בס"ד

פתרון תרגיל 1

1. איזה חלקיקים אלמנטאריים מרכיבים את האטום. צייני את התכונות של כל אחד מהם: מסה (בק"ג) ומטען (נמדד ביחידות של קולון).

תשובה: הגרעין מורכב מפרוטונים וניוטרונים סביב הגרעין מסתובבים האלקטרונים.

לאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי :

e = - 1.602 x 10-19 Coulomb או

(קולון)

ומסה שלו:

Kg. me, =

.שהם החלק ה-1/1836 ממסת הפרוטון

נוקליאונים, שם כללי לפרוטונים ונויטרונים, המרכיבים את גרעין האטום

פרוטון הוא חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי הנמצא בגרעין של כל אטום

מסה של פרוטון Kg 10-27× 7261.6 =

מטען חשמלי חיובי של פרוטון

q= +1.602 x 10-19 Coulomb

נויטרון

מסה שלו

m = 1.67493 x 10-27 kg

מטען חשמלי של נויטרון

q = 0

2. חשבי בק"ג את המסה של מולקולת פחמן דו-חמצני.

תשובה: פחמן דו חמצני הוא

לצורך פשטות נתעלם מהאלקטרונים שמסתם זניחה. נספור את מספר הפרוטונים והניוטרונים במולקולה ונכפיל במסת פרוטון. לפחמן יש 6 פרוטונים ו-6 ניוטרונים (באיזוטופ הנפוץ ביותר). לחמצן יש 8 פרוטונים ו-8 ניוטרונים. מכיוון שיש 2 אטומי חמצן צריך להכפיל פי שניים. סה"כ 44 פעמים מסת פרוטון.

10-27 kg x 73.48 = 10-27 kg x 1.67x44

3. מתוך עיון בטבלה המחזורית: כמה אלקטרונים כמה פרוטונים וכמה ניוטרונים יש במולקולת מים (3 פעמים אותו מספר- ובגימטריה המספר הזה הוא...).

תשובה: במולקולת מים יש אטום חמצן אחד ושני אטומי מימן.

לחמצן 8 פרוטונים למימן יש פרוטון אחד. סה"כ במולקולה 10 פרוטונים. כמו כן לחמצן יש בד"כ 8 ניוטרונים למימן אין בד"כ בכלל ניוטרונים סה"כ במולקולה 8 ניוטרונים. מכיוון שמולקולת מים בד"כ היא נייטרלית מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים ולכן ישנם 10 אלקטרונים. בשאלה ישנה טעות זה לא יוצא 3 פעמים אותו מספר. כמו שהסברתי בכיתה- בהרבה מקרים באטום מספר הניוטרונים והפרוטונים בגרעין שווה אך זה לא תמיד כך ולכן ישנם איזוטפים שונים. כמו כן התכוונתי בגימטריה לכוון למספר המסה של המים שהוא 18 (10 פרוטונים ו-8 ניוטרונים) – ח"י.

סתם לידע כללי: "מים כבדים" שאנו שומעים עליהם הרבה בחדשות לאחרונה, הם מים שמכילים איזוטופ של אטום המימן שיש לו פרוטון אחד וניוטרון אחד בגרעין (דיוטריום שמו של מימן כבד זה) ולכן מספר המסה של

המים יכול לעלות ל-19 או-20 אם יש לו שני אטומי מימן כבדים.

4.

צייני את מספר הנויטרונים, הפרוטונים והאלקטרונים של:

תשובה: - 35 פרוטונים 35 אלקטרונים ו-44 ניוטרונים,

- 27 פרוטונים 24 אלקטרונים ו-32 ניוטרונים,

- 16 פרוטונים 18 אלקטרונים ו-16 ניוטרונים.

5. הסבירי את מודל רתרפורד ומודל בוהר. מה ההבדל העיקרי בניהם? איזה שתי שאלות חשובות נפתרו באמצעות מודל האטום של בוהר?

תשובה: מודל רתרפורד נקרא גם המודל הפלנטרי של האטום.

לפי מודל זה האטום מורכב מגרעין חיובי קטן שמכיל את רוב המסה של האטום וסביבו חגים אלקטרונים קלים בהרבה.

נמצא שרובו של האטום כאילו ריק.

מודל בוהר הוא למעשה שכלול של מודל רתרפורד תוך שילוב של הרעיונות הבסיסיים של תורת הקוונטים.

המודל קובע שהאלקטרונים יכולים לנוע רק במסלולים מוגדרים באטום שקרויים גם רמות אנרגיה. כשהמסלול עם האנרגיה הנמוכה ביותר מכונה רמת היסוד (לרמה זו אין אנרגיה 0). כמו כן כאשר אלקטרון עובר מרמת אנרגיה גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה נפלט אור בתדירות שמתאימה להפרש הרמות. מודל זה הסביר בין היתר מדוע האלקטרון לא "נופל" לאטום וכן את הספקטרום המיוחד שיש לכל אטום בטבע.

6. נניח שכיום חברת חשמל גובה חצי שקל עבור קוט"ש (קילו-וואט-שעה) ובביתך מפעילים את המזגן למשך חמש שעות כל יום בחורף. אם ההספק של המזגן הוא 1500 וואט. כמה תעלה הפעלת המזגן במשך חודש?

תשובה: ראשית נחשב כמה קילו-וואט-שעה צרכנו:

קילו-וואט-שעה 1500x5x30=225000W.hour=225

נכפיל את זה ב0.5 שקל לקוט"ש וזה יוצא 112.5 ₪.

קילו-ואט-שעה היא יחדה נוחה לחברת חשמל.

7. רשמי את חוק קולון וחשבי מה הדחייה בין שני פרוטונים כשהם רחוקים 10 מטר אחד מהשני.

תשובה:

מהו שדה כח? מהו שדה חשמלי?

תשובה: שדה חשמלי הוא דוגמא לשדה כח. מטען חשמלי כלשהו X הנמצא במקום מסוים יגרום לחלקיק טעון אחר בסביבתו לחוש כח משיכה או דחיה לפי חוק קולון. אם נמפה (מלשון מפה) את כל סביבתו של המטען X נוכל לקבוע בכל נקודה במרחב מהו הכח שיפעל על חלקיק בוחן אחר שימצא שם- יוצא מכאן שהמטען X יוצר סביבו שדה השפעה שתלוי במרחק אליו.

דוגמא נוספת לשדה כח הוא שדה כח המשיכה (לדוגמא: שדה כח המשיכה שמפעיל כדוה"א על סביבתו).

8. מה ההבדל בין זרם ישר לזרם חילופין?

תשובה: זרם ישר תמיד זורם לכיוון אחד במעגל חשמלי. בזרם חילופין כוון הזרם משתנה בצורה מחזורית כל פעם לכיוון ההפוך. גודל הזרם לא משתנה.

9. חיברתי מיקסר חשמלי לקיר המטבח (220 וולט) והזרם החשמלי שעבר במיקסר הוא 10 מילי-אמפר. מה התנגדות המיקסר?

תשובה: נשתמש בחוק אום-

10. כמה אלקטרונים צריכים לעבור בחוט תיל כל שנייה כדי שייווצר זרם של 1 אמפר?

תשובה: אמפר זה בעצם קולון לשניה. מכיוון שמטען אלקטרון בודד הוא

אזי בכל קולון יש:

תרגיל 2-פתרון

1. מהם תכונות השדה המגנטי? השווה את התכונות לתכונות השדה החשמלי?

תשובה: התכונה העיקרית של שדה מגנטי הוא שקווי השדה המגנטי מעגליים וסגורים. הקווים שמייצגים שדה מגנטי יוצאים מהקוטב הצפוני, עושים סיבוב וחוזרים לקוטב הדרומי.

עד ליום זה לא קיים מגנט עם קוטב אחד. זאת אומרת שאם נחתוך מגנט מקוטב אחד (למשל דרומי) בכל זאת נקבל מגנט קטן עם שני קטבים.

מגנטים נמשכים ונדחים אחד מהשני כך שהקטבים המגנטיים המנוגדים יתקרבו והקטבים הזהים ידחו אחד מהשני.

בהשוואה לשדה מגנטי הקווים של שדה חשמלי מתחילים במטען חשמלי חיובי ומסתיימים במטען חשמלי שלילי. אפשר לקבל מטען חיובי קטן על ידי הפרדתו ממטען חשמלי חיובי גדול. אותו דבר ניתן לעשות עם מטען שלילי.

בשדה חשמלי יש שני סוגי מטען היוצרים אותו- חיובי ושלילי.

2. כיצד נוצר שדה מגנטי? במה תלוי כיוונו וגדלו? תני דוגמא.

שדה מגנטי נוצר ע"י תנועה של מטענים. אם המטען נע בכיוון מסוים יווצר שדה מגנטי סביב המסלול של תנועת המטען. ע"פ חוק יד ימין (נקרא גם חוק הבורג). לדוגמא: אם הזרם החשמלי כלפי מעלה, הקווים של שדה מגנטי הינם מעגליים נגד כיוון השעון. מעגלים של קווי שדה מגנטי סביב התיל במרחקים שונים ממנו. ככל שמתרחקים מהתיל עם זרם חשמלי, השדה המגנטי קטן בעוצמתו והקווים שמייצגים אותו מרווחים יותר.

3. בטבעת המונחת על שולחן זורם זרם חשמלי בכיוון השעון. מה כוון השדה המגנטי מחוץ לטבעת ובתוך הטבעת (לכוון התקרה או לכיוון הרצפה?)

תשובה: בהתאם לאמור בשאלה 2. בתוך הטבעת כוון השדה הוא פנימה לכיוון הרצפה. מחוץ לטבעת השדה פונה לתקרה.

(בתמונה הטבעת עם זרם הפוך, בגלל זה גם השדה המגנטי שלו הפוך)

4. תיל מוליך נמצא חופשי על גבי שולחן והזרם פונה פנימה. מפעילים שדה מגנטי קבוע שפונה ימינה במקביל לשולחן. האם התיל ידבק לשולחן או ירחף באוויר?

תשובה: חלקיקים טעון הנמצאים בתנועה בתוך תיל. שדה מגנטי פועל עליו כח הנקרא כח לורנץ וכיוונו לפי "חוק יד שמאל"

כאשר יש זרם בתיל, החלקיקים לא יכולים "לברוח" ולכן כל התיל נמשך לכיוון מסוים. במקרה הנ"ל התיל ידבק לשולחן.

5. כיצד מיוצר חשמל? נא להתמקד בעקרון הפיסיקלי.

תשובה: ע"י השראה מגנטית. ע"פ חוק פארדי (החוק הוא של הקב"ה אבל זה נקרא על שם מי שגילה אותו) במעגל חשמלי – שזה יכול להיות אפילו רק טבעת\סליל מוליכה, ייוצר במעגל כח אלקטרומגנטי מושרה (במילים אחרות- מתח חשמלי בדומה לסוללה) שתלוי בשינוי של השטף המגנטי בטבעת. שטף מגנטי הוא למעשה כמות הקווים המגנטיים שעוברים בתוך הטבעת\הסליל.

לא חשוב כמה קווים עוברים אלא השינוי במספרם ליחידת זמן. אפשר לעשות זאת בשתי דרכים עיקריות: להשאיר טבעת קבועה ולשנות את השדה שעובר בטבעת (כגון ע"י הכנסה והוצאה של מגנט מהטבעת ולסובב את מגנט).

אפשרות שניה לשים את הטבעת בשדה מגנטי קבוע ולסובב את הטבעת. כתוצאה מהסיבוב משתנה כל העת השטף המגנטי בטבעת ונוצר שם זרם חשמלי. אם הטבעת מסתובבת כל הזמן באותו כוון נקבל זרם חילופין כי השטף המגנטי כל הזמן יורד-עולה-יורד-עולה....

6. הסבירי בקצרה מהו אור.

תשובה: אור הוא גל של שדות חשמלי ומגנטי המתנדנדים במרחב

(גל אלקטרו-מגנטי) בניצב זה לזה.

עקרון הדואליות של האור קובע שלפעמים הוא נראה לנו גם כחלקיק חסר מסה שנושא חבילת אנרגיה.

כמות האנרגיה שבחבילה הזו תלוי בתדירות של האור ביחס ישר. לדוגמא חלקיק אור (פוטון) של אור בתדירות מיליון גלים בשניה נושא חצי מהאנרגיה של פוטון המתאים לתדירות של שני מליון בשניה.

7. סדרי את סוגי הקרינה האלקטרומגנטית הנ"ל לפי אורך גל (מהקצר ביותר לארוך ביותר): אור אדום, אור סגול, קרינת X, אינפרא-אדום, רדיו, מיקרוגל, אור ירוק, אולטרא-סגול, אור כחול, קרינת גאמא, רדיו.

תשובה: גאמא, X, אולטרה סגול, סגול, כחול, ירוק, אדום, אינפרא-אדום, מיקרו, רדיו

8. פרטי את כל סוגי האינטראקציה של אור עם חומר ותני דוגמא לכל אחת.

תשובה:

העברה- אור שעובר דרך חלון,

החזרה- מראה,

פיזור- אור פוגע בקיר לבן ומתפזר,

בליעה- אור נבלע בחומר וגורם לחימומו (מכונית שחורה בשמש),

אור נפלט מהחומר- כגון אור הנפלט מהשמש.

9. האם יש הבדל בין גלי רדיו לאור צהוב?

מדוע את הראשון רואים ואת השני לא?

תשובה: אין הבדל מהותי בין רדיו לאור צהוב למעט אורך הגל. את הרדיו לא רואים כי אין לעין האנושית קולטנים לקרינה זו (אורך גל של מטרים) לעומת זאת בעין שלנו יש קולטנים לקרינה של אורך גל של צהוב

(בערך 500 ננו-מטר – חצי מיליונית המטר).

10. הסבירי מדוע אור נשבר כשהוא עובר מחומר אחד לשני.

תשובה: האור נע במהירויות שונות בחומרים שונים. כשאנו אומרים מהירות האור סתם הכוונה למהירות האור בריק (שזה 300 אלף ק"מ בשניה) אבל בחומר הוא נע יותר לאט. מהירותו גם משתנה בין חומרים שונים. כאשר האור פוגע בזוית למשטח מסוים או בכל מעבר בין חומר לחומר הוא ישנה את כיוון התקדמותו בצורה כזו שהמסלול המהיר ביותר נבחר. הדבר דומה למציל חכם שנמצא על החוף ורואה אדם טובע בים. מכיוון שהמציל רץ על החוף יותר מהר ממה שהוא יכול לשחות בים, הוא יעדיף לעשות דרך ארוכה יותר על החוף ודרך קצרה יותר בים. מציל טיפש יחשוב שלחבר קו ישר בינו לבין הטובע היא הדרך הכי מהירה. "יש דרך קצרה (במסלול) שהיא ארוכה (בזמן) ויש דרך ארוכה (במסלול) שהיא קצרה (בזמן)".

11. הסבירי כיצד עובדת מראה שטוחה, מראה קמורה, מראה קעורה.

תשובה: מראה שטוחה- האור יוצא מדמות מסוימת פוגע בזוית כלשהיא במשטח ומוחזרת באותה זווית ביחס לאנך למראה.

אדם הקולט את האור המוחזר רואה דמות "מדומה" לא אמיתית הנמצאת "בתוך" המראה מבחינתו (אשליה אופטית). במראה קעורה הכלל הוא שקרן שבאה במקביל לציר שמחבר בין המוקד למראה יחזור דרך מוקד המראה. קרן הבאה דרך המוקד תחזור במקביל לציר שמחבר את המוקד והמראה. במראה מסוג זה יכולות להווצר דמויות ממשיות או דמיוניות מוקטנות או מוגדלות ישרות או הפוכות בהתאם למיקום הדמות ביחס למראה. במראה קמורה המוקד נמצא "בתוך" המראה אך העקרונות של מהלך הקרניים לא משתנה. במראה כזו הדמות תמיד מדומה, מוקטנת וישרה.

12. הסבירי כיצד עובדת עדשה מפזרת, מרכזת. איזה סוג של עדשה יש לנו בעין?

תשובה: בעדשה יש שני מוקדים (לא חייבים להיות בעלי אותו מרחק). בעדשה מרכזת הקצוות דקות מהמרכז. הקרנים שבאות במקביל סוטות ומתרכזות במוקד שאחרי העדשה:

בעדשה מפזרת הקצוות רחבות מהמרכז הן מתפזרות כך שההמשך שלהן מגיע למוקד שלפני העדשה:

העין שלנו היא עדשה מרכזת.

פתרון תרגיל 3

11. עבור כל אחד מהגלים הנ"ל רשמי אם הוא גל רוחב או גל אורך: אור, גלי צונמי,

שרשרת דומינו, גלי קול, גלי שמיכה כשמנערים אותה.

תשובה:

א) גלי רוחב- אור, צונמי, שמיכה מנוערת

ב) גלי אורך- דומינו, קול.

12. כאשר אורך הגל מתקצר התדירות עולה/יורדת (הקיפי את התשובה הנכונה).

הסבר כללי:

יש לנו 3 נוסחאות

v=f f =v/ = v/f

א). v=f נוסחה זו קובעת כי מהירות הגל שווה אורך הגל כפול תדירות הגל.

אבל מהירות הגל לא תלויה לא באורך הגל ולא תלויה בתדירות הגל.

במה אז תלויה מהירות הגל? מהירות הגל תלויה אך ורק בתכונות של הסביבה שהגל מתקדם בה.

ב). =v/ f נוסחה זו קובעת כי תדירות הגל שווה למהירות הגל חלקי אורך הגל.

אבל תדירות הגל לא תלויה לא במהירות הגל ולא באורך הגל.

במה אז תלויה תדירות הגל? תדירות הגל תלויה אך ורק בתדירות של פולט / מתנד.

ג). = v/f נוסחה זו קובעת כי אורך הגל שווה מהירות הגל חלקי תדירות.

וכן אורך הגל תלוי בקשר ישר של מהירות וקשר הפוך מתדירות.

תשובה: כעת ניתן לראות שכאשר אורך הגל מתקצר אז:

1. או שהמהירות יורדת (הגל נכנסה לסביבה במהירות קטנה יותר)

2. או תדירות הפולט / מתנד גדלה והגל מתפשט באותה סביבה כמו קודם.

13. הצבע של האור תלוי ב: אורך הגל/ תדירות / משרעת / הפרש מופע

(הקיפי את כל התשובות הנכונות).

תשובה:

הצבע של האור תלוי אך ורק בתדירות. אם למשל אור בצבע אדום עבר מאוויר לתוך מים, המהירות שלו קטנה פי 1.5 אבל הצבע אור נשאר אותו אחד כמו שפלט הפולט, כלומר צבע אדום. (בוודאי אורך של גל גם השתנה. אורך של גל אדום השתנה וגדל פי 1.5 במים)

14. מהירות התקדמות הגל תלויה ב- אורך הגל/ תדירות / משרעת / הפרש מופע /

אף אחת מהתשובות.?

תשובה: המהירות התקדמות הגל תלויה אך ורק בתכונות של סביבה ולא תלויה לא בתדירות ולא במשרעת, ולא בהפרש מופע.

15. הסבירי מהי התאבכות. תני שתי דוגמאות.

תשובה:

התאבכות היא חיבור של שני גלים (או יותר) קוהרנטיים (גלים עם תדירות זהה).,

אם שני גלים זהים מגיעים לנקודה מסוימת משני פולטים קוהרנטיים יהיה לנו שלושה אופציות.

א. שני הגלים מגיעים בו זמנית עם המקסימום שלהם או במינימום שלהם אז תהיה משרעת כפולה

(התאבכות בונה).

ב. אם שני הגלים מגיעים אחד במינימום ואחד במקסימום אז המשרעת תהיה אפס. (התאבכות הורסת).

ג. אם שני גלים מגיעים בצורת ביניים (לא במינמום או מקסימום) אז המשרעת תשתנה.

אפשר לקבל על ידי כך תמונה של פסי חושך/אור ושאר מיני תצורות.

דוגמא שניה: כתמים צבעוניים של בנזין על פני המים. דוגמא שלישית:

16. כיצד עובד שידור AM ו-FM מה ההבדלים ביניהם?

תשובה: כדי שיהיה אפשר לשלוח גלי קול (האות) למרחקים, "מרכיבים" אותם על גבי גלים אלקטרומגנטיים (גל נושא) בתדירות גבוהה.

ישנן שתי שיטות "הרכבה" עיקריות:

AM – אפנון משרעת - גלי הקול מעוות את עוצמתו של הגל הנושא.

FM – אפנון תדר– גלי הקול (האות) משנים את התדירות הבסיסית של הגל הנושא.

. בשידור AM משנים את אמפליטודת הגל הנושא כך שתתאים לצורה של האות שרוצים להעביר אבל תדירות הגל הנושא לא משתנית- כך מתקבלות "פעימות" בגל.

אחד מהחסרונות בשיטה AM היא שכל הפרעה מהסביבה אפילו שלא בתדר קרוב לגל הנושא יכולה "להצטרף" ולגרום עיוות של הגל וכן הפרשנות של הקולט את האות המקורי.

בשידור FM משנים במעט את תדירות הגל הנושא כדי שתתאים לצורת האות. כאשר האות גבוה ההתדירות גדולה יתר וכאשר האות נמוך התדירות נמוכה יותר.

שיטת AM פירושה אפנון משרעת ובאנגלית Amplitude-Modulation,

כלומר המידע "מולבש" על המשרעת של הגל הנושא.

שיטת FM פירושה אפנון תדר ובאנגלית Frequency-Modulation,

כלומר המידע "מולבש" על התדר של הגל הנושא.

כמו כן, שידור "מונו " בשיטת AM מאוד קל ושידור "סטריאו" בשיטת AM מאוד מורכב ולא מעשי.

מסיבות אלה, שידורי AM יותר פופולאריים בקרב תחנות המשדרות דיבורים (חדשות, ראיונות וכו')

ו שידורי FM יותר פופולאריים בקרב תחנות המשדרות מוסיקה.

  

17. הכנה לשיעורים הבאים: כיצד ניתן להשתמש בגלים כדי להעביר מידע? נסי למצוא שיטה כיצד למסור

מסר בן 4 אותיות לחברתך בכיתה על ידי שימוש במשדר גלים (כזה שאפשר לשלוט בו בתדירות, בעוצמה, כיבוי והדלקה). נסי למצוא את השיטה הכי פשוטה.

תשובה: יש אינסוף שיטות או קודים ששני אנשים יכולים לקבוע ביניהם להעברת מסרים (לדוגמא: מורס). אני אתן את הדוגמא הבינארית. אני יכול לקבוע מסר בן ארבע "אותיות" כל אות היא 0 או 1. בכל פעם כל ארבע אותיות מייצגת אות באלף-בית. לדוגמא א=0000, ב=0001, ג=0010 .... ת=1111, כדי להעביר את המסר אני פשוט מכבה (=0) או מדליק (=1) את המשדר שלי. לכל "אות" מוגדר זמן מסוים נניח שניה. כדי להגיד את המילה אבא אני אשדר (לקרוא משמאל לימין) 000000010000

בפועל אני משאיר כבוי למשך 7 שניות מדליק לשניה ואז מכבה לארבע שניות. כמובן שזה קצת איטי אז אפשר להגביר את הקצב. כדי לכתוב "את" המילה את אשדר 00001111. כמובן מהצד השני יש מישהו עם מקלט שרושם את המסר וידע לפענח אותו. צריך לציין שבאמת מאות בעלת ארבע ספרות בינאריות אפשר לייצג רק 16 אותיות ולא 22 כמו באלפבית (אבל העקרון ברור).

18. כיצד עובד מקטב?

תשובה: מקורות אור כמו שמש, נר או נורת ליבון מפיקים אור לא מקוטב – אור שהגלים שלו נעים בכיוון מסויים באינסוף מישורים שונים. אור מקוטב לעומת זאת, הוא אור שהגלים שלו נעים בכיוון מסויים במישור אחד בלבד. פילטר מקטב מסנן חלק מהגלים הנעים במישורים שונים ושאר הגלים יוצאים מהפילטר במישור אחד בלבד. כך אנחנו בעצם מאבדים כחצי (ובמציאות קצת יותר) מכמות האור שפגעה בפילטר. כל היתרונות של פילטר זה נובעים מסינון האור המוחזר ממשטחים שונים (למעט משטחים מתכתיים). אבל למה דווקא האור המוחזר (השתקפויות) לא מצליח לעבור את הפילטר? התשובה היא פשוטה – האור המוחזר מרוב המשטחים הוא כבר מקוטב חלקית, ז"א נע במישור מסויים, ובגלל שפילטר מקטב מעביר אור שנע במישור מסויים אך שונה – אין ההשתקפויות עוברות את הפילטר, אלא הצבעים

האמיתיים של המשטח המצולם.

19. הסבירי במילים פשוטות מדוע הצבעים שפולט אטום המימן ואטום החמצן הם אינם זהים.

תשובה: הקרינה הנפלטת פרופורציונית להפרש האנרגיה בין שתי רמות- הפרש אנרגיה גדול יתן תדירות גבוהה וכו'. מכיוון שלכל אטום של כל יסוד יש את רמות האנרגיה המיוחדות לו- לכל אטום יש גם ספקטרום אור מיוחד לו- קווי צבע או תדירויות ייחודיים. לכל אטום יש מספר אורכי גל המאפיינים אותו שכן כל שתי רמות מגדירות ביניהם הפרש מסוים ולכן גם צבע (תדירות) מסויימת.

20. ידוע שהאדם פולט קרינת אינפרא-אדום. אם האדם חולה ויש לו חום האם הוא פולט אורכי גל קצרים יותר או ארוכים יותר?

תשובה: כל גוף וחפץ בעולם פולט קרינה. הקרינה הזו היא רצף של הרבה תדירויות (אור "לבן") אבל התדירות עם העוצמה הכי גבוהה (שקובעת באיה צבע הגוף הזה נראה) תלויה בטמפרטורה של הגוף. גוף האדם שנמצא בטמפרטורה 37 מעלות פולט קרינת אינפרא אדום בלתי נראית. כתוצאה מעליית חומו הוא פולא אינפרא אדום בתדירות קצת יותר גבוהה (תדירות הגל גדלה ואורך גל קצת יותר קצר).

21. הסבירי מדוע כשמחממים מוט ברזל הוא נעשה אדום ולאחר עוד חימום הוא נעשה כחול (ואילו באמבטיה הכחול זה המים הקרים ואדום זה המים החמים...).

תשובה: לפי התשובה ל-שאלה הקודמת זה ברור. טמפרטורה נמוכה יותר מתאימה לאדום וטמפרטורה גבוהה יותר מתאימה לכחול (תדירות הגל גדלה ואורך גל יותר קצר).

22. הסבירי כיצד עובד לייזר.

תשובה: הלייזר הכי פשוט - לייזר 3 רמות

סכמת שאיבה המבוססת על 3 רמות אנרגיה

שאיבה של מערכת בסכמה של 3 רמות

סכמה זאת מבוססת על רמת יסוד שנקרא לה רמה 1, רמה גבוהה שנקרא לה רמה 3 ורמה מטסבילית שנקרא לה רמה 2. רמה מטסבילית שפרושה שהסיכוי למעבר מ- 1 ל- 2 ולהפך הוא קטן מאוד. פירושו שלהביא אטומים מרמת היסוד ל- 2 היא מלאכה קשה, אבל גם שכאשר אטומים מגיעים לרמה 2 הם "נתקעים" שם: לרמה יש זמן חיים ארוך. כאשר מוזרמת אנרגיה לתוך המערכת היא גורמת לאטומים לעבור מרמת היסוד לרמה הגבוהה, רמה 3. מהרמה הגבוהה האטומים דועכים או לרמת היסוד 1, או לרמה 2. אם הם דועכים לרמה 2 אזי הם "נתקעים" שם, ואילו אם הם מגיעים לרמה 1, אזי התהליך מתחיל מחדש. באופן זה ניתן לאכלס את רמה 2, ולהגיע למצב של היפוך אוכלוסייה.

פליטה מאולצת של פוטון פליטה ספונטנית של פוטון

פתרון תרגיל 4

1. האם האור הוא חלקיק או גל? הסבירי ותני דוגמאות.

תשובה: במושג "הדואליות של האור" מתכוונים לומר שהוא מתנהג או כגל (אלקטרומגנטי) או שהוא מתנהג כחלקיק. לדוגמא: האור מתנהג כגל בניסויים של עקיפה והתאבכות. כמו כן בטכנולוגיה שמשתמשים בגלי האור לשידור וקליטה (רדיו, פלאפון וכו') מתייחסים אל האור כגל. מצד שני בהרבה מקרים האור מתנהג כחלקיק נקודתי (חסר מסה) מעין "חבילה" של אנרגיה שנע במרחב ויכול לעשות אינטראקציה עם חלקיקים אחרים.

2.

הסבירי מה אפשר ללמוד מהנוסחא הכי מפורסמת בעולם (איינשטיין 1905)

תשובה: עד אינשטיין סברו שלחקיק או לגוף יש אנרגיה רק אם הוא נע במהירות כלשהי (אנרגית תנועה או אנרגיה קינטית). בא אינשטיין וטען שלגוף בעל מסה מעצם היותו מאסיבי יש אנרגיה שקרויה אנרגיית מנוחה (דבר שהוכח גם בניסויים במעבדה). גודל האנרגיה פרופורציוני למסת הגוף/חלקיק מוכפל במהירות האור בריבוע. לדוגמא: כמות האנרגיה שיש במטבע של שקל שמשקלו 4 גר' היא . לצורך השוואה: חברת חשמל מסוגלת לייצר 11530 וואט (ג'אול לשנייה). אזי כמות האנרגיה שיש בשקל אחד יכולה להחליף את חברת חשמל ל-

3. הסבירי מהי הסטה לאדום ומהי הסטה לכחול. מה השימושים שיש לאפקט דופלר?

תשובה: כאשר מקור פולט גלים (אור, קול, גלי ים וכו') ונמצא בתנועה בכיוון התקדמות הגלים, בחזית הגל המרחק בין שני גלים עוקבים מתקצר בשל תנועת המקור. לכן אדם הצופה במקור מתקרב אליו ימדוד תדירות יותר גדולה של גלים (מכונית מתקרבת- צליל גבוה) כאשר המקור מתרחק התופעה הפוכה- המודד ימדוד תדירות יותר נמוכה – המרחק בין שני גלים עוקבים גדל ( מכונית מתרחקת- צליל נמוך יותר). התופעה הזו בגלי האור גורמת לשינוי בצבע האור (תדירות האור). כאשר המקור מתקרב אנו קוראים לזה "הסטה לכחול" וכשהוא מתרחק " הסטה לאדום". אין הכוונה לומר שהאור נראה אדום או כחול – רק שיש הסטה לתדירות יותר גבוהה (כחול) או יותר נמוכה (אדום). השימוש הנפוץ ביותר לתופעה הוא מכמונת מהירות משטרתית וכן מכ"ם דופלר. כנסי לויקיפדיה בעברית ערך אפקט דופלר לסרטון הממחיש זאת בצורה יפה.

4. מהם ארבעת הכוחות בטבע. סווגי לפי עוצמה וטווח אפקטיבי.

תשובה: הכח הגרעיני החזק- קצר טווח והכי חזק בטבע, הכח האלקטרומגנטי- ארוך טווח וחזק (פחות מהגרעיני), הכח הגרעיני החלש- קצר טווח ויותר חלש מהאלקטרומגנטי, כח הכבידה- ארוך טווח וחלש מאוד ביחס לכל הכוחות.

5. מהם 3 סוגי הקרינה הרדיואקטיבית ומהם תכונותיהם?

תשובה: כאשר ישנה התפרקות גרעינית, גרעין האטום שמורכב מפרוטונים וניוטרונים מתפרק ליסודות בעלי מספר נמוך יותר של פרוטונים וניוטרונים. בעת ההתפרקות נפלטים מספר סוגי קרינה 3 העיקריים שבהם הם: קרינת אלפא שזה גרעיני הליום שניתן לעצרם על ידי דף נייר, קרינת בטא- שזה אלקטרונים אנרגטיים שיכולים לעצור על ידי דף אלומיניום, קרינת גמא- שזה פוטונים – אור בעל אורך גל קצר ביותר שניתן לעצור על ידי עופרת יצוקה של כמה סנטימטרים. קרינה זו משמשת לצילומי רנטגן.

6. הסבירי מהם היתוך גרעיני והתפרקות גרעינית.

תשובה: התפרקות גרעינית- כפי שהסברנו בשאלה 5, גרעין האטום מורכב מפרוטונים חיוביים וניוטרונים נייטרליים אשר דבוקים זה בזה ע"י הכוח הגרעיני החזק (וגם החלש אבל מזניחים אותו בדיון הזה). לעומת זאת ישנה הדחייה החשמלית בין הפרוטונים שדוחים זה את זה. בגרעין יציב הכח הגרעיני מנצח. כאשר בגרעין יש הרבה פרוטונים וניוטרונים הוא נעשה יותר גדול והוא נעשה לא יציב- הדחיה החשמלית גוברת על הכח הגרעיני והגרעין מתפרק ליסודות קלים יותר.

7. מהו מתמר. תני 3 דוגמאות.

תשובה: מתמר הוא מכשיר המעביר אות אנלוגי לדיגיטלי ולהיפך. לדוגמא: מדחום חשמלי מעביר אות אנלוגי (חום הגוף) לאות דיגיטלי שנראה על הצג. מכשיר ה- mp3 מעביר אות דיגיטלי (קבצי מוזיקה) לאות אנלוגי- הקול שנשמע באוזניות.

8. מה ההבדל העיקרי בין מעגל אנלוגי למעגל דיגיטאלי?

תשובה: במעגל אנלוגי עובדים עם רצף של מתחים שלכל אחד מהם יש משמעות. במעגל דיגיטלי יש משמעות רק להיות מתח גבוה ("1" לוגי) או נמוך ("0 לוגי") מתחת לסף מתח מסוים.

9. מה זה "1 לוגי" ו- "0 לוגי".

תשובה: רמת מתח גבוהה נקראת "1 לוגי" ורמת מתח נמוכה נקראת "0 לוגי".

10. כיצד פועלת שפופרת ריק ולמה היא שימשה?

תשובה: שפופרת ריק היא מעין נורה שבה יש חוט להט המתחמם ופולט אלקטרונים. בשפופרת ישנה אנודה (רכיב מתכתי בעל פוטנציאל חיובי כמו ה- "+" בסוללה) שמאיץ אליו את האלקטרונים השליליים דבר שיוצר זרם במעגל. השפופרת שימשה לניסויים מדעיים רבים וכן היא הגרסה הקדומה של הטרנזיסטור- דיודה המעבירה זרם כשיש מתח ולא מעבירה זרם כשאין מתח.

11. מהו טרנזיסטור וכיצד הוא עובד?

תשובה: הטרנזיסטור הוא רכיב המורכב ממוליך למחצה. כשמו כן הוא- מוליך ברמה שהיא בתחום המעבר שבין מוליך למבודד. בשל תכונה זו יש אפשרות לחבר אותו למעגל ובהינתן עליו מתח מסוים הוא יוליך זרם חשמלי המחובר לחלק אחר במעגל. על ידי כך הוא משמש כשער לוגי NOT.

תרגיל 5-פתרון

12. העבירי מבינארי לעשרוני את המספרים: 110101, 0101011, 111101

תשובה: 53, 43, 61

13. העבירי מעשרוני לבינארי את המפרים הבאים 15, 77, 101

תשובה: 1111, 1001101, 1100101

14. חברי את המספרים: 11101+100010, 100100+110110

תשובה: 111111, 1011010

15. החסירי את המספרים הבאים: 010010-1001, 110101-11011

תשובה: 1001, 11010

16. מהי סיבית, מהו בייט?

תשובה: סיבית- תרגום של ביט. יחידת הנתונים הקטנה ביותר במחשב (וגם בכלל) מכילה את המספר "0" או "1". בייט- יחידת הזיכרון הבסיסית ביותר של המחשב. במחשב מודרני היא מכילה 8 ביטים (8 ספרות).

17. נניח שמודם של האינטרנט שלי עם מהירות "5 מגה" – איזה ספרות וכמה מהן הוא מעביר כל שנייה.

תשובה: הספרות שמועברות הן "0" או "1" (ביט). כשאומרים בשפת האינטרנט "5 מגה" מתכוונים ל-"5 מגה בייט בשניה". מגה זה מיליון אז הכוונה ל-5 מיליון בייט בשנייה שזה 40 מליון ביטים בשניה.

18. לגבי כל אחד מהשערים הלוגיים הבאים AND, OR, NOT כתבי טבלת אמת. תני דוגמאות מחיי היום יום לכל אחד מהם.

תשובה: א. שער OR לדוגמא: שני מקשי shift. מספיק שאחד יהיה לחוץ כדי לבצע את הפעולה המתבקשת.

ב. שער AND- לדוגמא: כספת שיש לה גם קוד מספרי וגם מפתח.

ג. שער NOT - לדוגמא: כאשר כספומט מקבל מספר קוד שגוי (נקרא לזה "1") הוא לא נותן כסף (נקרא לזה "0")

19. מהו ריבוב? ריבוב חלוקת זמן? ריבוב חלוקת תדר?

תשובה: עייני מצגת.

20. הסבירי את המושגים: ROM, RAM, hard drive

תשובה: עייני מצגת.

21. מהו סיליקון n-type, p-type

תשובה: בגביש סיליקון טהור כל אטום סיליקון "רואה" ארבעה אטומי סיליקון אחרים סביבו. עם כל אחד מהם הוא משתף אלקטרון אחד מהארבעה שיש לו וכך כל אחד "מרגיש" סה"כ 8 אלקטרונים שזהו המצב היציב.

חומר p-type - שותלים בתוך הגביש יסוד בעל 3 אלקטרוני ערכיות. נוצר מצב שבו סביב אטום מסוים (סיליקון או בורון) ישנם רק 7 אלקטרונים והוא יירצה "למשוך" אליו אלקטרון מאטום שכן כדי להשלים ל-8 ברמה החיצונית. ברגע שזה קורה נוצר "חור" במקום ממנו נלקח האלקטרון. כך נוצר "נושא מטען" חיובי. החור יכול לנוע על פני הגביש מאטום לאטום בדומה ל-"משחק הכיסאות".

חומר n-type - שותלים בתוך הגביש יסוד בעל 5 אלקטרוני ערכיות. נוצר מצב של אלקטרון אחד "עודף". כל אטום "יעדיף" לראות סביבו רק 8 אלקטרונים ולא 9 ולכן האלקטרון העודף יידחף באופן אקראי מאטום לאטום. למעשה נוצר מצב של "נושא מטען חשמלי" שלילי ( נקרא n) שיכול לדלג מאטום לאטום.

22. כיצד עובד טרנזיסטור MOSFET

תשובה: (סרטוט עליון) NMOS כאשר לא מופעל מתח על ה-GATE (G). בשלב זה אין רצף של n-type שיכול לחבר בין ה-SOURCE (S) ל- DRAIN (D) ולכן לא זורם זרם דרך הטרנזיסטור. כאשר מפעילים מתח חיובי על G (סרטוט תחתון) נמשכים אלקטרונים מאזור ה-SS לכיוון ה-G והופכים רצועה צרה באזור הצמוד ל- G מ- p-type ל- n-type. כך נוצר רצף של n-type בין ה-S ל-D שכולו מכיל נושאי מטען שליליים דבר המאפשר זרם דרך הטרנזיסטור (ישנו גם מתח אחר שניתן בין ה-S ל-D כדי ליצור את הזרם).

23. הסבירי כיצד מייצרים מעבדי מחשבים מוזערים

תשובה: שלביה בכלליות:

a. הכנת פרוסת הסיליקון.

b. כיסוי בפוטו-רזיסט חומר רגיש לאור.

c. אפיה- הכנת הפוטו-רזיסט לחשיפה.

d. הצבה וכיוון של "מסכה" מעל הפרוסה. המסכה היא משטח אטום למחצה המגדירה היכן האור יפגע בפרוסה והיכן ייחשף הרזיסט. לכל שכבה במעבד יש מסכה מיוחדת לו על פי התכנון של מהנדס המעבד. המסכה מוקרנת מגבוה ועם מערכת עדשות כדי שכל סנטימטר על המסכה יוקרן מאוד בקטן על הפרוסה.

e. פיתוח- ע"י חימום או חומרים כימיים מסירים מהמסכה את הרזיסט מהמקומות שנחשפו ע"י האור.

f. השתלה (Implant), הסרה (Etch) וכו'- בשלב זה ניתן במקומות שבהם אין רזיסט, להשתיל חומרים שונים או להסיר מהשכבה שתחת הרזיסט וליצור בורות הכל לפי הצורך.

g. הסרת הרזיסט באמצעים כימיים מכל המקומות שלא נחשפו לאור ולא הוסרו מהם הרזיסט. עכשיו שכבר הוגדרה השכבה הזו אין יותר צורך ברזיסט ואפשר לעבור לשכבה או "לקומה" הבאה.

24. כיצד עובדים המכשירים הבאים: AFM, STM, SEM

תשובה: AFM הוא מיקרוסקופ כוחות-אטומיים סורק. בפשטות ה-AFM הוא ראש סיכה חד מאוד (בקצהו רק מספר אטומים בודדים!) אשר מועבר מאוד קרוב לפני המשטח שאותו רוצים לחקור. קרן לייזר מוקרנת על צידו האחורי של ראש הסיכה ויכולה לקלוט תנועות קטנות מאד שלו. בגלל הכוחות הבין-אטומיים שבין המשטח לראש הסיכה, הסיכה מתעקמת ונמשכת או נדחית מהמשטח. כך אפשר להבחין באטומים בודדים על פני המשטח וסריקת שתי וערב נותנת הדמיה של איך נראים פני המשטח עד לרמה אטומית. ישנה גם מערכת ממוחשבת שדואגת שהמרחק בין המשטח לסיכה יהיה כל הזמן קרוב לאפס אך עדיין לא יגע במשטח (שאז הרסנו פיזית את פני השטח).

STM הוא מיקרוסקופ מינהור סורק. בדומה לAFM- ישנו קצה חוד הסורק קרוב לפני השטח אך כאן המרחק מפני השטח נמדד על פי מידת הזרם של האלקטרונים ש"קופצים" מהמשטח לראש הסיכה כתוצאה מתופעה קוונטית שנקראת מנהור. באופן קלאסי (כלומר על פי הפיסיקה שלפני תורת הקוונטים) לאלקטרונים אין כל אפשרות לעשות מעבר זה.

SEM הוא מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. במיקרוסקופ רגיל מקרינים אור על פני הדגימה ומקבלים תמונה של השטח מהחזרת האור אל המיקרוסקופ. ב-SEM מה שמוקרן היא קרן אלקטרונים מהירים אל הדגימה. אוסף חיישני אלקטרונים המצוי סביב הדגימה בכל הכיוונים מעביר את המידע למחשב שנותן הדמיה של פני השטח על פי המקומות שהוחזרה מהם הקרן. בשיטה זו מקבלים הדמיה תלת-ממדית. החיסרון בשיטה זו שקרן האלקטרונים היא מאד חזקה ויכולה להרוס את השטח שרוצים לבדוק.

79322593

351627

,,

BrSCo

-+

79

35

Br

593

27

Co

+

322

16

S

-

12

2

922

19

12

1919

930

2

910/

1.610

10

1.6101.610

9102.310

10

Coulombe

e

Coulomb

qq

Fk

r

kNmC

qqC

rm

FN

-

--

-

=

=××

==×

=

×××

=×=×

220

0.01

220

22000

0.01

V

VIRR

I

VV

IAmpere

R

W

=×®=

=

=

==

18

19

1

16.2510

1.610

ee

Cqq

-

==×

×

2

mc

E

=

J

14

10

6

.

3

×

year

990

sec

10

12

.

3

10

=

×

19

1.610

e

qC

-

=×