בגרות בפיזיקה מבוא לפיזיקה 36182 - קיץ 2020

נכון. הספק הוא העבודה (האנרגייה) שהמכשיר מבצע או צורך ביחידת זמן: $\text{הספק}=\dfrac{\text{עבודה}}{\text{זמן}}$. לכן ההספק מתאר את קצב ביצוע העבודה.

לא נכון. הספק נמדד בוואט ($\text{W}$), כלומר ג'אול בשנייה. וולט ($\text{V}$) היא יחידת המתח.

לא נכון. משלמים עבור האנרגייה החשמלית (העבודה) שצרכו המכשירים, הנמדדת בקוט"ש (קילוואט־שעה): $\text{אנרגייה}=\text{הספק}\times\text{זמן}$. מכשיר בעל הספק גדול שפועל זמן קצר יכול לעלות פחות ממכשיר בעל הספק קטן שפועל זמן רב.

כן. כדי להרים משקולת במהירות קבועה המנוע מפעיל כוח השווה למשקל המשקולת. העבודה היא:

שני המנועים הרימו אותה משקולת (אותו כוח) לאותו גובה ($2$ מטרים), ולכן ביצעו אותה עבודה. הזמן אינו משפיע על כמות העבודה – רק על הקצב שבו היא בוצעה.

לא. לפי הנוסחה:

העבודה של שני המנועים שווה (סעיף (1)), אבל מנוע א ביצע אותה בזמן קצר יותר – $2$ דקות לעומת $4$ דקות. לכן למנוע א הספק גדול יותר: הוא ביצע את העבודה בקצב כפול, וההספק שלו גדול פי $\frac{4}{2}=2$ מזה של מנוע ב.

כן. הנורות מחוברות במקביל, ולכל נורה יש מפסק משלה בענף שלה. כיבוי המפסק של נורה A פותח רק את הענף שלה; שתי הנורות האחרות נשארות מחוברות למקור המתח וממשיכות לדלוק.

זהה. בחיבור במקביל כל נורה מחוברת ישירות לשני הדקי מקור המתח, ולכן המתח על כל אחת מהן שווה למתח המקור – $220\,\text{V}$ – בלי תלות בהספק שלה. (מה ששונה בין הנורות הוא עוצמת הזרם: $\text{עוצמת הזרם}=\frac{\text{הספק}}{\text{מתח}}$.)

כל הנורות מחוברות לאותו מתח, $220\,\text{V}$, המתח שלו הן מיועדות, ולכן כל אחת פועלת בהספק הרשום עליה. נורה שהספקה גדול הופכת בכל שנייה יותר אנרגייה חשמלית לאור ולחום, ולכן מאירה חזק יותר:

(עוצמות הזרם: $I_A=\frac{100}{220}\approx 0.45\,\text{A}$, $I_B=\frac{75}{220}\approx 0.34\,\text{A}$, $I_C=\frac{40}{220}\approx 0.18\,\text{A}$ – בנורה החזקה עובר הזרם הגדול ביותר.)

לא נכון. ההספק הרשום על המכשיר מתקבל רק כשהוא מחובר למתח הרשום. במתח נמוך יותר עובר בו זרם קטן יותר, ולכן לפי $\text{הספק}=\text{מתח}\times\text{עוצמת הזרם}$ ההספק קטן (למשל נורה תאיר חלש יותר).

נכון. $\text{הספק}=\dfrac{\text{עבודה}}{\text{זמן}}$ – העבודה שהמכשיר מבצע ביחידת זמן.

לא נכון. ההתנגדות של המכשיר היא תכונה שלו, ולפי חוק אוהם $I=\frac{V}{R}$: הגדלת המתח מגדילה את הזרם העובר במכשיר.

נכון. זו ההגדרה של נצילות:

למשל בנורת להט רק חלק קטן מהאנרגייה החשמלית הופך לאור (העבודה הרצויה), והשאר הופך לחום – הנצילות שלה נמוכה.

כל קומקום מחמם אותה כמות מים ($100$ סמ"ק) מ־$25^\circ\text{C}$ ל־$100^\circ\text{C}$, וכל החום שהוא מפיק עובר למים. לכן כל שלושת הקומקומים מפיקים אותה כמות אנרגייה (מבצעים אותה עבודה). לפי

ההספק הגדול ביותר הוא של הקומקום שסיים את החימום בזמן הקצר ביותר – קומקום A (שתי דקות, לעומת שלוש וחמש דקות).

(להמחשה, בעזרת החום הסגולי של מים, $c=4200\,\frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot{}^\circ\text{C}}$, שאינו נתון בשאלה: האנרגייה היא $Q=mc\Delta T=0.1\cdot 4200\cdot 75=31{,}500\,\text{J}$, ולכן ההספקים הם כ־$\frac{31{,}500}{120}\approx 263\,\text{W}$ ל־A, $\frac{31{,}500}{180}=175\,\text{W}$ ל־B ו־$\frac{31{,}500}{300}=105\,\text{W}$ ל־C.)

לפי הנוסחה $\text{הספק}=\text{מתח}\times\text{עוצמת הזרם}$:

כל הקומקומים מחוברים לאותו מתח, $220\,\text{V}$, ולכן עוצמת הזרם גדלה עם ההספק. לקומקום A ההספק הגדול ביותר (סעיף ב), ולכן גם עוצמת הזרם בו היא הגדולה ביותר.

(עם הערכים שבהמחשה של סעיף ב: $I_A=\frac{263}{220}\approx 1.19\,\text{A}$, $I_B=\frac{175}{220}\approx 0.80\,\text{A}$, $I_C=\frac{105}{220}\approx 0.48\,\text{A}$.)

לפי הנוסחה $\text{הספק}=\text{מתח}\times\text{עוצמת הזרם}$:

•מקלט טלוויזיה: $I=\dfrac{380\,\text{W}}{220\,\text{V}}\approx 1.73\,\text{A}$

•מייבש שיער: $I=\dfrac{2600\,\text{W}}{220\,\text{V}}\approx 11.8\,\text{A}$

•קומקום: $I=\dfrac{2400\,\text{W}}{220\,\text{V}}\approx 10.9\,\text{A}$

נתיך של $10\,\text{A}$ נשרף (ומנתק את המעגל) כאשר עובר בו זרם גדול מ־$10\,\text{A}$.

לפי החישוב בסעיף ד:

•מקלט טלוויזיה: $1.73\,\text{A}<10\,\text{A}$ – אפשר להפעיל.

•מייבש שיער: $11.8\,\text{A}>10\,\text{A}$ – הנתיך יישרף.

•קומקום: $10.9\,\text{A}>10\,\text{A}$ – הנתיך יישרף.

לכן בבית זה אפשר להפעיל רק את מקלט הטלוויזיה (ובוודאי שאי־אפשר להפעיל שני מכשירים יחד אם סכום הזרמים עולה על $10\,\text{A}$).

טעות נפוצה: לחשוב שהקומקום "כמעט" מתאים – גם $10.9\,\text{A}$ גדול מ־$10\,\text{A}$, והנתיך יישרף.

לא נכון. לגז אין צורה ואין נפח קבועים: חלקיקיו נעים בחופשיות ומתפשטים עד שהם ממלאים את כל נפח הכלי. נוזל, לעומת זאת, שומר על נפחו ומתכנס בתחתית הכלי.

נכון. הגז ממלא תמיד את כל נפח הכלי, ולכן שינוי נפח הכלי משנה את נפח הגז – למשל בוכנה הנעה בצילינדר דוחסת את הגז (ונפחו קטן) או מאפשרת לו להתפשט. זו התכונה (דחיסות הגזים) שעליה מבוסס המנוע.

נכון. הדלק נכנס לצילינדר כתרסיס של טיפות זעירות מעורבות באוויר. בגלל החום בצילינדר הטיפות מתאדות והופכות לאדי דלק (גז), שמתערבבים עם האוויר ונשרפים לאחר ההצתה.

לא נכון. הגז מפעיל לחץ על כל הדפנות של הכלי שבו הוא נמצא – בכל הכיוונים – כי חלקיקיו מתנגשים בכל הדפנות. הבוכנה היא פשוט הדופן היחידה שיכולה לזוז, ולכן הכוח שהגז מפעיל עליה מניע אותה.

- מנוע שרפה פנימית (למשל מנוע המכונית): הדלק נשרף בתוך המנוע – בתוך הצילינדר. הגזים החמים שנוצרים בשרפה הם עצמם מפעילים לחץ על הבוכנה ודוחפים אותה.

- מנוע שרפה חיצונית (למשל מנוע קיטור): הדלק נשרף מחוץ למנוע, בתא נפרד (למשל מתחת לדוד). החום מחמם חומר עבודה אחר (מים שהופכים לקיטור), והקיטור מוזרם אל הצילינדר ודוחף את הבוכנה.

כלומר ההבדל הוא היכן מתרחשת השרפה: בתוך הצילינדר שבו נעה הבוכנה, או מחוצה לו.

לפי הנוסחה:

הצבה:

העבודה שהושקעה בעצירת המכונית היא $400{,}000$ ג'אול ($400\,\text{kJ}$). זו האנרגייה (התנועה) שהבלמים הפכו לחום.

קָטֵן. לפי עקרון ברנולי, במקום שבו מהירות הזרימה של גז (או נוזל) גדולה יותר, הלחץ בו קטן יותר. על עיקרון זה מבוסס הקרבורטור: בחלק הצר של צינור ונטורי האוויר זורם מהר, הלחץ שם נמוך, והדלק נדחף לתוך זרם האוויר.

לא נכון. קצב ההתאדות תלוי בסוג הנוזל. למשל בנזין ואלכוהול מתאדים מהר הרבה יותר ממים באותם תנאים.

נכון. תפקיד הקרבורטור הוא לערבב את הדלק עם האוויר: הדלק נשאב לזרם האוויר ומתפרק לטיפות זעירות (תרסיס), והתערובת מוזרמת לצילינדרים.

נכון. כשמפרקים כמות נוזל לטיפות זעירות רבות, שטח הפנים הכולל שלהן גדול בהרבה משטח הפנים של אותה כמות נוזל בגוש אחד. שטח מגע גדול עם האוויר מגביר את קצב ההתאדות – ולכן הדלק מתאדה ונשרף טוב יותר.

לא נכון. בחלקו הצר של צינור ונטורי מהירות זרימת האוויר גדולה, ולכן לפי עקרון ברנולי הלחץ שם קטן. הלחץ בתא הדלק (לחץ האוויר) גדול יותר, ולכן הדלק נדחף מתא הדלק אל החלק הצר ומתערבב באוויר.

גדל. המאוורר מרחיק מעל פני הנוזל את האדים שכבר התאדו ומביא אוויר "יבש", ולכן קצב ההתאדות גדל (כמו כביסה שמתייבשת מהר יותר ברוח).

מגבירה את. התאדות מתרחשת בפני הנוזל; ככל ששטח המגע עם האוויר גדול יותר, יותר חלקיקים יכולים לצאת מהנוזל בכל שנייה.

גדל. בטמפרטורה גבוהה יותר חלקיקי הנוזל נעים מהר יותר, ולכן יותר חלקיקים מצליחים להשתחרר מפני הנוזל בכל שנייה.

גדול מ־. בנזין הוא נוזל נדיף: הוא מתאדה מהר הרבה יותר ממים באותם תנאים (לכן גם מריחים אותו בקלות).

חתך $C$. כל כמות המים שנכנסת בחתך $A$ חייבת לעבור גם בחתך $C$ ובחתך $B$ באותו זמן. חתך $C$ הוא הצר ביותר, ולכן כדי להעביר את אותה כמות מים בכל שנייה דרך שטח קטן יותר, המים חייבים לזרום בו מהר יותר.

•בחתך $C$ מהירות הזרימה היא הגדולה ביותר (תת־סעיף (1)), ולכן לפי עקרון ברנולי הלחץ בחתך $C$ הוא הנמוך ביותר – נמוך מלחץ האוויר.

•על פני המים בכוס פועל לחץ האוויר (הלחץ האטמוספרי), שהוא גדול מהלחץ בחתך $C$.

•הפרש הלחצים דוחף את המים מהכוס במעלה הצינורית אל החתך הצר $C$ ("יניקה").

•שם המים מהכוס מצטרפים לזרם המים בצינור, שזורם מ־$A$ לכיוון $B$, ונסחפים איתו לכיוון חתך $B$.

זה אותו עיקרון שבו פועל הקרבורטור: הדלק נדחף מתא הדלק לחלק הצר של צינור ונטורי.

טעות נפוצה: לכתוב שהזרם "מושך" את המים – המים נדחפים מלמטה על ידי הלחץ הגבוה יותר על פני המים בכוס.

נכון. הטיל הודף לאחור גזים חמים במהירות רבה. הטיל מפעיל על הגזים כוח לאחור, והגזים מפעילים על הטיל כוח שווה בגודלו ומנוגד בכיוונו – קדימה. כוח זה מגדיל את מהירות הטיל.

נכון. זהו החוק השלישי של ניוטון: הפעולה – הטיל דוחף את הגזים לאחור; התגובה – הגזים דוחפים את הטיל קדימה.

לא נכון. $20$ מטר לשנייה הם $72$ קמ"ש – מהירות של מכונית. טילים טסים במהירויות של אלפי מטרים לשנייה (טיל שמשגר לוויין למסלול סביב כדור הארץ צריך להגיע לכ־$8$ קילומטרים לשנייה).

לא נכון. הטיל אינו נדחף מהאוויר אלא מהגזים שהוא עצמו פולט (חוק הפעולה והתגובה), ואת החמצן הדרוש לשרפת הדלק הוא נושא איתו. לכן טילים נעים גם בחלל, שבו אין אוויר.

גורם חיצוני – הרוח (האוויר הנע) דוחפת את המפרש; לסירה אין מנוע משלה.

גורם חיצוני – כוח המשיכה של כדור הארץ מושך את האבן כלפי מטה.

גורם פנימי – הרקטה שורפת דלק שהיא נושאת ופולטת גזים לאחור; התנועה נובעת ממנה עצמה (פעולה ותגובה).

גורם פנימי – השחיין מניע את עצמו בכוח שריריו: הוא דוחף את המים לאחור, והמים דוחפים אותו קדימה (פעולה ותגובה), בדומה לרקטה.

גורם חיצוני – כוח המשיכה של כדור הארץ מחזיק את הירח במסלולו סביבו.

גורם חיצוני – החץ קיבל את מהירותו מהקשת (גורם חיצוני), ובזמן המעוף פועלים עליו רק כוחות חיצוניים: כוח המשיכה והתנגדות האוויר. אין לו מקור הנעה משלו.

טיל א'. לשלושת הטילים אותם מנועים, ולכן אותו כוח דחף. לפי החוק השני של ניוטון ($F=ma$), אותו כוח מקנה לגוף הקל ביותר את התאוצה הגדולה ביותר – כלומר הגדלת המהירות הגדולה ביותר בכל שנייה. טיל א' הוא הקל ביותר.

טיל ג'. הוא הכבד ביותר: כדי להעלות אותו ולהביא אותו לאותה מהירות יש להתגבר על כוח משיכה גדול יותר ולהשקיע יותר אנרגייה (עבודה) – ולכן לשרוף יותר דלק.

טיל ג'. באותו גובה כוח המשיכה (המשקל) גדל עם המסה, $F=mg$. טיל ג' הוא הכבד ביותר, ולכן פועל עליו כוח המשיכה הגדול ביותר.

כאשר נוזל זורם בצינור ומגיע לנחיר, מהירותו גְּדֵלָה. זאת מכיוון שבנחיר צריכה לעבור כמות נוזל זהה ל־כמות הנוזל שעבר בצינור, דרך מקום שהוא צר יותר.

בטילים, הנחיר מגביר את מהירות החומר ההודף הזורם דרכו, וכך מגביר את מהירותו של הטיל.

הסבר: בכל שנייה עוברת דרך כל חתך של הצינור אותה כמות חומר. כדי שאותה כמות תעבור דרך פתח צר יותר, החומר חייב לנוע מהר יותר. ככל שהגזים נפלטים מהטיל מהר יותר, הכוח שהם מפעילים על הטיל (התגובה) גדול יותר, ולכן מהירות הטיל גדלה יותר.

נכון. לפי חוק הכבידה של ניוטון, כוח המשיכה קטן ככל שהמרחק ממרכז כדור הארץ גדל (ביחס הפוך לריבוע המרחק). לכן אסטרונאוט בגובה רב "שוקל" פחות.

נכון. המשקל של גוף הוא כוח המשיכה שכדור הארץ (או גרם שמיים אחר) מפעיל עליו, $W=mg$, והוא נמדד בניוטון.

לא נכון. כוח המשיכה תלוי במסת הגוף: על גוף כבד יותר (בעל מסה גדולה יותר) פועל כוח משיכה גדול יותר, $F=mg$. (מה ששווה לכל הגופים באותו מקום הוא תאוצת הנפילה $g$.)

לא נכון. מסת הגוף זהה בכל מקום, אבל משקלו תלוי בכוח המשיכה של הגוף השמימי. כוח המשיכה על פני הירח קטן בערך פי $6$ מזה שעל פני כדור הארץ, ולכן משקלו של גוף על הירח קטן בערך פי $6$.

שני הכדורים מתחילים מאותו גובה, ולשניהם אין מהירות אנכית ברגע ההתחלה: הלבן משוחרר ממנוחה, והצהוב נזרק אופקית בלבד. בכיוון האנכי פועל על שניהם רק כוח המשיכה, ושניהם נופלים באותה תאוצה $g$ (תאוצת הנפילה אינה תלויה במשקל, אם מזניחים את התנגדות האוויר).

המהירות האופקית של הכדור הצהוב אינה משפיעה על התנועה האנכית שלו – היא רק גורמת לו לפגוע ברצפה רחוק יותר. לכן זמן הנפילה של שני הכדורים זהה, והם פוגעים ברצפה באותו רגע.

טעות נפוצה: לחשוב שהכדור הצהוב "עובר דרך ארוכה יותר" ולכן מגיע מאוחר יותר – זמן הנפילה נקבע רק על ידי הגובה והתנועה האנכית.

מעבדת חלל נעה במהירות עצומה (כ־$8$ קילומטרים לשנייה). בחלל אין כמעט אוויר, ולכן אין כמעט חיכוך. כשהיא חודרת לאטמוספרה היא מתנגשת בחלקיקי אוויר רבים במהירות זו:

- חיכוך עם האוויר מפעיל עליה כוח בולם חזק, והאנרגייה של התנועה הופכת לחום רב מאוד. גוף המעבדה מתחמם לטמפרטורות גבוהות מאוד, חלקים ממנו נשרפים ונמסים, והמבנה מתפרק.

•הבלימה באוויר גם מקטינה את מהירותה, כך שהיא כבר אינה יכולה להישאר במסלול סביב כדור הארץ, וכוח המשיכה מושך אותה אל הקרקע – והחלקים שלא נשרפו מתרסקים על פני כדור הארץ.

(לכן חלליות שחוזרות לכדור הארץ מצוידות במגן חום מיוחד.)

הסבר המבנה: בטיל המונע בדלק נוזלי הדלק והחמצן הנוזלי מאוחסנים בשני מכלים נפרדים. מכל מכל יוצא צינור אל תא השרפה, שם הם מתערבבים ונשרפים. הגזים החמים שנוצרים נפלטים לאחור דרך הנחיר, שמאיץ אותם, והתגובה דוחפת את הטיל קדימה. החרטום המחודד מקטין את התנגדות האוויר.

ברשימה שישה שמות ובתרשים חמישה מלבנים: הקו הימני התחתון מסתיים בתוך התא העגול שאליו נכנסים שני הצינורות – זה תא השרפה. "מערכת הצתה" היא השם שאינו בשימוש.

הערה על שני המכלים: בתרשים אין סימן שמבדיל ביניהם – שניהם באותו גודל ובאותה צורה, ומכל אחד יוצא צינור אחד אל תא השרפה. רשמנו את מכל הדלק למעלה ואת מכל החמצן מתחתיו, אבל גם הסידור ההפוך מתאים לתרשים.

לא נכון. דוד האגירה ממוקם גבוה מן הקולט. המים המתחממים בקולט מתפשטים, צפיפותם קטנה והם עולים אל הדוד, ואילו המים הקרים מתחתית הדוד יורדים אל הקולט (זרם הסעה – "תרמוסיפון"). כך המים זורמים במעגל בלי משאבה.

לא נכון. קרינת השמש פוגעת בקולט: הלוח השחור והצינורות שבו בולעים את הקרינה ומתחממים, והמים בצינורות הקולט מתחממים. דוד האגירה מבודד ואטום לקרינה – תפקידו לאגור את המים החמים ולשמור על חומם.

לא נכון. מערכת הגיבוי החשמלית כוללת גוף חימום ותרמוסטט (וגם מפסק להפעלה). התרמוסטט מנתק את הזרם לגוף החימום כשהמים מגיעים לטמפרטורה הרצויה.

נכון. דוד שמש מחמם מים באנרגיית השמש במקום בחשמל. רוב החשמל מופק בתחנות כוח השורפות דלק (פחם, גז), ולכן חיסכון בחשמל מקטין את פליטת המזהמים לאוויר.

מערכת החימום החשמלית היא מערכת גיבוי. בימים מעוננים, בחורף, או לאחר שנצרכו מים חמים רבים (למשל בערב), קרינת השמש אינה מספיקה כדי לחמם את המים בדוד לטמפרטורה הרצויה. אז מפעילים את גוף החימום החשמלי שבתוך הדוד, והוא הופך אנרגייה חשמלית לחום ומחמם את המים. התרמוסטט מפסיק את החימום כשהמים מגיעים לטמפרטורה שנקבעה.

המים החמים, שצפיפותם קטנה, עולים לחלק העליון של הדוד, והמים הקרים, שצפיפותם גדולה, שוקעים לתחתיתו.

כאשר גוף החימום נמצא בתחתית, הוא מחמם את המים הקרים ביותר. המים שהתחממו עולים למעלה, ובמקומם יורדים אל גוף החימום מים קרים יותר – נוצרים זרמי הסעה שמערבבים את המים, ובהדרגה כל המים בדוד מתחממים.

אילו גוף החימום היה בחלק העליון, המים החמים היו נשארים למעלה, וזרמי ההסעה לא היו מגיעים לתחתית – רק השכבה העליונה הייתה מתחממת.

תרמוסטט הוא מפסק אוטומטי שמנתק ומחבר מחדש את גוף החימום לפי הטמפרטורה. הוא נחוץ במכשירים שתפקידם לחמם לטמפרטורה מסוימת:

- מכונת כביסה – מחממת את מי הכביסה לטמפרטורה שנבחרה (למשל $40^\circ\text{C}$ או $60^\circ\text{C}$) – יש בה תרמוסטט.

- מגהץ – שומר על טמפרטורת הפלטה לפי סוג הבד – יש בו תרמוסטט.

- רדיוטייפ – אינו מחמם דבר – אין בו תרמוסטט.

- נורת להט – החוט מתלהט כל עוד עובר בו זרם; אין בה בקרת טמפרטורה – אין בה תרמוסטט.

התשובה: 2 ו־4.

העיקרון: מים חמים נכנסים ויוצאים מהחלק העליון של הדוד, ומים קרים נכנסים ויוצאים מהחלק התחתון – בהתאם לשכבות החמות והקרות בדוד.

נכון. משטח כהה (שחור) בולע את רוב קרינת השמש, ומשטח בהיר מחזיר חלק גדול ממנה. לכן צובעים את הצינורות ואת לוח הקולט בשחור.

לא נכון. ההפך: גוף שחור בולע היטב את קרינת השמש ומחזיר מעט ממנה – לכן הוא נראה שחור ומתחמם מהר בשמש.

נכון. החום שנקלט בדופן הצינור צריך לעבור דרכה אל המים בהולכה. חומר שהוא מוליך חום טוב (כמו נחושת) מעביר את החום למים מהר יותר.

נכון. משטח לבן מחזיר את רוב הקרינה הפוגעת בו ובולע מעט, ולכן מתחמם מעט (לכן בקיץ מעדיפים בגדים לבנים).

בנוזלים וגזים. בהסעה החום עובר יחד עם החומר הזורם: החלק החם (הקל יותר) עולה והחלק הקר יורד. זה אפשרי רק בחומרים שיכולים לזרום – נוזלים וגזים.

בחומרים מוצקים. בהולכה החום עובר מחלקיק לחלקיק בתוך החומר בלי שהחומר עצמו זורם – כך עובר החום לאורך מוט מתכת. (הולכה מתרחשת גם בנוזלים ובגזים, אבל בהם היא חלשה, והדרך העיקרית שבה עובר בהם חום היא הסעה.)

זמן מעבר החום לאורך המוט תלוי בכושר הולכת החום של החומר (המוטות שווים באורך ובקוטר, כך שרק החומר שונה):

- נחושת – מוליכת חום מצוינת → זמן קצר.

- ברזל – מוליך חום טוב, אבל פחות מנחושת → זמן בינוני.

- זכוכית – מבודד, מוליכה חום גרוע מאוד → זמן ארוך.

החום שנבלע בדופן הצינור (ובלוח הקולט) צריך לעבור דרך הדופן אל המים בהולכה. מבין שלושת החומרים, בנחושת החום עובר בזמן הקצר ביותר (סעיף ג) – היא מוליכת החום הטובה ביותר. לכן בצינורות נחושת החום מועבר למים מהר ביותר, והמים מתחממים מהר יותר ובנצילות גבוהה יותר. (זכוכית, שמוליכה חום גרוע, אינה מתאימה כלל לצינורות הקולט.)

נכון. גופי החימום בתנור מחממים את האוויר (וגם קורנים חום), והאוויר החם מעביר חום אל פני המזון; משם החום עובר פנימה בהולכה.

נכון. המחבת החמה מחממת את שכבת המזון שנוגעת בה, והחום עובר בהולכה מהחלק החיצוני אל פנים המזון.

לא נכון. גלי המיקרוגל עוברים דרך האוויר כמעט בלי להיבלע בו, ונבלעים ישירות במזון (בעיקר במולקולות המים שבו). המזון מתחמם ישירות, והאוויר בתא כמעט אינו מתחמם (הוא מתחמם רק מעט מהמזון החם).

נכון. זה ההבדל בין המיקרוגל לבין תנור או מחבת (קביעות (1)-(2)): שם החום מגיע אל פני המזון ומתקדם פנימה בהולכה. במיקרוגל הגלים חודרים לתוך המזון ונבלעים במולקולות המים שבו, כך שהחום נוצר בתוך המזון עצמו – ומשם הוא עובר גם אל השכבות החיצוניות, שמתקררות מהאוויר הקר שבתא.

(הערה: ליתר דיוק, הגלים חודרים לעומק של כמה סנטימטרים ומחממים את כל השכבה הזאת בבת אחת; בחתיכת מזון עבה מאוד המרכז מתחמם בהולכה. ברמה של שאלון זה הקביעה מבטאת את העיקרון "המיקרוגל מחמם מבפנים", והתשובה המצופה היא "נכון".)

כשמחממים מזון מתווספת לו אנרגיית חום.

בעקבות קליטת האנרגיה, מתחילים חלקיקי המזון לנוע מהר יותר, והטמפרטורה של המזון עולה.

הסבר: הטמפרטורה של חומר היא מדד לאנרגיית התנועה של חלקיקיו. האנרגייה שהמזון קולט מגבירה את תנועת החלקיקים (במיקרוגל – הגלים גורמים למולקולות המים להתנודד), ולכן הטמפרטורה עולה.

לפי הנוסחה:

הצבה:

כלומר מחזור אחד נמשך $0.02$ שנייה ($20$ אלפיות שנייה).

בגל עומד יש נקודות צומת. בנקודות אלו עוצמת הגלים היא אפס. מזון הנמצא בנקודות הצומת בתא המיקרוגל לא יתחמם. כדי להגיע לחימום אחיד, משתמשים בצלחת מסתובבת.

הסבר: בתא המיקרוגל הגלים מוחזרים מהדפנות המתכתיות ויוצרים גל עומד. בנקודות הצומת הגלים מבטלים זה את זה, ולכן אין שם אנרגייה שתחמם את המזון, ואילו בין הצמתים העוצמה מרבית. הצלחת המסתובבת מזיזה כל הזמן את המזון, כך שכל חלק שלו עובר גם במקומות שבהם עוצמת הגלים גדולה – והחימום נעשה אחיד יותר.

קטנים. בתרשים הגל צפוף מאוד בצד של קרינת גמא (המרחק בין שיא לשיא קטן) ומתרחב לכיוון הרדיו. לקרינת גמא אורך הגל הקטן ביותר בספקטרום, ולגלי הרדיו – הגדול ביותר.

קטנה. ככל שאורך הגל קטן יותר (והתדירות גדולה יותר), האנרגייה של הקרינה גדולה יותר. קרינת המיקרוגל נמצאת בצד של אורכי הגל הגדולים, וקרינת $X$ (רנטגן) בצד של אורכי הגל הקטנים – לכן אנרגיית המיקרוגל קטנה בהרבה. (לכן קרינת $X$ מסוכנת לגוף, ויש להגביל את החשיפה אליה.)

לא נכון. זמן המחזור הוא הזמן של תנודה שלמה – למשל מהרגע שבו עובר שיא בנקודה מסוימת ועד שעובר בה השיא הבא. הזמן בין שיא לשפל הוא רק חצי זמן מחזור.

נכון. תדירות היא מספר המחזורים (החזרות) בפרק זמן קבוע – ביחידת זמן. תדירות של $1$ הרץ היא מחזור אחד בשנייה.

נכון. כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית – מגלי רדיו ומיקרוגל ועד קרינת גמא – מתקדמים בריק באותה מהירות, מהירות האור, כ־$300{,}000$ קילומטרים לשנייה ($3\cdot10^8\,\text{m/s}$). האור הנראה הוא עצמו סוג אחד של קרינה אלקטרומגנטית.

נכון. גל הוא הפרעה (תנודה) שמתפשטת ממקום למקום ומעבירה אנרגייה, בלי שהחומר עצמו עובר את כל הדרך.

$A$ ו־$E$ – הנקודות הגבוהות ביותר של הגל.

$C$ ו־$G$ – הנקודות הנמוכות ביותר של הגל.

$K$. המשרעת היא המרחק האנכי מקו שיווי המשקל (הקו המקווקו) עד השיא. הנקודה $K$ נמצאת על קו שיווי המשקל ישירות מתחת לשיא $E$.

$H$. אורך הגל הוא המרחק בין שתי נקודות עוקבות הנמצאות באותו מצב תנודה. מ־$D$ הגל עולה לשיא $E$, יורד דרך $F$ לשפל $G$ וחוזר לקו שיווי המשקל ב־$H$ במצב זהה ל־$D$ (בעלייה) – זהו מחזור שלם אחד. (הנקודה $F$ אינה נכונה: המרחק $DF$ הוא רק חצי אורך גל.)

לפי הנוסחה:

הצבה:

- איור א – התאבכות הורסת. שני הגלים בעלי אותה משרעת ואותו אורך גל, אבל במקום שבו לאחד יש שיא לשני יש שפל. ההעתקים מנוגדים ושווים בגודלם, ולכן הם מבטלים זה את זה.

- איור ב – התאבכות בונה. השיאים חופפים לשיאים והשפלים לשפלים, ולכן ההעתקים מתחברים והגל המתקבל גבוה יותר.

את התוצאה מקבלים בעיקרון הסופרפוזיציה: בכל נקודה מחברים את ההעתקים של שני הגלים (העתק מעל הציר – חיובי, מתחתיו – שלילי).

בכל אחד מהאיורים, משרעת כל גל היא $2$ משבצות ואורך הגל $6$ משבצות.

איור א (הורסת): בכל נקודה ההעתק של גל אחד הוא $+y$ ושל השני $-y$, והסכום הוא $0$. התוצאה: קו ישר לאורך הציר – לאורך כל קטע הגל אין העתק.

איור ב (בונה): בכל נקודה שני ההעתקים שווים, והסכום כפול. התוצאה: גל באותו אורך גל ($6$ משבצות), שמתחיל ומסתיים באותן נקודות, עם שיא בגובה $4$ משבצות (במקום $2$) מעל הציר ושפל בעומק $4$ משבצות מתחתיו.

נכון. $\text{מהירות}=\dfrac{\text{מרחק}}{\text{זמן}}$ – המרחק שהגוף עובר בכל יחידת זמן (למשל מטרים בשנייה או קילומטרים בשעה).

נכון. המהירות של גוף אחד ביחס לגוף השני שווה להפרש המהירויות שלהם: $v_{\text{יחסית}}=v_1-v_2$, כאשר כל מהירות נלקחת עם סימן לפי כיוונה. כשהגופים נעים באותו כיוון מחסרים את גודלי המהירויות (מכונית ב־$100\,\text{km/h}$ עוקפת מכונית ב־$80\,\text{km/h}$ במהירות יחסית של $20\,\text{km/h}$); כשהם נעים זה לקראת זה, מהירות אחת שלילית, וההפרש יוצא סכום הגדלים ($80-(-80)=160\,\text{km/h}$).

(אם מבינים "הפרש המהירויות" כהפרש בין גודלי המהירויות בלבד, המשפט נכון רק לגופים הנעים באותו כיוון. ברמה של שאלון זה, שבה מהירות יחסית מוגדרת כהפרש המהירויות, התשובה המצופה היא "נכון".)

לא נכון. לפי החוק הראשון של ניוטון (חוק ההתמדה), גוף שלא פועלים עליו כוחות (או שסכום הכוחות עליו אפס) נמצא במנוחה או נע במהירות קבועה בקו ישר – בלי תאוצה. לפי החוק השני, תאוצה נגרמת רק על ידי כוח שקול: $F=ma$.

לא נכון. כוח שפועל נגד כיוון התנועה (למשל כוח הבלימה או חיכוך) מקטין את המהירות, וכוח הניצב לתנועה משנה את כיוונה (כמו בסיבוב). כמו כן כוחות יכולים לאזן זה את זה.

- (1) תנועה במעלה הר – מפריעה. רכיב של כוח הכובד פועל לאורך המסילה נגד כיוון התנועה.

- (2) תנועה במורד הר – אינה מפריעה (אלא עוזרת): רכיב של כוח הכובד פועל בכיוון התנועה.

- (3) שמן על המסילה – מפריע. השמן מקטין את החיכוך בין הגלגלים למסילה. הכוח שמניע את הרכבת קדימה הוא כוח החיכוך שהמסילה מפעילה על הגלגלים; בלי מספיק חיכוך הגלגלים מסתובבים במקום ("מחליקים"), והרכבת אינה יכולה להאיץ.

- (4) רוח נגד כיוון הנסיעה – מפריעה. התנגדות האוויר גדלה ופועלת נגד כיוון התנועה.

התשובה: (1), (3), (4).

טעות נפוצה: לחשוב ששמן "עוזר" כי הוא מקטין חיכוך – דווקא החיכוך בין הגלגל למסילה הוא שמאפשר לרכבת להאיץ.

קדמת הקרון. לפי חוק ההתמדה נעמי ממשיכה לנוע במהירות שהייתה לה (מהירות הרכבת). על הגלגיליות כמעט לא פועל עליה כוח אופקי, ולכן היא אינה מאטה יחד עם הקרון – הקרון מאט "מתחתיה", והיא מתקדמת יחסית אליו לכיוון קדמת הקרון.

אחורי הקרון. הקרון מאיץ, ונעמי – שעל גלגיליות, כמעט בלי כוח אופקי עליה – ממשיכה לנוע במהירותה הקודמת. לכן הקרון מקדים אותה, והיא נעה יחסית אליו לכיוון אחורי הקרון.

החוק הראשון (חוק ההתמדה): גוף שסכום הכוחות עליו אפס ממשיך לנוע במהירות קבועה. נעמי והקרון נעים באותה מהירות קבועה, ולכן היא נשארת במקומה ביחס לקרון.

מרחק. שנת אור היא המרחק שהאור עובר בשנה אחת (כ־$9.5\cdot10^{12}$ קילומטרים). למרות שבשמה מופיעה המילה "שנה", היא אינה יחידת זמן – משתמשים בה למדידת מרחקים עצומים בין כוכבים.

טעות נפוצה: לבחור "זמן" בגלל המילה "שנה".

נכון. בלי כוח, לפי חוק ההתמדה, הגוף היה ממשיך בקו ישר. כדי שישנה כל הזמן את כיוון תנועתו ויעבור במסלול מעגלי, חייב לפעול עליו כוח המכוון אל מרכז המעגל – כוח מרכזי (במכונית – כוח החיכוך בין הצמיגים לכביש).

לא נכון. הכוח שגורם לסיבוב מכוון אל מרכז המעגל, כלומר ניצב לכיוון התנועה של הרכב. כוח בכיוון התנועה רק היה מגדיל את המהירות ולא משנה את הכיוון.

נכון. הכוח המרכזי הדרוש הוא $F=\dfrac{mv^2}{R}$. במהירות קבועה הוא קטן כשהרדיוס גדל – סיבוב "רחב" מצריך כוח קטן יותר, ולכן הוא בטוח יותר מסיבוב חד.

לא נכון. לפי $F=\dfrac{mv^2}{R}$, ככל שהמהירות גדולה יותר הכוח המרכזי הדרוש גדל (בריבוע המהירות). לכן נכנסים לסיבוב במהירות נמוכה: אם הכוח הדרוש גדול מהחיכוך המרבי שהכביש יכול לספק, המכונית מחליקה החוצה מהסיבוב.

חץ $1$. הכוח הגורם לסיבוב הוא כוח מרכזי, המכוון אל מרכז המסלול המעגלי. בנקודה $A$ מרכז הסיבוב נמצא מימין למכונית, וחץ $1$ מכוון לשם. (חץ $2$ מכוון לאורך המסלול – בכיוון התנועה; חץ $3$ מכוון החוצה מהמעגל.)

כיוון $II$. כשהחיכוך מתאפס, לא פועל על המכונית שום כוח מרכזי (הכוח האופקי היחיד שגרם לסיבוב היה החיכוך). לפי חוק ההתמדה המכונית ממשיכה לנוע בקו ישר בכיוון שבו נעה באותו רגע – בכיוון המשיק למסלול בנקודה $C$, כלומר כיוון $II$.

כיוון $III$ (ממשיך להתעקל פנימה) היה מחייב כוח מרכזי, וכיוון $I$ (מתעקל החוצה) היה מחייב כוח החוצה מהמעגל – ואף אחד מהם אינו פועל.

טעות נפוצה: לבחור בכיוון $I$ בגלל "הכוח הצנטריפוגלי" שזורק החוצה – אין כוח כזה; המכונית פשוט ממשיכה ישר בכיוון המשיק.

יציבות של רכב נגד התהפכות תלויה בשני גורמים:

1. גובה מרכז הכובד – ככל שמרכז הכובד נמוך יותר, הרכב יציב יותר.

2. רוחב הבסיס (המרחק בין הגלגלים הימניים לשמאליים) – ככל שהבסיס רחב יותר, הרכב יציב יותר.

הסבר: רכב מתהפך כאשר האנך היורד ממרכז הכובד שלו יוצא מחוץ לבסיס (למשל בסיבוב חד או על מדרון צדדי). כשמרכז הכובד נמוך והבסיס רחב, צריך להטות את הרכב בזווית גדולה מאוד עד שזה יקרה.

השוואה לפי התרשים:

- ג – בסיס רחב ומרכז כובד נמוך → היציב ביותר.

- ד – מרכז כובד נמוך, אבל בסיס צר.

- א – בסיס רחב, אבל מרכז כובד גבוה.

- ב – בסיס צר ומרכז כובד גבוה → היציב פחות מכולם.

(מדידה על התרשים של היחס בין חצי רוחב הבסיס לגובה מרכז הכובד מעל הקרקע: ג כ־$1.5$, ד ו־א כ־$1.0$, ב כ־$0.6$ – יחס גדול יותר פירושו יציבות רבה יותר.)