Η επιστήμη της Φυσικής

Transcript

1 Η επιστήμη της Φυσικής Φαινόμενο παρατήρηση- πείραμα - φυσικός νόμος-αξίωμα- Υπόθεση θεωρία- κοσμοθεωρία (καθιερωμένο πρότυπο)

2 Φαινόμενο Πείραμα φυσικός νόμος Υπόθεση Θεωρία μοντέλο (καθιερωμένο πρότυπο) Μετρήσεις Φυσικά μεγέθη Συστήματα Μονάδων

3 Αντικείμενο της Φυσικής Η επιστήμη της Φυσικής έχει ως σκοπό της τη διερεύνηση και την περιγραφή των πρωταρχικών αιτιών των φαινομένων, με στόχο την κατανόηση του κόσμου και της παρουσίας του ίδιου του ανθρώπου σ' αυτόν. Όλα όσα συμβαίνουν ή εξελίσσονται γύρω μας, είτε υποπίπτουν άμεσα στις αισθήσεις μας είτε όχι, αποτελούν τα φαινόμενα.

4 Η Φυσική (από την ελληνική λέξη φύω που σημαίνει γένεση, δημιουργία, παραγωγή) είναι με την ευρύτερη έννοια: η επιστήμη που μελετά την ύλη και την ενέργεια που παρατηρούνται στη φύση. Οι φυσικοί μελετούν την λειτουργία και τις ιδιότητες του κόσμου που μας περιβάλλει, από τα υποατομικά σωματίδια που αποτελούν τη συνήθη ύλη (σωματιδιακή φυσική), ως την συμπεριφορά τού υλικού σύμπαντος ως ολότητα (αστρονομία, κοσμολογία). Σκοπός της φυσικής είναι η εύρεση του πλαισίου των θεμελιωδών νόμων στους οποίους υπακούν οι φυσικές οντότητες.

5 επιμέρους κλάδοι αναπτύσσονται και ξεχωρίζουν ως ειδικότητες της φυσικής, όπως πχ η Ιατρική Φυσική Ιατρική Φυσική Η Ιατρική Φυσική ως τομέας στη Φυσική των βιολογικών συστημάτων, της Βιοφυσικής, ασχολείται γενικά με την εφαρμογή εννοιών, θεωριών και μεθόδων της Φυσικής στην Ιατρική και με θέματα που σχετίζονται με στη προστασία της υγείας. Αντικείμενο της Ιατρικής Φυσικής είναι η μελέτη φαινομένων που συμβαίνουν στα βιολογικά συστήματα και ειδικά στον άνθρωπο, προκειμένου να γίνουν κατανοητές και να ερμηνευτούν οι φυσιολογικές λειτουργίες του, ενώ επίσης συνδέει την τεχνολογία με την εφαρμογή της στην Ιατρική, στη διαγνωστική και στην θεραπευτική διαδικασία. Μελετά επίσης την σχέση δομής και λειτουργίας στα βιολογικά συστήματα. Parasagittal_MRI_of_human_head_in_ patient_with_benign_familial_macrocep haly_prior_to_brain_injury (140 frames, 5.6s)

6 Η Φυσική ως μάθημα στο τμήμα και στην ειδικότητα της Συντήρησης Πολιτισμικής Κληρονομιάς.. ασχολείται με τη μελέτη και ερμηνεία φυσικών φαινομένων, των υλικών των έργων τέχνης και των μεθόδων συντήρησης, συμβάλει ώστε να είναι σε θέση να κατανοήσουν την αρχή λειτουργίας των διαφόρων μεθόδων που χρησιμοποιούνται στη διαγνωστική και τη συντήρηση των έργων τέχνης και των αρχαιολογικών αντικειμένων και.. να εξοικειωθούν με μετρήσεις φυσικών μεγεθών (καταγραφή και αποτύπωση αντικειμένων) α) στη παροχή βασικών γνώσεων Γενικής Φυσικής με εντοπισμένο ενδιαφέρον στην Οπτική, β) στη παροχή εκείνων των εξειδικευμένων γνώσεων της φυσικής, επάνω στις οποίες βασίζονται σύγχρονες μέθοδοι με εφαρμογές στην Τεχνολογία των Γραφικών Τεχνών

7 Το φυσικό Φαινόμενο Το φυσικό φαινόμενο ως όρος «υπό στενή» έννοια στην Επιστήμη της Φυσικής προσδιορίζει την οποιαδήποτε μεταβολή της φυσικής ιδιότητας (κατάστασης) ενός σώματος υπό οποιεσδήποτε συνθήκες ή δυνάμεις που επιδρούν σ αυτό. Ταυτόσημος όρος είναι και η φυσική μεταβολή ενός σώματος. Φυσικά φαινόμενα εν προκειμένω είναι η εξάτμιση, η τήξη, ο βρασμός κλπ. η σκέδαση, η περίθλαση, η διάθλαση, ο διασκεδασμός, η πόλωση του φωτός που ανήκουν στα οπτικά φαινόμενα Με την ευρύτερη όμως έννοια του όρου: ουράνια, ατμοσφαιρικά, μετεωρολογικά, μαγνητικά..

8 Πείραμα Πείραμα είναι η επανάληψη ενός φαινομένου από τον άνθρωπο, μέσα σ' ένα ειδικά διαμορφωμένο χώρο, με έλεγχο όλων εκείνων των παραμέτρων που επηρεάζουν την εξέλιξη του, έτσι ώστε να προκύψουν επιβεβαιωμένα συμπεράσματα για την ποιοτική και ποσοτική περιγραφή του φαινομένου. Ως Πείραμα χαρακτηρίζεται η οποιαδήποτε έμπρακτη δοκιμή ή εφαρμογή θεωρίας προς άσκηση ή μελέτη και γενικά ο κάθε έλεγχος της θεωρητικής γνώσης. Ειδικότερα όμως πείραμα λέγεται η υπό του ανθρώπου μεθοδική αναπαραγωγή ενός φαινομένου με στόχο την εξακρίβωση της φύσης του, των αιτιών που το προκαλούν και των νόμων από τους οποίους διέπεται αυτό το φαινόμενο.

9 στα πειράματα Το πείραμα συμπληρώνει την παρατήρηση και παρέχει γνωστικό υλικό με το οποίο ο επιστήμονας έχει τουλάχιστον την ευκαιρία να παρακολουθήσει πλευρές του φαινομένου που ίσως στη φύση, του είναι αδύνατον. Το πείραμα εκτός της έκδηλης αναγκαιότητάς του εμφανίζει και τα ακόλουθα σημαντικά πλεονεκτήματα: Τα προκαλούμενα από πειράματα φαινόμενα είναι υποκείμενα στον επιθυμητό χρόνο και όχι εκείνο της φύσεως. Παρέχεται το δικαίωμα της επανάληψης κατά βούληση και κάθε φορά που κρίνεται αναγκαίο. Παρέχουν χρόνο εξαγωγής συμπερασμάτων. Παρέχουν δυνατότητα διαχωρισμού των φαινομένων που δεν παρέχεται στη Φύση Παρέχεται συχνά η δυνατότητα αυξομείωσης της ταχύτητας ενός φαινομένου που απαντάται στη φύση. Παρέχεται η δυνατότητα ακριβέστερων μετρήσεων και Παρέχεται η δυνατότητα της γραφικής πλέον παράστασης αυτού τούτου του φαινομένου.

10 στα πειράματα Γενικά τα πειράματα πραγματοποιούνται κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, όπως ακριβώς εκείνες των Εργαστηρίων. Κατά τη διάρκεια δε αυτών πραγματοποιούνται διάφορες μετρήσεις

11 Πειράματα και μετρήσεις Μετρήσεις είναι οι αντιστοιχίες φυσικών ποσοτήτων σε συγκεκριμένους αριθμούς (αριθμητικές τιμές) μετά από σύγκριση αυτών με πρότυπες ποσότητες, ίδιων μεγεθών, που έχουν γίνει αποδεκτές ως μονάδες. Σε όλες όμως τις μετρήσεις συνυπάρχουν σφάλματα που αποτελούν και τις σχετικές ανακρίβειες των μετρήσεων. Τα σφάλματα αυτά προέρχονται από τρεις παράγοντες που μπορεί και να συνυπάρξουν, το σφάλμα των οργάνων, το σφάλμα του παρατηρητή και οι συνθήκες του περιβάλλοντος.

12 Πειράματα και μετρήσεις τα πειραματικά αποτελέσματα ερμηνεύονται με τη βοήθεια "υποθέσεων" οι οποίες και αποτελούν τις επιστημονικές "προτάσεις" ερμηνείας. Αυτές οι υποθέσεις εφόσον επαληθευτούν και αποδειχθούν, αποκτούν στη συνέχεια την ισχύ του επιστημονικού Νόμου ή της Θεωρίας.

13 Τα γενικότερης ισχύος συμπεράσματα, που προκύπτουν από την μελέτη των αποτελεσμάτων, πληθώρας ομοίων πειραμάτων, διατυπωμένα σε μια απλή και κομψή πρόταση, αποτελούν τον φυσικό νόμο, που διέπει το συγκεκριμένο φαινόμενο. Η ανακάλυψη και διατύπωση του φυσικού νόμου οδηγεί αυθόρμητα στην προσπάθεια ερμηνείας του, ώστε αυτός να προκύψει από πρωταρχικές έννοιες της γνώσης. Στα πλαίσια μιας οικουμενικής ερμηνείας των παρατηρουμένων φαινομένων, επιδιώκεται η περιγραφή τους με βάση προτάσεις, η ισχύς των οποίων τίθεται με αξιωματικό τρόπο, ως αξιώματα. Η συνολική πρόταση ονομάζεται θεωρία. Μια θεωρία βασίζεται στα αξιώματα της, καθώς και στην περιγραφή ενός συγκεκριμένου προτύπου (μοντέλου) της δομής της ύλης {υπόθεση) και επιδιώκει να ερμηνεύσει όλα τα φαινόμενα στον κόσμο.

14 τα αξιώματα Στις Θετικές Επιστήμες, ένα αξίωμα είναι μια γενικώς αποδεκτή αλλά μη αποδεδειγμένη υπόθεση, η οποία είτε είναι λογικώς αυταπόδεικτη, είτε υπάρχουν επιστημονικές παρατηρήσεις (μετρήσιμες, συστημικές) που επιβεβαιώνουν την εγκυρότητά της, αλλά δεν υπάρχει πρακτική δυνατότητα ελεγχόμενων μέσω πειραμάτων ή η υποστήριξη από άλλες επιστημονικές θεωρίες για την απόδειξη της εγκυρότητάς της.

15 ...εν αρχή όμως είναι η μέτρηση είναι μια οργανωμένη παρατήρηση..που Η Μέτρηση όμως σαν έννοια είναι η σύγκριση δύο ίδιων μεγεθών. Για να μετρήσουμε ένα μέγεθος για παράδειγμα το ύψος χρειαζόμαστε ένα πρότυπο για να συγκρίνουμε το ύψος με το πρότυπο. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα από παλιά να δημιουργηθεί μια σειρά προτύπων μονάδων. Όμως δεν είναι πάντα πολύ εύκολο μια και η διαδικασία αυτή μπορεί και/να εμπεριέχει σφάλματα.

16 η μέτρηση είναι μια διαδικασία σύγκρισης οντοτήτων τις ονομάζουμε φυσικά μεγέθη Τα μεγέθη είναι ποσότητες που αντιστοιχούν σε φυσικά φαινόμενα. Τα μεγέθη χωρίζονται σε μονόμετρα και διανυσματικά. Τα μονόμετρα είναι τα μεγέθη που για να οριστούν χρειάζονται μόνο ένα αριθμό και μια μονάδα μέτρησης. Τα διανυσματικά απαιτούν φορέα, φορά και σημείο εφαρμογής. Για παράδειγμα τα μονόμετρα είναι το μήκος, η απόσταση, η μάζα ενώ τα διανυσματικά είναι η ταχύτητα και η επιτάχυνση. Για να ορισθεί ένα μέγεθος εκτός από ένα αριθμό θα χρειαστεί και μία μονάδα μέτρησης γιατί χωρίς αυτήν θα επικρατούσε μία σύγχυση. Έτσι για την αποφυγή αυτής της σύγχυσης ορίστηκαν μονάδες μέτρησης.

17 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Υπάρχουν πολλά συστήματα μονάδων. Το ισχύον σύστημα σήμερα είναι το: Διεθνές Σύστημα μονάδων (νέο) (Systeme International, S.I.) αντικατέστησε Τεχνικό Σύστημα (παλαιό) το οποίο θεσπίστηκε προκειμένου να διευκολύνει την συνεργασία ανάμεσα στις διαφορετικές χώρες, στην ανταλλαγή της επιστημονικής γνώσης και στις εμπορικές συναλλαγές.

18 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Περιλαμβάνει τις παρακάτω έξι βασικές, θεμελιώδεις μονάδες και πάρα πολλές παράγωγης αυτών. Οι θεμελιώδεις μονάδες μέτρησης Μήκος 1 m Μάζα 1kg Χρόνος 1 s Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Θερμοκρασία 1 Κ Φωτοβολία 1 Cd 1 A Παράγωγες μονάδες μέτρησης δύναμη, επιτάχυνση, φωτισμός, παροχή, ιξώδες,

19 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Μήκος, με μονάδα το μέτρο μήκους (1 m). Το πρότυπο μέτρο, μία ράβδος από Ptlr, φυλάσσεται στο μουσείο Μέτρων και Σταθμών, στην πόλη Sevres της Γαλλίας, κοντά στο Παρίσι. Για να αποκτήσει το μέτρο την ιδιότητα του αμετάβλητου συγκρίνεται με το μήκος κύματος λ, της ακτινοβολίας που εκπέμπεται όταν ηλεκτρόνιο του συγκεκριμένου ατόμου του ισοτόπου ιτού αποδιεγείρεται από την στάθμη 5d στην 2ρ. Η σύγκριση αυτή δίδει: 1 m= ,73 λ (86Κr(5d->2ρ)) Σύγχρονος ορισμός του I m. Από το 1983 και μετά, το μέτρο μήκους ορίζεται ως: το μήκος που διανύει το φως στο κενό μέσα σε 1/ του πρότυπου δευτερολέπτου, όπως αυτό ορίζεται στα επόμενα (Μέτρο χρόνου, ορισμός III).

20 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Μάζα, με μονάδα το χιλιόγραμμο (1 kg). Το πρότυπο μάζας είναι η μάζα ενός συμπαγούς κυλίνδρου από Ptlr με συγκεκριμένες διαστάσεις (ύψος κυλίνδρου 39 mm, διάμετρος βάσης 39 mm). Η μάζα αυτή είναι ίση με τη μάζα m = 1 / (1000 cm 3 ), 1cm 3 = 1ml) νερού θερμοκρασίας 4 C και ατμοσφαιρικής πίεσης 760 torr. Η συνηθισμένη συσκευασία με την οποία διατίθεται το εμφιαλωμένο επιτραπέζιο νερό, είναι σε φιάλες που αναγράφουν περιεχόμενο 1,5 l νερού. Η μάζα του είναι πρακτικά, 1,5 kg.

21 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Χρόνος, με μονάδα το δευτερόλεπτο (1 s). Υπάρχουν διάφοροι τρόποι καθορισμού του δευτερολέπτου που όλοι σχετίζονται με περιστροφική ή ταλαντωτική κίνηση. I)Η περιστροφή της Γης γύρω απ' τον άξονα της καθορίζει τον λεγόμενο Παγκόσμιο χρόνο, ως 1 s = Μέσης Ηλιακής Μέρας / όπου η Μέση Ηλιακή Μέρα είναι ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών μεσουρανήσεων του Ήλιου στον ίδιο τόπο. II)Η περιφορά της Γης γύρω από τον Ήλιο καθορίζει τον λεγόμενο χρόνο των αστρονομικών εφημερίδων. Με βάση την κίνηση αυτή, το δευτερόλεπτο ορίζεται ως εξής: 1 s = 1 / ,9747 του Τ.Ε. 1900

22 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) III) Σύγχρονος ορισμός του 1 s : Βασίζεται στην ταλαντωτική κίνηση ατόμων του Κεσίου 133 ( 133 Cs) μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Το οριζόμενο έτσι πρότυπο δευτερόλεπτο περιέχει ,77 περιόδους ταλάντωσης συντονισμού των ατόμων Κεσίου. Το ατομικό ρολόι Κεσίου χάνει 1 s σε περισσότερο από 3000 χρόνια.

23 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος με μονάδα το 1 Α (1 Ampere). Ορίζεται ως η ένταση, δύο ίσων ρευμάτων, τα οποία διαρρέοντας δύο παράλληλους μεταλλικούς αγωγούς, που απέχουν μεταξύ τους 1 m, προκαλούν δυνάμεις αλληλεπίδρασης (έλξης ή άπωσης, ανάλογα με τη φορά των ρευμάτων) ίσες με 2 x l0 7 Ν, ανά μέτρο μήκους των αγωγών αυτών.

24 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Θερμοκρασία, με μονάδα τον βαθμό Kelvin (1 Κ). Το 0 Κ της κλίμακας αυτής αντιστοιχεί στους -273 C. Μεταξύ των ενδείξεων Τ και θ των δύο κλιμάκων υφίσταται η απλή σχέση: Τ = θ.

25 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Φωτοβολία, με μονάδα την Candela (1 cd). Φωτοβολία είναι το πηλίκο της συνολικής ισχύος της ορατής ακτινοβολίας (δηλαδή σ' όλα τα μήκη κύματος του ορατού φάσματος) που εκπέμπει μία φωτεινή πηγή, μέσα σε μια στοιχειώδη στερεά γωνία dω, δια της γωνίας αυτής. Ένας κώνος με κορυφή στο κέντρο μίας σφαίρας ακτίνας R= 1 m, που αποκόπτει από την επιφάνεια της τμήμα εμβαδού 1 m 2, προσδιορίζει στερεά γωνία ίση με ένα στερακτίνιο (1 sr). η σφαίρα έχει ολική στερεά γωνία dω = 4π sr. Μία φωτεινή πηγή χαρακτηρίζεται από φωτοβολία 1 cd, όταν κάθε cm 2 της επιφάνειας της εκπέμπει, κάθετα προς αυτήν, συνολική φωτεινή ισχύ ίση με το 1/60 της συνολικής ισχύος της ορατής περιοχής του φάσματος, της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κάθετα από επιφάνεια 1 cm 2 λευκόχρυσου (Ρί), που βρίσκεται στη θερμοκρασία τήξης του (1770 C), σε πίεση 1 Atm.

26 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Σύγχρονος ορισμός της cd: Το 1979, στην αντίστοιχη συνάντηση της Διεθνούς Επιτροπής Μέτρων και Σταθμών, η 1 cd ορίστηκε ως: "η φωτοβολία μιας σημειακής μονοχρωματικής φωτεινής πηγής, συχνότητας 540x10 12 Ηz ή μήκους κύματος 555 nm (μέγιστο ευαισθησίας ανθρώπινου οφθαλμού), η οποία δίδει γωνιακή ροή ακτινοβολιας (Radiant intensity), ιση με 1 W / 683 sr

27 Διεθνές Σύστημα μονάδων (Systeme International, S.I.) Η δύναμη είναι παράγωγο μέγεθος στο SI και η μονάδα της σ' αυτό είναι το 1 Ν (Newton). 1 kp, που είναι θεμελιώδης μονάδα στο Τεχνικό Σύστημα 1 kp είναι η δύναμη που ασκείται από τη γη σε μάζα 1kg, που βρίσκεται σε σημείο όπου η ένταση του πεδίου βαρύτητας είναι g= 9,8066 m/s 2. Ο τόπος αυτός, προσεγγιστικά, αντιστοιχεί σε γ.π. 45, στην επιφάνεια της θάλασσας. 1 kp = 9,8066 N = 9,81 Ν. Οι αντιστοιχίες ανάμεσα στο CGS σύστημα και στο SI είναι: για τη μάζα 1 g = 10-3 kg, για το μήκος, 1 cm = 10-2 m και για τη δύναμη 1 dyn = 10-3 Ν.

28 Παράδειγμα υπολογισμού: Μελέτη ενός φαινομένου Πειράματα με τη χρήση νέων τεχνολογιών στο εργαστήριο Φυσικής: Ελεύθερη πτώση σώματος Έχει δημοσιευτεί στο ηλεκτρονικό περιοδικό e-jst

29 Παράδειγμα υπολογισμού: Μελέτη ενός φαινομένου Ελεύθερη πτώση σώματος Επεξεργασία τιμών μέτρησης : Γραφική Παράσταση χρόνος t [s] απόσταση s [m] 0 0 0,174 0,22 0,256 0,43 0,323 0,645 0,381 0,875 0,449 1,18 0,4975 1,42

30 Παράδειγμα υπολογισμού: Μελέτη ενός φαινομένου Επεξεργασία τιμών μέτρησης : Γραφική Παράσταση στον υπολογιστή με Excel

31 Παράδειγμα υπολογισμού: Μελέτη ενός φαινομένου Επεξεργασία τιμών μέτρησης : Έκφραση αποτελέσματος Αποτέλεσμα του fitting : y = 4,8955 x 2 + 0,4255 x- 0, ½ g v s 0 s = 4,8955 t 2 + 0,4255 t - 0, ½ g = 4,896 m/s 2 => g = 9,78 m/s 2

32 Βιβλιογραφία I.E. Φραγκιαδάκης, Ειδικά Θέματα Φυσικής, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 2002 Wikipedia:: Κ. Αλεξόπουλος, Γενική Φυσική Σιανούδης Ι., e-journal of Science & Technology (e-jst)