de fysicus - Uitgeverij De Boeck

Wat is fysica?
Wat? Wie? Waarom?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
1
De onderzoekende fysicus
• Het doel van de wetenschappen is het
onderzoeken en begrijpen van de natuur - in
de ruimste zin - en de natuurverschijnselen.
• Tot de groep exacte wetenschappen behoren
de fysica, de chemie en de biologie.
• Geschiedenis en psychologie zijn
menswetenschappen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
2
Het studiegebied van de fysica
• Het studiegebied van de fysica omvat de studie
van de materie: van de bouw en het gedrag van
de stof of materie in zijn allerkleinste deeltjes
tot de studie van het heelal. We noemen dat
zuiver wetenschappelijk onderzoek.
• Wat is het doel van zuiver wetenschappelijk
onderzoek?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
3
Een betere kennis van de
natuur en het heelal!!
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
4
Fundamenteel wetenschappelijk
onderzoek
De astronoom
bestudeert de
beweging van planeten
en sterren.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
5
Fundamenteel wetenschappelijk
onderzoek
Fysici ontwerpen
nieuwe
satellietcommunicatiesystemen en
astrofysici detecteren
straling uit het heelal.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
6
Fundamenteel wetenschappelijk
onderzoek
Atoomfysici
gebruiken de
eigenschappen van
atomen om nieuwe
materialen te maken.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
7
Toegepast wetenschappelijk
onderzoek
• Technische toepassingen van de fysica dragen
bij tot het oplossen van de grote problemen van
de mensheid en de huidige samenleving: de
voedselproblematiek, gezondheid en hygiëne,
onderwijs, communicatie, verkeer, milieu en
milieuzorg, energiebevoorrading… meestal is dit
toegepast wetenschappelijk onderzoek.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
8
De fysicus zorgt voor ons...
• Fysici ontwikkelen hulpmiddelen voor
gehandicapten...
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
9
• …en spelen een belangrijke rol in de
beveiliging van gevaarlijke werkzones.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
10
• Fysici ontwerpen betere methodes om je gehoor en
zicht te testen...
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
11
• …en allerlei scanners voor het opsporen
van ziektes.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
12
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
13
• Fysici ontwerpen bijzondere technieken
voor het opsporen van waterreserves
voor landbouw in woestijngebieden.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
14
• Fysici ontwerpen toestellen en
technieken om milieuvervuiling op te
sporen en te meten.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
15
De fysicus is werkzaam in de
meest uiteenlopende vakgebieden
• De fysicus is alomtegenwoordig…….in
de ruimte ….
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
16
• ... op gevaarlijke plaatsen….
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
17
...in industrie, kerncentrales,
onderwijs, telecommunicatie...
• Dankzij fysici kan
men beter
sportmateriaal
ontwerpen...
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
18
• …en kunnen sterkte, veiligheid, prestatie en
zuinigheid van sportwagens verbeterd
worden
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
19
De fysicus werkt in de
energiesector
• Niet alleen in klassieke
centrales maar ook bij
vernieuwende
technieken als zonneenergie en windenergie
vind je fysici.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
20
En in de meteorologie….
• Fysici ontwerpen
meetinstrumenten voor
de weerkunde en het
onderzoek van het
klimaat, de ozonlaag,
het broeikaseffect…..
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
21
De fysicus werkt interdisciplinair!
Samen met de biologen worden ecosystemen onderzocht….
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
22
• Fysici werken samen met architecten om
prachtige gebouwen met een schitterende
akoestiek te ontwerpen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
23
• Fysici helpen archeologen, historici en
kunsthistorici om objecten te dateren en
vervalsingen te ontdekken.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
24
• Fysici ontwerpen supersnelle
transportmiddelen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
25
• Fysici ontwikkelen methoden om bewijzen te
verzamelen in het misdaadonderzoek.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
26
Ken je zelf nog voorbeelden?
•
•
•
•
……………………………………….
En wat is halfgeleiderfysica?
Nanotechnologie?
Lasertechnologie?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
27
De wetenschappelijke methode
Hoe?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
28
Alle wetenschappen gebruiken de
wetenschappelijke methode!
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
29
•
Wat is de wetenschappelijke
methode?
Alles begint met een
probleemstelling of een vraag en
waarnemingen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
30
• Maar zijn onze zintuigen wel zo betrouwbaar?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
31
• Lopen de horizontale lijnen evenwijdig?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
32
Waarnemen...
• Kijk goed…….
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
33
Meten...
• Meten of uitvoeren van metingen is een
onderdeel van de wetenschappelijke methode.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
34
Informatie verzamelen.
• Sommige waarnemingen geven
aanleiding tot meten
• Maar meten doe je niet zomaar.
• Bepaalde waarnemingen stemmen
tot nadenken.
• Je gaat informatie verzamelen
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
35
Over hypothesen en theorieën...
• Meten doe je niet zonder reden.
• Je hebt een idee: je hebt
hypothesen of
veronderstellingen van hoe het
zou kunnen ineenzitten en je
formuleert een onderzoeksvraag.
• Je hebt een theorie.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
36
Het belang van experimenten...
• Je bedenkt en ontwerpt experimenten om de
natuurverschijnselen na te bootsen en te
onderzoeken in een laboratorium en om je
onderzoeksvraag te testen.
• Daarbij kun je de invloed van meerdere
factoren nagaan.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
37
Wetten en formules...
• Je voert metingen uit, rangschikt ze en
zoekt naar verbanden, bijv.een wiskundig
verband.
• Je vindt een formule of een wet.
• Essentieel in de wetenschap is dat die wet
of formule altijd moet gelden en door
iedereen geverifieerd moet kunnen worden.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
38
• Het experiment is het sluitstuk van een
theorie, het moet het bewijs leveren dat de
theorie en de hypothesen juist zijn.
• Met je besluiten moet je nu de
probleemstelling of de waarnemingen van bij
de start kunnen verklaren!
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
39
Wat wordt hier bedoeld?
• Nou collega, dit is een
knap stukje werk.
Maar wat denk je: zou
dat altijd geldig zijn,
of soms of nooit?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
40
Het model
Wat? Waarom?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
41
Over dingen die je niet kan zien...
• De detective probeert zich een idee te vormen van wat
echt gebeurd is op basis van enkele feiten en gegevens.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
42
• Wanneer een kernfysicus wil weten wat er
gebeurt in de kern van een atoom zal hij - net
als de detective - een beschrijving geven van
wat hij niet kan zien! Hij ontwerpt een model.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
43
• Met een model probeert de
kernfysicus de dingen te verklaren
die we wel kunnen waarnemen.
• Het is als onderzoeken wat in een
doos steekt zonder dat je deze mag
openmaken...
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
44
Het model
• Het model en de vooropgestelde hypothesen
zijn aanvaardbaar indien ze de
waarnemingen kunnen verklaren.
• Als je bij een experiment een waarneming
doet die niet in overeenstemming is met het
vooropgestelde model, dan moet je het
model aanpassen, verfijnen of corrigeren.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
45
Het deeltjesmodel
• Ken je nog de hypothesen van dit model van de materie?
• Welke eigenschappen van de materie kan je ermee
verklaren?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
46
Iets nieuws: computermodellen
• Het
computerexperiment
of de simulatie.
• Bijvoorbeeld:
simulaties van
elektrische kringen
met het programma
ElektriX.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
47
• Op het internet vind je
talrijke simulaties van
fysische verschijnselen: we
noemen ze applets.
• Hier zie je een applet
waarmee je de
beeldvorming bij de bolle
lens kan oefenen.
• Je kan het voorwerp
verplaatsen met de muis.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
48
Het atoommodel
Het model waarmee we de bouw van
de materie verklaren.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
49
Waaruit is alles opgebouwd?
• Volgens de Griekse
filosoof Empedocles
(495v.C - 430? v.C)
was alle materie
opgebouwd uit de 4
elementen: aarde,
vuur, lucht en water.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
50
Het atoom doet zijn intrede...
• De Griekse filosoof
Democritus ( 460-370
v.C.) stelde dat alle
materie bestaat uit
ondeelbaar kleine
deeltjes. Hij noemde
dit deeltje “atoom”.
•  betekent
ondeelbaar.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
51
Een paar eeuwen vergeten maar
weer terug….
• In 1808 wordt dergelijk
deeltjesmodel door Dalton
voorgesteld om de
eigenschappen van gassen te
kunnen verklaren.
• Zo ziet het atoom eruit:
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
52
Elementen en verbindingen
• Er zijn slechts een beperkt aantal
atoomsoorten in de natuur: we noemen ze
elementen.
• De atomen van één stof of element zijn
allemaal identiek aan elkaar maar
verschillen van de atomen van een andere
stof, zo is bijv. een koperatoom verschillend
van een ijzeratoom.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
53
Elementen en verbindingen
• Alle andere stoffen zijn verbindingen.
• Het kleinste deeltje van een verbinding heet
een molecule. Verbindingen zijn
opgebouwd uit identieke moleculen.
• Zo bestaat water uit moleculen. Zo’n
molecule water is opgebouwd uit atomen
van de atoomsoorten zuurstof en waterstof.
Daarover leer je in de chemie...
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
54
Het elektron doet zijn intrede
• Rond de jaren 1880 ontdekt
men dat het atoom deelbaar
is en kleine , elektrisch
negatief geladen deeltjes
bevat! Dit deeltje wordt het
elektron genoemd.
• In 1898 voert J. Thomson
experimenten uit om de
massa en de lading van het
elektron te bepalen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
55
Het plumpuddingmodel
• Vermits een atoom elektrisch
neutraal is moet het even veel
positieve als negatieve lading
bevatten!
• Thomson stelt het
“plumpuddingmodel” voor
met het atoom als positieve
bol met daarin de negatieve
elektronen als rozijnen
verspreid.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
56
Een nieuwe verfijning van het
model
• In 1911 ontdekt Rutherford
op basis van experimenten
dat de materie niet
homogeen verdeeld is over
het atoom maar is
samengebald in een kleine
kern.
• In de grote leegte daar rond
draaien de elektronen.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
57
Het nieuw atoommodel
• In 1913 werkt Niels
Bohr het
“planetenmodel” van het
atoom helemaal uit.
• In de kern zit nagenoeg
alle massa en de
elektronen draaien rond
de kern in een lege
ruimte.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
58
Het planetenmodel
• En zo ziet het
nieuwe model er
uit in 1913.
• De elektronen
bewegen op vaste
banen
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
59
De elektronenwolk
• En tegenwoordig
spreekt men van een
“elektronenwolk”
• De positie van het
deeltje is onbepaald,
we spreken van een
“waarschijnlijkheid”
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
60
En nog een nieuw deeltje!
• In 1919 toont Ernest Rutherford het bestaan
van het proton aan.
• Het proton is een kerndeeltje dat elektrisch
positief geladen is: het heeft dezelfde lading
als het elektron maar met tegengesteld teken.
• Bij een neutraal atoom zijn er evenveel
protonen in de kern als elektronen er rond.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
61
Nog een nieuw deeltje!
• In 1931 ontdekt
Chadwick het neutron.
• Het neutron is
elektrisch neutraal en
ongeveer even groot
en zwaar als het
proton.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
62
De nucleonen
• Protonen en neutronen vormen
de kern. We noemen ze
nucleonen of kerndeeltjes.
• Samen met de elektronen
worden ze beschouwd als de
ondeelbare bouwstenen van de
materie.
• Men noemde ze daarom
elementaire deeltjes.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
63
En toch niet ondeelbaar!
• In 1933 ontdekt men nieuwe deeltjes in de
kosmische straling.
• Vanaf 1953 is er een ware lawine aan nieuwe
deeltjes.
• Het fundamenteel onderzoek naar de bouw
van de materie gebeurt in het CERN te
Genève
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
64
De quarks
• Sinds 1964 neemt men
aan dat ook protonen en
neutronen opgebouwd
zijn uit kleinere
bouwsteentjes: de quarks
• De naam “quark” werd
gegeven door Murray
Gell-Mann (foto) en
George Zweig.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
65
• Elk proton en neutron
is opgebouwd uit 3
quarks.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
66
• Enkel het elektron en
de quark lijken
ondeelbaar en worden
tegenwoordig
beschouwd als
elementaire deeltjes.
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
67
Zo ziet het atoommodel eruit in
2003!
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
68
Fysica in de beroepswereld
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
69
De fysicus is veelzijdig en heeft...
• zeer goede wiskundige
kennis.
• een onderzoekende geest
• een goed
waarnemingsvermogen
• aanpassingsvermogen
• probleemoplossende
vaardigheden
• goede sociale
vaardigheden
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
70
Beroepsmogelijkheden voor fysici in...
•
•
•
•
•
•
•
•
•
onderwijs
gezondheidszorg
vrije tijd en recreatie
energie
communicatie
ruimtevaart
milieu
industrie
transport
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
71
Hoe herken je een fysicus?
• Een gekke professor??…..
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
72
een zonderling als Barabas of
Zonnebloem?
• …
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
73
En wie is deze fysicus?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
74
Test je kennis...
• Wie is dit koppel op
de foto?
• Wat is zijn bekendste
werk?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
75
Ken je deze vrouwelijke fysicus?
• Wat heeft zij
ontdekt?
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
76
Kleurcartoons: The Institute of
Physics Education London.
Zwart-wit: A. Oosterlinck,
Uitgeverij De Boeck Antwerpen
Sirius 3 - Marc Beddegenoodts, Sonja De Craemer, Nicole Fux - Uitgeverij De Boeck
77