מבוא
פיזיקה:
אופטיקה גיאומטרית
מאגר משאבים פתוח
יחידת־הוראה
תצוגההסתרה
1. אור ואופטיקה גיאומטרית
בפרק זה נלמד על:
- מגוון תופעות הקשורות באור
- מהו הקשר בין אופטיקה לבין גאומטריה
- כיצד ניתן להשתמש בחוקי הגאומטריה להסבר תופעות אופטיות
קריאה בספר הלימוד: פרק א', סעיפים 1, 2, 4
מצגת זו מיועדת ללוות שיעור מבוא לנושא אופטיקה גיאומטרית.
במהלך השיעור ילמדו התלמידים על מהות האור, ייחשפו התלמידים לנושאי הלימוד הכלולים בקורס "אופטיקה גיאומטרית" ולרקע ההיסטורי של התחום.
בתרגול זה יחזרו התלמידים (דרך פתרון בעיות) על נושאים בסיסיים בגיאומטריה, אותם למדו במתמטיקה בחטיבת הביניים, בפרט: זוויות בין ישרים מקבילים, דמיון בין משולשים ומשפט פיתגורס.
הדגמה מצולמת: באמצעות נר דולק ולוח זכוכית ניתן להמחיש את תופעות ההעברה, הבליעה וההחזרה של האור. נבחין בין גופים שקופים לגופים אטומים.
סרטון קצר שמתאר כיצד בוצעו מדידות של מהירות האור במהלך ההיסטוריה ואת העיקרון לפיו מהירות האור היא גודל קבוע.
הרצאת מבוא של פרופ' מאיר מידב בנושא אור ואופטיקה. בין הנושאים שיועלו בהרצאה: בריאת האור לפי האמונה היהודית, חשיבות האור לקיום החיים, מהם התנאים לראות אור? פיזור אור בטבע, יישומים של אור בטכנולוגיה, אור כנושא מידע ואנרגיה, גופים לוהטים ואפלים.
2. אור וצללים: גיאומטריה בפעולה
בפרק זה נלמד על:
- התפשטות האור בקווים ישרים וייצוגו באמצעות קרניים
- תנאים להיווצרות צל וכיצד נקבעים צורתו וגודלו
- צל מלא, צל חלקי וצללים צבעוניים
- שימוש בקוויות האור לצרכים יישומיים
קריאה בספר הלימוד: פרק א', סעיף 3
בשיעור זה יכירו התלמידים את תופעת הצל והצללית, מהם התנאים ליצירת צל, כיצד נוצר צל מלא וצל חלקי, וייעזרו בחישובים גיאומטריים כדי לחשב גובה של בניין על סמך אורך הצל שהוא מטיל.
התלמידים ינתחו כיצד מושפע גודל הצל מפרמטרים שונים.
בשיעור נדון גם בנושא צלליות צבעוניות, בעזרת סרטון והדמיה.
בתרגול זה התלמידים ישתמשו בעובדה שהאור מתקדם בקווים ישרים כדי לפתור מספר בעיות הקשורות בצלליות, תוך שימוש במשפט פיתגורס ובדמיון משולשים.
מעבדה ווירטואלית: אור וצל (html5). באמצעות המעבדה תוכלו לחקור את הצללים המוטלים על גבי מסך, כאשר אור הנובע ממקורות אור נקודתיים פוגע בעצמם אטומים. 
המורה ברנד סרינג דן בצבעו של האור ובהיווצרות של צללים צבעוניים. במהלך הסרטון נבחין בין התלכדות של כתמי אור על מסך לבן (חיבור צבעים) לבין ערבוב של צבעים (פיגמנטים) על דף נייר (חיסור צבעים). נכיר את צבעי היסוד RGB ואזורי חפיפה ביניהם, וכן את מעגל הצבעים והצבעים המשלימים (קומפלימנטריים). נדון באופן בו נוצרים צללים צבעוניים ונמחיש זאת באמצעות המעבדה הווירטואלית "אור וצל".
סרטון קצר שמסביר כיצד מסייעים בידי החוקרים חוקי האופטיקה הבסיסיים בחקר היקום ובפרט במדידת מרחקים של גלקסיות רחוקות.
סרטון העשרה באופטיקה, שמנסה להשיב על השאלה- מדוע שמי הלילה חשוכים, למרות האור שמופץ לכל הכיוונים מהשמש ומאינספור כוכבים אחרים.
3. קרני אור ותופעות אסטרונומיות
בפרק זה נלמד על:
- מחזור מופעי הירח: חודש עברי
- ליקויי מאורות: ליקוי ירח, ליקוי חמה, ליקוי חמה טבעתי
קריאה בספר הלימוד: פרק א', סעיף 5
בשיעור יכירו התלמידים תופעות טבע מחזוריות הקשורות בקרני האור, ובפרט- ליקוי מאורות (ירח, חמה) וכן מופעי הירח והקשר ללוח השנה העברי.
בתרגול זה התלמידים יפתרו מגוון שאלות המסתמכות על התקדמות האור בקווים ישרים, חישוב מרחקים באמצעות אורך צלליות וכן בעיות הקשורות בליקוי מאורות.
סרטון בפיזיקה: ליקוי מאורות
סרטון קצר שמסביר את העקרונות לפיהן נקבע לוח השנה העברי (שנת הירח) לעומת לוח השנה הגרגוריאני (לועזי, שנת השמש) והתיאומים ביניהם.
4. חוקי ההחזרה של האור
בפרק זה נלמד על:
- חוקי ההחזרה של האור ותכונת ההפיכות של האור בהחזרה
- הבחנה בין החזרה מסודרת והחזרה מפוזרת
- ניתוח החזרה ממקור נקודתי באמצעות שרטוט ומשוואות מתמטיות
קריאה בספר הלימוד: פרק ב', סעיפים 1,2,3,4
בשיעור יכירו התלמידים את חוקי ההחזרה וילמדו על הבחנה בין החזרה מסודרת והחזרה מפוזרת, תכונות הפיכות מהלך קרניים וניתוח החזרה ממקור נקודתי באופן מתמטי ובאמצעות שרטוט
בתרגול מודרך זה נפתור מספר בעיות באמצעות חוקי ההחזרה של האור.מצורף גם קובץ גאוגברה, שיכול לשמש בפתרון שאלה 7 סעיף ב (מומלץ).
בהדגמה המפתיעה שלפניכם מופיע נר שאין מצליחים לכבות אותו. התוכלו לשער כיצד מתרחש הפלא?
בסרטון הבא תוכלו לצפות בהמחשה של תכונת ההפיכות של קרני האור.
בסרטון תוכלו לצפות בהמחשה של חוקי ההחזרה של האור: הקרן הפוגעת, הקרן המוחזרת והאנך בנקודת הפגיעה נמצאים על אותו מישור, זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה.
בסרטון תוכלו לראות כיצד מתרחשת החזרה מסודרת של קרני אור כשהן פוגעות במשטח חלק (כמו מראה) ובהחזרה מפוזרת שלהן כאשר הקרניים פוגעות במשטח מחוספס. בשני המקרים מתקיימים חוקי ההחזרה של האור.
סרטון קצר שמתאר כיצד בוצעו מדידות של מהירות האור במהלך ההיסטוריה ואת העיקרון לפיו מהירות האור היא גודל קבוע.
5. היווצרות דמות במראה מישורית
בפרק זה נלמד על:
- היווצרות דמות של עצם נקודתי במראה מישורית
- שדה הראייה במראה מישורית
- תיאור אופן קבלת הדמות של עצם גדול
- הפריסקופ - יישום טכנולוגי של מראה מישורית
קריאה בספר הלימוד: פרק ב', סעיפים 5, 6, 7, 8, 10
בשיעור זה נכיר את המושגים עצם ודמות. נדע כיצד לאתר מיקום של דמות מדומה של עצם נקודתי, המוצב מול מראה מישורית. נראה כי מתקיימת סימטריה בין מיקום הדמות למיקום העצם ביחס למראה המישורית. נדון בתחושת הראייה ומשמעותה. כמו כן נכיר את מושג שדה הראייה ונדון בדמות של עצם גדול.
בתרגול מודרך זה נפתור מספר בעיות הקשורות בעצמים ובדמותם הנוצרת במראה מישורית וכן נעסוק במושג שדה הראייה.
לפניכם מעבדה העוסקת בדמויות במראה. באמצעות מעבדה זו תוכלו לבחון כיצד צופה (המסומן כ"עין") רואה דמויות של עצמים המשתקפים במראה מישורית. המעבדה כוללת המחשה ויזואלית של קרני האור המוחזרות מן המראה בהתאם לחוקי ההחזרה וכן של שדה הראייה של הצופה.
בפעילות חקר זו תוכלו לחקור את תופעת החזרת האור והיווצרות דמות מדומה במראה מישורית. המעבדה מאפשרת לעקוב אחר קרני האור היוצאות מהעצם ומגיעות אל העין, והאופן שבו נוצרת הדמות המדומה הנצפית על ידי הצופה במראה. הפעילות מאפשרת העלאת השערות, מדידה ואיסוף נתונים, הצגת התוצאות, ניתוחן והסקת מסקנות.
סרטון בפיזיקה: דמויות במראה מישורית.הסרטון עוסק בחוק ההחזרה ובשאלה- כיצד מפרשת מערכת הראייה שלנו את העולם? דמות (מדומה) של מקור נקודתי במראה, בניית דמות של עצם שאיננו נקודתי. תפיסה שגויה נפוצה היא כי מראה הופכת ימין ושמאל. נראה כיצד למעשה המראה הופכת קדימה ואחורה.
סרטון בפיזיקה: המושג "שדה ראייה".
בסרטון תצפו בהדגמה- כיצד ניתן לאתר מיקומה של דמות הנוצרת כאשר עצם גדול (למשל נר דולק) ממוקם מול מראה מישורית.
6. שבירת אור במעבר מתווך דליל לצפוף
בפרק זה נלמד על:
- שבירת אור: מה קורה כאשר אור עובר מתווך שקוף אחר לאחר?
- חוק סנל- החוקיות בשבירת האור והפיכות מסלול קרני אור בשבירה.
- מעבר אור מאוויר לזכוכית
- מקדם השבירה האופטי של תווך שקוף
קריאה בספר הלימוד: פרק ג', סעיפים 1, 2.1 ,3.1
בשיעור זה נכיר תופעות אופטיות הקשורות בשבירה של קרני אור כאשר הן עוברות מתווך שקוף אחד למשנהו. נחקור את מעבר האור מאוויר לזכוכית ונמצא את החוקיות הקיימת במעבר זה (חוק סנל). נגדיר מהו מקדם שבירה אופטי של חומר ונפתור בעיות הקשורות בשבירת קרני האור.
בשיעור זה נכיר מושגים בסיסיים בטריגונומטריה, בהם נצטרך להשתמש בהמשך לימודנו באופטיקה גיאומטרית.
בתרגול זה נפתור מספר בעיות שעוסקות בשבירת האור במעבר מתווך דליל (מבחינה אופטית) לתווך צפוף יותר (זווית שבירה קטנה מזווית הפגיעה). נחזור על המושג "מקדם שבירה" ועל הקשר שלו למהירות האור בתווכים שונים. נפתור בעיות באמצעות שימוש בחוק סנל.
לפניכם מעבדה העוסקת בשבירת האור במעבר בין תווכים בעלי צפיפות אופטית (מקדם שבירה) שונה. באמצעות המעבדה תוכלו לשנות את הצפיפות האופטית של התווך הראשי ולבחור לפצל את התווך לשניים. תוכלו להוסיף מנסרות זכוכית שונות, להזיז ולסובב אותן. תוכלו לכוון את מקורות האור ולבחון כיצד קרני האור נשברות בהתאם לחוקי ההחזרה והשבירה של האור. בחירה באור לבן תמחיש לכם את תופעת הנפיצה המתרחשת כאשר צבעים שונים מוסטים בזוויות שונות במעט.
בסרטון זה נצפה במספר תופעות שנדמות כמו מעשי קסמים ושנגרמות כתוצאה משבירה של אור. נסביר תופעות אלו בהמשך לימודינו.
בסרטון זה נבחן את תהליך שבירת קרני האור, שמתרחש במעבר מתווך בעל צפיפות אופטית נמוכה (כמו אוויר) לתווך בעל צפיפות אופטית גבוהה יותר (כמו פרספקס). נבצע מדידות ונבדוק מהי החוקיות המתקבלת.
7. שבירת אור במעבר מתווך צפוף לדליל, דמויות ועומק מדומה
בפרק זה נלמד על:
- מעבר אור מתווך צפוף (זכוכית) לתווך דליל מבחינה אופטיקה (אוויר)
- החזרה גמורה וזווית קריטית, חוק סנל בצורתו הכללית
- יישום טכנולוגי: סיבים אופטיים
- עומק מדומה - ניתוח מתמטי ופתרון בעיות
קריאה בספר הלימוד: פרק ג', סעיפים 2.2, 3.2, 4, 6
בשיעור זה נלמד על תופעת השבירה כאשר האור עובר מתווך צפוף (מבחינה אופטית)- כמו זכוכית, אל תווך דליל (מבחינה אופטית) כמו אוויר. נבחן את חוק סנל במקרה זה, נכיר את תופעת ההחזרה המלאה ונדע לחשב את הזווית הקריטית. נראה שהפיכות קרני האור מתקיימת גם במקרה של שבירה.
בשיעור זה נסביר וננתח תופעות אופטיות שונות שאותן ראינו בשיעורים הקודמים: קסם היעלמות והופעת מטבע בכוס, היעלמותה של כוס בתוך נוזל, עיפרון שנראה שבור. נכיר את המושג "עומק מדומה" וננתח כיצד לחשב את גודלו.
בתרגול זה נפתור מספר תרגילים בנושא שבירת אור במעבר מתווך צפוף (מבחינה אופטית) לתווך דליל (מבחינה אופטית). נשתמש בתכונת ההפיכות של האור ובחוק סנל.
לפניכם מעבדה העוסקת בשבירת האור במעבר בין תווכים בעלי צפיפות אופטית (מקדם שבירה) שונה. באמצעות המעבדה תוכלו לשנות את הצפיפות האופטית של התווך הראשי ולבחור לפצל את התווך לשניים. תוכלו להוסיף מנסרות זכוכית שונות, להזיז ולסובב אותן. תוכלו לכוון את מקורות האור ולבחון כיצד קרני האור נשברות בהתאם לחוקי ההחזרה והשבירה של האור. בחירה באור לבן תמחיש לכם את תופעת הנפיצה המתרחשת כאשר צבעים שונים מוסטים בזוויות שונות במעט.
סרטון בפיזיקה: שבירת אור- עומק מדומה
בסרטון זה ניווכח בהפיכות של מהלך קרני האור כשהן נשברות במעבר מתווך אחד למשנהו.
בסרטון זה נבדוק את המתרחש כאשר קרן אור עוברת מתווך צפוף מבחינה אופטית (למשל פרספקס) לתווך דליל יותר מבחינה אופטית (למשל אוויר). נגלה את החוקיות בתופעת השבירה המתרחשת ונכיר את המושגים החזרה פנימית גמורה ו-זווית קריטית.
8. שבירת אור במנסרות ותופעת הנפיצה
בפרק זה נלמד על:
- מנסרה מלבנית ומנסרה משולשת
- הסחת האור במנסרה והתלות של מידת ההסחה בפרמטרים שונים
- תופעת הנפיצה
קריאה בספר הלימוד: פרק ג', סעיפים 2.3, 5
בשיעור זה נלמד וננתח את שבירת קרני האור כשהן פוגעות במנסרה מלבנית ובמנסרה משולשת, נכיר את פריסקופ המראות וננתח את תופעת הנפיצה.
בתרגול זה נפתור מספר תרגילים בנושא שבירת האור במעבר בין תווכים, כאשר נשים דגש על המקרה של החזרה גמורה שעשויה להתרחש כאשר אור עובר מתווך צפוף (מבחינה אופטית) לתווך דליל ממנו (מבחינה אופטית) כאשר זווית הפגיעה גדולה מזווית מסוימת (שהיא הזווית הקריטית).
9. שבירת אור: יישומים בטבע ובטכנולוגיה וסיכום
בפרק זה נלמד על:
- תופעות טבע הנוצרות כתוצאה משבירת אור בתווך משתנה
- חזיון תעתועים (פטה מורגנה), הכביש הרטוב, "לומינג"
- המקום המדומה של השמש
קריאה בספר הלימוד: פרק ג', סעיפים 7
בשיעור זה נכיר תופעות אופטיות, הקשורות בשבירה של אור שמתפשט דרך חומר בעל צפיפות אופטית משתנה. תופעות אלו כוללות: חזיון תעתועים (פטה מורגאנה), תופעת הכביש הרטוב, תופעת "לומינג" (חזיון תעתועים באזורים קרים) ותופעת המיקום המדומה של השמש.
בתרגול זה נפתור שאלות מבחינות הבגרות בנושא שבירת האור ובכך נסכם את ידיעותינו בנושא.
10. עדשות דקות מרכזות
בפרק זה נלמד על:
- העדשה כצרוף של מנסרות, אפיון של עדשה כדורית דקה
- ציר אופטי, מוקד עדשה, רוחק מוקד, עוצמה והגדלה קווית של עדשה
- עדשה מרכזת ואפיון הדמות הנוצרת כשאור עובר דרכה
- איתור דמותו של עצם בעזרת "קרניים מסוימות" ובעזרת נוסחת העדשות
קריאה בספר הלימוד: פרק ד', סעיפים 1, 2
בשיעורים הקרובים נלמד מהן עדשות דקות ובפרט- מהן עדשות דקות מרכזות. נכיר מושגים כמו מוקד עדשה, רוחק מוקד, הגדלה קווית ועוצמת עדשה. נכיר את נוסחת העדשות ונדע ליישם אותה לצורך פתרון בעיות. נבין את ההבדל בין דמות ממשית ומדומה ונדע לזהות את התנאים להיווצרותן.
בתרגול זה נפתור מספר שאלות בנושא עדשות דקות מרכזות. נתרגל את השימוש במושגים- מוקד העדשה, אורך מוקד (f), מרחק העצם (U), מרחק הדמות (V), ציר אופטי. נתרגל את השימוש בקרניים המיוחדות, וננתח את הקשר בין העצם לבין דמותו.
לפניכם מעבדה העוסקת במערכת אופטית שכוללת עדשה כדורית דקה. באמצעות המעבדה תוכלו לשנות את רוחק המוקד של העדשה ולבחור בצורת העדשה הרצויה (קמורה, קעורה). תוכלו לחקור את גודלה, מיקומה וכיוונה של דמות הנוצרת ע"י העדשה, כאשר אור נפלט מגוף (עצם), המיוצג במעבדה ע"י חץ. את מיקומו וגובהו של החץ ניתן לשנות באמצעות בחירת ראש החץ. תוכלו להבחין בין דמות ממשית לדמות מדומה ולחקור את החוקיות בהיווצרותן.
בסרטון זה נראה מהי נקודת המוקד וכיצד מוצאים את אורך המוקד (הקרוי גם רוחק המוקד) עבור עדשה מרכזת.
בסרטון זה נמצא את אורך המוקד של העדשה איתה אנו עובדים, ובאופן שיטתי נמדוד את המרחק בין העדשה למקור האור, ונבחן באיזה מרחק מתקבלת הדמות על גבי המסך.
בסרטון זה נראה כיצד מתקבלת דמות ממשית על גבי מסך כאשר מקור אור מאיר עצם (בצורת חץ) וקרן האור עוברת דרך עדשה דו-קמורה. נבחן באילו מרחקים מתקבלת הדמות ומה צורתה וגודלה.
11. עדשות דקות מפזרות
בפרק זה נלמד על:
- עדשה מפזרת ואפיון הדמות הנוצרת כשאור עובר דרכה
- איתור דמותו של עצם בעזרת "קרניים מסוימות" ובעזרת נוסחת העדשות עבור עדשה מפזרת
- הגדלה קווית בעדשה מפזרת
קריאה בספר הלימוד: פרק ד', סעיפים 3, 4
בשיעור זה נלמד להכיר את משפחת העדשות הדקות המפזרות. נראה כיצד הן מפזרות את האור ויוצרות דמות מדומה בנקודת המפגש של המשכי הקרניים הפוגעות בהן. נראה כיצד להשתמש בנוסחת העדשות ואיך לחשב את ההגדלה הקווית ועוצמת העדשה.
בתרגול זה נפתור בעיות הקשורות בעדשות קמורות (מרכזות) וגם קעורות (מפזרות). נלמד לאתר את מיקום הדמות המתקבלת ונבחין בין דמות ממשית ודמות מדומה. נחשב את ההגדלה הקווית של העדשה ונשתמש בנוסחת העדשות.
לפניכם מעבדה העוסקת במערכת אופטית שכוללת עדשה כדורית דקה. באמצעות המעבדה תוכלו לשנות את רוחק המוקד של העדשה ולבחור בצורת העדשה הרצויה (קמורה, קעורה). תוכלו לחקור את גודלה, מיקומה וכיוונה של דמות הנוצרת ע"י העדשה, כאשר אור נפלט מגוף (עצם), המיוצג במעבדה ע"י חץ. את מיקומו וגובהו של החץ ניתן לשנות באמצעות בחירת ראש החץ. תוכלו להבחין בין דמות ממשית לדמות מדומה ולחקור את החוקיות בהיווצרותן.
בסרטון זה נראה מהי נקודת המוקד המדומה וכיצד מחשבים את אורך המוקד של עדשה מפזרת.
12. ליקויי ראייה וסיכום הקורס
בפרק זה נלמד על:
- מבנה העין
- אופטיקה גיאומטרית ותהליך הראייה
- כיצד אנו רואים בברור עצמים קרובים וגם רחוקים?
- מהו ליקוי קוצר ראיה ומהו ליקוי רוחק ראיה וכיצד ניתן לתקנם?
קריאה בספר הלימוד: פרק ה'
בשיעור זה נלמד על העין כרכיב אופטי. נכיר את מבנה העין וננסה להבין כיצד היא מאפשרת לנו לראות עצמים קרובים ורחוקים. נבין מהם ליקויי ראיה בסיסיים וכיצד ניתן לתקן אותם באמצעות עדשות אופטיות.
תרגול חזרה מסכם לקורס "אופטיקה גיאומטרית", מקיף את הנושאים השונים שנלמדו בקורס: אור וצל, החזרה, שבירה ועדשות.
תדריכי מעבדה ופעילויות חקר
אזור ליצירת מפגשים סינכרוניים לקבוצת המליאה
אזור ליצירת מפגשים סינכרוניים לקבוצות התרגול
מבדקים ו מבחנים
לא בשימוש