*** Fysiikka (työn alla)***

Opintojen pääsivulle
Fysiikan pääsivulle
Teoriatehtäviä
Kokeellisia tehtäviä

Tällä sivulla

1 Valo-oppi
2 Mekaniikka ja lämpöoppi
2.1 Liike ja nopeus
2.2 Kiihtyvyys
2.3 Massa ja voima
2.4 Tiheys
2.5 Paine ja noste
2.6 Työ ja teho
2.7 Energia
2.8 Lämpötila, lämpöenergia
2.9 Lämmön vaikutukset
3 Sähkö ja magnetismi
3.1 Sähköinen ja magneettinen vuorovaikutus
3.2 Jännite, sähkövirta ja ihminen
3.3 Virtapiiri, kytkennät ja mittaukset
3.4 Resistanssi ja Ohmin laki
3.5 Sähkömagneettinen induktio ja sähkön tuotanto
3.6 Sähköteho ja -energia
3.7 Sähkömagneettinen säteily
3.8 Radioaktiivisuus
3.9 Ydinreaktiot ja -energia

1 Valo-oppi

2 Mekaniikka ja lämpöoppi

2.1 Liike ja nopeus

Liike on sitä, että kappale on eri paikassa eri aikoina.

Liike on tasaista tai muuttuvaa (kiihtyvää).

Nopeus (v) on suure, joka ilmoittaa sen, kuinka pitkän matkan kappale kulkee aikayksikköä kohti.

Nopeudella on useita yksiköitä, joista tavallisimpia ovat m/s tai km/h.

Nopeus lasketaan jakamalla matka siihen kuluneella ajalla:

nopeus (1K) eli nopeussymb (1K)
Yksiköiden muuntaminen:

2.2 Kiihtyvyys

Kiihtyvyys (a) ilmoittaa nopeuden muutoksen aikayksikköä kohti.

Yksikkö on yleensä aina m/s2 (nopeuden (m/s) muutos sekuntia kohti).

kiihtyvyys (2K) eli kiihtyvyyssymb (1K)

Maapallon aiheuttama putoamiskiihtyvyys on noin 10 m/s2. Toisin sanoen vapaasti putoavan kappaleen nopeus lisääntyy 10 m/s jokaisen sekuntin aikana (jos ilmanvastusta ei oteta huomioon).

Esimerkki: Auto kiihdyttää nopeudesta 0 m/s nopeuteen 28 m/s (noin 100 km/h) 14 sekunnin aikana. Kiihtyvyys on tällöin keskimäärin (28 m/s - 0 m/s) / 14 s = 2 m/s2

Kokeelliset tehtävät

2.3 Massa ja voima

Massa kuvaa aineen määrää. Tähän liittyy kaksi ominaisuutta:

  1. kyky aiheuttaa vetovoimia
  2. hitaus eli se, että kappale vastustaa liiketilansa muuttamista
Massan tunnus on m (mass) ja yksikkö kg (kilogram).

Vuorovaikutus on sitä, kun kaksi (tai useampi) kappaletta vaikuttavat toisiinsa.

Voima on suure, joka kuvaa vuorovaikutuksen suuruutta.

Voiman tunnus on F (force) ja yksikkö N (newton).

Paino on vuorovaikuttavien kappaleiden massojen aiheuttama voima. Vaikka ihmisen massa pysyy aina samana, on ihmisen paino eri planeetoilla erilainen, koska planeettojen massat ovat erilaisia.

2.4 Tiheys

Tiheys kertoo sen, kuinka suuri on kappaleen tai aineen massa tilavuusyksikköä kohti. Tiheyden tunnus on kreikkalainen aakkonen ρ, joka lausutaan "roo". Yksikköjä on useita, joista tavallisimpia ovat kg/m3 ja g/cm3.

Kappaleen tiheyden laskemiseen tarvitaan kappaleen massa ja tilavuus. Tiheys lasketaan jakamalla massa tilavuudella:

ρ = m/V

Paine ja noste

Paine (p) on pintaa vastaan kohdistuva voima. Paineen yksikkö on N/m2, joka on sama kuin Pa (pascal).

Paineen laskeminen: paine = voima/pinta-ala:

p = F/A

Muita paineen yksiköitä ovat baari (bar) ja ilmakehä (atm).

1 bar = 100000 Pa ≈ 1 atm

Noste on voima, joka nostaa kappaletta ylöspäin. Noste vaikuttaa erityisesti nesteessä, mutta sama vaikutus on huomattavissa myös kaasuissa.

Noste johtuu siitä, että nesteessä (tai kaasussa) on paine sitä suurempi mitä syvemmällä ollaan. Näin paine kappaleen alaosassa on suurempi kuin yläosassa, mistä aiheutuu ylöspäin suuntautuva voima.

Arkhimedeen laki: Kappaleeseen kohdistuva noste on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän veden paino.

Työ ja teho

Fysiikassa työtä tehdään silloin, kun kappaletta siirretään jokin matka. Työn (W) määrä lasketaan tarvittavan voiman (F) ja siirtomatkan (s) tulona:

W = Fs

Työn yksiköksi tulee Nm, joka on sama kuin J (joule), energian yksikkö. Työssä energia muuttuu muodosta toiseen. Työhön tarvitaan aina energiaa.

Esimerkki 1: Yhden kilogramman punnuksen nostaminen metrin korkeuteen vaatii energiaa 10 N · 1,0 m = 10 Nm = 10 J. Työtä vastustava voima on tässä tapauksessa painovoima.

Teho (P) kuvaa sitä, kuinka nopeasti työ tehdään. Teho lasketaan jakamalla työ siihen kuluneella ajalla:
tehonkaava (1K)
Tehon yksikkö on J/s, joka on sama kuin W (watti).

Esimerkki 2: Jos esimerkki 1:n työhön menee 2 s, on teho 10 J / 2 s = 5 J/s = 5 W . Huom! Älä sekoita työn tunnusta W tehon yksikön tunnukseen W!

Energia

Energia (tunnus E, yksikkö J eli joule) on varastoitunutta työtä.

Perusenergialajeja on kolme:
  1. säteilyenergia; sähkömagneettiseen aaltoliikkeeseen sitoutunut energia
  2. asemaenergia (potentiaalienergia); vuorovaikutuksiin sitoutunut energia
  3. liike-energia; kappaleiden liikkeeseen sitoutunut energia

Melkein kaikki käyttämämme energia on peräisin auringon säteilyenergiasta.

Asemaenergiaa (Ep) on esimerkiksi pöydälle nostetulla kynällä. Nostettaessa painovoimaa vastaan tehty työ (paino (G) kertaa nostokorkeus (h) eli Gh ) "varastoituu" kynään.

Asemaenergian määrä lasketaan yllä kuvatulla tavalla:

Ep = mgh

Asemaenergiaa on myös kemiallinen energia tai jännitetyn jousen energia.

Kappaleen liike-energia (Ek) lasketaan kertomalla puolikas massa nopeuden neliöllä:

liike_energia4 (1K)
Energian kokonaismäärä säilyy.

Hyötysuhde ilmaisee, kuinka monta prosenttia käytetystä energiasta saadaan hyötykäyttöön.

Lämpötila ja lämpöenergia

Aineen rakenneosaset (molekyylit, atomit, jne) ovat jatkuvassa liikkeessä (lämpöliike).

Mitä vilkkaammin rakenneosaset liikkuvat, sitä suurempi on aineen lämpötila.

Lämpötila on suure. Lämpötilaa mitataan eri asteikoilla, joista tärkeimmät ovat celsius ja kelvin-asteikot.

Lämpötilan celsius-asteikko: tunnus t, yksikkö ºC. Yksi aste saadaan jakamalla veden kiehumispisteen ja jäätymispisteen (0 ºC) väli sadalla.

Lämpötilan kelvin-asteikko: tunnus T, yksikkö K. Yksi aste yhtä suuri kuin celsiusaste, mutta asteikko alkaa (0 K) absoluuttisesta nollapisteestä (-273 ºC).

Aineen lämpöliike hidastuu kappaleen kylmetessä ja loppuu kokonaan noin -273 ºC:n lämpötilassa. Tämä on ns. absoluuttinen nollapiste.

Aineen lämmittäminen vaatii energiaa. Eri aineet varastoivat lämpöä eri tavoin.

Tätä ominaisuutta kuvaa ominaislämpökapasiteetti (tunnus c). Esimerkiksi vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti, mikä tarkoittaa, että veden lämmittäminen vaatii paljon energiaa, mutta toisaalta vesi pysyy pitkään lämpimänä.

Aineen varastoima energiamäärä lasketaan kaavalla E = cmΔt , missä c = ominaislämpökapasiteetti
m = aineen massa
Δt = aineen lämpötilan muutos (kreikan kirjain Δ (delta) merkitsee yleensä muutosta)

Lämmön vaikutukset

Lämpölaajeneminen

Aineen tiheys muuttuu lämpötilan muuttuessa. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa aineen rakenneosaset liikkuvat nopeammin, jolloin sama määrä rakenneosasia tarvitsee enemmän tilaa. Tällöin aine laajenee eli sen tilavuus kasvaa. Vastaavasti lämpötilan laskiessa aine (yleensä) kutistuu.

Lämpölaajeneminen täytyy ottaa huomioon esimerkiksi siltojen ja puhelinlinjojen rakentamisessa.

Veden laajeneminen on poikkeuksellista. Kun lämpötila nousee nollasta neljään astetta celsiusta, vesi kutistuu. Veden tiheys on suurimmillaan +4 asteessa. Tästä syystä vesi järven pohjalla pysyy sulana noin +4:ssä asteessa.

Kaksoismetallissa metallit laajenevat eri tavalla. Tämä aiheuttaa kaksoismetallin taipumisen lämpötilan muuttuessa. Ilmiötä hyödynnetään esimerkiksi lämpömittareissa ja erilaisissa antureissa.

Aineen olomuodot

Aineen kolme (tavallisinta) olomuotoa ovat kiinteä, neste ja kaasu. Olomuodosta toiseen muuttuminen joko vaatii tai luovuttaa energiaa. Kun kiinteään aineeseen tuodaan riittävästi energiaa, se sulaa. Kun energiaa yhä lisätään, höyrystyy neste lopulta. Toiseen suuntaan mentäessä höyryn tiivistyessä ja nesteen jähmettymisessä vapautuu energiaa.

Olomuodon muuttuminen ja energia

Aineen sulamisessa samoin kuin höyrystymisessä lämpötila ei kohoa. Kaikki energia menee aineen sulattamiseen/höyrystämiseen. Eri aineet vaativat sulamiseen erisuuruisen energian massayksikköä kohti. Tätä energiamäärää kutsutaan ominaissulamislämmöksi (tunnus s, yksikkö J/g). Vastaava höyrystymiseen tarvittava energia on ominaishöyrystymislämpö (tunnus r, yksikkö J/g).

Laskeminen:
sulamisenergia E = sm
höyrystymisenergia E = rm

Nesteen kiehumispiste riippuu paineesta. Esimerkiksi viiden kilometrin korkeudessa vesi kiehuu noin 80 celsiusasteen lämpötilassa.

Lämpö(energia) siirtyy kolmella tavalla:

  1. johtumalla: ainetta ei siirry, vaan energia siirtyy aineessa. Esim. naulan kuumennus.
  2. virtaamalla: energia siirtyy nesteen tai kaasun mukana. Esim. kuuma höyry saunassa.
  3. säteilemällä: energia siirtyy säteilynä. Väliainetta ei tarvita. Esim. aurinko tai hiillos.

Lämmoneristeissä lämpö siirtyy heikosti, lämmönjohtimissa hyvin.

Sähkö ja magnetismi

Sähköinen ja magneettinen vuorovaikutus

Alla on mallikuva heliumatomin rakenteesta. Atomin rakenteen mieleenpainaminen auttaa sähköisten ilmiöiden ymmärtämisessä.

atomimalli120c (5K)

Sähköiset veto- ja poistovoimat perustuvat sähköisten hiukkasten (yleensä elektronien) liikkeisiin. Esimerkiksi hangattaessa ilmapalloa seinään irtoaa pallon atomeista elektroneja ja siirtyy seinään.

Tuloksena ilmapallolla on vähemmän elektroneja (-) kuin protoneja (+) eli pallolla on positiivinen varaus.

Seinällä puolestaa on enemmän elektroneja kuin protoneja eli negatiivinen varaus.

Erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa (ilmapallo tarttuu seinään), samanmerkkiset hylkivät toisiaan.

Sähköisesti varautuneen kappaleen ympärillä on sähkökenttä samoin kuin magneetin ympärillä magneettikenttä.

Eriste: aine, jossa elektronit liikkuvat huonosti
Johdin: aine, jossa elektronit liikkuvat hyvin

Jännite, sähkövirta, ihminen

Jännite on erimerkkisten varausten välinen ero.

Jännitteen tunnus on U ja yksikkö voltti (V).

Paristossa on yleensä kaksi eri metallia ja niiden välillä neste, jossa varautuneet hiukkaset voivat liikkua. Metallit reagoivat keskenään, jolloin toiseen jää enemmän elektroneja kuin toiseen. Metallien välillä on tällöin varausero eli jännite ja metalleja sanotaan pariston navoiksi.

Kun navat yhdistetään johtimella, alkavat varautuneet hiukkaset (elektronit) virrata miinusnavasta plusnapaan päin. Tätä virtausta kutsutaan sähkövirraksi. Sähkövirran tunnus on I ja yksikkö A (ampeeri).

Akku on kuten paristo sillä erolla, että kun pariston toiminta loppuu kemiallisen energian loppuessa, voidaan akku ladata uudelleen.

Muuntaja on laite, joka muuttaa jännitteen suuruutta.

Virtapiiri, kytkennät ja mittaukset

Sähkölaitteiden rakennetta kuvaa kytkentäkaavio. Siinä jokaiselle komponentille on sovittu yksinkertainen piirrosmerkki.

Yksinkertaisessa suljetussa virtapiirissä kulkeva virta on yhtä suuri piirin joka kohdassa.

Jännitemittari kytketään aina rinnakkain eli mitattavan komponentin miinusnapa mittarin miinusnapaan ja plusnapa plusnapaan.

Virtamittari kytketään aina sarjaan eli niin, että virta kulkee mittarin läpi. Aseta mittari aina ensin suurimmalle mittausasteikolle ja pienennä sitten asteikkoa tarvittaessa.

ÄLÄ oikosulje virtamittaria - virtamittarin seurana täytyy aina olla jokin vastus (lamppu tai muu komponentti). Muuten suuri virta saattaa rikkoa mittarin.

Kun paristot kytketään sarjaan, on piirin kokonaisjännite paristojen jännitteiden summa - lamppu palaa kirkkaammin.

Kun paristot kytketään rinnakkain, on piirin kokonaisjännite sama kuin yhdellä paristolla - lamppu palaa himmeämmin, mutta pitempään.

Kaksi samanlaista lamppua sarjassa: kummankin lampun napojen välinen jännite on puolet pariston jännitteestä. Virta on piirissä puolet siitä, mitä vain yhden lampun piirissä. Lamput palavat himmeämmin verrattuna yhden lampun piiriin.

Kaksi samanlaista lamppua rinnakkain: kummankin lampun napojen välinen jännite on sama kuin paristossa. Virta on yhtä suuri kuin yhden lampun virtapiirissä. Kumpikin lamppu palaa yhtä kirkkaasti kuin vain yksi lamppu palaisi. Paristo kestää vain puolet siitä ajasta, mitä sarjaankytkennässä.

Resistanssi ja Ohmin laki

Sähkömagneettinen induktio ja sähkön tuotanto

Sähköteho ja -energia

Sähkömagneettinen säteily

Näkyvä valo on vain pieni osa sähkömagneettista säteilyä, poikittaista aaltoliikettä, joka kuljettaa mukanaan energiaa pieninä paketteina, fotoneina. Säteily etenee tyhjiössä valon nopeudella 300000 km sekunnissa.

Sähkömagneettisen säteilyn lajeja ovat seuraavat (suurista aallonpituuksista pieniin):

Mitä pienempi aallonpituus, sitä enemmän säteilyssä on energiaa ja sitä vaarallisempaa säteily on.

Radioaktiivisuus

Aine koostuu atomeista, joita luonnossa on noin 90 erilaista. Alkuaineatomi merkitään seuraavasti:

atomimerkinta (2K)

Protonien ja elektronien lukumäärä on alkuaineessa aina sama, mutta atomin ytimessä olevien neutronien lukumäärä saattaa vaihdella. Esimerkiksi vetyatomilla ei normaalisti ole yhtään neutronia (vety1 (1K) ), mutta joillakin harvoilla voi olla yksi (vety2 (1K) ) tai jopa kaksi (vety3 (1K) ) .

Aineet vety1 (1K), vety2 (1K) ja vety3 (1K) ovat vedyn isotooppeja. Kemiallisesti aineet ovat samanlaisia, mutta liikaa neutroneita sisältävät atomit eivät aina pysy koossa vaan hajoavat. Hajoamisen yhteydessä atomista lähtee hiukkasia tai gammasäteilyä. Sekä hiukkas- että gammasäteilyä kutsutaan nimellä ionisoiva säteily, koska se ionisoi eli irrottaa elektroneita tielleen sattuneista atomeista. Tämä vaurioittaa myös soluja.

Ainetta, joka sisältää hajoavia atomeita kutsutaan radioaktiiviseksi.

Yllämainittu hiukkassäteily ei ole sähkömagneettista aaltoliikettä, vaan siinä atomista lähtee alfahiukkasia (α-hiukkanen: kaksi protonia ja neutronia möykyssä), betahiukkasia (β-hiukkanen eli elektroni) tai neutroneita.

Ionisoivaa säteilyä voidaan mitata esim. geigermittarilla tai herkällä filmillä. Mittareita tarvitaan esimerkiksi röntgentutkimuksissa ja ydinvoimaloissa.

Säteilyn ominaisuuksia

Alfahiukkaset pysähtyvät paperiin tai ihoon. Betahiukkaset tunkeutuvat vähän syvemmälle, mutta muutama sentti pahvia tai kättä pysäyttää nekin. Gammasäteily menee läpi paksun betoni- tai tai teräslevyn ja vahingoittaa soluja energiallaan.

Alfa- ja betasäteily on vaarallista lähinnä joutuessaan elimistöön esim. ruoan mukana.

Radioaktiivisen aineen aktiivisuutta kuvaa yksikkö becquerel (Bq), joka merkitsee yhden ytimen hajoamista sekunnissa. Esim. maidossa aktiivisuus on noin 50 Bq litrassa eli joka sekunti 50 atomin ydintä hajoaa. Tällainen pieni aktiivisuus on normaalia, eikä aiheuta vaaraa ihmiselle.

Puoliintumisaika on aika, jona aineen aktiivisuus vähenee puoleen (kun hajoavien atomien määrä vähenee).

Säteilyn aiheuttamat ikävyydet: Suojausmenetelmät: Säteilyn hyödyt:

Ihmisen saa normaalisti suurimman osan säteilystä ilman sisältämästä radonkaasusta. Suomalainen saa keskimäärin säteilyä vuodessa 3,7 mSv (millisieverttiä). Kuolettava kerta-annos on noin 10000 mSv.

Ydinreaktiot ja -energia