Vindenergi

Denne oppgavesamlingen knytter sammen naturvitenskap, teknologi og samfunn i det vi setter søkelyset på samfunnets behov for fornybar energi. Oppgavene setter dermed vitenskapelige spørsmål inn i en ”sosial kontekst”. Oppgavesamlingen øver elevene opp i å anvende og veksle mellom eksperimentell, grafisk og begrepsmessig representasjon knyttet til det fysiske fenomenet vindenergi.

Vindmølle

Noen elever bygde en liten vindmølle og festet blader med ulik lengde, bredde og vinkel til mølla. De brukte en vifte med to hastigheter (høy og lav) som vindkilde.

Elevene koplet en generator til mølla for å skape elektrisk strøm, og de brukte et voltmeter for å måle møllas evne til å gi elektrisk potensiell energi. Diagrammet viser elevenes måleresultater.

Elevene hadde tre hypoteser de ønsket å teste ut:

  1. Et langt blad produserer mer energi enn et kort ved samme vindhastighet.
  2. En vinkel på 45º er den mest effektive av alle vinkler mellom 0 og 90º.
  3. Lav vindhastighet skaper mindre energi enn høy vindhastighet.

 

Hvite stolper: lav vindhastighet, grå stolper: høy vindhastighet.
Bladenes lengde og bredde (12x3 cm og 9x4 cm) samt vinkel er oppgitt. Hvite stolper: lav vindhastighet, grå stolper: høy vindhastighet. Bladenes lengde og bredde (12x3 cm og 9x4 cm) samt vinkel er oppgitt.

  • Vindenergi 1

    For å teste hypotesene sine hadde elevene noen variable (bladenes lengde, vindhastighet) og noen konstanter (bladenes overflateareal).

    Hva forklarer BEST hvorfor elevene holdt bladenes overflateareal konstant?

    A For å holde energiproduksjonen lik ved høy og lav hastighet.

    B For å holde energiproduksjonen på bladene lik for lange som for korte blader.

    C For å holde vindkraften på bladene lik ved høy og lav hastighet.

    D For å holde vindkraften på bladene lik for lange som for korte blader.

    Løsningsforslag

    Alternativ D er det beste svaralternativet. Ved å holde energiproduksjonen lik (alternativ A og B), får ikke elevene data som kan brukes til å teste noen av de tre aktuelle hypotesene. Mange elever velger alternativ C, men det er bare ved å holde vindkraften lik for lange som for korte blader (kontroll av variabel) at hypotese 1 kan testes.

  • Vindenergi 2

    Se på elevenes målinger og avgjør om hypotesene 1 og 3 bør beholdes eller ikke. Sett ring rundt ”Ja” eller ”Nei” for hver.

     

    Hypotese Bør hypotesen beholdes?
    Et langt blad produserer mer energi enn et kort ved samme vindhastighet (hypotese 1). Ja / Nei
    Lav vindhastighet skaper mindre energi enn høy vindhastighet (hypotese 3). Ja / Nei

    Løsningsforslag

    Nei, Ja (i denne rekkefølge): De empiriske dataene motbeviser hypotese 1, og den kan forkastes. Naturvitenskapelige hypoteser kan ikke bevises, men de eksperimentelle dataene styrker/gir vitenskapelig støtte til (evidens) hypotese 2.

  • Vindenergi 3

    Hypotese 2: ”En vinkel på 45º er den mest effektive av alle vinkler mellom 0 og 90º”.

    Skriv ned (i de åpne feltene) nummeret på tre av eksperimentene ved ”høy hastighet” som elevene kan sammenlikne for å avgjøre om dataene så langt styrker eller svekker hypotese 2:

    Eksperiment nummer ____, ____ og ____.

    Løsningsforslag

    Denne oppgaven har to svaralternativer som fortjener (1) poeng:

    Alternativ 1: eksperiment nummer 1, 3 og 5

    Alternativ 2: eksperiment nummer 2, 4 og 6.

    I disse to alternativene varierer vinkelen, mens overflatearealet (bladenes lengde og bredde) holdes konstant. Langt færre elever velger eksperiment 1, 3 og 5 enn 2, 4 og 6. Dette skyles sannsynligvis at elevene blir usikre da det har oppstått ”tilfeldige feil” ved utførelsen av eksperiment nummer 5.

    Elever som svarer eksperiment 1, 3 og 6 ELLER 1, 4 og 6 refererer til eksperimenter hvor vinklene varierer, men bladenes lengde og bredde (overflateareal) holdes ikke konstant. I andre kombinasjoner av eksperimenter (for eksempel 1, 2 og 3) verken varierer man vinkel eller holder overflatearealet konstant.

  • Vindenergi 4

    Har elevene data til å avgjøre om de skal beholde eller forkaste hypotese 2? Begrunn svaret.

    ........................................................................................................

    .........................................................................................................

    Løsningsforslag

    Denne oppgaven har to svaralternativer som fortjener full skåre (2 poeng), og ett som fortjener delvis skåre (1 poeng). Alternativ 2 er et veldig godt svar, men ytterst få elever gir denne type svar.

    Alternativ 1 (2 poeng): Svar som refererer til at de ikke har tilstrekkelig mengde data fordi de mangler data om vinkler større enn 45º. Eksempel på elevsvar:

    • Nei, de burde ha prøvd ut med vinkler mellom 45 og 90 grader.

    Alternativ 2 (2 poeng): Svar som refererer til at de (foreløpig) kan beholde hypotesen, men at de bør teste ut for vinkler større enn 45º. Eksempel på elevsvar:

    • Ja, de bør beholde den. Man ser en tydelig økning av energiproduksjonen i økningen fra 0 – 45 grader. De bør teste 45 – 90 grader.

    Alternativ 3 (1 poeng): Svar som refererer til at de ikke har tilstrekkelig mengde data med begrunnelsen at de må prøve ut for flere vinkler (ikke eksplisitt at disse skal være over 45º). Eksempel på elevsvar: 

    • Nei, de har ikke nok data. Det bør testes med flere vinkler enn 3.
    • Nei, fordi de bare har prøvd ut 3 vinkler.
    • Nei, for de har bare prøvd ut 3 forskjellige vinkler, og kan ikke utelukke resten av vinklene.

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i fysikk - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Fysikk 1
    • Den unge forskeren
      • gjøre rede for og drøfte sentrale trekk ved vitenskapelig metode i fysikk
      • samle inn og bearbeide data og presentere og vurdere resultater og konklusjoner av forsøk og undersøkelser, med og uten digitale verktøy
  • Fysikk 2
    • Den unge forskeren
      • vurdere begrensninger i valgt metode og utstyr og foreslå forbedringer og videreutvikling av forsøk

Læreplan i teknologi og forskningslære - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Teknologi og forskningslære 1
    • Den unge forskeren
      • gjøre rede for hvordan et naturvitenskapelig prosjekt planlegges, gjennomføres og etterarbeides før det blir publisert
    • Teknologi, naturvitenskap og samfunn
      • gjøre rede for utvikling og produksjon av et teknologisk produkt og vurdere produktets brukervennlighet, utviklingsmuligheter og miljøpåvirkning
  • Teknologi og forskningslære 2
    • Den unge forskeren
      • drøfte resultater fra egne undersøkelser i forhold til relevant kunnskap på området, og vurdere hvordan kontroll av variabler og reproduserbarhet er ivaretatt
    • Naturvitenskapelige arbeidsmetoder
      • forklare hva som menes med modell, teori og hypotese, og gjøre rede for hvordan de brukes og utvikles i forskning
      • drøfte ved å bruke eksempler hvordan empiriske data kan styrke eller forkaste en hypotese
      • gjøre rede for hvordan forskning utvikles og kvalitetssikres gjennom samarbeid, kritisk vurdering og argumentasjon
    • Forskning, teknologi og samfunn
      • gjøre rede for betydningen av naturvitenskapelig forskning og teknologiutvikling for næringsliv og samfunn
      • drøfte økonomiske, miljømessige og etiske spørsmål i forbindelse med naturvitenskapelig forskning og teknologiutvikling
      • drøfte og gi eksempler på hvordan forskningsresultater og ny teknologi formidles og brukes av forskningsinstitusjoner, medier, bedrifter, interessegrupper og myndigheter

Vedlegg