Oppilaiden ennakkokäsityksiä opetussuunnitelman perusteissa esitetyistä keskeisistä ilmiöalueista

1. Oppilaiden ennakkokäsityksiä opetussuunnitelman perusteissa esitetyistä keskeisistä ilmiöalueista Kalle Juuti Käyttäytymistieteellinen tiedekunta

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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.

8. 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.

9. 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 valonsäteistä valonsäde on yksi malli kuvailla valoilmiöitä • Valon voi nähdä ainoastaan silmään osuvan valon voi nähdä, pimeässä huoneessa näkyvä ”valosäde” on pölystä tms. heijastunutta valoa.

10. Katso kuva valon vaikutuksesta esineeseen http://www.helsinki.fi/luma/opetus/kuukauden_esine/valoarvot.jpg

11. 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 väri esineen väri riippuu siihen tulevasta valosta

12. 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)

13. 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

14. 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

15. 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

16. Väitekortit 2/4 Kaksi samankokoista metallipalloa, joista toinen on kaksi kertaa raskaampi kuin toinen, pudotetaan samanaikaisesti Väite: Raskaampi pallo putoaa maahan samanaikaisesti kuin kevyt pallo.

17. Väitekortit 3/4 Kuorma-auto ja henkilöauto törmäävät parkkipaikalla. Väite: Kuorma-auto kohdistaa henkilöautoon suuremman voiman kuin henkilöauto kuorma-autoon.

18. Väitekortit 4/4 Tyttö mietiskelee nurmikolla. Väite: Tyttöön vaikuttaa ainoastaan painovoima alaspäin

19. 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

20. 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

21.  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)

22. Lisää ennakkokäsityksiä • keskipakoisvoima • mukaan esteet, kuten seinä, eivät aiheuta voimaa • gravitaatiota pidetään kappaleen sisäisenä ominaisuutena

23. Todellisuus – Newtonilainen todellisuus 1 2 3

24. Käsityksiä voimasta Newtonin laki Tasapainoperiaate: Jos kappaleen liiketila ei muutu eli se on tasapainossa, niin siihen vaikuttavat voimat kumoavat toistensa vaikutuksen

25. 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)

26. 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”