Vuoden 2018 opettaja: Kännykkä kaverina fysiikan opetuksessa

Kirjoittaja: 

Kalle Vähä-Heikkilä, FM, fysiikan lehtori, Lauttakylän lukio, Huittinen, email: kalle.vaha-heikkila@huittinen.fi

Älypuhelimesta, josta tässä yhteydessä käytän termiä kännykkä, on tullut jokapäiväinen elämänkumppani meille opettajille, mutta erityisesti oppilaille. Onkin paikallaan miettiä, miten tuo rakkaaksi käynyt kapistus saadaan hyödynnettyä opetuksessa ja oppimisessa. Voisiko kännykkä olla esimerkiksi osa demonstraatiota tai mukana kulkeva mittalaite? Tarkastelen tässä artikkelissa joitain kännykän käytön mahdollisuuksia fysiikan opetuksessa.

Dopplerin ilmiö

Dopplerin ilmiö, jossa äänilähteen tai kuulijan liike aiheuttaa kuullun äänen taajuuden muutoksen, on tuttu arkielämän ilmiö. Dopplerin ilmiön demonstroimiseen tarvitaan joko liikkuva äänilähde tai kuulija. Hyödynnetään viime artikkelissa (4/2018) rompetorilta löytämääni porakonetta, pätkää puulistaa, pulttia ja kännykkää. Kännykkään on ladattavissa signaaligeneraattorisovellus. Itse käytän iPhonelle tehtyä AudioKit-sovellusta, jota voi hyödyntää monessa muussakin demonstraatiossa. Porataan listaan reikä ja kiinnitetään pultti mutterilla kiinni listaan. Kiinnitetään lista pultista porakoneeseen. Käynnistetään kännykän signaaligeneraattorisovellus ja asetetaan kännykän äänenvoimakkuus mahdollisimman voimakkaaksi. Teipataan kännykkä listan toiseen päähän ja aletaan pyörittää listaa. YouTube-linkissä alla on kuvattuna demonstraatio. Havaitsija kuulee äänen taajuuden kasvun kännykän tullessa häntä kohti ja taajuuden alenemisen kännykän loitotessa hänestä. Kannattaa testailla eri taajuuksien vaikutusta Dopplerin ilmiöön.

 

Dopplerin ilmiötä voi demonstroida narun päähän kiinnitetyllä kaikukopallisella ääniraudalla. Pyörittämällä äänirautaa suurella kehänopeudella kuullaan taajuuden muutos. Joka kerta tätä demoa tehdessä saa pelätä, onko äänirauta varmasti kunnolla kiinni narussa. Pyöritysdemoa voi kokeilla myös kännykällä. Laitetaan kännykkä ja pieni matkakaiutin kangaspussiin tai pieneen muovipussiin ja kiinnitetään pussi naruun. Käynnistetään kännykän signaaligeneraattorisovellus ja aletaan pyörittää. Demo toimii loistavasti. Tästä on helppo tehdä video sähköiseen kokeeseen.

Signaalia kännykästä

Kännykkää voidaan käyttää signaalilähteenä monissa demonstraatioissa. Hakusanalla signal generator löytyy useita eri sovelluksia. MultiTone Generator -sovellus iPhonelle (Kuva 1) on erittäin hyvä signaaligeneraattori äänidemoihin. Sovelluksessa voi käyttää samanaikaisesti kahta eri taajuutta, joten äänen huojunnan demonstroiminen onnistuu vaivatta. Perinteisesti huojuntaa voidaan demonstroida kielisoittimilla tai ääniraudoilla. Itse pitäisin kännykkää lisävälineenä ja esittäisin huojunnan arkielämästä tutuilla välineillä. Kielisoittimien ja äänirautojen käytössä on etuna se, että niiden avulla voidaan tarkastella värähtelytaajuuteen vaikuttavia tekijöitä ja liittää huojunta arkielämään. Sen sijaan huojuntailmiön kuuleminen tulee paremmin esille kännykällä, kun taajuuksia on helppo vertailla ja säätää.


Kuva 1. MultiTone Generator -sovellus toimii signaaligeneraattorina monissa äänidemoissa.

 

Äänen etenemistä väliaineessa voidaan tutkia tyhjiökuvun avulla. Kännykkä toimii tässäkin erinomaisena äänilähteenä. Kiinnitetään kännykkä teipillä roikkumaan tyhjiökuvun sisälle ja käynnistetään signaaligeneraattorisovellus. Olen käyttänyt kännykkää jo lähes 20 vuotta tässä demonstraatiossa ja kaikki kännykät ovat kestäneet alipaineen. Nykyiset puhelimet ovat sikäli parempia kuin vanhat, että niillä saadaan tuotettua ääntä vain yhdellä taajuudella, jolloin äänen voimakkuuden pieneneminen paineen pienentyessä tulee paljon paremmin esille kuin vanhoissa puhelimissa tai herätyskelloissa.

Ympäristömittauksia äänelle

Välillä saattaa tuntua siltä, että luokkahuoneen melu ylittää 80 dB:n rajan. Äänen intensiteettitason mittaamiseen tarkoitetut mittarit ovat melko hinnakkaita, mutta toisaalta myös laadukkaita, esimerkiksi Vernierin Sound Level Meter tai Pasco Sparkvue. Suuntaa antavia mittauksia pystyy tekemään kännykän dB-mittarisovelluksilla. dB-mittarisovelluksella saadaan fysiikka jälleen kerran linkitettyä oppilaan arkielämään mitä mainioimmin. Ainoa miinus on, että sovellukset mittaavat vain hetkellistä dB:a, eikä niistä saa graafista mittausta – tai saa graafisen mittauksen, mutta vain lyhyeltä ajalta.

dB-sovelluksella voidaan tutkia luokkahuoneen äänen intensiteettitasoa ja verrata, miten oppilaiden määrä vaikuttaa luokkahuoneen äänen intensiteettitasoon. Oppilaille voi antaa kotitehtäväksi mitata kodin dB:ja tai kuulokkeen tuottamaa äänen voimakkuutta eri etäisyyksillä. Ääni on erittäin loistava aihekokonaisuus peruskouluun tai teemakurssi lukioon. Äänimittauksissa fysiikka voidaan liittää helposti muihin oppiaineisiin. dB-mittauksilla voidaan tutkia meluvallin, puiston tai minkä tahansa materiaalin vaikutusta äänen absorptioon. Tätä voidaan tarkastella terveystiedossa ja maantieteessä. Voidaan tehdä asuinpaikan eri alueiden dB-mittauksia ja miettiä, mitkä tekijät vaikuttavat äänen intensiteettitasoon eri paikoissa. Musiikissa saadaan mitattua eri instrumenttien tai kuoron ja kotitaloudessa kodinkoneiden dB:t. Fysiikassa voidaan tehdä mittaus etäisyyden vaikutuksesta äänen intensiteettitasoon käyttämällä toisen kännykän signaaligeneraattorisovellusta äänilähteenä Kuvan 2 mukaisesti. Mittaus löytyy CSV-tiedostona MAOLin Pedanet-sivuilta.

Kuva 2. Kahden kännykän avulla tapahtuvaa äänen intensiteettitason riippuvuutta äänilähteen etäisyydestä.

 

Ylöspäin liikkuvat vesipisarat

Lapsena ihmettelin, miksi liikkuvan auton rengas näyttää pyörivän taaksepäin. Sama ilmiö ihmetyttää edelleen Z-sukupolveakin heidän katsellessaan YouTube-videoita ja pyörittäessään Fidget spinneriä. Miten kännykkää voisi käyttää selittämään silmän nopeuden havainnointikykyä? Ilmiön pystyy avaamaan oppilaille selittämällä silmän kuvataajuutta ja miten renkaan kiinnekohdan, esimerkiksi vanteen puolan, nopeus vaikuttaa silmän näkemään kuvaan. Ilmiön havainnollistamiseen voidaan käyttää mukavasti kännykkää. Kännykkään voi ladata stroboskooppisovelluksen. Pyörittämällä Fidget spinneriä stroboskoopin valossa nähdään, miten spinneri eri pyörimisnopeuksilla näyttäisi pyörivän välillä taaksepäin, olevan paikallaan ja pyörivän eteenpäin. Toistamalla koe stroboskoopin eri taajuuksilla saadaan selitettyä, miten silmän kuvataajuus vaikuttaa näkemiseen. Kokeessa voi käyttää myös porakonetta ja siihen kiinnitettyä spinneriä tai muuta vastaavaa kappaletta. Ilmiö on vielä havainnollisempi, jos löytää led-valollisen Fidget spinnerin.

Joskus aikoinaan törmäsin demonstraatioon, jossa oli kuvattu videokameralla vesipisaroiden liikkuvan ylöspäin. Ilmiö on sama kuin pyörivässä vanteessa. Vesipisarat täytyy saada tippumaan tietyllä taajuudella ja kun muutetaan strobovalon taajuutta, saadaan vesipisarat ikään kuin kulkemaan ylöspäin. Kokeilin tätä kiinnittämällä laboratorioletkun kaiuttimen kartioon kiinni. Kytkin kaiuttimen signaaligeneraattoriin, käynnistin kännykän strobon ja aloin valuttaa vettä letkua pitkin. Ongelmaksi muodostui liian iso pisarakoko. Kanyyli, tippaletku ja -pussi osoittautuivat sopivammaksi keinoksi säätää pisarakokoa ja -nopeutta. Kiinnitin kanyylin kaksipuolisella teipillä kiinni kaiuttimen elementtiin solmittuun tulitikkuaskiin (Kuva 3 ja 4). Nyt säätämällä pisarakokoa ja -nopeutta sekä strobon taajuutta saatoin tutkia pisaroiden liikettä valon taajuuteen nähden. Ilmiö näkyy silmillä katsottaessa hyvin, mutta videon tekeminen ei ollut kovin helppoa. Demonstraatiosta alla YouTube-video. Jos koululla ei ole signaaligeneraattoria, voi kännykkää tai tablettia käyttää signaaligeneraattorina. Demo hämmästyttää aina oppilaita ja siitä saa aikaiseksi paljon välituntikeskustelua.

 

Kuva 3. Kaiuttimeen kiinnitetyn kanyylin avulla saadaan aikaiseksi sopivan kokoisia vesipisaroita.

 

Kuva 4. Vesipisaroiden liikettä tai kännykän kuvausnopeutta voidaan tutkia kännykän strobosovelluksella.

 

Magneettisia ilmiöitä

Kännykästä löytyy myös magneettivuontiheyden suuruutta mittaava anturi. Esimerkiksi Teslameter (hakusana), Sensor Kinetics tai Physics Toolbox -sovelluksella pystyy mittaamaan kännykän kokemaa magneettivuota. Mittauksen pystyy esittämään joko mittarin tai graafin avulla. Testasin, miten hyvin kännykkä soveltuu magneettisten ilmiöiden mittaamiseen. Maapallon inklinaatiokulman määrittäminen Sensor Kinetics -sovelluksella onnistui mainiosti kääntelemällä kännykkää maapallon magneettikentässä eri kulmilla. Tulosta pystyi vertamaan vapaasti pyörivän magneetin näyttämään kulmaan.

Toisena kokeena määritin kestomagneetin magneettivuontiheyden riippuvuutta etäisyydestä Kuvan 5 mukaisesti. Ensin pitää tutkia, miten kännykän magneettivuontiheyden anturi reagoi magneettiin kännykän eri kohdissa ja etsiä sopivan voimakas magneetti. Linkistä löytyy mittauksista tehty CSV-tiedosto, josta ilmenee kestomagneetin magneettivuontiheyden heikkeneminen etäisyyden kasvaessa. Tämän kokeen voisi suorittaa vaikka matikan tunnilla, kun puhutaan matemaattisesta mallintamisesta. Muutenkin suosittelen fysiikan mittausten integroimista matikan tunneille.

Kuva 5. Kestomagneetin magneettivuontiheyden riippuvuus etäisyydestä saadaan mitattua kännykällä ja viivoittimella.

 

Käsittelin sähkömagnetismia artikkelissani 2/2018. Kännykkää voi hyödyntää myös tutkimalla sähkövirran luomaa magneettikenttää, mikä on erittäin hyvä kokeellinen kotitehtävä oppilaille. Mittauksen avulla oppilaat oppivat ymmärtämään sähkövirran suuruuden vaikutusta syntyvään magneettikenttään ja miten virtajohtimen kiertäminen käämiksi voimistaa syntyneen magneettikentän voimakkuutta. Kuvassa 6 on mittaus vedenkeittimen johtimen synnyttämälle magneettikentälle, missä ilmenee hienosti vaihtovirran synnyttämän jaksottaisen magneettivuontiheyden muutos.

Kuva 6. Vedenkeittimen sähkövirran aiheuttaman magneettikentän mittaaminen.

 

Testasin silmukoiden vaikutusta jatkojohtokelalla, johon oli kytketty auton lohkolämmitin (Kuva 7). Kotona tehtyjen mittausten rinnalla voidaan oppilaita pyytää selvittämään samalla tutkittavien laitteiden sähkötehot. Tästä päästään mukavasti keskustelemaan kodin sulakkeista, niiden tarkoituksesta ja kuormittamisesta sekä laskemaan niihin liittyviä laskuja. On kyllä pakko todeta, että esimerkiksi Vernierin magneettikenttäanturilla pystyy laajentamaan mittauksia vielä huomattavasti. Kännykästä on moneksi, mutta mitta-antureiden tarkkuus voittaa vielä kännykän anturit.

Kuva 7. Sähköjohtokelaan syntynyt magneettikenttä.

 

Liikkeen mittaamista

Yksi upeimmista sovelluksista on Vernier Graphical Analysis, jonka avulla pystytään käyttämään kännykän omia kiihtyvyysantureita. Vernierin etuna moniin muihin sovelluksiin verrattuna on mitatun datan muokkaus ja lähettäminen CSV-tiedostona. Lisäksi sovellusta voidaan käyttää Vernierin antureiden kanssa, mistä voisi kirjoittaa oman artikkelin.

Vernier-sovellus sopii erinomaisesti ”ulos luokkahuoneesta” -toimintaan. Kännykästä tulee joka paikassa mukana kulkeva mittauslaitteisto. Oppilaille voi antaa kotitehtäväksi tutkia eri kulkuneuvojen liikettä. Hissin liikkeen tutkiminen on helppoa ja mielenkiintoista kännykän avulla. Miksi ihminen painautuu kohti hissin lattiaa ylöspäin kiihdytettäessä ja miksi kerrokseen saapuessa olo kevenee? Näihin saadaan kvantitatiivinen vastaus kiihtyvyysmittauksista. Mitä korkeampi rakennus on, sitä hienompia kiihtyvyysmittauksia saa tehtyä. Kiihdytykset ovat pidempiä ja tasaisempia kuin esimerkiksi kerrostalojen ja koulujen hisseissä. CERNin reissuun on saatu kytkettyä hiukkasfysiikan lisäksi muutakin fysiikkaa, kun olemme mittailleet CMS:n hissin kiihtyvyyttä kännykän avulla ja analysoineet hissin liikettä. Kuvassa 8 on Prahan TV-tornin hissin kiihtyvyyden mittaus. Itse mittausdata löytyy MAOLin Pedanet-sivuilta. Laitoin valmiiksi nollatasoksi putoamiskiihtyvyyden, jotta mittauksesta olisi helppo määrittää hissin nopeus ja hissin kulkema matka. Kaiken kaikkiaan oppilaat innostuvat todella paljon, kun pääsevät konkreettisesti mittailemaan omaan elämään liittyviä tilanteita.


Kuva 8. Prahan TV-tornin hissin kiihtyvyys.

 

Lämpökuvauksia

Kännykällä voidaan ohjata fysiikan ja kemian mitta-antureita. Langattomat anturit ovat mahdollistaneet monia sellaisia mittauksia, joita ennen oli erittäin vaikea tehdä langallisilla antureilla. Lisäksi liikkeen mittaaminen videosta onnistuu hienosti esimerkiksi Vernier video physics -sovelluksella. Yhtenä hienona uutuutena on lämpökameran liittäminen kännykkään. FLIR valmistaa kännykkään liitettäviä suhteellisen halpoja lämpökameroita, joista on paljon iloa sekä hyötyä varsinkin käsitteellisen fysiikan opettamisessa. Lämpökamerasta on tullut yksi suosikkimittausvälineistä koulussamme.

Lämpökameralla pystyy havainnollistamaan lämmön siirtymistä erittäin vaikuttavasti. Kuvassa 9 kaadetaan kuumaa vettä kylmän veden joukkoon, jolloin kuuman veden sekoittuminen kylmään näkyy huomattavasti paremmin kuin tehtäessä koe värjätyllä vedellä. Viime talven kovilla pakkasilla tutkimme oppilaiden vaatteiden lämmöneristävyyttä (Kuva 10) ja tietysti myös koulurakennuksen lämmöneristävyyttä tai voisiko pikemminkin sanoa vuotokohtia. Oppilaat mittasivat monena pakkaspäivänä välituntisin ja koulun jälkeen vapaaehtoisesti erilaisten vaatekokonaisuuksien lämmönjohtavuutta ja keskustelua syntyi valtavasti. Lainasin koulun lämpökameraa oppilaille myös kotiin. Täytyy sanoa, että laite on ollut rahan arvoinen hankinta. Lisäksi tarkastelimme, miten psykologian professori Lauri Nummenmaa (http://www.aalto.fi/fi/current/news/2013-12-31-002/) on käyttänyt lämpökameraa ihmisen tunnetilojen kuvaamiseen. Tällaisten poikkitieteellisten tutkimusten avulla voi tuoda fysiikkaa muillekin kuin vain fysiikan opiskelijoille sekä rohkaista fysiikan opiskelijoita miettimään myös perinteisestä poikkeavia tutkimuksen aloja. Tietenkin oppilaat yrittivät tehdä omien tunnetilojen kuvaamista lämpökameralla, mutta se ei oikein meidän laitteellamme tuottanut tulosta.


Kuva 9. Kuuman veden sekoittuminen kylmään veteen.

 


Kuva 10. Vaatteiden lämmöneristävyyden tutkiminen FLIR-lämpökameralla.

 

Kännykkää voi käyttää tietysti monissa muissakin demonstraatioissa ja mittauksissa, mutta tälläkin artikkelilla on rajallinen pituus. Tutustukaa, mitä kaikkia sovelluksia löytyy ja myös mitä kaikkia antureita kännykkä sisältää. Lisäksi ei ole ollenkaan pahitteeksi ottaa selvää, mihin kunkin suureen mittaaminen perustuu, joku oppilaista sitä kuitenkin kysyy. Kun opettaja näyttää joitain fysiikan sovelluksia malliksi oppilaille, keksivät oppilaat kyllä itse mitattavaa. Tämä on juuri kännykän etu mittavälineenä. Oppilaat mielellään jopa kisaavat hyvistä mittauksista ja ideoista. Ylös ja luokkahuoneesta ulos mittailemaan.

Linkki

Mittausten CSV tiedostot 

 

[Julkaistu: Dimensio 5/2018]

Lisää eDimensiossa

Dimensio 5/2018 , 24. lokakuu 2018 - 9:13
Millennium-palkinto Suomeen , 7. syyskuu 2018 - 10:21
Dimensio 4/2018 , 23. elokuu 2018 - 9:00
MAOL olemme me , 6. toukokuu 2018 - 15:16
Vuoden 2018 opettaja: Stadionilla jyrää , 6. toukokuu 2018 - 15:00
Dimensio 3/2018 , 6. toukokuu 2018 - 14:52
Luovuus, koulu ja matematiikka , 10. maaliskuu 2018 - 14:37
Teknologiateollisuus tutuksi , 10. maaliskuu 2018 - 12:16
Dimensio 2/2018 , 10. maaliskuu 2018 - 11:03
Faces of Women in Mathematics , 10. maaliskuu 2018 - 10:00
Luovuus matematiikassa , 11. helmikuu 2018 - 10:21
Kuka saa tuntea matematiikan ilon? , 11. helmikuu 2018 - 9:31
Analogiamalli sähköoppiin , 3. helmikuu 2018 - 9:30
Helsingin kerho 90 vuotta , 3. helmikuu 2018 - 9:20
Dimensio 1/2018 , 3. helmikuu 2018 - 9:00
Vuoden 2017 opettaja: Vesi, wasser, eau, voda , 19. marraskuu 2017 - 9:57
Dimensio 6/2017 , 19. marraskuu 2017 - 9:01
Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00