Principia FY1 (GLP2021)

FY 1 Fysiken som naturvetenskap (GLP 2021)

Jenni Andersin Pentti Frondelius Jari Latva-Teikari Heikki Lehto Jonas Waxlax

ISBN 978-951-52-5328-6

9

789515

253286

PRINCIPIA

FY 1 PRINCIPIA FYSIKEN SOM NATURVETENSKAP

FYSIK

FY FYSIKEN SOM 1

NATURVETENSKAP Jenni Andersin Pentti Frondelius Jari Latva-Teikari Heikki Lehto Jonas Waxlax

Schildts & Söderströms www.sets.fi Finska förlagans titel: Fysiikka. Fysiikka luonnontieteenä Redaktör för den finska upplagan: Johanna Patokoski Redaktör för den svenska upplagan: Hans Nordman Typografi: Petri Heikkilä, Pekka Könönen, Eila Sinivuori Omslag: Kustmedia Ab / Terese Bast Förlagans layout: Aste Kirjat Oy / Tarja Heikkilä Svenska upplagans ombrytning: Jukka Iivarinen / Vitale Ay Fondernas samarbetsgrupp som består av Svenska kulturfonden, Svenska folkskolans vänner, Föreningen Konstsamfundet och Lisi Wahls stiftelse för studieunderstöd har beviljat ekonomiskt stöd för utgivningen av detta läromedel.

Kopieringsförbud Det här verket är en lärobok. Verket är skyddat av upphovsrättslagen (404/61).

Det är förbjudet att fotokopiera, skanna eller på annat sätt digitalt kopiera det här verket eller delar av det utan tillstånd. Kontrollera om läroanstalten har gällande licenser för fotokopiering och digitala licenser.

Mer information lämnas av Kopiosto rf www.kopiosto.fi.

Det är förbjudet att ändra verket eller delar av det.

Första upplagan, 2021 Text © Jenni Andersin, Pentti Frondelius, Jari Latva-Teikari, Heikki Lehto och SanomaPro Oy Illustrationer © Petri Heikkilä, Pekka Könönen, Eila Sinivuori © Kustantaja Sanoma Pro Oy © 2021 Jonas Waxlax och Schildts & Söderströms ISBN 978-951-52-5328-6

Innehåll Fysikens världsbild

6

1 Fysiken är en naturvetenskap som baserar sig på observationer och mätningar .................................................. 8

2 Alla fenomen i naturen grundar sig på växelverkan ............... 18

Sammanfattning ....................................................................... 28 Testa vad du kan . . ...................................................................... 29

Mätningar i vårt moderna samhälle

30

3 Storheter och enheter .............................................................. 32

4 Materiens struktur och storleksodningar i universum ............ 42

5 Mätningar och mätfel . . ............................................................. 53

6 Grafiska modeller ..................................................................... 60

7 Matematiska modeller ............................................................. 70

Sammanfattning ....................................................................... 78 Testa vad du kan . . ...................................................................... 79

8 Undersökning av rörelse .......................................................... 80

Sammanfattning ....................................................................... 87

Bilagor

88

Repetitionsuppgifter ................................................................. 88 kg Ord och begrepp ....................................................................... 90

K

c

cd

m

cd

Tabeller . . .................................................................................... 94 h Svar till uppgifterna ................................................................... 96

SI

NA

mol

Δv

Bildrättigheter ........................................................................... 98

K

s

De mångsidiga kompetenserna ................................................ 100 k e A

3

Studerande och lärare, Läroboken Principia Fysiken som naturvetenskap behandlar det centrala innehållet för modulen FY1 Fysiken som naturvetenskap (1 sp) enligt den nya läroplanen GLP2021.

Boken innehåller åtta kapitel. Varje kapitel är planerat för en 75 minuters lektion, men innehållet kan lätt anpassas för kortare eller längre lektionspass.

I boken presenteras fysikens historia och utveckling, fysikens betydelse för vårt liv, vår teknologi och vårt välbefinnande samt fysiken som en experimentell naturvetenskap. I boken finns många exempel på undersökningar och laborationer som man kan utföra med enkel och billig utrustning.

Fysik beskriver naturen och fenomen som sker i den. Det här belyser boken med begrepp, fenomen och storheter som vi stöter på i vardagslivet. Vår strävan är att studeranden ska bli bekanta med hur materien och universum är uppbyggda och hur vi kvantitativt genom olika fysikaliska modeller kan beskriva de fenomen som sker runt omkring oss. Läroboken lägger en god grund för studierna i fysik, förbereder studeranden inför det digitala studentprovet i fysik och vill locka studeranden att fortsätta med studier i ämnet.

I fysikens inspirerande tecken.

Helsingfors mars 2021

Författarna

Fysikens världsbild

Intervju med en fysik­ studerande

1

Tum, fot eller meter – Vad är nyttan med SI-systemet?

Vårt solsystem finns i galaxen Vintergatan. Man har tidigare uppskattat att det finns ungefär 2 · 1012 galaxer i det observerbara universum. Ny data från rymdsonden New Horizons tyder ändå på att antalet galaxer är mindre.

Vi är gjorda av stjärnstoff.

Allting började med big bang. Vi kan undersöka universums struktur med teleskop och matematiska modeller. Genom att noggrant undersöka strålningen från rymden har astrono­ merna kommit fram till att det observerbara universums utveckling startade för 13,8 miljarder år sedan. Då var vårt universum en extremt het, tät och koncentrerad punkt. Från det här ursprungstillståndet har universum expanderat till sin nuvarande storlek och struktur. För ungefär 4,6 miljarder år sedan bildades vårt solsystem av stjärnstoff och gaser som började sammanpressas. Det observerbara universum har en diameter på 93 miljarder ljusår. Jorden och alla grundämnen härstammar från universums födelse och från stjärnornas inre skikt. I din kropp finns över femtio olika grundämnen. Nästan alla av de här grundämnena har bildats i fusionsreaktioner i stjärnor.

Datorbild av en kollison som visar uppkomsten av en Higgsboson och ett stort antal andra partiklar. De röda linjerna representerar myoner som bildas då Higgsbosonen sönderfaller.

Partikelfysik och kärnfysik ger oss information om materiens allra minsta struktur DEN MODELL INOM PARTIKELFYSIKEN som beskriver elementarpartiklarna och den elektromagnetiska, den starka och den svaga växelverkan kallas standardmodellen. Till standardmodellen hör förutom elementarpartiklarna även förmedlarpartiklarna för växelverkningarna och Higgsbosonen (Higgspartikeln).

Upptäckten av Higgsbosonen år 2012 var viktig eftersom den stöder vår teori om varför partiklar får massa genom den så kallade Higgsmekanismen. Higgsbosonen utgör en viktig del av den moderna fysiken och vår förståelse av universum.

Mörk materia och mörk energi

E

n stor del av den materia och den energi som finns i vårt universum har en form som är okänd för oss. Mörk materia är materia som varken sänder ut eller reflekterar elektromagnetisk strålning. Vi vet inte vad den mörka materien består av och det här en av fysikens stora olösta gåtor.

Asteroiden Arrokoth. Arrokoth befinner sig ungefär 6 400 000 000 km från jorden. Bilden är tagen av rymdsonden New Horizons.

6

4

Universum expanderar i allt snabbare takt hela tiden. Det här betyder att det finns en för oss ännu okänd energi som genomtränger hela universum. Den energin kallas mörk energi. Den mörka energin har motsatt verkan på universum jämfört med gravitationen.

Gravitationen försöker sakta in universums expansion. Den mörka energin däremot vill öka expansionen. Största delen av all energi i universum är mörk energi. De senaste mätresultaten visar att 69 % av universums materia- och energisammansättning utgörs av mörk energi, 26 % av mörk materia och endast 5 % av känd materia. Den kända materien består till största delen av väte (74 %) och helium (24 %).

DÅ MAN UTFÖR EN MÄTNING måste man använda överenskom­ na och väldefinierade mätenheter för att resultatet ska kunna förstås och jämföras med andra mät­ resultat. SI­systemet har noggrant definierat de enheter som an­ vänds runt om i världen.

?

Definitionerna på enheterna i SI­systemet utgår från ett antal naturkonstanter. Naturkonstan­ terna har enligt vår nuvarande förståelse oföränderliga värden.

Ett exempel på en naturkonstant är ljusets hastighet i vakuum. Ljus färdas alltid en lika lång sträcka i vakuum under ett bestämt tids­ intervall.

Nanostrukturer ger oss nya tillämpningar NANO kommer från grekiskans nanos och betyder liten. En nanometer är en miljarddels meter. Tjockleken på ett pappersark är 0,1 mm eller 100 000 nanometer. Om du radar upp tio atomer efter varandra kommer du upp till ungefär en nanometer.

Grafen är det mest hållfasta ämne man känner till. Grafen består av kolatomer som är ordnade i en nanostruktur. Grafen har både god elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga och är nästan genomskinligt. Materialet är också lätt och mycket böjbart.

Man använder grafen vid tillverkning av till exempel tennisracketar.

Nanostrukturer i påfågelns fjädrar är en av orsakerna till fjädrarnas vackra och klara färger.

7

1 Principia Fysiken som naturvetenskap innehåller åtta kapitel som tillsammans utgör två längre tematiska avsnitt. Varje avsnitt börjar med ett uppslag som presenterar intressanta fysikaliska fenomen och tillämpningar.

3

2 I början av varje kapitel ser du vad kapitlet handlar om och vilka centrala begrepp som behandlas.

Storheter och enheter

Hastighet är en vektorstorhet. Hastigheten har både storlek och riktning.

Tid är en skalär storhet.

Storheter

3

3 Boken lämpar sig också för självstudier. Texten är lättläst och bilder och figurer stöder samt motiverar inlärningen. Kapitlets centrala begrepp och innehåll sammanfattas i faktarutor.

All information vi får från naturen baserar sig på observationer och mätningar. Då man undersöker ett fenomen får man sällan tillräckligt noggrann och jämförbar information om man inte har tillgång till något slags mätinstrument.

I fysiken beskriver man fenomen i naturen med hjälp av mätbara storheter. Med en storhet menas en mätbar egenskap hos ett fenomen, en kropp eller ett ämne. Exempel på storheter är hastighet, massa och tid.

Alla storheter har egna beteckningar. Beteckningarna är internationella och härstammar ofta från storhetens engelska namn. Beteckningen för hastighet är v, beteckningen för massa är m och tiden betecknas t.

En del storheter, som hastighet, acceleration och kraft, har både storlek och riktning. Sådana här storheter kallas vektorstorheter. I den här bokserien betecknar vi vektorstorheter med ett streck ovanför storhetens beteckning, till exempel hastighet v och kraft F . Om man betecknar en vektorstorhet utan streck uttrycker man endast dess storlek.

Storheter som bara har storlek kallas skalära storheter. Exempel på skalära storheter är tid, temperatur och massa.

2

DET HÄR KAPITLET HANDLAR OM

CENTRALA BEGREPP

• SI-systemets grunder

• storhet

• direkt och omvänd proportionalitet

• vektorstorhet och skalär storhet

• prefix

• gällande siffror

• enhetsomvandlingar.

• prefix

Storhet • Med en storhet menas en egenskap som kan mätas.

• En vektorstorhet har både storlek och riktning.

• En skalär storhet har bara storlek, ingen riktning.

Tiden tickar inte framåt lika snabbt överallt. Stora massor åstadkommer en krökning av rumtiden och får tiden att gå långsammare. Rörelse får också tiden att gå långsammare.

En klocka som placeras i ett flygplan saktar sig jämfört med en klocka som är stillastående. Skillnaden mellan klockornas utslag är inte stor men ändå mätbar.

• proportionalitet

32

33

4 Boken innehåller många exempel. Varje exempel har ett beskrivande namn. Det här gör det lätt för dig att hålla reda på vilket nytt stoff exemplet belyser.

Gör en laborationsrapport

5

Mätserie Oftast utförs en mätning i fysiken så att många personer samtidigt mäter samma storhet eller så upprepas en enskild mätning många gånger. Som mätresultat kan man då använda medelvärdet av mätningarnas resultat. En mätserie innehåller mätvärden från många mätningar. Felet för en mätserie kan uppskattas på flera olika sätt.

5 I boken finns många exempel på undersökningar och laborationer som man kan utföra med enkel och billig utrustning. Genom att utföra laborationer övar du dig på att göra noggranna iakttagelser av fenomen, att använda olika slags mätutrustning och mätprogram, att analysera och presentera mätresultat samt att skriva laborationsrapporter.

Laborationens syfte: Uppgiften är att bestämma svängningstiden för en pendel.

Halva variationsbredden Ett sätt att uppskatta felet för en mätserie är att beräkna halva x − x min variationsbredden på mätvärdena ∆x = max , 2 där xmax och xmin är det största respektive minsta mätvärdet.

Feluppskattningen avrundas alltid uppåt.

4

EXEMPEL 2

Teori: Den tid som går åt till att utföra en hel svängning kallas svängningstid eller period.

Planering och utförande av laborationen: Först mäts tiden som går åt till fem hela svängningar (t5). Mätningen upprepas sex gånger. Mätresultatets fel uppskattas med hjälp av halva variationsbredden.

Feluppskattning med hjälp av halva variationsbredden

Mätresultat:

En grupp studerande mäter manuellt tiden det tar för deras fysiklärare att gå en bestämd sträcka. Alla mätvärden skrivs in i en tabell. Ange tiden med felgränser.

t (s) 12,27 12,37

Mätning t5 (s)

Lösning

12,12 12,09 12,13 12,34 12,35

3

4

5

6

12,45

12,80

13,37

12,98

1

Halva variationsbredden är 12,39 s − 12,09 s t −t ∆t = max min = = 0,15 s.

2 2

12,39

2 12,55

Mätning

Det största mätvärdet är tmax = 12,39 s och det minsta tmin = 12,09 s.

12,21

1 13,06

Beräkningar: Svängningstiden för en svängning t beräknas utifrån de uppmätta tiderna t5. Medelvärdet för de beräknade tiderna bestäms.

Vi använder medelvärdet av mätningarnas resultat som mätresultat och uppskattar mätfelet genom att beräkna halva variationsbredden.

Medelvärdet fås då vi adderar alla uppmätta tider och sedan dividerar med antalet mätningar. Man kan också bestämma medelvärdet med ett kalkylprogram. Medelvärdet är tm = 12,256 mm.

12,29

Fortsätt

Världsklocka

Svar

Nollställ

Tidtagning

Timer

Trots att mobiltelefonen mäter tid med en noggrannhet på en hundradelssekund är det inte förnuftigt att ange resultatet med en större noggrannhet än med en tiondels sekund eftersom människans reaktionstid påverkar varje mätning.

Den uppmätta tiden med felgränser är t = 12,3 s ± 0,2 s.

Ett atomur i en GPS-satellit visar tiden med en noggrannhet på ungefär en nanosekund. Ett mätfel i storleksordningen hundra nanosekunder skulle leda till att bilens positionsbestämning blev tiotals meter fel.

t (s) 2,612

12,55

2,510

12,45

2,490

4

12,80

2,560

5

13,37

6

12,98

medelvärde

Tiden med felgränser är t = tm ± Δt = 12,3 s ± 0,2 s.

t5 (s) 13,06

2 3

2,674

6 Uppgifterna är indelade i inledande, tillämpade, fördjupade och experimentella uppgifter. En del av de inledande uppgifterna är automatiskt rättande uppgifter som enbart finns i det digitala materialet.

2,596 2,574

Medelvärdet för en svängning är tm = 2,574 s.

Halva variationsbredden på mätvärdena är 2,674 s − 2,490 s t −t ∆t = max min = = 0,092 s.

2 2 Laborationens resultat: Svängningstiden för pendeln är t = tm ± Δt = 2,6 s ± 0,1 s.

Det är fråga om en manuell tidtagning. Det relativa felet är ∆t = 0,092 s = 0,0357420 ≈ 3,6 %. t 2,574 s m

56

57

Uppgifter

7

6 c) katten på bilden?

INLEDANDE UPPGIFTER Uppgifterna 1–4 är automatiskt rättande uppgifter som finns i det digitala materialet.

2-1.

Fyll i

2-2.

Välj rätt alternativ

2-3.

Rätt/fel-påståenden

2-4.

Kombinera

2-5.

Ge exempel på a) distansväxelverkan b) kontaktväxelverkan.

2-6.

Nämn tre kroppar som du just nu är i växelverkan med. Namnge vilken växelverkan.

2-7.

All fysikalisk växelverkan som förekommer i naturen kan förklaras med hjälp av fyra fundamentala växelverkningar. a) Vilka är de fyra fundamentala växelverkningarna? b) Mellan vilka kroppar verkar respektive växelverkan?

2-8.

Med vilka två modeller beskriver man växelverkan?

2-9.

Med vad växelverkar a) basketbollen på bilden

b) en bok som ligger på ett bord

9

2-14. a) Vilka är de två teorier som beskriver gravitationsväxelverkan? b) Hur förklaras gravitationens verkan med hjälp av de här teorierna?

2-15. Tre av följande påståenden är falska. Vilka?

1. Gravitationen är den dominerande växelverkan mellan himlakroppar.

2. Atomkärnans uppbyggnad bestäms av elektromagnetisk växelverkan.

3. Den svaga växelverkan håller samman atomkärnor.

4. Den svaga växelverkan kan omvandla en proton till en neutron eller en neutron till en proton.

5. Den starka växelverkan är orsaken till fusionsreaktionerna i solen och i andra stjärnor.

6. Den starka kärnkraften har en kort räckvidd.

2-10. Ge exempel på en situation där en kropp är i a) distansväxelverkan med åtminstone två andra kroppar b) kontaktväxelverkan med två andra kroppar.

2-11. Vad är tyngd?

2-12. På vad grundar sig påståendet att liv på jorden får sin energi direkt eller indirekt från solen?

2-13. Vilka växelverkningar dominerar i följande situationer: a) snö som faller från taket b) en svavelatom hålls samman c) en tunn plastfolie fastnar på fingret d) två magneter repellerar varandra e) en cesiumkärna sänder ut en elektron f) en kommunikationssatellit är i omloppsbana runt jorden g) elektroner befinner sig i elektronmolnet runt atomkärnan h) friktion som möjliggör rörelse i) du rör mobiltelefonens pekskärm med fingret j) fusionsreaktioner i solen?

FÖRDJUPADE UPPGIFTER

f) Kvarkarna binds ihop av stark växelverkan. g) Betasönderfall orsakas av svag växelverkan.

EXPERIMENTELLA UPPGIFTER

10

2-19. a) Ladda ner en lämplig avgiftsfri fysikapp till din mobiltelefon. i) Bestäm väderstrecken med hjälp av appen.

8 I de tillämpade uppgifterna ska du använda dig av det inlärda stoffet i nya situationer.

2-16. Vad är den starka kärnkraften?

8

2-17. a) Rangordna de fundamentala växelverkningarna enligt deras relativa styrka. b) Jämför de relativa styrkorna på elektromagnetisk växelverkan och stark växelverkan.

TILLÄMPADE UPPGIFTER 2-18. Undersök sanningshalten i följande påståenden. Om påståendet är falskt ska du motivera varför. a) Gravitation förekommer bara mellan himlakroppar. b) Elektrostatisk och magnetisk kraft hänför sig till samma fundamentala växelverkan. c) Den kraft som golvet påverkar din skosula med orsakas av gravitationsväxelverkan. d) Stark växelverkan är den enda växelverkan som förekommer inuti en atomkärna. e) De kemiska egenskaperna hos ett ämne bestäms av elektromagnetisk växelverkan.

7 I de inledande uppgifterna ska du använda dig av det inlärda stoffet i en bekant kontext.

Uppgifterna kontrollerar att du förstått grunderna i kapitlet.

ii) Man kan bestämma styrkan på jordens magnetfält (egentligen den magnetiska flödestätheten på jordens magnetfält) med en magnetometer. Bestäm styrkan på jordens magnetfält. Placera din mobiltelefon nära en högtalare. Vad märker du? b) Gnid två uppblåsta ballonger mot ditt hår.

Placera ballongerna nära varandra på ett bord. Vad märker du? Håll den ena ballongen mot väggen och släpp sedan taget.

Vad märker du? c) Vilken av de fyra fundamentala växelverkningarna förklarar dina iakttagelser i b-fallet?

26

27

9 De fördjupade uppgifterna kräver en djupare förståelse av det inlärda stoffet och du måste tillämpa dina kunskaper i nya situationer. Till en del av de fördjupade uppgifterna hör tilläggsmaterial i form av till exempel mätdata.

Sammanfattning

11

växelverkan

kontakt­ växelverkan

distans­ växelverkan

Växelverkan • Då en kropp växelverkar med en annan kropp eller med omgivningen påverkas den av en eller flera krafter.

• Kraft är en storhet som beskriver storleken på växel­ verkan.

• Växelverkan kan antingen vara kontakt­ eller distans­ växelverkan.

• Vid distansväxelverkan är kropparna inte i beröring med varandra, men om de rör varandra är det fråga om kontaktväxelverkan.

• Kontaktkrafter uppstår som följd av elektromagnetisk växelverkan mellan atomerna och molekylerna i de kroppar som är i kontakt med varandra.

• Växelverkningar kan antingen beskrivas med ett fält eller med förmedlarpartiklar.

Fundamentala växelverkningar Alla fenomen i naturen kan beskrivas med de fyra fundamentala växel­ verkningarna (den tillhörande förmedlarpartikeln i parentes):

Gravitationsväxelverkan (graviton) • Mellan kroppar med massa finns gravitationsväxelverkan.

• Tyngden är en kraft som orsakas av gravitationsväxelverkan.

Elektromagnetisk växelverkan (foton) De elektriska och magnetiska egenskaperna hos kroppar är en följd av elektromagnetisk växelverkan.

Stark växelverkan (gluon) Den starka växelverkan håller samman atomkärnor. Den starka växel­ verkan finns mellan kvarkarna inne i protonerna och neutronerna, och följden är en stark kärnkraft som verkar på protoner och neutroner.

Svag växelverkan (mellanbosoner) • Vid svag växelverkan kan en kärnpartikel omvandlas till en annan.

• Betasönderfall orsakas av svag växelverkan i protoner och neutroner.

Den svaga växelverkan omvandlar en proton till en neutron eller en neutron till en proton.

28

12

TESTA VAD DU K AN Det kan finnas ett eller flera rätta alternativ.

1. Fysikaliska metoder och fysik tillämpas inom a) biologi b) medicin c) idrottsvetenskap d) meteorologi.

2. Enligt den naturvetenskapliga metoden a) får man reda på information om natur­ fenomen genom mätningar och försök b) kan man godta modeller och teorier även om man inte har hunnit testa dem med mätningar c) ställer man upp en matematisk model utifrån mätresultat d) testas en hypotes med många olika försök.

3. Kunskaper i fysik a) ger en grund för förståelse av förändringar i vår livsmiljö b) hjälper oss att se de möjligheter som tekno­ login erbjuder oss för att garantera en hållbar utveckling c) hjälper oss att fatta riktiga och vettiga beslut angående till exempel frågor som berör klimatförändringen.

4. Grundkunskaper i fysik behövs hos till exempel a) arkitekter b) läkare c) röntgenskötare d) optiker.

5. Då två kroppar växelverkar med varandra a) påverkas kropparna av en eller flera krafter b) påverkar de varandra på samma sätt och samtidigt c) är kraften som verkar på den större kroppen större än den kraft som verkar på den mindre kroppen d) påverkas kropparna av lika stora men motsatt riktade krafter.

10 I en del kapitel hittar du experimentella upp­ gifter. De här kan du utföra i klassrummet eller hemma. Största delen av utrustningen som krävs hittar du hemma.

6. Exempel på fundamental växelverkan är a) gravitationsväxelverkan b) distansväxelverkan c) stark växelverkan d) kontaktväxelverkan.

7. De kemiska egenskaperna hos ett ämne bestäms av a) svag växelverkan b) stark växelverkan c) elektromagnetisk växelverkan d) gravitationen.

8. Stark växelverkan a) finns mellan alla kroppar b) finns mellan alla elementarpartiklar c) finns mellan kvarkar d) finns bara mellan laddade partiklar.

9. Man kan beskriva växelverkan med a) fält b) elementarpartiklar c) förmedlarpartiklar.

11 I slutet av varje avsnitt finns en sammanfattning.

10. Gravitationsväxelverkan a) håller månen i omloppsbana runt jorden b) är orsaken till att stjärnor rör sig i omlopps­ banor runt galaxers mittpunkt c) har oändlig räckvidd.

11. Förmedlarpartikeln för stark växelverkan är a) gluonen b) gravitonen c) fotonen d) neutronen.

12 Varje avsnitt avslutas med ett snabbtest.

12. Som en följd av svag växelverkan a) sker fusionsreaktioner i solen där en väte­ kärna omvandlas till en syrekärna genom att två neutroner omvandlas till protoner b) sker fusionsreaktioner i solen där fyra väte­ kärnor sammanslås till en heliumkärna c) sönderfaller en del atomkärnor spontant till lättare atomkärnor.

29

5

Fysikens världsbild

Vårt solsystem finns i galaxen Vintergatan. Man har tidigare uppskattat att det finns ungefär 2 · 1012 galaxer i det observerbara universum. Ny data från rymdsonden New Horizons tyder ändå på att antalet galaxer är mindre.

Vi är gjorda av stjärnstoff.

Allting började med big bang. Vi kan undersöka universums struktur med teleskop och matematiska modeller. Genom att noggrant undersöka strålningen från rymden har astrono­ merna kommit fram till att det observerbara universums utveckling startade för 13,8 miljarder år sedan. Då var vårt universum en extremt het, tät och koncentrerad punkt. Från det här ursprungstillståndet har universum expanderat till sin nuvarande storlek och struktur. För ungefär 4,6 miljarder år sedan bildades vårt solsystem av stjärnstoff och gaser som började sammanpressas. Det observerbara universum har en diameter på 93 miljarder ljusår. Jorden och alla grundämnen härstammar från universums födelse och från stjärnornas inre skikt. I din kropp finns över femtio olika grundämnen. Nästan alla av de här grundämnena har bildats i fusionsreaktioner i stjärnor.

Mörk materia och mörk energi

E

n stor del av den materia och den energi som finns i vårt universum har en form som är okänd för oss. Mörk materia är materia som varken sänder ut eller reflekterar elektromagnetisk strålning. Vi vet inte vad den mörka materien består av och det här en av fysikens stora olösta gåtor.

Asteroiden Arrokoth. Arrokoth befinner sig ungefär 6 400 000 000 km från jorden. Bilden är tagen av rymdsonden New Horizons.

6

Universum expanderar i allt snabbare takt hela tiden. Det här betyder att det finns en för oss ännu okänd energi som genomtränger hela universum. Den energin kallas mörk energi. Den mörka energin har motsatt verkan på universum jämfört med gravitationen.

Gravitationen försöker sakta in universums expansion. Den mörka energin däremot vill öka expansionen. Största delen av all energi i universum är mörk energi. De senaste mätresultaten visar att 69 % av universums materia- och energisammansättning utgörs av mörk energi, 26 % av mörk materia och endast 5 % av känd materia. Den kända materien består till största delen av väte (74 %) och helium (24 %).

Tum, fot eller meter – Vad är nyttan med SI-systemet?

Datorbild av en kollison som visar uppkomsten av en Higgsboson och ett stort antal andra partiklar. De röda linjerna representerar myoner som bildas då Higgsbosonen sönderfaller.

Partikelfysik och kärnfysik ger oss information om materiens allra minsta struktur DEN MODELL INOM PARTIKELFYSIKEN som beskriver elementar­partiklarna och den elektromagnetiska, den starka och den svaga växelverkan kallas standardmodellen. Till standard­ modellen hör förutom elementarpartiklarna även förmedlarpartiklarna för växelverkningarna och Higgsbosonen (Higgspartikeln).

Upptäckten av Higgsbosonen år 2012 var viktig eftersom den stöder vår teori om varför partiklar får massa genom den så kallade Higgs­ mekanismen. Higgsbosonen utgör en viktig del av den moderna fysiken och vår förståelse av universum.

DÅ MAN UTFÖR EN MÄTNING måste man använda överenskom­ na och väldefinierade mätenheter för att resultatet ska kunna förstås och jämföras med andra mät­ resultat. SI-systemet har noggrant definierat de enheter som an­ vänds runt om i världen.

?

Definitionerna på enheterna i SI-systemet utgår från ett antal naturkonstanter. Naturkonstan­ terna har enligt vår nuvarande förståelse oföränderliga värden.

Ett exempel på en naturkonstant är ljusets hastighet i vakuum. Ljus färdas alltid en lika lång sträcka i vakuum under ett bestämt tids­ intervall.

Nanostrukturer ger oss nya tillämpningar NANO kommer från grekiskans nanos och betyder liten. En nano­ meter är en miljarddels meter. Tjockleken på ett pappersark är 0,1 mm eller 100 000 nanometer. Om du radar upp tio atomer efter varandra kommer du upp till ungefär en nanometer.

Grafen är det mest hållfasta ämne man känner till. Grafen består av kolatomer som är ordnade i en nanostruktur. Grafen har både god elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga och är nästan genom­skinligt. Materialet är också lätt och mycket böjbart.

Man använder grafen vid tillverkning av till exempel tennisracketar.

Nanostrukturer i påfågelns fjädrar är en av orsakerna till fjädrarnas vackra och klara färger.

7

1

Fysiken är en naturvetenskap som baserar sig på observationer och mätningar

DET HÄR KAPITLET HANDLAR OM

CENTRALA BEGREPP:

• vad fysik är och vad fysiken undersöker

• experimentell och teoretisk fysik

• var kunskaper i fysik behövs.

• den naturvetenskapliga metoden

• grundforskning och tillämpad fysik • fysik är en del av allmänbildningen

8

För drygt hundra år sedan kom man underfund med att det också finns andra galaxer än Vintergatan i universum.

Andromedagalaxen är vår närmaste granngalax. Både Andromedagalaxen och Vintergatan är spiralgalaxer.

Large Hadron Collider eller LHC i CERN är världens största partikelkolliderare.

Fysiken utgör ett brett forskningsområde – från elementarpartiklar till universums struktur Fysik är en experimentell vetenskap. I fysiken undersöker man mät­ bara egenskaper hos kroppar och fenomen. En fysiker kan använda sig av både experimentella och teoretiska metoder i sitt forskningsarbete.

De här metoderna, och fysik överlag, tillämpas också inom många andra vetenskapsgrenar, till exempel inom ingenjörsvetenskaper, biologi, medicin, idrottsvetenskap och meteorologi. Ordet fysik härstammar från grekiska (physis ’av naturen’, physike ’undersökning av naturen’).

Att undersöka universums struktur och utveckling är en del av fysikens olika forskningsområden. Våra mätmetoder och mätinstrument utvecklas hela tiden. Tack vare det har forskarna nu kommit fram till att det observerbara universum för 13,8 miljarder år sedan befann sig i ett extremt hett, tätt och koncentrerat tillstånd. Efter ursmällen, eller big bang, började sedan universums expansion och utveckling.

Århundraden av samlad fysik­ kunskap har lett till många praktiska och vardagliga tillämpningar. Utvecklingen av LED-lampor har gjort att den traditionella glödlampan snart bara är ett museiobjekt.

Universum expanderar i allt snabbare takt hela tiden. Med universums expansion menar man att rymden hela tiden får mera volym överallt.

Universums expansion påverkar inte avstånden mellan enskilda stjärnor i en galax. Avstånden mellan stjärnorna i till exempel vår galax, Vintergatan, bestäms av gravitationsväxelverkan (se kapitel 2). Den kosmiska bakgrundsstrålningen, eller ”glöden från big bang”, som upptäcktes av en slump år 1964 är ett viktigt bevis för big bang-teorin.

Inom partikelfysiken undersöker man strukturer hos och växel­ verkningar mellan partiklar som är mindre än en atomkärna. För att få klarhet i universums ursprung och dess utveckling behövs kunskap om de lagar som styr de här mycket små partiklarna.

9

Fysiken förklarar naturfenomen

en

Nästan all fysikalisk kunskap baserar sig i huvudsak på observationer och mätningar. Med mätningar menar man inom fysiken alla slags experimentellt laborationsarbete. En viktig del av fysikforskningen är att utveckla nya mätmetoder och mätinstrument som sedan används för att beskriva hur naturen fungerar. En fysiker försöker hitta matematiska samband som så bra som möjligt beskriver de naturfenomen vi observerar runt omkring oss.

Let’s zoom in!

Albert Einsten (1879–1955) har skrivit följande: ”The eternal mystery of the world is its comprehensibility … The fact that it is comprehensible is a miracle.”

För att kunna förklara naturfenomen krävs mycket kunskap om naturens egenskaper. Dessutom krävs en förmåga att kunna förenkla fenomenen så att de kan beskrivas fysikaliskt och matematiskt. Det här kallas för att ställa upp en modell. Modellen kan sedan användas för att ge pålitliga prognoser om hur naturen kommer att bete sig.

Vi har lyckats beskriva de flesta naturfenomen i detalj med hjälp av matematik. Matematiken är ett viktigt hjälpmedel inom fysiken. Man kan säga att matematiken är det språk som fysiken talar.

Topelius om sol­ förmörkelse

Förr i tiden uppfattade man många naturfenomen, till exempel solförmörkelser, som skrämmande. Vid en solförmörkelse ligger månen mellan jorden och solen. Vid en total solförmörkelse ser man solens yttersta atmosfär, koronan, som ett lysande band runt månens mörka yta.

GE

Fysiken förklarar tidvattenfenomenet. Goda kunskaper i fysik hjälper oss att förstå naturfenomen.

10

Från modell till naturlag Nya fysikaliska teorier kommer till genom att man följer den natur­ vetenskapliga metoden.

Forskning utgår alltid från att man noggrant definierar sitt problem. Ett led i det här arbetet är att man tar reda på vilka olika parametrar som påverkar problemet och vilken forskning som tidigare har utförts kring samma problem. Efter det här ställer man upp en hypotes. En hypotes är ett första antagande som sedan ska testas med hjälp av mätningar och försök. En forskare använder mycket tid på att planera sin mätning innan själva försöket påbörjas. När mätningarna är utförda jämförs mätresultaten med den uppställda hypotesen.

Robert Millikan (1868–1953) lyckades experimentellt bestämma elementarladdningens storlek. Han utförde hundratals mätningar innan han presenterade sitt mätresultat.

Värdet på elementarladdningen är en av SI-systemets naturkonstanter.

Let’s explore! en

Biografi över Robert Millikan

Utifrån mätresultaten försöker man sedan formulera en matematisk modell som beskriver verkligheten så bra som möjligt. Modellen testas med nya mätningar och resultat som kommer från andra forskar­ grupper. Då en modell klarat av tillräckligt många tester börjar man tala om en bevisad teori.

En forskare har alltid siktet riktat framåt. Även om man kommit fram till en teori så fortsätter ofta arbetet med att fundera på nya forskningsmetoder som kan ge noggrannare mätresultat och tillföra ny information om världen runt omkring oss.

Problem

Hypotes

Under­ sökning

Slutsats

Forskningens förlopp.

Den naturvetenskapliga metoden 1. Mätningar och empiriska undersökningar ger oss information om naturfenomen.

2. Utifrån mätresultaten söker man lagbundenheter och samband med vars hjälp man ställer upp en matematisk modell.

3. Den matematiska modellen testas med nya mätningar och försök. Modellen omprövas om den inte kan förklara alla mät­ resultat. Då en modell klarat av tillräckligt många tester börjar man tala om en teori eller en naturlag.

Newtons lagar är exempel på naturlagar. Enligt Newtons första lag fortsätter en kropp sin rörelse rätlinjigt med konstant hastighet om den inte tvingas till en förändring av en kraft.

Ett exempel på en naturlag är ekvivalensen mellan massa och energi som påvisades av Albert Einstein. Enligt det här är massan m ekvivalent med energin E = mc2, där c är ljusets hastighet i vakuum.

Då Einstein formulerade sin speciella relativitetsteori beskrev han en kropps massa som ett mått på kroppens innehåll av energi. Massa är en form av bunden energi. Man utnyttjar ekvivalensen mellan massa och energi vid till exempel energiproduktion i kärnkraftverk.

11

Upptäckten av material som är supraledande vid rumstemperatur skulle bland annat möjliggöra effektiva och energisnåla datorer.

Forskning inom nanofysik är ett exempel på tillämpad forskning. Nanofibrer finns till exempel i textilier som används i sport- och fritidskläder. Nanofibrerna kan skydda mot ultraviolett strålning, vara vattenavvisande eller smutsfrån­ stötande. Det här gör att kläderna behöver tvättas mindre och därmed blir också deras miljöpåverkan mindre.

Fysiken kan indelas i delområden och tidsperioder Fysiken delas ofta in i grundforskning och tillämpad fysik. Inom grundforskningen undersöker man den fysikaliska bakgrunden och förklaringen till naturfenomen utan att fokusera på den direkta praktiska nyttan eller möjliga tillämpningar. Undersökning av materiens struktur och partikelfysik är ofta grundforskning.

Inom forskningen i tillämpad fysik försöker man hitta nya lösningar och innovationer som utgår från grundforskningen men som kan användas för de behov och ändamål som finns.

En fysiker som är inriktad på teoretisk fysik gör inga praktiska mätningar utan undersöker fenomen med hjälp av matematiska modeller.

Teoretisk fysik är i ständig växelverkan med experimentell fysik. Den teoretiska fysiken förklarar de resultat som den experimentella fysiken fått via mätningar. Den teoretiska fysiken kan också förutspå helt nya fenomen som fysiker sedan verifierar experimentellt innan nya teorier fastslås.

Beräkningsfysiken har fått en allt viktigare roll, både inom fysikens olika delområden och inom andra vetenskapsgrenar. Inom beräkningsfysiken använder man olika numeriska algoritmer och datorer för att lösa fysikaliska problem och efterlikna processer i naturen.

Man kan också dela in fysiken i klassisk fysik och modern fysik. Den klassiska fysikens tidsålder började på 1500-talet. Den klassiska fysiken behandlar bland annat mekanik, värme, ljus, elektricitet och magnetism.

Relativitetsteori och kvantmekanik är centrala teorier i den nutida fysiken. Båda teorierna utvecklades i början av 1900-talet. All fysik som baserar sig på de här teorierna kallas modern fysik.

12

Ett svart hål bildas då en stor stjärna kollapsar under inverkan av gravitationen. All massa kommer att finnas i en enda oändligt tät punkt som kallas singularitet. Den första bilden av ett supermassivt svart hål togs år 2019. Det svarta hålet på bilden finns i centrum av galaxen M87 och befinner sig på ungefär 55 miljoner ljusårs avstånd.

Inom nanoteknologin använder man partiklar i storleksordningen 1–100 nm. Sådana partiklar kallas nanopartiklar. En nanopartikel har ofta annorlunda egenskaper än större partiklar av samma ämne. Nanopartiklar kan till exempel vara mera hållfasta, leda elektricitet bättre eller reagera med andra ämnen på annat sätt än större partiklar. Man kan tillämpa nanoteknik för att designa nya material och komponenter med förbättrade egenskaper. Med hjälp av nanopartiklar kan man till exempel förbättra effektiviteten hos solpaneler.

Fysiken bidrar till att vår kunskap om naturen ökar Aktuella forskningsområden för dagens fysiker är bland annat partikelfysik, kvantdatorer, fusionsenergi, svarta hål och mörk energi.

Ritad modell av en atomkärna.

En atomkärna består av protoner och neutroner. År 2010 uppmättes protonens radie till 10–15 m. Det här mätresultatet var en aning mindre än man hade förväntat sig. Forskningsgruppen som utförde mätningarna fortsatte att utveckla sin mätteknik och kunde år 2019 publicera ett nytt mätresultat, 0,833×10–15 m. Trots att det nya resultatet är i linje med resultatet från år 2010 fortsätter man att förfina mätapparaturen för att ytterligare kunna bekräfta det nya resultatet.

Andra viktiga forskningsområden är utveckling av nya energikällor och forskning kring nanopartiklar. En nanopartikel har en storlek på 1–100 nm (nanometer). Nanoteknologin förenar fysik, kemi och biologi och studerar fenomen och processer som har en storlek i nanometerskalan.

De viktigaste vetenskapliga uppfinningarna har fötts ur forskarnas nyfikenhet och vilja att förstå hur naturen fungerar. Vetenskaplig grundforskning är en förutsättning för att teknologin ska kunna utvecklas.

Förutom att ny kunskap vidgar vår världsbild leder den ofta till använd­bara tillämpningar i vårt vardagsliv.

13

Den kunskap som fysiken gett oss har underlättat våra liv och ökat vårt välbefinnande.

Fysiken och samhället

HI

Fysik och andra naturvetenskaper är en viktig del av vår allmän­ bildning. Fysiken och dess inverkan har på många sätt synts och syns fortsättningsvis i vårt samhälle.

Funktionsprincipen för en ångmaskin bygger på lagar från mekaniken och värmeläran. Ångmaskinen var en av uppfinningarna bakom den industriella revolutionen.

I dagens värld, och också i vårt dagliga liv, är det svårt att hitta saker som inte, på ett eller annat sätt, har sin grund i den kunskap som vi fått genom forskning i fysik. Det finns tre stora teknologiska genombrott i mänsklighetens historia som baserar sig på upptäckter inom fysiken.

De här genombrotten är industrialiseringen, användningen av elektricitet och revolutionen inom elektroniken.

Dagens samhälle är mycket teknologiskt utvecklat. Utvecklingen fortsätter hela tiden mot allt mer mångsidig och avancerad teknik. Den kunskap som forskning inom fysik har gett oss har underlättat våra liv avsevärt och ökat vår välfärd. Vårt sätt att skaffa oss och använda ny information har förändrats mycket jämfört med tidigare.

Generatorerna i ett vattenkraftverk producerar elektrisk energi.

Allt eftersom teknologin har utvecklats har vi också fått ett bättre miljöskydd. Med hjälp av teknologin kan vi förebygga skador på miljön och åtgärda de skador som vi redan förorsakat.

Det är nyttigt för alla att känna till de möjligheter vetenskapen ger oss.

Det är också bra att känna till teorin som ligger bakom de här möjligheterna.

En dator och en mobiltelefon kan omvandla elektromagnetisk strålning till bilder och ljud. Transistorer och andra havledarkomponenter har möjliggjort en revolution inom elektroniken.

14

Trådlös laddning av mobiltelefonens ackumulator baserar sig på elektromagnetisk induktion. Vi studerar det här mera i boken FY7 Elektromagnetism och ljus.

Åskans muller uppkommer då luften snabbt värms upp och utvidgas.

Fysiken är en del av vårt liv Människan lever i naturen men är också en del av naturen. Det är därför viktigt att förstå hur naturen fungerar. Fysiken undersöker naturen och försöker hitta allmänna lagbundenheter som kan förklara naturens olika processer.

Med hjälp av fysik lär vi oss förstå naturfenomen och kan sedan til�­ lämpa våra kunskaper för att lösa olika praktiska problem. Tidvatten­ fenomenet utnyttjas i energiproduktion, och någon gång i framtiden kommer vi också att kunna producera energi i fusionsreaktorer vars funktionsprincip grundar sig på stjärnornas energiproduktion.

Kunskap i fysik ger oss en grund för förståelse av förändringarna i vår livsmiljö. Fysiken hjälper oss också se de möjligheter som teknologin erbjuder oss för att garantera en hållbar utveckling. För att vi ska kunna ta riktiga och vettiga beslut krävs kunskap om hur naturen fungerar. Naturvetare och beslutsfattare måste kunna diskutera med varandra med korrekt sakinnehål och över kultur- och landsgränser.

Då byket torkar avdunstar vattnet från kläderna.

Avdunstning är ett fysikaliskt fenomen.

Det är fysikens lagar som bestämmer pilens flygbana.

15

En fysiker undersöker naturen och söker lagbundenheter som styr fenomen i naturen.

Fysiken behövs i många branscher Grundkunskaper i fysik behövs inom många olika utbildnings­ områden, till exempel naturvetenskap, medicin och teknik. Om du till exempel siktar på att bli läkare, ingenjör, meteorolog, arkitekt, biolog, optiker, fysioterapeut, kemist, astronom eller röntgenskötare kommer du att stöta på fysik. Fysiker arbetar även inom ekonomi- och programmerings­branchen eftersom de har en bred kunskap om uppställande av modeller och programmering. Om du studerar fysik finns det många studieplatser och arbetsmöjligheter att välja bland. Det finländska samhället behöver flera experter inom fysik och teknik.

På ett stort sjukhus arbeter flera sjukhusfysiker.

Fysikstudier är mycket mångsidiga. Förutom teoretiska studier ingår laborationer och praktik på olika arbetsplatser. Det är också vanligt att man utför en del av studierna utomlands. Känneteckande för fysiker är att de är bra på problemlösning. Som fysikstuderande övar man på det både individuellt och i grupp.

De vanligaste arbetsuppgifterna för en fysiker är forskning, under­ visning, planering och produktutveckling inom industrin. Fysiker jobbar också på sjukhus och med olika administrativa uppgifter och planeringsuppgifter inom den offentliga sektorn.

Fysiker och experter från andra vetenskapsområden behövs för att stoppa klimatförändringen. I boken FY2 Fysik, miljö och samhälle fördjupar vi oss bland annat i växthuseffekten och klimatförändringen.

16

Uppgifter

INLEDANDE UPPGIFTER

1-6.

Regnbågen är ett exempel på ett natur­ fenomen. a) Hur uppkommer en regnbåge? b) Det finns både primära och sekundära regnbågar. Hur skiljer sig färgernas ordnings­följd i de två olika typerna av regnbågar?

1-7.

Polarsken är ett vackert naturfenomen.

Ta reda på hur polarskenet uppkommer.

Uppgifterna 1–3 är automatiskt rättande uppgifter som finns i det digitala materialet.

1-1.

Fyll i

1-2.

Rätt/fel-påståenden

1-3.

Kombinera

1-4.

a) Vad menas med mätning inom fysiken? b) Vad är en naturlag?

1-5.

Vi kan förklara många vardagliga fenomen med hjälp av fysikens lagar. Ta reda på a) hur en månförmörkelse uppkommer

Topelius om mån­ förmörkelse

1-8.

Ta reda på vilka följande personer är och vad de har för utbildning. a) Esko Valtaoja b) Paula Eerola c) Angela Merkel d) Elon Musk e) Tim Berners-Lee

1-9.

Nämn några exempel på hur fysiken har påverkat samhällsutvecklingen.

b) varför himlen är blå

c) varför metallskeden i en tekopp känns hetare än glaset.

1-10. a) När och var började man först använda elektricitet? b) På vilket sätt påverkade ibruktagandet av elektricitet den allmänna samhälls­ utvecklingen? c) När började man använda elektrisk belysning i Finland?

HI

1-11. Ta reda på a) i vilka utbildningsprogram man behöver fysik b) i vilka yrken man behöver kunskaper i fysik.

17

2

Alla fenomen i naturen grundar sig på växelverkan

DET HÄR KAPITLET HANDLAR OM

CENTRALA BEGREPP

• de fundamentala växelverkningarna.

• växelverkan • kontakt- och distansväxelverkan • den naturvetenskapliga metoden • gravitationsväxelverkan • elektromagnetisk växelverkan • stark växelverkan • svag växelverkan

18

Kontaktväxelverkan och distansväxelverkan Då du slår iväg en tennisboll med din racket är racketen och bollen i kontakt med varandra: en fysiker säger att de är i kontaktväxelverkan.

Bollen och racketen är också i kontaktväxelverkan med luften.

Då bollen flyger mot motspelaren är bollen inte i kontakt med marken.

Däremot påverkar jordens dragningskraft bollens flygbana. Bollen är i distansväxelverkan med jorden. Storleken på distansväxelverkan beror bland annat på kropparnas avstånd från varandra.

Tennisbollen är i kontaktväxel­verkan med racketen och luften och i distans­växelverkan med jorden.

Alla fenomen i naturen grundar sig på växelverkan. Då en kropp växelverkar med en annan kropp eller med omgivningen påverkas den av en eller flera krafter. Kraft är en storhet som beskriver storleken på växelverkan.

Växelverkan mellan elementarpartiklar, alltså de minsta bestånds­ delarna som bygger upp materia, kan leda till att en partikel omvandlas till en annan partikel eller till att nya partiklar uppstår.

Om två kroppar är i växelverkan med varandra påverkar de varandra på samma sätt och samtidigt. Växelverkan mellan kropparna tar sig uttryck i att kropparna påverkas av krafter. Båda kropparna påverkas av lika stora men motsatt riktade krafter. Det här kallas för Newtons tredje lag.

växelverkan

Kontaktväxelverkan och distansväxelverkan • Växelverkan kan antingen vara kontakt- eller distansväxelverkan.

• Vid distansväxelverkan är kropparna inte i beröring med varandra, men om de rör varandra är det fråga om kontaktväxelverkan.

kontakt­ växelverkan

distans­ växelverkan

Fundamentala växelverkningar All fysikalisk växelverkan som förekommer i naturen kan förklaras med hjälp av fyra fundamentala växelverkningar: gravitationsväxelverkan, elektromagnetisk växelverkan, stark växelverkan och svag växelverkan.

Fundamental växelverkan

Verkar på/observeras

Typ av växelverkan

Relativ styrka

gravitationsväxelverkan

mellan kroppar med massa

alltid attraktiv

10–38

elektromagnetisk växelverkan

mellan laddade kroppar

attraktiv eller repulsiv

10–3 – 10–2

stark växelverkan

mellan kvarkar i atomkärnan

vanligtvis attraktiv, håller ihop atomkärnan

1

svag växelverkan

mellan elementarpartiklar

åstadkommer bl.a. radioaktivt sönderfall

10–12 – 10–5

19

Ett telefonsamtal från din mobiltelefon förmedlas med elektromagnetiska fält via olika basstaioner till mottagarens telefon.

Man kan åskådliggöra det elektriska fältet kring två laddningar med olika förtecken med hjälp av mannagryn i olja.

Växelverkningar beskrivs med fält eller med förmedlarpartiklar Växelverkningar kan antingen beskrivas med ett fält eller med för­ medlarpartiklar. Man väljer modell beroende på vilket fenomen man betraktar. Fält är bra och åskådliggörande om man vill beskriva makroskopiska fenomen.

välittäjäförmedlarpartikel hiukkanen Växelverkan mellan partiklar beskrivs inom partikelfysiken med förmedlarpartiklar.

Distansväxelverkan mellan två kroppar beskrivs vanligtvis med hjälp av fält. Vi är alla bekanta med begreppen gravitationsfält, magnetfält och elektriskt fält. Om två kroppar är i distansväxelverkan med varandra är kropparna omgivna av varandras fält. Det här leder till att kropparna påverkas av krafter.

Inom partikelfysiken beskriver man växelverkan mellan kroppar med förmedlarpartiklar. Fotonen är till exempel förmedlarpartikeln för den elektromagnetiska växelverkan. Då två elektroner växelverkar med varandra utbyts fotoner. Varje fundamental växelverkan har sin egen förmedlarpartikel.

Vi studerar partikelfysiken mera ingående i boken FY8 Materia, strålning och kvantisering.

Hubbleteleskopet som är i omloppsbana på ungefär 600 kilometers höjd påverkas av jordens gravitationsfält.

20

Tyngden som verkar på äpplet är ett resultat av gravitationsväxelverkan mellan jorden och äpplet.

Då du ställer dig på en våg mäter du egentligen storleken på gravitationsväxelverkan. Då jordens graviatitionskraft drar dig nedåt pressas samtidigt också vågen nedåt. Vågen är kalibrerad så att den i stället för att ange din tyngd visar din massa.

Gravitationsväxelverkan Alla kroppar som har massa växelverkar via gravitationsväxelverkan.

Jordens gravitationskraft verkar på kroppar på jorden och i dess närhet.

Den här kraften kallas tyngd eller ibland gravitationskraft (se uppgift 3-11.).

Himlakropparnas rörelse styrs av gravitationen. Gravitationen är orsaken till att månen hålls i omloppsbana runt jorden, att stjärnor rör sig i omloppsbana runt galaxers mittpunkt och att galaxer formar galax­ hopar. Trots att räckvidden för gravitationsväxelverkan är oändligt lång avtar dess styrka mycket snabbt då avstånden växer.

Let’s explore! en

Mera om Newtons fysik

Isaac Newton (1642–1727) var den första som skapade en teoretisk modell för gravitationen då han presenterade sin matematiska gravitationslag år 1687.

Enligt Newton är gravitationskraften mellan två kroppar direkt proportionell (se kapitel 3 s. 31) mot kropparnas massor. Gravitationskraften minskar omvänt proportionellt mot kropparnas avstånd i kvadrat. Den teoretiska förmedlarpartikeln för gravitationsväxelverkan – gravitonen – har ännu inte kunna observerats.

Gravitationsväxelverkan • Mellan kroppar med massa finns gravitationsväxelverkan.

• Tyngden är en kraft som orsakas av gravitationsväxelverkan.

Enligt den allmänna relativitets­ teorin är rummets krökning orsaken till att månen är i omloppsbana runt jorden.

Den allmänna relativitetsteorin som Albert Einstein presenterade år 1915 beskriver gravitationen bättre än Newtons gravitationslag. Einstein beskriver gravitationsväxelverkan med rummets krökning. Kroppars massor påverkar rummet – hela universum – så att det blir krökt.

Orsaken till att planeterna rör sig i elliptiskt formade banor runt solen är att solen kröker rummet så mycket att planeterna inte kan röra sig rätlinjigt.

21

En vattenmolekyl består av två väteatomer och en syreatom. De attraktiva kemiska bindningarna mellan atomerna i vattenmolekylen förorsakas av elektromagnetisk växelverkan.

Bordet påverkar muggen med en stödkraft. Stödkraften är ett exempel på en kontaktkraft. Alla kontakt­ krafter uppstår som en följd av elektromagnetisk växelverkan.

Gymnasten och jorden är i gravitationsväxelverkan med varandra.

Händerna och barrholmen är i elektromagnetisk växelverkan med varandra.

Elektromagnetisk växelverkan Elektrostatik och magnetism är två olika former av elektromagnetisk växelverkan. De kemiska egenskaperna hos ett ämne bestäms av strukturen hos elektronmolnet och kraften mellan atomerna. I grund och botten är elektromagnetisk växelverkan också orsaken till alla biologiska fenomen. Kemisk energi är också en följd av elektromagnetisk växelverkan. Alla kontaktkrafter uppstår egentligen då elektrostatiska krafter mellan atomerna i de kroppar som är i kontakt med varandra växelverkar.

Elektromagnetisk växelverkan Alla elektriska och magnetiska fenomen är en följd av elektro­ magnetisk växelverkan.

+ +

En kropp kan ha en positiv eller en negativ elektrisk laddning. En kropp kan också sakna elektrisk laddning; då är kroppen elektriskt neutral. Två kroppar med samma tecken på laddningen påverkar varandra med en repulsiv kraft. Om kropparna har olika tecken på laddningen är kraften attraktiv.

+ –

Laddningar med samma tecken repellerar varandra. Laddningar med olika tecken attraherar varandra.

En atom består av en positivt laddad atomkärna som är omgiven av ett negativt laddat elektronmoln. Det är den elektrostatiska kraften mellan atomkärnan och elektronmolnet som håller ihop atomen.

Elektrostatisk växelverkan • Mellan elektriskt laddade kroppar finns elektrostatisk växel­ verkan.

• Den här växelverkan tar sig uttryck i att kropparna påverkas av elektriska krafter.

22

S N

Ett maglevtåg svävar ovanför banan.

Det råder magnetisk växelverkan mellan tåget och tågrälsen.

En magnet har alltid två poler, en nordpol (N) och en sydpol (S).

Bilden åskådliggör magnetfältet med magnetiska fältlinjer som går från den magnetiska nordpolen till den magnetiska sydpolen. Nord­polen i jordens magnetfält ligger nära den geografiska sydpolen.

Man kan förklara magnetisk växelverkan med fält. Runt en magnet finns ett magnetfält. Magnetfältet beskriver med hur stor kraft och i vilken riktning magneten påverkar en annan magnet eller till exempel ett järnföremål. Ju närmare varandra två magneter är, desto större är den magnetiska växelverkan mellan dem.

Jorden är omgiven av ett magnetfält. Det här magnetfältet orsakas av elektriska strömmar i jordens flytande metallkärna. Jordens magnetfält skyddar oss från partikelstrålning från rymden. Ett exempel på partikel­strålning är solvindens laddade partiklar. Magnetfältet ändrar rörelsebanan hos de laddade partiklarna och hindrar dem på det här sättet att nå jorden.

Magnetisk växelverkan Mera om magnetism

• Två magneter i magnetisk växelverkan attraherar eller repellerar varandra beroende på hur deras poler är ställda mot varandra.

• Lika poler repellerar varandra och olika poler attraherar varandra.

Järn, nickel och kobolt är exempel på ämnen som lätt kan magnetiseras. De här ämnena magnetiseras om de placeras i närheten av en magnet. Permanenta magneter görs av stål eftersom stålet går att magnetisera mer eller mindre permanent. Permanenta magneter kan också göras av neodym. En neodymmagnet är mycket stark.

Neodymmagneter är mycket starka.

23

Stark växelverkan En atomkärna innehåller positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner. Eftersom protonerna är lika laddade och ligger nära varandra sker en kraftig repulsion mellan dem. Det måste finnas en starkare typ av växelverkan än den elektrostatiska växelverkan för att hålla samman protonerna. Den växelverkan som håller samman protoner och neutroner i atomkärnan kallas stark växelverkan.

Inuti en atomkärna finns positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner.

En proton består av tre kvarkar som hålls samman av den växelverkan som förmedlas av gluonen.

Den starka växelverkan orsakar växelverkan mellan kvarkarna inne i protonerna och neutronerna. Kvarkarna binds ihop till protoner och neutroner. Räckvidden för den starka växelverkan når ändå en aning utanför protonerna och neutronerna. Den kraft som den starka växelverkan ger upphov till kallas stark kärnkraft. Den starka kärnkraften är den starkaste kraften i naturen och håller därför starkt samman protonerna och neutronerna i atomkärnan. Den starka kärnkraften avtar snabbt med avståndet, och dess räckvidd är därför mycket kort.

Man kan inte isolera eller lösgöra kvarkar från varandra. Den starka växelverkan som verkar mellan kvarkarna blir större då avståndet mellan kvarkarna ökar. Det här är orsaken till att kvarkar i naturen inte existerar som fria partiklar. Vi behandlar kvarkar mera ingående i boken FY8, Materia, strålning och kvantisering.

Stark växelverkan • Den starka växelverkan håller samman atomkärnor. Den starka växelverkan finns mellan kvarkarna inne i protonerna och neutronerna, och följden är en stark kärnkraft som verkar på protoner och neutroner.

• Förmedlarpartikeln för stark växelverkan kallas gluon.

I partikelacceleratorer undersöker man bland annat stark växelverkan.

Partiklar accelereras till hastigheter närmare ljusets och får sedan kollidera med varandra.

24

Svag växelverkan En del av atomkärnorna är inte stabila utan sönderfaller till lättare kärnor. Sådana atomkärnor kallas radioaktiva. modernuklid –

dotternuklid

β ­sönderfall

–

elektron

antineutrino neutron ➞ proton

β-sönderfall

Betasönderfall är ett exempel på radioaktivt sönderfall. Orsaken till betasönderfall är den svaga växelverkan som omvandlar en kärn­ partikel till en annan. Vid betasönderfall omvandlas en neutron till en proton eller så omvandlas en proton till en neutron. En kärna som genomgår betasönderfall sänder ut en betapartikel i form av en elektron eller en positron (elektronens antipartikel) samt en neutral partikel som är en antineutrino eller en neutrino.

Svag växelverkan • Betasönderfall orsakas av svag växelverkan i protoner och neutroner.

• Den svaga växelverkan omvandlar en neutron till en proton eller en proton till en neutron.

Det finns andra fenomen än betasönderfall som orsakas av svag växelverkan. De här fenomenen är ändå mycket ovanligare än fenomen som orsakas av de andra typerna av växelverkan.

Vid fusionsreaktioner uppstår också neutriner.

Svag växelverkan är viktig för allt liv på jorden. De fusionsreaktioner som sker i solens kärna grundar sig på den svaga växelverkan. Vid de här fusionsreaktionerna sammanslås fyra vätekärnor till en helium­ kärna under extrema tryck- och temperaturförhållanden. Samtidigt frigörs energi i form av elektromagnetisk strålning. På grund av fusions­reaktionerna i solen minskar dess massa med ungefär fyra miljoner ton varje sekund. Trots det här kommer solen att ännu kunna fortsätta med sin energiproduktion i nästan fem miljarder år.

Liv på jorden får sin energi direkt eller indirekt från solen. Växter behöver solljus till sin fotosyntes. Fossila bränslen som stenkol, olja och naturgas har bildats av den levande naturen, och den energi de innehåller har sitt ursprung i solen. Också energiproduktionen i vind- och vattenkraftverk grundar sig på fenomen som orsakas av solens strålning (lufttrycksskillnader, vattnets kretslopp). Vi återkommer till det här i boken FY2 Fysik, miljö och samhälle.

Vi kan också utnyttja solen som en direkt energikälla med hjälp av sol­ paneler (se FY2, kapitel 5, s. 51–52).

25

Uppgifter

INLEDANDE UPPGIFTER

c) katten på bilden?

Uppgifterna 1–4 är automatiskt rättande uppgifter som finns i det digitala materialet.

2-1.

Fyll i

2-2.

Välj rätt alternativ

2-3.

Rätt/fel-påståenden

2-4.

Kombinera

2-5.

Ge exempel på a) distansväxelverkan b) kontaktväxelverkan.

2-6.

Nämn tre kroppar som du just nu är i växelverkan med. Namnge vilken växelverkan.

2-7.

All fysikalisk växelverkan som förekommer i naturen kan förklaras med hjälp av fyra fundamentala växelverkningar. a) Vilka är de fyra fundamentala växel­ verkningarna? b) Mellan vilka kroppar verkar respektive växelverkan?

2-8.

Med vilka två modeller beskriver man växelverkan?

2-9.

Med vad växelverkar a) basketbollen på bilden

b) en bok som ligger på ett bord

26

2-10. Ge exempel på en situation där en kropp är i a) distansväxelverkan med åtminstone två andra kroppar b) kontaktväxelverkan med två andra kroppar.

2-11. Vad är tyngd?

2-12. På vad grundar sig påståendet att liv på jorden får sin energi direkt eller indirekt från solen?

2-13. Vilka växelverkningar dominerar i följande situationer: a) snö som faller från taket b) en svavelatom hålls samman c) en tunn plastfolie fastnar på fingret d) två magneter repellerar varandra e) en cesiumkärna sänder ut en elektron f) en kommunikationssatellit är i omlopps­ bana runt jorden g) elektroner befinner sig i elektronmolnet runt atomkärnan h) friktion som möjliggör rörelse i) du rör mobiltelefonens pekskärm med fingret j) fusionsreaktioner i solen?

FÖRDJUPADE UPPGIFTER 2-14. a) Vilka är de två teorier som beskriver gravitations­växelverkan? b) Hur förklaras gravitationens verkan med hjälp av de här teorierna?

2-15. Tre av följande påståenden är falska. Vilka?

1. Gravitationen är den dominerande växelverkan mellan himlakroppar.

2. Atomkärnans uppbyggnad bestäms av elektromagnetisk växelverkan.

3. Den svaga växelverkan håller samman atomkärnor.

4. Den svaga växelverkan kan omvandla en proton till en neutron eller en neutron till en proton.

5. Den starka växelverkan är orsaken till fusionsreaktionerna i solen och i andra stjärnor.

6. Den starka kärnkraften har en kort räckvidd.

f) Kvarkarna binds ihop av stark växelverkan. g) Betasönderfall orsakas av svag växel­ verkan.

EXPERIMENTELLA UPPGIFTER 2-19. a) Ladda ner en lämplig avgiftsfri fysikapp till din mobiltelefon. i) Bestäm väderstrecken med hjälp av appen.

2-16. Vad är den starka kärnkraften?

2-17. a) Rangordna de fundamentala växel­ verkningarna enligt deras relativa styrka. b) Jämför de relativa styrkorna på elektromagnetisk växelverkan och stark växel­ verkan.

TILLÄMPADE UPPGIFTER 2-18. Undersök sanningshalten i följande påståenden. Om påståendet är falskt ska du motivera varför. a) Gravitation förekommer bara mellan himlakroppar. b) Elektrostatisk och magnetisk kraft hänför sig till samma fundamentala växelverkan. c) Den kraft som golvet påverkar din skosula med orsakas av gravitationsväxelverkan. d) Stark växelverkan är den enda växelverkan som förekommer inuti en atomkärna. e) De kemiska egenskaperna hos ett ämne bestäms av elektromagnetisk växelverkan.

ii) Man kan bestämma styrkan på jordens magnetfält (egentligen den magnetiska flödestätheten på jordens magnetfält) med en magnetometer. Bestäm styrkan på jordens magnetfält. Placera din mobil­­telefon nära en högtalare. Vad märker du? b) Gnid två uppblåsta ballonger mot ditt hår.

Placera ballongerna nära varandra på ett bord. Vad märker du? Håll den ena ballongen mot väggen och släpp sedan taget.

Vad märker du? c) Vilken av de fyra fundamentala växelverkningarna förklarar dina iakttagelser i b-fallet?

27

Sammanfattning

växelverkan

kontakt­ växelverkan

distans­ växelverkan

Växelverkan • Då en kropp växelverkar med en annan kropp eller med omgivningen påverkas den av en eller flera krafter.

• Kraft är en storhet som beskriver storleken på växelverkan.

• Växelverkan kan antingen vara kontakt- eller distansväxelverkan.

• Vid distansväxelverkan är kropparna inte i beröring med varandra, men om de rör varandra är det fråga om kontaktväxelverkan.

• Kontaktkrafter uppstår som följd av elektromagnetisk växelverkan mellan atomerna och molekylerna i de kroppar som är i kontakt med varandra.

• Växelverkningar kan antingen beskrivas med ett fält eller med förmedlarpartiklar.

Fundamentala växelverkningar Alla fenomen i naturen kan beskrivas med de fyra fundamentala växelverkningarna (den tillhörande förmedlarpartikeln i parentes):

Gravitationsväxelverkan (graviton) • Mellan kroppar med massa finns gravitationsväxelverkan.

• Tyngden är en kraft som orsakas av gravitationsväxelverkan.

Elektromagnetisk växelverkan (foton) De elektriska och magnetiska egenskaperna hos kroppar är en följd av elektromagnetisk växelverkan.

Stark växelverkan (gluon) Den starka växelverkan håller samman atomkärnor. Den starka växelverkan finns mellan kvarkarna inne i protonerna och neutronerna, och följden är en stark kärnkraft som verkar på protoner och neutroner.

Svag växelverkan (mellanbosoner) • Vid svag växelverkan kan en kärnpartikel omvandlas till en annan.

• Betasönderfall orsakas av svag växelverkan i protoner och neutroner.

Den svaga växelverkan omvandlar en proton till en neutron eller en neutron till en proton.

28

TESTA VAD DU K AN Det kan finnas ett eller flera rätta alternativ.

1. Fysikaliska metoder och fysik tillämpas inom a) biologi b) medicin c) idrottsvetenskap d) meteorologi.

2. Enligt den naturvetenskapliga metoden a) får man reda på information om natur­ fenomen genom mätningar och försök b) kan man godta modeller och teorier även om man inte har hunnit testa dem med mätningar c) ställer man upp en matematisk model utifrån mätresultat d) testas en hypotes med många olika försök.

3. Kunskaper i fysik a) ger en grund för förståelse av förändringar i vår livsmiljö b) hjälper oss att se de möjligheter som teknologin erbjuder oss för att garantera en hållbar utveckling c) hjälper oss att fatta riktiga och vettiga beslut angående till exempel frågor som berör klimat­förändringen.

4. Grundkunskaper i fysik behövs hos till exempel a) arkitekter b) läkare c) röntgenskötare d) optiker.

5. Då två kroppar växelverkar med varandra a) påverkas kropparna av en eller flera krafter b) påverkar de varandra på samma sätt och samtidigt c) är kraften som verkar på den större kroppen större än den kraft som verkar på den mindre kroppen d) påverkas kropparna av lika stora men motsatt riktade krafter.

6. Exempel på fundamental växelverkan är a) gravitationsväxelverkan b) distansväxelverkan c) stark växelverkan d) kontaktväxelverkan.

7. De kemiska egenskaperna hos ett ämne bestäms av a) svag växelverkan b) stark växelverkan c) elektromagnetisk växelverkan d) gravitationen.

8. Stark växelverkan a) finns mellan alla kroppar b) finns mellan alla elementarpartiklar c) finns mellan kvarkar d) finns bara mellan laddade partiklar.

9. Man kan beskriva växelverkan med a) fält b) elementarpartiklar c) förmedlarpartiklar.

10. Gravitationsväxelverkan a) håller månen i omloppsbana runt jorden b) är orsaken till att stjärnor rör sig i omlopps­ banor runt galaxers mittpunkt c) har oändlig räckvidd.

11. Förmedlarpartikeln för stark växelverkan är a) gluonen b) gravitonen c) fotonen d) neutronen.

12. Som en följd av svag växelverkan a) sker fusionsreaktioner i solen där en väte­ kärna omvandlas till en syrekärna genom att två neutroner omvandlas till protoner b) sker fusionsreaktioner i solen där fyra vätekärnor sammanslås till en heliumkärna c) sönderfaller en del atomkärnor spontant till lättare atomkärnor.

29

Mätningar i vårt moderna samhälle

Allt eftersom tekniken utvecklats har olika mätmetoder och mätningar blivit vanligare i vårt vardagsliv. Mobiltelefonen eller olika appar kan till exempel bestämma kart­ koordinater, räkna antalet steg under en dag, mäta ljusstyrkan i arbetsrummet eller varna för hög ljudnivå under en konsert.

Aktivitetsmätaren registrerar olika kroppsfunktioner

E

n aktivitetsmätare är en apparat som med hjälp av olika givare (sensorer) följer med och mäter olika kroppsfunktioner.

Aktivitets­mätaren placeras till exempel runt handleden och kopplas sedan trådlöst till en mobiltelefon. Det är lätt att följa med mätresultaten på telefonens stora bildskärm.

En aktivitetsmätare som mäter din kroppstemperatur gör det med hjälp av en termistor. En termistor är ett motstånd (resistor) med en resistans som är temperaturberoende. Om man noggrant känner motståndets temperaturberoende, kan man alltså bestämma temperaturen genom att mäta resistansen. Eftersom motståndet i aktivitetsmätaren är i kontakt med huden kan aktivitetsmätaren ange kroppstemperaturen.

Givarna i en smart ring mäter olika kroppsfunktioner.

30

En smart ring kan till exempel mäta pulsen. Det här sker med ljus.

En del av ljuset reflekteras tillbaka från huden. Mängden reflekterat ljus kan bestämmas med en fotodiod. Hur stor del av ljuset som reflekteras beror på mängden blod i fingret, och mängden blod i sin tur varierar periodiskt på samma sätt som hjärtats slag. Givaren i ringen kan således ange pulsen genom att analysera de periodiska förändringarna i mängden reflekterat ljus.

En självkörande bil kan registrera omgivningen och vid behov köra helt förarlöst.

Kartappen i din mobiltelefon baserar sig på olika satellitnavigeringssystem.

Positionsbestämning och 3D-modellering av terrängen KARTAPPAR och mobiltelefonens positionsbestämning baserar sig på olika satellitnavigationssystem. Det mest kända satellitnavigationssystemet är GPS-systemet (Global Positioning System). En GPS-mottagare tar emot signaler från flera satelliter samtidigt. Signalerna rör sig med ljusets hastighet. I mottagaren jämförs tiderna som det tagit för signalerna att nå mottagaren, och utifrån det kan positionsbestämningen göras. Tidsmätningen måste göras snabbt eftersom ett fel på en nanosekund motsvarar flera meter i terrängen. För att positions­ bestämningen ska fungera tillförlitiligt måste mottagaren samtidigt vara i kontakt med åtminstone fyra navigationssatelliter.

Laserskanning har många tillämpningar LASERSKANNING är en mätmetod som gör det möjligt att skapa 3D-kartor av terrängen eller 3D-ritningar av till exempel byggnader.

Vid laserskanning sveper en laserstråle över ett bestämt område. Med hjälp av den reflekterade laserstrålen kan koordinaterna till ett stort antal punkter bestämmas med en noggranhet på i bästa fall någon centimeter. Då laserstrålen sveper över mätområdet från olika riktningar erhålls en tredimensionell mät­ databas som ofta visualiseras som ett punktmoln. Ett punktmoln är en stor samling av koordinater i tre dimensioner. Laserskanning har många tillämpningar. Metoden används i till exempel arkeologiska undersökningar, vid planering och renovering av stora industri­ anläggningar, vid inventering av skogsbestånd och för att bedöma översvämningsrisker vid älvar och floder.

En bild som visar en spårfossil av fotavtrycket från en hominid som levde för ungefär 3,6 miljoner år sedan. Bilden är framtagen med laserskanning.

Hur fungerar en förarlös bil?

MÅNGA MODERNA BILAR har kameror och olika sändare och sensorer för att kunna känna av omgivningen. Sändarna kan sända ut ultraljud-, laser- eller radiopulser som sedan reflekteras från bilens näromgivning. Utifrån den tid det tar för pulsen att röra sig från sändaren, via en reflek­ terande yta i bilens omgivning och tillbaka till bilens sensor fås information om avståndet mellan bilen och till exempel andra bilar, fotgängare eller eventuella hinder på vägen. Den här informationen används för bilens nödbroms­ system och som parkeringshjälp.

?

Biltillverkarna satsar på många olika förarstödsystem som ska hjälpa bilföraren i olika situa­ tioner. Det har bidragit till att bilsäkerheten ökat mycket under de senaste decennierna. Moderna bilar har många givare och sen­ sorer som hela tiden samlar infor­ mation om körningen. Vid behov kan bilen till exempel automatiskt stabiliseras genom att något eller några av hjulen bromsas eller genom att motorns effekt stryps.

31

5

Mätningar och mätfel

DET HÄR KAPITLET HANDLAR OM

CENTRALA BEGREPP

• mätningar

• mätnoggrannhet och feluppskattning

• orsaker till mätfel.

• absolut och relativt fel

52

En mätning kräver planeringsarbete Då fysiker undersöker fenomen och samlar ny information utför de mätningar av olika slag. Våra sinnen räcker inte till då vill utföra noggranna mätningar och få jämförbara mätresultat. Därför måste mätningarna utföras med hjälp av mätverktyg. Ett mätresultat ska alltid vara oberoende av den som utför själva mätningen.

Ett exempel på en forsknings­fråga är Hur påverkar massan storleken på accelerationen hos en kropp som rör sig längs ett vågrätt underlag? I laborationen mäts sedan accelerationen för ett antal kroppar med olika massa.

Då man ska undersöka ett fenomen börjar man alltid med att formulera en forskningsfråga.

Ju mer detaljerad forskningsfrågan är, desto lättare är det att fastställa vilka storheter som ska mätas och planera själva utförandet. Följande steg är att göra en laborationsplan. Ur laborationsplanen framgår till exempel hur mätningen ska utföras och vilken mätutrustning som krävs.

Ett fenomen påverkas vanligtvis av flera faktorer, eller variabler, samtidigt. Då man utför en laboration undersöker man däremot en variabel i taget. Under mätningen strävar man efter att hålla alla andra variabler så konstanta som möjligt. På det här sättet får man noggrann information om hur den ifrågavarande variabeln ensam påverkar situationen.

För att mätresultatet ska bli så tillförlitligt som möjligt utför man alltid en mätning flera gånger.

Planering och utförande av en laboration • Ställ en forskningsfråga.

• Sök fram teori om fenomenet.

• Gör en laborationsplan.

• Utför mätningar.

• Behandla mätresultat och gör en grafisk framställning.

• Gör en feluppskattning och fundera på felkällor.

• Skriv en laborationsrapport.

Mätverktygen måste väljas så att deras mätnoggrannhet är tillräcklig.

Om du till exempel ska bestämma innerdiametern på ett rör är det bättre att använda ett skjutmått i stället för en linjal.

Valet av mätverktyg påverkas bland annat av hur noggrant mätresultat som krävs. Vid längdmätningar kan man till exempel använda ett skjutmått eller en mikrometerskruv. De här mätverktygen har en mätnoggrannhet på ungefär 0,1 mm respektive 0,01 mm.

53

Mätningar är aldrig exakta Alla mätningar är alltid förknippade med en viss inexakthet – med mätfel. Mätningens tillförlitlighet påverkas av till exempel mätutrustningen, personen som utför mätningen, fenomenet som mäts och yttre förhållanden under själva mättillfället. Det finns olika typer av mätfel.

Ett grovt fel uppstår om mätverktyget används på ett felaktigt eller icke-ändamålsenligt sätt eller som följd av ett avläsningsfel. Grova fel upptäcks oftast lätt om man upprepar mätningen flera gånger och jämför de olika mätvärdena med varandra.

Ett systematiskt fel upprepar sig vid varje mätning och påverkar alltid resultatet i en och samma riktning. Det finns många orsaker till systematiska fel: mätverktygets skala är felaktigt gjord (felkalibrerad), man avläser ett värde snett från en analog visare eller yttre faktorer (temperatur, lufttryck, luftfuktighet) inverkar på själva mätningen. Det är ofta svårt att upptäcka ett systematiskt fel. Det upptäcks kanske först då samma fenomen undersöks med en annan försöksuppställning.

Slumpmässiga fel förekommer i alla mätningar. Orsaken till ett slumpmässigt fel kan till exempel vara att man råkar avläsa en mätare fel, är allmänt slarvig eller att reaktionstiden varierar mellan olika tidtagningar.

Ett slumpmässigt fel är lätt att upptäcka om mätningen upprepas flera gånger. Mängden slumpmässiga fel kan också minskas genom dator­ baserade mätningar. Ett exempel på det är den elektroniska tidtagningen i en löptävling.

Vid idrottstävlingar används elektronisk tidtagning för att minska på antalet slumpmässiga fel.

Många faktorer kan inverka på mätnoggrannheten. För att man ska få ett så noggrant mätvärde som möjligt är det viktigt att mätinstrumentet och mätsituationen inte påverkar mätvärdena. Vid till exempel en temperaturmätning får termometern inte ändra temperaturen på den kropp eller det ställe där mätningen utförs.

Alla mätningar är förknippade med inexakthet och ett mätresultat är nästan alltid bara ett närmevärde. Ibland kan ändå ett mätresultat vara exakt, till exempel då du räknar antalet studerande i din fysikgrupp.

Det är fråga om ett systematiskt fel om universalmätaren ger elströmmens värde med enheten milliampere och den som utför försöket skriver ner värdena med enheten ampere.

54

Mätresultat och felgränser Mätnoggrannheten anger hur tillförlitligt ett mätresultat är. Det beror på situationen vad man anser vara en tillräcklig mätnoggrannhet: en skolresas längd går bra att ange med noggrannheten en minut medan man i löptävlingar mäter tiden med en noggrannhet på 0,01 s.

I fysiken anger man alltid felgränser för det mätresultat man kommit fram till.

Mätningens absoluta fel uttrycker hur mycket mätresultatet högst kan skilja sig från mätvärdet. Man anger alltid mätvärdet och det absoluta felet med samma noggrannhet.

En linjal har en noggrannhet på ± 1 mm. Tändstickans längd är 44 mm ± 1 mm. Mätningens relativa fel är 1mm ∆l = l m 44 mm = 0,0227273 ≈ 3 %.

Mätningens relativa fel uttrycker hur stort det absoluta felet är i för­ hållande till mätvärdet. Man anger det relativa felet i procent.

Mätresultat och fel • Ett mätresultat kan anges i formen x = xm ± Δx, där xm är mätvärdet (det experimentellt uppmätta värdet på storheten) och Δx det absoluta felet.

• Mätresultatet uppskattas ligga mellan xm – Δx och xm + Δx.

• Det relativa felet beräknas ∆x . xm • Felet avrundas uppåt.

EXEMPEL 1

Absolut och relativt fel

En studerande placerade en vikt på en våg som gav utslaget 51,3 g.

Enligt tillverkaren är vågens noggrannhet 0,1 g. a) Bestäm mätningens absoluta fel. b) Bestäm det relativa felet. c) Ange mätreultatet med felgränser.

Lösning mm = 51,3 g, Δm = 0,1 g a) Det absoluta felet är Δm = 0,1 g. b) Det relativa felet är ∆m = 0,1 g = 0,00194932 ≈ 0,2 %. mm 51,3 g c) Viktens massa med felgränser är m = mm ± Δm = 51,3 g ± 0,1 g.

Svar a) Mätningens absoluta fel är 0,1 g. b) Mätningens relativa fel är 0,2 %. c) Viktens massa med felgränser är m = 51,3 g ± 0,1 g.

55

Mätserie Oftast utförs en mätning i fysiken så att många personer samtidigt mäter samma storhet eller så upprepas en enskild mätning många gånger. Som mätresultat kan man då använda medelvärdet av mätningarnas resultat. En mätserie innehåller mätvärden från många mätningar. Felet för en mätserie kan uppskattas på flera olika sätt.

Halva variationsbredden Ett sätt att uppskatta felet för en mätserie är att beräkna halva x − x min variations­bredden på mätvärdena ∆x = max , 2 där xmax och xmin är det största respektive minsta mätvärdet.

Feluppskattningen avrundas alltid uppåt.

EXEMPEL 2

t (s) 12,27 12,37 12,12 12,29 12,09 12,13 12,34 12,35 12,21 12,39

Feluppskattning med hjälp av halva variationsbredden

En grupp studerande mäter manuellt tiden det tar för deras fysiklärare att gå en bestämd sträcka. Alla mätvärden skrivs in i en tabell. Ange tiden med felgränser.

Lösning Vi använder medelvärdet av mätningarnas resultat som mätresultat och uppskattar mätfelet genom att beräkna halva variationsbredden.

Medelvärdet fås då vi adderar alla uppmätta tider och sedan dividerar med antalet mätningar. Man kan också bestämma medelvärdet med ett kalkylprogram. Medelvärdet är tm = 12,256 mm.

Det största mätvärdet är tmax = 12,39 s och det minsta tmin = 12,09 s.

Halva variationsbredden är 12,39 s − 12,09 s t −t ∆t = max min = = 0,15 s.

2 2 Tiden med felgränser är t = tm ± Δt = 12,3 s ± 0,2 s.

Svar Den uppmätta tiden med felgränser är t = 12,3 s ± 0,2 s.

Ett atomur i en GPS-satellit visar tiden med en noggrannhet på ungefär en nanosekund. Ett mätfel i storleksordningen hundra nanosekunder skulle leda till att bilens positionsbestämning blev tiotals meter fel.

56

Gör en laborationsrapport Laborationens syfte: Uppgiften är att bestämma svängningstiden för en pendel.

Teori: Den tid som går åt till att utföra en hel svängning kallas svängningstid eller period.

Planering och utförande av laborationen: Först mäts tiden som går åt till fem hela svängningar (t5). Mätningen upprepas sex gånger. Mätresultatets fel uppskattas med hjälp av halva variationsbredden.

Mätresultat: Mätning t5 (s)

1

2

3

4

5

6

13,06

12,55

12,45

12,80

13,37

12,98

Beräkningar: Svängningstiden för en svängning t beräknas utifrån de uppmätta tiderna t5. Medelvärdet för de beräknade tiderna bestäms.

Mätning

Fortsätt

Nollställ

t5 (s)

t (s)

1

13,06

2,612

2

12,55

2,510

3

12,45

2,490

4

12,80

2,560

5

13,37

2,674

6

12,98

2,596

medelvärde Världsklocka

Tidtagning

Timer

Trots att mobiltelefonen mäter tid med en noggrannhet på en hundradelssekund är det inte förnuftigt att ange resultatet med en större noggrannhet än med en tiondels sekund eftersom människans reaktionstid påverkar varje mätning.

2,574

Medelvärdet för en svängning är tm = 2,574 s.

Halva variationsbredden på mätvärdena är 2,674 s − 2,490 s t −t ∆t = max min = = 0,092 s.

2 2 Laborationens resultat: Svängningstiden för pendeln är t = tm ± Δt = 2,6 s ± 0,1 s.

Det är fråga om en manuell tidtagning. Det relativa felet är ∆t = 0,092 s = 0,0357420 ≈ 3,6 %. t m 2,574 s

57

Uppgifter

INLEDANDE UPPGIFTER

5-7.

Vad mäter man med mätaren på bilden?

Uppskatta mätresultatet.

5-8.

Vilka mätningar skulle kunna ge följande mätresultat? a) 168 cm b) 75 km/h c) 21 °C d) 6 m/s e) 110 m2 f) 9,58 s

5-9.

a) Vilka storheter ska du mäta om du vill bestämma volymen för klassrummet? b) Hur kan du mäta vattnets strömnings­ hastighet i en flod? c) Hur noggrant ska du ange mätresultatet om du använder mobiltelefonens tidtagarfunktion?

Uppgifterna 1–3 är automatiskt rättande uppgifter som finns i det digitala materialet.

5-1.

Fyll i

5-2.

Rätt/fel-påståenden

5-3.

Flervalsuppgift

5-4.

Vilket mätverktyg använder du då du bestämmer a) bredden på en bok b) längden på ett rum c) din kroppstemperatur d) utetemperaturen e) hur lång tid din skolresa tar f) massan på din mobiltelefon?

5-5.

Ange tre storheter som man kan mäta utifrån vad som sker på bilden.

5-10. Vad är skillnaden mellan en mätnings absoluta och relativa fel?

5-6.

58

Bilden visar en del av instrumentpanelen i en bil. Ange tre storheter som bilens givare mäter.

5-11. En grupp studerande mätte tiden det tar för en boll att rulla 7,0 m. Tiderna mättes med mobiltelefonens tidtagarfunktion. Medel­ värdet för mätningarna blev 4,467 s. Den längsta och den kortaste uppmätta tiden var 4,77 s respektive 4,25 s. a) Ange mätresultatet med felgränser. b) Beräkna det relativa felet. c) Hur skulle man kunna förbättra mätningen?

TILLÄMPADE UPPGIFTER

FÖRDJUPADE UPPGIFTER

5-12. En grupp studerande mäter ytterdiametern d på en flasköppning. Mätningarna utförs med en mikrometerskruv. Alla mätresultat skrivs in i en tabell. d (mm)

12,38

12,40

12,59

12,53

12,40

12,57

12,37

12,39

Ange ytterdiametern med felgränser. Bestäm också det relativa felet på den uppmätta diametern.

5-13. Det finns många olika slags mätappar du kan ladda ner till din mobiltelefon. Vilka stor­heter har man mätt här? Vilka enheter används för de här storheterna? a)

HK

b)

5-14. Bilden visar en blodtrycksmätare. a) Vad avses med beteckningarna SYS mmHg och DIA mmHg?

5-15. a) Vilken storhet mäts på bilden?

b) Vad är i) mätetalet ii) enheten för den uppmätta storheten? c) Tillverkaren anger att mätaren har en mätnoggrannhet på 0,1 bar. Ange mät­ resultatet med felgränser. d) Mätaren anger mätvärdet med en enhet som inte hör till SI-systemet. Ange mät­ resultatet med SI-enheter.

5-16. Bredden och höjden på en mobiltelefons bildskärm uppmättes till 59 mm respektive 104 mm. Mätnoggrannheten uppskattades till ± 1 mm. Ange bildskärmens area med felgränser. Uppskatta felet med hjälp av halva variationsbredden. Hur stort är det relativa felet?

EXPERIMENTELLA UPPGIFTER 5-17. Studera en pendel. Den tid som går åt till att utföra en hel svängning kallas svängningstid eller period. Undersök hur en pendels massa påverkar dess svängningstid.

5-18. Undersök hur en pendels längd påverkar dess svängningstid. Skriv en laborationsrapport.

b) Varför mäter man blodtrycket runt handleden eller runt överarmen? c) Vilken tryckenhet används då man anger blodtrycket?

59

De mångsidiga kompetenserna i FY1 Genom dina gymnasiestudier ska du utveckla en mångsidig kompetens. För det behöver du mer än rena ämneskunskaper. På det här uppslaget pekar vi på sex olika kompetenser och var i läromedlet de står i fokus.

Kompetenserna tas upp i olika former av innehåll: i själva huvudtexten och bilderna i läromedlet, i uppgifter, i arbetet med olika genrer och olika språk i tal och skrift, genom att du fördjupar dig i forskning och fakta och reflekterar kring andras erfarenheter och upplevelser. Vi tipsar också om hur du kan koppla till dina kunskaper i andra ämnen!

De här innehållstyperna använder vi i våra läromedel

Basinnehåll

Uppgifter

Flera genrer

Flera ämnen

Här får du jobba med mångsidig kompetens i läromedlets text- och bildmaterial.

Här får du jobba med mångsidig kompetens i uppgifter till basinnehållet.

Här får du jobba med andra genrer än lärobokstext.

Här får du tips på andra ämneskunskaper du kan använda.

Kompetens för välbefinnande

Kommunikativ kompetens

Tvärvetenskaplig och kreativ kompetens

Forskning och fakta Här får du ta del av forskning och fakta utanför lärobokstexten.

Erfarenhet och upplevelser

Flera språk Här möter du flera olika språk.

Här får du ta del av enskilda individers erfarenheter och upplevelser.

Samhällelig Etisk kompekompetens tens och miljökompetens

Global och kulturell kompetens

E ko tisk m m ilj pe ök te om ns pe oc te h Gl ns ku ob ko ltu al m re o c pe ll h te ns

K vä om lb pe efi te nn ns an fö de r K ko om m m pe un te ik ns at iv T oc vär ko h ve m kre ten pe a s te tiv ka pl ns ig Sa ko m m hä pe lle te lig ns

HÄR HITTAR DU kompetenserna i läromedlet

Fysikens världsbild 10 en

1 Fysiken är en naturvetenskap som baserar sig på observationer och mätningar

11

10 GE 14 HI

17 HI

16

10

17

11 en

17 20

2 Alla fenomen i naturen grundar sig på växelverkan

4

25

29

23 21 21 en 29

Mätningar i vårt moderna samhälle 30

3 Storheter och enheter

34

31 40 MA 45 MA

4 Materiens struktur och storleksodningar i universum

48–49 48–49 KE 59

5 Mätningar och mätfel

59 HK 63

6 Grafiska modeller

63 MA

69

68 68 BI, GE, SL

75

7 Matematiska modeller

75 MA 76 76 KE

8 Undersökning av rörelse

83 83 83 HK

90–93 en

Ord och begrepp

Totalt

6

5

17

3

4

5

FY 1 Fysiken som naturvetenskap (GLP 2021)

Jenni Andersin Pentti Frondelius Jari Latva-Teikari Heikki Lehto Jonas Waxlax

ISBN 978-951-52-5328-6

9

789515

253286

PRINCIPIA

FY 1 PRINCIPIA FYSIKEN SOM NATURVETENSKAP

FYSIK

FY FYSIKEN SOM 1

NATURVETENSKAP Jenni Andersin Pentti Frondelius Jari Latva-Teikari Heikki Lehto Jonas Waxlax