Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin. Modern Fiziğe Giriş. Yaşam Temell Problem Çözümlü

(1)

Modern

Fiziğe Giriş

Doç. Dr. Mehmet Altan KURNAZ • Yrd. Doç. Dr. Aslı KURNAZ

Yaşam Temell� • Problem Çözümlü

Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin

(2)

Doç. Dr. Mehmet Altan KURNAZ

|

Yrd. Doç. Dr. Aslı KURNAZ Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin

MODERN FİZİĞE GİRİŞ Yaşam Temelli – Problem Çözümlü

ISBN: 978-605-318-632-8 DOİ 10.14527/9786053186328 Kitap içeriğinin tüm sorumluluğu yazarlarına aittir.

Anılan kuruluşun izni alınmadan kitabın tümü ya da bölümleri, kapak tasarımı; mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik, kayıt ya da başka yöntemlerle çoğaltılamaz, basılamaz, dağıtılamaz.

Bu kitap T.C. Kültür Bakanlığı bandrolü ile satılmaktadır.

Okuyucularımızın bandrolü olmayan kitaplar hakkında yayınevimize bilgi vermesini ve bandrolsüz yayınları satın almamasını diliyoruz.

1. Baskı: Aralık 2016, Ankara Yayın-Proje: Şafak Tangıç Dizgi-Grafik Tasarım: Pegem Akademi Kapak Tasarımı: Pegem Akademi Baskı: Ay-bay Kırtasiye İnşaat Gıda Pazarlama ve

Ticaret Limited Şirketi Çetinemeç bulvarı 1314.Cadde No:37A-B Yayıncı Sertifika No: 14749 Matbaa Sertifika No: 33365

İletişim Karanfil 2 Sokak No: 45 Kızılay / ANKARA Yayınevi 0312 430 67 50 - 430 67 51 Yayınevi Belgeç: 0312 435 44 60 Dağıtım: 0312 434 54 24 - 434 54 08 Dağıtım Belgeç: 0312 431 37 38 Hazırlık Kursları: 0312 419 05 60 İnternet: www.pegem.net E-ileti: pegem@pegem.net

(3)

Oğullarımız Türker ve Türkay İçin…

(4)

ÖN SÖZ

İnsanlığın teknolojik gelişiminde temel bilimlerin ve bunlar içinde fiziğin büyük bir yeri olduğu açıktır. Özellikle on yedinci ve yirminci yüzyıllar arası dö- nemde fizikte görülen gelişmelerle yeni buluşların ortaya koyulduğu ve o dönem buluşlarıyla birlikte insanlığın düşünce tarzının ve sosyal yaşamının yeniden şe- killendiği ifade edilebilir. O dönemde yürütülen çalışmalarla başta madde, elektrik ve ışığın doğası olmak üzere pek çok olguya/kavrama açıklık getirilmeye çalışıl- mış ve o süreçte edinilen bilgilerle ısınma, haberleşme, ulaşım gibi alanlarda ha- len kullanılabilen teknolojilerin temelleri atılmıştır. Kısa bir dönem olarak kabul edilebilecek on yedinci ve yirminci yüzyıllar arası süreçte fizik biliminde oldukça hızlı gelişmelerin olduğu ve bir bireyin makro dünyasına ilişkin bilinmeyenlerin pek çoğunun anlaşılır kılındığı ortadadır.

Fiziğin yirminci yüzyılın başlarında mağrur bir duruş sergilemesinin yanı sıra açıklık getiremediği mikro dünyaya dair gelişmeler karşısındaki yetersizliği merak dolu yeni araştırmalara ve bakış açılarına zemin oluşturmuştur. Çok geç- meden yeni bir bakış açısı ileri sürülmüş ve fizik yirminci yüzyılın başlarından günümüze, mikro dünya da dâhil, bilgilerini daha hızlı ve derinlemesine ilerlet- miştir. Elde edilen yeni bilgilerle birlikte fiziğin sosyal yaşamımızdaki etkinliği daha da artmıştır. Hatta yeni fizik bilgileri, düşünce tarzımızı bir kez daha geniş- letmemizi sağlamıştır.

Fizik, günümüzde temel kabulleri, yansımaları ve ilerleme dönemlerini içere- cek şekilde ‘klasik fizik’ ve ‘modern fizik’ olarak kategorize edilir. Böylelikle fizikte ulaşılan bilgilere anlam yükleme kolaylaşır. Hazırlanan bu ders kitabında, fen bilimleri ile fizik öğretmen ve öğretmen adayları için klasik fizikten modern fiziğe geçiş, aralarındaki ilişki ve modern fiziğin temel bazı konuları sunulmuştur. Kita- bın hazırlanmasında yaşam temelli yaklaşım ve çözümlü problemlere yer verme esas alınmıştır.

Yaşam temelli yaklaşımla, öğrencilerin bu ders kitabında incelenen konula- rın, dolayısıyla fiziğin, günlük yaşamımızın içindeki yerini fark etmeleri, ‘Bu ko- nuları niçin öğreniyoruz? Bu bilgiler ne işimize yarayacak?’ vb. şeklindeki sorulara cevap bulmaları (hatta gerektiğinde ilişkilendirmeler yaparak cevaplayabilmeleri) ve fiziğe karşı olumlu tutum geliştirmeleri hedeflenmiştir. Bu anlamda kitabın bölümleri, öğrenenlerin günlük yaşamlarında ismini duydukları bir bilim insanı- nın veya karşılaşabilecekleri teknolojik bir cihazın betimlenmesini içeren okuma metinleriyle başlamaktadır. Böylelikle öğrenenlerin bölüm konularının içeriğine odaklanmaları ve okuma metninde incelenen kişinin söylemlerine veya incelen

(5)

cihazın çalışma prensibiyle ilişkili fizik bilgilerini edinmeleri, yani kavramsal öğrenmelerini derinlemesine gerçekleştirmeleri, düşünülmüştür. Ayrıca bölüm içerisinde günlük yaşamdan farklı örneklerle konular bir kez daha yaşam temelli olarak desteklenmiştir.

Kitabın yazılmasında planlanan diğer bir yaklaşımsa konuların çok sayıda çözümlü örnek sorularla desteklenmiş olmasıdır. Bu şekilde öğrenenlerin incelenen konuların özellikle işlemsel bilgilerinin pekiştirilmesi düşünülmüştür. Bölüm sonu sorularındaysa tamamlayıcı nitelikte ölçme-değerlendirme sorularına yer verilmiştir.

Alan yazına yeni bir heyecan getirmesi dileklerimizle…

ARALIK-2016 KASTAMONU

(6)

İÇİNDEKİLER 1. BÖLÜM

KLASİK FİZİK - MODERN FİZİK AYRIMI ...1

ISAAC NEWTON ...2

HAZIRLIK SORULARI ...3

1.1. Giriş ...4

1.2. Klasik ve Modern Fizik Sınıflandırması ...6

BÖLÜM SONU SORULARI ...9

2. BÖLÜM

ÖZEL GÖRELİLİK TEORİSİ ...11

KÜRESEL YER BELİRLEME SİSTEMİ ...12

2.1. Giriş ...16

2.2. Galileo’nun Görelilik İlkesi ...17

2.3. Einstein’ın Görelilik İlkesi ...24

2.4. Zaman Genleşmesi ...28

2.5. Uzunluk Büzülmesi...34

2.6. Lorentz Dönüşümleri ...38

POZİTRON EMİSYON TOMOGRAFİSİ ...44

2.7. Göreli Momentum ve Enerji ...47

3. BÖLÜM

MODERN FİZİĞE DOĞRU ...63

KIZIL ÖTESİ ATEŞ ÖLÇER ...64

3.1. Giriş ...67

3.2. Madde, Elektrik ve Işık ...67

3.2.1. Dalton Atom Modeli ...67

3.2.2. Maddenin Temel Bileşenleri ve Elektroliz Deneyi ...68

3.2.3. Elektronun Keşfi ...71

3.2.4. Thomson Atom Modeli ...71

(7)

3.2.5. Yağ Damlası Deneyi ...72

3.2.6. Çekirdeğin Keşfi ...73

3.2.7. Rutherford Atom Modeli ...74

3.2.8. Siyah Cisim Işıması ...77

3.2.9. Fotoelektrik Olayı ...80

4. BÖLÜM

MODERN FİZİĞE GİRİŞ ...97

UZAKTAN KUMANDALAR ...98

4.1. Giriş ...102

4.2. Kuant Kavramı ...102

4.3. Fotoelektrik Olayına İlişkin Einstein’ın Açıklaması ...103

4.4. Bohr Atom Modeli ...112

4.5. Compton Olayı ...121

4.6. de Broglie Hipotezi (Parçacığın Dalga Özelliği) ...124

4.7. Belirsizlik İlkesi ...126

4.8. Modern Atom Teorisi ...129

4.8.1. Baş Kuantum Sayısı (n) ...130

4.8.2. Orbital Kuantum Sayısı (l) ...131

4.8.3. Manyetik Kuantum Sayısı (m_l) ...132

4.8.4. Spin Kuantum Sayısı (m_s) ...133

4.8.5. Elektron Dizilişi ...134

5. BÖLÜM

MODERN FİZİKTE BAZI TEMEL KONULAR ...143

TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU ...144

5.1. Giriş ...147

5.2. Atomun Uyarılması ...147

5.3. Uyarılan Atomun Işıması ...151

5.4. Floresans ve Fosforesans ...153

5.5. Lazerler ...154

viii M F

(8)

5.6. Çekirdeğin Özellikleri ...161

5.7. Radyoaktivite ...165

5.7.1. Alfa (a) Bozunumu ...166

5.7.2. Beta (b) Bozunumu ...167

5.7.3. Gamma (g) Bozunumu ...169

5.8. Radyoaktif Bozunma Kanunu ...172

5.9. Çekirdek Reaksiyonları ...176

5.9.1. Fisyon (Çekirdek Parçalanması/Bölünmesi) ...176

5.9.2. Füzyon (Çekirdek Kaynaşması) ...178

KAYNAKLAR ...185

EKLER ...190

ÖZGEÇMİŞ ...191

İLETİŞİM BİLGİLERİ ...192 indekiler ix

(9)

Bu bölüm kapsamında genelde klasik fizik ve modern fizik sınıflandırmasını, özelde ise fiziğin uğraş alanı, son beş asırdaki gelişimi ve alt branşları hakkında bilgiler edinmeniz hedeflenmektedir.

Edineceğiniz bilgiler, ilerleyen bölümlerle ilgili temel bir bakış açısı geliştirmenizi sağlaması açısından önemlidir.

1. ^BÖLÜM

Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı

(10)

ISAAC NEWTON

Isaac Newton (1642 –1727) İngiliz bilim insanıdır. 1667'de Trinity Kollej’inde öğretim üyeliğine, 1669'da (27 yaşında) Cambridge üniversitesinde matema- tik profesörlüğüne getirilmiştir. Diferansiyel ve integral hesabı, beyaz ışığın renklerine ayrıştırılması, hareket ilk çalışma konularını oluşturdu. Önemli bir bilim insanı olarak kabul edilen Newton, matematik ve fizikte çok önemli buluşlar ortaya koydu. Hareket üzerine yaptığı çalışmalarıyla fiziğe önem- li katkılar sundu. Merkezkaç kuvvetiyle Kepler yasalarını birleştirerek kütle çekim yasasını, eylemsizlik yasasını, kuvvet-kütle-ivme arasındaki ilişkiyi or- taya koyduğu temel hareket yasasını ve etki ile tepki kuvvetlerinin eşitliğini ortaya koyması fiziğe en önemli katkılarıdır. 1687’de Doğa Felsefesinin Mate- matiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) adlı kitabı- nı yayınlayarak klasik mekaniğin temelini oluşturdu. Kitabında Galileo’nun deneylerine dair görüşlerini, Keppler kanunlarının matematiksel ispatını, hareket yasalarını ve akışkan içindeki hareketleri inceledi. Bu kitap bilinen en önemli bilimsel kitaplardan biridir. Bu çalışmasında sunduğu görüşleriyle 17-19. yüzyıllarda bilim dünyasına egemen oldu. Optik (The Optics) (1704) adlı kitabında yansıma-kırınım hesapları, gökkuşağının renkleri, beyaz ışığın tayfın renklerine ayrılması, merceklerle görüntü oluşumu, gözün çalışması, teleskop yapımı gibi konuları çalışmıştır.

2 M F

(11)

HAZIRLIK SORULARI

1. Klasik ve modern kelimelerinin anlamlarını açıklayınız.

__________________________________________________________

2. Nedensellik ilkesini açıklayınız.

__________________________________________________________

3. Determinizm nedir? Tartışınız.

__________________________________________________________

4. Fizik bilgisi ne demektir? Açıklayınız.

__________________________________________________________

5. Fiziğin alt bilim dalları nelerdir?

__________________________________________________________

Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı 3

(12)

1.1. Giriş

Bilim, yakın ve/veya uzak çevrenin sistematik bir şekilde incelenmesi ve so- nuçta ortaya konan ürünleri de kapsayan entelektüel ve pratik çalışmaların bütü- nüdür. Bilim felsefe, astronomi, kimya, fizik gibi farklı bilim dallarından oluşur.

Fizik, maddenin uzay-zamandaki hareketini ve madde-enerji etkileşimlerini sis- tematik şekilde inceleyen bilim dalıdır. Fizik bilgisiyse, maddenin uzay-zamanda- ki hareketini ve madde-enerji etkileşimlerini anlama ve evrenin geleceğine ilişkin öngörülerde bulunma gayretleri kapsamında ortaya konan teorileri, modelleri ve kavramları ve bunların aralarındaki ilişkiyi ifade eder. Fizik ve fizik bilgisiyle ilgili Şekil 1.1’de sunulan kavram haritasını inceleyiniz.

Madde-enerji etkileşimini

Kavramları Modelleri Teorileri Fizik bilgisi

Fizik

Evrenin geleceğiyle ilgili görüşleri

Maddenin uzay zamandaki hareketini inceler

üretir açıklar / içerir / kapsar açıklar / içerir / kapsar

Şekil 1.1. Fizik-fizik bilgisi ilişkisine ait kavram haritası

Fizikle ilgili ilk yazılı-sistematik bilgilerimizi I. Newton’un 1687 yılında ya- yınladığı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Prin- cipia Mathematica) adlı eserine dayandırabiliriz. G. Galileo ve J. Kepler’in çalış- malarının temel alındığı bu kitapta Newton kendi adıyla bilinen hareketin temel ilkelerini ve kütle çekim yasasını tanımlamıştır. Newton aslında bu çalışmasıyla yeryüzündeki ve gökyüzündeki fizik yasalarının aynı olduğunu göstermiştir. 19.

yüzyıl sonlarına kadar olan süreçte Newton’un ortaya koyduğu bilgiler, fiziğin temel direklerinden biri olarak görülmüştür. Bu dönem kapsamında, M. Faraday’ın manyetizma ile ilgili çalışmaları ve J. C. Maxwell birbirleriyle ilişkisiz olarak bilinen elektrik ve manyetizmayı matematiksel olarak birleştiren denklemleri ortaya konulmuştur. Maxwell’in ortaya koyduğu denklemlerle, bilinen denklem ve yasalar birleştirilmiş ve bu bilgilerle Newton’un ortaya koydukları fiziğin iki temel direği olarak algılanmıştır.

4 M F