FİZ101FİZİK. Sağlık Bilimleri Üniversitesi Gülhane Eczacılık Fakültesi 1. Hafta

FİZ101FİZİK

Sağlık Bilimleri Üniversitesi Gülhane Eczacılık Fakültesi

1. Hafta 23.09.2019

Aysuhan OZANSOY

(Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü)

“Bir bilimi anlamak için önce onun tarihini öğrenmek gerekir.”

August Compte

Bölüm-I: Birimler, Fiziksel Nicelikler ve Ölçme

1. Fizik Nedir?

2. Standartlar ve Birimler

2.1 Fiziksel Nicelikler ve Birim Sistemleri 2.2 Uzunluk, Zaman ve Kütle

2.3 Türetilmiş Birimler 2.4 Birimlerin Tutarlılığı

3. Belirsizlik ve Anlamlı Sayılar 4. Boyut Analizi

5. Bilimsel Yöntem

5.1. Bilimsel Yöntem Basamakları

5.2. Kuramlar, Yasalar, Modeller

6. Büyüklük Mertebesi Hesapları

1. Fizik Nedir?

•

Fizik kelimesi, eski Yunanca’ da “physis=doğa”

kelimesinden gelir. Günümüzde fizik, modern bilimin pek çoğunun açığa çıktığı ve eskiden “ Doğa Felsefesi”

olarak adlandırılan alana eşdeğerdir. Temel amacı doğayı ve doğa olaylarını anlamaktır.

•

Tüm bilim dalları içinde en temel, en eski, en kapsamlı ve bilimsel gelişmeye en çok katkısı olanı “ FİZİK”

tir.

•

Madde, enerji ve hareketle ilgilenen Fizik, gözlemlenebilir şeyleri temel nedenlere indirgemeye ve bu temel nedenler arasında ilişki kurmaya çalışır.

•

Fizik, diğer pek çok bilim dalını da etkiler. İlk olarak

fiziği anlayabilirsek, diğer pek çok bilim dalını daha iyi

anlayabiliriz.

•Kısa tarihçe:

•1900’lerde iki önemli gelişme

1. Kuantum Mekaniği

2. Görelilik (Rölativite) Teorileri Özel Görelilik (1905) Genel Görelilik (1916)

FİZİK

Klasik Fizik

Mekanik Dalgalar ve

Optik Elektrik ve

Manyetizma Termodinamik

Modern Fizik

Yoğun Madde

Atom ve

Molekül Nükleer Fizik

Parçacık

Fiziği Astrofizik ve Kozmoloji

I. M.Ö. 600- M.S. 800  Analitik olmayan çalışmalar

Pre-Socratlar: Thales, Pisagor, Empedocles, Leucippus, Democritos,…

Büyük üçlü: Socrates, Plato, Aristo Batı medeniyetini ve diğer bilim adamlarını en çok etkileyenler.

sonrasında  Arşimet, Öklid,…

II. Orta çağ: 800-1500 Farabi (Boşluk meselesi, havanın esnekliği), Biruni (özgül ağırlık), İbn-i Sina (görme), İbn-i Heysem (Batıda Alhazen ismiyle bilinir, optiğin kurucusu)

III. 1500-1900 Bilimsel Devrim ve Aydınlanma

(Kopernik, Brahe, Kepler, Galileo, Newton, Faraday, Ampere,….

 1900 -  Modern Fizik

2. Standartlar ve Birimler

2.1 Fiziksel Nicelikler ve Birim Sistemleri

 Ölçüm sonucu niceliği (miktarı) belirlenebilen fiziksel olgu ya da olaylara fiziksel nicelikler (fiziksel büyüklükler) denir.

Örnek: uzunluk, zaman, hız, momentum, …

Bütün fiziksel nicelikler bir sayı ve bir birim ile verilir.

Örnek: l= 5 cm t= 2,1 s

Bazen bir fiziksel nicelik, ölçülmüş başka fiziksel nicelikler cinsinden verilebilir.

Örnek: Hız= Yer değiştirme / Zaman Momentum= Kütle x Hız vb.

 Bir fiziksel niceliğin önceden belirlenmiş bir standarda göre sayısal değerinin verilmesi işine ölçme denir. Önceden belirlenmiş bu standarda da birim denir.

Fiziksel

nicelik Birim Kısaltma

Uzunluk metre m

Zaman saniye s

Kütle kilogram kg

Sıcaklık Kelvin K

Elektrik Akımı Amper A

Işık şiddeti Kandela Cd

Madde miktarı Mol Mol

Birim Sistemleri

Uluslararası Birim Sistemi (SI)’ nin 7 temel birimi: (ayrıca radyan ve steradyan yardımcı birimler) I) MKS ( Metre-Kilogram–Saniye)

1791 Fransız Bilimler Akademisi

1889 Ölçümlerin duyarlılığını artırmak için düzenli toplanma kararı

1960  SI (Systeme Internationale= Uluslararası Birim Sistem))

II) CGS( Cantimetre-Gram-

Saniye) : daha ziyade elektrik ve manyetizmada kullanılır.

1 cm= 0,01 m = 10^-2 m 1 g = 0,001 kg= 10^-3 kg III) İngiliz Birim Sistemi:

1 inç= 2,54 cm

1 kg kütle = 2,21 libre (lb)

2.2 Uzunluk, Zaman ve Kütle:

MKS birim sisteminde uzunluk, zaman ve kütle için standartlara bakalım.

Uzunluk: standardı “metre (m) ”dir.

1 m: ışığın boşlukta 1/ 299 792 458 saniyede aldığı yoldur.

c= 2, 99792458 x 10⁸ m/s

Işık hızı

Uzunluk standardının 1791 yılından bu yana farklı tanımları:

I. 1791 yılında Fransız Bilimler Akademisi tarafından tescil edildiğinde, 1 metre Kuzey kutbundan ekvatora kadar olan mesafenin 10 milyonda biri olarak tanımlanmıştı.

II. Daha sonra 1 metre, özel bir platin-iridyum çubuğun üzerindeki iki çizgi arasındaki uzaklık olarak tanımlandı.

III. 1960 yılında metre tanımı için atomik bir standart tespit edildi. ⁸⁶Kr atomunun yaydığı turuncu-kırmızı renkli ışığın dalga boyu referans alınmıştır. 1 m=1.6507637310⁶ . _Kr

IV. Kasım 1983’ te uzunluk standardı için ışığın boşlukta yayılma hızı referans alınarak 1 metre ışığın boşlukta 1/ 299 792 458 saniyede aldığı yol olarak tanımlanmıştır.

 18 yy’da Fransa, metreyi uzunluk birimi olarak kullanmaya başladığında, halkın 1 metrenin ne uzunlukta olduğunu anlayabilmesi için bunlardan Paris’ e 16 tane yerleştirmiştir.

Zaman: standardı “saniye (s) ”dir.

1 s: Cs

(sezyum) izotopunun belirli bir titreşim periyodunun 9 192 631 770 katıdır.

 Cs¹³³ izotopunun taban durumunun 2 aşırı ince yapısı (atomlarda çekirdeğin spini ile elektronun spini arasındaki etkileşim) arasındaki geçişteki ışımanın (radyasyonun) frekansı 9 192 631 770 Hertz’ dir. Cs¹³³izotopu Sezyum atomunun izotopları arasında tek kararlı izotop olduğu için, manyetik alan oluşturduğu için ve daha kısa sürede daha kesin ölçümler yapmaya izin verecek şekilde yüksek bir geçiş frekansına sahip olduğu için zaman standardının tanımında kullanılmıştır.

Kütle: standardı “kilogram (kg) ”dir.

1 kg, özel bir silindirik platin-iridyum alaşımının kütlesi olarak tanımlanıyordu. Büyük K (Le Grand K) olarak da adlandırılan temel kütle birimi iç içe üç tane hava geçirmez cam kavanozun içinde, sabit sıcaklık altında kilitli tutuluyordu.

 Kasım 2018’ de 60 ülkenin katılımı ile Fransa’ da gerçekleştirilen Ağırlıklar ve Ölçümler Genel Konferansında alınan kararla kilogramın tanımı değişti. 20 Mayıs 2019’

dan sonra kilogramın h: Planck sabitine (6.62607015×10

J.s) dayanan yeni tanımı kullanılmaya başlandı.

2019 definition is: "The kilogram is the mass of a body at rest whose equivalent energy equals the energy of a collection of photons whose frequencies sum to [1.356392489652×10⁵⁰] hertz.

Kuvvet (Çarpan) Ön Ek Kısaltma

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10’ un kuvvetleri

(Çarpan, ön ek ve kısaltmaları öğrenmenizde fayda var. Çok büyük ve çok küçük sayıların bilimsel gösteriminde kullanılacaktır.)

•Bazı fiziksel niceliklerin simgesi için Yunan alfabesinin harfleri kullanılır:

 Bir uygulama:

Bildiğiniz fiziksel niceliklerin

simgeleri nedir?

proton nötron

 Tüm “ yaşayan şeyler ” hücrelerden oluşmuştur. (Ancak hücreden daha temel olan bir şeyler var!!!)

….… Atom  Molekül  Makro molekül  Hücre

 Hücrelerde birçok kimyasal reaksiyon gerçekleşir; moleküller arası etkileşmeler, bir molekülün diğerine dönüşmesi vb.

Moleküller ise atomlardan oluşmuşlardır.

 En basit biyolojik organizmalardan olan virüsler bile milyonlarca etkileşen atomdan oluşmuştur. Canlı organizmalar tüm seviyelerde fizik yasaları ile idare edilir.

 İnsan vücudunda yaklaşık 10

hücre bulunmaktadır. 1 hücrede ise 10

ile

10

arasında değişen atom vardır.

Ölçülmüş Bazı Uzunlukların Yaklaşık Değerleri

Uzunluk Metre (m)

Gözlemlemlenebilir

evrenin sınırı 10²⁶

Dünyanın yarıçapı 6,37 x 10⁶

Ort. İnsan boyu 1,5 m Alyuvarlaın çapı 10^-5 Atomun yarıçapı 10^-10 Protonun yarıçapı 10^-15

Zaman aralığı Saniye (s) Evrenin yaşı 5x10¹⁷

1 yıl 3,2x10⁷

1 gün 8,6x10⁴

Katı cisimdeki atomun

titreşim periyodu 10^-13 Bir nükleer

çarpışmada geçen zaman

10^-22

Ölçülmüş Bazı Zaman Aralıklarının Yaklaşık Değerleri

Bazı Cisimlerin Ölçülmüş Yaklaşık Kütleleri

Kütle Kütle(kg)

Samanyolu galaksisi 7 x10⁴¹

Güneş 1,99x10³⁰

İnsan 10²

Sivrisinek 10^-5

Bakteri 10^-15

Elektron 9,1 x10^-31

2.3. Türetilmiş Birimler:

Hız=Yer değiştirme/ Zaman  Hız:m/s

Kuvvet= Kütle x ivme  Kuvvet: kg m/s ²  1 Newton = 1N = 1 kg m/s ² İş= Kuvvet x Yol İş: kg m² /s ² 1 Joule=1 J= kg m² /s ²

1 nanometre = 1 nm= 10^-9 m 1 mikrometre( mikron) = 1 m = 10^-6 m 1 milisaniye = 1 ms= 10^-3s 1 Angstrom= 1 A= 10^-10 m = 10^-8 cm

2.4. Birimlerin Tutarlılığı:

 Denklemlerde her iki yanın birimi tutarlı olmalı

Farklı birimlere sahip fiziksel niceliklerle çarpma ve bölme işlemi yapılır.

Aynı birime sahip fiziksel nicelikler toplanır ve çıkarılır.

3. Belirsizlik ve Anlamlı Sayılar:

1. Ondalıklı sayılarda virgülün yerini belirtmek için kullanılan sıfırlar anlamlı değildir.

0,045 m  anlamlı rakam sayısı 2

2. Ölçüm sonucunun bir parçası olan sıfırlar anlamlıdır.

0.0050204 anlamlı rakam sayısı 5

3. 4000 sayısı için; 4  10³ (1 anlamlı rakam) 4,0  10³ (2 anlamlı rakam)

4,00  10³ (3 anlamlı rakam)

4. a) Kalması istenen son rakamdan sonra gelen rakam 5’ ten küçük ise son rakam aynen bırakılır. Örneğin 2,731 sayısının üç anlamlı rakamla yazılışı 2,73’ tür.

b) Eğer kalması istenen son rakamdan sonraki rakam 5 ve 5’ ten büyük ise son rakam 1 Yapılan bir ölçümü belirtmede kullanılan rakamlara anlamlı rakamlar denir.

Ölçülen değer = En iyi tahmin ± Hata

(orta ya da ortalama değer)

Hiçbir fiziksel ölçüm hatasız değildir. Burada hatadan kasıt, “yanlış” ya da “kusur” değil,

“belirsizlik” tir.

Mutlak hata ya da standart sapma cinsinden ifade edilebilir.

!!! ayrıntılı bilgi “Ölçme” notunda (Bknz. Ref.3) Kurallar:

işleminin sonucu 2 anlamlı rakamla verilmelidir.

Anlamlı sayılarda çarpma ve bölme işlemi: Sonucun anlamlı rakam sayısı, en az anlamlı rakama sahip olan sayının anlamlı rakam sayısı ile belirlenir. Örneğin;

(0.745 x 2.2) /(3885)

=0,42187021  0.42

Anlamlı sayılarda toplama ve çıkarma işlemi: Sonuç en az ondalık basamağa sahip sayıya göre belirlenir Örneğin;

27,153 + 138,2 - 11,74 = 153.613

3 ondalık basamak

1 ondalık basamak

2 ondalık basamak

Sonuç tek ondalık basamak içermeli

=153.6

4. Boyut Analizi

Zaman (Time)  [T]

Kütle (Mass)  [M]

•Aynı fiziksel boyuta sahip nicelikler toplanabilir veya çıkarılabilir.

•Bir eşitliğin her iki yanı aynı fiziksel boyuta sahip olmalıdır.

Fiziksel nicelik Birimi Fiziksel boyutu

İvme (a) m/s² [L] [T]^-2

Kuvvet (F) kgm/s² [M] [L] [T]^-2

Yüzey alanı (A) m² [L]²

Bir fiziksel niceliğin boyutu ile birimini birbirine karıştırmayın.

Fiziksel Nicelik Simge Birim Birim için

kısaltma

Uzunluk [L] metre m

Kütle [M] kilogram kg

Zaman [T] saniye s

•Herhangi bir fizikel büyüklük [L^q T^r M^s] şeklinde temel

boyutların cebirsel bileşimi şeklinde gösterilir.

Kaynak: , “ Yanlış Yönde Kuantum Sıçramaları” , C. M. Wynn ve A. W.

Wiggins” TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2. baskı, 2005, Ankara.

Soru ya da Problem

5. Bilimsel Yöntem

Deneyler sonucu elde edilen verileri göz önüne alarak doğa olaylarını tanımlamak, bu sonuçları hesaplayabilecek

matematiksel ifadeleri tasarlayan teorileri kurmak ve teorilerin geçerliliğini deneylerle sınamak bilimsel yöntem olarak adlandırılır.

5.1 Bilimsel Yöntem Basamakları

5.2 Kuramlar, Yasalar, Modeller

• Deney, pek çok kez tekrarlanır. Deney sonuçları, öngörü ile uyum içinde olursa, hipotezin güvenilirliği her seferinde artar. Bir çok denemeden sonra hipotez artık kuram(teori) olur. Kuram (teori); geçerlik ve güvenilirliği bilimsel yöntemle

saptanmış, iç tutarlılığı olan genel bilgi ve açıklamalar düzenidir. Örnek; Einstein’

in Özel Görelilik (Relativite) Kuramı.

• Kuramlar çoğu kez bir yasayı açıklar. Yasa (kanun) , doğadaki bir çeşit

düzenlilikle ilgilidir. Örnek, Newton’ un Hareket Yasaları, Genel Çekim Yasası, Faraday’ ın İndüksiyon Yasası.

• Fizikte, tüm ayrıntıları ile çözümlenemeyecek sistemler (ya da problemler) için daha basit bazı anlatımlar kullanılır. Bunlara model denir. Model; gözlenen olayın açıklanabilmesi için bulunan, gerçeğinin bir benzetimidir. İdeal bir model kurabilmek için problemin temel özellerini koruyacak şekilde birçok küçük etki yok sayılarak, problem üzerine yoğunlaşılır. Örnek; Parçacık fiziğinin Standart

Modeli.

6. Büyüklük Mertebesi Hesapları

Örnek: (Bu örnek Kaynak 7’ den alınmıştır) Bir kum tanesinde ne kadar atom vardır?

1. Bir kum tanesinin boyutunu L

~ 1 mm=10

m=10

A olarak alalım.

Atomun yarıçapı ~ 1 A

2. Geometrinin ne olduğunu önemsemeyelim; örneğin kübik geometriyi ele alalım:

Kum tanesinin hacmi H

~ (10

A)

~ 10

A

Atomun hacmi  H

~ (1 A)

~ 1 A

3. Bir kum tanesindeki atom sayısı ~ H

/ H

~ 10

tane

4. Bulunan sonuç makuldür, çünkü Avagadro sayısına yakın!

Bazı Kaynaklar:

1. “ Türklerin Bilime Katkıları, M. Dosay Gökdoğan, Atatürk Kültür Merkezi Yayını, 2008, Ankara

2. “ Işığın Öyküsü: Mitolojiden Matematiğe Işık Kuramlarının Tarihsel Gelişimi”, H. Gazi Topdemir, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2007, Ankara

3. http://80.251.40.59/science.ankara/edu.tr/aozansoy