--- jupytext: formats: md:myst text_representation: extension: .md format_name: myst kernelspec: display_name: Python 3 (ipykernel) language: python name: python3 --- # Materia Allt vi ser runt omkring oss är *materia*. Träd, hus och fotbollar - allt består av materia, till och med luften vi andas. Aristoteles trodde, i likhet med många andra gamla grekiska filosofer (under antiken var fysiken snarare filosofi), att all materia bestod av fyra element: luft, eld, vatten och jord. Enligt dem bestod allt på jorden av dessa fyra element i olika grad (himlen bestod av ett femte element som kallades eter). ```{admonition} Fördjupning :class: seealso Med hjälp av elementen kunde Aristoteles förklara varför en sten faller ner när man släpper den. Alla fyra element hade ett naturligt tillstånd de försökte uppnå, exempelvis så hade elementet Jord sitt naturliga tillstånd i vila mitt i jordens mittpunkt, och eftersom en sten mestadels bestod av elementet Jord så söker sig stenen neråt och faller. ``` Idag vet vi att den här modellen inte fungerar, utan att all materia istället består av *atomer*. Atomer är små beståndsdelar som bygger upp vår omvärld. _____________________________________________ ## Atomer och molekyler Här nedan finns en video som kort förklarar atomer och molekyler: Atomer är pyttesmå byggstenar som skapar alla ämnen runt omkring oss. Det finns massvis med olika atomer och tillsammans kan atomerna bilda *molekyler*. Exempel på några molekyler är vatten ($H_2O$) och syre ($O_2$). Alla ämnen vi känner till är antingen ett *grundämne* eller en *kemisk förening*. Grundämnen är de ämnen som bara består av en atom, exempelvis så är syre ett grundämne eftersom det består av syremolekyler som bara innehåller två syreatomer. Kemiska föreningar kallas alla ämnen som innehåller minst två olika sorters atomer, så som vatten som består av två väteatomer och en syreatom. ```{admonition} Kom ihåg :class: attention * Atomer bygger upp materia * Atomer är ofattbart små * Atomer bildar molekyler * Grundämnen består bara av en sorts atom * Kemiska föreningar består av olika sorters atomer ``` _____________________________________________ Trots att atomer är ofattbart små så består de av ännu mindre byggstenar. Atomen har en positivt laddad *atomkärna* som omges av negativt laddade *elektroner*. Här följer en video som fördjupar sig lite mer i atomens uppbyggnad: ```{admonition} Fördjupning :class: seealso En atom består av en positivt laddad atomkärna, som är uppbyggd av positivt laddade *protoner* och oladdade *neutroner*. Kring atomkärnan finns en eller flera negativt laddade *elektroner*. Inte nog med det, även elektronerna och protonerna är uppbyggda av ännu mindre byggstenar som kallas för *kvarkar*. ``` _____________________________________________ ### Uppgifter 1. Vad är materia uppbyggt av? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown All materia är uppbyggd av atomer. ``` 2. Finns det sådant som inte är materia? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Ja, tillexempel värme och ljus. Materia måste kunna vägas, men notera att även luft kan vägas! ``` 3. Vad menas med ett grundämne? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Ett ämne som bara består av en sorts atom. ``` 4. Vad kallas ämnen som inte är grundämnen? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Kemiska föreningar (eller också sammansatta ämnen). ``` 5. Vad är en atom uppbyggd av? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown En atomkärna (som består av protoner och neutroner) och en eller flera elektroner. ``` _____________________________________________ ### Spel Här nedan finns ett spel från PhET Interactive Simulations (som ges ut av University of Colorado). Prova att bygga olika sorters atomer. Vad händer om du lägger till fler än två elektroner? Kika också på periodiska systemet, vad finns det för samband med antalet protoner och atomens position i periodiska systemet?
_____________________________________________ ## Ämnen i olika former Ämnen är uppbyggda av atomer och molekyler, men trots att ett ämne (exempelvis vatten) består av samma molekyler ($H_2O$) så kan ämnet ha olika *form*. Här nedan finns en video som förklarar det här lite närmare. De tre formerna som tas upp i videon är fast form (som järn, guld och is), flytande form (som bensin, sprit och vatten) och gasform (som syre, koldioxid och vatten). ```{admonition} Kom ihåg :class: attention Ett ämne kan ha olika form. Det är samma molekyler oavsett vilken form ämnet är i, men molekylerna beter sig olika: * I fast form sitter molekylerna fast och vibrerar på sina bestämda platser * I flytande form sitter molekylerna något lösare och kan byta plats med varandra * I gasform rör sig molekylerna så pass mycket att de bryter sig loss från varandra ``` _____________________________________________ Mellan dessa tre former så finns det fyra olika sorters övergångar som är bra att ha koll på: * **Smältning** är när ett ämne övergår från fast till flytande form (tänk på is som smälter) * **Stelning** är när ett ämne övergår från flytande till fast form (guld som har smält kan stelna om den höga temperaturen inte bibehålls) * **Avdunstning** är när ett ämne övergår från flytande form till gasform (man säger att ämnet avdunstar) * **Kondensation** är när ett ämne övergår från gasform till flytande form (man säger att ämnet kondenseras) ```{admonition} Kom ihåg :class: attention För vatten säger vi att det *fryser* istället för *stelnar*. ``` _____________________________________________ De här övergångarna sker vid olika temperaturer beroende på vilket ämne det handlar om. Vatten smälter/stelnar vid 0°C och avdunstar/kondenseras vid 100°C. För guld däremot (som vanligtvis är i fast form) krävs det mer än 1000°C för att det ska smälta! _____________________________________________ ```{admonition} Fördjupning :class: seealso Moln bildas genom att ämnet $H_2O$ byter form. Varm luft innehåller mycket vattenånga och när luften sedan stiger mot himlen blir vattenångan avkyld och kondenserar till vattendroppar - vilket bildar moln! På samma vis innehåller vår andedräkt vattenånga, så om vi andas på glas så bildas det imma genom att vattenångan kondenseras i kontakt med den kalla ytan. ``` _____________________________________________ ### Experiment I filmen nedan syns ett glas fyllt med vatten. Filmen är snabbspolad men visar egentligen XX minuter. Vad sker i filmen? Hur kan du förklara det? ```{admonition} Vad har du observerat? :class: caution dropdown Det bildas vattendroppar på utsidan av glaset. ``` ```{admonition} Varför händer det? :class: caution dropdown Vattnet måste komma någonstans. Här måste man som fysiker bilda sig en *hypotes*. Här skulle en hypotes kunna vara att vattnet tar sig från insidan av glaset till utsidan genom eller över glaset. En annan hypotes kan vara att vattnet kommer från vattenmolekyler i luften. ``` ```{admonition} Testa hypoteserna! :class: caution dropdown * Om vattnet tar sig genom glaset och hamnar på utsidan så kan vi prova att fylla glaset med olja istället. Om det är så att vattnet åker genom glaset så kommer det i fallet med oljan bli olja på utsidan. Om vi provar det här märker vi att det fortfarande bildas vatten på utsidan! Vi kommer alltså fram till att vattnet inte tar sig genom glaset. * Om vattnet klättrar upp över kanten och till utsidan så skulle oljan också göra samma sak, så vårt förra experiment motbevisar också det här hypotesen. Vi skulle också kunna prova att sätta ett lock på glaset, och se vad som sker. Prova hemma! * Det kvarstår bara vår hypotes att vattnet kommer från den omkringliggande luften. ``` ```{admonition} Förklaring :class: caution dropdown Vattnet kommer från den omkringliggande luften. Luft består bland annat av vattenmolekyler, det vill säga vattenånga, och när den vattenångan kommer i kontakt med den kalla ytan på glaset så *kondenseras* den och bildar vattendroppar på glasets utsida! ``` _____________________________________________ ### Uppgifter 1. Vilka är de tre vanligaste formerna som ämnen förekommer i? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Fast form, flytande form och gasform. ``` 2. $H_2O$ kan vi ofta se i alla tre former (is, vatten och ånga). I vilken form sitter molekylerna på bestämda platser? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Is eller fast form. ``` 3. Vad händer med molekylerna i ett ämne om det värms? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown De börjar röra sig mer. ``` 4. Vilken kokpunkt har vatten? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown 100°C ``` 5. Om vi har is eller vatten i en kastrull kommer molekylerna stanna kvar i kastrullen, men om vi kokar vattnet kommer vattenångan lämna kastrullen. Vad beror det på? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown När molekylerna värms så pass mycket kommer de kunna bryta sig fria från varandra och lämna kastrullen i form av vattenånga. ``` 6. Vad kallas det när vatten övergår till vattenånga? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Vattnet avdunstar. ``` 7. Vad menas med att vattenånga kondenseras? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Det innebär att vattenångan övergår från gasform till flytande form och bildar vatttendroppar. ``` _____________________________________________ ### Spel Här nedan finns ett spel från PhET Interactive Simulations (som ges ut av University of Colorado). Välj "Intro" i första läget. Prova att pumpa in 200 röda partiklar i lådan (det går att göra i menyn till höger). Vad händer om du ökar temperaturen? Vad händer om du sänker den? Kan du koppla det till hur molekyler beter sig i olika faser (fast, flytande eller gasform)?
_____________________________________________ ## Massa, volym och densitet ### Massa Inom fysiken så talar man ofta om olika *storheter*, så som massa, volym, kraft, ström, längd och tid. Varje storhet är någonting vi kan mäta, och varje storhet har därför en *enhet*, tillexempel så mäter vi längd i meter, tid i sekunder och kraft i någonting som kallas newton (efter vetenskapsmannen Sir Isaac Newton). Massa berättar hur mycket ett föremål *väger*. Till vardags används ofta ordet vikt men inom fysiken använder vi ordet massa. Ett föremåls massa avgörs av hur många atomer som bygger upp föremålet och hur mycket varje enskild atom väger. ```{admonition} Historia :class: note Förr hade man inte något bra mått på massa, utan man använda enheter som korn och skålpund, men eftersom korn kan väga olika mycket är det inte ett särskilt tillförlitligt mått. Man förstod senare att man behövde en enhet som var samma överallt, och bestämde då att 1 kg (som är grundenheten för massa) skulle motsvara massan av 1 liter vatten vid temperaturen 4°C. Man tyckte sedan även det var för inexakt och tillverkade en metallcylinder som skulle motsvara exakt 1 kg. Idag har vi gått ifrån både definitionen med vattnet och metallcylindern, nu definieras 1 kg med hjälp av någonting som kallas *Plancks konstant*. ``` _____________________________________________ Som nämnt är grundenheten för massa *kilogram*. I vardagen pratar man ofta om att någonting väger ett "kilo" eller att man köper två "hekto" lösgodis. Det man egentligen menar då är kilogram eller hektogram, eftersom kilo och hekto faktiskt bara betyder tusen och hundra. Här finns en tabell med olika enheter för massa och hur de omvandlas till gram: ```{list-table} :header-rows: 1 * - Enhet - Omvandlat till g * - 1 ton - 1 000 000 gram (g) * - 1 kilogram (kg) - 1 000 gram (g) * - 1 hektogram (hg) - 100 gram (g) * - 1 milligram (mg) - 0,001 gram (g) ``` _____________________________________________ ### Volym Volym beskriver hur mycket utrymme ett föremål tar upp. I affärer kan man köpa juice i raka eller runda förpackningar, men de brukar ha samma volym (1 liter). För att räkna ut volymen på ett föremål tar vi hjälp av matematiken, se filmen nedan: I filmen såg vi att volymen på ett rätblock fås av att räkna längden multiplicerat med bredden multiplicerat med höjden. Om vi mäter sidorna i decimeter (dm) får vi då volymenheten kubikdecimeter dm3. Ett annat namn på kubikdecmineter är *liter*. Här finns en tabell med olika enheter för volym och hur de omvandlas till liter/kubikdecimeter: ```{list-table} :header-rows: 1 * - Enhet - Omvandlat till l/dm3 * - 1 kubikmeter (m3) - 1 000 liter (l) * - 1 centiliter (cl) - 0,01 liter (l) * - 1 kubikcentimeter (cm3) - 0,001 liter (l) * - 1 milliliter (ml) - 0,001 liter (l) ``` ```{admonition} Kom ihåg :class: attention En liter är samma som en kubikdecimeter och en milliliter är samma som en kubikcentimeter. ``` _____________________________________________ ### Densitet Vad väger mest, 1 kg järn eller 1 kg fjädrar? Båda väger ju lika mycket! Massan anger hur mycket någonting väger och om vi har järn som väger 1 kg väger det alltså precis lika mycket som fjädrar som väger 1 kg. Skillnaden är att det kommer behövas mycket mer fjädrar än järn för att nå massan 1 kg. För att vi ska kunna säga att något ämne väger mer än något annat måste vi jämföra samma volym. Järn väger mer än fjädrar om vi tar lika stor volym (om vi fyller lika stora lådor med järn och fjädrar kommer lådan med järn väga betydligt mer). Vi talar därför om hur mycket någonting *väger per volymenhet*, vilket kallas *densitet*. En kubikcentimeter järn väger 7,8 gram, och därför säger vi att järn har densiteten 7,8 g/cm3. ```{admonition} Kom ihåg :class: attention Densiteten = hur många gram 1 cm3 (1 ml) väger, vilket är samma sak som hur många kilogram 1 dm3 (1 l) väger. ``` _____________________________________________ Här finns en tabell på några ämnen och deras densitet: ```{list-table} :header-rows: 1 * - Ämne - Densitet i g/cm3 * - Aluminium - 2,7 g/cm3 * - Bly - 11,3 g/cm3 * - Glas - 2,5 g/cm3 * - Guld - 19,3 g/cm3 * - Is - 0,9 g/cm3 * - Kork - 0,2 g/cm3 * - Vatten - 1,0 g/cm3 * - Trä (furu) - 0,5 g/cm3 * - Tändvätska - 0,8 g/cm3 ``` _____________________________________________ För att göra beräkningar med densiteten behöver vi en symbol, och densitet betecknas $\rho$, liksom massa betecknas $m$ och volym $V$. När vi ska beräkna densiteten för ett ämne eller ett föremål tar vi reda på dess massa och volym: $$\rho = \frac{m}{V}$$ På liknande sätt kan vi beräkna massan eller volymen om vi har de två andra: $m = \rho \cdot V$ eller $V = \frac{m}{\rho}$ _____________________________________________ ### Experiment Leta reda på en sten utomhus och bestäm dess densitet. Vad behöver du för att beräkna densiteten? Hur gör du för att hitta det du behöver? ```{admonition} Lösning :class: caution dropdown För att hitta densiteten på ett föremål behöver du dess massa och dess volym. Massan hittar du enkelt genom att väga stenen (håll koll på enheterna!). Volymen får du genom att lägga stenen i en bägare med vatten och se hur vattenytan höjs (se filmen under volym ovan). Sedan kan du beräkna densiteten genom att ta massan dividerat med volymen! ``` _____________________________________________ ### Uppgifter 1. Hur stor massa har 1 liter vatten? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown 1 liter vatten väger 1 kilogram. ``` 2. Ett klassrum är 8 meter brett och 12 meter långt. Vilken area har klassrummet? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Area beräknas genom att ta längden multiplicerat med bredden: $A=l \cdot b = 12 \cdot 8 = 96 m^2$ ``` 3. Varför flyter vissa ämnen på vatten och andra inte? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Det har att göra med ämnets densitet. Om ämnet har lägre densitet än vatten kommer det flyta, annars sjunker det. Jämför med tabellen ovanför och se om du känner igen vilka ämnen som flyter eller inte. ``` 4. Vilken densitet har en sten med volymen 1,5 dm3 och massan 9 kg? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown För att beräkna densiteten behöver vi veta massan och volymen, vilka båda anges i uppgiften. Eftersom kg/dm3 är ett vanligt sätt (förutom g/cm3) att ange densitet behöver vi inte bekymra oss över enheterna utan kan beräkna direkt: $\rho = \frac{m}{V} = \frac{9 kg}{1,5 dm3} = 6 kg/dm3$ ``` 5. Flyter is på tändvätska? Använd tabellen ovan. ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Nej. Is har densiteten 0,9 g/cm3 och tändvätska har densiteten 0,8 g/cm3. Eftersom is har högre densitet än tändvätska kommer is inte flyta på tändvätskan. ``` 5. En cylinder har radien 5 cm och höjden 17 cm. Vilken volym har cylindern? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Först måste vi beräkna bottenarean på cylindern. Arean på en cirkel fås av $\pi r^2$, och blir här $A = \pi \cdot 5^2 = 78,5 cm^2$ Sedan, för att få volymen, tas arean multiplicerat med höjden och blir då: $V = A \cdot h = 78,5 cm^2 \cdot 17 cm = 1335 cm^3$ Eftersom 1335 cm3 är en rätt hög siffra kan vi byta enhet för att få en smidigare siffra. Det gäller att $1000 cm^3 = 1 dm^3$, och därför kan vi räkna om volymen till 1,335 dm3, eller förkortat 1,3 dm3. ``` _____________________________________________ ### Spel Här nedan finns ett spel från PhET Interactive Simulations (som ges ut av University of Colorado). Välj "Intro" i första läget. Prova olika ämnen. Varje ämne har samma densitet, vad händer om du ökar massan? Varför flyter vissa ämnen och andra inte?
_____________________________________________ ## Temperatur och densitet **Densiteten påverkas av temperaturen**. Men vad är då temperatur? Jo, *temperatur* är ett mått på hur mycket atomerna och molekylerna rör på sig. ```{admonition} Kom ihåg :class: attention Det är temperaturen som avgör vilken form ett ämne har. Om is värms upp börjar molekylerna röra sig mer och smälter till vatten, och värms de ännu mer avdunstar vattnet till vattenånga. ``` ```{admonition} Varning :class: danger Det är vanligt att man till vardags förväxlar orden *temperatur* och *värme*. Inom fysiken är värme ett ord som beskriver en energiöverföring mellan två system, inte någonting man "kan ha". Någonting kan alltså inte "ha värme" utan bara "värmas". Därför vore det kanske rimligare att inte alls använda ordet värme utan istället enbart tala om värmning, men nu är det ordet värme som gäller och då får vi vara noggranna med hur vi använder det. ``` _____________________________________________ Eftersom molekylerna rör sig mer när de värms så behöver de också mer plats. Det skiljer sig dock mellan ämnen, aluminium blir tillexempel mycket större än järn om det värms! ```{admonition} Tips :class: hint Glas utvidgar sig ungefär hälften så mycket som järn. Om du har svårt att öppna en syltburk kan du därför hälla varmvatten på locket en stund, locket kommer då bli större än glaset! ``` _____________________________________________ Även om det kanske låter som att ämnena blir mycket större vid ökad temperatur så är så inte riktigt fallet, ämnen i fast form utvidgar sig nämligen ganska lite. De utvidgas dock mycket nog för att vi ska behöva ta hänsyn till det - dels att vi kan använda det för att öppna syltburkar men vi måste också tänka på det när vi bygger broar. Man brukar bygga broar på stålrullar så att den kan röra sig fram och tillbaka, och man brukar också göra en springa i varsin ände av bron (tänk hur bilen låter när man kör på en bro!) för att den ska kunna bli lite längre eller kortare beroende på temperatur. ```{admonition} Fördjupning :class: seealso En vanlig termometer fungerar just med hjälp av densiteten! En vätsketermometer består av ett långt smalt rör som innehåller en vätska som inte fryser om det blir för kallt och som utvidgas relativt mycket när det blir varmare (på så vis höjer sig "det röda sträcket" till den temperatur det är). ``` _____________________________________________ I Sverige pratar vi oftast om temperatur enligt *Celsiusskalan*, om det är varmt ute kan vi säga att det är över 20 grader och då menar vi 20 grader Celsius. I USA är det vanligt att istället använda Fahrenheit, medan det i fysikens värld är vanlig att använda Kelvin. * **Celsiusskalan** används ofta i Sverige, där 0°C är fryspunkten för vatten och 100°C är kokpunkten för vatten. * **Kelvinskalan** utgår ifrån den absoluta nollpunkten (när atomerna är *helt* stilla), som är vid -273°C. Alltså är -273°C samma som 0 K (notera att det inte är något ° när vi talar om Kelvin), och vattnets kokpunkt blir då 373 K. * **Fahrenheitskalan** används ofta i USA. Den bygger på två fixpunkter, en är vid -18°C (då är det 0°F) och en är vid den normala kroppstemperaturen som är 37°C (då är det 96°F). Man kan säga att om Celsiusskalan är anpassad efter vad som "känns varmt eller kallt för vatten" är Fahrenheitskalan anpassad efter vad som känns varmt eller kallt för människor. _____________________________________________ ### Uppgifter 1. Hur fungerar en vätsketermometer? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Den innehåller en vätska som utvidgas när temperaturen ökar. Eftersom vätskan är färgad syns det som att färgen åker uppåt när temperaturen ökar. ``` 2. Vad är den absoluta nollpunkten? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Den punkt då atomerna står helt stilla, vilket är vid 0 K eller -273°C. ``` 3. Vad är temperatur? ```{admonition} Visa svar :class: caution dropdown Ett mått på hur mycket atomerna rör sig. ``` _____________________________________________ ## Quiz ```{code-cell} ipython3 :tags: [remove-input] from jupyterquiz import display_quiz display_quiz("quiz/materia.json", shuffle_answers=True, shuffle_questions=True) ```