1

A FIZIKA TÖRTÉNETE

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

Előadás fizikatanár szakos hallgatók számára (2016/17)

2

SIMONYI KÁROLY: A FIZIKA KULTÚRTÖRTÉNETE

Gondolat Kiadó, 1978

Akadémiai Kiadó Zrt, 2011

Simonyi Károly (1916-2001)

Mérnök, fizikus, tudós tanár

Alapirodalom:

3

A FIZIKATÖRTÉNET KAPCSOLATA MAI ÉLETÜNKKEL

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)

A tudomány fejlődése: intellektuális érdeklődés (egyén)a társadalom igényei

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.

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

6

•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.

MI A FIZIKA?

7

„A fizika :

• „Az élettelen természet mozgásait, és azok tulajdonságait kutatja.”

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.

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.

•„A természet megismerése, viselkedésének leírása egzakt módon.”

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

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

Kongó: kb. 12 000 évvel ezelőtti karcolt csontnyél

Forrás: http://tudomany.blog.hu/2014/05/23/honnan_ered_a_matematika

•Időjárási megfigyelés,

•Évszakok változása,

• Naptárkészítés

A csillagászati megfigyeléseket egyszerű matematikai meggondolásokkal rendszerbe foglalják.

10

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

Varázsló, pap, királyi csillagász: az államvezetés fontos pillérei

Kheopsz piramis

Kezdetben: a tudomány csak a csillagászat és a matematika.

A fizika egyéb területeit (hőtan, mechanika, elektromosságtan, stb.) csak később ismerik el tudománynak.

Pontos iránymérés bizonyítéka

A Földi precesszió periódusa: 25920 év, (72 évenként 1 fok)

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

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)

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

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 ellipszispályán 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)

15

•megfigyelés: fizikai mennyiségek kijelölése

•modellalkotás: absztrakció

•Kísérletek: a paraméterek közötti összefüggések

• fizikai törvény : matematika alkalmazása

•axióma: általánosítás

A modellekre a törvények egzaktak, a valóságos testekre azonban közelítőjellegűek.

„A fizika az elhanyagolások művészete.”

I

N

D

U

K

T

Í

V

D

E

D

U

K

T

Í

V

A MEGISMERÉS ÚTJA

16

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.

Reális gázra:

nRTpV =

( ) nRTnbVV

anp =−

+

2

2

Eső juharfalevél mozgása

b: gázrészecskék saját térfogata

a: kohéziós erők miatti nyomáskorrekció

Példák

Törvény:

17

A fizika történeteegyre 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 éppenmelyik régebbi elmélet szorul felülvizsgálatra, és mikor derül fény a különbözőjelenségcsoportok közötti kapcsolatra.

A fizika története során az egyes jelenség csoportok sokszor önállóan működtek, majd egy idő után már szükségszerűen összekapcsolódtak.

18

1687: Newton Princípiájának megjelenési éve1820: Oersted felfedezése az áram mágneses hatásáról1864: Maxwell elektrodinamikája1870: A statisztikus mechanika kifejlesztése, (Boltzmann)1925: Kvantumelmélet (Heisenberg)

A FIZIKATÖRTÉNET CSOMÓPONTJAI

19

Az intellektuális tevékenység intenzitásának diagramja

Forrás: Simonyi Károly

i.e. 600 filozófia

i.e.300 görögök

i.sz.100 Ptolemaiosz

i.sz. 1500 Kopernikuszi.sz. 1700 Newtoni.sz.1800-1900 Faraday, Maxwelli.sz. 1900 Plank, Heisenberg

20

A TUDOMÁNY KEZDETEI

ŐsemberEszközhasználat, megfigyelés, következtetés, a beszéd kialakulása

•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 első lépés a tudomány felé az állatok, emberek, növények leképezése egyetlen halmazra pl. vonalak sokaságával

Az általános fogalom és a konkrét dolog viszonya: későbbiekben hosszúfilozófiai viták tárgya.

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