טלסקופ
מס' משכים 1
פתיחה – לראות רחוק יותר מהעין שלנו
העיניים שלנו הן כלי ראייה מדהים, אבל יש להן מגבלה: ככל שעצם נמצא רחוק יותר מאיתנו, הוא נראה קטן יותר וקשה לנו להבחין בפרטים שלו.
כאן נכנס לתמונה הטלסקופ.
טלסקופ הוא מכשיר אופטי שתפקידו לאסוף אור מעצמים רחוקים ולאפשר לנו לראות אותם בצורה ברורה ומוגדלת יותר. בעזרת טלסקופים אפשר לצפות בירח, בכוכבי לכת, בכוכבים ובעצמים רחוקים מאוד בחלל.
אבל טלסקופים אינם משמשים רק לאסטרונומיה. אותו עיקרון אופטי נמצא גם במשקפות, בכוונות, במכשירי תצפית ובמערכות צילום.
[להשאיר כאן את תמונת הטלסקופ הקיימת]
שאלה לתלמידים
אם כוכב נמצא במרחק עצום מאיתנו – איך הטלסקופ מצליח "לקרב" אותו?
חשוב להדגיש: הטלסקופ כמובן אינו מקרב באמת את העצם. הוא משנה את הדרך שבה האור המגיע מהעצם נכנס לעין שלנו, ולכן העצם נראה לנו גדול יותר.
קצת היסטוריה – מהטלסקופים הראשונים ועד קפלר
הטלסקופים הראשונים הופיעו בתחילת המאה ה־17. גלילאו גליליי שמע על מכשיר חדש שנבנה בהולנד, שיפר את הרעיון ובשנת 1609 החל להפנות טלסקופים אל השמיים.
בעזרת הטלסקופ ראה גלילאו דברים שאנשים לא הצליחו לראות קודם לכן בפירוט: הרים ומכתשים על הירח, כתמים על פני השמש, את מופעי נוגה ובעיקר ארבעה ירחים המקיפים את כוכב הלכת צדק. התצפיות האלה סיפקו ראיות חשובות לכך שלא כל גרמי השמים מקיפים את כדור הארץ.
כמה שנים לאחר מכן הציע המדען והאסטרונום יוהנס קפלר מבנה שונה לטלסקופ, המבוסס על שתי עדשות מרכזות. המבנה הזה נקרא כיום טלסקופ קפלרי, והוא הבסיס לטלסקופ הפשוט שאנו בונים בשיעור. אחד המאפיינים שלו הוא שהתמונה נראית הפוכה.
מי היה קפלר?
יוהנס קפלר היה מתמטיקאי ואסטרונום שחי במאות ה־16 וה־17. הוא לא היה הראשון שטען שכדור הארץ מקיף את השמש – ניקולאוס קופרניקוס הציג את המודל ההליוצנטרי לפניו – אבל קפלר גילה את החוקים המתמטיים המתארים כיצד כוכבי הלכת נעים סביב השמש.
אחת התגליות החשובות שלו הייתה שכוכבי הלכת אינם נעים במסלולים מעגליים מושלמים אלא במסלולים אליפטיים.
רגע לפני הטלסקופ – איך עדשה עובדת?
כדי להבין טלסקופ, צריך להבין קודם מה עושה עדשה.
אור נע בקווים ישרים כל עוד הוא עובר באותו חומר. כאשר האור עובר מחומר אחד לחומר אחר – למשל מהאוויר אל הזכוכית – כיוון התנועה שלו יכול להשתנות. לתופעה הזאת קוראים שבירת אור.
עדשה מנצלת את שבירת האור כדי לשנות את מסלול קרני האור.
ניסוי קצר
הראו לתלמידים זכוכית מגדלת ובקשו מהם להביט דרכה בטקסט או בחפץ קטן.
שאלו:
מה קרה לתמונה?
היא נראית גדולה יותר.
עכשיו הרחיקו בהדרגה את זכוכית המגדלת מהעצם.
במרחק מסוים אפשר לראות שהתמונה משתנה ואף יכולה להיראות הפוכה.
זה בדיוק אחד העקרונות שעליהם מבוסס הטלסקופ שלנו.
שתי העדשות של הטלסקופ
בטלסקופ הקפלרי הפשוט שלנו יש שתי עדשות עיקריות.
1. עדשת העצם – Objective
זוהי העדשה הקדמית של הטלסקופ – זו שפונה אל העצם הרחוק.
תפקידה החשוב ביותר הוא לאסוף אור.
כאשר אנו מביטים בעצם רחוק, קרני האור שמגיעות ממנו אל הטלסקופ הן כמעט מקבילות. העדשה הקדמית שוברת את הקרניים וגורמת להן להתכנס.
כתוצאה מכך נוצרת בתוך הטלסקופ דמות ממשית והפוכה של העצם.
ככל שהעדשה הקדמית גדולה יותר, היא יכולה לאסוף יותר אור. זאת אחת הסיבות לכך שטלסקופים מקצועיים גדולים כל כך – המטרה אינה רק "להגדיל", אלא גם לאסוף כמה שיותר אור מעצמים חלשים ורחוקים.
2. העינית – Eyepiece
זוהי העדשה הקטנה שנמצאת ליד העין שלנו.
העינית אינה "מביאה" עוד אור מהכוכב. היא מתפקדת למעשה כמו זכוכית מגדלת חזקה, שמאפשרת לעין שלנו להתבונן בדמות שכבר נוצרה על ידי עדשת העצם כשהיא נראית בזווית גדולה יותר.
השילוב בין שתי העדשות – כאשר הן נמצאות במרחק המתאים זו מזו – גורם לעצם הרחוק להיראות לנו גדול ומפורט יותר.
בטלסקופ קפלרי שתי העדשות הן עדשות מרכזות, והתוצאה היא תמונה מוגדלת אך הפוכה.
למה צריך להזיז את הטלסקופ כדי להגיע לפוקוס?
כאשר בונים את הטלסקופ נגלה שלא מספיק פשוט להניח שתי עדשות בתוך צינור.
צריך למצוא את המרחק הנכון ביניהן.
לכל עדשה יש תכונה שנקראת אורך מוקד – המרחק שבו קרני אור מקבילות מתכנסות לאחר שהן עוברות דרך העדשה.
כאשר העדשות נמצאות במיקום המתאים, האור יוצא מהעינית בצורה שהעין שלנו יכולה להתמקד בה בקלות והתמונה נראית חדה.
אם העדשות קרובות מדי או רחוקות מדי – התמונה תהיה מטושטשת.
לכן בטלסקופים אפשר להזיז חלק מהמערכת קדימה ואחורה כדי לבצע מיקוד – Focus.
פעילות
בקשו מהתלמידים לכוון את הטלסקופ לעצם רחוק ולשנות לאט את המרחק בין חלקי הטלסקופ.
מי מצליח להגיע לתמונה החדה ביותר?
למה התמונה בטלסקופ שלנו הפוכה?
זו אחת התופעות המפתיעות ביותר בטלסקופ הקפלרי.
האור שמגיע מחלקו העליון של העצם עובר דרך העדשה הקדמית ונשבר לכיוון מטה.
האור שמגיע מחלקו התחתון של העצם נשבר לכיוון מעלה.
קרני האור מצטלבות באזור המוקד.
כתוצאה מכך, העדשה הקדמית יוצרת דמות הפוכה.
העינית מגדילה את הדמות הזאת – אבל אינה הופכת אותה חזרה.
לכן כשאנחנו מביטים דרך הטלסקופ שלנו אנחנו רואים את העולם הפוך.
[להשאיר כאן את האיור הקיים המתאר את מעבר קרני האור דרך העדשות]
המחשה לתלמידים
כתבו על דף חץ גדול הפונה כלפי מעלה.
כוונו אליו את הטלסקופ.
שאלו:
לאיזה כיוון החץ פונה עכשיו?
הטלסקופ לא הפך את החפץ עצמו כמובן – הוא שינה את מסלול האור שהגיע ממנו אל העין.
ואם התמונה הפוכה – איך אסטרונומים מסתדרים?
כשמביטים בכוכבים אין באמת משמעות גדולה ל"למעלה" ול"למטה".
לכן בטלסקופ אסטרונומי אפשר בהחלט לעבוד עם תמונה הפוכה.
אבל אם נרצה להשתמש בטלסקופ לתצפית על נוף, ספינות או בעלי חיים, תמונה הפוכה יכולה להיות מאוד לא נוחה.
במשקפות ובטלסקופים המיועדים לצפייה יבשתית משתמשים במערכות אופטיות נוספות, למשל מנסרות, שיכולות לשנות שוב את מסלול האור ולגרום לתמונה להיראות ישרה.
ומה קורה בתוך העין שלנו?
מעניין לגלות שגם בעין האנושית מתרחש תהליך דומה.
בחלק הקדמי של העין נמצאות הקרנית והעדשה. הן מרכזות את האור ויוצרות תמונה על הרשתית הנמצאת בחלק האחורי של העין.
גם הדמות האופטית המתקבלת על הרשתית היא הפוכה.
המוח מקבל את המידע מהעיניים ומפרש אותו באופן שמאפשר לנו להבין נכון את הכיוון והמיקום של העולם שסביבנו.
כלומר, עדיף לא לומר שהמוח פשוט "לוקח תמונה והופך אותה כמו בטלפון", אלא שהוא לומד ומפרש את המידע החזותי שמגיע מהרשתית.
[להשאיר כאן את תמונת/דוגמת העין הקיימת]
הספינה שנעלמת באופק
דמיינו ספינה שמתרחקת מאיתנו בים.
אם כדור הארץ היה משטח ישר לחלוטין, היינו מצפים שכל הספינה פשוט תלך ותיראה קטנה יותר ויותר.
אבל בפועל, כאשר ספינה מתרחקת מעבר לאופק, החלק התחתון שלה נעלם תחילה ורק אחר כך החלקים הגבוהים – למשל התורן.
וכאשר ספינה מתקרבת אלינו מעבר לאופק, ניתן לראות תחילה את החלקים הגבוהים שלה ורק לאחר מכן את גוף הספינה.
זוהי המחשה פשוטה לעקמומיות פני כדור הארץ.
חשוב לדעת שהידיעה שכדור הארץ הוא כדורי עתיקה בהרבה מגלילאו. יותר מאלף שנה לפניו כבר עסקו היוונים הקדומים בצורת כדור הארץ, ובמאה השלישית לפני הספירה ארטוסתנס אפילו השתמש בצללים ובגאומטריה כדי לחשב בקירוב את היקף כדור הארץ.
שאלה לתלמידים
אם יש לנו טלסקופ חזק מאוד – האם נוכל לראות ספינה שכבר נמצאת לגמרי מתחת לאופק?
לא.
הטלסקופ יכול להגדיל אור שמגיע אלינו, אבל הוא אינו יכול לגרום לאור לעבור דרך כדור הארץ. אם עקמומיות כדור הארץ מסתירה את הספינה, הגדלה חזקה יותר לא תחזיר אותה לשדה הראייה.
אז מה בעצם הטלסקופ עושה?
אפשר לסכם את פעולת הטלסקופ בשלושה שלבים:
-
איסוף אור – העדשה הקדמית אוספת אור שמגיע מהעצם הרחוק.
-
יצירת דמות – קרני האור מתכנסות ונוצרת דמות ממשית בתוך הטלסקופ.
-
הגדלה לעין – העינית מאפשרת לנו לראות את הדמות בזווית גדולה יותר, ולכן היא נראית לנו מוגדלת.
הטלסקופ אינו מקרב את הירח או את הכוכבים.
הוא מאפשר לעיניים שלנו להשתמש באור המגיע מהם בצורה יעילה יותר.
עובדה מעניינת – מה חשוב יותר, הגדלה או גודל הטלסקופ?
הרבה אנשים חושבים שהדבר החשוב ביותר בטלסקופ הוא כמה פעמים הוא מגדיל.
אבל באסטרונומיה אחד הדברים החשובים ביותר הוא דווקא כמה אור הטלסקופ מצליח לאסוף.
עצמים רבים בחלל רחוקים וחלשים מאוד.
עדשה או מראה גדולה יותר אוספת יותר אור ולכן מאפשרת לראות עצמים חלשים יותר ופרטים רבים יותר.
זו הסיבה שטלסקופים מקצועיים יכולים להיות עצומים.
גלילאו משנה את הדרך שבה אנחנו מסתכלים על השמיים
כשגלילאו כיוון את הטלסקופ שלו אל צדק בשנת 1610, הוא הבחין בנקודות אור קטנות לידו.
לילה אחר לילה הוא עקב אחריהן וגילה שהן משנות מיקום, אך נשארות ליד צדק.
לבסוף הבין: אלה אינם כוכבים רחוקים.
אלה ירחים המקיפים את צדק.
כיום אנו מכירים אותם בשמות:
איו, אירופה, גנימד וקליסטו.
הגילוי היה חשוב מאוד, מפני שהוא הראה בצורה ברורה שיש גופים בחלל שאינם מקיפים את כדור הארץ.
לפני הבנייה – אתגר קטן
החזיקו את שתי העדשות בנפרד.
נסו להביט דרך כל אחת מהן.
מה ההבדל ביניהן?
עכשיו נסו להחזיק אותן זו מאחורי זו ולהסתכל על עצם רחוק.
הזיזו אותן לאט זו ביחס לזו.
בשלב מסוים תגלו פתאום:
התמונה נהיית חדה – ויש לכם טלסקופ!
זה בדיוק מה שאנחנו עומדים לבנות.
בניית הטלסקופ
כעת נבנה את הטלסקופ שלנו בהתאם לסרטון ולהוראות הערכה.
במהלך הבנייה חשוב לשים לב במיוחד ל־3 דברים:
מיקום העדשות – כל עדשה צריכה להיות במקום הנכון.
יישור העדשות – מרכזי שתי העדשות צריכים להיות פחות או יותר על אותו ציר.
יכולת המיקוד – יש לאפשר תנועה בין חלקי הטלסקופ כדי למצוא את המרחק שבו מתקבלת התמונה החדה ביותר.
[להשאיר כאן את סרטון הבנייה הקיים]
חשוב מאוד – בטיחות
לעולם אין להביט ישירות בשמש דרך הטלסקופ!
גם לא לשנייה.
הטלסקופ מרכז אור, ולכן צפייה בשמש דרך טלסקופ ללא מסנן שמש ייעודי עלולה לגרום נזק חמור וקבוע לעיניים.
אין לכוון את הטלסקופ אל השמש.
משימת סיום – חוקרי טלסקופים
לאחר סיום הבנייה, כל תלמיד או קבוצה יבחרו עצם רחוק לצפייה – שלט, בניין, עץ או חפץ שנמצא בקצה החדר.
נסו לענות:
האם התמונה מוגדלת?
האם היא ישרה או הפוכה?
מה קורה כאשר משנים את המרחק בין העדשות?
מתי התמונה הכי חדה?
האם קל יותר לראות פרטים דרך הטלסקופ מאשר בעין בלבד?
אתגר אחרון
נסו להסביר במילים שלכם:
איך שתי חתיכות זכוכית מצליחות לגרום לעצם רחוק להיראות קרוב?
אם הצלחתם להסביר את זה – הבנתם את העיקרון שעליו פועלים טלסקופים כבר יותר מ־400 שנה.
אז עכשיו, אחרי שלמדנו כ"כ הרבה, הגיע הזמו לבנות לעצמנו טלסקופ משלנו:
הארה בפייסבוק
