Fysik 2016 Råd og vink til den skriftlige prøve Fysik htx Maj juni 2016 Undervisningsministeriet Styrelsen for Undervisning og Kvalitet
Indhold 1. Indledende bemærkninger... 2 2. Censorernes bedømmelse af kvaliteten af årets opgaver... 2 3. Censorernes bemærkninger til besvarelserne af årets sæt... 3 4. Generelle bemærkninger til besvarelserne... 7 5. Statistik... 9 6. Afsluttende bemærkninger... 10 1. Indledende bemærkninger Ved den skriftlige prøve i fysik (htx) sommeren 2016 er der stillet et opgavesæt, som er tilgængeligt på Materialeplatformen. Sættet er mærket htx161-fys/a-01062016 og findes på adressen http://materialeplatform.emu.dk/eksamensopgaver/gym/htx/2016.html. Opgavekommissionen bag opgavesættene til årets skriftlige prøve i fysik (htx) bestod af René Lynge Eriksen, Peter Gross (formand), Jens Kurt Kraaer, Kim Lang og Peter Nørgaard. Desuden har fagkonsulent Kim Bertelsen været tilknyttet opgavekommissionen. Opgavesættet indeholdt 16 spørgsmål. 2. Censorernes bedømmelse af kvaliteten af årets opgaver På censormødet diskuterer fysikcensorerne sættet som helhed inden karakterfastsættelsen for de enkelte besvarelser. Hensigten er dels at etablere det bedst mulige grundlag for en ensartet bedømmelse af besvarelserne, dels at rådgive opgavekommissionen med hensyn til det fremtidige arbejde. Drøftelsen sker på basis af censorernes indberetning af deres umiddelbare bedømmelse af et antal besvarelser og en samling skriftlige kommentarer til såvel de enkelte spørgsmål som til sættene som helhed. Under rettearbejdet indberetter censorerne deres bedømmelse af et antal besvarelser. Besvarelsen af hvert af de 16 spørgsmål tildeles et mellem 0 og 10 point. I år udgør disse indberetninger en stikprøve på ca. 62 % af samtlige besvarelser. Det skal bemærkes, at der ikke er nogen centralt fastsat rettenorm, som fastlægger pointfradraget for bestemte fejltyper. Pointtallene fra stikprøven kan benyttes til at vurdere sværhedsgraden af de enkelte spørgsmål. Spørgsmål med pointtal 8-10 må således opfattes som umiddelbart lette, pointtal 6-8 svarer til mere sammensatte eller vanskelige spørgsmål, mens spørgsmål med pointtal under 6 kræver, at eksaminanden kan bruge eller opstille mere komplicerede modeller for den foreliggende situation. Pointtallene for denne prognose er i det følgende angivet som elevscore. 2
De skriftlige censorer har endvidere vurderet de enkelte spørgsmål på en skala med fem gradueringer: Uegnet spørgsmål (-2), Ringe spørgsmål (-1), Middelgodt (0), Velegnet (+1) og Meget velegnet (+2). Vurderingerne er angivet under de enkelte sæt. 3. Censorernes bemærkninger til besvarelserne af årets sæt 1075 elever var til prøve i det omtalte sæt. Censorerne vurderede, jf. skalaen ovenfor, 14 af sættets 16 spørgsmål til 1,1 eller derover, mens to spørgsmål fik vurderingen 0,6. Gennemsnittet af censorernes vurdering af sættets spørgsmål er 1,2. Den bedste vurdering fik spørgsmålene 1b (1,6), 2a (1,7), 3a (1,6) og 3c (1,6), mens spørgsmål 4d og 5c fik den laveste vurdering (begge 0,6). 1. Bowlingkugle Spørgsmål 1a (Elevscore: 8,4) Bestem en tilnærmet værdi for bowlingkuglens inertimoment, og forklar hvilke tilnærmelser du laver. Langt de fleste elever husker at kommentere på hvilke tilnærmelser, de gør. Langt de fleste skriver, at der er tale om en homogen kugle uden at nævne hullerne. Dog er der nogle som husker også at nævne, at homogen dækker over ensartet massefylde, samt at man ser bort fra hullerne. Nogle få antager, at der er tale om en tynd kugleskal. I beregningen opstår de fleste fejl ved, at eleverne glemmer at kvadrere radius, eller at de bruger diameteren uden at halvere. Spørgsmål 1b (Elevscore: 7,8) Bestem bowlingkuglens translatoriske energi og rotationsenergi under rulningen. Den translatoriske energi bestemmes for det meste uden vanskeligheder, mens der i bestemmelsen af rotationsenergien opstår vanskeligheder i omregningen af hastighed til vinkelhastighed. Nogle glemmer også her at kvadrere enten v eller w, eller også bruger de diameteren i stedet for radius uden at halvere. 2. Pyrheliometer Spørgsmål 2a (Elevscore: 8,9) Lav en graf, som viser metalklodsens temperatur som funktion af tiden. Denne opgave løses generelt uden de store problemer. Nogle få afleverer en graf, som viser temperaturstigningen for hvert tidsinterval. Det kan være afstedkommet af brug af Excel med en forkert kurvetype (en anden end x-y punkt). Spørgsmål 2b (Elevscore: 4,9) 3
Lav en graf, som viser den energimængde, som metalklodsen har fået tilført, som funktion af tiden, og kommentér grafens udseende. Samme kurveproblematik som ovenstående. En del besvarelser mangler dokumentation for beregninger. Yderligere regnes i absolutte temperaturer snarere end temperaturforskel, hvorved grafen ikke starter i (0,0). Det er de færreste, som kommenterer tilstrækkeligt og korrekt på grafens udseende. De fleste forholder sig matematisk til udseendet: Den ligner den forrige og der ganges med en konstant. Spørgsmål 2c (Elevscore: 5,9) Vis, at middeleffekten, som Solen tilfører metalklodsen i de første 2 minutter af eksperimentet, er 1,46 W. Opgaven afstedkommer ikke store problemer. En del dokumenterer dog ikke deres beregning eller oplister Excel-kolonner uden forklaring af beregningen af middelværdier. Spørgsmål 2d (Elevscore: 4,3) Beregn solarkonstanten ud fra eksperimentet, og sammenlign med tabelværdien. Mange sammenligner og beregner afvigelsen. Det er dog de færreste, som kommer med en god fysisk forklaring. Eksempler på mindre gode: Solen drejer; Jorden drejer; skyer foran apparatet og/eller lang tid. 3. Vinterdæk Spørgsmål 3a (Elevscore: 7,6) Vis, at accelerationen under bremsningen med sommerdæk er -1,56 m/s2. Det løser de flest med brug af hjælpesætningen. Det er ikke altid, at fortegnet er med i beregningen, men så er konklusionen ofte, at der er tale om en negativ acceleration. Spørgsmål 3b (Elevscore: 6,2) Lav en skitse, der viser de kræfter der virker på bilen under bremsningen med sommerdæk, og beregn størrelsen af hver af kræfterne. I besvarelserne af denne opgave kniber det gevaldigt med placeringen af kræfterne på en skitse, som lever bare nogenlunde op til gode standarder for ledsagende figurer. Tyngdekraften er som regel på plads i alle henseender. Normalkraften sidder enten i tyngdepunktet eller på et eller flere hjul. Friktionskraften sidder i berøringen mellem hjul og vej, enten på et eller to hjul. 4
Skitserne er tit ubehjælpelige, og tit er kræfterne afsat med vilkårlige angrebspunkter. I beregningen af størrelserne går det som regel fint med tyngdekraften og normalkraften, mens friktionskraften i mange tilfælde er bestemt ud fra en tilfældig tabelværdig frem for F = m a. Mange placerer blot nogle pile på en figur, tilsyneladende tilfældigt, og uden overvejelser om retningen. Dette hænger også sammen med spørgsmål 3a, hvor de skal angive accelerationens retning. Hvis de havde lavet en lille skitse med angivelse af RETNING for acceleration, fx positiv x- akse, så vil fortegn ikke give de samme problemer. At lave en lille skitse af fysikproblemstillingen er det første, man skal gøre, inden man begynder at løse en opgave og sætte tal (tilfældigt) ind i formler. Det kan virke unaturligt, når resten af besvarelsen udarbejdes i en kombination af et CAS-værktøj og tekstbehandling. Men der er brug for, at kravet om at aflevere relevante skitser opretholdes, også over for elever, der alene arbejder på computer. Det er nødvendigt, at eleverne lærer at bruge et passende enkelt tegneværktøj som erstatning for tegning i hånden. Det kan være en god ide at lade eleverne tegne passende skitser i et tegneprogram som en del af arbejdet med opgaver. Spørgsmål 3c (Elevscore: 3,9) Hvilke værdier for gnidningskoefficienten mellem sne og sommerdæk, hhv. sne og vinterdæk, har folkene bag reklamen brugt? I denne opgave har flere bestemt sommerdækkenes friktionskoefficient end vinterdækkenes, da denne arves fra den foregående opgave med bestemmelse af friktionskraften. Bestemmelsen af vinterdækkene er en omstændelig proces i brugen af kinematikken og hjælpesætningen, og mange snubler i algebraen eller mister tilsyneladende overblikket over bevægelsen. 4. Cykelpumpe Spørgsmål 4a (Elevscore: 8,2) Bestem antallet af mol luft i cykelpumpen i tilstand 1. Spørgsmålet besvares fint af de fleste. Spørgsmål 4b (Elevscore: 7,5) Bestem temperaturen af luften i cykelpumpen i tilstand 2 i enheden C. Ikke alle elever har været klar over, at oplysningen om, at cykelpumpen ikke når at udveksle varme med omgivelserne, betyder, at der er tale om en adiabatisk proces. Spørgsmål 4c (Elevscore: 5,4) Bestem det arbejde, der skal tilføres luften under hele pumpeslaget fra tilstand 1 til tilstand 3. Spørgsmålet besvares fint af de fleste. Spørgsmål 4d (Elevscore: 3,1) 5
Lav en skitse, der viser pv-diagrammet for hele det langsomme pumpeslag, og gør rede for om det arbejde, der skal tilføres luften under hele det langsomme pumpeslag, er større, mindre eller det samme som for hele det hurtige pumpeslag. En række elever har ikke været opmærksomme på, at det i dette delspørgsmål alene er processen fra tilstand 2 til tilstand 3, der skal arbejdes med. 5. Lysbue Spørgsmål 5a (Elevscore: 8,3) Bestem den elektriske feltstyrke mellem elektroderne under antagelse af, at feltet mellem elektroderne er homogent. Der er mange, der ikke afrunder passende, men ellers en opgave eleverne ikke har haft store problemer med at besvare Spørgsmål 5b (Elevscore: 7,1) Bestem potentialforskellen mellem punkterne A og B ved hjælp af figur 5.2. Der er to metoder til at løse opgaven. Det er lige godt, om man tæller 4,5 felter eller beregner ΔV = V A -V B = 19,5kV 12,75kV. Spørgsmål 5c (Elevscore: 5,3) Udnyt figur 5.2 til at forklare formen af lysbuen vist på figur 5.1. 6
Et eksempel på en rimelig elevopgavebesvarelse: 4. Generelle bemærkninger til besvarelserne Eksaminandernes forklaring Det ser ud til at de hold, som arbejder ud fra et sæt faste retningslinjer vedr. formen af besvarelsen, klarer sig bedre. De lader til at blive støttet af strukturen: Hvad skal jeg gøre først, hvad så og hvordan slutter jeg opgaven af? Fællestræk ved disse besvarelser er: Først skrives problemet op kort, så anføres kendte oplysninger op med symbol, værdi og enhed, og de relevante formler med symboler, som beskriver problemet, angives. Forudsætninger og tilnærmelser skrives op. Man finder eventuelt manglende størrelser, udfører mellemregninger (og her er CAS en stor hjælp) og skriver til sidst det korrekte svar op i en sætning med rigtig enhed og korrekt afrunding. Til slut skrives en konklusion med svaret på det stillede spørgsmål og med facit afrundet til det korrekte antal betydende cifre. 7
En eksaminand, der gennem sin besvarelse følger den viste metode til besvarelse en kort introduktion, formel, kendte størrelser, udregning og tydeligt svar med korrekt afrunding og enhed. Nogle eksaminander kopierer opgavens formulering ind i besvarelsen. Det kan være en udmærket praktisk foranstaltning for eksaminanden, der arbejder på computer og ellers skal skifte frem og tilbage mellem forskellige vinduer med opgave og besvarelse. Omvendt kan denne rene copypaste af opgavens tekst ikke i sig selv betragtes som et led i besvarelsen af opgaven. Brug af illustrationer I nogle opgaver skal eleverne tegne en figur i deres besvarelse. Hvis eleverne laver deres besvarelse i et CAS-værktøj, skal eleverne være fortrolige med, hvordan de kan tegne figurer. Brugen af CAS-værktøjer Brugen af CAS-værktøj er meget udbredt og erfaringen viser, at det er en stor fordel for de fleste elever at gøre dette. Blandt andet fordi disse værktøjer kan regne med enheder, og det forebygger fejl, hvis eleverne bruger denne facilitet. Brugen af CAS er stærkt forbedret. Det ser ud til, at mange af eleverne har lært at bruge værktøjet konsekvent og fået rutine. Eleverne skal opfordres til altid at vurdere, om et resultat virker rimeligt. At kommentere på et resultat, en graf eller lignende Når der i en opgave kræves, at eleven skal kommentere på et resultat, en graf eller lignende, er det vigtigt, at eleven faktisk udfører dette, og at eleven kommenterer på den konkrete situation i opgaven. Eksempler: Opgave 1a fingerhullerne i bowlingkuglen. I opgave 2b tilnærmelsen til temperaturligevægt. Endelig i opgave 2d må afvigelsen fra tabelværdi kommenteres og herunder absorption i atmosfæren. 8
At lave grafer over datasæt Der er stadig elever, som ikke får fuldt point i denne type opgaver. Til en komplet besvarelse hører, at grafen faktisk viser måledata (!) (og ikke en tilfældig sammenhængende kurve), at der er titler og enheder på akserne, samt at grafen er skaleret hensigtsmæssigt ift. den konkrete situation i opgaven. Eksaminandens forklaring giver indtryk af en intuitiv forståelse af den strålingsligevægt som er ved at indstille sig. Diagrammet mangler dog aksetitler. At lave grafer over beregnede størrelser En del elever får ikke dokumenteret de beregninger, de laver forud for tegning af grafen. Det betyder, at der er en del elever som ikke får point, hvis grafen er forkert. Grafen bør, ligesom alle andre opgaven, ledsages af en forklaring (formel og fx et eksempel på anvendelse af formlen) 5. Statistik På censormødet foretages en opgørelse af resultaterne, som er sammenfattet i nedenstående statistik på basis af holdene i det almene gymnasium. I alt var 1075 eksaminander til prøve. Karakterer -3 00 02 4 7 10 12 I alt Antal 10 87 126 215 264 258 115 1075 Frekvenser 0,9 8,1 11,7 20,0 24,6 24,0 10,7 100 Karaktergennemsnittet blev 6,41 for disse eksaminander; gennemsnittet af de beståede karakterer var 7,08. 9
Frekvens 30 25 Fysik - htx 2016 20 15 10 5 0-3 0 2 4 7 10 12 Karakter 6. Afsluttende bemærkninger Der har i ni år været afholdt skriftlig prøve efter 2005-ordningen, og opgavesæt efter 2010 findes på emu ens Materialeplatformen: http://materialeplatform.emu.dk/eksamensopgaver/. Lærere kan opnå adgang ved hjælp af uni-login. Fysiklærerne på skolen opfordres til at samarbejde om opgavedimensionen i undervisningen på såvel B- som A-niveau. Erfaringerne fra den skriftlige prøve på A-niveau kan med fordel blive inddraget på faggruppens møder. De elever, der får fysik A gennem opgradering af fysik B, må hjælpes til et godt grundlag for problemløsning ved at arbejde med rimelige mængder opgaver allerede i fysik B-undervisningen. På den enkelte skole anbefales det, at arbejdet med undervisningen på fagets højeste niveau koordineres, så de indhøstede positive og negative erfaringer gives videre, når den ene lærer afløser den anden. Kim Bertelsen Fagkonsulent 10