Fysik 7–9

NE Nationalencyklopedin AB

Ångbåtsbron 1, 211 20 Malmö redaktionen@ne.se www.ne.se

© NE Nationalencyklopedin AB 2023

Författare: Roland Johansson, Jesper Sörensson och Johan Warell

Läromedelsutvecklare: Jesper Sörensson

Redaktör: Johan Warell

Bildredaktörer: Martina Eriksson och Låtta Skogh

Illustratörer: Jens Klevje och Erik Nylund

Grafisk formgivare: Jens Klaive

Grafisk produktion: Arvid Gruvö Wärle och Ellen Rönn

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman, t.ex. kommun, eller Bonus Copyright Access. De flesta skolor och högskolor har avtal med Bonus Copyright Access och har därigenom viss kopieringsrätt. Det är lärarens skyldighet att kontrollera att skolan har ett giltigt kopieringsavtal med Bonus Copyright Access. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter och fängelsei upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till rättsinnehavaren.

Tryckt hos Print Best i Estland

Första upplagan, första tryckningen

ISBN 978-91-88423-78-8

MIX

Papper från ansvarsfulla källor FSC ® C129413

Förord

Varför ser solen röd ut när den går ner? Hur fungerar magnetism?

Finns det liv på andra platser i universum?

Fysik handlar om att ställa frågor och om att utforska och förstå de grundläggande principerna som styr hur världen omkring dig fungerar.

Men fysik handlar om mycket mer än de stora frågorna. Du möter ständigt fysiken i din vardag – när du äter lunch, när du precis missar bussen, när du tittar på TV och när du tar sommarens sista bad.

NE Fysik 7– 9 ger dig en inblick i såväl de stora som de lite mindre frågeställningarna kring världen omkring dig. Målet är att ge dig en insikt i fysikens många olika skepnader, att fördjupa dina kunskaper och att motivera dig till att förstå mer om fysik.

Välkommen till fysikens värld!

Redaktionen, NE

Fysikens modeller och metoder

Bilden: Har du någonsin upplevt norrsken? Norrskenets dans över himlen är förtrollande vackert och har fascinerat människan genom årtusendena. Det är först de senaste hundra åren forskare har förstått hur norrskenet uppkommer.

Vad är fysik?

Vimänniskor ställer hela tiden frågor och funderar över hur världen fungerar. Så har det alltid varit och så kommer det fortsätta att vara – vi är helt enkelt nyfikna av naturen.

Ordet fysik kommer från det grekiska ordet physikos som betyder naturlig. Fysiken försöker beskriva hur allt i naturen är uppbyggt och samverkar.

Ord och begrepp

Experiment är ett vetenskapligt försök för att bevisa eller stärka en hypotes, ett antagande.

Fysik är vetenskapen om universums beståndsdelar och hur de utvecklas och samverkar, från det allra minsta till det allra största.

Modell är en förenklad beskrivning av verkligheten, ofta baserad på matematik.

Observation är en noggrann och uppmärksam iakttagelse.

Teori är en större uppsättning av antaganden som är avsedda att förklara världen.

Ur kursplanen för Fysik 7–9 (Lgr22) Observationer och experiment med såväl analoga som digitala verktyg. Formulering av undersökningsbara frågor, planering, utförande, värdering av resultat samt dokumentation med bilder, tabeller, diagram och rapporter. | Sambandet mellan undersökningar av fysikaliska fenomen och utvecklingen av begrepp och förklaringsmodeller. De fysikaliska förklaringsmodellernas historiska framväxt, användbarhet och föränderlighet. KÄLLA: SKOLVERKET

Att förklara världen omkring oss

Redan de första människorna funderade över hur naturen omkring dem var uppbyggd och försökte förklara den. Fysiken och kanske särskilt astronomin kan därför sägas vara den äldsta vetenskapen.

Som vi ska se i denna kurs har fysiker under historiens gång utvecklat en mängd teorier kring hur naturen är uppbyggd. Vissa teorier har fallit i glömska när nya experiment har visat att de inte stämmer, medan andra fortfarande är giltiga. Inom fysiken sker en ständig utveckling där nya experiment och observationer kan bekräfta eller förkasta existerande teorier eller helt förändra vår världsbild.

Inom fysiken undersöker man allt – från det minsta till det största vi kan tänka oss. Detta återkommer vi till senare i fysikkursen när vi bekantar oss med atomerna och deras beståndsdelar och med galaxerna och universums utveckling.

I dag används fysik överallt i samhället – teknikens och fysikens utveckling driver varandra framåt. Grundläggande kunskaper i fysik är nödvändiga för att bygga det moderna och gröna framtidssamhället.

Många frågor som är aktuella för en fysiker i dag betraktades som fantasier för bara tiotalet år sedan, men sysselsätter i dag en del pionjärer och blir kanske etablerade i morgondagens forskning. Kanske tillhör du om tio år de som studerar vad som fanns innan vårt universum existerade eller vilka partiklar som är de allra minsta!

Varför är himlen blå? Vad är gravitation egentligen?

Det är extremt ovanligt att få se norrsken på en strand i Västindien, men ber man ett AI-bildprogram att skapa en sådan verklighet sker det på ett ögonblick. Allt du ser i bilden – vattenvågorna, molnen och norrskenet – kan beskrivas med hjälp av matematik.

Matematik är fysikens språk

Fysikens språk är matematik. Det gör att man kan programmera en dator så att den kan räkna ut vad som skulle ha hänt om man gjorde samma sak i verkligheten. På så sätt kan man till exempel förutsäga hur klimatet ska bli i framtiden.

Om du tänker efter har du säkert någon gång spelat spel som Minecraft, Call of Duty eller FIFA. Det som alla spelen har gemensamt är att de liknar verkligheten. Det beror på att man kan simulera världen i datorn med hjälp av enkel fysik och matematik.

Du kommer att lära dig lite om hur matematik och fysik hänger samman i läromedlet.

Men om du är intresserad av spelprogrammering har du säkert redan använt mycket matematik och fysik, även om du inte har tänkt på det.

Några exempel där fysiker använder matematik är:

– Astronomer använder matematik för att modellera rörelsen hos himlakroppar som planeter och kometer.

Meteorologer använder matematisk modellering för att simulera och förutsäga vädret.

– Klimatforskare använder matematik för att simulera vätskors och gasers rörelser.

Illustrationen är en simulering av ett svart hål sett från sidan och visar hur het plasma virvlar runt det svarta hålet. Att en sådan bild är möjlig att göra i en dator beror på att fysiken kring det svarta hålet kan beskrivas med hjälp av matematik.

Sammanfattning

@ Fysiken försöker beskriva hur allt i naturen är uppbyggt och samverkar.

@ Inom fysiken undersöker man allt – från det minsta till det största.

@ Under historiens gång har fysiker utvecklat en mängd teorier som beskriver hur naturen är uppbyggd och fungerar.

@ Nya experiment och observationer kan bekräfta eller förkasta existerande teorier.

@ Den fysiska verkligheten kan beskrivas med hjälp av matematik.

KAPITEL 1

Fysikens modeller och metoder

Vad är fysik?

Instuderingsfrågor

1. Ordet fysik kommer från det grekiska ordet physikos. Vad betyder ordet?

2. Vad undersöker man inom fysiken?

3. Hur gör man inom fysiken för att bekräfta eller förkasta existerande teorier?

4. Vad är en teori?

5. På vilket sätt kan fysik och astronomi betraktas som de äldsta vetenskaperna? Ge en kort förklaring.

6. Vad händer med en teori när experiment visar att teorin inte stämmer?

7. Varför är matematik viktigt inom fysiken?

8. Varför är grundläggande kunskaper i fysik viktiga för det framtida samhället?

Aktiviteter

1. Titta runt i klassrummet. Försök att hitta fem saker som handlar om fysik. Finns det något i klassrummet som inte är fysik?

2. Välj en fråga du funderat över som handlar om fysik, till exempel: ”Varför är himlen blå?”, ”Vad är gravitation?”, ”Vad är stjärnor?” eller ”Varför regnar det?” Hitta information om frågan och presentera resultatet i en kort text.

3. Skriv ner var fysik används i samhället och vilken nytta du har av att själv kunna fysik.

4. Hitta ett par exempel på fysik i vardagen, till exempel en studsande boll eller en mobiltelefon. Diskutera resultatet med dina klasskamrater.

Bilden: Fysiken som beskriver vad som händer när en droppe träffar vattenytan är mer komplicerad än man kanske tror. Vad händer om droppen träffar från 1 centimeters höjd? Från 10 centimeters höjd? Dags att experimentera!

Experiment och laborationer

Fysik handlar om att fundera och ställa frågor. Varför ser det ut på det här sättet, varför fungerar det så? Varför faller vattendropparna neråt och varför är natthimlen svart?

Vissa frågor är nära och små, vissa känns djupa och oändligt svåra – och vissa kanske vi aldrig får svar på.

Genom att observera verkligheten och utföra experiment och laborationer kan man studera naturen.

Ord och begrepp

Experiment är en vetenskaplig undersökning.

Laboration är när man arbetar praktiskt med naturvetenskapliga försök eller experiment på ett metodiskt sätt.

Mätfel är ett sätt att ange hur stor osäkerhet mätvärdet har.

Mätningar utför man när man vill veta storleken av ett föremål eller en företeelse.

Mätnoggrannhet är hur väl en mätning överensstämmer med det verkliga värdet.

Mätvärde är resultatet av en mätning.

Observation är ett sätt att undersöka naturen på avstånd eller när man inte kan göra experiment.

Precision anger hur väl olika mätningar stämmer överens med varandra.

Värdesiffror anger hur stor noggrannhet ett mätvärde har.

Ur kursplanen för Fysik 7–9 (Lgr22) Några instrument för att mäta fysikaliska storheter, till exempel kraft och ström. Användning av mätvärden i enkla beräkningar, till exempel beräkningar av densitet och hastighet. | Observationer och experiment med såväl analoga som digitala verktyg. Formulering av undersökningsbara frågor, planering, utförande, värdering av resultat samt dokumentation med bilder, tabeller, diagram och rapporter. | Sambandet mellan undersökningar av fysikaliska fenomen och utvecklingen av begrepp och förklaringsmodeller. De fysikaliska förklaringsmodellernas historiska framväxt, användbarhet och föränderlighet. KÄLLA: SKOLVERKET

Att undersöka världen

För att förstå hur naturen fungerar kan vi se vad som händer runt omkring oss – vi observerar verkligheten.

När den engelske fysikern Isaac Newton såg ett äpple falla och började fundera på vad det är som gör att det faller ledde detta funderande till teorin om gravitationen som vi fortfarande använder när vi skickar iväg satelliter.

Ett annat sätt att studera naturen på är att samla in data och försöka förstå hur saker hänger samman.

När en forskare undersöker naturen utför han eller hon experiment. I skolan brukar man kalla ett mindre experiment för en laboration, men principen är densamma.

Laborationer

När forskare gör experiment är det viktigt att efteråt beskriva vad man gjort och vilket resultat man fick. På så sätt kan andra forskare upprepa experimentet och lära sig av det. För att öva på detta kommer du i fysikkursen att skriva laborationsrapporter.

När du skriver din laborationsrapport är det bra att tänka på vem du skriver den för. Tänk på att vara så tydlig att en av dina klasskamrater ska kunna göra om laborationen baserat på din rapport. Klasskamraten ska få samma mätresultat om han eller hon använder exakt samma material.

Mikroskopet är ett av de vetenskapliga instrument som har öppnat upp en helt ny värld för människan. I mikroskopet förstoras små föremål på nära håll.

Teleskopet är ett annat instrument som har varit avgörande för vår världsbild. Det samlar in ljus från svaga objekt så att vi kan observera dem.

Hur laborationerna i läromedlet är uppbyggda

I laborationerna i boken finns ofta fyra delar.

Syfte Den frågeställning som laborationen är tänkt att svara på. Kort beskrivning av vad laborationen handlar om.

Materiel De saker du använder för att genomföra laborationen.

Utförande Hur du ska genomföra laborationen.

Utvärdering Beskriver hur de mätvärden du fått ska behandlas för att ge svaret på frågeställningen. Det kan vara beräkningar, tabeller, diagram eller bilder. Ofta finns även en diskussion om mätfel och eventuella förbättringar.

Laborationsrapport

En laborationsrapport är en beskrivning av vad du har gjort och vilka resultat du har kommit fram till. Den brukar innehålla följande delar.

Rubrik Kort beskrivning av vad man undersökt.

Författare Ditt namn, andra deltagare i gruppen och datum då du gjorde undersökningen.

Syfte Kort beskrivning av den frågeställning som laborationen är tänkt att svara på.

Materiel Lista på de saker du använt.

Resultat och beräkningar

Beskrivning av de mätningar du har gjort och hur du sedan gick vidare, till exempel genom att göra olika beräkningar. Ibland kommer resultaten att presenteras i tabeller eller diagram.

Slutsats Resultatet av ditt experiment. Kan vara ett värde eller ett samband, till exempel ”en spik väger 2,0 g” eller ”en boksida är 0,1 mm tjock”.

På nästa sida finns en laboration med ett förslag till laborationsrapport.

Laboration och rapport

Laboration

Syfte

Att öva på mätningar och noggrannhetsberäkningar genom att mäta massan av en spik så noggrant som möjligt.

Materiel – spikar – våg

Utförande

1. Mät vikten av 1 spik.

2. Mät vikten av 10 spikar.

3. Mät vikten av 100 spikar.

4. Försök att komma på en metod att bestämma vikten på en spik så noggrant som möjligt.

Utvärdering

1. Beskriv hur du bestämde vikten på en spik så noggrant som möjligt.

2. Hur mycket väger en spik?

Laborationsrapport

Rubrik

Massan av en spik

Författare

Utförd av Roland Johansson.

Medlaborant: Johan Warell.

Utförd: 12 september 2023.

Inlämnad: 19 september 2023.

Syfte

Syftet med laborationen är att bestämma massan av en spik så noggrant som möjligt.

Materiel

Låda med likadana spikar, våg.

Utförande

Vi räknade upp 1, 10 och 100 spikar och mätte massorna med hjälp av en våg.

Resultat och beräkningar

1 spik vägde 2 g.

10 spikar vägde 18 g. 1 spik väger då 18 g / 10 = 1,8 g.

100 spikar vägde 179 g. 1 spik väger då 179 g / 100 = 1,79 g.

Slutsats

Ju fler spikar vi väger, desto noggrannare blir värdet. En spik väger ungefär 1,79 g.

Mätnoggrannhet

När vi gör mätningar och presenterar våra resultat är det viktigt att tänka på hur noggranna mätningarna är. Noggrannheten avgörs oftast av de verktyg vi har tillgång till. I laborationen till vänster begränsas noggrannheten av hur hög precision vågen har, alltså hur noggrant den kan mäta. Om vi har en våg som visar massan i tiondels gram i stället för enstaka gram ökar naturligtvis noggrannheten.

Det är viktigt att tänka på hur noggranna våra mätningar är både när vi mäter och när vi presenterar resultaten.

Tjockleken av ett blad i en bok

Att noggrant mäta tjockleken på ett blad med linjal är omöjligt eftersom det är så tunt. Därför måste man mäta tjockleken på många blad och sedan dividera med antalet blad man mätt.

Om en bok med 384 sidor har en tjocklek som är 1,8 cm är antalet blad i boken 384/2 = 192. Med en miniräknare kan vi räkna ut att tjockleken för varje blad är 1,8/192 = 0,0094 cm. Det är tio gånger mer noggrant än vad vi kan mäta med en linjal.

Värdesiffror

När man slår in sina siffror på miniräknaren visar den ett resultat med så många siffror som behövs för att beräkningen ska gå jämnt ut eller så många siffror som får plats i räknarens fönster. Det är lätt att tro att det bästa svaret på en beräkning är det som har så många siffror som möjligt för visa stor noggrannhet. Men så är det inte.

Tjockleken på alla blad i boken är 1,8 cm.

Med 192 blad i boken blir varje blad 0,0094 cm tjockt.

När vi mätte bokens tjocklek till 1,8 cm med linjal innebär det att det verkliga värdet kan vara vad som helst mellan 1,75 cm och 1,85 cm. Vi säger att mätetalet 1,8 har två värdesiffror.

När vi anger tjockleken på ett enstaka blad ska vi undvika att skriva ut fler värdesiffror än vad mätningen har gett oss. Det rätta svaret är i detta fall att tjockleken är 0,0094 cm. Lägg märke till att nollorna före 9:an inte är värdesiffror eftersom de bara flyttar 9:an och 4:an mot höger så att de hamnar på rätt decimalplatser.

Vilka siffror är värdesiffror?

Vi såg i föregående avsnitt att 0,0094 cm bara innehåller två värdesiffror trots att talet innehåller fem siffror. Hur ska man veta vilka siffror som är värdesiffror?

Nollor i början av decimaltal är inte värdesiffror

Det samma gäller för talet 0,0094 som vi diskuterade innan. Om vi tar bort någon av nollorna efter kommatecknet blir talet ett helt annat –dessa nollor markerar storleksordningen för de följande siffrorna och är inte värdesiffror. Talet 0,0094 har därför bara två värdesiffror.

Nollor i slutet av decimaltal är alltid värdesiffror

Om vi däremot skulle skriva ytterligare en nolla i slutet av talet så att värdet är 0,00940 blir nollan en värdesiffra. I detta fall krävs inte den sista nollan för att de övriga siffrorna ska få rätt storleksordning. Nollan är utskriven för att markera hur noggrant talet är uppmätt.

Nollor i slutet av heltal kan vara värdesiffror

Den enda siffra som kan ställa till problem i slutet av tal är nollan, eftersom det bara är nollor som används för att få rätt storleksordning på de

Usain Bolt vinner semifinalen på 100 m vid OS i Brasilien 2016 med tiden 9,86 s. Hur många värdesiffror har banans längd? Hur många värdesiffror har löptiden?

andra siffrorna. I talet 120 betyder 1:an 100, 2:an 20 och 0:an bara 0. Tar vi bort nollan får siffrorna andra betydelser eftersom talet då blir 12. Nollan står där för att ge rätt värde åt övriga siffror. Det betyder att nollan inte behöver vara en värdesiffra.

Antalet värdesiffror i ett heltal beror på sammanhanget Lite knepigare är det alltså med nollorna i slutet av ett heltal. Här får man ta lite hänsyn till vad det är man har mätt. I talet 200 är nollornas uppgift att göra 2:an till hundratalssiffra. Om vi inte vet något om sammanhanget kan vi bara säga att 200 har minst en värdesiffra.

Men om vi vet vad talet står för kan det vara rimligt att låta värdesiffrorna vara fler. Jämför följande:

– 200 åskådare såg matchen

– Usain Bolt sprang 200 m på lite över 19 sekunder.

Talet 200 finns i båda uttrycken, men i det första är det troligen en uppskattning av det verkliga antalet personer. Kanske var det faktiska antalet åskådare inte mer än 181 eller så mycket som 233. Därför har talet 200 bara en värdesiffra.

På en löparbana kan man däremot vara helt säker på att distansen verkligen är 200 m, säkerligen 200,0 m eller till och med så exakt uppmätt som 200,00 m. Talet 200 har därför i detta fall tre värdesiffror.

Sammanfattning

@ Fysiken försöker beskriva hur naturen är uppbyggd och hur allt i den samverkar.

@ För att undersöka verkligheten utför forskare experiment. Ett mindre experiment som utförs i skolan kallas ofta en laboration.

@ En laborationsrapport är en beskrivning av vad du har gjort och vilka resultat du har kommit fram till.

@ Att göra mätningar på många föremål av samma slag samtidigt är ett sätt att öka noggrannheten i värdet för ett enstaka föremål.

@ Om noggrannheten är stor är mätfelet litet.

@ Noggrannheten avgörs kvaliteten på de verktyg vi har tillgång till och den metod vi använder.

@ Antalet värdesiffror bestäms av hur stor noggrannhet mätningen har.

Värdesiffror

– Alla siffror från 1 till 9 är värdesiffror.

– Nollor är inte värdesiffror om de står efter kommatecknet i ett decimaltal och föregås av enbart nollor. Talet 0,0034 har alltså bara två värdesiffror.

– Nollor i slutet på decimaltal är värdesiffror. Talen 2,20 och 0,0120 har vardera tre värdesiffror.

Nollor i slutet av heltal kan vara värdesiffror – sammanhanget får avgöra. Vet man inget om sammanhanget räknas de inte som värdesiffror. Talet 800 kan ha en, två eller tre värdesiffror beroende på sammanhanget.

LABORATION

Klassrummets volym

Syfte

Att beräkna luftvolymen i ditt klassrum, använda värdesiffror och att diskutera felkällor.

Materiel – måttband – miniräknare – papper och penna

Utförande

1. Beskriv hur du ska utföra mätningen.

2. Vad behöver du tänka på?

3. Vilka förenklingar kan du göra?

4. Ta nödvändiga mått och notera.

5. Beräkna klassrummets volym.

Utvärdering

1. Beskriv dina beräkningar så att de är lätta att följa.

2. Resonera kring din metod att mäta volymen och diskutera för- och nackdelar.

3. Presentera felkällor och motivera valet av antalet värdesiffror.

KAPITEL 1

Fysikens modeller och metoder

Experiment och laborationer

Instuderingsfrågor

1. Förklara kortfattat skillnaden mellan experiment och observation.

2. Vem såg ett äpple falla och kom sedan på teorin om gravitationen?

3. Vad är syftet med en laborationsrapport?

4. Vilka delar brukar ingå i en laborationsrapport?

5. Vad avgör noggrannheten i en mätning?

6. Hur kan man förbättra mätnoggrannheten i ett experiment?

7. Är nollor i början av decimaltal värdesiffror?

8. Är nollor i slutet av decimaltal värdesiffror?

9. Förklara kortfattat vad de fyra delarna i en laboration innebär: syfte, material, utförande och utvärdering.

10. Vad bestämmer antalet värdesiffror vid en mätning?

Aktiviteter

1. Arbeta med en klasskamrat för att planera ett eget experiment utifrån en vardaglig observation, till exempel:

– Sjunker en stor sten snabbare i vattnet än en liten?

– Flyger ett pappersflygplan längre om man viker bakkanten uppåt?

– Är temperaturen högre en sommardag om det är molnigt än om det är soligt?

Skriv ner ett förslag till syfte, material och utförande (du behöver inte utföra experimentet i verkligheten).

2. Kasta en vanlig tärning 20 gånger. Skriv ner antalet 1:or, 2:or, 3:or, 4:or, 5:or och 6:or i en tabell. Fortsätt försöket tills du kastat tärningen totalt 200 gånger. Skriv ner antalet 1:or, 2:or, 3:or, 4:or, 5:or och 6:or i en ny tabell. Rita ett stapeldiagram för de första 20 kasten och jämför med ett stapeldiagram för alla 200 kasten. Ser du någon skillnad mellan de två stapeldiagrammen? Beskriv och förklara.

3. Hur många värdesiffror är det i mätvärdet:

a. 35 cm

b. 120 cm

c. 0,45 m

d. 8,20 m

e. 0,0360 m

Bilden: Massan av vikten och fjädern skiljer sig åt rejält. Men vilket väger mest – kilogramvikten eller 1 kg fjädrar? I det här avsnittet tittar vi närmare på storheter, mätetal och enheter.

Storheter, mätetal och enheter

Hur kan vi beskriva hur stora, tunga eller avlägsna olika föremål är? Lagom stora saker kan man mäta med linjal, våg eller jämföra med varandra. Men hur anger vi storleken på det som är extremt smått eller massan på något mycket stort, som månen eller jorden?

Dels behöver vi ett gemensamt system för att ange egenskaper, dels behöver vi ett sätt att på ett begripligt sätt skriva allt från mycket små till mycket stora tal. Här kommer SI-systemet, tiopotenser och prefix till vår räddning.

Ord och begrepp

Enhet används för att beskriva storleken av en storhet. Till exempel är meter en enhet för längd.

Grundenheter används i SI-systemet för att skapa andra måttenheter.

Måttenhet används när man mäter en storhet – om en längd är 5 meter är meter måttenheten.

Mätetal är ett tal som tillsammans med måttenheten anger en storhets storlek – om en längd är 5 meter är 5 mätetalet.

Prefix är ett litet ord som placeras framför en måttenhet för att ändra dess värde.

SI-systemet är det internationella systemet av olika måttenheter.

Storhet är något som kan mätas, till exempel längd, massa och tid.

Ur kursplanen för Fysik 7–9 (Lgr22) Några instrument för att mäta fysikaliska storheter, till exempel kraft och ström. Användning av mätvärden i enkla beräkningar, till exempel beräkningar av densitet och hastighet. | Sambandet mellan undersökningar av fysikaliska fenomen och utvecklingen av begrepp och förklaringsmodeller. De fysikaliska förklaringsmodellernas historiska framväxt, användbarhet och föränderlighet.' KÄLLA: SKOLVERKET

Storheter

En fysikalisk storhet (eller kortare en storhet) är något som kan mätas, till exempel längd, massa och tid. En storhet anges med ett mätetal och en enhet:

storhet = mätetal · enhet

Exempelvis vägde världens tyngsta pumpa hela 1 226 kg:

m = 1 226 kg

där:

– m är förkortning för storheten massa

– 1 226 är mätetalet

– kg är förkortning för enheten kilogram.

Det är meningslöst att säga att världens tyngsta pumpa vägde 1 226 utan att ange enheten. Enheten måste alltid vara med. Vi kommer i avsnittet att prata om:

– SI-systemet i samband med storheter och enheter

– prefix i samband med enheter.

Två stora pumpor i väntan på årets pumpatävling. Vilken väger mest?

SI-systemet

Det finns ett internationellt system för enheter för att forskare och ingenjörer i hela världen ska kunna mäta en längd eller en vikt på samma sätt. Systemet kallas SI-systemet. SI-systemet är alltså en standard för hur vi visar olika mått.

SI-systemet består av sju fysikaliska storheter. De tre första storheterna har du redan stött på, och du kommer att stöta på ytterligare några under högstadiet i fysik eller kemi.

Storheter och grundenheter i SI-systemet

Fysikalisk storhet Storhetens symbol Grundenhet Enhetens symbol Exempel

längd d, s, r, a, h, l meter m r = 1,3 m tid t sekund s t = 60 s

massa m kilogram kg m = 72 kg

strömstyrka I ampere A I = 0,57 A

temperatur T kelvin K T = 273 K

ljusstyrka Iv candela cd Iv = 4 200 cd

substansmängd n mol mol n = 1,04 mol

Alla andra storheter och enheter kan härledas från dessa sju SI-enheter. Till exempel är hastighet detsamma som längd dividerat med tid:

hastighet = längd tid

Eftersom längd har grundenheten meter och tid har grundenheten sekund kan hastighet skrivas med grundenheter som m/s.

Att mäta jordens omkrets med ett måttband är inte enkelt. Men vilken enhet ska måttbandet ha?

SI-systemets historia

Själva grunden till SI-systemet lades på 1700-talet i Frankrike med införandet av metersystemet. Tidigare användes längdenheten fot. Problemet var bara att en fot var olika lång i olika länder, och ibland till och med i två grannbyar.

För att råda bot på detta virrvarr infördes 1 m som enhet för längd och 1 kg som enhet för massa.

Längd

Metern skulle definieras som en tiomiljondel av avståndet från Nordpolen till ekvatorn och mycket möda lades ner på att mäta upp det exakta avståndet. Så småningom insåg man att framtida exaktare mätmetoder skulle kunna komma att ändra på meterns storlek Man tillverkade helt enkelt en stav som fick bli den officiella metern. Denna förvaras i Paris. I dag definieras inte metern längre av staven i Paris utan har knutits till ljusets hastighet.

Massa

1 kg skulle knytas till massan på 1 dm3 vatten vid en viss temperatur. Vid tillverkningen av den vikt som skulle bli det officiella kilogrammet blev det lite fel, varför 1 dm3 vatten väger något mindre än 1 kg (värdet är dock tillräckligt nära för att du oftast ska kunna använda att 1 dm3 vatten har massan 1 kg).

Tid

Det var likadant med de flesta andra mått. Städerna hade till exempel olika tid, lokaltid.

I varje stad var klockan 12:00 när solen var som högst på himlen.

Den gamla arkivmetern förvaras i Louvren i Paris.

Skillnaden mellan till exempel Stockholm och Malmö när solen är som högst är 20 minuter. Så när klockan var 12.00 i Stockholm var den bara 11.40 i Malmö.

Det här blev ett problem när vi fick tåg. Hur skulle vi kunna skriva tidtabeller för tågen om klockan inte var densamma i de olika orterna? Därför började vi använda en gemensam tid i hela Sverige 1879. Tiden kallades normaltid.

Prefix

När man ska berätta för någon hur lång sträckan är från hemmet till skolan använder de flesta säkert enheten kilometer, som har förkortningen km.

På samma sätt använder vi enheten kilogram (förkortning kg) för att ange hur mycket vi väger. Båda dessa enheter börjar med kilo, ett prefix som betyder 1 000:

1 km = 1 000 m

1 kg = 1 000 g.

Prefixen gäller oavsett enhet. 1 kilovolt (kV) är 1 000 volt och en kilowatt (kW) är 1 000 Watt.

På samma sätt kan vi dela upp 1 meter i tusen bitar för att få en tusendels meter. Då använder vi prefixet milli som betyder tusendel och som förkortas m:

1 mm = 0,001 m

1 mg = 0,001 g.

Om du börjar 08.15 är det hög tid att gå till skolan när klockan är 08.00. Före 1879 hade elever i Malmö kunnat ta det lugnt i ytterligare 20 minuter – eller?

De vanligaste prefixen

Prefixen c och d känner du säkert igen från längdenheterna cm och dm. Att använda prefix i stället för att skriva ut en massa nollor gör det ofta lättare att jämföra tal eller att snabbt se hur stora eller små de är. Låt oss återvända till tjockleken på det bokblad som vi tidigare mätte till 0,0094 cm. I stället för enheten cm kan vi växla över till enheten mm och bli av med en nolla i talet: bladet är 0,094 mm tjock. När vi växlar från prefixet centi till prefixet milli flyttar vi kommatecknet ett steg mot höger och byter därmed storleksordning på talet från hundradel till tusendel.

Om vi växlar till nästa prefix, μ, måste vi flytta kommatecknet ytterligare tre steg mot höger eftersom vi då representerar talet i miljondelar i stället för i tusendelar (en miljondel är tusen gånger mindre än en tusendel). Vi kan skriva att bladet är 94 µm tjockt.

Ebolavirus (blå, trådlika) är väldigt små, cirka 0,000001 m = 1 μm långa.

Kolibrier är mycket små fåglar, ofta mindre än 0,1 m (10–1 meter) långa.

Exempel 1

Sträckan mellan Stockholm och Sundsvall är ungefär 380 000 m. Ange detta tal med ett lämpligt prefix.

Lösning

Det större prefix som är lämpligt är kilo (1 000) som låter oss ta bort tre nollor:

380 000 m = 380 km.

En annan möjlighet är att använda prefixet mega (1 000 000) som innebär att vi flyttar kommatecknet sex steg åt höger:

380 000 m = 0,38 Mm.

Exempel 2

Hoppstjärtar är en sorts insekter av varierande storlek. Typiskt är de 0,0035 m stora.

Ange detta med lämpligt prefix.

En hoppstjärt fotograferad i ett mikroskop med 25 gångers förstoring. En hoppstjärt är 3,5 mm stor.

Jordens omkrets är ungefär 40 000 km. Med prefix kan du skriva om detta till 40 Mm.

Lösning

Vi undersöker hur många steg kommatecknet måste förflyttas för att få ett lagom stort mätetal. Med tre stegs flyttning åt höger får vi talet 3,5. Att göra talet tre storleksordningar (1 000 gånger) större innebär att prefixet måste vara en tusendels meter:

0,0035 m = 3,5 mm.

Sammanfattning

@ En fysikalisk storhet (eller kortare en storhet) är något som kan mätas, till exempel längd, massa och tid.

@ En storhet anges med ett mätetal och en enhet: storhet = mätetal · enhet.

@ För att ange måttenheter på ett gemensamt sätt används en internationell standard, SI-systemet.

@ SI-systemet består av sju grundenheter ur vilka alla andra enheter kan härledas.

@ De första internationella standardenheterna var metern och kilogrammet.

@ Med prefix kan man på ett kort sätt skriva mycket stora eller mycket små tal.

@ En måttenhet kan kombineras med ett prefix för att ange både ett värde och en egenskap för ett föremål.

Fysikens modeller och metoder

Storheter, mätetal och enheter

Instuderingsfrågor

1. Vad är en fysikalisk storhet? Ge tre exempel på fysikaliska storheter.

2. Ge ett exempel på en storhet som anges med hjälp av ett mätetal och en enhet.

3. Förklara hur en storhet anges med hjälp av ett mätetal och en enhet. Ge ett exempel.

4. Förklara kortfattat varför SI-systemet är viktigt.

5. Vilka sju storheter och enheter har världens länder enats om att använda och kallat för SI-systemet?

6. Vilka var de första internationella standardenheterna?

7. Förklara vad prefix är.

8. Vad är fördelen med att använda prefix?

9. Ge tre exempel på tillfällen då prefix används i vardagen.

Aktiviteter

1. Fundera ut en vardagssituation där du möter storheter, prefix och enheter, till exempel när du bakar en kaka eller mäter inomhustemperaturen. Vilka storheter, prefix och enheter används?

2. Undersök hur definitionerna av längd, massa och tid i SI-systemet ändrats med tiden.

3. Det finns många äldre enheter som använts i Sverige, till exempel fot, uns och tunnland. Välj en äldre enhet och beskriv hur mycket den motsvarar i SI-systemet.

4. I USA används fortfarande ofta andra enheter än SI-enheter, till exempel gallon, ounce och mile. Välj en enhet som används i USA och beskriv hur mycket den motsvarar i SI-systemet.

Bilden: Trots att isberg är enorma så flyter de på vattnet. Is har lite lägre densitet än vatten, så den största delen av isberget ligger under vattenytan – det är bara 10 procent av isberget som syns på bilden.

Densitet

Om du lägger en träbit som väger 50 g i vatten kommer den att flyta. Om du i stället lägger i en järnkula som väger 30 g sjunker kulan trots att massan är mindre.

Om ett ämne flyter eller sjunker i vatten beror inte på hur stor massa det har utan på hur tätt packade atomerna och molekylerna i ämnet är. Ju tätare packade de är, desto mer väger en viss volym av ämnet. Denna storhet kallas ämnets densitet.

Densiteten är alltså ett mått på hur stor massa en viss volym av ett ämne har.

Ord och begrepp

Densitet är ett mått på hur stor massa en viss volym av ett ämne har.

Origo är den punkt där koordinataxlarna skär varandra. Punkten origo har koordinaterna (0,0).

Proportionalitet innebär att en storhet ökar i jämn takt med en annan storhet, till exempel massa och volym.

Ur kursplanen för Fysik 7–9 (Lgr22) Några instrument för att mäta fysikaliska storheter, till exempel kraft och ström. Användning av mätvärden i enkla beräkningar, till exempel beräkningar av densitet och hastighet. | Observationer och experiment med såväl analoga som digitala verktyg. Formulering av undersökningsbara frågor, planering, utförande, värdering av resultat samt dokumentation med bilder, tabeller, diagram och rapporter. KÄLLA: SKOLVERKET

Mätning av densitet

Massan av en träbit fördubblas när volymen fördubblas. Detta samband kallas i matematiken för en proportionalitet – massan är proportionell mot volymen.

Detta gäller även för andra ämnen. Om volymen för en aluminiumkloss fördubblas så kommer också massan att fördubblas. Om en aluminiumkloss med volymen 1 cm3 väger 2,7 g väger alltså en kloss med volymen 10 cm3 tio gånger så mycket, 27 g.

Massan mäter du med hjälp av en våg. Volymen kan du beräkna genom att mäta längden, bredden och höjden på rätblocket. Tänk dig att du på detta sätt har mätt volymen och massan på ett antal aluminiumklossar och fått värdena i följande tabell:

Volym och massa för aluminiumklossar

Om du ritar mätningarna i ett diagram med volymen på x-axeln och massan på y-axeln ligger mätpunkterna längs en rät linje.

Proportionaliteten visar massan av aluminiumklossar som funktion av volymen. Linjens lutning är ett mått på densiteten.

Koppartärningen väger 140 g. Hur stor densitet har den?

Diagrammet visar resultatet av mätningen med olika aluminiumklossar. I diagrammet skär de streckade linjerna en punkt på linjen som används för att läsa av värden på massa och volym.

Eftersom proportionaliteten är en rät linje som går genom origo kan lutningen beräknas genom att dividera den avlästa massan med volymen.

Mätvärdet får samma enhet som densitet. Det är alltså aluminiets densitet vi mäter. Ju större lutning på linjen, desto större densitet.

densitet = massa volym = 13,5g 5cm3 = 2,7g/cm3

Inom naturvetenskapen försöker man ofta förkorta det man skriver så att det blir så enkelt som möjligt. Därför används symboler i stället för ord när man skriver samband. Formeln kan vi förenkla genom att införa symboler.

Exempel 1

En koppartärning med sidan 2,5 cm väger 140 g. Räkna ut densiteten för koppar.

Lösning

En tärning har tre lika långa sidor. Koppartärningens volym blir:

V = 2,5 · 2,5 · 2,5 cm3 = 15,625 cm3

Densiteten ges då av:

ρ = m V = 140g 15,625cm3 = 8,96g/cm3

Densiteten för koppar är 9,0 g/cm3.

Densitet

Uträkningen av densitet kan med ord skrivas som:

densitet = massa volym

Uträkningen kan också skrivas som en matematisk formel med hjälp av symboler:

–

densitet: ρ (ρ är den grekiska bokstaven ”rho”) –

massa: m –

volym: V

Formeln för densiteten är då:

ρ = m V

Detta samband gäller för alla ämnen.

Med ett mätglas och vatten kan man mäta upp stenens volym.

Densiteten för oregelbundna föremål

Om du ska mäta densiteten av ett oregelbundet föremål, till exempel en sten, måste du veta massan och volymen.

Massan är enkel att hitta med en våg, men hur ska du mäta volymen? Stenen är ju inte någon enkel geometrisk form.

Svaret är enkelt – om du lägger ner stenen i ett provrör med vatten kommer ju vattennivån att höjas. Stenens volym är helt enkelt lika stor som volymen av det vatten stenen trängt undan.

Densiteten för vätskor

Du kan räkna ut densiteten för vätskor på samma sätt som du räknade ut densiteten för trä och aluminium.

På den vänstra bilden ser du ett tomt mätglas på en våg. På den högra bilden är ett mätglas med vatten. Eftersom bilderna visar vattnets volym och massa kan du räkna ut vattnets densitet.

Vattnets massa

Du räknar ut vattnets massa genom att subtrahera massan för det tomma mätglaset från massan för mätglaset med vatten:

Mätglasets massa: 106 g

Massa för mätglaset med vatten: 170 g

Vattnets massa är alltså:

m = 170 g – 106 g = 64 g

Tomt mätglas. Samma mätglas med vatten.

Vattnets volym

Vattnets volym kan du läsa av direkt från mätglaset:

V = 64 ml – 0 ml = 64 ml

Enheten liter är ingen grundenhet i SI-systemet. För att omvandla liter till en SI-enhet använder vi att:

1 l = 1 dm3

Men hur stor volym har då 1 ml? Prefixet milli betyder tusendel. Det går alltså 1 000 ml på 1 l:

1 l = 1 000 ml

Du vet också att:

1 dm3 = 1 000 cm3

Eftersom 1 l = 1 dm3 måste 1 ml = 1 cm3.

Vattnets volym kan alltså skrivas:

V = 64 ml = 64 cm3

En kub med sidan 1 dm har volymen 1 dm3. Varje sida är 10 cm och volymen räknat i cm3 blir 1 000 cm3. Alltså är 1 dm3 = 1 000 cm3

Vattnets densitet

Eftersom vi vet både massan och volymen kan vi enkelt räkna ut densiteten som:

������ m V �� 93,4g 92,5cm3 ≈ 1,01g/cm3

Att vattnets densitet är ungefär 1 g/cm3 är ingen slump. Från början var det tänkt att 1 kg skulle definieras som massan av 1 dm3 vatten, vilket skulle gett vatten densiteten 1 kg/dm3 eller 1 g/cm3.

Tyvärr blev det tillverkade kilogrammet lite för lätt, vilket gjorde att vattnets densitet blev lite mindre, 0,998 g/cm3.

172,2 g 89,4 g

Exempel 2

Använd bilden till vänster för att bestämma densiteten för T-sprit.

Lösning

T-spritens massa kan beräknas genom att subtrahera massan för det tomma mätglaset från massan för mätglaset med T-sprit:

m = 172,2 g – 89,4 g = 82,8 g

Volymen kan vi avläsa på mätglaset:

v = 97 ml = 97 cm3

Densiteten för T-spriten blir då:

ρ = m v = 82,8g 97cm3 = 0,85g/cm3

Densiteten för T-sprit är 0,85 g/cm3

Densiteten för gaser

Kan man väga en gas, till exempel luft? Det går naturligtvis alldeles utmärkt, men man måste då ha en mer noggrann våg.

Densiteten för luft är ungefär 1 000 gånger mindre än för vatten. En tumregel säger att 1 l vatten väger ungefär 1 kg medan 1 l luft väger ungefär 1 g.

På samma sätt kan man väga andra gaser och då se att väte och helium har lägre densitet än luft. Du har säkert sett heliumballonger som flyger iväg. Detta beror på att gasen inuti dem har lägre densitet än den omgivande luften.

Densiteter för några vanliga ämnen

Det enda som hindrar heliumballongerna från att sväva fritt är ett tunt snöre.

Bestämning av densiteten för T-sprit.

Flyta eller sjunka?

Du kan enkelt räkna ut om ett föremål kommer att flyta eller sjunka om du skulle lägga föremålet i vatten.

Det gör du på samma sätt som när du räknade ut att en heliumballong är lättare än luft och därför stiger mot skyn: –

Om föremålet har högre densitet än vatten sjunker det.

Om föremålet har lägre densitet än vatten flyter det.

I början av avsnittet räknade vi ut densiteten för en mängd aluminiumklossar och fick värdet ρ = 2,7 g/cm3. Detta värde är större än densiteten för vatten (1,0 g/cm3) – aluminiumklossarna sjunker alltså i vatten.

Motsatsen gäller för trä som har densiteten 0,5 g/cm3 – en bit trä kommer att flyta om man lägger den i vatten.

Sammanfattning

@ Densiteten bestämmer hur mycket en viss volym av ett material väger.

@ Formeln för densitet är: ρ = m V

@ Med proportionalitet menas att en storhet ökar i jämn takt med en annan storlek – till exempel ökar massan för en kub till det dubbla om kubens volym blir dubbelt så stor.

@ Om ett proportionellt samband ritas i ett diagram så är grafen en rät linje som utgår från origo.

@ I ett diagram där massan ritas mot volymen för ett föremål är lutningen på den räta linjen ett mått på densiteten.

@ Ett föremål som har högre densitet än vatten sjunker.

@ Ett föremål som har lägre densitet än vatten flyter.

Tre sjunkande stenar. Kan du komma på någon sorts sten som flyter?

LABORATION

Densitet

Syfte

Att öva på mätningar, beräkningar och diagram.

Materiel

– klossar – linjal – våg

Utförande

1. Välj en av klossarna och mät längd, bredd och höjd med linjalen.

2. Väg klossen.

3. Gör en tabell enligt nedanstående mall och skriv in mätvärdena.

Välj lämpliga skalor på axlarna genom att titta på de största värdena i tabellen.

6. Pricka in klossarnas massa och volym i diagrammet.

7. Använd en linjal för att dra en rät linje som går så nära punkterna som möjligt och börjar i origo. Linjen ska dras så att du har ungefär lika många punkter ovanför som under linjen.

1 kloss 2 Upprepa tills du mätt tio klossar.

4. Beräkna volymen för var och en av klossarna och för in värdet i tabellen. Volymen för ett rätblock beräknas som längden × bredden × höjden.

5. Rita ett diagram över massan som funktion av volymen. Detta innebär att massan ska vara på y-axeln och volymen på x-axeln.

8. Välj en punkt på linjen långt till höger på linjen (inte en av mätpunkterna). Avläs punktens massa och volym. Dividera massan med volymen för att räkna ut linjens lutning och densiteten för klossen.

Utvärdering

1. Förklara varför densiteten beräknas med hjälp av linjen och inte med en av mätpunkterna.

2. Hamnade någon av mätpunkterna längre från linjen än de övriga? I så fall, vad kan det ha berott på?

3. Valde du bort några mätpunkter när linjen skulle anpassas? Varför eller varför inte?

Fysikens modeller och metoder

Densitet

Instuderingsfrågor

1. Vad är densitet?

2. Varför har olika ämnen olika densitet?

3. Skriv formeln för beräkning av densitet, dels med ord, dels med hjälp av symboler.

4. Vilken är densitetens enhet i SI-systemet?

5. I texten beskrivs densitetsförhållandet mellan vatten och luft med en ”tumregel”. Vad säger denna tumregel?

6. Hur stor är densiteten för vatten jämfört med luft?

7. Vad menas med en proportionalitet?

8. Vilken proportionalitet gäller mellan densiteten, volymen och massan?

9. Beskriv hur man kan bestämma densiteten för en oregelbunden sten.

10. Hur kan man avgöra om ett föremål kommer att flyta eller sjunka i vatten utifrån dess densitet?

Aktiviteter

1. Ta med en fin sten till skolan. Utgå från laborationen Densitet i avsnittet för att göra ett eget experiment där du räknar ut stenens densitet. Arbeta i par. Skriv en laborationsrapport.

2. Förklara på ditt eget sätt vad densitet är. Planera en fem minuter lång lektion för någon som är yngre, till exempel en elev som går i årskurs 5. Fundera på egna bilder eller leta på nätet efter illustrationer som passar bra som förklaring till den elev du har valt att berätta för.

3. Hitta information om Arkimedes princip, vad principen innebär och om historien bakom hur Arkimedes kom på den.

4. En ring har massan 6,67 g och volymen 2,36 cm3. Är ringen gjord av rent guld?

Bilden: Målning på en klippa i Chaco Canyon i New Mexico, USA, där pueblofolken lever. Man tror att den visar en ljus stjärna nära månen som syntes år 1054. Denna så kallade supernova var synlig även på dagtid och måste ha varit en enastående syn. Är det möjligen så att handavtrycket är konstnärens signatur?

Vetenskap och pseudovetenskap

Vad som är vetenskap och vad som inte är det har varierat med tiden. Det som tycks självklart i dag har inte alltid varit det, och många teorier om saker vi i dag tror är sanna kan i framtiden komma att revideraras.

Många av de riktigt stora frågorna kring universums uppbyggnad är fortfarande inte besvarade, till exempel hur stort universum är eller vilka de minsta beståndsdelarna som bygger upp verkligheten är.

Ord och begrepp

Experiment är en vetenskaplig undersökning för att bevisa eller motbevisa en hypotes.

Geocentrisk världsbild är en uppfattning om universum där man tror att jorden ligger stilla i mitten och att solen, månen, de andra planeterna och stjärnorna går runt jorden.

Heliocentrisk världsbild är en uppfattning om universum där man tror att solen ligger stilla i mitten och att jorden och de andra planeterna går runt solen.

Hypotes är ett antagande som en forskare gör om hur något fungerar och som sedan testas på olika sätt.

Observationer är ett sätt att undersöka naturen på avstånd eller när man inte kan göra experiment.

Pseudovetenskap är osanna eller overifierade påståenden som inte styrks av den vetenskapliga metoden.

Vetenskap är kunskap som har inhämtats med den vetenskapliga metoden.

Vetenskapliga metoden är ett sätt att utföra naturvetenskaplig forskning och säkerställa att slutsatserna är korrekta.

Ur kursplanen för Fysik 7–9 (Lgr22) Observationer och experiment med såväl analoga som digitala verktyg. Formulering av undersökningsbara frågor, planering, utförande, värdering av resultat samt dokumentation med bilder, tabeller, diagram och rapporter. | Sambandet mellan undersökningar av fysikaliska fenomen och utvecklingen av begrepp och förklaringsmodeller. De fysikaliska förklaringsmodellernas historiska framväxt, användbarhet och föränderlighet. | Informationssökning, kritisk granskning och användning av information som rör fysik. Argumentation och ställningstaganden i aktuella frågor som rör energi, teknik och miljö. KÄLLA: SKOLVERKET

Enligt Aristoteles skulle en kanonkula färdas i ursprungsriktningen ända tills rörelsekraften var förbrukad – då föll den enligt honom plötsligt lodrätt mot marken.

Fysiken växer fram som vetenskap

All fysik, liksom all övrig naturvetenskap, utgår från observationer av verkligheten.

Många tidiga föreställningar kring naturen var försök till förklaringar av naturfenomen – ett exempel är hur Tor slungade blixtar med hammaren Mjölner.

Resan från Mjölner till dagens vetenskap är lång, men har alltid drivits av en strävan efter att förstå verkligheten. I detta avsnitt ska vi göra några historiska nedslag för att visa exempel på resan från enkla förklaringsmodeller till den vetenskapliga metoden.

Den förste vetenskapsmannen

Ganska ofta brukar den grekiske filosofen Aristoteles (384–322 före Kristus) sägas vara den första vetenskapsmannen.

Aristoteles var den förste som verkligen observerade hur naturen fungerade. Han sökte också förklaringar till det han hade observerat.  Hans funderingar och föreställningar om världen omkring oss hade mycket stor inverkan på naturvetenskapen ända fram till 1600-talet. Men på en viktig punkt skiljer sig Aristoteles från dagens vetenskap – han gjorde nämligen inga experiment.

Aristoteles tankevurpor

Vi har alla märkt att om man slutar trampa så kommer cykeln att stanna. Aristoteles, en av de största vetenskapsmännen i historien, tänkte att sambandet var:

”Ingen kraft – ingen rörelse”.

Han tänkte, som de flesta av oss nog gör, att något som rör sig måste påverkas av en kraft. Aristoteles tänkte sig att när kraften i en utslungad kula tog slut skulle kulan trilla rakt ner mot marken.

I verkligheten är det just krafterna som får cykeln att stanna – friktion och luftmotstånd gör att hastigheten minskar om man slutar trampa.

Aristoteles satte sin prägel på antikens och medeltidens syn på hur krafter påverkar hur föremål rör sig. Såvitt man vet gjorde aldrig Aristoteles ett enda experiment för att verifiera sina teoretiska funderingar. Om han testat sina funderingar hade kanske det naturvetenskapliga arbetssättet uppstått långt tidigare.

Aristoteles levde från 384 till 322 före Kristus.

Jorden, solen och stjärnorna

Från början trodde människor att det var jorden som låg i mitten och att de andra himlakropparna kretsade runt oss (en geocentrisk världsbild). Den grekiske astronomen Aristarchos från Samos sade redan på 200-talet före Kristus att jorden går runt solen, men det var nästan ingen som trodde på honom.

I stället blev det den polske astronomen Nicolaus Copernicus som på 1500-talet visade att jorden och de andra planeterna går runt solen (den heliocentriska världsbilden), och det dröjde långt in på 1600-talet innan det blev allmänt accepterat.

Både Aristarchos och Copernicus tänkte sig att alla stjärnorna satt fast på insidan av ett stort klot som fanns utanför planeterna, men under 1600-talet insåg man att stjärnorna också är solar.

Att ändra gamla teorier kan ta lång tid. Hur vi ser på universum och hur universum är uppbyggt ändras med tiden.

För hundra år sedan trodde man att vår galax, Vintergatan, utgjorde hela universum och det är mindre än 30 år sedan den första planeten runt en annan stjärna än solen upptäcktes. Nu vet vi att jorden kretsar kring solen som är en av hundratals miljarder stjärnor i Vintergatan. Vintergatan är i sin tur en av hundratals miljarder galaxer som kretsar runt andra galaxer i hopar.

En föreställning om universum från medeltiden. På bilden är jorden platt, solen rör sig runt jorden och himlen bildar ett statiskt valv där stjärnor och månen är fästa. Personen på bilden illustrerar människans strävan efter att veta vad som finns bortom det vi vet – det finns en annan verklighet bortom det vi tror oss veta.

Atomens vara eller icke-vara

Atomteorin började som en filosofisk skola för nästan 2 500 år sedan. Den grekiske filosofen Leukippos och hans lärjunge Demokritos tänkte sig då att allt består av atomer eller av tomrum. De tänkte sig att atomerna var mycket små, oföränderliga och oförstörbara små bitar av materia som ständigt var i rörelse.

Som du märker var Leukippos och Demokritos långt, långt före sin tid med sina tankegångar – deras idéer ger en ganska bra beskrivning av den moderna atomteorin. Problemet var bara att det inte fanns något sätt att testa tankegångarna mot verkligheten.

Idén om atomer levde kvar under årtusendena och togs först upp igen i början av 1800-talet av den brittiske kemisten John Dalton som utvecklade teorin och tänkte att att:

1. Grundämnen är uppbyggda av mycket små atomer.

2. Varje grundämne består av atomer som har identiska massor och storlekar. Atomer i andra grundämnen har andra massor och storlekar.

3. Atomer kan inte delas, skapas eller förstöras.

4. Olika atomer kan kombineras i enkla förhållanden för att skapa molekyler.

5. Vid kemiska reaktioner slås atomer samman eller delas upp. Som du ser har den ursprungliga atomteorin utvecklats till att förklara hur molekyler byggs upp och vad som händer vid kemiska reaktioner. Men fortfarande är det bara en teori – att atomer existerar är fortfarande inte bevisat.

Daltons modell visade sig vara mycket användbar och forskningen kring atomer ökade. I slutet av 1800-talet hade man upptäckt att atomer bestod av ännu mindre delar och först i början av 1900-talet lyckades man bevisa atomens existens (vi återkommer till detta senare i boken). Vad atomer egentligen är uppbyggda av vet vi fortfarande inte, men det finns många nya teorier.

Den vetenskapliga metoden

Fysik är en levande process. Gamla teorier ersätts av nya, ibland genom att man förfinar en gammal teori, ibland genom att helt nya, geniala idéer skapas.

Med den vetenskapliga metoden menar man att förståelsen av ett fenomen gradvis förändras när kunskapen ökar tack vare observationer och experiment. På så sätt förfinas teorin och blir mer generell för att slutligen korrekt beskriva och förutsäga alla de fenomen som den är avsedd att förklara. Men teorin kan aldrig sägas vara färdigställd – när som helst kan nya observationer, experiment eller matematiska framsteg tvinga fram en förändring eller till och med kullkasta den.

Det finns teorier som är så välgrundade att de i praktiken inte testas längre. Dit hör de grundläggande dragen i teorierna om atomer, celler, evolution och gravitation. Exempel på teorier som ständigt utvecklas tack vare nya observationer är de som beskriver universums och solsystemets uppkomst och människans utveckling.

På detta sätt växer hela tiden det mänskliga vetandet och vi lär oss mer och mer om den värld vi lever i. Eftersom vi hela tiden undersöker vår verklighet, den som vi kan se på, röra vid och mäta upp med hjälp av olika instrument, kan vi också vara säkra på att det vi vet är sant – i alla fall tills nya vetenskapliga teorier om verkligheten visar sig gälla. observation

frågeställning

ställ en hypotes

gör ett experiment

bekräftar experimentet hypotesen?

vi kan göra en vetenskaplig teori

använd teorin för att förstå universum bättre

hitta fler bevis

kan teorin förbättras för att förklara de nya bevisen? revolution

förbättra teorin

felaktig hypotes nej

Den vetenskapliga metoden. Vägen till vetande kanske verkar lång och komplicerad, men det är bara genom att testa hypoteserna genom ytterligare observationer och experiment som vi kan bilda oss en korrekt uppfattning om vår omvärld.

Hypoteser, experiment och observationer

När en forskare vill ta reda hur något ligger till här i världen så börjar det alltid med en fundering av något slag. Man undrar hur saker fungerar helt enkelt. Funderingen kallar vi för en frågeställning, och för att undersöka den formulerar man en hypotes.

Hypotesen är ett påstående om det man vill undersöka. För att veta om en viss hypotes är sann så måste man testa hypotesen med experiment eller andra undersökningar.

Aristoteles ställde visserligen upp en hypotes, men arbetade inte enligt den vetenskapliga metoden. Han testade inte hypotesen genom att utföra experiment och hans tankar fick leva kvar i nästan 2 000 år. Först under slutet av 1500-talet och början av 1600-talet utvecklades den vetenskapliga metoden. Vetenskapsmän som Copernicus, Galilei, Kepler, Newton och Descartes började då ifrågasätta kyrkans och Aristoteles tankar.  Med hjälp av resultat av experiment och undersökningar kan naturvetare bilda sig en uppfattning om sin omvärld, till exempel vad som händer när två atomer kolliderar.

Att pröva en hypotes

Det finns två huvudsakliga sätt att undersöka om ett antagande om verkligheten, en så kallad hypotes, stämmer eller är felaktig.

– Vid experiment gör man mätningar under kontrollerade former. Rent praktiskt utför man i laboratoriet en laboration som kan vara en förenklad modell av verkligheten. Genom att variera förutsättningarna i modellen kan man se hur systemet utvecklas och dra slutsater.

Nicolaus Copernicus levde från 1473 till 1543. I boken Om himlakropparnas kretslopp beskrev han hur jorden och de andra planeterna rör sig kring solen (den heliocentriska världsbilden).

Observationer gör man när man inte kan ta hem systemet till laboratoriet och därmed inte kan variera förutsättningarna. Då är man tvungen att på avstånd göra noggranna iakttagelser och mätningar och från dessa dra slutsatser.

Naturvetenskapliga teorier

En viktig egenskap hos vetenskapliga teorier är att man utifrån teorin kan göra förutsägelser om fenomen eller händelser som man ännu inte har observerat. Till exempel kunde man med utgångspunkt i gravitationsteorin förutsäga hur föremål skulle ”uppföra sig” på månen långt innan människan hade varit där.

Pseudovetenskap

Det händer ofta att man stöter på saker som låter vettiga, riktiga och vetenskapliga – men som ändå inte är det. Sådant kallar man för falsk vetenskap eller pseudovetenskap.

Pseudovetenskap använder ofta flotta vetenskapslika ord, men med oklar eller väldigt bred betydelse. Typiskt är att man pratar om till exempel ”energivibrationer”, ”harmonisk energioscillering” eller ”svaga energifält”, något som kan betyda precis vad som helst. Vetenskap måste använda precisa definitioner för att man ska veta vad man pratar om.

Pseudovetenskap bedrivs ofta av icke-vetenskapliga skäl, till exempel ideologiska, kulturella eller ekonomiska. Målet med vetenskap (grundforskning) är att lära sig om och förstå hur vår värld fungerar.

Naturvetenskaplig teori Viktiga egenskaper hos en naturvetenskaplig teori:

Teorin ska vara heltäckande, det vill säga förklara alla de fenomen och observationer som den avser att förklara. – Teorin ska vara väl bevisad

– Man ska kunna göra förutsägelser utifrån teorin.

Helande kristaller och stenar – eller bara kristaller och stenar?

Vi ska titta på två exempel på pseudovetenskap: – astrologi

harmonisk energioscillering.

När du har skaffat dig tillräcklig förståelse för hur du själv och vår värld fungerar har du kunskapsmässigt vaccinerat dig mot pseudovetenskap och lurendrejeri.

Astrologi

Astrologin har sitt ursprung i tidiga civilisationers fantasier och funderingar om stjärnhimlen, då människor trodde att de var i nära kontakt med och påverkades direkt av stjärnorna. Astrologi är en pseudovetenskap eftersom den inte i någon del har kunnat verifieras med vetenskapliga metoder. Trots detta lever dess idéer kvar och är svåra att utplåna.

En väggklocka från slutet av 1500-talet i Dogepalatset i Venedig. Lägg märke till de astrologiska symbolerna. Visaren pekar på stjärnbilden Fiskarna.

Den som tror på att astrologi fungerar måste anamma ett stort antal teser som flera hundra års vetenskaplig forskning har visat vara felaktiga. Till dessa hör:

– att himlakropparna skulle förmedla en ”kraft” som påverkar människor (men inte andra djur) individuellt

att planeterna skulle förstärka och påverka vissa mänskliga egenskaper som är specifika för varje planet

– att stjärnorna genom de stjärntecken de formar från ett jordiskt perspektiv skulle förstärka och påverka mänskliga egenskaper

att djurkretsens stjärntecken skulle ha större betydelse än de övriga stjärntecknen

– att solens, månens, planeternas och stjärntecknens skenbara relationer till varandra vid varje individs födelse skulle forma individens personlighet och därefter kontinuerligt påverka dennes val och agerande i det dagliga livet.

Det finns otaliga ytterligare argument, stora som små, som ur ett vetenskapligt perspektiv motsäger astrologins grundvalar.

Astrologers förutsägelser i form av horoskop är otydligt formulerade för att kunna tolkas på många olika sätt och tillåta läsaren att tolka in sina personliga upplevelser och erfarenheter i horoskopet, i syfte att stärka individens tilltro till astrologin.

Harmonisk energioscillering

Harmonisk energioscillering utgår från att kvantenergi flödar fram och tillbaka mellan kroppens sju homeosensoriska noder. För att uppnå har-

Astrologi är en gammal förklaringsmodell som inte är sann. Det finns inte någon koppling mellan stjärnorna och just ditt liv.

moni mellan noderna måste man balansera mellan att meditera dagligen och endast äta genfri mat.  Detta resonemang låter vetenskapligt men det är bara orden som är lånade från vetenskapen. Det finns inget stöd för att harmonisk energioscillering existerar – det är inte möjligt att testa hypotesen experimentellt, vilket innebär att den vetenskapliga metoden inte kan tillämpas. Harmonisk energioscillering är alltså en pseudovetenskap.

Sammanfattning

@ Den antike grekiske filosofen Aristoteles kan sägas vara den första vetenskapsmannen även om han aldrig gjorde några experiment.

@ Den polske astronomen Nicolaus Copernicus visade på 1500-talet att jorden och de andra planeterna går runt solen (den heliocentriska världsbilden).

@ De grekiska filosoferna Leukippos och Demokritos tänkte sig att allt består av mycket små, oföränderliga och oförstörbara atomer i ständig rörelse.

@ Den brittiske kemisten John Dalton började på 1800-talet utveckla den moderna teorin om atomer och grundämnen.

@ Med den vetenskapliga metoden menar man att förståelsen av ett fenomen gradvis förändras när kunskapen ökar tack vare observationer och experiment.

@ En naturvetenskaplig teori är heltäckande, välbevisad och ska kunna användas för att göra förutsägelser.

@ Pseudovetenskap är osanna eller overifierade påståenden och bedrivs ofta av icke-vetenskapliga skäl.

Fysikens modeller och metoder

Instuderingsfrågor

1. Hur har uppfattningen om vad som är vetenskap förändrats över tiden?

2. Vad är skillnaden mellan gamla och moderna uppfattningar om universums uppbyggnad?

3. Vem brukar betraktas som den första vetenskapsmannen?

4. Vad var Aristoteles tankefel när det gällde rörelse och krafter?

5. Vad innebär den heliocentriska världsbilden?

6. Nämn tre viktiga egenskaper hos en naturvetenskaplig teori.

7. Vad är pseudovetenskap och hur skiljer den sig från riktig vetenskap?

8. Ge exempel på två pseudovetenskaper och förklara varför de räknas som pseudovetenskap.

9. Beskriv den vetenskapliga metoden och hur vetenskapen utvecklas enligt den.

10. Som forskare får man ibland nöja sig med att observera fenomen på avstånd. Nämn ett sådant forskningsområde.

Aktiviteter

1. Är det alltid så att det som står i den högra spalten i tabellen är pseudovetenskap? Fundera på egen hand och diskutera i helklass vad som är vetenskap och vad som är pseudovetenskap.

astronomi astrologi

kemi alkemi

medicin healing

massage zonterapi

psykologi parapsykologi

läkemedel homeopatiska medel

SETI flygande tefat

2. Hitta information på internet kring något som betraktas som pseudovetenskap. Skriv en kort text och presentera för dina klasskompisar. Diskutera i grupp varför de saker ni valt är pseudovetenskaper.

3. Hitta mer information om den geocentriska och heliocentriska världsbilden. Hur påverkade världsbilden människors syn på universum?

4. Välj en period eller en vetenskapsman som nämns i texten, till exempel Aristoteles, Copernicus eller Dalton. Gör en kort presentation eller en affisch som beskriver vetenskapens utveckling under tidsperioden och hur vetenskapsmannen du valt bidrog till ny kunskap.

Vetenskap och pseudovetenskap