Távcső és mikroszkóp A távcső a fizikusokat, a mikroszkóp az élettannal foglalkozókat segítette.
Hollandiában: a németalföldi hajózás és kereskedelem igényelte. A szemüveggyártás kapcsán már tudtak lencsét csiszolni. Az első, biztosan létező távcsöveket Hollandiában készítették 1608 körül; a távcső feltalálását Hans Lippershey-nek (vagy Lipperhey) tulajdonítják. Az összetett mikroszkóp feltalálója, Zacharias Janssen) A Kepler által megtervezett távcsövet Scheiner építette meg.
Kétlencsés távcsöveket építettek. A lencsék fókuszpontjai egybeestek. Kihasználták, hogy a távolból jövő sugarak majdnem párhuzamosnak tekinthetők. A tárgylencse a távolból jövő sugarakat az okulár fókuszpontjába gyűjti össze.
Az okulár a képet a végtelenben állítja elő.
Kepler féle távcső
Két gyűjtőlencse
A kép fordított állású Az objektív jobboldali és az okulár baloldali gyűjtőpontja egybeesik.
Galilei féle távcső: A tárgylencse gyűjtőlencse, az okulár szórólencse
A kép: egyenes állású A két lencse jobboldali fókusza egybeesik. Az objektív lencse a végtelenből jövő sugarat az okulár fókuszába gyűjtené össze. A szórólencse a párhuzamosan bejövő sugarak útját úgy módosítja, mintha a túloldali fókuszból jöttek volna.
Galileo Galilei: a Földi mechanika megteremtője ( Pisa, Firenze1564-1642) Galilei születési éve egyben Michelangelo halálának és Shakespeare születésének éve. Iskolái: Pisa: Orvoslás, csillagászat: 1592: Padovai egyetemen kezd dolgozni. Itt végzi híres kísérleteit.
A kopernikuszi heliocentrikus világkép hirdetője Az inkvizíció látóterébe kerül, perbe fogják Ítélet: tanainak visszavonása, házi őrizet Házi őrizetben a Firenzei Medici palotában volt, tanítványaival körülvéve. Segítségükkel megszületik összegző műve, „Discorsi”… (beszélgetések)
Ingamozgás Először veszi észre, hogy az ingamozgás periodikus. A periódusidő függ a hossztól, de a kitéréstől nem. Kis kitérésekre igaz! Időmérés lehetséges ingával is. (Huygens valósítja meg később).
Vízszintes hajítás Megállapítja, hogy kétféle mozgásból tevődik össze, ezek egymástól függetlenek.
Meghatározza a parabolapályát is. Megjósolja, hogy ettől lehet eltérés, főleg nagy sebességek esetén Ágyúzás, Ballisztika
Kinematika •Helyváltoztatás, sebesség, gyorsulás fogalmai •Kidolgozza a mozgások ésszerű osztályozását
Vonatkoztatási rendszer:Inercia rendszerek fogalma •Inercia rendszer: amelyben érvényes a tehetetlenség törvénye •Minden hozzá képest állandó sebességgel mozgó rendszer szintén inercia rendszer. (Kísérletek az egyenletesen mozgó hajón) •„Valamennyi inercia rendszer egyenértékű.”
Pillanatnyi sebesség, gyorsulás fogalma •Egyenletes mozgás sebessége nem függ az időtől, •Változó mozgások esetén a sebesség minden pillanatban más-és más:
Egyenletes változás: „A meglévő sebességhez mindig ugyanakkora mennyiség adódik hozzá” A sebességváltozás sebessége: a gyorsulás
A szabadon eső testek mozgását vizsgálva adja meg a kinematika és a dinamika alapjait. Dinamika: megállapításai •A szabadon eső testek gyorsulását a nehézségi erőnek tulajdonítja. •A szabadon eső testnek nincs súlya •A nehézségi erő nem függ a test súlyától. •Az esések különbözőségének oka nem a nehézségi erő hatásában rejlik, hanem a mellékes körülményekben, (pl. közegellenállás). Később Newton kimutatta, hogy ennek oka tehetetlen és a gravitáló tömeg egyenlősége. A szabadon eső test által megtett út meghatározása Feltevései: A szabadon eső testek gyorsulása egyenlő, a sebesség az idővel arányosan növekszik A megtett út meghatározása elemi úton
Elemi úton bebizonyítja, hogy ilyen feltételek mellett: Az az út, amelyet a szabadon eső test valamely idő alatt megtesz, egyenlő azzal az úttal, amelyet ugyanazon idő alatt tenne meg egyenletes mozgásban a a szabadesés végsebességének felével egyenlő sebességgel” .
A megtett út arányos az eltelt idő négyzetével. „Az egységnyi idő alatt megtett utak úgy aránylanak egymáshoz, mint az egész számok egytől kezdődően”
„Az egyenletesen gyorsuló mozgás kinematikáját elemi úton magyarázó oldalak a „Discorsi”-ból”
Mai szemmel : A sebesség legyen arányos az idővel:
v at
A közepes sebesség ha a test nulla sebességgel indul:
vk
v at 2 2
Így a megtett út:
s vk t
a 1 t at 2 s 2
A pillanatnyi sebességre még nem tud mit mondani, ehhez hiányzik még a matematikai analízis.(differenciálszámítás)
Az elmélet kísérleti igazolása: Galilei lejtő Az első, aki laboratóriumi körülmények között szisztematikus méréseket végez. Először csak hipotézisként feltételezte, hogy a lejtőn eső végsebessége kizárólag a lejtő magasságától függ. Később a tételt egy inga segítségével demonstrálta.
Ennek alapján a magasságot állandónak hagyva változtatott a lejtő hosszán, így egyre lassabb, mérhetőbb mozgást ért el. Időmérés Galilei a vízóra egy változatát használta. Egy tartályból vékony csövön át vizet engedett egy edénybe a lejtőn elindított golyó futásának időtartamára. A kifolyt vizet egy pontos mérlegen megmérte, és ebből következtetett a futás idejére. Sikerült az út és az idő négyzetének viszonyát megállapítania, és ennek állandóságát egy adott lejtőre bizonyítania.
Az ingát meghatározott szöggel kitérítette, majd a súlyt tartó fonál útjába lengés közben egy akadályt helyezett úgy, hogy a súly kisebb sugáron lengett tovább. Azt találta, hogy a test ilyenkor ugyanolyan magasságig emelkedik, mint amilyen magasságból eredetileg indította a testet. Azonos pontból, de más úton indítva a golyókat, ugyanoda érnek: Ez csak úgy lehet, ha eltérő a gyorsulás. Ebben a meglátásban csírájában már az energia megmaradás elvét, pontosabban a kinetikus és potenciális energia egymásba alakulását lehet felfedezni.
Csillagászati megfigyelések: Távcső Tudta, hogy Hollandiában megcsinálták az első lencsés távcsövet.
„ Kis idő múltán a fénytörés törvényeit tanulmányozva nekem is sikerült egy ilyen készítenem.”.(A Snellius féle törvény ekkor még nem volt ismeretes, csak 10 év múlva lett az.)
Megállapította, hogy a szabad szemmel folytonosnak látszó Tejút csillagok sokaságából áll. Ezzel egy régi vitát döntött el. Felfedezte a Jupiter holdjait.( 1610 körül)
Galilei Természetfilozófiája: „A természet nagy dolgokat kis eszközökkel ér el, és minden megnyilatkozás egyformán csodálatra méltó!”
Galilei bemutatja a távcsövét a „Signoria”-nak.
(Sok pénzt kap érte.)
A kép: egyenes állású, nagyított, látszólagos Ez a lencsés távcső, egyenes állású képet ad, de a látómező mérete a többi lencsés távcsőben megfigyelhető elrendezéshez képest meglehetősen pici. Manapság ezt a rendszert kutató munkára nem használják, mert az egyszerű lencsék miatt számos optikai hibával terhelt képet ad, de színházi távcsőként ma is közkedvelt.
A XVII. Század A kísérleti tudományok pénzt és időt igényelnek, ezért csak kollektív erőfeszítéssel fejlődhetnek. (Bacon)
Tudós társaságok: un. Akadémiák alakulnak. Az üléseken beszámoltak egymásnak az eredményeikről. Közben Leveleznek, meglátogatják egymást.
Fontossá vált a tájékoztatás megszervezése: Időszaki kiadványok 1637. Firenze 1640-es években Párizs
1660 Anglia
René Descartes (Cartesius) Franciaország, (1596-1650) francia filozófus, természetkutató és matematikus
Tanulmányok: Universite de Poitiers, Leideni egyetem Sokat utazott, végül a „nyugodt” Hollandiában telepedett le. Kidolgozta az analitikus geometriát Az elméleti fizika módszerének megalapozója Módszere az analízis és a dedukció
„Gondolkodom, tehát vagyok” Matematika Descartes féle koordináta rendszer – angol szakterületen „Cartesian Coordinate system”
Fizika 1. A matematikai, vagyis a deduktív módszer hangsúlyozása
2. Az anyag primer tulajdonságának a kiterjedést és ezzel szorosan összefonódó mozgást tekintette 3. Programot ad a fizika számára. Minden tulajdonságot a test kiterjedésére és a mozgására kell visszavezetni.
A kísérletek fontosságáról: „A kísérlet szolgáltatja számomra a szükséges anyagot a kiinduló premisszákhoz,a kísérlet ad bizonyságot a levont következtetések helyessége felől” A rációt és a kísérletet egyenrangúan fontosnak tekinti.
Descartes mozgástörvényei (Egyetemi tankönyvében 1676) 1.Egy test nyugalomban marad mindaddig, ameddig valamely hatás nem éri; egy mozgó test változatlan sebességgel folytatja mozgását mindaddig, míg valamivel nem találkozik ami ezt a mozgást megváltoztatja (A tehetetlenség törvénye, u.a. mint Galileinél) 2. Minden mozgó test egyenes vonalban igyekszik mozgását folytatni. A körmozgás nem természetes mozgás. 3. Ütközési törvények Sajnos ezek többnyire hibásak Nem tett különbséget rugalmas és rugalmatlan ütközés között, és nem vette figyelembe az impulzus vektor jellegét. „Midőn a test egy másik testtel ütközik össze,csupán annyi mozgást tud ez utóbbival közölni, amennyit egyidejűleg önmaga veszít, és csupán annyit vehet el attól, amennyivel saját mozgását növeli.” (Ez igaz!)
Mi a mozgás? (Sokáig vita volt róla) Descartes szerint: nagyság x sebesség (tömegfogalom még nincs, majd csak Newton után)
Newton: szerint
tömeg x sebesség
Leibnitz:szerint:
tömeg x (sebesség négyzet)
Descartes kozmogóniája : az első kozmogónia Elsőként elmélkedik a világ keletkezéséről. „Az isten megalkotta a meghatározott mennyiségekből az őskáoszt, a továbbiakban a természet cselekedett a saját törvényei szerint”. „A kezdetben kapott mozgásmennyiségeknek megfelelően örvények alakulnak ki, amelyek végül az anyag szétválasztáshoz vezetnek. Az örvények közepén összegyűlik a finom anyag: Nap és az állócsillagok. A nehezebb részek kifelé tendálnak, mert a forgás közben rájuk nagyobb erő hat.” A Nap körül örvénylő anyag magával viszi a Földet, a Föld körül örvénylő anyag pedig magával viszi a Holdat. (centrifugálás elve)
Vákuum nincs, mindenütt anyag van. „Horror vacuui”
Ezzel a nézetével sokáig nem mertek vitatkozni. (Toricelli kísérlete dönti meg.)
Előre mutató megállapításai: •
Az egész világ anyagi egységét hangsúlyozza
•
Az égi testek és a földi testek mozgásának törvényei azonosak.
Ezeket a törvényeket majd Newton adja meg.
Descartes Optikája 1. A Snellius-Descartes törvény jó,
sin 1 n21 sin 2 De az indoklása az érintőirányú sebességek egyenlősége alapján hibás: azt feltételezné, hogy a fénysebesség annál nagyobb, minél sűrűbb a közeg. (Nem igaz!)
Snellius holland matematikus már korábban kitalálta, de csak a hagyatékában találtak rá. 1626-ban. (Az angol irodalomban Snell law) Először Descartes közölte nyomtatásban.
2. A szivárvány leírása Descartes a vízcseppen belüli töréssel és visszaverődéssel helyesen magyarázza a keletkezését. A színek létrejöttét igazából nem magyarázza meg
Descartes gondolatai tanulásról, olvasásról „Azért mégis megbecsültem ám a gyakorlatokat, melyekkel az iskolában foglalkoznak. Tudtam, hogy a nyelvek, melyekre ott tanítanak, szükségesek a régi könyvek megértéséhez; hogy a mesék kedvessége ébresztőleg hat elménkre; hogy a történelem emlékezetes tettei emelik lelkünket, s ha óvatosan olvassuk, kiművelik ítélőerőnket; hogy minden jó könyv olvasása olyan, mintha elmúlt századok legderekabb embereivel, kik e műveket írták, beszédbe ereszkednénk, mégpedig válogatott beszédbe, mert csak legjobb gondolataikat közlik velünk; hogy az ékesszólásnak páratlan ereje s szépsége van; hogy a költészetben elragadó báj s édesség rejlik; hogy a matematikának rendkívül finom ötletei vannak, amelyek kielégíthetik a kíváncsiakat, megkönnyítik a mesterségeket, s kevesbítik az emberek munkáját; hogy a könyvek, melyek az erkölcsökről szólnak, sok hasznos tanítást s erényre való buzdítást tartalmaznak; hogy a teológia arra tanít bennünket, miképpen érdemeljük meg a mennyországot; hogy a filozófia módot nyújt az embernek, hogy mindenről valószínűt mondhasson, s megcsudáltassa magát a kevésbé tudósok által; hogy a jog, az orvostan, s a többi tudományok hírt s gazdagságot szereznek a velük foglalkozóknak, s végre tudtam, hogy jó, ha valamennyit megvizsgáltuk, a legképtelenebbeket s legtévesebbeket is, már csak avégett is, hogy igazi értékük szerint megítélhessük őket, és a csalódástól őrizkedhessünk.”
René Descartes Értekezés a módszerről Értekezés az értelem helyes használatának s a tudományos igazságok kutatásának módszeréről Fordította: Zemplén Jolán http://mek.niif.hu/01300/01321/01321.htm
Pierre Fermat: (1601-1665)
jogász, matematikus
Fermat elv
Megadott pontból egy másik megadott pontba a fény a geometriailag lehetséges utak közül azt a pályát követi, amelyet a legrövidebb idő alatt fut be. Ebből is levezethetők helyesen a visszaverődés és a törés törvényei. A fény sebessége a vákuumban legnagyobb. (Igaz)
(Sajnos a világ nem neki hitt még kb. 200 évig.)
Fermat elv: variációszámítás
t = s1/v1+s2/v2,
dt/dx = 0
n1sinθ1 = n2sinθ2.
Vákuum és légnyomás, folyadékok gázok Toricelli, Pascal, Boyle, Mariotte, Guericke Descartes: erőhatás csak kontaktus által, nincs vákuum
Evangelista Torricelli (1608-1647) Firenze, Galilei tanítványa, A firenzei Akadémia egyik alapítója
Galilei problémája: Miért nem lehet a vizet 10 méternél mélyebbről felszivattyúzni? 1643: a híres Torricelli-kísérlet Kérdés: mi tölti ki a Torricelli-űrt?
Higanyos barométert készít. Ezzel programot ad a kísérletezőknek: Pascal, Boyle, Mariotte, Guericke
Tíz méter magas vízoszlop nyomása a külső légnyomással egyenlő.
P10 v g h 1000
N m 5 10 10 m 10 Pa 2 2 m s
Ezért nem lehet 10 méternél mélyebbről légszivattyúzni a vizet. (a külső légnyomás már nem nyomja föl, mert egyenlő vele).
76 cm hosszú higanyoszlop tart egyensúlyt a külső légnyomással
p 0 Hg g h Hg
kg m N 13600 3 10 2 0,76m 103360 2 105 Pa m s m
Pascal (1623-1662) Megismételte Toricelli kísérletét higannyal vízzel és borral. (Nem egyforma magasak a folyadékoszlopok) Mérést végeztetett a légnyomás igazolására: Toricelli féle higanyos barométer 1300 méter magas hegyen kevesebbet mutatott Barométer állás alapján meg lehet határozni egy hely magasságát.
Pascal „űr az űrben” kísérlete: a kis Torricelli-berendezés lényegében egy barométer (az első barométer). A kezdetben nulla nyomást a bebugyborékoltatott levegő emeli meg, Pascal buzogány Vízben a nyomás minden irányban egyenletesen terjed)
PASCAL ... egyik híres kísérlete, az ûr az ûrben (vide dans le vide), már önmagában is elegendô bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a levegô nyomása hozza létre a jelenséget. A kísérlet azért is érdekes, mert abban az idôben még nem volt légszivattyú, és így PASCALnak valamilyen módon mégis meg kellett oldania a különbözô nyomású levegôvel telített tér problémáját. Ezt a következôképpen tette. Egy Torricelli-elrendezést felfüggesztett egy vastagabb üvegedénybe, amelynek alsó, nyitott végét a kísérlet kezdetén egy membránnal elzárta. A felsô, nyitott végén keresztül az egész edényt megtöltötte higannyal, majd a felsô végét egy légmentesen záró fedôvel lezárta. Az egész higannyal töltött vastag üvegesövet membrános végével lefelé függôleges helyzetben egy higannyal töltött edénybe állította, majd az alsó membránt átszúrta. Ezzel a higanyszint a felsô Torricelli-elrendezés alá süllyedt, és így valóban a Torricelli-ûrben lehetett vizsgálni a viszonyokat, mai kifejezéssel élve, oda egy barométert tettek. PASCAL elôször is megállapította, hogy a Torricelli-ûrbe elhelyezett Torricelli-berendezésben a külsô és belsô higanyszint azonos magasságban van. Ha most levegôt bugyborékoltatunk a vastagabb üvegcsô Torricelli-ûrjébe, akkor azt találjuk, hogy a felfüggesztett belsô barométer higanyszála emelkedni kezd, azaz egyre nagyobb lesz a különbség a külsô edény és a belsô csô higanyszintje között. Ilyen módon egyértelmûen megállapítható, hogy a higanyt a levegô nyomása nyomja meghatározott magasságig. (Simonyi Károly)
Edme Mariotte (1620-1684), Franciaország Fizikus, kémikus A párizsi Akadémia egyik alapítója A „barométer” szó kitalálója Gázok viselkedését tanulmányozza különböző nyomáson, Boyle-tól függetlenül. Ő jött rá arra, hogy a törvény csak állandó hőmérsékleten érvényes : PV=áll. A higanyos barométert különböző mélységekben a víz alatt helyezte el, és úgy találta, hogy a higanyoszlop magassága pontosan a várt összefüggésnek megfelelően, tehát a higany és a víz sűrűségének arányában változik.
„Mariotte bottle”
Robert Boyle: (1627-1691) Irország Eton, Utazás a kontinensen, gazdag nemesember Oxfordban laboratóriumot épít, Hooke az asszisztense Nagy kísérletező: vákuumpumpát épít.
„A hosszú szárán nyitott, a rövidebb szárán leforrasztott U alakú üvegcsőben a kísérlet kezdetén a rövidebb szárban normál állapotú levegő van. A hosszabbik szárba higanyt öntve azt tapasztaljuk, hogy a levegő térfogata egyre csökken. A lezárt szárban levő, most már kisebb térfogatú levegő ezzel is egyensúlyt tud tartani.” Boyle-Mariotte tv. Kísérleti bizonyítása
BOYLE ezt az elrendezést egy olyan támadás kivédésére használta, amely azt akarta bizonyítani, hogy a levegő nyomása nem képes a higanyt 76 cm magasra felnyomni.
Otto von Guericke (Magdeburg, 1602–1686) 1691) Magdeburgi félgömbök, a légüres tér előállítása Magától értetődőnek tartotta, hogy ha egy térrészből eltávolítjuk az anyagot, például a vizet vagy a levegőt, akkor ott vákuum keletkezik, és erre a vákuumra nehezedik a külső levegő nyomása. Légszivattyút tervez és épít meg. „Ezzel azután sikerült fémedényekből a levegőt kiszivattyúzni és így vákuumot előállítani. A fémedényekkel természetesen kezdetben problémái voltak, mivel a levegő kiszivattyúzása közben a külső légnyomás összelapította az edényt. Két, sima peremmel ellátott fémgömböt egymáshoz illesztett, majd kiszivattyúzta a levegőt.
Ezután 8–8 ló igyekezett a légnyomás ellenében széthúzni a két féltekét, teljesen sikertelenül. A levegő beengedésével a két félteke magától szétesett.”
Huygens, Christian (1629-1695), Hága Holland csillagász, matematikus, fizikus
Csillagászat 1655-ben Huygens is készített egy távcsövet, amellyel megfigyelte a Szaturnusz gyűrűjét és egyik holdját, a Titánt, valamint az Orionködöt. A távcső tökéletesítésére új okulárt talált fel, és bevezette a diafragmát. Időmérés 1656-ban ingaórát szerkesztett, amelynek leírása 1658-ban jelent meg a 'Horologium' című könyvében. Megállapította a lengésidőt: L
T
g
A zsebóra készítéséhez elsőként ő alkalmazott billegővel ellátott spirális rugót.
Az órával kapcsolatban értékes eredményeket mutatott fel az ingamozgás és a körmozgás elméletének a megalapozásával. A körmozgás gyorsuló mozgás
A centripetális gyorsulás levezetése Huygens szerint:
R 2 v0 t R s 2
s 2 2 Rs v0 t
2
2
s 2Rs 1 v02 t 2 s 2 R
v02 acp R
v02 a R Később Newton is kitalálta, és felhasználta.
Mechanikai feltevései
Hipotézisek az ütközés törvényeinek levezetéséhez: 1, Bármilyen mozgásban lévő test, ha nem ütközik akadályba, változatlan sebességgel egyenes vonalban igyekszik mozogni tetszés szerinti ideig. 2, Két egyforma test, ha azonos nagyságú, de ellentétes irányú sebességgel egymásnak ütközik, visszapattanva megtartja sebessége nagyságát, de sebessége előjele megváltozik. 3,Egy egyenletes sebességgel mozgó hajón, bármekkora is legyen annak sebessége, a rajta utazó megfigyelő számára az ütközési törvények azonosak. 1669-ben felfedezte a rugalmas ütközés törvényét. Megfogalmazta az „eleven erő" (Leibniz, 1686) megmaradási tételét
Huygens munkássága összefoglalva Fizikai kutatásaiból különösen említésre méltóak a mechanikai, optikai és molekuláris fizikai vizsgálatai Az órával kapcsolatban értékes eredményeket mutatott fel az ingamozgás és a körmozgás elméletének a megalapozásával. Meghatározta a centripetális erő törvényét 1673-ban, valamint a fizikai inga lengésidejét. 1669-ben felfedezte a rugalmas ütközés törvényét. A fény hullámelmélete alapján sikerrel magyarázta meg a fényvisszaverődés, a fénytörés és a kettőstörés törvényeit. Ő vezette be a kristálytengely fogalmát. 1678-ban felfedezte a fénypolarizációt. A Huygens-elvet Fresnel tökéletesítette 1819-ben (Huygens-Fresnel-elv) 1665-ben Hooke-kal együtt a jég olvadáspontját és a víz forráspontját tették meg a hőmérő alappontjainak. 1667-ben kimutatta, hogy a víz fagyás közben kiterjed. Jelentősek matematikai felfedezései is. Ezekről később még bővebben lesz szó.
