א. מבוא

ניתן למדוד זמן באמצעות תהליכים פיזיקליים מחזוריים או רציפים. לפני הפיתוח של שעונים אטומיים מודרניים, אנשים השתמשו בשיטות שונות למדידת זמן, כגון שעוני שמש, שעוני מטוטלת ושעוני מים.

שעון מים מודד זמן באמצעות זרימת מים מבוקרת. בניסוי זה, תחקרו את העקרונות הפיזיקליים של זרימת מים ותיישמו אותם לבניית שעון מים.

ב. אביזרי הניסוי

הציוד הבא מסופק:

1. מכל A — המכל התחתון, מצויד בשסתום ובשני פקקים

2. מכל B — המכל העליון, מיועד לאספקת מים, ומצויד בפקק

3. מעמד למכלים

4. מכל לאיסוף מים

5. שני בקבוקי מים בנפח 2 ליטר כל אחד (אינם מופיעים בתמונה)

6. משאבת סיפון

7. שעון עצר (סטופר)

8. כוס

9. סרגל

10. פלס בועה

11. בסיס מתכוונן

12. מגבת — אינה מופיעה בתמונה

*המגבת היא למזכרת, אנא קחו אותה לאחר סיום הבחינה.

None

התאמת הבסיס

ישנם ארבעה ברגים מתחת לבסיס המתכוונן. ניתן לשנות את הגובה של כל רגל על ידי סיבובה.

None

משאבת סיפון

אם מיכל המים מתמלא מדי, ניתן לרוקן אותו באמצעות משאבת סיפון. הכניסו את הצינור החלק למים ואת הצינור הגמיש לתוך הבקבוק. במצב זה ניתן להעביר את המים לבקבוק על ידי לחיצה חוזרת על ידית הלחיצה.

הערה:

ודאו שהבסיס המתכוונן והמיכלים מאוזנים לפני תחילת המדידות, כך שתוכלו למדוד את הגבהים בצורה נכונה.

רוקנו את מיכל האיסוף לעיתים קרובות כדי למנוע ציפה של המכשיר.

יבשו את ידיכם לפני כתיבה בגיליון התשובות או התעסקות בציוד ניסיוני אחר.

יש להודיע לאחראי במקרה של דליפה, תקלה או אובדן הפקק של החור באופן מיידי.

ג. הניסוי

זרימת מים דרך שסתום

1. הניחו את הבסיס המתכוונן במיכל לאיסוף המים.

2. וודאו שהבסיס אופקי לגמרי, על ידי כיוונון הברגים ברגליים.

3. הניחו את המעמד על הבסיס המתכוונן.

4. הניחו את מיכל A על המעמד.

למיכל A יש שלושה פתחי יציאה: חור אחד בקוטר 5 מ״מ , חור אחד בקוטר 4 מ״מ ושסתום אחד בקוטר 4 מ״מ .

בחלק A השתמשו רק בשסתום.

A1  ^0.50 מדדו את האורכים הפנימיים של מיכל A. מדדו את הרוחב, האורך והמרווח בין סימוני הגובה שעל המיכל. שימו לב שהסימון מתחיל ממרכז השסתום והחורים.

A2  ^1.00 מלאו את מיכל A במים עד לגובה של 5.0 ס״מ. פתחו את השסתום עד הסוף ובצעו מדידות כדי לקבוע את הזמן (כולל הערכת שגיאה) שלוקח למפלס המים לרדת מ-5.0 ס״מ עד ל-4.0 ס״מ. השתמשו בסימון שעל המיכל עבור הגבהים.

A3  ^1.50 חזרו על המדידות ב-A.2 עבור לפחות ארבעה גבהים התחלתיים שונים של מפלס המים (מינימום של 3 ס״מ כגובה התחלתי). שימו לב שבגבהים נמוכים יותר הניסוי לוקח זמן רב מדי (למשל בין 1 ל-3 ס״מ). עבור כל מדידה, תעדו את המדידות ואת ממוצע הזמן הנדרש לירידה של 1 ס״מ במפלס המים עבור כל גובה התחלתי.

A4  ^1.00 מצאו את המהירות הממוצעת $v_v$ שבה המים זורמים החוצה כשהמפלס יורד ב-1 ס"מ לכל גובה התחלתי.

הערה: ניתן להשתמש במחשבון שסופק.

A5  ^1.00 נניח שהמהירות הממוצעת מתנהגת לפי הנוסחה הבאה:

$$v_v = C_1 h^x$$
שרטטו גרף מתאים כדי לקבוע את המעריך $x$. כתבו מפורשות את הערך של $x$ שהתקבל.

שימו לב שעדיף להשתמש בערך הממוצע בין הגבהים ההתחלתיים והסופיים כדי לקבוע את המעריך $x$.

זרימת מים דרך חור

בחלק זה, השתמשו בחור הקטן יותר של מיכל A, שקוטרו 4 מ״מ. הקפידו לסגור את השסתום ששימש אתכם בחלק A.

B1  ^1.50 עבור לפחות חמישה גבהים התחלתיים שונים של המים h, מדדו את הזמן שנדרש לירידה של מפלס המים ב-1.0 ס״מ.

B2  ^0.50 מצאו את המהירות הממוצעת $v_h$ של המים היוצאים מהחור עבור כל גובה התחלתי של מפלס המים.

השתמשו באותה שיטה כמו בסעיף A.4.

B3  ^1.00 השוו את מהירות הזרימה הממוצעת דרך השסתום $v_v$ למהירות הזרימה הממוצעת דרך החור$v_h$.

נניח שמתקיים$v_v = C_2 v_h$

מצאו את הקבוע $C_2$.

בניית שעון המים

בנו שעון מים באמצעות מיכלים A ו-B.

סדרו את המיכלים באופן הבא:

מקמו את מיכל A (עם השסתום) למטה.

מקמו את מיכל B (עִם החור בקוטר 5 מ״מ) למעלה.

מיכל B מספק מים למיכל A.

ממיכל A זורמים מים דרך השסתום הפתוח במלואו.

כדי לשמור על תפקוד יציב של שעון המים, יש לוודא שמכל A נשאר מלא או אף עולה על גדותיו כתוצאה מהמים שמגיעים ממיכל B.

C1  ^1.00 נסמן ב-$h_c$ את מפלס המים המינימלי במיכל B שמאפשר לשמור על מיכל A מלא או עולה על גדותיו. $h_c$ נמדד ממרכז החור במיכל. תכננו ניסוי להערכת $h_c$ ובצעו אותו. תעדו את תוצאות המדידה והעריכו את $h_c$ לפיהן.

C2  ^1.00 כדי לאפשר לשעון המים לפעול באופן תקין יש למלא את מיכל B באופן מחזורי.

תכננו ניסוי. שרטטו את מערכת הניסוי וכתבו מה מדדתם.

מצאו בניסוי את הזמן המרבי בין מילויים חוזרים שיאפשר לשעון המים להמשיך לפעול ברציפות.