Hans Marker Lars Andersen Carsten Ladegaard Pedersen Steffen Samsøe
Naturvidenskabeligt grundforløb
Naturvidenskabeligt grundforløb er en opslagsbog, der introducerer naturvidenskabens begreber, undersøgelsesområder og metoder gennem kortfattede beskrivelser kombineret med konkrete eksempler og opgaver. Denne 3. udgave er tilpasset det nye grundforløb på htx og stx – og fortsat velegnet til både naturvidenskabelig faggruppe og enkeltfagene i hf. Bogen indeholder blandt andet nye opslag om: •
En undersøgelsesbaseret tilgang til naturvidenskab (IBSE)
•
Anvendelse af bestemmelsesnøgler
•
Fejlkilder og måleusikkerhed
•
Variabelkontrol
•
Systematik og klassifikation
•
Antal betydende cifre og afrunding
En række opslag fungerer som introduktion til skriftlighed i naturvidenskab og præsenterer fx en skabelon til naturvidenskabelige rapporter. Andre opslag viser, hvordan de naturvidenskabelige kompetencer kan inddrages i innovationsprojekter. Bagest i bogen findes en oversigt over naturvidenskabelige begreber og retningslinjer vedrørende sikkerhed i laboratoriet.
Naturvidenskabeligt grundforløb 3. udg.
En introduktion til naturvidenskabelig metodik
ISBN 9788770668163
www.lru.dk
Lindhardt og Ringhof
Hans Marker Lars Andersen Carsten Ladegaard Pedersen Steffen Samsøe
Naturvidenskabeligt grundforløb 3. udg.
En introduktion til naturvidenskabelig metodik
Lindhardt og Ringhof
Naturvidenskabeligt grundforløb. En introduktion til naturvidenskabelig metodik Forfattere: Hans Marker, Lars Andersen, Carsten Ladegaard Pedersen og Steffen Samsøe Bogens website: www.lru.dk/nv © 2005 Forlag Malling Beck A/S og forfatterne © 2012-2017 L&R Uddannelse, København Forlagsredaktion: Iben Stampe Sletten Grafisk tilrettelægning: Carl-H.K. Zakrisson Omslag: Ulla Korgaard, Designeriet Tryk: Livonia Print 3. udgave, 1. oplag 2017 isbn 978-87-7066-816-3 www.lru.dk
Bogens illustrationer: Lars Andersen: 6, 7, 23, 35ø, 36mf og th, 22øv, 31, 44, 66, 67, 68ø, m og n, 71, 72mf og n, 95ø, 96ø og n, 103ø, 106n, 112ø, 117, 154th, 155tv, 157, 164, 165, 166 Colourbox: 7, 50n, 64n, 70ø, 82-83n, 83ø, 93, 99n, 102, 170 Jørgen Strunge: 8, 51th, 53 Thinkstock: 9, 10n, 17, 20, 21ø, 24ø, m og n, 25ø, 26m, 27n, 28ø og m, 29, 30n, 34ø og n, 39n, 40ø, 41n, 45, 46, 47n, 49ø, 58, 61ø og n, 62ø og n, 63, 64ø, 81ø, 90n, 99ø, 113ø og n, 114ø, 131, 134n, 136, 137th og tv, 140, 142ø og n, 145, 149, 168n Wikimedia: 11mf og n, 12, 13n, 14n, 15ø og n, 32, 40n, 42n, 50ø, 60n, 74, 78øth, 79ø, 88, 89ø, 92, 116ø og n, 143, 173, 174ø og n, NASA: 11ø, 38 Andresen design: 14n Erik Hjørne: 14ø, 36n, 39ø, 65, 72, 78n, 82ø, 86-87ø, 94n, 100tv, 105, 115ø, 118, 120, 124mf, 126ø, 155th
iStockphoto: 16 ø og n, 48m, 48n, 90ø Shutterstock: 19, 51tv, 115n Science for Changing Worlds: 21n NEEM ice core drilling project, www.neem.ku.dk, Anders Svensson: 22n Scandidact: 22øh, 73, 106ø Ebbe Forup/Gefion Gymnasium: 25n, 138 Hans Marker: 26ø, 76tv Jørgen Bausager: 28n Jakob Strandberg: 33, 49n, 86n Scanpix: 35mf ©Bettmann/ Corbis, 75tv © Clouds Hill Imaging Ltd./CORBIS, 116mf © Ron Sanford/CORBIS FOCI: 35n Pascal Goetgheluck/Science Photo Library, 22øm Ed Young/Science Photo Library Asmus Harre: 36tv, 70n Anders Frejbæk: 37 www.comadan.dk: 41ø
Carsten Ladegaard Pedersen: 47ø, 75th, 57, 85ø, 95n, 107n, 108ø og n, 109, 110ø og n, 111n, 112n, 114n, 122th, mf og tv, 123, 124ø og n, 126n, 127 ø og n, 160, 162, 163 Astrid Rybner: 52, 107ø Terkel Broe Christemsen: 56ø.mf.th. Gerth Hansen: 56ø.mf.tv. Pixabay: 59, 60ø, 78øtv, 79n Met office: 69n Histology Lab: 76th Flickr: 77, 101 Iben Sletten: 80-81n DMI: 69ø, 94ø, 98ø, 103n, 104ø Wetterzentrale: 98n Frederiksen: 111ø Miljøstyrelsen: 130 Thomas Retsloff: 135 Weekendavisen: 171 www.elifesciences.org: 134ø
Indhold
Forord 5 NATURVIDENSKABENS GRUNDBEGREBER 1 Iagttag verden omkring dig 6 2 Hvad er naturvidenskab? 9 3 Hypoteser 12 4 En undersøgelsesbaseret tilgang til naturvidenskab (IBSE) 17 NATURVIDENSKABELIG METODE
5 Typer af undersøgelser 21 6 Tilrettelæggelse af undersøgelser 24 7 Stikprøver og prøvestørrelse 29 8 Variabelkontrol 33 9 Typer af data 35 10 Omregning af enheder 38 11 Formelhåndtering 43 12 Klassifikation og systematik 49 13 Anvendelse af bestemmelsesnøgler 54 14 Anvendelse af en analogimodel 57 15 Model og virkelighed 61
INDSAMLING AF EMPIRI
16 Skyer og vejrforudsigelse 65 17 Spor af Danmarks geologiske historie 70 18 Mikroskopi 73 19 Kromatografi 77 20 Specifik varmekapacitet 80 21 Fordampningsvarme 84 22 Måling af solhøjden 86 23 Bestemmelse af solindstrålingen 91
24 Nedbørmåling 93 25 Temperaturmåling 96 26 Måling af luftfugtighed 100 27 Vindmåling 103 28 Trykmåling 105 29 Energimåling 107 30 Vejning 111 31 Måling af densitet 112 32 Filtrering 116 33 Titrering 118 34 Destillation 120 35 Fortynding 122 36 pH-måling 126 37 Laboratoriearbejde og -sikkerhed 128
ANALYSE OG FORTOLKNING AF DATA 38 Databehandling 132 39 Statistisk analyse 136 40 Fejlkilder og måleusikkerhed 140 41 Om antallet af cifre og afrunding 143 42 Anvendelse af Excel 146 43 Grafisk afbildning 150 44 Udarbejdelse af kort og profiler 154 45 Matematiske modeller 158 46 Analyse af videofilm med Logger Pro 162 FORMIDLING AF RESULTATER
47 48 49 50
Den naturvidenskabelige tekst 164 Formler i Word 168 Referencer og litteraturhenvisninger 170 Kilder og kildekritik 173
Minilex 177
Forord Naturvidenskab er spændende – og det skal under visningen i naturvidenskab også være. Den syste matiske, empiribaserede udforskning af verden omkring os har bidraget afgørende til både den teknologiske og samfundsmæssige udvikling. Med bogen Naturvidenskabeligt grundforløb vil vi gerne give eleverne på ungdomsuddannelserne et redskab til tilegnelsen af de naturvidenskabelige fag – og en oplevelse af naturvidenskab som et vedkommende og anvendeligt fagområde. Det naturvidenskabelige grundforløb (NV) skal inspirere til videre arbejde i naturvidenskab og dermed støtte eleverne i deres valg af studieretning – og måske også fremtidige karriere. I NV-forløbet får eleverne færdigheder i grundlæggende metodisk arbejdsmetode; et godt fundament for den videre undervisning i de naturvidenskabelige fag på højere niveauer. Denne tredje udgave af bogen er målrettet de nye naturvidenskabelige grundforløb i htx og stx og har som mål at styrke elevernes naturvidenskabelige kompetencer. Eleverne skal ud over den konkrete viden om de enkelte fags kernefaglige områder også udvikle kritisk sans, og som naturvidenskabeligt dannede mennesker kunne forholde sig til naturvidenskabens muligheder og begrænsninger. Undervisningen i NV kan tilrettelægges på mange måder, men det er vores erfaring, at eleverne får den bedste forståelse for de naturvidenskabelige fags krav og arbejdsmåder ved selv at belyse udvalgte problemstillinger gennem eksperimenter og feltarbejde. I biologi, bioteknologi, fysik, geovidenskab, kemi og naturgeografi er viden og erkendelse en fortsat proces, hvor den etablerede viden hele tiden efterprøves i praksis. Eleverne skal have lov til at prøve det samme.
I forlængelse af ideen om undersøgelsesbaseret naturfagsundervisning (også kaldet IBSE, se bl.a. opslag 4) har vi derfor tilrettelagt bogen som 50 korte, selvstændige opslag centreret omkring emner, der kan belyses eksperimentelt eller gennem empiriske data fra feltarbejde – eller som beskriver de metoder og arbejdsformer, der kendetegner naturvidenskabelig forskning. Skriftligheden i grundforløbet lægger op til korte, afgrænsede produkter, men vi har ment, at det også vil være meningsfuldt fortsat at introducere den naturvidenskabelige rapport, som peger videre mod arbejdet i fagene i studieretningerne; skrivningen i de naturvidenskabelige fag favner mere bredt, hvorfor vi også giver en kort introduktion til andre skrivehandlinger. Opslagene kan og skal altså ikke læses i rækkefølge eller fra A-Z. Vi har valgt denne form for at give de enkelte lærerteam, der underviser i NV, den størst mulige frihed i valget af emner. Bogen bør derfor være en taskebog, hvor opslagene inddrages og behandles i forbindelse med de valgte emner. Bogens emneopslag er grupperet under hoved overskrifterne Naturvidenskabens grundbegreber, Naturvidenskabelig metode, Indsamling af empiri, Analyse og fortolkning af data og Formidling af resultater, som afspejler forløbet af den naturvidenskabelige undersøgelse. Den reviderede 3. udg. indeholder en række nye emne-opslag (fx opslag 4, 8, 12, 13, 14, 15, 40 og 41). Mange opslag er kraftigt revideret og udvidet med nye opgaver og øvelser. Et nyt billedmateriale og nyt layout gør det nemt for eleverne at navigere i stoffet. På bogens website www.lru.dk/nv er der adgang til eksempler på forløbsopbygning, inklusive eksperimenter og undersøgelser, som vi har god erfaring med. God fornøjelse! Forfatterne
1
Iagttag verden omkring dig Iagttagelse er en væsentlig del af den naturvidenskabelige metode. At gøre iagttagelser og sammenholde dem med andre iagttagelser – både sine egne og andres – er forudsætningen for, at man kan beskrive sammenhængen mellem dem på en meningsfuld måde. Alle naturvidenskabelige forklaringer hviler på systematiske iagttagelser og observationer.
En tur i skoven Alle har gået en tur i skoven – om foråret fx gennem den lysegrønne forårsskov og videre ind blandt granerne. Det er dejligt med frisk luft og motion – men hvis du bagefter blev spurgt om, hvad du så, hvad ville du så svare? At du så nogle grønne træer og mødte nogle motionsløbere, måske? Hvis du i stedet blev spurgt om, hvor man kunne plukke nogle blomster, i bøgeskoven eller granskoven, havde du nok svaret i bøgeskoven. Men havde du kigget nøjere efter, havde du måske lagt mærke til, at forårsplanterne vokser forskellige steder: Ramsløg og anemoner vokser ikke de samme steder, og nogle steder vokser der slet ikke noget. En nærmere undersøgelse viser, at ramsløgene vokser, hvor der er fugtigt og måske lidt skygge, mens anemonerne vokser i den åbne bøgeskov. Under granerne er der ikke lys nok til, at der kan vokse noget – samtidig er jordbunden for sur. Eksemplet viser, at selvom man altid ser sig omkring og gør iagttagelser, er det ikke altid, at man gør det systematisk. Og det er heller ikke nødvendigt. Din tur i skoven havde et andet formål: at få lidt frisk luft og nyde omgivelserne.
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
7
Kan man forudsige vejret? Hvis du undervejs på turen lagde mærke til, at der var skyer på himlen – og at skydækket tog til, overvejede du måske, om det var ved at blive regnvejr. Kan du forudsige det uden barometer og satellitfotos? At svare på det spørgsmål kræver nogle forudgående, systematiske iagttagelser. Af skyer og deres form, og af sammenhængen mellem forskellige skytyper og efterfølgende vejr. Den slags iagttagelser har landmænd og søfolk altid gjort, fordi det kunne være en afgørende viden. Skulle høsten bjerges i dag, eller kunne man godt vente et par dage? Så svaret på spørgsmålet er: ”Ja – hvis du kender lidt til forskellige typer af skyer, og hvis du har sat dig lidt ind i, hvordan vejret ofte arter sig” (Se opslag 16).
Vejret skifter i sommerlandet Det er sommerferie, og vejret ser godt ud – hvad med en tur til stranden? Du har sovet længe, skal lige have vasketøjet ud på tørresnoren og får først pakket badetøjet op ad formiddagen. Men nu er det jo næsten overskyet! Skal du tage af sted alligevel? Du vover et øje og tager til stranden – og her ved kysten er der skyfrit. Du får en dejlig badedag ved kysten, men da du kommer tilbage til sommerhuset, er alt vådt, og vasketøjet er bestemt ikke mere tørt, end da du hængte det op? Hvorfor nu det? Havde du lavet en vejrobservation hjemme ved sommerhuset, som ligger 10 km fra kysten, havde du oplevet følgende: Om morgenen: skyfrit. Solen skinner, og luften er dejligt lun. I løbet af formiddagen kommer der flere små skyer, som omkring middagstid er blevet temmelig høje. Over frokost bliver skyerne rigtig store, himlen bliver efterhånden overskyet, det blæser op, og midt på eftermid dagen begynder det at regne kraftigt, men kortvarigt. Derefter klarer det langsomt op, og ved aftenstid er det igen skyfrit og stille vejr. Havde man lavet sin vejrobservation ved kysten, ville man derimod have oplevet, at vinden i løbet af dagen frisker op og bliver til en jævn pålandsvind. Ude over havet er det skyfrit, men inde over land tager skydækket til, og midt på eftermiddagen kan man se optårnede skyer og regn. Derefter aftager skydækket. Hvad er forklaringen på to så forskellige observationer med så kort afstand?
Luftmasser i bevægelse En luftmasse kan indeholde en bestemt mængde vanddamp. En kold luftmasse kan indeholde lidt vanddamp, og en varm luftmasse kan indeholde meget vanddamp. Derfor er sommerbyger ofte meget kraftige. En luftmasse påvirkes af det ”underlag”, den bevæger sig henover. Det vil sige: Bevæger
8
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
den sig hen over koldt og tørt land, bliver luftmassen relativt kold og tør, og modsat når den bevæger sig over varmt hav. Havets temperatur ændrer sig meget langsomt fra vinter til sommer (og omvendt), mens landjorden opvarmes og afkøles hurtigt; derfor vil temperatursvingningerne være størst over land og mindst over havet/ved kysten.
Sø- og landbrise – et koblet system
H
L
L
H
Dag · søbrise
L
H
H
L
Nat · landbrise
Denne viden om luftmasser kan give os forklaringen på de forskellige vejrforhold ved sommerhuset og ude ved kysten: I løbet af natten, hvor det er stille og klart i vejret, falder temperaturen. Næste morgen står solen op, og opvarm ningen af jordoverfladen begynder. Ude ved kysten har luften næsten samme temperatur som vandet, men allerede tæt ved kysten er det muligt for den opvarmede jordoverflade at tilføre luftmassen noget energi – og temperaturen stiger. Havluften er kølig og kan derfor ikke indeholde ret meget vanddamp. Luften nær kysten er lidt opvarmet, og ved en uændret mængde af vanddamp i luften er luftmassen relativt set blevet mere tør. Længere inde i landet bliver luftmassen fortsat varmere, men nu begynder den opvarmede luft at udvide sig: Den bliver lettere end den omgivende luft – og stiger derfor til vejrs og afkøles. I forbindelse med afkølingen når vanddampen i luften dugpunktsgrænsen, og der dannes skyer. Tilføres der ikke mere energi eller vanddamp, udvikler skyerne sig ikke yderligere. Men i løbet af dagen fordamper der vand fra vegetation og jordoverfladen, samtidig med at temperaturen fortsat stiger. Skyerne udvikler sig til egentlige bygeskyer, det bliver overskyet, og det begynder at regne. Temperaturen ved jordoverfladen falder. Regnen trækker kold luft ned mod overfladen fra de højere luftlag, og skyerne skygger for solen, så indstrålingen falder. Samtidig med temperaturfaldet aftager også muligheden for, at der dannes nye skyer. I løbet af eftermiddagen falder indstrålingen, når solhøjden aftager, jordoverfladen afkøles, og dannelsen af skyer aftager. Det bliver klart vejr igen. Når temperaturen inde i landet øges, stiger den varme luft som nævnt til vejrs. Det betyder samtidig, at der dannes et lokalt termisk (temperaturbe tinget) lavtryk. Der mangler altså luft inde over land, og her vil naturen forsøge at skabe ligevægt: Vinden blæser ind mod lavtrykket. Det vil opleves som pålandsvind ved kysten, og i takt med henholdsvis tiltagende og aftagende solstråling i løbet af dagen påvirkes trykket og dermed vindens hastighed. En sådan vind vil være en del af et såkaldt sø- og land-brisesystem. Søog landbrisesystemet kan illustreres med denne model.
Naturvidenskabens grundlag Systematiske iagttagelser og observationer kan anvendes til at beskrive sammenhænge, så det bliver muligt en anden gang at forudsige hændelser ud fra øjeblikkelige iagttagelser.
2
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
9
Hvad er naturvidenskab? En naturvidenskabelig undersøgelse starter ofte med en undren over et fænomen eller en sammenhæng. Man tænker: Hvordan kan det være? – eller hvorfor mon ...? Måske har man en idé om, hvordan sammenhængen er. Det kaldes en hypotese. Hvis man vil vide, om man har ret i sin antagelse, må man foretage et eksperiment, for at afprøve om hypotesen gælder. På den måde opbygges gradvis en ny viden.
Kernen i naturvidenskab er afprøvning af hypoteser Den naturvidenskabelige metode hviler på iagttagelser og observationer, som udgør den eksisterende viden her og nu. På baggrund af denne viden kan vi opstille en hypotese, som skal være sådan formuleret, at den kan efterprøves eksperimentelt. (Læs mere om hypoteser i opslag 3). Efter den eksperimentelle afprøvning får man nogle resultater, som kan stilles op over for hypotesen. Holder hypotesen, eller må den forkastes? Metoder og resultater skal kunne efterprøves af andre og derfor være klart beskrevne. Det er desuden et krav, at al viden hele tiden underkastes kritisk efterprøvning af andre forskere. Svaret findes gennem eksperimenter Naturen kan ikke svare for sig selv, så den skal provokeres til at give et svar. Eksperimentet kan opfattes som en kontrolleret måde at spørge på – en metode til at få naturen til at give et svar. I naturvidenskab er eksperimentet den øverste dømmende myndighed. Krav til forsøgsresultatet Repeterbart. Kan forsøgsresultatet gentages af den samme forsker i det samme laboratorium? Hvis en kok forsøger sig med en ny kageopskrift, er kravet til opskriften, at den samme kok kan lave den samme kage i det samme køkken. Reproducerbart. Kan forsøgsresultatet gentages af andre forskere i et andet laboratorium? Beskrivelsen af forsøget kan sammenlignes med en kageopskrift, så ved brug af opskriften, skal andre kokke også kunne lave den samme kage i et andet køkken.
Eks. 1
Myter om mad Der findes mange myter om madlavning, der har overlevet i flere generationer, og som først for nyligt er blevet testet. Der findes gode argumenter bag alle myterne, men i naturvidenskab er det ikke nok med et godt argument, hvis det ikke passer med virkeligheden.
10
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
Opg. a To myter om madlavning 1. Bøffen må ikke saltes, inden den skal steges 2. Stegen skal hvile inden den skæres ud. – Kan du finde nogle gode argumenter for myternes påstande? – Kom med nogle forslag til, hvordan myterne kan testes.
Eksperimentel afprøvning af hypoteser Naturvidenskaben hviler altså på følgende grundlag:
UNDREN ELLER NYSGERRIGHED VEDRØRENDE ET NATURFÆNOMEN
Sammenholdes med
EKSISTERENDE VIDEN
EKSPERIMENTEL AFPRØVNING
HYPOTESE
RESULTATER
???
DISKUSSION (af overensstemmelse mellem hypotese og resultater)
HYPOTESE BEKRÆFTES – hæves til gældende teori
HVERKEN ELLER – OM IGEN
HYPOTESE FORKASTES – ny hypotese må formuleres og efterprøves
• Beskrivelsen af det eksperimentelle arbejde skal være klar og entydig, så det er muligt for andre at gentage forsøget og teste hypotesen. • Resultater skal kunne efterprøves. Holder de i virkeligheden/kan de verificeres? Eller må vi forkaste dem/kan de falsificeres? • Der er en indbygget erkendelse af, at al viden er dynamisk: En hypotese gælder kun indtil der udføres forsøg eller gøres iagttagelser, som tilbageviser den. • Vi opnår aldrig fuldstændig vished. Enhver hypotese, som eksperi mentelt afkræftes, skal forkastes.
Forskel på videnskab og ikke-videnskab Videnskab
Pseudovidenskab og overtro
Påstande kan eftervises gennem iagttagelser og forsøg.
Påstande kan ikke dokumenteres gennem forsøg og iagttagelser.
Der anvendes kontrollerede forsøg eller undersøgelser.
Ingen brug af kontrollerede forsøg eller undersøgelser.
Anvendte metoder er velbeskrevne og tilgængelige.
Adgang til resultater ikke mulig.
Andre har fri adgang til undersøgelses resultater og -data.
Resultater kan ikke genskabes af andre.
Få forhåndsantagelser.
Mange forhåndsantagelser.
Teorien bygges på resultater, ikke omvendt.
Udvælgelse af data, så de passer til teorien.
Resultater kan genskabes, testes og dermed vurderes af andre ved uafhængig gennemførelse af forsøg og undersøgelser.
Resultater kan ikke genskabes og testes ved uafhængige forsøg.
En videnskab om stjerner? Astronomer og astrologer beskæftiger sig begge med observationer af stjernehimlen. Astronomer bruger observationerne til at opstille hypoteser om solsystemet, stjerner og verdensrummets dannelse og udvikling. Astrologer bruger observationerne til at opstille et horoskop (kort over stjerners og planeters placering i fødselsøjeblikket) og derefter tolke horoskopets betydning for personen.
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
11
Astrologi bygger på hypotesen om, at begivenheder i vores liv er styret af planeternes position ved fødselsøjeblikket og hvilket stjernetegn, man er født under. Denne hypotese kunne testes, hvis astrologerne var villige til lave præcise forudsigelser, som kunne bekræftes eller afkræftes af uafhængige observatører. Astrologiske forudsigelser er imidlertid formuleret i upræcis form og med mange forbehold. Dette gør tests meget vanskeligt.
Eks. 2
Definition på en planet Pluto blev opdaget i 1930 og faldt ind under den daværende definition på planeter. I 2006 ændrede den internationale astronomiske union imidlertid definitionen, og det viste sig, at Pluto ikke opfylder den tredje af følgende betingelser: – Himmellegemet er i omløb omkring solen – Himmellegemet er stort nok til, at dens egen tyngde har gjort det næsten kugleformet – Himmellegemet har ryddet omegnen af sin bane for andre himmellegemer. Inden for astronomien omtales Pluto nu som en dværgplanet. Samtidig har man de seneste år opdaget flere himmellegemer, der er både større og længere
I juli måned, 2015 fløj NASAs rumskib New Horizons forbi Pluto.
væk end Pluto – og som opfylder definitionen på en planet. Opg. b Hvad siger astrologien? Diskutér, om følgende astrologiske påstande kan eftervises eksperimentelt: 1. ”Planeternes afstand og størrelse har ikke betydning for et horoskop, det har alene deres position”. 2. ”En planet får først indflydelse på et horoskop, efter den er opdaget”. 3. ”Pluto har stadig indflydelse, selvom den ikke længere er en planet”.
Eks. 3
Halleys komet I 1705 fastslog den engelske astronom Edmund Halley, at den komet der blev set i 1682 var den samme, som blev set 1607 og i 1531. Samtidig forudsagde han, at den ville vende tilbage i 1758, hvad den også gjorde. Opg. c Passer beregningen? Halleys komet blev observeret i 1066 som vist på Bayeux- tapetet, og den blev sidst set i 1986. – Passer det med en omløbstid på ca. 76 år? Opg. d Sol-og måneformørkelser Sol-og måneformørkelser følges ad. Hvis der lige har været en måneformørkelse, vil der komme en solformørkelse 14 døgn efter, eller også har der været en 14 døgn før. – Hvordan kan astronomer være så sikre på en sådan forudsigelse? Øverst: Halleys komet er gengivet på Bayeux-tapetet fra 1066. Nederst: Et billede af kometen i 1986, da den sidste gang var forbi Jorden.
3
Hypoteser Hvilken sammenhæng er der mellem gærcellers aktivitet og temperaturen, og hvorfor har tropiske frøer stærke farver? Kernen i naturvidenskab er at opstille og teste hypoteser. En hypotese er en formodning om, hvordan fysiske størrelser er forbundet med hinanden eller en foreløbig forklaring på et observeret fænomen – som fx farven på en frø.
Definition på en hypotese En hypotese er en påstand, der opfylder følgende to krav: 1. Vi er ikke sikre på, at den er sand. 2. Vi udleder konsekvenser for at forklare noget, forudsige noget eller teste selve hypotesen.
Hypotese som en foreløbig forklaring En hypotese kan være en foreløbig forklaring på et observeret fænomen, som siger mere, end der umiddelbart kan observeres. Det er derfor, vi ikke er helt sikre på, om den er sand. Da vi gerne vil teste, om hypotesen er sand, skal den være fremsat på en måde, så den kan testes. Hvis hypotesens konsekvens passer med det observerede, er det en mulig forklaring, og hvis hypotesen ikke passer, forkastes den. Et eksempel kunne være et computerprogram, der ikke kan installeres, og hvor en forklaring skal findes.
En hypotese er en påstand, der er fremsat på en måde, så den kan testes.
Hypotese som en formodning om en sammenhæng En hypotese kan også være en formodning om en endnu ikke observeret sammenhæng. Her sammenlignes hypotesens konsekvens (forudsigelse) med et eksperiment, og eksperimentet fungerer derfor som en test af hypotesen. Et eksempel kunne være en formodning om, hvordan vægt og højde hænger sammen, der så efterfølgende kan testes (se opg. a).
Eks. 1
Hvordan afhænger gærcellers aktivitet af temperaturen? Hypotese: Gærceller vokser bedst omkring 30 °C, ved lavere temperaturer er de sløve og ved højere temperaturer dør de. Konsekvens af hypotesen: Gærcellers aktivitet bør vokse fra 0 °C til 30 °C og aftage over 30 °C. Eksperiment: Data over gærcellers aktivitet (målt ved mængden af udskilt CO2) opsamles ved forskellige temperaturer. Konklusion: Hvis resultatet af eksperimentet passer med forudsigelsen, beholdes hypotesen indtil videre og hvis resultatet af eksperimentet ikke passer med forudsigelsen, forkastes hypotesen.
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
13
Opg. a Opstil en hypotese Opstil en hypotese om sammenhængen mellem en persons vægt og højde, og test den på kammeraterne i klassen.
Hvordan kan hypotesen testes? I det følgende gives der eksempler på hypoteser som foreløbige forklaringer, hvor en forklaring opfattes som et fordi-svar på et hvorfor-spørgsmål, dvs. et bud på en årsagssammenhæng. Når man fx står overfor et apparat, der ikke virker, vil en videnskabelig tilgang til problemet være at fremsætte hypoteser om årsagen til fejlen. Derefter tester man hver hypotese for sig, indtil fejlen er fundet.
Eks. 2
Hvorfor virker elkedlen ikke? Når man kommer hjem en eftermiddag og vil sætte vand over til en kop te, opdager man, at elkedlen ikke virker. Man kan fremsætte følgende hypoteser: 1. Stikkontakten er ikke tændt 2. Elkedlens stik er ikke inde i stikkontakten 3. Sikringen har afbrudt strømforsyningen til apparatet 4. HFI-afbryderen har afbrudt strømforsyningen til husstanden 5. Elektricitetsværket kan ikke levere strøm til området 6. Elkedlens indre sikring er gået. Konsekvensen af alle ovenstående hypoteser er, at elkedlen ikke virker. Der findes som regel mange hypoteser, der kan forklare et observeret fænomen. Opg. b Opstil hypoteser Overvej, hvordan man kan teste ovenstående hypoteser. Opg. c Roskilde Festival En morgen ser man ud fra sit telt på festivalen og opdager, at græsset er vådt. – Hvad kan forklaringen være? Opstil så mange hypoteser, du kan komme i tanke om. – Kan nogle af dem testes?
14
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
Eks. 3
Hvorfor skifter årstiderne? Alle har oplevet at årstiderne skifter, men hvad er årsagen? Hypotese: Årsagen til årstiderne er jordens varierende afstand til solen. Konsekvenser af denne hypotese: Der vil være sommer, når jorden er tæt på solen og vinter, når jorden er langt fra solen. Alle lande på hele jordkloden vil derfor have samme årstider på samme tid. Observation: Når den nordlige halvkugle har sommer, har den sydlige halvkugle vinter og omvendt. Det kan man jo nemt konstatere ved at ringe til Australien. Konklusion: Hypotesen forkastes, da dens konsekvens ikke passer med obser vationen.
Fra hypotese til teori Mange af de anerkendte teorier inden for naturvidenskaben i dag er opstået som hypoteser eller forudsigelser om årsagssammenhænge. Her er tre eksempler på store fortællinger, der alle blev fremsat som hypoteser, men som i dag er så velfunderede, at de kaldes teorier.
Eks. 4
Hypoteserne om kontinentaldrift og pladetektonik Observation: Når man ser på et landkort, bemærker man verdensdelenes karakteristiske faconer. De er ikke fx afrundede ovaler, men har dybe bugter og indhak, der kunne minde om adskilte puslespilsbrikker. Hypotese der kan forklare observationen: I 1912 fremsatte Alfred Wegener hypotesen om, at Sydamerika og Afrika engang må have hængt sammen, men er drevet væk fra hinanden, fordi kontinenterne flyder på oceanbunden. Han havde dog intet bud på mekanismen bag bevægelsen. I slutningen af 1960-erne fremkom hypotesen om de syv store plader (plade tektonik), der både indeholder kontinenter og oceaner. Hypotesen kunne ikke alene forklare, hvordan kontinenterne har ændret sig, men også hvorfor. Pladebe vægelserne forklarer også dannelsen af bjergkæder, jordskælv og vulkanudbrud.
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
Eks. 5
15
Evolutionshypotesen Observation: Dyr virker særdeles godt tilpassede til deres omgivelser; fx har kolibrier lange, let krummede næb, der passer perfekt til at nå ned til nektaren i bunden af bestemte blomster i deres leveområde. Hypotese der kan forklare observationen: I 1859 fremsætter Darwin sin evolutionshypotese. Der findes arvelige forskelle blandt individerne (variation), og der fødes flere individer, end der bliver voksne (fødselsoverskud). En del bliver sorteret fra. Darwin opstillede derfor en hypotese om, at denne udvælgelse skete ved selektion. Han betegnede det 'naturlig selektion'.
Eks. 6
Hypotesen om det periodiske system Observation: Hvis de kendte grundstoffer blev opstillet i rækkefølge efter voksende atommasser, optrådte de samme kemiske egenskaber med faste intervaller. Hypotese der kan forklare observationen: I 1869 fremsætter den russiske kemiker Mendelejev hypotesen om, at grundstoffernes kemiske egenskaber afhænger periodisk af deres atommasser. Han opstillede grundstofferne efter deres atommasser i et system med rækker og søjler, hvor grundstoffer i den samme søjle reagerer kemisk ens. Systemet kunne bruges til at forudsige eksistensen og egenskaber af ukendte grundstoffer, men man vidste ikke, hvorfor grundstofferne udviste denne periodiske variation. Forklaringen kom først senere med kvantefysikken, der kunne redegøre for, hvordan atomets elektronskaller blev fyldt. I dag klassificeres grundstofferne efter antallet af protoner i kernen.
Dmitri Mendelejev (1834-1907)
Opg. d Frøers farve På de to fotos øverst på næste side ses hhv. en tropisk og en dansk frø. Som man kan se, er der stor forskel på deres farve. Den tropiske frø er meget iøjnefaldende, mens den danske frø har farver, der er mere afdæmpede. – Fremsæt på baggrund af de to observationer en hypotese, som kan forklare forskellen i danske og tropiske frøers farvetegning. – Skitser et forsøg, som kan afprøve den opstillede hypotese.
16
N AT U R V I D E N S K A B E ns g rundbe g reber
Observation 1: Nogle tropiske frøer er udstyret med stærke og klare farver, som kan ses på lang afstand. Disse frøer bliver sjældent spist af rovdyr, til trods for at de er nemme at se og fange.
Observation 2: De fleste danske frøer og tudser har farver og mønstre, som svarer til de omgivelser, de lever i. De er svære at se, og de er som regel sky og opmærksomme på, om der er rovdyr i nærheden.
– Hvad er din hypotese om forskellen på de to frøers farve? – Hvordan kan din hypotese testes? Forudsigelser – to betydninger At opstille hypoteser indebærer en forudsigelse om, hvordan noget vil forholde sig i fremtiden. Man kan skelne mellem to betydninger af begrebet forudsigelse. I den første betydning (a) forudsiger man, at et bestemt fænomen vil opstå på et fremtidigt tidspunkt. I den anden betydning (b) påstår man, at på et tidspunkt i fremtiden vil finde beviser for, at et fænomen har eksisteret i fortiden. a. Forudsigelser om at et bestemt fænomen vil kunne observeres i fremtiden Den næste totale solformørkelse i Danmark vil finde sted den 25. maj i år 2142 kl 10.04. b. Forudsigelse om (vores kendskab til) fortiden Evolutionsteorien kan ikke forudsige, hvordan arterne vil udvikle sig, men teorien kan forudsige forekomsten af fossiler (rester, aftryk eller spor af fortidens organismer) på steder, der endnu ikke undersøgt – og at disse vil kunne indplaceres i den udviklingshistorie, som allerede er dokumenteret. Det er på denne måde teorien er testet og bekræftet.