Energi og energiomdannelse i fysik/kemi i 7.–9. klasse

Hvad betyder det, at energi skifter form?

Fagplanudkastet beskriver en bevægelse fra hverdagens forståelse af energi til en naturvidenskabelig forståelse. Eleverne skal identificere energiomdannelser og forstå, at energi kan ændre form, mens den samlede energi er bevaret. Se side 8.

Der er derfor forskel på at sige, at energi ikke længere kan bruges til det ønskede formål, og at den er forsvundet. Et energiregnskab kan hjælpe med at vise, hvor energien ender i den afgrænsning, man undersøger.

Eksempel: Et enkelt energiregnskab

Her er vores forenklede regneeksempel. Tallene er opdigtede og beskriver ikke et bestemt apparat. Vi antager, at der ikke ophobes energi i apparatet i det betragtede tidsrum:

Energi i eksemplet	Mængde
Tilført energi	100 joule
Energi overført til det ønskede formål	30 joule
Energi overført til omgivelserne som varme	70 joule

Regnskabet stemmer: 30 + 70 = 100 joule. De 70 joule er ikke væk, selv om de ikke bruges til det ønskede formål i eksemplet. Andelen til det ønskede formål er 30 / 100 × 100 = 30 procent.

Et svar i vores opdigtede eksempel kunne være: “Vi fik 30 joule til det, vi ville bruge apparatet til. De andre 70 joule blev overført som varme til omgivelserne. Vi har stadig gjort rede for alle 100 joule.” Det er en forklaring af tabellen, ikke et citat fra en virkelig elev.

Hvis eleverne sammenligner med et andet regnskab, skal de kontrollere, hvad der er regnet med, og hvad det ønskede formål er. Tallene kan ikke alene afgøre, hvilken virkelig teknologi der samlet er bedst. Det kræver flere oplysninger end dette lille eksempel.

Elektricitet i hjem og samfund

Udkastet fremhæver elektrisk energi som en ressource i hjem, industri og digital teknologi. Indholdet omfatter elproduktion, sammenhænge mellem magnetisme og elektricitet, energikilder, energiformer og energikæder. Produktion, anvendelse og bortskaffelse af elproducerende energikilder indgår i et bæredygtighedsperspektiv. Se side 8.

Det giver mulighed for at undersøge mere end, hvad en energikilde leverer under drift. En sammenligning kan også stille spørgsmål til produktion og senere bortskaffelse. Eleverne må se på, hvilke led oplysningerne dækker, før de bruger dem i en vurdering.

Fra vind til elektrisk energi

I en vindmølle påvirker luften vingerne, så rotoren drejer. Bevægelsen overføres til en generator, enten direkte eller gennem en gearkasse. Energikæden er derfor: vindens bevægelsesenergi → rotorens mekaniske energi → elektrisk energi. Den kæde viser hovedforløbet, men er ikke et fuldt energiregnskab med alle overførsler til omgivelserne. US Department of Energy forklarer møllens dele.

Hvordan hænger generatoren sammen med magnetisme? I en enkel model drejer en ledningsspole i et magnetfelt. Når dens retning ændres, ændres det magnetiske flux gennem spolen: et mål for magnetfeltet gennem dens flade. Denne ændring inducerer en elektrisk spænding. Med en sluttet forbindelse kan der løbe strøm. Magneten er altså ikke et brændstof; modellen kræver tilført mekanisk energi til rotationen. En virkelig generator kan være opbygget anderledes end denne ene spole. Se generatorforklaringen hos OpenStax, Rice University.

Et barn, der siger “magneten laver strøm”, kan derfor uddybe: Hvad bevæger sig? Hvad ændres gennem spolen? Hvor kommer energien til bevægelsen fra? Det er vores spørgsmål til forklaringen, ikke en ekstra officiel opgave.

Et energianlæg har også en før- og efterhistorie

En vindmølle skal fremstilles af materialer, vedligeholdes og til sidst håndteres som komponenter og affald. Det amerikanske energiministerium beskriver blandt andet reparation, længere levetid og genanvendelse. Det fremhæver også, at fiberforstærkede kompositter i eksempelvis vinger kan være vanskeligere at genanvende end andre materialer. Kilden beskriver amerikanske forhold; den fastlægger ikke danske affaldsregler. Se kilden om vindmøllers livscyklus.

Vores tænkte sammenligning er at reparere en eksisterende mølle eller erstatte den. Reparation kan mindske behovet for nye dele. En ny mølle kan have en anden elproduktion, men kræver også fremstilling. For at afgøre forskellen mangler vi blandt andet data om materialer, reparationens omfang, resterende levetid, forventet elproduktion og håndtering af de kasserede dele. Sammenligningen bør bruge samme tidsrum og samme mål for leveret elektricitet. Vi har ikke udført en livscyklusberegning og kan ikke udpege en vinder.

Spænding, strømstyrke, modstand og effekt

Spænding, strømstyrke, modstand og effekt er nævnt i forbindelse med elektriske kredsløb. Simpel programmering til elektronisk styring er også med. Se indholdslisten på side 8.

Målet beskriver, at eleverne bygger og afprøver kredsløb for at udvikle løsninger på enkle udfordringer med elektronisk styring. De skal samtidig forholde sig til deres egen og samfundets afhængighed af elektricitet. Se side 9. Denne guide er ikke en byggevejledning; konkrete opstillinger og sikkerhedsrammer hører til det lærerplanlagte arbejde.

Spænding er en forskel i elektrisk potentiel energi pr. ladning mellem to punkter og måles i volt. Strømstyrke angiver ladning pr. tid gennem et tværsnit og måles i ampere. Modstand forbinder spænding og strømstyrke; for en ohmsk modstand gælder U = R × I. Effekt er overført energi pr. tid, målt i watt. I vores jævnstrømsmodel er P = U × I. Watt og joule betyder derfor ikke det samme. Se sammenhængene hos OpenStax.

Her er vores opdigtede kredsløbsregnestykke, ikke en byggevejledning: En ideel kilde holder 6 volt over en modstand på 12 ohm. Vi ser bort fra ledningsmodstand og temperaturændringer. Strømstyrken bliver 6 / 12 = 0,5 ampere. Effekten bliver 6 × 0,5 = 3 watt. På 10 sekunder overføres 3 × 10 = 30 joule, som bliver til termisk energi i modstanden. Hvis modstanden fordobles ved samme spænding, bliver strømstyrken halveret. Forudsætningen om konstant modstand er vigtig; virkelige komponenter opfører sig ikke alle som denne model.

Simpel styring: Hvad sker der ved grænsen?

Elektronisk styring forbinder en registrering med en beslutning og en handling. Vores eget tænkte eksempel er en lampe styret af en lyssensor. Vi vælger en kunstig skala, hvor større tal betyder mere lys, og reglen: Hvis målingen er mindre end 40, tænd lampen; ellers sluk den. Skalaen og grænsen er opdigtede og er ikke en bestemt sensors specifikation.

Måling i vores eksempel	Er målingen mindre end 40?	Handling
39	Ja	Tænd
40	Nej	Sluk
41	Nej	Sluk

Tabellen afprøver også grænsen: “mindre end” er ikke “mindre end eller lig med”. Hvis en afprøvning giver et andet resultat, kan eleven undersøge, om fejlen ligger i målingen, betingelsen eller forbindelsen til lampen. Eksemplet viser programlogik, ikke valg af komponenter eller tilslutning til lysnettet. Det er vores illustration af udkastets elektroniske styring; udkastet kræver ikke denne sensor, tærskel eller et bestemt programmeringssprog.

Bølger transporterer energi

Området omfatter også energi som bølgefænomen. Eleverne sammenligner forskellige bølger og arbejder med amplitude, bølgelængde og frekvens. Målene beskriver undersøgelser af bølger og energitransport og at kunne generalisere bølgers egenskaber. Se side 8 og side 9.

Når barnet viser en bølgetegning, kan du spørge, hvad akserne viser. Er den vandrette akse tid eller afstand? Det har betydning for, hvordan tegningen skal læses. At to kurver ligner hinanden, er ikke nok til at konkludere, at alle egenskaber ved de beskrevne bølger er ens.

Spørgsmålene er vores hjælp til at læse en model, ikke en særskilt officiel målliste.

En bølge er en forstyrrelse, der udbreder sig. I en snor kan udsvinget være på tværs af udbredelsesretningen; lyd i luft består af trykvariationer langs den. Et udsving på en kurve behøver derfor ikke vise, at luften bevæger sig op og ned. Bølgen kan transportere energi, mens stoffets lokale bevægelse er en anden end bølgens udbredelse. OpenStax beskriver forskellen mellem bølgetyperne.

I vores opdigtede snormodel viser et øjebliksbillede afstand vandret og udsving lodret. Fra ligevægtslinjen til toppen er der 2 centimeter: amplituden. Fra én top til næste er der 0,8 meter: bølgelængden. En anden graf følger ét punkt over tid. Her går der 0,4 sekunder mellem to toppe: perioden. Frekvensen er 1 / 0,4 = 2,5 hertz, altså 2,5 svingninger pr. sekund. Bølgehastigheden bliver 0,8 / 0,4 = 2 meter pr. sekund. Man kan ikke læse bølgelængden direkte af tidsaksen.

Tallene er vores egne, og modellen er en regelmæssig bølge. En virkelig måling kan være ujævn. Amplituden angiver udsvingets størrelse, ikke antallet af svingninger pr. sekund. At en snor og en lydbølge begge har frekvens og bølgelængde betyder heller ikke, at de har samme hastighed eller samme fysiske udsving.

Hvad kan barnet forklare med sin opgave?

I energiregnskabet kan eleven forklare, hvilke overførsler der er med, og hvorfor summen skal stemme med eksempellets forudsætninger. I et kredsløbsforløb kan eleven beskrive den udfordring, løsningen skulle løse, og hvad afprøvningen viste. Ved en bølgemodel kan eleven vise, hvilke egenskaber der sammenlignes.

Bed barnet pege på en bestemt del af sin opgave. I vores tabel kan du for eksempel spørge, hvor de 70 joule ender. I en tegning af et kredsløb kan barnet vise, hvad det ville styre. Spørgsmålene er vores forslag til en samtale.

Området gælder samlet for 7.–9. klasse og er ikke fordelt på bestemte årgange her. Se trinforløbet på side 6.

Fra Fælles Mål til fagplanen

Fælles Mål-oversigten nedenfor angiver forventninger efter 9. klasse. Udkastets beskrivelse gælder hele trinforløbet 7.–9. klasse. Ingen af delene fordeler vores eksempler på bestemte årgange, og regnestykkerne her er ikke en officiel liste over formler, eleverne skal mestre.

Fælles Mål har allerede energiomsætning som område. Den detaljerede oversigt nævner undersøgelser af energiomsætning, elektricitet og magnetisme, energitransport og lagring samt modeller af elektriske kredsløb og energikæder. Den rummer også diskussion af samfundets energiforsyning. Bølger står under partikler, bølger og stråling, mens elektronisk styring og simpel programmering optræder under produktion og teknologi. Se side 5.

Udkastet samler flere af disse forbindelser i energi og energiomdannelse og nævner energibevarelse direkte i et mål. Elproduktion og bølgeegenskaber er beskrevet i samme område som elektronisk styring. Det er ændret organisering og formulering, ikke belæg for at kalde elektricitet, bølger eller programmering helt nye emner.

Sammenligningen er afgrænset til de nævnte forventninger. Fælles Mål-dokumentets statusforbehold på side 1 forklarer ændrede regler og skellet mellem bindende kompetencemål og vejledende færdigheds- og vidensmål. Fagplanen er et udkast.