Fysik Världen kring oss Repetition och uppföljning Kvällens punkter Repetition Kvantfysik Allting är relativt Einsteins teorier Fysik och naturvetenskap i ett större perspektiv Vad är strålning? Det elektromagnetiska spektrat: 100 m 1 m 1 cm 0.1 mm 1 µm 10 nm 0.1 nm 1 km 10 m 1 dm 1 mm 0.01 mm 100 nm 1 nm 0.01 nm Elektromagnetisk strålning Polarisation Hastighet = ljusets hastighet 300 000 km/s E-fältets riktning Svängningarna i elektriskt och magnetiskt fält är alltid vinkelräta mot varandra 1
Polarisation Polarisation vid reflektion Icke polariserat ljus Polariserat ljus Polariserat ljus Maxwell såg sambanden mellan magnetfält (B) och elektriskt fält (E) Q E da = ε 0 B da = 0 dφb E dl = dt dφ B dl = µ 0 I + ε 0 dt Lösning av Maxwells ekvationssystem visar att en vågrörelse kan uppkomma där E- och B-fälten ingår. E Gravitation och Newtons lagar Galilei & fallande objekt Fritt fall i vakuum 10 m/s g = sekund = 10 m/s 2 Massan x g http://www.pbs.org/wgbh/nova/galileo/ 2
Newtons 1:a lag När resultanten av alla krafter som verkar på ett föremål är lika med noll, är föremålet i vila eller i rörelse med konstant hastighet i samma riktning. Newtons 2:a lag Det behövs ingen kraft för att hålla igång en rätlinjig rörelse med konstant hastighet. Däremot behövs det en kraft för att förändra en rörelse, t.ex. öka eller minska hastigheten Normalkraften Sir Isaac Newton, 1643-1727 Tyngdkraften Kraften = massan x accelerationen Newtons 3:e lag Newtons gravitationslag När två föremål verkar på varandra med krafter, är krafterna lika stora och motsatt riktade. r = avståndet Konstant x massan(1) x massan(2) Kraften = avståndet 2 Konstant = 6.67 x 10-11 Nm 2 /kg 2 Vridmoment Energi kan inte förstöras utan endast omvandlas! Potentiell energi = m x g x h Gör en piruett: Figur 8.53 Rörelse energi = = m x v x v 2 m x v 2 2 3
Himlakroppar och satelliter Julia Becker Astronomi http://www.nasa.gov Materiens tillstånd Gas Vätska Bernoullis Princip Solid När hastigheten ökar, minskar trycket! Högre hastighet, dvs lägre tryck Magnuseffekten Lyftkraft Lägre hastighet, dvs högre tryck Plasma det 4:e tillståndet Flygplansvinge Skruvade bollar 4
Motorer och kylskåp Värmeöverföring Värme VARMT KALLT Ledning Konvektion Strålning http://www.aircraftbanking.com/ http://sv.wikipedia.org Övergångar mellan olika tillstånd Temp C Ånga Termodynamik Värmekraft 100 Vatten Förångning/kondensation 0 Is Smältning/frysning Vid fasövergångar är temperaturen konstant! Tillförd värme Entropi Ett mått på oordning! Nord och syd Definierat från Norr till Söder 5
Magnetisering av järn Jordens magnetfält 1) 2) SOHO/LASCO/EIT (ESA & NASA) MRI (magnetic resonance imaging) Vågrörelse Mekanisk: Störningar som propagerar i ett elastiskt material Ljudvågor Havsvågor Elektromagnetisk: Ljus Radiovågor Mikrovågor B0 Störningar i elektromagnetiskt fält som kan propagera i vakuum B1 Bild från Maria Widmark, Sahlgrenska Universitetssjukhuset Transversella eller longituninella vågor Transversell vågrörelse Diffraktion Longitudinell vågrörelse 6
Interferens Tsunami vågor http://science.howstuffworks.com/tsunami3.htm Ljustransmission i material Transmission och absorption i glas Glas släpper igenom synligt ljus, men absorberar UV och IR Genomskinlighet kräver homogena material Färgblandning Fig. 27.09 7
Färgsubtraktion Ljusbrytning Y = - B Snells lag: C = - R θ 1 Optiskt tunnare material Dispersion: Optiskt tätare material θ 2 n 2 > n 1 Cyan, Magenta, och Gult (Y) är komplementfärger M = - G n = 1sinθ1 n2sin θ 2 Ljusbrytning i linser Fokus LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemmision Brännvidd Brännvidd 8
Allting går med elektricitet Ingvar Albinsson http://www.electrostatic.se/ http://mobil.svt.se/ Coulombs lag F =k QQ r 1 2 2 Q 1 Q 2 r Ändring i magnetfält ger upphov till ström I atomernas värld Dag Hanstorp Atomfysik Induktion Bild från http://www.physik.uni-augsburg.de/ 9
Atomer Materiens minsta byggstenar Bohrs atommodell Bilder från: www.rock-on-rock-on.com www.konsthantverkarna.se Grekernas filosofi ca 500 år f.kr Atomos = odelbar Ernest Rutherford, 1871 1937 Nobelpriset i kemi 1908 Fysiken i musiken Spektrallinjer: Milan Friesel Stående vågor Hörsel frekvensomfång 10
Fysikaliska leksaker Café o lär Kvantfysik Ljus en partikel eller vågrörelse? Ljus Vågor eller partiklar? Är jag en partikel eller våg? hf p = c Albert Einstein, 1879-1955 Ljus är uppför sig som om det både är vågor men samtidigt partiklar. Fotonen = masslös partikel Båda modellerna är korrekt Är jag en partikel eller våg? E =hf 11
Planck s kvanthypotes Fotoelektrisk effekt Planks strålningslag: E =hf E =hf E k = hf W Energi i diskreta steg Einsteins nobelpris 1921 Max Planck, 1858-1947 Fotoelektrisk effekt i vardagen Schrödingerekvationen EΨ = Hˆ Ψ CCD-sensor Erwin Schrödinger, 1887-1961 Vågfunktioner för väteatom Heisenbergs osäkerhetsteori x p h 2 Om man vet positionen, blir hastigheten obestämd Allting är relativt Einsteins relativitetsteori Om man vet hastigheten, blir positionen obestämd Werner Heisenberg, 1901-1976 12
All rörelse är relativ Ljusets hasighet är konstant oavsett observatör Tåget rör sig relativt omgivningen. Omgivningen rör sig relativt tåget. Ljusblixt i rymdfarkost Sett från marken s c = s t r vt j Ljuset har gått längre väg än s på samma tid? t j = t r v 1 c 2 2 Tvillingparadoxen Relativitetsteori i vardagen Korrektioner i GPS systemet p g a satelliternas rörelser Tiden på jorden är längre än i rymdskeppet 13
Fysik och naturvetenskap i ett större perspektiv Vetenskap eller Religion? Människans försök att förstå sig på sin tillvaro. vad är skillnaden? Skillnaden vetenskap / religion Människan har alltid sökt svar Vetenskap Baseras på observationer och mätningar Behöver bevis Religion Baseras på filosofiska diskussioner och tolkningar Behöver ej bevis Bild från http://www.creswell-crags.org.uk Redan de gamla grekerna Konflikt mellan vetenskap och religion Galileo facing the Roman Inquisition, 1857 painting by Cristiano Banti. Source: http://www.law.umkc.edu/ faculty/projects/ftrials/galileo/galileotrial.jpg Porträtt av Aristoteles. Musée du Louvre, Paris en.wikipedia.org Galilei Gallileo, 1564-1642 Portrait by Justus Sustermans painted in 1636. 14
1500-talets världsbild bild från 1493 Schedelsche Weltchronik Vetenskap och religion idag Copernicus världsbild http://www.liverpoolmuseums.org.uk/ Vetenskapen ändrar sig hela tiden! Tron att det endast finns en sanning och att det enbart är den personen som tror detta som besitter den sanningen, tycks för mig vara den största roten till all världens ondska. Motstånd mot Darwins evolutionsteori Max Born, 1882 1970 Nobelpriset i fysik, 1954 Vetenskapen och konsten Det är människan och inte naturen som delat in vetenskapen Fysik Kemi Biologi Medicin Leonardo da Vinci, 1452-1519 15
Matematik Vetenskapens språk Modeller för att kunna förklara omvärlden För att kunna beskriva samband Vetenskap och teknologi Vetenskap är efterfrågandet av kunskap. Teknologi är tillämpningar av kunskapen. Bioscience Tvärvetenskap Nanoteknologi M. fl. Nya vetenskaper Vetenskapen och framtiden? 16