9789127425392 by Smakprov Media AB

l채rarhandledning

fysik

Innehåll 1. Fysik 7

Eexp 4:5 Fritt fall 63 Eexp 4:6 Videoanalys av fallrörelse 64 Eexp 4:7 Fallrörelse 66 Svar till Tänk till! 67

Dem 1:1 Bestämning av medelhastighet 10 Svar till Tänk till! 11

2. Krafter i vardagen 12

5. Energi och arbete 68

Dem 2:1 Kraft och reaktionskraft 15 Dem 2:2 Newtons tredje lag 16 Dem 2:3 Jämfotahopp 17 Lexp 2:1 Massa och tyngdkraft 18 Lexp 2:2 Parallella och motriktade krafter 18 Lexp 2:3 Vilo- och glidfriktion 19 Eexp 2:1 Massa och tyngdkraft 21 Eexp 2:2 Parallella och motriktade krafter 22 Eexp 2:3 Vilo- och glidfriktion 25 Svar till Tänk till! 28

Dem 5:1 Arbete 71 Dem 5:2 Effekt vid lyftarbete 72 Lexp 5:1Arbete och rörelseenergi 73 Lexp 5:2 Energiomsättning vid fritt fall 74 Lexp 5:3 Energibetraktelse ”Kast med liten boll” 75 Lexp 5:4 Pilbåge 75 Eexp 5:1 Arbete och rörelseenergi 77 Eexp 5:2 Energiomsättning vid fritt fall 79 Eexp 5:3 Energibetraktelse ”Kast med liten boll” 81 Eexp 5:4 Pilbåge 83 Svar till Tänk till! 85

3. Densitet och tryck 29 Dem 3:1 Tryckdemonstrationer 33 Lexp 3:1 Samband mellan massa och volym 35 Lexp 3:2 Vätsketryck 36 Lexp 3:3 Lyftkraft 37 Eexp 3:1 Samband mellan massa och volym 38 Eexp 3:2 Vätsketryck 39 Eexp 3:3 Lyftkraft 40 Svar till Tänk till! 42

6. Laddningar och fält 86 Dem 6:1 Laddade stavar 89 Dem 6:2 Ledare och isolatorer 90 Dem 6:3 Elektrisk influens 91 Dem 6:4 Coulombs lag 92 Dem 6:5 Elektriska fältbilder 94 Dem 6:6 Rökgasrening 95 Svar till Tänk till! 96

4. Rörelse 44 Dem 4:1 Introduktionsdemonstration 47 Dem 4:2 Rörelseregistrering med ultraljudssändare/-mottagare 48 Dem 4:3 Medel- och momentanhastighet 49 Dem 4:4 Acceleration 50 Dem 4:5 Likformigt accelererad rörelse på glidbana 51 Dem 4:6 Fallrörelse 52 Dem 4:7 Fallrörelse med och utan luftmotstånd 53 Lexp 4:1 Matcha grafer 54 Lexp 4:2 Konstant hastighet med körbana och fotogafflar 54 Lexp 4:3 Bestämning av förflyttning ur hastighet–tid-graf 55 Lexp 4:4 Acceleration på glidbana 55 Lexp 4:5 Fritt fall 55 Lexp 4:6 Videoanalys av fallrörelse 56 Lexp 4:7 Fallrörelse 56 Eexp 4:1 Matcha grafer 57 Eexp 4:2 Konstant hastighet med körbana och fotogafflar 59 Eexp 4:3 Bestämning av förflyttning ur hastighet–tid-graf 60 Eexp 4:4 Acceleration på glidbana 62 heureka fysik 1 innehåll

7. Elektrisk energi, spänning och ström 97 Dem 7:1 Ledande boll i plattkondensator 101 Dem 7:2 Millikans oljedroppsförsök 102 Dem 7:3 Energiomsättning i en glödlampa 104 Lexp 7:1 Fältstyrkan i en tråd 105 Lexp 7:2 Ström, spänning och effekt 105 Eexp 7:1 Fältstyrkan i en tråd 106 Eexp 7:2 Ström, spänning och effekt 107 Svar till Tänk till! 108

8. Elektriska kretsar 109 Lexp 8:1 Linjära och icke linjära komponenter 111 Lexp 8:2 Resistans i metalltråd 112 Lexp 8:3 Effektutveckling i en krets 112 Lexp 8:4 Serie- och parallellkoppling 112 Lexp 8:5 Samband mellan polspänning och ström 113 Lexp 8:6 Potentialvandring 113 Eexp 8:1 Linjära och icke linjära komponenter 114 Eexp 8:2 Resistans i metalltråd 115 Eexp 8:3 Effektutveckling i en krets 116 Eexp 8:4 Serie- och parallellkoppling 117 4

Eexp 8:5 Samband mellan polspänning och ström 118 Eexp 8:6 Potentialvandring 119 Svar till Tänk till! 121

14. Strålning från atomer och rymden 169 Dem 14:1 Räckvidd för radioaktivitet 171 Dem 14:2 Betapartiklar 172 Dem 14:3 Fotoelektrisk effekt 174 Lexp 14:1 Halvvärdestjocklek 175 Lexp 14:2 Planks konstant med vakuumfotocell 176 Lexp 14:3 Halveringstid för protaktinium 176 Eexp 14:1 Halvvärdestjocklek 177 Eexp 14:2 Plancks konstant med vakuumfotocell 178 Eexp 14:3 Halveringstid för protaktinium 179 Svar till Tänk till! 180

9. Värme 122 Dem 9:1 Blandningsproblem 124 Dem 9:2 Fasövergångar 125 Lexp 9:1 Specifika värmekapaciteten för vatten 127 Eexp 9:1 Specifika värmekapaciteten för vatten 128 Svar till Tänk till! 130

10. Energi, miljö och klimat 131

15. Kärnenergi 181

Dem 10:1 Charles lag 132 Dem 10:2 Solcell 133 Lexp 10:1 Boyles lag 134 Eexp 10:1 Boyles lag 135 Svar till Tänk till! 136

Svar till Tänk till! 182

16. Strålning på gott och ont 183 Dem 16:1 Radondöttrar 184 Svar till Tänk till! 185

11. Kraft och rörelse 137 Dem 11:1 Jämvikt 142 Dem 11:2 Rörelsemängd vid explosion 144 Dem 11:3 Bollstuds 145 Lexp 11:1 Resultantbestämning 146 Lexp 11:2 Arbete vid lutande planet 146 Lexp 11:3 Samband mellan kraft, acceleration och massa 146 Lexp 11:4 Newtons andra lag 147 Lexp 11:5 Nöjesparksacceleration 148 Lexp 11:6 Rörelsemängd vid stöt 149 Lexp 11:7 Impulslagen 152 Eexp 11:1 Resultantbestämning 153 Eexp 11:2 Arbete vid lutande planet 154 Eexp 11:3 Samband mellan kraft, acceleration och massa 155 Eexp 11:4 Newtons andra lag 157 Eexp 11:5 Nöjesparksacceleration 158 Eexp 11:6 Rörelsemängd vid stöt 159 Eexp 11:7 Impulslagen 160 Svar till Tänk till! 161

12. Relativitet 162 Dem 12:1 Ljusets hastighet 163 Svar till Tänk till! 164

13. Materia och naturens krafter 165 Dem 13:1 Rutherfords försök 167 Svar till Tänk till! 168

heureka fysik 1 innehåll

Inledning Kommentar Denna lärarhandledning är anpassad till Heureka 1 (utgivningsår 2011) och ämnesplanen i Gy2011. Handledningen har en tydlig koppling till ämnesplanens centrala innehåll för kursen Fysik 1, och de kunskapskrav och förmågor som tas upp där. Lärarhandledningen innehåller demonstrationer och experiment av både klassisk och datorbaserad karaktär och med olika grad av ”öppenhet”. Till varje experiment finns en elevinstruktion och en lärarinstruktion. Det finns också tips som underlättar det laborativa arbetet. Den tidplanering som presenteras bör ses som en möjlig utgångspunkt. Planeringen kan variera från skola till skola, eftersom kursplanen förordar fördjupning inom något område som beslutas lokalt och baseras på lärarens och elevernas intresse. Det finns detaljerat beskrivna moment i läroboken som lämpar sig för detta. Lärarhandledningen innehåller många nya laborationer och demonstrationer där datorbaserade mätmetoder används. Sådana är nu en obligatorisk del av Fysik 1. Vi rekommenderar Skolverkets material för hjälp vid bedömning, det återfinns på skolverkets webbplats. Bland stödmaterialet finns bedömningsmatriser, planeringslaborationer, utförandelaborationer och kursprov. Skolverket kommer att ombesörja att kursprov tas fram på regelbunden basis.

läraren finns instruktioner med samma nummer och beteckningen Lärarinstruktion: Experiment respektive Instruktion. Beteckningen Demonstration visar att experimentet bäst lämpar sig att utföras inför klassen. Elevexperimenten kan ibland planeras så att nödvändigt efterarbete kan utföras under följande lektion eller som hemarbete. Många elevexperiment kan på så sätt genomföras under ett kortare lektionspass. Beroende på klasstorlek och utrustning kan flera av elevexperimenten utföras i helklass, om så önskas. Tidsåtgången för lärarledda demonstrationer är alltid sådan att den ryms inom ett normalt enkelpass, vilket är tänkt att vara runt en timme. Lärarhandledningen är indelad i kapitel enligt läroboken. Varje kapitel inleds med förslag till lektionsupplägg, demonstrationer och kommentarer, och i slutet har elevinstruktioner samlats. I handledningen finns även svar till lärobokens ”Tänk till”uppgifter. Som extra stöd har även en bok Övningar och problem tagits fram. Boken innehåller lösta exempel samt ytterligare problemlösning utöver läroboken.

Experiment

KAPITEL

Planeringsförslag till Fysik 1 Planeringsförslaget utgår från att 150 timmar står till förfogande för kursen Fysik 1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Lärarhandledningen ger tips och förslag på hur en lektion, en demonstration respektive en elevlaboration kan utföras. Den erfarna läraren har mindre behov av sådana förslag, men vår förhoppning är att delar av handledningen kan användas av alla lärare. Utrustningen på respektive skola avgör vilka experiment som är möjliga att göra. Lärarhandledningens ambition är därför inte att föreslå en komplett laborationskurs, utan att ge en tänkbar stomme. I kapitlen ges ofta alternativa förslag på elevexperiment. Instruktionerna till de experiment som kräver datorbaserade mätningar är medvetet ganska öppna. Nödvändig information kan hämtas från respektive tillverkares hemsida.

Uppläggning

TIMMAR

Fysik Krafter i vardagen Densitet och tryck Rörelse Energi och arbete Laddningar och fält Elektrisk energi, spänning och ström Elektriska kretsar Värme Energi, miljö och klimat Kraft och rörelse Relativitet Materia och naturens krafter Strålning från atomer och rymden Kärnenergi Strålning på gott och ont

6 10 8 10 10 10 8 10 10 10 16 8 8 10 6 10

Tidsåtgången anges i klocktimmar. De instruktioner som är avsedda för elever är kopieringsunderlag och har placerats så att kopieringen underlättas. För heureka fysik 1 inledning

k apitel 1

Fysik Kapitlet Fysik är kort och översiktligt. Men gymnasiets första lektioner i ämnet fysik sätter anslaget för fysikundervisningen och är därför viktiga. Det här är tillfället att väcka intresse för fysik. Att studera fysik innebär att utforska naturen. Fysiken beskriver alldagliga händelser i vår omgivning som rörelser och användning av elektricitet, men också omvandlingar i atomens kärna, relativitetsteori och stjärnors tillkomst och död. I de inledande lektionerna är det viktigt att få fram helheten i fysiken och den vetenskapliga processen. Experiment är en viktig del av fysiken, vilket kan vara på sin plats att framhålla här. Gå igenom bokens upplägg och målet med fysikkursen, ta ämnesplanen till hjälp.

Avsnitt 1–2 Påpeka att fysiken har en lång historia. Man kan t.ex. ta upp att Galilei introducerade den systematiska och kvantitativa undersökningen av naturen. Noggrant planerade experiment och observationer spelar sedan hundratals år tillbaka en viktig roll i fysiken. Poängtera att det tillvägagångssättet gäller de flesta naturvetenskaper, men inte alla vetenskaper. Låt eleverna utföra nedanstående enkla experiment. Filma en kula som rullar nedför en lutande ränna med linjal (alternativt vagn på luftkuddebana) och starta samtidigt ett demonstrationsur. Spela upp filmen och avgör vad klockan visar just när kulan börjar rulla. Stoppa efter lika långa tidsintervall och läs av rullsträckorna. Jämför med s = k · t 2. Här kan det även vara lämpligt att genomföra Demonstration 1.1 Bestämning av medelhastighet.

Avsnitt 3–4 Mätningar och observationer är grunden till vår kunskap om naturen. Den kunskapen sammanfattas i ”lagar” och modeller. En del modeller beskriver enkla samband mellan variabler, andra beskriver och sammanfattar stora områden inom fysiken. Standardmodellen för partiklar (mikrokosmos) och big bang-modellen (makrokosmos) omfattar stora delar av den grundläggande fysiken. Samverkan mellan teori och observationer är fundamental för fysiken och är grunden för fysikens modeller. Diskutera den vetenskapliga metoden och hur den skiljer sig från t. ex. religion och tro. Fråga gärna eleverna hur de går till väga för att bestämma och känna igen vad som är sant och vad som är påhittat. Deras metod överensstämmer antagligen till stor del med den vetenskapliga metoden.

heureka fysik 1 kapitel 1 fysik

Avsnitt 5 Starta avsnittet med att diskutera fysikalisk storhet kontra andra egenskaper som inte är fysikaliska storheter. Låt eleverna komma med förslag. Egenskaper såsom känslor och färg kommer säkert upp som förslag på egenskaper som inte är fysikaliska storheter. Befäst att en fysikalisk storhet har ett mätetal och en enhet. Låt nu eleverna ge exempel på olika fysikaliska storheter. Gå igenom de sju grundenheterna i SI-systemet. Diskutera begreppet härledd enhet.

Avsnitt 6 VÄRDESIFFROR VID MÄTNINGAR

Sista värdesiffran osäker Anta att någon mätt längden av en bordskiva och uppger värdet 1,832 m. Antalet värdesiffror är då fyra. Men inget mätvärde kan göra anspråk på att vara exakt, och man bör räkna med att tvåan, d.v.s. den sista av siffrorna, är något osäker. Om resultatet är korrekt angivet, är alltså mätosäkerheten någon eller några få millimeter.

Inledande nollor är inte värdesiffror Ett spikpaket uppges innehålla spikar av längden 75 mm. Antalet värdesiffror är två. Man kan naturligtvis också ange spikarnas längd i m – 0,075 m. Antalet värdesiffror är då fortfarande två, trots att mätetalet nu innehåller fyra siffror. Inledande nollor räknas alltså inte som värdesiffror. VÄRDESIFFROR VID BERÄKNING

Använd en lektion till t.ex. följande övning eller liknande. • Bestäm volymen av ett blad i läroboken. Svara i cm3 med lämpligt antal värdesiffror. Exempel på mätvärden: 19,0 ± 0,1 cm 23,9 ± 0,1 cm 0,0090 ± 0,0005 cm Det sista värdet erhålls ur bokens tjocklek exklusive pärmar (18 mm ± 1 mm) dividerat med antalet blad (400 / 2). Beräknad volym: 19,0 · 23,9 · 0,0090 cm3 = 4,0869 cm3 Största värde: 19,1 · 24,0 · 0,0095 cm3 = 4,3548 cm3 Minsta värde: 18,9 · 23,8 · 0,0085 cm3 = 3,8234 cm3 Både största och minsta värdet avviker från den beräknade volymen 4,0869 cm3 med ca 0,3 cm3. Osäkerhet uppträder alltså redan i första decimalen. Vi avrundar därför den beräknade volymen 4,0869 cm3 till 4,1 cm3. Sammanfatta med ”tumregeln”: Vid multiplikation och eller division är det rimligt att ge svaret med samma antal värdesiffror som det minst noggranna av de ingående värdena har. Påpeka att den just bestämda volymen har två heureka fysik 1 kapitel 1 fysik

värdesiffror liksom den minst välbestämda faktorn, nämligen bladets tjocklek. Om tid finns övas avläsning av antal värdesiffror: Exempel: 1,5 s 1,50 s 1,501 s 0,0003 s 0,00030 s

1,500 s

0,015 s

Träna också på värdesiffror vid beräkning med enkla huvudräkningsexempel. Undvik att redan här välja exempel där svaret lämpligast ges med tiopotenser. Exempel: 2,00 · 1,50 = 3,00 2,0 · 1,50 = 3,0 2,000 · 1,50 = 3,00 0,002 · 1,5 = 0,003

Avsnitt 7 Detta avsnitt avhandlas med fördel i samarbete med matematikämnet. Träna på att skriva olika fysikaliska mätetal i tiopotensform och med lämpligt prefix.

heureka fysik 1 kapitel 1 fysik

DEMONSTRATION 1:1

Bestämning av medelhastighet Syfte Demonstrationen ger en introduktion till mätning och mätnoggrannhet.

Koppling till ämnesplanens syfte och centrala innehåll Det experimentella arbetets betydelse för att testa, omvärdera och revidera hypoteser, teorier och modeller.

Materiel Pendelkula, tråd, A4-kartongblad och stoppur.

Bakgrund och utförande Häng upp en pendelkula i en lätt tråd så att pendellängden blir 20–25 cm. Låt den svänga från 45° vinkel och bestäm medelfarten från det ena vändläget till det andra. Eleverna kan arbeta i grupper om fyra (helklass) och klarar då att bestämma sträckan med ”gamla” kunskaper. Tiden mäter de förstås med stoppur, och beräkna medelhastigheten kan de också. Ett A4-kartongblad, tejpat vid en kloss så att det kan stå och som har en ”45°-linje” inritad, hjälper eleverna att starta svängningen rätt. Man får tillfälle att rekommendera tidmätning över flera sving och att starta och stoppa mätningen vid passager av jämviktslägen. Inget djupare ordande om värdesiffror här. Men i anslutning till vad som sägs om lagar och modeller kan man avsluta med att beräkna resultatet enligt den matematiska modellen för små utslagsvinklar √gl/2. Man kan också påpeka att tiden blir 4 % längre vid 45° utslagsvinkel än vid ”små svängningar” och att farten därför bör bli ca 4 % lägre.

Bilden visar pendeln.

heureka fysik 1 kapitel 1 fysik

SVAR TILL TÄNK TILL!

1.T1 När lägsta punkten passeras är farten störst. Då är det lättast att starta och stoppa ett ur vid rätt tidpunkt. Svårast är det i vändlägen. 1.T2 I pendelns nedre del sitter en tyngd, ofta i form av en metallskiva. Denna kan höjas eller sänkas med en ställskruv. Om klockan går för fort sänker man tyngden så att pendellängden ökar.

heureka fysik 1 kapitel 1 fysik

k apitel 2

Krafter i vardagen I detta kapitel, som är det första av två som behandlar krafter, behandlar vi krafter som verkar utefter en linje. Vi behandlar parallella och motriktade krafter. Komposantuppdelning av krafter i godtycklig riktning behandlas i Kapitel 11 Kraft och Rörelse. I kapitlet läggs stor vikt vid att bekanta sig med krafter av olika slag och krafternas angreppspunkter och storlek i förhållande till andra krafter. Det är viktigt att eleverna lär sig skillnaden mellan massa och tyngd, detta behandlar vi i Experiment 2:1 Massa och tyngdkraft. Kapitlet har några extra viktiga delar som är väsentliga för elevernas fortsatta studier i fysik: • Krafters vektoregenskaper. Här finns möjlighet att samverka med kursen Matematik 1C. • Att grafiskt kunna frilägga krafter samt addera och subtrahera krafter. • Begreppet resulterande kraft. • Friktionskraft. • Newtons tredje lag, aktion och reaktion. • Begreppet jämvikt. Som avslutning på kapitlet kan Demonstration 2:3 Jämfotahopp användas, denna övning brukar upplevas som lustfylld och har ett visst mått av tävling i sig.

Avsnitt 1 1. Diskutera först – utan att rita – vilka slag av krafter som verkar

i några konkreta fall, i första hand jämviktssituationer. 2. Håll ett föremål med handtag (t.ex. spänningsaggregat) i handen.

Vilka krafter verkar på föremålet? Tyngdkraft och muskelkraft. 3. Ställ föremålet på bordet. Vilka krafter verkar nu?

Tyngdkraft och normalkraft. 4. Skjutsa i väg föremålet längs bordet. Friktionskraft tillkommer

under förflyttningen. 5. Släpp ett föremål (kanske inte ett spänningsaggregat).

Vilka krafter verkar under fallet? Endast tyngden. 6. Gnid en luftfylld ballong mot kläderna tills den fäster.

Vilken ny slags kraft är nu verksam? Elektrisk kraft. 7. Håll en kilovikt med en magnet för att visa exempel på

magnetiska krafter. 8. Gå igenom representation av krafter med pilar i skala.

Enheten 1 N känner eleverna till från grundskolan.

F1 = 6 N

9. Rita på tavlan kraften F1. Vad vet man då om kraften F2?

Den är neråtriktad och har beloppet 4 N.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

(3 dm)

(2 dm)

Avsnitt 2–3 Gå igenom mätning av krafter med dynamometer och digital kraftgivare. Många elever kan inte skilja mellan massa och tyngdkraft (tyngd). Svårigheten beror kanske på att när man i dagliga livet bestämmer en massa genom vägning så gör man det genom att utnyttja just tyngdkraften på massan. En klar begreppsbildning är därför oerhört viktig. Genomför Experiment 2:1 Massa och tyngdkraft och gå i samband med denna laboration igenom diagramritning. Detta är ett utmärkt tillfälle att introducera eleverna för ett datorhjälpmedel för grafritning. Se till att olika typer av föremål används, dock helst inte vikter. Ur F–m-grafen fås F = gm. Undvik att kalla g för tyngdaccelerationen. Beskriv i stället tyngdfaktorn g som ett mått på styrkan hos jordens gravitation: var helst ett föremål befinner sig på jordytan attraheras det av jorden med en kraft på 9,8 N per kilogram av dess massa. Tala om att månen har svagare gravitation. Där attraheras ett föremål med kraften 1,6 N per kg massa. Hur skulle tyngdkraft–massa-grafen sett ut om den hade bestämts på månen? Öva beräkning av tyngdkrafter på föremål med givna massor. Avsnitt 3 behandlar kontaktkrafter och här övas eleverna på att identifiera dessa. Låt detta ta lite tid så att förståelsen befästs ordentligt. Det är av stor vikt för fortsättningen.

Avsnitt 4 Demonstrera sammansättning av två parallella krafter genom att sträcka ett resårband till samma längd med en resp. två dynamometrar eller digitala kraftgivare enligt fig. 16 i läroboken kapitel 2. Enda sättet att erhålla två olika stora, parallella krafter är att som i bokens figur låta krafternas momentarmar vara olika långa. Det finns dock ingen anledning att ytterligare komplicera kraftbegreppet genom att införa ett resonemang med momentarmar på detta stadium.

Avsnitt 5 När är ett föremål i jämvikt? Visa jämviktsexempel som utgår från konkreta uppställningar på katedern och visar parallella och motriktade krafter. Bilderna 1–4 på nästa sida visar sådana exempel. Duplicera helst figurerna så att alla elever har samma figurserie. Börja alltid med att markera det föremål som ska studeras, t.ex. med särskild färg. Ange tyngden hos detta föremål och rita in den i skala. Diskutera vilka övriga krafter som verkar och vilka riktningar de har. I samband med detta avsnitt är det lämpligt om eleverna gör Experiment 2:2 Parallella och motriktade krafter.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

4. 1. Vagn på horisontellt underlag. 2. Kula som hänger i dynamometer. 3. Samma kula understödd. Dynamometern visar mindre än förut. 4. Kula som hänger i snöre.

Avsnitt 6 Börja gärna avsnittet med att utföra Experiment 2:3 Vilo- och glidfriktion. Låt eleverna tänka igenom de förberedande frågorna innan experimenten genomförs. Ett alternativ till experimentet är att demonstrera genom att dra i en kloss med dynamometer. Låt klossen befinna sig i vila och visa hur friktionskraften växer till sitt fullt utbildade värde, när klossen börjar glida. Belasta klossen med en vikt och visa att den fullt utbildade friktionen ökar. Om man har tillgång till en mätdator och en kraftgivare kan man med fördel använda denna.

Avsnitt 7 Det är viktigt att eleverna förstår växelverkansaspekten: en kraft på ett föremål förutsätter en reaktionskraft på ett annat föremål. Undvik benämningen motkraft eftersom den har visat sig ge felaktiga associationer hos eleverna. Här passar det bra att använda Demonstration 2:1 Kraft och reaktionskraft eller Demonstration 2:2 Newtons tredje lag för att tydliggöra begreppen kraft och reaktionskraft och befästa Newtons tredje lag.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

DEMONSTRATION 2:1

Kraft och reaktionskraft Syfte Demonstrationen går ut på att eleverna tillsammans med läraren ska introduceras för begreppen kraft och reaktionskraft.

Koppling till ämnesplanens syfte och centrala innehåll Krafter som orsak till förändring av hastighet och rörelsemängd.

Materiel Två cylindriska magneter, plaströr med något större diameter än magneterna (går bra med ett mätglas), våg.

Fig. 1a.

Bakgrund och utförande Genom att använda två magneter kan man visa begreppen kraft och reaktionskraft på två föremål som inte är i direkt kontakt med varandra. Två cylindriska magneter placeras nordpol mot nordpol (eller sydpol mot sydpol) i ett plaströr som har aningen större diameter än magneterna. Vid ett resonemang med eleverna brukar man snabbt komma fram till att den övre svävande magneten måste påverkas av en kraft som är lika stor som tyngdkraften, eftersom magneten befinner sig i jämvikt. Pressar man ner den övre magneten kommer den, när man släpper igen, snabbt att åka upp. Alltså har den undre magneten i det nedre läget påverkat den övre med en kraft som är större än tyngdkraften. Kraftens storlek beror alltså av avståndet mellan magneterna. Påverkar den övre magneten den undre med en kraft och hur stor? Väg båda magneterna på en vanlig våg och notera massorna. Placera röret på vågen. Om man har diskuterat vågens tareringsfunktion nollställs vågen med röret placerat på vågskålen (fig. 1a). Den ena magneten placeras i röret och vågen avläses (fig. 1b). Man avläser nu den ena magnetens massa igen. Fråga klassen vad som händer om den andra magneten placeras svävande ovanför (fig. 1c). Placera den andra magneten svävande ovanför och kontrollera att man nu avläser magneternas sammanlagda massa. Alltså har den övre magneten påverkat den undre med en kraft lika stor som sin tyngd. Experimentet blir tydligast om magneterna har olika massor. Pressar man försiktigt ner den övre magneten utan att den får vidröra den undre, kan man tydligt se hur vågutslaget ökar. heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

Fig. 1b.

Fig. 1c.

DEMONSTRATION 2:2

Newtons tredje lag Utförande

Syfte Demonstrationens syfte är att observera sambandet mellan kraft och reaktionskraft, att studera krafternas variation över tid och att förklara Newtons tredje lag med ett enkelt språk.

Koppling till ämnesplanens syfte och centrala innehåll

Bilden visar två kraftgivare förbundna med ett gummiband.

Krafter som orsak till förändring av hastighet och rörelsemängd.

1. Koppla in de två kraftgivarna till datorn

(mätgränssnittet) och starta mätprogrammet. 2. Ändra referensriktning på den ena kraftgivaren

Materiel

så att de har samma positiva riktning.

Mätprogram till datorn, två kraftgivare (gärna trådlösa om sådana finns till hands), gummiband.

3. Nollställ kraftgivarna. 4. Ställ in en mättid på ca 10 sekunder och en

insamlingshastighet på ca 20 mätningar/sekund.

Förberedande frågor

5. Starta mätningen och spänn upp ett gummiband

Använd nedanstående frågor till en förberedande diskussion med eleverna. 1. Du kör bil på motorvägen och får en fluga på vindrutan. Vilken kraft är störst vid kollisionen – den på flugan eller den på vindrutan?

mellan kraftgivarna. Dra sedan godtyckligt kraftgivarna mot och från varandra. Resultatet kommer då att se ut på följande sätt:

2. Håll ett gummiband mellan höger och vänster

hand. Dra i gummibandet med vänster hand. Hur upplever din högra hand detta? Vilken riktning har kraften på den högra handen jämfört med kraften från den vänstra? 3. Dra hårdare med vänster hand. Hur påverkar det

kraften på den högra handen?

4. Hur är kraften i din vänstra hand, som förmedlas

av gummibandet, relaterat till den kraft som skapas av din högra hand? Skriv en regel med ord, för krafternas förhållande. Som vi kan se är krafterna varandras ”spegelbilder” och detta verifierar Newtons tredje lag, kraft och reaktionskraft.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

DEMONSTRATION 2:3

Jämfotahopp Syfte Elevernas uppgift givet de ovanstående villkoren är att skissa kraft–tid-grafen för händelsen. Ge först eleverna möjlighet att försöka själva, därefter kan de diskutera med en klasskamrat. Låt några elever presentera sina hypoteser på tavlan, eller som förutsägelser i ett mätprogram. (De flesta program har en funktion för detta, brukar heta något i stil med ”draw prediction”.) Om tillgång till kamera finns så kan man under tiden som försöket fortgår filma hoppet och sedan synkronisera filmen med mätdata. Detta ger en unik möjlighet till diskussion och analys. Notera att det är lämpligt att återvända till detta försök när Newtons andra lag behandlas. Följande graf fås av hoppet.

Demonstrationens syfte är att på ett spännande sätt beskriva en konkret kraftsituation. Eleverna får därmed möjlighet att genom frågeställningarna utveckla en förståelse för sambandet mellan kraft och reaktionskraft. Demonstrationen ger även möjlighet att studera krafternas variation över tid.

Koppling till ämnesplanens syfte och centrala innehåll Krafter som orsak till förändring av hastighet och rörelsemängd.

Materiel Mätprogram till datorn, kraftplatta, videokamera alternativt digitalkamera, mobilkamera med filmningsmöjlighet.

2000 Kraft (N)

Utförande

1000

0 10

20 Tid (s)

Grafen visar kraften som funktion av tiden.

Låt eleverna jämföra med sina egna förutsägelser och tillsammans analysera de olika delarna av hoppet. Person som står på kraftplattan.

Försöket går ut på att ett jämfotahopp ska analyseras. Händelsen utförs enligt följande: 1. Mätningen startas, mättid ca 60 sekunder och 50 mätningar/sekund. 2. Försökspersonen står ca 10 s på golvet. 3. Personen kliver upp på kraftplattan och står

där ca 10 s. 4. Personen hoppas jämfota ”så högt den kan”. 5. Personen landar på kraftplattan. 6. Personen står kvar på plattan ca 10 s. 7. Personen kliver ner från plattan och står på

golvet i ca 10 s. heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

Lärarinstruktion EXPERIMENT 2:1

Massa och tyngdkraft Det är av stor vikt att eleverna inser skillnaden mellan massa och tyngd och lär sig arbeta med storheternas beteckningar och enheter. stativstång Tyngdkraft och massa bestäms för olika föremål med våg respektive dynamometer. Sambandet F = gm erhålls ur graf över tyngdkraften som funk- dynamometer tion av massan. Utförandet är mycket enkelt. Se till att föremål cylinder som kan hängas i dynamometern och som inte rullar m av vågskålen finns till hands. Undvik vikter. Olika grupper kan med fördel undersöka olika slags brevvåg föremål. Kontrollera att eleverna läser av tyngdkraften så noga som möjligt. Experimentet mynnar ut i sambandet F = gm, där tyngdfaktorn g bör beskrivas som gravitationskonstanten, 9,8 N/kg. 1

Lärarinstruktion EXPERIMENT 2:2

Parallella och motriktade krafter Station 1

konstant. Om man använder en elektronisk snabbvåg eller badrumsvåg, som mäter kraften med hjälp av trådtöjningsgivare eller annan form av fjäderförlängning, kommer man inte att avläsa den korrekta massan på månytan. F1

F2 + m 2 g = 2 F3

F2 F2

m1g

Station 3

m2g

Koppla två liggande, rakt motriktade dynamometrar till en kloss på ett bord, se bild i elevinstruktionen. Se till att dynamometrarna visar olika värden. Beroende på hur glatt underlaget är kan man behöva pröva sig fram med olika typer av dynamometrar. Om friktionskraften behöver ökas, kan klossen belastas med en vikt. Om de vertikala krafterna ska redovisas, måste klossens massa anges.

Det går bra att använda vanliga leksaksträklossar i denna uppställning. Placera klossarna i fyra uppställningar enligt bild i elevinstruktionen.

Station 4

Station 2

Station 5

Placera cylindern på vågen hängande i dynamometern enligt figuren i elevinstruktionen. Vid genomgång av denna uppgift är det viktigt att påpeka skillnaden (än en gång) mellan tyngdkraft och massa. I uppgiften används både en kraftmätare och en massmätare. Båda avläsningarna kan användas både för att bestämma massa och kraft. Det är viktigt att påpeka skillnaden. Om en brevvåg (som arbetar med en jämförelsemassa och momentarmar) använts, kan man ställa frågan om man hade fått samma resultat på månen med oförändrad uppställning? Eftersom dynamometern visar gravitationskraften, som på månytan bara är 1/6 av gravitationskraften på jordytan, medan brevvågen fortfarande visar massan, skulle alltså avläsningarna blivit annorlunda. Dock måste givetvis massbestämningen av cylindern ge samma resultat när kraften från vågen räknas ut med hjälp av månens tyngdkrafts-

Häng en vikt av godtycklig storlek i ett snöre fäst i ett stativ. Se till att det tydligt framgår vilket massa vikten har.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

Se till att snöret har lagom längd, använd stativmaterial enligt bild i elevinstruktionen.

Station 6 Här kan man använda liknande klossar som i station 1 med en ”planka” som ligger på klossarna.

Station 7 Denna station kan ses som en introduktion till icke parallella krafter. Se bild i elevinstruktionen för att se hur experimentet är monterat.

Station 8 Stationen kan ses som en introduktion till begreppet lyftkraft och Arkimedes princip. Eleverna har i allmänhet god kännedom om lyftkraft på denna abstraktionsnivå. 18

Lärarinstruktion EXPERIMENT 2:3

Vilo- och glidfriktion Utförandet av laborationen kräver en del träning för eleverna innan de erhåller ”fina” grafer. Låt detta ta tid och uppmana eleverna att ha tålamod och dra kraftgivaren lugnt och försiktigt. Exempel på resultat redovisas här nedan. Massan på vår låda var 0,30 kg. Vilofriktion 4

Auto Fit for: Data Set | Vilofriktion Vilofriktion = Ax

Vilofriktion (N)

A: 0.3215 +/- 0.01521 RMSE: 0.288,0 N

Normalkraft (N)

Vilofriktion. Grafen visar vilofriktionen som funktion av normalkraften.

Vi får här ett värde på friktionstalet vid vila på μ = 0,32. Tabell 1 Totala massan (kg)

Normalkraften (N)

Vilofriktion (N) Mätning 1

Mätning 2

Mätning 3

Medelvärde på vilofriktionen (N)

0,3

2,9

1,0

1,1

0,5

4,9

2,1

1,9

2,0

0,8

7,8

2,6

2,5

1,0

9,8

3,4

3,5

3,2

3,4

1,3

3,8

4,0

4,4

4,1

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

Lärarinstruktion EXPERIMENT 2:3 Glidfriktion 3

Glidfriktion (N)

Auto Fit for: Data Set | Glidfriktion Glidfriktion = Ax

A: 0.2628 +/- 0.01357 RMSE: 0.2568 N

Normalkraft (N)

Glidfriktion. Grafen visar glidfriktionen som funktion av normalkraften.

Tabell 2 Totala massan (kg)

Normalkraften (N)

Glidfriktion (N) Mätning 1

Mätning 2

Mätning 3

Medelvärde på glidfriktionen (N)

0,3

2,9

1,1

0,5

4,9

1,6

0,8

7,8

2,1

2,0

2,1

1,0

9,8

2,5

2,7

1,3

3,1

3,0

3,1

Vi får här ett värde på friktionstalet vid rörelse (glider) på μ = 0,26.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

e xperimen t 2:1

ko pierin gsund erl ag

Massa och tyngdkraft Syfte

Utförande

Laborationen ska tydliggöra den viktiga skillnaden mellan massa och tyngd.

1. Häng upp dynamometern i en stativhållare.

Koppling till ämnesplanens syfte och centrala innehåll

2. Välj några lämpliga föremål i klassrummet.

Ur syftet: ”Eleverna ska ges möjlighet att analysera och lösa problem genom resonemang baserade på begrepp och modeller”. Ur centralt innehåll: ”Krafter som orsak till förändring av hastighet, jämvikt”.

3. Gör en graf (gärna med hjälp av datorn) med

Kontrollera att dynamometern eller kraftgivaren visar noll när ingenting hänger i den. Bestäm deras massa och tyngdkraft och fyll i en tabell. Var särskilt noga med avläsningen av tyngdkraften! tabellen som underlag. Avsätt massan på x-axeln och tyngdkraften på y-axeln. Tänk på att origo måste vara en punkt på grafen. Vilken typ av samband får du?

Bakgrund Du ska undersöka sambandet mellan massan i kg och tyngdkraften i N för olika ”vardagliga” föremål. Massan bestämmer du genom att väga föremålen, och tyngdkraften bestämmer du genom att hänga dem i dynamometern eller kraftgivare som då visar tyngdkraften.

4. Försök formulera sambandet mellan massan

m och tyngdkraften F. 5. Anpassa en regressionslinje till dina mätpunkter.

Vilket samband får du?

Materiel Våg, dynamometer, stativ med hållare för dynamometer, föremål med olika massor, t.ex. linjal, nyckelknippa, pennfodral o.s.v. Se till att ha minst 6–7 olika föremål. Som alternativ till dynamometer kan kraftgivare och mätprogram användas.

heureka fysik 1 kapitel 2 krafter i vardagen

m1g