Vuoden 2018 opettaja: Toisen rompe on toisen aarre

Kirjoittaja: 

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

Kesä on täynnä kaikenlaisia tapahtumia ympäri Suomen. Opetuspuoli on siirtynyt ansaitulle kesäkeskeytykselle ja on aika tehdä pieni irtiotto opetustyöstä. Toisaalta kesällä on myös aikaa miettiä tulevaa lukuvuotta ja tuoreita ajatuksia saattaa putkahdella esiin kierrellessä kesäisiä tapahtumia. Uusia demonstraatiota ja opetusvälineitä voi lähteä etsimään rompetoreilta, jotka pursuavat mitä mielenkiintoisimpia esineitä ja vielä erittäin huokeaan hintaan. Pitäkää silmät ja korvat auki ja muistakaa tingata – mitä turhempi esine on myyjälle, sitä edullisemmin sen saa itselleen.

Ruosteiset kuulat fysiikassa ja kemiassa

Mekaniikassa mietitään törmäysten yhteydessä, mihin energianmuotoihin energia törmäyksessä muuttuu. Osa liikkuvien kappaleiden energiasta muuttuu ääneksi ja kappaleiden sisäenergiaksi. Törmäyksessä syntynyttä ääntä on helppo demonstroida esimerkiksi lyömällä käsiä yhteen. Samalla voidaan todeta, että ääni on yksi energian muoto. Sisäenergian muutos ilmenee kappaleiden lämpötilan nousuna. Törmäyskohdan hetkellistä lämpötilan kasvua voidaan demonstroida tutulla ”kuulat ja paperi” -demolla. Laitetaan paperi kuulien väliin ja isketään kuulia yhteen. Mitä kovemmin kuulia isketään, sitä isompi palamisjälki paperiin syntyy. Kuulien törmäyskohta tuntuu sitä lämpimämmältä, mitä kovemmin kuulat saadaan törmäytettyä.

Asuinpaikkakuntani Pöytyän lähialueilla on ollut jo vapusta alkaen rompetoreja, joista olen metsästänyt demonstraatiovälineitä. Lähdin etsimään isompia metallikuulia edellä kuvailemaani paperinpolttodemoon. Vappupäivänä, muutama vuosi sitten löytyi isot ruosteiset kuulat sopivaan kahden euron hintaan ja kaupat oli tehtävä tinkaamatta. Samaisena keväänä löysin Auran nuortentalon rompetorilta volframiset kalkkitehtaan murskaamon kuulat, jotka sain ilmaiseksi poisvietäväksi, kun selitin, miten hyvään opetustarkoitukseen kuulat tulevat. Ajatuksenani oli, että mitä suuremmat kuulat, sitä suurempi palojälki saadaan paperille. Kuvassa 1 on rompetoreilta löytämäni kuulat suhteutettuna tulitikkuaskiin.

Kuva 1. Rompetorilta löytyi ruoste- ja volframkuulat törmäysdemoja varten.

 

Isoista ruosteisista kuulista oli helppo pitää kiinni ja kovan iskun jälkeen paperilla näkyi sormenpään kokoinen palojälki. Muistelin kemianopinnoista myös termiittireaktiota

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

jota oli pakko lähteä kokeilemaan. Päällystin toisen ruosteisista kuulista keittiöstä löytyneellä paksulla Al-foliolla. Törmäyksessä syntyy korkea lämpötila, joka saa aikaan alumiinin oksidoitumisen ja termiittireaktio etenee Al-foliossa (Ks. YouTube-demo ”Ruosteiset kuulat”). Yrittäessäni aiemmin kyseistä demoa ruosteisen putken ja levyn avulla en saanut reaktiota aikaiseksi. Ruosteisten kuulien avulla kemia ja fysiikka yhdistyvät upeasti!

 

Volframikuulat ovat kokonsa puolesta helpompi käsitellä kuin raskaat ruostekuulat. Volframikuulat olivat erittäin hieno löytö harvinaisuutensa puolesta. Volframi ei ole ihan joka päivä arkielämässä vastaan tuleva metalli. Demonstraation yhteydessä voi puhua muutaman sanan volframin kovuudesta ja käytöstä esim. kivimyllyissä, hehkulampussa ja avaruusaluksissa suojakilpinä.

Levylautanen pyörimään

Esittelin Dimension 2/2018 artikkelissani induktiodemoja, joihin löysin yhden demonstraatiovälineen lisää. Rompetorilla silmiin pisti vanha LP-levysoitin, jossa sattui olemaan alumiininen levytaso. Myyjä myi rikkinäistä levysoitinta koristeeksi, joten hinta oli jälleen kolikoissa. Irrotin alumiinisen levylautasen ja sen kiinnitystapin. Levylautasen saa helposti kiinnitettyä statiiviin kiinnitystapistaan. Pyöritettäessä voimakasta neodiummagneettia alumiinisen levylautasen päällä alkaa lautanen pyöriä. Kuvassa 2 on magneetti levylautasessa kiinni, mutta induktiodemossa ei ole tietenkään tarkoitus käyttää kitkaa, vaan magneettia tulee pitää muutaman millimetrin etäisyydellä lautasesta. (Ks. YouTube-demo ”Induktio levylautasella”)

 

Kuva 2. Alumiinista LP-levysoittimen levylautasta voidaan käyttää voimakkaan magneetin kanssa induktiodemoihin.

 

Levylautasella voidaan demonstroida myös induktiojarrun toimintaperiaatetta. Laitetaan levylautanen pyörimään ja viedään magneetti lautasen lähelle. Magneetti indusoi pyörivään lautaseen induktiovirtoja, jotka vastustavat lautasen pyörimistä ja näin pienentävät lautasen pyörimisnopeutta.

LP-levysoitin on pienen kitkansa vuoksi mitä mainioin demonstraatioväline ympyräliikedemoihin. Asetetaan levylautasen päälle eri säteille kolme kolikkoa ja aletaan kasvattaa levyn pyörimisnopeutta Kuvan 3 osoittamalla tavalla.

Kuva 3. Mikä kolikoista lähtee ensimmäisenä liikkeelle?

 

Oppilaille voi esittää kysymyksen, mikä kolikoista lähtee ensimmäisenä liikkeelle ja miksi. Käsitteellistä kysymystä voidaan lukiotasolla tutkia teoreettisesti kitkan avulla. Peruskoulun puolella voidaan kiinnittää voima-anturiin naru ja sen päähän punnus. Pyörittämällä punnusta eri etäisyyksillä vakio pyörimisnopeuksilla saadaan mitattua punnukseen eri etäisyyksillä ympyräradan keskipisteeseen kohdistuva voima. Mitä kauempana kolikko on pyörimisakselista, sitä suurempi on kolikon ratanopeus ja sitä suurempi voima tarvitaan pitämään kolikko ympyräradalla. Ilmiö on hyvä liittää arkielämään esimerkiksi tutkimalla kartasta tiellä olevia kurveja ja miettimällä, miksi jyrkissä kurveissa nopeus on monesti rajoitettu alhaisemmaksi ja kurveja on kallistettu. Levylautasen päälle voidaan asettaa eri materiaaleja ja tutkia eri materiaalien vaikutusta kolikon liikkeelle lähtöön.

Edellisissä demoissa tarvitaan laite, jolla voidaan pyörittää levylautasta. Rompetorilla on myytävänä lähestulkoon aina vanhoja käsin veivattavia porakoneita, jotka soveltuvat mainiosti pyörimisliikedemoihin. Tinkasin uppokuumentimen myyjältä porakoneen kylkiäiseksi Kuva 4. Hintaa porakoneelle ja kuumentimelle kertyi viisi euroa. Vastaavan uppokuumentimen hinta välinevalmistajalta tilattuna on moninkertainen. Lämpöopin kurssille löytyy sekä rompetorilta että kirpputoreilta vanhoja vedenkeittimiä ja vielä eri tehoisia. Toisaalta niitä löytyy myös oppilaiden kotoa. Olen pyytänyt oppilaita säilyttämään kotoa pois heitetyt vedenkeittimet ja tuomaan ne koululle lämpöopin töitä varten. Toisen rompe on toiselle käyttötavaraa.

Kuva 4. Käsin veivattava porakone on mitä mainioin kapistus kappaleiden pyörittämiseen.

Valosähköinen ilmiö

Albert Einstein esitti vuonna 1905 valosähköisen ilmiön teorian, joka oli tärkeä osoitus valon dualistisesta luonteesta. Modernin fysiikan demonstraatioille on aina kysyntää, jotta oppitunnit eivät olisi pelkkää teoreettista opetusta. Valosähköilmiön demonstroimiseen voidaan ostaa kallis laitteisto välinevalmistajalta, esittää demonstraatio aurinkokennon avulla tai käyttää vanhaa kotisolariumia. Toki on olemassa muitakin mainitsemattomia tapoja ilmiön demonstroimiseen.

70-luvulla myytiin pienikokoisia kotisolariumeja, joissa oli UV- ja IR-lamput. Näitä kotisolariumilamppuja tulee toisinaan vieläkin vastaan rompe- ja kirpputoreilla. Solariumin UV-lampun aallonpituus riittää irrottamaan elektroneja sinkistä ja näin ollen se toimii loistavasti valosähköilmiön demonstroimisessa. Kiinnitetään banaaniliittimellä sinkkilevy elektroskooppiin Kuvan 5 osoittamalla tavalla.

Kuva 5. Valosähköilmiön demonstroiminen voidaan tehdä kotisolariumin, Zn-levyn ja elektroskoopin avulla. Vanhat VHS-kasetit soveltuvat erinomaisesti tasoiksi moniin demonstraatioihin ja mittauksiin.

 

Jos koululla ei ole elektroskooppia, löytyy internetistä lukuisia ohjeita, miten lasipurkista ja Al-foliosta voi sellaisen rakentaa. Varataan sinkkilevy eboniittisauvalla. Huomaa, että levyssä täytyy olla negatiivinen varaus, jotta demonstraatio toimii. Asetetaan solarium reilun kymmenen senttimetrin etäisyydelle Zn-levystä ja käynnistetään solarium. Hetken kuluttua elektroskoopilla havaitaan Zn-levyn varauksen pieneneminen.

Toistetaan koe erilaisten laserien avulla ja todetaan, että elektronien irtoamiseen vaikuttaa valon aallonpituus, ei intensiteetti. Kokeen voi suorittaa myös LED UV-lampulla ja havaita, että LED-valon aallonpituus ei riitä irrottamaan elektroneja sinkistä, mikä voidaan todeta myös laskennallisesti kokeen jälkeen. Demonstraatio voidaan tehdä myös UV-loisteputkilampulla, mikäli sellaisen sattuu omistamaan. Valitettavasti näin kesäkeskeytyksen aikaan en jaksanut lähteä koululle testaamaan juuri tilamaani Vernierin varausanturia. On mielenkiintoista nähdä, minkälaisen matemaattisen mallin voi Vernierin varausanturilla tehdylle mittaukselle sovittaa. (Ks. YouTube-demo ”Valosähköinen ilmiö”)

 

Etanolin palaminen pullossa

Etanolin nopeaa höyrystymistä ja herkkää syttymistä voidaan demonstroida vanhan, rompetorilta löytyneen olutpullon avulla (Ks. YouTube-demo ”Etanolin palaminen”). Laitetaan kaksi ruokalusikallista etanolia lasipulloon. Käännellään ja kierretään pulloa siten, että sen sisäpinnalla on kauttaaltaan etanolia. Pullon suulla kannattaa pitää kämmentä, jotta etanolihöyryä pysyy mahdollisimman paljon pullon sisällä. Kun nestemäinen etanoli on lähes kokonaan höyrystynyt, asetetaan pullo lattialle ja palava tulitikku pullon suulle. Etanoli yhtyy happeen ja nähdään näyttävä etanolinhöyryn palaminen pullossa ja pullon suun ulkopuolella Kuvan 6 mukaisesti. Etanolin määrää kannattaa kokeilla suojavarustein ulkotiloissa ennen demonstraation esittämistä oppilaille. Demonstraation voi tehdä myös vesiautomaatin pullolla, jos sellaisen saa jostain hommattua tai vaikka pienemmälläkin sopivan muotoisella pullolla. Toki etanolin nopeaa höyrystymistä voidaan demonstroida kaatamalla etanolia kädelle ja pohtimalla, miksi käsi tuntuu kylmältä hetken kuluttua.

 


Kuva 6. Höyrystyneen etanolin palaminen vanhassa lasisessa olutpullossa.

 

Edellä oli joitain esimerkkejä, miten hyviä demovälineitä löytyy rompe- ja kirpputoreilta. Rompetorimyyjät ovat erittäin kiinnostuneita, kun heille selittää ostetun romppeen käyttötarkoitusta. Ostaessasi tuotetta tuo ihmeessä esille, mihin olet rompetta käyttämässä fysiikassa, kemiassa tai matematiikassa. Siinä tarinoidessa ympärille tulee monesti kiinnostuneita kuulijoita ja näin voidaan levittää fysiikan ja kemian ilosanomaa eteenpäin. Lehden ilmestymisen jälkeen on vielä joitain isompia rompetoreja, joista demovälineitä voi lähteä etsimään. Seuraavassa muutama esimerkki:

1.–2.9. Mobiilihallin peräkonttikirppis, Noormarkku
2.9. Syysheikki, Turku
8.–9.9. Rautalammen pestuumarkkinat ja rompetori
15.9. Rompetori, Vaasan Auto- ja Moottorimuseo

 

[Julkaistu: Dimensio 4/2018]

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