AT-2016 Fysik

Her er redaktøren for fysiks forslag til hvordan fysikfaget kan indgå i årets AT-tema. Skriv gerne dine forslag til redaktøren på michael.brix.pedersen@gmail.com

Inspiration til AT med fysik 2016

Materialet på denne side er til inspiration. Materialet er ikke en del af ministeriets officielle ressourcerum.

Fysikkens love sætter grænser for hvad der er muligt. Men fysikkens love har gennem tiderne ændret sig, efterhånden som man har opdaget nye sider af Naturen.

Man kan derfor benytte fysik i årets AT på flere måder. En måde er at undersøge hvilke grænser fysikken - med den viden vi har nu - sætter for hvad der er muligt.

Lysets fart - den øverste grænse

relativitetsteori

I Einsteins specielle relativitetsteori fra 1905 fik lyset fart en helt central placering  med antagelsen om, at lysets fart er den samme i  alle inertialsystemer. Sammen med den anden grundantagelse om, at fysikkens love er de samme i alle inertialsystemer kan man udlede, at der er en øvre grænse for ethverts objekts fart, nemlig lysets fart c.

Lysets fart som en øvre grænse

Hvordan fremkommer lysets fart som en øvre grænse for bevægelse i Einsteins relativitetsteori og på hvilket historisk grundlag (erfaringer, eksperimenter) byggede Einstein sin antagelse om, at lysets fart er den sammen i alle inertialsystemer?

Hvordan afspejles det matematisk i relativitetsteorien at lysets fart er en øvre grænse?

Her kan man kombinere fx fysik og historie (analyse af historiske kilder til relativitetsteorien, Michelson-Morleys forsøg på at påvise en ætervind) eller fysik og matematik (matematiske egenskaber af gammafaktoren (går asymptotisk mod uendelig for farten v gående mod c). Hvordan er i relativitetsteorien bevægelsen af et legeme, der er påvirket af en konstant kraft?

Man kan benytte matematiske og fysiske metoder til at undersøge den klassiske grænse af relativitetsteorien: Hvordan fremkommer den Newtonske fysik som "den klassiske grænse" af relativitetsteorien. Relativitetsteorien skal give de velkendte klassiske formler når legemer bevæger sig med fart v << c.

Inddrager man den generelle relativitetsteori fra 1916 opstår nye grænser eller muligheder for at bryde grænser.

Grænser for tidens gang

Et bevæget ur går langsommere relativt til et stationært. Dette giver anledning til det berømte tvillinge"paradoks" (som slet ikke er et paradoks men en sand egenskab ved tid og rum). En tvilling på en lang og hurtig rundrejse  væk fra og tilbage til sin tvilling på Jorden vil ældes langsommere end denne. Er der grænser for at rejse i tiden? Er der matematisk  og fysisk mulighed for direkte at rejse tilbage i tiden (ormehuller)?

Rummet som grænse

Når man rejser ind mod et sort hul vil man passere en usynlig men alligevel meget håndfast grænse, nemlig Schwarzschild radius for det sorte hul. Sorte huller er fascinerende objekter både i fysik og som skildret i litteratur og på film. Man kan her undersøge det sorte hul som en fysisk grænse.

Sorte huller er flere gange skildret på film, fx i "Interstellar" (som har meget af fysikken i orden, Science of Interstellar) og ormehuller i "Contact". En god bog, hvor fysikken er korrekt beskrevet er Kip Thorne: "Black Holes and Time Warps: Einsteins outrageous Legacy". Godt foredrag af Kip Thorne om sorte huller, ormehuller og detektion af gravitationsbølger

 

Entropi - grænser for orden. Universets grænser.

universet-udvikling.jpg

I fysik er entropiændringen dS = dQ/T et mål for ændringen i mængden af "uorden" i ethvert fysisk system. Termodynamikkens anden hovedsætning siger, at entropien i universet altid vil vokse. Hvilke fysiske konsekvenser har denne grænse. Hvordan vil denne lovmæssighed påvirke universets udvikling på langt sigt? ("universets varmedød" i grænsen, hvor tiden går mod uendelig (en manglende grænse) vil alle temperaturændringer udjævnes). Man kan her benytte metoder fra matematik og fysik til at studere problemet. En klassiker i denne sammenhæng er Freeman Dysons artikel "Time without end: Physics and Biology in an open Universe". Hvilke grænser er der for livet, (fysik og biologi) når alle temperaturforskelle på langt sigt udjævnes?

I denne sammenhæng er kosmologi og partikelfysik et oplagt emne. Har tiden en grænse? (begyndelse). Har Universet en grænse (er universet åbent eller lukket - hvorfor)?  Her vil det være relevant at undersøge kosmologiske modeller (Friedman-ligningen) med metoder fra fysik og matematik (se modulet om "Kosmologi").

Hvor langt kan man "se tilbage" i tiden vha teleskoper (WMAP og den kosmiske baggrundsstråling).Man kan ikke se længere tilbage end til det tidspunkt (ca. 380.000 år efter Big Bang) hvor universet blev gennemsigtigt for fotoner (ca. 3000 K varmt). Hvorfor er der denne grænse - og vil der være mulighed for at overskride den (måling på gravitationsbølgers polarisation).

Heisenbergs usikkerhedsrelation - grænser for viden

schroedinger.png

Heisenbergs usikkerhedsrelation ΔxΔp ≥ h/(2π) sætter i kvantemekanikken grænser for samtidig viden om position og impuls. Hvordan udtrykker Heisenbergs usikkerhedsrelation grænser for viden om atomare fysiske systemers opførsel? Viden og metoder fra fysik og matematik (matematisk beskrivelse af bølgepakke. Schrödingerligningen. Dobbeltspalteforsøget, herunder moderne realiseringer af dobbeltspalteforsøget).

Maxwells dæmon - grænser for information

Mawwells dæmon

Maxwells dæmon er et tankeeksperiment, hvor termodynamikkens  2. hovedsætning (at entropien i Universet altid vokser) tilsyneladende bliver brudt. Der er en dyb sammenhæng mellem entropi og information. Hvilke begrænsninger sætter termodynamikkens 2. hovedsætning for opnåelse af information om et fysisk system? Man kan angribe dette problem med både metoder fra fysik, fra informationsteori/matematik og filosofi. En god, letforståelig, AT-venlig reference er kapitel 1 og 2 i Tor Nørretranders bog "Mærk Verden" (Gyldendal, 1991).

Fysikkens grænser ved rejser

apolloraket.jpg

Apolloprojektet fysik og matematik (raketligningen), fysik og historie (rumkapløbet)

Rumsonder og rejser i Solsystemet fysik og matematik (gravitation; Hohmann-baner). Fremdrift af raketter og satellitter (ionmotor, solsejl, atomreaktor)

Rejsen til Jordens indre  fysik (geofysik for jorden, hvad er grænsefladerne for de forskellige dele af Jordens indre (kappe/kerne; Hvad sætter grænser for vor viden om strukturen af Jordens indre) og engelsk/dansk (Jules Vernes skildring af rejsen til Jordens indre)

James Cameron og DeepSea Challenge
fysik (tryk som funktion af dybden, innovativ brug af nye materialer, opdrift) og naturgeografi eller fysik og mediefag eller fysik og dansk

Bestigningen af Mount Everest fysik (trykkets afhængighed af højden, temperaturer, vind), naturgeografi eller historie (kilder til belysning af opstigningen)

Baser på Månen eller Mars

Her kan man måske få et innovativt aspekt ind. Man kunne også se på hvilke fysiske grænser hovedpersonen i  filmen "The Martian" (dansk/mediefag) oplever (hovedpersonen skal i øvrigt være innovativ for at overleve).

Lydens fart som grænse

Baumgartner

Felix Baumgartner og Joe Kittinger

Hvilken fart skal man opnå hvis man vil falde supersonisk ned gennem atmosfæren? Hvilke grænser skal man bryde for at opnå dette? I bogen "Hvad er matematik A" af Bjørn Grøn m.fl. kan findes god inspiration til matematiske og fysiske overvejelser til at belyse denne sag.

Lydmuren - supersonisk flyvning

Hvad er "lydmuren" og hvorfor var den svær at bryde? Hvordan skildres dette i filmen "The Right Stuff"? (fysik og mediefag eller dansk eller engelsk)

Temperaturen som grænse

superleder-levitation.jpg

Det absolutte nulpunkt

Hvad betyder det absolutte nulpunkt som grænse for fysikken? Er der stadig "plads på bunden". Man kan tage udgangspunkt i Richard Feynmans artikel "There is plenty of room at the bottom".
Lavtemperaturfysik: Superledere (overgangstemperaturen, der skiller den normale tilstand fra den superledende er en grænse). 

Fusion og energi ved fusion

Selv om der ikke eksisterer en øvre temperatur, er der stadig grænser "opadtil" hvis man fx ser på fusionsprocesser. Hvilke grænser skal man overskride for at opnå fusion? "Plasmafysik og fusionsenergi - fremtidens energikilde" (Fysikforlaget) af Bodil og Henning Heiselberg er et godt udgangspunkt. Her skal man lave fysisk og matematisk modellering af kerner, plasma og fusionsreaktorer. Man kan også kombinere med fx samfundsfag og diskutere grænser for energiproduktion.

Fronter - grænseflader i vejrsystemer

Vejrkort

På grænsen mellem kold og varm luft opstår der meget "vejr". Hvordan dannes høj- og lavtryk, hvorledes bevæger de sig og hvad sker fysisk, når de kolliderer. Man kan her komme ind på Corioliskraft, trykforskelle, kold- og varmfronter m.m. Fagene naturgeografi og fysik hører her naturligt sammen til belysning af problemstillingen.

Willy Dansgaard: "Klima, vejr og menneske" (Geografforlaget, 1987) er et godt udgangspunkt til forståelse af fysikken bag vejrsystemer på gymnasieniveau. Tilsvarende god er "Det danske vejr" (Gyldendal, 2006) af Jesper Theilgaard.

Radioaktivitet og grænseværdier for stråling

En dødelig kop te

I 2006 døde den afhoppede russiske ex-spion Alexander Litvinenko efter at have indtaget en kop te forgiftet med en radioaktiv isotop af Polonium. Her blev der tydeligvis overskredet grænser på flere måder. Hvor stor en dosis indtog han egentlig, og hvilke grænser er der for hvor meget radioaktivt stråling et menneske kan tåle? Hvorfor benyttede man Polonium, og hvordan kunne man konstatere at det var Polonium, der blev benyttet. Samfundsfag  eller historie (hændelsen og baggrunden belyst vha passende kilder) kunne være det andet fag. Se opgave 6a i Fysikolympiaden, indledende runde fra 2007. (http://www.ipho2013.dk/fysikolympiade/indledende2007.pdf) og en løsning her: http://www.ipho2013.dk/fysikolympiade/indledende2007-loesning.pdf

Den engelske undersøgelseskommisions konklusioner kan findes her: http://www.bbc.com/news/uk-35371344

Fukushima

Også ved Fukushima-kernekraftværkets sammenbrud blev der overskredet grænser for  strålingsdoser. Hvilke radioaktive stoffer slap ud og hvor skadelige er de - hvilke grænseværdier skal man under for at kunne flytte sikkert tilbage til området? Samfundsfag og fysik

Se også EMU-modulet om kernekraft.

Radon i boliger

Her kan man eventuelt få et innovativt aspekt ind: Hvordan reducerer man radon i boliger?

Produceret i samarbejde med

Centre for Undervisningsmidler

Centre for Undervisningsmidler har ansat 30 fagredaktører med solidt kendskab til pædagogik og undervisning til at udvikle fagsiderne til de gymnasiale uddannelser på EMU (STX/HF). Fagsiderne udvikles og vedligeholdes i samarbejde med de faglige foreninger og Undervisningsministeriet.

Se mere om samarbejdet her.

CFU findes også på EMUen. Siderne vedligeholdes af CFU selv - se her. Her kan skolerne søge information om landsdækkende aktiviteter, ligesom man kan finde CFU-centrenes lokale websites.

cfu-v1.png

Relaterede links

En klassiker af fysikeren Freeman Dyson.