Sovella itsenäisesti
Näissä tehtävissä kukaan ei kerro, mitä kaavaa käytetään. Päätä itse, mitkä ilmiöt ja mallit kuuluvat tilanteeseen. Ratkaise tehtävä paperille. Perustele ratkaisusi niin kuin ylioppilaskokeessa.
Kaksi ensimmäistä tehtävää kokoavat yhteen moduulin taidot. Niitä ovat mittaaminen, kuvaajat ja tutkiminen. Kolmannessa tehtävässä arvioit oman tutkimusraporttisi.
Ratkaise tehtävä ensin itse paperille tai tietokoneelle. Saat käyttää laskinta, taulukkokirjaa ja kuvaajaohjelmaa. Kirjoita näkyviin perustelut, kaavat, sijoitukset ja vastaukset yksiköineen.
Varmista käsitteet ennen tehtäviä
Nämä kortit ovat kertauspakassasi. Katso ne ennen tehtäviä.
Vierivä pallo videolla 12 pistettä
Keksitty esimerkkiaineisto · Aineisto on tehty esimerkiksi tällaisesta mittauksesta. Se ei ole oikean mittauksen tulos.
Opiskelija päästää pallon vierimään lyhyttä ramppia alas lattialle. Hän kuvaa liikkeen puhelimella sivulta. Videoanalyysisovellus antaa pallon keskipisteen paikan $s$ aina $0{,}20\,\text{s}$:n välein. Paikka mitataan lähtökohdasta. 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. Sovita kuvaajaan malli. Käytä vain niitä pisteitä, joihin malli 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 niin tarkasti kuin voit perustella. 3 p
- d) Opiskelijan pari jatkaa sovitettua suoraa. Pari päättelee, että pallo on $10\,\text{s}$:n kuluttua noin $7{,}8\,\text{m}$:n päässä lähtökohdasta. Arvioi tätä 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 $s$. Muunna paikat metreiksi, esimerkiksi $1439{,}6\,\text{mm} = 1{,}4396\,\text{m}$. Silloin kulmakerroin tulee suoraan yksikössä $\text{m/s}$. Jokainen rivi on yksi erillinen piste.
Mallivastaus
Pisteet hetkestä $0{,}4\,\text{s}$ alkaen ovat samalla suoralla. Siksi niihin sovitetaan suora: pallo vierii lattialla tasaisesti. Hetkellä $0{,}4\,\text{s}$ pallo on rampin alapäässä (noin $16\,\text{cm}$). Silloin pallolla on jo sama nopeus kuin lattialla. Kaksi ensimmäistä pistettä ovat rampilta. Rampilla vauhti vasta kasvaa. Siksi nämä pisteet jäävät suoran yläpuolelle, eivätkä ne 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 $s = s_0 + vt$. Nopeus on sovitetun suoran kulmakerroin. Rampin pisteet jätetään pois, koska niissä nopeus vasta kasvaa.
Kuvaajan lukeminen
Lue suoralta kaksi pistettä, jotka ovat kaukana toisistaan: $(0{,}6\,\text{s}$; $0{,}32\,\text{m})$ 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. Siis $0{,}16\,\text{m} : 0{,}20\,\text{s} = 0{,}80\,\text{m/s}$. Vauhti on hitaan kävelyn luokkaa. Se 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. Siksi pallon paikka tunnetaan noin $\Delta s \approx 3\,\text{mm}$:n tarkkuudella. Sovellus laskee pallon keskipisteen sen reunan kuvapisteistä. Se voi antaa paikan kuvapisteen osina, mutta liikkuvan pallon reuna on hieman sumea. Sovelluksen näyttämä $0{,}1\,\text{mm}$:n numero syntyy laskennasta, kun kuvapisteet muunnetaan millimetreiksi. Se ei 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. Matkan epävarmuus on muutama millimetri eli alle prosentti. Siksi 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 (suoran jatkamisesta mittausvälin ulkopuolelle) 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. Päätelmä jatkaa suoraa yli kuusi kertaa pidemmälle. Todellisuudessa vierimisvastus hidastaa palloa vähitellen. Lisäksi $7{,}8\,\text{m}$:n matkalla pallo luultavasti osuu seinään tai huonekaluun. Tasaisen liikkeen mallia voi siis 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 pallo olisi liikkunut koko ajan lattianopeudella $0{,}80\,\text{m/s}$, se olisi ehtinyt pidemmälle. Siksi lattialiikettä kuvaava suora on siirtynyt alaspäin. Se leikkaa $s$-akselin origon alapuolella.
Yleisiä virheitä
- Pisteet yhdistetään murtoviivaksi. Tai yksi suora sovitetaan kaikkiin pisteisiin, myös rampin pisteisiin. Silloin kulmakerroin on liian pieni.
- Kulmakerroin lasketaan kahdesta vierekkäisestä mittauspisteestä. Silloin 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 omaa ratkaisuasi mallivastaukseen. Valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi ansaitsee mielestäsi. Voit antaa myös osapisteitä. Myös muu fysiikan kannalta 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. Ne eivät ole tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma. Se perustuu siihen, millainen on hyvä vastaus ylioppilaskokeessa. Se ei ole YTL:n virallinen pisteytys.
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 tehty esimerkiksi.
Ryhmä tutki, vaikuttaako kuulan massa siihen, kuinka kauan kuula vierii 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. Sovellus näyttää tuhannesosasekunnit.
Menetelmä. Nostimme rampin yläpään kirjapinon päälle. Päästimme teräskuulan rampin yläpäästä. Eetu käynnisti ajanoton, kun kuula lähti liikkeelle. Muovikuula ei meinannut lähteä liikkeelle. Siksi 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. Siksi hypoteesi on väärä: kevyt kuula vierii nopeammin. Kevyet kappaleet liikkuvat aina nopeammin kuin raskaat.
Opettaja antoi palautetta. Sen 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 jokaisesta puutteesta kaksi asiaa: miksi se heikentää tutkimusta ja miten se korjataan. 8 p
- b) Laske uusista mittauksista kummankin kuulan vierimisajan keskiarvo. Arvioi myös 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. Mittaukset toistetaan ja epävarmuus arvioidaan. Johtopäätös tehdään vain siitä, mitä mittaukset osoittavat.
Mallivastaus
Mitkä tahansa neljä seuraavista. Kunkin kohdalla kerrotaan syy ja korjaus:
1. Muutkin olosuhteet muuttuivat kuin massa. Muovikuula tönäistiin liikkeelle. Se lähti vain suunnilleen samasta kohdasta. 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. 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. Ihmisen reaktioaika vaihtelee kuitenkin noin $0{,}1\text{–}0{,}2\,\text{s}$. Korjaus: ajat ilmoitetaan sadasosasekunnin tarkkuudella ja epävarmuus arvioidaan toistojen vaihtelusta.
4. Epävarmuutta ei ole arvioitu. Ero $0{,}33\,\text{s}$ voi olla kokonaan mittausvirhettä. Korjaus: epävarmuus arvioidaan toistoista ja eroa verrataan siihen.
5. Johtopäätös yleistää liikaa. Yhdestä rampista ja kahdesta kuulasta ei voi päätellä mitään kaikista kappaleista. Korjaus: päätelmä rajataan tutkittuihin oloihin.
6. Tutkimuskysymys on epätarkka. Siinä 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. 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 $t = (2{,}40 \pm 0{,}07)\,\text{s}$. Tulokset ilmoitetaan sadasosasekunnin tarkkuudella, kuten mittaukset. Ero $0{,}03\,\text{s}$ on pienempi kuin kumpikaan epävarmuus. Lisäksi 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 on noin $0{,}1\,\text{s}$. Se on käsin otetun ajan reaktioajan luokkaa. Siksi epävarmuuden suuruus on uskottava.
c)
Kysytty
tutkimuskysymykseen vastaava johtopäätös, jossa epävarmuus on otettu huomioon
Periaate
Johtopäätös vastaa tutkimuskysymykseen. Siinä kerrotaan tulos epävarmuuksineen. Päätelmä rajataan niihin 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. Siksi 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 korjaus ei poista ongelmaa.
- Keskiarvo ilmoitetaan laskimen kaikilla numeroilla, esimerkiksi $2{,}370\,\text{s}$. Tai epävarmuus jätetään pois.
- Johtopäätös "massa ei vaikuta mihinkään" yleistää liikaa. Se on sama virhe kuin alkuperäisessä johtopäätöksessä.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa omaa ratkaisuasi mallivastaukseen. Valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi ansaitsee mielestäsi. Voit antaa myös osapisteitä. Myös muu fysiikan kannalta oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)8 p
b)4 p
c)3 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 15 (15 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi. Ne eivät ole tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma. Se perustuu siihen, millainen on hyvä vastaus ylioppilaskokeessa. Se ei ole YTL:n virallinen pisteytys.
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. Kirjoitit kokeesta myös raportin. Ota raporttisi esiin. Arvioi se alla olevilla kriteereillä. Kriteerit kertovat myös, mitä hyvässä tutkimusraportissa pitää olla. Voit siis käyttää niitä jo silloin, kun kirjoitat raporttia.
Avaa arviointikriteerit
Valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka raporttisi ansaitsee mielestäsi.
Itsearvioidut pisteet: 0 / 14 (8 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi. Ne eivät ole tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma. Se perustuu siihen, millainen on hyvä vastaus ylioppilaskokeessa. Se ei ole YTL:n virallinen pisteytys.
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