MÅLING AV TYNGDEAKSELERASJON

Transkript

1 FORSØK I NATURFAG HØGSKOLEN I BODØ MÅLING AV TYNGDEAKSELERASJON Foto: Mari Bjørnevik Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen

2 1 Innledning Hensikten med forsøket er å forsøke å påvise at tyngdeakselerasjonen er konstant 9,81 m/s 2, ved å måle tid, fart og strekning på fallet til en dråpeformet kule. I læreplanen (LK06) er denne aktiviteten relevant i forhold til følgende kompetansemål: Eleven skal kunne formulere spørsmål om noe han eller hun lurer på, lage en plan for å undersøke en selvformulert hypotese, gjennomføre undersøkelsen og samtale om resultatet. (LK06, Kompetansemål etter 7.årstrinn, forskerspiren.) Eleven skal kunne forklare hvorfor det er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater. (LK06, Kompetansemål etter 7.årstrinn, forskerspiren.) Eleven skal kunne gjøre rede for begrepene fart og akselerasjon, måle størrelsene med enkle hjelpemidler og gi eksempler på hvordan kraft er knyttet til akselerasjon. (LK06, Kompetansemål etter 10.årstrinn, fenomener og stoffer.) Dette forsøket vil utfordre forskerspiren i eleven. For å kunne gjennomføre forsøket må eleven formulere seg hypoteser og spørsmål, gjennomføre forsøket og siden komme frem til et resultat som beskrevet i kompetansemålet ovenfor. I tillegg kan dette forsøket benyttes av læreren til å gjøre eleven oppmerksom på viktigheten av å lage og teste hypoteser og ideer, i tillegg til det å sammenligne resultater. Dette for å minske eventuelle feilkilder. Denne aktiviteten fikk studentene ved Naturfag 1 i oppgave å utføre av foreleser Espen O. Henriksen. Denne aktiviteten er vanlig å utføre ved videregående skole i fysikkfaget, men kan benyttes i ungdomsskolen. 2 Teori Sentrale faglige begreper i forhold til denne aktiviteten er: Tyngdekraft (G) jordas tiltrekningskraft. Tyngde - Tyngden av en gjenstand er den kraften som jorda trekker på gjenstanden med. Tyngden av en gjenstand varierer fra sted til sted på jorda. Tyngdeakselerasjon (g) Tyngdens akselerasjon, 9.81m/s 2 på jorda. Akselerasjon (a) Enheten er m/s 2. Forandring i fart/hastighet per tid. Fart/hastighet (v) måles i m/s. Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 2 av 7

3 Kraft (F) Krefter kan forandre bevegelsen og/eller formen til en gjenstand. Newton (N) Enheten for kraft. Masse (m) Måles i kilogram. Massen av en gjenstand er den samme alle steder. Massen forteller om den mengden stoff en gjenstand er bygd opp av. Kjennetegnes av tyngde og treghet. Strekning (s) - Måles i meter. Avstand fra et punkt til et annet. Tid (t) Måles i sekund. Newtons 2. lov: F = m * a, som i dette tilfellet tilsvarer: G = m * g. Det som er ønskelig at elevene skal sitte igjen med av teori etter aktiviteten er at elevene skal kunne benytte begrepene nevnt ovenfor (kraft, tyngde, masse og akselerasjon er sentrale). Med kunnskap om disse begrepene vil elevene kunne oppnå en større forståelse for energioverføring ved arbeid. 3 Materiell og metode 3.1 Utstyr Nødvendig utstyr: Målebånd Stoppeklokke Fallgjenstander For en omtrentlig måling av tyngdeakselerasjonen trenger ikke utstyret være kostbart eller vanskelig å skaffe. For en mer nøyaktig utførelse av forsøket kan man i tillegg til nevnte utstyr benytte seg av et fallapparat, en elektrisk klokke og en tempograf (mer benyttet på videregående i fysikkfaget). I så fall vil man stort sett utelukke feilkilder som for eksempel reaksjonstid for å starte og stoppe stoppeklokken da dette gjøres av utstyret selv. 3.2 Framgangsmåte Vi benyttet oss av trappeoppgangen i korridoren. Vi målte høyden (strekningen) fra øverst i trappa og ned på gulvet. Strekningen ble målt til 8,36m. En student stod øverst i trappa og slapp en gjenstand, mens de resterende studentene ved bunnen av trappen tok falltiden til gjenstanden og noterte resultatene. Vi målte falltiden i denne høyden flere ganger. Deretter regnet vi ut gjennomsnittsfarten ved bruk av formelen v = s / t. Vi forutsatte da at vi hadde Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 3 av 7

4 jevn akselerasjon og v 0 = 0 m/s. V 1 (se tegning under) vil alltid tilsvare det dobbelte av gjennomsnittsfarten (v), altså V 1 = 2 v. Så regnet vi ut akselerasjonen kulen hadde i fallet med formelen: a = v / t. Resultatet av målingene satte vi i en tabell: Strekning/høyde Tid (t) i Gjennomsnittsfart v = v 0 + v 1 Akselerasjon (s) i meter sekunder v = s / t a = v / t. 8,36 m 1,20 s 8,36 m / 1,20 s = 6,97 m/s 0 m/s + 2(6,97 m/s) = 13,94 m/s 13,94 m/s / 1,20 s = 11,62 m/s 2 8,36 m 1,40 s 8,36 m / 1,40 s = 5,97 m/s 0 m/s + 2(5,97 m/s) = 11,94 m/s 11,94 m/s / 1,40 s = 8,53 m/s 2 8,36 m 1,10 s 8,36 m / 1,10 s = 7,60 m/s 0 m/s + 2(7,60 m/s) = 15,20 m/s 15,20 m/s / 1,10 s = 13,82 m/s 2 Tegning: Mari Bjørnevik Denne aktiviteten er lett å organisere dersom skoleelever skulle har utført dette forsøket. Elevene kan enten fordele eller bli tildelt forskjellige roller og bytte på disse. Noen kan slippe fallgjenstander, noen kan måle strekning, noen kan måle tid, mens andre igjen kan registrere resultater. Siden kan disse resultatene tas med tilbake til klasserommet hvor man kan samtale om resultatet (LK06, Kompetansemål i naturfag etter 7.årstrinn, forskerspiren.)det som er bra med denne aktiviteten er rett og slett at elevene får være aktive i sin egen læring og at de får visualisert kunnskapen. NB! Det er viktig å gjøre elevene obs på at fallende objekter kan skade andre. Derfor er det viktig at eleven, som har som rolle å slippe fallgjenstander, har god oversikt over bakken under seg før han slipper taket i gjenstanden. Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 4 av 7

5 4 Resultater Målingene av tyngdens akselerasjon varierte mye. Resultatene av målingene ble som vist i tabellen ovenfor: 11,62 m/s 2, 8,53 m/s 2 og 13,82 m/s 2. Det ble dermed vanskelig å fastslå noen omtrentlig verdi for tyngdens akselerasjon. I følge tabellverdien skal tyngdens akselerasjon på jorden tilsvare 9,81 m/s 2. 5 Drøfting 5.1 Naturvitenskaplig drøfting Vi klarte ikke å påvise en omtrentlig verdi for tyngdens akselerasjon slik som hensikten var. Årsaken til dette kan være de forskjellige feilkildene vi hadde. En av feilkildene var tidtakingen som ble utført med mobiltelefon. Her brukte nok tidtakeren en viss reaksjonstid for å starte og stoppe stoppeklokken. Dermed ble ikke tiden nøyaktig nok målt. I tillegg hadde vi bare en strekning på 8,36 m. Ut fra formelen s = v * t, vet vi at strekningen påvirker farten og tiden. Med knapp strekning må vi også være knapp på måling av tid (noe vi ikke var). Dersom strekningen hadde vært lengre kunne det vært nok med stoppeklokke på mobil til å beregne tiden. Vi mener at luftmotstand antageligvis ikke var en feilkilde her. Årsaken til dette var at vi hadde stort sett for høye verdier ( Gjenstanden hadde tilsynelatende større akselerasjon enn tyngdeakselererasjonen ). Hadde luftmotstand vært en feilkilde, ville gjenstanden blitt bremset ned og fått lavere verdi enn tyngdeakselerasjonen. 5.5 Naturfagdidaktisk drøfting Selv om resultatet ikke ble helt som ventet, kan slike resultater likevel føre til måloppnåelse i forhold til LK06. Et av målene var blant annet: Eleven skal kunne forklare hvorfor det er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater. (LK06, Kompetansemål etter 7.årstrinn, forskerspiren). Akkurat denne aktiviteten var et veldig godt eksempel på hvorfor det er viktig å teste ut og sammenligne resultater. Den gir også godt utgangspunkt til at elevene selv kan være med på å vurdere eventuelle feilkilder og hva som kunne ført til resultater i forhold til tabellverdier. Dermed ville elevene også kunne gjøre rede for begrepene fart og akselerasjon, måle størrelsene med enkle hjelpemidler og gi eksempler på hvordan kraft er knyttet til akselerasjon, (LK06, Kompetansemål etter 10.årstrinn, fenomener og stoffer.) dersom dette var målet. Dersom dette blir utført, mener vi forsøket gir minst like godt læringsutbytte i forhold til målene som et vellykket forsøk (om ikke mer?). Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 5 av 7

6 Det er viktig at vi lærere forsøker å få oversikt over hvilke oppfatninger elevene har om det naturfaglige emnet i forkant av undervisningen. Hverdagsforestillinger er et begrep innenfor naturfagdidaktikken som lærere burde kjenne til. Det er en oppfatning som eleven har og som gir mening ut fra hverdagslig erfaring, men som ikke stemmer overens med naturvitenskapen. Hverdagsforestillinger er ikke vilkårlige eller feile svar som en elev kan gi, men en misoppfatning. Forestillingene ser ut til å kunne forklare det eleven observerer, er logiske ut fra elevens oppfatninger, deles av ofte av flere og krever en kognitiv konflikt (eller flere) for å kunne endres. Altså når eleven møter nytt fagstoff, skjer det normalt en kognitiv prosess som innebærer overføring, sletting og tilføying av nye forestillinger. Dersom denne prosessen låses av en hverdagsforestilling, må vi lærere hjelpe til med å skape en kognitiv konflikt for eleven slik at vedkommende klarer å få i gang prosessen igjen. I dette forsøket kan det for eksempel være lett for eleven å blande hverdagslige begreper som tyngde med begrepet masse (begrepene er forklart tidligere i forsøket). Naturfag kan lett fenge elever, men flere faktorer medvirker til at elevenes interesse synker med antall år på skolen. Det er tydelige kjønnsforskjeller i elevenes holdninger og interesse for emner i faget. For eksempel kommer jentene dårligst ut i fysikk, men samtidig liker de faget bedre og tar en mer aktiv rolle i læringsarbeidet når de gis anledning å påvirke egen læringssituasjon (Marion og strømme 2008, Biologididaktikk, s. 61). Begge kjønn er positive i forhold til biologi. Lærings- og undervisningsformen i faget er en annen faktor som har stor betydning for elevenes holdninger til faget. Variasjon i arbeidsform er viser seg å være sentral for å utvikle interesse og gode holdninger til faget. I følge en elevundersøkelse rangerer norske 7.klassinger praktiske aktiviteter (og naturfagsundervisning ute) på topp når de skal vurdere hvor godt de liker de ulike arbeidsmåtene i faget (Marion og strømme 2008, Biologididaktikk, s. 62). Dette mener vi understreker viktigheten av å benytte praktiske aktiviteter og de ressursene vi har rundt oss i naturen i undervisningen. Dette betyr ikke at man ikke skal benytte tradisjonell teoriundervisning i faget, men kanskje å endre litt på balansen mellom praktisk og teoretisk kunnskap. På denne måten kunne kanskje de eldre elevene fått en annen holdning til faget. Dette blir støttet opp av John Dewey som understreker viktigheten av å lære gjennom egen erfaring og refleksjon, i sin teori learning by doing and reflection (Imsen, Gunn 2005: Elevens verden, s. 38). Denne øvelsen kunne for eksempel vært god å benytte ettersom elevene får utføre praktisk arbeid kombinert med teori. Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 6 av 7

7 6 Konklusjon Vi fant ikke den omtrentlige tyngdeakselerasjonen. Årsaken bak var flere feilkilder. Dersom vi skulle benyttet denne aktiviteten i fremtidig undervisning, ville vi redusert antall feilkilder ved å benytte mer eksakt utstyr, lengre strekning og lignende. Slik kunne vi nok klart å påvise en omtrentlig verdi for tyngdeakselerasjon. Vi kunne også ha benyttet oss av mer avansert utstyr som et fallapparat, en elektrisk klokke og en tempograf. Slik kunne vi stort sett utelukke feilkilder som for eksempel reaksjonstid for å starte og stoppe stoppeklokken, da dette ville bli gjort av utstyret selv. Likevel ville vi hatt noen betenkeligheter med dette ettersom vi mener noe av nytteverdien av forsøket ville gått tapt. I følge LK06 framstår naturvitenskapen på to måter i undervisningen: som et produkt som viser den kunnskapen vi har i dag og som en prosess som dreier seg om naturvitenskaplige metoder for å bygge kunnskap (LK06, Kompetansemål etter 10.årstrinn, fenomener og stoffer). Altså er det grunnleggende at elevene selv får arbeide praktisk med ulike problemstillinger innen naturvitenskapen slik at de tilegner seg erfaring med og kunnskap om emnet. Dette kan igjen bidra til kreativitet, kritisk evne, åpenhet og aktiv deltakelse i situasjoner der naturfaglig kunnskap og ekspertise inngår (LK06, Kompetansemål etter 10.årstrinn, fenomener og stoffer). Dermed ville vi nok fremdeles tillate menneskelige feilkilder for the greater good. Den innsikten naturfag gir, vil bidra til at elevene mestrer og forstår samfunnet vi lever i. 7 Kildeliste LK06 Læreplanverket for kunnskapsløftet midlertidig utgave juni 2006, Kunnskapsdepartementet/Utdanningsdirektoratet. Imsen, Gunn 2005: Elevens verden, s. 38. Universitetsforlaget. Marion, Peter van og Strømme, Alex 2008: Biologididaktikk, kap.3. Mari Bjørnevik, Marianne Tymi Gabrielsen og Marianne Eidissen Hansen Side 7 av 7