Fysiikkakerho - Kokeita ja teoriaa

Transkriptio

1 Luma-kerhon ohjaajakoulutus: Suunnitelma kerhokokonaisuudesta Emma Marjamäki Fysiikkakerho - Kokeita ja teoriaa Kenelle? Kaikille fysiikasta ja koejärjestelyistä kiinnostuneille 9-12 vuotiaille. Kerho on hauskaa ajanvietettä, joten kiinnostus fysiikkaa kohtaan ei ole vaatimus osallistumiseen. Kerho pyrkii ensisijaisesti olemaan viihdyttävä. Teoriaa ja oppimista on luvassa käytännön kokeiden lomassa. Kerhossa tehdään yksinkertaisia fysiikan koejärjestelyjä, jotka kuitenkin ovat hauskoja ja yllättäviä. Kerhokokoontumisen rakenne 1. Johdantoleikit, esittely ja tutustuminen 2. Johdantoteoriaa kysymysten ja esimerkkien avulla 3. Jako ryhmiin ja oheistoiminnan esittely (kirjat ja itsenäiset tehtävät) 4. Demonstraatioiden toteutus: esittely (youtube-video, yksinkertaiset ohjeet, toisto), tarvikkeiden jako, demojen toteutus ryhmissä, ohjaaja valvoo ja neuvoo 5. Ilmiöiden tutkiminen: pohdiskelu, kysymykset, tietoiskut (selkeää ja yksinkertaista tietoa pieninä annoksina) 6. Yhteenveto, leikin kautta mahdollisesti 7. Siivotaan jäljet yhdessä Aiheet: Painovoima ja tasapaino Nopeus ja kiihtyvyys Ilma ja paine Valo ja värit Ääni ja aallot Aikataulu Kerho kokoontuu viiden viikon ajan yhtenä päivänä viikossa yhden tunnin ajaksi. Joka kerhokertaan kuuluu useita kokeita ja leikkejä, jotka kaikki ovat kestoltaan 5-15 minuutin pituisia. Kerhon voi toteuttaa mihin aikaan kouluvuodesta tahansa, sillä kokoontumiset tapahtuvat koulun sisätiloissa.

2 Lisämateriaali Kokeiden lisäksi tarjolla on kirjastosta lainattuja kirjoja, joissa käsitellään kerhokerran aihetta. Demonstraationa saatamme katsoa videoita koejärjestelyistä ennen kokeiden suorittamista. Luvassa myös leikkejä ja aivojumppaa. Kokeiden suorittamista ja toistamista varten ohjaaja valmistaa kirjalliset ohjeet, joiden mukana on myös esittelyitä samankaltaisista koejärjestelyistä ja linkkejä internetistä löytyviin aihetta käsitteleviin sivuihin. Joka kerhokerran leikitään aiheeseen johdatteleva leikki ja keskustellaan aiheesta yhdessä. Esimerkiksi nopeutta ja kiihtyvyyttä käsittelevällä kerralla voimme tehdä juoksukilpailun: ensin vapaa kilpailu, jossa katsotaan kiihtyvyyden vaikutusta, sitten jarrutettu juoksu, jossa huomata vastavoiman vaikutus nopeuteen ja kiihtyvyyteen. Näitä orientoitumisleikkejä varten on kuitenkin tärkeää tuntea ensin käytettävissä oleva tila. Kerhokokoontumisten esittelyt Seuraavassa esittelen kerhokertojen aihepiirien demonstraatiot ja lyhyesti teoriaa osasta aiheista malliksi muihin aihekokonaisuuksiin. Painovoima ja tasapaino Kun kappaleen päästää irti, se putoaa maahan. Putoamisen saa aikaan Maan vetovoima. Se on voima, joka vetää kappaleita toisiaan kohti. Painopisteeksi sanotaan pistettä, johon koko kappaleen massa näyttää keskittyneen. Esimerkiksi pallon ja muiden pyöreiden, tasamassaisten kappaleiden painopiste on niiden keskellä. Kappale pysyy tasapainossa, jos sitä tuetaan painopisteestä tai suoraan sen alapuolelta. Kysymyksiä: Miksi kaikki mitä pudotetaan, putoaa aina suoraan alaspäin maata kohden? Millä laitteella mitataan tasapainoa? Miksi ihminen on kevyempi kuussa kuin maassa? Demonstraatiot: Kalteva tölkki Palikoiden tasapaino Painovoimaton vesi Pallotaikatemppu

3 Kalteva tölkki 33 cl alumiinen juomatölkki Vettä 1. Laita tölkkiin noin 1 dl vettä. 2. Aseta tölkki kallelleen alareunan pykälän varaan. 3. Tönäise tölkkiä varovasti sivusuunnassa. Tölkki pyörii reunansa ympäri pysyen edelleen pystyssä. 4. Kokeile pakastaa tölkki kaltevassa asennossa. Pyöriikö tölkki edelleen reunansa varassa? Vesi asettuu tölkin sisälle siten, että tölkin painopiste on tarkalleen reunan yllä, ja siksi tölkki pysyy pystyssä. Veden määrä ei ole tarkka - kokeile, kuinka suurella ja pienellä määrällä tölkki pysyy vielä pystyssä! Löydä itse lisää Surfing scientist tricks: Uncanny cancan YouTube: Simple Soda Can Trick Palikoiden tasapaino 5 tai enemmän CD- tai DVD-koteloita (kovakantiset kirjat ja puupalikat toimivat myös hyvin) 1. Aseta palikat päällekkäin. 2. Työnnä päällimmäinen palikka niin pitkälle, että se melkein putoaa alemman palikan päältä. 3. Työnnä toiseksi ylin palikka yhdessä ylimmän palikan kanssa niin pitkälle, että ne melkein putoavat alemman palikan päältä. 4. Tee sama kaikille palikoille. Jos käytössäsi on yli viisi palikkaa, on ylin palikka lopulta kokonaan pöydän reunan ulkopuolella. Painovoimaton vesi Piirtoheitinkalvo, lasipullo, hammastikkuja, vettä 1. Leikkaa piirtoheitinkalvosta pullon suun kokoinen pyöreä pala.

4 2. Tee kalvon keskelle hieman hammastikkua suurempi reikä. 3. Täytä pullo vedellä, aseta kalvo pullon suulle ja käännä pullo ympäri. 4. Päästä irti kalvosta. Ilmanpaine estää vettä valumasta ulos pullosta. 5. Voit nyt työntää hammastikun kalvossa olevasta reiästä sisälle pulloon. Työnnä tikkua hitaasti sisään, niin havaitset kohdan, jossa veden noste imaisee tikun pulloon. Miksi vesi ei valu ulos? Pullosta valuu aluksi ulos hieman vettä, mutta kalvo estää ilmaa pääsemästä sisälle pulloon. Pulloon muodostuu siis pieni alipaine. Veden paino ja pullon sisällä oleva ilmanpaine painavat kalvoa alaspäin ja ulkoinen ilmanpaine painaa kalvoa ylöspäin. Ulkoinen ilmanpaine kohdistaa kalvoon suuremman voiman, koska pullon sisälle on muodostunut alipaine. Kalvo on siis imeytynyt kiinni pullon suulle. Pallotaikatemppu Lasipurkki kannella Maissinjyviä, riisiä tai muuta kevyttä ainetta Pingispallo Metallikuula 1. Täytä lasipurkki maissinjyvillä puolilleen 2. Upota pingispallo maissinjyvien sekaan ja esittele temppu jollekulle, joka ei ole nähnyt valmistelujasi. 3. Laita metallikuula maissinjyvien pinnalle, sulj purkki kannella, ravistele kunnes metallipallo maagisesti katoaa ja muuttuukin ingispalloksi. Nopeus ja kiihtyvyys Kysymyksiä: Mitä on kitka? Miksi kappaleen liikuttamiseen tarvitaan voimaa? Demonstraatiot: Lusikka nenässä Jumittuneet kirjat

5 Kolikkotorni Ilmatyynyalus Kiihtyvä korkki Lusikka nenässä Lusikka Nenä 1. Puhdista nenääsi paperilla. Tarkoituksena on poistaa ihon pinnalla olevaa rasvaa. 2. Hönkäise lusikkaan ja aseta se roikkumaan nenääsi. Jumittuneet kirjat 2 kirjaa 1. Aseta kirjat vastakkain. 2. Lomita kirjan sivut toisiinsa yksitellen kuin korttipakkaa sekottaessa. Sivujen on syytä olla vähintään puoliksi toistensa päällä. 3. Yritä irroittaa kirjat vetämällä toisistaan. Sivujen välinen kitka estää niitä liukumasta toistensa lomitse, ja siksi niitä on mahdoton irroittaa vetämällä. Kitkan voimakkuus kasvaa pinta-alan ja pintoja yhteen puristavan voiman kasvaessa. Lommittaiset sivut muodostavat valtavan pinta-alan. Kirjojen vetäminen puolestaan puristaa sivuja toisiaan vasten. Kirjat pysyvät siis sitä paremmin yhdessä, mitä voimakkaammin niitä vetää erilleen. Kolikkotorni Kolikoita

6 Ruokailuveitsi 1. Pinoa kolikoista torni 2. Liu uta veitsellä alin kolikko liikkeelle napauttamalla sitä. Saatko purettua tornin alhaalta ylöspäin järjestyksessä? Ilmatyynyalus Ilmapallo Pullonkorkki CD-levy 1. Liimaa pullonkorkki CD-levyn keskelle. 2. Tee pullonkorkin keskelle reikä. 3. Aseta ilmapallo korkin päälle. 4. Puhalla ilmapallo täyteen reiän läpi. 5. Aseta ilmatyynyalus tasaiselle alustalle. Ilmapallosta purkautuva ilma muodostaa ilmapatjan CD-levyn alle ja se liukuu lähes kitkatta. Kiihtyvä korkki Kannellinen lasipurkki Kelluva esine, esim. viinipullon korkki Lankaa Teippiä 1. Teippaa lanka kiinni keskelle purkin kantta. 2. Täytä purkki vedellä.

7 3. Laita korkki veteen ja sulje kansi. 4. Käännä purkki ympäri. 5. Liikuttele purkkia pöydällä. Korkki tuntuu liikkuvan täysin oletusten vastaisesti, sillä kelluva korkki liikkuu samaan suuntaan purkin kiihtyvyyden kanssa. Purkissa oleva vesi on raskasta ja jää siksi kiihdytyksessä massan hitauden vuoksi jälkeen. Korkki taas kelluu vedessä ja liikkuu vastakkaisesti veteen nähden. Ilma ja paine Kysymyksiä: Mitä ilma on? Miksi kappaleet liikkuvat eri tavalla ilmassa ja vedessä? Demonstraatiot: Kuiva nenäliina vesiastiassa Pulloilmapallo Ilmatykki Leijuva pingpong-pallo Kuiva nenäliina vesiastiassa Iso lasiastia Vettä Pieni kahvimuki Pieni lasiastia Nenäliina 1. Täytä iso astia vedellä, niin että se on noin 2/3 täynnä

8 2. Laita nenäliina kahvimukiin ja paina suuaukko alaspäin vesiastiaan. 3. Nosta muki suoraan ylös ja katso, saitko pidettyä paperin kuivana. 4. Toista vaihe 2. lasimukilla niin ilmiö on nähtävissä. Pulloilmapallo Pullo Ilmapallo 1. Aseta ilmapallo pullon sisälle ja venytä pallon suu pullon suulle. 2. Yritä puhaltaa ilmapalloa. Pallo ei täyty, koska ilma pullossa pallon ulkopuolella ei anna myöden. Voisit yhtä hyvin yrittää puhaltaa ilmaa pulloon. 3. Tee reikä pullon alareunaan. 4. Nyt ilmapallon puhaltaminen onnistuu. Kun tukit reiän sormellasi, pysyy ilmapallo pullon sisällä täytenä, vaikka lopetat puhaltamisen. Pullon sisälle ei pääse reiästä lisää ilmaa kun asetat sormesi reiän päälle. Ilmapallo ei siis kykene palautumaan alkuperäiseen muotoonsa. Reiän avaaminen päästää ilman kulkemaan ja ilmapallo palautuu alkutilanteeseen. Ilmatykki Muovipurkki Kuminauhaa Tukeva muovikassi tai vahapintaista kangasta 1. Leikkaa muovipurkin pohjaan reikä. Sopiva halkaisija on noin kolmasosa purkin pohjan halkaisijasta. 2. Kiinnitä muovipussista leikattu pala purkin suun ympärille kuminauhalla.

9 3. Napauta sormella kalvoa. Tykki ampuu ilmapyörteen, joka tuntuu kasvoilla vielä monen metrin päässä. Kokeile, kuinka kaukaa pystyt sammuttamaan kynttilän tykillä! Leijuva pingispallo Muovinen pullo + korkki Pilli Sakset tai puukko Iso naula ja vasara Teippiä ja sinitarraa Pingispallo 1. Valmista leijunta-alusta seuraavasti: Leikkaa muovisesta pullosta yläosa irti. Tee korkkiin naulalla ja vasaralla pillinmentävä reikä. Kiinnitä pilli teipillä korkkiin ja tarvittaessa tiivistä sinitarralla. 2. Laita pingispallo alustaan ja koita puhaltaa pilliin niin, että pallo nousee ilmaan ja leijuu puhalluksen ajan. Valo ja värit Kysymyksiä: Mitä värit ovat? Mitä valo on? Demonstraatiot: Värikäs saippuakalvo Spektri peilillä Näkymätön infrapunavalo Katoavat värit Animaatiorulla

10 Värikäs saippuakalvo Muovi- tai lasipullo, mehupilli, vettä, astianpesuainetta 1. Sekoita pieni määrä saippualiuosta vedestä ja astianpesuaineesta ja kaada liuos pulloon. 2. Kallistele pulloa niin, että sisäpinta kostuu kauttaaltaan saippualiuoksesta. 3. Aseta mehupilli pulloon niin, että se ylettää nestepinnan alapuolelle. Jos pilli on liian lyhyt, teippaa kaksi pillia yhteen. 4. Puhalla nesteen pinnalle varovasti kupla. 5. Nosta pilli nestepinnan yläpuolelle niin, että se jää silti kuplan sisään. 6. Puhalla kuplaa suuremmaksi, kunnes se nousee kalvoksi pullon keskelle. Sulje korkki. 7. Odota kalvon ohenemista. Interferenssikuviot näkyvät, kun kalvo ohenee riittävästi. 8. Kallistele pulloa varovasti jolloin kalvon paksuus eri kohdissa muuttuu ja värikuviot liikkuvat kalvolla. Saippuakalvon värit johtuvat ohutkalvointerferenssistä. Valonsäde heijastuu kalvon ylä- ja alapinnalta ja nämä heijastuneet säteet voimistavat tai vaimentavat toisissaan tiettyjä aallonpituuksia. Kalvon paksuus määrää, mitkä aallonpituudet voimistuvat ja mitkä vaimenevat. Värien perusteella voi siis arvioida, mitkä kohdat saippuakalvossa ovat yhtä paksuja. Spektri peilillä Vesiastia Peili Vettä Kirkas auringonpaiste 1. Aseta peili kallelleen astian reunaa vasten.

11 2. Lisää astiaan vettä, kunnes peili on riittävästi veden alla. 3. Aseta astia ja peili kohti aurinkoa. 4. Valo hajoaa spektriksi ja heijastuu seinälle, jos peilin kaltevuus on sopiva. Näkymätön infrapunavalo Infrapunakaukosäädin (useimmat kaukosäätimet ovat juuri tällaisia) Kännykkäkamera tai pokkarikamera 1. Aseta kamera kuvausvalmiuteen. 2. Osoita kaukosäätimellä kameraan, ja paina jotain kaukosäätimen näppäintä. Kamera näkee infrapunavalon, jota silmä ei havaitse. Ihmisen silmä havaitsee näkyvänä valona sähkömagneettisen säteilyn, jonka aallonpituus on välillä nm. Infrapunakaukosäädin lähettää signaalin noin 940 nm aallonpituudella, joten silmä ei havaitse sitä. Kameran LCD-kenno havaitsee myös infrapunasäteilyä, joten kaukosäätimen signaali voidaan nähdä kameran avulla. Katoavat värit Lankaa Neula Valkoista kartonkia Värikynät 1. Leikkaa kartongista pieni ympyrä ja väritä siihen sektoreita eri väreillä 2. Pujota lanka neulalla kartonkiväripyörän keskeltä läpi ja kuljeta se langan keskikohtaan. 3. Pyöritä lankaa nopeasti ja huomaat värien sulautuvan yhdeksi ja katoavan.

12 Animaatiorulla Ääni ja aallot Kysymyksiä: Miten ääni ja aallot liittyvät toisiinsa? Demonstraatiot: Paljettispektroskooppi Kertakäyttömukipuhelin Uliseva ilmapallo Mutteri ilmapallossa Äänivärisytin Paljettispektroskooppi Ilmapallo Vessapaperirullan kartonki Kuminauha Hopeinen paljetti Kontaktiliimaa Laserosoitin 1. Leikkaa ilmapallo halki. 2. Aseta puolikas ilmapallo kartonkirullan toisen pään yli ja kiinnitä kuminauhalla. 3. Liimaa paljetti ilmapallokalvoon pienellä määrällä kontaktiliimaa. 4. Osoita lasersäde paljettiin ja kohdista siitä heijastunut piste tasaiselle seinälle tai valkokankaalle.

13 5. Puhu tai laula kartonkirullaan. Kalvo alkaa värähdellä, ja heijastunut piste piirtää kauniita kuvioita seinälle. Kokeile laulaa eri vokaaleja putkeen. Huomaat eri vokaalien tuottavan erilaisia kuvioita, vaikka äänen taajus ei muutu. Kertakäyttömukipuhelin Kertakäyttömukeja Lankaa Valmista radiopuhelimet kertakäyttömukeja ja lankaa. Testaa, millainen lanka johtaa ääntä parhaiten! Uliseva ilmapallo Mutteri ilmapallossa Ilmapallo Mutteri 1. Laita mutteri ilmapalloon. 2. Puhalla ilmapallo täyteen ja sido se. 3. Heiluta ilmapalloa pyörivällä liikkeellä niin, että mutteri alkaa pyöriä ilmapallon sisäreunaa pitkin. 4. Ilmapallo alkaa pitää värähtelystä aiheutuvaa ääntä. Äänivärisytin

14 Lähteet: