Lærerveiledning. Hensikten med oppdraget. Kompetansemål

Transkript

1 Lærerveiledning Hensikten med oppdraget Elevene skal i dette forsøket få en innføring i grunnleggende energiforståelse. Dette vil omhandle en definisjon av begrepet energi og en forklaring på hvor energien kommer fra. Som et ledd i elevenes forståelse av at energi får ting til å skje skal de gjennomføre et praktisk forsøk. Elevene skal lage en kjedereaksjon og eksperimentere med ulike former for energi. Etter praktisk del skal elevene ha en innsikt i at prinsippet også kan ha en verdi for samfunnet. Nyervervet kunnskap om ulike former for energi knyttes til teknologien bak produksjonen av elektrisk energi i et vannkraftverk. Kompetansemål Kompetansemål i Naturfag etter 7.årstrinn Samtale om hvorfor det i naturvitenskapen er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater. Formulere naturfaglige spørsmål om noe eleven lurer på, foreslå mulige forklaringer, lage en plan og gjennomføre undersøkelser. 1

2 Faglig bakgrunnsstoff Hva er energi? Det er viktig å forstå det fundamentale ved energi som energiregler, energiformer, energikjeder og energikvalitet for å bli energibevisst og kunne gjøre riktige energivalg. Ordet energi brukes mye i dagligtale med ulike betydninger, men definisjonen på energi er det som får noe til å skje. Det kan også sies at energi er evnen til å utføre et arbeid. Ordet energi kommer fra det greske ordet energeia, som betyr virksomhet eller aktivitet. Energilover og energiformer Energilovene, som i fysikk kalles termiske hovedsetninger, forklarer viktige aspekter ved energi. Energilov 1: Energi kan ikke oppstå eller forsvinne All energi som finnes i universet har eksistert siden universets opprinnelse. Når man bruker energi blir den altså ikke borte. Den går bare over i en annen form. Denne loven kan være vanskelig å akseptere. Typiske innvendinger er for eksempel at når en ball spretter, men til slutt blir liggende stille, så er jo energien borte. Svaret er at energien er i partiklene i omgivelsene, for eksempel i bevegelse i lufta eller vibrasjoner i bakken. Dette sprer seg og blir til slutt ikke mulig å måle, men er likevel ikke borte. Det er bare veldig mange partikler som har fått litt bevegelsesenergi hver. Energilov 2: Energi kan ha ulike former I hovedsak deler vi inn i to energiformer; Bevegelsesenergi (også kalt kinetisk energi) og stillingsenergi (også kalt potensiell energi). Stilling handler ikke bare om høyde over havet, men også stilling i en spent strikk eller fjær. Man bruker også flere inndelinger av energi (mekanisk, indre energi, kjemisk energi, elektrisk, magnetisk og kjerneenergi), men alle disse kan plasseres innunder de to hovedformene. Vann som renner har bevegelsesenergi. En ball som faller har også bevegelsesenergi. Vannet måtte løftes først for å kunne renne ned. Når vannet er løftet og ligger klar for bruk har det stillingsenergi. Når vi har en ball i hånden, klar for å kaste eller slippe har denne ballen også stillingsenergi. Vann som allerede har falt ned må få tilført energi før det kan falle ned igjen. Den mest vanlige måten er at vannet renner ut i havet. I naturen skinner solen på havet, og vannet fordamper og stiger opp. Det kondenseres som skyer og faller ned som regn. Igjen kan det fylle opp en innsjø eller et magasin og ligge der som stillingsenergi. En ball som har falt ned må løftes opp for å få tilbake sin stillingsenergi, for eksempel ved at et menneske bruker litt av sin energi på å løfte den. Tyngre ting kan løftes ved bruk av elektrisitet (heis) eller bensin (truck). I filmen ser vi at skuespilleren holder en stein. Da vil den ha stillingsenergi i forhold til bakken den ligger på, men også i forhold til jordas sentrum. Når han deretter løfter steinen høyere opp vil stillingsenergien øke i forhold til bakken. Desto høyere han holder steinen over bakken, desto mer stillingsenergi vil den ha. Vi kan dermed si at steinens masse og høyde over bakken, sammen med tyngdekraftkonstanten er med på å bestemme hvor mye stillingsenergi steinen har. Når skuespilleren deretter kaster steinen vil stillingsenergien avta jo nærmere steinen kommer vannet, men til gjengjeld vil bevegelsesenergien øke. Rett før steinen treffer vannet vil derfor bevegelsesenergien til steinen være på topp og stillingsenergien i forhold til vannet være på bunn. Vi sier derfor at det er en glidende overgang mellom stillingsenergi og bevegelsesenergi. Jo større fart en gjenstand får, desto større blir bevegelsesenergien. Steinens bevegelsesenergi bestemmes derfor av steinens masse og fart. 2

3 Energilov 3: Energi kan overføres (og endre form) Når en gjenstand avgir eller får tilført energi skjer en energioverføring. En slik overføring skjer enten som 1) arbeid eller 2) varme. 1) ARBEID = Kraft (skyv eller drag) som virker over en strekning. En måte å beskrive arbeid på er kraft x vei eller kraft x arm. Når vi løfter en stein utfører vi et arbeid, hvor vi overfører energi fra oss selv til steinen (som får stillingsenergi). 2) VARME = Overføring av energi fra et legeme med høy temperatur til et legeme med lavere temperatur. Overføringen skjer da på grunn av temperaturforskjell enten ved kontakt eller ved stråling. Varmen overføres fra en varm gjenstand til en kald gjenstand ved at de to har direkte kontakt eller stråler fra en varmekilde til en overflate som blir varmere (ovn eller sola til et kaldt legeme). Temperatur er egentlig et mål for partiklenes bevegelse, de beveger seg mye ved høy temperatur og lite ved lav temperatur. I faste materialer er bevegelsen i form av at partiklene vibrerer, de flytter seg ikke rundt. I væsker og gass beveger partiklene seg rundt. Overføringen av varme fra høy temperatur til lav temperatur kan forklares ved at partiklene i høy temperatur beveger seg mye og dytter på partiklene i lav temperatur, som dermed beveger seg mer, noe som observeres som at legemet får høyere temperatur. Energikvalitet Energi har ulik kvalitet. Energi av høy kvalitet er enklere å utnytte til å utføre et arbeid enn energi av lav kvalitet. Vi sier at energien har høy kvalitet når den er enkel å bruke til mange ulike formål. Energi med lav kvalitet har et mer begrenset bruksområde. Når vi bruker energi bruker vi den ikke opp; den bare omformes. For hver overgang av energi forringes kvaliteten, og energi ender alltid opp som varme. Tegningen under illustrerer energikvalitet. Personen i en båt på sjøen mangler ikke vann, men vann av riktig kvalitet (drikkevann). En bil som går tom for bensin i ørkenen mangler ikke energi sola har svært mye energi, men den kan ikke fylles direkte på tanken. 3

4 Elektrisitet overfører energi med høy kvalitet. Den kan brukes til veldig mye. Høyverdig, elektrisk energi bør reserveres til formål som krever høy energikvalitet. Elektrisitet bør derfor ikke brukes til f.eks. oppvarming, hvor det finnes flere alternativer, men til formål hvor vi har få eller ingen alternativer som drift av elektriske produkter (lys, kjøleskap, tv osv.). I andre land brukes elektrisitet sjelden til oppvarming. Vannbåren varme gjør bruk av andre energikilder enklere. Når vi i det daglige snakker om energiforbruk og energisparing kan energiloven bli vanskelig å håndtere. Hva er poenget med å spare energi som aldri forsvinner? Forklaringen her ligger i at vi i dagligtale vanligvis mener den høyverdige formen for energi. Høyverdig energi omformes alltid til lavverdig energi når energien utnyttes. Når vi snakker om energiforbruk mener vi da at den høyverdige energien blir brukt opp. Energisparing betyr ofte egentlig å redusere forbruket av høyverdig energi. Energikjeder For å få en enda bedre forståelse kan det være nyttig å se på eller tegne energikjeder. Et veldig enkelt eksempel på en energikjede er solenergi som tas opp av planter som blir mat for dyr og mennesker, som derfor kan holde seg varme og utføre arbeid. Et annet eksempel er energikjeden fra solenergi til bevegelsesenergien for en bil. Opphavsmann: Bjørn Norheim, Energikjede Figuren viser at energikjeden går: fra solenergi til elektrisk energi i solcellen fra elektrisk energi til kjemisk energi i elektrolyseapparatet fra kjemisk energi til elektrisk energi i brenselcellen fra elektrisk energi til rotasjonsenergi i elektromotoren og videre til bevegelsesenergi for bilen En annen energikjede er produksjon av elektrisitet i vannkraftverk, som vist i filmen. Enheter for energi Standard vitenskapelig (SI) måleenhet for energi er joule (J). Energi kan også måles i kalorier (cal) eller kilokalorier (kcal). 1 kcal = 4,2 kj. I sammenheng med elektrisitet brukes målenheten kilowatt-timer (kwh). 1 kwh = Tusen watt som står på i en time En panelovn på 1000 W som står på i 1 t bruker 1000 Wh = 1 kwh 4

5 Når vi snakker om energibruk gjelder det ofte store mengder. Da brukes MWh, GWh og TWh. Norges energiforbruk var på 217 TWh i Wh = 1 kwh 1000 kwh = 1 MWh 1000 MWh = 1 GWh 1000 GWh = 1 TWh Effekt er det samme som energi per tidsenhet (energi delt på tid). Effekt måles i watt. Enhet for energi delt på enhet for tid (joule per sekund). En watt er det samme som en joule per sekund. En 60W lyspære omsetter 60 J hvert eneste sekund. I løpet av et døgn har en lyspære omsatt 60W x 24 t = 1440 Wh = 1,44 kwh. Bare 5 % av denne strålingen er synlig lys, mesteparten er infrarød / varmestråling. En brødskive inneholder 400 kj, og dette er nok energi til å løpe i underkant av 3 km, eller kraften armmusklene bruker på å ta 2000 armhevninger. Likevel vil det ikke rekke langt hvis vi skulle sammenligne kroppens indre energibruk med det vi bruker av energi til andre ting hver dag. Samme energimengde som kroppen tar 2000 armhevninger med, vil holde til i underkant av to timer med lys i en 60 W lyspære. (Men husk: kroppen bruker mye energi på prosesser i kroppen som vi ikke kan utnytte til muskelarbeid. Kroppen er langt ifra 100 % effektiv som maskin ). 1 J = stillingsenergien et eple (100g) har når det er 1m over bakken. Eller 10 J = energien til 1 kg 1m over bakken. Som vi ser er dette en liten enhet, derfor bruker vi ofte kj osv. 1kJ=1000J. 1 kcal = 4187 J. Og er den mengden energi som skal til for å heve temperaturen på 1 kg (liter) vann med 1 grad Refleksjonsspørsmål Både før og etter elevaktiviteten er det fint om elevene får reflektert og stille kritiske spørsmål til temaet. Nedenfor er det listet opp noen eksempler på slike spørsmål. Ved timens oppstart - Hva tenker elevene på når de hører ordet energi? - Hva mener vi når vi sier «jeg er tom for energi?» - Hvor kommer energien i maten vår fra? - Hva er en energikilde? - Dersom vi kan bruke opp energien, hvor forsvinner den? Kommentarer: Alle levende celler og organismer er avhengig av tilført energi for å kunne vokse og utføre arbeid. All mat inneholder energi, men matens energiinnhold er avhengig av innholdet av de energigivende næringsstoffene fett, protein og karbohydrater. Ved timens avslutning - Hvilke former for energi observerte vi i kjedereaksjonen vår? - Hvorfor tror dere at vi sier at stillingsenergien går gradvis fra stillingsenergi til bevegelsesenergi? - Hvordan fungerte gruppas kjedereaksjon i forhold til de andre i klassen? - Hva måtte dere endre på i forhold til skissen dere laget på forhånd? 5

6 Kommentarer til filmen Filmen er ment som en innføring i energibegrepet og energiens mange former. Etter en slik sekvens er det viktig at læreren følger opp det som elevene har sett ved å utdype og forklare eventuelle spørsmål eller misoppfatninger elevene måtte ha. Under har vi kommet med eksempler på hva vi mener læreren bør være påpasselig med etter filmsekvensen: Mulige misoppfatninger: - Energi er strøm eller elektrisitet, fremfor at elektrisitet er en form for energi. - Når løypa i kjedereaksjonen er ferdig er energien brukt opp. Elementer som kan trenge utdypende forklaringer: - Stillingsenergiens gradvise overgang til bevegelsesenergi. - Forskjellen på en klinkekules vei ned en vanlig bakke og kjedereaksjonens gjenstander som er tilført stillingsenergi før kulen slippes. Spørsmål til filmen Spørsmål til film oppdrag 1 - Kjedereaksjonen 1. Hva er energi? 2. Hvilken energi har en gulrot? 3. Hvilken energi har en stein som løftes? 4. Hvilken energi har en stein som kastes? 5. Hva er en energioverføring? 6. Hvor blir det av energien i en ball som spretter på bakken? 7. Hvilke former for energi trengte mennesker under steinalderen? 8. Hvilket annet navn bruker vi ofte i stedet for elektrisk energi? 9. Forklar de ulike energioverføringene i et vannkraftverk. 10. Hva er en kjedereaksjon? Fasit film oppdrag 1 - Kjedereaksjonen 1. Energi finnes overalt. Vi kan ikke se energien med øynene våre, men kort sagt kan vi si at «energi er det som får ting til å skje» 2. En gulrot inneholder kjemisk energi. 3. En stein som løftes inneholder stillingsenergi. 4. Når en stein kastes vil stillingsenergien gradvis gå over til bevegelsesenergi. 5. Når energien går fra en form til en annen kaller vi dette for en energioverføring. 6. Når en ball spretter på bakken får vi en energioverføring. Da vil noe energi gå tapt til omgivelsene. Dette kan vi se ved at ballen spretter lavere og lavere. Vi har da fått en energioverføring fra bevegelsesenergi til blant annet varme- og lydenergi. 7. For lenge siden trengte vi kun energien vi fikk fra mat (kjemisk energi) og varme (varmeenergi). 8. Elektrisk energi kaller vi ofte for strøm 9. Etter at vannet er lagret i demninger vil vi få følgende energioverføringer: Stillingsenergi-bevegelsesenergi- (mekanisk energi) - elektrisk energi. 10. En rekke energioverføringer kaller vi ofte en kjedereaksjon 6

7 Elevaktivitet - Kjedereaksjonen Elevene skal bruke det de har lært til å lage en kjedereaksjon. Elevene deles inn i grupper hvor alle skal lage sin unike løype (ikke nødvendigvis kopiere kjedereaksjonen som blir vist på filmen). For at kompetansemålene skal dekkes best mulig er det en fordel at elevene tegner opp og planlegger hvordan løypen skal se ut før de starter. Da lager de seg noen rammer for eksperimentet sitt og har et bedre grunnlag for å sammenligne resultatene sine etterpå. Kjedereaksjonen skal starte med at elevene tilfører stillingsenergi til en klinkekule ved å løfte den over bakken. Denne kulen skal ha samme startpunkt hver gang. Klinkekulen skal sette i gang en kjedereaksjon som inneholder minst ti elementer. Løypen er ferdig når siste element er utløst. Verktøyets klokkefunksjon kan ha to funksjoner: For det første kan klokken benyttes dersom man vil sette en avtalt tid på hvor lenge kjedereaksjonen skal vare. Da kan man sette et avtalt tidspunkt (for eksempel 10 sekunder) hvor siste element i løypen skal falle. Den som er nærmest dette tidspunktet vinner. Dette vil føre til at aktiviteten blir mer konkurransepreget. En annen mulighet er at stoppeklokken fungerer som en påminnelse på hvor lenge elevene har igjen av avtalt tid for bygging og testing av løypa. Dette kan bidra til at elevene arbeider mer målrettet med kjedereaksjonene sine. Elevene bør få anledning til å vise frem gruppens kjedereaksjon, samt studere medelevers kjedereaksjoner mot slutten av timen. I en slik kjedereaksjon er det viktig å huske at elevene både tilsetter stillingsenergi ved at de løfter kulen opp fra bakken, men også at man underveis i løypa har løftet, og stilt opp ulike gjenstander som alle inneholder stillingsenergi. Derfor vil kulas bevegelsesenergi utløse denne stillingsenergien, og vi vil hele tiden se overganger mellom stillingsenergi og bevegelsesenergi. Nedenfor finner du eksempel på en enkel kjedereaksjon: Spesialoppdrag Quizen I spesialoppdraget møter elevene en quiz hvor de både skal svare skriftlig, huke av riktig svar og dra illustrasjoner i riktig rekkefølge. Spesialoppdraget kan gis som hjemmelekse eller gjøres i timen. I spesialoppdraget er det totalt 19 spørsmål, så noe tid må medregnes. Læreren får innsyn i elevenes svar og resultater etter hvert som elevene tar quizen. Underveis i spesialoppdraget kan elevene lese seg til riktig svar ved å trykke på «bokknappen». 7