FÜÜSIKA I

1. FÜÜSIKA I I. FÜÜSIKA LOODUSTEADUSLIKUD ALUSED

2. sissejuhatus

3. MAAILM • Maailm on KÕIK see mis meid ümbritseb. • Maailma mõiste alla saab paigutada kõik, mis olemas on. • Näiteks Maa (koos kõige sellega, mis sellel olemas on) • või Universum jne • Ühe konkreetse maailma tunnuseks on see, et tema koostisosadel on alati midagi ühist, mis neid seob.

4. Sõna „füüsika“ tuleneb kreekakeelsest sõnast φυϭικε [füsikee’]  LOODUS Füüsika on loodusteadus

5. LOODUS • Maailma(te)s on olemas palju erinevaid objekte: • mõned nendest on on „reaalselt“ olemas (kivid, puud, Päike, inimene ise, inimese loodud tehislikud objektid, jne) • mõned neist eksisteerivad ainult meie teadvuses (poliitika, kunst, religioon, sotsiaalsed protsessid jne) • Kõike seda, mis on väljaspool teadvust ja sellest sõltumatult reaalselt olemas, nimetatakse LOODUSEKSehk materiaalseks maailmaks (mateeriaks).

6. Loodusteadused Loodusteaduseks nimetatakse eluta ja elusat loodust uurivat ja käsitlevat teadust. Bioloogia Geograafia Keemia Füüsika AINED (ainete omadused, ainetevahelised seosed, ainete muundumine) ELUSLOODUS (taimed, seened, vetikad, bakterid, viirused, loomad ...) ? MAATEADUS (maavarad, pinnavor-mid, kliima, riigid...)

7. FÜÜSIKA HARUD AKUSTIKA Helinähtused 1 VALGUSNÄHTUSED OPTIKA 2 Liikumine ja kehadevaheline mõju MEHAANIKA 3 FÜÜSIKA Taevakehade ja maailmaruumiga seotud nähtused KOSMO-LOOGIA 8. 4 Soojusnähtused TERMO-DÜNAAMIKA 5 Elektrinähtused ELEKTRO-STAATIKA ELEKTRODÜ-NAAMIKA Elektrivoolu ja magnetitega seotud nähtused 6. Aatomi- ja tuuma- nähtused MIKRO-FÜÜSIKA 7.

8. Füüsika on loodusteadus, mis uurib kõigi mateeriavormide ehituse, liikumise ja vastastikmõjude kõige üldisemaid omadusi ja seaduspärasusi

9. MILLEST LOODUS KOOSNEB? • Loodus (nimetatud ka kui MATEERIA) eksisteerib kahes vormis: AINE ja VÄLJANA • Aine on seemillestkõikkehadkoosnevad • Väli on see, mille abil üks keha teist mõjutab • NB!mõjusaabavaldudaainult siis kui on rohkemkuiükskeha, seepärastkasutataksegimõistetvastastikmõju • Mateeria põhiomaduseks on liikumine ehkmuutumine. • Siiakuulubmehaanilineliikumine (asukohamuutus ruumis ja ajas), aga • ka keemilised reaktsioonid, • rakkude teke ja surm, • elusorganismide evolutsioon, jne.

10. KUIDAS LOODUS TOIMIB? • Loodus toimib vastavalt loodusseadustele. • Loodusseadusi uurivad loodusteadused: • füüsika, • keemia, • bioloogia, • geograafia (geoloogia) • ja nende kombinatsioonid, näiteks biofüüsika, geokeemiajne.

11. KUIDAS SAADAKSE TEADA LOODUSSEADUSI ? Loodusseaduste uurimiseks kasutab iga loodusteadus talle omaseid uurimismeetodeid, kuid kõik need taanduvad (loodus)teaduslikulemeetodile, mille aluseks on vaatlus ja/või katse.

12. (LOODUS)TEADUSLIK MEETOD HÜPOTEES Loodus-teaduslik meetod AVASTUSED (JÄRELDUSED) TOIMINGUD HÜPOTEESI KONTROLLIMISEKS ANDMED (TULEMUSED)

13. TÄPPISTEADUS VÕI EMPIIRILINE TEADUS? • Füüsikat peetakse üldiselt täppisteaduseks, sest uuritava kirjeldamiseks kasutatakse arve ja andmetöötluseks matemaatika meetodeid. • Samal ajal on füüsika ka empiiriline (ehk kogemuslik) teadus, sest me tunneme, tajume looduses toimuvat oma meelte abil ning pärast saadud info töötlemist aju poolt jõuab toimunu kogemusena meie teadvusesse • Seega füüsika on samaaegselt nii täppis- kui ka empiiriline teadus

14. VAATLEJA TÄHTSUS • Kogemuslikku teavet looduse kohta saadakse vaatlemise teel – järelikult peab selleks olema inimesest vaatleja. • Vaatleja on füüsika lahutamatu osa, vaatlejata ei saa olla ka füüsikat. • Et vaatleja saaks loodusest füüsikale vajalikku infot, peab tal olema: • meeled (võime saada aistinguid) • mälu (võime infot salvestada ja seda kasutada) • mõistus (võime loogilisi järeldusi teha)

15. FÜÜSIKALINE TUNNETUSPROTSESS JA KUJUTLUS Füüsikalise tunnetusprotsessi osad on järgmised: • sündmus(toimub nähtus, mida vaadeldakse); • signaal(teave, mille mingi infokandja vaatlejani toob, näit heli); • moonutused(kõrvalised tegurid, mis signaali muuta võivad); • retseptor(vaatleja närvirakk, milles signaal närviimpulsi tekitab); • aisting (närviimpulsi jõudmine vaatleja ajusse); • taju(aju töötleb aistingu vaatlejale mõistetavaks, n üksikuks heliks); • kujutlus(mõistust kasutades seostab aju tajutu mälus varem juba talletatuga ja kujundab sündmusest tervikliku pildi, n lauluviisi)

16. Autor: Indrek Peil Allikas: http://syg.edu.ee/~peil/10_fla/

17. KUJUTLUS • Vaatleja teadvusesse ei jõua mitte vaadeldud sündmus ise, vaid selle visioon ehk kujutlus. • Füüsika kujutab endast mitte loodust ennast, vaid paljude vaatlejate poolt loodusest saadud kujutluste ühist süsteemi. • Füüsika ongi looduse peegeldus kujutlustena.

18. FÜÜSIKA TUNNETUSPIIRID • Inimteadvuse jaoks on olemas mõõtmed, millest suuremaid/väiksemaid objekte ei suudeta teadlikult kirjeldada. • Vaatleja teadmiste piiri, millest suuremaid ruumiosi ei suudeta teadulikult kirjeldada, nimetatakse välimiseks nähtavushorisondiks. • Piiri, millest väiksemaid objekte me uurida ei suuda, nimetatakse sisemiseks nähtavushorisondiks • Tänapäeva füüsika poolt uuritav maailm jääb ruumiliselt vahemikku 10– 21 m ... 1025 m.

19. MIKRO-, MAKRO- JA MEGAMAAILM MIKROMAAILM MAKROMAAILM MEGAMAAILM (video!)

20. mõõtmine

21. VAATLUS JA KATSE • Loodusteaduslike teadmiste (andmete)hankimiseks on kaks viisi: • VAATLUS • uurija ei sekku protsessidesse, vaid ainult jälgib ja mõõdab • KATSE • uurija kutsub uuritava nähtuse ise esile või muudab protsesside toimumise tingimusi

22. LOODUSEST INFO KOGUMINE • Informatsiooni ümbritsevast saame oma meeleorganite abil. • Kui neid ärritada, tekib aisting: • nägemine, • kuulmine, • kompimine, • maitsminevõi • haistmine. • Aistingute korralei antaneile sisu. • Normaalsel inimesel esinevad aistingudkompleksselt ja neidanalüüsitakse. Seljuhulräägitaksetajumisest. • Tajumine tugineb suuresti eelnevatele teadmistele, kogemustele, ootustele. • Tajude sisu võib esineda ka ilma meeleorganeid ärritamata. Sel juhul räägitakse kujutlusest. • Kujutlus eeldab eelnevat teadmist või kogemust. Ei saa kujutleda seda, midaei teavõipolevaremkogetud.

23. MÕÕTMINE • “Me allume arvukatelemeelepetetele ja parimvahendnendevastu on mõõtmine”. /Sokrates/ • Vaatluste ja katsete käigus saadakse protsesside kohta informatsiooni võrreldes erinevaid suurusi ja nende muutumist – see tähendab tehakse erinevaid mõõtmisi. • Mõõtmine on keha või nähtuse mingi omaduse võrdlemine suurusega, mis on võetud antud liiki suuruste mõõtühikuks • see tähendab võrreldakse mitu korda erineb mõõdetav suurus vastava suuruse mõõtühikust

24. OTSENE JA KAUDNE MÕÕTMINE • Mõõtmine võib olla kas • OTSENE või • KAUDNE

25. FÜÜSIKALINE SUURUS • Füüsikaline suurus on füüsikalise objekti - keha või nähtuse - mõõdetav omadusvõi olek, • mida saab matemaatiliselt tõlgendada suurusena ja • mis võimaldab inimesel objekti tähisening mõõtühiku abil arvuliselt kirjeldada. • Füüsikalised suurused võivad olla nii • skalaarsed suurused kui ka • vektorsuurused

26. SKALAARSED JA VEKTORIAALSED SUURUSED • Skalaarseteks suurusteks nimetatakse selliseid füüsikalisi suurusi, mille täielikuks kirjeldamiseks piisab arvväärtusest: • pikkus (keha pikkus on 2 meetrit) • ajavahemik (aega kulus 7 minutit) • töö/energia (tööd tehti 300 kilodžauli) • mass (keha mass on 300 grammi) jne • Vektoriaalsete suuruste korral kirjeldatakse lisaks arvväärtusele ka füüsikalise suuruse suunda • kiirus (keha liigub kiirusega 3 m/s põhja suunas) • jõud (jõud 10N on suunatud maapinna poole) jne

27. MÕÕTMISTULEMUS • Vaatluste ja katsete käigus kogutud info väljendatakse mõõtmistulemusena • Mõõtmistulemus esitatakse korrutisena ja koosneb alati kahest osast: • mõõtarvust ja • mõõtühikust.

28. NÄITEID MÕÕTMISTULEMUSTEST • Keha pikkus on 3 meetrit (l = 3m) – kus 3 on mõõtarv ja meeter mõõtühik • Aega kulus (ajavahemiku kestus oli) 5 minutit (t = 5min) – kus 5 on mõõtarv ja minut mõõtühik • Auto keskminekiiruson 90 kilomeetrit tunnis (vk=90 km∙h-1) – kus …

29. LOOMULIKUD MÕÕTÜHIKUD • Mõõtühikuid, mille etalonid tulenevad inimese või loodusega seotud omadustest, nimetatakse LOOMULIKEKS MÕÕTÜHIKUTEKS. • Mõned näited loomulikest pikkusühikutest • Ongström (1Å) – vesinikuaatomi läbimõõt • Toll (1“) – pöidla esimese lüli pikkus • Jalg (1ft) – inimese jalalaba pikkus • Jard (1yd) – kaugus ninaotsast välja sirutatud käe nimetissõrme otsani • Meremiil (1mmi) – 1/360 Maa nullmeridiaani pikkusest • Astronoomiline ühik (1 AU) – kaugus Maalt Päikesele • Valgusaasta (1ly) – teepikkus, mille valgus läbib vaakumis 1 aastaga jne • Katsetulemuste kirjeldamiseks (ka ülesannete lahendamiseks) tuleb kasutada alati sama süsteemi mõõtühikuid

30. PÕHIÜHIKUD • Füüsikas kasutame Rahvusvahelisse Mõõtühikute Süsteemi (SI) kuuluvaid põhiühikuid ja nendest tuletatud ühikuid • Põhiühikud (fundamentaalühikud) on: • pikkusühik MEETER (1m) • ajaühik SEKUND (1s) • massiühik KILOGRAMM (1kg) • temperatuuriühik (KELVINI) KRAAD (1K) • ainehulgaühik MOOL (1mol) • voolutugevuse ühik AMPER (1A) • valgustugevuse ühik KANDELA(1cd)

31. TULETATUD ÜHIKUD • Kõiki ülejäänud ühikuid, mida saab avaldada põhiühikute kaudu, nimetatakse TULETATUD ÜHIKUTEKS. • Paljudele tuletatud ühikutele on antud oma nimetus • Edaspidi nimetame nii fundamentaalühikuid kui nendest tuletatud ühikuid põhiühikuteks

32. TULETATUD ÜHIKUTE SEOS FUNDAMENTAALÜHIKUTEGA • Tuletatud ühiku seose saamiseks SI ühikutega, tuleb aluseks võtta vastava suuruse definitsioonvalem ning teha selles sisalduvate suuruste ühikutega teha sama(d) tehte(d). Näiteks: • Tihedusedefinitsioonvalem: ρ=m/V [ρ] = [m] / [V] = 1 kg/ 1 m3 = 1 kg/m3 = 1 kg m-3 • Kiirusedefinitsioonvalem: v=s/t [v]= [s] / [t] = 1m/1s = 1 m/s = 1 ms-1 • Kiirendusedefinitsioonvalem: a=Δv/t [a]= [v] / [t] = 1 ms-1 /1s = 1 (m/s)/s= 1 m/s2 = 1 ms-2 • Jõu definitsioonvalem on F = m· a [F] = [m]· [a] = 1kg · 1 ms-2=1 kg · m/s2 = 1 kg·m· s-2 =1N

33. TULETATUD ÜHIKUTE SEOS FUNDAMENTAALÜHIKUTEGA • Tuletatud ühikud on näiteks • tehe SI ühikutega on näha: • kiiruse ühik1m/s ehk 1 m∙s-1; • pindalaühik 1m2; • ruumalaühik 1m3; • tiheduse ühik 1 kg/m3 ehk ; 1 kg∙m-3 • tehe SI ühikutega ei ole näha • jõu ühik1N = 1 kg∙m ∙s-2 • energia (töö) ühik 1J; = 1N∙m =1 kg∙m2 ∙s-2 • võimsuse ühik 1W = 1 J/s = ; 1 kg∙m2 ∙s-3 • laengu ühik1C = 1A/s = 1A∙s-1 • pinge ühik1V = 1 J/C = 1 kg∙m2∙s-3∙ A-1

34. Väljenda FUNDAMENTAALühikutes! • 1J  kui töö definitsioonvalem on A=Fs • 1W  kui võimsuse definitsioonvalem on N=A/t • 1C  kui laengu definitsioonvalem on q=It • 1V  kui pinge definitsioonvalem on U=A/q

35. KORDSED ÜHIKUD • Põhiühikutest järkarv korda erinevaid ühikuid nimetatakse kordseteks ühikuteks. • Kordseid ühikuid eristatakse põhi- ja/või tuletatudühikust kindlate eesliidetega.

37. ÜHIKUTE TEISENDAMINE

38. TULETATUD ÜHIKUTE TEISENDAMINE • Tuletatud ühikute teisendamisel põhiühikutesse tuleb need ühikud, millega on vastav tehe tehtud teisendada esmalt põhiühikutesse ja seejärel teha saadud vastustega vajalik tehe. • Näiteks: 18 km/h  … m/s 1km = 103 m; 1h = 3600 s  18 · 1000m/3600s = 5 m/s 25 cm2  … m2 1 cm = 10-2 m  25· (10-2 m)2= 25 · 10-4 m2

39. mõõtevead

40. TÄPPISTEADUS? • Sageli nimetatakse füüsikat ekslikult ka täppisteaduseks eeldades, et füüsikas on võimalik kõiki suurusi täpselt mõõta ja väljendada. • Praktika näitab, et iga mõõtmisega kaasneb alati mõõteviga. • See ei tähenda, et me mõõdame valesti, vaid põhimõtteliselt pole ühtki mõõtmist võimalik teha absoluutselt täpselt. • Erandikson loendamine heades vaatlus-tingimustes.

41. MÕÕTEVIGADE PÕHJUSED • Mõõtevea allikaid on kolm: • MÕÕTERIIST • skaala jaotised pole ühtlased, • osuti ja skaalakriips on lõpliku paksusega, • andurid on muutlikud (vedru väsib, temperatuur mõjub), • numbrilises riistas toimub näidu ümardamine jpm; • MÕÕTMISPROTSEDUUR • lugemisviga (silma järgi skaalajaotise kümnendkohtade hindamine), • parallaks objekti näiv nihe taustasuhtesvaatlejaasendimuutumisetõttu, • häireviga (välised elektriväljad, Vibratsioon, kõrvaline valgus), • lähteviga (kui täpselt kasutame arvutustes konstante, näiteks g või p), • metoodiline viga (meetodi ebatäiuslikkus või arvutusvalemi ligikaudsus) jms • MÕÕDETAV OBJEKT ISE • objekt muutub aja jooksul (soojuspaisumine, vee aurustumine või kondenseerumine, jms)

42. MÕÕTEVIGADE LIIGID • Kui kordusmõõtmisi tehes saame kogu aeg veidi erinevaid tulemusi, mis varasematega täpselt kokku ei lange, on tegemist A-tüüpi määramatusega ehk JUHUSLIKU VEAGA. • Juhusliku vea vähendamiseks tuleb mõõtmisi korrata võimalikult palju kordi. • Kui kordusmõõtmised annavad alati sama tulemuse, ei saa määramatust hinnata kordusmõõtmisi tehes. Sellisel juhul on tegemist B-tüüpi määramatusega ehk SÜSTEMAATILISE VEAGA. • B-tüüpi määramatus saadakse muudest allikatest pärineva info põhjal,  näiteks kasutades mõõteriista tootja poolt antud mõõteriista täpsuse hinnangut. • Süstemaatilise vea vähendamiseks tuleb kasutada suurema täpsusklassiga mõõteriistu

43. MÕÕTMISTULEMUS • Kuigi absoluutselt täpne mõõtmine ei ole võimalik, tuleb mõõtmistulemuse esitamisel alati hinnata ka mõõteviga. • Mõõteviga ehk mõõtemääramatus annab meile vahemiku, milles suuruse tõeline (tõenäoliseim)väärtus asub. • Seda vahemikku pole võimalik täpselt määrata, küll aga teatud tõenäosuse ehk usaldatavusega kindlaks teha. • Kui me mõõtsime näiteks suurust x ja saime mõõtmistulemuseks xt, kusjuures teadaolev mõõtemääramatus ∆xon siis esitatakse mõõdetud suuruse väärtus kujul: x = xt± ∆x • NÄIDE: • Keha pikkus l =(112±0,5)cm • Seega keha tegelik (tõenäoliseim) pikkus ei ole väiksem kui 111,5 cm ega ka suurem kui 112,5cm

44. ABSOLUUTNE VIGA • Absoluutseks veaks nimetatakse mõõdetava suuruse TÕELISE VÄÄRTUSE ja MÕÕTMIS-TULEMUSE vahet • Absoluutsel veal on mõõtmistulemusega sama ühik! • Näiteks: • Kangkaaludega kaalumisel saadi mõõtmistulemuseks 112g • Täppiskaaludega kaalumisel saadi mõõtmistulemuseks 112,354g • Absoluutne viga kangkaaludega kaalumisel oli seega: (112,354 – 112)g = 0,354 g • Seega keha mass m=(112±0,354)g

45. RELATIIIVNE VIGA

46. RIISTAVIGA • Riistaviga on süstemaatilise vea peamine põhjus! • Analoogskaalaga mõõteriista riistaveaks (absoluutne viga) loetakse mitte rohkem kui 50% mõõteriista jaotise väärtusest • 1mm jaotise väärtusega joonlaua absoluutne viga on 0,05 mm • 0,05A jaotise väärtusega ampermeetri absoluutne viga on 0,025A jne • Digitaalse skaalaga mõõteriista riistaviga kirjutatakse mõõteriista passi. • Et riistaviga püsiks lubatud piirides, tuleb mõõteriistu kindlate ajavahemike järel taadelda.

47. TAATLEMINE • Taatlemine on protseduur, mille käigus pädev labor kontrollib mõõtevahendi vastavust kehtestatud nõuetele ja märgistab nõuetele vastava mõõtevahendi taatlusmärgisega • Taatlemise eesmärgiks on kaitsta kodanike ja riigi huvisid ebaõigete mõõtmiste kaudu tekkida võivate kahjude eest.

48. TAADELDAVAD MÕÕTERIISTAD Vastavalt Euroopa Liidu reeglitele kuuluvad taatlemisele: • Massi mõõtevahendid (kaaluvihid ja kaalud) • Vedelike koguste (mahu) mõõtevahendid (kütusetankurid, mõõtemahutid ja metallist mahumõõdud) • Vee- ja soojusarvestid • Elektrienergia mõõtevahendid (mõõtetrafod) • Pikkuse mõõtevahendid (mõõdulindid, mahutite nivoomõõturid, mõõterattad) • Liiklusteenuse osutamisel ja liiklusjärelevalves kasutatavad mõõtevahendid (taksomeetrid, kiirusmõõturid, autode heitgaaside analüsaatorid, ratta- ja teljekoormuskaalud) • Vedelike tiheduse ja alkoholi kontsentratsiooni määramise mõõtevahendid (tihedusmõõturid, areomeetrid, alkoholomeetrid) • Temperatuuri mõõtevahendid (klaasist vedeliktermomeetrid ja digitaaltermomeetrid Pt-anduriga) • Tervishoiuteenuse osutamisel kasutatavad mõõtevahendid (vererõhumõõturid, kaalud)

49. veaarvutus

50. ARITMEETILISE KESKMISE MEETOD(kasutatakse peamiselt juhusliku vea ilmnemise korral)