F2k-laboratorio

F2k-laboratorio sijaitsee Helsingissä Kumpulan kampuksella Physicum-rakennuksen (Gustaf Hällströmin katu 2) toisessa kerroksessa. Laboratorion yhteyshenkilö on 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 (5.-9. lk) painopisteinä ovat tällä hetkellä arkipäivän fysiikka ja ilmastonmuutos.

Suositeltu ryhmäkoko on 16 henkeä, mutta valituista aktiviteeteista riippuen ohjelmaa voidaan järjestää 25 hengellekin. Kysy mahdollisuutta suuremman ryhmän vierailuun.

Vierailuja järjestetään 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 onkin hyvä esittää ahkerasti kysymyksiä!

Jotkut tutkijat voivat järjestää lyhyitä luentoja tutkimusaloistaan, kun asiasta sovitaan hyvin etukäteen. 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".

Vierailun yhteydessä on mahdollista järjestää myös F2k:n tiedettä yleisesti tarkastelevia luentoja ("Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa", 75 min) kaikenkokoisille lukioryhmille. Kysy mahdollisuudesta vierailijaluentoon koulullasi.

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.

Varataksesi opintokäynnin F2k-laboratorioon, katso sopiva aika F2k-laboratorion varauskalenterista. Kalenteriin on merkitty varattavat ajat sanoin "F2k vapaa." Kevätkaudella 2020 varattavia aikoja on henkilöstösyistä erityisen niukasti. Varaukset tehdään sähköpostilla.

Löydettyäsi sopivan ajan ilmoitathan 1) ryhmäsi luokka-asteen / kurssin ja ryhmäkoon, 2) alustavaa tietoa aikatauluistanne ja toivomastanne ohjelmasta sekä 3) tietoa ryhmäsi pohjatietotasosta ja onko teillä toiveita käytetyn työohjeen / vaatimustason suhteen. Yhteyshenkilö: fysiikan tiedekasvatuksen koordinaattori Tapio Rasa.

Mikäli olette kiinnostuneita vierailusta kampukselle ilman osuutta F2k-laboratoriossa, voitte ehdottaa aikoja myös varauskalenterin ulkopuolelta.

Lukion ylemmät luokat

• Valosähköinen ilmiö (pdf): Työssä mitataan fotonien irroittamien elektronien pysätysjännitteiden kautta Planckin vakio ja valon aallonpituuden ja yhden fotonin energian välinen yhteys.
  • Työpisteet: 3 x 1-3 opiskelijaa
    • Hyödyllisiä pohjatietoja: jännite, varatun hiukkasen liike sähkökentässä, valon taajuus ja intensiteetti.
    • Johdantovideo YouTubessa (5:30, katsottava ennen vierailua)
    • Vaihtoehtoinen suppeampi mittauspohja (pdf). Ilmoitathan, mikäli käytätte suppeaa ohjetta.
• Elektronin ominaisvaraus (pdf). Työssä ohjataan elektronisuihku ympyräradalle magneettien avulla ja mitataan elektronin varauksen ja massan suhde. Samalla nähdään, miten revontulet syntyvät.
  • Työpisteet: 2 x 1-3 opiskelijaa
    • Hyödyllisiä pohjatietoja: jännite, varatun hiukkasen liike sähkö- ja magneettikentässä, ympyräliike, käämin magneettikenttä.
• Kaksoisrakokoe yhdellä fotonilla (suppea versio). 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.
  • Työpisteet: 1 x 1-4 opiskelijaa
    • Koko työn voi suorittaa a) pidempänä (esim. työkurssin) projektina, jossa ryhmä opiskelijoita varaa 2 tunnin ohjatun ajan laboratoriosta (opettajan ei tarvitse olla läsnä), tai b) n. tunnin tutkimuksena vierailun yhteydessä.
    • Suppeassa tutkimuksessa tutustutaan pintapuolisesti koelaitteistoon ja havaitaan kaksoisrakoilmiö yhdellä fotonilla. Tällöin työ sopii yhdeksi kierrettäväksi työpisteeksi muiden joukossa.
    • Mittauspohja (Excel / Libreoffice Calc) (kiinnostuneille)
• Millikanin koe (pdf). Työssä tutustutaan laadullisesti Millikanin öljypisarakokeeseen, jolla määritettiin alkeisvaraus vuonna 1909.
  • Työpisteet: 1 x 1-4 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 (pdf). Työssä mitataan hehkulangan spektri ja tutustutaan mustan kappaleen säteilyn erityispiirteisiin
  • Työpisteet: 1 x 1-4 opiskelijaa
     
• Emissiospektrit (pdf). Työssä tarkastellaan lyhyesti erilaisten valonlähteiden, kuten hehkulampun tai kaasupurkausputkien säteilyn spektriä ja spektriviivoja.
  • Työpisteet: 1 x 1-5 opiskelijaa
    • Työ sopii kaikille opiskelijaryhmille.

    • Pohdittavaksi (pdf) / Vanha versio ohjeesta

• 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 ja lukion alemmat luokat

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

Opintovierailukokonaisuudet

• Lämpösäteily ja ilmastonmuutos (alakouluversio). Tässä hauskassa työssä tutkitaan lämpökameralla ympäristöä ja joitain 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.
  • Kesto 45-60 minuuttia.
  • Kevyempi, hauskempi työ, joka ei edellytä paljoa lukemista.
  • Vinkki: kysy mahdollisuutta monialaiseen vierailukokonaisuuteen yhteistyössä Geopisteen kanssa!
  • Katso tästä luokassasi työhön valmistava video (7 min).
• Ääni, valo ja sähkömagnetismi (peruskoulun työohje uudistuu, ks. 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.
  • 5 työpistettä, 2-4 opiskelijaa per työpiste. Huomaa ryhmäkokorajoite. Mahdollista yhdistää spektritutkimukseen (yläkoulu- tai lukiotasolla), jolloin 6 työpistettä.
  • Työn kesto on noin 90 minuuttia sisältäen yhteisen aloituksen ja loppukoonnin. Voit arvioida työohjetta katsomalla, sopiiko työ ryhmällesi. Työ vaatii omatoimista työskentelyä ja ohjeiden lukemista.

Oheistekemistä

Vierailukokonaisuuden yhteydessä on mahdollista järjestää oheistekemistä edellä listattuja kokeita lyhyemmin tarkastelemalla (laitteistoon tai ilmiöön pintapuolisesti tutustuen). Lisäksi tarjolla ovat ainakin seuraavat aktiviteetit:

• 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.)

Töiden taustaa

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

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.