4.1 Vuorovaikutuksia Jokainen kappale on aina vuorovaikutuksessa useiden muiden kappaleiden kanssa. Kahden kappaleen vuorovaikutus aiheuttaa

Transkriptio

1 2.1 Fysiikan suurejärjestelmä Suure on ilmiön, kappaleen tai aineen mitattavissa oleva ominaisuus. Vektorisuureella on suuruus ja suunta, esim. nopeus, voima. Skalaarisuureella on vain suuruus, esim. massa, aika. Suureita mitataan vertaamalla niitä sovittuun mittayksikköön. SI-järjestelmä Kansainvälinen mittajärjestelmä: Perussuureet, johdannaissuureet ja kerrannaisyksiköt Suureen yksikkö voidaan merkitä hakasulkeilla. Merkintä [m] = 1 kg tarkoittaa, että massan yksikkö on kilogramma. Likiarvoilla laskeminen Mittaustulokset ovat aina likiarvoja. Merkitsevät numerot kertovat lukuarvon tarkkuuden. Yleissääntö: Merkitseviä numeroita ovat kaikki muut paitsi kokonaisluvun loppunollat tai desimaaliluvun alkunollat 2.2 Mittaaminen Mittaustulos on yleensä aina likiarvo. Mittaustarkkuus kertoo mittauksen luotettavuuden. Mittausvirhe johtuu mittausvälineistä, mittaajasta, mitattavasta kohteesta tai mittausolosuhteista. Mittaustulos ja virhe Mitattu suure voidaan ilmoittaa muodossa x = x m ± Δx, jossa x m on mittaustulos (suureen kokeellinen arvo) ja Δx on virhe 3.1 Vauhti ja nopeus Vauhti: Liikkeen suuntaan ei kiinnitetä huomiota ja vain kuljetun matkan pituudella on merkitystä. Nopeus: Tiedettävä vauhti ja liikkeen suunta. 3.2 Kiihtyvyys Putoaminen Kappaleilla, joiden ilmanvastus on pieni, on massasta riippumatta sama kiihtyvyys, joka on likimain yhtä suuri kuin gravitaation aiheuttama putoamiskiihtyvyys g (laskuissa arvo g = 9,81 m/s 2 )

2 4.1 Vuorovaikutuksia Jokainen kappale on aina vuorovaikutuksessa useiden muiden kappaleiden kanssa. Kahden kappaleen vuorovaikutus aiheuttaa voimaparin. Voimat ja niiden vaikutus ilmentävät vuorovaikutuksen merkitystä. Vuorovaikutukset Kosketusvuorovaikutukset Kosketusvoimat (Kitka, ilman- ja vedenvastus sekä jousi-, jännitys- ja tukivoimat) Etävuorovaikutukset Etävoimat (Paino- eli gravitaatiovoima, sähköinen voima ja magneettinen voima) Vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaavat voimat esiintyvät aina pareittain ja vaikuttavat vuorovaikutustapahtuman eri osapuoliin. Jokaisella voimalla on aina toiseen osapuoleen vaikuttava vastavoima. Voima Voiman suuruus kuvaa vuorovaikutuksen voimakkuutta, mutta voimalla on myös suunta. Voima F on vektorisuure. Voiman yksikkö on 1 N (newton). Voiman ja vastavoiman laki Newtonin kolmas laki (N III) Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa vaikuttaa kaksi voimaa, voima ja vastavoima. Ne ovat yhtä suuria ja vastakkaissuuntaisia ja vaikuttavat eri kappaleisiin. Jatkavuuden laki Newtonin ensimmäinen laki (N I) Kappale, johon vaikuttava kokonaisvoima on nolla, on levossa tai jatkaa etenemistään suoraviivaisesti nopeuttaan muuttamatta. 4.2 Voima liikkeen muutoksen aiheuttajana Dynamiikan peruslaki (N II) Kappaleen saama kiihtyvyys on suoraan verrannollinen kappaleeseen vaikuttavaan kokonaisvoimaan ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan Kappaleen etenemisliikkeen liikeyhtälö F=ma Kappaleeseen kohdistuva nollasta poikkeava kokonaisvoima aiheuttaa kappaleen kiihtyvyyden. Newtonin II laki ilmaisee, että kappaleen liike eli nopeuden suuruus tai suunta tai molemmat muuttuvat, jos kappaleeseen kohdistuu ulkoinen kokonaisvoima. Jos kokonaisvoima on nolla, kiihtyvyys on nolla, jolloin kappale on levossa (paikallaan) tai tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä (N I). Tilannekuva Piirretään kappale, siihen vaikuttavat voimat ja tilanteeseen vaikuttava ympäristö. Vapaakappalekuva Kappale erotetaan ympäristöstään ja piirretään vain kappale ja siihen vaikuttavat voimat. Paino Kappaleeseen kohdistuva paino on Maan kappaleeseen kohdistama vetovoima. Dynamiikan peruslain mukaan kappaleeseen kohdistuvan painon suuruus on G = mg. Paino liittyy kappaleiden väliseen gravitaatiovuorovaikutukseen, ja sen suuruus riippuu kappaleiden massoista. Vapaa putoamisliike Jos paino on ainoa kappaleeseen vaikuttava voima, on kappaleen kiihtyvyyden suuruus Newtonin toisen lain mukaan Kappale putoaa tyhjiössä, kappaleeseen ei vaikuta ilmanvastus (kun ei ole ilmakehää) tai kappale on avaruudessa esim. avaruusalus ja sen sisällä olevat astronautit. Vuorovaikutus ja Newtonin toinen laki Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa massa ilmenee hitautena eli inertiana, joka kappaleen ominaisuutena vastustaa nopeuden muuttumista. Raskaan kappaleen liike muuttuu vähemmän kuin kevyen kappaleen. 5.1 Perusvuorovaikutukset Gravitaatiovuorovaikutus Gravitaatiolain mukaan gravitaatiovoiman suuruus riippuu kappaleiden massoista ja keskipisteiden välisestä etäisyydestä.

3 Gravitaatiovoima on aina kappaleiden välinen vetovoima. Sähkömagneettinen vuorovaikutus Sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheutuu kappaleiden sähkövarauksista ja kappaleiden magneettisista ominaisuuksista. Vahva vuorovaikutus Atomiytimet pysyvät koossa vahvan vuorovaikutuksen ansiosta. Vahva vuorovaikutus on protonin ja neutronin rakenneosasten eli kvarkkien välinen vuorovaikutus, jossa muodostuu ydinvoima, joka sitoo protonit ja neutronit toisiinsa ytimeksi. Heikko vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus tapahtuu atomin ytimessä olevien protonien ja neutronien sisällä (kvarkkien välillä). Se aiheuttaa protonien ja neutronien muuttumisen toisikseen. Tapahtuu beetahajoaminen 5.2 Makro- ja mikrokosmos Makrokosmos eli avaruus Mikrokosmos eli aineen rakenne, atomien ja ytimien sekä alkeishiukkasten sisärakenne Atomi ja ydin Atomin muodostavat ydin ja sitä kiertävät elektronit. Ytimen muodostavat nukleonit: protonit ja neutronit. Protonit ja neutronit muodostuvat kvarkeista. Kvarkkeja on kuusi erilaista. Perushiukkasia ovat kvarkit ja leptonit. Fysiikan standardimallin mukaan näkyvä aine koostuu perushiukkasista. Kvarkeista muodostuneen hiukkasen sähkövaraus on sen sisältämien kvarkkien varausten summa. Alkeisvaraus e (luonnonvakio) u kvarkki: varaus 2/3 e d kvarkki: varaus 1/3 e Protoni (uud) Kaksi u-kvarkkia ja yksi d-kvarkki 2 x 2/3 e + ( 1/3 e) = + 1e Neutroni (ddu) 5.3 Maailmankaikkeuden synty ja tulevaisuus Alkuräjähdysteoriaa tukevat havainnot 1. Maailmankaikkeuden laajeneminen Galaksit loittonevat kaikkiin suuntiin. Jatkuva kohteiden loittoneminen on havaittu punasiirtymän perusteella. 2. Kosminen taustasäteily ( vuotta alkuräjähdyksen jälkeen) Avaruuden täyttää tasaisesti hyvin heikkoenerginen taustasäteily. Sitä kutsutaan myös 3 K (kelvin) taustasäteilyksi. Säteilyn aallonpituus liikkuu mikroaaltoalueella, ja sen lämpötila alittaa 3 Kelviniä. Tämä säteily on vahvin todiste alkuräjähdysteorian puolesta. 3.Vedyn ja heliumin suhteellisten määrien muuttumattomuus Vedyn ja heliumin synnyttyä niiden massojen suhteeksi tuli 3:1. Vielä edelleenkin vedyn ja heliumin määrä maailmankaikkeudessa on arvioitu suhteeltaan samaksi; n. 25 % kaikesta aineesta on heliumia, ja n. 75 % vetyä. Tähdissä syntyneen aineen määrä on vain murto-osa näistä määristä. Tämä todistaa sen teorian puolesta, että alussa olisi ollut valtava tiheys ja lämpötila, joka mahdollisti kyseisten alkuaineiden synnyn. Kosmisen taustasäteilyn lämpötilakartta Kosmisen taustasäteilyn lämpötilakartta on ollut merkittävän arvokas universumin tutkimisessa. Sen monista yksityiskohdista on mm. päätelty universumin ikä, aineen ja energian jakautuminen atomaariseksi ja pimeäksi aineeksi sekä pimeäksi energiaksi. Se on myös vahvistanut teorioita alkuräjähdyksestä ja kosmisesta inflaatiosta. Kosmisen taustasäteilyn ominaisuuksia ovat tutkineet mm. COBE- ja WMAP-luotaimet ja viimeisimpänä Planck-luotain.

4 Pimeä aine Tavallisen atomeista koostuvan aineen lisäksi universumissa näyttää olevan arviolta n. 27% (Plancluotaimen aineistojen mukaan) näkymätöntä ainetta, jota kutsutaan pimeäksi aineeksi. On päätelty, että pimeä aine koostuu joistain tuntemattomista hiukkasista, sillä se vuorovaikuttaa atomiaineen kanssa hyvin poikkeuksellisella tavalla. Pimeän aineen koostumuksen tunteminen on yksi kosmologian tutkimuskohteista, sillä pimeän aineen aiheuttama gravitaatio eli painovoima vaikuttaa vahvasti universumin kehitykseen. Pimeä energia Maailmankaikkeuden laajentumisen kiihtymisen aiheuttaa tuntematon pimeä energia, jota tarvitaan noin 70% maailmankaikkeuden energiasta havaintojen selittämiseksi. Oletetaan, että pimeällä energialla on suuri negatiivinen paine, jonka hylkivä painovoimavaikutus kiihdyttää avaruuden laajenemista. 6.1 Energia fysiikan käsitteenä Energia ei lisäänny eikä vähene, eikä sitä voi luoda tai hävittää. Energian muuntaminen muodosta toiseen perustuu jonkin voiman tekemään työhön. Energian ja työn yksikkö on 1 J (joule). Energian luokittelu Vapaat energialajit Ovat välittömästi hyödynnettävissä esim. maalämpö, tuulienergia, auringon säteilyenergia Sidotut energialajit Pitää ensin vapauttaa käytettäväksi esim. kemiallinen energia (fossiiliset polttoaineet), potentiaalienergia (vesivoima, ydinvoima) Sidotun energian vapauttaminen tuottaa vapaata energiaa, esim. kappaleiden liike-energiaa 6.2 Aurinko energialähteenä Suora aurinkoenergia Auringon säteilyenergiaa käytetään suoraan sähkön ja lämmön tuotannossa Aurinkopaneelien kennot Aurinkolämpövoimalat Epäsuora aurinkoenergia Esim. liikkuvan veden ja tuulen energia, fossiilisten polttoaineiden energia, maalämpö, energiakasvit Auringon energian alkuperä Fuusio Auringon sisällä kevyiden atomien, esim. vedyn, ytimet yhdistyvät raskaammiksi ytimiksi Syntyneen ytimen massa on pienempi kuin alkuperäisten ytimien yhteenlaskettu massa Massa vapautuu säteilyn energiana Suhteellisuusteorian mukaan massaan sisältyy energiaa E=mc 2 m on energiaksi muuttuva massa ja c valon nopeus tyhjiössä Kasvihuoneilmiö Maapallon ilmakehä toimii kasvihuoneen tavoin päästäen sisään auringon lyhytaaltoisen säteilyn, mutta estäen tehokkaasti maanpinnan ja ilmakehän itsensä lähettämän pidempiaaltoisen lämpösäteilyn poistumisen. Kasvihuoneilmiö on välttämätön elämälle maapallolla. Jos kasvihuoneilmiötä ei esiintyisi, heijastuisi liian paljon lämpösäteilyä pois maapallolta ja keskilämpötilamme täällä olisi noin 33 astetta kylmempi kuin nyt, eli n. -18 o C. Maapallo kasvihuoneena Maan ilmakehän merkittävimpiä kasvihuonekaasuja Vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, otsoni ja typpioksiduuli Kasvihuoneilmiön voimistuminen Kasvihuonekaasujen määrän lisääntyminen Ilmakehän lämpötilan kohoaminen Säteilyn luokittelu Vaikutuksen mukaan Ionisoimaton Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudeltaan pisimpiä lajeja

5 Säteilyn energia on niin pieni, etteivät ne pysty ionisoimaan ainetta Ionisoiva Lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyä Säteilyllä on riittävästi energiaa, jotta se pystyy irrottamaan säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä Sähkömagneettinen säteily On aaltoliikettä, joka koostuu toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa värähtelevien sähköja magneettikentän etenemisestä. Etenee tyhjiössä valon nopeudella. Ei tarvitse väliainetta. 7.1 Ionisoimaton säteily Radioaallot, Mikroaallot, Infrapunasäteily, Näkyvä valo ja Ultraviolettisäteily (osin) 7.2 Ionisoiva säteily Sähkömagneettinen säteily Röntgensäteily ja Gammasäteily Hiukkassäteily Alfasäteily, Beetasäteily ja Neutronisäteily Radioaktiivisuus Atomiytimet voivat olla pysyviä tai radioaktiivisia. Radioaktiivisuus on peräisin atomiytimissä tapahtuvista muutoksista. Radioaktiivisten aineiden atomiytimet lähettävät ionisoivaa säteilyä. Luonnon taustasäteilyä saadaan maa- ja kallioperästä, kasveista jne. Isotoopit saman alkuaineen eri isotoopeilla on ytimissä eri määrä neutroneja. Aktiivisuus Radioaktiivisten aineiden hajoamisnopeus eli aktiivisuus ilmaisee, kuinka monta hajoamista tapahtuu aikayksikössä. Aktiivisuuden yksikkö 1 Bq (bequerel) tarkoittaa yhtä hajoamista sekunnissa Puoliintumisaika Puoliintumisaika on se aika, jonka kuluttua alkuperäisen aineen radioaktiivisista ytimistä on puolet jäljellä ja puolet on hajonnut muiksi aineiksi. Hiukkassäteily: alfasäteily Kun atomiydin lähettää alfahiukkasen atomin massaluku pienenee neljällä ja protoniluku kahdella. Syntynyt uusi ydin (tytärydin) on kaksi paikkaa jaksollisessa järjestelmässä ennen alkuperäistä ydintä (emoydintä). Hiukkassäteily: beetasäteily β -hajoamisessa ytimen neutroni muuttuu protoniksi ja ydin lähettää elektronin ja antineutriinon β+-hajoamisessa ytimen protoni muuttuu neutroniksi ja ydin lähettää positronin ja neutriinon Hiukkassäteily: neutronisäteily Neutronit ovat varauksettomia hiukkasia. Neutronisäteily ei ionisoi atomeja, mutta sen seurauksena syntyy ilmiöitä, jotka tuottavat ionisoivaa säteilyä. Neutroni on ytimen ulkopuolella radioaktiivinen (hajoamisaika noin 15 minuuttia). Neutroni (udd) hajoaa protoniksi (uud), elektroniksi ja antineutriinoksi. Jos neutroni jää toisen atomin ytimeen, syntyy aineen uusi isotooppi, jonka ytimen muutokset lähettävät ionisoivaa gammasäteilyä. Efektiivinen annos kuvaa säteilyn vaikutusta ihmiseen. Ilmaisee säteilyn aiheuttaman terveydellisen kokonaishaitan. yksikkö on 1 Sv (sievert). Ionisoivan säteilyn hyötykäyttö terveydenhuollossa Tutkimukset Läpivalaisu, Isotooppitutkimukset ja PET-kuvaus eli positroniemissiotomografia Hoidot Sädehoito ja Isotooppihoidot