהוא בחומר הכלול בספר זה אסור בהחלט אלא ברשות מפורשת בכתב מהמו"ל. פ כל הזכויות שמורות להוצאת כנרת נדפס בישראל, 2010

3 תוכן העניינים מבנה המדריך למורה... 4 קווים מנחים בכתיבת סדרת הספרים: מסע מדע...5 הצגת העקרונות המאפיינים את עולם הטבע בספרים לכיתות ה-ו... 6 מבנה הספר לכיתה ו ורצף ההוראה המוצע בו... 8 תכנון מהלך ההוראה של הנושאים המוצעים בספר מסע מדע ו... 9 רשימת ציוד וחומרים לפעילויות המוצעות בספר של כיתה ו רפלקציה - תהליך שיקוף אישי לסיכום הלמידה...18 מאמרי העשרה כלליים למורים מאפייני המחקר המדעי וההבדל בין תצפית לניסוי על מושג החיים מאמר העשרה לפרק האנרגיה: מושגי יסוד בחשמל...23 מאמר העשרה לפרק: חיים בסביבה על ההתאמה )אדפטציה(, שונות )וריאציה( ואבולוציה באמצעות הברירה הטבעית אקולוגיה וסביבה הפרק: אנרגיה בעולמנו עקרונות מרכזיים הנלמדים בפרק היבטים בפרק זה והקשר שלו לפרקים אחרים מונחים מרכזיים בפרק...49 בניית המונחים והמושגים ברצף הלמידה המוצע בפרק הרצף בפרק האור...50 הרצף בפרק הקול...51 הרצף בפרק החשמל...52 רשימת ספרות לפרק אנרגיה בעולמנו...53 שאלות הערכה לפרק האנרגיה...54 שאלות הערכה לפרק אור כי טוב...59 שאלות הערכה לפרק הקול שאלות הערכה לפרק תופעות בחשמל...79 הפרק: חיים בסביבה עקרונות מרכזיים הנלמדים בפרק והקשר שלו לפרקים אחרים...94 מונחים מרכזיים בפרק...95 בניית המונחים והמושגים ברצף הלמידה המוצע בפרק רשימת ספרות...99 תשובות לשאלות בפרק חיים בסביבה שאלות הערכה לפרק חיים בסביבה ריכוז סטנדרטים וסטנדרטי המשנה במיומנויות ובתחומי התוכן

4 מבנה המדריך למורה במדריך למורה כמה חלקים: 1. מבוא ובו הקווים המנחים לכתיבת הספר לתלמיד, הערות כלליות על ארגון הספר והקשר בין התכנים הנלמדים לסטנדרטים. 2. חומרי עזר להוראת הנושאים הנלמדים בספר בפרקים השונים: א. עקרונות מרכזיים הנלמדים בכל פרק והקשר שלהם לפרקים אחרים. ב. מונחים מרכזיים בכל פרק. ג. בניית המונחים והמושגים ברצף הלמידה של כל פרק. ד. טבלה ובה הצעה לתכנון שעות ההוראה בעזרת הספר. ה. רשימת ציוד לביצוע המשימות המוצעות בספר. ד. משימות הערכה - מוצעת רשימה של משימות שחוזרות על המונחים והתכנים הנלמדים בכל פרק ומתרגלות אותם. משימות אלה יכולות לשמש לצורכי הערכה ולמעקב אחר התקדמות התלמידים. ה. חומרי העשרה למורים - דפי מידע בנושאים שנלמדים בפרקים שונים והפניה לביבליוגרפיה מתאימה בכל נושא. ו. תכנון לימודים בעזרת הספר - על בסיס 3 שעות הוראה בשבוע. ז. רשימת ציוד נחוץ לביצוע הניסויים והתצפיות. ח. יחידות לימוד שבגלל היקפו המוגבל של הספר לא נכללו, רוכזו ומוצעות כיחידות העשרה למורים. 3. הערות שוליים - בכל פרקי הספר לתלמיד מופיעות בשוליים הערות למורה ובהן המלצות להוראת הנושאים המוצעים ולביצוע המשימות. ההערות מנחות את המורים כיצד לבנות את מהלך השיעור, לקשר את התכנים לנושאים קודמים ולהפעיל את התלמידים בכיתה. 4

5 קווים מנחים בכתיבת סדרת הספרים מסע מדע - מדע וטכנולוגיה בבית הספר היסודי מסע מדע היא סדרה של ספרים המיועדים להוראת מדע וטכנולוגיה בבית הספר היסודי. לכל כיתה, ספר לימוד אחד. בכתיבת הספרים בסדרה הנחה אותנו מסמך הסטנדרטים וציוני הדרך במדע וטכנולוגיה לבית הספר היסודי )התשס ה( של משרד החינוך. המסמך מגדיר היטב את המגמות והדרישות של החינוך המדעי בבית הספר היסודי. בחרנו לכתוב ספר אחד לכל שנת לימודים שיענה על כל הדרישות של תכנית הסטנדרטים. הספר לכל כיתה משלב לימוד של מדע, טכנולוגיה וחברה ברוח מסמך הסטנדרטים. ניצלנו במידת האפשר את ההיבטים הבין-תחומיים או כלשון מסמך הסטנדרטים: קשרים בין תחומי תוכן. הקפדנו להעמיק בפיתוח מיומנויות חשיבה ולמידה באמצעות דיונים בכיתה, במשימות חשיבה, בתכנון ובביצוע מחקר מדעי )תצפית או ניסוי( ובפיתוח עבודת צוות לצורך ביצוע מחקרים מדעיים ותערוכות מסכמות בכיתה. בכתיבת הסדרה הנחו אותנו כמה קווים מנחים מרכזיים: 1. שילוב עקרונות המאפיינים את עולם הטבע בכל נושאי הלימוד הרלוונטיים. העקרונות שאנחנו עוסקים בהם: א. מהות מושג החיים ומאפייני חיים, אחידות בעולם החי: דמיון ושוני ביצורים חיים. ב. ארגון וסדר בטבע - הכוחות הפועלים בטבע והאנרגיה הנדרשת לשמירה על הסדר, המערכת האקולוגית וסביבות הקיום הטבעיות של היצורים החיים, יחסי הגומלין שבין היצורים החיים לסביבתם, והתאמה בין מבנה לתפקיד של איברים בגופם של יצורים חיים. מחזוריות בטבע, תופעה המאפיינת את הארגון והסדר הקיימים בו. היא עוסקת בתנועת כדור הארץ סביב השמש וסביב צירו היוצרים מחזורים של יממה ושנה, במחזורי חומרים בטבע ובמחזורי חיים של יצורים חיים, כאשר הולדת הצאצאים היא חלק בלתי נפרד ממחזור החיים של ההורה. ג. האדם והטבע - הטכנולוגיה שהאדם פיתח והגידול הניכר באוכלוסייתו, שמפרים את שיווי המשקל הקיים בטבע ומחייבים שינוי בערכים ובהתנהגות של כולנו. הפגיעה בטבע מחייבת לבקר ביתר קפדנות את פעילות האדם, לרתום את הטכנולוגיה כדי למנוע מפגעים ולהשתמש בזהירות ובתבונה במשאבי הטבע לסוגיהם. האדם מחויב למנוע הפרת שיווי המשקל בטבע ולמנוע פגיעה ביצורים חיים אחרים גם משיקולים מוסריים וגם משיקולים של הסיכונים להמשך הקיום שלו עצמו. 2. שילוב בין מדע, טכנולוגיה וחברה בהצגת ההיבטים המדעיים, הטכנולוגיים והחברתיים-ערכיים בכל נושא. נגענו במושג המערכת, שנזכר בהקשר של מערכות טבעיות ושל מערכות טכנולוגיות גם יחד. בהוראת המושג הושם דגש על כך שהשלם הוא יותר מסכום חלקיו, גבולות המערכת, יחסי הגומלין בין מרכיביה, שינויים המתחוללים במערכת ותהליכי היזון ובקרה במערכת, כניסה של מרכיבים וחומרים אל המערכת ויציאתם ממנה. 3. שילוב סיפור מסגרת המקשר בין הנושאים והתכנים השונים הנלמדים בכל ספר. בחרנו בשם מסע, בגלל שתי המשמעויות שלו - מסע במרחב ומסע לאיסוף מידע ולבניית ידע בתחום המדע והטכנולוגיה. הילדים המשתתפים במסע מלווים אותנו לכל אורך הספר ופותחים נושאי לימוד רבים בשאלות חשיבה המקדימות את הלימוד של נושאים שונים בכל ספר. הילדים גם מסייעים בסיכום נושאים מרכזיים ומובילים לדיונים בכיתה בנושאים מרכזיים. 4. ארגון תכני הלימוד ביחידות לימוד קצרות במסגרת מצומצמת של עמוד או שניים. היחידות בנויות במתכונת דומה - הצגת נושא כלשהו והפניה למשימה שמעמיקה את הכרת הנושא. הן תוכננו במתכונת כזו כדי שיהיה אפשר להשלימן בשיעור אחד או שניים. 5

6 5. מתן מקום נרחב ומרכזי לדיון בין התלמידים בכיתה. מוצעות שתי מסגרות לדיון בכיתה בכל הנושאים הנלמדים בכל ספר: א. דיון בין הילדים המשתתפים במסע. התלמידים בכיתה מוזמנים לקרוא את דבריהם ולדון בהם בכיתה. אנחנו מציעים גם אפשרות של "משחק תפקידים" שבו שלושה תלמידים בכיתה יקבלו את תפקידי הילדים המשוחחים, כדי להגביר את העניין בדיון בכיתה. ב. המדור, "דיון בכיתה", שמופיע ביחידות רבות בספר ופותח את הלמידה של נושא חדש. שני מדורים אלה נועדו לעורר תלמידים לחשיבה מקדימה לפני ביצוע המשימות, לחדד היבטים ועקרונות חשובים בחומר הנלמד ולפתח בתלמידים מיומנויות של דיון והצגת עמדות לפני תלמידים אחרים. 6. מדורים קבועים המופיעים בכל ספר כדי להרחיב ולהעמיק את הלמידה בנושאים בעלי עניין, מעבר לנדרש בתכנית הלימודים: א. הפינה "כדאי לדעת" מציעה הרחבות בנושאים הקשורים לחומר הלימוד אך אינם מופיעים בסטנדרטים. אפשר להיעזר בטקסטים המופיעים בפינה זו, שלעתים היקפם נרחב, כדי להדריך תלמידים בקריאת טקסט מדעי ובהוצאת מידע מתאים ממנו. ב. הפינה "על הלשון" עוסקת במונחים ובמושגים חדשים הנזכרים בנושאי הלימוד השונים והקשריהם לשימושים נוספים בשפה. 7. שילוב איורים ותמונות רבים כחלק בלתי נפרד מתהליך הלמידה וכמענה לסגנונות למידה שונים של תלמידים בכיתה. האיורים והתמונות מאפשרים למידה ישירה מהם, והתלמידים מופנים במשימות רבות ללמידה מסוג זה. האיורים והתמונות גם מסייעים להבהיר נושאים נלמדים ומוסיפים עניין בלמידה. הספרים בסדרה מאורגנים בצמדים, שני ספרים לכל חטיבת גיל. הספר הראשון בכל חטיבה מציג את העקרונות המרכזיים של עולם הטבע ומקום הטכנולוגיה בחברה האנושית. הספר השני בכל חטיבה משלים את הנלמד בהקשרים נוספים ויוצר תמונת על לעקרונות של עולם הטבע בכל ההקשרים שלהם. הצגת העקרונות המאפיינים את עולם הטבע בספרים לכיתות ה-ו 1. מאפייני החיים - הציר המרכזי בפרק היקום בספר של כיתה ה הוא מציאת מענה לשאלה - האם יש סיכוי למצוא חיים הדומים במאפייניהם לאלה הקיימים על פני כדור הארץ גם על פני כוכבי לכת אחרים במערכת השמש בפרט וביקום בכלל? הפרק, חיים בסביבה, בספר לכיתה ו, דן ביצורים החיים והתאמתם לסביבת החיים שלהם. הפרק פותח בהצגת מאפייני החיים ולכל אורכו נדונים צורכי הקיום של בעלי החיים שאותם הם משיגים בסביבה שהם מתקיימים בה. 2. ארגון וסדר בטבע א. אנרגיה הדרושה לשמירה על מבנה ותפקוד תקינים ביצורים חיים - פרק התזונה בספר של כיתה ה מדגיש את חשיבות המזון כמקור לאנרגיה לכל פעולות החיים שלנו. בפרקים העוסקים בגוף האדם בספר של כיתה ה ובפרק העוסק בצמחים ובבעלי חיים בספר של כיתה ו מודגשת התלות של כל היצורים החיים במזון כמקור אנרגיה לקיום כל פעולות החיים. נדונה זרימת האנרגיה במערכות אקולוגיות. מוצג תפקידם החשוב של הצמחים כיצרני מזון )בתהליך הפוטוסינתזה( שעומד אחר כך לרשותם ולרשות בעלי החיים. פרק האנרגיה בספר של כיתה ו עוסק בדרכים להשגת האנרגיה הדרושה לבני האדם כדי להתקיים, והיום - גם כדי לקיים את רמת החיים שלהם. 6

7 הפרק, חיים בסביבה, עוסק בזרימת האנרגיה בסביבות חיים שונות: שרשרות המזון ומארגי מזון האופייניים לכל סביבה. ב. המערכת האקולוגית כסביבת קיום טבעית לכל היצורים החיים - בפרק על מתכות ומלחים בספר לכיתה ה, מוצגים המינרלים, המרכיבים הדוממים של המערכת האקולוגית, הדרושים לגידולם של צמחים ושל בעלי החיים. בספר של כיתה ו הנושא המרכזי בפרק, חיים בסביבה, הוא תפקידם המרכזי של הצמחים במערכת האקולוגית כיצרני המזון וכמקור מזון לכל עולם החי. הפרק מציג את הסביבה כמערכת על כל אפיוניה ומנתח את המאפיינים המשותפים לכל הסביבות המוצגות בו ביבשה ובמים. ג. יחסי הגומלין בין יצורים חיים לסביבתם - בפרק על הצמחים ועל בעלי החיים בספר של כיתה ו מוצגת השפעתם של תנאי הסביבה על היצורים החיים: עוצמת אור ואורך היום, טמפרטורה וזמינות מים. מוצגים יחסי הגומלין בין צמחים לבעלי החיים: יחסי הזנה ויחסי גומלין מסוג תחרות, הדדיות, טפילות וקומנסליזם. ד. התאמה בין מבנה לתפקיד - מוצגת בפרקים העוסקים בגוף האדם בספר של כיתה ה ובתיאור התאמתם של איברי החושים לתפקידם בספר של כיתה ו. בהצגת מערכת העיכול ומערכת הדם בספר של כיתה ה מודגש הקשר בין המבנה של איברים שונים במערכת לתפקידם ושל המערכת כמכלול, במבנה ובקשר שבין מרכיביה. בפרק חיים בסביבה מוצג מבנה העין ומבנה האוזן ביונקים והתאמתם לקליטת גירויים מהסביבה. ה. עקרון המערכת - מוצג בפרקים על גוף האדם בספר של כיתה ה: לכל איבר ולכל מערכת בגוף יש תפקידים מוגדרים משלהם. פעילות משותפת של כל האיברים מבטיחה את קיומו של הגוף השלם, שהוא יותר מסכום חלקיו )איבריו(. בפרק היקום מוצגת מערכת השמש על כל מרכיביה ותלותם של כל המרכיבים בשמש. בפרק האנרגיה בספר של כיתה ו מוצגות מערכות טכנולוגיות המסייעות לנו להפיק אנרגיה, ובפרק חיים בסביבה, מוצגת המערכת האקולוגית. ו. מחזוריות בטבע - בפרק היקום בספר של כיתה ה מוצגת המחזוריות בזמן שמקורה בתנועה של כדור הארץ סביב השמש וסביב צירו. העיקרון נשמר בכל כוכבי הלכת שמקיפים את השמש. בספר של כיתה ו מוצגת השפעת המחזוריות של עונות השנה על התנהגותם של בעלי החיים: שינויים בכיסוי הגוף, תרדמת קיץ וחורף ונדידה. 3. האדם והטבע - בכל אחד מהפרקים בשני הספרים לכיתות ה-ו מוצג מקומה המרכזי של הטכנולוגיה בקיומו של האדם. המידע מקושר לעולם הסובב את כל אחד מאתנו כדי לחבר את הלומד לעולם המוכר לו מחיי היומיום. מוצגים השימושים בטכנולוגיה והתרומה הגדולה שלה לקיומו של המין האנושי ולצדם, המחיר היקר שאנחנו משלמים בפגיעה בסביבה. מוצגים פתרונות טכנולוגיים למניעה ולצמצום הפגיעה בסביבה ומודגשת אחריותו של כל אחד מאתנו לשמירה על הסביבה. ברוב הפרקים בשני הספרים משולבות משימות תיכון הקשורות לנושאים הנלמדים בכל פרק. 4. קיימות - בכל הפרקים בספרים לכיתות ה-ו מודגשת התועלת שהאדם מפיק מהסביבה לצד הנזקים שגורם האדם בניצול יתר של הסביבה. מוצעים דיונים והפעלות רבות לתלמידים כדי להביא ליצירת מודעות להשלכות של פעולות האדם על הסביבה בטווח הקצר ובטווח הארוך, לפיתוח ההבנה שחוסר התחשבות בטבע ובצרכים של כל בני האדם וגם של כל היצורים החיים יגרום נזקים שאינם בני תיקון. הספרים מעודדים מעורבות אישית, שינוי התנהגות ולקיחת אחריות אישית על מניעת הפגיעה בסביבה. 7

8 מבנה הספר לכיתה ו ורצף ההוראה המוצע בו בספר לכיתה ו שני פרקים: # אנרגיה בעולמנו # חיים בסביבה כמו בספרים אחרים של הסדרה מלווה את פרקי הספר סיפור מסגרת המקשר בין הנושאים הנלמדים בספר ומדגיש היבטים בין-תחומיים בהוראה. הילדים המשתתפים במסע מסייעים לחדד שאלות, לדון בעקרונות מרכזיים ולדון בנושאים שונה, בדומה לדיונים בין הילדים בספר הפותחים נושאי לימוד שונים. בחרנו לפתוח את הספר בפרק אנרגיה בעולמנו משום שהכרת המושג אנרגיה והתהליכים של המרת אנרגיה וגלגוליה תורמים להבנת מארגי המזון בכל סביבות החיים המוצגות בפרק חיים בסביבה. בסיפור המסגרת במסע מדע ו יוצאים כמה מהילדים המלווים את כל הספרים בסדרה למסע ביבשות רחוקות. היציאה למסע וההתארגנות לקראתו פותחים את הפרק הראשון של הספר אנרגיה בעולמנו. היציאה וההתארגנות מזמנים דיון באנרגיה לסוגיה, במקורות האנרגיה ובשימושים שהאדם עושה באנרגיה. לאחר הצגת מקורות האנרגיה לסוגיהם מוצגות בפרק תופעות פיזיקליות הקשורות באור, בקול ובחשמל. בכל פרק מוצגות התכונות של כל תופעה פיזיקלית והשימושים הטכנולוגיים שהאדם עושה בכל סוג של אנרגיה הקשור בתופעה. בפרקים של אור וקול מוצגים החושים הקשורים בתופעות אלה )ראייה ושמיעה( כבסיס ללימוד תפקידי החושים ולחשיבותם בחייהם של בעלי החיים בפרק חיים בסביבה. הפרק פותח בהצגת האור המוכר יותר מחיי היומיום ואפשר להדגים רבות מתכונותיו באמצעות התנסויות ותצפיות. בחרנו לסיים בהצגת תופעות הקשורות בחשמל בגלל מורכבותן הגדולה יותר ומשום שהאנרגיה החשמלית ממלאת את התפקיד המרכזי בטכנולוגיה המשמשת אותנו היום. באופן זה קישרנו בין פתיחת הפרק העוסק בסוגי אנרגיה שונים לאנרגיה החשמלית שהיא בעלת שימושים רבים בימינו. בחלקו השני של הספר בפרק: חיים בסביבה נפתח בהצגת כמה נושאים שהם הבסיס לכל הנלמד בהמשך: מהו יצור חי? מאפייני החיים של היצורים החיים, צורכי הקיום של היצורים החיים ודרכי השגתם מהסביבה; מהי סביבה: מאפיינים של סביבות חיים, מיון מרכיבי הסביבה למרכיבים ביוטים וא-ביוטים, השפעת המרכיבים זה על זה; קשר בין הסביבה ליצורים החיים בה: קליטת גירויים מהסביבה, תקשורת בין היצורים החיים, איברי החושים של בעלי חיים; ותנאי הסביבה אקלים ומזג אוויר. לאחר ההקדמה, הילדים יוצאים למסע במגוון סביבות חיים, ועוברים מהסביבה היבשה ביותר מדבר, אל החורש שבו כמות בינונית של מים, ממנו אל יער הגשם סביבה עשירה במים, ולבסוף מגיעים לסביבה של מים מתוקים האגם. בכל אחת מסביבות החיים, התלמידים לומדים על המאפיינים הייחודיים לכל סביבה: האקלים, מגוון הצומח ובעלי החיים. בכל סביבה התלמידים מנתחים את יחסי הגומלין בין היצורים החיים, לומדים על זרימת האנרגיה בסביבה )מארג מזון( ועל התאמות של צמחים ובעלי חיים לסביבה. לאחר הביקור בסביבת החיים האחרונה, האגם, התלמידים מסכמים את המאפיינים המשותפים לכל הסביבות, דנים בסביבה כמערכת ובהשפעת שינויים טבעיים ומעשה ידי אדם על כל סביבה בפרט ועל כל כדור הארץ בכלל. שני פרקי הספר נבנו באופן בלתי תלוי זה בזה, כך שאפשר להפוך את סדר ההוראה, ולהתחיל בהוראת הפרק חיים בעולמנו. כדי לקשר בין הנושאים ולאפשר את התאמת פרקי הלימוד לרצפי הוראה שונים, מופנים המורים במדריך למורה ובהערות בשוליים של יחידות הלימוד לפרקים אחרים בספר שבהם נדונו נושאים דומים או היבטים שונים של אותו נושא.. 8

9 תכנון מהלך ההוראה של הנושאים המוצעים בספר מסע מדע ו בפרק: אנרגיה בעולמנו )42-39 שעות( אנחנו ממליצים להקדיש להוראת הפרק כ- 40 שעות. בהוראת הפרק משולבים נושאים טכנולוגיים )כ- 12 שעות( ונושאי סביבה )2 שעות(. משימות שמומלץ לבצען בבית ולעבור עליהן בכיתה סומנו בית/כיתה. משימות שכדאי להתחיל אותן בכיתה ולהשלימן בבית סומנו כיתה/בית. יוצאים לדרך הנושא אנרגיה ותופעות בטבע צורות של אנרגיה מעברי אנרגיה מקורות האנרגיה המשמשים את האדם משך זמן מומלץ להוראה, שעות ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 1: זיהוי סוגים של אנרגיה המעורבים בפעולות שונות )בית/כיתה( משימה 2: גלגולי אנרגיה )כיתה/בית( משימה 3: סוגים של מקורות אנרגיה )כיתה/בית( 2 אור כי טוב מקורות אור טבעיים ומקורות אור מלאכותיים האור מתפשט בקווים ישרים אור פוגש בחומר אור וצל צל מלא וצל חלקי שימושים בצל שעון שמש )העשרה( מה קורה כשאור נבלע על ידי עצמים שונים? דוד שמש אמצעי לחימום מים באמצעות קרני שמש דיון בכיתה דיון בכיתה הדגמה משימה 1: האם האור נע בקווים ישרים? )כיתה/בית( דיון בכיתה משימה 1 )תצפית(: מה קורה לאור כשהוא פוגש בחומרים שונים? )כיתה( הדגמה משימה 2: תופעות הקשורות באור וצל )בית/כיתה( משימה 3 )ניסוי(: כיצד מגן עלינו הצל מאור השמש? )כיתה( משימה 4: כיצד מגן עלינו הצל מפני קרינת השמש? )בית( משימה 5: בניית שעון שמש אישי )כיתה( משימה 6 )ניסוי(: בליעת אור על ידי עצמים שונים )כיתה( דיון בכיתה משימה 7 )ניסוי(: כיצד מסייעים קולטי שמש לחימום מים? )כיתה/בית( משימה 8: תפקידם של מרכיבים שונים בדוד השמש בחימום המים )בית( ½ ½ 1 1 ½

10 הנושא דוד השמש הוא מערכת אור מוחזר מה קורה כשאור מוחזר ממשטחים חלקים? שימושים בהחזרת אור על ידי מראות אור שנשבר שימושים בעדשות כיצד אנחנו רואים? משך זמן מומלץ להוראה, שעות ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 10: דוד השמש כמערכת )כיתה/בית( דיון בכיתה דיון בכיתה משימה 11 )תצפית(: החזרת אור על ידי חומרים שונים )כיתה( משימה 12: פתרון בעיות בנושא מראות )כיתה/בית( משימה 13: משימת תיכון )כיתה/בית( הדגמה משימה 14: סיכום על אור מוחזר )בית/כיתה( משימה 15 )תצפית(: שבירת אור )כיתה( דיון בכיתה דיון בכיתה משימה 16: השוואה בין עדשות למראות ושימושים בעדשות )בית/כיתה( משימה 17: העין שלנו )בית/כיתה( ½ ½ 1½ קולות, רעש וצלילים קולות וצלילים כיצד מתפשט הקול באוויר? כיצד אנחנו שומעים קולות? תכונות של הקול גובה הקול עוצמת הקול כיצד אנחנו משמיעים קולות? גורמים המשפיעים על התפשטות הקול תנאי השמיעה באולמות קונצרטים טכנולוגיה וקול שימושים טכנולוגיים בהדים הרעש מזיק לבריאותנו משימה 1 )תצפית(: קול המתפשט באוויר )כיתה( דיון בכיתה משימה 2 )תצפית(: התפשטות קול באוויר, נוזל ומוצק )כיתה( משימה 3 )ניסוי(: כיצד משפיע גובה עמוד בבקבוק על גובה הקול? )כיתה/בית( דיון בכיתה משימה 4: המאפיינים של הקול )בית/כיתה( דיון בכיתה משימה 5: הקולות שאנחנו משמיעים )כיתה/בית( משימה 6 )תצפית(: קולות המוחזרים ממשטחים קשים )כיתה/בית( דיון בכיתה דיון בכיתה והדגמה משימה 7: מכשירים הקשורים בקולות ובצלילים )בית( דיון בכיתה משימה 8: נזקים שהרעש גורם 10

11 הנושא תופעות בחשמל ומגנטיות ברק בשמים מגנטים ומגנטיות מגנטיות וחשמל הקשר בין מטען חשמלי לזרם חשמלי הקשר בין חשמל למגנטיות השראה אלקטרומגנטית כיצד מפיקים חשמל? הפקת חשמל בתחנת הכוח מקורות האנרגיה להפקת חשמל בתחנת הכוח הפקת חשמל באמצעות מקורות אנרגיה חלופיים )מים, רוח, שמש( תחנת הכוח היא מערכת הפקת חשמל בתחנות הכוח בישראל הפקת חשמל בישראל בתחנות הכוח הפנים ארציות כמה אנרגיה מפיקים בתחנות הכוח בישראל? בשביל מה אנחנו צריכים חשמל? חשמל ואמצעי תאורה כמה חשמל אנחנו צורכים? חיסכון בחשמל זה העיקר! משך זמן מומלץ להוראה, שעות הדגמה ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 1 )תצפית(: דחייה ומשיכה בין קטבים של מגנטים )כיתה/בית( משימה 2 )תצפית(: בניית מצפן )כיתה( דיון בכיתה ניתוח ניסוי משימה 3: בניית אלקטרומגנט )כיתה( דיון בכיתה משימה 4: חזרה על הניסוי של פרדיי )כיתה( משימה 5: הפקת חשמל באמצעות דינמו של אופניים דיון בכיתה משימה 6: הפקת אנרגיה חשמלית )כיתה/בית( דיון בכיתה משימה 7: יתרונות וחסרונות של תחנות כוח הידרואלקטריות )כיתה( משימה 8: מקורות אנרגיה לא מתכלים להפקת חשמל )כיתה( משימה 9: תחנת הכוח כמערכת טכנולוגית )בית/כיתה( משימה 10: הפקת חשמל בתחנות הכוח הגדולות ביותר בישראל )בית/כיתה( משימה 11: טורבינת גז או טורבינת קיטור מה עדיף? )כיתה/בית( דיון בכיתה משימה 12: שימוש באנרגיות לא מתכלות בישראל )בית/כיתה( דיון בכיתה משימה 13: התפתחות בשימוש בחשמל לאורך ההיסטוריה )בית( משימה 14: מה לומדים מחשבון החשמל המשפחתי? )כיתה( דיון בכיתה משימה 15: מה עלינו לעשות כדי לחסוך בחשמל? )בית/כיתה( ½ ½

12 בפרק: חיים בסביבה )62-54 שעות( אנחנו ממליצים להקדיש להוראת הפרק כ- 55 שעות. בפרק משולב נושא מדעי כדור הארץ )האקלים ומזג האוויר, השפעת האדם, כ- 15 שעות(, הסביבה )קשרי גומלין והתאמה והשפעת האדם על הסביבה, כ- 15 שעות( ונושא המערכת )3 שעות(. משימות שמומלץ לבצען בבית ולעבור עליהן בכיתה סומנו בית/כיתה. משימות שכדאי להתחיל אותן בכיתה ולהשלימן בבית סומנו כיתה/בית. הנושא יוצאים לספארי בשמורת טבע מאפייני חיים צורכי הקיום של היצורים החיים משך זמן מומלץ להוראה, שעות ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 1: הטילנציה: האם הוא יצור חי? )בית/כיתה( משימה 2: ניסוי - פוטוסינתזה באלודאה )כיתה( משימה 3: סיכום צורכי קיום של יצורים חיים )בית( 2 1 היכן חיים היצורים החיים? היצורים החיים יוצרים תקשורת עם הסביבה גירויים שהצמחים קולטים מהסביבה גירויים שבעלי החיים קולטים מהסביבה השפעת השינויים באורך היום על בעלי החיים משימה 4: מרכיבים בסביבת חיים - הסוואנה )כיתה( משימה 5: ניסוי - השפעת האור על כמות הכלורופיל בעלים )כיתה( 2 ½ ½ החושים של בעלי החיים החושים של היונקים החושים של העופות חושים של זוחלים חושים של דו-חיים חושים של חרקים כיצד פועלים החושים במים? משימה 6: התאמת מבנה האוזן לתפקידה )בית( משימה 7: מידע שמקבלים היונקים באמצעות החושים )כיתה/בית( משימה 8: חושים של בעלי חיים מקבוצות שונות )בית/כיתה( 4 תנאי הסביבה, אקלים ומזג האוויר מהו אקלים? האקלים יוצר מגוון של סביבות חיים משימה 9: כיצד משפיעים גורמים שונים על תנאי הסביבה? )בית/כיתה( משימה 10: מזג אוויר ואקלים באזור שבו אנחנו גרים )בית/כיתה( משימה 11: אקלים ומזג אוויר )בית/כיתה( משימה 12: הקשר בין כמות המשקעים והטמפרטורה ליצירת סביבות חיים שונות על פני כדור הארץ )כיתה/בית(

13 הנושא סביבות חיים על פני כדור הארץ המדבר לצמוח במדבר: התאמות של צמחים לתנאי המדבר התאמה של העלים והגבעולים למחסור במים התאמות של צמחים חד-שנתיים לגדילה במדבר משך זמן מומלץ להוראה, שעות ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 1: תנאי המדבר וקשיי הקיום בו )בית/כיתה( משימה 2: כיצד מצליחים צמחים לגדול במדבר? )בית/כיתה( משימה 3: מיון הפתרונות והדרכים להתמודדות עם מחסור במים )כיתה( משימה 4: התמודדות של צמחים חד- שנתיים עם התנאים במדבר )בית/כיתה( לחיות במדבר: התאמות בעלי חיים לתנאי המדבר קשרי הזנה במדבר משרשרות מזון למארג מזון התפשטות המדבר על פני כדור הארץ משימה 5: התאמות של בעלי חיים לחיים במדבר )כיתה( משימה 7: התאמות של יונקים מדבריים גדולים לחיים במדבר )בית/כיתה( משימה 8: שרשרות מזון במדבר )כיתה( משימה 9: מארג המזון במדבר )כיתה/בית( משימה 10: דרכים למאבק במדבור )בית( משימה 11: תפזורת )סיכום הנושא( )בית( יער גשם טרופי )ג'ונגל( הצומח ביער הגשם הטרופי שורשי אוויר ביער הגשם שכבתיות ביער הגשם מגוון סביבות חיים ביער הגשם יחסי גומלין בין היצורים החיים ביער הגשם אפיפיטים - צמחים הגדלים על צמחים אחרים צמחים טפילים ביער הגשם צמחי תועלת שמקורם ביער הגשם הטרופי )הרחבה( בעלי חיים המיוחדים ליער הגשם יחסי גומלין בין בעלי חיים לצמחים ביער הגשם הטרופי יחסי הזנה ביער הגשם דרכי התגוננות מפני טורפים ביער הגשם )הרחבה( יערות הגשם הטרופיים בעולם נמצאים בסכנת הכחדה משימה 1: מאפייני יער הגשם הטרופי )כיתה/בית( משימה 2: חשיבותם של שורשי האוויר )בית( משימה 3: מה משפיע על גדילתם של צמחים ביער הגשם? )בית/כיתה( משימה 4: מגוון סביבות חיים ביער הגשם הטרופי )כיתה( משימה 5: יחסי גומלין בין צמחים ביער הגשם )בית/כיתה( משימה 6: צמחי תועלת שמקורם ביערות הגשם משימה 7: בעלי חיים המיוחדים ליער הגשם )כיתה/בית( משימה 8: תשבץ בעלי חיים ביער הגשם )בית( משימה 9: יחסי גומלין ביער הגשם )כיתה( משימה 10: שרטוט מארג מזון ביער הגשם הטרופי )כיתה( משימה 11: דרכי התגוננות ביער הגשם משימה 12: חשיבותם של יערות הגשם )כיתה( משימה 13: איך אפשר להציל את יערות הגשם? )בית/כיתה( 13

14 הנושא החורש התאמות של צמחים ובעלי חיים לחיים בחורש התמודדות של צמחים עם התנאים בקיץ התמודדות של בעלי חיים עם התנאים בקיץ יחסי הזנה בין היצורים החיים בחורש יחסי הזנה והתערבות האדם בחורש יחסי גומלין בין היצורים החיים הדדיות - עסקה שבה שני השותפים נהנים יחסי גומלין מסוג תחרות וטפילות בחורש הפגיעה בחורש בארץ ישראל )הרחבה( משך זמן מומלץ להוראה, שעות ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות משימה 1: מאפיינים של חורש )כיתה( משימה 2: התמודדות של צמחים ובעלי חיים בחורש עם הקיץ החם והיבש )בית( משימה 3: מארג המזון בחורש )כיתה( משימה 4: הרעלת הנמיות בישראל )כיתה( משימה 5: הדדיות בין יצורים חיים בחורש )בית/כיתה( משימה 6: בוא בעקבותי ואראה לך היכן יש דבש דבורים טעים... )בית( משימה 7: יחסי גומלין בין יצורים חיים בחורש )כיתה/בית( משימה 8: שינויים בקינון ציפורים בחורש עקב דילול הצמחייה )כיתה( 1 2 לכל ההתאמות סביבות חיים של מים מהו אגם? היצורים החיים משיגים את צורכי הקיום בסביבת האגם כיצד משיגים היצורים החיים באגם חמצן? התאמות צמחי מים לקליטת חמצן צמחי מים צפים צמחים טבולים ה ראש באוויר, ה רגליים במים - צמחי מים מזדקרים על גדת האגם... צמחי גדה התאמות של בעלי חיים לחיים באגם ובסביבתו התאמות של בעלי חיים החיים במים לקליטת חמצן התאמות של בעלי חיים לתנועה במים צורת הגוף של הדגים מותאמת לתנועה במים משוטים טבעיים - קרומי שחייה בין האצבעות 2-1 לכל נושא התאמות הצמחים 1 הנושא 2-1 לכל נושא התאמות בעלי החיים משך זמן מומלץ להוראה, שעות משימה 1: מאפייני האגם וסביבתו )כיתה( משימה 2: ניסוי - ציפה במים )כיתה/בית( משימה 3: התאמות של צמחי מים לקליטת חמצן )בית( משימה 4: השוואה בין צמחי המים שהכרנו )כיתה/בית( משימה 5: הכרת צמחי מים נוספים והשוואה בין קבוצות צמחים שונות )בית/כיתה( משימה 6: התאמות בעלי חיים החיים במים לקליטת חמצן )כיתה/בית( ביצוע משימות )כיתה/בית( ואפשרויות הפעלה נוספות 14

15 עופות מים: התאמות הקשורות במזון יחסי גומלין בין צמחים לבעלי חיים באגם מארג המזון באגם מארג המזון בכנרת השפעות האדם על הכנרת משימה 7: התאמות בעלי חיים למים )בית/כיתה( משימה 8: התאמות של עופות מים )כיתה/בית( משימה 9: יחסי גומלין בין צמחים לבעלי חיים באגם ובסביבתו )כיתה/בית( משימה 10: יחסי גומלין בסביבות שונות )בית/כיתה( משימה 11: מארג מזון בכנרת )כיתה/בית( משימה 12: השפעות האדם על הכנרת )כיתה/בית( לנושא המארג מאפיינים של הסביבה הסביבה היא מערכת המרכיבים החיים מותאמים לסביבה הסביבה משתנה כל הזמן הסביבה והתערבות האדם משימה 1: הסביבה כמערכת )כיתה( משימה 2: התאמות היצורים לסביבות החיים השונות )בית/כיתה( משימה 3: בניית דגם של סביבת חיים )בית/כיתה( משימה 4: השפעת השינויים הטבעיים על הסביבה )כיתה/בית( משימה 5: כיצד נוכל לתרום לקיימות? )בית/כיתה(

16 רשימת ציוד וחומרים לפעילויות המוצעות בספר של כיתה ו רשימת הציוד והחומרים מאורגנת על פי פרקי הלימוד בספר. הכמות מחושבת לעבודה בזוגות או בקבוצות )למעט פעילויות המבוצעות בהדגמה(. במקרים שבהם כדאי לבדוק מספר גדול של חומרים, מוצע לחלק אותם לקבוצות שונות של תלמידים. כך יהיה אפשר לקבל תמונה מקיפה מחומרים שייבדקו על ידי קבוצות שונות בכיתה. מוצע לארגן בקופסאות נפרדות ערכות לכל נושא כדי שיהיה קל יותר לארגן אותם במהלך הלמידה של הנושא בכיתה. שם הפרק אנרגיה בעולמנו ציוד לנושא לנושא האור: לקבוצה: צינור פלסטיק "עיוור" )ללא חורים( של טפטפות באורך של כחצי מטר אפשרי: קופסת שימורים )לבניית לשכה אפלה(, פנס )עם אלומת אור צרה וחזקה(, מראה קטנה, פנס, ספר או מחברת, מד טמפרטורה, 4 תחתיות זהות של עציצים בקוטר של כ- 15 ס"מ לבניית שעון שמש: עיפרון, מחוגה, סרגל, מצפן )לכיתה(, או קופסת פלסטיק ומוט עץ קצר לקבוצה: 2 בקבוקי פלסטיק זהים שקופים בנפח של רבע ליטר או 330 מ"ל )בקבוק שתייה אישי(, 2 מדי טמפרטורה דגם של דוד שמש )לקבוצה או לכיתה(: 3 בקבוקי פלסטיק בנפח של רבע ליטר, שלושה צינורות נחושת באורך של כ- 20 ס"מ, מד טמפרטורה, לאור מוחזר )לקבוצה(: קערה שטוחה כהה )מזכוכית או קרמיקה(, מראה קטנה, פנס עם אלומת אור צרה אפשרי זוג מראות בזווית של 90, 0 אפשרי משפך להדגמת מיקוד קרני שמש, או דגם מוכן אפשרי מראה קמורה )או טפט מראה(, מראה קעורה לשבירת אור )לכיתה(: כוס זכוכית שקופה, כפית או קשית שתייה, 2 כוסות מזכוכית שקופה, 3 מטבעות של חצי שקל לקבוצה: זכוכית מגדלת, בקבוק פלסטיק אפשרי עדשה קמורה, עדשה קעורה לאור וצבעים )לכיתה או לקבוצה(: מנסרה משולשת לקבוצה: אפשרי להדגמת נפיצת אור בטיפת מים: כוס זכוכית, פלסטיק, טפי. מומלץ: מתקן להדגמת ערבוב הצבעים בסיבוב מהיר )אפשר להכינו בכיתה(. נייר פרגמנט וגומייה חומרים דף קרטון עבה, יריעת פלסטיק שקוף, קרקע, מים לבניית שעון שמש: פלסטלינה, נייר בריסטול לבן, עטים לסימון צבע שמן שחור, מכחול או מברשת, פלסטלינה. פלסטלינה, מים, צבע שחור לאור מוחזר )לקבוצה(: שני לוחות בריסטול לבנים, לוח בריסטול שחור, מים אפשרי נייר כסף מים נייר לבן, טוש שחור, צבע מאכל, מים אפשרי ניירות צלופן בצבעים שונים 16

17 שם הפרק ציוד לנושא לנושא הקול )לכל הכיתה(: גומייה, שני עפרונות 2 תופים )כמו תופי מרים( אחד גדול מעט מהשני, מקל להקשה על התופים, כף פלסטיק, קפיץ פלסטיק ארוך, 3 קולנים בגדלים שונים, צלחת עמוקה, קוביית עץ, 4 בקבוקים מזכוכית בנפח של חצי ליטר, צינור פלסטיק צר באורך של כ- 30 ס"מ )צינור טפטפות(, בלון, שני גלילי קרטון חלולים באורך של כחצי מטר, לוח עץ, אבן או קרטון קשה )40X30 ס"מ(, בסיס עץ )40X10 ס"מ( עם חריץ במרכזו )בסיס העץ אינו הכרחי(, מסכת )סטטוסקופ( מומלץ לנושא החשמל: לקבוצה: מסרק או סרגל פלסטיק קטן, מטלית צמר, שני מגנטים ישרים שחציים צבוע באדום )הקוטב הצפוני( וחציים צבוע בלבן )הקוטב הדרומי( לכל הכיתה: מחט פלדה, מסמרים או ברגים מברזל או מפלדה, עיגול שעם או פקק פלסטיק של בקבוק שתייה, קערה שטוחה )מחרס או מפלסטיק( לקבוצה: סוללה במתח של 2 9V, תילים חשמליים, 2 מוטות פלדה )מסמר או בורג פלדה באורך של כ- 15 ס"מ(, מסמרים או ברגים, מפתח, מספריים מברזל או מפלדה. לכיתה: מד זרם, שני תילים )חוטים( חשמליים, חוט נחושת, 2 מגנטים ישרים לכיתה: אפשרי דגמים של דוד שמש, של דינמו, של גנרטור חשמלי, של מתקן להשראה אלקטרומגנטית, של דגם סיבוב טורבינה על ידי קיטור, של תאי שמש )תאים פוטו- וולטאיים(. חומרים סוכריות צבעוניות לקישוט עוגות, מים, צבעי מאכל, חוט קשירה, נייר דבק, שני גביעי פלסטיק קטנים ריקים )של יוגורט, של לבן או כוס פלסטיק(, שני מכלים גדולים של גבינה או יוגורט )המכילים 750 או ק"ג גבינה(, חוט קשירה פיסות נייר )אפשר להשתמש בעיגולי הנייר שנוצרים כאשר מחוררים במחורר משרדי(, בלונים מנופחים: 2 בצבע אחד, 2 בצבע אחר, מטלית צמר, מטלית פלסטיק חוט קשירה נייר דבק, מים סליל נחושת )בקוטר של כס"מ ולפחות 30 ליפופים(, נייר דבק חיים בסביבה לנושא צורכי הקיום של היצורים החיים: 2 כוסות כימיות בנפח של 50 מ"ל, מנורת שולחן עט סימון קערה גדולה, בקבוק ריק של חצי ליטר, מאזניים, מים 6 גרם של צמח המים אלודאה 4 עציצים ובהם צמחים מאותו מין מים 17

18 רפלקציה - תהליך שיקוף אישי לסיכום הלמידה לאורך פרקי הספר, במשימות המורכבות יותר או אלה שביצוען חשוב להבנת החומר הנלמד, מוצע לתלמידים כרטיס לסיכום הלמידה. בכרטיס מוצגות לתלמידים שאלות העוסקות בחשיבה על תהליכי הלמידה שחוו התלמידים כאשר ביצעו את המשימה. מוצעים שני סוגים של כרטיסים: # כרטיס לסיכום תצפית או ניסוי # כרטיס לסיכום משימה או נושא נלמד מפורטות להלן שאלות שאפשר לשלבן בכרטיס הרפלקציה כשהן ממוינות על פי היבטים שונים. אפשר להיעזר בשאלות אלה כדי להציע לתלמידים שאלות רפלקציה במשימות נוספות על אלה שאנחנו הצענו בספר, או כדי לשנות שאלות המופיעות בכרטיסים שלנו. רפלקציה על תהליך הלמידה האם השגתם את המטרה שנקבעה במשימה? הסבירו תשובתכם. # האם היו לכם קשיים במהלך המשימה? אם כן, פרטו אותם. # # כיצד התגברתם עליהם? # האם הבנתם כל שלב במהלך המשימה? ציינו אילו שלבים במשימה לא הבנתם ומדוע? כתבו מדוע לדעתכם לא הבנתם שלבים אלה. # ציינו אם לדעתכם חסר משהו במשימה, כדי שבעתיד היא תהיה מובנת יותר. רפלקציה על המשגה ויישום הלמידה # אילו נושאים שלמדתם בעבר עזרו לכם לבצע את המשימה ולסכם אותה? # האם היו דברים חדשים שלמדתם במשימה? מהם? האם הם עזרו לכם להבין את חומר הלימוד? # ציינו אם היה דבר מה במשימה שהיה מנוגד לידע קודם שלכם והפתיע אתכם. # מהו הדבר החשוב ביותר לדעתכם שלמדתם במשימה זו? # ציינו אם למדתם במשימה זו משהו שישנה את התנהגותכם בחיי היום יום. האם אחרי המשימה אתה חושבים שאתם מבינים טוב יותר את החומר הנלמד? פרטו את תשובתכם. *** תיאור מקרה *** האם בעקבות מה שלמדתם במשימה תנהגו אחרת? *** תיאור מקרה *** איזו עצה תתנו ל... רפלקציה על ארגון הלמידה בכיתה # כיצד ביצעתם את התצפית: ביחידים/בזוגות/בקבוצה קטנה/כל הכיתה? # האם הייתם משנים משהו בהיבט זה? אם כן, מה? # עד כמה נעזרתם באדם מבוגר )מורה, בני משפחה( ולאיזה צורך? רפלקציה אישית # מה עורר בכם עניין ומה אהבתם במיוחד בביצוע המשימה? # מה לא אהבתם במשימה? נמקו מדוע. # האם עבודה משותפת עם חברים עוזרת ותורמת להצלחת המשימה? 18

19 מאמרי העשרה כלליים למורים מאפייני המחקר המדעי וההבדל בין תצפית לניסוי מחקר מדעי מהו? לפני כמה עשורים הגדיר החוקר קרלינג את המחקר המדעי באלה המילים: בדיקה שיטתית, מפוקחת, אמפירית ונתונה לביקורת, של תופעות טבעיות, המתבססת על תיאוריה והשערות על הקשר שבין תופעות טבעיות אלו. מטרת המחקר המדעי היא לגבש חוקים כלליים שימזגו ידע קיים, יסבירו את התופעות ויאפשרו לחזות אירועים שעדיין לא התרחשו. מהימנותו של מחקר מדעי נבחנת, בין השאר, ביכולת לחזור עליו. לכן אין ערך למחקר ללא פרסומו במדויק על כל פרטיו. המסקנות חייבות להתבסס על עובדות מתועדות שנמדדו בניסוי ובתצפית ועל נתונים שנותחו בהתאם לכללים מתמטיים בינלאומיים. המחקר המדעי מנסה לגבש תיאוריה שהיא למעשה מערכת של מושגים הקשורים זה בזה. המושגים הם משתנים שמנסים להסביר את התופעה הנבדקת באמצעות הקשרים ביניהם. כל מחקר מדעי אמין מחייב עמידה בכללי יסוד ברורים שהחשובים שבהם: הצבת בעיית )שאלת( מחקר, הבודקת קשר בין משתנים. כל שלבי היסוד של המחקר המדעי מבוססים על משתנים אלו: השערת המחקר, הבקרה, הגורמים הקבועים במחקר, אופן איסוף הנתונים במחקר, הצגתם וניתוחם. מחקר מדעי אמין מתייחס אך ורק למשתנים האמורים. על החוקר לבודד את השפעתם של משתנים נוספים העשויים להשפיע על התוצאות. אנחנו מכנים זאת בשם: בידוד משתנים. כאשר התיאוריה שהמחקר מתבסס עליה מורכבת, על החוקר לבצע מחקרי משנה אחדים שביחד יוצרים תמונה כוללת המאפשרת הבנה של התופעה הנבדקת. אם לדוגמה ננסה לחקור את תהליך גדילת צמח כלשהו באמצעות מעקב אחר התארכות הגבעול, אחר העלייה במסת הצמח או אחר מדד אחר שנבחר, נבצע כמה מחקרים שכל אחד מהם יבדוק את השפעתו של גורם אחר על תהליך הגדילה: השפעת עוצמת האור, השפעת הטמפרטורה או השפעת המים. המשתנים במחקר המדעי במערך מחקר של ניסוי מבחינים בין שני סוגים של משתנים: משתנה בלתי תלוי - גורם שהחוקר משנה או קובע אותו במחקר כדי לבדוק את השפעתו על התופעה הנחקרת. המשתנה הבלתי תלוי מכונה כך כיוון שהחוקר הוא שמבצע בו שינויים והם אינם נובעים מהתופעה הנבדקת. משתנה תלוי - השינויים בו עשויים להיות תלויים בגורם הנבדק במחקר, כלומר במשתנה הבלתי תלוי. במחקר מדעי נעזרים החוקרים בשני כלי מחקר מרכזיים: תצפית וניסוי. 19

20 ההבדל בין תצפית לניסוי תצפית: צפייה בתופעה טבעית ומדידת משתנים הקשורים בה בלי להתערב ולנסות להשפיע על התוצאות. החוקרים אינם משנים משתנים נבדקים ואינם משפיעים על התוצאות המתקבלות. הם רק קובעים את מערך המשתנים שבהם תתמקד התצפית שלהם. החוקרים יבחרו לבצע תצפית במקרים שבהם אינם מכירים את כל המשתנים הקשורים בתופעה, או כאשר אינם יכולים לשלוט בהם. עם זאת החוקרים יכולים לבדוק קשר בין משתנים וגם למדוד משתנים. כך למשל בבדיקת פעילות של נמלים, יעקבו החוקרים אחרי שעות הפעילות ביממה, אחרי המרחקים מהקן שהנמלים מגיעות אליהם או מסלולי תנועתן. הם יכולים למדוד גם טמפרטורה ולחות יחסית של האוויר כדי לראות אם יש קשר בין התנהגות הנמלים למשתנים אלה. אך הם אינם יכולים לשלוט בהשפעתם של כל הגורמים הפועלים בשטח, ולכן הם יכולים לגלות רק מתאם בין משתנים ולא קשר סיבתי ביניהם. ניסוי: התערבות במהלך התופעה הטבעית כדי להוכיח את הקשר בין המשתנה התלוי למשתנה הבלתי תלוי. ההתערבות נעשית תוך כדי בידוד משתנים וביצוע בקרות מתאימות, או במילים אחרות: החוקר מבצע שינוי מתוכנן וידוע מראש של המשתנה הבלתי תלוי ובודק כיצד משפיע השינוי על המשתנה התלוי. אם נחזור למחקר הנמלים, יכול החוקר להוסיף מכשולים בדרך או מזון ולראות כיצד תשתנה התנהגות הנמלים. זהו ניסוי שדה כי החוקר אינו יכול לשלוט בו על כל המשתנים. כדי שיוכל לבודד משתנים, על החוקר לבצע ניסוי מבוקר בתנאי מעבדה. דוגמאות לתצפיות ולניסויים בספר הלימוד בפרק על עולם החי מוצעים שני ניסויים: ניסוי אחד בודק פליטת בועות חמצן בצמח המים - אלודאה )עמ' 161(: משווים בין צמחים המוחזקים באור בהשוואה לצמחים המוחזקים בחושך. ניסוי הבודק את השפעת האור על כמות הכלורופיל בעלים של צמחים )עמ' 167(: משווים בין כמות הכלורופיל בעלים בצמחים המוחזקים באור לבין הצמחים המוחזקים בחושך. בשני המקרים אנחנו מתערבים בניסוי: משפיעים על המשתנה הבלתי תלוי - כמות האור, ולכן שני אלה הם ניסויים. אנחנו מבצעים ניסוי )עמ' 263( גם כשבודקים כיצד משפיעה כמות האוויר בבקבוק על ציפתו במים. אנחנו מתערבים ומשנים את כמות המים בבקבוק )וכמובן את כמות האוויר - המשתנה הבלתי תלוי( ולכן זהו ניסוי. בכיתה ד בדקנו את הציפה של חומרים שונים: הכנסנו לכוס עם מים קוביות של חומרים שונים )קלקר, פסטיק, עץ, גומי, מתכת( ובדקנו אילו צפות ואילו שוקעות. זוהי תצפית משום שאנחנו בודקים תכונה של חומרים אך איננו מתערבים ואיננו משפיעים על התכונה הנבדקת. 20

21 על מושג החיים פרופ' ישעיהו לייבוביץ, מחשובי הוגי הדעות במאה ה- 20, הניח את היסודות להגדרה העדכנית של מושג החיים. היותו פילוסוף, ביולוג ויהודי שומר מצוות הוביל את תפיסתו להגדרות יוצאות דופן בדייקנותן ובגישתן, הגדרות שיוצרות קשר מרתק בין הדת למדע. פרופ' לייבוביץ אימץ במשנתו את קביעתו של הפיזיולוג הצרפתי קלוד ברנרד מהמאה ה- 19, לפיה יש להבחין בין מנגנוני החיים, אותם המדע מתאר ומנסה לפענח, לבין מהות החיים ותכליתם שאיתם אין המדע יכול להתמודד ושם מקומן של הדת והאמונה. בהבחנה זו יכול החוקר, גם אם הוא איש מאמין, לקבל תיאוריות אבולוציוניות כיוון שאלו עוסקות במנגנונים ולא במהות. פרופ' לייבוביץ לא קיבל כלשונה את ההבחנה הפשטנית הטוענת שהחיים הם היפוכו של המוות. לשם כך הוא הביא כדוגמה את תא החיידק שיכול תיאורטית )אם יספקו לו די מזון ותנאי קיום מתאימים( להתחלק ללא סוף ולא למות לעולם, התנהגות הסותרת את הטענה שחיים הם היפוכו של המוות. להלן פסקה שכתב פרופ' לייבוביץ בנושא ערך החיים, שמסכמת את גישתו: תופעת החיים, ציון הגבול בין מכלול האירועים הפיסיקו-כימיים בדו מם לבין החי, לא זכתה להגדרה מדעית וספק אם תוכל לזכות בהגדרה כזו. אין בידינו זולת האמירה האינטואיטיבית שהחיים הם מה שעומד כנגד המוות. אין הביולוגיה חוקרת את החיים, אלא רק את המנגנונים הפועלים בהם. החיים עצמם אינם יכולים להיתפס בעין המדע משום מהותם האוטונומית המאופיינת בשאיפה ובמגמה, בהתכוונותם לעתיד; זאת לעומת מנגנוני החיים, הקיימים מכורח הסיבתיות. מכאן שההפרדה בין החיים לבין מנגנוני החיים מוחלטת, וכמוה ההפרדה הקרובה אליה, בין ההתפתחות התכליתית, לבין התורשה הסיבתית. מנגנוני החיים הם תנאי לחיים, ואילו החיים עצמם מאופיינים בהתפתחות הכיוונית, שאין להסבירה אלא בקיומה של תכלית: ההתפתחות אינה מכוונת על ידי גורמים פיסיקו-כימיים קיימים מראש, אלא מכוונת את הפקתם, דהיינו קודמת להם. לכך מתקשרת ההבחנה בין האורגני לבין המכני במכני מתקיימים יחסי גרימה הייררכיים וחד-כיווניים; באורגני מתקיימים יחסי גרימה הדדיים והפיכים. פרופ' לייבוביץ כתב את ערך ה"חיים" באנציקלופדיה העברית ומשם גזור המשך המאמר הזה. אנו מפנים את המורים אל ההגדרה הרחבה המופיעה במקור חשוב זה. בהגדרתו נוגע לייבוביץ בהיבטים רבים המאפיינים יצור חי. למען הפשטות, נמנה שלושה מאפיינים עיקריים. א. היכולת להפיק אנרגיה. ב. היכולת לייצר חומרים על בסיס תבנית ידע קיימת. ג. הומיאוסטאזיס - היכולת לשמור על סביבה פנימית קבועה השונה מהסביבה החיצונית. כל יצור חי מקיים את כל שלושת המאפיינים האלה גם יחד. לפני שנרחיב את הדיון בשלושה מאפיינים אלה חשוב להדגיש שפרופ ליבוביץ התייחס בהגדרתו רק לצורות החיים כפי שהן מוכרות על פני כדור הארץ. כל צורות החיים על פני כדור הארץ מבוססות על שרשרות פחמן )חומרים אורגניים( ועל המים כממס. יחידת היסוד של קיומם של כל היצורים החיים על פני כדור הארץ היא התא. המדענים לא הגיעו לידי הכרעה בשאלה של מהות החיים של שתי צורות טפיליות המתקיימות בתאים של יצורים חיים )אם כי הם עצמם אינם בנויים מתאים(: 21

22 נגיפים ופריונים )שהם חלבונים בעלי כושר שכפול עצמאי ואשר עלו לכותרות עם גילויים כגורם למחלת הפרה המשוגעת(. אם רוצים להתייחס לאפשרות קיומם של חיים גם מחוץ לכדור הארץ, נדרשת הגדרה רחבה יותר של מושג החיים. מהי המשמעות של המאפיינים להגדרת חיים המופיעים בהגדרתו של פרופ' לייבוביץ? א. היכולת להפיק אנרגיה כל היצורים החיים המוכרים לנו מפיקים אנרגיה כימית לשם קיום התהליכים הכימיים והפיזיולוגיים השונים בגופם. תהליך הפקת האנרגיה המוכר והנפוץ ביותר על פני כדור הארץ הוא תהליך הנשימה התאית שבו מתפרקת מולקולה אורגנית )כמו למשל גלוקוז( למרכיביה. האנרגיה המתקבלת בתהליך הנשימה התאית מאפשרת את קיומם של תהליכים לבניית מרכיבים של תאי הגוף. תהליכים נוספים המשמשים להפקת אנרגיה הם תהליך התסיסה )פירוק חלקי של החומר האורגני ללא צורך בחמצן( או חמצון של תרכובות גופרית או חנקן על ידי חיידקים. ב. היכולת לייצר חומרים על פי תבנית ידע קיימת מאפיין זה כולל בתוכו שני היבטים הקשורים לחומצת הגרעין שהיא החומר התורשתי, מולקולת ה- DNA, האוצרת בתוכה את המידע הדרוש ליצירת מגוון החומרים הבונים את גופו של היצור החי. כל היצורים החיים על פני כדור הארץ מכילים בגופם חומצת גרעין. למולקולת ה- DNA מבנה דומה בכל היצורים החיים, מתא של מדוזה ועד לתא של האדם. היבט אחד הוא שכפול ה- DNA. תהליך זה הוא חלק בלתי נפרד מתהליך הרבייה בכל היצורים החיים. בכל תהליכי הרבייה המידע הגנטי משוכפל והעתקיו עוברים לצאצאים. היבט שני הוא בניית חלבונים המבוססת על המידע הגנטי השמור ב- DNA. בהיבט זה הקוד הגנטי מתורגם מתבנית אחת שבחומצת הגרעין לתבנית אחרת שמתבטאת במבנה של החלבונים. שינויים בהרכב ה- DNA יוצרים את המגוון העצום של יצורים חיים על פני כדור הארץ. ג. הומיאוסטאזיס: שמירה על סביבה פנימית קבועה שהיא שונה מהסביבה החיצונית קיום חיים פירושו שמירה על סביבה פנימית קבועה. ביצורים חיים שגופם בנוי רק תא אחד המוקף קרום, מבחינים בדרך כלל בהבדלים ניכרים משני צדי הקרום. ביצורים שגופם בנוי תאים רבים, מבחינים לא רק בתכונות שונות של הסביבה התוך תאית אלא גם בסביבה התוך גופית שהיא שונה מהסביבה החיצונית. השוני עשוי להתבטא בחומרים המרכיבים כל סביבה, בצפיפותם ובריכוזיהם. כך לדוגמה, בגופם של כל היצורים החיים יש מים. כל יצור חי חייב לשמור בגוף מים בריכוז שהוא שונה בדרך כלל מזה שבסביבה החיצונית. בדומה למים, יש עוד חומרים רבים שהיצורים החיים קולטים מהסביבה ושומרים אותם בגופם בריכוזים שונים מאלה שבהם מוצאים אותם בסביבה )למשל מינרלים ומלחים(. אצל יצורים רבים )ובמיוחד אצל המורכבים שבהם( טמפרטורת הגוף שונה מזו של הסביבה החיצונית. בעלי חיים הנמנים עם המחלקות של העופות ושל היונקים יכולים לווסת את טמפרטורת הגוף באמצעות תהליכים פיזיולוגיים או התנהגותיים ולשמור על טמפרטורה תוך גופית בטווח קבוע פחות או יותר שהוא שונה מהטמפרטורה החיצונית. בעלי חיים ממחלקות אחרות חייבים גם הם לשמור על סביבה פנימית קבועה אולם האמצעים העומדים לרשותם הם לרוב התנהגותיים ולא פיזיולוגיים. אך היכולת לשמור על סביבה פנימית קבועה היא מוגבלת. כשנוצרים בסביבה החיצונית תנאים קיצוניים, מעבר ליכולת הוויסות והשימור של היצורים החיים, מנגנוני ההומיאוסטאזיס עלולים לקרוס, דבר העלול להביא למוות. 22

23 מאמר העשרה לפרק אנרגיה בעולמנו מושגי יסוד בחשמל כוח חשמלי ושדה חשמלי מטענים חשמליים מפעילים כוח חשמלי זה על זה. מטענים חיוביים דוחים זה את זה, מטענים שליליים דוחים זה את זה ומטענים חיוביים מושכים ונמשכים למטענים שליליים. עוצמת הכוח תלויה בשני גורמים: בגודל המטענים ככל שכל אחד מן המטענים המשתתפים באינטרקציה הוא גדול יותר, כך גדול יותר הכוח החשמלי ביניהם. במרחק שבין שני המטענים ככל שהמרחק גדול יותר, הכוח החשמלי קטן יותר. יחידת המטען החשמלי היא הקולון )C(. הקולון הוא המטען של 6.25 x פרוטונים. אפשר לתאר את מנגנון הפעלת הכוח בצורה הבאה: כל מטען יוצר במרחב סביבו שדה חשמלי. כל מטען אחר, שנכנס לשדה החשמלי של המטען הראשון, מרגיש כוח חשמלי. אם כך, שדה חשמלי הוא תכונה של אזור במרחב, המתבטאת בהפעלת כוח חשמלי על כל מטען חשמלי אחר שייכנס לאזור הזה. לשדה החשמלי בנקודה מסוימת יש כיוון וגודל: כיוון השדה בנקודה הוא הכיוון של הכוח שיפעל על מטען חיובי שיימצא בשדה בנקודה זו. על מטען חשמלי שלילי, שיושם בנקודה זו, יפעל כוח מנוגד לכיוון השדה. גודל השדה נקבע לפי הגודל של הכוח שיפעל על יחידת מטען בנקודה האמורה. עוצמת השדה נמדדת ביחידות של ניוטון )יחידות של כוח( לקולון )יחידות של מטען(. את הכוח מסמנים באות F. את השדה מסמנים באות E. A שני מטענים חיוביים מפעילים כוח דחייה חשמלי זה על זה: כוח חשמלי F כוח חשמלי E A כאשר אין מטען בנקודה A עדיין יש שם שדה חשמלי: שדה חשמלי E כאשר ישימו מטען שלילי בנקודה A יפעל עליו כוח חשמלי נגד כיוון השדה: A כוח חשמלי F כוח חשמלי F שדה חשמלי E 23

24 לשדה החשמלי יש עוצמה ויש כיוון. נוהגים לתאר את השדה החשמלי המצוי סביב מטען חשמלי ואת כיוונו באמצעות קווי כוח. הכוח החשמלי שיפעל על מטען חיובי בנקודה כלשהי בשדה יהיה משיק לקו השדה בנקודה זו. צפיפות קווי השדה מתארת את עוצמת השדה: קווי שדה צפופים מייצגים עוצמת שדה גבוהה וקווים רחוקים זה מזה מסמנים שדה חלש: קרוב למטען הקווים צפופים ורחוק ממנו הם מרווחים. נדרשת אנרגיה כדי ליצור שדה חשמלי באזור מסוים במרחב, ולכן השדה החשמלי הוא בעל אנרגיה. כאשר מטען חשמלי נע ממקום למקום, השדה החשמלי שלו משתנה, כך שקווי השדה החדשים יוצאים מן המקום החדש של המטען. השינוי בשדה המקיף את המטען אינו מתרחש בו זמנית בכל מקום במרחב אלא מתפשט מן המטען במהירות האור. מטען חשמלי אחר הנמצא בשדה של המטען הראשון שנע, אינו מושפע מהתנועה של המטען הראשון עד שהשינוי בשדה מגיע אליו. א ב ג דוגמאות לשדות שנוצרים סביב יותר ממטען אחד מקרא לאיור: א. קווי שדה סביב מטען חיובי אחד. ב. קווי שדה סביב שני מטענים שווי גודל אך שוני סימן. הקווים יוצאים מהמטען החיובי ומסתיימים במטען השלילי. ג. קווי שדה סביב שני מטענים שווי גודל ושווי סימן. 24

25 פוטנציאל חשמלי ומתח חשמלי הפרש פוטנציאלים חשמליים נקרא גם מתח ונמדד בוולטים.)Volt( הוא יכול ליצור זרם חשמלי. נברר מהו הפוטנציאל החשמלי וכיצד הוא יכול ליצור זרם חשמלי. לגוף הנמצא בשדה הכבידה של כדור הארץ )כלומר, בסביבה שבה פועל כוח המשיכה של כדור הארץ( יש אנרגיה פוטנציאלית כובדית )המכונה בספר התלמיד בשם אנרגיית גובה(. ככל שהגוף גבוה יותר יש לו אנרגיה פוטנציאלית כובדית גדולה יותר. כאשר נשחרר ממנוחה גוף הנמצא במקום גבוה )A(, והוא בעל אנרגיה פוטנציאלית כובדית גבוהה, הוא יפול בהשפעת כוח המשיכה למקום נמוך יותר שבו יש לו אנרגיה פוטנציאלית כובדית נמוכה )B(. כאשר הוא יפול הוא יאיץ ויצבור אנרגיית תנועה, המכונה אנרגיה קינטית. אנרגיה פוטנציאלית כובדית הפכה אם כך לאנרגיה של תנועה. גוף גבוה, בעל אנרגיה פוטנציאלית כובדית גבוהה A גוף נמוך, בעל אנרגיה פוטנציאלית כובדית נמוכה B באופן דומה, למטען חשמלי הנמצא בשדה חשמלי תהיה אנרגיה פוטנציאלית חשמלית: האנרגיה שיש למטען חשמלי בגלל המקום שבו הוא נמצא בשדה החשמלי. לדוגמה, כאשר מטען חשמלי חיובי נמצא בנקודה A, קרוב לכדור הנושא מטענים חשמליים חיוביים, תהיה לו אנרגיה פוטנציאלית חשמלית גבוהה. אם נשחרר את המטען הזה ממנוחה הוא ינוע, בהשפעת כוח הדחייה החשמלי של הכדור הטעון, אל נקודה B שבה תהיה לו אנרגיה פוטנציאלית חשמלית נמוכה יותר. בזמן התנועה מנקודה A לנקודה B הוא יאיץ וחלק מהאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית שלו תהפוך לאנרגיה של תנועה. B A מטען בעל אנרגיה פוטנציאלית חשמלית גבוהה מטען בעל אנרגיה פוטנציאלית חשמלית נמוכה לכל מטען חשמלי חיובי תהיה יותר אנרגיה פוטנציאלית חשמלית בנקודה A מאשר בנקודה B. לכן נוהגים לומר שיש לנקודה A פוטנציאל חשמלי גבוה יותר מאשר לנקודה B. הפוטנציאל החשמלי הוא תכונה של הנקודה ולא של המטען )הפוטנציאל מוגדר כיחס בין האנרגיה של מטען לבין גודל המטען, כלומר האנרגיה ליחידת מטען, הפוטנציאל נמדד ביחידות של וולט.)Volt מטען חשמלי חיובי ינוע, בהשפעת השדה החשמלי, מנקודה בעלת פוטנציאל חשמלי גבוה לנקודה בעלת פוטנציאל חשמלי נמוך. 25

26 כדאי לשים לב לכך שמטען חשמלי שלילי )כמו האלקטרון למשל( ינוע בהשפעת אותו שדה מנקודה בעלת פוטנציאל נמוך לנקודה בעלת פוטנציאל גבוה. אם מצליחים ליצור הפרש פוטנציאלים בין שתי נקודות במרחב, ינועו מטענים חשמליים מהנקודה האחת אל השנייה. תנועת מטענים זו היא זרם חשמלי. הפרש פוטנציאלים נקרא מתח חשמלי. לכן מתח חשמלי יכול לגרום לזרם חשמלי. זרם חשמלי ניקח לדוגמה חומר מוליך ששני הקצוות שלו נמצאים בטמפרטורות שונות. במוליך תיווצר זרימה של אנרגיית חום מהקצה שבו הטמפרטורה גבוהה אל הקצה שבו הטמפרטורה נמוכה. הזרם נפסק כאשר הטמפרטורה משתווה בשני קצות המוליך. מצב דומה נוצר במוליך ששני הקצוות שלו נמצאים בפוטנציאל חשמלי שונה. במוליך כזה נוצר הפרש פוטנציאלים או מתח חשמלי. מטענים חשמליים חיוביים יזרמו מהקצה שבו הפוטנציאל החשמלי גבוה יותר אל הקצה שבו הפוטנציאל החשמלי נמוך יותר, ומטענים שליליים יזרמו מן הפוטנציאל הנמוך לגבוה, עד שיהיה שוויון פוטנציאלים בין שני הקצוות. כאשר עובר זרם חשמלי בתיל מוליך, נוצרת במוליך תנועה של אלקטרונים שמטענם שלילי. הם ינועו במהירות קבועה ובכיוון קבוע, מהקצה שבו הפוטנציאל החשמלי נמוך יותר )הקוטב השלילי( אל הקצה שבו הפוטנציאל החשמלי גבוה יותר )הקוטב החיובי(. )כדאי להעיר שמסיבות היסטוריות מוגדר כיוון הזרם החשמלי בפיזיקה ובהנדסה, ככיוון תנועת מטענים חיוביים במעגל, כלומר מהפוטנציאל החיובי אל הפוטנציאל השלילי, למרות שכיוון תנועת האלקטרונים הוא הפוך(. עוצמת הזרם החשמלי היא כמות המטענים שעוברים דרך חתך רוחב במוליך במשך שנייה אחת. עוצמת הזרם החשמלי נמדדת ביחידות של אמפר.)Amper( )אמפר אחד הוא זרם שבו קולון אחד עובר דרך חתך של המוליך בשנייה אחת(. מוליכים ומבדדים כל חומר בנוי מאטומים. בכל אטום יש גרעין הבנוי מחלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי פרוטונים, ומחלקיקים חסרי מטען חשמלי נויטרונים. מסביב לגרעין נעים חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי, האלקטרונים. האלקטרונים מקיפים את הגרעין במסלולים בעלי רדיוס קבוע. ככל שרדיוס המסלול גדול יותר כך האלקטרון רחוק יותר מהגרעין וכך קטן יותר כוח המשיכה שבין האלקטרון והגרעין. באטומים של מתכות, האלקטרונים המצויים במסלולים החיצוניים קשורים בקשר חלש במיוחד לגרעין האטום. הם יכולים להשתחרר מהאטום ולנוע בתוך המתכת בין האטומים. בגוף הבנוי מאטומים של מתכות קל לגרום לתנועה מסודרת של האלקטרונים על ידי מתח חשמלי חיצוני. גופים העשויים אטומי מתכות הם מוליכים טובים. הם יכולים להוליך היטב זרם חשמלי וגם חום. בחומרים אחרים כמו גומי או זכוכית, האלקטרונים קשורים בחוזקה לגרעין האטום ואינם חופשיים לנוע בחומר. חומרים כאלה הם מוליכים גרועים של חשמל ושל חום. הם מבדדים טובים. )כדאי לציין שמוליכות ובידוד הן תכונות ברצף ולא מוליך / מבדד. כך למשל גוף האדם איננו מוליך במתח של סוללות אך מוליך לא רע בכלל במתח של 220 וולט(. 26

27 מקור האלקטרונים במעגל החשמלי ומהירותם כאשר תיל מוליך אינו מחובר למעגל חשמלי, או כאשר יש מעגל חשמלי פתוח, לא יכול להיווצר שדה חשמלי בתוך התיל. האלקטרונים החופשיים במוליך נעים כל הזמן באופן אקראי לכל הכיוונים. לכל אלקטרון מהירות די גבוהה, אך מהירות התנועה שווה בכל אחד מהכיוונים האקראיים ומשום כך המהירות הממוצעת היא אפס. בין הקטבים בסוללה נוצר שדה חשמלי. קווי השדה מתוארים באיור ב. כאשר מחברים את שני הקטבים באמצעות מוליך )איור א( עוברים קווי השדה דרך המוליך. )בדרך כלל המוליך הוא מעגל חשמלי ולא מוט מתכת כמו זה המוצג באיור(. א ב כאשר סוגרים מעגל חשמלי נוצר שדה חשמלי בתוך התיל. האלקטרונים ממשיכים בתנועתם האקראית, אך כעת גם פועל עליהם כוח שמפעיל השדה החשמלי והם מתחילים להאיץ לאורך התיל )כיוון תאוצתם יהיה מנוגד לכיוון השדה משום שהם בעלי מטען שלילי(. אך האלקטרונים אינם מצליחים לפתח מהירות גדולה משום שהם נתקלים בתוך זמן קצר ביונים של המתכת )אטומים של המתכת שמהם הוצאו האלקטרונים החופשיים( שהם קבועים במקומם. כתוצאה מההתנגשות מאבדים האלקטרונים חלק מאנרגיית התנועה שלהם וגם משנים את כיוון התנועה שלהם. נוצר מצב שבו המהירות הממוצעת של כל האלקטרונים היא מהירות קבועה קטנה, שיכולה להגיע לעשירית המ"מ בשנייה, לאורך התיל המוליך )בכיוון מנוגד לכיוון השדה(. )לכל אלקטרון בתוך התיל מהירות די גבוהה בכיוון אקראי אך הממוצע הוא בכיוון התיל(. האלקטרונים מקבלים כל הזמן אנרגיה מהשדה החשמלי, אבל מאבדים אנרגיה רבה משום שבתנועתם הם מתנגשים ביוני המתכת. זהו המקור לחום שנפלט מהמוליך. אם מקור המתח הוא מחולל מתח, הזרם הוא זרם חילופין, האלקטרונים למעשה אינם מתקדמים כלל. הם מתנודדים בקצב קבוע הלוך ושוב סביב נקודות קבועות במרחב. תנודת האלקטרונים גורמת בין השאר לפליטת אור ולפליטת חום מנורת להט. הזרם החשמלי דומה לזרם של מים. כדי לשמור על זרם רציף של מים, צריך להבטיח אספקה מתמדת של אנרגיה שתניע את המים. כדי לשמור על הזרם החשמלי, מקור המתח צריך לספק אנרגיה שתיצור תנועה רציפה של אלקטרונים במעגל החשמלי. 27

28 כדאי לציין שכמו שמשאבת מים איננה מייצרת מים, אלא רק גורמת לתנועתם, כך מקור המתח במעגל איננו מייצר את האלקטרונים אלא רק מניע אותם. האלקטרונים הנעים במעגל הם אלקטרונים ששייכים למתכת של המוליכים שבתוכו. מה קובע את עוצמת הזרם החשמלי במעגל החשמלי? עוצמת הזרם במעגל חשמלי תלויה במתח החשמלי ובהתנגדות המעגל. ככל שהמתח החשמלי גבוה יותר, יהיה גם הזרם החשמלי גדול יותר. המתח החשמלי נקבע על פי המקור )סוללה, רשת החשמל(. עוצמת הזרם החשמלי במעגל מסוים תלויה לא רק במתח אלא גם בהתנגדות של המעגל למעבר הזרם דרכו. הדבר דומה לזרימת מים בצינור גומי: עוצמת הזרימה תלויה בלחץ המים )המקביל למתח( ובהתנגדות של הצינור למעבר מים דרכו. התנגדות המעגל החשמלי תלויה בהתנגדות הסגולית של החומר שממנו בנוי התיל המוליך, באורך המוליך ובעוביו. ההתנגדות גדלה ככל שהמוליך ארוך יותר, וקטנה ככל שהוא עבה יותר. ההתנגדות הסגולית של החומר תלויה בסוג החומר ובטמפרטורה שלו. ככל שהטמפרטורה של המוליך גבוהה יותר, ההתנגדות של המוליך גדולה יותר. התנגדות חשמלית נמדדת ביחידות אוהם. חוק אוהם מנסח את הקשר שבין המתח החשמלי, התנגדות המעגל והזרם החשמלי: מתח חשמלי )בוולט( = זרם חשמלי )באמפר( X התנגדות חשמלית )באוהם( מתח התנגדות זרם = התנגדות חשמלית ומכת חשמל מכת חשמל נגרמת כאשר יש הפרש פוטנציאלים בין שני חלקים של הגוף. זרם חשמלי יעבור בין שני חלקים אלה במסלול שבו ההתנגדות היא הנמוכה ביותר. מכת החשמל גורמת התחממות רבה של רקמות בגוף ומשבשת את פעולתה התקינה של מערכת העצבים. היא עשויה אף לפגוע בקצב פעולת הלב או אף לגרום לדום לב. עוצמת הזרם שיעבור בגוף תלויה במתח ובהתנגדות החשמלית של הגוף. התנגדות הגוף משתנה בהתאם לרטיבותו: אדם שבגדיו ספוגים במי מלח הוא בעל התנגדות נמוכה יחסית, 1,000 אוהם בלבד. לאדם שהעור שלו יבש מאוד, התנגדות גדולה הרבה יותר, 500,000 אוהם. במצב רגיל, כאשר העור אינו יבש מאוד, ההתנגדות מגיעה ל- 100,000 אוהם. אם עומדים על קרקע יבשה ברגליים חשופות, יש התנגדות גדולה בשטח המגע של כפות הרגליים עם הקרקע. במצב זה, אם ניגע בידיים חשופות במקור מתח של 220 וולט, יעבור זרם חזק דרך הגוף אך בדרך כלל הוא לא יגרום נזק חמור. אך אם נעמוד ברגליים חשופות על רצפה רטובה, תפחת ההתנגדות במידה רבה, הזרם שיעבור דרך הגוף יהיה גדול הרבה יותר ויכול לגרום מוות. 28

29 מקורות לאנרגיה חשמלית כדי שהזרם החשמלי במעגל יימשך, צריך לשמור על מתח )הפרש פוטנציאלים( בין שני הקצוות של המוליך. לשם כך נחוץ מקור מתח. סוללות ומחוללי מתח )גנרטורים( הם מקורות מתח במעגלים חשמליים ומספקים זרם חשמלי קבוע במעגל. שני המקורות מפרידים בין מטענים חשמליים חיוביים למטענים שליליים ויוצרים מתח חשמלי. סוללות יוצרות זרם ישר כאשר הקטבים של הסוללה מחוברים זה לזה בעזרת מוליכים או דרך מכשירים חשמליים, נוצר מעגל חשמלי. האלקטרונים נעים במעגל בכיוון אחד מהקוטב השלילי של הסוללה אל הקוטב החיובי שלה. מחוללי מתח - מספקים מתח חילופין. האלקטרונים במעגל החשמלי משנים את כיוון התנועה שלהם: הם נעים תחילה בכיוון אחד ואחר כך הופכים את כיוון התנועה שלהם. כיוון התנועה של האלקטרונים במחוללי מתח בארץ משתנה 100 פעמים בשנייה )תדירות מתח החילופין בארץ הוא חמישים הרץ, כלומר חמישים מחזורים בשנייה. הם נעים הלוך ושוב חמישים פעמים בשנייה, או משלימים חמישים מחזורים בשנייה(. באופן זה הקוטב החיובי והקוטב השלילי מתהפכים שוב ושוב מחיובי לשלילי ולהפך. נורות ומכשירי חשמל ממשיכים לדלוק בלי תלות בכיוון הזרם ולכן מקבלים פעולה רצופה שלהם )ישנם מכשירים שדורשים לפעולתם זרם בכיוון אחד בלבד ואז צריך לדאוג למעגל חשמלי שיישר את הזרם(. זרם חילופין מאפשר להעביר חשמל למרחקים ארוכים מאוד תוך איבוד חום קטן בהשוואה לחום האובד בזמן העברת זרם ישר. הסוללה אנחנו משתמשים במונח סוללה )בטריה( למרות שהשם המדעי המדויק הוא תא חשמלי. תא חשמלי בנוי משני חצאי תא: חצי תא ובו הקוטב השלילי, האנודה. חצי תא ובו הקוטב החיובי, הקתודה. בכל מחצית תא יש מתכת שונה הטבולה בתמיסת מלח )מים שמומסים בהם מלחים(. התאים מופרדים זה מזה. הקשר ביניהם בתוך הסוללה נוצר באמצעות גשר מלח: גשר המלח מאפשר מעבר של יונים טעונים של מלח מחצי תא אחד לחצי התא השני. כאשר סוגרים את המעגל החשמלי, אלקטרונים עוברים מהאנודה לקתודה ויוצרים זרם חשמלי. המתח של הסוללה תלוי בסוגי המתכות הבונות את האנודה ואת הקתודה שלה ובאופי התגובות הכימיות המתרחשות בכל חצי תא. בסוללות רגילות המתח הוא 1.5V. כדי לקבל סוללה של 9V מחברים בטור שישה תאים חשמליים במתח של 1.5V. בסוללות ליתיום יש חומרים שהפעילות הכימית שלהם גדולה יותר ומתקבל מתח גבוה יותר,. 3.4V בסוללות יש תהליך של התפרקות עצמית, פעילות כימית שקיימת גם כאשר הן אינן מחוברות למעגל חשמלי. התפרקות זו קובעת את חיי המדף של הסוללות. אפשר להאריך את חייהן אם שומרים אותן בקור. יש סוללות נטענות, שאפשר לספק להן אנרגיה ולהטעין אותן מחדש לאחר שנוצלה כל האנרגיה שהייתה אגורה בהן. השימוש בסוללות נטענות נפוץ מאוד. מוצאים אותן בטלפונים סלולריים, במצלמות וידאו, במצברים לרכב, במנורות לשעת חירום ועוד. 29

30 תא חשמלי הנוצר בסוללות קתודה אנודה Zn (s) Zn +2 (aq( +2e- Cu +2 (aq) +2e- Cu (s) קתודה מעבר אלקטרונים גשר מלח )מעבר יונים( אנודה תמיסת מלח תמיסת מלח העברת אותות חשמליים בתיל מוליך אותות חשמליים העוברים דרך קווי טלפון ודרך מוליכים, נעים כמעט במהירות האור. השדה החשמלי )מלווה בשדה מגנטי( הוא שנע דרך המוליך כמעט במהירות האור ונושא אנרגיה שגורמת לתנודות של האלקטרונים במוליך. כאשר נגרמים שינויים בפוטנציאל החשמלי בקצה אחד של תיל מוליך, השינויים האלה מועברים כגל של שינויים בשדה החשמלי שבתיל, עד לצד השני של התיל ואפשר לנצל אותם להעברת מידע ואנרגיה. כאשר אותות אלה עוברים בתיל חשמלי, האלקטרונים שבתיל אינם נעים איתם אלא רק מתנודדים כל אחד במקומו. את השינויים בפוטנציאל החשמלי בצד השני של התיל המוליך אפשר להגביר, ואז להופכם לגלי קול בטלפון או לתמונה על מסך הטלוויזיה. מגנטיות וכוחות מגנטיים הכוח החשמלי והכוח המגנטי קשורים זה לזה, ולכן התחום בפיזיקה העוסק בשניהם ובחקר הקשר ביניהם נקרא אלקטרומגנטיות. יש דמיון רב בין שני הכוחות, החשמלי והמגנטי: שניהם פועלים ללא מגע. חוזקו של הכוח המגנטי תלוי במרחק שבין המגנטים, כפי שחוזק הכוח החשמלי תלוי במרחק שבין המטענים החשמליים. בחשמל מטענים שווי סימן דוחים זה את זה ואילו מטענים שוני סימן מושכים זה את זה. כך גם במגנטים: קטבים דומים דוחים זה את זה ואילו קטבים שונים מושכים זה את זה. הדמיון הזה סיקרן ומשך מדענים במשך מאות בשנים, שניסו למצוא קשר בין שתי התופעות. קשר כזה אכן נמצא במאה ה 19, כפי שמתואר בספר התלמיד. 30

31 מה יוצר את המגנטיות בתוך המגנט? שלוש מתכות בטבע יוצרות מגנטים: ברזל, ניקל וקובלט. האלקטרונים של האטומים שמצויים במגנט הם אלה שיוצרים את השדה המגנטי. האלקטרונים נמצאים כל הזמן בשני סוגי תנועה: סביב גרעיני האטומים וסביב צירם של האלקטרונים )מה שקרוי: ספין(. ברוב האטומים מסודרים האלקטרונים בזוגות והם נעים סביב הגרעין בכיוונים מנוגדים. לכן השדות המגנטיים שהם יוצרים מבטלים זה את זה. בברזל )ובמידה מעטה יותר גם בניקל ובקובלט( יש זוגות אלקטרונים לא מזווגים ולכן הם יוצרים שדות מגנטיים. כל אטום של ברזל הוא בעצם מגנט קטן )וכך גם ניקל וקובלט, אם כי במידה פחותה כאמור(. השדה המגנטי שיוצר כל אטום ברזל במגנט הוא חזק מאוד. הוא מפעיל את הכוח המגנטי שלו על אטומי ברזל סמוכים לו במגנט וכך כולם מסתדרים באופן שצירי הסיבוב שלהם מקבילים והם מפעילים שדה מגנטי באותו כיוון. בגופים העשויים ברזל לא ממוגנט, כמו מסמר למשל, צירי הסיבוב של האטומים אינם מסודרים במקביל ולכן המסמר אינו מתנהג כמגנט. אבל אפשר למגנט את המסמר: כאשר מעבירים מעליו מגנט, מסתדרים צירי הסיבוב של האטומים במסמר באותו כיוון והוא מתנהג כמגנט. בדרך כלל אחרי שמרחיקים את המסמר מהמגנט, גורמת השפעת הטמפרטורה של הסביבה לפירוק הסידור האחיד של האטומים ותכונות המגנטיות נעלמות. באיור אפשר לראות שלבים עוקבים בהתמגנטות של ברזל. החיצים מסמנים אזורים מגנטיים. הראש של כל חץ מסמן קוטב צפוני ואילו הזנב קוטב דרומי. ממגנט ששוברים לשני חלקים, מתקבלים שני מגנטים בעלי עוצמה שווה. אפשר למגנט ברזל בכמה דרכים: להכניס פיסות ברזל לתוך שדות מגנטיים חזקים. לשפשף פיסות ברזל במגנט. תנועת השפשוף גורמת להכוונת השדה מגנטי בברזל. אם מפילים את המגנט או מחממים אותו נחלש השדה המגנטי שלו. 31

32 שדה מגנטי וקווי שדה מגנטי מגנט יוצר שדה מגנטי במרחב שסביבו. אפשר לתאר את השדה המגנטי על ידי קווי שדה מגנטי. כיוונו של קו שדה מגנטי מתאר את הכיוון שבו היה מתייצב מגנט קטן )למשל מחט מגנטית של מצפן( שהיה נמצא שם. באיור מתוארים קווי שדה מגנטי סביב מגנט. השדה המגנטי של כדור הארץ כדור הארץ הוא מגנט ענק. צורת השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לשדה שהיה נוצר אילו היו מעבירים מוט מגנטי גדול דרך מרכז כדור הארץ. כדאי לציין שהקטבים המגנטיים של כדור הארץ אינם הקטבים הגיאוגרפיים שלו )תזכורת : הקוטב הגיאוגרפי הוא קצה ציר הסיבוב של כדור הארץ(: הקוטב המגנטי הצפוני מרוחק 1,800 ק"מ מהקוטב הגיאוגרפי. הקוטב המגנטי הדרומי נמצא מדרום לאוסטרליה. הקוטב המגנטי הדרומי הקוטב הגיאוגרפי הצפוני S N הקוטב המגנטי הצפוני הקוטב הגיאוגרפי הדרומי מדענים סבורים שמקור השדה האלקטרומגנטי של כדור הארץ הוא בזרמים חשמליים שעוברים בליבה של כדור הארץ. השדה המגנטי של כדור הארץ אינו יציב והוא השתנה במהלך תקופות גיאולוגיות שונות. התברר שכיווני השדה המגנטי התחלפו עשרות פעמים. השדה המגנטי גם התאפס פעמים אחדות. תופעה זו מוכרת גם מכוכבי לכת 32

33 אחרים. בשמש עצמה מתהפך השדה המגנטי כל 22 שנים. השדה המגנטי של כדור הארץ מגן עלינו מפני קרינה קוסמית שמגיעה מהחלל. קרינה זו מורכבת מאטומים שנתלשו מהם אלקטרונים. חלק מהקרניים מצליחות בכל זאת להגיע לאזורי הקטבים של כדור הארץ. כאשר קרינה זו חודרת אל האטמוספירה נוצרת התופעה של הזוהר הצפוני. שדה מגנטי של תיל מוליך סביב מטען חשמלי יש תמיד שדה חשמלי. כאשר המטען נע נוצר סביבו גם שדה מגנטי. לשדה המגנטי סביב תיל מוליך נושא זרם, יש צורה של עיגולים הולכים ומתרחבים שהמרכז שלהם הוא התיל המוליך. פירוש הדבר הוא שמחט מגנטית קטנה )למשל המחט במצפן קטן( שנשים בקרבת תיל שזורם בו זרם, תתייצב בכיוון מאונך לתיל )המחט תראה למעשה את ההשפעה המשותפת של השדה המגנטי של כדור הארץ ושל השדה המגנטי של התיל(. כאשר מחליפים את כיוון התנועה של המטענים החשמליים במוליך מתהפך כיוונו של השדה המגנטי. עוצמת השדה המגנטי קטנה ככל שמתרחקים מהתיל, והיא תהיה גדולה יותר ככל שהזרם בתיל גדול יותר. כאשר מכופפים את התיל המוליך ויוצרים ממנו לולאה, מצטופפים קווי השדה המגנטי בתוך הלולאה. כאשר מכופפים עוד יותר את התיל המוליך ויוצרים שתי לולאות מקבילות, מצופפים עוד יותר את קווי השדה המגנטי והוא מתחזק. עוצמת השדה המגנטי תגדל ככל שיגדל מספר הלולאות של התיל המוליך. אם מכניסים מוט ברזל לתוך סליל של מוליך שעובר בו זרם חשמלי, יתמגנט הברזל ויגביר את עוצמת השדה המגנטי בתוך הסליל המוליך. ניתן לראות שהשדה המגנטי סביב סליל דומה לשדה המגנטי סביב מוט מגנט, והם אכן מתנהגים בצורה דומה. סליל שבו זרם מתנהג כמגנט ולכן נקרא אלקטרומגנט. 33

34 מחוללי מתח וזרם חילופין כאשר מכניסים מגנט לתוך סליל של מוליך, מושרה במוליך מתח חשמלי. המתח המושרה גדול יותר ככל שמספר הליפופים של הסליל גדול יותר. גודלו של המתח המושרה תלוי גם במהירות שבה מכניסים את המגנט )ולמעשה את השדה המגנטי( לתוך הסליל. כאשר המגנט נמצא במנוחה במרכז הסליל אין מצב של שינוי בשדה המגנטי שבסליל ולכן המתח המושרה מתאפס. כאשר מוציאים את המגנט מהסליל פוחת השדה המגנטי דרך הסליל. גם זה הוא שינוי של השדה המגנטי ולכן גם במקרה זה יושרה מתח חשמלי בסליל. המתח החשמלי שיושרה הפעם יהיה מנוגד בכיוונו למתח שהושרה בסליל כאשר הוכנס לתוכו המגנט. תופעה זו של יצירת מתח חשמלי בסליל על ידי שינוי השדה המגנטי בתוך הסליל נקראת בשם השראה מגנטית. הגדלת התדירות של השינויים בכיוון השדה המגנטי )כלומר תדירות ההכנסה וההוצאה של המגנט מהסליל( מגדילה את המתח המושרה בסליל. גם סיבוב של הסליל בתוך השדה המגנטי של המגנט יגרום לשינוי של מספר קווי השדה המגנטי העוברים דרך הסליל, וגם במקרה כזה יושרה מתח חשמלי בסליל. במחוללי מתח מסוג דינמו, מסובבים סליל של תיל מוליך בתוך שדה מגנטי קבוע. משקיעים אנרגיית תנועה כדי לסובב את הסליל החשמלי ומפיקים חשמל. במחוללי מתח מהסוג הנפוץ בתחנות כוח מסובבים מגנט )אלקטרומגנט( בתוך לולאות של סליל וכך מושרה מתח חילופין בסליל. גלים אלקטרומגנטיים ראינו שזרם חשמלי מוקף בשדה מגנטי. כאשר משתנה הזרם החשמלי משתנה גם השדה המגנטי. שדה מגנטי משתנה משרה בסביבותיו שדה חשמלי משתנה. קיימת גם התופעה ההפוכה: שדה חשמלי משתנה יוצר שדה מגנטי משתנה. כשהשדה חשמלי והשדה המגנטי משתנים כל הזמן הם בונים זה את זה ויוצרים גלים אלקטרומגנטיים המתפשטים מהזרם החשמלי כלפי חוץ. השדה החשמלי והשדה המגנטי בגל האלקטרומגנטי מאונכים זה לזה ושניהם מאונכים לכיוון ההתקדמות של הגל האלקטרומגנטי. 34

35 השדה החשמלי והשדה המגנטי בגל אלקטרומגנטי מאונכים זה לזה יש סוגים שונים של גלים אלקטרומגנטיים הנבדלים זה מזה בתדירותם: מספר מחזורי הגל העוברים על פני נקודה מסוימת בשנייה. מבטאים את תדירות הגלים ביחידות של הרץ: מספר מחזורים בשנייה. אורך הגל הוא המרחק שבין שני שיאים סמוכים של הגל. טווח התדירות של כל הסוגים של גלים אלקטרומגנטיים נקרא בשם הספקטרום האלקטרומגנטי. המהירות של כל סוגי הגלים האלקטרומגנטיים בריק היא מהירות האור. כפי שאפשר לראות באיור, קרני גאמא וקרני X הן בעלות התדירות הגבוהה ביותר )הן הגלים הקצרים ביותר(. גלי רדיו הם בעלי התדירות הנמוכה ביותר )הם הגלים הארוכים ביותר(. תחום האור הנראה תופס רק חלק קטן ביותר מהספקטרום האלקטרומגנטי. הספקטרום האלקטרומגנטי גלי רדיו גלי מיקרו קרינה תת אדומה האור הנראה קרינה על סגולה גלי X גלי גמא תדירות הגלים, הרץ 35