Variation af forsøg til eksamen i fysik A - LMFK
Variation af forsøg til eksamen i fysik A - LMFK
Variation af forsøg til eksamen i fysik A - LMFK
- No tags were found...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Variation</strong> <strong>af</strong> forsøg <strong>til</strong> <strong>eksamen</strong> i <strong>fysik</strong> AKasper Astrup Eriksen, Birkerød GymnasiumEt <strong>af</strong> de faglige mål for <strong>fysik</strong> A er, at eleverne skalkunne <strong>til</strong>rettelægge fysiske eksperimenter <strong>til</strong> undersøgelse<strong>af</strong> en åben problems<strong>til</strong>ling. For at det er muligtat teste dette faglige mål <strong>til</strong> <strong>eksamen</strong>, er detnødvendigt, at nogle <strong>af</strong> de øvelser, som eleverne kankomme op i <strong>til</strong> <strong>eksamen</strong>, er forsøg med ikke kendteelementer. Man kan altså ikke bare lade alle <strong>eksamen</strong>søvelsernevære identiske med øvelser, som elevernetidligere har lavet. Der skal være variationeriblandt, og det var også, hvad fagkonsulenten understregedepå et kursus i dynamiske stjerner i foråret2010.Min erfaring fra diskussion med kollegaer er,at der hersker lidt usikkerhed om, hvordan manpræcis skal gribe dette krav an. Med denne artikelvil jeg derfor gerne lægge op <strong>til</strong> en diskussion<strong>af</strong>, hvordan man kan gribe forsøgsvariation an.For at s<strong>til</strong>le mine elever nogenlunde ens valgtejeg her i år, at næsten alle mine øvelser skullevære variationer, og det var også <strong>til</strong>fældet, da jegvar ude som censor i <strong>fysik</strong> A sidste år. Nedenforvil jeg som inspiration omtale, hvordan jeg harvarieret en række øvelser <strong>til</strong> <strong>eksamen</strong>. Jeg vil dogstarte med at omtale et forsøg, fra da jeg var udesom censor sidste sommer. Til sidst er der noglegenerelle kommentarer om, hvilke spor kravetom forsøgsvariation har <strong>af</strong>sat i min undervisning.Kapacitansen <strong>af</strong> en drejekapacitor som funktion<strong>af</strong> vinklen.I løbet <strong>af</strong> undervisningen havde eleverne måltkapacitansen <strong>af</strong> en pladekapacitor ved at målesammenhængen imellem ladning og spænding.Til <strong>eksamen</strong> fik de udleveret en drejekapacitor,som var pillet ud <strong>af</strong> en gammel radio, og de fik <strong>til</strong>opgave at måle kapacitansen <strong>af</strong> drejekapacitorensom funktion <strong>af</strong> vinklen med det samme udstyr,som de havde brugt <strong>til</strong> at måle på pladekapacitoren.Denne øvelse fungerede fint og illustreredepå fornem vis i hvilket omfang, eleverne havdestyr på variabelkontrol imellem de tre variableladning, spænding og vinkel. At der så oveni købet var indbygget en lille ekstra opgave, ideteleverne selv skulle finde ud <strong>af</strong>, hvordan de måltevinklen, gjorde kun spørgsmålet ekstra godt.Netop det, at der skulle være mindst 3 variablei spil i forsøgene, er noget jeg har <strong>til</strong>stræbtfor de fleste <strong>af</strong> mine <strong>eksamen</strong>sforsøg, for det givergod lejlighed <strong>til</strong> i praksis at evaluere, i hvilketomfang eleverne behersker variabelkontrol,og det lægger også op <strong>til</strong>, om eleverne kan laveen avanceret databehandling.Gammakilderne fra RisøI løbet <strong>af</strong> undervisningen havde mine elever lavetfølgende journalforsøg◦ enten målt på henfaldet fra det udmalkede Ba-137 i en standard malkeko, eller hvordan aktiviteten<strong>af</strong> selve malkekoen vokser op igenefter udmalkning.◦ Målt <strong>af</strong>stands<strong>af</strong>hængigheden <strong>af</strong> tælletallet fraen Risø Cs-137 gammakilde og efterfølgendeselv sat en model op for <strong>af</strong>stands<strong>af</strong>hængigheden.Til <strong>eksamen</strong> fik eleverne så <strong>til</strong> opgave at <strong>til</strong>rettelæggeog udføre eksperimenter, der <strong>af</strong>prøver denteoretiske formel for tælletalletA =______________A 0·e -k·tkilde(l + L kilde+ L rør) 2De fik udleveret 3 Risø Cs-137 gammakilder frahenholdsvis 1964, 1992 og 1999, som alle oprindeligthavde en aktivitet på 37 kBq. I formlener t kildealderen <strong>af</strong> kilden, k er henfaldskonstantenfor Cs-137, l er <strong>af</strong>standen fra kilde <strong>til</strong> GMrør,L kildeer, hvor langt inde i Risø-kilden det radioaktivemateriale er placeret og L rører et cirkamålfor, hvor langt inde i GM-røret fotonen igennemsnit bliver registreret.Bemærk, at der igen er 3 variable i spil, tælletalletA, kildens alder, t kilde, og <strong>af</strong>standen fra kildenl. Og da kilden skal skiftes ud undervejs, erdet relevant at se, om eleverne husker at holde<strong>af</strong>standen konstant. Det er også helt bevidst, atfittekonstanten er skrevet i nævneren som L kilde+ L rør. Kunne eleverne overskue, at de kun skullebestemme summen og ikke hver konstant forsig? Kontrollerede de <strong>af</strong> egen drift, om deres værdifor L kilde+ L rørvirker rimelig, og slog de op idatabogen og sammenlignende deres værdi forhenfaldskonstanten med tabelværdien?<strong>LMFK</strong>-bladet, nr. 4, september 201053Fysik Matematik
MatematikFysikHvis eleverne var blevet færdige før tid, havde deenten fået en fjerde kilde eller en malkeko, somde så kunne bestemme alderen <strong>af</strong>. Malkekoen erher sværest, da <strong>af</strong>standen L kildejo er anderledes,og hvordan håndterer de så det?Helmholtz-resonatorEleverne havde i undervisningen tidligere lavetforsøget◦ Undersøg teoriformlen f 1= 1,028 · h__L 2 · v lydfor en kasseformet xylofonstav, hvor f 1er frekvensen<strong>af</strong> grundtonen, h er højden <strong>af</strong> staven,L er længden <strong>af</strong> staven, og v er lydens fart istaven. Eleverne havde en kasse med xylofonstavemed forskellig højde, bredde og længde<strong>til</strong> rådighed, samt lydoptageudstyr.Egentlig er dette også et udmærket <strong>eksamen</strong>sforsøg,men da eleverne havde lavet det før, valgtejeg at genbruge et forsøg fra, da jeg var ude somcensor. Tilrettelæg og udfør et eksperiment, der<strong>af</strong>prøver formlen___f 1= v lyd2π √ ______ A4L · ___ 1__√ Vfor grundtonen <strong>af</strong> en flaske (Helmholtz-resonator).Her er A tværsnitsarealet <strong>af</strong> flaskens hals, L erlængden <strong>af</strong> flaskens hals, og V er rumfanget <strong>af</strong>tomrummet i flasken eksklusiv hals. Udstyret varher et udvalg <strong>af</strong> flasker, vand, og lydoptageudstyr.Rent databehandlingsteknisk er der her det problem,at nulpunktet for volumenet V ikke umiddelbarter nemt at bestemme, så hvis man ønskeren ret linie, er det bedst at <strong>af</strong>bilde det målte volumensom funktion <strong>af</strong> 1__f 2 . Denne omskrivning1kunne eleverne godt selv finde ud <strong>af</strong>, efter at devar blevet bedt om at overveje problems<strong>til</strong>lingenmed, at nulpunktet var ret unøjagtigt bestemt.Daniell-elementHer skulle eleverne måle karakteristikken <strong>af</strong> etDaniell-element for forskellige væskehøjder <strong>af</strong>CuSO 4. I undervisningen havde de tidligere måltkarakteristikken <strong>af</strong> almindelige batterier koblet enteni serie eller parallelt. Jeg havde ikke selv gennemførtforsøget for forskellige væskehøjder, såjeg gav dem en (utestet) hypotese, de skulle testeHalveringstykkelsen <strong>af</strong> s<strong>af</strong>tevandI løbet <strong>af</strong> året havde eleverne målt halveringstykkelsen<strong>af</strong> laserlys i s<strong>af</strong>tevand i stedet for at målehalveringstykkelsen <strong>af</strong> radioaktiv stråling. Til1__R= a h + ___ 1iR i,0<strong>eksamen</strong> kunne de så undersøge, om halveringstykkelsen<strong>af</strong> s<strong>af</strong>tevand, l ½__________ khvor h er væskehøjden <strong>af</strong> CuSO 4i kobberbehol-=[s<strong>af</strong>tevand] , hvor k54 <strong>LMFK</strong>-bladet, nr. 4, september 2010deren fraregnet tykkelsen <strong>af</strong> lerskålens bund, ogR i,0er den indre resistans associeret med bunden.At hypotesen er utestet skyldtes i første omgang,at jeg ikke havde ressourcer <strong>til</strong> selv at <strong>af</strong>prøvealle mine forsøgsvariationer i detaljer.Efterfølgende ser jeg heller ikke noget problemi, at eleverne ikke ved, om en hypotese er rigtigeller ej. Det kan give anledning <strong>til</strong> en mere åbendiskussion. Og selv, hvis hypotesen er forkert, erdet jo også en fin eksperimentel konklusion. Såhvis der bare er et velkendt element i <strong>eksamen</strong>sopgaven,som man ved fungerer, ser jeg ikke nogengrund <strong>til</strong>, at vi som lærere på forhånd skalhave testet alle variationerne 100% <strong>af</strong>.Luftmodstand på faldende ballonerI undervisningen havde eleverne lavet standardforsøgetmed at bestemme terminalfarten <strong>af</strong> enfaldende kegle eller kageform som funktion <strong>af</strong>dens masse og derudfra bestemme formfaktoren.De havde ikke varieret på tværsnitsarealet <strong>af</strong> keglen;kun dens masse. Til <strong>eksamen</strong> fik de så <strong>til</strong> opgaveat måle på faldende balloner. Man kan købenogen meget store balloner med en diameter påcirka 1 m i BR. Den ekstra variabel i forhold <strong>til</strong>undervisningen var her, at det var muligt at varieretværsnitsarealet udover massen. Hvis man harhelium <strong>til</strong> rådighed, er det et sjovt ekstra elementat fylde det på ballonerne. Igen et forsøg inspireret<strong>af</strong> mit censorat. Mine elever startede med denhelt store udledning <strong>af</strong>, at summen <strong>af</strong> opdriftenog tyngdekr<strong>af</strong>ten på ballonen er den samme, nårman vejer ballonen, og når den falder. Fremovervil jeg derfor eksplicit i opgaven skrive at summen<strong>af</strong> opdriften og tyngdekr<strong>af</strong>ten kan bestemmesud fra vægten. Mine elever kom fint igennem,men man kan godt fores<strong>til</strong>le sig, at nogleandre elever kunne rode sig ud i problemer her,og det kunne måske <strong>af</strong>spore øvelsen. Hvis øvelsenså går fint, kan man naturligvis senere spørge<strong>til</strong> dette bagvedliggende teorielement.
er en konstant, og koncentrationen <strong>af</strong> s<strong>af</strong>tevandet,[s<strong>af</strong>tevand], er en ny variabel. Igen en utestethypotese.I s<strong>af</strong>tevandsøvelsen måler man den transmitteredelysintensitet som funktion <strong>af</strong> væskehøjden.Øvelsen kræver, at eleverne er omhyggeligemed, at strålegangen er vinkelret på væskeoverfladenog rammer midt i lysmåleren. Det erogså en god ide at vælge en anden laserfarve ends<strong>af</strong>tevandets farve.Diffraktion i et skråts<strong>til</strong>let gitterEleverne havde tidligere målt på diffraktioneni et gitter, der står vinkelret på strålegangen ogbåde bestemt bølgelængden λ og gitterkonstantend. Til <strong>eksamen</strong> fik de så <strong>til</strong> opgave at undersøgeden generaliserede gitterformelsin(θ n− φ) = λ__ d n − sin(φ).hvor den “nye” variabel er vinklen φ, gittereter drejet med i forhold <strong>til</strong> vinkelret på strålen.Vinklen φ kan f.eks. bestemmes ud fra den reflekteredestråle. Databehandlingsteknisk kanman i LoggerPro f.eks. fitte ordenen n som funktion<strong>af</strong> <strong>af</strong>bøjningsvinklen θ nog så behandle φ ogforholdet d__ som en fitteparametre. Dette forsøgλblev ikke udtrukket.Vogn på luftpudebane trukket <strong>af</strong> et lodVognen startes fra hvile. Undersøg formlenv 2 _______= 2 g m s Lm L+ m,Vhvor v er farten <strong>af</strong> vognen, s er den strækning,vognen har bevæget sig, g er tyngdeaccelerationen,m Ler massen <strong>af</strong> loddet, og m Ver massen <strong>af</strong>vognen. Sammenhængen imellem s og v målesmed en smart-pulley. Rent databehandlingsmæssigter det her noget <strong>af</strong> det mest avancerede mineelever har set. For hældningen <strong>af</strong> (s,v 2 )-gr<strong>af</strong>en_______ 2 g m Lm L+ m,Ver her ikke i sig selv umiddelbart en fysisk størrelsesom f.eks. en resistans, varmekapacitet ellerdeslignende. Endvidere forventer jeg, de rigtiggode elever herefter vælger at holde den samledemasse konstant ved at flytte lodder, så hældningen<strong>af</strong>hænger lineært <strong>af</strong> den eksterne parameter,nemlig massen <strong>af</strong> loddet. Under <strong>eksamen</strong>må man forvente at skulle tale med eleverne om,hvordan man griber databehandlingen og forsøgsplanlægningenan og måske s<strong>til</strong>le nogle lidtledende spørgsmål.Afsluttende generelle overvejelserMin erfaring både som censor og eksaminatorer, at eleverne generelt godt kan håndtere at lavenye forsøg. At forsøgene er variationer <strong>af</strong> gamleforsøg gør, at eleverne ikke i særlig stort omfangstøtter sig <strong>til</strong> gamle rapporter og journaler.De finder simpelthen på undervejs og løser dengivne opgave. Som det fremgår <strong>af</strong> eksemplerneovenfor, er jeg en stor <strong>til</strong>hænger <strong>af</strong>, at man <strong>til</strong><strong>eksamen</strong> indfører nye variable i gammelkendteforsøg. Det giver udfordringer <strong>til</strong> de dygtigeelever, og at de lidt svagere elever har noget velkendtat gå ud fra. Når jeg <strong>til</strong> <strong>eksamen</strong> forventer,at eleverne kan udføre og planlægge forsøg medto u<strong>af</strong>hængige variable (og en <strong>af</strong>hængig) er detogså, fordi vi har gjort det i vores daglige arbejdemed øvelserne. Faktisk er det sådan, at mange<strong>af</strong> mine elever nu typisk bruger to computereper gruppe: en <strong>til</strong> den elektroniske dataopsamlingog en <strong>til</strong> den efterfølgende databehandling. F.eks.bestemte de i øvelsen med faldende kageforme/kegler/balloner terminalfarten v ud fra (t,s)-gr<strong>af</strong>ernefra <strong>af</strong>standsmåleren. På den anden maskine<strong>af</strong>bildede de så (v 2 ,F tyngde+opdrift)-gr<strong>af</strong>en. Fordelenherved er blandt andet, at hvis der er et enkeltpunkt som ligger lidt underligt, kan de på denanden skærm gå <strong>til</strong>bage og finde den <strong>til</strong>svarendemåleserie. Opnåede ballonen virkelig terminalfarteneller er der andet underligt ved den serie?For at der <strong>til</strong> daglig er tid <strong>til</strong> at have flere variablei spil har øvelserne i 3g typisk været 90 minøvelser. Herudover muliggør brugen <strong>af</strong> elektroniskdataopsamling også, at man på meget korttid kan opsamle en hel måleserie. Der er derfortid <strong>til</strong>, at eleverne kan opsamle flere måleserier,hvor man varierer en anden parameter.Alt i alt synes jeg, kravet om nye forsøg i <strong>fysik</strong>A er godt, og det har i hvert fald i min undervisningsat sig spor i retning <strong>af</strong> at overlade mereansvar og opfindsomhed <strong>til</strong> eleverne, samt øgetfokus på databehandling og variabelkontrol. ◊<strong>LMFK</strong>-bladet, nr. 4, september 2010 55Fysik Matematik