Voiko ympyrä muuttua aalloksi? Scratchilla piirretty siniaallon salaperäinen ja kaunis maailma (fysiikan ja matematiikan oppimateriaali)

Olen tiedevalmentaja Ken Kuwako. Minulle jokainen päivä on kiehtova koe.

”Ympyrä” ja ”aalto”. Mitä muotoja teille tulee mieleen näistä kahdesta sanasta?

Toinen on kuin karuselli, joka pyörii ympäri ja ympäri, ja toinen on kuin veden seinämä, joka keinuu rauhaisasti merellä. Ensisilmäyksellä ne saattavat vaikuttaa täysin eri asioilta, mutta tieteen ja matematiikan maailmassa ne ovat kuin erottamattomat b>kaksoset.

Tässä artikkelissa esittelen itse kehittämäni digitaalisen opetusmateriaalin, jonka avulla voit ymmärtää intuitiivisesti, miten tämä ”pyöriminen” muuttuu ”keinumiseksi”. Vaikka fysiikka tai matematiikka tuntuisivat hieman haastavilta, pelkkä videon katsominen saa varmasti ahaa-elämyksen aikaan!

Otsikko 3: Visualisoidaan hetki, jolloin pyöriminen muuttuu aalloksi

Fysiikan tunneilla ”ympyräliikkeen” tai ”siniaallon” selittäminen pelkkien sanojen ja kaavojen avulla on itse asiassa melko uuvuttavaa työtä. Abstraktien käsitteiden hahmottaminen pelkästään pään sisällä on vaikeaa. Siksi loin simulaation käyttämällä Pyonkeetä (iPad-versio Scratch-sovelluksesta), jotta kuka tahansa voi ymmärtää mekanismin yhdellä silmäyksellä.

Suunnittelun lähtökohtana on, että simulaatio heijastetaan projektorilla liitutaululle, ja koko luokka pohtii yhdessä: ”Miten tämä pallo liikkuu juuri nyt?”. Liikettä voi hidastaa tai nollata kesken kaiken tilanteen mukaan.

Kun ympyräliikettä katsotaan sivulta ”varjona”, esiin tulee säännöllisesti ylös ja alas suuntautuva ”harmoninen värähdysliike”. Katsotaanpa ensin tämä video, joka havainnollistaa ilmiötä.

Aluksi se näyttää vain tavalliselta ympyrää kiertävältä pallolta, mutta…

Kun simulaation ”valokatkaisija” laitetaan päälle, seinälle heijastuu varjo. Silloin tapahtuu jotain maagista: ympyräliike muuttuukin pystysuuntaiseksi heilahdukseksi.

Ruudun musta nuoli kuvaa nopeutta ja punainen nuoli kiihtyvyyttä. Nopeutta voi säätää yhdellä napilla, joten voimme rauhassa havainnoida ja kysyä: ”Missä vauhti on kimmovimmillaan?” tai ”Pysähtyykö liike hetkeksi?”. Älytaulua käytettäessä liikkeen päälle voi suoraan kirjoittaa arvoja, kuten jaksonajan tai kulmanopeuden, mikä auttaa hahmottamaan kokonaisuutta entistä paremmin.

Kokeile ihmeessä simulaatiota itse täällä: https://scratch.mit.edu/projects/235282757

Tässä on tähän liittyvää lisämateriaalia:

Siirtymä (paikan muutos)

Nopeus

Kiihtyvyys

Seuraavaksi esittelen materiaalin, jossa ympyräliike piirtää kauniin aaltokuvion (siniaallon).

Pääset kokeilemaan tästä.

 

Kolme palloa paljastavat liikkeen salaisuuden

Tässä simulaatiossa kolme eriväristä palloa jakavat tehtävät ja opettavat meille, mistä ”liikkeessä” on kyse.

Oranssi pallo: Vastaa vasemmalla puolella tasaisella nopeudella pyörivästä ”tasaisesta ympyräliikkeestä”. Se on kaiken liikkeen alkulähde.

Vihreä pallo: Seuraa uskollisesti vain oranssin pallon ”korkeutta” ja näyttää ylös-alas suuntautuvan ”harmonisen värähtelyn”. Se on kuin ympyräliikkeen varjo.

Sininen pallo: Kun tähän pystysuuntaiseen heilahteluun lisätään ”ajan kuluminen” (liike vaakasuunnassa), se piirtää kauniin ”siniaallon (y-t-kuvaaja)”.

Kun asioita tarkastellaan tässä järjestyksessä, huomaamme, että ympyräliike ja aalto ovat itse asiassa sama ilmiö, jota katsotaan vain eri näkökulmista. Tämä ei ole vain avain fysiikan syvempään ymmärtämiseen, vaan se auttaa myös hahmottamaan, mitä matematiikan trigonometriset funktiot (sini ja kosini) todellisuudessa edustavat.

Tämän opetusmateriaalin luominen vaati paljon kokeiluja. Pohtiessani, miten koodata liikkeestä mahdollisimman luonnollinen, tuntui kuin olisin muovaillut savea.

Lopullinen tavoitteeni ei ole vain tehdä näitä itse, vaan se, että opiskelijat voisivat itse ilmaista fysiikan ilmiöitä ohjelmoinnin kautta.

Sen sijaan, että vain muistettaisiin asioita oppikirjasta, on tärkeää rakentaa liike itse, säätää arvoja ja toisintaa ilmiö. Itse rakennettu tieto on oppimista, jota ei unohda koskaan. Aion itsekin hioa Scratch-taitojani ja etsiä uusia tapoja oppia yhdessä teidän kanssanne.

Yhteydenotot ja tiedustelut

Tiedettä ja sen ihmeitä lähemmäs arkea! Olen koonnut helppoja ja hauskoja tiedekokeita, joita voi tehdä kotona. Tutustu ja inspiroidu! ・Tiedeblogini on nyt myös kirjana! Katso lisää täältä ・Lue lisää minusta (Ken Kuwako) täältä ・Yhteydenotot (kirjoitusyhteistyö, luennot, tiedepajat, TV-konsultointi jne.) täältä ・Seuraa uusimpia päivityksiä X-palvelussa!

Tiedekonstien kanavalla julkaistaan koevideoita!

３月のイチオシ実験！

• 押し花を作ろう！：梅や桜の花の押し花を作ってみましょう。特別なケースに入れると、長く保存できて、しおりにもなります。

テレビ番組・科学監修等のお知らせ

• 「月曜から夜更かし」（日本テレビ）にて科学監修・出演しました。
• 2月27日放送予定「チコちゃんに叱られる」（NHK）の科学監修しました。

書籍のお知らせ

• 1/27 『見えない力と遊ぼう！電気・磁石・熱の実験』（工学社）を執筆しました。
• サクセス15 ２月号にて「浸透圧」に関する科学記事を執筆しました。
• 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
• 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。

講師・ショー・その他お知らせ

• 3/20（金）　日本理科教育学会オンライン全国大会2026「慣性の法則の概念形成を目指した探究的な学びの実践」について発表します。B会場 第３セッション： 学習指導・教材（中学校）③　11:20-12:20
• 7/18（土）　教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
• 10/10（土）　秘密兵器「帯電ガン」が炸裂！ビリビリ！ドキドキ！静電気サイエンスショー＠千葉市科学フェスタ（午後予定）
• 各種SNS　X(Twitter)／instagram／Facebook／BlueSky／Threads

Explore

• 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
• 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
• Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
• 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
• 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
• About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
• お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。