מהי ההשפעה של צבע התיבה על טמפרטורת האוויר שהיא מכילה - מדריך למורה

‫מהי ההשפעה של צבע התיבה על טמפרטורת האוויר שהיא מכילה‪ -‬מדריך‬ ‫למורה‬ ‫נושא‬

‫שכבת גיל‬ ‫זמן‬ ‫רציונאל‬

‫בליעת אור‬

‫כיתה ו‬ ‫‪ 90‬דקות‬ ‫יחידה בנושא אנרגיית קרינה (אור) במסגרת תחום התוכן ‪ -‬מדעי החומר‪-‬‬ ‫פיזיקה‪ .‬מומלץ ללמד יחידה זו בהמשך ליחידה‪" :‬מהי ההשפעה של גופים‬ ‫אטומים שחורים ולבנים על עוצמת האור"‪.‬‬ ‫האור נע תמיד ממקור האור ומתפשט לכל הכיוונים‪ .‬האנרגיה הנישאת על‪-‬‬ ‫ידו מועברת במהירות עצומה (כ‪ 300,000-‬ק"מ בשניה) דרך חומרים‬ ‫מסוימים‪ ,‬כגון אוויר‪ ,‬מים‪ ,‬זכוכית ועוד‪ ,‬וכן במרחב ריק מחומר מבלי שמקור‬ ‫האור משנה את מקומו‪ .‬לדוגמה‪ :‬אור מהשמש מגיע אל כדור‪-‬הארץ‪ ,‬לאחר‬ ‫שעבר מרחקים עצומים‪ .‬האור היוצא ממקור האור נע לכל הכיוונים בקווים‬ ‫ישרים‪ ,‬זהו כלל חשוב‪ ,‬אך כלל זה מופר אם‪ ,‬למשל‪ ,‬גוף כלשהו עומד‬ ‫בדרכו של האור‪ .‬כאשר האור פוגע בגוף כלשהו יכולות להתקיים תופעות‬ ‫של החזרת אור‪ ,‬העברת אור או בליעת אור‪ .‬אם האור אינו עובר דרך גוף‪,‬‬ ‫הגוף מוגדר כאטום‪ .‬כשאור פוגע בגוף אטום‪ ,‬חלק מהאור מוחזר‪ ,‬רוב‬ ‫האור נבלע‪ ,‬ולכן הגוף מתחמם (כאשר אור נבלע בחומר הוא גורם‬ ‫לחימומו)‪ .‬כאשר אור עובר דרך גוף‪ ,‬הגוף מוגדר כשקוף‪ .‬למעשה‪ ,‬אין‬ ‫במציאות גוף ששקיפותו "אידיאלית" כלומר ‪ 100 %‬מהאור עובד דרכו‪.‬‬ ‫העברת האור מלווה תמיד בהחזרה ובבליעה‪ .‬בדרך כלל מתקיימות שלוש‬ ‫התופעות גם יחד‪ ,‬כאשר האור פוגע בגוף‪ :‬בליעה‪ ,‬העברה והחזרה של או‬ ‫בפרופורציות שונות‪ .‬כל אנרגיית האור (המוחזר‪ ,‬הנבלע והעובר) משתמרת‬ ‫כמו כל סוג של אנרגיה‪.‬‬

‫החלק היחסי של האור המוחזר‪ ,‬האור הנבלע והאור העובר דרך הגוף‬ ‫משתנה בהתאם לתכונות הגוף (סוג החומר‪ ,‬עובי‪ ,‬צורה‪ ,‬אופי המשטח‬

‫‪imagine explore learn‬‬ ‫•‬

‫•‬

‫ועוד)‪ .‬תכונת השקיפות משתנה עם עובי החומר‪ ,‬למשל‪ .‬כמו כן לוח זכוכית‬ ‫(או פלסטיק) שקוף שהאור עובר דרכו‪ ,‬ייעשה שקוף למחצה‪ ,‬אם פני‬ ‫השטח יהיו שרוטים או מחוספסים‪ .‬האור שעובר דרך הגוף יתפזר לכל‬ ‫הכיוונים‪ ,‬ולכן לא יראו דרך הגוף בבירור‪.‬‬

‫(מתוך מבט אל האור – מדריך למורה)‬ ‫התלמידים עוסקים בקשר שבין צבע ובליעת אור‪ ,‬הם מודדים את‬ ‫טמפרטורת האוויר בתוך תיבה מוארת שצבעה שחור ובתות תיבה מוארת‬ ‫שצבעה לבן מארגנים את הנתונ ים בטבלה ומסיקים שגוף לבן בולע מעט‬ ‫אור (ומחזיר את רוב האור שפוגע בו) ואילו צבע שחור בולע את רוב האור‬ ‫הפוגע בו (ומחזיר מעט ממנו)‪ .‬כלומר‪ ,‬אנרגיית האור שנבלעה בגוף השחור‬ ‫מומרת לאנרגיית חום ונמדדת באמצעות חיישן הטמפרטורה המובנה בתוך‬ ‫הטאבלט‪.‬‬

‫מטרות תוכן‬ ‫וציוני דרך‬

‫מדעי החומר –פיזיקה‬ ‫תת נושא‪ :‬אנרגיה‬ ‫רעיונות והדגשים‪:‬‬ ‫אנרגיה יכולה להפוך מסוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר (המרת אנרגיה)‬ ‫ציוני דרך‪:‬‬ ‫‪ ‬בליעת אור‪ ,‬החזרת אור‪:‬‬ ‫‪ ‬גוף כהה‬ ‫‪ ‬גוף בהיר‬

‫מושגים עיקריים‬ ‫ידע קודם נדרש‬

‫מיומנויות המאה ‪21-‬‬

‫החזרת אור‪ ,‬בליעת אור‪ ,‬גוף כהה‪ ,‬גוף בהיר‪ ,‬המרת אנרגית אור לאנרגית‬ ‫חום‬ ‫ידע תחום התוכן‪:‬‬ ‫החזרת אור‪ ,‬מעבר אור‪ ,‬האור כמתקדם בקווים ישרים‬ ‫מיומנויות למידה‪:‬‬ ‫ עריכת ניסוי איסוף נתונים והסקת מסקנות‪.‬‬‫מיומנויות חקר וגילוי‪:‬‬ ‫‪ ‬העלאת השערה‪ ,‬עריכת ניסוי‪ ,‬קריאת נתונים מגרף‪ ,‬כתיבת‬ ‫תוצאות‪ ,‬הסקת מסקנות‪.‬‬ ‫‪ ‬חשיבה ביקורתית‬

‫מהלך הפעילות‬

‫אתגר‬

‫מטרת שאלת האתגר ליצור גירוי ללמידה ולביצוע הניסוי‪ .‬האם לבוש‬ ‫הבדווים והאסקימואים נסמך על ידע מדעי (החזרת ובליעת אור) או‬ ‫שלהתאמת צבעי הלבוש יש סיבות אחרות? (זמינות חומרים בסביבה)‪.‬‬ ‫ממדבר הקרח למדבר החול‬ ‫הבדווי מכין בגדים כהים מהעזים שהוא מגדל ואילו האסקימואי מכין בגדים‬ ‫בהירים מפרוות של אילים שהוא צד או מגדל‪ .‬לבדווי במדבר בגדים‬ ‫שחורים‪ .‬לאסקימואי במדבר הקרח בגדים לבנים‪.‬‬ ‫האם צבע הבגדים של כל אחד מתאים לדעתכם לתנאי הטמפרטורה‬ ‫בסביבת החיים ? כן‪ /‬לא נמק‬

‫מה נחקור?‬ ‫בניסוי זה נבחן את תופעת בליעת אור‪ ,‬באמצעות ניסוי הבודק את השפעת‬ ‫צבע התיבה (אחת לבן ואחת שחורה) על טמפרטורת האוויר שהיא מכילה‪.‬‬ ‫כל קבוצה תבחר תיבה בצבע אחר לניסוי ותעמיד את הניסוי בשיתוף‬ ‫קבוצה שנייה‪ .‬כך ננסה לגלות אם אכן לבוש בצבע שחור מתאים לתנאי‬ ‫הטמפרטורה במדבר החול ואילו לבוש בצבע לבן מתאים לתנאי‬ ‫הטמפרטורה במדבר הקרח‪.‬‬

‫ציוד‬

‫‪‬‬

‫טאבלט אינשטיין‪ +‬או לאבמייט איינשטיין‪+‬‬

‫‪‬‬

‫‪ 2‬מנורת שולחן ‪100‬ואט‬

‫‪‬‬

‫‪ 2‬קופסאות קרטון (להקפיד שהאריזה פשוטה ולא בעלת דופן‬ ‫כפולה לבידוד )‬ ‫ממדי הקופסא ‪ :‬אורך ‪ 28‬ס"מ‪ ,‬רוחב ‪16‬ס"מ‪ ,‬גובה ‪ 4‬ס"מ‪.‬‬

‫‪‬‬

‫מסקינטייפ‬

‫‪‬‬

‫סרגל‬

‫‪‬‬

‫סכין יפנית לחיתוך (יעשה על ידי מבוגר בלבד)‬

‫‪‬‬

‫‪ 2‬שקפים מפלסטיק‬

‫‪‬‬

‫צבע גואש‪/‬אקרילי שחור‬

‫‪‬‬

‫צבע גואש‪/‬אקרילי לבן‬

‫‪‬‬

‫מברשת צבע‬

‫‪‬‬

‫כללי בטיחות‪ :‬החיתוך בסכין יפנית יעשה על ידי מורה או מבוגר‬ ‫עבודה קבוצתית‬

‫העמדת הניסוי‬

‫‪ .1‬הפעילו את טאבלט אינשטיין‪ +‬או לאבמייט איינשטיין‪+‬‬ ‫‪ .2‬לחצו על תוכנת ה‪) MiLAB-‬‬ ‫‪ .3‬הגדירו את מערך אוגר הנתונים‬

‫)‬

‫אוגר הנתונים‬

‫טמפרטורה‬ ‫קצב הדגימה‪:‬‬

‫‪ 1‬בשנייה‬

‫משך הדגימה‪:‬‬

‫‪ 10‬דקות‬

‫ההשערה כוללת שלב מילולי וכמותי‪.‬‬ ‫רגע לפני‪...‬‬

‫בשלב הראשון הילדים מתבקשים לנסח במילים את ההשערה ולנמק את‬ ‫בחירתם בהסתמך על ידע העבר (מניעת ניחושים)‪ .‬אפשר לשאול את‬ ‫התלמידים מה משמעות הביטוי שינוי בטמפרטורה? קרי הטמפרטורה‬ ‫יכולה לעלות או לרדת‪ .‬בשאלה האם יהיה שינוי? מסתתרת האפשרות‬ ‫שלא יהיה שינוי והטמפרטורה תישאר ללא שינוי‪ .‬כלומר יתכנו שלושה‬ ‫מצבים בשינוי הטמפרטורה‪ :‬עליה‪/‬ירידה ‪/‬ללא שינוי בטמפרטורה‪.‬‬ ‫בשלב השני התלמידים מתבקשים לצייר את הגרף‪ .‬בפיתוח מיומנויות גרף‬ ‫יש משמעות רבה ליצירת גרף וקריאת נתונים מגרף‪.‬מתלמידים טובים‬ ‫אפשר לבקש להוסיף כותרת לגרף ויחידות לציר ה‪ X -‬ו‪.Y-‬‬ ‫שערו האם יהיה שינוי בטמפרטורת האוויר בתיבה הלבנה? האם יהיה‬ ‫שינוי בטמפרטורת האוויר בתיבה השחורה? האם יהיה שינוי בשתיהן?‬ ‫הסבירו‪.‬‬ ‫ציירו את עקומת הגרף שהנכם משערים שתתקבל‪.‬‬

‫ביצוע הניסוי‬

‫עבודה קבוצתית‬ ‫כל שתי קבוצות חוברות יחד ומודדות במשותף את שינויי הטמפרטורה של‬ ‫האוויר בתיבה הלבנה והתיבה השחורה‪ .‬התלמידים מכינים יחדיו את‬ ‫התיבות (צביעה וחיתוך פאה) ומבצעים את הניסוי‪.‬‬ ‫עבודה קבוצתית‬

‫עיבוד נתונים‬

‫כדי להבין מהלך של ניסוי ולדעת לנתח את תוצאותיו התלמידים צריכים‬ ‫להבין את עקרונות הניסוי‪ ,‬לשם כך יש להדגיש שבניסוי בכל פעם בודקים‬ ‫גורם משפיע אחד (בידוד משתנים)‪ .‬ולבצע אנליזה של הגורמים בניסוי יחד‬ ‫עם שיום והמשגת התהליך‪.‬‬ ‫‪ .1‬מהם הגורמים השווים בניסוי? התיבות (סוג‪ ,‬גודל‪ ,‬נפח‪ ,‬חומר)‪,‬‬ ‫המנורות (סוג‪ ,‬עוצמה )‪ ,‬מרחק (בין המנורה לתיבה)‬ ‫‪ .2‬מהו הגורם השונה והמשפיע בניסוי? הצבע של התיבה‬ ‫‪ .3‬מה הגורם המושפע בניסוי? הטמפרטורה‬ ‫‪ .4‬כמה חזרות ביצעתם? מדוע חשוב לבצע חזרות? ביצוע חוזר של‬ ‫מדידות וקבלת תוצאות דומות המראות אותה מגמה מעלה את‬ ‫מהימנות הניסוי וניתן להכליל ממנו עקרונות ומסקנות‪.‬‬ ‫‪ .5‬השלימו את הנתונים בטבלה עבור הגרף המייצג את צבע התיבה‬ ‫שבחרתם בניסוי‪ :‬לבנה ‪ /‬שחורה כל קבוצה קוראת את הנתונים‬ ‫שלה בצורה אינטראקטיבית על הגרף‪ .‬וממלאת את הנתונים‬

‫בטבלה השיתופית‪.‬‬ ‫‪‬‬

‫הקישו בגרף על הנקודה המציינת את הטמפרטורה‬ ‫ההתחלתית‪ .‬הצבעה על הנקודה בעקומה מציגה את‬ ‫הטמפרטורה‪.‬‬

‫‪‬‬

‫הקישו בגרף על הנקודה המציינת את הטמפרטורה‬ ‫הסופית‪ .‬הצבעה על הנקודה בעקומה מציגה את‬ ‫הטמפרטורה‪.‬‬

‫‪‬‬

‫מהו הפרש הטמפרטורה שהתקבל?הפרש‬ ‫הטמפרטורות מופיע בתחתית הגרף כ‪dy -‬‬

‫‪ .6‬העלו את ממצאי הטבלה השיתופית ל‪ .Google Doc-‬והשוו את‬ ‫הממצאים עם קבוצות אחרות‪ .‬אפשר להכין טבלה שיתופית‬ ‫להעלות לאתר הכיתתי כדי שהתלמידים יוכלו להשוות את‬ ‫הממצאים בהמשך‪ ,‬ולהגיע לתוצאות על סמך כל הממצאים‪:‬‬ ‫בתיבה השחורה טמפרטורת האוויר עולה הרבה יותר‬ ‫מטמפרטורת האוויר בתיבה הלבנה‪.‬‬ ‫מדידה‬ ‫‪1‬‬

‫שחור‬ ‫לבן‬ ‫מדידה‬ ‫‪2‬‬

‫שחור‬ ‫לבן‬ ‫מדידה‬ ‫‪3‬‬

‫שחור‬ ‫לבן‬

‫טמפרטו‬ ‫רה‬ ‫התחלת‬ ‫ית‬

‫טמפרטורה‬

‫הפרש‬

‫סופית‬

‫טמפרטורות‬

‫תוצאות ומסקנות‬

‫דיון במליאה‬ ‫לדיון שתי מטרות ‪ :‬העמקת השיח והדיון לפיתוח החשיבה ודיון בממצאים‬ ‫ובמסקנות ‪ :‬בעקבות תוצאות הניסוי השוואה בין בליעת האור על ידי צבע‬ ‫כהה בהשוואה לבליעת אור על ידי צבע בהיר‪ ,‬ועל המרת האנרגיה –‬ ‫מקרינת אור לחום‪ .‬וכן להמשגת התופעה‪ .‬בסוף הדיון חוזרים לשאלת‬ ‫האתגר‪.‬‬ ‫המשגת התופעה‬ ‫‪ .1‬באיזו תיבה טמפרטורת האוויר עלתה יותר ?בתיבה השחורה‬ ‫‪ .2‬מדוע עלתה הטמפרטורה בתיבה זו? טמפרטורת האוויר בתוך התיבה‬ ‫השחורה עולה בגלל בליעה של רוב אנרגיית האור ‪.‬‬ ‫האנרגיה יכולה להפוך מסוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה אחר (המרת‬ ‫אנרגיה) וזה התהליך שמתרחש‪ -‬אנרגיית הקרינה (אור) מומרת‬ ‫לאנרגיית חום‪.‬‬ ‫‪ .3‬איזו תכונה של אור מתגלה בניסוי הזה?בליעת אור‬ ‫‪ .4‬האם השערתם עלתה בקנה אחד עם תוצאות המדידה?‬ ‫‪ .5‬חזרה לשאלת האתגר‪ :‬האם אתם מופתעים מכך שהאסקימואי והבדווי‬ ‫אינם מתלבשים על סמך רעיונות מדעיים? חשבו על הסיבה לשימוש‬ ‫בחומרים הללו‪.‬‬ ‫התלמידים מגלים שגם אצל הבדווי וגם אצל האסקימואי צבע הלבוש‬ ‫אינו מתאים לתנאי הטמפרטורה בסביבה‪ .‬כל אחד משתמש בחומרים‬ ‫שבסביבתו‮ ‪ ,‬בחומרים הנוחים לשימוש‮‪ ,‬בחמרים הזמינים ביותר‪ .‬לא‬ ‫על סמך רעיונות מדעיים של יתרונות‮‪ ,‬אלא על סמך זמינות‮‪ .‬הבדווים‬ ‫מגדלים עיזים‮ ‪ ,‬לובשים מוצרי צמר עיזים כלומר‮ ‪ :‬צמר שחור‮‪.‬‬ ‫האסקימואים ‮ צדים חיים ומתקיימים מסביבתם‮ ‪ ,‬בסביבה זאת חיות‬ ‫בעלות פרווה בהירה‮ (איילים) האסקימואים פשוט צדים את המצוי‬ ‫בסביבתם ולכן‮ לובשים את הפרוות בצבע הלבן‮‪.‬‮‬

‫‪ .1‬רשמו אילו תופעות הקשורות לאור מתרחשות כשמאירים על‬ ‫יישום‬

‫גופים אלה‪:‬‬ ‫העברת אור‬

‫בליעת אור‬

‫החזרה‬

‫החזרה‬

‫‪ .2‬חזרה לשאלת האתגר‪:‬‬ ‫"האם צבע הבגדים של כל האסקימואי והבדואי מתאים לדעתכם‬ ‫לתנאי הטמפרטורה בסביבת החיים"?‬

‫העזרו בתוצאות הניסוי המדעי שערכתם כדי לנסח טיעון בו תמליצו‬ ‫איזה צבע בגדים מומלץ ללבוש בתנאי טמפרטורה של אקלים‬ ‫מדברי ובאקלים קוטבי ‪.‬‬

‫טיעון‬

‫נימוק‬ ‫מדעי‬

‫טענה‬

‫‪ ‬חשבו על הסיבה של האסקימואי והבדואי לשימוש בחומרים הללו‬ ‫למרות שצבע הבגדים‬ ‫אינו מתאים לתנאי הטמפרטורה בסביבתם‪.‬‬

‫חקירת המשך‬

‫‪ .1‬אספו מידע על מערכת טכנולוגית לחימום מים באמצעות‬ ‫אנרגית קרינה (אור)‪.‬‬ ‫א‪ .‬פרטו את הצורך במערכת כזו‪ ,‬מהי מטרתה ומהם‬ ‫מרכיבי המערכת הטכנולוגית‪.‬‬ ‫ב‪ .‬תכננו ניסוי הבודק כיצד מסייעים קולטי שמש לחימום‬ ‫המים ? התייחסו לעוצמה וכוון הקרינה‪.‬‬

‫רקע מדעי‬

‫השמש היא מקור אור טבעי הפולט אור‪ .‬לאור מכל מקור שהוא יש תכונות‬ ‫משותפות‪ :‬הוא נע בקווים ישרים במהירות הגדולה ביותר המוכרת בטבע‬ ‫(כ‪ 300,000-‬ק"מ בשניה)‪ .‬כאשר האור פוגע בגוף כלשהו מתקיימות בו‬ ‫זמנית תופעות של החזרת אור‪ ,‬שבירת אור ואו בליעת אור‪.‬‬ ‫העוצמה של תכונה כזו או אחרת מושפעת מתכונות החומר בו קרני האור‬ ‫נפגשות‪ .‬תכונות כגון‪:‬‬ ‫סוג החומר‪ ,‬העובי‪ ,‬הצורה‪ ,‬שטח הפנים של המשטח (חלק או מחוספס)‪,‬‬ ‫מידת השקיפות ועוד‪.‬‬ ‫הקשר בין החזרה ובליעה‬ ‫כאשר מאירים גוף אטום כהה‪ ,‬הוא בולע את רוב האור הנופל עליו ומחזיר‬ ‫מעט ממנו‪ .‬גוף בהיר המואר באותה מידה‪ ,‬מחזיר את רוב האור הפוגע בו‪.‬‬ ‫ובולע מעט ממנו‪.‬‬

‫בליעת אור בצבע כהה וגלגול אנרגיה‬ ‫מה קורה לאור שנבלע בתוך הגוף? אור הנבלע בתוך גוף מחמם אותו‪ .‬כלומר‪,‬‬

‫אנרגית האור הופכת לאנרגית חום‪.‬‬