Valtakunnalliset valinnaiset opinnot

Energia ja lämpö (FY3) 2 op

Opintojaksoon FY3 sisältyy valtakunnallinen fysiikan moduuli FY3. Moduulissa tutkitaan termodynaamisia systeemejä, energian siirtymistä systeemien välillä ja energian siirtymisen vaikutuksia. Keskeiset sisällöt liittyvät esimerkiksi energiantuotantoon, ilmastonmuutokseen ja rakentamiseen. Moduuli antaa valmiuksia osallistua ympäristöä ja teknologiaa koskevaan keskusteluun ja päätöksentekoon.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

syventää ymmärrystään energiasta fysiikan keskeisenä käsitteenä
osaa tutkia aineen termodynaamiseen tilaan ja olomuodon muutoksiin liittyviä ilmiöitä
osaa soveltaa termodynamiikan käsitteitä ja malleja energiantuotannon ratkaisujen tarkastelussa ja kestävän tulevaisuuden rakentamisessa
tunnistaa energiatasapainon ja lämmönsiirtymisen merkityksen ilmastonmuutoksessa.

Keskeiset sisällöt

voima vuorovaikutuksen voimakkuuden mittana
mekaaninen työ
termodynaaminen systeemi ja tilanmuuttujat
lämpötila, paine ja hydrostaattinen paine
energian säilyminen, sisäenergia, energian siirtyminen ja lämpömäärä
aineen lämpeneminen ja jäähtyminen sekä olomuodon muutokset
lämpölaajeneminen
kaasujen tilanmuutokset ja ideaalikaasun tilanyhtälö

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: energiantuotanto, rakentaminen ja energia kotona, ilmastonmuutos sekä lämpövoimakone.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: absoluuttisen nollapisteen määrittäminen (ekstrapolointi), veden ominaishöyrystymislämmön määrittäminen ja Boylen lain todentaminen.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Tieto- ja viestintäteknologisia taitoja käytetään muun muassa tiedon etsimiseen, kokeellisten havaintojen keräämiseen, mittaustulosten käsittelyyn ja tulkitsemiseen, tuotosten laatimiseen ja esittämiseen sekä mallintamiseen ja simulointiin. Keskeisten sisältöjen omaksumisen myötä opiskelija kehittää kvantitatiivisia taitoja arvioida ja vertailla eri energiantuotantotapoja.

Eettisyys ja ympäristöosaaminen vahvistuu, kun opiskelija tutustuu tutkimustietoon ja käytäntöihin, jotka liittyvät ilmastonmuutoksen hillitsemiseen (esimerkiksi energiantuotanto, rakentaminen ja energiankäyttö kodeissa).
Perehtymällä kasvihuoneilmiöön liittyviin fysiikan ilmiöihin ja periaatteisiin opiskelija saa valmiuksia ymmärtää, miten ihmisen toiminta vaikuttaa ilmakehän lämpenemiseen.

Voima ja liike (FY4) 2 op

Opintojaksoon FY4 sisältyy valtakunnallinen fysiikan moduuli FY4. Moduulissa tarkastellaan tasaista ja muuttuvaa liikettä. Moduulissa perehdytään voimaan olennaisena kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaavana suureena ja siihen, miten Newtonin II lakia käytetään mallinnettaessa voiman vaikutusta liiketilan muutokseen. Energiaa ja liikemäärää tarkastellaan mekaniikan keskeisinä käsitteinä ja säilyvinä suureina.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

osaa tutkia kokeellisesti voimaan ja liikkeeseen liittyviä ilmiöitä
osaa tuottaa ja analysoida graafisia esityksiä mittausaineistosta
ymmärtää säilymislakien merkityksen fysiikassa
tuntee voimaan ja liikkeeseen liittyviä turvallisuusnäkökohtia.

Keskeiset sisällöt

tasainen ja tasaisesti kiihtyvä suoraviivainen liike
kappaleiden vuorovaikutus ja voima sekä Newtonin lait
voimien yhteisvaikutus, voimakuvio ja liikeyhtälö
paino ja kitka
liike-energia, potentiaalienergia ja mekaaninen energia
mekaanisen energian säilyminen ja mekaniikan energiaperiaate
liikemäärä, impulssi, liikemäärän säilyminen ja yksiulotteiset törmäykset

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: vesi- ja tuulivoima, liikenne sekä urheilu.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: putoamiskiihtyvyyden määrittäminen, kitkakertoimen määrittäminen ja kappaleeseen vaikuttavien voimien määrittäminen.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Monitieteinen ja luova osaaminen osa-alueet näkyvät esimerkiksi, jos tutkitaan tasaista ja tasaisesti kiihtyvää suoraviivaista liikettä liikeanturin avulla. Tällöin tieto- ja viestintäteknologiaa käytetään kokeellisten havaintojen keräämiseen sekä mittaustulosten käsittelyyn ja tulkitsemiseen.

Hyvinvointiosaaminen: Turvallisuusnäkökohtia voidaan tarkastella esimerkiksi liikenteessä yhteiskunnan ja yksilön näkökulmista. Liikenneturvallisuuden kannalta keskeistä on ymmärtää renkaiden ja tien välisen kitkan sekä ajonopeuden vaikutus pysähtymismatkaan. Newtonin lakien avulla on mahdollista ymmärtää turvavöiden ja -tyynyn merkitys törmäystilanteissa. Muunmuassa nämä ovat osana hyvinvointiosaamisen osa-aluetta.

Monitieteinen ja luova osaaminen osa-alueessa opiskelija voi esimerkiksi tutustua tiedonhankintaan ja tiedon esittämiseen tieto- ja viestintäteknologian avulla esimerkiksi mittaamalla, analysoimalla ja vertailemalla äänten taajuusspektrejä. Mekaaniseen värähtelyyn ja ääneen liittyvissä tutkimuksissa opiskelija harjaantuu käyttämään jaksollisen liikkeen fysikaalisia ja matemaattisia käsitteitä sekä mallintamaan värähtelyilmiöitä.

Jaksollinen liike ja aallot (FY5) 2 op

Opintojaksoon FY5 sisältyy valtakunnallinen fysiikan moduuli FY5. Moduulissa syvennetään edellisessä moduulissa omaksuttuja tietoja ja taitoja. Moduulissa perehdytään harmoniseen vuorovaikutukseen ja gravitaatiovuorovaikutukseen sekä niiden aiheuttamiin liikeilmiöihin. Moduulissa tutkitaan ja mallinnetaan ääntä ja ääni-ilmiöitä mekaanisina aaltoliikkeinä.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

osaa mallintaa planetaarista liikettä ympyräliikkeenä
perehtyy värähtely- ja aaltoliikkeen perusteisiin tutkimalla mekaanista värähtelyä ja ääntä
osaa kuvata jaksollista liikettä fysikaalisilla ja matemaattisilla käsitteillä
osaa mallintaa mekaanista värähtelyä ja ääntä jaksollisena liikkeenä.

Keskeiset sisällöt

momentti ja kappaleen kiertyminen
tasapaino kiertymisen suhteen yksinkertaisissa tilanteissa
tasainen ympyräliike ja normaalikiihtyvyys
gravitaatiolaki ja planetaarinen liike
jaksollinen liike, jaksonaika, taajuus ja amplitudi
harmoninen voima ja värähtelyliike sekä harmonisen voiman potentiaalienergia
mekaanisten aaltojen synty, eteneminen ja heijastuminen
mekaanisten aaltojen diffraktio ja interferenssi sekä seisovat aallot
ääni aaltoliikkeenä, äänen intensiteettitaso, äänen ominaisuudet ja eteneminen

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: heiluri, soittimet, akustiikka ja äänentoisto, melun haittavaikutukset ja kuulon suojaaminen sekä ultraäänikuvaus.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: heilurin heilahdusajan määrittäminen, äänen nopeuden määrittäminen ja äänen taajuusanalyysi.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Monitieteinen ja luova osaamisessa opiskelija voi tutustua tiedonhankintaan ja tiedon esittämiseen tieto- ja viestintäteknologian avulla esimerkiksi mittaamalla, analysoimalla ja vertailemalla äänten taajuusspektrejä. Mekaaniseen värähtelyyn ja ääneen liittyvissä tutkimuksissa opiskelija harjaantuu käyttämään jaksollisen liikkeen fysikaalisia ja matemaattisia käsitteitä sekä mallintamaan värähtelyilmiöitä.

Mekaanisen värähtelyn ja aaltoliikkeen keskeisimpiä aihealueita on ääni. Opiskelija tutustuu äänen ominaisuuksiin ja siihen, miten mekaaninen aaltoliike synnyttää kuuloaistimuksen. Moduulissa voidaan tarkastella äänen fysikaalisten ominaisuuksien yhteyttä kuulovaurioihin. Tämän myötä opiskelijan on mahdollista esimerkiksi omaksua kestävästi hyvinvointiaan tukevia tapoja kuunnella musiikkia.

Sähkö (FY6) 2 op

Opintojaksoon FY6 sisältyy valtakunnallinen fysiikan moduuli FY6. Moduulissa perehdytään keskeisimpiin sähköistä vuorovaikutusta kuvaaviin malleihin sekä sähköenergian ja sähkötekniikan käsitteisiin. Opiskelija saa perustiedot yksinkertaisten virtapiirien suunnittelusta ja tutkimisesta. Moduulissa käsitellään myös sähköturvallisuutta ja tutustutaan sähkötekniikan sovelluksiin.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

osaa tutkia kokeellisesti sähköön liittyviä ilmiöitä ja tehdä sähköopin perusmittauksia
osaa käyttää kentän ja potentiaalin käsitteitä sähkökentän kuvaamisessa
tuntee sähkölaitteisiin ja sähköenergian siirtoon liittyviä turvallisuusnäkökohtia.

Keskeiset sisällöt

jännite ja sähkövirta tasavirtapiireissä
resistanssi ja Ohmin laki
sähköteho ja Joulen laki
vastusten kytkennät ja Kirchhoffin lait
akut ja akun latauspiiri
Coulombin laki ja homogeeninen sähkökenttä
potentiaalienergia ja potentiaali homogeenisessa sähkökentässä
kondensaattori ja kondensaattorin energia
puolijohteet, diodi ja LED komponentteina virtapiirissä
sähköturvallisuus: sulake, suojausluokitus ja läpilyöntilujuus

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: yksinkertaiset sähkölaitteet, aurinkokenno tasajännitelähteenä ja sähköenergian varastoiminen.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: mittauksia komponenttien toiminnasta virtapiirissä ja pariston sisäisen resistanssin kokeellinen määrittäminen.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Tasavirtapiirien menestyksekäs opiskeleminen edellyttää kokeellisten töiden tekemistä usean oppitunnin aikana. Nämä työt tehdään tyypillisesti ryhmissä. Fysiikalle ominaisten merkintöjen ja esittämistapojen harjoittelu kehittää monilukutaitoa ja kielitietoisuutta. Moduulin aihepiiri on siten luonteva kohta yhteistyö- ja vuorovaikutustaitojen harjaannuttamiseen.

Tutkiessaan kokeellisesti sähköön liittyviä ilmiöitä ja tehdessään sähköopin perusmittauksia opiskelija oppii huomioimaan sähköturvallisuutta. Sisäistäessään sähköturvallisuuden merkityksen opiskelija ymmärtää, mitkä sähkötyöt voi tehdä itse ja mihin tarvitaan ammattilaisen osaamista. Tällä turvataan sekä opiskelijan omaa että toisten hyvinvointia.

Sähkömagnetismi ja valo (FY7) 2 op

Opintojaksoon FY7 sisältyy valtakunnallinen fysiikan moduuli FY7. Moduulissa perehdytään sähkömagnetismiin ilmiöalueena, jossa sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset esiintyvät rinnakkain. Moduulissa käsitellään ajasta riippuvia sähkömagneettisia ilmiöitä, joista keskeisin on sähkömagneettinen induktio. Moduulissa tarkastellaan myös sähkömagneettista säteilyä ja erityisesti sen tutuinta lajia, valoa. Sähkömagnetismiin perustuvien sovellusten tarkastelussa keskitytään niiden merkitykseen yhteiskunnan kehityksen mahdollistajana.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

ymmärtää induktioilmiön keskeisen merkityksen sähkömagnetismissa
ymmärtää sähköenergian tuotannon ja siirron fysikaaliset perusteet ja merkityksen yhteiskunnan toiminnan kannalta
tunnistaa sähkömagneettisen säteilyn lähteitä ja vaikutuksia
ymmärtää valon sähkömagneettisena ilmiönä.

Keskeiset sisällöt

ferromagnetismi ja magneettinen dipoli
magneettinen vuorovaikutus ja magneettikenttä
varatun hiukkasen liike homogeenisessa sähkö- ja magneettikentässä
virtajohtimen magneettikenttä ja kahden virtajohtimen välinen voima
sähkömagneettinen induktio, Lenzin laki ja pyörrevirrat
generaattori, vaihtovirran synty, muuntaja ja energian siirto sähkövirran avulla
sähkömagneettinen säteily ja sen spektri sekä mustan kappaleen säteilyn spektri
valon heijastuminen, taittuminen ja kokonaisheijastuminen
valon interferenssi ja diffraktio
valon polarisaatio kvalitatiivisesti

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: hiukkaskiihdytin, tuulivoima ja optinen tiedonsiirto.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: magneettivuon tiheyden määritys käämin sisällä, valon heijastumisen ja taittumisen tutkiminen rajapinnassa sekä laserin aallonpituuden määrittäminen hilan avulla.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Opintojakson keskeisten sisältöjen hallitseminen mahdollistaa sähköenergian tuotantoon liittyvään yhteiskunnalliseen keskusteluun osallistumisen. Kannan ottamista yhteiskunnallisiin kysymyksiin voidaan harjoitella esimerkiksi analysoimalla ja vertailemalla sähköenergian tuotantoon ja siirtoon liittyviä ajankohtaisia artikkeleita.

Säteilyn vaikutuksista on keskeistä ymmärtää, että ne riippuvat säteilyn taajuudesta ja intensiteetistä ja ettei kaikki sähkömagneettinen säteily ole vaarallista. Tuntiessaan sähkömagneettisen säteilyn lähteet ja niiden vaikutukset opiskelija oppii toimimaan aktiivisesti oman ja toisten hyvinvoinnin ja turvallisuuden hyväksi.

Aine, säteily ja kvantittuminen (FY8) 2 op

Opintojaksoon FY8 sisältyy valtakunnallinen kemian moduuli FY8. Moduulissa perehdytään kvanttifysiikan käsitteelliseen ja teoreettiseen rakenteeseen sekä niiden kokeelliseen pohjaan. Keskeistä on aineen rakenne ja perusvuorovaikutukset sekä se, miten nämä vaikuttavat aineen ominaisuuksiin. Moduuli käsittelee kvanttifysiikan teknologisia sovelluksia sekä sitä, miten kvanttifysiikka ilmenee alkeishiukkastason ilmiöistä nanomittakaavaan ja aina kosmisen mittakaavan ilmiöihin saakka. Tarkastelun kohteena ovat myös erilaiset radioaktiiviseen hajoamiseen, ionisoivaan säteilyyn ja kvantittumiseen perustuvat teknologiat.

Yleiset tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

tuntee ionisoivan säteilyn vaikutukset ja tutustuu säteilyn turvalliseen käyttöön
tutustuu kvanttifysiikkaan perustuvaan maailmankuvaan alkeishiukkasfysiikasta kosmologiaan
ymmärtää kvantittumiseen perustuvan teknologian merkityksen nyky-yhteiskunnassa.

Keskeiset sisällöt

energian kvantittuminen aineen ja säteilyn vuorovaikutuksessa
fotoni sähkömagneettisen säteilykentän kvanttina
atomin rakenne, atomin elektronien kvanttitilat ja aaltomekaanisen atomimallin periaate
kvantittumiseen perustuva teknologia: laser ja kvanttirakenteet
atomiytimen rakenne ja muutokset, radioaktiivinen hajoaminen
ydinreaktiot, massan ja energian ekvivalenssi, ytimen sidosenergia
ydinvoima, fissio ja fuusio
hajoamislaki
ionisoivan säteilyn lajit ja biologiset vaikutukset sekä soveltaminen lääketieteessä ja teknologiassa
hiukkasfysiikan standardimalli
maailmankaikkeuden kehitys

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: säteilyturvallisuus, säteilyn käyttö lääketieteessä, ilmastonmuutos ja kasvihuoneilmiö.

Keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavilla kokeilla: spektrin mittaaminen, spektrin muutoksen tarkastelu fluoresenssi-ilmiössä, mittaukset laser-diodeilla ja moduulin aihepiiriin liittyvät simulaatiot.

Laaja-alaisen osaamisen osa-alueet opintojaksossa

Hyvinvointiosaaminen: Oman ja toisten hyvinvoinnin kannalta opiskelijan on tärkeä ymmärtää, miksi ionisoivalla säteilyllä
on haitallisia vaikutuksia. Moduulissa voidaan tutustua esimerkiksi siihen, miten ionisoivaa säteilyä käytetään lääketieteessä sekä diagnostisissa että hoitotarkoituksissa. Samalla voidaan selvittää, miten näissä toimenpiteissä pidetään huolta potilaan ja henkilökunnan turvallisuudesta.

Yhteiskunnallinen osaaminen sekä eettisyys ja ympäristöosaaminen: Säteilyn kvantittumisen avulla on mahdollista selittää termisen säteilyn absorptio kasvihuonekaasuihin ja siten syventää opiskelijan ymmärrystä kasvihuoneilmiöön liittyvistä
fysikaalisista mekanismeista. Keskeisten sisältöjen omaksumisen myötä opiskelijan on mahdollista osallistua yhteiskunnalliseen keskusteluun ydinvoimasta ja radioaktiivisten lähteiden säteilystä sekä tulkita käytyä keskustelua fysiikan näkökulmasta ja
faktoihin pohjautuen.

Globaali- ja kulttuuriosaaminen: Moduulin myötä opiskelijalle syntyy käsitys nykyisestä fysiikan tutkimukseen perustuvasta
tieteellisestä maailmankuvasta globaalina kokonaisuutena. Opiskelija tunnistaa, mitkä merkittävät fysiikan kokeet ja teoriat ovat perusteena nykyyhteiskunnan toiminnalle, kulttuuriperinnölle ja ihmisen paikalle maailmankaikkeudessa. Samalla vahvistuu opiskelijan käsitys siitä, mihin maailmankuvaa koskeviin kysymyksiin fysiikkatieteenä ei vielä vastaa ja mihin se ei koskaan
vastaa.