Kokeellinen fysiikka
Tutki, mittaa ja raportoi.
Tämä on lukiokohtainen opintojakso (Kiviruukin lukio). Sen tavoitteet ja sisällöt perustuvat lukion omaan suunnitelmaan, eivät valtakunnallisiin moduuleihin FY1–FY8.
Suunnitteilla. Tällä sivulla on opintojakson työversio. Tutkimuksia julkaistaan sitä mukaa kuin ne valmistuvat, eikä laajuutta tai arviointia ole vielä vahvistettu.
Suunnittele ja toteuta fysiikan kokeellisia tutkimuksia. Harjoittele mittaamista, graafista analyysiä, mittausepävarmuuden arviointia ja tieteellisen työselostuksen kirjoittamista.
Tutkimukset
27 julkaistua tutkimusta. F1–F3 kertoo, kuinka vaativaa fysiikkaa työ tarvitsee, ja E1–E3, kuinka vaativa mittaus ja analyysi on. Työtavan (ohjattu, osittain ohjattu tai itsenäinen) valitset tutkimuksen sivulla.
Yksikään tutkimus ei vastaa valintoja. Muuta valintoja tai näytä kaikki.
Liike ja voima
F1–F2 E1–E2Pudotus- ja pomppukorkeusMiten pallon pomppukorkeus riippuu pudotuskorkeudesta, ja kuinka suuri osa pallon mekaanisesta energiasta säilyy pompussa?
- F1–F2 E2Leikkiauton nopeus ja lähtökorkeus
Miten rataa alas laskevan leikkiauton nopeus riippuu lähtökorkeudesta, ja vastaavatko mittaukset energiaperiaatteeseen perustuvaa mallia?
- F1–F2 E2Liikemäärän säilyminen törmäyksissä
Säilyykö kahden vaunun kokonaisliikemäärä, kun vaunut törmäävät kimmoisasti tai tarttuvat törmäyksessä yhteen?
- F1–F2 E1–E2Jousivakion määrittäminen
Miten jousen venymä riippuu jousta venyttävästä voimasta, ja kuinka suuri on jousen jousivakio?
- F2 E3Hypyn tutkiminen voimalevyllä
Miten hyppääjän lähtönopeus ja hypyn korkeus saadaan voimalevyn mittaamasta voima–aika-kuvaajasta, ja vastaako tulos toisella menetelmällä määritettyä hyppykorkeutta?
- F2 E3Hissin kulkema matka kiihtyvyydestä
Kuinka pitkän matkan hissi kulkee, kun matka päätellään pelkästä kiihtyvyysmittauksesta, ja kuinka hyvin tulos vastaa todellista matkaa?
- F2 E3Pallon muotokertoimen määrittäminen
Kuinka suuri on kevyen pallon muotokerroin, kun se määritetään pallon rajanopeudesta?
- F2 E2Liukukitkakertoimen määrittäminen
Miten jarruttavan vaunun pysähtymismatka riippuu sen alkunopeudesta, ja kuinka suuri on jarrun ja radan välinen liukukitkakerroin?
- F3 E1–E3Umpinaisen sylinterin hitausmomentti
Kuinka suuri on umpinaisen sylinterin hitausmomentti, kun se määritetään kaltevaa tasoa alas vierivän sylinterin liikkeestä, ja vastaako tulos teoreettista mallia?
Lämpö ja energia
F1–F2 E2Lämmön johtuminen lämpökamerallaMikä tutkittavista materiaaleista johtaa lämpöä tehokkaimmin, ja miten sen voi päätellä lämpökameralla mitatuista lämpötiloista?
- F2 E2–E3Tuulivoimalan tutkiminen
Miten valitsemasi tekijä vaikuttaa tuulivoimalan pienoismallin tuottamaan sähkötehoon?
- F2 E2Uppokuumentimen hyötysuhteen määrittäminen
Kuinka suuri osa uppokuumentimeen tuodusta sähköenergiasta lämmittää kalorimetrissä olevaa vettä, ja pysyykö tämä osuus samana koko lämmityksen ajan?
- F2 E2Kuuman veden jäähtyminen
Miten kuuman veden lämpötila muuttuu ajan funktiona, kun vesi jäähtyy huoneessa, ja kuinka hyvin Newtonin jäähtymislaki kuvaa jäähtymistä?
- F2 E3Kaasun tilanyhtälön kokeellinen tutkiminen
Miten suljetun kaasun paine riippuu sen tilavuudesta ja lämpötilasta, ja kuinka hyvin mittaukset noudattavat ideaalikaasun mallia?
- F2 E3Vesivoimalaitoksen pienoismallin hyötysuhde
Kuinka suuri osa putoavan veden energiasta muuttuu pienoisvoimalaitoksessa sähköksi, ja miten hyötysuhde riippuu käyttötilanteesta?
Värähtely, aallot ja valo
F2 E2Putoamiskiihtyvyyden määrittäminen heilurin avullaMistä heilurin jaksonaika riippuu, ja kuinka suuri on putoamiskiihtyvyys mittauspaikallasi?
- F1 E2–E3Äänen nopeus kulkuajasta
Kuinka suuri on äänen nopeus ilmassa, kun se määritetään mittaamalla, kauanko ääneltä kuluu tunnetun matkan kulkemiseen?
- F1–F2 E2Valaistusvoimakkuuden riippuvuus etäisyydestä
Miten lampun aiheuttama valaistusvoimakkuus riippuu etäisyydestä lamppuun, ja vastaako riippuvuus teoriasta odotettavaa mallia?
- F2 E2Äänen resonanssi putkessa
Millä ilmapatsaan pituuksilla putkessa syntyy resonanssi, ja kuinka suuri on äänen nopeus ilmassa resonanssikohtien perusteella?
- F2 E1–E2Valonnopeuden määrittäminen mikroaaltouunilla
Miten mikroaaltouunissa syntyvästä seisovasta aallosta voidaan määrittää mikroaaltojen aallonpituus, ja kuinka suureksi valonnopeus saadaan sen ja uunin taajuuden avulla?
- F3 E2–E3Hiuksen paksuuden määrittäminen
Kuinka paksu hius on, kun paksuus määritetään hiuksen taakse syntyvästä valon diffraktiokuviosta?
- F2 E1–E2Taitekertoimen määrittäminen
Miten valon taitekulma riippuu tulokulmasta, kun valo tulee läpinäkyvästä kappaleesta ilmaan, ja kuinka suuri on kappaleen aineen taitekerroin?
Sähkö ja magnetismi
F2 E2Pariston kuormituskäyräMiten pariston napajännite riippuu paristosta otettavasta sähkövirrasta, ja mitkä ovat pariston lähdejännite, sisäinen resistanssi ja oikosulkuvirta?
- F3 E2Kondensaattorin kapasitanssin määrittäminen
Miten kondensaattorin jännite muuttuu, kun kondensaattori purkautuu tai varautuu vastuksen kautta, ja kuinka suuri on kondensaattorin kapasitanssi?
- F2 E2Muuntajan tutkiminen
Miten muuntajan toisiojännite riippuu käämien kierroslukujen suhteesta, kuinka hyvin ideaalisen muuntajan malli kuvaa mittauksia, ja kuinka suuri on muuntajan hyötysuhde?
- F2 E2Sähkömagneettisen induktion tutkiminen
Miten käämiin indusoituva jännite riippuu valitsemastasi tekijästä, esimerkiksi magneetin nopeudesta tai käämin kierrosluvusta?
Aine ja säteily
F3 E2–E3Planckin vakio LEDien avullaMiten LEDin kynnysjännite riippuu sen lähettämän valon aallonpituudesta, ja kuinka suuri Planckin vakio on tämän perusteella?
TVT-ohjeet
Lyhyet ohjeet taitoihin, joita tutkimuksissa tarvitaan. Tutkimussivu kertoo, mitä ohjetta milloinkin tarvitset.
- Mittauspisteiden kuvaajaNäin piirrät mittaustuloksista kuvaajan, josta näkee suureiden riippuvuuden ja jota voi käyttää mallin testaamiseen.
- Suoran sovittaminen mittauspisteisiinNäin sovitat mittauspisteisiin suoran, tarkistat, sopiiko malli mittauksiin, ja muutat kaarevan riippuvuuden suoraksi.
- Kulmakertoimen ja vakiotermin tulkintaNäin luet sovitetun suoran kulmakertoimen ja vakiotermin yksikköineen ja selvität mallin avulla, mitä ne kertovat.
- Kulmakertoimen epävarmuusNäin arvioit sovitetun suoran kulmakertoimen epävarmuuden ja ilmoitat siitä lasketun tuloksen epävarmuuksineen.
- VideoanalyysiNäin kuvaat liikkeen videolle ja määrität siitä kappaleen paikan ajan funktiona analyysiohjelmalla tai kuvia laskemalla.
- Taulukko ja lasketut sarakkeetNäin kirjoitat mittaukset Graphical Analysis Pron taulukkoon, lasket niistä uusia suureita laskettuina sarakkeina ja viet datan tiedostoon.
- Anturit ja mittausohjelmaNäin valmistelet anturin mittaukseen Graphical Analysis Prolla, tallennat mittaussarjan ja luet siitä arvoja, keskiarvoja ja pinta-aloja.
- Nopeuden ja matkan määrittäminen mittausdatastaNäin lasket nopeuden ja kuljetun matkan paikka-, aika- tai kiihtyvyysdatasta ja tunnistat, milloin virhe kasvaa.
- Kuvaajat ja tulokset työselostukseenNäin esität mittaustaulukon, kuvaajan ja tuloksen työselostuksessa niin, että lukija voi tarkistaa työsi.
Opintojaksolla opit
Työversio: tavoitteet tarkentuvat, kun opintojakson suunnitelma valmistuu.
- muotoilemaan mielekkäitä ja täsmällisiä tutkimuskysymyksiä
- yhdistämään tutkimuskysymyksen fysiikan teoriaan ja malleihin
- suunnittelemaan kokeen sekä valitsemaan sopivat muuttujat ja menetelmät
- keräämään luotettavaa mittausaineistoa
- laatimaan ja tulkitsemaan kuvaajia sekä muodostamaan matemaattisia malleja
- arvioimaan mittausepävarmuutta ja tulosten luotettavuutta
- tekemään mittausaineistoon perustuvia johtopäätöksiä
- kirjoittamaan selkeän ja toistettavan työselostuksen
Opintojakson eteneminen
Suunnitellut teema-alueet, joiden kautta kokeellinen osaaminen kehittyy ohjatuista töistä itsenäiseen tutkimukseen. Ne eivät ole oppituntijako.
- 1Tieteellinen tutkimus ja tutkimuskysymykset
- 2Hypoteesit, teoreettiset mallit ja ennusteet
- 3Kokeen suunnittelu, muuttujat ja vakioidut suureet
- 4Mittausmenetelmät ja järjestelmällinen mittaaminen
- 5Graafinen analyysi ja matemaattinen mallintaminen
- 6Mittausepävarmuus ja luotettavuus
- 7Tieteellinen raportointi ja mittauksiin perustuvat johtopäätökset
- 8Itsenäinen kokeellinen tutkimus
Työskentelytavat
Samaa tutkimusta voi tehdä eri tavoin tuettuna. Tuen määrä ei kerro, kuinka vaativaa työn fysiikka on.
- Ohjattu tutkimus
- Menetelmä ja analyysin tärkeimmät vaiheet on tuettu. Ennustat, selität ja pohdit silti itse.
- Osittain ohjattu tutkimus
- Teet osan menetelmävalinnoista itse ja perustelet ne.
- Itsenäinen tutkimus
- Muotoilet tai tarkennat tutkimuskysymyksen, suunnittelet menetelmän, analysoit tulokset ja perustelet ratkaisusi.
Työselostus
Jokainen tutkimus raportoidaan samalla työselostuspohjalla. Sen osat ja niiden tehtävä:
- Tutkimuskysymys ja tavoite: mitä ilmiötä tutkitaan ja mitä suuretta tai riippuvuutta määritetään
- Tausta ja teoria: työn fysiikka, graafinen malli ja perusteltu hypoteesi
- Koejärjestely ja menetelmä: välineet, kuva järjestelystä ja työvaiheet niin, että toinen voi toistaa kokeen
- Mittaustulokset: alkuperäiset mittaukset taulukossa, johdetut suureet omissa sarakkeissaan
- Tulosten käsittely ja graafinen analyysi: mallilasku, kuvaaja, sovitus ja sen fysikaalinen tulkinta
- Tulos: päätulos epävarmuuksineen ja vertailu vertailuarvoon
- Johtopäätökset: vastaus tutkimuskysymykseen mittausten ja kuvaajan perusteella
- Luotettavuus ja mittausepävarmuus: tärkeimmät epävarmuuden lähteet, niiden vaikutus ja miten koetta voisi parantaa
- Lähteet: käytetyt lähteet niin, että ne löytyvät uudelleen
Valmistaudu jo nyt
Nämä jo julkaistut luvut tukevat opintojakson kokeellisia töitä.
- FY1 Mittaaminen ja mittauksen luotettavuusmittaustarkkuus, mittausepävarmuus ja tuloksen ilmoittaminen
- FY1 Graafinen esitys ja suoran sovittaminenkuvaajan laatiminen, suoran sovittaminen ja kulmakertoimen tulkinta
- FY1 Oma kokeellinen tutkimus: suunnittelu, toteutus ja raportointioman kokeellisen tutkimuksen suunnittelu, toteutus ja raportointi