Fysikaliska modeller. Skapa modeller av en fysikalisk verklighet med hjälp av experiment. Peter Andersson IFM fysik, adjunkt

Relevanta dokument
Labbrapport svängande skivor

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Övningar till datorintroduktion

Övningsuppgifter till Originintroduktion

Fysikaliska Modeller

TENTAPLUGG.NU AV STUDENTER FÖR STUDENTER. Kursnamn Fysik 1. Datum LP Laboration Balkböjning. Kursexaminator. Betygsgränser.

Projekt: Filmat tornfall med modell av tornet. Benjamin Tayehanpour, Adrian Kuryatko Mihai

Densitet Tabellen nedan visar massan och volymen för olika mängder kopparnubb.

Var försiktig med elektricitet, laserstrålar, kemikalier osv. Ytterkläder får av säkerhetsskäl inte förvaras vid laborationsuppställningarna.

Matematik 3c Kap 2 Förändringshastighet och derivator

Tentamen: Baskurs B i Fysik, del1, 4p kl

Något om Dimensionsanalys och Mathematica. Assume period T Cm Α g Β L Γ s 1 kg Α m Β m Γ s 1 kg Α m Β. Identify exponents VL HL kg 0 Α m 0 Β Γ s 1 2 Β

Tillämpad vågrörelselära FAF260, 6 hp

En pendels svängningstid

Målsättningar Proffesionell kunskap. Kunna hänvisa till lagar och definitioner. Tydlighet och enhetliga beteckningar.

SVÄNGNINGSTIDEN FÖR EN PENDEL

Experimentell metodik

Kulstötning. Israt Jahan Martin Celander Andreas Svensson Jonathan Koitsalu

Laboration 1 Nedslagskratrar

9-2 Grafer och kurvor Namn:.

Laboration 1 Mekanik baskurs

Experimentella metoder 2013, Räkneövning 3

Konsoliderad version av. Styrelsens för ackreditering och teknisk kontroll föreskrifter om måttenheter;

Stockholms Tekniska Gymnasium Prov Fysik 2 Mekanik

Vågrörelselära och optik

Chalmers. Matematik- och fysikprovet 2009 Fysikdelen

Laborationsintroduktion. FAFA05 och FAFA65

Experimentella metoder, FK3001. Datorövning: Finn ett samband

Ingenjörsmetodik IT & ME 2010 Föreläsning 2. Enheter i SI-systemet Kap 1 Dimensionsanalys Kap 6

STOCKHOLMS UNIVERSITET FYSIKUM

Linnéuniversitetet Institutionen för fysik och elektroteknik

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Tentamen i Mekanik SG1102, m. k OPEN m fl. Problemtentamen OBS: Inga hjälpmedel förutom rit- och skrivdon får användas!

PRÖVNINGSANVISNINGAR

Kan du det här? o o. o o o o. Derivera potensfunktioner, exponentialfunktioner och summor av funktioner. Använda dig av derivatan i problemlösning.

Lektion 5. Analys av en mätövning Några problem ur boken Demolabben Systematiska fel Enheter sammanfattning Dimensionsanalys

1. Beskriv Newtons tre rörelselagar. Förklara vad de innebär, och ge exempel! Svar: I essäform, huvudpunkterna i rörelselagarna.

Prov Fysik 2 Mekanik

Naturvetenskapliga kunskapsintressen

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Fysikaliska modeller

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 10 Relativitetsteori den 26 april 2012.

3-8 Proportionalitet Namn:

Allmänt om kraft. * Man kan inte se, känna eller ta på en kraft, men däremot kan man se verkningarna av en kraft.

27,8 19,4 3,2 = = ,63 = 3945 N = = 27,8 3,2 1 2,63 3,2 = 75,49 m 2

FRÅN MASSA TILL TYNGD

Information om ämnet Militärteknik med diagnostiskt självtest av förkunskaper till blivande studerande på Stabsutbildningen (SU)

Lösa ekvationer på olika sätt

= + = ,82 = 3,05 s

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

9 Storheter och enheter

Lathund fo r rapportskrivning: LATEX-mall. F orfattare Institutionen f or teknikvetenskap och matematik

Stockholms Universitet Fysikum Tentamensskrivning i Experimentell fysik för lärare 7.5 hp, för FK2004. Onsdagen den 14 december 2011 kl 9-14.

Kapitel 3. Standardatmosfären

Att använda accelerationssensorn i en smarttelefon/surfplatta för att göra mätningar

Handledning laboration 1

Sammanfattning Fysik A - Basåret

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Laboration 1 Fysik

Gunga med Galileo matematik för hela kroppen

Allmänt om kraft. * Man kan inte se, känna eller ta på en kraft, men däremot kan man se verkningarna av en kraft.

Övningar Arbete, Energi, Effekt och vridmoment

M0038M Differentialkalkyl, Lekt 4, H15

Ingenjörsmetodik IT & ME 2011 Föreläsning 11

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

TMFT13 Fö: Temperaturmätning

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Mer om generaliserad integral

6/4/2012 The Mad Mathematician s Mathematic Consultancy Bureau Gustav Stenkvist

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Laboration 2 Mekanik baskurs

(Eftersom kraften p. g. a. jordens gravitation är lite jämfört med inbromsningskraften kan du försumma gravitationen i din beräkning).

Newtons 3:e lag: De par av krafter som uppstår tillsammans är av samma typ, men verkar på olika föremål.

RÖRELSE. - Mätningar och mätinstrument och hur de kan kombineras för att mäta storheter, till exempel fart, tryck och effekt.

Tentamen i Mekanik SG1102, m. k OPEN. Problemtentamen

Kapitel 1. Kemiska grundvalar

Kompletterande lösningsförslag och ledningar, Matematik 3000 kurs B, kapitel 2

Ingenjörsmetodik IT & ME Föreläsare Dr. Gunnar Malm

Ballistisk pendel laboration Mekanik II

3. Om ett objekt accelereras mot en punkt kommer det alltid närmare den punkten.

Basåret, Fysik 2 25 februari 2014 Lars Bergström

Kursens olika delar. Föreläsning 0 (Självstudium): INTRODUKTION

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Laboration 1: Gravitation

Föreläsning 2,dynamik. Partikeldynamik handlar om hur krafter påverkar partiklar.

KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN INSTITUTIONEN FÖR MEKANIK Richard Hsieh, Karl-Erik Thylwe

Laboration 1: Gravitation

Förmågor och Kunskapskrav

Vetenskaplig metod och statistik

Bedömningsanvisningar

R AKNE OVNING VECKA 2 David Heintz, 13 november 2002

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Theory Swedish (Sweden)

4 Fler deriveringsregler

Välkommentill Fysik1!

Svar och anvisningar

Transkript:

Fysikaliska modeller Skapa modeller av en fysikalisk verklighet med hjälp av experiment Peter Andersson IFM fysik, adjunkt

På denna föreläsning Vad är en fysikalisk modell? Linjärisering med hjälp av logaritmer Dimensionsanalys Bestämning av konstanter

Fysikaliska modeller En fysikalisk modell är en beskrivning av verkligheten som kan användas för att göra förutsägelser. En fysikalisk modell är ofta i form av matematiska formler som kan användas för att göra beräkningar. Det finns ofta olika modeller för samma fysikaliska verklighet.

Experiment och teori De fysikaliska modellerna vi har funnit har hittats genom experiment. Härledningar kan göras för att ta fram samband utifrån lagar som anses vara verifierade. Våra modeller används för att göra förutsägelser, men säger egentligen inget annat om verkligheten.

Olika modeller Observera att det ofta finns olika modeller av samma fenomen! Exempel, bollkast En boll kastas och landar sträckan L från kastarens fötter. Kvalitativ modell: L beror av utgångshastigheten och utgångsvinkeln. Mycket enkel matematisk modell: L 0 Utan luftmotstånd: L = v 0 sin2a g Med luftmotstånd: datorberäkning

Förenklingar Mycket ofta behöver förenklingar och restriktioner göras för under vilka förutsättningar en modell gäller med god precision. L = v 0 sin2a g Denna modell har bland annat ej tagit hänsyn till: bollens höjd när den släpps, luftmotstånd, eventuell bollskruv etc. Vi kanske skulle vilja generalisera situationen för att täcka in mycket höga hastigheter så gravitation varierar, vilket skulle kräva en annan modell för att göra bra förutsägelser.

Modellbygge För att skapa en matematisk modell behöver vi definiera de variabler som ingår. Vi behöver även fundera på avgränsningar och idealiseringar. Om vi skall bygga en modell genom experiment är det lämpligt att studera en variabel åt gången och hålla allt annat konstant. Vi skapar en hypotes och prövar den.

Arbetsexempel Vi skall skapa en modell över hur hastigheten varierar hos en kropp vid fritt fall med hjälp av mätningar. h (m) v (m/s)

Variabler Tänkbara variabler: v (m/s) sluthastigheten h (m) fallhöjd (uppenbart) M(kg) massa Luftmotstånd? Övrigt?

Mätningar Vi gör mätningar där endast en variabel varierar Hastightens beroende av fallhöjden Hastighetens beroende av massan 4,50 6 v (m/s) 4,00 3,50 v (m/s) 5 3,00 4 2,50 2,00 3 1,50 2 1,00 0,50 1 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 h (m) 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 h (m) Massan tycks inte påverka hastigheten så mycket!

En enkel kvalitativ modell Hastigheten ökar med fallhöjden.

En första matematisk modell Vi kan bygga en enkel matematisk modell med en linjär funktion. v (m/s) 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Modell med linjär funktion 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 h (m) Modell: v = C h, C konstant Rimligt att kräva att v = 0 då h = 0

Modell med potensfunktion v (m/s) 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Hastightens beroende av fallhöjden 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 h (m) Potensfunktioner är vanliga i fysikaliska sammanhang. Hypotes: V = C h k, C konstant Hur kan vi bestämma k?

Linjärisering med logaritmer Vi skall kombinera: Räta linjens ekvation: y = kx + m Logaritmlagarna: lg (ab) = lg (a) + lg (b) lg (a k ) = k lg (a)

Linjärisering med logaritmer Hypotes: V = C h k Logaritmera båda leden: lg (v) = lg (C h k ) lg (v) = lg (C) + lg (h k ) lg (v) = lg (C) + k lg (h) lg (v) = k lg (h) + lg (C)

Linjärisering med logaritmer Hypotes: V = C h k lg (v) = k lg (h) + lg (C) samma form som en rät linje! y = k x + m Rita en graf med: lg (v) på y-axeln lg (h) på x-axeln Då är lutningen k den sökta exponenten!

Linjärisering med logaritmer lg (v) 0,7 logaritmerade mätvärden 0,6 0,5 0,4 Δy = 0,45 0,3 0,2 0,1-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 lg (h) Δx = 0,95 k = Dy Dx = 0, 45 0,95» 0, 47» 1 2

Linjärisering med logaritmer Hypotes: V = C h k k = 1/2 ger modellen: v= Ch 1/2 = C h C är en konstant som ännu inte är bestämd.

Generalisering Kan vi generalisera vår modell? Fallhastigheten skulle säkert vara annorlunda om vi hade en annan tyngdacceleration (exempelvis på månen)! Kan vi få in även detta i vår modell? Men vi kan ju inte göra ett experiment här på jorden där vi varierar g. Hur gå vidare?

Dimensionsanalys Vi mäter i SI- systemets enheter. Det använder sju fysikaliska grundenheter. Storhet Beteckning Enhet Längd l m Massa m kg Tid t s Elektrisk ström I A Temperatur T K Ljusstyrka L cd Substansmängd n mol

SI-grundenheter Storhet (enhet) Definition Längd (m) Massa (kg) Sträckan som ljuset färdas under 1/299792458 s i vacuum. Massan av massprototypen som finns i ett valv utanför Paris. Tid (s) 9 192 631 770 perioder av strålning från en viss övergång hos Cs 133 Elektrisk ström (A) Temperatur (K) Ljusstyrka (cd) Materiemängd (mol) Strömmen som genererar en kraft på 2*10-7 newton för varje meter ledare strömmen flyter igenom. Ledarna är parallella, raka och placerade en m från varandra i vacuum. 1/273,16 av den termodynamiska temperaturen vid vattnets trippelpunkt. Ljusstyrkan i en given riktning från en källa som sänder ut monokromatisk strålning på 540*10 12 Hz och som har en strålningsstyrka på 1/683 W per steradian i denna riktning. Materiamängden i ett system med samma antal systemelement som antalet atomer i 0,012 kilogram C 12.

Härledda storheter Från de grundläggande sju storheterna definieras övriga enheter utifrån fysikaliska eller matematiska samband. Vissa har fått egna namn, men alla kan uttryckas i de sju grundenheterna i SI-systemet. Exempel på härledda enheter Storhet Beteckning Enhet Hastighet v m s -1 Acceleration a m s -2 Kraft F N (kg m s -2 ) Tryck P Pa (kg m -1 s -2 ) Frekvens f Hz (s -1 ) Energi E J (m 2 kg s -2 )

Dimensionsanalys I ett fysikaliskt samband måste alltid enheterna vara samma i alla led om vi uttrycker enheterna i de sju grundenheterna. Exempel: s = vt s (m) v (m s -1 ) t (s) Enhet i vänster led: m Enhet i höger led: m s -1 s = m VL = HL Detta kan utnyttjas för att hitta de samband som är fysikaliskt möjliga!

Dimensionsanalys Vi antar att g ingår som en potensfunktion i sambandet: v = C h 1/2 g a vi söker a.

Dimensionsanalys v = C h 1/2 g a Om C är enhetslös gäller för enheterna: v h 1/2 g a Variabel Enhet v m s -1 h m g m s -2 m s -1 = (m) 1/2 (m s -2 ) a m s -1 = m 1/2 m a s -2a m s -1 = m 1/2+a s -2a Stämmer om a = 1/2 Generaliserad modell: v = C hg v = C h 1/2 g 1/2

Konstanten C För att kunna göra beräkningar med modellen behövs ett numeriskt värde på konstanten C. v = C hg C = v hg v h g C 1,41 0,1 9,82 1,42 2,07 0,2 9,82 1,48 2,33 0,3 9,82 1,36 2,86 0,4 9,82 1,44 3,14 0,5 9,82 1,42 3,35 0,6 9,82 1,38 3,52 0,7 9,82 1,34 3,84 0,8 9,82 1,37 3,94 0,9 9,82 1,33 Medelvärde 1,42 1,48 1,36 1,44 1,42 1,38 1,34 1,37 1,33 C 9 1,4

Prövning av modell Modell v 1, 4 hg v (m/s) 4,50 Jämförelse av modell och mätningar 4,00 3,50 3,00 2,50 Mätdata Modell 2,00 1,50 1,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 h (m)

Prövning av modell v (m/s) 4,50 4,00 Oberoende mätningar 3,50 3,00 2,50 Mätserie 2 Modell 2,00 1,50 1,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 h (m) Modellen skall kunna verifieras av nya oberoende mätningar!

I laboratoriet Nu är det er tur att bygga en modell i laboratoriet. Ha kul och fråga när ni behöver hjälp. Lycka till!