חשמל ומגנטיות קרינה וחומר

Transkript

1 רון הדר מיקוד 016 בפיזיקה חשמל ומגנטיות שאלון 655,03600 קרינה וחומר שאלון 657, הכנה ותרגול לבגרות קיץ הספר מותאם בתכניו לתכנית ההלימה שפרסם משרד החינוך לעדכונים ולהשלמות אתר המיקודים אתכם לאורך כל הדרך מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 1 פרק 1

2 מיקוד 016 בפיזיקה חשמל ומגנטיות שאלון 655,03600 קרינה וחומר שאלון 657, הכנה ותרגול לבגרות רון הדר קרא והעיר: שוקי זכאי 016 כל הזכויות שמורות לרכס פרויקטים חינוכיים בע"מ ולמחבר Printed in Israel 016 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 מספר זה. שימוש מסחרי, מכל סוג שהוא, בחומר הכלול בספר זה אסור בהחלט, אלא ברשות מפורשת בכתב מן המו"ל. רכס פרויקטים חינוכיים בע"מ ת"ד 75 אבן יהודה טלפון פקסימיליה אתר המיקודים: כתובתנו באינטרנט: E mail: main@reches.co.il עשינו כמיטב יכולתנו לאתר את בעלי הזכויות של כל החומר ממקורות חיצוניים. אנו מתנצלים על כל השמטה או טעות. אם יובא הדבר לידיעתנו נפעל לתקנו במהדורות הבאות. רכס עושה כל שביכולתה כדי למנוע הופעת טעויות בספריה על אף זאת טעויות עלולות להופיע. כל טעות שתובא לידיעתנו תקבל מענה באתר מיקודים מסת"ב ISBN פרק 1 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

3 תודתי: לצוות של רכס על התמיכה ועל הליווי. * לשוקי זכאי על הערותיו החכמות. * לשחר ידין תלמידי המצטיין, על התיקונים. * לאשתי ולילדיי על הסבלנות. * לתלמידיי במשך השנים שמהם למדתי יותר מכולם. * רון הדר מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 3 פרק 1

4 פרק 1 4 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

5 תוכן העניינים פתח דבר 7 מבוא לשני חלקי הספר - מבנה החומר 9 11 חשמל ומגנטיות 13 פרק - 1 חוק קולון והשדה האלקטרוסטטי 8 פרק - אנרגיה פוטנציאלית חשמלית ופוטנציאל חשמלי 41 פרק - 3 הזרם החשמלי ומעגלי זרם ישר 65 פרק - 4 השדה המגנטי 84 פרק - 5 השראה אלקטרומגנטית 93 הוראות לנבחן 95 מבחן מספר מבחן מספר 119 מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר 8 19 מבחן מספר 9 03 מבחן מספר מבחן מספר 11 8 מבחן מספר 1 39 מבחן מספר קרינה וחומר 53 פרק - 1 גלים מכניים ואלקטרומגנטיים 68 פרק - האפקט הפוטואלקטרי 77 פרק - 3 מודלים של האטום 89 פרק - 4 מבוא לפיזיקה גרעינית מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 5 פרק 1

6 301 הוראות לנבחן 303 מבחן מספר 1 31 מבחן מספר 3 מבחן מספר 3 33 מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר מבחן מספר 11 נוסחאות ונתונים בפיזיקה 415 פרק 1 6 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

7 פתח דבר לתלמידים ולמורים, ספר זה מיועד לתלמידי פיזיקה אינטרניים ואקסטרניים, המתכוננים לבחינת הבגרות בחשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות. הספר מעודכן לתוכנית הלימודים של משרד החינוך, בהתאם לחוזרי המפמ"ר ולמסמך ההלימה שפרסם משרד החינוך. הספר כולל את עיקרי חומר הלימוד לפי הפרקים השונים, כולל דוגמאות והסברים וכן 1 בחינות מתכונת מקוריות בחשזמל ומגנטיות ו- 10 בחינות מתכונת מקוריות בקרינה וחומר בצירוף פתרונות מלאים והסברים מפורטים. בספר מוצגות שאלות בכל הרמות הנדרשות מהתלמידים, החל בידע בסיסי, וכלה בחשיבה ובהבנה ברמות גבוהות. רוב השאלות שבבחינות נכתבו במהלך השנים הרבות שבהן כתבתי בחינות לתלמידיי, ועם השנים זכו לניסוח משופר בעקבות בדיקת התשובות של התלמידים. כמו כן שובצו במבחנים שאלות הכוללות היבטים של אוריינות מדעית, בהתאם לדרישות הפיקוח על הוראת הפיזיקה. בהצלחה! רון הדר מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 7

8 פרק 1 8 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

9 מבוא לשני חלקי הספר - מבנה החומר יחידות מידה שימושיות בעולם החלקיקים והאטומים ערך ביחידות.I.S Kg m 10 9 m C J סימן U A nm e ev שם יחידת מסה אטומית )ימ"א( אנגסטרם ננומטר מטען האלקטרון אלקטרון וולט )יחידת אנרגיה( חלקיקים שם סמל מטען חשמלי * מסה מקורבת Kg -e e אלקטרון 1U e P פרוטון 1U 0 n נויטרון 4U e α α אלפא** * בפרק הגרעין יש להשתמש בערכים מדויקים יותר של המסה )מופיעים בנוסחאון(. בשאר הפרקים משתמשים בערכים אלה. ** חלקיק α מורכב משני פרוטונים ומשני נויטרונים, והוא הגרעין של האיזוטופ He. 4 מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 9

10 אטומים האטום מורכב מגרעין של פרוטונים ונויטרונים, הנקראים בשם כולל נוקליאונים. מספר הפרוטונים מסומן ב- Z, ונקרא המספר האטומי. מספר הנוקליאונים מסומן ב- A, ונקרא מספר המסה. מכיוון שהנויטרונים הם חסרי מטען, מטען הגרעין הוא המטען הכולל של כל הפרוטונים, כלומר Ze. סביב הגרעין נעים האלקטרונים, שמספרם זהה למספר הפרוטונים, כך שהאטום כולו הוא חסר מטען. האלקטרונים השליליים קשורים לגרעין החיובי בכוחות המשיכה החשמליים. זהות האטום, היסוד )מימן, חמצן, אורניום וכדומה(, נקבעת על ידי Z. לדוגמה, פחמן הוא יסוד שבו =Z 6 כלומר, הוא מורכב מ- 6 פרוטונים ומ- 6 אלקטרונים )כדי לדעת את מספר הנויטרונים, יש לדעת גם את A, ראו איזוטופים בהמשך(. שינוי מספר הפרוטונים משנה את התכונות הכימיות של האטום, לכן מדובר ביסוד שונה. סימול האטום וחלקיו 06 מורכב מ- 8 היסוד X בעל מספר אטומי Z ומספר מסה A מסומן כך:. A Z X לדוגמה: אטום של עופרת: 8 Pb פרוטונים, מ- 8 אלקטרונים ומ- 14 נויטרונים (14 = 8 ). 06 הערה: אין צורך ללמוד בעל פה את הסימול באותיות של היסודות השונים, ומותר לכתוב X במקומו. יונים כאשר נוספים אלקטרונים לאטום או נגרעים אלקטרונים מאטום, הוא נקרא יון. יון חיובי הוא אטום שחסרים בו מספר אלקטרונים, לכן המטען החשמלי שלו חיובי ושווה להפרש בין מספר הפרוטונים למספר האלקטרונים. יון שלילי הוא אטום שיש בו עודף אלקטרונים. את המטען החשמלי מקובל לכתוב בפינה הימנית העליונה של הסמל, לדוגמה:. 40 ביון זה 0 פרוטונים, 0 40 או ++ Ca 0 * יון סידן )קלציום( שחסרים בו שני האלקטרונים מסומן כך: + Ca 0 נויטרונים ו- 18 אלקטרונים, מסתו 40U ומטענו e+. * יון פלואור בעל עודף של אלקטרון אחד - F ביון זה יש 9 פרוטונים, 10 נויטרונים ו- 10 אלקטרונים, מסתו.-e ומטענו 19U איזוטופים איזוטופים שונים של אותו יסוד נבדלים זה מזה רק במספר הנויטרונים שבגרעין שלהם. למשל: שני איזוטופים פחמן 14 6 C עם 8 נויטרונים ו- 1 6 C עם 6 נויטרונים. 10 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

11 חשמל ומגנטיות מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 11 פרק 1

12 חשמל, שאלון שעות חשמל ומגנטיות 13 חוק קולון והשדה האלקטרו סטטי 1 פוטנציאל חשמלי 3 מעגלי זרם ישר נושאים תופעות חשמליות חוק קולון השדה האלקטרוסטטי, המושג "שדה" בפיזיקה חוק גאוס, הקשר בין חוק גאוס לחוק קולון פוטנציאל והפרש פוטנציאלים הזרם החשמלי ועצמת הזרם החשמלי המתח החשמלי, התנגדות, חוק אום כא"מ ומתח הדקים הספק ואנרגיה במעגל חשמלי, נצילות מעגלים חשמליים )מקור מתח אחד( מכשירי מדידה שדות מגנטיים של מגנטים וזרמים השפעת השדה המגנטי על זרם, עצמת השדה המגנטי הקשר בין השדה המגנטי ומקורותיו: בקרבת תיל ארוך מאוד, במרכז כריכה מעגלית, בסילונית כוח בין זרמים מקבילים, הגדרת האמפר כוח לורנץ הפועל על מטען הנע בשדה מגנטי יישומים של הכוח המגנטי כא"מ מושרה, חוק פרדיי וחוק לנץ שעות השדה המגנטי 1 השראה אלקטרומגנטית 0 סה"כ חשמל פרק 1 1 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

13 פרק - 1 חוק קולון והשדה האלקטרוסטטי הכוח החשמלי - חוק קולון מטען חשמלי הוא התכונה שיש לגוף או לחלקיק, המאפשרת השתתפות באינטראקציה החשמלית. קיימים שני סוגים של מטען חשמלי: מטען חיובי ומטען שלילי. יחידת המטען החשמלי היא קולון ומסומנת באות C. הכוח החשמלי הוא כוח הפועל בין כל שני גופים הטעונים במטענים חשמליים. בין גופים הטעונים מטענים בעלי סימן זהה פועלים כוחות דחייה, ובין גופים הטעונים מטענים בעלי סימנים מנוגדים פועלים כוחות משיכה. את גודל הכוח אפשר לחשב בנוסחה הידועה כחוק קולון: F + + F F F + F F כאשר: F = kq 1 q r (N). גודל הכוח החשמלי בניוטונים - F (C). שני המטענים החשמליים בקולונים - q 1, q r - המרחק בין שני המטענים במטרים (m) )אם שני הגופים הטעונים הם כדורים, המרחק נמדד בין שני מרכזי הכדורים( Nm C k - הקבוע האלקטרוסטטי שערכו קבוע בולצמן, יש להתעלם ממנו(. k, לב! בנוסחאון מופיע קבוע נוסף המסומן באות )שימו =k מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 13 פרק 1

14 שאלה לדוגמה: בנקודות A ו- B ניצבים שני מטענים, q, B בהתאמה. המרחקים נתונים בתרשים שלפניכם ו = 3µC )הסימן µ, מיקרו, מייצג מיליונית, כלומר (: D 0.4m 0.4m A q A = 5mC 0.4m B q B = 3mC 0.4m C qc = 100mC?AB ונמצאת על המשך הקטע C, הניצב בנקודה q C 1. מה הכוח השקול שיפעל על מטען שלישי = 100µC. מה הכוח השקול שיפעל על המטען השלישי, אם הוא יעבור לנקודה D שנמצאת במרחקים שווים מ- A ומ- B? הפתרון: שיטת הפתרון המומלצת: תחילה, יש לקבוע את כיווני הכוחות לפי סימני המטענים. לאחר מכן יש לחשב את גודל הכוחות בלי להתייחס לסימנים, ולבסוף לחבר את הווקטורים., qa כוח משיכה )כי סימני המטענים מנוגדים( שמאלה, שמפעיל עליו המטען - F A q פועלים שני כוחות:.1 על C. q ו- - FB כוח דחייה )כי סימני המטענים זהים( ימינה, שמפעיל עליו המטען B A B C F A F B kqbqc kqaqc Σ F = FB FA = = r r BC AC = = 9.85N גודלו של הכוח השקול הוא 9.85N, וכיוונו ימינה. פרק 1 14 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.

15 . נוסיף מערכת צירים, ונקבע את כיווני הכוחות: y F B x D q C = 100mC F A A q A = 5mC B q B = +3mC נחשב את רכיבי הכוח השקול: kqbqccos60 kq q cos 60 Σ Fx = FBx + FAx = + A C r r BD cos cos 60 = Σ F = =.5N y kqbqcsin 60 kq q sin 60 Σ Fy = FBy + FAy = A C r r BD sin sin 60 = Σ F = = 9.74N y AD AD מיקוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות, קרינה וחומר 5 יחידות - רון הדר 15 פרק 1

16 נבנה את וקטור הכוח השקול: F y =.5N a Σ F = = 4.5N F y = 9.74N 9.74 tanα=.5 α= 3.4 גודל הכוח השקול הוא 4.5N, וכיוונו 3.4 יחסית לכיוון החיובי של ציר x. השדה החשמלי רעיון השדה החשמלי פותח כדי להסביר כיצד הכוח החשמלי בין שני מטענים פועל ממרחק, ללא מגע בין המטענים. המטען הראשון יוצר שדה חשמלי בסביבתו, והמטען השני שנקלע לשדה מושפע ממנו, וההפך, המטען השני יוצר שדה חשמלי בסביבתו והמטען הראשון מושפע ממנו. q 1 E 1 מטען q 1 יוצר שדה E 1 בכל נקודה בסביבתו: A E 1 q 1 q מטען q מושפע מהשדה E, 1 ופועל עליו כוח חשמלי: הגדרה: השדה החשמלי בנקודה מסוימת הוא הכוח ליחידת מטען הנמצא בנקודה. E F = q הגדרה פשוטה יותר: בנקודה מסוימת השדה החשמלי הוא הכוח שיפעל על מטען יחידה )מטען חיובי של 1C+( אם הוא יימצא בנקודה זו. יחידת המידה של שדה חשמלי היא ניוטון לקולון - N C )בהמשך נראה שיחידת השדה החשמלי גם יכולה להיות וולט למטר - m.) V פרק 1 16 העתקה ו/או צילום מספר זה הם מעשה לא חינוכי, המהווה עברה פלילית.