Fysiikka 1 Fysiikka 1, Fysiikka luonnontieteenä, Tammi (2009) MAOL-taulukot, Otava 1 Fysiikan kurssitarjonta • Pakollinen kurssi fysiikka luonnontieteenä (FY1) • Seitsemän valtakunnallista syventävää kurssia (FY2-FY8) – Lämpö – Aallot – Liikkeen lait – Pyöriminen ja gravitaatio – Sähkö – Sähkömagnetismi – Aine ja säteily • Kertauskurssi (FY9) • (Mahdollisesti ½ työkurssi FY10?) • Kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. eli 3+3+3 2 Miksi opiskella fysiikkaa? • Fysiikkaa tarvitaan niin arkielämän tilanteissa kuin maailmankaikkeuden rakennetta tutkittaessa. Fysiikan perusajatuksia voi soveltaa hyvin myös muissa tieteissä. • Fysiikka on kokeellisuuteen ja havaintoihin perustuva luonnontiede. Fysiikan opiskelu on mielenkiintoista ja älyllisesti haastavaa. Esimerkiksi mittaustekniikasta ja graafisesta esitystavasta on hyötyä myös muiden oppiaineiden opiskeluissa. • Fysiikan opiskelu antaa lukion jälkeen edellytykset moniin jatkoopiskelumahdollisuuksiin mm. tekniikan, luonnontieteiden, lääketieteen ja maatalous-metsätieteiden aloilla. Näiden opintojen kautta avautuvat ovet laaja-alaisesti erilaisiin ammatteihin kuten lääkärin, opettajan, meteorologin, insinöörin ja tutkijan ammatteihin. 3 4 Fysiikka luonnontieteenä • Tavoitteena antaa yleiskuva fysiikasta. • Toimii myös yleissivistävänä kurssina ja antaa pohjaa ymmärtämään luonnon perusasioita (esim. lehtiä lukiessa). • Toimii hyvänä pohjana fysiikan opintoja jatkaville. • Havainnot ratkaisevat mikä on totta ja mikä ei (approksimaatio)!!! • ”Maailmaa ei voi ymmärtää ilman matematiikkaa ” (E.V./2014) (musiikin kuvaileminen kuurolle?). 5 Arvioinnista: • Kurssikoe • Kotitehtävät ja tuntityöskentely vaikuttavat arvosanaan noin yhdellä numerolla. 6 Kotitehtävät: • Merkitse listaan vain ”kotitehtävät”, jotka merkitään taululle KTtunnuksella. • Merkitse listaan vain ne tehtävät, jotka olet tehnyt niin huolella, että olet valmis esittämään ne muille joko dokumenttikameralla tai tussitaululla. • Laita yksi tehtävä/ruutu. • Tarvittaessa lisää ruutuun a,b,…, jos olet tehnyt vain osan tehtävästä. • Poissaolo täytyy olla selvitetty heti seuraavalla kerralla, mikäli haluaa merkitä kotitehtäviä poissaolon ajalta! • Kotitehtävät säilytettävä ja pyydettäessä annettava opettajalle ennen kurssin arviointia. 7 1. Johdanto fysiikan maailmaan • Fysiikka on ainetta, energiaa ja perusluonteisia luonnonlakeja tutkiva kokeellinen tiede, joka auttaa ymmärtämään luonnonilmiöitä. • Lue kappale 1 ajatuksella. • Tee tehtävät 1-1, 1-2, 1-3 (ja 1-4, 1-5, 1-6) sivulta 18. 8 2. Kokeellisuus • • • • Suure on mitattava ominaisuus. SI-järjestelmä (MAOL s.64/66). Etuliitteet s.22 (MAOL s.65/67) (yleensä pilkun vasemmalle puolelle vähintään yksi nollasta poikkeava numero) • Yksikkö merkitään hakasulkeiden [ ] avulla. • Esim. [v]= m/s 9 Muunnoksia: mm mm2 mm3 cm cm2 cm3 dm dm2 dm3 m m2 m3 1l=1dm3 =0,001m3 (MAOL s.68/69) 10 Muunnoksia (Muuntokertoimia MAOL s.68-69/69-70) 10m/s=36 km/h 11 Likiarvoilla laskeminen (s.23) • Merkitseviä numeroita ovat kaikki luvut, paitsi – Pääsääntöisesti kokonaislukujen lopussa olevat nollat. – Desimaalilukujen alussa olevat nollat. 12 Likiarvoilla laskeminen (s.23) • Kerto- ja jakolaskuissa pyöristyksen määrää merkitsevien numeroiden lukumäärä Tällöin epätarkin lähtöarvo on se, jossa merkitseviä numeroita on vähiten. • Yhteen- ja vähennyslaskuissa pyöristyksen määrää desimaalien lukumäärä. Tällöin epätarkin lähtöarvo on se, jossa desimaaleja on vähiten. Yhteen- ja vähennyslaskuissa suureilla täytyy olla sama yksikkö. • Vastaus aina yksikköineen ja oikealla tarkkuudella! 13 2.2 Mittaaminen (s.29) • Mittaaminen on vertaamista, jossa selvitetään, kuinka monta kertaa yksikkö mahtuu mitattavaan suureeseen. • Mittaustulos yleensä aina likiarvo. • Mitattu suure voidaan ilmoittaa muodossa x = xm ± x, jossa xm on mittaustulos ja x on virhe.  Todellinen arvo on arvojen xm + x, ja xm - x välissä. 14 2.2 Mittaaminen (s.30) Keskivirhe: 1. Laske mittausten keskiarvo 2. Laske poikkeamat 3. Laske poikkeamien keskiarvo 4. Ilmoita vastaus t=12,256s ± 0,0948s ?? 15 2.3 Graafinen esitys s.32-33 (kulmakerroin s.34) Tiheys 𝜌 = ∆𝑚 ∆𝑉 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛 𝑚𝑢𝑢𝑡𝑜𝑠 = 𝑡𝑖𝑙𝑎𝑣𝑢𝑢𝑑𝑒𝑛 𝑚𝑢𝑢𝑡𝑜𝑠 (MAOL s.127/119) 16 2.3 Graafinen esitys (s.34) 17 Astian tyhjeneminen (video) 18 3. Liike • Vauhti vs. nopeus (nopeudella suunta). Keskivauhti 𝑣 = 𝑠 𝑡 𝑣 = 𝑠 𝑡 = 1𝑚 1𝑠 = 1𝑚/𝑠 s = kuljettu matka t =käytetty aika Esim. Ratkaise a) s b) t 19 Keskinopeus vk 𝑣𝑘 = 𝑠𝑖𝑖𝑟𝑡𝑦𝑚ä 𝑙𝑖𝑖𝑘𝑘𝑒𝑒𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑡𝑜 = ∆𝑥 ∆𝑡 = 𝑥2− 𝑥1 𝑡2− 𝑡1 (MAOL s.124/116)  ”delta” tarkoittaa muutosta eli  = loppuarvo - alkuarvo !!!! Nopeuden etumerkki (+ tai -) kertoo liikkeen suunnan. 20 Hetkellinen nopeus • Hetkellinen nopeus saadaan aika-matka eli (t,x) -kuvaajan tangentin kulmakertoimesta (esim 1 /s. 52). ∆𝑥 𝑣= ∆𝑡 21 Tasainen liike (s.55) • Tasaisessa liikkeessä nopeus säilyy koko ajan samana (eli sama matka aina samassa ajassa). • Nopeus saadaan (t,x)-kuvaajan kulmakertoimesta 𝑣 = ∆𝑥 ∆𝑡 . 22 Kuvaajat s. 57 23 3.2 Kiihtyvyys a 24 3.2 Kiihtyvyys a • Kun kappaleen nopeus muuttuu , niin se on kiihtyvässä liikkeessä (myös hidastuva liike on kiihtyvää). • Keskikiihtyvyys ak lasketaan kaavasta: 𝒂𝒌 = • ∆𝒗 ∆𝒕 𝑎 = = 𝑣 𝑡 𝑣2− 𝑣1 𝑡2− 𝑡1 = 𝑛𝑜𝑝𝑒𝑢𝑑𝑒𝑛 𝑚𝑢𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑖ℎ𝑒𝑛 𝑘𝑢𝑙𝑢𝑛𝑢𝑡 𝑎𝑖𝑘𝑎 (MAOL s.124/116) 𝑚 = 1𝑠 1𝑠 = 1 m/s2 25 • Kuvaajan fysikaalinen kulmakerroin (t,v)- koordinaatistossa on kappaleen kiihtyvyys a (kuva s.61). • Tasaisesti kiihtyvän liikkeen kuvaaja (t,v)-koordinaatistossa on suora. ∆𝑣 a= ∆𝑡 26 Alla olevat kuvaajat kuvaavat samaa liikettä. Miten kuvasta a) tai kuvasta b) saataisiin määritettyä nopeus jollakin hetkellä? Entäs kappaleen kiihtyvyys? 27 Putoaminen (s.64) • Putoamiskiihtyvyys g maassa on g ≈ 9,81 m/s2. (Luonnonvakiot Maol s.70/71 & planeetat s.121/113). 28 Putoaminen esim. 1 /s.66 (miksi kuvaaja ei ole suora?) 29 4. Vuorovaikutus ja voima 30 4. Vuorovaikutus ja voima • Vuorovaikutus aiheuttaa voiman. • Voimalla on aina vastavoima eli muodostuu voimapari (NIII). 31 Kuvat s.73 32 • Kosketusvuorovaikutus vs. etävuorovaikutus???? 33 • Voiman tunnus on F ja sen yksikkö on N eli newton. – painovoima G, tukivoima N, jännitysvoima T, kitkavoima Fμ – Voimanuolen pituus kuvaa voiman suuruutta ja nuolen suunta voiman suuntaa (vektorisuure 𝐹 ). • Jos kokonaisvoima on nolla, niin kappale säilyttää liiketilansa (NI). 34 Newtonin lait: • Jatkavuuden laki (NI) • Dynamiikan peruslaki F=ma (NII) • Voima ja vastavoima (NIII) Etälukio 35 4.2 Voima liikkeen muutoksen aiheuttajana. • Newtonin toinen laki (NII) : 𝑎= 𝐹 𝑚 eli kiihtyvyys = 𝑣𝑜𝑖𝑚𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 tai 𝐹 = 𝑚𝑎 𝑒𝑙𝑖 𝑣𝑜𝑖𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ∙ 𝑘𝑖𝑖ℎ𝑡𝑦𝑣𝑦𝑦𝑠 (MAOL s.125/117) 1N=1 kgm/s2 (MAOL s.66/ 67) 36 Kuvat s.84 Tilannekuvia (ympäristö mukana) Vapaakappalekuvia (ei ympäristöä mukana) 37 Esimerkki 1/s.85 a) b) 38 • Mikä voima liikuttaa mopoa??? • Sisäiset voimat??? www.liikenneturva.fi 39 Paino G • Paino G on gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttama voima. • Paino tarkoittaa painovoiman suuruutta eli sen yksikkö on sama kuin voiman yksikkö (newton). • Massa kuvaa ainemäärää (yksikkö kg). • G=mg, m=kappaleen massa ja g on putoamiskiihtyvyys (≈9,81 m/s2). (MAOL s.125/117 ja planeetat s.121/113). – vertaa F=ma (100g≈1N) 40 5. Maailmankaikkeus 41 Maailmankaikkeuden rakenteet (lähde oph.fi/etalukio) • Aine muodostuu atomeista, jotka koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen, jossa on 99,99% atomin massasta. Elektronit kiertävät ydintä muodostaen ns. elektronipilven (herne <-> 50m). • Protonilla ja elektronilla on yhtä suuri mutta vastakkaismerkkinen varaus, ns. alkeisvaraus, jolle käytämme merkintää e. Protonin varaus on positiivinen ja elektronin negatiivinen. • 60-luvulla esitettiin, että olisi olemassa vielä pienempiä hiukkasia, kvarkkeja, joista protonit ja neutronit koostuvat. Itse asiassa kaikki (hadronit) alkeishiukkaset paitsi leptonit koostuvat kvarkeista. Leptonit ovat erillisiä hiukkasia kuten esimerkiksi elektroni ja neutriino, mutta kvarkit eivät voi esiintyä vapaina. • Kvarkeilla on ominaisuus, joka voi saada jonkin kuudesta arvosta: ylös (up), alas (down), outo (strange), lumo (charm), pohja (bottom) ja huippu (top). Kahta viimeistä kvarkkia kutsutaan myös nimillä kauneus (beauty) ja totuus (truth). • Kvarkin varaus määräytyy seuraavasti: up, charm, top --> +2/3e down, strange, bottom --> -1/3e. 42 5.1 Perusvuorovaikutukset 43 CERN eli Euroopan hiukkastutkimuskeskus (Ranskan ja Sveitsin rajalla) 44 5.2 Makro- ja mikrokosmos ”We have to know, before we can go.” 45 Mittasuhteita • Valovuosi on valon vuodessa kulkema matka eli noin 9,46 ∙ 1015 m (MAOL s. 68/69). • Tähtitieteellinen yksikkö AU on maan ja auringon keskietäisyys(≈149,6 miljoonaa kilometriä). (MAOL s. 68/69) • Aurinkokunnan läpimitta on noin 100 AU. • Auringosta valo tulee maahan noin 8,3 minuutissa. • Lähin naapuritähti noin 270 000 AU etäisyydellä (Proxima Centauri, noin 4,2 valovuoden päässä). • Jos aurinkokuntamme halkaisija olisi 1mm, Linnunradan halkaisija olisi yli 60 km. • Linnunradassa on noin 300 miljardia tähteä, joista kerralla voi 46 nähdä parhaillaan noin 2000 tähteä. Lue s.106-116 & 5-8…5-13 47 5.3 Maailmankaikkeuden synty ja tulevaisuus (kuva s.118-119) • Alkuräjähdyksen jälkeiset hetket tunnetaan, itse alkuräjähdys täysi mysteeri? – Jumalan sormien napsautus vai esimerkiksi toisen sivilisaation fysiikan harjoitustyö/Esko Valtaoja 2014. – Lentokoneromu? • Ydinjäte (H)? 48 Tähtien elinkaari 49 www.ursa.fi Komeetta Ison (marras-joulukuu 2013) -Asteroidi (peräisin Marsin takaa asteroidivyöhykkeeltä) -Komeetta (peräisin kaukaisemmilta kiertoradoilta) -Maan ilmakehään 10t-100t/vuorokausi -Maailmanlaajuista tuhoa (>1km) arviolta 1000, havaittu 861, vaarallisia 155. -Maailmanlopunkiviä (>10km) tunnetaan 2300, mahdollisesti vaarallisia 3. (moottori, räjäytys, auringon valo). 50 • Mikä aiheutti alkuräjähdyksen??? • Miksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyen? • Pimeä energia & pimeä aine??? (suurin osa, ainakin 200 vaihtoehtoa Nobel) • Maailmankaikkeuden keskipiste ?(vertaa pallopinta). • Ehkä emme osaa kysyä edes oikeita kysymyksiä vielä? • 4D 51 6. Energian vapautuminen ja sitoutuminen • Energian ja työn yksikkö on 1 J (joule) • Energian säilymislaki: – energia ei lisäänny eikä vähene, eikä sitä voi luoda tyhjästä eikä hävittää eli energian kokonaismäärä säilyy se ainoastaan muuttuu muodosta toiseen. • Energiamuotoja: – Säteilyenergia (valo, lämpösäteily,…) – Liike-energia (liike, lämpöliike, ääni,…) – Potentiaalienergia (kemiallinen energia, ydinenergia, vesivoima,…) E=mc2 52 • Lue sivut 130-136 ja tee niistä omat muistiinpanosi täydentämään edellä kirjoitettuja (kasvihuoneilmiö). • Voit lopuksi tehdä myös tehtäviä sivulta 137. 53 Kasvihuoneilmiö • Osittain kasvihuoneilmiö on välttämätön elämälle maapallolla. Jos kasvihuoneilmiötä ei esiintyisi, heijastuisi liian paljon lämpösäteilyä pois maapallolta ja keskilämpötilamme täällä olisi noin 20-30 astetta kylmempi eli maapallo olisi lähes elinkelvoton planeetta. 54 7. Säteily • Sähkömagneettinen säteily on aaltoliikettä (MAOL s. 88/87). 55 • Lue luku 7.1 & tee siitä lyhyet muistiinpanot itsellesi. 56 7.2 Ionisoiva säteily -Ionisoiva säteily kykenee irrottamaan atomista/molekyylistä elektroneja. 57 Radioaktiivisuus: • Atomiytimet voivat olla pysyviä eli stabiileja tai radioaktiivisia eli epästabiileja. • Radioaktiivisten aineiden atomiytimet lähettävät ionisoivaa säteilyä (alfa-, beta ja gamma, MAOL s.116) – α-säteily ( 42𝐻𝑒-ydin) – β-säteily (elektroni tai positroni) – γ-säteily (SM-säteilyä) (neutroni-säteily) 58 α- säteily 59 β-säteily 60 α-,β- ja γ-säteily 61 10f Säteilyn eteneminen ja vaikutukset • Alfasäteily pysähtyy helposti, mutta gammasäteily on hyvin läpitunkevaa. • Gammasäteily on läpitunkevuutensa vuoksi ihmiselle erittäin vaarallista. • Myös alfa- ja beetasäteilyt ovat vaarallisia, jos niitä lähettävää ainetta joutuu sisälle elimistöön. • Ionisoiva säteily irrottaa kohtaamistaan atomeista elektroneja. • Ionisoiva säteily voi aiheuttaa syöpää ja perinnöllisiä sairauksia. • Ionisoiva säteily tuhoaa soluja rikkomalla niissä olevia DNA-molekyylejä. 62 63 12a Radonin suku • Radon on yksi välivaihe radioaktiivisten aineiden sarjassa pysymättömästä U-238 isotoopista pysyvään Pb-206 isotooppiin. • Hajoamissarjaa uraani-238:sta lyijy-206:een sanotaan radonin suvuksi. • Hajoamissarjassa tapahtuu sekä alfa- että beetahajoamisia. 64 11a Puoliintumisaika • Puoliintumisaika on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen jäljellä olevista ytimistä hajoaa. • Ensimmäisen puoliintumisajan kuluttua alkuperäisistä ytimistä on jäljellä puolet, toisen puoliintumisajan kuluttua neljäsosa jne. • Aineiden puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin murto-osista tuhansiin vuosiin. 65 • Lue s.148-156 & tee tehtävät 7-10…7-15. 66 12d Fuusio • Fuusio on keveiden ytimien yhdistymistä. • Fuusiossa pieni osa massasta muuttuu energiaksi. • Auringossa ja muissa tähdissä on käynnissä jatkuva fuusioreaktio, josta niiden valtava säteilyteho on peräisin. • Hallitsematon fuusio on saatu aikaan vetypommissa, mutta myös hallitun ydinfuusion käyttöä energiantuotantoon tutkitaan. 67 12c Fissio • Fissiossa pysymätön raskas ydin hajoaa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. • Ytimen hajoamisessa pieni osa massasta muuttuu energiaksi. • Reaktiotuotteena syntyvät ytimet ovat radioaktiivisia. • Esimerkiksi uraanin fissiossa syntyy kaksi keskiraskasta ydintä ja 2–3 neutronia, jotka voivat halkaista uusia uraaniytimiä—> ketjureaktio. 68 Vihjeitä kokeeseen valmistautumiseen FY1.1. (sivut 6-156) • Kokeeseen valmistautuessa kannattaa käyttää apuna jokaisen luvun lopussa olevaa tiivistelmää (& testaa osaatko). • Kertaustehtäviä kannattaa tehdä mahdollisimman paljon sivuilta 167-172. Myös pohjatunnilla voidaan tehdään niitä ja pohjatunnilla on hyvä mahdollisuus kysyä kertaustehtävissä eteen tulleista ongelmista. • Kertaustehtäviin löytyy ratkaisut osoitteesta sanomapro.fi (työtilan avain FHZA, työtila vaatii rekisteröitymisen) • Apuna kannattaa käyttää myös kirjan esimerkkejä ja tehtyjä tehtäviä. • Muistiinpanot (samalla MAOL) kannattaa käydä huolella läpi. • Viimevuotinen kurssikoe löytyy Wikispaces -sivustolta (Google hakusana petriFY1) • Wikispaces –sivustolla on myös oppitunneilla käydyt diat. • Pohjatunti pe 19.9. 2014 kello 12.30- (tarvittaessa tukiopetusta sen jälkeen). • Koe ma 22.9.2014 kello 9.10 alkaen (luokka 207) 69 Kiitos mielenkiinnosta  70 Kirjainyhtälöitä Ratkaise yhtälöstä haluttu kirjain: 1. Kiihtyvyys 𝑎 = 𝑣 𝑡 a) nopeus v? b) aika t? 2. Voima F=ma a) massa m? b) kiihtyvyys a? 𝑚 𝑉 a) massa m? b) tilavuus V? 3. tiheys 𝜌 = 4. Ainemäärä 𝑛 = 𝑚 𝑀 a) moolimassa M 5. Nopeus 𝑣 = 𝑣0 + 𝑎𝑡 a) alkunopeus 𝑣0 ? b) kiihtyvyys a? 71 1. Kiihtyvyys 𝑎 = Ratkaisu: 𝑣 𝑡 a) nopeus v? b) 𝒕 = a) v=at 2. Voima F=ma a) massa m? a) 𝐦 = Ratkaisu: 3. tiheys 𝜌 = Ratkaisu: 𝑚 𝑉 a) 𝒎 = 𝝆𝑽 𝑚 𝑀 a) 𝑴 = 𝒗 𝒂 b) kiihtyvyys a? b) 𝐚 = a) massa m? 4. Ainemäärä 𝑛 = Ratkaisu: 𝑭 𝒂 b) aika t? 𝑭 𝒎 b) tilavuus V? b) 𝐕 = 𝒎 𝝆 a) moolimassa M 𝒎 𝒏 5. Nopeus 𝑣 = 𝑣0 + 𝑎𝑡 a) alkunopeus 𝑣0 ? Ratkaisu: a) 𝒗𝟎 = 𝒗 − 𝒂𝒕 b) kiihtyvyys a? b) 𝒂 = − 𝒗𝟎 −𝒗 𝒕 = 𝒗−𝒗𝟎 𝒕 72