Värme och Temperatur i några av de svenska fysikläroböckerna

Examensarbete

Värme och Temperatur i några av de

svenska fysikläroböckerna

Heat and Temperature in some of the Swedish physics textbooks

Andrea Lang

Vilma Zela

Lärarutbildning 90hp 2012-04-05

Examinator: Peter Bengtsson

Handledare: Leif Karlsson Lärarutbildningen

Sammanfattning

Forskning har visat att läroboken står i centrum för undervisningen och att det veten-skapliga innehållet i en lärobok kan sakna noggrannhet och förstärka felaktiga föreställ-ningar hos eleverna. Därför är det viktigt att undersöka om läroböcker är lämpliga in-formationskällor för både elever och lärare. Syftet med det här examensarbetet var att undersöka hur begreppen värme och temperatur framställs i svenska gymnasieskolans läroböcker och att med utgångspunkt i vanligt förekommande felaktiga föreställningar om värme och temperatur, undersöka om det finns grogrund för dessa felaktiga före-ställningar i läroböckerna. Som vetenskaplig metod valdes kvalitativ textanalys. För att analysera texten skapades ett analysverktyg som sedan användes på fem gymnasieläro-böcker i fysik. Resultaten från textanalysen visar att begreppen värme och temperatur framställs på olika sätt i de undersökta svenska gymnasieläroböckerna. I läroböckerna fanns få vilseledande formuleringar men ibland saknades förtydligande påståenden vil-ket kan bidra till förstärkningen av elevens felaktiga föreställningar om värme och tem-peratur.

Förord

Samarbetet kring denna uppsats är baserat på ett gemensamt intresse för fysik och fram-ställningen av fysikaliska begrepp i skolans läroböcker. Samtliga delar av uppsatsen har utarbetats av båda författarna gemensamt.

Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Leif Karlsson vars insiktsfulla kommentarer och åsikter varit en mycket värdefull hjälp.

Innehåll

1 INLEDNING ... 6

1.1 BAKGRUND ... 6

1.2 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNING ... 7

1.3 ARBETETS STRUKTUR ... 8

2 OM FELAKTIGA FÖRESTÄLLNINGAR ... 9

2.1 LÄRANDE, KONSTRUKTIVISM OCH BEGREPP ... 9

2.1.1 Lärande och konstruktivism ... 9

2.1.2 Konstruktivism och begrepp ... 9

2.1.3 Vardagliga och vetenskapliga begrepp ... 10

2.2 VAD ÄR FELAKTIGA FÖRESTÄLLNINGAR? ... 10

3 VÄRME OCH TEMPERATUR ... 13

3.1 VÄRME OCH TEMPERATUR SOM FYSIKALISKA BEGREPP ... 13

3.1.1 Temperatur ... 13 3.1.2 Värme ... 15 3.1.2.1 Definition av värme ... 15 3.1.2.2 Specifika värmekapaciteten ... 15 3.1.2.3 Värmeledningsförmåga ... 16 3.1.2.4 Kommentarer om värmebegreppet ... 16

3.2 KORT HISTORISK ÖVERSIKT ... 17

3.3 FELAKTIGA FÖRESTÄLLNINGAR OM VÄRME OCH TEMPERATUR ... 19

4 LÄROBÖCKER OCH FELAKTIGA FÖRESTÄLLNINGAR ... 23

4.1 OM LÄROBÖCKER ... 23

4.2 FELAKTIGA FÖRESTÄLLNINGAR GENOM LÄROBÖCKERNA ... 24

4.3 INTRODUKTIONSSEKVENSEN AV VÄRME OCH TEMPERATUR ... 25

5 METOD ... 26 5.1 FRAMTAGNING AV ANALYSVERKTYGET ... 26 5.2 PRESENTATION AV ANALYSVERKTYGET ... 28 5.3 DISKUSSION AV ANALYSVERKTYGET ... 30 6 LÄROBÖCKERNA ... 33 6.1 HEUREKA! ... 33 6.2 ERGO ... 34 6.3 QUANTA ... 36 6.4 UPPTÄCK FYSIK ... 37

6.5 ORBIT ... 38

6.6 FLÖDESSCHEMAN ... 39

7 RESULTAT ... 41

7.1 DEFINITIONER AV VÄRME OCH TEMPERATUR ... 41

7.1.1 Definition av värme ... 42 7.1.2 Definition av temperatur ... 42 7.2 ORDNINGSFÖLJD ... 42 7.3 FÖREKOMST AV BEGREPP ... 43 7.3.1 Mikroskopisk/makroskopisk modell ... 43 7.3.2 Termisk jämvikt... 43 7.3.3 Absoluta nollpunkten ... 43 7.3.4 Värmeledningsförmåga ... 44

7.4 FÖREKOMST AV VILSELEDANDE FORMULERINGAR ... 44

7.4.1 ”Värme strömmar”, ” värme flödar” ... 44

7.4.2 ”Ökning i inre energi innebär högre temperatur” ... 44

7.4.3 ”Ett system kan innehålla värme” ... 45

7.5 FÖREKOMST AV VIKTIGA FÖRTYDLIGANDEN/FÖRKLARINGAR ... 45

7.5.1 Tillförd energi ökar inte alltid temperaturen ... 46

7.5.2 Temperaturen är konstant under fasövergångar ... 46

7.5.3 Föremål med samma T kan upplevas olika varma ... 46

7.5.4 Dementering av kalorikteorin ... 46

8 DISKUSSION OCH SLUTSATSER ... 47

8.1 DISKUSSION AV RESULTAT ... 47

8.1.1 Hur definieras begreppen? Nivå och ordningsföljd... 47

8.1.2 Förekomst av viktiga begrepp ... 48

8.1.3 Vilseledande formuleringar och förtydliganden/förklaringar ... 49

8.2 SLUTSATSER ... 51

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Fysiken är vetenskapen om naturfenomen. Den hjälper människan att förstå och njuta av naturens lagar. Hewitt (1998), en av företrädarna för den begreppsmässigt inriktade fy-siken (eng conceptual physics)1, menar att fysik liknar ett spel: det kan inte njutas om inte dess regler förstås.

Som skolämne anses fysik ofta vara svårt. I skolverkets rapport ”Fysik utan drag-ningskraft” står det att ”fysik är bland de ämnen där resultaten är sämst” (Skolverket, 2010). Dessutom har internationella studier visat att fysik ofta inte är ett ”populärt” ämne bland eleverna (Hewitt, 1972; Reinstein, 1990). Det finns naturligtvis många möj-liga anledningar till detta. Några av dem är att ämnet har en hög abstraktionsnivå och att det kräver goda matematikkunskaper och logisk förmåga (Clement, 1982).

Ett hinder för förståelse och goda resultat inom fysiken är förekomsten av felaktiga föreställningar rörande grundläggande storheter och begrepp. Forskning har under de fyra senaste decennierna visat att felaktiga föreställningar om fysikaliska begrepp är vanliga bland elever och studenter. Felaktiga föreställningar kan uppstå såväl före som under och efter undervisningen (Smith, 1993). I undersökningarna har forskarna försökt ta reda på var felaktiga föreställningar kommer ifrån, varför undervisningen inte lyckas med att få bort dem och hur undervisningen kan förändras för att åstadkomma bättre begreppsförståelse. Försök har gjorts att kartlägga källorna till felaktiga föreställningar inom olika områden. I fysik nämns bland annat det vardagliga språket, livserfarenheter och dålig förståelse som möjliga källor (Sözbilir, 2003).

Det här arbetet undersöker en annan potentiell källa till felaktiga föreställningar inom fysik, nämligen skolans läroböcker. Internationell forskning har visat att det vetenskap-liga innehållet i en lärobok kan sakna noggrannhet och kan förstärka och till och med ge upphov till felaktiga föreställningar hos läsaren (Leite, 1999).

Anledningen till att en undersökning av läroböcker torde vara intressant, är att fy-siklärare i mycket stor utsträckning följer läroböckernas upplägg och använder

1 _{Begreppsmässigt inriktad fysik baseras mer på begreppsförståelse än på matematiska formler och} räk-ningar. Mer information finns på hemsidan: http://www.conceptualphysics.com (16-12-2011).

böckernas definitioner och förklaringar. Både nationella (Levén, 2003; Korsell, 2007) och internationella (Chiappetta et al, 1991;Yore, 1991) studier visar att läroboken står i centrum för undervisningen. Detta stämmer överens med vad vi som lärarstudenter upp-levt under den verksamhetsförlagda tiden (VFT) i gymnasieskolan.

I detta arbete fokuserar vi på ett av fysikens områden, termodynamik, och mer speci-fikt på de fysikaliska begreppen värme och temperatur. Vårt intresse för detta område väcktes delvis under vår VFT, då vi undervisade om värme och temperatur, och delvis under diskussionerna kring dessa begrepp som uppkom i fördjupningskursen i ämnesdi-daktik i lärarutbildningen.

1.2 Syfte och frågeställning

Syftet med examensarbetet är att undersöka hur begreppen värme och temperatur fram-ställs i gymnasieskolans läroböcker. I arbetet undersöks, med utgångspunkt i vanligt förekommande felaktiga föreställningar om värme och temperatur, om det finns gro-grund för dessa felaktiga föreställningar i läroböckerna. Den övergripande frågeställ-ningen är:

Hur framställs begreppen värme och temperatur i svenska gymnasieböcker i fysik? Denna frågeställning har vi delat upp i följande forskningsfrågor:

1. Hur definieras begreppen? (Bland annat vill vi undersöka om värme och temperatur definieras på mikroskopisk eller makroskopisk nivå, och i vilken ordningsföljd de introduceras.)

2. Vilka relaterade begrepp förekommer/förekommer inte i framställningen av begrep-pen värme och temperatur?

3. Finns det påståenden eller formuleringar i läroböckerna som kan leda till felaktiga föreställningar om värme och temperatur eller till förtydligande av begreppen? Vår förhoppning med undersökningen är att den ska bidra till att göra fysiklärarna mer medvetna om vilka fallgropar som eventuellt finns i dagens gymnasieböcker, så att dessa kan användas för att föregripa felaktiga föreställningar, snarare än att förstärka dem. I förlängningen kan det i sin tur bidra till att göra fysiken mer lättbegriplig och mer tillgänglig för eleverna.

1.3 Arbetets struktur

Rapporten består av åtta kapitel. Detta inledande kapitel följs av kapitel två, tre och fyra, där det teoretiska ramverket2 utvecklas och grunden läggs till den efterkommande analysen. Enligt Hartman är det teoretiska ramverket nödvändigt för att formge en undersökning (Hartman, 1998). Kapitel två beskriver vad som i detta arbete menas med begrepp och felaktiga föreställningar. Kapitel tre innehåller den vetenskapliga definit-ionen av begreppen som undersöks, inklusive en historisk översikt av hur begreppen vuxit fram, samt en litteraturgenomgång av forskning kring felaktiga föreställningar om värme och temperatur. Det fjärde kapitlet handlar om läroböcker och deras roll i under-visningen, och presenterar forskning i anknytning till hur läroböcker kan ge upphov till felaktiga föreställningar. Därefter beskrivs i kapitel fem hur analysen av de utvalda lär-oböckerna utfördes. En övergripande beskrivning av berörda kapitel i var och en av de undersökta läroböckerna ges i kapitel sex. Kapitel sju presenterar resultaten av under-sökningen. Till sist avslutas rapporten med diskussion och slutsatser i kapitel åtta.

2

Hartman menar att ”det teoretiska ramverket består av termer med tillhörande definitioner som ingår i teorin”. Det är viktigt ”att ha de termer som kommer att användas i undersökning klara för sig”. Hartman, 1998 s.218).

2 Om felaktiga föreställningar

Detta kapitel handlar om felaktiga föreställningar och hur de påverkar lärandet och för-ståelsen i allmänhet. Kapitlet innehåller två avsnitt. Det inleds med en beskrivning av lärandet, konstruktivism och begrepp (avsnitt 2.1). Därefter följer en allmän beskrivning om felaktiga föreställningar (avsnitt 2.2).

2.1 Lärande, konstruktivism och begrepp

I detta avsnitt introduceras den konstruktivistiska synen på lärande, och skillnaden mel-lan vardagliga och vetenskapliga begrepp beskrivs. Syftet är att lägga den teoretiska grunden till följande avsnitt om felaktiga föreställningar.

2.1.1 Lärande och konstruktivism

Vad är lärande? Det finns olika sätt att svara på den frågan. Ett svar är att lärande är en process som leder till ett tillstånd där individen förstår och ser sammanhang. Ett annat är att lärande är processen där individen aktivt ”bygger” (konstruerar) kunskap i interakt-ion med sin omgivning (Dysthe, 1996). I naturvetenskaplig undervisning används ofta den ”socialkonstruktivistiska” synen på lärande och kunnande, vilket i korthet innebär att kunnande ses som individuellt konstruerat men socialt medierat (Andersson, 2001). Jean Piaget (1896-1980) och Lev Vygotskij (1896-1934) anses vara inspiratörer till detta synsätt; Piaget till den ”konstruktivistiska” och Vygotskij till den ”sociala” delen.

2.1.2 Konstruktivism och begrepp

Enligt den konstruktivistiska synen, innebär inlärning begreppsmässig förändring (eng-elska conceptual change), från det existerande begreppet till det nya som ska integreras i tänkandet (Ekstig, 1990). Med begrepp menar Ekstig ”en abstraktion av en samling händelser, föremål, egenskaper eller fenomen som har något gemensamt”. Vi använder begrepp för att organisera vår kunskap till en fattbar beskrivning av världen och för att göra förutsägelser. Begreppsbildning är en aktiv process (ny erfarenhet påverkar

be-grepp) och konstruktiv process (befintliga begrepp ombildas efter hand) (Ekstig, 1990 s.19-20).

2.1.3 Vardagliga och vetenskapliga begrepp

I sitt verk ”Tänkande och språk” delade Vygotskyj (2001) begreppen i två grupper: var-dagsbegrepp som bygger på empirisk erfarenhet och vetenskapliga begrepp som är teo-retiska. De vardagliga begreppen är rika på erfarenhet men saknar generalitet, systema-tik och förklaringsförmåga, medan det är tvärt om med de vetenskapliga begreppen (Andersson, 2001). Andersson (2001) menar att om vardagstänkandet är omedvetet, situationsbundet och har mindre krav på inre sammanhang och logik, är vetenskapligt tänkande medvetet, generellt systematisk organiserat och logiskt invändningsfritt.

För att illustrera vardags- och vetenskapligt tänkande tar Andersson (2001) upp ett exempel från området termodynamik i fysik. I det vardagliga tänkandet kan det före-komma att spisplattans inställning bestämmer temperaturen på kokande vatten (ju högre värde på inställningen, desto högre temperatur på kokande vattnet). I det vetenskapliga tänkandet är kokpunkten för vatten 100 ˚C, oberoende av plattans inställning.

I undervisningen och lärandet sker ett möte mellan individens vardagliga begrepp och vetenskapliga begrepp (Vygotskij, 2001). Undervisningen kan, i detta möte, stimu-lera individens mentala utveckling mot en högre abstraktionsnivå och större teoretisk kunskap (Andersson, 2001). I mötet mellan vardagliga och vetenskapliga begrepp är det viktigt att inte betrakta vardagsbegreppen som något fientligt utan att respektera dem som ett sätt att veta och förstå. En interaktion mellan vardagligt och vetenskapligt tän-kande ska stimuleras så att, som Andersson menar, ”vardagsbegreppen växer uppåt och blir mer allmängiltiga och systematiska” samtidigt som ”det vetenskapliga växer genom mötet neråt mot den levda erfarenheten och fylls då med innehåll” (Andersson, 2001).

2.2 Vad är felaktiga föreställningar?

Detta avsnitt syftar till att besvara allmänna frågor som: Vad menas med felaktiga före-ställningar? Varifrån kommer de? Hur påverkar de undervisning och lärande?

Eleverna kan ha vardagliga begrepp som skiljer sig från de vedertagna vetenskapliga begreppen. För att karakterisera den observerade skillnaden mellan elevernas vardagliga begrepp och det vetenskapliga begreppet, har en teoretisk terminologi skapats. Den term som vanligtvis används i forskning och litteratur är ”missuppfattningar” (eng.

miscon-ceptions) men många andra termer förekommer också: ”förutfattade föreställningar3” (eng. preconceptions), ”parallella föreställningar” (eng. parallel conceptions), ”alterna-tiva föreställningar” (eng. alternative conceptions), ”intermediära föreställningar” (eng.

intermediate conceptions) och ”alternativa referensramar” (eng. alternative

frameworks). Den stora lexikala spridningen kommer från användandet av olika karak-teriseringar av de kognitiva egenskaperna i elevernas föreställningar jämfört med de vetenskapliga begreppen. Ord som ”förutfattad” eller ”alternativ”, liksom prefixet ”miss-”, pekar på olika antaganden om föreställningens natur och ursprung (Smith et al, 1993). Nilsson4 (2011) menar att ”gemensamt för de ovannämnda föreställningarna är att det finns en referensram som är utgångspunkten, det vetenskapliga begreppet” (s.17). I detta arbete har vi valt termen ”felaktig föreställning” eftersom den termen täcker in hela spektrumet av elevernas föreställningar före, under och efter undervisningen som skiljer sig från den vetenskapliga föreställningen. Vi ansåg att det alternativa ordet ”missuppfattning” inte kunde användas för att beskriva till exempel föreställningarna före undervisningen: hur kan man ha en missuppfattning av ett fysikaliskt begrepp när man inte undervisats om detta fysikaliska begrepp? När det gäller ordet ”felaktig” vill vi påpeka att en felaktig föreställning är alltid relativt ett visst paradigm, till exempel rela-tivt det som i undervisningen anses ”korrekt”, eller det som eleverna förväntas kunna med tanke på vad de lärt sig i undervisningen.

Elevernas felaktiga föreställningar har sina ursprung i deras tidigare lärande i klass-rummet eller i interaktion med den sociala och fysiska världen. Bland de möjliga orsa-kerna till felaktiga föreställningar kopplade till lärandet i klassrummet nämns felaktiga upplysningar, brist på uppmärksamhet, selektiv uppmärksamhet, feltolkning, tvetydig information, och olämpliga analogier (Newton, 2003)5. Ett exempel på en felaktig före-ställning som kan ha sin grund i elevens vardagliga erfarenhet av den fysiska världen är elevernas föreställningar om rörelse och kraft. Clement anser att den felaktiga föreställ-ningen att ”rörelse alltid implicerar kraft” har sina rötter i de dagliga perceptiva och motoriska aktiviteterna av att dra och skjuta på föremål och i faktumet att vi under våra liv aldrig upplever rörelse utan friktion (Clement, 1982). Att behöva fortsätta dra en vagn för att den ska rulla över en plan väg är en erfarenhet som leder till det

3 _{Författarnas egen översättning av engelskans preconception.}

4 _{I sin avhandling ger Nilsson (2011) en sammanfattning av olika teoretiska beskrivningar av en} föreställ-ning (s.16-s.19).

serade påståendet att det alltid behövs en kraft för att bevara rörelse (även när friktion saknas).

Forskning har visat att felaktiga föreställningar kan vara stabila, djupt förankrade och ”resistenta” mot förändring; vissa felaktiga föreställningar kan ersättas, medan andra lever kvar parallellt med nya begrepp (Newton, 2003). Eftersom felaktiga föreställning-ar kan vföreställning-ara djupt rotade och svåra att ändra på, kan de störa lärandeprocessen och för-ståelsen av vetenskapliga begrepp. Därför har det under de senaste decennierna varit ett viktigt uppdrag för forskningen om naturvetenskaplig utbildning att undersöka och do-kumentera felaktiga föreställningar inom olika vetenskapsområden. Avsnitt 3.3 beskri-ver närmare forskningsresultaten för vanliga felaktiga föreställningar kring begreppen värme och temperatur.

3 Värme och Temperatur

I detta kapitel ingår tre delar. Den första delen (avsnitt 3.1) beskriver temperatur (3.1.1) och värme (3.1.2) som vetenskapliga begrepp. I avsnitt 3.2 beskrivs den historiska ut-vecklingen av dessa begrepp. Vidare ges i avsnitt 3.3 en sammanfattning av forsknings-resultaten kring felaktiga föreställningar om värme och temperatur.

3.1 Värme och Temperatur som fysikaliska begrepp

För att genomföra studien i detta arbete var det nödvändigt att definiera och förklara de fysikaliska begreppen värme och temperatur. Tonvikt har här lagts på begreppsförstå-else, varför inga matematiska beskrivningar används.

3.1.1 Temperatur

Temperaturbegreppet kan associeras med en förnimmelse av ”varmt” eller ”kallt”: ett varmt föremål sägs ha hög temperatur medan ett kallt föremål har låg temperatur (Beckman et al, 1997). Temperatur, T, är en intensiv storhet d.v.s. den är oberoende av mängden materia i systemet. Andersson (2001) förtydligar detta med följande text:

”En vårdag kan en stor hög med smältande snö upplevas som kallare än en liten,

men temperaturen är densamma i båda. En klunk choklad ur termosen värmer mindre än en rejäl mugg, men temperaturen på drycken är densamma i båda fallen. Om 1 l vatten, 20 °C, blandas med 1 l vatten, 20 °C, blir temperaturen fortfarande 20 °C, ej 40 °C ”(Andersson, 2001s.153).

Om två system med olika temperatur är i kontakt med varandra överförs energi från systemet med högre temperatur till systemet med lägre temperatur så att temperaturen utjämnas. Processen varar tills systemen når samma temperatur. Att två system har samma temperatur när inget energiutbyte sker mellan dem, kallas för den makrosko-piska definitionen av temperatur (makroskopisk betyder att systemet betraktas som en helhet). Detta är termodynamikens nollte huvudsats. Två system som har samma tempe-ratur säges också vara i termodynamisk jämvikt med varandra. Den makroskopiska defi-nitionen av temperatur hänger alltså intimt ihop med begreppet termisk jämvikt. Så här skriver Turns (2006):

“From a macroscopic point of view, we define temperature as that property that is shared by two systems initially at different states, after they have been placed in thermal contact and allowed to come to thermal equilibrium. Although this defini-tion may not be very satisfying, it is the best we can do from a macroscopic view-point.”

Även enligt Beckman är termodynamisk jämvikt ”en viktig utgångspunkt för att defini-era tempdefini-eraturen hos ett termodynamiskt system” (Beckman et al. 1997 s.47). Beckman et al (1997) skriver att:

”Det förtjänar att observeras att begreppet temperatur har mening endast i jäm-viktssystem, och att temperatur är en egenskap hos systemet som helhet. Vi kan tänka oss system där det pågår processer som leder till att systemet närmar sig jäm-vikt (t ex ett system av is och ljumt vatten). Ett sådant system har inte en entydig temperatur” (Beckman et al, 1997,s.47).

Det finns en koppling mellan temperatur och den oordnade rörelsen hos partiklarna6 i en substans. Temperaturen är proportionell mot den genomsnittliga translationsenergin7 hos partiklarna i ett system. Denna är den mikroskopiska definitionen av temperatur (ett mikroskopiskt perspektiv har sin utgångspunkt i de individuella partiklarnas egenskaper och tillstånd). Som följd av denna definition, är temperaturen noll när translationsen-ergin i substansen är noll. Detta kallas för den absoluta nollpunkten, den lägsta möjliga temperaturen.

För att mäta temperatur används olika temperaturskalor. En temperaturskala kon-strueras genom att dela, i ett bestämt antal lika delar (kallas för grader), ett temperatur-intervall mellan två väldefinierade temperaturer (fixpunkter). Celsiusskalan har 100 skaldelar (grader Celsius, °C) mellan vattnets kok- och smältpunkt vid normalt atmo-sfärstryck. Den temperaturskala som baseras på den absoluta nollpunkten kallas den absoluta temperaturskalan eller Kelvinskalan (den giltiga temperaturskalan inom SI-systemet). Den andra fixpunkten i denna skala är vattnets trippelpunkt8 med värde 273,16 K9. I Kelvinskalan finns det inga negativa värden (den kinetiska energin kan inte vara negativ) och en grad Kelvin är lika med en grad Celsius. Den absoluta nollpunkten 0 K motsvarar -273,15 °C.

6

Med partiklar menas atomer eller molekyler.

7 _{Rörelseenergin består av translationsenergin, rotationsenergin och vibrationsenergin hos molekylerna.} Translationsenergin är den del av rörelseenergin som är kopplat till förflyttningen.

8_{Trippelpunkten definieras som det tillstånd vid vilket alla faser av substansen vatten kan samexistera i} jämvikt med varandra(utan närvaro av luft och andra ämne) (Beckman, 1997).

Sammanfattningsvis har i detta avsnitt begreppet temperatur definierats på makro-skopisk såväl som mikromakro-skopisk nivå.

3.1.2 Värme

3.1.2.1 Definition av värme

Värme definieras som överföring av energi från ett system till ett annat på grund av en temperaturskillnad. Hewitt (1998), menar att det är viktigt att påpeka att ett föremål eller system inte innehåller värme. Värme ”existerar” så länge energiöverföringsproces-sen pågår. Hewitt använder som analogi begreppet arbete: ett föremål innehåller inte arbete, det uträttar arbete eller arbete uträttas på det.

Ett system innehåller inre energi som är summan av alla slags energier inom substan-sen. Här inkluderas både den kinetiska och den potentiella energin hos partiklarna. Den potentiella energin kommer från interaktionen(krafterna) mellan atomerna.

Inre energi är en extensiv storhet, dvs. den är beroende av mängden av materian i sy-stemet. Till exempel är ”inre energin är dubbelt så stor för 2 l vatten, 20 °C, jämfört med 1 l av samma temperatur” (Andersson, 2001).

Hur hänger värme ihop med inre energi? När energi överförs till ett system p.g.a. temperaturskillnad ändras systemets inre energi. På den mikroskopiska nivån kan det betyda att den genomsnittliga oordnade translationsenergin hos partiklarna ökar (partik-larna rör sig snabbare), dvs. temperaturen stiger. En överföring av värme innebär dock inte alltid att partiklarnas translationsenergi ökar. Under till exempel fasövergångar sker ingen ökning i den genomsnittliga translationsenergin hos partiklarna. Den tillförda energin ökar endast partiklarnas potentiella energi (partiklarna blir mindre bundna till varandra). Detta förklarar att temperaturen är konstant under fasövergångar (exempel: temperaturen är konstant när is smälter eller när vatten kokar).

Energiöverföring där värme är inblandat kan ske på tre olika sätt: ledning (mer om detta i stycke 3.1.2.3.) konvektion (eller strömning) och strålning.

3.1.2.2 Specifika värmekapaciteten

Olika material har olika lagringskapacitet för den inre energin, d.v.s. för olika material behövs olika mängder av överförd energi för att höja temperaturen av en given massa med en viss mängd grader. För att karakterisera detta introduceras den specifika värme-kapaciteten som är energimängden som behövs för att höja temperaturen av 1kg av ett

visst material med en grad. Vatten har till exempel hög specifik värmekapacitet, d.v.s. en stor mängd överförd energi orsakar en liten höjning i temperatur. Det är bland annat därför som vatten används till exempel i bilars kylsystem.

Mikroskopiskt sett kan den specifika värmekapaciteten förklaras på följande sätt: den överförda energin i ett ämne kan öka antingen den genomsnittliga translationsenergin hos partiklarna (temperaturen höjs) eller vibrations- och rotationsenergin (temperaturen höjs inte). I verkligheten är det fråga om en kombination av båda (Hewitt, 1998).

3.1.2.3 Värmeledningsförmåga

I samband med energitransporten i ett material på grund av temperaturskillnad introdu-ceras begreppet värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmåga är att mått på hur snabbt energin överförs i materialet. Värmeledningsförmågan är en materialegenskap. Till exempel har silver och koppar hög värmeledningsförmåga medan trä, plast, ull och luft har låg värmeledningsförmåga. På mikroskopisk nivå sker värmeledningen genom kollisioner mellan elektroner eller atomer10. Skillnaden i värmeledningsförmåga mellan eller olika material beror på att de har olika typer av bindningar i den atomära eller mo-lekylära strukturen. I metaller till exempel, är det de ”fria” elektronerna som gör att värmeenergin transporteras snabbt.

Sammanfattningsvis har i detta avsnitt begreppen temperatur, värme, inre energi, termisk jämvikt, specifik värmekapacitet och värmeledningsförmåga introducerats, på såväl makroskopisk som mikroskopisk nivå.

3.1.2.4 Kommentarer om värmebegreppet

I litteraturen finns det olika definitioner på värme. Kjellander (2002) till exempel defi-nierar värme som ”all annan form av energiöverföring som inte är arbete”(s.114). Jöns-son (2009) använder uttrycket ”som energi på väg från ett område till en annat” (s.32). Atkins och de Paula (2005) menar att värme är processen som överför energi p. g. a. temperaturskillnad.

I princip förekommer två olika definitioner av värme: 1) överföring av energi från ett system till ett annat på grund av en temperaturskillnad (den stringenta definitionen) eller 2) translationsenergi i materialet (dvs. den delen av den inre energin som bidrar till tem-peraturen). Den senare varianten förekommer sällan som uttalad definition, men ligger

10

Elektroner eller atomer med högre translationsenergi kolliderar med grannatomerna(som har lägre energi) och som i sin tur kolliderar med sina grannar. Vid kollisionen avges överskottsenergin och den ökade energirörelsen sprids i materialet. Processen fortsätter tills hela materialet har samma temperatur.

ofta till grund för senare argumentation. När man till exempel talar om ”värmetrans-port” eller att ”värme överförs”, tyder det på att man med värme inte längre menar transport av energi (då blir ordet ”värmetransport” en tautologi: transport av energi-transport), utan kanske snarare translationsenergi. Å andra sidan är det svårt att uttrycka sig på idiomatisk svenska om man med värme vill mena ”överföring av energi”. Det går knappast att säga ”Vid värme mellan två system…”. Det finns alltså språkliga begräns-ningar att ta hänsyn till i detta sammanhang. Vi använder i detta arbete uttrycket ”värme överförs”, trots att definitionen av värme är överföring av energi enligt ovan.

Värmebegreppet och ordet värme har diskuterats länge i vetenskapliga kretsar (Show, 1974; Hornack, 1984). I sin artikel ”Reflections on Heat” beskriver och diskute-rar Hornack problematiken med begreppet värme. Han påstår att svårigheten med vär-mebegreppet beror på dess abstrakta natur och på den lingvistiska tvetydigheten som används för att beskriva fenomen. Olika vetenskapsmän har olika infallsvinklar på be-greppet värme och använder skilda jargonger. Även om det råder konsensus bland fysi-kerna om att språket kan vara missledande, kommer de inte överens om varför språket är missledande och hur det kan avhjälpas (Brookes, 2005). För att lösa språkproblemen föreslår Baierlein (1994) att man undviker användandet av substantivet värme och i stäl-let använda bara verbformen för att referera till processen av energiöverföring. Ze-mansky (1970), å andra sidan, är nöjd med substantivet värme så länge det tydliggörs att värme är namnet på processen som innebär energiöverföringen till och från systemet. Bauman (1992) föreslår att man ersätter termen ”värme” med ”termisk energi”, men Zemansky (1970) tycker att det är en vilseledande förenkling.

3.2 Kort historisk översikt

Begreppen värme och temperatur har ”färdats” en lång resa genom tiden för att komma fram till de aktuella vetenskapliga uppfattningar som diskuterades i ovanstående avsnitt. Under två tusen år har det funnits två olika uppfattningar om värme: värme som sub-stans och värme som rörelse hos materiens beståndsdelar (Beckman et al, 1997)11. Ne-dan beskrivs de viktiga historiska milstolparna i värmebegreppets utveckling.

11

Länge ansågs värme vara en substans odifferentierad från temperaturen. Under 1600-talet gjordes flera försök att mäta värme. Galilei konstruerade termoskopet som är en föregångare till termometern.

På 1700-talet byggde Fahrenheit (år 1715), och Celsius (år 1742) termometrar som gjorde det möjligt att mäta värmemängder genom temperaturökningen då värme tillförs. Senare (år 1760) kunde den skotske kemisten Joseph Black, för första gången i histo-rien, särskilja värmemängd och temperatur. Temperatur kunde nu mätas med en termo-meter och värme var något som flödar från ett varmare till ett kallare föremål för att utjämna temperaturen.

Mot slutet av 1700-talet introducerades en ny teori om värme, den så kallade kalorik-teorin. Den franska kemisten Antoine Lavoisier införde ”calorique” (kalorik) som vär-mesubstans som fyllde utrymmet mellan materiens partiklar och flöt från varma till kalla föremål. Kalorikteorin kunde förklara till exempel varför många material expande-rar vid uppvärmning.

Kalorikteorin avvisades år 1797, när amerikanen Benjamin Thompson, känd som greve Rumford i England, observerade borrning av kanonrör. Han noterade att värmet i järnet aldrig tog slut och att kylvattnet var varmt även när borren var slö. Hans slutsats var att ”något som en isolerad kropp kan fortsätta att producera utan begränsning omöj-ligt kan vara ett materiellt ämne”. Rumford hävdade att värme ”inget annat är än en vi-brerande rörelse inom de upphettade kropparnas beståndsdelar” (Beckman et al, 1997, s.334). Ett år senare inledde den brittiska kemisten Humphry Davy ett antal experiment som stödde Rumfords idé att värme var kopplat till rörelse hos föremålets smådelar.

År 1834 genomförde engelsmannen James Joule en rad experiment där han under-sökte energiöverföringar i elektriska kretsar med fokus på olika omvandlingar. Därmed kunde han noggrant mäta den mekaniska värmeekvivalenten (omräkningsfaktorn mellan mekaniskt arbete och värmeenergi). Joules resultat motbevisade kalorikteorin och av-gjorde förhållandena mellan energi och värme (Blomberg, 1993).

Till sist vill vi påpeka att flera av de föreställningar om värme och temperatur som beskrivits ovan förekommer än idag då de baseras på människors vardagserfarenheter. Det främsta exemplet är kanske den så kallade ”kalorikteorin”, d.v.s. uppfattningen av värme som en substans.

3.3 Felaktiga föreställningar om värme och temperatur

Syftet med det här avsnittet är att presentera felaktiga föreställningar om begreppen värme och temperatur för att skapa underlag för analysverktyget som presenteras i kapi-tel 5. Några av dem redovisas i mer detalj, för att visa på problematiken bakom de fel-aktiga föreställningarna om värme och temperatur.

Termodynamiken är en del av fysiken som är bekant för oss genom livserfarenheter från tidig ålder: redan när vi kommer till världen känner vi kylan från omgivningen jäm-fört med värmen i livmodern. För fysikläraren kan denna ”bekantskap” innebära förde-lar såväl som nackdeförde-lar (Carlton, 2000). Eleverna har med sig kunskap och erfarenheter som kan användas av läraren. Samtidigt har de felaktiga föreställningar som kan vara ett hinder för begreppsförståelse.

Felaktiga föreställningar om värme och temperatur är väl undersökta och dokumente-rade. Pionjärerna inom detta område var Albert (1978) och Erickson (1979, 1980, 1985). Deras forskning om barns begreppsutveckling om värme och temperatur initie-rade en serie av undersökningar på området. Sözbilir (2003) gör i sin litteraturstudie en resumé av forskningen kring felaktiga föreställningar om värme- och temperaturbegrep-pen. Identifierade felaktiga föreställningar för olika åldersgrupper och från olika källor sammanfattas av Sözbilir i tabell 1 som visas nedan.

Tabell 1: Identifierade felaktiga föreställningar om temperatur och värme (Sözbilir, 2003). Materialet är översatt av författarna från engelska.

Identifierade felaktiga föreställningar Ålder Källa

Det finns två sorters värme: kall och varm

Värme är en materiell substans, att jämföra med luft eller ånga Värme är en energiform

Temperaturen är beroende av föremålets storlek

6-13 år Erickson (1979, 1980, 1985)

Värme är varm, men temperaturen kan vara kall eller varm Ingen skillnad mellan värme och temperatur

Temperaturen förändras under smältning eller kokning

Värme och temperatur är samma sak

Några substanser är naturligt kallare än andra

Värme och kyla är varandras motsatser och har konsistens av vätska

15 år Brook et al (1984, 1985)

Värmeöverföring slutar inte när temperaturen utjämnas Luft svalkar bara kroppar som är omgivna av luft

Ett kallt föremål attraherar värme tills värme och kyla neutraliserar varandra

Värme är inte en extensiv storhet utan en intensiv storhet

15-16 år Duit and Kesidou (1988)

Temperatur är detsamma som värmemängd

Två föremål med samma temperatur har samma energi eller värme Olika material attraherar eller bevarar värme annorlunda

15-16 år

Kesidou and Duit (1993)

Föremål i rumstemperatur som känns olika varma/kalla har olika T Föremål innehåller en viss mängd värme

Föremål kan bli varmare än omgivningen Vattens temperatur kan bli högre än kokpunkten

17-18 år Grayson et al (1995)

Konstant värme betyder inget värmeutbyte

Värme är tillståndsstorhet, något som finns inne i föremålet

Universitet Roon (1992)

Metaller attraherar, behåller eller absorberar kyla Ledare leder värme långsammare än isolatorer

Isolatorer leder snabbt värme som lämnar isolatorn så att den inte känns kall

Isolatorer absorberar värme Ull värmer föremål

12-14 år, vuxna (19-45 år) forskare

Lewis and Linn (1994)

De felaktiga föreställningar om värme och temperatur som visas i tabellen är starkt kopplade till sinnesförnimmelser och det vardagliga språket. En föreställning som före-kommer i de flesta av undersökningarna (ex. Brook et al., 1984, 1985, Duit and Kesi-dou, 1988, Erickson, 1979, 1980, 1985, Grayson et al., 1995, Lewis and Linn, 1994) är

att värme uppfattas som en substans. Denna föreställning hänger ihop med det vardag-liga språket. Uttryck som ”stäng fönstret så att inte kylan kommer in” eller ”dagens värme stiger upp” (i väderprognoser) används ofta i konversationer. Detta leder till att värme uppfattas som ett slags substans, påminnande om den så kallade kalorikteorin som diskuterades i avsnitt 3.2. Dessutom används i vardagliga samtal termerna tur och värme på ett utbytbart sätt, d.v.s. de uppfattas som odifferentierade. Att tempera-tur är samma sak som värme är en annan felaktig föreställning som påvisats i olika undersökningar (Brook et al., 1984, 1985, Kesidou and Duit, 1993,Tiberghien, 1985).

Resonemang som ”olika upplevelser av värme/kyla betyder olika temperaturer” är vanliga bland elever (Grayson et al., 1995). Ett typiskt fall: eftersom metallen känns kallare än plasten, har metallföremålet lägre temperatur än plastföremålet (även om båda föremålen har befunnit sig länge i samma tjugogradiga rumstemperatur). För ele-ven är det svårt att acceptera att olika objekt har samma temperatur om de har befunnit sig lång tid i samma omgivning (Thomaz et al, 1995). Andersson (2001) menar att ele-ven i sin tankegång ofta koncentrerar sig på ett delsystem (bara metallföremålet) och dess uppfattade egenskaper, i stället för interaktionen mellan två eller flera delsystem (hand-metallföremål, hand-metallföremål-luft). Energiöverföring sker när föremål av olika temperaturer (exempelvis handen 35 ˚C och metallen 20 ˚C) kommer i kontakt med varandra. I hand-metall fallet, går energiöverföringen från handen (högre tempera-tur) till metallen (lägre temperatempera-tur) och det är därför föremålet känns kallt. Processen varar tills temperaturerna är lika (termiskt jämvikt). I metallen överförs energi snabbare än i plasten, därav kommer känslan att plast är varmare än metall (i fysik uttrycks detta som att metall har större värmeledningsförmåga än plasten).

Eleverna kan betrakta temperatur som en egenskap hos materialet och ett mått på värmemängden. Temperatur som kopplas till föremålets storlek (större föremål har större värmemängd, d.v.s. högre temperatur) kan påträffas bland barn, dock sällan bland gymnasieelever (Erickson, 1979, 1980, 1985). Det är inte ovanligt med den felaktiga föreställningen att när ett föremål värms, ökar alltid temperaturen. Eleverna är omed-vetna om, eller har svårt att acceptera, att temperaturen är konstant under fasövergångar (Grayson et al., 1995, Tiberghien, 1985 ).

Felaktiga föreställningar förekommer inte bara bland elever utan också bland univer-sitetsstudenter och forskare. Detta gäller särskilt när vissa vardagliga företeelser ska förklaras med vetenskapliga begrepp. I undersökningen av Lewis och Linn (1994), sva-rade forskare olika på frågan om vilket material (aluminiumfolie eller ull) som var bäst

för att hålla föremål kalla eller varma. Detta tyder på att felaktiga föreställningar kan leva kvar mycket länge, trots att man senare lärt sig korrekta definitioner.

Även läroböcker kan bidra till eller förstärka elevers felaktiga föreställningar om värme och temperatur (Leite, 1999). Läroböcker som i texten använder uttryck som att värme ”leds”, ”avges” eller ”överförs”12 kan främja den felaktiga föreställningen att värme är en substans. Leite (1999) menar att avsaknaden av en diskussion om termisk jämvikt och värmeledningsförmåga i en lärobok kan bidra till felaktiga föreställningar i likhet med dem som beskrevs i föregående stycke.

Avslutningsvis: felaktiga föreställningar om värme och temperatur existerar. Som källor till felaktiga föreställningar listades här vardagsspråket, sinneserfarenheter och läroböcker.

Nästa kapitel handlar om läroböcker och deras koppling till felaktiga föreställningar, med fokus på värme och temperatur.

12 _{Se dock kommentaren i avsnitt 3.1.2.1 angående de språkliga svårigheterna med den korrekta} definit-ionen av värme.

4 Läroböcker och felaktiga föreställningar

Detta kapitel handlar om lärobokens roll i undervisningen och för förståelsen. Den all-männa beskrivningen om läroboken (4.1) följs av några forskningsresultat kring läro-böcker och deras kopplingar till felaktiga föreställningar gällande värme och temperatur (4.2). Kapitlet avslutas med avsnitt (4.3) som handlar om vilken betydelse ordningsfölj-den har när begreppen värme och temperatur introduceras.

4.1 Om läroböcker

Läroböckerna är skrivna textböcker som är riktade i första hand till eleverna för att förmedla kunskap enligt ämnesplanen. Innehållet i en lärobok är konstruerat efter för-fattarens tolkning av kursplanen och speglar författares kunskap och tankesätt. På det sättet är läroboken ingen neutral eller pålitlig specifikation av kursplanen i fysik.

Olika nationella och internationella rapporter har visat att läroboken är det domine-rande läromedlet i undervisningen (Leven, 2003). I läroboken förväntas det finnas en ram och en struktur som vägleder om vad som ska undervisas, samt hur och i vilken ordning. Forskning har visat att lärarna är starkt beroende av läroboken (Chiappetta, et al, 1991; Yore, 1991). Detta gäller inte bara oerfarna lärare utan även erfarna lärare planerar, väljer kunskapsinnehållet och tar pedagogiska beslut baserade på läroboken. Dall’ Alba et al (1993) påstår att läroboken ofta anses som den huvudsakliga källan till faktakunskap och förklaringar. Lärarna antar att läroboken är vetenskapligt korrekt och pedagogiskt utformat på rätt sätt (Lemmer et al, 2008). En annan studie (Soong et al, 1993) hävdar att även eleverna såväl som föräldrarna anser läroboken vara källan till all kunskap och kärnan i undervisningen.

Det finns studier (Odom, 1993) som visar att det vetenskapliga innehållet i en läro-bok kan sakna noggrannhet. Läroläro-boken kan förstärka eller ge upphov till felaktiga före-ställningar. Förutom detta kan läroboken ha epistemologiska och pedagogiska grunder som inte stämmer överens med de pedagogiska forskningsresultaten (Leite, 1999).

Till sist, med tanke på lärobokens roll i undervisningen och lärandet, kan läroboken beroende på kvalitén främja eller försvåra begreppsförståelsen inom ett visst område.

4.2 Felaktiga föreställningar genom läroböckerna

Som nämndes i avsnitt 3.3, kan läroböcker vara en av källorna till elevers felaktiga före-ställningar. När det gäller begreppen värme och temperatur och hur de behandlas i läro-böckerna, finns det flera internationella studier. Följande text redovisar några av studi-ernas forskningsresultat. Dessa används sedan som grund för den analys som utförs i detta arbete.

I en av undersökningarna (Akyϋz, 2004) listas några av problemen som påträffas i läroböckerna när de tar upp begreppen värme och temperatur. Enligt Akyϋz förekom-mer definitioner och uttryck i läroböckerna som inte är vetenskapligt korrekta. Nedan ges några exempel från undersökningen:

- boken påstår att värme är inre energi, och detta redan innan inre energi definieras - när värme tillförs ett föremål, stiger temperaturen. Det korrekta uttrycket skulle vara

”när värme tillförs ett föremål, stiger temperaturen eller sker en fasövergång”. - Uttrycket ”värme flödar”, ger upphov till föreställningen att värme är en vätska. En annan omfattande studie angående begreppen värme och temperatur i läroböckerna genomfördes i Portugal (Leite, 1999). Elva läroböcker analyserades med hänsyn till tre analysdimensioner:

- Idéerna, korrektheten av begreppen och argumentation

- Undervisningsmetoderna i sin helhet (undervisningssekvens, problemlösningsorien-tering)

- Lärandeaktiviteter

Några av undersökningsresultaten i Leites studie kopplade till missuppfattningar sam-manfattas nedan:

- En del böcker tar upp begreppen på såväl makroskopisk som mikroskopisk nivå, medan andra bara introducerar begreppen på den makroskopiska nivån.

- Missuppfattningarna är kopplade till definitionen av begreppet värme och språket som används. Till exempel, i fallen där författarna väljer uttrycket ”värme är energi under transport” uppstår enligt Leite ett problem: eleverna kan tänka att energi transformeras till värme för att överföras och sedan tillbaka till energi som nu finns lagrad på ett nytt ”ställe”.

- Olika undervisningssekvenser kan användas för att introducera ett begrepp. Sekven-sen som används i läroböckerna kan göra det svårt för eleverna. Till exempel: Ele-verna introduceras till sambandet mellan temperatur och den genomsnittliga

trans-lationella kinetiska energin av molekylerna innan de introduceras till den kinetiska energin som ges i nästföljande kapitel.

- Läroböckerna tar inte upp diskussionen om skillnader mellan de vardagliga och ve-tenskapliga begreppen, vilket skulle hjälpa till att ändra elevernas vardagliga be-grepp.

- Termisk jämvikt och värmeledningsförmåga förekommer inte alltid i lärobokens innehåll. Begreppet termisk jämvikt är nödvändigt för en adekvat förståelse av värme och temperatur; värmeledningsförmåga i sin tur kan förklara många vardag-liga fenomen.

Leite (1999) menar att läroboksförfattarna är mer eniga om hanteringen av begreppet temperatur än vad de är om hanteringen av begreppet värme. De språkliga och be-greppsliga motsägelserna som förekommer i läroböckerna visar att dessa begrepp är svåra att hantera även för många författare (Leite, 1999).

4.3 Introduktionssekvensen av värme och temperatur

I läroböcker finns det två trender när det gäller introduktionssekvensen av värme och temperatur i termisk fysik. Den ena trenden går ut på att man börjar med den makrosko-piska definitionen, med en förenklad introduktion av värme och temperatur följt av den mikroskopiska modellen av temperatur (Carlton, 2000). Enligt Taber (2000) kan dock detta upplägg stärka den felaktiga föreställningen att ett föremåls temperatur alltid ökar när värmeenergi är tillförd (eller, såsom elever argumenterar, att vatten alltid är varmare än is). Taber (2000) menar att ofta är det bättre att inte undervisa något alls än att vara att tvungen att undervisa igen för att förändra eller ”förstöra” det som undervisades i början. Forskningsresultat pekar på att om inlärningen av vetenskapliga begrepp är ”långsam”, är det ännu svårare att ändra på felaktigt inlärda begrepp (Taber, 2000). Den andra trenden börjar direkt med den mikroskopiska modellen och har ordningsföljden: inre energi – temperatur – temperaturskillnad – värme, d.v.s. en övergång från mikro till makro. Taber (2000) påstår att denna trend bidrar till bättre fysikalisk begreppsförstå-else.

5 Metod

För att försöka svara på frågan hur värme och temperatur framställs i de svenska gym-nasieböckerna (de forskningsfrågor som formulerats i inledningen (1.2)) undersökte vi fem olika böcker för gymnasiets fysik kurs A: Heureka!, Ergo, Quanta, Upptäck fysik och Orbit. Att vi valde just dessa böcker berodde på att de fanns tillgängliga på Malmö Högskola; vi har alltså inte använt någon statistisk urvalsprocess.

Som vetenskaplig metod för vårt arbete har vi valt kvalitativ textanalys. Detta fram-stod som det naturliga valet men man hade nog kunnat tänka sig andra metoder. Till exempel hade man kunnat låta grupper av elever få läsa olika delar av olika böcker och sedan låtit dem svara på frågor för att se hur de uppfattat begrepp och definitioner. En sådan metod hade dock snarare varit ett mått på hur böckernas framställningar uppfattas av elever, vilket ju inte är exakt vad frågan var i detta arbete.

Som Johansson & Svedner (2006) påpekar, får textanalys inte bara vara ett återgi-vande av innehållet i en bok. Textanalys måste innehålla analys. Det är därför viktigt att textanalysen utgår ifrån en tydlig systematisering (Johansson & Svedner, 2006). I detta arbete systematiseras undersökningen med hjälp av vad som kallas ett ”analysverktyg”, inspirerat framför allt av Leite (1999). Analysverktyget består av ett antal frågor inde-lade i fyra kategorier och användes på texten i de fem gymnasieböcker som valts ut. Extramaterial som lärarhandledning, fördjupningsböcker och övningshäften är inte in-kluderade i undersökningen.

5.1 Framtagning av analysverktyget

Det första steget mot att ta fram frågorna till ett analysverktyg var att göra en litteraturs-ökning. En sökning i databasen ERIC och på google scholar genomfördes, med sökor-den ”missuppfattningar”, ”fysik”, ”termodynamik”, ”läroböcker” och liknande, på svenska och på engelska. Resultaten av litteratursökningen har sammanställts i avsnitten 3.3 och 4.2.

Nästa steg inför framtagandet av analysverktyget var genomläsningen och samman-fattningen av de utvalda läroböckerna. Denna genomläsning gav en uppfattning om hur olika läroboksförfattare presenterar samma stoff på olika sätt och med olika

ordnings-följd. Vid genomläsningen lade vi märke till att flera viktiga begrepp, såsom termisk jämvikt och värmeledningsförmåga, inte förekom i alla böcker. Denna upptäckt resulte-rade i en del av analysverktyget som undersöker just detta. Genomgången av läroböck-erna presenteras mer ingående i Kapitel 6.

För att göra analysen mer relevant för vårt framtida yrke som aktiva fysiklärare, har vi också utgått ifrån de nya läroplanerna för fysik, publicerade på Skolverkets hemsida. Under rubriken ”Centralt innehåll” för Fysik 1 anges:

Energi och energiresurser

 Arbete, effekt, potentiell energi och rörelseenergi för att beskriva olika energi-former: mekanisk, termisk, elektrisk och kemisk energi samt strålnings- och kär-nenergi.

 Energiprincipen, entropi och verkningsgrad för att beskriva energiomvandling,

energikvalitet och energilagring.

 Termisk energi: inre energi, värmekapacitet, värmetransport, temperatur och

fasomvandlingar.

Här förekommer begreppen temperatur och inre energi, men värme och hur värme defi-nieras fysikaliskt nämns inte explicit. Trots detta valdes att inkludera värmebegreppet i analysverktyget. Detta beror på att begreppet värme och dess vardagliga användning förefaller ligga till grund för många felaktiga föreställningar (se avsnitt 3.3).

Den andra fysikkursen, Fysik 2, innehåller ingenting om termodynamik, men under rubriken ”Centralt innehåll” för Fysik 3 står det:

Materia och material

 Partikelmodell för ideala gaser och samband mellan mikroskopiska och

makro-skopiska egenskaper hos dessa.

Detta har tagits med i arbetets analysverktyg, genom att frågan om huruvida läroböck-erna tar upp skillnaden mellan makroskopiska och mikroskopiska modeller i termody-namiken inkluderats.

Sammanfattningsvis grundas analysverktyget på:

- tidigare forskningsresultat kring felaktiga föreställningar om värme och tempera-tur (se avsnitt 3.3)

- tidigare undersökningar kring läroböcker och felaktiga föreställningar (Leite, 1999; Akyϋz, 2004)

- en grundlig genomläsning av de läroböcker som skulle undersökas - kursplanerna för fysik i gymnasieskolan

Analysen av läroböckerna är upplagd på följande sätt: Först undersöks hur begreppen värme och temperatur definieras. Sedan undersöks om framställningen går från makro-skopisk till mikromakro-skopisk nivå eller vice versa; eller om bara den ena av nivåerna finns med. Detta anknyter till introduktionssekvensen som beskrevs i avsnitt 4.3. Därefter fastställs huruvida andra viktiga begrepp förekommer eller inte, nämligen: termisk jäm-vikt, absoluta nollpunkten och värmeledningsförmåga. Att dessa begrepp tagits med här

beror på att det finns forskningsresultat som visar på deras betydelse, framför allt Leite (1999).

Dessutom stämmer detta med författarnas egen uppfattning.

Den fjärde delen av analysen undersöker förekomsten av ett antal felaktiga formule-ringar och påståenden som enligt tidigare forskning (Leite, 1999, Akyϋz, 2004) visat sig kunna leda till missförstånd: ”Värme strömmar”, ”Värme flödar ”, ”Ökning i inre energi betyder högre temperatur”, ”Ett system kan innehålla värme” och ”Alltid värme när något blir varmt”. Den femte och sista delen av analysen undersöker förekomsten av ett antal viktiga förtydliganden och förklaringar: att tillförd energi inte alltid ökar tempera-turen, att temperaturen är konstant under fasövergångar, att föremål med samma tempe-ratur kan upplevas olika varma och dementering av kalorikteorin.

5.2 Presentation av analysverktyget

Som beskrivits ovan är analysverktyget indelat i fem kategorier. De första två kategori-erna, ”definitioner av värme och temperatur” samt ”ordningsföljd”, behandlar arbetets första forskningsfråga ” Hur definieras begreppen? På vilken nivå och i vilken ordnings-följd introduceras begreppen?”. Den andra forskningsfrågan ”Vilka viktiga relaterade begrepp förekommer/förekommer inte i framställningen av begreppen värme och tem-peratur?” behandlas i kategorin ”förekomst av begrepp”. De efterföljande två kategori-erna, ”förekomst av vilseledande formuleringar och påståenden” samt ”förekomst av viktiga förtydliganden och förklaringar”, behandlar den tredje frågan ”Finns det påstå-enden eller formuleringar i läroböckerna som kan leda till felaktiga föreställningar om värme och temperatur eller till förtydligande av begreppen?”.

För definitionen av värme är det alternativ a) som är korrekt enligt den strikta definit-ionen (se avsnitt 3.1.2). Näst bäst är alternativ b). Observera dock skillnaden mellan a) och b) när det gäller definitionen av värme: energi som överförs är inte detsamma som överföring av energi. När det gäller definitionerna av temperatur är det mest korrekta att ha med både den makroskopiska och den mikroskopiska definitionen, dvs. alternativ c).

Definitioner av värme och temperatur:

 Värme definieras

a) som överföring av energi till följd av en temperaturskillnad

b) som energi som överförs från en kropp med högre temperatur till en ann-ankropp med lägre temperatur

c) som ”en form av energi”

 Temperatur definieras

a) ur att temperaturen är densamma om inget energiutbyte sker, dvs. den mak-roskopiska definitionen

b) som mått på den genomsnittliga translationsenergin, dvs. mikroskopiska de-finitionen

c) både a) och b)

d) som ”en kropps benägenhet att avge värme”

Ordningsföljd:

 Först makroskopisk modell, följd av mikroskopisk.

 Först mikroskopisk modell, följd av makroskopisk.

 Endast makroskopisk modell förekommer.

Även de tvivelaktiga formuleringarna/påståendena och de viktiga förtydligan-denna/förklaringarna är huvudsakligen grundade på tidigare forskningsresultat (Leite, 1999; Akyϋz, 2004; Sözbilir, 2003). De är dessutom grundade på vad vi observerat vid genomläsningen av läroböckerna (se Kapitel 6).

5.3 Diskussion av analysverktyget

Det finns inget givet sätt att söka svaret på frågan hur värme och temperatur framställs i de svenska gymnasieböckerna. Den metod som använts i detta arbete är ett sätt, men det finns många alternativ. Ett exempel på ett alternativt tillvägagångssätt hade varit att undersöka a) i vilken ordning begreppen definieras b) om de olika definitionerna hänger

Förekomst av vilseledande formuleringar eller påståenden:

 ”Värme strömmar”, ”värme flödar”

 ”Ökning i inre energi betyder högre temperatur”

 "Ett system kan innehålla värme"

 "Alltid värme när något blir varmt"

Förekomst av viktiga förtydliganden och förklaringar:

 Tillförd energi ökar inte alltid temperaturen

 Temperaturen är konstant under fasövergångar

 Föremål med samma temperatur kan upplevas olika varma

 Dementering av ”kalorikteorin”

Förekomst av begrepp:

 termisk jämvikt

 makroskopisk och mikroskopisk modell

 absoluta nollpunkten

ihop och c) om användandet av begreppen är konsistent med definitionerna. Det analys-verktyg som presenteras här tar visserligen upp ordningsföljden av begreppsdefinition-erna men behandlar inte vidare hur definitionbegreppsdefinition-erna hänger ihop med varandra och med övrigt begreppsanvändande.

Det analysverktyg som togs fram för detta arbete grundades på forskning om felakt-iga föreställningar inom termodynamik, och hade som syfte att kartlägga förekomsten av definitioner, påståenden och formuleringar som rimligen kan antas bidra till att upp-häva (eller i vissa fall förstärka) dessa föreställningar. Styrkan med analysverktyget är just att det är grundat på sådana missuppfattningar som empirisk forskning visat vara vanliga.

Den största svagheten med analysverktyget är att det inte kan vara heltäckande: det finns många aspekter av läroböckerna som inte framgår i analysverktyget. Till exempel kan det vara stor skillnad mellan olika böcker i fråga om omfång, tydlighet och upp-följning. Med omfång menas här till exempel längden av en förklarande text samt före-komst av exempel och figurer. Med tydlighet avses: Hur är något formulerat och var står det någonstans? Det är stor skillnad mellan att påstå något i en inledning och att ha det i en inramad ruta inne i texten. Uppföljning, slutligen, står för att texten är konsi-stent och påminner om de påståenden och definitioner som gjorts tidigare. Ett exempel på dålig uppföljning är när det ställs en retorisk fråga i inledningen, som man sedan ald-rig återkommer till inne i texten. Den här typen av aspekter täcks inte av analysverkty-get, åtminstone inte på ett tydligt sätt. Vår analys täcker heller inte räkneuppgifter utan bara löptext. Detta beror på två saker. En är att vi tycker att löptexten ska innehålla för-klaringar/definitoner som på ett explicit sätt introducerar begrepp. Även om vi är med-vetna om att ett begrepp kan tydliggöras och hanteras på ett implicit sätt med räkne-uppgifter, så tror vi inte att detta är en bra pedagogisk lösning. Som diskuterades i av-snitt 4.1 är läroboken central för både lärare och elever. Vi delar Leites (1999) åsikt när hon menar att med tanke på att inte alla lärare har samma pedagogiska erfarenhet är det viktig att böckerna hanterar begreppen på ett tydligt, explicit sätt. Den andra aspekten är att arbetet är helt enkelt för litet för att rymma en mer omfattande genomgång av böckerna. Med andra ord kan vår analys bara ge en antydan om hur begreppen värme och temperatur framställs i de svenska gymnasieböckerna; arbetet gör inga anspråk på att ge ett fullständigt svar på frågan.

Ett mycket viktigt påpekande i detta sammanhang är att forskningsfrågan är hur värme och temperatur behandlas ”i den svenska gymnasielitteraturen”, men att vi i

undersökningen bara tittar på fem specifika böcker. Slutsatserna ur de resultat vi får fram kan alltså bara gälla dessa fem böcker och inga andra. De fem undersökta böcker-na är inte valda slumpmässigt eftersom det inte helt kan sägas vara en slump vilka böcker som finns tillgängliga på Malmö Högskola. Dessa böcker ger oss dock en anty-dan om hur det kan se ut i svenska gymnasieböcker.

Vi vill också påpeka att de kursplaner som använts i detta arbete är de nya kurspla-nerna för Skola 11, medan läroböckerna inte är nya. Motiveringen till detta är enkel: det fanns inga nya böcker att tillgå när examensarbetet inleddes. Författarnas förhoppning är dock att analysverktyget ska vara tillräckligt generellt för att kunna användas även på andra böcker än de som ingår i just denna undersökning. Att författarna valt enbart böcker i A-kursen í fysik beror på att termodynamik inte ingår i den gamla B-kursen.

Slutligen, för att öka undersökningens reliabilitet, d. v. s. pålitligheten och trovär-digheten (Bryman, 2005), repeterades analysen fler gånger. Dessutom utfördes ana-lysen individuellt för att sedan granska om vi hade överensstämmande resultat.

6 Läroböckerna

I detta arbete valdes ut fem olika läroböcker i fysik för den svenska gymnasieskolan: Heureka!, Ergo, Quanta, Upptäck fysik och Orbit. För att ge en allmän bild av de olika läroböckernas framställningar av området termodynamik, görs här en sammanfattning av dem var för sig. Som redan nämnts användes genomgången av böckerna också som grund för framtagningen av analysverktyget som beskrevs i föregående kapitel. I böck-erna kommer bara att undersökas de avsnitt som tar upp begreppen värme, temperatur och inre energi.

6.1 Heureka!

I ”Heureka!” finns de begrepp som är intressanta för detta arbete i kapitlet ”Värme”, och närmare bestämt i delkapitlet ''Inre energi, värme och temperatur''. Detta delkapitel börjar med underrubriken ''Inre energi''. Det inleds så här:

”När du släpar en tung matta i gymnastiksalen, märker du att det tar emot. Du uträttar ett arbete. Eftersom mattans höjd över golvet inte ändrats, har mattans lägesenergi inte ändrats genom ditt arbete. Vad händer egentligen med all den muskelenergi du använder när du släpar mattan?”

Sedan följer en beskrivning av hur atomerna i golvets ytskikt börjar svänga kraftigare kring sina jämviktslägen som effekt av att mattan dras över golvet. Krafterna mellan atomerna liknas vid fjäderkrafter och dessa ”fjädrar” dras ut när ojämnheter i mattan och golvet ''griper tag i varandra''. Sedan står det: ”Den inre energin ökar, och både gol-vet och mattan blir varmare!” Texten är understödd av två figurer: en föreställande en pojke som drar en madrass över ett golv, och en annan föreställande den beskrivna atommodellen: kulor med fjädrar emellan.

Stycket fortsätter med att berätta om hur den inre energin fördelar sig mellan potenti-ell energi och kinetisk energi. Fördelningen ser olika ut i olika ämnen, beroende på hur starka bindningarna är mellan atomerna. Den sista meningen är: ”Inre energi kallas ofta värmeenergi eller termisk energi.” Vid sidan av stycket finns en ruta med texten: ”Ett föremåls inre energi är summan av den oordnade rörelseenergin och lägesenergin hos atomerna.”

Nästa stycke har rubriken ”Värme”. Den inleds så här: ”Energi som alldeles av sig själv strömmar från ett varmare föremål till ett kallare kallar vi i fysiken för värme. Värme är energi under transport. Energiflödet kan ske på olika sätt, t.ex. genom strålning från solen till jorden eller genom ledning från en varm spisplatta till en kastrull.” En ruta bredvid texten innehåller en definition: ”Värme är energi som flödar från ett varmare område till ett kallare.”

Härefter kommer stycket ”Temperatur”. Här beskrivs det hur vi sätter en kastrull vat-ten på en varm spisplatta. Vattnets inre energi ökar, och samtidigt stiger dess tempera-tur. Det tyder på att temperatur och inre energi har något med varandra att göra. Sedan beskrivs hur vi i istället sätter en kastrull innehållandes en nollgradig blandning av is och vatten på den varma plattan, och hur vi med hjälp av en termometer observerar att temperaturen inte stiger förrän all is har smält. Det påpekas att smältning innebär att atomernas potentiella energi ökar men inte deras kinetiska energi. Slutsatsen är:

”Temperaturen hos ett ämne ökar eller minskar om den genomsnittliga rörelseenergin i den oordnade rörelsen hos ämnets molekyler ökar eller minskar. Men temperaturen på-verkas inte om molekylernas potentiella energi ändras.”

I en ruta bredvid texten står det: ”Temperaturen hos ett föremål är ett mått på den ge-nomsnittliga oordnade rörelseenergin hos föremålets atomer och molekyler.”

De två påföljande styckena heter ''Hur varmt och hur kallt kan det bli?'' respektive ”Kelvinskalan”. Här berättas om absoluta nollpunkten och om den absoluta temperatur-skalan (Kelvintemperatur-skalan) och dess förhållande till Celsiustemperatur-skalan.

6.2 Ergo

''Ergo Fysik Kurs A'' inleder kapitlet om termofysik med en introduktion som är en sida lång. Så här börjar introduktionen:

”Varför är det kallare på höga fjälltoppar än i lägre liggande områden? Vad är det egent-ligen som händer när doften från en nyskalad apelsin sprider sig i ett stilla rum? Dessa frågor tränger djupt in i termofysiken, den del av fysiken som handlar om temperatur, tryck och värme. I termofysiken växlar vi ofta mellan två modeller, en makroskopisk och en mikroskopisk. Den makroskopiska modellen behandlar världen så som vi upplever den, medan den mikroskopiska modellen är knuten till atomer och molekyler.”

Resten av introduktionen går ut på att beskriva skillnaden mellan den makroskopiska och den mikroskopiska modellen. Texten är inte riktigt tydlig, men man gör i alla fall ett försök att tydliggöra skillnaden mellan makroskopisk och mikroskopisk modell. Man återknyter dock inte till de inledande frågorna.