6 yksinkertaista fysiikan tiedekokeilua lapsille

Fysiikka on luonnontiede, joka käsittelee ainetta, energiaa, liikettä ja voimaa. Fysiikan opiskelun tavoitteena on ymmärtää, miten maailmamme ja sitä kautta maailmankaikkeutemme toimii! Tässä on 6 superhelppoa tiedekokeilua lapsille, joilla tutkitaan tiheyttä, painovoimaa, sähköä ja painetta. Tarvittavat materiaalit lojuvat luultavasti jo kotona: kananmunia, vettä, elintarvikeväriä, appelsiineja, kampa ja jopa spagettia!

Veden tiheyden muuttaminen

Oletko koskaan nähnyt järven jäätyvän talvella? Kun lämpötila laskee, sen päälle muodostuu jääpeite, mutta jääkerroksen alla on edelleen järvi. Miksi näin tapahtuu ja miksi se on mielestäsi niin tärkeää? Käsittelemme näitä kysymyksiä seuraavassa kokeessa. Tutustumme tarkemmin lämpötilan vaikutukseen veteen ja näemme, mitä tapahtuu, kun yrität sekoittaa eri lämpötiloista vettä.

Tarvikkeet:

• Kaksi astiaa, kuten purkkeja tai mittakuppeja
• Vettä
• Elintarvikeväriä

OHJEET

1. Lisää noin neljä kupillista vettä astiaan. Lisää 2-3 tippaa sinistä elintarvikeväriä ja sekoita hyvin. Jäähdytä jääkaapissa yön yli.

2. Kuumenna noin 1 kupillinen vettä höyryäväksi tai juuri kiehuvaksi. Lisää 2-3 tippaa keltaista elintarvikeväriä ja sekoita hyvin.

3. Kaada ~1/4 kupillista kylmää vettä hitaasti kuumaan veteen. Varmista, että kaadat hyvin hitaasti ja astian kylkeä pitkin, jotta sekoittuminen on mahdollisimman vähäistä. Sinun pitäisi nähdä kahden kerroksen muodostuvan. Mittaa, kuinka kauan kestää, että nämä kaksi kerrosta yhdistyvät vähitellen yhdeksi vihreäksi kerrokseksi.

Mitä tapahtuu?

Veden lämpötilan muuttaminen vaikuttaa sen tiheyteen. Kun vesi lämpenee, sen molekyylit värähtelevät ja liikkuvat. Tämä saa niiden välisen tilan kasvamaan, jolloin tiheys pienenee. Kun vesi jäähtyy, sen molekyylit hidastuvat ja tulevat lähemmäksi toisiaan. Tämä tekee vedestä tiheämpää. Kokeessamme jäähdytetty vesi vajosi pohjaan, koska sen tiheys oli suurempi kuin lämmitetyn veden. Se muuttui vihreäksi, koska se kosketti matkalla alaspäin jonkin verran kuumaa vettä, mikä jäähdytti sitä ja sai sen vajoamaan.

Luonnossa tämä ilmiö on vastuussa prosessista nimeltä ”kierto”. Viileämmän veden vajoaminen ja lämpimämmän veden nousu saa järven kerrokset sekoittumaan, jolloin ravinteet, kuten happi, leviävät kaikkialle. Miksi järvi ei siis jäädy pohjasta ylöspäin? Veden tiheys nousee, kunnes se saavuttaa jäätymisrajan, mutta sen jälkeen sen tiheys muuttuu jälleen. Jää on paljon vähemmän tiheää kuin nestemäinen vesi, joten jäätyvä vesi nousee ylöspäin. Jää muodostaa kerroksen järven pinnalle, mutta järvi pysyy sen alla nestemäisenä, jolloin kasvit ja eläimet selviytyvät talven yli.

Miten appelsiini saadaan uppoamaan tai uimaan

Kun yritetään arvata, kelluuko jokin esine, on hyödyllistä ottaa huomioon esineen tiheys. Tiheys määritellään massana tilavuusyksikköä kohti, ja esineillä, joilla on suurempi massa-tilavuus-suhde, on suurempi tiheys. Vettä tiheämmät esineet uppoavat, kun taas vähemmän tiheät esineet pysyvät pinnalla.

Kuoriutumaton appelsiini kelluu, koska se on vähemmän tiheä kuin vesi. Pitäisi olla järkeenkäypää, että appelsiinin kuorimisella ja siten sen massan pienentämisellä ei pitäisi olla juuri mitään vaikutusta. Itse asiassa tapahtuu päinvastoin. Se saattaa tuntua intuition vastaiselta, mutta seuraavassa kokeessa näemme, että appelsiinin kuoriminen saa sen itse asiassa uppoamaan.

Tarvikkeet:

• Leveä suuaukkoinen astia, kuten purkki
• Appelsiini
• Vesi

Ohjeet

1. Täytä purkki sen verran vedellä, että se peittää appelsiinin, jos se joutuu veden alle.

2. Laita kuorimaton appelsiini varovasti veteen. Tarkkaile, mitä tapahtuu. Uppoaako vai kelluuko appelsiini?

3. Ota appelsiini pois purkista ja kuori se.

4. Laita kuorittu appelsiini takaisin purkkiin. Mitä appelsiinille tapahtuu nyt?

Mitä tapahtuu?

Voi tuntua siltä, että kuorimalla appelsiinin pitäisi saada se kellumaan entistä paremmin, koska kuorimalla poistamme osan sen massasta ja teemme siitä kevyemmän. Itse asiassa havaitsemme, että appelsiinin kuoriminen saa sen uppoamaan. Tämä vaikuttaa epäloogiselta, kunnes tarkastellaan tiheyden luonnetta.

Tiheys määritellään massana tilavuutta kohti. Appelsiininkuori on erittäin huokoinen, eli siinä on paljon pieniä reikiä. Reiät ovat lähinnä pieniä ilmakuplia. Nämä ilmataskut ovat tyhjää tilaa eli massattomia taskuja, jotka kokonaistiheyttä laskettaessa pienentävät lopputulosta. Kun kuori poistetaan, ilmataskut poistuvat. Nyt appelsiinin tiheys on suurempi, koska sen massa tilavuusyksikköä kohti kasvaa. Appelsiini on nyt vettä tiheämpi. Siksi se uppoaa. Eli vaikka se näyttää olevan vastoin järkeä, tulos on itse asiassa tiheyden sääntöjen noudattamista.

Miten painovoiman avulla voi päätellä, onko muna kypsennetty

”Painovoima” on voima, joka vetää meidät kohti maata, ja se on vastuussa siitä, että esineet putoavat maahan, kun ne heitetään ylös tai pudotetaan kaukaa. ”Painopiste” tai ”massakeskipiste” on piste, johon esineen paino keskittyy. Sitä voidaan pitää pisteenä, jossa painovoima vaikuttaa esineeseen.

Vakaan painopisteen ansiosta esimerkiksi pyörivät huiput ovat mahdollisia tai köysikävijä pystyy tasapainoilemaan ohuella vaijerilla. Voimme myös hyödyntää tätä ilmiötä määrittääksemme, onko kananmuna kypsennetty, ilman että kananmunaa tarvitsee avata!

Mitä tarvitset:

• 2 kananmunaa
• 1 pieni kattila
• Vettä kiehuvaksi

Ohjeita

1. Kovaa kiehuvaksi keittää toinen kananmunista. *Huomaa: tämä osa vaatii aikuisen valvontaa. On olemassa useita tapoja keittää muna kovaksi, mutta tätä koetta varten haluamme varmistaa, että muna on perusteellisesti kovaksi keitetty. Tämän saavuttamiseksi anna kananmunan olla aktiivisesti kiehuvassa vedessä vähintään 15 minuuttia.

2. Valuta kananmuna ja huuhtele se kylmän veden alla. Laita muna jääkaappiin vähintään tunniksi. Tämä on sitä varten, että et voi sanoa, mikä muna on kypsennetty pelkästään lämpötilaa tarkistamalla.

3. Ota kypsennetty muna ja raaka muna pois jääkaapista. Pyöritä munat yksi kerrallaan työtasolle tai puhtaalle pinnalle. Huomaa erot siinä, miten kukin muna liikkuu. Toinen muna pyörii tasaisesti, kun taas toinen heiluu ja sitä on vaikea pyörittää.

Mitä tapahtuu?

Raakamunan kuoren sisällä oleva sisältö on nestemäistä, joten se pystyy liikkumaan. Kun yrität pyörittää raakaa munaa, sen sisältö liikkuu. Tämä saa aikaan sen, että munan painopiste muuttuu jatkuvasti. Koska kananmunalla ei ole vakaata painopistettä, se ei pyöri tasaisesti, kuten huippu pyörisi, vaan se heiluu. Keitetty muna sen sijaan on sisältä kiinteä. Sen painopiste pysyy samana. Siksi kovaksi keitetty muna pyörii tasaisesti, ja se on helppo erottaa raa’asta kananmunasta ilman, että kumpaakaan kananmunaa tarvitsee murtaa auki.

Spagettisillan testaaminen

Yksi tärkeimmistä päätöksistä rakentamisessa on rakennusmateriaalien valinta. Eri materiaalit kestävät koostumuksestaan riippuen erilaisia kuormituksia. Voimme tutkia tätä käsitettä rakentamalla pienoissillan ja testaamalla sitten sen kykyä kantaa painoa. Käytämme keittämättömiä spagettisäikeitä tarkastellaksemme, miten tietyn rakennusmateriaalin rakenteellinen koostumus vaikuttaa sen kykyyn kestää painetta.

Mitä tarvitset:

• Spagetti
• Paperiliitin tai S-koukku
• Pieni paperikuppi
• Muutama kolikko

Ohjeita

1. Aseta yksi säie keittämätöntä spagettia kahden purkin tai laatikon väliin niin, että spagetti muodostaa sillan.

2. Taivuta paperiliitin S-koukun muotoon (tai käytä yksinkertaisesti ja S-koukkua) ja puhkaise reikä paperikuppiin. Ripusta paperimuki koukkuun ja ripusta sitten koukku ja kuppi varovasti spagettisillalle.

3. Lisää kuppiin kolikoita yksi kerrallaan. Kirjaa ylös, kuinka monta kolikkoa pystyt lisäämään, ennen kuin spagetti katkeaa.

4. Järjestä koe uudelleen, mutta tällä kertaa käytä kahta spagettisäiettä sillan rakentamiseen. Kuinka monta kolikkoa uusi silta kestää nyt ennen kuin se murtuu?

5. Toista koe käyttämällä kasvavia määriä spagettisäikeitä. Mitä huomaat sillan kyvyssä kantaa kolikoita, kun lisäät lisää spagettisäikeitä?

Mitä tapahtuu?

Keittämätön spagettisäie on hyvin hauras, ja se katkeaa, kun siihen kohdistetaan painetta. Kun lisäämme kuitenkin lisää spagettisäikeitä, paine jakautuu säikeiden kesken, joten kuhunkin säikeeseen kohdistuva kokonaispaine on pienempi. Säikeet periaatteessa jakavat kuorman, joten niiden kolikoiden määrä, joita voidaan lisätä ennen kuin silta murtuu, kasvaa.

Esimerkki rakennusmateriaalista, joka hyödyntää tätä periaatetta, on vaneri. Vaneri koostuu useista ohuista puuviiluista, jotka on liimattu yhteen. Näin saadaan materiaali, joka kestää suuremman määrän painetta kuin mitä yksi yksittäinen levy kestäisi.

How to Make a Comb ”Magnet”

Mahdollisuuksien mukaan olet kokenut staattista sähköä jossain vaiheessa. Se pieni isku, jonka tunnet joskus, kun kurottaudut ovenkahvaan, tapa, jolla hiuksesi nousevat pystyyn, kun harjaat niitä, tapa, jolla hattu tarttuu hiuksiisi – kaikki nämä ovat esimerkkejä staattisesta sähköstä.

Seuraavassa kokeessa käytämme staattista sähköä ”magneetin” tekemiseen. Tuotamme sähkövarauksen hiuskampaan ja tutkimme, miten tämä varaus toimii. Kokeen lopussa ymmärrämme paremmin staattista sähköä, miksi se käyttäytyy niin kuin käyttäytyy ja mitä voimme tehdä minimoidaksemme sen vaikutukset jokapäiväisessä elämässämme.

Mitä tarvitset:

• Hiuskampa
• Kudosliina
• Sakset

Ohjeet

1. Jos nenäliinasi on kaksikerroksinen, erota kaksi kerrosta toisistaan ja käytä vain toista. Leikkaa kudos saksilla neljään osaan. Aseta yksi neljänneksistä tasaisesti pöydälle.

2. Aja kampa hiusten läpi useita kertoja (vähintään 12 kertaa) nopeasti peräkkäin. Tämä toimii parhaiten puhtaissa, kuivissa hiuksissa, ja saat parhaat tulokset kamman hienommalla osalla tai sillä päässä, jossa hampaat ovat lähempänä toisiaan.

3. Kosketa kammalla välittömästi sen jälkeen, kun olet ajanut kammalla hiusten läpi, kammalla kudoksen yhtä reunaa. Tiedät, että se on toiminut, jos kudos nousee kammaa vasten heti, kun se tulee lähelle. Nosta uudella ”magneettisella” kammallasi kudos pöydältä ylös ilmaan.

Mitä tapahtuu?

Staattista sähköä syntyy, kun negatiivisesti varattuja hiukkasia, niin sanottuja elektroneja, siirretään johonkin esineeseen ja niiden annetaan kerääntyä. Kokeemme tapauksessa esine oli kampa. Elektronit ”hyppäsivät” hiuksistamme kammalle, jolloin kampa sai tilapäisen negatiivisen varauksen. Koska vastakohdat vetävät puoleensa, kampan negatiiviset varaukset vetäytyivät kudoksen positiivisiin varauksiin, ja kudos ”tarttui” kampaan.

Kuivemmat olosuhteet ovat otollisemmat staattiselle sähkökertymälle, minkä vuoksi staattisia sähköiskuja on yleensä enemmän talvella. Tämä johtuu siitä, että vesi on hyvä johdin. Kun on kosteutta, pintaan luonnostaan kertyvät staattiset sähkövaraukset voivat imeytyä ilmassa leijuviin vesihiukkasiin. Näitä vesihiukkasia ei ole kuivissa olosuhteissa, joten varaukset kerääntyvät ja purkautuvat kerralla, kun ne joutuvat kosketuksiin jonkun toisen esineen kanssa, kuten kädelläsi ovenkahvaan.

Saa kananmunan kellumaan vedessä

Ei kaikki kellu vedessä. Esimerkiksi muna vajoaa pohjaan, kun se laitetaan vedellä täytettyyn astiaan. Pingispallo sen sijaan kelluu. Miksi näin tapahtuu? Mikä saa jonkin asian kellumaan tai uppoamaan? Vastaus on tiheys. Vettä tiheämmät esineet uppoavat. Ne, jotka ovat vähemmän tiheitä, kelluvat.

Seuraavassa kokeessa voit havaita tiheyden vaikutuksen käytännössä. Muuttamalla veden tiheyttä voimme muuttaa munan kykyä kellua.

Mitä tarvitset:

• läpinäkyvän astian, kuten purkin
• Munan (Huomaa: Kananmunan ei tarvitse olla kovaksi keitetty, mutta voi olla vähemmän hermoja raastavaa antaa pienempien lasten käsitellä kovaksi keitettyä munaa.)
• Vesi
• Suola

Ohjeita

1. Lisää tyhjään astiaan 1 kupillinen vettä tai sen verran, että astia täyttyy puoliväliin ja kananmuna voi olla kokonaan veden alla. Aseta muna varovasti veteen ja tarkkaile, mitä tapahtuu.

2. Ota muna pois. Lisää 6 ruokalusikallista suolaa astian veteen ja sekoita sekaisin. Aseta muna varovasti takaisin suolaveteen ja tarkkaile.

3. Ota muna pois ja huuhtele se makealla vedellä. Lisää astiaan hitaasti, jotta suolavesi ei häiriintyisi, yksi kupillinen puhdasta vettä. Tavoitteena on kerrostaa makea vesi suolaisen veden päälle, ei sekoittaa näitä kahta kerrosta. Laita muna astiaan kolmannen kerran.

Mitä tapahtuu?

Munan tiheys on suurempi kuin veden, joten se ei kellu. Kun lisäsimme veteen suolaa, muutimme kuitenkin sen tiheyttä. Teimme sen niin, että vedellä oli suurempi tiheys kuin kananmunalla. Tämän vuoksi muna pystyi kellumaan. Korostaaksemme tätä käsitettä lisää, lisäsimme suolaisen veden päälle kerroksen makeaa vettä. Muna upposi makean veden läpi, mutta lakkasi uppoamasta, kun se saavutti suolaisen veden kerroksen.

Yksi asia, jota on syytä korostaa, on se, että esineen ei tarvitse painaa vähemmän kuin vesi kelluakseen, sen on vain oltava vähemmän tiheä. Tämä tarkoittaa, että sillä on oltava suurempi määrä tyhjää tilaa sisältäviä taskuja suhteessa sen massaan. Näin veneet pystyvät kellumaan, vaikka ne ovat niin suuria ja painavia, ja siksi pingispallo kelluu, mutta muna ei.