Fysiikka

KPL 1

Fysiikka on kokeellinen luonnontiede, joka tutkii kappaleiden ja ilmiöiden mitattavissa olevia ominaisuuksia kokeellisin ja teoreettisin menetelmin. Sana "fysiikka" tulee kreikan sanasta physis ('luonto') ja physike ('luonnontutkimus').

Fysiikan sovellusalat

Fysiikan menetelmiä ja fysiikkaa sovelletaan monilla tieteenaloilla, kuten:

• Insinööritieteet

• Biologia

• Lääketiede

• Liikuntatieteet

• Meteorologia

Maailmankaikkeus ja hiukkasfysiikka

• Maailmankaikkeuden rakenne ja kehitys: Fysiikka tutkii universumin rakennetta ja kehitystä.

  • Alkuräjähdys (Big Bang): Mittausten mukaan havaittu maailmankaikkeus oli 13,8 miljardia vuotta sitten hyvin kuumassa ja tiiviissä tilassa, josta alkuräjähdys sai alkunsa.

  • Laajeneminen: Maailmankaikkeus on laajentunut ja laajeneminen on kiihtyvää; se ei kuitenkaan vaikuta tähtien välisiin etäisyyksiin galakseissa, sillä gravitaatio määrää nämä etäisyydet.

  • Taustasäteily: Alkuräjähdyksen jälkihehkua, joka on todiste alkuräjähdyksestä.

• LHC (Large Hadron Collider): Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin maailman suurin hiukkaskiihdytin.

• Hiukkasfysiikka: Tutkii atomin ydintä pienempien aineen osasten rakennetta ja vuorovaikutuksia. Tieto on tärkeää maailmankaikkeuden synnyn ja kehityksen selvittämiseksi.

Fysiikan tutkimusmenetelmät

Lähes kaikki fysikaalinen tieto pohjautuu havaintoihin ja mittauksiin. Tutkimuksen keskeisiä osia ovat:

• Uusien mittaustapojen ja -laitteiden kehittäminen.

• Matemaattisten lainalaisuuksien löytäminen luonnonilmiöiden kuvaamiseksi.

• Luonnonilmiöiden selittäminen mallintamalla niitä fysikaalisesti ja matemaattisesti hallittavaan muotoon.

• Luonnontieteellinen menetelmä:

  1. Tutkittavan ongelman ja muuttujien selvittäminen, aiempien tutkimusten läpikäyminen.

  2. Hypoteesin eli alustavan mallin laatiminen ja testaus.

  3. Tutkimuksen suunnittelu ja mittausten tekeminen.

  4. Tulosten vertaaminen hypoteesiin ja hypoteesin testaus uusilla havainnoilla sekä muiden tutkijoiden toimesta.

  5. Jos hypoteesi selittää ilmiötä hyvin, se hyväksytään todennetuksi teoriaksi.

  6. Uusien tutkimustapojen ja lisätutkimusten miettiminen.

Massan ja energian vastaavuus

• Albert Einsteinin kaava: E = mc^2, missä E on sisäinen energia, m massa ja c valonnopeus tyhjiössä.

• Massa on eräs sidotun energian muoto, ja tämä ekvivalenssi hyödynnetään esimerkiksi ydinenergian tuotannossa.

Fysiikan tutkimuksen alat

• Perustutkimus: Tutkii luonnonilmiöiden fyysistä perustaa ilman välitöntä käytännön hyötyä (esim. atomin rakenneosat).

• Soveltava tutkimus: Etsii perustutkimuksen pohjalta uusia ratkaisuja ja innovaatioita olemassa oleviin tarpeisiin (esim. nanofysiikka, suprajohteet).

  • Nanokuidut: Käytetään vaatteissa suojaamaan UV-säteilyltä ja vähentämään sähköisyyttä; nanoteknologialla valmistetut kankaat hylkivät likaa.

• Teoreettinen fysiikka: Tarkastelee ilmiöitä matemaattisin menetelmin ilman käytännön mittauksia. On jatkuvassa vuorovaikutuksessa kokeellisen fysiikan kanssa, selittäen sen tuloksia ja ennustaen uusia ilmiöitä.

• Laskennallinen fysiikka: Merkittävä asema fysiikassa ja muilla tieteenaloilla; pyrkii jäljittelemään luonnon prosesseja tietokoneella.

Fysiikan jaksotus ja nykytutkimus

• Klassinen fysiikka (alkaen 1600-luvulta): Käsittelee mekaniikkaa, lämpöä, valoa, sähköä ja magnetismia.

• Moderni fysiikka (alkaen 1900-luvun alusta): Perustuu suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan.

  • Nykytutkimuskohteita: Hiukkasfysiikka, kvanttitietokoneet, fuusioenergia, mustat aukot, pimeä energia.

  • Esimerkki tutkimuksesta: Protonin säteen mittaus: vuonna 2019 mitattiin 0,833 \cdot 10^{-15} m uudella mittaustavalla.

• Nanoteknologia: Hyödyntää 1-100 nanometrin kokoisia nanopartikkeleita, joilla on erilaisia ominaisuuksia kuin suuremmilla hiukkasilla. Käyttökohteita mm. aurinkopaneelien tehokkuuden parantaminen.

• Nanotutkimus: Yhdistää fysiikkaa, kemiaa ja biologiaa, keskittyen nanometrin mittakaavan ilmiöihin.

Fysiikan merkitys yhteiskunnalle

• Yleissivistys: Fysiikka ja muut luonnontieteet ovat osa yleissivistystä.

• Teknologiset murrokset: Teollisuuden, sähkön ja elektroniikan vallankumoukset perustuvat fysiikan keksintöihin.

• Hyvinvoinnin lisääntyminen: Fysiikan tutkimustieto teknologian välityksellä on helpottanut ihmisen elämää ja lisännyt hyvinvointia.

• Ympäristönsuojelu: Teknologian avulla voidaan tunnistaa ja suojella elinympäristöämme uhkaavilta vaaroilta sekä korjata aiheutettuja vahinkoja.

• Kestävä kehitys: Fysiikan tuntemus auttaa ymmärtämään elinympäristön muutoksia ja näkemään teknologian mahdollisuudet kestävälle kehitykselle (esim. vuorovesi- ja fuusioenergian hyödyntäminen).

• Ilmastonmuutos: Fyysikoita ja muita luonnontieteilijöitä tarvitaan löytämään keinoja ilmastonmuutoksen pysäyttämiseksi.

Fysiikka koulutuksessa ja työelämässä

• Koulutusaloilla: Fysiikan perustietoja tarvitaan luonnontieteissä, lääketieteessä ja tekniikassa.

• Ammattialat: Fysiikka liittyy useiden ammattien, kuten lääkärin, insinöörin, meteorologin, arkkitehdin, biologin, optikon, fysioterapeutin, kemistin, tähtitieteilijän ja röntgenhoitajan opintoihin.

• Työllistyminen: Fyysikot työllistyvät myös taloustieteen ja ohjelmistotieteen aloille vankan laskennallisen mallinnuskokemuksensa ansiosta.

• Koulutus: Monipuolinen, sisältää teoreettisia opintoja, laboratoriotyöskentelyä ja harjoittelua (usein ulkomailla). Ongelmanratkaisutaito on keskeinen.

• Työtehtävät: Tyypillisimpiä ovat tutkimus- ja opetustyö, teollisuuden suunnittelu- ja tuotekehitystyö sekä työskentely sairaaloissa ja hallinnollisissa tehtävissä.

• Tarve yhteiskunnassa: Suomalainen yhteiskunta tarvitsee lisää fysiikan ja tekniikan taitajia.

KPL 2

Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkien kappaleiden välillä. Se pitää taivaankappaleet radoillaan (Kuu Maata, Maa Aurinkoa, tähdet galaksia, galaksit toisiaan). Vaikka se heikkenee nopeasti, se ulottuu äärettömän kauas. Paino on Maan aiheuttama gravitaatiovoima.

• Newtonin gravitaatiolaki: Gravitaatiovoima on suoraan verrannollinen kappaleiden massoihin ja kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Gravitonia ei ole vielä havaittu.

• Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria: Gravitaatio kuvataan avaruuden kaareutumisena, jonka kappaleiden massat aiheuttavat.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

• Sähköisyys ja magneettisuus ovat tämän vuorovaikutuksen ilmenemismuotoja.

• Vaikutukset: Määrää aineen kemialliset ominaisuudet, biologiset ilmiöt, kemiallisen energian ja kosketusvuorovaikutukset (atomien/molekyylien välillä).

• Sähkövaraus: Kappale voi olla positiivisesti, negatiivisesti tai neutraalisti varautunut. Samanmerkkiset varaukset hylkivät, erimerkkiset vetävät.

• Atomit: Atomi pysyy koossa ytimen ja elektronipilven välisen sähköisen voiman ansiosta.

• Magneettikenttä: Kuvaa magneetin ympärillä olevaa voimaa. Maapallon magneettikenttä syntyy nestemäisen metalliytimen sähkövirroista ja suojaa Maata hiukkassäteilyltä (esim. aurinkotuulelta).

• Magnetoituvat aineet: Rauta, nikkeli, koboltti magnetoituvat helposti. Kestomagneetit valmistetaan usein teräksestä tai neodyymistä.

Vahva vuorovaikutus

• Voimakkain perusvuorovaikutus. Pitää atomin ytimen koossa vastustaen protonien sähköistä hylkimisvoimaa.

• Kvarkit: On alun perin protonin ja neutronin rakenneosasten (kvarkkien) välinen vuorovaikutus, sitoo kvarkit toisiinsa (protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista).

• Ydinvoima: Jäännösvoimana vahva vuorovaikutus ulottuu protonien ja neutronien ulkopuolelle pitäen ne toisiinsa sitoutuneina. Sen kantama on lyhyt.

• Kvarkkeja ei esiinny vapaina, koska niiden välinen voima kasvaa etäisyyden kasvaessa.

Heikko vuorovaikutus

• Aiheuttaa ytimien radioaktiivisen beetahajoamisen, jossa hiukkanen voi muuttua toiseksi (esim. protoni neutroniksi tai päinvastoin).

• Beetahajoamisessa ydin säteilee beetahiukkasen (elektronin tai positronin) sekä neutriinon tai antineutriinon.

• Tärkeä elämälle Maapallolla: Auringon fuusioreaktiot, jotka tuottavat Maan energiantarpeen (valona ja sähkömagneettisena säteilynä), perustuvat heikkoon vuorovaikutukseen.

Luonnonilmiöt ja vuorovaikutukset

• Kaikki luonnonilmiöt perustuvat vuorovaikutuksiin, jotka ilmenevät kappaleisiin vaikuttavina voimina.

• Kosketusvuorovaikutus: Kappaleet koskettavat toisiaan (esim. tennismaila ja pallo).

• Etävuorovaikutus: Kappaleet eivät kosketa toisiaan, mutta vaikuttavat silti (esim. Maan vetovoima palloon).

• Perushiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa hiukkaset voivat muuttua toisiksi ja uusia hiukkasia voi syntyä.

• Newtonin III lain mukaan vuorovaikutuksessa oleviin kappaleisiin vaikuttaa yhtä suuri ja vastakkaissuuntainen voima.

Neljä perusvuorovaikutusta

Kaikki luonnossa havaitut fysikaaliset vuorovaikutukset voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla:

• Vuorovaikutusten kuvaaminen: Niitä voidaan kuvata kenttien tai välittäjähiukkasten avulla.

• Kentät: Havainnollinen tapa kuvata makroskooppisia etävuorovaikutuksia (gravitaatio-, magneetti-, sähkökentät).

• Välittäjähiukkaset: Hiukkasfysiikan mallissa vuorovaikutuksia kuvataan välittäjähiukkasten avulla. Esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Jokaisella perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa.

KPL 3

Luonnontieteellinen tieto perustuu havaintoihin ja mittauksiin. Tarkka ja vertailukelpoinen tieto edellyttää usein mittalaitteiden käyttöä.

Suureet

Fysiikassa luonnonilmiöitä kuvataan suureiden avulla. Suure tarkoittaa ilmiön, kappaleen tai aineen mitattavissa olevaa ominaisuutta, kuten nopeus, massa tai aika. Suureilla on sovitut tunnukset eli lyhenteet (esim. ajan tunnus t, massan tunnus m), jotka usein pohjautuvat englannin kieleen.

• Vektorisuureet: Suureet, joilla on sekä suuruus että suunta. Esimerkiksi nopeus, kiihtyvyys ja voima. Vektorisuureen tunnus voidaan merkitä viivalla tunnuksen päällä.

• Skalaarisuureet: Suureet, joilla on vain suuruus. Esimerkiksi aika, lämpötila ja massa.

Ajan kuluminen

Aika ei ole kaikkialla sama:

• Suuri massa taivuttaa aika-avaruutta hidastaen ajan kulumista.

• Liike hidastaa aikaa (esim. lentokoneessa matkustava kello jätättää maassa olevaan kelloon verrattuna).

SI-järjestelmä

SI-järjestelmä (Systéme International d’Unités) on luonnontieteissä käytetty kansainvälinen mittajärjestelmä, joka varmistaa mittaustulosten maailmanlaajuisen vertailtavuuden. Sen yksiköt perustuvat luonnonvakioihin ja atomien ominaisuuksiin.

• Perusyksiköt ja perussuureet: SI-järjestelmä koostuu seitsemästä perusyksiköstä, joita vastaavat perussuureet:

Aikaa pystytään mittaamaan tarkimmin, minkä vuoksi lähes kaikki SI-yksiköt nojaavat aikaan.

• Johdannaissuureet ja -yksiköt: Muut kuin perussuureet ovat johdannaissuureita, jotka määritellään toisten suureiden avulla (esim. keskivauhti). Johdannaisyksikkö johdetaan suureen määritelmän avulla (esim. keskivauhdin yksikkö SI-järjestelmässä on m/s). Jotkin johdannaisyksiköt voivat olla erityisnimisiä, kuten voiman yksikkö newton (N), joka perusyksiköin ilmaistuna on 1 \text{ N} = 1 \text{ kgm/s}^2.

• Mittaus ja esitys: Suureita mitataan vertaamalla niitä sovittuun mittayksikköön. Suureen arvo esitetään lukuarvon ja yksikön avulla (esim. ”Ajan yksikkö on sekunti” merkitään [t] = 1 \text{ s}).

Suureyhtälöt ja verrannollisuus

Suureyhtälöt eli yhtälöt tai kaavat kuvaavat suureiden välisiä riippuvuuksia.

• Suoraan verrannollisuus: Jos suure A on suoraan verrannollinen suureeseen B (A \sim B), suureen A arvo kasvaa samassa suhteessa kuin suureen B arvo. Esimerkiksi Ohmin lain mukaan jännite (U) on suoraan verrannollinen virtaan (I) vakioresistanssilla (R): U = RI. Jos virta kaksinkertaistuu, jännitekin kaksinkertaistuu.

• Kääntäen verrannollisuus: Jos suure A on kääntäen verrannollinen suureeseen B, suureen A arvo pienenee suureen B kasvaessa matkan pysyessä muuttumattomana. Esimerkiksi keskivauhti (v) on kääntäen verrannollinen aikaan (t) matkan (s) pysyessä vakiona (v = s/t). Jos aika kaksinkertaistuu, keskivauhti puolittuu.

Kymmenpotenssit ja kerrannaisyksiköt

Fysiikassa käytetään hyvin suuria ja pieniä lukuarvoja, jotka ilmaistaan kymmenpotenssien avulla tekstin luettavuuden parantamiseksi. Luvun suuruusluokan voi päätellä kymmenpotenssin eksponentin arvosta.

• Kerrannaisyksiköt: Suureen arvo kirjoitetaan usein kerrannaisyksikön avulla, joka ilmaistaan etuliitteellä ja selkeyttää luettavuutta (esim. 1000 metriä = 1 kilometri, 1 km).

• Etuliitteet: Kun kymmenpotenssin eksponentti on kolmella jaollinen, luku pyritään ilmaisemaan etuliitteellä niin, että lukuarvo on välillä 1–1000.

Merkitsevät numerot

Merkitsevät numerot määräävät laskennallisen tehtävän ratkaisun tarkkuuden.

• Laskenta: Merkitsevät numerot ovat kaikki numerot paitsi pääsääntöisesti kokonaislukujen lopussa olevat ja desimaalilukujen alussa olevat nollat. Asiakonteksti ja mittaustapa voivat vaikuttaa merkitsevien numeroiden määrään (esim. 100 m voi olla 1, 2 tai 3 merkitsevää numeroa). Mitä tarkemmin mittaustulos tunnetaan, sitä useammalla merkitsevällä numerolla se ilmoitetaan.

• Laskusäännöt:

  • Jako- ja kertolasku: Vastaukseen otetaan yhtä monta merkitsevää numeroa kuin siinä lähtöarvossa, jossa niitä on vähiten.

  • Yhteen- ja vähennyslasku: Vastaukseen otetaan yhtä monta desimaalia kuin siinä lähtöarvossa, joka on epätarkin (eli jossa desimaaleja on vähiten).

Yksikkömuunnokset

Yksikkömuunnoksilla siirrytään suureen mittaamisessa käytettävästä yksiköstä toiseen. Tämä on tärkeää mittaustulosten vertailtavuuden ja sekaannusten välttämiseksi.

• Nopeuden yksikkömuunnokset:

  • Nopeuden muunnos m/s (m/s) yksiköstä km/h (km/h) tapahtuu kertomalla lukuarvo luvulla 3.6.

  • Nopeuden muunnos km/h (km/h) yksiköstä m/s (m/s) tapahtuu jakamalla lukuarvo luvulla 3.6.

  • Huom. 1 \text{ h} = 3600 \text{ s} ja 1 \text{ km} = 1000 \text{ m}.

KPL 4

Aineen ja maailmankaikkeuden rakenne

Aine ja maailmankaikkeus koostuvat sisäkkäisistä rakenteista. Pienemmistä rakenteista muodostuu aina seuraava suurempi rakenne. Luonnossa on hyvin monen kokoisia rakenteita kvarkeista aina galaksijoukkoihin.

• Makrokosmos: Luonnon rakenteet, jotka voidaan havaita aisteillamme.

• Mikrokosmos: Rakenteet, jotka ovat liian pieniä havaittavaksi aistinvaraisesti.

Kaikki makro- ja mikrokosmoksen rakenteet sekä maailmankaikkeuden ilmiöt selitetään neljän perusvuorovaikutuksen avulla:

• Gravitaatiovuorovaikutus: Pitää koossa suurimpia rakenteita, kuten Aurinkokuntaa ja galakseja.

• Sähkömagneettinen vuorovaikutus: Perustana atomeille, molekyyleille, niistä muodostuneille rakenteille ja biologisille ilmiöille.

• Vahva vuorovaikutus: Pitää koossa ytimiä ja sitä pienempiä rakenteita.

Luonnonrakenteiden mitat ja yksiköt

Luonnonrakenteiden kokoja ja keskinäisiä etäisyyksiä esitetään monin eri tavoin, usein kymmenpotenssien avulla, jotka ilmaisevat suuruusluokan.

• Valovuosi (vv): Valon vuodessa kulkema matka, käytetään suurissa etäisyyksissä makromaailmassa.

  • 1 \text{ vv} = 9\,460\,550\,000\,000\,000 \text{ m} \approx 9.46055 \text{ Pm}

• Tähtitieteellinen yksikkö (AU): Maan keskietäisyys Auringosta, käytetään Aurinkokunnan etäisyyksissä.

  • 1 \text{ AU} = 149\,597\,900\,000 \text{ m} = 149.5979 \text{ Gm}

• Negatiiviset kymmenpotenssit, nano- tai pikometrit: Käytetään mikromaailman kokoja ja etäisyyksiä ilmoitettaessa.

  • Esimerkiksi atomin halkaisijan suuruusluokka on noin 10^{-10} \text{ m}.

  • Atomin ytimen halkaisijan suuruusluokka on 10^{-15} \dots 10^{-14} \text{ m}.

  • Protonin halkaisijan suuruusluokka on femtometri (femtometre) eli 10^{-15} \text{ m}.

Aineen pienimmät rakenneosat

Atomi

Atomi koostuu sähkövaraukseltaan positiivisesta ytimestä ja sitä kiertävistä negatiivisesti varautuneista elektroneista.

• Kvanttimekaaninen malli: Elektronin liikkeestä voidaan tietää vain todennäköisyys tietyllä paikalla. Elektronit muodostavat ytimen ympärille elektronipilven.

• Ytimen ja elektronien välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus pitää atomin koossa.

Atomin ydin

Ydin koostuu protoneista (positiivinen sähkövaraus) ja neutroneista (sähköisesti neutraaleja).

• Nukleonit: Protonien ja neutronien yhteisnimitys.

• Ytimen pitää koossa ydinvoima, joka on vahvan vuorovaikutuksen seurausta.

Kvarkit ja Leptonit

Kvarkit ja leptonit ovat aineen pienimmät rakennehiukkaset.

• Kvarkit: Kuusi eri lajia (ylöskvarkki, alaskvarkki, outokvarkki, lumokvarkki, tosikvarkki, kauniskvarkki).

  • Kvarkit eivät esiinny luonnossa vapaina, vaan ovat aina vahvan vuorovaikutuksen toisiinsa sitomia.

  • Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista.

  • Kvarkkien varaukset ovat alkeisvarauksen e murtolukuosia (+2e/3 tai -e/3).

  • Esim. protonin sähkövaraus on (2e/3) + (2e/3) + (-e/3) = e.

• Leptonit: Kuusi eri lajia (elektroni, myoni, tau, elektronin neutriino, myonin neutriino, taun neutriino).

Molekyyli

Molekyyli on sähköisesti neutraali, kahden tai useamman atomin yhteenliittymä.

• Ioni: Atomi tai molekyyli, joka on luovuttanut tai vastaanottanut elektroneja ja ei ole enää sähköisesti neutraali.

• Tavallinen aine (kiinteä, nestemäinen, kaasumainen) koostuu atomeista, molekyyleistä tai ioneista.

• Molekyylin, kiteen ja amorfisen aineen atomirakenteen pitää koossa sähkömagneettinen vuorovaikutus.

• Kiteinen aine: Rakenneosaset muodostavat aineelle ominaisen säännöllisesti toistuvan rakenteen.

• Amorfinen aine: Rakenne ei toistu säännöllisenä (esim. lasi).

• Toisiinsa liittyneiden atomien keskipisteiden välinen etäisyys on korkeintaan muutamia nanometrin kymmenesosia.

kol