gravitation och växelverkan på avstånd

advertisement
1
GRAVITATION OCH
VÄXELVERKAN PÅ AVSTÅND
av
Björn Andersson
Först ges exempel på gravitationslagens förklaringsförmåga, varefter följer några notiser om hur idén om universell gravitation växt fram med tonvikt på Newtons
arbete. Sedan ges beskrivningar av olika undersökningsresultat. De visar bl.a. att elever ganska ofta tänker sig att
gravitationen bara verkar om det finns luft, och i så fall
bara när ett föremål faller – inte när det ligger på marken
eller är på väg uppåt. Närvaro av luft är också, enligt
många elever, nödvändig för att magnetisk och elektrostatisk växelverkan på avstånd skall kunna ske. Elever
menar också att om det inte finns gravitation, så kan inte
magneter dra till sig föremål. Kapitlet avslutas med
reflektioner om resultatens betydelse för undervisning i
naturvetenskap.
Bakgrund
En kraft i naturen som vi påverkas av under hela vårt liv är gravitationen eller
tyngdkraften. Den verkar som en attraktion mellan alla massor i universum.
Jorden attraherar t.ex. ett äpple, vilket märks på att dess trädgren är böjd eller att
äpplet faller. Men äpplet attraherar också jorden med en lika stor och motriktad
kraft. Detta uppfattar vi dock inte eftersom jorden är betydligt svårare att rubba än
äpplet.
Gravitationen orsakar bl.a. att vi står med fötterna på jorden, snö faller, floder
rinner neråt, planeterna kretsar runt solen, materian i en stjärna dras mot dess
centrum och ger himlakroppen dess sfäriska form, och att materian i stora
stoftmoln drar sig samman och bildar stjärnor. Gravitation avtar snabbt med
ökande avstånd. Om t.ex. avståndet mellan två massor fyrdubblas blir den
ömsesidiga gravitationen 16 gånger mindre.
Aristoteles universum
Enligt Aristoteles var all jordisk materia uppbyggd av fyra element – jord, vatten,
luft och eld. Elementet jord var tyngst och bildade en sfär som utgjorde
världsalltets centrum. Sedan kom koncentriska sfärer för vatten och luft, och
utanför dessa eld. Att föremål som i huvudsak bestod av elementet jord föll rakt
ner – ju tyngre desto fortare enligt Aristoteles – berodde på att de sökte sin
naturliga plats, dvs. den jordiska sfären. Av samma anledning steg eld uppåt till
eldsfären. Med andra ord kan man säga att i Aristoteles kosmologi betraktades
© Författaren, 2008
2
fritt fall som naturlig rörelse, som inte behövde någon förklaring. Annan rörelse
krävde däremot en sådan. Som nämnts i artikeln ”Kraft och rörelse”1 förklarade
han exempelvis att en projektil drivs framåt på grund av att den mötande luften
rusar runt projektilen och snabbt fyller det vakuum som bildas bakom denna, och
då skjuter på projektilen.
Aristoteles tänkte sig vidare att måne, sol, planeter och stjärnor satt på olika transparenta och rörliga sfärer med samma medelpunkt som den stationära jorden.
Månen fanns på den innersta av dessa. Stjärnorna satt på den yttersta sfären. Dess
rörelse hölls igång av gudomliga krafter. Genom kopplingar överfördes rörelsen
till övriga himmelska sfärer. Utanför stjärnornas sfär fanns ingenting, vare sig tid,
rum eller materia. Tanken svindlar när man försöker föreställa sig detta, liksom
för övrigt den nutida idén om att rum, tid, materia och energi har skapas genom
Big bang.
Aristoteles gjorde en tydlig åtskillnad mellan vår egen värld under månens sfär,
och de himmelska sfärerna. I de senare fanns bara ett oföränderligt element, eter.
Den enda möjliga förändringen var cirkulär rörelse. I världen under månen
förekom många förändringar genom att de fyra elementen övergick i varandra och
blandades på olika sätt.
Aristoteles geocentriska världsbild var mycket inflytelserik och accepterad av
kyrkan. Den påverkade filosofers och astronomers tänkande under 2 000 år.
Därför kan man ha en viss förståelse för att steget till vår nutida heliocentriska
världsbild inte togs med en gång, och uppskatta de vetenskapliga insatser som
gjordes av Copernicus, Kepler, Galilei och Newton under 1500- och 1600-talet.
Kulmen kan sägas vara Newtons publicering av boken Principia år 1687. Den
innehöll bl.a. hans rörelselagar och gravitationslagen.
Newton och himlakroppars rörelse
Vi går nu in mera i detalj på en del av Newtons resonemang, som mycket väl kan
vara ett innehåll i skolans undervisning. Det var känt att planeterna gick i
omloppsbanor. Galilei betraktade denna rörelse som naturlig. Men i Newtons
tankesystem är det rörelse längs en rät linje med konstant fart som är naturlig, och
därför borde det finnas en orsak till att planeterna avviker från detta naturliga
tillstånd. Så här resonerade han:2
Att planeterna kan kvarhållas i bestämda banor av centripetalkrafter förstår vi lätt, om
vi ett ögonblick betänker hur projektiler rör sig. Ty en kastad sten tvingas på grund av
sin egen tyngd att lämna den rätlinjiga bana som den erhållit på grund av kastet och
tvingas följa en krökt linje genom luften för att slutligen hamna på marken. Ju större
hastighet den erhållit vid kastet, desto längre färdas den, innan den faller till marken.
Vi kan därför anta att hastigheten undan för undan ökas, så att den tillryggalägger l, 2,
5, 10, 100, 1 000 kilometer, innan den träffar marken, och slutligen når bortom jordens
gräns, så att den färdas genom rymden utan att träffa marken.
1
2
http://www.studentlitteratur.se/forstanaturvetenskap
Citatet är Newtons egna ord, återgivna av Toulmin och Goodfield (1977, s. 217–218).
3
Om hastigheten ytterligare ökades, skulle
stenen slutligen kunna färdas runt hela
jorden och återvända till det berg varifrån
den slungats ut ... Dess hastighet när den
återkommer till berget har ingalunda
förminskats, utan den kan med bibehållande av samma hastighet fortsätta att
kretsa i sin bana upprepade gånger.
Resonemanget illustrerades med bilden i
figur 1.
Med detta sätt att tänka behöver man inte
postulera att t.ex. månen går i en naturlig
cirkelbana. Den påverkas av jordens
Figur 1. Newtons jordsatellit.
dragningskraft i analogi med stenen. Månen faller hela tiden in mot jorden men slår så att säga aldrig i backen.
Det här illustrerar att Aristoteles uppdelning av kosmos i en jordisk och en
himmelsk del, med olika lagar för de båda delarna, inte behövs. Gravitationslagen
gäller inte bara i jordens närhet, utan i hela kosmos – den är universell. Som vi
skall se i nästa avsnitt (digram 1) resonerar dock en del elever i Aristoteles anda
snarare än Newtons när det gäller var gravitationen verkar.
Kanske kan Newtons här återgivna resonemang hjälpa elever att förstå att
gravitationen eller tyngdkraften hela tiden verkar på en satellit och dess astronauter då de färdas varv efter var runt jorden. Astronauterna är inte tyngdlösa.
Däremot upplever de s.k. tyngdlöshet därför att de ständigt befinner sig i fritt fall
orsakat av jordens dragningskraft.
Undersökningsresultat
Av ett tidigare kapitel (3) om jorden som planet i rymden kan man kanske få intrycket att gravitation är ett begrepp som elever i allmänhet behärskar ganska bra i
12–13 års ålder. Ett antal undersökningar pekar dock på att så inte nödvändigtvis
är fallet, samtidigt som elevernas svar öppnar dörren till både överraskande och
intressanta nya möjligheter att undervisa. Här följer några exempel.3
3
Två forskningsöversikter angående elevers begrepp om gravitation har genomförts av Kavanagh
och Sneider (2007a, b)
4
Varför faller föremål eller ej?
I en israelisk undersökning intervjuades 400 elever i åldern 4–13 år utifrån olika
frågeställningar.4
En uppgift började med att intervjuaren släppte ett föremål och frågade eleven varför
det föll till golvet. Så följde frågor om varför solen inte faller ned, varför månen och
moln håller sig kvar på himlen och hur ett flygplan kan flyga utan att slå i backen.
Tre typer av förklaringar förekom, som av författarna kallas ”stöd”, ”tyngd” och
”jordens dragningskraft”.
Stöd
De yngre eleverna resonerade i stor utsträckning om olika former av stöd. Ett
föremål faller därför att det inte längre hålls fast av handen. Sol, måne och moln
är fastklistrade på himlen. Denna typ av svar förekom nästan inte alls bland de
äldre eleverna.
Andra former av stöd är att moln och flygplan bärs upp av luftströmmar och att
solen och månen inte faller därför att de hålls kvar av en bana. I det senare fallet
kan man undra om vuxnas tal om himlakroppars banor av barn tolkas konkretare
än vad som avses. Kanske ser barnet i sin fantasi något som påminner om en
tågbana eller rodelbana. Dessa idéer om stöd ökar något med stigande ålder.
Tyngd (heaviness)
Ett relativt vanligt svar i 5–10 års ålder är att saker faller därför att de är tunga.
Det som är lätt faller inte. Ibland relateras tyngd eller lätthet till det material som
föremålet består av – moln faller inte därför att de består av vattenånga.
Jordens dragningskraft
I 9–13 års ålder blir det allt vanligare att elever resonerar om jordens dragningskraft. Intressanta svar är att sol, måne och moln inte faller ner därför att de
ligger utanför jordens dragningskraft. Elever svarar t.ex. att eftersom det inte finns
luft nära solen så kan den inte nås av dragningskraften. Detta tyder på att de
menar att det behövs ett medium för att dragningskraften skall kunna förmedlas.
Andelen elever i olika åldrar med detta sätt att resonera framgår av diagram 1.
Tunga föremål faller fortare än lätta
En annan uppgift började med att eleven fick två kuber av samma dimensioner, den
ena tyngre än den andra. Han/hon jämförde de båda kuberna och kunde känna vilken
som var tyngst. Eleven fick sedan förutsäga vilken som först skulle nå golvet om de
släpptes från samma höjd.
Det är cirka 50 % i åldern 5–7 år som förutsäger att den lätta kuben kommer före
den tunga. Förklaringarna har att göra med erfarenheter av att lätta föremål når
längre än tunga då man kastar. Med början i 7 års ålder är den vanligaste
förklaringen att den tunga kuben kommer före den lätta – helt enkelt därför att den
är tyngre.
4
Bar, Zinn, Goldmuntz & Sneider, 1994.
5
A. Ett föremål faller på grund
av jordens dragningskraft.
B. Solen och månen påverkas ej av jordens dragningskraft.
C. Moln ligger utanför jordens dragningskraft.
Diagram 1. Varför faller ett vanligt föremål till marken och varför håller sig sol, måne
och moln kvar på himlen? Andel elever i olika åldrar (%) som ger vissa motiveringar.
Av 13-åringarna är det cirka 35 % som förutsäger samtidigt nedslag. Intervjuerna
visar att många läst om detta. Att förklaringarna till samtidigheten inte är de bästa
är inte så förvånande eftersom eleverna inte undervisats om grunderna i Newtons
mekanik.
Föreställningen att tunga föremål faller fortare är vanligt förkommande i olika
åldrar, också bland studerande som genomgår olika fysikutbildningar på
gymnasie- och universitetsnivå. 5
Gravitationell påverkan i olika sammanhang
Vanliga objekt och situationer
I en australisk studie intervjuades 56 elever i åldern 11–12 år, och lika många i
åldern 15–16 år.6 De äldre eleverna hade undervisats i fysik av ämneslärare, som
tagit upp gravitation i samband med mekanik och astronomi.
Först fick eleven ett pappersark som började med frågan ”Påverkar tyngdkraften
några av de här?”. (Is gravity acting on any of these?) Sedan följde efter varandra
de situationer som återges i figur 2. Ordningen mellan dessa ändrades successivt
under studiens gång. Eleven skulle ringa in de objekt (boll, tegelsten, person) på
vilka tyngdkraften verkar. När detta var gjort utspann sig ett samtal under vilket
eleven förklarade hur han/hon kom fram till vilka som skulle ringas in och vilka
inte.
5
Se Kavanagh och Sneider (2007b) för en sammanfattning av en rad undersökningar angående
detta.
6
Palmer, 2001.
6
Figur 2. Verkar tyngdkraften på några av dessa?
Det var 11 % av de yngre eleverna och 29 % av de äldre som hade alla rätt på den
inledande uppgiften, dvs. markerade att tyngdkraften verkar på alla angivna
objekt i alla de situationer som avbildas i figur 2. Svaren från övriga elever
analyserades ingående. I genomsnitt var det drygt 90 % av dessa som ansåg att
tyngdkraften verkar på fallande föremål, men bara 60 % menade att den verkar på
föremål som är på väg uppåt. Föremål i vila ringades in till i genomsnitt 60 %,
dock med ett undantag. Det var bara 26 % av de yngre och 40 % av de äldre
eleverna som ansåg att tyngdkraften verkar på ett nedgrävt föremål. En del
förklarade detta med att gravitationen bara verkar ovan marken – den drar föremål
till jordytan, inte till jordens centrum. En annan förklaring var att det inte finns
någon luft i jorden och därför kan det heller inte finnas någon dragningskraft.
Analys av intervjuerna ledde till att ett antal uppfattningar om tyngdkraften kunde
identifieras och beskrivas. För varje elev registrerades bara den eller de uppfattningar som förekom minst två gånger. Resultatet sammanfattas i tabell 1.
Som framgår av tabellen uppvisar eleverna både vetenskapliga och vardagliga
uppfattningar. Författaren poängterar att det är viktigt för läraren att ha kunskap
om båda inom ett visst område. Om man bara fokuserar den ena eller den andra
typen kan man missa undervisningsmöjligheter.
7
Tabell 1. Andel elever (%) i två åldersgrupper som visar tecken på olika
uppfattningar om gravitation. Vardagsuppfattningar är kursiverade.
UPPFATTNING
1. Gravitationen verkar nedåt på fallande föremål
2. Gravitationen verkar inte på föremål som rör
sig vertikalt uppåt.
3. Gravitationen verkar nedåt på stationära objekt.
4. Gravitationen verkar inte på stationära objekt.
5. Gravitationen verkar uppåt på föremål som rör
sig vertikalt uppåt.
6. Gravitationen verkar nedåt på föremål som rör
sig vertikalt uppåt
7. Gravitationen verkar inte på fallande objekt
11-12 år
(n=50)
76
40
15-16 år
(n=40)
90
45
26
34
32
48
28
30
12
25
12
8
Uppfattning 1, 2 och 4 kan sammanfattas med att gravitationen bara verkar när ett
föremål är i rörelse nedåt, inte när det är i vila eller rör sig uppåt. Detta är i
överensstämmelse med den ”kraftlag” som exemplifierades i artikeln ”Kraft och
rörelse”7, nämligen att farten står i proportion till kraften i fartens riktning (v ~ F).
En förbryllande uppfattning är att gravitationen verkar uppåt. Enligt en del elever
kan gravitationen både lyfta och dra ner ett föremål. En plausibel förklaring till
hur denna uppfattning kan tänkas ha uppstått saknas.
Uppfattning 7 tolkas i studien som att eleven betraktar fallrörelse som något
naturligt, dvs. den behöver inte förklaras. Här är två exempel på motiveringar:
– Gravitationen (gravity) gör egentligen ingenting, den (tegelstenen) faller bara ner.
– Därför att gravitationen (gravity) får oss inte att falla ner, vi bara faller.
Objekt i vakuum
Ovan har framkommit en föreställning om att det måste finnas luft för att gravitationen skall verka. I några undersökningar har uppgifter konstruerats speciellt
för att undersöka hur vanlig denna föreställning är.
I en israelisk studie av 172 elever i åldern 14–18 år ingick den uppgift som återges
i figur 3.8 (Procentuella andelen elever som väljer olika alternativ anges inom
parentes.)
7
8
http://www.studentlitteratur.se/forstanaturvetenskap
Bar, Zinn & Rubin, 1997.
8
En vikt hänger i en fjäder inuti en glaskupa.
Luften i kupan pumpas ut. Vad händer då med
fjädern?
1. Fjädern ändras inte. (47 %)
2. Fjädern drar ihop sig. (35 %)
3. Fjädern sträcks ut. (18 %)
Förklaring:
A. Luften påverkar inte gravitationen. (31 %)
B. Gravitationen verkar inte utan luft, men fjädern ändras ej därför att den sträcks
ut av vikten. (31 %)
C. Utan luft sträcks fjädern ut. (19 %)
D. Fjädern drar ihop sig eftersom gravitationen behöver luft för att verka. (19 %)
Figur 3. Testuppgift om gravitation.
De givna alternativen till förklaring hade framkommit i en tidigare undersökning
med uppgifter, till vilka eleverna skrev egna svar. Som framgår är det hälften av
eleverna som uttrycker att gravitationen inte verkar utan luft.
I en norsk undersökning9 gavs ett antal uppgifter till elever som studerade fysik på
gymnasiet, olika kategorier av lärarstuderande med fysik som inslag i sin
utbildning samt olika kategorier av fysikstuderande vid universitet, totalt 600
personer. En av uppgifterna visade en person som kastar en sten (figur 4). Början
av stenens bana antyds i figuren. Uppgiften är att först rita stenens fortsatta bana
och att benämna den A. Sedan vidtar följande tankeexperiment:
Antag att kastet görs i ett lufttomt rum (vakuum). Både utgångsriktning och utgångsfart är som tidigare, och kastaren står på samma ställe. Rita ut banan i figuren. Kalla
den B. Förklara hur du tänkte!
Figur 4. Hur fortsätter stenen?
Ett rätt svar visas i figur 5 i form av bana A och B1. Utan luftmotstånd går stenen
lite längre. Men det var mellan 8 % och 60 %, beroende på elevgrupp, som ritade
banan B2. De motiveringar som gavs går ut på att det inte är någon gravitation i
vakuum.
9
Lie & Sjøberg, 1981.
9
Figur 5. Olika uppfattningar om hur stenen fortsätter om det inte finns någon luft (B1 och
B2), jämfört med kast under normala förhållanden (A).
De refererade studierna ger ingen information om hur eleverna tänker sig att
närvaron av luft gör att gravitationen kan verka. Följande intervjuutdrag från en
undersökning av 22 amerikanska collegestuderande kan möjligen ge en ledtråd:10
– Om man släpper en kropp i ett vakuum, så stannar den där den är ... Det finns ingen
rörelse i vakuum ... därför att gravitationen inte verkar i vakuum. Gravitationen verkar
bara om det finns luft ... en kropp rör sig ner därför att luften pressar nedåt på kroppen
... Luften pressar också i alla riktningar, det är friktion ... Men pressen nedåt är större
än friktionen och det är därför som kroppen faller.
Ett sista exempel är från en italiensk studie som omfattade gymnasister, förstaårsstuderande vid universitet, vuxna och lärare motsvarande grundskolans tidigare
år.11 En fråga handlade om en astronaut som tappar ett verktyg på månen. Det
gällde att beskriva vad som händer med detta och förklara svaret. Majoriteten
tänkte sig att verktyget skulle sväva därför att det inte finns någon luft på månen
och därför heller ingen gravitation. Bland andra resultat som författarna
rapporterar noteras att elever tänker sig att dragningskraften avtar med höjden
över jordytan därför att luften blir tunnare och tunnare.
Gravitationell växelverkan
I en studie undersöktes förståelsen av gravitation hos cirka 2 000 amerikanska
universitetsstuderande före och efter introduktionskurser i fysik.12 Ett antal frågor
gällde den ömsesidiga gravitationella attraktionen mellan två massor av olika
storlek. Ett exempel på en testuppgift ges i figur 6.
10
Halloun & Hestenes, 1985, s. 1060.
Noce, Torosantucci & Vincentini, 1988.
12
Dostal, 2005.
11
10
Se bilden ovan.
Storleken på den kraft som utövas av asteroiden på jorden är (ringa in ett alternativ):
a) större än storleken på den kraft som utövas av jorden på asteroiden
b) densamma som storleken på den kraft som utövas av jorden på asteroiden
c) mindre än storleken på den kraft som utövas av jorden på asteroiden
d) noll (asteroiden utövar ingen kraft på jorden)
Förklara hur du resonerade då du gjorde ditt val
Figur 6. Testuppgift om gravitationell växelverkan.
Före introduktionskursen valde cirka 75 % (n= 912) alternativ c och 16 % det
riktiga alternativ b. Efter undervisning var motsvarande tal 59 % och 38 %
(n=414). Svaren på ett antal andra uppgifter pekar i samma riktning, dvs. att
eleverna inte tillämpar Newtons tredje lag när det gäller ömsesidig gravitation
mellan två massor av olika storlek. Jämför med den undersökning som redovisas i
avsnittet ”Växelverkan” i artikeln ”Kraft och rörelse”13.
Magnetisk och annan växelverkan på avstånd
Som framgått är det många elever som menar att gravitationen behöver ett
medium för att verka, nämligen luft. Har de liknande idéer om magnetisk
växelverkan? En israelisk undersökning ger svar på denna fråga.14 I en första fas
besvarade 300 elever i åldern 9–17 år bland annat följande fråga skriftligt:
Verkar en magnet där det inte finns någon luft?
Av 9-åringarna svarade 83 % att en magnet behöver luft för att verka. I övriga
åldersgrupper var motsvarande tal lite drygt 50 %. Här är två exempel på svar:
– Luft påverkar den magnetiska attraktionen; utan luft minskar den magnetiska attraktionen.
– Luften leder den magnetiska dragningskraften.
Till en annan uppgift hörde en bild som visade en astronaut på månen som håller
en magnet i sin hand och för den mot några spikar som ligger på marken. Följande
frågor ställdes:
Verkar en magnet på månens yta? Kommer den att dra till sig järnspikarna?
13
14
http://www.studentlitteratur.se/forstanaturvetenskap
Bar, Zinn & Rubin, 1997.
11
Det var 71 % av 9-åringarna och 44 % av 17-åringarna som svarade att en magnet
inte verkar på månen. För övriga åldrar var det något över 50 %. En översikt av
olika motiveringar ges i tabell 2.
Tabell 2. Verkar en magnet på månens yta? Fördelning (%) på
svarskategorier.
Kategori
1. Rätt svar (magneten drar till sig spikarna)
2. Luft behövs för att magneten skall dra till sig spikarna
3. Gravitation behövs för att magneten skall dra till sig
spikarna
Andel
(n=300)
10
11
40
4. Magneten verkar bara på jorden
14
5. Andra förklaringar
24
Ett exempel på kategori 2 är följande svar:
– På månen finns det ingen luft som kan hjälpa magneten att dra till sig järn.
Bland de elever som svarade enligt kategori 3 var det en fjärdedel som framhöll
att eftersom det finns gravitation på månen så kan magneten verka. Övriga tre
fjärdedelar förklarade att magneten inte kommer att dra till sig spikarna eftersom
gravitation saknas. Här är tre exempel på svar enligt kategori 3:
– En magnet fungerar inte på månen eftersom det inte finns någon gravitation där.
– Månens gravitationsfält är bara en sjättedel av jordens gravitationsfält och därför är
den magnetiska dragningskraften också en sjättedel av den på jorden.
– Gravitationen fokuserar och stöttar magnetens kraft.
Två exempel på kategori 4 är:
– En magnet fungerar bara på jorden och inte på andra ställen.
– En magnet kan inte verka på månen, där finns det inga magnetiska poler (som på
jorden)
I en nästa undersökning fick 172 elever i åldern 14–18 år frågor om huruvida
gravitationell, magnetisk, elektrostatisk och akustisk verkan på avstånd influeras
av att den omgivande luften försvinner. Först gällde det att bedöma om verkan då
blir starkare, oförändrad eller svagare, sedan att välja mellan fyra olika
förklaringar. Se figur 3 för ett detaljerat exempel. Två frågor om hur magneter
verkar vid frånvaro av gravitation ingick också.
Resultaten från de öppna frågorna bekräftas. Cirka 60 % av eleverna uttrycker att
en magnet inte fungerar inuti en rymdkapsel som ej påverkas av någon gravitation. När det gäller luft är det cirka 50 % som menar att den behövs för att
åstadkomma gravitationell respektive elektrostatisk påverkan. För magnetism är
motsvarande tal 35 % och för akustisk påverkan 75 %.
12
Tre vardagsföreställningar
Författarna menar att det är tre allmänna vardagsföreställningar som ligger bakom
de olika svar som erhållits. Hur de används beror på situationen. Föreställningarna
är:
• Jorden skiljer sig från andra omgivningar.
• Ett medium behövs för att kraftverkan på avstånd skall ske.
• Kraftverkan på avstånd behöver stöd.
Jorden skiljer sig från andra omgivningar
Idén att jorden är unik, med särskilda regler för gravitation och magnetism, är
vanligt förekommande bland yngre elever, men finns också hos äldre. Uppfattningen torde ha sin grund i att vi lever och gör våra erfarenheter på jorden, under
det att måne, sol och andra stjärnor upplevs som något avlägset och främmande.
Visserligen lär sig eleverna att jorden tillsammans med andra planeter cirklar runt
solen, men det krävs troligen mer än så för att överge ett geocentriskt betraktande
av världen till förmån för ett kosmiskt, enligt vilket universum är ett enda system
där naturlagarna är giltiga överallt.
Här är två exempel på elevsvar:
– Om magneten verkar på jorden, så borde den inte verka på månen.
– Jag tror att en magnet inte kan attrahera (i rymden) sådant som vi kan attrahera på
jorden, och kan attrahera det som inte kan attraheras på jorden.
Ett medium behövs för att kraftverkan på avstånd skall ske
Idén om ett medium, närmare bestämt luft, som förmedlar verkan på avstånd är
som vi sett vanligt förekommande i elevernas svar. Det är inte så lätt att föreställa
sig hur denna förmedling går till. En del svar ger dock viss inblick i hur eleverna
tänker sig mekanismen för avståndsverkan:
– Magnetisk attraktion breder ut sig i rummet som vågor (eller strömmar) som
behöver luft för att ledas fram.
– På jorden kan en magnet föra ut magnetiska vågor genom luften, men på månen är
vågorna kanske alltför lätta och flyter omkring.
Kraftverkan på avstånd behöver stöd
Också när det gäller denna föreställning är det svårt för vem som helst att tänka
sig en mekanism för hur stödet åstadkoms. Oftast konstaterar eleverna bara
behovet:
– Om det inte finns någon gravitation kan magneten inte fungera.
I andra svar får man intrycket att gravitationen har en stabiliserande funktion som
gör att magneten kan verka:
– På månen finns det ingen gravitation. Därför flyter spikarna bort från magneten,
vilket är motsatsen till vad som händer på jorden.
– Utan gravitation finns det ingen stabilitet och magneten kan inte fungera.
13
Summering
Här är i punktform några vanliga vardagsföreställningar om gravitation och annan
växelverkan på avstånd:
• Tunga objekt faller fortare än lätta.
• Fallande är en naturlig rörelse som inte kräver en kraft.
• Gravitationen verkar när ett föremål faller men inte när det ligger på marken eller är
på väg uppåt.
• Gravitationen kan verka uppåt.
• Två massor påverkar inte varandra gravitationellt med lika stora och motriktade
krafter. Den större massan utövar en större kraft än den mindre.
• Gravitation behöver luft för att verka
• Det finns ingen gravitation i rymden.
• Magnetism behöver luft för att verka.
• Elektriska laddningar behöver luft för att verka.
• Magnetism och gravitation hänger ihop (gravitationen ”stöttar” magnetismen).
Kommentarer
Många elever uttrycker att gravitation är en kraft som drar föremål till jordens yta.
Den verkar inte på föremål i vila eller i rörelse uppåt, ej heller i rymden. Dessa
och andra undersökningsresultat pekar på att eleverna behöver få möjlighet att
diskutera gravitationens verkan i olika sammanhang som involverar
• tunga och lätta föremål
• svävande föremål som dammpartiklar i luften och fiskar i vatten
• atomer och molekyler
• föremål i vila på marken, i jorden, på vattnet
• olika typer av rörelse (uppåt, nedåt, åt sidan)
Föreställningar om att luft är nödvändigt för gravitationell, magnetisk och elektrostatisk verkan på
avstånd kan utmanas med experiment i vakuum. Ett exempel ges i
form av figur 7. Frågan är vad som
händer med det svävande gemet då
luften pumpas ut. Ett liknande
experiment angående gravitation
framgår av figur 3.
Figur 7. Vad händer då luften pumpas ut?
Steget ut i rymden kan tas via ett resonemang liknande det som Newton förde om
en jordsatellit och som återgetts i kapitlets inledning (figur 1). Detta skall ses inte
bara som ett tillfälle att lära sig om himlakroppars rörelse, utan också som ett steg
på väg mot insikten att de naturlagar som formuleras och testas på jorden antas
gälla i hela universum.
14
Elevföreställningar om att det krävs ett medium i form av luft för att
gravitationell, magnetisk och elektrostatisk växelverkan skall äga rum är föga
undersökta, liksom idén att gravitation behövs för att en magnet skall kunna
verka. Det är t.ex. inte känt om vi har att göra med en robust och seglivad
föreställningsvärld eller tillfälliga idéer som skapas då eleverna möter olika
frågor, och som de lätt överger då naturvetenskapens synsätt introduceras. Det
vore intressant att veta om eleverna kan tillgodogöra sig föreställningen om
kraftfält som ett alternativ till luft som förmedlare av växelverkan på avstånd.
REFERENSER
Bar, V., Zinn, B., Goldmuntz, R., & Sneider, C. (1994). Children’s concepts about weight
and free fall. Science Education, 78(2), 149–169.
Bar, V., Zinn, B., & Rubin, E. (1997). Children’s ideas about action at a distance.
International Journal of Science Education, 19(10), 1137–1157.
Dostal, J. (2005). Student concepts of gravity. Master’s thesis, Iowa State University,
Ames, Iowa. http://www.physics.iastate.edu/per/members/Dostal_Thesis.pdf.
Halloun, I. A., & Hestenes, D. (1985). Common sense concepts about motion. American
Journal of Physics, 53 (11), 1056–1065.
Kavanagh, C., & Sneider, C. (2007a). Learning about Gravity I. Free fall: A Guide for
Teachers and Curriculum Developers. Astronomy Education Review, 5(2),
http://aer.noao.edu/cgi-bin/article.pl?id=220
Kavanagh, C., & Sneider, C. (2007b). Learning about Gravity II. Trajectories and orbits:
A Guide for Teachers and Curriculum Developers. Astronomy Education Review,
5(2), http://aer.noao.edu/cgi-bin/article.pl?id=221
Lie, S., & Sjøberg, S. (1981). Fart og kraft. En empirisk undersøkelse og noen
pedagogiske synspunkter. Oslo: Skolelaboratoriet for naturfagene, Fysisk institutt,
Universitetet i Oslo.
Noce, G., Torosantucci, G., & Vincentini, M. (1988). The floating of objects on the
moon: prediction from a theory or experimental facts? International Journal of
Science Education, 10(1), 61–70.
Palmer, D.(2001). Students’ alternative conceptions and scientifically acceptable
conceptions about gravity. International Journal of Science Education, 23(7), 691–
706.
Toulmin, S., & Goodfield, J. (1977). Universums byggnad. Lund: Walter Ekstrand
bokförlag.
Download
Random flashcards
Ölplugg

1 Cards oauth2_google_ed8be09c-94f0-4e6a-8e55-87a3b14a45db

Create flashcards