Å bruke fysikken – naturfag 2

Fysikken ligger åpent og synlig i sykkelen. Drivverket og den menneskelige motoren gir oss et flott og lettfattelig utgangspunkt for undervisning om Newtons lover, krefter som virker på gjenstander.

På Naturfag 2 sin fysikksamling rullet syklene i korridoren, 2 meter med konstant fart ble målt med avstand og tid.
Med dette enkle utgangspunktet kunne vi utforske sammenhenger mellom fart, vei, tid, masse og kraft. Et eksempel er utarbeidet av Skolelaboratoriet:

Sykkeløvinger
Gi sykkelen fart med å tråkke pedalen ned én gang. 2 meter. Ta tiden der sykkelen ruller jevnt 2 meter. Vi ønsker å beregne kraften på pedalen.
Bruke formlene =∗ og = 12 ∗2 og =∗
Vi brukte 1,35 sekunder på de to metrene. Massen av sykkel+rytter er 85 Kg. Pedalarmen er 0,20m.
For å finne F, force, kraft på pedalen, må vi ha en verdi for W, arbeidet som blir utført, uttrykt i Joule, J. Stretch i formelen W=F*s er avstand pedalen beveger seg med et halvt tråkk, som vi har brukt.
W, arbeidet som ble utført på pedalen, er i formelen = 12 ∗2 uttrykt som kinetisk energi, bevegelsesenergien rytteren har gitt sykkelen. Forutsetningen er at vi måler den konstante farten sykkelen har når den ruller jevnt, altså etter akselerasjonen.
I formelen mangler vi v, hastighet. Den kan vi regne ut med den første formelen, der s er stretch sykkelen tilbakelegger, våre 2 meter.
Vi tar formlene igjen, med det vi har måltall for før vi begynner å regne:
=∗
s= strekning sykkel, 2 meter
v ukjent
t = 1,35 sekunder 2=∗1,35
= 12 ∗2
Ek = kinetisk energi i sykkelen
m = 85 Kg
v = ukjent, må utledes av første formel = 12 85∗(21,35 )2
=∗
W= Ek fra forrige formel
F er ukjent
s= ∗0,20=0,6
12 85∗(21,35 )2=∗0,6
Nå har vi satt inn tallene vi har målt og beregnet, og kan begynne å regne.
Første formel var blitt slik:
2=∗1,35
Vi snur på den, og får: =21,35≈1,5
Andre formel var blitt slik:
= 12 85∗(21,35 )2
Vi regner parantesuttrykket til å bli 1,5, og får:
= 12 85∗(1,5)2≈96
Tredje formel kan vi da løse slik:
96=∗0,6
= 960,6=160N
Vi vet nå at det ble tråkket med en kraft på 160N på pedalen. Det tilsvarer en kraft som løfter 16,3 Kg.

Sykkeløvingen ga egen erfaring og bakgrunn for Kjartan Olafssons foredrag om energi, måling og beregning i fysikken.
Energi
Hva måler Wattmeteret i heimen? spør Olafsson retorisk. Måleren kan ikke måle energi direkte, den må ha en målbar størrelse å gå ut fra.
Den måler strøm (A), og regner med at spenningen er konstant 230V, og regner så ut effekten, Watt.
Vi måler og betaler for omformet energi, slik energien på sykkelen konvertert fra matenergien til bevegelsesenergi.
Hvordan kan vi så produsere energi?
Vi deler energien inn i to typer: kinetisk energi
potensiell energi

img_3000 img_2999

Energi kan omformes mellom de to formene, selv om det koster noe.
Om vi har en masse som er løftet opp, har den fått potensiell energi. Det virker en kraft på massen, tyngdekraften. Om den slippes ned, øker den kinetisk energien, med tyngdens akselerasjon, 9,8 meter per sekund hvert sekund. Altså 9,8 m/s2.
All potensiell energi blir til kinetisk energi (dvs like før tingen treffer bakken).
Faller tingen i 7 sekunder, blir det 9,8*7*7= 480 J
Vi kan utnytte den kinetiske energien, for eksempel i et vannfall.
Dettifoss på Island er den fossen i Europa som har størst potensiell energi.
Ut fra kunnskap om vannføringen i elven og høyden på fallet, kan vi regne ut hvor mye energi fossen kan gi om den bygges ut.
Virkningsgraden blir hvor mye av kinetisk energi som taes ut som elektrisk energi. Med moderne vannkraftteknologi henter vi ut rundt 90% av energien.
Den berømte formelen E=mc2 viser all hypotetisk energi i en masse.
Men det er alltid tap i utnytting, for eksempel oppvarming av vannet. Virkningsgraden er alltid mindre enn 1.
Olafsson viser hvordan og hvorfor det alltid må være energitap i en forbrenningsmotor
Gass i en sylinder. Gassen tilføres varme, trykket minker og volumet øker til gassen når temperaturen i det kalde reservoaret.
Gassen komprimeres, temperaturen øker igjen. Arbeidet maskinen kan utføre, defineres av ‘konvolutten’ i diagrammet for trykk og volum.
Virkningsgraden til en bensinmotor vil avhenge av kompresjonsforholdet, hvor mye kan vi komprimere blandingen før den antenner av seg selv? Ca 8 ganger. Da kan maksimalt 56% av energien i bensin taes ut som energi, i virkeligheten får vi i praksis 35% i en god motor. Resten blir varme.

I det neste foredraget går Kjartan Olafsson videre til universets utvikling og utforsking. Tanken er at undervisning om verdebnsrommet er spennende for elevene. Om skolen investerer i et teleskop kan vi åpne for utforsking av stjernehimmelen, galakser, planeter og månen på en ny måte. Slike apparater er ganske billige i dag, og de følges av programvare som gjør det enkelt å navigere på himmelkvelven.

Andre dag av kurssamlingen åpnet med en sesjon på Geofysisk institutt. Deltakerne fikk en omvisning på taket av den staselige bygningen. Øverst i tårnet er det plassert et stort tall instrumenter, som måler vind, tempreatur, nedbør og solinnstråling på flere måter. Nettopp global stråling var hovedtema for sesjonen. Meng-Chieh Yang viste hvordan kunnskap om inntrålt energi har gitt grunnlag for prosjektering av bygging av solcelleanlegg i bergensområdet. Hun bruker målinger fra gfi sine stasjoner, og fra det tette nettverket bergensveret.no, til å finne betse plassering, retning og helling for solpanel på Haakonsvern og på Ulsmåg skole. Anleggene produserer så bra at det ene bygget kommer i overskudd med energi, bare med solcelleproduksjonen.
Andreas Hellesøy gikk i et foredrag gjennom hvilke energimengder det er snakk om fra solenbm og hvordan vi kan beregne størrelsene. Ved hjelp av Stefan-Boltzmanns lov kan vi beregne hvilke energimengder soloverflaten avgir per kvadratmeter. Om vi så tar hensyn til avstanden fra solen til jorden, kan vi finne hvor stor energi som treffer jordoverflaten – i snitt 1387 Watt/kvadratmeter. Vi kan også måle hvilket spekter strålingen har, det meste kommer i området for synlig lys. I følge Plancks strålingslov har kortere bølger mer energi. Solcelleanlegg som benytter kortbølget stråling vil derfor være mer effektive.

Siste del av samlingen ble brukt til et forsøk med fritt fall. I fysikken blir ofte vendingen ‘dersom vi ser bort fra luftmotstanden’ brukt. I vårt forsøk gjør vi det motsatte, vi ser hvordan luftmotstanden øker og farten avtar om vi slipper objekter med lik form, men ulik masse, fra en gitt høyde.

Føringene som er gitt for ny læreplan er interessante, og blir gitt mye oppmerksomhet på videreutdanningskursene. NoU 28, ‘fag-fordypning-forståelse’ viser hvilke prinsipper som vil gjelde for det nye planverket. Naturfag er brukt som eksemple på hvordan undervisningen skal konsentreres om fagenes grunnleggende ideer De 14 ‘Big Ideas’ som er formulert for naturvitenskapen av Harlen m.fl (2015) blir diskutert. Hvordan sakl vi møte utfordringen, med å fremme dybdelæring og forståelse av disse store, ofte abstrakte, begrepene?
Det blir i alle fall ikke mindre spennende å være naturfaglærer i årene fremover!