Demokast

1 Demokast

Demokast

Nägemiseks on vaja valgust. Uuri, kuidas töötab nägemine!

Kuidas siis?

Igapäevaelus olulise nähtuse ehk nägemise teistmoodi tundmaõppimiseks joonistame alustuseks skeeme ja teeme mõned katsed. Ühelt poolt on meie eesmärgiks tutvustada õpilastele füüsikas tavapärase reaalse maailma abstraktset kujutamist, teiseks näidata, mil viisil füüsika neid nähtuseid selgitab ning kolmandaks järele proovida, kas meil õnnestub see füüsika ka katses „käima saada".

Esimene tööleht räägib ära põhiprintsiibi. Õpetaja võiks teha kõik endast oleneva, et õpilased nägemise füüsikalisest seletusest aru saaksid. Tunnis saab kasutada töölehel olevat videot, ent võib ka ise asja ära seletada.

Tutvu nägemise füüsikalise seletusega. Vasta küsimustele.

Järgmine etapp on see katse ka päriselt järele proovida. Võtame välja katsevahendid, tutvume nendega, tekitame ekraanile liikuva kujutise.

Pane valgusõpetuse katsekomplekti osadest kokku katse, kus läätse taga asuvale ekraanile tekib taskulambiga valgustatud näppude kujutis. Vasta küsimustele.

Nüüd oleme proovinud ja justkui aru saanud, kuidas see töötab. Saame oma arusaamist rakendada selleks, et tekitada aknast paistvate objektide kujutise ekraanile.

Tasub proovimist.

Tekita läätse abil ekraanile aknast paistvate objektide kujutis. Vasta küsimustele.

Kokkuvõte

Vaadeldavat keha näeme, kui sellele langev valgus satub pärast tagasipeegeldumist meie silma ning silma võrkkestal tekib keha kujutis.

Füüsika joonistelt jäetakse välja kõik ebaoluline, et oleks võimalik keskenduda just uuritava loodusnähtuse jaoks olulistele kehade või olukordade omadustele. Sellised joonised on looduse mõistmisel väga kasulikud, ent nendest aru saamist tuleb õppida.

Kontrollküsimused

Kui võrdleme oma katset olukorraga, kus inimene näeb kuusepuud, siis milline katseskeemi osa töötab päikesena, milline kuusepuuna, millised silmana?

Kuidas me teame, et kuusk ei ole valgusallikas?

Mis tekib ekraanile siis, kui suunata taskulambi valgus läätsele, mitte näppudele?

Kuidas saab valge valguse vahendusel maailma värvilisena näha?

Valge valgus on liitvalgus

Vikerkaareprillides vaatame maailma läbi difraktsioonivõre. Difraktsioonivõret õpime me tundma gümnaasiumis, mistõttu hetkel nimetamegi neid prille vikerkaareprillideks.

Esimene tegevus - maailma läbi vikerkaareprillide vaatamine - on justkui lihtne, aga kui järele mõtlema hakata, siis on katse tulemus ka üsnagi imelik. Tõepoolest: nende prillide üsna hallid „klaasid" ei värvi kuidagi maailma. Kuidas siis on võimalik, et maailm läbi nende vaadatuna värvilisena näib?

Kõigepealt lihtsalt vaatame.

Vaata läbi võreprillide töötavat LED-lampi ja teisi valgusallikaid. Vasta küsimustele.

Proovime äsja tehtud katse teha läbi ka sarnasel viisil, mil käsitlesime esimeses tunnis nägemise olemusega tutvumist - kasutame valgusallikana sedasama üksikut LED-lampi, silmaläätsena katsekomplekti läätse ja võrkkestana valget ekraani. Vaatame, kas näeme sarnast pilti.

Koosta katse, mis modelleerib olukorda, kus vaatleja vaatleb läbi võreprillide LED-lampi ning seda hoidvat kätt. Silmaläätsena kasuta katsekomplektis olevat läätse, võrkkestana valget ekraani.

Võtame nüüd kasutusele spetsiaalselt spektri uurimise katseteks mõeldud katsekomplekti difraktsioonivõre ja jätame ka läätse mängust välja. Kuna spetsiaalne võre on „tugevam," st selle difraktsioonivõre ühe millimeetri kohta on umbes neli korda rohkem jooni, eraldub spekter paremini.

Uuri, kuidas ekraanile tekib valge valguse spekter. Vasta küsimustele.

Spektriks lahutatud valgusest uuesti valge valguse kokku panemine on jällegi kasulik kogemus, et aru saada, kuidas need asjad looduses töötavad.

Järgnev on eelneva katse (valge valguse spektriks lahutamine) loogiline jätk, st saame kasutada sama katseskeemi.

Veendu, et spektriks lahutatud valguse saab uuesti valgeks valguseks kokku panna. Vasta küsimustele.

Spektriks lahutatud valgusest uuesti valge valguse kokku panemine on jällegi kasulik kogemus, et aru saada, kuidas need asjad looduses töötavad.

Järgnev on eelneva katse (valge valguse spektriks lahutamine) loogiline jätk, st saame kasutada sama katseskeemi.

Veendu, et spektriks lahutatud valguse saab uuesti valgeks valguseks kokku panna. Vasta küsimustele.

Valgusfiltrid

Kuna saame ekraanile kuvada spektri, siis on võimalik ka vahetult järele vaadata, mida valgusfiltrid „teevad" - need „sõeluvad" spektrit, st neelavad osasid värvusi, ent lasevad osasid ka läbi.

Seda peab ise nägema.

Nende katsete peamiseks ideeks on tõsiasi, et valgusfilter ei värvi valgust. Valgusfilter kustutab osa valgusest, ent mitte kõike. Ja see, mida kustutatakse ja mida mitte, on määratud filtri värvusega.

Uuri, mis on valgusfilter ja mida teevad erinevad valgusfiltrid valge valguse spektriga. Vasta küsimustele.

Esemete värvus

Alustame objektide värvusega. Proovime tekitada arusaamise, et kehalt peegeldunud valguse spekter on üldiselt teistsugune kui sellele langenud valguse spekter.

Uuri, kuidas muutub värviliselt pinnalt peegeldudnud valguse spekter. Vasta küsimustele.

On olemas üks eritüübiline printer, mis kannab paberile õhukesi valgusfiltri kihte. Vaatame video vahendusel selle printeri tööd ning analüüsime seda.

Uuri video vahendusel fotoprinteri tööd. Vasta küsimustele.

Selle alateema lõpetuseks ka kommentaar, mis peaks aitama siduda kunstiõpetust ja füüsikat. Tõepoolest teab ju iga lapski, et põhivärvusteks on sinine, punane ja kollane.

Loe läbi tekst, mis selgitab, miks maalimisel kasutatakse põhivärvustena punast, kollast ja sinist. Vasta küsimustele.

Kokkuvõte

Liitvalguseks nimetatakse valgust, mis koosneb erineva värvusega valgustest.

Liitvalguse moodustavate värvuste paletti nimetatakse spektriks.

Valge valgus on liitvalgus, mida me tajume valgena. Valge valguse spekter ei ole alati ühesugune. Näiteks kui vaatame valget LED-lampi või valget päevavalguslampi, on nende spektrid väga erinevad. Siiski peab kõigis meile valgetena paistvate valgusallikate valguses olemas olema nii punane, sinine kui ka roheline värvus.

Valge valgus on liitvalgus ja selle komponente on võimalik üksteisest eraldada. Selleks kasutatakse optilisi seadmeid, mis suunavad sellele langevad erineva värvusega valguskiired erinevatesse suundadesse.

Liitvalgusest mingi spektri piirkonna või piirkondade kustutamist või nõrgendamist nimetatakse valguse filtreerimiseks. Seade, mis valgust filtreerib, on valgusfilter.

Kontrollküsimused

Joonisel on rohelise laseri spekter. Mille poolest erineb see LED-lambi spektrist? Mida võiksime näha, kui uuriksime laserivalgust selles tunnis kasutatud meetoditega?

Kuidas Sa kirjeldaksid füüsikuna roosat valgust?

Kirjelda, milline näeks välja vikerkaar, kui Päike kiirgaks roosat valgust?

Üks silinder tundub soojem kui teine? Kuidas kõrbes veepudelit jahutada?

Soe või külm?

Soojusõpetuse katsetes kasutamine infot saamiseks peaasjalikult temperatuuri mõõtmist. Tutvume katsekomplekti kuuluva termomeetriga ning mõõdame temperatuure.

Õpime siin kasutama termomeetrit ja mõõdame sellega erinevate kehade temperatuure.

Asju puudutades tajume neid soojade ja külmadena. Seda ka siis, kui kehade temperatuurid on ühesugused.

Tekitame järgnevalt seose tajutava temperatuuri (skaalal soe-külm) ja keha materjali soojusjuhtivuse vahel.

Õpi tundma inimese temperatuuritaju ja ainete soojusjuhtivuse vahelist seost. Vii läbi eksperiment, milles veendud selle seose paikapidavuses. Vasta küsimustele.

Kuidas on huviäratajates viidatud soojade jälgedega?

Veendu katselielt, et kui hoida peopesa vastu lauaplaati, tõuseb lauaplaadi temperatuur käe all mitme kraadi võrra. Vasta küsimustele.

Kuidas soojas jahutada?

Alustuseks veendume, et vesi tõepoolest aurustub - alati. Kuidas selles veenduda? Aurustumise definitsiooni järgi moodustub vedelikust aur (gaas), mistõttu peab järelikult vett ennast vähemaks jääma. Seda vähenemist on võimalik piisavalt täpsete kaalude abil ka reaalajas mõõta.

Koolides selliseid kaale küll ei ole, ent saame selles veenduda video vahendusel.

Tutvu aurustumise definitsiooniga. Veendu läbi videokatse, et vedeliku mass aurustumisel tõepoolest muutub. Vasta küsimustele.

Vaatame üle video, millega juba eelnevalt tutvunud oleme. Paneme tähele, kuidas vee temperatuur püsib aurustumisel $100$ kraadi juures.

Jälgi video abil katset, milles jääst saab järjepideval soojendamisel veeaur. Veendu, et sulamisel ja aurustumisel on jää/vee temperatuur konstantne.

Niisiis kulub aurustumiseks energiat, kondenseerumisel aga energia vabaneb. Järgnevas töölehes õpime seda arvutama ning võrdleme neid energiaid vee soojendamiseks kuluva ja jahtumisel vabaneva energiaga.

Tutvu aurustumissoojuse mõistega. Võrdle erinevate veekoguste aurustumissoojust energiaga, mis kulub vedelike soojendamiseks.

Niisiis: aurustumiseks kulub energiat. Lihtsalt valemina ei ole seda aga just kõige lihtsam uskuda. Teeme ühe lihtsa katse ja arutleme, kus seda nähtust veel märgata.

Tutvume olukordadega, milles vesi - ja seeläbi ka kehad, millega vesi kokkupuutes on - jahtuvad.

Järgneva töölehe katse sobiks ka omaette tunni teemaks, ent esitame selle siiski siin juhuks, kui õhuniiskuse mõõtmine on teema, mis õpilasi köidab.

Tutvu psühromeetria tööpõhimõttega. Tee ise katsekomplekti termomeetriga sarnane mõõtmine ning määra selle põhjal õhuniiskus. Töölehes on ka kalkulaator õhuniiskuse määramiseks. Võimalusel võrdle tulemust mõne tööstuslikult toodetud õhuniiskuse mõõtja näiduga.

Veel üks üsna tavapärane situatsioon ja arutelu:

Uuri simulatsioonis topsis oleva sooja vee jahtumist olukordades, kus see on kaanega kaetud ning katmata. Võrdle aurustumiseks kuluvat energiahulka soojuskadudes eralduva energiaga.

Ka ellujäämise küsimus

Kliima soojeneb, ent tänu meie asukohale maailmakaardil on sellega hakkama saamine meil siin Eestis suhteliselt lihtne. Siiski leidub kohti, kus see on juba täna ülimalt keeruline.

Loe teksti, milles selgitatakse, miks kõrge temperatuur ja kõrge õhuniiskus on inimese jaoks tappev kombinatsioon. Arutle, mis juhtuks, kui keha loomulik temperatuuri reguleerimise mehhanism enam ei toimiks.

Kokkuvõte

Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse termomeetrit. Termomeeter mõõdab keha temperatuuri, kui viia see uuritava kehaga soojuslikku kontakti ning oodata kuni termomeetri näit stabiliseerub (saabub soojuslik tasakaal).

Sellist soojusvahetuse liiki, milles aine siseenergia kandub ühelt aineosakeselt teisele, nimetatakse soojusjuhtivuseks.

Erinevate materjalide soojusjuhtivused võivad olla väga erinevad. Parimad soojusjuhid on metallid, halvimad gaasid. Materjalide soojusjuhtivust kirjeldab parameeter, mida nimetatakse soojusjuhtivusteguriks. Teades materjali soojusjuhtivustegurit, on võimalik öelda, kui palju soojust lekib ajaühikus läbi sellisest materjalist tehtud seina mingi konkreetse temperatuurierinevuse korral.

Kontrollküsimused

Selgita, miks on ahju temperatuuri teades siiski vaja kasutada lihatermomeetrit?

Millisest materjalist tassis kõrvetab kuum tee näppe kõige enam?

Otsi klassist mõni metallese ning mõni puidust ese. Võta üks ühte ja teine teise kätte. Miks tunduvad nende temperatuurid sulle erinevad?

Kas ääreni veega täidetud pabertopsike süttib, kui see priimuse leegile asetada?

Miks soojeneb saag puude saagimisel kõrgema temperatuurini kui puit?

Kas Kuul võib täheldada „langevaid tähti"?

Naela puusse löömise ajal soojeneb selle pea vähem kui siis, kui lüüa juba sisselöödud naela. Miks see nii on?

Miks on kuuma vedelikuga tassi parem sangast tõsta? Vajadusel soorita katse.

Üle jäätüki ripuvad samasuguse läbimõõduga niidi otsas kaks võrdset koormust. Ühe koormuse niit on vasest, teine aga kapronist. Miks vaskniit lõikub jäässe, kapronniit aga mitte?

Korraldage klassis katse „Kelle vesi on kõige kuumem?“. Võtke ühesugused keeduklaasid ning kallake neisse kuuma vett. Vähendage erinevate võtete abil keeduklaasi ja õhu vahelist soojusvahetust. Mõne aja pärast mõõtke vee temperatuure uuesti. Kelle vee temperatuur oli kõige kõrgem?

Ehitame energiat salvestava päikeseauto

Tunni pass

Mida me siin õpetame

Kuidas kasutada oma teadmisi elektrivoolust ja vooluringidest praktiliste ülesannete lahendamisel. Kuidas kirjeldada päikesepaneele nii, et see võimaldaks mõista nende kasutamisel tekkivaid küsimusi. Millised valguse ja valgusallikate omadused on päikeseautode jaoks olulised.

Õpirada

Füüsika rakendamine praktiliste probleemide lahendamisel.

Metoodilised juhised

Selle töö läbiviimiseks ei piisa ainult mehaanika katsekomplekti vahenditest. Lisaks sellele on vaja testrit, juhtmeid ja krokodille testri kasutamiseks ning erinevaid valgusallikaid, muuhulga võimast hõõglampi, kui toimetatakse siseruumides.

Päikeseautot saab ehitada ka puhtalt teadushuvihariduse võtmes, pannes klotsidest auto kokku ning sellega katsetades. Kui eesmärgiks on ka füüsikateadmiste kinnistamine ja rakendamine, tuleks läbi mõelda ja teha ka need töölehed, kus räägitakse vooluringidest ning pinge ja voolutugevuse mõõtmisest. Sel juhul vastab materjali maht pigem paaristunnile.

Põhimõtteliselt võiksid õpilased ka ise oma konstruktsiooni välja mõelda, pakkudes neile kasutamiseks suuremat hulka klotse. Siiski, et õpilased saaksid näiteks järele proovida, kuidas mõjutab päikeseauto tööd päikesepaneeli asend, siis võiks aluseks võtta töölehtedes kirjeldatud energiasalvesti ja muudetava nurgaga päikesepaneeliga auto.

Huviäratajad

Miks ehitada päikeseautosid? Miks neid juba igal pool ja palju ei ole? Miks on vaja nende ehitamiseks võistluseid korraldada, selliseid, millel osaleb ka Eestis ehitatud ja sellel pildil kujutatud Solaride auto?

Mida päikeseauto "teeb"

Mõtle, mida on vaja ühe päikeseauto ehitamiseks. Joonista pilt, kus on peal kõik päikeseauto tähtsamad osad.

Mida päikesepaneel "teeb"

Pole parata, tuleb alustada lihtsatest asjadest. Sest ka füüsika otsib lahendusi alustades kõige lihtsamast. Tuletame meelde, mis on elektrivool ja vooluring.

Tutvu elektrivoolu ja vooluringi mõistetega. Vasta küsimustele.

Vooluringides tavaliselt ei ole hõõglambid ja patareid. Päikeseauto vooluallikaks on päikesepaneel. Ja kui kasutame hõõglambi asemel LED-lambi, saame kätte esimese eduelamuse - paneme põlema LED-lambi.

Koosta vooluring nii, et päikesepaneel paneks põlema LED-lambi. Vasta küsimustele.

Koosta vooluring nii, et päikesepaneel saaks panna tööle elektrimootori. Vasta küsimustele.

Mõõda päikesepaneeli tekitatud maksimaalset pinget ja võrdle seda pingega, mis on vajalik elektrimootori ringi ajamiseks.

Võrdle päikesepaneeli tekitatud maksimaalset voolutugevust voolutugevusega, mida on vaja elektrimootori käivitamiseks. Tee järeldused.

Pane tööle lisavalgustus. Proovi, kas nüüd on elektrimootori tööle saamisel rohkem õnne? Vasta küsimustele.

Ehitame päikeseauto

Pane kokku päikeseauto. Veendu, et see töötab.

Varustame päikeseauto salvestusseadmetega

Lahe kaks jadamisi ühendatud supekondensaatorit ning kasuta neid elektrimootori tööle panemiseks. Vasta küsimustele.

Mõtle läbi ja vajadusel ka katseta ideed, et superkondensaatoreid saab ka aku või patareiga laadida. Vasta küsimustele.

Kuidas täiendada oma elektriautot nii, et see liiguks ka varjus? Uuri elektriskeemi. Proovi see katses järele. Vasta küsimustele.

Kui vähegi võimalik, siis näita enda ehitatud päikeseautole ka päikest.

Kui kiiresti jõuaks selle autoga Tartust Berliini?

Kuidas kiirust mõõta?

Loe teksti ja tuleta meelde kuidas arvutatakse kehade kiirust. Vasta küsimustele.

Konstantse kiirusega liikuv auto

Pane katsevahendite komplektist kokku ühtlase kiirusega liikuv auto. Testi seda. Vasta küsimustele.

Tee mõõtmised. Kanna tulemused tabelisse. Arvuta oma auto kiirus. Vasta küsimustele.