1. Mitä fysiikka on?

Luonnontiede on yhteisnimitys tieteille, jotka tutkivat luontoa ja sen ilmiöitä. Luonnontieteisiin kuuluvat muun muassa biologia, kemia ja fysiikka. Tällä opintojaksolla perehdytään fysiikkaan ja sen luonteeseen tieteenä. Opintojakson tavoitteena ei niinkään ole fysiikan lakien ja teorioiden oppiminen, vaan ymmärrys siitä, kuinka fysiikka tieteenä on muodostunut ja millaisia menetelmiä fysiikassa käytetään.

Fysiikka on kokeellinen eli empiirinen tiede. Tämä tarkoittaa sitä, että tiedon pohjalla ovat havainnot ja mittaukset todellisesta maailmasta. Havaintoja ja mittauksia fysiikan tieteen harjoittaja, oli hän sitten tutkija tai opiskelija, saa suunnitellusta mittauksesta tai fysikaalisesta kokeesta. Mittauksen ja kokeen suunnittelu on oleellinen osa fysikaalisen tiedon rakentamisessa. Usein tutkittava asia pyritään muuttamaan mitattavaan muotoon, jotta mittausdatan kerääminen ja käsittely olisi helpompaa. Ilmiötä ei välttämättä voi mitata suoraa, mutta jotakin sen ominaisuutta voi. Näitä mitattavia ominaisuuksia kutsutaan fysiikassa suureiksi.

Kun mittaus tai fysikaalinen koe on suoritettu ja mittausaineisto kerätty, täytyy saatua aineistoa alkaa analysoimaan. Fysiikassa tavoitteena on pystyä mallintamaan ja sitä kautta ennustamaan tutkittavaa ilmiötä mahdollisimman tarkasti. Mallintamisen välineenä käytettään matematiikkaa ja mittausaineistosta luodaan graafisia malleja. Graafisessa mallissa mittausaineisto eli -data kootaan koordinaatistoon. Näiden syntyneiden mittapisteiden avulla pyritään löytämään jokin matemaattinen funktio, joka kuvaa mittauksissa saatuja tuloksia. Saatu funktio on graafinen malli sille ilmiölle, jota mittauksessa tutkittiin. Graafisten mallien avulla voidaan luoda myös kokonaan uusia fysikaalisia käsitteitä, eli suureita.

Fysiikassa tavoitteena on lopulta kehittää tutkittavasta ilmiöstä malli, jolla voidaan laskea tai ennustaa ilmiön suuruutta ja muita ominaisuuksia, esimerkiksi suuntaa. Mallin pitää olla tarkka ja perusteltavissa. Siksi mittauksia ja fysikaalisia kokeita on tarpeen tehdä paljon. Malli on käyttökelpoinen vasta, kun sitä tukee monet mittaustulokset, eikä ristiriitaisia mittaustuloksia ole ilmennyt. Kokeen tai mittauksen on oltava toistettavissa myös muualla muiden toimesta. Tällaisten prosessien seurauksena ovat syntyneet monet fysiikan mallit, joista puhumme fysiikan lakeina. Fysiikan lait ovat siis yleisesti hyväksyttyjä, kulloinkin parhaita malleja ennustamaan maailmankaikkeuden toimintaa. Nämä lait ovat moneen kertaan testattuja ja useat ovat pysyneet samanlaisina jopa vuosisatoja. Fysiikan lait on saatu kirjoitettuun muotoon ihmisen tekemän tutkimuksen avulla, mutta toisin kuin lait yhteiskunnassa, ne eivät ole ihmisen laatimia, vaan kuvaavat maailmankaikkeuden toimintaa, joka ei tietenkään toimi ihmisen sanelemalla tavalla. Koska kaiken pohja on kuitenkin kokeellisuudessa, voivat nämä lait tarkentua tai jopa muuttua uuden, tarkemman mittaustiedon valossa. Siksi onkin hyvä muistaa yhden maailman tunnetuimman fyysikon Albert Einsteinin sanat:

Suureet

Fysiikassa ilmiöt ja havainnot pyritään usein muuttamaan mitattavaan muotoon. Sellaisenaan ilmiö ei välttämättä ole mitattavissa, mutta jokin sen ominaisuus on. Näitä mitattavia ominaisuuksia nimitetään suureiksi. Suure koostuu lukuarvosta ja yksiköstä. Suureella on aina jokin kirjaintunnus sekä mittayksikkö.

Suureiden tunnukset ovat isoja kirjaimia ja kirjoitetussa tekstissä ne on tapana kursivoida. Myös yksiköiden kirjoittamiseen pätee muutamia oikeinkirjoitussääntöjä. Yksiköiden tunnukset voivat sisältää yhden tai kaksi kirjainta, joista ensimmäinen on iso ja jälkimäinen pieni. Yksikön nimi kirjoitettuna, ei tunnuksella, kirjoitetaan kuitenkin aina pienellä alkukirjaimella. Jotkin yksiköt ovat saaneet nimensä tunnettujen fyysikoiden mukaan. Tällöinkin ne kirjoitettuna aloitetaan pienellä alkukirjaimella.

Jos halutaan tarkastella tietyn suureen yksikköä, voidaan suure merkitä hakasulkuihin.

Suureet jaetaan skalaari- ja vektorisuureisiin. Skalaarisuureelle voidaan määritellä suuruus. Skalaarisuureita ovat esimerkiksi pituus ja massa. Vektorisuureella on suuruuden lisäksi suunta. Vektorisuureen tunnukselle kirjoitetaan viiva tunnuksen päälle, jotta se erotetaan skalaarisuureesta. Esimerkiksi voima ja kiihtyvyys ovat vektorisuureita.

SI-järjestelmä

Kuten edellä ajan tapauksessa huomattiin, suureilla voi olla monia eri mittayksiköitä. Yhteneväisen merkintätavan vuoksi suureiden yksiköille on olemassa kansainvälinen mittayksikköjärjestelmä eli SI-järjestelmä. SI-järjestelmä määrittelee yksiköt mittanormaalien mukaan eli määrittelee kunkin suureen.

SI-järjestelmässä on määritelty seitsemän perusyksikköä. Nämä ovat yksiköt perussuureille massa, aika, pituus (etäisyys, korkeus), sähkövirta, lämpötila, valovoima ja ainemäärä. Perusuureet ja -yksiköt on koottu alla olevaan taulukkoon.

Perussuureiden ja -yksiköiden lisäksi tarvitaan joukko muita suureita yksiköineen. Näitä kutsutaan johdannaissuureiksi ja -yksiköiksi. Johdannais-etuliite viittaa siihen, että nämä suureet ja yksiköt saadaan perussuureista ja -yksiköistä johtamalla. Johtamisessa taustalla on kokeellisuus ja kokeellisuuden kautta määritellyt fysiikan lait ja esimerkiksi suureyhtälöt.

Suureista muodostuvat suureyhtälöt ovat matemaattisia malleja suureiden riippuvuuksille. Suureyhtälöstä voidaan määrittää myös halutun suureen yksikkö muiden suureyhtälön suureiden avulla. Toisinaan näille yksiköille on annettu oma nimensä.

Etuliitteet ja kerrannaisyksiköt

Fysiikassa tutkitaan koko maailmankaikkeutta. Maailmankaikkeuteen kuuluu hyvin pieniä asioita, kuten atomin rakenneosaset, ja toisaalta hyvin suuria asioita, kuten aurinko tai linnunrata. Täten fysiikassa käsiteltävien suureiden arvot vaihtelevat hyvin suurella välillä riippuen mitä tarkastellaan. Lukujen kirjoittaminen sellaisenaan olisi työlästä ja virhealtista, sillä luvut ovat pitkiä. Siksi niiden kirjoittamisessa käytetään kerrannaisyksiköitä. Yksikkö muutetaan kerrannaisyksiköksi kertomalla mittajärjestelmän yksikkö kymmenen potenssilla. Tällöin yksikön nimeen tulee käytettyä kerrannaisyksikköä vastaava etuliite. Yksi tutuimmista kerrannaisyksiköistä lienee kilo, jossa mittajärjestelmän yksikkö, metri, saa kertoimen 1000 eli \(10^3\). Tunnettu on myös milli, jossa kerroin on 0,001 eli \(10^{-3}\).

Suureen arvo kirjoitetaan lukuarvon ja kymmenpotenssin tulona. Lukuarvo on yleensä välillä 0,1-100 ja kymmenpotenssin eksponentti kolmella jaollinen. Täten esimerkiksi 2000 metriä voidaan kirjoittaa muodossa \(2 \cdot 10^3\)m, koska kerroin \(10^3\) vastaa etuliitettä kilo, voitaisiin sanoa myös 2 kilometriä. Kerrannaisyksiköiden kertoimet ja niitä vastaavat etuliitteet on koottu taulukkoon.

Kun puhumme suurista tai pienistä luvuista, on tapana käyttää etuliitteellistä yksikköä. Esimerkiksi punaisen valon aallonpituus voisi olla noin \(650 \cdot 10^{-9}\) metriä (\(0,000 \space 000 \space 650\) m). Tätä muotoa olisi kuitenkin vaikea käyttää esimerkiksi puhutussa kielessä, joten punaisen valon aallonpituuden kerrotaan olevan noin 650 nanometriä. Kun sitten fysiikassa aletaan laskemaan näillä luvuilla, on yksiköt tarpeen palauttaa kerrannaisyksiköstä perusyksikköön.

Tehtäviä

Tehtävä

Muunna luku pyydettyyn yksikköön tai muotoon. Käytä kertomerkkinä *-merkkiä.

Tehtävä 2

Kirjoita lyhyesti seuraavat likiarvot

1. Valonnopeus tyhjiössä \(300 000 000 \frac{m}{s}\)
2. Helium-atomin sade \(0,000 \space 000 \space 000 \space 031\) m
3. Euroopan väkiluku \(741 \space 400 \space 000\)
4. Ihosolun koko \(0,000 \space 011\) m
5. Maan ja Kuun etäisyys \(38,4 \cdot 10^7\) m
6. Alkeisvaraus \(1,602 \cdot 10^{-19}\) C

Tehtävä

Sähköfysiikan perussuureita ovat jännite \(U\), sähkövirta \(I\) ja resistanssi \(R\). Näille kolmelle pätee Ohmin laiksi kutsuttu suureyhtälö \(U=RI\).

Tehtävä