אנחנו מסתכלים על ציפור שנמצאת רחוק, על שלט בקצה החצר או על מבנה במרחק גדול ולא מצליחים לראות את כל הפרטים.
ואז מרימים משקפת לעיניים – ופתאום הפרטים מופיעים.
אבל העצם לא באמת התקרב אלינו.
אז מה השתנה?
איך שתי חתיכות זכוכית גורמות לדבר רחוק להיראות גדול וקרוב יותר?
בפעילות נבנה משקפת פשוטה ונשתמש בה כדי לגלות כיצד אור נע, כיצד עדשות משנות את מסלולו ואיך אפשר ליצור מערכת אופטית שמאפשרת לנו לראות עצמים רחוקים בצורה ברורה ומוגדלת.
מה נלמד?
במהלך הפעילות נכיר ונחקור:
מהו מכשיר אופטי
כיצד האור נע
מהי שבירת אור
מהי עדשה
ההבדל בין עדשה קמורה לעדשה קעורה
מהו מוקד
מהו אורך מוקד
מה תפקיד העצמית
מה תפקיד העינית
כיצד נוצרת הגדלה
כיצד מבצעים פוקוס
מה משמעות המספרים שעל משקפת
מהו שדה ראייה
מהו אישון יציאה
כיצד פועלת משקפת מקצועית
תכנון, בנייה והתנסות במשקפת
הרעיון המרכזי:
אנחנו לא מקרבים את העצם אלינו – אנחנו שולטים במסלול האור שמגיע ממנו אל העיניים שלנו.
מהו מכשיר אופטי?
מכשיר אופטי הוא מכשיר המשתמש באור ובעקרונות הקשורים להתנהגות האור כדי ליצור, לשנות או להציג תמונה.
אנחנו פוגשים מכשירים אופטיים כמעט בכל מקום:
משקפיים
מצלמות
זכוכית מגדלת
מיקרוסקופים
טלסקופים
משקפות
למרות שהם נראים שונים מאוד, כולם משתמשים בדרך כלשהי בשליטה במסלול האור.
לפני המשקפת – צריך להבין את האור
האור נע דרך האוויר ומגיע אל עצמים.
חלק מהאור מוחזר מהעצם ומגיע אל העיניים שלנו, וכך אנחנו רואים אותו.
אבל מה קורה כאשר האור עובר מחומר אחד לחומר אחר?
למשל:
מאוויר למים,
או מאוויר לזכוכית?
האור יכול לשנות את כיוון התנועה שלו.
לתופעה הזאת קוראים:
שבירת אור
ניסוי קטן – העיפרון שנשבר
הכניסו עיפרון לכוס שקופה עם מים והסתכלו עליו מהצד.
העיפרון נראה כאילו הוא נשבר או מתעקם בנקודה שבה הוא נכנס למים.
האם העיפרון באמת נשבר?
כמובן שלא.
האור שמגיע מהעיפרון משנה כיוון כאשר הוא עובר מהמים אל האוויר.
המוח שלנו מפרש את האור כאילו הגיע במסלול ישר – ולכן העיפרון נראה במקום מעט שונה מהמקום שבו הוא באמת נמצא.
זהו אחד הביטויים הפשוטים והמפתיעים של שבירת אור.
ומה הקשר לעדשה?
עדשה היא רכיב אופטי שקוף, בדרך כלל מזכוכית או מחומר פלסטי אופטי, בעל צורה מיוחדת.
הצורה של העדשה גורמת לקרני האור לשנות את כיוונן כאשר הן עוברות דרכה.
באמצעות צורות שונות של עדשות אפשר:
לרכז אור,
לפזר אור,
ליצור תמונה,
לשנות את גודל התמונה,
ולעזור לנו לראות אותה בצורה ברורה.
שתי עדשות – שתי התנהגויות
עדשה קמורה – עדשה מרכזת
עדשה קמורה עבה יותר במרכז ודקה יותר בקצוות.
כאשר קרני אור מקבילות עוברות דרכה, הן נשברות לכיוון הציר ומתכנסות.
המקום שבו קרניים מקבילות מתכנסות נקרא:
מוקד
עדשה קעורה – עדשה מפזרת
עדשה קעורה דקה יותר במרכז ועבה יותר בקצוות.
כאשר קרני אור עוברות דרכה, הן מתפזרות.
אם ממשיכים בדמיון את הקרניים לאחור, נראה כאילו הן הגיעו מנקודה מסוימת.
גם כאן מדברים על מוקד, אך במקרה של עדשה מפזרת זהו מוקד מדומה.
מהו מוקד?
כאשר קרני אור מקבילות עוברות דרך עדשה קמורה מתאימה, העדשה מרכזת אותן לעבר נקודה.
לנקודה הזאת קוראים:
נקודת המוקד – Focal Point
המרחק בין מרכז העדשה לבין המוקד נקרא:
אורך מוקד – Focal Length
אורך המוקד הוא אחד המאפיינים החשובים של עדשה והוא משפיע על האופן שבו מערכת אופטית יוצרת ומגדילה תמונות.
ומהו דיופטר?
המילה דיופטר משמשת לעיתים כאשר מדברים על משקפיים ועדשות.
חשוב לדייק:
דיופטר הוא יחידת מידה לעוצמה האופטית של עדשה.
דיופטר אינו "נקודה" ואינו המרחק עד למוקד.
ככל שאורך המוקד קצר יותר, העוצמה האופטית של העדשה גדולה יותר.
בפעילות שלנו אין צורך לחשב דיופטרים.
המושגים החשובים להבנת המשקפת הם:
מוקד, אורך מוקד ומסלול האור.
תפסו את האור
אפשר לבצע ניסוי בעזרת עדשה קמורה ודף לבן.
מכוונים את העדשה לעבר חלון או עצם רחוק ומואר ומחזיקים מאחוריה דף לבן.
מזיזים את העדשה או הדף קדימה ואחורה.
במרחק מסוים ניתן לקבל על הדף תמונה ברורה של העצם.
זה רגע חשוב:
העדשה לא רק "מגדילה" – היא באמת מסוגלת ליצור תמונה.
נסו לבדוק:
האם התמונה ישרה או הפוכה?
ומה קורה אם משנים את המרחק בין העדשה לבין המסך?
חלקי המשקפת
משקפת משתמשת במערכת של רכיבים אופטיים.
שני הרכיבים הבסיסיים שנכיר הם:
העצמית – Objective
העצמית היא העדשה הקדמית של המשקפת, הפונה לעבר העצם שבו אנחנו צופים.
תפקידה לאסוף אור מהעצם ולהכניס אותו אל המערכת האופטית.
קוטר עצמית גדול יותר מאפשר, בתנאים דומים, לאסוף יותר אור – יתרון חשוב במיוחד כאשר התאורה חלשה.
העינית – Eyepiece
העינית נמצאת ליד העין.
היא מאפשרת לנו להתבונן בתמונה שנוצרה במערכת האופטית כך שהיא נראית לנו בזווית גדולה יותר – כלומר מוגדלת.
במילים פשוטות:
העצמית אוספת את האור ויוצרת את התמונה – העינית מאפשרת לנו לראות אותה מוגדלת.
איך משקפת מקצועית פועלת?
משקפת רגילה מורכבת למעשה משתי מערכות אופטיות מקבילות – אחת לכל עין.
האור נכנס דרך העצמית.
העצמית יוצרת תמונה בתוך המערכת.
במשקפות מקצועיות רבות האור עובר גם דרך מערכת של מנסרות.
המנסרות משנות את מסלול האור ומאפשרות בין היתר להציג לנו תמונה בכיוון הנכון ולקפל את מסלול האור בתוך גוף קומפקטי יחסית.
בסוף המסלול האור מגיע לעינית – ואנחנו רואים את התמונה המוגדלת.
ומה קורה במשקפת שאנחנו בונים?
המשקפת הפשוטה שאנחנו בונים אינה כוללת את כל הרכיבים של משקפת מקצועית.
אנחנו משתמשים במערכת פשוטה של שתי עדשות:
עדשה קמורה כעצמית
ו־
עדשה קעורה כעינית.
מערכת כזו יכולה ליצור תמונה זקופה ללא צורך במנסרות, ולכן היא מאפשרת לנו להבין את העיקרון האופטי באמצעות מעט מאוד רכיבים.
המטרה שלנו אינה לבנות משקפת מקצועית – אלא להבין באמצעות הבנייה כיצד שילוב של עדשות יכול לשנות את האופן שבו אנחנו רואים עצם רחוק.
למה צריך שתי עדשות?
עדשה אחת לבדה יכולה ליצור או לשנות תמונה.
אבל המשקפת צריכה לבצע כמה פעולות יחד:
לאסוף אור מהעצם,
לשנות את מסלול קרני האור,
ולאפשר לעין לראות את העצם בזווית גדולה יותר.
היחסים בין שתי העדשות – ובמיוחד אורכי המוקד שלהן והמרחק ביניהן – קובעים כיצד המערכת תתנהג.
מהו פוקוס?
כולנו מכירים את המילה "פוקוס" מהמצלמה בטלפון.
אבל מה בעצם קורה?
כדי לראות תמונה חדה, קרני האור צריכות להגיע למערכת הראייה שלנו בצורה המתאימה.
במערכת אופטית אפשר לשנות את היחסים בין רכיבי המערכת וכך להתאים אותה לעצמים הנמצאים במרחקים שונים.
במשקפת פשוטה אפשר לחקור זאת ישירות:
קרבו והרחיקו מעט בין העדשות – מתי התמונה נעשית חדה ביותר?
זו אינה רק "התאמה לעין".
זהו שינוי במערכת האופטית שמשפיע על מסלול קרני האור ועל התמונה שאנחנו רואים.
ניסוי חקר – איפה הפוקוס?
בחרו עצם רחוק.
הסתכלו עליו דרך המשקפת.
שנו בזהירות את המרחק בין העדשות.
בכל פעם שאלו:
האם התמונה חדה?
האם היא מטושטשת?
האם היא נראית גדולה יותר?
מה השתנה כאשר הזזנו את העדשות?
עבדו כמו מדענים:
השערה → שינוי → תצפית → תוצאה → הסבר
מה משמעות המספרים שעל המשקפת?
על משקפות אפשר למצוא סימון כגון:
8×42
לכל מספר משמעות אחרת.
8×
זהו כושר ההגדלה.
משקפת בעלת הגדלה של ×8 גורמת לעצם להיראות לנו בגודל זוויתי גדול בערך פי 8 לעומת צפייה בעין בלבד.
דרך פשוטה לחשוב על כך:
עצם שנמצא במרחק 800 מטר דרך משקפת ×8 יכול להיראות בערך כמו אותו עצם כאשר מסתכלים עליו בעין ממרחק 100 מטר.
העצם כמובן לא באמת התקרב.
42
זהו קוטר העצמית במילימטרים.
במקרה הזה:
42 מ"מ.
עצמית גדולה יותר יכולה לאסוף יותר אור, דבר שיכול להיות משמעותי במיוחד בתנאי תאורה חלשים.
האם הגדלה גדולה יותר תמיד טובה יותר?
לא.
אם ×8 טוב, אולי ×20 טוב יותר?
ואם ×20 טוב, למה לא להשתמש תמיד ב־×100?
כאן אנחנו מגלים עיקרון חשוב בהנדסה:
לכל יתרון יש מחיר.
כאשר ההגדלה גדלה:
הפרטים יכולים להיראות גדולים יותר,
אבל רעידות קטנות של היד מורגשות יותר,
שדה הראייה בדרך כלל נעשה צר יותר,
וקשה יותר לשמור על תמונה יציבה.
לכן משקפת טובה אינה בהכרח המשקפת בעלת ההגדלה הגדולה ביותר.
היא המשקפת המתאימה ביותר למשימה.
מהו שדה ראייה?
הסתכלו דרך המשקפת מבלי להזיז אותה.
כמה מהנוף אתם מצליחים לראות?
לשטח שאנחנו רואים דרך המשקפת קוראים:
שדה ראייה
שדה ראייה רחב מאפשר לראות חלק גדול יותר מהסביבה בו־זמנית.
זה שימושי במיוחד כאשר רוצים למצוא עצם נע כמו ציפור.
אם על משקפת כתוב לדוגמה:
120 m / 1000 m
המשמעות היא שבמרחק של 1,000 מטר אנחנו רואים דרך המשקפת אזור שרוחבו בערך 120 מטר.
מהו אישון יציאה?
אם מחזיקים משקפת מעט רחוק מהעיניים ומכוונים אותה לעבר אזור מואר, אפשר לראות בעינית עיגול אור קטן.
העיגול הזה נקרא:
אישון יציאה – Exit Pupil
קוטר אישון היציאה מחושב באמצעות:
קוטר העצמית ÷ ההגדלה
לדוגמה:
במשקפת 8×42:
42 ÷ 8 ≈ 5.3 מ"מ.
אישון יציאה גדול יותר יכול לעזור להעביר לעין יותר אור בתנאי תאורה חלשים, כל עוד העין מסוגלת לקבל אותו.
חשוב:
אישון יציאה אינו קוטר העינית.
סוגי משקפות
קיימים סוגים רבים של משקפות, וכל אחד מתאים לצורך אחר.
משקפות קומפקטיות
קטנות וקלות לנשיאה ומתאימות לטיולים ולשימוש יום־יומי.
משקפות שדה
בדרך כלל בעלות עצמית גדולה יותר ומתאימות לצפייה בטבע, בבעלי חיים ובנוף.
משקפות זום
מאפשרות לשנות את ההגדלה בתחום מסוים.
משקפות אסטרונומיות
מיועדות לצפייה בשמי הלילה ולעיתים בעלות עדשות עצמית גדולות.
משקפות עמידות למים
מתוכננות לעבודה בתנאי שטח ולחות. בדגמים רבים גוף המשקפת אטום וממולא בגז יבש כדי לצמצם היווצרות אדים פנימיים.
למה משתמשים במשקפת?
משקפות משמשות במגוון עצום של תחומים:
צפייה בציפורים ובחיות בר
טיולים ותצפיות נוף
תצפיות ימיות
ספורט
אסטרונומיה
מחקר
ניווט ותצפית מקצועית
בכל המקרים המטרה דומה:
לקבל מהאור שמגיע מעצם רחוק יותר מידע ממה שהעין לבדה מסוגלת לראות בנוחות.
בונים משקפת
עכשיו מגיע השלב שבו הופכים את מה שלמדנו למוצר אמיתי.
במהלך ההרכבה חשוב לזהות:
איזו עדשה היא העצמית?
איזו עדשה היא העינית?
באיזה כיוון הן צריכות להיות?
ומה צריך להיות המרחק ביניהן?
בזמן הבנייה אל תסתפקו בשאלה:
"האם המשקפת עובדת?"
נסו לשאול:
"למה היא עובדת?"
אתגר החדות
לאחר שהמשקפת מוכנה, בחרו עצם רחוק.
נסו לקבל את התמונה החדה ביותר שאתם יכולים.
שנו בכל פעם רק דבר אחד.
לדוגמה:
המרחק בין העדשות.
לפני כל שינוי:
השערה – מה אנחנו חושבים שיקרה?
אחרי השינוי:
תצפית – מה באמת קרה?
ולבסוף:
מסקנה – האם ההשערה שלנו הייתה נכונה?
אתגר שדה הראייה
בחרו עצם גדול או אזור מוכר בחצר.
הסתכלו עליו פעם בעין בלבד ופעם דרך המשקפת.
שאלו:
מה נראה גדול יותר?
האם רואים יותר פרטים?
האם רואים חלק גדול יותר או קטן יותר מהסביבה?
האם קל למצוא מחדש עצם אחרי שמזיזים את המשקפת?
כך אפשר להבין שהגדלה ושדה ראייה הם שני דברים שונים.
מה הערך הלימודי של הפעילות?
בניית המשקפת אינה רק פעילות יצירה.
באמצעותה התלמידים חוקרים כיצד אפשר לשלוט באור ולהשתמש בעקרונות מדעיים כדי לפתור בעיה אמיתית:
כיצד לראות טוב יותר עצמים רחוקים?
במהלך הפעילות התלמידים מתרגלים:
חשיבה מדעית
שאילת שאלות
תצפית
בניית השערה
ניסוי
שינוי משתנה אחד בכל פעם
השוואת תוצאות
סיבה ותוצאה
פתרון בעיות
חשיבה הנדסית
בניית מוצר
בדיקתו ושיפורו
המטרה היא לעבור מ:
"בנינו משקפת."
ל:
"אני מבין כיצד עדשות משנות את מסלול האור ואיך שילוב ביניהן מאפשר לנו לראות עצמים רחוקים בצורה מוגדלת וברורה."
שאלת הסיום
אם הגדלה גדולה עוזרת לנו לראות יותר פרטים –
למה לא בונים פשוט משקפת עם הגדלה עצומה?
חשבו על:
שדה הראייה,
רעידות היד,
כמות האור,
יציבות התמונה,
והמטרה שלשמה משתמשים במשקפת.
זהו אחד העקרונות החשובים בהנדסה:
לא מחפשים תמיד את המספר הגדול ביותר – מחפשים את השילוב המתאים ביותר למשימה.
ובפעם הבאה שתסתכלו דרך משקפת, זכרו:
העצם הרחוק לא התקרב אליכם. אתם פשוט למדתם לשלוט באור שמגיע ממנו.
הארה בפייסבוק
-1.png)
-1-1.jpeg)
