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
Együtt
•a fizika egyes területeinek fejlődése külön vizsgálva •A fizika nagyjainak életútja, személyes példák 1
Alapirodalom: SIMONYI KÁROLY: A FIZIKA KULTÚRTÖRTÉNETE
Gondolat Kiadó, 1978
Simonyi Károly (1916-2001)
Akadémiai Kiadó Zrt, 2011
Mérnök, fizikus, tudós tanár
2
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. 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
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
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
„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
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
1. MEGFIGYELÉS - Ókor Csillagászat és matematika Az égbolt megfigyelése: az égitestek mozgása szabályszerű 12 csillagkép, 12 hónap
számolás
A Nap járása alapján a napok számát meg lehet mondani Két telihold között mindig 29 nap telik el •Időjárási megfigyelés, •Évszakok változása, • Naptárkészítés
Kongó: kb. 12 000 évvel ezelőtti karcolt csontnyél Forrás: http://tudomany.blog.hu/2014/05/23/honnan_ered_a_matematika
A csillagászati megfigyeléseket egyszerű matematikai meggondolásokkal rendszerbe foglalják. 9
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: 25920 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
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
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
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
•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
A MEGISMERÉS ÚTJA I
•megfigyelés:
N
fizikai mennyiségek kijelölése
D
•modellalkotás:
absztrakció
U
•Kísérletek:
a paraméterek közötti összefüggések
• fizikai törvény :
matematika alkalmazása
K T Í
D E D U K T
•axióma:
általánosítás
V
Í V
A modellekre a törvények egzaktak, a valóságos testekre azonban közelítő jellegűek. „A fizika az elhanyagolások művészete.” 15
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: Reális gázra:
pV = nRT n2a p + 2 (V − nb ) = nRT V
b: gázrészecskék saját térfogata a: kohéziós erők miatti nyomáskorrekció
Eső juharfalevél mozgása
16
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
A FIZIKATÖRTÉNET CSOMÓPONTJAI
1687: 1820: 1864: 1870: 1925:
Newton Princípiájának megjelenési éve Oersted felfedezése az áram mágneses hatásáról Maxwell elektrodinamikája A statisztikus mechanika kifejlesztése, (Boltzmann) Kvantumelmélet (Heisenberg)
18
Az intellektuális tevékenység intenzitásának diagramja i.e. 600 i.e.300
filozófia görögök
i.sz.100 Ptolemaiosz
Forrás: Simonyi Károly
i.sz. 1500 Kopernikusz i.sz. 1700 Newton i.sz.1800-1900 Faraday, Maxwell i.sz. 1900 Plank, Heisenberg 19
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
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
