Høgskolen i Sør-Trøndelag Avdeling for lærer- og tolkeutdanning Individuell skriftlig eksamen i Naturfag 1, Na130 - E 15 studiepoeng UTSATT EKSAMEN (Høsten 2009) 25. mai 2010 SENSURVEILEDNING EMNEKODE OG NAVN: Naturfag 1, Na130 Fysikk(50 %), Kjemi (50 %) SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE: Vår 2010(utsatt) 6 timers skriftligeksamen OPPGAVETEKSTEN: FYSIKK Oppgave 1 (Lys og lyd 30 %) I ett av kompetansemålene i naturfag etter 7.trinn i Kunnskapsløftet står det under Fenomener og stoffer at "mål for opplæringen er at eleven skal kunne gjennomføre forsøk med lyd, hørsel og støy, beskrive og forklare resultatene og hvordan vi kan skjerme oss mot uønsket lyd" a) Skriv kort om et forsøk innen tema lyd som kan brukes for å nå dette kompetansemålet. Ustyr, mål og metode må være i beskrivelsen. I lydlære ser vi på egenskaper ved lydbølger. b) En lydbølge har en frekvens på 34 Hz og lydfarten i lufta er 340 m/s. Hvor stor bølgelengde har lydbølgen? Hører vi denne frekvensen? I en konsert står guitaristen 2 m fra en høytaler. I denne avstanden blir lydintensiteten målt til 50 W/m 2. c) Hvor høyt er lydintensitetsnivået guitaristen opplever? I lyslære studerer vi lysbrytningen når lyset går gjennom forskjellige stoffer. d) En lysstråle går fra luft til glass. Brytningsvinkelen er 30 o. Hvor stor er innfallsvinkelen når brytningsindeksen for glass er n =1,61? I optikk studerer vi egenskaper til linser. I Lærerplanverket, LK06, under kompetansemål etter 10.trinn, fenomener og stoffer, finner vi blant annet at Mål for opplæring er at eleven skal kunne gjennomføre forsøk med lys, syn og farger, beskrive og forklare resultatene.)
e) Forklar hva en konkav og en konveks linse er. Lag en tegning som viser til hvordan lysstråler går gjennom en konveks linse og en konkav linse. Oppgave 2 (Gasslover 5 %) Et stempel presser luft fra 1 m 3 ned til 0,5 m 3. Trykket i stempelet endrer seg fra 5,0. 10 5 Pa til en ny verdi. Denne prossesen skjer ved konstant temperatur. Hvor stor blir trykket når volumet blir 0,5 m 3? Oppgave 3 (Energilover- Termofysikk 15 %) En gass med trykket 5,0. 10 5 Pa blir tilført varme og utvider seg mot et friksjonsfritt stempel ved konstant trykk. a) Hvor stort arbeid gjør gassen mot omgivelsene når volumet øker med 0,50 m 3? b) Hvor stor er endringen i gassens indre energi når den tilførte varmen er 1,0. 10 5 J? c) I termofysikk studerer vi energiomdanning og energioverføring. Hva sier termodynamikkens andre hovedsetning? RELEVANT PENSUMLITTERATUR: Ekern, Trond, Isnes, Anders og Nilsen, Odd Terje (2000). Univers: Grunnbok 2 FY. Bokmål, 2. utg. Bekkestua, NKI-forlaget. Tabeller og formler i fysikk: 2FY og 3FY (1998). Bokmål. Oslo, Gyldendal undervisning. Na130 Laboratorieøvelser i fysikk. Tapir kompendium. Kap. 11 om lydlære som er lagt på ITL EKSAMENSKRAV: Oppgavebesvarelser i fysikk bør innelde flest mulig av elementene som ligger i forslag til løsningsom her vises det til. Oppgave 1 Svar: a) Et eksempel kan være sugerørfløyten. Men andre aktiviteter med musikkinstrumenter og bruk av apparatur som konkretisere lydbølger.
Eks. Utstyr: Sugerør, saks. Metode: Klem flat den ene enden av røret. Klipp av på skrå slik at det blir et passende vibrasjonslag for å blåse gjennom. Klipp av i forskjellige lengder. Målet er å gi en konkretisering av at lyd / tonen er avhengig av rørets lengde. b) Bruk av : v = λ. f, 340 m/s = λ. 34 Hz. Bølgelengde er: λ = 10 m. Vi hører denne frekvensen c) Vi bruker: Io = 1,0. 10-12 W/m 2 I og L = 10 log db Io Innsetting: I = 50 W/m 2 og Io = 1,0. 10-12 W/m 2 gir lydintensitetsnivå:. L = 137 db sinα i d) Vi bruker n =, med sin 30 o = 0,5 og n = 1,61 X 0,5 = 0,805. Bruk av sinα b kalkulator for arcsin 0,805 = 53,6 o = 54 o. Innfallsvinkelen er 54 o e) En konkavlinse er en spredelinse, en konvekslinse er en samlelinse. Oppgave 2 Svar: Trykket i stempel regnes ut ved bruk av P 1 V 1 = P 2 V 2, som gir P 2 = P 1 V 1 /V 2 = 1,0. 10 6 Pa Oppgave 3 Svar: a) Vet at W = p V, og setter inn verdier for trykket og volumendring. p = 5,0. 10 5 Pa og V= 0,50 m 3 Arbeidet gjort på omgivelsene er W = 5,0. 10 5 Pa. 0,50 m 3 = 2,5. 10 5 J b) Endring i indre energi U = Q + W = 2,5. 10 5 J + 1,0. 10 5 J =3,5. 10 5 J c) Denne loven kan formuleres på flere måter: - Ved enhver forandring i et system fører til at entropien øker. - Mer og mer energi blir mindre og mindre tilgjengelig. - Endringer i energi fører til at energien blir degradert.
Som vedlegg til eksamen Formler: v = λ. f Io = 1,0. 10-12 W/m 2 L = 10 log I Io db n = sinα sinα i b K = 273 + o C P 1 V 1 = P 2 V 2 U = Q + W W = p V F = p A 1 N/m 2 = 1 Pa Hjelpemidler: Kalkulator Form/ struktur/ språklig fremstilling og logisk sammenheng Oppgavebesvarelsene bør kunne leses med forklaring for utregninger. OPPGAVENS KARAKTER TOLKING AV OPPGAVETEKSTEN Riktig oppgavenummer til riktig besvarelsen FAGLÆRER/ OPPGAVEGIVER Sted/ dato: 30.04.10 Navn: George Sundt
OPPGAVETEKSTEN KJEMI Oppgave 4 Bindinger og navnsetting (20 %) De fleste grunnstoffene i periodesystemet er metaller. Metaller har karakteristiske egenskaper som gjør dem svært verdifulle i samfunnet. a) Rene metaller har en spesiell binding. Hva heter denne bindingstypen, og hva er det som karakteriserer den? b) Denne bindingstypen gir metaller karakteristiske egenskaper. Gi noen eksempler på slike egenskaper. Bruk begrepene makro (fysiske egenskaper) og mikronivå (kjemiske egenskaper). c) Metaller reagerer med andre stoffer og danner salter. De fleste metallene finnes i naturen som salter. Forklar hva et salt er, og sett navn på følgende salter: 1) NaCl 2) Fe 2 S 3 3) Mg(OH) 2 4) CaSO 4 d) Kjemiske bindinger er mer enn bindinger i metaller og salter. Rene metaller opptrer som grunnstoffer mens salter er kjemiske forbindelser. I naturen er en svært stor del av de kjemiske forbindelsene ikke salter, men molekylforbindelser. Hvilke bindinger finner vi i og mellom molekyler og hva karakterisere disse bindingene? e) Alle stoffer kan teoretisk finnes som både fast stoff, væske og gass. Vann er eksempel på et stoff som kan opptre i alle disse fasene innenfor et begrenset temperaturintervall. Bruk vann som utgangspunkt for å lage et enkelt konkretiseringsopplegg for 7. trinn for kompetansemålene i LK 06: Beskrive sentrale egenskaper ved gasser, væsker, faste stoffer og faseoverganger ved hjelp av partikkelmodellen Forklare hvordan stoffer er bygd opp, (og hvordan stoffer kan omdannes) ved å bruke begrepene atomer og molekyler Opplegget skal inneholde minst en praktisk aktivitet som forsøk, rollespill eller liknende. Oppgave 5 Reaksjonstyper (15 %) I Kunnskapsløftet (LK06) står det i læreplanen i naturfag under kompetansemål for 10. årstrinn: Mål for opplæringen er at elevene skal kunne Gjennomføre forsøk for å klassifisere sure og basiske stoffer Planlegge og gjennomføre forsøk med påvisningsreaksjoner, separasjon av stoffer i en blanding og analyse av ukjent stoff a) Hvilke reaksjonstyper kan du som lærer ta utgangspunkt i for å lage undervisningsopplegg med disse målene? Forklar hva som karakteriserer disse reaksjonstypene. b) Foreslå et forsøk du kan knytte til det første kompetansemålet over. Ta med noe om hvilke typer stoffer du vil bruke, og hvordan elevene kan klassifisere stoffene som enten sure eller basiske.
c) Enkelte metaller reagerer med vann. Blant annet gjelder det alle metallene i gruppe 1 og 2. Når kalsium reagerer med vann skjer reaksjonen: Ca (s) + 2 H 2 O (l) Ca(OH) 2(s) + H 2(g) I denne reaksjonen inngår to reaksjonstyper. Hvilke, og hvordan kan du se det av reaksjonslikningen (med hjelpemiddel)? Flett inn begrepene makro- og mikronivå. d) Hydrogengass kan også lages ved hjelp av sink og saltsyre. Hva skjer i reaksjonen og hvilken reaksjonstype er det snakk om? Hvordan kan elevene påvise at de produsert hydrogengass? Hva slags reaksjonstype er reaksjonen som viser påvisningen av H 2(g)? Oppgave 6 Organisk kjemi (15 %) I Kunnskapsløftet (LK06) står det også i læreplanen i naturfag under kompetansemål for 10. årstrinn: Mål for opplæringen er at elevene skal kunne Gjøre forsøk med og beskrive hydrokarboner, alkoholer og karboksylsyrer og noen vanlige karbohydrater Karbon står i en særstilling i periodesystemet fordi det vanligvis ikke danner ioner, men kan danne bindinger både med andre karbonatomer og andre grunnstoffer. Det er grunnlaget for den organiske kjemien. a) Den enkleste gruppen organiske forbindelser er hydrokarbonene. Forklar kort hvordan disse er bygd opp, og vis, ved eksempler, de tre hovedgruppene vi deler hydrokarbonene inn i. Vis også hvilken karakteristisk binding vi finner i de tre gruppene. b) Organiske forbindelser er svært utbrett både i naturen og som laboratorieprodukter. Det skyldes blant annet at det er enkelt å få karbonatomer til å binde seg til hverandre på ulike måter i for eksempel i molekyler med åpne eller forgrenede kjeder eller i ringformede (sykliske) molekyler. Ofte er det snakk om isomere forbindelser. Hva ligger i begrepet isomeri, og hvilken form for isomeri finner vi i forbindelsene på neste side? Sett også navn på forbindelsene. 1. CH 3 CH CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 Cl Cl Cl Cl 2. CH 3 H H H H CH 2 CH 3 H CH 2 CH 2 CH 3 3. H CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H H H c) Når det gjelder hydrokarboner i naturen, finner vi de minste molekylene som gasser, de litt større molekylene som væsker, og de største som faste stoffer ved romtemperatur. Gi en kort forklaring på hva dette skyldes.
RELEVANT PENSUMLITTERATUR: Jan Sire (1998): Chemica, Fagbokforlaget eller James E. Brady (2004): Generell kjemi 2.. utgave Tapir Akademisk forlag V. Ringnes og M. Hannisdal (2000): Kjemi fagdidaktikk Kjemi i skolen, Høyskoleforlaget Kompendium: Kari Feren (2009): Naturfag 1 Na130 Laboratorieøvelser i kjemi. EKSAMENSKRAV Oppgavebesvarelsen i kjemi bør inneholde flest mulig av elementene som ligger i forslaget til løsning som det vises til under. Oppgave 4 Bindinger og navnsetting (20 %) a) Bindingen kalles metallbinding, og skyldes felles elektronsky av delokaliserte elektroner rundt positive metallatomer/- ioner som dannes fordi metallatomer har få og løse elektroner i valensskallet. b) Metallene har typiske fysiske egenskaper som metallglans, de leder strøm godt, de leder varme godt, de er formbare kan trekkes i tråder og valses til plater, de har høyt kokepunkt og foreligger for en stor grad som salter i naturen makronivå. På mikronivå partikkelnivå har metaller metallglans fordi elektronskyen reflekterer lys. Den felles elektronskyen og de positive metallatomene kan bevege seg i et elektrisk felt, og i en strømkrets vil de delokaliserte elektronene bevege seg mot plusspolen i strømkilden. De bevegelige elektronene gjør også at bevegelsesenergi lett kan overføres mellom elektronene og mellom elektroner og de positive ionene, og gir dermed metallet egenskaper som varmeleder. Metallbindingen er en sterk binding som gjør at det kreves mye energi for å bryte gitterstrukturen, dvs. endre fasen til metallene. At elektronene beveges lett fører også til at metallatomer lett for å gi fra seg elektroner få elektroner i ytterste skall og dermed danne salter. c) Et salt er en kjemisk forbindelse som er bygd opp av ioner. 1) NaCl 2) Fe 2 S 3 3) Mg(OH) 2 4) CaSO 4 natriumklorid jern(iii)sulfid magnesiumhydroksid kalsiumsulfat d) Bindingstype Oppstår mellom Bindingens "utforming"/ karakteristika Finnes i STERKE BINDINGE R Avhenger av: - elektronegativitet antall valenselektroner KOVALENT (elektronpar) UPOLAR POLAR Atomer like atomer E N 0.5 atomer med ulik E N E N = 0.5 1.5/1.7 Felles elektronpar mellom atomene i bindingen Enkelt-, dobbelt- og trippelbindinger E N angir polaritet. Molekyl - forbindelser
SVAKE BINDINGE R Intermolek y-lær/interatomær for edelgasser Avhenger av: - molekylstørrelse (form og utstrekning ) - ladningsfordeling i molekylet - avstanden mellom molekylen e - temporære induserte dipoler Londonkrefter - permanente dipol- dipol bindinger HYDROGEN- BINDINGER - "sterke" dipoldipol bindinger Molekyler Edelgassatomer Edelgassatomer Upolare molekyler Molekyler med permanente dipoler pga. elektronegativitets - forskjell mellom atomene og asymmetriske molekyler Molekyler satt sammen av H og små atomer (N, O, F, Cl) med høy elektronegativitet Molekylene er oftest polare Skyldes van der Waals krefter - svake krefter mellom dipoler Momentane dipoler dannes pga. elektronenes bevegelse i edelgassatomer og upolare molekyler Permanente dipoler orienteres i elektriske felt og i krystaller Fører til dannelse av molekylkjeder. Eks.: HF - kjeder Fører til vannets spesielle krystallstruktur og egenskaper Gir stoffene høyere smelte- og kokepunkter enn forventet Edelgasser Molekyl forbindelser, herunder halogenene Molekyl - forbindelser Viktige i naturen i: Vann Biologiske makromolekyler dvs. funksjonen til proteiner og DNA e) Et forsøk kan være smelte is til vann og videre koke vannet. For at elevene skal forstå hva som skjer mens vannet smelter og koker kan rollespill være en hjelp. Elevene får holde hverandre i hendene og bevege seg bare litt sideveis. Etter hvert øker de bevegelsen, de blir varmere og bevegelsen raskere og raskere til de til slutt rives fra hverandre dette illustrerer fast form og faseovergang til væske. Når de ikke lenger er bundet sammen kan de bevege seg fritt og også rotere. Hvis de øker bevelsen enda mer vil de til slutt bevege seg langt fra hverandre, de opptar stor plass og har ikke lenger noen fast form eller fast volum dette illustrerer overgangen fra væske til gass. Læringsutbyttet i forsøket kan være at elevene skal forstå det som skjer når tinn vann smelter og koker og at det er molekylenes bevegelser som er ansvarlig for endringen. Dette krever selvfølgelig også at elevene på andre måter er blitt kjent med oppbygning av stoffer og hva atomer og molekyler er. Oppgave 5 Reaksjonstyper (15 %) I Kunnskapsløftet (LK06) står det i læreplanen i naturfag under kompetansemål for 10. årstrinn: Mål for opplæringen er at elevene skal kunne Gjennomføre forsøk for å klassifisere sure og basiske stoffer
Planlegge og gjennomføre forsøk med påvisningsreaksjoner, separasjon av stoffer i en blanding og analyse av ukjent stoff a) Her kan man bruke: Syre basereaksjoner som karakteriseres ved protonoverganger syrer avgir og baser tar opp protoner i en samtidig reaksjon, eks. HA + H 2 O H 3 O + + A -. Fellingsreaksjoner reaksjoner der det dannes et bunnfall ved at to løsninger av lettløslige salter som blandes, fører til at blandingen inneholder en ionekombinasjon som gir et tungt løselig/uløselig salt (metatesereaksjon) Redoksreaksjoner der elektroner overføres helt eller delvis mellom to atomer, for eksempel ved påvisning av hydrogengass (se d)). b) Et forsøk kan være å klassifisere stoffer fra dagliglivet ved hjelp av rødkålsaft som indikator. Rødkål er en god indikatorsom ikke bare skiller mellom sure, basiske og nøytrale løsninger, men som også skiller på forskjeller mellom svake og sterkt sure eller basiske løsninger. Hverdagsstoffer er greie å bruke, da elevene kjenner dem fra før, men det er også OK å ta med en sterk baser og syre (for eksempel natriumhydroksid (NaOH) og saltsyre(hcl), som er hverdagsstoffer, men sannsynligvis ikke for elevene på u trinnet). c) Når kalsium reagerer med vann skjer reaksjonen: Ca (s) + 2 H 2 O (l) Ca(OH) 2(s) + H 2(g) Den ene reaksjonstypen er en redoksreaksjon. Det kan sees av at kalsium har gått over fra et å være metallisk grunnstoff til å bli del av et salt, positivt Ca 2+ - ion, dvs. hvert kalsiumatom har gitt fra seg to elektroner og er blitt oksidert. Det motsatte har skjedd for hydrogen, som inngår i vannmolekylet før reaksjonen, og som i reaksjonen tar opp elektroner og går over til hydrogengass, fritt grunnstoff. Dette forklare redoksreaksjonen på mikronivå. På makronivå kan redoksreaksjonen sees ved at fasene er satt inn, at det dannes hydrogengass angis ved H 2(g). Det kan også sees at kalsiummetall er et fast stoff, vann er en væske og at det dannes et nytt fast stoff i reaksjonen, Ca(OH) 2(S). At det dannes et bunnfall i reaksjonen, viser også at vi her har en fellingsreaksjon. Kalsiumhydroksidet som dannes er tungt løselig, og faller ut av løsningen. d) Hydrogengass kan også lages ved hjelp av sink og saltsyre. Det skjer etter følgende reaksjonslikning: Zn (s) + 2 HCl (aql) ZnCl 2(aq) + H 2(g) Reaksjonslikningen viser at dette også er en redoksreaksjon, hydrogen går fra å være del av et molekyl til fritt grunnstoff. Det har tatt opp elektroner og er blitt redusert, mens sinkatomer er blitt oksidert til Zn 2+ - ioner. Hydrogen påvises ved å la gassen reagere med oksygen i luft. Reaksjonen starter ved at det tilføres energi, tent fyrstikk, og den lager et smell (puff). I reaksjonen reagerer oksygen og hydrogen til vann, dvs. dette er også en redoksreaksjon: 0 0 I -II 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Oppgave 6 Organisk kjemi (15 %) a) Hydrokarboner: De enkleste organiske forbindelsene, bygd opp av karbon og hydrogen. De kan danne åpne kjeder - rette eller forgrenede alifatiske forbindelser og sykliske forbindelser (ringstrukturer) alisykliske forbindelser. De kan inneholde både enkelt-, dobbelt- og trippelbindinger, og deles i grupper etter bindingsforhold: Alkaner - åpne kjeder med bare enkeltbindinger, -, eksempel H 3 C CH 3, etan
Alkener - åpne kjeder med minst en dobbeltbinding, =, eksempel H 2 C=C H 2, eten Alkyner - åpne kjeder med minst en trippelbinding,, eksempel H C C H, etyn Alle disse kan lage tilsvarende sykloforbindelser, f.eks sykloalkaner. De danner en homolog rekke - fra ett til svært mange C-atomer i kjeden. b) Hvis det er flere enn 3 C-atomer i kjeden, kan C atomene kan organiseres på forskjellig måte i rette eller forgrenete kjeder kjedeisomere. Alkener og alkyner kan også ha stillingsisomere - forskjellig plassering av = og. Alkener kan i tillegg ha cis og transisomeri plassering av like atomer eller atomgrupper på samme eller hver sin side av = fordi det er hindret rotasjon rundt dobbeltbindingen. Dette er en form for geometrisk isomeri. 1. CH 3 CH CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 Cl Cl Cl Cl 2. CH 3 H H H H CH 2 CH 3 H CH 2 CH 2 CH 3 3. H CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H H H 1. Forbindelsene har kjedeisomeri med ulik plassering av klorsubstituentene. Forbindelsen til venstre er 2,3 diklorbutan mens den til høyre er 1, 3 diklorbutan. 2. Disse forbindelsene har stillingsisomeri, dvs. ulik plassering av dobbeltbindingen. Forbindelsen til venstre er (trans ) 2 penten, mens den til høyre en 1 penten. 3. Disse forbindelsene har cis og transisomeri, metylgruppene og hydrogenatomene har ulik plassering over dobbeltbindingen i de to molekylene: forbindelsen til venstre er trans 2 buten, mens den til høyre er cis 2 buten. c) Smelte- og kokepunktet øker fordi stoffene får større molekylmasse. For alkaner gjelder at så lenge alkanene er rettkjedede vil flere C-atomer føre til lengre kjeder og sterkere intermoleylære krefter mellom molekylene (Londonkrefter). Det skyldes at større molekyler har større sjanse til å danne momentane dipoler, og dermed få induserte dipoler. Dess sterkere disse kreftene er, dess høyere smelte- og kokepunkt har stoffene, fordi det krever mer energi å fjerne dem fra hverandre - løse opp bindingene mellom molekylene. Hjelpemidler: Kalkulator, tabeller i kjemi, naturfagplanen i Kunnskapsløftet Form/ struktur/ språklig fremstilling og logisk sammenheng Oppgavebesvarelsene bør kunne leses med forklaring for utregninger. OPPGAVENS KARAKTER TOLKING AV OPPGAVETEKSTEN Riktig oppgavenummer til riktig oppgave FAGLÆRER/ OPPGAVEGIVER Sted/ dato: 03.05.10 Navn: Kari Feren