Pakolliset opinnot 

- Opintojakso FY1+FY2: Fysiikan perusteet
 Sisältö: moduulit FY1 ja FY2

FY1 Fysiikka luonnontieteenä (1 op)

Moduulissa opiskelija saa kuvan fysiikan kokeellisesta luonteesta ja tutustuu kvantitatiiviseen mallintamiseen. Keskeisenä näkökulmana on, miten uutta tietoa rakennetaan tekemällä havaintoja ja kokeita fysiikalle ominaisella tavalla. Moduuli kehittää yhteistyötaitoja ja luo perustaa monitieteiselle ja luovalle osaamiselle. 

Tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

• tutustuu fysiikkaan systemaattisena, kokeellisuuteen nojautuvana tieteenä
• tutustuu aineen rakenteen ja maailmankaikkeuden mittasuhteisiin
• tutustuu fysiikassa käytettäviin tiedonhankintamenetelmiin
• osaa suunnitella ja toteuttaa yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita
• saa kokemuksia, jotka herättävät ja syventävät kiinnostusta fysiikkaa ja sen opiskelua kohtaan.

Keskeiset sisällöt

• suure ja yksikkö sekä SI-järjestelmä
• mittaaminen, tulosten kerääminen, niiden esittäminen graafisesti ja luotettavuuden arviointi
• graafinen malli ja lineaarinen malli
• yksinkertaisen kokeellisen tutkimuksen suunnitteleminen ja toteutus

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: liikeilmiöt, tiheysmittaukset ja putoamiskiihtyvyys.

 

FY2 Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta (1 op)

Moduulissa perehdytään siihen, miten energiaa tuotetaan, siirretään ja käytetään sekä mitä vaikutuksia näillä toiminnoilla on ympäristöön, yhteiskuntaan ja ihmisten hyvinvointiin. Keskeisenä näkökulmana on energian käsitteen ilmeneminen näissä yhteyksissä sekä se, miten energian käsite jäsentää ja täsmentää aiheesta käytävää keskustelua ja siihen liittyviä näkemyksiä.

Tavoitteet

Moduulin tavoitteena on, että opiskelija

• perehtyy energiaan fysiikan keskeisenä käsitteenä
• tuntee eri energialajeja ja energiantuotantotapoja
• osaa vertailla eri energiantuotantotapoihin ja niiden ympäristövaikutuksiin liittyviä suuruusluokkia
• saa valmiuksia osallistua ympäristöä ja teknologiaa koskevaan keskusteluun ja päätöksentekoon kestävän energiatalouden näkökulmasta.

Keskeiset sisällöt

• energialajit, energian säilyminen ja muuntuminen
• energian tuotanto, teho, hyötysuhde ja energian siirtäminen
• energiantuotannon vaikutus ympäristöön ja ilmastonmuutokseen

Moduulin keskeisiä sisältöjä voidaan tarkastella esimerkiksi seuraavissa temaattisissa yhteyksissä: kemiallinen energia energialähteenä, kansallinen energiantuotanto ja -kulutus sekä energian käyttö kotitalouksissa.

 

Valtakunnalliset valinnaiset opinnot

- Kukin moduuli on oma opintojaksonsa

FY3 Energia ja lämpö (2 op)

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.

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.

 

FY4 Voima ja liike (2 op)

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.

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.

 

FY5 Jaksollinen liike ja aallot (2 op)

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.

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.

 

FY6 Sähkö (2 op)

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.

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.

 

FY7 Sähkömagnetismi ja valo (2 op)

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.

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 määrittäminen käämin sisällä, valon heijastumisen ja taittumisen tutkiminen rajapinnassa sekä laserin aallonpituuden määrittäminen hilan avulla.

 

FY8 Aine, säteily ja kvantittuminen (2 op)

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.

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.