Solen – Liv og energi

Læringsmål i forhold til læseplanerne for geografi, biologi og fysik/kemi (vejledende):

Generelle kompetencemål: 

Eleven kan designe, gennemføre og evaluere undersøgelser i naturfag.

Eleven kan anvende og vurdere modeller i naturfag.

Undersøgelser i naturfag: 

Eleven kan formulere og undersøge en afgrænset problemstilling med naturfagligt indhold.

Eleven kan vurdere modellers anvendelighed og begrænsninger.

Uddrag fra læseplanen i fysik/kemi maj 2018:

Undersøgelser:

  • Energiomsætning: Sidst i trinforløbet udvides elevernes forståelse af energiomsætninger i naturen og i samfundets energiforsyning
  • Produktion og teknologi: Gennem elevernes viden om opbygningen af elektriske kredsløb, simpel programmering og transmission af data, kan eleverne begynde selv at udføre eksperimenter vedrørende elektronisk og digital styring fx til styring af procesrobotter. 

Modeller:

  • Jorden og Universet: Trinforløbet tager udgangspunkt i elevernes forståelse af Jordens bevægelse, rotation, hældningsakse og atmosfære. 

Uddrag fra læseplanen i biologi maj 2018:

Perspektivering:

  • Økosystemer: Forløbet skal afsluttes med at sammenholde den naturfaglige viden til handlemuligheder i forhold til en bæredygtig udvikling. I diskussionen skal inddrages aktuelle problemstillinger vedrører CO2 og drivhuseffekt, klimaforandringer og – tilpasninger, samfundsmæssige påvirkninger af udvalgte kredsløb,…..

Uddrag fra læseplanen i geografi maj 2018:

Perspektivering:

  • Jordens og dens klima: Sidst i trinforløbet analyseres muligheder for at mindske Læseplan for faget geografi · 9 forurening og drivhuseffekt gennem diverse lokale, nationale og internationale tiltag, såsom økologi, ren teknologi, ressourcebesparelser, politiske forhandlinger.

Solens placering i solsystemet

fra: www.b.dk/nationalt/pluto-er-ikke-laengere-en-planet

Vores egen stjerne Solen er centrum i Solsystemet og er kilden til alt liv på Jorden. Uden Solen ville planterne ikke kunne gro og dyrene ikke kunne leve. Selvom solen virker til at være tæt på jorden er afstanden over 150 millioner kilometer mellem jorden og solen. 

Solen er meget større end Jorden. Jordens diameter er ca. 12.760 km, og Solens diameter er 1.391.800 km.

Solen driver desuden årstider, havstrømme, vejret og klimaet her på Jorden, så man kan roligt sige, at uden Solen, ville Jorden se helt anderledes ud.

Årstiderne

I Danmark er det tydeligt, at vi har fire årstider. Den helt afgørende forskel på årstiderne er temperaturen, som igen afhænger af, hvor meget solskin, vi får fra Solen.

Det er ikke ændringer i afstanden mellem Solen og Jorden, der spiller en rolle. Jorden er nærmest ved Solen i de første dage af januar – hvor vi har vinter på den nordlige halvkugle. På det tidspunkt er det sommer på den sydlige halvkugle.

Jordens omdrejningsakse, står ikke vinkelret på Jordens baneplan. Den hælder lidt over 23º. Den hældning spiller en helt afgørende rolle for årstiderne. Når nordpolen hælder ind mod Solen, har vi sommer på den nordlige halvkugle. Et halvt år senere, når nordpolen hælder væk fra Solen, har vi vinter på vores breddegrader.

fra: virtuelgalathea3.dk/artikel/3-rstider-har-betydning-temperaturen

Opgave – Årstiderne 

Forklar følgende begreberne herunder og skriv hvilke datoer begivenheden finder sted i år:

Sommersolhverv:

Efterårsjævndøgn:

Vintersolhverv:

Forårsjævndøgn:

Opgave – Hydrotermfigur

Brug denne hydrotermfigur til at forklare, hvordan vejret sandsynligvis vil være i hver af de fire årstider:

 

Sommer: 

Efterår:

Vinter:

 

Forår:

Fra: www.klimadiagramme.de/

Giv et bud på, hvor i verden vi sandsynligvis er. Begynd med at forklare, om vi er på den nordlige eller sydlige halvkugle.

Hvordan producerer solen energi?

Solen er en kæmpe kugle af plasma, som er meget varm ioniseret gas, bestående af ca. 75% hydrogen, 23% helium og mindre end 2% tungere grundstoffer, såsom carbon, oxygen og jern. Hydrogen og helium er Solens primære “brændstof”. Gennem sammensmeltning af hydrogen- og helium-kerner ved fusionsprocesser i Solens indre, skabe ekstrem varme og energi, som får Solen til at skinne.

På Solens overflade er plasmaets temperatur ca. 5500 grader, mens temperaturen stiger ind mod centrum, og Solens kerne er ca. 15 millioner grader varm. Fusionen af hydrogenatomet til helium, kan kun ske på grund af det høje tryk og temperatur der findes i solens kerne. 

Den ekstreme varme og stoftæthed i Solens indre, skyldes en meget kraftigt sammenpresning af Solens plasma under sin egen vægt. Denne høje stoftæthed og temperatur i Solens kerne, får atomkernerne i plasmaet til at smelte sammen, eller “fusionere”. Gennem fusionsprocesserne frigives endnu mere energi, som langsomt transporteres til Solens overflade, hvor energien undslipper som lys – det livgivende lys, som vi modtager her på Jorden.

Fra  www.quora.com/How-does-the-Sun-produce-energy-through-the-nuclear-fusion-of-hydrogen-into-helium-in-its-core 

Lysets vej fra solen til jorden 

Fissionsprocessen i solen, har nu frigivet energien fra kernen, og ud til verdensrummet. Det meste af energien bliver frigivet som det synlige lys. Men en lille del af energien, bliver også frigivet som gamma eller røntgenstråling. 

Herunder ses det elektromagnetiske spektrum som bølger. Bølgelængden (wavelength) er kortest ved gamma (λ), mens radiobølger har en lang bølgelængde. Det synlige lys, er en meget lille del af det samlede elektromagnetiske spektrum. 

Lyset bliver ofte betegnet som fotoner, en lille bølgepakke, der udelukkende er energi. Så nogle gange, vil lyset blive opfattet som en bølge, mens andre gange er det fotoner. Der er en sammenhæng i de matematiske formler for lyset som bølger og som fotoner.

Bølgemodel Partikelmodel
c = λ*f E = h*f
Tilsammen
E = h*c/λ

Hvor: 

c er lysets hastighed

λ er bølgelængden 

f er frekvensen

h er plancks konstant  

h * c er ca. 1240 så omregningen mellem bølger og fotoner kan skrives sådan. 

λ= 1240Efoton  

Energien er bestemt af lysets bølgelængde: Stor bølgelængde => lille energi og omvendt.

Vi kan altså bruge formlen, til at beregne et fotons energi ved en bestemt farve. Vi prøver farven rød. 

Rød har en bølgelængde på 656 nm (nanometer). Denne oplysning er fundet i billedet i det elektromagnetiske spektrum på siden før. Nu indsætter vi tallene i formlen.

656= 1240Efoton    =>     Efoton = 1240656     => Efoton = 1,89 eV ( eV er enheden elektronvolt)

Opgave – Beregn fotons energi

Prøv at omregne flere farver fra bølgelængden til fotonenergi

__________ eV

___________ eV

___________ eV

___________ eV

___________ eV

Fotonerne, i form af lys, fra solen er nu på vej, mod Jorden.

Lyset i atmosfæren

Atmosfæren er luftlaget omkring Jorden. De kemiske processer i atmosfæren har betydning for livet på Jorden. Atmosfæren holdes tilbage af tyngdefeltet, og er dermed en del af jordens rotation. Jordens atmosfære kan inddeles i fire forskellige lag: Troposfæren, Stratosfæren, Mesosfæren og Thermosfæren.

De vigtigste processer for livet på Jorden, foregår i atmosfærens nederste 12 km – i troposfæren. Her findes alt inden for jordens klima, og denne del af atmosfæren indeholder forskellige gasarter som CO2, metan, vanddamp osv. Gasserne absorberer en del af de varmestråler, som udsendes fra Jorden, og sender varmen igen mod jordens overflade.

Hvad består atmosfæren af? 

Atmosfæren på Jorden, har været ret konstant i mange millioner år. Den består af en sammensætning af en række forskellige gasser.

Atmosfæren består primært af 78 % nitrogen, 21 % oxygen, cirka 1 % argon samt en lille procentdel af en række andre forskellige gasarter.

Nitrogen er neutral i mange af de betydelige processer på Jorden, men har betydning for livet på Jorden ved, at den bremser den hårdeste ultraviolette stråling fra Solen mod Jorden.

De 21 % ilt som atmosfæren består af, er af stor betydning for livet på Jorden. Ilt forbruges i store mængder, og er betydningsfuldt for de fleste levende organismers energiomsætning. Til gengæld producerer planter ved fotosyntesen tilsvarende mængder. Dette kommer vi tilbage til senere. Den sidste procentdel af atmosfæren er ædelgassen argon. Den har ingen betydning i livet på jorden. 

CO2 i atmosfæren

Jordens atmosfære består desuden af CO2, ozon (O3) og en række andre gasarter, som udgør en lille, men vigtig del af atmosfæren. Modsat nitrogen, ilt og argon varierer disse komponenter fra sted til sted og over tiden. CO2 i atmosfæren varierer blandt andet efter fotosyntesens intensitet, afbrænding af fossile brændstoffer og skovafbrænding.

Ozon findes primært i ozonlaget – i stratosfæren. Det er især vigtig som filter for UV-stråling, hvorimod det i den nedre del af atmosfæren – i troposfæren – sammen med vanddamp og CO2, er vigtig i forhold til drivhuseffekten. Det er altså vigtigt at være opmærksom på, at ozonlaget og drivhuseffekten er to forskellige steder i atmosfæren, og har grundlæggende intet med hinanden at gøre.  

Ozon i atmosfæren

Solen udsender alt fra infrarød varmestråling til uv-stråler. Ozonlaget i stratosfæren beskytter os imod uv-strålerne. Den kemiske reaktion i ozonlaget ser således ud: 

  1. Uv-C + O2 →  O + O

Uv-C stråler spalter et oxygenmolekyle til to oxygenatomer.

  1. O + O2  → O3

Hver af de to enkelte oxygenatomer knytter sig nu til et nyt oxygen-molekyle, og danner et ozonmolekyle.

  1. Uv-B + O3  → O + O2

Uv-B stråler har ikke energi nok til at spalte oxygen-molekyler, men nok til at spalte ozon til et nyt oxygen-atom og et oxygenmolekyle.

Og det hele begynder forfra igen:

  1. O + O2  → O3 og Uv-C + O2  → O + O

Det nye oxygen-atom kan forbinde sig med et oxygenmolekyle og danne ozon.

Det nye oxygen-molekyle kan optage Uv-C og dele sig til to oxygenatomer.

På denne måde stoppes alle Uv-C strålerne i stratosfæren af den oxygen, der er. Og så længe der er nok ozon, stoppes langt de fleste Uv-B stråler også.

Hvis vi ikke havde et ozonlag, ville uv-stråling få lov til at passere igennem atmosfæren og direkte ned på os mennesker. Hvis uv-stråling rammer vores hud, vil vi blive meget hurtigere solskoldede, da uv-stråling indeholder meget energi. 

Vores celler vil også mutere meget kraftigere, hvilket vil medføre flere personer med hudkræft. 

Undersøgelse – Lyset afbøjes i atmosfæren

Når lyset fra solen passerer igennem atmosfæren, sker der også en brydning af solens stråler. Når lys bevæger sig fra universet, hvor der ikke er molekyler, ind i atmosfæren, der er fuld af molekyler, vil der ske to ting med lyset. 

En del af lyset bliver reflekteret ud i universet i den øverste del af atmosfæren, mens en del af lyset vil blive brudt ned igennem atmosfæren. 

Ved hjælp af lyskassen kan I udføre en eller flere undersøgelser, der kan belyse dette. I kan lade jer inspirere på billedet herunder. 

Hvad skal prismet symbolisere i opgaven?

I kan måle vinklerne mellem lyset og prismet – Opstil derefter en eller flere hypoteser, der kan forklare hvis I bruger UV-lys i stedet for almindeligt hvidt lys. 

Lys som energi på jorden

Lyset er nu brudt igennem atmosfæren, og er på vej ned jordens overflade. Her er lyset altafgørende for planternes liv. Fotosyntesen er grundlaget for alt liv på jorden. 

Fotosyntese hos planter

Hovedparten af den fotosyntetiske produktion, foretages af højere planter. Planter binder normalt 2-5% af den solenergi, der rammer dem, i organisk stof. Resten går tabt. Hos planter finder fotosyntesen helt overvejende sted i bladene.

Lys

6CO2 + 6H2O  → C6H12O6 + 6O2

Lyset er afgørende for at CO2 bliver omdannet til kemisk energi i form af monosakkarider (C6H12O6), som planterne skal bruge til vækst og oxygen (O2), som vi mennesker skal bruge. 

Det er grønkornet (klorofyl) i bladene, der opfanger lysets energi. Men lyset fra solen, kan også omdannes til elektrisk energi. 

Solceller

Solceller bygger på den fotoelektriske effekt, der først blev påvist af franske fysiker A.C. Becquerel allerede i 1839 og senere beskrevet af Albert Einstein, hvilket gav ham Nobelprisen i 1921.

Når sollyset rammer solcellen, bliver atomerne i silicium påført energi og elektroner revet løs (fotoelektriske effekt). Da en solcelle er en halvleder, kan elektronerne kun vandre i en retning og det skaber en spænding.

Solceller er endnu ikke særlige effektive. De nuværende solceller, kan pt. kun omdanne omkring 10-20% af solens energi til elektricitet. Der arbejdes dog på nye solcelletyper, der kan opfange omkring 40% af solens energi.

Solceller blev først rigtig brugt i satellitter – her står den ofte for 100% af energiforsyningen til satellitterne. I dag er solceller en udbredt energikilde og mange private hjem og virksomheder, har i dag investeret i solcelleanlæg.

Solceller producerer jævnspænding, og derfor skal det igennem en inverter (vekselretter), og her omdannes til vekselspænding inden det kan sendes ud på elnettet.

Engelsk youtube video der forklarer hvordan en solcelle virker

Dansk video der forklarer produktionen af solceller

Undersøgelse – Lav din egen solcelle

En moderne solcelle, er lavet af det halvledende materiale silicium, som microchips også er lavet af. Vi kan ikke lave samme proces i fysiklokalet, men man kan i stedet lave en halvleder og bygge en solcelle med kobberplader.

Solcellen bliver dog ikke så effektiv at den kan ikke bruges i praksis, men vil vil kunne måle en lille strøm når solcellen sættes i lyset, og derved se princippet ved solceller.

Følg forsøgsvejledningen fra Experimentarium nøje! Forsøget tager en del tid at lave, så der er ikke plads til fejltagelser.

www.experimentarium.dk/klima/lav-solcelle-dit-eget-koekken 

Undersøgelse – Projekt solcelleanlæg

I skal udvikle et solcelleanlæg, der kan følge solens bane over himlen i løbet af dagen. I den sammenhæng, skal I designe og gennemføre undersøgelser af elektronisk og digital styring af Fable, med joint-modulet.

Materialer

  • Joint-modul (Fable-robotten) 
  • Solceller 
  • Voltmenter 
  • Amperemeter 
  • Elpære eller en modstand 
  • Eventuelt LEGO til at udvikle en holder til solcellen 
  • Kraftig halogenpære (500 w) i tilfælde af at der ikke er sol. 
  • Blyant og papir

Undersøgelse – Udvikling af solcelleanlæg 

I skal udvikle en undersøgelse, hvor I finder den optimale vinkel mellem solcelle og lyskilde. Undersøgelsen skal give et indblik i volten, i forhold til den vinkel solen rammer solcellen med. 

Materialer 

  • Kraftig lyskilde  – pære eller naturligt sollys  
  • Voltmeter 

 I skal bruge den mest effektive opstilling (vinkel), i jeres videre udvikling af et automatiseret solcelleanlæg. 

Hvordan skal solcellens vinkel være i forhold til solen, for at få mest energi ud af solcellen?

Hvor stor er forskellen på de forskellige vinkler – hvornår kommer der mest volt ud, og hvornår er der mindst volt ud (ikke medtaget natten). Beregn forskellen i procent.

Undersøgelse – Følg solen på himlen 

I skal bygge et solcelleanlæg, der fungerer optimalt fra morgen til aften. Lige meget om det er sommer og om vinter. 

I den sammenhæng skal I bruge jeres opnåede viden, omkring den optimale opstilling af en solcelle, som I har arbejdet med tidligere. 

I skal være opmærksomme på, at solen har forskellig højde på himlen, derfor er det afgørende at solcellen følger solen hele dagen. Det vil hæve effekten på solcellen betydeligt. 

I bruge linket nedenfor til at finde solens højde, om vinteren og om sommeren for jeres område. 

http://www.suninfo.dk/solhojde/solhojde.php

Solen står op i øst, så jeres robot skal pege mod solopgangen – Det er ikke direkte øst hver dag, så brug informationerne fra hjemmesiden til at pege den helt rigtige vej. 

I skal udvikle en platform, så solcellerne kan monteres på joint-modulet. Derefter skal I overveje hvordan I kan udvikle kode, der kan følge solens bane på himlen fra morgen til aften, sommer eller vinter. 

Husk at tage højde for dagens længde. Ikke alle programmer skal køre i lige lang tid. 

Overvej hvilken vej solen går på himlen, og hvorfor den gør det. 

Eksempel

Her kan man aflæse, at solens højde over horisonten, kl. 12.00 den 19 juni 2019 er 55 grader. 

Og solen er i retning 146 grader. Man skal bruge et kompas til at finde retning 146 grader. På det simple kompas, kan man se at det er sydøstlig retning. 

Grundlæggende intro til Fable programmering findes på youtube på: 

Indsæt et billede af jeres programkode herunder – Husk at beskrive hvad de enkelte dele gør i programmet og evt. hvad der kan arbejdes mere med i programkoden. 

Udarbejd en konklusion på opgaven. 

Hvad kan være fordelen ved at følge solen med en solcelle?

Brug jeres viden fra undersøgelsen “udviklingen af solcelleanlæg”, til at argumentere hvorfor ikke flere solcelleanlæg er bygget med drejemotorer og lyscensor?

Et flerfagligt undervisningsforløb med geografi, biologi og fysik/kemi. 

Udviklet til Shape Robotics af Ole Andersen 

Klassetrin og emne: 8. – 10. klasse. 8.kl. og 9.kl. vil kunne bruge det som et flerfagligt emne omkring “Bæredygtig energiforsyning på lokalt og globalt plan”.

10.kl. som “lys og energi”.

Dokumenter

Materialer

  • Joint-modul (Fable-robotten) 
  • Solceller 
  • Voltmenter 
  • Amperemeter 
  • Elpære eller en modstand 
  • Eventuelt LEGO til at udvikle en holder til solcellen 
  • Kraftig halogenpære (500 w) i tilfælde af at der ikke er sol. 
  • Blyant og papi

Seneste lndlæg

Want to stay in the loop?
Sign up to our Newsletter

We value your privacy. We never send you any spam or pass your information onto 3rd parties.