Kokeiden kirja. REStARTS: T e k i j ä t : P e d a g o g i s e t n e u v o n a n t a j a t : KÄÄNNÖS: SCIENTIX (

Transkriptio

1 REStARTS: Kokeiden kirja T e k i j ä t : VKI - Patricia Corieri Philippe Léonard Michel Riethmuller Mario Carbonaro CIRA Marika Belardo INCAS Claudia Dobre DLR Tania Kirmse Judith Kokavecz P e d a g o g i s e t n e u v o n a n t a j a t : Uleic: Frankie McKeon, Maarten Tas KÄÄNNÖS: SCIENTIX (

2 Kokeiden kirja Kokeiden kirja... 2 I. Miten lentokone pystyy lentämään? Lentokoneet ja muut lentävät esineet... 4 Alustava koe: lentokoneet ja muut lentävät esineet Voimien käsite... 6 Oppitunti 1: Miten ymmärrän voimat?... 6 Oppitunti 2: Voimien kokeminen... 8 Oppitunti 3: Voiman mittaaminen Oppitunti 4: Voimien tasapaino nopeus = Paineen käsite Oppitunti 1: "Fakiirin piikkimatto" eli kiinteään aineeseen kohdistuva paine Oppitunti 2: Paine / kiinteä aine - neste - kaasu Oppitunti 3: Paine ja korkeus koe Oppitunti 4: Paine ja korkeus koe Oppitunti 5: Paine ja tiheys Oppitunti 6 (valinnainen): Ilmanpaine korkeuseron ollessa suuri Painovoiman käsite Oppitunti 1: Painovoiman käsitettä koskevat kokeet Oppitunti 2: Painovoiman käsitettä koskevat kokeet Oppitunti 3: Haaste: Miten painovoimalle luodaan vastakkainen voima Oppitunti 4: Esineen painopisteen löytäminen Nostovoiman käsite Oppitunti 1: Johdanto nostovoiman käsitteeseen Oppitunti 2: Lentokoneen kantopintaan kohdistuva nostovoima Oppitunti 3: Bernoullin pussi, eräs Bernoullin yhtälön yllättävistä sovellustavoista Kitkavoiman käsite Oppitunti 1: Tunne kitkavoima Oppitunti 2: Miten voimme muuttaa kitkavoimaa vaihe 1 Kokeiden haaste ja laatiminen Oppitunti 3: Miten voimme muuttaa kitkavoimaa vaihe 2 Tieteellinen lähestymistapa Työntövoiman käsite Oppitunti 1: Työntövoima ja lentokoneen moottori Voimatasapainon ja painopisteen käsite Oppitunti 1: Etsi esineen painopiste Oppitunti 2: Lentokoneen liikkuminen kolmiulotteisessa tilassa Oppitunti 3: Paperilennokit ja liikkumissuunta II. Ympäristöystävällisempää lentoliikennettä Melu

3 Oppitunti 1: Äänen tuottaminen Oppitunti 3: Äänen visualisointi Oppitunti 4: Äänitason mittaus Oppitunti 5: Äänilähteen havaitseminen Oppitunti 6: Melun vaimentaminen Oppitunti 7: Äänigeneraattorin (kaiutin) melutason ja äänispektrin mittaaminen Virtausvastus Oppitunti 1: Sen osoittaminen, että esineen muoto vaikuttaa virtausvastukseen Oppitunti 2: Sen osoittaminen, että fluidin viskositeetti vaikuttaa virtausvastukseen Oppitunti 3: Sen osoittaminen, että pinnan tasaisuus tai epätasaisuus vaikuttaa virtausvastukseen 82 Oppitunti 4: Eri muotojen, epätasaisuuksien määrän ja eri tuulennopeuksien aiheuttaman virtausvastuksen mittaaminen Turbulenssi Oppitunti 1: Pyörteettömän ja pyörteilevän virtauksen havainnollistaminen hyvin yksinkertaisella tavalla Oppitunti 2: Pyörteilevän virtauksen havainnollistaminen musteen avulla Oppitunti 3: Pyörteilevän virtauksen havainnollistaminen savukoneen avulla III. Miten lentokone pystyy lentämään turvallisesti? Mitä on ilmakuljetusten turvallisuus? Oppitunti 1: Mitä on ilmakuljetusten turvallisuus? Oppitunti 2: Aktiivinen turvallisuus ilmakuljetuksissa Oppitunti 3: Passiivinen turvallisuus ilmakuljetuksissa Mitä materiaaleja kuljetuslentokoneeseen tulee valita? Oppitunti 1: Kuljetuslentokoneen materiaalit? Oppitunti 2: Mitkä voimat vaikuttavat lentävään lentokoneeseen? Lentokoneiden osat ja kuormitukset Oppitunti 3: Miten turvallisia ilmailurakenteita suunnitellaan? Kuinka suurta enimmäiskuormitusta ilmailurakenne voi kestää? Lentäminen korkealla merenpinnasta Oppitunti 1: Lentäminen korkealla merenpinnasta Oppitunti 2: Miten lentokoneen painerunko toimii Oppitunti 3: Jään aiheuttamat ongelmat Kriittinen tilanne nousu- tai laskeutumisvaiheessa Oppitunti 1: Kriittinen tilanne nousu- tai laskeutumisvaiheessa Oppitunti 2: Yksi moottori sammuu Oppitunti 3: Sivutuuli Oppitunti 4: Törmäysturvallisuus

4 I. Miten lentokone pystyy lentämään? 0. Lentokoneet ja muut lentävät esineet Alustava koe: Lentokoneet ja muut lentävät esineet Tavoite 1: Kerro, että kaikki seuraavan viikon aikana tehtävät kokeet liittyvät lentämisen käsitteeseen. Tavoite 2: Lentäminen: mitä tämä verbi tarkoittaa? Tavoite 3: Mikä on ominaista vain lentokoneelle sen lentäessä verrattuna lintuun, ilmapalloon, helikopteriin ja muihin lentäviin esineisiin? S e l i t y s : Tämä alustava koe johdattaa oppilaat opiskelemaan lentokoneiden lentämistä. Ensimmäinen kysymys, jota heidän pitäisi pohtia, kuuluu "miten kone pystyy lentämään?" Lopuksi: mitä lentäminen on? Onko olemassa useita tapoja lentää? Onko lentämisen ja putoamisen välillä eroa? Kaikki nämä kysymykset liittyvät myös lentämisen historiaan. Oppilaat ymmärtävät, mitä lentäminen on (ja mitä se ei ole), ja voidaan päättää, minkälaista lentämistä tässä osiossa käsitellään. T a r v i k k e e t : Käytä mielikuvitustasi ja anna oppilaille kaikki tarvikkeet, joista voidaan rakentaa lentävä esine: Pöytätennispallo Hiustenkuivain Höyhen Paperi Pilli Ilmapallo Kevyitä muovipusseja. Kuvia lentokoneista, avaruussukkulasta, linnuista, helikopterista, ilmapallosta, autosta, busseista, hyönteisistä, liitokoneista, laskuvarjosta... 4

5 E n i m m ä i s k e s t o : 45 minuuttia T ä r k e i m m ä t e s i t e t t ä v ä t k y s y m y k s e t : Mitä lentäminen on? Lentääkö lentokone? Lentääkö putoava kivi? Lentääkö laskuvarjo? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Anna nämä esineet yksin tai ryhmissä työskenteleville oppilaille ja pyydä heitä rakentamaan lentävä esine. Voit myös pyytää heitä piirtämään lentävän esineen ennen sen rakentamista. Testivaihe: voitte pysyä luokkahuoneessa lennättämässä esinettä, mutta oppilaat haluavat luultavasti mieluummin pudottaa sen alas portaikosta. Keskustele oppilaiden kanssa siitä, mitkä näistä esineistä lentävät ja mitkä eivät. Kysy heiltä, mitä erityistä lentokoneen lentämisessä on. Tee heidän kanssaan suurikokoinen juliste, johon on kirjoitettu olettamuksia siitä, mitä lentäminen on. Ilmailukoemoduulin aikana voit aina palata julisteeseen ja hioa konseptia oppilaiden kanssa heidän uusien havaintojensa myötä. 5

6 1. Voimien käsite Oppitunti 1: Miten ymmärrän voimat? Ennen kuin alatte tutustua voiman käsitteeseen, voit tämän oppitunnin avulla selvittää, minkälainen käsitys oppilailla on voimista. Nuorille ranskaa puhuville lapsille voima ja vahvuus ovat sama sana. Tämä edellyttää erittäin täsmällistä esitystapaa! T a v o i t t e e t Suunnitella kokeita, joilla näytetään, mikä voima on. Keskustella voimien vaikutuksista ja osoittaa ne. T a r v i k k e e t Erilaisia esineitä, esimerkiksi: raskaita painoja pyörillä varustettuja leikkiautoja hiustenkuivain pilli pöytätennispallo painavampi pallo köysiä vesiastia lentokoneiden pienoismalleja kevyitä muovipusseja T ä r k e i m m ä t e s i t e t t ä v ä t k y s y m y k s e t Mikä voima mielestänne on? Mistä tiedätte jonkin voiman vallitsevan? Mitä voimia luulette tarvittavan, jotta lentokone voi lentää? Miten otatte näistä selvää? 6

7 J o h d a n t o / a l u s t u s Opettaja näyttää kuvan tai elokuvan lentävästä koneesta ja kertoo, että seuraavilla oppitunneilla tutustutaan yhdessä siihen, miten lentokone pystyy lentämään, sekä kaikkiin tähän liittyviin fysiikan perusteisiin. Ennen tämän selittämistä oppilaat tekevät kuitenkin kokeita useiden voimien käsitteiden, paineen, painovoiman ym. parissa... T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Kehota oppilaita jakautumaan pareiksi Pyydä heitä valitsemaan esineitä ja käyttämään niitä havainnollistamaan käsitystään voimista Kehota oppilaita jakautumaan pareiksi Pyydä heitä valitsemaan esineitä ja käyttämään niitä havainnollistamaan käsitystään voimista Kukin pari tulee luokan eteen havainnollistamaan käsitystään voimasta. He voivat selittää joko sanoin tai elein, miten he ymmärtävät voiman. Heidän esimerkkinsä tulevat osoittamaan, että voimat voivat olla hyvin erilaisia (työntäminen, vetäminen, kierittäminen...) P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Oppilaat yhdistävät voimat niiden vaikutuksiin: työntäminen, vetäminen, putoaminen, lentäminen, kierittäminen... 7

8 Oppitunti 2: Voimien kokeminen T a r v i k k e e t Tässä iässä, oppilaiden ollessa peruskoulussa, haluamme heidän kokevan omissa kehoissaan sen, että voimilla on vaikutussuunta ja että niiden voimakkuus vaihtelee (lisäksi ne kohdistuvat yhteen kohtaan). Tavoite 1: Kokea voimien vaikutus eri kulmia käyttäen Tavoite 2: Selittää, että voimia voidaan kohdistaa eri suuntiin 3 vahvaa köyttä ja/tai 3 voimistelukuminauhaa painava sanko (esim. 15 kg hiekkaa) liitu kompassi kolmioviivain hansikkaat (köysistä vetämistä varten) T ä r k e i m m ä t e s i t e t t ä v ä t k y s y m y k s e t : Onko voimalla mielestänne jokin suunta? J o h d a n t o / a l u s t u s Anna oppilaille köysi ja pyydä heitä jakaantumaan kahteen ryhmään ja vetämään köyden molemmista päistä. Keskustele heidän kanssaan siitä, mitä tapahtui. Toistakaa koe kolmella ryhmällä ja kolmella keskeltä kiinnitetyllä köydellä. Mitä eroa havaitsitte? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Valinnaiset matemaattiset kokeet: miten kolme köyttä voidaan kiinnittää sangon ympärille eri kulmiin? Alla on selostettu joitakin ideoita kokeita varten, mutta sinulla voi olla muita ajatuksia: A. P i e n e t l a p s e t : Kulman käsitettä ei ole otettu esille ryhmäsi opetussuunnitelmassa. 8

9 120 saat mittaamalla köydellä sangon ympärysmitan, jakamalla sen kolmella ja jakamalla köyden kolmeen yhtä pitkään osaan tai mahdollisesti pyytämällä oppilaita löytämään tavan jakaa se kolmeen osaan. 180 ja kaksi kertaa 90 saat viemällä köyden sangon keskustan läpi ja säätämällä oikean kulman kolmioviivainta käyttäen. B. V a n h e m m a t l a p s e t : Kulman käsite on tuttu: Tämän tekemiseen on useita tapoja. Eräs niistä on piirtää lattiaan ympyrä ja jakaa se kakunpalan tapaan... Tähän voidaan käyttää köyttä samalla tavalla kuin pienempien lapsien kokeessa. Voit vapaasti päättää, paljonko haluat käyttää aikaa tähän tehtävään, ja käsitellä matemaattiset näkökohdat niin pitkälle kuin haluat oppilaiden kanssa. Annamme ideoita alkuunpääsyä varten, mutta vaihtoehtoja on paljon, ja haluat ehkä testata niitä luokan kanssa. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Lumipallo: pyydä oppilaita kirjoittamaan ylös yksi voimista oppimansa asia (anna heille 30 sekuntia aikaa), pyydä heitä sitten jakaantumaan pareiksi ja kirjoittamaan ylös kolme voimista oppimaansa asiaa (anna heille 1 minuutti aikaa) ja pyydä heitä lopuksi istumaan neljän hengen ryhmissä ja kirjoittamaan ylös kuusi voimista oppimaansa asiaa (anna heille 2 minuuttia aikaa). Kukin neljän hengen ryhmä kertoo tuloksensa luokalle. Voit vapaasti päättää, paljonko haluat käyttää aikaa tähän tehtävään, ja käsitellä matemaattiset näkökohdat niin pitkälle kuin haluat oppilaiden kanssa. Annamme ideoita alkuunpääsyä varten, mutta vaihtoehtoja on paljon, ja haluat ehkä testata niitä luokan kanssa. 9

10 A. J a t k u v i e n v o i m i e n k o h d i s t a m i n e n e r i s u u n t i i n Jaa oppilaat kolmeen ryhmään. Anna heille sanko, johon on kiinnitetty 3 köyttä 120 :n kulmiin. Pyydä heitä sitten vetämään köysistä ja löytämään tapa vakauttaa sanko. Pyydä heitä piirtämään esitys voimista liidulla lattiaan. Tee sama, mutta tällä kertaa kahdella köydellä, jotka muodostavat 180 :n kulman, sekä yhdellä 90 :n kulman muodostavalla köydellä. Pyydä heitä piirtämään esitys voimista lattiaan erivärisellä liidulla. Tee sama, mutta nyt siten, että ryhmät on asetettu toistensa viereen. Pyydä heitä piirtämään esitys voimista lattiaan erivärisellä liidulla. Keskustele oppilaiden kanssa heidän tekemistään johtopäätöksistä. B. E r i v o i m i e n k o h d i s t a m i n e n e r i s u u n t i i n Laita yksi oppilas vetämään kahta köysistä ja kaikki muut oppilaat toiseen päähän. Käytä yllä olevissa kuvissa näkyvää menettelyä Keskustele oppilaiden kanssa, mitä eroa tilanteissa oli 10

11 Oppitunti 3: Voiman mittaaminen Tavoite 1: Voiman kvantifioinnin selittäminen Tavoite 2: Voiman ja massan välisen suhteen havainnollistaminen kokeellisesti S e l i t y s Oppilaiden tehtyä voimien laatua koskevia kokeita aloitamme nyt määrälliset kokeet mittaamalla joitakin voimia. T a r v i k k e e t Vaaka Eri mittausalueilla varustettuja dynamometreja Eripainoisia esineitä Tyhjä kassi täytettäväksi esineillä E n i m m ä i s k e s t o 90 minuuttia T ä r k e i m m ä t e s i t e t t ä v ä t k y s y m y k s e t Mikä voima mielestänne on? Mistä tiedätte jonkin voiman vallitsevan? Kuinka paljon painoa pystytte nostamaan? Miten voimaa voidaan mitata? Mikä ero on massalla ja voimalla? J o h d a n t o / a l u s t u s Kysy oppilailta, pystyvätkö he kuvittelemaan köysiin oppitunnin 2 kokeiden aikana kohdistamansa voimat. Tämä kysymys voi olla hieman liian monimutkainen heille. Tässä vaiheessa tavoitteena on vain kuunnella heidän selityksiään ja esitystään. Kysy heiltä sitten, kuinka paljon painoa he pystyvät nostamaan. Tämän jälkeen voit suhteuttaa toisiinsa molemmat voimat: köyteen kohdistuvan vedon ja raskaan painon nostamisen. (Näytä kuva tästä tilanteesta). Tärkein tehtävä on mitata voimat. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t A. N o s t a m a m m e p a i n o n m i t t a a m i n e n Tyhjä kassi täytetään vuorotellen useilla eripainoisilla esineillä: 11

12 Anna kullekin ryhmälle vaaka ja pyydä oppilaita punnitsemaan esineet sisältävä kassi. Pyydä kutakin heistä sitten punnitsemaan raskain nostamansa paino. B. V e t ä e s s ä m m e k ä y t t ä m ä m m e v o i m a n m i t t a a m i n e n Viittaa oppituntiin 2, jolla oppilaat vetivät köydestä, ja kysy heiltä, keksivätkö he, miten vetämisvoimia voidaan mitata. Jaa heille sitten dynamometrit, jotta he voivat punnita jo osassa A vaa'alla punnittujen esineiden painon. Dynamometrien asteikot ovat yleensä newton-yksiköissä. Pyydä heitä laskemaan vaa'alla punnitun painon ja dynamometrilla mitatun voiman välinen suhde. Tavoitteena on todistaa massan (kg) ja voiman (newton) välinen kerroin. Tämä kerroin on vakio (painovoima). Valinnainen matemaattinen tehtävä: voit myös esittää viimeisen kokeen tulokset kaavion muodossa. Kiinnitä seinään tai johonkin hyvin tukevaan rakenteeseen köysi ja kiinnitä se dynamometriin, joka vastaa raskaimman lasten nostaman painon voima-aluetta. Pyydä heitä vetämään köydestä ja mittaamaan vetäessään käyttämänsä voiman C. V a l i n n a i s e t l i s ä k o k e e t : y k s i n k e r t a i s e n m i t t a u s v ä l i n e e n r a k e n t a m i n e n v o i m a n m i t t a a m i s e k s i Tehkää täysin sama koe kiinnittämällä tällä kertaa joustava köysi ja siihen dynamometri. Pyydä oppilaita sitten vetämään joustavasta köydestä eri voimakkuuksilla. Oppilaat mittaavat joustavien köysien pitenemisen käytetyn voiman funktiona ja mittaavat sen dynamometrilla. Jos oppilaat ovat tarpeeksi edistyneellä tasolla, pyydä heitä esittelemään tulokset kaavion muodossa Voit käyttää joustavaa köyttä uutena välineenä voimien mittaamiseen Sama voidaan tehdä pienillä kuminauhoilla käytettäessä pienempiä voimia P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Opiskelijat tutustuivat tapoihin mitata/ilmaista määrällisesti jokin voima. Näissä kokeissa heidän parhaiten tuntemansa voima eli paino suhteutettiin vetovoimaan. Uusi väline, dynamometri, esiteltiin. Oppilaiden iästä riippuen voidaan mitata ja esitellä putoamiskiihtyvyys g. Pyydä oppilaita kirjoittamaan muutama rivi siitä, miten he ymmärtävät painon, massan ja painovoiman ja miten he voisivat mitata niitä (tämä voi joko olla kotitehtävä tai se voidaan tehdä oppitunnin lopuksi). 12

13 Oppitunti 4: Voimien tasapaino nopeus = 0 Tavoite 1: Osoittaa, että staattiseen esineeseen (nopeus = 0) kohdistuu tasapainossa olevia voimia. S e l i t y s Yksi yleisimmistä väärinkäsityksistä on se, että staattisen tilan luullaan johtuvan voimien puuttumisesta, kun se sen sijaan johtuu yhtä suurien voimien tasapainosta. Oppilaat tekevät tasapainossa olevia voimia koskevia kokeita, joilla havainnollistetaan voimien läsnäolo, kun tasapainossa oleva ja staattinen tila on saavutettu. T a r v i k k e e t Vedellä täytettyjä ämpäreitä Tyhjä vesipullo (1,5 l) Vaakoja Narua E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i m m ä t e s i t e t t ä v ä t k y s y m y k s e t Mikä voima mielestänne on? Mistä tiedätte jonkin voiman vallitsevan? Mistä tiedätte, että staattiseen esineeseen vaikuttaa voimia? Mistä tiedätte, että teihin vaikuttaa voimia istuessanne tuoleillanne? Johdanto/alustus Kaikki nousevat seisomaan ja jäävät paikoilleen. Esitä kysymys: "tunsitteko jonkin voiman kohdistuvan kehoonne?" Hypätkää sitten ilmaan. "Mitä tapahtuu?" Kun oppilaat nousevat uudelleen seisomaan, kysy heiltä, kohdistuuko heidän kehoonsa jokin voima. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Kokeet: Kiinteään esineeseen kohdistuu aina tasapainossa olevia voimia A. P a i n o m m e m i t t a a m i n e n Pyydä yhtä oppilasta jokaisesta ryhmästä nousemaan vaa'alle ja mittaamaan voimat. Heidän iästään riippuen voit pyytää heitä joko kirjoittamaan ne paperille tai piirtämään voimat lattiaan. 13

14 B. Pullon paino 1. Kiinnitä tyhjä muovipullo narun päähän ja anna sen pudota alas. Kysy heiltä uudelleen, mitä tällöin heidän mielestään tapahtuu. 2. Täytä pullot vedellä ja pyydä heitä laskemaan vesipullo varovasti (!) vedellä täytettyyn ämpäriin pitäen narusta kiinni. 3. Pyydä heitä kirjoittamaan muistiin tai piirtämään vaihe vaiheelta, mitä tapahtuu 4. Kannan vedellä täytettyä pulloa ja tunnen Laskin vesipullon ämpäriin ja naru He voivat toistaa saman tehtävän mitaten ämpärin painon ennen pullon laskemista veteen ja sen jälkeen. Pyydä heitä ennakoimaan, miten paino tulee vaihtelemaan. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Voimia on aina läsnä, vaikka emme aina "tunne" niitä. Paikallaan olevaan kappaleeseen kohdistuu aina tasapainossa olevia voimia. Pyydä oppilaita ennustamaan, mitkä voimat vaikuttavat lentokoneeseen sen seistessä vielä kiitoradalla ennen lähtemistä liikkeelle. 14

15 2. Paineen käsite Oppitunti 1: "Fakiirin piikkimatto" eli kiinteään aineeseen kohdistuva paine Tavoite 1: Ymmärtää, että paine on verrannollinen pinta-alaan, johon se vaikuttaa S e l i t y s Seuraavat tehtävät osoittavat kokeellisesti käsitteen paine, joka edustaa tiettyyn alueeseen kohdistuvaa voimaa. Jos sama voima kohdistetaan suuremmalle alueelle, paine vähenee. Toinen tärkeä näkökohta on se, että kiinteään aineeseen kohdistuva paine riippuu kosketusalasta, kun taas fluidin (ts. nesteen tai kaasun) tapauksessa kappale uppoaa fluidiin, jolloin paine kohdistuu koko pintaan. Seuraavat kokeet vastaavat fakiirin piikkimatolla tehtäviä kokeita, jotka olisivat vaikeita ja vaarallisia toteuttaa luokkahuoneessa! T a r v i k k e e t Hiekalla täytetty ämpäri ja hiekkalaatikko Kengät Lumikengät Puujalat Hiekalla täytetty laakea suurikokoinen astia tai hiekkalaatikko Puulevy, jossa on 3 naulaa Puulevy, jossa on paljon nauloja Vaaka Muovailuvahalla täytetty muoviastia Samankokoisia muoviastioita E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia 15

16 T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Onko teillä ajatuksia siitä, miksi fakiiriin ei satu? J o h d a n t o / a l u s t u s Menkää hiekkalaatikolle ja pyydä lapsia tasoittamaan hiekka. Kerro heille sitten, että heidän tulee laittaa jalkansa hiekkaan puujalan, tavallisen kengän ja lumikengän kanssa. Mitä oppilaat odottavat näkevänsä? Kysy heiltä, mitä eroa tilanteissa on. Voit myös näyttää heille fakiirin ja kysyä heiltä, miksi fakiiri näyttää viihtyvän hyvin naulavuoteellaan. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Vaihe 1: 3 naulaa Ota puulevy, jossa on kolme naulaa, ja laita muovailuvahalla täytetty muoviastia ylösalaisin sen päälle. Minkä havainnon oppilaat tekevät? Laita astian päälle kevyt muovilasi. Lisää vettä, kunnes naulat koskettavat astian pohjaa. Punnitse pohjan saavuttamiseksi lisätty vesimäärä. Vaihe 2: 20 naulaa Lisää ensin sama määrä vettä kuin vaiheessa 1. Tee sitten sama menettely 20 naulalla varustetulla puulevyllä. Lisää vettä, kunnes naulat saavuttavat muovilasin pohjan. Pyydä oppilaita selittämään, miksi vettä tarvitaan paljon enemmän pohjan saavuttamiseksi. Tässä ehdotetun kokeen avulla on tarkoitus vain ymmärtää kiinteään aineeseen vaikuttavan paineen periaate. Voit aina käyttää tieteellisempää lähestymistapaa muuttamalla parametreja, kuten naulojen määrää, muovailuvahan paksuutta, vesilasin paikkaa... P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Kun kiinteään pintaan kohdistetaan tietty voima, tuloksena oleva paine on pinta-alan funktio. Jos pinta-ala suurenee, paine pienenee, ja pinta-alan pienentyessä paine kasvaa. Tämän lain kvantifiointi tehdään jälleen yli 11-vuotiaiden oppilaiden kanssa. 16

17 17

18 Oppitunti 2: Paine / kiinteä-neste-kaasu Tavoite 1: Osoittaa, että kiinteän aineeseen ja fluidiin (neste tai kaasu) kohdistuva paine on erilainen S e l i t y s Paine on tulosta johonkin pintaan kohdistetusta voimasta, ja olemuksensa takia fluidin (neste tai kaasu) kosketuspinta on erilainen kuin kiinteän aineen. Tämän seurauksena fluidiin ei kohdistu sama voima kuin kiinteään aineeseen. Jos voisit vangita koko meren astiaan ja laittaa kätesi astian alle, käteesi kohdistuva paine johtuisi meriveden koko painosta. Jos taas laitat kätesi meriveteen kahden metrin syvyydessä, käteesi kohdistuva paine johtuu kätesi yläpuolella olevan vesipylvään koosta. Testataanpa tätä kokeellisesti. T a r v i k k e e t Kevyitä muovipusseja (reiättömiä!) Pieniä ja suurempia mahdollisimman kevyitä muoviastioita (esim. jäätelörasioita) Pyyhkeitä Lattiarätti E n i m m ä i s k e s t o 30 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Mitä eroa on kiinteään aineeseen ja nesteeseen tai kaasuun vaikuttavalla paineella? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Aseta muoviastioita oppilasryhmän eteen ja pyydä oppilaita vetämään muovipussi toisen kätensä päälle. Pyydä heitä kastamaan kätensä vesiastiaan Pyydä heitä kuvailemaan, mitä he tuntevat. Miten vesi vaikuttaa heidän käsiinsä? Pyydä heitä sitten upottamaan kätensä (ilman muovipusseja) astian pohjaan asti. Toista tämä koe käyttämällä pientä astiaa, jossa on aluksi vain vähän ja sitten mahdollisimman paljon vettä. Tuntevatko he eron? Toista koe käyttämällä isompaa astiaa ensin pienemmällä ja sitten suuremmalla määrällä vettä ja upota toinen kätesi astian pohjaan asti. Onko pienen ja ison astian välillä eroa? Ota sitten pieni ja iso astia, joissa on mahdollisimman paljon vettä, ja laita ne varovasti pöydällä olevan kätesi päälle! 18

19 Huomaa, että astioiden on oltava niin kevyitä, että paino on minimaalinen veden painoon verrattuna. Tämä koe on yksi vaihe kiinteän aineen ja fluidin painetta koskevien kokeiden välissä. Pyydä tässä vaiheessa oppilaita kirjaamaan kokeita koskevat huomionsa muistiin. He voivat tehdä sen joko piirtämällä, kirjoittamalla tai puhumalla. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Näiden kokeiden aikana oppilaiden olisi pitänyt tuntea painetta nesteessä ja havaita kokeellisesti, että paine on erilainen juoksevan aineen sisällä ja kosketuksessa kiinteän aineen kanssa. 19

20 Oppitunti 3: Paine ja korkeus koe 1 Tavoitteet 1: Havaita, että paine muuttuu veden korkeuden myötä. S e l i t y s Fluidin hydrostaattinen paine riippuu sen korkeudesta mittauspisteen yläpuolella. Nesteellä täytettyyn pulloon puhkaistaan reikiä, ja suihkun voimakkuus riippuu nesteen korkeudesta. T a r v i k k e e t O s a A Tämän kokeen yksinkertaisemmassa versiossa käytetään yhteen teipattuja 1,5- tai 2-litraisia kivennäisvesipulloja. Edistyneemmässä versiossa käytetään letkua, jonka toisen pään lähelle on porattu yksi pieni poistoreikä ja koko pituudelle seitsemän suurta reikää, jotka on suljettu kumitulpilla. Reikien keskustojen välinen etäisyys on 5 cm (voidaan muuttaa) O s a B Astia, johon on porattu samalle korkeudelle kolme erikokoista reikää (reiät eivät saa olla liian pieniä) Suuri laakea astia Viivain Pyyhkeitä Lattiarätti E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Mitä tunnette, jos sukellatte syvän uima-altaan pohjalle? J o h d a n t o / a l u s t u s Ei ole T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t (Katso 20

21 O s a A 1. Teillä on letku, jossa on yksi pieni poistoreikä lähellä toista päätä ja seitsemän kumitulpilla suljettua suurta reikää koko letkun pituudella. Voitte säätää vesipylvään korkeuden poistoreiän yläpuolelle peittämällä poistoreiän sormellanne ja täyttämällä letkuun samalla vettä, kunnes sitä virtaa ulos jostain suuremmista ylärei'istä (irrotettuanne tulpan reiästä). Varmistakaa, että olette laittaneet viivaimen kohtisuoraan putken päähän nähden. 2. Ennen kuin käytätte tätä järjestelyä: Mitä odotatte tapahtuvan, kun täytätte letkun vedellä ensimmäisen suuren reiän korkeudelle (letkun päästä laskettuna) ja otatte sormen pois poistoreiän päältä? Selittäkää odotuksenne fluidiin vaikuttavien voimien suhteen. Mitä odotatte tapahtuvan, kun veden korkeutta poistoreiän yläpuolella nostetaan? Miksi? 3. Testatkaa ennakko-odotuksenne. Ottakaa aluksi kumitulppa pois alimmasta suuresta reiästä. Pitäkää samalla sormea pienen poistoreiän päällä ja lisätkää letkuun vettä, kunnes sitä virtaa ulos aiemmin tulpalla suljetusta reiästä. (Miettikää: Miksi haluamme pitää veden tason letkussa vakiona?) Mitatkaa viivaimella vesipylvään korkeus poistoreiän yläpuolella. Ottakaa sitten sormi pois poistoreiän päältä ja päästäkää vesi virtaamaan ulos lisäten letkuun samalla jatkuvasti vettä, jotta vesipylvään korkeus poistoreiän yläpuolella pysyy samana. Tarkkailkaa, miten pitkälle vesi roiskuu aluksi osuessaan viivaimeen. Laittakaa tulppa takaisin ja toistakaa vaiheet seuraaville neljälle reiälle edeten yksi reikä kerrallaan. 4. Kirjatkaa muistiin etäisyys, jolla vesi osuu viivaimeen, vesipylvään korkeuden funktiona kunkin reiän osalta. Ovatko tulokset yhdenmukaiset vaiheessa 2 tekemänne ennustuksen kanssa? 5. Muuttuisiko rei'istä tulevan veden kulkema matka, jos reiät olisivat suurempia? Miksi? O s a B 1. Ottakaa toinen letku (tai rasia) (jossa on kolme läpimitaltaan erikokoista reikää), peittäkää kaikki kolme reikää sormilla ja täyttäkää putki vedellä. Asettakaa viivain kohtisuoraan letkun päähän nähden. Paljastakaa yksi reikä kerrallaan ja mitatkaa etäisyys, jolla vesi osuu viivaimeen ensimmäiseksi. Ovatko havaintonne yhdenmukaiset yllä olevassa vaiheessa 5 (osa A) tekemänne päätelmien kanssa? P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Paine on fluidin korkeuden funktio mittauspisteen yläpuolella. Oppitunti 4: Paine ja korkeus koe 2 Tavoite 1: Näiden kokeiden aikana oppilaat havaitsevat, että paine vaihtelee nesteen korkeuden myötä. Kokeet tehdään nesteen sisältä päin. 21

22 S e l i t y s Fluidin hydrostaattinen paine riippuu sen korkeudesta mittauspisteen yläpuolella. Nesteellä täytettyyn pulloon puhkaistaan reikiä, ja suihkun voimakkuus riippuu nesteen korkeudesta. T a r v i k k e e t Läpinäkyvä astia Vesilasi Pieni kelluva esine Kolmenkokoisia muovisia vesipulloja Tai kolmenkokoisia pleksilasiputkia Ottakaa palanen jäykkää, vettä läpäisemätöntä materiaalia, esim. kevyttä muovia E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Ei ole J o h d a n t o / a l u s t u s 1. Tee yksinkertainen koe oppilaiden edessä: 2. Valitse vedellä täytetty läpinäkyvä astia. 3. Laita pieni kelluva esine veden pinnalle. 4. Käännä sitten vesilasi ylösalaisin ja työnnä se aivan vaakasuorassa ja aivan suoraan hitaasti veteen. 5. Ennen kuin alat työntää lasia veteen, kysy oppilailta, mitä he odottavat näkevänsä. 6. Keskustele heidän kanssaan kokeen jälkeen siitä, miksi lasi ei ole täynnä vettä. Voit myös kehottaa heitä tekemään kokeen itse. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Jos haluat tehdä kvalitatiivisen kokeen, voit valita kolme jäykkää pleksilasiputkea, joiden halkaisijat ovat 2, 5 ja 10 cm. Jos oppilaasi ovat nuoria ja kokeet ovat kvalitatiivisempia, käytä 0,33, 1,5 ja 2,0 litran kokoisia muovipulloja ja leikkaa niiden yläosa ja pohja pois, jotta saat erikokoisia lieriöitä. A. N e s t e e n k o r k e u d e n p a r a m e t r i n t e s t a a m i n e n Sulje keskikokoisen putken pohja palasella kevyttä jäykkää muovia. 22

23 Pidä muovinpalasta paikallaan painamalla sitä voimakkaasti ja kasta putki sitten vesiastiaan korkeuden puoliväliin. Jos onnistuit, paineen pitäisi sulkea putki tiiviisti eikä siihen mene vettä. Kysy oppilailtasi: kuinka paljon vettä on lisättävä, ennen kuin muovinkappale vapautuu? Tee samat kokeet ja lopeta veden lisääminen juuri ennen muovinkappaleen vapauttamista. Työnnä putkea sitten alemmas vedessä. Mitä sinun on tehtävä muovinpalasen vapauttamiseksi? Tee johtopäätös oppilaiden kanssa: veden korkeuden kasvaessa paine... B. P u t k e n l ä p i m i t a n p a r a m e t r i n t e s t a a m i n e n Tee täysin samat kokeet kuin kohdassa 1) käyttäen erikokoista putkea. Viittaa oppitunnin 1 kokeisiin. Jos paine on sama muovin molemmilla puolilla mutta pinta-ala on kasvanut, muoviin kohdistuvan voiman pitäisi kasvaa veden määrän kasvaessa. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Tämä koe havainnollistaa samaa ilmiötä kuin aiempi. 23

24 Oppitunti 5: Paine ja tiheys Tavoite 1: Tämän kokeen myötä oppilaat havaitsevat, että paine vaihtelee nesteen tiheydestä riippuen. S e l i t y s : Fluidin paine riippuu sen tiheydestä. T a r v i k k e e t : Läpinäkyvä astia Kolmenkokoisia muovisia vesipulloja Tai kolmenkokoisia pleksilasiputkia Palanen jäykkää, vettä läpäisemätöntä materiaalia, esim. kevyttä muovia Fluidia: glyserolia, öljyä Vaaka Vertailumäärä 100 ml E n i m m ä i s k e s t o : 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s : Ota useita nesteitä, joilla on erilainen tiheys, ja kysy oppilailtasi, miten ne eroavat toisistaan. J o h d a n t o / a l u s t u s Pyydä oppilaita laittamaan kätensä ilmatiiviseen muovipussiin ja tunnustelemaan jälleen veden painetta. Ota sitten hyvin tiheää nestettä ja pyydä heitä toistamaan koe. Mitä he tuntevat? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t A. N e s t e i d e n t i h e y s Anna heille kolmea erityyppistä nestettä: öljyä, vettä ja glyserolia, ja pyydä heitä kommentoimaan näitä nesteitä. Yleensä oppilaat kommentoivat nesteiden painoa. Pyydä heitä vertaamaan näiden nesteiden painoja toisiinsa. Kehota heitä punnitsemaan tietty määrä kutakin nestettä. Tässä vaiheessa toistamme oppitunnin 4 kokeet, mutta vaihdamme veden fluideihin, joiden tiheys on suurempi tai pienempi kuin veden. 24

25 B. N e s t e e n t i h e y d e n p a r a m e t r i n t e s t a a m i n e n Sulje keskikokoisen putken pohja palasella kevyttä jäykkää muovia. Paina muovinpalasta voimakkaasti putkea vasten ja upota putki sitten vesiastiaan puoliväliin asti. Jos onnistuit, paineen pitäisi sulkea putki tiiviisti eikä siihen mene vettä. Kysymys oppilaillesi: kuinka paljon vettä vähemmän tiheää fluidia on lisättävä, ennen kuin muovinkappale irtoaa putkesta? Tee samat kokeet ja lopeta veden lisääminen juuri ennen muovinpalan vapauttamista. Työnnä putkea sitten alemmas vedessä. Mitä sinun on tehtävä muovinpalasen vapauttamiseksi? Tee johtopäätös oppilaiden kanssa: veden korkeuden kasvaessa paine... P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Tehtyämme nesteen korkeutta koskevia kokeita olemme todenneet, että fluidin paine riippuu myös sen tiheydestä. 25

26 Oppitunti 6 (valinnainen): Ilmanpaine korkeuseron ollessa suuri Tavoite 1: Osoittaa, että ilmanpaine vaihtelee korkeuden mukaan S e l i t y s Tämä koe on hyvin mielenkiintoinen, koska se osoittaa, että vaikkemme tunne sitä, ilmanpaine vaihtelee korkeudesta riippuen. Tämä koe on valinnainen, koska eron mittaamiseksi tarvitaan vähintään viiden kerroksen (15 m) korkeusero. Jos koulussasi ei ole tällaista korkeuseroa, mutta joku oppilaistasi asuu esim. kerrostalossa, voit pyytää häntä tekemään kokeen, videoimaan sen ja tuomaan videon kouluun. T a r v i k k e e t : Mahdollisimman jäykkä tyhjä muovipullo, ei välttämättä läpinäkyvä. Jos pullo ei ole jäykkä, koe ei toimi. Muovailuvahaa Läpinäkyvä joustava muoviletku, läpimitta 5 tai 6 mm Vettä, jossa on vähän elintarvikeväriä, jos mahdollista. Muovailuvahaa E n i m m ä i s k e s t o : 45 minuuttia Tärkein esitettävä kysymys: Muuttaessanne korkeutta joko ylös- tai alaspäin, kysy oppilailtasi, miten pullon ulkopuolella oleva ilma aiheuttaa painetta suhteessa pullon sisällä olevaan ilmaan. J o h d a n t o / a l u s t u s Mitä korvillenne tapahtuu, kun istutte lentokoneessa, ajatte nopeasti alamäkeen tunnelissa tai nousette vuorelle? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Huom.: Tämä koe toimii hyvin, mutta sen tekemistä on hieman harjoiteltava. Ottakaa läpinäkyvä muoviletku, jonka läpimitta on 5 tai 6 mm ja pituus 40 cm, ja täyttäkää 15 cm letkusta värillisellä vedellä. Nyt seuraa kokeen vaikein osuus eli ilman vangitseminen muovipulloon kyseisessä korkeudessa vallitsevalla paineella. Tätä varten teidän on suljettava pullon ympärille kiinnitetyn muoviletkun aukko muovailuvahalla. Tähän tarvitaan vähintään kaksi henkilöä: toinen lisää muovailuvahaa ja toinen pitää putken täynnä vettä. 26

27 Tämän jälkeen olette valmiita menemään ylös- tai alaspäin. Tämä koe on helpointa tehdä hississä. Nuorempien oppilaiden kanssa voit seurata paineen kehittymistä mennessänne ylös- tai alaspäin. Keskustele heidän kanssaan paineen muuttumisesta pullon sisällä ympäröivän ilman paineen laskiessa mennessänne ylöspäin. Vanhempien oppilaiden kanssa voit kvantifioida veden pinnankorkeuden vaihtelua mennessänne ylös- ja alaspäin. Voit myös "narrata" oppilaitasi antamalla yhdelle heistä hyvin pehmeän ohutseinämäisen muovipullon ja tekemällä saman kokeen. Tässä tapauksessa ilmaan kohdistuu ulkopuolelta vähäinen paine ja paine-ero on pienempi kuin jäykän pullon tapauksessa. Pyydä heitä selittämään näiden kahden tapauksen (pehmeän ja jäykän pullon) välinen ero. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Siirryttäessä korkeammalle merenpinnasta yllämme olevan ilman massa pienenee, minkä seurauksena paine laskee. Jos tämä paineen vaihtelu on nopeaa, tunnemme sen korvissamme. Jos viemme korkealla merenpinnasta pulloon suljettua ilmaa alhaisemmalle korkeudelle, ilman paine suljetussa pullossa on korkealla merenpinnasta täytetyllä tasolla eli matalampi. Alaspäin mentäessä pullon ympärillä oleva paine on korkeampi ja pehmeä muovipullo rusentuu. 27

28 3. Painovoiman käsite Oppitunti 1: Painovoiman käsitettä koskevat kokeet 1 Tavoite 1: Keskustelkaa mielikuvista, joita oppilaillasi on painovoimasta S e l i t y s Vaikka maan vetovoima vaikuttaa meihin koko ajan, sen käsite tuntuu lapsista epämääräiseltä. Tekemällä useita kokeita oppilaat testaavat erilaisia painovoimaa eli maan esineisiin kohdistamaa vetovoimaa koskeva näkökohtia. Eräs esimerkki harhaluulosta on se, että ilmakehän paine painaa meitä maata kohti. T a r v i k k e e t Pallo Höyhen Paperiarkki Raskas paino Suuri ja kevyt esine Tennispallo Sanomalehti Kylpyhuonevaaka (jos mahdollista, ei elektroninen) E n i m m ä i s k e s t o 30 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Mitä tapahtuu, jos irrotatte otteenne jostain kädessä pitämästänne esineestä? J o h d a n t o / a l u s t u s Pyydä oppilaitasi esittämään painovoimaa elekielellä. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Pyydä oppilaitasi tekemään eri asioita: Valitkaa esine ja irrottakaa otteenne siitä. Mitä tapahtuu? Ottakaa paperiarkki ja pieni marmorikuula. Antakaa niiden pudota yhtä aikaa. Kuvailkaa, mitä tapahtuu. 28

29 Heittäkää jotain kevyttä ilmaan. Mitä tapahtuu? Hypätkää ilmaan. Mitä tapahtuu? Kysy oppilailtasi: Miten he selittävät kokemansa? Jos teitte aiemmat voimaa koskevat kokeet, voit kannustaa heitä keskustelemaan antamalla heille yksi tai kaksi kylpyhuonevaakaa ja pyytämällä heitä punnitsemaan itsensä. Mikä heidän vaa'alla näkemänsä arvo on? (Huom.: 10 vuoden iästä alkaen lapset voivat olla vastahakoisia punnitsemaan itsensä muiden lasten edessä, käytä tällöin jotain raskasta esinettä) P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Maa vetää meitä ja kaikkia esineitä puoleensa. 29

30 Oppitunti 2: Painovoiman käsitettä koskevat kokeet 2 Tavoite 1: Näyttää, että esineen pudotessa siihen kohdistuu kaksi voimaa: painovoima ja kitka. Tavoite 2: Painovoiman vaikutuksen toteaminen kokeellisesti, kitkavoiman vaikutus on minimoitava Tavoite 3: Näyttää, että painovoimasta johtuva kiihtyvyys ei riipu esineen painosta S e l i t y s Jos irrotat otteesi esineestä, siihen vaikuttavat kaksi voimaa: 1. painovoima ja 2. kitkavoima. Tavoitteena tässä on tehdä kokeita, joissa kitkavoima on mahdollisimman pieni. Kun kitkavoima on häviävän pieni, tavoitteena on tutkia painovoiman vaikutuksen alaisten putoavien esineiden ominaisuuksia. Nuorempien oppilaiden kanssa tavoitteena on todeta kokeellisesti, että putoamisaika tietyltä korkeudelta on sama sekä painavan että kevyen esineen osalta. Vanhemmat, yläkouluikäiset oppilaat toteavat kokeellisesti, että kiihtyvyys on vakio. Johtopäätös tästä on se, että nopeus kasvaa lineaarisesti ajan myötä. Myös kitkan käsitettä tutkitaan kitkavoimakokeiden ohjelman puitteissa. T a r v i k k e e t Paperiarkki Tennispalloja Ruisku Sanomalehti Tarkkuuskello E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Vaihe yksi: miksi paperiarkki putoaa paperipalloa hitaammin? Vaihe kaksi: putoavatko painavat esineet nopeammin vai hitaammin kuin kevyet? 30

31 J o h d a n t o / a l u s t u s Voit näyttää oppilaillesi lyhyen videon kuun pinnalla ja painovoimattomassa ympäristössä putoavista esineistä keskustellaksesi heidän kanssaan siitä, että vetovoimat voivat vaihdella riippuen siitä, missä päin maailmankaikkeutta ollaan. Hauskempi! T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t A. P a i n o v o i m a j a k i t k a t o i m i n n a s s a Ottakaa paperiarkki, antakaa sen pudota ja mitatkaa aika, joka kuluu, ennen kuin se osuu lattiaan. Muuttakaa paperiarkin asentoa irrottaessanne otteen siitä, muuttuuko tulos? Rutistakaa paperi sitten palloksi ja antakaa sen pudota. Vertailkaa putoamisaikoja. Mikä ero on massalla ja voimalla? B. P a i n o v o i m a j a p i e n e n t y n y t k i t k a Ottakaa kaksi tennispalloa ja täyttäkää toinen niistä vedellä. Ottakaa paperiarkkeja ja tehkää niistä samankokoisia paperipalloja. Antakaa pallojen sitten pudota kaksi tai kolme kerrallaan juuri samalla hetkellä. Laittakaa sanomalehtiarkki lattialle, jotta kuulette pallojen osumisen lattiaan. T e h k ä ä j o h t o p ä ä t ö k s e t t ä m ä n k o k e e n p e r u s t e e l l a : Mitä eroa näiden kolmen pallon välillä on? Mikä niiden muodossa on samanlaista? Mikä pysyy fysikaalisesti katsottuna vakiona? Onko nopeus vakio? P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Eripainoisilta esineiltä, joihin vaikuttaa pieni kitkavoima, kestää yhtä kauan osua lattiaan. Putoamisen aikana niiden nopeus vaihtelee. Putoamisen aikana niiden kiihtyvyys on vakio ja yhtä suuri kuin putoamiskiihtyvyys (yläkoululaiset). 31

32 Oppitunti 3: Haaste: Miten painovoimalle luodaan vastakkainen voima Tavoite 1: Miten luodaan painovoimalle vastakkainen voima? Tavoite 2: Kitkavoiman kasvattaminen, ei ilmassa vaan vedessä. S e l i t y s Tavoitteena on kehittää leikkisämpi lähestymistapa. Voidakseen luoda painovoimalle vastakkaisen voiman oppilaat hyödyntävät kitkavoimaa, jonka yritimme minimoida edellisellä oppitunnilla. T a r v i k k e e t Vedellä täytettyjä ämpäreitä Muovailuvahaa, jonka tiheys on veden tiheyttä suurempi (veteen uppoavaa muovailuvahaa) Tarkkuuskello (valinnainen) Keittiövaaka E n i m m ä i s k e s t o 30 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Haaste: Anna kullekin ryhmälle muovailuvahasta tehty pallo. Ryhmien pitäisi saada se uppoamaan mahdollisimman hitaasti. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Pyydä oppilaita punnitsemaan 20 g:n muovailuvahapallo kullekin ryhmälle ja upottamaan se veteen. Onko uppoamista mahdollista mitata ajallisesti? Pyydä heitä yrittämään saada muovailuvaha kellumaan. Haasta ryhmät kilpailemaan keskenään siitä, mikä ryhmä saa muovailuvahan uppoamaan mahdollisimman hitaasti. Anna heille sekuntikellot, jotta he voivat vertailla aikoja. 32

33 P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Tässä haasteessa voittajaryhmä on se, joka pystyy lisäämään kitkavoimaa suurentamalla muovailuvahan pinta-alaa. Oppilaiden täytyy soveltaa oppitunnilla 2 tekemälleen kokeelle vastakkaista periaatetta. Lisäämällä vastusvoimia eli suurentamalla muovailuvahan pinta-alaa he voivat vähentää painovoiman vaikutusta, jolloin muovailuvaha uppoaa hitaammin. 33

34 Oppitunti 4: Esineen painopisteen etsiminen Tavoite 1: Ymmärtää, että kaksiulotteisella esineellä on tasapainopiste. S e l i t y s Tavoitteena on tutkia kaksiulotteisen esineen tasapainopistettä ennen etenemistä kolmiulotteiseen lentokoneeseen. T a r v i k k e e t Pahvia (muropakkauksesta) Sakset Narua Nauloja Lyijykynä Bamboleo-peli E n i m m ä i s k e s t o 60 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Löydättekö esineen tasapainopisteen? J o h d a n t o / a l u s t u s Osta tai valmista neljä pientä Bamboleo-peliä ja kehota neljää ryhmää pelaamaan peliä tai osta suuri Bamboleo-versio ja pelaa peliä kaikkien oppilaiden kanssa. Pyydä oppilaitasi kuvailemaan, mitä tässä pelissä tapahtuu. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Anna oppilaillesi palanen kevyttä pahvia (esim. muropakkauksesta) (10 x 10 cm). Pyydä heitä piirtämään mahdollisimman suuri kaksiulotteinen esine. Pyydä heitä ottamaan lyijykynä, kohdistamaan sen yläosa pahviin ja etsimään tasapainopiste. Kehota heitä merkitsemään tämä tasapainopiste. Pyydä oppilaita tekemään sama ympyrälle, neliölle ja suorakulmiolle ja selvittämään näiden kolmen säännöllisen muodon tasapainopiste. Anna oppilaillesi naula ja narua ja pyydä heitä etsimään menetelmä, jolla he voivat määrittää piirtämänsä epäsäännöllisen muodon tasapainopisteen. 34

35 P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Oppilaat voivat huomata, että he voivat ennustaa neliön painopisteen, koska se on geometrialtaan säännöllinen. Epäsäännöllisen esineen painopisteen he voivat selvittää kokeellista lähestymistapaa käyttäen. 4. Nostovoiman käsite Oppitunti 1: Johdanto nostovoiman käsitteeseen Tavoite 1: Näyttää, että ilman liikkuminen saa aikaan odottamattomia vaikutuksia. Tavoite 2: Päätyä siihen johtopäätökseen, että ilman nopeuden kasvaessa sen paine laskee ja päinvastoin. S e l i t y s Bernoullin yhtälö käsittelee energian säilymisen lakia, joka on liian monimutkainen selitettäväksi nuorille oppilaille. Tämän periaatteen mukaan fluidin liikkuessa paineen kasvu laskee nopeutta ja päinvastoin, jos puristumisvaikutusta ei esiinny. Vaikka tämä on liian monimutkaista selitettäväksi oppilaille, voimme ainakin osoittaa heille kokein, missä tämä nopeuden ja paineen välinen vuorovaikutus tuottaa yllättäviä vaikutuksia. T a r v i k k e e t A4-kokoinen paperiarkki Ilmapalloja Hieman hiekkaa Kebab-varras Narua E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Miten paine muuttuu, jos ilma on liikkeessä? Jos nopeus kasvaa, onko ilman paine suurempi vai pienempi kuin silloin, kun ilma ei liiku? Paine ja työntäminen: osaatteko selittää nämä kaksi termiä? (11-vuotiaat oppilaat) 35

36 J o h d a n t o / a l u s t u s Nämä kolme esinettä lentävät, mutta eivät samasta syystä. Osaatteko selittää, mitä eroa niillä on? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t K o k e e t : N o p e u k s i e n m u u t t u m i n e n A. Tarkkailuvaihe - Paperikoe Tarttukaa molemmin käsin puolikkaaseen A4-paperiarkkiin. Asettakaa suunne arkin pinnalle ja puhaltakaa siihen. Minkä havainnon teette? - Ilmapallokoe Puhaltakaa kaksi ilmapalloa täyteen. Ennen kuin suljette ne, laittakaa niiden sisään hieman hiekkaa, jotta pieni veto ei liikuta niitä. Kiinnittäkää jokaiseen ilmapalloon naru ja kiinnittäkää ne puiseen kebab-vartaaseen. Ilmapallojen välin pitäisi olla 4 tai 5 cm. Puhaltakaa kahden ilmapallon väliin. Minkä havainnon teette? 36

37 Toistakaa koe suppilolla, jos mahdollista. B. K e s k u s t e l u v a i h e : Pystyttekö selvittämään, mikä on yhteistä näille kahdelle kokeelle? P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Johtopäätös on se, että näissä kahdessa puhalluskokeessa annamme ilmalle tietyn nopeuden. Ilman nopeus on suurempi paperiarkin pinnalla ja kahden ilmapallon välissä. Paperiarkin alapinnalla oleva ilma ja ilma, joka ei ole ilmapallojen välissä, ei liiku. Se, että paperiarkki nousee ja ilmapallot tarttuvat toisiinsa ilman liikkuessa, osoittaa sen, että ilman paine on suurempi, kun se ei liiku, ja pienempi, kun se liikkuu. Daniel Bernoulli havaitsi tämän ilmiön vuonna Se on lentokoneen nostovaikutuksen takana vaikuttava perusperiaate. 37

38 Oppitunti 2: Lentokoneen kantopintaan kohdistuva nostovaikutus Tavoite 1: Rakentaa pieni koeympäristö kantopinnan testaamiseksi Tavoite 2: Yhdistää kantopintaan kohdistuva nostovaikutus oppitunnilla 1 tehtyihin kokeisiin. T a r v i k k e e t S e l i t y s Ilman nopeuden kiihtymistä siivellä on hyvin vaikea havainnollistaa yksinkertaisilla kokeilla, ja haluaisimme välttää "tarinan kertomista" oppilaille. Edellisiin kokeisiin viittaamalla haluaisimme oppilaiden ymmärtävän, että nostovaikutus syntyy, koska ilman nopeus kiihtyy siiven yläpinnalla. Tämä kiihtyminen johtuu siiven muodosta. Yksi tai useampi pieni realistinen malli lentokoneesta, jossa siipien yläpinta on selkeästi alapintaa kaarevampi Kenkälaatikko Pillejä Ohut ja vahva naru Paperia Hiustenkuivain E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Tiedättekö, miten lentokoneen siivet toimivat? J o h d a n t o / a l u s t u s Anna lapsille lentokoneen pienoismalli ja pyydä heitä katsomaan, koskettamaan ja tarkkailemaan siipeä huolellisesti ja kysy heiltä, mitä he näkevät. Voit myös kehottaa lapsia katsomaan oheista siivestä otettua kuvaa, jossa näkyy siiven kiinnityskohta lentokoneeseen, jotta he näkevät siiven yläpuolen olevan alapuolta kaarevampi. 38

39 T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t A. S i i v e n n o s t a m i n e n i l m a a n 1. Siiven valmistaminen Ottakaa pala paperia ja taittakaa se. Tehkää siihen sitten taitos siten, että alaosa on tasaisempi. Vahvistakaa siipirakenne liimaamalla siihen kaksi pilliä ohjaimiksi. 2. Tehkää siivestä kestävämpi. Ottakaa kenkälaatikko ja kietokaa sen ympärille narut. Viekää siipi narujen läpi, tarkistakaa kestävyys. 3. Siiven nostaminen ilmaan Puhaltakaa siipeä hiustenkuivaimella. B. V e r t a i l u o p p i t u n n i n 1 k o k e i s i i n Tämä vaihe voi perustua keskustelun tuloksiin. Aiemmissa kokeissa todettiin, että siiven nouseminen johtuu siitä, että ilma aiheuttaa painetta... (enemmän alaosaan), mikä tarkoittaa sitä, että tämän osan nopeus on... (hitaampi) Niinpä yläosalla... (ilma kulkee nopeammin ja paine on matalampi). Tämän selittää siipien muoto, joka pakottaa ilman kulkemaan nopeammin yläosaa pitkin. P ä ä t e l m ä t / t u l o s t e n k o k o a m i n e n Lentokoneen nostovoima johtuu pääasiassa painovoimalle vastakkaisesta voimasta, jota esiintyy ilman virratessa siiven ympärillä. Tämä ilmavirta on hitaampi siiven alapinnalla ja nopeampi sen yläpinnalla. 39

40 Oppitunti 3: Bernoullin pussi, eräs Bernoullin yhtälön yllättävistä sovellustavoista Tavoite 1: Näyttää, että ilman liikkuminen saa aikaan odottamattomia vaikutuksia. Tavoite 2: Päätyä siihen johtopäätökseen, että ilman nopeuden kasvaessa sen paine laskee ja päinvastoin. S e l i t y s Bernoullin yhtälö käsittelee energian säilymisen lakia, joka on liian monimutkainen selitettäväksi nuorille oppilaille. Periaate siinä on se, että kun kokoonpuristumisvaikutukset puuttuvat, fluidin liikkuessa paineen kasvu aiheuttaa nopeuden alenemisen ja päinvastoin. Vaikka tämä on liian monimutkaista selitettäväksi oppilaille, voimme ainakin osoittaa heille kokein, missä tämä nopeuden ja paineen välinen vuorovaikutus tuottaa yllättäviä vaikutuksia. T a r v i k k e e t A4-kokoinen paperiarkki Ilmapallo Hieman hiekkaa Keppi E n i m m ä i s k e s t o 45 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Mikä muuttuu ilman liikkuessa? Jos nopeus kasvaa, onko ilman paine suurempi vai pienempi kuin silloin, kun ilma ei liiku? Paine ja työntäminen: osaatteko selittää nämä kaksi termiä? (11-vuotiaat oppilaat) J o h d a n t o / a l u s t u s Näytä Bernoullin pussi ja kysy oppilailta, keksivätkö he, miten se voidaan täyttää. T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Tärkeimmät tehtävät ovat mennä leikkikentälle, täyttää pussit oppilaiden kanssa ja muistuttaa sitten oppitunnista 1 selittämällä, miten fluidin nopeuden kiihtyminen mahdollistaa pussin helpon täyttämisen. 40

41 5. Kitkavoiman käsite Oppitunti 1: Kitkavoiman tunteminen Tavoite: Tunnistaa kitkavoima omien kokemusten perusteella. S e l i t y s Kaikki oppilaat tuntevat intuitiivisesti kitkavoiman käsitteen. Tällä oppitunnilla he voivat tuntea kitkavoiman erilaisten kokeiden kautta. He oppivat myös, miten parametrien, esim. fluidin, muutokset vaikuttavat kitkaan. T a r v i k k e e t Vedellä täytettyjä säiliöitä Omena Pieniä ja suuria tennismailoja Tennismailoja reiät tukittuina tai tukkimatta (Leikki)autoja Palanen mattoa E n i m m ä i s k e s t o 30 minuuttia T ä r k e i n e s i t e t t ä v ä k y s y m y s Mitä kitkavoima on? Onko kitkavoimasta apua elämässänne? Mitä eroa on solidien ja kiinteiden aineiden kitkavoimilla? J o h d a n t o / a l u s t u s Laita omena vedellä täytettyyn säiliöön ja pyydä jotakuta oppilasta laittamaan kädet selkänsä taakse ja tarttumaan omenaan suullaan. Mitä tapahtuu? Tee sitten sama koe, mutta laita omena pöydälle. Mitä eroa havaitsitte? T ä r k e i m m ä t t e h t ä v ä t Liikuttakaa kättänne ilmassa. Tunnetteko jotain? Tehkää sama pienillä ja suurilla tennismailoilla. 41