Kordamine kontrolltööks- füüsika üldprintsiibid (0)

Kordamine kontrolltööks – füüsika üldprintsiibid
PÕHJUSLIKKUS

• Füüsika uurib nähtusimillegi toimimine /muutuminemuutumisel on põhjus, tekib midagi uutnähtus
  
• Nähtuste vahel esineb põhjuslik seos – üks sündmus põhjustab teise sündmuse toimumise.
  
• Füüsika uuribki põhjuslikke seoseid .
  

NT : 1. maa külgetõmme sunnib kehi kukkuma allapoole
2. soojenemisel kehad paisuvad
3. elektrivool tekitab magnetvälja

• Põhjuslikkust saab liigitada võimalike tagajärgede arvu järgi. Kui mingi sündmus saab põhjustada vaid ühe kindla tagajärje, on tegemist fatalistliku põhjuslikkusega. Fatalistlik põhjuslikkus tähendab ettemääratust. Näiteks saame sajaprotsendiliselt kindel olla, et kiirusega 5 m/s ühtlaselt ja sirgjooneliselt liikuma hakkav keha jõuab 10 sekundiga 50 meetri kaugusele. Muud võimalust lihtsalt pole. Muutumatu kiirus ja sirge trajektoor määravad selle keha asukoha ette ära mistahes tulevaseks ajahetkeks.
  

Mitme võimaliku tagajärje korral on tegemist mittefatalistliku põhjuslikkusega. Siin võib eristada juhte, kus tagajärgede arv on kindel ja me saame hinnata ühe või teise tagajärje esinemise tõenäosust.
ENNUSTATAVUS

• Vaadeldes konkreetsete objektidega asetleidvaid nähtusi ja avastades nendevahelisi põhjuslikke seoseid, saame ka uutes, veel läbi proovimata olukordades ennustada, mida ühks või teine tegevus esile kutsub.
  

NT. Näiteks kui laseme kristallvaasi käest lahti, siis teame, et vaas kukub maha ja läheb katki. Me teame, et gravitatsioon põhjustab vaasi järjest kiirema kukkumise ning põrandaga kohtumisel mõjub viimane vaasile piisavalt suure jõuga, et habras kristallklaas puruneks. Purunemise ennustamiseks ei pea me olema varem täpselt samasuguse vaasiga samades tingimustes pillamise katset läbi teinud. Me oskame üldistada teiste sarnaste nähtuste vaatlemisel avastatud põhjuslikke seoseid.

• ENNUSTAMISE ALUSEKS ON PÕHJUSLIKE SEOSTE TUNNETAMINE!
  

JUHUSLIKKUS

• Ettemääratud põhjusliku seose korral on ennustamine võimalik. Mitme võimaliku tagajärje korral aga tagajärge ennustada ei saa ning tuleb mängu juhuslikkus.
  
• KUI TAGAJÄRGEDE ARV ON TEADA JA NENDE ESINEMISE TÕENÄOSUST SAAB HINNATA, ON TEGEMIST JUHUSLIKU PÕHJUSLIKKUSEGA.
  

NT. Näiteks ei saa me täringuviske tulemust ette ennustada, kuid teame, et tagajärjeks on kuus erinevat võimalust ja nende esinemise tõenäosused on võrdsed (1/6 ehk 16,7 %).

• KUI AGA VÕIMALIKE TAGAJÄRGEDE ARV POLE MÄÄRATAB JA ÜKSKI REALISEERUNUD TAGAJÄRG POLE TÄPSELT KORRATAV, ON TEGEMIST KAOOTILISE PÕHJUSLIKKUSEGA.
  

NT. Kaootilise põhjuslikkuse näiteks võib tuua õnnevalamise tulemuse või mullide tekkimise vee väljavoolamisel pudelist.
NT. Kui kummuli pudelist vesi välja voolab, siseneb õhk sellesse kaootiliselt.
NÄIV PÕHJUSLIKKUS

• Näiv põhjuslikkus on selline, kus tagajärje rollis esinev sündmus on põhjustatud mitte põhjuseks peetavast sündmusest, vaid mingist kolmandast, esmapilgul märkamata jäänud sündmusest.
  

NT. astroloogilised seaduspärasused on suure tõenäosusega määratud mitte tähtkujude asendiga vaid Päikese ja Kuu mõjuga.
FÜÜSIKA OHUD

• Füüsikaga seotud ohud on eelkõige need, mille tekkimise on teinud võimalikuks füüsika areng.
  
• Inimohvritega õnnetused liikluses või rikkis elektriseadmete kasutamisel on samuti võimalikuks saanud tänu füüsikale.
  

AKSIOOM MATEMAATIKAS JA PRINTSIIP FÜÜSIKAS

• Matemaatika ja füüsika peamine erinevus seisneb selles, et kui esimene neist uurib loogilisi seoseid ettekujutatavate objektide ja nende omaduste vahel, siis füüsika kirjeldab reaalselt olemasolevat loodust.
  
• Matemaatikas ei tehta vaatlusi ega katseid, vaid tulemused saadakse rangete loogiliste arutluste teel. Kuna matemaatika ei kirjelda päris loodust, võib selle teooriate aluseks võtta väiteid ja oletusi, mis ei nõua katselist tõestust.
  

NT. Matemaatikateooriate, näiteks Eukleidese loodud geomeetria aluseks võetud ilmselged loogikale vastavad väited ei vaja tõestust. Selliseid tõestust mittevajavaid alusväiteid nimetataks aksioomideks.

• Arv 0 on väikseim naturaalarv.
  
• Läbi kahe erineva punkti saab tõmmata ainult ühe sirge.
  
• Paralleelsed sirged ei lõiku.
  

• Füüsikas kirjeldatakse ja selgitatakse mitte mõtetes kujutletavaid, vaid tegelikke looduslikke objekte ning nendega toimuvaid nähusi. Füüsikateooriate aluseks tohib võtta vaid selliseid tõdemusi, mida vaatlused ja katsed kinnitavad. Seejuures peavad alustõdemuste katselised kinnitused olema absoluutsed! Kui kasvõi üksainus eksperimenditulemus on väitega vastuolus , pole sellele üles ehitatud teooria usaldusväärne.
  

TÄHTIS MÕISTA!

• Nii aksioom kui printsiip on teooria aluseks võetud tõde.
  
• Aksioom on alustõde, mis tugineb vaid matemaatilisele loogikale. Kasutatakse MATEMAATIKAS.
  
• Printsiip on alustõde, mis on kooskõlas looduse vaatlemise tulemustega. Kasutatakse FÜÜSIKAS.
  

FÜÜSIKA PRINTSIIP KUI ALUSTÕDEMUS

• Kui tahame selgitada mingit nähtust, peame ridamisi vastama paljudele üksteisega seotud MIKS-küsimustele. Iga uus vastus võib esile kutsuda uue küsimuse. Siiski saame neile miks-küsimustele vastata vaid teatud piirini. Varem või hiljem jõuame olukorrani, kus me enam toimuvat selgitada ei oska ja piirdume tõdemusega, et NII LIHTSALT ON!
  
• Sellist looduse kohta käivat kõige üldisemat tõdemust, mis vastab absoluutselt kõikide eksperimentide tulemustele, nimetatakse füüsika printsiibiks.
  

ATOMISTLIK PRINTSIIP

• Võtame tüki juustu, asetame lõikelauale ning lõikame pooleks. Tulemuseks on kaks poole väiksemat juustutükki. Jätkame juustupoolitamist. Lõikumise tulemusena saame järjest väiksemaid juustutükke.Kas võime juustu järjest pisemateks paladeks lõikuda lausa lõputult nii, et saadud tükid ikka sama maitsega juustuks jäävad? Juustumeistrite väitel pole see võimalik. Juust pole ühtlane mass, vaid koosneb suurest hulgast mitmete omaduste poolest erinevatest osakestest . Juust on segu erinevatest rasvade, valkude, hapete, soolade ja lahustite osakestest. Juustu järjest pisemateks paladeks lõikumisel jõuame varem või hiljem piirini, mille ületamisel ei või saadud tükikesi enam juustuks nimetada. Edasisel pisemaks lõikumisel saadud osakesed on rasva, valgu, soola ja vee osakesed. Neil osakestel on oma kindlad omadused, mis aga sugugi enam juustu omadused pole.Kehi ei saa lõputult väiksemateks osadeks jagada nii, et saadud osadel säiliksid kõik jagatavate omadused.
  
• Demokritos väitis, et ainelisi kehi ei saa jaotada lõputult väikesteks osadeks. Demokritose arvates eksisteerivad kindlate omadustega aineosakesed, mida enam väiksemaks samade omadustega osadeks lõigata ei saa. Selliseid pisiosakesi, mida omadusi säilitades enam pisemaks lõigata pole võimalik, hakati nimetama aatomiteks.
  
• Niinimetatud atomistlik printsiip väidab, et nii ainet kui välja pole võimalik lõputult jagada samade omadustega osadeks. Mõlemal on olemas vähimad portsjonid , mida aine korral nimetatakse fundamentaal- või alusosakesteks, välja korral aga kvantideks.
  

ENERGIA MIINIMUMI PRINTSIIP

• Kui ebatasasel maastikul peaks pall kaduma minema, on seda otsides mõtet üle vaadata ikka madalamad paigad, mitte künkatipud. Kõigil veerevatel kehadel on püüd pidama jääda paika, mille asukoht on kõigist võimalikest madalaim. Asukohta , kus Maa külgetõmbe energia on kõige väiksem.
  
• Kirjeldatud näide väljendab energia miinimumi printsiipi. Energia miinimumi printsiip väidab, et kõik iseeneslikud (mitte välismõjust tingitud) protsessid kulgevad kehade süsteemi energia kahanemise suunas. Süsteemil on kalduvus energiat loovutada ja suunduda minimaalse energiaga olekusse.
  
• Kivi kukub ikka allapoole
  
• Soojus kandub alati kuumemalt kehalt jahedamale
  
• Kompassi magnetnõel võtab ruumis kindla asendi põhja-lõuna sihis
  

TÕRJUTUSE PRINTSIIP

• Tõrjutuse printsiip makromaailmas tähendab seda, et ainelisi objekte ei saa asetada teineteise sisse.
  

NT.Kui pista vett sisaldavasse anumasse mingi keha, siis vedeliku tase tõuseb. Põhjuseks on see, et vesi ja keha ei saa üheskoos samas ruumiosas paikneda seepärast tõrjub keha oma asukohast vee välja.

• Tõrjutuse printsiipi väljendab ka see, et kaks veejuga ei saa teineteist segamatult läbida.
  
• Mikromaailma jaoks sõnastas selle printsiibi 1925. aastal Austria füüsik Wolfgang Ernst Pauli. Oma lihtsaimal kujul väidab see, et kaks samas aatomis paiknevat elektroni ei saa olla samas kvantolekus. Elektronid ei saa tiirelda sarnaselt, omades täpselt ühepalju energiat. Nende seisundid peavad millegi pooleset erinema.
  

NT.Kaks teineteisest eemal olevat veejuga voolavad segamatult mööda oma trajektoore .Kohtumisel teise joaga ei või erinevad veeosakesed korraga samas paigas asuda ning tõrjuvad üksteist eemale. Veejoad ei saa teineteist segamatult läbida.
SUPERPOSITSIOONIPRINTSIIP

• Mitteaineliste ehk väljaliste objektide puhul tõrjutuse printsiip ei kehti. Erinevad väljad võivad üksteist segamata samas paigas asuda. Välja mõju kehadele ei sõltu teiste väljade juuresolekust. Näiteks magnet tõmbab raudmutrit maapinna lähedal.
  
• Kui keha asub korraga mitme välja mõjupiirkonnas, siis mõjud lihtsalt liituvad. Iga väli mõjub kehale sõltumata teiste väljade juuresolekust mingi jõuga.
  
• Seda printsiipi, mille järgi väljad üksteist ei sega ja nende mõjud liituvad, nimetatakse superpositsiooniprintsiibiks.
  
• Superpositsiooniprintsiibi kehtivust kinnitab näiteks tõik, et erinevalt ainelistest veejugadest saavad kaks valguskiirt teineteisest segamatult läbi minna.Superpositsiooniprintsiibi järgi saavad väljad korraga samas paigas asuda üksteist mõjutamata. Valguskiired on väljalised objektid ja võivad teineteist segamatult läbida. Kui üks valguskiir kohtub teisega , võime näha, et kummagi poolt tekitatud valguslaik selle tagajärjel ei muutu.
  

VALGUSE KIIRUS

• Kõik me oleme äikese ajal tähele pannud , et müristamist kuuleme tavaliselt mitmeid sekundeid hiljem kui näeme välgusähvatust. Põhjust teame samuti — pikselöögi tagajärjel tekkinud heli kohalejõudmine võtab aega. Heli levimiskiirus õhus on umbes 1/3 kilomeetrit sekundis ning seda teades on lihtne äikesepilve kaugust määrata. Loeme sekundeid välgusähvatuse ja kõuekärgatuse vahel ning iga kolme sekundi kohta tuleb kaugust üks kilomeeter.
  

• Anitiik-Kreeka mõttetark Aristoteles oli veendunud, et valgus jõuab kaugetelt tähtedelt meieni silmapilkselt. Alles sajandeid hiljem hakkas lõpmatu kiiruse võimalikkuses kahtlema Galileo Galilei. Itaalia teadlane pani kirja isegi plaani, kuidas valguse kiirust eksperimentaalselt määrata võiks. Kahjuks polnud tollal veel piisavalt täpseid kelli ning plaan jäi esialgu vaid plaaniks. Kuigi valguse kiirus jäi mõõtmata, uskus Galilei selle lõplikusse ja pakkus välja, et valgus on helist vähemalt 10 korda kiirem.Esimene teadlane, kel õnnetus valguse lõplik kiirus oma vaatlustulemuste põhjal välja arvutada, oli Taani astronoom Olaf Rømer. Teadlane taipas, et poole aastatga oli Maa Jupitesist ligi 300 miljonit kilomeetrit kaugemale liikunud. Vaadeldav nähtus hilines, kuna valgusel kulus vaatlejani jõudmiseks nüüd rohkem aega. Aastal 1675 arvutas Olaf Rømer valguse kiiruseks 220 000 km/s.
  
• Teaduse arenedes on valguse kiiruse mõõtmise täpsus järjest kasvanud. Tänapäevaks on selle väärtus teada juba sedavõrd täpselt, et pikkusühik 1 meeter on defineeritud valguse levimise kaudu. Valguse kiirust tähistatakse valemites tähega c ja selle väärtus on täpselt
  

c = 299 792 458 m/s ≈ 300 000 000 m/s = 300 000 km/s.
ABSOLUUTKIIRUS

• Valguse kiirus on Maa liikumiskiirusest küll 10 000 korda suurem, kuid teadlased olid veendunud, et nende täpne eksperiment suudab seda väikest erinevust ilma kahtlusteta registreerida.
  
• Teadlaste üllatus oli aga suur, kui ka katsete kordamisel ei suudetud valguse levimisel Maa liikumisega samas ja vastassuunas märgata mingit erinevust! Newtoni mehaanika aluseks oli teadmine, et liikumine on suhteline. Liikumine sõltub vaatlejast ja võib erinevate vaatlejate jaoks olla vägagi erinev. Kuulus Michelson- Morley katse kinnitas aga vastupidist: valguse kiirus on absoluutne! Valguse levimiskiirus ei sõltu valgusallika ega vaatleja liikumisest . Valguse kiirus on kõigi jaoks sama, on kõikides taustsüsteemides ühesugune.
  
• Seda fakti, et valguse kiirus vaakumis on absoluutne ja ei sõltu valgusallika ega vaatleja liikumisest, on kinnitanud ka mitmed hilisemad katsed. Lisaks on tänapäeval teada, et miski ei saa liikuda ega levida valgusest kiiremini. Tegemist on füüsika üldprintsiibiga, mida on raske mõista. See lihtsalt on nii.
  
• Absoluutkiiruse printsiip seisneb selles, et puhtalt väljalised objektid nagu valgus liiguvad mistahes aineliste objektide suhtes alati absoluutkiirusega (sõltumata aineliste objektide omavahelisest liikumisest). Absoluutkiiruseks on valguse kiirus vaakumis.
  

KLASSIKALINE FÜÜSIKA JA FÜÜSIKA KRIIS

• Makromaailm , mis koosneb inimesega samas suurusjärgus mõõtmetega objektidest on vaatleja poolt tajutav ilma eriliste abivahenditeta. Makromaailm on see, mida me ümberringi näeme ning milles toimuvaid nähtusi tähele paneme.
  
• Seda makromaailma kirjeldavat füüsikat, mille aluseks said Newtoni sõnastatud mehaanikaseadused, nimetatakse klassikaliseks füüsikaks
  
• Füüsika arenes järjest kiirenevas tempos , kuni 20. sajandi alguses võimaldasid uued vaatlusmeetodid avastada objekte ja nähtusi, mida klassikaline füüsika enam seletada ei suutnud. Näiteks ei osatud põhjendada hõõguvate kehade poolt kiiratava valguse värvust, elektronide käitumist aatomites , valguse mõju laetud osakestele, vastavastatud valguse kiiruse absoluutsust ning mitmeid muid vaatlustulemusi.
  

KAASAEGNE FÜÜSIKA

• Valdkonnad, mida klassikaline füüsika seletada ei suutnud kuulusid mikro- ja megamaailma. Uus, kaasaegne füüsika, asus uurima aatomeid (mikromaailm) ning mõõtmatut ruumi ( megamaailm ). Kaasaegne füüsika koosnebki kahest suurest teooriast —kvantmehaanikast ja relatiivsusteooriast.
  
• Klassikaline füüsika kirjeldab makromaailma sellisena nagu me seda tavaelus tajume. Liikumine on suhteline, sest on erinevate vaatlejate suhtes erinev. Samas aja kulgemine , kaugused ja kehade mõõtmed ning mass on kõikide vaatlejate jaoks ühesugused ega sõltu liikumisest. Aeg, ruum ja mass on klassikalises füüsikas absoluutsed.
  

FÜÜSIKA
KLASSIKALINE FÜÜSIKA
KAASAEGNE FÜÜSIKA
kvantmehaaniline relativistlik
UURITAV MAAILM
MAKROMAAILM
MIKROMAAILM
MEGAMAAILM
Liikumine
Suhteline
Absoluutne(valguse kiirus ei sõltu vaatlejast)
Aeg
Absoluutne
Suhteline(sõltub liikumiskiirusest)
Ruum
Absoluutne
Suhteline(sõltub liikumiskiirusest)
Mass
Absoluutne
Suhteline(sõltub liikumiskiirusest)
AJA AEGLUSTUMINE

• Valguse kiirus on aga nii liikuva kui paigalseisva vaatleja suhtes sama. Kui kiirus on sama, siis pikema tee läbimiseks kulub rohkem aega. Seega paigalseisjal kulub sama nähtuse vaatlemisel rohkem aega kui kiiresti liikujal.
  
• Aeg pole kõigi jaoks sama. Mida kiiremini liikuda, seda vähem aega kulub. Aja kulg sõltub liikumiskiirusest! Kiiresti liikudes aeg aeglustub.
  

Aja sõltuvust kiirusest väljendab valem:
Paigalseisja aja tähiseks on t ja liikuja ajaks t0. Valemist on näha, et kui liikumist pole (kiirus v = 0) või kiirus on valguse kiirusega võrreldes väike, siis erinevust aegade vahel pole ja t = t0.
PIKKUSTE JA KAUGUSTE LÜHENEMINE

• Suurel kiirusel lühenevad pikkused sama palju kui aeg aeglustub, seega sama teguri kordselt. Seega suurtel kiirustel on pikkused ja kaugused suhtelised (sõltuvad liikumisest). Klassikalise füüsika poolt kirjeldatavas igapäevases elus see siiski nii pole. Teame ju kõik, et lennukiga reisijal ja teda kodus ootaval sõbral kulub aeg ühesuguselt.
  

MASSI SUURENEMINE

• Mass on keha inertsuse mõõt. Erineva massiga kehi mõjutada sama suure jõuga, kasvab suurema massiga keha kiirus aeglasemalt. Kujutame seekord ette, et lükkame mingit keha pidevalt sama suure jõuga. Keha kiirus hakkab selle tagajärjel kasvama. Kui jõud ei muutu, kasvab ka kiirus ühtlaselt (muutumatu kiirendusega). Kui lükkamise käigus kasvab suurus juba väga suureks ja hakkab valguse kiirusele lähenema, hakkab aeg muutuma . Paigalseisva vaatleja jaoks kulub kiiruse kasvatamiseks sama suuruse võrra järjest rohkem aega. Kiiruse kasv muutub järjest aeglasemaks. Kiiruse kasvu aeglustumine tähendab, et keha muutub inertsemaks ehk keha mass kiiruse suurenedes kasvab
  

• Mass sõltub liikumiskiirusest. Erinevus seisva ja liikuva keha masside vahel on ka siin määratud teguriga .
  
• Tõsiasi, et mass kasvab valguse kiirusele lähenemisel lõpmatuks, ongi põhjuseks, miks ükski aineline keha ei saa liikuda valguse kiirusel .
  

MASS JA ENERGIA KUI MATEERIA HULGA MÕÕDUD

• Varasemast teame, et füüsika poolt uuritavad objektid võivad olla ainelised ja väljalised. Ainelised ja väljalised objektid kokku moodustavad reaalse mateeria, mis ei sõltu inimeste teadvusest.
  

• Aine tunnuseks on see, kehadel on kindlad ruumimõõtmed ja nad koosnevad osakestest. Ainelisi kehi iseloomustavateks suurusteks on näiteks mass ja ruumala. Mida suurem on keha, seda rohkem on ainet (aineosakesi) ning seda suurem on mass.
  
• Mass on ainelise mateeria hulga mõõduks.
  

• Väljalised objektid on seotud vastastikmõju ning energia. Me teame, et valgus on väljaline ning ka seda, et valgus kannab endaga energiat. Valgus soojendab kehi, milles ta neeldub ning valguse energiat saab kasutada näiteks päikesepatareisid kasutades. Mida rohkem on valgust, seda rohkem on ka valguse energiat.
  

• Energia on väljalise mateeria hulga mõõduks.
  

MASSI JA ENERGIA SAMAVÄÄRTUS

• Liikuva vankri energia on kineetiline ja selle hulk on määratud vankri massi ja kiirusega. Mida rohkem lükkame, seda suuremaks vankri kineetiline energia kasvab. Kui aga lükkamise tagajärjel hakkab kiirus juba valguse kiirusele lähenema, kasvab kiirus vaatamata lisatavale energiale järjest vähem. Lõpuks jõuame olukorrani, kus vaatamata lükkamise teel energia juurdeandmisele jääb kiirus praktiliselt muutumatuks. Kuhu siis energia vankris koguneb kui mitte kiiruse kasvamisse? Vastus on lihtne: kuna suurel kiirusel hakkab kasvama keha mass, siis järelikult suurendab antav energia vankri massi. Näeme, et energia salvestub lisamassina.
  
• Sama järelduseni jõudis relatiivsusteooria välja töötanud Einstein. Teooria näitas, et mass ja energia pole kaks eri liiki objekte kirjeldavat erinevat suurust, vaid on tegelikult teineteisega väga lähedalt seotud. Enamgi veel — mass ja energia on üks ja sama! Nad on ühe ja sama füüsikalise maailma — mateeria — kahe erineva avaldusvormi väljendused. Mass väljendab ainet ja energia väljendab väljasid.
  
• Relatiivsusteooriast selgub, et mass ja energia on ekvivalentsed ehk samaväärsed. Massi ja energia ekvivalentsust väljendab kõigi aegade kuulsaim füüsikavalem
  
• E = mc2.
  

TUUMAENERGIA

• Ainelise mateeriavormi väljaliseks üleminekul vabanevat energiat tunneme kui tuumaenergiat. Tuumareaktorites saadakse energiat just tänu sellele, et uraanituumade pooldumisel muutub osa tuumade massist energiaks.
  
• Veel rohkem energiat vabaneb reaktsioonides, kus vesiniku aatomituumad liituvad ja tekib heelium . Selline reaktsioon toimub meie Päikese ja kõigi teiste tähtede sisemuses.