Füüsika igapäevaelus

Henn Voolaid, Tartu Ülikool

1. Füüsikaõpe peab olema huvitav

Õpilased peavad füüsikat tihti raskeks ja igavaks õppeaineks. See loob pinnase füüsikaga mittetegelemiseks ja halbadeks õpitulemusteks. Nõrgad füüsikateadmised ei lase omakorda edukalt õppida ka teisi loodusaineid. Järelikult tuleb muuta füüsika õppimine huvitavaks, sest  pedagoogika ütleb, et huvi on peamine õppimise motivaator.

Huvitavaks peetakse seda, mida inimene saab oma elus mingil viisil kasutada või mis pakub lihtsalt rõõmu (vt ENE III, märksõna huvi). Järelikult peame mõtlema iga kord, kui me hakkame füüsikat huvitavaks tegema, kas õppija saab pakutavat mingil viisil kasutada või tekitab see lihtsalt positiivseid tundeid. Aga mitte igasugune lust ja rõõm pole huvi tunnuseks. Tuleb jõuda niinimetatud ahaaefektini, millega kaasneb uus teadmine. Sellel ei pruugi alati olla mingit praktilist väljundit, kuid inimesel tekib rahulolu juba paljalt teadmisest, et midagi sai jälle selgeks.

Milleks siis saaks inimene füüsikat kasutada?

Igapäevaelus kasutame füüsikat tihti ilma selle peale mõtlemata. Näiteks talvel libedaga viskame tänavale liiva, ereda päikesevalguse korral paneme ette päikeseprillid või kui nuga on nüri, siis teritame seda. Sealjuures me ei mõtle, et esimesel juhul me suurendame hõõrdetegurit, teisel juhul suurendame valguse neeldumist, kolmandal juhul vähendame kiilu tahkude vahelist nurka  ja lõikepinna suurust.

Aga on ka olukordi, kus me kasutame füüsikat teadlikult. Näiteks arvutame autosõiduks kuluvat aega oletatava keskmise kiiruse ja vahemaa kaudu või uurime enne uue elektrilise majapidamisriista ostmist selle voolutarvet ja võrdleme seda oma majapidamise kaitsekorkidele lubatud vooluga.

Füüsikat saab kasutada ka omaenda või oma laste ja lastelaste küsimustele vastamiseks. Need on küsimused, mida ei taheta koolis või ka ülikoolis esitada. Kardetakse, et järsku peetakse lolliks, kuna ilmselt kõik teised teavad vastuseid, sest nemad ju ei küsi. Aga üldjuhul pole niisugustele  küsimustele lihtne vastata.

Missugused need küsimused on? Näiteks mind vaevas lapsena küsimus, miks peab paberit või leiba lõigates nuga edasi-tagasi liigutama. Isa ütles mu küsimuse peale: „Ära targuta, nii on parem lõigata.“ Ja ongi parem, aga miks?

Vastuse sain alles pärast ülikooli lõpetamist, kui ise hakkasin füüsikat õpetama. Ja siis sain aru, et huvi tõstavad suurepäraselt probleemid, mis on seotud igapäevase eluga.

2. Mida pidada silmas igapäevaelu probleemide kasutamisel füüsikaõppes?

Järgnevalt esitan oma 40-aastase füüsikaõpetamise kogemusel põhinevaid seisukohti. Kuigi olen õpetanud ainult ülikoolis, on huviäratamine ka seal probleemiks.

• Seletamisel võib kasutada ainult õpilastele tuntud situatsioone ja sõnavara.

Näiteks kehade liikumist inertsi tõttu ei tohiks seletada stiilis: „Esineb taustsüsteeme, kus kehad säilitavad oma liikumiskiiruse, kui teiste kehade mõjud antud kehale kompenseeruvad.“ Palju parem on rääkida sellest, et kõik kehad püüavad  säilitada  oma liikumiskiirust ja suunda seni, kuni neid mingi jõud ei sega.

Limonaadipudeli järsul avamisel tekkivat udupilve ei peaks põhjendama sellega, et „adiabaatiline drosseleerimine on isoentalpiline protsess”. See väide on muidugi õige ja seletab nähtuse asjatundjale ära, aga õpilasele on see lihtsalt üks arusaamatu sõnamula.

• Probleeme ei saa lahendada märksõnade tasemel, vaid need tuleb samm-sammult lahti rääkida.

Näiteks käsitleme põhikooli füüsika aineprogrammis molekulide soojusliikumist. Enne kui hakkame rääkima molekulide jaotusest kiiruse järgi ja keskmisest kiirusest, tuleb õpilasi veenda, et molekulidel on üldse erinevad kiirused. Selleks sobib katse vedeliku aurustumisest. Kallame tilga vett paberile ja mõne aja möödudes on märg laik kadunud. Kuhu vesi jäi? Lihtne on vastata, et auras ära ehk aurustus. Aga see ei seleta nähtust.

Kuidas aurumine toimub? Vees on mõnedel molekulidel suurem kiirus kui teistel ja need võivad veest välja lennata. Alles jäänud aeglasemad molekulid saavad ümbritsevast õhust või paberist energiat juurde ning mõned molekulid hakkavad jälle kiiremini liikuma kui teised ja lendavad veest välja. Nii aurustubki vesi pikkamööda.

Kust me seda teame, et asi nii käib? See on järeldus katsest. Sest kui kõikidel molekulidel oleks ühesugune kiirus, siis veetilk ei aurustuks üldse või aurustuks ühe hetkega.

Kui molekulide kiirus on väike, siis nad ei suuda üksteisest eemale lennata ja vesi ei auru. Kui aga kiirus on suur, siis lendavad kõik molekulid korraga laiali. Kuna midagi taolist ei toimunud, siis võibki järeldada, et molekulidel on erinev kiirus.

• Seletamisel ei ole alati vaja kasutada valemeid ja arvutusi, saab piirduda ka seaduspärasuste ja elutarkusega.

Näiteks küsitakse, kas 100 W pirni takistus on suurem või väiksem kui 60 W pirnil?

Õige vastuseni võib siin jõuda vähemalt kahel viisil.

1. Valemi abil: võimsus  N =  U²/R. Siit on näha, et sama pinge korral on võimsus suurem, kui takistus on väiksem. Siit vastus: 100 W pirni takistus on väiksem.

2. Kui valemit ei tea, aitab elukogemus. Maksta tuleb rohkem suurema võimsuse tarbimise eest. Kuna pinge on mõlema lambi korral ühesugune (230 V), siis peab 100 W pirni korral midagi muud suurem olema. Ilmselt voolutugevus, sest see koos pingega kirjeldab elektriseadmete tööd. Aga suurem voolutugevus on siis, kui takistus on väiksem. Järelikult on 100 W pirni takistus väiksem. Nii on ju ka vee voolamisega: kui kraan on kinni, siis on vee voolamisel takistus väga suur ja voolu tugevus null. Kui takistust vähendada (kraani lahti keerata), hakkab vee vool suurenema.

Et eelnev jutt ei jääks tühjaks dotseerimiseks, lisan hulga probleeme, mida võib anda õpilastele lahendamiseks, ja lisan omapoolsed lühivastused, mis aitavad õpetajat, kuid õpilastele pole ilmselt piisavad. Viimaste esitatud küsimuste korral olen vastustes piirdunud ainult vihjetega, sest loodan, et olete juba muutunud kogenud vastajateks.

Enne probleemide juurde asumist tuletan meelde, et köögifüüsikaga seotud küsimustest olen kirjutanud ajakirjas LoTe nr 1, 2008, „Kulinaarfüüsika kui huviärataja“. Sellepärast ei ole vastava valdkonna probleeme siin toodud.

Üsna palju sarnaseid  probleeme võib leida kirjandusest, nii uuemast kui vanemast. Väike loetelu neist raamatuist on toodud artikli lõpus. Paraku on neis, eriti uuemais, palju vigu, mis on tingitud halvast tõlkimisest ja toimetamisest. Sellepärast ei maksa alati kõike puhta kullana võtta.

Võimalikest vigadest saab ülevaate TÜ koolifüüsikakeskuse kodulehelt jaotise  Huvitavat all olevast G. Kanarbiku ja H. Voolaiu artiklist „Eksitavad aimeraamatud“ (http://www.physic.ut.ee/kfk/index.php?page=huvitavat).

Et mitte jääda paljasõnaliseks, toon paar näidet raamatutes  esinevatest vigadest.

• Füüsikast tuntud termotuuma reaktsioon ehk tuumasüntees on moondunud tuumafusiooniks ja tuuma sulamiseks [8, lk 15].
• Soojuspaisumisest annab moonutatud pildi järgmine lause: „Kuumas õhus on osakesed soojuse mõjul paisunud ja üksteisest eemaldunud.“ [9, lk 90]. Soojuspaisumisel teatavasti ei paisu aineosakesed (aatomid ja molekulid), vaid suurenevad nendevahelised kaugused.

3. Probleeme igapäevaelust

1. Pilved koosnevad väikestest veepiisakestest või jääkristallikestest. Mõlemate tihedus on suurem kui õhul. Miks siis pilved alla ei kuku?
2. Uduvinese ilmaga võib näha pilvede vahelt väljuvaid hajuvaid päikesekiiri. Kuid optikas õpetatakse päikesekiirte abil määrama koondava läätse fookuskaugust, kuna päikesekiired on omavahel paralleelsed. Mida me peame uskuma, kas oma silmi või füüsikat?
3. Pimedal selgel ööl taevasse vaadates märkame, et tähed taevas vilguvad. Miks?
4. Miks talvel on tuulise ilmaga külmem kui vaikse ilmaga, aga suvel kõrbes tuul hoopis kõrvetab, aga ei jahuta?
5. Kas Kuu on valgusallikas? Miks?
6. Puusaagimisel soojeneb saag rohkem kui saetav puit. Miks?
7. Kirvele või luuale vart taha pannes koputatakse varreotsaga vastu maad. Miks?
8. Lapsevankrit või mingit käru on paksus lumes kergem enda järel vedada kui ees lükata. Miks?
9. Üles ei hüpata kunagi sirgete jalgade pealt, ikka lastakse enne natuke kükki. Kas mõlema jalaga või ainult tõukejalaga, see oleneb hüppeviisist. Miks nii tehakse?
10. Miks katkine pall ei põrka?
11. Talvel käiakse küll paljapäi, aga kindad on käes. Miks käed rohkem külma kardavad?
12. Lambipirnid põlevad läbi tavaliselt lambi sisselülitamisel. Tihti kaasneb sellega ka korgi „väljalöömine“. Miks?
13. Miks mõnikord on seinakontaktid kõrbenud?
14. Miks kolme jalaga taburet kunagi ei kõigu, aga nelja jalaga võib kõikuda?
15. Puhas käterätik kuivatab paremini kui juba paljukasutatud rätik. Miks?
16. Miks me saame olla saunalaval, kus õhutemperatuur on üle 100 °C ?
17. Külma ilmaga lumel kõndides lumi krudiseb? Miks?
18. Hilissügiseti, kui veekogudele tekib jää, meeldib partidele ja teistele lindudele istuda jää peal. Kui jääle sajab paks lumi, siis nad seal enam ei istu. Miks?

1. Miks voolav vesi külmub halvemini kui seisev?
2. Kui katsuda keelega õues külma käes olnud metallesemeid, külmub keel sinna külge, aga puit- või plastesemete külge ei külmu. Miks?

Vastused

1. Põhjusi on mitmeid, aga üks olulisemaid ja piltlikumaid on järgmine. Veeauru kondenseerumisel või tahkumisel eraldub soojust, st õhk veepiiskade või jääkristallikeste vahel on soojem kui ümbritsev õhk. Pilv on nagu soojaõhupall, mida lükkab üles Archimedese jõud.
2. Tuleb uskuda füüsikat, sest meie silmad petavad meid. Kiirte näiv hajumine on tingitud perspektiivist.
3. Põhjus on selles, et õhus on nii soojemaid kui külmemaid piirkondi. Neil piirkondadel on erinevad murdumisnäitajad. Ja kui õhk liigub, siis võib juhtuda, et tähelt tulev valgus kaldub mõnel hetkel niipalju kõrvale, et meie silma enam ei satu. Tuleb arvestada, et tähed on punktvalgusallikad.
4. Sooja või külma aisting on seotud õhu temperatuuriga naha kohal ja soojus liigub alati soojemalt kehalt külmemale.
5. Jutt Päikese valguse peegeldumisest Kuu pinnalt pole veenev, sest seda me peame uskuma, aga kontrollida ei saa. Veenvam on jutt Kuu faasidest ja kuuvarjutusest.
6. Saagimisel tehtud tööst muutub üks osa soojuseks: A = Q. Tekkiv soojushulk on määratud seosega Q = c mDt, kus c on aine erisoojus, m mass ja Dt temperatuuri muut. Eeldame, et soojeneva puidu ja sae massid on võrdsed ja eralduv soojus jaguneb nende vahel ka võrdselt. Terase erisoojus c on umbes 5 korda väiksem kui puidul, järelikult peab sama soojushulga korral olema terase temperatuurimuut Dt ca 5 korda suurem kui puidul.
7. Vastu maad koputamisel jääb vars järsku seisma, aga luud või kirves jätkavad inertsi tõttu liikumist.
8. Vedamisel üks osa meie jõust kergitab pisut vankrit, vähendades sellega hõõrdejõudu. Lükkamisel osa meie jõust surub vankrit vastu maad ja suurendab hõõrdejõudu.
9. Hüppe kõrgus oleneb sellest, kui suur on meie algkiirus, täpsemalt impulss (järeldus energia jäävusest). Kui laseme kükki, siis pikeneb jõu mõjumise aeg ja suureneb impulss, sest  mv = Ft .
10. Õhku ei suruta kokku, see tuleb lihtsalt pallis olevast august välja. Nii aga ei teki potentsiaalset energiat, mis on kokkusurutud õhul.
11. Vihje: soojusmahtuvus on võrdeline keha massiga, üleantav soojushulk aga pindalaga.
12. Vihje: sisselülimisel on hõõgniit külm, aga metalli takistus on seda väiksem, mida madalam on temperatuur, ja seda suurem on voolutugevus.
13. Vihje: soojust eraldub elektrivoolu toimel rohkem seal, kus takistus on suurem.
14. Vihje: kolm punkti asuvad alati ühel kindlal tasandil.
15. Vihje: märgamine ja kapillaarsus.
16. Vihje: higi aurumine, õhu väike soojusmahtuvus.
17. Vihjed: inimese kuulmispiirkond; mida jäigem on võnkuv keha, seda kõrgemat heli see tekitab.

18. Vihjed: vee külmumisel eraldub soojust; soojusülekanne toimub madalama temperatuuri suunas.

19. Vihjed: veekihtide segunemine voolamisel; kristallstruktuuri tekkimine võtab aega.
20. Vihje: metall on palju parem soojusjuht kui plastmass või puit.

Palve

Kui leiate minu vastustes vigu või ei saa vihjetest aru, võtke ühendust meiliaadressil  henn.voolaid@ut.ee.

4. Sobivat kirjandust

1. Gerhard Staguhn „Mis? Miks? Kuidas?“, Koolibri, 2010.

2. David Glover „Nooruk avastab maailma. Välgatus ja kärgatus“, Koolibri, 2010.
3. Rainer Köthe „Nutikad küsimused. Arukad vastused. Tehnika“, Koolibri, 2010.
4. Rainer Köthe „Nutikad küsimused. Arukad vastused. Maa ja maailmaruum“, Koolibri 2010.
5. Michael J. Benton „Seitsekümmend loodusmaailma mõistatust“, Koolibri, 2010.
6. Paul Heiney „Kas lehm saab trepist alla?“, Kunst, 2008.

7. Richard Hammond „Kas tunned jõudu?“, Koolibri, 2007.
8. Nikolaus Lenz „1000 küsimust ja vastust“, Ersen, 2001.
9. Gerald Bosch „1000 põnevat eksperimenti“, Ersen, 2001.
10. K. Freyer, R. Gaebler, W. Möckel „Julge pealehakkamine on pool võitu“, Valgus 1989.

10. J. Perelman „Huvitav füüsika I ja II“, Valgus, 1983.
11. M. Tultšinski „Küsimusülesandeid füüsikast“, Valgus, 1982.