Fysiikan simulaatiot

K2019

Lauri Hellsten
Espoon yhteislyseon lukio

LOPS 2015 

Tieto- ja viestintäteknologiaa käytetään muun muassa mallintamisen välineenä, tutkimusten tekemisessä ja tuotosten laatimisessa.

  • osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa opiskelun tukena. (FY1)
  • osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tutkimusten tekemisessä. (FY3)
  • osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa mallintamisen välineenä. (FY5)
  • osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa. (FY6)

alosähköistä ilmiötä mallintava simulaatio: Kun valo ylittää tietyn kynnysenergian (alittaa tietyn aallonpituuden), joka vastaa elektronin sidosenergiaa atomissa, elektronit alkavat irrota sinkkilevystä. Oppilas voi säätää aallonpituutta, sähkökentän jännitettä, sekä valon intensiteettiä. Kuvan tilanteessa sinkkilevyä säteilytetään 177 nanometrin UVvalolla intensiteetin ollessa suurin mahdollinen. Jännite on kytketty estosuuntaan.

Viimeinen kohta kaikille yhteisessä kokeilussa oli matematiikan ja taulukkolaskennan soveltaminen ideaalikaasujen tilanyhtälön PV=NkT käsittelyyn. Oppilaiden tehtävänä oli laskea simulaatiossa olevan astian todellinen koko ja piirtää kuvaaja P(T)=NkT/V, kun tilavuus ja hiukkasmäärä olivat vakiot. Oppilaat piirsivät kuvaajan ensiksi laskemiensa arvojensa pohjalta, jonka jälkeen tehtävänä oli piirtää toinen kuvaaja mitattujen arvojen pohjalta. Vertasimme, kuinka hyvin ”The Gas Properties”- simulaatio noudattaa ideaalikaasulakia.

Simulaatio alkuperäisestä Davisson-Germer Elektroni difraktiokokeesta, joka todisti elektronien käyttäytyvän kuin aallot. Oppilas voi muuttaa elektronien nopeutta ja intensiteettiä sekä sirottavan hilan atomien halkaisijaa ja atomitiheyttä. Kuten kuvista näkyy, elektronit käyttäytyvät kuin aallot muodostaen interferenssimaksimeita ja - minimeitä.

►Tähtitieteeseen liittyvä simulaatio, jolla voi tutkia taivaankappaleiden liikkeitä ja vuorovaikutuksia. Kuvassa sininen viiva on satelliitin lentorata. Satelliitti lingotaan toisella taivaankappaleella suureen nopeuteen kohti ulkoavaruutta. Esimerkiksi kuu voi kulkiessaan satelliitin ohi lingota painovoimallaan satelliitin tähtitieteelliseen nopeuteen.

 Simulaatio on välttämätön työkalu tähän, koska vain sen avulla voidaan termodynamiikan hiukkastason (mikrotason) ilmiöt nostaa konkreettisesti havaittavaksi. L

Aineen mikrotason kokeellinen havainnollistaminen on tosin kouluopetuksen piirissä mahdotonta, mikä puoltaa sen poisjättämistä opetuksessa, onhan fysiikka vahvasti kokeellinen tiede. Kuten huomaamme, tämä havainnollistamiseen liittyvä ongelma ratkeaa kuitenkin mainiosti simulaatioiden avulla.

Simulaatio ei vain demonstroi ilmiöitä, vaan se auttaa oppilasta itse löytämään fysiikan voimasuonen; kausaaliyhteyden ilmiöiden välillä. Jokainen simulaatio alkaa staattisesta olotilasta. Mikään ei liiku, kunnes oppilas tekee jotain tarttuen kahvaan, kääntäen kytkintä tai liikuttaen antennissa näkyvää elektronia. Tämä oppilaan toiminta saa välittömän animoidun vasteen simulaatioissa, joka jo itsessään tarjoaa selitystä ilmiölle. Painekattilan tilavuuden pienentäminen saa astiaan pumpatut molekyylit liikkumaan hurjaa vauhtia, lämpötila- ja painemittarin lukemat nousevat, kunnes kattila räjähtää ja molekyylit karkaavat tyhjyyteen.

Hyvien simulaatioiden olennaisia etuja ja eroja piirtoheitinkalvoihin ja taulupiirroksiin ovat liikkeen ja muuttumisen esittämisen mahdollisuus eli ajan mukana olo. Lisäksi simulaatiot mahdollistavat sen, että paljon toisiinsa vertailtavia systeemejä voidaan koota samaan käyttöliittymään.

Toisaalta simulaatio tuo esiin fotonit, molekyylit, atomit ja muut mikrotason oliot ja niiden roolin (mallin kautta) fysiikan teoriassa.

Omia näkökulmia simulaatioihin

  • Täydentävät kokeellista työskentelyä
    • Tutkiva oppiminen
  • Mikrotason ilmiöiden mallintaminen
    • Näkymätön näkyväksi

  • Mallien pätevyysalueiden pohdinta
  • Reaaliaikainen muutos vs. pelkkä kuva
  • Ohjelmointi + Teemaopinnot
     

Hyvä simulaatio herättää kysymyksiä tarkasteltavasta ilmiöstä, kannustaa päätelmien tekemiseen sekä tarjoaa mahdollisuuden päätelmien oikeellisuuden tarkistamiseen.

YTL Fysiikan esimerkkitehtävä C7

a) Mitkä simulaatiossa säädettävissä olevat tekijät vaikuttavat käämissä havaittavaan jännitteeseen?

b) Millä tavalla a-kohdassa havaitsemasi tekijät vaikuttavat käämissä havaittavaan jännitteeseen?

work in progress

Simulaatioita Abitti-kokeisiin

lähde: https://www.abitti.fi/blogi/2015/11/liitetiedostojen-lisaaminen/

1) Lataa .html tai .ggb -muotoinen simulaatio koneelle ja liitä se Abitti-kokeen liitetiedostoksi.

2) Kirjoita upotuskoodi Abitti-kokeeseen. Korvaa simulaatio.html simulaatiotiedoston nimellä ja päätteellä.

<iframe src="./attachments/simulaatio.html" width=800 height=600></iframe>

Tutustu!

Concord Consortium https://concord.org/

Phet Simulations https://phet.colorado.edu/fi/

Algodoo http://www.algodoo.com/

Physion http://physion.net/

GeoGebra http://geogebra.org

Falstad http://www.falstad.com/

MinuteLabs http://minutelabs.io/

Energy2D http://energy.concord.org/energy2d/

Walter-Fendt http://www.walter-fendt.de/html5/phen/

Fysiikan simulaatiot

By Opetus.tv

Fysiikan simulaatiot

  • 1,292
Loading comments...

More from Opetus.tv