1. Johdanto...2 2. Ohjelman asentaminen ja asetukset...2 3. Ohjelman yleisrakenne...2 3.1. Harjoitusten rakenne...3 3.2. Teorian yleisrakenne...4 4. Harjoitukset...4 4.1. SI-järjestelmä...4 4.2. Mekaniikka...5 4.3. Olomuotojen mekaniikka...10 4.4. Lämpöoppi...10 4.5. Kaasut...12 4.6. Värähdysliike ja aaltoliike...13 4.7. Äänioppi...14 4.8. Valo-oppi...15 4.9. Sähköoppi...18 4.10. Elektroniikka...23 4.11. Ydinfysiikka...23 4.12. Aurinkokuntamme...24 5. Äänien käyttö...25 6. Laskin...25 1
1. Johdanto Fysiikan VirtuaaliLaboratorio (FVL) on peruskoulun yläasteen, lukion ja ammattioppilaitosten fysiikan opetukseen tarkoitettu opetusohjelma. Ohjelman lähestymistapa fysiikkaan on kokeellinen ja tutkiva. Teoria tulee mukaan mittausten jälkeen esitettävissä kysymyksissä. Näin fysiikan kokeellisuus ja siihen liittyvä teoria niveltyvät kiinnostavalla tavalla toisiinsa. Kysymyksissä ei pelkästään kysytä puhdasta fysiikan teoriaa, vaan opiskelija joutuu päättelemään mittaustulosten perusteella lisätuloksia. Ohjelmaa voidaan käyttää havainnollistamaan fysiikan ilmiöitä tavanomaisessa luokkaopetuksessa tai laboratoriotunnilla mittausten suorittamiseen. Lähes jokaisesta mittauksesta opiskelija täyttää mittauskaavakkeen, joka voidaan tulostaa mahdollista myöhempää kertausta varten. Ohjelma on todella helppokäyttöinen, joten kirjallisia ohjeita ohjelman varsinaiseen käyttöön ei ole laadittu. Tämä käyttöopas on tarkoitettu opettajan tueksi, jotta opettaja voi valita oppituntia varten sopivan harjoituksen ohjelmaa katsomatta. Uudessa versiossa 3.0. on seuraavat lisäykset ja muutokset versioon 2.0. verrattuna: - Uusina fysiikan osa-alueina ohjelmaan on lisätty äänioppi ja ydinfysiikka. - Teorioita muutettu sekä sisällöltään että toteutustavaltaan. Ne eivät ole enää pdf-tiedostoina. - Teorioihin lisätty runsaasti animaatioita havainnollistamaan fysiikan ilmiöitä. - Nelilaskin on muutettu funktiolaskimeksi. - Runsaasti pienempiä parannuksia. Laitteistovaatimukset: - 10 MB kiintolevytilaa - Käyttöjärjestelmä Windows 95 tai uudempi - 200 MHz prosessori - 32 MB keskusmuistia 2. Ohjelman asentaminen ja asetukset Asentaminen tapahtuu mukana olevalla Asenna-ohjelmalla. Ohjelma tarvitsee toimiakseen lisäksi Macromedia Flash Player version 6.0 tai uudemman. Myös tämä ohjelma ovat mukana CD-levyllä. 3. Ohjelman yleisrakenne Ohjelma koostuu harjoituksista, joista jokaiseen liittyy myös asiaan liittyvä teoriakooste. Harjoituksia on yhteensä 65 kappaletta. Harjoitukset ovat aina virtuaalilaboratoriossa tehtäviä mittauksia, joihin liittyy lähes aina mittauksia täydentäviä kysymyksiä. 2
3.1. Harjoitusten rakenne Harjoitukset koostuvat 2-4 eri osiosta. Tehtävä-osiossa esitetään harjoitukseen liittyvä tehtävä. Laboratorio-osiossa suoritetaan tehtävään liittyvät mittaukset, jotka kirjataan Mittauskaavakeosioon. Jos tehtäväasettelu on lyhyt, ei erillistä Tehtävä-osiota ole, vaan tehtävä on esitetty Laboratorio-osiossa. Kysymykset-osiossa esitetään mittaukseen liittyviä kysymyksiä. Kysymyksetosioon pääsee vasta kun mittaukset on suoritettu hyväksytysti. Harjoitusosioista on yleensä linkit teoriaan suoraan kyseiseen harjoitukseen liittyvään asiaan. Kuvassa 1 on tasaisen liikkeen Mittauskaavake-osio. Kuvassa näkyy myös painikkeet, joiden kautta pääsee muihin osioihin. Kuva 1. Tasaisen liikkeen 1 mittauskaavake. Mittauskaavakkeella ja kysymys-osiossa kenttien välillä pääsee parhaiten liikkumaan tabulaattorinäppäimellä. Harjoituksia on neljää eri vaikeusastetta. Vaikeusaste 3. Helpoimmat harjoitukset. Helpohkoja peruskoulun yläasteen fysiikan oppimäärään perustuvia mittauksia ja mittauksiin liittyviä kysymyksiä. Suositellaan kaikkien opiskelijoiden läpikäytäväksi sekä yläasteella että ammattioppilaitoksissa. Vaikeusastetta 1 vaativampia harjoituksia. Myös vaikeusasteen 2 tehtävät ovat peruskoulun yläasteen fysiikan oppimäärään perustuvia. Erona vaikeusasteen 1 harjoituksiin on mittaukseen liittyvä suurempi tarkkuus ja/tai kysymysosiossa olevat vaativammat kysymykset. Suositellaan kaikkille lukioissa ja ammattioppilaitoksissa. sekä lähes kaikille myös yläasteella. Erona vaikeusasteisiin 1 ja 2 on kysymysosiossa oleva teoria, joka on yli peruskoulun yläasteen oppiaineksen. Tämä ei kuitenkaan ole esteenä kyseisten harjoitusten läpikäynnille yläasteellakin, koska ohjelma opastaa käyttäjää tarpeen mukaan. Suositellaan peruskoulun yläasteella lahjakkaimpien opiskelijoiden eriyttämiseen sekä lukioissa ja ammattioppilaitoksessa kaikille opiskelijoille. 3
Vaikeusaste 4. Pelkästään lukion opiskelijoille. Tällaisia harjoituksia on mukana 1 kappale (hissi 2). Sellaisiin harjoituksiin, joissa joudutaan laskemaan, on liitetty laskin. 3.2. Teorian yleisrakenne Teoriat ovat flash-tiedostoja tiedostoja, jotka käynnistyvät kuitenkin vain harjoitusten kautta. Jokaisessa harjoituksessa on vain kyseiseen harjoitukseen läheisesti liittyvä teoria. Teoriasivut voidaan tarvittaessa tulostaa Tulosta-painikkeen avulla sivu kerrallaan. Kuvassa 2 on yksi teoriasivu ohjelmasta. Kuva 2. Yksi teoriasivu ohjelmasta. FormulaYksikkö 4. Harjoitukset 4.1. SI-järjestelmä Opiskelija oppii eräiden tärkeiden suureiden yksiköt pelin kautta. Ohjelman ainoa peli. Formula-autolla pyritään mahdollisimman nopeasti kaatamaan radalla olevat yksikköpylväät. Ruudulla näkyy aina yksi suure, johon liittyvä yksikköpylväs pitää kaataa seuraavaksi. 4
4.2. Mekaniikka Mekaniikassa on 18 harjoitusta. Tasainen liike 1 Opiskelija oppii nopeuskäsitteen hyvin käytännönläheisten esimerkkien avulla. Myös yksikön merkitys korostuu, koska kysymysosion vastauksiin ei hyväksytä vastausta ilman yksikköä. Yksikön puuttumisesta huomautetaan. Harjoituksessa mitataan 500 metriä pitkään matkaan kulunut aika neljän ajoneuvon tapauksessa. Kysymysosassa lasketaan jokaisen ajoneuvon nopeus. Vastaus hyväksytään sekä yksikössä m/s että yksikössä km/h. Tasainen liike 2 Opiskelija oppii hetkellisen nopeuden ja tasaisen liikkeen käsitteet arkipäivän esimerkkien avulla. Harjoituksessa mitataan vakionopeudella liikkuvien kahden ajoneuvon nopeuksia lyhyillä aikaväleillä. Kummankin ajoneuvon kulkema matka mitataan sekunnin aikavälein yhteensä viiden sekunnin ajanjaksolla. Mittauskaavakkeelle lasketaan myös kummankin ajoneuvon (hetkellinen) nopeus eri ajan hetkinä. Kysymysosiossa täydennetään teoriaa kysymällä opiskelijalta, millainen liike on kyseessä. Jos opiskelija ei keksi vastausta, niin teorialinkki avaa teoriasivun, josta vastaus kysymykseen löytyy pienellä tutkiskelulla. Muuttuva liike 1 Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii tasaisen, tasaisesti kiihtyvän ja tasaisesti hidastuvan liikkeen suureiden graafiset esitykset ajan funktiona sekä arvojen lukemista kyseisistä kuvaajista. Harjoitus testaa myös keskinopeus-käsitteen ymmärtämistä. Laboratoriossa ajetaan autolla 5,0 sekuntia: ensin 2,0 sekunnin ajan liike on tasaisesti kiihtyvää, sitten 1,0 sekunnin ajan tasaista ja viimeiset 2,0 sekuntia tasaisesti hidastuvaa. Mittauskaavakkeelle piirtyy auton nopeus, kiihtyvyys ja paikka ajan funktiona -kuvaajat Kysymyksissä kysytään auton liiketilaa ja keskinopeutta eri aikaväleillä. 5
Muuttuva liike 2 Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii tasaisesti kiihtyvän ja tasaisesti hidastuvan liikkeen suureiden graafiset esitykset ajan funktiona sekä arvojen lukemista kyseisistä kuvaajista. Harjoitus testaa myös keskinopeuskäsitteen ymmärtämistä. Laboratoriossa ajetaan autolla ensin 3,0 sekuntia siten, että auto kiihtyy tasaisesti. Välittömästi sen jälkeen auto pysäytetään. Tämä harjoitus eroaa muuttuva liike 1:n haarjoituksesta mm. siinä, että opiskelija joutuu itse käyttämään auton kaasu- ja jarrupolkimia. Sen takia tällä osiolla voidaan havainnollistaa melkein minkälaista liikettä tahansa. Mittauskaavakkeelle piirtyy auton nopeus, kiihtyvyys ja paikka ajan funktiona -kuvaajat. Kysymyksissä kysytään auton kulkemaa matkaa ja keskinopeutta mittauksen aikana. Tasaisesti kiihtyvä liike Opiskelija oppii tasaisesti kiihtyvän liikkeen käsitteen käytännönläheisten esimerkkien avulla. Harjoituksessa mitataan kahden tasaisesti kiihtyvän ajoneuvon nopeuksia lyhyillä aikaväleillä. Kummankin ajoneuvon kulkema matka mitataan sekunnin aikavälein yhteensä viiden sekunnin ajanjaksolla. Mittauskaavakkeelle lasketaan myös kummankin ajoneuvon (hetkellinen) nopeus eri ajan hetkinä. Kysymysosiossa täydennetään teoriaa kysymällä opiskelijalta, millainen liike on kyseessä. Jos opiskelija ei keksi vastausta, niin teorialinkki avaa teoriasivun, josta vastaus kysymykseen löytyy pienellä tutkiskelulla. Putoamisliike 1 Opiskelija oppii, että putoamisliike on tasaisesti kiihtyvää liikettä sekä massan ja ilman vastuksen vaikutuksen putoamisliikkeeseen. Kerrataan keskinopeuden käsite. Harjoituksessa mitataan ensin kahden punnuksen nopeuksia lyhyillä aikaväleillä. Kummankin punnuksen kulkema matka mitataan 0,5 sekunnin aikavälein yhteensä 2,5 sekunnin ajanjaksolla. Mittauskaavakkeelle lasketaan myös kummankin punnuksen (hetkellinen) nopeus eri ajan hetkinä. Kysymysosiossa lasketaan molempien punnuksien keskinopeudet 2,5 sekunnin aikavälillä. Kysytään, miten punnuksien massa vaikutti putoamiskiihtyvyyteen. Kun näihin kysymyksiin on saatu oikeat vastaukset, laboratoriossa tehdään vielä vastaavat mittaukset vaahtomuovipallolle. Näiden mittausten jälkeen kysymysosiossa kysytään, mikä aiheutti sen, että vaahtomuovipallon kiihtyvyys oli pienempi kuin punnuksien kiihtyvyys. 6
Putoamisliike 2 Opiskelija oppii, että vaakasuorasti heitetty kappale putoaa yhtä nopeasti alaspäin kuin suoraan alaspäin pudotettu kappale. Putoamisliikkeen ja vaakasuoran heittoliikkeen vertailua. Lähinnä animaatiotyyppinen, jossa animaatioon liitetään asiaa valaiseva kysymys. Ei sisällä mittauskaavaketta. Laboratoriossa ammutaan tornista tykillä kuula vaakasuorasti ja samanaikaisesti helikopterista pudotetaan kuula suoraan alas. Molempien kuulien lähtökorkeus on sama. Kuulat törmäävät. Kysymysosiossa kysytään, kumpi kuula olisi osunut aiemmin maahan, jos ne eivät olisi törmänneet. Kyseessä on vaihtoehtokysymys. Kun opiskelija on vastannut kysymykseen oikein, ohjelma antaa asialle selityksen. Putoamisliike 3 Teoria vaikeusastetta 3, mutta suoritukseltaan korkeintaan vaikeusastetta 2. Jokainen opiskelija kykenee tekemään. Asian teoriaa ei tässä yhteydessä käsitellä. Putoamisliikkeen ja vinon heittoliikkeen vertailua. Lähinnä animaatiotyyppinen, jossa animaatioon liitetään asiaa valaiseva kysymys. Ei sisällä mittauskaavaketta. Laboratoriossa ammutaan maassa tykillä kuula vinosti ja samanaikaisesti helikopterista pudotetaan kuula suoraan alas. Opiskelijan täytyy tähdätä tykillä siten, että samanaikaisesti liikkeelle lähtevät kuulat törmäävät. Kysymysosion kysymyksissä kysytään massan vaikutusta lopputulokseen. Heittoliike 1 Pystysuoran heittoliikkeen tarkastelua. Opiskelija oppii mm. seuraavat asiat: 1) Lakipisteessä nopeus on nolla. 2) Ylösnousuaika = putoamisaika. 3) Pallon lähtönopeus = pallon nopeus kiinni otettaessa (vain suunta muuttunut). Yksiköiden merkitystä korostetaan. Laboratoriossa heitetään pallo kohtisuorasti ylöspäin sekä mitataan pallon nopeus lakipisteessä, pallon ylösnousuaika, pallon nopeus kiinni otettaessa ja pallon kokonaislentoaika. Pallo otetaan kiinni samalta korkeudelta, jolta se heitettiin. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, kuinka suuri on pallon nousuaika verrattuna putoamisaikaan ja heittonopeus verrattuna pallon nopeuteen kiinni otettaessa. 7
Heittoliike 2 Opiskelija oppii, kuinka pystysuorassa heittoliikkeessä heittonopeus vaikuttaa lakikorkeuteen. Laboratoriossa heitetään pallo kohtisuorasti ylöspäin heittonopeuksilla 3 m/s, 6 m/s, 9 m/s, 12 m/s ja 24 m/s. Mitataan pallon lakikorkeus jokaisella heittonopeudella ja kirjataan tulokset mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, miten lakikorkeus muuttuu, jos heittonopeus kaksinkertaistuu. Lisäksi pyydetään mittaustulosten perusteella päättelemään lakikorkeutta, jos heittonopeus on 48 m/s. Kitka 1 Opiskelija oppii, miten massa vaikuttaa auton jarrutusmatkaan ja kitkaan. Yksiköiden liittämistä suureisiin korostetaan. Laboratoriossa mittaan henkilöauton ja rekka-auton jarrutusmatkaa samoissa olosuhteissa. Jarrutusmatkat vaihtelevat ohjelman eri käyttökerroilla, koska ohjelma arpoo sen joka kerta. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, mikä on moottoripyörän jarrutusmatka samoissa olosuhteissa. Tulos on pääteltävä mittaustulosten perusteella. Kitka 2 Opiskelija oppii, miten kitkakerroin vaikuttaa auton jarrutusmatkaan ja kitkaan. Yksiköiden merkitystä korostetaan. Laboratoriossa mitataan henkilöauton jarrutusmatkaa eri olosuhteissa, kun auton nopeus on 80 km/h. Kitkakerroin on 0,8, 0,4 ja 0,2. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, mikä on henkilöauton jarrutusmatka, jos kitkakerroin on 0,1. Tulos on pääteltävä mittaustulosten perusteella. Kitka 3 Opiskelija oppii, miten nopeus vaikuttaa auton jarrutusmatkaan ja kitkaan. Yksiköiden merkitystä korostetaan. Laboratoriossa mitataan henkilöauton jarrutusmatkaa nopeuksilla 30 km/h, 60 km/h ja 120 km/h. Jarrutusmatkat vaihtelevat ohjelman eri käyttökerroilla, koska ohjelma arpoo sen joka kerta. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, mikä on henkilöauton jarrutusmatka, jos sen nopeus on 240 km/h. Tulos on pääteltävä mittaustulosten perusteella. 8
Kitka 4 Vaikeusaste 4. Opiskelija oppii lepo- ja liikekitkan, niiden määrittämisen kuvaajasta ja kitkakertoimien laskemisen. Laboratoriossa vedetään punnusta, jonka massa on 2,0 kg, pitkin vaakasuoraa alustaa. Vetäminen tapahtuu jousivaa an välityksellä, joten tarvittava voima saadaan mitattua. Voima piirtyy mittauksen aikana koordinaatistoon. Saadusta kuvaajasta määritetään lähtö- ja liikekitka. Kysymysosiossa lasketaan vielä lepo- ja liikekitkakertoimet. Hissi 1 Opiskelija oppii, miten henkilöön vaikuttava tukivoima muuttuu hissin liikkeen eri vaiheissa ja massan riippumattomuuden liiketilasta. Laboratoriossa mitataan hississä vaa alla seisovan henkilön tapauksessa vaa an näyttämää hissin liikkeen eri vaiheissa. Mittaukset suoritetaan ylös- ja alaspäin liikkuvan hissin tapauksessa. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, miten henkilön massa muuttuu hissin liikkuessa. Hissi 2 Vaikeusaste 4. Kuten hissi 1, mutta kysymyksissä kysytään hissin kiihtyvyyttä. Lähinnä ammattioppilaitoksissa lahjakkaille opiskelijoille tarkoitettu harjoitus. Tietysti myös lukioon sovelias. Työ Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii konkreettisella tavalla suureen työ ja miten se riippuu voimasta ja matkasta. Laboratoriossa vedetään kolmea eri punnusta pitkin vaakasuoraa pintaa tietty matka ja mitataan punnuksien vetämiseen tasaisella vauhdilla tarvittava voima. Mittaustuloksista lasketaan tehty työ jokaisen kolmen punnuksen tapauksessa. Kysymyksissä testataan työn ja energian välisen yhteyden ymmärtämistä ja kysytään vielä tehtyä työtä tilanteessa, jossa kappale ei liiku. Asema- ja liike-energia Opiskelija oppii mekaanisen energian säilymislain putoamisliikkeen tapauksessa. Laboratoriossa pudotetaan kappale 40 m korkeasta tornista ja mitataan pallon asema- ja liike-energia eri korkeuksilla kappaleen pudotessa. Korkeudet ovat 40 m, 30 m, 20 m, 10 m ja 0 m. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa opiskelijalta kysytään ensin, miten kokonaisenergia 9
muuttuu liikkeen eri vaiheissa. Lisäksi kysytään, kuinka suuret ovat asema- ja liike-energia toisiinsa verrattuna, kun korkeus on 20 m. Olomuotojen mekaniikassa on yksi harjoitus. Arkhimedeen laki Vaikeusaste 3. 4.3. Olomuotojen mekaniikka Opiskelija oivaltaa mittaamisen kautta Arkhimedeen lain sisällön. Laboratoriossa punnitaan neljä tilavuudeltaan saman kokoista palloa sekä ilmassa että vedessä. Pallot ovat alumiinia, hopeaa, kuparia ja ohuen muovikuoren sisällä olevaa vettä. Kysymyksissä määritetään mittaustuloksien perusteella noste jokaisessa tapauksessa. Kysymyksissä pitää lisäksi päätellä Arkhimedeen lain sisältö. Lämpöopissa on 6 harjoitusta. Lämpölaajeneminen 1 4.4. Lämpöoppi Opiskelija oppii, että metallitankojen pituus kasvaa, kun ne lämpenevät, ja laajeneminen riippuu materiaalista. Laboratoriossa asetetaan uuniin 3 eri materiaalista olevaa metallitankoa (pituus 1,0 m), joiden pituuden muutos mitataan, kun lämpötila muuttuu 20 EC:sta 200 EC:een. Mitattavat materiaalit ovat alumiini, teräs ja messinki. Kysymysosiossa lasketaan jokaisen kolmen materiaalin pituuden lämpötilakerroin. Lämpölaajeneminen 2 Opiskelija oppii, että teräksellä ja betonilla on sama pituuden lämpötilakerroin. Laboratoriossa asetetaan uuniin teräs- ja betonitanko (pituus 1,0 m), joiden pituuden muutos mitataan, kun lämpötila muuttuu 20 EC:sta 50 EC:een, 100 EC:een, 150 EC:een ja 250 EC:een. Kysymysosiossa lasketaan teräksen ja betonin pituuden lämpötilakerroin. 10
Lämpöenergia Opiskelija oppii käsitteen ominaislämpökapasiteetti ja sen riippuvuuden materiaalista. Laboratoriossa mitataan veden ja alkoholin lämmittämiseen 10 EC:sta 60 EC:een tarvittava lämpöenergia, kun nestemäärä on 1,0 kg, 2,0 kg ja 3,0 kg. Kysymysosiossa lasketaan veden ja alkoholin ominaislämpökapasiteetti. Sulamispiste 1 Opiskelija oppii, että aineen sulaminen tapahtuu kyseiselle aineelle ominaisessa lämpötilassa. Lisäksi opiskelijalle jää mieleen muutaman yleisen metallin sulamispisteet.. Laboratoriossa mitataan tinan, alumiinin, raudan ja kromin sulamispisteet. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Harjoitukseen ei liity lisäkysymyksiä. Sulamispiste 2 Opiskelija oppii, mitä tarkoitetaan aineen ominaissulamislämmöllä. Laboratoriossa mitataan etanolin ja elohopean sulattamiseen tarvittava lämpöenergia, kun sulatettavan aineen massa on 1,0 kg. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosassa lasketaan etanolin ja elohopean ominaissulamislämpö. Sulamispiste 3 Opiskelija oppii, mitä tarkoitetaan aineen ominaissulamislämmöllä. Lisäksi harjoituksessa tulee esille käytännön tilanteessa tehon ja energian välinen yhteys. Laboratoriossa mitataan jään sulattamiseen tarvittava lämpöenergia, kun sulatettavan aineen massa on 1,0 kg. Energia saadaan mittaamalla sulamiseen kulunut aika, kun lämmitysteho tunnetaan. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosassa lasketaan veden ominaissulamislämpö. 11
4.5. Kaasut Ohjelmassa on kolme kaasuihin liittyvää harjoitusta.. Kaasujen tilanyhtälö 1 Vaikeusaste 4. Opiskelija oppii ideaalikaasun paineen ja tilavuuden keskinäisen riippuvuuden, kun kaasun lämpötila pysyy vakiona. Laboratoriossa muutetaan kaasusäiliön tilavuutta ja mitataan samalla kaasun paine, kun lämpötila pysyy vakiona. Mittaustulokset merkitään koordinaatistoon. Kysymyksissä kysytään, miten kaasun paine ja tilavuus riippuvat toisistaan, kun lämpötila on vakio. Lisäksi täytyy määrittää kaasun paine kahdella kaasun tilavuuden arvolla, jotka eivät ole varsinaisissa mittauspisteissä. Kaasujen tilanyhtälö 2 Vaikeusaste 4. Opiskelija oppii ideaalikaasun paineen ja lämpötilan keskinäisen riippuvuuden, kun kaasun tilavuus pysyy vakiona. Laboratoriossa lämmitetään kaasua sekä mitataan kaasun lämpötila ja paine, kun kaasun tilavuus pysyy vakiona. Mittaustulokset merkitään koordinaatistoon. Kysymyksissä kysytään, miten kaasun paine ja lämpötila riippuvat toisistaan, kun tilavuus on vakio. Lisäksi täytyy määrittää kaasun paine kahdelle kaasun lämpötilan arvolla, jotka eivät ole varsinaisissa mittauspisteissä. Kaasujen tilanyhtälö 3 Vaikeusaste 4. Opiskelija oppii ideaalikaasun lämpötilan ja tilavuuden keskinäisen riippuvuuden, kun kaasun paine pysyy vakiona. Laboratoriossa lämmitetään kaasua ja kaasun tilavuus muuttuu, kun kaasun paine pysyy vakiona. Mittaustulokset merkitään koordinaatistoon. Kysymyksissä kysytään, miten kaasun lämpötila ja tilavuus riippuvat toisistaan, kun paine on vakio. Lisäksi täytyy määrittää kaasun tilavuus kahdelle kaasun lämpötilan arvolla, jotka eivät ole varsinaisissa mittauspisteissä. 12
Värähdys- ja aaltoliikkeessä on neljä harjoitusta. Harmoninen värähtelijä Vaikeusaste 3. 4.6. Värähdysliike ja aaltoliike Opiskelija oppii, miten punnus-jousi -systeemin värähdysaika riippuu punnuksen massasta. Laboratoriossa mitataan jousen päähän ripustettujen punnuksien värähdysajat, kun punnuksien massat ovat 50 g, 100 g, 200 g ja 400 g. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa pitää päätellä mittaustulosten perusteella värähdysajat, kun punnuksen massa on 25 g ja 800 g. Heiluri Vaikeusaste 4. Opiskelija oppii matemaattisen heilurin heilahtelujen jaksonajan ja heilurin pituuden välisen riippuvuuden. Laboratoriossa mitataan matemaattisen heilurin heilahtelujen jaksonaika heilurin neljällä eri pituudella. Kysymyksissä pitää päätellä, kuinka monikertaiseksi heilurin jaksonaika muuttuu, jos heilurin pituus muuttuu 4-kertaiseksi. Poikittainen aaltoliike Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii havainnollisella tavalla, mitä tarkoitetaan poikittaisella aaltoliikkeellä. Lisäksi opiskelija oppii värähdysajan ja aaltoliikkeen taajuuden välisen yhteyden sekä aaltoliikkeen perusyhtälön v = λf. Laboratoriossa mitataan poikittaisessa aaltoliikkeessä värähdysaika ja aallonpituus kahdessa eri tapauksessa. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa lasketaan taajuus ja aaltoliikkeen nopeus. Pitkittäinen aaltoliike Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii havainnollisella tavalla, mitä tarkoitetaan pitkittäisellä aaltoliikkeellä. Lisäksi opiskelija oppii värähdysajan ja aaltoliikkeen taajuuden välisen yhteyden sekä aaltoliikkeen perusyhtälön v = λf. Laboratoriossa mitataan pitkittäisessä aaltoliikkeessä värähdysaika ja aallonpituus kahdessa eri tapauksessa. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa lasketaan taajuus ja aaltoliikkeen nopeus. 13
4.7. Äänioppi Ääniopissa on 3 harjoitusta, joista kahdessa on mukana myös ääni. Äänen voimakkuus Vaikeustaso 2. Tässä harjoituksessa ei ole ääntä, koska mittauskohteena on äänen voimakkuus. Kuulohavainto riippuu tietokoneen äänen voimakkuuden asetuksista ja ohjelmassa mitatut äänen voimakkuudet eivät voi täsmätä koneelta kuullut äänen kanssa. Siksi opiskelijalle voisi syntyä vääriä kuvitelmia äänen voimakkuuksista. Opiskelija oppii desibeliasteikon ominaisuuksia ja tiedon, että äänitehon kaksinkertaistaminen lisää äänen voimakkuutta 3 db. Laboratoriossa mitataan äänen voimakkuuksia (äänen painetasoja), kun samanlaisia äänilähteitä (kaiuttimia) on 1, 2, 4 ja 8. Yhden kaiuttimen äänen voimakkuus arvotaan sopivalta väliltä, joten naapurin mittaamat tulokset eivät kelpaa omiksi mittaustuloksiksi. Kysymyksissä opiskelijan pitää oivaltaa mittaustulosten perusteella, että samanlaisten äänilähteiden kaksinkertaistuminen lisää äänen voimakkuutta 3 db. Lisäksi teoriasivujen perusteella täytyy tietää, mikä on pienin äänen voimakkuus, jolla työpaikoilla on käytettävä kuulosuojaimia. Äänen nopeus Vaikeustaso 2. Harjoituksessa on mukana myös ääni. Opiskelija oppii äänen nopeuksia eri väliaineissa. Myös kaava s = vt tulee kerratuksi. Laboratoriossa mitataan salaman välähdyksen ja ukkosen jyrinän välinen aikaero ja lasketaan sillä perusteella ukkosen etäisyys mittauspaikasta. Mittaus suoritetaan kolmessa eri tapauksessa. Etäisyydet arvotaan tietyltä väliltä. Kysymyksissä kysytään äänen nopeutta ilmassa, vedessä ja teräksessä. Vastaukset voi valita annetuista kolmesta vaihtoehdosta ja apua saa teoriaosiosta. Kitaran sävelet Vaikeustaso 2. Harjoituksessa on mukana myös ääni. 14
Opiskelija oppii äänen korkeuden ja taajuuden välistä yhteyttä, käsitteen oktaavi ja kitaran soiton fysiikkaa. Laboratoriossa mitataan kitaran paksuimman kielen eli E-kielen kolmentoista matalimman sävelen taajuudet. Kysymykset liittyvät oktaavikäsitteeseen. Valo-opissa on 11 harjoitusta. Kovera pallopeili Vaikeustaso 1. 4.8. Valo-oppi Opiskelija oppii, miten valo heijastuu koverasta pallopeilistä sekä polttovälin määrittämisen koverassa pallopeilissä. Lisäksi opiskelija oppii, missä koveraa pallopeiliä käytetään jokapäiväisessä elämässä. Laboratoriossa mitataan kolmen koveran pallopeilin polttoväli. Mittaus tehdään taskulampusta lähtevän pääakselin suuntaisen valokeilan avulla. Peilistä heijastuneen valokeilan ja pääakselin leikkauspisteestä voidaan lukea polttopiste ja sitä kautta mitata polttoväli. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, missä koveraa pallopeiliä käytetään. Kupera pallopeili Vaikeustaso 2. Opiskelija oppii, miten valo heijastuu kuperasta pallopeilistä sekä polttovälin määrittämisen kuperassa pallopeilissä. Lisäksi opiskelija oppii, missä kuperaa pallopeiliä käytetään jokapäiväisessä elämässä. Laboratoriossa mitataan kolmen kuperan pallopeilin polttoväli. Mittaus tehdään taskulampusta lähtevän pääakselin suuntaisen valokeilan avulla. Polttovälin määrittämistä varten opiskelija joutuu piirtämään heijastuneesta valokeilasta kaksi apuviivaa, joiden leikkauspisteessä on polttopiste. Tämä nostaa vaikeustason 2:een. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, missä kuperaa pallopeiliä käytetään. 15
Kupera linssi Vaikeustaso 1. Opiskelija oppii, miten valo taittuu kuperassa linssissä sekä polttovälin määrittämisen kuperassa linssissä. Lisäksi opiskelija oppii, missä kuperaa linssiä käytetään jokapäiväisessä elämässä. Laboratoriossa mitataan kolmen kuperan linssin polttoväli. Mittaus tehdään taskulampusta lähtevän pääakselin suuntaisen valokeilan avulla. Linssissä taittuneen valokeilan ja pääakselin leikkauspisteestä voidaan lukea polttopiste ja sitä kautta mitata polttoväli. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, missä kuperaa linssiä käytetään. Kovera linssi Vaikeustaso 2. Opiskelija oppii, miten valo taittuu koverassa linssissä sekä polttovälin määrittämisen koverassa linssissä. Lisäksi opiskelija oppii, missä koveraa linssiä käytetään jokapäiväisessä elämässä. Laboratoriossa mitataan kolmen koveran linssin polttoväli. Mittaus tehdään taskulampusta lähtevän pääakselin suuntaisen valokeilan avulla. Polttovälin määrittämistä varten opiskelija joutuu piirtämään taittuneesta valokeilasta kaksi apuviivaa, joiden leikkauspisteessä on polttopiste. Tämä nostaa vaikeusasteen 2:een. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään, missä koveraa linssiä käytetään. Optikolla Opiskelija oppii, millaisia silmän taittovirheitä korjataan kuperalla ja millaisia taittovirheitä koveralla linssillä. Laboratoriossa valitaan kuudelle potilaalle sopivat silmälasit tutkimalla, miten potilaan silmä taittaa pääakselin suuntaisen valokeilan. Sopivat silmälasit löytyvät, kun pääakselin suuntainen valokeila saadaan linssin avulla taittumaan verkkokalvolle. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa kysytään,oliko potilas likinäköinen, kaukonäköinen tai sitten näkö oli kunnossa. Huom! Mukana on yksi potilas, joka ei tarvitse silmälaseja. Kuvan muodostuminen kuperassa linssissä Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii linssien kuvausyhtälön ja määrittämään linssin polttovälin optisessa penkissä esineen ja kuvan avulla. Myös linssipintojen kaarevuussäteiden merkitys polttoväliin tulee konkreettisesti esille. Laboratoriossa mitataan esineen ja todellisen kuvan paikka kolmen kuperan linssin tapauksessa. Tulokset kirjataan mittauskaavakkeelle. Kysymysosiossa määritetään jokaisen linssin polttoväli 16
1 kuvausyhtälön a % 1 b ' 1 f lahjakkaille opiskelijoille. Värit 1. Kuvausyhtälö annetaan, joten soveltuu myös peruskoulun yläasteelle Vaikeusaste 3. (Suositellaan lahjakkaiden sekä erikoisesti kuvankäsittely- ja piirustusohjelmia tuntevien opiskelijoille myös peruskoulussa.) Opiskelija oppii RGB-värijärjestelmän. Laboratoriossa tutkitaan, mitä värejä syntyy, kun RGB-värijärjestelmän perusvärejä punainen (R), vihreä (G) ja sininen (B) yhdistellään. Kysymysosiossa kysytään erilaisia värilaskuja. Värit 2 Opiskelija oppii valon värin merkityksen siihen, minkä värisiltä esineet näyttävät. Laboratoriossa tutkitaan, minkä värisiltä näyttävät kananmuna, puun lehti, tomaatti ja banaani valkoisessa, punaisessa, vihreässä ja sinisessä valaistuksessa. Kysymysosiossa kysytään, minkä värisiltä näyttävät valkoisessa, punaisessa, vihreässä ja sinisessä valaistuksessa sininen pallo ja purppuranpunainen (magenta) ruusu. Valon taittuminen 1 Opiskelija oppii, miten valo taittuu, kun se saapuu optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen ja päinvastoin. Laboratoriossa mitataan taitekulma kahdella tulokulmalla, kun valo saapuu ilmasta veteen ja päinvastoin. Kysymysosiossa kysytään, miten valo taittuu kun se saapuu ilmasta veteen ja päinvastoin. Valon taittuminen 2 Vaikeusaste 3. Opiskelija oppii valon taittumislain. Laboratoriossa mitataan valon taitekulma ilman ja veden rajapinnassa viidellä eri tulokulmalla. sinα Kysymysosiossa lasketaan suhde, jossa α on tulokulma ja β taitekulma, jokaisella tulo- sinβ taitekulma -parilla. 17
Valon kokonaisheijastus Opiskelija oppii, mitä tarkoitetaan kokonaisheijastuksella ja milloin se on mahdollinen. Lisäksi heijastumislaki tulee tutuksi. Laboratoriossa mitataan kokonaisheijastuksen rajakulma veden ja ilman rajapinnassa. Lisäksi mitataan heijastuskulma kahdella tulokulmalla. Kysymysosiossa kysytään, milloin kokonaisheijastus on mahdollinen. Sähköopissa on 10 harjoitusta. 4.9. Sähköoppi Kuva 3. Sähköopin harjoituksissa tarvittavia laitteita: virtalähde, yleismittari, lamppu, vastus ja katkaisin. Elektroniikan harjoituksissa käytetään lisäksi paristoja. Laboratoriossa tehdään kytkentöjä aivan kuin oikeassa laboratoriossa ilman laitteistopelkoa tai pelkoa että laitteet menevät rikki. Eri harjoituksissa käytettävät laitteet ja komponentit on esitetty kuvassa 3 Sähköopin harjoitukset on rakennettu siten, että jokainen opiskelija oppii tekemään sähköopin peruskytkennät ja suorittamaan mittauksia. Alussa on 3 kädestä pitämällä ohjattua harjoitusta, joissa harjoitellaan pelkästään kytkentöjen tekemistä näyttämällä johdin kerrallaan, miten se yhdistetään. Näihin harjoituksiin palaamista suositellaan, jos kytkentöjen tekeminen on unohtunut muissa harjoituksissa. Kytkentäharjoitus 1 Opiskelija oppii kytkemään lampun virtalähteeseen. Kädestä pitäen harjoitus, jossa suoritetaan kuvan 4 mukainen kytkentä. 18 Kuva 4. Kytkentäharjoituksen 1 kytkentä.
Kytkentäharjoitus 2 Opiskelija oppii kytkemään kaksi komponenttia sarjaan ja yhdistämään ne virtalähteeseen. Kädestä pitäen harjoitus, jossa suoritetaan kuvan 5 mukainen kytkentä. Kuva 5. Kytkentäharjoituksen 2 kytkentä. Kytkentäharjoitus 3 Opiskelija oppii kytkemään jännite- ja virtamittarin virtapiiriin. Kädestä pitäen harjoitus, jossa suoritetaan kuvan 6 mukainen kytkentä. Lamppu Kuva 6. Kytkentäharjoituksen 3 kytkentä. Opiskelija oppii, kuinka jännite vaikuttaa lampun toimintaan. Myös jännitteen yksikkö tulee tutuksi. Laboratoriossa tehdään kuvan 7 mukainen kytkentä ja tutkitaan, miten lamppu palaa, kun jännitettä muutetaan. Harjoitukseen ei liity mittauskaavaketta. Kysymyskaavakkeella kysytään, kuinka suuri oli jännite, kun lamppu meni rikki ja kuinka suureen jännitteeseen lamput kytketään kotona. Kuva 7. Lamppu-harjoituksen kytkentä. 19