Fysiikan perusasioita 1 ov

Transkriptio

1 Fysiikan perusasioita 1 ov Fysiikka on tiede, joka tutkii elottomassa luonnossa tapahtuvia ilmiöitä pienimmästä tasosta -alkeishiukkasista - suurimpaan, koko universumiin. Fysiikka jakautuu tutkimuskohteittensa mukaan alueisiin, joiden tutkimusmenetelmät ovat keskenään hyvinkin erilaiset ja vaativat eri tasoista teknologiaa. Fysiikan keskeisiä, perinteisiä tutkimusalueita ovat mekaniikka, lämpöoppi, sähköoppi, valo-oppi ja äänioppi. Fysiikka käsittelee mm. - aineiden atomi- ja molekyylirakenteita - aineiden ja kappaleiden olomuotoa ja liikettä - aineiden ja kappaleiden sisältämää ja luovuttavaa energiaa Fysiikan tutkimusmenelmä on monenlaista mittaamista erilaisilla mittausvälineillä. Alkuaineet Aine Alkuaineella tarkoitetaan ainetta, jota ei voida hajottaa yksinkertaisemmiksi aineiksi yhdisteiden tapaan. Eikä niitä voi kemiallisin menetelmin muuttaa toisiksi aineiksi. Alkuaineen keskellä on ydin, joka koostuun protoneista (+ sähköinen) ja neutroneista (ei sähkövarausta). Ytimen ympärillä on elektroneja (- sähköinen). Helium-atomi. Ytimessä 2 protonia ja 2 neutronia. Ydintä kiertää 2 elekronia. He (heliumin kemiallinen merkki) Alkuräjähdyksen jäkeen syntyi ensin yleisin alkuaine, vety H, kaikkein kevein, kaasumainen aine. Sen normaalimuodon ytimessä on yksi protoni mutta ei neutronia. Vedyn kahdessa isotoopissa on joko yksi tai kaksi neutronia mutta vain yksi protoni. Kaikki kolme ovat vetyä, sillä protonien lukumäärä määrää, mistä alkuaineesta on kysymys.

2 Li Li Litiumissa on 3 protonia, 3 neutronia ja 3 elektronia. Litium on hyvin kevyt metalli, kelluu vedessä ja sitä käytetään akuissa. C Hiilen yksittäiset atomit voivat ryhmittäytyä monella tapaa toisiinsa nähden, kuten pehmeäksi grafiitiksi, joka on lyijykynässä tai timantiksi, kaikein kovimmaksi aineeksi tai sitten kaikkein kestävimmäksi aineeksi, hiilinanoputkeksi.. U Uraanin ytimessä on 92 protonia. U-238:ssa on 146 neutronia ja U-235:ssä 143 neutronia. Erilaisilla fysiikan ja kemian keinoilla saadaan tavallisesta U-238:sta erotetuksi U-235, josta voi tehdä atomipommin. Kumpikin uraani-isotooppi hajoaa ja muuttuu toisiksi alkuaineiksi, muun muassa. radioaktiiviseksi radon-kaasuksi. Aineen olomuodot eli faasit Aineilla on neljä olomuotoa: neste, kiinteä aine, kaasu ja plasma. (Plasma saadaan aikaiseksi hyvin korkeassa lämpötilassa) Aineen olomuodot riippuvat aineen lämpötilasta. Mitä lämpimämpää aine on sitä vilkkaammin sen atomit ja molekyylit liikahtelevat, ja mitä kylmempää aine on, sen vähemmän ne värähtelevät. Absoluuttisessa nollapisteessä eli nolla kelviniä eli - 273, 15 celsiusasteessa kaikki aineen atomien värähtely pysähtyy. Aineen lämpö ja siitä säteilevä lämpö (infrapunasäteily) ovat juuri aineen atomien ja molekyylien värinäliikettä. Nollaa celsiusastetta kylmemmässä vesi on kiinteää ainetta eli jäätä. Lämmetessään se sulaa vedeksi ja 100 asteessa se höyrystyy, toisin sanoen vesimolekyylit lentävät värinän takia hajalleen irti toisistaan.

3 Yhdisteet Alkuaineitä käytetään sellaisenaankin, mutta yleensä aineet ja kappaleet muodostuvat kahdesta ati useammasta alkuaineesta. Sellainen yhdiste on esimerkiksi teräs, joka sisältää rautaa ja esim. kromia. Aineiden tiheyksiä Oheisessa taulukossa on muutamien alkuaineiden tiheyksiä. Raskainta on osmium. Litran maitopurkin kokoinen osmium.harkko painaisi 22 kg 570g. Litra kultaa painaisi 19,3 kg, rautaa 7,87 kg, alumiinia 2,7 kg. Kuutiometri ilmaa (typen, hapen ym kaasuseos) painaa 1,28 kg, mutta kuutiometri vetyä painaisi vai 90 grammaa. Aineiden tiheyksestä riippuu kappaleiden massa, ja se vaikuttaa liikkuvan kappaleen liike-energian suuruuteen. Massan perusyksikkö on kilogramma, joka on tuhat grammaa. Massa -sanan asemesta käytetään usein sanaa paino. Tiheyden mittaaminen Punnitaan kappale ilmassa ja painoksi saadaan 35 grammaa. Sitten riiputetaan kappaletta jousivaa alla vedessä ja nyt sen painoksi saadaan 25g. Veden noste on keventänyt kappaletta 10 grammaa. Se tarkoittaa sitä, että kappaleen koko on sama kuin 10 gramman vesimäärä eli 10 millilitraa = 10 ml = 10 cm (10 kuutiosenttimetriä). Tiheys saadaan, kun 35g jaetaan 10:llä. Eli yksi kuutiosenttimetri kyseistä ainetta painaa 3,5g Eli aineen tiheys on 3,5. Taulukosta todetaan, että kyseinen kappale on timantti.

4 Epäsäännöllien kappaleen tilavuus. Epäsäännöllisen kappaleen (esim kivi yms) tilavavuus saadaan upottamalla kappale mittalasiin (vettä kevyempi kuten korkki on painettava veteen esim neulalla). Mittalasin asteikolta nähdään kappaleen syrjäyttämä vesimäärä millilitroina = kuutiosenttimetreinä. Mittaaminen Fysiikassa kaikki tieto perustuu havaintoihin ja mittauksiin. Keskeisiä fysiikan mittauksessa käytettäviä suureita ovat pituus, aika, massa ja lämpötila. Mittayksiköt Mittaamisessa käytetään kansainvälistä SI-mittayksikköjärjestelmää. (Joissakin maissa on arkipäiväiväisessä käytössä sellaisia mittoja kuin tuuma, jalka, jaardi, maili, naula lb g, unssi, oz g. SI-järjestelmän perussuureet

5 Mittareita ja mittoja Työntömitta eli mauseri Digitaalinen työntömitta Mikrometriruuvi eli mikrometritulkki tai yleisesti vain mikrometri Laser-etäisyysmittari, joka laskee myös pinta-alan ja tilavuunden Kosteusmittari

6 Sähkömittareita Amperimittari Volttimittari eli jännitemittari Yleismittari Sähkömittari Kaksoismetallilämpömittari Tasapainovaaka

7 Mekaniikka on fysiikan osa, jossa käsitellään kiinteiden kappaleiden, nesteiden ja kaasujen tasapainoehtoja ja liikkeiden lakeja. Mekaniikan I peruslaki ( jatkuvuuden laki eli Newtonin I laki) Kappale jatkaa suoraviivaista liikettä tasaisella nopeudella tai pysyy levossa, jos siihen ei vaikuta ulkoisia voimia tai jos ulkoisten voimien summa on nolla. Kun satamasta lähtenyt laiva on konevoimallaan kiihdytetty matkanopeuteen, on koneitten oltava vedenvastuksen takia oltava käynnissä, että nopeus pysyisi tasaisena. Sen sijaan avaruusalus pystyy pitämään ilman omaa tai ulkoista voimaa ilmattomassa ja painovoimattomassa tilassa tasaisen nopeutensa, eli kiihtyvyys (hidastuvuus) on nolla.

8 Mekaniikan II peruslaki (dynamiikan peruslaki eli Newtonin II laki) Kun voima vaikuttaa kappaleeseen, kappaleen kiihtyvyys on voiman suuntainen. Mitä suurempi on kappaleeseen kohdistuva voima ja mitä kevyempi kappale on, sitä suurempi on kappaleen kiihtyvyys. Esimerkkejä: kun kahteen erimassaiseen kappaleeseen vaikutetaan samalla voimalla, saa pienempimassainen kappale suuremman kiihtyvyyden (sen nopeus muuttuu enemmän). Kun kaksi erimassaista kappaletta törmää toisiinsa kohtisuoraan ja täysin kimmoisasti, on pienempimassainen kappale se, jonka liiketila muuttuu enemmän. Kokeilua Newtonin II laista Pienempi- ja isompimassainen pallo ovat päällekäin toisissaan kiinni ja pudotetaan vajaan metrin korkeudelta lattialle. Todetaan erityisesti pienemmän pallon liiketilan muutos.

9 Mekaniikan III peruslaki (voiman ja vastavoiman laki eli Newtonin III laki) Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B voimalla F, vaikuttaa kappale B kappaleeseen A yhtä suurella, mutta suunnaltaan vastakkaisella voimalla. Esimerkiksi lautanen aiheuttaa pöytään voiman johtuen Maan vetovoimasta, mutta myös pöytä aiheuttaa lautaseen yhtä suuren mutta vastakkaissuuntaisen voiman, tukivoiman. Lautanen siis pysyy paikallaan. On tärkeä huomata, että voima ja vastavoima vaikuttavat aina eri kappaleisiin. Kaikilla voimilla on vastavoimat. Maa vetää lautasta puoleensa ja lautanen vetää maata puoleensa. Voiman yksikkö on newton N

10 Voima ja kiihtyvyys ovat vektorisuureita. Niillä on siis sekä suuruus että suunta. Keskihakuisvoima Keskihakuisvoimasta käytetään myös nimitys keskipakoisvoima, koska esim. nopeasti pyörivässä karusellissa istuvat ihmiset kokevat painuvansa karusellin ulkokehää kohti. Tällöin harhaanjohtavasti ajatellaan voiman kohdistuvan ympyräliikkeen keskipisteestä poispäin. Mutta itse asiassa karusellissa istuva ihminen kokee voiman vaikutuksen siksi, koska karuselli kääntää henkilöä jatkuvasti tiettyyn suuntaan, ympyräradalle, ettei lentäisi suoraviivaisesti pois karusellista, kuten moukari moukarinheittäjän käsistä. Esimerkki pesukoneen linkoamisvoimasta (keskipakoisvoimasta): Pesurummussa olevan vaatteen massa = 300g = 0,3 kg Pesuruummun kehänopeus = 15 m/s Pesurummun säde = 20cm = 0,2 m Sijoittamalla arvot kuvassa olevaan kaavaan saadaan keskipakoisvoimaksi 337,5 N, mikä vastaa n. 33 kilogramman massaa.

11 Kitka Kitka eli liikevastus on kahden kiinteän kappaleen niiden toisiaan koskettavan pinnan välissä ilmenevä liikettä tai liikkeen alkamista vastustava voima. Kitka on ilmiö, jonka voittamiseksi kappaleen on tehtävä työtä. Tällöin kappaleeseen varastoitunutta energiaa muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten lämmöksi. Lepokitka on voima, joka vastustaa kappaleen liikkeelle lähtemistä. Liikekitka on voima, joka vastustaa kappaleen liikettä. Kitkan muodot ovat liukumiskitka ja vierimiskitka. Vierimiskitka on pienempi kuin liukumiskitka. Kitkakerroin on suhdeluku eri materiaalien keskinäisen kitkan vertailemiseksi. Kitkakokeita varten tarvittavat välineet; jousivaaka, vedettävät erimateriaalista tehdyt kappaleet, erilaisia pintoja, joita pitkin kappleita vedetään. Todetaan lepokitka ja liikekitka. Kitkarerroin saadaan jakamalla jousivaa an näyttämä kappaleen painolla. Tutkitaan, miten kappaleen painon ja hinausnopeuden lisääminen vaikuttaa kitkakertoimeen (pitäisi pysyä samana). Jarrutus ja kitka

12 Kitkaaitkaa koneessa. Voitelu vähentää kitkaa ja pienentää polttoaineen kulutusta. Kitkaa kengässä Liukkaalla tiellä voi kaatua selälleen, jos kengäkannassa ei ole tarpeeksi kitkaa.

13 Väliaineen vastus Väliaineen kappaleen liikettä vastustava voima kaasussa tai nesteessä (esim. ilmassa ja vedessä). Liikkuvan kappaleen (esim. auto, lentokone, laiva) täytyy työntää väliainetta pois tieltään. Väliaineen vastuksen suuruus riippuu kappaleen nopeudesta, koosta ja muodosta, sekä väliaineen tiheydestä ja sitkoisuudesta. Kappaleen muodon takia kappaleen taakse voi syntyä kappaleen liikettä vastustavia pyörteitä. Viskositeetti Viskositeetti ( nesteen paksuus, jäykkyys ) Jos neste vastustaa voimakkaasti kappaleen liikettä, sanotaan nesteen viskositeetin olevan suuri. Veden viskositeetti on 1. Kuvassa olevan aineen viskositeetti paljon suurempi kuin 1 Paine Ilmakehän paksuus on kymmeniä kilometrejä. Vaikka ilma on kevyttä, on ilmanpaine maanpinnalla yksi kilogramma neliösenttimetrillä 1 kg/cm Se merkintä on bar (baari) tai atm (atmosfääri). Normaali ilmanpaine on merenpinnalla 10 N/cm(= 1kgcm), korkealla se on vähemmän, Kuvassa huoltoaseman ilmanpainemittari. Autonrenkaitten paine on noin 2-4 ilmakehää eli 2-4 kg/cm.

14 Paine nesteessä Paineen leviäminen nesteessä Hydraulisessa puristimessa painetaan mäntää P alas, jolloin nesteeseen muodostunut paine työntää vuorostaan mäntää M ylös. Jos mäntä M on poikkipinta-alaltaan 100 kertaa suurempi kuin mäntä P, ja mäntää P painetaan 1 kg:n voimalla, nousee mäntä 100 kg:n voimalla. Sen sijaan, jos P liikkuu 10 cm alas, nousee M vain 1 mm:n ylös. Arkhimedeen laki Jos kappale upotettu nesteeseen tai kaasuun, kappaleeseen kohdistuu ylöspäin vaikuttava voima eli noste. Tämä voima (noste) on yhtä suur kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino. Areometri eli hydrometri on mittalaite, jota käytetään nesteiden ominaispainon määrittämiseen. Se on yleensä valmistettu lasista ja tasapainotettu pienillä hauleilla tai elohopealla. Joihinkin areometreihin kuuluu säiliö, johon nestettä laitetaan, ja varsinainen mittapää päästetään kellumaan siinä, jolloin se Arkhimedeen lain mukaisesti asettuu kellumaan nesteen tiheydestä riippuvalle syvyydelle.

15 Energia, työ ja teho Energia on systeemin kyky tehdä työtä. Työn yksikkö on joule (J) 1 joule = 100 gramman paino nostetaan 1 metrin korkeuteen. Energiaa voi siirtää ja varastoida, ja sitä on monenlaista: - liike-energiaa - potentiaalienenergiaa (esim. hyllylle nostettu esine, jolloin nostaminen on varastoitunut kappaleen putoamista varten. - kemiallista energiaa (esim. ruuti) - lämpöenergiaa - sähköenergiaa - säteilyenergiaa - ydinenergiaa Teho = tehty työ x siihen käytetty aika. Tehon yksikkö on watti (W) 1 watti = 100 gramman paino nostetaan 1 metrin korkeuteen sekunnissa. W = J/s Sähköteho mitataan kw:issa (kilowateissa). Se ilmaisee sähköenergiakulutuksen nopeutta. Sähkön kulutusta laskutetaan kilowattitunneista (kwh). Esim. 10 kpl 60 watin lamppua kuluttaa sähköä tunnin aikan 0,6 kwh:a. Yksi kwh maksaa n. 40 senttiä, joten kymmenen lampun sähkönkulutus tunnin ajalta maksaa 0,6 x 0,40 euroa = 2,40 euroa. Hevosvoima Hevosvoiman teholla pystyy nostamaan 75 kilogramman massan nopeudella 1 metri sekunnissa. Sähkötehona se on 736 W. Taulukon mopon moottori on teholtaan noin yksi hevosvoima ja auton 30 kw on 40 hv.

16 Hyötysuhde Energian täydellinen muuttaminen muodosta toiseen ei ole mahdollista: aina syntyy häviöitä. Esimerkiksi sähkömoottorissa syntyy lämpöä 30% ja tarvittavaksi liike-energiaksi muuttuu 70%, eli kuvan sähkömoottorin hyötysuhde on 70%. Uusimpien sähkömoottoreiden hyötysuhde on peräti 95%. Polttomoottori 35% Lihas 25% Henkilöauto 17% Hehkulamppu 7% Hyötysuhteita Lihasten kemiallisesta energiasta 25% muuttuu juostessa liike-energiaksi. Auton polttoaineen kemiallisesta energiasta muuttuu 17% liike-energiaksi. (Moottorin hyötysuhde on 35%, mutta vaihteiston, laakereiden, renkaiden, ilmanvastuksen, läämön, jopa äänen muodostumisen takia takia jää polttoaineen energiasta liike-energiaksi vain 17%). Yksinkertaisia koneita Vipu a = kuormanvarsi b = voimanvarsi F = voima G = kuorma Yksivartisen vivun a = 1 m, b = 3 m, G = 1000 N (100 kg). Tarvittava voima saadaan a / 3 x 1000 N = 333 N (33,3kg) Kaksivartisen vivun a = 1 m, b = 2 m, G = 1000 N (100 kg). Tarvittava voima saadaan a / 2 x 1000 N = 500 N (50 kg). laskemalla saatu voima riittää tasapainotilaan. Tarvitaan vähän lisää voimaa, että kuorma alkaa nousta.

17