תכנית הלימודים בכיתות י"א – י"ב

לאחר שהתלמידים השלימו בהצלחה את לימודיהם בכיתה י' ורכשו מספר מיומנויות מחקריות בסיסיות, בתחילת י"א כל תלמיד או זוג תלמידים בוחר פרויקט אישי בסיוע אחד המנחים המדעיים. לוח זמני העבודה על פרוייקט המחקר מוגדר מראש עבור שתי שנות לימוד הבאות וכולל מספר שלבים: (1) לימוד הנושא והכרת הכלים, (2) סקירת ספרות נרחבת, (3) תכנון הניסויים, בנייתם ועריכתם ו-(4) כתיבת דו"ח מסכם והיבחנות. הפרויקטים הנבחרים הינם פרויקטים רציניים, הכוללים הן מחקר ניסויי והן עיבוד תוצאות ובניית מודלים חישוביים. כחלק בלתי נפרד מהתכנית, נדרשים התלמידים להשתתף בקורס "כלים מחקריים ומתמטיים" (הניתן בחמד"ע) אשר נועד להעשיר את הידע שלהם לגבי טכניקות אמפיריות מתקדמות וטיפול מתמטי בבעיות הקשורות לפרויקטי המחקר האישיים. במסגרת הזו התלמידים מקבלים הרצאות של מורי פיז"מחק, כמו גם של מורים אורחים ומרצים אורחים בנושאים מגוונים, החל מפילוסופיה של המדע והמתודה המדעית, דרך חשבון שגיאות ואנליזה מימדית, דרך שיטות סטטיסטיות רלוונטיות וכלי בשיטות של אנליזה וקטורית וטיפול בטורי פורייה וטורי טיילור. לקראת סוף י"ב על התלמידים להיבחן במבחן בעל-פה ולהציג את עבודתם הניסוית וגם את הדו"ח הכתוב בפני צוות בוחנים חיצוניים מבית מורי פיזיקה מחקרית הבכירים בארץ.

פירוט פרויקטים יא'-יב'

פרויקט חקר הקרינה הקוסמית

קרניים קוסמיות הן, למעשה, לא קרניים, אלא חלקיקים תת-אטומיים עתירי אנרגיה שמוצאם מן החלל החיצון אשר מפגיזים את כדור הארץ. מדידות הקרניים הקוסמיות המבוצעות על ידי מדענים, הן על פני כדור הארץ והן על ידי החיישנים בחלל, הן המדידות הישירות היחידות המבוצעות על חומרים שמקורם מחוץ למערכת השמש. כמעט 90% מהרכב הקרניים הקוסמיות הינם פרוטונים (גרעיני מימן), כ-9% הינם חלקיקי אלפא (גרעיני הליום) וכאחוז אלקטרונים. כמוכן, ישנה פרקציה קטנה של חלקיקים כבדים יותר (ליתיום, בריליום,...) אשר יכולים להניב מידע מעניין לגבי מקור הקרינה בחלל החיצון. נהוג לחלק את הקרניים הקוסמיות לשני סוגים עיקריים: קרניים ראשוניות (primary cosmic rays) אשר מגיעות לכדור הארץ מהחלל, וקרניים שניוניות (secondary cosmic rays), שמקורן באינטראקציות בין הקרניים הראשוניות לאטמוספירה. הקרניים השניוניות הן המרכיב העיקרי של קרינה קוסמית המגיעה לפני כדה"א. האנרגיות של הקרניים הקוסמיות, לפי מדידות שבוצעו נעות בין .400-800 MeV מדידות הקרניים הקוסמיות בחמד"ע נעשות באמצעות מערכת סינטילטורים (פלטות העשויות חומר אשר מציג לומינסנציה כתוצאה מפגיעת קרינה בו) ומאפשרת חקירה של אספקטים שונים של הקרינה הקוסמית, כגון: ספירה של החלקיקים הפוגעים בפני כדור הארץ ליחידת זמן, תלות בזווית הפגיעה ועוד. לצורך ביצוע הניסוי התלמידים נדרשים להכיר ולהרכיב את המעגל החשמלי, להכיר את הרקע בנוגע לקרינה הקוסמית וכן ידע בנושא הסטטיסטיקה של מניית האותות.

פרוייקט חקר הסוליטונים

סוליטון הוא גל ממוקם במרחב המתקדם ללא שינוי צורתו למרות קיומה של נפיצה. התנהגותו דומה לזו של חלקיק כיוון שהוא שומר על זהותו גם כאשר הוא מתנגש בסוליטונים אחרים. הסוליטון הוא אחד המאפיינים הבולטים של משוואות גלים לא-ליניאריות וצורתו נקבעת מתוך איזון בין נטיית הנפיצה להרחיב את חבילת הגלים לנטיית האפקטים הלא-ליניאריים לצמצמה. הסוליטון הראשון תועד על ידי המהנדס הסקוטי ג'ון סקוט רסל בשנת 1834. בזמן שרכב על סוסו הוא ראה זוג סוסים שגררו סירה בתעלת מים במהירות. הם יצרו גל שנע ללא שינוי צורתו לאורך מרחק רב. רסל, שטען לקיומם של גלים מסוג זה והמשיך לחקור אותם, טבע את המונח "גלים סוליטריים", אולם הקהילה המדעית לא האמינה בקיומם עד לשנות השישים של המאה העשרים כאשר התחילו להשתמש במחשבים לחישובים נומריים של משוואות גלים. המערכת הניסיונית בחמד"ע (ראו תצלום) כוללת תעלה תלויה באורך 7 מטרים, אשר ברובה עשויה מפרספקס שקוף, סידור המאפשר לעקוב ולמדוד, בין היתר, את אמפליטודת הגלים נוצרים ומהירות התקדמותם.

פרוייקט חקר התפרקות חשמלית בואקום

התפרקות זוהרת הוא תהליך של יצירת פלזמה על ידי העברת זרם חשמלי דרך שפופרת המכילה גז בלחץ נמוך. בדרך כלל, גזים הם מבודדים, אך הודות לקרינה קוסמית או קרינת רקע טבעית אחרת, הגז בשפופרת מכיל כמה אלקטרונים או מטענים אקראיים. כאשר יוצרם מתח גבוה בין שתי אלקטרודות בגז, אלקטרונים אלה מואצים בשדה החשמלי בין האלקטרודות. אם המהלך החופשי הממוצע של האלקטרונים ארוך מספיק על פני המרחק הזה, הם רוכשים די אנרגיה על מנת ליינן מולקולת גז, זה משחרר אף יותר אלקטרונים, אשר בתורם מייננים יותר מולקולות גז. בנוסף, היונים הנוצרים בתהליך, גם יכולים לפלוט אלקטרונים כאשר הם מתנגשים עם האלקטרודה השלילית (הקתודה). ההתנגשויות השונות בין האלקטרונים, היונים ומולקולות הגז הנייטרליות גורמות לפריצה, ומתחולל זרם בר קיימא בין הקתודה לבין האנודה בשפופרת. הזוהר המלווה את התופעה הינו הודות לפליטת אור כתוצאה מתהליך הרלקסציה של מולקולות מעוררות למצבים אנרגטיים נמוכים יותר. המערכת הניסיונית בחמד"ע (ראו תצלום) מורכבת משפופרת הניתנת למילוי בגזים שונים ובעלת תצורות שונות של אלקטרודות (שטוחות/כדוריות) אשר נשאבת באמצעות 2 משאבות ללחצים נמוכים (פחות ממאית טור). מערכת זו מאפשרת למדוד פרמטרים שונים כגון תלות מתח הפריצה בלחץ הגז ובמרחק בין האלקטרודות עבור הרכב גזים משתנה ועוד.

פרוייקט חקר סיבים אופטיים

סיב אופטי הוא סיב מחומר שקוף (בדרך כלל סיליקה) המאפשר העברת אור מקצהו האחד לאחר, ומבוסס על העקרון הפיזיקלי הנקרא החזרה גמורה (או החזרה מלאה) של קרן אור. הסיב מורכב מגליל פנימי שנקרא "ליבה" וגליל חיצוני שנקרא "מעטה". מקדם השבירה של הליבה גדול ממקדם השבירה של המעטה. לכן, כאשר אור נכנס לסיב ופוגע בדופן בזווית שהיא בטווח הקריטי, הוא יישבר על ידי המעטה בזווית שתחזיר אותו במלואו לתוך הסיב. תופעה זו נקראת החזרה פנימית מלאה והיא מבוססת על חוק סנל. סיבים אופטיים נחלקים לשני סוגים: חד-אופן (single-mode ,TEM00) - סיבים בהם מועבר מידע באופן (mode) יחיד על מנת למנוע הפרעות ולהגיע למרחקי שידור ארוכים, ורב-אופן (multimode) - סיבים בהם מועבר מידע במספר אופנים במקביל. בין היתרונות הבולטים להעברת אותות בסיבים אופטיים הוא ניחות נמוך מאוד לעומת כבלי נחושת, דבר המאפשר שימוש לטווחים ארוכים במיוחד ללא צורך בהגברה. אחד השימושים המעניינים של סיבים אופטיים הוא ליצירה של לייזר מבוסס סיב וזוהי גם מטרת העל בפרויקט זה בחמד"ע.

פרויקט הולוגרפיה

טכניקת הצילום התלת-מימדי דורשת מיומנות ניסויית רבה וגם ידע עיוני רב בנושאי אופטיקה פיזיקלית. ידע זה קיים בחמד"ע ואחד הפרויקטים, שעומדים בפני תלמידי המקום הוא ללמוד, לחקור ולבצע צילום הולוגרפי בשיטות שונות. בימינו שיטות צילום הולוגרפי מאפשר יצירת תמונות ואפילו סרטים של דמויות המשולבות בנוף הרגיל. הצוותים בחמד"ע נדרשים קודם ללמוד ולשלוט בשיטות הצילום הבסיסיות ורק לאחר מכן להתקדם לשיטות מתקדמות יותר. עקרון הצילום ההולוגרפי הוא בכך שקרן קרינה קוהרנטית אחת נשלחת ישירות אל לוח הצילום ואילו קרן שניה פוגעת בעצם המצולם וההחזר ממנה נופל על אותו לוח צילום. תמונת ההתאבכות הנוצרת משתי הקרניים האלו, בעלות הסטוריה שונה, מאפשרות לקודד את התמונה כפי שהיא נראת מזויות ראיה שונות. צילום זה ניתן על סרט צילום, כפי שבדור הטרום דיגיטלי, היינו מצלמים ומפתחים תמונות רגילות. שינוי הפזה בצילום מתבטאת בזוית השונה בהתאבכות שמתקבלת. התוצאה תחושה של תמונה תלת-מימדית. את כל הטכנקה הזו לומדים במסגרת הפרויקט ומיישמים אותה הלכה למעשה. כל צוות ירחיב לטכניקות חדשות, ככל ימצא לנכון.

פרויקט אוירודינמיקה

חקר תנועת מטוסים דרך גושי אויר או תנועת אוניות על פני המים, תוך הבנת תכונות הצמיגות של התווך, זהו אתגר גדול מאד בהנדסה האוירונאותית ובתכנון כלי שיט. במסגרת הפרויקט ייעשה שימוש במנהרת רוח, שתבנה בחמד"ע ובה ייבחנו האספקטים הניסויים של חקר תופעות העילוי. אחד הדברים החשובים בחקר תנועת גופים דרך תווך צמיג הוא הכרת המושגים של אנליזה מימדית עבור מערכות קולקטיביות והטיפול במערכת דרך קבועים דינמיים, כגון, קבוע ריינולדס וקבוע פראודה. חקר השתנות קבועים אלה יחשוף את החקר בפני גבולות חדשים של הבנה. חקר פרופילי כנף במשטרי זרימה למינרית או זרימה טורבולנטית יכולים להוות בסיס טוב להבנת התופעות וכן לבניית מערכות מתקדמות יותר. יתרה מזו, לימוד שימוש בחיישני לחץ והבנת המשמעות של מדידות הלחץ השונים והמהירויות השונות מהווים חלק חשוב בהבנת התופעות האוירודינמיות.

פרוייקט חקר תופעת ה-MagLev

השראה אלקטרומגנטית מהווה אחד הכלים בהם ממומשת היכולת של השדה המגנטי להשרות שדה חשמלי וליצור שדה חשמלי משתנה ובעקבות כך גם לקבל כא"מ בתוך המערכת. מנועים חשמליים, שנאים, המון מן הטכנולוגיה של מערכות חשמל מבוססות על העקרון של השראה מגנטית, על חוק פרדיי. אחד השימושים הנפוצים והעוצמתיים ביותר הם מנועי חשמל. שימוש אחר הוא MagLev ( ,Magnetic Levitation ריחוף מגנטי). בשימוש הזה יוצרים זרם חילופין בסליל, אשר משרה זרמי מערבולת במתכת דיאמגנטית, כגון, נחושת או אלומיניום. זרמי המערבולת יוצרים שטף נגדי, שמתבטא בכוח דחייה, הנובע מחוק לנץ. כך סליל, שיוזרם בו זרם חילופין ויונח על לוח נחושת, ירחף מעליו בסופו של דבר. תופעה זו ידועה וכבר נעשה בה שימוש נרחב ברכבות מהירות ביפן ובגרמניה וכן במערכות בלימה של מטוסי קרב הנוחתים על נושאות מטוסים.

פרויקט פיזיקה בספורט

כל ענף ספורט ניתן לסיווג לפי האמצעים המופעלים, כדור, מוטות, כלי עזר או הגוף בפני עצמו. האופטימיזציה של השימוש בכלים אלו וגם בשימוש בגוף ניתנים לחקר מדעי ניסויי. ניתן לנתח מתוך ההיבט הפיזיקלי של יעילות האנרגיה המופקת כנגד המושקעת, שימוש נכון במנופים או בזרמי אויר. אפשר לחלק את ענפי הספורט לפי משחקי כדור, שימוש בגוף ובמנופי הגוף, ספורט מוטורי או ספורט קלאסי, כגון אטלטיקה, ריצה או שחיה. מדידת הפרמטרים הרלוונטיים, כגון, מהירותריצה או חבטה, צורת הגילגול או מסלול המעוף, ניתנים להימדד באמצעות תוכנות ניתוח סרטים, כגון tracker או תוכנות אחרות שמאפשרות לנתח תנועה.

טורניר הכספות

תלמידי יב' הרפתקנים ויצירתיים מכלל בתי הספר, יש לנו הצעה שלא תוכלו לסרב לה:

הזמן:אמצע שנת הלימודים (סוף מרץ).

המקום: מכון דוידסון לחינוך מדעי, מכון ויצמן למדע, רחובות.

הסיטואציה (דמיונית, אך אפשרית):אתם עומדים מול תיבה ("כספת") שבתוכה לייזרים, חוטי חשמל, מגנטים ומאוורר. יש לכם עשר דקות לפרוץ אותה, האם תצליחו לפצח את הקוד שיפתח את המנעול?

טורניר הפיזיקה על שם שלהבת פריאר הוא ההזדמנות שלכם להוכיח לכולם שאתם מסוגלים. בטורניר, שהוא האירוע הגדול של תלמידי הפיזיקה בארץ, תתמודדו מול עשרות צוותים נוספים של תלמידי כיתות י"ב במגמת פיזיקה מרחבי העולם. במשך ימי התחרות, גדושי האדרנלין והאנרגיה, תהיה לכולכם מטרה משותפת אחת: לפרוץ את הכספות של הצוותים האחרים.

נגלגל לרגע חצי שנה אחורה, לתחילת שנת הלימודים. אם תיבחרו לייצג את חמד"ע בתחרות, תקבלו תיבה ומנעול שאותם תהפכו לכספת שלכם. בחצי השנה הבאה עד לתחרות, תהפכו לחברת סטארט-אפ לכל דבר ויהיה עליכם לתכנן, לבנות ולהפעיל מנגנון נעילה, שיהיה מתוחכם מספיק כדי שאי אפשר יהיה לפתוח אותו בלי לפענח את העקרונות הפיזיקליים שמאחוריו. עכשיו, כשאתם יודעים את כל הפרטים, כל מה שנותר לנו לעשות הוא לאחל לכם הצלחה. אתם עוד תזדקקו לה.

פרטים נוספים אודות התחרות ניתן למצוא ב-

https://davidson.weizmann.ac.il/programs/physics_tour
ההרשמה נעשית בפנייה אל מורה הפיזיקה שלכם.

גלריית תמונות של כספות חמד"ע משנים קודמות