Fysikklærerforeningen (undergruppe av Norsk fysisk selskap) har et tidsskrift som i 97 utkom på papir og vi som var medlemmer ble oppfordret til å skrive om de problemene en fysikklærer møter i praktiske undervisningssituasjoner. Energiundervisning var den gangen et tema i noen innlegg og jeg sendte da følgende som mitt bidrag i den aktuelle debatten som ble publisert i nr 4 februar 1997. Dette mest oppsiktsvekkende i den aktuelle debatten var imidlertid et innlegg som fulgte i neste nummer og som sannsynligvis henviser til mitt innlegg. Dette er da kommentert i tillegget.

Om selvmotsigelser i mekanikken

Jeg synes at det er interessant å lese i 'Fysikklæreren' at det er flere enn meg som finner selvmotsigelser i fysikken. Etter mediesaken omkring noen fysikkhefter i fjor vinter har jeg brukt endel tid på å prøve å forstå fysikkens grunnlag, og så langt vil jeg si at jeg er blitt styrket i min antakelse om at visse 'aksepterte sannheter' ikke er så sikre som 'ekspertene' påstår. Hvis man blander sannhet og løgn ender man ofte i selvmotsigelser, og dette er vel i seg selv et argument for at vi bør revurdere dagens aksepterte 'fysikkdogmer'. I forbindelse med diskusjonen om 'potensiell energi' vil jeg nevne to generelle moment.

Negative verdier er et pedagogisk problem!
Først vil jeg kommentere bruken av positive og negative verdier i fysikken. Her er det vel ikke snakk om rett eller feil, men om å forstå begrensninger og å bruke negative verdier rett. Alle har vel sett ei tallinje med null mellom de positive og negative verdiene, og min påstand er da at denne tallinja ikke er noe godt utgangspunkt for å forstå naturen. I naturen har de fleste verdiene et nullpunkt i ene enden og ingen negative verdier. Eksempler er fart, temperatur(K) og kinetisk energi som alle har nullverdi når farten er null. Nå er det vel mulig å diskutere om det finnes et slikt absolutt referansesystem, men personlig mener jeg at alle forsøk, sunn fornuft samt behovet for et nullpunkt for verdiene ovenfor veier mer enn hva Einstein har sagt. Nå er det imidlertid vanlig å bruke positive og negative verdier på f.eks. kraft, arbeid ol. Her vil jeg bare kort nevne at disse negative verdiene er knyttet til definisjoner av retning, og en negativ kraft er da forsatt en vanlig 'positiv kraft' selv om den virker mot den retningen vi kalle positiv.

Tidligere tenkte jeg at potensiell energi var en slags motsatt energiform av kinetisk energi siden det ofte forekom et minustegn i forbindelse med denne. Dessuten har jeg sett grafiske fremstillinger hvor man har lagt nullnivået 'i uendelig' og da må nødvendigvis alle andre energiverdier bli negative. I dag vil jeg vel si at det er pedagogiske og vitenskapelige grunner for å definere nullnivået der hvor de to legemene (jorda+et legeme) er plassert i sin nærmest mulige posisjon, selv om det vel er mulig å diskutere hvor det er. Nå er det vel bred enighet om at det er systemet legeme-jord som har energien, men i undervisningsammenheng vil jeg altså foretrekke å si at det er legemet som har energien og denne er da positiv selv om f.eks. tyngdekraften utfører et negativt arbeid.

Når det så gjelder energioverføringen, så må vi ikke tenke at det er mulig å isolere legemet fra jorda og overføre energi mellom disse. Legemet er en representant for begge, og gir vi energi til legemet så gir vi egentlig energi til begge. Når det gjelder spørsmålet om hvor energien kommer fra når vi løfter et legeme i tyngdefeltet, så vil jeg kort si at jeg har funnet det pedagogisk og vitenskapelig nyttig å betrakte kjemisk energi som en mikroversjon av vanlig potensiell energi. Om vi bruker muskelkraft for å løfte en stein vil mange atomer falle litt tettere sammen i kroppen vår (det dannes CO2 og H2O) og da frigjøres det energi. Deler av denne energien vil da gå med til å føre legemet og jorda lenger fra hverandre.

Hovedpoenget her er imidlertid å understreke at alle størrelser i naturen er 'positive'. Når vi opererer med negative størrelser, så har fortegnet noe med retning å gjøre, og siden elever og studenter har lett for å tro at fortegnene er mer grunnleggende en de virkelig er, har jeg selv utsatt innføringen av vektorer. Etter en kvalitativ beskrivelse har jeg brukt endel tid på kvantitative eksempler uten fortegn. Vi har altså funnet absoluttverdier og når det er snakk om å kombinere flere størrelser, så må studentene bruke egen fornuft og ikke vektorregler når de skal velge mellom '+' eller '-'. Her vil jeg til slutt i denne delen bare nevne at det var da jeg skulle forklare forskjellen på 'elektrisk strøm' og 'elektronstrøm' og forskjellen på 'lys' og 'mørke' at jeg oppdaget at '+' og '-' ikke er så enkle begrep som jeg trodde før. Om vi i sammenheng med forklaringen av halvledere sier at 'hull' beveger seg på samme måten som elektroner beveger seg eller om vi sier at mørket brer seg på samme måte som lyset brer seg, så mener jeg at vi garantert skaper problemer med forståelsen hos elevene og studentene.

Er mekanikken grunnlaget for energiforståelsen?
For å begrense innlegget til en side, vil jeg bare kort sitere fra fysikklæreren nr 3. Her ble det sagt at energibegrepet er 'et meget fruktbart begrep' selv om vi ikke har klart å gi det en 'enkel og god definisjon'. Jeg er enig og her vil jeg bare kort si at årsaken til problemene kan være at vi leter etter definisjoner på feil sted. Selv opplever jeg at elektromagnetismen synes å gi et mye bedre grunnlag for energibegrepet enn mekanikken og jeg håper vel å snart få klargjort noen av de mange halvferdige skrivene mine for publisering.

Erling Skaar

 

TILLEGG

Før jeg kommenterer kommentaren til mitt innlegg, så vil jeg her først si at hovedpoenget var å klargjøre problemene som oppstår når vi definerer nullnivået for potensiell energi ved uendelig avstand og dermed får bare negative verdier for potensiell energi, samtidig som vi i praktiske situasjoner vanligvis regner energiverdier som positive størrelser. Mitt forslag til å minske problemene som elevene møter i denne sammenhengen var da at vi ser litt "over gjerdet" og ser hvordan man i praktiske elektromagnetisme snakker om energi i f.eks. en kondensator. Alle som har litt erfaring med undervisning av mekanistisk energi har vel opplevd problemer slik forutgående innlegg i fysikklæreren viste. Mitt forslag var da at problemene kunne skyldes indre problemer eller selvmotsigelser i de tradisjonelle mekanistiske forklaringene av energi. Jeg antydet da samtidig at elektromagnetismen kanskje utgjorde et bedre grunnlag for å definere og forstå begrepet energi.

En professor som jeg kjente fra fysikkstudiet mitt ved NTNU, og som derfor også kjente meg, skrev da følgende kommentar i neste nummer:

En kommentar til selvmotsigelser i fysikken. Det er sant at fysikk er vanskelig. Selv erfarne fysikere kan stå fast i å forklare tilsynelatende enkle fenomener. Og om en formulerer seg forenklet og uheldig kan det tilsynelatende oppstå selvmotsigelser. Det er en sak, men en annen sak er å påstå at fysikken i virkeligheten er selvmotsigende. Det er den ikke. Jeg sier dette på basis av erfaringer som tusenvis av profesjonelle fysikere har gjort, inkludert meg selv. Jeg vil også si at jeg tror ikke Fysikklæreren vil tjene fysikken på noen god måte om den gjør seg til et organ for "alternativ" fysikk. (2.Årgang Nr1 September 1997)

Nå vet jeg ikke om ovennevnte professor er medlem av fysikklærerforeningen, eller om han har påvirket redaksjonen i Fysikklæreren slik at et annet av mine innlegg ikke er trykket ennå. Her vil jeg imidlertid bare nevne at dette er et av flere eksempel som tyder på at det i norsk fysikkmiljø finnes noen "overvåkere" som dukker opp i ulike sammenhenger og disse har da tilsynelatende makt til å skape problemer for dem som ikke "går i takt".

Generelt kunne jeg tenke meg å høre om professoren mener at det er mulig å forklare fysikk på en enkel og samtidig rett måte. Det han skriver her kan vel tyde på at han mener at selv ikke "erfarne fysikere" klarer å beskrive fysikk på en enkel måte. Selv tolker jeg det da som et tegn på at "erfarne fysikere" ennå ikke har funnet Sannheten med stor S. Professoren påstår videre at fysikk ikke er selvmotsigende, og det er jeg selvfølgelig enig i. Fysikken eller naturen fungerer utmerket uavhengig av hva vi mennesker gjør eller mener (uten selvmotsigelser), men de fysikkmodellene som står i lærerbøker har visse problemer, og jeg synes at det er rart at en professor i fysikk tilsynelatende ikke har forstått dette. Når dagens lærebøker f.eks. sier at lys er bølge og partikkel, så mener jeg og mange med meg at dette er en selvmotsigelse. Poenget her er ikke at det er noe problem med lyset (fysikken), men det burde være lov i et tidskrift beregnet på fysikklærere å diskutere om det finnes bedre forklaringsmodeller. Jeg er usikker på om professoren mener at denne bølge-partikkel-dualiteten er selvmotsigende, men jeg mener da ikke at en professor ved NTNU skal ha monopol på å kunne bestemme hva som er selvmotsigende eller ikke. Jeg synes heller ikke at måten han begrunner sine påstander er noe særlig tillitsvekkende når han henviser til: "tusenvis av profesjonelle fysikere" inkludert ham selv.

Selv har jeg da snakket med mange som mener at kvantemodellen og andre modeller som brukes i fysikkundervisningen inneholder selvmotsigende eller forvirrende element og selv velger jeg da å tro mer på de jeg selv har snakket med enn "tusenvis av profesjonelle fysikere" som tilsynelatende ikke har forstått de tankemessige problemene som elever og studenter møter i møte med ulike fysikkmodeller. Her vil jeg ellers minne om eventyret keiserens nye klær, hvor keiserens nærmeste hoff, trodde at keiseren hadde klær på seg fordi de var blitt fortalt at de kunne miste stillingen om de ikke så de nye klærne. Her vil jeg påstå at kvantemodellen har mange fellestrekk med disse nye klærne. Jeg tror med andre ord at det finnes et godt betalt hoff innenfor fysikken som ikke tør å innrømme at kvantemodellen er dårlig modell både pedagogisk og vitenskapelig. Hittil har de da klart å eliminere alle barna langs vegen som synes at det er noen "rare" klær keiseren har på seg. Kanskje har det skjedd ved enkel og "høflig" antydninger slik som: "Jeg vil også si at jeg tror ikke at Fysikklæreren vil tjene fysikken på noen god måte om den gjør seg til organ for "alternativ" fysikk." Kanskje er det også slik "høgtenkning" fra ulike fysikkprofessorer som er den egentlige årsaken til at få barn og unge velger fysikk fordi de opplever at den er ufornuftig.

 

Erling Skaar