2026年4月16日 / Last updated : 2026年4月16日 桑子 研 Science

Hallitse fysiikan vaikea aihe: spiraaliliike! Astu oppikirjan ulkopuolelle 3D-graafien avulla (Grapher & GeoGebra)

Tervehdys! Olen fysiikan valmentaja Ken Kuwako. Minulle jokainen päivä on uusi kokeilu.

Oletko koskaan halunnut herättää fysiikan oppikirjan staattiset kaaviot eloon ja pyöritellä niitä kolmiulotteisina mielessäsi? Se, mikä paperilla näyttää vain monimutkaiselta kierteeltä, kätkee sisääensä hämmästyttävän kauniita ja dynaamisia maailmankaikkeuden lakeja, kun sitä tarkastelee uudesta kulmasta.

Tällä kertaa et tarvitse erityisosaamista tai kalliita ohjelmistoja! Esittelen teille, miten Macin kätketty helmi auttaa selättämään fysiikan pähkinän: spiraaliliikkeen eli helikaalisen liikkeen. Virittäydy ensin tunnelmaan ja katso spiraaliliikkeen visuaalinen malli tältä sivustolta:

「Lukiofysiikan CG-oppimateriaalit」

Macin salainen ase: Grapher

Luulitko, että 3D-kuvaajien luominen vaatii koodaustaitoja tai ammattilaistason analyysiohjelmia? Todellisuudessa jokaisella Mac-käyttäjällä on valmiina tehokas työkalu, joka on täysin ilmainen. Sen nimi on Grapher.

Grapher-kuvake

Vaikka ohjelma on harmillisen vähän tunnettu, sen avulla loihdit upeita 3D-malleja vain syöttämällä matemaattisia kaavoja. Tänään mallinnamme lukiofysiikan sähkömagnetismista tuttua ilmiötä: varatun hiukkasen spiraaliliikettä. Kun hiukkanen syöksyy viistosti tasaiseen magneettikenttään, siihen vaikuttaa mystinen Lorentz-voima, joka saa hiukkasen etenemään ympyrää piirtäen – eli spiraalina.

Itse asiassa tämä liike on avainasemassa upeiden revontulien synnyssä. Auringosta sinkoutuvat varatut hiukkaset jäävät loukkuun Maan magneettikenttään ja kulkevat spiraalia pitkin kohti napa-alueita. Matkalla ne törmäävät ilmakehän hiukkasiin ja syttyvät loistamaan revontulina.

Tämä ilmiö on usein opiskelijoiden kauhu koetilanteissa, sillä 3D-liikkeen hahmottaminen kaksiulotteisesta paperista on todella vaikeaa. Tässä kohtaa 3D-graafit pelastavat päivän!

Tehdään fysiikasta elävää pelkillä kaavoilla

Tältä lopputulos näyttää. On todella palkitsevaa nähdä liikkeen elävän ruudulla:

Grapherin hienous on siinä, että voit syöttää siihen matemaattisia yhtälöitä suoraan. Tämän spiraaliliikkeen takana on vain muutama taikasana:

Kaavat

Kun kirjoitat nämä ja klikkaat, spiraali syntyy silmiesi eteen.

Logiikka on yksinkertainen: x-suunnassa (etenemisvauhti) hiukkanen liikkuu tasaisesti (x=0.2t), ja y- sekä z-suunnissa käytetään sinin ja kosinin yhdistelmää. Näin syntyy kierre, joka etenee eteenpäin. Kun graafi on valmis, voit tarkastella sitä hiirellä mistä tahansa kulmasta.

Yleisnäkymä viistosti yläviistosta!

3D-näkymä

Suoraan edestä (x-akseli) katsottuna se on täydellinen ympyräliike!

Sivulta katsottuna se on tasainen sinikäyrä!

Ylhäältä katsottuna se on tasainen kosinikäyrä!

Jos sinulla ei ole Macia, suosittelen selainpohjaista Geogebraa. Se on loistava työkalu, jossa voit samalla tavalla luoda grafiikkaa kaavoilla – se on kuin matemaattinen piirustusohjelma.

Tässä on vielä toisen opettajan tekemä erittäin selkeä mallinnus. Aivan mahtavaa työtä!

「charged particle in magnetic field」https://www.geogebra.org/m/afphxyqj

Voit muuttaa parametreja ja tarkastella liikettä eri suunnista. Se todella auttaa ymmärtämään, mitä tapahtuu.

Ylhäältä katsottuna…

Mitä pidätte? Olin itse aivan innoissani, kun löysin nämä työkalut. Suuri kiitos kehittäjille! Matematiikka ja fysiikka muuttuvat huomattavasti helpommin lähestyttäviksi näiden avulla. Elämme hienoa aikaa!

Uusi näkökulma on avain ymmärrykseen

Fysiikan ongelmia ratkoessa tärkeintä on kyky katsoa asioita monesta kulmasta. Kun pyörittelet 3D-graafia ja oivallat visuaalisesti, mistä kohdasta ilmiötä kannattaa tarkastella, kaavojen merkitys loksahtaa paikalleen.

Fysiikka on maailmankaikkeuden pelisääntöjen selvittämistä. Grapherin kaltaiset työkalut tekevät näistä säännöistä näkyviä ja ymmärrettäviä. Kokeilkaa rohkeasti piirtää omia funktioitanne ja fysiikan ilmiöitä 3D-muodossa. Oppikirjan mustavalkoinen maailma muuttuu takuulla värikkääksi!

巨大な「D」の正体とは？国立科学博物館で出会った加速器・サイクロトロンの迫力

Yhteydenotot ja tiedustelut

Haluatko tuoda tieteen ihmeet lähemmäs arkea? Koostan sivustolleni hauskoja kotikokeiluja ja selkeitä vinkkejä tieteen maailmaan. Tervetuloa tutustumaan!
・Science Notebook on nyt myös kirjana. Lue lisää täältä.
・Lisätietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta löydät täältä.
・Yhteistyöpyynnöt (artikkelit, luennot, kokeilupajat, TV-konsultointi jne.) täältä.
・Seuraa päivityksiä X:ssä!

Tieteen niksikanava – katso koevideot täältä!

テレビ番組監修・イベント等のお知らせ

１１月のイチオシ実験！

どうして結露は起こるのか？結露を防ぐためには？実験で確かめよう！

書籍のお知らせ

  • 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
    『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）
    スクリーンショット 2014-07-05 0.43.51
  • 『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。

各種SNS（更新情報をお届け！）

【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook　【英語】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。

 

Kategoriat
Science
Science

Previous article

Tee opetuksesta uusi kokemus! Helppo ja selkeä mitoosin havainnointiohje safraniiniliuoksella
2026年4月15日
Science

Next article

Näetkö sähkön “korkeuden”!? Opi Kirchhoffin lait 3D:n avulla (Lukion fysiikka)
2026年4月17日