KOSMOS PER AUDUN HESKESTAD • AGNETE ENGAN
Påbygging
HARALD LIEBICH • HILDE CHRISTINE MYKLAND KAROLINE NÆRØ • SVEIN ARNE EGGEBØ VALVIK PÅBYGGING TIL GENERELL STUDIEKOMPETANSE I NATURFAG
LÆREBOK • BOKMÅL
© CAPPELEN DAMM AS, 2022 ISBN 978-82-02-73252-3 7. utgave, 1. opplag 2022 Kosmos Påbygging følger læreplanen for Kunnskapsløftet LK20 i faget naturfag påbygging vg3 i videregående skole. Hovedillustratør: Bjørn Norheim Illustrasjon s167: Terje Sundby/Keops Omslagsdesign: Kristine Steen/07 Media Omslagsfoto: Getty Images/Guzowski Grafisk formgiving: Kristine Steen/07 Media Forlagsredaktører: Eva Irgens Trykk og innbinding: Livonia Print, Latvia 2022 Boken er satt i Berling 11 punkt og trykt på 100 g G-print Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. www.cdu.no www.kosmos.cdu.no
2
Forord Kosmos Påbygging er et læreverk som dekker den nye læreplanen LK20 i naturfag påbygging. I starten av hvert kapittel finner du de relevante kompetansemålene fra læreplanen. Du får en rask og grei oversikt over stoffet i læreboka ved å lese faktarammene underveis i teksten og sammendraget i slutten av hvert kapittel. I tillegg bruker vi mange steder tabeller som oppsummerer sentrale elementer i teksten. Ord som kan være nye, er kursivert, det samme er sentrale begreper første gang de blir presentert. Kursiverte ord blir forklart, enten i den sammenhengen du møter dem, eller i egne margtekster. I tillegg vil du finne de fleste av disse ordene i ordforklaringslista bak i boka. Bruk ordforklaringslista aktivt når du treffer på ord du er usikker på. Du kan gå grundigere inn i de forskjellige temaene ved å arbeide med ekstrastoffet. Figurene og fotografiene er viktige. De utfyller teksten og kan ofte belyse et tema bedre enn mange ord. Hør deg selv-oppgaver kommer etter hvert delkapittel og hjelper deg med å lære det mest sentrale. Skal du lære naturfag, er det viktig å jobbe med stoffet. I studiedelen etter hvert kapittel finner du oppgaver som er knyttet direkte til fagteksten i kapittelet, i tillegg til oppgaver der du ikke vil finne svaret i boka. Her må du bruke kunnskapen og ferdigheten du tilegner deg underveis, til å finne mulige svar, gjerne ved hjelp av andre kilder enn boka. I tillegg finner du praktiske øvinger som vil bidra til ytterligere innsikt i naturfaglige arbeidsmåter. Husk at naturfag i stor grad er et praktisk fag. Kosmos Påbygging har en repetisjonsdel for deg som trenger en oppdatering av deler av naturfag fra yrkesfag på vg1. Repetisjonsdelene finner du bakerst i kapittel 1 og 6, og i hele kapittel 7. Kompetansemål som er repetisjon, er markert med •. På nettstedet kosmos.cdu.no finner du en egen programmeringsdel med teori, eksempler og oppgaver knyttet til ulike naturfaglige fenomener. I tillegg finner du interaktive oppgaver, animasjoner, filmer, mer lærestoff, nyttige lenker, løsningsforslag til oppgaver og tips til aktiviteter. Lykke til med naturfag påbygging! Agnete Engan Per Audun Heskestad Harald Liebich Hilde Christine Mykland Karoline Nærø Svein Arne Eggebø Valvik
3
Innhold 1
Naturvitenskap . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Hva er naturfag? . . . . . . . . . . . . . . . . .8 Hvordan jobber vi med naturfag? . . .10 Modeller og teorier i naturfag . . . . . .17 Programmering i naturfag . . . . . . . . .21 Usikkerhet, kildekritikk og formidling av forskning . . . . . . . . . . .26 1.6 Faresymboler og avfallshåndtering . . .29 1.7 Atommodeller og periodesystemet . .30 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3
3.1 Elektromagnetisk stråling . . . . . . . . .78 3.2 Radioaktiv stråling . . . . . . . . . . . . . . .82 3.3 Ioniserende stråling . . . . . . . . . . . . . .87 3.4 Nytte av ioniserende stråling . . . . . . .90 3.5 Hva fins der oppe? . . . . . . . . . . . . . . .93 3.6 Det store smellet – big bang-teorien .95 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
4 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
Bølger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Bølger og svingninger . . . . . . . . . . . . .40 Mekaniske bølger . . . . . . . . . . . . . . . .43 Elektromagnetiske bølger. . . . . . . . . .47 Bølgefenomener. . . . . . . . . . . . . . . . .48 Trådløs kommunikasjon. . . . . . . . . . .56 Trådløse kommunikasjonssystemer i vår digitale hverdag . . . . . . . . . . . . .57 2.7 Overføring av digital informasjon . . .60 2.8 Utvikling av nye kommunikasjonssystemer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4
Stråling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
4.1 4.2 4.3
Arv og evolusjon. . . . . . . . . . . . .107
Genetikk – et lite tilbakeblikk . . . . .108 DNA er arvestoffet . . . . . . . . . . . . .109 Sammenhengen mellom DNA og kromosomer . . . . . . . . . . . . . . . .113 4.4 Formering – celler deler seg . . . . . . .115 4.5 Arv og krysning . . . . . . . . . . . . . . . .117 4.6 Andre typer arv . . . . . . . . . . . . . . . .120 4.7 Miljøet påvirker genene våre . . . . . .123 4.8 Grunnlaget for genetisk variasjon. . .125 4.9 Evolusjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128 4.10 Når mennesket påvirker evolusjonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 4.11 Klimaendringer og evolusjon . . . . . .135 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
5 5.1
Bioteknologi . . . . . . . . . . . . . . . .151
Tradisjonell og moderne bioteknologi . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 5.2 Genmodifiserte organismer (GMO) 153 5.3 Hvor skeptiske bør vi være til genmodifisering? . . . . . . . . . . . . . . .159 5.4 Gentester. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 5.5 DNA-profiler . . . . . . . . . . . . . . . . .167 5.6 Genterapi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 5.7 Kloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 5.8 Stamceller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
6
Miljøgifter og miljø. . . . . . . . . . .183
6.1 Miljøgifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 6.2 Tiltak mot miljøgifter . . . . . . . . . . .187 6.3 Miljø . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 6.4 Følger av global oppvarming . . . . . .192 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194 Øvelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
7
Næringsstoffer, livsstil og helse . . . . . . . . . . . . . .197
7.1 7.2 7.3
Næringsstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . .198 Fordøyelse av næringsstoffene . . . . .202 Livsstil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Ordforklaringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206 Stikkord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 Læreplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214
5
Hør deg selv
?
ssen som gjør at vi evolusjon om hele prose I dag bruker vi begrepet endre seg, og hvoren art, hvordan arter kan får variasjoner innenfor tiden og er årsaken hele et. Evolusjon foregår dan nye arter blir dann rmer på jorda. r og mangfold av livsfo til fantastiske tilpasninge
HØR DEG SELV
1. 2. 3. 4. 5.
for en art? genetisk variasjon innen Hvorfor er det viktig med ering gi genetisk variasjon? Hvordan kan kjønnet form Hva er en mutasjon? ? Forklar. øres til neste generasjon Kan en mutasjon overf r føre til evolusjon? Hvordan kan mutasjone
utvikling av artene på
jorda.
es opprinnelse (1859) in som i boka Om arten Det var Charles Darw utviklingen av det sjon. Teorien forklarer evolu om n teorie fram først la in gjorde en rekke stuav arter på jorda. Darw store mangfoldet vi har t mange ulike anne dyr. Han studerte blant dier av både planter og finker. De mest avgjørgruppe småfugler kalt kjempeskilpadder og en ing da han blant e han under en jordomseil ende observasjonene gjord utenfor kysten av Sørpagosøyene, som ligger Galá innom var t anne e arter som fanmed egne øyne hvor mang Amerika. På turen så han artene var. På baktil hvor like mange av e merk også la han tes. Og ulerte han de første andres observasjoner form grunn av sine egne og sammensatte livsforling fra enklere til mer ideene om en mulig utvik større eller mindre i jorda på liv former for mer, og om hvordan alle ndre. grad er i slekt med hvera
Faktaramme
ninger har
du kjenner. Hvilke tilpas Ta utgangspunkt i en art mrådet sitt? denne arten gjort til leveo
ler om hvorEvolusjonsteorien hand Evolusjon betyr utvikling. i større eller og om at alt liv på jorda dan arter utvikler seg, hverandre. mindre grad er i slekt med
4.9 Evolusjon
Reisene til Charles Darwin aget for (1809–1882) la grunnl utvalg og hans teori om naturlig
Refleksjonsspørsmål
Basisstoff Kursivord
+ MER OM
Darwins finker
etterpå, inspirert av Galápagosøyene. Først opptatt av finkene på han interesse for hvor Darwin var selv ikke så hos disse fuglene, fattet av den store variasjonen leveandres observasjoner like ut, men hadde ulikt ganske så Finkene det så ut til å være. øy de levde på. hvilken mange beslektede arter av ig avheng e sine, de ulik fasong på nebben spiste, og sett. Blant annet hadde t maten de ulike fuglene på nebbet var tilpasse en fasong at med hadde strandet på Darwin konkluderte samme art som en gang et fra noen få fugler av at de sannsynligvis stamm øyene. disse avsidesliggende
osøyene. Ulike finker på Galápg rm er Utviklingen av ulik nebbfo fant å en tilpasning til hva de spise.
ing.
Evolusjon betyr utvikl
3
4
2 1
e
grupp En populasjon er en individer av en art som
til ulike Tilpasninger arter gjør ste formiljøer, kan ta de utrolig bare i New mer. Skjevnebblo fins fugleZealand. Det er den eneste et nebb arten i verden som har Denne tilsom er bøyd til siden. kunne å for den pasningen har runde steilete etter mat under es krener. Den er derfor særdel av levesen når det gjelder valg i elver med område, og fins bare steinene er hvor vann art glasskl e. runde og av en viss størrels
e.
lever i samme områd
rlig utvalg Evolusjon skjer ved natu e flere avkom enn det får i løpet av livet mang De fleste organismer se om ressursene. Ofte det blir stor konkurran som kan leve opp, og som dør i en popusom overlever, og hvem avgjør tilfeldigheter hvem for de individene som en for å overleve størst lasjon. Likevel er sjans et de lever i. Dersom dem best tilpasset miljø har egenskaper som gjør vil de føres videre til overlevelse, går i arv, økt gir som ne kape egens føre til endringer i popu generasjoner kan dette avkommet. Etter flere var tidligere. blir mer vanlige enn de kaper egens noen at slik lasjonen, 4 • Arv og evolusjon
129
128
Margtekst
Ekstrastoff
Illustrasjoner/bilder
Slik er boken Basisstoff: Dette er stoff som alle elever skal lese. Her er det viktigste tatt med (læreplanstoffet).
Kursivord: Sentrale ord i teoristoffet er kursivert. Noen av ordene er forklart der de er brukt, andre finner du mer om i ordforklaringslista bak i boka.
Ekstrastoff: Dette behøver ikke alle elever å lese. Her står det interessant tilleggsstoff eller stoff som er en fordypning av læreplanstoffet.
Faktaramme: Her finner du en oppsummering av sentralt stoff i avsnittet du nettopp har lest.
Margtekst: Margtekster inneholder ordforklaringer eller utdyper basisteksten.
Illustrasjoner/bilder: Levendegjør og forklarer teksten i teoristoffet.
Refleksjonsspørsmål: Åpne refleksjonsspørsmål finner du underveis i teksten. De kan bidra til undring og diskusjon i klassen.
Hør deg selv: Oppgaver som hjelper deg å lære det mest sentrale i delkapittelet.
6
1 Naturvitenskap Hvordan kan vi vite at det vi blir presentert for av «sannheter» om naturen, faktisk stemmer? Som at både vi og sola er bygget opp av samme byggesteiner? At vi ved å sette disse sammen på forskjellige måter kan få stoffer med veldig forskjellige egenskaper? Har du noen gang klart å kjenne at det virker krefter mellom deg og vennene dine som prøver å trekke dere mot hverandre? Mye av kunnskapen vi har i dag, har vi arvet fra våre forfedre. Vi stoler i stor grad på at det vi blir fortalt om naturen, stemmer. Dette gjelder spesielt dersom det kommer fra en vitenskapsperson eller står i et leksikon på internett. I dette kapittelet skal vi se nærmere på hvordan kunnskap blir til. Og vi skal se hva som gjør at noen forklaringer om naturen blir formidlet videre til nye generasjoner, mens andre blir forkastet. DETTE LÆRER DU OM:
• drøfte hvordan utvikling av naturvitenskapelige hypoteser, modeller og teorier bidrar til at vi kan forstå og forklare verden
• vurdere og lage programmer som modellerer naturfaglige fenomener
• risikovurdere egne undersøkelser og håndtere avfallet etter disse forsvarlig
I DETTE KAPITTELET LÆRER DU OM:
• kjennetegn ved naturvitenskapen og naturfaget
• hvordan du kan utforske naturfaglige temaer
• hvordan du kan gjøre forsøk i naturfag
• feilkilder, usikkerhet og valg av kilder innenfor naturvitenskapen
Kunnskap har hjulpet oss til å utvikle husdyr og energiformer.
8
1.1 Hva er naturfag? Menneskene har til alle tider forsøkt å forstå hvordan verden rundt oss er satt sammen og fungerer. Kunnskap om hvordan egenskapene til planter og dyr arves, har hjulpet oss til å utvikle matplanter og husdyr som i større grad kan dekke verdens matbehov. Kunnskap om hvordan ulike stoffer reagerer med hverandre, har avgjørende betydning for energiproduksjonen. Uten kunnskap om hvordan atomene er oppbygget og hvilke egenskaper ulike grunnstoffer har, hadde vi ikke kunnet utvikle datamaskiner eller annen moderne elektronikk. Veien fram til kunnskapen vi har om verden, har vært lang og til dels kronglete. I oldtiden var naturvitenskap en del av filosofien. Det gjenspeilte seg i måten man forsøkte å forklare fenomener i naturen. Den greske filosofen Aristoteles (384–322 f.Kr.) hevdet at en stein faller til jorda fordi jorda er steinens naturlige tilholdssted, det er der den hører til. I middelalderen ble vitenskap som man mente var i strid med Bibelens lære, sett på som en hån mot Gud. Det gjorde det vanskelig å komme med teorier som var i strid med kirkas syn på verden. Galileo Galilei ble i 1633 dømt til fengsel av paven blant annet for å ha hevdet at jorda kretset rundt sola. Forsøk og eksperimenter som i dag utgjør en selvfølgelig del av naturvitenskapen, ble i liten grad brukt før Galileo Galilei (1564–1642). Han benyttet forsøk og eksperimenter systematisk og baserte sine beskrivelser av naturen på observasjonene han gjorde. De naturvitenskapelige teoriene vi i dag bruker for å forklare verden, har altså gjennomgått mye utprøving og mange forsøk på å motbevise dem. I dag forklarer vi verden rundt oss blant annet ved hjelp av big bang-teorien, Einsteins relativitetsteori og evolusjonsteorien. De er så allment aksepterte at vi regner dem som sanne.
Vi skal senere i dette kapittelet se på hva som menes med en teori i naturvitenskapen, og hvordan den skiller seg fra hypoteser og modeller. Men først må vi se på hva som kjennetegner naturvitenskapen og faget naturfag, som du skal jobbe med dette skoleåret.
De naturvitenskapelige teoriene vi har i dag, er resultat av mye utprøving og mange forsøk på å motbevise dem.
Hva vi mener med naturvitenskap og naturfag Når vi snakker om naturvitenskap, mener vi all kunnskap om og vitenskapelig arbeid som forsøker å øke vår forståelse av naturen rundt oss. Naturvitenskapen kjennetegnes av at kunnskapen vi har om naturen og er et resultat av systematiske undersøkelser og gjentatt testing. Faget naturfag, som du møter i denne boka, tar for seg sentrale temaer innenfor fysikk, kjemi og biologi, som alle er en del av naturvitenskapen. Du skal lære hvordan utvikling av hypoteser og modeller har bidratt til kunnskapen vi har i dag. Dessuten får du presentert faktastoff innenfor ulike temaer. Du vil se at det er lagt inn spørsmål underveis i teksten. Forhåpentligvis vil de kunne skape nysgjerrighet, undring og diskusjoner i klassen. Noen av dem kan kanskje også danne utgangspunkt for egne undersøkelser.
Både mikroskopet og satellittene i verdensrommet gir oss viktig kunnskap.
1 • Naturvitenskap
9
Vi skal nå se på et eksempel på en naturfaglig problemstilling og diskutere hvordan vi kan undersøke den. Forhåpentligvis vil det være til hjelp når du selv skal utforske en problemstilling. Samtidig illustrerer eksempelet godt hvordan du kan jobbe med naturvitenskapelige problemstillinger.
Kan du tenke deg noen andre fagområder enn fysikk, kjemi og biologi som også er en del av naturvitenskapen?
Med naturvitenskap mener vi all kunnskap om og vitenskapelig arbeid som forsøker å forstå naturen rundt oss. Naturfag handler om temaer innenfor naturvitenskapen.
?
HØR DEG SELV
1. Hva mener vi med begrepet naturvitenskap? 2. Nevn noen viktige teorier innenfor naturvitenskapen. 3. Hva skiller måten man jobber med naturvitenskap på i dag i forhold til tiden før Galileo Galilei?
1.2 Hvordan jobber vi med naturfag? Se for deg følgende problemstilling: Du skal servere en kopp kaffe med melk til selveste kongen, som kommer om fem minutter. Den varme kaffen og den kalde melken står klar. Dessverre har strømmen gått, så du klarer ikke å holde kaffen varm. Du lurer på hva som er best å gjøre for at kongen skal få så varm kaffe som mulig, og du må velge mellom disse to alternativene: • å blande melken og kaffen med en gang • å vente fem minutter og blande melken og kaffen rett før kongen kommer Du skal servere en kopp kaffe med melk til kongen.
Hvilket alternativ tror dere er best for å servere varmest mulig kaffe? Prøv å begrunne valget deres.
10
Et av kjennetegnene ved naturvitenskap er måten man jobber med slike spørsmål på. Det kaller vi gjerne den naturvitenskapelige metoden. Vi skal se litt på hva som kjennetegner denne metoden og prøve å studere problemstillingen vår ved hjelp av den.
Den naturvitenskapelige metoden Når vi forsøker å forstå eller forklare et problem innenfor naturvitenskapen, har vi ofte en antakelse om hvordan ting henger sammen. En slik antakelse kaller vi gjerne en hypotese. En hypotese kan være så enkel som at «kaffen blir varmest om man blander kaffen og melken rett før servering». Vi kan se på en hypotese som en forventning eller mulig forklaring på hva som vil skje. Hypotesen danner ofte utgangspunktet for eksperimentene våre. Eksperimentene utgjør en viktig del av den naturvitenskapelige metoden. Ved å observere naturen rundt oss kan vi avgjøre om en hypotese er god eller dårlig. Observasjoner som ikke stemmer med hypotesen, gjør normalt at vi må forkaste hypotesen. I kaffeeksempelet vil det være naturlig å lage to kopper kaffe. Den ene lar vi stå i fem minutter før vi blander kaffen og melken. I den andre blander vi kaffe og melk med en gang og lar den stå i fem minutter. Observasjoner av hvilken kaffe som er varmest etter fem minutter, vil være med på å støtte eller svekke hypotesen vi har valgt. Blir kaffen varmest om man blander kaffen og melken rett før servering?
1 • Naturvitenskap
11