KRAFT OCH RÖRELSE. Björn Andersson

Transkript

1 1 KRAFT OCH RÖRELSE av Björn Andersson Först kommer en beskrivning och exemplifiering av Newtons tre lagar. Sedan följer en redovisning av olika undersökningsresultat angående hur elever löser olika problem inom området mekanik. Det är bl.a. fråga om att ange vilka krafter som verkar på föremål i rörelse och vila, liksom att reda ut kraftsituationen vid växelverkan mellan objekt. En vanlig vardagsföreställning är att rörelse med konstant fart längs en rät linje beror på att en nettokraft verkar i rörelseriktningen. Enligt Newtons mekanik däremot innebär detta slags rörelse att inga krafter verkar på det aktuella föremålet, eller att summan av krafterna är noll. Kapitlet avslutas med några reflektioner angående när, och vilka elevgrupper, skolan skall undervisa om Newtons tre lagar. Bakgrund Materian i vår omvärld uppfattas i det dagliga livet som både i vila och rörelse. Möbler står stadigt på golvet och hus på marken. Regn faller och floder rinner. Luften flyttar sig, vilket upplevs som vind. Vi promenerar, åker bil, kastar boll och mycket annat. Också astronomiska objekt är i rörelse. Jorden roterar runt sin axel och går i en bana runt solen, som i sin tur kretsar runt Vintergatans centrum. Vintergatan rör sig i förhållande till andra galaxer. Rörelsens natur har sysselsatt filosofer och naturvetare sedan antikens dagar. Aristoteles betraktade fritt fall som naturlig rörelse, som inte behövde någon förklaring. Annan rörelse krävde däremot en sådan. Exempelvis förklarade han 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. Newtons tre lagar I den s.k. klassiska mekaniken är utgångspunkten en annan än Aristoteles tes om fritt fall. Det som betraktas som naturligt är rörelse med konstant fart längs en rät linje. Den behöver därför inte förklaras. All annan rörelse förklaras med att en nettokraft verkar på föremålet som rör sig. Denna idé formulerades av Newton, och är en hörnsten i hans mekanik, vars kärna är tre lagar som med nutida terminologi har följande lydelse: Författaren, 2008

2 2 NEWTONS FÖRSTA LAG Varje kropp förblir i vila eller rörelse med konstant fart längs en rät linje om den inte påverkas av en obalanserad kraft. NEWTONS ANDRA LAG F = ma F betecknar kraft, m massa och a acceleration. (Kraft och acceleration är vektorstorheter, dvs. storheter som har både storlek och riktning. De kan betecknas med fet stil.) NEWTONS TREDJE LAG Om en kropp påverkar en annan med en given kraft, återverkar den senare kroppen på den förra med en lika stor men motsatt riktad kraft. Vila och rörelse är inga absoluta begrepp. Tänk på ett föremål som ligger på däcket till en pråm. Vi antar att den glider rakt fram med konstant fart på en flod. En observatör på pråmen rapporterar att föremålet är i vila. Han har pråmen som referenssystem. En observatör på stranden rapporterar att föremålet rör sig med konstant fart längs en rät linje. Hon har marken som sitt referenssystem. Anta nu att någon skjuter föremålet längs däcket, så att det påverkas med en konstant nettokraft framåt i horisontell led. Observatören på båten gör mätningar så att han kan räkna ut accelerationen. Han får fram ett visst värde på denna. Observatören på stranden gör också mätningar och räknar ut accelerationen. Hon får samma värde! Detta är ett exempel på att vila och linjär rörelse med konstant fart är ekvivalenta i Newtons mekanik. De tre lagarna är det mest väsentliga i mekaniken. De är grunden för alla härledningar och annan problemlösning inom området, men används också som verktyg inom andra delar av den klassiska fysiken, t.ex. ellära. Se figur 1! Den första lagen utsäger alltså att vila eller rörelse med konstant fart längs en rät linje i ett givet referenssystem är något som tas för givet, dvs. den förklaras inte utan betraktas som naturlig. Men alla avvikelser från vila eller rörelse med Figur 1. Newtons lagar används inom många delar av fysiken.

3 3 konstant fart längs en rät linje förklaras med att en kraft eller krafter verkar enligt Newtons andra lag. Avvikelser kan vara att en rörelses riktning ändras eller att farten ökar eller minskar. Som ett exempel tar vi en bil som kör på en raksträcka med konstant fart. Se figur 2! Det betyder att nettokraften på bilen i horisontell led är noll, dvs. att dragkraften F är lika stor som friktionen F 1 från luft och vägbana. Om det finns en nettokraft i rörelsens riktning (F > F 1 ) accelererar bilen, om nettokraften är motsatt rörelsens riktning (F < F 1 ) retarderar den, i båda fallen i enlighet med andra lagen. Figur 2. Krafter på en bil som kör med konstant fart längs en rät linje. Figur 3. Krafter på en lampa som hänger i taket. Ett annat exempel är en lampa som hänger i taket (figur 3). Den är i vila och därför är summan av de krafter som verkar på den noll. Tyngdkraften G är riktad rakt neråt. Den balanseras av en lika stor och motsatt riktad spänning S i snöret. Den tredje lagen utsäger att krafter alltid förekommer parvis. På denna punkt skrev Newton: Vad som än drar eller pressar på ett föremål, dras eller pressas lika mycket av detta. Om man pressar en sten med fingrarna, så pressas också fingrarna av stenen. Detta tyder på att krafter alltid uppträder som ett resultat av växelverkan mellan föremål: föremål A skjuter på eller drar i B medan föremål B skjuter på eller drar i A precis lika mycket. Dessa parvisa dragningar eller påskjutningar är alltid lika stora men har motsatt riktning. Den ena kraften i ett par orsakar inte den andra. De två existerar samtidigt, och de verkar inte på samma föremål. En konsekvens av detta är att summan av alla krafter i universum är noll. Här följer några exempel på tredje lagen. En fotbollsspelare avlossar ett skott (figur 4). Hon påverkar då bollen med en kraft F. Bollen utövar då en lika stor och motriktad kraft ( F) på hennes fot. Jordens dragningskraft på en satellit är G (figur 5). Satelliten utövar en lika stor och motriktad kraft ( G) på jorden.

4 4 Figur 4. Krafter vid växelverkan boll fot. Figur 5. Krafter vid växelverkan satellit jord. En pråm stöter på en låda i vattnet och skjuter den framför sig (figur 6). Pråmen påverkar lådan med en kraft F. Lådan påverkat då pråmen med en lika stor och motriktad kraft F. Figur 6. Krafter vid växelverkan låda pråm. Systemen fotbollspelare boll och pråm låda kan ses som växelverkan utan avstånd. Systemet satellit jord exemplifierar växelverkan på avstånd. Undersökningsresultat Föremål i rörelse Ett stort antal undersökningar har gjorts, vilka belyser olika aspekter av elevers begrepp om kraft och rörelse. 1 Ett exempel är en uppgift som getts i intervjuform till studerande på maskinteknisk linje vid en svensk teknisk högskola 2. Den gällde att rita ut de krafter som verkar på en hockeypuck som glider över isen. 1 Två översikter av området med tonvikt på den elementära universitetsundervisningen har gjorts av McDermott (1984) samt McDermott & Redish (1999). Det senare arbetet omfattar även andra områden av fysiken än mekanik. En översikt inriktad på grundskole- och gymnasienivå har gjorts av Driver, Squires, Rushworth och Wood-Robinson (1994, kapitel 21 23). 2 Johansson, 1981.

5 5 Ett vanligt svar framgår av figur 7. N och G är lika stora och motriktade, vilket är korrekt. Men F är betydligt större än friktionskraften F 1, vilket ger en nettokraft i rörelseriktningen. Men det existerar ingen kraft F. I horisontell led verkar endast friktionskraften F 1, vilket gör att pucken retarderar (enligt Newtons andra lag). Figur 7. Krafter på en hockeypuck som glider över isen, enligt en intervjuad studerande. Ett annat exempel gäller en grupp om fyra fysikstuderande som arbetar med ett problem i en introduktionskurs i mekanik. 3 De har hållit en metallkloss horisontellt i sin flata hand och promenerat med den i rak linje och med konstant fart. Deras uppgift är att rita ut de krafter som under promenaden verkar på klossen. Två studerande har ritat figur 8. (G är tyngdkraften, N och F krafter på klossen utövade av handen; v är klossens hastighet.) De två andra har en korrekt figur, dvs. kraften F saknas. Gruppmedlemmarna är alltså inte överens och ber om hjälp av läraren: S1: Vi kan inte komma överens, men jag tror att jag har rätt. L: Varför har du ritat ut en horisontell kraftvektor? S1: Därför att klossen rör sig. Om den rör sig måste den ha en kraft på sig. L: Hur rör sig klossen? S2: Därför att vi sköt på den. L: Kan du beskriva rörelsen? S2: Som man säger: I en rät linje med konstant fart. Figur 8. Krafter på en kloss enligt två studerande. L: Kändes det som att du utövade en horisontell kraft? S2: Inte mycket. Jag gick ganska sakta. S1: Det gjorde jag också. L: Varför ritade ni då, båda två, horisontella kraftvektorer som är lika stora som de vertikala kraftvektorerna? S1: Jag antar att det är fel. Kanske skulle den vara en tiondel så stor. S2: Snarare en femtedel. S1: Hur som helst ganska liten... men den måste vara där för annars skulle den inte röra sig. S2: Ja, det stämmer. Man kan sammanfatta strukturen i de angivna förklaringarna genom att skriva v ~ F, vilket utläses att farten står i proportion till kraften i fartens riktning. Detta är en form av allmänt orsakstänkande som används dagligen och stundligen, nämligen att ett objekt påverkar ett annat, vilket leder till en effekt. Om det påverkande objektet ökar eller minskar sin ansträngning, så ökar eller minskar 3 Hake, 1992.

6 6 effekten. Om ansträngningen är noll blir det ingen effekt. I våra två exempel är det en kraft som påverkar och effekten blir att ett objekt rör sig med en viss hastighet. Låt oss ta ytterligare ett exempel. En person promenerar med god fart. I sin utsträckta hand håller han en liten boll, som han släpper i läge A (figur 9). Då bollen slår i marken är personen i läge B. Var slår bollen i marken? I A? Mellan A och B? i B? Någon annanstans? Figur 9. Var slår bollen i marken? Ett inte så ovanligt svar är att bollen träffar marken i A. 4 Detta kan ses som tecken på tänkande enligt v ~ F. Så länge personen håller i bollen drivs den framåt med samma fart som personen själv. Men när bollen släpps blir drivkraften framåt noll. Alltså faller bollen rakt ned och träffar marken i A. Ett något mer komplicerat problem är följande, som getts till franska och belgiska universitetsstuderande i fysik under deras första utbildningsår. 5 En jonglör har fem likadana bollar i luften samtidigt. Bollarna är alla på samma höjd, men följer olika banor och har olika hastigheter (se figur 10). Rita ut den eller de eventuella krafter som verkar på varje boll. Bortse från luftmotstånd. Figur 10. Jonglörens bollar. Den korrekta lösningen är att varje boll påverkas av tyngdkraften som är lika stor på alla. Se figur 11! Cirka 50 % av de studerande svarade på detta sätt. I alternativa svar varierade kraftsituationen med bollens hastighet. Ett exempel ges i figur 12. Som framgår finns det i detta svar alltid en nettokraft i rörelseriktningen, utom när det gäller den andra bollen, som har hastigheten noll. Där är också nettokraften noll. 4 McCloskey, 1983a. 5 Viennot, 1979.

7 7 Figur 11. De krafter som verkar på jonglörens bollar korrekt lösning. Figur 12. Krafter som verkar på jonglörens bollar vanlig alternativ lösning. Den medeltida impetusteorin och nutida elevsvar En annan undersökning gällde ett papper- och pennaproblem angående en metallkula som med fart glider över en klippkant. 6 De tillfrågade, cirka 50 amerikanska collegestuderande, ombads rita kulans fortsatta bana. Tre typer av svar gavs a, b och c i figur 13. Cirka tre fjärdedelar gav typ-a svar, övriga typ b- eller c-svar. Figur 13. Hur fortsätter kulan över kanten? Tre typer av svar. Typ-c svaren är intressanta bl.a. därför att de överensstämmer med hur man under medeltiden beskrev och förklarade projektilrörelse med utgångspunkt i den s.k. impetusteorin, som lades fram på 1300-talet av Jean Buridan. 7 Enligt denna teori överför den som sätter en kropp i rörelse, t.ex. genom ett kast, en viss impetus till denna. Ju mer man tar i, desto mer impetus överförs. Det är denna impetus som får föremålet att fortsätta i en bana efter att kontakten med kastaren har upphört. Men på grund av gravitation och luftmotstånd försvagas impetus och till slut tar gravitationen över, vilket gör att föremålet rör sig rakt ner. 6 McCloskey, 1983b. 7 Halloun & Hestenes, 1985.

8 8 Albert av Sachsen tillämpade denna teori på bl.a. ett kanonskott, avfyrat horisontellt. 8 Han ansåg att kulan först går horisontellt, därför att dess impetus då helt övervinner luftmotstånd och kulans tyngd. I nästa skede är impetus så pass försvagad av luftmotståndet att tyngden böjer ner projektilens bana. I tredje fasen är impetus helt slut och kulan faller rakt ned. Jämför figur 13 c! Den bana som visas i figur 13 b tycks också peka på ett impetus-tänkande, men med skillnaden att tyngden gör att kulan viker av nedåt från början. Banan enligt 13 a tycks tyda på en korrekt uppfattning, men kan mycket väl rymma en idé om en impetus som gradvis försvagas. Undersökningen ger dock inga upplysningar om hur de svarande resonerar. Buridan tänkte sig också att om ett föremål snurras runt, runt så överförs en cirkulär impetus till detta. Det framgår inte om han gjorde experiment för att bevisa att ett objekt som fått en sådan impetus fortsätter i en cirkel efter det att kontakten med igångsättaren upphört. I så fall hade teorin råkat i svårigheter. Det intressanta med denna till synes egendomliga föreställning är att den tycks förekomma hos nutida ungdomar. De 50 amerikanska collegestuderande som nämnts ovan fick i uppgift att rita ut vilken bana en kula skulle följa i olika situationer. En gällde ett rör böjt som en spiral. Se figur 14:I, som är sedd uppifrån. Kulan skjuts in i A, snurrar runt och åker ut vid B. Hur fortsätter den? Halva gruppen ritade en krökt bana av den typ som visas. En annan situation återges i figur 14:II, som också är sedd uppifrån. Det är en kula som snurras runt med hjälp av ett snöre. Kulan lossnar från detta när den är i C. Hur fortsätter den? Cirka en tredjedel ritar den krökta bana som visas. I den tredje situationen pendlar kulan fram och tillbaka. Se figur 14:III, som är sedd från sidan. Kulan lossnar från snöret då den är i D. Hur fortsätter den? Några elever ritar den bana som visas i figuren. Figur 14. Hur fortsätter kulan? Tre situationer och tre svar. De nu beskrivna svaren tolkas som att den studerande tänker sig att kulan genom sin förhistoria har en benägenhet att gå i en cirkelbana. Med medeltida terminologi skulle man kunna säga att den har fått en cirkulär impetus. Denna förbrukas gradvis, vilket yttrar sig att banorna i situation I respektive II rätas ut mer och mer. Föreställningen om cirkulär impetus är påtagligt situationsberoende. 8 Halloun & Hestenes, 1985.

9 9 Ibland är den vanligt förekommande, ibland sällsynt. Fysikens svar är att kulan fortsätter i tangentens riktning, som är utritad som en streckad linje i de två fallen. I den tredje situationen förbrukas cirkulär impetus helt, och då tänker sig den studerande att kulan faller rakt ned. Ett roande exempel på förklaring till varför kulan i situation 14:I fortsätter i en krökt bana är följande svar: 9 When you train something to do something for quite some time... this thing [the ball] will do the same thing [move in a curved path] it was trained to do, by itself. Pulser längs ett rep Ett sammanhang där impetus-tänkande förekommer är pulser som utbreder sig längs ett rep. Följande uppgift har getts till gymnasister och olika grupper av universitetsstuderande i en fransk undersökning: 10 En röd tråd är fastknuten vid R på ett rep som ligger på ett horisontellt bord. En person tar tag i repet vid O och gör en rörelse med sin hand. Då kan följande form observeras vid tiden t: Är det möjligt för personen att röra sin hand på ett sådant sätt att formen når fram till den röda tråden innan tiden t har gått? Motivera ditt svar. Anmärkning. Man kan tycka att uppgiftens formulering är knapphändig och onödigt abstrakt. Handrörelsen görs snärtigt och lämpligen horisontellt. Då börjar en horisontell bula (puls, signal) utbreda sig längs repet. Frågan är om man kan få denna bula att röra sig snabbare längs repet. Fysikens svar är att pulsens hastighet bara beror av mediet, i detta fall repet och hur spänt det är. Vill man påverka utbredningshastigheten får man ändra spänningen eller ta andra rep. Själva fenomenet är onekligen intressant. Något rör sig längs repet. Detta något är inte ett objekt som består av samma materia från början till slut utan en puls eller signal som överför energi från en punkt till en annan. Hur svarar då eleverna? Majoriteten, 60 % 75 % beroende på undersökningsgrupp, svarar ja på frågan om man kan få pulsen att röra sig snabbare längs repet. Här är några typiska motiveringar: Bulan kommer att röra sig fortare om han rör handen fortare. Hastigheten beror på den kraft med vilken han rör handen. 9 Halloun & Hestenes, Maurines (1986), refererad av Viennot (2001, s ).

10 10 Man måste skaka handen häftigare, då får bulan mer kraft, den kommer att röra sig fortare. Bulan behandlas i dessa svar nästan som ett objekt. För att objektet skall röra sig behövs en kraft. Denna sätts av handen in i bulan som ett slags rörelsekapital eller impetus, som används för att driva fram objektet. Ett annat exempel utgår från att tre pulser av olika storlek rör sig längs repet. Både före och efter undervisning om vågrörelse är det en hel del elever som menar att ju större pulsen är, desto fortare går den. När är bollens hastighet störst? I en amerikansk undersökning fick 84 högskoleelever i psykologi följande problem: 11 En boll kastas till en mottagare som figuren visar. Bollens bana är utritad. Markera var i banan som bollens fart är störst! Figur 15. Testuppgift. När den studerande svarat fick han/hon i ett nästa steg följande förklaringar att välja mellan: A. Bollen rör sig med konstant fart (speed) i hela sin bana. B. Bollen ökar sin fart kontinuerligt. C. Bollen saktar in kontinuerligt. D. Bollen ökar först sin fart och saktar sedan in. E. Bollen saktar först in och ökar sedan sin fart. F. Annat, beskriv. Fysikens svar är att bollens fart är som störst just då den lämnar kastarens hand. Farten minskar upp till maximal höjd och ökar sedan under färden ner till mottagaren. Om luftmotståndet kan försummas är farten lika hög när mottagaren fångar bollen som när den lämnar kastarens hand, under förutsättning att respektive hand är på samma nivå. Det vanligaste svaret från försökspersonerna är att bollen har sin maxfart strax före banans topp. Det är 37 % av försökspersonerna som väljer förklaring D och 11 Hecht & Bertamini, 2000.

11 11 7 % B. Liknande resultat har erhållits för en bollbana som nästan är horisontell. Olika andra undersökningar som författarna gjort styrker att det är en vanlig uppfattning att ett kastat föremål ökar sin fart, dvs. accelererar, i början av sin bana. Detta stämmer varken med Newtons mekanik eller den medeltida impetusteorin. Det finns ingen övertygande förklaring till hur denna föreställning om acceleration uppkommit. Klart är dock att de experimentella bevisen för att det finns en föreställning om acceleration i kastbanans första del är så pass övertygande att det är motiverat att i undervisningen diskutera problem liknande det nu beskrivna. Föremål i vila Olika undersökningar har gjorts av hur elever tänker sig att krafter verkar på ett föremål i vila i ett givet referenssystem. En undersökning gällde amerikanska fysikstuderande på gymnasienivå. 12 Före undervisning ombads de att förklara hur det kan komma sig att en bok ligger stilla på ett bord. I många svar framfördes tankar om att luften trycker på boken, antingen från alla håll eller enbart uppifrån. Ibland uppfattades luften som enda orsaken till att boken låg stilla (figur 16A), vilket kan tolkas som att tyngd beror på luftens tryck. I andra svar är det lufttrycket och tyngden som tillsammans håller boken kvar på bordet (B). Tyngd eller dragningskraft förekommer i många svar. I de flesta av dessa uppfattas dragningskraften som en verkan på avstånd, vilken utövas av jorden. Men som vardagsuppfattning förekommer också, förutom att luftens tryck gör att föremål har tyngd, tanken att tyngd är en inneboende egenskap hos föremål. I en hel del svar tänker sig eleverna att tyngden drar boken nedåt och att bordet är i vägen (C). I andra svar förekommer också en motkraft från bordet, vanligen upp- Figur 16.Olika förklaringar till att en bok ligger still på bordet. fattad som mindre än tyngden (D). Det är lätt att förstå att det rätta svaret (E) inte är så vanligt. Intuitivt känns det som att boken skulle sväva om tyngden helt upphävs av en lika stor och motriktad kraft. 12 Minstrell, 1982.

12 12 Ett undervisningsförslag i detta sammanhang är att använda sig av överbryggande analogier för att göra troligt att bordet utövar en kraft på boken. 13 Man börjar med att diskutera vilka krafter som verkar på en tung bok då den vilar i en utsträckt handflata. Här är det inte så svårt att föreställa sig att handen utövar en lyftkraft på boken. I nästa situation ersätts handen av en fjäder, som boken vilar på och som den trycker ihop. Härifrån tas steget till att boken ligger på en tunn bräda, som hålls uppe av två stöd. Boken gör att brädan böjs. Också i dessa två situationer kan eleverna kanske föreställa sig att såväl fjäder som bräda skjuter uppåt och därefter ta steget till tanken att bordet också gör så, även om man inte med ögonen kan observera att bordsskivan böjs något nedåt. Växelverkan I en studie undersöktes hur elever uppfattar de krafter som finns då två klossar (A och B) växelverkar under olika betingelser. 14 För varje interaktion ställdes frågan: Vad gäller om den kraft som A utövar på B i förhållande till den kraft som B utövar på A? Tre svarsalternativ gavs: A utövar en större kraft, Krafterna är lika, B utövar en större kraft. Följande betingelser ingick (se figur 17): 1. KLOSSARNA ÄR I VILA A och B har samma respektive olika massa 2. KLOSSARNA SKJUTS a) Hastigheten är konstant A och B har samma massa A skjuter på B; A har minst massa A skjuter på B; A har störst massa 3. KLOSSARNA DRAS a) Hastigheten är konstant A och B har samma massa A drar B; A har minst massa A drar B; A har störst massa b) Hastigheten är ökande A och B har samma massa A skjuter på B; A har minst massa A skjuter på B; A har störst massa b) Hastigheten är ökande A och B har samma massa A drar B; A har minst massa A drar B; A har störst massa Betingelserna 1, 2a och 3a illustreras i figur 17. Drygt 100 studerande på collegenivå deltog i undersökningen. De allra flesta hade studerat fysik på highschool och cirka hälften också på college. Två testversioner förekom, antingen betingelserna 1, 2a och 2b eller 1, 3a och 3b. Tre uppgifter gavs för varje betingelse, vilket betyder att varje test innehöll 24 frågor. På samtliga frågor är svaret att krafterna är lika. 13 Clement, Maloney, 1984.

13 13 Figur 17. Olika betingelser för växelverkan mellan två klossar. För 63% av de tillfrågade identifierades fem konsekventa svarsmönster. Dessa är: A. Massan är det enda avgörande. Den större massan utövar en större kraft (11 %) B. I vila är krafterna lika. I rörelse utövar den större massan en större kraft. (16 %) C. I vila är krafterna lika. I rörelse är det orsaksklossen som utövar den större kraften (dvs. den kloss som skjuter på, respektive drar, den andra klossen). (19 %) D. I vila och vid konstant hastighet är krafterna lika, men för accelererade system utövar den större massan en större kraft. (8 %) E. I vila och vid konstant hastighet är krafterna lika, men för accelererade system är det orsaksklossen som utövar den större kraften (dvs. den kloss som skjuter på, respektive drar, den andra klossen). (9 %) Vi ser att en dominansprincip styr svaren. I 35 % av fallen är det den större massan som är dominerande. I övriga fall är det orsaksklossen, som utövar den större kraften. Det var bara sex studerande som hade alla rätt, dvs. svarade att krafterna är lika i samtliga fall (uppgiften löses genom att tillämpa Newtons tredje lag). Alla sex hade studerat fysik på collegenivå. Kommentarer Vardagsteori eller pool av föreställningar? Ett mycket stort antal undersökningar har gjorts när det gäller ungdomars uppfattningar och resonemang angående krafter och rörelse, dvs. det område som brukar kallas mekanik. Svar liknande dem som beskrivits i detta kapitel har erhållits på många uppgifter av olika slag. Detta har lett till idén att ungdomar

14 14 genom sina erfarenheter har utvecklat ett ramverk eller en vardagsteori angående rörelse, som de använder när de ställs inför olika testproblem. Här är en beskrivning av en sådan teori: 15 Om en kropp inte rör sig så är det ingen kraft som verkar på den. Om en kropp rör sig, så är det en kraft som verkar på den i rörelsens riktning. Rörelse med konstant hastighet kräver en konstant kraft. Efterhand har dock idén om att en teori liknande denna styr ungdomarnas tänkande ifrågasatts. Genom att studera hur enskilda individer löser ett antal olika uppgifter har man kommit fram till att svaren inte tyder på att en viss vardagsteori används konsekvent. Ett exempel är en israelisk undersökning med 534 deltagare, alltifrån universitetsstuderande i fysik till gymnasister som studerade avancerade, elementära eller inga kurser i fysik. 16 De fick alla svara på sex testuppgifter. Tre av dessa återges i figur 18. Figur 18. Tre testproblem i fysik. Krafter i rörelseriktningen var vanligt förekommande i svaren, men inte konsekvent genom alla uppgifter. En mindre grupp ritade t.ex. ut gravitationskraft och snörspänning i uppgift 1 samt normalkraft och gravitationskraft i uppgift 2, och utöver detta inga krafter i rörelseriktningen. Sådana förekom däremot på 15 Gilbert & Watts, Finegold & Gorsky, 1991.

15 15 kanonkulan i dess tre olika lägen. En annan mindre grupp ritade gravitationskraft, snörspänning och en kraft i rörelseriktningen på pendelkulan i läge a och c, och gav i övrigt rätta svar. Krafter i rörelseriktningen förekom ofta bland de gymnasister som inte studerade fysik, men inte helt konsekvent. I denna elevkategori var det också bara 10 % som inte satte ut krafter på föremål i vila, vilka förekom i två uppgifter. Detta är i strid mot första punkten i vardagsteorin ovan. Svarsbilden som helhet tyder på att de studerande inte använder en välorganiserad teori vardaglig eller annan när de svarar. Det finns dock ett undantag. Det är 46 % av de universitetsstuderande och 29 % av gymnasisterna i kategorin avancerad fysik, som har alla rätt i enlighet med Newtons mekanik. Alternativet till Newtons mekanik kan kanske beskrivas som att de studerande har tillgång till en pool av erfarenheter och föreställningar som inte är systematiskt organiserade. För dem som studerar fysik ingår vetenskapliga kunskapselement som normalkraft och jordens dragningskraft i poolen tillsammans med vardagsföreställningar. Beroende på situation använder individen resurser från poolen som han/hon bedömer lämpliga. Skolans uppgift i sammanhanget är uppenbar. Det är önskvärt att eleven får stöd och stimulans att organisera grundläggande begrepp till bestående mönster som kan användas för att begripa världen. En hjälp för läraren i detta arbete är att ha kunskap om vardagsföreställningar inom ett aktuellt område. När det gäller mekanik är det som framgått troligen inte fråga om ett teoriliknande system utan snarare ett antal uppfattningar. Vanliga sådana är: När ett föremål är i rörelse måste det finnas en kraft i rörelsens riktning. Ett föremål som inte hålls uppe faller rakt ner, även om det tidigare varit i rörelse i en viss riktning (t.ex. en boll som släpps från en åkande bil). Impetus förbrukas efterhand eller övervinns av gravitationen. Ett objekt som kastas fortsätter att accelerera sedan det lämnat kastarens hand. Då krafter anges för att beskriva växelverkan mellan föremål tillämpas en dominansprincip snarare än Newtons tredje lag (t.ex. utövar ett stort föremål en större kraft på ett litet föremål än vad det lilla föremålet utövar på det stora då de krockar). Vila och rörelse ekvivalens eller separation? I bakgrunden till detta kapitel konstaterades att vila och linjär rörelse med konstant fart är ekvivalenta i Newtons mekanik. Men för eleverna tenderar de båda tillstånden att framstå som två skilda saker. Frågan är om ekvivalensen kan hjälpa eleven att börja överge sitt resonerande enligt v ~ F. Betrakta en bil som rör sig rakt fram med konstant fart se A i figur 19. Vilka krafter verkar på den? De flesta elever skall enligt olika undersökningar vara benägna att svara att drivkraften F är större än friktionen F 1 (B).

16 16 Kanske kan man börja bana en ny väg för tänkandet genom att notera att situationen i A är ekvivalent med vila, och rita ut krafterna som verkar då bilen står stilla (C). Det är förmodligen inte så svårt. Ingen obalanserad kraft finns i horisontell led. Nästa steg är att få situationen i det aktuella fallet (A) att stämma överens med C. Det kan ske genom att drivkraft och friktion görs lika stora. Då verkar, liksom i vila, ingen obalanserad kraft i horisontell led. Det leder till lösningen D. Figur 19. Resonemang som bygger på att vila och linjär rörelse med konstant fart är ekvivalenta i Newtons mekanik. Newtons mekanik i skolans undervisning? Det har framgått, inte minst av den nyss refererade israeliska undersökningen, att elever i senare delen av tonåren har svårt att förstå Newtons lagar. Det gäller även universitetsnivå. Det är därför befogat att fråga om Newtons mekanik skall ingå i skolans undervisning. För elever på naturvetenskaps- respektive teknikprogrammet är svaret ett självklart ja. Newtons mekanik är en nyckel till många andra områden av fysiken (se figur 1) och därför något som är nödvändigt att lära sig om man går på dessa program. Fysikläraren har, tack vare de många studier som gjorts av hur elever

17 17 uppfattar och försöker lära sig inom detta område, bättre förutsättningar än tidigare att skapa och utpröva god undervisning. Svaret är inte lika självklart när det gäller grundskolans senare del. Om man anser att mekanikens grunder är ett relevant innehåll finns det dock ingen anledning att på grund av konstaterade svårigheter välja bort detta. Nya sätt att undervisa kan skapas, baserade på tillgängliga undersökningar om elevers begrepp och sätt att resonera. Ett intressant och utmanande försök att trots dokumenterade svårigheter undervisa yngre elever (åk 5 6) har exempelvis genomförts av finländska forskare. 17 REFERENSER Clement, J. (1993). Using bridging analogies and anchoring intuitions to deal with students preconceptions in physics. Journal of Research in Science Teaching, 30(10), Driver, R., Squires, A., Rushworth, P., & Wood-Robinson, V. (1994). Making sense of secondary science research into children's ideas. London: Routledge. Finegold, M., & Gorsky, P. (1991). Students concepts of force as applied to related physical systems: A search for consistency. International Journal of Science Education, 13(1), Gibert, J., & Watts, M. (1983). Misconceptions and alternative conceptions: Changing perspectives in science education. Studies in Science Education, 10, Hake, R. R. (1992). Socratic Pedagogy in the Introductory Physics Laboratory. The Physics Teacher, 30 (9), Halloun, I. A., & Hestenes, D. (1985). Common sense concepts about motion. American Journal of Physics, 53 (11), Hecht, H., & Bertamini, M. (2000). Understanding projectile acceleration. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 26(2), Johansson, B. (1981). Krafter vid rörelse. Teknologers uppfattning om några grundläggande fenomen inom mekaniken. Mölndal: Göteborgs universitet, Pedagogiska institutionen. Juuti, K., & Lavonen, J. (2006). Design-Based Research in Science Education. Nordina, nr 4, Maloney, D. P. (1984). Rule-governed approaches to physics - Newton s third law. Physics Education, 19(1), Maurines, L. (1986). Premières notions sur la propagation des signaux mécaniques: étude des difficultés des étudiants. Thesis. Université Paris 7. McCloskey, M. (1983a). Intuitive Physics. Scientific American, 248 (4), McCloskey, M. (1983b). Naive theories of motion. In Gentner, D.& Stevens, A.L (Eds.), Mental models (pp ). Hillsdale and London: Lawrence Erlbaum, McDermott, L. C. (1984, July). Research on conceptual understanding in mechanics. Physics Today, pp Se Se också Juuti och Lavonen (2006).

18 18 McDermott, L. C., & Redish, E. F. (1999). PL-PER1: Resource letter on physics education research. American Journal of Physics, 67(9), Minstrell, J. (1982). Explaining the 'at rest' condition of an object. The Physics Teacher, 20, Viennot, L. (1979). Spontaneous reasoning in elementary dynamics. European Journal of Science Education, 1(2), Viennot, L. (2001). Reasoning in physics. The part of common sense. Dordrecht: Kluwer Academic.