Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü A Grubu I. Bölüm özeti , Ankara. Aysuhan OZANSOY

Transkript

1 FİZ101 FİZİK-I Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü A Grubu I. Bölüm özeti, Ankara Aysuhan OZANSOY

2 Bölüm-I: Birimler, Fiziksel Nicelikler ve Ölçme 1. Fizik Nedir? 2. Mekanik Nedir? 3. Fizik - Kimya İlişkisi 4. Standartlar ve Birimler 4.1 Fiziksel Nicelikler ve Birim Sistemleri 4.2 Uzunluk, Zaman ve Kütle 4.3 Türetilmiş Birimler 4.4 Birimlerin Tutarlılığı 5. Boyut Analiz 6. Büyüklük Mertebesi Hesapları 7. Belirsizlik ve Anlamlı Sayılar 8. Bilimsel Yöntem 2

3 Bir bilimi anlamak için önce onun tarihini öğrenmek gerekir. August Compte 3

4 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. 4

5 Kısa tarihçe: I. M.Ö 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: Farabi (Boşluk meselesi, havanın esnekliği), Biruni (özgül ağırlık), İbn-i Sina (görme), İbn-i Heysem (Batıda Alhazen ismiyle bilinir, optiğin kurucusu) III Bilimsel Devrim ve Aydınlanma (Kopernik, Brahe, Kepler, Galileo, Newton, Faraday, Ampere, Modern Fizik Modern fizikte iki önemli gelişme (Bknz. Kaynak 1, 2 ve 3) 1. Kuantum Mekaniği (1900) 2. Görelilik (Rölativite)Teorisi Özel Görelilik (1905) Genel Görelilik (1916) 5

6 2. Mekanik Nedir? Klasik Fizik - Mekanik - Elektrik ve Manyetizma - Dalgalar - Termodinamik Mekanik; kuvvetleri ve onların cisimler üzerine etkilerini inceleyen klasik fiziğin bir dalıdır. Bu dönem Fizik-I dersinin içeriği mekaniktir.) - Statik (Dengedeki cisimler) Mekanik - Kinematik (Hareketi anlamak) - Dinamik (Hareketi nedenleri ile anlamak) Newton Hareket Yasaları - Yüksek Enerji Fiziği (Parçacık Fiziği) - Nükleer Fizik Modern Fizik - Atom Fiziği ve Molekül Fiziği - Yoğun Madde Fiziği - Kozmoloji 6

7 3. Fizik-Kimya İlişkisi (Bu kesim için bknz: Kaynak 4 ve 5 - Yüksek Enerji Fiziği (Parçacık Fiziği) - Nükleer Fizik - Atom Fiziği ve Molekül Fiziği Modern Fizik Burada fizik ve kimya ayrılmaya başlar. Fizik, basit moleküllerin nasıl oluştuğu ve nasıl bir araya geldiği ile ilgilenir. Kimya, hangi elementlerin birbiri ile birleştiği, bir örnekte hangi bileşiklerin bulunduğu, basit moleküllerin birbiri ile nasıl etkileştiği, moleküllerin özelliklerini değiştirmenin ne gibi etkiler yaratacağı ile ilgilenir. Kimya dediğimiz bilim sonraki aşamadır. Kompleks moleküllerle uğraşır. Temel yapı taşları atom grupları dır. (Hidroksil, ester, sülfit vb ) - Yoğun Madde Fiziği - Kozmoloji 7

8 Hem fizik hem de kimya atom çekirdeği ve elektronlarla ilgilenir. Bununla birlikte fizik; maddenin daha temel olan yapı taşlarıyla da (leptonlar, kuarklar, Higss parçacığı vb. gibi) ilgilenir. Fizik ve kimyanın etkileşimi ile atom teorisi doğrulanmıştır. Kimyacılar çeşitli elementler arasındaki ilişkileri, hangisinin hangisi ile birleştiğini inceler. Tüm bunların açıklaması kuantum mekaniği ile yapılır. Öte yandan kimyacılar, bir örnekte hangi bileşiklerin olduğunu, moleküllerin hangi özelliklerini değiştirmenin ne gibi etkiler yapacağını da incelerler. Fizik ve kimyanın etkileşimi ile termodinamik ve istatistik mekanik gelişmiştir. Kimyasal bir durumda çok büyük sayıda atom vardır; bunların etkileşmeleri komplikedir, bunun incelenmesi istatistiksel olarak yapılır. 8

9 4. Standartlar ve Birimler 4.1 Fiziksel Nicelikler ve Birim Sistemleri Fiziksel nicelikler (fiziksel büyüklükler): ölçüm sonucu miktarı (niceliği) belirlenebilen olgu ya da olaylar. Örnek: Yer değiştirme, zaman, hız, momentum, Bütün fiziksel nicelikler bir sayı ve bir birim ile verilir. Örnek: l= 6,3 cm Bazen bir fiziksel nicelik, ölçülmüş başka fiziksel nicelikler cinsinden verilebilir. Örnek: Hız= Yerdeğiştirme / 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. 9

10 Birim Sistemleri I) MKS ( Metre-Kilogram Saniye) Uluslararası Birim Sistemi (SI) nin 7 temel birimi: (ayrıca radyan ve steradyan yardımcı birimler) Fiziksel nicelik Birim Kısaltma Uzunluk metre m Zaman saniye s Kütle kilogram kg Sıcaklık Kelvin K 1791 Fransız Bilimler Akademisi 1889 Ölçümlerin duyarlılığını artırmak için düzenli toplanma kararı 1960 SI (Systeme Internationale = Uluslararası Birim Sistemi) Elektrik Akımı Amper Işık şiddeti Kandela Cd Madde miktarı 10 Mol A Mol

11 4.2 Uzunluk, Zaman ve Kütle: MKS birim sisteminde uzunluk, zaman ve kütle için standartlara bakalım. Uzunluk: Standardı metre (m) dir. 1 m: ışığın boşlukta 1/ saniyede aldığı yoldur. c= 2, x 10 8 m/s Işık hızı Zaman: Standardı saniye (s) dir. 1 s: Cs 133 (sezyum) izotopunun belirli bir titreşim periyodunun katıdır. Kütle: Standardı kilogram (kg) dir. 1 kg: Özel bir silindirik platin-iridyum alaşımının kütlesidir. Uzunluk ve zaman standardı için atomik tanımlar yapılmıştır. Kütle standardı için atomik yolla tanım yapmak pratik olarak zordur. Bunun için her defasında tane atomu tek tek sayıp biriktirmek gerekir! 11

12 10 un kuvvetleri Kuvvet Ön Ek Kısaltma femto f piko p 10-9 nano n 10-6 mikro 10-3 mili m 10-2 santi c 10 3 kilo k 10 6 mega M 10 9 giga G tera T peta P 12

13 Fiziğin ilgilendiği ölçekler: Şekil Kaynak 6 dan alınmıştır. 13

14 Ölçülmüş Bazı Zaman Aralıklarının Yaklaşık Değerleri Ölçülmüş Bazı Uzunlukların Yaklaşık Değerleri Zaman aralığı Saniye (s) Evrenin yaşı 5x10 17 Uzunluk Metre (m) 1 yıl 3,2x10 7 Gözlemlemlenebilir evrenin sınırı Dünyanın yarıçapı 6,37 x 10 6 Ort. İnsan boyu 1,5 m Alyuvarlaın çapı gün 8,6x10 4 Katı cisimdeki atomun titreşim periyodu Bir nükleer çarpışmada geçen zaman Atomun yarıçapı Protonun yarıçapı

15 Bazı Cisimlerin Ölçülmüş Yaklaşık Kütleleri Kütle Kütle(kg) Samanyolu galaksisi 7 x10 41 Güneş 1,99x10 30 İnsan 10 2 Sivrisinek 10-5 Bakteri Elektron 9,1 x

16 4.3. Türetilmiş Birimler: 1 nanometre = 1 nm= 10-9 m 1 mikrometre (mikron) = 1 = 10-6 m 1 milisaniye = 1 ms= 10-3 s 1 Angstrom= 1 A= m = 10-8 cm 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 m 2 /s 2 1 Joule=1 J= kg m 2 /s Birimlerin Tutarlılığı: Denklemlerde her iki yanın birimi tutarlı olmalıdır. Farklı birimlere sahip fiziksel niceliklerle çarpma ve bölme işlemi yapılır. Aynı birime sahip fiziksel nicelikler toplanır ve çıkarılır. 16

17 5. Boyut Analizi 3 temel boyut: Uzunluk (Length) [L] Zaman (Time) [T] Kütle (Mass) [M] 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 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/s 2 [L] [T] -2 Kuvvet (F) kgm/s 2 [M] [L] [T] -2 Yüzey alanı (A) m 2 [L] 2 İş (W) kgm 2 /s 2 [M] [L ]2 [T] -2 Herhangi bir fizikel büyüklük [L q T r M s ] şeklinde temel boyutların cebirsel bileşimi şeklnde gösterilir. 17

18 !!! Kötü bir örnek: Aynı fiziksel boyuta sahip nicelikler ile toplama ve çıkarma işlemi yapılabilir! Farklı fiziksel boyuta sahip nicelikler ile çarpma ve bölme işlemi yapılabilir! 18

19 6. Büyüklük Mertebesi Hesapları Derste çözülen örneklere bakınız Örnek 1.13: (Bu örnek Kaynak 7 den alınmıştır) Bir kum tanesinde ne kadar atom vardır? 1. Bir kum tanesinin boyutunu L kum ~ 1 mm=10-3 m=10 7 A olarak alalım. Atomun yarıçapı ~ 1 A 2. Geometrinin ne olduğunu önemsemeyelim; örneğin kübik geometriyi ele alalım: Kum tanesinin hacmi H kum ~ (10 7 A) 3 ~ A 3 Atomun hacmi H atom ~ (1 A) 3 ~ 1 A 3 3. Bir kum tanesindeki atom sayısı ~ H kum / H atom ~ tane 4. Bulunan sonuç makuldür, çünkü Avagadro sayısına yakın! 19

20 7. Belirsizlik ve Anlamlı Sayılar: Ölçülen değer = En iyi tahmin ± Hata (orta ya da ortalama değer) Yapılan bir ölçümü belirtmede kullanılan rakamlara anlamlı rakamlar denir. Hiçbir fiziksel ölçüm hatasız değildir. Burada hatadan kasıt, yanlış ya da kusur değil, belirsizlik tir. Kurallar: Mutlak hata ya da standart sapma cinsinden ifade edilebilir.!!! ayrıntılı bilgi Ölçme ve Anlamlı Sayılar notunda (Bknz. Kaynak 8) 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 anlamlı rakam sayısı sayısı için; (1 anlamlı rakam) 4, (2 anlamlı rakam) 4, (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 artırılır. Örneğin 8,6547 sayısının 4 anlamlı rakamla yazılışı 8,655 tir. 20

21 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) /(3,885) işleminin sonucu 2 anlamlı rakamla verilmelidir. =0, olarak verilir. Anlamlı sayılarda toplama ve çıkarma işlemi: Sonuç en az ondalık basamağa sahip sayıya göre belirlenir Örneğin; 27, ,2-11,74 = ondalık basamak 1 ondalık basamak 2 ondalık basamak Sonuç tek ondalık basamak içermeli 21 =153.6 olarak sonuç anlamlı rakamlarla verilir.

22 8. Bilimsel Yöntem Derste dağıtılan notu inceleyiniz! 22

23 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. Fizğin F si, Ç. Tuncay, Arkadaş Yayınları, 2014, Ankara 4. The Feynman Lectures on Physics, R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Addison-Wesley Publishing Company, Vol-I, Sixth Printing, 1977, USA Üniversite Fiziği Cilt-I, H.D. Young ve R.A. Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara