28.07.2013 Views

Tyndens akselerasjon.pdf - Naturfag1

Tyndens akselerasjon.pdf - Naturfag1

Tyndens akselerasjon.pdf - Naturfag1

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

Tyngdens <strong>akselerasjon</strong><br />

Rapport NA153L<br />

Tom Dybvik, GLU 5-­‐10NP,<br />

Universitetet i Nordland


Innholdsfortegnelse<br />

1 Innledning ....................................................................................................................................... 3<br />

2 Teori ................................................................................................................................................. 3<br />

3 Materiell og metode....................................................................................................................... 5<br />

3.1 Utstyr....................................................................................................................................................... 5<br />

3.2 Framgangsmåte..................................................................................................................................... 5<br />

4 Resultater ...................................................................................................................................... 6<br />

5 Drøfting............................................................................................................................................ 6<br />

5.1 Naturvitenskapelig drøfting ............................................................................................................... 6<br />

5.2 Naturfagdidaktisk drøfting ................................................................................................................ 7<br />

6 Konklusjon...................................................................................................................................... 9<br />

7 Bibliografi .....................................................................................................................................10<br />

Vedlegg - Elevrapport...............................................................Feil! Bokmerke er ikke definert.<br />

2


1 Innledning<br />

I forsøket, ”Tyngdens <strong>akselerasjon</strong>”, skal elevene formulerer en hypotese om gjenstander som<br />

faller mot bakken, utføre forsøket og beskrive resultatet. De skal prøve å gjøre en enkel<br />

beregning av <strong>akselerasjon</strong>en til en gjenstand i fritt fall. Gjenstander skal slippes fra et høyt<br />

punkt, og elevene måler tiden før de treffer bakken. Observasjonene etterarbeides i grupper og<br />

det skal skrives rapport fra forsøket. Aktiviteten er koblet opp mot læringsmål under<br />

”Forskerspiren” og ”Fenomener og stoffer” i læreplanen for grunnskolen for 10. årstrinn.<br />

Etter 10. årstrinn (Forskerspiren):<br />

Mål for opplæringen er at eleven skal kunne<br />

• Planlegge og gjennomføre undersøkelser for å teste holdbarheten til egne<br />

hypoteser og velge publiseringsmåte<br />

• Skrive logg ved forsøk og feltarbeid og presentere rapporter ved hjelp av digitale<br />

hjelpemidler<br />

Etter 10. årstrinn (fenomener og stoffer)<br />

Mål for opplæringen er at eleven skal kunne<br />

• gjøre rede for begrepene fart og <strong>akselerasjon</strong>, måle størrelsene med enkle<br />

hjelpemidler og gi eksempler på hvordan kraft er knyttet til <strong>akselerasjon</strong><br />

(Utdanningsdirektoratet u.d.)<br />

Aktiviteten er hentet fra ”Trigger Elevbok i naturfag for 10. trinn” av forfatterne Hanne S.<br />

Finstad og Jørgen Kolderup. Læreboka brukes i naturfagundervisninga ved praksisskolen.<br />

Undervisningsøkta som beskrives er fra min praksis sammen med 10. klasse ved Alsvåg<br />

Barne og Ungdomsskole høsten 2011.<br />

2 Teori<br />

Gravitasjonen, eller tyngdekraften (G) er en tiltrekningskraft som virker mellom alle ting. All<br />

materie skaper et gravitasjonsfelt rundt seg. Tyngdekraften er egentlig en ”svak” kraft og den<br />

krever svære maser, slik som jorda, for å få noen betydning (Angell, Flekkøy og Kristiansen<br />

2011). Jorda drar en gjenstand mot bakken med en kraft, men samtidig trekker gjenstanden på<br />

3


jorda med samme kraft. Når vi sier at en stein faller mot jorda er det egentlig steinen og jorda<br />

som trekker på hverandre med like stor kraft. Men på grunn av jordas masse blir den veldig<br />

treg å flytte slik at det tilsynelatende bare er jorda som trekker på steinen. Tyngdekraften drar<br />

gjenstanden mot bakken enten den faller eller ligger i ro på bakken. Når en gjenstand er i ro<br />

på bakken er dette egentlig et spesialtilfelle av Newtons første lov som sier at en gjenstand<br />

som ikke påvirkes av ytre krefter vil fortsette bevegelsen rett frem uten å endre sin hastighet.<br />

Hastigheten i dette tilfellet er null, det er balanse mellom kraften fra underlaget den ligger på<br />

og kraften fra jorda (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011).<br />

Akselerasjon (a) er hastighetsforandring (både når den øker og når den minker) over tid, og vi<br />

bruker benevningen<br />

m<br />

s<br />

s<br />

m<br />

= . 2<br />

s<br />

Tyngdens <strong>akselerasjon</strong> er den <strong>akselerasjon</strong>en et legeme i fritt fall har når det er i jordas<br />

tyngdefelt. Feltstyrken varierer blant annet med høyde over havet og hvilken breddegrad du<br />

befinner deg på, størst ved polene og minst ved ekvator (Wikipedia u.d.). Gravitasjon vil altså<br />

virke noe forskjellig alt etter hvor man befinner seg, men ikke så mye at det får betydning.<br />

Hvis vi ser bort fra luftmotstand, vil alle gjenstander som faller akselerere lik mye (Finstad og<br />

Kolderup 2008). Et lite sandkorn vil falle like fort som en stor tung steinblokk. Tyngdens<br />

<strong>akselerasjon</strong>er er konstant og tilnærmet verdi er 9.81 m/s 2 , men i grunnskolen opereres det<br />

gjerne med 10 m/s 2 .<br />

Newtons andre lov sier at summen av kreftene som virker på en gjenstand er lik massen<br />

ganger <strong>akselerasjon</strong>en ut fra formelen F = m · a (Angell, Flekkøy og Kristiansen 2011).<br />

Tyngdekraften er imidlertid så spesiell at vi bruker andre symboler. For å finne hvor stor<br />

tyngdekraft (G) som virker på en gjenstand må vi vite noe om massen (m) og tyngdens<br />

<strong>akselerasjon</strong> (g). G måles i Newton (N) , masse måles i kg og g uttrykkes i m/s 2 , eller N/kg<br />

(Finstad og Kolderup 2008).<br />

Tyngdekraft = masse · tyngdens <strong>akselerasjon</strong><br />

G = m · g<br />

Ut fra dette kan vi nå bestemme tyngden på en stein med masse på 2 kg:<br />

2 kg · 10 N/kg = 20 N<br />

4


3 Materiell og metode<br />

3.1 Utstyr<br />

• Tidtakerutstyr (for eksempel mobiltelefoner)<br />

• Målebånd<br />

• Gjenstander som skal falle<br />

• Skrivesaker<br />

• Fotoapparat for dokumentasjon<br />

3.2 Framgangsmåte<br />

Elevene ble fordelt i fire grupper som satte frem hypoteser om utfallet av forsøket. Ville noen<br />

gjenstander falle fortere, i så fall hvilke, og hvorfor? Luftmotstand skulle de se helt bort fra.<br />

Figur 1<br />

Forsøket ble gjennomført utendørs, og som slippunkt for gjenstandene tok vi utgangspunkt i<br />

en balkong på skolebygget. Elevene skulle måle høyden fra gelenderet og ned til bakken, og<br />

notere resultatet. De ble så enige om tre steiner med forskjellig størrelse som skulle slippes<br />

ned fra balkongen. Hver gruppe utnevnte en ansvarlig for å ta tiden på hvert slipp. Resultatet<br />

førte de inn i en tabell. Dermed fikk vi fire målinger for hver stein. Av disse målingene skulle<br />

5


elevene finne gjennomsnittlig tid av alle slippene, som igjen skulle danne grunnlag for<br />

beregningene av tyngdens <strong>akselerasjon</strong>.<br />

Resultatene ble drøftet innad i gruppene og så gjennomgått i felleskap på tavla. Her<br />

gjennomgikk vi også utregninga for å komme frem til tyngdens <strong>akselerasjon</strong>. Til slutt fikk<br />

elevene i oppgave å skrive individuell rapport fra forsøket som skulle leveres digitalt.<br />

4 Resultater<br />

Resultatene av målingene fra de forskjellige gruppene er ført inn i tabellen under.<br />

Tabell 1<br />

Grupper Stein 1 (lett) Stein 2 (medium) Stein 3 (tung)<br />

1 1 0,8 0,9<br />

2 0,5 0,8 1,1<br />

3 1 0,8 0,8<br />

4 0,9 0,8 0,9<br />

Gjennomsnitt tid 0,9 0,8 0,9<br />

For å gjøre beregningene lettere ble vi enige om å tilnærme gjennomsnittlig tid (t) til 1 sek.<br />

Manuell tidtaking vil uansett ikke gi et nøyaktig resultat.<br />

5 Drøfting<br />

5.1 Naturvitenskapelig drøfting<br />

Elevenes hypoteser variert fra at den minste eller største ville falle fortest til at alle steinen<br />

ville falle like fort. Nå var det tid for å sammenlikne resultatene og se om antagelser og<br />

hypoteser stemte overens med virkeligheten. Dette gikk vi gjennom i fellesskap. Det som fort<br />

kom frem var at noen av hypotesene ikke stemte med observasjonene. Det er ikke mulig å få<br />

til nøyaktige manuelle målinger av et slikt forsøk, og dette tok vi hensyn til oppsummeringen.<br />

Trenden var uansett at alle steinene brukte tilnærma like lang tid før de traff bakken.<br />

Gjennomsnittlig resultat av målingene fra de slapp stenene og til de tok bakken var t = 1 s.<br />

Høyden fra gelenderet og ned var tilnærma s = 5 m. Ved å bruke formelen v = s / t kunne de<br />

finne gjennomsnittsfarten v = 5m/1s = 5 m/s.<br />

6


Farten går fra null, og øker jevnt til steinene treffer bakken. Dermed kan vi si at<br />

gjennomsnittshastigheten er halvparten av sluttfarten. Sluttfarten blir da 5 m/s · 2 = 10 m/s.<br />

Ut fra dette kunne vi nå finne tyngdens <strong>akselerasjon</strong>:<br />

Ved å sette inn verdiene i utrykket (m/s) / s = m / s 2 fikk vi:<br />

7<br />

10m / s<br />

1s<br />

= 10m / s 2<br />

Resultatet var som forventet, og i utgangspunktet var vi heldig med slipphøyde 5 m, for<br />

forsøket. Vi fikk noen verdier som var enkle å bearbeide, og egentlig kunne elevene med litt<br />

innsikt i teorien sagt noe om <strong>akselerasjon</strong>en allerede ut fra målingene. Imidlertid var det for<br />

flere av dem vanskelig å skille sluttfarta fra tyngdens <strong>akselerasjon</strong>. Det var åpenbart uheldig<br />

at vi fikk en sluttfart som skulle deles på tiden 1. Hadde nok vært bedre med et høyere<br />

utgangspunkt for å slippe gjenstander.<br />

Hovedtanken med forsøket var å synliggjøre sammenhengen mellom tyngdekraft og<br />

<strong>akselerasjon</strong> til ulike gjenstander, samt vise hvordan vi på en enkel måte kan måle tyngdens<br />

<strong>akselerasjon</strong>. Det å lære selve formelen eller utregningen var ikke det primære i denne<br />

sammenhengen.<br />

5.2 Naturfagdidaktisk drøfting<br />

Dette er et forsøk som illustrerer tyngdens <strong>akselerasjon</strong> for elevene på en enkel måte.<br />

Aktiviteten kan gjennomføres med enkle midler, uten store forberedelser eller spesielle<br />

sikkerhetstiltak. Her kan de utforske og reflektere over noen av fysikkens mest grunnleggende<br />

naturlover. Newtons lover danner grunnlaget for bevegelseslæren og mekanikken, og har en<br />

forbausende rekkevidde. Gjennom en rekke undersøkelser om elevers forståelse av<br />

grunnleggende mekanikk er det dokumentert at kraftbegrepet er vanskelig for elever i<br />

grunnskolen å fatte. Også for elever videre opp i utdanningssystemet kan dette være<br />

vanskelig. Her knyttes begreper og forståelse opp mot hverdagsforestillinger og internaliserte<br />

misoppfatninger som baserer seg på de erfaringer vi gjør oss. Denne forståelsen er viktig for å<br />

kunne forstå verden, men misoppfatninger har vist seg vanskelig å rydde av veien (Angell,<br />

Flekkøy og Kristiansen 2011).<br />

En vanlig misoppfatning er den at luft er en forutsetning for at tyngden skal virke. Mange tror<br />

at i et lufttomt rom vil et legeme bli vektløst, og at tyngdekraften derfor ikke eksisterer i<br />

verdensrommet. Slike misoppfatninger bekreftes når man ser tv-bilder av astronauter som


svever vektløse ute i verdensrommet eller inne i et romfartøy (Sjøberg 2001). Et annet<br />

eksempel på misoppfatninger er at det alltid virker en slags netto kraft i bevegelsesretningen,<br />

en kraft som øker proporsjonalt med hastigheten. Hvilken kraft virker på en ball som kastes<br />

oppover? Mange tenker seg en slags kraft som drar ballen oppover til den når toppen av<br />

kastebanen. Etter Newtons teorier vil imidlertid tyngdekraften virke nedover også når ballen<br />

er på vei opp. Det er viktig for læreren å være bevist på misoppfatninger, for å kunne hjelpe<br />

elevene til å få en bedre forståelse av fysikkens sentrale begreper (Angell, Flekkøy og<br />

Kristiansen 2011).<br />

I et konstruktivistisk læringssyn bygger elevene ny kunnskap på sine eksiterende kunnskaper<br />

og erfaringer. Dette blir problematisk når elevens hverdagserfaringer danner grunnlag for<br />

kunnskapsbyggingen. Utfordringen for læreren blir å få eleven til å kvitte seg med de<br />

forestillingene de har. Å kvitte seg med misoppfatningene er det ikke læreren, men eleven<br />

selv som må gjøre (Sjøberg 2001).<br />

Elevene i denne klassen viste manglende forståelse omkring emnet tyngdekraft. De hadde på<br />

forhånd gjennomgått en del teori om Newtons lover og jeg forventet at de hadde en viss<br />

kunnskap om dette. I utgangspunktet skulle elevene selv finne uttrykket for tyngdens<br />

<strong>akselerasjon</strong> i læreboka, og ved hjelp av observasjonene fra forsøket kunne regne det ut. Det<br />

viste seg imidlertid at de fleste var usikre, og hadde hypoteser om utfallet av forsøket som<br />

kunne tyde på misoppfatninger: …den tyngste stenen skulle treffe bakken på kortest tid pga<br />

den veide mest, og da tenkte vi at stenen ville få en raskere fart siden den var tyngst”<br />

(Vedlegg). Dette tok jeg til etterretning og justerte ned ambisjonene med aktiviteten. Vi tok<br />

derfor en felles gjennomgang av utregningene på tavla. Så blir jo spørsmålet om dette er den<br />

riktige måten å gjøre dette på. Balansegangen mellom for mye elevstyrt og for mye lærerstyrt<br />

aktiviteter er vanskelig finne.<br />

Når det gjelder utbyttet av den aktiviteten som jeg har beskrevet, så vil nok det å få erfare og<br />

måle fart og <strong>akselerasjon</strong> bidra til å hjelpe elevene med å utvikle bedre forståelse og å til å<br />

kvitte seg med misoppfatninger. Det kan ofte være vanskelig å forholde seg til fysiske<br />

fenomener bare ved å lese om dem i læreboka. Her er det viktig å skape en tydelig kobling<br />

mellom teoretisk undervisning og praktisk undervisning. Praktiske aktiviteter gir variasjon i<br />

skoledagen, og stimulerer andre sanser hos elevene enn ren teoriundervisning. Denne måten å<br />

tilnærme seg naturfagstoffet er også i tråd med LK 06, som sier at elevene skal jobbe med<br />

utforskende elevforsøk både på mellom- og ungdomstrinnet. Det er allikevel nødvendig med<br />

8


en viss lærerstyring i forbindelse med praktiske aktiviteter. Faren med praktiske aktiviteter er<br />

eleven ser på dette kun som en interessant hendelse og som avkobling fra<br />

klasseromsundervisningen. Både introduksjon og oppsummering blir derfor viktige elementer<br />

for å skape en helhet i undervisningsøkta. På denne måten kan læreren hjelpe elevene til finne<br />

mening med den praktiske aktiviteten, og også hjelpe dem med å knytte nye erfaringer til<br />

allerede etablert kunnskap (Nergård 2008).<br />

6 Konklusjon<br />

Aktiviteten er knyttet opp mot aktuelle kompetansemål for ungdomstrinn, og relevant for oss<br />

som fremtidige lærere i ungdomsskolen. Gjennom en prosess som starter med<br />

hypotesedanning, fortsetter med forsøk og systematisk observasjon, diskusjon, argumentering,<br />

begrunnelse og konklusjon, og som ender opp med en bearbeiding og publisering av rapport<br />

er læreplanens kriterier for forskerspiren forsøkt ivaretatt (Utdanningsdirektoratet u.d.).<br />

Denne formen for læring er krevende, og jeg opplevde at det som utfordrende å kunne tilpasse<br />

læringen til den enkelt elevs forutsetninger. Manglende kjennskap til elevene var her et<br />

springende punkt. Det var også vanskelig å samle elevenes oppmerksomhet omkring<br />

aktiviteten ute i skolegården. Noen viste stor interesse, mens tre av guttene meldte seg delvis<br />

ut. Slik vil det alltid være, og man må ikke som lærer la seg friste til å droppe krevende<br />

undervisningsopplegg. Hvorvidt eleven fikk et godt utbytte av aktiviteten er jeg usikker på.<br />

Rapportene viste at der var en del manglende forståelse. Jeg var kun lærer for klassen i denne<br />

økta, og eventuell oppsummering og gjennomgang av rapportene fikk jeg ikke deltatt på. Jeg<br />

vil i egen fremtidig undervisning få en oversikt over elevene forutsetninger og sikre meg at<br />

elevene forstår hva de skal lære med en aktivitet, før vi går i gang med selve forsøket. Jeg vil<br />

også prøve å være bevisst min egen underveisvurdering av læringsutbyttet slik at jeg bedre<br />

kan fange opp alle elevene.<br />

9


7 Bibliografi<br />

Angell, Carl, Eirik G. Flekkøy, og Jostein R. Kristiansen. Fysikk for lærere. Oslo: Gyldendal<br />

Norsk Forlag AS, 2011.<br />

Finstad, Hanne S., og Jørgen Kolderup. Elevbok i naturfag 10. trinn Trigger. Redigert av Ole<br />

André Sivertsen. Cappelen Damm AS, 2008.<br />

Nergård, Tone. «Undervisningsvariabler og elevens holdninger til naturfag.» I<br />

Biologididaktikk, av Peter van Marion og Strømme Alex, redigert av Peter van Marion og<br />

Strømme Alex, 58-77. Kristiansand: Høyskoleforlaget, 2008.<br />

Sjøberg, Svein. «Natur- og miljøfag.» I Fagdebatikk - fagdidaktisk innføring i sentrale<br />

skolefag, redigert av Svein Sjøberg, 105-115. Oslo: Gyldendal Akademiske, 2001.<br />

Utdanningsdirektoratet. Udir.no.<br />

http://www.udir.no/Lareplaner/Grep/Modul/?gmid=0&gmi=156139&v=5&s=2&kmsid=2545<br />

(funnet november 18, 2011).<br />

—. Udir.no. http://www.udir.no/Lareplaner/Grep/Modul/?gmid=0&gmi=156139&v=2<br />

(funnet November 25, 2011).<br />

Wikipedia. Wikipedia. Wikipedia (funnet november 24, 2011).<br />

10

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!