Fysik — Gymnasiet
Mekanik, termodynamik, elektricitet, vågrörelse, atom- och kärnfysik och modern fysik — för Fysik 1 och 2.
Ämne: Fysik · Nivå: Gymnasium (16–19) · 403 kort
Innehåll
- SI-systemets sju grundenheter är: meter (m) för längd, kilogram (kg) för massa, sekund (s) för tid, ampere (A) för elektrisk ström, kelvin (K) för temperatur, mol (mol) för substansmängd och candela (cd) för ljusstyrka.
- SI-prefix: nano (n) = 10⁻⁹, mikro (μ) = 10⁻⁶, milli (m) = 10⁻³, centi (c) = 10⁻², kilo (k) = 10³, mega (M) = 10⁶, giga (G) = 10⁹.
- En skalär storhet har bara en mättalsdel (t.ex. massa, temperatur, tid). En vektorstorhet har både storlek och riktning (t.ex. hastighet, kraft, acceleration, rörelsemängd).
- Signifikanta siffror: en mätnings noggrannhet anges av antalet signifikanta siffror. Vid multiplikation/division avrundas svaret till samma antal signifikanta siffror som det mätvärde som har färst. Vid addition/subtraktion styrs antalet decimaler.
- Tyngdaccelerationen vid jordytan: g ≈ 9,82 m/s² (medelvärde i Sverige). Vid äkvatorn ca 9,78 m/s², vid polerna ca 9,83 m/s² — jorden är tillplattad och centrifugaleffekt minskar g vid äkvatorn.
- Hastighet definieras som sträcka per tidsenhet: v = Δs/Δt. SI-enhet: m/s. Medelhastighet använder total sträcka och total tid; momentanhastighet är gränsvärdet när Δt → 0.
- Acceleration är hastighetsändring per tidsenhet: a = Δv/Δt. SI-enhet: m/s². Acceleration är en vektor; den kan vara positiv (hastigheten ökar i positiv riktning), negativ (retardation) eller noll (likformig rörelse).
- För likformigt accelererad rörelse: v = v₀ + at, s = v₀t + at²/2, v² = v₀² + 2as. Används vid konstant acceleration, t.ex. fritt fall eller bromsande bil.
- Fritt fall: rörelse där enbart tyngdkraften verkar (luftmotstånd försummas). Accelerationen är g ≈ 9,82 m/s² rakt nedt. Alla föremål faller med samma acceleration oavsett massa (Galileis princip).
- Kaströrelse i 2D: horisontell hastighet är konstant (ingen acceleration i x-led), vertikal rörelse styrs av g. Banan blir en parabel. Maximal räckvidd vid utgångsvinkel 45° (vid samma start- och landningshöjd).
- Newtons första lag (tröghetslagen): en kropp förblir i vila eller likformig rörelse om ingen resulterande kraft verkar på den. Gäller i en inertialram — en referensram som inte accelererar.
- Newtons andra lag: F = ma. Resulterande kraft på en kropp är lika med dess massa gånger accelerationen. Riktningen är samma som den resulterande kraftens. SI-enhet för kraft: newton (N) = kg·m/s².
- Newtons tredje lag (verkan-motverkan): om kropp A påverkar kropp B med en kraft F, så påverkar B kroppen A med kraften −F. Krafterna verkar på olika kroppar och tar därför inte ut varandra.
- Tyngd (tyngdkraft) Fₜ = mg är kraften jorden drar en kropp med. Massa (m) är en inneboende egenskap mätt i kg. Tyngden varierar med g (olika på jorden, månen och andra planeter), men massan är alltid densamma.
- Friktionskraft: Fᶠ = μ·N, där N är normalkraften och μ friktionstal. Vil-friktion (μₛ) är alltid ≥ glid-friktion (μₖ). Friktionen är oberoende av kontaktytans area (i enkel modell) och verkar motriktat rörelsens riktning.
- Rörelsemängd p = mv är en vektor med SI-enheten kg·m/s. Rörelsemängdens bevarande: i ett slutet system (inga yttre krafter) är summan av rörelsemängderna konstant. Används vid stötar och raketförändringar.
- Impulslagen: F·Δt = Δp = mΔv. Impulsen är kraftens verkan under en tid och motsvarar rörelsemängdsändringen. Förklarar varför krockkuddar och elastiska ytor minskar skador (längre Δt → mindre kraft).
- Arbete W = F·s·cos(θ) där θ är vinkeln mellan kraft och förflyttning. SI-enhet: joule (J) = N·m. Inget arbete utförs om kraften är vinkelrät mot förflyttningen (cos 90° = 0).
- Rörelseenergi (kinetisk energi): Eₖ = mv²/2. Fördubblad hastighet ger fyrfaldigad rörelseenergi — därför blir bromsträckan kvadratiskt längre vid högre fart.
- Lägesenergi (potentiell energi vid jordytan): Eₚ = mgh, där h är höjden över en vald nollnivå. Enbart höjdskillnader har fysikalisk betydelse — nollnivån väljs fritt.
- Elastisk energi i fjäder: E = kx²/2, där k är fjäderkonstanten (N/m) och x utsträckningen från viloposition. Fjäderkraften F = −kx (Hookes lag) verkar mot utsträckningen.
- Energiprincipen: energi kan varken skapas eller försvänna, bara omvandlas eller överföras. I ett slutet system är totala energin konstant. I praktiken omvandlas en del till värme via friktion.
- Effekt: P = W/t = F·v. SI-enhet: watt (W) = J/s. En motor som utvecklar 100 kW kan göra ett arbete på 100 000 J per sekund. 1 hk ≈ 736 W.
- Verkningsgrad η = nyttig energi / tillförd energi, ofta uttryckt i procent. Aldrig över 1 (eller 100 %) på grund av energiförluster (oftast som värme). Bra elmotor: ~95 %, förbränningsmotor i bil: ~30 %, glödlampa: ~5 %.
- Temperaturskalor: Kelvin (K) är SI-enheten för temperatur. T(K) = t(°C) + 273,15. Absoluta nollpunkten = 0 K = −273,15 °C — partiklarnas rörelse minimeras. Temperaturändringar är lika stora i K och °C.
- Värmekapacitet: Q = mcΔT, där c är specifik värmekapacitet (J/(kg·K)). Vatten har särskilt högt c ≈ 4180 J/(kg·K). Därför kan vatten lagra mycket värme och utjämna temperaturer (havet, kroppens svettning).
- Fasövergångar kräver energi utan temperaturändring: smältvärme Lₛ (energi per kg för att smälta), ångbildningsvärme Lᵥ (energi per kg för att förånga). För vatten: Lₛ ≈ 334 kJ/kg, Lᵥ ≈ 2260 kJ/kg.
- Termodynamikens nollte lag: om kropp A är i termisk jämvikt med B, och B är i jämvikt med C, så är A i jämvikt med C. Detta ger temperaturbegreppet mening och möjliggör termometrar.
- Termodynamikens första lag: ΔU = Q − W, där ΔU är systemets inre energi, Q tillförd värme och W arbete systemet uför. Detta är en form av energiprincipen för termodynamiska system.
- Termodynamikens andra lag: i ett isolerat system kan entropin aldrig minska. Värme flödar spontant från varmt till kallt, aldrig tvärtom utan arbete (kölskap, värmepump kräver elenergi).
- Allmänna gaslagen: pV = nRT, där p är tryck (Pa), V volym (m³), n substansmängd (mol), R = 8,314 J/(mol·K) allmänna gaskonstanten och T absolut temperatur (K). Gäller för ideala gaser.
- För ideal gas vid konstant n: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂. Specialfall: Boyles lag (T konstant): pV = konstant. Charles lag (p konstant): V/T = konstant. Gay-Lussacs lag (V konstant): p/T = konstant.
- Vågens grundekvation: v = fλ, där v är vågens hastighet, f frekvens (Hz) och λ våglängd (m). Gäller för alla vågor: ljud, ljus, vatten, elektromagnetiska vågor.
- Transversella vågor svänger vinkelrätt mot utbredningsriktningen (t.ex. ljus, vattenöverytor). Longitudinella vågor svänger längs utbredningsriktningen (t.ex. ljud i luft, tryckvågor).
- Interferens: när två vågor möts adderas deras utslag (superpositionsprincipen). Konstruktiv interferens: vågtoppar möts → förstärkning. Destruktiv: topp möter dal → utsläckning.
- Stående våg bildas när två vågor med samma frekvens och amplitud rör sig åt motsatta håll, t.ex. genom reflektion. Noder är punkter där vågens utslag alltid är noll, antinoder där utslaget är maximalt.
- Resonans: ett system kan exciteras till stora amplituder när påtryckt frekvens överensstämmer med systemets egenfrekvens. Exempel: gunga som puttas i takt, krossade glas av sopran, kollapsande broar (Tacoma Narrows 1940).
- Snells brytningslag: n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂, där n är brytningsindex. Ljuset böjs mot normalen när det går till tegnare medium (högre n). Brytningsindex: n_luft ≈ 1,00, n_vatten ≈ 1,33, n_glas ≈ 1,5.
- Total internreflektion: när ljus går från tätare till tunnare medium och infallsvinkeln ≥ gränsvinkel θ_c, reflekteras ljuset helt. sinθ_c = n₂/n₁. Används i optiska fibrer och prismor.
- Diffraktion: vågor böjs runt hinder och vid öppningar. Märkbart när öppningens storlek är jämförbar med våglängden. Förklarar varför ljud böjs runt hörn (lång λ) medan ljus inte gör det märkbart (kort λ).
- Gitterekvationen: d·sinθ = nλ, där d är gitterkonstanten (avståndet mellan spalterna), θ vinkeln till maximum n, n = 0, ±1, ±2, ... Används för att mäta våglängder och i spektroskopi.
- Dopplereffekten: en vågkällas observerade frekvens ändras när den rör sig relativt observatören. När källan närmar sig → högre frekvens (pressade vågtoppar). När den avlägsnar sig → lägre frekvens. Används i radar, ultraljud och astronomi.
- Ljudhastigheten i luft (0 °C) ≈ 331 m/s; vid 20 °C ≈ 343 m/s. Hastigheten beror på temperatur men i princip inte på frekvens. I vatten ca 1500 m/s, i stål ca 5100 m/s.
- Ljudnivå mäts i decibel (dB), logaritmisk skala: L = 10·log(I/I₀), där I₀ = 10⁻¹² W/m² (hörseltröskel). +10 dB = 10 gånger intensitet. Smartfest ≈60 dB, smartphonemusik vid örat ≈100 dB, smärttröskel ≈120 dB.
- Elementarladdningen e ≈ 1,602·10⁻¹⁹ C. Detta är minsta fria laddning som finns och bärs av elektronen (−e) och protonen (+e). Alla observerade laddningar är heltalsmultiplar av e.
- Spänning (U) mäts i volt (V) och är energin per laddning: U = E/Q. Ström (I) mäts i ampere (A) och är laddning per tidsenhet: I = Q/t. 1 A = 1 C/s.
- Ohms lag: U = R·I, där R är resistansen (ohm, Ω). Gäller för ohmska resistorer vid konstant temperatur. Halvledare och glödtrådar följer inte Ohms lag exakt eftersom R ändras med temperaturen.
- Elektrisk effekt: P = U·I = R·I² = U²/R. En 60 W-lampa vid 230 V drar strömmen I = P/U ≈ 0,26 A och har resistansen R = U²/P ≈ 882 Ω.
- I seriekopppling: samma ström genom alla komponenter, spänningarna adderas, R_tot = R₁ + R₂ + ... I parallellkoppling: samma spänning över alla, strömmarna adderas, 1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂ + ...
- Kirchhoffs lagar: (1) Knutpunktslagen — summan av strömmar in i en knutpunkt = summan ut. (2) Sluten loop-lagen — summan av spänningarna runt en sluten krets är noll. Direkta konsekvenser av laddnings- och energibevarande.