Nimi: Fysiikka 9. luokan kurssi
Työselostusohjeet Työsuunnitelma Kerro, miten tutkimus tehdään. o Joskus ohje on annettu, toisinaan sinun täytyy kehitellä tutkimusjärjestely itse. Tee ennakkooletus eli hypoteesi. o Mikä on sinun oletuksesi siitä, mitä työssä tapahtuu? Listaa käyttämäsi välineet. Esittele työssä tutkittavan ilmiön teoriaa. o Esittele myös käyttämäsi laskukaavat, jos niitä on. Tutkimus Suorita työ kirjoittamiesi ohjeiden mukaan. Kirjaa muistiin havainnot ja mittaustulokset. o Käytä taulukoita ja kuvia, mikäli mahdollista. Silloin esitys on selkeämpi ja mukavampi lukea. Tulokset Esittele mahdolliset laskut, havainnot ja muut tulokset (esimerkiksi kuvaajat). o Laskuista riittää yksi esimerkki jokaisesta laskutyypistä. o Muista laskuissa laskukaava, sijoitetut arvot yksiköineen ja tulos yksiköineen. Johtopäätökset Pohdi mittausten luotettavuutta o Mikä aiheutti virhettä Toteutuiko ennakkooletuksesi? o Oliko tulos teorian mukainen? o Vertaa tulosta teoreettisiin arvoihin, jos sellaisia löytyy. Mitä koejärjestelyssä voisi parantaa tai kehittää? Miten työ meni?
Kurssilla käytettävät suureet ja kaavat: Täydennä sivua kurssin edetessä: Suure Kirjaintunnus Yksikkö Yksikön lyhenne Jännite Sähkövirta Resistanssi Aika Sähköteho Sähköenergia Aktiivisuus Puoliintumisaika Säteilyannos Tähän voit koota kurssilla käytettävät laskukaavat:
Kappale 1: Magnetismi Tutkimustehtävä: Tutki magneettisuutta erilaisilla välineillä. Voit tehdä tutkimuksia oppikirjan esimerkkien mukaan tai keksiä niitä itse. Raportoi jokin tutkimus tälle sivulle. Kerro mitä teit ja pyri selittämään kyseessä oleva ilmiö käyttäen oikeita fysiikan termejä. Käytä mallikuvaa.
1. Magneettinen vuorovaikutus 2. Sähköinen vuorovaikutus 1. Minkälaiset kappaleet voivat magnetoitua? 1. Minkälaiset kappaleet sähköistyvät helposti? 2. Onko magneetissa aina sekä N että S napa? 2. Onko sähköistyneessä kappaleessa aina sekä + että napa? 3. Miten samanmerkkiset navat vaikuttavat toisiinsa? 4. Miten erimerkkiset navat vaikuttavat toisiinsa? 3. Miten samanmerkkiset navat vaikuttavat toisiinsa? 4. Miten erimerkkiset navat vaikuttavat toisiinsa? 5. Miten kappale magnetoituu? 5. Miten kappale varautuu a. negatiivisesti? 6. Piirrä kuva rautakappaleesta (joka ei ole kestomagneetti). Piirrä kuvaan näkyviin alkeismagneetit. b. positiivisesti? 6. Polarisaatio on erikoistapaus sähköistymisesti. Siinä sähköisesti varautunut kappale vetää puoleensa kappaletta, jolla ei ole lainkaan sähkövarausta. Piirrä kuvasarja, joka selittää, miten tämä on mahdollista. 7. Piirrä kuva kestomagneetista. Piirrä kuvaan näkyviin alkeismagneetit.
Kappale 3 (ja vähän myös 4): Jännite ja sähkövirta & virtapiiri Lämmittelytehtävät (yhdessä): 1. Mitä on sähkövirta? 2. Mikä on sähkövirran yksikkö? 3. Mikä on jännite? 4. Mikä on jännitteen yksikkö? 5. Mikä saa aikaan sähkövirran? Tutustu kappaleisiin 3 ja 4 ja tee sen jälkeen seuraavat tehtävät: Mittaustehtävät: 1. Mikä on jännitelähteen (esimerkiksi akku tai paristo) merkki kytkentäkaaviossa? 2. Jännitemittarilla mitataan esimerkiksi virtalähteen jännitettä. Mikä on jännitemittarin merkki kytkentäkaaviossa? 3. Mittaa jännitemittarilla pariston jännite seuraavan kytkentäkaavion mukaan: sv Jännite: U = V 4. Mittaa jännitemittarilla kahden sarjaan kytketyn pariston jännite: sv Jännite: U = V
5. Mittaa jännitemittarilla kahden rinnan kytketyn pariston jännite. sv U = V 6. Miten paristojen sarjankytkentä vaikuttaa kokonaisjännitteeseen? 7. Miten paristojen rinnankytkentä vaikuttaa kokonaisjännitteeseen? 8. Mikä on virtamittarin merkki kytkentäkaaviossa? 9. Mikä on lampun merkki kytkentäkaaviossa? 10. Tee kuvan mukainen kytkentä ja mittaa virtapiirissä kulkevan sähkövirran suuruus? (Yhden pariston jännite oli V) sa Sähkövirta: I = A 11. Kytke kaksi paristoa sarjaan alla olevan kuvan mukaisesti (olet aiemmin mitannut niiden tuottaman kokonaisjännitteen, joka on V) ja mittaa sähkövirran suuruus. A Sähkövirta: I = A 12. Miten jännitteen lisääntyminen vaikuttaa sähkövirran suuruuteen? 13. Miten jännitteen lisääntyminen vaikuttaa lampun kirkkauteen?
Yhteenvetotehtävät: Äskeisissä tehtävissä opittiin käsitteen sarjankytkentä ja rinnankytkentä. SARJANKYTKENTÄ Sarjankytkennässä laitteet ovat ikään kuin piirissä, käsi kädessä. 1. Piirrä kytkentäkaavio, jossa kolme jännitelähdettä on kytketty sarjaan. 2. Yhden jännitelähteen jännite on 1 V. Mikä on tällöin kolmen sarjaan kytketyn jännitelähteen kokonaisjännite? 3. Mitä hyötyä on jännitelähteiden sarjankytkennästä? HUOM! Virtamittari kytketään aina mitattavan laitteen kanssa sarjaan, sillä sähkövirran täytyy kulkea sen läpi. Virtamittari mittaa käytännössä itsensä läpi kulkevan sähkövirran suuruuden. RINNANKYTKENTÄ Rinnankytkennässä laitteet ovat ikään kuin jonossa, kädet toisen olkapäillä. 4. Piirrä kytkentäkaavio, jossa kolme jännitelähdettä on kytketty rinnan. 5. Yhden jännitelähteen jännite on 1 V. Mikä on kolmen rinnan kytketyn jännitelähteen kokonaisjännite? 6. Mitä hyötyä on jännitelähteiden rinnankytkennästä?
HUOM! Jännitemittari kytketään aina mitattavan laitteen kanssa rinnan, sillä se vertaa kahden pisteen varauseroa. Jos sähkövirta kulkisi sen läpi, ei jännitettä käytännössä olisi lainkaan. Kappaleen 3 lisätehtävä. 1. Tee jokin monimutkaisempi kytkentä, jossa on ainakin paristoja ja lamppuja ja piirrä siitä kytkentäkaavio. 2. Mittaa sähkövirta ja jännite vähintään yhdestä paikasta kytkentääsi. Lisää kytkentäkaavioon virtamittari ja jännitemittari ja kirjaa ylös mittaamasi sähkövirran ja jännitteen arvot.
5. Resistanssi ja Ohmin laki Kaikki aineet vastustavat sähkövirran kulkua. Resistanssi tarkoittaa johtimen tai laitteen virranvastustuskykyä. Ohmin laki: R = U I o o o,missä U tarkoittaa jännitettä, yksikkö V (voltti) R tarkoittaa resistanssia, yksikkö (ohmi, lausutaan oomi ) I tarkoittaa sähkövirtaa, yksikkö A (ampeeri) Mikä on lampun resistanssi kun 4,5 V paristoon kytketyn lampun lä pi kulkee 0,01 ampeerin sä hkö virta? U R I U = 4,5 V I = 0,01 A R =? R = U / I = 4,5 V / 0,01 A = 450 Ω 1. Laske sähkölaitteen resistanssi, kun a. jännite on 45 V ja sähkövirta 1,1 A. b. jännite on 20 V ja sähkövirta 0,5 A c. Laite on kytketty verkkovirtaan ja sen läpi kulkee 4,0 A sähkövirta. 2. Hiustenkuivaajan resistanssi on 75 ja sen läpi kulkee 3,1 A virta. Laske hiustenkuivaajan käyttöjännite? 3. Vastuksen resistanssi on 20 ja sen on kytketty 12 V jännitteeseen. Laske vastuksen läpi kulkeva sähkövirta?
Resistanssitutkimus Kaikki aineet ja sähkölaitteet vastustavat sähkövirran kulkua. Tämän ominaisuuden nimi on resistanssi ja se tarkoittaa sähkövirran vastustuskykyä. Metallilangan resistanssi riippuu sen pituudesta, paksuudesta, materiaalista ja jossain määrin myös lämpötilasta. Työohje Rakenna tutkimusta varten kuvan mukainen kytkentä. Rakenna säätövastus pingottamalla kahden eristepylvään väliin 50 cm pituinen ja 0,2 mm paksuinen krominikkelilanka. Kytke toinen johdin suoraan eristepylvääseen. Tartu krominikkelilankaan toisella johtimella, jonka päässä on hauenleuka. Näin voit säätää käytössä olevan krominikkelilangan pituutta. Tutkimuskysymykset Miten virtapiirissä olevan krominikkelilangan pituus vaikuttaa lampun kirkkauteen? Miten virtapiirissä olevan krominikkelilangan pituus vaikuttaa sähkövirran suuruuteen? Taulukoi tulokset ja piirrä matka/sähkövirta kuvaaja, josta tämä käy ilmi. Laske lampun resistanssi. Näytön paikka Laske mikä on krominikkelilangan resistanssi senttimetriä kohden.
6. Sähkömagneettinen induktio Sähkövirta luo ympärilleen magneettikentän Johtimen ympärille muodostuu ympyränmuotoinen magneettikenttä. Magneettikenttää voidaan vahvistaa kiertämällä johdin käämiksi. o Käämissä on vierekkäin ja päällekkäin monta kierrosta sähköjohdinta. Muuttuva magneettikenttä synnyttää johtimeen sähkövirran. Generaattori muuttaa liikeenergian sähköksi. Sähkömoottori muuttaa sähkön liikeenergiaksi. 1. Miten voit valmistaa sähkömagneetin? Piirrä mallikuva. (oppitunti) 2. Piirrä kuvasarja sähkömagneettisesta induktiosta. (oppitunti) 3. Mikä on generaattori? 4. Mikä on sähkömoottori? 5. Mitä tarkoittaa vaihtovirta? 6. Mitä tarkoittaa, jos verkkojännitteen taajuus on 50 Hz?
7. Sähkön tuotanto ja käyttö 1. Piirrä mallikuva jossa sähkö tuotetaan turvetta polttamalla Keljonlahden voimalassa ja Kilpisen koulun oppilas lämmittää tuolla sähköllä kotonaan vettä vedenkeittimellä. (oppitunti) 2. Miksi sähkön siirrossa käytetään korkeita jännitteitä? 3. Millä laiteella jännitteen suuruutta voidaan muuttaa? 4. Selitä miten kyseinen laite toimii. (oppitunti)
5. Muuntajan jännitteet ensiö ja toisiopuolella ovat suoraan verrannollisia käämin kierroslukujen kanssa. Mitä suurempi kierrosluku, sen suurempi jännite. Tämän voi sanoa kaavan avulla seuraavasti: N 1 N 2 = U 1 U 2, eli kierrosluvut ja jännitteet ovat suoraan verrannollisia. Muuntajan sähkövirrat ensiö ja toisiopuolella ovat kääntäen verrannollisia käämin kierroslukujen kanssa. Mitä suurempi kierrosluku, sen pienempi jännite. Tämän voi sanoa kaavan avulla seuraavasti: N 1 N 2 = I 2 I 1, eli kierrosluvut ja sähkövirrat ovat kääntäen verrannollisia. Täydennä taulukko. N1 N2 U1 U2 I1 I2 30 60 10 20 10 5 10 20 20 20 10 20 30 30 10 5 20 20 10 5 30 30 OHJE: Kierrosten määrä on toisiopuolella kaksinkertainen ensiöpuoleen verrattuna. Tällöin myös jännite on toisiopuolella kaksinkertainen. 10 40 100 100 100 200 20 20 10 100 50 50 Virta sen sijaan on ensiöpuolella kaksinkertainen, eli toisiopuolella puolet
8. Sähköteho ja energia Sähköteho riippuu jännitteestä ja sähkövirran voimakkuudesta. o Mitä suurempi jännite ja voimakkaampi sähkövirta, sen suurempi on laitteen teho. Sähkölaitteen kuluttama energia riippuu laitteen tehosta ja käyttöajasta. o Mitä suurempi teho ja käyttöaika, sen enemmän energiaa laite kuluttaa. o Tehon yksikkö on watti (1W). o Energian yksikkö on joule (1J). P = UI ja E = Pt Sähköä ostettaessa ei käytetä joulea, vaan kilowattituntia (1 kwh). o 1 kwh = 1000 W 3600 s = 3 600 000 J (sillä 1 kw = 1000 W ja tunti on 3600 s) o Yksi kilowattitunti maksaa tällä hetkellä noin 14 senttiä. 1. Sähkösaunan teho on 9 kw. Saunaa lämmitetään tunti ja sen jälkeen saunotaan vielä kaksi tuntia. Laske saunomiseen käytetyn sähkön hinta, kun oletetaan, että kiuas on koko saunomisen ajan päällä. (oppitunnilla) 2. Hiomakone toimii 1,6 ampeerin virralla ollessaan kytkettynä 230 voltin jännitteeseen. Mikä on koneen teho? 3. 120 watin stereoita kuunnellaan 1 tunti. Laske stereoiden kuluttama energia jouleina ja kilowattitunteina. 4. Edellisen tehtävän stereoita kuunnellaan 24 tuntia. Laske kuinka paljon niiden käyttämä sähkö maksaa? 5. Sa hko uunin teho on 2000 W. Laske voidaanko uunia ka yttaä huoneistossa, jossa 6 A:n sulake. Uuni on kytketty 400 V:n ja nnitteeseen.
Vedenkeitin Rakenna kuvan mukainen kytkentä, jossa on säädettävä jännitelähde, virtamittari ja jännitemittari. R on vastuksen merkki ja se tarkoittaa tässä työssä vedenlämmitintä, jonka rakennat ja hienosäädät itse. Yritä tehdä lämmittimestäsi mahdollisimman toimiva, vaikka pystytkin suorittamaan tutkimuksen melko vaatimattomasti toimivalla lämmittimellä. Vedenkeittimen rakennus: Kierrä noin 1 m pituinen, 0,5 mm paksu vastuslanka usealle kierrokselle, esimerkiksi kynän ympärille. Katso, ettei lanka koske itseensä missään kohdassa. Tällöin suurin osa sähkövirrasta kulkee lyhintä reittiä. Osa vastuksesta jää käyttämättä eli on tehoton. Tilanteessa on myös oikosulun mahdollisuus. Aseta vastus keitinlasiin ja mittaa sinne mahdollisimman pieni määrä vettä (esim. 50 ml) siten, että vastus kuitenkin peittyy. Kytke johtimet hauenleuoilla vastuslangan molempiin päihin. Tason 6 työ Kuumenna vettä kytkemällä vastukseen sähkövirta. Katso jännitelähteestä sen antama maksimivirta, äläkä ylitä sitä. Ylittäminen saattaa katkaista laitteen sulakkeen tai vaihtoehtoisesti laite saattaa automaattisesti rajoittaa sähkövirtaa. Mittaa jännitteen ja sähkövirran arvot. Kirjaa muistiin lasissa olevan veden tilavuus. Lämmitä vettä sen aikaa, että se lämpenee selvästi. Mittaa lämmitysaika sekä veden alku ja loppulämpötila. Jos lopetat työsi tähän, kommentoi tekemäsi vedenkeittimen toimivuutta. Tason 8 työ Edellisen tason tehtävän lisäksi laske, kuinka suuri on lämmittimen teho. Laske myös, kuinka paljon energiaa veden lämmitykseen kului. Mieti ja perustele, kuinka kauan kestäisi lämmittää kupillinen teetä kiehuvaksi laitteellasi? Jos haluat panostaa tähän osuuteen, perustele lämmitysaika kuvaajan avulla.
Tason 10 työ Jatka edellisen tason tehtävän jälkeen seuraavaan ongelmaan: Aineen lämmittämiseen tarvitaan energiaa. Tämä energia voidaan laskea kaavalla E = cm ΔT, missä E on energia [J] c on kullekin aineelle ominainen ominaislämpökapasiteetti [J/(⁰C kg)] m on aineen massa [kg] ΔT tarkoittaa lämpötilan muutosta [⁰C] Laske veden lämmittämiseen kulunut energia tämän kaavan avulla. Veden ominaislämpökapasiteetin löydät esimerkiksi netistä. Vertaa tulosta lämmittimesi käyttämään energiamäärään ja laske sen hyötysuhde? Miten hyötysuhdetta voisi parantaa?
(5. ja 8.) Sähköopin laskuja kertaustehtävät 1. Sähköhiomakone toimii 1,6 ampeerin virralla ollessaan kytkettynä 230 voltin jännitteeseen. Mikä on koneen teho? 2. Mikä on taskulaskimen käyttöjännite, kun sen teho on 0,030 W ja sähkövirta 0,020 A? 3. Verkkovirralla toimivan kahvinkeittimen teho on 880 wattia. Mikä on keittimen ottama virta? 4. 120 watin stereoita kuunnellaan 10 tuntia. Laske stereoiden kuluttama energia kilowattitunteina. 5. Kahvinkeitin, jonka teho on 1520 W keittää pannullisen kahvia 3,5 minuutissa. Laske tarvittavan energian määrä jouleina. 6. 600 W työmaavalaisin unohtui palamaan yöksi (8 tuntia). (a) Kuinka paljon valaisin kulutti sähköä? Ilmoita tulos kilowattitunteina (b) Kuinka paljon unohdus maksoi kun 1 kwh maksaa 13 senttiä?
9. Sähkömagneettinen aaltoliike Sähkömagneettisen säteilyn lajeja on seitsemän ja ne on listattu tässä alla. Kerro jokaisesta säteilylajista muutama asia, esimerkiksi mitä hyötyä/haittaa säteilylajista on, minkälaista se on tai missä sitä käytetään. Keksi jotain jokaiseen ranskalaiseen viivaan. Gammasäteily Röntgensäteily UVsäteily Näkyvä valo Infrapunasäteily Mikroaallot Radioaallot
10. Radioaktiivisuus 1. Kaikki aine koostuu atomeista. Merkitse alla olevaan kuvaan atomin osat: 2. Mitä kertoo atomin järjestysluku? 3. Mitä kertoo atomin massaluku? 35 4. Mitä tarkoittaa merkintä 17Cl 5. Piirrä atomi: H 12. Mikä on sen nimi? 6. Piirrä atomi: H 13. Mikä on sen nimi? 7. Mitä tarkoittaa isotooppi? 8. Mitä on alfasäteily? 9. Miten alfasäteilyn voi pysäyttää?
10. Mitä on beetasäteily? 11. Miten beetasäteilyn voi pysäyttää? 12. Mitä on gammasäteily? 13. Miten gammasäteilyn voi pysäyttää? 14. Mitä tarkoittaa että atomi on radioaktiivinen? 15. Miksi aine hajoaa radioaktiivisesti? 16. Mitä tarkoittaa ionisoiva säteily? 17. Mitkä säteilylajit ovat ionisoivia? 18. Mitä haittaa on ionisoivasta säteilystä, jos sitä saa kerralla suuren määrän? (oppitunti) 19. Mitä haittaa on pitkäaikaisesta altistumisesta ionisoivalle säteilylle? (oppitunti)
11. Säteilyn ominaisuuksia 1. Selitä seuraavat käsitteet: Aktiivisuus Puoliintumisaika Säteilyannos 2. Mistä suomalainen saa ionisoivaa säteilyä? 3. Aineen aktiivisuus on 500 Bq. Mitä se tarkoittaa? 4. Radioaktiivisen aineen aktiivisuus on 400 Bq ja puoliintumisaika 2 tuntia. Aine hajoaa radioaktiivisesti toiseksi aineeksi, joka ei ole radioaktiivista. Mikä on aineen aktiivisuus a. 2 tunnin kuluttua? b. 4 tunnin kuluttua? c. 8 tunnin kuluttua?
12. Ydinreaktiot 1. Piirrä mallikuva uraanin fissiosta. Sinun ei tarvitse piirtää kaikkia nukleoneja (eli protoneja ja neutroneja) näkyviin. Mitä aineita tässä syntyy? Mahdollisuuksia on monia, mutta kerro jokin esimerkki. 2. Piirrä mallikuva deuteriumin ja tritiumin fuusiosta. Piirrä kaikki nukleonit näkyviin. Mitä ainetta syntyy? 3. Miten ydinreaktioihin liittyy kaava E = mc 2? 4. Laske paljonko energiaa voisi saada yhdestä taululiidusta, jos se pystyttäisiin muuttamaan energiaksi? (oppitunti) 5. Jos sähkön hinta on 14 snt/kwh, kuinka paljon rahaa saisi tuon energiamäärän myymisestä? (oppitunti)
Vastauksia laskutehtäviin: 5. Resistanssi ja Ohmin laki 1. a) 40,9 Ω 41 Ω b) 40 Ω c) 57,5 Ω 56 Ω 2. 232,5 V 230 V 3. 0,6 A 7. Sähkön tuotanto ja käyttö N1 N2 U1 U2 I1 I2 30 60 10 20 10 5 10 20 20 40 20 10 10 20 30 60 30 15 10 5 20 10 20 40 10 5 30 15 30 60 10 40 25 100 400 100 100 200 10 20 40 20 10 100 50 500 50 5 8. Sähköteho ja energia 1. 3,80 2. 368 W 370 W 3. 432 000 J / 0,12 kwh 4. 40 senttiä 5. 5 A < 6 A, eli voidaan käyttää (5. ja 8.) Sähköopin laskuja kertaustehtävät 6. 368 W 370 W 7. 1,5 V 8. 3,8 A 9. 1,2 kwh (vinkki: 120 W = 0,12 kw) 10. 319 200 J 320 000 J 11. a) 4,8 kwh b) 62 senttiä