Sovella itsenäisesti
Näissä tehtävissä kukaan ei kerro, mitä kaavaa käyttää. Päätä itse, mitkä ilmiöt ja mallit tilanteeseen liittyvät, ratkaise tehtävä paperille ja perustele ratkaisusi, kuten ylioppilaskokeessa.
Kaksi tehtävää kokoavat moduulin mittaamisen, kuvaajien ja tutkimisen taidot. Kolmannella arvioit oman tutkimusraporttisi.
Ratkaise ensin itse paperille tai tietokoneelle. Saat käyttää laskinta, taulukkokirjaa ja kuvaajaohjelmaa. Kirjoita näkyviin perustelut, kaavat, sijoitukset ja vastaukset yksiköineen.
Varmista käsitteet ennen tehtäviä
Nämä moduulin kortit ovat kertauspakassasi. Käy ne läpi ennen kuin aloitat tehtävät.
Vierivä pallo videolla 12 pistettä
Keksitty esimerkkiaineisto · Aineisto on laadittu esimerkiksi tällaisesta mittauksesta, eikä se ole oikean mittauksen tulos.
Opiskelija päästää pallon vierimään lyhyttä ramppia alas lattialle ja kuvaa liikkeen puhelimella sivulta. Videoanalyysisovellus antaa pallon keskipisteen paikan $s$ lähtökohdasta mitattuna $0{,}20\,\text{s}$:n välein. Rampin alapää on noin $16\,\text{cm}$:n päässä lähtökohdasta. Videossa yksi kuvapiste vastaa lattialla $2{,}5\,\text{mm}$:ä.
| $t\ (\text{s})$ | $s\ (\text{mm})$ |
|---|---|
| $0{,}0$ | $0{,}0$ |
| $0{,}2$ | $38{,}9$ |
| $0{,}4$ | $157{,}9$ |
| $0{,}6$ | $320{,}9$ |
| $0{,}8$ | $477{,}4$ |
| $1{,}0$ | $640{,}2$ |
| $1{,}2$ | $799{,}2$ |
| $1{,}4$ | $957{,}3$ |
| $1{,}6$ | $1120{,}0$ |
| $1{,}8$ | $1277{,}2$ |
| $2{,}0$ | $1439{,}6$ |
- a) Piirrä aineistosta $(t, s)$-kuvaaja ja sovita siihen malli niihin pisteisiin, joihin se sopii. 3 p
- b) Määritä kuvaajan avulla pallon nopeus lattialla. Perustele, mitä mittauspisteitä käytit. 3 p
- c) Sovellus ilmoittaa paikat $0{,}1\,\text{mm}$:n tarkkuudella. Arvioi, kuinka tarkasti pallon paikka todella tunnetaan. Ilmoita b-kohdan nopeus perustellulla tarkkuudella. 3 p
- d) Opiskelijan pari jatkaa sovitettua suoraa ja päättelee, että pallo on $10\,\text{s}$:n kuluttua noin $7{,}8\,\text{m}$:n päässä lähtökohdasta. Arvioi päätelmää. Selitä myös, miksi sovitettu suora ei kulje origon kautta. 3 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Kysytty
aineiston $(t, s)$-kuvaaja
Kuvaaja
Vaaka-akselilla on aika $t\ (\text{s})$ ja pystyakselilla paikka $s$. Paikat kannattaa muuntaa metreiksi, esimerkiksi $1439{,}6\,\text{mm} = 1{,}4396\,\text{m}$, jolloin kulmakerroin saadaan suoraan yksikössä $\text{m/s}$. Jokainen rivi on yksi erillinen piste.
Mallivastaus
Pisteet hetkestä $0{,}4\,\text{s}$ alkaen asettuvat suoralle, joten niihin sovitetaan suora: pallo vierii lattialla tasaisesti. Hetkellä $0{,}4\,\text{s}$ pallo on rampin alapäässä (noin $16\,\text{cm}$) ja on jo saavuttanut lattianopeutensa. Kaksi ensimmäistä pistettä ovat rampilta, jossa vauhti vasta kasvaa: ne jäävät suoran yläpuolelle eivätkä kuulu sovitukseen. Pisteitä ei yhdistetä murtoviivaksi, koska jokaisessa mittauksessa on pieni virhe.
b)
Annettu
a-kohdan kuvaaja ja lattialla otetut pisteet $t = 0{,}4\text{–}2{,}0\,\text{s}$
Kysytty
pallon nopeus $v$ lattialla
Periaate
Lattialla pisteet ovat suoralla, joten pallo liikkuu tasaisesti: sen paikka on $s = s_0 + vt$, ja nopeus on sovitetun suoran kulmakerroin. Rampin pisteet jätetään pois, koska niissä nopeus vasta kasvaa.
Kuvaajan lukeminen
Suoralta luetaan kaksi kaukana toisistaan olevaa pistettä, $(0{,}6\,\text{s}$; $0{,}32\,\text{m})$ ja $(2{,}0\,\text{s}$; $1{,}44\,\text{m})$. Ne ovat suoran pisteitä, eivät mittauspisteitä.
Kaava
Muunnokset
Paikat on jo luettu metreinä: $320\,\text{mm} = 0{,}32\,\text{m}$ ja $1440\,\text{mm} = 1{,}44\,\text{m}$.
Sijoitus
Vastaus
$v \approx 0{,}80\,\text{m/s}$
Tarkkuus perustellaan c-kohdassa.
Järkevyys
Pallo kulkee lattialla noin $16\,\text{cm}$ jokaisen $0{,}20\,\text{s}$:n aikana, eli $0{,}16\,\text{m} : 0{,}20\,\text{s} = 0{,}80\,\text{m/s}$. Vauhti on hitaan kävelyn luokkaa, mikä sopii matalalta rampilta vierivälle pallolle.
c)
Kysytty
paikan todellinen tarkkuus ja nopeuden perusteltu tarkkuus
Periaate
Näytön numerot eivät kerro mittauksen tarkkuutta. Videolla paikan epävarmuutta voi arvioida kuvapisteen koosta: pallon reunan paikka voi heittää kuvapisteen tai kaksi.
Mallivastaus
Yksi kuvapiste vastaa $2{,}5\,\text{mm}$:ä, joten pallon paikka tunnetaan noin $\Delta s \approx 3\,\text{mm}$:n tarkkuudella. Sovellus laskee pallon keskipisteen sen reunan kuvapisteistä ja voi antaa paikan kuvapisteen osina, mutta reuna on liikkuvassa pallossa hieman sumea. Sovelluksen näyttämä $0{,}1\,\text{mm}$:n numero syntyy laskennasta, kun kuvapisteet muunnetaan millimetreiksi, eikä se kerro mitään mittauksen tarkkuudesta: jo millimetrien numero on epävarma. Sama näkyy pisteiden sironnassa: lattialla pisteet poikkeavat sovitetusta suorasta muutaman millimetrin. Nopeus määritettiin $1{,}12\,\text{m}$:n matkasta, jonka epävarmuus on muutama millimetri eli alle prosentti, joten nopeus ilmoitetaan muodossa $v = 0{,}80\,\text{m/s}$. Pienimmän neliösumman sovitus antaa $0{,}799\,\text{m/s}$: kolmas merkitsevä numero on vielä perusteltavissa, mutta neljäs ei ole.
d)
Kysytty
arvio ekstrapoloinnista ja selitys suoran vakiotermille
Periaate
Malli on testattu vain sillä välillä, jolla mitattiin. Sovitetun suoran vakiotermi on suoran ja $s$-akselin leikkauskohta.
Mallivastaus
Päätelmä ei ole luotettava. Suora on testattu vain välillä $0{,}4\text{–}2{,}0\,\text{s}$ eli $1{,}6\,\text{s}$:n ajalta, ja päätelmä jatkaa sitä yli kuusi kertaa pidemmälle. Todellisuudessa vierimisvastus hidastaa palloa vähitellen, ja $7{,}8\,\text{m}$:n matkalla pallo luultavasti osuu seinään tai huonekaluun. Tasaisen liikkeen mallia voi siksi käyttää pidemmälle ajalle vasta, kun se on testattu pidemmällä mittauksella.
Sovitetun suoran vakiotermi on noin $s_0 = -0{,}16\,\text{m}$. Se ei ole pallon paikka hetkellä $0\,\text{s}$, sillä pallo lähti kohdasta $s = 0$. Rampilla pallo kulki aluksi hitaammin kuin lattialla. Jos se olisi liikkunut koko ajan lattianopeudella $0{,}80\,\text{m/s}$, se olisi ehtinyt pidemmälle. Siksi lattialiikettä kuvaava suora on siirtynyt alaspäin ja leikkaa $s$-akselin origon alapuolella.
Yleisiä virheitä
- Pisteet yhdistetään murtoviivaksi, tai yksi suora sovitetaan kaikkiin pisteisiin rampin pisteet mukaan lukien. Silloin kulmakerroin on liian pieni.
- Kulmakerroin lasketaan kahdesta vierekkäisestä mittauspisteestä, jolloin yksittäisen pisteen virhe vaikuttaa tulokseen paljon.
- Nopeus ilmoitetaan sovelluksen kaikilla numeroilla, esimerkiksi $0{,}7993\,\text{m/s}$.
- Suoran vakiotermi tulkitaan pallon alkupaikaksi, vaikka pallo lähti origosta.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)3 p
b)3 p
c)3 p
d)3 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 12 (12 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Kuvaajat ja aineiston analyysi: Graafinen esitys ja suoran sovittaminen
- Matemaattinen ratkaisu: Tasainen liike – nopeus, paikka ja kuvaajat
- Kokeellinen päättely: Mittaaminen ja mittauksen luotettavuus
- Käsitteellinen ymmärrys: Tasainen liike – nopeus, paikka ja kuvaajat
- Mallin valinta ja soveltaminen: Graafinen esitys ja suoran sovittaminen
Kahden kuulan kilpa 15 pistettä
Keksitty esimerkkiaineisto · Työselostus ja mittaukset on laadittu esimerkiksi.
Ryhmä tutki, vaikuttaako kuulan massa siihen, kuinka kauan kuulalta kestää vieriä rampin alas. Tässä on ryhmän työselostus.
Tutkimuskysymys. Vierivätkö raskaat kuulat nopeammin?
Hypoteesi. Raskas kuula on nopeampi, koska painovoima vetää sitä enemmän.
Välineet. $1{,}2\,\text{m}$ pitkä ramppi, kirjapino, teräskuula ($110\,\text{g}$), samankokoinen umpinainen muovikuula ($16\,\text{g}$) ja puhelimen sekuntikellosovellus, joka näyttää tuhannesosasekunnit.
Menetelmä. Nostimme rampin yläpään kirjapinon päälle. Päästimme teräskuulan rampin yläpäästä, ja Eetu käynnisti ajanoton kuulan lähtiessä. Muovikuula ei meinannut lähteä liikkeelle, joten annoimme sille pienen tönäisyn suunnilleen samasta kohdasta. Välissä kirjapinosta otettiin yksi kirja pois, koska sitä tarvittiin toisella tunnilla. Ajanotto pysäytettiin, kun kuula osui rampin päässä olevaan seinään.
Tulokset. Teräskuula $2{,}437\,\text{s}$, muovikuula $2{,}109\,\text{s}$.
Johtopäätös. Muovikuula oli $0{,}328\,\text{s}$ nopeampi, joten hypoteesi on väärä: kevyt kuula vierii nopeammin. Kevyet kappaleet liikkuvat aina nopeammin kuin raskaat.
Opettajan palautteen jälkeen ryhmä korjasi menetelmänsä ja mittasi uudelleen:
| Mittaus | teräskuula $t\ (\text{s})$ | muovikuula $t\ (\text{s})$ |
|---|---|---|
| $1$ | $2{,}31$ | $2{,}40$ |
| $2$ | $2{,}45$ | $2{,}33$ |
| $3$ | $2{,}38$ | $2{,}47$ |
| $4$ | $2{,}29$ | $2{,}36$ |
| $5$ | $2{,}42$ | $2{,}44$ |
- a) Etsi ensimmäisestä työselostuksesta neljä merkittävää puutetta. Kerro kunkin kohdalla, miksi se heikentää tutkimusta ja miten se korjataan. 8 p
- b) Laske uusista mittauksista kummankin kuulan vierimisajan keskiarvo ja arvioi tulosten epävarmuus. Voiko mittausten perusteella sanoa, että kuulien vierimisajat eroavat? 4 p
- c) Kirjoita ryhmälle uusi johtopäätös. 3 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Kysytty
neljä merkittävää puutetta, miksi kukin heikentää tutkimusta ja miten se korjataan
Periaate
Reilussa kokeessa muutetaan vain yhtä suuretta kerrallaan, toistetaan mittaukset, arvioidaan epävarmuus ja tehdään johtopäätös vain siitä, mitä mittaukset osoittavat.
Mallivastaus
Mitkä tahansa neljä seuraavista, kukin perusteltuna ja korjattuna:
1. Muutkin olosuhteet muuttuivat kuin massa. Muovikuula tönäistiin liikkeelle, se lähti vain suunnilleen samasta kohdasta ja ramppi madaltui välissä. Ajan ero voi johtua näistä eikä massasta. Korjaus: molemmat kuulat päästetään levosta samasta merkitystä kohdasta samalla kaltevuudella.
2. Kumpikin kuula mitattiin vain kerran. Käsin otetussa ajassa on satunnaisvirhettä, joten yhdestä mittauksesta ei näe, kuinka paljon tulos vaihtelee. Korjaus: vähintään viisi toistoa kummallekin kuulalle ja niiden keskiarvo.
3. Tulokset on ilmoitettu liian tarkasti. Sekuntikellosovellus näyttää tuhannesosasekunteja, mutta ihmisen reaktioaika vaihtelee noin $0{,}1\text{–}0{,}2\,\text{s}$. Korjaus: ilmoitetaan ajat sadasosasekunnin tarkkuudella ja arvioidaan epävarmuus toistojen vaihtelusta.
4. Epävarmuutta ei ole arvioitu. Ero $0{,}33\,\text{s}$ voi olla kokonaan mittausvirhettä. Korjaus: arvioidaan epävarmuus toistoista ja verrataan eroa siihen.
5. Johtopäätös yleistää liikaa. Yhdestä rampista ja kahdesta kuulasta ei voi päätellä mitään kaikista kappaleista. Korjaus: rajataan päätelmä tutkittuihin oloihin.
6. Tutkimuskysymys on epätarkka. Ei kerrota, mitä "nopeammin" tarkoittaa ja mitä mitataan. Korjaus: "Riippuuko kuulan vierimisaika rampin alas sen massasta, kun kuulat ovat samankokoisia ja umpinaisia?"
b)
Annettu
teräskuulan ajat $2{,}31$; $2{,}45$; $2{,}38$; $2{,}29$; $2{,}42\,\text{s}$ ja muovikuulan ajat $2{,}40$; $2{,}33$; $2{,}47$; $2{,}36$; $2{,}44\,\text{s}$
Kysytty
keskiarvot $\bar{t}$ ja tulosten epävarmuusarviot $\Delta t$ sekä päätelmä erosta
Periaate
Toistojen keskiarvo on paras arvio vierimisajasta. Vaihteluvälin puolikas on yksinkertainen arvio yksittäisten mittausten hajonnasta, ja tässä sitä käytetään yksinkertaisena, varovaisena epävarmuusarviona vertailussa. Keskiarvon oma epävarmuus on yleensä tätä pienempi. Eron voi sanoa osoitetuksi vain, jos se on selvästi suurempi kuin nämä epävarmuusarviot.
Kaava
Muunnokset
Ei tarvita, kaikki ajat ovat sekunteina.
Sijoitus
Teräs:
Muovi:
Keskiarvojen ero on $2{,}40\,\text{s} - 2{,}37\,\text{s} = 0{,}03\,\text{s}$.
Vastaus
Teräskuula $t = (2{,}37 \pm 0{,}08)\,\text{s}$ ja muovikuula $t = (2{,}40 \pm 0{,}07)\,\text{s}$, sadasosasekunnin tarkkuudella kuten mittaukset. Ero $0{,}03\,\text{s}$ on pienempi kuin kumpikaan epävarmuus, ja välit menevät päällekkäin. Mittausten perusteella vierimisaikojen eroa ei voida osoittaa tällä mittaustarkkuudella. Päätelmä ei muutu, vaikka keskiarvojen epävarmuus arvioitaisiin tarkemmin: viiden toiston keskiarvoille se on noin $0{,}03\,\text{s}$, eikä ero ole sitä selvästi suurempi.
Järkevyys
Toistojen vaihtelu, noin $0{,}1\,\text{s}$, on käsin otetun ajan reaktioajan luokkaa, joten epävarmuuden suuruus on uskottava.
c)
Kysytty
tutkimuskysymykseen vastaava, epävarmuuden huomioiva johtopäätös
Periaate
Johtopäätös vastaa tutkimuskysymykseen, kertoo tuloksen epävarmuuksineen ja rajaa päätelmän olosuhteisiin, joissa mitattiin.
Mallivastaus
Mittauksissa ei havaittu, että kuulan massa vaikuttaisi vierimisaikaan: mahdollinen ero jäi mittausepävarmuutta pienemmäksi. Teräskuulan ($110\,\text{g}$) vierimisaika oli $(2{,}37 \pm 0{,}08)\,\text{s}$ ja muovikuulan ($16\,\text{g}$) $(2{,}40 \pm 0{,}07)\,\text{s}$. Ero $0{,}03\,\text{s}$ on pienempi kuin mittausten epävarmuus, joten hypoteesi raskaan kuulan nopeammasta vierimisestä ei saanut tukea. Tulos koskee samankokoisia umpinaisia kuulia tällä rampilla. Pienemmän eron havaitsemiseen tarvittaisiin tarkempi ajanotto, esimerkiksi valoportit.
Hyväksytään myös
- Epävarmuuden voi arvioida muullakin perustellulla tavalla, esimerkiksi keskiarvon keskivirheellä. Päätelmä on sama: ero on epävarmuutta pienempi.
Yleisiä virheitä
- Puutteeksi nimetään asia, joka ei heikennä tutkimusta, esimerkiksi rampin pituus.
- Puute nimetään, mutta korjausta ei kerrota tai se ei poista ongelmaa.
- Keskiarvo ilmoitetaan laskimen kaikilla numeroilla, esimerkiksi $2{,}370\,\text{s}$, tai epävarmuus jätetään pois.
- Johtopäätös "massa ei vaikuta mihinkään" yleistää liikaa samaan tapaan kuin alkuperäinen.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)8 p
b)4 p
c)3 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 15 (15 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Kokeellinen päättely: Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi
- Matemaattinen ratkaisu: Mittaaminen ja mittauksen luotettavuus
- Fysikaalinen selittäminen: Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi
Arvioi oma tutkimusraporttisi oma työ
Luvussa Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi suunnittelit ja teit oman kokeen ja kirjoitit siitä raportin. Ota raporttisi esiin ja arvioi se alla olevilla kriteereillä. Kriteerit kertovat myös, mitä hyvään tutkimusraporttiin kuuluu, joten voit käyttää niitä jo raporttia kirjoittaessasi.
Avaa arviointikriteerit
Valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka raporttisi mielestäsi ansaitsee.
Itsearvioidut pisteet: 0 / 14 (8 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Kokeellinen päättely: Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi
- Fysikaalinen selittäminen: Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointi
- Kuvaajat ja aineiston analyysi: Graafinen esitys ja suoran sovittaminen
- Matemaattinen ratkaisu: Mittaaminen ja mittauksen luotettavuus