Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin Modern Fiziğe Giriş Yaşam Temell Problem Çözümlü Doç. Dr. Mehmet Altan KURNAZ Yrd. Doç. Dr. Aslı KURNAZ
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. 2016, Pegem Akademi Bu kitabın basım, yayım ve satış hakları Pegem Akademi Yay. Eğt. Dan. Hizm. Tic. Ltd. Şti. ye 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
Oğullarımız Türker ve Türkay İçin
ÖN SÖZ İnsanlığın teknolojik gelişiminde temel bilimlerin ve bunlar içinde fiziğin büyük bir yeri olduğu açıktır. Özellikle on yedinci ve yirminci yüzyıllar arası dönemde fizikte görülen gelişmelerle yeni buluşların ortaya koyulduğu ve o dönem buluşlarıyla birlikte insanlığın düşünce tarzının ve sosyal yaşamının yeniden şekillendiği ifade edilebilir. O dönemde yürütülen çalışmalarla başta madde, elektrik ve ışığın doğası olmak üzere pek çok olguya/kavrama açıklık getirilmeye çalışılmış ve o süreçte edinilen bilgilerle ısınma, haberleşme, ulaşım gibi alanlarda halen 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 geçmeden yeni bir bakış açısı ileri sürülmüş ve fizik yirminci yüzyılın başlarından günümüze, mikro dünya da dâhil, bilgilerini daha hızlı ve derinlemesine ilerletmiştir. Elde edilen yeni bilgilerle birlikte fiziğin sosyal yaşamımızdaki etkinliği daha da artmıştır. Hatta yeni fizik bilgileri, düşünce tarzımızı bir kez daha genişletmemizi sağlamıştır. Fizik, günümüzde temel kabulleri, yansımaları ve ilerleme dönemlerini içerecek 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. Kitabın hazırlanmasında yaşam temelli yaklaşım ve çözümlü problemlere yer verme esas alınmıştır. Yaşam temelli yaklaşımla, öğrencilerin bu ders kitabında incelenen konuların, dolayısıyla fiziğin, günlük yaşamımızın içindeki yerini fark etmeleri, Bu konuları 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 insanının veya karşılaşabilecekleri teknolojik bir cihazın betimlenmesini içeren okuma metinleriyle başlamaktadır. Böylelikle öğrenenlerin bölüm konularının içeriğine odaklanmaları ve okuma metninde incelenen kişinin söylemlerine veya incelen
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
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 HAZIRLIK SORULARI...14 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 HAZIRLIK SORULARI...46 2.7. Göreli Momentum ve Enerji...47 BÖLÜM SONU SORULARI...54 3. BÖLÜM MODERN FİZİĞE DOĞRU...63 KIZIL ÖTESİ ATEŞ ÖLÇER...64 HAZIRLIK SORULARI...65 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
viii M F 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 BÖLÜM SONU SORULARI...90 4. BÖLÜM MODERN FİZİĞE GİRİŞ...97 UZAKTAN KUMANDALAR...98 HAZIRLIK SORULARI...100 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 BÖLÜM SONU SORULARI...137 5. BÖLÜM MODERN FİZİKTE BAZI TEMEL KONULAR...143 TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU...144 HAZIRLIK SORULARI...146 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
indekiler ix 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 BÖLÜM SONU SORULARI...180 KAYNAKLAR...185 EKLER...190 ÖZGEÇMİŞ...191 İLETİŞİM BİLGİLERİ...192
1. BÖLÜM Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı 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.
2 M F ISAAC NEWTON Isaac Newton (1642 1727) İngiliz bilim insanıdır. 1667'de Trinity Kollej inde öğretim üyeliğine, 1669'da (27 yaşında) Cambridge üniversitesinde matematik 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 önemli katkılar sundu. Merkezkaç kuvvetiyle Kepler yasalarını birleştirerek kütle çekim yasasını, eylemsizlik yasasını, kuvvet-kütle-ivme arasındaki ilişkiyi ortaya koyduğu temel hareket yasasını ve etki ile tepki kuvvetlerinin eşitliğini ortaya koyması fiziğe en önemli katkılarıdır. 1687 de Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) adlı kitabını 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.
Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı 3 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?
4 M F 1.1. Giriş Bilim, yakın ve/veya uzak çevrenin sistematik bir şekilde incelenmesi ve sonuçta ortaya konan ürünleri de kapsayan entelektüel ve pratik çalışmaların bütünüdür. Bilim felsefe, astronomi, kimya, fizik gibi farklı bilim dallarından oluşur. Fizik, maddenin uzay-zamandaki hareketini ve madde-enerji etkileşimlerini sistematik şekilde inceleyen bilim dalıdır. Fizik bilgisiyse, maddenin uzay-zamandaki 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 inceler Fizik Maddenin uzay zamandaki hareketini açıklar / içerir / kapsar üretir açıklar / içerir / kapsar Evrenin geleceğiyle ilgili görüşleri Fizik bilgisi Teorileri Modelleri Kavramları Şekil 1.1. Fizik-fizik bilgisi ilişkisine ait kavram haritası Fizikle ilgili ilk yazılı-sistematik bilgilerimizi I. Newton un 1687 yılında yayınladığı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) adlı eserine dayandırabiliriz. G. Galileo ve J. Kepler in çalışmalarının 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.