1_Fizyka_Swiat oczyma fizyka

NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
Joanna Sowińska: Świat oczyma fizyka
Fizyka - (gr. physike od physis – natura, przyroda) - nauka przyrodnicza zajmująca się
badaniem ogólnych własności materii i zjawisk w niej zachodzących, a także wykrywaniem
ogólnych praw, którym te zjawiska podlegają.
1. Obserwacja. Pomiar. Eksperyment.
Fizyka jest nauką przyrodniczo-matematyczna, zatem doświadczenie, obserwacja oraz ich
analiza i wyciąganie wniosków to podstawa zdobywania wiedzy i umiejętności.
Aby poznać otaczający nas świat, prowadzimy obserwacje. Obserwacją nie jest zwykłe
przyglądanie się i odnotowywanie wszystkich spostrzeżeń. Aby obserwacja przyniosła
jakiekolwiek odpowiedzi, trzeba wcześniej postawić pytanie: Co nas interesuje?
Często trudno jest obserwować zjawisko fizyczne w warunkach naturalnych ( np. trwa bardzo
długo lub bardzo krótko), wówczas wywołujemy zjawisko celowo w warunkach
laboratoryjnych, czyli przeprowadzamy doświadczenie zwane też eksperymentem.
Eksperyment przeprowadzamy również po to, by sprawdzić, czy słuszne są wnioski, do
których doszliśmy podczas obserwacji. Upewniamy się, czy otrzymamy przewidywany
wynik. Eksperyment jest nie tylko sposobem weryfikacji teorii zastosowanej do wyjaśnienia
zjawiska ale także jedynym sposobem sprawdzenia, czy użyta teoria została zastosowana we
właściwy sposób.
W przeciwieństwie do metod obserwacyjnych, w których badacz tylko rejestruje wyniki
obserwacji, w metodach doświadczalnych rola badacza jest czynna. Stwarza on mianowicie
określone warunki decydujące o przebiegu zjawiska, wywołuje jego powstanie, wykonuje
pomiary, powtarza takie badania wielokrotnie, wreszcie – korzystając ze stałości przebiegu
zjawiska w danych warunkach – zestawia wyniki pomiarów i z takich zestawień wyciąga
wnioski formułując je początkowo w postaci hipotez. Hipotezy o znaczeniu ogólnym, których
słuszność zostaje potwierdzona w licznych badaniach, często przyjmują postać praw lub teorii
(np. prawo powszechnego ciążenia, teoria względności). Prawa o podstawowym znaczeniu
niekiedy nazywane są zasadami (np. zasady dynamiki, zasada zachowania energii).
Obserwacje i doświadczenia umożliwiają ustalanie zależności między właściwościami materii
i zjawiskami fizycznymi, czyli formułowanie praw przyrody.
Ważną rolę w ilościowym badaniu zjawisk fizycznych odgrywają wielkości fizyczne, to jest
te własności ciał, np. długość, objętość, ciężar, lub cechy charakterystyczne zjawisk, np. czas,
ilość ciepła, prędkość, które można zmierzyć.
Pomiar jakiejkolwiek wielkości fizycznej polega na porównywaniu jej z wielkością tego
samego rodzaju przyjętą umownie za jednostkę miary, to jest na określeniu, ile razy wielkość
mierzona jest mniejsza lub większa od przyjętej jednostki. Oczywiście porównywać można
tylko wielkości tego samego rodzaju.
Pomiary fizyczne mogą być :
- bezpośrednie, w których wielkości fizyczne wyznaczane są za pomocą odpowiednio
wyskalowanych przyrządów pomiarowych (np. pomiat czasu, długości, masy ciała),
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
1
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
- pośrednie (np. pomiar przyspieszenia, gęstości ciał, powierzchni), za pośrednictwem
pomiaru innych wielkości.
Pomiar wielkości fizycznych pociąga za sobą konieczność ustalenia jednostek miar.
Zagadnienie ustalenia jednostek miar rozwiązano w fizyce w ten sposób, że spośród
wszystkich wielkości fizycznych wybrano kilka, np. długość, masę i czas, uznając je za
wielkości podstawowe (nie wymagające określenia za pomocą innych wielkości) i określono
dla nich umowne jednostki (metr, kilogram, sekunda). Dla pozostałych wielkości (np.
prędkości, pracy, ciepła właściwego itp.), określono jednostki pochodne na podstawie
zależności wiążących je z wielkościami podstawowymi.
W zależności od przyjętych wielkości podstawowych oraz ich jednostek utworzono różne
układy jednostek miar. Utworzenie odmiennych układów jednostek miar, stosowanych w
różnych dziedzinach nauki i techniki, a tym samym używanie różnych jednostek dla tej samej
wielkości fizycznej stwarza trudności ich porównywania i wymaga żmudnych przeliczeń z
jednostek jednego układu na jednostki układu drugiego. Dlatego też Międzynarodowy komitet
Miar i Wag opracował układ jednostek zwany Międzynarodowym układem Jednostek Miar
(w skrócie SI, od nazwy francuskiej Système International – Układ Międzynarodowy), który
ma zastąpić stosowane dotychczas układy.
Mierzenie odgrywa w fizyce bardzo ważną rolę umożliwiając ilościowe badanie zjawisk i
nadanie prawom fizycznym postaci wzorów matematycznych. Zagadnieniami pomiarów
zajmuje się specjalna gałąź nauki zwana metrologią.
Uzyskanie całkowicie bezbłędnego wyniku pomiaru jakiejś wielkości fizycznej, czyli
zmierzenie jej w sposób absolutnie dokładny, jest praktycznie niemożliwe. Każdy pomiar jest
obarczony pewnym błędem spowodowanym niedokładnością przyrządu pomiarowego lub
niedokładnością przyrządu pomiarowego lub niedokładnością odczytu wyniku. W celu
uzyskania wyniku pomiaru zbliżonego do rzeczywistej wielkości mierzonej, należy pomiar
wykonać kilkakrotnie i z otrzymanych wyników obliczyć średnią arytmetyczną.
2. Metoda naukowa w fizyce.
Z definicji metoda naukowa jest procesem w którym naukowcy zmierzają ciągle (w czasie) do
skonstruowania prawidłowej (tj. niezawodnej, spójnej i nie arbitralnej) reprezentacji świata.
Fizyka wypracowała odpowiednia metodologie, u podstaw której leży założenie o tym, że
Wszechświat istnieje obiektywnie i jest poznawalny.
Metoda naukowa opiera się na czterech ważnych krokach:
1. Obserwacja i opis zjawiska lub grupy zjawisk.
2. Sformułowanie hipotezy wyjaśniającej obserwacje. W naukach fizycznych taka hipoteza
przyjmuje często postać mechanizmu przyczynowo skutkowego, lub relacji matematycznej,
którą można uznać za model.
3. Użycie zaproponowanego modelu do przewidzenia podobnego zjawiska, innej obserwacji
lub stanu.
4. Przeprowadzenie niezależnych eksperymentów dla weryfikacji hipotezy i modelu.
Metodologia fizyki polega na obserwacji zjawisk i procesów, prowadzeniu doświadczeń,
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
2
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
wykonywaniu pomiarów, wysuwaniu nowych koncepcji, pojęć oraz idei, stawianiu hipotez,
odkrywanie praw i zasad, budowaniu modeli oraz teorii, które następnie stosowane są do
przewidywania właściwości materiałów lub przebiegu zjawisk (niezbędnych także do
produkcji dóbr materialnych).
Teorie fizyczne poddawane są weryfikacji pod katem ich zgodności z rzeczywistością
(mówimy, ze poddawane są weryfikacji doświadczalnej). W ten sposób mamy do czynienia z
samouzgodnionym procesem poznawania przyrody będącym istotą metodologii fizyki.
• Metoda naukowa Galileusza – Bacona
W XVI wieku Galileusz i Francis Bacon stworzyli model metody naukowej. Obrazuje go
następujący schemat:
Dwie główne metody analizy badań to metoda indukcyjna i metoda dedukcyjna:
Metoda dedukcyjna (dedukcja – łac. Deductio - wyprowadzenie) – rozumowanie polegające
na wyprowadzaniu z pewnych zdań (wyników badań poszczególnych zjawisk) wynikającego
z nich logicznie następstwa. Metoda ta jest stosowana głównie w fizyce teoretycznej.
Zamiast budowy teorii z pojedynczych wyników doświadczeń, stawia się od razu hipotezę, a
następnie dedukuje jej konsekwencje, które można sprawdzić doświadczalnie. Rozumowanie
dedukcyjne jest niezawodne. Jeśli więc doświadczenie nie potwierdzi przewidywań, teorię
należy odrzucić albo istotnie zmienić. Dopóki żaden wynik nie jest sprzeczny z teorią,
uważamy ją za zadowalającą.
Metoda indukcyjna (indukcja – łac. inductio - wprowadzenie) – jest przeciwieństwem
metody dedukcyjnej, stosowana głównie w fizyce doświadczalnej. Metoda polegająca na
wyprowadzaniu uogólnień na podstawie eksperymentów i obserwacji faktów, formułowaniu i
weryfikacji hipotez.
Polega na szukaniu prawidłowości wśród wielu wyników doświadczeń i uogólnianiu ich tak,
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
3
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
aby stworzyć regułę obejmującą wszystkie doświadczenia tego typu. Metoda ta pozwoliła na
odkrycie wielu podstawowych praw fizyki, ale nie jest niezawodna. Zwykle po pewnym
czasie okazuje się, że odkryte prawa są słuszne jedynie w przybliżeniu.
Determinizm i indeterminizm w opisie przyrody.
Determinizm (łac. determinare – ograniczać, określać) – pogląd filozoficzny głoszący, że
każde zdarzenie (zjawisko) jest jednoznacznie i w sposób konieczny wyznaczone przez ogół
warunków, w jakich zachodzi.
Indeterminizm (łac.) – pogląd filozoficzny przeczący istnieniu w rzeczywistości
(przyrodniczej i ludzkiej) koniecznych i powszechnych prawidłowości (np. przyczynowych).
Uznaje całkowitą wolność woli.
3. Analiza zjawisk i opis świata z punktu widzenia fizyki i innych nauk
przyrodniczych.
Fizyka (z stgr. φύσις physis – "natura") – nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego
słowa. Dobrze jest opisywać przyrodę w sposób całościowy, lecz trudno badać jednocześnie
wszystkie występujące w niej zależności i prawidłowości. Dlatego przyrodnicy
wyspecjalizowali się w badaniu i opisywaniu różnych zjawisk i różnych właściwości materii.
I tak wyodrębniły się nauki: biologia, która zajmuje się organizmami, chemia – zajmuje się
właściwościami i przemianami substancji, geografia – opisuje Ziemię i problemy gospodarczo
– społeczne i fizyka – bada świat materialny, czyli ruch, światło, dźwięki, oddziaływania,
budowę materii i świata.
Np. opisując jabłko, biolog zajmie się kolorem i smakiem, będzie mówił o wzroście,
dojrzewaniu i więdnięciu. Chemik opisze składniki, możliwości przetwarzania i
otrzymywania pokarmów, fizyk zaś rozważy rozmiary, ciężar i twardość. Obserwując ruch
biegacza, biolog zwróci uwagę na wysiłek, zmęczenie i wydolność organizmu sportowca, a
fizyk – na prędkość i tor ruchu.
Charakterystyczne dla fizyki jest dążenie do określenia wielkości istotnych dla przebiegu
zjawiska, a także modelowy, zakładający uproszczenia opis zjawisk. Takie podejście ułatwia
dostrzeganie i badanie związków przyczynowo – skutkowych oraz opisywanie właściwości
materii. Z kolei wnikliwe badanie odkrytych prawidłowości umożliwia formułowanie praw,
które pozwalają zrozumieć i przewidywać kolejne zjawiska.
Dzięki odkryciom fizyków w różnych dziedzinach nastąpił rozwój cywilizacji. Poznawanie
praw fizyki jest znakomitą szkołą przygotowującą do skomplikowanych zadań w inżynierii
współczesnych materiałów, biologii molekularnej, astrofizyce, komunikacji kwantowej itd.
 Fizyka współpracuje z innymi naukami przyrodniczymi, jak medycyna i biologia.
Transport substancji biologicznych przez błony komórki zależy od obecności jonów.
Wymiana jonów jest też podstawą działania bateryjek elektrycznych i ogniw paliwowych, a te
urządzenia należą do obszaru badań fizyki.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
4
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO
 Szeroko z osiągnięć zaawansowanej fizyki korzysta współczesna medycyna.
Nowoczesne techniki badawcze w medycynie – rezonans magnetyczny, tomografia
pozytonowa, badania dopplerowskie przepływu krwi, tomografia optyczna oka – to wszystko
urządzenia skonstruowane przez fizyków. Wynalezienie akceleratorów wykorzystywane jest
m.in. w terapii nowotworowej.
 Ktoś powiedział, że „fizycy dostarczają narzędzi badawczych, którzy chemicy i
biologowie potrafią znakomicie wykorzystać”.
Struktura podwójnej spirali DNA została odkryta ponad 50 lat temu na podstawie zdjęć
rentgenowskich kryształów soli DNA, odkrywcy (Crick i Watson) otrzymali nagrodę Nobla z
biologii, ale Röntgen dostał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, w 1900 roku.
Dziś fizyka zajmuje się również zjawiskami bardzo skomplikowanymi, jak budowaniem
czujników do badania stanu „samopoczucia” roślin [1], czy poszukiwaniem przyczyn
zmiennego tempa ewolucji gatunków biologicznych [2].
Fot. Współczesne zastosowania fizyki – badania „samopoczucia” roślin za pomocą spektroskopii
fotoakustycznej, pomiar „smaku” sałaty za pomocą spektroskopii transferu protonu, badania struktury
wirusa mozaiki tytoniowej, elektroniczne układy scalone.
Poznajemy również metody hodowania lub przechowywania żywności. Niektóre artykuły
spożywcze są konserwowane przez poddawanie ich działaniu promieni gamma. Przedłuża to
znacznie przydatność do spożycia, gdyż opóźnia procesy rozkładu.
 Rozwój techniki pozwolił skonstruować sondy i pojazdy kosmiczne, szczegółowo zbadać
Ziemię i oceany oraz poszerzyć tymczasową wiedzę o wszechświecie.
 Coraz powszechniej wykorzystuje się prawa fizyki w urządzeniach gospodarstwa
domowego i powszechnego użytku np.: motoryzacja, elektroakustyka, pralki, kuchnie,
roboty kuchenne, maszyny do szycia, zegarki, aparaty fotograficzne, kalkulatory,
zabawki, gry elektroniczne itd.
Np. naczynia Dewara stosuje się w gospodarstwie domowym (termosy), przemyśle i laboratoriach
naukowych (do przechowywania skroplonych gazów).


Wojna na świecie wymagała nowych rodzajów broni, w związku z czym przyspieszono
badania w tych dziedzinach. Już w 1949r. skonstruowano bombę, następnie superbombę i
broń termojądrową. Wykorzystanie radia do nadawania tajnych informacji wpłynęło na
rozwój radiotechniki i maszyn liczących (bez szybkiego przeliczania danych trudno było
myśleć o rozwoju fizyki). Po drugiej wojnie światowej zastosowanie elektroniki znacznie
się rozszerzyło w związku z rozwojem telewizji i elektroniki przemysłowej oraz
powstaniem nowych dziedzin techniki, ściśle z nią związanych, np. informatyki.
Fizycy, w 1947 roku, stworzyli pierwszy tranzystor, których każdy komputer zawiera
miliony; na potrzeby komunikacji między laboratoriami cząstek elementarnych został
stworzony w latach 70-tych ub. wieku Internet.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
5
NIEPUBLICZNA PLACÓWKA DOSKONALENIA NAUCZYCIELI PROTOTO

Szczególnie intensywnie rozwija się technika mikrofalowa (urządzenia radarowe). Duży
postęp obserwuje się w radiotechnice, telemechanice, telesterowaniu (zdalnym
przekazywaniu sygnałów sterujących) i telemetrii (zdalnym przekazywaniu sygnałów
pomiarowych). Postęp ten nie byłby możliwy bez wykorzystania osiągnięć elektroniki.
Bodźcem był między innymi rozwój lotnictwa i techniki rakietowej (pociski samo
sterujące). W tym czasie prowadzone są intensywne prace nad miniaturyzacją i poprawą
niezawodności urządzeń elektronicznych. Konstruuje się więc lampy i elementy
miniaturowe, później subminiaturowe, pozwalające na większe „upakowanie" oraz
elementy o zwiększonej trwałości.
Przewiduje się, że tak jak dawniej tak i w XXI stuleciu wkład fizyki do innych nauk i w ogóle
do rozwoju naszej cywilizacji i kultury będzie nadal niezwykle istotny, m. in. dla rozwiązania
takich globalnych problemów, jak: produkcja i składowanie energii oraz nowe jej źródła,
nowe materiały (szczególnie w zakresie nanotechnologii, ale nie tylko), technika przekazu
informacji, transport, zmiany klimatu, ochrona środowiska i ochrona zdrowia społeczeństwa.
Sukces naukowy i pomyślność wdrożeń we wszystkich tych dziedzinach muszą być
skorelowane z bazą solidnej, stale rozwijającej się wiedzy fizycznej.
Literatura:
1. Zbigniew Kamiński Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie techniczne, Wyd.
Naukowo – Techniczne.
2. Marta Skorko Fizyka. Podręcznik dla studentów wyższych technicznych studiów
zawodowych dla pracujących, Wyd. PWN.
3. Piotr Walczak, Grzegorz F. Wojewoda Fizyka i astronomia. Podręcznik dla kl. 1
Liceum i technikum, Wyd. Operon.
4. Sławomir Ziemicki, Krystyna Puchowska Bliżej fizyki. Podręcznik do gimnazjum cz.1,
Wyd. WSiP.
Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu „Przyroda”
6