Ta klassen ut i universet

Resultater fra TIMSS-undersøkelsene tyder på at norske elever kan mer om verdensrommet og astronomi enn de kan om de fleste andre temaer fra fysikkdelen av naturfaget (Nilsen et al., 2009). Dette er et flott utgangspunkt, men vi mener at elevenes store engasjement gir muligheter til å lære enda mer og til å bruke «Verdensrommet» som springbrett for å stimulere interesse også for andre temaer innen naturfag. Her vil vi gi et par eksempler på elevaktiviteter som kan gi forståelse av temaer som vi vet er utfordrende. Flere  artikler og ideer er å finne i Naturfag 3/07, der «Verdensrommet» var hovedtema.

Årstider

Å forklare hvordan årstidene på jorda oppstår, er utfordrende både  for elever og mange voksne. Dette  illustreres av grubletegningen i Figur 1. I PISA-undersøkelsen i 2003 (Kjærnsli et al., 2004) var det en tredel av norske 15-åringer som forvekslet døgn med år (dvs. valgte alternativ D på Spørsmål 1, figur 2, mens alternativ A er det riktige). På Spørsmål 2 i figur 2 ble elevene utfordret til å bruke sin forståelse av årstidene til å fullføre en skisse. Her var det bare hver tiende norske elev som fikk full uttelling (jordaksen peker oppover mot høyre). 

Figur 1: Denne grubletegningen (tilgjengelig på naturfag.no) utfordrer elever til å reflektere over hva som skaper årstider og til å vurdere ulike forklaringer.

Spør du elever hvordan årstider oppstår, får du ofte svaret «fordi jorda er nærmere sola om sommeren enn om vinteren».  Elevene vet kanskje at jordas bane rundt sola er oval, og det er da nærliggende å tenke seg at vi har sommer, lys og varme når vi er nærmest sola i banen vår. Men elevene vet sikkert også at det er vinter i Australia når det er sommer i Norge. Hvis årstidene skyldtes jordas avstand til sola, burde de to halvkulene ha sammenfallende årstider! 

Figur 2: Denne oppgaven ble gitt til norske 15-åringer i PISA-undersøkelsen i 2003. (tilgjengelig på naturfag.no). Lenger oppe i oppgaveteksten ble det opplyst om at Melbourne er en by i Australia som ligger omtrent på den 38. breddegraden sør for ekvator.

Vi kan illustrere årstidene gjennom en enkel aktivitet i klasserommet (figur 3).  Det trengs stor gulvplass til denne aktiviteten. Ha det gjerne halvmørkt i rommet, og plassér en lampe i midten som sola. Heng opp Nordstjernen (av gult papir) i et hjørne ved taket. Tegn gjerne en sirkel med kritt på gulvet for å markere jordas bane.

Figur 3: Aktiviteten «Pek på Nordstjernen!» hjelper oss å visualisere årstider og gi mening til begreper som vår- og høstjevndøgn, sommer- og vintersolverv. Fra Angell, Flekkøy og Kristiansen, «Fysikk for lærere»(2001). Gjengitt med tillatelse fra Gyldendal Akademisk.

En elev får utdelt en globus og får i oppgave å være jordkloden. Da må hun passe på at jordas akse hele tida peker mot Nordstjernen. Be henne stille seg opp på det punktet i banen der det er midtsommer i Norge. Er det mørkt nok i rommet, vil elevene se at den nordlige halvkule er opplyst ved sommersolverv i Norge, mens Australia ligger i mørke – og omvendt. Be deretter eleven om å stille seg på punktene for høstjevndøgn, midtvinter og vårjevndøgn (hun kan gjerne få hjelp av de andre i klassen). Husk at jorda beveger seg rundt sola MOT urviseren.  Be til slutt alle elevene om å stille seg opp på fødselsdagen sin! Da må de plassere sin egen fødselsdato omtrentlig på jordbanen mellom de fire referansepunktene sommersolverv (ca. 21. juni), høstjevndøgn (ca. 22. september), vintersolverv (ca. 21. desember) og vårjevndøgn (ca. 20. mars). 

Denne aktiviteten kan gjerne gjøres i forbindelse med aktiviteten «Modell av sola, jorda og månen» (finnes på naturfag.no). I forbindelse med denne aktiviteten kan vi også undersøke spørsmål som: Når det er midtsommer i Norge, er det da midtsommer i Australia også? (Nei, midtvinter).Når det er høstjevndøgn i Norge, er det da høstjevndøgn i Australia også? (Ja. På vår- og høstjevndøgn er dag og natt nøyaktig like lange over hele jorda).  

Er det varmere om sommeren fordi vi har flere timer med sol i døgnet, eller fordi sola står høyere på himmelen – eller begge deler? (Om sommeren har vi flere timer med sol i døgnet, og solintensiteten er også større fordi sola står høyere på himmelen. Når solstrålingen treffer jorda nesten rett ovenfra, mottar hver kvadratmeter av bakken mer energi enn når solstrålingen kommer mer skrått inn. Sommer betyr altså både sterkere sol og flere timer med sol – hvilket gir høyere temperaturer og lengre dager enn om vinteren).

Universet utvider seg

Noe av det mest fascinerende i astronomien er hvordan universet startet og utvikler seg. I dag mener vi at universet startet med ursmellet, eller Big Bang, for 13,7 milliarder år siden. Så vidt vi vet, fantes det ingen ting før ursmellet – verken tid eller rom. Tida oppstod altså i ursmellet, og det går egentlig ikke an å snakke om «før ursmellet» når tida ikke fantes! «Smellet» var ikke en eksplosjon som bredte seg utover i rommet, for rommet fantes heller ikke – det ble til med ursmellet.  Dette er selvfølgelig svært vanskelig, eller til og med umulig, å begripe – og kanskje nettopp derfor er dette et tema som pirrer elevenes nysgjerrighet og fantasi. For å forstå hvordan vi har kommet fram til at universet utvider seg, er det lurt å starte med å se på lysspektre. Det er lyset (og annen elektromagnetisk stråling) som har fortalt oss så godt som alt det vi i dag mener å vite om universet, hva det inneholder og hvordan det har utviklet seg. 

Figur 4: Med et spektroskop som selges av læremiddel-firmaer kan vi studere lyset fra ulike kilder. Det er også mulig å lage sitt eget spektro-skop. Se «Lag et spektroskop» og «Spektret fra ulike lyskilder» på naturfag.no. Bilder fra Wikipedia commons

Med et spektroskop kan vi studere spektrene fra ulike lyskilder (figur 4). Spektroskopet har en spalteåpning (som vi ser gjennom) i den ene enden og et gitter i den andre. Et gitter består av trange åpninger med bredde av samme størrelsesorden som bølgelengdene til lys. Gitteret bøyer av lyset, rødt mest og fiolett minst, slik at det oppstår et fargespektrum. Sollys og glødelamper (vanlige lyspærer) gir et kontinuerlig fargespektrum, mens lysende gasser (som i lysstoffrør) gir linjespektre. Det er dermed mulig for elevene å studere spekteret fra for eksempel et lysstoffrør og sammenligne disse linjene med en plansje over linjespektre fra ulike gasser. Det er vanligvis enkelt å identifisere kvikksølvlinjene. På samme måte kan man (med litt mer avanserte instrumenter) studere lyset fra fjerne stjerner og finne ut noe om de stoffene som stjernene er bygget opp av, om temperaturen og om hvordan stjerna beveger seg i forhold til oss.

Hvordan vet vi at universet utvider seg? En viktig brikke i puslespillet ble lagt av Edwin Hubble i 1929. Han oppdaget at linjene i lysspektrene fra fjerne galakser var forskjøvet mot rødt sammenlignet med tilsvarende linjer i spektrene fra sola og andre nære stjerner. Dette tolket Hubble som at galaksene var på vei vekk fra oss gjennom rommet. I dag tolker vi det slik at selve rommet utvider seg og at lysbølger på vei gjennom rommet dermed strekkes slik at bølgelengden blir lengre – hvilket igjen betyr at lyset blir rødere (rødt lys har lengre bølgelengde enn blått). 

Figur 5 viser hvordan vi kan illustrere at bølgelengden øker når «rommet strekkes»: Vi tegner en bølge på en bred buksestrikk (kjøpes i syforretninger). Strikken bør være slakk når vi tegner. Når vi strekker strikken (rommet utvider seg), blir det lengre avstand mellom bølgetoppene (lyset blir rødforskjøvet). Hubbles oppdagelse av rødforskyvningen til galaksene tydet på at alt tidligere var samlet på et lite område. Slik oppsto tanken om et ursmell som starten på universet. Men det er bare en svært liten del av universet vi kan observere, resten er så langt borte at lyset aldri vil kunne komme fram til oss. Noen tenker seg at ursmellet må ha skjedd overalt i et univers som var uendelig og som alltid vil være uendelig. Det er ikke så lett å forstå! 

Figur 5: Siden universet ble gjennomsiktig og den elektromagnetiske strålingen ”slapp fri” 380 000 år etter Big Bang, har selve rommet utvidet seg og de elektromagnetiske bølgene er blitt strukket slik at bølgelengden er blitt lengre. Den strålingen som vi måler nå og som gjennomtrenger hele universet, er langbølget mikrobølge-stråling som et ekko fra ursmellet. Foto: Fofatterne

Vi kan illustrere utvidelsen av universet ved å forestille oss en (uendelig?) stor bolledeig med rosiner som står til heving (figur 6). Rosinene forestiller galaksehoper. Hver rosin er i ro lokalt, men samtidig beveger alle rosinene seg vekk fra hverandre når deigen eser. Det er bolledeigen, altså selve rommet, som utvider seg. Uansett hvilken rosin vi «sitter» på, vil alle andre rosiner i bolledeigen fjerne seg fra oss. En annen konsekvens av at rommet utvider seg og et tegn på at ursmellet har funnet sted, er den såkalte kosmiske bakgrunnsstrålingen – en svak stråling i mikrobølgeområdet som gjennomsyrer hele universet. Denne strålingen ble sendt ut i form av elektromagnetisk stråling med bølgelengder omkring en tusendels millimeter (infrarød stråling) i alle retninger omkring 380 000 år etter ursmellet. Siden har rommet ekspandert og bakgrunnsstrålingen er blitt «strukket» (rødforskjøvet) så mye at den er blitt mikrobølgestråling med bølgelengde omkring 1 millimeter! 

Figur 6: Galaksehopene i universet er som rosinene i en bolledeig som hever. Rosinene ligger stille i deigen, mens de fjerner seg fra hverandre, fortere jo lenger fra hverandre de er. I Universet er det selve rommet som eser. Foto: Anders R. Sørnes

Om å kommunisere med romvesener på fjerne planeter – og med elever i norske klasserom 

Sammen med elevene kan vi reflektere over hvordan det ville være å oppdage – og kommunisere med – eventuelle utenomjordiske medborgere av universet. Her er det mange problemstillinger – av både naturfaglig og annen art – å gripe fatt i. Her vil vi bare nevne et par ting. 

Siden 1990-tallet har astronomene oppdaget hundrevis av planeter som kretser rundt andre stjerner enn sola, og i oktober 2012 ble det annonsert at en planet er oppdaget rundt en stjerne i Alfa Centauri-systemet, som er den aller nærmeste naboen til vårt solsystem. Denne planeten er antakelig for varm til at det er liv der – men hvem vet om det kanskje finnes flere planeter i samme stjernesystem?  Sannsynligheten for at det skal finnes planeter i universet med forhold som tillater liv, virker i alle fall ganske stor. 

Kanskje er det intelligent liv på noen planeter som har utviklet vitenskap og teknologi akkurat som oss. De samme fysiske lovene gjelder hos dem som for oss, og de kan ha funnet opp radio. Men å kommunisere med dem byr likevel på problemer. Ikke bare måtte vi etablere et felles språk; det ville også ta nesten uendelig lang tid å føre en samtale. Tenk deg at du «ringer» din romvesen-venn på en planet i Alfa Centauri-systemet. Lyset derfra bruker over 4 år på ferden til oss, og radiosignalene fra din venn bruker like lang tid. Du sender «Hallo!», vennen din mottar signalet 4 år senere, og sender umiddelbart tilbake «Hei på deg!». Dette mottar du 8 år etter at du sendte «Hallo» - og slik fortsetter kommunikasjonen. Innen du får spurt om været på romvesen-planeten, er du allerede gammel og grå. Slike perspektiver – dristige tankeeksperimenter, refleksjon over spørsmålene som naturvitenskapen ennå ikke kjenner svar på – motiverer og inspirerer norske elever.

Ta verdensrommet inn i klasserommet og bruk det til å bygge og styrke elevenes interesse for naturfag!  

Litteratur

Angell, C., Bungum, B., Henriksen, E. K., Kolstø, S. D., Persson, J., & Renstrøm, R. (2011). Fysikkdidaktikk (Physics education). Kristiansand: Høyskoleforlaget (Norwegian academic press).

Angell, C., Flekkøy, E. G., & Kristiansen, J. R. (2001). Fysikk for lærere Naturfag i grunnskolelærerutdanningen 5. - 10 trinn. Oslo: Gyldendal Akademisk.

Kjærnsli, M., Lie, S., Olsen, R. V., Roe, A., & Turmo, A. (2004). Rett spor eller ville veier? Norske elevers prestasjoner i matematikk, naturfag og lesing i PISA 2003. Oslo: Universitetsforlaget.

Nilsen, T., Grønmo, L. S., Angell, C., & Henriksen, E. K. (2009). Astronomi, et løft for fysikkfaget? Fra fysikkens verden (4), 127-129.