Melko hitaasti putoavalle kopterillemme voi

Transkriptio

1 Tule mukaan kopterilennolle! Leena Hyttinen, Hollolan lukio, Hollola Anna-Maija Pölkki, Sepän lukio, Jyväskylä Tieteellisen ajattelutavan ja kokeellisuuden harjoittelu ei vaadi kalliita laitteita tai elektroniikkaa. Kopiopaperi, sakset ja muutama paperiliitin riittävät tämän iloisesti pyörivän helikopterin valmistamiseen. Erilaisia käyttötarkoituksia löytynee lukemattomia, mutta tässä esittelemme avoimen tutkimustehtävän lukion mekaniikan kursseille. Tutkimustehtävä on ohjeistettu niin, että opiskelijat joutuvat käymään läpi tieteellisen prosessin vaiheet. Melko hitaasti putoavalle kopterillemme voi kehitellä sovelluksia alaluokilta alkaen, sillä jo alakouluikäiset osaavat valmistaa sellaisen, ainakin opettajan esimerkkiä seuraten. Alakoululaiset voivat lentävän hyrrän avulla harjoitella havaintojen tekemistä, kun taas yläkoululaiset tai lukion pakollisen kurssin opiskelijat voivat jo tehdä liikkeeseen liittyviä mittauksia ja laskea esimerkiksi putoamisen keskinopeuden. Laitteesta on helppo kehitellä tutkimustehtäviä myös kokeelliseen kotityöhön. Seuraavassa esitellyt tutkimukset vaativat jo voimien ja kiihtyvyyden ymmärtämistä ja soveltuvat sen vuoksi parhaiten lukion mekaniikan kurssille. Työ ohjaa opiskelijoita ilmiöiden havainnointiin, tieteellisten kysymysten tekoon ja tutkimuksen itsenäiseen suunnitteluun. Työhön liittyvä valmis aineisto ja monistepohjat löytyvät pdf-muotoisina edimensiosta*. Kaikki aineisto on vapaasti muunneltavissa kullekin ryhmälle ja luokkatasolle sopivaksi. Artikkelin kirjoittajat osallistuivat USA:n luonnontieteiden opettajien järjestön NSTA:n konferenssiin San Antoniossa Teksasissa Yksi laajan konferenssin mielenkiintoisimmista kokemuksista oli tohtori Edward Donovanin esitys Physics of Flying Things. Nämä lentävät esineet eivät olleet kalliita kauko-ohjattavia lentokoneita tai helikoptereita, vaan ne oli valmistettu paperista, imupilleistä, paperiliittimistä ym. yksinkertaisista tarvikkeista. Valitsimme esiteltäväksi kopterin (whirlybird), joka on monipuolinen, opettavainen, muokattavissa oleva ja lisäksi hauska laite koululuokassa rakennettavaksi. * Valmis kopteri. Työ kannattaa toteuttaa neljän viiden oppilaan tutkimusryhmissä. Ensimmäinen vaihe on kopterin rakentaminen. Kopioi edimensiosta ladattavissa oleva Kopterin kaava A4-arkille, yhdestä A4-arkista tulee siis kaksi kopteria. Numeroituja vaiheita seuraten (opettaja voi näyttää mallia) työ onnistuu varmasti, ja kopteri voi lähteä iloisesti pyörien ensilennolleen. Ennen kuin päästään varsinaisiin tieteellisiin kokeisiin tehdään esitutkimusta. Koelento raportoidaan huolellisesti. Tätä varten on olemassa monistepoh- edimensio 2013

2 Ville ja Santeri tutkivat kopterin lentoa. ja Koelennon havaintoja 1. Ohjeen mukaisesti opiskelijoiden pitää tehdä useita havaintoja kopterin liikkeestä, kirjata havaintonsa ylös ja kuvata liikettä myös piirtämällä. Opiskelijoita pyydetään myös miettimään, millaisia kokeita kopterilla voisi tehdä. Voisiko sen liikettä kenties muuttaa nopeammaksi tai hitaammaksi? Miten massan lisääminen vaikuttaa putoamisaikaan? Miten nopeuden voi mitata? Miten kiihtyvyys muuttuu lennon aikana? Liikkeen ymmärtämisen kannalta on olennaista tietää, mitä voimia kopteriin vaikuttaa ja millä tavalla ne vaikuttavat. Opiskelijoiden on koelennon yhteydessä pohdittava seuraavien neljän voiman vaikutusta: painovoima, väliaineen vastus, ilman nostovoima ja tukivoima. Voimien suuruussuhteilla ja vaikutusajalla on merkitystä. Voimakuvion piirtäminen auttaa hahmottamaan tilannetta ja ehkä myös herättää kysymyksiä jatkotutkimusta varten (monistepohja Koelennon havaintoja 2 ). Koelennon ja sen herättämien kysymysten johdattelemana on aika siirtyä varsinaisen tieteellisen tutkimuksen pariin (monistepohjat Tieteellinen menetelmä 1 ja 2 ). Työmoniste sopii muidenkin tutkimusten pohjaksi, sillä siinä käydään läpi oikean tutkimuksen vaiheet. Tiedemiesryhmämme ovat kenties nostaneet esiin asioita, joita he haluavat mitata. Opiskelijoiden tulee kirjata ensin työn tarkoitus, omin sanoin mutta täsmällisesti. Seuraavaksi he kirjaavat ylös, mitä tietoa heillä jo on tutkittavasta aiheesta. Sitten on hypoteesin vuoro, ja sen laatimisessa auttavat koelennon aikana tehdyt tarkat havainnot. Opiskelijaryhmät suunnittelevat koejärjestelyn, kirjaamalla ensin tarvittavat välineet ja kuvaamalla sitten kokeen vaiheet täsmällisesti. Tulosten käsittelyn tilan voi käyttää tulosten taulukointiin. Yksi valmis taulukointimalli löytyy aineistostamme. Graafisen esityksen voi tehdä erilliselle paperille. Viimeinen vaihe eli työn arviointi ja pohdinta on tärkeä: johtopäätökset, hypoteesin paikkansapitävyys sekä virhelähteiden arviointi. Opiskelijoiden pitää siis pohtia, mitä he ovat oppineet työn suorittamisesta ja mitä olisi voinut tehdä toisin. Uusia sovelluksia tai tutkimuksen kohteita on voinut tulla esiin työn aikana. Näiden valmiiden materiaalien avulla on helppo lähteä mukaan helikopterilennolle. Kaksi kaksipuoleista monistetta, muutama paperiliitin ja puolikas arkki helikopterin valmistukseen ryhmää kohti riittävät. Työn pitäisi onnistua yhden oppitunnin aikana. Tärkeä tutkimusväline eli ajanottolaite (jolla voi mitata myös väliaikoja) löytyy nykyisin useimpien opiskelijoiden puhelimesta. Lisäksi tarvitaan vain metrimitta sekä uteliasta ja innokasta tutkijan mieltä, mikä on kaiken tiedonhankinnan perusta! Kopteriaineisto > edimensio 2013

3 / \oilv-a-o L / \eivlaq C h';lnf t c,l c- )a$of tl, -.'{ o L Lru',L kop*e a l-t kop{erf -T / A A {ai}q \ D \o.,\ o L leillaaq D,L frat \q B \eilla-a. \J i 1 *t_ ts {a-i fo t/ D L \a-t\a' lgjlata-a A +o"i+q 5 {a'fa,l t1) 1t t- * la-f la --T B eillae :\ B 4a'fq t/ D*affq (.

4 1 KOELENNON HAVANTOJA JA POHDNTAA 1: HELKOPTER NM: PVM: RYHMÄ: OSA 1: Helikopteri - liike Arvioi helikopterisi lento- ominaisuuksia. Kerro kokonaisin virkkein vähintään viisi (5) testilennoista tekemääsi havaintoa. (Millaista liike on? Onko liike nopeaa vai hidasta? Lennon kestoaika, suunta?) Piirrä viereiseen ruutuun kuva lennosta. Mitä muita havaintoja teit? OSA 2: Helikopteri - koelennot Mitä muuta voit helikopterin lennosta tutkia? Miten muuttaisit helikopteria, jotta se lentäisi paremmin, nopeammin, hitaammin? Miten voit määrittää helikopterin lentonopeuden? Kuvaile 3-4 tutkimusta, jotka voit tehdä helikopterilla:

5 2 KOELENNON HAVANTOJA JA POHDNTAA 2 OSA 3: Helikopteri - voimat Mitkä ovat neljä helikopterin lentoon vaikuttavaa voimaa? Miten painovoima, ilmanvastus, nostovoima ja työntövoima vaikuttavat helikopterin lentoon? Mikä voima vaikuttaa helikopterin lentoon eniten? Miksi? OSA 4: Piirrä voimakuvio, jossa näkyvät helikopteriin vaikuttavat voimat (nimeä voimat) OSA 5: Soveltava tehtävä: Vaikuttavatko yllä mainitut neljä voimaa myös maanpinnalla liikkuviin esineisiin?

6 Sivu 1 NM: RYHMÄ: PVM: / 201 HELKOPTER TETEELLNEN MENETELMÄ 1 - Työmoniste 1. Mitä olet tutkimassa? (Työn tarkoitus) Tau 2. Mitä tiedät aiheesta? (Taustatiedot) 3. Mitä oletat tapahtuvan? (Hypoteesi) 4. Mitä tarvitset? (Välineet) 5. Miten tutkit? (Työn vaiheet) Jatkuu

7 TETEELLNEN MENETELMÄ 2 6. Mitä tapahtui? (Mittaustulokset ja havainnot taulukoina ja kuvina.) 7. Mitä opit? (Johtopäätelmät, hypoteesin arviointi, virhetarkastelu, käytännön sovellukset; mitä uutta opit? Mitä voisi tehdä toisin? Jatkotutkimukset)

8 Paperiliittimien määrä (massa/paino) ( g/n) Putoamismatka (m) Aika T 1 1.pudotuskerta (s) Aika T 2 2. pudotuskerta (s) Aika T 3 3. pudotuskerta (s) Aika keskiarvo: (T 1 +T s +T 3 )/3 (s) Keskinopeus= matka/aika (m/s) Piirrä kuvaaja (massa/paino, nopeus) koordinaatistoon. Havainnot ja kommentit: 7. Mitä opit? (Johtopäätelmät, hypoteesin arviointi, virhetarkastelu, käytännön sovellukset; mitä uutta opit? mitä voisi tehdä toisin? jatkotutkimukset)