Eðlisfræði 1, 2 og 3 - Kennsluleiðbeiningar

Kennsluleiðbeiningar – Eðlisfræði 1 11 Inngangur 41 EFNIKAFLANS 2.1Mismunandi formorkunnar 2.2Endurnýjanlegorkaer framtíðin ÍBRENNIDEPLI Verðurorkuöflunokkarorðinalgerlega sjálfbærárið2050? 2.3Óendurnýjanlegirorkugjafar 2 ORKUÖFLUN MANNKYNS ÍÞESSUMKAFLA LÆRIRÞÚ • umþaðhvernigorka sólarflæðirumnáttúrunaog samfélagið oghvernighúnbreytistúreinu formi íannað • aðekkierhægtaðeyðaorkuheldurbreytisthúneingönguúreinu formi íannað • ummuninnáendurnýjanlegumogóendurnýjanlegumorkugjöfum • ummismunandiaðferðir tilað framleiða rafmagnogumhelstu kostiogókostihverraraðferðar • umþaðhvernigviðgetum framleittorkuá sjálfbæranhátt í framtíðinni • hvernigbrennsla jarðefnaeldsneytishefurhaftáhrifá loftslag jarðar • hvernigkjarnorkageturgegntmikilvæguhlutverkiviðaðkoma íveg fyriraukingróðurhúsaáhrif –en líkaumáhættuna sem fylgir notkunþessaraorkugjafa • hvernigvel stæðurhlutimannkynseykur í sífelluorkunotkun sína oghvaðaáhrif lifnaðarhættirokkarhafaáveðurfariðá Jörðinni • aðviðverðumaðbreyta lífsháttumokkar tilaðdragaúr gróðurhúsaáhrifumogþú lærirumþaupólitískumarkmið semþarf að stefnaað tilaðþað takist • að ræðaumþaðhvernigviðgetumgertorkuöflunokkar sjálfbæra Mesta hagsmunamál framtíðarinnar Mannkyniðnotarnúorkuna,semhefurveriðgeymd í jarðskorpunniárþúsundumsaman, ísvo ríkummæliaðhúngengurört tilþurrðar.Aukþessveldurþessimiklaorkunotkunbreytingum á loftslagi jarðar.Efviðeigumaðgetakomið íveg fyrirað illa fariverðurmannkyniðað fara aðnýtaorkunabeturognota fremurendurnýjanlegaorkuáborðviðsólarorku,vindorkuog lífeldsneyti.Viðmegumengan tímamissa. Hvaðahluturáheimiliþínukrefst mestrarorku?Hvað íheimilishaldinu krefstmestrarorku? Hvaðaorkugjafareru mikilvægastir fyrir íslenskt þjóðfélag? Orkunotkuneralgengtorð ínútímamáli.Það erþó í raunogveruórökréttaðnotaþetta orð.Hverheldurþúað skýringin séáþví? 1. RAFMAGN 8 9 1. RAFMAGN 2.1 Rafhleðsla Þrumuveðurhafabæðiheillaðmennoghrættúrþeim líftóruna frá örófialda.Þaðvarþóekki fyrrenummiðjaátjánduöld semmenn gátuútskýrt tengslinmillieldingaog rafmagns.Umhundraðárum síðarhafðivísindamönnum tekistaðbeisla rafmagniðþannigaðnýta máttiþað íþáguokkar.Nú sjáumviðárangurinnhvert semvið lítum: ísskápar,þvottavélar, símar, sjónvörp, tölvur,brauðristarogfjölmargir aðrirhlutir semeruknúnir rafmagni.En rafmagnið sjálfterþóalls ekki sýnilegt.Rafeindirnarerueinfaldlega svo smáaraðvið sjáum þærekki.Þær sjástekkieinu sinni íheimsinsöflugustu smásjám. Þrumurogeldingar Mikiðþrumuveðurmeð leiftrandi eldingum ogháværum,drynjandi þrumum getur tekið á taugarnar. En hvernig verða eldingarnar eiginlega til? Þessispurninghefurbrunniðá vörummanna frá örófi alda.Árið 1752 hóf Bandaríkjamaðurinn Benjamin Franklin að gera til­ raunir til þess að finna svarið. Honum tókstað fangaeldinguog látahenni slániður í jörðinameð því að fljúga flugdreka í þrumu­ veðri.Ekki þarf að taka það fram að tilraunin setti hann í mikla lífshættu.Á nítjándu öld urðu æ fleiri hugfangnir af rafmagninu og ekki leið á löngu þar til fjölmargir vísindamennunnuað tilraunum tilaðbeislaþettaóútreiknanlega fyrir­ bæri. Þettamikla starf skilaði árangri að lokum. Í lok nítjándu aldar hafðiflestumþáttum íeðli rafmagnsins,semeruokkurkunnirnú,verið lýst og þeir útskýrðir til hlítar.Við skulum þó byrjameð því að lýsa nokkrum einföldum tilraunum. Stöðurafmagn Skyndilega stendur allt hárið út í loftið! Þegar þú greiðir eða burstar hárið brakar og smellur í því og hárin dragast að greiðunni eða hárburstanum.Það er eins og hárið hafi öðlast eigið líf. Þú heyrir líka brakandi hljóð og sérð jafnvel neista fljúga. Það sama getur komið fyrir þig þegar þú klæðir þig úr peysu í þurru og köldu veðri eða ef þú nuddar blöðru við hárið. Það semmyndast þá heitir stöðurafmagn .En af hverju stafar það?Til að geta útskýrt hvað stöðurafmagn er þurfum við fyrst að kíkja inn í frumeind og sjáhvernighún erbyggðupp. Í frumeindumeruhlaðnareindir Í hverri frumeind er kjarni . Umhverfis kjarnann sveima eindir sem kallast rafeindir . Bæði kjarninn og rafeindirnar eru rafhlaðnar. Rafhleðslan er tvenns konar:neikvæðhleðslaog jákvæðhleðsla. Í kjarna frumeindar eru jákvætt hlaðnar eindir er kallast róteindir og óhlaðnar eindir semnefnast nifteindir .Róteindirnar valdaþví aðkjarninn verður jákvætthlaðinnen rafeindirnareruhinsvegarneikvætthlaðnar. Í hverri frumeind eru jafnmargar róteindir og rafeindir. Fjöldi jákvæðu rafhleðslnanna er þess vegna sá sami og fjöldi neikvæðu hleðslnanna.Frumeindinverðurþessvegna íheildóhlaðin.Frumeindir eru því sagðar hlutlausar .Mismunandi frumeindir halda hins vegar misjafnlega fast í rafeindir sínar.Þaðmerkir að sumar frumeindir láta frá sér rafeindirog aðrar frumeindir toga til sín rafeindir. 2.4 Í frumeinder jákvætthlaðinn kjarni.Umhverfishann sveima neikvætthlaðnar rafeindir. Hefurþú lent íþessu?Þúhefur örugglegaheyrt talaðum stöðurafmagn.Enhvaðerþað eiginlega? SAGNFRÆÐI TVENNS KONAR RAFMAGN Íbyrjun18.aldar trúðumennþvíað tilværu tværmismunandigerðiraf rafmagni.Menn tölduaðönnurgerð rafmagnsinsskapaðiaðdráttarkraft enaðhinværi fráhrindandi.Núsegjumviðhinsvegarað rafleðslurgeti annarsvegarverið jákvæðaroghinsvegarneikvæðar.Orðið rafmagn er tengt rafi,semersteingerð trjákvoðaúrbarrtrjám.Rafverður rafmagnaðviðnúning.Tilgangurinnmeðþvíað talaum jákvæðaog neikvæða rafleðsluersáaðþanniggetumvið lýst tveimurandstæðum eiginleikum,svipaðogvið tölumumheittogkalt.Efvið leggjum eiginleikanasamanupphefjaþeirhvorannan.Þannigverkaþessi fyrirbæri einnig ínáttúrunni. Jákvæðarogneikvæðar rafleðslurupphefjahvorar aðrar. Jákvæð rafleðslahlutleysirþáneikvæðuogöfugt. Rafeindir Róteindir 1 Rafhleðsla Eldingarerueittmikilfenglegasta sjónarspilnáttúrunnar.Ámyndinni sjásteldingar sem leiftravegna rafhleðslna semmynduðust í gosmekkiEyjafjallajökulsárið2010. Í BRENNIDEPLI Merki ígeimnum Umárið1820 stakkþýski stærðfræðingurinn CarlFriedrichGauss uppáþvíaðmennbyggju til risaþríhyrning í skógumSíberíumeðþvíað fella tré. Þanniggætugeimverur séðaðviðværum til.Árið1972 sendumenneinskonarauðkennisskiltimannaút í geiminnmeðkönnunarförunumPioneer10og11.Þau eruenná ferð frá Jörðuog færastæ lengraút ígeiminn. TIL UMRÆÐU • Heldurþúaðeinhverjaraðrar lífverurgetiskilið táknin ískilaboðumokkar? • Finnstþéraðviðeigumaðsendamerkiút í geiminn tilaðstaðfestaaðviðséum til?Efsvarið er jákvætt:hvernigeigumviðaðgeraþað? • Hvaðheldurþúaðgeristef framandi lífverurá öðrum reikistjörnumnemamerkin fráokkur? Ekkertvitsmunalífer annars staðar í sólkerfi okkar Núhöfumviðgetað staðfestþaðmeðhjálp öflugra stjörnusjónauka ogfjöldageimferðaað ekkertvitsmunalífþrífst annars staðarená Jörðinni íokkar sólkerfi.Enneru þóeinhverjar líkuráþví aðviðfinnumef tilvill bakteríureðaaðrareinfaldar lífveruráeinhverrihinna reikistjarnannaeða tunglum þeirra—eðaþámerkiumað slíkt lífhafieinhvern tímann verið í sólkerfinuutan Jarðar. Líklegasterað líf séúti ígeimnum Meðeinfaldri stærðfræðimá leiða líkuraðþvíað líf hljótiaðvera tilannars staðar íalheiminum.Fjöldi þeirra stjarna, sem líkjast sólinniokkar,er svomikill aðþaðerólíklegtað Jörðin séeina reikistjarnanþar sem lífþrífst.Fyrir rúmum20árumþekktumennekki einaeinustu reikistjörnuutanokkar sólkerfisen ídag þekkjumviðyfirnokkurþúsund slíkar reikistjörnur, svokallaðarfjarreikistjörnur.Viðhöfumekkiminnstu hugmyndumþaðhversumargar lífvænlegar fjarreikistjörnur eru íöllumalheiminum. TIL UMRÆÐU • Hvernigheldurþúaðvið Jarðarbúar brygðumstefviðnæðumsambandi viðgeimverur? • Hvaðaáhrifheldurþúaðþaðhefðiá trúarbrögðokkaref líf fyndistutan Jarðarinnar? Þetta skiltierumborð íkönnunarförunum Pioneer10og11. Áþvíerkveðja frá Jarðarbúum til hugsanlegra geimvera. Eiginleikar vetnissameindar Útlínuteikning afkönnunarfari Talan8á tvíundarformi Staða sólar íalheiminum Gerð sólkerfis okkar TIL UMRÆÐU • Hvaðahugmyndirheldurþúað mennhafihaftárið1950um lífá öðrum reikistjörnum ísólkerfiokkar? • Finnstþér líklegtaðmenneigieftir aðfinnabakteríuráöðrumhnöttum ísólkerfinu? Rannsóknirhaldaáfram Leitinað lífiáöðrumhnöttum í alheiminumhelduráframafmiklum krafti.BandarískaSETI-stofnunin (SETIer skammstöfuná Search for Extraterrestrial Intelligence , semmerkir „leitaðvitsmunalífiutan Jarðar“)er einkarekin stofnun sem sinnir leitað lífi ígeimnum.Efvitsmunaverureru til einhvers staðarúti ígeimnum senda þæref tilvill frá sérútvarpsbylgjur. Þessvegnaer stóriútvarpssjónaukinn íArecibo íPúertóRíkómeðalannars notaður tilað „hlustaá“geiminn,kanna hvortþaðanberastútvarpsbylgjur. TIL UMRÆÐU • Telurþú líklegtaðútvarpssjónaukinn eigieftiraðnemasendingarutanúr geimnum? • Finnstþérmikilvægtað leitasvaravið spurningunnium lífúti ígeimnum? ERUM VIÐ EIN Í ALHEIMINUM? 4. ALHEIMURINN 4. ALHEIMURINN 109 108 Súrefnisfrumeindmeð kjarnaoghvelum. Vísindalegbylting • Skömmu fyriraldamótin1900gátumenn lýstkrafti,hreyfingu,hljóði, ljósi, rafmagniogsegulmagni.Vísindamenn tölduaðeðlisfræðiværiekkiflóknari enþettaogaðekkertnýttættieftiraðkoma framþessu tilviðbótar. • Nýjar tilraunirbentu tilþessað frumeindirogsameindirværu tilþrátt fyrirallt, þóttengumhefði tekistaðsýnaótvírætt framá tilvistþeirra í tilraun. • Áumþrjátíuára tímabilikomustmennaðþvíað frumeindirværugerðarúrkjarna og rafeindumsemværuásveimiumhverfishann. • Nýjaeðlisfræðin lýsir innstaeðlináttúrunnarogdregur fram furðulegarstað­ reyndiráborðviðþáaðhreyfing frumeindaog rafeindaerhandahófskennd. Innrigerð frumeinda • Frumeindergerðúr jákvætthlöðnum kjarna ogumhverfishanneruneikvætt hlaðnar rafeindir ásveimi. • Efþrjáreðafleiri rafeindireru í frumeinderuþærámismunandihvelum.Hvelineru táknuðmeðbókstöfunumK,L,Mogsvo framvegis. • Í frumeindarkjarnanumeru róteindir og nifteindir .Róteindirnareru jákvætthlaðnar ennifteindirnaróhlaðnar.Báðareindirnarhafaaðöðru leytisvipaðaeiginleikaog kallasteinunafni kjarnaeindir . • Róteindirhafaumþaðbilsama massa ognifteindir.Massiþeirraerumþaðbil 2000sinnummeirienmassi rafeindar. • Sætistalan segir tilumfjölda róteinda íkjarnanum. • Massatalan segir tilumsamanlagðanfjölda róteindaognifteinda. • Hvert frumefnihefurmismunandi samsætur .Kjarnarnir ísamsætumsama frumefnishafaallir jafnmargar róteindirenfjöldinifteinda ímismunandi samsætumermisjafn.Massatalanerþvíekkihinsamahjámismunandisamsætum sama frumefnis. • Ef frumeindbætirviðsigorku færisteineðafleiri rafeindirútáytrahvel. Þegar rafeindirnar falla tilbakaáupphaflegahveliðsendaþær frásérorku, tildæmissemblátt ljós.Ef lítillmunureráorkuhvelanna losnarorkusnauðara ljós, tildæmis rautt ljós. • Röntgengeislunverður til ímassamiklum frumeindumþegar rafeindáeinuaf innstuhvelunumstekkurafhvelisínuog ístaðhennarkemur rafeind fráystu hvelunum.Röntgengeislunermjögorkurík. Geislavirkefni • Afmörgum frumefnannaeru tilsamsæturmeðóstöðuga frumeindarkjarna. Samsæturafþessu tagierusagðar geislavirkar . • Efgeislavirkurkjarnisendir frásérgeislunsundrasthanneðabreytist verulega.Geisluningeturveriðafþremurgerðum: alfageislun,betageislun eða gammageislun. Rutherforduppgötvaði frumeindarkjarnann. Tákn fyriralgengustu samsætu súrefnis. 1.1 1.2 1.3 • Alfageisluner alfaeindir á ferð. Íeinnialfaeinderu tvær róteindirog tværnifteindir oghúnerþví jákvætthlaðin.Alfaeinderþaðsamaoghelínkjarni. • Betageisluner betaeindir .Betaeinderoftast rafeindogerþáneikvætthlaðinen betaeindirgeta líkaverið jáeindirsemeru jákvætthlaðnar. • Gammageisluner rafsegulgeislunafsama tagiogsýnilegt ljós.Sáerþómunurinn aðgammageislunermunorkuríkarien ljósgeislun. • Alfa,betaoggammageislunnefnastofteinunafni jónandigeislun . • Helmingunartími ersá tímisemþað tekurhelming frumeindarkjarnanna ígeislavirku efniaðsundrast. • Geislavirkni ersáeiginleikiefnisaðsenda frásérgeislunánnokkurraytriáhrifaog frumeindarkjarnarþesssundrasteðabreytastverulegaum leið,oft íkjarnaannars frumefnis. • Geislavirkniermældmeðgeislamæli. • Geislun frágeislavirkumefnumermeðalannarsnotuð tilaðgreinasjúkdóma, tildæmis þegar teknareru röntgenmyndirogvið jáeindaskönnun. Jáeindersvokölluðandeind rafeindarinnar, jákvætthlaðinenaðflestuöðru leytieinsog rafeindin. • Krabbameinsfrumureruviðkvæmarienheilbrigðar frumur fyrirgeislun.Þessvegna mánotageislun tilaðmeðhöndlakrabbameinogvinnabugáþví. • Geislamælirernotaður tilaðskráallageislunsem tiltekinnmaðurverður fyrir áákveðnum tíma. Kjarnorka • Kjarnorkaereittmargraorkuforma. • Eitt frumefnigeturbreyst íannaðviðgeislavirkasundrun. • Menngetabreytteinu frumefni íannaðmeðþvíaðskjótaá frumeindarkjarna meðnifteindum. • Kjarnorka losnarúr læðingiá tvennanhátt:við klofnun ogvið samruna . • Viðklofnuneruþungir frumeindarkjarnarklofnir ísmærrikjarnaogorka losnar. Klofnunkemur tildæmisviðsögu íkjarnorkusprengingumog íkjarnaofnum. • Í kjarnorkusprengingu klofnagríðarlegamargirúrankjarnarásekúndubroti. Keðjuverkuninerstjórnlausogmikilorka losnarúr læðingi. • Í kjarnaofni hafamennhemilákeðjuverkuninni.Viðkjarnaklofnunina losnarvarmisemer notaður tilaðsjóðavatn.Þámyndastgufasemknýr hverfil. Hverfillinnknýrsvo rafal sem framleiðir rafmagn. • Viðkjarnasamruna renna léttir frumeindarkjarnarsamanog tilverðaþyngri frumeindarkjarnarum leiðogorka losnar. Ísólinniverðurkjarnasamruniþegar vetniskjarnar rennasamanoghelínkjarnarmyndast. • Efniumbreytist íorkubæði íklofnunogsamruna.Þettagerist ísamræmiviðhina frægu formúluEinsteins: E=m ·c2 . 1.4 Kjarnaklofnun. Röntgenmyndir, teknar með röntgengeislun. Alfasundrun. E = m · c 2 Kjarnaofn tvívetni þrívetni helín nifteind orka Geislamælir. Keðjuverkun. 11,6 L K O 16 8 massatala sætistala alfasundrun alfageislun helínkjarni gammageislun 1. KJARNEÐLISFRÆÐI 1. KJARNEÐLISFRÆÐI SAMANTEKT 36 37 Hver meginkafli hefst á opnu með stuttum inngangi og myndum sem henta ágætlega til að ræða efni og þekkingarmarkmið kaflans sem talin eru upp á opnunni, ásamt efni kaflans. Hver kaflahluti hefst á inngangsorðum þar sem fjallað er almennt um efnið, sögu þess og þróun. Reynt er af fremsta megni að haga efninu svo að efnishlutar kaflanna séu stuttir og markvissir og falli eðlilega á hverja síðu eða opnu bókarinnar. Víða eru rammagreinar í bókunum undir heitunum Ítarefni, Rannsóknir og Sagnfræði, með myndefni og texta til nánari skýringa. Hver kaflahluti endar loks á sjálfsprófi úr efni kaflans, ásamt helstu hugtökum sem nemendur eiga að útskýra. Skilgreiningar á hugtökunum og svör við spurningum er hægt að nálgast á læstu svæði kennara á www.mms.is. Þar eru einnig kaflapróf sem kennarar geta stuðst við eða notað varðandi námsmat. Bent skal á að í lok þriðju bókarinnar eru orðskýringar úr öllum bókunum dregnar saman á einn stað. Í hverjum meginkafla bókanna eru síður eða opnur undir fyrirsögninni Í brennidepli. Þar eru rammaklausur ásamt spurningum um ýmis álitamál sem tengjast efni kaflans. Við mörgum þeirra eru ekki einhlít svör. Markmið þessa efnis er að skapa umræðu sem þjálfar nemendur í að rökstyðja mál sitt, hlusta á og taka afstöðu til sjónarmiða annarra. Undir lok hvers meginkafla er efni hans dregið saman í stuttu máli undir fyrirsögninni. Samantekt