Doserings units - Balicí stroje ASTRO Vlašim
Transcription
Doserings units - Balicí stroje ASTRO Vlašim
Grib fysikken Bogen indeholder derfor udførlige forklaringer, mange beregningseksempler og opgaver. Opgaverne er samlet i sæt, der rummer en progression i sværhedsgrad, således at de kan fungere som udgangspunkt for elevens mere selvstændige tilegnelse af det faglige stof. Bagest i bogen er internethenvisninger samt forklaringsopgaver til brug for øvelser i mundtlig formidling af fagstoffet. Morten Severinsen Emnerne behandles ud fra målsætningen, at eleven tilegner sig og opnår forståelse af en række naturvidenskabelige forskningsmetoder og argumentationsformer samt en række fysikfaglige begreber, teorier og modeller. Herunder hører, at eleven bliver i stand til at forklare fysikfaglige begreber, teorier og modeller samt løse beregningsopgaver og udføre databehandling. – fysik på gymnasiets B-niveau (2. udgave) Denne lærebog koncentrerer sig om de emner, der er kernepensum på gymnasiets B-niveau i fysik. Grib fysikken – fysik på gymnasiets B-niveau 2. udgave Ω ρ λ –1 –1 Hz (= s ) Pa ∆s s °C v = g/mol gns ∆t ΔT K Emek = Epot + Ekin µ E 2 U = kg∙m/s Q 2 E = m ∙ c s = s0 + v0 ∙ t + ½ Agas = pgas ∙ ΔVgas 2 2 v = v + 2a∙ 0 Morten Severinsen kg/m3 ΣItil = ΣIfra Bogfondens Forlag Grib fysikken – fysik på gymnasiets B-niveau 2. udgave, 1. oplag, juni 2012 ISBN 87-7463-012-1 EAN 978-87-7463-012-8 © Copyright 2010 og 2012 Morten Severinsen Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner eller virksomheder, der har indgået aftale med Copydan, og kun inden for de rammer, der er nævnt i aftalen. Grafisk design, sats og omslag: Caroline Sofie Axelsson, C grafisk Trykt hos Herrmann & Fischer A/S Printed in Denmark 2012 Udgivet af Bogfondens Forlag A/S Akademivej, Bygning 358 2800 Kgs. Lyngby Tel: 39 29 30 26 www.maskinmesterskolens-boghandel.dk Bogens illustrationer – kilder og copyright/ophavsret: Alle billeder og alle figurer af Morten Severinsen (der har den fulde copyright/alle rettigheder til disse) 2010 og 2012, bortset fra følgende: Figurerne s. 101 (elektron, der rammer plade), 127 (skib og vandbølger i kar), 207 (acceleration), 213 (pistol), 228 og 231 (Humvee), 230 (Lastbil) samt 230 (Skiløber i lift) er udarbejdet af Ulf Worsøe 2010 (med tilføjelser/modifikationer af Morten Severinsen). Figurerne s. 88 (eks., Boyle-Mariottes lov), 91 (Gay-Lussacs 2. lov) og 95 (elektrisk ladning): Ballon fra Wikimedia Commons, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Balloons-aj.svg Billeder: s. 12 (Einstein), foto: Doris Ulmann s. 19 (Nano-pincet), foto: Kenneth Carlsson, Peter Bøggild, DTU Nanotech s. 29 (Guldbarre), foto: Danmarks Nationalbank s. 41 (Crash-test), foto: Euro NCAP, www.euroncap.com s. 57 (Isbjerg i vand), foto: Jesper Kunuk Egede s. 75 (Containerskib), foto: Maersk Line s. 94 (Printbaner), foto: Wikipedia Commons s. 95 (Hår stritter på Talulah), foto: Caroline Sofie Axelsson s. 132 (Skagens gren), foto: Skagens Turistforening s. 148 (Skæring med laser), foto: Gantech A/S s. 156 (parabolantenne), foto: NASA/courtesy of nasaimages.org s. 175 (Atomkraftværk), foto: W. Wacker s. 187 (Solen), foto: NASA/courtesy of nasaimages.org s. 218 og 243 (Container og kran), foto: Port of Kiel s. 222 (Helikopter med mand i wire), foto: Paul Cage, U.S. Marine Corps s. 226 (Faldskærmsudspringer), foto: usmc.mil s. 233 (Køretøj med lille luftmodstand), foto: Shell 2010 Forord Bogen er beregnet til undervisning i fysik på gymnasiets B-niveau. Den er velegnet til såvel intensive kurser som et- og toårige undervisningsforløb. Bogen har som højeste prioritet, at eleven eller den studerende opnår solid indsigt i og forståelse af en række fysikfaglige begreber, teorier og modeller samt en række fysikfaglige forskningsmetoder og argumentationsformer. Herunder hører, at eleven bliver i stand til at forklare fysikfaglige begreber, teorier og modeller samt løse beregningsopgaver og udføre databehandling. Derfor giver bogen udførlige forklaringer af fysikfaglige begreber, teorier, argumenter og metoder, herunder ved brug af beregningseksempler. Den, der arbejder, lærer eller ”learning by doing”. Derfor er der mange beregningsopgaver i bogen. Opgaverne er samlet i sæt, der hver især byder på en progression i sværhedsgrad. Opgavesættene lægger op til en vis grad af selvstændig tilegnelse af fagstoffet, sådan at underviseren i nogle tilfælde kan nøjes med at give en kortfattet introduktion til et emne, samt evt. et regneeksempel forud for elevens eller den studerendes mere selvstændige arbejde med emnet. Regning af opgaverne og læsning af lærebogsteksten kan dog ikke erstatte demonstrationsforsøg, laboratoriøvelser og fysikfaglige projekter samt øvelser i formidling af fagstoffet. Til brug for øvelser i formidling er bagest i bogen nogle ”forklaringsopgaver”. Bagest er også facitliste samt internethenvisninger til blandt andet supplerende lærebogsstof. En stor tak til alle de fysikfaglige rådgivere, undervisere og studerende, der har bidraget til at forbedre manuskriptet, samt til ledelsen ved DTU Adgangskursus for opbakning og støtte til udarbejdelse af manuskriptet. Morten Severinsen, studielektor ved DTU Adgangskursus, Lyngby 2012 ∆t = t2 – t1 Formler står på lyseblå baggrund med formlen til venstre og symbolforklaring til højre Eksempler har lysegrøn baggrund og et "rigtig"-tegn Opgaver har lysegrå baggrund og et spørgsmålstegn Resumé har lyseorange baggrund og et udråbstegn Indholdsfortegnelse 1. Oversigter 6 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. Overblik 6 Tabeller i bogen 6 Præfikser 7 Tabelværdier for udvalgte naturkonstanter 7 Det græske alfabet 7 Enheder 7 Symboler 8 Centrale formler 9 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 2. Fysiske størrelser 11 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. Overblik 11 Hvad er tid? 12 Eksponentiel notation 15 Præfikser 17 Betydende cifre og størrelsesorden 18 Fartbegrebet og sammensatte enheder 21 Arealbestemmelse 24 Resumé: Fysiske størrelser 27 3. Masse og densitet 28 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. Overblik 28 Masse og vægt 29 Volumen 32 Densitet 35 Resumé: Masse og densitet 39 4. Energi og varme 40 4.1. Overblik 40 4.2. Energi 41 4.3. Temperatur 44 4.4. Varmekapacitet 46 4.5. Isolerede systemer 52 4.6. Kalorimetri 55 4.7. Faseovergange 57 4.8. Effekt 62 4.9. Nyttevirkning og virkningsgrad 64 4.10. Resumé: Energi og varme 66 5. Tryk i væske og gas 67 Overblik 67 Begrebet tryk 68 Tryk af væsker på grund af tyngdekraften 70 Totaltryk i væsker 73 Hvorfor kan et skib flyde på vandet? 75 5.6. Resumé: Tryk i væske og gas 78 6. Gaslovene 79 6.1. Overblik 79 6.2. Idealgasligningen 80 6.3. Hvad sker der med en indespærret gas, når den opvarmes? 83 6.4. Hvad sker der med en indespærret gas, når den presses sammen? 87 6.5. Sammenhængen mellem gassens volumen og temperatur 90 6.6. Resumé: Gaslovene 92 7. Elektricitet 93 7.1. Overblik 93 7.2. Hvad er elektricitet? 94 7.3. Ladningsvandring og strømstyrke 97 7.4. Elektrisk spændingsforskel 100 7.5. Resistans, Joules lov og Ohms lov 104 7.6. Hvad gør man, hvis der er flere resistorer? 108 7.7. Andre måder at bestemme erstatningsresistansen på 110 7.8. Spændingsfald og loven om, at spændingsfald er additive 115 7.9. Hvordan fungerer et elektrisk element? 119 7.10. Resistivitet 122 7.11. Resistansens temperaturafhængighed 122 7.12. Resumé: Elektricitet 124 8. Bølger og lyd 126 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. Overblik 126 Bølgefænomener 127 Hvad karakteriserer en bølge? 127 Interferens mellem bølger 132 Interferens mellem bølger fra to spalteåbninger 136 Lyd 139 Resumé: Bølger og lyd 143 9. Lys og elektromagnetisk stråling 144 11.1. Overblik 198 11.2. Hvad er kinematik? 199 11.3. En-dimensionel kinematik 199 11.4. Bevægelse med konstant hastighed 203 11.5. Acceleration 207 11.6. Bevægelse med konstant acceleration 209 11.7. Mere om bevægelse med konstant acceleration 213 11.8. Resumé: Kinematik 216 9.1. Overblik 144 9.2. Lysets natur 145 9.3. Elektromagnetisk stråling betragtet som bølger 148 9.4. Lysets afbøjning i et optisk gitter 148 9.5. Teorien bag afbøjning i optisk gitter 152 9.6. Refleksion af lys og Huygens princip 155 9.7. Lysets brydning mellem to materialer 158 9.8. Mere om lysets brydning 161 9.9. Elektromagnetisk stråling betragtet som partikler 166 9.10. Atomer kan udsende og absorbere lys 169 9.11. Resumé: Lys og anden elektromagnetisk stråling 173 10. Kernefysik 174 10.1. Overblik 174 10.2. Små kerner – enorme kræfter 175 10.3. Atomets bestanddele og stabilitet 175 10.4. Radioaktive henfald 179 10.5. Mere om radioaktive henfaldstyper 184 10.6. Stof og masse kan blive til energi 187 10.7. Radioaktivitetens størrelse 189 10.8. Hvor hurtigt aftager radioaktiviteten? 191 10.9. Resumé: Kernefysik 197 11. Kinematik 198 12. Fysiske kræfter 217 12.1. Overblik 217 12.2. Kræfters størrelse og retning 218 12.3. Den resulterende kraft 221 12.4. Newtons love 223 12.5. Kraftens komposanter 227 12.6. Normalkraften 231 12.7. Friktionskraften 233 12.8. Resumé: Fysiske kræfter 239 13. Arbejde og energi 240 13.1. Overblik 240 13.2. Hvad er arbejde? 241 13.3. Potentiel, kinetisk og mekanisk energi 244 13.4. Fjederarbejde og –energi 248 13.5. Mere om fjederarbejde og energi 251 13.6. Gassers arbejde og arbejde på en gas 253 13.7. Mere om gassers arbejde og arbejde på en gas 256 13.8. Resumé: Arbejde og energi 257 14. Forklaringsopgaver 258 15. Facitliste 269 16. Linksamling 278 17. Stikordsregister 283 Oversigter 1 Oversigter 1.1. Overblik over kapitel 1 Dette kapitel indeholder en række oversigter, ikke egentligt lærebogsstof. Oversigterne omhandler: Tabeller i bogen Præfikser Tabelværdier for udvalgte naturkonstanter Det græske alfabet Enheder Symboler, herunder deres betydning og SI-enheder Formler 1.2. Tabeller i bogen Tyngdeacceleration (g): s. 31 Densitet: s. 35 Specifik varmekapacitet samt smelte- og kogepunkt: s. 49 Specifik smeltevarme og fordampningsvarme samt smelte- og kogepunkt: s. 59 Atommasse: s. 80 og s. 193 (isotoper) Resistivitet og resistanstemperaturkoefficient: s. 122 Bølgelængder for lys: s. 147 Farten af lys i forskellige materialer: s. 159 Løsrivelsesarbejde for elektroner: s. 167 Det periodiske system: s. 177 Kernekort: s. 185 Halveringstid for radioaktive atomkerner: s. 193 Friktionskoefficient: s. 236 1.3. Præfikser a = atto = 10 –18 f = femto = 10 –15 p = pico = 10 –12 n = nano = 10 –9 μ = mikro = 10 –6 m = milli = 10 –3 c = centi = 10 –2 = 0,01 d = deci = 10 –1 = 0,1 h = hekto = 102 = 100 k = kilo = 103 = 1000 M = mega = 106 G = giga = 109 T = tera = 1012 P = peta = 1015 E = exa = 1018 Fysiske størrelser 2 2.1. Overblik Som i de følgende kapitler, gives indledningsvis et overblik over de begreber og formler, som introduceres i kapitlet. Efter at have læst kapitlet, skulle man gerne være fortrolig med de begreber og formler, der opremses her. Overblikket kan benyttes som en slags formelsamling i forbindelse med opgaveløsning. Enheder Fysiske størrelser angives altid med en enhed. Inden for naturvidenskab er vedtaget en række standardenheder, SI-enhederne. Tidspunkt (t) og tidsrum (∆t) Definition: ∆t = t2 – t1 SI-enhed for tid og tidsrum: sekund = s Eksempler på enheder, som ikke er SI-enheder: minut, time, døgn og år Længde (l), bredde (b), højde (h), radius (r) og afstand (∆s) SI-enhed: meter = m Eksponentiel notation Eksempel: 5,87∙104 Præfikser Eksempel: 300 km. Her er ’k’ et præfix som står for 1000. Betydende cifre og størrelsesorden Eksempler på størrelser angivet med tre betydende cifre: ”5,87∙104”, ”5,87” og ”0,00465” Eksempler på tal med to betydende cifre: ”0,0059” og ”1,5∙104” Størrelsesordenen angives ved hjælp af nuller (som i ”0,00465”), kommaer (som i ”5,87”), eksponentiel notation (som i ”5,87∙104”) eller præfikser (som i ”4,0 μs”). Gennemsnitsfart (vgns) ∆s , hvor ∆s = afstanden og ∆t = tidsrummet Definition: vgns = ∆t SI-enhed: meter pr. sekund = m/s Areal (A) (Volumen: se s. 31) SI-enhed: kvadratmeter = m 2 Arealet af et rektangel er lig bredde gange længde: Arektangel = b ∙ l Arealet af en cirkel med radius r: A = π ∙ r2 Arealet af en kugleoverflade med radius r: A = 4 ∙ π ∙ r2 2.2. Hvad er tid? Fysik, som en videnskab eller forskningstradition, beskæftiger sig med fysiske genstande, fysiske kræfter samt det fysiske rum og tid. Vi skal her kigge lidt nærmere på tid, sådan som denne størrelse forstås inden for moderne fysik. 2.2.1. Tidspunkt (t) Et tidspunkt kunne fx være kl. 13:25:04. Et andet eksempel er 14. marts 1879, der er fødselsdatoen for den store fysiker Albert Einstein. Symbolet for tidspunkt er t. Derfor kan Einsteins fødselstidspunkt skrives: Einstein ændrede fysikkens tidsopfattelse tfødsel = 14. marts 1879 Et bestemt tidspunkt kan angives mere eller mindre præcist ved at angive årstal, måned, dag i måneden og/eller tidspunkt på dagen i timer, minutter og/eller sekunder. Einsteins fødselstidspunkt er ovenfor kun angivet ved årstal, måned og dag i måned. Bemærk i øvrigt at symboler for fysiske størrelser, såsom t, skrives i kursiv i denne bog og i mange andre skrifter inden for naturvidenskab. 2.2.2. Tidsrum (∆t) Et tidsrum eller ”et stykke tid” siges at have en vis længde, fx 5 sekunder, 3 minutter eller 48 timer. Som symbol for tidsrum benyttes nogle gange t, men for ikke at forveksle tidsrum med tidspunkt, benyttes her det sammensatte symbol ’∆t’. Dette symbol er sammensat af ∆, der betyder tilvækst eller stigning, og t, der betyder tidspunkt. Et tidsrums længde kan beregnes ud fra to tidspunkter, t1 og t2: ∆t = t2 – t1 ∆t = tidsrummet t1 og t2 er to tidspunkter Beregning af tidsrum Et stopur startes, idet et 400 meter løb sættes i gang. Den første løber når i mål til tidspunktet 44,57 s (’s’ står for sekunder). Den sidste løber når i mål til tidspunktet 46,12 s. Tidsrummet mellem, at første løber og sidste løber når i mål, er: ∆t = tsidst – tførst = 46,12 s – 44,57 s = 1,55 s Bemærk, at mens symbolet for tidsforskel – ligesom symboler for andre fysiske størrelser – gerne skrives i kursiv, skrives forkortelsen for sekunder (s) ikke i kursiv. Enheder skrives generelt aldrig i kursiv. 12 | Fysiske størrelser 2.2.3. Enheder for tidsrum og omregning SI-enhed for længden af tidsrum er et sekund, forkortet s. Denne enhed kaldes en SIenhed, fordi den er en del af den samling af internationale grundenheder, som kaldes SI-systemet (efter det franske navn: Système International d’Unités). En sådan samling af enheder kaldes et metrisk De vigtigste enheder for tid system. SI-systemet er ikke det eneste metriske symbol, system, men det mest omfattende og benyttede omregning enhed forkortelse system inden for moderne naturvidenskab. sekund s Et tidsrum på 3 minutter kan angives i SIminut min min = 60 s enheden ved omregning. Et minut er nemlig lig time h h = 60 min døgn d d = 24 h med 60 sekunder (min = 60 s). Omregning kan fx år år ≈ 365,25 d foretages vha. substitution af enheden minut med 60 sekunder, som vist i følgende eksempel. Omregning til enheden sekund Eksempel 1 Omregning af et tidsrum på 3 minutter til sekunder (vha. substitution) kan foregå i følgende fire trin: 1. ∆t = 3 min 2. = 3 ∙ (60 s) (substitution, dvs. indsætning af ”60 s” i stedet for ”min”) 3. = 3 ∙ 60 s (ophævelse af parentes) 4. = 180 s Eksempel 2 Et tidsrum på fx 4 døgn, 8 timer, 14 minutter og 44 sekunder kan omregnes til sekunder på følgende vis (idet en time = 1h = 60 min og et døgn = 24 h): 1. ∆t = 4 døgn, 8 timer, 14 minutter og 44 sekunder 2. = 4 ∙ (24 h) + 8 h + 14 min + 44 s 3. = 4 ∙ 24 h + 8 h + 14 min + 44 s 4. = 96 h + 8 h +14 min + 44 s 5. = 104 h + 14 min + 44 s 6. = 104 ∙ (60 min) + 14 min + 44 s 7. = 6240 min + 14 min + 44 s 8. = 6254 min + 44 s 9. = 6254 ∙ (60 s) + 44 s 10. = 375284 s Når man har prøvet at omregne til sekunder på denne måde nogle gange, behøver man formentlig ikke at skrive alle trinene ned. Fysiske størrelser | 13 Masse og densitet 3 3.1. Masse og densitet Overblik Masse (m) SI-enhed for masse: kilogram = kg Eksempler på andre enheder: gram (g), ton = 1000 kg , atommasseenhed (u) = 1,6605∙10 –27 kg. Tyngdeaccelerationen (g) SI-enhed: m/s2 = N/kg for Danmark (DK) gælder i havniveau: g DK = 9,82 N/kg Tyngdekraftens størrelse (Ftyn) SI-enhed: Newton = N Formel til beregning af tyngdekraft: Ftyn = m ∙ g Volumen (V) SI-enhed: kubikmeter = m3 Eksempler på andre enheder: en liter, en kubikcentimeter. Volumen af en kasse med længden l, bredden b og højden h: Vkasse = l ∙ b ∙ h Volumen af cylinder med radius r og højden h: Vcylinder = π ∙ r2 ∙ h Volumen af cylinder med tværsnitsarealet A og højden h: Vcylinder = A ∙ h Volumen af kugle med radius r: Vkugle = 4 ∙ π ∙ r3 3 Densitet (ρ) SI-enhed: kilogram pr. kubikmeter = kg/m3 Definition: ρ = m V 3.2. Masse og vægt Genstande vejer et eller andet, dvs. de har en masse. En guldbarre, Danmarks Nationalbank opbevarer som valutareserve, har massen 12,5 kg. Symbolet for masse er m. Derfor kan man skrive: mguldbarre = 12,5 kg En guldbarre fra Danmarks Nationalbank 3.2.1. Enheder for masse Hvor tung en genstand er, dvs. hvor stor dens masse er, kan angives i forskellige enheder. SI-enheden for masse er et kilogram, der forkortes kg. I dag er denne enhed fastlagt som massen af et bestemt platin-iridium lod, der opbevares i Paris. Det er derfor dette lod, som bestemmer, om en vægt viser rigtigt, og hvad andre lodder vejer. En anden enhed for masse er et ton, som forkortes t og er lig med 1000 kg. Denne enhed bruges fx inden for godstransport med lastbiler, tog og skibe, hvor enheden 1 kg er meget lille. Ved masser under 1 kg er der i mange sammenhænge tradition for at benytte enhederne gram, milligram, mikrogram, nanogram etc. Men inden for atomfysik og kemi benyttes også enheden kaldet ”atommasseenhed” eller ”atomic mass unit”, der er defineret som en tolvtedel af massen af et kulstof-12 atom og forkortes med symbolet ’u’. Grunden til, at atommasseenheden benyttes, er, at atomer hver især ikke vejer meget. Fx vejer et tungt brintatom (også kaldet deuterium eller Hydrogen-2) 3,3444∙10 –27 kg. Denne størrelse kan med fordel skrives i atommasseenheden. Hvis størrelsen er opgivet i kg, kan man omregne til u ved at benytte: 1 u = 1,6605∙10 –27 kg Ud fra denne sammenhæng kan man udlede, hvad 1 kg er i enheden u: 1 u = 1,6605∙10 –27 kg ⇔ 1 u = 1 kg 1,6605∙10 –27 ⇔ 1 kg = 6,0223∙1026 u Omregning fra masse angivet i enheden kg til enheden u Man kan omregne massen af tung brint fra enheden kg til enheden u på følgende måde: mtung brint = 3,3444∙10 –27 kg = 3,3444∙10 –27 ∙ 6,0223∙1026 u = 2,0141 u 3.2.2. Tyngdekraft Genstande, som har en masse, tiltrækker hinanden, uanset hvor langt der er mellem dem. Solen tiltrækker Jorden, selvom afstanden mellem dem er ca. 150 000 000 kilometer. Solens tiltrækningskraft er årsagen til, at Jorden i milliarder af år har kredset om Solen i nogenlunde samme afstand. Masse og densitet | 29 Energi og varme 4 4.1. Energi og varme Overblik Energi (E) SI-enhed: Joule = J Eks. på andre enheder: kalorie (cal) = 4,2 J, kilowatttime (kWh) = 3,6 MJ, elektronvolt (eV) = 1,602∙10 –19 J Indre energi (Eindre) Tilført varmeenergi (Q) Tilføres en genstand alene varmeenergi, er tilvæksten i indre energi = ∆Eindre = Q Temperatur (t og T) SI-enhed for absolut temperatur (T): Kelvin = K SI-enhed for temperaturen t: grader Celsius = °C Definition: T t + 273,15 = K °C Temperaturstigning: ∆T = T2 – T1 , ∆t = t2 – t1 , ∆t ∆T = °C K Varmekapacitet (C) SI-enhed: Joule/Kelvin = J/K = J/°C Q Q Definition: C = = ∆T ∆t Teori: Q er proportional med temperaturstigningen for en given genstand, hvis der ikke sker ændringer i tilstandsform (faseskift, fx smeltning). Den totale varmekapacitet af sammensatte genstande = Ctotal = C1 + C2 + C3 + …, hvor Ci = den i’te dels varmekapacitet Specifik varmekapacitet (c) SI-enhed: J/(K∙kg) = J/(°C∙kg) C Definition: c = m Teori: c er konstant for et bestemt materiale uafhængigt af massen. Specifik smeltevarme (Ls) SI-enhed: J/kg Qs Definition: L s = m , hvor Qs er den tilførte smeltevarme s Teori: L s er konstant for et bestemt materiale uafhængigt af massen. Specifik fordampningsvarme (Lf) SI-enhed: J/kg Qf Definition: Lf = m , hvor Qf er den tilførte fordampningsvarme f Teori: Lf er konstant for et bestemt materiale uafhængigt af massen. Effekt (P) SI-enhed: Watt = W E Definition: P = , hvor ∆t står for tidsrummet ∆t Nyttevirkning og virkningsgrad (η) Enhed: ingen eller % E Definition: η = udnyttet Etilført 4.2. Energi Energi er en teoretisk størrelse, der ikke kan observeres direkte. Ofte kan man dog se resultatet af energiomsætninger, fordi sådanne omsætninger kan give sig udtryk i synlige fænomener eller forandringer. Det gælder energiomsætningen i Solen, eller når en bil accelererer, og på den måde omsætter "benzinenergi" (kemisk energi) til bevægelsesenergi. Energi betegnes E. Energibegrebet er nyttigt i beskrivelsen, forklaringen og forudsigelsen af forandringer i temperatur, fart, udseende etc. Når man taler om, at en bil har bevægelsesenergi – i og med den har en fart – kan man bedre sige noget om, hvor meget det kræver at accelerere bilen, bremse den, eller hvad der sker, hvis den støder ind i noget. 4.2.1. Bevægelsesenergi, temperatur og indre energi Når en genstand er i bevægelse, rummer den bevægelsesenergi (også kaldet kinetisk Energiudladning i en sammenstødstest energi). At der er energi forbundet med, at noget bevæger sig, kan indses ved at tænke over en bil, som bremser. Her falder bilens hastighed samtidig med, at dens bremser bliver varme. Ved et meteornedslag på Jorden kan meteorens kinetiske energi omsættes til en voldsom varme. En genstand, der står stille, kan også rumme en slags bevægelsesenergi, fordi de enkelte molekyler eller atomer i genstanden bevæger sig ukoordineret i forhold til hinanden. Temperatur er et udtryk for denne mikroskopiske bevægelsesenergi. Når man fx siger, at luften har en temperatur på 25 °C, Molekylernes bevægelse er det et udtryk for, at luftmolekylerne, der bevæger sig i en gas er markeret med ukoordineret rundt mellem hinanden, har en vis fart og pile dermed en vis mikroskopisk bevægelsesenergi. Det samme gælder (andre) gasser. Også i flydende og faste stoffer bevæger molekylerne og atomerne sig typisk i forhold til hinanden. I faste stoffer skifter molekylerne ikke plads, men ”ryster” i deres Energi og varme | 41 position – jo højere temperatur, jo mere ryster de. Stadig er der tale om en form for bevægelsesenergi. Bevægelsesenergi på atom- og molekyleniveau udgør en del af det, som kaldes termisk energi eller indre energi, symboliseret Eindre. Både temperatur og indre energi er altså, på hver deres måde, udtryk for bevægelsesenergi på atom- og molekyleniveau. (Indre energi omfatter også molekylernes kemiske energi, og en særlig ”potentiel” energi relateret til molekylers gensidige påvirkning af hinanden. Sidstnævnte ændrer sig under tilstandsændring mellem gas, flydende og fast form – se senere) 4.2.2. Ændring af temperatur og indre energi Vil man hæve en grydes temperatur, skal man sørge for, at dens atomer ryster mere i forhold til hinanden, således at grydens indre energi stiger. Dette kan ske ved at sætte gryden på en varm kogeplade og derved tilføre varmeenergi til gryden. 4.2.3. Tilført varmeenergi (Q) Varme defineres som den form for energi, der overføres fra et system til et andet på grund af temperaturforskellen mellem systemerne. Det kunne fx være fra en varm kogeplade (det ene system) og en gryde med koldt vand (det andet system). Overførslen af varmeenergi skyldes at atom- og molekylebevægelser forplanter sig fra den varme kogeplade til gryden. Hvis en genstand modtager varmeenergi, stiger genstandens indre energi tilsvarende (jf. varmeteoriens 1. hovedsætning, se senere): ΔEindre = Q ΔEindre = stigning eller tilvækst i genstandens indre energi Q = modtaget varmeenergi Dette forudsætter, at genstanden alene tilføres varmeenergi Det betyder også, at hvis en genstand afgiver varmeenergi til omgivelserne (således at Q for genstanden er negativ), falder dens indre energi, og tilvæksten i dens indre energi er negativ. 4.2.4. Energienheder SI-enheden for energi er Joule, efter den engelske fysiker James Joule. Enheden forkortes J. Energi-indholdet i fødevarer er nogle gange opgivet i kalorier (cal), hvor: 1 cal = 4,2 J Til meget små energimængder, fx inden for atomfysik, benyttes ofte enheden elektronvolt (eV), hvor: 42 | Energi og varme Den indre energi stiger med den tilførte varmeenergi (Q). 4.6.2. Opgaver i kalorimetri 1 Svar på følgende spørgsmål a) 2 Hvad måler et kalorimeter? Brug af kalorimeter til bestemmelse af et lods masse. Et kalorimeter består af en indre skål af 193 g jern og indeholder kalorimetervæske bestående af 231 g vand. Der igangsættes en energimåling ved hjælp af kalorimeteret. Kalorimeterets starttemperatur er 21,35 °C, og dets sluttemperatur er 26,92 °C, idet den indre skål og kalorimetervæsken har samme temperatur. a) Beregn varmeenergien, den indre skål og kalorimetervæsken tilsammen modtager. Antag, at temperaturstigningen til 26,92 °C skyldes, at et lod er blevet sænket ned i kalorimetervæsken (vandet), og at der opstår termisk ligevægt (altså en fælles sluttemperatur på 26,92 °C). Antag videre, at den indre skål, væske og lod udgør et isoleret system under forsøget, samt at loddets starttemperatur var 98,2 °C. b) Beregn loddets varmekapacitet. c) Begrund, hvorfor den indre skål bør være isoleret ved brug af en ydre kappe eller andet, der øger isoleringen fra omgivelserne. Loddet vides at være af aluminium, men dets masse kendes ikke. d) 4.7. Beregn loddets masse ud fra forsøget. Faseovergange 4.7.1. Faser og tilstandsformer Når is smelter og bliver til vand, har stoffet (en mængde H2O-molekyler) ændret sig fra at være fast til at være flydende. Man taler om, at stoffet har skiftet fase eller tilstandsform. Det skifter fra fast til flydende fase. Når vand fordamper, taler man på tilsvarende måde om, at stoffet har skiftet fase eller tilstandsform: Fra flydende til gas eller damp. Luften omkring os indeholder typisk en vis mængde vanddamp. Is, vand og vanddamp (i luften) Energi og varme | 57 4.7.2. Smeltevarme Hvis en isklump tages fra en dybfryser og lægges i en gryde, der står på en tændt kogeplade, vil isklumpens temperatur stige. Men temperaturen stiger, kun indtil den når 0 °C, der er isens smeltepunkt. Selvom isen stadig modtager varme fra gryden, stiger dens temperatur ikke. Varmeenergien fra gryden bruges i stedet til at smelte isen. Først når al isen er smeltet, og dermed er blevet til vand, stiger temperaturen igen. Under smelteprocessen brydes bindinger mellem H2O-molekylerne i isen. Smeltning består således i, at ”ryste” molekylerne ud af deres faste bindinger, hvorefter isen har skiftet fase fra fast til flydende. Denne proces kræver tilførsel af varmeenergi. Da der ikke sker nogen tilsvarende temperaturændring, taler man ikke om varmekapaciteten af en ændring i tilstandsformen. I stedet taler man om, at en bestemt mængde is skal bruge en bestemt mængde varmeenergi for at smelte. Denne varmemængde kaldes smeltevarmen. Symbolet herfor er Qs. Det gælder ikke blot is, men også for andre stoffer, at smeltevarmen er proportional med massen af den mængde stof, som smelter (ms): Qs = L s ∙ m s Ls står for den specifikke smeltevarme, og formlen har givet anledning til definitionen af specifik smeltevarme. 4.7.3. Specifi k smeltevarme Den specifikke smeltevarme for en fast genstand er defineret ved den varmeenergi, der skal tilføres for at smelte en given mængde af det materiale, genstanden består af: Q Ls = s ms 58 | Energi og varme L s = den specifikke smeltevarme Qs = smeltevarmen ms = massen af det, der smelter 5 Tryk i væske og gas Tryk i væske og gas 5.1. Overblik Tryk (p) SI-enhed: Pascal = Pa, Pa = N/m 2 Eks. på andre trykenheder: atmosfære (atm) = 101 325 Pa, bar = 100 000 Pa Definition: p = F , hvor F = kraft og A = areal A Tryk af fast genstand mod underlag (pga. tyngdekraften) Formel: pgenstand = mgenstand ∙ g A hvor: mgenstand = massen af genstanden, g = tyngdeaccelerationen, A = arealet af kontaktfladen Tryk af væske (pga. tyngdekraften) Formel: pvæske = ρvæske ∙ g ∙ h hvor: pvæske = væskens densitet, g = tyngdeaccelerationen, h = højden af væskesøjlen Totaltryk (ptotal) Formel: ptotal = p1 + p2 + p3 + … , hvor: pi = den i’te kildes bidrag til totaltrykket Opdrift på genstand i væske Formel: Fop = Ftyn,fortrængt væske = mfortrængt væske ∙ g = Vfortrængt væske ∙ ρvæske ∙ g hvor: mfortrængt væske = massen af den væske genstanden fortrænger, Vfortrængt væske = volumenet af den væske genstanden fortrænger, ρvæske = væskens densitet, g = tyngdeaccelerationen Tryk i væske og gas | 67 5.2. Begrebet tryk 5.2.1. Defi nitionen af tryk og trykenheder Tryk er defineret som størrelsen af den kraft, der virker vinkelret på en flade divideret med fladens areal: p = trykket F p= A F = kraften, der virker vinkelret på en overflade A = arealet af overfladen Symbolet for tryk er p, fordi det engelske ord for tryk er ’pressure’. SI-enheden for tryk er navngivet Pascal, efter den franske matematiker og fysiker Blaise Pascal (16231662). Trykenheden Pascal forkortes Pa og er defineret ved to andre SI-enheder, nemlig Newton og kvadratmeter: 1 Pa = 1 N/m2 Beregning af tryk af faste stoffer En vase med massen 3,5 kg står på et bord. Vasens bund er flad og har et areal på 12 cm 2. Først beregnes tyngdekraften på vasen: Ftyn = m ∙ g = 3,5 kg ∙ 9,82 N/kg = 34,4 N Vasen påvirker derfor bordet med kraften 34,4 N, hvorfor vasens tryk mod bordet er: pvase = Fvase 34,4 N 34,4 N = = A 12 cm 2 12 ∙10 -4 m 2 = 28 667 N/m 2 = 28 667 Pa ≈ 29 kPa 5.2.2. Luften er trykkende i fysisk forstand Luften ved jordoverfladen yder et tryk mod alle de overflader, den er i kontakt med, fx en bordoverflade. Det skyldes, at molekylerne i luft bevæger sig rundt med stor fart i alle retninger, og at en overflade i kontakt med luften hyppigt vil blive ramt af sådanne molekyler. Lufttryk angives ofte i enheden ”atmosfære”, forkortet atm. Denne enhed er defineret ud fra enheden Pascal på følgende måde: 1 atm = 101325 Pa (præcis) Denne definition er valgt, fordi luftens tryk ved vandoverfladen derved normalt er lige omkring 1,00 atm. 68 | Tryk i væske og gas 5.4.3. Opgaver inden for totaltryk 1 2 Atmosfæretrykket en dag ved vandet (ferskvand) er 1,02 atm a) Beregn totaltrykket i vandoverfladen i enheden Pascal. b) Beregn totaltrykket 2,0 meter under vandoverfladen. c) Beregn totaltrykket ved bunden et sted, hvor dybden er 3,2 m. Trykket under flere lag væske. I en kolbe er der 12,4 cm rapsolie over en søjle af ferskvand på 15,2 cm og en kviksølvsøjle på 3,40 cm. Atmosfæretrykket er 1,02 atm. Beregn totaltrykket følgende steder: 3 a) I grænsefladen mellem rapsolien og vandet. b) I grænsefladen mellem vandet og kviksølvet. c) Ved bunden i kolben. d) 1,00 cm over bunden. I en kolbe er der et 12,4 cm højt lag af rapsolie over et lag af vand a) Hvor højt skal vandlaget være, for at vandsøjletrykket er det samme som rapsoliesøjletrykket? 5.5. Hvorfor kan et skib flyde på vandet? 5.5.1. Opdrift Et tankskib på fx 150 000 tons kan flyde ovenpå vand, mens en lille metalkugle vil synke. Man føler sig lettere, når man er i vand end på land. Begge disse fænomener har at gøre med opdrift i væske. 5.5.2. Årsagen til opdrift er trykforskelle i en væske Det blev nævnt tidligere, at trykket i en væske går i alle retninger. Hvis en kasse befinder sig i en væske, som vist på figuren, vil vandet trykke fra alle sider. Men der er forskel på, hvor stort trykket fra væsken er på de forskellige sider af kassen. Som det også blev nævnt tidligere, stiger væskesøjletrykket med dybden. Og kassens underside er dybere nede i væsken end oversiden. Det betyder, at væsketrykket ved kassens underside er større end ved kassens overside. Det betyder, at også den kraft, hvormed væsken presser på kassen, er større på undersiden af kassen end på oversiden, som indikeret på figuren. På den måde presser væsken samlet set kassen opad. Hvis kassen i sig selv ikke vejer så meget, som væsken den fortrænger, vil den derfor kunne flyde. Tryk i væske og gas | 75 Gaslovene 6 Gaslovene 6.1. Overblik Idealgasligningen: Pa∙m3 p ∙ V = n ∙ R ∙ T , hvor T = temperaturen i Kelvin og R = gaskonstanten = 8,31 mol∙K Her kan benyttes, at stofmængden i mol, n = m , hvor M er gasmolekylernes molare masse. M Idealgasligningen kan benyttes til at bestemme gassers densitet: ρ = M∙p R∙T Charles’ lov: p = k ∙ T , forudsætning: konstant gasmængde og konstant volumen Boyle-Mariottes lov: p ∙ V = k , forudsætning: konstant gasmængde og konstant temperatur Gay-Lussacs 2. lov: V = k ∙ T , forudsætning: konstant gasmængde og konstant tryk Gaslovene | 79 6.2. Idealgasligningen I mange situationer ”opfører” gasser sig i overensstemmelse med idealgasligningen: p = gastrykket p∙V=n∙R∙T V = gasvolumenet n = gasmængden i mol Pa∙m3 L∙atm = 0,0821 mol∙K mol∙K T = temperaturen i Kelvin (K) R = gaskonstanten = 8,31 Man kan frit vælge mellem gaskonstantens to varianter – afhængig af, hvilke enheder der i øvrigt benyttes. Gasmængden i mol (n) angiver, hvor mange adskilte atomer eller molekyler, der er i gassen. Dette antal er typisk højt. Er der ét mol gas, er der 6,022∙1023 enkeltatomer eller -molekyler, der bevæger sig rundt mellem hinanden (mere om mol på s. 194). I anvendelsen af idealgasligningen skal gasmængden i mol (n) ofte først beregnes ud fra fx definitionen af den molare masse (M), der udtrykker massen af 1 mol af et givent atom eller molekyle: m M= n M = den molare masse m = gassens masse n = stofmængden i enheden mol Kendes sammensætningen af en gas, kan den molare masse bestemmes ud fra atommassen i atommasse-enheden (u, se s. 29). Et atoms molare masse i enheden g/mol har nemlig samme talstørrelse som atommassen i u (pga. definitionerne af u og mol, se s. 29 hhv. s. 194). Tilsvarende har et molekyles molare masse samme talstørrelse som summen af de indgående atomers masser. Atmosfærisk luft består af en blanding af forskellige gasarter, herunder typisk H2O. Tør atmosfærisk luft (uden H2O-molekyler) har den gennemsnitlige molare masse 29 g/mol. Atommasse Grundstof C H He N O Et udvalg af atommasser (gennemsnitsmassen for de forskellige isotoper på Jorden, mere om isotoper senere) Anvendelse af idealgasligningen En tæt beholder med et volumen på 1,25 L indeholder 3,40 g ren O2 (ilt) ved en temperatur på 21,0 °C. Idet gasmolekylerne hver består af to iltatomer, der hver vejer ca. 16,0 u, gælder: m(O2-molekyle) = 2 ∙ 16,0 u = 32,0 u ⇒ M(O2) = 32,0 g/mol Nu kan gasmængden beregnes: M= m n ⇒ 80 | Gaslovene n = 3,40 g m = = 0,106 mol 32,0 g/mol M m(atom) u 12,001 1,0079 4,0026 14,007 15,9994 4 Blandet a) Beregn volumenet af en beholder, som indeholder 0,010 mol H 2 med et tryk på 10 Pa ved en temperatur på −20 °C. b) Beregn temperaturen i °C af 0,0100 mol H 2-gas i en beholder med et volumen på 2,10 m3 og et tryk på 20,0 Pa. c) 6.3. Beregn densiteten af tør atmosfærisk luft ved 20 °C og et tryk på 1,0 atm. Hvad sker der med en indespærret,gas, gas når den opvarmes? 6.3.1. Eksperiment Som sagt, lyder det rimeligt, at hvis temperaturen øges, vil trykket stige, fordi atomerne eller molekylerne i gassen bevæger sig hurtigere med højere temperatur. Men hvordan er sammenhængen nærmere? Opstillingen, der er skitseret her, kan benyttes til at afdække dette spørgsmål. I denne opstilling er en gas indespærret i en kugleformet kolbe, der er nedsænket i en elkedel med vand. Elkedlen opvarmer vandet og dermed gassen. Under opvarmningen måles vandets (og dermed antageligt også gassens) temperatur samt gassens tryk. Måleresultaterne er vist nedenfor: temperatur tryk °C Pa 99926 102719 104506 107704 107099 106774 106443 111519 112774 115924 122511 123696 124180 127851 126439 24,9 27,1 29,3 32,5 36,8 42,1 47,6 56,1 63,2 69,1 74,5 81,3 89,8 93,2 96,4 Disse resultater kan illustreres ved at plotte gastryk som funktion af temperatur: Her ses, at målepunkterne ikke tydeligt ligger på den samme rette linje, men at en ret linje dog nogenlunde beskriver trykket som funktion af temperaturen. Man kan derfor sige, at trykket er nogenlunde lineært afhængig af temperaturen. På næste side er den ”bedste” rette linje indtegnet i koordinatsystemet. Gaslovene | 83 Ligningen for en ret linje har formen y = a ∙ x + b, hvor a er hældningskoefficienten, og b er skæringen med y-aksen. Benyttes denne ligning til at beskrive trykket som funktion af temperaturen for en indespærret gas (i en beholder med konstant volumen), fås: p = a ∙ t + b , hvor t står for temperaturen i °C Graferne ovenfor er lavet i et regneark, der samtidig angiver, at den rette linjes hældning er 354,5 Pa/°C, og at skæringen med y-aksen er 92830 Pa. Beskrivelsen af trykket som lineært afhængig af temperaturen, har vist sig generelt at passe for mange forskellige gasser under mange (men ikke alle) forhold. Og en sådan sammenhæng blev allerede beskrevet af fysikeren Joseph Louis Gay-Lussac, der i 1802 publicerede opdagelsen, hvor han henviser til upublicerede opdagelser af fysikeren Jacques Charles fra ca. 1787. Derfor omtales sammenhængen som Charles’ lov. 6.3.2. Charles’ lov Charles’ lov siger, at hvis gasmængde og volumen er konstant, er der en lineær sammenhæng mellem temperatur og tryk: p = k ∙ t + b hvor p = gastrykket, t = temperaturen i °C, mens k og b er konstanter Charles’ lov kan også formuleres ud fra temperaturen i enheden Kelvin: p = gastrykket p=k∙T T = temperaturen i Kelvin (K) k er en konstant Det forudsættes, at gasmængden og volumenet er konstante. Bemærk, at konstanten b er borte i denne formulering af Charles’ lov. Det skyldes, at trykket er nul, når temperaturen i Kelvin er nul (−273 °C), fordi 0 K er defineret som den temperatur, hvor molekylerne står helt stille (jf. s. 47). Charles’ lov formuleret med T benyttes ofte med fordel til at sige noget om trykændringer, hvis der sker temperaturændringer eller vice versa. Charles lov betyder nemlig, at forholdet er konstant. 84 | Gaslovene Elektricitet 7 7.1. Elektricitet Overblik Elektrisk ladning (q) og ladningsvandring (Q) SI-enhed: Coulomb = C Andre enheder for ladning: Elementarpartikelladningen (e) = 1,602∙10 –19 C Strømstyrke (I) SI-enhed: Ampere = A = C/s Definition: I = Q ∆t , hvor Q = den mængde ladning, der passerer et tværsnit af en elektrisk leder i løbet af tidsrummet Δt Spændingsforskel (U) SI-enhed: Volt = V = 1 J/C Definition: U = E Q effektloven: P = U ∙ I , hvor P = effekten = E ∆t Resistans (R) og Joules lov SI-enhed: Ohm = Ω = W/A 2 Definition: R = P I2 ⇒ P = R ∙ I 2 (Joules lov) Ohms lov: U = R ∙ I Kirchoffs lov: ΣItil = ΣIfra Erstatningsresistans, definition: Rerstat = Parallelkoblede resistorer: 1 Rerstat = 1 R1 Utotal Itotal + 1 R2 + 1 R3 + 1 R4 +… Seriekoblede resistorer: Rerstat = R1 + R2 + R3 + R4 + … Spændingsfald er additive: UAC = UAB + UBC Ohms udvidede lov for et element (batteri): Up = U0 – Ri ∙ I (Overblik fortsætter på næste side) Resistivitet (ρ) SI-enhed: ohm∙meter = Ω∙m Definition: R = ρ∙l A , hvor l = trådens længde og A = trådens tværsnitsareal Resistansens temperaturafhængighed SI-enhed: pr. grader Celsius = °C –1 Formler: Rt = R0 ∙ (1 + α 0 ∙ t) og ρt = ρ 0 ∙ (1 + α 0 ∙ t) , hvor α 0 = resistanstemperaturkoefficienten og t = temperaturen 7.2. Hvad er elektricitet? 7.2.1. Elektroner og elektricitet Elektroner er meget små, nærmest punktformige negativt ladede partikler. De er ofte knyttet til et atom, idet de danner en elektronsky omkring atomkernen. Men elektroner kan nogle gange vandre fra et atom til et andet. Elektroner kan derfor løbe rundt inde i computere og mange andre elektriske apparater og elektriske ledninger. Elektronerne kan fx løbe i en metaltråd eller en kobberbane på en printplade. Hvis en kobberbane i et elektrisk apparat bliver beskadiget, kan vandringen af Elektroner kan løbe i printbanerne, der er de elektroner blive forhindret i en mørkegrønne områder på billedet ovenfor grad, der gør, at apparatet ikke virker mere. Hvis metaltrådene inde i en elektrisk ledning til et sæt hovedtelefoner knækker, forsvinder lyden. Lyden i almindelige hovedtelefoner er nemlig forårsaget af elektronvandring i ledninger, der via elektromagnetiske kræfter får en membran til at bevæge sig og på den måde danner lydbølger. Mange elektriske apparater, fx en elkedel eller en kaffemaskine, virker ikke, hvis ”stikket ikke er sat i”, eller hvis ledningen er defekt. Det skyldes, at elektronerne er forhindrede i at vandre. 7.2.2. Elektriske kræfter og elektrisk ladning Elektroner kan vandre gennem en kobbertråd, hvis de bliver påvirket af elektriske kræfter. Tændes en elkedel, vil elektroner blive skubbet og hevet igennem ledningen og 94 | Elektricitet elkedlens varmelegeme af elektriske kræfter. Elektriske kræfter virker generelt mellem alle genstande, som er elektrisk ladet. En elektron har en negativ ladning og bliver derfor tiltrukket af noget med positiv ladning og frastødt af noget med negativ ladning. Derfor frastøder to elektroner hinanden. Det gælder i det hele taget to negativt ladede partikler, at de påvirker hinanden med en kraft (F) væk fra hinanden: Håret stritter, fordi de enkelte hår har samme ladning og derfor frastøder hinanden Minustegnene angiver negativ ladning. Også to positivt ladede genstande, fx to protoner eller to atomkerner, vil frastøde hinanden: Til gengæld vil en positiv og en negativ ladet partikel tiltrække hinanden: Disse fænomener kan umiddelbart iagttages. Hvis man lader en dusk af tråde op, vil de enkelte tråde frastøde hinanden og derfor stritte i alle retninger – fordi de har samme ladning. Hvis man gnider en ballon mod tøj, så ballonen bliver negativ, kan den hænge på en væg. Det skyldes, at ballonens negative ladning vil frastøde elektroner i væggen, således at væggen bliver positiv på den flade, der er tæt på ballonen. Ballonen har her en mængde negativ ladning og er tiltrukket af væggens positive ladning 7.2.3. Elektrisk ladning og enheden Coulomb Når man skal holde styr på, hvor meget ladning, der er et bestemt sted, fx på en ballon, benyttes q som symbolet for ladningsmængde. qgenstand = den mængde (netto-) ladning genstanden har = summen af positive ladninger minus summen af negative ladninger I angivelsen af den ladningsmængde, der er på en genstand, kan benyttes SI-enheden for ladningsmængde, som er en Coulomb og forkortes C. Denne enhed er opkaldt efter den franske fysiker Charles Augustin Coulomb (1736-1806), der foretog undersøgelser inden for emnerne mekanik, elektricitet og magnetisme. Elektricitet | 95 Beregning af strømstyrke Antag, at der ved et sted på en leder er passeret 6,0∙1020 elektroner i løbet af 1,0 minut. Strømstyrken (som et gennemsnit) i dette tidsrum kan beregnes som følger: Q = 6,0∙1020 ∙ 1,602∙10 –19 C = 96 C ⇒ I= Q ∆t = 96 C 60 s = 1,6 C/s = 1,6 A Enheden for strømstyrke, en Ampere, er opkaldt efter den franske fysiker AndréMarie Ampère (1775-1836), der er berømt for sine studier i sammenhængen mellem elektrisk strøm og magnetisme. Disse studier tog udgangspunkt i H.C. Ørsteds opdagelse af, at elektrisk strøm kan få en magnetnål til at dreje. Elektrisk strøm kan også skabe lys og varme. Det gælder fx i en lommelygte, hvor batteriet vha. elektriske kræfter sørger for, at der ”presses” en strøm af elektroner gennem glødetråden i lygtens pære. Beregning af ladningsvandring ud fra strømstyrke Antag, at en lommelygte er tændt i 2 minutter og 35 sekunder. Antag videre, at strømstyrken gennem glødetråden i lommelygtens pære er 156 mA. Hvor mange elektroner er vandret gennem glødetråden i løbet af det angivne tidsrum? Dette kan beregnes på følgende vis: I = ⇒ Q ∆t ⇒ Q = I ∙ Δt = 156∙10 –3 A ∙ 155 s = 24,2 A∙s = 24,2 C Nelektroner = 24,2 C 1,602∙10 -19 C = 1,51∙1020 7.3.1. Strømretning Hvis elektroner i et vist omfang kan vandre frit, som fx i en elektrisk ledning, vil de vandre fra den negativt ladede ende af ledningen mod den positivt ladede. Elektronerne er jo tiltrukket af positiv ladning og frastødt af negativ ladning. Men af historiske grunde siger man, at strømmen går fra plus til minus. Det betyder, at hvis en strøm af elektroner vandrer mod højre (mod positiv ladning), siges strømmen at gå mod venstre: 98 | Elektricitet Bølger og lyd 8 8.1. Bølger og lyd Overblik Bølger er karakteriseret ved: Udsving i en fysisk størrelse Bølger er udsving i en fysisk størrelse eller på en parameter, fx vandhøjden eller lufttrykket. SI-enheden afhænger af, hvilken fysisk størrelse, der svinger. Bølgelængde (λ) Definition: λ = afstanden mellem to på hinanden følgende bølgetoppe SI-enhed: meter = m Udbredelsesfart (v) Definition: v = ∆s , hvor Δs = distancen en bølgetop bevæger sig i løbet af tidsrummet Δt ∆t SI-enhed: meter pr. sekund = m/s Periode (T) Definition: T = tiden mellem to på hinanden følgende bølgetoppe SI-enhed: sekund = s Frekvens ( f ) Definition: f = antal svingninger pr. tid = SI-enhed: Hertz = Hz = s –1 1 T Bølgeformlen: v = λ ∙ f Interferens konstruktiv og destruktiv interferens Superpositionsprincippet: Udsvinget er lig summen af udsving for hver af de bølger, der mødes. 8.2. Bølgefænomener Bølger er udsving i en fysisk størrelse. Udsvinget og dermed bølgen udbreder sig typisk i rummet. Mange fysiske fænomener kan med fordel beskrives som bølger. Det gælder fx: • Lys, der kan beskrives som elektromagnetiske bølger (behandles i kapitel 9) • Lyd, der kan beskrives som trykbølger, der udbreder sig i luft (generelt: gas), væske og i faste stoffer (behandles i dette kapitel) • Vandbølger (mere generelt: overfladebølger i væsker), hvor vandhøjden svinger. Bølgebevægelser rummer energi. Det gælder vandbølger, der rummer en form for bevægelsesenergi eller kinetisk energi, idet vandmolekylerne bevæger sig frem og tilbage, op og ned. Også lydbølger og elektromagnetiske bølger rummer energi. 8.3. Hvad karakteriserer en bølge? 8.3.1. Udsving i en fysisk størrelse samt bølgetoppe og bølgedale Karakteristisk for alle bølgefænomener er, at der er tale om en vis form for svingning, sådan at værdien i forhold til et gennemsnitsniveau på en given fysisk parameter varierer over tid. Den fysiske parameter eller størrelse, der svinger, kan fx være vandhøjden, lufttrykket eller det elektromagnetiske felt. Nogle bølger er ikke regelmæssige og derfor vanskelige at karakterisere nærmere. Andre bølger kan være simplere at karakterisere. Vandbølger er ofte tilnærmelsesvis sinusformede, sådan som tegningen nedenfor illustrerer. Endnu mere skitseagtigt – hvor kun vandoverfladen er tegnet – kan det gengives sådan: Denne tegning er et øjebliksbillede af simple vandbølger. Bølger og lyd | 127 8.3.2. Bølgelængde (λ) Bølgelængden er givet ved afstanden mellem to på hinanden følgende bølgetoppe. Bølgelængden symboliseres ved det græske tegn λ (udtales ”lambda”), og SI-enheden er meter (m). 8.3.3. Amplitude (A) Amplituden defineres som det maksimale udsving på den fysiske størrelse, der varierer. For vandbølger er den derfor givet ved højdeforskellen mellem bølgetoppene og den gennemsnitlige vandstand. Amplituden symboliseres ved et A. Udsvinget i fx en vandhøjde varierer over tid, mens amplituden kan være konstant. SI-enheden for amplitude og udsving er den samme, men afhænger af, hvilken fysisk størrelse, der svinger. For vandbølger er SI-enheden meter (m). 8.3.4. Bølgeudbredelse Mange bølger udbreder sig på den måde, at bølgeformationen bevæger sig. Det gælder fx vandbølger, som bevæger sig ind mod en kyst. Denne bevægelse kan skitseres ved kun at tegne bølgetoppene – også kaldet bølgefronterne – som lange streger: 128 | Bølger og lyd Lys og anden elektromagnetisk 9 Lys og anden elektromagnetisk stråling stråling 9.1. Overblik To modeller for lys og anden elektromagnetisk stråling: Bølgemodellen og partikelmodellen Generelt gælder bølgeformlen: v = λ ∙ f Bølgemodellen for elektromagnetisk stråling Optisk gitter, afbøjning af lys Gitterkonstanten, symbol: d, SI-enhed: m Gitterligningen: n ∙ λ = d ∙ sinθn , n = afbøjningsordenen, λ = bølgelængden, θn = afbøjningsvinklen for den n’te ordens afbøjning Maksimal afbøjningsorden (nmax) = det hele tal af værdien d λ Refleksion, spejling Indfaldsvinkel (i) = udfaldsvinkel (u) Brydning sini v = 1 (brydningsloven), sinb v2 hvor: i = indfaldsvinklen, b = brydningsvinklen, v1 = lysets fart i det materiale lysstrålen kommer fra v2 = lysets fart i det materiale lysstrålen går over i Brydningsindekset i materiale x (nx), nx = c , hvor c = lysets fart i vakuum = 3,00∙108 m/s vx Brydningsloven lyder da: sini ∙ n1 = sinb ∙ n2 Farvedispersion – lys med forskellig bølgelængde brydes forskelligt i grænsefladen mellem to materialer, fordi farten, hvormed lyset bevæger sig gennem et materiale, afhænger lidt af lysets frekvens. Totalrefleksion – al lyset reflekteres i grænsefladen mellem to materialer. Sker hvis sini ∙ v2 > 1. v1 3 Beregn frekvensen af elektromagnetisk stråling i luft, idet… a) Bølgelængden er 2,50 m. b) Bølgelængden er 2,50 km. c) Bølgelængden er 400 nm. d) Bølgelængden er 2,5 fm. e) Perioden er 2,5∙10 –7 s. 9.3. Elektromagnetisk stråling betragtet som bølger 9.3.1. Laserlys Lys fra en almindelig elpære har mange forskellige bølgelængder, og blandingen af disse kan gøre, at lyset blot fremstår som hvidt, selvom der er både gult, grønt og blåt lys i det. Hvis man sender lysstråler af noget sådant blandet lys af sted i en tynd stråle, vil lyset sprede sig undervejs, så lysintensiteten svækkes. Laserlys er karakteriseret ved kun at have en bølgelængde og ved at lyset er ”kohærent”, dvs. at bølgefronterne er pæne rette linjer vinkelret på bevægelsesretningen. Og dette lys kan i høj grad forblive en tynd stråle. Det er derfor muligt at sende en kraftig og koncentreret lysstråle af sted, hvilket fx benyttes i laser-skæreudstyr. Laserlys benyttes også i CD- og DVD-drev, netop fordi laserstråler kan forblive meget tynde og derfor kun ramme meget små, afgrænsede områder. 9.3.2. Lys gennem en smal spalteåbning Lys, der rammer en barriere med en smal spalteåbning, vil ligesom vandbølger danne halvcirkelformede bølger efter passagen af spalteåbningen. 9.4. Lysets afbøjning i et optisk gitter 9.4.1. Lys gennem to tætsiddende spalteåbninger Sendes laserlys mod to tætsiddende og meget smalle spalteåbninger – en dobbeltspalte – kan lyset afbøjes i flere retninger, sådan at en stråle spaltes i flere stråler. 148 | Lys og anden elektromagnetisk stråling Beregning af en emitteret fotons bølgelængde Et atom skifter fra en tilstand med energien 12,3 eV til en tilstand med energien 3,10 eV. Beregn bølgelængden i luft af den foton, som derved emitteres. Først kan foton-energien beregnes på denne måde: Efoton = Em – En = 12,3 eV – 3,10 eV = 9,20 eV = 9,20 ∙ 1,602∙10 –19 J = 1,47∙10 –18 J Derefter kan fotonens frekvens og bølgelængde beregnes: Efoton = h ∙ f ⇒ f = v=λ∙f ⇒ λ= Efoton 1,46∙10 –18 J = = 2,22∙1015 s –1 h 6,63∙10 –34 J∙s v 3,00∙108 m/s = = 135 nm f 2,22∙1015 s –1 Hermed er bølgelængden i luft af den foton, som emitteres, beregnet. 9.10.3. Atomers lysspektre Hvilke energiniveauer et atom kan have, afhænger af hvilket grundstof, der er tale om. Det betyder, at forskellen mellem disse energiniveauer, og dermed energien af de fotoner, der kan udsendes, er unikke for hvert grundstof. Hvert grundstof kan dermed emittere fotoner med en række bestemte bølgelængder, der adskiller sig fra bølgelængderne af de fotoner, andre grundstoffer kan emittere. Sammenligner man emissionsspektre fra forskellige grundstoffer, vil man derfor se, at de er forskellige. Hvert grundstofs emissionsspektrum er unikt. Spektrene for hydrogen og kviksølv er afbilledet her: Det ses, at hydrogen kan emittere elektromagnetisk stråling med fire forskellige bølgelængder i det synlige område. Derudover kan hydrogen emittere elektromagnetisk stråling med en række bestemte bølgelængder, der ikke er synlige. 170 | Lys og anden elektromagnetisk stråling Kernefysik 10 10.1. Kernefysik 2 3 1 3 Overblik Atomets bestanddele: atomkernen og elektroner Atomkernens bestanddele: nukleoner (protoner og neutroner) antal protoner (Z) = grundstofnummeret = atomkernens ladning i enheden e antal neutroner (N) antal nukleoner (A) = Z + N Nukleoners bestanddele: kvarker (up- og down-kvarker) Den stærke kernekraft – holder kvarker og nukleoner sammen Grundstoffer adskiller sig ved antal protoner i kernen Isotoper af et givent grundstof adskiller sig ved antallet af neutroner i kernen Typer af radioaktive henfald: A Alfa (α): Z X → A-4 Z-2 4 Y + 2 He udsendelse af He-4 kerner Beta-minus (β–): AZ X → Beta-plus (β+): AZ X → A Z+1 A Z–1 Y + –10e + ve Y + Gamma-henfald (γ): AZ X* → A Z 0 1 e + ve X + γ Eks. på andre typer: Elektronindfangning (EC) Masse-energi relationen: E = m ∙ c2 og Q = – ∆m ∙ c2 antallet af atomkerner (N) N = n ∙ NA, hvor n = stofmængden i mol og NA = Avogadros tal = 6,022 ∙ 1023 mol-1 aktivitet (A), [A]SI = Becquerel = Bq = s–1 Definition: A = − ∆N , hvor ∆N = tilvæksten i antal kerner og ∆t = tidsrummet ∆t henfaldskonstanten (k) SI-enhed: sekund = s –1 Teori og definition af henfaldskonstanten: A = k ∙ N henfaldsloven: N(t) = N0 ∙ e–k∙t, idet t = tiden ifht starttidspunktet, hvor antal kerner = N0 halveringstid (t½) Definition: N(t½) = ½ N0 Teori: t½ = ln2 k 10.2. Små kerner – enorme kræfter Kernefysikken har bidraget til afdækning af de partikler og kræfter, som virker på ”atomart niveau”, og derved til udvikling af atomvåben, atomkraft og måske en dag fusionsenergi. Disse teknologier er kendetegnet ved, at beskedne mængder materiale frigiver meget energi (og ofte radioaktivitet). Kernefysik har også bidraget til nye diagnostiske metoder inden for medicin, fx i form af radioaktivt sporstof, og til dateringsmetoder, fx ”kulstof-14 metoden” (mere herom på s. 192). 10.3. Atomkraftværk Atomets bestanddele og stabilitet Atomer består af en elektronsky og en atomkerne. Kernen er meget lille sammenlignet med hele atomet, idet elektronskyen fylder relativt meget. Atomkernen består af protoner og neutroner. Protoner og neutroner kaldes derfor kernepartikler eller nukleoner. 10.3.1. Nukleonernes opbygning Atomet består af en kerne og en elektronsky Nukleoner, dvs. protoner og neutroner, består hver især af endnu mindre partikler, kaldet kvarker. Der er påvist i alt seks forskellige typer af kvarker, men kun to typer findes naturligt i dag. Disse to kaldes upkvarken og down-kvarken. De har hver deres ladning: qup-kvark = + 2 e 3 qdown-kvark = – 1 e 3 Nukleoner består af up-kvarker (betegnet u) og down-kvarker (betegnet d) (e = elementarpartikelladningen = 1,602∙10 –19 C, jf. s. 96) Kernefysik | 175 10.4. Radioaktive henfald Som nævnt findes der ustabile atomkerner, som kan henfalde. Der findes forskellige typer af henfald, og nogle af disse vil blive gennemgået i det følgende. 10.4.1. Alfa-henfald (α-henfald) Nogle isotoper er ustabile på den måde, at atomkernen henfalder ved et alfa-henfald. Her taler man om, at en moderkerne bliver til en datterkerne ved at fraspalte en heliumkerne 4 ( 2 He ), der består af to protoner og to neutroner. Det gælder fx Pu-240, der henfalder på følgende vis: 240 94 Pu → 236 92 4 U + 2 He Ovenstående opskrivning af henfaldet kaldes et reaktionsskema. I eksemplet omdannes Plutonium til Uran. Når en heliumkerne dannes på denne måde, vil den bevæge sig ud fra moderkernen med en enorm fart. Den omtales i den forbindelse som en alfa-partikel. Det er generelt kun meget tunge atomkerner, der er ustabile på den måde, at de foretager et alfa-henfald. 10.4.2. Beta-minus henfald (β– -henfald) Nogle isotoper er ustabile på den måde, at de henfalder ved et beta-minus henfald, der er 1 karakteriseret ved, at en neutron (0 n) i kernen 1 omdannes til en proton (1 p), idet en downkvark i neutronen omdannes til en up-kvark. Det sker under udsendelse af en elektron (–10e) og en anti-neutrino (ve ), som angivet ved følgende reaktionsskema: 1 0 n → 1 1 p + 0 –1 e + ve Anti-neutrinoen ( ve ) er en meget lille neutral partikel, som er meget lettere end selv en elektron. 228 Radium-isotopen 88 Ra kan henfalde på den måde: 228 88 Ra → 228 89 Ac + 0 –1 e + ve På den måde kan radium blive til actinium. Den radioaktive stråling ved et beta-minus henfald består primært i β – -partiklen (en elektron), der forlader kernen med stor fart. Kernefysik | 179 Kinematik 11 Kinematik 11.1. Overblik Position (s) SI-enhed: meter = m Positionsændring (Δs) SI-enhed: meter = m Definition: Δs = s2 – s1 Δs = arealet under en t-v graf, hvis arealer under x-aksen regnes for negative Gennemsnitshastighed (vgns ) SI-enhed: meter pr. sekund = m/s Definition: vgns = ∆s ∆t Fart = størrelsen af hastigheden Gennemsnitsacceleration (agns) SI-enhed: m/s2 Definition: agns = ∆v , hvor Δv = hastighedstilvæksten = v2 – v1 ∆t Bevægelse med konstant hastighed Formel: s = s0 + v ∙ t , hvor s0 = positionen til tidspunktet 0 Bevægelse med konstant acceleration Formler: v = v0 + a ∙ t , hvor v0 = hastigheden til tidspunktet 0 s = s 0 + v 0 ∙ t + ½ ∙ a ∙ t2 v2 = v02 + 2 ∙ a ∙ Δs 198 | Kinematik 11.2. Hvad er kinematik? Kinematik er læren om fysiske genstandes bevægelse. Det kan være bolde og biler. Kinematikken anvendes også inden for navigation (fx i forbindelse med GPS Geographic Position System) til at beskrive og beregne satellitters baner, og til at forudsige tidspunktet for eventuelle sammenstød mellem genstande, fx mellem Jorden og en meteor. Kinematik anvender en række begreber, som ofte virker bekendte for udenforstående, men som dog har særlige betydninger. Det gælder fx positionsændring, hastighed og acceleration. 11.3. En-dimensionel kinematik I det følgende behandles kun en-dimensionel kinematik, dvs. beskrivelse af bevægelse i en dimension, også kaldet retlinjet bevægelse. 11.3.1. Position (s) i forhold til et referencesystem Inden for kinematik angives en genstands position i forhold til et ”referencesystem” (et inertialsystem), typisk et koordinatsystem med et givent nulpunkt. Inden for en-dimensionel kinematik vil et referencesystem være en ret tallinje med angivelse af positiv retning fra nulpunktet. En bils position i forhold til et givent referencesystem En bil befinder sig et bestemt sted i forhold til et referencesystem: Ifølge referencesystemet gælder om bilens position: s = (+) 750 m (aflæst på tallinjen). Man kan angive bilens position ift. et andet referencesystem og dermed få en anden værdi, selvom bilen måske reelt slet ikke har flyttet sig. 11.3.2. Positionsændring eller ”positionstilvækst” Positionsændringen for en genstand er defineret ud fra, to positioner genstanden har befundet sig i: Δs = s2 – s1 Δs = positionsændring (mere præcist: ”positionstilvækst”) s1 = position 1 s2 = position 2 Kinematik | 199 Beregning af positionsændring og distance Bilen afbilledet ovenfor bevæger sig nu fra positionen s1 til positionen s2: På tallinjen aflæses, at s1 = 750 m, og at s2 = –500 m. Positionsændringen er derfor: Δs = s2 – s1 = –500 m – 750 m = –1250 m Positionsændringen (positionstilvæksten) er altså negativ. Distancen eller afstanden er givet ved størrelsen af positionsændringen, dvs. den positive værdi (1250 m). 11.3.3. Hastighed Inden for kinematik skelnes mellem fart og hastighed, selvom der her benyttes samme symbol (v). Gennemsnitshastighed er således defineret som positionsændringen divideret med tiden: ∆s vgns = ∆t vgns = gennemsnitshastighed Δs = postionsændringen (tilvæksten) = s2 – s1 Δt = den tid positionsændringen har taget = t2 – t1 Hastigheden angiver en bevægelsesretning, og størrelsen af hastigheden er lig farten. Beregning af gennemsnitshastighed I løbet af tidsrummet Δt = 46,0 s bevæger en bil sig fra positionen s1 = 750 m til positionen s2 = –500 m, således at Δs = s2 – s1 = –500 m – 750 m = –1250 m Derfor er bilens gennemsnitshastighed: vgns = –1250 m ∆s = = –27,2 m/s 46,0 s ∆t Minustegnet angiver, at bilen bevæger sig modsat positiv retning angivet af referencesystemet. Farten er givet ved størrelsen af hastigheden: fart = │–27,2 m/s│= 27,2 m/s 11.3.4. t-s grafen Man kan indtegne en genstands positioner som prikker i et koordinatsystem med tiden ud ad x-aksen og positionen op ad y-aksen. 200 | Kinematik Fysiske kræfter 12 Fysiske Kræfter 12.1. Overblik ͢ Kraft ( F ) En kraft har en størrelse (F) og en retning (med mindre kraftens størrelse er 0) SI-enhed: Newton = N Tyngdekraft Formel: Ftyn = m ∙ g , hvor g = tyngdeaccelerationen, g DK = 9,82 N/kg Fjederkraft Formel: Ffjeder = k ∙ x , hvor k = fjederkonstanten og x = størrelsen af deformationen ͢ ͢ ͢ ͢ ͢ Resulterende kraft: Fres = F 1 + F 2 + F 3 + F4 +… (alle de kræfter, der virker) Newtons 1. lov: Enhver genstand vil forblive i ro eller vil fortsætte med konstant hastighed, hvis genstanden ikke påvirkes af nogen resulterende kraft (dvs. Fres = 0). Newtons 2. lov: Fres = m ∙ a , hvor m = massen og a = accelerationen Newtons 3. lov: En genstand, der påvirker en anden genstand, vil selv være påvirket af en lige så stor, men modsatrettet kraft fra den anden genstand Krafters bidrag i en bestemt retning En krafts bidrag eller komposant i retning 1 er givet ved: F1 = F ∙ cosφ , hvor F = størrelsen af kraften og φ = vinklen mellem kraften og retning 1 I en given retning (1) gælder: Fres,1 = F1,1 + F2,1 + F3,1 + F4,1 +…, hvor Fi,1 = den i’ krafts bidrag i retning 1 Fres,1 = m ∙ a1 Normalkraft = Den kraft, hvormed genstandens underlag (den flade genstanden er i kontakt med) påvirker genstanden i retning vinkelret væk fra fladen. Friktionskraft Dynamisk friktionskraft: Fd = μd ∙ FN , hvor μd = den dynamiske friktionskoefficient Den statiske friktionskrafts maksimale størrelse: Fs,max = μs ∙ FN, hvor μs = den statiske friktionskoefficient 12.2. Kræfters størrelse og retning 12.2.1. En container i stålwire – tyngdekraften og snorkraften Det kræver mange kræfter at løfte en container, fordi containeren pga. sin store ͢ masse samtidig vil blive ”trukket” kraftigt mod jorden af tyngdekraften (symbol: Ftyn). Containeren kan holdes i luften af en stålwire, der holder containeren med en ”snorkraft” ͢ ( Fsnor). Dette kan anskueliggøres ved at tegne kræfter ind på et billede eller ved et såkaldt ”frit-legeme diagram” af containeren: ”Rent” billede af container Billede med kræfter på container påtegnet Frit-legeme diagram Et frit-legeme diagram består i en simpel skitse af en genstand, hvor genstanden evt. blot gengives som en punktformig partikel, med påtegning af de kræfter, der påvirker denne genstand. 12.2.2. Beregning af tyngdekraftens størrelse Generelt er formlen for tyngdekraftens størrelse: Ftyn = m ∙ g Ftyn = tyngdekraftens størrelse m = massen g = tyngdeaccelerationens størrelse Tyngdeaccelerationens størrelse (g) varierer fra sted til sted (mere herom på s. 31). Fx er størrelsen af tyngdeaccelerationen ved jordoverfladen i Danmark, g DK = 9,82 N/kg. 218 | Fysiske kræfter Tyngdeaccelerationen kan have enheden N/kg eller enheden m/s². Disse to enheder er dybest set identiske, selvom de ser forskellige ud, hvilket vi skal uddybe senere med definitionen af enheden Newton. 12.2.3. Kræfter har en retning En kraft har ikke bare en størrelse (betegnet F), men også en retning. Tyngdekraften på genstande nær jorden, fx containeren, peger lodret nedad. Derfor indgår i symbolet for ͢ fx tyngdekraften ofte en pil: Ftyn. Det er vigtigt at holde regnskab med, hvilke retninger forskellige kræfter virker i, hvis man fx skal kunne bruge kraftbegrebet til at forudsige genstandes bevægelser. Derfor angiver man ofte en krafts bidrag i en bestemt retning. En kraft, der virker stik imod en sådan retning, angives som værende negativ i forhold til denne retning. Beregning af tyngdekraften på containeren og angivelse af dens bidrag i en bestemt retning. Tyngdekraftens størrelse kan beregnes som følger, idet det antages, at containeren vejer 15 000 kg: Ftyn = m ∙ g = 15 000 kg ∙ 9,82 N/kg = 1,47∙105 N = 147 kN Tyngdekraftens retning er modsat y-aksens retningen og kan derfor skrives: Ftyn,y = –147 kN Tyngdekraften angives med negativt fortegn, fordi den peger modsat y-aksens retning. 12.2.4. Fjederkraft Fjedre bruges i mange sammenhænge til kraftoverførsel, fx i biler. Størrelsen af fjederkraften (Ffjeder) kan fx afbildes som funktion af forlængelsen (x) af fjederen fra ustrakt (slap) tilstand. For de fleste fjedre, vil grafen ligne til højre. Som det ses af grafen, vil fjederkraften stige nogenlunde proportionalt med forlængelsen af fjederen, hvis denne forlængelse holder sig under en vis grænse. Denne proportionalitet er formuleret med den såkaldte Hookes lov: Ffjeder = k ∙ x Ffjeder = fjederkraftens størrelse k = fjederkonstanten x = deformationen af fjederen i forhold til ustrakt (slap) tilstand Fysiske kræfter | 219 2 En lastbil på bakke En lastbil, der har massen 12,3 tons, befinder sig på en vej, som hælder 4,80° med vandret. a) Beregn størrelsen af tyngdekraften på lastbilen. b) Beregn tyngdekraftens bidrag i x-aksens retning. Antag, at tyngdekraften er eneste kraft, der virker i x-aksens retning. 3 c) Beregn størrelsen af lastbilens acceleration i x-aksens retning. d) Beregn fartændringen i løbet af 20,0 sekunder. En skilift En lift trækker en skiløber op ad en bakke, som vist på skitsen. Skiløberen har massen 67 kg (inklusive massen af ski, støvler etc.). Videre gælder, at φ = 40° og α = 28°. a) Indtegn tyngdekraften, som virker på skiløberen, på skitsen. b) Beregn tyngdekraftens bidrag i x-aksens retning (bevægelsesretningen). Friktionskraften på skiene har størrelsen 53 N og er rettet modsat x-aksens retning. Skiløberen bevæger sig med den konstante fart 3,6 m/s, så længe snoren holder. c) Angiv den resulterende kraft på skiløberen. d) Beregn snorkraftens bidrag i x-aksens retning. e) Beregn snorkraftens størrelse. f) Beregn snorkraftens bidrag i y-aksens retning. g) Beregn snorkraftens størrelse i lodret retning. Snoren knækker, og friktionskraften øges til 68 N. h) Beregn skiløberens acceleration i x-aksens retning umiddelbart efter, at snoren er knækket. i) Beregn tiden, det tager, indtil skiløberen står stille. 230 | Fysiske kræfter Idet skiløberen er nedbremset til farten 0, begynder han at glide nedad med en friktionskraft i x-aksens retning, men stadig med størrelsen 68 N. Før snoren knækkede var afstanden 7,5 m til den næste skiløber, der med farten 3,6 m/s bliver trukket op af samme lift. j) 4 Beregn, hvor lang tid, der går fra snoren knækker, til skiløberne støder sammen. Gadebelysning (Svær opgave) En gadelampe er hængt op i to wirer, der er fastgjort på hver deres mast, som angivet på figuren til højre. Masterne er lige høje. Wire 1 danner vinklen 5,20° med vandret, mens wire 2 danner vinklen 9,60° med vandret. Gadelampen har massen 3,5 kg og hænger stille. a) Beregn snorkraften i hver af de to wirer. Tip til løsning: Opstil udtryk for den resulterende kraft på gadelampen i henholdsvis lodret og vandret retning. 12.6. Normalkraften 12.6.1. Underlagets kraftpåvirkning af en genstand Normalkraften på en genstand er defineret som, den kraft hvormed genstandens underlag (den flade genstanden er i kontakt med) påvirker genstanden i retning vinkelret væk fra fladen. ͢ Normalkraften betegnes F N. For en bil på en bakke kan normalkraften angives, som vist på skitsen, hvor vejen udgør underlaget. I eksemplet med bilen, er det underlagets (vejens) normalkraft som gør at bilen ikke bryder gennem underlaget, men netop bliver ovenpå. Ud over normalkraften, påvirker underlaget også ofte genstanden med en kraft parallelt med underlaget. Det gælder fx en bil på en vej, der typisk vil være påvirket af en friktionskraft fra vejen, i form af ”rullemodstand” mellem vejen og bilens dæk. Mere herom senere. 12.6.2. Bestemmelse af normalkraftens størrelse Det er ofte nyttigt, at kunne bestemme normalkraftens størrelse. Normalkraftens størrelse på en genstand kan typisk bestemmes ved at tage udgangspunkt i, at genstanden hverken bevæger sig væk fra eller bryder gennem underlagt. Antag fx, at bilen på skitsen ovenfor hverken bevæger sig væk fra eller bryder gennem vejen. Bilens hastighed i y-aksens retning vil derfor være konstant (lig med nul). Derfor Fysiske kræfter | 231 Arbejde og energi 13 13.1. Arbejde og energi Overblik Energi (E) SI-enhed: Joule = J = N ∙ m Arbejde (A) En krafts arbejde er pr. definition: A F͢ = FF͢ ∙ ∆s ∙ cosφ , hvor φ = vinklen mellem angrebspunktets bevægelsesretning og kraftens retning SI-enhed: Joule = J = N ∙ m Effekten, hvormed en kraft arbejder: PF͢ = F F͢ ∙ v ∙ cosφ , hvor v = farten, hvormed angrebspunktet bevæger sig Potentiel energi = Epot = m ∙ g ∙ h , hvor h = genstandens højde i forhold til en referencehøjde Kinetisk energi = Ekin = ½ ∙ m ∙ v2 Mekanisk energi = Emek = Epot + Ekin Atotal = Atyn ⇒ Emek = konstant Fjederenergi Efjeder = ½ ∙ k ∙ x2 , hvor x = deformationen af fjederen i forhold til ustrakt tilstand Gassers arbejde (Agas) og arbejde på en gas (Aomg) Agas = pgas ∙ ΔVgas = – Aomg Varmeteoriens 1. hovedsætning: ΔEindre = Q + Aomg 13.2. Hvad er arbejde? Inden for fysik betragtes arbejde som en form for energi med SI-enheden Joule, og der tales om, at en kraft kan udføre et stykke arbejde Størrelsen af dette arbejde er defineret ved følgende formel. A͢ A F͢ = FF͢ ∙ ∆s ∙ cosφ F F F͢ ͢ = det arbejde en kraft F udfører ͢ = størrelsen af kraften F ∆s = den distance kraftens angrebspunkt tilbagelægger φ = vinklen mellem angrebspunktets ͢ bevægelsesretning og retningen af kraften F Det forudsættes, at kraftens størrelse og vinklen φ er konstante under bevægelsen. Kraftens angrebspunkt er det sted, hvor en kraft virker. Fx vil en snorkrafts angrebspunkt på en genstand være givet ved det sted, hvor snoren er fastgjort til genstanden. Beregning af snorkraftens arbejde En klods flyttes 45 cm hen ad et bord ved, at der trækkes i en snor, som har vinklen 48° med klodsens bevægelsesretning. Snorkraften har størrelsen 12 N under flytningen. Snorkraftens arbejde (Asnor) kan beregnes sådan: Asnor = Fsnor ∙ ∆s ∙ cosφ = 12 N ∙ 0,45 m ∙ cos(48°) = 3,6 N ∙ m = 3,6 J Bemærk, at enheden N∙m umiddelbart kan erstattes med J. Det skyldes definitionen af enheden Joule, der henviser til andre SI-enheder: 1J = 1N∙m En kraft kan yde negativt arbejde Klodsen, der i eksemplet ovenfor blev flyttet 45 cm, var under denne bevægelse påvirket af en dynamisk friktionskraft på 4,0 N. Friktionskraftens arbejde (Ad) kan beregnes sådan: Friktionskraften er rettet modsat bevægelsesretningen ⇒ φ = 180° ⇒ Ad = Fd∙ ∆s ∙ cosφ = 4,0 N ∙ 0,45 m ∙ cos(180°) = − 1,8 J Arbejde og energi | 241 Forklaringsopgaver De følgende ”forklaringsopgaver” kan benyttes til øvelser i mundtlig eller skriftlig formidling af kernepensum på gymnasiets B-niveau i fysik. Opgaverne egner sig blandt andet til den form for mundtlig formidling, hvor eleven har projektor, tavle eller papir til rådighed for præsentation af skitser, symboler, formler, udledninger, beregninger mm. Opgaverne er emneopdelt i sæt, svarende til de emner, der gennemgås i kapitlerne 2-13. Kap. 2 og kap. 3 – Fysiske størrelser, masse og densitet 1. - Forklar, hvad præfikser er, og giv eksempler på brug af præfikser i angivelse af afstande og arealer. - Forklar hvad betydende cifre er og giv eksempler på, hvordan man bestemmer antallet af betydende cifre. 2. - Angiv SI-enheden for volumen og nævn nogle få andre enheder for volumen. - Giv et taleksempel på omregning mellem to volumenenheder. Forklar, hvordan der omregnes. 3. - Redegør for begrebet densitet ved at præsentere definitionen på densitet og ved at redegøre for SI-enheden for densitet. - Giv to eksempler på tabelværdier for densitet (find to forskellige materialers densitet i en tabel). - Giv to eksempler (med tal og enheder) på, hvordan en tabelværdi for densitet kan anvendes til at bestemme massen af en massiv genstand ud fra kendskab til genstandens volumen. 4. - Redegør for, hvordan man eksperimentelt kunne bestemme densiteten af et givent materiale. Inddrag et taleksempel (gerne fiktivt) og redegør for, hvordan masse og volumen i praksis kunne bestemmes ved hjælp af målinger samt for, hvordan densiteten kan beregnes ud fra kendskabet til masse og volumen. - Redegør for de fejlkilder, der er i eksperimentet. 258 | Forklaringsopgaver Kap. 4 – Energi og varme 1. - Nævn nogle få eksempler på enheder for energi. - Giv et taleksempel på omregning mellem to enheder for energi. 2. - Redegør for begrebet varmekapacitet (uden at komme ind på specifik varmekapacitet) ved at præsentere definitionen på varmekapacitet og ved at redegøre for SI-enheden for varmekapacitet. - Giv et eksempel (med tal og enheder) på bestemmelse af varmekapaciteten ud fra kendskab til tilført varmeenergi og temperaturændring. - Giv et eksempel på bestemmelse af tilført varmenergi ud fra kendskab til varmekapacitet og temperaturændring. 3. - Redegør for begrebet specifik varmekapacitet ved at præsentere definitionen på dette begreb og ved at redegøre for SI-enheden for specifik varmekapacitet. - Giv et eksempel på anvendelse af tabelværdier for specifik varmekapacitet til bestemmelse af en genstands varmekapacitet. 4. - Redegør for energibevarelse og giv et taleksempel på anvendelse ved regning på et isoleret system (giv dog ikke et kalorimetri-eksempel, da det dækkes af opg. 5 og opg. 7, nedenfor). 5. - Redegør for, hvordan man eksperimentelt kunne bestemme den specifikke varmekapacitet af et givent materiale ved brug af et simpelt kalorimeter bestående af en ”indre kalorimeterskål” og en isolerende kappe mm. - Redegør for de fejlkilder, der er i eksperimentet. 6. - Redegør for effekt og nyttevirkning ved energiomsætning, herunder tilknyttede symboler. - Giv et taleksempel på bestemmelse af tilført varmeenergi og tilført effekt ud fra blandt andet kendt nyttevirkning. 7. - Redegør for energiforhold ved fase-/tilstandsændring samt specifik smeltevarme og specifik fordampningsvarme. - Giv et taleksempel på bestemmelse af tilført varmeenergi ved henholdsvis smeltning, størkning, fordampning og fortætning. Forklaringsopgaver | 259 Facitliste Her er facit til hovedparten af opgaverne i bogen. s. 14 - 2.2.5 Opgaver i omregning mellem forskellige enheder for tid 1 a) t b) ∆t c) s d) h e) min 2 a) 300 s b) 5160 s c) 27 000 s 3 a) 24 h b) ca. 8766 h c) 0,000278 h d) 36,1 h 4 a) 443 554 s b) ca. 32 millioner sekunder c) 667 076 s 5 Sekund (s) s. 17 - 2.3.3 Opgaver inden for eksponentiel notation og afstand 1 a) ∆s b) meter c) m (lille bogstav) 2 a) 4560 m b) 0,00456 m c) 34 560 m d) 300 000 000 m e) 30 m f) = 3 m 3 a) 3,400∙103 m b) 3,4∙10 –3 m c) 3,472∙109 m d) 1,836∙10 –12 m s. 18 - 2.4.2 Opgaver med præfikser 1 a) 50 km b) 1,58 μm c) 4,38 mm d) 24 fm 2 a) 2,0∙10 –8 m b) 3,00∙105 m c) 2,5∙10 –1 m d) 2,5∙10 –8 m s. 20 - 2.5.3 Opgaver inden for betydende cifre 1 a) 2 (ingen tegn angiver størrelsesordenen) b) 4 (,) c) 4 (, og 10 –6) d) 3 (0,00) e) 2 (0,0 og μ) f) 5 (0, og m) g) 3 eller 4 (k) h) mellem 1 og 5 2 a) 12,6 m b) 1,49∙10 –3 m c) 1,50∙10 –3 m d) 0,263 m e) 25,7 μm f) 0,200 mm g) 5,06∙103 km 3 3,8∙107 s 4 50 000 m, 20 nm og 300 km s. 23 - 2.6.4 Opgaver vedrørende fart og hastighed ∆s 1 a) vgns = ∆t b) m/s 2 a) 97,2 m/s b) 1,4 m/s c) 83 m/s d) 1,4∙10 –3 m/s e) 6,4∙10 –7 m/s 3 a) 18 km/h b) 3,6 km/h c) 1,07925285∙109 km/h d) 1,8∙104 km/h e) 8,28 km/h 4 a) 38 m/s b) 3,99 m/s 5 a) 5,1932 m/s b) 18,696 km/h 6 a) 180 km b) 25 km c) 17 m 7 a) 34 min b) 2,00 h 8 a) 3,8∙1013 km s. 26 - 2.7.2 Opgaver i beregning af arealer 1 kvadratmeter = m2 2 a) 20 m2 b) 20 km2 c) 12,6 m2 d) 3,14 m2 e) 12,6 m2 f) 5,1119∙108 km2 3 a) 2,0∙107 m2 b) 20 m2 c) 3,3∙10 –11 m2 d) 1,20∙108 m2 e) 5,1119∙1014 m2 4 a) 2,0∙105 cm2 b) 25 cm2 c) 1,25 cm2 d) 3,3∙103 cm2 5 a) 34 cm b) 2,0 mm c) 2,82 m Facitliste | 269 Links Ekstra materiale til bogen, denne linksamling med aktive links samt supplerende stof kan findes på forlagets hjemmeside: http://maskinmesterskolens-boghandel.dk/grib_fysikken/fysikken.html Grundlæggende astronomi, det kosmologiske Princip og Universets udvidelse, herunder spektrallinjers rødforskydning er ikke dækket af bogen. Her henvises til: http://www.rummet.dk http://www.emu.dk/gym/fag/fy/inspiration/bogmateriale/universet/data/Universer_ og_Universet_kap1_3.pdf http://www.fearofphysics.com/SunMoon/sunmoon1.html Nedenfor er links primært til animationer. De er ordnede efter emne/kapitler i Grib fysikken. Kap. 2 – Fysiske størrelser: 10-tals potenser og præfikser: http://orbitahtx.systime.dk/fileadmin/filer/fysikweb_a_htx/introduktion/introduktion mb3_1emu.htm Fysiske enheder: http://www.bipm.org/en/si/ http://www.nist.gov Kap. 3 - Masse og densitet: Densitet: http://www.skogforsk.se/KunskapDirekt/Adellov/15956/19598/19599/ Kap. 4 - Varme og energi: Varmetilførsel, opvarmning, nedkøling, faseskift/tilstandsændring: dansk version: http://phet.colorado.edu/sims/states-of-matter/states-of-matter_da.jnlp engelsk: http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=States_of_Matter Eksperiment, temperatur, varme, effekt mm.: http://mfportal.emu.dk/visEkspfysik1.htm Kalorimetri: http://www.chm.davidson.edu/vce/Calorimetry/index.html 278 | Links Stikordsregister A absolut nulpunkt for temperatur 44 absorption af fotoner 169 absorptionsspektrum (atomer) 171 acceleration 207 konstant acceleration 209-211 additivitet (spændingsfald) 116 afbøjning i optisk gitter 148-150 afbøjningsorden 149-150 afstand 15 aktivitet (radioaktivitet) 189-190 alfa (græsk bogstav) 7 alfa-henfald 179 alfastråling 179 Ampere 97-99 amperemeter 102 amplitude 128 angrebspunkt (kræfter) 241 antal atomkerner 189-190 anti-neutrino 179-180 arbejde 241 fjeder 248-250 gas 253 Archimedes’ lov 76 areal 24 arealberegning, formler 11 atm (enheden atmosfære) 68 atmosfære (enheden) 68 atomenerginiveau /-tilstand 169 atomers emissions- og absorption af elektromagnetisk stråling 170-171 atomkerne 175 atommasse, tabel 80 atommasse, isotoper, tabel 193 atommasseenheden 29 atommodel 169 atto 18 Avogadros’ tal 7, 194 B bar (enheden) 69 batteri 119 beta (græsk bogstav) 7 beta-minus henfald 179 beta-plus henfald 180 betastråling 179-180 betydende cifre 18-20 Bohrs atommodel 169 Boyle-Mariottes lov 88 Boyles lov: se Boyle-Mariottes lov brydning (lys) 158 brydningsindeks 160 brydningsloven 159 brydningsvinkel 159 bølgedal 127 bølgeformation 128 bølgeformlen 130 bølgefront 128 bølgelængde 128 bølgelængder for lys, tabel 147 bølgemodellen for lys 145-146 bølger 126 bølgetop 127 C Celsius 44-45 centi 18 calorier (enhed) 42 Charles’ lov 84 Coulomb (enheden) 95, 99 D damp 57 deci 18 deka 18 Stikordsregister | 283 delta (græsk bogstav) 7 den dynamiske friktionskraft 234 tabelværdier 236 den resulterende kraft 221 den statiske friktionskraft 236 tabelværdier 236 densitet 35 tabelværdier 35 densiteten af gas/luft 81 destruktiv interferens 133-134, 136 det frie fald 213 det periodiske system 177 distance 15 down-kvark 175 dynamisk friktionskraft 234 tabelværdier 236 dynamometer 224 døgn 13 E effekt 62-63 og arbejde 242 effektloven 102 eksponentiel notation 15 elektricitet 93 elektrisk energi 100, 116 elektromagnetisk stråling 144-146 elektromotorisk kraft 119-120 electron capture henfald (EC) 180 elektron 94 elektronindfangningshenfald (EC) 180 elektronsky 94, 169, 175 element (batteri) 119 elementarladningen 96 emission af fotoner fra atomer 169 emissionsspektrum 170 energi 41 arbejde 240-241 masse og energi 187 energibevarelse 246 energiniveau/-tilstand (atomer) 169 energiniveau (kerner) 181 enhed, enheder 7, 13 erstatningsresistans 109 284 | Stikordsregister eta (græsk bogstav) 7 exa 18 exciteret (atom) 169 exciteret (atomkerne) 181 F faseændring/-skift (tilstandsændring) 57 fart 21-22 farten af lyd 140-142 farten af lys i forskellige materialer, tabel 159 faseovergange 57 fast form/fase 41-42, 58 farver 147 farvedispersion 162 fejlkilder 56, 85 femto 18 fi (græsk bogstav) 7 fjederarbejde- og energi 248-250 fjederkonstant 219 fjederkraft 219 flydende form/fase fotoelektrisk effekt 167 foton 166 fotonenergi 166 fordampning 59 fordampningsvarme 59 fortætning (faseskift) 61 frekvens 129-130 friktionskraft 233-236 friktionskoefficienter, tabel 236 frit fald 213 fusion (kernereaktion) 187 fysisk størrelse 11 G gamma (græsk bogstav) 7 gammahenfald 181 gammastråling 146, 181 gas 57 gasform/-fase 41, 57, 59 gaslovene 79 gaskonstanten 7, 80 gasmængde: se stofmængde gassens densitet 81 gas og arbejde 253-254 Gay-Lussacs 1. lov: se Charles’ lov Gay-Lussacs 2. lov 91 gennemsnitsacceleration 207 gennemsnitsfart 22 gennemsnitshastighed 200 giga 18 gitter, optisk 148-149 gitterkonstanten 149 gitterligningen/gitterformlen 150 gnidning: se friktion grader Celsius 44-45 gram 28-29 grundenheder (SI) 7 grundstof 177 grundstofnummer 177 grundtilstand (atom) 169 grundtilstand (atomkerne) 181 grænsevinkel (totalrefleksion): se kritisk vinkel H halveringstid (radioaktivitet) 193 halveringstid for isotoper, tabel 193 hastighed 200, 202 ”hastigheden” af lys og lyd: se fart konstant hastighed 203-204 hekto 18 henfald (radioaktivitet) 179 henfaldskonstanten (radioaktivitet) 190 henfaldsloven 191 Hertz (enheden) 129 hestekraft 65 Huygens princip 156 hvilespænding 119-120 højde 15, 70, 244 I idealgasligningen 80 idealgasmodellen 81 indfaldsvinkel 156, 159 indre energi 41-42 indre resistans 119-120 inertiens lov: se Newtons 1. lov infrarød stråling 146 interferens generelt og vand 132-138 lyd 141 lys 148-161 is 57 isoleret system 52 isotop 177, 184-185 isotoptabel: se kernekort J Jorden 14-15, 23, 30-31, 95 Joule (enheden) 42, 241 Joules lov 104 K kalorier (enhed) 42 kalorimeter 55 kast, lodret 213 Kelvin 44-45 kerne (atomkerne) 175 kernefysik 174 kernekort 185 kernekraft (stærk) 176 kernereaktion 179-181, 187 kilo (præfiks) 18 kilogram 29 kilowatt-time 43, 63 kinematik 198-199 kinetisk energi 245 Kirchhoffs (strøm-) lov 108 kogepunkt 59 konstruktiv interferens 133-134, 136 kraft 217-218 angrebspunkt 241 kraftens retning 219 kraftens bidrag i en retning, komposanter 227-228 kraftmåler: se dynamometer kraftloven: se Newtons 2. lov kritisk vinkel (totalrefleksion) 164 kræfter 217-218 kubikcentimeter 33 kubikmeter 32-33 kvadratcentimeter 25-26 kvadratmeter 24 kvadratmillmeter 25 Stikordsregister | 285 kvantefysik 166 kvarker 175 L ladning (elektricitet) 94-95 ladningsvandring 97 lambda (græsk bogstav) 7 laser 148 leder/ledning (elektricitet) 97 lineær afhængighed 30, 83-84, 87, 92 liter (enhed) 33 lodret kast 213 longitudinalbølger: se længdebølger loven om aktion og reaktion: se Newtons 3. lov luft 41 luftens densitet 81 lyd 126, 139-141 lys 144 lysets fart, tabel 159 lysets fart i vakuum 22-23 længde 15 længdebølger 140 løsrivelsesarbejde for elektroner 167 løsrivelsesarbejde, tabel 167 M maksimal afbøjningsorden (optisk gitter) 154 Mariottes lov: se Boyle-Mariottes lov masse 29 masse-energi ækvivalens/relation 187 massefylde: se densitet mega 18 mekanik kap. 11-13 mekanisk energi 246 meter 15, 22 mikro 18 mikrobølger 146 milli 18 minut 13 modstand (elektricitet): se resistans modtaget varmeenergi 42 mol 80, 194 molare masse 80, 194 286 | Stikordsregister moltal: se stofmængde my (græsk bogstav) 7 Månen 30-31 N nano 18 Newton (enheden) 30, 224 newtonmeter: se dynamometer Newtons 1. lov 223 Newtons 2. lov 223 Newtons 3. lov 225 neutrino 180 neutron 175 normalkraft 231 nukleon 175 nuklid: se atomkerne nyttevirkning 64 O Ohm (enheden) 104-105 Ohms lov 105 Ohms udvidede lov 119-120 omega (græsk bogstav) 7 opdrift 75-76 optisk gitter 148-149 orden: se afbøjningsorden P parallelkobling af resistorer 110-111 partikelmodellen for lys 145, 166 Pascal (enheden) 68 periode (svingninger, bølger) 129 periodiske system, det 177 peta 18 pi (græsk bogstav) 7 pico 18 Plancks konstant 7, 166 polspænding 119-120 position 199 positionsændring 199 positron 180 potentiel energi 244 prisme (lysets brydning) 162 proportionalitet 40, 47, 50, 58, 66, 88, 98, 105, 127, 142 proton 175 præfikser 17-18 Q Q-værdi (masse-energi relationen) 187 R radioaktivitet 179, 189-190 radiobølger 146 reaktionsskema (kernereaktioner) 179 referencehøjde (potentiel energi) 244 referencepunkt (position) 199 refleksion (lys) 155 refleksionsloven 155-156 resistans 104 resistansens temperaturafhængighed 122-123 resistanstemperaturkoefficient, tabel 122 resistivitet 122 resistivitet, tabel 122 resistor 104 resulterende kraft 221 rho (græsk bogstav) 7 røntgenstråling 146 S sekund 13-14 seriekobling af resistorer 112-113 SI-enheder 7 sigma (græsk bogstav) 7 skal (elektronsky, atomenerginiveau) 169 skråt plan 235 smeltepunkt 58-59 smeltevarme 58 smeltning 58 snorkraft 218, 227 Solen 15, 29, 41, 95 specifik fordampningsvarme 60 specifik fordampningsvarme, tabel 59 specifik smeltevarme 58 specifik smeltevarme, tabel 59 specifik varmekapacitet 48-49 specifik varmekapacitet, tabel 49 spejling: se refleksion spektrum (elektromagnetisk stråling) 146, 170-171 spændingsfald 115 spændingsforskel 100 spændingskilde 119 stabilitetslinje 184 statisk friktionskraft 236 tabelværdier 236 stofmængde 80, 194 strømkilde: se spændingskilde strømmens retning 98 strømstyrke 97 stærk kernekraft 176 størrelsesorden 18-19 størkning 61 SI-enheder 7, 13 Superpositionsprincippet 133 symboler 8 synlig elektromagnetisk stråling/lys 146 T t-a graf 213 t-s graf 200-201 t-v graf 205 tabelværdier, oversigt over tabeller 6 temperatur 41, 44-45 temperaturkoefficient (resistans) 122 temperaturskalaer 45 tera 18 termisk energi 42 termisk isoleret system 52 termodynamikkens 1. hovedsætning: se varmeteoriens 1. hovedsætning theta (græsk bogstav) 7 tidspunkt 12 tidsrum 12 tilført varmeenergi 42 tilstandsform 57 tilført varmeenergi 42 time 13 ti-tals potens, ti’er potens, 10-tals potens 15 tomgangsspænding 119-120 totalrefleksion (lys) 164 totaltryk 73-74 total varmekapacitet 50 Stikordsregister | 287 transversalbølger: se tværbølger tryk 68 tryk i gas 68, 80-88 tryk i væske 70-72 tværbølger 140 tyngdeacceleration 31, 213 tyngdeacceleration, tabel 31 tyngdekraft 29-31, 218-219 U udbredelsesfart (bølger) 129 lys og anden elektromagnetisk stråling 147 udfaldsvinkel 156 udsving (bølger) 127 ultraviolet stråling 146 unit: se atommasseenhed up-kvark 175 V vand 57 vanddamp 57 varmeenergi 42 varmemængde: se varmeenergi varmefylde: se specifik varmekapacitet varmeisoleret system 52 varmekapacitet 46-47 af sammensatte genstande, total varmekapacitet 50 varmeteoriens 1. hovedsætning 254 Volt (enheden) 101-102 voltmeter 102 volumen 32-33 volumenberegning, formler 28 virkningsgrad 64 vægt 29, 31 væskesøjletryk 70-72 W Watt (enheden) 63 X X-ray: se røntgenstråling Å år 13 288 | Stikordsregister