Waves

6.1

גלים: אנרגיה הנעילה

גלי שטח בבריכה, קולו של אדם, אור כוכב רחוק — כולם גלים נושאים אנרגיה ממקור לסופג. הפניה זו מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.6 גלים.

כיצב המבחן מטפל בנושא זה:

נייר 2 מכיל נושא זה. $T = 1/f$, $v = f\lambda$ והגדלה מצוינים בדף המצורף.
השתקפות (RP9), קול, גלי איתור, עדשות, אור נראה וקריעת גוף שחור הם בפיזיקה בלבד; קול ואיתור הם גם רק HT; חלקים מביסות האל-אופקים הם רק HT.
מערכים מעשיים: RP8 (מהירות גל באגן גלים ובחומר מוצק) ו-RP9 (השתקפות ושבירה, בפיזיקה בלבד).
עליכם לבנות דיאגרמות קרניים להשתקפות, שבירה ועדשות.

6.1

גלים רוחביים וגלאליים

סיילבוס

Waves in air, fluids and solids (AQA 8463 statements 4.6.1.1-4.6.1.2, RP8).

Describe the difference between transverse and longitudinal waves with examples.
Describe evidence that the wave, not the material, travels.
Use amplitude, wavelength, frequency and period; apply period = 1/frequency and wave speed = frequency x wavelength.
Describe methods to measure the speed of sound in air and of ripples on water.
Required practical 8: measure frequency, wavelength and speed in a ripple tank and in a solid.
(Physics only) Relate velocity, frequency and wavelength changes when sound passes between media.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

סוג	כיוון רטט	דוגמאות
צולב	בצורה מאונך לכיוון ההתפשטות	גלי מים, כל הגלים האלקטרומגנטיים
אורכי	לאורך כיוון ההתפשטות	קול באוויר

גלים אורכיים מציגים הצטופפויות (חלקיקים דחוסים) ו-התפזרויות (חלקיקים מפוזרים).

ראייה שהגל נע ולא החומר: גל עובר על בריכה אך המים עצמם רק זזים למעלה ולמטה (כדור על הפני השטח נשאר במקומו); קול מגיע אליך אך האוויר אינו נע מהמקור לעין.

מילון מונחים אימון

English	עברית
transverse/trænsˈvɜːs/	גל רוחבי
longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/	גל אורכי
compressions/kəmˈpreʃnz/	דחוסות
rarefactions/ˌreərɪˈfækʃnz/	התנדנויות
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/	משרעת
wavelength/ˈweɪvleŋθ/	אורך גל
frequency/ˈfriːkwənsi/	תדר
period/ˈpɪərɪəd/	זמן מחזור
specular reflection/ˈspekjʊlə rɪˈflekʃn/	השתקפות מיקרוסקופית
diffuse reflection/dɪˈfjuːz rɪˈflekʃn/	השתקפות פיזורית

6.1

תכונות גלים ומשוואת הגל

סיילבוס

Waves in air, fluids and solids (AQA 8463 statements 4.6.1.1-4.6.1.2, RP8).

Describe the difference between transverse and longitudinal waves with examples.
Describe evidence that the wave, not the material, travels.
Use amplitude, wavelength, frequency and period; apply period = 1/frequency and wave speed = frequency x wavelength.
Describe methods to measure the speed of sound in air and of ripples on water.
Required practical 8: measure frequency, wavelength and speed in a ripple tank and in a solid.
(Physics only) Relate velocity, frequency and wavelength changes when sound passes between media.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

כמות	משמעות	יחידה
משרעת	הסטייה המקסימלית ממיקום האיזון	מ'
אורך גל	המרחק מנקודה בגל אחד לנקודה מקבילה בגל הבא	מ'
תדר	מספר הגלים העוברים בנקודה בכל שנייה	הרץ
תקופה	זמן של גל אחד	שניות

$$T = \frac{1}{f} \qquad v = f\lambda$$

מהירות גל היא המהירות שבה אנרגיה מעבירה דרך התווך.
קראו את המשרעת ואת אורך הגל ישירות מתוך דיאגרמה עם תווית.

דוגמה פותרת. גל מים בעל תדר 2.0 הרץ ואורך גל 0.35 מטר.

$$v = f\lambda = 2.0 \times 0.35 = 0.70\ \text{m/s}$$

דוגמה פותרת (קילו-הרץ ומיקרומטר). קול בתדר 4.0 קילו-הרץ נע במהירות 330 מטר/שנייה.

המרה: $f = 4000$ הרץ.
$$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

מדידת מהירויות גלים (RP8)

גלים: מיכל גלים חשוך, מנוע בר יוצר גלים רציפים; צלמו/מדדו את אורך הגל עם סרגל על המסך, ספרו את מספר הגלים העוברים בנקודה במשך 10 שניות לתדר; $v = f\lambda$.
גלים בחומר מוצק: יצר גלובליים שולח גלים לאורך חוט מתוח; כוון את התדר עד שמופיע מספר שלם וברור של לולאות — מדוד את האורך וספור את הלולאות עבור $\lambda$; $f$ נקרא מהיצר הגל.
מהירות קול: עמוד במרחק ידוע מקיר, תרוע ואזן להדהוד למספר רעשים, חלק (או השתמש בשני אנשים עם שעון עצר על מרחק גדול; תזמון אלקטרוני טוב יותר).

(פיזיקה בלבד) שינוי תווך בקול: אם המהירות משתנה, או התדר או האורך-גל (או שניהם) משתנים איתו — $v = f\lambda$ מקשר בין שלושה המושגים.

6.2

החזרה (פיזיקה בלבד)

סיילבוס

Reflection, sound and detection waves, physics only (AQA 8463 statements 4.6.1.3-4.6.1.5, RP9).

Construct ray diagrams for reflection at a surface; describe absorption and transmission at interfaces.
Required practical 9: investigate reflection by different surfaces and refraction by different substances.
(HT) Describe sound conversion to vibrations of solids, the ear, and the 20 Hz to 20 kHz human hearing range.
(HT) Explain ultrasound imaging by partial reflection at boundaries, and seismic P-wave/S-wave exploration.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

בגבול גל יכול להיות מוחזר, נבלע או מעביר: *

החזרה ספקולרית: מפני חלקה, בכיוון אחד;
החזרה מופצת: מפני מחוספסת, מפוזרת;
בליעה: האנרגיה נשארת בחומר; העברה: עובר דרך.

בנה את דיאגרמת הקרניים ההחזרית: ה-נורמל מאונך למשטח בנקודת ההתנגשות; זווית ההתנגשות שווה לזווית ההחזרה — שתיהם נמדדים מהנורמל.

דיאגרמת קרניים החזרית עם הנורמל וזוויות שוות.

RP9: פנה קופסת קרניים לעבר מראה חלקה / משטחים מחוספסים; סימן קרניים פוגעות ומוחזרות בעיפרון, מדוד זוויות עם מד-זוויות; עבור שבירה, העבר אור דרך בלוק זכוכית וסימן את הדרך המכופפת בגבולות.

6.2

גלי קול ושומע (פיזיקה בלבד, HT)

סיילבוס

Reflection, sound and detection waves, physics only (AQA 8463 statements 4.6.1.3-4.6.1.5, RP9).

Construct ray diagrams for reflection at a surface; describe absorption and transmission at interfaces.
Required practical 9: investigate reflection by different surfaces and refraction by different substances.
(HT) Describe sound conversion to vibrations of solids, the ear, and the 20 Hz to 20 kHz human hearing range.
(HT) Explain ultrasound imaging by partial reflection at boundaries, and seismic P-wave/S-wave exploration.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

קול עובר דרך חומרים מוצקים כרעידות. באוזן, גלי קול מרעישים את ממברנת האוזן וחלקים אחרים — התחושה לקול היא רעידה שהוסבה. זה עובד רק בטווח תדרים מוגבל: שמיעת אדם נמשכת מ20 Hz עד 20 kHz. דוגמאות להסבה: ממברנת מיקרופון, עור תוף, חלונות רועמים ליד רמקול בס.

6.2

גלים לגילוי (פיזיקה בלבד, HT)

סיילבוס

Reflection, sound and detection waves, physics only (AQA 8463 statements 4.6.1.3-4.6.1.5, RP9).

Construct ray diagrams for reflection at a surface; describe absorption and transmission at interfaces.
Required practical 9: investigate reflection by different surfaces and refraction by different substances.
(HT) Describe sound conversion to vibrations of solids, the ear, and the 20 Hz to 20 kHz human hearing range.
(HT) Explain ultrasound imaging by partial reflection at boundaries, and seismic P-wave/S-wave exploration.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

אולטרסאונד: תדר מעל 20 kHz; מוחזר חלקית בגבולות בין תווכים; זמן ההדהוד נותן את המרחק לגבול ($s = vt$, כאשר הדרך לעיתים הלוך-וחזור). שימושים: סריקה רפואית בהריון (בטוח, לא-יונית), גילוי פגמים תעשייתי.
גלי רעידת אדמה: רעידות אדמה מייצרות P-waves (אורכי) ו-S-waves (רוחביים), הנעים במהירויות שונות דרך כדור הארץ; P-waves עוברים נוזלים, S-waves אינם — אזורי הצל מצביעים על מבנה השכבות של כדור הארץ. הדמיית הדו-סונית באמצעות אולטרסאונד/פולסי קול ממופה את קרקעית הים.

6.3

גלים אלקטרומגנטיים

סיילבוס

גלי אלקטרומגנטיים (AQA 8463 נקודות 4.6.2.1-4.6.2.4).

סבר גלי EM כגלים רוחביים, היוצרים ספקטרום רציף, כולם באותה מהירות בוואקום או באוויר.
חזור על סדר הספקטרום מאריות לגמא באורך גל ובתדירות.
תן שימושים בכל פס והסבר התאימותם (HT).
ציין את הסיכונים של קרינה אולטרה-סגולה, רנטגן וגמא; פרשנת נתוני עומס קרינה.
(HT) הסבר כיצד חומרים סופגים, מעבירים, שוברים או משקפים גלי EM בצורה שונה בהתאם לאורך הגל; בנה תרשימי קרניים וקדמת גל לשבירה.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

כל GEM הם רוחביים, מעבירים אנרגיה מהמקור לסופג. הם יוצרים ספקטרום רציף וכולם נעים באותה מהירות בוואקום או באוויר ($3\times10^8$ m/s). מארוך לקצר:

$$\text{radio} \to \text{microwave} \to \text{infrared} \to \text{visible (red to violet)} \to \text{ultraviolet} \to \text{X-ray} \to \text{gamma}$$

עיניים מגלות רק אור נראה — פס צר.

פסי הספקטרום האלקטרומגנטי מרדיו עד גמא עם שימושים.

גל	שימוש נפוץ	למה (HT)
רדיו	טלוויזיה ורדיו	אורך גל ארוך, מתעקף סביב גבעות; (HT) נוצר על ידי תנודות במעגלים, נבלע כדי לגרות זרמים חלופיים מותאמים
מיקרוגל	טלוויזיה לוויינית, בישול	חודר דרך האטמוספירה; נבלע על ידי המים במזון
אינפרא אדום	מחממים, ראות לילה, שלט רחוק	פולט בגוף חם; נבלע כחום
נראה לעין	ראייה, סיבי אופטי, צילום	מזוהה על ידי העיניים והמצלמות
אולטרה סגול	מנורות זוהרות, שזיף, חיטוי	מעורר כימיקלים;
קרינת X	הצלמות רפואיות של עצמות	חודר בעור, נבלע על ידי עצם
גמא	חיטוי ציוד רפואי, טיפול בסרטן	הורג חיידקים ותאים

סיכונים: UV מזדקן את העור מוקדם ומעלה את הסיכון לסרטן עור; קרינות X וגמא הן יוניזציה — הן יכולות לשנות גנים ולגרום לסרטן. מינון קרינה בסיוולטים מדד את הסיכון לנזק (1000 mSv = 1 Sv; זיכרון היחידה אינו נדרש). גזור מסקנות מהנתונים על המינון.

(HT) חומרים בולעים, מעבירים, מקרנים או משקפים גלי EM בדרכים שתלויות באורך הגל; ההתקממות נובעת מ-שינוי המהירות בין חומרים. הרא התקממות בתרשים קרן (כיפוף כלפי הנורמל כאשר המהירות יורדת) ובתרשימי חזית גל (חזית גל קרובות יותר בחומר האיטי).

6.4

עדשות (פיזיקה בלבד)

סיילבוס

עדשות ואור נראה, פיזיקה בלבד (AQA 8463 נקודות 4.6.2.5-4.6.2.6).

בנה תרשימי קרניים לעדשות קמורות ומשוות; הבדל בין תמונות אמיתיות ומזויפות.
השתמש בהגדלה = גובה התמונה / גובה העצם כחסר יחידות.
הסבר צבע על ידי השתקפות וספיגה דיפרנציאלית; מסננים על ידי העברה; השתקפות ספציפלית מול דפוסה.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

עדשה יוצרת תמונה על ידי התקממות אור:

קמורה: קרנות מקבילות מתכנסות ב-מיקוד הראשי; אורך מיקוד = מרחק עדשה-מיקוד; תמונות אמיתיות או וירטואליות.
קעורה: קרנות מתפשטות; תמונה תמיד וירטואלית.

כללי תרשים קרן (שתי קרנות ממוקדות את התמונה): קרן מקבילה לציר מתקממת דרך המיקוד (קמורה) או נראית כאילו היא מגיעה ממנו (קעורה); קרן החוצה את מרכז העדשה ממשיכה בקו ישר.

תרשים קרן לעדשה קמורה היוצרת תמונה אמיתית הפוכה.

$$\text{magnification} = \frac{\text{image height}}{\text{object height}}$$

יחס, ללא יחידות; שני הגבהים במ"מ או שניהם בס"מ.

דוגמה מפורטת. אובייקט בגובה 5.0 מ"מ יוצר תמונה בגובה 20 מ"מ.

$$m = \frac{20}{5.0} = 4.0\ (\text{no unit})$$

מילון מונחים אימון

English	עברית
convex/kɒnˈveks/	עדשה קמורה
concave/kɒnˈkeɪv/	עדשה שקועה

6.4

אור נראה ועודף (פיזיקה בלבד)

סיילבוס

עדשות ואור נראה, פיזיקה בלבד (AQA 8463 נקודות 4.6.2.5-4.6.2.6).

בנה תרשימי קרניים לעדשות קמורות ומשוות; הבדל בין תמונות אמיתיות ומזויפות.
השתמש בהגדלה = גובה התמונה / גובה העצם כחסר יחידות.
הסבר צבע על ידי השתקפות וספיגה דיפרנציאלית; מסננים על ידי העברה; השתקפות ספציפלית מול דפוסה.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

כל צבע הוא רצועת אורך גל צרה משלושתו (אדום הארוך ביותר, סגול הקצר ביותר ברצועה הנראית).

מסננים בולעים חלק מאורכי הגל ומעבירים את שארם (מסנן אדום מעביר אדום).
צבע של חפץ בלתי שקוף = אורכי הגל שהוא מחזיר בחוזקה; השאר נבלעים. החזרה מלאה → לבן; בליעה מלאה → שחור.
חפצים שקופים/מועברים מעבירים אור.
השוני בין החזר ספקולרי למפוזר (מפרק ההחזר) מסביר מדוע פני אדום חלקים נראים מבריקים בעוד נייר נראה מט.

6.5

קרינת גוף שחור (פיזיקה בלבד)

סיילבוס

קרינת גוף שחור, פיזיקה בלבד (AQA 8463 נקודות 4.6.3.1-4.6.3.2).

ציין כי כל הגופים פולטים וסופגים קרינת אינפרא אדום, יותר כשהם חמים יותר.
הגדר גוף שחור מושלם כסופג מלא ופולט הטוב ביותר.
קשר את העוצמה והחלוקה באורך הגל של הפליטה לטמפרטורה.
(HT) הסבר טמפרטורה קבועה כאיזון בין ספיגה לפליטה, והחל על גורמי הטמפרטורה של כדור הארץ.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

לכל הגופים, בכל טמפרטורה, יש פליטה וספיגה של אינפרא-אדום. ככל שהגוף חם יותר, כך פולט יותר קרינה בשנייה.

גוף שחור מושלם בולע כל הקרינה הפוגעת בו — ללא החזרה וללא העברה — וכיוון ש(בולע טוב = פולט טוב) הוא גם הפולט הטוב ביותר האפשרי.

העוצמה וחלוקת אורכי הגל של הקרינה הנפלטת תלו בטמפרטורת הגוף: חמים יותר → עוצמה גבוהה יותר, והשיא זז לאורך גל קצר יותר.

(HT) לגוף בטמפרטורה קבועה יש קצב ספיגה זהה לקצב הפליטה שלו.‬

איזון הקרינה של כדור הארץ. בליעה מהירה מפליטה → עליית טמפרטורה. טמפרטורת כדור הארץ תלו באיזון בין הקרינה הנבלעת לפולטת ובחיזור אל החלל — השתמש בכך להסבר חימום ומדגמות סגנון אלבידו קרח, וקרא את התרשים הסטנדרטי.

6.5

רשימת בדיקה לפני סיום נושא זה

הגדר משרעת, אורך גל, תדירות, מחזור; השתמש ב$T = 1/f$ ו$v = f\lambda$ עם קידומים.
תאר RP8 במיכל גלים ובחוט; תאר שיטת מדידת מהירות קול.
(פיזיקה בלבד) צייר דיאגרמות קרניים של החזרה ושבירה עם אנכיות; RP9.
חזור על סדר ספקטרום האלקטרומגנטי; התאם שימושים וסיכונים עם סיבות; השוו נתוני מינון.
(פיזיקה בלבד) צייר דיאגרמות קרניים של עדשות (קמורה/כוסה); הגדלה כיחס ללא יחידות.
(פיזיקה בלבד) הסבר צבע על ידי החזרה, מסננים על ידי העברה.
(פיזיקה בלבד) פליטה, ספיגה של גוף שחור ואיזון קרינה של כדור הארץ (HT).