Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
FYSIIKKA 1
Fysiikka luonnontieteenauml
Juhani Kaukoranta
Raahen lukio
MITAuml FYSIIKKA ON
bullPerusluonnontiede
bullSelvittaumlauml luonnon perimmaumlisiauml
ilmioumlitauml
Saumlhkoumlauml laumlmpoumlauml liikettauml voimia
energiaa valoa saumlteilyauml
bullNykyisen tekniikan perusta
MIHIN FYSIIKKA KELPAA
bullAuttaa ymmaumlrtaumlmaumlaumln miten luonto toimii
bullFysiikan keksimaumlt luonnonlait
teknologia keksinnoumlt laitteet
bullAuttaa selviytymaumlaumln teknistyneessauml
yhteiskunnassa
FYSIIKAN TUTKIMUSkokeellista ja teoreettista
bullKokeellinen (empiirinen) tiede
Koe = kysymys luonnolle
Luonto vastaa
Mittaaminen keskeistauml
bullTeoreettinen tiede
Miksi tapahtuu naumlin
Matemaattinen laki
GALILEI NEWTON EINSTEIN
bullrdquoLuonnon kirja on kirjoitettumatematiikan kielellaumlrdquo
bullrdquoTavoitteena on luonnon toimintaperiaatteidenloumlytaumlminen niiden pelkistaumlminen yleisiksisaumlaumlnnoumliksirdquo
bullrdquoKaumlsittaumlmaumlttoumlmintauml luonnossa on sen kaumlsitettaumlvyysrdquo
IHMISKUNNAN AAMUNKOITTO
OLDUVAI-laakso Itauml-Afrikan hautavajoamassa Vanhimmat tyoumlkalut
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
2
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAAKaumlytaumlnnoumlllisiauml mullistavia keksintoumljauml
Tyoumlkalujen valmistaminen 2 milj v sitten
Tulen kesyttaumlminen 500 000 v sitten
Jousi 30 000 eKr
Maanviljelys noin 10 000 eKr
Tulen tekeminen 30 000-100 000 eKr
Pyoumlrauml vankkurit savenvalu 3000-5000 eKr
Keinokastelu viljakasvien jalostus 3000 eKr
Kirjoitustaito laskusaumlaumlnnoumlt geometria 3000 eKr
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Mesopotamia Egypti KiinaInduslaakso Stonehenge
(3000 eKr alkaen)
bullKaumlytaumlnnoumlllista toimintaa rdquoinsinoumloumlritaitoardquo hyoumltybullKysymys MIKSI ei kiinnostanutbullMesopotamian ja Egyptin matematiikka ja
taumlhtitiede korkealla tasolla
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Kreikka 600 eKr alkaen
bullThales esitti kysymyksen MIKSIbullTeoreetikkoja filosofeja matemaatikkoja
taumlhtitieteilijoumlitaumlbullEi kokeellista luonnontiedettauml
(poikkeus Arkhimedes)bullKaumlytaumlnnoumln sovellukset eivaumlt kiinnostaneet
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
NYKYAIKAINEN LUONNONTIEDE
Arkhimedes 287-212 eKr Antiikin outo lintu
bullteoreetikko kokeilija insinoumloumlribull1800 vuotta aikaansa edellauml
Galileo Galilei 1564-1642 Pohjois-ItaliabullEnsimmaumlinen nykyaikaisen luonnontieteen edustaja
bullToi kokeellisuuden luonnontieteisiin
bullrdquoLuonnon kirja on kirjoitettu matematiikan kielellaumlrdquo
bullKaukoputki maailmankuvan mullistuksen alku
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Isaac Newton 1642-1727bullKeksi painovoimalainbullSelitti planeettojen liikkeet ja radatbullAurinkokeskisen maailman voittobullKeksi mekaniikan lait liikeyhtaumlloumltbullKaikkien aikojen merkittaumlvin fyysikko
James Maxwell 1831-1879
bullKoko saumlhkoumlopin ja magnetismin yhtaumlloumltbullldquoJumalako naumlmauml merkit piirsirdquo
Maxwellin yhtaumlloumlt(rdquoJumalako naumlmauml merkit piirsirdquo)
Maxwellin yhtaumlloumlt selittaumlvaumlt saumlhkoumln ja magnetisminja antavat saumlhkoumlmagneettisen aaltoliikkeenolemassaolon ja ominaisuudet
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
3
MODERNI FYSIIKKAA Suhteellisuusteoria
bullAlbert Einstein 1905 ja 1916
bullSuurten nopeuksien ja massojen maailmassa tarkempi kuin perinteinen Newtonin mekaniikka
bullValonnopeus 300 000 kms nopeuksien ylaumlraja
Yllaumlttaumlviauml tuloksia
bullKun nopeus kasvaa aika hidastuubullMassaan liittyy rdquomielettoumlmiaumlrdquo maumlaumlriauml energiaabullMassiiviset kappaleet rdquovaumlaumlristaumlvaumltrdquo avaruutta
ja aikaa
Einsteinin yhtaumllouml maailmankaikkeudesta
MODERNI FYSIIKKA
B Kvanttimekaniikka ndash mikromaailman asiat
bull1920-luvulta alkaenbullAtomien ja alkeishiukkasten fysiikkaabullrdquoTerveen jaumlrjenrdquo vastainenbullElektroniikan tietoliikenteen tietokoneiden jne
perusta
Mitauml on rdquoterve jaumlrkirdquo rdquoarkijaumlrki
Miksi suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikkatuntuvat olevan vastoin rdquotervettauml jaumlrkeaumlrdquo
Vastaus Vain konkreettinen havainnollinen jajokapaumlivaumlisen arkikokemuksen mukainen tuntuujaumlrkevaumlltaumlSuhteellisuusteorian rdquokummallisuudetrdquo tapahtuvatvasta laumlhellauml valon nopeutta tai valtavien painovoimienvaikuttaessa Arkimaailmassa naumlitauml ei oleMyoumlskaumlaumln atomitason maailmasta meillauml ei oleminkaumlaumlnlaista arkikokemusta
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml SAumlHKOuml
bullElektron = meripihka hankaussaumlhkouml 500 eKrbullHankaussaumlhkoumlllauml kokeita 1700-luvullabullFaraday rdquoVoitte vielauml saada siitauml verotulojardquobullLennaumltin 1837 (Samuel Morse)bullPuhelin 1876 (Graham Bell)bullSiemensin saumlhkoumlgeneraattori 1800-luvun lopullabullSaumlhkoumlmoottori 1800-luvun lopullabullEdisonin saumlhkoumllamppu levysoitin 1800-luvun
lopullabullRadio 1899 (Marconi Popov)bullTV jaumlaumlkaappi tietokone mikrouuni
LASER
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml PUUHAArdquo
bullEinstein 80 vuotta sitten laski ohimennen perustanbull50-luvulla teoria (Basov Prohorov)bull1960 ensimmaumlinen lasersaumlde (Maiman)bull1963 Bond-elokuva rdquoKultasormirdquo tuotti miljooniabullLaser-etaumlisyysmittari polttoleikkuribullCD-soitin valokaapeli RW-asema DVD-asemabulllaserkirurgiabullholografia (kolmeulotteiset kuvat)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
4
NANOTEKNOLOGIA
Nanorobotit
Mikroskooppisen pienet moottorit
Nanoputket = hiiliatomeista tehdyt putketrdquomielettoumlmaumlnrdquo lujia
(nanoputkille ennustetaan suurta merkitystauml)
Atomitason muistikomponentit
UUSIA ENERGIALAumlHTEITAuml JA VOIMANLAumlHTEITAuml
bullAURINKOPURJE - Tulevaisuuden avaruusmatkailuun
bullAURINKOVOIMALA AVARUUDESSAenergia maahan mikroaaltolinkillauml
bullAURINKOKENNOT SAHARASSA
bull FUUSIOVOIMALA
bullVetypolttoainetta synteettisellauml fotosynteesillaumltai vedestauml ydinenergian avulla
FUUSIOVOIMALA vuonna 2015(ITER)
MITTAYKSIKOumlT SI-JAumlRJESTELMAuml
SUURE
bullMitattavissa oleva ominaisuusesim pituus massa laumlmpoumltila aika voima
bullIlmaistaan lukuarvolla ja mittayksikoumlllaumlesim 52 metriauml 82 kg -15 ordmC
Mittaaminen on fysiikan kivijalkaToinen kivijalka on teoria ja matematiikka
SI-JAumlRJESTELMAumlN PERUSSUUREET
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Pituus l s d r hellip
metri m
Massa m kilogramma kg
Aika t sekunti s
Laumlmpoumltila T t kelvin K
Saumlhkoumlvirta I ampeeri A
symboli ei ole yksikaumlsitteinen yksikkouml ja tunnus yksikaumlsitteisiauml
katso Taulukkokirja s66
SI-JAumlRJESTELMAumlN JOHDANNAISSUUREITA
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Voima F newton N
Energia Tyouml
EW joule J
Teho P watti W
Nopeus v metriauml sekunnissa
ms
Jaumlnnite U voltti V
katso Taulukkokirja s 66 -70
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
5
SI-JAumlRJESTELMAumlN ETULIITTEET
mikro = micro = miljoonasosa = 0000 001 = 11000 000 =10-6
esim 5 microV = 5 mikrovolttia = 5 miljoonasosavolttia
milli = m = tuhannesosa = 0001 = 11000 = 10-3
esim 5 mm = 5 millimetriauml = 0005 mesim 5 mV = 5 millivolttia = 0005 V
kilo = k = tuhat = 1000 = 103
esim 5 km = 5 kilometriauml = 5000 mesim 500 kV = 500 kilovolttia = 500 000 Vesim 500 kW = 500 kilowattia = 500 000 W
mega = M = miljoona = 1000 000 = 106
esim 500 MW = 500 megawattia
giga = G = miljardi = 1000 000 000 = 109
esim 40 gigatavun kiintolevy = 40 miljardia tavua
Tera = T =1000 miljardia
kahden peraumlkkaumlisen vaumlli on 3 numeroa YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
2 bull 10-6 kg = 2 miljoonasosa kg = 0000 002 kg=0002 g=2 mg
1 dm3 vettauml sisaumlltaumlauml 22 000 pisaraa Kuinka suuri on yhden vesipisaran tilavuus
Vastaus 1 dm3 22000 = 0000 045 dm3
= 0045 cm3
1 l (litra) = 1000 ml = 1000 cm3 = 1 dm3
1 ml (millilitra) = 1 cm3
1 m3 = 1000 litraa
Potilaalle annetaan infuusioliuosta tiputuksessa 200 ml tunnissa Kuinka suuri on tiputusnopeus tippaaminjos 1 l = 1 dm3 = 1000 ml = 22 000 tippaa
200 ml = 15 l joten pisaroita tarvitaan 220005 = 4400
1 tunti = 60 min joten tiputusnopeus on 4400 pisaraa60min
V noin 73 pisaraa minuutissa
(Tai 1 ml = 22 tippaa 200 ml = 20022 = 4400 tippaa)
YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
Yhden vesipisaran tilavuus on 0045 cm3Kuinka paljon vettauml on miljardissa pisarassa
Ratkaisu Miljardi = 1bull109
1bull109 bull 0045 cm3 = 45 000 000 cm3
Laskimella 1 exp 9 x 0045 =
45 000 000 cm3 = 45 000 dm3 = 45 m3
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 93
6
9
3
6
9
10 EXP -3
10 EXP -6 (laskimessa)
10 EXP -9
10 EXP 3
10 EXP 6
10 EXP 9
milli m
mikro
nano n
kilo k
mega M
giga G
952 9 tarkoittaa 52 10E
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 9
Rauta-atomin massa on 95 bull 10-26 kg Kuinka montarauta-atomia on 015 kilogrammassa puhdasta rautaa
Naumlppaumlile 015 95 EXP - 26 = 1578947368 bull 1024 = 16 bull 1024
26
015
95 10
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
2
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAAKaumlytaumlnnoumlllisiauml mullistavia keksintoumljauml
Tyoumlkalujen valmistaminen 2 milj v sitten
Tulen kesyttaumlminen 500 000 v sitten
Jousi 30 000 eKr
Maanviljelys noin 10 000 eKr
Tulen tekeminen 30 000-100 000 eKr
Pyoumlrauml vankkurit savenvalu 3000-5000 eKr
Keinokastelu viljakasvien jalostus 3000 eKr
Kirjoitustaito laskusaumlaumlnnoumlt geometria 3000 eKr
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Mesopotamia Egypti KiinaInduslaakso Stonehenge
(3000 eKr alkaen)
bullKaumlytaumlnnoumlllista toimintaa rdquoinsinoumloumlritaitoardquo hyoumltybullKysymys MIKSI ei kiinnostanutbullMesopotamian ja Egyptin matematiikka ja
taumlhtitiede korkealla tasolla
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Kreikka 600 eKr alkaen
bullThales esitti kysymyksen MIKSIbullTeoreetikkoja filosofeja matemaatikkoja
taumlhtitieteilijoumlitaumlbullEi kokeellista luonnontiedettauml
(poikkeus Arkhimedes)bullKaumlytaumlnnoumln sovellukset eivaumlt kiinnostaneet
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
NYKYAIKAINEN LUONNONTIEDE
Arkhimedes 287-212 eKr Antiikin outo lintu
bullteoreetikko kokeilija insinoumloumlribull1800 vuotta aikaansa edellauml
Galileo Galilei 1564-1642 Pohjois-ItaliabullEnsimmaumlinen nykyaikaisen luonnontieteen edustaja
bullToi kokeellisuuden luonnontieteisiin
bullrdquoLuonnon kirja on kirjoitettu matematiikan kielellaumlrdquo
bullKaukoputki maailmankuvan mullistuksen alku
LUONNONTIETEIDEN JAFYSIIKAN HISTORIAA
Isaac Newton 1642-1727bullKeksi painovoimalainbullSelitti planeettojen liikkeet ja radatbullAurinkokeskisen maailman voittobullKeksi mekaniikan lait liikeyhtaumlloumltbullKaikkien aikojen merkittaumlvin fyysikko
James Maxwell 1831-1879
bullKoko saumlhkoumlopin ja magnetismin yhtaumlloumltbullldquoJumalako naumlmauml merkit piirsirdquo
Maxwellin yhtaumlloumlt(rdquoJumalako naumlmauml merkit piirsirdquo)
Maxwellin yhtaumlloumlt selittaumlvaumlt saumlhkoumln ja magnetisminja antavat saumlhkoumlmagneettisen aaltoliikkeenolemassaolon ja ominaisuudet
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
3
MODERNI FYSIIKKAA Suhteellisuusteoria
bullAlbert Einstein 1905 ja 1916
bullSuurten nopeuksien ja massojen maailmassa tarkempi kuin perinteinen Newtonin mekaniikka
bullValonnopeus 300 000 kms nopeuksien ylaumlraja
Yllaumlttaumlviauml tuloksia
bullKun nopeus kasvaa aika hidastuubullMassaan liittyy rdquomielettoumlmiaumlrdquo maumlaumlriauml energiaabullMassiiviset kappaleet rdquovaumlaumlristaumlvaumltrdquo avaruutta
ja aikaa
Einsteinin yhtaumllouml maailmankaikkeudesta
MODERNI FYSIIKKA
B Kvanttimekaniikka ndash mikromaailman asiat
bull1920-luvulta alkaenbullAtomien ja alkeishiukkasten fysiikkaabullrdquoTerveen jaumlrjenrdquo vastainenbullElektroniikan tietoliikenteen tietokoneiden jne
perusta
Mitauml on rdquoterve jaumlrkirdquo rdquoarkijaumlrki
Miksi suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikkatuntuvat olevan vastoin rdquotervettauml jaumlrkeaumlrdquo
Vastaus Vain konkreettinen havainnollinen jajokapaumlivaumlisen arkikokemuksen mukainen tuntuujaumlrkevaumlltaumlSuhteellisuusteorian rdquokummallisuudetrdquo tapahtuvatvasta laumlhellauml valon nopeutta tai valtavien painovoimienvaikuttaessa Arkimaailmassa naumlitauml ei oleMyoumlskaumlaumln atomitason maailmasta meillauml ei oleminkaumlaumlnlaista arkikokemusta
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml SAumlHKOuml
bullElektron = meripihka hankaussaumlhkouml 500 eKrbullHankaussaumlhkoumlllauml kokeita 1700-luvullabullFaraday rdquoVoitte vielauml saada siitauml verotulojardquobullLennaumltin 1837 (Samuel Morse)bullPuhelin 1876 (Graham Bell)bullSiemensin saumlhkoumlgeneraattori 1800-luvun lopullabullSaumlhkoumlmoottori 1800-luvun lopullabullEdisonin saumlhkoumllamppu levysoitin 1800-luvun
lopullabullRadio 1899 (Marconi Popov)bullTV jaumlaumlkaappi tietokone mikrouuni
LASER
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml PUUHAArdquo
bullEinstein 80 vuotta sitten laski ohimennen perustanbull50-luvulla teoria (Basov Prohorov)bull1960 ensimmaumlinen lasersaumlde (Maiman)bull1963 Bond-elokuva rdquoKultasormirdquo tuotti miljooniabullLaser-etaumlisyysmittari polttoleikkuribullCD-soitin valokaapeli RW-asema DVD-asemabulllaserkirurgiabullholografia (kolmeulotteiset kuvat)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
4
NANOTEKNOLOGIA
Nanorobotit
Mikroskooppisen pienet moottorit
Nanoputket = hiiliatomeista tehdyt putketrdquomielettoumlmaumlnrdquo lujia
(nanoputkille ennustetaan suurta merkitystauml)
Atomitason muistikomponentit
UUSIA ENERGIALAumlHTEITAuml JA VOIMANLAumlHTEITAuml
bullAURINKOPURJE - Tulevaisuuden avaruusmatkailuun
bullAURINKOVOIMALA AVARUUDESSAenergia maahan mikroaaltolinkillauml
bullAURINKOKENNOT SAHARASSA
bull FUUSIOVOIMALA
bullVetypolttoainetta synteettisellauml fotosynteesillaumltai vedestauml ydinenergian avulla
FUUSIOVOIMALA vuonna 2015(ITER)
MITTAYKSIKOumlT SI-JAumlRJESTELMAuml
SUURE
bullMitattavissa oleva ominaisuusesim pituus massa laumlmpoumltila aika voima
bullIlmaistaan lukuarvolla ja mittayksikoumlllaumlesim 52 metriauml 82 kg -15 ordmC
Mittaaminen on fysiikan kivijalkaToinen kivijalka on teoria ja matematiikka
SI-JAumlRJESTELMAumlN PERUSSUUREET
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Pituus l s d r hellip
metri m
Massa m kilogramma kg
Aika t sekunti s
Laumlmpoumltila T t kelvin K
Saumlhkoumlvirta I ampeeri A
symboli ei ole yksikaumlsitteinen yksikkouml ja tunnus yksikaumlsitteisiauml
katso Taulukkokirja s66
SI-JAumlRJESTELMAumlN JOHDANNAISSUUREITA
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Voima F newton N
Energia Tyouml
EW joule J
Teho P watti W
Nopeus v metriauml sekunnissa
ms
Jaumlnnite U voltti V
katso Taulukkokirja s 66 -70
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
5
SI-JAumlRJESTELMAumlN ETULIITTEET
mikro = micro = miljoonasosa = 0000 001 = 11000 000 =10-6
esim 5 microV = 5 mikrovolttia = 5 miljoonasosavolttia
milli = m = tuhannesosa = 0001 = 11000 = 10-3
esim 5 mm = 5 millimetriauml = 0005 mesim 5 mV = 5 millivolttia = 0005 V
kilo = k = tuhat = 1000 = 103
esim 5 km = 5 kilometriauml = 5000 mesim 500 kV = 500 kilovolttia = 500 000 Vesim 500 kW = 500 kilowattia = 500 000 W
mega = M = miljoona = 1000 000 = 106
esim 500 MW = 500 megawattia
giga = G = miljardi = 1000 000 000 = 109
esim 40 gigatavun kiintolevy = 40 miljardia tavua
Tera = T =1000 miljardia
kahden peraumlkkaumlisen vaumlli on 3 numeroa YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
2 bull 10-6 kg = 2 miljoonasosa kg = 0000 002 kg=0002 g=2 mg
1 dm3 vettauml sisaumlltaumlauml 22 000 pisaraa Kuinka suuri on yhden vesipisaran tilavuus
Vastaus 1 dm3 22000 = 0000 045 dm3
= 0045 cm3
1 l (litra) = 1000 ml = 1000 cm3 = 1 dm3
1 ml (millilitra) = 1 cm3
1 m3 = 1000 litraa
Potilaalle annetaan infuusioliuosta tiputuksessa 200 ml tunnissa Kuinka suuri on tiputusnopeus tippaaminjos 1 l = 1 dm3 = 1000 ml = 22 000 tippaa
200 ml = 15 l joten pisaroita tarvitaan 220005 = 4400
1 tunti = 60 min joten tiputusnopeus on 4400 pisaraa60min
V noin 73 pisaraa minuutissa
(Tai 1 ml = 22 tippaa 200 ml = 20022 = 4400 tippaa)
YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
Yhden vesipisaran tilavuus on 0045 cm3Kuinka paljon vettauml on miljardissa pisarassa
Ratkaisu Miljardi = 1bull109
1bull109 bull 0045 cm3 = 45 000 000 cm3
Laskimella 1 exp 9 x 0045 =
45 000 000 cm3 = 45 000 dm3 = 45 m3
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 93
6
9
3
6
9
10 EXP -3
10 EXP -6 (laskimessa)
10 EXP -9
10 EXP 3
10 EXP 6
10 EXP 9
milli m
mikro
nano n
kilo k
mega M
giga G
952 9 tarkoittaa 52 10E
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 9
Rauta-atomin massa on 95 bull 10-26 kg Kuinka montarauta-atomia on 015 kilogrammassa puhdasta rautaa
Naumlppaumlile 015 95 EXP - 26 = 1578947368 bull 1024 = 16 bull 1024
26
015
95 10
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
3
MODERNI FYSIIKKAA Suhteellisuusteoria
bullAlbert Einstein 1905 ja 1916
bullSuurten nopeuksien ja massojen maailmassa tarkempi kuin perinteinen Newtonin mekaniikka
bullValonnopeus 300 000 kms nopeuksien ylaumlraja
Yllaumlttaumlviauml tuloksia
bullKun nopeus kasvaa aika hidastuubullMassaan liittyy rdquomielettoumlmiaumlrdquo maumlaumlriauml energiaabullMassiiviset kappaleet rdquovaumlaumlristaumlvaumltrdquo avaruutta
ja aikaa
Einsteinin yhtaumllouml maailmankaikkeudesta
MODERNI FYSIIKKA
B Kvanttimekaniikka ndash mikromaailman asiat
bull1920-luvulta alkaenbullAtomien ja alkeishiukkasten fysiikkaabullrdquoTerveen jaumlrjenrdquo vastainenbullElektroniikan tietoliikenteen tietokoneiden jne
perusta
Mitauml on rdquoterve jaumlrkirdquo rdquoarkijaumlrki
Miksi suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikkatuntuvat olevan vastoin rdquotervettauml jaumlrkeaumlrdquo
Vastaus Vain konkreettinen havainnollinen jajokapaumlivaumlisen arkikokemuksen mukainen tuntuujaumlrkevaumlltaumlSuhteellisuusteorian rdquokummallisuudetrdquo tapahtuvatvasta laumlhellauml valon nopeutta tai valtavien painovoimienvaikuttaessa Arkimaailmassa naumlitauml ei oleMyoumlskaumlaumln atomitason maailmasta meillauml ei oleminkaumlaumlnlaista arkikokemusta
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml SAumlHKOuml
bullElektron = meripihka hankaussaumlhkouml 500 eKrbullHankaussaumlhkoumlllauml kokeita 1700-luvullabullFaraday rdquoVoitte vielauml saada siitauml verotulojardquobullLennaumltin 1837 (Samuel Morse)bullPuhelin 1876 (Graham Bell)bullSiemensin saumlhkoumlgeneraattori 1800-luvun lopullabullSaumlhkoumlmoottori 1800-luvun lopullabullEdisonin saumlhkoumllamppu levysoitin 1800-luvun
lopullabullRadio 1899 (Marconi Popov)bullTV jaumlaumlkaappi tietokone mikrouuni
LASER
rdquoTIEDE ON HYOumlDYTOumlNTAuml PUUHAArdquo
bullEinstein 80 vuotta sitten laski ohimennen perustanbull50-luvulla teoria (Basov Prohorov)bull1960 ensimmaumlinen lasersaumlde (Maiman)bull1963 Bond-elokuva rdquoKultasormirdquo tuotti miljooniabullLaser-etaumlisyysmittari polttoleikkuribullCD-soitin valokaapeli RW-asema DVD-asemabulllaserkirurgiabullholografia (kolmeulotteiset kuvat)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
4
NANOTEKNOLOGIA
Nanorobotit
Mikroskooppisen pienet moottorit
Nanoputket = hiiliatomeista tehdyt putketrdquomielettoumlmaumlnrdquo lujia
(nanoputkille ennustetaan suurta merkitystauml)
Atomitason muistikomponentit
UUSIA ENERGIALAumlHTEITAuml JA VOIMANLAumlHTEITAuml
bullAURINKOPURJE - Tulevaisuuden avaruusmatkailuun
bullAURINKOVOIMALA AVARUUDESSAenergia maahan mikroaaltolinkillauml
bullAURINKOKENNOT SAHARASSA
bull FUUSIOVOIMALA
bullVetypolttoainetta synteettisellauml fotosynteesillaumltai vedestauml ydinenergian avulla
FUUSIOVOIMALA vuonna 2015(ITER)
MITTAYKSIKOumlT SI-JAumlRJESTELMAuml
SUURE
bullMitattavissa oleva ominaisuusesim pituus massa laumlmpoumltila aika voima
bullIlmaistaan lukuarvolla ja mittayksikoumlllaumlesim 52 metriauml 82 kg -15 ordmC
Mittaaminen on fysiikan kivijalkaToinen kivijalka on teoria ja matematiikka
SI-JAumlRJESTELMAumlN PERUSSUUREET
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Pituus l s d r hellip
metri m
Massa m kilogramma kg
Aika t sekunti s
Laumlmpoumltila T t kelvin K
Saumlhkoumlvirta I ampeeri A
symboli ei ole yksikaumlsitteinen yksikkouml ja tunnus yksikaumlsitteisiauml
katso Taulukkokirja s66
SI-JAumlRJESTELMAumlN JOHDANNAISSUUREITA
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Voima F newton N
Energia Tyouml
EW joule J
Teho P watti W
Nopeus v metriauml sekunnissa
ms
Jaumlnnite U voltti V
katso Taulukkokirja s 66 -70
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
5
SI-JAumlRJESTELMAumlN ETULIITTEET
mikro = micro = miljoonasosa = 0000 001 = 11000 000 =10-6
esim 5 microV = 5 mikrovolttia = 5 miljoonasosavolttia
milli = m = tuhannesosa = 0001 = 11000 = 10-3
esim 5 mm = 5 millimetriauml = 0005 mesim 5 mV = 5 millivolttia = 0005 V
kilo = k = tuhat = 1000 = 103
esim 5 km = 5 kilometriauml = 5000 mesim 500 kV = 500 kilovolttia = 500 000 Vesim 500 kW = 500 kilowattia = 500 000 W
mega = M = miljoona = 1000 000 = 106
esim 500 MW = 500 megawattia
giga = G = miljardi = 1000 000 000 = 109
esim 40 gigatavun kiintolevy = 40 miljardia tavua
Tera = T =1000 miljardia
kahden peraumlkkaumlisen vaumlli on 3 numeroa YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
2 bull 10-6 kg = 2 miljoonasosa kg = 0000 002 kg=0002 g=2 mg
1 dm3 vettauml sisaumlltaumlauml 22 000 pisaraa Kuinka suuri on yhden vesipisaran tilavuus
Vastaus 1 dm3 22000 = 0000 045 dm3
= 0045 cm3
1 l (litra) = 1000 ml = 1000 cm3 = 1 dm3
1 ml (millilitra) = 1 cm3
1 m3 = 1000 litraa
Potilaalle annetaan infuusioliuosta tiputuksessa 200 ml tunnissa Kuinka suuri on tiputusnopeus tippaaminjos 1 l = 1 dm3 = 1000 ml = 22 000 tippaa
200 ml = 15 l joten pisaroita tarvitaan 220005 = 4400
1 tunti = 60 min joten tiputusnopeus on 4400 pisaraa60min
V noin 73 pisaraa minuutissa
(Tai 1 ml = 22 tippaa 200 ml = 20022 = 4400 tippaa)
YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
Yhden vesipisaran tilavuus on 0045 cm3Kuinka paljon vettauml on miljardissa pisarassa
Ratkaisu Miljardi = 1bull109
1bull109 bull 0045 cm3 = 45 000 000 cm3
Laskimella 1 exp 9 x 0045 =
45 000 000 cm3 = 45 000 dm3 = 45 m3
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 93
6
9
3
6
9
10 EXP -3
10 EXP -6 (laskimessa)
10 EXP -9
10 EXP 3
10 EXP 6
10 EXP 9
milli m
mikro
nano n
kilo k
mega M
giga G
952 9 tarkoittaa 52 10E
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 9
Rauta-atomin massa on 95 bull 10-26 kg Kuinka montarauta-atomia on 015 kilogrammassa puhdasta rautaa
Naumlppaumlile 015 95 EXP - 26 = 1578947368 bull 1024 = 16 bull 1024
26
015
95 10
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
4
NANOTEKNOLOGIA
Nanorobotit
Mikroskooppisen pienet moottorit
Nanoputket = hiiliatomeista tehdyt putketrdquomielettoumlmaumlnrdquo lujia
(nanoputkille ennustetaan suurta merkitystauml)
Atomitason muistikomponentit
UUSIA ENERGIALAumlHTEITAuml JA VOIMANLAumlHTEITAuml
bullAURINKOPURJE - Tulevaisuuden avaruusmatkailuun
bullAURINKOVOIMALA AVARUUDESSAenergia maahan mikroaaltolinkillauml
bullAURINKOKENNOT SAHARASSA
bull FUUSIOVOIMALA
bullVetypolttoainetta synteettisellauml fotosynteesillaumltai vedestauml ydinenergian avulla
FUUSIOVOIMALA vuonna 2015(ITER)
MITTAYKSIKOumlT SI-JAumlRJESTELMAuml
SUURE
bullMitattavissa oleva ominaisuusesim pituus massa laumlmpoumltila aika voima
bullIlmaistaan lukuarvolla ja mittayksikoumlllaumlesim 52 metriauml 82 kg -15 ordmC
Mittaaminen on fysiikan kivijalkaToinen kivijalka on teoria ja matematiikka
SI-JAumlRJESTELMAumlN PERUSSUUREET
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Pituus l s d r hellip
metri m
Massa m kilogramma kg
Aika t sekunti s
Laumlmpoumltila T t kelvin K
Saumlhkoumlvirta I ampeeri A
symboli ei ole yksikaumlsitteinen yksikkouml ja tunnus yksikaumlsitteisiauml
katso Taulukkokirja s66
SI-JAumlRJESTELMAumlN JOHDANNAISSUUREITA
SUUREEN NIMI
SUUREEN SYMBOLI
SUUREEN YKSIKKOuml
YKSIKOumlN TUNNUS
Voima F newton N
Energia Tyouml
EW joule J
Teho P watti W
Nopeus v metriauml sekunnissa
ms
Jaumlnnite U voltti V
katso Taulukkokirja s 66 -70
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
5
SI-JAumlRJESTELMAumlN ETULIITTEET
mikro = micro = miljoonasosa = 0000 001 = 11000 000 =10-6
esim 5 microV = 5 mikrovolttia = 5 miljoonasosavolttia
milli = m = tuhannesosa = 0001 = 11000 = 10-3
esim 5 mm = 5 millimetriauml = 0005 mesim 5 mV = 5 millivolttia = 0005 V
kilo = k = tuhat = 1000 = 103
esim 5 km = 5 kilometriauml = 5000 mesim 500 kV = 500 kilovolttia = 500 000 Vesim 500 kW = 500 kilowattia = 500 000 W
mega = M = miljoona = 1000 000 = 106
esim 500 MW = 500 megawattia
giga = G = miljardi = 1000 000 000 = 109
esim 40 gigatavun kiintolevy = 40 miljardia tavua
Tera = T =1000 miljardia
kahden peraumlkkaumlisen vaumlli on 3 numeroa YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
2 bull 10-6 kg = 2 miljoonasosa kg = 0000 002 kg=0002 g=2 mg
1 dm3 vettauml sisaumlltaumlauml 22 000 pisaraa Kuinka suuri on yhden vesipisaran tilavuus
Vastaus 1 dm3 22000 = 0000 045 dm3
= 0045 cm3
1 l (litra) = 1000 ml = 1000 cm3 = 1 dm3
1 ml (millilitra) = 1 cm3
1 m3 = 1000 litraa
Potilaalle annetaan infuusioliuosta tiputuksessa 200 ml tunnissa Kuinka suuri on tiputusnopeus tippaaminjos 1 l = 1 dm3 = 1000 ml = 22 000 tippaa
200 ml = 15 l joten pisaroita tarvitaan 220005 = 4400
1 tunti = 60 min joten tiputusnopeus on 4400 pisaraa60min
V noin 73 pisaraa minuutissa
(Tai 1 ml = 22 tippaa 200 ml = 20022 = 4400 tippaa)
YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
Yhden vesipisaran tilavuus on 0045 cm3Kuinka paljon vettauml on miljardissa pisarassa
Ratkaisu Miljardi = 1bull109
1bull109 bull 0045 cm3 = 45 000 000 cm3
Laskimella 1 exp 9 x 0045 =
45 000 000 cm3 = 45 000 dm3 = 45 m3
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 93
6
9
3
6
9
10 EXP -3
10 EXP -6 (laskimessa)
10 EXP -9
10 EXP 3
10 EXP 6
10 EXP 9
milli m
mikro
nano n
kilo k
mega M
giga G
952 9 tarkoittaa 52 10E
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 9
Rauta-atomin massa on 95 bull 10-26 kg Kuinka montarauta-atomia on 015 kilogrammassa puhdasta rautaa
Naumlppaumlile 015 95 EXP - 26 = 1578947368 bull 1024 = 16 bull 1024
26
015
95 10
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
5
SI-JAumlRJESTELMAumlN ETULIITTEET
mikro = micro = miljoonasosa = 0000 001 = 11000 000 =10-6
esim 5 microV = 5 mikrovolttia = 5 miljoonasosavolttia
milli = m = tuhannesosa = 0001 = 11000 = 10-3
esim 5 mm = 5 millimetriauml = 0005 mesim 5 mV = 5 millivolttia = 0005 V
kilo = k = tuhat = 1000 = 103
esim 5 km = 5 kilometriauml = 5000 mesim 500 kV = 500 kilovolttia = 500 000 Vesim 500 kW = 500 kilowattia = 500 000 W
mega = M = miljoona = 1000 000 = 106
esim 500 MW = 500 megawattia
giga = G = miljardi = 1000 000 000 = 109
esim 40 gigatavun kiintolevy = 40 miljardia tavua
Tera = T =1000 miljardia
kahden peraumlkkaumlisen vaumlli on 3 numeroa YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
2 bull 10-6 kg = 2 miljoonasosa kg = 0000 002 kg=0002 g=2 mg
1 dm3 vettauml sisaumlltaumlauml 22 000 pisaraa Kuinka suuri on yhden vesipisaran tilavuus
Vastaus 1 dm3 22000 = 0000 045 dm3
= 0045 cm3
1 l (litra) = 1000 ml = 1000 cm3 = 1 dm3
1 ml (millilitra) = 1 cm3
1 m3 = 1000 litraa
Potilaalle annetaan infuusioliuosta tiputuksessa 200 ml tunnissa Kuinka suuri on tiputusnopeus tippaaminjos 1 l = 1 dm3 = 1000 ml = 22 000 tippaa
200 ml = 15 l joten pisaroita tarvitaan 220005 = 4400
1 tunti = 60 min joten tiputusnopeus on 4400 pisaraa60min
V noin 73 pisaraa minuutissa
(Tai 1 ml = 22 tippaa 200 ml = 20022 = 4400 tippaa)
YKSIKOumlIDEN MUUNTAMINEN
Yhden vesipisaran tilavuus on 0045 cm3Kuinka paljon vettauml on miljardissa pisarassa
Ratkaisu Miljardi = 1bull109
1bull109 bull 0045 cm3 = 45 000 000 cm3
Laskimella 1 exp 9 x 0045 =
45 000 000 cm3 = 45 000 dm3 = 45 m3
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 93
6
9
3
6
9
10 EXP -3
10 EXP -6 (laskimessa)
10 EXP -9
10 EXP 3
10 EXP 6
10 EXP 9
milli m
mikro
nano n
kilo k
mega M
giga G
952 9 tarkoittaa 52 10E
ETULIITTEET JA LASKIMEN EXP-NAumlPPAumlIN
52 miljoonasosaa = 52 bull 10-6
naumlppaumlillaumlaumln 52 EXP - 6
175 miljardia = 175 bull 109
naumlppaumlillaumlaumln 175 EXP 9
Rauta-atomin massa on 95 bull 10-26 kg Kuinka montarauta-atomia on 015 kilogrammassa puhdasta rautaa
Naumlppaumlile 015 95 EXP - 26 = 1578947368 bull 1024 = 16 bull 1024
26
015
95 10
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
6
Tehtaumlvauml 150 grammassa rautaa on16middot1024 atomia Rauta levitetaumlaumln tasaisestiSuomen pinta-alalle 338 000 km2
Kuinka monta atomia tulee jokaisellenelioumlmetrille ja jokaiselle nelioumlsenttimetrille
1 km2 = 100 00 00 m2
ha a
Suomi nelioumlmetreinauml
338 000 km2 = 338 000 1000 000 m2
150 g rautaa Suomen pinta-alalle
242 12 216 10
atomia m 47 10 atomia m(1000000 338000)
nelioumlsentille 47middot 1012 10 000 =47middot108 atomiacm2
nelioumlmillille (kirpun selkaumlaumln) 47middot108 100 = 47 milj
AJAN YKSIKOumlT
1 vuosi = 365 vrk 1 vrk = 24 h
1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s
Esim 1 Kuinka monta sekuntia 30 vuotiason elaumlnyt
Vastaus 30 bull 365 bull 24 bull 3600 s = 946 080 000 s= 950 miljoonaa sekuntia
Esim 2 Mitauml on 14 h Vast 1+04bull60=1h 24 min
Esim 3 Mitauml on tunteina 2h 25 minRatkaisu 25 min = 2560 h = 042h Vastaus 242 h
Esim Voyager 1 ndashluotain laumlhetettiin matkaanvuonna 1977 Luotain on matkannut Aurinkokuntamme ulkopuolelle 14 miljardin kilometrin paumlaumlhaumln ja etenee yhauml laumlhettaumlen tietojaKuinka kauan kestaumlauml radiosignaalin laumlhetys Maasta Voyager 1een
Radioaallon nopeus on 300 000 kms9
9
Matka s = 14 10 km Nopeus v = 300 000 kms
s 14 10 kmAika t = = 46 667 s
v 300 000 kms
46 667 3600 h = 12963 h = 12 h + 096360 minasymp 11h 58 min
Merivedessauml on liuenneena myrkyllistauml uraanianoin 2 milligrammaa kuutiometriauml kohti(Groumlnvall Hannu Meritiede Hki Otava 1983)
Ratkaisu
Tilavuus = 1000 bull 1000 bull 50 m3 = 50 000 000 m3
Uraania = 2 middot50 000 000 mg = 100 000 000 mg100 000 g = 100 kg
Nelioumlnmuotoisen merialueen sivut ovat 1000 mja syvyys 50 mKuinka paljon kyseisessauml vesimassassa on uraania
Maumlaumlrauml tuntuu suurelta terveyshaittaa siitauml ei ole
MERKITSEVIEN NUMEROIDEN MAumlAumlRAuml
VASTAUKSESSA YHTAuml MONTA MERKITSEVAumlAumlNUMEROA KUIN EPAumlTARKIMMASSA LAumlHTOumlARVOSSA
340 000 km alusta lukien 2 merkitsevaumlauml(kokonaisluvun loppunollat eivaumlt merkitse)
Huom valon nopeus 300 000 kms on hyvin tarkkakoska tarkka arvo 299 792458 kms
01000 m 4 merkitsevaumlauml0100 3 merkitsevaumlauml010 2 merkitsevaumlauml0000 025 2 merkitsevaumlauml (etunollat eivaumlt merkitseviauml)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
7
Mittaustarkkuus mittausvirheet
Mikaumlaumln fysikaalinen mittaustulos ei voi ollaehdottoman tarkka Tulokset ovat likiarvoja
Esimerkiksi 01 mm tarkkuudella mitattu pituus165 mm plusmn 01 mm
Paras arvio tulokselleMittaustarkkuus(absoluuttinen virhe)
Miten mittausvirhe arvioidaan
Mittausvirhe voidaan arvioida
1 Mittausten keskihajontana (laskimella)2 Mittausten keskipoikkeamana3 (suurin arvo ndash pienin arvo) 24 Paumlaumlttelemaumlllauml mittalaitteiden tarkkuudesta
Helpoin tapa on 3 siis jaetaan suurimman japienimmaumln arvon erotus kahdella Tulos hieman
liioittelee virheen suuruutta
Absoluuttinen virhe on virheen suuruusmittayksikoumlissaumlesim pituus = 508 m plusmn 001 m
Suhteellinen virhe =
= 000196 asymp 0002 = 02
ABSOLUUTTINEN JA SUHTEELLINEN VIRHE
absoluuttinen virhe 001 m
keskiarvo 508 m
Suhteellinen virhe on siis virheen suuruus suhteutettuna mittauksen tulokseen
mittaustulos absoluuttinen virhe on 001 m = 1 cm
MITTAAMINEN JA MITTAUSVIRHEETJokaisessa mittauksessa on aina virhettauml
Miten virhe saadaan mahdollisimman pieneksi
Huolellisuus on valttia mutta se ei ainariitaumlParempi mittari
Toistetaan mittaus monta kertaa
Mittaustulos = mittausten KESKIARVO
Mittaustulosten virhe saadaan keskihajonnastakeskipoikkeamasta suurimman ja pienimmaumlnerotus jaettuna kahdella tai mittalaitteen tarkkuus)
(suureen arvo on desimaaliluku ei kokonais- tai murtoluku)
MITATAAN HEILURIN HEILAHDUSAIKA 10 KERTAA
MITTAUS 10 HEIL AIKA
1 215
2 185
3 190
4 211
5 205
6 195
7 194
8 202
9 199
10 201
10 heilahduksenkeskiarvo = 1997 s joten
10 heilahduksen max=215 sja min=185 s joten virhe=15s
1 heilahduksen aika =heilahdusaika = 1997 asymp200 s
1 heilahdusajan virhe= 15s10 = 015 s
Absoluuttinen virhe = 015 sSuhteellinen virhe=
01575
200
s
s
Kotimittaus
bullOtetaan noin 1 m pituinen lankabullToiseen paumlaumlhaumln painobullLanka roikkumaan jostakinbullMuistiin langan pituus kiinnityskohdastapainon keskikohtaan bullMitataan 10 heilahduksen aika tulos paperillebullToistetaan mittaus 5 kertaabullLasketaan 5 mittauksen keskiarvobullJaetaan saatu keskiarvo 10lla 1 heilahduksen aika
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
8
TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml TUNNETUIN TOumlPPAumlYS MITTAYKSIKOumlISSAuml
1999 NASAn Mars Climate Orbiter-luotaimen pitiasettua kiertaumlmaumlaumln Marsia
NASA tilasi jarrutuslaskelman Lockheed-yhtymaumlltauml
Lockheedin kesaumlharjoittelija-ohjelmoija laski tarvittavatluvut amerikkalaisissa yksikoumlissauml siis tuumissanauloissa paunoissa jaloissa maileissa
Ja ilmoitti luvut NASAlle kertomatta yksikoumlitauml
NASA oletti ilman muuta yksikoumliden olevan SIn mukaisiasiis metri-ja kilogramma-yksikoumlitauml
Kallis luotain rysaumlhti Marsin pintaan
MITTAUSTARKKUUS MANNERTEN ETAumlISYYS
Vanhaan aikaan taumlhtitieteellisesti 1 km tarkkuus
Mannerten liikunnoista tarkkaa tietoa
Nykyaumlaumln erikois-GPSlla 1 mm tarkkuudella
Taulukko ja graafinen esitysRiippuva muuttuja (yleensauml tutkittava asia)pannaan y-akselille (pystyakseli)
Riippumaton muuttuja (se josta toinen riippuu)pannaan x-akselille (vaaka-akseli)
Lukuparit taulukkoon x vasemmalle y oikealleyksikkouml otsikossa
x (s) y (m)
10 15
20 30
30 45x
y
1
3
1 2 3 4
4
2
5
Lineaarinen riippuvuusKuvaaja suorakulmakerroin
Kappaleen massa m on suoraan verrannollinenkappalee tilavuuteen V
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tilavuus V (cm3)
Massa
m (
g)
V (cm3) m (g)
6 13712 29617 424
23 57128 71834 900
330 10 20 cmV
77 23 54 gm g g
3
3
54
20
27
m g
V cm
g
cm
KESKINOPEUS =
TASAINEN LIIKE = NOPEUS PYSYY SAMANA
KIIHTYVAuml LIIKE = NOPEUS KASVAAHIDASTUVA LIIKE = NOPEUS VAumlHENEE
Esim HKI--gt KUUSAMO 790 km matkaajoaika 10 tuntia Keskinopeus =
Ratkaisu keskinopeus = 790 km 10 h = 79 kmh
MATKA
AIKA
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
9
kmh vai ms
Molempia kaumlytetaumlaumln
Kiihtyvyyslaskuissa kuitenkin ms
Kaumltevauml muunnos ms ja kmh vaumllillauml
m
s
km
h
kerto 36
jako 36
10 ms = 36 bull 10 kmh =36 kmh
TASAINEN LIIKE KOORDINAATISTOSSA
Nopeus pysyy koko ajan samanamatka s (m)
aika t (s)
nopeus v (ms)
aika t (s)
10 m
40 s
25
matka 10 mnopeus = 25 ms
aika 40 s
Keskinopeus vaumllillauml 20shellip40s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Δt=20 s
Δs=53 m
matka 53 mKeskinopeus v = 27 ms
aika 20 s
s
t
Hetkellinen nopeus hetkellauml t=30 s
ts sm
00 00
10 10
21 20
25 30
27 40
30 50
34 60
39 70
47 80
59 90
72 100
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8aika t (s)
pa
ikk
a s
(m
)
Piirretaumlaumln tangentti (sivuaja) kohtaan t=30sja lasketaan kulmakerroin
Δt=38 s
Δs = 108 m
s 108 mKohdassa t=30s hetkellinen nopeus = 28 ms
t 38 s
KIIHTYVAuml LIIKE
KIIHTYVYYS = nopeuden kasvuvauhti
KIIHTYVYYS =nopeudenmuutos v
aika t
Nopeus kasvaa 40 s aikana arvosta 30 ms arvoon 10 ms
Kiihtyvyys = 210 3 7 18
4 4
m s m s m sm s
s s
Nopeus kasvaa siis joka sekunti 18 ms
(muutos=loppuarvo-alkuarvo)Yo syksy 2012
a) Tee graafinen esitys x-akselina aika t jay-akselina nopeus v
b) Maumlaumlritauml kuvaajan avulla putouskiihtyvyys
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
10
t s
0 0
21 5
51 10
105 15
155 20
217 25
264 30
319 35
396 40
Tehtaumlvauml Uimarin paikka ajan funktiona
Uimarin paikka ajan funktiona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Aika t (s)
Pa
ikk
a s
(m
)
28 19 9s m m m
10t s
15s-25s
9 00 9
10
Vaumllillauml
s m mv
t s s
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
a tasaisesti kiihtyvauml liike 1 ms --gt 4 msb tasainen liike nopeus on 4 msc tasaisesti hidastuva liike 4 ms --gt 2 ms
d tasainen liike nopeus 2 ms
2
0
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
a kiihtyvyys =
c kiihtyvyys =
nopeuden muutos vkiihtyvyys=
aika t
2
4 ms - 1 ms 3 ms m 15
2 s - 0 s 2 s s
2
2 ms - 4 ms -2 ms m -067
7 s - 4 s 3 s s
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
PUTOUSKIIHTYVYYSMaapallon pinnalla putoavan kappaleen nopeuskasvaa joka sekunti noin 10 msPutouskiihtyvyys g on siis noin 10 ms2
Tarkemmin
g = 981 ms2
Esim Tiili laumlhtee putoamaan tornitalon katoltaja toumlrmaumlauml 50 sekunnin kuluttua maahanMillauml nopeudella tiili iskeytyy maahan
Ratkaisu 981 ms2 bull 50 s = 49 ms(paumlaumlssaumllaskuna 10 bull 5 ms = 50 ms)
Esimerkkejauml kiihtyvyyslaskuista
a) Moottoripyoumlrauml kiihtyy 41 sekunnissa 0 kmh 95 kmhMikauml on pyoumlraumln kiihtyvyys
2264 64
41
nopeudenmuutos m skiihtyvyys m s
aika s
b) Auto kiihtyy 87 sekunnissa 0 kmh95 kmh95 kmh = 264 ms
2264 30
87
nopeuden muutos m skiihtyvyys m s
aika s
Muutetaan kmh-yksikkouml muotoon ms 95 kmh = 264 ms(saadaan jakamalla luvulla 36 joten 95 36 = 264 )
Yo-tehtaumlvauml kevaumlt 2002 Ilmassa putoavan kappaleen nopeus mitattiin jaksottimella saatiin tulokset
ts 005 015 025 035 045 055 065 075v(ms)049 147 245 340 430 502 572 635
a) Piirrauml nopeuden kuvaaja v = v(t)
0
12
3
4
56
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
11
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
peu
s v
(m
s) b) Perustele kuvaajan
muoto
Aluksi kuvaaja on suorakoska kiihtyvyys on vakioNopeuden kasvaessa ilmanvastus kasvaajolloin kiihtyvyys pieneneeja kuvaaja muuttuuloivemmaksi
Yotehtaumlvauml kevaumlt 2002
0
1
2
3
4
5
6
7
0 01 02 03 04 05 06 07 08
aika t (s)
no
pe
us v
(m
s)
c) Maumlaumlritauml kappaleenkeskikiihtyvyysvaumllillauml 020 hellip 070 s
∆t = 050 s
∆v=60 ms ndash 19 ms = 41 ms
2
v 60 ms - 19 ms m = = = 82
t 05 s sa
V keskikiihtyvyysa = 82 ms2
Kiihtyvaumln liikkeen loppunopeus
Paikalta laumlhtevaumln (ei alkunopeutta)
nopeus = kiihtyvyys bull aika
Kiihdytetaumlaumln alkunopeudesta
v = v0 + amiddot t
v = a bull t
Alkunopeus Kiihtyvyys
Aika
Esim Moottoripyoumlrauml liikkuu aluksi nopeudella 10 ms Kuljettaja lisaumlauml pyoumlraumlnsauml nopeutta kiihtyvyydellauml 20 ms2 Mikauml on pyoumlraumln nopeus 4 sekunnin kuluttua kiihdytyksen alkamisesta
alkunopeus v0 = 10 mskiihtyvyys a = 20 ms2
aika t = 40 s
loppunopeus v = v0 + amiddot t
v = 10 ms + 20 ms2 middot 40 s = 18 ms
kts Taulukko s 116
Tiikeri juoksee nopeudella 20 ms ja naumlhtyaumlaumln saaliin lisaumlauml nopeuttaan 55 s ajan vakiokiihtyvyydellauml 30 ms2 Laske tiikerin loppunopeus
v = v0 + a bull t
alkunopeus v0 = 20 mskiihtyvyys a = 30 ms2
aika t = 55 s
v = 20 ms + 30 ms2 bull 55 s asymp 19 ms
Vastaus Tiikerin loppunopeus on 19 ms
Tasaisesti kiihtyvaumln liikkeen matkaalkunopeus + loppunopeus
matka = aika2
0
2
v vs t
Esim Aapon laumlhteen paikalta ja saavuttaa5 sekunnissa 6 ms nopeuden Matka=
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
12
Tasaisesti kiihtyvauml liike MatkaMatka s voidaan laskea kahdella tavalla
Joko naumlin 2
0
a ts = v t +
2
alkunopeusaika
kiihtyvyys
Tai naumlin0(v + v)
s = t2
Loppunopeus
KIIHTYVAuml JA HIDASTUVA LIIKE
aika t (s)
nopeus v (ms)
1
4
2 4 7 9
a
b
cd
2
0
1 4 2
2
50
m s m ss
m
Kuljettu Matka = pinta-ala
4 2 8m s s m 4 2 3
2
9 0
m s m ss
m
2 2 40m s s m
Matka = 50 m+80 m+90m+40 m = 26 m
Mikauml aiheuttaa kiihtyvyyttauml
rdquoVoima se on joka jyllaumlaumlrdquo
Mitauml on voima
Voima on kappaleiden vaumllistauml vuorovaikutusta
Voiman yksikkouml on NEWTON siis 1 N
rdquoMissauml kiihtyvyys ndash siellauml voimardquo
Kiihtyvyys = nopeuden suuruuden taisuunnan muutos PAINOVOIMA
Maapallon pinnalla painovoima G lasketaan kaavalla
G = m bull g = m bull 981
jossa m on massa kilogrammoinaja g=981 ms2 on painovoiman putouskiihtyvyys
Kaumlytaumlnnoumlssauml paumlaumlssaumllaskuna painovoima saadaannewtoneina kun kilot kerrotaan luvulla 10
Esim 57 kg massaiseen Liisaan kohdistuu painovoima
G = 57 kgbull 981 ms2 = 560 N
MEKANIIKAN PERUSLAIT
JATKAVUUDEN LAKI(Newtonin I laki)
Jos kappaleeseen ei vaikuta mitaumlaumlnvoimia kappale pysyy levossatai jatkaa suoraviivaista liikettaumlaumln muuttumattomalla nopeudella
Tunnetaan myoumls nimellauml massan HITAUDEN LAKIkoska massa vastustaa liiketilansa muutoksia
MEKANIIKAN PERUSLAIT
DYNAMIIKAN PERUSLAKI(Newtonin II laki)
VOIMA = MASSA bull KIIHTYVYYS
F = m bull a
Vain voima voi aikaansaada kiihtyvyyttauml siismuuttaa kappaleen nopeutta tai suuntaa
F m a
taulukkokirja
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
13
MEKANIIKAN PERUSLAITDynamiikan peruslain F=mbullaseurauksia
Jos tunnemme tarkasti kappaleeseen vaikuttavat voimat suuruuksineen ja suuntineen sekauml kappaleen sijainnin ja nopeuden tiettynauml hetkenaumlvoimme laskea tarkasti
bullkappaleen saaman kiihtyvyydenbullkappaleen nopeudenbullkappaleen sijainnin
minauml hetkenauml hyvaumlnsaumlKappaleen rata on siis ikaumlaumln kuin ennalta maumlaumlraumlttytaumlysin ennustettavissa ja laskettavissa oleva
VOIMAN AIKAANSAAMAN KIIHTYVYYDEN LASKEMINEN
m = 50 kg
F = 200 N
F = m bull a josta saadaan kiihtyvyydeksi a
2
20040
50
F voima N ma
m massa kg s
Kappaleen nopeus alkaa kasvaa joka sekunti 4 ms10 sekunnin kuluttua nopeus on kasvanut jo 40 ms
Aapo 60 kg kiihdyttaumlauml mopolla 12 ms2a) kuinka suurella voimalla Aapon on pidettaumlvauml
kiinni Moposta jotta haumln pysyy mopon mukana
b) Aapo kiihdyttaumlauml 5 sekuntia Mikauml on Mopon nopeus
260 1 2 72 N
mF m a kg
s
0 2
Taulukkokirjasta s 116 loppunopeus
0 12 5 60m m
v v at ss s
c) Kuinka pitkaumln matkan Aapo ajaa kiihdytyksen aikana
0
0 65 3 5 15 m
2 2
m mv v ms ss t s s
s
Liikennefysiikkaa
Auto ajaa pusikkoon ja pysaumlhtyy
Kumpi on vaarallisempaaa) pysaumlhdys 1 m matkalla (aumlkkipysaumlys)b) pysaumlhdys 10 m matkalla
Vastaus pysaumlhdys 1 m matkalla koskahidastuvuus on suurempi
Pysaumlytysvoima = F = m bull a
MARS ODYSSEY-luotaimen JARRUTUS
Mars Odysseyn massa oli 725 kg kun se aloittiMarsin takana jarrutuspoltonRakettimoottorin tyoumlntoumlvoima oli 695 NPoltto kesti 1182 sekuntia polttoainetta kului 266 kg
a) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton alussa
F=mbulla josta2
F 695 N ma 0959
m 725 kg s
b) Kuinka suuri oli jarrutushidastuvuus polton lopussa
tyoumlntoumlvoima F = 695 N pysyy koko ajan samana muttaluotaimen massa on lopussa keventynyt 266 kg
2
F 695 N 695 N ma 151
m 725 kg - 266 kg 459 kg s
IonimoottoriUSAn Deep Space 1 testasi 1998 ndash 2001 ionimoottoria jakohtasi komeetta Borrellyn Moottorin saumlhkoumlteho oli 21 kW
ESAn SMART-1 laumlhetettiin 2792003 kohti Kuuta Kuutakiertaumlmaumlaumln se asettui 15112004 Hidas kiihdytys
Xenon-suihkun nopeus 16 kmsTyoumlntoumlvoima 0068 NMassavirta noin 4 milligrammaasIonimoottorin saumlhkoumlteho 480 W ndash 1500 WToiminta-aika 7000 tuntiaLuotaimen alkumassa 370 kgAjoainetta Xenonia 82 kg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
14
MEKANIIKAN PERUSLAIT
VOIMAN JA VASTAVOIMAN LAKI(Newtonin III laki)
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen Btietyllauml voimalla niin kappale B vaikuttaatakaisin kappaleeseen A yhtaumlsuurellamutta vastakkaissuuntaisella voimalla
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N200 N
Mihin suuntaan kappale laumlhtee
Summavoima F =100 N oikealle
100 N
Summavoima (kokonaisvoima) on erotuskoska voimat tappelevat vastaan
VOIMIEN YHTEENLASKU
300 N
200 N
F = 500 N
Summavoima (kokonaisvoima) on summakoska voimat vetaumlvaumlt samaan suuntaan
(Jos kappaleen massa on 50 kg se saa kiihtyvyyden
2
500 m10
50 s
F Na
m kg
Maailmankaikkeuden rakenteet(kosmologiaa)
Mistauml maailmankaikkeus on tullut
Mitauml maailmankaikkeuden rakenne
Mistauml me olemme tulleet minne menemme
Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Paumlaumlttyykouml maailmankaikkeuden laajeneminenvai alkaako maailmankaikkeus supistua
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Kopernikus 1500-luvulla Maa kiertaumlauml Aurinkoa
Newton 1600-luvun lopulla Painovoimalaki selittaumlauml
taumlysin planeettojen kiertoradat
Hubble 1929 On muitakin galakseja kuin omammeMaailmankaikkeus laajenee koko ajan
Einstein 19051916 Suhteellisuusteoria selittaumlaumlpainovoiman ja maailmankaikkeuden syvaumlllisesti
Bethe 1930-luvulla Taumlhdet saavat energiansavetyfuusiosta ydinreaktioista
Fuusioreaktiot tuottavat happea hiiltauml typpeaumlhellip
Maailmankaikkeuden tietaumlmys etenee
Gamov 1940-luvulla Alussa alkuraumljaumlhdys rdquoBig Bangrdquo
Penzias Wilson 1965 Loumlysivaumlt alkuraumljaumlhdyksen kaiunkaikkialta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasaumlteilyn
Nyt Kosmisen taustasaumlteilyn pienet vaihtelut kertovatalkuraumljaumlhdyksen tapahtuneen 137 miljardia vuotta sitten(satelliittimittaukset COBE WMAP)
Vera Rubin 1930-luvulla Galakseissa pimeaumlauml ainettaenemmaumln kuin naumlkyvaumlauml Asiaan palattiin 1990-luvulla
Tulossa ESAn Planck-satelliitti v 2008 mittaa kosmisenmikroaaltotaustan rdquokuprutrdquo ennennaumlkemaumlttoumlmaumln tarkasti
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
15
Tietaumlmys etenee Pimeauml aine
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeuden materiasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 4 siis elektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonien ja neutronien muodostamaa tavallista ainetta Pimeaumlauml ainetta on 22 maailmankaikkeuden massaenergiasta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aine itse asiassa laumlpinaumlkyvauml aine on ilmeisesti tuntemattomia alkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikutasaumlhkoumlmagneettisesti Pimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Kuva 2182006 Pimeauml aine ongalaksin reunoilla (epaumlsuora havainto)Pimeauml aine on vaumlritetty siniseksinaumlkyvauml aine punaiseksi
Loput 74 maailmankaikkeudenmassaenergiasta on pimeaumlauml energiaa
Pimeauml energia kiihdyttaumlauml laajentumista
1990-luvun lopulla havaittiin kaukaisten supernovienpunasiirtymistauml ettauml avaruuden laajentuminen onalkanut kiihtyauml noin 5 miljardia vuotta sitten Mittaukset onvahvistettu moneen kertaan toisistaan riippumattomillatavoilla (mikroaaltotausta gravitaatiolinssit maailman ikaumlavruuden suuret rakenteet supernovat)Tekijaumlauml joka kiihdyttaumlauml avaruuden laajentumista on alettunimittaumlmaumlaumln pimeaumlksi energiaksi Sen luonteesta ei juuritiedetauml mitaumlaumln (Kosmologinen vakio kvintessenssi)
Wmap-satelliitin viimeisimpien mittausten mukaanmaailmankaikkeuden massaenergiasta naumlkyvaumlauml ainettaon 4 pimeaumlauml ainetta 22 ja pimeaumlauml energiaa 74
Pimeauml energia repii maailmankaikkeutta hajallegalaksit loittonevat kiihtyvaumlsti ndash kohta kaikki jaumlaumlvaumlt yksin
rdquoTaumlhtipoumllystauml sinauml olet syntynytja taumlhtipoumllyksi olet muuttuvardquo
AURINKOKUNNAN PIENOISMALLI
Kohde Halkaisija Etaumlisyys Auringosta
Aurinko
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
(Pluto
110 cm
38 mm
095 cm
10 cm
53 mm
11 cm
94 cm
41 cm
38 cm
18 mm
-
45 m
85 m
117 m
179 m
611 m
1120 m
2250 m
3530 m
4620 m)
Aurinkokunnan synty
Noin 5 miljardia vuotta sitten valtaisa vetypoumllypilvialkoi painovoiman vaikutuksesta tiivistyauml Vetypilvipuristui ja kuumeni kunnes sen sisaumlllauml syttyiydinreaktioita Naumlin oli syntynyt AurinkommePoumllystauml ja kaasusta syntyivaumlt kivi- ja kaasuplaneetatLopusta poumllystauml ja jaumlaumlstauml tuli asteroideja ja komeettoja
Maan ja Auringon tulevaisuus
Aurinko on saumlteillyt jo 5 miljardia vuottaJoka sekunti Aurinko muuttaa 4 miljoonaa tonniaainetta energiaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisestiVetypolttoainetta riittaumlauml vielauml 7 miljardia vuotta
Aurinko kuumenee koko ajan ja kirkastuu Lopulta 7miljardin vuoden kuluttua Aurinko pullistuu Maanradalle asti ja romahtaa sitten valkoiseksi kaumlaumlpioumlksi
12 miljardinvuoden tarinapaumlaumlttyy
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
16
Maan kello 1 h = 1 miljardi vuotta
12
3
1
2
6
4
5
Ensimmaumliset elioumlt
9
8
7
10
11
Elaumlinten aikaalkaa
Nykyhetki
Elaumlinten aika paumlaumlttyyMeret alkava kiehua
Kasvillisuus kuoleeMeret kadonneet
Maa syntyyAurinko nielee Maan
Maan rata ja vuodenajat
N
SN
S
N
SN
S
Maan kiertosuunta
Kesaumlpohjoisessa
Talvietelaumlssauml
Syksy pohjoisessaKevaumlt etelaumlssauml
Talvipohjoisessa
Kesaumletelaumlssauml
Kevaumlt pohjoisessaSyksy etelaumlssauml
Vuodenaikojen aiheuttaja on Maan pyoumlrimisakselin kaltevuus
150 milj km
Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset
bullPainovoima eli gravitaatiovaikuttaa kaikkien massojen vaumllillaumlpienillauml massoilla hyvin heikkosuurilla etaumlisyyksillauml ainoa merkittaumlvauml voima
bullSaumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutusmm kemiallinen sidos pitaumlauml molekyylit koossa
aine tuntuu kovalta koska atomien elektroniverhotkarkottavat toisiaan
bull Heikko vuorovaikutusaiheuttaa radioaktiivisuuden(atomin ytimestauml sinkoutuu hiukkanen)
bullVahva vuorovaikutus (rdquoydinvoimatrdquo)pitaumlvaumlt atomien ytimet koossa (kvarkit kiinni toisissaan)erittaumlin vahvoja atomiytimen mittakaavassa
Miten ihmisen arkimaailmassa
Saumlhkoumlmagneettinen vuorovaikutus naumlkyy ehkaumleniten ihmisen arkimaailmassa
Kitka kosketusvoimat toumlrmaumlysten vaikutusaineen koossapysyminen saumlhkouml- ja magnetismi
Gravitaatio eli painovoima on ilmeinenSe pitaumlauml meidaumlt Maan pinnalla
Sen ansiosta satelliitti voi kiertaumlauml Maapalloa
Yli 9999 naumlkyvaumlstauml aineesta koostuudown- ja up-kvarkeista ja elektroneista Atomitkoostuvat niistauml Lisaumlksi on neutriinoja
rdquoTavallisenrdquo aineen rakenne
Tavallinen aine rakentuu 3 alkeishiukkastyypistaumljotka muodostuivat alkuraumljaumlhdyksen jaumllkeennoin 13 miljardia vuotta sitten
elektroniu-kvarkkid-kvarkki
u- ja d-kvarkit eivaumltesiinny vapaanaNe esiintyvaumlt rdquokolmen koplanardquo muodostaenprotonin ja neutronin
(ei saumlhkoumlinen) (positiivinen)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
17
Atomin koko
222 10 211 10
atomia m 33 10 atomia m(1000000 338000)
Neutronit ja protonit ovatatomin ytimessaumlElektronit kiertaumlvaumlt ydintauml
Esimerkiksi 1g rautaa sisaumlltaumlauml 11middot1022 rauta-atomia Jos selevitetaumlaumln tasaisesti koko Suomen maa-alueelle 338 000 km2yhdelle nelioumlmetrille tulee rauta-atomeja noin 33 miljardia kpl
Helium-atomi
Tehtaumlvauml
a) Mitauml tarkoittaa rdquoisotooppirdquo
b) Selvitauml luonnossa esiintyvaumln raudanyleisimmaumln isotoopin rakenne
Alkuaineella voi olla useita eri versioitaeli isotooppeja Kaikilla niillauml on sama maumlaumlraumlprotoneja (=jaumlrjestysluku) mutta eri maumlaumlraumlneutroneja
5626FeProtonit
(jaumlrjestysluku)
Massaluku = neutronit +protonit
neutroneita = 56-26=30
Radioaktiivinen ydin ja puoliintumisaika
Jotkut alkuaineet ovat epaumlvakaita niiden ytimethajoavat itsekseen
Puoliintumisaika kuvaa hajoamisnopeuttaAika jonka kuluessa puolet ytimistauml on hajonnut
13755 eli Cesium-137 puoliintumisaika on 3017 vuottaCs
13153 eli Jodi-131 puoliintumisaika 802 vuorokauttaI
Jodierauml puoliintuu 32 vrkssa 4 kertaa jolloin maumlaumlraumlputoaa 116 -osaansa
Pyyhkaumlisytunnelointimikroskooppinaumlkee jopa yksittaumlisiauml atomeja ja molekyylejauml
Cesium-atomejaGalliumarseniittia
CERNin TARKOITUS
CERNissauml tuhannet fyysikot pyrkivaumltselvittaumlmaumlaumln muun muassa
bull Luonnon syvimmaumlt vuorovaikutusvoimatbull Miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovatbull Miten maailmankaikkeus on syntynytbull Mikauml on maailmankaikkeuden kohtalo
Taumlrkein tutkimusvaumlline on hiukkaskiihdytin
Mikauml hiukkaskiihdytin on
bull Laite jolla kiihdytetaumlaumln varauksellisten hiukkasten suihku laumlhes valonnopeuteen
bull Cernin LHC-kiihdyttimessauml kaksi hiukkassuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin
27 km tunneli
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
18
Miten kiihdytin toimii
bull Saumlhkoumlisesti varattu hiukkanen (esim protoni) kiihdytetaumlaumln saumlhkoumlkentaumlllauml
bull Kiihdytetty suihku saadaan kaartumaan ympyraumlradalle hyvin voimakkailla magneeteilla (7 teslaa)
Toumlrmaumlysjaumlljistauml paumlaumltellaumlaumln syntyneiden hiukkasten ominaisuudet
Onko muuta kuin rdquotavallistardquo ainetta
Alkuraumljaumlhdyksen aikana oli sekauml materiaa ettauml antimateriaaJostakin syystauml materiaa syntyi hieman enemmaumln kuinantimateriaa Materian ja antimaterian tuhotessa toisensa jaumlijaumlljellauml pieni ylijaumlaumlmauml materiaa siis tavallista ainettaSiitauml koostuu kaikki naumlkyvauml aine Miksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
Euroopan hiukkastutkimus-keskuksen CERNnantimaterialaboratoriossavalmistetaan antimateriaajotta voidaan tutkia senominaisuuksia ja selvittaumlaumlmiksi antimateriaa oli vaumlhemmaumln
bullPET-kuvauksessa saadaan tarkkoja kuvia kudoksista ja niiden toiminnasta(farmakologiset ja dynaamiset mittaukset)
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET=Positroni-Elektroni-Tomografia
Tavallinen annos on noin 7 mSv pienempi kuin TTsta
Antimateria laumlaumlketieteessaumlPET-kuvista tehty 3D-animaatio
Pimeauml aine ja pimeauml energia
Viime vuosina on havaittu ettauml maailmankaikkeudenmateriasta on naumlkyvaumlauml materiaa vain 10 siiselektroneista ja kvarkeista koostuneiden protonienja neutronien muodostamaa tavallista ainetta
Pimeauml aine naumlkymaumltoumln aineon ilmeisesti tuntemattomiaalkeishiukkasia jotka eivaumlt vaikuta saumlhkoumlmagneettisestiPimeauml aine aiheuttaa kuitenkin painovoimaa
Maailmankaikkeudessa on ilmeisesti myoumls pimeaumlauml energiaajoka kiihdyttaumlauml maailmankaikkeuden laajenemista
Laumlhivuosina saamme ehkauml lisaumltietoa sekauml salaperaumlisestaumlpimeaumlstauml aineesta ettauml pimeaumlstauml energiasta
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
19
Galaksijoukoista kvarkkeihinENERGIA ja ENERGIARATKAISUT
Energia = rdquoKykyauml tehdauml tyoumltaumlrdquo
(rdquoKaumlyttoumlvoimaardquo)
(rdquoSaa pyoumlraumlt pyoumlrimaumlaumlnrdquo)
(rdquoKykyauml laumlmmittaumlaumlrdquo)
Energian lajeja
bull Liike-energia
bull Kappaleiden potentiaalienergia
bull Laumlmpoumlenergia
bull Saumlteilyenergia
bull Kemiallinen energia
bull Ydinenergia
MEKAANINEN ENERGIA
bull Potentiaalienergiasta
bull Liike-energiasta
koostuu
POTENTIAALIENERGIA
se on kappaleeseen varastoitunuttakykyauml tehdauml tyoumltauml
bulljaumlnnitetty jousibullyloumls nostettu paalujunttabullyloumls pumpattu vesi
POLTTOAINEEN LAumlMPOumlARVO
Polttoaineen laumlmpoumlarvo tarkoittaa kaumlytaumlnnoumlssaumlsitauml kuinka paljon palamisessa vapautuuenergiaa massakiloa kohti
Kuivan koivuhalon laumlmpoumlarvo on 13 MJkgSiis 1 kg koivuhalkoja sisaumlltaumlauml 13 MJ energiaa
Vetykaasulla on korkein laumlmpoumlarvo 119 MJkg
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
20
Aurinko muuttaa yhdessauml sekunnissa600 miljoonaa tonnia vetyauml 596 tonniksi heliumiaNoin neljauml miljoonaa tonnia massasta muuttuuenergiaksi jolloin Auringon teho on 386bull1026 W
Auringon energia ydinten fuusioreaktioista
Vedyn ytimet (protonit) yhtyvaumlt (fuusioituvat)tuloksen on heliumiaFuusioreaktio tuottaa miljoona kertaaenemmaumln energiaa kuin kemialliset reaktiot
SaumlteilySaumlteily on energiaa joka etenee ilman vaumlliainetta
Aurinko siirtaumlauml Maapallolle valtavasti energiaasaumlteilyn muodossa Aurinko on Maan taumlrkein energianlaumlhde (Toinen laumlhde on Maapallon sisuksenradioaktiivisuus joka naumlkyy tuliperaumlisyytenauml)
Maapallo saumlteilee avaruuteen laumlhinnauml laumlmpoumlsaumlteilyauml
Auringosta tulee laumlmpoumlsaumlteilyauml naumlkyvaumlauml valoaultraviolettivaloa roumlntgensaumlteilyauml ja hiukkasia
SAumlTEILY
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
bullRadioaallot (kaumlnnykkauml mikoaaltouuni)bullLaumlmpoumlsaumlteily eli infrapunasaumlteilybullNaumlkyvauml valobullUV- eli ultraviolettisaumlteily (Auringosta)bullRoumlntgensaumlteily (ionisoivaa roumlntgenkuvaus)bullGammasaumlteily (ionisoivaa maaperaumlstauml)
Hiukkassaumlteily (ionisoivaa)bullalfahiukkaset laumlhtee esimerkiksi uraanistabullbeetahiukkaset (elektroneja tai positroneja)bullneutronisaumlteily
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily
kasvava energia
Saumlhkoumlmagneettinen saumlteily koostuu pienistauml energiapaketeistajoiden nimi on kvantti Kvantit etenvaumlt tyhjioumlssauml valonnopeudella c
IONISOIVA SAumlTEILYPystyy irrottamaan atomista elektroneja jolloinatomista tulee ioni Syntynyt ioni reagoi herkaumlstiOn siksi epaumlterveellistauml
Saumlhkoumlmagneettisesta saumlteilystauml ionisoivia vain- roumlntgensaumlteily- gammasaumlteily
Hiukkassaumlteilystauml saumlhkoumliset hiukkaset ionisoivia- alfahiukkaset (heliumin ytimiauml)- beetahiukkaset (elektroni tai positroni)
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only
21
Ionisoivan saumlteilyn altistukset ihmiselle
1 Maaperaumlstauml tihkuva radon-kaasu 54
(sisaumltiloissa) saumlteilee alfahiukkasia
(pohjoismaissa 1300 keuhkosyoumlpaumlkuolemaavuosi)
2 Laumlaumlketieteellinen kaumlyttouml 15 roumlntgenkuvaukset syoumlpaumlhoito
3 Maaperaumlstauml tuleva gammasaumlteily 14 uraanipitoinen peruskallio
4 Avaruudesta tuleva kosminen saumlteily 8
5 Ihmisestauml itsestaumlaumln tuleva saumlteily 8
6 Tshernobylin jaumlttaumlmauml laskeuma 1
Aineen aktiivisuus
1 Bq = 1 Bekkerel = 1 Becquerel = 1 hajoaminen s
Esim Ihmisen joka painokilossa on aktiivisuutta55 Bq Se aiheutuu Kalium-40sta70 kg ihmisen radioaktiivisuus on 70bull55 Bq = 3850 Bq = 39 kBqIhmisessauml hajoaa siis noin 4000 K-40 ndashydintaumlsTaumlmauml aiheuttaa noin 8 ihmisen saamastavuotuisestauml saumlteilyaltistuksesta
Ihmisen saama saumlteilyannosYksikkouml 1 Sievert = 1 Svalayksikkouml 1 mSv = 0001 Sv
Suomalainen saa joka vuosi luonnollisesti180 mSv annoksen Taumlstauml suurin osa 100mSvtulee maaperaumlstauml tihkuvasta radonista Laumlaumlketieteelliset kuvaukset 27 mSvTsernobyl 2 mSv
5 Sv kerta-annoksena 50 kuoleman todennaumlk
Puoliintumisaika
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaikatarkoittaa aikaa jonka kuluessa aktiivisistaytimistauml on jaumlljellauml vain puolet
Cesium-131n puoliintumisaika 30 vuottaTeknetium-99n puoliintumisaika 6 h
1 vrkssa Tc-99 ehtii puoliintua 4 kertaa 054 = 00625 jaumlljellauml = 625 jaumlljellauml
Generated by Foxit PDF Creator copy Foxit Softwarehttpwwwfoxitsoftwarecom For evaluation only