Hvordan brukes partikkelmodellen i dagens lærebøker?

(ikke ferdig)

Fra læreplanverket (L97):

8.klasse
-gjere forsøk og bruke ein partikkelmodell til å beskrive sentrale eigenskapar ved gassar, væsker og faste stoff, faseovergangar og samanengen mellom temperatur og rørsla til partiklane

Fra kursbeskrivelse U1 (etterutdanningskurs for lærere i forbindelse med L97):
Metode: -begynne med kortfattet innføring i N&M i L97
  -skal bruke partikkelmodellen i beskrivelsene
Tema: -Egenskaper ved gasser
  -Egenskaper ved væske
  -Egenskaper ved faste stoffer
  -Faseoverganger
  -Temperatur (partikkelbevegelser)
  -Diffusjon og osmose

Hva menes med partikkelmodell?

1 Begrepsforenkling
- Snakker om "partikler" i stedet for å bruke mer presise ord. (strøm = partikkeltransport)

Partikkel (= smådel) Lite legeme, støvpartikkel også brukt om atomer, molekyler, ladede og uladede elementærpartikler. (Store Norske leksikon)

2 Kinetisk gassteori
- betrakter molekylene i gass som elastiske partikler som støter mot veggene og lager trykk. Gjennomsnittshastigheten for partiklene har da sammenheng med temperaturen. (kinetisk partikkelteori)

Kinetisk gassteori - teoretisk beskrivelse av gassers fysiske egenskaper der de observerbare mikroskopiske egenskapene forklares som et resultat av de enkelte molekylers bevegelse. Kinetisk gassteori bygger på den klassiske fysikks bevegelseslikninger for enkelte molekyler, og summen av molekylenes virkninger finnes ved statistiske betraktninger.(Store Norske leksikon)

Gassteori - forkortet betegnelse på kinetisk gassteori som går ut på at molekylene i en gass beveger seg fritt om hverandre uten nevneverdig tiltrekningskrefter mellom seg. Molekylene har stor hastighet og deres gjennomsnittshastighet er et uttrykk for gassens temperatur. Deres støt mot karveggene betinger gassens trykk og deres støt mot hverandre betinger gassens utvidelse hvis den har anledning til å utvide seg... Den [teorien] viser god overensstemmelse med erfaringer og er av grunnleggende betydning for teorien om stråling og atomteoriens oppfatning av materien. (Store Norske leksikon)

3 Kvantemodell
- teori som sier at alt i naturen kan beskrives som både kontinuerlige bølger og kvantiserte partikler, avhengig av situasjonen. Det som særlig kjennetegner modellen er at elektromagnetiske bølger som f.eks. lys antaes å være kvantisert. Man sier altså at lys består av fotoner som da er en form for partikler.

Kvantemekanikk danner grunnlaget for den moderne beskrivelsen av mikrokosmos, d.v.s. av elektroner, atomer og atomære systemer av subatomære partikler (elementærpartikler). Kvantemekanikken bygger på undersøkelser som viser at materien har en dualistisk natur. d.v.s. at den dels viser bølgeegenskaper, dels partikkelegenskaper. Bølgeegenskapene kommer først og fremst til syne som interferens, f.eks. elektroninterferens og diffraksjon. Partikkelnaturen gjør seg gjeldene ved at en rekke størrelser som ladning, masse og spinn opptrer i form av udelelige minstekvanter. En beskrivelse hvorav både bølge- og partikkel-egenskapene lot seg avlede ble først gitt av E. Schrödinger og W. Heisenberg i 1925. Deres teori danner grunnlaget for den ikkerelativistiske kvantemekanikk, tidligere ofte kalt bølgemekanikk. Den relativistiske kvantemekanikk ble først utformet av A. M. Dirac i 1928. Kvantemekanikken danner grunnlaget for kvantestatistikken. I nær relasjon og i blant inbefattet i betegnelsen kvantemekanikk, står dessuten kvanteteorien som danner grunnlaget for beskrivelsen av vekselvirkningskreftenr mellom partikler og dannelse og annihilasjon av partikler... (Store Norske leksikon)

Definisjon av temperatur og varme:

Temperatur (latin:blande) - begrep som blir brukt til å beskrive følelsen av kaldt og varmt... I fysikken bruker man en gjenstands temperatur som et av begrepene til å beskrive tilstanden til gjenstanden eller stoffet i den... Alle stoffer sender ved alle temperaturer ut elektromagnetiske bølger som temperaturstråling... Ved stadig nedkjøling av et stoff skulle man kunne få en tilstand hvor molekylene ikke lenger er i bevegelse, et absolutt nullpunkt for temperatur.

Varme ...[ifølge teori] en form for energioverføring. Når to systemer med forskjellig temperatur er i kontakt med hverandre, vil molekylene i det ene systemet overføre noe av sin bevegelseenergi til molekylene i det andre systemet; det blir utført arbeid mellom molekylene. Det er dette molekylarbeidet som er varme. En annen form for varme er stråling...Lys ... Lyset viser etter kvanteteorien en dualitet. Det består av kvanter, fortoner oge er samtidig elektromagnetiske bølger. Dualiteten innebærer ikke noe selvmotsigelse, men er et uttrykk for at bilder vi henter fra dagliglivet er utilstrekkelige når det gjelder å beskrive naturens fundamentale egenskaper...(Store Norske leksikon)

Undervisningseksempler som kan virke forvirrende

Generelt er det slik at man vender seg til det meste, og vår tid er vel spesielt karakterisert av at folk flest godtar det meste så lenge det er snakk om såkalte "seriøse kilder" (f.eks. lærebøker og professorer i fysikk). Tidligere var man kanskje litt mer skeptiske til påstander som virket urimelige eller uforståelige. Her vil vi da gi noen eksempler på noen klipp fra lærebøker som kan oppleves forvirrende for de som prøver å forstå naturen og spørsmålet er da om partikkelmodellen egentlig fremmer forståelse for de aktuelle fenomenene.

Utrolig raske molekyl!
Ifølge partikkelmodellen har luftmolekylene en hastighet omkring 500 m/s eller 1800 km/h ved 20°C. Lydhastigheten er til sammenlikning 340 m/s. Teorien forteller videre at luftmolekylene kolliderer med hverandre og omgivelsene ca 10⁹ ganger pr sekund og at de da beveger seg 10^-7 m i gjennomsnitt mellom hver kollisjon. Alle sammenstøt er ellers elastiske slik at farten før og etter et støt vil være tilnærmet lik. Dette "action-bildet" står da i en slags motsetning til et mer nærliggende bilde av stillestående luft som noe relativt rolig noe.

(Figuren er fra Ergo 2Fy s166 Asch.1997)

Krefter eller ikke?
Figuren til høyre viser en modell hvor man illustrerer kreftene mellom partiklene i fast stoff som fjærer og denne modellen kan da forklare varmeutvidelse, spredning av lyd ol. I denne sammenhengen er det noen som har problemer med å forestille seg hva som overfører lyd i gasser hvor det er en grunnleggende antakelse at det ikke er krefter mellom molekylene mellom sammenstøtene. Hva slags krefter er det ellers snakk om der hvor denne modellen har tegnet fjærer

(Serway: Physics for Scientists and Engineers p 513 1990)

Hvorfor blir trykket mindre jo raskere luftstrømmene er?
Det er da dette prinsippet som gjør at fly kan fly, og for å utnytte dette prinsippet maksimalt har flyvingene sin karakteristiske form slik som figuren viser.

Når lufttrykk blir mindre kan det f.eks. bety at luftmolekylene trekker seg sammen men det er da ikke forrenelig med partikkelmodellen for gass. Det er vel også årsaken til at man vanligvis nevner slike fenomen som er knyttet opp mot Bernoullis lov i andre sammenhenger (kapitler) enn de man behandler partikkelmodellen.

(Serway: Physics for Scientists and Engineers p 407 1990)

En av de bedre modellene fra ei lærebok som viser forskjellen på is, vann og vanndamp. Men for mange vil den reise nye spørsmål om hva slags krefter som holder vannmolekylene sammen (De samme som holder ismolekyelene sammen?)

(Univ.91 Nat7-9 Infobok s31)

I lærebøker er det ikke vanlig å oppgi konkrete tallverdier, sannsynligvis fordi de er "uforståelige". Her er det imidlertid gjort, og mange vil vel føle at det er vanskelig å forestille seg at vannmolekylene har en hastighet på 600 m/s når molekylhastigheten i luften over kanskje har en hastighet på 500m/s. (Trykkfeil som fagkonsulentene ikke har oppdaget?)

Er det kaldt eller varmt i universet?
Når vi beveger oss oppover i atmosfæren vil temperaturen avta. Om vi har med oss et termometer og måler temperaturen på en høy fjelltopp og nede ved sjøen så vil vi altså måle lavere temperatur i høyden. Så langt er det ok, selv om det kanskje ikke er så enkelt å forklare hvorfor det er slik. Skulle det ikke f.eks. bli varmere jo nærmere vi kommer sola? Her vil vi da bare si at denne temperaturfornadningen har sammenheng med trykkforandringen. (NKS97 Forsøk og fakta 8 s192)

Hvordan forklarer så en lærer de aktuelle temperaturopplysningene som er vist i figurene her?

(Gyldendal97 Natur og miljøfag 8 s61)

Utdrag fra kompendium av Johs. Tveita 1994: Elevaktive undervisningsmetoder i naturfag brukt til å formidle den kinetiske partikkelteorien for stoffa

(s9:) Den kinetiske partikkelmodellen
Her skal vi først undersøke om elevene sjøl har utvikla en modell for gass, og hvordan denne modellen er. Oftest finner en to ulike modeller:
Modell 1: Gass er sammenhengende (kontinuum) og elastisk (gummi)
Modell 2: Gass er bygd opp av mange små partikler med mye tomrom imellom, og det gjør at den kan presses sammen.
Det er vanlig at de fleste elevene heller mest til den første modellen, men den andre modellen får etterhvert noen elever tro på etterhvert som de blir eldre...

(s11:) Dersom ingen kommer med partikkelidéen bør du komme fram med den. La dem først få drøfte denne ideen for å finne svakheter og fordeler med den. La elevene prøve å presse sammen f.eks. 10 ml luft til så lite som mulig. En kan med slike forsøk konkludere med at det mellom partiklene må være mye tomrom!...

(s15:) ... Alle [elevene] avgrenser en viss luftmengde i sprøyta ved å tette for med en finger og læreren stiller spørsmål:
Er partiklene i ro? (Nei, de er i stadig bevegelser)
Har de stor fart? (Ja, farten er faktisk i gjennomsnitt nesten 500 m/s)
Er det mange? (Svært mange! Tallet er faktisk så stort at vi kan vanskelig forestille oss det! 1ml inneholder 10¹⁹ partikler! Jeg er usikker på om en bør fortelle dette til elevene for det kan avspore!? Kanskje bør en bare si flere tusen for det har elevene kanskje begrep om?)
Alle elevene presser nå stempelet inn slik at luftmengda blir omtrent halvert og en stiller f.eks. disse spørsmåla:
Synes du trykket mot stempelet er det samme så lenge det er inntrykt til samme sted på sprøyta eller forandrer det seg?
Har partiklene endret fart? (Nei)
Kolliderer partiklene oftere med stemplet nå enn i starten? (Ja, for de har mindre område å bevege seg på!)

På nettet finnes det ellers et nettsted for kjemiundervisning "the ChemTeam" (http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/ChemTeamIndex.html) hvor man har følgende beskrivelse av partikkelmodellen:

The Kinetic Molecular Theory
of Ideal Gases

These statements are made only for what is called an ideal gas. They cannot all be rigorously applied (i.e. mathematically) to real gases, but can be used to explain their observed behavior qualitatively.

1. All matter is composed of tiny, discrete particles (molecules or atoms).

2. Ideal gases consist of small particles (molecules or atoms) that are far apart in comparison to their own size. The molecules of a gas are very small compared to the distances between them.

3. These particles are considered to be dimensionless points which occupy zero volume. The volume of real gas molecules is assumed to be negligible for most purposes.

This above statement is NOT TRUE. Real gas molecules do occupy volume and it does have an impact on the behavior of the gas. This impact WILL BE IGNORED when discussing ideal gases.

4. These particles are in rapid, random, constant straight line motion. This motion can be described by well-defined and established laws of motion.

5. There are no attractive forces between gas molecules or between molecules and the sides of the container with which they collide.

In a real gas, there actually is attraction between the molecules of a gas. Once again, this attraction WILL BE IGNORED when discussing ideal gases.

6. Molecules collide with one another and the sides of the container.

7. Energy is conserved in these collisions, although one molecule may gain energy at the expense of the other.

8. Energy can be transferred in collisions among molecules.

9. Energy is distributed among the molecules in a particular fashion known as the Maxwell-Boltzmann Distribution.

10. At any paticular instant, the molecules in a given sample of gas do not all possess the same amount of energy. The average kinetic energy of all the molecules is proportional to the absolute temperature.

Det å først si noe og så si det motsatte slik som rød tekst ovenfor markerer, er vanligvis forvirrende i en undervisningsituasjon. De aktuelle motsigelsene er imidlertid innebygget i kinetisk partikkelmodell, og elever og studenter vil sannsynligvis plages med dem så lenge partikkelmodellen brukes i skoleverket.