Luenntoisijan palaute

Kurssin yleisarvosanaksi kaksi kolmasosaa teistä antoi nelosen, keskiarvon ollessa 4.0. Samalla linjalla oltiin opetuksen toteutuksen kanssa (keskiarvo 3.9; tässä oli varmastikin vähän covid-bonusta mukana). Omasta opiskelupanoksestaan puolet teistä antoi itselleen nelosen (Tyytyväinen? 4 = Jonkin verran samaa mieltä) toisen puoliskon jakaessa arvionsa suunnilleen tasaisesti 2, 3 ja 5 välillä. 60% teistä piti kurssin työmäärää sopivana saatuun opintopistemäärään nähden. Valtaosa teistä piti kurssin sisältöä hyödyllisenä tulevaa ajatellen (4: 35%, 5: 53%). 

Sanallisessa palautteessa oppimisen kannalta hyviksi tekijöiksi mainittiin esitehtävät, laskuharjoitukset, pienryhmät ja luennot - kaikki suunnilleen tasavertaisesti. Ja luonnollisesti harjoitusassistentit saivat runsaasti kiitosta. Oppimisen kannalta hankaloittavista tekijöistä nousi yksi selvästi ylitse muiden: pienryhmäharjoitukset. Tehtävien tekeminen Zoomissa ja muiden ryhmän jäsenten passiivisuus koettiin hankaliksi. Eikä joidenkin mielestä tehtävistä oikein oppinut mitään.

Näillä näkymin opetusta tullaan syksyllä jatkamaan etämuodossa, joskin silloin teille toisen vuoden opiskelijoille pyritään järjestämään harjoituksia paikan päällä mahdollisimman paljon. Meillä opetuspuolella koetetaan miettiä taasen parannuksia etäopetukseen. Tämän osalta suuri kiitos teille kaikille sekä virallisen kurssipalautteen että kotitentin reflektioesseen palauttaneille.

Parista jutusta esseiden ja palautteen valossa voisin tässä mainita. Ensinnäkin, moni haluaisi enemmän laskuja luennoilla, helpompia/vaikeampi laskaritehtäviä ja muutenkin laskuesimerkkejä. Tämä on tietysti hyvä, koska oppimisen kannalta käsiteltyjen aiheiden soveltaminen on keskeisessä osassa. Mutta oppimisen kannalta on myös erittäin tärkeää omatoimisesti lukea kurssin aiheista, miettiä - siis ihan oikeasti ajan kanssa miettiä - esiteltyä fysiikkaa, ja mikäli asia ei aukea, miettiä esimerkiksi sellaisia pieniä kysymyksiä, joihin vastaamalla asia voisi aueta. Itse miellän tämän sellaiseksi kesämökin söpöksi pikku kivipoluksi, jossa kukin perä perään aseteltu kivi (= kysymys) johtaa lopulta vastalämmitettyyn rantasaunaan (= asian syvällisempään ymmärrykseen).

Tällaisessa meillä käytössä olevassa perinteisessä kurssimuotoisessa opetuksessa on nimittäin sellainen vaara, että opiskelijat oppivat laskemaan kovasti asioita, mutta eivät saavuta asioista syvempää ymmärrystä. Näin se oli minun aikana opiskelijana viime vuosituhannella, näin se on nytkin. Toki tulee pitää mielessä, että monen asian oivaltaa ajan kanssa, kun kysymykset hautuvat päässä. Ja toisaalta aiheet tulevat vastaan uudelleen muilla kursseilla. Esim. tässä meidän sähkömagnetismin tapauksessa tällä kurssilla käytiin läpi perusteita ja aiheita syvennetään sitten toisen vuoden klassisen kenttäteorian kurssilla.

Toinen asia, josta halusin vielä kirjoittaa lyhyesti on differentiaali- ja integraalilaskenta. Näiden hyödyllisyyttä ihmeteltiin ja ylistettiin. On pieni sääli, että tätä niin keskeistä asiaa ei päästä lukiossa käsittelemään. Loppujen lopuksi, Leonard Susskindin sanoin, differentiaaliyhtälöt ovat osa kaikkea fysiikkaa (miksi näin, voit katsoa/palauttaa mieleen videosta, jonka postaan vielä Yleistä keskustelua-palstalle). Tässä vaiheessa derivointi ja integrointi voivat vielä tuntua hieman hankalilta, mutta parissa vuodessa ne ovat teille ilmaa, jota hengitätte fysiikan parissa. Jos tämä nyt ei ole vielä selvää, satsatkaa tämän matematiikan osa-alueen ymmärrykseen ja tekniseen hallintaan.

Lopuksi sananen vielä itse sähkömagnetismista. Tällä kurssilla käsiteltiin A-tason kurssien tapaan moni lukiosta tuttuja aiheita, mutta paljon täsmällisemmin ja yleisemmin. Samalla myös uusia käsitteitä tuli vastaan. Kaiken tämän ja muunkin osalta pääsette sitten syventämään osaamistanne klassisen kenttäteorian kurssilla. Nyt meidän kurssiltamme nostaisin esiin kaksi tärkeää asiaa: sähköisten ja magneettisten ilmiöiden välisen syvällisemmän yhteyden sekä sähkömagneettisen kentän käsitteen.

Olette monesti kuullut, tälläkin kurssilla, että sähkö ja magnetismi ovat vähän kuin saman kolikon eri puolia. Ilmiöitä kuitenkin käsitellään perinteisesti aluksi erillisinä tapauksina (statiikka), josta sitten mennään dynaamisempaan kuvaan induktion kautta. Okei, sähkö- ja magneettikentät ovat jotenkin keskenään sidoksissa toisiinsa, kuten Maxwellin yhtälöt kauniisti näyttävät. Mutta onko tämän takana vielä jotain muuta? Kyllä on. Otetaanpa Lorentzin voima, jossa esiintyy hiukkasen nopeus. Mutta nopeus minkä suhteen? Jos liikumme hiukkasen mukana, silloinhan hiukkasen nopeus meidän suhteemme on nolla. Tästä päästään suhteellisuusperiaatteeseen, erääseen fysiikan kulmakivistä. Suhteellisuusperiaate, joka tunnettiin ainakin Newtonin aikaan ja varmaan kenties aikaisemmin jo Galileon aikanakin sanoo (nykyfysiikan kielellä), että fysiikan lait ovat samat kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa (ts. koordinaatistoissa, joissa Netwonin lait ovat voimassa). Aiemmin siirtymät eri intertiaalikoordinaatisojen välillä tehtiin nk. Galilei-muunnosten avulla, joissa olennaisena osana oli absoluuttinen aika ja yksinkertainen relaatio eri koordinaatistojen paikkakoordinaattien sekä koordinaatistojen välisen suhteellisen nopeuden välillä.

Valitettavasti Maxwellin yhtälöt eivät totelleetkaan Galilei-muunnoksia! Oli joko oletettava, että Maxwellin yhtälöt eivät olleet varsinaisia fysiikan lakeja tai että Galilei-muunnoksissa, jotka olivat siihen asti toimineet erinomaisesti, oli jotain vikaa. Tämä asia oli kovasti tapetilla 1800- ja 1900-lukujen taitteessa, mutta kaikkein selkeimmin ratkaisun esitti Albert Einstein suppean suhteellisuusteorian muodossa: Maxwellin yhtälöt olivat ok, valonnopeus (siis valon nopeus tyhjiössä) oli vakio kaikissa koordinaatistoissa ja Galilei-muunnoksissa oli vikaa. Mikä pahinta, absoluuttisen ajan käsite - siis että kaikille havaitsijoilla aika oli sama - sai mennä! Galilei-muunnosten sijaan muunnokset eri koordinaatistojen välillä tuli tehdä nk. Lorentz-muunnosten avulla.  Samalla sähkö- ja magneettikentät saavat suppean suhteellisuusteorian muotoilussa vieläkin intiimimmän suhteen: ne ovat osa niin sanottua sähkömagneettista kenttätensoria ja aidosti saman asian eri ilmenemismuotoja. Lopulta kaikki palautuu varauksiin ja niiden liikkeeseen toisiinsa nähden.

Mikäli tämä aihe kiinnostaa enemmän suosittelen kesälukemiseksi rannalle esim. Leonard Susskindin ja Art Friedmanin kirjaa Special Relativity and Classical Field Theory. Kirja on lupsakkaasta kirjoitustavastaan ja hieman populäärikirjamaisesta olemuksestaan huolimatta todella hyvä ja terävä johdatus nimensä aiheisiin, matemaattista käsittelyä unohtamatta. Siis juuri sopivaa lomaluettavaa teille tässä vaiheessa. Samaten jos innostusta löytyy, niin suosittelen todella lämpimästi kenttäteorian kurssin oppikirjaa (Griffiths).  


Lopuksi itse sähkömagneettinen kenttä. Kurssin aikana kehotin totuttelemaan ajatukseen, että sähkö- ja magneettikentät ovat ihan "aitoja" fysikaalisia otuksia. Joidenkin mukaan itse asiassa aidompia kuin hiukkaset, mutta jätetään tämä keskustelu sitten mahdolliselle kvanttikenttäteorian kurssille. Tästä saimme tällä kurssilla jo maistiaisen, kun tarkastelimme itse kenttään varastoitua energiaa. Viimeisellä luennolla sivusimme tosi nopeasti myös ajatusta, että energian lisäksi kentällä voi olla liikemäärää. Pienryhmäharjoituksessa ihmeteltiin magneettisten vuorovaikutuksen ja liikemäärän säilymättömyyden tapausta. Ratkaisu on, yllätys yllätys, kentässä itsessään. Jos otamme huomioon sekä hiukkasten että kentän liikemäärät, kokonaisliikemäärä säilyy. Samalla myöskään kahden hiukkasen välinen vuorovaikutus ei voi välittyä nopeammin kuin valonnopeudella ja jälleen kerran kenttään varastoituva energia ja liikemäärä takaavat kummankin suureen säilymisen kokonaisuudessaan.

Kyllä, sähkömagnetismilla ja fysiikalla on vielä monia, monia mahtavia yllätyksiä teille takataskussaan. Toivottavasti näemme vielä ensi vuonna statistisen fysiikan peruskurssilla!

Oikein hyvää kesää,
Emppu


Last modified: Friday, 21 May 2021, 3:02 PM