fizikatörténet másképp Radnóti Katalin ELTE TTK Főiskolai tanár rad8012@helka.iif.hu A kutatást az MTA Tantárgy-pedagógiai Kutatási Programjának keretében az MTA-SZTE Természettudomány Tanítása Kutatócsoport támogatja.

Miről lesz szó? Történeti szemlélet Miként nyúl a természettudós egy problémához, hogyan kezdi el vizsgálni, miként fogalmazza meg a kérdést, milyen egyszerűsítő feltételeket vezet be? Miként lehet az Excel program felhasználásával megjeleníteni az eredeti publikációkban szereplő adatokat?

Érettségi követelmények A fizikatörténet fontosabb személyiségei Arkhimédész (kb. Kr. e. 287-212., Szirakúza) Kopernikusz, Kepler, Galilei, Newton, Huygens, Watt, Ohm, Joule………. Követelmények: „Tudja, hogy a felsorolt tudósok mikor (fél évszázad pontossággal) és hol éltek, tudja, melyek voltak legfontosabb, a tanultakhoz köthető eredményeik.”

Történeti szemlélet Mit honnan tudunk? Hogyan alakult ki az adott tudás? Nem csak a végeredmények leírása, melyet meg kell tanulni, hanem a feldolgozandó téma szempontjából egy érdekes jelenség kapcsán felmerülő kutatási kérdések, az adott korszak tudományos kérdései, megközelítésmódja, többféle elképzelései, melyek tesztelésre vártak, hipotézisek, melyek vagy beváltak, vagy nem stb. tesztelhető hipotézisek, például analógiák alapján, a hipotézisek alátámasztására tervezett vizsgálatok, kísérletek, végül a következtetések leírása. Mi volt a felfedezés újszerűsége? Hogyan fogadták azt a kortársak? Elég meggyőzőnek tartották-e? Milyen nehézségek merültek fel a megismerés során? Hogyan fejlődött a témakörben a tudás napjainkig, és az mire használható?

A fényről alkotott ókori görög elképzelések "Hogy a szemünkből kiinduló sugarak végtelen sebességgel haladnak, azt a következő megfontolásból láthatjuk. Ha behunyjuk szemünket, és aztán kinyitjuk, és az égre nézünk, akkor nem telik időbe, hogy a fénysugarak elérjék az eget. Valóban, a csillagokat meglátjuk, mihelyt felnézünk, annak ellenére, hogy a távolság, mondhatnánk, végtelen. Ha a távolság még nagyobb volna, az eredmény megint csak ugyanaz lenne, és így világos, hogy a sugarak végtelen sebességgel távoznak. Ezért se meg nem szakadnak, se nem görbülnek, se nem törnek, hanem a legrövidebb úton, egyenes vonalban mozognak." Héron (Kr. u. 10. körül – 75. körül, Alexandria) Mások, például Arisztotelész (háromszáz évvel korábban) elvetette a fenti elképzelést, mivel így sötétben is látnánk, és azt gondolta, hogy a tárgyakról leváló finom hártya kelti a látás érzetét.

Ptolemaiosz (Kr. u. 90. körül – 168.) Optika "A fénysugarakat kétféle módon lehet változtatni: visszaveréssel, vagyis visszapattanással a tükörnek nevezett tárgyakról, amelyek nem teszik lehetővé a behatolást, és hajlítással (vagyis töréssel) olyan közegek esetében, amelyeknél lehetséges a behatolás, ezeknek közös elnevezése van (átlátszó anyagok), mert a fénysugár keresztülhatol rajtuk." Szög a levegőben, beesési szög (°) Szög a vízben, törési szög (°) 10 8 20 15,5 30 22,5 40 28 50 35 60 40,5 70 45 80

Grafikus ábrázolás I.

Grafikus ábrázolás II.

Tudományos megismerési módszer Alhazen (kr. u. 965 - 1039 ) elsősorban optikai vizsgálatai során továbbfejlesztette az ókori görögök nyomán kialakult tudományos vizsgálódási módszert. Nem egyszerűen csak szemlélődött, majd elmélkedett a dolgokról, hanem tudatos, tervszerű kísérleteket végzett. Hipotéziseket alkotott mielőtt módosította kísérleti berendezését, majd az eredmények alapján vizsgálódott tovább. A kísérletei során megfigyelt jelenségeket rendszeresen összevetette az elméleti alapvetésekkel. Szinte már a mai tudományos kutatási módszertant követve alkalmazta a megfigyelés, kérdésfeltevés, hipotézisalkotás, kísérlettervezés és kísérlet az elmélet ellenőrzésére, a kísérletek megismételhetősége, elméleti értelmezés algoritmust.

A módszer fontossága Gyakorlati problémát lehetett megoldani a lényegében a görögök által megalkotott elméleti matematikai rendszer segítségével. A matematikai rendszer itt a geometria volt, ezen belül a háromszögek tanulmányozása és a korszak új tudományos teljesítményét jelentő szögfüggvények nagy pontosságú táblázatai. Vagyis az elméleti matematikai ismeretek felhasználása segítségével új tudáshoz lehetett jutni magáról a természetről. A természet megismeréséhez tehát különböző méréseket kell elvégezni. Ez után további információra lehet következtetni a kapott adatokkal végrehajtott tervszerű matematikai műveletek segítségével. Később Európában ezt vették át! – Galileo Galilei

A szabadesés Galilei vizsgálta a különböző sűrűségű testek különféle közegekben végzett mozgásait, majd ezekből mintegy általánosítva, szinte szabályos határátmenettel eljutott ahhoz az alapvető tételhez, hogy a vákuumban minden testnek, sűrűségétől és alakjától függetlenül egyforma gyorsulással kell esnie. A következőt írta: „ ha a közeg ellenállását teljesen megszüntetnénk, minden test azonos sebességgel zuhanna.”

A természettudományos megismerés módszertana Galilei szerint és mai kiegészítése Modellalkotás A fizika történetében Galilei volt az, aki első ízben beszélt a mellékes hatások elhanyagolásának szükségességéről, elképzelte, hogy milyen is lehet az úgynevezett „ideális” eset. Ő volt az, aki ezzel bevezette modellalkotást a természettudományos jelenségek leírásához, mely kiemeli a lényeges elemeket és a többit elhanyagolja, egyszerűsít, és ezzel a jelenséget hozzáférhetővé teszi a matematikai tárgyalás számára. Matematika és empíria összhangja. Napjainkban ez kiegészül a különböző számítógépes szimulációs programokkal.

Galilei szavaival: „Minthogy a súly, sebesség és az alak végtelen sokféleképp változhat, ezeket a jelenségeket nem tudjuk szigorú törvényekbe foglalni, ha tehát mégis tudóshoz méltóan akarjuk tárgyalni anyagunkat, el kell vonatkoztatni tőlük, majd miután felismertük és bebizonyítottuk az összes zavaró körülménytől elvonatkozatott tulajdonságokat, a mindennapi tapasztalat megtanít, hogy törvényeink milyen korlátozások mellett érvényesek a gyakorlatban.”

A mozgás axiomatikus tárgyalása „A természet szerint gyorsuló mozgás”. „DEL MOTO NATURALMENTE ACCELERATO” Először definíciót keres, mely a következő miatt szükséges: „ mert az ebből általunk levezett jelenségek láthatóan megfelelnek és megegyeznek azokkal, amelyeket a természetes kísérletek mutatnak az érzékeknek.” A korszak tudományos kérdése: v(t) vagy v(s) egyenletes? „egy mozgást akkor nevezünk egyenletesen gyorsulónak, ha a nyugalomból induló test sebessége egyenlő időintervallumok alatt egyforma sebességmomentumokkal növekszik.”

A négyzetes úttörvény Az utak arányának kiszámítása a közepes sebességek használatával, mely a legnagyobb sebesség fele: Majd a kettő aránya: Vegyük figyelembe a sebességek időszerinti egyenletes változását: Ezt behelyettesítjük az utak arányát leíró összefüggésbe:

Galilei lejtős mérései 1600. „A kísérletet különböző részutakkal is elvégeztük, a teljes út megtételéhez szükséges időt előbb a fél, majd a kétharmad és a háromnegyed úthoz szükséges idővel hasonlítottuk össze…” „a megtett utak úgy aránylanak egymáshoz, mint idők négyzetei” Discorsi 1638.

Kepler 3. törvénye 1619. Nem szükséges linearizálni!

A mólő, Duloung – Petit 1820. Mi lehetett a kutatók hipotézise, amiért ezt az összehasonlítást megtették, illetve a sok mérést elvégezték?

Ohm törvény 1826. X áramerősség, x a drót hossza, a elektromotoros erő, b az áramkör többi részének ellenállása.

Marie Curie a radioaktivitás atomi tulajdonság és vannak fel nem fedezett elemek 1903.

A radioaktív sugárzás tulajdonságai 1903. Egyenes vonalban terjed – a sugárzás útjába tett test árnyéka éles. Távolságfüggés 1/R2

Henry Moseley (Weymouth, 1887 november 23 Henry Moseley (Weymouth, 1887 november 23. – Törökország, Gallipoli, 1915. augusztus 10.) angol fizikus Egyszerű összefüggést mutatott ki a röntgenszínképvonalak frekvenciája és a kibocsátó elem rendszáma között. Az atomoknak ugyanolyan átmenetéből (pl. Kα) keletkező röntgensugárzás frekvenciájának gyöke arányos a rendszámmal. http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/histchem/moseley.html A Gallipoli - félsziget ostroma 1915. február 19-től 1916. január 9-ig tartó csata volt, melynek során a védekező török hadsereg sikerrel védte meg a Dardanellák tengerszorost a támadó brit és francia erőkkel szemben.

Moseley mérései 1913.

A kozmikus méterrúd Henrietta Leavitt mérései 1912. 25 cefeidát azonosított a Kis Magellán felhőben. Ennek a Földtől mért távolságát ugyan nem ismerte, de feltételezte, hogy elég messze vannak ahhoz, hogy a benne található cefeida típusú csillagok egymástól való távolsága ennél jóval kisebb. Azt a közelítést alkalmazta, mintha ez a 25 csillag ugyanolyan messze lenne a Földünktől. Tehát, ha ezek ugyanolyan távol vannak, akkor a fényesebbnek látszók valóban fényesebbek is azoknál, amelyek halványabbnak tűnnek. A látszólagos fényességük sorrendje megegyezik az abszolút fényességük sorrendjével. Ha tehát találunk két olyan cefeidát az égbolton, amelyek hasonló ütemben változtatják fényességüket, akkor biztosak lehetünk abban, hogy mindkettő azonos teljesítménnyel sugároz. Ez a tény pedig már felhasználható távolságmérésre.

A változócsillagok periódusideje A fényesebb cefeidáknak hosszabb a fényváltozási periódusa. Sikerült összefüggést kimutatnia a csillag abszolút fényessége és látszólagos fényváltozásának ciklusideje között. Ez pedig felhasználható távolságmérésre! Az első ábra a fotografikus magnitúdók minimum és maximum értékei a napokban mért periódus függvényeként és az ezekre az adatokra illesztett két görbe. A másik ábrán szintén a magnitúdók, de a periódusok logaritmusai függvényében, melyekre két egyenes illeszthető.

Vera Rubin A sötét anyag 1970.

Az Androméda csillagok sebessége

Köszönöm a figyelmet!