Oppilaiden ennakkokäsityksiä opetussuunnitelman perusteissa esitetyistä keskeisistä ilmiöalueista

Kalle Juuti

Käyttäytymistieteellinen tiedekunta

Tavoitteet ja sisällötopsin perusteissa (1 – 4)

Turvallinen työskentely Havaintojen teko ja lähdeaineistojen käyttö Yksinkertaisten tutkimusvälineiden käyttö Yksinkertaiset kokeet Käyttämään käsitteitä ympäristön ilmiöiden kuvaamiseen ja

selittämiseen Energiavarojen säästäminen

Sisällöt 1 – 4

Elottoman ja elollisen luonnon peruspiirteet

Ruoan alkuperä ja tuottaminen

Vuorokauden ja vuodenajat

Maapallo ihmisen elinpaikkana

Ääni, valo

Lämpöilmiöt ja lämmönlähteet

Laitteiden toiminta, rakenteiden lujuus

Sähkö- ja magnetismi-ilmiöt

Olomuodonmuutokset

Yksinkertaiset ensiaputoimet

Tavoitteet 5 – 6

Turvallisuus ja työskentelytavat Havainnot ja mittaukset. Tiedon luotettavuus Osaa havainnoida ja tunnistaa ja tutkia ilmiöihin ja

ominaisuuksiin liittyviä syy-seuraussuhteita Osaa käyttää fysiikan käsitteitä

Sisällöt 5 - 6

Sähköllä liikettä, lämpöä, valoa

Sähköturvallisuus

Sähkön ja lämmöntuotantotapoja ja energiavarat

Maan vetovoima ja kitka sekä voimista aiheutuvia liike- ja

tasapainoilmiöitä

Turvallinen liikkuminen

Maan ja kuun liikkeet, Aurinkokunnan rakenne

Sähkö, ennakkokäsitykset (Viiri, 2005) Yksinapamallin mukaan vain toisesta johdosta tulee sähköä ja yksi johto

riittää.

Piirin tulee olla suljettu, komponentit kaksinapaisia Törmäävien sähkövirtojen mallin mukaan molemmista pariston navoista tulee

sähköä, joka törmää lampussa.

Sähkövirta kulkee koko virtapiirissä samaan suuntaan (pariston plus-navasta

miinus-napaan) Vaimennusmallin mukaan sähkövirta vaimenee kulkiessaan komponentin läpi

(ensimmäinen lamppu himmeämpi kuin toinen)

Virta on piirissä sama. Paristosta lähtevä virta on yhtä suuri kuin sinne

palaava virta Sähkövirran jakomalli: Sarjaan kytketyt lamput palavat yhtä kirkkaasti, koska

ne jakavat sähkövirran

sähkövirta on yhtä suuri (tosin virta on suurempi piirissä, missä on yksi

lamppu

Paristo vakiovirran lähteenä Virran suuruus riippuu pariston napojen välisestä

jännitteestä ja piirissä olevasta kuormasta (komponenttien ominaisuuksista, resistanssista)

Paikallinen ja sarjallinen ajattelu: virtapiirin komponentteja tarkastellaan yksitellen eikä oteta huomioon muiden komponenttien vaikutusta. Ajatellaan, että komponentin vaihto vaikuttaa ainoastaan siihen komponenttiin eikä virtapiirin muihin osiin.

virtapiiri on kaikkien siihen kytkettyjen laitteiden muodostama kokonaisuus. Yhden osan vaihtaminen vaikuttaa myös muihin.

Virtapiirin selitysmallit

Voidaan havaita ainoastaan sähkön seurausilmiöitä Lampun kirkkaus Äänen voimakkuus Pyörimisnopeus …

Mitä kirkkaampi lamppu, sitä suurempi sähkövirta piirissä kulkee.

Pariston napojen välillä on jännite, joka saa aikaan piiriin virran.

Kun virtapiiri suljetaan, alkaa pariston sisällä tapahtua kemiallisia reaktioita, jotka synnyttävät pariston napojen välille jännitteen.

Valo, ennakkokäsitykset (Viiri, 2005)

Valo etenee silmästä kohteeseen (näkösäde)näkeminen perustuu kohteesta silmään tulevaan valoon Silmä saa aikaan näkemisen, valo auttaa näkemään

paremmin näkeminen perustuu silmään tulevaan valoon (silmässä

on tiettyihin valon aallonpituuksiin reagoivia soluja) Valo koostuu valonsäteistävalonsäde on yksi malli kuvailla valoilmiöitä Valon voi nähdäainoastaan silmään osuvan valon voi nähdä, pimeässä

huoneessa näkyvä ”valosäde” on pölystä tms. heijastunutta valoa.

Katso kuva valon vaikutuksesta esineeseen

http://www.helsinki.fi/luma/opetus/kuukauden_esine/valoarvot.jpg

Valo etenee tietylle etäisyydelle (näköaistiin liittyvä)valo etenee rajattoman pitkälle, sen voimakkuus pienenee

etäisyyden neliöön, jossain vaiheessa silmän valoherkkyys ei riitä havaitsemaan valoa.

Esineillä on niille ominainen väriesineen väri riippuu siihen tulevasta valosta

Valo

Itsevalaisevat valonlähteet Esineet, jotka lähettävät edelleen valoa

Heijastus esineen pinnasta Sironta esineen ”sisältä”

Havaittavat ominaisuudet Voimakkuus (kirkkaus), väri

Yhteys mekaanisiin aaltoihin Heijastuminen Taittuminen rajapinnassa, taipuminen (hilassa)

Mekaaniset aallot

Osapuolet

- värähtelevä lähde (tai häiriö), väliaine, vastaanotin Ominaisuudet

- voimakkuus, aalonpituus Ilmiöt heijastuminen, taipuminen (kulman taakse)

- Mekaanisten aaltojen varjosti ja varjo (aallonmurtaja)

http://www.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/tieto/ennakko/index.htm

Ääni Osapuolet

- värähtelijä, väliaine, vastaanotin (esim. Korva tai jokin, mikä

alkaa äänen vuoksi värähtelemään) Ominaisuudet (voimakkuus, korkeus; sointiväri)

- Huomaa puhe äänen väristä? kuuloaistilla havaitaan

sointi, sellainen ilmiö, mitä näköaistilla ei voi havaita.

- Soittimessa “monta värhähtelijää”, jotka muodostavat äänen. Tunnistetaan äänen ominaisuudet toisistaan riippumattomiksi

(kova ja matala ääni / kova ja korkea ääni Ilmiöt (heijastuminen, taipuminen, taittuminen)

- Mikä on äänen varjostin tai äänen varjo?

- Miksi seinä / kulman taakse kuuluu? ääni taipuu

- Mitä matalampi ääni sitä paksumpi pitää olla äänieste

Väitekortit 1/4

Voimakkaasta tuulesta huolimatta tytön onnistuu iskeä rantalentopallo kentän toiselle puolelle.Väite: Kun pallo on irronnut kädestä, mutta ei vielä ole koskettanut kenttää, siihen vaikuttaa painovoima alaspäin, iskun aiheuttama voima ja tuulen aiheuttama voima

Kaksi samankokoista metallipalloa, joista toinen on kaksi kertaa raskaampi kuin toinen, pudotetaan samanaikaisestiVäite: Raskaampi pallo putoaa maahan samanaikaisesti kuin kevyt pallo.

Väitekortit 2/4

Kuorma-auto ja henkilöauto törmäävät parkkipaikalla.Väite: Kuorma-auto kohdistaa henkilöautoon suuremman voiman kuin henkilöauto kuorma-autoon.

Väitekortit 3/4

Tyttö mietiskelee nurmikolla.Väite: Tyttöön vaikuttaa ainoastaan painovoima alaspäin

Väitekortit 4/4

Voima, ennakkokäsityksiä (Hellinen, Juuti, Lavonen, painossa)

Epämääräiset paikka, nopeus ja kiihtyvyys nopeus: mitä pidemmälle tietyssä ajassa (paikan muutos

aikayksikköä kohti), kiihtyvyys: mitä nopeammaksi tietyssä ajassa (nopeuden muutos aikayksikköä kohti)

Impetuksen ajatellaan olevan eloton ”liikuttava voima” tai ”sisäinen voima”, joka pitää kappaleet liikkeessä.

Kappaleen liike ei muutu, jos siihen ei vaikuta mikään voima tai kappaleeseen kohdistuvat voimat kumoavat toistensa vaikutuksen (suunta ja suuruus)

Aktiivinen voima Aktiivisella tekijällä on kyky muodostaa impetusta ja siirtää sitä muihin kappaleisiin saaden ne näin liikkeeseen ja liikuttaa.

myös ”passiivinen tekijä” kuten seinä voi kohdistaa voiman

Dominanssikäsitys liittyy voima- ja vastavoimapareihin. Dominanssikäsityksen mukaan ”voimakkaampi” kappale aiheuttaa suuremman voiman.

newtonin 3. peruslaki (voiman ja vastavoiman periaate) Vaikutusten ketjuuntuminen: suurin voima voittaa muut

voimat. Voima ja vastavoima kumoavat toisensa Vuorovaikutus synnyttää kaksi voimaa. Kappaleen

liikkeen määrää kappaleen kaikkien vuorovaikutusten synnyttämät voimat yhdessä

Maa vetää kappaletta puoleensa yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla kuin kappale Maata

painovoima

Kappale kohdistaa pöytään yhtä suuren, mutta vastakkaissuuntaisen voiman kuin pöytä kappaleeseen.

tukivoima

Pöydän kohdistama tukivoima on yhtä suuri kuin Maan vetovoima (kappaleen paino)

Lisää ennakkokäsityksiä

keskipakoisvoima mukaan esteet, kuten seinä, eivät aiheuta voimaa gravitaatiota pidetään kappaleen sisäisenä ominaisuutena

Todellisuus – Newtonilainen todellisuus

Todellisuus Newtonilainen todellisuus

Liikutettavat kappaleet

Keho, joka liikuttaa

Maa, joka ei liiku

Kaikki oliot idealisoidaan jäykiksi

kappaleiksi (kuula, rautakanki,

”pyöreä lehmä”)

Ylös – alas-suunta on

ensisijainen. Aika ja ylös – ala –

suunta määrittyy kokijan mukaan

Aika ja avaruus ovat sama

kaikille havaitsijoille, ei

ensisijaista suuntaa tai paikkaa

Kaiken havainnoinnin perusta on

liikkumattomalla maalla oleva

keho

Havainnoinnin perusta

(koordinaatisto) voidaan valita

mielivaltaisesti

1

2

3

Käsityksiä voimasta Newtonin laki

Impetus: voima, teho, energia tms., joka

ylläpitää liikettä. Kappaleen liikkuessa

impetus valuu kappaleesta ja liike

pysäthtyy

I: Vuorovaikutuksesta vapaan kappaleen

liike ei muutu

Aktiivinen voima: Aktiivisempi (keho,

moottori, tai muu liikuttaja) synnyttää

liikettä

II: Liikkeen muuttamiseksi tarvitaan

voima. Liikkeen muutos (kiihtyvyys)

riippuu vuorovaikutuksen suuruudesta

(voima) ja kappaleen hitaudesta (massa)

Dominanssi: Vuorovaikutuksessa

suurempi, massiivisempi tai muuten

aktiivisempi kohdistaa suuremman

voiman

III: Vuorovaikuttavat kappaleet kokevat

yhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset

voimat

Tasapainoperiaate: Jos kappaleen liiketila ei muutu eli se on tasapainossa, niin siihen vaikuttavat voimat kumoavat toistensa vaikutuksen

Energia, oppilaiden käsityksiä (Viiri, 2005)

Vain elollisilla olioilla voi olla energiaa ”energinen ihminen” kaikilla olioilla on energiaa, energian ja vireyden

erottaminen Energia liittyy liikkumiseen, ilman energiaa kappaleet ovat

elottomia Liikkuvalla kappaleella on energiaa (liike-energia) mutta

kappale ei liiku energian vaikutuksesta Energiaa pidetään polttoaineen kaltaisena energia ei ole ainetta! Energiaa kuluu energian kokonaismäärä säilyy, mutta se muuttuu

lajista toiseen (kaikissa prosesseissa syntyy lämpöä)

Lämpö (Katso esim. Driver etal., 1985)

Samaistus valon kanssa, yläasteella ilmaisu lämpö on energiaa.)

valo ja lämpö ovat sähkömagneettisen säteilyn eri aallonpituusalueilla.

Lämpö ja lämpötila synonyymeja lämpö on energian laji, lämpötila kuvaa ”lämpimyyden

astetta”