با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به تعریف علم فیزیک بپردازیم. اگر علاقه‌مند هستید تا تعریفی ساده از فیزیک، حوزه‌های علم فیزیک و روش کار فیزیکدانان آشنا شوید، تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.
این مقاله می‌تواند برای دانش آموزان دوره اول و دوم متوسطه بسیار مفید باشد. چرا دانش آموزان با مطالعه این مقاله، یک دید کلی از چیستی فیزیک فرا خواهند گرفت و با علم به آن، راحت‌تر به مطالعه علم فیزیک در دروس علوم تجربی و یا فیزیک دوره دوم متوسطه خواهند پرداخت. البته این مقاله برای تمامی علاقه‌مندان به علم می‌تواند جذاب باشد …
فهرست مطالب این نوشته
تاریخچه پیدایش و گسترش فیزیک
می‌توان گفت که واژه فیزیک برگرفته از واژه باستانی یونایی Physis به معنی طبیعت و ماهیت است. بر اساس مطالب تاریخ مدون علم، فیلسوفان آسیای کوچک در سده هفتم قبل از میلاد حضرت مسیح (ع)، نخستین کسانی بودند که پرسش‌هایی در خصوص ماهیت بنیادی دنیای مادی و طبیعت (Physis) عنوان کردند. هرچند استدلال‌هایی که این فیلسوفان در توجیه باورهای علمی خود ارائه می‌کردند، منطبق بر شیوه استدلال علمی در عصر امروز نیست، ولی متناسب با آن زمان بسیار سطح بالا و خارج از تصورات خرافی مردم آن دوره بود.
باورهای علمی این فیلسوفان در سده پنچم قبل از میلاد مسیح (ع) در یونان و کشور‌های تحت نفوذ فرهنگ یونان باستان، نظیر مقدونیه، سوریه و مصر پیگیری می‌شد. به عنوان مثال، کارهای ارزشمند ارشمیدس (متولد سال ۲۸۷ قبل از میلاد) در خصوص مباحث استاتیک (ایستاشناسی) و هیدرواستاتیک (استاتیک سیالات) مربوط به همین دوران می شود. لازم به ذکر است که عموم روش‌های مطالعه و رهیافت حل مسئله ارشمیدس بر خلاف رهیافت سایر فیلسوفان آن دوره به روش‌های علمی امروزی بسیار نزدیک است.
دانشمندان ایرانی نظیر ابوریحان بیرونی، ابن هیثم و خواجه نصیرالدین طوسی و … نیز در زمینه‌های نجوم و اپتیک (نور شناسی) علم فیزیک را گسترش دادند. بسیاری از نتایج کاری این دانشمندان به عنوان اصل و پایه‌ای برای دانشمندان بعدی نظیر گالیله قرار گرفت.
گالیله توانست روش‌های جدیدی جهت بررسی دستگاه یا سیستم‌های ساده به واسطه اندازه‌گیری‌های تجربی و تجزیه و تحلیل ریاضی ارائه کند.
گالیله حرکت اجسام روی سطح شیبدار روا بررسی و مشخصه‌های اصلی حرکت را معرفی کرد. این مشخصه‌ها کمیت‌هایی قابل اندازه‌گیری نظیر جرم جسم یا زمان لازم بریا طی کردن یک مسافت معین بود. گالیله سعی کرد که رابطه‌ای بین اندازه‌گیری‌ها و نتیجه نهایی را به زبان ریاضی عنوان کند. با طی کردن چنین روندی، نظیر کارهای گالیله، می‌توان نتایج یک بررسی شامل چند اندازه گیری را اغلب به صورت یک جمله ساده خلاصه کرد. این جملات ساده بسیاری از اصل‌های علم فیزیک را عنوان می‌کنند. به طور مثال جمله زیر، می‌تواند جمله‌ای باشد که نتایج یک مطالعه، بررسی و اندازه‌گیری را به زبان ساده بیان می‌کند.
- یک جسم در حالت سکون (بدون حرکت) و یا دارای حرکت یکنواخت (شتاب ثابت) روی خط راست، حالت یا حرکت خود را حفظ می‌کند، مگر آنکه تخت تاثیر نیرویی قرار گیرد که آن نیرو منجر به تعییر حالت یا حرکت جسم شود.
گالیله نشان داد که قانون‌های طبیعت، از معادلات ریاضی عموماً ساده‌ای پیروی می‌کنند. از زمان گالیله تا به امروز، دانشمندان و فیزیکدانان در جستجو روابط ریاضی هستند تا نتایج اندازه‌گیری‌های مختلف در یک حوزه را به واسطه همین روابط ریاضی به یکدیگر مربوط کنند. امروزه اندازه‌گیری‌های فیزیکی با دقت‌هایی روز به روز بالاتر، در مقیاس‌های ریز نظیر هسته اتم، اتم، مولکول و …) و مقیاس‌های بزرک نظیر سازه‌‌های فیزیکی، زمین، سیارات، کهکشان‌ها و … انجام می‌شوند.
مفهوم‌های اساسی در علم فیزیک بر اساس اندازه گیری ها بیان می‌شوند. هدف هر نظریه فیزیکی، بیان چگونگی ارتباط نتایج چند اندازه‌گیری به یکدیگر است.
توجه داشته باشید که حتی اگر نظریه‌ای به صورت انتزاعی و مجرد بیان شده باشد، باز هم به پیش بینی‌هایی منجر می‌شود که تنها به واسطه عمل اندازه گیری قابل ارزیابی است.
ارکان علم فیزیک
در ادامه قصد داریم تا به معرفی و توصیف ارکان علم فیزیک بپردازیم. هدفی که علم فیزیک دنبال می‌کند، همانند هدف فیلسوفان یونان باستان است، یعنی یافتن ماهیت و طبیعت بنیادی هر آنچه در دنیای پیرامون ما است.
می‌توان گفت که روش فیزیک، همان روش گالیله است که بعد‌ها توسط نیوتون تکمیل شد. یعنی هر موضوع مورد نظری توسط تجربه (انجام آزمایش) و تجزیه و تحلیل ریاضی بررسی می‌شود. موضوع، دستگاه یا سیستم مورد مطالعه و بررسی در علم فیزیک می‌تواند بسیار ساده و ابتدایی و یا بسیار پیچیده باشد. به عنوان مثال:
- رها کردن یک جسم روی سطح شیبدار توسط گالیله
- چرخاندن یک چرخ پروانه دار در آب توسط ژول
- بررسی عناصر پرتوزهای کمیاب توسط رادرفورد
- بررسی ذرات بنیادی (ذرات تشکیل دهنده پروتون و نوترون) در شتاب دهنده‌ها
در دنیای فیزیک هنگامی که صحبت از تجربه می‌شود، منظور جمع‌آوری اطلاعاتی از رویداد یا موضوع مورد بررسی است. این جمع‌آوری اطلاعات عموماً به واسطه عمل اندازه‌گیری انجام می‌شود. با اندازه‌گیری‌های مختلف، ویژگی‌های مختلف دستگاه یا سیستم مورد بررسی مشخص می‌شود. لازم به ذکر است که مجموعه این فعالیت‌های تجربی را عموماً مشاهده می‌نامند. برای روشن این پاراگراف فوق مثال زیر را در نظر بگیرید. به عنوان مثال جمله زیر را به عنوان یک گزارش ارائه می‌دهیم:
- مشاهده می‌شود که با افزایش دمای یک جسم، حجم آن جسم نیز زیاد می‌شود.
منظورمان از جمله فوق این است که اندازه‌گیری‌های متعددی در دماهای مختلف و برای جسم‌های مختلف انجام شده و برای هر یک از آنها، حجم جسم مورد آزمایش با افزایش دما زیاد شده است. توجه داشته باشید که در علم فیزیک مهارت مشاهده و اندازه‌گیری از اصلی‌ترین ارکان آن به حساب می‌آید.
نتیجه مشاهده و اندازه‌گیری‌ها، شالوده کار در مرحله تجزیه و تحلیل ریاضی را فراهم می‌کند. فیزیکدانانی که بیشتر در زمینه طرح ریزی و انجام آزمایش‌ها و جمع‌آوری اطلاعات از طریق اندازه‌گیری پژوهش می‌کنند، فیزیکدانان تجربی نامیده می‌شوند.
به نظر شما فیزکدانان در مرحله تجزیه و تحلیل چه می‌کنند ؟! فیزیکدانان در این مرحله سعی می‌کنند که با بررسی دقیق و چندباره یافته‌های تجربی (مشاهده‌ها) که از عمل اندازه‌گیری‌های مختلف حاصل شده است، رابطه‌ای بین آنها برقرار کنند. برای انجام این کار، فیزیکدانان نه تنها نیاز دارند که رابطه‌های موجود را که در موردهای مشابه حاصل شده است را به خوبی بدانند، بلکه باید خلاقیت و توان تصور خوبی نیز داشته باشند.
چرا که رابطه‌ای که یک فیزیکدان بر اساس مشاهدات و اندازه‌گیری‌های خود بیان می‌کند، معمولاً بر اساس مدلی است که در ذهن خود و یا روی کاغذ از واقعیت ساخته است. در صورتی که این مدل به خوبی با واقعیت منطبق باشد، نه تنها به رابطه صحیحی بین نتایج تجربی منجر می‌شود، بلکه فیزیکدان می‌تواند بر اساس آن مدل، رابطه‌های دیگری را نیز پیش بینی کند.
به مجموعه‌ای از مدل‌ها و رابطه‌هایی که از طریق تجربه (مشاهده) به دست می‌آیند، نظریه یا تئوری گفته می‌شود. فیزیکدانانی که با تجزیه و تحلیل داده‌های تجربی (مشاهده‌ها)، نظریه می‌سازند، به فیزیکدانان نظری یا نظریه پرداز موسوم هستند.
این روندی که در این چند پاراگراف عنوان شد، از زمان گالیله تا به امروز، شیوه علمی رایج است. تا به امروز نظریه‌های فراوانی در حوزه‌های مختلف فیزیک عنوان شده‌اند که البته تمامی آنها نیز مورد قبول جامعه علمی فیزیکدانان واقع نشده‌اند. توجه داشته باشید که فرضیه را با نظریه اشتباه نگیرید. فرضیه همان‌طور که از نام آن مشخص است مبتنی بر فرضی است که تا کنون اثبات نشده است. در حالی که نظریه مبتنی بر مشاهدات و آزمایشات بوده و قابل استناد است.
به نظر شما، یک نظریه فیزیکی باید دارای چه ویژگی‌هایی باشد تا مورد قبول همگان (جامعه علمی) باشد ؟ شاید پاسخ دهید که نظریه باید با همه یافته‌های تجربی و سایر نظریه‌های معتبر و مورد قبول، سازگار باشد. این پاسخ درست است ولی کافی نیست. آزمون دیگری وجود دارد که در طول زمان، نظریه‌های علمی را محک می‌زند. در خصوص این آزمون می‌توانیم بگوییم:
دانشمندان به کمک مدل‌های ریاضی که در نظریه مطرح شده‌اند، پیش‌بینی‌هایی انجام می‌دهند. حال بر اساس این پیش‌بینی‌ها، آزمایشات جدیدی طرح ریزی و انجام می‌شود. در صورتی که نتایج این آزمایش‌ها با پیش‌بینی‌های ناشی از نظریه سازگار باشد، نظریه مذکور مورد تایید است. لازم به ذکر است که همین پیش‌بینی‌ها خود می‌توانند نظریه مذکور را کامل‌تر کنند.
اگر نظریه‌ای جدید در یک حوزه عنوان شود، دانشمندان در صورتی آن را می‌پذیرند و جایگزین نظریه قبلی می‌کنند که پیش‌بینی‌های آن از نظر کمی سازگاری بهتری با تجربه داشته باشند و یا تعداد بیشتری از پدیده‌های فیزیکی را توجیه کند.
کاربردهای فیزیک
گسترش دانش فیزیک تاثیر زیادی بر زندگی امروز ما داشته است. مطالعه هر بخش از جهان پیرامون ما، از کوچگترین مقیاس‌ها نظیر ذرات زیر اتمی تا بزرگترین مقیاس‌ها نظیر کهکشان‌ها، چه موجودات زنده و چه بی‌جان‌ها، بدون علم و دانش فیزیک امکان‌پذیر نیست. شما با فراگیری علم فیزیک می‌آموزید که:
- چگونه مشاهده کنید.
- چگونه بررسی کنید.
- چگونه آزمایش انجام دهید.
- چگونه آزمایشات را به صورت صحیح انجام و ثبت کنید.
- و چگونه برای دیگران نتایج خود از توضیح دهید و در مورد آن بحث و گفتگو کنید.
فراگیری دانش فیزیک، توانایی‌های شما را در انطباق با فناوری‌های مدرن و در حال تغییر، بالا می‌برد. در صورتی که شما با مفاهیم فیزیک، حتی فیزیک پایه آشنایی داشته باشید، بسیاری از پدیده‌ها را راحت تر متوجه شده و می‌توانید در مورد چرایی آنها فکر و گفتگو کنید.
توجه داشته باشید که علم فیزیک به ابزار ریاضی بسیار نیازمند است. جهت آموختن علم فیزیک، باید با کسب مهارت‌های ریاضی لازم، بتوانید نتایج و مفهوم‌ها را با جملات دقیق بیان کنید. در واقع جمله شما توصیف کننده رابطه ریاضی، و رابطه ریاضی توصیف کننده جمله شما در خصوص یک رخداد فیزیکی باشد.
امروزه در سراسر جهان، فیزیکدانان علاوه بر فعالیت در شاخه‌های مختلف علم فیزیک نظیر، فیزیک ماده چگال، اختر فیزیک، فیزیک هسته ای، فیزیک اتمی و مولکولی، فیزیک پلاسما، اپتیک، لیزر و فوتونیک، ذرات بنیادی و … در بسیاری از زمینه‌های آموزشی و مهندسی نیز مشغول به کاراند. توجه داشته باشید که اساسو پایه تمامی مفاهیمی که در علوم مهندسی بیان می‌شوند، از علم فیزیک نتیجه شده‌اند. به طور مثال مهندسی برق، چیزی فراتر از فیزیک الکتریسیته و مغناطیس و فیزیک حالت جامد نیست.
در زیر برخی از زمینه‌هایی که علم فیزیک در آنها بسیار پررنگ است، آورده شده است:
- فیزیک پزشکی؛ شامل ساخت ابزارهای پزشکی، فیزیک تندرستی، فیزیک برای معلولان و …
- کامپیوتر؛ شامل طراحی کامپیوتر، طراحی سیستم، روبات و ریزپردازنده‌ها و …
- سازمان‌های دولتی؛ شامل صنایع دفاعی، منابع انرژی، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، موسسات استانداردسازی و …
- آموزش: دبیرستان، آموزشگاه‌ها و دانشگاه‌ها و …
- هواشناسی؛ شامل اقیانوس شناسی و پیش بینی آب و هوا و …
- علم مواد؛ شامل متالوژی، مواد جدید، لایه‌های نازک و …
- ژئوفیزیک؛ شامل معدن شناسی، نفت، پالایش مواد معدنی، زلزله شناسی و …
- انرژی‌های نو؛ شامل انرژی‌های تجدید‌پذیر خورشیدی، باد، موج، ژئوترمال و …
- مخابرات، شامل فیبرهای نوری، ماهواره‌ها، مخابرات رادیویی و …
- فیزیک محیط زیست؛ شامل حفاظت در برابر پرتوها، کنترل صدا، کنترل آلودگی و …
- مهندسی؛ شامل شیمی، سازه، کنترل، برق، مکانیک، هسته‌ای و …
- صنعت: شامل هوا و فضا، صنایع شیمیایی، الکترونیک، غذایی، نفت، نیمه رسانا و …
مقالات آموزشی فیزیک
در لینک زیر، تمامی مقالات آموزشی وبلاگ بین جو در حوزه فیزیک به صورت کاملاً رایگان در اختیار شما است. این مقالات برای تمامی دانش آموزان دوره اول و دوم متوسطه مفید خواهد بود.
معرفی کانال فیزیک پلاس بین جو | دوره های آموزشی فیزیک
یکی از بخش‌های پلتفرم جامع بین جو، بخش دوره‌های آموزش ویدئویی است. در کانال فیزیک پلاس بین جو، تمامی مباجث فیزیک دبیرستان (دوره دوم متوسطه) به صورت مبحثی و با سطحی فراتر از کتاب درسی برای ۲۰ گرفتن در آزمون‌های پایان‌ترم، موفقیت در کنکور و آمادگی المپیاد برای شما عزیزان تدوین شده است. در هر عنوان قسمت‌هایی رایگان نیز وجود دارد که پیشنهاد می‌‌کنیم آنها را از دست ندهید.
تنها کافی است وارد لینک زیر شده و در قسمت (تب) دوره‌ها، ویدئو‌های مبحثی را مشاهده فرمایید.
امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد.
