1. Fysiikka ja mittaaminen

Transkriptio

1 1. Fysiikka ja mittaaminen

2 1.1 Fysiikka ja muut luonnontieteet Ihminen on aina pyrkinyt selittämään havaitsemansa ilmiöt Kreikkalaiset filosofit pyrkivät selvittämään ilmiöt pelkästään ajattelemalla Aristoteles auktoriteettina keskiajalle asti Galileo Galilei ja Isaac Newton aloittivat kokeellisen tutkimuksen

3 Fysiikan tehtäväksi voidaan määritellä aineen ja säteilyn ominaisuuksien sekä niiden keskinäisten vuorovaikutuksien tutkiminen. Fysiikka tutkii kaikkien luonnonilmiöiden yhteisiä peruslakeja. Luonnontutkimuksen perustiede, jolle tekniikankin sovellukset pohjautuvat

4 Tietomäärän kasvaessa fysiikasta on erotettu muita tieteitä Tähtitiede (astronomia) Ilmatiede (meteorologia) Geologia Aerodynamiikka Lujuusoppi

5 Fysiikan jako Mekaniikka Termofysiikka Sähkö- ja magnetismioppi Aalto-oppi Kvanttifysiikka (atomi- ja ydinfysiikka) Klassinen fysiikka (1800-luvun lopulle) Moderni fysiikka (suhteellisuusteoria ja kvanttiteoria)

6 Fysikaalinen ajattelutapa Havaintojen tekeminen Järjestelmällisten kokeiden tekeminen (vain yhtä muuttujaa kerrallaan) Mallin laatiminen Mallin testaus Lopullinen teoria Eksaktitiede (voidaan esittää matemaattisesti)

7 1.2 Suure ja mittayksikköjärjestelmät Suure on ainemäärän, kappaleen tai tapahtuman mitattavissa tai määritettävissä (laskettavissa) oleva ominaisuus Suure = lukuarvo yksikkö Yksikkö on sovittu vertailuarvo

8 Suure- ja mittayksikköjärjestelmä Perussuureet Perusyksiköt Muut suureet ja yksiköt johdetaan edellisistä Johdannaissuureet Johdannaisyksiköt Kerrannaisia käyttämällä 10 n -kertojia

9 SI-järjestelmä Perussuureet ja -yksiköt Perussuure SI-Perusyksikkö Nimi Tunnus Nimi Tunnus pituus l metri m massa m kilogramma kg aika t sekunti s sähkövirta I ampeeri A termodynaaminen lämpötila T kelvin K ainemäärä n mooli mol valovoima I kandela cd

10 Johdannaisyksiköt Johdannaissuure SI-johdannaisyksikkö Nimi Tunnus Erityisnimi Tunnus Yksikön esitys tasokulma α, β, radiaani rad 1 rad = 1 m/m = 1 avaruuskulma Ω, ω steradiaani sr 1 sr = 1 m 2 /m 2 = 1 taajuus f, ν hertsi Hz 1 Hz = 1 s -1 voima F, G newton N 1 N = 1 kg m/s 2 paine p pascal Pa 1 Pa = 1 N/m 2 jännitys σ, τ energia, työ, lämpömäärä E, W, Q joule J 1 J = 1 N m teho, säteilyvirta P, Φ watti W 1 W = 1 J/s sähkövaraus, sähkömäärä Q coulombi C 1 C = 1 A s

11 Johdannaissuure SI-johdannaisyksikkö Nimi Tunnus Erityisnimi Tunnus Yksikön esitys sähköpotentiaali, potentiaaliero, jännite, sähkömotorinen voima V, ΔV, U, E voltti V 1 V = 1 W/A kapasitanssi C faradi F 1 F = 1 C/V resistanssi R ohmi Ω 1 Ω = 1 V/A konduktanssi G siemens S 1 S = 1 Ω -1 magneettivuo Φ weber Wb 1 Wb = 1 V s magneettivuon tiheys B tesla T 1 T = 1 Wb/m 2 induktanssi L henry H 1 H = 1 Wb/A celsiuslämpötila t, ϑ celsiusaste C 1 C = 1 K (lämpötilaerolle) valovirta Φ lumen lm 1 lm = 1 cd sr valaistusvoimakkuus E luksi lx 1 lx = 1 lm/m 2

12 Johdannaissuure SI-johdannaisyksikkö Nimi Tunnus Erityisnimi Tunnus Yksikön esitys aktiivisuus (radioaktiivisen näytteen) A becquerel Bq 1 Bq = 1 s -1 absorboitunut annos, kerma, absorptioannosindeksi D, K gray Gy 1 Gy = 1 J/kg ekvivalenttiannos, ekvivalenttiannosindeksi H sievert Sv 1 Sv = 1 J/kg

13 Muut yksiköt, joita voidaan käyttää Suure Yksikkö Nimi Tunnus Määritelmä aika minuutti min 1 min = 60 s tunti h 1 h = 60 min vuorokausi d 1 d = 24 h tasokulma aste 1 = (π/180) rad minuutti 1 = (1/60) sekunti 1 = (1/60) tilavuus litra l, L 1 L = 1 dm 3 massa tonni t 1 t = 10 3 kg

14 SI-yksiköt, jotka on saatu kokeellisesti Suure Yksikkö Nimi Tunnus Määritelmä energia elektronivoltti ev Elektronivoltti on se liikeenergia, jonka elektroni saa läpäistessään tyhjiössä voltin suuruisen potentiaalieron: 1 ev 1, J massa atomimassayksikkö u Atomimassayksikkö on 1/12 12 C-hiiliatomin massasta: 1 u 1, kg

15 Kerrannaisyksiköt Suuria tai pieniä lukuja käytettäessä Huom! Kilogrammassa on jo etuliite kilo Kerroin Etuliite Nimi Tunnus jotta Y tsetta Z eksa E peta P tera T 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo k 10 2 hehto h 10 1 deka da Kerroin Nimi Etuliite Tunnus 10-1 desi d 10-2 sentti c 10-3 milli m 10-6 mikro µ 10-9 nano n piko p femto f atto a tsepto z jokto y

16 Yksikkötarkastelu Yksikkötarkastelussa selvitetään suureiden yksiköiden perusteella onko yhtälö mahdollinen Tarkastetaan onko merkkien =, - ja + välisillä osilla sama yksikkö Esim. Tarkasta yksikkötarkastelulla onko suureyhtälö mahdollinen. teho = voima kiihtyvyys ( P = Fa )

17 Tarkista yksikkötarkastelulla ovatko yhtälöt mahdollisia pituus = nopeus aika ( l = vt ) teho = työ aika ( P = Wt ) energia = ½ massa nopeus² ( E = ½mv² )

18 Kirjoitus- ja käyttöohjeita Kerroin valitaan niin, että lukuarvo on välillä 0, Etuliite valitaan niin, että edellinen toteutuu 10 eksponentti yleensä 3 jaollinen Yksiköiden tunnukset pystykirjaimilla Suureet kursiivilla

19 Muunna eksponenttimuotoon ja etuliitteelliseen muotoon 0, m m m K 0, K 0,00174 Km kg 0, g

20 1.3 Merkitsevät numerot Luvun alussa olevat nollat eivät ole merkitseviä ,00045 Luvun lopussa olevat nollat ovat merkitseviä, jos niitä on desimaalipilkun jälkeen 5,3400 Kokonaisluvun lopussa olevien nollien merkitsevyys on epäselvää ,

21 Mikä on merkitsevien numeroiden määrä? 1,2304 0,0034 0, ,30 34,00

22 Lukujen katkaisu Jos ensimmäinen pois jätettävä numero on Pienempi kuin 5, niin ei tehdä korotusta Suurempi kuin 5 tai 5, jonka perässä on nollasta poikkeava desimaali, niin tehdään korotus 5, jonka perässä ei ole nollasta poikkeavaa desimaalia, niin pyöristetään lähimpään parilliseen numeroon

23 Katkaise luvut sadasosan tarkkuuteen 0,234 23,567 0,0080 5,505 9,055 0,00125

24 Kun kerrotaan tai jaetaan eri suureita keskenään, lopputuloksen merkitsevien numeroiden määrä on sama kuin sen suuren merkitsevien numeroiden määrä, missä niitä on vähiten. 3,25 m 0,0042 m = 0,01365 m 2 0,014 m 2

25 Yhteen- ja vähennyslaskussa tulos ilmaistaan niin monella desimaalilla kuin niitä on vähiten desimaaleja sisältävässä luvussa. 23,0 m + 0,253 m = 23,253 m 23,3 m

26 Laske ja ilmoita oikealla tarkkuudella 12 kg + 4,3 kg 24,34 s + 3,66 s 16,7 m 8,3 m 2,3 m/s 12,5 s 25,2 m 39,8 m (135 m) (4,50 s) (24,6 m²) (3,7 m)

27 Laskutehtävien suoritusohjeita Varaa riittävästi tilaa Kokoa annetut lähtötiedot suorituspaperiin ja muunna SI-yksiköiksi sekä kerrannaiset kymmenen potensseiksi Tunnista mistä aihealueesta on kyse Mieti tehtävän looginen ratkaisu Mieti onko voimassa jokin säilymislaki

28 Tee tarpeelliset piirrokset Tilannekuva vapaakappalekuva Johda riittävästi perustellen suureyhtälö, josta kysytty suure ratkaistaan Alleviivaa loppuyhtälö Laske sekä lukuarvoilla että yksiköillä Tarkista, että vastaus on fysikaalisesti mielekäs Lopputulos selkeästi ja oikeassa muodossa Tarkista, että olet vastannut kysymykseen

29 TIIVISTETTYNÄ Pyri selkeään ja systemaattiseen esitykseen. Harjoitustehtävien ratkaiseminen on hyvä keino insinöörimäisen ajattelutavan kehittämiseen. Samalla voit todeta omat tiedot ja taidot.