Valikkursus I: Füüsika ja tehnika

11. Valikkursus „Füüsika ja tehnika“ 

11.1. Õppe- ja kasvatuseesmärgid

Valikkursusega taotletakse, et kursuse läbinud õpilane omandaks:
1)  oma tõenäolises tulevases tehnilis-tehnoloogilises ametis kasulikke teadmisi;
2)  oskuse tuvastada füüsikalis-tehnilisi probleeme tavaelus;
3)  oskuse leida asjakohast ning usaldusväärset teavet meid ümbritsevas tehnoloogilises keskkonnas ilmnevate probleemide lahendamise kohta;
4)  loodusteadusliku meetodi, sh uurimusliku käsitlusviisi kasutamise ülalnimetatud probleemide lahendamisel;
5)  oskuse teha põhjendatud tehnilis-tehnoloogilisi otsuseid lihtsamates situatsioonides;
6)  loomingulise ja kriitilisel mõtlemisel baseeruva vaate tehnoloogilistele probleemidele;
7)  suulise ja kirjaliku tehnoloogilise kommunikatsiooni oskusi;
8)  loodusteaduslikke ja tehnoloogilisi teadmisi väärtustava hoiaku ning valmiduse elukestvaks õppeks;
9)  oskuse hinnata tehnoloogilisi riske ning prognoosida uute tehnoloogiliste lahenduste mõju keskkonnale.

11.2. Kursuse lühikirjeldus

Kursus on üles ehitatud õpilasele jõukohaste füüsikalis-tehnoloogiliste probleemide lahendamisele. Kursuse läbimisel suunatakse õpilast tegema konkreetse probleemiga seonduvaid põhjendatud ja kompetentseid otsuseid, arvestades probleemi loodusteaduslikke, tehnoloogilisi, majanduslikke, sotsiaalseid ja eetilisi dimensioone. Seejuures hoitakse tasakaalus varasemates, eelkõige füüsika, ent ka teiste loodusainete kohustuslikes kursustes omandatud teadmiste rakendamine uutes kontekstides ning uute tehnoloogiliste teadmiste ja oskuste omandamine lähtuvalt nüüdisaja kõrgtehnoloogia väljatöötluste füüsikalisest sisust.
Kursuse struktuur põhineb reeglina kolmeastmelisel mudelil: a) probleemi tuvastamine (nt teravikmikroskoopias ilmnev vajadus teha kontrollitavaid nanoskoopilisi manipulatsioone), b) probleeme lahendav ja sageli uurimuslikul käsitlusviisil põhinev uute teadmiste omandamine (piesoelektrikud ja nende omadused) ning c) sobiva tehnoloogilise lahenduseni jõudmine (piesoelektrilised andurid ja täiturid). Laialdaselt kasutatakse praktilisi töid, millega määratakse peamiselt uuritava materjali või tehnilise seadme omadusi, kuid need võivad anda ka uusi füüsikalisi teadmisi.
Kursuse õppesisu loetelus esitatakse 15 üsna kompaktset moodulit, igaüks mahuga 3–6 õppetundi. Nende hulgast valib õpetaja koostöös õpilastega enne selgitatud vajaduste või huvide põhjal kuni 8 moodulit. Moodulid on õppesisu loetelus esitatud nende käsitlemise soovitatavas järjestuses. Moodulite sisu uuendatakse pidevalt kooskõlas teaduse ja tehnoloogia arenguga ning teadmistepõhise ühiskonna vajadustega.
Kui kohustusliku kursuse ja valikkursuse õppesisus on samad teemad, lisandub kohustusliku kursuse kvalitatiivkäsitlusele valikkursuses kvantitatiivkäsitlus.

11.3. Kursuse õppesisu

1.  Aero- ja hüdrodünaamika. Keskkonna takistusjõud. Teised õhusõidukile mõjuvad jõud. Vedelike voolamine torudes. Inimese ja looma vereringe, diastoolne ja süstoolne vererõhk. Hüdroturbiin.
2.  Elastsuslained. Elastse deformatsiooni energia. Võnkumiste ja lainete energia. Võnkumiste liitumine. Võnkumiste spekter. Doppleri efekt helilainete korral. Helitugevus. Detsibell. Müra ja mürakaitse.
3.  Ebatavalised faasid ja faasisiirded. Gaaside veeldamine. Madalate temperatuuride saamine. Krüovedelikud ja krüogeenika. Allajahutatud ja ülekuumendatud vedelikud. Härmatumine (sublimatsioon), aine sulamistemperatuuri sõltuvus rõhust. Süsihappelumi ja teised mitte-H2O jääd. Lahused ja faasisiirded.
4.  Soojusmasinad ja energiamajandus. Termodünaamika I printsiibi ilmnemine isoprotsessides. Adiabaatiline protsess. Ideaalne soojusmasin. Soojusmasina kasutegur. Ringprotsess. Pööratavad ja mittepööratavad protsessid. Reaalsed soojusmasinad (auruturbiin, ottomootor, diiselmootor, stirlingmootor) ja nende kasutegurid. Energiaallikad, energia muundamine, transport ja salvestamine.
5.  Entroopia ja negentroopia. Entroopia mõiste käsitlused. Info, energia ja aine entroopiliselt seisukohalt. Maa ja Universumi entroopia ning negentroopia. Mittetasakaalulised protsessid. Rakendused: külmuti ja soojuspump.
6.  Kondensaator ja induktiivpool. Plaatkondensaatori mahtuvus. Kondensaatorite ehitus ja liigid. Laetud kondensaatori energia. Kondensaatorite kasutusnäited. Pika ja peenikese pooli induktiivsus. Vooluga induktiivpooli energia. Ülijuhtiva mähisega elektromagnetid ja nende kasutamine.
7.  Juhid ja dielektrikud. Dielektrikute polarisatsioon. Varjestamine. Aine dielektriline läbitavus. Piesoelektrikud ja ferroelektrikud. Rakendused: piesoelektrilised andurid ja täiturid, elektronkaal, kvartskell.
8.  Ainete magnetilised omadused. Aine magnetiline läbitavus. Dia- ja paramagneetikud. Kõvad ja pehmed ferromagneetikud. Ferromagneetiku domeenstruktuur ja hüsterees. Rakendused: elektromagnetid ja magnetiline infosalvestus.
9.  Elektrivool vedelikes ja gaasides. Elektrolüüs. Faraday I seadus elektrolüüsi kohta. Elektrolüüsi rakendusnäiteid. Sõltuv ja sõltumatu gaaslahendus. Kasutusnäited.
10.   Pooljuhtelektroonika. Juhi, pooljuhi ja mittejuhi erinevused tsooniteoorias. Pooljuhtide omajuhtivus ja selle rakendused: termotakisti, fototakisti, pooljuht-kiirgusdetektor. Pooljuhtide legeerimine. Elektronjuhtivus ja aukjuhtivus. pn-siire. Alaldi, fotodiood, valgusdiood, dioodmaatriks, CCD-maatriks, pooljuhtlaser. Päikesepaneelid. Bipolaar- ja väljatransistor. Kiip, selle kasutamine analoog- ja digitaallülitustes.
11.   Vahelduvvoolu kasutamine. Vahelduvvoolu iseloomustavad suurused. Elektriohutus. Kaitsemaandus. Kaitsmed. Aktiiv-, induktiiv- ja mahtuvustakistus vahelduvvooluahelas. Näivtakistus. Kogutakistus. Ohmi seadus vahelduvvooluahela kohta.
12.   Vahelduvvoolumasinad. Alalisvoolumootor ja -generaator. Trafo talitlus, trafode kasutamine. Vahelduvvoolugeneraator ja asünkroonmootor. Vahelduvvoolu võimsustegur. Kolmefaasiline vool. Elektrienergia tootmine, ülekanne ja jaotamine Eesti näitel.
13.   Elektromagnetvõnkumised ja -lained. Võnkering. Elektromagnetlainete tekitamine. Elektromagnetlainete skaala. Raadiolained ja nende levimine. Raadioside põhialused. Raadiolokatsioon ja GPS. Nüüdisaegsed sidevahendid.
14.   Optilised seadmed. Valguskiir. Valguse sirgjooneline levimine. Valguse täielik peegeldumine. Valgusjuhid ja nende kasutamine. Optilised süsteemid (objektiiv, teleskoop, mikroskoop), nende lahutusvõime. Polariseeritud valgus ja selle saamine. Rakendused: polaroidprillid ja vedelkristallekraan.
15.   Fotomeetria. Inimsilma valgustundlikkus. Valgustugevus ja valgusvoog. Valgustatus. Ruuminurk. Ühikud: kandela, luumen ja luks. Luksmeeter. Erinevate valgusallikate valgusviljakused.

11.4. Õpitulemused

Kursuse lõpul õpilane:
1)  oskab leida füüsikalis-tehnoloogilisi probleeme ja nende lahendusteid argielu situatsioonidest;
2)  analüüsib ja teeb põhjendatud otsuseid valitud füüsikalis-tehnoloogilisi näidisprobleeme lahendades;
3)  integreerib uued tehnoloogilised teadmised varem omandatud loodusteaduslike baasteadmistega ühtseks tervikuks;
4)  kirjeldab mingi füüsikalis-tehnoloogilist probleemi parajasti kasutuses olevat lahendust ning analüüsida selle eeliseid ja puudusi;
5)  analüüsib füüsikalis-tehnoloogiliste lahendustega kaasnevaid keskkonna- või personaalriske ja nende riskide minimeerimise võimalusi;
6)  mõistab füüsikaliste loodusteaduste ning vastavate tehnoloogiate olemust ja kohta ühiskonnas ning suhestatust kooli loodusteaduslike õppeainetega;
7)  on seesmiselt motiveeritud oma füüsikalis-tehnoloogiliste teadmiste elukestvaks täiendamiseks.

11.5. Õppetegevus

Kasutatakse järgmisi õppemeetodeid:
1)  konkreetses kontekstis vajaliku füüsikalis-tehnoloogilise info leidmine õppetekstidest ja veebist;
2)  teadmiste kinnistamine interaktiivsete õppevideote ja arvutisimulatsioonide abil;
3)  kas reaalsuses praktiliselt või katsevahendite puudumise korral virtuaalselt tehtavad uurimuslikud tööd eelkõige vaatlusaluse materjali või tehnilise seadme omaduste määramisel;
4)  rühmatöö füüsikalis-tehnoloogiliste probleemide leidmisel, analüüsimisel ja nendele lahenduste otsimisel;
5)  mingi tehnoloogilise lahenduse või selle alternatiivide olemust kirjeldava ning analüüsiva essee kirjutamine, esseede vastastikune hindamine;
6)  loovust arendavad tegevused: plakati koostamine, arvutipresentatsioonide koostamine, debatid ja rollimängud, ajurünnak;
7)  Cmapi meetodi kasutamine vaadeldava temaatika sisemiste olemuslike seoste teadvustamisel ja kinnistamisel;
8)  uuenduslike projektide kavandamine.

11.6. Füüsiline õpikeskkond

Praktiliste uurimuslike tööde tegemiseks on vaja uuritavaid materjalinäidiseid või tehnilisi seadmeid ning vajalikke mõõteriistu (üks komplekt iga nelja õpilase kohta, kes tüüpiliselt moodustavad rühma). Kui neid ei ole, peab õpilastel olema vähemasti võimalus kasutada veebi lülitatud ja vastava tarkvaraga varustatud arvuteid, et teha uurimuslikku tööd virtuaalselt. Arvuteid on samuti vaja, et otsida kursusega seonduvat infot veebist. Uuritav materjalinäidis või tehnoseade koos vajalike demomõõteriistadega peab reaalselt eksisteerima vähemalt ühes eksemplaris, millega õpetaja saab teha demo- ja osaluskatseid.
Kursuse efektiivsuse suurendamiseks on kindlasti vaja koolisisest loodusteaduslike ainete õpetajate koostööd ning täienduskoolitust. Kursuse eduka korraldamise võimaldamiseks koostatakse uued õppematerjalid.

11.7. Hindamine

Valikkursuste välishindamist ei toimu. Õppe tulemuslikkust koolisiseselt hinnates kasutatakse otseselt õpitulemustest lähtuvaid hindamismeetodeid (infootsingu hindamine, esseede või mõistekaartide hindamine jms).