F2k-laboratorio

F2k-laboratorio sijaitsee Helsingissä Kumpulan kampuksella Physicum-rakennuksen (Gustaf Hällströmin katu 2a) toisessa kerroksessa.

Yhteyshenkilö: Fysiikan tiedekasvatuksen koordinaattori Tapio Rasa

F2k-laboratorion erityisalue ovat kokeet, jotka johtivat klassisesta fysiikasta nykyfysiikkaan. Modernissa fysiikassa tärkeitä teemoja ovat mm. valon, aineen ja varauksen kvantittuminen. Niinpä laboratorio soveltuu erityisen hyvin lukion modernin fysiikan tai sähkömagnetismin kurssin yhteyteen sekä osaksi työkurssia.

Peruskoulujen opintokäyntien painopisteinä ovat tällä hetkellä arkipäivän fysiikka ja ilmastonmuutos.

Kevätlukukaudella 2019 vierailuja järjestetään pääsääntöisesti maanantaisin, tiistaisin ja torstaisin. Suositeltu ryhmäkoko on 16 henkeä, mutta valituista aktiviteeteista riippuen ohjelmaa voidaan järjestää enintään 25 hengen ryhmillekin.

Varauskalenteri: F2k-laboratorion varauskalenterista voit tällä hetkellä vain katsoa, mitkä ajat ovat jo varattuja. Varauksen loppumisajan näet klikkaamalla.

Ilmoitathan sähköpostitse 1) ryhmäsi koon, 2) alustavaa tietoa aikatauluistanne ja toivomastanne ohjelmasta sekä 3) toiveesi vierailun haastetasoon liittyen. Lisätietoja voit lukea tältä sivulta.

Vierailu voidaan järjestää myös englanniksi (ota normaalisti yhteyttä) tai ruotsiksi (lisätiedot).

• CERN-vierailuiden osalta yhteydenotto tapahtuu erillisellä lomakkeella.
• Katso myös F2k:n lainattavat tarvikkeet.
• F2k välittää fysiikanopettajan sijaisia. Voit lähettää sijaispyynnön yhteyshenkilölle tai suoraan sijaislistalle osoitteeseen fy-sijaiset@helsinki.fi.

Tervetuloa vierailulle!

Opintovierailullanne teille voidaan esitellä Kumpulan kampusta, fysiikan opiskelua ja fysiikan tutkimusta. Perehtyä voi hiukkaskiihdyttimeen, röntgentomografiaan (röntgenkuvaukseen ja 3D-mallinnukseen), hiukkasdetektorilaboratorioon, tähtitieteen laboratorioihin sekä ilmakehätieteiden tutkimukseen (INAR). Ilmakehätieteissä vierailuvaihtoehtoja ovat säätutka ja SMEAR-asema.

Tutkimusosastovierailuja järjestetään lukio- ja yläkouluryhmille. Yläkoululaisille ja lukion ensimmäisen vuositason opiskelijoille suosittelemme ilmakehätieteisiin keskittyvää vierailua. Huomatkaa kuitenkin, että tutkimusosastovierailut ovat taustatietotasoltaan erityisesti lukioikäisille suunnattuja. Esittelijät ovat tutkimusosaston henkilökuntaa eivätkä välttämättä tunne kaikkien opiskelijaryhmien lähtötasoa. Siispä parasta onkin esittää ahkerasti kysymyksiä!

Jotkut tutkijat voivat järjestää lyhyitä luentoja tutkimusaloistaan, kun asiasta sovitaan hyvin etukäteen. Vierailun yhteydessä (kysy mahdollisuudesta vierailla koulullasi) on mahdollista järjestää myös F2k:n tiedettä yleisesti tarkastelevia luentoja ("Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa", 75 min) kaikenkokoisille lukioryhmille. Kysy mahdollisuutta peruskoululaisille tarkoitettuun luentoon ("Atomin tarina", 60 min).

Tarjolla olevia luentoaiheita ovat ainakin "Hiukkasfysiikka ja kosmologia", "Higgsin bosoni", "Plasma physics, spaceflights and space trash", "Space physics: solar storms, aurora and satellites", "Solar system exploration and ESA".

Lisäksi mahdollista on järjestää CERNin hiukkastutkimusdatan käsittelyyn liittyvä työpaja, jonka yhteydessä voi myös kysellä CERNissä vierailleelta työpajan vetäjältä hiukkastutkimuksesta. Työpajassa dataa käsitellään Python-ympäristössä, mutta aiempaa ohjelmointikokemusta ei tarvita.

Ennen vierailua

• Lukio: Valitse tehtävät työt tai kysy suosituksia. Ota huomioon ryhmäsi koko, jotta töitä riittää kaikille. Töiden tekoon vaadittava aika vaihtelee opiskelijoiden pohjatietojen mukaan. Käy laboratoriotöiden aihesisällöt läpi etukäteen opiskelijoittesi kanssa. Miettikää erityisesti, mihin tutkimuskysymyksiin laboratoriossa haette vastauksia. Koordinaattorilta voi kysyä vinkkejä aiheiden opetukseen. Työohjeiden lukeminen etukäteen voi nopeuttaa työskentelyä, mutta keskeisempää on tutkimuksen perusideaan tutustuminen: mitä tutkitaan, mihin mittaus perustuu, mitä pohjatietoja tarvitaan.
• Peruskoulu: Valitse sopiva vierailukokonaisuus. Tutustukaa vierailun aihepiiriin tarpeen mukaan.
• Laboratoriossa on printattuja työohjeita, mutta voit myös tulostaa niitä itse opiskelijoille tutustuttavaksi.

Vierailun aikana

• Lukiolaisten vierailun rakenne on tyypillisesti: Fysiikan laitoksen ja fysiikan opiskelun esittely (15 min); töiden tekoa (esim. 60 min), mahdollisesti vierailu tutkimusosastolle (30-60 min).
• Peruskoululaisten kohdalla keskitytään laboratoriotöiden tekoon, jolloin vierailun pituus on n. 60-75 minuuttia.
• Koordinaattori hakee ryhmän Physicum-rakennuksen aulasta, ellei toisin sovita.
• Opettaja ja F2k-laboratorion koordinaattori auttavat töiden tekemisessä.
• On suositeltavaa, että lukio-opiskelijoilla on omat tietokoneet mukana.

Vierailun jälkeen

• Koonti tuloksista ja opituista asioista opettajan parhaaksi näkemällä tavalla.
• Valosähköisen ilmiön, elektronin ominaisvarauksen ja kaksoisrakokokeen tapauksessa tulosten kvantitatiivinen tarkastelu ja mahdollinen raportin kirjoittaminen.

Lukio

• Valosähköinen ilmiö (pdf): Työssä mitataan fotonien irroittamien elektronien pysätysjännitteiden kautta Planckin vakio ja valon aallonpituuden ja yhden fotonin energian välinen yhteys.
  • Kaksi työpistettä, 1-3 opiskelijaa per työpiste.
    • Hyödyllisiä pohjatietoja: jännite, varatun hiukkasen liike sähkökentässä, valon taajuus ja intensiteetti.
    • [Opiskelijan tekemä lyhyt johdantovideo]
    • Vaihtoehtoinen suppeampi mittauspohja (pdf).
• Elektronin ominaisvaraus (pdf). Työssä ohjataan elektronisuihku ympyräradalle magneettien avulla ja mitataan elektronin varauksen ja massan suhde. Samalla nähdään, miten revontulet syntyvät.
  • Kaksi työpistettä, 1-4 opiskelijaa per työpiste.)
    • Hyödyllisiä pohjatietoja: jännite, varatun hiukkasen liike sähkö- ja magneettikentässä, ympyräliike, käämin magneettikenttä.
• Kaksoisrakokoe yhdellä fotonilla. Työssä tutkitaan 1) kvalitatiivisesti havainnoimalla laserin käyttäytymistä kaksoisraossa ja tämän yhteyttä valon aaltoluonteeseen, ja 2) toistetaan työ kvantitatiivisesti yhdellä fotonilla kerrallaan, jolloin nähdään viitteitä fotonin sijainnin todennäköisyysluonteesta.
  • 1 työpiste, 1-5 opiskelijaa.
    • Työtä voidaan tarkastella painottaen valon ilmiöitä (diffraktio, interferenssi), kvanttimekaniikkaa (fotonin interferenssi "itsensä kanssa") tai molempia.
    • Tällä hetkellä käytössä ei ole työohjetta. Tällä hetkellä työn voi suorittaa a) pidempänä projektina (esim. työkurssin lopputyö), jossa ryhmä opiskelijoita varaa 2 tunnin ajan laboratoriosta, jolloin työhön sisältyy lyhyt ennakkotehtävä (suositeltavaa, että opettaja tulee tutustumaan laitteistoon raporttien arvostelua varten - labrassa opettajan ei tarvitse olla paikalla), tai b) lyhyenä tutkimuksena vierailun yhteydessä erikseen sovitulla tavalla.
• Millikanin koe (pdf). Työssä tutustutaan laadullisesti Millikanin öljypisarakokeeseen, jolla määritettiin alkeisvaraus vuonna 1909.
  • Yksi työpiste, 1-5 opiskelijaa.
    • Hyödyllisiä pohjatietoja: varatun kappaleen liike sähkökentässä, alfasäteily, ekstrapolointi
    • Työn suorittaminen kokonaan on suositeltavaa vain Millikanin kokeesta erityisesti kiinnostuneille, muille suosittelemme kokeen kvalitatiivista tarkastelua ja koejärjestelyn periaatteeseen tutustumista.
• Mustan kappaleen säteily (epäkunnossa, kysy lisää). Työssä mitataan hehkulangan spektri ja tutustutaan mustan kappaleen säteilyn erityispiirteisiin 
   
• Spektritutkimus (pdf). Työssä tarkastellaan lyhyesti erilaisten valonlähteiden, kuten hehkulampun tai kaasupurkausputkien säteilyn spektriä ja spektriviivoja.
  • 1 työpiste, 1-5 opiskelijaa.
    • Työ sopii kaikille opiskelijaryhmille.

    • Pohdittavaksi (pdf)

• Signaalien induktio (pdf). Työssä tutkitaan indusoituneita vaihtovirtasignaaleja oskiloskoopin avulla. Ideana on terävöittää ymmärrystä Lenzin laista: miten sisäänmenevä ja ulostuleva signaali (jännite ajan funktiona) liittyvät toisiinsa? (Kaksi työpistettä, 1-4 opiskelijaa per työpiste.) Hyödyllisiä pohjatietoja: induktio, vaihtovirta, magneettivuo, derivaatta.
   
• Katso myös peruskoulutyöt - näitä voidaan soveltaa lukioryhmille (eritoten 1. vuositaso), jolloin ilmiöitä tarkastellaan hieman syvemmin.
   
• Lisäksi erikseen on mahdollista järjestää laboratoriotyövierailu aiheista: värähtely ja resonanssi, maapallon magneettikentän määritys, RC-piiri, sekä spektrometrin rakentaminen. Näissä sovelletaan fysiikan perusopintoihin liittyvien laboratoriotöiden välineitä, ja työt soveltuvat siten erityisen motivoituneille opiskelijoille. Kysy mahdollisuutta vierailuun näistä aiheista.

Peruskoulu

Peruskoulutyöt on suunnattu lähtökohtaisesti yläkouluryhmille. Lämpösäteilyä käsittelevä työ sopii myös alakoulun ylemmille luokille.

Opintovierailukokonaisuudet

• Lämpösäteily ja ilmastonmuutos (alakouluversio). Tässä hauskassa työssä tutkitaan lämpökameralla ympäristöä ja yritetään päätellä lämpökameralla tehtyjen havaintojen avulla jotain infrapunasäteilyn ominaisuuksia. Lisäksi täytetään ilmapalloja ilmalla ja hiilidioksidilla ja tutkitaan, miten lämpösäteily absorboituu eri kaasuihin. Näin opitaan ilmastonmuutoksen perusfysiikkaa.
  • 6 työpistettä, 1-4 opiskelijaa per työpiste.
  • Voidaan toteuttaa 45 minuutin vierailuna ilman teoriaosuutta tai 60 minuutin vierailuna sisältäen teorian. (Halutessaan opettaja voi pohjustaa aiheen ennen vierailua, vrt. teoriaosuuden kalvot, .pptx). Laitteita on kuudelle ryhmälle.
  • Kevyempi, hauskempi työ, joka ei edellytä paljoa lukemista.
  • Vinkki: kysy mahdollisuutta monialaiseen vierailukokonaisuuteen yhteistyössä Geopisteen kanssa!
• Ääni ja sähkömagnetismi (lukioversio). Tässä työssä tutkitaan sähkömagneetin toimintaa sekä äänen luonnetta ja joitain ääneen liittyviä ilmiöitä. Lisäksi nämä aihepiirit yhdistetään toisiinsa kokoamalla yksinkertainen kaiutin, jonka voi kytkeä omaan puhelimeen.
  • 4 työpistettä, 1-4 opiskelijaa per työpiste.
  • Työn kesto on noin 75 minuuttia. Ota huomioon, että työskentely edellyttää jonkin verran lukemista.
  • Työohje luetaan tabletilta tai tietokoneelta. Laboratoriossa on kuusi tablettia. Halutessanne voitte ottaa lisää laitteita mukaan.

Oheistekemistä

Lyhyempiä aktiviteetteja, joita on mahdollista järjestää vierailukokonaisuuden yhteydessä.

• Hiilipuusalkku. Työssä tutustutaan laitteistoon, jossa hiilidioksidi-, valo- ja lämpötila-antureiden avulla toimiva virtuaalinen puu visualisoi hiilen sitoutumista ilmakehästä metsän biomassaan. Ilmiöön voi tutustua myös koululla hiilipuu.fi -sivuston avulla. (2 työpistettä, 1-4 opiskelijaa.)
• Kokeita tyhjiössä. Tässä demonstraatiossa tarkastellaan, kuuluuko tyhjiössä ääntä ja mitä vaahtokarkkiastronautille tapahtuu normaalin ilmanpaineen poistuessa. (Ohjaajan demonstraatio.)
• Äänen nopeus. Tässä nopeassa kokeessa voidaan määrittää äänen nopeus ilmassa. Vaatii pohjatietoa nopeuden laskemisesta. (1 työpiste, 1-4 opiskelijaa. Osa äänen ja musiikin fysiikkaa -kokonaisuutta.)
• Metallilevyn ominaisvärähtelyt. Tutustutaan Chladnin levyyn, eli metallilevyyn joka pakotetaan värähtelemään tietyllä taajuudella. Tässä visuaalisesti kauniissa kokeessa saadaan pientä tuntumaa fysiikan ja matematiikan väliseen yhteyteen. (Osa äänen ja musiikin fysiikkaa -kokonaisuutta.)
• Spektritutkimus. Työssä tarkastellaan lyhyesti erilaisten valon lähteiden, kuten hehkulampun tai kaasupurkausputkien säteilyn spektriä ja spektriviivoja. Peruskouluryhmien kohdalla keskitytään tekemään havaintoja eri valonlähteiden eroista ja valon spektristä yleisesti. (1 työpiste, 1-5 opiskelijaa.)
  • Pohdittavaksi (pdf)

Töiden taustaa

Katsaus F2k:n klassikkotöiden taustoihin. Osa 1 (pdf) ja Osa 2 (pdf).