A FIZIKA MÓDSZEREI. Fáról leesı alma zuhanás. Kísérletes természettudomány: a megfigyelt jelenségek leírása és értelmezése

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A FIZIKA MÓDSZEREI. Fáról leesı alma zuhanás. Kísérletes természettudomány: a megfigyelt jelenségek leírása és értelmezése"

Hanna Barnané
7 évvel ezelőtt
Látták:

Mérés-kiértékelés Modellalkotás A modell mőködése a gyakorlatban Példa:

1 A FIZIKA MÓDSZEREI Kísérletes természettudomány: a megfigyelt jelenségek leírása és értelmezése A módszer lépései: Megfigyelés Kísérlet Mérés-kiértékelés Modellalkotás A modell mőködése a gyakorlatban Példa: szabadesés 1. Megfigyelés: az elejtett testek a Föld felé mozognak Fáról leesı alma zuhanás 1

2 2. Kísérlet laboratóriumban: szabadesés megvalósítása laboratóriumi körülmények között Tervezés: mit szeretnénk tudni a jelenségrıl? A gravitációs erı hatásának vizsgálata Idıben hogy játszódik le a mozgás? Milyen paraméterektıl függ? Megválasztott kísérleti körülmények: Pontszerő test Közeg hatását elhanyagoljuk (vákuum) 3. Mérés: milyen kapcsolat van a választott paraméterek között? Út-idı összefüggés meghatározása Összehasonlítás az un. etalonnal, alapegységgel összetartozó út-idı adatok összefüggés a mérési adatok között : táblázat Grafikus ábrázolás

3 4. Kiértékelés: függvénykapcsolat meghatározása A út-idı függvény képe parabola: Matematika: görbeillesztés, k meghatározása s = kt 2 g m k = g = 9, s 5. Modell alkotás: négyzetes úttörvény Pontszerő test vákuumban a négyzetes úttörvény szerint mozog: a szabadon esı testre csak a nehézségi erı hat: mozgása egyenletesen változó mozgás: a gyorsulás (g) állandó. Galilei: Ha a zavaró körülményeket ( pl. közeg jelenléte)kiküszöböljük, akkor a testek egyformán esnek. Vákuumban a tollpihe, vasgolyó, fagolyó azonos gyorsulással mozog. 6.A modell mőködése a gyakorlatban, érvényességi határa: pl: a közeg hatásának figyelembe vétele, közegellenállás szerepe 3

A közegben esı testek egy idı után a gravitációs és a közegellenállási erı hatására egyenletesen,

4 Közegben való eséskor a különbözı testek nem esnek egyformán A gravitációs erı mellett közegellenállási erı is hat rájuk, ez alakjuktól és sőrőségüktıl is függ. A közegben esı testek egy idı után a gravitációs és a közegellenállási erı hatására egyenletesen, állandó sebességgel mozognak. Tollpihe és vasgolyó esése a.) levegıben b.) vákuumban süllyedés szabadesés Út-idı összefüggés a két különbözı esetben 4

5 MÉRTÉKEGYSÉGEK A fizikai mennyiség értéke: mérıszám*mértékegység Mértékegység: megállapodással meghatározott és elfogadott mennyiség Nemzetközi egyezmény rögzíti. SI mértékrendszer Mértékek Nemzetközi Rendszere: Systeme International d Unites Milyen fizikai mennyiségeket veszünk alapul Hogyan kell rögzíteni ıket: mérési utasítás Alapmennyiségek: kiválasztásuk hosszú történelmi folyamat eredménye. Az egység meghatározása pontos mérési leírás alapján történik. Elvárás: a mérés könnyen megvalósítható és reprodukálható legyen, a körülmények ne nagyon befolyásolják. Pl: hosszúság: (m), idı: (s) Származtatott mennyiségek: ismert fizikai törvények segítségével az alapmennyiségekbıl származtathatóak. Pl: sebesség: = Mértékegysége: [ v] út(hosszúság) v = idő s t m = s 5

6 7 db alapmennyiség van: név mértékegysége jele Def. idıpontja hosszúság Méter (m) l 1983 tömeg Kilogramm (kg) m 1901 idı Másodperc (s) t 1968 hımérséklet Kelvin (K) T 1968 áramerısség Amper (A) I 1948 anyagmennyiség Mol (m) n 1971 fényerısség Kandela (cd) lv

7 Egy kis fizika történet: mértékegységek meghatározása Hosszúság- méter 1. Régen: A Föld átmérıjén alapuló definíció Francia forradalom alatt 1m = A Föld Párizson átmenı délkörének ( km) a 40 milliomod része İsméter: Nemzetközi Mérésügyi Hivatal (Sevres): X keresztmetszető rúd Platina-Irridium ötvözetbıl Amin két karcolás jelzi az 1m hosszúságot X keresztmetszet nagyobb a szilárdsága, kevésbé hajlik meg Probléma: egy kicsit mégis deformálódik, és a hıtágulást is kompenzálni kell 7

2. 1960: Atomi sugárzás hullámhosszán alapuló definíció A 86-os tömegszámú kripton izotóp 2p10 és 5d5 energiaszintjei közötti átmenetnek megfelelı, vákuumban terjedı, narancs színő sugárzás

8 : Atomi sugárzás hullámhosszán alapuló definíció A 86-os tömegszámú kripton izotóp 2p10 és 5d5 energiaszintjei közötti átmenetnek megfelelı, vákuumban terjedı, narancs színő sugárzás hullámhosszának ,73- szorosa. 6 1[ m] λ = ,73 kr 0, m m Probléma: A sugárzás stabilitása nem megfelelı. [ ] 3. Jelenleg: a fénysebességen alapuló definíció az érvényes. Bay Zoltán (ELTE Fizika professzora, Tungsram, George Washington Egyetem) 1 méter az a távolság, amelyet a fény vákuumban 1/ s alatt tesz meg. A fénysebesség vákuumban: c v s = c t s=1m t = s 8 v m s 8 m 1 1m = s 3 10 [ s] Bay Zoltán 8

Idımérés - másodperc (szekundum) Állandó, stabil periodikus mozgás: Csillagászat, atomfizika Régen: csillagászati jelenség alapján A Föld Nap körüli keringése, de ez nem stabil, lassul 1 s = 1év

9 Idımérés - másodperc (szekundum) Állandó, stabil periodikus mozgás: Csillagászat, atomfizika Régen: csillagászati jelenség alapján A Föld Nap körüli keringése, de ez nem stabil, lassul 1 s = 1év tól áttértek a tengely körüli forgásra: két delelés között eltelt idı 8600-ad része Jelenleg, 1968 óta: atomfizikai jelenség alapján: Másodperc: a 133-as tömegszámú, alapállapotú cézium atom két hiperfinom energiaszintje közti átmenetnek megfelelı sugárzás periódusának idıtartama. A cézium atomokat megfelelı frekvenciájú sugárzással gerjesztik: az elnyelt frekvencia mérésébıl a periódusidı (T) meghatározható: (mikrohullám) f= Hz f 1 T = [ f ] 1 = 1 Hertz = 1 s 9

Atomórák: cézium szökıkutak Pontosságuk: 2 10 15 s Az atomóra a fenti periódusidı rendkívül pontos mérésével egy órát mőködtet. 9.192.613.

10 Atomórák: cézium szökıkutak Pontosságuk: s Az atomóra a fenti periódusidı rendkívül pontos mérésével egy órát mőködtet Hz szinkronizálás az atomórák segítségével: (órák, GPS) Az órák naponta egy vagy több alkalommal ugyanabban az idıben vételi üzemmódba kapcsolnak, és a beérkezı pontos idıértékhez igazítják önmagukat. A vezérlıjelet rádióhullámok segítségével sugározzák. Computer :az interneten keresztül az adott atomóra megnevezésével szinkronizál

11 Tömeg -kilogramm Etalon: (az egyetlen jelenleg): platina irridium henger (Sevres, 1889) A térfogatra vezették vissza: 1 kg annyi víznek a tömege, amennyi teljesen kitölt egy köbdeciméter őrtartalmú kockát. Dupla védelem ellenére is hízik, szennyezıdések rakódnak rá. Tervek: A tömeg etalont az Avogadro számhoz kötni. Avogadro féle szám: N A = 6, mol Atomtömeg*Avogadro féle szám = mólnyi mennyiség tömege İskilogramm Kísérletek folynak: (Braunschweig, Németország) Szilícium gömbben lévı atomok számának meghatározása után a szilícium atomtömegének ismeretében az Avogadro számot határozták meg. Probléma: nagy tisztaságú anyagot kell elıállítani. 11

12 Régebben: Hımérséklet- Celsius skála 1 C fok- az atmoszférikus nyomáson a tiszta víz fagyáspontja és forráspontja közötti hımérséklet különbség egyszázad része 0 C -A víz olvadáspont-100 C Forráspontja SI rendszerben Hımérséklet- Kelvin skála 1K: a víz termodinamikai hármaspontja hımérsékletének 273,16-od része Probléma: függ a víz tisztaságától, termodinamikai állapotától, pl: nyomás 12

13 SI: A közeljövıben változtatni fognak további fizikai állandók bevezetésével. h- Plank állandó: h = 6, (11) J s e- elektron töltése e = 1, (14) 10 19C k- Boltzmann állandó k = 1, (24) JK 1 Na-Avogadro szám NA = 6, (10) 1023 mol-1 13

14 Anyagmennyiség mértékegysége a mól; jele: mol. A mól annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint 12 ahány atom van 0,012 kilogramm C molekulában. Az elemi egység lehet atom, molekula, ion, elektron, más részecske. Ez körülbelül 23 darab részecske. (Avogadro szám) N Áramerısség - amper A párhuzamos vezetıkben folyó áramok között fellépı erın alapul. 1 A erısségő az az állandó áram, amelynek hatására két egymástól 1 m távolságban levı, párhuzamos, végtelen hosszúságú és elhanyagolhatóan kicsi, kör keresztmetszető vezetıre méterenként newton erı hat.

Fényerısség-kandela kandela-gyertya (latin) A fényforrásból egységnyi térszögbe kibocsátott, világításra fordítható látható fényáram SI-alapegysége.

15 Fényerısség-kandela kandela-gyertya (latin) A fényforrásból egységnyi térszögbe kibocsátott, világításra fordítható látható fényáram SI-alapegysége A kandela az olyan fényforrás fényerıssége adott irányban, amely hertz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerıssége ebben az irányban 1 / 683-ad watt per szteradián. Ennek a frekvenciának megfelelı hullámhossz: λ=555 nm A viaszgyertya fényerıssége kb. 1 cd Fényáram=energia áram Fényáram: lumen 12 Fényerısség= fényáram térszög lumen 1cd = = szteradián lm sr

16 Az emberi szem nem érzékeli egyforma intenzitással a különbözı színő fényeket. A fényáram teljesítmény jellegő mennyiség,de már tartalmazza a fényességérzet spektrális függıségét. Így wattban nagyon eltérı sugárzott teljesítményő fényforrásokat ugyanolyan fényesnek láthatunk.,

17 MATEMATIKAI ISMERETEK A fizikai mennyiség= mérıszám *mértékegység De az irány is fontos néha: skalár, vagy vektor is lehet Vektormennyiség: irányított mennyiség, van nagysága és iránya is. A r A r A nyíl hossza arányos a vektor nagyságával A vektor nagysága (számértéke)az abszolút érték Mőveletek vektorokkal: 1. Összeadás-kivonás: paralelogramma módszer A r Cr B r r r C = A + r B 17

18 2. Két vektor szorzása A r α B r Vektoriális szorzat r C skalárszorzat Vektoriális szorzat Skalár szorzat: C = (A,B) = A B cosα szám, pl. munka r r A B r = = C [ A,B] r r Nagysága: r C Vektor, pl. forgatónyomaték r = A B sin α Iránya: jobb kéz szabály: merıleges az A és B vektor által kifeszített síkra 18

19 Szükséges matematikai ismeretek: Algebrai mőveletek Trigonometrikus függvények, sinus, cosinus Hatványfüggvények Diferenciálszámítás Integrálszámítás Elemi differenciálegyenletek megoldása Függvények grafikus ábrázolása, értelmezése Mőveletek vektorokkal 19

20 Méter: annak az útnak a hossza, melyet a fény vákuumban másodperc alatt tesz meg. Másodperc: a 133-as tömegszámú, alapállapotú cézium atom két hiperfinom energiaszintje közti átmenetnek megfelelı sugárzás periódusának idıtartama. Kilogramm: a Sévres-ben ırzött platina-iridium henger tömege. Tervbe van véve a kilogramm alábbi meghatározása: a kilogramm tömeg egysége, amellyel a Planck-állandó pontosan 6, joule másodperc. 20

21 ÁTLAGSEBESSÉG 21

Hasonló dokumentumok

Az SI alapegysegei http://web.inc.bme.hu/fpf/kemszam/alapegysegek.html 1 of 2 10/23/2008 10:34 PM Az SI alapegységei 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. A hosszúság mértékegysége a méter (m). A méter a kripton-86-atom