אופטיקה גאומטרית לילדים

 

מוטיבציה

היופי באופטיקה גאומטרית הוא שהיא פשוטה, אינטואיטיבית, הגיונית, וקלה להדגמה. בניגוד לנושאים אחרים בפיזיקה (יצא לכן לאחרונה לראות ניסוי כיתתי במכניקת הקוונטים?) היא מאוד נגישה וקל לחוש אותה באמצעים פשוטים ויומיומיים. בפוסט אתאר מספר ניסויים פשוטים לביצוע, המתאימים לגילאי גן חובה וביה"ס היסודי, והם נהדרים גם להדגמה במסגרות הלימודיות וגם כדי להעביר אחה"צ כיפי בבית. הערך המוסף הוא גירוי הסקרנות לתחומים המדעיים ויצירת תחושת מסוגלות. רעיונות לניסויים נוספים ורקע נרחב בפיזיקה אפשר למצוא כאן.

 

הכנה להדרכת אופטיקה גאומטרית

רקע

גם אם הרקע שלכן באופטיקה גאומטרית הוא קלוש, או אפילו לא קיים בכלל, תוכלו בקלות ללמוד את ארבע התכונות של האור אשר מודגמות בהדרכה: בליעה, העברה, החזרה ושבירה. לסקרניות ניתן כבר עכשיו לגלול למטה לשלב ההקדמה שבחלק של ההדרכה.

עזרים

מקור אור

לצורך הדגמה של אופטיקה גאומטרית, בה הנחת היסוד היא שהאור נע בקווים ישרים, נרצה להשתמש במקור אור שלא מתבדר (מתפזר). יהיה קלאסי להשתמש בסמן לייזר, שאחת התכונות הבולטות שלו היא שהאור נע בכיוון אחד כך שניתן לראות את כתם הלייזר קטן וממוקד גם ממרחק רב יחסית. אני בחרתי להשתמש בהדרכה שלי בפנס לד חזק עם אלומה בעלת קונוס פיזור צר יחסית, ועשיתי זאת משתי סיבות:

1. גיליתי ערב לפני שסמן הלייזר שלי שבק חיים.

2. סיבה חינוכית בטיחותית (בגינה לא שאלתי סמן לייזר אחר לצורך ההדרכה): לייזר הוא מסוכן, וההדרכה היא מגניבה (לדעתי). אם נניח שלפחות חלק מהילדות והילדים ירצו לנסות את ההדגמות בבית, עדיף שישתמשו בפנס ולא בסמן לייזר וכך לא יסכנו את עצמם ואת הסביבה.

מסך

כמסך יוכל לשמש כל משטח לבן ולא רפלקטיבי (מחזיר אור) מדי. אני השתמשתי בנייר לבן ופשוט שהנחתי על גבי clipboard, משטח קשיח המיועד לכתיבה (יש לזה שם בעברית? אשמח לקורא/ת שיאירו את עיני בנושא). המסך ישמש להקרנת מקור האור עליו, ויראה לנו מה קרה לאלומת האור בניסויים השונים.

עצם בולע אור

לשם הניסוי הראשון אשר מדגים את תכונת הבליעה של האור, נשתמש בעצם אטום וכמה שפחות רפלקטיבי. לשם כך השתמשו בדמיון הפורה שלכם, עדיף להשתמש בעצם "נייטרלי" שלא יסיח את הדעת מהניסוי עצמו.

עצם מחזיר אור

מראה קטנה תספיק לצורך ההדגמה.

עצם מעביר אור

זכוכית תעשה את העבודה בצורה טובה. אפשר להשתמש בחלק שטוח של תבנית אפייה מזכוכית, או במסגרת ריקה לתמונה.

 

 

הדרכת אופטיקה גאומטרית

הקדמה

כאמור, בהדרכת אופטיקה גאומטרית לילדים נעסוק בארבע תכונות עיקריות של האופטיקה: בליעה, העברה, החזרה ושבירה. בליעה והעברה הן תכונות המוסברות על ידי תיאוריית הגלים באופטיקה, אך הן מודגמות בקלות גם בהדגמה כאן. אפרט מעט על כל אחת מהתכונות, ובנוסף תוכלו לקרוא בהרחבה כאן ובלחיצה על שמות התכונות:

בליעה

תופעה המתרחשת כאשר אנרגיית האור מומרת לאנרגיה אחרת בתוך הגוף הבולע. למשל קרני אור השמש שנבלעות בתוך מכונית הופכות לאנרגיית חום.

העברה

בעצם שקוף קרני האור (או חלקן) ימשיכו להתקדם בתוך העצם. העצם למעשה יאפשר לקרני האור "לעבור" דרכו מבלי להבלע.

החזרה

תופעה של אופטיקה גאומטרית בה קרני האור מוחזרות ממשטח מסוים באותה הזוית (יחסית לאנך למשטח) שבה הן פגעו במשטח.

שבירה

תופעה של אופטיקה גאומטרית בה כיוון ההתקדמות של קרני האור משתנה במעבר מתווך אחד לשני. לדוגמא, כאשר קרני האור עוברות מאויר למים או להיפך.

אני מציעה ראשית לבצע כל אחד מהניסויים המתוארים בהמשך, ולאחר מכן לדבר על התכונה הפיזיקלית המתאימה בקצרה. יש להתאים את הדיון לרמת הקבוצה, אם כי צפו שלפחות חלק מהילדות והילדים יפתיעו אתכן ברמת ההבנה, אז אל תכוונו נמוך מדי עם ההסברים..

על החשיבות של ניסוי ביקורת ומערך ניסוי

לפני תחילת הניסויים, חשוב לדון עם הילדים בחשיבות של ניסוי ביקורת ולהדגים אותו. כלומר, איך האור נראה על המסך כאשר "לא מפריעים לו" בדרך.

 

 

בנוסף מומלץ להסביר מהו תכנון מערך ניסוי, ועל חשיבות התכנון שלו מראש. אני הצעתי לצייר את מערכי הניסוי שלנו בצורה סכמטית, כל שכל ילדה וילד יבחרו את היצוגים שנוח להם לצייר והם מובנים להם.

 

 

אופטיקה גאומטרית ניסוי 1: בליעה

בראשית הניסוי נדבר עם הילדים על מערך הניסוי ונבקש מהם לצייר אותו בצורה סכמטית. חשוב להדגיש את חשיבות התכנון להצלחת הניסוי ומה שרוצים לבדוק. מהלך הניסוי: מזמינים 3 מתנדבות או מתנדבים לעזור לנו בביצוע הניסוי, כאשר התפקידים הם: החזקת מקור האור, החזקת המסך, והחזקת העצם הנבדק, במקרה זה העצם הבולע. מאירים לכיוון המסך כאשר העצם הבולע נמצא במסלול אלומת האור, ובודקים מה מתקבל על המסך. במקרה הזה העצם בולע את האור ולכן לא נראה כתם אור על המסך. את המסך יכולים לראות כל הנוכחות והנוכחים בהדרכה, וניתן לחזור על הניסוי במספר כיוונים על מנת שכולם יצליחו לראות. מטעמי נוחות ופרטיות המשתתפים הדגמתי כאן בתמונות את ביצוע הניסויים עם מערכי ניסוי עומדים בזכות עצמם, כלומר בלי השתתפות של נסיינים. בהדרכה עצמה כמובן כדאי לערב כמה שיותר את הקהל כדי ליצור עניין.

 

אופטיקה גאומטרית ניסוי 2: העברה

נתחיל שוב בתכנון הניסוי ובציור מערך הניסוי ברביע המתאים של הדף. מהלך הניסוי: נזמין 3 משתתפות או משתתפים. בדומה לניסוי בליעה, התפקידים הם: החזקת מקור האור, החזקת המסך והחזקת העצם המעביר. מאירים דרך העצם המעביר אל המסך ורואים את הכתם המתקבל על המסך, הדומה מאוד לכתם שהתקבל על המסך בניסוי הביקורת. כלומר, רוב קרני האור עברו דרך העצם אל המסך. השוני בין ניסוי הביקורת לניסוי ההעברה נובע מתכונות העצם המעביר, שאינו מעביר באופן מושלם. לכן נראה הפרעות (אברציות) בצורה של כתם האור.

 

אופטיקה גאומטרית ניסוי 3: החזרה

נתכנן את מערך ניסוי ההחזרה יחד עם הילדות והילדים. אם עצם מחזיר את האור, היכן כדאי למקם את מקור האור ביחס לעצם? היכן כדאי למקם את המסך? לאחר שנגיע למסקנה (נכונה או שגויה) נבצע את הניסוי. אם נקבל תוצאות שאינן תואמות את ציפיותנו, נתכנן מערך ניסוי חדש.

 

אופטיקה גאומטרית ניסוי 4: שבירה

הניסוי הזה דורש מעט יותר מאמץ בהקמת מערך הניסוי, וזאת על מנת להדגים את תופעת השבירה. יש למקם את מקור האור והמסך במקומות סטטיים, וביניהם כלי זכוכית בעל דפנות שטוחות (ניתן להשתמש באותו הכלי לניסוי ההעברה). ראשית נאיר דרך הכלי הריק על המסך, ונסמן את מרכז כתם האור בצבע על גבי המסך. בשלב השני, ומהלי להזיז את מערך הניסוי, נשפוך מים לתוך כלי הזכוכית. נשים לב שמרכז הכתם זז, כלומר קרני האור "נשברו", הוסטו ממסלולם. ניסוי זה יוצר סקרנות רבה, במיוחד אם תחזיקו קנקן של מים על השולחן מתחילת ההדרכה. עד שתגיעו לניסוי האחרון, המתח והסקרנות יהיו גדולים ואם גם תגידו שמדובר בניסוי מורכב, תקבלו שקט מופתי. לפחות בגן חובה כשהעברתי את ההדרכה, בשלב הזה היה ניתן לחתוך את האויר בסכין 🙂

 

 

דיון וסגירת ההדרכה

בשלב הסכום והדיון, וכתלות בסבלנות וכושר הריכוז של הילדים, כדאי לחזור בקצרה על הניסויים והתופעות שראינו ולתת מקום לשאלות. זהו שלב חשוב המאפשר עיבוד של מה שלמדנו, אני הופתעתי לטובה מרמת השאלות והתובנות שעלו, ומהדיון היצירתי שהתפתח בהמשך. אם תמצאו לנכון, בגילאים הבוגרים יותר ניתן לחשוב יחד על על דרכים "לשכלל" את הניסוי, למשל על ידי שימוש במצלמה במקום מסך ובשיטות של עיבוד אותות.

 

 

אהבתן את הפוסט? מוזמנות לעקוב אחרי בפייסבוק, באינסטגרם ובטלגרם, או להרשם כאן ומבטיחה לעדכן אתכן בפוסטים חדשים:

Leave this field empty if you're human:

*הפוסט נכתב בלשון נקבה אך מיועד לנשים, גברים ומגדרים אחרים בצורה שווה.