9789144143187 by Smakprov Media AB

Fysik

Fysik 1 och Fysik 2

J Ö R G E N G U S TA F S S O N

Till boken hör ett lärarmaterial i form av bokens figurer. För dig som planerar att använda boken i din undervisning är detta material gratis och går att ladda ner där du beställer boken på studentlitteratur.se

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 37698 ISBN 978-91-44-14318-7 Upplaga 2:1 © Författaren och Studentlitteratur 2015, 2021 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagsbild: Sandhammarens fyr Fotograf: Magnus Åström Printed by GPS Group, Austria 2021

INNEHÅLL

Fysik

Fysik 1

1 Karaktär 9

3 Rörelse och krafter 1 41

En förenklad verklighet 11 Naturvetenskapligt arbetssätt 12 Ställningstaganden i samhällsfrågor 13 Fysik och etiska, filosofiska och religiösa frågor 14 2 Grunder 15

Storheter och enheter 17 Prefix och tiopotens 18 Enhetsomvandling 20 Matematiska modeller 20 Enhetsanalys 24 Experiment 25 Planering 25 Bearbetning av mätdata 25 Utvärdering av resultat 26 Matematik 28 Algebra och trigonometri 28 Skalärer och vektorer 31 Summera vektorer 32 Ersätta en vektor med två 34 Övningar 35

Hastighet och acceleration 43 Grafer 47 Acceleration och krafter 52 Krafter 52 Newtons lagar 56 Vanliga krafter 59 Jämvikt och linjär rörelse 67 Rörelse vid mycket höga hastigheter 70 Tidsdilatation 72 Längdkontraktion 73 Rörelsemängd och impuls 76 Tryck och Arkimedes princip 82 De fundamentala krafterna 90 Övningar 92 4 Energi 105

Energiprincipen 107 Arbete, effekt och verkningsgrad 108 Mekanisk energi 113 Rörelseenergi och rörelsemängd 121 Energi vid mycket höga hastigheter 125 Övningar 127

Bokens digitala extramaterial utgörs av en formelsamling som kan laddas ner på bokens webbplats www.studentlitteratur.se/37698

5 Värmelära 131

Temperatur, inre energi och värme 133 Specifik värmekapacitet och fasomvandlingar 137 Entropi och energikvalitet 141 Energiförsörjning 144 Energikällor 144 Energianvändning 146 Energilagring 147 Övningar 151 6 Väder och klimat 155

Väder 157 Varför ändrar sig vädret? 157 Väderprognoser 158 Klimat 160 Varför ändrar sig klimatet? 160 Klimatprognoser 164 Övningar 165 7 Elektricitet 167

Laddning 169 Kraft, spänning och elektriska fält 170 Potentiell energi och potential 176 Elektriska kretsar 179 Ström och resistans 179 Ersättningsresistans 182 Energi och effekt, elektriska kretsar 190 Inre resistans 191 Att mäta spänning och ström 194 Kondensator 197 Kapacitans 198 Energi lagrad i kondensator 201 RC-krets 203 Övningar 206

8 Kärnfysik 215

Atomkärnans stabilitet 217 Bindningsenergi 219 Strålning 225 Radioaktivitet 225 α-sönderfall 226 β-sönderfall 228 γ-sönderfall 231 Halveringstid och aktivitet 232 Kärnreaktioner 237 Fission och fusion 240 Strålningens biologiska effekter 246 Absorberad och ekvivalent dos 246 Välgörande strålning 250 Elementarpartiklar 252 Materiepartiklar 253 Kraftpartiklar 255 Övningar 257 Fysik 2 9 Rörelse och krafter 2 263

Tvådimensionell rörelse 265 Kaströrelse 265 Laddnings rörelse i homogent elektriskt fält 271 Simulering av tvådimensionell rörelse 275 Vridmoment 281 Centralrörelse 288 Harmonisk rörelse 294 Kraftresultant 298 Svängningsenergi 300 Periodtid 302 Övningar 306

10 Vågrörelse 315

Vågor 317 Reflektion och brytning 319 Linser 324 Interferens, stående vågor och resonans 335 Ljudstyrka och dopplereffekt 350 Övningar 357 11 Magnetism 363

Magnetiska fält 365 Magnetiskt fält kring strömförande ledare 366 Magnetfält i spole 368 Jordens magnetfält 371 Magnetisk kraft på strömförande ledare 374 Magnetisk kraft på enstaka laddning 378 Induktion 387 Självinduktion 401 Energi lagrad i spole 403 RL-krets 405 Växelspänning 408 Generator 408 Effektivvärde 410 Transformator 412 Motstånd mot växelström 416 Övningar 420

12 Kvantfysik 431

Elektromagnetisk strålning 433 Värmestrålning 433 Både våg och partikel 439 Fotoelektrisk effekt 445 Atomens elektronstruktur 447 Absorptions- och emissionsspektra 458 Både partikel och våg 460 Elektrondiffraktion 460 Kvantfysik 464 Övningar 467 13 Universum 471

Universum och dess tidiga utveckling 473 Uppkomst av galaxer, stjärnor och planeter 476 Undersökning av universum 482 Elektromagnetisk strålning 482 Neutrinostrålning 492 Exoplaneter och liv på andra planeter 494 Övningar 497 Svar till övningar 499 Sakregister 515 Bildlista 519

Fysik Denna bok handlar, liksom fysik, om många olika aspekter av världen vi lever i.

■ Från det mest vardagliga till det som inte alls stämmer

med vår vardag: från en sten som släpps i luften och ramlar ned mot marken – till partiklar som kan befinna sig på två ställen samtidigt.

■ Från det allra minsta till det allra största: från partiklarna

som en atom är uppbyggd av och partiklarna som de partiklarna är uppbyggda av, till stjärnor, galaxer och hela universum.

■ Från de mest grundläggande frågorna till tillämpningar inom många områden: från frågan var allting kommer ifrån till utvecklingen av en hållbar energiproduktion, din mobiltelefon och cancerbehandling.

I det latinska språket finns ordet phy´sica som betyder läran om naturen. I grekiskan finns ordet phy´sis vilket betyder natur. Ur detta kan man ana att fysik ursprungligen innehöll all naturvetenskap. Från början fanns alltså ingen uppdelning i fysik, kemi, biologi etc., men allteftersom specialiseringarna ökade avknoppades andra ämnen från fysiken. I dag ökar samarbetet över ämnesgränserna, vilket ofta är mycket fruktbart.

Du kommer att få lära dig om allt möjligt, från sådant som är vanligt i din vardag: t.ex. hastighet, värme och väder till begrepp du kanske aldrig hört och inte direkt lägger märke till i din vardag: t.ex. leptoner, längdkontraktion och stark växelverkan. Fysik är alltid närvarande i ditt liv även om du ännu kanske inte är medveten om det. Den är en mycket påtaglig del av den värld du lever i och har haft och fortsätter att ha en stor inverkan på den. Allteftersom du läser denna bok hoppas jag att du har i åtanke vilken roll fysik spelar i världen, hur den påverkar världen och därmed dig, vilka möjligheter du får att påverka världen genom dina fysikkunskaper och hur du kan använda dessa kunskaper till att påverka världen.

Karaktär

Vad kännetecknar fysik? Vilken är dess möjliga roll i samhället och hur förhåller den sig till andra grundläggande perspektiv på vår värld? Centrala nya begrepp i kapitlet är: MODELL

En avbildning av en del av verkligheten NATURVETENSKAPLIGT ARBETSSÄTT

En systematisk väg till en modell.

En förenklad verklighet Fysik försöker beskriva och förutsäga vår värld. Hur gör den det? Världen är mycket komplicerad … Jo, fysik gör världen mindre komplicerad genom att inte ta hänsyn till allt som händer i den. Denna förenkling medför att fysik inte sysslar med verkligheten, utan med modeller av verkligheten. Med modeller menas här inte de som visar upp det senaste modet. Inte heller små modeller av t.ex. bilar. I fysik innebär modeller förenklade versioner av verkligheten. Denna förenkling fås genom att bortse från sådant som har liten inverkan på det man vill beskriva. Om du exempelvis håller en penna en bit ovanför marken och släpper den, faller den mot marken. Hur fort faller den efter att den fallit 1 m? Om du ska ta hänsyn till allt som påverkar hur fort pennan rör sig blir detta omöjligt att räkna ut. Om du däremot bortser från det som har liten inverkan, t.ex. luftmotståndet och månen, blir det enkelt att räkna ut. Du kommer att lära dig det tidigt i Fysik 1. Skillnaden mellan modellens resultat och verkligheten blir mycket liten. Fysik 1 och 2 är fulla av sådana modeller och ett av målen med denna bok är att du ska få en förståelse för dem och lära dig att använda dem. Figur 1.1–1.4 visar några exempel på sådant du kommer att stöta på och få modeller för:

Figur 1.1 En som flyter.

Figur 1.2 London Eye rör sig runt – runt – runt – runt.

Figur 1.3 Vågor rör sig utefter gitarrens strängar och genom luften.

Figur 1.4 Krabbnebulosan, NGC 1952.

1 K arak tär

Naturvetenskapligt arbetssätt Fysikens modeller av verkligheten är vanligtvis baserade på resultat från experiment. Experiment är sålunda en mycket central del inom fysiken och modellerna ger ett sätt att se på världen som förklarar resultat från experiment, vanligtvis både med ord och med matematik. Naturvetenskaperna i allmänhet och fysik i synnerhet söker dessa modeller och samband som, så enkelt som möjligt, kopplar ihop orsak med verkan i naturen. Vägen till fysikens modeller och samband går genom ett naturvenskapligt arbetssätt, vars mål är att modellerna ska återge den fysiska verkligheten så bra som möjligt, se figur 1.5.

Fråga

Figur 1.5 Ett naturvetenskapligt arbetssätt.

Hypotes

Experiment

Resultat

Resultaten bekräftar hypotesen

Ny teori

Ny hypotes

Fråga:

Något du sett leder till en fråga. Frågan bör handla om något som kan mätas. Hypotes: En välgrundad gissning, en s.k. hypotes, kring frågeställningens orsak och verkan utformas: ”Om detta görs så kommer detta att hända”. Experiment: Hypotesen testas genom experiment utformade så att ”Om detta görs så kommer detta att hända” kan prövas. Resultat: Stödjer de experimentella resultaten hypotesen eller inte? Om resultaten inte bekräftar hypotesen, utformas en ny hypotes baserad på resultaten från experimenten. Den nya hypotesen testas sedan genom nya experiment. Om resultaten stödjer hypotesen ligger den till grund för en ny teori. En teori är en, genom experiment, bekräftad hypotes. Den nya teorin kan sedan, i sin tur, ligga till grund för en ny fråga till vilken en hypotes utformas osv.

Fysi k

Hypoteser handlar vanligtvis om enstaka och enkla samband. Verkligheten är komplex och innehåller många och komplicerade samband. Fysikens modeller söker en förståelse för vilka samband som har stor påverkan på en viss del av verkligheten och hur de hänger ihop. På så sätt formas de modeller som så enkelt som möjligt avbildar verkligheten så bra som möjligt. EXEMPEL

vå olika tunga stenar får falla en meter. T Vilken landar först? Hypotes Den tyngre stenen landar först. Experiment Släpp två olika tunga stenar från en meters höjd och se vilken som landar först. Resultat Två olika tunga stenar landar samtidigt. Resultatet bekräftar inte hypotesen. Ny hypotes Stenarna landar samtidigt, oavsett hur tunga de är. Experiment Släpp olika tunga stenar från en meters höjd och se vilken som landar först. Resultat Stenarna landar samtidigt, oavsett hur tunga de är. Resultatet bekräftar hypotesen och ger en ny teori: Tiden för en sten att falla en meter är inte beroende av dess tyngd. Fråga

Ställningstaganden i samhällsfrågor För att kunna ge ett välgrundat svar med hållbara argument på denna och många andra samhällsfrågor är kunskap i fysik helt avgörande. Genom att läsa fysik får du en bra grund till att kritiskt granska information och ta ställning i samhällsfrågor rörande bl.a. teknik, miljö och energi. Då beslut fattas är det ofta helt avgörande med faktisk kunskap för att kunna granska andras argument och för att formulera egna argument för det du tror på. Den kanske allra viktigaste, enskilda, frågan rör hur vi får en utveckling som tillfredsställer dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillfredsställa sina behov, d.v.s. hur vi få en hållbar utveckling.

” 5är°Cdetvarmare, så farligt egentligen?

1 K arak tär

Se t.ex. Our common future av United nations (1987). Kunskap i allmänhet, och ämnesspecifika kunskaper, i bl.a. fysik, i synnerhet, ökar radikalt möjligheten till välgrundade och kritiskt reflekterade ställningstaganden kring hållbar utveckling.

Fysik och etiska, filosofiska och religiösa frågor Fysik handlar alltså om hur vår värld är och hur den uppför sig. Det är dock viktigt att komma ihåg att detta är endast en av många aspekter på världen och våra liv i den.

■ Filosofi ställer frågor kring själva kunskapen, t.ex. ”Varför?” ■ Etik handlar om vad som är rätt och fel ■ Religion kan ses som en tro på en högre makt. Det finns inget i fysik som ställer frågan ”Varför?”. Fysik tar heller inte ställning till vad som är rätt eller fel. I och med att fysik handlar om hur världen fungerar innehåller den, per definition, ingen högre makt. Det kan därför te sig som att dessa aspekter är väsensskilda, men vid en närmare titt framkommer att finns stora överlapp.

■ Du kommer att få en inblick i till synes övernaturliga delar av vår värld,

delar som radikalt skiljer sig från de du är van vid. Fysik handlar bl.a. om hur ett föremål kan vara olika långt för två personer, att det som händer i framtiden kan påverka det som hände i det förflutna och att allt från början var samlat i en punkt. ■ Dina stundande kunskaper i fysik kan komma att förändra hur du tänker och agerar kring etiska frågor. ■ Det finns i dag, å ena sidan, mycket som tyder på att det mesta av den materia som existerar i dag, fanns även för 10 miljarder år sedan. Det finns, å andra sidan, inget som tyder på att materian existerade för 20 miljarder år sedan. För ca 15 miljarder år sedan skapades de partiklar som bygger upp all materia, vilket leder till en av de största frågorna: Varför finns det någonting i stället för ingenting? Universum har, än så länge, inte kunnat förklara sin egen existens.

Fysi k

Grunder

Detta är det enskilt viktigaste kapitlet i hela denna bok. Innehållet är mycket grundläggande och återkommer i alla senare kapitel. Om du inte lär dig detta kommer du att få svårigheter med resten av boken … Centrala nya begrepp i kapitlet är: STORHET

En, vanligtvis, mätbar egenskap. Exempel på storheter är massa och längd ENHET

En bestämd storlek på en storhet. Massa har enheten kilogram och längd har enheten meter EXPERIMENT

n undersökning av om, och i så fall hur, en storhet E påverkar en annan MATEMATIK

ur olika storheter påverkar varandra beskrivs H med hjälp av matematik MATEMATISK MODELL

En matematisk beskrivning av en liten del av verkligheten.

Storheter och enheter Inom fysik är det mycket vanligt med mätningar och beräkningar. Det du mäter eller beräknar kallas storhet och till storheten hör vanligtvis en enhet. Du kanske mäter hur lång tid något tar och får resultatet 7,2 sekunder. Storheten är då tid och enheten är sekunder. Det är meningslöst att ange tiden som 7,2. Enheten som hör till storheten är lika viktig som talet framför enheten. EXEMPEL

En mätning som du gjort gav resultatet 5 kg. Storheten du mätte är massa och enheten som hänger ihop med den är kg.

Alla enheter kan placeras i en av två grupper: grundenhet eller härledd enhet. En grundenhet står på egna ben, oberoende av andra enheter. För att underlätta har (nästan) alla enats om att använda samma grundenheter. Detta gemensamma enhetssystem fastlades 1960, heter SI-systemet (Système International d’Unités), innehåller 7 grundenheter och återfinns i tabell 2.1. Tabell 2.1 SI-systemet. Enhet

Beteckning

Storhet

meter

längd

kilogram

massa

sekund

tid

ampere

ström

kelvin

temperatur

candela

ljusstyrka

mol

substansmängd

Det finns dock många fler storheter än dessa, t.ex. area, hastighet och densitet. Det betyder att det behövs fler enheter. Dessa är så kallade härledda enheter och fås genom att kombinera grundenheterna på lämpliga sätt. Viktigt att komma ihåg är att använda SI-baserade enheter när du räknar.

2 Grunder

Jörgen Gustafsson är doktor i experimentell fysik och arbetar som universitetslektor i fysik vid Tekniska Högskolan i Jönköping. Han ansvarar för Tekniskt basår på distans och för kursen Fysik inom programmet vid JTH. Jörgen har tidigare ansvarat för och undervisat i fysik på basåret vid Högskolan i Kalmar (nuvarande Linnéuniversitetet) och vid Umeå Universitet. Jörgen har även skrivit den av Studentlitteratur utgivna övningsboken Fysik – Fysik 1 och Fysik 2 – Variationsövningar samt Fysik – Fysik 1 och Fysik 2 – Lösningsförslag.

Fysik Fysik 1 och Fysik 2 Fysik kan användas på gymnasiet, basår, Komvux och andra kurser på högskolenivå vars innehåll motsvarar Fysik 1 och Fysik 2. Till läroboken finns en separat bok med lösningsförslag till samtliga övningar samt ett digitalt material i form av en formelsamling och ett lärarmaterial med bokens figurer. Fysik innehåller många lösta exempel som stödjer utvecklandet av läsarens konceptuella förståelse och förmåga att lösa övningar på egen hand. Innehållet i denna andra upplaga av Fysik är delvis reviderat och utvidgat. Antalet övningsuppgifter är kraftigt utökat. På ett kärnfullt och lättillgängligt sätt presenteras gymnasieskolans kurser Fysik 1 och Fysik 2 i enlighet med GY2011. Huvudmålen för läroboken är två: att ge en tydlig och logisk presentation av grundläggande begrepp och principer inom fysik, samt att stärka förståelsen för de begreppen och principerna genom vardagsnära tillämpningar. Andra upplagan

Art.nr 37698

studentlitteratur.se