Lysets egenskaber - Naturvidenskabsstrategien - STX

Lys har altid fascineret os mennesker. Hvad er lys, hvordan bevæger det sig, og hvilke egenskaber har det? Dette er bare nogle af de spørgsmål, der kan forundre os igen og igen. Dette forløb tager afsæt i nogle af disse spørgsmål og prøver at give eleverne en forståelse af dette gennem interaktive virtuelle simulationer, som lader eleverne selv prøve at lege med spørgsmålene og forhåbentlig derigennem få en bedre forståelse af lys som begreb.

Forløbet består af seks moduler à 90 minutter. Modulerne kan afvikles som et samlet forløb eller som enkeltstående aktiviteter.

Oversigt	Indhold
1. modul og 2. modul	Egenskaber af bølger og lys. Lær om bølgers egenskaber såsom bølgelængde, amplitude, frekvens, hastighed, interferens, superposition.
3. modul	Brydning af lys. Lær om brydning, brydningsindeks, strålegang, Snells lov, total refleksion.
4. modul	Bølge-/partikeldualitet. Lær om bølge-/partikeldualitet, den fotoelektriske effekt, kvanter.
5. modul	Samlende simulation fra Labster. Lær om begreberne fra de fire første moduler samt polarisering.
6. modul	Opsamling på forløbet.

Planlægning/overvejelser

Forløbet består af moduler, der hver især giver indsigt i nogle af lysets egenskaber. Dette gøres ved at anvende en lang række online virtuelle laboratorieøvelser fra en række forskellige udbydere. Tanken er, at eleverne får en øget forståelse og indsigt i emnet lys ved selv at have haft fingrene i simuleringerne og diverse parametre m.m.

Forløbet lægger sig op ad de faglige mål for ”lyd og lys” i læreplanen for fysik niveau A, B og C på stx.

Forløbet belyser især følgende faglige begreber: Bølger, frekvens, amplitude, hastighed, interferens, brydningsindeks, bølge-/partikeldualiteten, den fotoelektriske effekt og polarisation.

Materialet, der bruges til dette forløb, er fra henholdsvis Labster, PhET (University of Colorado), Physics Classroom og viten.no.

Materialerne fra PhET, Physics Classroom og viten.no er gratis (nogle øvelser på PhET samt viten.no er sågar oversat til dansk). Nogle af materialerne fra Labster er frikøbt og derfor frit tilgængelige for alle frem til og med juni 2020. Derefter vil det sandsynligvis blive brugerbetaling.

Det kan overvejes at lade eleverne arbejde i tomandsgrupper undervejs, så de sidder to sammen om en computer og snakker om deres indstillinger, valg og resultater løbende.

Til flere af øvelserne er der omfattende undervisningsmateriale fra udviklernes side. Det anbefales, at læreren prioriterer de forskellige spørgsmål til hver øvelse og bruger det som afsæt til undervisningsdifferentiering. Hvilke spørgsmål, der udvælges, afhænger af, om forløbet køres på A-, B- eller C-niveau.

Materialerne, der anvendes til dette forløb, er primært online. Derudover anbefales det, at der suppleres op med teoriafsnit fra den fagbog, som nu engang anvendes i klassen.

Forløbet kan bruges i et tværfagligt samarbejde med:

Informatik – hvor eleverne selv kan prøve at lave nogle simple simuleringer af lys i fx scratch.
Biologi – eleverne kan se på den biologiske del af lys og koble det til dette forløb, herunder fotosyntese, polarisering og 3D-film (hvordan ser vores øjne 3D).

Forløbets opbygning

1. og 2. modul: Egenskaber af bølger og lys

I de første moduler arbejdes der med de helt grundlæggende egenskaber af bølger og lys, herunder begreber som bølgelængde, amplitude, frekvens, hastighed, interferens m.m. Det anbefales, at eleverne har læst tilhørende teoriafsnit om emnerne som lektie i den fagbog, der bruges i klassen. Afsnittene behøves dog ikke at blive gennemgået, inden simuleringerne tages i brug. Anvend i stedet simuleringerne til, at eleverne skaber forståelse af den læste lektie.

Det anbefales, at eleverne arbejder med følgende simuleringer i den nævnte rækkefølge:

Start med at bruge Simple Wave-simulatoren (physicsclassroom.com).

Dette er en meget simpel bølgesimulator, men ved at bruge arbejdsspørgsmålene kan der hives noget godt fagligt ud af simulatoren – især på C-niveau.

Arbejdsspørgsmål til bølgesimulatoren kan findes her (physicsclassroom.com).

Det anbefales, at eleverne besvarer alle arbejdsspørgsmål, dvs. 1, 2, 3, 4 og 5. Disse 5 spørgsmål er hver især ret små, men meget indsigtsfulde (spørgsmål 5 kan lettest undværes).

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Når eleverne er færdige med den simple bølgesimulator, kan de passende gå til interferens med Wave Addition-simulatoren (physicsclassroom.com).

Her begynder der at komme lidt mere kød på simuleringen, og flere af arbejdsspørgsmålene kan udfordre eleverne.

Arbejdsspørgsmål til denne simulator kan findes her (physicsclassroom.com).

Start med at lade eleverne læse afsnittet om ”Getting acquainted”. Lad derefter eleverne arbejde sig igennem alle spørgsmålene/punkterne 1 til 11 under afsnittet ”Procedures and questions” for derigennem at få en god forståelse for interferens og superposition.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Det næste naturlige skridt er at fokusere på interferens af lys i særdeleshed. I den forbindelse anbefales Wave Interference-simulatoren (phet.colorado.edu).

Arbejdsspørgsmål til denne simulator kan findes her under afsnittet ”For lærere” (phet.colorado.edu).

Det anbefales, at eleverne arbejder med spørgsmål 1 til 5 ud af de 6 spørgsmål, som er skrevet i det nederste afsnit om ”Suggestions for use”. Spørgsmål 6 er tiltænkt, at man arbejder videre med gitterligningen, hvilket ikke er hensigten i disse moduler. Men det kan man passende vende tilbage til i et senere modul efter forløbet. Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Til sidst i de to moduler (hvis der er tid) kan eleverne passende arbejde med at få bestemte stående bølger ud i Standing Wave Patterns-simulatoren (physicsclassroom.com).

Der er som sådan ikke nogen arbejdsspørgsmål til eleverne til denne simulation. Fra udviklernes side knyttet et par kommentarer, som kan læses her (physicsclassroom.com).

Det anbefales, at eleverne selv prøver sig frem med at lave nogle stående bølger gennem interferens og superposition.

Prøv evt. at få dem til at lave:

En superposition af de to bølger, så den resulterende bølge ser ud til at gå fra højre mod venstre, selvom de to andre bølger går fra venstre mod højre.
Få eleverne til at overveje, hvad den fysiske forskel er på ”Node” og Antinode” i simulationen.
Få eleverne til at overveje, hvad forskellen er på de tre forskellige forhåndsindstillede bølger i simuleringen – ”Two fixed ends”, ”One open end” og ”Two open ends”.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Forløbet kan evt. krydres til sidst med nogle tanker om den kvantefysiske verden for at prikke til elevernes nysgerrighed/opfattelse af den fysiske verden. Brug fx en eller flere af følgende videoer fra Minute Physics til at gøre det kort og kontant:

Schrödinger’s Cat her på YouTube.
What is the Uncertainty Principle? her på Youtube.
Physics: Waves in General her på YouTube. (En lidt dårlig kvalitet kopivideo, men den har nogle ok pointer om bølger generelt)

Vigtige læringsbegreber: Bølgelængde, amplitude, frekvens, hastighed, interferens og superposition.

3. modul: Brydning af lys

I dette modul berøres begrebet om lys som bølger. Helt specifikt ses der nærmere på refleksion, brydning og brydningsindeks. Det anbefales, at eleverne som lektie har læst relevante afsnit fra deres fysikfagbog.

Til at belyse brydning kan følgende simulationer passende bruges i denne rækkefølge:

Brydning (refraction)

Start med at lade eleverne arbejde med Refraction-simulatoren (physicsclassroom.com).

Det anbefales, at eleverne arbejder med de dertilhørende spørgsmål, som kan findes her (physicsclassroom.com).

Konkret anbefales det, at eleverne inden øvelsen udfylder de seks indledende spørgsmål under ”Background”. Derefter kan de ved anvendelse af simulationen arbejde sig gennem de 11 spørgsmål under ”Questions”.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Mere brydning

Som supplement til simulationen fra Physics Classroom under 1) kan simulationen fra PhET passende bruges (phet.colorado.edu). Den tilbyder mange af de samme funktionaliteter, men eleverne har i denne simulation derudover mulighed for at indstille brydningsindekserne af de to materialer helt præcist via sliderbars samt mulighed for at se lyset som bølger i simulationen. Dette kan hjælpe på forståelsen hos nogle elever samt give mulighed for mere åbne spørgsmål og besvarelser.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Livredderdilemmaet

Modulet med brydning af lys kan passende krydres med det klassiske livredderdilemma: I hvilken retning skal livredderen løbe på stranden for at ramme vandet det mest optimale sted, hvorefter han svømmer, således at han kommer hurtigst muligt frem til den druknede person. Livredderen løber hurtigere på stranden, end han svømmer i vandet, på samme måde som lys bevæger sig hurtigere i et medie med et lavt brydningsindeks ift. et medie med et højt brydningsindeks. Simulationen kan findes her (physicsclassroom.com).

Arbejdsspørgsmål til denne simulator kan findes her (physicsclassroom.com).

Afhængig af hvor meget tid, der er tilbage i modulet, anbefales det at tage arbejdsspørgsmålene mere eller mindre slavisk. Hvis tiden er knap, kan man bede eleverne tjekke efter, hvilke vinkler der er optimale for fx tre værdier for hastigheden på strand og vand. Hvis tiden er meget knap, kan simulationen bruges som demonstrationsforsøg fælles for klassen.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Modulet kan passende afsluttes eller bare krydres undervejs med denne video fra Minute Physics:

The Speed of Light in Glass på YouTube.

Modulet kan med fordel senere suppleres af et modul med strålegang af lys – altså med linser af forskellig art (physicsclassroom.com).

Vigtige læringsbegreber: Brydning, brydningsindeks, strålegang, Snells lov og total refleksion.

4. modul: Bølge-/partikeldualitet

I modulet arbejdes der med lys som både bølger og partikler. Det anbefales, at eleverne har haft passende lektier for i teoriafsnit i deres fagbog. Problematikken kan passende belyses i starten af modulet fælles for eleverne med de følgende to videoer fra Minute Physics:

The Wave/Particle Duality – Part 1 på YouTube

The Wave/Particle Duality – Part 2 på YouTube

Lad i den forbindelse eleverne fundere over videoernes pointer. Gerne en video ad gangen.

Gå derefter videre til simuleringerne.

Den fotoelektriske effekt

Modulet fokuserer især på den fotoelektriske effekt. Til det formål kan simulationen på PhET passende anvendes (phet.colorado.edu).

Bemærk, at denne simulation skal downloades og køres lokalt på elevernes PC’er. Simulationen findes ved at søge på Fotoelektrisk effekt.

Arbejdsspørgsmål til denne simulator kan findes her under afsnittet ”For lærere" (phet.colorado.edu) -> PDF med ”Lærertips”. Bemærk her de faldgruber, som udviklerne peger på med elevers forståelse af den fotoelektriske effekt. Det anbefales at lade eleverne arbejde lidt med spørgsmålene nævnt under afsnittene ”Suggestions for sim use”. De sidste tre spørgsmål er dog nok mest til A-niveau eller til undervisningsdifferentiering.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Som supplement til dette modul kan der passende anvendes fysikopgaverne om kvanter, som findes under Fysik 2 – se dette link på viten.no. Siden er på nynorsk, men burde være forståelig nok for eleverne. Disse opgaver er en form for interaktive opgaver, hvor eleverne gennem simulationer kan besvare spørgsmål om deres viden inden for nogle af kvantemekanikkens vigtigste pointer med lys.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Vigtige læringsbegreber: Bølge-/partikeldualitet, den fotoelektriske effekt og kvanter.

5. modul: Samlende simulation fra Labster

I dette modul skal eleverne arbejde med en stor sammenhængende simulation fra Labsters virtuelle laboratorieøvelse Light and Polarization. Simulationen kan findes her, men kræver login på api2-uk.labster.com.

Det anbefales, at eleverne arbejder sig igennem øvelsen fra den ene ende til den anden. Øvelsen er selvforklarende undervejs og med guides og tutorials, så eleverne kan bare kaste sig ud i det. Eleverne kan passende være 2-3 om en PC med øvelsen og så snakke om resultaterne undervejs. Selve den virtuelle laboratorieøvelse dækker mange af de grundlæggende begreber ved lysbølger, såsom den fotoelektriske effekt, det elektromagnetiske spektrum, fotoner, laboratorieopstillinger, Snells lov, polarisering m.m. Øvelsen er bygget op med et teoriafsnit, eleverne kan læse, og undervejs vil der være nogle multiple choice-spørgsmål, der tester elevernes teoretiske viden. Desuden er simulationen bygget op i et flot 3D-miljø, som minder betydeligt mere om de spil, eleverne er vant til at spille, fremfor simulationerne i de andre moduler. Derfor er simulationen også lidt krævende i beregningskraft, og ikke alle PC’er vil kunne trække den.

Bemærk, at simulationen kan virke ret ”ført” af Labster med meget præcise ting, eleverne skal gøre undervejs, og derfor har de ikke så frie hænder som i nogle af de andre simulationer. Det anbefales derfor at italesætte dette over for eleverne på forhånd og sige, at hvis de er strukturerede og nøje, kommer de lige igennem simulationen.

Nedenfor ses et screendump af simulationen:

Hvis eleverne bliver færdige før tid, kan man passende have noget evaluering eller konstruktion fra sjette modul klar i baghånden som lærer.

Vigtige læringsbegreber: Ny tilgang til alle begreberne fra de fire første moduler samt polarisering.

Evaluering og refleksion

6. modul: Opsamling på forløbet

Det anbefales at bruge dette sidste modul på at samle op på det samlede forløb – og især delen fra Labsters simulation i femte modul. Dette kan enten gøres som et modul for sig eller måske presses ind til sidst i modulet med Labster. Formålet er at sikre sig, at eleverne har fået de vigtigste pointer ud af de forskellige simulationer i de forskellige moduler, især den noget længere simulation fra Labster. En måde kunne være at hive spørgsmålene fra Labster ud i fx Kahoot. Altså lade eleverne få de samme spørgsmål igen, som de fik i Labster-simulationen, men denne gang i Kahoot. Årsagen til dette er, at nogle af begreberne og spørgsmålene i simulationen godt kan være lidt svære og derfor godt kan tåle en gentagelse.

En måde at repetere/vurdere læringsudbyttet for det samlede forløb er gennem en elevkonstrueret Kahoot (kahoot.it), hvor eleverne i små grupper (2-3 personer) laver et eller flere spørgsmål til en stor samlet Kahoot til alle elever, eller de laver hver deres lille Kahoot til at teste de andre elever.

Til evaluering kan der benyttes en af de mange mulige evalueringsformer – en god oversigt kan findes her (marinos.dk).

Den faglige del kan således til dels klares gennem Kahoot eller idéer fra evalueringssiden (såsom Quiz og byt eller en af de andre). Hvis man ønsker at evaluere, hvordan eleverne har betragtet det at bruge simuleringer i undervisningen, kan man passende også anvende metoder fra evalueringssiden (såsom 3-2-1-metoden, SWOT eller andet).

Ekstra

Som supplement til forløbet kan man evt. kigge nærmere her:

På linket til lys og stråling her (phet.colorado.edu) er der en række andre øvelser omhandlende lys, som med fordel kan danne grundlag for andre moduler.

På linket til the Physics Classroom her (physicsclassroom.com) er der en række andre øvelser omhandlende lys, som med fordel kan danne grundlag for andre moduler.

På linket til regnbuesimulationen her (datalyse.dk) er der nogle små simple øvelser om de fleste af lysets egenskaber. Den er ældre af natur, men kan overvejes at inddrages for at fremhæve en pointe.

Kreditering

Forløbet er udarbejdet af Mikkel Heise Kofoed, 2019, projektleder ved Science Talenter, Astra.