Pedagogická poznámka: Tato hodina je netypická tím, že jde v podstatě o přednášku.

Transkript

1 .. Dějiny fyziky Předpoklady: Pomůky: BlakBox Pedagogiká poznámka: Tato hodina je netypiká tím, že jde v podstatě o přednášku. Fyzika z řekého fysis (příroda) původně označení univerzální přírodovědy, postupně se z ní vyčleňují přírodní (hemie, biologie) i tehniké vědy (stavitelství, strojírenství, elektrotehnika,...). Starověké Řeko je základem evropské ivilizae a místem vzniku vědy. Řeká fyzika: hledání pralátky (spojení s filosofií), stavitelství, navigae, předvídání budounosti astronomie. Některé úspěhy (změření poloměru Země, Arhimédův zákon, model parního stroje), ale řeká fyzika se nestala přírodní vědou v dnešním smyslu. Pravděpodobné důvody: málo pokusů, odpor ke spojování teorie s praktikou činností, odkazování na autority, malá tendene nahrazovat lidskou prái (levná práe otroků), pohyb sfér řídí jiné zákony než život na Zemi, matematika (zabývala se konstantními veličinami, pro popis přírody nedostačujíí). Aristoteles: Tělesa se snaží dosáhnout přirozené polohy (pád křídy na zem). Pokud heme pohybovat s předmětem jiným směrem, musíme působit silou (posunutí křídy po lavii). Ptolemaios: Geoentriký systém (lepší souhlas s pozorováním než tehdejší helioentriký systém). Jejih autorita brzdila další objevy déle než 000 let. Arhimédes: V mnoha ohledeh předběhl svou dobu, na jeho objevy už nikdo nenavázal. Pedagogiká poznámka: Když mluvíme o Aristotelovi, pokusy s křídou ukazuji a ptám se, jestli jsou Aristotelovi závěry správné. Zatím vždy se všem správné zdály. Pak se 300 let ni převratného nedělo. 49: objev Ameriky rozvoj lodní dopravy a obhodu rozvoj astronomie a stavitelství, matematiky (logaritmy). okolo roku 600: Galileo Galilei: pokusy se zryhleným pohybem, systematiká kvantitativní měření zákon setrvačnosti. 609: Johaness Kepler: Astronomia Nova: Keplerovy zákony, vítězství helioentrikého systému.

2 687: Isaa Newton: Philosophiae Naturalis Prinipia Mathematia: vznik klasiké fyziky: vše ve vesmíru se řídí stejnými zákony, pohybové zákony, gravitační zákon, odvození Keplerovýh zákonů, nová matematika (difereniální a integrální počet, základ dnešní vysokoškolské matematiky). Pedagogiká poznámka: U zákona setrvačnosti je dobré trohu zmínit, o vlastně říká a vysvětlit, že odporuje Aristetolovské fyzie. Rozhodně však nečekejte, že to bude mít dopad při výue Newtonovýh zákonů. Ryhlý rozvoj fyziky. Klasiké kolečko: Pozorování hypotéza testovatelné předpovědi pokus potvrzení nebo vyvráení hypotézy. Základní požadavek na pokus: Jeho popis musí umožňovat opakované provedení na libovolném místě se stejným výsledkem. Výhoda: Příroda prostřednitvím výsledků pokusů rozhoduje o tom, která z hypotéz je správná. Problém: Vždy měříme jen s určitou přesností. Pokud přesnost přístrojů není dostatečná, nedokážeme hypotézy rozsoudit. Ryhlý vzájemný rozvoj fyziky i tehniky (fyzika umožňuje konstruovat stále dokonalejší přístroje, stále dokonalejší přístroje umožňují provádět stále přesnější pokusy). Determinismus: Známe zákony, které určují pohyb každé částie ve vesmíru zjistíme jejih polohy a ryhlosti a můžeme dopočítat vše, o se v budounosti stane žádný prostor pro svobodnou vůli, elá budounost je rozhodnuta v tomto okamžiku (bez ohledu na to, zda ji dokážeme vypočítat nebo ne). 865: James Clerk Maxwell: Teorie elektromagnetikého pole: Shrnutí poznatků o elektřině a magnetismu do čtyř rovni, světlo je elektromagnetiké vlnění. Vlna sebeuspokojení: Fyzika je hotová věda, zbývá doplnit několik málo nepodstatnýh děr (profesor fyziky na univerzitě v Mnihově Phillip von Jolly přesvědčuje mladého Maxe Planka, aby nestudoval fyziku. Jeho talentu je na téměř uzavřenou vědu škoda). Několik málo nepodstatnýh děr se v rámi klasiké fyziky doplnit nikdy nepodařilo. Měření ryhlosti světla: Světlo se vždy přibližuje stejnou ryhlostí (bez ohledu na to, zda před ním utíkáme nebo mu běžíme vstří) z pohledu naší zkušenosti naprostý nesmysl, ale příroda se tak opravdu hová 905 Albert Einstein: Speiální teorie relativity, později obená teorie relativity. Při velkýh ryhlosteh (za přítomnosti velké hmotnosti) se prostor a čas hovají jinak než jsme zvyklí (současné události nejsou současné pro každého pozorovatele, různí pozorovatelé vidí jednu vě různě dlouhou a různě ryhle jim plyne čas...). Záření černého tělesa, fotoefekt, emisní spektra plynů klasiká fyzika nedokáže popsat hování mikročásti (atomy, elektrony,...) kvantová mehanika: částie se hovají jako

3 vlny a naopak (elektron vždy dopadne do jednoho bodu, ale při průhodu přes dvojštěrbinu, pozná, zda jsou obě díry otevřené), nemůžeme určit najednou jejih polohu a ryhlost, energie může nabývat pouze některé hodnoty, částie mohou projít zdí. Skutečnost můžeme popsat pouze statistiky (nemůžeme předpovědět, o přesně částie udělá, určitelné jsou jen pravděpodobnosti, se kterými mohou různé výsledky nastat). Vše je popsáno matematikým aparátem, který nám poskytuje ověřitelné předpovědi, ale zřejmě dosud nikdo dobře nehápe, o se na ním skrývá (například, jak to ty částie dělají, že jsou najednou na dvou místeh ). Jakou hodnotu má klasiká fyzika, když víme, že je špatně? Stále stejnou, její zákony odpovídají experimentům, které bylo možné provádět v době jejih vzniku. Výsledky těhto pokusů se nemění i nové teorie (relativita, kvantová mehanika) musejí vést v těhto podmínkáh k velmi podobným předpovědím (rozdíl mezi klasikou a moderní předpovědí je menší než tehdejší hyba měření). Nové teorie vznikly kvůli selhání klasiké fyziky v extrémníh situaí, které předtím nebylo možné zkoumat (velmi vysoké ryhlosti, velmi malé rozměry, obrovské hmotnosti hvězd ). Dilatae času (podle teorie relativity vidíme při pohledu na pohybujíí se předmět, že v něm čas plyne pomaleji) : t =. v vlak (ryhlost 90 km/h ): t = = s =, s v raketa (ryhlost, km/s ): t = = s =, s v V obou případeh jsou odhylky velmi malé, ale hlavně jsou daleko menší než hyby, se kterými dokážeme určit ryhlost vlaku (rakety) hyba způsobená špatnou klasikou fyzikou se při těhto ryhlosteh shová v hybě měření. Dodatek: Na složitýh vědekýh aparaturáh tyto rozdíly měřit můžeme. Například u GPS systém pak jsou započítány i opravy kvůli speiální i obené teorii relativity, bez nihž by přesnost zařízení klesla přibližně o řád. Pedagogiká poznámka: Pokud nepospíháte, nehte žáky spočítat dilatae na kalkulače. U vlaku vypočtou normální kalkulačky čistou. Za normálníh podmínek jsou předpovědi relativity takřka stejné jako klasiké fyziky, moderní fyzika je výpočetně daleko náročnější záleží na situai: oběh Země okolo Slune, stavba domů, výroba součástek na auta, klasiká fyzika, GPS, studium velmi hmotnýh hvězd, vývoj vesmíru, teorie relativity, uryhlovače, vývoj novýh látek, kvantová mehanika. Aktuální stav fyzikálního poznání Existují dvě základní teorie: 3

4 teorie relativity: popisuje hování velkýh těles na velkýh vzdálenosteh, při velkýh ryhlosteh a působení gravitační síly, kvantová mehanika (standardní model): popisuje hování mikrosvěta (elektriká, silná a slabá jaderná síla). Obě teorie jsou neslučitelné, obě špatně popisují situae, ve kterýh vládne druhá teorie. Obě dávají velmi blízké předpovědi (odpovídajíí předpovědím klasiké fyziky) pro běžné podmínky. Obě teorie jsou špatně hledání sjednoují teorie. Problém: současná tehnika nám neumožňuje provádět pokusy, které by rozhodly, která z hypotéz je správná (například standardní model předpovídá existeni částie Higgsův boson, která má být zodpovědná za hmotnost některýh části. Teprve nedávno otevřený uryhlovač LHC má být shopen dodat částiím dostatečnou energii, aby při jejih sráže bylo možné tuto částii detekovat). Co je vlastně ta fyzika? Příroda hraje svoji hru (všehno, o se okolo děje). My doufáme, že tato hra má svoje pravidla, která se snažíme vypozorovat. Každé pravidlo, kterého si všimneme, nám umožňuje připravit takové situae, které se podle pravidel přírody vyvinou a skončí pro nás výhodně (letadlo se vznese, najdeme další pravidlo v méně běžné situai). Nevíme, zda je možné pravidla kompletně popsat. Pravidla si nevymýšlíme, existují mimo nás a my se je snažíme pouze odpozorovat. Žádné z přírodníh pravidel (přírodníh zákonů) nemůžeme porušit (nejde to). Skutečnost, že letadla létají není překonáním přírody (porušením pravidel). Díky tomu, že jsme pohopili: zákon gravitační síly (táhne letadlo dolů), zákon pohybu (na přímočarý pohyb potřebujeme nulovou výslednou sílu), zákon pro proudění vzduhu (vzduh obtékají vhodně tvarované křídlo, na něj působí směrem vzhůru), můžeme postavit letadlo, které přesně podle těhto zákonů poletí. Není v tom žádné překonání přírody, naopak jde o naprosté podřízení se jejím pravidlům. Kdo mluví o vynálezeh jako o překonávání přírody a porušování jejih zákonů, míjí se zela s realitou. Přírodní zákon nejde porušit (na rozdíl od normálního) kdyby "Nezabiješ" byl přírodní zákon, neexistovali by vrazi (zastřelený člověk by se hned uzdravil, nebo by se od něj kulka odrazila, nebo ). Př. : Na lavii leží váleček. Do válečku strčíme prstem a rozkutálíme ho. Nakresli síly, které na váleček působí, když se rovnoměrně kutálí po lavii (a prst se již válečku nedotýká). Na váleček pouze tří síly: svisle dolů gravitační síla Země F g, svisle vzhůru vztlaková síla stolu F s, proti směru pohybu třeí síla F t. 4

5 Na kuličku nepůsobí žádná setrvačná pohybová síla ruky. Na kuličku působila ruka pouze, když se kuličky dotýkala (jde o tlakovou sílu působíí pouze při doteku). Od okamžiku, kdy se kuličky ruka přestala dotýkat, už na ni tato síla nepůsobí. směr pohybu kuličky F S F t F g Pedagogiká poznámka: Jen velmi vzáně se objeví smysluplný obrázek. Většina obrázků obsahuje gravitační sílu, tření a "pohybovou sílu, která neexistuje. Většinou hybí vztlaková síla stolu (ptám, o by takový váleček udělal). Na tomto místě rozhodně příliš neřešíme, jaké mělo být správné řešení. Většinou si jen ukážeme, že i když před hvilkou všihni slyšeli, že Aristotelovské představy o pohybu jsou špatné a platí zákon setrvačnosti, naprostá většina z nih setrvala ve starověku a na svýh představáh ni nezměnila. Pedagogiká poznámka: Způsob, kterým fyzika zkoumá svět, můžete poměrně snadno nasimulovat pomoí BlakBoxu. Nejjednodušší reálný BlakBox vyrobíte z krabie od bod, do které uděláte několik děr, navlečete několik provázků, které vevnitř libovolně provážete. Pak krabii zavřete a žái mají taháním provázků poznat, jak jsou vevnitř propojeny. Imaginární (počítaí) BlakBox představuje vzore, který určuje hodnotu z několika proměnnýh. Žái mají vzore odhalit tím, že navrhují jaké hodnoty dosadit, vy z nih tajně počítáte výsledek, který jim řeknete. Zadání i jejih výsledky píšete na tabuli. Celá hra doela věrně modeluje odhalování vzorů například tím, že velmi pomáhá udržovat všehny proměnné konstantní (nejlépe nulové) a měnit pouze jednu. Shrnutí: Fyzika jako věda stojí a padá s ověřováním pomoí experimentů. 5