Oppimistavoite: ymmärtää, kuinka positiiviset ja negatiiviset magneettiset navat tuottavat työntö- ja vetovoimaa.

Transkriptio

1 1 Magneettiset navat Oppimistavoite: ymmärtää, kuinka positiiviset ja negatiiviset magneettiset navat tuottavat työntö- ja vetovoimaa. 1. Nimeä viisi esinettä, joihin magneetti kiinnittyy. Mikä tahansa metalliesine. Ei alumiini. Esimerkiksi: paperiliitin, metalliviivoitin, lusikka, naula, ruuvi, vasara jne. 2. Mitä magneetin päät ovat nimeltään? Napoja tai kohtioita. S- eli eteläkohtio ja N- eli pohjoiskohtio. 1. Minkälaiseen metalliin magneetti kiinnittyy? Rautapitoiseen metalliin. 2. Mitä tapahtuu, kun samanlaiset magneetin navat asetetaan lähekkäin? Ne hylkivät toisiaan eli työntyvät toisistaan erilleen. 1. Minkälaiseen metalliin magneetti kiinnittyy? Rautapitoiseen metalliin. 2. Mitä tapahtuu, kun samanlaiset magneetin navat asetetaan lähekkäin? Mitä voimia syntyy? Ne hylkivät toisistaan. Syntyy työntövoimaa.

2 2 Kompassin valmistaminen Oppimistavoite: Osata valmistaa kompassi ja määritellä, missä pohjois- ja etelänapa ovat. 1. Nimeä kaksi asiaa koulussasi, jotka ovat pohjoisessa tämänhetkisestä olinpaikastasi katsoen. Käytä kompassia ja etsi esineitä luokasta tai muualta koulusta. 2. Jos seisoisit pohjoisnavalla, kumman maapallon magneettisen navan päällä seisoisit? Magneettisella etelänavalla. 1. Nimeä kaksi asiaa koulussasi, jotka ovat pohjoisessa tämänhetkisestä olinpaikastasi katsoen. Jos siirryt eri paikkaan koulussa, ovatko nämä esineet edelleen pohjoisessa itsestäsi katsoen? Käytä kompassia ja etsi esineitä luokasta tai muualta koulusta. Esineiden suunta vaihtuu, kun liikut niiden ympärillä. Tämä tapahtuu siksi, että kompassi osoittaa aina pohjoiseen. 2. Jos seisoisit pohjoisnavalla, kumman maapallon magneettisen navan päällä seisoisit? Osaatko selittää miksi? Koska vastakohdat vetävät toisiaan puoleensa, maapallon pohjoisnapa onkin itseasiassa magneettinen etelänapa. 1. Käytä kompassia määrittämään, missä pohjoinen on. Piirrä kartta luokkahuoneesta ilmansuunnat huomioon ottaen. 2. Miksi luulet, että kompassin valmistamiseen käytettiin kahta kuulaa? Kahden kuulan ansiosta kompassi pyörii. Kuulien välillä on vain vähän kitkaa, koska ne koskevat toisiinsa vain pieneltä alalta.

3 3 Magneettiset voimat kuulien sisällä Oppimistavoite: Ymmärtää, mikä lisää tai vähentää kuulien välistä työntö- tai vetovoimaa. 1. Mitä tapahtuu, kun asetat yhteen kaksi kuulaa, joiden molempien arvo on -2? Ne hylkivät toisiaan eli työntyvät erilleen Mitä tapahtuu, kun asetat yhteen kaksi kuulaa, joista toisen arvo on +2 ja toisen -2? +2-2 Ne vetävät toisiaan puoleensa. 1. Mitä tapahtuu, kun asetat yhteen kaksi kuulaa, joiden molempien arvo on -2? Perustele vastauksesi. Ne hylkivät toisiaan eli työntyvät erilleen Kuulien arvo on sama, joten ne hylkivät toisiaan. 2. Mitä tapahtuu, kun asetat yhteen kaksi kuulaa, joista toisen arvo on +2 ja toisen -2? Perustele vastauksesi Ne vetävät toisiaan puoleensa. Kuulien arvot ovat erilaiset, joten ne vetävät toisiaan puoleensa. 1. Kirjoita ylös sääntö, joka selittää, mitä tapahtuu kuulille, kun ne asetetaan eriarvoisten kuulien läheisyyteen. Jos kuulien arvot ovat samaa merkkiä (molemmat positiivisia tai negatiivisia) ne hylkivät toisiaan. Jos kuulien arvot ovat vastakkaista merkkiä (positiivinen ja negatiivinen) ne vetävät toisiaan puoleensa. Jos kuulan arvo on 0, se vetää puoleensa sekä positiivisella että negatiivisella latauksella varustettuja magneetteja. 2. Mitä tapahtuu, kun kuula, jonka arvo on 0, koskettaa kuulaa, jonka arvo on 0? Koska kuulien arvo on 0, ei niillä ole lainkaan magneettisia voimia, joten ne eivät hylji tai vedä toisiaan puoleensa.

4 4 Magneetin leijutus Oppimistavoite: Ymmärtää, miten navat hylkivät toisiaan ja mitä magneetin leijutus tarkoittaa. 1. Mikä on leijuvien tankojen välinen etäisyys? Miten sen saisi mitattua? Selitä alla kaavion avulla. Laske kahden peräkkäin asetetun tangon pituus. Aseta tangot putken viereen ja vertaa niiden korkeutta putkessa olevien tankojen korkeuteen. Niiden erotus on leijuvien tankojen etäisyys. 1. Mitä tapahtuu, jos lisäät putkeen tankoja? Leijuvien tankojen etäisyys kasvaa. 2. Mikä on kolmen leijuvan tangon leijumiskorkeus? Miten sen saisi mitattua? Selitä alla kaavion avulla. Laske peräkkäin asetettujen tankojen pituus. Aseta tangot putken viereen ja vertaa niiden korkeutta putkessa olevien tankojen korkeuteen. Niiden erotus on leijuvien tankojen etäisyys. 1. Kun putkeen lisätään 3 tai useampi tanko, onko tankojen välinen etäisyys sama? Keksitkö, miten tämän voisi mitata? Perustele alla. Vertaa ensin kahden ja sitten kolmen yhdistetyn tangon pituutta. Jos leijumisetäisyys on suurempi kolmella tangolla, leijumisetäisyys kasvaa, kun tankoja lisätään. 2. Keksitkö, miten magneettista leijuntaa tai jousta voisi käyttää käytännössä? Pehmeästi sulkeutuvat laatikot (esim. keittiössä) ja ovet. Jousitus.

5 5 Napaisuuksien kerääntyminen Oppimistavoite: Ymmärtää, mitä tapahtuu, kun kuulien sisäisiä magneettisia voimia heikennetään tai vahvistetaan. 1. Mitä tapahtuu, kun asetat kuulat lähelle toisiaan? Ne vetävät toisiaan puoleensa Mitä tapahtuu, kun asetat kuulat lähelle toisiaan? Perustele vastauksesi. Ne vetävät toisiaan puoleensa Piirrä samankaltainen asetelma, jossa on kaksi kuulaa, jotka hylkivät toisiaan. Kuulien magneettisuuden täytyy olla sama (positiivinen tai negatiivinen) Mitä tapahtuu, kun asetat kuulat lähelle toisiaan? Perustele vastauksesi. Miten heikentäisit tai vahvistaisit kuulien välistä vetovoimaa? Ne vetävät toisiaan puoleensa. Mitä suurempi on magneettisten arvojen erotus, sitä enemmän ne vetävät toisiaan puoleensa. Mitä pienempi ero on, sitä heikompi on kuulien välinen vetovoima. 2. Miten saisit kuulat hylkimään toisiaan käyttämällä useaa tankoa? Piirrä vastauksesi alle lyhyen selityksen kera. Samanlaiset kuulat hylkivät toisiaan. Kuulien magneettisuuden täytyy olla sama. Mitä suurempi tai matalampi arvo on, sitä suurempi on työntövoima

6 6 Yksinkertaiset rakenteet Oppimistavoite: Osata muodostaa yksinkertaisia rakenteita. 1. Miksi neliö on heikko rakenteeltaan? Neliön kulmat joustavat helposti, joten muoto voi muuttua. Se ei ole kiinteä muoto. 1. Miksi kolmio on vahva rakenne? Kolmion kulmat ovat vahvat ja se on jäykkä rakenne. Sen muotoa ei voi muuttaa. 1. Selitä (piirrosten avulla), miten neliön rakennetta voi huomattavasti vahvistaa. Tämä vahvistaisi rakennetta, mutta tangot eivät ole tarpeeksi pitkiä. Neliönmallinen pyramidi vahvistaisi neliön rakennetta tankoja ja kuulia käyttämällä.

7 7 Säännöllisten monikulmioiden kokoaminen Oppimistavoite: Oppia, mikä monikulmio on ja muodostaa erilaisia muotoja. 1. Piirrä ja nimeä kolme-, neljä-, viisi- ja kuusikulmaiset säännölliset monikulmiot. Tasasivuinen kolmio Neliö Viisikulmio Kuusikolmio 1. Piirrä ja nimeä kolme-, neljä-, viisi- ja kuusikulmaiset säännölliset monikulmiot. Kuten yllä 2. Piirrä ja nimeä kolme-, neljä-, viisi- ja kuusikulmaiset epäsäännölliset monikulmiot. Mikä tahansa kaksiulotteinen kuvio, joissa on vaadittu määrä sivuja (voivat olla eri pituisia ja eri kulmissa). 1. Piirrä ja nimeä kolme-, neljä-, viisi- ja kuusikulmaiset säännölliset monikulmiot. Lisää kulmien asteet jokaiseen kuvioon. Kuvio Sivuja Kulmien yhteenlaskettu arvo Muoto Yhden kulman asteet Kolmio Nelikulmio Viisikulmio Kuusikulmio

8 8 Kolmiulotteiset (3D) rakenteet Oppimistavoite: Ymmärtää, kuinka rakenteita muodostetaan säännöllisistä monikulmioista. 1. Selitä, mikä rakenne on. Rakenne on jokin määrä elementtejä, jotka on jollakin tavalla liitetty yhteen jonkinlaisen painolastin vakauttamiseksi. 1. Selitä, mikä rakenne on. Rakenne on jokin määrä elementtejä, jotka on jollakin tavalla liitetty yhteen jonkinlaisen painolastin vakauttamiseksi. 2. Piirrä alle rakenne. Nimeä joitakin yksinkertaisia muotoja. Esimerkiksi: silta. Kolmiot tulisi nimetä. Talossa on neliöitä ja kolmioita. 1. Selitä, mikä rakenne on. Rakenne on jokin määrä elementtejä, jotka on jollakin tavalla liitetty yhteen jonkinlaisen painolastin vakauttamiseksi. 2. Alla oleva kuutio ei ole vahva rakenne. Miten sen rakennetta saisi vahvistettua? Piirrä ideasi ja perustele, miksi. Neliön pönkittäminen kolmioilla tai kolmioiden lisääminen neliöön tekee siitä vahvemman.

9 9 Monimutkaiset kolmiulotteiset (3D) rakenteet Oppimistavoite: Ymmärtää, miten 3D-rakenteita muodostetaan. 1. Nimeä ja laske kuution kärjet, tahkot ja särmät. Kärkiä: 8 Tahkoja: 6 Särmiä: Nimeä ja laske kolmionmallisen pyramidin kärjet, tahkot ja särmät. Kärkiä: 4 Tahkoja: 4 Särmiä: 6 1. Piirrä, nimeä ja laske kuusikulmaisen särmiön kärjet, tahkot ja särmät. Kärkiä: 12 Tahkoja: 8 Särmiä: 18

10 10 Vahvat rakenteet Oppimistavoite: Koota yksinkertainen siltarakenne ja ymmärtää, miten rakennetta voi vahvistaa. 1. Piirrä valmiista sillasta sivukuva, josta käy ilmi, miten vahvistit sillan kulkuväylää. 1. Piirrä valmiista sillasta sivukuva, josta käy ilmi, miten vahvistit sillan kulkuväylää. Merkitse kuvaan kaikki magneettiset työntö- ja vetovoimat, jotka huomaat. 1. Piirrä valmiista sillasta sivukuva, josta käy ilmi, miten vahvistit sillan kulkuväylää. Merkitse kuvaan ainakin kaksi tankoa, jotka ovat puristuksissa ja kaksi, jotka ovat jännittyneenä. Puristus Jännitys

11 11 Ansassillat Oppimistavoite: Ymmärtää, mikä ansassilta on ja kolmioiden vaikutus rakenteisiin. 1. Piirrä alle ansassilta. 2. Mikä on tärkein muoto ansassillassa? Kolmio. 1. Piirrä alle ansassilta. Korosta kuvasta kolmio. 2. Selitä, miksi kolmiot ovat niin tärkeitä. Kolmio on jäykkä, joustamaton muoto. Kolmioiden lisääminen rakenteisiin tukevoittaa siltaa. 1. Piirrä alle ansassilta. Korosta kuvasta kolmio. 2. Mitä materiaaleja käytetään ansassillan rakentamiseen? Sillan runko on usein tehty teräksestä. Teräspalkit voi kiinnittää yhteen kolmioiksi. Teräs on melko kevyttä verrattuna muihin materiaaleihin, kuten betoniin.

12 12 Työntö- ja vetovoiman hyödyntäminen Oppimistavoite: Koota rakenne, joka havainnollistaa magneettista työntö- ja vetovoimaa. 1. Osaatko selittää, miksi leuat eivät sulkeudu? Leukojen kärjet hylkivät toisiaan. Kärjissä olevilla kuulilla on sama magneettinen arvo. Samanlaiset magneettiset arvot hylkivät toisiaan. 1. Osaatko selittää, miksi leuat eivät sulkeudu? Leukojen kärjet hylkivät toisiaan. Kärjissä olevilla kuulilla on sama magneettinen arvo. Samanlaiset magneettiset arvot hylkivät toisiaan. 2. Miten saat leuat sulkeutumaan lisäämällä vain yhden tangon? Piirrä vastauksesi. Yhden magneettisuudeltaan vastakkaisen tangon lisääminen jompaankumpaan kärjessä olevaan kuulaan vähentää työntövoimaa. 1. Selitä oppimaasi sanastoa käyttäen, miksi leuat eivät sulkeudu. Leuat hylkivät toisiaan eli työntyvät erilleen, koska kuulien magneettinen arvo on sama. Samanlaiset navat hylkivät toisiaan. 2. Miten saisit leuat avautumaan entistä enemmän? Kuulien magneettista arvoa pitäisi lisätä kiinnittämällä niihin enemmän samanapaisia tankoja. Tämän voi tehdä joko ylempään tai alempaan kuulaan tai molempiin. Tämä kasvattaisi magneettista voimaa, joka työntää kuulia erilleen voimakkaammin.

13 13 Heiluri Oppimistavoite: Osata käyttää työntövoimaa heilurin valmistamiseen. 1. Miten kauan keskimmäinen kolmio heiluu? Ota aikaa sekuntikellolla. Oppilaat ottavat aikaa. 1. Miten kauan keskimmäinen kolmio heiluu? Ota aikaa sekuntikellolla. Oppilaat ottavat aikaa. 2. Miten tätä aikaa saisi pidennettyä? Vähentämällä kitkaa. Yritä pidentää heiluriliikkeen kestoa muuttamalla rakenteen kokoa tai hylkivien kuulien paikkaa. 1. Selitä käsite heiluriliike. Keksitkö yhtään esinettä, joka käyttää heiluriliikettä? Säännöllinen, katkeamaton, edestakaisin jonkin keskipisteen ympärillä tapahtuva heiluva liike. Esimerkiksi heilurikello, metronomin varsi 2. Merkitse alla olevaan kuvioon siihen vaikuttavat voimat. Merkitse kolmen ylimmäisen kuulan magneettiset arvot. -2 tai +2-3 tai +3-3 tai +3

14 14 Pyörimisliike ja kitka Oppimistavoite: Kuulien käyttö matalan kitkan liitoksissa. 1. Mitä rakennelman alaosalle tapahtuu, kun pyöräytät ensimmäisen rakennelman oranssia osaa? Se alkaa myös pyöriä. 2. Mikä aiheuttaa sen vauhdin hidastumisen ja lopulta pysähtymisen? Kuulien hankautuminen toisiaan vastaan, eli kitka. 1. Pyöräytä ensimmäisen rakennelman osia eri suuntiin. Mitä tapahtuu lopulta? Oranssi osa hidastaa vauhtiaan ja muuttaa suuntansa samaksi kuin alempi osa. 2. Mikä aiheuttaa sen vauhdin hidastumisen ja lopulta pysähtymisen? Kuulien välinen kitka. 1. Ensimmäisen rakennelman oranssin osan pyöräyttäminen aiheuttaa myös alaosan pyörimisen. Jos lisäät ylimmäiseen kuulaan tankoja sen magneettisuusarvon vahvistamiseksi, vahvistuisiko vai vähenisikö edellä mainittu efekti? Miksi? Vahvistuisi, koska kuulat puristuisivat kovempaa yhteen. 2. Vaikka kuulien välillä ei olisikaan kitkaa, liike pysähtyisi kuitenkin lopulta. Miksi? Ilmanvastuksen takia.

15 15 Yksinkertaiset laakerit Oppimistavoite: Ymmärtää, kuinka yksinkertaiset laakerit toimivat. 1. Selitä miksi ja miten yksinkertainen laakeri toimii. Laakerit vähentävät kitkaa, koska niissä on sileitä metallikuulia tai rullia, ja sileä sisä- ja ulkopinta, jota vasten kuulat pyörivät. Nämä kuulat kantavat painon, jolloin laite voi pyöriä sulavasti. 1. Selitä miksi ja miten yksinkertainen laakeri toimii. Sama kuin yllä. 2. Miksi kitka on pienempi kuulalaakerissa? Kuulalaakerissa kuulat pyörivät, eivätkä liu u. Kun esineet liukuvat, niiden välinen kitka aiheuttaa hidastumista. Jos kaksi pintaa pyörivät vastakkain, vähenee kitka huomattavasti. 1. Piirrä ja nimeä yksinkertaisen laakerin osat. 2. Miten liike muuttuisi, jos rakennelman kitkakerroin olisi 0? Liike jatkuisi ikuisesti, eikä hidastuisi koskaan.

16 16 Painelaakerit Oppimistavoite: Ymmärtää, kuinka painelaakerit toimivat. 1. Minkälaisiin kuormiin painolaakereita käytetään? Pystysuoraan akseliin kohdistuviin kuormiin. 2. Sopisiko painolaakeri laakeri karuselliin? Miksi? Sopisi. Karusellissa kuorma kohdistuu pyörimisliikkeen keskikohtaan. 1. Minkälaisiin kuormiin painolaakereita käytetään? Pystysuoraan akseliin kohdistuviin kuormiin. 2. Piirrä karuselliin sen akseliin kohdistuvan painon suunta. 1. Minkälaisiin kuormiin painolaakereita käytetään? Pystysuoraan akseliin kohdistuviin kuormiin. 2. Piirrä karuselliin sen akseliin kohdistuvan painon suunta. Missä muissa rakenteissa on käytössä painelaakereita? Toimistotuoleissa, kaivinkoneissa, joissa on kääntyvä ohjaamo, nostureissa.

17 17 Pyörimisliike Oppimistavoite: Ymmärtää, kuinka pyörivää liikettä voi yhdistää magneettiseen työntö- ja vetovoimaan. 1. Selitä, mitä leuoille tapahtuu, kun pyörität rakennelman keskiosaa. Leuat avautuvat. 2. Esitä syntyvä pyörivä liike piirtämällä nuolia oheiseen kaavioon. Mitä magneettista voimaa esiintyy työntö- vai vetovoimaa? Työntövoimaa. Leuat avautuvat ja hylkivät toisiaan. 1. Kuvaile kaikki tapahtuva liike, kun pyöräytät keskiosaa. Leuat avautuvat, kun keskiosaa pyörittää. Leukojen kärjessä sekä pyörivän osan kärjessä olevien kuulien napaisuus on sama. 2. Esitä syntyvä pyörivä liike piirtämällä nuolia oheiseen kaavioon. Mitä magneettista voimaa esiintyy työntö- vai vetovoimaa? Miten tiedät, kumpaa? Työntövoimaa, koska leuat avautuvat ja hylkivät toisiaan. 1. Selitä tapahtuva liike ja siihen vaikuttavat voimat, kun pyörität rakennelman keskiosaa. Selitä, miksi näin tapahtuu. Kun pyörität pohjaa, syntyy pyörivää liikettä. Sen seurauksena leuat avautuvat, kun pohjan kuulat tulevat tarpeeksi lähelle leukojen kuulia. Kuulat hylkivät toisiaan eli työntyvät erilleen. 2. Esitä syntyvä pyörivä liike piirtämällä nuolia oheiseen kaavioon. Mitä magneettista voimaa esiintyy työntö- vai vetovoimaa? Miten tiedät, kumpaa? Työntövoimaa, koska leuat avautuvat ja hylkivät toisiaan.

18 18 Eteenpäin suuntautuva liike Oppimistavoite: Ymmärtää, miten eteenpäin suuntautuvaa liikettä luodaan käyttäen magneettista työntö- ja vetovoimaa. Luoda pyörivää liikettä yksinkertaisten laakereiden avulla. 1. Kuvaile tapahtuvaa liikettä, kun pyörität rakennelman ylintä osaa. Kun yläosaa pyöritetään, se tuottaa heiluriliikettä kahden osion välillä mutta myöskin aiheuttaa alaosan pyörimisen kuulien välisen magneettisen työntövoiman avulla. 2. Miksi kahden osion väliin tarvitaan laakeri? Se vähentää kitkaa kahden osion välillä ja helpottaa liikkeen syntymistä. 1. Kuvaile tapahtuvaa liikettä, kun pyörität rakennelman ylintä osaa. Mikä magneettinen voima aiheuttaa liikkeen? Kun yläosaa pyöritetään, se tuottaa heiluriliikettä kahden osion välillä mutta myöskin aiheuttaa alaosan pyörimisen kuulien välisen magneettisen työntövoiman avulla. 2. Miksi kahden osion väliin tarvitaan laakeri? Se vähentää kitkaa kahden osion välillä ja helpottaa liikkeen syntymistä. 1. Selitä, miksi rakennelman kaksi osaa tekevät heiluriliikettä ja pyörivät yhdessä? Kun yläosaa pyöritetään, se tuottaa heiluriliikettä kahden osion välillä mutta myöskin aiheuttaa alaosan pyörimisen kuulien välisen magneettisen työntövoiman avulla. 2. Mitä tapahtuisi liikkeelle, jos laakereissa ei olisi lainkaan kitkaa? Onko tämä mahdollista? Jos kitkaa ei olisi lainkaan, rakenne pysyisi liikkeessä pidempään. Vain ilmanvastus hiljentäisi sen liikettä. Tämä ei kuitenkaan ole mahdollista, sillä kaikki koskettavat pinnat tuottavat jonkin verran kitkaa.

19 19 Samanapainen magneettimoottori Oppimistavoite: Ymmärtää, miten samanapainen magneettimoottori valmistetaan. 1. Piirrä ja nimeä samanapaisen magneettimoottorin osat. Paristo Kuparilanka Magneetti 2. Mitä yhteistä tällä moottorilla ja pienillä leluautoissa olevilla sähkömoottoreilla on? Sähkömoottorissa on samat osat. Jokaisessa moottorissa on magneetti ja kuparilanka, ja ne saavat virtansa paristosta. 1. Piirrä ja nimeä samanapaisen magneettimoottorin osat. Katso yllä. 2. Mitä tapahtuisi, jos käyttäisit voimakkaampaa paristoa? Se saisi kuparilangan liikkumaan nopeammin. 1. Piirrä ja nimeä samanapaisen magneettimoottorin osat. Katso yllä. 2. Mikä saisi kuparilangan pyörimään nopeammin? Paristosta virtaavan virran lisääminen ja magneettisen voiman lisääminen saisivat langan pyörimään nopeammin.