2 Gyldendal Norsk Forlag AS, 2006 1. utgave, 1. opplag Læreboken er skrevet etter gjeldende læreplan for faget naturfag for yrkesfaglige utdanningsprogram. Boken dekker læreplanmålene Forskerspiren og Stråling og radioaktivitet. Printed in Norway by PDC Tangen, 2006 ISBN 13: 978-82-05-35064-9 ISBN 10: 82-05-35164-7 Redaktør: Ellen Semb og Klaus Anders Karlson Bilderedaktør: Anita R. Seifert og Hege Blom Design: CMYKDESIGN Sats og layout: Brødrene Fossum AS Omslagsdesign: CMYKDESIGN Omslagsbilde: Science Photo Library Bilder, illustrasjoner: Alle tegninger er utført av Anne Langdalen, unntatt: Kaj Konrad Clausen: 37 (i midten) John Arne Eidsmo: Det periodiske system på forsats og baksats Adresseavisen: 56; Bildhuset: 51 Brundalen: 104 Hilde Hov, Getty Images?? 55??? GV-press: 9 (ø), 30 (BSIP/MENDIL), 38 øv. (SPL), 45 (Photo Reseachers), 46 (BSI), 55 (BSI), 58 (begge), 96 og 97 (SPL), 98 (SPL), 105 (SPL), 115 (SPL), 118 (SPL), 120 (SPL) Lucky Look: 57 øv. (Mark Harmel/Alamy Images); NASA: 59; Nordic Photos: 25 og 26 Orion press/ims; Ole Moksnes AS: 8 Samfoto: 9 nede (Leif Rustand/NN), 28 Bård Løken NN, 36 Bård Løken, 40 Mimsy Møller, Vilda Photo/Rollin: 29 Scanpix: 24, 108 (Augustin Ochsenreiter/AP) Det må ikke kopieres fra denne boken i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Alle henvendelser om forlagets utgivelser kan rettes til: Gyldendal Undervisning Postboks 6860 St. Olavs plass 0130 Oslo E-post: undervisning@gyldendal.no
3 Til deg som skal bruke læreverket Dette læreverket dekker kompetansemålene Forskerspiren og Stråling og radioaktivitet i læreplanen i naturfag for Vg1. Alt fagstoff, oppgaver og forslag til aktiviteter er samlet i denne boka. Det er utviklet et eget nettsted til læreverket med utfyllende stoff, oversikt over egnede nettsteder, forslag til feltarbeid og andre elevaktiviteter. Nettstedadressen er: http://www.gyldendal.no/senit. I starten av hvert kapittel finner du en kort innledning og en oversikt over hva du skal jobbe med i dette kapitlet. Læreplanen står samlet bak i boka. Kompetansemålene denne boka er skrevet etter, er markert med rød skrift. Det er skrevet tilsvarende bøker for de andre kompetansemålene i læreplanen. Kapitlene veksler mellom to typer tekst. Hovedteksten presenterer og forklarer det naturfaglige lærestoffet. «Blåteksten» tar opp ulike problemstillinger, eksempler og annet aktuelt stoff med tilknytning til innholdet i hovedteksten. De vekker nysgjerrighet og knytter faget til hverdagsopplevelser. Mange av momentene i læreplanen er tatt opp i «blåteksten». For å gjøre arbeidet med stoffet lettere har vi tatt med noe repetisjonsstoff fra grunnskolen der du kan ha bruk for det. Dette stoffet er markert i teksten som repetisjonsstoff og på grønn bakgrunn. Hvert kapittel avsluttes med et sammendrag. Kontrolloppgavene er plassert der det er naturlig å stoppe opp og oppsummere hva du har fått med deg så langt i kapittelet. Bakerst finner du oppgaver som er tydelig merket med fargekode for vanskelighetsgrad. Oppgaver med rødt nummer er vanskeligere enn de andre. Gruppe- og nettoppgaver stimulerer til både muntlig og skriftlig aktivitet. En oppgave med overskriften «Utfordring» er en større oppgave som tester naturfaglig tekstforståelse. Til slutt kommer forslag til elevforsøk. Arbeidet med naturfag vil gi deg grunnleggende kunnskaper som skal hjelpe deg til å forstå erfaringer du selv gjør, og informasjon du tar imot om kropp og helse, om teknologi og naturvitenskap og om naturen omkring deg. De grunnleggende kunnskapene skal også sette deg i stand til å erobre ny kunnskap, enten det er i programfagene innenfor utdanningsprogrammet ditt, i arbeidslivet eller i senere studier. Arbeidet med naturfag skal dessuten gi deg et kunnskapsgrunnlag for å kunne vurdere informasjon, være med i diskusjoner og ta stilling til viktige samfunnsspørsmål. Det er vårt ønske at dette naturfagverket vil hjelpe deg i læringsarbeidet, og at det bidrar til å vekke interesse og glede mens du arbeider med faget. Trondheim og Stjørdal, februar 2006 Peter van Marion Hilde Hov Tone Thyrhaug Øyvind Trongmo
4 Innhold 1 Naturvitenskap og naturfag 6 Naturfaglig kunnskap 6 Hvem skal ta valgene? 6 Undersøkelser 7 Hypotese 7 Observasjoner 7 Eksperimenter 8 Sikre observasjoner 8 Feil og usikkerhet 9 Å måle med samme mål 10 Modeller av virkeligheten 11 Oppgaver 12 Nett- og gruppeoppgaver 17 Forslag til korte foredrag 17 Forsøk 18 2 Bølger og stråling 23 2.1 Bølger 25 2.2 Lydbølger 26 Fra lydbølger til hørselsinntrykk 27 Ultralyd 28 2.3 Elektromagnetiske bølger 29 Det elektromagnetiske spekteret 30 2.4 Lys 31 Lys fra atomet 31 Lys fra sola 32 Absorbsjonsspekter 33 Nordlys 33 Kunstige lyskilder 37 Laser 37 2.5 Radio- og mikrobølger 39 2.6 Infrarød stråling 43 Drivhuseffekten 44 Klimaendringer 46 Globalt samarbeid 47 2.7 Ultrafiolett stråling 48 Ozonlaget 50 2.8 Røntgenstråling og gammastråling 54 Røntgenstråling 54
5 2.9 Kunnskap om verdensrommet fra EM-stråling 56 Radiostråling fra verdensrommet 56 Infrarød stråling fra verdensrommet 56 Synlig lys fra verdensrommet 56 Ultrafiolett stråling, røntgenstråling og gammastråling fra verdensrommet 57 Sammendrag 58 Oppgaver 59 Nett- og gruppeoppgaver 81 Forsøk 82 Forslag til korte foredrag 91 Utfordring 92 3 Radioaktivitet 95 3.1 Radioaktiv stråling 97 Isotoper 98 stråling fra ustabile kjerner 98 Rekkevidden av radioaktiv stråling 101 Energien i radioaktiv stråling 102 3.2 Å måle radioaktivitet 103 Halveringstid 103 C14-metoden 105 3.3 Stråledoser og biologiske effekter 107 Effekter av radioaktiv stråling på cellenivå 108 Biologiske effekter av store stråledoser 109 Biologiske effekter av små og middels store stråledoser 110 Stråling i Norge 110 Radon 111 3.4 Radioaktiv stråling i medisinsk behandling 112 3.5 Fisjon og fusjon 114 Fisjon 114 Radioaktivt avfall 116 Fusjon 118 Sammendrag 119 Oppgaver 121 Nett- og gruppeoppgaver 136 Utfordring 137 Forsøk 138 Forslag til korte foredrag 141 Fasit 142 Stikkord 146 Læreplan 147
6 Naturvitenskap og naturfag Naturfaglig kunnskap Vi vet av erfaring at melken holder seg lenger når vi setter den i kjøleskapet. Vi vet at vi kan bli smittet når noen som er forkjølt, hoster eller nyser mot oss. Vi vet også at en flaske brus som står ute i mange kuldegrader, kan fryse i stykker. Dette er eksempler på kunnskap vi har skaffet oss gjennom erfaringer og opplevelser. Men mange vil ikke nøye seg med dette, de vil vite mer. «Hvorfor er det slik? Hvordan kan det forklares?» Mennesker har alltid undret seg over det de kunne observere rundt seg. Undringen er en viktig drivkraft i vår søken etter kunnskap. Uten menneskets undring og nysgjerrighet hadde den naturvitenskapelige kunnskapen vi har i dag, ikke kunnet vokse fram. Men undring og nysgjerrighet er ikke den eneste drivkraften i menneskets søken etter naturvitenskapelig kunnskap. Kunnskap om hva som skjer i melk og andre matvarer som blir bedervet, har satt oss i stand til å velge de beste transport- og oppbevaringsmåtene. Kunnskap om forkjølelsesviruset har gjort det mulig å forstå hvordan vi kan unngå å bli smittet. Jakten på kunnskap om forkjølelsesviruset og andre virus har satt oss i stand til å bekjempe mange sykdommer der virus er årsaken. Naturvitenskapelig kunnskap er med andre ord nyttig for oss. Hvem skal ta valgene? Vi må stadig velge, både i vår egen hverdag og som samfunnsmedlemmer. Hva skal vi spise for å holde oss friske? Skal vi bygge gasskraftverk i Norge? Hvor skal vi legge den nye veien, og hvor skal det være tillatt å bygge hytter? Vi kan la andre velge for oss. Eller vi kan være med og velge selv. Hvis vi vil velge selv, trenger vi mer kunnskap enn den vi kan skaffe oss gjennom erfaringer og opplevelser. Vi må ha kunnskap som setter oss i stand til å vurdere følgene av de valgene vi gjør. Det mangler sjelden gode råd fra mange hold, enten det gjelder hvilken mat som er sunnest, om vi bør satse på gasskraft, eller hvilken veitrasé som skader miljøet minst. For å kunne gjøre de beste valgene trenger vi kunnskap. Uten grunnleggende kunnskap i naturfag må vi overlate mange valg til andre.
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 7 Undersøkelser Undersøkelser er grunnlaget for all naturvitenskapelig tenkning. Vi kan for eksempel undersøke hvordan temperaturen virker inn på yteevnen til batterier, og vi kan undersøke hvordan kjøttmeisen finner mat om vinteren. Vi kan også undersøke hva som gjør at vannlopper vi har i et akvarium, først formerer seg og blir mange, men så plutselig går ned i antall. Hypotese Vi starter med å tenke ut mulige hypoteser, eller antakelser vi har. Et eksempel på en hypotese kan være at kjøttmeisen gjemmer mat på faste steder, og at den henter maten fra disse gjemmestedene om vinteren. Et annet eksempel på en hypotese er at vannloppene i akvariet blir færre fordi maten tar slutt. Vi tester hypotesene ved hjelp av observasjoner. Dersom observasjonene våre stemmer med antakelsen vår, hypotesen, styrker det hypotesen. Dersom observasjonene ikke stemmer med hypotesen, kan det bety at hypotesen ikke er riktig og må forkastes. Observasjoner I undersøkelsene vi gjør, er det viktig at vi sørger for systematiske observasjoner. Vi kan for eksempel videofilme en kjøttmeis mens den leter etter mat, og registrere nøyaktig hvor den finner mat. Vi kan observere hvordan antallet vannlopper endrer seg ved å ta vannprøver og ved å telle antallet individer i prøvene. Vi kan måle ved hjelp av instrumenter og samle data om næringsinnholdet, oksygeninnholdet og andre fysiske forhold i akvariet. Å samle data er altså det samme som å gjøre observasjoner. Observasjonene eller dataene vi samler, må systematiseres. Framstillinger i tabeller og diagrammer gjør det ofte lettere å se sammenhenger i datamaterialet.
8 NATURVITENSKAP OG NATURFAG Eksperimenter Ofte må vi gjennomføre eksperimenter for å kunne gjøre de observasjonene vi trenger. Vi utfører eksperimenter for å skaffe oss observasjoner under forhold som vi selv bestemmer og kontrollerer. Vi tenker oss et eksperiment der vi skal undersøke hvilken betydning næringstilgangen har for vannloppene. Vi velger å bruke fire akvarier, med like mange vannlopper i hvert av dem. Næringsmengden i akvariene er forskjellig. Vi samler data (observerer) og finner ut hvordan individantallet utvikler seg i akvarier med ulike næringsmengder. Det er næringsmengden som er parameteren i eksperimentet vårt. Vi må være sikre på at de forskjellene vi observerer, skyldes at vi varierer denne parameteren, og ikke noe annet. Derfor er det viktig at de andre forholdene i akvariet, som temperatur og lysforhold, er helt like. Vi må også sørge for at avfallsstoffene ikke hoper seg opp i akvariene. Vi varierer altså én parameter, næringsmengde, mellom ulike akvarier, mens de andre forholdene holdes likt hele tiden. Vi kan også utføre et eksperiment for å se på effekten av for eksempel oksygeninnholdet på antallet vannlopper i akvariet. Da velger vi oksygeninnholdet som parameter. Nå er det oksygeninnholdet vi varierer mellom akvariene, de andre forholdene holdes helt likt i alle akvarier. Sikre observasjoner Det kan være vanskelig å telle alle vannlopper i akvariet. Det ville ta lang tid, og hvordan måtte det i så fall foregå i praksis? For å finne ut hvor mange vannlopper det er i akvariet, tar vi en vannprøve på for eksempel 100 milliliter. Vi teller antallet individer i prøven. Hvis akvariet er på 100 liter, kan vi gange antallet vi telte i vår prøve, med 1000. Da får vi et Vi finner antallet vannlopper i et akvarium ved å telle antallet individer i en vannprøve av en kjent størrelse.
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 9 omtrentlig tall på mengden av vannlopper i akvariet. Men er vi sikre på at det antallet vi har kommet fram til ved å gange med 1000, ligger nær opp til det virkelige antallet vannlopper i akvariet? Hva om vannloppene i akvariet «klumper seg»? Da fikk vi kanskje med oss for mange eller for få vannlopper i prøven vår. Vi må altså først forsikre oss om at prøven vi tar, er en representativ prøve. For å være sikker på at tilfeldighetene ikke spiller oss et puss, kan vi ta flere vannprøver. Når vi tar gjennomsnittet fra flere prøver, kan vi redusere risikoen for at vi ved en tilfeldighet har fått et for lavt eller for høyt antall. Feil og usikkerhet Når vi gjør observasjoner, kan det oppstå feil. Det kan være en tilfeldig feil, for eksempel fordi vi teller feil eller leser av en feil verdi på et måleinstrument. Ved feil bruk av et måleinstrument kan vi få feil verdier. Når et instrument vi bruker, ikke er riktig innstilt, får vi en feil i alle de målingene vi gjør. Vi snakker da om en systematisk feil. Mange ganger vet vi at vi gjør feil. Når vi vet at det er snakk om små feil som ikke vil få betydning for det endelige resultatet, kan vi se bort fra dem. I enhver undersøkelse bør det være med en vurdering av mulige feilkilder og av den betydningen de kan ha for resultatet. Usikkerhet i målinger er ikke det samme som feil. Det vil alltid være en usikkerhet i alle målinger vi gjør, selv om det ikke er feil. La oss anta at vi vil gjøre nøyaktige målinger av temperaturen i en væske i en kolbe. Vi bruker et digitalt termometer som gir oss måleverdier med to desimaler, altså to siffer etter komma. Fem målinger gir følgende resultat i grader celsius: Måling nr. 1 2 3 4 5 Målt temperatur i o C 11,26 11,20 11,22 11,21 11,25 Vi regner ut gjennomsnittsverdien: (11,26 + 11,20 + 11,22 + 11,21 + 11,25): 5 = 11,228 Vi runder av til 11,23. Hvor stor er usikkerheten i denne verdien? Et mål for usikkerheten er hvor stort avvik det er mellom gjennomsnittsverdien og de verdiene som ligger lengst fra gjennomsnittsverdien. Forskjellen mellom den største verdien og den minste verdien vi har målt, er 11,26 11,20 = 0,06. Halvparten er 0,03. Når vi oppgir måleverdien vår, kan vi oppgi dette som et mål for usikkerheten: Den målte verdien er 11,23 ± 0,03
10 NATURVITENSKAP OG NATURFAG Hvor stor usikkerhet vi kan akseptere, er avhengig av hva vi måler, og med hvilken hensikt. Måler vi avstanden fra jorda til månen og finner at usikkerheten dreier seg om noen centimeter, regner vi denne usikkerheten som svært liten. Men får vi en usikkerhet på flere centimeter når vi måler lengden av et bord, er usikkerheten altfor stor til at vi kan akseptere den. Får vi et måleresultat som avviker mye fra de andre, kan det tyde på at vi har gjort en feil. Da bør vi kontrollere ved å gjøre flere målinger. Å måle med samme mål Tidligere var det vanlig å oppgi lengde eller avstand i fot. Det er fortsatt vanlig å bruke denne lengdeenheten for båter og for flyhøyde i luftfarten. Opprinnelig svarte en fot til lengden av foten til en voksen mann. En fot ble delt inn i tolv tommer. Men fotlengden varierer som kjent, og derfor ble målenheten fot satt til 31,375 cm. I Storbritannia og USA ble det imidlertid bestemt at en fot skulle være 30,48 cm. I en verden med stadig økende kontakt var dette uholdbart. Derfor ble meter (m) innført som internasjonal enhet for lengde. Tilsvarende er det innført internasjonale målenheter for tid, masse og temperatur. Størrelse Internasjonal enhet Forkortelse lengde meter m masse kilogram kg tid sekund s temperatur kelvin K
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 11 Modeller av virkeligheten Når vi studerer naturen, oppdager vi hvor sammensatt ting kan være, og hvor vanskelig det er å forstå alt. Vil vi danne oss et bilde av den sammensatte virkeligheten, kan en modell være til hjelp. Modeller er alltid en forenkling av virkeligheten. Vi utelater detaljer som vi ikke trenger eller ikke er sikre på. Modeller har derfor begrensninger. Mange av figurene og beskrivelsene i denne boka er modeller av virkeligheten. Digitale simuleringer av naturfaglige fenomener bruker også modeller. En skjematisk modell av et atom.
12 KAPITTEL 1 Oppgaver 1 Vi tenker oss at klassen har fått i oppdrag å avgjøre hvor lang en alen skal være. Hvordan vil dere gå fram? 2 Hva er den minste temperaturforskjellen du klarer å registrere ved å stikke hånden ned i vann med ulike temperaturer? Har temperaturen på vannet noe å si for temperaturforskjellen du klarer å registrere? Hvordan ville du legge opp en undersøkelse som kan gi svar på disse spørsmålene? 3 Sett strek mellom det som hører sammen. lengde K usikkerhet temperatur en fot forenkling av virkeligheten 30,48 cm tolv tommer modell en fot meter ikke det samme som feil
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 13 4 Vi tenker oss at fire elevgrupper skal forsøke å finne ut hvor mange vannlopper det er i et akvarium. Akvariet er på 200 liter. Tabellen viser hvordan gruppene gikk fram, og hvilke resultater de fant. Kommenter arbeidet til hver av gruppene. Gruppe Framgangsmåte Antall prøver Prøvestørrelse Antall individer i prøven(e) Beregning av antall individer i akvariet I Prøver fra ulike steder i akvariet 3 200 ml 40, 72, 47 (40 + 72 + 47) : 3 = 53 53 1000 = 53 000 II Prøver fra ulike steder i akvariet 5 100 ml 31, 28, 18, 40, 22 (31 + 28 + 18 + 40 + 22) : 5 =27,8 27,8 2000 = 55 600 III Prøver fra overflaten 5 100 ml 35, 41, 30, 40, 38 (35 + 41 + 30 + 40 + 38) : 5 = 36,8 36,8 2000 = 73 600 IV Prøver fra ulike steder i akvariet 5 100 ml 34, 20, 29, 41, 17 (34 + 20 + 29 + 41 + 17) : 5 = 28,2 28,2 200 = 5 640 5 Sett ordene på riktig plass: forstørret protonene kuler modeller kjernen elektronskall Vi tegner ofte av atomer. I en atommodell er ofte markert med plusstegn og plassert i midten av atomet, i. Elektronene er tegnet som små prikker på sirkler rundt kjernen. Sirklene skal illustrere. Modellen er kraftig i forhold til virkeligheten. På modellen ser atomene ut som flate sirkler, mens de i virkeligheten kan sammenlignes med små.
14 KAPITTEL 1 6 Gjør ferdig begrepskartet. Figurer Hva er det? Egenskaper Begrepet Eksperimenter Eksempler
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 15 7 a Er fargen i det midtre feltet lik i begge ender? Dekk ytterfeltene med papir. Hvordan ser det midtre feltet ut nå? b Klarer du å se både ansiktene og vasen? c Når du ser på dette bildet, vil hjernen din fylle ut den manglende informasjonen slik at du ser en firkant selv om sidene mangler. d Hvilken av de vertikale linjene er lengst?
16 KAPITTEL 1 8 Svaralternativ Rett svar Hva gjør en A B C A B C Botaniker studerer bier studerer fisker studerer planter Astronom skriver horoskop studerer verdensrommet er en astrolog Geolog studerer jordskorpa kartlegger gener studerer verdensrommet Arkeolog daterer gamle funn jobber på et arkiv tegner hus Zoolog studerer blåveis studerer dyr studerer alger Glasiolog studerer galakser studerer isbreer studerer fjell Fysiolog masserer vonde muskler studerer fysikk studerer hvordan kroppen virker Meteorolog melder været studerer meteorer studerer metropoler Toksikolog jakter på giftstoffer lager medisiner lager E-stoffer Radiograf lager grafer tar røntgenbilder bruker radiobølger Farmasøyt lager turbiner lager fargestoffer lager medisin Astrolog er en astronom skriver horoskop studerer verdensrommet
17 KAPITTEL 1 NATURVITENSKAP OG NATURFAG 17 NETT- OG GRUPPEOPPGAVER Nettressurser til flere av disse oppgavene finner du på www.gyldendal.no/senit. 9 Temperaturskalaer Temperatur oppgis vanligvis i grader celsius. I noen land bruker de grader fahrenheit. Etter det internasjonale SI-systemet skal vi bruke målenheten kelvin. Finn ut litt om hver av disse måleenhetene og om sammenhengen mellom dem. 10 Måleenheter a b c d Hvor stort er et mål? Hvor stor er en favn? Hvor mye er en gallon? Finn flere eksempler på gamle måleenheter som fortsatt er i bruk. 11 Reklame I reklamen vises det ofte til såkalte vitenskapelige undersøkelser for å overbevise kjøperen om hvor fortreffelig et produkt er. Finn eksempler på dette blant ulike produkttyper. Forslag til korte foredrag Historien til en av enhetene i SI-systemet Gamle måleenheter Prefikser Naturvitere i arbeidslivet Aristoteles Galileo Galilei Placeboeffekt
18 KAPITTEL 1 Forsøk KOPPER UTSTYR: Termometer Varmt vann Du har fått i oppgave å arrangere fotballturnering. Under denne fotballturneringen skal det selges varme drikker. Før du går til innkjøp av kopper, bestemmer du deg for å undersøke hvilke kopper du bør kjøpe inn. Du ønsker at koppene skal holde drikken varm lengst mulig. Hvordan vil du gå fram for å undersøke det? Ulike kopper (pappbeger med og uten hank, isoporbeger, plastkopp osv.) Gjennomfør forsøket. Hvilken kopp egner seg best? Til videre arbeid: Tenk deg at du får i oppgave å konstruere en super kopp. Hvordan vil den se ut?
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 19 VI SER PÅ BLADCELLER I LYSMIKROSKOPET UTSTYR: Lysmikroskop Hensikten med denne øvelsen er å bli kjent med hvordan lysmikroskopet er bygd opp og virker. Vi skal lære å lage et mikroskopipreparat. Vi skal se på celler som inneholder kloroplaster. Det er i slike celler fotosyntesen foregår. Objektglass Dekkglass Dråpeteller Pinsett Fagermose
20 KAPITTEL 1 1 Se på mikroskopet. Finn alle delene som er navngitt på figuren. 2 Slå på lyset til mikroskopet. Drei på revolveren til det minste objektivet peker nedover. Du kjenner et klikk når objektivet er på plass. Se gjennom okularet og vri på blenderen. Du ser at du kan regulere lysstyrken. 3 Lag et vannpreparat av et moseblad slik figuren nedenfor viser. Vann utenfor dekkglasset kan du tørke bort med et stykke tørkepapir. Har du for mye vann under dekkglasset, kan du få sugd opp noe ved å stikke et stykke tørkepapir inntil kanten av dekkglasset. 4 Legg objektglasset med vannpreparatet på objektbordet med dekkglasset og bladet rett over hullet i objektbordet. Det minste objektivet skal fortsatt peke nedover. Begynn alltid undersøkelsene gjennom mikroskopet med det minste objektivet! 5 Se på bladet gjennom mikroskopet. Flytt på objektglasset til bladet ligger midt i synsfeltet. For å få et skarpt bilde må du skru objektbordet ned eller opp ved hjelp av grovinnstillingsskruen. Vær forsiktig når du skrur objektbordet oppover, slik at objektivet ikke berører dekkglasset. 6 Du får et helt skarpt bilde ved å skru på fininnstillingsskruen. Finn en passende lysstyrke ved å skru på blenderen. Hva ser du? Kan du se om bladet har tenner og annerledes celler i bladkanten? Kan du se hva som gir bladet grønnfarge? 7 Utenpå okularet står det hvor mange ganger det forstørrer. På siden av objektivet står det hvor mange ganger objektivet forstørrer. For å finne ut hvor mye bladet er forstørret, ganger du de to verdiene med hverandre. Hvor mange ganger er preparatet ditt forstørret?
NATURVITENSKAP OG NATURFAG 21 8 Når bladet er midt i synsfeltet og bildet er skarpt, kan du forstørre mer ved å dreie revolveren til det neste objektivet er på plass. Du må ikke endre på grovinnstillingen, men du vil se at du må justere litt med fininnstillingen. Du kan også justere lysstyrken. Hvor mange ganger er bladet forstørret nå? Kan du se strukturer som du ikke så ved den minste forstørrelsen? Se også på bladranden. 9 Forstørr så mye som mulig. Hvor mange ganger er bladcellene forstørret nå? Kan du se cellevegg, cellekjerne og kloroplaster?
22 KAPITTEL 2
2 BØLGER OG STRÅLING 23 Bølger og stråling 2.1 Bølger 2.2 Lydbølger 2.3 Elektromagnetiske bølger 2.4 Lys 2.5 Radio- og mikrobølger 2.6 Infrarød stråling 2.7 Ultrafiolett stråling 2.8 Røntgenstråling og gammastråling 2.9 Kunnskap om verdensrommet fra EM-stråling Bølger og stråling er to begrep som hører sammen. For å kunne forstå hva de ulike typene stråling rundt oss er, hvordan de brukes i hverdagen, i forskning og til medisinske formål, og hvordan de kan virke inn på vår helse, må vi vite noe om bølger. I dette kapitlet ser vi derfor først på hva bølger er. Eksempler på spørsmål vi i dette kapitlet skal finne svar på, er: Hva er lyd, og hva er ultralyd? Hva er infrarød stråling? Hva er ultrafiolett stråling? Hva er røntgenstråling? Hva er lys, og hva er laserstråler? Hva slags stråling sender sola ut? Hvordan kan denne strålingen gi oss informasjon om verdensrommet?
24 Trådløs og usynlig Vår hverdag blir mer og mer trådløs. Vi kommuniserer med hverandre ved hjelp av trådløse telefoner og mobiltelefoner og gjennom trådløse nettverk. Instrumenter kan fortelle oss nøyaktig hvor vi befinner oss, og fly og skip kan navigere presist under nær sagt alle forhold. Alt dette skjer ved hjelp av signaler som overføres trådløst fra en sender til en mottaker. Hvordan er det mulig å overføre signaler uten ledninger eller andre forbindelser? Hvordan finner alle disse apparatene fram til hverandre? Vi kan verken se eller høre disse signalene. Noen signaler ser ut til å kunne nå oss nesten hvor som helst. Andre ser ut til å ha mer begrenset rekkevidde. Hva er egentlig dette usynlige som binder sammen våre telefoner, PC-er og andre apparater? Ligger det en helserisiko i alt det usynlige som omgir oss? Kan det være skadelig å bruke mobiltelefonen? EKSPERIMENT Er det noe som kan stoppe signalene fra og til din mobiltelefon? Forsøk å finne ut om det finnes materialer som ikke slipper gjennom signalene. Gjør det samme eksperimentet med en fjernkontroll til for eksempel et fjernsynsapparat.
BØLGER OG STRÅLING 25 2.1 Bølger Vi kan få fram en bølge ved å svinge et tau som holdes fast i den andre enden. Bølgen vi får, ligner på en vannbølge. Bølgen har både bølgetopper og bølgedaler. Avstanden mellom to bølgetopper kalles bølgelengden. Bølgefarten forteller hvor langt bølgetoppene forplanter seg på ett sekund. Bølgelengden i en bølge er avstanden mellom to bølgetopper. Bølgefarten er lik farten til bølgetoppene. Bølgelengden er avstanden mellom bølgetoppene. Når bølgetoppene etter ett sekund har forflyttet seg 0,3 m, er bølgefarten 0,3 m/s. Frekvensen forteller hvor fort hvert punkt på tauet går opp og ned. Når vi svinger fort, kommer bølgetoppene nærmere hverandre. Når frekvensen øker, blir bølgelengden mindre. Frekvensen til en bølge er antallet svingninger per sekund (Hz). Jo høyere frekvensen er, desto kortere blir bølgelengden. Jo lavere frekvensen er, desto lengre blir bølgelengden. Vi må bruke energi for å sette i gang en bølge i et tau. Det er denne energien som brer seg utover langs tauet. Med store utslag overføres mer energi til tauet enn med mindre utslag. Når vi svinger tauet hurtig,
26 KAPITTEL 2 Bølger på havet transporterer energi. overføres mer energi, og vi får hurtigere svingninger enn når vi svinger langsomt. Personen som holder tauet i den andre enden, kan kjenne at bølgen transporterer energi. Når tauet svinger, er det ikke selve tauet som flytter seg bortover. Det er bare bølgetoppene og bølgedalene som forflytter seg langs tauet. Slik er det også i bølger på havet. Det er bølgetoppene som forflytter seg; vannet flyttes opp og ned, men ikke bortover. Bølger frakter energi uten at det blir flyttet masse. Lydbølger sprer seg som fortettinger og fortynninger i lufta. 2.2 Lydbølger Lyd er bølger som dannes når en lydkilde svinger fram og tilbake og setter i gang svingninger i lufta. Når lydkilden, for eksempel en høyttalermembran eller en gitarstreng svinger den ene veien, vil luftmolekylene på denne siden bli presset sammen. Det oppstår en fortetting. Når den like etter svinger i motsatt retning, etterlater den seg
BØLGER OG STRÅLING 27 en fortynning av luftmolekylene. Det blir hele tiden nye fortettinger og fortynninger i lufta, som brer seg utover. Luftmolekylene svinger ikke opp og ned på tvers av bølgeretningen slik som for eksempel i en bølge på havet eller i eksemplet med tauet som svinger. Luftmolekylene svinger fram og tilbake langs bølgeretningen slik figuren viser. En lydbølge forplanter seg som fortettinger og fortynninger i lufta. Bølgelengden for en lydbølge er lik avstanden mellom to fortettinger eller mellom to fortynninger. Jo fortere molekylene i lufta svinger fram og tilbake, desto kortere blir avstanden mellom fortettingene. Når det er kort avstand mellom fortettingene, er frekvensen høy. Det gir en lys tone. Med lavere frekvens, og dermed større bølgelengde, blir det dypere toner. Lydfarten er det samme som bølgefarten. Den forteller hvor fort fortettingene brer seg utover. Fra lydbølger til hørselsinntrykk Trommehinnen i øret svinger i takt med svingningene i lydbølgene som fanges opp av øret. Svingningene av trommehinnen blir omdannet til nerveimpulser som går til hørselssenteret i hjernen. Det er dette vi oppfatter som lyd. Vi hører normalt best i området mellom 250 Hz og 4000 Hz. Unge mennesker kan høre lyder mellom 20 Hz og 20 000 Hz. Med alderen svekkes særlig evnen til å oppfatte lyd med høye frekvenser. Å se i mørket (1): Spallanzani og flaggermusene Menneskene har lenge undret seg over at flaggermus kan manøvrere og fange insekter i stummende mørke. Den italienske naturforskeren Spallanzani observerte i 1793 at når han slapp flaggermus i et mørkt rom, unngikk flaggermusene alle hindringer og fløy aldri mot veggene. Spallanzani trodde først at flaggermusene hans kunne se i svakere lys enn det menneskelige øyet kunne oppfatte. Han laget hetter av lystett stoff og bandt rundt hodene på dyrene. Nå klarte de ikke å unngå kollisjoner, selv i dagslys. Han sluttet derfor at øynene var av avgjørende betydning for dyrenes orientering under flukten. Men Spallanzani klarte
28 KAPITTEL 2 ikke å slå seg til ro med denne konklusjonen. Senere dekket han bare øynene på dyrene og lot ørene være udekket. Nå observerte han at flaggermusene navigerte like sikkert i mørket som før. Det neste Spallanzani gjorde, var å sette vokspropper i ørene på flaggermusene. Nå observerte han at de var helt hjelpeløse. Dermed kunne Spallanzani konkludere at flaggermusene orienterer seg i mørket ved hjelp av hørselen og ikke ved hjelp av synet. Fosterundersøkelse ved hjelp av ultralyd. Ultralyd Vi kan ikke oppfatte lyd med en frekvens over 20 000 Hz. Slik lyd kalles ultralyd. Mange dyr kan oppfatte ultralyd. Hunder kan høre frekvenser på opptil 50 000 Hz. Noen dyr kan også sende ut ultralyd, slik som for eksempel flaggermus og delfiner. Bruk av ultralyd ved medisinske undersøkelser baserer seg på at et instrument sender ultralyd inn i kroppen. Tiden det tar før ekkoet kommer tilbake, forteller om avstanden, mens andre egenskaper ved ekkoet for eksempel signalstyrke sier noe om type vev. En datamaskin kan tolke disse ekkoene og framstille et bilde. Dette brukes for eksempel for å undersøke foster og for å måle blodstrømmen i hjertet.