מערך שיעור - אור חלק ב׳ (מתקדמים)
מערך שיעור שני: מעבר למה שהעין רואה - הפיזיקה והאמנות של האור (מותאם לגילאי 13-14)
משך השיעור: 45 דקות.
מטרות השיעור:
- הבנת תכונת "הדואליות גל-חלקיק" של האור ברמה בסיסית.
- היכרות עם הספקטרום האלקטרומגנטי, תוך הבחנה מדעית בין סוגי האינפרא-אדום השונים.
- פיתוח חשיבה ביקורתית ומודעות סביבתית לנושא "זיהום אור".
- התנסות טכנולוגית-אמנותית של "לכידת פוטונים" באמצעות ציור באור.
ציוד נדרש:
- מקרן ומחשב.
- שלט רחוק של טלוויזיה (ופלאפון של המורה).
- חדר שניתן להחשיך לחלוטין (חובה לחלק המעשי).
- טלפונים חכמים של התלמידים (רצוי עם יכולת צילום בחשיפה ארוכה/שליטה במהירות תריס) ופנסים קטנים או סטיקלייטים.
מהלך השיעור:
1. פתיחה: הוויכוח הגדול של הפיזיקה (10 דקות) המורה פותח בשאלה למליאה: "ממה לדעתכם עשוי האור? האם זה חומר שאפשר לגעת בו או משהו אחר?". המורה מספר על הוויכוח ההיסטורי: במשך מאות שנים מדענים התווכחו אם האור הוא גל או זרם של חלקיקים קטנים (כפי שחשב אייזק ניוטון). במאה ה-20, פיזיקאים כמו אלברט איינשטיין הוכיחו ששניהם צודקים. לאור יש תכונה שנקראת "דואליות גל-חלקיק". המורה מסביר: האור נע כמו גל, אבל כשהוא פוגע במשהו, הוא מתנהג כמו חלקיק של אנרגיה שנקרא "פוטון". דוגמה מעשית: פאנלים סולאריים שעל גגות בתים מייצרים חשמל כי הפוטונים של אור השמש פוגעים בהם וממש "דוחפים" את האלקטרונים שבתוך הלוח.
2. הבלתי נראה: ספקטרום ואינפרא-אדום (10 דקות) המורה מסביר שהעין האנושית מוגבלת ורואה רק אחוז קטן מסוגי האור הקיימים (האור הנראה). מסבירים בקצרה על אולטרה-סגול (UV), ועוברים להעמיק באינפרא-אדום (תת-אדום). אפשר להסביר את ההבחנה המדעית:
- אינפרא-אדום קצר ובינוני משמשים אותנו לתקשורת, כמו סיבים אופטיים לאינטרנט או השלט של הטלוויזיה.
- אינפרא-אדום תרמי (ארוך יותר) הוא פליטה של חום מהגוף שלנו ומעצמים אחרים. אנו משתמשים במצלמות ראיית לילה שמזהות את החום הזה.
3. חברה וסביבה: מתנועת ההשכלה לזיהום אור (10 דקות) המורה מספר שבעבר, אור סימל רק דברים חיוביים. מזכירים את תנועת "ההשכלה" (The Enlightenment) שבה האור היה סמל לידע שמוחק את חושך הבורות. לאחר מכן, מציגים במקרן תמונה של כדור הארץ המואר בלילה (או תמונה של שמי עיר גדולה לעומת שמיים במדבר). מפתחים דיון על המושג "זיהום אור". שואלים את התלמידים מדוע יותר מדי תאורה בלילה היא בעיה. המורה מכוון את התשובות להשפעות הסביבתיות: בלבול שעון השינה הביולוגי של בני אדם, סנוור של ציפורים נודדות, צבי ים שבוקעים והולכים לכביש המואר במקום לים, והעובדה שילדים בערים גדולות לעולם לא זוכים לראות את שביל החלב.
4. אמנות ויישום: לוכדים פוטונים - ציור באור (15 דקות) המורה מקשר את האמנות למה שנלמד: המילה "צילום" (Photography) פירושה "רישום באור". המצלמה הדיגיטלית היא פשוט מכשיר שלוכד פוטונים. פעילות מעשית: מחלקים את הכיתה לקבוצות קטנות, ולכל קבוצה טלפון עם אפשרות לחשיפה ארוכה ופנסים קטנים. מחשיכים את הכיתה לחלוטין. כל קבוצה מציבה את הטלפון בצורה יציבה, מגדירה חשיפה של 5-10 שניות, ומצלמת בזמן שתלמיד אחר מצייר צורות, מילים או תבניות באוויר בעזרת הפנס. בסיום, פותחים את האורות, וכל קבוצה מציגה כיצד חיישן המצלמה "אסף" את הפוטונים לאורך זמן והפך תנועה מהירה של אור ליצירת אמנות אחת שלמה שמרחפת בחושך.
ניסויים נוספים בכיתה
- קסם זיהוי הפנים (Face ID) של הסמארטפון
רוב הסמארטפונים המודרניים (במיוחד מכשירי iPhone החל מדגם X) משתמשים באינפרא-אדום כדי לזהות את הפנים שלנו ולפתוח את המכשיר גם בחושך מוחלט.
- מה צריך: שני סמארטפונים. אחד שיש בו זיהוי פנים (Face ID), וסמארטפון שני כדי לצלם (עדיף להשתמש במצלמה הקדמית של המכשיר השני, זו של הסלפי, כי בדרך כלל אין עליה מסנן אינפרא-אדום חזק).
- מה עושים: מבקשים מתלמיד לנסות לפתוח את הטלפון שלו עם הפנים. באותו רגע, תלמיד אחר מצלם את הפנים שלו דרך המצלמה הקדמית של הטלפון השני.
- התוצאה: למרות שבעין רגילה לא רואים כלום, במסך של הטלפון המצלם תראו פתאום אור סגול/לבן מהבהב במהירות מתוך החלק העליון של האייפון.
- ההסבר המדעי: האייפון יורה אלפי נקודות של אור אינפרא-אדום קרוב (Near-IR) על הפנים כדי למפות אותן בתלת-ממד. העין שלנו לא קולטת את זה, אבל החיישן הדיגיטלי של המצלמה השנייה כן.
- העור שלנו כחיישן (הדגמת אינפרא-אדום תרמי)
אנחנו נוטים לחשוב על אינפרא-אדום רק כ"אור", אבל אינפרא-אדום באורכי גל ארוכים הוא למעשה קרינת חום. אין לנו חיישן מובנה בעיניים לראות אותו, אבל יש לנו חיישן מדהים בגוף שמרגיש אותו - העור שלנו.
- מה צריך: ספל (רצוי בצבע כהה) ומים רותחים, או אפילו מטענים של מחשבים ניידים שהתחממו במהלך השיעור.
- מה עושים: מוזגים מים רותחים לספל, ומבקשים מהתלמידים לקרב את כף היד שלהם לדופן הספל, אך מבלי לגעת בו בכלל (לשמור על מרחק של 2-3 סנטימטרים).
- התוצאה: התלמידים ירגישו חום ברור מכה בכף היד שלהם, למרות שאין מגע ישיר.
- ההסבר המדעי: החום שהם מרגישים לא עובר באוויר (אוויר הוא מבודד די טוב), אלא מוקרן אליהם כגלים של אור אינפרא-אדום תרמי. הספל הכהה פולט אור שאנחנו לא רואים, אבל היד שלנו בולעת את האור הזה ומתרגמת אותו בחזרה לחום.
- שקיות זבל ושקופיות (האור שעובר דרך קירות)
מצאו שלט אינפרא-אדום בבית הספר (השלטים של המקרנים בכיתות, שלטי המזגנים, או מערכות שמע ישנות עובדים כמעט תמיד על אינפרא-אדום), בעזרתו אפשר להראות תכונה מדהימה: חומרים שאטומים לאור הנראה, יכולים להיות שקופים לחלוטין לאור אינפרא-אדום.
- מה צריך: שלט של המזגן או המקרן בכיתה, ושקית אשפה שחורה ועבה (כזו שאי אפשר לראות דרכה).
- מה עושים: עוטפים את השלט לחלוטין בתוך שקית הזבל השחורה, מכוונים למזגן או למקרן, ולוחצים על הכפתור.
- התוצאה: המזגן או המקרן יגיבו וידלקו, למרות שהשלט "עיוור" וחסום לחלוטין בתוך שקית שחורה ואטומה.
- ההסבר המדעי: השקית השחורה בולעת רק את גלי האור הנראה, ולכן היא נראית לנו אטומה. אבל לגלי האינפרא-אדום הארוכים יותר, הפלסטיק של השקית שקוף ממש כמו זכוכית, והם עוברים דרכו ללא הפרעה.
