מה קורה לקרח כשמחממים אותו - מדריך למורה

‫מה קורה לקרח כשמחממים אותו‪ -‬מדריך למורה‬ ‫נושא‬ ‫שכבת גיל‬ ‫זמן‬ ‫רציונאל‬

‫מעבר מוצק לנוזל– תהליך ההתכה‪ -‬תצפית‬ ‫כיתה ד‬ ‫‪ 50‬דקות‬ ‫יחידה זו עוסקת בנושא תהליכי שינוי בחומרים במסגרת תחום התוכן ‪ -‬מדעי‬ ‫החומר‪ -‬פיזיקה‪.‬‬ ‫היחידה מתמקדת בשינויים בחומר קרח ובמעבר בין מצב צבירה של מוצק‬ ‫(קרח) למצב צבירה נוזל (מים) כתוצאה מהוספת חום‪ .‬בפעילות זו התלמידים‬ ‫עוקבים אחר שינויי הטמפרטורה החלים במוצק עד הפיכתו לנוזל‪ .‬מארגנים את‬ ‫הנתונים בטבלה ומנסחים עיקרון הקושר את הוספת החום לעלייה בטמפרטורה‬ ‫של החומר‪.‬‬

‫כאשר מדברים על השפעת חימום על שינויים פיזיקליים בחומר‪:‬‬ ‫הוספת חום גורמת לשינויי טמפרטורה של החומר ולשינוי במצב הצבירה של‬ ‫החומר‪.‬‬ ‫ההסבר לפניכם מיועד למורה ומבוסס על הסבר לפי מודל החלקיקים ‪ ,‬ההסבר‬ ‫לתלמידים יעשה ברמת תיאור התופעה בלבד‪.‬‬ ‫חום וטמפרטורה אינם מושגים זהים‪ .‬חום מתווסף או נגרע מגוף ועקב כך יכול‬ ‫לגרום (או לא) לשינוי הטמפרטורה של הגוף‪.‬‬ ‫חום הוא צורה של אנרגיה העוברת מגוף אחד לגוף אחר כתוצאה מהפרשי‬ ‫הטמפרטורה בינהם‪ .‬טמפרטורה של גוף היא מדד לאנרגית התנועה של‬ ‫החלקיקים שמהם הוא עשוי‪ .‬שני המושגים קשורים לתנועת החלקיקים בחומר‪.‬‬ ‫בכל חומר החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת ואקראית באופני תנועה שונים‪.‬‬ ‫כל חלקיק נע במהירות מסוימת‪ ,‬הטמפרטורה של החומר‪ ,‬הנמדדת במד‪-‬‬ ‫הטמפרטורה‪ ,‬היא מדד שמציין את מהירות מהירות תנועת החלקיקים‪.‬‬ ‫‪‬‬

‫‪‬‬

‫כאשר מוסיפים חום (מחממים) לחומר מסוים(קרח‪,‬מים)‪,‬‬ ‫המהירות הממוצעת של החלקיקים גדלה ולכן הטמפרטורה‬ ‫עולה‪.‬‬ ‫כאשר גורעים חום (מקררים) חומר מסוים‪ ,‬המהירות הממוצעת‬ ‫של החלקיקים קטנה ולכן הטמפרטורה יורדת‪.‬‬

‫חומרים טהורים מאופיינים בטמפרטורות היתוך ורתיחה ספציפיות (בלחץ‬ ‫מסוים)‪ .‬טמפרטורת ההיתוך של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתמצקות)‬ ‫היא הטמפרטורה שבה עובר החומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או‬

‫‪imagine explore learn‬‬ ‫•‬

‫•‬

‫להיפך‪.‬‬ ‫כאשר מחממים חומר עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים לחממו‪,‬‬ ‫החומר עובר תהליך היתוך‪ ,‬וברגע מסוים‪ ,‬יהיה החומר מצוי בשני מצבי‬ ‫הצבירה – המוצק והנוזל‪ .‬בשלב זה‪ :‬חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך‬ ‫ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל‪.‬‬ ‫כשהחומר קרח נמצא במצב צבירה מוצק‪:‬‬ ‫‪‬‬

‫רמת תיאור התופעה (מאקרו) – חימום הקרח גורם לעליית‬ ‫הטמפרטורה‪.‬‬

‫‪‬‬

‫רמת הסבר מדעי לפי מודל החלקיקים (מיקרו) – חימום‬ ‫הקרח גורם לעליית מהירות החלקיקים‪.‬‬ ‫(נלקח מערכת ה‪.‬ל‪.‬ה)‬

‫מטרות תוכן‬ ‫וציוני דרך‬

‫מדעי החומר –פיזיקה‬ ‫רעיונות והדגשים‪:‬‬ ‫תהליכי שינוי בחומרים‪:‬‬ ‫‪ ‬חימום גוף )תוספת חום ( או קירור גוף ) גריעת חום (יכולים לגרום‬ ‫לשינויים פיזיקליים ולשינויים כימיים‪.‬‬ ‫ציוני דרך‪:‬‬ ‫‪ ‬שינויים בחומר טמפרטורה ומצבי צבירה‬ ‫‪ ‬שינויים בטמפרטורה‬

‫מושגים עיקריים‬ ‫ידע קודם נדרש‬

‫מיומנויות המאה ‪21-‬‬

‫‪.‬טמפרטורה‪ .‬חום‪ ,‬הוספת חום‪ ,‬מצב צבירה‪ ,‬קרח‪ ,‬מוצק‪ ,‬נוזל‪ ,‬גז‪ ,‬התמצקות‪,‬‬ ‫התאדות‪ ,‬היתוך‪.‬‬ ‫ידע תחום התוכן‪:‬‬ ‫הכרות עם תכונות של גז נוזל ומוצק‬ ‫ ‪.‬‬‫מיומנויות חקר וגילוי‪:‬‬ ‫‪ ‬עריכת תצפית‪ ,‬איסוף וארגון מידע‪ ,‬קריאת נתונים מגרף‪ ,‬כתיבת‬ ‫תוצאות‪ ,‬הסקת מסקנות‪.‬‬ ‫‪ ‬חשיבה ביקורתית‬

‫מהלך הפעילות‬

‫אתגר‬

‫בסרטון רואים את קרחוני פטגוניה נופלים למים ומותכים‪ .‬מטרת הסרטון לעורר‬ ‫את התלמידים לשאול שאלות מדוע מתרחשת התופעה ? (שינויי אקלים‬ ‫‪,‬התחממות כדוה"א) מה גרם לשינוי במצב הצבירה של הקרח למים?(עלייה‬ ‫בטמפרטורה) הסרטון מוביל את התלמידים להבנה בהמשך ששינוי‬ ‫בטמפרטורה גורם לשינוי במצב הצבירה‪ .‬בהמשך התלמידים עוקבים אחר שינויי‬ ‫הטמפרטורה כשמחממים (מוסיפים חום) לקרח עד הפיכתו לנוזל‪.‬‬

‫צפו בסרטון התכת קרחונים‬ ‫‪ .1‬מה אתם רואים?‬ ‫‪ .2‬נסו להסביר מה גרם לשינוי במצב הצבירה של הקרח?‬ ‫מה נחקור?‬

‫נצפה בשינויי הטמפרטורה של הקרח במהלך חימום‪.‬‬ ‫נעקוב אחר השינוי במצב הצבירה של הקרח במהלך החימום‪.‬‬

‫ציוד‬

‫העמדת הניסוי‬

‫‪‬‬

‫טאבלט אינשטיין‪ +‬או לאבמייט איינשטיין‪+‬‬

‫‪‬‬

‫חיישן טמפרטורה‬

‫‪‬‬

‫כפית‬

‫‪‬‬

‫כוס שקופה‬

‫‪‬‬

‫קוביות קרח או קרח כתוש‬

‫‪‬‬

‫פלטה חשמלית (כאופציה לזירוז התהליך)‬

‫‪ .1‬הפעילו את טאבלט אינשטיין‪ +‬או לאבמייט איינשטיין‪+‬‬ ‫‪ .2‬לחצו על תוכנת ה‪) MiLAB-‬‬

‫)‬

‫‪ .3‬הגדירו את מערך אוגר הנתונים‬

‫מערך אוגר הנתונים‬ ‫טמפרטורה‬ ‫קצב הדגימה‪:‬‬

‫כל ‪ 20‬שניות‬

‫משך הדגימה‪:‬‬

‫‪ 10‬דקות‬

‫רגע לפני‪...‬‬

‫ההשערה נשענת על הסרטון שהתלמידים ראו בתחילת השיעור ‪ .‬מומלץ תמיד‬ ‫לדרוש הסבר מהתלמידים בכל אחת מהתשובות כדי להימנע מניחוש‪.‬‬

‫כיצד ישתנה מצב הצבירה של הקרח?‬ ‫האם הטמפרטורה שתימדד בכוס עם המים תעלה ‪/‬תרד‪/‬לא תשתנה?‬ ‫ציירו את עקומת הגרף שהנכם משערים שתתקבל‪.‬‬

‫טמפרטורה‬

‫זמן‬ ‫בביצוע הניסוי לא ניתנו כמויות מדוייקות של החומרים‪ .‬אם אין קרח כתוש‬

‫ביצוע הניסוי‬

‫ניתן להשתמש בקרח רגיל‪ ,‬כל ההצעות שניתנו הן לזירוז התהליך של‬ ‫הניסוי‪.‬‬ ‫כמובן שאם עובדים עם פלטה יש לשמור על תנאי בטיחות ולעשות זאת‬ ‫בהשגחת מבוגר‪.‬‬ ‫‪ .1‬חברו את חיישן הטמפרטורה לכל אחת מהיציאות הממוספרות בטאבלט‬ ‫איינשטיין‬ ‫‪ .2‬וודאו שחיישן הטמפרטורה שאותו חיברתם לטאבלט מסומן ב‪.V-‬‬ ‫‪ .3‬הכניסו לתוך הכוס שתי כפיות של קרח כתוש‪.‬‬ ‫‪ .4‬הכניסו את חיישן הטמפרטורה לתוך הכוס (זמן תגובה של חיישן‬ ‫טמפרטורה הוא ‪ 30‬שניות ‪ ,‬כלומר הקריאה המדוייקת היא לאחר ‪30‬‬ ‫שניות)‬ ‫‪ .5‬לחצו על צלמית התחל (‬

‫)‪ ,‬כדי להתחיל רישום של הנתונים‪.‬‬

‫‪ .6‬צפו בגרף המתקבל ממדידת הטמפרטורה בכוס‪.‬‬ ‫‪ .7‬צלמו את הכוס במהלך הניסוי ‪ 3‬פעמים ‪ :‬בתחילת הניסוי‪ ,‬לאחר ‪ 4-3‬דקות‬

‫ובסוף הניסוי‪.‬‬ ‫‪ .8‬לאחר שהתהליך הסתיים שמרו את הנתונים על‪-‬ידי לחיצה על צלמית שמור‬ ‫(‬

‫) בסרגל הכלים העליון‪.‬‬

‫התלמידים אוספים מידע ומארגנים בטבלה ‪.‬‬

‫עיבוד נתונים‬

‫ההתייחסות היא למצב הצבירה ולטמפרטורה של החומר בתחילת הניסוי‪,‬‬ ‫באמצע ובסוף הניסוי‪ .‬התלמידים לומדים לקרוא נתונים מהגרף‪.‬‬ ‫אחד הדברים שמתאפשרים במערכת צירים‪ ,‬הינו נקודות ציון במרחב‪,‬‬ ‫באמצעות מתן ערך מספרי בציר ה ‪ X-‬וערך מספרי בציר ה‪ .Y-‬מקומת אלו‬ ‫מכונים קואורדינטות‪ ,‬כאשר מצליבים ביניהם מקבלים נקודה מתאימה‪.‬‬ ‫מומלץ להסביר לתלמידים כיצד ניתן לנוע באופן מוחשי עם שתי אצבעות‬ ‫מציר ה‪ X -‬וציר ה‪ Y -‬במקביל עד להצלבה ולמפגש בין שתי האצבעות‪,‬‬ ‫נקודת ההצלבה היא הקורדינאטה ‪ .‬כך ניתן למצוא נקודת וערכים על הגרף‪.‬‬ ‫(כמו המשחק "מה במשבצת")‪ ,‬עמודת התמונות מוסיפה עוד מימד חזותי‬ ‫להמחשת התהליך‪.‬‬ ‫‪ .1‬מה הכותרת של הציר האנכי ‪ /‬ציר ה‪( ?Y -‬טמפרטורה)‬ ‫‪ .2‬מהן היחידות של ציר ה‪( ?Y-‬זמן‪-‬דקות)‬ ‫‪ .3‬אספו נתונים מהגרף וכתבו מה הייתה הטמפרטורה בכל שלב לפי המצויין‬ ‫בטבלה‪.‬‬ ‫‪ .4‬העלו למסמך תמונות מתאימות לכל שלב ובחרו את מצב הצבירה בכל‬ ‫שלב‪.‬‬ ‫‪ .5‬העלו את הממצאים של הקבוצה לטבלה שיתופית ב‪.Google Doc-‬‬ ‫כתבו את‬ ‫הטמפרטורה (‪)°C‬‬

‫בתחילת הניסוי‬

‫בחרו את מצב צבירה של‬ ‫הקרח‬ ‫מוצק ‪ /‬נוזל ‪ /‬מוצק ונוזל‬

‫לאחר ‪ 3-4‬דקות‬

‫מוצק ‪ /‬נוזל ‪ /‬מוצק ונוזל‬

‫‪0‬‬

‫בתום הניסוי‬

‫מוצק ‪ /‬נוזל ‪ /‬מוצק ונוזל‬

‫עולה מעל ל‪0-‬‬

‫מתחת ל‪0-‬‬

‫‪.‬‬

‫צפו בממצאים שהעליתם לטבלה השיתופית ונסו להגדיר את המושג התכה‬ ‫תוצאות ומסקנות‬ ‫דיון במליאה‬ ‫מטרת הדיון היא המשגת התופעה‪ ,‬התלמידים עקבו אחר שינויי הטמפרטורה‬ ‫של הקרח עד הפיכתו לנוזל וראו שכשמוסיפים חום (מחממים) מצב הצבירה של‬ ‫הקרח משתנה ממוצק לנוזל והייתה עלייה בטמפרטורה‪ .‬ברמת התופעה–‬

‫חימום הקרח גורם לעליית הטמפרטורה‪.‬‬ ‫תופעה נוספת מעניינת התרחשה במהלך היתוך הקרח אין דנים בה רק מציינים‬ ‫ברמת תיאור התופעה‪ :‬כאשר מחממים את הקרח עד לטמפרטורת ההיתוך שלו‬ ‫וממשיכים לחממו‪ ,‬החומר עובר תהליך היתוך‪ ,‬וברגע מסוים‪ ,‬החומר מצוי בשני‬ ‫מצבי צבירה –מוצק ונוזל‪( .‬אין שינוי בטמפרטורה של החומר ‪ ,‬הטמפרטורה‬ ‫עדיין ‪ )0°c‬בשלב זה‪ :‬חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל‬ ‫החומר הופך ממוצק לנוזל (טמפרטורה עולה)‪.‬כלומר במהלך תהליך ההיתוך יש‬ ‫שינוי במצב הצבירה אך אין שינוי בטמפרטורה של החומר‪ .‬במהלך המעבר של‬ ‫החומר ממצב צבירה מוצק לנוזל או מנוזל למוצק‪ -‬אין שינוי בטמפרטורת‬ ‫החומר‪ .‬החום המושקע בשלב זה נקרא לעיתים "חום כמוס" כיוון שאינו גורם‬ ‫לעליה בטמפרטורה אלא לשינוי במצב צבירה בלבד‪ .‬ברמת תיאור התופעה‬ ‫לתלמידים יש לומר כי במהלך ההיתוך ראינו שינוי במצב הצבירה אך לא היה‬ ‫שינוי בטמפרטורה ‪ ,‬רק כשכל החומר שינה את מצב הצבירה שלו ממוצק לנוזל‬ ‫ראינו את השינוי בטמפרטורה‪.‬‬

‫‪ .1‬מהו הפרש בין הטמפרטורה ההתחלתית של הניסוי לבין הטמפרטורה‬ ‫הסופית של הניסוי?‬ ‫‪ .2‬מה ניתן ללמוד מכך על על תהליך ההתכה ? השלם‪:‬‬ ‫‪‬‬

‫בתהליך התכה ‪ :‬תוספת חום (חימום) גורמת לשינוי של החומר‬ ‫ממצב צבירה _מוצק__ ל____נוזל_______‪.‬‬

‫‪‬‬

‫הטמפרטורה של החומר השתנתה מ‪ ____0°C__ :‬ל _______‪.‬‬

‫‪ .3‬השוו בין תוצאות המדידה לבין השערתכם לפני תחילת הניסוי‪.‬‬

‫יישום‬

‫התלמידים יכולים לבחור בין יישום החומר באמצעות תכנון מכונת‬ ‫משקאות בה צריך להתיך את המוצק לנוזל‪ .‬לבין התכת שוקולד‬

‫התלמידים מבצעים את אותם התהליכים רק החומר שונה‪.‬‬ ‫‪ .1‬היכנסו לאתר ובצעו את המשימות מתכננים מכונת משקאות‪.‬‬ ‫‪ .2‬התיכו קוביות שוקולד על ידי חימום ומדדו את הטמפרטורה של השוקולד‬ ‫עד הפיכתו לנוזל‪.‬‬ ‫‪‬‬

‫ניתן להתיך שוקולד לבן ושוקולד חלב ולהשוות ביניהם‪.‬‬

‫‪ ‬תארו את תהליך ההתכה של החומר שוקולד התייחסו לשינוי‬ ‫במצב הצבירה של החומר לשינויי הטמפרטורה‬ ‫בחקירת ההמשך התלמידים לומדים על המושג נקודת התכה ‪ .‬חומרים טהורים‬ ‫חקירת המשך‬

‫מאופיינים בטמפרטורות היתוך ורתיחה ספציפיות (בלחץ מסוים)‪.‬‬ ‫טמפרטורת ההיתוך של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתמצקות) היא‬ ‫הטמפרטורה שבה עובר החומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או‬ ‫להיפך‪ .‬כאשר מחממים חומר עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים‬ ‫לחממו‪ ,‬החומר עובר תהליך היתוך‪ ,‬וברגע מסוים‪ ,‬יהיה החומר מצוי בשני‬ ‫מצבי הצבירה‪ :‬מוצק ונוזל‪( .‬הטמפרטורה עדיין ‪ )0°c‬בשלב זה‪ :‬חימום‬ ‫נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל‪.‬‬ ‫נקודת התכה‪ :‬חזרו לגרף ורשמו מה הייתה הטמפרטורה של הקרח עד‬ ‫השלב שבו היא החלה לעלות?‬ ‫‪ .1‬מה היה מצב הצבירה של החומר קרח עד השלב שבו הטמפרטורה החלה‬ ‫לעלות?‬ ‫‪ .2‬מה הייתה הטמפרטורה בסוף הניסוי?‬ ‫‪ .3‬כיצד השתנה מצב הצבירה של הקרח לאחר שהטמפרטורה עלתה?‬ ‫‪ .4‬כתבו במילים שלכם מהי נקודת התכה? התייחסו למצב הצבירה של החומר‬ ‫ולטמפרטורה‪.‬‬ ‫‪ .5‬חפשו במקורות המידע חומר מוצק‪ ,‬רשמו את נקודת ההתכה של החומר‬ ‫ותארו את תהליך ההתכה במושגים של שינוי במצב הצבירה‪.‬‬

‫רקע מדעי‬

‫רוב החומרים בטבע מופיעים בשלושה מצבי צבירה עיקריים‪ :‬מוצק‬ ‫(למשל‪ ,‬ברזל או קרח)‪ ,‬נוזל (למשל‪ ,‬מים או שמן) וגז (למשל‪ ,‬חמצן או‬ ‫אדים)‪ .‬מצב הצבירה של החומר מבטא את התכונות הפיסיקליות של‬ ‫החומר‪ .‬מעבר של חומר ממצב צבירה אחד לשני כרוך בשינויי טמפרטורה‬ ‫(חימום או קירור)‪ .‬מעבר ממצב צבירה מוצק לנוזל נקרא התכה‪ .‬מעבר‬ ‫ממצב צבירה נוזל למוצק נקרא הקפאה‪/‬התמצקות‪ .‬מעבר ממצב צבירה‬ ‫נוזל לגז נקרא אידוי‪ .‬מעבר ממצב צבירה גז לנוזל נקרא עיבוי‪.‬‬