Uporabna fizika

Download Uporabna fizika

Post on 15-Jan-2017

219 views

Category:

Documents

3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • B. Borstnik: Studijsko gradivo za studente kemijske tehnologije / Uporabna fizika 1

    VSEBINAMERJENJE FIZIKALNIH KOLICINMerjenje dolzin in dolocanje leg predmetovMerjenje casaDolocanje hitrosti in pospeskovDolocanje maseMasna spektroskopijaMerjenje silMikroskop na atomsko siloMerjenje tlakaMerjenje viskoznostiMerjenje zracnega uporaMerjenje temperatureKalorimetrijaMerjenje toplotne prevodnostiElektricna merjenjaOpticna spektroskopijaInfrardeca spektroskopijaSpektroskopija jedrske magnetne resonanceDifrakcija rentgenskih zarkovSinhrotronFIZIKA V TEHNIKIUporaba elektricnih in magnetnih sil in navorovElektricne sileMagnetne sileENERGETIKAIzkoriscanje soncne toplote - fototermikaSoncne elektrarneToplotni strojiGorivne celiceEnergija vetraVodna energijaJedrska energijaFIZIKA V VREMENOSLOVJUEnergijski pretoki na zemeljskem povrsjuGibanje zracnih masStaticna elektrika v atmosferiPrebojna jakost elektricnega poljaVESOLJEEnote v astronomijiLocljivost teleskopovNovo odkriti planetni sistemiPRENOS PODATKOV, TELEFONIJA IN RADIOCLOVESKO TELO / Mehanika cloveskega telesa / Ostrina vida / SluhSPORT IN PROSTI CAS / Atletika / Kolesarstvo / Navtika / Na smuceh / Na vrveh

  • B. Borstnik: Studijsko gradivo za studente kemijske tehnologije / Uporabna fizika 2

    MERJENJE FIZIKALNIH KOLICINUvodLe redke fizikalne kolicine lahko merimo neposredno. Vzemimo za primer merjenje dolzinpredmetov. Ce polozimo ob merjeni predmet merilni trak, poravnamo en konec traku zenim koncem predmeta in odcitamo stevilo dolzinskih enot na traku na drugem koncupredmeta, smo izvedli meritev na najbolj neposreden nacin. Ce merimo razdaljo meddvema tockama z laserskim merilnikom, izmeri merilnik najprej cas preleta laserskegazarka od prve tocke do zrcala, ki ga postavimo v drugo tocko in nazaj in nato izracunarazdaljo. Se dosti vec posrednikov je potrebno, ce merimo razdaljo z GPS napravo, kotbomo videli kasneje. V tem primeru je posrednik sistem satelitov, ki krozijo okrog Zemljevisoko nad ozracjem. GPS naprava izmeri zakasnitve vecjega stevila radijskih signalov innato doloci lege tock na zemlji.

    Merilniki fizikalnih kolicin so lahko analogni ali digitalni. Analogni merilniki iz-koriscajo povezavo, ali podobnost obnasanja dveh kolicin - na primer jakosti elektricnegatoka in zavrtitve tuljave v magnetnem polju, skozi katero tece elektricni tok. Z vrednostjokota zavrtitve tuljave povezemo vrednost kotu analogne kolicine - to je jakost elektricnegatoka. Sodobne merilne naprave nam posredujejo rezultate merjenj v stevilcni (digitalni)obliki. Tudi digitalni merilniki temeljijo na povezavi merjene kolicine z neko drugo fizi-kalno kolicino. Razlika med analognim in digitalnim merilnikom je v tem, da se slednjiizogibajo gibljivim delom in da temeljijo na povezavi merjene kolicine z neko elektricnokolicino, ki ji dolocijo stevilcno vrednost in jo prikazejo na zaslonu. Istocasno spravijorezultat merjenja tudi v racunalniski spomin in je tako na voljo za racunalnisko obrav-navo. Ponazorimo razliko med digitalnim in analognim merilnikon na primeru merilnikahitrosti cestnega vozila. V analognem merilniku prenese pletena zicna vrvica vrtenje odkolesa v ohisje merilnika, kjer sredobezna sila napenja prozno vzmet, raztezek vzmetipovzroci odklon kazalca, ki pokaze dosezeno hitrost na stevilcnici (glej sliko 1). Digitalnimerilnik hitrosti pa je narejen tako, da pritrdimo na kolo magnetek, ob kolo pa tuljavico,v kateri se inducira pri vsakem vrtljaju kolesa napetostni sunek. Vse preostalo opravielektronsko vezje, ki zazna napetostni sunek, presteje nihaje elektronske ure med dvemazaporednima sunkoma in s tem doloci frekvenco vrtenja kolesa. Nato pomnozi frekvencoz obsegom kolesa in rezultat je hitrost, ki jo prikaze v stevilski obliki na tekoce kristalnemprikazovalniku. Vzporedno lahko izracuna in prikaze napravica tudi povprecno hitrost,prevozeno pot in cas voznje. Digitalni merilniki bi bili lahko tudi mehanske naprave. Nasliki 1 je prikazan merilnik razdalj. Spodnje kolo, ki se kotali vzdolz poti, ki jo merimo,pomakne naprej pri vsakem polnem obratu srednje kolo za kot 2/10 in enak ucinek imasrednje kolo na zgornje kolo. Rezultat meritve je v stevilcni obliki prikazan v okvirckih.

    Merjenje dolzin in dolocanje leg predmetovPoleg navadnih ravnil in metrov v obliki kovinskih trakov, ki nam omogocajo milimeter-sko natancnost, omenimo kljunasto merilo in mikrometersko vijacno merilo, s katerimalahko dosezemo desetmikronske natancnosti. Osnova teh naprav je nonij (slika 3), ki gasestavljata dve daljici z dolzino l, ena je razdeljena na n, druga pa na n 1 enakih delov.Ko ti dve daljici vzporedimo, lahko njun relativni premik dolocimo z natancnostjo l/n2,saj se, ce premikamo en trak glede na drugega, zapovrstoma pokrivajo pari crtic - po enana enem traku in ena na drugem traku po vsaki preteceni razdalji l/n2. Pri kljunastem

  • B. Borstnik: Studijsko gradivo za studente kemijske tehnologije / Uporabna fizika 3

    Slika 1: Analogni merilnik hitrosti vrtenja kolesa

    merilu sta obicajni vrednosti n = 10 in l = 1cm, natancnost je stomikronska, pri mikro-meterskem vijacnem merilu pa se l nanasa na kot zavrtitve vijaka, s katerim reguliramomerilno rezo. Dosezena natancnost pa je deset mikrometrov.

    Velike razdalje lahko merimo na vec nacinov. Triangulacija je postopek, pri kateremizmerimo na poljuben nacin (lahko tudi s polaganjem metra v obliki kovinskega traku)razdaljo med dvema tockama. Ce zelimo vedeti, kaksna je razdalja od tock A in Bdo tretje tocke C, nam teh dveh razdalj ni treba meriti na enak (zamuden) nacin, kotsmo merili razdaljo med tockama A in B, ampak izmerimo kota ABC in BAC in natodolocimo razdalji AC in BC z razresitvijo trikotnika, v katerem poznamo eno stranicoin dva kota. Laserski merilniki omogocajo hitro neposredno merjenje razdalj. Ce zelimoizmeriti razdaljo med tockama A in B, postavimo merilnik v tocko A, zrcalo v tocko B,naprava izmeri cas, ki ga potrebuje opticni signal, da prepotuje razdaljo do zrcala in nazajin izracuna in izpise razdaljo med tockama A in B. Taksni merilniki so seveda drazji odmetrov v obliki kovinskih trakov, vendar je njihova cena se vedno dostopna osebam, kijih potrebujejo za poklicno delo, kot so na primer geodeti.

    Omenimo se sisteme, ki omogocajo dolocanje koordinat na zemeljskem povrsju aliv zraku. To so sistemi satelitske navigacije. Sistem, ki ga je postavila vojska Zdruzenihdrzav Amerike je znan po kratici GPS, kar je okrajsava za Global Positioning System. Sis-tem omogoca meritve z natancnostjo enega metra, s priblizno desetkrat manjso locljivostjopa je dostopen civilni javnosti po vsem svetu. Postavitev sistema predstavlja velik financnizalogaj, saj si ga lahko privoscijo le najbogatejse drzave na svetu. Evropska unija postavljasistem Galileo za satelitsko navigacijo s 30 sateliti, ki bo dostopen civilnemu prebivalstvuin bo deloval z natancnostjo enega metra.

    Poglejmo si, kako deluje sistem satelitske navigacije. Temelj sistema je vecje steviloumetnih satelitov, ki krozijo nad Zemljo in neprestano oddajajo sinhronizirane radijskesignale. Naprava na Zemlji, ki sprejema signale vsaj od stirih ali petih satelitov, imavgrajen racunalniski program, ki iz razlike casov med prispelostjo signalov od posame-znih satelitov izracuna svojo zemljepisno sirino, dolzino in nadmorsko visino. Na sliki 5je ilustriran poenostavljen primer, ko lezijo sprejemnik in trije sateliti v skupni ravnini.Naj bosta t1 in t2 zakasnitvi signalov prvega in drugega satelita glede na tretji satelit, kije prejemniku najblizji. Ker potujejo signali s svetlobno hitrostjo, nam povesta vrednosti

  • B. Borstnik: Studijsko gradivo za studente kemijske tehnologije / Uporabna fizika 4

    3

    89

    01

    2 4

    56

    7

    7

    5

    Slika 2: Digitalni merilnik dolzin. Krogca na spodnjem in srednjem kolesu, ki sta oznacenas puscicama, predstavljata moznik, ki zavrti kolo nad sabo, ko pride z njim v stik, za kot2/10. Stevilke v treh okvirckih kazejo vrednost izmerjene poti. Zgornja stevilka kazedesetice, srednja enice, spodnja pa desetine v enotah obsega spodnjega kolesa.

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

    n

    Slika 3: Kljunasto merilo. Vrednost dolzine, ki ustreza razprtju kljuna, preberemo nazgornjem merilu levo od crtice, ki oznacuje na spodnjem merilu niclo. Velikost preostanka,ki je na sliki oznacena z , dolocimo tako, da prestejemo stevilo presledkov do mesta,kjer sta crtici na zgornjem in spodnjem merilu na istem mestu. Na sliki je to pri n=3,kar pomeni, da je izmerjena vrednost enaka 1,3 enote.

  • B. Borstnik: Studijsko gradivo za studente kemijske tehnologije / Uporabna fizika 5

    Slika 4: Satelit iz evropskega navigacijskega sistema Galileo

    rr

    r

    1

    2

    3

    Slika 5: S treh satelitov prihajajo signali, ki so bili oddani istocasno, do sprejemnika zrazlicnimi zakasnitvami. Racunalnik v sprejemniku doloci svojo lego z resitvijo enacb (*)in (**).

    t1 in t2, da sta daljici l1 in l2 za ct1 in ct2 daljsi od l3. To lahko zapisemo v obliki dvehenacb

    (x x1)2 + (y y1)2

    (x x3)2 + (y y3)2 = ct1 ()

    (x x2)2 + (y y2)2

    (x x3)2 + (y y3)2 = ct2. ()

    Imamo torej opravka s sistemom dveh nelinearnih enacb z neznankama x in y, ki predsta-vljata ravninski koordinati sprejemnika. V trirazseznem prostoru mora sprejemnik ujetisignale vsaj stirih satelitov in nato resiti tri enacbe v katerih nastopajo kot neznankenjegove tri koordinate x, y, z, ki jih je mogoce pretvoriti v zemljepisno sirino, zemljepisnodolzino in nadmorsko visino.

    Obstojajo tudi majhne in cenene naprave, ki v ozko omejenih okoljih delujejo podobnokot GPS sistemi. To so dodatki, s katerimi opremijo proizvajalci avtomatske kosilnicetrat, sesalce za prah in podobne naprave, ki se orientirajo po antenah, ki jih je potrebnonamestiti na vogale povrsin, po katerih se gibljejo avtomatske nap