Paljasta salaperäinen metalli tiheyden avulla! Opi kokeiden kautta “virheiden” ja “turvallisuuden” ydin
Täällä tiedevalmentaja Ken Kuwako! Jokainen päivä on koe.
Miten sinä tunnistaisit edessäsi olevan metallikappaleen, eli tietäisit, mistä metallista se on tehty? Pelkän ulkonäön perusteella on todella vaikea sanoa, onko kyseessä rauta, alumiini vai ehkä jopa hopea. Mutta arvaapa mitä! Kun teet ”erään kokeen”, jonka opit yläkoulun luonnontieteissä, voit paljastaa metallin todellisen identiteetin kuin etsivä konsanaan. Tänään kurkataan tunnin kulkuun, jossa mitataan tiheyttä – se on tieteen perusta, mutta samalla syvällinen taito – ja opitaan samalla tieteellisen työskentelyn tärkeimmistä tavoista.
Etsitään aineen ”sormenjälki”! Tiheyden mittaus
Koulumme tunnilla oppilaat saavat kolme tuntematonta metallikappaletta (pultti, jousimainen metalli ja kartion muotoinen metalli). Avain siihen, mistä nämä metallit on tehty, on tiheys. Tiheys tarkoittaa aineen massaa yhtä kuutiosenttimetriä ($1 \mathrm{cm}^3$) kohden, ja jokaisella aineella on sille ominainen, kiinteä arvo. Se on ikään kuin aineen sormenjälki.
Tämän sormenjäljen tunnistamiseksi oppilaat keräävät tiedot seuraavien vaiheiden mukaisesti: He mittaavat ”massan” digitaalisella vaa’alla. He mittaavat ”tilavuuden” mittalasilla (messusylinterillä). Sitten he laskevat tiheyden kaavalla ”massa ÷ tilavuus”. Vaikka vaiheet ovat yksinkertaiset, ne sisältävät kaiken tieteellisen kokeen perusteista.
Mittalasilla taistellaan ”virhettä” vastaan
Tässä kokeessa eniten tarkkuutta vaativa vaihe on tilavuuden mittaaminen mittalasilla. Metallikappale upotetaan nesteeseen, ja tilavuus päätellään vedenpinnan noususta. Tätä ei voi tehdä miten sattuu! Tässä kohdassa pyydämme oppilaita pohtimaan syvällisesti ”todellista arvoa” (true value), ”mitattua arvoa” (measured value) ja niissä aina esiintyvää ”virhettä” (error).Massa mitataan digitaalisella vaa’alla.
Lisäksi, koska etsimme mahdollisimman tarkkaa arvoa tilavuudelle, mittalasin oikeaoppiseen käyttöön liittyy sääntöjä. Mittalasin käyttö on selitetty tarkemmin tässä videossa:https://youtu.be/bMJu60e43Bc?si=fM_Z1KkVndR81m_CAseta mittalasi tasaiselle alustalle: Jos se on vinossa, vedenpinta ei näy oikein.Katso nestepinnan tasolta: Jos katsot ylhäältä tai alhaalta, asteikko voi näyttää harhaanjohtavalta.Lue pienimmän asteikkovälin kymmenesosan tarkkuudella silmämääräisesti: Tämä on yläkoulun luonnontieteiden tapa. Käytännössä ideana on lukea niin tarkasti kuin mahdollista.Miksi luemme ”kymmenesosan” tarkkuudella? Esimerkiksi, kun nestepinta on asteikkojen ”35” ja ”36” välissä, lukemalla ”noin 35,5” pääsemme lähemmäs todellista arvoa, jos pyöristämme. Tätä kutsutaan merkitseviksi numeroiksi (significant figures).Myös turvallisuusjärjestelyt ovat ehdottoman tärkeitä. Metallipainoihin on kiinnitetty ”siima”. Jos metalli pudotetaan suoraan lasiseen mittalasiin, se saattaa särkyä pohjan osuessa! ”Upota metalli hitaasti siimasta pitäen, jotta lasi ei särkyisi”. Noudattamalla tätä sääntöä oppilaat oppivat luonnostaan arvostamaan välineitä ja huomioimaan turvallisuuden.https://youtu.be/U6o3xvPuT68
Yksittäisistä tiedoista syntyy ”laki” – se on huikeaa!
Kokeen edetessä jokaiselta ryhmältä saadaan mittaustuloksia. Kuitenkin yhden ryhmän tiedot voivat jättää epäilyn: ”Oliko tämä vain sattumaa?” Lisäksi mittauksissa on aina virheitä. Tässä vaiheessa tarvitaan koko luokkaa. Kaikkien ryhmien tulokset kerätään yhteen, ja ne piirretään kuvaajaan, jossa pystyakselilla on ”massa” ja vaaka-akselilla ”tilavuus”.Ja mitä tapahtuu! Vaikka yksittäiset pisteet näyttivät hajallaan olevilta, ne asettuvat hienosti yhden suoran ympärille!Tämän suoran ”kulmakerroin” kertoo kyseisen aineen tiheyden. ”Meidän ryhmän data oli hieman pielessä, mutta koko luokan tuloksissa se menee tälle viivalle!” Tällä hetkellä oppilaat ymmärtävät visuaalisesti aineen universaalin ominaisuuden (tiheyden) virheen yli.Yksittäiset, pienet mittaukset, kun ne kerätään yhteen, piirtävät esiin suuren totuuden. Juuri tässä piilee tieteellisen kokeen hienous!
Kyselyt ja yhteistyöpyynnöt
Tieteellinen ihme ja hauskuus lähemmäksi! Olen koonnut selkeästi hauskoja kotikokeita ja vinkkejä niiden tekemiseen. Etsi ja tutki lisää!Tiedejuttuni on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä.Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä.Yhteistyöpyynnöt (kirjoitus, luennot, tiedekerhot, TV-konsultointi/esiintymiset jne.) täältä.* Tietoja uusista artikkeleista X-palvelussa!
Tiedevinkit-kanavalla (Kagaku no Netachannel) julkaistaan kokeiluvideoita!
