6. Fysiikan kokeellisuus ja esimerkkejä dokumentoinnista

6.2. Paperin pudottaminen -tehtäviä

6.4. Valaistusvoimakkuuden mittaaminen -tehtävät

6.5. Vanhat mitat -tehtävät

LUKU 6

1. Yleistä

Tee seuraavat tehtävät ja palauta taulukot, kuvaajat yms. FYSIIKAN KOKEELLISUUS -palautuskansioon.

6. Fysiikan kokeellisuus ja esimerkkejä dokumentoinnista

- kotikokeita ja pieniä fysiikan mittauksia, valaistusvoimakkuusmittaus (tulos ja tehtävät), painekattila (tulos ja tehtävät), putoamiskiihtyvyyden määrittäminen, portaiden nousuaika, energian kulutus -käytännön tehtävä, vanhat mitat, paperin pudotusnopeuden määrittäminen, kuvaajien tuottaminen ja tulosten esittäminen.

6.1. Nousutehomittaus -tulokset

Johdanto: Seuraavassa on mitattuna portaiden nousuaika. Henkilön massaksi on oletettu 50 kg. Näissä tehtävissä perehdytään fysiikan kannalta olennaisiin työn ja tehon laskemiseen.

TEHTÄVÄ 1: Taulukossa on mitatut tulokset nousutehosta portaissa.

a) laske ensin m*g*h=50*9,81*3,6=W ensimmäisellä rivillä ja saat tuloksen Jouleina

eli massa 50 kg* maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys * portaiden korkeus

b) lisäksi laske muiden rivien W eli työ ja

c) sitten laske saadun W:n arvon avulla teho P, kun työ W jaetaan ajalla joka kului nousuun

	m=50kg oletus
Mittaus	Portaat korkeus/m	aika/s	W=mgh=nousutyö olet. m=50kg J=Joulea	Teho P=W/t (J/s=Wattia)
Mittaus1	3,6	13,5
Mittaus2	3,6	10,6
Mittaus3	3,6	10,6
Mittaus4	3,6	8,3
Mittaus5	3,6	7,3
Mittaus6	3,6	7,5

	henkilön massa oletettu	50
	maan vetovoiman kiihtyvyys g	9,81

ESIMERKKEJÄ LASKUIHIN:

TYÖ, JOKA PORTAITA NOUSTESSA TEHDÄÄN laskettiin edelliseen taulukkoon seuraavan esimerkin mukaisesti:

Nousutyö = massa*g*nousukorkeus (m*g*h)=50kg*9,81m/s²*2,5m=1226,25 Nm eli J=Joule

JA MITEN LASKETAAN TEHO SITEN, ETTÄ JAETAAN TUO SAATU TYÖ NOUSUUN KÄYTETYLLÄ AJALLA

Esim. jos aikaa kului 10 s

teho P=W/t= 1226,25 J/10 s =122,625 J/s=123 W (W=wattia)=0,123 Kw

TEHTÄVÄ 2: Mistä suureista portaissa tehty työ riippuu?

TEHTÄVÄ 3. Valitse seuraavista väitteistä ne sanat, jotka pitävät paikkansa ko. työn yhteydessä

a) Työ ei riipu / riippuu portaiden korkeudesta

b) Mitä korkeammat/matalammat portaat, sitä suurempi työ tehdään

c) Mitä suurempi työ portaissa tehdään samassa ajassa, sitä suurempi/pienempi on teho

d) Henkilön massa vaikuttaa/ei vaikuta tehdyn työn suuruuteen yleensä.

(Huom! tässä tehtävässä oli massaksi valittu tietoisesti 50 kg, yleensähän ihmisten massa on erilainen).

TEHTÄVÄ 4: Laadi kuvaajat taulukosta Excelillä siten, että

a) ensimmäiseen kuvaajaan valitset sarakkeen mittaus sekä nousuajan

b) toiseen kuvaajaan valitset mittauksen sekä nousutehon

Kuva 1. Nousuaikaa varten tarvittiin tarkka kello

6.2. Paperin pudottaminen -tehtäviä

Johdanto: Näissä esimerkeissä tutustut fysiikan kokeellisuuteen. Tulokset on mitattu oppilaitoksen fysiikan tunneilla lukuvuonna 2006 – 2007: Paperi on ollut normaali kopiopaperi A4, jota on pudotettu vaakatasossa sekä rypistettynä noin metrin korkeudelta ja tulokset perustuvat käsiajanottoon, joten virhe tuloksissa on myös mahdollinen.

PAPERIN PUDOTTAMINEN -TULOKSET

Mittaus	Paperi vaakatasossa putoamisaika/s	Vaakatasossa Ero keskiarvoon putoamisaika/s	Paperi rypistettynä putoamisaika/s	Rypistettynä Ero keskiarvoon putoamisaika/s
1	1,3	0,1	0,3	0,1
2	1,4	0,0	0,3	0,1
3	1,2	0,2	0,4	0,0
4	1,5	0,1	0,3	0,1
5	1,7	0,3	0,4	0,0
6	2,1	0,7	0,3	0,1
7	1,8	0,4	0,5	0,1
8	1,6	0,2	0,6	0,2
9	2,3	0,9	0,3	0,1
10	1,4	0,0	0,4	0,0
11	1,3	0,1	0,3	0,1
12	1,5	0,1	0,3	0,1
13	1,2	0,2	0,3	0,1
14	1,6	0,2	0,5	0,1
15	1,5	0,1	0,3	0,1
16	1,5	0,1	0,4	0,0
17	1,5	0,1	0,5	0,1
18	1,3	0,1	0,4	0,0
19	1,3	0,1	0,6	0,2
20	1,4	0,0	0,4	0,0
21	1,7	0,3	0,3	0,1
22	1,4	0,0	0,4	0,0
23	1,5	0,1	0,3	0,1
24	1,3	0,1	0,3	0,1
25	1,3	0,1	0,5	0,1
26	1,6	0,2	0,4	0,0
27	1,4	0,0	0,5	0,1
28	1,7	0,3	0,3	0,1
29	1,5	0,1	0,4	0,0
30	1,4	0,0	0,5	0,1
31	1,3	0,1	0,4	0,0
32	1,2	0,2	0,3	0,1
33	1	0,4	0,4	0,0
34	1,3	0,1	0,4	0,0
35	1,3	0,1	0,4	0,0
36	1,3	0,1	0,3	0,1
37	1,4	0,0	0,3	0,1
38	1	0,4	0,4	0,0
39	1,2	0,2	0,3	0,1
40	1,3	0,1	0,4	0,0
41	1,25	0,2	0,68	0,3
42	1,44	0,0	0,58	0,2
43	1,26	0,2	0,39	0,0
44	1,16	0,3	0,39	0,0
45	1,45	0,0	0,39	0,0
46	1,35	0,1	0,58	0,2
47	1,27	0,2	0,59	0,2
48	1,45	0,0	0,49	0,1
49	1,73	0,3	0,49	0,1
50	1,25	0,2	0,59	0,2
51	1,08	0,4	0,17	0,2
52	1,52	0,1	0,24	0,1
53	1,43	0,0	0,26	0,1
54	1,21	0,2	0,34	0,0
55	1,47	0,0	0,28	0,1
56	1,72	0,3	0,3	0,1
57	1,24	0,2	0,26	0,1
58	1,52	0,1	0,31	0,1
59	1,62	0,2	0,41	0,0
60	0,85	0,6	0,29	0,1
61	1,3	0,1	0,3	0,1
62	1,4	0,0	0,3	0,1
63	1,2	0,2	0,4	0,0
64	1,5	0,1	0,3	0,1
65	1,7	0,3	0,4	0,0
66	2,1	0,7	0,3	0,1
67	1,8	0,4	0,5	0,1
68	1,6	0,2	0,6	0,2
69	2,3	0,9	0,3	0,1
70	1,4	0,0	0,4	0,0
71	1,6	0,2	0,3	0,1
72	1,3	0,1	0,5	0,1
73	1,9	0,5	0,4	0,0
74	1,5	0,1	0,3	0,1
75	1,1	0,3	0,3	0,1
76	1,6	0,2	0,3	0,1
77	1,6	0,2	0,2	0,2
78	1,5	0,1	0,5	0,1
79	1,8	0,4	0,4	0,0
80	1,1	0,3	0,2	0,2
81	1,08	0,4	0,17	0,2
82	1,52	0,1	0,24	0,1
83	1,43	0,0	0,26	0,1
84	1,21	0,2	0,34	0,0
85	1,47	0,0	0,28	0,1
86	1,72	0,3	0,3	0,1
87	1,24	0,2	0,26	0,1
88	1,51	0,1	0,31	0,1
89	1,62	0,2	0,41	0,0
90	0,85	0,6	0,29	0,1
Keskiarvo	1,4	0,2	0,4	0,1

Tulokset: Paperi vaakatasossa putoamisaika 1,4 ± 0,2 s ja rypistettynä putoamisaika 0,4 ± 0,1 s

TEHTÄVÄ 1: Mitä tarkoittavat merkinnät:

a)1,4 ±0,2 s ja b) 0,4 ±0,1 s

TEHTÄVÄ 2: Vertaa toisiinsa kuvaajia paperin pudottamisesta ja yritä selittää miksi mahdolliset tulokset poikkeavat toisistaan?

Kuvaajat paperin pudottaminen

TEHTÄVÄ 3: Fysiikan laskuissa olennaista on vastauksen tarkkuus. Etsi Internetistä tai fysiikan oppikirjoista vastaus seuraaviin. Kerro jokin esimerkkilasku jokaiseen:

a) Millä tarkkuudella vastaus on yhteen- ja vähennyslaskuissa esitettävä?

b) Millä tarkkuudella vastaus on kerto- ja jakolaskuissa esitettävä?

c) Millä tarkkuudella vastaus esitetään, jos esiintyy sekä yhteen- tai vähennyslaskuja että kerto- tai jakolaskuja?

6.3. Putoamisliike -tehtävät

Johdanto: Mitattiin heilurin heilahdusaika siten, että heilurilangan pituus haettiin väliltä 0,5 – 2,0 m. Tehtävän tarkoituksena oli selvittää ensin 10 heilahdukseen kuluva aika. Työn lopullisena tarkoituksena on määrittää putoamiskiihtyvyyden arvo. Tee tähän liittyvät tehtävät.

TEHTÄVÄ 1: Täydennä taulukko puuttuvien arvojen osalta.

a) laske ensin yhteen heilahdukseen kuluva aika, kun 10 heilahdukseen kuluva aika on annettu jokaisessa mittauksessa

b) lasketaan putoamiskiihtyvyyden g arvo heilurin heilahdusajan kaavalla, joka on seuraavassa. Kaava on ensin muokattu oikeaksi eli ratkaistu g matemaattisin keinoin (kysymyksessä on tekijäyhtälö). Tutustu kaavan pyörittämiseen huolellisesti:

Mittaus	Heiluriaika 10T= 10 heilahdukseen kuluva aika sekunteina s	Yhteen heilahdukseen kuluva aika sekunteina s	l = heilurilangan pituus metreinä m	g laskettu, m/s^2
1	17,15		0,68
2	14,9		0,5
3	11,23		0,255
4	9,19		0,14
5	25,7		1,6
Laske keskiarvo kaikista

c)     Laadi kuvaajat Excelillä, joissa näkyy

a. mittaukset sekä heilahdusaika

b. mittaukset sekä putoamiskiihtyvyys

d)     pohdi tuloksia, miksi ne poikkeavat toisistaan (taulukkoarvo putoamiskiihtyvyydelle on 9,81 m/s^2). Koetilanne on esitetty seuraavassa kuvassa ja se voi auttaa tähän tehtävään vastaamisessa. Miten esim. heilurilangan pituus vaikuttaa tuloksiin? Millainen virhe tuloksiin tulee käsiajanotolla? Onko langan pituus mitattu kuinka tarkkaan, jos mittanauhana käytettiin perinteistä ompelumittanauhaa? Olisiko mittaustuloksia pitänyt olla enemmän?

e)     ilmoita tulokset fysiikan ohjeiden mukaan eli jos joku tulos poikkeaa erittäin paljon keskiarvosta, voidaan se jättää huomiotta, varsinkin, jos se muuttaa keskiarvoa erittäin paljon.

KOETILANNE:

kootaan laitteisto ohjeistuksen mukaan (tarvitaan statiivitanko, punnus, eripituisia lankoja, sakset, sekuntikello, kynä ja paperia, laskin)

Kuva 1. Heiluri

TEHTÄVÄ 2: Fysiikan mittauksissa tulee aina jonkin verran virhettä. Siksi työt on tärkeää toistaa useaan kertaan. Kerro omin sanoin, mitä

a) tarkoittaa absoluuttinen virhe?

b) tarkoittaa suhteellinen virhe?

c) on mittalaitteen kalibrointi?

d) on systemaattinen virhe?

e) on satunnainen virhe?

6.4. Valaistusvoimakkuuden mittaaminen -tehtävät

Johdanto: Tämän tehtävän tulokset on mitattu luksimittarilla oppilaitoksen eri tiloissa ja etäisyys on mittauksessa ollut n. 3,5 metriä lähimmästä valonlähteestä. Valaistusvoimakkuuden yksikkönä mittarissa käytettiin luksia (= 1 lx)

TEHTÄVÄ 1: Seuraavassa taulukossa on mitatut tulokset valaistusvoimakkuudelle kymmenessä eri mittauksessa. Laadi niistä Excelillä havainnollinen kuvaaja.

Tila	lx
Pakapuolen työvalot (katon loisteputket)	740
Käytävän yleisvalaistus	251
WC-yleisvalo	211
Ulko-oven läheisyydessä olevat ulkovalot	101,7
Kahvio/ruokala; yleisvalo	192
Aula (sisääntulo)	104
Neuvonnan odotushuonetila	101
Kirjasto (yleisvalo)	659
Eteinen (sisääntulo) ei suoraa valoa	106,8
Pukuhuone (kellarissa)	92,6

TEHTÄVÄ 2: Etsi tietoa seuraaviin fysiikan oppikirjoista tai Internetistä.

a) Kirjoita omin sanoin, mitkä asiat vaikuttavat valaistusvoimakkuuteen.

b) turvallinen työskentely edellyttää riittävän hyvää yleisvalaistusta ja se on n. 500 luksia. Mitkä edellisen tehtävän taulukoissa olevista arvoista ja tiloista täyttävät kriteerin?

TEHTÄVÄ 3: Etsi tietoa Internetistä tai fysiikan oppikirjoista, mitkä olisivat valaistusvoimakkuudet

a)     kuutamossa

b)     aurinkoisena päivänä kesällä ja talvella

c)     suositeltavat koulun luokkatilojen valaistusvoimakkuudet

d)     suositeltava leikkaussalin valaistusvoimakkuus

TEHTÄVÄ 4: Suomen valoteknillinen seura huolehtii valaistusohjeistuksista. Etsi Internetistä

a) niiden kotisivujen osoite

b) kerro lyhyesti, millaista tietoa WWW-sivuilta saa?

6.5. Vanhat mitat -tehtävät

Johdanto: Näissä tehtävissä tutkitaan Myllytullin yksikössä mitattuja vanhoja mittoja lukuvuodelta 2006 - 2007 ja niiden avulla selvitetään SI-järjestelmän tarpeellisuutta

(Lähde mm. Museoviraston WWW-sivut http://www.nba.fi/fi/vanhatmitat )

Vanhat ja uudet mitat: suomalainen syli on 178 cm, suomalainen kyynärä 45,72 cm, vaaksa n. 15 – 20 cm, suomalaisten pituus (miehet 176,6 cm ja naiset 163,5 cm)

TAULUKKO 1: Yhden opiskelijaryhmän tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa (miehiä ja naisia ei ole eroteltu)

	syli/cm	kyynärä/cm	vaaksa/cm	oma pituus/cm	koulumatka/km
	165	45	15	167	0,02
	156	35	13	156	15
	166	44	19	172	1
	162	38	17,5	166	12
	190	50	20	189	15
	160	43	16	165	9
	167	44	18	168	5
	164	46	19	169	40
	159	41	17	162	8
	150	40	15	150	10
	170	44	17	170	5
	168	44	18	169	5
	158	42	18	165	23
	156	42	16	160	6
	166	40	16	167	45
	155	40		168	3
Keskiarvo	163	42	17	166	13

TEHTÄVÄ 1: Vastaa taulukon avulla seuraaviin

Montako syliä taulukossa

a) ylittää keskiarvon

b) ylittää suomalaisen sylin 178 cm?

c) montako syliä jää alle suomalaisen sylin 178 cm?

TEHTÄVÄ 2: Suomalainen kyynärä (matka kyynärpäästä keskisormen päähän) on 45,72 cm Iso-Britannian mittojen mukaan, nykyisellään voisi ajatella, että melko tarkasti kyynärä on 50 cm, nykyihmisellä. Mitta on vaihdellut eri kulttuureissa ja siihen on laskettu lisäksi jopa kämmenen leveys ja siten on saatu isompia mittoja esim. 59,4 cm.

Kuinka moni taulukon tuloksista ylitti luvun 45,72 cm?

TEHTÄVÄ 3: Koulumatkan pituuden keskiarvoksi saatiin 13 km.

a) Mikä oli lyhyin koulumatka

b) Mikä oli pisin koulumatka?

c) Oletetaan, että oppilaitoksessa on keväällä 96 koulupäivää, montako kilometriä pisimmän koulumatkan omaavalla opiskelijalla tulee kuljettua kevään aikana oppilaitokseen, jos hän on joka päivä koulussa ja hän kulkee päivittäin matkan kotoa kouluun?

TEHTÄVÄ 4: Kun katsot luokan opiskelijoiden pituuden keskiarvoa ja vertaat sitä, suomalaisten pituuteen, voisiko päätellä, onko luokassa enemmän miehiä vai naisia?

TEHTÄVÄ 5: Laadi taulukon tuloksista havainnolliset kuvaajat Excelillä. Jokaisesta laaditaan kuvaajat erikseen.

TEHTÄVÄ 6: Opiskelijan koulumatkan pituus on 10 km.

Laske kuinka monta

a) syliä se on, jos syliksi oletetaan 163 cm?

b) vaaksaa se on, jos vaaksaksi oletetaan 17 cm?

c) kyynärää se on, jos kyynäräksi oletetaan 42 cm?

TEHTÄVÄ 7: Tehtävässä 6 käytettiin mittoina luokan keskiarvoja laskutoimituksia tehtäessä.

a) mitkä asiat vaikuttavat/vaikuttivat mittaustulosten tarkkuuteen mielestäsi?

b) joko keksit, miksi SI-järjestelmä on kehitetty ja mitä etua sillä on saavutettu, että käytössä on tietyt perussuureet?

c) mitkä ovat fysiikan keskeisimmät suureet?

d) miksi kutsutaan mittaustulosten epätarkkuutta?

TEHTÄVÄ 8: Etsi Internetistä tai fysiikan oppikirjoista vielä käytössä olevia mittoja, jotka eivät ole SI-järjestelmän mukaisia. Luettele niitä tämän tehtävän vastaukseksi.

TEHTÄVÄ 9: Selvitä vielä, miten on mitattu mitat

a) syli

b) kyynärä

c) vaaksa

d) sekä miten mitattaisiin jalka?

1. Yleistä ja johdatus fysiikkaan	2. Mekaniikan perusteet	3. Lämpöoppi	4. Sähköoppi	5. Aaltoliike- ja valo-oppi
6. Fysiikan kokeellisuus	7. LUKO-tehtäviä, MIPS jne.	8. Käytännön fysiikkaa	9. Fysiikan merkkihenkilöt	10. Arviointiosa

KOODI,FYSIIKKAA 1/2 ov OPPIPAJAA VARTEN, 1/2 OV

LUKU 6