A FIZIKA TÖRTÉNETE. Előadás fizikatanár szakos hallgatók számára (2016/17) Az előadás kitűzött célja :

Átírás

1 A FIZIKA TÖRTÉNETE Előadás fizikatanár szakos hallgatók számára (2016/17) Az előadás kitűzött célja : A középiskolai fizika áttekintése történeti aspektusból. Segítheti a természeti törvények megértését és a fizika tantárgy megszerettetését. Alkalmazott szempontok lehetnek: történeti időrendi sorrend, tudományfilozófiai megközelítés a fizika egyes területeinek fejlődése külön vizsgálva A fizika nagyjainak életútja, személyes példák Együtt 1

2 Alapirodalom: SIMONYI KÁROLY: A FIZIKA KULTÚRTÖRTÉNETE Gondolat Kiadó, 1978 Akadémiai Kiadó Zrt, 2011 Simonyi Károly ( ) Mérnök, fizikus, tudós tanár 2

3 A FIZIKATÖRTÉNET KAPCSOLATA MAI ÉLETÜNKKEL A tudomány fejlődése: intellektuális érdeklődés (egyén) a társadalom igényei 1. Korunk jellemzője a specializáció. A természettudományos és a humán kultúra közötti szakadék áthidalásában segíthet-e a fizikatörténet? 2. Az oktatás során egyrészt magatartásmintákat, életideálokat adhat, másrészt érdekes anekdotákkal, történelmi helyzetek elemzésével színesítheti a tanórát. 3. felfedezés körülményeinek ismerete, az adott történelmi korszak tudásrendszerének, lehetőségeinek ismerete segít megérteni, miben volt az adott felfedezés döntő lépése, aminek megtételéhez zsenialitás, sokszor emberi bátorság kellett. (Pl. Galilei) 3

4 4. Az egyén szerepe: kellenek a megérett körülmények, de az egyén is, aki ki tud lépni a régi gondolkodási sémából, és egy egészen más, újszerű, szokatlan, aspektusból is képes nézni a problémát. Példa: Newton: az égi és földi jelenségek összekapcsolása, vagy Einstein: a foton részecske elmélete a foto effektus magyarázatára, stb 5. A fizikatörténet megtermékenyítheti a ma fizikáját is. Az elméleti alapfeltevéseket mindig egy új elmélet felbukkanásakor szokás diszkutálni. pl. Ha a tudomány haladása éppen az alapok felülvizsgálatát igényli, akkor a régi viták hasznos ötletekkel szolgálhatnak. 4

5 6. A fizikatörténet segít abban, hogy helyesen ítéljük meg korunk teljesítményét. Az információ áramlása, a növekvő tudáshalmaz azt sugallja, hogy a tudományos felfedezések üteme is felgyorsult. Ezt az érzést a látványos technikai sikerek keltik, a fizika törvényeinek egyre szélesebb körű alkalmazása. Fizikai világunk belső struktúráját kifejező alapösszefüggések felismerése azonban más fejlődési ütemet követ. 7. Alapkutatások továbbra is fontosak: Honnan tudjuk, hogy a gravitációs állandó nem változik? (Egyre pontosabb mérések) Abszolút hőmérséklet a gravitációs állandó egyre pontosabb meghatározása A fénysebesség állandósága Gravitációs hullámok létezése 5

6 MI A FIZIKA? Ókor: természetfilozófus, csillagász, matematikus, orvos Galileitől Newtonig: természettudós:filozófia, matematika, kémia, fizika, orvosi tanulmányok együtt, XVIII század végétől:a természettudomány szétválása: fizika, kémia, biológia külön, a matematika nem természettudomány Jelenleg: Konvergencia A természettudományok egymásra vannak utalva: A fizika behatol a természettudományok egyéb területére Határtudományok: fizikai kémia, biofizika, anyagtudomány, geofizika, mechatronika. stb. 6

7 A fizika : Az élettelen természet mozgásait, és azok tulajdonságait kutatja. A természet megismerése, viselkedésének leírása egzakt módon. Tapasztalati, elméleti és alkalmazott tudomány is egyszerre. kísérleti tapasztalatok, törvények: alapkutatás A fizika eredményeit, felismeréseit közvetlenül a technika alkalmazza, ugyanakkor fontos ösztönzéseket is kap tőle. Klasszikus fizika: jelenségei, eredményei térben és időben szemléletesek a számunkra: mechanika, hangtan, a hőtan, az optika, elektromosságtan. A modern fizika: azokat a területeit öleli fel, amelyeket nem lehet időben és térben szemléletesen leírni: atomfizika, kvantummechanika általános relativitáselmélet. 7

8 A FIZIKA MÓDSZERTANA A fizika tudománya az ókori természetfilozófiából nőtt ki, amikor eljutottak absztrakció azon fokára, amelyen a megfigyelések már törvényekkel leírhatók. Absztrakció: a jelenség olyan leegyszerűsítése, amely a jelenség alapvető jellegét nem változtatja meg, ugyanakkor kvantitatív tárgyalásra alkalmas - modell Forrás: Simonyi Károly A tudományos megismerés lehetséges útjai 8

9 1. MEGFIGYELÉS - Ókor Csillagászat és matematika Az égbolt megfigyelése: az égitestek mozgása szabályszerű 12 csillagkép, 12 hónap A Nap járása alapján a napok számát meg lehet mondani Két telihold között mindig 29 nap telik el számolás Időjárási megfigyelés, Évszakok változása, Naptárkészítés Kongó: kb évvel ezelőtti karcolt csontnyél Forrás: A csillagászati megfigyeléseket egyszerű matematikai meggondolásokkal rendszerbe foglalják. 9

10 Kheopsz piramis Pontos iránymérés bizonyítéka Négyzet alapú, gúla É-D és K-Ny irányú tájolás Oldalának közepén lévő alagút pontosan az É. Sark felé mutat (Sarkcsillag iránya?) Most 0.8 fokra van a pólustól A Földi precesszió periódusa: év, (72 évenként 1 fok) Varázsló, pap, királyi csillagász: az államvezetés fontos pillérei Kezdetben: a tudomány csak a csillagászat és a matematika. A fizika egyéb területeit (hőtan, mechanika, elektromosságtan, stb.) csak később ismerik el tudománynak. 10

11 2. MÉRÉS A földmérés, a hajózás és a kereskedelem kialakulásával vált fontossá. Hosszmérés: földterület Térfogatmérés: gabona, sör Súlymérés: nyers gyapjú Mérték, mértékegység: egyedi tárgyakkal való mérés, etalonok Időmérés: a csillagászat és a babiloni 60-as számrendszer alapján Napóra: a napot 12 részre osztották (+ 12 rész az éjszaka) Az órát további hatvan részre, stb. Ősi napóra, Tarragona, Spanyolország 11

12 3. KÍSÉRLETEK A fizikai módszer megfigyeléssel kezdődik és átmegy kísérletbe. Kísérlet: ismétlés útján jutunk tapasztalathoz, csökkentett méretek, lépték tervezés, hasonlóság felfedezése Ellenőrzött kísérlet: először Galilei Szisztematikus mérések: a szabadesés törvényének meghatározása kísérleti úton Experimentul lui Galileo cu planul înclinat (Frescă de G. Bezzuoli, 1841) 12

13 4. ELMÉLETÉPÍTÉS Kísérletek sorozata előzi meg a törvény kimondását. A törvényt általánosítva ellenőrizni is kell. Ha nem igazolódik be, akkor változtatni kell. Ókori filozófia, Platón : Előbb született az elmélet, és utána jött a kísérleti bizonyítás. Ha nem igazolódott be, akkor a természet szabálytalan. Az eszményi dolgok megtalálhatók a csillagászatban. Gömb alakú testek szabályos kör alakú pályán mozognak. A valóságos testek ennek csak torzképei. Ptolemaiosz geocentrikus világképe 13

14 Kepler:a bolygók kör alakú pályára számított és a mért keringési ideje között kis eltérés van. Bízott a mérésében: az elméletet korrigálta. A bolygók nem kör, hanem ellipszis pályán mozognak. A modern fizikában: elmélettel megjósolnak valamit, és a kísérleti fizikusok próbálják igazolni. Higgs bozon (2011) : részecskefizika standard modellje jósolta meg (1983) Gravitációs hullámok? Einstein: Általános relativitáselmélete (1915) 14

15 A MEGISMERÉS ÚTJA I N D U K T Í V megfigyelés: modellalkotás: Kísérletek: fizikai törvény : axióma: fizikai mennyiségek kijelölése absztrakció a paraméterek közötti összefüggések matematika alkalmazása általánosítás D E D U K T Í V A modellekre a törvények egzaktak, a valóságos testekre azonban közelítő jellegűek. A fizika az elhanyagolások művészete. 15

16 Példák 1.Szabadesés:Hogyan mozognak a testek a Föld vonzásának hatására? Modell: pontszerű test vákuumban Törvény: minden test g-vel gyorsul Levegőben: a közegellenállást figyelembe kell venni Kiterjedt test: más mozgásformákat is figyelembe kell venni 2.Kinetikus gázelmélet Modell: ideális gáz: pontszerű részecskék, nincs kcsh. Törvény: pv = nrt Reális gázra: 2 n a p + = V 2 ( V nb) nrt b: gázrészecskék saját térfogata a: kohéziós erők miatti nyomáskorrekció Eső juharfalevél mozgása 16

17 A fizika története egyre jobb, a modellek, amelyek egyre jobban közelítik a valóságot. A fizika egyes területei nem egyszerre váltak kvantitatívvá. törtélelmi helyzet, éppen kialakult társadalmi igény, egyedi emberi tényezők A társadalmi igény és a technika fejlődése sokszor megszabta, hogy éppen melyik régebbi elmélet szorul felülvizsgálatra, és mikor derül fény a különböző jelenségcsoportok közötti kapcsolatra. A fizika története során az egyes jelenség csoportok sokszor önállóan működtek, majd egy idő után már szükségszerűen összekapcsolódtak. 17

18 A FIZIKATÖRTÉNET CSOMÓPONTJAI 1687: Newton Princípiájának megjelenési éve 1820: Oersted felfedezése az áram mágneses hatásáról 1864: Maxwell elektrodinamikája 1870: A statisztikus mechanika kifejlesztése, (Boltzmann) 1925: Kvantumelmélet (Heisenberg) 18

19 Az intellektuális tevékenység intenzitásának diagramja i.e. 600 filozófia i.e.300 görögök i.sz.100 Ptolemaiosz Forrás: Simonyi Károly i.sz Kopernikusz i.sz Newton i.sz Faraday, Maxwell i.sz Plank, Heisenberg 19

20 A TUDOMÁNY KEZDETEI Ősember Eszközhasználat, megfigyelés, következtetés, a beszéd kialakulása Az első lépés a tudomány felé az állatok, emberek, növények leképezése egyetlen halmazra pl. vonalak sokaságával Számfogalom: A munka megszervezése, a zsákmány szétosztása: csoportok kialakítása, egymáshoz rendelése vonal fogalmának kialakítása:rajzok, tárgyak, élőlények kontúrjai, geometriai ábrák díszítőelemekként Ma azt mondanánk, hogy halmazokat képez és a halmazok között relációkat állít fel. Az általános fogalom és a konkrét dolog viszonya: későbbiekben hosszú filozófiai viták tárgya. 20

21 Az ősember plasztikái, rajzai, a térbeli testek kétdimenziós ábrázolása is éles megfigyelőképességet és absztraháló képességet kívánt. Serra da Capivara Nemzeti Park Brazília Célèbres peintures rupestres préhistoriques du Tassili n Ajjer, Algérie 21