A tárgy neve Meghirdető tanszék(csoport) Felelős oktató: Kredit Heti óraszám típus Számonkérés Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Előfeltétel Helyettesítő tárgyak Periódus Javasolt félév Kötelező vagy kötelezően választható
A TERMÉSZETISMERET FIZIKAI ALAPJAI SZTE JGYTFK Fizika Tanszék Dr. Farkas Zsuzsa 4 3 Előadás Kollokvium [Nem kötelező kitölteni, csak ha tudjuk] Általános fizika
őszi 5. Természettan tanár-X tanár: kötelező Fizika tanár: kötelezően választható (???)
AJÁNLOTT IRODALOM: 1. 2. 3. 4. 5.
Fizika 9, 10, 11 – Természetről tizenéveseknek Mozaik kiadó Szeged, 2003. Erostyák J.-Litz J.: A fizika alapjai, Nemzeti Tankönyvkiadó Budapest, 2002. Berkes István: A mindennapok fizikája, Springer Orvosi Kiadó Kft. 1999. Bonifert Domonkosné: Lyukasóra fizikából, Innovarient Kft. Szeged, 2002. Leon Lederman: Az isteni a-tom, Tipotex Elektronikus Kiadó KFT, Budapest, 1995. (Megjegyzés: Ennél sokkal többet írnék szívem szerint. (a szerző))
A TANTÁRGY TEMATIKÁJA Természet és tudomány* Méretek, világok, rendszerek* Állandóság és változás, folyamatok, egyensúlyok Mozgások és erők, egyenletes és változó mozgások* Erők és a lendület szerepe mindennapjainkban, biomechanika Nyersanyagok, energiaforrások, az energia formái és megmaradása, munkára fogott energia* Részecskék sokasága, halmazok, állapotok, halmazállapotok, hő és káosz* Vonzás és taszítás, elektronikus világ Elektromosság, elektromágnes és alkalmazásai, mágneses és elektromos jelenségek Fény, látás* Rezgések és hullámok, hallás Fény és hang terjedése, fények és hangok mindennapjainkban Az atom, az atommag, csillagunk a Nap* Modern fizika* EBBEN A BŐVÍTETT TEMATIKÁBAN 8 TÉMAKÖRT MUTATOK BE RÖVIDEN. AZ ELŐZETES TEMATIKA *-GAL JELÖLT GYAKORLATAIT. A tantárgy részletes tematikája *** Természet és tudomány Témavázlat: 1./ A fizika alapja a természeti jelenségek tudományos kísérletekkel végzett megfigyelése. A tudomány gyökerei a görög filozófia korai szakaszába (Kr. E. 6. század) nyúlnak vissza. Milétoszi iskola, phüzisz = a dolgok lényegi természetének megértése. A fizika szó eredete. 2./ A tudományos forradalmak konzervatizmusa. A tudományos forradalmak bizonyos tekintetben konzervatívabbak, mint a mint a társadalmi forradalmak, mert a régi rendet minden olyan helyen fenntartották, ahol az bevált. A példák: Arkhimédész Ie. Több mint 200 évvel összefoglalta a statika és a hidrodinamika alapelveit. Galilei Arkhimédész törvényeit nem cáfolta meg, de a mechanika rendszerébe olyan jelenségeket is bekapcsolt, amivel Galilei nem foglalkozott. Newton Newton tudományos forradalma inkább erősítette Arkhimédész és Galilei eredményeit, mintsem rontotta volta hitelüket. Maxwell Maxwell elektrodinamikája a fizika kiterjesztése volt, de része maradt a klasszikus mechanika. 2
3./
4./
5./ 6./
7./ 8./
Einstein A tudomány figyelme a (meg)ismert világ perifériájára terjed ki. (nagy tömegsűrűségek és nagy sebességek) Kvantumfizika A mikrofolyamatok véletlenszerűek, csak statisztikusan meghatározottak. A tudományos gondolkodás módszere: modell-alkotás Megfigyelés, tapasztalatszerzés, modellalkotás, modell működtetése, korrekció, a modell elvetése, új modell alkotása. Szempont: Nem a modellfeltevéseknek kell megfelelniük a valóságnak, hanem a modellből levonható következtetéseknek kell megfelelő pontossággal igaznak lenniük. Fizikai törvények és érvényességi határaik, példák, igazolások: Ideális gáz – reális gáz modellje, állapotegyenletek geometriai optika – hullámoptika határai fénytörés törvénye (Snellius-Descartes törvény) – kettőstörés mészpátkristállyal fonálinga mint matematikai és mint fizikai inga Természettudományok, élő és élettelen természettudomány. Határtudományok: asztrofizika, biofizika, geofizika, fizikai kémia. Integrált természettudományos képzés célja: „Tudomásul kell vennünk, hogy az oktatás célja (az elitképzést leszámítva) ma már nem az, hogy valamennyi tantárgy esetén tudományos alapképzést adjon, hanem az, hogy a hétköznapi életben eligazodó, kompetens személyiségeket képezzen, és ehhez nekik használható ismereteket nyújtson.” Részlet: Papp K., Farkas Zs., Szabóné Virág K., Tóth K.: Új időszámítás a természettudományos nevelésben, Fizikai Szemle, 2003/1. Integrált természettudományos képzés helye, szerepe, munkamódszerei, lehetséges témakörei. Áltudományok
Méretek, világok, rendszerek Témavázlat: 1./ Fizikai mennyiség: mérőszám és mértékegység. A mérés elemei. Az információszerzés és feldolgozás. 2./ Az SI-rendszer, alapmennyiségek és származtatott mennyiségek, egyéb mértékegységek, öl, láb, inch és társai Prefixumok, Guiness-rekordok Az alapmennyiségek és mérésük 3./ Az Univerzum felépítése: kozmikus méretek (bolygók, csillagok, galaxisok) Geocentrikus és heliocentrikus világkép, (Kopernikusz, Tycho Brahe, Kepler, Newton) Föld Élővilág méretei (élőlények, fehérjék, nukleinsavak, sejtek) 3
anyagi rendszerek (halmazállapotok, halmazok, vegyületek, elemek, molekulák, atomok, elemi részek) Az atomok kapcsolódása, elsőrendű kémiai kötések, oldatok, másodrendű kémiai kötések 4./ Brown-mozgás, a kinetikus gázelmélet feltevései, a molekulák méretének becslése, Atomerő-mikroszkóp, az atomok méretének becslése Kísérleti demonstráció.
Mozgások és erők, egyenletes és változó mozgások Témavázlat: 1./ Fizikai mennyiségek csoportosítása: Skalármennyiségek, vektormennyiségek, alapvető műveletek vektorokkal, vektorok skaláris és vektoriális szorzata. 2./ A mozgások csoportosítása a fizikában Pályaalak szerint: Egyenes vonalú (egyenletes és változó, rezgőmozgás mint a leggyakoribb mozgásforma ) Görbe vonalú (egyenletes és változó körmozgás) Sebesség alapján: Egyenletes Változó mozgások 3./ A mozgás leírása: pálya, út, elmozdulás, vonatkoztatási rendszer, sebesség mint vektormennyiség, gyorsulás(vektor), extrém sebességek, hely-idő függvények. 4./ Erők, erőtörvények, Newton axiómái, a dinamika alapegyenlete. Erő és mozgásállapot-változás, mérleg-egyenletek a fizikában. Elektron mozgása elektromos és mágneses térben. Az elektrosztatikus és a Lorentz-erő erőtörvénye. 5./ Biomechanika: Vérkeringés és légzés, nedvkeringés és gázáramlás. Folyadékok és gázok áramlása, Bernoulli törvény, Stokes-törvény, Hagen-Poiseuilletörvény, Fick-törvények. A mozgástípusok kísérleti vizsgálata, demonstráció. Feladatok megoldása.
Nyersanyagok, energiaforrások, az energia formái és megmaradása, munkára fogott energia Témavázlat: 1./ Ahogy az energia szóba kerül: Az energia megmarad, a természet energiaminimumra törekszik, energiaválság van. Energia fogalom (zavar) kialakulásának története. Jelentések: Energia: a munkavégző-képesség, Energia: fizikai energia (ami nem munkavégző-képesség.)
4
2./
A munka kiszámítása , az energia növekedése és csökkenése munkavégzés közben. Az energiaváltozások két csoportja: a. Munkavégzés: mozgásállapot változik b. pl. súrlódási munka: rendezetlen mozgás változik A (hétköznapi) energia-fogalom kapcsolata az I. és II. főtétellel. 3./ A mechanikai energia formái, az energia családfája. Joule és az energia. A hő mechanikai egyenértéke. Mit egyek? Ételeink energiatartalma. 4./ A hagyományos és alternatív energiaforrások. A szén, az olaj és a nukleáris energiaforrás. A napenergia hasznosítása. A vízenergia. A szélenergia. A geotermikus energiaforrás. A gravitáció energiájának hasznosítása: árapályerőművek. 5./ Energiaátalakítások: mechanikai, termikus, elektromos, kémiai, sugárzási, nukleáris; csatolások közöttük. A Föld energiamérlege. Kísérleti demonstráció. Feladatok megoldása.
Részecskék sokasága, halmazok, állapotok, halmazállapotok, hő és káosz Témavázlat: 1./ Vegyületek kötési energiája, kötési energia és a szerkezet összefüggése. A testek 3+2 halmazállapota. Kitekintés az alacsony és magas hőmérsékletek világába. Szupravezetés és az ötödik halmazállapot. 2./ Gáz-állapot, mint a legegyszerűbb halmazállapot. Állapotjelzők. Állapotegyenlet. A természetben előforduló gázok, azok „gyakorisága”.. Gázok adszorpciója, keszonbetegség, gázpalackok színjelzése. Ideális gázok belső energiája. Első főtétel. Állapotváltozások. 3./ Folyadék-állapot, a víz, mint a legfontosabb folyadék, fizikai tulajdonságai, melyek lehetővé tették a Földön az élet kialakulását. A víz halmazállapotformái a természetben. A víz eloszlása a Földön. A víz körforgása. A víz, mint élőhely, a vízhez való alkalmazkodás példái, módjai. Testsűrűség - úszás, közegellenállás - a mozgás legyőzése. A levegő páratartalma, csapadékképződés. Csapadékfajták: köd, harmat, dér, zúzmara, jégeső, ónos eső. Higrométerek. Csapadékképződés. Folyadékok és szilárd testek hőtágulása, gyakorlati alkalmazások. Halmazállapot-változások és azok energiaviszonyai. Hőkapacitás és fajhő. Telített és telítetlen gőzök. Hajszálcsövesség és szerepe a növények vízháztartásában. 4./ Szilárd halmazállapot, kristályok szerkezete, Bravais-féle elemi cellák. 5./ A káosz, mint a mozgás, amely önmagát nem ismétli. 6./ A termikus energia átalakításának korlátai. A hőszigetelés, hőátadás, hőtárolás és hűtés technológiái. A halmazállapotok kísérleti vizsgálata. 5
Feladatok megoldása.
Fény, látás Témavázlat: 1./ Sebességtartományok, a fénysebesség mint univerzális állandó, szerepe az SIben, a méter definíciója, Bay Zoltán 2./ Geometriai optika Leképezés sík és gömbtükrökkel, lencsékkel Lakberendezés - Mekkora tükröt (sík) kell vásárolnunk minimálisan és hova kell helyezni a falon, hogy teljesen látszódjunk benne? Az elvarázsolt kastély fizikája (gömbtükrök) Összetett optikai rendszerek: mikroszkóp, távcső, szem Fényvisszaverődés, fénytörés optikai szálak és alkalmazásaik „Délibábos ég alatt kolompol Kiskunságnak ….” Délibáb keletkezése Szivárvány keletkezése – diszperzió Kék ég, vörös naplemente - színszóródás 3./ Hullámoptika Miért színes az olajfolt - fényinterferencia vékony hártyákon, Miért színes a CD-lemez - fényelhajlás optikai rácson Hogyan tájékozódnak a méhek? – fénypolarizáció Spektroszkópia elemei. 4./ A fény kettős természete. 5./ A szem szerkezete Miért szürke a szürkület? Csapok és pálcikák. A szem érzékenységi görbéje. A szem alkalmazkodóképessége. Szürke hályog, zöld hályog, szemműtétek, közellátás, távollátás, szemüvegek, dioptria. Állati szemek. 6./ Lézerek elve, holográfia 7./ A látható tartomány határai: Ultraibolya és infravörös tartomány, élettani hatások. Jelenségek kísérleti demonstrálása. Feladatok megoldása.
Az atom, az atommag, csillagunk a Nap Témavázlat: 1./ Démokritoszi atomelmélet, a-tomosz, az oszthatatlan 2./ Rutherford, az Új-zélandi zseniális kísérletező, aki Nobel-díjjal a zsebében (radioaktivitás) nekilát az atom feltérképezésének. Szerencse is kell!!! „akit
6
3./ 4./ 5./
6./
6./
elkerül, inkább hivatásos rulettjátékosnak menjen, mint kísérleti fizikusnak”nyilatkozta Rutherford. szórási kísérletek, 1911. - atommag születése. Rutherford atommodell és hiányosságai „Valami bűzlik Dániában!!!” A Rutherford tanítvány: Bohr, Bohr-atommodell, (Nobel-díj) szakítás a klasszikus fizikával, eretnek alapfeltevések: állandósult pályák, energiaszintek, elektronátmenetek Atommag részei: nukleonok, az elemek jelölése a periódusos rendszerben. Ki volt Mengyelejev?, rendszám, tömegszám, relatív atomtömeg Kölcsönhatások a nukleonok között, a Vas-völgy, magfúzió és maghasadás Csillagok energiatermelése A mi csillagunk: a Nap. A jövő: a fúziós reaktor, a tiszta reaktor Atomerőművek Magreakciók Bomlás, természetes radioaktivitás, felfedezés, magyarázat Alfa, béta, gammabomlás jellemzése Aktivitás fogalma Radioaktivitás a környezetben, sugárvédelem
Modern Fizika Témavázlat: 1. A testek hőmérsékleti sugárzása-ultraibolya katasztrófa 2. Planck kvantumhipotézise 3. A fényelektromos jelenség 4. A fény foton-elmélete 5. A fény kettős természete 1./
A 19. sz. vége. A klasszikus fizika lezártnak tűnik. Egyik megoldatlan probléma: a testek hőmérsékleti sugárzása, az ún. fekete testsugárzás. Minden test sugároz ki magából energiát, minél melegebb, annál többet. Egy átlagos méretű, élő és lélegző ember szobahőmérsékleten folyamatosan nagyjából 200 wattot ad le a környezetének az elektromágneses spektrum láthatatlan, de a bőrünkkel hőként érezhető infravörös tartományban. A testek ugyanakkor el is nyelik a környezet sugárzó energiáját. Ha egy test melegebb a környezeténél… A hőleadási-felvételi viszonyok mérésében ideális szabvány: fekete test Magyarázatok: Wilhelm Wien, német fizikus: Wien-féle eltolódási törvény Korabeli fizikusok: elektromágneses elmélet alapján: sikertelen próbálkozások ultraibolya katasztrófa: Megoldás: Max Planck, Nobel-díjas német fizikus: 7
energia függ a hullámhossztól az energia kibocsátása kvantumokban történik Egyes rezgési frekvenciákon a sugárzási energia kicsiny, a frekvenciával arányos ε 0 = hν energiaadagokból tevődik össze. Energia-kvantum fogalma 1900. dec. 14. Német Fizikai Társaság ülése = kvantumfizika születésnapja 2-3./ Heinrich Hertz: (véletlenül észleli): A fény elősegíti elektronok kilépését a fémből Hallwachs, német fizikus: Hallwachs -hatás: nem tudja magyarázni -vörös fénnyel igen nagy fényintenzitáson sem lehet elektronokat kiléptetni -De!!! Ibolyaszínű fény már kis intenzitáson is kiváltja a jelenséget Megoldás: Einstein 1905. (Fizika Éve: 2005.) kvantum-hipotézisét alkalmazza. Nobel-díj 1922-ben. A fényben az energia nem egyenletes eloszlásban terjed, hanem h·ν nagyságú energiaadagok formájában. Foton (fényrészecske) fogalma Fényelektromos egyenlet 4-5./ Foton-elmélet után felmerül újra a kérdés. Mi a fény? Részecske, vagy hullám? A fényjelenségek teljes körű leírásához mindkét modellre szükség van. Ezt nevezzük a fény kettős természetének. Hullámmodell: fényinterferencia, fényelhajlás, polarizáció Foton-modell: fotoeffektus, Compton-szórás Anyaghullámok, de-Broglie és az anyaghullámok. Feladat-megoldás
8
