I tund: Füüsika kui loodusteadus. (Sissejuhatav osa) Eesmärk jõuda füüsikasse läbi isiklike kogemuste. Kuidas kujunes sinu maailmapilt?

Transcript

1 I tund: Füüsika kui loodusteadus. (Sissejuhatav osa) Eesmärk jõuda füüsikasse läbi isiklike kogemuste. Kuidas kujunes sinu maailmapilt? (Sündmused tekitavad signaale, mida me oma meeleorganitega aistingutena tajume. Tajude tulemused töötab inimaju läbi ja nii tekibki inimese ettekujutus ehk kujutluspilt maailmast) Mil viisil füüsika õppimine on Sinu kujutlust maailmast muutnud? Kuidas füüsikas tehtud uurimused ja teadussaavutused on muutnud ühiskonna elukorraldust? (Füüsika uurimused võimaldavad luua ja välja töötada üha keerulisemaid ning paremaid seadmeid jmt.) Mis on maailm? Mida mõista loodusena ja millest see koosneb? Mis on füüsika? Et kreeka keeles tähendab sõna πχυσισ (physis) loodust. Sellepärast võime füüsikat julgesti pidada loodusteaduseks. Loodusteadusi on teisigi nagu bioloogia, geograafia, geoloogia, keemia ja astronoomia. Kuid kuna füüsika uurib kõige üldisemaid kõikjal ja kõigi kehade juures kehtivaid loodusseadusi, siis võib teda julgesti nimetada tähtsaimaks loodusteaduseks. Füüsika seadused kehtivad nii elutute kui ka elusa looduse objektide ehk üldistatult kõigi füüsikaliste kehade kohta. Füüsika uurib igasuguseid loodusnähtusi ehk muutusi looduses. Seega võime me rääkida füüsika erinevatest harudest: optikast, mehaanikast, soojusõpetusest, elektromagneismist, aatomi- ja tuumafüüsikast. Uurimismeetodina kasutatakse füüsikas vaatlusi (rakendades kõiki meeleorganeid), tehakse katseid ja eksperimente, mõõdetakse ja arvutatakse tulemusi. Seejärel tuleb tulemused läbi mõelda, hinnata nende õigsust, täpsust ja teha järeldusi. Luues täiuslikumaid mudeleid, sõnastades uusi seadusi või moodustades uusi valemeid, mis kõige ülevaatlikumalt nähtusi kokku võtavad täieneb ja täpsustub meie maailmapilt pidevalt. Kuigi sellele vaatamata jääb meie ettekujutus maailmast ja loodusest ikka ebatäiuslikuks. Loodusteaduste põhieesmärk ongi saavutada üha parem vastavus looduse ja seda peegeldavate kujutluste vahel. (Et meie kujutluspilt oleks üha enam tegelikult looduses olevaga sarnane). Füüsika kui inimkonna nähtavushorisonte edasi nihutav teadus. Mis on nähtavushorisont? Mis on selle taga ja mis selle sees? See võib tähendada kaugust, millelt valgus tänaseks meieni on jõudnud. Mis sellest väljaspoole jääb, sellest ei tea me midagi. Nähtavushorisondina võib käsitleda ka meie teadmiste ulatust ehk raadiust, mis moodustab keraja ruumi. Ruumi sees on meile tänaseks teadaolev ja selle kera pinnast väljaspool asub meie jaoks tundmatu maailm. Koos meie teadmiste kasvuga suureneb ka meid tundmatust eraldav pind ja nende asjade hulk, millest me midagi ei tea. Füüsika ja astronoomia on võtnud endale kohustuse nihutada oma uurimustega seda nähtavushorisonti üha kaugemale (mikromaailmas üha väiksemate mõõtmeteni). Kust läheb piir mikro-, makro- ja megamaailmade vahelt? Kõikide piiride tõmbamine on veidi suhteline tegevus. (Küsi endalt, mis on sinu jaoks väike ja mis on suur ja sa saad aru, et vastus sõltub sellest, millega sa midagi võrdled.) Siiani on kombeks mikro- ja makromaailma piirina käsitleda mõõtmeid suurusjärgus 10 astmel miinus 8. Sellest väiksemaid objekte tavamikroskoop enam jälgida ei võimalda. Makromaailmana võib käsitleda seda ruumi osa, mis ulatub kaugemale meie Päikesesüsteemist. Selliste kauguste mõõtmisel kasutatakse astronoomias ühikuna valgusaastaid ja parsekeid. Valgusaasta on vahemaa, millelt valgus tuleb meieni 1 aasta

2 jooksul. Parsek on aga vahemaa, millelt vaadatuna paistaks Maa orbiidi pooltelg nurga 1 (loe üks kaare sekund) all. 1pc=3,6ly 3 10¹³km Millised füüsika teadmised on sinu nähtavushorisonti nihutanud? Loodusteaduslik meetod ning füüsikateaduse osa selle väljaarendamisel. Loodusteadusliku meetodi olemus. 1. Vaadeldakse nähtusi (kehad kukuvad Maa poole, vikerkaar tekib peale vihma, jõe kitsenedes kiireneb selles veevool, klaas muudab valguskiirte sihti, kuum vesi aurustub kiiremini jne.). Vaatluste tulemusel püstitatakse hüpoteese (raskem keha tööb suurema augu pinnasesse, vikerkaare tekkeks on vaja vihmapiisku, veevoolu kiirus sõltub ka torudes nende ristlõikepindalast, valguskiired muudavad suunda ka vees, erinevad vedelikud auruvad samal temperatuuril erineva kiirusega jne.) Hüpotees võib välja pakkuda võimalusi, mida on vaja nähtuse ilmumiseks või milline võiks olla sõltuvus nähtust iseloomustavate suuruste vahel. 3. Hüpotees on väide, mida tuleb katsetega tõestada või ümber lükata. Kui katse algtingimused on hüpoteesiga kindlaks määratud, siis räägime eksperimendist. Eksperimendiga saadud tulemusi ja arvandmeid tuleb läbi töötada. 4. Andmetöötluse käigus koostatakse tabeleid, tehakse graafikuid ja hinnatakse mõõtmisvigu. Mõõtmisvigade hindamine näitab, kui usaldusväärseks võib eksperimendi arvandmeid pidada ja kas neid sobib järelduste tegemisel kasutada. 5. Kui eksperiment kinnitab hüpoteesi õigsust luuakse selle põhjal nähtusest uusi mudeleid. Loodud mudel kirjeldab reaalsust vaid kinlates fikseeritud tingimustes. Kui tingimusi muuta, ei pruugi mudel töötada. 6. Mudeleid luuakse selleks, et nähtusi paremini mõista. Ka mudelite põhjal tehakse järeldusi, mida omakorda püütakse kontrollida katsetega. Kui katsetulemused ja mudelitest tehtud järeldused ei lange kokku, siis tuleb viia läbi üha uusi eksperimente, mis võimaldab luua aina täpsemaid mudeleid. Selline nähtuse või füüsikalise keha mudeli areng viib mudeli üha sarnasemaks looduses tegelikult eksisteerivaga. (näiteks aatomi mudel, Päikesesüsteemi mudel, aine siseehituse mudel jne.) Küsimused selle osa kohta: Kirjelda loodusteaduslikku meetodit. Too näide. Miks füüsikas räägitakse tihti mudelitest, mitte tegelikust olemusest? Miks mudelitest tehtud järeldusi tuleb alati kontrollida katsetega? Milleni kontrolli tulemused võivad eri juhtudel viia? Mõõtmine ja mõõtetulemus. Mõõtmine on mõõdetava suuruse arvväärtuse kindlakstegemine (8.kl.- keha omaduse või nähtuse võrdlemine samanimelise ühikuks võetud suurusega). Mõõtmine on menetluste kogum mõõtesuuruse väärtuse määramiseks mõõtevahendi abil; 1. Mida mõõdame? Kas kõik asjad on mõõdetavad?(füüsikas, keemias, psühholoogias, sotsioloogias) Mõõtmine algab mõõdetava suuruse määratlusega! (definitsioon). Kas selline mõõtmine on teostatav? Missuguste vahenditega teostatakse mõõtmine? Kas mõõtmine on otsene (mõõdame vahetult mõõteriistaga) või kaudne (arvutame mõõtarvude kaudu, mida enne tuli mõõta, kasutades valemeid)? Kas mõõtühik on olemas? Mis on üldse füüsikalised suurused, defineeri see? 3. Proovi võtmine. Väga oluline küsimus! (keemias) 4. Keskkonnatingimused (füüsikalised mõjurid) mõõteeksperimendi ajal ja nende mõõtmise kvaliteet. Temperatuurist, õhuniiskusest ja sageli kaldenurgast tingitud mõjud võivad olla olulised!

3 5. Mõõtevahendi usaldusväärsus. MÕÕTEVAHENDID Mõõtevahend on seade, mis on ette nähtud mõõtmiseks. Mõõtmisvahendid jaotatakse viide liiki: 1. Mõõt on ette nähtud mingi füüsikalise suuruse reprodutseerimiseks (taasesitamiseks). Näiteks kaaluvihid (üheväärtused mõõdud), joonlaud (mitmeväärtuseline mõõt).. Mõõteriist on mõõtevahend, mis võimaldab saada mõõteandmeid visuaalsel teel. Näiteks osutimõõteriist, kaalud, multimeeter. 3. Mõõtemuundur on ette nähtud mõõteinfo saamiseks, muundamiseks, edastamiseks, kuid infot sealt otse ei saa kuna puudub skaala. Siia kuuluvad ka kõik muundurid. Näiteks termopaar või fotoelement. 4. Abimõõtevahend on seade, millega kontrollitakse mõõteriista töötingimusi. Näiteks normaalelement, mis on emj. standardiks, aga ka kepp vee sügavuse mõõtmiseks. 5. Mõõtesüsteem on seadeldis, mis koosneb mitmest eelpool mainitud seadmest. Mõõteriista põhiosaks on tundlik organ ehk tajur ja lugemisseade. Näiteks voltmeetri tajuriks on magnetväljas asuv traatraam ja vedru. Lugemisseade koosneb osutriistade korral skaalast ja osutist. Digitaalriistade korral on lugemiseadmeks ekraan, kuhu ilmuvad numbrid. Arvu, mida mõõteriist näitab nimetatakse lugemiks, sellele vastavat füüsikalise suuruse väärtust aga mõõteriista näiduks. Kui näiteks voltmeetri osuti seisab täpselt kriipsu kohal, mille juures on arv,5, siis lugem on,5 ja näit,5v. Skaala kahe naaberkriipsu vahet nimetatakse jaotiseks. Jaotis ei ole füüsikaline suurus vaid geomeetriline suurus. Jaotise geomeetrilist pikkust nimetatakse jaotise pikkuseks. Jaotise lõppkriipsule ja algkriipsule vastavate näitude vahet nimetatakse jaotise väärtuseks. Mõõteriista mõõtepiirkond on kõigi võimalike näitude hulk, näiteks 0...3V. Mõõtediapasooniks ehk mõõtepiirkonna tööosaks nimetatakse mõõtepiirkonna osa, milles mõõteriista täpsus on tagatud. Näiteks mõnedel elektrimõõteriistadel skaala algosas jaotised puuduvad ja V mõõtepiirkonnaga voltmeetriga saab korrektselt mõõta pingeid V. See pingete vahemik ongi mõõtediapasoon. Mõõteriista kirjeldavad suurused ja hoiutingimused on esitatud riista passis. KAS IGA skaalat omav seadeldis on mõõteriist? MÕÕTESEADUS Mõisted: mõõdetav suurus ehk mõõtesuurus on nähtuse, keha või aine oluline omadus, mida saab kvalitatiivselt eristada ja kvantitatiivselt määrata; mõõdetava suuruse väärtus on konkreetse suuruse kvalitatiivmäärang, mida tavaliselt väljendatakse mõõtühiku ja arvväärtuse korrutisena; mõõtevahend on kindkate metroloogiliste omadustega tehniline vahend, mida kasutatakse mõõtmiseks kas ainsa vahendina või koos lisaseadmetega; materjaalmõõt on mõõtevahend füüsikalise suuruse ühe või mitme väärtuse püsivaks edastamiseks või esitamiseks; mõõteriist on mõõtevahend mõõtesignaali saamiseks vaatlejale vahetult tajutaval kujul; mõõtesüsteem on mõõtevahendite ja lisaseadmete komplekt, mis on koostatud kindla mõõteülesande jaoks; legaalmetroloogia on metroloogia osa, mis käsitleb mõõtmisi, mõõtühikuid, mõõtevahendeid ja mõõtemeetodeid seonduvalt õigusaktide nõuetega; legaalmetroloogiline ekspertiis on menetlus, mille käigus võrreldakse mõõtevahendi dokumentatsiooni Eesti õigusaktides kehtestatud nõuetega; legaalmetroloogiline kontroll on avaliku huvi, sealhulgas rahva tervise, avaliku ohutuse, avaliku korra, keskkonnakaitse, maksude ja koormistega maksustamise, tarbijakaitse ja ausa kaubanduse tagamiseks läbiviidava mõõtetegevuse kontroll; mõõtetulemus on mõõtmise teel saadud mõõtesuuruse väärtus;

4 mõõtemääramatus ehk määramatus on mõõtetulemusega seonduv parameeter, mis iseloomustab mõõtesuurusele põhjendatult omistatavate väärtuste tõenäosusjaotust; taatlemine on protseduur, mille käigus pädev taatluslabor või teavitatud asutus kontrollib mõõtevahendi vastavust kehtestatud nõuetele ja märgistab nõuetele vastava mõõtevahendi taatlusmärgisega; tüübikinnitus on pädev otsustus selle kohta, et vaadeldavat tüüpi mõõtevahend vastab õigusaktidega kehtestatud nõuetele ning on kasutatav õiguslikult reguleeritud toimingutes, võimaldades teatud ajavahemiku (taatluskehtivusaja) jooksul saada usaldatavaid mõõtetulemusi; mõõtemeetod on üldiselt kirjeldatud mõõtetoimingute loogiline jada;(operaatori subjektiivsust aitab vähendada selgestikirjeldatud toimingute jada olemasolu ehk selgesti väljendatud mõõtmisprotseduuri kirjeldus). Mõõtetulemuste jälgitavuse tõendamine. (1) Mõõtetulemuste jälgitavus on tõendatud, kui mõõtmised on teinud pädev mõõtja, kes kasutab kalibreeritud või taadeldud mõõtevahendeid või sertifitseeritud etalonaineid, järgides asjakohast mõõtemetoodikat. () Mõõtetulemuste jälgitavus peab olema tõendatud järgmistel juhtudel: 1. tolli- ja maksuseadustes sätestatud mõõtmiste korral;. riikliku järelvalve käigus, kui mõõtetulemuste alusel tehakse ettekirjutus, määratakse karistus väärteoasjas või piiratakse eriõigust Mõõtmise alustamisel tuleb valida õige mõõteriist, et see sobiks antud füüsikalise suuruse mõõtmiseks (aja mõõtmiseks kell või stopper; pikkuse mõõtmiseks joonlaud; massi mõõtmiseks kaalud; jõu mõõtmiseks dünamomeeter; ruumala mõõtmiseks mõõtsilinder jne.), sest igal füüsikalisel suurusel on oma mõõtühik. Lisaks peab jälgima, et mõõteriista skaala piirkond ja täpsus oleksid piisavad vastava suuruse määramiseks. Näiteks suurte vahemaada mõõtmiseks ei sobi tavaline joonlaud, kooluvoltmeeter või - ampermeeter ei saa mõõta igasugust pinget või voolutugevust vaid ainult skaalal märgitud suuruste piires, 0-6V; 0-A. Kui tahame peenikese traadi läbimõõtu mõõta sajandik-millimeetri täpsusega, siis tuleb nihkkaliibri (nihiku) asemel kasutada kruvikaliibrit (kruvikut). Mõõtmisi tuleb teostada mõõtmise reeglite järgi, vaadates skaalale risti ja ühe silmaga. Peab meeles pidama, et ükski mõõtmine ei ole absoluutselt täpne. Mõõtmistäpsus sõltub nii mõõteriista valikust kui ka mõõtmiste hoolikusest. Mõõtmisel saadud arvväärtust nimetatakse MÕÕTETULEMUSEKS. Mõõtmiste ebatäpsusest tingituna tuleb hinnata väärtuste vahemik, millesse jääb ka antud suuruse tegelik väärtus. Seda mõõdetavale suurusele mõeldavalt omistatud väärtuste hajusust nimetatakse MÄÄRAMATUSE VAHEMIKUKS. V tund: 1) Mõõtmiste ebatäpsuse põhjustab kõigepealt mõõteriist ise ehk tegemist on RIISTAVEAGA. Näiteks joonlaua veaks lubatakse võtta täpse tulemuse korral pool jaotisest ehk 0,5mm ning ümardatud tulemuse korral ¾ jaotisest ehk 0,75mm. See tähendab, et juba tootmisel on lubatud joonlaua skaala sellised hälbed, mida nimetatakse standardhälveteks. Ka muude mõõteriistade puhul on lubatud standardhälbed, kuid elektrimõõteriistadele on tavaliselt lisatud täpsusklass. Selleks on number (0,1; 0,;...,5; 4), mida nimetatakse ka taandatud veaks, mis näitab suhtelist piirviga protsentides mõõteriista maksimaalse näidu korral. ) Mõõtja enda ebatäpsusest ja ümardamistest tingitud parandusi nimetatakse PROTSEDUURIVEAKS.

5 3) Mõõtmise ebatäpsusi, mis on mingi suuruse korduval mõõtmisel üks ja sama, nimetatake SÜSTEMAATILISEKS VEAKS. (tekib tavaliselt sama mõõteriista kasutades) 4) Mõõtmise ebatäpsusi, mis on juhtumisi kord suurem, kord väiksem (positiivne ja negatiivne) nimetatakse JUHUSLIKUKS VEAKS. (võib tekkida mõõteriista vahetamisel) Mõõtemääramatuse hindamiseks mõõtevead liidetakse. Kui aga mõni ebatäpsus on tunduvalt väiksem teistest, siis võib seda ka mitte arvestada. Tegelikult nimetatakse MÕÕTEVEAKS vaid mõõtmistulemuse erinevust tegelikust suuruse väärtusest ehk etaloniväärtusest (viga võib leida L-l või ka l-l, kus L on etalonväärtus ja l mõõtetulemus). MÄÄRAMATUS EI OLE MÕÕTMISVIGA! Määramatus ei tähenda valesti mõõtmist. Uurimusi tehes ei pruugi me etalonväärtust teada, seepärast räägime mõõtetulemuse määramatusest ja hindame eksimisvõimaluste piirid, millesse peaks mahtuma ka tegelik tulemus teatud täpsusega. Määramatuse vahemik on alati seotud tõenäosusega. Tõeline väärtus võib selles vahemikus olla vaid teatud tõenäosusega. Tõenäosus 100% on üldiselt võimatu. Ja kui tahta väga suurt tõenäosust, siis läheb määramatuse vahemik nii laiaks, et mõõtmine kaotab mõtte. Tavalisemad tõenäosused on: STANDARDMÄÄRAMATUS (u): ca 68% LAINENDMÄÄRAMATUS k= tasemel (U, k=): ca 95% Mõõtetulemus esitatakse koos määramatuse piiridega, kujul: vastava suuruse tähis= (mõõtarv ± määramatus) ja ühik. Näiteks: pikkus l= (34,7±0,5) mm Määramatuse hindamisel tuleks kõigepealt kasutada tervet mõistust. Seejärel rakendada kogu mõeldavat infot, mis on olemas. Väga sageli valitaksegi määramatuse hindmise meetod selle järgi, mis info on olemas. Mõnedel standardiseeritud testmetoodikatel on standardi poolt ette antud, milline on määramatus, kuid see saab olla eesätt väga standardiseeritud metoodikate puhul. Määramatuse korrektse hindamise puhul tuleb kaaluda kõiki võimalikke määramatuse allikaid. NB! Kvantitatiivselt arvesse võtta tuleb neid määramatuse allikaid, millel on märgatav kaal. Määramatuse esitamisel kasutataksesoovituslikult järgmisi tähistus: u(...) määramatus standardhälbe tasemel (sulgudes antakse suuruse või hinnangu tähis, mille määramisega on tegemist, näiteks u(m) väljendab massi määramatust. u A määramatuse A tüüpi hinnang, mis saadakse mõõtmiste seeria(te) analüüsi teel stataistiliste meetoditega. u B määramatuse B tüüpi hinnang, mis tugineb muudele infoallikatele, mitte aga mõõtetulemuste statistilisele analüüsile. (mõõteriista klassist tulenev) u c liit(standard)määramatus, enamikel juhtudel u C = u A u B U laiendamääramatus U=k(P)u C, kus k(p) on kattetegur, see tähendab arvtegur, mida kasutatakse liitstandardmääramatuse korrutustegurina laiendamääramatuse saamiseks usaldatavusega P. k=1, kui P=68% k=, kui P=95% k=3, kui P=99% Katteteguri kasutamine eeldab teadmist määramatuse jaotuse kohta. Toodud katteteguri väärtused on kasutatavad normaaljaotuse korral! Tund:Praktiline töö ristküliku mõõtmisel. Tund: Mõõtetulemuste hajuvusgraafiku kujutame tunnis ja leiame ka:

6 ( xi x) i1 1) Eksperimentaalse standardhälbe : s(x)= (on võrdne ruutjuurega kõigi n 1 tulemuste erinevused keskmisest võetuna ruudus, liidetud kokku ning jagatud n-1, kus n on mõõtmiste arv) Standardhälve näitab kuidas jagunevad mõõtmistulemused arvuliselt keskmise tulemuse ümber, sama suuruse määramisel korduvate katsete korral. (Gaussi kõver) ) Aritmeetiliste keskmiste eksperimentaalse standardhälbe (ehk ruutkeskmise vea) valem: n ( xi x) s ( x) i1 u A ( x )= s( x )= = n n( n 1) Mõõteriista täpsus võib olla antud absoluutvea, suhtvea või taandatud vea kujul või x arvutusvalemina : u B ( x )= 0,58x 3 Vahemikku, l keskmine ± ub(x), jääb 58% mõõtetulemustest. Küsimused, millele pead oskama vastata: Mida pead arvestama mõõteriista valikul? Mis võib põhjustada mõõtemääramatust (mõõtmisvigu)? Mis on absoluutne mõõtemääramatus (mõõteviga)? Mis on suhteline mõõtemääramatus (viga)? Selgita alam- ja ülemtõkke tähendust? Kuidas esitatakse mõõtetulemust koos oma mõõtemääramatusega? Mis on mõõtmine? Millest sõltub mõõtmistulemuse täpsus? Mis on taatlemine? Millega on seotud määramatuse A ja millega B tüüpi hinnang? Mida nimetatakse tegelikult mõõteveaks? Kuidas leida standardhälvet? Iseloomusta standardhälbe mõistet? Järgneb I töö esitatud küsimustele ja mõõtevigade hindamise oskusele. n Füüsika üldmudelid (16 tundi) 1. tund: Füüsikalised objektid, nähtused ja suurused. Füüsikaline suurus kui mudel. Füüsika keel, selles kasutatavad lühendid. Objekte, mida füüsikas uuritakse, nimetatakse üldiselt füüsikalisteks kehadeks. Näiteks võib uurimisobjektiks olla inimene, auto, puuleht, vesi, jne. (mis liigub või millel muul viisil midagi muutub). Muutusi, mis looduses või füüsikaliste kehadega toimuvad nimetatakse nähtusteks. Nähtused on näiteks jää sulamine, kivi kukkumine, vikerkaare teke, elektriseerumine, veelainete peegeldumine jne. Väga üldiselt jaotatakse füüsikalised nähtused 5-rühma: mehaanilised, soojuslikud, optilised, elektri- ja magnetilised nähtused. Lisaks võib eraldi rääkida veel aatomija tuumafüüsika ning kosmoloogilistest nähtustest. Tegelikult on ka iga rühma piires veel nähtuste alaliike, mis moodustavad omaette rühmi. Näiteks mehaanika nähtused jagunevad:

7 mehaanilise liikumise (ühtlane ja ühtlaselt muutuv sirgjooneline liikumine), dünaamika, staatika, energia-töö- võimsuse ja perioodiliste liikumiste osadeks. Kehade või nähtuste omadusi, mida me mõõta saame nimetatakse füüsikalisteks suurusteks. Igal füüsikalisel suurusel on: 1) oma mõõtühik, ) seda saab mõõta kas otseselt mõõteriistaga või kaudselt valemi abil arvutades ja 3) seda saab väljendada arvuliselt. Valemeid, mida kasutatakse füüsikaliste suuruste arvutamiseks tuleb käsitleda nagu mudeleid, mis kehtivad vaid kindlates tingimustes. Et uurijatel oleks üksteisest kergem aru saada, on maailmas välja kujunenud enam-vähem ühtne füüsika keel, milles füüsikalised suurused on ühte moodi defineeritavad ja neid tähistatakse ühesuguste tähistega või sümbolitega. Sellisel juhul on ka arvutusvalemid, kui mudelid, ühesugused ja kõigile mõistetavad. Näiteks oled sina põhikoolis juba õppinud järgmisi füüsikalisi suurusi ja tead ka nende ühikuid rahvusvahelises ühikute ehk SI-süsteemis: Kiirus v(1m/s); aeg t(1s); teepikkus l või s(1m); tihedus ρ(loe roo, ühik 1kg/m³); mass m(1kg); ruumala V(1m³); jõud F(1N); võrdetegur ehk vaba langemise kiirendus Maal g=9,8m/s²(varem ühik N/kg); optiline tugevus D(1dptr); fookuskaugus f(1m); rõhk p(1pa); pindala S(1m²); kõrgus h(1m); mehaaniline töö A(1J); võimsus N(1W); jõumoment M(1Nm); kasutegur η(loe eeta; %); võnkeperiood T(1s); võnkesagedus f või ν(loe nüü, ühik 1Hz); lainepikkus λ(loe lamda,1m); soojushulk Q(1J); temperatuur t(1 C või 1K), erisoojus c(1j/kgk); sulamissoojus λ(ühik 1J/kg); aurustumis- ehk keemissoojus L(1J/kg); voolutugevus I(1A); laeng q(1c); elektripinge U(1V); takistus R(1Ω, loe oom). Nagu näed võib mõni sümbol tähendada ka erinevaid suurusi. Nende suuruste seas on osa selliseid, mille ühik defineeritakse (selgitatakse lühidalt) mõne nähtuse kaudu ja säilitatakse kui etaloni, neid ühikuid nimetatase põhiühikuteks (1m;1s;1K;1kg;1A;1mol) Ülejäänud ühikud saadakse vastavalt valemitele põhiühikute seostena. Näiteks kiiruse ühik, 1m/s, saadakse valemist v=s/t, kus teepikkus mõõdetakse meetrites ja selle läbimiseks kulunud aeg sekundites. NB! Ära aja segi füüsikaliste suuruste tähiseid (kokkuleppelised sümbolid, mis tähistavad lühidalt füüsikalist suurust) ja nende ühikuid (asuvad arvväärtuse taga ja on märgitavad ühe või kahe tähega ja loetakse pikalt välja nimega) Näiteks l=m tähendab pikkus l on meetrit, N=1W tähendab, et võimsus N võrdub 1 vatti või F=7N tähendab, et jõud F võrdub 7 njuutonit. Osa ühikuid on saanud oma nimetuse kuulsate füüsikute nimede järgi ja seepärast kirjutatakse need ühikud suurte tähtedega (1Pa,1A,1V,1K,1N...). Mis on füüsikaline keha? Mis on nähtus? Too näiteid. Kõigi põhikoolis õpitud suuruste tähiseid ja ühikuid ning valemeid võin küsida. Mis on füüsikalise suuruse tähis? Mis on füüsikalise suuruse ühik? Mida kujutavad endast füüsikas kasutatavad valemid?.tund: Skalaarid ja vektorid. Tehted vektoritega. Füüsika võrdlus matemaatikaga. Füüsikalisi suurusi, mida väljendatakse vaid arvuliselt, nimetatakse skalaarseteks suurusteks. Näiteks teepikkus, aeg, mass, rõhk, takistus jne. on skalaarsed suurused. Füüaikalisi suurusi, millede juures peale arvväärtuse on tähtis ka nende suund, nimetatakse vektoriaalseteks suurusteks. Näiteks on vektoriaalsed suurused kiirus ja jõud. Asukoha muutus sõltub sellest, millises suunas liigutakse. Mingi suund ruumis loetakse positiivseks ja selles suunas liikudes on kiirus + ning vastassuunas liikudes on kiirus negatiivne ehk ga Vektoriaalsete suurustega tuleb teha tehteid arvestades matemaatikas õpitavaid vektorarvutusreegleid. Näiteks liites rakendatakse kolmnurga või rööpküliku reeglit. Praktiline õpetus tunnis! Matemaatika oskused on füüsikas väga olulised. Neist võib sõltuda kogu füüsika oskuste tase. Füüsikas tuleb osata ühikuid teisendada, valemitest erinevaid suurusi avaldada, arvutada tavaliste arvudega ja kasutades kümne-astmeid. Eelkõige vajab füüsik head arvutit ja selle

8 kasutamisoskust. Matemaatika on kõigi kvantitatiivkirjelduste universaalne keel, kuid füüsika peab lisaks arvutusoskusele säilitama alati ka seose loodusega. Igal füüsikas tehtaval arvutusel on mingi mõte ja seos füüsikaliste nähtuste või kehadega. Tavaliselt kinnitavad seda ühikud tulemuste taga. Mille poolest vektoriaalne suurus erineb skalaarsest? Miks on matemaatika oskus füüsikas väga oluline? Mille poolest erineb füüsika matemaatikast? Oska lahendada tunnis käsitletud ülesandeid. (täienda ise oma tabelit uute vektoritega ja joonista need teljestikku) 3.tund: Vektorite liitmine ja summa vektori projektsioonide määramine. Praktiline õppimine tunnis. Koju jääb valida ise viis suvalist vektorit ja kujutada nende viis liitumist joonistel. Ülesanne õhupalli liikumisest kahes risti jäävas suunas. Leida ruumiline nihe. Nihe on vektor, mis ühendab keha algasukohta tema lõppasukohaga. Oska vektoreid liita (või lahutada, mis tähendab vastandvektori liitmist). Järgneb II töö teoreetilistele küsimustele tunnist ja vektorite liitmise oskusele 4.tund: Kehad, nende mõõtmed ja liikumine. Füüsikaliste suuruste pikkus, kiirus ja aeg tulenevus vaatleja kujutlusest. Pikkus on ruumiline mõõde kahe punkti vahel, mis on mõõdetud piki mõttelist joont või keha külge. Tähised võivad olla vabalt valitud, sagedamini esinevad tähised a,b,c,r,d,l,s, põhiühik 1m. Aeg väljendab tavaliselt ajavahemikku ( t= t 0 ) mingist kokkuleppelisest alg- ehk 0-hetkest kuni vaadeldava ajahetkeni. Tähis t, põhiühik 1s. Kiirus näitab kui pika tee läbib keha ajaühikus. Kiirus on ka vektoriaalne suurus, sest selle suunast sõltub, millisesse ruumipunkti me võime aja möödumisel jõuda. Valem: v= t s ja ühik 1m/s. Neid suurusi kasutatakse kehade ja nende liikumise (või muude protsesside) omavahelisel võrdlemisel. Liikumine ise on suhteline protsess. Näiteks rongis istuv inimene on rongi suhtes paigal, tema kiirus rongi suhtes on 0, teepikkus ja nihe rongi suhtes puuduvad. Kui aga rong samal ajal liigub ühtlase kiirusega, siis on inimese kiirus maa suhtes sama suur nagu rongil. Inimene läbib mingi vahemaa koos rongiga ja sooritab ka vastava nihke. Liikumise suhtelisus seisnebki selles, et kehadel võib erinevate taustkehade suhtes olla erinev kiirus, teepikkus, trajektoor ja nihe. Mõisteid trajektoor, teepikkus ja ühtlane liikumine õppisid juba 8. klassis. Tuletame meelde, et: 1.Trajektoor on joon, mida mööda keha kui punkmass (mõõtmeid ei arvestata) näib liikuvat. Mõõtmed võib jätta arvestamata, kui a) keha on väike võrreldes läbitava vahemaaga, b) kui keha kõik punktid liiguvad mööda ühesuguseid trajektoore (kulgliikumine)..teepikkus on trajektoori pikkus, mille keha mingi aja jooksul läbib. 3.Keha liigub ühtlaselt, kui ta läbib võrdsetes ajavahemikes võrdsed teepikkused. (ehk lühidalt, kui keha kiirus ajas ei muutu näiteks auto spidomeetri näit on kogu aeg sama) Peale sirgjoonelise ja ühtlase liikumise esineb veel kõverjoonelisi ja ebaühtlaseid liikumisi. Kõverjoonelise liikumise erijuhud on näiteks ringjooneline, laineline, pöörd- ja võnkliikumine. Ebaühtlase liikumise erijuht on ühtlaselt muutuv liikumine. Selle liikumise korral suureneb või vähenev keha kiirus võrdsetes ajavahemikes võrdse suuruse võrra. Liikumiste liigitamise aluseks võib seega võtta trajektoori kuju ja kiiruse väärtuse (ei muutu, muutub ühtlaselt, muutub vaid suunalt, muutub perioodiliselt jne.) Mõtle järele, millise liikumise korral, kiirus ei muutu, muutub ühtlaselt, muudab vaid suunda ja millal muutub perioodiliselt?

9 Millised on erinevate liikumiste trajektoorid? Kuidas on kiirus suunatud trajektoori mistahes punktis? Oska lühidalt selgitada, mis on trajektoor, teepikkus, nihe, aeg, kiirus, kulgliikumine, ühtlane ja mitteühtlane liikumine, ühtlaselt muutuv liikumine, liikumise suhtelisus. 5.tund: Jätkab eelmist tundi. Lisanduvad uued mõisted. Pöörlemisel liiguvad keha erinevad punktid mööda erineva raadiusega ringjooni, kuid kõigi ringjoonte keskpunt on samas kohas ja paikneb keha sees. (Maa pöörleb ümber mõttelise telje) Tiirlemisel liigub keha ise mööda ringjoont, mille kese asub temast väljaspool. (Maa tiirleb ümber Päikese) Keha kiirus on alati suunatud mööda trajektoori puutuja sihti. Võnkumine on selline perioodiline liikumine, mille korral keha liigub mööda sama trajektoori edasi-tagasi. Seega võnkumisel muutub pidevalt kiiruse väärtus ja suund. Lainelise liikumise korral kandub võnkliikumine edasi ühelt osakeselt teisele nende vastastikmõju tõttu. Väliselt tajume seda kuju muutumisena (sile veepind hakkab kerkima ja langema, kui kivi vette visata ja lainete levimise suund näitab kuhu poole võnkumiste energia kandub). Meenutame, kuidas teisendada ühikuid. Peab mäletama, millised on põhiühikud ja oskama neile üle minna. Näiteks: 0,5mm= 1,km= 3min= 0,1h= 1,5km/h= 36km/h= 34cm/min= Kordame 8. klassis õpitud eesliiteid: senti-, detsi-, milli-, kilo-, mega- jne. tähendusi ja nende kasutamist teisendamisel. Oska selgitada mõisteid pöörlemine, tiirlemine, võnkumine, laine. Oska teisendada pikkust, aega ja kiirust põhiühikutesse. Tunne ühikute eesliidete tähendust 10-astmetena. 6. tund: Iseseisev töö hindele ÜK 1.osa ülesannete lahendamine. 7. tund: Vastastikmõju kui kehade liikumisoleku muutumise põhjus. Vastastikmõju seletati põhikoolis sellise olukorrana, kus üks keha mõjus teisele ja teine mõjus esimesele sama tugevasti vastu. See mõte on sõnastatud Newtoni III seadusena: Kaks keha mõjutavad teineteist alati võrdsete ja vastassuunaliste jõududega. Ühe keha mõju teisele nimetatakse lühidalt jõuks. Jõud on füüsikaline suurus, mis põhjustab keha kuju kiiruse või liikumise suuna muutuse. Jõu tähis on F ja ühik 1N. Jõudu mõõdetakse dünamomeetriga. (koosneb vedrust ja skaalast). Jõud on ka vektoriaalne suurus, sest peale arvväärtuse on tähtis ka jõu suund. Kui jälgida liikuvaid või paigalolevaid kehi, siis paneme tähele, et paigalolekus ning ühtlasel liikumisel peaksid kehale mõjuvad jõud olema tasakaalus või puuduma üldse. Viimast olukorda on väga raske ette kujutada, sest Maa gravitatsioonijõud mõjub kõigile tema lähedal olevatele kehadele tahes või tahtmata. Selline nähtus võetakse kokku Newtoni I seaduses: Keha on paigal või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt, kui kehale mõjuvate jõudude resultant on null. Resultantjõuks nimetatakse jõudu, mille mõju kehale on samasugune nagu mitme jõu koosmõju. Luues uusi mudeleid ja seletades nähtusi vaadeldakse olukordi alguses sageli lihtsustatult jättes mõne nähtusega arvestamata. Seepärast kasutatakse suletud süsteemi mõistet, kui jäetakse arvestamata mõne jõu mõjuga (hõõrdejõud) või ei arvestata energia ülekandumist süsteemist väljaspool olevatele kehadele (näiteks võnkuva pendli korral). Avatud süsteemi korral läheb mudel keerulisemaks ja ka nähtuste seletused põhjalikumaks. (Kui pendel oma energiat väliskeskkonna osakestele üle ei kannaks, peaks ta võnkuma igavesti.)

10 Kõige lihtsamalt võib öelda, et jõud on keha kiirenduse põhjustaja. Seda mõtet kajastab Newtoni II seadus: Kiirendus on võrdeline kehale mõjuva jõuga ja pöördvõrdeline keha massiga. F a m Tegelikult peaksime selgitama siinkohal ka kiirenduse mõistet: kiirendus on füüsikaline suurus, mis näitab kiiruse muutu ajaühikus. v v1 a, kus v 1 jav on vaatluse alg- ning lõpphetkel mõõdetud kiirused ja t-aeg, mille t jooksul kiirus muutus. Kiirenduse ühik on 1m/s². Näiteks kiirendus 4m/s² tähendab, et igas sekundis kasvab kiirus 4m/s võrra. Newtoni II seadusest lähtudes seletatakse jõu ühikut järgmiselt: jõud on üks njuuton, kui see jõud põhjustab 1kg massiga kehale kiirenduse 1m/s². Seega jõud 5N põhjustaks 1kg massiga kehale kiirenduse 5m/s². jne. Kui keha liigub mingi jõu mõjul edasi, siis tehakse füüsika seisukohalt mehaanilist tööd. Valem: A=F s, kus jõud F ja nihe s on samasihilised. Töö tähis A ja ühik 1J (loe džaul). Töö on 1J, kui jõud 1N nihutab keha edasi 1m võrra. Tööd võib teha mistahes aja jooksul. Mida lühema ajaga töö ära tehakse, seda võimsam on töö tegija. Võimsus on füüsikaline suurus, mis näitab ajaühikus tehtud tööd. Valem: N= t A Võimsuse tähis N ja ühik 1W (loe vatt). Võimsus on 1W, kui igas sekundis tehtud töö on 1J. Kui võimsus on 1W, siis tehakse igas sekundis 1J tööd. Sellest osast peaksid oskama: Iseloomustada jõudu. Sõnastada Newtoni I, II ja III seadus. Milline on suletud ja milline avatud süsteem? Mis on resultantjõud? Defineerida kiirenduse mõiste. Selgitada ühikuid 1N, 1J ja 1W (ka mistahes arvuna) 8. tund: Aine ja väli. Filosoofias kasutatakse mõistet mateeria Füüsikas seletame seda kui maailma esinemise vorme ja ütleme, et mateeria esineb kahel kujul ainena ja väljadena. Ainelisi objekte me näeme ja võime vahetult tajuda meeleorganitega. Väljad on erinevate vastastikmõjude vahendajad. Neid me otseselt ei taju (välja arvatud valgus, väga kitsas lõik elektromagnetväljast). Väljade olemasolu kinnitavad kaudsed nähtused: näiteks gravitatsiooniväli tõmbab kõiki kehi Maa poole, Päikese gravitatsiooniväli hoiab planeete tiirlemas ümber Päikese, elektrivälja kaudu mõjutavad üksteist mistahes laetud kehad ja aatomi sees tuumad ning elektronkatted jne. Tänapäevaks on avastatud neli põhilist vastastikmõju liiki, millele vastab oma kindel väli. Mõju tugevuse järgi alates nõrgimast on need: gravitatsiooniväli (massiga kehade vahel), nõrk vastastikmõju (elementaarosakeste vahel), elektromagnetväli (laetud kehade ja magnetite vahel) ja tugev vastastikmõju (kvarkide- tuumaosakeste vahel). Gravitatsiooniseadus: kaks punkmassi tõmbuvad teineteise poole jõuga, mis on võrdeline nende massidega ja pöördvõrdeline nende-vahelise kauguse ruuduga. Valemina G m1 m F, kus m 1,m on kehade massid (1kg) ja r kaugus nende kehade keskpunktide r vahel (1m). G on gravitatsioonikonstant, mis näitab, et kaks 1kg massiga keha tõmbavad 11 teineteist 1m kauguselt jõuga 6,7 10 N. Massi võib käsitleda, kui kehas peituvat aine kogust või kui keha inertsuse mõõtu. Inertsus avaldub selles, et massiga keha avaldab vastupanu oma liikumisoleku muutusele. Kui mass on suurem, siis peab kiiruse muutmiseks mingi suuruse võrra mõjuma suurema jõuga või kauem.

11 Massi mõõdetakse kaaludega. Kaalumise põhimõte seisneb selles, et võrdse massiga kehi tõmbab Maa sama suure jõuga. (kangkaaludel vihtide kogumass võrdne keha massiga; vedrukaaludel tekib vedrus keha raskusjõuga võrdne elastsusjõud). Keha raskusjõud on gravitatsioonijõud, millega Maa tõmbab tema lähedal olevaid kehi. Valem: F m g, kus m g=9,8 s on vaba langemise ehk raskuskiirendus, millega kõik kehad Maa poole langevad (kui õhutakistus puuduks). Nimeta mateeria vormid. Mille poolest erineb aine ja väli. Sõnasta gravitatsiooniseadus ja oska valemit kasutada ülesannete lahendamisel. Mida näitab gravitatsioonikonstant? Selgita inertsust. Mis on inertsuse mõõduks? Millel põhineb massi määramine kaaludega? Mis on raskusjõud ja kuidas seda leida? Järgneb III töö 4 kuni 8 tunnis õpitud (alla kriipsutatud) küsimustele, põhikooli valemite tundmisele, tehetele 10-astmetega ja ühikute teisendamise oskusele. 9. tund: Mehaaniline töö ja energia. Üldjuhul arvutatakse mehaanilist tööd arvestades tegeliku jõu suunda liikumissihi suhtes. Sel juhul on töö üldvalem: A F s cos,kus on nurk jõu F ja nihke s vahel. Siit saame seletada, millal mehaanilise töö väärtus on 0, millal positiivne ja millal negatiivne. Tööd ei tehta (A=0), kui 1) F=0 keha liigub inertsi mõjul; ) s=0 seisab hoides raskust, 3) =90 või =70 jõud mõjub risti liikumissihiga. Töö on positiivne, kui jõu projektsioon liikumissihile ühtib liikumise suunaga. Töö on negatiivne, kui jõu projektsioon liikumissihile on vastupidine liikumise suunale. Energia iseloomustab keha võimet teha tööd. Seega selle mõõtühik on nagu töölgi 1J. Mehaanilise energia liigid on: 1) Kineetiline energia on liikuvatel kehadel. Valem: m v E K ) Potentsiaalset energiat omavad kehad kas iseenda asendi või oma osakeste vastastikuse asendi tõttu. a) Raskusjõu potentsiaalne energia on kehal tema enda asendi tõttu maapinna suhtes. Valem: E P m g h, kus h on kõrgus maapinnast (1m). b) Elastsusjõu potentsiaalne energia on kehal tema osakeste vastastikuse asendi muutumise tõttu. k l Valem: E P,kus l l l0 näitab pikkuse muutumist algpikkuselt l 0 ja k on elastse keha jäikus. Keha jäikus näitab, kui suur elastsusjõud tekib kehas selle pikkuse muutmisel Fe N 1m võtta. Valem: k ühik (1 ) Keha jäikus on määratav katseliselt. l m Kui keha teeb tööd, siis tema energia väheneb. Kui välisjõud teevad tööd keha tõstmisel või deformeerimisel, siis keha energia suureneb. Suletud süsteemis kehtib energia jäävuse seadus järgmiselt: Energiat ei teki ega kao vaid see muutub ühest liigist teise või kandub ühelt kehalt teisele. Ehk suletud süsteemi koguenergia on jääv. (Oska seda kirjeldada näite kaudu kas võnkuval pendlil, alla langeval kehal või enda valitud nähtuse korral) Kui süsteem on avatu, siis kulub sageli keha energia hõõrdejõudude ületamisel tehtavaks tööks. Millal mehaaniline töö on 0, millal positiivne ja millal negatiivne? Mida iseloomustab energia? Nimeta mehaanilse energia liigid ja defineeri need. Defineeri keha jäikuse mõiste.

12 Sõnasta energia jäävuse seadus suletud süsteemi jaoks. 10.tund: Kasutegur. Tööd tehes võib kasutada abivahendeid, kui töö tegemiseks vajalik jõud ületab meie võimete piirid. Näiteks selleks, et tõsta väga rasket keha. Siis kasutatakse lihtmehhanisme, mis lihtsustavad tööd muutes jõu suurust või suunda mugavamaks (kaldpind, liikuv ja liikumatu plokk, kruvi, kang). Tööd, mida tehakse ilma lihtmehhanismi abita nimetatakse kasulikuks tööks. Lihtmehhanismi abil tehtud tööd nimetatakse kogu tööks. Kogu töö on alati suurem kasulikust tööst, sest sellele lisandub töö, mis kulub takistusjõududele ja mehhanismi enda raskuse tõstmisele. Iga masinat, mille abil tööd tehakse iseloomustatakse kasuteguriga. Kasutegur näitab, millise osa kogu tööst, moodustab kasulik töö protsentides. Valem: Akas 100% A kogu A kas on kasulik ja A kogu on kogu töö (1J). Nimeta lihtmehhanisme. Mida lihtmehhanismid võimaldavad? Millist tööd nimetatakse kasulikuks, millist kogu tööks? Mida väljendab mehhanismi kasutegur? 11. tund: IV kontrolltöö teoreetilistele küsimustele 9. ja 10. tunnis õpitud teemadel ning valemite rakendamise oskusel ülesannete lahendamisel. (Vaata märgitud küsimusi ja õpi nende järgi) 4. Füüsika üldprintsiibid. Viimane osa on ette nähtud iseseisvaks läbitöötamiseks ja küsimustele kirjalikuks vastamiseks, kasutades lisamaterjale interneti avarustest. 1. tund: Põhjuslikkus ja juhuslikkus. Füüsika tunnetuslik ja ennustuslik väärtus. Füüsikaga seotud ohud. Looduses on selliseid nähtusi, mis on omavahel põhjuslikult seotud ja ka selliseid, mis toimuvad üksteisest sõltumatult. Näiteks on põhjuslikult seotud nähtused: 1) palli löömisel hakkab see mingis suunas liikuma ) üles visatud kivi langeb hiljem maapinnale tagasi 3) tiku süütamise järel võime panna põlema ka küünla 4) kehi hõõrudes võib täheldada nende soojenemist, laadumist või kulumist. 5) pannes reageerima teatud ained, on saaduseks kindel tulemus (mida võib ette ennustada) 6) paisutades vee kõrgele saame kasutada vee energiat vesiveski käima panemiseks 7) taimi väetades võime saada paremat saaki jne. Selliste sündmuste järjekord jääb mistahes taustsüsteemis alati samaks, sest seda tagab valguse kiiruse jäävuse seadus (relatiivsusteooria II postulaat). On ka omavahel sõltumatuid sündmusi. Näiteks puuleht rebeneb oksalt lahti ja kuskil mujal auto pidurdab. Olles ise mõlema sündmuse pealtnägija oskame me kindlasti öelda kumb neist toimus varem, kumb hiljem. Kuid sündmusi võib vaadelda ka väga kiiresti liikuvalt rongilt. Näiteks võib rongi veduri ette ja viimase vaguni järele lüüa korraga välk. Maapinnal olev vaatleja, kes asub välgu tabamustest võrdsel kaugusel võib väita, et välgud lõid maapinda ühel ja samal hetkel. Rongiga sõitev vaatleja väidab aga kindlasti, et tema jaoks lõi välk rongi veduri ette varem kui taga, sest ta kihutas koos rongiga ju ees olnud välgu poole ja eemaldus tagumisest tabamusest. Seega võivad teineteisest sõltumatud sündmused erinevates taussüsteemides muuta oma järjekorda (rongi võib panna liikuma koos vaatlejaga mistahes suunas)

13 Inimene on kohanenud looduses toime tulema ja oskab teatud olukordi ette näha tunnetada või ennustada. Näiteks libedal teel hakkame me ettevaatlikumalt ja aeglasemalt liikuma, liiga kiiresti läheneva auto eest ei lähe me üle tee, kurvis kiiresti jalgrattal sõites kallutame end kurvi sissepoole, koormust kepi otsas üle õla kandes jätame ette käe poole pikema jõuõla, et ei peaks nii kõvasti hoidma, pilvede kogunedes valmistume vihmasajuks jne. Väga paljud inimese tunnetatud ja ennustatud nähtustest kuuluvad füüsikateaduse valdkonda. Kuid inimese tajud võivad olla petlikud. Läikivat pinda tajume ekslikult alati ka libedana, kuigi pehmed kummitallad haakuvad väga hästi näiteks klaaspinnaga ega libise sellel üldse. Ka ei suuda me kauge objekti tegelikku kiirust õigesti hinnata. Näiteks vaadates kaugel olevat maja ei suuda me tema kõrgust õigesti hinnata, kui selle läheduses pole mõnda juba meile tuttavat keha. Samuti tunduvad vahemaad, mida läbime palju pikemad, kui oleme väsinud. Ka aeg näib mööduvat aeglasemalt, kui meil on igav ja pole midagi teha (näiteks oodates järjekorras). Samas liigub kell väga kiiresti siis, kui oleme kuhugi hiljaks jäämas. Sellised tajude erinevused ei ole muidugi füüsikaliselt relatiivsed ehk suhtelised vaid tulenevad inimese psüühilistest iseärasustest. (Inimesel on üldse kombeks uskuda oma tajudesse, mida on kerge petta). Füüsika erinevad osad pakuvad inimkonnale nii kasulikke teadmisi kui ka oskusi. Kuid erinevatel ajaperioodidel on neid teadmisi kasutatud kas rohkem või vähem ka sõjalistel eesmärkidel. Vanal ajal ehitati kiviviskemasinaid hiljem leiutati tulirelvad, püssirohi, lennukid ja sõjalaevad. Seni kuni relvade hävitav toime oli ohtlik vaid väikesele osale inimkonnast ei pööranud relvade leiutajad oma töö ohtlikkusele erilist tähelepanu. Kui aga jõuti aatom- ja vesinikupommideni, saadi aru, et niisugused leiutised võivad saada saatuslikuks kogu Maa inimkonna eksisteerimisele. Samasugused massihävituslikud relvad on ka bioloogide poolt loodud viirused (ehk bioloogilised relvad) ja keemikute poolt leiutatud mürkgaasid (napalm ja muud keemiarelvad). Kindlasti ei teeni ka tänapäeval kõik uurimused rahu eesmärke, kuid oma vigadest õpitakse. Sellepärast püütakse ära hoida massihävitusrelvade sattumist mitmesuguste terrori-organisatsioonide ning riikide kätte, kes püüavad neid relvi kasutada kättemaksu eesmärkidel. Kuid ohuks inimesele ei pruugi olla mitte ainult relvad vaid ka muud tehnika seadmed, mis satuvad oskamatutesse kätesse. Näiteks liiga kiire auto kobakäpa juhtida, pinge all olevad juhtmed rumalale katsujale, laserkiir silma suunatuna, reaktiivmootor müraallikana, deodorandid osoonikihi hävitajana, liigne väetiste kasutamine põhjavee reostajana jne. Seega koos teaduse arenguga ja uute leiutistega, mis inimeste elu mugavamaks muudab, tuleb inimkonnal pidevalt märgata ka ohte, mis nende avastustega võivad kaasneda. Ning koos teadusega peab arenema ka inimene õppides õigesti uusi leiutisi kasutama. Too üks näide iga loodusteaduse uurimisvaldkonnast, kus on tegemist põhjusliku seosega. Too näide kus füüsika teadmisi omades oskad ennustada või tunnetada mingit nähtust ette. Too näide füüsika rakendustest tulenevate ohtude kohta.. tund: Printsiibid füüsikas. Võrdlus matemaatikaga. Osa ja tervik. Printsiipide all mõeldakse looduse kohta kehtivaid kõige üldisemaid tõdemusi, mille kehtivust tõestab neist tulenevate järelduste absoluutne vastavus eksperimedniga. Printsiipi võib nimetada ka seaduseks, mille tõestamine kõige üldisemal kujul pole võimalik, sest meie ettekujutus maailmast jääb alati ebatäiuslikuks. Meie maailmapilt on pidevas arengus ja täieneb uute andmetega uurimustööde käigus. Teatud printsiibid ilmnevad vaid teatud valdkondades. Näiteks tavalistel kiirustel sobivad meile klassikalise füüsika ehk Newtoni seadused, kus liikumine on suhteline ja aeg absoluutne suurus. Väga suurtel (valgusele lähedastel kiirustel) muutub aga aeg suhteliseks ja valguse kiirus

14 absoluutseks suuruseks. Nii on ka selliseid printsiipe, mida me rakendame vaid mikromaailma osakeste juures ega leia vajadust nende kasutamiseks makrokehade puhul. Lähtudes kahest põhiprintsiibist:. /Valgus ütleb ajale kuidas kulgeda ja mass ütleb ruumile kuidas kõverduda/ 1) kõik inertsiaalsed taustsüsteemid on võrdväärsed ) valguse kiirus on suurim kiirus looduses, mille väärtus ei sõltu vaatleja ega valgusallika liikumise kiirusest teineteise suhtes lõi kunagi Albert Einstein koguni uue füüsikateooria, mida me tänepäeval nimetame relatiivsusteooriaks. Teist relatiivsusteooria printsiipi (ehk postulaati) tõestab ilmekalt elementaarosakeste eluea pikenemine. Kui need osakesed liiguvad kiiremini, siis eksisteerivad nad kauem, sest liikuvas süsteemis aeg kulgeb aeglasemalt. Relatiivsusteooriast tuleneb niinimetatud absoluutkiiruse printsiip, mis ütleb: väli liigub aine suhtes alati suurima võimaliku kiirusega ehk absoluutkiirusega aga ainelised objektid liiguvad omavahel suhteliste kiirustega, mis sõltuvad taustsüsteemi valikust. Analoogiliselt on matemaatikud loonud teooriaid lähtudes mõnest põhitõest, mida nemad nimetavad aksioomideks. Aksioomid ei ole samuti tõestatavad nagu füüsika põhiprintsiibid, kuid neist lähtudes võib luua täiesti üldkehtivaid ja rakendatavaid teooriaid (positiivse ja negatiivse kõverusega ruum). Näiteks füüsikas on üldkehtiv atomistlik printsiip, mis väidab, et loodus ei ole lõputult ühel ja samal viisil osadeks jagatav. Tänaseks teada ja kätte saadavad osakesed, millest on moodustunud aatomid, on prooton, neutron ja elektron. Kuid arvestades energia ja massi jäävuse seadust võib piisava koguse energia koondamisel väga väikesesse ruumi piirkonda tekitada uusi massiga osakesi - mesoneid, neutriinosid. Sellised osakesed on väga lühikese elueaga või levivad püüdmatult minema, sest ei astu vastastikmõjusse ainega. Samas võib ka massiga osake ühineda oma antiosakesega muundudes puhtalt energiaks. Sellist massi ja energia seost väljendab kõige lühemalt A.Einsteini poolt kirja pandud valem E=m c², kus c= m/s on elektromagnetlainete kiirus vaakumis. Looduses on pandud tähele, et kõik objektid (nii makro- kui ka mikrotasandil) püüavad alati asetuda kõige väiksema energiaga olekusse. Näiteks veerev keha jõuab lõpuks kõige madalama kohani maapinnal. Kõik kuhjad on alt laiemad, kui ülalt, sest enamus selle objekte püüavad asetuda maapinnale võimalikult lähemale, kus potentsiaalne energia on minimaalne. Analoogiliselt käituvad ka elektronid aatomis täites kõigepealt tuumale kõige lähemad orbiidid, kus nende energia on kõige väiksem. Seda omadust nimetataksegi energia miinimumi printsiibiks. Kuid tänapäeval me teame, et kõik elektronid ei saa asetuda ainult lähimale orbiidile, sest mikromaailmas kehtib veel ka teine oluline printsiip, mida nimetatakse tõrjutus- ehk Pauli keeluprintsiibiks. Selle kohaselt ei tohi samas süsteemis olla kahte täpselt ühesugust elementaarosakest. Järelikult saab aatomi kõige madalamal energiatasemel olla vaid kaks vastupidiste spinnidega elektroni. (Spinn on elektroni magnetilisi omadusi kirjeldav suurus). Makrokehade puhul väljendame me tõrjutusprintsiipi järgmiselt: ainelisi objekte ei saa panna teineteise sisse s.t. täpselt samas punktis ei saa olla samal ajal kahte objekti. Kui uurida väljade mõju ainele, siis on avastatud, et väljade mõjud antud objektile liituvad. Et välja jõud võivad olla erineva suunaga, siis liituvad need nagu vektorid arvestades suunda ehk on tegemist geomeetrilise summaga. Sellist väljade liitumise printsiipi nimetatakse väljade superpositsiooni printsiibiks. Näiteks elektrivälja tugevuste puhul E E... E 1 res. Mida mõeldakse füüsikas printsiibi all? Võrdle printsiipi füüsikas aksioomiga matemaatikas.

15 Sõnasta atomistlik printsiip. Mis seda kinnitab? Sõnasta energia miinimumiprintsiip. Mis seda kinnitab? Sõnasta tõrjutuse printsiip. Mis seda kinnitab? Milline on relativistliku füüsika peamine erinevus klassikalisest füüsikast? Milline valem esitab kõige lühemalt energia ja massi jäävuse printsiipi? Millal tajud ruumi mõõtmete ja aja kulgemise suhtelisust ehk relatiivsust? Esita nõutud ajaks kirjalikult küsimuste vastused. See on Sinu viimane (V) kohustuslik füüsika hinne I kursuselt. Enne kursuse hinnet välja ei kirjutata.