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).
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!
