ניסויים במטבח: מדידת מהירות האור עם שוקולד ומיקרוגל 🍫

kidshamal
14 בינו׳
זמן קריאה 3 דקות

מה אם היינו אומרים לכם שאפשר למדוד את מהירות האור - אחד הקבועים החשובים ביותר ביקום כולו - באמצעות חפיסת שוקולד ותנור המיקרוגל שבמטבח? נשמע כמו קסם, אבל זו בעצם פיזיקה טהורה. בואו נגלה איך עושים את זה.

הערה: הניסוי מתאים לכולם (8 ומעלה), החישובים מתאימים לאוהבי מתמטיקה ומדעים בכיתות ה'-ו' ומעלה.

אבל רגע לפני...

למה זה בכלל עובד?

תנורי מיקרוגל פועלים על ידי יצירת קרינה אלקטרומגנטית - אותו סוג קרינה כמו אור, רק בתדר אחר שאנחנו לא רואים בעיניים. הגלים האלה נעים במהירות האור, ובתוך התנור הם מוחזרים מהדפנות המתכתיות ויוצרים תבנית של גלים עומדים (זוכרים את החזר האור בתוך הכף?)

הידעת? 📚 גלים עומדים הם תופעה שנוצרת כשגלים נפגשים עם הגלים שמוחזרים מהדפנות. בתבנית הזו יש נקודות בהן האנרגיה מקסימלית (נקראות "בטנות") ונקודות בהן האנרגיה כמעט אפסית (אלו נקראות "צמתים"). זו גם הסיבה שלפעמים המזון מתחמם בצורה לא אחידה במיקרוגל.

הצלחת המסתובבת במיקרוגל נועדה בדיוק לפתור את הבעיה הזו: היא מזיזה את המזון דרך הנקודות החמות והקרות כדי לחמם אותו באופן אחיד. אבל בניסוי שלנו, אנחנו דווקא רוצים למפות את הנקודות החמות האלה - ולכן נבטל את הסיבוב!

המרחק בין שתי נקודות חמות סמוכות הוא בדיוק חצי אורך גל. וכשיודעים את אורך הגל ואת התדר של המיקרוגל - אפשר לחשב את מהירות האור! (על החלק הזה, תיכף, בהמשך).

מה צריך לניסוי?

תנור מיקרוגל ביתי רגיל
חפיסת שוקולד גדולה (שוקולד מריר עדיף כי נקודת ההמסה שלו ברורה יותר)
טיפ של אלופים: אפשר להשתמש גם במרשמלו או בגבינה צהובה מגורדת - החום מתפשט אצלם לאט יותר והנקודות נשארות ברורות יותר.
אבל שוקולד זה הכי טעים!
סרגל עם סימון של מילימטרים
מחשבון (אפשר בטלפון)
צלחת שטוחה עמידה במיקרוגל (בלי עיטורי זהב או כסף!)
נייר אפייה (כדי לא ללכלך את הצלחת ולהקל על המדידה)

איך עושים את זה?

שלב 1 - הכנה חשובה:
הוציאו את הצלחת המסתובבת מהמיקרוגל, כולל המנגנון שמסובב אותה מתחת (העיגול עם הגלגלים). המטרה היא שהשוקולד יישאר במקום קבוע לגמרי. הניחו את הצלחת השטוחה שלכם הפוכה בתוך המיקרוגל, ועליה נייר אפייה.
שלב 2 - סידור השוקולד:
הניחו את חפיסת השוקולד (או המרשמלו) בשורה ארוכה ורציפה על נייר האפייה. אם החפיסה קטנה, אפשר לחבר כמה חפיסות זו לצד זו.
שלב 3 - הקרינה:
הפעילו את המיקרוגל בעוצמה גבוהה, אבל היו ערניים! המטרה היא לא לבשל את השוקולד, אלא רק לזהות את הנקודות שמתחילות להימס ראשונות. זה לוקח בדרך כלל בין 15 ל-40 שניות. אל תורידו את העיניים!
שלב 4 - תצפית:
עצרו את המיקרוגל והוציאו את הצלחת ברגע שאתם רואים בועות המסה או שקעים רכים בשתי נקודות שונות על השוקולד.
לא ראיתם שתי נקודות? לפעמים הגלים העומדים לא מסתדרים בדיוק איפה שהנחנו את השורה. הזיזו את הצלחת קצת ונסו שוב, או הניחו שתי שורות במקביל במרחק מה זו מזו.
שלב 5 - מדידה:
מדדו בסרגל את המרחק בין המרכז של נקודת המסה אחת למרכז של נקודת ההמסה השנייה.
שלב 6 - החישוב:
עכשיו מגיע החלק המתמטי!

מתמטיקה, זה מדעי!

הערה: החלק הזה בעיקר לגדולים יותר, כי זאת מתמטיקה שהצעירים עוד לא מכירים. כאן אפשר להיעזר בהורים או באחים הבוגרים.

מצאו את תדר המיקרוגל שלכם, הוא כתוב לרוב על מדבקה בגב המכשיר או בתוך הדלת. ברוב המכשירים התדר הוא 2,450 מגה-הרץ (שזה 2.45 מיליארד הרץ, או 2.45×10⁹ Hz).

המרחק שמדדתם בין נקודות ההמסה הוא חצי אורך גל. אז אורך הגל המלא הוא פי שניים מהמרחק הזה.

הנוסחה לחישוב מהירות האור היא:

מהירות = אורך גל × תדר

לדוגמה: אם מדדתם מרחק של 6 ס"מ בין שתי נקודות המסה, אורך הגל המלא הוא 12 ס"מ (0.12 מטר). מכפילים ב-2,450,000,000 הרץ ומקבלים... 294,000,000 מטר לשנייה!

💡 המלצה: מומלץ להפעיל את המיקרוגל קצרות בכל פעם (כ־10–15 שניות), כדי להימנע מהתחממות יתר של השוקולד.

רגע, זה לא המספר המדויק!

נכון. מהירות האור האמיתית היא 299,792,458 מטר לשנייה.

אז למה התוצאה שלנו קצת שונה?

זה בעצם שיעור חשוב בפיזיקה על "שגיאת מדידה".

כמה דברים משפיעים על הדיוק: הסרגל שלנו לא מדויק עד לאלפית המילימטר, קשה לדעת בדיוק איפה המרכז של נקודת ההמסה, והשוקולד עצמו משפיע קצת על התנהגות הגלים.

ובכל זאת - להגיע לתוצאה כל כך קרובה למהירות האור עם ציוד מטבח בסיסי? זה די מדהים.

הידעת? 📚 במאה ה-17, המדען גליליאו גליליי ניסה למדוד את מהירות האור באמצעות שני אנשים עם פנסים על גבעות מרוחקות. הניסוי נכשל לחלוטין! האור פשוט מהיר מדי בשביל שעיני אדם יצליחו למדוד את ההבדל. היום, כל ילד יכול לעשות במטבח מה שגליליאו לא הצליח לעשות עם כל הציוד שהיה לו.