1 Pimekamber
1.1 Taust, sihtrühmad ja eesmärgid
Pimekamber on vahend, millega saab uurida valguse levimise kaudu tekkiva kujutise teravuse, heleduse ja suuruse muutumist.
Pimekambriga mängida oskavad kindlasti lapsed, kes veel koolis ei käigi.
Selle ehitamine ja sellega teaduslik eksperimenteerimine võib olla jõukohane esimeses kooliastmes, mille lõpetaja:
saab aru, et teadlased esitavad küsimusi ning teevad neile vastamiseks vaatlusi ja katseid, teab, et katsete kordamine suurendab tulemuste usaldusväärsust, leiab katses mõjuteguri[1(lk 8)].
Teises kooliastmes võib ta juba otsida lisateavet ja ikka eksperimenteerida:
leiab infot objektide ja nähtuste kohta, hindab info usaldusväärsust õpetaja abiga, koostab ja esitab valitud teemal ülevaateid (maailmaruum, looduskatastroofid, kodukoha järv/jõgi, looduskaitsealune liik/objekt, erinevad piirkonnad maailmas jms); sõnastab koos kaaslastega loodusteadusliku uurimisküsimuse või hüpoteesi, kavandab ja teeb uurimuse kodukoha veekogu, asula, metsa, niidu vms põhjal, kogub ja vormistab andmeid ning esitleb uurimistulemusi; kasutab uurimiseks ja andmete kogumiseks tehnilisi abivahendeid (nt mikroskoop, digitaalsed andurid, luup, mõõdulint); kasutab katseid tehes turvalisi töövõtteid; pakub võimalusi, kuidas suurendada katsetulemuste usaldusväärsust, leiab katses mõjuteguri; arutleb looduse ja maailmaruumi uurimise vajalikkuse üle; toob näiteid, kuidas teadlased koguvad tõendusmaterjali[1(lk 9)];
Kolmanda kooliastme õpilane suudab samuti eksperimenteerida ja juba tulemusi kirjendada:
sõnastab uurimisprobleeme ja -küsimusi ning hüpoteese, mida saab katse või vaatluse kaudu uurida (kontrollida), plaanib ja korraldab koos kaaslastega katseid, kogub andmeid, vormistab tulemused tabelite ja joonistena; teeb andmete põhjal kehtivaid järeldusi, esitab tulemused (sh digitaalselt); eristab katses sõltumatu ja sõltuva muutuja; mõistab kõrvalmuutujate kontrollimise vajadust; mõistab korduskatsete ja kontrollkatsete vajadust; analüüsib kogutud andmete usaldusväärsust ning järelduste kehtivust; järgib katseid tehes ohutusnõudeid ning põhjendab nende vajalikkust; leiab infot uuritavate ainete, kehade, nähtuste ja protsesside kohta ning hindab allikate usaldusväärsust õpetaja abiga; esitab uurimise tulemusi[1(lk 10)]; eristab teaduslikke teadmisi mitteteaduslikest teadmistest; arutleb loodusteaduste ja tehnoloogia arengu ning tähtsuse üle igapäevaelus ja ühiskonnas; toob näiteid nende vastastikuste seoste kohta… arutleb mudelite tähtsuse ja piiratuse üle ning valib konkreetse nähtuse selgitamiseks sobiva mudeli… eristab füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi nähtusi ning toob näiteid nendevaheliste seoste kohta… põhjendab materjalide taaskasutamise olulisust ning pakub materjalide taaskasutamise võimalusi; kaalutleb enda huvide ja võimete sobivust õpingute jätkamiseks loodusteaduste või tehnoloogia erialadel[1(lk 11)]; tunneb erinevaid valgusallikaid; liigitab valgusallikaid nende suuruse ja valguse spektraalse koostise järgi; 2) tunneb valguse sirgjoonelise levimise ja peegeldumise seadust ning konstrueerib nende põhjal optilisi nähtusi selgitavaid jooniseid ja korraldab vastavad katsed; rakendab valguse murdumise seaduspärasust läätse tööpõhimõtte selgitamiseks ja probleemülesandeid lahendades; seletab fookuse, fookuskauguse ja optilise tugevuse mõistet; tunneb erinevate läätsede omadusi ja seostab kujutiste tekkimist läätsede omadustega; konstrueerib kiirte käiku kumer- ja nõgusläätses, eristab tõelist ja näivat kujutist… selgitab jooniste järgi erinevate optiliste seadmete tööpõhimõtet; selgitab silma kui optilise süsteemi tööpõhimõtet ning lühi- ja kaugnägemise põhjuseid; rakendab probleemülesandeid lahendades seost \(𝐷= \frac{1}{𝑓}\)[1(lk 17)].
Neljanda kooliastme õpilane peab õppima kasutama mõõtemääramatust: > selgitab loodusteadusliku meetodi olemust ja teab, et katsetulemusi üldistades jõutakse mudelini; > põhjendab mõõteseaduse vajalikkust üldaktseptitavate mõõtmistulemuste saamiseks; > mõistab mõõdetava suuruse ja mõõtmistulemuse suuruse väärtuse erinevust; > teab ja rakendab rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) põhisuurusi ning nende mõõtühikuid; > teab, et korrektne mõõtetulemus sisaldab ka määramatust, ning kasutab mõõtmisega kaasnevat mõõtemääramatust hinnates standardhälvet[2(lk 10)].
Kõrgtaseme õpilane õpib tundma läätse valemit jne.
Nii et pimekambrit saab õppevahendina kasutada elukestva õppe igas faasis. Instrument on ennekõike füüsikainstrument. Mina olen füüsikat õpetanud kolmandas ja neljandas kooliastmes ja ennekõike saab seda kasutada kolmandas, sest mõõtemääramatuse õppimiseks võib aja kokkuhoiu mõttes kasutada instrumente, mis on gümnaasiumi õppekavas.
Tuleb siiski arvestada, et kohustuslikus korras peaksime baasharidusprogrammis õpetama vaid hädavajalikku ning mitte minema süvitsi. Ilmselgelt ei hakka enamus inimesi vajadusest tingitult või ka oma lõbuks pimekambrit elus ehitama. Seega võiks näidis juba olemas olla, mida saaks vajadusel demonstratsiooniks kasutada. Kui sihtrühmas on huvilisi, siis võib minna süvitsi.
1.2 Vahendid kasutamiseks
Pimekambri ehitamiseks ja kasutamiseks sobib esmakordselt kasutada osaliselt või täielikult Toolkit Construction Instructions Camera Obscura[3].
Sõltuvalt õpetaja vabadusest, õpilaste huvist ja põhjalikkusest võib ehitamiseks ja eksperimenteerimiseks kuluda erinev aeg. Ainult auguga pimekambri ehitamine kestab kindlasti kõige kauem, kuid selleks pole erilisi vahendeid vaja: piisab, kui on piisavalt pappi, teipi, lõikamisvahend, alumiiniumfooliumi, majapidamispaberit. Täiendamiseks on vaja juba kuskilt leida sobilik lääts ja ehk ka peegel. Viimaseid saab ilmselt Interneti kaudu tellida.
Olen varasemalt lasknud õpilastel valmistada eksperimenteerida minu valmistatud torukujulise pimekambriga. Toona tekkis mõte, et kui kasutada nii suurt kasti, millesse mahuks pea, siis saaks ehitada joonistamismasina.
1.3 Koostöö
Kaasata saab mitmeid muid õpetajaid: kunst kambri disainimiseks, ajalugu, tehnoloogia, informaatika, matemaatika.
1.4 Prototüüp
1.4.1 Materjalid ja töövahendid
Prototüübi valmistamiseks jõin 12 saku Originaali ja Bio Logico bioveini, et saada kaks pappümbrist (joonis 1.1 leheküljel ).
Figure 1.1: Õllepakendi nähtavasse otsa teipisin tüki alumiiniumfooliumi ja katsin tesa läbipaistmatu isoleerteibiga praod. Teise otsa lõikasin kääridega purkide väljavõtmise avauseni küljest ära. Veinipakendi lahtise otsa eemaldasin ja teipisin sinna osaliselt läbipaistva paberi kontoriteibiga.
Eksperimendi läbiviimiseks liigutasin veinipaki osaliselt läbipaistva paberi otsaga eesotsas läbi õllepakendi avause õllepakendi sisse piisavale kaugusele, mille kindlakstegemiseks kasutasin Litra Torch II lampi maksimaalsel võimsusel ja vaatasin läbi veinipakendi avause, et kujutis oleks piisavalt suur (joonis 1.2 leheküljel ).
Figure 1.2: Eksperiment.
Kujutis ilmus osaliselt läbipaistvale paberile (kalka) nii püstiselt kui rõhtsalt tagurpidisena (joonis 1.3 leheküljel )
Figure 1.3: Tulemus.
1.4.2 Juhendi kasutus
Prototüübi valmistamiseks vaatasin oma kunagist toruprototüüpi, samuti kursuses pakutud juhendit ja sellest viidatud juhendit, kuid lõpuks ehitasin ikkagi oma toruprototüübi järgi.
1.4.3 Raskused ja probleemid
Alustada oli keeruline. Mõtlesin küll, et üks karp peab teise sisse liigutatama, aga siis tegingi nii, et oleks nii. Arvasin, et saan võrdlusmomendi toruprototüübist, aga see ei toiminud, kuna alumiiniumfoolium, mille olin selle otsa pannud, oli vahepeal iseeneslikult perforeerunud ja võimsat valgusallikat ka polnud. Alul oli veinipakki õllepaki sees liigutada keeruline, sest õllepakk oli liiga pikk. Lõpuks oli vaja piisavalt valgust, et eksperiment läbi viia.
1.5 Visioon
Soovin ehitada korralikuma prototüübi, kaasa arvatud läätse ja peegli teisendi. Tahan katsetada kahe peegliga. Seejärel tahan dokumenteerida kogu protsessi ja pookida optikatemaatika õpetamisse. Sama on soov teha muude n-ö käepärastest vahenditest tehtavate teadusinstrumentidega, et igas teemas oleks midagi praktilist ja mingi käeline tegevus.