Remissvar, ämnesplan för fysik i Gy 2011

Transkript

1 Svenska Fysikersamfundet Remissvar, ämnesplan för fysik i Gy 2011 Bakgrund Förslaget innebär att fysikämnets omfång bibehålls, fastän det nu blir den första fysikkursen (Fy 1) som rymmer 150 p medan den efterföljande (Fy 2) rymmer 100 p. Dessutom finns, till skillnad från idag, en tredje kurs (Fy 3) med fastställt kursinnehåll. Denna kurs kan dock inte förväntas krävas för behörighet till högskolestudier varför det är viktigt att se till att det centrala stoff som behövs för att ge studenterna god förberedelse för högskolestudier inom naturvetenskap och teknik ryms inom Fy 1 och Fy 2. Allmänt Med det inledande stycket om vad som karakteriserar fysik, och den text som finns under rubriken Ämnets syfte, ges en bra beskrivning av gymnasiefysikens innehåll. Vi välkomnar särskilt att fysikens strävan efter att finna grundläggande principer lyfts fram, och att det tydligt framgår att naturvetenskapliga arbetsmetoder ska användas i undervisningen. Fysikens samhällsbetydelse framhävs genom återkommande kopplingar till tillämpningar inom vardagsliv och teknik. Betygskriterierna har fått en tydlig struktur som beskriver kunskaper och förmågor på olika nivåer. Vi ifrågasätter dock användningen av begreppet redogör översiktligt som beskrivning av lägsta godkända nivå. Att begära att en elev, för att få godkänt betyg, ska ha översikt är ett väl högt ställt krav. Det vore bättre att slopa ordet översiktligt för betyget E. Det är bra att skolverksförslaget har beskrivit det centrala innehållet tydligare än dagens kursplaner men i några fall skulle vi önska en än tydligare skrivning. Vi anser också att fördelningen av stoff mellan de tre kurserna behöver ses över. Särskilt viktigt är att kvantbegreppet och atomens elektronstruktur tas upp inom Fy 1 eller Fy 2. Vi presenterar nedan ett modifierat förslag på fördelning av innehållet i kurserna och motiverar detta. Centralt innehåll i Fy 1 och Fy 2 Vårt modifierade förslag (med rödmarkering av ny text och överstrykning av det vi föreslår ska tas bort) för Fysik 1 och Fysik 2: Fysik 1, 150 p Kursen fysik 1 omfattar punkterna 1 5 under rubriken Ämnets syfte. Centralt innehåll

2 Undervisningen i kursen ska behandla följande centrala innehåll: Rörelse och krafter Hastighet, rörelsemängd och acceleration för att beskriva rörelse. Newtons beskrivning av rörelse: krafter som orsak till förändring av hastighet och rörelsemängd. Jämvikt och linjär rörelse i homogena tyngdkraftsfält och elektriska fält. Impuls, rörelsemängdens bevarande. Kraftmoment. Tryck, tryckvariationer och Arkimedes princip. Orientering om Einsteins beskrivning av rörelse vid höga hastigheter: Einsteins postulat, tidsdilatation och relativistisk energi. Orientering om aktuella modeller för beskrivning av materiens minsta beståndsdelar och av de fundamentala krafterna samt om hur modellerna har vuxit fram. Energi och energiresurser Arbete, effekt, potentiell energi och rörelseenergi för att beskriva olika energiformer: mekanisk, termisk, elektrisk och kemisk energi samt strålnings- och kärnenergi. Energiprincipen, entropi och verkningsgrad för att beskriva, energiomvandling, energikvalitet och energilagring. Termisk energi: inre energi, värmekapacitet, värmetransport, temperatur och fasomvandlingar. Elektrisk energi: elektrisk laddning, Coulombs lag, elektriska fält, fältstyrka, spänning, ström, resistans, serie- och parallellkoppling av motstånd. Kärnenergi: atomkärnans struktur och bindningsenergi, den starka kraften, massa-energiekvivalensen, kärnreaktioner, fission och fusion. Energiresurser och energianvändning för ett hållbart samhälle. Strålning inom medicin och teknik Ljusets reflektion och brytning, totalreflektion, avbildning med linser, optiska instrument. Orientering om det elektromagnetiska spektret, elektromagnetisk strålningsenergi och dess kvantisering, fotonbegreppet. Radioaktivt sönderfall, joniserande strålning, partikelstrålning och halveringstid. och aktivitet. Orientering om elektromagnetisk strålningsenergi. Orientering om växelverkan mellan olika typer av strålning och biologiska system, absorberad och ekvivalent dos. Orientering om strålsäkerhet och tillämpningar inom medicin och teknik.

3 Klimat- och väderprognoser Ideala gaslagen som en modell för att beskriva atmosfärens fysik. Jordens strålningsbalans Orientering om hur fysikaliska modeller och mätmetoder används för att göra prognoser för klimat och väder. Prognosers tillförlitlighet och begränsningar. Fysikens karaktär, arbetssätt och matematiska metoder Vad som kännetecknar en naturvetenskaplig frågeställning. Hur modeller och teorier utgör idealiseringar av verkligheten och kan förändras utvecklas, generaliseras eller ersättas av bättre modeller och teorier över tid. Hur problem avgränsas och studeras med hjälp av fysikaliska resonemang och matematisk modellering innefattande linjära, potens- och exponentialekvationer, funktioner och grafer samt trigonometri och vektorer. Konstruktion och prövning av hypoteser och modeller i samband med enkla experimentella undersökningar. Planering och genomförande av enkla experimentella undersökningar och observationer samt formulering och prövning av hypoteser i samband med dessa. Bearbetning och utvärdering av data och resultat med hjälp av regressionsanalys, analys av grafer, enhetsanalys och överslagsräkning med storleksordningar. Utvärdering av resultat och slutsatser genom analys av metodval, arbetsprocess och felkällor. Fysik 2, 100 p Kursen fysik 2 omfattar punkterna 1 5 under rubriken Ämnets syfte. Centralt innehåll Undervisningen i kursen ska behandla följande centrala innehåll: Rörelse och krafter Kroklinjig rörelse: kaströrelse, centralrörelse och rörelse i inhomogena gravitationella fält. Impuls samt elastisk och oelastisk stöt. Vridmoment för att beskriva jämviktstillstånd.

4 Harmonisk svängning som modell för att beskriva fenomen inom vardag och teknik. Vågor, elektromagnetism och signaler Harmonisk svängning som modell för att beskriva fenomen inom vardag och teknik. Reflektion, brytning och interferens av ljus, ljud och annan vågrörelse. Stående vågor och resonans med tillämpningar inom vardag och teknik. Orientering om ljudintensitet, decibelbegrepp och dopplereffekt. Magnetfält, magnetisk kraft, laddade partiklar i magnetiska och elektriska fält, induktion, självinduktion, spolar, kondensatorer, växelström, elektriska svängningskretsar och antenner. Våg- och partikelbeskrivning av elektromagnetisk strålning. Orientering om elektromagnetiska vågors utbredning. Fotoelektriska effekten och fotonbegreppet. Fysikaliska principer bakom tekniska tillämpningar för kommunikation och detektering, till exempel mobiltelefoni, CCD-celler, interferometri, röntgendiffraktion, ultraljudsundersökningar och magnetisk resonans. Tillämpningar inom vardag och teknik. Kvantfysik Temperaturstrålning och energikvantisering. Fotonbegreppet och den fotoelektriska effekten. Atommodeller, absorptions- och emissionsspektrum, pauliprincipen, atomers och fasta ämnens elektronstruktur. Röntgenstrålning de Broglies hypotes, våg-partikeldualism och Heisenbergs obestämdhetsrelation. Tillämpningar inom vardag, medicin och teknik. Universums utveckling och struktur Orientering om Big Bang modellen för universums utveckling till dagens struktur med galaxer, stjärnor och planeter. Metoder för undersökning av universum. Elektromagnetisk strålning från Big Bang, stjärnor och den interstellära rymden. Metoder för att upptäcka och undersöka exoplaneter. Villkor för liv på andra planeter. Fysikens karaktär, arbetssätt och matematiska metoder Hur modeller och teorier utgör idealiseringar av verkligheten, kan ha begränsade giltighetsområden och kan förändras har begränsade giltighetsområden och kan utvecklas, generaliseras eller ersättas av bättre

5 modeller och teorier över tid. Hur problem avgränsas och studeras med hjälp av fysikaliska resonemang och matematisk modellering innefattande enhetsanalys, linjära och icke-linjära funktioner, ekvationer och ekvationssystem, trigonometriska grafer, derivator och vektorer. Konstruktion och prövning av hypoteser och modeller i samband med enkla experimentella undersökningar. Planering och genomförande av experimentella undersökningar och observationer för att pröva av hypoteser och modeller. Bearbetning och utvärdering av data och resultat med hjälp av regressionsanalys, analys av grafer, enhetsanalys och överslagsräkning med storleksordningar. Utvärdering av resultat och slutsatser genom analys av metodval, arbetsprocess och felkällor I skolverksförslaget framgår det inte tydligt nog huruvida stråloptiken ingår eller inte i någon av kurserna. Vi tycker att det är viktigt att stråloptiken finns med i Fy 1. En god förståelse av hur det går till när vi ser och avbildar föremål med kameror, mikroskop och kikare är nödvändig för blivande naturvetare (och är högst relevant som allmänbildning för dem som efter NVprogrammet väljer att inte läsa naturvetenskap). Stråloptiken är också ett tacksamt område att börja gymnasiefysiken med då den innehåller många intressanta vardagsfenomen. Stråloptik passar dock inte riktigt in under några av befintliga rubriker. Om man byter ut rubriken "Strålning inom medicin och teknik" mot enbart Strålning skulle man kunna få med det där. Dessutom menar vi att rubriken "Strålning inom medicin och teknik" är för begränsande. Varför bara betrakta strålning inom medicin och teknik? Med det här förslaget får man också på ett naturligt sätt med det elektromagnetiska spektret, och man får med den ytterst viktiga idén om kvantisering tidigt utan att man behöver lyfta in större delar av atomfysiken till Fy 1. Förslaget ger också möjlighet att redan i Fy 1 diskutera strål-, våg- och fotonmodellen för ljus. Jordens strålningsbalans bör läggas till under rubriken Klimat och väder, och vi har tillfogat mätmetoder som en förutsättning för att kunna göra klimat- och väderprognoser. Mekaniken kan med fördel disponeras om något. Om rörelsemängd tas upp i Fy 1 haltar förslaget om inte även impuls tas upp där. Vidare kan kraftmomentdelen flyttas till Fy 1. Då frigörs utrymme i Fy 2 för atomfysik (mer om detta nedan). I vårt förslag har vi i Fy 2 flyttat upp "Harmonisk svängning..." under rubriken "Rörelse och krafter" då vi tycker att detta moment bättre passar in under denna mer generella rubrik. Elläran är styvmoderligt behandlad i både Fy 1 och Fy 2. Enligt vad vi kan se så nämns inte uttryckligen Coulombs lag, resistans eller elektriska kretsar någonstans. Två viktiga skäl för att ta upp kretslära är: 1) den ger en modell för alla transportfenomen, 2) spänning är ett abstrakt begrepp, vad som händer vid serie- och parallellkoppling hjälper eleverna att få förståelse för begreppet (se t ex Björn Andersson, Att förstå skolans naturvetenskap). Elektriska fält kommer in i en bisats under "Rörelse och krafter". Fältbegreppet är fundamentalt i fysiken, både som allmänbildning och för dem som skall studera vidare inom naturvetenskap. Det behöver därför lyftas fram. Vidare anser vi att växelströmsläran behöver komma in i Fy 2. Växelström är en

6 viktig vardaglig fysiktillämpning, och viktig för dem som ska läsa teknik eller naturvetenskap efter gymnasiet. Det är inte så lätt att placera in elläran under befintliga rubriker i Fy 1, men vi anser att man kan utöka en av punkterna under "Energi och energiresurser". I Fy 2 faller det sig naturligt att bygga på en av punkterna under "Vågor, elektromagnetism och signaler". För att kunna diskutera signaler i samband med elektromagnetism behöver man även ta upp antenner. Och för att kunna ge en introduktion till antenner behöver man ta upp svängningskretsen med spolar och kondensatorer. Under "Vågor, elektromagnetism och signaler" har vi, för att tydliggöra innehållet, omformulerat den punkt som inleds med Samband mellan magnetism, dock utan att fysikinnehållet förändrats. Den punkt under "Vågor, elektromagnetism och signaler" som i skolverksförslaget inleds Vågoch partikelbeskrivning kan i vårt förslag strykas eftersom en del av denna punkt flyttats till Fy 1 (under rubriken "Strålning") och resten av punkten flyttats till rubriken "Kvantfysik" i Fy 2. Under "Vågor, elektromagnetism och signaler" i Fy 2 finns i skolverksförslaget en punkt som börjar Fysikaliska principer. Vi anser att denna är alltför otydlig. Vilka fysikaliska principer avses? Vi tror inte heller det är så lyckat att ta upp röntgendiffraktion, om inte röntgenstrålning behandlats. Vi anser att denna punkt kan formuleras mer allmänt så att det finns utrymme för lärare och elever att anpassa innehållet efter lokala förhållanden (t ex möjligheter till intressanta studiebesök) och aktuella händelser. Såsom vårt förslag är utformat nu innehåller det flera av de fysikaliska principer som vi tror att Skolverket avser. Möjlighet finns därmed för den lärare som önskar, att diskutera inte bara mobiltelefoni, CCD-celler, interferometri, röntgendiffraktion, ultraljudsundersökningar och magnetisk resonans, utan också andra tekniska tillämpningar som laser eller PET-kamera, bara för att nämna två exempel. Vi tycker dock inte att detta behöver skrivas ut i ämnesplanen. Några av formuleringarna under rubriken Universums utveckling och struktur har arbetats om för att markera att det är Big Bang modellen som gäller. Vidare föreslår vi att regressionsanalys inte tas upp förrän i Fy 2. Vi har också strukit ordet enhetsanalys på ett ställe eftersom det i skolverksförslaget dyker upp under två punkter. I syfte att få till en progression genom kurserna har vissa omformuleringar gjorts av den punkt som i skolverksförslaget inleds "Konstruktion och prövning av hypoteser. Vi har även förtydligat hur modeller och teorier kan utvecklas eller ersättas. Det är tyvärr troligt att de flesta eleverna på naturvetenskapligt och tekniskt program inte kommer att läsa Fy 3. Därför behöver en del av kvantfysiken flyttas från Fy 3 till Fy 2. I annat fall blir Fy 1 och 2 nästan helt tomma på kvant- och atomfysik. Vi anser att en ny områdesrubrik behövs i Fy 2. Då kan en del av de moment som nu ligger under "Vågor, elektromagnetism och flyttas dit. Temperaturstrålning behöver finnas med i en gymnasiekurs och detta moment har vi också placerat under denna rubrik. Vårt förslag innebär en omfördelning av stoffet och en utökning av stoffmängden i Fy 1 jämfört

7 med nuvarande skolverksförslag. Man kan ifrågasätta om det finns plats för detta. Ovanstående förslag skulle innebära att dagens Fy A utökas med kärnfysik, rörelsemängd, introduktion till relativitetsteori och ideala gaslagen med tillämpningar. Vi tror att detta ryms inom 150 p. Om man jämför dagens Fy B med den 50 p mindre Fy 2 enligt vårt förslag innebär det att kärnfysik, relativitetsteori och en del mekanik lyfts bort, samtidigt som elektromagnetism utökas. För att så långt som möjligt minska stoffträngseln har vi i vårt förslag ovan tagit bort formuleringar som "elastisk och oelastisk stöt", "entropi", "kärnreaktioner" och "aktivitet" och lagt till "Orientering om..." vid ett par punkter för att markera att dessa kan behandlas mer översiktligt. Centralt innehåll i Fy 3 Ovanstående förslag innebär att en del stoff försvinner från Fy 3. Det är bra om det finns gott om utrymme i denna kurs för fördjupning inom något eller några områden. Vilka områden som tas upp kan anpassas efter lokala förhållanden. Vill man ha fler specificerade punkter i ämnesplanen skulle man kunna ta med delar av fysiken som Termodynamik Fördjupad behandling av speciell relativitetsteori Fördjupad behandling av elementarpartikelfysikens standardmodell. Kvantmekanik (partikel i låda etc) Inledande strömningslära Termodynamik är ett område som ofta upplevs som svårt på universitetsnivå, och det vore bra att förbereda detta redan på gymnasiet. Speciell relativitetsteori och elementarpartikelfysik blir endast översiktligt behandlad i Fy 1. Genom att ta upp den igen i Fy 3 kan man komma lite djupare under gymnasiet. Om man gör kvantfysik fram till de Broglie i Fy 2 kan man fortsätta i Fy 3 med Schrödingerekvationen. Linköping 16 augusti 2010 Karl-Fredrik Berggren Ordförande i Svenska Fysikersamfundet