FİZ111 FİZİK-I Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümü B Grubu I. Bölüm özeti Aysuhan OZANSOY
Bölüm-I: Birimler, Fiziksel Nicelikler ve Ölçme 1. Fizik Nedir? 2. Mekanik Nedir? 3. Fizik - Biyoloji 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
İnsan bilgisiyle insan gücü birbiriyle örtüşür Francis Bacon bilgi güçtür.. 3
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. 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
Kısa tarihçe: 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 Modern fizikte iki önemli gelişme 1. Kuantum Mekaniği 2. Görelilik (Rölativite)Teorisi Özel Görelilik Genel Görelilik (Bknz. Kaynak 1, 2 ve 3) 5
2. Mekanik Nedir? Klasik Fizik - Mekanik - Elektrik ve Manyetizma - Dalgalar - Termodinamik - Yüksek Enerji Fiziği (Parçacık Fiziği) - Nükleer Fizik Modern Fizik - Atom Fiziği ve Molekül Fiziği - Katı Hal (Yoğun Madde) Fiziği - Kozmoloji Mekanik; kuvvetleri ve onların cisimler üzerine etkilerini inceleyen klasik fiziğin bir dalıdır. Mekanik - Statik (Dengedeki cisimler) - Kinematik (Hareketi anlamak) - Dinamik (Hareketi nedenleri ile anlamak) Newton Hareket Yasaları 6
3. Fizik-Biyoloji İlişkisi (Bu kesim için bknz: Kaynak 4 ve 5 Biyoloji, canlılarla yani «yaşayan şeyler» ile ilgilenir. İlk başlarda, biyoloji ile ilgilenenlerin temel amacı bu «yaşayan şeylerden» kaç tane olduğunun sayılması ve bunların sınıflandırılması idi. Sonraları daha derinlere inilmesi gerektiği anlaşılmıştır. 1800 lü yılların ortalarından sonra fiziğin canlılık olaylarına hangi boyutlarda uygulanabileceği ile ilgili çalışmalar başlamıştır. Tüm «yaşayan şeyler» hücrelerden oluşmuştur. Atom Molekül Makro molekül Hücre Hücrelerde birçok kimyasal reaksiyon gerçekleşir, moleküller arası etkileşmeler, bir molekülün diğerine dönüşmesi vb. Moleküller de atomlardan oluşmuşlardır. En basit biyolojik organizmalardan olan virüsler bile milyonlarca etkileşen atomlardan oluşmuştur. Canlı organizmalar tüm seviyelerde fizik yasaları ile idare edilir. İnsan vücudunda yaklaşık 10 16 hücre bulunmaktadır. 1 hücrede ise 10 12 ile 10 14 arasında değişen atom vardır. Atomların özelliklerini tanımlamak ve birbirleri olan etkileşmelerini anlamak kuantum mekaniğinin alanıdır. Sonuçta, atomların dönmesinin ve titreşmesinin anlaşılması ile, «yaşayan şeyler» anlaşılabilir. 7
Biyolojide fiziğin bazı uygulamaları: Mekanik Kaslara etki eden kuvvet Kan dolaşımı, kan basıncı Bitkilerde yüzey gerilimi. Sinirsel iletim Elektrik Kas hareketlerinin kontrolü DNA nın oluşumu. Optik Görme nasıl gerçekleşir? Dalgalar İşitme nasıl gerçekleşir? Termodinamik Solunum sistemi.. 8
Biyolojide laboratuvarlarında, canlı sistemlerin incelenmesinde ve tıpta tanı ve tedavide kullanılan bazı aygıtlar: Mikroskop X- ışınları CT (Bilgisayarlı Tomografi) MRG Lazer EMG EKG USG Radyo terapi Besin sterilizasyonu Nükleer tıp ilaçları. Bu aygıtların temel çalışma prensipleri fizik üzerine kuruludur. 9
4. Standartlar ve Birimler 4.1 Fiziksel Nicelikler ve Birim Sistemleri fiziksel nicelikler (fiziksel büyüklükler) 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. 10
Birim Sistemleri I) MKS ( Metre-Kilogram Saniye) Uluslararası Birim Sistemi (SI) nin 7 temel birimi: 1791 Fransız Bilimler Akademisi 1889 Ölçümlerin duyarlılığını artırmak için düzenli toplanma kararı 1960 SI (Systeme Internationale= Uluslararası Birim Sistem)) Fiziksel nicelik Birim Kısaltma Uzunluk metre m Zaman saniye s Kütle kilogram kg Sıcaklık Kelvin K Elektrik Akımı Amper Işık şiddeti Kandela Cd A 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) Madde miktarı Mol Mol 11 29.9.2015
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/ 299 792 458 saniyede aldığı yoldur. c= 2, 99792458 x 10 8 m/s Işık hızı Zaman: Standardı saniye (s) dir. 1 s: Cs 133 (sezyum) izotopunun belirli bir titreşim periyodunun 9 192 631 770 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 10 26 tane atomu tek tek sayıp biriktirmek gerekir! 12
10 un kuvvetleri Kuvvet Ön Ek Kısaltma 10-15 femto f 10-12 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 10 12 tera T 10 15 peta P 13
Şekil Kaynak 6 dan alınmıştır. 14 29.9.2015
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 10 26 Dünyanın yarıçapı 6,37 x 10 6 Ort. İnsan boyu 1,5 m Alyuvarlaın çapı 10-5 1 gün 8,6x10 4 Katı cisimdeki atomun titreşim periyodu Bir nükleer çarpışmada geçen zaman 10-13 10-22 Atomun yarıçapı 10-10 Protonun yarıçapı 10-15 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 10-15 Elektron 9,1 x10-31 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= 10-10 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 2 4.4. 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. 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 gösterlir. 18 29.9.2015
!!! Aynı fiziksel boyuta sahip nicelikler ile toplama ve çıkarma işlemi yapılabilir! Farklı fiziksel boyuta sahip nicelikler ile çarpma ve bölme işlemi yapılabilir! 19
6. Büyüklük Mertebesi Hesapları Derste çözülen örneklere bakınız Örnek: (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 ~ 10 21 A 3 Atomun hacmi H atom ~ (1 A) 3 ~ 1 A 3 3. Bir kum tanesindeki atom sayısı ~ H kum / H atom ~ 10 21 tane 4. Bulunan sonuç makuldür, çünkü Avagadro sayısına yakın! 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. 0.0050204 anlamlı rakam sayısı 5 3. 4000 sayısı için; 4 10 3 (1 anlamlı rakam) 4,0 10 3 (2 anlamlı rakam) 4,00 10 3 (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. 21 29.9.2015
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. =0,42187021 0.42 olarak verilir. 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 22 =153.6 olarak sonuç anlamlı rakamlarla verilir. 29.9.2015
8. Bilimsel Yöntem Derste dağıtılan notu inceleyiniz! 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. Biyoloji ve Tıpta Fizik, P. Davidovits (Çeviri Editörü: Prof. Dr. Fevzi Köksal), 3. Baskıdan çeviri, Nobel Yayıncılık, Ankara, 2012. 5. The Feynman Lectures on Physics, R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Addison-Wesley Publishing Company, Vol-I, Sixth Printing, 1977, USA 6. Üniversite Fiziği Cilt-I, H.D. Young ve R.A. Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara 7. http://physics.illinois.edu/undergrad/seniorthesis/estimatesresearch.pdf 8. http://80.251.40.59/science.ankara/edu.tr/aozansoy 24