Kvalificeringstävlingen i fysik för gymnasierna i Sverige ägde rum den 7 februari. Det var den tjugosjunde gången som tävlingen anordnades. Till årets tävling anmälde sig 89 skolor och 64 skolor skickade in 319 tävlingsbidrag. I lagtävlingen deltog 51 av dessa skolor eftersom de övriga inte sänt in minst tre tävlingsbidrag. Skolans lag utgörs ju av de tre bästa eleverna. Antalet elever som deltog i tävlingen ökade med nästan 20 % jämfört med förra året samtidigt som antalet skolor minskade med en.

Förutom de sedvanliga lagpriserna till eleverna delas även i år även ut ett pris på 2 000 kronor till den segrande skolans fysikinstitution. Vi gratulerar i år fysiklärarna på Forsmark i Östhammar till lagsegern för deras elever.

Tävlingsdeltagarna hade fem timmar på sig att lösa de följande åtta uppgifterna. Tillåtna hjälpmedel var formel- och tabellsamling samt grafisk räknare.

1. Två resistorer är kopplade enligt Figur 1. Bestäm spänningen över resistorn med resistansen R₁.
2. Två kondensatorer är kopplade enligt Figur 2. Bestäm spänningen över kondensatorn med kapacitansen C₁
3. Kopplingen i Figur 3 används för att bestämma en okänd kapacitans C. När man ställer in den variabla resistorn R1 på 5,0 kW visar voltmetern 0 V när strömbrytaren K sluts. Bestäm kapacitansen C.

   

    

   2. The aircraft in the photo below is an MD-11 airliner of known dimensions – see picture. The left picture shows the aeroplane with the sun as background. Estimate the distance to the aircraft from the photographer.

   (Picture from http://perso.club-internet.fr/legault/s010113.jpg)

   

   3. Olika levande varelser har helt olika möjligheter att röra sig. De har också helt olika förutsättningar att tåla höga accelerationer. I denna uppgift ska du jämföra accelerationsförmågan hos en loppa med samma förmåga hos människan. Människoloppan (Pulex irritans) har mått enligt bilden. Den kan hoppa upp till en höjd av cirka 0,5 m.

   1. Uppskatta med hjälp av beräkningar den acceleration loppan har under upphoppet om vi förutsätter att accelerationen är likformig.
   2. Hur högt skulle en människa kunna hoppa om hon vid upphoppet kunde ha denna acceleration. Du får själv göra de ytterligare uppskattningar som behövs för beräkningen.

   4. Fysikproblemen i gymnasiet har under årens lopp formulerats på olika sätt. Denna uppgift är från det skriftliga studentexamensprovet våren 1960.

   "En vätskas specifika värmekapacitet bestämdes genom följande försök. Från en stor behållare, där vätskans temperatur hölls konstant vid 10,0 ° C, fick vätskan med konstant hastighet strömma genom ett smalt rör. Längs rörets axel hade man spänt en metalltråd, som genomflöts av elektrisk ström. Sedan försöket pågått någon stund med konstant strömstyrka i tråden, hade även den vätska som lämnade röret konstant temperatur. Vid ett tillfälle avläste man denna temperatur till 22,0 ° C. Vid mätningen fann man att 680 g av vätskan passerade röret på 22,0 minuter. Strömstyrkan (I ) i och spänningen (U ) över tråden avlästes till 3,90 A respektive 4,00 V. När man sedan ökade strömningshastigheten, så att 825 g vätska lämnade röret på 22,0 minuter, måste I och U ökas till 4,25 A respektive 4,40 V, för att den konstanta sluttemperaturen hos vätskan skulle bli densamma som förut. Beräkna härav vätskans specifika värmekapacitet. Hänsyn måste tagas till värmeutbytet mellan röret och omgivningen."

   5. I ett experiment med en dubbelspalt får parallellt ljus med våglängden 600 nm träffa dubbelspalten med vinkelrätt infall. På en skärm med avståndet 1,00 m från dubbelspalten uppmäts avståndet från centralmaximum till det tionde maximat på ena sidan till 30 mm.

   a) Bestäm spaltavståndet i dubbelspalten.

   b) En genomskinlig film med tjockleken 20 m m placeras i den ena spalten varvid läget för

   centralmaximum förskjuts 30 mm på skärmen. Bestäm brytningsindex för filmen.

   6. Du har antagligen fått lära dig att det tar lika lång tid för en boll, som kastas rakt upp, att nå sin högsta höjd som det tar att falla tillbaka till startpunkten. Denna modell är inte helt sann. Jämför med hjälp av en bättre modell stigtid och falltid. Motivera ditt resonemang och dina slutsatser väl!

   7. En fotboll närmar sig en spelare med hastigheten 12 m/s. Hur måste spelarens fot röra sig om han vill stoppa bollen då den träffar foten. (Bollens hastighet efter stöten ska alltså vara noll.) Du får anta att fotens massa är mycket större än bollens och att kollisionen är fullständigt elastisk samt att bollen inte roterar.

   8. Ett U-format rör med en horisontell längd l innehåller en vätska.

   1. Bestäm höjdskillnaden mellan vätskepelarna om röret har en acceleration, a, åt höger.
   2. Bestäm höjdskillnaden mellan vätskepelarna om röret monteras på ett horisontellt roterande bord med vinkelhastigheten, w, och den ena av vätskepelarna sammanfaller med rotationsaxeln.

    

   Lösningsförslag till uppgifterna finns på tävlingens hemsida www.physto.se/fysiktavlingen.

   Resultatet av tävlingen blev:

   Finalister

   Elevnamn	Skola	Ort	Summa
   Arvid Kästel	Sundsta-Älvkulle-gymnasiet	Karlstad	39
   Johan Rönnberg	Kattegattgymnasiet	Halmstad	31
   Torbjörn Andersson	Polhemskolan	Lund	31
   John Karlsson	Platenskola	Motala	31
   Per Norder	Fässbergsgymnasiet	Mölndal	31
   Johan Land	Forsmark	Östhammar	31
   Fredrik Tolf	Åva gymnasium	Stockholm	30
   Karl Hallberg	Enskilda gymnasiet	Stockholm	29
   Tobias Lernvall	Gymnasieskolan	Lerum	28
   Emil Gunnarsson	Österportskolan	Ystad	28
   Anders Nilsson	Forsmark	Östhammar	28
   Gabriel Adrian	Katedralskolan	Lund	27
   Tomas Larsson	Forsmark	Östhammar	27

    

    

   Lagtävlingen

   Skola	Ort	Lagpoäng
   Forsmark	Östhammar	86
   Sundsta-Älvkulle-gymnasiet	Karlstad	81
   Kattegattgymnasiet	Halmstad	73
   Katedralskolan	Lund	71
   Åva gymnasium	Stockholm	71
   Östrabogymnasiet	Uddevalla	70

   I ett brev till de deltagande skolorna har jag rapporterat resultaten och kommenterat lösningsproportioner och resultat på följande sätt.

   

   

   Kommentarer:

   Uppgift 1: Jag har av lösningsfrekvensen och kommentarer förstått att det finns elever som inte har mött kondensatorn under sina fysikstudier. Detta ger upphov till reflexionen att det gemensamma stoffet är krympande och oklart angivet i kursplanen. Svårighetsgraden i deluppgifterna stegras och det är endast 23 % som har full poäng på uppgiften.

   Uppgift 2: Uppgiften är hämtad från The Physics Teacher (september 2001). Den har karaktären av HOT – Higher Order Thinking – över sig. Uppgiften innehåller inte så mycket "fysik". Lösningen bygger ju på likformighetsresonemang. Påfallande många elever tar inte hänsyn till skalfaktorn mellan planet och solskivan. Några få har använt sig av avbildning i en kamera och betraktat den givna bilden som en kamerabild i kamerans fokalplan. Avbildningen av solskivan har använts för att bestämma kamerans "brännvidd" som sedan använts för att bestämma föremålsavståndet till planet.

   Uppgift 3: Lösningsfrekvensen ligger något lägre än vad jag hade förväntat mig. Eleverna tycks ha haft svårigheter med att finna sambandet mellan de utslagsgivande storheterna. Det är också vanligt med en överskattning av accelerationssträckan för det mänskliga upphoppet.

   Uppgift 4: Denna uppgift är som det framgår av texten hämtad från studentexamen 1960. Jag har endast moderniserat texten något vad det gäller storheter och enheter. Det finns en viss osäkerhet i lösningarna om hur man skall ta hänsyn till omgivningens inverkan. Det inte alla elever som inser att omgivningens inverkan är densamma i de båda experimenten. Det förekommer uppskattningar av verkningsgraden av uppvärmningen av metalltråden. En vanlig idé är att beräkna medelvärdet av den specifika värmekapaciteten från de båda experimenten om omgivningens inverkan försummas. Det skulle vara intressant att göra en jämförelse mellan tävlingens lösningsfrekvens och resultatet 1960 men några sådan statistik har jag inte tillgänglig. Det är väl rimligt att anta att majoriteten av abiturienterna i fysik1960 klarade denna uppgift eftersom den återfinns bland de första problemen av de åtta uppgifter som utgjorde examensprovet. För betyget B krävdes 3 nöjaktigt behandlade uppgifter. Förutom Nöjaktigt kunde en uppgift bedömas med Nöjaktigt med tvekan och Icke nöjaktigt.

   Uppgift 5: Den första deluppgiften här är av standardkaraktär och borde enligt min mening klaras av de flesta elever – i varje fall från åk 3. Resultaten tyder dock på att interferens i dubbelspalt ej behandlats på alla skolor. Den andra deluppgiften kräver ett eget kreativt tänkande och det finns flera exempel på bra lösningar på denna uppgift.

   Uppgift 6: I lösningsresonemangen till denna uppgift saknas ofta en "röd tråd". Eleverna är ovana vid att göra ett logiskt, rent resonemang där endast de fakta som man stöder sig på tas med. Det finns dock lysande undantag som visar på en god förmåga att resonera fysikaliskt.

   Uppgift 7: Uppgiften är inspirerad av den återkommande serien med Physics challenges for teachers and students i tidskriften The Physics Teacher. Det ställs stora krav på elevens förmåga att förstå den fysik som krävs. Det tycks ha varit lättast för de elever som är bekanta med begreppet relativ rörelse. Den andra metod som har varit framgångsrik för dem bygger på en lösning av ekvationssystemet med villkoren för rörelsemängdens och rörelseenergins bevarande. Den allmänna behandlingen kräver då dessutom en generalisering av massförhållandet som ju inte är givet i uppgiften.

   Uppgift 8: I elevlösningarna till denna uppgift har jag förvånats över att så många elever angriper den med införande av tröghetskrafter. Det är ju en behandling som inte tas upp av gymnasieböcker i fysik. Den andra deluppgiften innehåller ytterligare en svårigheter eftersom centripetalaccelerationen inte är konstant utefter rörets längd. Uppgiften är förvisso svår för de flesta eleverna. De tycks också vara obekanta med att ett svar till denna typ av uppgifter kan kontrolleras genom en dimensionsanalys av det erhållna uttrycket med hjälp av de ingående storheterna. En sådan analys borde ju avhålla en elev från att ge ett svar som innebär att höjden t ex skall anges med enheten m/s2!

   Alf Ölme

   "Alf Ölme är lektor i fysik och matematik vid Peder Skrivares skola i Varberg. Han undervisar även på de ingenjörsutbildningar som Högskolan i Borås driver i Varberg. Alf ansvarar för kvalificeringstävlingen och den teoretiska finaldelen i skolornas fysiktävling."