Opetus: Fysiikka

Arviointi

Kokeet, tuntityöskentely (tehtävät) ja tuntiaktiivisuus.

Yleistä

List of material https://docs.google.com/document/d/1N-9Ka8SkKwiiSUAq3qvZhZepMZY_JFWV/edit

7. lk: Lämpö

Mitä fysiikka on. Perusmittaukset

Experiment: Perusmittaukset

Lämpöasteikko

Lämpömittarityypit

Bimetalli
Neste
Elohopea
Elektroninen
Säteilyyn perustuva

Peruspisteet (vuodesta 1954) 1 ATM:

Veden kolmoispiste 273.1600 K = 0.01 °C. Neil de Grasse Tyson: How Can Water, Ice, and Steam Exist At Once?
Veden kiehumispiste 100 °C

Peruspisteet (20. toukokuuta 2019 alkaen):

Kelvin-asteikko ja Boltzmannin vakio

Lämpölaajentuminen

Rautatiet, sähköjohdot, sillat.

Lämpöenergia

Olomuodon muutokset

Lämmön siirtymistavat

Lämpötasapaino

Ekstrat

7. lk: Aaltoliike

Aallon eteneminen

Värähtelijä ja ääni

Valon heijastuminen. Peilit

Kuvan muodostuminen peilissä:

https://en.wikipedia.org/wiki/Caustic_(optics)

https://phys.org/news/2013-06-magicians-mirror-large-scale-cloaking.html

Valon taittuminen

Linssit

Ekstrat

8. lk: Liike ja voima

Fysiikan laskutehtäviin vastaaminen:

Lue tehtävä
Kirjoita suureet näkyviin
Piirrä aiheeseen liittyvä kuva
Kirjoita relevantti fysiikan laskukaava
Ratkaise haluttu suure
Sijoita numerot
Laske
Lue tehtävä ja tarkista, vastasitko oikeaan kysymykseen
Kirjoita vastaus

Arviointi:

Ei tehty: 0p
Puoliksi tehty: 1p
Tehty: 3p
Hyvin tehty: 4p
Lisäskaalaus.

Nopeus

Nopeuskuvaaja
Piirrä kolmiot
Merkitse muutokset yhtälönä
Merkitse muutokset numeroina
Laske muutokset
Caption1

Nopeuskuvaaja
Nopeuskuvaaja
Nopeuskuvaaja

Kiihtyvyys

Paikka Python-kielellä laskettuna. Muuta g:n arvoa ja alkunopeuksia.

Stop Faking It: Force & motion. https://my.nsta.org/resource/2608

import matplotlib.pyplot as plt

N = 10;
x = [0.0]
y = [0.0]

dt = 1
vx = 2
vy = 5
g = -1

for i in range(1, N):
    x.append( x[i-1] + vx*dt )
    y.append( y[i-1] + vy*dt )
    vy = vy + g*dt
    

plt.plot( x,y )
plt.ylabel( "Korkeus [m]")
plt.xlabel( "Matka [m]")
plt.show()

Voimat ja vuorovaikutus

Voima- ja vastavoima: https://twitter.com/Rainmaker1973/status/1434049149851275264?s=09

Noste ja kitka

Paine

Ideaalikaasu: https://twitter.com/zhigangsuo/status/1521837434018930688?t=4-QPfZIIq-F2NlXH-ZaYjQ&s=09

Ekstrat

8. lk: Liike ja energia

Energian muutokset ja lajit

Työ

Impulssi.

Eksperimentti: hyppykorkeuden määrittäminen lentoajalla. Eksperimentti: hyppykorkeuden määrittäminen impulssilla.

Nostotyö ja potentiaalienergia

Teho ja hyötysuhde

Yksinkertaiset koneet

Eureka:

Julius S Miller:

'"`UNIQ--youtube-0000000D-QINU`"'

'"`UNIQ--youtube-0000000E-QINU`"'

Ekstrat

8. lk: Sähkö

Staattinen sähkövaraus

Jännite, sähkävirta, virtapiiri

Sähkökytkennät.

Jännite ja virta

Lamppu (outchh), vastus

Sähköenergia

9. lk: Energia yhteiskunnassa

Magnetismi

Generaattori

Kodin virtapiirit

Voimalaitokset

Energian säästö

9.lk

Maailmankaikkeus ja sen synty

Standardimalli

Protoni: https://www.youtube.com/watch?v=G-9I0buDi4s

Standardimalli

Noin neljä perusvuorovaikutusta.

Gravitaatio pitää galaksit ja maailmankaikkeuden kasassa
Sähkömagneettinen pitää atomit kasassa. Fotoni.
Vahva voima pitää ytimet kasassa. Gluoni.
Heikko voima hajottaa ytimet. W- ja Z-bosoni.

Atomin osat. Miksi ydin pysyy kasassa, koska sähköinen voima. 2 protonia: kiihtyvyys n. 13000km/s. Uraani? Vahva voima.

Protoni: 2u + d. Tai sitten ei: https://cerncourier.com/a/the-proton-laid-bare/
Neutroni: u + 2d
Elektroni: e

Vahva voima (gluonit).

Protoneita enintään 119: lyhyt kantama.
Protonien välillä (ydinfysiikka), kvarkkien välillä (hiukkasfysiikka)

Heikko voima (W- ja Z-bosonit hyvin raskaita; toinen varattu toinen ei).

Tunnistaa spinin ja erottaa materian antimateriasta.

Betahajoaminen $\beta$ : $\beta ^{-}$ tai $\beta ^{+}$ .

^{14 ₆ C → ¹⁴ ₇N + e⁻ + ν_e}
^{3₁H → ³₂He + e⁻ + ν_e}
n → p + e⁻ + ν_e.
Baryonit: kolmesta kvarkista koostuva hiukkanen: atomit
Leptonit. Leptonien säilyminen 1930-luvulla?

$\beta ^{-}$ -hajoaminen
Säilymislaki	₀¹n	₁¹p	$_{-1}^{0}\beta ^{-}$	${\overline {\nu }}_{e}$
Q (varaus)	0	+1	-1	0
B (baryonit)	+1	+1	0	0
L (lepton)	0	0	+1	-1

Sama $\beta ^{+}$ -hajoamisesta. Skipataan, mutta sama kvarkeilla (hiukkasfysiikkaa):

₀¹n → ₁¹p + $_{-1}^{0}\beta ^{-}$ + ${\overline {\nu }}_{e}$
udd → uud + $_{-1}^{0}\beta ^{-}$ + ${\overline {\nu }}_{e}$

$\beta ^{-}$ -hajoaminen
Säilymislaki	d	u	$_{-1}^{0}\beta ^{-}$	${\overline {\nu }}_{e}$
Q (varaus)	-1/3	+2/3	-1	0
B (baryonit)	+1/3	+1/3	0	0
L (lepton)	0	0	+1	-1

Leptonit (kreikka, pieni).

Elektroni

Massa (e:n suhteen): $1$
Elinaika: $\infty$
Valo ja koko kemia

Muoni

Massa (e:n suhteen): $207$
Elinaika: $2.2\times 10^{-6}$
G-2 -koe, jossa mitattiin muonin pyörimistä. . .

Tau

Massa (e:n suhteen): $3478$
Elinaika: $2.9\times 10^{-13}$

Neutriino

Radioaktiivisuus näytti rikkovan energian säilymislakia
vuorovaikuttaa vain heikon vrk:n kautta
Vuonna 1962 löydettiin kaksi muuta neutriinoa.
Auringosta tuli 1/3 siitä määrästä neutriinoista mitä tuli tulla: ehkä se vaihtaa identiteettiä (neutriino-oskillaatio). 1998-2001 neutriino-oskillaatio todistettiin.

Fermilabin videoita: https://www.youtube.com/c/fermilab/playlists

Säteilysairaudet

Mullerin kirja Physics for Future Presidents, kpl 4: Radioativity https://muller.lbl.gov/teaching/Physics10/PffP_textbook/PffP-04-radioactivity-5-27.pdf

Tiivistelmä. Laintoin boldilla niitä, mitkä voit kirjoittuttaa vihkoon. Muutakin saa, tietenkin.

Pulpettisi on radioaktiivinen
Sinä olet radioaktiivinen
Yhdysvaltain alkoholivirasto testaa alkoholijuomien radioaktiivisuuden. Jos se ei säteile tarpeeksi, sitä ei saa myydä.
Hiroshiman pommituksessa n 2% kuolleista kuoli säteilystä johtuvaan syöpään.

Radioaktiivisuus tarkoittaa atomin ytimen räjähtämistä. Siinä vapautuva energia on mieletön verrattuna tavallisiin kemiallisiin prosesseihin: n 1 000 000 –kertainen. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Niistä tuli jo viimeksi vähän standardimallin yhteydessä (kvarkit ja gluonit).

Atomin järjestysluku on protonien lukumäärä. Vedyllä 1, heliumilla 2, uraanilla 92. Neutronien lukumäärä voi vaihdella: saadaan isotooppeja.

Vety 1 p + 1e
Deuterium 1p + 1n + 1e. 1/6000 vedystä on deuteriumia: raskasta vettä.
Tritium 1p + 2n + 1e; 10^{-18} on tritiumin lkm. Tritium on radioaktiivinen. Käytetään lääketieteessä ja vetypommissa.

Oma nimi näillä isotoopeilla.

Over 99% of uranium found in the Earth has a nucleus with 92 protons and 146 neutrons, making up a total of 92+146 = 238 particles in the nucleus. This is called U-238. But about 0.7% of the uranium has only 143 neutrons in the nucleus instead of 146. This is a different “isotope” of uranium called U-235. It is very important, because U-235 plays a key role in the atomic bomb and nuclear reactors.

Säteily ja säteet.

Yleensä pieni hiukkanen lentää isosta ytimestä. Kun se aluksi läydettiin, kukaan ei tiennyt, mitä tulee ulos. . . Vaikuttivat samalta kuin Röntgen-säteet, jotka oli lydetty hieman aiemmin (1895). Huomattiin, että ytimestä tulee kolmenlaisia hiukkasia, joille annettiin nimet

alpha : pysähtyy paperiin. He-atomin ydin: He^{2+} (2p+2n)
beta: pysähtyy alumiiniin? Elektroni:
gamma: läpäisee 3m teräsbetonia: smg-säteilyä, gamma-oli jo viime tunnilla.

Hiukkaset eivät pysähdy heti. Ne kimpoavat atomeista useita kertoja ennen kuin pysähtyvät. Jokaisessa törmäyksessä ne voivat kimmottaa molekyyliun tai mutatoida geenin (mikä on geeni? – oli jo). Vaikutus on pieni, mutta. . . Mutta gammasäteily pruukaa absorpoitumaan atomiin, mutta atomi virittyy ja viritystilan purkautuessa lähettää uutta säteilyä, mikä tekee suurimman vaurion.

Säteily ja kuolema: REM / Sievert; 100 rem = 1 Sievert.

Säteilyn aiheuttamaa biologista vahinkoa kutsutaan nimellä REM. Jos jokaisen ihon neliösentin läpäisee 2 miljardia gammasädettä, vaikutus on 1 REM. 1 mrd ei ole suuri luku, koska atomit ovat pieniä. Yleensä keho korjaa vahingot.

Säteilymyrkytys. Lievän säteilysairaudet oireet: väsymys, energiamattomuus, hiusten lähtö.

Alle 100 rem: ei
100 rem: solun aineenvaihdunta ei toimi: tulet sairaaksi
100 – 200 rem lievät
300 rem 50% tn kuolemalle 2 kk sisällä, jos ei hoideta. 300 rem on LD50. Lethal Dose
1000 rem: kuolema 1-2 tunnissa.

Säteily ja syöpä. Paradoksi: keskimäärin syövän saa 2500 rem:llä, mutta 1000 rem tappaa parissa tunnissa? Suurin osa mutaatioista on harmittomia. Syöpä on todennäköisyyssairaus. Oikeasteen ei tiedetä: syöpä on yleinen sairaus. Ilman säteilyä, 20% kuolee syöpään. (joka viides – laske luokassa). Lisätään 1 rem: 1 uusi syöpätapaus (2500 ihmistä -> 501 syöpää keskimäärin).

Chernobyl 1986. PALJON JUTTUA alkuperäisessä

Paljon radioaktiivista materiaa
Useat palomiehet kuolivat säteilysairauksiin: useita satoja rem
Tuuli vei radioaktiivista ainetta; 25000-40000 ihmistä sai 45 rem.
(Lopulta: 24000 -> 4000 ylimääräistä syöpätapausta maailmanlaajuisesti! )

Hiroshima

Vain 2% kuoli syöpään: räjähdys, tuli, etc.
n 52000 pelastui tulesta ja sai 0.5 rem tai enemmän; keskimäärin 20 rem: silloin syöpään kuolleita olisi 52000 x 20 /2500 = 416 kpl

Hammasröntgen

Röntgenhoitaja poistuu tilasa
Lyijylevy suojaamaan
Yleensä annos on 1 mrem: tn saada syöpä on n 1/250000000

Säteily parantaa syövän

Eräs tehokkaimmista syövän

Tehtäviä. Tai tehkää kirjasta se säteilykappale

Laske: Ihmisessä on 40g kaliumia (K). Suurin osa on K-39 (stabiili), mutta 0.01% on K-40 (radioaktiivinen). Kuinka monta mg kehossasi on K-40?
Noin 1000 K-40 atomia räjähtää sisälläsi joka sekunti. Se tuottaa 16 mrem säteilyannoksen 50 vuoden aikana. Mikä on tn saada syöpä, olettaen, että syövän saa 2500 rem:llä?
Entäpä Yhdysvalloissa (Suomessa). USAssa on 300 miljoonaa asukasta. Kuinka moni
Hiili-14, C14. C-14 hajoaa keskimääri 5730 vuodessa. . . . Miksi alkoholissa on oltava radioaktiivisuutta?

Säteily

Beta-hajoaminen

α-säteily: Pysähtyy paperiin. He-ydin, eli 2p + 2n. Tunneloituminen.

β-säteily: Pysähtyy paksuun alumiinifolioon. Koostuu elektroneista (tai positroneista). Esimerkiksi

³²₁₅P → ³² ₁₆S⁺ + e⁻ + ν^e. (Pitäisi olla elektronin antineutriino, yläviivalla).

¹⁴₆C → ¹⁴ ₇N⁺ + e⁻ + ν^e. (Pitäisi olla elektronin antineutriino, yläviivalla).

²³₁₂Mg → ²³ ₁₁Na^- + e⁺ + ν^e.

Eli jotta varaus säilyy, protonin on muututtava neutroniksi:

₀¹n → ₁¹p + $_{-1}^{0}\beta ^{-}$ + ${\overline {\nu }}_{e}$
udd → uud + $_{-1}^{0}\beta ^{-}$ + ${\overline {\nu }}_{e}$

https://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Nuclear%20physics/Nuclear%20structure/text/Feynman_diagrams/index.html

γ-säteily: Läpäisee 3m teräbetonia. Suhteellisuusteoria $E=mc^{2}$ . Esimerkki ⁶⁰ ₂₇Co → ⁶⁰ ₂₈Ni* + e⁻ + ν^e + γ (1.17 MeV)

⁶⁰ ₂₈Ni* → + γ (1.33 MeV)

Minkä atomien ytimet joutuvat viritystilalle?

Massavaje
	⁶⁰ ₂₇Co	⁶⁰ ₂₈Ni*	e⁻
$m$	59.9338222 u	59.9307864(7) u	5.48579909065(16)×10⁻⁴
Yhteensä	59.9338222 u	59.931334979909065
Erotus	0.002487220090935 u
$E=mc^{2}$

Feynmanin diagrammit -- hauskaa vain

Kahden elektronin törmäyksessä (sironta) ne muuttavat suuntaa (liikemäärää), mutta se mielenkiintoinen asia on itse törmäys. Oikeasti ne vaihtavat hiukkasta, jota kutsutaan virtuaaliseksi fotoniksi.
Elektronin ja sen antihiukkasen positronin annihilaatio kahdeksi fotoniksi. https://en.wikipedia.org/wiki/Electron%E2%80%93positron_annihilation#/media/File:Electron_Positron_Annihilation.png
Elektronin ja positronin annihilaatiossa syntyy fotoni, joka hajoaa elektroni-positroni-pariksi. Tässä ja edellisessä on eri propagaattori.
Virtuaalinen fotoni voi tehdä vaikka mitä. Tässä esimerkissä se tuottaa elektroni-positroni -parin, joka taas annihiloituu fotoniksi.
Elektronin ja positronin annihilaatiossa voi syntyä myös kvarkkipari. Toinen antikvarkki. Lisäksi tulee gluoni, joka sitoo kvarkit.

For a comprehensive overview of QED, see Peskin and Schroeder's text. https://zzxianyu.files.wordpress.com/2017/01/peskin_problems.pdf

Avaruus

NASA Mission To Mars Student Challenge and the exercises I use at Nasa Percevarence Challenge.

Statistiikkaa aurinkokunnasta: https://ssd.jpl.nasa.gov/#/?sstr=2022%20EB5&view=OPC

Anonymous

Search

Opetus: Fysiikka

Arviointi

Yleistä

7. lk: Lämpö

Mitä fysiikka on. Perusmittaukset

Lämpöasteikko

Lämpölaajentuminen

Lämpöenergia

Olomuodon muutokset

Lämmön siirtymistavat

Lämpötasapaino

Ekstrat

7. lk: Aaltoliike

Aallon eteneminen

Värähtelijä ja ääni

Valon heijastuminen. Peilit

Valon taittuminen

Linssit

Ekstrat

8. lk: Liike ja voima

Nopeus

Kiihtyvyys

Voimat ja vuorovaikutus

Noste ja kitka

Paine

Ekstrat

8. lk: Liike ja energia

Energian muutokset ja lajit

Työ

Nostotyö ja potentiaalienergia

Teho ja hyötysuhde

Yksinkertaiset koneet

Ekstrat

8. lk: Sähkö

Staattinen sähkövaraus

Jännite, sähkävirta, virtapiiri

Jännite ja virta

Lamppu (outchh), vastus

Sähköenergia

9. lk: Energia yhteiskunnassa

Magnetismi

Generaattori

Kodin virtapiirit

Voimalaitokset

Energian säästö

9.lk

Maailmankaikkeus ja sen synty

Standardimalli

Säteilysairaudet

Säteily

Feynmanin diagrammit -- hauskaa vain

Avaruus

Navigation

Wiki tools

Page tools