Füüsikaline
Maailmapilt Füüsika
aines ja
teaduslikud meetodid: mudelid, keel, põhjuslikkus.
Makroskoopiliste kehade liikumine ja selle põhjused; Newtoni
seadused. Kehasüsteemide liikumine – aine molekulaar-kineetiline
teooria, olekuparameetrite muutumise seaduspärasused. Suure
tihedusega molekulaarsüsteemid.
Soojus – aineosakeste
kaootilise liikumise energia.
Elektromagnetism :
elektrilaengud ja nende
liikumine magnet- ja elektriväljas. Valguse
dualism – osakeste
voog versus elektromagnetlainetus.
Mikromaailma ehituskivid –
elementaarosakesed .
Kvantmehaanika põhiideed. Relatiivsus maailma
käsitlemisel : erirelatiivsusteooria postulaadid, energia ja massi
ekvivalentsus ning aegruumi kõverdumine. Universumi teke, struktuur
ja
evolutsioon . Füüsikas avastatud seaduspärasuste rakendatavus
teistes
teadustes . Õpimeetodid:
loengud , seminarid. Iseseisev töö:
töö kirjandusega ja harjutusülesannete lahendamine.
Makroskoopiliste kehade liikumine
Makroskoopiliseks
nimetatakse nähtust, milles osaleb väga suur arv mikroosakesi –
aatomeid, molekule, elektrone, ioone jne. See arv on ettekujutamatult
suur. Näiteks 1 cm3 õhus on normaaltingimustel 2,7@1019 molekuli.
Termodünaamika ehk üldine soojusõpetus on aksiomaatiline – see ehitatakse üles
teatud põhiprintsiipidele või alustele. Need saadakse katseliste
faktide üldistamise tulemusena. Siin aine siseehitusest praktiliselt
ei räägita. Sama kehtib soojuse füüsikalise olemuse kohta. Soojus
on mingi ainesisene liikumine, kuid missugune, seda ei
konkretiseerita.
Seevastu molekulaarfüüsika kasutab statistilist meetodit. See lähtub aine
ehituse molekulaar-kineetilisest teooriast. Soojus on siin
aatomite-molekulide korrapäratu liikumine. Kõik makroskoopiliste
kehade omadused saadaksemitmesuguste121 keskmistamiste teel.
Keskmistatakse üle suure molekulide arvu kehas ja saadakse nn.
statistilised keskmised. Lähteandmeteks on molekulide konkreetsed
omadused. Keskmistatud väärtused on seda täpsemad ja tõele
lähedasemad, mida rohkem on osakesi süsteemis.
Newtoni Seadused
Newtoni
seadused on kolm fundamentaalset füüsikalist seadust, mis panevad
aluse klassikalisele mehaanikale.
- Newtoni esimene seadus ehk inertsiseadus väidab, et keha liigub ühtlaselt sirgjooneliselt või seisab paigal, kui talle mõjuvate jõudude resultant võrdub nulliga.
- Newtoni teine seadus väidab, et kehale mõjuv resultantjõud on võrdne keha massi ja kiirenduse korrutisega. (F=m*a)
- Newtoni kolmas seadus väidab, et kaks keha mõjutavad teineteist jõududega, mis on suuruselt võrdsed ja suunalt vastupidised.
Aine molekulaarkineetiline teooria
Molekulaarkineetiline
teooria uurib aine ehitust ja omadusi, lähtudes kujutlusest, et kõik
kehad koosnevad aatomitest ja molekulidest.
Molekulaarkineetilise
teooria aluseks on kolm põhiväidet:
- Aine koosneb osakestest ;
- Osakesed on lakkamatus kaootilises liikumises;
- Osakesed mõjutavad üksteist.
Nende
väidete põhjal on võimalik seletada gaaside omadust paisuda,
gaaside, vedelike ja tahkete kehade elastsust jt nähtusi.
olekuparameetrite muutumise seaduspärasused
Töötava
keha olekuparameetrite muutumine allub järgmistele
seaduspärasustele:
a) Boyle 'i
- Mariotte ’i seadus (Robert Boyle 1627-1691, Edme Mariotte
1620- 1684 )
Gaasi
hulga mahud on
jääval temperatuuril ()
pöördvõrdelised gaasi rõhuga ,
s.t ruumala vähenedes rõhk kasvab:
, , ehk .
b) Charles’
i seadus I ( Jacques A. Charles, 1746 –1823 ja Joseph L. Gay- Lussac , 1778–1850)
Kindla
gaasimassi ruumala jääval
rõhul ()
on võrdeline temperatuuriga .
Seega, kui temperatuur kasvab, rõhk jääb aga samaks, suureneb
ruumala võrdeliselt temperatuuriga ehk .
Charles’
i seadus II.
Jääval
ruumalal ()
on kindla gaasimassi rõhk võrdeline
absoluuttemperatuuriga .
Seega, kui temperatuur kasvab, suureneb jääva ruumala korral
võrdeliselt ka gaasi rõhk
, ehk .
c)
Boyle’i-Mariotte’i, ja Charles’i (Gay-Lussaci) seadust
ühendab ideaalgaasi olekuvõrrand ehk Clapeyroni võrrand
ehk ,
kus
- on
gaasioleku konstant: .
korral
on seos .
Suvalise mahu ()
korral saame: ,
et
,
siis .
d) Avogadro
seadusele (A.
Avogadro 1776 –1856),
mille kohaselt kõikide gaaside võrdsed ruumalad sisaldavad võrdse
arvu molekule võrdsel rõhul ja temperatuuril
kus -
gaasi tihedus , -
moolmass .
Mool
on võrdne ainehulgaga, mis sisaldab Avogadro arvu, s.t osakest.
Suure tihedusega molekulaarsüsteemid
Suure
tihedusega molekulaarsüsteemid:
Pindpinevustekuriks nimetatakse füüsikalist suurust, mis on
arvuliselt võrdne vedeliku pinna ühe ühiku võrra suurendamiseks vajaliku tööga.
Kristalli
ruumvõreks nimetatakse molekulide korrapäraseid ridu
ühendavatest sirgetest moodustunud geomeetriline kujund.
Monokristalliks
nimetatakse seda keha, mis kujutab endast ühte kristalli.
Polükristalliks
nimetatakse sellist keha, mis koosneb paljudest korrapäratult
asetatud ja kokkukasvanud väikestest kristallidest.
Faasiks
nimetatakse termodünaamilise süsteemi kõigi ühesuguse keemilise
koostise ja ühesuguste füüsikaliste omadustega osade kogumit, mida
süsteemi teistest osadest eraldab piirpind.
Absoluutseks
niiskuseks nimetatakse veeauru hulka õhu ruumalaühikus .
Suhteliseks
niiskuseks nimetatakse õhu absoluutse niiskuse ja antud
temperatuurile vastava küllastunud auru massi suhet, mida tavaliselt
väljendatakse protsentides.
Difusiooniks nimetatakse ainete segunemist molekulide soojusliikumise tagajärjel.
Soojus – aineosakeste kaootilise liikumise energia
Soojusliikumine toimub aine eri faasides erinevalt.
Ideaalne gaas :
• molekule on
palju ja nad on ühesugused
• molekuli
mõõtmed on väga palju väiksemad molekulidevahelisest keskmisest
kaugusest
• molekulid on
pidevas liikumises
•
molekulidevahelised põrked on elastsed
•
põrgetevaheline tee on sirgjooneline
Reaalses gaasis
liiguvad molekulid praktiliselt samamoodi nagu ideaalses gaasis, s.o.
kaootiliselt.
Vedelikes ja
tahketes kehades ei saa molekulid vabalt liikuda , sest nad paiknevad
üksteise lähedal
ja mõjutavad üksteist.
Tahkes kehas
võnguvad kristallvõres paiknevad molekulid tasakaaluasendi ümber,
mis on
praktiliselt paigal.
Ka vedelikes
võnguvad molekulid tasakaaluasendi ümber, aga tasakaaluasendid
võivad üksteise
suhtes liikuda. Sellest tekib vedelike voolavus .
Elektromagnetism
Elektromagnetism on elektromagnetvälja füüsika.
Elektromagnetväli on väli,
mis avaldab mõju elektrilaenguga osakestele ja
mis on omakorda mõjutatud nendest osakestest ja nende liikumisest .
Muutuv magnetväli tekitab
elektrivälja (see nn. elektromagnetilise
induktsiooni nähtus
on elektrigeneraatorite, induktsioonmootorite jatrafode tööpõhimõtte
alus). Sarnaselt, muutuv elektriväli
tekitab magnetvälja. Sellise elektri- ja magnetvälja vastastikuse
sõltuvuse tõttu on mõistlik neid käsitleda seotud nähtusena -
elektromagnetväljana.
Magnetväli
tekib elektrilaengute liikumise ehk elektrivoolu tõttu.
Magnetväli põhjustab magnetjõudude tekke, mis seonduvad
tavaliseltmagnetitega.
Elektromagnetismi teoreetilised järeldused
viisid erirelatiivsusteooria väljatöötamiseni Albert Einsteini poolt
1905. aastal.
Elektromagnetilised
ühikud on osa elektriliste ühikute süsteemist ning põhinevad
põhiliselt elektrivoolu magnetilistel omadustel. Ühikud on:
- amper (vool)
- kulon (laeng)
- farad (mahtuvus)
- henri (induktiivsus)
- oom (takistus)
- volt (elektriline potentsiaal)
- vatt (võimsus)
Magnetväli
Magnetväli on
tihedalt seotud elektriväljaga ja need kaks välja moodustavad
elektromagnetvälja. Magnetväli on matemaatiline kirjeldus sellest,
kuidas see mõjutab elektrivoolu ja magnetilisi materjale.
Magnetvälja igas konkreetses punktis on määratud nii tema suund
kui ka suurus (tugevus), seega on tegemist vektorväljaga [nb 1].
Kõige tavalisemalt on magnetväli defineeritud Lorentzi jõu kaudu,
mis rakendub liikuvatele elektriliselt laetud kehadele . Magnetväli
võib viidata kahe erineva, kuid omavahel tihedalt seotud väljale,
mis on tähistatud sümbolitega B ja H.
Kuna elektriväli
E ümbritseb elektrilaengut, siis on mõistlik eeldada, et magnetväli
B ümbritseb magnetlaengut. Ometigi magnetlaengute eksistentsi ei ole
suudetud tõestada, kuigi osa teooriatest seda ennustab. Magnetvälja
tekitamiseks on olemas aga kaks teist viisi. Esimene võimalus oleks
kasutada liikuvaid laetud osakesi (elektrilaengu liigutamine), nagu
näiteks elektrivoolu juhtmes, et valmistada elektromagneteid. Teine
võimalus on kasutada elementaarosakesi nagu elektronid, sest neil
osakestel on seesmine võime tekitada enda ümber magnetvälja [nb
2]. Teatud materjalides elektronide magnetväljad liituvad ja
materjali ümbritsevas keskkonnas on olemas summaarne magnetväli.
Sellise liitumise tulemusena tekib püsimagnet [1].
Erirelatiivsusteooria kohaselt on elektri- ja magnetväli omavahel
tihedalt seotud sama objekti erinevad aspektid. Seda objekti
kirjeldab elektromagnetiline tensor, kus elektri- ja magnetväljaks
lahutamine sõltub vaatleja suhtelisest kiiruses ja laengust.
Kvantfüüsikas on elektromagnetväli kvanditud ja elektromagnetiline
vastasmõju on footonite vahetamise tulemus.
Elektriväli
Elektriväli on
elektrilaengu poolt tekitatud ruumis leviv pidev väli, mis mõjutab
teisi ruumis paiknevaid elektrilaenguid. Selle mõiste pakkus esimest
korda välja Michael Faraday 19. sajandil. Elektriväli on tihedalt
seotud magnetväljaga ning need koos moodustavad elektromagnetvälja.
Elektriväli on vektorväli, mis koosneb laetud keha ümbritseva
ruumi iga punkti kohta antud vektoritest.[1] Elektrivälja tekitavad
elektriliselt laetud osakesed (elektrilaeng) ja ajas muutuv
magnetväli, kusjuures need võivad tekitada välja koos kui ka
eraldiseisvalt. Viimast juhtu nimetatakse pööriselektriväljaks.
Elektriväli kirjeldab, kuidas igal ajahetkel elektriliselt laetud
testlaengut mõjutatakse. Elektrivälja levimiskiirus sarnaneb
elektromagnetvälja levimiskiirusega, kus vaakumis on kiirus võrdne
valguse kiirgusega, kuid aines on levimise kiirus väiksem.
Valguse dualism – osakeste voog versus elektromagnetlainetus
Valguse
dualistlik e. kahene iseloom tähendab,
et valguse laine ja kvantteooriad ei ole vastandlikud, nad täiendavad
teineteist. See, kas valgus
on
laine või osakeste voog oleneb, milliseid nähtusi vaadeldakse,
inimene ei saa seda vahetult tajuda. Mida väiksem on osakeste
energia, seda raskem on neid omavahel eristada. Suurema sagedusega
elektromagnetkiirgus sarnaneb rohkem osakeste voole, väiksema
kiirgusega sagedus aga lainele. Fotoefektiks
nimetatakse
negatiivelt laetud elektronide väljalöömist ainest valguse toimel.
Valgus ei kiirgu aatomeist lainetena, vaid kvantide
kaupa. Valguskvant saab neelduda ainult tervikuna . Väljumistööks
A
nimetatakse vähimat energiahulka, mis on vajalik elektroni ainest
väljaviimiseks. Sisefotoefekti puhul ei löö valgus elektrone
välja, vaid vabastab nad oma aatomite küljest. Fotoefekti
põhiseadused on,
et valguse poolt välja löödud elektronide arv on võrdeline
valguse intensiivsusega, valguse poolt välja löödud elektronide
hulk sõltub valguse sagedusest, Plancki konstandi (6,6 · 10-34
J/s)
ja valguse sageduse korrutis (energia) võrdub punapiirile vastava
energia ja kineetilise energia summaga (hf
= A + Ek)
ning ( kvandi )energia E
on
suurem või võrdne väljumistööst A.
Lõplikult lüüakse
elektronid minema vaid negatiivelt laetud ainest. Fotoefekti punapiir
on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised
ainest elektrone vabastama. Mida suurem on katoodile langeva valguse
intensiivsus I,
seda suurem on küllastusvool
ehk vool, mis mingi pinge väärtusest enam ei muutu. Fotoefektil
töötavaid seadmeid kasutatakse
automaatikas (valgustuses,
detailide loendamises) ja
telemehaanikas (elektritakistuse vähendamisega), toodete kvaliteedi
kontrollimisel, valguse mõõtmisel (fototakistiga, fotodioodiga,
nõrka valgust fotoelektronkordistiga), kinos , televisioonis,
fotograafias, päikesepatareides (hulk omavahel elektriliselt
ühendatud fotoelemente; kosmoselaevades,
elektrijaamades, ka kosmosesse paigutatavates)
jne. Fotoelemendis
tekib valguse toimel elektrivool või muudetakse valgusenergia
elektrienergiaks. Footoni
energia
on määratud talle vastava laine sagedusega. Footonil puudub
seisumass,
ta ei saa eksisteerida paigalolekus. Footoni impulss
on määratud tema massi ja kiiruse korrutisega ning selle suund ühtib valguslaine levimissuunaga. Kui footonid langevad mingile
kehale, annavad nad oma impulsi sellele üle. Valguse
rõhk
on võrdeline valguse intensiivsusega. Footoni põrkumisel
vaba elektroniga väheneb footoni energia ja suureneb kiirguse
lainepikkus. Fotokeemilisteks
nimetatakse reaktsioone, mis toimuvad vaid valguskvantide osavõtul
( fotosüntees ,
osooni tekkimine, pildistamisel).
- E – (kvandi)energia (J)
- Ek – kineetiline energia (J)
- A – väljumistöö (J)
- λ – lainepikkus (nm)
- v – kiirus (m/s)
- h – Plancki konstant (6,6 · 10-34 J/s)
- m – elektroni mass (9,1 · 10-31 kg)
- c – footoni lainekiirus (3 · 108 m/s)
- f – valguse sagedus (Hz)
- fp – fotoefekti punapiir
- I – valguse intensiivsus (m)
- p – impulss
elementaarosakesed
Elementaarosake ehk fundamentaalosake on meile tuntud universumi mateeria vähim
osake, millel puudub meile teadaolev alamstruktuur. Praegu
teadaolevalt on elementaarosakesed leptonid (näiteks elektron ja
neutriinod), kvargid ja vaheosakesed (näiteks footon ). Teised
elementaarosakesed on juba liitosakesed (hadronid), mis koosnevad
kvarkidest. Hadronid on näiteks aatomituuma moodustavad prooton ja
neutron.
Kvantmehaanika
Kvantmehaanika on
füüsikateooria, mis arvestab mikroosakeste käitumise eripärasid.
Selle tänapäevane kuju arendati välja aastatel 1925–1935 ning
selle põhiautorid on Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger , Max
Born, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli, Niels Bohr , Paul Dirac ja John
von Neumann .
Kvantmehaanika on
tänapäeva füüsika üks alussambaid ning on aluseks paljudele füüsikaharudele, sealhulgas aatomifüüsikale, tahkisefüüsikale,
tuumafüüsikale ja elementaarosakeste füüsikale ning samuti
näiteks kvantkeemiale. Kui klassikaline füüsika osutus
mikromaailma süsteemide kirjeldamiseks ebasobivaks, siis
kvantmehaanika abil on võimalik täpselt arvutada aatomite,
molekulide, tahkiste ja lihtsate bioloogiliste süsteemide
(kvantbioloogia) omadusi.
Kvantmehaanika
matemaatiline formalism erineb tunduvalt klassikalise füüsika
matemaatilisest formalismist.
Kvantmehaanikas
vaadeldavate mikroobjektide märkimisväärsemad iseärasuseks on
veel Lainelis-korpuskulaarse dualism, mis ütleb, et kvantobjektid
käituvad korraga nagu lained ja osakesed, ja sellega kaudselt seotud
määramatuse relatsioonid, mis keelavad teatud füüsikaliste
suuruste paaridel samaaegselt kindlat väärtust omada. Selliseks paariks on näiteks impulss ja asukoht: näiteks elektronile
lainepikkuse omistamine ja tema asukoha sidumine seisulaine
maksimumidega tähendab, et asukoht on määratav parimal juhul
lainepikkuse täpsusega; Sarnaselt on seotud ka aeg ja energia.
Kvantmehhaanikas
kirjeldatakse füüsikalisi objekte ja nende omadusi statistiliselt.
Mikroosakese oleku määrab tema lainefunktsioon Ψ (Ψ2 –
tõenäosuse tihedus), mille argumendid on osakeste koordinaadid ja
aeg. Lainefunktsioon leitakse Schrödingeri võrrandist,
kvantmehhaanika põhivõrrandist, mis kirjeldab süsteemi käitumist
ajas ja ruumis.
erirelatiivsusteooria postulaadid
Erirelatiivsusteooria
põhipostulaadid[muuda | redigeeri lähteteksti]
1. Vaatleja peab
olema konkreetses taustsüsteemis. Järelikult dialoog loodusega on
võimalik vaid siis, kui oleme ka ise looduses, mitte sellest
väljaspool, kõrvalseisja positsioonil, mis pole võimalik.
( Klassikalises mehaanikas tähendas objektiivsus maailma kirjeldamist
sellest väljaspool oleva vaatleja seisukohalt, mis olevat võimalik
silmapilkselt kohale saabuva signaali tõttu.)
2. Maailmas
puudub absoluutne aeg. Eri inertsiaalsüsteemides mõõdetud ajad on
erinevad. (Aega mõõdetakse selles inertsiaalsüsteemis liikumatu
kellaga.) Järelikult on aeg suhteline ja seotud konkreetse
inertsiaalsüsteemiga.
3. Kahes punktis
toimuvate sündmuste üheaegsus on suhteline. Üheaegsus kehtib vaid
antud inertsiaalsüsteemis. Ühes taustsüsteemis üheaegselt
toimuvad sündmused toimuvad teistes taustsüsteemides eri aegadel ,
kui need taustsüsteemid liiguvad antud taustsüsteemi suhtes. Erinev
on eri taustsüsteemides ka kahe sündmuse vaheline ajavahemik .
4. Üheaegsuse
suhtelisusest järeldub pikkuse suhtelisus. Näiteks erineb antud
taustsüsteemis liikumatu varda pikkus sama varda pikkusest liikuvas
taustsüsteemis. Järelikult, suhteline on ka ruum. See on seotud
konkreetse inertsiaalsüsteemiga.
5. Aeg ja ruum on
omavahel seotud ning moodustavad neljamõõtmelise aegruumi, mis
omakorda on seotud taustsüsteemi liikumisega teiste taustsüsteemide
suhtes. Seda mõtet väljendas Albert Einstein sõnadega: „Varem
arvati, et kui mingi ime tõttu kõik objektid häviksid, siis aeg ja
ruum säiliksid. Relatiivsusteooria kohaselt kaovad koos asjadega ka
ruum ja aeg.“
6. Universaalset
konstanti – valguse kiirus vaakumis – saab kasutada etalonina
kiiruste võrdlemisel. Kiirus on väike, kui v
50 punkti
Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.
~ 11 lehte
Lehekülgede arv dokumendis
2015-01-12
Kuupäev, millal dokument üles laeti
9 laadimist
Kokku alla laetud
0 arvamust
Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid
Robin Ginter
Õppematerjali autor
annaabi.ee 
Kõik kommentaarid