Virtuelle eksperimenter i fysik

Som mange måske allerede har erfaret, kan man via Internettet få adgang til et stort antal fysikeksperimenter. Det drejer sig hovedsageligt om eksperimenter eller simulationer, der er skrevet i programmeringssproget JAVA. I løbet af de nærmeste år vil der uden tvivl blive adgang til et endnu større udvalg af eksperimenter inden for alle områder af fysikken. Her ser man en af Internettets styrker, nemlig at undervisningsinstitutionerne sammen skaber et meget stort globalt, fælles bibliotek, hvorfra man frit kan hente materiale til brug i undervisningen.

Sådanne eksperimenter, der tillader en interaktivitet, kalder man ofte for virtuelle eksperimenter, og man taler om, at man arbejder i et virtuelt laboratorium.

Eksempler på virtuelle eksperimenter

Impulsbevarelse

I dette meget anskuelige eksperiment kan man studere bevarelse af impuls og kinetisk energi ved stød i 1 dimension. Man har mulighed for at vælge værdier for masser og begyndelseshastigheder for 2 cirkulære legemer, der støder sammen i et centralt stød. Forløbet kan desuden betragtes fra forskellige inertialsystemer. Standardindstillingen er laboratoriesystemet, men man kan også vælge et system fast forbundet med et af de to legemer, eller man kan vælge tyngdepunktssystemet. Endelig er der mulighed for at variere restitutionskoefficienten i intervallet fra 0 til 1, så man kan undersøge alt fra fuldstændigt uelastiske til elastiske stød.

Eksperimentet er en god udvidelse af de traditionelle laboratorieforsøg, man kan udføre på en luftpudebane.

Newtons kanon

Newton beskrev de mulige banekurver for en kanonkugle, der blev affyret fra et højt bjerg på Jorden. I dette simle eksperiment kan man variere affyringshastigheden og iagttage banekurverne. Herved får man et godt indtryk af, hvordan en satellit bevæger sig i sin bane rundt om Jorden.

Hurtigste kugle

I dette eksperiment skal man forudsige, hvad der sker. Vil det være kugle 1, der følger den korte bane eller kugle 2, der følger den krumme og længere bane, som når først frem til enden af banen yderst til højre? Eller vil de to kugler ankomme samtidigt? Man sætter forsøget i gang og iagttager, hvad der sker. Derpå kan man forsøge at forklare resultatet. Predict - Observe - Explain!

Man kan ændre den krumme banes form og se, hvilken indflydelse dette får.

Et enkelt og for mange elever nok lidt overraskende forsøg, der kan pirre deres nysgerrighed. Under alle omstændigheder kan det give anledning til en god diskussion om, hvorfor man dog ikke bygger bakker på almindelige veje, når den krumme bane viser sig at være den hurtigste!

De to eksperimenter Impulsbevarelse og Hurtigste kugle kan findes på en virkelig anbefalelsesværdig adresse, hvor man kan se flere af Fu-Kwun Hwangs enkle eksperimenter: www.phy.ntnu.edu.tw/~hwang/index.html. Denne website har for tiden 20 spejlsites over hele verden. Blandt andet kan man finde én på Tønder Gymnasium på adressen www.toender-gym.dk

På adressen http://www.gamelan.com/directories/pages/dir.java.educational.physics.html finder man for øjeblikket 189 henvisninger enten til enkelte virtuelle eksperimenter eller til websites med en samling af sådanne eksperimenter. Et par af de mere kendte steder er University of Oregon, http://jersey.uoregon.edu/vlab/ og The Internet Pilot to Physics/The Virtual Laboratory, http://physicsweb.org/TIPTOP/VLAB/

Hvorfor virtuelle eksperimenter?

Fysik er et eksperimentelt fag, og det er derfor væsentligt at fastholde traditionen med mange elevforsøg. Eleverne skal lære at opbygge en forsøgsopstilling og indsamle data til efterfølgende analyse og fortolkning. Java eksperimenterne er ikke nok i sig selv, da de ikke frembringer nye data om naturen. De kan kun efterligne, hvad man ellers kan lave i laboratoriet. Dog giver de mulighed for at flytte grænserne i forhold til de sædvanlige forsøg. I laboratoriet kan man således ikke tillade, at eleverne løber nogen sikkerhedsmæssig risiko. I JAVA eksperimenter kan man derimod uden alvorlige konsekvenser opvarme en gas, så beholderen eksploderer med et hørligt knald, eller man kan affyre projektiler med høje hastigheder.

De små JAVA eksperimenter har den fordel, at alle elever kan arbejde med det samme forsøg samtidig. Der kræves kun et passende antal computere.

I det virtuelle laboratorium kan man opstille hypoteser og afprøve dem umiddelbart efter. "Hvad nu hvis"-scenarier kan gennemspilles let og hurtigt. Interaktiviteten udfordrer elevernes kreative evner og kan derfor give et større elevengagement.

Ved simulationerne er det også muligt at illustrere tankeeksperimenter. Der er således lavet eksperimenter, der belyser den specielle relativitetsteori ved at vise bevægelser med hastigheder i nærheden af lyshastigheden, og selv tvillingeparadokset har man illustreret ved hjælp af et virtuelt eksperiment.

De virtuelle eksperimenter kan desuden være værdifulde i forbindelse med fjernundervisning. Det måske lidt tørre, teoretiske lærebogsstof får pludselig tilført en ekstra dimension, når man som studerende kan sidde og eksperimentere hvor som helst og når som helst.

Animationer kan være til stor hjælp i fysikundervisningen fx til at illustrere bølgebevægelse. Det bliver dog først rigtigt godt, når man får mulighed for at gå aktivt ind og variere forskellige parametre, som det er tilfældet i de virtuelle eksperimenter.

På Tønder Gymnasium har en gruppe fysiklærere med Morten Brydensholt som ankermand oversat den tilhørende tekst fra engelsk til dansk til nogle af de kinesiske eksperimenter, der er adgang til fra skolens hjemmeside. På Viborg Katedralskole arbejder fysiklærerne med at undersøge et udvalg af virtuelle eksperimenter. Til nogle af de mere velegnede vil der blive lavet øvelsesvejledninger og arbejdsspørgsmål, hvorefter eksperimenterne vil blive afprøvet i fysikundervisningen.

Hvis de bliver tænkt ind i den rette pædagogiske sammenhæng, vil de virtuelle eksperimenter kunne give en spændende fornyelse af de kommende års fysikundervisning. Brugt på den rigtige måde vil de endog kunne føre til en betydelig ændring i den måde, vore elever lærer fysik på.