Valtakunnalliset valinnaiset opinnot

Energia ja lämpö (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

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-alainen osaaminen


Monitieteinen ja luova osaaminen: Tavoitteena on, että opiskelija osaa tutkia aineen termodynaamiseen tilaan ja olomuodon muutoksiin liittyviä ilmiöitä. Opintojakson aikana harjoitellaan kokeellisten havaintojen keräämistä, mittaustulosten käsittelyä sekä mallintamista ja simulointia. Tavoitteena on myös termodynamiikan käsitteiden ja mallien soveltaminen energiantuotannon ratkaisujen tarkastelussa ja kestävän tulevaisuuden rakentamisessa.

Eettisyys ja ympäristöosaaminen: Tavoitteena on tutustua tutkimustietoon ja käytäntöihin ilmastonmuutokseen ja sen hillitsemiseen liittyen esimerkiksi energiantuotannossa, rakentamisessa ja energiankäytössä kodeissa. Tavoitteena on myös perehtyä kasvihuoneilmiöön liittyvään fysiikkaan ja periaatteisiin.

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.

Voima ja liike (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

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-alainen osaaminen


Monitieteinen ja luova osaaminen: Tavoitteena on harjoitella edelleen mittausaineiston keräämistä, analysoimista ja graafista mallintamista.

Hyvinvointiosaaminen: Opintojakson aikana opiskelija perehtyy voimiin ja liikkeeseen erityisesti liikenneturvallisuuden näkökulmasta. 

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.

Jaksollinen liike ja aallot (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

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-alainen osaaminen


Monitieteinen ja luova osaaminen: Opiskelija tutustuu tiedonhankintaan ja tiedon esittämiseen tieto- ja viestintäteknologian avulla erilaisissa mittauksissa tai simulaatioissa esimerkiksi mekaaniseen värähtelyyn liittyyen.

Hyvinvointiosaaminen: Opintojakson aikana tutustutaan äänen ominaisuuksiin ja kuuloaistimuksen syntyyn mekaanisen aaltoliikkeen välityksellä. Opintojakson aikana voidaan tarkastella äänen fysikaalisten ominaisuuksien kuten intensiteettitason yhteyttä kuulovaurioihin.

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.

Sähkö (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

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-alainen osaaminen


Vuorovaikutusosaaminen: Opiskelija harjoittelee yhteistyö- ja vuorovaikutustaitojaan kokeellisessa työskentelyssä ryhmissä tasavirtapiireihin liittyen. Vuorovaikutusosaamista voidaan harjoitella myös ryhmätöin ja keskusteluin esimerkiksi sähköturvallisuudesta.

Hyvinvointiosaaminen: Tutkiessaan kokeellisesti ja teoreettisesti sähköön liittyviä ilmiöitä ja tehdessään sähköopin perusmittauksia opiskelija oppii huomioimaan sähköturvallisuutta. Tämä turvaa sekä opiskelijan omaa että toisten hyvinvointia arjessa.

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.

Sähkömagnetismi ja valo (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

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-alainen osaaminen


Yhteiskunnallinen osaaminen: Opintojakson keskeisten sisältöjen hallinta mahdollistaa sähköenergian tuotantoon sekä sähkömagneettiseen tiedonsiirtoon liittyviin yhteiskunnallisiin keskusteluihin osallistumisen faktapohjalta. Tätä voidaan harjoitella esimerkiksi analysoimalla ja vertailemalla aihepiiriin liittyviä ajankohtaisia artikkeleja sekä arvioimalla tiedon luotettavuutta.

Hyvinvointiosaaminen: Tavoitteena on, että opiskelija tuntee sähkömagneettisen säteilyn lähteet ja niiden vaikutukset ja parhaimmillaan oppii toimimaan aktiivisesti oman ja toisten hyvinvoinnin ja turvallisuuden hyväksi.

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.

Aine, säteily ja kvantittuminen (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

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-alainen osaaminen


Hyvinvointiosaaminen: Opintojakson aikana perehdytään ionisoivaan säteilyyn, sen ominaisuuksiin ja hyötykäyttöön muun muassa terveydenhuollossa. Hyvinvoinnin kannalta niin henkilökohtaisella kuin yhteiskunnallisellakin tasolla on tärkeää ymmärtää miksi ionisoivalla säteilyllä on terveydelle haitallisia vaikutuksia ja miten näiltä haitoilta voidaan suojautua.

Yhteiskunnallinen osaaminen:
Tavoitteena on, että opiskelija ymmärtää modernin fysiikan merkityksen nyky-yhteiskunnan teknologisen kehityksen kannalta. Opintojakso antaa valmiuksia osallistua yhteiskunnalliseen keskusteluun ydinvoimaan ja säteilyn hyötykäyttöön liittyen fysiikan näkökulmasta faktapohjalta.

Eettisyys ja ympäristöosaaminen:
Opintojakson aikana voidaan syventää kasvihuoneilmiön mekanismien ymmärrystä kvantittumisen kannalta säteilyn absorptiossa kasvihuonekaasuihin. Tavoitteena on perehtyä ydinvoimaan ja ionisoivan säteilyn käyttöön myös ympäristön ja eettisyyden kannalta.

Laaja-alaisen osaamisen arviointi kytkeytyy osaksi opintojakson yleisestä arviointia. Laaja-alaista osaamista voidaan arvioida esimerkiksi projektitöiden, itsearvioinnin tai sopivien tehtävien avulla.