Fizik Bilimi nedir?
Fizik, deneysel gözlemler ve nicel ölçümlere dayanan temel bir bilim dalıdır Doğayı anlama, doğal olayların neden ve sonuçlarını öğrenme ve bunları matematiksel yöntemlerle ifade etme amacıyla, doğaya insanlığın yararına olacak şekilde yön verebilmektir Tüm doğa bilimlerinin kaynağı fiziktir ve tüm mühendislik dalları fizik prensiplerini kullanır Diğer bilimlerin (kimya, biyoloji…) ya da uygulama alanlarının (mühendislik, tıp…) kanunları, fizik kanunlarına dayanır; veya fizik kanunlarından türetilebilir Fizikçi, maddenin temel özelliklerini inceler Bunun için, maddenin temel yapıtaşlarını arar, ve bunların etkileşimlerini araştırır Fizik makro ve mikro evreni yöneten, şekillendiren yasaları araştırır.
Dünyamızda son yüzyıl içerisinde ve özellikle ikinci dünya savaşından sonra yaşanan teknolojik gelişmelerin kaynağının fen bilimleri olduğu herkes tarafından kabul görmektedir Fen bilimlerin gelişmesi ise doğa ve laboratuvar araştırmalarına dayanmaktadır Laboratuvarlar da yapılan bilimsel keşifler daha sonra teknolojik olarak toplumun hizmetine sunulmaktadır Fen öğretiminin amacı, öğrencileri ezbere teşvik etmekten daha çok öğrenmeyi pozitif hale getirebilmek için bir doğa bilimi olan fiziğin, kuramsal, görsel yöntemler, deney, proje gibi farklı yöntemlerden yararlanarak öğretilmesi olmalıdır Bilim ve teknolojinin hızlı değişmesine paralel olarak Fen bilimleri kapsamıda değişmektedir Bu gelişmeleri bireylere kazandıracak olanlar fen/ fizik öğretmenleridir Fen bilimlerine dayanılarak üretilen teknolojinin toplumların gelişmesine sağladığı katkılar sayılamayacak kadar çoktur Bu nedenle fizik ve diğer fen bilimi disiplinlerinin önemi gittikçe artmaktadır.
Fiziğin Dalları Nelerdir?
Mekanik Cisimlerin hareketleri ve etkileşmelerinin temel fizik ilkeleriyle kavranmasına yönelik olarak incelenmesi mekaniğin kapsamına girer. Bu anlamda tüm fizik, mekanik olarak görülebilir. Klasik mekanik ya da Newton mekaniği, atomlarla karşılaştırıldığında, oldukça büyük cisimlerle ve ışık hızından çok daha düşük hızlarla ilgilidir.
Klasik mekanik içinde, kinematik yalnızca bir parçacığın hareketinin tanımlanmasıyla ilgilenirken, dinamik parçacığın hareketi ile buna etkiyen kuvvet arasındaki bağıntıları inceler. Statik, denge konumundaki nesnelerle ilgilenir. Esneklik, biçimi bozulabilen katıların mekaniğidir. Hidrostatik ve hidrodinamik ise sırasıyla durgun ve hareketli akışkanları araştırır.
Klasik mekaniğin temellerini, Isaac Newton’ın üç hareket yasası oluşturur.
Birinci yasa, bir cismin, bir etki altında kalmadığı sürece düz bir çizgi boyunca sabit hızla hareket edeceğini öngörür.
İkinci yasa, bir cisme etkiyen net kuvvetle cismin momen-tumunun değişim hızı arasındaki bağıntıyı S verir.
Etki-tepki yasası olarak bilinen Üçüncü yasa, eşit büyüklükte ama zıt yönlü | kuvvetlerin etkisiyle çarpışan iki cisim söz konusu olduğunda, gene eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvetlerin ortaya çıkacağım belirtir. Kütleçekimi momentum, açısal momentum, enerji ve korunum yasaları mekaniğin belli başlı kavramları olarak sayılabilir.
Termodinamik ve ısı
Termodinamik, fiziksel olayların oluşum koşullarım ve ara etkileşimlerini, enerji ve entropi değişimleriyle inceleyen bilim dalıdır. Dört temel yasa üzerine kuruludur ve tümdengelim yöntemiyle çeşitli sonuçlara ulaşır. Birinci yasa, yalıtılmış bir sistem içindeki tüm değişimler sonunda enerji içeriğinin sabit kalacağını ortaya koyan, enerjinin korunumu yasasıdır; ikinci yasa, yalıtılmış bir sistemde entropinin sürekli olarak artacağını belirtir; üçüncü yasa, mutlak sıfır sıcaklığında yetkin kristallerin entropisinin sıfır olacağını ortaya koyar. Sonuncusu, sıfırına yasa olarak bilinen bir aksiyomdur; buna göre, üçüncü bir sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem, birbiriyle de ısıl dengededir.
Özellikle Maxwell ve Boltzmann’ın katkılarıyla geliştirilen istatistiksel mekanik, çok sayıdaki parçacıkların toplu davranışlarını olasılık yasalarına dayanarak açıklayan bir yöntem kullanır. İstatistiksel mekaniğe göre bir sistemin düzensizlik derecesi, sistemin entropisinin bir fonksiyonudur. Isı olarak aktarılan enerji, düzensiz hallerde bulunan parçacıkların enerjisidir. Sıcaklık ise, enerjinin parçacıklar arasında nasıl paylaşıldığının nicel bir ölçüsüdür. Elektrik ve magnetizma. İlkin farklı olaylar olarak görülen, sonra elektromagnetizma adı altında birleştirilen bu bilim dalı, elektrik yükü özelliği taşıyan parçacıkların etkileşmelerini inceler. Yüklü parçacıklar durgun olduklarında bir elektrik kuvvetiyle etkileşirler. Hareketli olduklarında ise buna ek olarak magnetik kuvvet ortaya çıkar.
Elektromagnetizmada alan kavramı önemli rol oynar. Elektrik yüklü bir parçacığın, kendisini çevreleyen uzaydaki tüm bölgelerde bir elektrik alam yarattığı ve bu alan içinde bulunan bir başka yüklü parçacığın buna bir elektriksel kuvvetle karşılık vereceği düşünülür. Klasik elektromagnetizma-nın tümü, 19. “yüzyılda J. C. Maxwell’in ortaya koyduğu dört denklemle özetlenebilir. Bu bağıntılar, yüklü parçacıklar arasındaki etkileşmeleri kapsar. Optik. Işık elektromagnetik dalgalardan oluştuğundan, ışığın yayılmasını inceleyen optiğin konusu, uygulamalı elektromagnetizma olarak görülebilir. Bununla birlikte, bu fizik dalım, ışık ışınlarının yalnızca izlediği yollarla ilgilenen geometrik optik ve ışığın ayırt edici dalga olaylarını inceleyen fiziksel optik olarak iki bölüme ayırmak, alışılmış bir sınıflandırmadır. Temel dalga olayı, uzayda bir noktada karşılaşan iki dalganın birleşerek farklı bir bileşke dalga vermesi olan girişimdir. Benzer bir olay da, çok sayıda dalga kaynağının yol açtığı girişim olarak bilinen kırınımdır. Işığın dalga özellikleri, inter-ferometre ve kırınım ağı gibi düzeneklerle araştırılır.
Atom fiziği
Klasik mekanik ve klasik elektromagnetizma, atom fiziğindeki problemlere uygulandığında kökten yanlışlıklara yol açmaktadır. Atomlar, çok küçük Güneş sistemleri olarak düşünülemez. Atomun yapısı, ancak kuvantum mekaniği temelinde kavranabilir. Daha ince ayrıntılar ise, görelilik kuvantum mekaniğini gerektirir.
Atomlar çok küçük olduğundan, bunların özellikleri ancak dolaylı deney teknikleriyle anlaşılabilir. Bunların başında, maddenin saldığı ya da soğurduğu elektromagnetik ışınımların ölçülmesi ve yorumlanmasıyla uğraşan spektroskopi gelir. Tüm kimyasal elementler, özgün dalgaboylarında ışınımlar veren tayflar gösterir. Dalga mekaniği kullanılarak ve elektron kütlesi ve yükü, ışık hızı, Planck sabiti gibi bazı atom sabitlerinin yardımıyla belirtici dalgaboyları ve atomun enerjileri hesaplanabilir.
Katı hal fiziği
Yoğun haldeki maddelerin, elektriksel, magnetik, optik ve esneklik özelliklerini araştıran katı hal fiziği, öncelikli olarak kristallerle ilgilenir; bunun nedeni, bu maddelerin basit geometrik düzenlenişlerinin, kuvantum kuramının çok cisim-li sistemlere uygulanmasında kuramsal kolaylıklar sağlamasıdır.
Nükleer fizik
Atomdan yaklaşık on bin kez küçük olan atom çekirdeğinin yapısını ve kararsız çekirdeklerin ışımalarını araştıran bilim dalı nükleer fiziktir. Kararsız radyoaktif çekirdekler, alfa parçacığı, beta parçacığı, kütlesiz nötrinolar, pozitronlar gibi parçacıklar da salarlar (bak. radyoaktiflik). Çekirdek özellikleri, saçılım deneyleriyle saptanır. Çok yüksek hızlara çıkarılan yüksek enerjili parçacıklarla bombalanan (dövülen) hedef çekirdeklerin bu çarpışmalardan sonraki dönüşümleri, çekirdek tepkimeleri olarak adlandırılır. Çekirdek bölünmesi ve çekirdek kaynaşması yeni elementlerin oluşmasına yol açan tepkimelerdir.
Parçacık fiziği
Çağdaş fiziğin en yoğun ilgi alanı, temel parçacıklar üzerine yapılan araştırmalardır. Parçacık fiziği ya da yüksek enerji fiziği olarak bilinen bu dal çok sayıdaki temel parçacık arasındaki ilişkilerin aydınlatılmasıyla uğraşır. Kararlı elektron ve protondan, 10’2°saniyelik ömrü olan çok kararsızlarına kadar geniş çeşitlilik gösteren bu parçacıklar, kabarcık odası gibi düzenekler aracılığıyla incelenir.
Çağdaş fiziğin kuramsal temellerini, kuvantum ve görelilik kuramları oluşturmaktadır. Fiziğin çeşitli dallarının konuları, deneysel yöntemleri ve kuramsal teknikleri ne kadar farklı olsa da, bu iki kuramın uyarlamalarına, birçok araştırma alanında rastlanmaktadır. Kuvantum mekaniği, elek-tromagrıetik ışınımın sürekli dalgalardan değil, enerji ve momentumlan, frekansları ile orantılı olan parçacığa benzer fotonlar-dan oluştuğunu ileri sürer. Klasik mekanik, bir olası değerler aralığında sürekli değişebilen fiziksel niceliklerle belirlenirken, kuvantum kuramının belirleyici özelliği kesikli (ayrık) değerler taşıması ve içkin olarak belirsizlik ilkesine yer vermesidir.
A. Einstein’ın ortaya koyduğu görelilik kuramı iki temel postula üzerine kurulmuştur:
1) Bir ışık kaynağına göre hareket durumları ne olursa olsun tüm gözlemciler, ışık hızı için aynı değeri ölçerler.
2) Tüm eylemsiz koordinat sistemlerinde fizik yasaları aynıdır. Birinci postuladaki ışık hızının değişmezliği, deneysel olarak kanıtlanmıştır. İkinci postula ise, klasik mekanik için de geçerlidir.
Fiziğin dalları
Fiziğin dalları, Mekanik Cisimlerin hareketleri ve etkileşmelerinin temel fizik ilkeleriyle kavranmasına yönelik olarak incelenmesi mekaniğin kapsamına girer. Bu anlamda tüm fizik, mekanik olarak görülebilir. Klasik mekanik ya da Newton mekaniği, atomlarla karşılaştırıldığında, oldukça büyük cisimlerle ve ışık hızından çok daha düşük hızlarla ilgilidir.
Klasik mekanik içinde, kinematik yalnızca bir parçacığın hareketinin tanımlanmasıyla ilgilenirken, dinamik parçacığın hareketi ile buna etkiyen kuvvet arasındaki bağıntıları inceler. Statik, denge konumundaki nesnelerle ilgilenir. Esneklik, biçimi bozulabilen katıların mekaniğidir. Hidrostatik ve hidrodinamik ise sırasıyla durgun ve hareketli akışkanları araştırır.
Klasik mekaniğin temellerini, Isaac Newton’ın üç hareket yasası oluşturur. Birinci yasa, bir cismin, bir etki altında kalmadığı sürece düz bir çizgi boyunca sabit hızla hareket edeceğini öngörür. İkinci yasa, bir cisme etkiyen net kuvvetle cismin momen-tumunun değişim hızı arasındaki bağıntıyı S verir. Etki-tepki yasası olarak bilinen üçüncü yasa, eşit büyüklükte ama zıt yönlü | kuvvetlerin etkisiyle çarpışan iki cisim söz konusu olduğunda, gene eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvetlerin ortaya çıkacağım belirtir. Kütleçekimi momentum, açısal momentum, enerji ve korunum yasaları mekaniğin belli başlı kavramları olarak sayılabilir.
Termodinamik ve ısıTermodinamik, fiziksel olayların oluşum koşullarım ve ara etkileşimlerini, enerji ve entropi değişimleriyle inceleyen bilim dalıdır. Dört temel yasa üzerine kuruludur ve tümdengelim yöntemiyle çeşitli sonuçlara ulaşır. Birinci yasa, yalıtılmış bir sistem içindeki tüm değişimler sonunda enerji içeriğinin sabit kalacağını ortaya koyan, enerjinin korunumu yasasıdır; ikinci yasa, yalıtılmış bir sistemde entropinin sürekli olarak artacağını belirtir; üçüncü yasa, mutlak sıfır sıcaklığında yetkin kristallerin entropisinin sıfır olacağını ortaya koyar. Sonuncusu, sıfırına yasa olarak bilinen bir aksiyomdur; buna göre, üçüncü bir sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem, birbiriyle de ısıl dengededir.
Özellikle Maxwell ve Boltzmann’ın katkılarıyla geliştirilen istatistiksel mekanik, çok sayıdaki parçacıkların toplu davranışlarını olasılık yasalarına dayanarak açıklayan bir yöntem kullanır. İstatistiksel mekaniğe göre bir sistemin düzensizlik derecesi, sistemin entropisinin bir fonksiyonudur. Isı olarak aktarılan enerji, düzensiz hallerde bulunan parçacıkların enerjisidir. Sıcaklık ise, enerjinin parçacıklar arasında nasıl paylaşıldığının nicel bir ölçüsüdür. Elektrik ve magnetizma. İlkin farklı olaylar olarak görülen, sonra elektromagnetizma adı altında birleştirilen bu bilim dalı, elektrik yükü özelliği taşıyan parçacıkların etkileşmelerini inceler. Yüklü parçacıklar durgun olduklarında bir elektrik kuvvetiyle etkileşirler. Hareketli olduklarında ise buna ek olarak magnetik kuvvet ortaya çıkar.
Elektromagnetizmada alan kavramı önemli rol oynar. Elektrik yüklü bir parçacığın, kendisini çevreleyen uzaydaki tüm bölgelerde bir elektrik alam yarattığı ve bu alan içinde bulunan bir başka yüklü parçacığın buna bir elektriksel kuvvetle karşılık vereceği düşünülür. Klasik elektromagnetizma-nın tümü, 19. “yüzyılda J. C. Maxwell’in ortaya koyduğu dört denklemle özetlenebilir. Bu bağıntılar, yüklü parçacıklar arasındaki etkileşmeleri kapsar. Optik. Işık elektromagnetik dalgalardan oluştuğundan, ışığın yayılmasını inceleyen optiğin konusu, uygulamalı elektromagnetizma olarak görülebilir. Bununla birlikte, bu fizik dalım, ışık ışınlarının yalnızca izlediği yollarla ilgilenen geometrik optik ve ışığın ayırt edici dalga olaylarını inceleyen fiziksel optik olarak iki bölüme ayırmak, alışılmış bir sınıflandırmadır. Temel dalga olayı, uzayda bir noktada karşılaşan iki dalganın birleşerek farklı bir bileşke dalga vermesi olan girişimdir. Benzer bir olay da, çok sayıda dalga kaynağının yol açtığı girişim olarak bilinen kırınımdır. Işığın dalga özellikleri, inter-ferometre ve kırınım ağı gibi düzeneklerle araştırılır.
Atom fiziğiKlasik mekanik ve klasik elektromagnetizma, atom fiziğindeki problemlere uygulandığında kökten yanlışlıklara yol açmaktadır. Atomlar, çok küçük Güneş sistemleri olarak düşünülemez. Atomun yapısı, ancak kuvantum mekaniği temelinde kavranabilir. Daha ince ayrıntılar ise, görelilik kuvantum mekaniğini gerektirir.
Atomlar çok küçük olduğundan, bunların özellikleri ancak dolaylı deney teknikleriyle anlaşılabilir. Bunların başında, maddenin saldığı ya da soğurduğu elektromagnetik ışınımların ölçülmesi ve yorumlanmasıyla uğraşan spektroskopi gelir. Tüm kimyasal elementler, özgün dalgaboylarında ışınımlar veren tayflar gösterir. Dalga mekaniği kullanılarak ve elektron kütlesi ve yükü, ışık hızı, Planck sabiti gibi bazı atom sabitlerinin yardımıyla belirtici dalgaboyları ve atomun enerjileri hesaplanabilir.
Katı hal fiziğiYoğun haldeki maddelerin, elektriksel, magnetik, optik ve esneklik özelliklerini araştıran katı hal fiziği, öncelikli olarak kristallerle ilgilenir; bunun nedeni, bu maddelerin basit geometrik düzenlenişlerinin, kuvantum kuramının çok cisim-li sistemlere uygulanmasında kuramsal kolaylıklar sağlamasıdır.
Nükleer fizik Atomdan yaklaşık on bin kez küçük olan atom çekirdeğinin yapısını ve kararsız çekirdeklerin ışımalarını araştıran bilim dalı nükleer fiziktir. Kararsız radyoaktif çekirdekler, alfa parçacığı, beta parçacığı, kütlesiz nötrinolar, pozitronlar gibi parçacıklar da salarlar (bak. radyoaktiflik). Çekirdek özellikleri, saçılım deneyleriyle saptanır. Çok yüksek hızlara çıkarılan yüksek enerjili parçacıklarla bombalanan (dövülen) hedef çekirdeklerin bu çarpışmalardan sonraki dönüşümleri, çekirdek tepkimeleri olarak adlandırılır. Çekirdek bölünmesi ve çekirdek kaynaşması yeni elementlerin oluşmasına yol açan tepkimelerdir.
Parçacık fiziğiÇağdaş fiziğin en yoğun ilgi alanı, temel parçacıklar üzerine yapılan araştırmalardır. Parçacık fiziği ya da yüksek enerji fiziği olarak bilinen bu dal çok sayıdaki temel parçacık arasındaki ilişkilerin aydınlatılmasıyla uğraşır. Kararlı elektron ve protondan, 10’2°saniyelik ömrü olan çok kararsızlarına kadar geniş çeşitlilik gösteren bu parçacıklar, kabarcık odası gibi düzenekler aracılığıyla incelenir.
Çağdaş fiziğin kuramsal temellerini, kuvantum ve görelilik kuramları oluşturmaktadır. Fiziğin çeşitli dallarının konuları, deneysel yöntemleri ve kuramsal teknikleri ne kadar farklı olsa da, bu iki kuramın uyarlamalarına, birçok araştırma alanında rastlanmaktadır. Kuvantum mekaniği, elek-tromagrıetik ışınımın sürekli dalgalardan değil, enerji ve momentumlan, frekansları ile orantılı olan parçacığa benzer fotonlar-dan oluştuğunu ileri sürer. Klasik mekanik, bir olası değerler aralığında sürekli değişebilen fiziksel niceliklerle belirlenirken, kuvantum kuramının belirleyici özelliği kesikli (ayrık) değerler taşıması ve içkin olarak belirsizlik ilkesine yer vermesidir.