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:

1. Lue tehtävä
2. Kirjoita suureet näkyviin
3. Piirrä aiheeseen liittyvä kuva
4. Kirjoita relevantti fysiikan laskukaava
5. Ratkaise haluttu suure
6. Sijoita numerot
7. Laske
8. Lue tehtävä ja tarkista, vastasitko oikeaan kysymykseen
9. 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

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−	+	νe
$m$	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