Conny Welén
Åk 7–9
Conny Welén
Åk 7–9
Sanoma Utbildning
Sanoma Utbildning P OSTADRES S : Box 38013, 100 64 Stockholm B ESÖKSADRES S : Rosenlundsgatan 54, Stockholm H EM SIDA : www.sanomautbildning.se E - P OST: info@sanomautbildning.se Order/Läromedelsinformation TELEFON : 08-587 642 10 FÖRFAT TARE : Conny Welén, Per Andersson, Pernilla Andersson REDAK TÖRER : Anna Gustrin, Jessica Hagström, Thomas Aidehag B ILDREDAK TÖRER : Anna Gustrin, Jessica Hagström G R AFIS K FORM : Kajsa Isenberg, Lena Eklund, Jens Magnusson L AYOUT:
Lena Eklund
OM S L AG : Kajsa Isenberg, Lena Eklund, Jens Magnusson ILLUSTR ATIONER : Jens Magnusson, Typoform, Anders Wikberg
Fysik Direkt ISBN 978-91-523-5905-1 © 2022 Författarna och Sanoma Utbildning AB, Stockholm Fjärde upplagan Första tryckningen TRYC K :
Neografia, Slovakien 2022
Kopieringsförbud! Detta verk är skyddat av lagen om upphovsrätt. Kopiering utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt Bonus Copyright Access, är förbjuden. Sådant avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner/universitet. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnares huvudman eller Bonus Copyright Access. 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/rättsinnehavare.
Till läsaren
Välkommen
till din nya bok i fysik !
Vi som har gjort den här boken hoppas att du ska få uppleva att fysik kan väcka nyfikenhet och intresse för att undersöka omvärlden. Vårt mål är att boken ska ge dig kunskaper och utveckla ditt kritiska tänkande så att du känner dig trygg i att hantera fysikfrågor som påverkar dig och samhället. Lycka till med dina fysikstudier ! Författaren
Kapitelstart Varje kapitel inleds med ett ingressuppslag som fungerar som en presentation av kapitlet. Bilden hoppas vi sätter igång dina tankar kring kapitlets innehåll. Diskutera gärna tillsammans i klassen vad ni ser i bilden. ”Vad tror du?”-frågan hoppas vi också ska skapa nyfikenhet för innehållet i kapitlet. Fundera över vem av eleverna du tycker svarar bäst på lärarens fråga. På ingressuppslaget listas det centrala innehållet som behandlas i kapitlet. Här kan du även se vilka avsnitt som ingår.
Avsnitt Alla kapitel är indelade i avsnitt och här varvas text och bild för att göra teorin intressant. I slutet av varje avsnitt finns kunskapsfrågor som du kan arbeta med för att se om du har förstått avsnittets innehåll. Det finns även ett antal utvalda begrepp som du kan arbeta med på olika sätt, till exempel genom att göra en begreppskarta, diskutera med en kompis eller skriva förklaringar.
■
Granska Granska är ett inslag i varje kapitel där du tränar på att granska information och ta ställning i naturvetenskapliga frågor. Det kan till exempel handla om att granska en laborationsrapport eller en tidningsartikel. Inslaget avslutas alltid med ett antal frågor att diskutera.
■
Miljö och hållbarhet Miljö och hållbarhet löper som en röd tråd genom hela boken. I varje kapitel finns det dessutom ett inslag med extra fokus på miljö och hållbarhet. I till exempel kapitel 2 handlar det om hur vi värmer upp våra hus. Inslaget avslutas med uppgifter som inspirerar till diskussion och kritiskt tänkande. Längst bak i boken finns en text om FN:s globala mål.
■
Uppslag I slutet av varje kapitel finns Uppslag med olika sorters uppgifter, allt ifrån bilder att diskutera till undersökningar som ska planeras. Uppslagen kan användas vid olika tillfällen under arbetet med kapitlet och tränar flera förmågor. Beskriv och förklara
Här finns frågor om innehållet i kapitlet. Dessa frågor kräver lite mer utförliga svar än de frågor som finns i slutet av varje avsnitt. Vad ska bort?
Du får studera ett antal bilder och med hjälp av dina kunskaper i fysik motivera vilken bild som ska bort. Det kan finnas flera olika svar. Vad ser du i bilden?
Utifrån en bild och ett antal frågor diskuterar ni i grupp och motiverar vad ni ser i bilden. Vem har rätt?
”Vem har rätt?” utgår från en frågeställning med olika svar, som du tillsammans med dina klasskompisar resonerar kring. Planera en undersökning
Här ska du planera en undersökning steg för steg utifrån en frågeställning. Ta ställning och motivera
Du får träna på att ta ställning och motivera ditt ställningstagande i frågor som rör fysik och som är aktuella för kapitlet.
■
Sammanfattning Sist i varje kapitel finns en sammanfattning. Sammanfattningen är indelad efter kapitlets avsnitt.
1. Materia, kraft och arbete
8
Storheter och enheter 10 Materia 16 Kraft, massa och tyngd 22 Kraft skapar rörelse 28 ■ Granska: Laborationsrapport – friktion 33 Centripetalkraft och fritt fall 36 Arbete, energi och effekt 42 ■ Miljö & hållbarhet: Vattenkraft som energikälla 50 ■ Uppslag 52 ■ Sammanfattning 56
2. Tryck, värme och klimat
60
Krafter skapar tryck 62 Tryck i vätskor 66 Tryck i gaser 72 Värme 76 Värmespridning 82 ■ Miljö & hållbarhet: Fjärrvärme värmer våra hus 90 Väder och klimat 92 ■ Granska: Planering av undersökning – värmeledning i metall 97 ■ Uppslag 98 ■ Sammanfattning 102
3. Elektricitet och magnetism Vad är elektricitet? 108 Spänning och ström 114 ■ Miljö & hållbarhet: Elbilens intåg i samhället 122 Resistans 124 Elsäkerhet 129 Magnetism och elektricitet 134 Induktion skapar ström 139 ■ Granska: Farlig strålning? 146 Elektrisk energi och effekt 148 ■ Uppslag 154 ■ Sammanfattning 158
106
Innehåll
4. Ljud och ljus
162
Ljud är vibrationer 164 Toner och buller 172 ■ Miljö & hållbarhet: Buller påverkar din hälsa 178 Optik – läran om ljus 180 Ljusets brytning 187 ■ Granska: Planering av undersökning – totalreflektion 195 Våglängder och färger 196 ■ Uppslag 206 ■ Sammanfattning 210
5. Astronomi
214
Solsystemet 216 Människan i rymden 222 ■ Miljö & hållbarhet: Rymdskrot 228 Universum 230 ■ Granska: Är astrologi en vetenskap? 238 Universums utveckling 240 ■ Uppslag 250 ■ Sammanfattning 254
6. Atomfysik och energiproduktion Den moderna fysiken föds 260 Radioaktivitet 268 Kärnenergi 276 ■ Granska: Energiomvandlingar i kärnkraftverk 282 Icke förnybara energikällor 284 Förnybara energikällor 290 ■ Miljö & hållbarhet: Sveriges elproduktion 300 ■ Uppslag 302 ■ Sammanfattning 306
Tabeller 310 Dokumentera en laboration 313 Register 314 Bildförteckning 318 FN:s globala mål 320
258
1.
Materia, kraft och arbete
Kapitelstart med en bild som väcker elevernas intresse och ger inspiration till diskussioner.
Vad tror du?
Innehåll Storheter och enheter Materia
10
16
Kraft, massa och tyngd Kraft skapar rörelse
22
Vilket faller långsammast mot marken? Ett papper, en fjäder eller en nål?
28
Laborationsrapport – friktion 33 Centripetalkraft och fritt fall Arbete, energi och effekt
36
42
Vattenkraft som energikälla 50
Fjädern faller långsammast för den väger minst.
A
Jag tror att nålen faller långsammast, för den är så liten.
Centralt innehåll
B
Fysiken i naturen och samhället
• Partikelmodell av materiens egenskaper och densitet.
• Krafter, rörelser och rörelseförändringar
Jag tror att pappret faller långsammast, för luften stoppar upp det.
samt hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet.
• Energins flöde och oförstörbarhet. • Några instrument för att mäta fysikaliska storheter, till exempel kraft.
• Användning av mätvärden i enkla
beräkningar, till exempel beräkningar av densitet.
Systematiska undersökningar och granskning av information
C
9
Kraft skapar rörelse En kraft skapar eller bromsar en rörelse. Det krävs med andra ord en kraft av något slag för att sätta något i rörelse. Inom fysiken studerar man och räknar på olika slags rörelser. Utan dessa kunskaper skulle vi till exempel inte kunna skjuta upp satelliter i rymden eller bygga säkra bilar.
Likformig och olikformig rörelse En cyklist som cyklar i jämn fart på en raksträcka säger man har en likformig rörelse. För att en rörelse ska anses vara likformig behöver hastigheten vara konstant och rörelsen vara i en och samma riktning. Men det är ovanligt med likformiga rörelser. Det är vanligare med olikformiga rörelser, vilket innebär att hastigheten eller riktningen ändras. En cyklist som ibland cyklar snabbt, ibland långsamt eller byter färdriktning är exempel på en olikformig rörelse.
Om en cyklist ökar och minskar hastigheten eller ändrar riktning, är rörelsen olikformig.
28
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Olika slags rörelser Cyklisten använder musklerna för att skapa en kraft som trycker ner pedalerna och sätter cykeln i rörelse. Hastigheten ökar succesivt och det går snabbare och snabbare. Man säger att cyklisten har en accelererad rörelse. När cyklisten använder en kraft för att bromsa cykeln, minskar rörelsen succesivt och det går långsammare och långsammare. Man säger att cyklisten har en retarderad rörelse. Både en accelererad rörelse och en retarderad rörelse är exempel på olikformiga rörelser. Tittar man på cykelns hjul så snurrar de runt, de roterar, när cykeln är i rörelse. Det är en annan slags rörelse som kallas rotationsrörelse.
Beräkna medelhastigheten När man cyklar är rörelsen oftast olikformig. Hastigheten ökar i nerförsbackarna och minskar i uppförsbackarna. Medelhastigheten talar om vilken hastighet man har haft i genomsnitt under hela cykelturen. Man räknar ut medelhastigheten genom att dividera sträckan man cyklat med tiden det tog att cykla sträckan. Om du cyklat 1 200 m och det tog 4 min räknar du ut din medelhastighet genom: 1 200 m 4 min
= 300 m/min
Eftersom det är vanligare att ange hastigheten i meter per sekund (m/s) omvandlar vi tiden till sekunder (4 min = 240 s). Medelhastigheten blir då: 1 200 m 240 s
= 5 m/s
En annan vanlig enhet för medelhastighet är kilometer per timme (km/h).
Hastighet medelhastighet =
sträcka tid
sträcka = medelhastighet · tid tid =
sträcka medelhastighet
v=
s t
s=v·t t=
s v
Exempel Louise cyklar till farmor med medelhastigheten 7 m/s. Hela cykelturen tar 20 min. Hur långt är det till farmor? Svara i kilometer och avrunda till en decimal. Lösning: Sträckan beräknas med formeln: sträcka = medelhastighet · tid medelhastighet: 7 m/s tid: 20 min = 20 · 60 s = 1 200 s s = v · t = 7 · 1 200 m = 8 400 m = 8,4 km Svar: Det är 8,4 km till farmor.
KRAFT SKAPAR RÖRELSE
29
Det finns friktion mellan skridskon och isen även om friktionen är ganska liten.
Friktion bromsar När du bromsar med en cykel griper bromsen tag om cykeldäcket och saktar ner rörelsen. Samtidigt glider gummidäcket mot marken tills cykeln stannar. Skrovligheterna i gummit och i marken griper tag i varandra, vilket skapar en kraft som bromsar rörelsen tills den upphör. Den bromsande kraften som uppkommer när två ytor rör sig mot varandra kallas friktionskraft. Ju skrovligare ytorna är, desto större blir friktionen mellan ytorna. Även massan påverkar friktionen. Ju tyngre personen på cykel är, desto större friktion. Enheten för friktionskraft är newton (N). Om du sparkar iväg en boll på en gräsplan stannar den så småningom. Det beror på att det uppstår friktion mellan gräset och bollens yta. Till och med när du åker skridskor finns det friktion mellan skridskoskenan och isen som till sist kommer att bromsa hastigheten tills du stannar. Men is är en väldigt slät yta med mycket små skrovligheter och har därför liten friktion.
friktionskraft
30
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Om du sparkar iväg en fotboll fortsätter den inte i all evighet. Friktionen mellan bollen och gräset gör att den så småningom stannar.
Friktion på gott och ont Ibland vill man ha hög friktion och ibland vill man helst inte ha någon friktion alls. På vintern kan det bildas isfläckar på vägen. Om du cyklar över en isfläck är det väldigt stor risk att du ramlar eftersom friktionen mellan däcket och isen är så liten. Genom att sanda isen förändras ytan så att det uppstår större skrovligheter och friktionen ökar. Man sandar även vägarna på vintern för att minska bromssträckan för till exempel bilar. Om det inte finns friktion mellan däcken och vägen blir det dessutom svårt att svänga och ändra riktning utan att däcken tappar fästet. Ofta är friktionen ett hinder och vi har därför uppfunnit en mängd metoder för att minska friktionen. En vanlig metod är att smörja saker med fett. I till exempel ett dörrlås vill vi inte att det ska uppstå friktion mellan låsets delar eftersom det då går trögt att låsa dörren. Genom att smörja metallytorna med fett blir det en hinna med fett mellan ytorna som rör sig mot varandra. I stället för att metallyta rör sig mot metallyta, glider metallytan på ett tunt lager med fett, vilket kraftigt minskar friktionen.
Genom att smörja låset med fett minskar friktionen och det går lätt att låsa dörren.
Kullagret – en makalös uppfinning Ett kullager består av två metallringar med metallkulor emellan. Eftersom den yttre ringen ”rullar” på den inre blir friktionen väldigt liten. För att ytterligare minska friktionen smörjs kullagret med fett. Det gör att alla skrovligheter i metallringarna fylls igen med ett tunt lager fett. Ringarna och kulorna glider då över fett i stället för mot varandra, vilket ger väldigt liten friktion. Kullager används i alla saker som har rotationsrörelse, till exempel i cykelhjul och snurrande delar i motorer.
Ett kullager består av två metallringar med metallkulor mellan ringarna.
KRAFT SKAPAR RÖRELSE
31
Tröghet har med kraft att göra Om du åker buss och den bromsar kraftigt måste du hålla i dig för att inte ramla framåt. Fenomenet kallas tröghet och finns hos all materia. Bromskraften får bussen du åker i att minska farten, men trögheten hos din kropp gör att du vill fortsätta framåt. Tröghet är ett motstånd mot att ändra hastighet eller riktning. Om det inte fanns någon kraft som bromsade rörelsen skulle trögheten göra att rörelsen fortsatte i all oändlighet. Om bussen plötsligt svänger vill din kropp, på grund av dess tröghet, fortsätta rakt fram och du måste hålla i dig för att inte ramla. Vi är så vana vid att ta hänsyn till trögheten att vi inte ens märker att vi gör det. Vi håller i oss när bussen startar eller bromsar och håller emot när den svänger. Hur stor tröghet ett föremål har beror på hur stor massa föremålet har. Ju större massan är, desto större är trögheten. Om massan är stor behövs en stor kraft för att ändra hastigheten eller ändra riktningen. Det krävs därför en liten kraft för att skjuta igång eller stanna en leksaksbil, men en stor kraft för en riktig bil.
32
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Om du står upp i en buss när den bromsar in gör trögheten att din kropp vill fortsätta rakt fram och du ramlar därför framåt.
Granska
Laborationsrapport – friktion Nedan ser du en laborationsrapport som en elev har skrivit.
Uppgift Vi skulle hitta på en undersökning för att ta reda på vad som påverkar friktionen för en låda med vikter när vi drar den på olika underlag. Materiel Dynamometer, låda, vikter, två olika slags sandpapper Slutsats
Utförande
Bänken har den minsta friktionen eftersom kraften Vi drog lådan med dynamometern så att vi kunde var som minst när vi drog lådan på bänken. Den se kraften i newton. Vi la i olika antal vikter i största friktionen var på tröjan. lådan och drog den på olika underlag och då ändrades kraften. På så sätt kunde vi se vilket Granska Diskussion underlag som gav den största friktionen. Vi naturvetenskaplig information När vi drog lådan på tröjan fastnade den ibland testade även på en tröja. i till exempel en veckade artikel,sig också, så det kanske var och tröjan Resultat det krävdes en så stor kraft. Om man planeraddärför undersökning räknar bort tröjan så var det i så fall det grova Vikt Underlag Kraft eller ett resonemang. sandpappret som hade störst friktion. Om vi skulle 0,5 N 50 g bänken gjort om undersökningen skulle vi struntat i tröjan och kanske provat med lite fler vikter i stället. 100 g
fint sandpapper
2N
200 g
grovt sandpapper
4N
400 g
tröja
8N
Granska och resonera 1. Vilka brister tycker du att elevens rapport har? 2. På vilka sätt skulle du förändra undersökningen så att man med bättre säkerhet kan dra en slutsats om resultatet?
GRANSKA
33
Luftmotståndet bromsar När man hoppar fallskärm krockar luftens molekyler med fallskärmen som då bromsar din rörelse. Man säger att luften ger ett motstånd mot rörelsen – ett luftmotstånd. Ju större yta fallskärmen har, desto större blir luftmotståndet. Luftmotstånd räknas som en friktionskraft. Om det inte vore för luftmotståndet skulle fallskärmshopparen slå ihjäl sig. Ibland vill man ha ett litet luftmotstånd, till exempel när man cyklar. Tävlingscyklister har därför ett bockat styre och ligger framåtlutade när de cyklar för att luftmotståndet ska minska. Ibland vill man helst inte ha något luftmotstånd alls, till exempel när man åker bil. Ju större luftmotstånd bilen har, desto mer kraft behövs för att få bilen att röra sig framåt och desto mer bränsle går det åt.
34
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
När man hoppar fallskärm är man glad att fallskärmen ger ett stort luftmotstånd.
Säkerhet i fordon När du åker bil och den bromsar kraftigt trycks du framåt på grund av din kropps tröghet. Eftersom du har bilbältet på dig håller bältet dig kvar så att du inte slår i rutan. Du märker det genom att bältet trycker mot bröstet. Om du krockar blir kraften mot bröstet väldigt stor, så stor att du kan skada dig, men det är ändå bättre än att flyga ut genom rutan. En människa klarar bara av att hålla emot vid krock i en hastighet av cirka 7 km/h. Därför är det lag på att ha bälte när du åker bil eller buss. I dag har de flesta bilar även något som kallas krockkudde. Det är en luftkudde som blåses upp blixtsnabbt om du är på väg att krocka. När dit huvud flyger framåt landar det i krockkudden samtidigt som bilbältet håller i dig. Med hjälp av bilbälte och krockkudde räddas många liv varje år. Vid en krock gör trögheten att din kropp fortsätter framåt. Bilbälte och krockkudde skyddar dig.
Arbeta med begrepp
Kan du?
Här är några begrepp från avsnittet. Gör en begreppskarta, diskutera med en kompis eller skriv förklaringar.
1. I vilken enhet mäts friktion?
rörelse
kraft
friktion
likformig rörelse
olikformig rörelse retarderad rörelse accelererad rörelse
luftmotstånd
2. Ge två exempel på skyddsanordningar i bilar som hindrar föraren att skadas vid en olycka. 3. Vad är det för skillnad på accelererad rörelse och retarderad rörelse? 4. Du kliver på en buss och ställer dig i mittgången. När bussen åker iväg ramlar du baklänges. Använd dina kunskaper i fysik och förklara varför. 5. Hur fungerar ett kullager?
Beräkna 6. Linnea cyklar till sin kompis Masha i medelhastigheten 4 km/h. Cykelturen tar fyra timmar. Hur långt är det till Masha? Svara i mil och kilometer.
KRAFT SKAPAR RÖRELSE
35
Centripetalkraft och fritt fall Varför faller en sten snabbare till marken än ett papper? Hur kan månen färdas runt jorden utan att slungas ut i rymden? Varför pirrar det i magen när du åker runt i en karusell och vad har det med en tvättmaskin att göra?
Centripetalkraft När något rör sig i en cirkel runt ett centrum kallas det för en centralrörelse. En släggkastare som snurrar runt med släggan är ett exempel på en centralrörelse. Om inte kastaren höll i släggan skulle den slungas iväg, på grund av sin tröghet. Kraften som får släggan att stanna kvar i centralrörelsen kallas centripetalkraft och är riktad från släggan in mot kastaren. När släggkastaren släpper taget upphör centripetalkraften och släggan fortsätter rakt fram på grund av sin centripetalkraft tröghet. Månen färdas runt jorden i cirka 3 700 km/h, men det finns inget snöre som håller fast månen. I stället är det tyngdkraften mellan jorden och månen som fungerar som centripetalkraft så att inte månen slungas ut i rymden.
Månen snurrar runt jorden i en centralrörelse och hålls på plats av tyngdkraften.
36
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Centripetalkraften är riktad in mot centrum. När kraften upphör fortsätter släggan rakt fram på grund av dess tröghet.
När du åker karusell känner du hur du pressas utåt på grund av kroppens tröghet. Kraften du känner kallas för centrifugalkraft.
Centrifugalkraft känns i kroppen När du åker karusell känner du hur du trycks utåt. Man brukar då säga att man känner en centrifugalkraft. Egentligen är det kroppens tröghet du känner då karusellen hela tiden ändrar riktning och din kropp vill fortsätta rakt fram. Det är centripetalkraften i karusellens armar eller kedjor som håller kvar dig i centralrörelsen. Samma sak händer om du åker bil och svänger kraftigt. Det känns som att du trycks utåt, men egentligen är det din tröghet du känner eftersom kroppen vill fortsätta rakt fram.
Tvättmaskinen centrifugerar bort vattnet När man tvättar i en tvättmaskin finns det en funktion som kallas centrifugering. Tvätten ligger i en stålcylinder inuti tvättmaskinen. Vid centrifugeringen roterar stålcylindern jättesnabbt. Kläderna och vattnet i kläderna trycks då utåt mot cylinderns väggar på grund av sin tröghet. Men eftersom cylindern har små hål i sig, upphör centripetalkraften för vattnet och vattendropparna slungas iväg medan kläderna blir kvar. På så sätt separeras vattnet från kläderna som då torkar snabbare.
CENTRIPETALKRAFT OCH FRITT FALL
37
Fritt fall – ett fall utan luftmotstånd Om man står på en stol och släpper en fjäder och en hammare samtidigt, varför når hammaren golvet först? Det beror inte på att hammaren har större massa, utan på att fjädern har större yta och därför större luftmotstånd än hammaren. Det stora luftmotståndet gör att fjädern sakta singlar ner mot golvet. Det finns ett sätt att få en fjäder och en hammare att falla lika snabbt till marken, men det är lite knepigt att genomföra. Om man tar bort all luft och skapar vakuum, finns det ju inget luftmotstånd och då faller de lika snabbt till marken. Man säger då att det är ett fritt fall. Det har faktiskt gjorts ett experiment med en hammare och en fjäder i fritt fall på månen. Månen saknar nästan helt atmosfär, vilket innebär att det i princip är vakuum. Hammaren och fjädern nådde då månens mark samtidigt.
Tvärt emot vad man först tror, så faller faktiskt en hammare och en fjäder lika snabbt till marken, om de faller i vakuum.
Hur faller en boll som kastas? Tänk dig att du släpper en boll rakt ner från en balkong samtidigt som du kastar en annan boll rakt ut. Båda bollarna faller mot marken och landar samtidigt. Varför blir det så? Jo, kaströrelsen hos bollen som kastas rakt ut består egentligen av två rörelser – en är riktad nedåt och en rakt fram. Den nedåtriktade rörelsen orsakas av tyngdkraften. Den är lika stor för alla bollar, oavsett hur de kastas.
1s 2s
3s
Rörelsen i sidled däremot beror på vilken hastighet bollen har när den lämnar handen, men den påverkar inte rörelsen nedåt. Om det inte finns någon tyngdkraft som drar ner bollen kommer den att fortsätta ett tag till rakt fram, tills luftmotståndet bromsat bollen så mycket att den stannar.
4s
5s 5
10
15
20
Bollen som kastas rör sig både rakt fram och rakt ned. Fallet rakt ned, går lika snabbt som för den släppta bollen. Det gör att de når marken samtidigt.
38
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
25 m
En kaströrelse får satelliter på plats Om du kastar en boll snett uppåt i en kaströrelse kommer den att röra sig uppåt samtidigt som den rör sig i sidled. Bollen rör sig då i en båge tills den träffar marken. Rörelsen i sidled minskar lite grann på grund av luftmotståndet, men hinner inte minska så mycket innan bollen når marken. Uppåtrörelsen däremot bromsas av tyngdkraften tills hastigheten är noll, sedan börjar bollen falla nedåt i stället. Det går till på liknande sätt när vi skickar upp satelliter i omloppsbanor runt jorden. En satellit kretsar kring jorden för att till exempel observera jordens väder. Satelliten måste skjutas upp i precis rätt vinkel och fart, så när den faller ner mot jordytan faller den jämsides med jorden. Då kommer satelliten fortsätta falla utan att nå jordytan, och samtidigt hållas kvar i sin bana av tyngdkraften. Om satelliten inte skickas iväg i rätt vinkel och med rätt fart kommer den antingen att kraschlanda eller försvinna ut i rymden.
När man skjuter upp en satellit måste man göra det i exakt rätt vinkel och hastighet, annars kommer den att ramla ner igen eller försvinna ut i rymden.
Jordens tyngdkraft håller kvar en satellit i omloppsbanan samtidigt som dess tröghet vill kasta ut den i rymden.
CENTRIPETALKRAFT OCH FRITT FALL
39
Varför trillar inte satelliter ner? Alla konstgjorda satelliter färdas i en centralrörelse runt jorden. De färdas i så hög hastighet att om de inte hölls kvar av jordens tyngdkraft, skulle deras tröghet göra att de slungas ut i rymden. I det här fallet är det jordens tyngdkraft som är centripetalkraft. En satellit trycks alltså utåt på grund av sin tröghet, men hålls kvar i centralrörelsen av jordens tyngdkraft. Eftersom det nästan är vakuum högt upp i atmosfären kan konstgjorda satelliter fortsätta i hög hastighet under väldigt många år utan bränsle. Men så småningom kommer deras hastighet ändå att ha minskat så mycket att tyngdkraften drar ner dem i atmosfären. Där blir luftmotståndet så stort att de brinner upp.
Geostationära satelliter En så kallad geostationär satellit följer jordens rotation, vilket gör att den alltid befinner sig över samma ställe på jordytan. En geostationär satellit är alltså väldigt lätt att hitta på himlen, vilket till exempel kan vara till fördel om den ska användas för kommunikation. Då behöver inte antennen på jorden vridas för att följa satelliten utan kan vara monterad i ett fast läge. Alla geostationära satelliter måste befinna sig på cirka 36 000 km höjd över ekvatorn. Om de skulle befinna sig på högre eller lägre höjd skulle de behöva ha en högre eller lägre hastighet för att befinna sig över samma punkt på jordytan och då skulle de slungas ut i rymden eller trilla ner på jorden.
Meteosat är en geostationär satellit som studerar vädret över Europa. Satelliten följer med jordens rörelse och kan ta bilder av Europa var 5:e minut.
40
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Arbeta med begrepp Här är några begrepp från avsnittet. Gör en begreppskarta, diskutera med en kompis eller skriv förklaringar. centralrörelse
månen
centrifugalkraft
luftmotstånd
centripetalkraft tyngdkraft
Arbeta med begrepp stödjer ett språkutvecklande arbetssätt.
vakuum
Kan du? 1. Månen kretsar i omloppsbana runt jorden. a) Vad kallas en sådan rörelse? b) Vilken kraft är centripetalkraft? 2. När du åker karusell kan du känna hur du trycks utåt. Vad kallas den kraft du känner? 3. Det finns en åkattraktion på Gröna Lund som heter Fritt fall. Där hissas man upp och faller sedan ner mot marken i hög hastighet. Varför har attraktionen ett felaktigt namn ur fysikalisk mening? 4. Anton tvättar ett par byxor för hand och hänger upp dem på tork i badrummet. Nästa gång tvättar Anton byxorna i en tvättmaskin och hänger sedan upp dem på samma sätt i badrummet. Den här gången torkar byxorna mycket snabbare. Varför blir det så? Använd dina kunskaper i fysik för att motivera ditt svar. 5. Hur kan alla satelliter ”sväva uppe i himlen” utan att trilla ner på jorden?
Vilken kula når golvet först? Anna släpper en träkula och en stålkula samtidigt från samma höjd. Vilken kula slår först i golvet, träkulan eller stålkulan? Förklara varför.
CENTRIPETALKRAFT OCH FRITT FALL
41
Vattenkraft som energikälla Jämfört med andra länder har Sverige många älvar vi kan använda till vattenkraft. På så sätt kan vi producera stora mängder elektrisk energi på ett hållbart sätt. Så varför bygger vi inte fler vattenkraftverk?
Lägesenergi blir elektrisk energi Vattenkraftverk byggs vid floder och älvar där vatten kan samlas upp i stora dammar. Vattnet i dammarna har en stor mängd lägesenergi som kan omvandlas till rörelseenergi när vattnet faller från hög höjd. Denna rörelseenergi används för att sätta snurr på stora propellrar, så kallade turbiner, för att skapa elektrisk energi. Den elektriska energin transporteras sedan till hem och industrier. Där kan den omvandlas till rörelseenergi i till exempel en elvisp eller till värme i en ugn. Eftersom det är solen som driver vattnets kretslopp är vattenkraft en förnybar energikälla. Så länge solen lyser kommer vattnets kretslopp att fungera och nederbörden fylla på vatten i dammarna.
50
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Miljö & hållbarhet
Vattenkraft i Sverige I Sverige har vi cirka 1 800 vattenkraftverk och de levererar ungefär hälften av all elektrisk energi vi behöver i landet. De allra största vattenkraftverken finns i Norrland och levererar stora mängder elektricitet. Våra fyra nationalälvar, är genom beslut i riksdagen skyddade mot utbyggnad av vattenkraft. Därför kan man inte bygga nya vattenkraftverk vid Torne älv, Kalixälven, Pite älv och Vindelälven.
Ska vi bygga ut flera älvar?
Miljö och hållbarhet
När väl ett vattenkraftverk är på plats smutsar det inte ned, – en röd tråd genom hela producerar inget avfall, har liten inverkan på klimatet och ger boken och även förhållandevis billig energi. Men när man bygger ett vatten kraft- som ett i varje verk behöver man gräva ur stora områden ochuppslag transportera bort kapitel. miljontals kubikmeter jord och sten. Stora delar av naturen på båda sidor om dammen blir förstörda. På ovansidan av dammen bildas en sjö och nedanför dammen blir älven torrlagd, vilket påverkar växt- och djurlivet på ett negativt sätt. Själva dammen i sig hindrar vissa fiskar, till exempel lax och öring, att vandra upp i älven för att leka och fortplanta sig. I och med att vattennivån i dammen höjs och sänks beroende på hur mycket vatten man släpper ut, får växt och djurlivet svårt att anpassa sig. Detsamma gäller nedanför dammen där det ibland blir torrt och Diskutera och motivera ibland forsar fram stora mängder vatten. En fördel med vattenkraften är att det är enkelt att skapa energi när den behövs som mest i Sverige – på vintern. Men det leder till stora vattenflöden på vintern och mindre på våren och sommaren, tvärt emot hur det brukar se ut i naturen. I normala fall är det små vattenmängder i älven på vintern och stora vattenflöden på våren. De här onaturliga förändringarna i vattenflödet påverkar växt- och djurlivet negativt.
1. Ge ett exempel på argument för och ett emot en utbyggnad av vattenkraft i Sverige. 2. Diskussionen om utbyggnad av vattenkraft har många olika perspektiv och påverkas av att olika grupper har olika intressen och idéer om hur energiproduktionen i landet ska lösas. a) Vilka olika intressegrupper tror du att det kan finnas i den här frågan? b) Välj en intressegrupp och argumentera för varför det är bra med en utbyggnad av vattenkraft. c) Välj en intressegrupp och argumentera för varför det är en dålig idé att bygga ut vattenkraften.
MILJÖ & HÅLLBARHET
51
7.
Beskriva och förklara 1.
Vad menas med följande text? ”Bredband AB ökade sin vinst med 880 kkr det första kvartalet.”
2. Vilken laddning har en
a) elektron
b) neutron
Vilken av flaskorna kommer att välta? Använd dina kunskaper i fysik och förklara varför flaskan välter. A
AA
B B
B
C
CC
D D
D
c) proton
3. Om man lägger en potatis i vatten, sjunker
den vanligtvis till botten. Pelle lägger en potatis i en kastrull med vatten och då flyter potatisen. Hur kan den göra det?
4. Tesfai har ett mätglas med 100 ml vatten.
Hon sänker ned en plastfigur i vattnet och då stiger vattnet till 150 ml. Vilken densitet har plastfiguren om den väger 60 g?
5. Para ihop bokstäverna med rätt siffror.
A. Enhet för arbete B. Enhet för densitet C. Massa mäts i D. Kraft mäts i
1. g/cm3 2. Nm 3. N 4. kg
6. Använd dina kunskaper i fysik och
förklara varför båda uttrycker sig otydligt i fysikalisk mening.
– Hur tung är du?
A
8. Använd dina kunskaper i fysik och
förklara varför det är så svårt att gå på lina.
9. Förklara skillnaden mellan likformig- och
olikformig rörelse.
10. Samir cyklar 40 km på 2 h.
a) Vilken medelhastighet har han? b) Vad kallas rörelsen när han bromsar?
11. Ge två exempel när man vill ha stor
friktion och två exempel när man vill ha så liten friktion som möjligt.
12. Dima sitter i framsätet bredvid sin pappa
i deras bil. Plötsligt bromsar Dimas pappa så kraftigt att Dima flyger framåt, slår näsan i panelen framför sig och börjar blöda näsblod. a) Använd dina kunskaper i fysik och förklara varför Dima flög framåt när pappan bromsade. b) Ge exempel på två uppfinningar som skulle kunnat förhindra att Dima skadade sig.
13. Det finns tusentals satelliter som, utan
– Jag väger 54 kilo.
B
hjälp av motorer, rör sig runt jorden. Hur kan de färdas där uppe utan att trilla ner?
14. Stefan lyfter en låda med böcker 50 cm
upp på en stol. Hur stort är arbetet om lådan med böcker väger 30 kg?
52
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
hon drog sin dotter 1 km i en pulka. Med hur stor kraft drog hon pulkan?
16. Mekanikens gyllene regel lyder: ”Det man
vinner i kraft, förlorar man i väg.” Vad menas egentligen med det?
Uppslag
15. Alexandra uträttade ett arbete på 9 kJ när
17. Ge tre exempel på när man använder en
hävarm.
18. Jens och Samira ska gunga gungbräda.
Jens väger 60 kg och Samira 40 kg. Gungbrädan är 6 m lång och Samira sätter sig längst ut på ena sidan. Var ska Jens sätta sig för att det ska väga jämnt?
19.
20. Ellinor bär en matkasse som väger 8 kg Uppslag upp till sin lägenhet på första våningen. med uppgifter avvåningen olika ligger 5 m upp och det tar Första Vilka påståenden är korrekta? karaktär som1bjuder in till att komma upp. Hur stor min för Ellinor A. Trä flyter på vatten för att det har högre hennes effekt? diskussioneräroch tränar densitet än vatten. flera 21. förmågor. I vattenkraftverk använder man sig av B. Friktion mäts i newtonmeter.
C. En väteatom har två protoner i kärnan. D. J/s och W är enheter för effekt.
vattnets rörelse för att skapa elektrisk energi. Beskriv kortfattat hur det går till.
Vad ser du i bilden? Använd dina kunskaper i fysik och förklara varför man trycks utåt när man åker i en slänggunga.
UPPSLAG
53
Vem har rätt? Vilka föremål flyter på vatten och vilka sjunker?
Lätta föremål flyter och tunga sjunker.
A
Det beror på föremålets massa och volym.
B
D Om något väger mer än vatten sjunker det. Annars flyter det.
Stora och tunga föremål kan flyta medan små och lätta kan sjunka.
C
Vad ska bort? Använd dina kunskaper i fysik för att motivera ditt val.
54
KAPITEL 1 MATERIA, KRAFT OCH ARBETE
Planera en undersökning Planera en undersökning för att ta reda på vilka föremål som faller snabbast till marken. A. Skriv en hypotes där du gör ett antagande om vilket föremål du tror faller snabbast till marken. Använd dina kunskaper i fysik och motivera varför du tror det.
tennisboll
suddgummi, litet
A4-papper, ihopknycklat som en boll
A4-papper
B. Skriv en instruktion till en undersökning där du tar reda på vilket föremål i tabellen som faller snabbast till marken. Beskriv vilka aspekter du tar hänsyn till för att undersökningen ska lyckas.
Vad ser du i bilden? Använd dina kunskaper i fysik och beskriv energiomvandlingarna i bilden.
UPPSLAG
55
2.
Tryck, värme och klimat
Vad tror du?
Innehåll Krafter skapar tryck Tryck i vätskor Tryck i gaser Värme
62
66 72
76
Värmespridning
82
Varför tror ni att luftfyllda ballonger krymper i frysen?
Fjärrvärme värmer våra hus 90 Väder och klimat
92
Kylan får gummit i ballongen att krympa.
Planering avConcept undersökning cartoon – värmeledning i metall 97 skapar diskussion och visar elevernas förkunskaper. A
Kylan får partiklarna i luften att packas tätare.
B
Centralt innehåll Fysiken i naturen och samhället
• Partikelmodell av materiens egenskaper
samt fasövergångar, tryck och temperatur.
• Energins flöde och oförstörbarhet. • Fysikaliska förklaringsmodeller av jordens strålningsbalans, växthuseffekten och klimatförändringar.
• Några instrument för att mäta fysikaliska
Kylan får partiklarna i ballongen att röra sig långsammare.
C
storheter.
• Användning av mätvärden i enkla beräkningar.
Systematiska undersökningar och granskning av information
Kylan får partiklarna i luften att bli mindre.
D 61
Krafter skapar tryck Kunskapen om hur en kraft kan skapa olika tryck och hur tryck kan förändras är viktigt i allt från när man bygger fordon till när man dyker. Om du har varit ute och gått i djup snö någon gång vet du hur jobbigt det kan vara att sjunka ner i snön hela tiden. Men om du sätter på dig ett par snöskor eller skidor går det lättare. Varför är det så?
Genom att använda snöskor minskar trycket under fötterna så att du kan gå ovanpå snön.
62
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
Vad är tryck? Din tyngd bestäms av din massa och påverkas inte av att du har snöskor på dig. Den kraft som verkar på snön på grund av din tyngd är alltid lika stor. Men när du har snöskor på dig fördelas tyngdkraften på en större area. Det innebär att trycket mot snön blir mindre. Ju större area du har under fötterna, desto mindre blir trycket. Om du jämför två par lika långa snöskor, där det ena paret är bredare än det andra, kommer de bredare snöskorna att ge ett lägre tryck mot snön. Tryck beskriver alltså hur en kraft fördelar sig på en area.
Med en vass knivsegg blir arean liten och trycket stort, vilket gör det enklare att tälja.
Arean påverkar trycket Ibland vill man ha en liten area för att trycket ska bli stort, till exempel på en kniv. Eggen behöver vara så vass som möjligt – ha så liten area som möjligt – för att trycket ska bli så stort som möjligt. En slö kniv har en lite rundare egg, det vill säga lite större area. Det gör att trycket blir mindre och det blir svårare att tälja eller skära med kniven. Detsamma gäller till exempel yxor, synålar, spikar och häftstift. Ibland vill man ha en stor area för att trycket ska minska. Det är därför det är bra att lägga sig ner och åla på magen om man måste hjälpa någon som gått ner sig i en isvak. När man lägger sig ner på den svaga isen fördelas kraften på en större area, vilket gör att trycket på isen blir mindre.
Räkna med tryck Tryck är en storhet som betecknas med bokstaven p. Man kan beräkna trycket genom att dividera kraften med arean. Enheten för tryck är newton per kvadratmeter (N/m2) eller pascal (Pa). Enheten pascal har fått sitt namn efter den franska fysikern Blaise Pascal. Han gjorde många banbrytande experiment med tryck på 1600-talet. Trycket en pascal (1 Pa), motsvarar ett hektogram fördelat på en kvadratmeter. Det är ett väldigt lågt tryck och därför anger man oftast tryck i kilopascal (kPa).
Tryck tryck = p=
kraft area
F A
KRAFTER SKAPAR TRYCK
63
Exempel 1 Daniel lägger sig på mage för att rädda en hund som gått ner sig i en vak. Hur stort blir trycket på isen om Daniel väger 83 kg och arean under hans kropp är 0,5 m2 ? Exempel Svara i kPa och avrunda till tiondelar.
med beräkningar som är lätta att följa.
Lösning: kraft tryck = area tyngdkraft: 830 N area: 0,5 m2 tryck på isen:
830 N = 1 660 N/m2 = 1 660 Pa = 1,66 kPa ≈ 1,7 kPa 0,5 m2
Svar: Trycket på isen är 1,7 kPa.
Exempel 2 Daniel, som väger 83 kg, är ute och åker skridskor. Hur stort är trycket mot isen? Svara i kPa. Lösning: tryck =
30 cm
30 cm
kraft area
tyngdkraft: 830 N area för en skridsko: 0,3 m · 0,003 m = 0,0009 m2 area för båda skridskorna: 2 · 0,0009 m2 = 0,0018 m2 830 N tryck: ≈ 460 000 N/m2 = 460 000 Pa = 460 kPa 0,0018 m2 Svar: Trycket mot isen är 460 kPa.
64
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
mm 33mm
Fordon och tryck i naturen Ibland behöver man åka med tunga fordon i naturen, vilket kan skapa djupa spår i terrängen på grund av det stora trycket. Det kan till exempel vara en traktor som kör på en lerig åker eller en skogsmaskin som fäller träd i skogen. För att minska trycket kan man använda sig av olika metoder för att öka arean. En skogsmaskin kan till exempel ha extra breda däck, vilket minskar trycket på marken. En traktor kan även ha dubbla däck, vilket också minskar trycket. En snöskoter är tung, men ska ändå klara av att köra på snö. Därför har den inga däck utan i stället ett brett band som driver skotern framåt, samt skidor längst fram för att styra med. Det gör att trycket på marken blir så litet att skotern kan köra på snö, trots att den har ganska stor massa.
Arbeta med begrepp Här är några begrepp från avsnittet. Gör en begreppskarta, diskutera med en kompis eller skriv förklaringar.
tyngd
kraft
tryck
pascal
area
Kan du? 1. I vilken enhet mäts a) kraft
b) tryck
2. Varför har en traktor bredare däck än en vanlig bil? 3. Använd dina kunskaper om tryck och förklara varför det gör ondare att bli trampad på foten av en person med hög, smal klack än om samma person trampar på din fot med en gymnastiksko.
Beräkna 4. En låda med böcker står på ett bord. Lådan har en bottenarea på 120 cm2. Lådan med böcker väger 30 kg. a) Hur stor är kraften mot bänkskivan? b) Hur stort är trycket mot bordsskivan? Svara i N/cm2. 5. Hur högt är trycket på marken om tyngden är 750 N och arean under skorna 250 cm2? a) Svara i N/cm2. b) Svara i kPa. En snöskoter drivs med ett brett band som ger en stor yta under skotern och därmed ett lågt marktryck.
KRAFTER SKAPAR TRYCK
65
Värme Det är minusgrader ute och vattnet fryser till is. Solen tittar fram och isen smälter. Värme och kyla är en del av vår vardag. Men vad är egentligen värme för något?
Temperatur är rörelse Vattnet i ett glas kanske ser ut att vara stilla, men låt dig inte luras. När man tittar på vatten i ett elektronmikroskop kan man se att vattenmolekylerna rör sig. Inte ens i is är vattenmolekylerna helt stilla. I is sitter molekylerna fast i ett bestämt mönster, men trots det så vibrerar de ändå lite grann. I flytande form har molekylerna inte längre fasta platser och rör sig fritt kring varandra. I vattenånga flyger molekylerna omkring med hög fart. Så ju mer man värmer vatten, desto högre blir temperaturen och desto högre hastighet får vattenmolekylerna. Värmeenergi, eller värme som man vanligtvis säger, är en storhet som visar hur mycket energi alla atomer och molekyler i ett ämne kan föra över till ett annat ämne. För att till exempel kokande vatten ska kännas varmt måste vattnet kunna överföra energi till din hand. I kokande vatten finns det gott om molekyler som kan föra över energin till din hand, så därför bränner du dig direkt om du stoppar handen i vattnet. I en bastu, där det är 100 °C i luften, är det betydligt färre molekyler som kan föra över värmeenergin till din kropp. Det tar därför lång tid innan värmeenergin från luften överförs till din hud, trots att det är 100 °C i luften.
76
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
gas
flytande
fast
Värmeenergi är ett mått på hur mycket atomer och molekyler rör på sig.
Värme påverkar volymen Locket på burken sitter hårt och du kan inte få av det. Vad ska du göra? Det finns ett bra knep. Om du spolar varmt vatten på metallocket, går det oftast lättare att få av. Varför är det så? När locket blir varmare börjar atomerna i locket att röra sig mer och mer. Atomer som ligger intill varandra börjar krocka med varandra så mycket att de inte kan ligga kvar lika tätt som tidigare – de behöver lite mer plats och volymen ökar. Då blir locket lite större och burken går att öppna. Glasburken blir också lite större, men inte lika mycket. Det är tack vare denna värmeutvidgning som du kan få av locket och plocka ut några saltgurkor. Även om locket blir större när du värmer det, blir atomerna förstås inte fler eller större. Det är precis lika många atomer som tidigare, men de är lite mer utspridda.
Temperatur mäts med termometer Det är inte bara fasta material som utvidgas när man värmer dem. Även vätskor utvidgas när de blir varmare. På 1700-talet använde sig fysiker av den kunskapen när de skapade en termometer som kunde mäta temperatur, det vill säga mäta värme. När den svenske astronomen Anders Celsius tillverkade sin 100-gradiga termometer år 1741, hade den en mycket bättre precision än alla andra termometrar och blev därför snabbt populär. För att hedra hans uppfinning fick han ge namn åt en av enheterna för temperatur – grader Celsius (°C). En sprittermometer består av ett rör med en vätska i, till exempel röd- eller blåfärgad sprit (etanol). Sprit används eftersom fryspunkten är –114 °C, vilket gör att den inte stelnar ens om det är mycket kallt ute. När spriten värms utvidgas den och stiger i röret. Graderingen på röret utgår från vattnets fryspunkt (0 °C) och kokpunkt (100 °C). Sedan delas sträckan där emellan upp i hundra lika stora delar där varje del motsvarar en grad Celsius (1 °C).
Om locket på burken sitter fast kan du värma det. Då utvidgas både locket och burken, men locket är gjort av metall och utvidgas lite mer än glasburken. Därför blir locket lite ”för stort” för burken, vilket gör det lättare att få av locket.
I en sprittermometer utvidgas spriten när den blir varm och stiger i röret. Temperaturen läses sedan av på celsiusskalan.
VÄRME
77
Flera olika temperaturskalor Den tyske fysikern Daniel Gabriel Fahrenheit var först med att konstruera termometrar. Han använde en egen temperaturskala – fahrenheitskalan. Den utgick ifrån en blandning av is och salt (0 °F) och kokande vatten (212 °F). I grader Celsius motsvarar det –18 °C och 100 °C. De flesta länder i världen har i dag gått över till celsiusskalan, men fahrenheitskalan används fortfarande i till exempel USA. Den absoluta nollpunkten är den temperatur när det är så kallt att atomerna faktiskt slutat röra sig. Kallare än så kan det inte bli och det sker vid cirka –273 °C. Kelvinskalan är en temperaturskala som utgår från den absoluta nollpunkten (0 K) och vattnets kokpunkt (373 K). Kelvinskalan, döpt efter forskaren William Thomson Kelvin, används för att ange temperaturer inom forskning.
°F
°C
K
212°F
100°C
373 K kokpunkt
77°F
25°C
298K rumstemperatur
32°F
0°C
273 K fryspunkt
–459°F
–273°C
0K
Fahrenheit
Celsius
absoluta nollpunkten
Kelvin
Vatten är ett undantag Nästan alla ämnen utvidgar sig när man värmer dem. Det gäller fasta ämnen, vätskor och gaser. Men vatten är ett undantag. Vatten har sin högsta densitet vid +4 °C. Blir vattnet varmare än så utvidgar sig vattnet och får lägre densitet. Men om vatten blir kallare än +4 °C händer förvånande nog samma sak. Vattnet utvidgar sig och får lägre densitet. Denna egenskap är unik och skiljer vatten från andra ämnen. På grund av att vatten har som högst densitet vid +4 °C kan inte djupa sjöar bottenfrysa. Temperaturen vid sjöns botten är alltid +4 °C året runt. Vatten med högst densitet sjunker till botten och vatten med lägre densitet flyter ovanpå. Is har lägre densitet än flytande vatten och lägger sig därför på ytan.
78
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
Vatten är som tyngst vid +4 °C. Det fyragradiga vattnet sjunker till botten, vilket gör att sjöar inte bottenfryser. På så sätt kan fiskar och andra organismer i vattnet överleva en kall vinter.
Olika aggregationstillstånd Värme och kyla ändrar egenskaperna hos ett ämne. Vatten fryser till is vid 0 °C och blir vattenånga vid 100 °C. Vatten kan alltså finnas i olika former: den fasta isen, det flytande vattnet och den gasformiga vattenångan. Så är det med nästan alla ämnen. Man säger att de kan anta olika aggregationstillstånd som kallas fast form, flytande form och gasform. När vatten i fast form övergår till flytande form säger man att det smälter. Vid vattenytan omvandlas hela tiden flytande vatten till vattenånga – vattnet avdunstar. När vatten avdunstar direkt från is, utan att först bli till vätska, säger man att vattnet sublimerar. Det går alltså att torka en dyngsur tröja utomhus trots att det är minusgrader, det tar bara lite längre tid.
sublimering
smältning
förångning
stelning
kondensering
När vi värmer vatten till 100 °C omvandlas flytande form till gasform – vattnet förångas. Vattenånga är en genomskinlig och osynlig gas. En del tror felaktigt att det vita dimmolnet man ser ovanför kastrullen är vattenånga, men egentligen är det mycket små vattendroppar vi ser. Det är när den osynliga vattenångan kommer upp i luften och kyls som vattnet blir flytande igen. Man säger att ångan kondenserar. När vatten omvandlas till fast form, säger vi oftast att det fryser till is. Men när man pratar om andra flytande ämnen som blir fasta brukar man säga att de stelnar.
När kläder hänger ute på tork avdunstar vattnet och efter ett tag har kläderna torkat. Men visste du att det fungerar även när det är minusgrader ute? När vatten i fast form övergår direkt till gasform kallas det sublimering.
VÄRME
79
Smältpunkt och kokpunkt Guld är ett fast ämne vid rumstemperatur. Men om vi värmer guld till 1 100 °C smälter det till en vätska och höjer vi temperaturen till 2 700 °C förångas guld till en gas. På liknande sätt kan vi kyla ned syret i luften till –200 °C så att gasen kondenserar till vätska. Temperaturen då ett ämne övergår från fast form till flytande form kallas smältpunkt. Smältpunkten för till exempel vatten är 0 °C och för guld 1 100 °C. Temperaturen då ett ämne övergår från flytande form till gasform kallas kokpunkt. Vattnets kokpunkt är 100 °C och syrets kokpunkt är –200 °C. Både smält- och kokpunkt varierar alltså med ämnet.
80
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
Vi är vana vid att tänka på guld i fast form, men guld kan även finnas i flytande form och i gasform.
Värme och kyla påverkar gaser Molekylerna i en gas har så mycket energi att de flyger omkring huller om buller, helt oberoende av varandra. Det gör att en gas påverkas mycket mer än fasta material och vätskor när man värmer eller kyler den. Du kan lätt undersöka detta genom att stoppa en uppblåst ballong i frysen några timmar. När temperaturen i gasen sänks kommer hastigheten på gasens molekyler att minska, vilket gör att trycket i ballongen minskar. Eftersom trycket i ballongen minskar, trycker lufttrycket utanför ihop ballongen och den krymper. Om du i stället värmer en gas ökar molekylernas hastighet och gasen vidgar sig, expanderar. Av den anledningen är det farligt att slänga en gasbehållare i en eld. Värmen från elden får gasen att expandera så mycket att behållaren sprängs.
Arbeta med begrepp
Kan du?
Här är några begrepp från avsnittet. Gör en begreppskarta, diskutera med en kompis eller skriv förklaringar.
1. Vilken kokpunkt har
fast form
avdunsta
flytande form
gasform
a) vatten
Gaser påverkas mycket om man värmer eller kyler dem. Om du kyler en uppblåst ballong, minskar trycket inuti ballongen. Lufttrycket utanför trycker då ihop ballongen.
b) guld
2. Ge exempel på två olika temperaturskalor. 3. Vad utvidgar sig mest när man värmer det – ett fast material, en vätska eller en gas? 4. a) Vid vilken temperatur är vatten som tyngst? b) Varför är det viktigt för fiskar och andra levande organismer i en sjö? 5. Hur fungerar en sprittermometer?
smälta
kondensera
frysa
förånga
stelna
sublimera
6. Varför kan det inte bli kallare är cirka –273 °C?
Hängande elledningar På sommaren kan man se elledningar som hänger mer än vad de gör på vintern. Använd dina kunskaper i fysik och förklara varför det blir så.
VÄRME
81
Krafter skapar tryck
• Trycket under dina fötter påverkas av
arean under fötterna. Ju större area under fötterna, desto mindre blir trycket.
• Ibland vill man ha en stor area för att
minska trycket, till exempel under skidor, snöskor och breda traktordäck.
• Ibland vill man ha en liten area för att öka trycket, till exempel på en knivsegg samt vid spetsen på synålar och spikar.
• Man kan räkna ut trycket med följande formel:
tryck =
kraft area
p=
F A
• Enheten för tryck är newton per
kvadratmeter (N/m2) eller pascal (Pa).
Tryck i gaser
• Luftmassan ovanför oss skapar ett luft-
tryck. Ju högre upp i atmosfären, desto lägre tryck.
• Lufttryck kan anges i flera olika
enheter. Normalt lufttryck vid havsytan är 1 atmosfärs tryck, 760 mmHg, 1 013 mBar eller 1 013 hPa.
• När man trycker ihop en gas i en behållare, blir det tätare mellan molekylerna och man säger att gasen är komprimerad. En komprimerad gas skapar ett övertryck i en behållare.
• Om man suger ut gas ur en behållare,
blir det glesare mellan molekylerna och det skapas ett undertryck i behållaren. Det gör att trycket utanför behållaren är större än inuti.
Tryck i vätskor
• Ju djupare ner i vatten, desto större
blir trycket. Trycket i sötvatten är cirka 10 N/cm2. Vid 10 meters djup är trycket dubbelt så stort som ovanför ytan.
• Föremål som är nedsänkta i vatten
påverkas av en lyftkraft uppåt. Därför är det lättare att lyfta ett föremål under vattnet än ovanför.
• Lyftkraften är lika stor som tyngden av vattnet som föremålet tränger undan. Förklaringen kallas Arkimedes princip.
• Det är ett föremåls densitet som avgör
om det flyter eller sjunker. Kork har lägre densitet än vatten, alltså flyter kork.
• I kommunicerande kärl sitter kärlen
ihop med ett rör längst ned. Det gör att vattenytan i alla kärlen hamnar på samma höjd.
• Ett vattentorn är ett kommunicerande
kärl, där vattentanken i tornet sitter ihop med alla vattenledningar till hushållen.
102
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
• Sugs all luft ut ur behållaren uppstår ett vakuum.
• En flygplansvinge är snett vinklad
så att fler luftmolekyler krockar med undersidan än översidan. Det skapar ett övertryck på undersidan av vingen som trycker planet uppåt.
• Värmeenergi är en storhet som visar hur
mycket energi alla atomer och molekyler i ett ämne kan föra över till ett annat ämne. Ju mer man värmer ett ämne, desto mer rör partiklarna sig.
• När fasta ämnen, vätskor och gaser
värms får de större volym – de utvidgar sig. Gas har en mycket större värmeutvidgning än fasta material. Metaller utvidgas ofta mer än andra fasta material.
• Temperatur mäts i enheten grader
Celsius (°C). Skalan utgår från vattnets fryspunkt (0 °C) och kokpunkt (100 °C).
Sammanfattning
Värme
• I en del länder, t.ex. i USA, används
fahrenheitskalan för att mäta temperatur.
• Den absoluta nollpunkten är när alla
atomer och molekyler är helt stilla. Det inträffar vid cirka –273 °C.
• Den skala som används inom forskning
kallas kelvinskalan. Det utgår från den absoluta nollpunkten (0 K) och vattnets kokpunkt (373 K).
• Vatten har sin största densitet vid +4 °C.
Det gör att vattnet vid botten av en sjö har temperaturen +4 °C. Eftersom vattnet vid botten inte fryser till is kan fiskar och andra djur i sjön överleva under isen.
• Vatten och de flesta andra ämnen kan
finnas i tre olika aggregationstillstånd: fast form, flytande form och gasform.
• Is smälter till vatten. Vatten fryser till is.
Vatten avdunstar till vattenånga. Vatten som kokas förångas till gasform. Ånga kondenserar till vatten. När ämnen går från flytande till fast form säger man att de stelnar.
• Temperaturen när ett ämne i fast form
övergår i flytande form kallas smältpunkt. Temperaturen när ett ämne övergår från flytande form till gasform kallas kokpunkt. Olika ämnen har olika smältoch kokpunkter.
SAMMANFATTNING
103
Värmespridning
• Värmeenergi sprids på tre olika sätt: ledning, strömning och strålning.
• Värmeelement placeras under fönster för att värma den kalla luften som faller ner på insidan av fönstret.
• Olika material leder värme olika bra. Till
exempel leder metaller värme bättre än trä, plast och glas.
• Värmeenergi transporteras från solen via strålning, även kallad värme- och infrastrålning.
• Svarta ytor värms upp och kyls ned snabbare än vita och blanka ytor.
• I en solfångare värmer solen upp en • Metall leder värme bra för att en metall-
atom har fria elektroner som kan röra sig fritt mellan atomer i metallen och sprida värmenergin.
• Ämnen som leder värme bra känns kalla när man tar på dem eftersom de leder bort kroppsvärmen från handen.
• I gaser och vätskor sprids värme via
vätska som, via en värmeväxlare, kan användas för att värma vatten till ett hus.
• Enligt energiprincipen kan energi inte försvinna, bara omvandlas till andra former.
• Olika energiformer har olika energi-
kvalitet. Elektrisk energi har hög energikvalitet eftersom elektrisk energi är lätt att transportera och omvandla till andra energiformer.
strömning. När du kokar vatten i en kastrull värms vattnet i botten. Det uppvärmda vattnet får lägre densitet och stiger, det kalla vattnet pressas då nedåt.
• Spillvärme kallas den energi som inte
luft som är instängd i luftfickor. Det gör att värmeenergin får svårt att spridas i materialet genom ledning eller strömning.
• Med fjärrvärme menas att värme skapas
• Isoleringsmaterial består av mycket
kommer till någon nytta. Värmeenergi har låg kvalitet eftersom det är svårare att transportera och omvandla till andra energiformer utan spillvärme. ”fjärran” från huset i ett fjärrvärmeverk.
• Det uppvärmda vattnet från fjärrvärmeverk leds till husen via ett fjärrvärmenät av vattenledningar.
• Värmen i fjärrvärmeverken skapas
genom förbränning av biobränslen och avfall. En del fjärrvärmeverk skapar även elektrisk energi.
• Det är viktigt att källsortera avfall eftersom olika fjärrvärmeverk är specialiserade på att förbränna och rena olika typer av avfall, till exempel mediciner.
104
KAPITEL 2 TRYCK, VÄRME OCH KLIMAT
Väder och klimat
• Solens ojämna uppvärmning av jorden
• Luftfuktighet anges i procent. • Vindhastighet mäts i enheten meter per sekund (m/s), vilket kallas sekundmeter.
sätter luft och vatten i rörelse, vilket skapar väder. Solen värmer marken som i sin tur värmer luften.
• Nederbörd mäts i millimeter. Snö smälts
en person som arbetar med meteorologi kallas meteorolog.
överleva på jorden. Atmosfären släpper igenom ljus från solen som värmer upp marken. Den uppvärmda marken ger sen ifrån sig värmestrålning, men allt försvinner inte ut i rymden utan en del tas upp av växthusgaser i atmosfären som då värms upp.
• Läran om väder kallas meteorologi och
• Moln skapas när vattenånga kondenserar
till små vattendroppar uppe i atmosfären.
innan den mäts.
• Växthuseffekten gör det möjligt för liv att
• Väderstationer mäter väderdata, till exempel temperatur, lufttryck, luftfuktighet, vindstyrka, vindriktning, nederbörd och molnighet.
• Lufttryck mäts med en barometer. Högre
lufttryck än 1 013 hPa kallas högtryck och lägre lufttryck för lågtryck.
• Metan, koldioxid och vattenånga är
exempel på växthusgaser. Människans stora utsläpp av växthusgaser, framför allt koldioxid, har skapat en förstärkt växthuseffekt. Den har ökat jordens medeltemperatur och förändrat klimatet så att mångfald och ekosystem hotas.
• Väder förändras från dag till dag, vecka
till vecka. Klimat är det normala vädret på en plats under en lång period, kanske hundratals år.
SAMMANFATTNING
105
• • • • • • •
Sex kapitel i varje bok för att underlätta planering och ämnesövergripande arbete. Levande och lättillgängliga texter. Intresseväckande uppgifter som uppmuntrar till diskussion och kritiskt tänkande. Miljö och hållbarhet som en röd tråd och som ett eget uppslag i varje kapitel. Ett uppslag i varje kapitel som ger möjlighet att granska och resonera kring texter som rör fysik. Sammanfattning i varje kapitel. Följer Lgr22.
ISBN ���-��-���-����-�
9
789152 359051