Vejledning vedrørende fysik, undervisningsvejledning HF,i henhold til bekendtgørelse om højere forberedelseseksamen af 24. april 1974 § 43

Vejledning vedrørende fysik, undervisningsvejledning HF,i henhold til bekendtgørelse om højere forberedelseseksamen af 24. april 1974 § 43

A. almindelige bemærkninger om undervisningen

Formålet med undervisningen i fysik er angivet i bekendtgørelsen af 24. april 1974. Af denne fremgår ligeledes, at tyngdepunktet i undervisningen skal ligge i den klassiske fysik, mens den moderne fysik skal præsenteres ved enkle centrale problemer, ligesom fysikkens tekniske og samfundsmæssige aspekter skal berøres ved udvalgte emner.

Undervisningens eksperimentelle indhold

Det bør af undervisningen fremgå, at fysik er en menneskelig aktivitet, der har sit udgangspunkt i et ønske om at forstå naturen og den måde, den fremtræder på. Fysisk erkendelse opnås ved en proces, hvor spørgsmål, svar og hypoteser følger efter hinanden. Denne måde at arbejde på er grundlæggende i naturvidenskabelige fag, specielt fysik. Samspillet mellem et af mennesket planlagt eksperiment med målinger og målingers betydning for en given teori skal derfor have en fremtrædende plads i undervisningen. Dette gælder således for de fysiske eksperimenter i undervisningen, demonstrationsforsøg og elevforsøg. Her skal de studerende vænnes til en omhyggelig vurdering af de slutninger, der kan drages af de anstillede forsøg.

Ialt skal elevøvelserne andrage 30 timer. Det anbefales at tilrettelægge disse som een- og to-timers øvelser således, at man fortrinsvis starter med enkle een-times øvelser og derefter, når den fysiske forståelse og overblikket hos de studerende er blevet forøget, da at benytte to-timers øvelser med et lidt mere kompliceret indhold. Foruden indlæring af laboratorieteknik kan de enkle øvelser i starten bruges til indlæring af begreber som indstillingsusikkerhed, aflæseusikkerhed, usikkerhedsoverslag, middeltal, spredning, approximationer etc; alle forhold der har betydning i den videre undervisning.

En vigtig del af laboratoriearbejdet er at skrive rapporter over de udførte eksperimenter på en akkurat og præcis måde. Til støtte for dette kan det fremhæves, at netop den entydige og klare skriftlige kommunikation mellem individer i samfundets forskellige hverv har en voksende betydning. Udarbejdelsen af forsøgsrapporter tjener derfor flere formål.

Det anbefales, at de studerende fører journal over de udførte lærerdemonstrationer.

Fysik og det matematiske apparat

Som angivet i det foregående afsnit er samspillet mellem teori og eksperiment en grundlæggende bestanddel af fysik. I beskrivelsen af fysiske teorier, fysiske lovmæssigheder, vil matematik i stor udstrækning være nødvendig. Som baggrund for HF-fysikken vil man kunne gøre brug af de matematiske færdigheder, som matematik~ fællesfag giver den studerende. Dette stiller imidlertid lærer og studerende over for problemer med hensyn til tilrettelæggelsen af kursus, idet f.eks. differential- og integralregning ikke kan ligge til grund for behandlingen af stoffet. For at løse problemet kan det anbefales at bruge regning med små tilvækster samt arealbetragtninger ved funktionelle sammenhænge. Dette betyder, at grafiske sammenhænge og analyse af disse skal have en fremtrædende plads i undervisningen. Det faglige indhold af dette fysikkursus er bl.a. bestemt på en sådan måde, at brugen af vektorer og trigonometriske funktioner indskrænker sig til et minimum. Om man vil bruge vektorer eller fortegn og håndregler ved retningsangivelse af fysiske størrelser, er en temperamentssag. En definition af sinus, cosinus og tangens vil kunne gives ved hjælp af den retvinklede trekant.

Det fysiske indhold i matematiske udtryk skal trækkes klart frem. For mange nybegyndere i fysik vil destinktionen mellem de matematiske relationer xy = k på den ene side og fysiske sammenhænge som pV = k, RI = k, Fs = k etc. på den anden side være udflydende, indtil begrebet fysisk størrelse er blevet erkendt og en efterfølgende interpretation af bogstavsymbolerne som målelige fysiske størrelser.

Undervisningens teoretiske indhold

Emnelistens teoretiske indhold fremgår af den førnævnte bekendtgørelse.

Ved emnernes behandling skal de indførte begreber præciseres omhyggeligt. Ordenen af emnelistens punkter angiver ikke nødvendigvis rækkefølgen af stoffet i undervisningen. Læreren kan i samarbejde med de studerende tage stilling til, hvilken rækkefølge der anses for mest formålstjenlig ud fra pædagogiske og systematiske hensyn. Med den opstillede rækkefølge vil det imidlertid være muligt at inddrage fysikkens bevarelsesprincipper som et sammenkædende element. Der tænkes i den forbindelse først og fremmest på energibevarelsessætningen.

Efter en behandling af arbejds- og energibegrebet i mekanikken vil der kunne skabes forbindelse til gasloven og varmeteoriens 1. hovedsætning. En fortsættelse af energibetragtninger kan sammen med elektrisk feltstyrke føre til opstilling af Joules lov (Ohms lov) og udtryk for elektrostatisk feltenergi. atomfysikkens behandling har sit udspring i energiforhold og energibetragtninger.

Bevarelse af bevægelsesmængde vil naturligt indgå i beskrivelsen af vekselvirkningen mellem partikler, som f.eks. støddet i den klassiske fysik og kernestråling i atomfysikken.

Bevarelse af elektrisk ladning i elektricitetslæren og atomfysikken vil ligeledes kunne bidrage til helhedsbetragtninger.

Et synspunkt, der skal nævnes her i dette afsnit, er det for fysikken så nødvendige modelbegreb. Man skal understrege en given models betydning for og begrænsning i beskrivelsen af fysikkens virkelighed. At modeller også spiller en væsentlig rolle i samfundet som helhed skal stærkt betones. Som eksempler på fysiske og samfundsmæssige modeller kan nævnes den kinetiske molekylteori og atommodellerne henholdsvis de modeller af samfundet, der benyttes ved udarbejdelse af perspektivplaner, økonomernes udviklingsmodeller og sociologiske modeller.

Skriftlige opgaver i fysik

De studerende skal gennem løsning af simple opgaver i snæver tilknytning til det læste stof vænnes til rationel vurdering af størrelsesforhold og dimensioner af fysiske størrelser. Det anbefales, at der i almindelighed regnes med størrelsesligninger, ligesom det skal tilstræbes, at man konsekvent anvender SI definitioner og enheder. De studerende skal dog kunne foretage omregninger mellem SI enheder og enkelte andre vigtige enheder. Opgaver skal i det daglige arbejde tjene til at oplyse den studerende og læreren om den studerendes forståelse af og færdighed i at løse simple kvalitative og kvantitative fysiske problemer.

Direktoratets kompendium i fysik skal bruges i det daglige arbejde. Dette kompendium bruges også til at afgrænse det pensum, hvori der vil kunne eksamineres til den skriftlige eksamen.

Fysik og teknologi

Grænsen mellem fysik og teknologi er ikke særlig skarp. HF-fysikken har dog klart sit tyngdepunkt i videnskabsfaget fysik og ikke i sine tekniske anvendelser. I en tid hvor netop de naturvidenskabelige fag via deres anvendelser har så umådelig indflydelse på samfundet og dets udvikling, kan det være naturligt at give en rimelig orientering om nogle af de måder, hvorpå fysikken influerer på vore omgivelser.

Nogle af de udviklingslinier, man kan tage sit udgangspunkt i, er

Partikelmekanik, gravitationsfelt - rumfart

Oscillationer og bølger - nøjagtige tidsmålere, lydbånd

Varmelære, termodynamik - nyttevirkning i forskellige typer af motorer

Elektrisk strøm - energitransmission

Elektromagnetisme - højtalere, mikrofoner, telefoner

Atomfysik - elektronikindustri, radioaktive sporstoffer, kernereaktorer, termonukleare processer

Det anbefales af historisk fysik at medtage enkelte træk, der har haft banebrydende betydning for fysikkens udvikling.

Fysik og AV-midler

Inden for fysik, er det særligt vigtigt at supplere den verbale behandling af stoffet med en visuel støtte. Apparatopstillinger og grafer, hvis enkelte detaljer det tager for lang tid at tegne på tavlen, og fotografier er ideelle objekter til lysbilleder. Figurer, grafer i flere farver, opgaver, apparatskitser, oversigter, skemaer og øvelsesvejledninger er nogle af de muligheder, der kan bruges til overhead projektoren. Endvidere kan denne benyttes til mindre opstillinger af apparater, for eksempel til forsøg med magnetfeltlinier, vandbølger og instrumentaflæsning.

Film kan f.eks. vise fysik i anvendelse i verdenen udenfor fysiklokalerne eller fysiske eksperimenter, det ville være umuligt at lave i laboratoriet, ligesom fysikkens historie kan presenteres.

2.-års opgaven

Det kan stærkt anbefales, at opgaven, hvis den skrives i fysik, bliver af eksperimentel art. Det er en erfaringssag, at udbyttet for den studerende bliver størst ved arbejde med eksperimentelt laboratoriearbejde.

Fagområdet, inden for hvilket opgaven kan stilles, aftales i god tid mellem studerende og lærer. Det skal tilstræbes, at den endelige opgaveformulering tydeligt angiver, hvilke forhold, der ønskes belyst.

Som eksempler på 2.-års opgaver kan angives

Område

Vekselstrøm

Titel

Der ønskes en redegørelse for teorien for sinusformet vekselstrøm. Der skal særligt lægges vægt på måling af impedans og faseforskydning ved forskellige frekvenser, ligesom apparatopstillinger, der kan illustrere begreber som Q-værdi, resonnans, sugekreds og spærrekreds, skal opstilles og undersøges.

Område

Solen

Titel

Der ønskes en elementær behandling af solens overflade- og atmosfæreforhold samt dens energiudstråling. I undersøgelsen skal indgå egne eksperimenter til bestemmelse af solarkonstanten og solens overfladetemperatur.

Selvstuderende

Den selvstuderende bør sætte sig i forbindelse med et kursus så tidligt som muligt for at få en personlig vejledning i planlægningen af fysikstudiet. Den nøje sammenhæng mellem teori og eksperiment, der tilsigtes i kursusundervisningen kan vanskeligt opnås for den selvstuderende. Det anbefales, at det teoretiske stof er gennemarbejdet inden den selvstuderende søger optagelse på et af direktoratet godkendt laboratoriekursus.

B. Bemærkninger til emnelisten

MEKANIK

Bevægelsesligningerne for retlinet bevægelse med konstant hastighed og acceleration.

For en konstant accelereret bevægelse kan fastlæggelsen af hastigheden som grænseværdien af

delta s

----------

delta t tage sit udgangspunkt i et eksperiment. De grafiske afbildninger af s, v og a som funktioner af tiden fremhæves. Forskellen mellem skalarer og vektorer skal betones.

Newtons love.

Folkeskolens behandling af kraft og masse kan være begyndelsesgrundlaget i dette kursus. Newtons 2. lov formuleres dels som F= ma dels som F =

delta p

----------

delta t .

Arbejde, potentiel og kinetisk energi, effekt.

Potentiel og kinetisk energikan indføres ved retlinet bevægelse i tyngdefeltet. Vektordefinitionen på arbejde indføres.

Bevægelsesmængdesætningen, arbejdssætningen og energisætningen, herunder anvendelse på gnidning mellem faste stoffer i bevægelse.

De tre sætninger opstilles og benyttes på centrale eksempler. Med udgangspunkt i konservative kræfter opstilles mekanikkens energisætning. Kun hastigheds uafhængig gnidning behandles. Energisætningen behandles på en sådan måde, at den kan danne grundlag for varmelæren.

En partikels bevægelse i et homogent kraftfelt.

Ligheden mellem partiklers bevægelse i homogent tyngdefelt ioners bevægelse i homogent elektrisk felt skal fremhæves.

Jævn cirkelbevægelse, kinematisk og dynamisk.

Nogle praktiske eksempler på jævn cirkelbevægelse og den til bevægelsen nødvendige centripetalkraft behandles. Analogien til en ions bevægelse i et homogent magnetfelt kan omtales.

Gravitationsfelt og potentiel energi.

Feltets konservative karakter og dermed potentialets afhængighed kun af stedet skal fremhæves. Satellitproblemer inddrages som eksempelmateriale.

Harmonisk svingning.

Med baggrund i de matematiske forudsætninger kan en kinematisk introduktion af svingningen anbefales. Den grafiske afbildning af energiforholdene under svingningerne analyseres. Praktiske eksempler op den begrænsede gyldighed af Hookes lov behandles.

Plane harmoniske bølger og superpositionsprincippet.

Med udgangspunkt i den harmoniske svingning indføres begreber som amplitude, vinkelhastighed, frekvens, fase og periode. Funktionsudtrykket for den plane harmoniske bølgeligning kræves ikke opstillet. Fremadskridende og stående bølger kan introduceres eksperimentelt. Sammenhængen mellem bølgelængde, frekvens og hastighed fremhæves.

Huygens princip anvendt på tilbagekastning, brydning og bøjning.

Behandlingen kan tage sit udgangspunkt i eksperimenter med vand-, lyd- og lysbølger. Brydningslov og gitterligning opstille.

VARMELÆRE

Temperaturbegrebet og kinetisk molekyleteori.

Den kinetiske molekylteori behandles både kvalitativt og kvantitative behandling tager sit udgangspunkt i mekanikkens partikeldynamik, idet det udtryk der viser proportionaliteten mellem trykket p og Ek for gassen opstilles. Relationen til T knyttes.

Gaslove for ideale gasser.

Idealgasloven og dens aflede** opstilles på grundlag af molekyleteorien, men kan også opstilles ved hjælp af eksperimentelle betragtninger.

Varmeteoriens 1. hovedsætning med eksempler.

Begreber som »system«, indre energi, trykkearbejde og varme præciseres. Eksemplerne på 1. hovedsætnings anvendelsekan overvejende være eksperimentelle.

ELEKTRICITETSLÆRE

Elektrisk ladning, stationær elektrisk strøm og elektrisk energi.

Begreberne kan introduceres på eksperimentel baggrund. Joules lov kan opstilles på grundlag af et kalorimetereksperiment.

Ohms love og sammensætning af resistorer.

Ohms lov for et lederstykke kan opstilles med tilknytning til joules lov. Arbejds- og energibegrebet skal spille en fremtrædende rolle ved fortolkningen af lovene.

Coulombs lov, elektrostatisk feltstyrke og elektrisk potential.

De angivne begreber introduceres i begyndelsen af ellærens behandling, hvorved de kan støtte en eksperimentel behandling af Joules lov og Ohms lov med teoretiske synspunkter. Vægten kan lægges på homogene felter. Reference til det konstante tyngdefelt kan anbefales.

Kapacitans, pladekapacitor og elektrostatisk energi.

Behandlingen kan tage sit udgangspunkt i eksperimenter.

Magnetfelt, strømførende leder i magnetfelt.

Kun den magnetiske fluxtæthed omtales, idet den bør indføres som proportionalitetsfaktor i F = BIZ med udgangspunkt i et eksperiment med strømvægt.

Ioners bevægelse i homogene elektriske og magnetiske felter.

Udtrykket for Lorenzkraften opstilles. Eksempler på ioners og elektroners bevægelse anføres.

Eksempler på magnetfelt omkring strømførende ledere.

Magnetfelt hidrørende fra forskelligformede strømledere angives ved deres matematiske udtryk. Begrundelsen for disse udtryk kan være rent eksperimentelt.

Magnetisk flux og induktionsloven.

Lenz' lov anføres. Udtrykket for sammenhængen mellem induceret emk og ændring i B -flux udledes.

ATOMFYSIK

Atommodel, Emission og absorption af elektromagnetisk stråling. Spektre.

En kvalitativ indføring i kvantiseringsproblemer, f.eks. ved den fotoelektriske effekt, kan være udgangspunktet for en behandling af Rutherford-Bohr modellem af atomet. En nær tilknytning til Rydberg-formlen

1 1 1 --- = R (------ - -------) lamb M1exp2 M 2exp2

skal tilstræbes. Samme formels betydning ved forståelse af simple spektre betones. Energisynspunkter skal overalt spille en fremtrædende rolle. Røntgenstråling omtales.

Kernestråling, halveringstid.

Energiniveaubetragtninger skal være et fremtrædende begreb ved en diskussion af strålingens fremkomst. Semilogaritmisk papir til halveringstidsbestemmelse skal inddrages i undervisningen.

Eksempler på kernereaktioner.

Overvejende kvalitative betragtninger med eksempler fra videnskab og sagligdag kan være grundlaget for behandlingen.