III. Energia

0. Käsitteitä

Energia on mukana kaikissa tapahtumissa. Kaikki energia ei kuitenkaan pysty aiheuttamaan muutoksia. 

Energian tunnus on E ja yksikkö [E] = 1 J = 1 joule.

Työ on energian muuttamista toiseen muotoon.
[[$ W = \Delta E = E_{2} – E_{1} $]]​
Kreikkalainen kirjain iso delta "Δ" tarkoittaa muutosta.

Mekaaninen työ tarkoittaa kappaleen siirtämistä. Työ tehdään liikettä vastustavia voimia, kuten kitkaa ja ilmanvastusta vastaan.
[[$ W = Fs $]]​,
missä F on siirtämiseen tarvittava voima ja s matka.
Voima F tarvitaan liikkeen muutosta vastustavien voimien voittamiseksi.

Nostotyö on työtä, joka tehdään painovoimaa vastaan.
[[$ W = Gh = mgh $]]​,
missä G on kappaleen paino ja h korkeus, jonne kappale nostetaan, m kappaleen massa ja g maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys (n. 10 m/s2).

Työn yksikkö on sama kuin energian yksikkö:
[[$ [W] = 1 \, \mathrm{J} = 1 \, \mathrm{joule} = 1 \, \mathrm{Nm} $]]​

Työtä voidaan kuvata energianmuutoskaaviolla. Esimerkiksi kun puut palavat nuotiossa, puuhun varastoitunut energia vapautuu valona ja lämpönä:
https://peda.net/id/59e6f492f05
Energia voi muuttua useisiin eri muotoihin, mutta energian kokonaismäärä säilyy.

Hyötysuhde on hyödyllisen energian osuus kulutetusta energiasta. 

Teho tarkoittaa työn tekemisen nopeutta:
P = W : t
Tehon yksikkö saadaan jakamalla energian yksikkö ajalla:
[[$ [P] = [W] / [t] = 1 \,\mathrm{J/s} = 1 \,\mathrm{W} = 1 \,\mathrm{watti} $]]​

1. Energia ja työ

  1. Punnitse pallo.
  2. Kiinnitä paperiarkki kireälle pöytien väliin teipillä.
  3. Selvitä, miten korkealta pallo on pudotettava, jotta se menee paperin läpi. Lisää korkeutta 10 cm:n välein.
  4. Kirjaa tulokset ja etsi keskustellen ryhmän kanssa vastaukset kysymyksiin:
    • Mikä merkitys paperin repeämisessä on pallon nopeudella?
    • Mikä pallolle antaa lisää nopeutta?
    • Mistä pallo saa energiaa liikkumiseen?
    • Missä muodossa pallon energia on, kun pidät palloa kädessä? Onko se sidottua potentiaalienergiaa vai vapaata liike-energiaa?
    • Missä muodossa pallon energia on, kun pallo putoaa? Onko se potentiaalienergiaa vai liike-energiaa?
    • Miksi paperi repeää?
    • Miten pallon tekemä työ näkyy?
    • Minne pallon energia on mennyt sen jälkeen, kun pallo on pudonnut lattialle? Missä muodossa energia on?
  5. Laske:
    Pallon potentiaalienergia ennen pudotusta.[[$ E_p=Gh=mgh $]]​
    Pallon liike-energia, kun se törmää paperiin;[[$ E_k = \frac{1}{2} m v^2 $]]​
    Pallon potentiaali-energia on muuttunut kokonaan liike-energiaksi, joten [[$ E_k = E_p $]]​
    Tästä saadaan pallon nopeus, kun se törmää paperiin; [[$ v= \sqrt{2gh} $]]​
    ([[$ m $]]​ on pallon massa, [[$ g $]]​ maan vetovoiman kiihtyvyys 9,81 m/s2 ja [[$ h $]]​ korkeus paperista mitattuna.

Energiaa eri muodoissa

  • Palauta kuva tai muu tiedosto
  • Palauta merkintä
  • Palauta linkki

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

2. Potentiaalienergia

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Oletetaan, että reppusi massa on 5 kg.
1. Kuinka suuri voima vähintään tarvitaan nostamaan reppu lattialta? N
2. Kuinka suuri voima vähintään tarvitaan nostamaan reppu metrin korkeuteen? N
3. Kuinka suuri voima tarvitaan nostamaan reppu kahden metrin korkeuteen? N
4. Kuinka suuri voima tarvitaan nostamaan reppu sadan metrin korkeuteen? N
5. Mitä väliä sillä sitten on, nostatko repun yhden vaiko sadan metrin korkeuteen?
Jos jokin muuttuu, mikä?

6. Mitä tapahtuu, jos nostat reppusi metrin korkeuteen ja päästät sitten irti?
7. Mistä reppu saa liike-energiaa?

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

3. Työ

  1. Mittaa pullossa olevan hiekan lämpötila.
  2. Sulje korkki ja ravista pulloa 3 minuuttia.
  3. Mittaa hiekan lämpötila.
  4. Ravista vielä 2 minuuttia.
  5. Mittaa hiekan lämpötila.
  6. Selitä ilmiö ja piirrä siitä energianmuutoskaavio.

Työ

  • Palauta kuva tai muu tiedosto
  • Palauta merkintä
  • Palauta linkki

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

4. Heiluri

Välineet: lankaa, magneettipunnussarja, statiivi, kello, rullamitta, kirjevaaka:right

Rakenna heiluri langasta ja magneettipunnuksesta. Punnitse punnukset vaa’alla. Tee langan päihin silmukat.

  1. Laita heiluri heilumaan ja mittaa heilahdusaika T. Heilahdus on yksi edestakainen liike ääriasennosta toiseen ja takaisin. Mittaa 10:een heilahdukseen kuluva aika ja jaa 10:llä.
  2. Laske laskimella taajuus f heilahdusajan T käänteislukuna: f=1/T
  3. Puolita heilahduksen laajuus eli amplitudi A.
    Miten amplitudin muutos vaikuttaa a) heilahdusaikaan, b) heilahdustaajuuteen?
    Selitä, miksi.
  4. Muuta massaa lisäämällä magneettipunnuksia. Mittaa heilahdusaika neljälle eri massalle.
    Miten massan lisääminen vaikuttaa a) heilahdusaikaan, b) heilahdustaajuuteen?
    Selitä, miksi. (Vaikuttaako massa kappaleen putoamisnopeuteen?)
  5. Mittaa heilurin pituus (kiinnityskohdasta punnuksen keskelle) ja kirjaa sen viereen heilahdusaika ja taajuus.
    Muuta heilurin pituutta tekemällä vetosilmukka keskelle lankaa. Älä tee lankaan umpisolmuja.
    Mittaa heilurin pituus ja heilahdusaika. Lyhennä lankaa vielä toisen kerran.
    Miten heilurin lyhentäminen vaikuttaa a) heilahdusaikaan, b) heilahdustaajuuteen?
  6. Piirrä kuva heilurista ja merkitse siihen kirjaimin seuraavat kohdat:
    A. Missä heilahduksen vaiheessa punnuksen nopeus on suurin?
    B. Missä heilahduksen vaiheessa punnuksen nopeus on pienin?
    C. Missä heilahduksen vaiheessa punnuksen liike-energia on suurin?
    D. Missä heilahduksen vaiheessa punnuksen potentiaali-energia on suurin?
  7. Kokeile heilurisovelmaa ja muuta siinä painovoiman suuruutta. Selitä, miten heiluria voi käyttää painovoiman mittaamiseen.

Kokeile: Heiluri

5. Kalteva taso

  1. Rakenna statiivin varaan kalteva taso. Aloita melko jyrkällä kallistuksella.
  2. Kuormita vaunua magneettipunnuksilla. Punnitse vaunu jousivaa'alla lasteineen. Älä muuta painoa työn aikana.
  3. Pidä jousivaa'alla vaunu paikallaan kuten kuvassa. Vaa'an pitää olla kaltevan tason suuntaisesti (katso kuvaa). Mittaa vetämiseen tarvittava voima F.
  4. Puolita rampin korkeus. Mittaa vetämiseen tarvittava voima.
  5. Puolita korkeus vielä kerran ja mittaa voima.
  6. Täydennä taulukko.
    Kaltevuuskulman sini on korkeuden ja rampin pituuden suhde:
    [[$$ \sin \alpha = \frac{h}{s} $$]]​
    [[$ s $]]​ [[$ h $]]​ [[$ F $]]​ [[$ \frac{h}{ s} $]]​ [[$ \alpha $]]​
    		 [[$ \frac{F}{G} $]]​ [[$ W=Gh $]]​ [[$ W=Fs $]]​
                   
                   
                   
  7. Kokeile sovelmalla kaltevan tason vaikutusta nostotyöhön tarvittavaan voimaan ja vastaa kysymyksiin.
Nostotyö ei riipu reitistä. Se on siis aina [[$ W=Gh=Fs $]]​. Kalteva taso ei siis vähennä työn määrää, mutta tekee sen helpommaksi, koska tarvittava voima on pienempi.

Kalteva taso

  • Palauta kuva tai muu tiedosto
  • Palauta merkintä
  • Palauta linkki

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

6. Vivun tasapainoehto

  1. Kiinnitä vipuvarsi statiiviin koeputkikouralla tai pidä kädellä kiinni vivun akselista.
  2. Ripusta varteen magneettipunnuksia erilaisina yhdistelminä.
  3. Aseta punnukset niin, että vipuvarsi on tasapainossa.
  4. Kirjaa ylös punnusten paino G newtoneina ja etäisyys metreinä ripustuspisteestä
    (1 m = 100 cm).
  5. Laske punnusten painon G ja etäisyyden x tulo molemmilla puolilla vipua.

    G1 (N)

    x1 (m)

    G2 (N)

    x2 (m)

    G1x1 (Nm)

    G2x2 (Nm)

    2 N

    0,06 m

    1 N

    0,12 m

    2 N·0,06 m = 0,12 Nm

    1 N·0,12 m = 0,12 Nm
    -          
    -          
    -          

    Voiman ja vipuvarren pituuden tulo on voiman momentti.

Vipu

  • Palauta kuva tai muu tiedosto
  • Palauta merkintä
  • Palauta linkki

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

7. Massakeskipiste

  1. Leikkaa pahvista epäsäännöllinen kuvio.
  2. Selvitä luotilangan ja kynän avulla kuvion massakeskipiste.
  3. Koeta saada kuvio tasapainoon kynän tylpän pään varaan.
  4. Merkitse massakeskipiste selkeästi. Ota kappaleesta valokuva työselostukseksi.
  5. Leikkaa kuvion sisälle reikä. Varmista, että mitattu keskipiste jää kuvioon.
  6. Määritä uusi massakeskipiste.
  7. Muunna kuviota niin, että massakeskipiste tulee kuvion ulkopuolelle.
Palauta työselostuksena kuva kohdasta 4. Kohtia 5–7 ei tarvitse kuvata.

Massakeskipiste

Ota valokuva tasapainotetusta kappaleesta.
  • Palauta kuva tai muu tiedosto
  • Palauta merkintä
  • Palauta linkki

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.