Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki. Fizyka 1/F1. Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki. Źródła i zasoby. Paweł Machnikowski. 12 godzin tygodniowo!

Transkrypt

1 Fizyka 1/F1 Paweł Machnikowski Katedra Fizyki Teoretycznej WPPT Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki Wykład notatki Ćwiczenia Konsultacje Praca własna Dydaktyka Fizyka 1 12 godzin tygodniowo! 1 2 Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki Wykład notatki Ćwiczenia Konsultacje Dyskusje i praca w grupie Praca własna (albo w grupie) przegląd i uzupełnienie notatek (praca z podręcznikiem) uzupełnienie wiedzy matematycznej lektura obowiązkowa i uzupełniająca przygotowanie ćwiczeń rozwiązywanie zadań przegląd treści kolejnego wykładu? Notatki z wykładu Podręczniki Internet: Google, Wikipedia, Źródła i zasoby Internetowe zasoby fizyczne (applety, artykuły, materiały do wykładów,...) 3 4

2 Nauka Porządkowanie rzeczywistości Nauka Formalne, falsyfikowalne modele, poddane próbie doświadczenia wiedza oparta na faktach Formalność: Zasady fundamentalne Modele (uproszczone) celowość (Arystoteles: przyczyna celowa) związki przyczynowe (Arystoteles: przyczyna sprawcza) Powtarzalność i podobieństwo zjawisk; wiara w sensowność przyrody intuicyjna fizyka Zdefiniowane pojęcia Określone reguły wnioskowania matematyka! Model = struktura matematyczna + interpretacja Uproszczona reprezentacja (idealizacja) zjawiska Utworzony ze względu na określony cel Umożliwia formalną (matematyczną) analizę Abstrakcja: konkret (jednostkowe zjawisko) abstrakt (pojęcie, niepoznawalny zmysłowo) 5 6 Metoda naukowa Empiryzm (Francis Bacon, ) Eksperymenty na granicy wiedzy i niewiedzy; gromadzenie rzetelnych danych abstrakcja Hipoteza: zdanie ogólne uwzględniające jednostkowe obserwacje i określające związki przyczynowe między nimi gromadzenie faktów obserwacyjnych Teoria: logicznie spójny system praw i zasad, wyjaśniający pewną klasę obserwacji w języku formalnego modelu Żadna liczba obserwacji szczegółowych nie dowodzi twierdzenia ogólnego (David Hume, ) Nie da się empirycznie dowieść bezwzględnej regularności zjawisk, bo nie można obserwować zjawisk przyszłych (Wikipedia) Współczesna metoda naukowa początki Isaac Newton ( ): Rezygnacja z poszukiwania przyczyn transcendentnych Model matematyczny zjawisk fizycznych: równania różniczkowe formalna przyczynowość Ilościowa analiza zjawisk metodami matematyki Przyroda jest matematyczna i zrozumiała a mogłaby być matematycznie transcendentna, zbyt skomplikowana być może nawet amatematyczna/irracjonalna 7 8

3 Matematyczność przyrody Współczesna metoda naukowa matematyka model wnioski rozumowanie matematyczne obserwacje (dane wejściowe) przewidywanie (dane wyjściowe) przyroda zjawisko inne (nowe) zjawisko Formalne uprawomocnienie twierdzeń naukowych: falsyfikowalność (Karl Popper, ) Teoria naukowa powinna jasno i precyzyjnie definiować możliwości jej odrzucenia Teoria jest stopniowo uwiarygodniana przez testy doświadczalne; nie można jej w ścisłym sensie dowieść Nowe obserwacje (zwykle) jedynie zawężają zakres stosowalności teorii Wiedza naukowa jest zawsze przybliżona i prowizoryczna nowa informacja niezawarta w danych obserwacyjnych przewidywane zjawisko faktycznie zachodzi Równania są mądrzejsze niż ci, którzy je napisali (Heinrich Hertz) 9 10 Jak powstają teorie naukowe? Rewolucje naukowe (Thomas S. Kuhn, ) Powstawanie teorii fakty obserwacyjne, formalizm matematyczny, wyobraźnia, moda, czynniki społeczne Kryteria akceptacji teorii: prostota, jedność, ciągłość, zakres wyjaśnianych i przewidywanych zjawisk, czynnik ludzki (anarchizm metodologiczny Paul Feyerabend, ) Teorie nie powstają i nie są uprawomocniane indukcyjnie (empirycznie) Fizyka Fundamentalne prawa przyrody; wiara w ich ostateczną prostotę i jedność Unifikacje: nauka o cieple + mechanika mechanika statystyczna (A. Avogadro, J. C. Maxwell, XVII-XIX w.) elektryczność + magnetyzm teoria pola elektromagnetycznego (J. C. Maxwell, XIX w.) oddziaływania elektromagnetyczne i słabe teoria oddziaływań elektrosłabych (S. Weinberg, Abdus Salam, 1967) 11 12

4 Ogólny obraz przyrody Atomy, cząstki elementarne, kwarki,... + oddziaływania Polowy obraz oddziaływań; realność pól; nośniki oddziaływań; przyczynowość Rola symetrii i niezmienniczości; geometryzacja Kwantowa natura świata w małej skali: zasada nieoznaczoności, indeterminizm, splątanie (korelacje kwantowe), związek z informacją Wszechświat w wielkiej skali: oddziaływania grawitacyjne: układy planetarne, gromady, galaktyki, gromady galaktyk; związek rozkładu masy z geometrią przestrzeni; osobliwości: granica współczesnej wiedzy Fizyka założenia Obojętność w stosunku do istnienia realnego świata (badane są modele oparte na wrażeniach zmysłowych; nie ma w rtamach nauk przyrodniczych przejścia do rzeczy samej w sobie) Matematyczność (zrozumiałość przyrody) Idealizowalność przyrody: uproszczone modele przybliżają rzeczywiste zjawiska ( obserwacyjna stabilność ) Elementarność przyrody: istnieje poziom pierwotny (formalizm matematyczny) Jedność przyrody: jedność metody; unifikacje w fizyce Mechanika Fizyka program kursu kinematyka i dynamika nierelatywistyczna sprężystość, fale elementy szczególnej teorii względności elementy hydrodynamiki Teoria kinetyczna i termodynamika Elektrodynamika Oddziaływania cząstek naładowanych, pola, fale elektromagnetyczne Elementy fizyki współczesnej Sem. 1 Sem. 2 Teoria kwantów, fizyka atomowa i jądrowa, cząstki elementarne, ogólna teoria względności, astrofizyka, kosmologia Sem. 3 Wielkości fizyczne Pomiary wyniki liczbowe wielkości fizyczne Określenie wielkości porównanie z wzorcem jednostki miar; układ SI Jednostki podstawowe definicja operacyjna lub wzorzec czas sekunda (s) okresów oscylacji mikrofal emitowanych przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2 S 1/2 atomu cezu długość metr (m): droga przebywana przez światło w czasie 1/ s masa kilogram (kg): wzorzec Jednostki pochodne równanie definiujące np. energia dżul (J): 1 J = 1 kg m 2 /s 2 Przedrostki Wymiar wielkości fizycznej: T, L, M,

5 Wielkości fizyczne Zgodność wymiarów i jednostek w równaniach Zamiana jednostek Niepewność pomiaru i cyfry znaczące; postać wykładnicza liczb i notacja naukowa Rząd wielkości i oszacowania Wielkości wektorowe 17