מבחן תנופה במדע וטכנולוגיה לכיתה ט' (נוסח 2025, טופס ב') – עם פתרונות מלאים

התשובה:

הסבר שלב אחר שלב:

1. גובה – המים במאגר נמצאים בגובה רב מעל הטורבינה, ולכן יש להם אנרגיית גובה.

2. תנועה (קינטית) – המים זורמים במורד הצינור. אנרגיית הגובה הופכת לאנרגיית תנועה של המים, והמים מסובבים את הטורבינה ואת הגנרטור.

3. חשמלית – הגנרטור הופך את אנרגיית התנועה לאנרגייה חשמלית.

4. חום (תרמית) – לפי פסקה 1, הגנרטור מתחמם בזמן הפעולה. חלק מאנרגיית התנועה הופך לחום ולא לחשמל. את שתי האנרגיות שבצד שמאל אפשר לכתוב בכל סדר.

התשובה הנכונה: אלקטרונים.

זרם חשמלי בכבלי מתכת הוא תנועה מסודרת של אלקטרונים. במתכות יש אלקטרונים חופשיים, שאינם קשורים לאטום מסוים, והם יכולים לנוע לאורך הכבל. הגנרטור גורם להם לנוע – וזה הזרם החשמלי.

למה לא "מולקולות מים."? המים מסובבים את הטורבינה, אבל הם אינם נכנסים לכבלי החשמל. הזרם החשמלי בכבלים אינו זרימה של חומר כמו זרימת המים בצינור.

למה לא "פרוטונים."? פרוטונים הם חלק מגרעין האטום ונשארים בתוכו – הם לא מתקדמים לאורך הכבל.

למה לא "אטומי המתכת שבכבלים."? אטומי המתכת רוטטים במקומם ואינם מתקדמים לאורך הכבל. מה שזורם בכבל הוא האלקטרונים החופשיים.

התשובה הנכונה: בשני הצינורות תופק אותה כמות של אנרגייה בכל שנייה.

מחשבים את אנרגיית הגובה של המים שזורמים בכל שנייה (פסקה 2):

צינור 1: $E_h = m \cdot g \cdot h = 600 \cdot 10 \cdot 150 = 900{,}000\ J$

צינור 2: $E_h = 900 \cdot 10 \cdot 100 = 900{,}000\ J$

שתי התוצאות שוות. בצינור 2 זורמים פי 1.5 יותר מים, אבל המאגר נמוך פי 1.5, ולכן המכפלה $m \cdot h$ זהה. אם הטורבינות הופכות את האנרגייה לחשמל באותה יעילות, יופק בשני הצינורות אותו חשמל בכל שנייה.

למה לא "בצינור 1, כי המאגר שלו נמצא בגובה הרב ביותר."? האנרגייה תלויה גם בגובה וגם במסה. המאגר של צינור 1 אמנם גבוה יותר, אבל זורמים בו פחות מים בכל שנייה, ולכן האנרגייה אינה גדולה יותר.

למה לא "בצינור 2, כי זורמת בו כמות המים הגדולה ביותר בכל שנייה."? בצינור 2 אמנם זורמים יותר מים בכל שנייה, אבל המאגר שלו נמוך יותר, ולכן האנרגייה אינה גדולה יותר.

למה לא "אי אפשר לדעת, כי חסרים נתונים כדי להשוות בין שני הצינורות."? יש את כל הנתונים הדרושים לנוסחה: המסה של המים בכל שנייה, הגובה, והקבוע g. לכן אפשר לחשב ולהשוות.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "איזה מבין שלושת סוגי חומר הסיכה גורם לעלייה הקטנה ביותר בטמפרטורת ציר הטורבינה, כלומר לחיכוך הקטן ביותר?"

הסבר: שאלת מחקר טובה היא שאלה שמחברת בין מה שהחוקר משנה לבין מה שהוא מודד:

- המשתנה הבלתי תלוי (מה ששונה מפעם לפעם): סוג חומר הסיכה.

- המשתנה התלוי (מה שנמדד): כמה עלתה הטמפרטורה של הציר – וזה מעיד על כמות החיכוך.

שאלת "האם" חלשה יותר: אפשר לענות עליה רק ב"כן" או ב"לא", והיא אינה שואלת איך משתנה אחד משפיע על השני.

התשובה: ככל שחומר הסיכה פחות יעיל, החיכוך בציר גדול יותר, והעלייה בטמפרטורה של הציר גדולה יותר.

הסבר: חומר סיכה נועד להקטין את החיכוך. אם הוא פחות יעיל, החיכוך נשאר גדול. בחיכוך, חלק מאנרגיית התנועה של הציר הופך לאנרגיית חום. לכן חיכוך חזק יותר מחמם את הציר יותר, ועליית הטמפרטורה שלו גדולה יותר.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "יואב לא השתמש באותה כמות מכל חומר סיכה: מחומר Q הוא מרח 30 גרם, ומהאחרים 20 גרם. לכן אי אפשר לדעת אם הציר התחמם הכי מעט עם Q בגלל סוג החומר או בגלל הכמות הגדולה יותר שנמרחה ממנו."

הסבר: בניסוי הוגן רק הגורם הנבדק (כאן: איזה חומר סיכה מורחים) משתנה, וכל שאר הגורמים נשארים זהים (גורמים קבועים). לפי הטבלה, מחומר Q מרחו 30 גרם, ומחומרים P ו־R רק 20 גרם. דווקא עם Q התקבלה העלייה הקטנה ביותר בטמפרטורה (4°C), ואולי זה רק בגלל הכמות הגדולה יותר. כששני משתנים משתנים יחד, אי אפשר לדעת איזה מהם גרם לתוצאה.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "את החומרים מביאים במשאיות, והמנועים שלהן שורפים סולר. בשריפה משתחררים לאוויר פחמן דו־חמצני, שהוא גז חממה, וגם גזים מזהמים. ככל שפתרון צריך יותר משלוחים של חומרים, כך הוא פוגע יותר בסביבה."

הסבר: טביעת הרגל האקולוגית מבטאת את מידת הפגיעה של פעילות בסביבה. כדי לקבל ציון מלא צריך לקשר בין שני שלבים:

1. הובלת החומרים מחייבת שימוש בדלק (שריפת דלק במנועים).

2. בשריפת הדלק נפלטים לאוויר גזי חממה וחומרים מזהמים או רעילים.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "מכיוון שחסר להם האנזים, הטרהלוז מהפטריות עובר בלי להתפרק אל המעי הגס. החיידקים שחיים שם מפרקים אותו, ובתהליך משתחררים גזים כמו מימן ופחמן דו־חמצני. הגזים ממלאים את המעי, ולכן הבטן נפוחה."

הסבר שלב אחר שלב (פסקה 3):

1. חסר האנזים טרהלאז ← הטרהלוז אינו מתפרק במעי הדק.

2. הטרהלוז ממשיך אל המעי הגס.

3. חיידקי המעי מפרקים אותו, ותוצרי הפירוק כוללים גזים.

4. הגזים מצטברים ומותחים את דופן המעי ← תחושת נפיחות.

התשובה:

הסבר: ערך קלורי הוא מדד לאנרגייה שהגוף יכול לקבל ממזון. מקורות האנרגייה במזון הם פחמימות, שומנים וחלבונים – כולם תרכובות של פחמן.

- טרהלוז הוא פחמימה (דו־סוכר), וחלבונים הם אב מזון שהגוף יכול להפיק ממנו אנרגייה – ולכן שניהם תורמים לערך הקלורי.

- מים הם חלק חשוב מהגוף, אך הגוף אינו מפיק מהם אנרגייה.

- ברזל הוא מינרל, שחשוב למשל לבניית המוגלובין בדם, אבל הוא אינו מקור אנרגייה.

התשובה הנכונה: כי פחמימות הן מקור האנרגייה העיקרי של הגוף.

פחמימות (כמו עמילן וסוכרים) מתפרקות בגוף לגלוקוז. התאים מפרקים את הגלוקוז בנשימה התאית ומפיקים ממנו אנרגייה לכל פעולות הגוף – תנועה, חשיבה, שמירה על חום הגוף ועוד. לכן הן מקור האנרגייה העיקרי של הגוף. מחסור בפחמימות עלול לגרום לעייפות ולחולשה.

למה לא "כי פחמימות הן חומר הבניין העיקרי של תאי הגוף."? את רוב המבנים בתא בונים חלבונים. פחמימות משמשות בעיקר כ"דלק" – להפקת אנרגייה.

למה לא "כי פחמימות מונעות איבוד חום מהגוף."? שכבת שומן מתחת לעור היא שעוזרת לבודד את הגוף ולהקטין איבוד חום – לא פחמימות.

למה לא "כי פחמימות מונעות תחושת רעב."? תחושת רעב קשורה לכמות המזון ולסוגו, ולא רק לפחמימות. וגם אילו היה כך, זו אינה הסיבה שמחסור בפחמימות פוגע בבריאות.

התשובה הנכונה: כי בבוץ כזה, לחיידקים שמפיקים אנרגייה מחומצה טרפתלית יש מזון שחיידקים אחרים אינם יכולים לנצל, וזה נותן להם יתרון.

בבוץ עם הרבה שברי PET נוצרת חומצה טרפתלית (פסקה 2). חיידקים שיכולים להפיק ממנה אנרגייה מקבלים שם מזון נוסף, שרק הם מסוגלים לנצל. בזכות היתרון הזה הם מתרבים, וכמותם בבוץ גדלה – ולכן קל יותר למצוא אותם שם. בבוץ בלי PET אין להם יתרון כזה.

למה לא "כי בבוץ כזה יכולים לחיות רק חיידקים שמפיקים אנרגייה מחומצה טרפתלית."? בבוץ כזה חיים גם חיידקים רבים אחרים, שניזונים מחומרים אחרים. ההשערה היא שחיידקים שמשתמשים בחומצה טרפתלית יהיו שם בכמות גדולה יותר, לא שרק הם יחיו שם.

למה לא "כי בבוץ כזה החיידקים צריכים לנקות את הסביבה מפסולת הפלסטיק."? חיידקים אינם "צריכים" או "רוצים" לנקות את הסביבה. הם מפרקים את החומר כי הפירוק מספק להם אנרגייה. לייחס לחיידקים כוונה או מטרה היא טעות נפוצה.

למה לא "כי בבוץ כזה יש תמיד מספר גדול מאוד של מיני חיידקים."? ההשערה אינה עוסקת במספר המינים הכולל בבוץ, אלא בחיידקים שמשתמשים בחומצה טרפתלית. אין סיבה לחשוב שבבוץ עם פלסטיק יש יותר מינים של חיידקים.

התשובה: ביום ה־5 מתחילת הניסוי הגיעה כמות החיידקים ל־12 יחידות יחסיות, וריכוז החומצה הטרפתלית ביום זה היה 1.0 מילימולר.

שלב 1 – בגרף הימני (כמות החיידקים): מתחילים בערך 12 שעל הציר האנכי, מתקדמים אופקית עד הקו, ומשם יורדים אל ציר הזמן ← יום 5.

שלב 2 – בגרף השמאלי (ריכוז החומצה): מתחילים ביום 5 שעל ציר הזמן, עולים אנכית עד הקו, ובודקים את הערך בציר האנכי ← 1.0 מילימולר.

שימו לב: את היום מוצאים בגרף אחד, ואת הריכוז באותו יום – בגרף השני.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "לא. לפי הגרף, ביום ה־10 ריכוז החומצה הטרפתלית ירד ל־0, כלומר החיידקים כבר פירקו את כולה. היא מקור האנרגייה שלהם, ובלעדיה הם לא יוכלו להמשיך להתרבות."

הסבר: משלבים את שני הגרפים:

- גרף הריכוז: החומצה ירדה מ־3.0 מילימולר ל־0 ביום ה־10 – מקור המזון נגמר.

- גרף הכמות: מהיום ה־7 הגידול מאט מאוד (15 ← 15.5 ← 15.8 ← 16), בדיוק כשנשאר מעט חומר.

מכאן שהגידול תלוי בחומצה הטרפתלית, וכשהיא נגמרת הכמות מפסיקה לגדול.

התשובה הנכונה: חיידקי קומאמונס מתרבים רק כשיש להם מקור מזון כמו חומצה טרפתלית.

בין מבחנת הבקרה לבין מבחנת הניסוי יש רק הבדל אחד – האם יש בה חומצה טרפתלית.

•במבחנה עם החומצה: כמות החיידקים גדלה מ־1 ל־16 יחידות.

•במבחנת הבקרה בלי החומצה: הכמות כמעט לא השתנתה.

מכאן שהחומצה הטרפתלית היא שאפשרה לחיידקים להתרבות – הם משתמשים בה כמקור מזון.

למה לא "חומצה טרפתלית מתפרקת גם כשאין במבחנה חיידקים."? במבחנת הבקרה לא הייתה חומצה טרפתלית בכלל, ולכן היא אינה יכולה ללמד אותנו על פירוק החומצה בלי חיידקים. לשם כך צריך מבחנה עם החומצה ובלי חיידקים.

למה לא "כמות חיידקי הקומאמונס גדלה גם כשאין להם מקור מזון."? התוצאה מראה את ההפך – בלי חומצה טרפתלית כמות החיידקים נשארה כמעט קבועה.

למה לא "המדידות של כמות החיידקים ושל ריכוז החומצה היו מדויקות."? מבחנת בקרה אינה בודקת את הדיוק של המדידות. דיוק בודקים בדרכים אחרות, למשל בחזרה על המדידה כמה פעמים.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "החוקרים רצו להראות שאין להם אינטרס כספי בתוצאות. אילו חברת בקבוקים או מפעל מיחזור היו משלמים על המחקר, אנשים היו יכולים לחשוד שהתוצאות נוטו לטובתם."

הסבר: כדי שאפשר יהיה לסמוך על מחקר, הוא צריך להיות מהימן ושקוף. כשלחוקר יש קשר כספי לגורם שירוויח מתוצאה מסוימת, נוצר ניגוד עניינים, והחוקר עלול להטות את הניסוי או את הדיווח – לפעמים אפילו בלי לשים לב. למשל, מפעל מיחזור עשוי להרוויח אם יתפרסם שהחיידקים יעילים מאוד, וחברה שמייצרת בקבוקים עשויה להרוויח אם יתפרסם שאפשר "לפתור" בקלות את בעיית הפסולת. ההצהרה עוזרת לקוראים לסמוך על התוצאות.

התשובה הנכונה: מהמים שהשתילים קלטו בשורשים.

לפי פסקה 2, בפוטוסינתזה הצמח בונה גלוקוז משני חומרי מוצא: מים ($H_2O$) ופחמן דו־חמצני ($CO_2$).

$6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

במולקולת $CO_2$ אין אטומי מימן – יש בה רק פחמן וחמצן. לכן כל אטומי המימן שבגלוקוז הגיעו מהמים, שהצמח קולט בשורשים.

למה לא "מהפחמן הדו־חמצני שהשתילים קלטו בעלים."? במולקולת פחמן דו־חמצני ($CO_2$) אין אטומי מימן כלל. היא מספקת לגלוקוז את אטומי הפחמן ואת אטומי החמצן שבו.

למה לא "מהמינרלים שבתמיסה שבחממה."? מינרלים דרושים לצמח לתהליכים אחרים (למשל לבניית כלורופיל וחלבונים), אבל הגלוקוז אינו נבנה מהם.

למה לא "מאנרגיית האור של המנורות."? אור אינו חומר, ואין בו אטומים כלל. הוא מספק לתהליך אנרגייה – לא חומרי בניין.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "מהיום ה־8 אחוז הפחמן הדו־חמצני באוויר החממה ירד: הוא היה 5%, וירד עד פחות מחצי אחוז (בערך 0.3%) ביום ה־80."

קריאת הגרף:

1. הפחמן הדו־חמצני מסומן בקו הרציף הכחול.

2. ביום ה־8 הקו נמצא בגובה 5%.

3. מאותו יום הקו יורד: ביום ה־20 בערך 4%, ביום ה־40 בערך 1.5%, ביום ה־60 בערך 0.5%.

4. ביום ה־80 הוא נמוך מאוד – בערך 0.3%, אבל לא אפס.

המגמה היא ירידה – בהתחלה מהירה יותר, ובסוף איטית מאוד.

תשובה לדוגמה (ציון מלא): "עד היום ה־8 לא היו צמחים בחממה, והרכב האוויר לא השתנה. ביום ה־8 שתלו חיטה והדליקו מנורות, והשתילים התחילו לבצע פוטוסינתזה. בפוטוסינתזה הם קולטים פחמן דו־חמצני ומשחררים חמצן, ולכן מהיום ה־8 אחוז הפחמן הדו־חמצני יורד ואחוז החמצן עולה."

הסבר: מחברים בין הקטע לבין הגרף:

1. מהקטע (פסקה 4): השתילים נשתלו ביום ה־8, יחד עם תאורה – מאותו יום התחילה פוטוסינתזה.

2. פסקה 2: בפוטוסינתזה הצמחים קולטים פחמן דו־חמצני ומשחררים חמצן.

3. הגרף: לפני היום ה־8 שני הקווים ישרים, ומשם הפחמן הדו־חמצני יורד והחמצן עולה. שימו לב שהחמצן עולה בדיוק בכמות שבה הפחמן הדו־חמצני יורד (מ־15% לכ־19.7%, בזמן שהפחמן הדו־חמצני יורד מ־5% לכ־0.3%) – כמו שמתאר תהליך הפוטוסינתזה.

התשובה הנכונה: לפני היום ה־60 לא היה באוויר החממה מספיק חמצן כדי שתאי הגוף של אנשי הצוות יפיקו אנרגייה ביעילות.

לפי הגרף, בתחילת הניסוי היה באוויר החממה רק 15% חמצן, ורק בסביבות היום ה־60 אחוז החמצן הגיע לכ־19.5% – קרוב לאחוז החמצן באוויר שאנחנו נושמים (כ־21%, פסקה 1). לפי כללי בטיחות מקובלים, אוויר שיש בו פחות מכ־19.5% חמצן נחשב לא בטוח לעבודה בלי ציוד נשימה.

בני אדם מפיקים אנרגייה בנשימה התאית: התאים מפרקים גלוקוז בעזרת חמצן ומשחררים אנרגייה. כשיש באוויר מעט מדי חמצן, הדם מקבל פחות חמצן, והתאים אינם מפיקים מספיק אנרגייה – אדם מרגיש חולשה וסחרחורת. לכן אפשר היה לעבוד בחממה בלי מסכה רק כשאחוז החמצן עלה מספיק.

(גם ריכוז גבוה של פחמן דו־חמצני מזיק לבני אדם, ובסביבות היום ה־60 גם הוא כבר ירד לפחות מחצי אחוז – אבל אף אחת מהתשובות האחרות אינה אומרת זאת.)

למה לא "לפני היום ה־60 היו בחממה מעט צמחים, ולכן לא היה בה מספיק מזון לאנשי הצוות."? אנשי הצוות אינם צריכים לאכול מהצמחים כדי לעבוד בחממה – אפשר להביא להם מזון. הנתונים בגרף עוסקים בהרכב האוויר, וההבדל החשוב הוא באחוז החמצן.

למה לא "לפני היום ה־60 אחוז הפחמן הדו־חמצני בחממה היה נמוך מכדי שאנשי הצוות יוכלו לנשום."? בנשימה אדם קולט חמצן, ואת הפחמן הדו־חמצני הוא פולט – הוא לא זקוק לו. ובכל מקרה, בתחילת הניסוי אחוז הפחמן הדו־חמצני בחממה היה גבוה (5%), ולא נמוך.

למה לא "לפני היום ה־60 רק צמחים יכלו לחיות בחממה, כי הם מבצעים פוטוסינתזה במקום נשימה."? גם צמחים מבצעים נשימה תאית, ביום ובלילה, בנוסף לפוטוסינתזה. ובני אדם יכלו להיכנס לחממה ברגע שהיה באוויר שלה מספיק חמצן.