Övriga foton: Pronto/Bertil Karpsten; Shutterstock
Kopieringsförbud
Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Det är ett engångsmaterial och får därför, vid tillämpning av Bonus Copyright Access skolkopieringsavtal, överhuvudtaget inte kopieras för undervisningsändamål. Inte ens enstaka sida får kopieras, dock får enstaka fråga/övning kopieras för prov/skrivning. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access.
Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad.
Användning av detta verk för text- och datautvinningsändamål medges ej.
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.
Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.
Några milstolpar i fysikens och teknikens historia
200-t f KrArkimedes formulerar hävstångslagen samt sin berömda princip.
1903Bröderna Wright utför den första flygningen med ett bensinmotordrivet flygplan.
1904Elektroniken börjar sin utveckling när engelsmannen J A Fleming uppfinner vakuumdioden.
1905Einstein publicerar den s k speciella relativitetsteorin.
1911Ernest Rutherford upptäcker genom experiment att atomen har en kärna.
1913Den danske fysikern Niels Bohr framlägger sin berömda modell av väteatomen.
1919Rutherford utför den första konstgjorda kärnomvandlingen (kväve förvandlades till syre).
1925Regelbundna radiosändningar startar i Sverige.
1930Konstfibermaterialet nylon framställs för första gången i USA.
1932Neutronen upptäcks av engelsmannen Chadwick.
1936Världens första regelbundna TV-sändningar startas av BBC i England.
1939Tyskarna Hahn och Strassmann upptäcker att uranatomens kärna kan klyvas om den träffas av neutroner.
1942Italienaren Enrico Fermi, verksam i USA, leder uppbyggnaden av den första kärnreaktorn.
1943Kulspetspennan uppfinns av ungraren Ladislao.
1946Den första elektroniska datamaskinen ENIAC byggs i USA.
1948Amerikanerna Bardeen, Brattain och Shockley uppfinner transistorn.
1956Regelbundna TV-sändningar startar i Sverige.
1957Den första konstgjorda satelliten, Sputnik I, skjuts upp av Sovjet.
1961Ryssen Jurij Gagarin blir den första människan som gör en rymdfärd.
1969Den första månfärden företas av amerikanerna Armstrong, Aldrin och Collins i rymdfarkosten Apollo11.
Kommer du ihåg?
1.I vilka tre former kan materia förekomma?
För att svara på frågorna kan du ha nytta av de gula sidorna (sid 100–108). Du bör emellertid först försöka lösa uppgifterna utan den hjälpen.
45.Hur lång tid tar det för jorden att förflytta sig ett varv kring solen?
2.Vad är det för skillnad mellan ett grundämne och en kemisk förening?
3.Vilka två grundämnen finns det mest av i luften?
4.På vilka två sätt kan vatten övergå till ånga?
5.Vad menas med kondensation?
6.Vilken nackdel har ytspänningen vid rengöring?
7.Ange en formel för beräkning av densitet.
8.Vad menas med en legering? Nämn två viktiga legeringar.
9.Hur stor är jordens dragningskraft på ett 1kg?
10.Redogör för skillnaden mellan massa och tyngd.
11.Nämn andra namn för lodrätt och vågrätt.
12.Vad menas med tyngdpunkt?
13.Man skiljer mellan olika slag av jämvikt. Redogör för dessa.
14.Förklara vad som menas med en hävstångs vridningspunkt, hävarm respektive vridmoment.
15.Vad är skillnaden mellan en enarmad och en tvåarmad hävstång?
16.Nämn två sätt att minska friktionen.
17.Vad menas med en likformig rörelse?
18.Vad menas med acceleration och vad krävs för att ett föremål ska accelerera?
19.Vad kallas motsatsen till acceleration?
20.Ange en formel för beräkning av medelfart.
21.Redogör för tröghetslagen.
22.Vad menas med fritt fall?
23.Vad menas med tyngdacceleration?
24.Nämn ett annat namn för gnidningselektricitet. Vad händer om man gnider en plaststav med en ylleduk?
25.Man skiljer mellan positivt laddade föremål och negativt laddade. Redogör för vad som händer när sådana föremål kommer i närheten av varandra.
26.Vad är skillnaden mellan ett vanligt ficklampsbatteri och en ackumulator?
27.Nämn tre sätt att skydda sig mot elolyckor i hemmet.
28.Redogör för skillnaden mellan en ledare och en isolator. Ge exempel på ledare och isolatorer.
29.Ange en formel som kan användas för att beräkna tryck.
30.Vad menas med den hydrostatiska paradoxen?
31.Hur stort är vattentrycket 1meter under vattenytan?
32.Trycket i en vätska beror av två saker. Vilka?
33.Vad menas med kommunicerande kärl?
34.Redogör för Arkimedes princip.
35.Vad använder man inom meteorologin för att mäta lufttryck och vilket värde har normalt lufttryck?
36.Nämn två saker som gör att trycket i en instängd gas ökar.
37.Vad menas med protuberanser och solfläckar?
38.Räkna upp planeterna i ordning (från solen och utåt).
39.Berätta vad du vet om kometer.
40.Vad menas med meteorer och meteoriter?
41.Hur lång tid tar det för månen att fullborda ett varv kring jorden?
42.Berätta vad du vet om månens yta.
43.Vad orsakar månförmörkelse respektive solförmörkelse?
44.Hur lång tid tar det för jorden att rotera ett varv kring sin egen axel?
46.Redogör för energiprincipen.
47.Vad menas med mekaniskt arbete? Ange en formel för beräkning av mekaniskt arbete.
48.I vilken enhet anger man energi och mekaniskt arbete?
49.Vad menas med lägesenergi och rörelseenergi?
50.Vad menas med mekanikens gyllene regel?
51.Ange en formel för beräkning av effekt. I vilken enhet anges effekt?
52.Vad menas med verkningsgrad?
53.Vad händer med fasta ämnen när de värms upp?
Ge exempel på när man måste ta hänsyn till detta.
54.Vad händer med gaser när de värms upp?
Ge exempel på när man måste ta hänsyn till detta.
55.Vad menas med absoluta nollpunkten?
56.Nämn namnen på tre olika temperaturskalor.
57.Specifika värmekapaciteten för vatten är 4,7kJ per kg och grad. Vad betyder detta?
58.Vad menas med ångbildningsvärme?
59.Värme kan överföras på tre sätt. Vilka?
60.Vad menas med vindriktning?
61.Vad menas med fronter inom meteorologin?
62.Rita en figur som visar magnetfältet i och omkring en stavmagnet. Visa magnetfältets riktning med pilar.
63.Vad händer i och omkring en spole om det går ström genom den?
64.Vad består en elektromagnet av?
65.Nämn tre viktiga delar på en transformator.
66.Vilken uppgift har en transformator?
67.Ange en formel för beräkning av elektrisk effekt och energi och skriv vilka enheter effekt och energi anges i.
68.Ungefär hur stor är ljushastigheten i luft?
69.Rita figurer som visar ett parallellt, ett divergent och ett konvergent strålknippe.
70.Visa hur en stråle reflekteras om den infaller snett mot en plan spegel. Visa vad som menas med normal, infallsvinkel och reflektionsvinkel.
71.Visa hur parallella strålar reflekteras i en konkav respektive en konvex spegel.
72.Visa hur en ljusstråle bryts om den går från ett optiskt tunnare ämne till ett tätare. Rita normal, infallsvinkel och brytningsvinkel.
73.Visa hur parallella strålar bryts i en positiv respektive en negativ lins.
74.Vad består optiska fibrer av? Vad kan de användas till och vilka fördelar har de?
75.Berätta vad du vet om laserljus.
76.Beskriv vad som menas med en ljudvåg och ge exempel på hur den kan uppstå.
77.Redogör för ljudets fart i luft respektive vakuum.
78.Vad är det för skillnad mellan toner och buller?
79.Vad menas med frekvens (svängningstal)? Redogör för sambandet mellan frekvens och våglängd.
80.Vad menas med resonans? Ge exempel på resonans.
81.Redogör för vad som påverkar tonhöjden hos en sträng.
82.Hur uppstår ljudet i ett blåsinstrument?
Mekanik
Mekanik handlar bland annat om krafter och rörelser. Med hjälp av rörelselagar beräknar man medelfarter och accelerationer. Man tar reda på hur krafter kan samverka och vilken inverkan luftmotståndet har på föremål som rör sig med höga hastigheter.
För att göra en rymdfärd möjlig krävs ingående kunskap om mekanikens lagar.
Bilden ovan visar starten av en rymdfärja. Rymdfärjor används för att man ska kunna frakta ut större laster i rymden. En rymdfärja kan liknas vid ett flygplan med raketmotorer. På undersidan sitter en jättestor bränsletank som förser rymdfärjans raketmotorer med bränsle. På rymdfärjans sidor sitter två bärraketer som hjälper till att ge rymdfärjan extra lyftkraft vid starten. Efter en viss tid kopplas bärraketerna loss och faller med hjälp av fallskärmar ner i havet och tas tillvara.
Även den stora bränsletanken kopplas loss och faller mot jorden, när bränslet förbrukats.
Newton–pionjären
Den som stått för det verkliga pionjärarbetet som senare gjort rymdfärderna möjliga, är den engelske fysikern Sir Isaac Newton Redan år 1686 publicerade Newton sina teorier om varför månen och planeterna rör sig i bestämda banor.
Om Newton hade kommit till en rymdbas idag, skulle han ha blivit förvånad över hur snabbt dagens datorer utför komplicerade matematiska beräkningar. Han skulle säkert också känna stolthet över att de instruktioner som matas in i datorerna, bygger på de formler som han räknade fram för 300år sedan.
När en rymdfärja avslutar färden landar den som ett vanligt flygplan.
Krafter
För att ett föremål ska komma i rörelse behövs en kraft. Sedan föremålet kommit i rörelse, kan det inte ändra vare sig fart eller rörelseriktning av sig själv. Även för detta behövs en kraft. En kula som kommit i rullning på ett plant underlag, stannar så småningom därför att den påverkas av bromsande krafter. Krafterna uppstår på grund av luftmotståndet och friktionen mellan kulan och underlaget.
I figurer ritar man krafter som pilar. Ju större kraften är, desto längre ritas pilen. Man kan exempelvis låta 1cm motsvara kraften 1N. För att en kraft ska vara helt bestämd måste man också känna till kraftens angreppspunkt. Med angreppspunkt menar man den punkt på föremålet där kraften verkar. Ofta påverkas ett föremål av mer än en kraft. Även om krafterna är riktade åt olika håll, kan de alltid ersättas med en enda kraft. Denna kraft kallas resultant och har samma verkan som de andra tillsammans.
För att en kraft ska vara helt bestämd, måste man veta kraftens storlek, riktning och angreppspunkt
Med resultant menar man en kraft som kan ersätta två eller flera andra krafter.
För att en kraft ska vara helt bestämd, måste man veta kraftens storlek, riktning och angreppspunkt Med resultant menar man en kraft som kan ersätta två eller flera andra krafter.
Sammansättning av krafter
Figurerna till höger visar hur man kan bestämma resultanten till två krafter. När krafterna är riktade åt samma håll blir resultanten lika stor som summan av de båda krafterna.
När krafterna är riktade åt rakt motsatt håll, kan de ersättas med en kraft som är lika stor som differensen (skillnaden) mellan krafterna.
Krafter som bildar vinkel med varandra
Om krafterna bildar en viss vinkel med varandra kan vi inte direkt se hur stor resultanten blir. Vi kan då rita en så kallad kraftparallellogram.
• Först ritar vi två linjer (streckade i figuren), som är parallella med de båda krafterna.
Dessa linjer skär varandra i punkten D.
• Vi har nu en parallellogram med krafterna och de ritade linjerna som sidor.
• Resultanten till krafterna är lika stor som diagonalen OD i parallellogrammen.
Mäter vi diagonalen ser vi att resultanten till krafterna är cirka 7,3N.
Övning: Rita krafterna 5N och 3N på ett papper. Ta reda på hur stor resultanten blir om vinkeln mellan krafterna är 90°.
Uppdelning av krafter
I figuren till höger tänker vi oss att dragkraften i stången är 300N. Vagnen kommer emellertid inte att påverkas framåt med denna kraft. Dragkraften är ju riktad snett uppåt. Den kan emellertid delas upp i två krafter, nämligen en kraft som är riktad uppåt och en som verkar längs marken .
Det är bara den kraft som är riktad längs marken, som gör att vagnen dras framåt.
I detta fall blir den ’’effektiva’’ dragkraften cirka 260N. Kontrollera genom att mäta med linjal i figuren!
Resultanten = 5N+3N=8N (åt höger)
Resultanten = 5N–3N=2N (åt vänster)
Övning: Rita krafterna ovan i större skala på ett papper. Undersök hur den effektiva dragkraften beror av stångens lutning.
Reaktionskraft
Luften i exempelvis en fotboll eller tennisboll trycker på bollens hela insida med samma kraft i alla riktningar Även i en uppblåst ballong är trycket lika stort i alla riktningar. Därför kommer krafterna att ta ut varandra. I figuren nedan har vi nöjt oss med att rita ut fyra av alla de krafter som verkar på ballongens insida. Krafterna B och D är riktade åt rakt motsatt håll. Dessa båda krafter kommer därför att ta ut varandra. Man kan säga att kraften B är motkraft till kraften D
Här tar krafterna ut varandra.
Kraften B, reaktionskraften, driver fram ballongen.
Om vi släpper ballongen, pressar kraften D ut luften med stor hastighet. Kraften B blir då den kraft, den så kallade reaktionskraften, som driver fram ballongen.
Raketer och jetflygplan drivs också fram av reaktionskraften. När de heta förbränningsgaserna från motorn strömmar ut bakåt med stor hastighet, drivs farkosten framåt på samma sätt som ballongen ovan.
En jetmotor kan liknas vid ett rör, där luften tas in i rörets främre del. Inne i röret antänds bränslet, varvid det bildas heta förbränningsgaser. Dessa strömmar med stor hastighet ut genom rörets bakre del. Jetstrålen har en hastighet på mer än 2000km/h.
De vita streckformade "molnen" som ofta syns efter jetflygplan, är inte någon rök som strömmar ut från jetplanet. Det är helt enkelt kondenserad vattenånga. Liksom vanliga förbränningsmotorer i bussar, bilar och andra fordon, utnyttjar jetmotorerna syret som finns i luften för att förbränna bränslet. Raketmotorn får emellertid inte vara beroende av luftens syre. Raketen ska ju kunna färdas i rymden, där det inte finns någon atmosfär. Därför har raketen med sig tankar med flytande syre, som används vid förbränningen av bränslet.
Vattenspridaren–en jetmotor
Vattenspridaren i figuren till höger drar också nytta av reaktionskraften. När vattnet sprutar ut genom munstycket, uppstår en reaktionskraft som driver runt spridarens roterande del. Ju större trycket är i vattenslangen, desto större blir reaktionskraften och därmed farten på spridaren.
När man skjuter med vapen som pistoler, gevär och kanoner, märker man tydligt att vapnet kastas bakåt då det avfyras. Även detta beror på reaktionskraften. Vapnets rörelse bakåt brukar kallas rekyl
Luft in
Bränsle in
Bränsle in
Sammansatt rörelse
Inom fysiken betyder orden "fart" och "hastighet" inte riktigt samma sak. Med ett föremåls fart menar man helt enkelt hur fort föremålet rör sig. När man talar om föremålets hastighet tar man dessutom hänsyn till i vilken riktning föremålet rör sig. I figurer ritar man hastigheter som pilar. Pilens riktning visar åt vilket håll föremålet rör sig och pilens längd visar farten.
Personen som ror i figuren nedan har satt kurs mot bryggan på andra sidan floden. Utan att vända sig om ror han hela tiden med farten 1m/s. Strömmen i vattnet för emellertid samtidigt båten åt höger med farten 2m/s. Båten hamnar därför inte vid bryggan. Vi har här exempel på en sammansatt rörelse
Båtens och flodens hastigheter ritas som pilar. Båtens sammansatta rörelse får man genom att rita en parallellogram med pilarna som sidor.
Diagonalen i parallellogrammen visar den verkliga rörelseriktningen och farten.
Relativ rörelse
Vi tänker oss att du sitter på ett tåg som står stilla på en station. På spåret bredvid står ett annat tåg. Om du tittar ut genom fönstret när detta tåg sätter sig i rörelse, kanske du tror att det är ditt tåg som rör sig. Exemplet visar att man kan uppfatta en rörelse på olika sätt, beroende på vad man jämför med.
Med relativ fart menar man den fart som två föremål rör sig med i förhållande till varandra.
I figuren nedan rör sig den gula bilen med 100km/h och den gröna bilen åt samma håll med 70km/h. Bilarna rör sig med dessa farter i förhållande till vägbanan . Vi kan också säga att den gula bilen rör sig med farten 30km/h i förhållande till den gröna bilen. Den blå bilen rör sig åt motsatt håll med farten 90km/h. Den relativa farten i förhållande till den gula bilen är därför 190km/h.
Hur stor är den relativa farten hos den blå bilen i förhållande till den gröna bilen?
Likformig och olikformig rörelse
En bil som kör med samma fart hela tiden på en alldeles rak motorväg sägs ha likformig rörelse. Om bilen accelererar (ökar farten) eller retarderar (minskar farten), är rörelsen inte längre likformig. Rörelsen kallas då olikformig. Även när bilen ändrar rörelseriktning blir rörelsen olikformig.
I verkligheten har en bil bara likformig rörelse under mycket korta sträckor. Även om farten har ändrats under färden, kan man beräkna medelfarten
Sträckan
Medelfarten= Tiden
Gravitation
Mellan alla föremål finns en dragningskraft som kallas gravitation. Ju större massa två föremål har, desto större är gravitationskraften mellan dem. Mellan himlakropparna i universum finns stora gravitationskrafter. Månen hålls kvar i sin bana runt jorden på grund av gravitationskraften. Även mellan två föremål på jorden, hur liten massa de än har, finns en gravitationskraft. Lägger vi exempelvis två kulor på ett bord dras de mot varandra. Kulorna rör sig emellertid inte eftersom gravitationskraften mellan dem är så liten.
Gravitationskraften mellan två föremål blir mindre ju längre från varandra de är. Därför blir gravitationskraften mellan en raket och jorden mindre, ju längre ut i rymden raketen kommer. Gravitationen är anledningen till att föremål har tyngd. Det vi menar med tyngd är helt enkelt den dragningskraft som finns mellan föremålet och jorden.
Acceleration vid fritt fall
Redan på 1600-talet gjorde den italienske vetenskapsmannen Galileo Galilei experiment som visade att ett föremål som får falla fritt, d.v.s. som inte bromsas av luftmotståndet, hela tiden ökar sin fart.
Den svarta kulan i figuren till höger släpps från toppen av byggnaden. Luftmotståndet är så litet att vi bortser från den bromsande kraft det har på kulan.
När kulan fallit under 1sekund har den fått farten 10m/s.
Efter 2sekunder har farten ökat till 20m/s. Under den andra sekunden har således kulan ökat sin fart med 10m/s.
Som du ser i figuren ökar farten lika mycket hela tiden, nämligen med 10m/s under varje sekund som fallet varar.
Med acceleration menar man fartökning per sekund.
Kulans acceleration har alltså varit 10m/s per sekund. Detta skrivs 10m/s2 och utläses: "10meter per sekundkvadrat"
Falltid
0m/s0s
10m/s1s
20m/s2s
30m/s3s
40m/s4s
50m/s5s Fart
Alla föremål som faller fritt nära jordytan får samma acceleration. Att kulan i exemplet ovan accelererar beror på tyngdkraften. Därför kallas denna acceleration för tyngdacceleration
Tyngdaccelerationen varierar något beroende på var på jordklotet man befinner sig. Ett ungefärligt värde är 9,81m/s2, vilket ofta avrundas till 10m/s2. Tyngdaccelerationen brukar betecknas med bokstaven g.
Kaströrelse
Om vi skjuter en gevärskula rakt upp i luften, minskar kulans fart undan för undan. Så småningom vänder kulan och börjar falla mot marken med en accelererad rörelse. Även om vi skjuter kulan snett uppåt, vänder den efter ett ögonblick och faller mot marken. Men i detta fall rör sig kulan samtidigt parallellt med marken. En sådan rörelse kallas kaströrelse och är sammansatt av en lodrät rörelse och en vågrät rörelse.
Den svarta och den röda kulan i figuren ovan är lika stora och väger lika mycket. Vi tänker oss att vi kastar den röda kulan rakt ut åt höger samtidigt som vi släpper den svarta kulan rakt ned. Precis som tidigare faller den svarta kulan med en accelererad rörelse och når marken efter 5sekunder.
Den röda kulan rör sig emellertid både åt höger och rakt ned. Kulan rör sig i en böjd bana, som kallas kastparabel. Om vi bortser från luftmotståndet, fortsätter kulan åt höger med samma fart hela tiden. Den lodräta rörelsen är däremot accelererad. Den röda kulan faller mot marken med samma acceleration som den svarta kulan. Den vågräta och lodräta rörelsen pågår samtidigt och helt oberoende av varandra. Därför når båda kulorna marken samtidigt, d.v.s. efter 5sekunder.
Kaströrelsen är sammansatt av en vågrät likformig rörelse och en lodrät accelererad rörelse.
Centralrörelse
Enligt tröghetslagen behövs det en kraft för att ändra ett föremåls fart eller rörelseriktning. Kulan i figuren till höger rör sig i en cirkelformad bana. För att hålla kvar kulan i denna bana behövs en kraft, som hela tiden tvingar in kulan mot centrum. Denna kraft kallas centripetalkraft. Ordet betyder en kraft som är riktad in mot centrum
Ju större massa kulan har, och ju fortare den svängs runt, desto större måste centripetalkraften vara för att hålla kvar kulan i en cirkelformad bana. Släggkastaren måste då dra med större kraft i linan.
Om släggkastaren släpper linan, påverkas inte kulan längre av någon centripetalkraft. Kulan kommer då att fortsätta i den riktning som den har då den släpps Om kulan släpps i punkten A kommer den att fortsätta i den riktning som den blå pilen visar.
Med centralrörelse menar man en rörelse som sker kring en punkt i centrum. Kulans cirkelformade bana är alltså exempel på en centralrörelse. Månens färd kring jorden är ett annat exempel på centralrörelse. Här är det dragningskraften mellan jorden och månen som orsakar centripetalkraften.
Tvättcentrifug
När man centrifugerar tvätt, lägger man de våta kläderna i en trumma. När trumman roterar med stor hastighet, kastas plaggen mot trummans väggar. De påverkas då av en centripetalkraft genom att väggarna håller dem kvar så att de följer med i rotationen.
Vattendropparna i plaggen påverkas däremot inte av någon centripetalkraft, eftersom de kan tränga ut genom de små hålen i trummans väggar.
Namnet centrifug kommer från ordet centrifugalkraft, en kraft som flyr centrum. Centrifugalkraften beskrivs ofta som en tänkt kraft, som håller ’’jämvikt’’ med centripetalkraften.
En bil som kör i en kurva hålls kvar på vägbanan tack vare friktionen. Friktionen ger här en inåtriktad kraft, d.v.s. en centripetalkraft, så att bilen inte fortsätter rakt fram i kurvan.
För att fordonen lättare ska hålla sig kvar på vägbanan i skarpa kurvor, är vägbanan ofta doserad. Detta innebär att vägen lutar in mot kurvbanans centrum. Ju större hastighet man har, desto viktigare är det att kurvan är rätt doserad.
En slalomåkare rör sig nedför backen längs en kurvig bana. Varje sväng är en centralrörelse. Centripetalkraften uppstår genom snöns tryck mot skidorna då de vrids och lutas så att de skär ner i snön.
Centripetalkraften håller kvar bilen i kurvan.
Raketbanor
För att skjuta ut farkoster i rymden använder man så kallade flerstegsraketer. I exempelvis en trestegsraket har den första raketen, det första steget, till uppgift att lyfta både rymdkapseln och de andra raketerna upp genom atmosfären. När bränslet i den första raketen är slut, tänds det andra steget och den förbrukade raketen lösgörs och får falla mot jorden och hamna i havet. För varje nytt steg som tänds förs rymdfarkosten högre upp och får allt högre fart.
När en raket startar från jorden har den två krafter att övervinna. Den ena är gravitationskraften, d.v.s. dragningskraften mellan raketen och jorden. Den andra kraften är luftmotståndet. Vid de höga farter som raketen får, blir luftmotståndet en mycket starkt bromsande kraft. När raketen sedan kommer ut i den lufttomma rymden, finns emellertid inte något luftmotstånd. Det behövs därför inte någon dragkraft från motorn. Raketen fortsätter färden på grund av sin egen tröghet.
För att en raket ska stanna kvar i en cirkelbana kring jorden, måste den minst ha farten 7,9km/s. Om farten är lägre faller raketen tillbaka mot jorden. Om farten är större än 11,2km/s fortsätter raketen i en bana ut i rymden.
Till höger passerar en raket punkten A under sin färd kring jorden. Vi tänker oss först att raketen inte påverkas av någon kraft. På grund av trögheten skulle den då fortsätta i den rörelseriktning den har för ögonblicket, d.v.s. som den blå pilen visar. I verkligheten påverkas raketen av jordens dragningskraft så att raketen rör sig in mot jorden. Man kan säga att raketen hela tiden ’’faller’’ mot jorden som den röda pilen visar. Resultatet av de båda rörelserna (den röda och den blå pilen) blir att raketen rör sig i en cirkelbana.
En astronaut ombord på en farkost, som rör sig i en kretsbana kring jorden, känner inte sin egen tyngd. Eftersom astronauten hela tiden faller mot jorden tillsammans med farkosten och faller lika fort som farkosten, känner han inget tryck från golvet. Man säger därför att astronauten är tyngdlös.
Satelliter
Runt jorden kretsar många olika slags satelliter. De kretsar på olika höjd beroende på vad de används till. Kommunikationssatelliter kallas de satelliter som bland annat används för att överföra TV-program och telefonsamtal. Det är kommunikationssatelliterna som gjort det möjligt att direktsända TV-program över hela världen. Från en markstation sänds radiosignaler till satelliten. Denna sänder signalerna vidare till en markstation på någon annan plats på jordklotet. En enda satellit kan samtidigt överföra många tusen telefonsamtal och ett stort antal TVprogram.
För att slippa rörliga antenner på markstationerna måste satelliten hela tiden befinna sig på samma plats på himlen från jorden sett. Detta innebär att satelliten ska följa jordens rotation. Den ska därför kretsa runt jorden ovanför ekvatorn och hinna ett varv på 24timmar.
Vädersatelliterna tar bilder av jordens molntäcke. Bilderna sänds med radiosignaler till jorden. Här används bilderna för att ge mera omfattande och säkrare väderprognoser.
Kommunikations-satellit
Från fotosatelliter kan man ta foton både med vanlig kamera och med värmekamera. Bilder tagna med värmekamera kan bland annat bidra till upptäckten av nya oljekällor och mineralförekomster. Även miljöskador kan ibland upptäckas med hjälp av fotosatelliterna.
Människan tar steget ut i rymden
Den första människa som färdades i en satellit var ryssen Jurij Gagarin. Han sändes upp den 12april 1961 och flög ett varv runt jorden på 1tim och 48min. Redan i början av 1960-talet inriktade man sig i USA på att kunna landsätta en människa på månen. Man lyckades med bedriften i ett projekt som kallades Apollo11. Den 21juli 1969 landade astronauterna Neil Armstrong och Edwin Aldrin med sin månlandare ’’Örnen’’ på månen. Uppskjutningen skedde med hjälp av en cirka 100m hög trestegsraket som hette SaturnV.
Bilden ovan visar månlandaren Örnen när den ska docka med manöverdelen. I bakgrunden skymtar jorden som endast delvis belyses av solen, d.v.s. det råder "halvjord".
1.Start från Cape Kennedy, den 16juli 1969.
2.Första raketsteget lösgöres och faller ner i havet.
3.Andra raketsteget lösgöres.
4.Tredje steget lösgöres medan resten av farkosten fortsätter mot månen.
5.Farkosten går in i en bana runt månen.
6.Månlandaren med Armstrong och Aldrin börjar nedstigningen mot månens yta. En rymdkapsel med en astronaut stannar kvar i omloppsbanan.
7.Månlandaren landar på månen. Sedan astronauterna fullgjort sina uppgifter på månen lyfter månlandaren och kopplas samman med rymdkapseln, som styrs av Collins.
8.Rymdkapseln med alla tre astronauterna lösgör sig från månlandaren och sätter kurs mot jorden.
9.Rymdkapseln går in i jordatmosfären.
10.Rymdkapseln landar med hjälp av fallskärmar i Stilla Havet den 24juli 1969.
Sammanfattning
För att ett föremål ska ändra fart eller rörelseriktning behövs en kraft.
För att en kraft ska vara helt bestämd, måste man veta kraftens storlek, riktning och angreppspunkt .
Med resultant menar man en kraft som kan ersätta två eller flera andra krafter.
Resultanten till två krafter som bildar vinkel med varandra kan bestämmas med en kraftparallellogram.
Den kraft som håller kvar ett föremål i en centralrörelse kallas centripetalkraft.
Centripetalkraften är riktad inåt mot rörelsebanans centrum.
Med relativ fart menar man den fart som två föremål rör sig med i förhållande till varandra. Mellan alla föremål finns en dragningskraft som kallas gravitation
Med acceleration menas fartökning per sekund. Kaströrelsen består av en vågrät och en lodrät rörelse. Rörelsebanan kallas kastparabel
1. Tejpa fast ett pappersark (A4) på bordet. Koppla ihop tre dynamometrar med snören och håll dem på papperet. Dra samtidigt i alla tre dynamometrarna.
Dra inte för hårt, men så pass hårt att dynamometrarna gör tydliga utslag.
Håll dynamometrarna alldeles stilla och gör markeringar på papperet längs varje snöre samt i punkten O
Anteckna dynamometrarnas utslag.
2. Börja i punkten O och rita tre kraftpilar längs de markeringar du gjort.
Vilken skala du ska använda beror på dynamometrarnas mätområden.
3. Rita en kraftparallellogram med krafterna B och C som sidor.
Bestäm resultanten genom att mäta pilen D med linjal.
Pilen D har längden: Detta motsvarar kraften: N
Jämför värdet med det värde dynamometer A visade och diskutera i klassen vilka felkällor det finns i försöket.
Slutsats:
Om du hinner: Gör om försöket några gånger. Dra med olika kraft och riktning i dynamometrarna varje gång.
Så här kan resultanten till två krafter bestämmas
Resultanten till två krafter som bildar en viss vinkel med varandra kan konstrueras som visas på sid5. Man ritar en så kallad kraftparallellogram.
Nedan ser du ett annat sätt att ta reda på resultanten.
Vi ska bestämma resultanten till krafterna ovan.
Lös följande uppgifter:
Parallellförflytta kraften 4N så att den börjar där kraften 3N slutar.
Resultanten får du som ovan. Pilens längd anger kraftens storlek.
1.Hur stor är resultanten till krafterna 7N och 8N om de bildar rät vinkel med varandra?
2.Kraften 8N är riktad rakt åt höger. Kraften 6N är riktad snett upp åt höger. Vinkeln mellan krafterna är 60°. Hur stor är resultanten till de båda krafterna?
L02.Elevförsök Ballongdriven vagn
Materiel:Vagn, lutande plan med axel och trissa, våg, tumstock eller meterstav, sytråd, ballong, träklots (15mm hög), plastslang som passar till ballongen, tejp, gummiband.
Du ska nu använda en ballong som ’’raketmotor’’.
1.Trä ballongen över plastslangen och täta med ett gummiband.
Tejpa fast slangen och ballongen på en vagn enligt fig1.
2.Blås upp ballongen och håll för slangens mynning med fingret. Ställ vagnen på golvet och ta bort fingret.
Vad kallas den kraft som driver fram vagnen?
Ge exempel på någon praktisk användning av denna kraft:
3.Lägg en träklots under ett lutande plan.
Blås upp ballongen och ställ vagnen på planet som i fig2.
4.Ändra planets lutning så att vagnen står helt stilla
Hur stor är ’’motorns’’ dragkraft?
Du ska nu ta reda på hur stor dragkraft motorn måste ha för att hålla vagnen stilla på planet
5.Fäst en sytråd i vagnen och lägg tråden över en trissa.
Tejpa fast ett pappersark i trådens andra ände.
Klipp bort papper eller tejpa fast mer papper så att vagnen står helt stilla.
6.Väg pappersarket.
Pappersarkets massa är ......................... g
Pappersarkets tyngd är: N
För att hålla kvar vagnen helt stilla behövdes alltså: N
Motorns dragkraft : N
Om du hinner:
Hur stort arbete utför motorn?
Blås upp ballongen.
Om du ställer vagnen på golvet kommer ballongen att driva fram vagnen en viss sträcka innan den stannar. Man säger att din "motor" då har uträttat ett visst mekaniskt arbete.
Ett mekaniskt arbete uträttas om en kraft påverkar ett föremål så att det förflyttas i kraftens riktning. Mekaniskt arbete mäts liksom energi i joule eller newtonmeter
Skriv formeln för beräkning av mekaniskt arbete? (Läs på sid 104 om du glömt formeln)
Hur stort arbete har motorn uträttat när vagnen stannat?
Fig3
Fig2
Fig1
L03.Elevförsök Sammansatt rörelse
Materiel:Pappersark (A4), linjal, tejp.
1.Tejpa fast pappersarket på bordet.
Lägg en linjal och ett radergummi på papperet som i figuren. Rita en markering på papperet där radergummit ligger.
2.För sedan linjalen med jämn fart över papperet.
Samtidigt ska du eller en kamrat föra radergummit med jämn fart längs linjalen.
3.Sätt ett ✕✕ ✕ som visar radergummits läge när det kommit till andra änden av papperet.
4.a.Utgå från den första markeringen och rita en pil som visar hur linjalen rörde sig längs papperet.
b.Rita en annan pil som visar hur radergummit skulle ha rört sig om linjalen hållits stilla hela tiden.
c.Rita sedan en pil som visar radergummits verkliga väg över papperet.
Gör om försöket ett par gånger.
Om du hinner:
Byt ut radergummit mot en penna. Förs pennan längs linjalen som tidigare, ritar den en linje som visar pennans verkliga rörelse. Försök att få en så rät linje som möjligt.
L04.Elevförsök Vilken bro kan bära mest?
Materiel:2 klotsar, några pappersark (A4), olika vikter.
Du ska nu använda din fantasi och konstruera olika ’’broar’’. Varje bro ska byggas av ett pappersark.
Lägg bron mellan två klotsar. Avståndet mellan klotsarna ska vara cirka 20cm.
Pröva olika sätt så att du får en så stark konstruktion som möjligt.
Belasta dina olika broar med vikter.
Rita figurer som visar hur du vikt papperet och skriv hur mycket de olika broarna kan bära.
Tempografen är en apparat som används för tidmätning.
När tempografen slås på, börjar den omedelbart att markera punkter på en pappersremsa som dras genom apparaten.
1.Fäst tempografen i ett stativ på bordet så att den kommer på ungefär 1,5m höjd över golvet.
Anslut tempografen till uttaget 6,3V växelspänning. Vänta med att slå till strömmen!
2.Trä en cirka 2m lång pappersremsa genom tempografen. Håll kvar pappersremsan med handen.
3.Fäst en fallvikt i pappersremsan som i figuren. Lägg en bit skumplast eller gummimatta på golvet under fallvikten.
4Dra upp pappersremsan så att fallvikten är intill tempografen.
a.Starta tempografen.
b.Släpp pappersremsan.
c.Slå ifrån tempografen då fallvikten nått golvet.
När tempografen stannat kommer din pappersremsa att se ut ungefär så här:
Tempografen är konstruerad så att det förflyter 0,01s mellan varje markering.
Mellan 1:a och3:e markeringen har det således gått2 . 0,01s= 0,02s.
Mellan 1:a och4:e ’’ ’’’’’’’’3 . 0,01s= 0,03s.
Den tid som gått mellan den 1:a och 51:a markeringen kallar vi t t = s
Avståndet mellan den 1:a och 51:a markeringen kallar vi s s = m (2 decimaler)
Den sträcka som vikten fallit kan beräknas med formeln:
Formeln kan också skrivas:
s =sträckan (i meter) som vikten fallit.
a =accelerationen i m/s2.
t =tiden (i sekunder) som fallet varar.
Använd värdena som du fick på s och t och beräkna viktens acceleration. Resultat:
Om du hinner:
Den acceleration som ett föremål får då det faller fritt, kallas tyngdacceleration Jämför det värde du fick på tyngdaccelerationen med värdet som anges i texten på sid8. Vad kan anledningen vara om ditt resultat avviker från det rätta värdet?
pappersremsa
– massa – acceleration
Materiel:Vagn, våg, stark sytråd, tidtagarur, olika vikter.
1.Väg vagnen och skriv värdet i tabell 1.
Knyt en ögla i vardera änden av en cirka 1m lång sytråd.
Fäst den ena änden av sytråden i vagnen och placera vagnen på bordet. Gör en markering som visar vagnens startplats.
2.Belasta snörets andra ände med vikter.
Börja med en 20g-vikt.
Häng på så många vikter att vagnen börjar röra sig långsamt fram över bordet.
3.Mät den tid det tar för vagnen att förflytta sig fram till boken. För in tiden i tabell1.
4.Öka sedan dragkraften genom atthänga på ytterligare en vikt i sytråden.
Mät på nytt tiden det tar för vagnen att förflytta sig en lika lång sträcka som tidigare.
Upprepa försöket med olika dragvikter och för in resultaten i tabell1.
Då vagnen rullar utmed planet ökar den hela tiden sin fart. Vad kallas rörelsen? ...............................................................
Studera dina mätresultat. Vilken slutsats kan du dra?
Belasta vagnen med 3st 100g-vikter.
Häng sedan olika dragvikter i sytråden och mät tiderna som förut.
För in resultaten i tabell2
vagnens + lastens massa dragvikternas massadragkrafttid
Studera dina mätresultat. Vilken slutsats kan du dra om du jämför med resultatet i tabell1?
Tabell1
Tabell2
Studieuppgifter
Samtliga uträkningar ska visas och enheterna anges.
1.Vilka tre egenskaper hos en kraft måste man känna till för att kunna beskriva vilken verkan kraften har?
2.Vad menas med resultant?..................................................................................................... ..............................................................................................................................................................................................
3.Hur stor kraft fordras för att lyfta en person som väger 80kg?.............................................................
4.Ted lyfter ett föremål som har tyngden 300N med vänster hand. Med den andra handen lyfter han ett annat föremål som har tyngden 250N.
Hur stor massa har de båda föremålen tillsammans?.......................................................................................................
5.Ange storlek och riktning på resultanten till krafterna nedan.
6.Bestäm med hjälp av kraftparallellogram resultanten till krafterna nedan.
a)resultanten=...............................
b)resultanten=................................
7.En kraft på 15N är riktad rakt uppåt. En annan kraft på 20N är riktad rakt nedåt. De båda krafterna har samma angreppspunkt. Hur stor är resultanten och åt vilket håll är den riktad? ........................................................................................................................................................................................
8. Hur stora är krafterna F1 och F2 i figuren om resultanten är 25 N?
F1 =
F2 =..........................
9. En bil kör med farten 60km/h. En motorcyklist som håller farten 100km/h gör en omkörning.
a) Hur stor är motorcyklistens relativa fart framåt i förhållande till bilen?
b) Hur stor är bilens relativa fart bakåt i förhållande till motorcykeln?.........................................................
10.En båt färdas med farten 5m/s över en flod.
a)Hur lång tid tar överfarten om floden är 150m bred?..................................................................................................
b) Vi tänker oss att vattnet i floden strömmar åt öster med farten 2m/s. Båten styr norrut över floden med farten 5 m/s. Hur lång tid tar det innan båten når stranden?
c) Hur kom du fram till det svaret?...............................................................................................
d) Rita pilar som visar båtens och strömmens fart. Konstruera sedan båtens fart och rörelseriktning med hjälp av en parallellogram. Hur stor blir båtens verkliga fart?
11. Skriv upp formeln för beräkning av medelfart:..............................................................
12.En cyklist körde sträckan 40km på 4timmar. Vilken medelfart hade han?......................................................
13. Ett tåg kör mellan två stationer med en medelfart av 110km/h. Hur långt är det mellan stationerna om färden tar 2 timmar?
14. En mopedist kör med farten 27km/h.
a) Hur stor är farten i m/s?......................................................................................................
b) Hur långt hinner mopedisten på 1minut?.....................................................................................................................
15. Hur stor medelfart har en bil som färdas sträckan 4mil på 30minuter? (Svara i km/h).
16. Vad menas med likformig rörelse? .....................................................................................................................................
17.a)Vad menas med acceleration?...............................................................................................
b)I vilken enhet anges acceleration?.....................................................................
18.Vilket ungefärligt värde har tyngdaccelerationen?..........................................
19. Vilka rörelser är en kaströrelse sammansatt av?................................................................................
Studieuppgifter
20.Vad kallas den kraft som håller kvar månen i sin bana?......................................................................
21.Figuren visar en kula som är fäst vid ett snöre. Kulan slungas runt med konstant fart.
a)Vad kallas den rörelse kulan beskriver?
b)Vad kallas den kraft som håller kvar kulan i banan?
Rita en kraftpil som visar denna kraft.
c)Rita en pil som visar i vilken riktning kulan fortsätter om snöret släpps när kulan passerar punkten P
22.För att en raket ska stanna kvar i en cirkelbana kring jorden måste den minst ha farten 7,9km/s.
a)Vad händer med raketen om farten är mindre?..................................................................................
b)Vad händer om raketens fart är större än 11,2km/h?...........................................................................
23. För att slippa rörliga antenner på jorden måste en kommunikationssatellit befinna sig på samma plats på himlen från jorden sett. Hur kan man åstadkomma detta?
24. Diagrammet nedan visar hur en bils fart har ändrats under en färd som pågått under 4minuter. Under vissa delsträckor har bilens fart varit konstant. Under andra delsträckor har bilen antingen accelererat eller retarderat.
a) Hur har bilens rörelse varitmellan A och B? ..............................................................................................
Hur har bilens rörelse varit mellan B och C? ...................................................................................
Hur har bilens rörelse varit mellan C och D? ...................................................................................
Hur har bilens rörelse varitmellan D och E? ...................................................................................
b) Hur stor var bilens medelfart under 2:a minuten?..............................................................................
c) Hur stor var bilens medelfart under 3:e minuten?..............................................................................
25.Diagrammet visar hur stor fart ett fritt fallande föremål har efter en viss tid.
j) Hur stor har accelerationen varit?................................
s fart, m/s
Den sträcka som ett föremål förflyttar sig på en viss tid, då man vet hur stor accelerationen är, beräknas med formeln:
Föremålets fart efter en viss tid beräknas med formeln:
Exempel1:Hur långt hinner en motorcykel under de första 6sekunderna från starten om accelerationen är 7m/s2?
Lösning:
s= sträckan i m a= accelerationen i m/s2 t = tiden i s v=farten i m/s a · t2 2 v=a . t s = Svar:126m s = 7 62 2 7 36 2 s=126
s = Avsnittet nedan är att betrakta som fördjupning 0 123456 10 20 30 40 50
Exempel 2: Hur stor fart får en bil efter 10s om accelerationen är 2m/s2?
Lösning:v=2 . 10v=20Svar:20m/s (=72km/h)
26. Vi utgår ifrån att en bil startar från stillastående och att accelerationen är konstant. Hur långt hinner bilen på 10 sekunder om accelerationen är 3 m/s2 ?
27. En bilist accelererade från stillastående. Efter 10 sekunder hade bilen kört 100meter. Vilken acceleration hade bilen?
28. Hur stor fart har en motorcyklist efter 5 sekunder om han startar från stillastående och accelerationen är 1,5m/s2 ? (Svara i m/s).
29. En kula släpps från ett högt hus. Beräkna hur lång sträcka kulan har fallit efter 6sekunder (Bortse från luftmotståndet och använd ett avrundat värde på tyngdaccelerationen):
30.a) En kula kastas med farten 5m/s vågrätt rakt ut från Eiffeltornet (320m högt). Beräkna hur lång tid det tar innan kulan når marken om vi bortser från luftmotståndet. Använd ett avrundat värde på tyngdaccelerationen.
b) Hur långt från Eiffeltornet hamnar kulan?.....................................................................................................................
31. Vi tänker oss att vi står uppe på taket på en 80meter hög byggnad. Vi har med oss en kula som vi kastar rakt ut , parallellt med marken.
Kulans hastighet i vågrät riktning är 10 m/s. Tabell1 visar hur lång sträcka kulan hinner på en viss tid. Kulan faller hela tiden mot marken. Hur lång sträcka kulan faller på en viss tid framgår av tabell2. Pricka in tabellvärdena för kulans vågräta sträcka och fallsträckan i diagrammet. Förbind sedan punkterna så att du får en jämn kurva. Som hjälp har vi prickat in värdena för tiden 2sekunder.
Vågrät rörelse
tidsträcka sm 00 110 220 330 440
Lodrät rörelse
tidsträcka sm 00 15 220 345 480
tabell2. tabell1
Vad kallas den bana kulan rört sig i?
Kraftekvationen
vågrät sträcka, m
Avsnittet nedan är att betrakta som fördjupning
Det finns ett viktigt samband mellan kraft, massa och acceleration som brukar kallas för kraftekvationen
Kraftekvationen:F=m . a F =kraften i N m =massan i kg a =accelerationen i m/s2
Exempel:Hur stor kraft behövs för att en mopedist ska få accelerationen 2m/s2 om moped och förare tillsammans har massan 90kg?
Lösning:F = ? Nm=90kga=2m/s2 F =90 . 2F=180Svar:Det behövs en kraft på 180N.
32.Beräkna hur stor kraft som behövs för att ge accelerationen 3m/s2 åt en bil som väger 1ton.
33. En bil väger 800kg. Motorns effektiva dragkraft är 1600N. Hur stor acceleration kan bilen få?
34. Ett föremål får accelerationen 5m/s2 då dragkraften är 800N. Hur stor massa har föremålet?
35.Hur stor kraft behövs för att ett föremål med massan 0,5kg ska få accelerationen 1,5m/s2 ?
36. En personbil väger 1ton. Den ökar sin fart från 10m/s till 14m/s. Fartökningen pågår under 2sekunder och är lika stor hela tiden. Beräkna den kraft som behövs för fartökningen.
Fysik 1
Materia
Krafter
Tid och rörelse
Ellärans grunder
Tryck
Solen och planeterna
Kemi 1
Ämnena omkring oss
Kemiska reaktioner
Syror och baser
Salter
Fysik 2
Arbete-Energi-Effekt
Värmelära
Meteorologi
Ellära-Magnetism
Optik
Akustik
Fysik 3
Mekanik
Elektronik
Atom- och kärnfysik
Astronomi
Energikällor
Kemi 2
Kolföreningar
Alkoholer-SyrorEstrar
Vardagens kemi
Några viktiga material
Lärarhandledningarna
Kemi 3
Eld och brand
Kemiska bindningar
Elektrokemi
Från malm till metall
Vår livsmiljö
Analys och beräkningar
I lärarhandledningarna finns kommentarer till laborationerna i faktaboken samt förslag till ytterligare elevförsök/lärardemonstrationer.
Lärarhandledningarna innehåller dessutom förslag till provuppgifter.
