Füüsika kui loodusteadus (0)

I tund: Füüsika kui loodusteadus .
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).
II tund: 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 jooksul. Parsek on aga vahemaa, millelt vaadatuna paistaks Maa orbiidi pooltelg nurga 1΄΄ (loe üks kaare sekund) all. 1pc=3,26ly≈3·10¹³km

• Millised füüsika teadmised on sinu nähtavushorisonti nihutanud?
  

III tund: 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.)
2. 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?
  

IV tund: 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)
2. 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!
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).
2. 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 2,5, siis lugem on 2,5 ja näit 2,5V.
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 0...300V mõõtepiirkonnaga voltmeetriga saab korrektselt mõõta pingeid 20...300V. 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;
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.
(2) Mõõtetulemuste jälgitavus peab olema tõendatud järgmistel juhtudel:
1. tolli- ja maksuseadustes sätestatud mõõtmiste korral;
2. 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; 0-2A. 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; 0,2; ... 2,5; 4), mida nimetatakse ka taandatud veaks, mis näitab suhtelist piirviga protsentides mõõteriista maksimaalse näidu korral.
2) Mõõtja enda ebatäpsusest ja ümardamistest tingitud parandusi nimetatakse PROTSEDUURIVEAKS.
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=2 tasemel (U, k=2): 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– määramatuse A tüüpi hinnang, mis saadakse mõõtmiste seeria (te) analüüsi teel stataistiliste meetoditega.
u – määramatuse B tüüpi hinnang, mis tugineb muudele infoallikatele, mitte aga mõõtetulemuste statistilisele analüüsile. (mõõteriista klassist tulenev)
u – liit(standard)määramatus, enamikel juhtudel u=
U – laiendamääramatus U=k(P)u, kus k(P) on kattetegur, see tähendab arvtegur, mida kasutatakse liitstandardmääramatuse korrutustegurina laiendamääramatuse saamiseks usaldatavusega P.
k=1, kui P=68%
k=2, kui P=95%
k=3, kui P=99%
Katteteguri kasutamine eeldab teadmist määramatuse jaotuse kohta. Toodud katteteguri väärtused on kasutatavad normaaljaotuse korral!
V tund:Praktiline töö – ristküliku mõõtmisel.
VI tund: Mõõtetulemuste hajuvusgraafiku kujutame tunnis ja leiame ka:
1) Eksperimentaalse standardhälbe : s(x)= (on võrdne ruutjuurega kõigi 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)
2) Aritmeetiliste keskmiste eksperimentaalse standardhälbe (ehk ruutkeskmise vea) valem:
u()= s()==
Mõõteriista täpsus võib olla antud absoluutvea, suhtvea või taandatud vea kujul või arvutusvalemina : u()=
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?