Tyngdens akselerasjon Rapport NA153L Tom Dybvik, GLU 5-10NP, Universitetet i Nordland
Innholdsfortegnelse 1 Innledning... 3 2 Teori... 3 3 Materiell og metode... 5 3.1 Utstyr... 5 3.2 Framgangsmåte... 5 4 Resultater... 6 5 Drøfting... 6 5.1 Naturvitenskapelig drøfting... 6 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting... 7 6 Konklusjon... 9 7 Bibliografi... 10 Vedlegg - Elevrapport... Feil! Bokmerke er ikke definert. 2
1 Innledning I forsøket, Tyngdens akselerasjon, skal elevene formulerer en hypotese om gjenstander som faller mot bakken, utføre forsøket og beskrive resultatet. De skal prøve å gjøre en enkel beregning av akselerasjonen til en gjenstand i fritt fall. Gjenstander skal slippes fra et høyt punkt, og elevene måler tiden før de treffer bakken. Observasjonene etterarbeides i grupper og det skal skrives rapport fra forsøket. Aktiviteten er koblet opp mot læringsmål under Forskerspiren og Fenomener og stoffer i læreplanen for grunnskolen for 10. årstrinn. Etter 10. årstrinn (Forskerspiren): Mål for opplæringen er at eleven skal kunne Planlegge og gjennomføre undersøkelser for å teste holdbarheten til egne hypoteser og velge publiseringsmåte Skrive logg ved forsøk og feltarbeid og presentere rapporter ved hjelp av digitale hjelpemidler Etter 10. årstrinn (fenomener og stoffer) Mål for opplæringen er at 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 (Utdanningsdirektoratet u.d.) Aktiviteten er hentet fra Trigger Elevbok i naturfag for 10. trinn av forfatterne Hanne S. Finstad og Jørgen Kolderup. Læreboka brukes i naturfagundervisninga ved praksisskolen. Undervisningsøkta som beskrives er fra min praksis sammen med 10. klasse ved Alsvåg Barne og Ungdomsskole høsten 2011. 2 Teori Gravitasjonen, eller tyngdekraften (G) er en tiltrekningskraft som virker mellom alle ting. All materie skaper et gravitasjonsfelt rundt seg. Tyngdekraften er egentlig en svak kraft og den krever svære maser, slik som jorda, for å få noen betydning (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011). Jorda drar en gjenstand mot bakken med en kraft, men samtidig trekker gjenstanden på 3
jorda med samme kraft. Når vi sier at en stein faller mot jorda er det egentlig steinen og jorda som trekker på hverandre med like stor kraft. Men på grunn av jordas masse blir den veldig treg å flytte slik at det tilsynelatende bare er jorda som trekker på steinen. Tyngdekraften drar gjenstanden mot bakken enten den faller eller ligger i ro på bakken. Når en gjenstand er i ro på bakken er dette egentlig et spesialtilfelle av Newtons første lov som sier at en gjenstand som ikke påvirkes av ytre krefter vil fortsette bevegelsen rett frem uten å endre sin hastighet. Hastigheten i dette tilfellet er null, det er balanse mellom kraften fra underlaget den ligger på og kraften fra jorda (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011). Akselerasjon (a) er hastighetsforandring (både når den øker og når den minker) over tid, og vi bruker benevningen m s s = m s 2. Tyngdens akselerasjon er den akselerasjonen et legeme i fritt fall har når det er i jordas tyngdefelt. Feltstyrken varierer blant annet med høyde over havet og hvilken breddegrad du befinner deg på, størst ved polene og minst ved ekvator (Wikipedia u.d.). Gravitasjon vil altså virke noe forskjellig alt etter hvor man befinner seg, men ikke så mye at det får betydning. Hvis vi ser bort fra luftmotstand, vil alle gjenstander som faller akselerere lik mye (Finstad og Kolderup 2008). Et lite sandkorn vil falle like fort som en stor tung steinblokk. Tyngdens akselerasjoner er konstant og tilnærmet verdi er 9.81 m/s 2, men i grunnskolen opereres det gjerne med 10 m/s 2. Newtons andre lov sier at summen av kreftene som virker på en gjenstand er lik massen ganger akselerasjonen ut fra formelen F = m a (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011). Tyngdekraften er imidlertid så spesiell at vi bruker andre symboler. For å finne hvor stor tyngdekraft (G) som virker på en gjenstand må vi vite noe om massen (m) og tyngdens akselerasjon (g). G måles i Newton (N), masse måles i kg og g uttrykkes i m/s 2, eller N/kg (Finstad og Kolderup 2008). Tyngdekraft = masse tyngdens akselerasjon G = m g Ut fra dette kan vi nå bestemme tyngden på en stein med masse på 2 kg: 2 kg 10 N/kg = 20 N 4
3 Materiell og metode 3.1 Utstyr Tidtakerutstyr (for eksempel mobiltelefoner) Målebånd Gjenstander som skal falle Skrivesaker Fotoapparat for dokumentasjon 3.2 Framgangsmåte Elevene ble fordelt i fire grupper som satte frem hypoteser om utfallet av forsøket. Ville noen gjenstander falle fortere, i så fall hvilke, og hvorfor? Luftmotstand skulle de se helt bort fra. Figur 1 Forsøket ble gjennomført utendørs, og som slippunkt for gjenstandene tok vi utgangspunkt i en balkong på skolebygget. Elevene skulle måle høyden fra gelenderet og ned til bakken, og notere resultatet. De ble så enige om tre steiner med forskjellig størrelse som skulle slippes ned fra balkongen. Hver gruppe utnevnte en ansvarlig for å ta tiden på hvert slipp. Resultatet førte de inn i en tabell. Dermed fikk vi fire målinger for hver stein. Av disse målingene skulle 5
elevene finne gjennomsnittlig tid av alle slippene, som igjen skulle danne grunnlag for beregningene av tyngdens akselerasjon. Resultatene ble drøftet innad i gruppene og så gjennomgått i felleskap på tavla. Her gjennomgikk vi også utregninga for å komme frem til tyngdens akselerasjon. Til slutt fikk elevene i oppgave å skrive individuell rapport fra forsøket som skulle leveres digitalt. 4 Resultater Resultatene av målingene fra de forskjellige gruppene er ført inn i tabellen under. Tabell 1 Grupper Stein 1 (lett) Stein 2 (medium) Stein 3 (tung) 1 1 0,8 0,9 2 0,5 0,8 1,1 3 1 0,8 0,8 4 0,9 0,8 0,9 Gjennomsnitt tid 0,9 0,8 0,9 For å gjøre beregningene lettere ble vi enige om å tilnærme gjennomsnittlig tid (t) til 1 sek. Manuell tidtaking vil uansett ikke gi et nøyaktig resultat. 5 Drøfting 5.1 Naturvitenskapelig drøfting Elevenes hypoteser variert fra at den minste eller største ville falle fortest til at alle steinen ville falle like fort. Nå var det tid for å sammenlikne resultatene og se om antagelser og hypoteser stemte overens med virkeligheten. Dette gikk vi gjennom i fellesskap. Det som fort kom frem var at noen av hypotesene ikke stemte med observasjonene. Det er ikke mulig å få til nøyaktige manuelle målinger av et slikt forsøk, og dette tok vi hensyn til oppsummeringen. Trenden var uansett at alle steinene brukte tilnærma like lang tid før de traff bakken. Gjennomsnittlig resultat av målingene fra de slapp stenene og til de tok bakken var t = 1 s. Høyden fra gelenderet og ned var tilnærma s = 5 m. Ved å bruke formelen v = s / t kunne de finne gjennomsnittsfarten v = 5m/1s = 5 m/s. 6
Farten går fra null, og øker jevnt til steinene treffer bakken. Dermed kan vi si at gjennomsnittshastigheten er halvparten av sluttfarten. Sluttfarten blir da 5 m/s 2 = 10 m/s. Ut fra dette kunne vi nå finne tyngdens akselerasjon: Ved å sette inn verdiene i utrykket (m/s) / s = m / s 2 fikk vi: 10m / s 1s = 10m / s 2 Resultatet var som forventet, og i utgangspunktet var vi heldig med slipphøyde 5 m, for forsøket. Vi fikk noen verdier som var enkle å bearbeide, og egentlig kunne elevene med litt innsikt i teorien sagt noe om akselerasjonen allerede ut fra målingene. Imidlertid var det for flere av dem vanskelig å skille sluttfarta fra tyngdens akselerasjon. Det var åpenbart uheldig at vi fikk en sluttfart som skulle deles på tiden 1. Hadde nok vært bedre med et høyere utgangspunkt for å slippe gjenstander. Hovedtanken med forsøket var å synliggjøre sammenhengen mellom tyngdekraft og akselerasjon til ulike gjenstander, samt vise hvordan vi på en enkel måte kan måle tyngdens akselerasjon. Det å lære selve formelen eller utregningen var ikke det primære i denne sammenhengen. 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting Dette er et forsøk som illustrerer tyngdens akselerasjon for elevene på en enkel måte. Aktiviteten kan gjennomføres med enkle midler, uten store forberedelser eller spesielle sikkerhetstiltak. Her kan de utforske og reflektere over noen av fysikkens mest grunnleggende naturlover. Newtons lover danner grunnlaget for bevegelseslæren og mekanikken, og har en forbausende rekkevidde. Gjennom en rekke undersøkelser om elevers forståelse av grunnleggende mekanikk er det dokumentert at kraftbegrepet er vanskelig for elever i grunnskolen å fatte. Også for elever videre opp i utdanningssystemet kan dette være vanskelig. Her knyttes begreper og forståelse opp mot hverdagsforestillinger og internaliserte misoppfatninger som baserer seg på de erfaringer vi gjør oss. Denne forståelsen er viktig for å kunne forstå verden, men misoppfatninger har vist seg vanskelig å rydde av veien (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011). En vanlig misoppfatning er den at luft er en forutsetning for at tyngden skal virke. Mange tror at i et lufttomt rom vil et legeme bli vektløst, og at tyngdekraften derfor ikke eksisterer i verdensrommet. Slike misoppfatninger bekreftes når man ser tv-bilder av astronauter som 7
svever vektløse ute i verdensrommet eller inne i et romfartøy (Sjøberg 2001). Et annet eksempel på misoppfatninger er at det alltid virker en slags netto kraft i bevegelsesretningen, en kraft som øker proporsjonalt med hastigheten. Hvilken kraft virker på en ball som kastes oppover? Mange tenker seg en slags kraft som drar ballen oppover til den når toppen av kastebanen. Etter Newtons teorier vil imidlertid tyngdekraften virke nedover også når ballen er på vei opp. Det er viktig for læreren å være bevist på misoppfatninger, for å kunne hjelpe elevene til å få en bedre forståelse av fysikkens sentrale begreper (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011). I et konstruktivistisk læringssyn bygger elevene ny kunnskap på sine eksiterende kunnskaper og erfaringer. Dette blir problematisk når elevens hverdagserfaringer danner grunnlag for kunnskapsbyggingen. Utfordringen for læreren blir å få eleven til å kvitte seg med de forestillingene de har. Å kvitte seg med misoppfatningene er det ikke læreren, men eleven selv som må gjøre (Sjøberg 2001). Elevene i denne klassen viste manglende forståelse omkring emnet tyngdekraft. De hadde på forhånd gjennomgått en del teori om Newtons lover og jeg forventet at de hadde en viss kunnskap om dette. I utgangspunktet skulle elevene selv finne uttrykket for tyngdens akselerasjon i læreboka, og ved hjelp av observasjonene fra forsøket kunne regne det ut. Det viste seg imidlertid at de fleste var usikre, og hadde hypoteser om utfallet av forsøket som kunne tyde på misoppfatninger: den tyngste stenen skulle treffe bakken på kortest tid pga den veide mest, og da tenkte vi at stenen ville få en raskere fart siden den var tyngst (Vedlegg). Dette tok jeg til etterretning og justerte ned ambisjonene med aktiviteten. Vi tok derfor en felles gjennomgang av utregningene på tavla. Så blir jo spørsmålet om dette er den riktige måten å gjøre dette på. Balansegangen mellom for mye elevstyrt og for mye lærerstyrt aktiviteter er vanskelig finne. Når det gjelder utbyttet av den aktiviteten som jeg har beskrevet, så vil nok det å få erfare og måle fart og akselerasjon bidra til å hjelpe elevene med å utvikle bedre forståelse og å til å kvitte seg med misoppfatninger. Det kan ofte være vanskelig å forholde seg til fysiske fenomener bare ved å lese om dem i læreboka. Her er det viktig å skape en tydelig kobling mellom teoretisk undervisning og praktisk undervisning. Praktiske aktiviteter gir variasjon i skoledagen, og stimulerer andre sanser hos elevene enn ren teoriundervisning. Denne måten å tilnærme seg naturfagstoffet er også i tråd med LK 06, som sier at elevene skal jobbe med utforskende elevforsøk både på mellom- og ungdomstrinnet. Det er allikevel nødvendig med 8
en viss lærerstyring i forbindelse med praktiske aktiviteter. Faren med praktiske aktiviteter er eleven ser på dette kun som en interessant hendelse og som avkobling fra klasseromsundervisningen. Både introduksjon og oppsummering blir derfor viktige elementer for å skape en helhet i undervisningsøkta. På denne måten kan læreren hjelpe elevene til finne mening med den praktiske aktiviteten, og også hjelpe dem med å knytte nye erfaringer til allerede etablert kunnskap (Nergård 2008). 6 Konklusjon Aktiviteten er knyttet opp mot aktuelle kompetansemål for ungdomstrinn, og relevant for oss som fremtidige lærere i ungdomsskolen. Gjennom en prosess som starter med hypotesedanning, fortsetter med forsøk og systematisk observasjon, diskusjon, argumentering, begrunnelse og konklusjon, og som ender opp med en bearbeiding og publisering av rapport er læreplanens kriterier for forskerspiren forsøkt ivaretatt (Utdanningsdirektoratet u.d.). Denne formen for læring er krevende, og jeg opplevde at det som utfordrende å kunne tilpasse læringen til den enkelt elevs forutsetninger. Manglende kjennskap til elevene var her et springende punkt. Det var også vanskelig å samle elevenes oppmerksomhet omkring aktiviteten ute i skolegården. Noen viste stor interesse, mens tre av guttene meldte seg delvis ut. Slik vil det alltid være, og man må ikke som lærer la seg friste til å droppe krevende undervisningsopplegg. Hvorvidt eleven fikk et godt utbytte av aktiviteten er jeg usikker på. Rapportene viste at der var en del manglende forståelse. Jeg var kun lærer for klassen i denne økta, og eventuell oppsummering og gjennomgang av rapportene fikk jeg ikke deltatt på. Jeg vil i egen fremtidig undervisning få en oversikt over elevene forutsetninger og sikre meg at elevene forstår hva de skal lære med en aktivitet, før vi går i gang med selve forsøket. Jeg vil også prøve å være bevisst min egen underveisvurdering av læringsutbyttet slik at jeg bedre kan fange opp alle elevene. 9
7 Bibliografi Angell, Carl, Eirik G. Flekkøy, og Jostein R. Kristiansen. Fysikk for lærere. Oslo: Gyldendal Norsk Forlag AS, 2011. Finstad, Hanne S., og Jørgen Kolderup. Elevbok i naturfag 10. trinn Trigger. Redigert av Ole André Sivertsen. Cappelen Damm AS, 2008. Nergård, Tone. «Undervisningsvariabler og elevens holdninger til naturfag.» I Biologididaktikk, av Peter van Marion og Strømme Alex, redigert av Peter van Marion og Strømme Alex, 58-77. Kristiansand: Høyskoleforlaget, 2008. Sjøberg, Svein. «Natur- og miljøfag.» I Fagdebatikk - fagdidaktisk innføring i sentrale skolefag, redigert av Svein Sjøberg, 105-115. Oslo: Gyldendal Akademiske, 2001. Utdanningsdirektoratet. Udir.no. http://www.udir.no/lareplaner/grep/modul/?gmid=0&gmi=156139&v=5&s=2&kmsid=2545 (funnet november 18, 2011).. Udir.no. http://www.udir.no/lareplaner/grep/modul/?gmid=0&gmi=156139&v=2 (funnet November 25, 2011). Wikipedia. Wikipedia. Wikipedia (funnet november 24, 2011). 10