Fizik 12 Ders Kitabı - Ortaöğretim

ORTAÖĞRETİM
Fİzİk 12
DERS KİTABI
YAZARLAR
Komisyon
DEVLET KİTAPLARI
ÜÇÜNCÜ BASKI
……………………., 2013
MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI YAYINLARI................................................................................. : 5666
YARDIMCI VE KAYNAK KİTAPLAR DİZİSİ .......................................................................... : 387
13.?.Y.0002.4177
Her hakkı saklıdır ve Millî Eğitim Bakanlığına aittir. Kitabın metin, soru ve şekilleri kısmen de olsa
hiçbir surette alınıp yayımlanamaz.
EDİTÖR
Prof. Dr. Salih ÇEPNİ
DİL UZMANI
Asiye CİHAN
GÖRSEL TASARIM UZMANI
Adem Yavuz HIZAL
PROGRAM GELİŞTİRME UZMANI
Vedat UZUNER
ÖLÇME - DEĞERLENDİRME UZMANI
Yurdagül GÜNAL
REHBERLİK UZMANI
Adem POLAT
ISBN 978-975-11-3569-8
Millî Eğitim Bakanlığı, Talim ve Terbiye Kurulunun 17.06.2011 gün ve 4376 sayılı yazısı ile eğitim
aracı olarak kabul edilmiş, Destek Hizmetleri Genel Müdürlüğünün 03.04.2013 gün ve 439650 sayılı
yazısı ile üçüncü defa 271.000 adet basılmıştır.
ÖN SÖZ
Öğretim programları birçok ülkede, ihtiyaçlar doğrultusunda, uzmanların yaklaşık beş yılda bir araya
gelmesi ile köklü değişimlere uğramakta veya tamamen değiştirilmektedir. Örneğin, Avrupa Birliği (AB) üye
ülkeleri komisyonlar oluşturarak bu ülkelerdeki eğitimin kalitesini artırmak için sürekli çalışmaktadırlar. Bu
süreçte, üst düzey düşünme yetenekleri, bilgi ve iletişim teknolojileri, yapısalcı veya yaşam temelli öğrenme
yaklaşımları, alternatif ölçme - değerlendirme yaklaşımları gibi kavramlar öğretim programlarında yeni
eğilimler ve ortak kavramlar olarak tanıtılmaktadır. Ülkemiz açısından bakıldığında Ortaöğretim Fizik Dersi
Öğretim Programı yirmi yılı aşkın bir süredir önemli bir değişikliğe uğramamıştır. Bu program, davranışçı
öğrenme kuramını temel almıştır. Bu süreçte hazırlanan fizik ders kitapları, öğretmenlerin kitaplardaki bilgileri
daha çok düz anlatım yöntemi kullanarak sunabilecekleri bir tarzda yazılmıştır. Çağımızda ise öğrencinin
aktif olduğu, yaparak - yaşayarak bilgiye ulaştığı, öğrencinin zekâ türüne uygun öğretilerle kavramların
irdelendiği, değerlendirmede alternatif ölçme - değerlendirme yaklaşımının birçok tekniğinin kullanıldığı
ve performans gelişimine odaklanan öğrenme kuramlarının savunulduğu fikirler ön plana çıkmaktadır.
Dolayısıyla bu fikirleri yansıtacak fizik ders kitaplarına ihtiyaç duyulmaktadır. 2009 yılında geliştirilen 12.
Sınıf Fizik Dersi Öğretim Programı’nın çağa uygun öğrenme anlayışlarına paralel şekilde, hızlı değişimlere
ayak uydurabilecek, esnek ve dinamik bir yapıya sahip olduğuna inanılmaktadır.
2009 12. Sınıf Fizik Dersi Öğretim Programı’nın temel yapısı aşağıdaki modelde gösterilmiştir. Modelde
beceri ve bilgi kazanımları sırasıyla ağaç, kök ve meyve ile temsil edilmektedir. Bilgi ve beceri kazanımlarının
dönüşümlü olarak birbirini desteklediğini göstermek için modelde su damlası benzetmesi kullanılmıştır.
DALGALAR
ELEKTRİK VE ELEKTRONİK
MODERN FİZİK
KUVVET VE HAREKET
ATOMLARDAN KUARKLARA
MADDE VE ÖZELİKLERİ
FİZİĞİN DOĞASI
Tutum
Problem
Çözme
Becerileri
Bilişim ve
İletişim
Becerileri
Fizik
ve
Teknoloji
Değerler
Toplum
Çevre
Kazanımları
Problem
Çözme
Becerileri
Bilişim ve
İletişim
Becerileri
Fizik
Teknoloji
Toplum
Çevre
Kazanımları
Tutum
ve
Değerler
2009 12. Sınıf Fizik Dersi Öğretim Programı’nın Temel Yapısı (MEB, 2009).
VII
Yeni programın başarıya ulaşması için öncelikle Fizik Dersi Öğretim Programlar’ımıza yeni giren Yaşam
(Bağlam) Temelli Öğrenme ve Yapısalcı Öğrenme Yaklaşımları, Problem Çözme Becerileri (PÇB), Bilişim
ve İletişim Becerileri (BİB), Fizik - Teknoloji - Toplum - Çevre (FTTÇ) Yaklaşımı, Tutum ve Değerler (TD) ve
Alternatif Ölçme ve Değerlendirme Yaklaşımı gibi konu veya kavramların öğretmenler tarafından çok iyi bir
şekilde anlaşılması gerekmektedir. Bu kavramlar aşağıda özetlenmiştir.
A. Yaşam (Bağlam) Temelli Öğrenme Yaklaşımı
Yeni programlarda bağlam kavramı; öğrencilerin günlük yaşantıda karşılaştığı veya karşılaşabileceği
gerçek bir durumdan, bir olaydan, bir olgudan veya günlük yaşantıda kullandığı veya yakından tanıdığı bir
teknolojik araçtan yola çıkarak ünitede verilmek istenen konu veya kavramları, ilişkilendirme anlamında
kullanılmaktadır.
Okul bilgisi ile yaşam bilgisinin birbiriyle olan ilişkisi, fizik kitaplarına çok az yansıdığından ülkemizde birçok
öğrenci, fizik derslerini sıkıcı bulmakta ve haklı olarak “Bu dersleri bizlere niçin okutuyorlar? Fizik derslerinde
anlatılan bilgilerle gerçek yaşantımızda hangi sorunlarımızı çözebiliriz ki?” gibi sorular sormaktadırlar.
Geleneksel fizik kitaplarında ve derslerinde bu soruların cevaplarını bulamayan öğrencilerin fizik derslerine
olan ilgileri azalmakta ve öğrenciler buna paralel olarak fizik derslerinde başarısız olmaktadırlar. Ayrıca fizik
derslerini seçen öğrenci sayısında her geçen gün bir düşüş yaşandığı da gerçektir.
Bağlam temelli öğrenme yaklaşımı; öğrencilerin günlük yaşantıda karşılaştıkları bir olayı veya günlük
yaşantıda kullandıkları ve yakından tanıdıkları teknolojik bir aracı temel alarak ünitede geçen konu veya
kavramların bu olay veya araç ile olası bağlantılarını kuran bir yaklaşımdır. Yapısalcı öğrenme kuramı ile iç
içe olduğu bilinen bu yaklaşımın amacı, öğrencilerin edindikleri bilgileri yeni durumlara transfer edebilmelerini
sağlamaktır.
Bağlamsal öğrenmede çok etkili olduğu bilinen ve kullanılan stratejiler; çok etkili olarak bilinen
öğretmenleri kapsayan çalışmalardan elde edilen sonuçlar, öğretmenlerin derslerinde vurgu yaptıkları beş
önemli hususu ortaya çıkarmıştır. Bu konular bağlamsal öğrenme yaklaşımının benimsediği stratejiler olarak
tanımlanmıştır. Bunlar;
a) İlişkilendirme: En kuvvetli bağlamsal öğrenme stratejisi olarak kabul görmektedir. Öğrencilerin
ön bilgileri ve hayat tecrübeleri ile öğrenecekleri bilgiler arasında ilişki kurmalarını, bilgileri anlamlı
öğrenmelerini sağlayacaktır. Öğrenciler genellikle yeni bilgiyi, benzer bilgilerle kolayca ilişkilendiremezler.
Bu nedenle öğretmenler öğrencilere gerçekle uyumlu durumlar sunmak için bu süreci dikkatle planlamalı ve
örneklendirilen olayları gerçek yaşam kesitinden almalıdırlar. Öğrencilerin ilgisini çekmek amacıyla günlük
yaşantıda karşılaşılan olaylar ve kullanılan teknolojik araçlarla ilgili kavramlar arasında bağlantılar kurarak
derse başlamak da öğrencilerin fiziğe karşı olan tutumunu pozitif yönde etkileyecektir.
b) Tecrübe etme: İlişkilendirme; öğrencilerin sınıfa getirdikleri yeni bilgileri, birikimleri ve ön bilgileri
birleştirmeleriyle mümkündür. Öğrenciler tecrübe ve ön bilgi yönünden yeterli düzeye ulaşmamışlarsa
bu ilişkileri görmeleri oldukça zordur. Bu aşama, daha çok onların karşılaşacakları yeni bir durumu
anlamalarında veya bir problemi çözmelerinde gerekecek bilgi ve becerileri geliştirmeleri için kullanılır.
Bu aşamada öğrencilerin keşfetme, bulma, icat etme yolu ile yaparak ve yaşayarak öğrenmeleri gerekir.
Laboratuvarlarda yapılan deney veya etkinliklerin yanında, problem çözme aktiviteleri (öğrencilerin problem
çözme becerisi, analitik düşünme, iletişim kurma, grup etkileşimini geliştirme) ve soyut kavramları model ve
benzetimler kullanarak anlamaları kritik öneme sahiptir.
c) Pratik yapma / Uygulama: Öğrencilerin kavramları gerçek yaşamda kullanıp bunlardan fayda
sağlamak için gayret sarf ettikleri aşamadır. “Günlük yaşantıda hangi olaylar veya teknolojiler öğrendiğim
kavramlarla ilişkilidir?” Düşüncesi ile hareket eden öğrenciler, günlük yaşantıdan bulabildiği kadar özel
örnekler bulurlar ve bu örneklerle öğrenilen kavramın nasıl bir bağlantı içerisinde olduğunu sorgularlar.
Onların bu süreçte, öğrenilen bilgilerin, pratikte bir işe yaradığı veya merak ettikleri olayların açıklamalarına
katkı sağladığı yönünde bir anlayış geliştirmeleri mutlaka sağlanmalıdır.
VIII
ç) İş birliği oluşturma / Grupla çalışma: Grup çalışmaları bireysel çalışmalara oranla öğrenci başarısını
ve motivasyonunu oldukça arttırdığı kabul gören bir ilkedir. Problem çözme aktiviteleri, çoğu zaman gerçekle iç
içe olduğundan karmaşıktır. Öğrenciler, bireysel çalıştıklarında ve öğretmenlerinden yardım alamadıklarında
çalışmaları, çoğunlukla olumsuz olarak neticelenmektedir. Oysa öğrenciler, problemler üzerinde küçük
gruplar oluşturarak iş birliği içinde çalışırlarsa dışarıdan küçük bir yardımla problemi çözebilirler. Çünkü
öğrenciler akranlarıyla birlikte çalıştıklarında bireysel stres ve kaygı düzeyleri azalır. Arkadaşlarına rahatlıkla
sorular sorar, fikirlerini başkası ile paylaşır ve kendilerine olan güven duygularını geliştirirler. Bu yolla fikir
veya bilgilerinin test edilmesini veya değerlendirmesini öğrenirler. Bu süreçte öğretmen duruma uygun
biçimde, bazen yönlendirici, motive edici, bilgi veya kaynak sağlayıcı, bazen açıklayıcı gibi çeşitli roller
üstlenebilirler. Fakat hiçbir zaman dersi anlatan bir birey olmazlar.
d) Transfer etme: Öğrenilen bilginin, henüz öğrenilmemiş yeni bir duruma uyarlanması veya öğrencilerin
dikkatini çekmemiş yeni bir olayla ilişkilendirmesinin sağlanmasıdır. Bilginin transferi hem ders içi hem de
ders dışı durum veya olaylar üzerine yapılabilir. Ders dışı ilişkilendirmelerle öğrenciler, öğrendikleri bilgi veya
kavramaların farklı disiplinlerdeki yerini ve ilişkilerini kavrarlar. Öğrencinin algılamada zorluk çektiği yeni
bir teknolojiyi veya kavramı anlamada ve günlük yaşantıda daha önce çözemediği bir problemi çözmede
bilgilerini kullanma, bu strateji kapsamında ele alınır.
B. Yapısalcı Öğrenme Yaklaşımının 5E Modeli
a) Girme aşaması: Öğrencilerin eski fikirlerinin farkında olmalarının sağlanması amacıyla konu hakkında
bildiklerini tanımlamalarına yardımcı olunur. Bu aşamada eğlendirici, merak uyandırıcı bir girişle derse
başlanır ve öğrencilere anlatılacak olayın nedeni hakkında sorular sorulur. Burada önemli olan öğrencilerin
doğru cevabı bulmaları değil, değişik fikirler ileri sürmeleri ve soru sormaya özendirilmeleridir.
b) Keşfetme aşaması: Öğrenciler birlikte çalışıp deneyler yaparak öğretmenin yönlendirebileceği
bilgisayar, video ya da kütüphane ortamında çalışarak sorunu çözmek için düşünceler üretirler. Bu düşünceler
öğretmenin süzgecinden geçerken olayı çözümlemek için becerilere ve çözüm yollarına dönüştürülür. Bu
aşama öğrencilerin en aktif oldukları aşamadır.
c) Açıklama aşaması: Bu basamakta öğretmen, öğrencilerin yetersiz olan eski bilgilerini daha doğru
olan yenileriyle değiştirmelerine yardımcı olur. Modelin öğretmen merkezli evresidir. Öğretmen, formal
tanımları ve bilimsel açıklamaları yapar; öğrencilere karşılaştıkları durumlarla ilgili düşüncelerini açıklamaları
ve problemleri çözmeleri için yardımcı olur. Ayrıca çözüm yolları ile ilgili açıklamalarda bulunmalarını sağlar.
Gerektiği durumlarda öğrencilere temel bilgi düzeyinde açıklamalarda bulunarak yardımcı olur.
ç) Derinleşme aşaması: Bu aşamada öğrenciler kazandıkları bilgileri veya problem çözme yaklaşımını;
yeni olaylara ve günlük yaşantıda karşılaştıkları problemlere uygularlar. Bu yolla zihinlerinde daha önce
var olmayan yeni kavramları öğrenmenin yanında yeni elde ettikleri bilgileri, formal terimleri, tanımları
kullanmaları ve yeni durumlarda anlayışlarını sergilemeleri yönünde teşvik edilirler.
d) Değerlendirme aşaması: Öğretmenin, öğrenciler problem çözerken veya çeşitli etkinlikler yürütürken
izlediği ve gerektiğinde onlara açık uçlu sorular sorduğu bir aşamadır. Bu aynı zamanda yeni kavram ve
becerileri öğrenmede öğrencilerin kendi gelişmelerini değerlendirdikleri evredir.
C. Problem Çözme Yaklaşımı (PÇB)
Problem, öğrencinin karşılaştığı bir olayı sahip olduğu mevcut bilgi ile açıklayamaması biçiminde ifade
edilebilir. Problem çözme sürecinde öğrenci karşılaştığı durumu tanımlar, çözüm için öneriler geliştirir,
bunları test eder ve sonuca ulaşır. Bu özelliklerden dolayı problem çözme bir öğretim yaklaşımı olarak
kullanılabileceği gibi araştırma yöntemi olarak da kullanılabilir.
IX
Problem çözme yaklaşımının kullanılması için öğrencilerin bazı yeterliliklere sahip olmaları gerekmektedir.
Öğrencilerin problemi çözebilecek ön bilgi, beceri ve zihinsel yeterliliğe sahip olmaları, problem çözme
becerilerine sahip olduklarının bir göstergesi olarak kabul edilebilir. Öğrencilerin problem çözme becerilerinin
geliştirilmesini sağlamak için aşağıda verilen altı basamak takip edilebilir:
1. Problemi tanımlama
2. Geçici hipotezler oluşturma
3. Probleme çözüm yolu oluşturma
4. Veri toplama
5. Sonuç çıkarma
6. Sonuçları test etme
Bu yaklaşımda, üründen ziyade öğrencilerin problem çözme sürecinde kazandıkları deneyim ve becerilere
önem verilmelidir. Bununla birlikte öğretmene problem çözme sürecinde düşen görev ve sorumluluklar şu
şekilde sıralanabilir:
1. Öğrencileri problem çözmeye hazırlama
a. Öğrencinin ilgisini çekebilecek etkinlikler tasarlama
b. Problemin algılanmasını sağlayacak düzeyde etkinlikler tasarlama
c. Problemin çözüm yolunu öğrencilerin, öncelikle zihinlerinde canlandırmalarını sağlama
ç. Problem çözümünde takip edilebilecekleri veya işlem basamaklarını tasarlama
2. Benzer problemlerle öğrencileri karşılaştırma
3. Problemi öğrencilerin seviyelerine göre sunma
4. Problemin öneminin farkında olmalarını sağlama
5. Öğrencileri, problemin çözümünün sağlayabileceği katkılardan haberdar etme
6. Öğrencilerin gerekli araç - gereci kolay temin etmelerini sağlama
7. Gerektiğinde öğrencilerin, uzmanlarla iletişime geçmelerine yardımcı olma
8. Öğrencilerin ulaştıkları çözümü diğer problemlerin çözümünde kullanabileceklerini onlara fark ettirme
9. Problemin çözüm sürecini değerlendirme
12. Sınıf Fizik Dersi Öğretim Programı’nda yer alan problem çözme becerileri 11. sınıf fizik kitabının
sonundaki eklerde verilmiştir.
Ç. Bilişim ve İletişim Becerileri (BİB)
Günümüzde bilgiye ulaşmada İnternet ve bilgisayar gibi teknolojik ürünler önemli bir yer tutmaktadır. Bu
nedenle 12. Sınıf Fizik Dersi Öğretim Programı, bilişim çağının en önemli gereksinimlerinden olan temel bilgi
teknolojilerini ve iletişim becerilerini öğrencilere kazandırmak için bilişim ve iletişim becerilerine özel önem
vermiştir. Bu becerilere sahip olan öğrenciler; ihtiyaç duyduğu her konuda teknolojinin tüm olanaklarını
kullanmak suretiyle sistematik bir hazırlık evresinden geçerek istediği bilgiye ulaşabilme, bu bilgileri en
etkin şekilde işleyerek yorumlayabilme ve sunabilme becerilerini de kazanacaktır. Bilişim ve iletişim beceri
kazanımlarının gelişmesini sağlayabilmek amacıyla etkinlikler hazırlanmış ve bu etkinlikler kitap içerisinde
farklı yerlerde metin-görsel ilişkisi kurularak sunulmuştur.
Fizik Dersi Öğretim Programı’nda yer alan bilişim ve iletişim becerileri 11. sınıf fizik kitabının sonunda
yer alan eklerde verilmiştir.
D. Fizik-Teknoloji-Toplum-Çevre Becerileri (FTTÇ)
Bu beceriler; fizik ile toplum, teknoloji ve çevre arasındaki ilişkileri anlama, yorumlama ve geliştirmeyi
sağlayan kazanımları içermektedir.
Fizik Dersi Öğretim Programı’nda yer alan FTTÇ kazanımları 11. Sınıf Fizik kitabının sonundaki eklerde
verilmiştir.
E. Tutum ve Değerler (TD)
Bu beceriler; öğrencileri bilimsel ve teknolojik bilgiler edinmeye, bu bilgilerin sadece kendisi için değil,
karşılıklı olarak toplumun ve çevrenin yararına yönelik kullanılmasını destekleyen tutum ve değerleri
X
geliştirmeye teşvik etmektedir.
Fizik Dersi Öğretim Programı’nda yer alan TD kazanımları 11. sınıf fizik kitabının sonundaki eklerde
verilmiştir.
F. Alternatif Ölçme-Değerlendirme Yaklaşımları
a) Alternatif ölçme ve değerlendirme: Tek doğru cevabı bulunan çoktan seçmeli testlerin de içinde
bulunduğu geleneksel değerlendirme tekniklerinin dışında kalan ve öğrenme ürünü ile birlikte öğrenme
sürecinin de değerlendirildiği ölçme ve değerlendirme yaklaşımıdır. Alternatif ölçme ve değerlendirmede
en temel amaç, öğrencilerin istenilen alandaki bilgi ve becerilerini ölçmek için o alanla ilgili öğrencilere bir
görev verip onların o görevdeki etkinliklerini, geçerlilik ve güvenirlikleri sağlanmış ölçme araçları kullanarak
tespit etmektir.
b) Performans değerlendirme: Ürün seçki dosyası (portfolyo), kavram haritaları, yapılandırılmış
grid, tanılayıcı dallanmış ağaç, bulmaca, kelime ilişkilendirme, proje, drama, görüşme, rapor, gösteri,
poster, matris bulmaca, grup veya akran değerlendirmesi, kendi kendini değerlendirme gibi alternatif
ölçme-değerlendirme teknikleri olarak ifade edilebilir.
Kitap hazırlanırken bilgiyi ölçmenin yanında beceriyi de ölçebilen alternatif ölçme - değerlendirme
tekniklerinin kullanılması benimsenmiş ve içerikte, mümkün olduğunca bu tekniklerden faydalanılmıştır.
Bununla birlikte açık uçlu soru, çoktan seçmeli test, boşluk doldurma, doğru-yanlış, eşleştirme gibi ölçmedeğerlendirme tekniklerinden de yararlanılmıştır.
Bu yeni yaklaşımın başarılı olmasında; öğretmenlerin öğrencilerine etkili bir rehberlik yapmaları,
zengin ve iş birlikçi öğrenme ortamları sunmaları; öğrencilerin deneyimlerini, becerilerini ve okul bilgilerini
ilişkilendirebilecekleri sosyal, kültürel ve teknolojik çevre zenginliğinin sağlanması kritik öneme sahiptir.
Bağlama dayalı materyaller sayesinde fiziğin günlük yaşantıdaki yeri, hayatla olan iç bağlantıları, nerede
hangi sorunların çözümünde kullanıldığı, çeşitli bağlamlarla (günlük yaşantıdan hikâyeler, gerçek yaşam
olayları ve günlük yaşantıda kullanılan bir teknolojik araç vb.) ilişkilendirilerek fizik bilgi veya kavramlarının
derinliği öğrencilere mutlaka kavratılmalıdır.
Bu kitap hazırlanırken; öğrencilerin öğrenirken zevk almaları, bazen sahip oldukları beceriler ile bilgilere
erişebilirken bazen de sahip olduğu bilgiler ile becerilerini geliştirdikleri, yaratıcı ve kritik düşünebilmeleri
ve öğrenimlerinden kendilerinin sorumlu olmaları gibi anlayışlar göz önünde tutulmuştur. Kitapta, üniteler
fizik dersi öğretim programının kazanımları doğrultusunda bir veya birkaç bağlam dikkate alınarak ve
öğrencilerin karşılaşabilecekleri olaylarla ilişkilendirilerek işlenilmiştir. Kitaptaki bilgiler ve etkinlikler yapısalcı
öğrenme kuramına uygun, bağlamsal öğrenmede kullanılan stratejilerin doğasını yansıtabilecek bir yapıda
hazırlanmaya çalışılmıştır.
Öğrenciden beklenen kazanımlar
● Öğrencilerin Dünya hakkında meraklı olmaları ve Dünya’yı anlamaya yönelik araştırmalar yapmaları,
● Öğrencilerin bilimsel ve teknik konularla ilgilenmeleri; fiziğe karşı ilgi, hayranlık ve olumlu tutum
geliştirmeleri,
● Öğrencilerin bilimsel araştırmaların süreçlerini anlamaları, fiziğin açıklayıcı yapısı ve bilgileri hakkında
genel bir fikir elde etmeleri,
● Bu fikirlerin niçin önemli olduğunu fark etmeleri,
● Şimdiki ve daha sonraki bağlamlarında günlük yaşantıda almak istedikleri kararların altında yatan
mantığın farkına varmaları,
● Bilimsel bir konuyla ilgili raporları eleştirel olarak inceleyebilmeleri ve anlayabilmeleri,
● Fen konuları ile ilgili sürece aktif bir şekilde katılmaları ve sorunlar hakkında kişisel bakış açılarını ifade
edebilmeleri,
● Daha geniş öğrenci kitlesini teşvik etmek için fiziğin ayrıntılı bir uygulamasını sağlayabilme,
● Hem ilgileri hem de mesleki amaçları için gerektiğinde başka bilgileri elde edebilmeleri, şeklinde
sıralanabilir.
XI
Öğrenme Sürecinde Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar
1. Bilgi verme yerine bilgiye ulaşma yolları; etkinlikler, projeler, posterler ve performans ödevleri
yardımıyla öğretilmeye çalışılmıştır.
2. İnternet ve bilgisayardan faydalanmak, bu alandaki deneyimleri artırmak için öğrenci birçok durumda
bilişim teknolojilerine yönlendirilmiştir. Bu yolla, öğrencilerin bilgiye en kısa zamanda ve etkili olarak
ulaşmaları amaçlanmıştır. Burada dikkat edilmesi gereken öğrencilerin farklı ve güvenilir (öncelikle edu.tr,
gov.tr, vb. uzantılı web sayfaları) bilgi kaynaklarına yönlendirilmesidir.
3. Kavram yanılgısını giderme ve kavramsal değişimi sağlamak için her ünitede olası kavram yanılgılarına
özel vurgu yapılarak bunların etkinlikler yolu ile giderilmesi amaçlanmıştır.
4. Ünitelerdeki kazanımlar, bağlam temelli olacak şekilde yapısalcı öğrenme kuramında yer alan 5E
modeli ile iç içe işlenerek öğrencilerin becerileri ve tutumlarında arzu edilen değişimlerin ve gelişimlerin
sağlanmasına çalışılmıştır. Bu yolla fizikte amaçlanan konu ve kavramlar hem bağlamla ilişkilendirilmiş hem
de öğrenciyi merkeze alan çağdaş öğretim, yöntem ve teknikleriyle fiziğin öğretilmesi sağlanmıştır.
5. İlköğretim fen ve teknoloji öğretim programlarında olduğu gibi 2009 Yılı 12. Sınıf Fizik Ders
Programı’nda yer alan üniteler, disiplinler ve sınıflar arasında sarmal yapının doğasına uygun ilişkilendirmeler
yapılmıştır.
6. Program; klasik ölçme - değerlendirmeyi dışlamamakla birlikte alternatif ölçme - değerlendirme ve
performans gelişimi odaklı ölçme - değerlendirme ön planda tutulmuştur.
Başarılar getirmesi dileğimle
Editör
Prof. Dr. Salih ÇEPNİ
XII
KİTABIMIZI TANIYALIM
Kazanımların Renklendirilmesi
Kitabın tamamından fizik dersini üç saat
seçen öğrenciler sorumludur.
Fizik dersini iki saat seçen öğrenciler ise
siyah renkle yazılan kazanımlardan sorumludur. Kazanımlar, müfredatın bu ayrımına göre renklendirilmiştir.
Basınç, hâl değiştirme sıcaklıklarının yanı sıra havanın
içerisindeki su buharı olan nemi de etkiler. Buharlaşma,
basıncın yüksek olduğu yerde zorlaşırken basıncın alçak
olduğu yerde kolaylaşır. Buharlaşma arttıkça havadaki
nem oranı da artar.
‟Su Döngüsü” adlı metinde de bahsedildiği gibi
termometre ile ölçülen sıcaklık değeri ile insan vücudunun
hissettiği sıcaklık değeri birbirinden farklıdır.
Bu Üniteden Neler Öğreneceğiz?
Ünitenin ana konularını ve elde edilecek
kazanımları içerir.
konular
otomobİller ve termodİnamİk
su döngüsü
Ünitenin Bağlamı
Ünitede geçen kavramların günlük
yaşantıda karşılaştığımız olay veya teknolojik
araç - gereçlerle ilişkilendirilmesidir.
UYDULAR
Uydular
atmosferin
üst
kısımlarının
gözlenmesi,
araştırılması, uzay ve uzay cisimlerinin incelenmesi ile biyolojik
deneyler ve haberleşme gibi amaçlar için yapılır. Yeryüzündeki
tesislerden fırlatılan uydular, Dünya’dan farklı uzaklıklarda
bulunan yörüngelerine oturtulur. Yörüngeye oturtulan uyduların
bu yörüngede dolanım hızları Dünya'ya uzaklıklarına bağlı
olarak değişir. Bazı uyduların farklı yörüngelerde, farklı dolanım
hızlarına sahip olması Dünya ile aynı periyotta dolanmarını
da sağlar. Dünya’nın çekim kuvveti uygulamasına rağmen bu
yörüngelerde dolanmaya devam eden uydular, iletişim hâlinde
bulundukları yer istasyonlarına sürekli aynı açı altında sinyal
Etkinlik
ARAÇ VE GEREÇLER
. 500 mL’lik beherglas
. Sacayağı
. İspirto ocağı
. El feneri
. Su
. Beyaz karton
(50 cm x 50 cm)
. Kibrit
Öğrencilerin, verilen araç - gereçleri kullanarak istenilen bilgiyi kendi gayretleriyle
keşfetmeleri için yapmış oldukları çalışmalardır.
Güvenlik Uyarıları
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak görev paylaşımı yapınız.
2. Beherglası, içinde az bir boşluk kalacak şekilde
suyla doldurarak ispirto ocağının üzerine yerleştiriniz ve
ispirto ocağını yakınız.
3. Sınıfınızın karanlık olmasını sağlayınız. Beyaz kartonu beherglasın arkasına yerleştirerek ön taraftan beherglası aydınlatınız.
4. Karton üzerinde oluşan gölgeyi gözlemleyiniz.
Etkinlik sırasında güvenliğiniz açısından
dikkat etmeniz gereken durum logo ile
belirtilmiştir.
Sonuca Varalım
1. Karton üzerinde gölge oluşmasının sebebi nedir? Tartışınız.
2. Gölge üzerinde meydana gelen hareketlenmenin ısıtılmakta olan su ile bağlantısı var
Etkinliklerin gerçekleştirilmesinde kullanılacak araçlar ve gereçler sıralanır.
mıdır? Varsa bu bağlantıyı açıklayınız.
Sonuca Varalım
Etkinlik sonunda ulaşılan kazanımları
pekiştirmeye yönelik sorular içerir.
Araç ve Gereçler
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
Etkinliğin adım adım nasıl yapılacağının
açıklandığı bölümdür.
XIII
Proje Ödevi
Alarm Cihazı Yapalım
Beklenen
Performans
Araştırma Becerisi
Yaratıcılık Becerisi
Keşfedilen bilgiler öğrencilerce bir sisDeğerlendirme
Dereceli
Anahtarı
Puanlama
Süre
tem içinde uygulamaya dönüştürülür.
1 Hafta
Görev içeriği: Sınıfınızda üç grup oluşturunuz ve
aşağıdaki konuları araştırmak üzere görev paylaşımı yapınız.
Birinci grup : Işığa duyarlı devreler,
İkinci grup
: Sese duyarlı devreler,
Üçüncü grup : Neme duyarlı devreler nerelerde ve nasıl
kullanılmaktadır?
Elde ettiğiniz bulgulardan hareketle gerekli araç ve
gereçleri temin ediniz ve bir alarm cihazı geliştiriniz.
Geliştirdiğiniz cihazı sınıfta kurarak çalıştırınız. Projeniz
öğretmeniniz tarafından geliştirilen dereceli puanlama
anahtarı ile değerlendirilecektir.
Örnek
Kütlesi 5 kg olan çelik tencerenin sıcaklığını 100 K arttırmak
için verilmesi gereken ısı miktarı ne kadardır? (cçelik= 0,46 kJ/kgK)
Öğrencilere keşfettikleri bilgileri kullanma
yeteneği kazandırılır.
ısı;
Çözüm
mçelik= 5 kg
Δt = 100 K
cçelik= 0,46 kJ/kgK olarak verilmiştir. O hâlde verilmesi gereken
Q = mçelikcçelikΔt formülüyle hesaplanır. Değerleri yerine
yazarsak;
Q = 5(0,46)100 = 230 kJ olarak bulunur.
Araştıralım
Günlük yaşamda kullandığımız pek çok teknolojik araçgereç enerji aktarım yolları dikkate alınarak tasarlanmıştır.
Bu araçların neler olduğuna dair araştırma yapınız. Araştırma
sürecinde İnternetten (edu, gov, org), yazılı ve görsel medya
gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya dikkat
ediniz. Araştırma sonuçlarını Powerpoint sunusu hâline getirerek
arkadaşlarınızla paylaşınız.
Problem Çözelim
Günlük yaşantıda karşılaşılabilecek sorunlara çözüm aranır.
Problem Durumu
Sorunun ne olduğunun detaylı bir şekilde
açıklandığı bölümdür.
Öğrenilen kavramlar irdelenerek günlük
yaşantıyla bağlantı kurmaları için farklı kaynaklardan da araştırılır ve elde edilen sonuçlar sınıfla paylaşılır.
Problem Durumu
Koray’ın dedesinden kalma sarkaçlı bir saati vardır.
Yıllarca, zamanı doğru gösteren bu saat son günlerde geri
kalmaya başlar. Koray, bu saati tamirciye götürmek istemez.
Sorunu kendi çözmek ister. Bunun için Koray’a yardımcı
olalım.
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Bu problemde aşağıdaki değişkenleri belirleyiniz.
Bağımlı değişken :………………………………….
Bağımsız değişken :…………………………….....
Kontrol değişken :…………………………………..
2. Problemi nasıl çözeceğinizi ayrıntılı olarak yazınız.
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
Problemin nasıl çözüleceğinin belirleneceği bölümdür.
XIV
Pano Oluşturalım
Öğrenilen kavramlar derinlemesine irdelenerek günlük yaşantıyla bağlantıları için
farklı kaynaklardan da araştırılır ve elde edi-
Kristal yapılı ve amorf yapılı maddelere günlük yaşamdan
örnekler bulunuz. Bu maddelerin nerelerde kullanıldığına dair
kütüphane, İnternet (gov.tr veya edu.tr uzantılı), yazılı ve görsel
medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından bir araştırma
yapınız. Bu kaynaklardan amaca uygun seçtiğiniz bilgiler ışığında
oluşan araştırma sonuçlarını görsellerle birleştirerek panoda
sergileyiniz.
Pekiştirelim
len sonuçlar okul veya sınıf panosunda sergilenir.
Aşağıdaki çizelgede bazı ifadeler verilmiş ve karşıları uygun şekilde doldurulmuştur.
Benzer bir çizelgeyi defterinizde oluşturarak örnekleri çoğaltınız.
Ünitede işlenen konu ve kavramların
kalıcı hâle getirildiği bölümdür.
Musluktan ayrılan su damlası.
Titreşim hareketi yapmaz.
Mızrapla vurulmuş saz teli.
Sönümlü titreşim hareketi yapar.
.
.
.
.
.
.
.
Örnek çizelgedir.
Tartışalım
Dünya’nın çapı boyunca bir tünel açıldığını farz edelim.
Bu tünelden bırakılan bir cismin hangi hareketi yapacağını
tartışınız.
Münazara Yapalım
Verilen konular üzerinde gruplar oluşturularak karşılıklı tartışma yapılan bölümdür.
Bazı kavramların araştırılıp
ulaşmak için tartışıldığı bölümdür.
sonuca
Sınıfınızda iki grup oluşturunuz ve aşağıdaki konular çerçevesinde bir münazara yapınız.
I. GRUP
Bilimsel bilgiler, yazının insanlar tarafından kullanılmasıyla
ortaya çıkan ve bugüne kadar birbirleri üzerine eklenerek
oluşturulmuş bilgiler bütünüdür.
II. GRUP
Bilimsel bilgiler, belli dönemlerde oluşan paradigmaların
farklılaşması üzerine kurularak geliştirilmiştir.
Not : Münazaraya başlamadan önce savunacağınız konu
hakkında İnternet, yazı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından araştırma yapınız.
Öncelikle buzun hâl değiştirmesi üzerine bir araştırma
yapınız. Daha sonra yünlü kumaş, pamuklu kumaş, alüminyum
folyo ve eş buz parçaları alınız. Buz parçalarından üç tanesini
sırasıyla yünlü kumaş, pamuklu kumaş ve alüminyum folyo ile
dikkatlice sarınız. Aşağıdaki işlem basamaklarını gerçekleştiriniz.
1.Yünlü kumaş, pamuklu kumaş ve alüminyum folyoya
sardığınız buz parçaları ile sarılı olmayan bir buz parçasını aynı
ortamda muhafaza ediniz.
2. Buz parçalarından hangisinin daha önce eriyeceği konusunda bir hipotez kurunuz.
3. Hipotezinizi, dayandırdığınız bilimsel bilgilerle birlikte defterinize not ediniz.
4. Buz parçalarının erime sürelerini gözlemleyiniz.
5. Elde ettiğiniz verilerin güvenirliğini sağlamak için aynı
işlemleri diğer buz parçalarıyla tekrarlayınız.
6. Ulaştığınız sonuçları defterinize not ederek bulgular
ışığında hipotezinizi test ediniz.
Evde Uğraş
Öğrencilerin bazı kazanımları genişletmek amacı ile sınıf dışında yaptığı çalışmaları ve bu çalışmaların gerektiğinde sınıf ortamında sergilendiği bölümdür.
XV
Değerlendirme Soruları
A. Aşağıdaki ifadelerde noktalı yerleri tabloda verilen kelimelerle anlamlı biçimde tamamlayınız.
X-ışını
yeğin kuvvetler
sıvı kristal
amorf yapılı
füzyon
gamma ışını
fisyon
α-parçacığı
aktiflik
yarı iletken
kristal yapılı
üstün iletken
Klasik ve yeni yaklaşımlarla oluşturulmuş
ölçme ve değerlendirmelerdir. Öğrencilerin
üniteyle ilgili öğrendikleri bilgiler; anlam
1. Elektromanyetik tayfta ultraviyole ve gamma ışınları arasında kalan bölgede …………………...
yer alır.
2. Atom ve iyonları düzenli bir şekilde dizilmiş katılar ………………….. olarak isimlendirilir.
3. Katı kristal yapısına sahip, fakat akışkan özellik gösteren maddelere ………………… denir.
4. Normalde yalıtkan olup herhangi bir dış etki ile iletken hâle gelebilen maddeler ………………..
olarak adlandırılır.
5. Çekirdeği bir arada tutan ………………… hadronlar arasında ortaya çıkar.
6. Enerji fazlalığı olan bir çekirdek ……………….. yayımlayarak enerjisini azaltır.
7. Radyoaktif çekirdeklerin bozunma hızı ………………… olarak tanımlanır.
8. Günümüzde nükleer santrallerde ……………….. ilkesine göre enerji üretilir.
çözümleme tabloları, dallanmış ağaçlar,
doğru - yanlış soruları, açık uçlu sorular
ve boşluk doldurmalı sorular yoluyla
değerlendirilir.
güvenlİk uyarıları
Açık Alev Uyarısı
Bu sembol, yangına veya patlamaya sebep olabilecek alev kullanıldığında görülür.
Isı Güvenliği
Bu sembol, sıcak cisimlerin
tutulması esnasında önlem alınmasını hatırlatmak içindir.
Eldiven
Bu sembol, cilde zararlı bazı
kimyasal maddelerle çalışırken eldiven kullanılması gerektiğinde görülür.
Kimyasal Madde Uyarısı
Bu sembol, deriye dokunması
hâlinde yakıcı veya zehirleyici
etkisi olan kimyasal maddeler
kullanılırken görülür.
Elektrik Güvenliği
Bu sembol, elektrikli aletler kullanılırken dikkat edilmesi gerektiğinde görülür.
Radyoaktif Güvenliği
Bu sembol, radyoaktif maddeler kullanırken görülür.
Göz Güvenliği
Bu sembol, gözler için tehlike olduğunu gösterir. Bu sembol görüldüğünde koruyucu gözlük takılmalıdır.
Kırılabilir Cam Uyarısı
Bu sembol, yapılacak deneylerde kullanılacak cam malzemelerin kırılabilecek türden olduğunu gösterir.
Kesici Cisimler Güvenliği
Bu sembol, kesme ve delme
tehlikesi olan keskin cisimler olduğu
zaman görülür.
renkler
XVI
1. Ünite
Madde ve Özelikleri
4. Ünite
Dalgalar
2. Ünite
Kuvvet ve Hareket
5. Ünite
Modern Fizik
3. Ünite
Elektrik ve Elektronik
6. Ünite
Atomlardan Kuarklara
7. Ünite
Fiziğin Doğası
İÇİNDEKİLER
1. ÜNİTE: MADDE VE ÖZELİKLERİ.......................................................................................................19
Otomobiller ve Termodinamik..........................................................................................................21
Güneş Ocağı ...................................................................................................................................30
Su Döngüsü....................................................................................................................................40
Ünite Soruları.................................................................................................................................54
2. ÜNİTE: KUVVET VE HAREKET.........................................................................................................59
Fayton.............................................................................................................................................61
Adrenalin..............................................................................................................................63
Dinamometre..............................................................................................................................69
Sıvı Yakıtlı Motorlar..........................................................................................................................73
Sarkaçlı Duvar Saati........................................................................................................................74
Ünite Soruları.................................................................................................................................84
3. ÜNİTE: ELEKTRİK VE ELEKTRONİK................................................................................................87
Ağır İş Makineleri.............................................................................................................................89
Dinamo ve Jeneratör.....................................................................................................................101
Hoparlör.......................................................................................................................................105
Transformatör..........................................................................................................................110
Yarım Dalga Doğrultucusu............................................................................................................115
Ünite Soruları...............................................................................................................................121
4. ÜNİTE: DALGALAR..........................................................................................................................125
Newton Teleskobu.........................................................................................................................127
Gökkuşağı............................................................................................................................153
Okçu Balıkları................................................................................................................................163
Işıkla Resim Çizen Araç : Fotoğraf Makinesi..................................................................................169
Gökyüzü Neden Mavi Görünür?...................................................................................................188
Radyo............................................................................................................................196
Trafik Radarı.................................................................................................................................201
Polarize Güneş Gözlükleri.............................................................................................................204
Gerçekte Var Olmayan Renkler....................................................................................................205
Ünite Soruları...............................................................................................................................221
Okuma Parçası (Mobil İletişim Sistemleri ve İnsan Sağlığı).....................................................232
5. ÜNİTE: MODERN FİZİK...................................................................................................................233
Röntgen Çekimi............................................................................................................................235
Elmasın Yapısı..............................................................................................................................242
LCD Teknolojisi.............................................................................................................................245
Güneş Pilleri..................................................................................................................................247
Üstün İletkenlik..............................................................................................................................249
Nano Futbol...................................................................................................................................251
Çekirdeğin Yapısı..........................................................................................................................254
296.000 Yılına Mesaj.....................................................................................................................258
Nükleer Enerji...............................................................................................................................265
Ünite Soruları...............................................................................................................................271
XVII
6. ÜNİTE: ATOMLARDAN KUARKLARA..............................................................................................273
Sis Odalarından CERN’E..............................................................................................................275
Parçacık Hızlandırıcılar ..................................................................................................................291
Ünite Soruları...............................................................................................................................296
7. ÜNİTE: FİZİĞİN DOĞASI.................................................................................................................299
Değişen Enerji Kaynakları.............................................................................................................301
Ünite Soruları...............................................................................................................................318
Okuma Parçası (Bilimin Doğası)................................................................................................320
Cevap Anahtarı...................................................................................................................................321
Sözlük......................................................................................................................................328
Ekler......................................................................................................................................330
Fizikte Kullanılan Semboller.............................................................................................................337
Uzunluk Birimleri...............................................................................................................................337
Fizikte Kullanılan Sabitler..................................................................................................................337
Birimlerin Standart Kısaltmaları ve Sembolleri................................................................................338
Büyüklüklerin Ön Ekleri.....................................................................................................................338
Trigonometrik Cetvel.........................................................................................................................339
Kaynakça........................................................................................................................................340
XVIII
1. ünİte
MADDE VE
ÖZELİKLERİ
19
konular
otomobİller ve termodİnamİk
GüNEŞ OCAĞI
su döngüsü
Bu ünitede;
Mekanik enerji ile ısı arasındaki ilişkiyi ve sıcaklıkları farklı olan cisimlerin ısı alış verişi
yaparak ısıl dengeye nasıl ulaştıklarını açıklayacağız. Bunun yanı sıra hâl değişimleri ile enerji
arasındaki ilişkiyi, basıncın hâl değişimine etkisini ve nem ile hissedilen sıcaklık arasındaki
ilişkiyi irdeleyeceğiz. Ayrıca ısının aktarım yollarını açıklayıp aralarındaki farklılık ve benzerlikleri
inceleyeceğiz.
20
Madde ve Özelikleri
otomobİller ve termodİnamİk
Otomobil, günlük yaşantımızdaki en önemli teknolojik
araçlardandır. İnsanlar otomobili icat etmeden önce onu hareket
ettirecek motora yönelik pek çok çalışma yapmıştır. Günümüzde,
sağ üst köşedeki resimde de görüldüğü gibi üzerlerine yerleştirilen
güneş panellerinden elde ettiği enerjiyle hareket edebilen güneş
arabaları icat edilmiştir. Bu araçlar güneş enerjisini soğurarak
elektrik enerjisine çeviren bir sistemle çalışırlar ve saatte 100 km
hız büyüklüğüne kadar ulaşabilmektedirler.
Otomobil teknolojisinin başlangıcını Avrupa’daki sanayi
devriminden sonra buhar gücüyle çalışan makineler oluşturur.
Dıştan yanmalı motor olarak tanımlanan buhar makineleri tren,
gemi ve otomobil gibi araçlarda kullanılmıştır. İlk otomobil, sol
üst köşedeki resimde de görüldüğü gibi 1769 yılında Fransız
Nicolas Joseph Cugnot
(Nikolas Jozef Kuno) tarafından
yapılan dıştan yanmalı, iki kazanlı Newcomen (Nivkamın)
makinesinin üç tekerlekli bir arabaya montajı ile icat edilmiştir.
İlk otomobillerde kullanılan
Yakıt - Hava girişi
dıştan yanmalı motorlar daha
Buji kablosu
sonraları geliştirilerek içten
yanmalı hâle getirilmiştir. 1885
yılında Alman Karl Benz (Karl
Benz) tarafından benzinle
çalışan, içten yanmalı motora
sahip ilk otomobil yapılmıştır.
Otomobillerde kullanılan
motor, yakıttan aldığı ısıyı
pistonlar aracılığıyla mekanik
enerjiye çevirir. Yandaki şekilde
görüldüğü gibi otomobillerde
silindir adı verilen odacıklara
yakıt-hava karışımı alınır ve
bu karışım silindirin üzerindeki
piston yardımıyla sıkıştırılır.
Egzoz çıkışı
21
1. Ünite
Sıkıştırılan karışım bujiden çıkan kıvılcımla tutuşturulur. Piston,
yanma sonucu açığa çıkan ısıdan kaynaklanan basınç kuvvetiyle
yukarı doğru itilir. Böylece pistonun bağlı olduğu krank mili
döndürülür ve bu hareket arabanın tekerleklerine aktarılır.
Motor çalıştırıldığında yanma sonucu açığa çıkan ısının,
motor parçalarına zarar vermesini engellemek amacıyla otomobillerde soğutma sistemleri
Vantilatör
Sıcaklık Göstergesi
kurulmuştur. Genelde motorlar bu sistem içerisindeki su
yardımıyla soğutulur. Radyatörde depo edilen su, devriSu Pompası
daim pompası yardımıyla kanallardan geçirilerek motorla
temas ettirilir ve ısıl denge
Volan
sağlanana kadar ısı alış verişi
yapılarak motor soğutulmuş
olur.
Soğutma sisteminin çalış­
madığı durumlarda motor
sıcaklığı sürekli yükselir ve
motora zarar verebilir. Bu duRadyatör
rumun ortadan kaldırılabilmesi
Su Kanalları
için motor sıcaklığının sürekli
Pistonlar
Vantilatör Kayışı
takip edilmesi gerekir. Bu
işlem
motorun
sıcaklığı
hakkında sürücüye bilgi veren termometreler ile yapılır. Termometreler ile motor arasındaki bağlantı, enerjiyi iyi ileten malzemelerle sağlanır.
Motorun çalışmasıyla açığa çıkan ısının bir kısmı, hava
kanalları aracılığı ile yolcuların ısınmasını sağlamak için
otomobilin iç kısmına aktarılır. Ancak bu ısı soğuk kış günlerinde
yeterli olmamaktadır. Bu eksikliğin giderilmesi ve ortamın
sıcaklığını ayarlayarak yolcuların konforlu bir şekilde seyahat
edebilmesi için klimalar geliştirilmiştir. Bu klimalar kışın,
otomobildeki havayı ısıtırken yazın soğutur. Ayrıca otomobildeki
mevcut sıcaklığı korumak amacıyla otomobillerin kapı içleri ve
dış çevreleri yalıtım malzemeleriyle kaplanır, camları ısı camdan
yapılır.
Bu kitap için hazırlanmıştır.
Hayatımızı kolaylaştıran otomobillerin bir parçası olan motor,
döneminin en önemli buluşlarındandır. Motorların soğutulması
üzerine yapılan çalışmalar acaba hangi fiziksel temeller üzerine
oturtulmuştur? Bu soruya cevap verebilmek için etkinlik yapalım.
22
Madde ve Özelikleri
ARAÇ VE GEREÇLER
. İki adet 600 mL’lik
beherglas
. Karıştırıcı (blender)
. Dijital termometre
. Süreölçer
. Su
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz ve
aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak görev
paylaşımı yapınız.
2. Beherglasları eşit miktarda su ile doldurarak dijital termometre yardımıyla ilk sıcaklıklarını
ölçünüz. Ölçme sonuçlarını aşağıdaki çizelgeye benzer bir çizelgeyi defterinize çizerek
kaydediniz.
3. Beherglaslardan birindeki suyu karıştırıcı yardımıyla 2 dakika boyunca hızlı bir
şekilde karıştırınız. Karıştırılan suyun sıcaklığını termometreyle ölçünüz. Ölçme sonuçlarını
defterinizdeki çizelgeye yazınız.
4. Üçüncü adımdaki işlemleri sırasıyla 4 dk., 6 dk. ve 8 dk. boyunca karıştırarak tekrarlayınız.
İlk sıcaklık
(°C)
2. dakikanın
sonundaki
sıcaklık
(°C)
4. dakikanın
sonundaki
sıcaklık
(°C)
6. dakikanın
sonundaki
sıcaklık
(°C)
8. dakikanın
sonundaki
sıcaklık
(°C)
Karıştırılan su
Karıştırılmayan
su
Örnek çizelgedir.
Sonuca Varalım
Karıştırılan ve karıştırılmayan suyun sıcaklıkları arasında herhangi bir fark oluştu mu?
Oluşmuşsa bunun sebebi nedir? Açıklayınız.
İnsanoğlu, tarih boyunca hayatını sürdürebilmek için yaptığı
uğraşlarda ısının etkisiyle karşılaşmıştır. Örneğin, ilk insanlar odun
parçalarını birbirine sürterek ateşi keşfederken Kont Rumford (Kont
Rumfort) 1798 yılında top mermilerini incelediği esnada metalin
sürekli ısındığını gözlemlemiştir. Bu durum bilimsel olarak ‟Bir
cisme kuvvet uygulandığında sürtünme nedeniyle yapılan iş, cismin
sıcaklığını yükseltir.” şeklinde açıklanmıştır. Ancak ısının mekanik
bir eş değeri olabileceği İngiliz Fizikçi James Prescott Joule (Ceyms
23
1. Ünite
Preskot Jul) tarafından yapılan bir düzenekle ispatlanmıştır.
Pervane kolu
Sabit makara
Termometre
Kütle takımı
Pervane
Kalorimetre kabı
Cetvel
James Prescott Joule
1818-1889
Isının mekanik işle olan ilişkisini keşfetmiş, Enerjinin Korunumu
Kanunu’na ve termodinamiğe katkıda bulunmuştur.
Jet motoru
24
Joule, yukarıda da görülen deney düzeneğinde; su
haznesindeki pervanenin kol ve kütle tarafından döndürülmesi ile
yapılan işin, suyun sıcaklığında artışa neden olduğunu gördü. Bu
durumu ‟Herhangi bir sistem üzerine belli bir iş yapılırsa sistemde
bir sıcaklık artışı olur.” şeklinde genelledi. Buradan hareketle, iş ile
ısı arasındaki ilişki;
W = Q bağıntısıyla ifade edilmiştir.
SI birim sisteminde 1cal = 4,185 J’dür.
Joule’ün yaptığı deney, tahtaya çakılan çivinin sıcaklığının
artması, ellerimizi birbirine sürttüğümüzde ellerimizin ısınması
gibi durumların açıklanmasını sağlar. Aynı şekilde ‟Otomobiller ve
Termodinamik” adlı metinde bahsedildiği gibi otomobil motorlarının
silindirlerindeki yakıtın yanmasıyla oluşan ısının tekerlekleri hareket
ettirmesi de bu durumla açıklanır.
Joule, yaptığı deneyden hareketle ısı ile iş (mekanik enerji)
arasındaki ilişkiyi daha detaylı incelemiş ve bu ilişki termodinamik
adı verilen fizik dalı olarak adlandırılmıştır. Termodinamiğin
uygulamalarını günlük hayatta görmemiz mümkündür. Uçak
ve jet motorları, roketler, ütü, düdüklü tencere, buhar türbinleri,
buzdolapları ve klimalar bunların başlıcalarıdır. Örneğin, nükleer
enerji santrallerindeki buhar türbinlerinde türbine gelen buhardaki
ısı, türbini hareket ettirerek mekanik enerji oluşmasını sağlar.
On birinci sınıf fizik derslerinde termodinamiğin temel
kavramlarından biri olan ısıyı, sıcaklık farkından dolayı alınıp
verilen enerji miktarı olarak tanımlamış ve Q ile göstermiştik. Ayrıca
hâl değiştirme durumları dışında alınan veya verilen ısının;
Q = m c ΔT formülüyle hesaplandığını öğrenmiştik.
Burada;
Q : Alınan veya verilen ısıyı,
m : Maddenin kütlesini,
c : Maddenin özgül ısısını,
ΔT : Sıcaklık farkını ifade eder.
Madde ve Özelikleri
Aşağıda bazı maddelerin
özgül ısı değerleri verilmiştir.
Kütlesi 5 kg olan çelik tencerenin sıcaklığını 100 K artırmak
için verilmesi gereken ısı miktarı ne kadardır? (cçelik= 0,46 kJ/kgK)
Maddenin
Adı
Özgül Isı
(Cal/g C°)
Su
1,00
Buz
0,50
Δt = 100 K
cçelik= 0,46 kJ/kgK olarak verilmiştir. O hâlde verilmesi gereken
Zeytinyağı
0,47
Naftalin
0,41
Hidrojen
0,41
Q = mçelikcçelikΔt formülüyle hesaplanır. Değerleri yerine
yazarsak;
Q = 5(0,46)100
Q = 230 kJ olarak bulunur.
Oksijen
0,22
Bor
0,58
Magnezyum
0,26
Alüminyum
0,217
Krom
0,12
Manganez
0,115
Demir
0,115
Nikel
0,110
Bakır
0,1
Çözüm
mçelik= 5 kg
ısı;
Kütlesi 1 kg olan havanın sıcaklığını 10 K artırmak için
verilmesi gereken ısı miktarı ne kadardır? (chava= 0,7165 kJ/kgK)
Çözüm
mhava= 1 kg
Δt = 10 K
chava= 0,7165 kJ/kgK olarak verilmiştir. O hâlde verilmesi
gereken ısı;
Q = mhavachavaΔt formülüyle hesaplanır. Değerleri yerine
yazarsak;
Q = 1(0,7165)10
Q = 7,165 kJ olarak bulunur.
Kütlesi 10 kg olan bir metal sandalyenin sıcaklığını 10 K’den
30 K’e yükseltebilmek için 50 kJ’lük ısı verildiğine göre bu metalin
özgül ısısı kaç kJ/kgK ’dir?
Çözüm
mmetal= 10kg
Çinko
0,095
Kripton
0,074
Baryum
0,045
Uranyum
0,026
Cıva
0,033
Kurşun
0,031
Gümüş
0,056
Bizmut
0,294
Cam/Kum
0,15
Hava (Sabit
basınçta)
0,23
Su Buharı
0,48
Kobalt
0,107
*Fıshbane, Paul M., Gasiorowicz,
Stephen. ve Thornton, Stephen T.,
2006 kaynağından yararlanılarak
düzenlenmiştir.
Δt = (30-10)K = 20 K
Q= 50 kJ olarak verilmiştir.
Q = mmetalcmetal Δt formülünde, verilen değerleri yerine yazacak
olursak;
50 = 10.cmetal.20 olur.
Buradan metalin özgül ısısı;
cmetal= 0,25 kJ/kgK olarak hesaplanır.
25
1. Ünite
10 gramlık suyun sıcaklığını 5°C’tan 20°C’a çıkarabilmek için
gereken ısı miktarı ne kadardır?
Çözüm
Sıcaklık (°C)
m = 10 g
T1= 5°C = 5 + 273 = 278 K
T2= 20°C = 20 + 273 = 293 K
ΔT = T2 - T1= 293 - 278 = 15 K 20
csu= 4,18 J/gk
Q = m c ∆t
5
Buradan;
Q = m csuΔT ⇒ Q = 10.4,18.15
Isı (J)
0
Q = 627 J olur.
Q
Bir madde kendi sıcaklığına ve bulunduğu ortamdaki sıcaklığa
göre ya ısı alır ya da ısı verir. Örneğin, bir odada masaya bırakılan
sıcak içecek zamanla soğurken aynı odadaki masaya bırakılan
soğuk içecek ısınır. Bir cisim farklı sıcaklıkta başka bir cisimle temas
ederse yüksek sıcaklıktaki cisimden düşük sıcaklıktaki cisme ısı
aktarılır. Isı aktarımı sıcaklıklar eşitleninceye kadar sürer. Bu eşitlik
cisimlerin ısıl dengeye ulaştıklarını gösterir.
Yandaki şekilde görüldüğü gibi 1 ve 2 numaralı
cisimler ile 1 ve 3 numaralı cisimler kendi aralarında ısıl
dengede olduğuna göre 2 ve 3 numaralı cisimler de ısıl
1
2
3
1
dengede olur. Bu durum ‟İki ayrı cismin üçüncü bir cisimle
ısıl dengede olması durumunda kendi aralarında da ısıl
T1=T2
T1=T3
dengededir.” şeklinde ifade edilen Termodinamiğin
Sıfırıncı Yasası olarak bilinir. Bu yasaya göre aynı
sıcaklıkta olan iki cisim birbirlerine temas etmese de ısıl
2
3
dengededir. Örneğin, dış ortamla yalıtımı çok iyi yapılmış
otomobillerin iç kısmında bulunan bütün malzemeler
aynı sıcaklıkta olduğundan birbirlerine temas etmeseler
T2=T3
de ısıl dengededirler.
Enerji alış verişi olmaz.
(Isıl Denge)
Cisimler ısıl dengeye ulaşmak için sıcaklık farkından
dolayı aralarında enerji aktarımı yaparlar. Enerji aktarım
yolları kullanılarak günlük hayattaki problemlerin çözümü için pek
çok araç-gereç üretilmiştir. Örneğin, mutfak malzemeleri (tencere,
tava vb.), güneş panelleri, klimalar, kombiler, radyatörler, kalorifer
kazanları ile petek sistemleri bunlardan bazılarıdır.
Güneş paneliyle çalışan trafik uyarı
lambası
Kalorifer kazanı
26
Kalorifer peteği
Madde ve Özelikleri
Günlük yaşamda kullandığımız pek çok teknolojik araç-gereç
enerji aktarım yolları dikkate alınarak tasarlanmıştır. Bu araçların
neler olduğuna dair araştırma yapınız. Araştırma sürecinde
İnternetten, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi
kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz. Araştırma
sonuçlarını Powerpoint sunusu hâline getirerek arkadaşlarınızla
paylaşınız.
Altıncı sınıf fen ve teknoloji dersleri ile on birinci sınıf fizik
derslerinde enerjinin iletim, konveksiyon ve ışıma yoluyla
aktarıldığını öğrenmiştiniz. Şimdi enerji aktarım yollarını detaylı
olarak inceleyelim.
1. Isının İletim Yoluyla Aktarılması
Herhangi bir demir parçasını bir ucundan tutup ateş üzerinde
beklettiğinizde bir müddet sonra demir parçasının elinizle
tutulamayacak kadar ısındığını hissedersiniz. Enerji, demir
parçasının ateş üzerindeki ucundan elinize doğru taşınır. Bu olay
enerjinin iletim yoluyla aktarımı olarak isimlendirilir. Enerjinin
iletim yoluyla aktarılması için maddesel ortama ihtiyaç vardır.
Yandaki şekilde görüldüğü gibi ateş,
temas ettiği demir atomlarını ısıtır.
Isınan atomlar bu sayede aldıkları
enerjiyi, daha fazla titreşerek
hızlıca komşu atomlara iletir.
Komşu atomlar arasındaki mesafe
katılarda sıvı ve gazlara göre daha
az olduğundan katılar enerjiyi daha
kolay iletir. Maddelerin yapısında
bulunan serbest elektronlar enerji
iletimine olumlu yönde etki yapar.
Bu nedenle yapısında bol miktarda
serbest
elektron
bulunduran
metaller genellikle ısıyı daha kolay
iletir. Buna en iyi örnek gümüştür.
Bunun dışında sırasıyla bakır,
alüminyum ve demir ısıyı iyi ileten
metallere örnektir. Yapısında çok
az sayıda serbest elektron bulunduran veya hiç bulundurmayan
maddeler yalıtkan olarak adlandırılır. Yün, tahta, kâğıt, saman,
strafor ve mantar yalıtkan maddelerin başında gelir.
27
1. Ünite
Televizyonlarda veya bazı gösterilerde insanların kor hâlindeki
kömürlerin üzerinde rahatlıkla yürüyebildiğini görmüşsünüzdür.
Göstericilerin ateş üzerinde yürüyebilmeleri ısı iletimi düşük olan
odun kömürünün kullanılmasıyla sağlanır. Eğer odun kömürü
yerine ısı iletim kat sayısı büyük olan bir madde (örneğin taş
kömürü) kullanılsaydı göstericinin ateş üzerinde yürümesi mümkün
olmazdı. ‟Otomobiller ve Termodinamik” adlı metinde araçların
içinin yalıtım amacıyla ısı iletimi düşük olan yün, plastik, keçe vb.
malzemelerle kaplandığını motor ile termometre arasındaki bağlantı
için ısı iletimi yüksek olan metaller kullanıldığını öğrenmiştik. Aynı
şekilde günlük yaşamda karşımıza
çıkan problemlerin çözümünde de bu
teknoloji kullanılır. Örneğin, yemek
pişirme esnasında ısınan tencere ve
tavalara dokunulduğunda ele zarar
vermemeleri için sapları ısı iletimi
düşük olan malzemeler kullanılarak
üretilir.
2. Isının Konveksiyon (Taşıma) Yoluyla Aktarılması
Isının konveksiyon yoluyla aktarımını kavramak için aşağıdaki
etkinliği yapalım.
ARAÇ VE GEREÇLER
. 500 mL’lik beherglas
. Sacayağı
. İspirto ocağı
. El feneri
. Su
. Beyaz karton
(50 cm x 50 cm)
. Kibrit
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz ve aşağıdaki
etkinlik basamaklarını dikkate alarak görev paylaşımı
yapınız.
2. Beherglası, içinde az bir boşluk kalacak şekilde
suyla doldurarak ispirto ocağının üzerine yerleştiriniz ve ispirto ocağını yakınız.
3. Sınıfınızın karanlık olmasını sağlayınız. Beyaz kartonu beherglasın arkasına yerleştirerek
ön taraftan beherglası aydınlatınız.
4. Karton üzerinde oluşan gölgeyi gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
1. Karton üzerinde gölge oluşmasının sebebi nedir? Tartışınız.
2. Gölge üzerinde meydana gelen hareketlenmenin ısıtılmakta olan su ile bağlantısı var
mıdır? Varsa bu bağlantıyı açıklayınız.
28
Madde ve Özelikleri
Enerjinin konveksiyon yoluyla aktarılması, ısınan madde
moleküllerinin birbiriyle yer
değiştirmesi sonucu enerjinin
iletimi olayıdır. Isınan sıvıların
ve
gazların
(akışkanlar)
hacimleri genleşerek artarken
özgül kütleleri azalır. Özgül
kütlesi
azalan
akışkan,
yukarı doğru hareket ederek
enerjiyi beraberinde taşır.
Bu yükselme, etrafındaki
hava ile aynı özgül kütleye
ulaşıncaya kadar devam
eder. Bu durumu, ateş
yaktığımızda
dumanının
ancak belirli seviyeye kadar
yükselebilmesinde görürüz.
Soğuk akışkanlar ise özgül
32 °C
kütleleri büyük olduğundan
aşağıya doğru hareket eder
ve sıcak akışkanlarla yer
değiştirir. Bu döngüde enerji,
konveksiyon yoluyla yayılmış
olur.
Konveksiyonla
enerji
aktarımı, akışkanın aldığı
enerjiyle özgül kütlesinin
azalması sonucu hareket
15 °C
etmesi ve enerjiyi başka yere
taşımasıdır. Bu olay yandaki
şekillerde de görüldüğü gibi
gündüzleri sıcaklık farkından
dolayı denizden karalara
doğru
olurken
geceleri
karalardan denizlere doğru
gerçekleşir. Gündüz yakılan
ateşin dumanı karaya doğru
hareket ederken gece yakılan ateşin dumanı denize doğru hareket
eder. Atmosferdeki hava olayları bu yolla gerçekleşmektedir.
İletim yoluyla enerji aktarımında olduğu gibi konveksiyon
yoluyla enerji aktarımında da maddesel ortama ihtiyaç vardır.
Isının konveksiyon yoluyla aktarılması ev ve arabalardaki
kalorifer sistemleri ile seyahat balonlarında görülmektedir. Su
ısıtıcılarındaki rezistansların dip kısımlara yerleştirmesinde de bu
özellik dikkate alınmıştır. Isınan su molekülleri aşağıdan yukarıya
hareket ederek enerjisini aktarırken yukarıdaki soğuk moleküller de
aşağıya doğru hareket eder. Böylece su, büyük oranda konveksiyon
27 °C
19 °C
29
1. Ünite
yolu ile ısıtılmış olur. Benzer şekilde, otomobillerin iç kısımlarının
ısıtılması konveksiyon yolu ile olur. Ayrıca büyük okyanus dalgaları
ile atmosferde rüzgâr oluşumu da bu duruma örnektir.
Isının konveksiyon yoluyla
iletiminden
faydalanılarak
güneş enerjisi baca santralleri
kurulmuştur. Geleceğin temiz
enerji üretim kaynakları olarak
gösterilen bu santraller, ilk olarak
1982 yılında Alman Mühendis
Jörg Schlaich (Yörg Şilayn)
önderliğinde İspanya’nın başkenti
Madrid’e yakın bir alana inşa edilmiştir. Manzanares Bacası adı
verilen bu bacanın çapı 10 m olup yüksekliği 200m’dir. Bu bacada
enerji üretme, ısının konveksiyonla aktarılması prensibine dayanır.
Sıcak bölgede ısınan hava, bacadan yukarı doğru yükselirken
bacanın ağzındaki türbinleri döndürür. Dönen türbinler yaklaşık
50 kW gücünde elektrik üretir. Diğer enerji kaynakları gibi atık
madde derdi olmayan bu bacalar, Güneş’ten gelen enerjiyi elektrik
enerjisine dönüştürerek kendi enerjisini kendi ürettiğinden gelecek
için önemli enerji üretim yöntemlerinden biri olacaktır.
GÜNEŞ OCAĞI
İsveçli doğa bilimcisi Horace de
Saussure (Horıs de Sasır) tarafından
1767 yılında yapılan güneş ocakları,
güneş enerjisiyle çalışan ve pişirme
amaçlı kullanılan sistemlerdir. Güneş’ten
gelen ısı, iç yüzeyi cilalanarak parlatılmış
paraboloid çanak sayesinde çanağın odağında yoğunlaştırılır.
Yoğunlaşan ısı ile çanak odağına konan tencerede pişirme
işlemi gerçekleştirilir. Özellikle Güneş’in parlak olduğu günlerde
tencerenin altındaki ısı 130-140 °Cʼlara ulaşabilir.
Güneş ocaklarından kış aylarında da yararlanılır. Ayrıca,
yangın çıkarma riski olmadığından bu ocaklar rüzgârlı havalarda
rahatça kullanılabilmekte, mutfak veya LPG tüpleri gibi çevredeki
oksijeni tüketmemektedir.
Bu kitap için hazırlanmıştır.
30
Madde ve Özelikleri
3. Isının Işıma Yoluyla Aktarılması
Isı aktarımı, iletim ve konveksiyon dışında ışıma yoluyla da
olur. Ancak ışıma yoluyla ısı aktarımı farklı özelliklere sahiptir.
Bu özelliklerin farkına varmak ve güneş ocaklarının çalışmasını
sağlayan güneş enerjisinin ışıma yoluyla aktarımını kavramak için
aşağıdaki etkinliği yapalım.
Bu etkinliği güneşli bir günde yapınız.
ARAÇ VE GEREÇLER
. İki adet 50 mL’lik de.
.
.
.
receli silindir
İki adet termometre
İspirto
Kibrit
Mum
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz ve
aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak
görev paylaşımı yapınız.
2. Dereceli silindirlerden birinin dış yüzeyinin mum alevinden yararlanarak isle kaplanmasını
sağlayınız.
3. Her iki dereceli silindiri seviyeleri eşit olacak şekilde ispirto ile doldurunuz.
4. Aşağıdaki çizelgeye benzer bir çizelgeyi defterinize çiziniz ve silindirlerde bulunan
ispirtoların ilk seviyelerini ve ilk sıcaklıklarını ölçerek bu çizelgeye kaydediniz. Daha sonra her
iki dereceli silindiri güneş alan bir ortama bırakınız ve t = 5, 10, 15, 20 dakika için ölçümlerinizi
tekrarlayınız.
t=0
İlk Hacim
(mL)
İlk Sıcaklık
(°C)
t = 5 dk.
Hacim
(mL)
Sıcaklık
(°C)
t = 10 dk.
Hacim
(mL)
Sıcaklık
(°C)
t = 15 dk.
Hacim
(mL)
Sıcaklık
(°C)
t = 20 dk.
Hacim
(mL)
Sıcaklık
(°C)
1. Silindir
2. Silindir
Örnek çizelgedir.
Sonuca Varalım
1. Dereceli silindirlerin içerisindeki ispirtoların seviyelerinde bir değişim gözlemlediniz mi?
Gözlemlemişseniz hangi silindirde bu değişim daha fazladır? Açıklayınız.
2. Dereceli silindirlerde bir sıcaklık artışı gözlemlediniz mi? Gözlemlemişseniz bu artış için
gerekli olan enerji nereden ve nasıl karşılandı? Açıklayınız.
3. Dereceli silindirlerin içerisindeki ispirtoların sıcaklıkları arasında zamanla bir fark oluştu
mu? Eğer oluşmuşsa hangi silindirde sıcaklık daha yüksektir? Açıklayınız.
31
1. Ünite
On birinci sınıf fizik derslerinde de
öğrendiğiniz gibi Güneş’ten gelen enerji
uzaydan ve atmosferden geçerek yeryüzüne
ulaşır. Ancak atmosfer ısıyı iyi iletmediğinden
enerji atmosferden iletim yoluyla geçemez
ve yeryüzüne ulaşamaz. Çünkü enerji
konveksiyon yoluyla aktarılırken ısınan hava
ya da sıvılar genleşerek yukarı doğru hareket
eder ve enerji aşağıdan yukarıya doğru
taşınır. Güneş’ten gelen ışınlar ilk olarak
atmosferin üst katmanları ile karşılaştığı için
atmosferin üst kısımlarının sıcak, yeryüzüne
yakın kısımlarının ise soğuk olması gerekir.
Oysa Dünya yeryüzünden atmosfere doğru da ısınır. Dolayısıyla
Güneş’ten gelen bu enerji Dünya’mıza farklı bir yolla gelmek
zorundadır. Bu durum fizikte enerjinin ışıma yoluyla aktarılması
(radyasyon) olarak adlandırılır.
Enerjinin, iletim ve konveksiyonla aktarımlarından farklı
olarak ışıma yoluyla aktarımı için maddesel bir ortama ihtiyaç
yoktur. Isının ışıma yoluyla aktarımı boşlukta ışık hızıyla hareket
eden elektromanyetik dalgalar ile gerçekleşir. On birinci sınıf fizik
derslerinde de öğrendiğiniz gibi radyo dalgaları, görünür ışık,
X-ışınları, kızıl ötesi ışınlar, mor ötesi ışınlar ve gama ışınları
elektromanyetik dalgalara örnektir. Bunlar dalga boylarına göre
sıralandığında görünür bölgede en büyük dalga boyuna sahip ışığın
rengi kırmızı en küçük dalga boyuna sahip ışığın rengi mordur.
Kızıl ötesi ışınların
şömineden ortama yayılması
On birinci sınıf fizik derslerinde öğrendiğiniz gibi sıcaklık değeri
mutlak sıfırın üzerindeki tüm maddeler, elektromanyetik dalga
yayınlar. Maddelerin sıcaklıkları ne kadar yüksekse yayınladıkları
bu dalgaların enerjileri de o kadar yüksek olur. Güneş’in sıcaklığı
Dünya’nın sıcaklık ortalamasına göre çok yüksek olduğu için
Güneş, elektromanyetik spektrumun görünür bölgesine denk
düşen elektromanyetik dalgalar yayınlar. Fakat Dünya’mızın
sıcaklığı Güneş’e oranla çok az olduğundan Dünya’nın yayınladığı
elektromanyetik dalgalar kızıl ötesi bölgeye denk düşmektedir. Bu
duruma en güzel örnek yanardağlardan fışkıran lavlardır. Sıcaklığı
32
Madde ve Özelikleri
5.000 °C civarında olan lav, sarı görünürken sıcaklığı
12.000 °C civarında olan lav beyaza yakın görünür.
Maddelerin ışıma yaparak enerji yaydığını ve bu
nedenle sıcaklıklarının sürekli azalması gerektiğini
biliyoruz. Ancak maddeler ışıma yapmalarının yanı
sıra enerji de soğururlar.
Enerjiyi iyi yayıcı maddeler, aynı zamanda
iyi birer soğurucudurlar. Siyah renkli maddeler iyi
soğuruculara örnek verilebilir. Beyaz renkli maddeler
ise kötü soğurucudurlar. Bu nedenle iç kısmı beyaz
renkli bardağa konan sıcak su, siyah renkli bardağa
konan sıcak sudan daha geç soğur.
Bir madde ışıma yaparken aynı zamanda soğurma
da yapıyorsa bu maddenin sıcaklık değişimi, ışıma
ve soğurma dengesine bağlıdır. Madde, soğurduğu
enerjiden daha fazlasını yayınlıyorsa sıcaklığı azalır,
bunun tam tersi durumda ise sıcaklığı artar. Dünya,
geceleri soğurduğu enerjiden daha fazlasını yaydığı
için hava soğumaktadır. Havanın soğuduğu ve
uygun şartların oluştuğu bölgelerde (havanın neme
doyduğu %75’lik sınır seviyesinden sonra) havadaki
su buharı 0 °C altındaki sıcaklıklarda gaz hâlinden
sıvı hâle geçmeden buza dönüşür. Kırağı olarak
adlandırılan bu durum kışın ağaç veya bitki yapraklarında çok sık
gözlenir. İyi soğurucu olmadıkları ve iyi ışıma yapamadıkları için
toprak ve asfaltlarda kırağı oluşmaz. Dünya’nın ısınması da benzer
durumla açıklanmaktadır. Güneş’ten gelen yüksek frekanslı ışınlar
atmosferden geçerek yeryüzüne ulaşır. Yeryüzü bu ışınları soğurur
ve ısınır. Bu sırada Dünya da aynı şekilde ışıma yapar. Atmosfer,
yüksek enerjili ışımalara geçirgen davranırken düşük enerjili
ışımalara dalga boyları büyük olduğundan opak madde gibi davranır
ve bu ışımanın bir kısmının atmosferi terk etmesine izin vermez.
Atmosferi terk edemeyen bu ışınlar nedeniyle Dünya gereğinden
fazla ısınmaktadır. Bu durum sera etkisi olarak adlandırılır.
Güneş enerjisiyle çalışan su ısıtma sistemleri sera etkisine
Atmosfer Güneş’ten gelen
benzetilebilir. Bu sistemlerde atmosfer
ışınları soğurarak tümünün
görevini kullanılan camlar görür.
Dünya’ya ulaşmasını engeller.
Yüksek enerjili (düşük dalga boylu)
Dünya’ya
ışık karşısında saydam olan cam,
Atmosferdeki
gelen
düşük enerjili (yüksek dalga boylu) ışık
bazı
gazlar
ışınların
karşısında opak madde gibi davranır
Dünya’dan
gelen
bir kısmı
ışınların
uzaya
ve enerjinin içeride hapsedilmesini
yansıyarak
yayılmasını
sağlar.
geri döner.
engeller.
Işıma yoluyla yayılan enerji,
herhangi bir maddeyle karşılaştığında
Dünya ışıma
maddenin özelliklerine bağlı olarak
yapar.
soğurulur ya da yansıtılır. İyi
soğurucu
olarak
tanımladığımız
33
1. Ünite
maddeler, üzerlerine gelen ışımanın çoğunu soğururken çok azını
yansıtırlar. Eğer bir madde, üzerine gelen tüm ışımayı soğuruyor
ya da geçirmiyorsa siyah renkte görünür. Yandaki fotoğrafta da
görüldüğü gibi güneşli bir günde uzaktaki bir tünele baktığınızda
tünelin girişinin siyah göründüğünü fark edeceksiniz. Bunun nedeni
girişe gelen ışımanın herhangi bir yerden yansımayıp tünelin
içerisine girmesi ve tünelin iç kısmındaki birkaç yansımadan sonra
soğurulmasıdır.
Elektromanyetik ışımayı iyi yansıtan maddeler kötü birer
soğurucudurlar. İyi yansıtıcı maddelere örnek olan temiz kar
bu özelliğinden dolayı hızlı bir şekilde erimez. Çok miktarda kar
bulunan bölgelerde baharın gelişiyle birlikte çok sık su baskınlarına
rastlanır. Bu baskınların en büyük nedeni iyi bir yansıtıcı olan beyaz
renkli temiz karın, hava sıcaklığındaki artışa bağlı olarak hızlıca
erimesidir. Erime hızını azaltmak için kış mevsiminin sonuna doğru
uçaklarla yüksek bölgelerdeki karların üzerine kurum serpilir.
Kirlenen kar rengi koyu olduğu için artık iyi bir soğurucu olur ve
düşük hava sıcaklıklarında yavaş yavaş erimeye başlar.
Işıma yoluyla yayılan enerjiyi iyi yansıtan yüzeyler ısı
yalıtımlarında kullanılır. Günlük yaşantıda kullandığımız termoslar,
arabalardaki parlak güneşlikler ve gözlük camları yansıtıcı
yüzeylerinden dolayı ısı alış verişini engeller. Benzer şekilde
‟Güneş Ocağı” adlı metinde belirtilen güneş ocaklarının yüzeyleri
de enerjiyi iyi yansıtan yüzeylerdir. Bu sayede üzerlerine düşen
ışığı yansıtarak odakta toplar ve tencerenin ısınmasını sağlar.
Ekvator bölgesinden Kuzey Kutbu’na kadar olan yerlerde
(Moskova, Kiev, Ankara, Kahire, Nairobi vb.) yaşayan insanların
kılık kıyafetleri ile bu bölgelerdeki yapı tasarımları birbirinden
farklıdır. Bu farklılıkların nedenlerini ve ışıma yoluyla enerji
iletimi arasındaki bağlantısını araştırınız. Araştırma sürecinde
İnternetten (edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı
ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz.
Araştırma sonucunda elde ettiğiniz verileri sentezleyerek bir rapor
yazınız. Raporu konuyla ilgili görsel materyallerle destekleyerek
bir Powerpoint sunusu hâline getiriniz ve arkadaşlarınızla
paylaşınız.
Bu çalışmayla ilgili öz değerlendirmem
Bu çalışmayı yaparken karşılaştığım problemler :.................
.......................................................................................................
Bu çalışmayı yaparken öğrendiğim yeni bilgiler :...................
.......................................................................................................
Böyle bir çalışmayı tekrar yapacak olsaydım dikkat edeceğim
hususlar :.......................................................................................
.......................................................................................................
.
.
.
34
Madde ve Özelikleri
Aşağıda verilen çizelgenin benzerini defterinize çiziniz ve şimdiye kadar öğrendiklerinizden
hareketle içini doldurunuz.
Özellikler Diğer İletim Yollarından Farkı
Teknolojide Kullanımı
Yayılma yolu
İletim
Konveksiyon
Işıma
Örnek çizelgedir.
Isı
iletiminin hangi yollarla gerçekleştiğini, otomobil
teknolojisinde kullanılan klimaların, soğutma sistemlerinin ve
yalıtım araçlarının ısının iletim yolları dikkate alınarak tasarlandığını
öğrendiniz. Tasarlanan bu malzemeler yapısal özelliklerine göre
farklı enerji aktarım hızlarına sahiptir. Acaba bu malzemelerin her
birinde ısı aktarım hızını belirleyen faktörler nelerdir?
Aynı ortamda uzun süre kalmış, sıcaklıkları aynı olan tahta
ve demire dokunduğumuzda demir, tahtaya oranla daha soğuk
algılanır. Bunun sebebi demir ve tahtanın ısı iletim hızları arasındaki
farklılıktır. Vücut sıcaklığımız ortam sıcaklığına bağlı olmaksızın
37 °C civarındadır ve 22 °C değerindeki oda sıcaklığına göre
yüksektir. Enerji aktarımı, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa
doğru olduğundan oda sıcaklığındaki demire dokunduğumuzda bu
aktarım vücudumuzdan demire doğru olacaktır. Aynı durum tahta
için de geçerlidir. Ancak vücudumuzdan demire enerji geçişi tahtaya
oranla daha hızlı olacağından biz demiri daha soğuk algılarız. Bu
durum ısıl denge sağlanana kadar devam eder.
Δx kalınlığındaki bir cismin sıcak yüzeyinden soğuk
yüzeyine ΔQ kadar enerjinin iletim yoluyla Δt süresinde geçiş
A
yaptığını düşünelim. Bu cismin ısı alış veriş (aktarım) hızı;
ΔQ
k A ΔT şeklinde ifade edilir.
=Δt
Δx
Burada;
ΔQ : Isı alış veriş hızını (J/s),
Δt
k : Isı iletim kat sayısını (W/mK),
A : Dik kesit alanını (m2),
Δx : Kalınlığı (m),
ΔT : Sıcaklık farkını (K),
ΔT
: Birim uzaklığa göre sıcaklık değişimini ifade eder (K/m).
Δx
Buradan;
Tdış
Tiç
Δx
ΔT = Tiç – Tdış hesaplanır.
35
1. Ünite
Isı akışı, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru olduğu için
ısı alış veriş hızı negatif olur. Bağıntıdaki eksi işareti, ısı iletim kat
sayısını artı yapmak için kullanılmaktadır. Bazı maddelerin ısı iletim
kat sayıları aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Madde
Gümüş
406,0
Bakır
385,0
Alüminyum
205,0
Pirinç
109,0
Çelik
50,2
Kurşun
34,7
Cıva
8,3
Çimento harcı
1,60
Buz
1,6
Beton
0,8
Cam
0,8
Alçı harcı, kireçli alçı harcı
0,7
Kırmızı tuğla
0,6
Yalnız alçı kullanılarak yapılmış sıva
0,51
Standartında düşey delikli taşıyıcı tuğlalar (1200 Kg / m3)
0,5
Yatay delikli tuğlalar (600 Kg / m3)
0,33
W sınıfı düşey delikli geçmeli tuğla (700 Kg / m3)
0,21
Yalıtımlı tuğla
0,15
Perlitli sıva (400 Kg / m )
3
Tahta
0,14
0,12 - 0,04
Cam köpüğü levhası
0,06
Mantar
0,04
Keçe
0,04
Fiberglas
0,04
Yün
0,04
Polistren sert köpük levhaları (PS)
0,04
Hava
0,024
Suni köpük
0,01
*Fizik 12 Öğretim Programı’ndan alınmıştır.
36
Isı İletim Kat Sayısı, k
(Wm-1 K-1)
Madde ve Özelikleri
10 cm kalınlığındaki fiberglas levhanın iç yüzeyinin
sıcaklığı 27 οC, dış yüzeyinin sıcaklığı 22 οC’tur. Levhanın
50 cm x 50 cm’lik parçasından birim zamanda geçen ısı ne
kadardır? (kfiberglas= 0,04 Wm-1 K-1)
Çözüm
Δx = 10cm
Δx = 0,1 m
Tiç= 27 οC
Tiç= 27 + 273 ⇒Tiç= 300 K
Tdış= 22 οC
Tdış= 22 + 273 ⇒ Tdış= 295 K
ΔT = Tiç-Tdış ⇒ ΔT = 300 - 295 ⇒ ΔT = 5 K
A = 50 cm.50 cm ⇒ A = 0,5 m.0,5 m ⇒ A = 0,25 m2
kfiberglas= 0,04 Wm-1 K-1
Buradan;
(0,04)(0,25)5
ΔQ
k A ΔT
= Qiletim =
= +
ise;
Δt
Δx
0,1
Qiletim = 0,5 W bulunur.
4 cm kalınlığında bakır levhanın iç yüzeyinin sıcaklığı 48 οC, dış
yüzeyinin sıcaklığı 45 οC’tur. Levhanın 80x80 cm’lik parçasından
birim zamanda geçen ısı ne kadardır (kbakır= 372 Wm-1 K-1)?
Çözüm
Δx = 4 cm
Δx = 0,04 m
Tiç= 48 οC
Tiç= 48 + 273 ⇒ Tiç = 321 K
Tdış= 45 οC
Tdış= 45 + 273 ⇒ Tdış = 318 K
ΔT = Tiç- Tdış⇒ ΔT = 321 - 318 ⇒ ΔT = 3 K
A = 80 cm.80 cm ⇒ A = 0,8 m.0,8 m ⇒ A = 0,64 m2
kbakır= 372 Wm-1 K-1
Buradan ısı alış veriş hızı;
ΔQ
k A ΔT (372)(0,64)3
Qiletim= Δt = - Δx =
0,04
ise;
Qiletim= 17856 W ⇒ Qiletim = 17,856 kW bulunur.
37
1. Ünite
2 cm kalınlığındaki cam levhanın
ο
iç yüzey sıcaklığı 31 C, dış yüzey
ο
sıcaklığı 28 C’tur. 60 cm x 60 cm’lik
parçasından birim zamanda geçen ısı
ne kadardır?
Çözüm
Δx = 2 cm = 0,02 m
ο
Tiç= 31 C = 31 + 273 = 304 K
ο
ο
31 C
28 C
Qiletim
2 cm
ο
Tdış= 28 C = 28 + 273 = 301 K
ΔT = Tiç- Tdış= 321 - 318 = 3 K
2
A = 60 cm.60 cm = 0,6 m.0,6 m = 0,36 m
kcam= 0,8 Wm-1 K-1 olarak verilmiştir. Buradan;
Qiletim=
ΔQ
k A ΔT (0,8)(0,36)3
= =
Δt
Δx
0,02
ise;
Qiletim= 43,2 W bulunur.
Günlük yaşantıda kullandığımız pek çok araç, fizik bilimindeki geliş­meler sayesinde üretilmektedir. Bu araçlar fizik alanındaki
sına­malar, sorgulamalar ve incelemeler sonucunda geliştirilmektedir. Örneğin, inşaat sektöründe ısı yalıtımı için ısı iletim kat sayı-1
sı k=0,6 Wm-1K olan kırmızı tuğlaların yerine ısı iletim kat sayısı
daha küçük olan (k=0,01 Wm-1K-1) suni köpük kullanılmaya başlanmıştır. Aynı şekilde bilim ve teknolojideki gelişmeler neticesinde inşaat sektörü için büyük problem olan çatı yalıtımında kullanılmak
üzere ısı iletim kat sayısı k=0,04 Wm-1K-1 olan ve çatı şiltesi olarak
adlandırılan malzeme üretilmiştir.
38
Madde ve Özelikleri
Teknolojik gelişmelerin cam sanayisine yansıması, ise ısı yalıtımlı camların üretilmesidir.
Bu camlarda ısı yalıtımı iki cam arasına ısı
iletim kat sayısı k = 0,024 Wm-1K-1 olan hava
bırakılarak sağlanmıştır.
Fizik ve teknolojideki gelişmeler toplumlar
arası rekabeti beraberinde getirmiştir.
Bu durum özellikle otomotiv sektöründe
karşımıza çıkmaktadır. Birçok ülke ısı iletim
kat sayısını dikkate alarak insanlar için en
konforlu araçların üretiminde birbirleriyle
yarışmaktadırlar. Bu sayede insanlar her
geçen gün konfor ve güvenlik bakımından
daha iyi araçlara kavuşmaktadır. ‟Otomobiller ve Termodinamik”
adlı metinde de görüldüğü gibi güvenlik için termometreler ve motor
arasında motorun sıcaklık değişiminin sürücüye en hızlı şekilde
iletilmesi amacıyla ısı iletim kat sayısı yüksek olan malzemeler
kullanılmıştır. Ayrıca vücudun ısı kaybını en aza indirmek ve
otomobil koltuklarının daha konforlu olmalarını sağlamak amacıyla
koltuklar ısı iletim kat sayısı düşük malzemelerle kaplanmıştır.
Verilen örneklerden de anlaşılacağı gibi fizik bilimindeki
gelişmeler birçok meslek dalına katkı sağlamakta ve bu sayede
toplumların yaşam standartlarını yükseltmektedir.
Günlük yaşamda kullandığımız pek çok malzeme ısı iletim
hızı dikkate alınarak üretilmiştir. Çevrenizde bu malzemelerin
kullanımı ile çözülebilecek bir problem durumu tespit ediniz.
Tespit ettiğiniz problem durumuyla ilgili hipotezler oluşturarak
çözüm önerileri geliştiriniz. Bu süreçte öğretmeninizden problem
durumunuz ve hipotezlerin kurulumu ile ilgili geri bildirim alarak
çalışmanızı tamamlayınız.
39
1. Ünite
su döngüsü
Dünya’nın 3/4’ü suyla kaplıdır. Bu suyun büyük kısmı okyanus ve denizlerde
mevcuttur. Güneş’ten Dünya’ya ulaşan ışınlar sayesinde okyanusların, denizlerin,
nehirlerin ve göllerin bünyelerindeki su moleküllerini bir arada tutan bağlar
çözülür. Böylece su buharlaşır. Bu esnada buharlaşmanın olduğu ortam serinler.
Buharlaşan suyun özgül kütlesi havanın özgül kütlesinden az olduğundan su buharı
atmosferde yükselir. Bitki ve diğer canlıların terleme sonucu buharlaştırdığı su
taneciklerinin bir kısmı bazen ağaç ve yapraklar üzerinde su damlacıkları oluşturur.
Bu damlacıklar bazı durumlarda kırağı oluştururlar. Kırağı sabah saatlerinde
gerçekleşir. Terleme sonucu buharlaşan su taneciklerinin bir kısmı ise yükseklerde
birleşerek yoğuşur ve bulutları oluşturur. Eğer yoğuşma yeryüzüne yakın yerlerde
olursa bulut, sis olarak adlandırılır. Atmosfer hareketiyle başka bölgelere taşınan
su buharı soğuk hava tabakasıyla karşılaştığı zaman yoğuşur, yağmura dönüşerek
denizlere, okyanuslara, göllere, nehirlere ya da toprak tarafından emilerek
yer altı sularına karışır. Kar ve dolu da eriyerek bu döngüye dahil olur. Kar ve
dolunun erimesinde birden fazla faktörün etkisi vardır. Bu faktörlerden ilki yabancı
maddelerdir. Kar veya dolu, farklı maddelerle karışarak erimeye başlar. Bir diğer
etki ise dış basınçtır. Basıncın yüksek olduğu yerlerde kar ve dolu kendiliğinden
erimeye başlar. Bu durumun sebebi kar molekülleri arasındaki bağların dış basınç
etkisiyle zayıflamasıdır. Dış basınç etkisinin az olduğu yerlerde kar veya dolu
erimeden uzun süre kalabilmektedir. Bu duruma yüksek tepelerde yaz aylarında
bile karların erimeden kalması örnek olarak verilebilir. Erimede etkili olan son
faktör ise sıcaklık artışıdır. Basınçta olduğu gibi sıcaklık artışı da moleküller
arasındaki bağları zayıflatır ve erimeyi başlatır. Eriyen kar ve dolu nehirler ve yer
altı sularına karışarak önce denizlere, oradan da okyanuslara ulaşır. Bu olay su
döngüsü (çevrimi) olarak adlandırılır. Su, bu döngü içerisinde hareket ederken
uygun şartların oluştuğu ortamlarda katı, sıvı ve gaz hâlde bulunabilir. Bu durumu
Everest Dağı’na tırmanan dağcıların görme olasılığı yüksektir. Aynı zamanda
döngü içerisinde su, buhar hâlindeyken hissedilen sıcaklığı da etkilemektedir.
Havadaki su buharı (nem) miktarı arttıkça hissedilen sıcaklık ile gerçek sıcaklık
arasındaki fark da artar.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
40
Madde ve Özelikleri
Yağmur sularıyla ıslanan yollar yazın çok kısa sürede kurur.
Aynı şekilde içerisinde su bulunan bir kabı açık bıraktığınızda bir
müddet sonra su azalır veya tamamen yok olur. Bu iki olayda suyu
azaltan etki acaba hangi fiziksel bilgilerle açıklanabilir?
Sıvı molekülleri sürekli hareket hâlinde olduklarından birbiriyle
çarpışırlar. Bu çarpışmalarda bazı moleküller enerji kazanarak
hızlarını artırırken bazıları enerji kaybederek daha yavaş hareket
eder. Sıvı yüzeyine yakın olup hızlı hareket eden moleküller eğer
yeterli enerjiye sahipse sıvı yüzeyinden kurtularak havaya karışır.
Bu olay buharlaşma olarak adlandırılır. Dokuzuncu sınıf fizik
derslerinde sıcaklığı, maddeyi oluşturan moleküllerin ortalama
kinetik enerjisinin ölçüsü olarak tanımlamıştınız. Hızlı moleküllerin
sıvı yüzeyinden ayrılıp yavaş moleküllerin sıvıda kalması sebebiyle
oluşan buharlaşma esnasında sıvı moleküllerinin ortalama kinetik
enerjileri, yani sıvının sıcaklığı azalır. Buharlaşmanın çok sık
gerçekleştiği zamanlarda havanın serinlemesinin nedeni budur.
Buharlaşmanın serinletici etkisine günlük yaşantımızda birçok
yerde rastlarız. Spor yapan insanların vücut sıcaklıkları sürekli
artmaktadır. Vücut, sıcaklık dengesini sağlayabilmek için sürekli
terler ve buharlaşan ter sayesinde vücut sıcaklığı dengelenir.
Vücutları yeterince terleme yapamayan canlılar ise bu ihtiyaçlarını
farklı şekillerde karşılar. Aşağıdaki resimde de görüldüğü gibi
köpekler dillerini dışarıya çıkararak ağız sıvılarını buharlaştırır ve
bu sayede sıcaklık dengelerini sağlar. Mandalar ise çamura yatarak
vücutlarını ıslatır ve buharlaşma sayesinde serinler.
Benzer şekilde elimize kolonya döktüğümüzde serinlik
hissetmemizin nedeni kolonyanın içerisinde bulunan alkolün ısıyı
alarak buharlaşmasıdır. Ayrıca yazın sudan çıkan bir insanın
üşümesi de vücudunda kalan suyun buharlaşması sonucu vücudu
terkeden ısı ile açıklanır. Duştan çıkan bir insanın üzerindeki suyu
hızlıca kurulamasının nedeni buharlaşmayı azaltarak üşümeyi
engellemektir.
Belediyelerin yazları sokakları ıslatma amacı, suyun
buharlaşarak ortamdaki ısıyı almasını sağlamak ve bunun
sonucunda çevreyi serinletmektir. Ayrıca ateşi çıkan çocukların
vücuduna ıslak bez konmasının nedeni de ıslak bezin
buharlaşmasıyla vücut sıcaklığının düşmesini sağlamaktır. Hava
akımındaki artış, basıncı düşürdüğünden buharlaşmayı artırır. Bu
yüzden ıslak çamaşırlar rüzgârlı havalarda daha kolay kurur.
41
1. Ünite
Bu ünitede, hâl değişimi esnasında ortama enerji verilmesi
veya ortamdan enerji alınmasına yönelik çeşitli örnekler gördünüz.
Aşağıdaki açıklamalar doğrultusunda sizlerden bir araştırma
yapmanız ve bu örnekleri çoğaltmanız istenmektedir.
Çevrenizde hâl değişimi ile ilgili bir araştırma yapınız.
Örnekleriniz günlük yaşam - teknoloji ile ilgili olmalıdır.
Bulduğunuz örnekleri gerekçeleri ile birlikte açıklayınız.
Gerekçeleri açıklarken ‟hâl değişimi” ile ilgili kaynaklardan
(makaleler, bilimsel süreli yayınlar, İnternet, kütüphane gibi) bilimsel yazılar bulmaya çalışınız.
Bulduğunuz
��������������������������������������������������������������
örnekleri, çeşitli görseller ve metin ile destekleyerek bir sunu hâline getiriniz ve sınıfa sununuz.
.
.
.
.
Bu çalışmayla ilgili öz değerlendirmem
. Bu çalışmayı yaparken karşılaştığım problemler :..................
.......................................................................................................
Bu çalışmayı yaparken öğrendiğim yeni bilgiler :...................
.......................................................................................................
Böyle bir çalışmayı tekrar yapacak olsaydım dikkat edeceğim
hususlar :........................................................................................
.......................................................................................................
.
.
Yeterli enerjiye sahip olup su yüzeyinden ayrılan su molekülleri
havaya karıştıktan sonra havanın özgül kütlesini azalttığı için
yükselir. Bu sırada buharlaşmanın tersi olan yoğuşma başlar.
Yoğuşma, buharlaşmanın aksine ısınma sürecidir. Çünkü bu
süreçte ortama enerji aktarılır. Bu durum, duş alınan bir ortamda
yoğuşma sonucu oluşan su buharının etrafı ısıtmasında görülür.
Suyun her sıcaklıkta buharlaştığı dikkate alındığında yüksek
sıcaklıklarda gerçekleşen buharlaşma sonucu oluşan yoğuşma,
ortamı daha fazla ısıtır. Örneğin; 100 °C’taki 1 g su buharının
yoğuşma esnasında etrafa verdiği ısı, 10 °C’taki
su buharının yoğuşma esnasında verdiği ısıdan
daha fazladır. Bu nedenle sıcak su buharı
cildimize zarar verirken soğuk su buharı zarar
vermez.
Hava sıcaklığı buharlaşma ve yoğuşma
Hızlı hareket eden su molekülleri
dengesine bağlı olarak değişir. Eğer buharlaşma
çarpıştıktan sonra birleşemezler.
yoğuşmadan fazlaysa hava soğur, az ise hava
ısınır.
Sıcak havalarda hızlı şekilde hareket
eden su buharı molekülleri havada birbirleriyle
çarpışır. Bu çarpışmalar sonunda, enerjileri
yüksek olduğundan birlikte hareket edemezler.
Yavaş hareket eden su molekülleri
Hava sıcaklığının düşük olduğu durumlarda
çarpıştıktan sonra birleşerek hareket ederler.
42
Madde ve Özelikleri
ise yavaş hareket ettiklerinden çarpışmalardan sonra
yapışarak birlikte hareket ederler. Bu durumda birleşen
bulut
moleküller ağırlaşarak ‟Su Döngüsü” adlı metinde de
belirtildiği gibi bulutları oluşturur. Bulutlar yeryüzüne çok
yakınsa sis olarak adlandırılır. Sis ile bulut arasındaki
fark yeryüzüne olan uzaklıklarıdır. Bulutlarda bulunan su
buharları yeterli derecede yoğuşursa hava sıcaklığına
sis
göre yağmur, kar veya dolu olarak yeryüzüne düşer.
Buharlaşmayı, yeterli enerjiye sahip moleküllerin
sıvı yüzeyinden ayrılması olarak tanımlamıştık.
Sıvı içerisinde de buharlaşma için yeterli enerjiye sahip
moleküller olabilir. Moleküller yandaki şekilde de görüldüğü
Hava
baloncuğu
gibi dışarıdan aldıkları enerji sonucu oluşturdukları buhar
basıncıyla sıvı yüzeyine çıkmaya çalışan hava baloncukları
meydana getirir. Bu baloncuklar sıvı buhar basıncının,
sıvının yüzeyine etki eden dış basınca eşit olduğu durumda
Atmosfer ve
ortaya çıkar. Bu durum kaynama olarak adlandırılır.
suyun basınç
kuvvetlerinin
Kaynama, buharlaşmanın en hızlı hâlidir. Bir sıvının kaynaması
birleşimi
için sıvının iç basıncının dış basıncına eşit olması gerekir. Bu durum
iki farklı şekilde sağlanabilir. Bunlardan ilki sıvının, iç basıncının
dış basınca eşit oluncaya kadar ısıtılmasıdır. İkincisi ise basınç
Sıvı buhar basıncı kuvveti
faktörüdür. Çünkü kaynama sadece sıcaklığa değil, basınca da
bağlıdır.
Bu durumu aşağıdaki etkinlikle irdeleyelim.
ARAÇ VE GEREÇLER
. 250 mL’lik beherglas
. Su
. Su ısıtıcı
. Pistonlu hava
.
boşaltma tulumbası
Dijital termometre
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz
ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate
alarak görev paylaşımı yapınız.
2. Bir miktar suyu ısıtıcıda kaynatarak beherglasa dökünüz. Birkaç dakika bekledikten
sonra termometreyi beherglasa koyunuz.
3. Beherglası pistonlu hava boşaltma tulumbasının fanusunun içerisine yerleştiriniz.
4. Fanustaki havayı piston yardımıyla boşaltarak beherglastaki su ile termometredeki
değişimi gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
Sıvı üzerindeki hava basıncının düşmesinin kaynama sıcaklığına etkisini açıklayınız.
43
1. Ünite
Düdüklü tencereler ısınma sonucu oluşan buharın dışarıya
çıkmasını engelleyerek yüksek bir basınç oluşturur. Düdüklü
tencerenin içindeki basınç arttıkça tencerenin içindeki sıvının
yüzeyine etki eden basınç da artar. Bu durum kaynamayı engeller.
Buhar basıncıyla oluşacak hava baloncukları parçalanır. Böylece
tencerenin içindeki sıvının kaynama noktası yükselir. Bu yükselme
baloncuklardaki buhar basıncı su yüzeyindeki buhar basıncını
geçene kadar devam eder. Bu nedenle düdüklü tencerelerde
ο
suyun kaynama sıcaklığı 120 C civarındadır. Kaynama sıcaklığının
yüksek olması düdüklü tencerelerdeki yemeklerin daha hızlı ve iyi
pişmesini sağlar.
Dış basınç yani atmosfer basıncı azaltıldığında ise sıvının
kaynaması kolaylaşır, dolayısıyla kaynama noktası düşer. Örneğin,
su 200 kPa basınçta 120,23 °C’ta, 1.100 kPa basınçta ise
179,91 °C’ta kaynar.
Suyun kaynama sıcaklığı her 1.000 m yükseklik için yaklaşık
3,3 °C azalır. Su, deniz kenarında 100 °C’ta kaynar. Deniz
seviyesinden yükseklere çıkıldıkça atmosfer (açık hava) basıncı
azalacağından suyun kaynama sıcaklığı da azalır. Örneğin, deniz
seviyesinden yüksekliği yaklaşık 1.893 m olan Erzurum’da su
93,4 °C’ta kaynarken deniz seviyesinden yüksekliği 33 m olan
ο
Trabzon’da 99,9 C’ta kaynar.
Saf maddeler için 1 atm’lik basınç altında kaynamanın
gerçekleştiği sabit sıcaklığa kaynama noktası denir. Kaynama
sıcaklığındaki bir sıvının 1 gramını gaz hâle getirmek için
alması gereken ısı miktarı buharlaşma ısısı olarak adlandırılır.
Yoğunlaşma sıcaklığındaki bir gazın 1 gramını sıvı hâle getirmek
için vermesi gereken ısı miktarı ise yoğuşma ısısı adını alır. Aynı
madde için buharlaşma ve yoğuşma ısıları aynı değerde olup Lb ile
gösterilir. Buharlaşan maddelerin alması gereken ısı ile yoğuşan
maddelerin vermesi gereken ısı; Q = m Lb ile hesaplanır.
Burada;
m : Kütleyi,
Lb : Buharlaşma - yoğuşma (hâl değiştirme) ısısını ifade eder.
Bazı maddelerin 1 atm basınç altında buharlaşma - yoğuşma
ısısı ile kaynama - yoğuşma sıcaklık değerleri aşağıdaki gibidir.
Madde
Buharlaşma-Yoğuşma Isısı Kaynama Sıcaklığı
(J/g)
(°C)
Su
2257
100
Alkol
854,97
78,4
Aseton
520,41
56
Eter
296,78
35
* Serway, Raymond A. ve Beıchner, Robert J. 2008 kaynağından yararlanılarak
düzenlenmiştir.
Buharlaşma, sabit basınç altında her sıcaklıkta oluşabilirken
kaynama belirli bir sıcaklıkta gerçekleşir. Dışarıdan ısı almasına
rağmen kaynama esnasında maddenin sıcaklığı değişmez.
44
Madde ve Özelikleri
Dakikada 800 J ısı veren bir
ısı kaynağı ile ısıtılmakta olan
90 °C’taki 200 g su, kaç saniye
sonra 100 °C ‘ta su buharı hâline
gelir (csu= 4,18 J/g °C,
Lbuhar= 2.257 J/g)?
Çözüm
90 °C’taki 200 g suyu
100 °C’ta su hâline getirmek için
verilmesi gereken ısı miktarı;
Q1 = mscsΔt = 200.4,18.(100 - 90) = 8.360 J olur.
100 °C’taki 200 gr suyu 100 °C’ta buhar hâline getirmek için
verilmesi gereken ısı miktarı;
Q2 = ms Lb= 200.2.257 = 451.400 J dur.
90 °C’taki 200 g suyu 100 °C’ta su buharı hâline getirmek için
verilmesi gereken toplam ısı;
Q = Q1 + Q2 = 8.360 + 451.400
= 459.760 J olur.
Isı kaynağı;
1 dakikada
800 J ısı veriyorsa
x dakikada
459.760 J ısı verir.
-------------------------------------------------------x = 459.760/800 = 574,7 dk = 34.482 s olur.
Katı hâldeki maddelerin molekül hareketlerini, el ele tutuşarak
bulunduğu yerde zıplamaya çalışan bir grup insanın hareketine
benzetebiliriz. Belirli bir süre sonra zıplama hareketi sıklaştıkça
insanların el ele tutuşması zorlaşır ve insanlar birbirlerinden
ayrılmaya başlar. Sürekli titreşim hareketi yapan katı hâldeki
maddelerin molekülleri de yeterli miktarda enerji verildiğinde
titreşim hareketini artırır. Bunun sonucunda moleküllerin bir arada
kalması zorlaşır, madde hâl değiştirir. Maddelerin katı hâlden sıvı
hâle geçmesi erime olarak adlandırılır. Maddelerin 1 atm basınç
altında erimeye başladığı sıcaklığa erime noktası denir. Erime
noktasındaki bir maddenin 1 gramının erimesi için alması gereken
ısıya erime ısısı adı verilir ve Le ile gösterilir.
Sıvı hâldeki bir maddeden enerji alındığında moleküler hareket
yavaşlar. Moleküler hareket yeterince yavaşladığında ise madde
donmaya başlar. Donma olayı erimenin tam tersidir. Sıvı hâldeki
maddelerin 1 atm basınç altında donmaya başladığı sıcaklığa
donma noktası denir. Saf bir madde için erime ve donma noktası
aynıdır.
45
1. Ünite
Bazı maddelerin 1 atm basınç altındaki erime - donma ısıları ile
erime - donma sıcaklıkları aşağıdaki gibidir.
Madde
1 atm basınç altında
Erime - Donma ısısı
(J/g)
Erime - Donma
Sıcaklığı (°C)
Buz
334,4
0
Alüminyum
321,02
658
Bakır
175,56
1.080
Demir
117,04
1.536
Kurşun
22,57
327,4
Cıva
11,29
-39
* Serway, Raymond A. ve Beıchner, Robert J. 2008 kaynağından yararlanılarak
düzenlenmiştir.
Erime ve donma olaylarını birkaç örnekle irdeleyelim.
0 °C’taki 20 g buz, eşit zaman aralıklarında, eşit miktarlarda
ısı veren ısı kaynağıyla 10 dk. ısıtıldığında tamamen eriyerek
0 °C de su hâline geliyor. -5 °C’taki 60 gr buz aynı ısı kaynağıyla
40 dk. ısıtıldığında buz kütlesinin son durumu ve sıcaklığı ne olur
(cbuz≅ 2 J/g °C, csu= 4,18 J/g °C, Lerime= 334,4 J/g)?
Çözüm
Isı kaynağının 10 dk.da buza verdiği ısı;
Qkaynak= mbLe = 20.334,4
Kaynak 10dk. da 6.688 J ısı veriyorsa 40 dk.da;
4.6.688 = 26.752 J ısı verir.
o
-5 C’ta 60 g buzun 0 °C’ta buz olması için gereken ısı;
Q1 = mbcbΔT = 60.2(0 - (-5)) = 600 J
Buzun erimesi için alması gereken ısı;
Q2 = mbLb = 60.334,4 = 20.064 J’dür.
60 g buzun 0 °C’ta 60 g su olabilmesi için gerekli ısı;
Q1+ Q2= 600 + 20.064 = 20.664’tür.
Geriye kalan ısı miktarı;
Q3= 26.752 - 20.664 = 6.688 J’dür.
6.688 J’lük enerjinin 0 °C’taki suyun sıcaklığını ne kadar
artıracağını hesaplayacak olursak;
Q3= mscsΔT
6.668 = 60.4,18(T - 0)
s
6.088
o
Ts = 250,8 = 24,27 C olur. Sonuç olarak buz 24,27 °C’ta su
hâline gelmiştir.
46
Madde ve Özelikleri
10 °C’ta 1kg suyun
tamamının -20 °C buz hâline
getirilebilmesi
için
buzun
dışarıya vermesi gereken ısı
miktarını bulunuz
(csu= 4,18 J/g °C,
Lerime= 334,4 J/g,
cbuz=2,09 J/g °C)?
Çözüm
10 °C’ta 1 kg suyu 0 °C’de
su hâline getirmek için verilmesi gereken ısı miktarı;
Q1 = mscsΔt = 1.000.4,18.(10-0)= 41.800 J olur.
0 °C’ta 1kg suyu 0 °C’ta buz hâline getirmek için verilmesi
gereken ısı miktarı;
Q2= msLe = 1.000.334,4 = 334.400 J olur.
0 °C’ta 1 kg buzu -20 °C’ta buz hâline getirmek için verilmesi
gereken ısı miktarı;
Q3= mbcbΔt = 1.000.2,09(0-(-20)) = 41.800 J olur.
10 °C’ta 1kg suyun tamamının -20 °C buz hâline getirilebilmesi
için buzun dışarıya vermesi gereken ısı miktarı ise bu üç ısının
toplamıdır.
Yani ; Q = Q1+ Q2+ Q3
= 41.800 + 334.400 + 41.800
= 418.000 J olur.
Yeterince ısı verildiğinde katı maddeler sıvıya, sıvı maddeler gaz
hâline dönüşebilir. Bu dönüşüm sırasında madde, ortamdan enerji
alır. Aynı şekilde gaz hâlindeki bir madde ortama enerji vererek
sıvı hâle geçer. Bu sıvı, ortama enerji vermeye devam ederse katı
hâle geçer. Kısaca enerji değişimi maddelerin hâlini değiştirebilir.
Bu hâl değişimi ‟Su Döngüsü ” adlı metindeki yağmurun oluşumu
ile benzerlik gösterir. Hâl değişimi için gerekli enerji alış verişi
aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi gerçekleşir.
Ok yönündeki hâl değişimi için ortamdan enerji alınır.
katı
sıvı
gaz
Ok yönündeki hâl değişimi için ortama enerji verilir.
47
1. Ünite
— : Soğuk gaz
— : Sıcak gaz
48
Yeryüzünde bulunan su, ortamdan enerji
alarak hâl değiştirir. Bu değişim yağmurun
oluşması için gereklidir. Gaz hâline dönüşen su
molekülleri, yükseldikçe ortama enerji aktarır ve
tekrar yoğunlaşır. Bu sayede hâl değişimi tersine
dönmüş olur.
Buzdolaplarının çalışma ilkeleri de bu
döngü ile açıklanabilir. Buzdolabının içerisinde
kompresör motoruna bağlı olan ve içinde
azot gazı bulunan kanallar vardır. Bu kanallar
motorun bir ucundan çıkıp buzdolabının dışındaki
rezistansı, dolabın iç yüzeyini ve buzluğunu
dolaşarak motorun diğer ucuna döner. Motorun
basınçla sıkıştırdığı azot gazı sıvılaşır. Bu
sırada dolabın dışındaki rezistansa itilir ve azot
sıvılaşırken ısısını dışarıya vererek soğur (Sıvı
azotun sıcaklığı 0 °C’tan düşüktür.). Isı dışarıya
verildiğinden elimizi buzdolabının arkasına veya
altında bulunan rezistanslara yaklaştırdığımızda
sıcaklık hissederiz. Sıvı azot daha sonra motorun
basıncıyla buzdolabının içindeki kanallara itilir.
Bu kanallarda dolaşırken dolabın içini soğutur
ve emdiği ısı sayesinde tekrar buharlaşarak
arkasındaki motora döner. Bu şekilde sürekli bir
devridaimle buzdolabının içinden alınan ısı, dış
ortama verilir ve buzdolabının soğuması sağlanır.
‟Su Döngüsü” adlı metinde de belirtildiği gibi
sabah saatlerinde ağaç veya bitki yapraklarında
su damlacıklarının oluşma nedeni, havadaki
su buharının ortama ısı enerjisi vererek
yoğuşmasıdır. Benzer durum yemek pişirirken
tencerenin kapağını açtığımızda kapağın içinin
ıslak olmasında da görülür. Yemek pişerken
buharı kapaktaki yüzeye ısı vererek sıvı hâle
geçer. Bu olay, kışın su buharının doğrudan buza
dönüşümü (kırağı) şeklinde de gerçekleşir.
Madde ve Özelikleri
Maddelerin hâl değişimlerini basit hâliyle kavrayabilmek için
aşağıdaki grafiği inceleyelim. Grafikte 1 g suyun farklı sıcaklıklara
ulaşması için gerekli ısı miktarları ve bu sıcaklıklarda bulunduğu
hâller gösterilmektedir.
su + su buharı
buz + su
Yukarıdaki grafikte 1 g buza ısı verilerek iç enerjisi artırılmış ve
buzun önce sıvı hâline, daha sonra gaz hâline geçişi sağlanmıştır.
Burada kaynama sıcaklığındaki 1 g suyu tamamen buharlaştırmak
için verilmesi gereken ısı miktarı (540 cal = 2.255 J), erime
sıcaklığındaki 1 g buzu sıvı hâline getirebilmek için verilmesi
gereken ısıdan (80 cal = 335 J) çok daha fazladır. Yani buzu eritmek,
suyu buharlaştırmaktan çok daha az enerjiyle gerçekleşir. Ayrıca
maddeler hâl değiştirirken sıcaklıkları değişmemektedir. Bunun
nedeni alınan ısının hâl değiştirme esnasında madde molekülleri
arasındaki bağları zayıflatma veya koparmada kullanılmasıdır.
Su molekülleri arasında ‟Su Döngüsü” adlı metinde de belirtildiği
gibi şeker veya tuz gibi yabancı iyonlar yoksa
su, 1 atm basınç altında 0 °C’ta donar. Ancak
içerisinde tuz gibi yabancı maddeler varsa
suyun donma noktası düşer. Su donarken
moleküller birbirlerini tutar ve altıgen yapıda
buz kristallerini oluştur. Tuz içerisinde
bulunan klor iyonları su içerisindeki hidrojen
atomlarının elektronlarını tutarak kristal
yapı oluşmasını engeller. Su moleküllerinin
yabancı iyonların bu etkisinden kurtulması için
daha yavaş hareket etmesi gerekir. Yeterince
yavaş hareket eden moleküller birbirlerini
tutarak buz kristali oluşturur.
Maddelerin donmasına veya erimesine yabancı iyonların yanı
sıra basıncın da etkisi vardır. ‟Su Döngüsü” adlı metinde de ifade
edilen etkiyi etkinlikle inceleyelim.
49
1. Ünite
ARAÇ VE GEREÇLER
. Buz
. İnce bakır tel (100 cm)
. İki adet 2 kg’lık kütle
. Tahta parçası
. İki adet masa kıskacı
. Üçayak
. Bağlama parçası
. Destek çubuğu
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Destek çubuğunu üçayağa takınız
ve tahta parçasını üzerine şekildeki gibi
tutturunuz.
2. Bakır teli kütlelere bağlayınız ve
kütleleri buzun üzerinden şekildeki gibi
asınız.
3. Bakır tel ile buz arasındaki etkileşimi
10 dk. boyunca gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
Bakır tel buzu ikiye böldü mü? Açıklayınız.
Buz kristalleri üzerine basınç uygulandığında kristallerin altıgen yapısı bozulur, böylece erime gerçekleşir. Anlık olarak eriyen
buz bir süre sonra tekrar donmaya başlar. Bu özellik suyu diğer
maddelerden ayırır. ‟Su Döngüsü” adlı metinde de belirtilen kar ve
dolunun basıncın yüksek olduğu yerlerde kendiliğinden erimeye
başlamasının sebebi budur. Basıncın erime üzerindeki etkisini kışın kar topu yaparken de görürüz. Elimize bir miktar kar alıp üzerine basınç uyguladığımızda kısa bir süre içinde kar eriyip yeniden
donar. Bu sayede kar topu yapabiliriz. Eğer dış ortam sıcaklığı düşükse uyguladığımız basınç
karın erimesine yetmeyeceği
için soğuk havalarda kartopu
yapmak zordur. Dev buzulların alt kısımlarından erimesi
bu duruma başka bir örnektir. Buzullar ağırlıklarından
dolayı altta kalan kısımlarına
büyük basınç uygular. Bu basınçla alt kısımlardaki buzların erime noktası düşer ve
erime gerçekleşir.
50
Madde ve Özelikleri
Basıncın erime noktasına etkisinin bir başka
örneği, buz patenlerinin buz üzerinde rahatça
kaymasıdır. Ucu bıçak gibi keskin olan patenlerin
buza değen alanı çok küçük olduğundan yaptığı
yüksek basınçla buz yüzeyini anında eritir.
Böylece paten, buz ile arasında oluşan ince su
tabakası üzerinde rahatça kayar. Buz pateninin
yüzeye uyguladığı basınç ortadan kalkınca suya
dönüşen kısım yeniden ısı kaybederek buza
dönüşür. Benzer durum kızak ve kayaklarda da
görülür.
Hâl değiştirme olayının teknolojideki uygulamalarına yönelik
bir araştırma yapınız. Araştırma sürecinde bilimsel makalelerden,
kitaplardan ve süreli yayınlardan yararlanmaya özen gösteriniz.
Elde ettiğiniz sonuçları Powerpoint sunusu hâline getirerek
arkadaşlarınızla paylaşınız.
Basınç, sıcaklık ve hâl değişimi arasındaki ilişkiyi daha iyi
kavramak için ‟Su Döngüsü” adlı metinde de bahsedildiği gibi
maddelerin üç hâlinin de aynı anda bir arada bulunduğu üçlü noktayı
bilmek gerekir. Bu durumu su örneğinden hareketle inceleyelim.
Suyu belirli basınçta katı, sıvı ve buhar hâllerinde bir arada tutmak
mümkündür.
Yukarıda suyun basınç karşısındaki hâl değişim
diyagramları verilmiştir. Bu diyagramlar incelendiğinde
suyun 0,006 atm basınçta ve 0,01 °C yani 273.16 K
sıcaklıkta üç hâlinin de bulunduğu nokta görülmektedir.
Bu noktaya üçlü nokta denir. Bu noktada buz, su ve su
buharı dengede bulunur. Belirli basınç ve sıcaklık altındaki
buhar ve sıvı hâlleri, tek hâl olarak gözlemlenir. Gaz ve
sıvı hâllerin kesin olarak ayrılmadığı noktaya kritik nokta
denir. Suyun kritik sıcaklığı 374 °C, kritik basıncı ise 218
51
1. Ünite
atm (yaklaşık 2253 m derinlik)’dir. Suyun üçlü nokta sıcaklığı olan
0,01°C’tan düşük sıcaklıklarda dış basınç artırılırsa sıcaklığı azalır.
Bu noktadan yüksek sıcaklıklarda ise dış basınç artırılırsa kritik
nokta sıcaklık değerine kadar suyun sıcaklığı artar. Yani basınçla
sıcaklık bu aralık için doğru orantılıdır (P α T).
Suyun katı-sıvı-gaz hâllerinin aynı anda bulunduğu üçlü nokta
gibi, başka maddelerin de üçlü noktasının olup olmadığına yönelik
bir araştırma yapınız. Araştırma sürecinde bilimsel makalelerden,
kitaplardan ve süreli yayınlardan yararlanmaya özen gösteriniz.
Elde ettiğiniz bulguları Powerpoint sunusu hâline getirerek
arkadaşlarınızla paylaşınız.
Buz, 0,006 atm’lik basınçtan düşük basınca sahip bir ortamda
ısı aldığında sıvı hâle geçmeden doğrudan gaz hâline dönüşür. ‟Su
Döngüsü” adlı metinde belirtilen ‟uygun şartlar” ifadesiyle yukarıda
bahsedilen basınç ve sıcaklık değerleri kastedilir.
Basınç, hâl değiştirme sıcaklıklarının yanı sıra havanın
içerisindeki su buharı olan nemi de etkiler. Buharlaşma, basıncın
yüksek olduğu yerde zorlaşırken basıncın alçak olduğu yerde
kolaylaşır. Buharlaşma arttıkça havadaki nem oranı da artar.
‟Su Döngüsü” adlı metinde de bahsedildiği gibi termometre
ile ölçülen sıcaklık değeri ile insan vücudunun hissettiği sıcaklık
değeri birbirinden farklıdır. Hissedilen sıcaklık; iklim, giysilerin
ısı direnci, vücut yapısı gibi faktörlerden etkilendiği için kişiden
kişiye değişebilen bir kavramdır. Örneğin, kışın rüzgârlı havada
hissedilen sıcaklık termometre ile ölçülen sıcaklıktan daha azdır.
Meteorolojinin ve termometrenin verileri dış ortam şartlarından
arındırılmış sıcaklık değeridir.
Hissedilen sıcaklık değeri
hem nem hem de sıcaklık değerinin kullanılmasıyla hesaplanır.
Hava sıcaklığının 27 °C veya
nemin % 40’ın altında olduğu
durumlarda hissedilen sıcaklık
değeri hesaplanmaz. 18-20 °C
sıcaklıktaki bir ortamda nem oranı %50’nin altındaysa hava kuru,
%50-60 arasında ise normal,
%60-75 arasında ise nemli ve %75’ten fazla ise ıslak kabul edilir.
Bir sonraki sayfada, hissedilen sıcaklığın nemle ilişkisini
gösteren bir tablo verilmiştir. Tabloya göre, yazın hava sıcaklığı 28
°C ölçülen Diyarbakır’da bağıl nem, %15-20 civarında olduğundan
hissedilen sıcaklık 26-27 °C’tur. Aynı sıcaklık bağıl nemin %65-70
civarında olduğu Trabzon’da 30 °C hissedilir.
52
Madde ve Özelikleri
BAĞIL NEM (%)
HAVA SICAKLIĞI (°C)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
50
45
48
53
58
66
69
76
83
91
99
49
44
47
51
55
61
66
72
79
86
94
48
43
46
49
53
58
63
68
75
81
88
96
47
42
45
48
51
55
60
65
70
76
83
90
60
65
70
75
80
85
90
95
98
46
41
43
46
49
53
57
62
67
72
78
85
91
99
45
41
43
45
48
52
56
62
65
70
76
82
88
96
44
40
42
44
46
49
52
57
61
66
71
77
83
89
96
43
39
40
42
44
47
50
54
58
62
67
72
77
83
90
42
38
39
41
43
45
48
51
54
58
62
67
72
78
83
90
96
41
37
38
39
41
43
45
48
51
55
59
63
67
72
78
83
89
97
96
40
36
37
38
39
41
43
46
48
51
55
59
63
67
72
77
83
88
95
39
35
36
37
38
39
41
43
46
48
51
55
58
62
67
71
76
81
87
93
38
35
35
36
37
38
40
42
44
47
50
53
56
60
64
68
73
78
83
89
37
34
34
35
36
37
38
40
42
44
46
49
52
56
59
63
67
72
76
81
36
33
33
34
34
35
36
38
39
41
43
46
48
51
55
58
62
66
70
74
35
32
32
33
33
34
35
36
37
39
41
43
45
48
50
53
57
60
64
68
34
31
31
32
32
32
33
34
35
37
38
40
42
44
46
49
52
55
58
61
33
31
31
31
31
32
32
33
34
36
37
39
40
42
45
47
49
52
55
58
32
30
30
30
30
31
31
32
33
34
35
36
38
39
41
43
45
47
50
53
31
29
29
29
29
29
30
30
31
33
33
34
35
36
38
40
41
43
45
47
30
28
28
28
28
28
29
29
30
30
31
32
33
34
35
36
38
39
41
42
29
27
27
27
27
28
28
28
28
29
30
30
31
32
32
33
34
36
37
38
28
26
26
26
27
27
27
27
27
28
28
29
29
30
30
31
32
32
33
34
27
26
26
26
26
26
27
27
27
27
28
28
28
29
29
30
30
31
31
32
26
25
25
25
26
26
26
26
26
26
27
27
27
27
27
28
28
28
28
29
25
25
25
25
25
25
26
26
26
26
26
26
26
27
27
27
27
27
27
27
(-1) - 26
Soğuk - Serin
27 - 32
Sıcak: Fiziksel etkinliğe ve etkilenme süresine bağlı olarak hâlsizlik, sinirlilik,
dolaşım ve solunum sisteminde rahatsızlıklar görülebilir.
33 - 41
Çok sıcak: Fiziksel etkinliğe ve etkilenme süresine bağlı olarak ısı çarpması, ısı
krampları ve ısı yorgunlukları oluşabilir.
42 - 54
Tehlikeli sıcak: Güneş çarpması, ısı krampları veya ısı bitkinliği meydana gelir.
> 55
Tehlikeli sıcak: Isı veya güneş çarpması tehlikesi oluşur.
*http://www.mgm.gov.tr/genel/sss.aspx?s=hissedilensicaklik web sayfasından alınmıştır.
Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü yetkililerinin
hava sıcaklığını, hissedilen hava sıcaklığını ve havadaki nem
oranını nasıl ölçtüklerine yönelik bir araştırma yapınız. Araştırma
sürecinde bilimsel makalelerden, kitaplardan ve süreli yayınlardan
yararlanmaya özen gösteriniz. Bulunduğunuz çevrede meteoroloji
müdürlüğü varsa oradaki yetkililerden yardım alabilirsiniz.
Araştırma sonuçlarını Powerpoint sunusu hâline getirerek
arkadaşlarınızla paylaşınız.
53
A. Aşağıdaki ifadelerde bulunan noktalı yerleri tabloda verilen kavramlardan uygun olanları
ile tamamlayınız.
saydam
dik kesit alan
konveksiyon
mekanik
ayırt edici
ısı
optik
ışıma
azaltacak
sıcaklık farkı
iletim
kalınlık
artıracak
ısı iletim kat sayısı
opak
termodinamik
sıcaklık
ortak özelik
1. Cam, düşük enerjili ışık karşısında ……….…….............. madde gibi davranır.
2. Isının ……….…….............. yoluyla aktarılması için maddesel ortama ihtiyaç yoktur.
3. Isı ile iş (mekanik enerji) arasındaki ilişki ……….…….............. kanunlarıyla açıklanır.
4. Basınç artışı erime noktasını ……….…….............. şekilde etkide bulunur.
5. Erime ve buharlaşma ısıları maddeler için ……….…….............. özeliktir.
6. Isı alış veriş hızı maddenin ……….…….............., ………...….............., ……….……...........
ve ……….…….............. değişkenlerine bağlıdır.
7. Hâl değişimi esnasında maddenin …………......… değeri değişmez.
B. Aşağıda birbiri ile bağlantılı cümleler içeren bir etkinlik verilmiştir. Bu cümlelerin doğru
(D) ya da yanlış (Y) olduğuna karar vererek ilgili ok yönünde ilerleyiniz. Her doğru karar size 5
puan kazandıracak ve bir sonraki aşamayı etkileyecektir. Vereceğiniz cevaplarla farklı yollardan
sekiz ayrı çıkışa ulaşabilirsiniz. En çok puan alacağınız çıkışı bulunuz.
D
Farklı sıcaklıklardaki cisimlerin enerji alış verişleri ısıları eşitleninceye kadar
devam eder.
D
Y
Farklı sıcaklıklardaki iki cisim birbirine
temas ederse sıcaklıkları
eşitleninceye
kadar aralarında enerji alış verişi olur.
D
Y
Bu enerji alış verişi ışıma, iletim ve konveksiyon yoluyla olur.
Y
54
Konveksiyon yoluyla enerji alış verişi
için maddesel ortama
ihtiyaç yoktur.
Işıma yoluyla enerji alış verişi için sıcaklık farkına ihtiyaç yoktur.
Enerji alış verişi
için mutlaka maddesel
ortama ihtiyaç vardır.
Enerji alış verişi
tüm maddelerde aynı
hızda gerçekleşir.
D
Y
D
Y
D
Y
D
Y
C. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Demirci tarafından dövülen demir parçasının sıcaklığı artar. Eğer 8 m/s süratle dakikada
10 kez 5 kg kütleli bir çekiç kullanılarak demir dövülürse 200 gr’lık demir parçasının sıcaklığı ne
kadar artar? Çekicin sahip olduğu kinetik enerjinin % 80’inin demir parçasına aktarıldığını var
sayınız (Cdemir = 0,45 J/g°C).
2. Suni köpük kullanılarak yapılmış olan termosun içerisinde 0 °C’ta buz - su karışımı vardır.
Termosun duvar kalınlığı 1,5 cm ve toplam yüzey alanı 0,4 m2 olup dış ortamın sıcaklığı ise
32 °C’tur. Termosun içerisine 40 s’de ne kadar enerji girer (k = 0,01 Wm-1K-1)?
3. Bir marangoz dış yüzeyi 4 cm kalınlığındaki tahta tabaka ve iç yüzeyi 4 cm’lik suni
köpük tabakası ile bir evin duvarını yapmaktadır. Tahta için k = 0,08 Wm-1K-1 ve suni köpük için
k = 0,01 Wm-1K-1 dir. İç sıcaklık 20 °C ve dış sıcaklık -10 °C’tur. Buna göre tahta ile suni köpük
arasındaki düzlemde sıcaklık kaç °C’tur?
4. Seramik zemine çıplak ayakla bastığımızda ayağımız
üşürken, tahta zemine bastığımızda ayağımızın üşümemesinin
nedenini açıklayınız.
5. Donmuş bir buz kalıbına çivi çakıldığını düşünelim.
Biz bu çiviye dokunduğumuz zaman buzdan parmağımıza mı
yoksa parmağımızdan buza mı enerji geçişi olur? Açıklayınız.
6. Kışın soğuk havalarda arabayı sıcak suyla
yıkayınca olabilecekleri ve bunların sebebini
açıklayınız.
55
Ç. Aşağıda verilenlerden hareketle doğru seçeneği işaretleyiniz.
Sıcaklık
1.
Sıcaklık
4T
2T
0
Q
Y
2T
Isı
Miktarı
X
0
2Q
Isı
Miktarı
2Q
3Q
Eşit kütleli X ve Y sıvılarına ait sıcaklık ısı miktarı grafikleri şekildeki gibidir. Buna göre X
sıvısının buharlaşma ısısı LX’in, Y sıvısının buharlaşma ısısı LY’ye oranı kaçtır?
A) 1
B) 1/4
C) 1/3
2. Saf bir maddeye ait sıcaklık-ısı grafiği
şekildeki gibidir.
Buna göre;
I. Buharlaşma ısısı erime ısısından
küçüktür.
II. Katı hâldeki öz ısı, sıvı hâldekinden
küçüktür.
III. Hâl değiştirme sıcaklıkları 3T ve T’dir.
Yargılarından hangisi ya da hangileri
doğrudur?
A) Yalnız III
C) I ve III
E) I, II ve III
3.
B) Yalnız II
D) II ve III
D) 1/2
E) 1/5
Sıcaklık
4T
3T
2T
T
0
-T
Isı
Q
2Q
3Q
4Q
5Q
6Q
7Q
8Q
9Q
-2T
-3T
I. Eriyen katı, çevreden enerji alır.
II. Nem hissedilen sıcaklığı etkiler.
III. Hâl değişimi esnasında sıcaklık değişmez.
IV. Kaynama noktası dış basınca bağlıdır.
Yukarıdaki yargılardan hangisi ya da hangileri doğrudur?
A) Yalnız II 56
b) I ve II
C) I ve IV
D) I, II ve III
E) I, II, III ve IV
4. 50 cm kalınlığında cam levhanın iç yüzeyinin sıcaklığı 22 °C, dış yüzeyinin sıcaklığı
17 °C’tur. Levhanın 80 x 80 cm’lik parçasından birim zamanda geçen ısı kaç J’dür
(kcam= 0,8 Wm-1K-1)?
A) 1,28
B) 2,56
C) 5,12 5. K, L ve M maddelerinin erime ve kaynama
noktaları tabloda verilmiştir.
Buna göre, hangi sıcaklıkta üç madde de
aynı hâldedir?
A) 10
B) 55
C) 5
D) 25
E) 65
Madde
D) 6,4
E) 12,8
Erime noktası Kaynama noktası
(°C)
(°C)
K
20
80
L
-10
90
M
30
60
D. Aşağıdaki ifadelerden doğru olanlarının karşısına (D), yanlış olanlarının karşısına (Y)
yazınız.
1. İki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olması durumunda bu cisimler kendi
aralarında da ısıl dengede kabul edilir. ( )
2. Kaloriferin, bulunduğu ortamı ısıtması iletim yoluyla enerji aktarımına örnektir.
( )
3. Gaz maddeler sıvıya, sıvı maddeler de katıya dönüşürken bulunduğu ortamdan enerji
alır.
( )
4. Aynı maddeden yapılmış yarıçapları farklı iki metal telden, yarıçapı büyük olan teldeki
( )
ısının aktarım hızı daha büyüktür.
5. Termoslar ışıma yoluyla enerji aktarımına günlük yaşamdan örnektir. ( )
6. Maddeler hâl değiştirirken aldığı/verdiği ısı miktarının değişmesi ile sıcaklıkları değişir.
( )
7. Basınç artışı kaynama ve donma noktasını yükseltir. ( )
57
E. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilen kavramlardan uygun
olanları ile doldurunuz.
Joule
Mekanik enerji
Isı
Kalorimetre
Sıcaklık
Konveksiyon
İletim
Kalorifer sistemleri
Güneş panelleri
Termostat sistemleri
Işıma
Kalori
Termodinamik
arasındaki ilişkiyi inceler.
birimleri
mekanik enerji
yoluyla iletilir.
örnek
58
örnek
hesaplanması için kullanılır.
örnek
2. ünİte
kuvvet ve hareket
59
konular
FAYTON
ADRENALİN
DİNAMOMETRE
sıvı yakıtlı motorlar
sarkaçlı duvar saatİ
Bu ünitede;
Basit harmonik hareketi örneklerle açıklayarak bu hareketle düzgün çembersel hareket
arasındaki ilişkiyi fark edecek, esnek yayın ve basit sarkacın hareketini inceleyeceğiz.
60
Kuvvet ve Hareket
FAYTON
Araçların tekerleklerine bağlı aksamlar
yol durumuna ve araç hızına bağlı olarak
değişen salınım yaparlar. Araçların
kontrolsüz olarak gerçekleştirdikleri bu
salınımları önlemek, emniyet ve konfora
uygun biçimde soğurmak için amortisör
kullanılır.
Motorlu
araçlardan
önce
kullanılan faytonlarda salınımları soğurma
işlemi makas adı verilen esnek elemanlarla
gerçekleştiriliyordu. Günümüzde sadece
ağır tonajlı araçlarda amortisörle birlikte
makas kullanılmaktadır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Bir ucundan asılı bulunan esnek yay, diğer ucuna kütle
bağlanarak aşağı doğru çekilip bırakıldığında titreşim hareketi
yapar. Bir ipin ucundaki kütle yana çekilip bırakıldığında kütle
salınım hareketi yapar. Benzer şekilde, kasise düşüp çıkan
otomobilin amortisörü de titreşim hareketi yapar. Bunlar ne tür
harekettir, nasıl gerçekleşir? Etkinlikle araştıralım.
ARAÇ VE GEREÇLER
. Demir testere
. Misket
. İki adet masa
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz
ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate
alarak görev paylaşımı yapınız.
2. Masaları birbirine yaklaştırarak testereyi bir ucundan resimdeki gibi sıkıştırınız.
3. Masalardan birinin üzerine misketi koyunuz.
4. Testerenin serbest ucunu geriye doğru çekerek bırakınız ve hareketini gözlemleyiniz.
5. Masa üzerindeki misketi yuvarlayarak hareketini gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
Testere ve misket ilk konumlarına geri döndü mü? Bu durumu nasıl açıklarsınız?
61
2. Ünite
Etkinlikte misket ve demir testere dengededir.
Misketin denge durumu bozulduğunda yuvarlandığı
ve başlangıç noktasına gelmediği görülür. Demir
testerenin denge durumu bozulduğunda ise önce
denge durumuna geldiği sonra bu konumdan
ayrıldığı ve hareketini bu şekilde sürdürdüğü görülür.
Dolayısıyla demir testere denge konumu etrafında
titreşim hareketi yapar. Sürtünmesiz ortamlarda
gerçekleşen bu tür hareketler, sönümsüz titreşim
hareketi, sürtünmeli ortamlarda gerçekleşenler ise
sönümlü titreşim hareketi olarak isimlendirilir.
Buradan hareketle, denge konumu bozularak
yuvarlanan misket eski yerine gelmediğinden yaptığı
hareket titreşim hareketi değildir. Titreşimleri etkisiz
hâle getirmek için tasarlanan yağlı ve yaylı amortisörler
sönümlü titreşim hareketi yapar. Bu hareketler kısa
sürede yerlerini denge durumuna bırakır. Titreşimi engelleyici
kuvvet titreşim aralığını küçülterek sıfıra indirir. Resimde de
görüldüğü gibi, sazın teline vurulduğunda telin hareketi ile su
içindeki cisim titreştirildiğinde cismin hareketi sönümlü titreşim
hareketi olur.
Titreşimi sönümlü yapan kuvvet, sistemin mevcut enerjisini
ısıya dönüştürür. Sarsıntı ve darbeleri önlemek için araçlarda
kullanılan helezonik veya yaprak yaylar enerjiyi, esneklik
potansiyel enerjisi olarak biriktirir. Bu esnada enerjinin bir
kısmı moleküller arası sürtünme nedeniyle ısıya dönüşürken bir
kısmı sisteme geri verilir. Bu durum sürekli tekrarlandığından
titreşim uzun sürer. Bunun nedeni yaydaki potansiyel enerjinin
bir defada ısıya dönüşememesidir. Bu sorunu gidermek için
yağlı amortisörlerin geliştirilmiş olması titreşimi belli oranda
ortadan kaldırmıştır. Yağ molekülerinin sürtünmesi artarsa
yağın kıvamlılık özelliği de artar. Basınç altındaki yağın dar
kanallardan geçmeye zorlanmasıyla sıkışan moleküllerin
arasındaki sürtünme yardımıyla ısıya çevrilen enerji yutulur.
Dolayısıyla titreşim engellenmiş olur.
Yağlı amortisörün yapısı basit olarak yandaki şekilde
görülmektedir. Tekerleğe gelen sıkıştırıcı bir darbe 2 numaralı
supabın kapanmasına, 1 numaralı supabın açılmasına neden
olur. Böylece yağ, pistonun üst bölümüne geçer. Üst bölümde
62
Kuvvet ve Hareket
oluşan fazla yağın bir kısmı ince bir boru yardımıyla yedek depoya
geçer. Tekerlek boşluğa düştüğünde olayın tersi gerçekleşir.
Pistonun yavaş itilmesi durumunda büyük bir mukavemet
oluşmaz. Yağın supaptan geçişi kolay olur. Darbe durumunda
yağ geçişi mukavemetli olur. Sürtünmeyi artırarak enerjiyi ısıya
dönüştürme bu durumlarda oluşur. Makine mühendislerinin
görevi bu tür sorunları çözecek araçlar geliştirmektir.
Özellikle araçlarda yolun bozuk olmasından kaynaklanan
titreşimleri engellemek için önceleri helezonik ve yaprak
amortisörler kullanılmıştır. Daha sonra yağlı ve gazlı amortisörler
geliştirilmiş ve titreşimler daha kolay sönümlendirilmiştir.
Titreşimleri çok daha iyi sönümleyecek farklı bir yöntem
geliştirilebilir mi? Araştırınız. Ulaştığınız sonuçlardan hareketle
yeni bir yöntem geliştirmeye çalışınız. Yaptığınız çalışmaları
arkadaşlarınızla paylaşınız.
Aşağıdaki çizelgede bazı ifadeler verilmiş ve karşıları uygun şekilde doldurulmuştur.
Benzer bir çizelgeyi defterinizde oluşturarak örnekleri çoğaltınız.
Musluktan ayrılan su damlası
Titreşim hareketi yapmaz.
Mızrapla vurulmuş saz teli
Sönümlü titreşim hareketi yapar.
.
.
.
Örnek çizelgedir.
ADRENALİN
Bazı lunaparklarda
kafes içinde bir koltuğun
yaylarla iki direk arasına bağlandığı eğlence araçları mevcuttur.
Eğlenmek isteyen kişi
bu koltuğa oturtulur ve
bağlanır. Kafes aşağıya
doğru metrelerce çekilip
bırakılır. Bırakılan kafes
düşey doğrultuda bir yukarı bir aşağı hareket eder. Oldukça
ürpertici ve heyecan verici bu olayı seyreden kişilerin aklına ‟Acaba kafes daha da aşağıya çekilip bırakılsa hareketini
yine aynı sürede mi tamamlar? Kafesin hızı sabit midir?” soruları gelir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
63
2. Ünite
Bir ucundan asılan esnek yayın diğer ucundaki kütlenin,
denge konumundan ayrılıp bırakılması hâlinde titreşim hareketi
yaptığını belirtmiştik. Bu hareketi tanımlayabilmek için aşağıdaki
araştırmayı yapalım.
Bir ucundan asılan esnek yayın, diğer ucuna bağlı kütlenin
denge konumundan ayrılıp bırakılması hâlinde yapacağı
titreşim hareketinin konum-zaman grafiğinin nasıl olacağını
araştırınız.
Kütlenin yapacağı titreşim hareketinin konum-zaman
grafiğinin nasıl olabileceği konusunda ulaştığınız sonucun
doğruluğunu kontrol etmek için aşağıdaki etkinliği yapınız.
ARAÇ VE GEREÇLER
. Sunta (40 cmx80 cm)
. İzole bant
. Esnek yay
. Çengelli kütle
. Fosforlu kalem
. İki adet rulo havlu
. İki adet sekizlik çivi
. Üçayak, bağlantı
.
.
.
parçaları ve
destek çubuğu
Çekiç
Cetvel
Makas
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar
oluşturunuz ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak görev paylaşımı yapınız.
2. Çivileri 40 cm aralıkla suntaya çakınız.
3. Rulo havluları uçlarından birbirine yapıştırınız ve sunta üzerindeki çivilere geçiriniz.
4. Resimdeki düzeneği fosforlu kalemin ucu kâğıda değecek şekilde kurunuz.
5. Kütleyi, aşağıya doğru çekip bırakınız. Bu işlemi yaparken kalemin ucunun kâğıdın
dışına çıkmamasına dikkat ediniz.
6. Kütleyi bıraktığınız an rulolardan birini sabit hızla çeviriniz ve kâğıdın rulo üzerine
sarılmasını sağlayınız.
7. Kâğıdı açınız ve kalemin oluşturduğu şekli gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
Kâğıt üzerinde nasıl bir şekil oluştu? Bu şekli nasıl yorumlarsınız?
64
Kuvvet ve Hareket
Etkinlikte ulaştığınız sonucu elde etmek için benzer bir
etkinlik de siz geliştiriniz. Geliştirdiğiniz etkinlikteki düzeneğin
çalışıp çalışmadığını kontrol ediniz. Esnek yayların ucunda
düşey doğrultuda titreşen bir kalemin, düşey düzlemde titreşime
dik doğrultuda hareket eden kâğıt üzerinde yapacağı işaretler
birleştirilirse sinüs eğrisi şeklinde olduğu gözlemlenir.
Yaya bağlı kütlenin titreşiminde olduğu gibi sürtünmesiz
ortamda iki nokta arasında gerçekleşen ve konum-zaman
grafiği sinüs eğrisi şeklinde olan titreşimler basit harmonik
harekettir.
On birinci sınıf fizik derslerinde cisimlerin kararlı veya
kararsız denge konumlarının, kütle merkezinin yerine ve cismin
o an sahip olduğu potansiyel enerjiye göre tanımlandığını
öğrenmiştiniz. Kararlı dengelerde, dengeden ayrılan cismi
denge konumuna getirmeye çalışan bir kuvvet mevcuttur.
Bu kuvvete geri çağırıcı kuvvet denir. Geri çağırıcı kuvvet,
bir ucu sabitlenerek dengeden ayrılan testeredeki ve bir ucu
sabitlenerek diğer ucuna kütle bağlanan yaydaki iç kuvvettir.
Bir ucu sabitlenerek diğer ucuna kütle bağlanmış ve dengeden
ayrılmış ip ise ağırlığın bileşenidir. Bu kuvvet sayesinde denge
konumu etrafında titreşim hareketi oluşur.
Denge konumundan aşağıya çekilerek bırakılan
kütlenin tekrar aynı yere gelirken yaptığı hareket, bir tam
titreşimdir. Bir tam titreşim için geçen zaman periyot, 1
saniyedeki titreşim sayısı ise frekans olarak tanımlanır.
Periyot (T) ile frekans (f) arasında çembersel harekette
1
kurulduğu gibi ƒf =
ilişkisi vardır. Titreşim grafiği
T
incelendiğinde denge konumundan (+) ve (-) yönlerde
uzaklaşma oranlarının aynı olduğu görülür. Denge
konumuna herhangi bir zamandaki en büyük uzaklık
genlik olarak isimlendirilirken diğer uzaklıklar uzanım
olarak isimlendirilir. Genlik r, uzanım x veya y sembolleri
ile gösterilir. Başka bir ifadeyle genlik, uzanımın alacağı
en büyük değerdir.
Yayın ucunda basit harmonik hareket yapan kütlenin
konumunu eksen üzerinde göstererek tanımlanan
büyüklükleri işaretleyelim.
Titreşim aralığının
orijini
65
2. Ünite
Her bir tam titreşim T zaman aralığında tamamlanırken
sinüs fonksiyonunun değerleri 2π radyanlık açı aralığında
tamamlanmaktadır. Dolayısıyla bir tam titreşimin T periyodu, 2π
radyanlık açıya karşılık gelir. Bu durumda, bir tam titreşimi için
çizilen eğri aşağıdaki gibidir.
Basit harmonik harekette hız, ivme ve geri çağırıcı kuvvet
sabit midir? Eğer değilse bu büyüklükler hangi değişkenlere
bağlıdır ve tek yönlü büyüklükler midir? Yayın ucuna bağlı
kütlenin aşağıya çekilip bırakıldığında basit harmonik hareket
yaptığını öğrendik. Bu hareketin konumunun, zamana bağlı
değişim eğrisinin sinüs eğrisi olduğunu gördük.
Konum denkleminin x = r sinθ şeklinde ifade edildiğini
matematik derslerinden biliyorsunuz. θ = ω t yerine yazılırsa
denklem x = r sin(ω t) şeklinde olur. Bu denklem basit harmonik
hareketin hareket denklemi olup herhangi bir t anında cismin
bulunduğu noktanın, titreşim aralığının orijinine olan uzaklığını
belirlemeye yarar. Bu denklemden yararlanarak basit harmonik
hareketin hız ve ivme eşitliklerini bulalım. Konum denkleminin
zamana göre türevinin, hız denklemini; hız denkleminin zamana
göre türevinin ise ivme denklemini verdiğini biliyoruz. Ayrıca r
sin(ω t)ʼnin zamana göre türevi ω r cos(ω t)ʼdir. r cos(ω t)'nin
zamana göre türevi ise - ω r sin(ω t)ʼdir.
dx olduğundan v = ω r cos(ω t) olur.
v=
dt
dv olduğundan a = - ω2 r sin(ω t) olur.
a=
dt
Basit harmonik hareket için yazılan bu eşitlikler zamanın
sinüs veya cosinüs (kosinüs) fonksiyonu şeklindedir. Şimdi bu
eşitlikleri uzanımının fonksiyonu olarak yazalım.
sin2(ω t) + cos2(ω t) = 1'dir. Buradan;
cos(ω t) =± 1 − sin2 (ω t) yazılır.
ù r 1−
v=
±ω
x2
±ω
ù r 2 − x 2 bulunur.
olur. Buradan v =
r2
x
x = r sin(ω t)ʼden sin(ω t) = r olur.
Bu eşitliği a = - ω2 r sin(ω t) eşitliğinde yerine yazarsak;
66
Kuvvet ve Hareket
a = - ω2 x olur.
F
Newton’un 2. Kanunu a = m şeklinde olduğundan basit
harmonik harekette geri çağırıcı kuvvet, konumla doğru orantılı
olarak F = - m ω2 x şeklinde yazılır.
Elde ettiğimiz eşitlikteki büyüklükleri yorumlayalım.
Yukarıda verilen yorumlara göre, basit harmonik hareket
Büyüklük Adı
Ulaşılan Sonucun Yorumu
Hız
Hız, titreşim aralığının uç noktalarında sıfır iken aralığın
orijininde maksimumdur. Hız orijinden uzaklaştıkça küçülür.
İvme
İvme uzanımla doğru orantılı olup titreşim aralığının uç
noktalarında maksimum, aralığın orijininde sıfırdır. İvme
orijine yaklaştıkça küçülür. İvme vektörü her an orijine
yöneliktir.
Geri çağırıcı kuvvet
Kuvvet uzanımla doğru orantılı olup titreşim aralığının
uç noktalarında maksimum, aralığın orijininde sıfırdır.
Kuvvet orijine yaklaştıkça küçülür. Geri çağırıcı kuvvet
vektörü her an orijine yöneliktir.
her an titreşim aralığının orijinine yönelik ve uzanımla doğru
orantılı bir kuvvetin etkisinde gerçekleşen hareket olarak
da tanımlanabilir. Buraya kadar anlatılanlardan hareketle
"Adrenalin" adlı metindeki "Kafesin hızı sabit midir?" sorusuna
cevap verilebilir. Basit harmonik harekette hızın büyüklüğü,
vv=
± r 2 − x 2 eşitliği ile bulunur. Eşitlik incelendiğinde hızın,
=
uzanıma bağlı olduğu görülür. Hız uzanıma bağlı olduğundan
değişkendir. Dolayısıyla basit harmonik hareket yapan aracın
hızı sabit değildir.
Yarım çember şeklindeki pistte kaykayla gösteri yapan
sporcuların çemberin uç noktaları arasındaki hareketleri ile
salıncakta sallanan çocuğun yaptığı hareket basit harmonik
harekettir.
67
2. Ünite
Mazotlu bir motorun pistonun titreşim aralığı 8 cm, krank
milinin açısal hızı ise π rad/s’dir. Bu pistonun;
a) Uzanım,
b) Hız,
c) İvme denklemini yazalım.
ç) t = 1 s için uzanım, hız ve ivme büyüklüklerini hesaplayalım.
3
d) Hesaplanan büyüklükleri piston üzerinde gösterelim.

π
 sin =
3


3
π 1
, cos =
, π= 3 
2
3 2

Çözüm
a) Titreşim aralığı 8 cm ise r = 4 cm olur.
x = r sin(ω t) idi. Verilenleri ve bulunanı yerine yazarsak;
x = 4.sin(π t) cm olur.
b) v = ω r cos (ω t) idi. Verileni ve bulunanı yerine yazalım.
v = π.4.cos(π t) cm/s olur.
c) a = - ω2 r sin(ω t) idi. Verileni ve bulunanı yerine yazalım.
a = - π2.4.sin(ω t) cm/s2 olur.
ç) t = 1 değerini denklemlerde yerine yazalım.
3
x = 4.sin(π t)
v = π.4.cos(π t)
a = -π2.4.sin(π t)
π
x = 4.sin 3
π
v = 3.4. cos 3
π
a = -32.4.sin 3
x = 4. 3
2
v = 12. 1
2
3 cm olur. v = 6 cm/s olur.
x = 2
3
a = -36. 2
a = -18
3 cm/s2 olur.
d)
a = 18 3 cm/s2
68
v = 6 cm/s
Kuvvet ve Hareket
500 g kütleli bir piston, genliği 4 cm olan T = 0,2 s periyotlu
basit harmonik hareket yapmaktadır. Pistonun;
a) Maksimum hızı kaç m/s'dir?
b) Maksimum ivmesi kaç m/s2 dir?
c) Pistona etkiyen maksimum kuvvet kaç N'dir (π = 3)?
Çözüm
a) v = ω r cos (ω t) idi. Hızın maksimum değeri alması için
cos(ω t) = 1 olmalıdır. Bu durumda;
vmak = ω r olur.
Öncelikle açısal hızı bulalım;
2π idi. Buradan;
ω=
T
ω = 30 rad/s olur. Verileni ve bulunanı yerine yazarsak;
vmak = 30.4
vmak = 120 cm/s
vmak = 1,2 m/s bulunur.
b) a = - ω2 r sin(ω t) idi. İvmenin maksimum değeri alması
için sin (ω t) = 1 olmalıdır. Bu durumda;
amak = - ω2 r olur. Verilen ve bulunanı yerine yazarsak;
2
amak = - 30 .4
amak = - 3.600 cm/s2 ⇒ amak = - 36 m/s2 bulunur.
c) F = - m ω2 x idi. Kuvvet, maksimum değerini x = r için
alır. Bu durumda;
Fmak = - m ω2 r olur. Verilen ve bulunanları yerine yazarsak;
Fmak = - 0,5.302.0,04 ⇒ Fmak = - 18 N bulunur.
DİNAMOMETRE
Cisimlerin ağırlıklarının dinamometre ile ölçüldüğünü
biliyosunuz. Dinamometre, esnek bir yayın ölçeklendirilmiş
silindir içine yerleştirilmesiyle yapılır. Yayın bir ucu silindire
sabitlenmişken diğer ucu serbesttir ve ucuna bir çengel
takılmıştır. Yayın silindire sabitlendiği ucunda dinamometreyi
tutmak için bir halka mevcuttur. Dinamometrenin çengeline
farklı kütleler bağlandığında yaya bağlı ibre ekran üzerinde
farklı değerleri gösterir.
Bu kitap için hazırlanmıştır.
Bir yaya kuvvet uygulandığında yayın uzadığını veya
sıkıştığını on birinci sınıf fizik derslerinde öğrenmiştiniz. Yayın
uzama veya sıkışma miktarı ile ona uygulanan kuvvet arasında
ilişki var mıdır? Varsa bu ilişki nasıldır? Etkinlikle öğrenelim.
69
2. Ünite
ARAÇ VE GEREÇLER
. Üç ayak
. İki adet destek çubuğu
ve iki adet bağlantı parçası
Yay (30 cm)
Özdeş çengelli kütleler
Metre
5 kg'lık kütle
.
.
.
.
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Şekildeki gibi bir düzenek kurunuz.
2. Yayın boyunu ölçünüz. Aşağıdaki
çizelgeye benzer bir çizelgeyi defterinize
çizerek ölçme sonucunuzu kaydediniz.
3. Yayın ucuna özdeş çengelli
kütlelerden birini takarak kütleyi denge
konumuna getiriniz. Yayın boyunu yeniden
ölçerek çizelgeye yazınız. Yayın uzama
miktarını hesaplayınız.
4. Yayın ucuna bir kütle daha takmadan
İlk
Son Uzama
önce yayın uzama miktarının nelere bağlı
Öngörü
Boy Boy Miktarı
olduğuna yönelik bir öngörüde bulununuz.
Bu öngörünüzdeki bağlım, bağımsız ve 1. çengelli
kontrol değişkenlerini belirleyiniz.
kütle
5. Yayın ucuna ikinci özdeş kütleyi 2. çengelli
takarak yayın boyunu ölçünüz. Ölçme kütle
sonucunu çizelgeye yazınız. Yayın toplam 5 kg'lık
uzama miktarını hesaplayınız.
kütle
6. Yayın ucuna 5 kg'lık kütleyi takarak Örnek çizelgedir.
yayın boyunu ölçünüz ve sonucu çizelgeye
yazınız. Yayın toplam uzama miktarını hesaplayınız.
7. Kurduğunuz düzeneğin ölçme sonuçlarından hareketle, kütle ölçüm aracına
dönüştürülüp dönüştürülemeyeceği hakkında öngörüde bulununuz. Öngörünüzü çizelgeye
yazınız.
8. Kurduğunuz düzeneğin kütle ölçüm aracına dönüştürülebileceğini düşünüyorsanız
bunun hangi değişkenlere bağlı olduğunu belirleyiniz.
Sonuca Varalım
1. Öngörünüzle gözleminiz arasında fark var mı? Bu durumu açıklayınız.
2. Yayın ucuna asılan kütle ile yayın hesaplanan uzama miktarı arasında bir ilişki var
mı? Açıklayınız.
3. Yayın ucuna 5 kg'lık kütleyi taktığımızda kütle ile yayın uzama miktarı arasındaki
ilişki bozuldu mu? Açıklayınız.
4. Değişkenlerin değiştirilmesi büyük kütlelerin de bu düzenekle ölçülebileceği
anlamına gelir mi? Açıklayınız.
70
Kuvvet ve Hareket
Esnek yaya uygulanan kuvvet ile yayın uzama veya sıkışma
miktarı arasında bir ilişki vardır. Bu ilişki doğru orantılı olup
F = k x şeklindedir.
Eşitlikte;
x : Yayın uzama veya sıkışma miktarını,
k : Yayın yay sabitini ifade eder.
Dinamometre yukarıda belirlenen ilkeye göre çalışır.
Dinamometrenin çengeline bağlanan farklı kütleler, esnek yaya
farklı kuvvetler uygulamaya karşılık gelir. Bu durumda yay her
seferinde farklı miktarda uzar. Bu uzama aynı olmayan ölçeklere
denk gelir.
Bir ucundan asılan yayın diğer ucuna bağlı kütle, denge
konumundan ayrıldığında yaptığı hareket, basit harmonik
hareketti. Kütle, bu hareketi hangi kuvvetin etkisinde yapar?
Bu kuvvet hangi değişkenlere bağlıdır? Bu sorulara cevap
verebilmek için denge konumundan ayrılarak bırakılan kütleye
denge konumundan x kadar uzakta etkiyen kuvveti bulalım.
Denge
Konumu
Avuç içinde bulunan m kütlesi, serbest yayın ucuna takılır ve
el yavaş yavaş aşağıya indirilirse bir müddet sonra kütle avuç
içinden ayrılarak dengeye gelir. Bu durumda yay, serbest hâline
göre x0 kadar uzar. Dolayısıyla kütle, yayın uzaması sonucu
oluşan F1 = k x0 kuvvetinin ve ağırlığının etkisinde dengededir.
Denge konumunda bileşke kuvvet sıfır (R=0) olduğundan,
k x0 = m g olur. Denge konumundan x kadar uzaklıkta kütleye
etkiyen yayın geri çağırıcı kuvveti F2;
F2 > F1 = k x0 = m g şiddetindedir. Dolayısıyla kütle, bileşke
kuvvetin etkisindedir. Bu bileşke kuvveti hesaplayalım.
F = F2 – m g ⇒ F = k(x0+ x) – m g ⇒ F = k x0+ k x – m g ise;
71
2. Ünite
F = k x bulunur. Bu durumda kütleye etkiyen geri çağırıcı
kuvvet, uzanımla doğru orantılı olup titreşim aralığının orijinine
yöneliktir. Her an orijine yönelik uzanımla doğru orantılı kuvvetin
etkisindeki hareketi basit harmonik olarak tanımlamıştık.
Öyleyse yayın ucuna asılı kütlenin yaptığı hareket de basit
harmonik harekettir. Bu hareketin periyot ve frekansını bulalım.
F = Fhar ⇒ k x = m ω2 x ⇒ ω =
k
2π
k
⇒
. Buradan;
=
m
T
m
1 k
m
⇒ ƒ=
olur. Öğrenciler arasında yaya
2π m
k
bağlı kütlenin yapacağı basit harmonik hareketin periyodunun
salınımın genliğine bağlı olduğuna dair yanlış bir algılama
vardır. Periyot eşitliği yorumlanacak olursa yaya asılı kütlenin
yapacağı basit harmonik hareketin periyot ve frekansı sadece
m ve k’ye bağlıdır. Bunların dışındaki değişkenler, periyot
ve frekansı değiştirmez. Yaya bağlı kütlenin yapacağı basit
harmonik hareketin periyodunun, uzanımdan bağımsız olması
bize "Adrenalin" adlı metindeki "Acaba kafes daha da aşağıya
çekilip bırakılsa hareketini yine aynı sürede mi tamamlar?"
sorusunun cevabını verir.
Ucuna kütle bağlanarak yatay
doğrultuda titreştirilen yay sarkacının
yapacağı basit harmonik hareketi
enerjinin
korunumu
açısından
inceleyelim.
Kütle, denge konumundan itibaren r kadar uzaklaştırılırsa
1 2
k x kadar esneklik potansiyel
yayda uzamadan dolayı
2
enerjisi birikir. Kütle, denge konumundan geçerken bu enerji
kinetik enerjiye dönüşür. Yay, r kadar sıkışınca kinetik enerji
yeniden esneklik potansiyel enerjisine dönüşür. Enerji kaybının
olmadığını kabul edersek olay bu şekilde devam eder. Dolayısıyla
titreşim aralığının uç noktasında hız sıfır, denge konumunda ise
maksimumdur. Ortam havasız olsa bile yay, iç dirence sahiptir.
Bundan dolayı enerji kaybı olur ve titreşim devam etmez.
T = 2π
Yayları Bağlayalım
Şekil a
Şekil b
Esnek yayın ucuna bağlı kütlenin basit harmonik hareketinde
birden fazla yay kullanılması durumunda eş değer yayın yay
sabitinin bilinmesi gerekir. Bu nedenle yayların bağlanma
şekillerini çizerek eş değer yay sabitlerini bulalım.
Şekil aʼdaki gibi uç uca ekli yaylara seri bağlı yaylar denir.
Yayların denge konumları ile her iki yay ve eş değer yaya
uygulanan kuvvetlerin eşitliğinden hareketle;
m g = k1 x1, m g = k2 x2, m g = k(x1+ x2) eşitlikleri yazılır.
x1
=
mg
mg
yerine yazılırsa;
ve x 2
=
k1
k2
 mg mg
1 1 1
mg =
k
+
=
+
bulunur.
 ' den
k2 
k k1 k 2
 k1
72
Kuvvet ve Hareket
Şekil c’deki gibi bağlı yaylara, paralel bağlı yaylar denir.
Yayların denge konumları ile her iki yayın ve eş değerinin
uzama miktarının aynı olmasından hareketle;
m g = k1 x + k2 x, m g = k x eşitlikleri yazılır.
Buradan;
k x = k1 x + k2 x ⇒ k = k1+ k2 bulunur.
SIVI YAKITLI MOTORLAR
Kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye
yarayan araçlardan biri de otomobil
motorudur. Motorlar benzinli ve mazotlu
olmak üzere iki gruba ayrılır. Ancak,
yapıları ve çalışma ilkeleri benzerlik
gösterir. Enerji, benzinli motorlarda
yanma sonucu elde edilirken mazotlu
motorlarda patlama sonucu elde edilir
ve pistonu doğrusal yörüngede hareket
ettirir. Piston, krank milinin bağlı olduğu
bölüme çembersel hareket yaptırır.
Sonuç olarak pistonun hareketi ile krank
milinin hareketi yapıları gereği birbirine
bağlıdır. Yani, mil döndükçe piston belirli
bir aralıkta gidip gelir, başka bir ifadeyle
titreşim hareketi yapar.
dönüştürmeye
Şekil c
Şekil d
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Çembersel hareket ile basit harmonik hareket arasında ilişki
var mıdır? Etkinlikle araştıralım.
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar oluşturunuz ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate
alarak görev paylaşımı yapınız.
2. Bir çember çiziniz. Düzgün çembersel hareket yapan bir hareketlinin eşit zaman
aralıklarındaki konumunu çember üzerinde işaretleyerek belirleyiniz.
3. Konumunu belirlediğiniz hareketlinin x veya y ekseni üzerindeki iz düşümünü alınız.
4. Aynı hareketlinin çizgisel hız vektörünü ve merkezcil ivme vektörünü çizerek x ve y
eksenlerindeki iz düşümlerini alınız.
Sonuca Varalım
1. Düzgün çembersel hareketin eksen üzerindeki iz düşümü hareketi ne tür harekettir?
Açıklayınız.
2. İz düşümün hız vektörü tek yönlü müdür? Bu hızın şiddeti sabit midir? Açıklayınız.
3. İz düşümün ivme vektörü tek yönlü müdür? Bu ivmenin şiddeti sabit midir? Bu
durumu nasıl açıklarsınız?
73
2. Ünite
C
D
D
E
E
F
F
ı
Yandaki
şekilde,
çembersel
hareket yapan hareketlinin farklı
konumlarının y ekseni üzerindeki iz
düşümleri görülmektedir. Çembersel
hareket yapan hareketlinin A, B, C,
D, E, F ve G konumlarına karşılık y
ı
eksenindeki izdüşümleri sırasıyla A ,
ı
ı
ı
ı
ı
ı
B , C , D , E , F ve G dür. Buna göre
C
ı
B
ı
A
ı
B
ı
şekilde düzgün çembersel hareket
yapan hareketlinin y ekseni üzerindeki
izdüşümü +r ve -r aralığında titreşir.
Düzgün çembersel hareketin eksen
üzerindeki iz düşümü basit harmonik
harekettir. Buradan hareketle “Sıvı
Yakıtlı Motorlar” adlı metindeki
piston ve krank milinin hareketlerinin
neden birbirine bağlı olduğunu daha
iyi açıklarız. Krank mili çembersel
hareket yaparken ona bağlı piston
harmonik hareket yapar.
A
ı
G
ı
G
Düzgün çembersel hareket yapan hareketlinin y ekseni
üzerindeki iz düşümü +r ve -r aralığında titreşim hareketi yapar.
Çembersel hareket yapan hareketli, A noktasında iken y ekseni
ı
üzerindeki iz düşümü A noktasındadır.
SARKAÇLI DUVAR SAATİ
Sarkaçlı duvar saatlerinin diğer
duvar saatlerinden farkı, saat içindeki
dişlilere bağlı düz bir çubuğun ucunda
kütle asılmasıdır. Saat çalışırken çubuk,
ucundaki kütle ile belirli bir aralıkta salınır.
Duvar saatleri, saniyeleri vurma zamanı
değiştirilerek ayarlanırken sarkaçlı saatler,
çubuğun ucundaki kütlelerin biraz yukarı
çıkarılması veya biraz aşağı indirilmesiyle
ayarlanır. Peki, bu durum saatin hızlı veya
yavaş çalışmasını nasıl etkiler?
Bu kitap için düzenlenmiştir.
İpin ucuna asılan bir kütlenin denge konumundan ayrılıp
bırakıldığında yaptığı hareketin titreşim hareketi olduğunu
öğrendik. Kütlenin yaptığı bu titreşim basit harmonik hareket
midir? Titreşim periyodu hangi değişkenlere bağlıdır? Etkinlikle
öğrenelim.
74
Kuvvet ve Hareket
ARAÇ VE GEREÇLER
. Üç ayak
. İki adet destek çubuğu
. İki adet ikili bağlama
parçası
. Tartım takımı
. İp (150 cm)
. Makas
. Süreölçer
. Açıölçer
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Beş veya altı kişilik gruplar
oluşturunuz.
Basit
sarkacın
periyodunun nelere bağlı olarak
değişebileceğiyle ilgili bir hipotez
kurunuz. Hipotezinizi test etme
sürecinde bağımlı, bağımsız ve
kontrol değişkenlerini belirleyiniz.
2. Uzunluğu 50 cm olan bir ip
ve 5 g’lık kütle ile şekildeki gibi bir
düzenek kurunuz.
denge
konumunu
3. İpin
o
düşeyle yaklaşık 3 lik açı oluşturacak şekilde bozarak titreşimin periyodunu ölçmeye
çalışınız. Ölçme işlemini birkaç kez tekrarlayınız. Sonucu defterinize kaydediniz.
o
4. Üçüncü adımdaki işlemleri ip, düşeyle yaklaşık 5 lik açı oluşturacak şekilde
tekrarlayınız.
o
5. İpi düşeyle yaklaşık 5 lik açı yapacak şekilde düşeyden ayırınız. Bu durumda
mıknatısı masa üzerinde kütlenin düşeyine koyarak üçüncü adımdaki işlemi tekrarlayınız.
o
6. İp, düşeyle yaklaşık 10 açı oluşturacak şekilde üçüncü adımdaki işlemleri
tekrarlayınız.
7. Altıncı adımdaki işlemleri 10 g’lık kütle kullanarak tekrarlayınız ve sonuçları
defterinize kaydediniz.
o
8. Uzunluğu 70 cm olan ipin denge konumunu ip, düşeyle yaklaşık 10 açı yapacak
şekilde bozunuz ve titreşimin periyodunu ölçünüz. Sonucu defterinize yazınız.
Sonuca Varalım
1. Açının değiştirilmesi titreşim periyodunu değiştirdi mi? Bu durumu nasıl
açıklarsınız?
2. Mıknatıs kütlenin düşeyine konulduğunda periyot değişti mi? Açıklayınız.
3. Kütle değiştirildiğinde periyot değişti mi? Açıklayınız.
4. İpin uzunluğu değiştirildiğinde periyot değişti mi? Açıklayınız.
5. Etkinlik basamaklarından elde ettiğiniz sonuçlar hipotezinizi doğruladımı? Nasıl?
75
2. Ünite
İpin ucuna astığımız kütleyi denge konumundan ayırıp
bıraktığımızda kütlenin, denge konumu etrafında salınım
hareketi yaptığını öğrendik. Ağırlık merkezinden geçmeyen,
eksen etrafında salınan bu düzenek basit sarkaç olarak
tanımlanır. Basit sarkacın yaptığı salınımın nasıl bir hareket
olduğunu kavramak için geri çağırıcı kuvveti hesaplayalım.
Öncelikle denge konumundan x kadar uzakta olan sarkaca
etkiyen kuvvetleri çizelim.
θ
θ
T
C
B
A
mgsinθ
θ
x
A
B
Şekil a
→
mg
mgcosθ
Şekil b
Basit sarkaçta θ açısı küçük olduğundan uzanım yaklaşık
 ) olarak alınabilir. Bu
olarak Şekil b’de görüldüğü gibi x (x ≅ AB
durumda sinθ = xl olur.
Şekil a’da basit sarkaca etkiyen bileşke kuvvetin ağırlığının
yörünge doğrultusundaki bileşeninin mgsinθ olduğu görülür.
sinθ yerine yazılırsa m g x olur. Bu kuvvet uzanımla doğru
l
orantılı olup salınım hareketinin orijinine yöneliktir. Bu nedenle
basit sarkacın salınım hareketi, basit harmonik harekettir. Bu
hareketin periyot ve frekansını bulalım.
Fhar=mgsinθ
mω2x = m g x
l
g
2p
g
w=
Þ
=


T
T = 2p
f =

ve
g
1 g
bulunur.
2p 
Eşitlik yorumlandığında basit sarkacın periyodunun;
sarkacın kütlesine bağlı olmadığı, boyunun karekökü ile doğru,
çekim ivmesinin karekökü ile ters orantılı olduğu görülür. Basit
o
sarkacın yaptığı küçük genlikli salınımlar (θ ≤ 10 ) eş zamanlıdır.
76
Kuvvet ve Hareket
Başka bir ifadeyle, sarkacın harmonik hareketinde küçük genlikli
salınımların periyotları eşittir. Basit sarkacın büyük genlikli
o
salınımları (θ .≥.10 ) eş zamanlı değildir. Dolayısıyla büyük
açılardaki salınım hareketi basit harmonik hareket değildir. Aynı
uzunluktaki basit sarkacın periyodu Dünya’da ve Ay’da farklıdır.
Ay’da çekim ivmesi küçüldüğü için periyot büyür. Eğer bu sarkaç
bir saate ait ise saat geri kalır.
Ay'daki sarkaçlı saat Dünya’da saniyeleri vuran sarkaçlı
saate göre geri kalır. Periyottaki bu değişiklik ivmeli referans
sistemlerde de geçerlidir. Bu durumda basit sarkacın
periyodunu veren eşitlikte g yerine ölçülen değer yazılır. İvmeli
hareket yapan asansörde göreli ivmeyi bularak basit sarkacın
periyodunu veren eşitliği yazalım.
Asansör a ivmesiyle yukarı doğru hızlanarak hareket etsin.
Bu durumda göreli ivme g+a olur. Bu ivme asansörün aşağı
doğru yavaşlayarak hareket etmesi durumlarında da geçerlidir.

olur.
g+a
Asansörün aşağı doğru hızlanarak veya yukarı doğru
yavaşlayarak hareket etmesi durumunda basit sarkacın
periyodunu veren eşitliği de siz bulunuz.
Bir önceki sayfada verilen Şekil a’daki basit sarkaç,
denge konumundan x kadar uzaklaştırılarak ip, düşeyle θ
o
açısı (θ .≤.10 ) yapacak konuma getirilip bırakıldığında A ve C
noktaları arasında basit harmonik hareket yapar. Sarkaç bir
tam tireşimi, AB arasını T/4, BC arasını T/4, dönüşte CB arasını
T/4, BA arasını T/4 kadarlık zamanlarda tamamlar. Bu harekette
AC arası, titreşimin aralığı iken; AB veya BC arası, uzanımın
en büyük değeri olan genliktir. Şekil a incelendiğinde geri
Dolayısıyla sarkacın periyodu, T= 2π
çağırıcı kuvvetin mgsinθ olduğu ancak sabit olmadığı görülür.

olarak hesaplanır.
g
Buna göre periyot, sarkacın boyuna ve çekim ivmesine bağlı
olup genlikten bağımsızdır. Basit sarkacın periyot eşitliğinden
hareketle ‟Sarkaçlı Duvar Saati” adlı metindeki saatin
ayarlanması için neden titreşim hareketi yapan kütlelerin yerini
değiştirmek gerektiğini izah edebiliriz. Geri kalan saati ayarlamak
için saati hızlı çalıştırmak yani periyodunu küçültmek gerekir.
Bu nedenle sarkacın boyu kısaltılmalıdır. Şayet saat ileri
gidiyorsa periyodunu büyütmek dolayısıyla sarkacın boyunu
uzatmak gerekir.
Basit harmonik hareketlerle ilgili yanlış algılamaları ortadan
kaldırmak için konuyu farklı bir şekilde irdeleyelim. Bunun için
öncelikle 78. sayfadaki çizelgede verilen soruları okuyunuz.
Benzer bir çizelgeyi defterinize çizerek cevaplarınızı nedenleriyle birlikte yazınız.
Basit sarkacın titreşim periyodu, T= 2π
77
2. Ünite
Kavram veya Sonuç
Soru
Fhar = kx
x
Fhar = mgsinθ =mg l
Yay sarkacı ve basit
sarkacın geri çağırıcı
kuvvet büyüklükleri incelendiğinde sabit oldukları
söylenebilir mi?
-r
A
Titreşim
aralığının orijini
O
Ucuna kütle bağlanarak yatay doğrultuda titreştirilen yay sarkacının
hareketinde r büyüklüğü
hangi noktalar arasını ifade eder?
r
B
θ
T
T
-r
r
O
θ
mg
Neden
F = ma eşitliği dikkate
alındığında;
1. Basit sarkacın en alt
noktada ivmeli hareket
yaptığı söylenebilir mi?
2. Basit sarkacın uzanımının maksimum olduğu noktada ivmeden bahsedilebilir mi?
mg
θ >10°
‟Salınan Kütle” etkinliğinde de görüldüğü gibi
θ>10° olması durumunda, salınım periyodunun
eş zamanlı olmaması
sarkacın bundan sonraki
hareketinin basit harmonik hareket olmayacağı
anlamına gelir mi?
Çizelge doldurulduğunda aşağıdaki sonuçlara ulaşılır. Basit harmonik harekette geri çağırıcı kuvvet uzanımla doğru orantılı olup
sabit değildir. Titreşim genliği hareketin bir ucundan diğer ucuna
olmayıp orijin ile uç nokta arasıdır. Basit sarkacın hareketinin en
alt noktasında Fnet = 0 olduğundan ivme de sıfırdır. Basit sarkacın uzanımının maksimum olduğu uç noktalarda Fnet ≠ 0 olduğundan ivme vardır ve maksimum değere sahiptir. θ >10° olması durumunda basit sarkacın periyodu eş zamanlı olmadığından sarkaç
basit harmonik hareket yapmaz. Buradan hareketle ‟Geri çağırıcı
kuvvet titreşimin her noktasında sabittir.”, ‟Titreşim genliği, yörüngenin
bir ucundan diğer ucuna olan uzaklıktır.”, ‟Bir sarkaç, salınımın en alt
noktasında ivmeli hareket yapar.”, ‟İvme, bir sarkacın uzanımının maksimum olduğu noktada sıfırdır.”, ‟Herhangi bir başlangıç açısı için tüm
sarkaçlar mükemmel bir basit harmonik hareket yapar.” düşüncelerinin
yanlışlığı giderilmiş olur.
78
Kuvvet ve Hareket
Yay sabiti 9 N/m olan 3 özdeş yay
şekildeki gibi bağlanmıştır. 2 kg’lık kütle,
3
yayın ucuna bağlanarak dengeye getirilmiştir.
Denge konumundan aşağıya doğru çekilerek
bırakılan kütlenin;
a) Periyodu kaçtır?
b) 5. saniyedeki yerini ve hareket yönünü
belirleyiniz (π = 3).
Çözüm
Öncelikle eş değer yayın yay sabitini
bulalım. Paralel bağlı yaylar için;
keş = k1+ k2 idi. Buradan;
keş = 2k olur. Bu yay ile düşey yay seri bağlıdır.
Bu durumda;
1
1 1
1
1
1
2k
= +
den
= +
⇒ keş
olur.
es =
keş
k
k
k
2k
k
3
es
1
2
es
eş
m
Bulunan yay sabitini T= 2π
formülünde
k
yerine yazalım.
3m
T = 2π
olur. Verilenleri yerine yazarsak;
2k
T= 2 ⋅ 3
2k
k
3⋅2
2⋅3⋅9
T = 2 s bulunur.
b) Periyot 2 s olduğundan
kütle, 2 ve 2’nin tam katları olan
zaman değerlerinde başlangıç
noktasındadır. Dolayısıyla kütle
4. saniyede başlangıç noktasında
olur ve titreşim hareketini 4 özdeş
hamle ile tamamlar. Bu hamleleri
eksen üzerinde gösterelim.
Eksen incelendiğinde kütlenin
+r’de olduğu görülür. Bu noktadan
sonra kütlenin hareketinin yönü
aşağıya doğrudur.
79
2. Ünite
2 kg’lık kütle, yay
sabitleri k1 = 80 N/m
ve k2 = 48 N/m olan iki
yay arasına şekildeki
gibi bağlanmıştır. Sürtünmeler ihmal edildiğine göre kütlenin,
çekilip bırakıldığında yapacağı basit harmonik hareketin
periyodu nedir (π = 3)?
Çözüm
Kütle, denge konumundan ayrıldığında yayların biri
sıkışırken diğeri uzar. Bu durumda oluşan ve denge konumuna
yönelik uzanımla orantılı olan kuvvet, kütleye basit harmonik
hareket yaptırır. Buna göre, yayların nasıl bağlı olduğunu
belirleyelim ve eşdeğer yayın yay sabitini bulalım. Bileşke
kuvvet;
Fbil = F1 + F2'dir ve
yayların uzanımlarının
büyüklükleri
birbirine
eşittir.
Bu
durumda
yaylar paralel bağlı olurlar.
keş = k1 + k2 idi. Buradan;
keş = 80 + 48 ⇒ keş = 128 N/m olur.
Bulunan ve verileni T= 2π
T= 2 ⋅ 3
T=
2
128
m
eşitliğinde yerine yazalım.
k
2⋅3
3
⇒T = 0,75 s bulunur.
⇒ T=
8
4
Uzunluğu 1 m olan basit sarkacın periyodu 2 saniyedir.
Periyodun 4 s olması için sarkacın uzunluğu kaç m olmalıdır?
Çözüm
Birinci sarkaç için; T= 2π
2= 2π

de verilenleri yerine yazalım.
g

olur. İkinci sarkaç için;
g
4= 2π
'
olur.
g
2 2π  g
 ' 4 m bulunur.
⋅ ⇒=
Bu eşitlikleri oranlarsak; =
4 2π g  '
80
Kuvvet ve Hareket
20 cm uzunluğunda olan şekildeki sarkaç, O noktasının düşeyinden
10 cm aşağıdaki çiviye takılacak biçimde düzenlenmiştir. A konumundan serbest bırakılan sarkacın periyodu kaç saniye olur (π = 3, g = 10 m/s2)?
Çözüm
20 cm uzunluğundaki sarkaç
çiviye takılınca 10 cm uzunluğunda
ikinci bir sarkaç oluşur. Bu durumda
AB noktaları arasındaki salınım
periyodu birinci ve ikinci sarkaçların
periyotlarının
yarılarının
toplamı
kadar olur.
T1 T2
+
2 2

 
1
T
=
 2π 1 + 2π 2  olur.
2
g
g 
Verilenleri yerine yazarsak;
=
T
T
=
1
0,2
0,1 
+ 2⋅3
 2 ⋅ 3

2
10
10 
T 3
=
T=3
1
1
+3
50
100
3
100
T = 0,3 3 s bulunur.
81
2. Ünite
Duran bir asansörün içindeki sarkaçlar saniyeleri vurmaktadır.
Asansörün a ivmesi ile
hareket ettiğini düşünelim.
Bu durumda;
a)
Hangi
sarkacın
periyodunda değişme olur?
b)
Basit
sarkacın
bağlı olduğu saatin yarı
yarıya geri kalabilmesi için
asansörün hangi yönde,
hangi ivme ile hareket
etmesi gerekir?
Çözüm
a) Sarkaçların periyotlarını veren eşitlikleri yazalım.
m
Yay sarkacının periyodu T= 2π
, basit sarkacın periyodu ise
k

idi.
T = 2π
g
Eşitlikleri
incelediğimizde
yay
sarkacının
periyodunun hareket ivmesine bağlı olmadığı, basit
sarkacın periyodunun ise hareket ivmesine bağlı
olduğu görülür. Bu durumda, ivmeli hareket yapan
asansörde basit sarkacın periyodunda değişme olur.
b) Sarkacın saniyeleri vurması, periyodunun 2 s
olması anlamına gelir. Periyodu ivmeli harekete bağlı
olan basit sarkaçlı saatin geri kalması, periyodun
büyümesi ile mümkündür. Dolayısıyla saatin yarı
yarıya geri kalması için periyot 4 s olmalıdır. Periyodun
büyümesi gerekli ivmenin küçülmesiyle olur. Bu durumun oluşması
için asansörün aşağıya doğru hızlanarak veya yukarıya doğru
yavaşlayarak hareket etmesi gerekir. Bunun için önce göreli ivmeyi
bulalım.
T = 2π

idi. Bu durumda;
g
T ' = 2π

yazılır. Verilenleri yerine yazarsak;
g−a
2= 2π


ve 4= 2π
olur.
g
g−a
Bu iki eşitliği birleştirdiğimizde;
2 ⋅ 2π


4
1
= 2π
⇒
=
g
g−a
g g−a
4g − 4a = g ⇒ a =
82
3g
bulunur.
4
Kuvvet ve Hareket
Problem Durumu
Koray’ın dedesinden kalma sarkaçlı bir saati vardır.
Yıllarca, zamanı doğru gösteren bu saat son günlerde geri
kalmaya başlar. Koray, bu saati tamirciye götürmek istemez.
Sorunu kendi çözmek ister. Bunun için Koray’a yardımcı
olalım.
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Bu problemde aşağıdaki değişkenleri belirleyiniz.
Bağımlı değişken: …………………………………...........
Bağımsız değişken: …………………………………........
Kontrol değişken: ……………………………………........
2. Problemi nasıl çözeceğinizi ayrıntılı olarak yazınız.
Benzin, mazot, yağ, asfalt
ve yalıtım malzemeleri gibi
ürünlerin ham maddesi olan
petrolü
yüzeye
çıkarabilmek
için sondaj çalışmaları yapılır.
Petrol yatağındaki basınç yeterli
ise petrol, yüzeye kendiliğinden
çıkar. Yeterli değilse petrol ya
pompalanarak ya da basınçlı gaz
kullanılarak çıkarılır. Petrolün
pompalanmasında kullanılan ve
at başı adı verilen aracın basit
harmonik hareket yaptığını biliyor
muydunuz?
Dünya’nın çapı boyunca bir tünel açıldığını farz edelim.
Bu tünelden bırakılan bir cismin hangi hareketi yapacağını
tartışınız.
83
A. Aşağıdaki ifadelerde bulunan noktalı yerleri tabloda verilen kelimelerden uygun olanları
ile tamamlayınız.
denge
geri çağırıcı kuvvet
periyot
yay sabiti ve kütle
kütle
sarkacın boyu
1. Basit harmonik hareketin gerçekleşmesi için …………………………….. gereksinim vardır.
2. Yay sarkacının periyodu …………………………….. bağlıdır.
3. Basit sarkacın periyodu …………………………….. bağımsızdır.
B. Aşağıda birbiri ile bağlantılı cümleler içeren bir etkinlik verilmiştir. Bu cümlelerin doğru
(D) ya da yanlış (Y) olduğuna karar vererek ilgili ok yönünde ilerleyiniz. Her doğru karar size 5
puan kazandıracak ve bir sonraki aşamayı etkileyecektir. Vereceğiniz cevaplarla farklı yollardan
sekiz ayrı çıkışa ulaşabilirsiniz. En çok puan alacağınız çıkışı bulunuz.
D
Basit harmonik harekette ivme sabittir.
D
Y
Her hareket basit
harmonik harekettir.
D
Y
Basit harmonik harekette hız vektörü her
an hareket aralığının
orjinine yöneliktir.
D
Basit harmonik harekette ivme uzanımla 3. çıkış
doğru orantılıdır.
Y
4. çıkış
D
Basit harmonik ha5. çıkış
rekette uç noktalarda
ivme maksimumdur.
Y
6. çıkış
Y
84
D
Basit harmonik harekette ivme vektörü 1. çıkış
her an hareket aralığıY
nın orjinine yöneliktir.
2. çıkış
D
Basit
harmonik
7. çıkış
harekette hareket aralığının orjininde hız
Y
maksimumdur.
8. çıkış
C. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. İçinde sürücüsü bulunan bir otomobilin amortisörler üzerindeki kütlesi 1.000 kg’dır.
Amortisörler özdeş olup yay sabiti 4.000 N/m’dir. Toplam kütlenin homojen dağıldığı kabul
edilirse otomobilin çukura düşmesi hâlinde salınım periyodu kaç s olur (π = 3)?
2. Basit harmonik harekette hız ve ivme vektörlerinin aynı yönlü olduğu konumlar var mıdır?
Şayet varsa bu konumları şekil üzerinde belirleyiniz.
Ç. Aşağıda verilenlerden hareketle doğru seçeneği işaretleyiniz.
1. A noktasından harekete başlayarak AB
noktaları arasında basit harmonik hareket
yapan pistonun periyodu 8 saniyedir. Buna
göre piston, 15. saniyede hangi noktada
bulunur?
A) O noktasında
B) OB arasında B’ye yakın bir yerde
C) B noktasında
D) OA’nın orta noktasında
E) OA arasında A noktasına yakın bir yerde
2. m kütleli cisimler k ve 4k yay sabiti yaylarla
şekildeki gibi dengelenmiştir. Her iki kütle de +r noktasına
kadar çekilerek aynı anda serbest bırakılıyor. k yay sabitli
sarkacın periyodu 8 saniye olduğuna göre kütleler ilk
olarak kaçıncı saniyede, nerede karşılaşır?
A) 2. s’de O’da
B) 4. s’de + r’de
C) 5. s’de - r’de
D) 6. s’de O’da
E) 3. s içinde O ile - r arasında
D. Aşağıdaki ifadelerden doğru olanların karşısına ‟D”, yanlış olanların karşısına ‟Y” yazınız.
1. Cisim, basit harmonik harekette eşit zaman aralıklarında eşit yollar alır.
(
2. Basit harmonik hareketin gerçekleşmesi için geri çağırıcı kuvvete gereksinim vardır. (
3. Basit harmonik harekette geri çağırıcı kuvvet uzanımla doğru orantılıdır.
(
4. Basit harmonik hareketin konum-zaman eğrisi sinüs eğrisi şeklindedir. (
5. Kompresörlerin matkaplarındaki yayın görevi, titreşimi sönümlü hâle getirmektir.
(
)
)
)
)
)
85
E. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilen kavramlardan uygun
olanları ile doldurunuz.
geri çağırıcı kuvvet
kütle
yarıçap vektör
uzanım
zaman
açısal sürat
Basit Harmonik Hareket
Gerçekleşmesi için
gerekli etken
Bağlı olduğu etkenler
86
3. ünİte
elektrİk ve
elektronİk
87
konular
ağır İş makİnelerİ
dİnamo ve jeneratör
hoparlör
transformatör
yarım dalga doğrultucusu
Bu ünitede;
Değişken akımla doğru akım arasındaki farkı, elektrik enerjisinin taşınmasında transformatörün,
elektrik enerjisinin depolanmasında ise sığaçların rolünü inceleyeceğiz. Ayrıca diyot, transistör,
fotodiyot, fotodirenç gibi devre elemanlarını tanıyacağız. Basit elektronik kontrol devreleri kurarak
projeler geliştireceğiz.
88
Elektrik ve Elektronik
ağır İş makİnelerİ
Sanayide ve benzeri yerlerde kullanılan iş makinelerinin
birçoğu büyük enerji gerektiren elektrik motorları sayesinde
çalışır. Motorları çalıştıran enerjinin bir kısmı aktif, bir kısmı da
reaktif enerjidir. Aktif enerji, şebekeden çekilir ve harcanır. Reaktif
enerji ise şebekeden çekilir ancak işe dönüşmez, motorun
çalışması için gerekli manyetik alanı oluşturur. Sanayide birçok
elektrik motorunun bulunduğu devreden çekilen reaktif enerji
verimin oldukça düşmesine neden olur. Verimin düşmesini
engellemek için elektrik motorlarının devresine önceden yüklü
sığaçlar bağlanır. Elektrik motorunu harekete geçiren reaktif
enerji, sığaçlardan sağlanır. Bu sığaçlar fotoğraf makinelerinde
kullanılan sığaçlara göre oldukça büyüktür.
Fotoğraf makinelerinde makinenin mekanik aksamının ve
flaş devresinin çalışması için gerekli enerjiyi sağlamak üzere
genellikle iki adet 1,5 V’luk pil seri bağlanarak kullanılır. Fakat
flaşın verdiği ışık bu iki pille çalıştırılabilecek ampulün vereceği
ışıktan daha parlaktır. Bu parlaklık ampulün devresinde bulunan
sığaçla ilgilidir. Ampulün çalışması için gerekli enerjiyi sağlayan
sığaçlar ani boşaldıklarından devreye verdikleri akımın şiddeti
de büyük olur. Bu nedenle ampulden parlak ışık yayılır. Ancak
fotoğraf makinesinin pilleri çıkarılacak olursa flaş devresinin
çalışmadığı gözlenir.
Yukarıdaki fotoğrafta da görüldüğü gibi bazen aynı devrede
iki sığaç birlikte kullanılır. Bu sığaçlar amaca uygun şekilde
seri veya paralel bağlanır. Cep telefonu, televizyon, radyo vb.
cihazlarda küçük boyutlu sığaçlar kullanılır. Daha büyük gerilimle
çalışan cihazlarda kullanılan sığaçların büyük boyutta olduğu
gözlenir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Bazı elektrik devrelerinde ve merdiven otomatiklerinde sığaç
kullanılır. Sığaçların yapısının nasıl olduğunu, kullanıldıkları
devrelerde ne işe yaradıklarını etkinlikle araştıralım.
89
3. Ünite
ARAÇ VE GEREÇLER
. İki adet 100 µF’lık
sığaç
. Tornavida
. Pense
. 1,5 V’luk ampul
. Duy
. Güç kaynağı
. Krokodilli bağlantı
kabloları
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Sığaçlardan birinin dış kısmını tornavida ve pense yardımıyla çıkararak sığacı parçalarına
ayırınız.
2. Sığacın parçalarının nasıl yerleştirildiğini gözlemleyiniz.
3. Ampulün ışık vereceği bir devre kurunuz.
4. Sığacın parçalarını, devreye sırayla bağlantı kablosu gibi koyarak ampulün yanıp
yanmadığını gözlemleyiniz.
5. Diğer sığacın uçlarını birbirine değdirdikten sonra ampulün uçlarına bağlayınız.
6. Sığacın uçlarını güç kaynağının 1,5 V’luk doğru gerilim çıkışına bağlayarak 2-3 dakika
bekleyiniz.
7. Güç kaynağından ayırdığınız sığacın uçlarını ampulün uçlarına bağlayınız.
Sonuca Varalım
1. Sığaçtan çıkan parçaların devreye yerleştirildiği her durumda ampul ışık verdi mi?
Sığacın tüm parçaları aynı türden midir? Bu durumu açıklayınız.
2. Uçları birbirine değdirilip ayrılan sığacın, uçlarına bağlanan ampul ışık verdi mi? Neden?
3. Güç kaynağından ayrılan sığacın uçlarına bağlanan ampul ışık verdi mi? Bu durumu
açıklayınız.
Sığaç, iki iletken arasına bir yalıtkanın konulmasıyla oluşan iki
uçlu bir devre elemanıdır. Uçlarının bağlı olduğu iletkenlere sığacın
levhaları denir. Bu iletken levhalar arasındaki madde yalıtkandır.
Sığaçlar devre şemalarında
veya
şeklinde gösterilir.
Doğru gerilim güç kaynağından ayrılan sığaca bağlanan ampulün
ışık vermesi, sığacın elektrik yükü yani elektrik enerjisi biriktirdiğini
gösterir.
Sığacın yüklenebilmesi için doğru akım güç kaynağına
bağlanması gerekir. Sığacın güç kaynağının ‟+” kutbuna bağlı
levhası ‟+” yükle, ‟-” kutbuna bağlı levhası ‟-” yükle yüklenir. Bu
durum bir sonraki sayfada yer alan şekilde görülmektedir. Sığaçların
yüklenmesinde, elektron alış verişi söz konusudur. Sığacın elektron
veren levhası ‟+” yükle yüklenirken elektron alan levhası ‟-” yükle
yüklenir. Bu durum ‟+” yükle yüklenen levhada ‟-” yük kalmadığı
anlamına gelmez.
90
Elektrik ve Elektronik
Sığaç levhalarındaki yük miktarları aynı büyüklükte ve zıt
cinstedir. ‟+” ve ‟-” yüklü iki iletken levha arasında elektriksel
alan oluştuğunu onuncu sınıf fizik dersinde öğrenmiştiniz. Sığaç,
elektrik enerjisini bu elektriksel alanda depolar. Buraya kadar
anlatılanlardan hareketle “Ağır İş Makineleri” adlı metinde ki fotoğraf
makinesinin pilleri çıkarılınca flaş devresinin neden çalışmadığı
açıklanabilir. Flaşın enerji ihtiyacını sığaç sağlar. Sığacında enerji
biriktirebilmesi için enerji kaynağına ihtiyaç vardır.
Sığaçlar, iletken levhalarının şekline bağlı olarak
düzlem sığaç ve silindirik sığaç adını alır.
Özdeş iki iletken levhanın karşılıklı olarak
yerleştirilmesi düzlem sığaca, leyde şişesi silindirik
sığaca örnektir. Leyde şişesi içi ve dışı metalle
kaplanmış, ağzı mantarla şekildeki gibi kapatılmış
bir cam şişedir. Bu şişe 20.000-30.000 V’luk gerilime
dayanabilir ancak yük biriktirme yeteneği azdır.
Yüklü sığacın uçları arasında potansiyel fark
oluşur. Sığacın yükü ile bu gerilim arasında bir ilişki
var mıdır? Etkinlikle araştıralım.
ARAÇ VE GEREÇLER
. 50 µF-3V’luk ve
.
.
.
.
.
.
100 µF-3V’luk iki
sığaç
Güç kaynağı
1,5 V’luk ampul
Duy
Doğru gerilim
voltmetresi
Bağlantı kabloları
Süreölçer
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Sığaçları 3 V’luk doğru gerilime seri bağlayarak 2-3 dakika bekleyiniz.
2. Yüklenmiş sığaçların uçları arasına
Voltmetrenin
Işık Verme
voltmetre bağlayınız. Yandaki çizelgeye
Gösterdiği Değer
Süresi
benzer bir çizelgeyi defterinize çizerek
50 µF
voltmetrenin gösterdiği değerleri uygun
100 µF
yerlere yazınız.
Örnek çizelgedir.
3. Sığaçların uçları arasına ampul
bağlayarak ışık verme sürelerini ölçünüz. Elde ettiğiniz değerleri çizelgeye yazınız.
Sonuca Varalım
1. Her iki sığacın uçlarından okunan potansiyel farkı aynı mıdır? Açıklayınız.
2. Her iki sığaca bağlanan ampulün ışık verme süreleri aynı mıdır? Bu durumu açıklayınız.
91
3. Ünite
Doğru akım güç kaynağına bağlanan sığaç, elektriksel
yükle yüklenince uçları arasında potansiyel farkı oluşur. Sığacın
depoladığı elektriksel yük miktarı, sığacın yapısına bağlı olarak
değişiklik gösterir. Aynı maddeden yapılmak koşuluyla sığacın
iletken levhası büyüdükçe depoladığı yük miktarı artar. Bu durumda
sığacın depoladığı yük ile uçları arasında oluşan potansiyel farkı
arasında sabit bir oran vardır. Bu orana sığacın sığası denir. Sığa,
q
formülüyle ifade edilir. Sığanın
C sembolü ile gösterilir ve C =
V
SI’daki birimi Farad’dır ve F sembolü ile gösterilir. Elektronik
uygulamalarda Farad çok büyük değer olduğundan as katları
kullanılır. Farad’ın as katları;
1 mikro Farad (1 µF)
1 nano Farad (1 nF)
1 piko Farad (1 pF)
-6
1 µF = 10 F
-9
1 nF = 10 F
-12
1 pF = 10 F
şeklindedir.
Paralel levhalı sığacın sığasının, hangi
özelliğe bağlı olarak değiştiğini inceleyelim.
Levhaların yüzey alanları eşit ve her biri A kadar,
levhalar arası uzaklık ise d kadar olsun. A ve
d değişkenlerinin sığacın depolayacağı yükü
nasıl etkileyeceğini görelim. Sığacın uçlarını
doğru gerilim kaynağına bağladığımızda
levhaların yüklendiğini fark etmiştik. Aynı cins
yükler birbirini ittiğinden levhanın yüzey alanı
A, ne kadar büyük olursa yükler levha üzerinde o kadar dağılır.
Dolayısıyla levha daha çok yük depolar. Buradan hareketle
elektriksel yük depolama yeteneği olan sığanın A ile orantılı
olduğu söylenir. Şimdi levhalar arasındaki uzaklığı irdeleyelim.
Levhalar arasındaki d uzaklığını küçültelim. Bu durumda V = E d
eşitliğine göre sığacın uçları arasındaki potansiyel farkı küçülür. Bu
değişime uygun elektriksel yük dağılımı gerçekleşmeden önceki
anlık durumda levhalarda elektriksel yük değişimi olmadığından
elektriksel alan E değişmez. d’yi küçülttüğümüzde V = E d eşitliğine
göre sığacın uçları arasındaki potansiyel farkı da küçülür. Dolayısıyla
güç kaynağı ile sığacın levhasını birleştiren iletkenin uçlarında
potansiyel farkı oluşur ve güç kaynağından sığaca elektriksel
yük geçişi olur. Levhalar arası d uzaklığının artması, elektriksel
yükün azalmasına neden olur. Dolayısıyla sığacın elektriksel yük
depolama yeteneği olan sığa, d ile ters orantılı olur. Ulaşılan bu
A
sonuç matematiksel olarak C = ε
şeklinde yazılır. Eşitlikteki
d
ε, iletkenler arasındaki ortamın dielektrik (yalıtkanlık) sabitidir.
Kâğıt, plastik ve cam gibi birçok yalıtkan madde elektrik yükünü
iletmez. Ancak bulundukları ortamda elektrik alanının değişmesine
neden olurlar. Elektrik alanda değişime neden olan bu maddelere
dielektrik madde denir. Dielektrik maddeler sığaçlarda daha fazla
yük depolanmasını sağlar, yani sığayı büyütür. Dielektrik maddeler
92
Elektrik ve Elektronik
aynı zamanda levhalar arasında oluşacak elektrik arkını engeller.
Bazı maddelerin dielektrik sabitleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Madde
Dielektrik Sabitleri
Boşluk
-12
8,85.10 F/m
Hava
-12
8,85.10 F/m
Parafin
-12
-12
17,70.10 - 22,125.10 F/m
Teflon
18,585.10
F/m
Kâğıt
32,745.10
F/m
Borcam
35,40.10 - 53,10.10
Su
70,800.10
-12
-12
-12
-12
-12
F/m
F/m
*Fıshbane, Paul M., Gasiorowicz, Stephen. ve Thornton, Stephen T., 2007
kaynağından yararlanılarak düzenlenmiştir.
Dielektrik madde, paralel iletkenler arasına levhalara paralel
olarak yerleştirilmiştir ve düzlem sığaçtaki yeri şekildeki gibidir.
Elektrik yükü ile yüklenmiş sığacın elektrik
enerjisinin, elektrik alanda depolandığını öğrendik.
Yüklü sığacın levhaları arasında oluşan elektriksel
alan, elektrik yüklü parçacıkları hızlandırır. Dolayısıyla
bu alan, iş yapabilme kapasitesine sahiptir. Elektrik
yüklü sığaç enerji depolar. Bu enerji, sığacı yüklemek
için yapılan işe eşittir.
Sığacın
depoladığı
enerjiyi
hesaplamaya
çalışalım. Onuncu sınıf fizik derslerinde, q kadarlık
elektriksel yükün aralarındaki potansiyel farkı V olan bir noktadan
diğer noktaya götürülmesi hâlinde kazandığı enerjinin W = q V
kadar olduğunu öğrenmiştik. Fakat bu eşitlikten yararlanarak
sığacın V potansiyeli altında yüklenmesi ile biriktirdiği enerjiyi
hesaplayamayız. Bu eşitliği kullanmak için q yükünün bir noktadan
diğer bir noktaya bir defada gitmesi ve V potansiyelinin sabit olması
gerekir. Ancak sığaç bir defada dolmamakta veya boşalmamaktadır.
Başka bir ifadeyle sığacın yüklenmesi sırasında elektriksel yük
hareketi söz konusudur. Ayrıca yapılan işin sonucunda levhaların
yük miktarında değişme olur. Dolayısıyla elektriksel yükün hareket
ettiği noktalar arasındaki potansiyel farkı değişir. Bu durum
karmaşık işlemleri gerektirir. Bu işlemler sonucu yapılan toplam iş,
yani sığacın depoladığı enerji;
qV
q
olarak bulunur. q = C V ve C =
bu eşitlikte ayrı ayrı
W =
2
V
Yük
yerine yazılırsa;
2
q
q2
CV
ve W =
eşitlikleri elde edilir.
W =
2
2C
Bir sığacın q - V grafiği yandaki şekilde görüldüğü
qV
gibidir. Grafikteki taralı alan hesaplanırsa
bulunur.
2
Bu değer sığacın biriktirdiği enerjiyi ifade eder.
0
Dielektrik madde
Potansiyel farkı
V
93
3. Ünite
Sığacın sığasının hangi geometrik özelliklere bağlı olduğunu
ve elektriksel yükle yüklü sığacın biriktirdiği enerjinin nasıl
hesaplandığını öğrendikten sonra “Ağır İş Makineleri” adlı metinde,
büyük enerjiye ihtiyaç duyan elektrik motorlarının devresine neden
büyük sığaçlar konduğunu açıklayabiliriz. Sığacın büyük olması
levhaların yüzey alanlarının, dolayısıyla sığanın büyük olması
anlamına gelir. Sığanın büyük olması ise daha çok reaktif enerji ve
büyük potansiyel fark anlamını taşır. Bu sığaçlar 220 V’luk gerilimde
çalışır.
3 V’luk potansiyel fark oluşturan doğru akım kaynağına
bağlanarak yüklenen silindirik bir sığacın levhalarından birinin
uzunluğu 50 cm, genişliği 1 cm’dir. Bu sığacın levhaları arasına
konan parafinin kalınlığı ise 1 mm’dir. Buna göre;
a) Sığacın sığası kaç F’dır?
b) Sığaç kaç j’lük enerji biriktirir?
-12
(parafinin dielektrik sabiti = 17,70.10 F/m’dır.)
Çözüm
a) Sığacın levhasının yüzey alanını bulalım.
A = 50.1 ⇒ A = 50 cm2
-4
A = 50.10 m2 olur.
A
eşitliğinde yerine yazarsak;
Verilenleri ve bulunanları C = ε
d
-3
1 mm = 10 m
-4
-12 50.10
-13
C = 17,70.10
⇒ C = 885.10 F bulunur.
-3
10
2
CV
b) Bulunan ve verileni W =
eşitliğinde yerine yazarsak;
2
-13 2
885.10 .3
-13
⇒ W = 3982,5.10 J olur.
W =
2
Sığaçların yüklenmesi için güç kaynağına ihtiyaç vardır. Sığacı
yüklemek amacıyla kurulan bir devrede, yükleme esnasında
devrede elektrik akımı oluşur. Sığaç yüklenince uçları arasında
potansiyel fark meydana gelir. Bu potansiyel farkı büyür ve
maksimum değere ulaşır. Oluşan maksimum potansiyel farkı,
kullanılan güç kaynağının potansiyel farkı kadardır. Ancak sığacın
uçlarındaki potansiyel farkı, kullanılan güç kaynağının
potansiyel farkına ulaşınca devreden akım geçmez. Sığaç
yüklenerek devre açık devre hâline gelir. Dolayısıyla bir
sığaç, yüklenme zamanı dışında doğru gerilim altında
açık devre davranışı gösterir. Sığaç, bu özelliğinden
dolayı yandaki resimde görülen zaman rölesi olarak
adlandırılan devrelerde kullanılır.
Otomatik kumanda devresinde sistemin ilk
hareketinden sonra bir başka devrenin çalışması, sonra
da diğer bir sistemin devreye girmesi istenebilir. Böyle
durumlarda zaman röleleri kullanılır.
94
Elektrik ve Elektronik
Zaman röleleri, çalışma sürelerini tam olarak ayarlayabilir.
Uygulamada, 1/4 saniyeden birkaç dakikaya kadar zaman ayarı
yapabilen çeşitli tip ve özellikte zaman röleleri vardır. Sığacın
zaman rölesi adı verilen devredeki görevi, devreyi doluncaya kadar
kapalı, dolduğunda ise açık devre yapmaktır.
Evde duvara resim veya pano asmak için çivi çakmaya
kalktığımızda duvardaki tahta takozları bulmakta zorlanırız. Aynı
şekilde duvardaki su borularını bulmak da kolay değildir. Bu ve
benzeri sorunları çözmede kullanılan sığaçlar bu işi nasıl başarır?
Sığaç
Tahta takoz
Sığacın
levhaları
Şekil 1
Şekil 2
Şekil 1’deki sığacın levhaları arasında duvar, Şekil 2’deki
sığacın levhaları arasında tahta takoz vardır. Bu durumda ortamın
dielektrik sabiti değişir, dolayısıyla sığacın sığasında bir değişme
olur. Bu esnada aletin işaret lambası ışık verir, böylece aranan
cisim bulunur.
Duran kalbi çalıştırmak için kullanılan elektroşok cihazı bir
sığaçtır. Elektroşok cihazı, kalbin normal dışı atımının tekrar
normale dönmesini sağlayan araçtır. Düzensiz kasılmaya
uğramış veya yeni durmuş bir kalbe, elektrik enerjisi şok
hâlinde verildiği takdirde kalp dışarıdan uyarılmış olur ve
kasılır. Bu işlemler için elektroşok cihazının iletken levhaları
göğüs üzerine yerleştirilir ve sığacın ani boşalması sağlanır.
Bu şekilde uyarılmış kalp, yeniden çalışmaya başlar. Bu durum
bir motora ilk hareket verildikten sonra motorun çalışması
olayına benzer.
Sığaçların kullanım alanlarından biri de fotoğraf makineleridir.
Fotoğraf makinelerinin flaş devrelerinde sığaçların kullanılma
nedeni, yüklü iken uçları kısa devre yaptırıldığında aniden
boşalmaları ve bu esnada büyük bir elektrik akımı oluşturmalarıdır.
Böylece flaşın ışık vermesi için gerekli elektrik akımı elde edilmiş
olur.
Yandaki fotoğrafta flaşı patlamış fotoğraf makinesi
görülmektedir. Sığacın uçları arasına bir direnç bağlanırsa
oluşan elektrik akımının şiddeti, bu direncin büyüklüğüne göre
değişir. Buna rağmen sığaç çok kısa bir sürede boşalır.
Sığaçların
yük
depolayınca
enerji
biriktirdiğini
biliyorsunuz. Bu durumda yüklü sığaç enerji kaynağıdır. Kuru
pil ve doldurulabilir pillerin de enerji kaynağı olduğunu fen ve
teknoloji derslerinde öğrenmiştiniz. Burada sığaçlarla pillerin
çalışma prensiplerinin aynı olup olmadığı sorusu aklınıza
95
3. Ünite
gelebilir. Yüklenmiş sığacın levhalarında kimsayal bir değişim
söz konusu değildir. Doldurulabilir pillerin yapısında, reaksiyonlar
sonucu kimyasal değişim olur. Bu duruma en güzel örnek kurşunlu
akümülatördür. Akümülatörlerde kurşun levhalar kurşunoksit ve
sülfirik asit karışımı ile sıvanarak kurşun sülfat hâline getirilir. Bu
levhalar seyreltik sülfirik asit çözeltisi içinde güç kaynağına bağlanır.
Güç kaynağına bağlanan levhalardan ‟+” kutba bağlı olan kurşun
sülfat, yükseltgenerek kurşun dioksite dönüşür. ‟-” kutba bağlı
kurşun sülfat ise indirgenerek kurşuna dönüşür. Böylece akümülatör
yüklenmiş olur. Akümülatörün kullanılması esnasında bu reaksiyon
ters döner. Boşalan akümülatör, güç kaynağına bağlanarak yeniden
yüklenir. Kuru pilde ise başlangıçta kimyasal enerji mevcuttur.
Pil bir devreye bağlandığında içindeki kimyasal enerji, elektrik
enerjisine dönüşür. Kuru pil güç kaynağına bağlanarak reaksiyon
ters çevrilemez, dolayısıyla yeniden yüklenemez.
Sığaçların yüklenebilmesi için doğru akım güç kaynağına ihtiyaç
duyulduğunu öğrendiniz. Yükleme esnasında ‟+” kutba bağlı levha
‟+”, ‟-” kutba bağlı levha ‟-” yüklenir. Sığaç boşken güç kaynağının
‟+” kutbuna bağlı levhadaki ‟+” ve ‟-” yüklerin sayıları birbirine
eşittir. Levha ‟-” yük kaybettiğinde ‟+” yüklenir. Yüklenme işlemi güç
kaynağının potansiyeli ile sığacın potansiyeli eşitleninceye kadar
devam eder. Yüklü sığaç daha büyük bir potansiyele bağlanırsa
‟+” yüklü levha ‟-” yük kaybetmeye devam eder. Ancak böyle
bir durumda ‟+” yüklü levhada sadece ‟+” yük vardır denilemez.
Sığacın yüklenmesi esnasında ‟-” yüklerin hareket etmesi elektriksel
kuvvetin iş yaptığı anlamına gelir. Öyleyse sığacın yüklenmesi
esnasında iş yapılmamıştır diyemeyiz. Yüklü bir sığacın iki ucu
arasına bir lamba bağlanacak olursa lamba ışık verir. Bu durum
dış devrede elektrik akımı oluştuğunun göstergesidir. Levhalar
arasında yalıtkan ortam bulunduğundan sığacın içinde yük akışı
gerçekleşmez.
Paralel levhalı sığacın sığasının; levhalardan birinin bir
yüzeyinin alanına, levhalar arasındaki uzaklığa ve levhalar
arasındaki ortamın dielektrik sabitine bağlı olduğunu öğrendiniz.
Dolayısıyla sığa, yük miktarına bağlı değildir. Tam aksine yük
miktarını belirleyen unsurdur. Bu nedenle ‟Bir sığacın sığası yük
miktarına bağlıdır.” düşüncesi yanlıştır.
Sığaçların Bağlanması
Sığaçların kullanıldığı elektrik devrelerinde, bazen fazla yüke,
bazen de büyük potansiyel farkına ihtiyaç duyulur. Bunun için
sığaçlar, seri ve paralel şekilde bağlanır.
C1
C2
V1
V2
q1
q2
V
+ -
96
Sığaçların Seri Bağlanması
Bir sığacın pozitif yüklü levhası, diğerinin negatif yüklü
levhasına yandaki gibi bağlanmışsa böyle sığaçlara seri
bağlı sığaçlar denir. Doğru gerilim güç kaynağına bağlanan
sığaçların nasıl yüklendiğini şematik olarak görelim.
Elektrik ve Elektronik
Şekildeki gibi uçlarına potansiyel
farkı
uygulanan sığaçlardan birincisinin
++++sol levhası ‟-” yük kaybeder. Böylece
C2
C1
+q yükü ile yüklenen bu levha, sağ
V1
V2
levhayı kutuplar. Kutuplanan sağ levha,
V
ikinci sığacın sol levhasından q kadar ‟-”
+ elektrik yükü alır ve -q yükü ile yüklenir.
Bu esnada q kadar ‟-” elektrik yükü veren ikinci sığacın sol levhası,
+q yükü ile yüklenir ve ikinci levhayı kutuplar. Kutuplanan bu levha
-q kadar elektrik yükü alarak ‟-” yüklenir. Sonuçta sağdaki bütün
levhalar -q yükü ile yüklenirken soldaki bütün levhalar +q yükü ile
yüklenir. Bu esnada güç kaynağının kaybettiği yük, tek sığacın yükü
kadardır. Güç kaynağının potansiyel farkı sığaçlarca paylaşılır. Bu
durum matematiksel olarak;
V = V1+ V2 şeklinde ifade edilir.
Şekildeki sığacın seri bağlı sığaçlara eş değer olabilmesi
için aynı potansiyel farkı altında, onlarla aynı yükü depolaması
gerekir. Bu durumda;
q
q
q
yazılır. V1 =
ve V2 =
olduğundan;
V =
Ceş
C1
C2
1
1
1
q
q
q
yazılır ve
elde edilir.
+
=
+
=
C
C
C
Ceş
C1
C2
eş
1
2
+q -q
+q -q
+ -
Seri bağlı sığaçların potansiyellerinin toplamının devrenin
potansiyelini verdiğini öğrendik. Dolayısıyla yüksek potansiyel
oluşturmak için sığaçlar seri bağlanır.
Sığaçların Paralel Bağlanması
Birer levhaları güç kaynağının bir kutbuna, diğer levhaları
güç kaynağının diğer kutbuna yandaki gibi bağlanmış
sığaçlara paralel bağlı sığaçlar denir. Şekildeki paralel
bağlı devrede EF noktaları arasındaki sabit potansiyel farkını
üreteç sağlar. Teller ideal olduklarından ACE noktaları ve BDF
noktaları aynı potansiyele sahiptir. Bu durumda paralel bağlı
bir sığaç devresinde, her sığaç aynı potansiyel farkı altında
bulunur. Buradan hareketle;
V = V1 = V2 yazılır.
Şekildeki sığacın paralel bağlı sığaçlara eş değer olabilmesi
için aynı potansiyel farkı altında onların depoladığı toplam yükü
depolaması gerekir. Bu durumda;
q = q1 + q2 yazılır.
q1 = C1 V, q2 = C2 V, q = Ceş V olduğundan;
Ceş V = C1 V + C2 V yazılır ve Ceş = C1 + C2 elde edilir.
Paralel bağlı sığaçların yükleri toplamının devrenin yükünü
verdiğini öğrendik. Dolayısıyla fazla yük oluşturmak için sığaçlar
paralel bağlanır. Buradan hareketle “Ağır İş Makineleri” adlı metinde
bazı devrelerde neden iki sığacın birlikte kullanıldığını açıklamış
oluruz. Sığaçlar; büyük gerilime ihtiyaç duyulan devrelerde seri,
fazla yüke ihtiyaç duyulan devrelerde paralel bağlı olarak kullanılır.
+ -
+ -
97
3. Ünite
Sığaları 2 µF, 4 µF ve 12 µF olan
üç sığaç şekildeki gibi bağlanarak 40 V
potansiyel farkı altında yüklenmektedir.
a) 12 µF’lık sığacın yükü kaç C’dur?
b) 4 µF’lık sığacın yükü kaç C’dur?
c) 2 µF’lık sığacın biriktirdiği enerji
kaç J’dür?
Çözüm
a) Önce eş değer sığayı bulalım.
C1 ve C2 sığalı sığaçlar paralel
bağlıdır.
Ceş = C1 + C2 olduğundan;
C12 = 2 + 4
C12 = 6 µF olur.
+ -
+ -
C12 ve C3 sığalı sığaçlar seri bağlıdırlar.
1
1
1
olduğundan;
+
=
Ceş
C1
C2
1
1
1
⇒ C123= 4 µF olur.
+
=
C123
6
12
Eş değer sığacın yükünü bulalım.
q = V C idi.
q123 = 4.40
q123 = 160 µC
-6
q123 = 160.10 C bulunur.
+ -
+ -
b) Seri bağlı sığaçların yükleri eş değer sığacın yükü kadar
olduğundan;
q12= q3= qeş= 160 µC’dur. Buradan C12 sığalı sığacın
potansiyelini bulalım.
q
V =
idi.
C
160
80
⇒ V12=
V olur.
V12=
6
6
Paralel bağlı sığaçların potansiyelleri eşit olduğundan;
80
V olur.
V12 = V1 = V2 =
3
C2 sığalı sığacın yükünü bulalım.
q = V C olduğundan;
1.280
1.280 . -6
320 .
10 C bulunur.
4 ⇒ q2 =
µC ⇒ q2 =
q2 =
3
3
3
98
Elektrik ve Elektronik
c) Sığacın biriktirdiği enerji;
2
q2
CV
qV
eşitlikleri ile bulunabilir.
W =
=
=
2
2C
2
C1 sığalı sığacın potansiyeli ve sığası bilindiği için;
2
æ 80 ö
2 × 10-6 × çç ÷÷÷
çè 3 ø
64
ÞW=
× 10-6 J bulunur.
W=
2
9
Levhaları arasında 2 mm boşluk
bulunan bir düzlem sığacın sığası
3 µF’dır. Bu sığacın levhaları arasına
şekildeki gibi 1 mm kalınlıkta parafin
ve borcam konduğunda sığacın sığası
-12
kaç µF olur (Ɛ0 = 8,85.10
F/m,
-12
-12
.
.
Ɛpa = 17,7 10 F/m, Ɛbo = 35,4 10 F/m)?
Çözüm
Önce 3 µF’lık sığayı yazalım.
C=ε
A
idi.
d
3 ⋅ 10 −6 = 8,85 ⋅ 10 −12
A
2 ⋅ 10 −3
olur.
Levhaları arasına parafin ve
borcam konan sığacı şematik olarak
çizelim.
Bu durumda sığacı, seri
bağlanmış farklı iki sığaç olarak
düşünebiliriz. Bu sığaçların sığaları;
C1 = 17,7 ⋅ 10 −12
A
⇒ C1 = 12 µF,
1⋅ 10 −3
A
C2 = 35,4 ⋅ 10 −12
⇒ C2 = 24 µF bulunur. Sığaçlar seri
1⋅ 10 −3
bağlı olduğundan;
1
1
1
1
1
1
idi.
+
+
=
=
Ceş
C1
C2
Ceş
12
24
Ceş= 8 µF bulunur.
99
3. Ünite
Yandaki devrelerde görülen
iki sığaç, yüklendikten sonra
devrelerinden ayrılmaktadır. Bu
sığaçlardan 2 µF’lık sığacın ‟+”
yüklü iletkeni, 4 µF’lık sığacın ‟-”
+ + yüklü iletkenine gelecek şekilde
bağlandığında sığaçlar arasında yük geçişi nasıl olur?
Çözüm
Öncelikle sığaçların yüklerini bulalım.
q = C V olduğundan;
q1 = 2.40
q1 = 80 µC,
q2 = 4.5
q2= 20 µC olur.
Sığacın yükü, tek levhanın yükü olduğundan sığaç yerine
tek levhayı düşünelim. Dolayısıyla potansiyelleri farklı iki iletken
birbirine bağlanmış olur. Bu durumda iletkenler, potansiyelleri eşit
oluncaya kadar yük alış verişinde bulunur. Levhaların ulaştığı ortak
potansiyel VAB dir. Yük alış verişi esnasında Yüklerin Korunumu
Kanunu geçerlidir.
q1- q2 = q1ı + q2ı
q1- q2 = C1 VAB + C2 VAB
VAB =
q1 - q2
olur.
C1 + C2
Verilenleri yerine yazarsak;
80 - 20
60
VAB =
Þ VAB =
2+4
6
VAB= 10 olur.
Sığacın yeni yüklerini bulalım.
q = C V olduğundan;
q1ı = 2.10
q1ı =20 µC,
q2ı = 4.10
q2ı = 40 µC olur.
C1 = 2 µF’lık sığacın başlangıçtaki yükü q1 = 80 µC’dur.
Sığaçlardan C1 sığacının ‟+” yüklü levhası, C2 sığacının ‟-”
yüklü levhasına bağlanınca yükü q1ı = 20 µC olur. Bunun için C1
sığacının -60 µC’luk yük alması gerekir. Dolayısıyla C2 sığacından
C1 sığacına - 60 µC yük geçişi olur.
100
Elektrik ve Elektronik
Dİnamo ve jeneratör
Dinamo ve jeneratörler elektrik enerjisi elde etmeye
yarayan araçlardır. Bu araçlarda elektrik akımı manyetik alan
içinde bulunan halka şeklindeki sarımın, eksen etrafında
döndürülmesiyle yani indüksiyon yolu ile elde edilir. Ancak
oluşan akımın dış devreye verilişi dinamometre ve jeneratörlerde
aynı değildir. Dinamonun çıkışında iki parçaya ayrılmış bir yüzük
vardır. Halkanın iki ucu bu parçalara ayrı ayrı bağlıdır. Bu parçalar
da iki ayrı fırçaya değmektedir. Jeneratörün çıkışında ise iki
ayrı yüzük vardır. Halkanın her ucu, birer yüzüğe bağlıdır. Bu
yüzükler de iki ayrı fırçaya değmektedir. Dinamo ve jeneratörün
çıkışındaki bu farklılık, indüksiyon yolu ile elde edilen çift yönlü
elektrik akımının dış devreye farklı verilmesini sağlar. Dinamo,
elektrik akımını dış devreye tek yönlü verirken jeneratör, çift yönlü
verir. Peki elektrik akımının devreye tek veya çift yönlü verilmesi
enerjinin kullanımında avantaj sağlar mı?
Bu kitap için düzenlenmiştir.
El feneri, radyo alıcısı, duvar saati gibi araçlar doğru akımla
çalışır. Doğru akımı, doğru akım kaynaklarını ve basit elektrik
devrelerini daha önce öğrenmiştiniz.
101
3. Ünite
Pil, akü, dinamo gibi enerji kaynakları doğru akım üretir. Doğru
akımın şiddeti sabit ve tek yönlüdür. Jeneratörün de enerji kaynağı
olduğunu biliyorsunuz. Jeneratörün dış devreye verdiği çift yönlü
akım ile tek yönlü akım arasındaki farkları ayırt edelim ve günümüze
gelinceye kadar enerji naklinde hangi akımın tercih edildiğini
nedenleriyle irdeleyelim.
Nicola Tesla (Nikol Tesla) ve Edison, doğru akımın kullanımı
konusunda zıt fikirlere sahiplerdi. Tesla doğru akım elde etmeyi
ve kullanmayı tercih etmezken Edison, doğru akım kaynağı
ile çalışan araçlar geliştirdi ve elektrik enerjisinin iletimi için de
bu doğrultuda çaba harcadı. Ancak doğru akımın iletilmesinde
dirençten kaynaklanan kayıplar o kadar büyüktü ki neredeyse her
1,6 km’de enerji santraline gerek duyuldu. 110 V’luk potansiyel
farkında çalışan ampuller, günümüzde de olduğu gibi, santrale yakın
olduğunda parlak, 1,6 km’den uzak olduğunda güç kaybı nedeniyle
az parlak ışık verir. Tesla’ya göre alternatif (değişken) akımı tüm
sistemlerde kullanmak daha doğruydu. Çünkü alternatif akımın
iletilmesinde dirençten kaynaklanan kayıpları minimuma indirmek
mümkündü. Ancak alternatif akımla çalışabilen elektrik motoru
henüz oluşturulmamıştı. Tesla, elektrik enerjisinin minimum kayıpla
iletimini sağlamak için gerilim farkını yükselten araç ile mekanik enerji
sağlayan ve alternatif akımla çalışan elektrik motorunu tasarladı.
Suyun sahip olduğu mekanik enerjinin dünyanın her yerinde boşa
gitmesi, Tesla’da hidrolik santraller fikrini oluşturdu. Budapeşte’deki
bir konferansta “Bir gün Niyagara Çağlayanı’nı elektrik enerjisi elde
etmek için kullanacağım.” diyerek dinleyenleri şaşırttı.
On birinci sınıf fizik derslerinde, tel bir çerçevenin manyetik alan
içinde eksen etrafında döndürüldüğünde telde emk ve buna bağlı
olarak devrede akımın oluştuğunu öğrenmiştiniz. Oluşan bu akım
ο
çerçevenin her yarım devrinde (θ=180 ) bir yön değiştirmektedir.
Bu akımın dış devrede tek yönlü veya çift yönlü olması, devreye
veriliş şekline bağlıdır. İndüksiyon yolu ile oluşturulan bu çift yönlü
akım, günlük yaşantımızda birçok alanda kullanılan alternatif
akımdır. Alternatif akım AC (Alternating Current), doğru akım DC
(Direct Current) sembolleri ile gösterilir. İndüksiyon yolu ile elde
ΔΦ
edilen emk’i Ɛ = eşitliği ile hesaplamıştınız. Şimdi bu emk’in
Δt
ani değerini bulalım.
Φ = B A Cosθ, θ = ω t idi. Emk’nin ani değeri akının zamana göre
türevi olduğundan;
Ɛ = B A ω Sin(ω t) olur. ω t = 0 olduğundan Ɛ = 0 olur.
ω t = π/2 veya π/2’nin tek katları olduğundan;
Sin(ω t) = ± 1 değerini alacağından emk’in maksimum değeri Ɛm
= B A ω olur. Buradan hareketle emk’in ani değeri;
Ɛ = Ɛm Sin(ω t) şeklinde yazılır. Emk’i Ɛ olan bir alternatif akım,
kaynağı R dirençli bir devreye akım verirse devreden geçen akım
şiddeti Ohm Kanunu’na göre;
Ɛm
Sin(ω t) yazılır.
Ɛ = i R den Ɛm sinω = i R ise i =
R
102
Elektrik ve Elektronik
Ɛm
= im alınırsa;
R
i = im Sin(ω t) olur. Üzerinden im Sin(ω t) akımı geçen R direncinin
uçları arasında oluşan gerilim farkı, V = im R Sin(ω t) olur. im R = Vm
alınırsa;
V = Vm Sin(ω t) yazılır.
Alternatif akım ve gerilim, zamanın sinüs fonksiyonu olduğu
gibi kosinüs fonksiyonu da olabilir. Bu durum tel halkanın harekete
başlama konumu ile ilgilidir. Alternatif akım ve gerilimin zamanın
sinüs veya kosinüs fonksiyonu olmasının nedenlerine burada
değinilmeyecektir.
Alternatif akımın ve gerilimin zamanla değişim eğrileri aşağıdaki
gibidir.
Alternatif akımın zamanın sinüs veya kosinüs fonksiyonu
olması şiddetinin yukarıdaki değişim eğrilerinden de görüldüğü gibi
değişken olması anlamına gelir.
ω = 2π ƒ = 2π/T eşitliği alternatif akımın ve gerilimin anlık değerini
verir. Jeneratörün frekansı olan ƒ akım ve gerilimin değerini etkiler.
Bazı ülkelerin ürettiği alternatif akımın frekans ve gerilim değerleri
aşağıdaki tabloda görülmektedir.
Ülke
Gerilim
(V)
Frekans
(s-1)
Ülke
Gerilim
(V)
Frekans
(s-1)
Arnavutluk
220
50
Danimarka
230
50
ABD
110
60
Almanya
220-230
50
Arjantin
220
50
Kazakistan
220
50
Avustralya
230
50
Panama
110
60
Azerbaycan
220
50
Peru
220
50
Rusya
220
50
Türkiye
220
50
Kanada
110
60
Özbekistan
220
50
Çin
220
50
Bolivya
220
50
http://tr.wikipedia.org/wiki/Alternatif_ak%C4%B1m web sayfasından yararlanılarak
bu kitap için düzenlenmiştir.
2
Onuncu sınıf fizik derslerinde direncin harcadığı gücün P = R i
eşitliği ile hesaplandığını öğrenmiştiniz. Eşitlikteki i, dirençten geçen
akımın anlık değerini ifade eder. Akımın ısı etkisi, akımın karesi
ile orantılı olduğundan akımın doğru veya alternatif akım olması
fark etmez. Ancak im değerine sahip alternatif akım tarafından
oluşturulan ısı etkisi, aynı değerde doğru akımın oluşturacağı ısı
103
3. Ünite
etkisi ile aynı büyüklükte değildir. Bunun nedeni alternatif akımın bir
periyotluk zaman aralığında maksimum değere çok kısa süre sahip
olmasıdır. Bu durumda bir AC devresinde akımın etkin değerinden
söz edilir. Alternatif akımla çalışan elektrikli ısıtıcının belli bir sürede
bir miktar suya aktardığı ısıyı, aynı sürede aktarabilen doğru akım
değeri, alternatif akımın etkin değeridir. Bu değer;
i
V
iet = m ve Vet = m dir.
2
2
Alternatif akımın bir periyotluk süredeki ortalama değeri sıfırdır.
Bunun nedeni, akımın ‟+” yönde aldığı değerler ile ‟-” yönde aldığı
değerlerin aynı olmasıdır. Dolayısıyla akımın yönü, devredeki
direncin davranışını etkilemez. Bu durum, serbest elektronların
sabit atomlarla çarpışması sonucu direncin sıcaklığında artışın
meydana gelmesiyle anlaşılır. Sıcaklık artışı, akımın yönünden
bağımsız olmakla birlikte büyüklüğüne bağlıdır. Sonuç olarak
alternatif akımın geçtiği bir dirençte harcanan ortalama güç;
Por = iet2 R olur.
Alternatif akım devrelerinde enerji, dirençte harcanır. Bu
nedenle R direncinden t saniye alternatif akım geçmesi durumunda
W = P t olduğundan;
W = iet2 R t kadar ısı açığa çıkar.
Yandaki resimde “Dirençten akım
geçirildiğinde ısı açığa çıkar.” ilkesiyle
çalışan bir elektrikli ısıtıcı görülmektedir.
Dinamo ve jeneratör elektrik akımı elde
etmeye yarayan araçlardır. Her iki araç
da indüksiyon yolu ile elektrik akımı üretir.
Aralarındaki fark, çıkış devrelerine bağlı
olarak ürettikleri akımı devreye şiddeti
değişken veya sabit olarak vermeleridir. Doğru akım ve gerilimin
şiddeti değiştirilemediğinden uzağa iletimi mümkün değildir.
Alternatif akım ve gerilim ise şiddeti değiştirilebildiğinden uzaklara
iletilebilir. Bu nedenle alternatif akım doğru akıma göre daha
kullanışlıdır. Bu durum “İndüksiyon yolu ile elde edilen akımın dış
devreye veriliş şekli, kullanımında kolaylık sağlar mı?” sorusuna
cevap verir.
104
Elektrik ve Elektronik
Punto Kaynak Makineleri
Elektrik
akımının
ısı
etkisiyle
saç levhaları birleştirmeye yarayan
makinelerdir. Yanda resmi görülen punto
kaynak makineleri, yüksek akım ve
düşük gerilimle çalışır. Alternatif akım ve
gerilim değerlerini değiştirmek mümkün
olduğundan bu makinelerin enerji kaynağı,
değişken gerilimdir.
hoparlör
Mikrofon, sesi elektrik sinyallerine dönüştüren bir araçtır.
Hoparlör ise elektrik sinyallerini ses sinyallerine dönüştürmeye
yarar. Hoparlör; sert kumaştan yapılmış koni, doğal mıknatıs
ve bobin (selenoit) adı verilen üç ana parçadan oluşur. Bobin,
koni şeklindeki sert kumaşa bağlıdır ve çember şeklindeki doğal
mıknatısın içindedir. Bobinden geçen elektrik sinyalleri manyetik
alan oluşturur. Bu durumda doğal mıknatıs, bobini çeker. Çekim
gücü, elektrik sinyallerinin kuvvetli veya zayıf olmasına bağlı
olarak değişir. Dolayısıyla bobin ve ona bağlı sert kumaştan
yapılmış koni, titreşerek havayı da titreştirir. Böylece elektrik
sinyalleri, ses sinyallerine dönüşür.
Bobin, doğru akım devresinde kullanıldığı gibi alternatif akım
devresinde de kullanılır. Alternatif akım devrelerinde oluşacak
kaçak akımın olumsuz etkilerinden korunmak için devreye kaçak
akım koruma anahtarı konulur. Bu anahtarın yapısında açtırma
bobini adı verilen bir bobin mevcuttur. Kaçak akım durumunda
açtırma bobini aracılığıyla kontaklar açılarak elektrik akımı kesilir.
Bobin doğru akım devresinde telin direncinin dışında bir
direnç göstermezken alternatif akım devresinde direnç gösterir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
105
3. Ünite
çan
palet
Transformatör
Elektronik transformatör
106
Üzerinden akım geçirildiğinde bobinin etrafında manyetik alan
oluştuğunu on birinci sınıf fizik derslerinde öğrenmiştiniz. Bobinlerin
bu özelliğinden günlük hayatta nasıl faydalanıldığını elektrik zilinin
çalışma prensibini inceleyerek görelim.
Düğmeye basılıp devre kapatıldığında
demir çekirdek, bobin sayesinde mıknatıs
demir çekirdek
özelliği kazanır ve paleti kendine çeker.
Paletin ucundaki tokmak, çana bir kez
vurur. Palet, değme vidasından ayrılarak
devreden
akımı
keser.
Devreden
akım geçmediğinde demir çekirdek
elektromıknatıslık özelliğini kaybeder ve
paleti bırakır. Palet, yay görevi yapan şerit
sayesinde tekrar değme vidasına dokunur
değme vidası
ve devreden akım geçmesini sağlar.
Mıknatıslık özelliğini yeniden kazanan demir çekirdek paleti çeker
ve tokmak bir kez daha çana vurur. Bu olay devre kapalı olduğu
sürece periyodik olarak devam eder ve ses üretir.
Manyetik alan oluşturmaya yarayan bobinin hangi alanlarda
ve hangi araçların yapımında kullanıldığını kütüphane, İnternet
(edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından araştırınız. Bu kaynaklardan amacınıza
uygun, seçtiğiniz bilgiler ışığında elde ettiğiniz verileri bilgisayar,
projeksiyon, tepegöz, slayt kullanarak sunu hâline getiriniz ve
sınıfa sununuz.
Önceleri kapı zilleri, kapı otomatikleri gibi araçların
yapımında manyetik alan oluşturmak için kullanılan bobinler,
bilim ve teknolojideki ivmeli gelişme ile birlikte farklı alanlarda da
kullanılmaya başlanmıştır. Örneğin, devreye kondansatörle birlikte
bağlandığında frekans süzgeci olarak görev yapar. Böylece radyo
alıcılarında kondansatörün ayar düğmesiyle belirlenen frekansın
dışındaki yayınlar alınmaz. Bobinler ayrıca, osilatör, radyoda ferrit
anten elemanı, telekomünikasyon alanında frekans ayarlayıcı ve röle
olarak kullanılmaktadır. Gelişen teknolojiyle bobinlerin boyutlarında
da değişmeler olmuştur. Düşürücü transformatörlerde bobinlerin
yanında elektronik devrelerin kullanılması, transformatörün
boyutlarını küçültmüştür. Bu durum yandaki foroğraflarda
görülmektedir. Bobin ve kullanım alanlarındaki değişmeler bilimde
sınırlılığın söz konusu olmadığını göstermektedir.
Bobinden akım geçirildiğinde içinde B = 4p K
Ni
şiddetinde,

düzgün manyetik alan oluştuğunu biliyorsunuz. Akım şiddetinin
değişmesi, manyetik alan şiddetinin de değişmesine neden olur.
Bu değişim, bobinde Faraday Kanunları gereği akım ve emk
indüklenmesine neden olur. Öz indüksiyon akımı adı verilen
Elektrik ve Elektronik
bu akım, devre akımı artma şeklinde ise onu azaltacak; azalma
şeklinde ise onu artıracak yöndedir. Akım şiddeti artma şeklindeyse
bobin, devre akım şiddetinin kademeli bir artış yapmasını sağlar ve
bu esnada elektrik enerjisini manyetik alanda toplar. Akımın şiddeti
azalma şeklinde ise bobin, akım şiddetinin
azalma süresini geciktirir. Bu esnada manyetik
alanda biriktirdiği enerjiyi devreye verir. Sonuç
olarak bobin, değişken akım devresinde
devrenin daha yavaş davranmasına neden
olur. Yanda resmi verilen elektrik devresinde
bobin görülmektedir.
Bobinden akım geçince etrafında, yönü akımın yönüne bağlı
olan manyetik alan oluşur. Bu alanın şiddeti akımın şiddetine göre
değişir. Hoparlördeki bobinin doğal mıknatıs içinde titreşmesinin
nedeni, manyetik alanın akım sinyaline bağlı olarak değişmesidir.
Bu durum, doğal mıknatısın bobini ne kadar çekeceğini belirler.
Böylece ‟Hoparlör” adlı metinde de belirtildiği gibi akım sinyali ses
sinyaline dönüşmüş olur.
Bobin, değişken akım devresindeki fonksiyonundan dolayı
devrede bir direnç oluşturur. Bu büyüklük indüktif reaktans (XL)
olarak bilinir. İndüktif reaktans;
XL = L ω eşitliği ile hesaplanır. Burada L, bobinin özindüksiyon
kat sayısıdır ve SI’da birimi Henry’dir.
ω = 2π ƒ olup ƒ akımın frekansıdır. İndüktif reaktansın SI’daki
birimi ise ohm’dur.
XL = L 2π ƒ eşitliğine göre bobinin göstereceği indüktif reaktans,
akımın frekansına da bağlıdır. Bobinin alternatif akıma karşı
gösterdiği bu direnç ‟Hoparlör” adlı metinde anlatılan dirençtir.
Bobin, başlangıçta doğru akıma bir direnç gösterir ancak daha
sonra iletken gibi davranır. Bunun nedeni doğru akımın maksimum
değere ulaşıncaya kadar değişken olmasıdır.
Doğru akım, sabit değerine ulaşınca bobinin
devrede gösterdiği direnç, yapıldığı maddenin
direnci kadardır.
Doğru akım devresinde sığaç; doluncaya
kadar kapalı, dolunca açık devredir. Değişken
akım devrelerinde sığaç nasıl bir davranış
gösterir? Değişken akım, çift yönlü akım
olduğundan devredeki sığacın kutupları
sürekli değişir. Sığaç sürekli dolar ve boşalır.
Dolayısıyla sığaç, AC devresinde açık
devredir. Sığaç, değişken akım devresinde
bir direnç oluşturur. Bu büyüklük kapasitif Doğru akım devresindeki bazı sığaçlar çember içine alınarak gösterilmiştir.
reaktans olarak bilinir. Kapasitif reaktans;
1
eşitliği ile hesaplanır. Kapasitif reaktansın SI’daki
XC =
Cw
birimi ohm’dur. Yukarıdaki resimde sığaç, devre elemanı olarak
görülmektedir.
107
3. Ünite
DC ve AC akımda davranışlarını incelediğimiz bobin ve sığacı,
şimdi seri bağlayarak devrede nasıl bir davranış göstereceklerini
inceleyelim. Böyle bir devrede sığaç elektrikle yüklü ise anahtar
kapatılınca sığaçtaki elektriksel yük, ‟+” ve ‟-”
kutuplar arasında titreşim yapar. Devrenin direnci
ihmal edilirse bu titreşim sonsuza kadar devam
etme eğilimi gösterir. Yandaki şekilde böyle bir
devre görülmektedir. Anahtar kapatıldığında
bobin, devrede oluşan akıma karşı koyacak
yönde akım indükler. Böylece sığacın elektrik
alanında depolanan enerji, bobinin manyetik
alanında depolanır. Sığaç tümüyle boşaldığında
devre akımı maksimum değerdedir. Bu durumda bobin, depoladığı
enerji ile azalan akımı destekler ve devre akımının yönünde
değişme olmaz. Sığaç kutupları, başlangıçtaki durumun tersi
şeklinde yüklenmiş olur. Oluşum bu şekilde devam eder. Devrenin
bu durumu aşağıdaki şekilde görülmektedir.
Sonuç olarak devredeki enerji, sığaç ile bobin arasında gidip
gelmeye devam eder. Enerjinin bu gidip gelmesi sarmal bir yayın
titreşim hareketine benzetilebilir. Seri bağlı sığaç ve bobine, direnç
seri bağlanacak olursa enerjinin bir kısmı bu gidip gelmeler sırasında
ısı olarak açığa çıkar. Bu durumda, devrenin enerjisi sürekli olarak
azalır. Başka bir ifadeyle titreşim, sönümlü hâle gelir. Sönümlü
titreşim devresi ve eşlendiği su içinde salınan sarkaç aşağıdaki
şekillerde görülmektedir.
Seri bağlı LC devresinin titreşimi ise sönümsüz mekaniksel
titreşime benzetilebilir. Mekaniksel titreşimdeki olayların birçoğu
LC titreşimlerine de uygulanabilir. Örneğin, mekaniksel bir titreşim
aynı frekanslı bir dış kuvvetle desteklenirse titreşim, genliği sürekli
büyüyen titreşime dönüşür. Buna rezonans denir. Salıncakta
108
Elektrik ve Elektronik
sallanan bir çocuğa periyodik itme vermek salınımı rezonansa
getirir.
Rezonans olayına elektrikte de rastlamak mümkündür. Radyo
alıcıları, titreşimini ünite içinde öğrendiğimiz doğal frekanslı LC
devresine sahiptir. LC devresinin salınım frekansı, antenin algıladığı
radyo sinyallerinden hangisinin frekansıyla çakışıyorsa o frekansa
ait elektromanyetik titreşimlerle beslenir. Dolayısıyla alıcı devrede
sadece doğal frekansa uygun olan istasyon frekansı için büyük
genlikli elektriksel titreşimler oluşur. Diğer istasyonlardan sinyal
gelse de sadece bir istasyondan gelen sinyal alınır. LC devresinin
frekansı radyo alıcısının istasyon ayar düğmesi döndürülerek yani
değişken sığacın sığası değiştirilip başka istasyon yayını tercih
edilebilir. Radyonun alıcı devresi resimde görülmektedir.
Radyo alıcı devresinde bobin ve değişken sığaç işaretlenerek gösterilmiştir.
109
3. Ünite
transformatör
Şehir şebekelerinin yüksek gerilime, sitelerin şehir
şebekesine bağlandığı yerlerde, trafo adıyla bilinen
transformatörlere rastlanır. Transformatörler iki farklı bobin ve
çekirdekten meydana gelir. Çekirdek, birer yüzleri yalıtılmış
saç levhaların paketlenmesiyle oluşturulmuştur. Sargılardan
biri transformatörün girişidir ve primer sargı olarak isimlendirilir.
Diğer sargı ise transformatörün çıkışıdır ve sekonder sargı
olarak isimlendirilir. Yüksek gerilim hatlarından şehir şebekesine
elektrik bağlantısının yapıldığı yerde çıkış sarım sayısı, giriş
sarım sayısından daha küçük transformatörler kullanılır.
Transformatörler kullanıldıkları yerlerde yapacakları işe göre
farklı büyülüklerde üretilir ve çalışırken ısınır. Büyüklüklerine
bağlı olarak sıcaklıkları da artar ve tehlikeli boyutlara ulaşır.
Bu nedenle transformatörlerin soğutulmaları gerekir. Soğutma
işleminde yaygın olarak yağla soğutma yöntemi kullanılır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Elektrik santrallerinde çeşitli kaynaklar kullanılarak üretilen
elektrik enerjisi, yüzlerce kilometre uzaklıktaki iş ve yerleşim
yerlerine iletim hatları ile taşınır. Elektrik enerjisinin taşınması
esnasında iletim hatlarının direncinden dolayı enerjinin bir kısmı
ısıya dönüşür ve ziyan olur. Bu dönüşümü minimuma indirmek için
transformatör kullanılır.
Elektrik enerjisinin elektrik santrallerinde üretildiğini
biliyorsunuz. Elektrik enerjisinin santrallerden ev, okul, sanayi
ve iş yerlerine nasıl iletildiğini ve iletim esnasında gerilimin hangi
değerleri aldığını kütüphane, İnternet (edu, gov, org), yazılı ve
görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından araştırınız.
Bu kaynaklardan amacınıza uygun, seçtiğiniz bilgiler ışığında
elde ettiğiniz verileri görsellerle destekleyerek zenginleştiriniz ve
Powerpoint sunusu hâline getiriniz.
110
Elektrik ve Elektronik
Transformatör; radyo, müzik seti, tıraş makinesi, elektrik zili
gibi araçlarda kullanılmaktadır. Transformatörün bu araçlardaki
görevinin ne olduğunu ve bu görevi nasıl yaptığını etkinlikle
araştıralım.
ARAÇ VE GEREÇLER
. Güç kaynağı
. Demir U çekirdek
. Demir U çekirdek
.
.
.
.
.
kapağı
İki adet AC voltmetresi
İki adet AC
ampermetresi
Bağlantı kabloları
Transformatör
sıkıştırıcısı
1200 ve 600 sarımlı
bobinler
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. 1200 sarımlı bobini giriş, 600 sarımlık bobini çıkış olacak şekilde resimdeki gibi bir
düzenek kurunuz. Düzeneğin girişini güç kaynağının 20 V’luk AC çıkışına bağlayınız.
2. Yandaki çizelgeyi defterinize
Giriş
Giriş Akım
Çıkış
Çıkış Akım
Gruplar
çizerek giriş ve çıkış devresindeki
Gerilimi
Şiddeti
Gerilimi
Şiddeti
akım şiddetlerini ve gerilim
değerlerini bu çizelgeye yazınız.
3. Düzeneği 600 sarımlık
bobini giriş,1200 sarımlık bobini
çıkış olacak şekilde yeniden
Örnek çizelgedir.
kurunuz.
4. İkinci adımda çizdiğiniz çizelgenin benzerini defterinize çizerek giriş ve çıkış devresindeki
akım şiddetlerini ve gerilim değerlerini bu çizelgeye yazınız.
5. Çizelgeleri karşılaştırarak tartışınız ve ortak bir sonuca varınız.
Sonuca Varalım
1. Bobinlerin sarım sayıları ile giriş ve çıkış gerilimleri arasında bir ilişki var mı? Bu durumu
açıklayınız.
2. Bobinlerin sarım sayıları ile giriş ve çıkış devrelerinden geçen akım şiddetleri arasında
bir ilişki var mı? Açıklayınız.
3. Transformatörlerin günlük hayatta niçin kullanıldıklarını ve nasıl bir prensiple çalıştıklarını
fark ettiniz mi?
111
3. Ünite
Değişken akım devresindeki R direncinden t saniyede açığa
çıkan ısının; W = iet2 R t eşitliği ile bulunduğunu öğrenmiştik. Bu
durumda enerji iletim hatlarında da ısının açığa çıkması sonucu bir
enerji kaybı söz konusudur. Enerji kayıplarını minimuma indirme
yollarından biri, iletkenin direncini küçültmektir. Bu durum, iletkenin
kaliteli olmasını gerektirir. Ancak yeterli miktarda kaliteli iletkenleri
elde etmek zor ve pahalıdır. Bu durumda, akım şiddetini düşürmek
gündeme gelir ki tercih edilen yol budur.
Akım şiddeti, transformatör denilen araç yardımıyla değiştirilir.
Transformatörün giriş devresine güç verilir. Buna karşılık çıkış
devresinden güç alınır. Transformatörün çekirdeğinde bir miktar güç
harcanır. Bunun nedeni çekirdekte fuko akımı olarak isimlendirilen
akımların oluşmasıdır. Çekirdek, birer yüzleri yalıtılmış saç levhaların
paketlenmesiyle oluşturulur ve güç kayıpları minimuma indirilir.
Çekirdeğindeki güç kaybı ihmal edilecek olursa transformatörün
verimi %100 olur. Böyle bir transformatör için;
Verim =
Pç
Pg
olduğundan;
V2
i1
V2 i2
100
⇒V1 i1= V2 i2 ⇒
olur.
=
=
V1
i2
100
V1 i1
Sarımları aynı manyetik alan içinde olduğundan yapılan
işlemler;
N2
V2
oranının varlığını göstermiştir. Burada;
=
N1
V1
N1 : Giriş devresinin sarım sayısını,
N2 : Çıkış devresinin sarım sayısını gösterir.
Sonuç olarak verimi %100 olan bir transformatör için;
i1
N2
V2
yazılır. Bu orana transformatörün değiştirme
=
=
i2
N1
V1
oranı denir. Bu eşitliği irdeleyelim.
Sarım Sayısı İlişkisi
Gerilim İlişkisi
Akım Şiddeti İlişkisi
Transformatörün İsmi
N1 < N2 ise
V1< V2
i1 > i2
Yükseltici transformatör
N1 > N2 ise
V1 > V2
i1 < i2
Düşürücü transformatör
Yükseltici transformatörlerde çıkış gerilimi büyürken çıkış akım
şiddeti küçülür. Bu durumda, üretilen enerji, kayıpları minimum
olacak şekilde çok uzaklara iletilebilir. Elektrik santrallerinde üretilen
enerji, yerleşim yerlerine bu şekilde taşınmaktadır. Dolayısıyla
yükseltici transformatörler elektrik santrallerinin çıkışına konur.
Yükseltici transformatörler uzaklığa bağlı olarak gerilimi 380000 V
gibi değerlere yükselttiğinden oldukça büyüktürler ve güçlü soğutma
sistemlerine ihtiyaç duyarlar. Düşürücü transformatörlerde çıkış
gerilimi küçülürken çıkış akım şiddeti büyür. Bu tür transformatörler,
112
Elektrik ve Elektronik
yüksek gerilimi 220 V’a düşürmek için şehir şebekesi girişine konur.
Böylece yüksek gerilim hatlarının şebekelere bağlandığı yerlere
neden çıkış sarım sayısı, giriş sarım sayısından küçük transformatör
konduğu da anlaşılmış olur. Düşürücü transformatörler radyolarda,
elektrikli tıraş makinelerinde, cep telefonlarının şarj aletlerinde,
elektrik zillerinde, punto kaynak makinelerinde kullanılır. Bu
araçlardan bazılarının resimleri aşağıda verilmiştir.
Transformatör Yapalım
Beklenen Performans
Değerlendirme
Süre
Araştırma Becerisi
Yaratıcılık Becerisi
Dereceli Puanlama
Anahtarı
2 Hafta
Demirin ferromanyetik özelliğinden, bobinden geçen manyetik akının değişmesi sonucu bobinde emk indüklenmesinden,
emk’nin akı değişimi ve sarım sayısına bağlı olması kuralından
faydalanarak bir transformatör tasarlayınız. Bunun için aşağıdaki
yönergeyi takip ediniz.
1. Adım: Bir çalışma plânı yapınız.
2. Adım: Transformatörün nasıl çalıştığını araştırınız. Araştırma
sürecinde kütüphane, İnternet (edu, gov, org), yazılı ve görsel
medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya
özen gösteriniz.
3. Adım: Demir, nikel ve kobaltın ferromanyetik malzeme
olma özelliğini dikkate alınız. Bobinden geçen manyetik akının
değişmesi sonucu emk indüklendiği, emk’nin akı değişimi ve
sarım sayısına bağlı olduğu kuralından faydalanınız.
• Tasarım için olası çözümler öneriniz.
• Gerekli olabilecek malzeme ve gereçleri belirleyiniz.
• En uygun çözümü gerekçesiyle açıklayarak hangi yolun
izlene­ceğine karar veriniz.
• Seçilen çözümü çizerek somutlaştırınız.
• Güvenliği sağlamak ve çevreyi rahatsız etmemek için önlem
alınız.
4. Adım: Tasarımınızı sınayarak sonuçları değerlendiriniz.
5. Adım: Hazırladığınız tasarımı sınıfta sununuz.
Not: Tasarımınız öğretmeniniz tarafından hazırlanacak olan
dereceli puanlama anahtarı ile puanlanacaktır.
113
3. Ünite
Transformatörün, giriş devresine enerji verdiğini, çıkış
devresinden ise enerji aldığını, bu esnada çıkış devresinde
oluşan gerilimin ve akımın şiddetinin değiştiğini öğrendik. Ayrıca
transformatörün çalışması için giriş devresine değişken akım
verildiğini kavradık. Transformatör doğru akımda çalışır mı?
Transformatörün çalışması esnasında enerji kaybı olur mu?
Etkinlikle öğrenelim.
ARAÇ VE GEREÇLER
. Güç kaynağı
. Demir U çekirdek
. Demir U çekirdek kapağı
. İki adet DC
ampermetresi
. Bağlantı kabloları
. Transformatör sıkıştırıcısı
. 1200 ve 600 sarımlı bobinler
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Güç kaynağının DC çıkışını kullanarak resimdeki gibi bir düzenek kurunuz.
2. Transformatörün giriş ve çıkış devresindeki ampermetreleri gözlemleyiniz.
3. Transformatörün girişine, güç kaynağının AC çıkışını bağlayarak 5-10 dakika bekleyiniz.
Daha sonra güç kaynağını kapatarak çekirdeğin ısınıp ısınmadığını parmağınızla kontrol
ediniz.
Sonuca Varalım
1. Transformatör güç kaynağının DC çıkışına bağlıyken ampermetrenin ibrelerinde sapma
gözlemlediniz mi? Açıklayınız.
2. Transformatörün giriş devresine güç kaynağının AC çıkışı bağlıyken çekirdek ısındı mı?
Açıklayınız.
Transformatör, Faraday’ın İndüksiyon Yasası’na göre
çalışır. Giriş devresindeki manyetik alanın değişken olması,
çıkış devresinde değişken manyetik akı oluşturur. Dolayısıyla
çıkış devresinde gerilim indüklenir. Bu olayların gerçekleşmesi
için giriş devresindeki akımın değişken olması gerekir. Bu
nedenle transformatör doğru akımda çalışmaz. Çalışmakta olan
transformatörün çekirdeklerinin ısındığını biliyorsunuz. Öyleyse
transformatör çalışırken giriş devresine verilen elektrik enerjisinin
az da olsa bir kısmını ısıya dönüştürür. Transformatörün ısınması
ile giriş devresine verilen enerjinin bir kısmı boşuna harcanmış olur.
Transformatörün çıkış devresinden alınan enerji, giriş devresine
verilen enerjiden azdır. Transformatörün geriliminin veya akım
şiddetinin artırılması, çıkıştan girişe verilen enerjiden fazla enerji
alınması anlamına gelmez.
114
Elektrik ve Elektronik
YARIM DALGA DOĞRULTUCUSU
Değişken akım çift yönlü olup şiddeti zamanın fonksiyonudur.
Doğru akım ise tek yönlü olup şiddeti sabittir. Radyo, müzik
seti gibi araçların doğru akımla çalıştıkları bilinmektedir. Bu tür
araçların 220 V’luk değişken gerilimle çalışabilmesi için hem
gerilimin düşürülmesi hem de akımın doğrultulması gerekir.
Değişken akımı doğrultma, en basit şekilde bir diyot devresi
ile yapılır. Böyle bir devre yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi
akımı, dalgalı olarak doğrultur. Doğrultulan akım, kesikli
olduğundan kullanışsızdır. Devreye şekilde görüldüğü gibi sığaç
eklenerek akım kullanışlı hâle getirilebilir. Devre elemanlarının
özelliklerinden yararlanılarak farklı düzenekler yapılabilir.
Elektronik cihazların yapı taşlarından biri olan transistör,
devre elemanlarındandır. Transistörün özelliğini ve devredeki
rolünü en kolay kavrayabileceğimiz cihaz amplifikatördür. 1947
yılında transistör yapılmadan önce elektron tüpü kullanılmıştır.
Transistör, kullanıldığı elektonik cihazların küçülmesine de
katkıda bulunmuştur.
Devre elemanlarından LED’ler ise özellikle dekorasyonda
enerji tasarrufu sağlayarak bir çığır açmıştır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Apartmanların giriş kapılarındaki zil düğmelerinin bulunduğu
panoların çoğu ışıklıdır. Panolardaki ampuller gündüzleri ışık
vermediği hâlde hava kararınca kendiliğinden ışık verir. Zil
düğmesi panosundaki devrelerin bu işlemi nasıl gerçekleştirdiğini
araştırınız. Araştırma sürecinde kütüphane, İnternet (edu, gov, org),
yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
yararlanmaya özen gösteriniz. Araştırma sonuçlarını Powerpoint
sunusu hâline getirerek arkadaşlarınızla paylaşınız. Sunum
sonucunda arkadaşlarınızdan aldığınız dönütleri değerlendirerek
sınıf panosuna asınız.
Diyot, transistör, LED, fotodiyot, fotodirenç elektronikte çok
kullanılan devre elemanlarıdır. Bu elemanların hangi özelliklere
sahip olduğunu etkinlikle öğrenelim.
115
3. Ünite
ARAÇ VE GEREÇLER
. 1,5 V’luk LED
. Diyot
. Foto direnç
. Krokodilli kablolar
. Pil yatağı
. Duy
. Pil
. 1,5 V’luk ampul
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. LED’i uzun ayağı pilin ‟+” kutbuna gelecek şekilde pilin uçlarına bağlayarak ışık verip
vermediğini gözlemleyiniz.
2. LED’i kısa ayağı pilin ‟+” kutbuna gelecek şekilde pilin uçlarına bağlayarak ışık verip
vermediğini gözlemleyiniz.
3. Ampul ve diyotu pilin uçları arasına seri bağlayınız ve ampulün ışık verip vermediğini
gözlemleyiniz. Aynı işlemi diyotu ters çevirerek tekrarlayınız.
4. Ampul ve foto direnci seri bağladıktan sonra pilin uçlarına bağlayınız. Ampulün ışık verip
vermediğini gözlemleyiniz. Parmağınızla foto direncin üzerini kapatarak ışığın foto dirence
düşmesini engelleyiniz ve ampulün ışık verip vermediğini gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
1. LED’in ayaklarının devreye bağlanış şekli, ışık vermesini etkiledi mi? Bu durumu
açıklayınız.
2. Diyotun devreye bağlanış şekli ampulün ışık vermesini etkiledi mi? Açıklayınız.
3. Foto dirence ışığın düşüp düşmemesi ampulün ışık vermesini etkiledi mi? Açıklayınız.
Fen ve teknoloji dersleri ile dokuzuncu sınıf fizik derslerinde
iletken ve yalıtkan maddeleri öğrenmiştiniz. Yarı iletken maddeler,
iletken ve yalıtkan maddeler arasında bir özelliğe sahiptir.
Germanyum ve silisyum elektronik alanında kullanılan yarı
iletkenlerdir. Germanyum ve silisyumun en dış orbitalinde 4 elektron
bulunur. Yarı iletken maddelere katkı maddesi ilave edilerek elde
edilen maddeler elektronik devre elemanları imalatında kullanılır.
Saf silisyuma en dış orbitalinde 5 elektron bulunan arsenik ilave
edilirse silisyum, arseniğin dört elektronu ile kovalent bağ yapar ve
1 elektron açıkta kalır. Böylece katkılı kristal yapı içinde serbest
elektron ortaya çıkar. Madde bu durumda negatif özellik kazanır ve
N tipi yarı iletken olarak adlandırılır.
Saf germanyum veya silisyum maddesine son orbitalinde 3
elektron bulunan bor ilave edilirse germanyum veya silisyum,
borun üç elektronu ile kovalent bağ yapar. Buna karşılık borun en
dış orbitalinde bir elektron boşluğu oluşur. Bu boşluk oyuk olarak
adlandırılır. Madde bu durumda pozitif özellik kazanır ve P tipi yarı
iletken olarak adlandırılır. N tipi yarı iletkende, elektronlar; P tipi yarı
iletkende, oyuklar akım taşıyıcı görev yaparlar.
116
Elektrik ve Elektronik
P ve N tipi yarı iletkenlerin birleştirilmesiyle N tipi yarı iletkendeki
fazlalık elektronla, P tipi yarı iletkendeki boşluk birbirini nötürler
ve birleşim bölgesinde nötr bir bölge oluşur. Aşağıdaki şekilde
gösterilen bu oluşum diyot olarak adlandırılır.
Bir diyotun P tipi, güç kaynağının ‟+” kutbuna; N tipi, ‟-”
kutbuna bağlanırsa (diyot doğru polarize edilirse) oyuklar ‟+” kutup,
elektronlar ‟-” kutup tarafından itilerek nötr bölge yenilir ve yük
hareketi oluşur. Diyot, devreye ters bağlanırsa (diyot ters polarize
edilirse) yani anoduna negatif, katotuna pozitif gerilim uygulanırsa
yalıtkan olur ve akım girişine izin vermez. Ancak sızıntı akımı olarak
bilinen µA düzeyinde ters yön akımı geçer. Ters polarize gerilimi
artırılırsa bir değerden sonra iletim başlar. Bu noktaya diyotun
ters yön devrilme noktası denir. Diyotun bu özelliği “Yarım
Dalga Doğrultucusu” metnindeki değişken akımı nasıl doğrulttuğu
sorusuna da cevap verir. Diyot tek yönlü akım geçirir. Bu nedenle
değişken akımı doğrultucu devrelerde kullanılır. Diyot, devrede tek
başına kullanılırsa akımı tek yönlü geçirir ve dalgalı olarak doğrultur.
Walter Houser Brattian
(1902-1987)
ABD’li
fizikçi
olup William BradTransistör
ford Shockley ve John Bardeen ile
P ve N tipi yarı iletkenlerin NPN veya PNP şeklinde yaptıkları çalışmalar sonucu tranbirleştirilmesiyle oluşturulur. Transistörün aynı tip bölgelerinde sistörü icad etmişlerdir. Bu çalışma onlara 1956’ yılında Nobel Fizik Ödülü’nü
iki bağlantı oluşturulur. Bu bölgelerden biri yayıcı (emiter), diğeri kazandırmıştır.
toplayıcı (collector)’dır. Bir bağlantı da ara bölgeye (base) yerleştirilir.
NPN tipi bir transistör şekildeki gibi bir devreye bağlanacak olursa
taban adı verilen ara bölgeden küçük, emitörden büyük bir akım
geçer. Bu nedenle transistörler, sinyal yükseltici olarak
elektronik devrelerde kullanılır. Yükseltilecek sinyal, giriş
devresine uygulanır. Giriş devresine verilen sinyal çıkış
devresinden yükselmiş olarak alınır. Bu durum şekilde de
+
görülmektedir.
Radyo alıcıları, telsizler, kasetçalarlar, amplifikatörler
transistörün kullanıldığı araçlardan bazılarıdır. Transistör
+
yandaki resimde görülmektedir.
İlk elektronik devrelerin etkin bileşenlerinden biri de havası
boşaltılmış cam tüpün içine yerleştirilen metal levhalardan
oluşan diyot lamba adı verilen elektron tüpüdür. Eski tip radyo
alıcılarında bu tüpler kullanılmıştır. Bunların ilk basit örneği, iki
elektrotlu olup, 1904 yılında İngiliz bilim adamı Sir John Ambrose
Fleming tarafından yapılmıştır. 1906’da Lee de Forest (Li di Forıst),
elektron tüpüne bir elektrot daha ekleyerek onu geliştirmiştir.
William Bradford Shockley (Vilyım Bredfırd Şokley), John
William Bradford Shockley
Bardeen (Con Bardın) ve Walter Houser Brattian (Volter Havzır
(1910-1989)
Bratyan) yarı iletkenler üzerinde çalışmış ve transistörü icat
Yarı iletkenler üzerindeki çalış­
etmişlerdir. Bu icat onlara 1956 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır. malarıyla ünlenen ABD’li fizikçidir. John
1958’de ilk tümleşik devre “entegre” geliştirildi. Entegre devrelere Bardeen ve Walter Houser Brattian
ile yaptıkları çalışmalar sonucu tranyonga, çip ya da mikroçip de denilmektedir. Entegre devrelerde sistörü icad etmişlerdir. Bu çalışma onbinlerce transistör mevcuttur. Yukarıda anlatılanlardan fizik ve lara 1956 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü
kazandırmıştır.
teknolojideki gelişmelerin ivmeli bir şekilde arttığı anlaşılmaktadır.
117
3. Ünite
LED
Çeşitli renklerdeki LED’ler
Işık yapan diyot anlamına gelen ve yanda şekli görülen
elektronik devre elemanlarından biri LED’dir.
LED‘ler yarı iletken malzemelerden yapılır ve ana
maddeleri silikondur. Üzerlerinden akım geçirildiğinde foton
açığa çıkar ve ışık verir. En önemli parçası, yarı iletken
malzemeden yapılan ve ışık yayan LED çipidir.
LED’ler katkı malzemesine bağlı olarak kırmızı, sarı,
yeşil, mavi renklerde ışık yayar. LED’lerdeki yarı iletken
maddeye galyum, arsenik, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrat gibi
malzemeler uygun oranda katılarak LED’lerin istenilen dalga
boyunda ışık vermesi sağlanır. LED’ler enerji sarfiyatını düşürdüğü
için sinyalizasyon ve dekoratif aydınlatmada yaygın olarak kullanılır.
Aşırı yüklenerek bozulmalarını engellemek için LED’ler devreye bir
dirençle bağlanır. Ayrıca, kızıl ötesi ışık yayan LED’ler televizyon
kumandalarında kullanılır.
Fotodiyot
+ -
118
Diyotların ters polarize edildiklerinde
devreden ihmal edilebilecek sızıntı akımının
geçtiğini biliyorsunuz. Ters polarize gerilim
artırıldığında belli bir değerden sonra akım
geçişi başladığını ve bu noktaya diyotun ters
yön devrilme noktası dendiğini öğrenmiştik.
Bu durumda diyotun birleşme noktasına ışık
gelirse ışığın verdiği enerji ile kovalent bağları
kıran P bölgesi elektronları, kaynağın ‟+”
kutbunun çekim etkisi ile N bölgesine, oradan
da bu bölgenin serbest elektronları ile ‟+”
kutba doğru hareket ederler. Bu durumda diyot
ışığa duyarlı hâle gelir ve fotodiyot adını alır.
Bu durum şekilde görülmektedir.
Fotodiyotlar, ışığa duyarlı olmaları
nedeniyle
uzaktan
kumanda
alarm
sistemlerinde, sayma devrelerinde, yangın
ihbar sistemlerinde kullanılırlar.
Elektrik ve Elektronik
Fotodirenç
Direnci, üzerine düşen ışığın şiddetine bağlı
olarak değişen, aydınlıkta az, karanlıkta çok direnç
gösteren devre elemanıdır. Yanda şekli görülen ve
LOR olarak bilinen fotodirenç; kadmiyum sülfat,
kadmiyum selinür, velenyum, germanyum, silisyum
gibi ışığa karşı duyarlı maddelerden üretilir.
Karanlıkta mega ohm (MΩ) seviyesinde direnç
gösteren fotodirenç, yeterli ışık aldığında direnci
5 Ω - 10 Ω gibi küçük değere düşebilir. Fotodirenç,
yalıtkan bir zemin üzerine yerleştirilen kalsiyum sülfatın içine her
iki taraftan birbirine değmeyen iletkenlerin konulmasıyla oluşturulur.
Fotodirençler, hem DC hem de AC devrelerinde aynı özelliği gösterir.
Yapılarını, çalışma ilkelerini ve kullanıldıkları yerleri öğrendiğimiz
elektronik devre elemanları aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
Elektronik Devre
Elemanı Adı
Diyot
Transistör
Resmi
Görevi
Elektrik akımını tek yönlü olarak geçirir.
Elektrik sinyallerini yükseltir.
LED
Enerji tasarrufu yaparak elektrik enerjisini
ışık enerjisine dönüştürür.
Fotodiyot
Elektronik devreleri ışığa duyarlı hâle getirir.
Fotodirenç
Elektronik devreleri ışığa duyarlı hâle getirir.
+ -
Yukarıda çalışma ilkelerini açıkladığımız elektronik devre
elemanlarından transistörün kullanıldığı şekildeki basit devreyi
inceleyelim.
Anahtar kapatılınca UM66 entegresi devreye müzik sinyalleri
verir. Transistör, bu sinyalleri kuvvetlendirerek hoparlörün
çalışmasını sağlar.
Entegre devresinin ayakları sıra ile giriş,
çıkış, toplu (müzik çıkışı) anlamına gelen Entree
(antre), Sortie (sorti), Masse (mas) kelimelerinin
baş harfleriyle (E, S, M) gösterilmiştir. Günlük
hayatta güvenlik sistemlerinde şekildeki devreye
benzer ışığa, sese, neme, sıcaklığa ve dumana
duyarlı basit devreler kullanılır. Yangın alarmları
buna örnektir.
119
3. Ünite
Işığa Duyarlı Aydınlatma Düzeneği Yapalım
Beklenen Performans
Değerlendirme
Süre
Araştırma Becerisi
Yaratıcılık Becerisi
Dereceli Puanlama
Anahtarı
2 Hafta
Fotodiyotun ışık altında iyi bir iletken olma, transistörün sinyal
yükseltme, rolenin devreyi açıp kapatma özelliğinden faydalanarak ışığa duyarlı bir aydınlatma düzeneği tasarlayınız. Bunun
için aşağıdaki yönergeyi takip ediniz.
1. Adım: Bir çalışma plânı yapınız.
2. Adım: Kapı zillerindeki aydınlatma düzeneğinin nasıl
çalıştığını araştırınız. Araştırma sürecinde kütüphane, İnternet
(edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi
kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz.
3. Adım: Fotodiyotun ışık altında iyi bir iletken olması özelliğini
dikkate alınız. Transformatörün sinyal yükseltme, rolenin devreyi
açıp kapatma özelliğinden faydalanınız.
• Projeniz için hipotez kurunuz.
• Kurduğunuz hipotezi sınamak için uygun tasarım geliştirerek
olası çözümler üreti­niz.
• Tasarımınız için gerekli olabilecek malzeme ve gereçleri belirleyiniz.
• Hipoteziniz doğrultusunda önerebileceğiniz çözümlerden en
uygun olanını gerekçesiyle açıklayarak hangi yolun izlene­ceğine
karar veriniz.
• Seçtiğiniz çözümü çizim yaparak somutlaştırınız.
• Güvenliği sağlamak ve çevreyi rahatsız etmemek için önlem
alınız.
4. Adım: Hipotezinis doğrultusunda geliştirdiğiniz tasarımınızı
sınayarak sonuçları değerlendiriniz.Devrede transistörün
kullanılma amacını yorumlayınız.
5. Adım: Çizdiğiniz devre şemasını günlük hayatta kullanılan
devre şemalarıyla karşılaştırınız.
6. Adım: Hazırladığınız tasarımı sınıfta sununuz.
Not: Proje ödeviniz EK-1a’da verilen dereceli puanlama anahtarı ile değerlendirilecektir.
120
A. Aşağıdaki ifadelerde bulunan noktalı yerleri tabloda verilen kelime veya kelime gruplarından
uygun olanları ile tamamlayınız.
doğru
akım şiddeti ve gerilim
katkılı yarı iletken
sinyal
enerji
değişken
polarize
ses
ters polarize
1. Sığaç ………...………………..... depolama görevi yapar.
2. Sığaç ………...………………..... akımda bir süre sonra açık devre olur.
3. Bobin ………...………………..... akımda frekansa bağlı sürekli bir direnç gösterir.
4. Transistör ………...………………..... güçlendirici bir eleman olarak kullanılır.
5. Transformatör ………...………………..... değişime uğratır.
6. Diyot ………...………………..... maddelerden yapılır.
7. Fotodiyotlar devreye ………...………………..... bağlanmışlardır.
B. Aşağıda, birbiri ile bağlantılı cümleler içeren bir etkinlik verilmiştir. Bu cümlelerin
doğru (D) ya da yanlış (Y) olduğuna karar vererek ilgili ok yönünde ilerleyiniz. Her doğru
karar size 5 puan kazandıracak ve bir sonraki aşamayı etkileyecektir. Vereceğiniz cevaplarla
farklı yollardan sekiz ayrı çıkışa ulaşabilirsiniz. En çok puan alacağınız çıkışı bulunuz.
D
D
Silisyuma arsenik
ilave edilirse N tipi yarı
iletken oluşur.
D
Y
Yarı iletkenlerden
diyot ve transistör gibi
devre elemanlarını yaparken katkı maddesi
de kullanmak gerekir.
D
Diyot N ve P tipi yarı 1. çıkış
iletkenlerin birleşmesi
Y
ile oluşur.
2. çıkış
Transistör
yalnız 3. çıkış
NPN birleşmesi ile oluY
şur.
4. çıkış
D
D
Y
Silisyuma bor ilave
edilirse P tipi yarı iletken
oluşur.
5. çıkış
LED bir diyottur.
Y
6. çıkış
Y
D
P ve N tipi yarı iletkenlerin birleşmesiyle 7. çıkış
oluşan diyotun ters polarize durumunda devrilme gerilimi söz konuY
sudur.
8. çıkış
121
C. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Sığası 50 µF olan bir sığaç 6 V’luk gerilim altında yükleniyor. Sığaç, güç kaynağından ayrılmadan
iletkenleri arasındaki uzaklık iki katına çıkarılıyor. Bu durumda sığacın yükündeki değişme kaç C
olur?
2. Şekildeki sığaçların eş değerinin sığası 2 µF’dır. Buna göre C3
sığacının sığası kaç µF’dır?
+ -
3. Dört özdeş sığaçtan ikisi seri, ikisi paralel bağlanarak aynı potansiyel altında yüklenmektedir.
Hangi sığaç çiftinin uçlarına dokunmak tehlikeli olur? Açıklayınız.
4. Doğru akımın, transformatörü çalıştırmamasının nedenini açıklayınız.
5. LC devresinin, radyo alıcılarında frekans seçimini nasıl yaptığını açıklayınız.
6. Diyot, neden tek yönlü akım geçiren bir elamandır? Açıklayınız.
7. Doğru akım devrelerinde sığacın bulunduğu devrenin neden açık devre olduğunu açıklayınız.
Ç. Aşağıda verilenlerden hareketle doğru seçeneği işaretleyiniz.
1. Şekildeki sığacın sığaları sırasıyla 4 µF, 6 µF, 3 µF ve
6 µF’dır. C2 sığacının 24 µC’luk yük depolayabilmesi için gerilim
kaç V olmalıdır?
A) 4
B) 6
C) 10
D) 13
E) 16
+ -
2. 20/π µF’lık sığacın uçlarına Vm= 125 V’luk değişken akım kaynağı bağlanıyor. Kaynağın
frekansı 1000 s-1 olduğuna göre devreden geçen maksimum akım kaç A’dir?
A) 1
122
B) 2
C) 3
D) 4
E) 5
3. Direnci ihmal edilen bir iletkenden yapılan bobin, etkin değeri 100 V olan değişken gerilime
bağlandığında bobinden 10 A’lik akım geçmektedir. Akımın frekansı 25/π s-1 olduğuna göre bobin öz
indüksiyon kat sayısı kaç H’dir?
A) 1
B) 0,35
C) 0,20
D) 0,15
E) 0,10
4.
Şekildeki gibi bağlanmış transformatörlerden a transformatörünün sarım sayıları 600 ve 300’tür.
a transformatörünün giriş devresi 220 V’luk değişken gerilime bağlandığında b transformatörünün
çıkışında 22 V’luk gerilim olabilmesi için b transformatörünün değiştirme oranı N2/N1 kaç olmalıdır?
A) 1/6
B) 1/5
C) 3
D) 4
E) 5
5. 100 Ω’luk bir dirençten Im = 25√
2 mA’lik akım geçirilmektedir. Direncin harcadığı ortalama güç
kaç W’tır?
-4
-4
-3
-3
-2
B) 777.10
C) 15.10
D) 25.10
E) 7.10
A) 625.10
D. Aşağıdaki ifadelerden doğru olanlarını ‟D”, yanlış olanlarını ‟Y” harfi ile işaretleyiniz.
1. Sığacın sığası yalıtkanın dielektrik sabitinden bağımsızdır.
2. Seri bağlı sığaçların yük miktarları eşittir.
3. Sığaç, değişken akımda zaman rölesi olarak kullanılır.
4. Yüklü sığacın levhaları kimyasal değişime uğramaz.
5. Değişken akımın tercih edilmesinin nedeni iletim kayıplarını minimuma indirilebilmesidir.
6. Bobin, değişken akım devresindeki değişimleri yavaşlatır.
7. Radyo alıcısı, LC devresinin titreşim frekansına uygun frekanstaki yayını alır.
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
123
E. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilen kavramlardan uygun
olanları ile doldurunuz.
Yalıtkanın dielektrik sabiti
İletkenin yüzey alanı
Yük miktarı
Direnç
İletkenler arası uzaklık
Potansiyel farkı
Belirlediği büyüklükler
Sığacın Sığası
Bağlı olduğu etkenler
124
4. ünİte
DALGALAR
125
KONULAR
NEWTON TELESKOBU
GÖKKUŞAĞI
OKÇU BALIKLARI
IŞIKLA RESİM ÇİZEN ARAÇ: FOTOĞRAF MAKİNESİ
GÖKYÜZÜ NEDEN MAVİ GÖRÜNÜR?
RADYO
TRAFİK RADARI
POLARİZE GÜNEŞ GÖZLÜKLERİ
GERÇEKTE VAR OLMAYAN RENKLER
Bu ünitede;
Düz ve küresel aynaların teknolojide hangi amaçla ve nerelerde kullanıldığını kavrayacağız.
Günlük yaşamdaki bazı olayları ışığın kırılması ile açıklayacağız. Merceklerin özelliğini, bazı göz
kusurlarını gidermede ve birçok optik aletin yapımında ne amaçla kullanıldığını öğreneceğiz. Bu
bağlamda ışığın kırılmasından kaynaklanan göz rahatsızlıklarının nedenlerini ve bunların nasıl
giderileceğini inceleyeceğiz. Çevremizdeki renklerin kaynaklarının farkına vararak bu renklerin
nasıl oluştuğunu öğreneceğiz. Elektromanyetik dalgaların yaygın kullanım alanlarını, ışığın tanecik
ve dalga doğasını ve ışığın bu şekilde davranması sonucu doğadaki bazı olayları açıklayacağız.
Ayrıca ışığın girişim ve kırınıma uğramasından faydalanılarak elde edilen teknolojik ürünleri
öğreneceğiz.
126
Dalgalar
NEWTON TELESKOBU
Astronomlar, teleskop icat edilmeden önce gözlemlerini
çıplak gözle yapmışlardır. Ancak gök cisimlerinin uzak oluşu
bu gözlemleri yetersiz kılmıştır. Gök cisimlerinin ayrıntılı olarak
gözlemlenebilmeleri için onları büyük ve yakın gösterebilen
düzeneklere ihtiyaç duyulmuştur. On yedinci yüzyılın başlarında
birçok insan bu yönde çalışmalar yapmış ve teleskop icat edilmiştir.
Teleskobu astronomik gözlemlerde ilk kullanan kişi İtalyan
bilgin Galileo (Galile)’dir. Galileo, kendi yaptığı teleskopla 1609’da
gözlemlere başlamış; güneş lekelerini, Ay’ın yüzey şekillerini,
Jüpiter’in uydularını ve birçok yıldızı gözlemlemiştir. Ancak çok
fazla görüntü hataları oluştuğundan bu teleskopla kaliteli görüntü
yakalanamamıştır. Bundan dolayı birçok bilim insanı çalışma
başlatmış ve yeni teleskoplar geliştirilmiştir. Mercekli teleskop adı
verilen bu teleskoplarda ışığı odaklamak için mercek kullanılmıştır.
Işık, merceklerden geçerken kırılmaya uğradığından bu tip gözlem
araçlarının bir diğer adı da kırılmalı teleskoptur.
Isaac Newton, mercek yerine çukur ayna kullanarak yeni
bir teleskop geliştirmiştir. Newton Teleskobu adı verilen bu
teleskopta; objektif görevini gören bir çukur ayna, bir düz ayna
ve oküler mevcuttur. Newton Teleskobu, bütün renkleri aynı
biçimde yansıtmak ve ilk mercekli teleskoplarda görülen türden
bir bulanıklığa ve renk saçaklanmasına yol açmamak gibi
üstün özelliklere sahiptir. Bu teleskop günümüzde Londra’da
sergilenmektedir.
Teleskop, uzaktaki gök cisimlerinin daha iyi görülebilmeleri
için büyütülmelerini sağlarken bir cisimden göze oranla daha fazla
ışık toplamaktadır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Isaac Newton
(1642 - 1726 )
Hareket yasaları ile fiziğe en
büyük katkısının mekanik alanında
olduğu bilinse de ışığın renklere
ayrılabileceğini
söyleyerek
optiğe,
1671 yılında ilk aynalı teleskobu
yaparak da astronomi alanına büyük
katkılar sağlamıştır.
127
4. Ünite
Çıplak gözle ayırt edilemeyecek gök cisimlerinin teleskopla
görülmesi nasıl sağlanmaktadır? Cisimden daha fazla ışık
toplayabilmek için optik düzenek nasıl oluşturulmaktadır? Newton
Teleskobu'nda düzlem ve küresel aynalarla oluşturulan düzenek
istenilen büyütmeyi nasıl gerçekleştirmektedir? Görüntünün
oluşumunda düzlem ve küresel aynanın rolü nedir?
Fen ve teknoloji derslerinde ışığın ortamda doğrusal olarak
ilerlediğini, karşılaştığı maddelerle birkaç yolla etkileştiğini öğrenmiş,
bu etkileşim yollarından birini yansıma olarak adlandırmıştınız.
Aşağıdaki fotoğraflarda suda oluşan görüntülerin birbirinden
farklı olmasının sebebi sizce nedir? Su yüzeyinin bu durumun
oluşmasına etkisi nedir? Etkinlikle öğrenelim.
ARAÇ VE GEREÇLER
. Işık kaynağı
. Diyafram
. Üreteç
. Düz ayna
. Üçayak
. Destek çubuğu
. Bağlama parçası
. Mukavva
(40 cm x 40 cm)
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Işık kaynağını düz aynaya tutarak ışığın yansımasını gözlemleyiniz.
2. Birinci adımdaki işlemi düz ayna yerine mukavva kullanarak tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Mukavvada oluşan yansıma düz ayna ile benzer midir? Niçin?
2. Işığın düştüğü yüzeyin, ekranda görüntü oluşumuna etkisi nedir? Açıklayınız.
128
Dalgalar
Bir ortamda ilerleyen ışın, ikinci bir ortamın sınırına çarptığında
geldiği ortama doğru yansır. Yüzeylerde iki farklı yansıma
gerçekleşir. Bunlar düzgün ve dağınık yansıma olarak adlandırılır.
Yüzeydeki pürüzler arasındaki mesafe, gelen ışığın dalga
boyundan küçük olduğunda yüzey, düzgün; büyük olduğunda ise
düzgün olmayan özellik gösterir.
Pürüzsüz bir yüzeye birbirine paralel olarak gönderilen ışın
demeti, yüzeyden birbirine paralel olarak yansır. Bu tür yansımalar
düzgün yansıma olarak adlandırılır.
Pürüzlü yüzeye birbirine paralel olarak gönderilen ışın demeti,
yüzeyden dağınık şekilde yansır. Bu tür yansımalar da dağınık
yansıma olarak adlandırılır.
Düzgün ve dağınık yansıma, cisimlerin görüntülerinin
görülmesini etkiler. Yukarıdaki resimlerde düzgün yansıma sonucu
su yüzeyinde net görüntü elde edilirken dağınık yansıma sonucu
net olmayan görüntüler ortaya çıkmıştır.
Cismin görülebilmesi düzgün ve dağınık yansımayla olur.
Herhangi bir cismin görülebilmesi için ışık kaynağından cisme
ışınların ulaşması ve bunların düzgün ya da dağınık yansıma
yaparak göze gelmesi gerekir. Dağınık yansıma cisimlerin
renklerinin ve şekillerinin ayırt edilmesini, düzgün yansıma ise
görüntü oluşumunu sağlar. Bu nedenle gök
cisimlerinin net görüntülerini elde etmek için
teleskoplarda düz aynalardan faydalanılır.
Yandaki şekilde görüldüğü gibi Newton, yaptığı
teleskopta objektife köşegen boyunca yani
diyagonal şekilde bir düz ayna yerleştirmiştir. Bu
ayna, üzerine düşen ışınları düzgün bir şekilde
yansıtıp okülerde odaklayarak görüntünün net
olmasını sağlar.
129
4. Ünite
Yağmurlu bir gecede kara yolundaki düzgün
yansıma
Günlük yaşantımızda düzgün ve dağınık yansımanın
olumlu ve olumsuz sonuçlarıyla karşılaşmaktayız. Örneğin,
yağmurlu bir gecede araba kullanırken görme güçlüğü
yaşanması ışığın düzgün yansımasıyla ilgilidir. Yol ıslak
olduğundan zeminin düzgün yüzeyi arabadan gelen ışık
demetlerinin çoğunu düzgün şekilde yansıtacaktır. Bu
durumda sürücüye doğru yansıyan bir ışın olmayacağından
sürücü yolu net görmeyecek, üstelik bu ışınların aynı yönde
yansımaları diğer araç sürücüleri için tehlike oluşturacaktır.
Yol kuru olduğu zaman yolun pürüzlü yüzeyi arabadan
gelen ışık demetlerinin bir kısmını geriye, yani sürücüye
doğru dağınık yansıtır. Bu durum sürücünün yolu net
bir şekilde görmesini sağlarken tüm ışınların aynı yöne
yansıtılmaması sebebiyle de karşıdaki araç sürücüsünü
fazla rahatsız etmeyecektir.
Yağmurlu olmayan bir gece­de kara yolundaki
dağınık yan­sıma
Normal
Gelen
ışın
i
Düzlem ayna
r
Yansıyan
ışın
Işığın, yüzeyden düzgün veya dağınık yansıma
yapması belli kanunlara göre olur. Yansıma
Kanunları adı verilen bu kanunlar şunlardır:
1. Gelen ışın, normal ve yansıyan ışın aynı
düzlemdedir.
2. Gelme açısı yansıma açısına eşittir (i = r).
Burada;
i: Gelme açısı (gelen ışınla yüzey normalinin
yaptığı açı)nı,
r: Yansıma açısı (yansıyan ışınla yüzey
normalinin yaptığı açı)nı ifade eder.
Yansıma olayında ışığın hızı ve frekansı (rengi) değişmez.
Sadece hareket yönü değişir.
Yukarıdaki şekilde, bir ışının Yansıma Kanunları’na uygun
olarak düzgün bir yüzeyden nasıl yansıdığı gösterilmiştir. Cisimlerin
görüntüsü düz aynada oluşurken aynaya cismin her noktasından
ışınlar gider ve ayna yüzeyine gelen her ışın yansıyarak cismin
görüntüsünü oluşturur. Örneğin, bulunduğumuz ortamdaki cisimleri
dağınık yansıma sayesinde görürüz.
Cismin görüntüsünü
bulmak için öncelikle bir
d
d
O
Oˈ
noktanın görüntüsünün düz
aynada nasıl oluştuğunu
inceleyelim.
Ayna
130
Dalgalar
Düz aynaya uzaklığı d mesafesinde olan O noktasındaki bir
ışık kaynağından farklı doğrultularda çıkan üç ışın, aynanın farklı
üç noktasına gelir ve Yansıma Kanunları gereği aynadan yansır.
Ayna yüzeyinden yansıyan ışınlar birbirinden uzaklaşarak yayılır
ve gözlemciye aynanın arkasındaki bir noktadan geliyormuş
gibi görünür. Yansıyan ışınların uzantılarının kesiştiği bu nokta
cismin düz aynadaki görüntüsüdür. Oluşan görüntünün düz
aynaya uzaklığı, cismin aynaya olan uzaklığına eşittir. Buradan
hareketle düz ayna önüne
konan noktasal olmayan bir
d
K
d
Kˈ
cismin görüntüsünü çizerek
bulalım. Öncelikle cismin
Hg
Hc
R
bütün noktalarının görüntüleri
θ
θ
düz aynada bulunur ve bu
Lˈ
L
Görüntü
Cisim
noktalar birleştirilerek cismin
görüntüsü elde edilir. Ancak
Ayna
çizimde kolaylık sağlamak
amacıyla cismi oluşturan bütün noktaların aynadaki görüntüsünü
bulmak yerine sadece cismin uç noktalarının görüntülerini bulmak
ve bu noktaları birleştirmek yeterli olacaktır. Şekilde de görüldüğü
ı
ı
gibi KL cisminin uç noktalarının görüntüleri olan K ve L bulunur. Bu
iki noktanın birleştirilmesiyle KL cisminin görüntüsü elde edilir.
Düz ayna, cisimlerin simetrik görüntülerini verir. Bu aynalarda
cismin aynaya uzaklığı, görüntünün aynaya uzaklığına, görüntünün
boyu da cismin boyuna eşittir.
Bir cismin düz aynadaki görüntüsü
aynanın arkasında, düz ve sanal (zahiri)
dır. Sanal görüntü, ışınların yüzeyden
yansıdıktan sonra uzantılarının kesiştiği
noktada oluşur. Başka bir ifadeyle aynadan
yansıyan ışınların uzantılarının kesişmesiyle
oluşan görüntüler, sanal görüntülerdir.
Sanal görüntüler daima düzdür ve perde
ya da ekran üzerine düşürülemez. Bir
düz aynada ve pencere camında oluşan
görüntüler, sanal görüntülerdir. Gerçek
görüntü ise ışınlar görüntü noktasından
geçip uzaklaştıkları zaman oluşur. Başka
bir ifadeyle yansıyan ışınların kendilerinin
kesişmesiyle gerçek görüntüler oluşur. Bu
görüntüler daima terstir ve aynanın önünde
oluşur. Bir perde veya ekran üzerine
düşürülebilir.
131
4. Ünite
Bir ışık ışını düz aynaya, aynanın normali ile 52° lik açı
yapacak şekilde çarpmaktadır. Ayna, gelen ışığın doğrultusu
değiştirilmeden saat yönünde 35° döndürülürse;
a) Yansıma açısı kaç derece olur?
b) Yansıma açısı ilk duruma göre hangi yönde kaç derece
sapar?
Çözüm
Öncelikle düz aynanın döndü­rül­
meden önceki çizimini yapalım.
N1
N1
∆θ = 35°
iilk
ison
∆θ
N2
i = 52°
r = 52°
a) Ayna saat yönünde
35° kadar döndürülürse
aynanın normali de aynı
yönde 35° döneceğinden
gelme açısı;
Ayna, saat yönünde 35° döndürül­
düğünde aynanın normali de aynı
yönde 35° dönecektir. Bu durumda
aşağıdaki gibi bir şekil oluşur.
∆θ=35°
N2
r
N1
i
∆θ
∆θayna = 35° olur.
ison = iilk - ∆θayna eşitliğinden hareketle;
∆θ = 35°
N1
i
on
N2
n=
1
=1 7°
7°
so
rs
ison = 52° - 35°
ison = 17° olacaktır.
Yansıma Kanunları’na göre gelme açısı yansıma açısına eşit
olacağından (rson= ison);
rson = 17° olur.
b) Yansıyan ışınların kaç derece saptığı ∆r = rilk + ∆θayna- rson
eşitliğinden hareketle;
∆r = 52° + 35° – 17°
∆r = 70° olarak bulunur.
Ayna 35° döndürüldüğünde yansıma açısı aynı yönde 70°
sapmaktadır.
132
Dalgalar
2
100°
1
50°
I
40°
3
1. aynayla 40°lik açı yaparak gelen I ışının tüm yansımaları
yaptıktan sonra kendi üzerinden geri dönebilmesi için 3. aynanın
kaç derece döndürülmesi gerekir?
Çözüm
I ışının 1. aynayla yaptığı açı 40° dir. Aynanın normali
çizildiğinde gelme açısının 50° olduğu görülür.
I ışını, 2. aynadan 50° lik açıyla yansıyarak 40° lik açı yapacak
şekilde aynaya ulaşır.
2. aynanın da normali çizilirse ışının bu aynadan da 50°
ile yansıdığı görülür. Bu durumda I ışını 3. aynaya 90° ile gelir.
Aynaya 90° lik açıyla gelen ışın kendi üzerinden geri döneceği için
ayna herhangi bir açıyla döndürülmemelidir.
2
50°
40° 100°
40°
1
40°
N
I 40°
N
3
Bazı dikiz aynalarında düzlem
ayna
kullanılmıştır. Arabaların
arka tarafını gösteren bu aynalar,
gündüz ve geceleri farklı şekilde
ayarlanır. Dikiz aynası gece ayarına
getirildiğinde arkadaki arabaların
farlarından gelen ışık sürücüyü
rahatsız etmez ve sürücüler
rahatlıkla arka tarafı görebilir.
Gündüz ayarı
Gece ayarı
133
4. Ünite
Arabaların dikiz aynaları önde V şeklinde düz bir cam ve onun
arkasında bir düz aynadan oluşur. Gündüz konumundaki dikiz
aynasının ayna kısmı dik durumdadır ve camdan geçen ışınlar
bu aynada yansıyarak arkanın görünmesini sağlar. Gece ayarı
konumunda ise cam kısmı dik durumdadır ve açılır hâle gelen ayna
kısmı arabanın tavanını gösterir. Bu durumda ayna kısmı tamamen
karanlık olan arabanın tavanını camın arkasına yansıtır. Böylelikle
dikiz aynasının cam kısmı ile arkadan gelen ışıklar nispeten az ve
gözü rahatsız etmeyecek şekilde görülür. Yani dikiz aynalarındaki
gece ayarı seyir hâlindeki araçlardan gelen ışıkların sürücüyü
rahatsız etmemesi için görüntü şiddetini azaltır.
Aynanın
yansıtıcı yüzeyi
B
D
B
I
Gelen
ışık
D
Gündüz ayarı
Gelen
ışık
Gece ayarı
Bir cismin düz aynada görüntüsünün oluşumunu öğrendik. Bir
cismin düz aynada görüntüsünün görülebilmesi için cisim, aynanın
tam önündeki alanın içine mi konulmalıdır? Düz ayna önündeki
cisimlerin görüntüleri her noktadan görülebilir mi? Bu soruları
cevaplayabilmek için etkinlik yapalım.
2. Etkinlik
Aynada Görünen İğneler
ARAÇ VE GEREÇLER
. Oluklu mukavva
. Milimetrik kâğıt
. 15, 25 ve 35 cm
.
.
boylarında üç adet
düz ayna
On beş adet toplu
iğne
Cetvel
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. İki veya üç kişilik gruplar oluşturunuz ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak
görev paylaşımı yapınız.
2. Milimetrik kâğıdı oluklu mukavvanın üzerine yerleştirerek düz aynayı düşey olarak
üzerine koyunuz.
3. Düz ayna önünde, aynaya paralel doğrultuda ve aynadan 10 cm uzaklıkta olacak
şekilde, milimetrik kâğıt üzerine bir çizgi çiziniz.
4. 15 adet toplu iğneyi çizginin üzerine 1,5 cm aralıklarla batırınız.
134
Dalgalar
5. Ayna önünde, aynaya dik doğrultuda ve aynadan 15, 20 ve 25 cm uzaklıklarda G1, G2,
G3 olmak üzere üç farklı bakış noktası belirleyiniz.
6. Aynada gördüğünüz toplu iğnelerin sayısının her bakış noktası için aynı olup olmadığı
hakkında hipotez kurunuz. Hipotezi test etme sürecinde bağımlı, bağımsız ve kontrol
değişkenleri belirleyiniz.
7. Hipotezi sınama sürecinde, kontrol değişkenini sabit tutarak bağımsız değişke­nin ba­
ğımlı değişken üzerindeki etkisini ölçünüz. Ölçme sonuçlarınızı defterinize kaydediniz.
8. Milimetrik kâğıt üzerinde belirlenen G1, G2 ve G3 bakış noktalarının aynaya göre
simetrilerini alınız ve bu simetri noktalarından aynanın kenarlarına cetvelle doğrular çiziniz.
9. Üç farklı simetri noktasından çizilen doğru arasındaki toplu iğnelerin sayısını belirleyiniz.
Bu simetri noktalarından çizilen doğrular arasındaki alan içerisinde görülen toplu iğneler için
defterinize bir çizelge oluşturunuz. Bu çizelgedeki toplu iğnelerin sayısını bir önceki çizelge ile
kıyaslayınız.
10. Sabit bir bakış noktası belirleyiniz. Farklı boyda aynalar kullanarak görebildiğiniz iğneleri
tespit ediniz. Aynaların boyutunu ve her aynada görülen iğne sayısını defterinize kaydediniz.
Sonuca Varalım
1. Farklı noktalardan baktığınızda aynı iğneleri mi gördünüz? Bu durum hipotezinizle
örtüşüyor mu? Yorumlayınız.
2. G1, G2 ve G3 noktalarının aynaya göre simetriği olan noktalardan aynanın kenarlarına
çizilen doğruların, aynada görebildiğiniz iğnelere bir etkisi var mıdır?
3. Elde ettiğiniz sonuçlar arkadaşlarınızın bulgularıyla paralellik gösteriyor mu? Tartışınız.
Bir cismin görüntüsünün düz aynada görülebilmesi için cismin
mutlaka düz aynanın önünde, düz aynanın boyu ile sınırlı bölge
içerisinde olması gerekmez.
Aynanın görüş alanı; aynanın boyutlarına, gözün aynaya
uzaklığına ve aynaya bakış noktasına göre değişir. Bir cismin göz
tarafından algılanması için cisimden göze ışınların gelmesi gerekir.
Düz aynada cismin görüntüsünün görülebilme şartı, cismin aynanın
görüş alanı içerisinde olmasıdır.
αα
θ θ
Görüş alanı bulu­nurken iki yöntem kullanılabilir. Birincisi,
ışınlar gözün bulunduğu noktadan düz aynanın uç noktalarına
gönderilerek yansıması çizilir. Bu ışınların sınırladığı bölge aynanın
görüş alanıdır. Diğeri ise gözün düz aynada görüntüsünün yeri
bulunur ve bu noktadan aynanın kenarlarına cetvelle doğrular
çizilir. Aynanın önünde bu doğruların sınırladığı alan aynanın görüş
alanıdır.
135
4. Ünite
Newton Teleskobu
Gözün bir aynada görüntüsünü görebildiği uzay parçasına
aynanın görüş alanı denir. Aynanın önündeki cisimlerin görüntüsü
farklı bakış noktalarından görünmeyebilir. Buna rağmen düz
aynanın önünde olmayan cisimlerin görüntüsü bakış noktalarına
bağlı olarak aynada görülebilir. Yani bakılan noktaya göre düz
aynada gözün görebileceği alan değişir.
Aynaya bakış noktasına göre görüş alanı değişmektedir.
“Newton Teleskobu” adlı metinde objektife yerleştirilmiş
düz ayna, görüş alanı içerisinde yer alan ışınları okülere doğru
yansıtarak gök cisimlerinin görülmesini sağlar.
Newton Teleskobu, içerisinde düzlem ve küresel
aynanın kullanıldığı basit bir düzenektir. Ancak, bilim
ve teknolojideki gelişmelere bağlı olarak ilerlemeler
teleskopların
geliştirilmesine
önemli
katkıda
bulunmuştur. Günümüzde gözlem evlerinde ileri teknoloji
ürünü teleskoplar kullanılmaktadır. Bunlar içerisinde
en önemlisi Hubble Teleskobu'dur. Bu teleskop, gök
cisimlerinin daha kaliteli görüntülerini elde etmek için
uzayda yörüngesinde dolanmaktadır. Dünyada birçok
üniversitede bu alanda gerekli iş gücünü yetiştirmek için eğitim
verilmektedir.
Hubble Teleskobu
136
Dalgalar
P
N
Şekildeki düz aynaya
hangi noktadan bakılırsa
tüm noktalar görülebilir?
M
L
K
Çözüm
Noktaların görü­le­bil­
mesi için tüm noktaların
gözün düz aynadaki görüş
alanı içerisinde olması
gerekir.
P
N
M
L
K
Şekilde görüldüğü gibi aynanın uç noktalarına M noktasından
ışınlar göndererek yansıttığımızda K ile P noktası dâhil tüm
P
noktalar
görülür.
M
noktasının aynaya göre
simetrisi alınarak aynanın
N
uç noktalarına teğet olan
doğrular çizildiğinde aynı
M
sonuç elde edilecektir.
L
K
M
137
4. Ünite
A
B
C
D
Yandaki şekilde aynanın önünde duran bilyenin yeri
ve görüntüsü erkek öğrenci tarafından C noktasında
görülmektedir. Bilyenin görüntüsü kız öğrenci tarafından
da aynı noktada görülür. Dolayısıyla oluşan görüntünün
yeri ve büyüklüğü gözlemcinin konumuna bağlı değildir.
Gözlemci ayna önünde nerede bulunursa bulunsun
görüntüyü aynı yerde görür. Gözlemcinin, cismin ve
görüntünün aynı doğrultu üzerinde olması gerekmez. Bir
cismin görüntüsü aynada oluşuyorsa bu görüntü mutlaka
göz tarafından algılanıyor demektir. Ayrıca cismin görülebilmesi için
mutlaka düz aynanın önünde olması gerekmez. “ Aynada Görülen
İğneler” etkinliğinde ve görüş alanı ile ilgili açıklamalarda cismin
aynada görülebilme şartının cismin aynanın görüş alanı içinde
olmasıdır. Bu nedenlerle “Bir cismin görüntüsünü görmek için
cisim, düz aynanın tam önündeki alanın içine konulmalıdır.”, Düz
aynada görüntü, gözlemci ve cisim arasındaki görüş doğrultusu
boyunca aynanın arkasında oluşur.”, “Bir cismin görüntüsünün
yeri ve büyüklüğü, gözlemcinin konumuna bağlıdır.”, “ Görüntü düz
aynanın üzerinde oluşur.”, “Aynaya bakmasak da görüntü aynada
oluşur daha sonra baktığımızda görüntüden gelen ışınlar görüntüyü
görmemizi sağlar.” inanışları yanlıştır.
Cisimlerin aynı büyüklükte görüntülerini elde etmek için evlerde,
mağazalarda ve çeşitli teknolojik araçlarda düz ayna kullanılır.
Örneğin, denizaltılarda güvenli mesafelerden hedefi
görünmeden incelemeye yarayan periskopların optik düzeneğinde
aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi iki düz ayna bulunur. Hedeften
gelen ışınlar birinci aynada yansıma sonucu 90° yön değiştirerek
ikinci aynaya gelir. İkinci aynada da yansıma sonucu tekrar 90° yön
değiştirir ve göze ulaşır. Böylece deniz yüzeyine çıkartılan objektif
yardımıyla geminin içindeki okülerden görüntü alınmış olur.
E
Periskop
Düzlem ayna
Düzlem ayna
Benzer şekilde bazı fotoğraf makinelerine 45° eğimle
yerleştirilmiş bir düz ayna objektiften geçen ışığın yönünü
değiştirerek vizöre (bakaç) ulaşmasını sağlar. Ayrıca tepegöz
ve projeksiyon cihazı gibi optik aletlerde de genellikle düz ayna
kullanılır.
138
Dalgalar
Bir insanın düz aynada boyunu tam olarak görebilmesi için
ayna boyunun ve aynaya bakan bu kişinin aynaya olan uzaklığının
en az ne kadar olması gerektiğiyle ilgili elle ya da bilgisayar
ortamında çizim içeren bir sunum hazırlayınız. Bu çizimleri
birbirinize geri bildirimler vererek değerlendiriniz.
Küresel Aynalar
Çok uzak yıldızlardan gelen zayıf ışıkları toplamak için
teleskoplarda ayna kullanılır. Düz aynaların ışığı toplayıcı özelliği
yoktur, çünkü bu aynalarda ışık, aynanın arkasındaki sanal
görüntüden geliyormuş gibi bir noktadan dağılarak yansır. Ancak
birçok düz ayna bir arada kullanılarak nokta kaynaktan gelen
ışınlar bir noktada toplanabilir ya da dağıtılabilir. Işınları bir noktada
toplayan ya da dağıtan aynalar küresel ayna olarak adlandırılır.
Düzlem yüzeylere dik olarak gönderilen paralel ışık demetlerinin
kendi üzerinden geri yansıdığını biliyorsunuz. Fen ve teknoloji
derslerinde çukur yüzeylere gönderilen paralel ışık demetlerinin bir
noktada toplandığını, tümsek yüzeylere gönderilen ışık demetlerinin
ise bir noktadan çıkıyormuş gibi dağılarak yansıdığını öğrenmiştiniz.
Ayrıca, yansıyan ışınları bir noktada toplayan aynaları çukur ayna,
dağıtanları ise tümsek ayna olarak adlandırmış; çukur aynalarda
ışığın toplandığı, tümsek aynalarda ise ışığın uzantılarının ayna
arkasında kesiştiği noktanın odak noktası olduğunu belirtmiştiniz.
Küresel aynalarda odak noktasının aynanın tepe noktasına
olan uzaklığına odak uzaklığı denir ve bu uzaklık küresel yüzeyin
eğrilik yarıçapının yarısı kadardır. Bu durum;
f=
R
şeklinde ifade edilir.
2
Aynanın tepe noktası ile odak nok­tasını birleştiren doğru asal
eksendir.
Paraboloid
ayna
Küresel
ayna
Ya
r
dım
cı
ek
se
n
M
Asal eksen
R
f
=
2f
f
Odak uzaklığı
Aynanın
merkezi
Fˈ
Tepe
noktası
Yardımcı
odak
Odak
düzlemi
139
4. Ünite
3. Etkinlik
Düz aynalarda cisim aynaya yaklaştıkça görüntünün de aynaya
yaklaştığını ve cisimle aynı boyda olduğunu öğrendiniz. Bu durum,
küresel aynalar için de geçerli midir? Etkinlikle öğrenelim.
Görüntü Nerede Oluşur?
ARAÇ VE GEREÇLER
. 2 m uzunluğunda kâğıt
.
.
.
.
şerit
Çukur ayna
Mum
Ekran
Çakmak
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. İki veya üç kişilik gruplar oluşturunuz ve aşağıdaki etkinlik basamaklarını dikkate alarak
görev paylaşımı yapınız.
2. Kâğıt şeridi gergin bir şekilde tutarak masanın üzerine bantlayınız.
3. Çukur aynayı şerit üzerine sabitleyiniz ve kâğıt üzerinde yerini işaretleyiniz.
4. Bulunduğunuz ortamın karanlık olmasını sağlayınız. Mumu yakarak aynadan üç metre
uzağa yerleştiriniz.
5. Ekranı, şerit üzerinde gezdiriniz ve oluşan net görüntünün yerini şerit üzerinde
işaretleyiniz.
6. Yanan mumu aynanın bir metre önüne yerleştiriniz. Mumu çukur aynaya yaklaştırmadan
önce görüntünün yeri hakkında bir hipotez kurunuz. Hipoteziniz için bağımlı, bağımsız ve
kontrol değişkenlerinizi belirleyiniz.
7. Hipotezinizi sınama sürecinde kontrol edilen değişkeni sabit tutarak bağımsız değişkenin
bağımlı değişken üzerindeki etkisini ölçünüz. Ölçme sonuçlarını defterinize kaydediniz.
8. Mumun aynaya olan uzaklıklarını aşağıdaki gibi belirleyin ve görüntü uzaklıklarını
kaydediniz.
Cismin (Mumun) Aynaya uzaklığı
Görüntünün Aynaya Uzaklığı
9. Yanmakta olan mumu mümkün olduğu kadar aynaya yaklaştırınız ve ayna arkasındaki
görüntünün yerini bulunuz.
Sonuca Varalım
1. Aynadan 3 m uzaklığa yerleştirdiğiniz mumun ekran üzerinde oluşan nokta görüntüsü
aynadan kaç cm uzaklıkta oluşmuştur?
2. Bağımsız değişkenin bağımlı değişken üzerinde etkisi nedir? Açıklayınız.
3. Yukarıda çizilen tablonun sonuçları yorumlandığında cismi devamlı olarak aynaya
yaklaştırdığınızda görüntünün konumunda herhangi bir değişiklik oldu mu?
4. Yanmakta olan mumu aynaya yaklaştırdığınızda görüntü nerede oluştu? Oluşan gö­rün­
tü ters mi, düz mü?
5. Elde ettiğiniz sonuçlar arkadaşlarınızın bulgularıyla paralellik gösteriyor mu? Tartışınız.
140
Dalgalar
Küresel aynalarda bir cismin görüntüsünün yerini bulabilmek
ve özelliklerini belirleyebilmek için özel ışınlardan faydalanılarak
çizim yapılır.
Küresel aynalardaki özel ışınların neler olduğunu ve
yansımalarını çizimle göstermek için iki etkinlik yapalım.
4. Etkinlik
Özel Işınlar Çukur Aynada Nasıl Yansır?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Güç kaynağı
. Işık kaynağı
. Diyafram ve taşıyıcısı
. İki adet üçayak
. Destek çubuğu
. Saplı ekran ve maşası
. Çukur ayna modeli
. İki adet bağlama parçası
. Cetvel
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Şekildeki gibi bir düzenek kurunuz ve ortamın karanlık olmasını sağlayınız.
2. Diyaframı bir ışın demeti verecek şekilde ayarlayınız.
3. Işını asal eksene paralel olacak şekilde aynaya gönderiniz ve yansıdıktan sonra aynanın
önünde bir yerde kesişmesini sağlayınız. Bu kesişme noktasını aynanın odak noktası olarak
belirleyiniz. Odak noktasının aynanın tepe noktasına olan uzaklığını cetvelle ölçünüz. Bu
uzaklığı odak uzaklığı olarak ifade ediniz.
4. Odak uzaklığının iki katını ölçerek aynanın merkezini belirleyiniz ve bu noktayı
sabitleyiniz.
5. Tek ışını, odak noktasından geçecek şekilde aynaya göndererek aynada yansımasını
gözlemleyiniz.
6. Işını, aynanın tepe noktasına gönderiniz ve aynadan yansımasını gözlemleyiniz.
7. Işını, aynanın merkezinden geçip aynaya ulaşacak şekilde gönderiniz ve yansımasını
gözlemleyiniz.
8. Işını, asal ekseni herhangi bir yerden kesecek şekilde aynaya gönderiniz ve yansımasını
gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
1. Odak noktasından aynaya gelen ışın hangi yolu izledi?
2. Aynanın tepe noktasına gelen ışın ile yansıyan ışının asal eksenle yaptığı açıları
karşılaştırınız.
3. Merkezden geçerek aynaya gelen ışın, yansıdıktan sonra hangi noktadan geçer?
141
4. Ünite
5. Etkinlik
Özel Işınlar Tümsek Aynada Nasıl Yansır?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Güç kaynağı
. Işık kaynağı
. Diyafram ve taşıyıcısı
. İki adet üçayak
. Destek çubuğu
. Saplı ekran ve maşası
. Tümsek ayna modeli
. İki adet bağlama parçası
. Cetvel
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Şekildeki gibi bir düzenek kurunuz ve ortamın karanlık olmasını sağlayınız.
2. Diyaframı bir ışın demeti verecek şekilde ayarlayınız.
3. Işını asal eksene paralel olacak şekilde aynaya gönderiniz ve bu ışın demetinin tümsek
aynada yansıdıktan sonra uzantısının geçtiği noktayı aynanın odak noktası olarak belirleyiniz.
Odak noktasının aynanın tepe noktasına olan uzaklığını cetvelle ölçünüz ve bu uzaklığı odak
uzaklığı olarak ifade ediniz.
4. Odak uzaklığının iki katını ölçerek aynanın merkezini belirleyiniz ve bu noktayı
sabitleyiniz.
5. Işını odak noktası doğrultusunda aynaya gönderiniz ve yansımasını gözlemleyiniz.
6. Işını, tümsek aynanın tepe noktasına gönderiniz ve yansımasını gözlemleyiniz.
7. Işını, aynanın merkez doğrultusunda gönderiniz ve yansımasını gözlemleyiniz.
8. Işını, asal ekseni herhangi bir yerden kesecek şekilde tümsek aynaya gönderiniz.
Sonuca Varalım
1. Odak doğrultusunda aynaya gelen ışın hangi yolu izledi?
2. Aynanın tepe noktasına gelen ışın ile yansıyan ışının asal eksenle yaptığı açıları
karşılaştırınız.
3. Merkez doğrultusunda aynaya gelen ışının yansıdıktan sonra uzantısı hangi noktadan
geçer?
M
Düz aynalar için geçerli olan yansıma kanunları küresel aynalar
için de geçerlidir. Işığın aynaya geldiği noktadaki yüzey normali,
aynanın merkezinden geçen bir doğrudur.
P
Küresel aynalardaki odak noktası
θ
θ
düzlemsel su dalgalarının küresel engelin
iç yüzeyinde yansıdıktan sonra toplandığı
nokta ile aynıdır.
T
F
f
r
142
Dalgalar
Özel ışınların çukur ve tümsek aynalarda izledikleri yolu
çizimle gösterelim.
Çukur Aynalar
θ
θ
Asal eksene paralel olarak gelen ışınlar,
odak noktasından geçecek şekilde yansır.
N
Aynanın odak nokta­sından geçerek gelen
ışınlar, asal eksene paralel olacak şekilde yansır.
F
M
T
N
M
F
T
θ
θ
Aynanın mer­kezinden ge­çerek gelen ışınlar,
mer­kez­den geçecek şekil­de yansır.
M
F
Aynanın tepe noktasına gelen ışınlar, asal
eksenle eşit açı yaparak yansırlar.
M
F
T
θ
θ
T
143
4. Ünite
Tümsek Aynalar
N
θ
θ
F
T
N
M
Asal eksene paralel olarak gelen ışınların
uzantısı, odak noktasından geçecek şekilde
yansır.
θ
θ
Aynanın odak noktasından gelen ışın, asal
eksene paralel yansır.
T
M
F
N
F
T
θ
θ
T
M
F
M
Aynanın merkez doğrultusundan gelen ışın,
kendi üzerinden yansır.
Aynanın tepe noktasına gelen ışınlar, asal eksenle
eşit açı yaparak yansır.
Düz aynalarda görüntü oluşumunun cismin
uç noktalarından aynaya gönderilen iki ışın yardımıyla nasıl
bulunacağını öğrendik. Küresel aynalarda cismin görüntüsünün
144
Dalgalar
yerini ve özelliklerini bulabilmek için özel ışınlardan faydalanılır.
Özel ışınları kullanarak çukur ve tümsek aynada görüntünün yerinin
ve özelliklerinin nasıl bulunacağını etkinlikle öğrenelim.
6. Etkinlik
Cisimlerin Görüntülerini Çizelim
ARAÇ VE GEREÇLER
. Milimetrik kâğıt
. Cetvel
. Kalem
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Milimetrik kâğıt üzerine, odak uzaklıklarını ve merkezlerini sizin belirleyeceğiniz çukur
ve tümsek aynaları asal eksenleriyle birlikte çiziniz.
2. Çukur ayna için merkez noktasının dışında asal eksene dik olan ok şeklinde bir cisim
çiziniz.
3. Tümsek aynanın önünde, çukur aynada olduğu gibi asal eksene dik olacak şekilde bir
cisim daha çiziniz.
4. Her iki aynadaki görüntünün yerine ve özelliklerine dair öngörüde bulununuz.
5. Bu aynalardaki cisimlerin görüntüsünü çiziniz.
6. Beşinci adımdaki işlemleri cisimlerin farklı konumları için tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Çukur aynada merkezin dışındaki cismin görüntüsü, yapılan çizimler sonucunda nerede
oluştu?
2. Tümsek aynada cismin görüntüsü, yapılan çizimler sonucunda nerede oluştu?
3. Her iki durumda çizimle oluşturulmuş görüntülerin özelliklerinin farklı olmasının nedenini
açıklayınız.
4. Her iki durum öngörünüzle örtüşüyor mu?
Küresel aynalarda cismin bulunduğu yere göre görüntünün yeri
ve boyunda değişiklikler olur. Çukur ve tümsek aynalarda cismin
görüntüsü bulunurken cismin sadece uç noktalarının görüntüsünü
bulmak yeterlidir. Uç noktaların görüntüleri birleştirilerek cismin
görüntüsü elde edilir. Bu işlemi yaparken özel ışınları kullanmak
kolaylık sağlar.
Çukur aynada cismin bulunduğu yere göre
görüntünün özeliklerini belirleyelim.
1) Cisim sonsuzda ise cisimden gelen ışınlar
M
çukur aynanın asal eksenine paralel olacağı için
yansıdıktan sonra odak noktasında kesişir ve nokta
şeklinde gerçek görüntü oluşur.
F
145
4. Ünite
Dc
Cisim
2) Cisim, merkezin dışında ise görüntü; merkez
ile odak arasında, cisimden küçük, ters ve gerçek
olur.
F
M
Görüntü
Dg
Dc
3) Cisim, merkezde ise görüntü; merkezde,
cismin boyuna eşit, ters ve gerçek olur.
Cisim
F
M
Görüntü
Dg
Dc
Cisim
Görüntü
M
F
4) Cisim, odakla merkez arasında ise görüntü
merkezin dışında, cisimden büyük, ters ve gerçek
olur.
Dg
Dc
Cisim
M
F
Görüntü
Cisim
M
F
Dc
5) Cisim, odakta ise görüntü sonsuzda olur.
6) Cisim, odak ile ayna arasında ise görüntü
aynanın arkasında, cisimden büyük, düz ve sanaldır.
Dg
Çukur aynada gerçek görüntünün oluştuğu bölgede cisim
aynaya yaklaşırken görüntü, aynadan uzaklaşır. Cisim ya da
görüntüden hangisi aynaya yakın ise onun boyu daha küçüktür.
Tümsek aynada ise cisim üzerindeki noktalardan gelen ışınlar,
146
Dalgalar
tümsek aynanın arkasından bir noktadan geliyormuş gibi
yansıdıktan sonra birbirinden uzaklaşır. Yansıyan ışınlar görüntü
noktasından geliyormuş gibi görünür. Tümsek aynada görüntü
daima düz, sanal, cisimden küçük ve aynanın arkasındadır.
Tümsek aynada cismin bulunduğu yere göre görüntünün
özeliklerini belirleyelim.
1) Odak uzaklığından çok büyük uzaklıklar sonsuz
kabul edilmektedir. Cisim sonsuzda ise cisimden gelen
ışınlar asal eksene paralel olacağından uzantıları odak
noktasından geçecek şekilde tümsek aynada yansır.
Görüntü, odakta nokta şeklinde ve sanaldır.
F
T
M
K
2) Cisim, sonsuzla ayna arasındaysa
görüntü; odak ile ayna arasında düz, cisimden
küçük ve sanaldır.
Hc
Hg
Cisim
Görüntü
Dc
Dg
F
Tümsek aynalarda cisim, aynaya yaklaştıkça görüntüsü büyür
ve bu görüntü de aynaya yaklaşır.
Çukur ve tümsek aynaların günlük yaşantıda birçok kullanım
alanları vardır. Bir ampul, çukur aynanın odak noktasına
yerleştirildiğinde ışık, demet hâlinde yayılır. Bu nedenle araba
farları, ışıldaklar ve el fenerlerinin yapımında çukur ayna kullanılır.
Geniş açılı görüntü elde etmek için
kavşaklarda tümsek ayna kullanılır.
Detaylı görüntü sağladıkları için diş hekimleri tarafından tercih
edilen çukur aynalar mikroskoplarda da kullanılır. Taşıtlarda dikiz
aynası olarak kullanılan tümsek aynalar ise geniş görüntü alanı
sağladığından mağaza ve metrolarda da güvenlik amacıyla
kullanılmaktadır.
147
4. Ünite
Efsaneye göre, Sirakuza Valisi'nin
danışmanı olan Arşimet, güneş
ışınlarını büyük bir ayna aracılığıyla
düşman gemileri üzerine yansıtmış
ve gemileri ateşe vermiştir. Gerçekte
böyle bir durumun olması mümkün
müdür? Araştırınız. Araştırma sürecinde İnternet (edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı
ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz. Araştırma sonuçlarını bilgisayar, projeksiyon, tepegöz vb.
araçşarı kullanarak bir sunu hâline getiriniz ve sınıfta sergileyiniz.
“Newton Teleskobu” adlı metinde Newton, gök cisimlerinden
gelen ışığı odaklayabilmek için teleskobunda çukur ayna
kullanmıştır. Uzak cisimlerin incelenmesi yaydıkları ışığın enerjisine
bağlıdır. Çok uzak cisimlerden gelen ışığın şiddeti o kadar düşüktür
ki spektrumların incelenmesi için okülere daha fazla ışık gelmesi
gerekir. Işığı toplamada en etkili yol, optik sistemin çapının büyük
olmasıdır.
“Görüntü Nerede Oluşur?” adlı etkinlikte cisimlerin farklı
konumlardaki görüntülerinin yerini ve özelliklerini çukur aynada
incelemiştik. Küresel aynalarda bir cismin görüntüsünün yerini
ve boyunu hesaplamak için matematiksel eşitlikleri oluşturmaya
çalışalım.
K
Dc
1
L
Sc
M
Hg
Lˈ
θ
4
Kˈ
A
F
β
3
B D
β
θ
Sg
T
2 H
g
C
Dg
Şekildeki çukur aynada cismin boyu küçük kabul edildiğinde
|BT| ve |DT| uzunluğu çok küçük olur. Bu nedenle;
|FT| = |FB| = |FD| = f alınabilir.
KLF üçgeni ile FDC üçgenleri benzer olduğundan;
148
Dalgalar
Hc Sc
(1) oranı yazılır.
=
Hg
f
AFB ile KˈFLˈ üçgenleri benzer olduğundan;
(1) ve (2) numaralı eşitliklere göre;
Sc
f
=
f
Sg
Hc
f
(2) olur.
=
Hg Sg
olur.
KLF üçgeni ile FDC üçgenleri benzer olduğundan;
CD
KL
=
DF
LF
eşitliği yazılır.
Hg
f
(3)
Dc − f
=
Hc
AFB üçgeni ile KˈFLˈ üçgenlerinin benzerliğinden;
K 'L'
AB
=
'
LF
FB
eşitliği yazılır.
Hg
Hc
=
Dg − f
f
(4)
D −f
f
= g
(3) ve (4) numaralı eşitlikler birleştirilirse;
Dc − f
f
f2 = (Dg - f).(Dc - f)
f2 = Dc.Dg - Dc.f - Dg. f + f2
0 = Dc. Dg - Dc.f - Dg.f
Dc.Dg = Dc. f + Dg. f
Dc ⋅ D g
Dg ⋅ f
Dc ⋅ f
=
+
f ⋅ Dc ⋅ D g f ⋅ D c ⋅ D g f ⋅ D c ⋅ D g
1 1
1
=
+
eşitliği bulunur.
f Dc D g
Çukur ayna için eşitlikler yazılırken cisim, aynanın önünde
ise Dc , ‟+” alınır. Çukur aynada f, ‟+” olarak alınır. Dg, ‟+” çıkarsa
görüntü gerçek, ‟-” çıkarsa sanaldır.
Tümsek aynada bir cismin görüntüsünün yerini ve boyunu
hesaplamak için matematiksel eşitlikleri oluşturalım.
K
K
A
Kˈ
Hc
L
Hg
B
Dc
T
Dg
Lˈ
Kˈ
Hc
F
Hg
L
Dc
1. Şekil
T
Dg Lˈ
2. Şekil
1. Şekildeʼki F Kˈ Lˈ üçgeni ile FAB üçgenleri benzer olduğundan;
K 'L'
AB
Hg
=
'
LF
FB
ve |TB| çok küçük olduğundan |FB|=|FT|=f alınabilir.
f − Dg
(1) oranı yazılır.
Hc
f
2. Şekildeʼki Kˈ LˈT üçgeni ile KLT üçgenleri benzer olduğundan;
=
K 'L'
KL
=
' '
LT
LT
eşitliği yazılır.
Hg
Hc
=
Dg
Dc
(2)
149
4. Ünite
f − Dg Dg
=
(1) ve (2) numaralı eşitlikler birleştirilirse;
f
Dc
Dc. (f - Dg) = f . Dg
Dc. f - Dc. Dg = f . Dg her iki tarafı f.Dc. Dg çarpımına bölelim.
Dc ⋅ D g
f ⋅ Dg
Dc ⋅ f
−
=
f ⋅ Dc ⋅ D g f ⋅ Dc ⋅ D g f ⋅ Dc ⋅ D g
1 1 1
1 1
1
− = buradan − =
−
eşitliği bulunur.
D g f Dc
f Dc D g
Tümsek ayna için eşitlikler yazılırken cisim aynanın önünde
ise Dc , ‟+” alınır. Tümsek aynada odak noktası aynanın arkasında
olduğundan f, ‟-” olarak alınır. Görüntü her zaman aynanın
arkasında olacağından Dg, ‟-” olur.
Küresel Aynalarda Boyca Büyütme
K
K
K'
Hc
L
M
L'
F
K'
T
L
Hg
Dc
T
Dg L'
Dg
Dc
Çukur Ayna
Tümsek Ayna
Şekillerdeki çukur ve tümsek aynalar için KLT üçgeni ile K'L'T
üçgenleri benzerliğinden;
| K 'L ' | | L ' T |
eşitliği yazılabilir.
=
| KL |
| LT |
Küresel aynalarda görüntü boyunun cismin boyuna oranına
boyca büyütme oranı denir.
Bu oran;
=
m
Hg ( ± )Dg
şeklinde de yazılabilir. Görüntü gerçek ise
=
Hc
Dc
Dg, ‟+” ; sanal ise Dg, ‟-” alınır. m ‟-” ise görüntü düz ve sanal, m ‟+”
ise ters ve gerçektir.
Küresel aynalarda, cismin konumuna ve boyuna bağlı olarak görüntünün konumunu ve
boyunu gösteren uygun çizimleri bilgisayar ortamında hazırlayınız. Hazırladığınız çizimleri,
aşağıdaki kriterler doğrultusunda arkadaşlarınızın çizimleriyle karşılaştırınız.
• Cismin yeri, aynada oluşan görüntünün yeri.
• Cismin boyu, aynada oluşan görüntünün boyu.
150
Dalgalar
Eğrilik yarıçapı 480 mm olan
çukur aynaya 120 mm uzaklıktan
bakan bir kişi;
a) Yüzünü ay­na­dan ne kadar
uzaklıkta görür?
b) Yüzündeki 10 mm’lik bir
kısmı ne kadar büyüklükte görür?
Çözüm
R
a) Aynanın odak uzaklığı; f =
eşitliğine göre;
2
480
=
f = 240mm ’dir.
2
1 1
1
=
+
eşitliğinde verilenler yerine yazılırsa;
f Dc D g
1
1
1
1
1
1
=
+
⇒
=
−
240 120 Dg
Dg 240 120
Dg= -240 mm olur. Buradaki ‟-” işareti görüntünün aynanın
ar­ka­sında ve sanal olduğunu ifade eder.
b) Boyca büyütme oranı;
H
( − ) Dg −240
m= g =
=
= −2 olur.
Hc
Dc
120
Boyca büyütme oranı m = - 2 olduğundan görüntü düzdür ve
kişi yüzündeki 10 mm’lik kısmı 20 mm olarak görür.
Bir çukur aynanın yarıçapı 40 cm’dir. 4 cm uzunluğundaki bir
cisim, aynanın 60 cm önüne konulduğunda aynada oluşan görün­
tünün konumu ve boyu ne olur?
Çözüm
R 40
f =
= 20cm 'dir.
Aynanın odak uzaklığı =
2
2
Görüntünün aynaya uzaklığını bulmak için;
1 1
1
=
+
eşitliğinde bilinenler yerine yazılırsa;
f Dc D g
1
1
1
1
1
1
1
2
1
=
+
⇒
=
−
⇒
=
=
20 60 Dg
Dg 20 60
Dg 60 30
Dg = 30 cm olur. Bu durum görüntünün gerçek ve aynanın
önünde olduğunu ifade eder. Aynanın boyca büyütme oranı;
=
m
Hg +30 1
Hg ( ± )Dg
⇒=
olur. Bu durum
m =
=
=
Hc
Dc
Hc
60
2
görüntünün ters ve gerçek olduğunu ifade eder.
m=
Hg
Hc
⇒m=
Hg
Hc
=
Hg
4
=
1
. Buradan Hg = 2 cm olur.
2
151
4. Ünite
Tümsek bir ayna ara
sokakların kesiştiği bir noktada
araçların emniyetli geçişini
sağlamak için yüksekçe bir
yere asılmıştır. Aynanın eğrilik
yarıçapı 1 m olduğuna göre
aynadan 20 m uzaklıktaki bir
aracın görüntüsünün aynaya
uzaklığı kaç m’dir?
Cisim
Dc
F
Çözüm
R
1
Aynanın odak uzaklığı f =
eşitliğine göre; =
f = 0,5m
2
2
Görüntünün aynaya uzaklığını bulmak için;
1
1
1
=
+
eşitliğinde verilenler yerine yazılırsa;
− f Dc D g
1
1
1
=
+
−0.5 20 Dg
−2 −
1
1
−41 1
−20
=
⇒
=
⇒ Dg=
olur.
20 Dg
20 Dg
41
Aşağıdaki çizelgede çukur ve tümsek aynalara 3f uzaklığında, boyu h olan bir cisim için
görüntünün yeri ve boyu verilmiştir. Benzer bir çizelgeyi defterinizde oluşturarak cismin diğer
konumları için oluşan görüntünün yerini ve boyunu hesaplayıp çizelgeyi doldurunuz.
Cismin Yeri ve Boyu
Görüntünün Yeri ve Boyu
Çukur ayna
3f
h
2f
h
f/2
h
1,5f
h/2
.............
.............
.............
.............
Tümsek ayna
3f
h
2f
h
f/2
h
3f/4
.............
.............
.............
.............
Örnek çizelgedir.
Newton Teleskobu Yapalım
Beklenen
Performans
Değerlendirme
Süre
Araştırma Becerisi
Yaratıcılık Becerisi
Dereceli Puanlama
Anahtarı
1 Hafta
Işığın düzlem ve küresel aynalarda yansıma özelliğinden
faydalanarak bir Newton Teleskobu tasarlayınız. Bunun için 153.
sayfadaki yönergeyi takip ediniz.
152
Dalgalar
1. Bir çalışma plânı yapınız.
2. Newton Teleskobuʼnun çalışma ilkelerini ve kullanılan araçgereçler hakkında bir araştırma yapınız.
3. Gerekli olabilecek malzeme ve gereçleri belirleyiniz.
4. En uygun çözümü seçiniz ve bunun için hangi yolun
izleneceğine karar veriniz.
5. Seçilen çözümü çizerek somutlaştırınız.
6. Bu modele ön uygulama yaparak tasarımınızı test ediniz.
7. Tasarımınızı nasıl oluşturduğunuzu her aşamasını
açıklayarak sınıfta sununuz.
Not: Kullanılancak olan malzemelerden düzlem ayna, küresel
ayna ve ince kenarlı merceğin uygun mesafelerde ve uygun
yerlerde kullanılması tasarımınızın çalışıp çalışmamasında
önemlidir.
Proje ödeviniz EK-1b’de verilen dereceli puanlama anahtarı ile
değerlendirilecektir.
GöKKUŞAĞI
Gökkuşağı, yağmur bulutundan düşen su damlacıklarının,
Güneş tarafından aydınlatıl­
masıyla oluşan kırmızı, turuncu,
sarı, yeşil, mavi ve mor renklerin belirli düzende sıralandığı
görüntüdür.
Gökkuşağı bilimsel olarak ilk defa Aristoteles tarafından
açıklanmaya çalışılmıştır. Ancak bu açıklamadaki en büyük
eksiklik Aristoteles’in sadece yansımaya yer vermesi ve kırılmayı
dikkate almamasıdır. Işık, kırıcılık indisi havaya göre daha büyük
olan yağmur damlasına girdiğinde kırılma kanunlarına uyarak
kırılır. Yağmur damlasının arka yüzeyinde kırılma indisi farkından
dolayı ışık havaya çıkamaz ve tam yansımaya uğrar.
Yeryüzünden bakıldığında her zaman yarım daire şeklinde
görünen gökkuşağı bazen çok parlaklığa sahipken bazen daha
az parlaklığa sahiptir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Güneş ışığı yağmur damlasına girdiğinde neden kırılmaya
uğrar? Bu kırılma sonucunda ışık neden altı renge ayrılır ve bu
renklerin sıralanışı niçin gökkuşağında olduğu gibi hep kırmızıdan
mora doğru olur? Gökkuşağının; yeryüzünden bakıldığında yarım
daire, yüksek bir tepeden veya uçaktan bakıldığında tam daire
şeklinde görülmesinin sebebi nedir?
Işık ışınlarının saydam bir ortamdan yoğunluğu farklı başka bir
saydam ortama geçerken doğrultu değiştirdiğini ve bu olayın kırılma
olarak adlandırıldığını fen ve teknoloji derslerinde öğrenmiştiniz.
Şimdi kırılma olayını bir etkinlikle hatırlayalım.
153
4. Ünite
7. Etkinlik
Tabaktaki Para
ARAÇ VE GEREÇLER
. Madenî para
. Porselen tabak
. Su
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Madenî parayı porselen tabağın tabanına yapıştırınız.
2. Tabağın üst kısmından parayı görebileceğiniz bir konuma geçiniz ve paraya bakınız.
3. Tabağın üst kısmından parayı göremeyinceye kadar tabağı kaydırınız.
4. Mevcut durumunuzu koruyarak bir arkadaşınızdan tabağı suyla doldurmasını isteyiniz
ve parayı tekrar gözlemleyiniz.
Sonuca Varalım
Madenî parayı göremez konumdayken tabak su ile doldurulduğunda parayı tekrar
görebildiniz mi? Şayet görebilmişseniz bu durumu nasıl açıklarsınız?
Bir ışık ışını saydam bir ortamda ilerlerken başka bir saydam
ortamın sınırına çarptığında ışığın bir kısmı yansır, bir kısmı da
ikinci ortama girer ve doğrultu değiştirebilir. Işınların ikinci ortamda
ilerlemesine ışığın kırılması denir. Işığın kırılmaya uğramasının
sebebi ortamın optik yoğunluğuna bağlı olarak mutlak hızının
değişmesidir. Ortama bağlı olarak değişen hız, farklı ortamlarda
ilerleyen ışığın yayılma doğrultusunu değiştirir.
Farklı bir ortama geçtiğinde ışığın yayılma doğrultusunun
değişmesi, beton yüzeyden çim yüzeye yuvarlanan bir varilin
ilerleme yönünün şekilde görüldüğü gibi değişmesine benzer.
Beton bir zeminden şekildeki gibi yuvarlanan
bir varilin sol tarafı çim zemine ulaştığında varil
yavaşlar. Bu esnada beton zeminde bulunan
varilin sağ tarafı başlangıç hızıyla hareket
eder. Varilin sol ve sağ tarafındaki hız farkı,
yön değiştirmesine neden olur. Benzer şekilde,
iki farklı saydam ortamın birbirinden ayrıldığı
yüzeye gelen ışık dalgasının da hız farkından
dolayı yönü değişir.
8
Havada ilerleyen ışığın hızı 3.10 m/s’dir.
Ancak ışık cam bir bloğa girdiğinde bu hız
8
2.10 m/s’ye düşer. Işık tekrar havaya çıktığında
ise hızı birden başlangıçtaki değerine ulaşır.
154
Dalgalar
vˈ
v > vˈ
c
c
v
Tahta bir bloğa ateşlenen merminin tahtadan geçerken hızı
azalır. Bunun nedeni merminin, enerjisinin bir kısmını tahta liflerini
koparmada kullanmasıdır. Mermi tekrar havaya çıktığı zaman
tahta bloktan çıktığı andaki hız değerine sahiptir. Sonuç olarak
merminin tahta bloğu terk etme hızı, tahta bloğa girdiği hızından
daha düşüktür.
Işığın havadan, başka bir maddeye geçerken sergilediği
davranış ile tekrar havaya geçmesi esnasında sergilediği davranış,
bir tahtaya saplanan ve sonrasında tahtayı terk eden merminin
davranışından farklıdır.
Bir cam parçasına gönderilen ışık demeti, bir cam atomundan
8
diğerine 3.10 m/s hızla ilerlemesine rağmen cam atomuna
çarptığında atom tarafından soğurulur. Enerjisi artan atom, fazla
enerjisini ışıma yaparak (foton salarak) atar. Bu soğurulma ve
ışıma sürecindeki zaman kaybı ışığın cam içerisindeki ortalama
8
hızının 2.10 m/s’ye düşmesine neden olur. Işık, havaya çıktığında
ise soğurma ve ışıma olayları sona erer ve ışığın hızı başlangıçtaki
değerine ulaşır. Ortam, ışığın hızını değiştirdiğinden boşlukta
yol alan ışığın ne kadar yavaş ilerlediği ortama ait kırılma indisi
ile ifade edilir. Belirli bir ortam için kırılma indisi, ışığın havadaki
hızının başka bir ortamdaki hızına oranı ile hesaplanır.
c
Buna göre mutlak kırılma indisi; n = şeklinde gösterilir.
v
Burada;
c : Işığın boşluktaki hızını,
v : Işığın saydam ortamdaki hızını ifade eder.
Aşağıdaki tabloda λ= 589 nm dalga boyuna sahip ışığın farklı
ortamlardaki kırılma indisleri verilmiştir.
Maddeler
Kırılma İndisi
Su
1,33 (20°C)
Etil alkol
1,362 (20°C)
Hava
1,00029 (0°C)
Karbon dioksit
1,0005 (0°C)
Cam
1,517 (22°C)
Buz
1,31 (0°C)
*Topdemir, Hüseyin G. 2007 kaynağından yararlanılarak düzenlenmiştir.
Kırılma indisi büyük olan ortamlarda, ışığın hızı daha düşük bir
değere sahip olacak ve daha fazla kırılmaya uğrayacaktır.
155
4. Ünite
Işığın bir yüzeye çarparak yansıması, saydam bir ortama
girdiğinde kırılarak doğrultu değiştirmesi, beyaz ışığın prizmada
renklerine ayrılması gibi olayların hepsi ışığın madde ile etkileşimi
sonucu gerçekleşir. Eğer ışık, madde ile etkileşim içerisine girmeseydi yukarıda bahsedilen kavramların hiçbiri oluşamazdı. Yani
ışık ile madde arasında etkileşim vardır. Bu nedenle ‟Işık ve madde
arasında etkileşim yoktur.” inanışı yanlıştır.
Yandaki resimde, içe­risinde kalem ve farklı sıvıların bulunduğu
cam beherler görülmektedir. Burada kalemlerin farklı oranlarda
kırılmış görünmesinin nedenini araştırınız. Araştırma sürecinde
İnternet (edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve
güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz.
Elde ettiğiniz bulguları bir poster haline getirerek arkadaşlarınızla
paylaşınız.
Ortamın niteliğinin dışında, ışığın kırılmasını etkileyen faktörler
var mıdır? Etkinlikle öğrenelim.
8. Etkinlik
Işığın Yolunu Değiştirelim
ARAÇ VE GEREÇLER
. Farklı renklerde ışıklara
.
.
.
.
sahip iki adet lazer
A4 boyutunda iki adet
milimetrik kâğıt
Paralel yüzlü cam levha
Kurşun kalem
Cetvel
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Milimetrik kâğıdı bir masaya yapıştırınız ve üzerine cam levhayı yerleştiriniz.
2. Levhanın kenarında bir nokta belirleyerek levhanın normalini çiziniz.
3. Lazerlerden birini kullanarak cam levhaya, levhanın normali ile farklı açılar yapacak
şekilde ışınlar gönderiniz.
4. Işınların cam levhaya giriş ve çıkış doğrultularını milimetrik kâğıt üzerinde işaretleyiniz.
Işınların izlediği yolu çiziniz.
5. Cam levhayı diğer milimetrik kâğıdın üzerine yerleştiriniz.
6. Farklı renklere sahip lazerleri kullanarak cam levhaya normalle aynı açıyı yapacak
şekilde ışınlar gönderiniz.
7. Her iki lazerden çıkan ışınlar için dördüncü adımdaki işlemleri tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Tek lazer kullanarak cam levhaya farklı açılarla ışın gönderdiğinizde ışının cam levhada
izlediği yolda nasıl bir değişiklik oldu? Açıklayınız.
2. Her iki lazeri kullanarak cam levhaya aynı açı ile ışın gönderdiğinizde ışının cam levhada
izlediği yol aynı mıdır? Bu durumu nasıl açıklarsınız?
156
Dalgalar
Işığın yansımasının belli
kurallara
göre
olduğunu
Yansıyan
Normal
öğrenmiştiniz. Işığın kırılması Gelen
ışın
ışın
da bazı kurallara bağlıdır ve
bu kurallar aşağıda verilmiştir.
i iˈ
1. Gelen ışın, kırılan ışın
Ara kesit
n1
1. Ortam
ve yüzeyin normali, aynı
n2
2. Ortam
P
düzlem üzerindedir.
r
2. Işığın ara kesite gelme
açısının
kırılma
açısına
Kırılan ışın
oranına, ikinci ortamın birinci
ortama göre bağıl kırılma
indisi denir.
Gökkuşağı oluşumunda olduğu gibi ışığın havadan suya
Güneş
geçerken nasıl kırıldığını inceleyelim.
ışığı
Gelen ışınlar
b
a
v1
1. Ortam
2. Ortam
Dalga sınırları
Normal
B
i
i
A
hava (n1)
r
Q
Arakesit
r P
Mor
Kırmızı
Işığın yağmur damlasına girerek kırılması
su (n2)
v2
Kırılan ışınlar
Burada;
|BQ| = v1.t ışığın havada aldığı yolu,
|AP| = v2.t ışığın su içinde aldığı yolu ifade eder.
ABQ ve APQ üçgenlerinden i ve r açılarının sinüsleri yazılacak
olursa;
| BQ |
| AP |
=
Sini =
ve Sinr
olur.
| AQ |
| AQ |
|BQ| = v1.t ve |AP| = v2.t değerleri eşitlikte yerine yazılıp gelme
ve kırılma açılarının sinüs değerleri oranlanırsa;
Sini v1
bulunur.
=
Sinr v 2
Ortamların kırılma indisleri;
c
c
n1 =
ve n2 =
dir.
v2
v1
Buradan hareketle birinci ortamdaki ışığın hızı;
c
v1 =
dir.
n1
İkinci ortamdaki ışığın hızı ise;
c
v2 =
dir.
n2
Sini v1
=
eşitliğinde v1 ve v2 yerine yazılırsa;
Sinr v 2
157
4. Ünite
c
Sini v1 n2
Sini v1 n1
⇒ = =
bağıntısına ulaşılır. Bu bağıntı
= =
c
Sinr v 2 n1
Sinr v 2
n2
Willebrord Snell
(1580 - 1626)
Hollandalı matematikçi ve
fizikçi Snell, 1621’de ışık ışınlarının
kırılma kurallarını belirleyen “Snell
Yasası”nı bulmuştur.
Snell Yasası olarak adlandırılır. Snell Yasası ışığın iki saydam
ortamın ara kesitinde uğradığı değişimleri ifade eder.
Işığın yoğunlukları farklı saydam ortamlarda ilerlerken doğrultu
değiştirerek kırıldığını öğrenmiştiniz. Işığın doğrultusunun ne kadar
değişeceği;
a) Ortamın niteliğine (Kırılma indisi olarak adlandırılan karak­
teristik bir nicelikle belirlenir.),
b) İki ortam arasındaki sınıra gelen ışığın gelme açısına,
c) Işığın dalga boyuna bağlıdır.
Snell Yasası’na göre ışık, kırılma indisi büyük olan ortamda
daha düşük hızlarda yayılır. Bu durumda, ışığın camda ilerleme
hızı havada ilerleme hızından daha küçüktür. Benzer şekilde ışık,
derin sularda sığ sulara oranla daha hızlı yol alır. Derin ortam az
kırıcı, sığ ortam ise çok kırıcı ortama benzetilebilir. Farklı saydam
ortamların ara kesit yüzeyine dik gelen ışık, doğrultu değiştirmez.
ışın
n1
n2
Işık saydam bir ortamdan diğerine geçerken kırıcılık indisleri
farkından dolayı doğrultu değiştirir. Doğrultu değiştiren ışığın
ortalama hızında da azalma olur. Ancak ışığın hızı değişmez.
Sadece ortam molekülleri arasında fotonun soğurulup salınması
sırasında ışığın ortalama hızında azalma olur.
Yani zaman bakımından gecikme olur. Işığın
enerjisi bu nedenle değişmez. Işıkta renk farklı
bir frekansa sahiptir. Bu nedenle kırmızı ışığın
hava ortamından cam ortama geçtiğinde yine
kırmızı olması onun frekansının değişmediğini
gösterir. Bu nedenlerle ‟Kırılma olayında ışığın
özellikleri değişir.”, ‟Kırılma olayında ışığın
frekansı (rengi) değişir.”, ‟Kırılma, dalgaların
bükülmesidir.” inanışları yanlıştır.
158
Dalgalar
Normal
Gelen
ışın
i=37°
1. Ortam
2. Ortam
iˈ
r
s
113°
P
Tek renkli bir ışık
demeti,
havadan sıvıya
Yansıyan
ışın
geçerken sıvı yüzeyinde
yansıma ve kırılmaya
uğruyor. Yansıyan ışın
Ara kesit n1 ile kırılan ışın demeti
açı
113°
n2 arasındaki
olduğuna göre sıvının
kırılma indisi kaçtır?
Kırılan ışın
Çözüm
Yansıma Kanunları’na göre gelen ışının normalle yaptığı açı,
yansıyan ışının normal ile yaptığı açıya eşittir (i = iˈ= 37°).
Yansıyan ışının yüzeyle yaptığı açı;
s = 90° - 37°
s = 53° dir.
Yansıyan ışın ile kırılan ışın arasındaki açı 113° olduğundan;
p = 113° - 53°
p = 60° bulunur.
Kırılma açısı ise;
r = 90° - 60°
r = 30° olur.
Snell Yasası’na göre;
sini n2
=
sinr n1
sin37° n
=
sin30° 1
0,6 n
=
0,5 1
SIVI
SIVI
nsıvı= 1,2 olarak bulunur.
Işık, Bir Ortamdan Diğer Ortama Her Durumda
Geçer mi?
Yazın asfalt bir yolda karşıdan gelen araçları su birikintisinin
içinden geçiyormuş gibi görürüz. Araca yaklaştığımızda bu
görüntünün gerçek olmadığını fark ederiz. Bu yanılgının sebebi
nedir? Etkinlikle öğrenelim.
159
4. Ünite
9. Etkinlik
Işığı Su içinde Yansıtalım
ARAÇ VE GEREÇLER
. Beherglas
. Düzlem ayna
. Lazer
. Su
. Tebeşir tozu
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Aynaya dik doğrultuyu aynanın normali olarak belirleyip lazer ışığını normalle belirli bir
açı yaparak gönderiniz.
2. Işığın, yüzeyin normali ile yaptığı açıyı artırarak her açıda hava ortamına çıkıp
çıkmayacağı hakkında hipotez kurunuz.
3. Beherglası suyla doldurunuz ve içine bir miktar tebeşir tozu serpiniz.
4. Işığı, su yüzeyine yüzeyin normali ile belirli bir açı yapacak şekilde düşürünüz. Burada
ölçüm yapmak zor olduğundan mümkün olduğunca gözleme ağırlık veriniz ve sonuçları
defterinizde bir model çizimle göstererek modeli yorumlayınız.
5. Hipotezi test etme sürecinde bağımlı, bağımsız ve kontrol değişkenleri belirleyiniz.
Bağımlı değişkenin bağımsız değişken üzerindeki etkisini araştırınız.
Sonuca Varalım
1. Işığın normalle yaptığı açıyı artırdığınızda yansıyan ışın her defasında havaya çıktı mı?
Bu durumlar hipotezinizi destekledi mi?
2. Yansıyan ışığın hava-su ara kesit yüzeyine paralel olması durumunda gelme açısı kaç
derecedir?
3. Gelme açısından daha büyük bir açıyla ara kesit yüzeyine gelen ışık, havaya geçebildi
mi?
4. Gökkuşağı oluşmasında Güneş ışığının yağmur damlası içerisinde gösterdiği özellik,
etkinlikteki sonuçlarla örtüşüyor mu? Benzerlik ve farklılıklarını tartışınız.
Çok kırıcı ortamdan az kırıcı ortama geçerken ışığın az kırıcı
ortamda sahip olacağı ortalama hız büyük olur. Bu nedenle ışık,
normalden uzaklaşacak şekilde doğrultu değiştirir. Yani ışık, kırılma
indisi büyük saydam ortamdan kırılma indisi düşük saydam ortama
girerse normalden uzaklaşır.
1
n2
2
r1
n1
i1
3
r2
i2
s
4
α α
Kaynak
Işık kaynağından hava - su ara kesit yüzeyine şekilde görül­
160
Dalgalar
düğü gibi gönderilen ışınların gelme açıları büyüdükçe kırılma
açıları da artacaktır. Kırılma açısındaki bu artış 90° oluncaya kadar
devam eder ve 90° olduğunda ışın, ara kesite paralel duruma gelir.
Kırılma açısının 90° olduğu andaki gelme açısı sınır açısı olarak
adlandırılır. Işık, sınır açısından daha büyük gelme açıları için
diğer ortama geçemez, aynı ortamda yansıma yapar. Bu duruma
tam yansıma denir. Buradan hareketle ışığın her durumda, az
kırıcı ortamdan çok kırıcı ortama geçebileceğini ancak çok kırıcı
ortamdan az kırıcı ortama geçemeyeceğini söyleyebiliriz.
Sıcak yaz günlerinde araçların asfalt yol üzerinde su birikintisinin
içinden geçiyormuş gibi görünmesi ışığın tam yansıma yapmasıyla
açıklanır. Havanın, yeryüzüne yakın yerlerde sıcak, diğer yerlerde
soğuk olması hâlinde gökyüzünden gelen ışınlar, soğuk havadan
geçerek sıcak havada tam yansımaya uğrar. Bu nedenle ışınlar,
bir su birikintisinden geçiyormuş gibi hissedilir. Su birikintisinin
göründüğü yere yaklaştıkça bu algılamanın yanlış olduğu anlaşılır.
Aslında görünen su değil, mavi gökyüzünün ısınmış asfalttaki
görüntüsüdür. Benzer olay çölde de yaşanır.
Bazı cisimlerin oldukları yerden daha
yüksekte görülmesi ve serap olayı ışığın
atmosferde tam yansımasının sonucudur.
Yazın, buharlaşma ve hava akımlarından
dolayı deniz yüzeyinden belirli bir mesafeye
kadar hava sıcaklığı artar. Hava ısındıkça
genleşir ve kırılma indisi küçülür. Deniz
yüzeyine yakın olan hava tabakası, kırılma
indisi büyük, yükseklerdeki hava tabakası
ise kırılma indisi küçük iki farklı ortam gibi davranır. Bu durumda
soğuk tabakada bulunan gemiden çıkan ışınlar, sıcak tabakaya
sınır açısından daha büyük açılarla gelir ve tam yansımaya uğrar.
Tam yansımayla göze gelen ışınların doğrultusunda görünen gemi,
olduğu yerden daha yüksekte ve ters görünür.
Sıcak hava
Soğuk hava
Deniz
Soğuk hava
Sıcak hava
Çöl
Atmosferde bir nesnenin görüntüsünün cisme alttan yapışmış
gibi görünmesine serap denir.
Gökkuşağı oluşumunda yağmur damlasının içine giren ışık,
kırılmanın yanı sıra tam yansımaya uğrar. Su damlacığının üst
kısmından kırılarak giren ışın, renklerine ayrıldıktan sonra tam
yansıma yapar ve alt kısımda kırılarak su damlasını terk eder.
Güneş
ışığı
Mor
Kırmızı
161
4. Ünite
Güneş
Görünen
Konum
G1
Gözlemci
Ufuk
Yer
Asıl
Konum
G
Güneş
Atmosfer
n2
n1 > n2
n1
Optik kırılma atmosfer için de geçerlidir. Atmosferin her
tabakasının kırılma indisi aynı olmadığından Güneş'ten ve diğer
yıldızlardan gelen ışınlar, farklı kırılmalara uğrayarak göze ulaşır.
Göz, cisimleri ışığın göze geldiği doğrultuda göreceğinden cisimler
bulundukları konumlara göre farklı yerlerde görülür. Yukarıdaki
şekilde de görüldüğü gibi Güneş, kırılmadan dolayı G’deki asıl
konumu yerine G1 de görülecektir. Işığın atmosfer tarafından
kırılmaya uğraması sonucunda Güneş olduğundan daha büyük
görünecektir. Suyun içindeki cisimlerin olduğundan daha büyük ve
farklı görünmesi de benzer şekilde açıklanır.
Fiberoptik kablolar, tam yansımanın en önemli teknolojik
uygulamalarındandır. Bu kablolar, içinde ışığın yönlendirilebildiği
plastik veya cam fiberlerden yapılmıştır. Işık, fiber içerisine sınır
açısından daha büyük bir açı ile gönderilir ve tam yansıma
yaparak kalır. Bu durumda fiber, ışığı ileten bir kablo görevi
görür. Fiberoptik kabloların diğer iletim malzemelerine göre
avantajı uygun mesafelerdeki veri iletiminin daha kaliteli
ve yüksek değerlerde yapılabilmesini sağlamasıdır.
Atmosferdeki kırılma ve yansımalara bağlı olarak günlerin
uzamasının nedenlerini araştırınız. Araştırma sürecinde İnternet
(edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz. Araştırma
sonuçlarını bilgisayar, projeksiyon, tepegöz vb. teknolojik araçları
kullanarak bir sunu hâline getiriniz. Hazırladığınız sunumu sınıfta
sergileyiniz.
162
Dalgalar
Okçu balıkları
Ana vatanı Avustralya ve Güneydoğu Asya olan
okçu balığı etçil bir hayvandır. Adından da anlaşıldığı gibi
avlanması çok ilginçtir. Su yüzeyine yakın bir noktada
durur ve suya yakın bir dal ya da yaprakta bulunan
böcekleri gözler. Hedefini belirlediği anda ağzından
püskürttüğü suyla hedefini vurur ve bulunduğu yerden
suya düşürür.
Okçu balığının suyun içinden havada bulunan canlının yerini doğru belirlemesi avlanma
için önemli bir başarıdır. Ayrıca, ağzındaki su püskürtme sistemi avlanmanın diğer önemli
unsurudur. Püskürtülen su son derece düzgün bir çizgi üzerinde, dağılmadan suyun dışındaki
hedefe ilerler. Püskürtme işleminde belli bir miktar basınç gereklidir. Bu basınç, balığın
gevşeyerek suyu içine alan kaslarının aniden kasılması sonucu oluşur.
Okçu balığı, hedefini vurup suya düşürdüğünde avını yakalama konusunda da çok hızlıdır.
Çünkü okçu balıkları avlarına atışını yaparken avının düşeceği yeri de belirler.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Su içindeki nesnelere dışarıdan bakıldığında bu nesnelerin asıl
yerlerinden farklı bir yerde görülmesinin sebebi nedir? Etkinlikle
öğrenelim.
10. Etkinlik
Paranın Yeri Farklı Sıvılarda Neden
Değişti?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Üç adet 200 mL’lik
beherglas
. Üç adet madenî para
. 100 mL su
. 100 mL sıvı yağ
. 100 mL ispirto
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Paraları beherglasların tabanlarına yerleştiriniz.
2. Beherglaslardan birine su, birine sıvı yağ, diğerine de ispirtoyu eşit miktarda dökünüz.
3. Beherglasların içindeki paralara, yüzeyin normaline yakın doğrultuda, eşit uzaklıktan
bakınız. Paraların yüzeye uzaklıklarını ‟az, çok, daha çok” kelimelerini kullanarak defterinize
kaydediniz.
4. Beherglaslardaki paralara, yüzeyin normaline uzak doğrultuda, eşit uzaklıktan bakarak
üçüncü adımdaki işlemleri tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Beherglaslara yüzeyin normaline yakın doğrultuda, eşit uzaklıktan baktığınızda paraları
aynı yerde mi gördünüz? Nedenleriyle açıklayınız.
2. Beherglaslara yüzeyin normaline uzak doğrultuda, eşit uzaklıktan baktığınızda paraları
aynı derinlikte mi gördünüz? Açıklayınız.
Görme olayı, cisimlerden yansıyan ışınların göze gelmesi
ile sağlanır. Eğer ışık, göze farklı saydam ortamlardan geçerek
geliyorsa bu saydam ortamların ara kesitinde kırılmaya uğrar. Göz,
163
4. Ünite
cisimleri kırılarak göze ulaşan ışığın doğrultusunda görür. Böylece
cisimler asıl bulundukları yerlerden daha farklı yerlerde algılanır.
Cismin olduğu yerden daha uzakta veya daha yakında görülmesi,
gözlemcinin az kırıcı ya da çok kırıcı ortamda bulunmasına bağlı
olarak değişir. Bu durumu gözlemcinin az kırıcı, cismin çok kırıcı
ortamda bulunmasına göre inceleyelim.
Gözlemci
Kuş, balığı gerçek derinliğinden
daha az derinde görür.
n1
S
n2
dˈ
d
r
R
r
i
Pˈ
i P
su
Şekildeki gibi P cisminden göze gelen en az iki ışın çizelim.
Bu ışınlar su - hava ara kesitinde kırılarak göze Pˈ noktasından
geliyormuş gibi görünür. Bu durumda gözlemci P cismini göze
gelen ışın doğrultusunda yüzeye daha yakın olan Pˈ noktasında
görür. Gerçek derinliği d olan P cisminin görünür derinliği (dˈ)ni
veren ifadeyi bulmaya çalışalım.
| SR |
PRS üçgeninde tani =
(1)
d
| SR |
(2) (1) ve (2) ifadeleri oranlanırsa;
PˈRS üçgeninde tanr =
d'
| SR |
tani
= d
tanr | SR |
d'
tani
olur.
d'= d ⋅
tanr
Çok küçük açılarda açıların tanjantları yerine sinüsleri alınabilir.
Sudan havaya geçişte R noktası için Snell Yasası’nı yazarsak;
n
sini n1
=
olur. Buradan; d'= d ⋅ 1 olur. Cisim az kırıcı ortamda,
n2
sinr n2
gözlemci çok kırıcı ortamda olduğu için geçerli olan genel ifade;
ngözlemci
şeklinde olur.
d'= d ⋅
Pˈ
ncisim
Balık, uçan kuşu deniz
yüzeyinden daha yüksekte görür.
164
Cisim az kırıcı ortamda, gözlemci
çok kırıcı ortamda ise gözlemci, cismi
bulunduğu yerden daha uzakta görecektir.
Okçu balıkları avlayacağı böceği
bulunduğu yerden daha farklı bir yerde
görür. Bu durumu ortadan kaldırmak için
normale yakın doğrultuda durarak suyu
fışkırtır ve hedefi vurur.
r
n1
n2
i
Göz
R
P
d
dˈ
S
su
Dalgalar
240 cm
120 cm
Göz seviyesi su yüzeyinden 240 cm yükseklikteki bir balıkçı,
normale yakın bir noktadan 120 cm derinlikte bulunan bir dalgıca
bakmaktadır (nh=1, ns=4/3).
a) Balıkçı, dalgıcı kendinden kaç cm uzakta görür?
b) Dalgıç, balıkçıyı kendinden ne kadar uzakta görür?
Çözüm
a) Balıkçı, dalgıcı
n
d'= d ⋅ gözlemci
ncisim
14
d = 120 ⋅ = 90cm
4
d' = 240 ⋅ 3 = 320 cm
31
240 cm
dˈ
'
120 cm
derinlikte ve kendinden;
240 + 90 = 330 cm
uzakta görür.
b) Dalgıç ise balıkçıyı;
n
d'= d ⋅ gözlemci
ncisim
4
d' = 240 ⋅ 3 = 320 cm
1
su yüzeyinden daha uzakta
görür. Kendisinden uzaklığı
ise;
320 + 120 = 440 cm'dir.
dˈ
240 cm
120 cm
165
4. Ünite
Odak uzaklığı f = 30 cm olan
çukur ayna önüne kırılma indisi
n=4/3 olan camdan yapılmış prizma,
şekildeki
gibi
yerleştirilmiştir.
Aynanın merkezinde bulunan bir
ışık kaynağının görüntüsü, çukur
aynadan ne kadar uzaklıkta oluşur?
M
ışık kaynağı
cam levha
Çözüm
Işık kaynağının çukur aynada görüntüsünü oluşturalım ve bu
görüntünün aynaya görünür uzaklığını bulalım.
ngözlemci
d'= d ⋅
ncisim
4
3
Dc = d = 60 ⋅ = 80 cm aynaya uzaklıkta görünür.
1
'
Bu uzaklıktaki ışık kaynağının çukur aynadaki görüntüsünün
yerini hesaplayalım.
1 1
1
bağıntısında verilenleri yerine yazacak olursak;
=
+
f Dc D g
1
1
1
1
1
1
=
+
⇒
=
−
30 80 Dg
Dg 30 80
Dg= 48 cm olarak bulunur.
Işık, bir prizmadan geçerken yağmur damlasına veya sisi
oluşturan taneciklere çarptığında renk tayfı oluşur. Bunun sebebi
nedir? Etkinlikle öğrenelim.
11. Etkinlik
Işık Neden Renklere Ayrıldı?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Işık kaynağı
. Işık prizması
. Ekran
. Bağlama parçası
. Üçayak
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Ekranı bağlama parçası ile sabitleyiniz.
2. Işık kaynağını tek bir ışık demeti verecek şekilde ayarlayınız.
166
Dalgalar
3. Prizmayı ekran ile ışık kaynağı arasında tutunuz.
4. Beyaz ışığı prizma üzerine düşürünüz.
5. Ekranı hareket ettirerek kırılan ışınların ekran üzerinde görünmesini sağlayınız.
6. Görüntü net değilse prizmayı döndürerek net bir görüntü elde etmeye çalışınız.
Sonuca Varalım
1. Renkler ekran üzerinde nasıl sıralandı?
2. En çok ve en az kırılan renkler hangileridir?
3. Beyaz ışığın renklere ayrılmasının sebebi nedir? Açıklayınız.
Işığın havadan cama girerken ortalama hızında azalma olur. Bu
nedenle hava ve camın kırılma indisleri birbirinden farklıdır. Kırılma
açısı dalga boyuna bağlı olarak değişir. Geniş dalga boyu ağını
içeren beyaz ışık demeti, cam prizma tarafından dağıtıldığında
farklı dalga boylarına sahip ışık demetleri hâlinde farklı doğrultulara
yayılır. Eğer gelen dalga, tek renkten değil de dalga boyları farklı
olan dalgaların birleşmesinden oluşuyorsa birleşimi oluşturan her
bir dalga, farklı açıyla kırılacaktır.
Ortam, ışığın frekansını değiştirmez. Işığın frekansı kaynağa
bağlıdır. v = λ . ƒ ifadesine göre ışığın hızı farklı kırılma indisine sahip
ortamlarda değiştiğinden dalga boyu da değişime uğrayacaktır.
Prizmaya gönderilen beyaz ışık demeti
prizmada kırıldıktan sonra sırasıyla kırmızı,
turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renklere ayrılır.
Bu olaya beyaz ışığın renklere ayrılması beyaz
(dispersiyon) denir. Beyaz ışık prizmada
kırıldıktan sonra ortaya çıkan renklerden en az
prizma
kırmızı, en çok mor ışığın kırıldığı gözlemlenir.
Bunun nedeni prizmanın değişik renklere, yani
farklı frekanslara gösterdiği kırılma indislerinin aynı olmamasıdır.
Yağmur damlalarına giren Güneş ışığı, gökkuşağı olarak bilinen
renk tayfını oluşturur. Güneş ışığı bir su damlasına çarptığında
yansıma ve kırılmalar sonucunda mor ışık en çok, kırmızı ışık en
az sapacak şekilde bir renk tayfı gözlemlenir. Damlaya giren güneş
ışığı, damlanın arka yüzeyinde yansır ve ön yüzeyden kırılarak
çıkar. Bu ışınlardan kırmızı olanı, damlaya gelen güneş ışığı ile
42°, mor olanı ise 40° lik sapma açısı yapar.
kırmızı
turuncu
sarı
yeşil
mavi
mor
beyaz
42° 40°
42°
40°
167
4. Ünite
Gökkuşağını izleyen bir gözlemcinin gözüne
ulaşan kırmızı renkteki ışık, gökkuşağının
üstündeki yağmur damlalarından gelir. Aynı su
damlalarındaki mor ışık ise diğer renklere oranla
daha az sapmaya uğrayacağından gözlemciye
ulaşamayacaktır. Dolayısıyla gözlemci, bu
damladan gelen ışıklardan sadece kırmızı renkte
olanı görecektir. Benzer şekilde gökkuşağının
altındaki yağmur damlalarından gözlemciye
sadece mor renkte bir ışık ulaşır. Burada kırmızı
ışık diğerlerine oranla daha çok kırılacağından
toprağa çarpacak ve gözlemciye ulaşamayacaktır.
Bunun sonucunda kırmızı ışık en üstte, mor ışık en altta olacak
şekilde aradaki yağmur damlalarından göze ulaşan ışıkların rengi
sırasıyla mavi, yeşil, sarı ve turuncu olacaktır. Böylece altı renkten
oluşan yarım daire şeklindeki gökkuşağı gözlemlenir. Yeterince
yüksekten bakılırsa gökkuşağı tam daire şeklinde de görülebilir.
Bazen aynı anda biri, diğerinden büyük olmak üzere iki
gökkuşağı gözlemlenebilir. Büyük gökkuşağındaki renklerin
sıralanışı küçük olana göre terstir ve parlaklığı daha azdır. Bunun
nedeni güneş ışığının yağmur damlasında iki kez kırılma ve iki kez
yansımaya uğramasıdır.
Güneş
ışığı
Fiberoptik kabloların uygulama alanlarından
endoskopi cihazının çalışma ilkelerini araştırınız.
168
biri
olan
Dalgalar
IŞIKLA RESİM ÇİZEN ARAÇ: FOTOĞRAF MAKİNESİ
Bazı ressamlar, doğayı eserlerine olduğu gibi aktarmak ve
eserlerinde gerçekçiliği görsel açıdan yakalamak isterler. Rönesans
dönemindeki ressamlar bunu başarabilmek için küçük ve taşınabilir
karanlık kutular yapmış, kutuların arka yüzeyine tuval bezi yerleştirerek
görüntüleri doğru perspektifle kopya etmeye çalışmışlardır. Çevreden
yansıyan ışığı kutunun bir yüzeyinde bulunan delikten geçirmişler
ve kutunun karşı yüzeyinde ters bir görüntü oluşturmuşlardır. Ancak
ressamlar kutu yüzeyinde oluşan görüntünün parlaklığı ve netliği ile
ilgili problemler yaşamışlardır. Bunun nedeni kutudaki deliğin çapının
boyutudur. Kutudaki deliğin çapı küçültüldüğünde görüntü netleşirken
parlaklık azalmış, çap genişletildiğinde ise görüntü parlaklaşmış ancak
netlik kaybolmuştur. Bu sorun karanlık kutu önüne yerleştirilen ve gelen
ışığı geldiği doğrultuya göre kırarak farklı doğrultularda ileten ince
kenarlı bir mercekle giderilmeye çalışılmıştır. Daha sonra ressamlar
kendi çizimlerine gerek olmadan görüntünün karanlık kutularda kalıcı
hâle gelmesini istemişlerdir. Bu sebeple film gibi ışığa karşı duyarlı
malzemeler geliştirilmiş, fotoğraf makineleri icat edilmiştir.
Fotoğraf makineleri, temel ilkeleri karanlık kutulardakiyle aynı
kalmak koşuluyla biçimsel değişikliklere uğrayarak on dokuzuncu
yüzyılın başlangıcından günümüze kadar ulaşmıştır. Bu süreçte
fotoğraf makinelerinin ilk hâli olan karanlık kutulara mercekler ilave
edilmiş ve filmlerin ışığa karşı duyarlılıkları artırılmıştır. Ayrıca karanlık
kutulara diyafram eklenmiş, pozlama süresini ayarlayan düzenekler
icat edilmiş ve farklı odak uzaklıklarına bağlı olarak görüntünün
boyunu değiştirebilen objektifler geliştirilmiştir. Böylece günümüzde
kullanılan modern fotoğraf makineleri ortaya çıkmıştır.
Fotoğraf makineleri, cisimlerden yansıyan ışığın oluşturduğu
görüntünün film ya da fotoğraf kartındaki ışığa duyarlı yüzeye
pozlanabilmesi için gereken ortamı sağlayan optik düzeneklerdir.
Fotoğraf makinelerinde gelen ışığı geldiği doğrultuya göre kırarak
faklı doğrultularda iletmekte kullanılan mercekler tıpta bazı göz
kusurlarının giderilmesinde de kullanılır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
169
4. Ünite
12. Etkinlik
Fotoğraf makinelerinin ilk hâli olan karanlık kutularda
görüntünün netliğinin ve parlaklığının sağlanması için neden ince
kenarlı mercek tercih edilmiştir? Günümüzde kullanılan fotoğraf
makinelerinin objektiflerinde çok sayıda mercek bulunur. Bu
merceklerin bazıları ince, bazıları kalın kenarlıdır. Buna rağmen
objektifin toplam optik özelliğinin ince kenarlı mercek gibi olmasını
nasıl açıklarsınız? Fotoğraf makinelerinin diyafram kısmının işlevi
nedir? İnsan gözü ile fotoğraf makinelerinin çalışma prensipleri
karşılaştırıldığında hangi bölümler aynı işlevi görür?
Kırılma, düzlem yüzeylerde olduğu gibi kavisli yüzeylerde de
gerçekleşir. Işığı kırmanın bir başka yolu da mercek kullanmaktır.
Paralel olmayan kavisli iki yüzey ya da bir tarafı düz, bir tarafı kavisli
olan yüzeye sahip saydam nesnelere mercek denir. Merceklerin
ince ve kalın kenarlı olmak üzere iki çeşit olduğunu fen ve teknoloji
derslerinde öğrenmiştiniz.
Işığın merceklerle nasıl odaklandığını ve nasıl dağıtıldığını
etkinlikle öğrenelim.
Merceklerle Işınları Odaklayalım
ARAÇ VE GEREÇLER
. Cetvel
. İnce kenarlı mercek
. Kalın kenarlı mercek
. Diyafram
. Ekran
. Üçayak
. Destek çubuğu ve
.
.
bağlama parçası
Milimetrik kâğıt
Işık kaynağı
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. İnce kenarlı merceği milimetrik kâğıt
üzerine masa düzlemine paralel şekilde
yerleştiriniz. Merceğin asal eksenini milimetrik
kâğıt üzerine çiziniz.
2. Diyaframı üç tane paralel ışın oluşacak
şekilde ışık kaynağı önüne yerleştiriniz.
3. Üç paralel ışını, ince kenarlı merceğe asal eksenine paralel olacak şekilde gönderiniz.
4. Işınların toplandığı noktayı işaretleyerek merceğin optik merkezi ile bu nokta arasındaki
uzaklığı cetvelle ölçünüz.
5. Üçüncü ve dördüncü adımdaki işlemleri kalın kenarlı mercek için tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
Işık, hem ince kenarlı hem kalın kenarlı mercekte hangi noktada toplanmıştır? Bu noktaların
merceklere uzaklıkları neye eşittir?
170
Dalgalar
optik eksen
M2
R2
R1
M1
Yukarıdaki şekillerde de görüldüğü gibi saydam bir ortamdan
kesilen kısım üzerine gönderilen ışınları bir noktada toplayan
merceklere ince kenarlı (yakınsak) mercek denir. İnce kenarlı
merceğin asal eksenine paralel gelen ışınların merceği geçtikten
sonra toplandıkları nokta odak noktası olarak tanımlanır.
Karşılıklı yüzeyleri küresel olan merceklerin merkezlerini
birleştiren doğru, merceğin optik eksenidir.
R1
optik eksen
M1
R2
M2
Yukarıdaki şekillerde görüldüğü gibi üzerlerine gelen ışınları
dağıtan merceklere kalın kenarlı (ıraksak) mercek denir. Kalın
kenarlı merceğin asal eksenine paralel gelen ışınlar, optik eksen
üzerindeki bir noktadan geliyormuş gibi kırılır. Bu nokta kalın
kenarlı merceğin odak noktasıdır.
Işınlar hem merceğe girerken hem de mercekten çıkarken
kırılmaya uğrar.
M
F
O
F
M
F
O
F
171
4. Ünite
13. Etkinlik
Küresel aynalarda özel ışınların nasıl yansıdıklarını öğrendik.
Peki, kırılma olayının gerçekleşeceği merceklerde özel ışınlar nasıl
bir yol izler? Etkinlikle öğrenelim.
Işınların Merceklerle Değişen Yolları
ARAÇ VE GEREÇLER
. Bir adet ince kenarlı
mercek (f=20 cm)
. Bir adet kalın kenarlı
mercek (f=20 cm)
. Diyafram
. Milimetrik kâğıt
. Güç kaynağı
. Üç ayak,
. Destek çubuğu
. Bağlama parçası
. Cetvel
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Milimetrik kâğıdı ma­
sa üzerine yatay olarak yer­
leştiriniz.
2. İnce kenarlı merceği
mili­metrik kâğıt üzerine,
masa düz­lemine paralel
şekilde yer­leştiriniz. Merceğin asal ekse­nini milimetrik kâğıt üzerine çiziniz.
3. Özel ışınları merceğe göndermeden önce izleyecekleri yolla ilgili hipotez kurarak
bağımlı, bağımsız ve kontrol değişkenleri belirleyiniz.
4. Hipotezi sınama sürecinde, kontrol değişkenini sabit tutarak bağımsız değişkenin
bağımlı değişken üzerindeki etkisini gözlemleyiniz.
5. Lazer yardımıyla ince kenarlı merceğin asal eksenine paralel olacak şekilde bir ışın
gönderiniz.
6. Odak noktasından geçecek şekilde merceğe ışın gönderiniz.
7. Optik merkezden geçecek şekilde merceğe ışın gönderiniz.
8. Lazerle 2f uzaklığından geçecek şekilde merceğe ışın gönderiniz.
9. Herhangi bir yerden geçecek şekilde merceğe ışın gönderiniz.
10. Bu etkinliği kalın kenarlı mercek için de tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Işının merceklerde izlediği yollar her durumda aynı mıdır?
2. Kırılan ışınların izlediği yollar hipotezinizle örtüşüyor mu?
3. Kırılan ışının izlediği yol neye göre değişir?
172
Dalgalar
Herhangi bir ışının merceklerde izleyeceği yolu bulabilmek için
şekildeki gibi, gelen ışına paralel ve optik merkezden geçen bir
yardımcı eksen çizilir.
Optik eksenin odak noktasından bir dikme çıkılarak yardımcı
odak bulunur ve ışın bu odaktan geçirilir. İnce kenarlı mercek, ışını
asal eksene doğru kırarken kalın kenarlı mercek, asal eksenden
uzaklaştıracak şekilde kırar.
yardımcı
F1 odak
I
O
Fˈ
yardımcı
eksen
I
F
F
Fˈ
F1
yardımcı
eksen
yardımcı
odak
Yardımcı eksen çizmeden herhangi bir ışının mercekte
izleyeceği yol, özel ışınlar kullanılarak da bulunabilir.
Merceklerde görüntü çiziminde küresel aynalarda olduğu gibi
özel ışınlardan faydalanılır. İnce ve kalın kenarlı merceklerde özel
ışınlar aşağıdaki şekillerde görüldüğü gibi kırılır.
İnce kenarlı mercekler
O
F
Kalın kenarlı mercekler
F
O
İnce kenarlı merceğin optik eksenine
Kalın kenarlı mercekte ışın, optik
paralel gelen ışın, kırıldıktan sonra
eksene paralel olarak gelirse uzantısı
odaktan geçer.
odaktan geçer.
F
O
O
F
İnce kenarlı merceğe odaktan geçerek
Kalın kenarlı merceğe uzantısı odaktan
gelen ışın, merceğin optik eksenine
geçecek şekilde gelen ışın, optik
paralel olarak kırılır.
eksene paralel olarak kırılır.
173
4. Ünite
M
F
O
F
M
İnce kenarlı merceğe M'den geçerek
F
M
O
F
M
Kalın kenarlı merceğe uzantısı M
gelen ışın, diğer M'den geçecek
noktasından geçecek şekilde gelen ışın,
şekilde kırılır.
uzantısı diğer M'den geçecek şekilde kırılır.
O
F
F
O
İnce kenarlı merceğin optik
Kalın kenarlı merceğin optik merkezine
merkezine gelen ışın, kırılmadan
gelen ışın, kırılmadan yoluna devam
yoluna devam eder.
eder.
İnce kenarlı mercekler ışığı topladığından fotoğraf makinelerinin
objektiflerinde kullanılır. Film ya da ışığa duyarlı kayıt yüzeyi
merceklerin odak uzaklığındaysa görüntü net olacaktır. Mercekler
fotoğraf makinelerinde gelen ışığı geldiği doğrultuya göre kırar
ve net bir görüntü oluşmasını sağlar. Fotoğraf makinelerinde
kullanılan objektiflerde odak uzaklıkları ayarı vardır. Odak uzaklığı
değiştirildiğinde kayıt yüzeyinin yeri de değiştirilmelidir. Çünkü kayıt
yüzeyi, odak uzaklığının önünde veya arkasında kalırsa görüntü
bulanık olur.
174
Dalgalar
Cismin bulunduğu konumun, merceklerde oluşan görüntünün
yerine ve boyuna etkisi var mıdır? Etkinlikle öğrenelim.
14. Etkinlik
Görüntülerin Yerlerini Bulalım
ARAÇ VE GEREÇLER
. İnce kenarlı mercek
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
(f=20 cm)
Saplı ekran
Lazer ışık kaynağı
Milimetrik kâğıt
Bağlantı çubuğu
Metre
Kâğıt şerit
Çakmak
Mum
İzole bant
İki adet üçayak
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Mumu, mercekten 60 cm, 40 cm, 30 cm, 20 cm ve 10 cm uzaklıklara getirmeden önce
görüntülerin nerede oluşacağı hakkında hipotez kurunuz. Hipotezi sınama sürecinde bağımlı,
bağımsız ve kontrol değişkenleri belirleyiniz.
2. Kontrol değişkenini sabit tutarak bağımsız değişkenin bağımlı değişken üzerindeki
etkisini karşılaştırınız.
3. Mumu, mercekten 60 cm, 40 cm, 30 cm, 20 cm ve 10 cm uzaklıklara getiriniz. Ekranı
merceğin diğer tarafında gezdirerek net görüntüleri ve yerlerini belirleyiniz.
4. Mumun boyunu ve merceğe olan uzaklıklarını 1/10 ölçeğinde küçülterek görüntünün
boyu ve konumunu çizimle hesaplayınız.
Sonuca Varalım
1. Mumun görüntüsü belirlediğiniz her uzaklıkta ekran üzerinde oluştu mu? Bu görüntülerin
yerleri nerededir?
2. Görüntülerin yerleri kurduğunuz hipotezinizle örtüşüyor mu?
3. İnce kenarlı mercekte oluşan görüntülerin yerleri ve özellikleri nasıldır?
4. Görüntünün oluştuğu yere cismi, cismin bulunduğu yere ekranı koyduğunuzda net
görüntü oluştu mu? Açıklayınız.
Küresel aynalarda olduğu gibi merceklerde de cismin görüntüsü
bulunurken özel ışınlardan en az iki tanesi merceğe gönderilir.
Mercekte kırılan ışınların kendilerinin veya uzantılarının kesiştiği
yerde cismin görüntüsü oluşur.
Cismin konumuna bağlı olarak görüntünün yerini ve özelliklerini
ince kenarlı mercekler için inceleyelim.
175
4. Ünite
M
F
F
O
F
O
F
M
1) Cisim sonsuzda ise cisimden gelen ışınlar, merceğin
asal eksenine paralel olacağından kırıldıktan sonra odak
noktasında kesişir ve nokta şeklinde gerçek görüntü oluşur.
2) Cisim, M’nin dışında ise görüntü M ile F arasında,
cisimden küçük, ters ve gerçek oluşur.
M
M
M
F
F
O
O
F
F
F
F
O
F
M
O
3) Cisim, M’de ise görüntüsü diğer M’de cismin boyuna
eşit, ters ve gerçek oluşur.
4) Cisim, F ile M arasında ise görüntü diğer M’nin
dışında cisimden büyük, ters ve gerçek oluşur.
5) Cisim, odakta ise görüntü sonsuzda oluşur.
F
6) Cisim, odak ile mercek arasında ise görüntü cisim
tarafında, cisimden büyük, düz ve sanaldır.
İnce kenarlı mercekte cisim, sonsuzdan merceğin odak noktasına
doğru yaklaştığında görüntü mercekten uzaklaşır ve büyür.
"Işıkla Resim Çizen Araç: Fotoğraf Makinesi" adlı metinde
ifade edildiği gibi fotoğraf makinelerinde görüntünün boyunun
değiştirilmesi farklı odak uzaklıklarına sahip objektiflerle
sağlanmaktadır.
176
Dalgalar
Cismin konumuna bağlı olarak görüntünün yerini ve özelliklerini
kalın kenarlı mercekler için inceleyelim.
1) Cisim, sonsuzdaysa görüntü odakta, zahirî
ve noktasal olur.
F
2) Cisim, sonsuzla mercek arasında ise görüntü
odak ile mercek arasında, zahirî ve düzdür.
F
O
O
F
F
Kalın kenarlı mercekte cisim sonsuzdan merkeze doğru
yaklaştığında görüntü merceğe yaklaşır ve büyür. Cisim mercekten
uzaklaştığında görüntü küçülür ve odağa yaklaşır.
‟Görüntülerin Yerlerini Bulalım” adlı etkinlikte ince kenarlı
mercek kullanarak farklı konumlar için cismin görüntülerinin yerlerini
ve özelliklerini incelemiştik. İnce kenarlı merceklerde bir cismin
görüntüsünün yerini ve boyunu hesaplamak için matematiksel
eşitlikleri oluşturmaya çalışalım.
K
P
Hc
F
L
Dc
f
O
F
f
Dg
Lˈ
Hg
Kˈ
M
Şekildeki POF üçgeni FKˈLˈ benzer üçgenlerinden
Hg
=
Hc
Dg − f
f
bulunur.
Şekildeki KLO ile KˈLˈO benzer üçgenlerinden;
Hg
=
Hc
Dg
Dc
yazılabilir.
Hg Dg − f
H
Dg
eşitliği birleştirilecek olursa;
=
=
ve g
Hc
f
Hc Dc
Dg − f
f
=
Dg
Dc
1 1
1
=
+
f Dc D g
eşitliği elde edilir. Buradan;
bağıntısına ulaşılır. Bu bağıntı gerçek cisim ve
gerçek görüntüyü ifade eder.
177
4. Ünite
Kalın kenarlı merceklerde bir cismin görüntüsünün yerini ve
boyunu hesaplamak için matematiksel eşitlikleri oluşturalım.
K
M
M
Hc
Kˈ
Hg
Lˈ
F
L
O
Dg
Kˈ
Hg
Lˈ
Dg
F
O
f
Dc
Dc
K
M
Hc
F
L
Kˈ
Hg
Lˈ
Dg
FKˈLˈ ile FMO benzer üçgenlerinden
Hg
Hc
O
=
f − Dg
f
oranı yazılır.
KLO ile K'L'O benzer üçgenlerinden de;
Hg Dg
=
bulunur.
Hc Dc
Hg
Hc
f − Dg
=
f
f − Dg
f
=
Dg
Dc
ve
Hg
Hc
=
Dg
Dc
eşitlikleri birleştirilecek olursa;
yazılabilir. Buradan kalın kenarlı mercek için;
1 1
1
eşitliği bulunur. Verilen durumlara göre genel
− =
−
f Dc D g
ifade;
1
1
1
=
+
şeklinde yazılır.
± f ±Dc ±Dg
Odak uzaklığı; kalın kenarlı mercek için ‟-”, ince kenarlı mercek
için ‟+” alınır. Ayrıca;
m =
oran;
=
m
Hg
Hc
oranına merceklerde boyca büyütme oranı denir. Bu
Hg Dg
şeklinde de yazılır. Görüntü gerçek ise ‟+”, sanal
=
Hc Dc
ise ‟-” alınır. m ‟+” olursa görüntü gerçek, m ‟-” ise görüntü sanal
olur.
178
Dalgalar
Hc
K
K
K
Hc
L
L
Hc
F
f=20cm
L
Dc=15cm
O
F
f
Dc=30cm
Dc=60cm
M
Odak uzaklığı 20 cm olan ince kenarlı bir merceğin 60 cm,
30 cm ve 15 cm önüne konulan bir cismin görüntüsünün merceğe
uzaklığı ve bu merceğin boyca büyütmesi ne kadar olur?
Çözüm
1 1
1
+
Dc= 60 cm olduğunda; =
f Dc D g
yerine yazılırsa;
1
1
1
=
+
20 30 Dg
1
1
1
=
+
20 60 Dg
eşitliğinde verilenler
K
P
Hc
L
1
1
1
=
−
Dg 20 60
O
F f=20cm
Dc=60cm
f
Lˈ
F
Hg
Kˈ
Dg=30cm
M
Dg = 30 cm olur. Görüntü merceğin arkasında ve gerçektir.
Boyca büyütmeyi hesaplamak için;
Hg Dg
eşitliğinde verilenler yerine yazılırsa;
=
Hc Dc
Hg 30 1
olur. Burada sonucun ‟+”
=
m =
=
Hc 60 2
görüntünün ters ve gerçek olması anlamına gelir.
Dc= 30 cm olduğunda;
K
=
m
1 1
1
=
+
eşitliğinde
f Dc D g
verilenler yerine yazılırsa;
1
1
1
1
1
1
=
+
⇒
=
−
20 30 Dg
Dg 20 30
Dg = 60 cm olur. Görüntü,
merceğin arkasında ve gerçektir.
çıkması
P
Hc
O
L
f
F f=20cm
F
Dc=30cm
Lˈ
Hg
M
Kˈ
Dg=60cm
Hg Dg
Boyca büyütmeyi hesaplamak için;=
eşitliğinde
m =
Hc Dc
verilenler yerine yazılırsa;
m
=
Hg 60
= = 2 olur. Burada sonucun ‟+” çıkması görüntünün
Hc 30
ters ve sanal olması anlamına gelir.
179
4. Ünite
1 1
1
+
Dc= 15 cm olduğunda; =
eşitliğinde
f Dc D g
verilenler yerine yazılırsa;
1
1
1
1
1
1
=
+
⇒
=
−
20 15 Dg
Dg 20 15
Kˈ
Hg
K
P
Hc
F
Lˈ
Dc=15cm
L
O
f
F
Dg=60cm
M
Dg = -60 cm olur. Görüntü merceğin önünde,
sanal ve düzdür.
Hg Dg
m =
Boyca büyütmeyi hesaplamak için; =
Hc Dc
eşitliğinde verilenler yerine yazılırsa;
H
( −60 ) = −2
m= g =
olur. Burada sonucun ‟-”
Hc
30
çıkması görüntünün sanal ve düz olması anlamına
gelir.
Odak uzaklığını sizin belirleyeceğiniz ince ve kalın kenarlı
merceklerde cismin; sonsuzda, Mʼnin dışında, Mʼde, M ile F
arasında, Fʼde, F ile mercek arasındaki konumları için görüntünün
yerini ve boyunu çizimle gösteriniz. Bilgisayarda veya elle çizerek
hazırladığınız çizimleri Powerpoint sunumu şeklinde veya tepegöz
vb. araçlarla destekleyerek sununuz.
İnce kenarlı mercek
şeklindeki bir büyütecin
odak uzaklığı 15 cm’dir.
-2’lik bir büyütme elde
etmek için bu merceği bir
madenî paradan hangi
mesafede tutmak gerekir?
Çözüm
Boyca büyütme oranının ‟-” olması görüntünün sanal ve düz
olduğunu gösterir.
Boyca büyütme oranını yazacak olursak;
=
m
Hg Dg
D
− g =
−2 ⇒ Dg= -2Dc olur.
⇒ m=
=
Dc
Hc Dc
1 1
1
eşitliğinde Dg nin yerine -2Dc yazılacak olursa;
=
+
f Dc D g
1 1
1
1 1
1
=
+
⇒ =
−
f Dc −2Dc
f Dc 2Dc
1
1
1
1
1
= −
⇒
=
15 Dc 2Dc
2Dc 15
1
1
15
=
⇒ Dc =
= 7,5 cm olur.
2Dc 15
2
180
Dalgalar
Aralarındaki
uzaklık
60 cm olan kalın kenarlı bir
mercek ile çukur aynanın
60 cm
tam ortasına şekildeki gibi
bir cisim yerleştiriliyor. Çukur
aynanın eğrilik yarıçapı 20 cm,
merceğin odak uzaklığı ise 90 cm’dir. Cisimden çıkan ışınların
çukur aynada yansıdıktan sonra kalın kenarlı mercekte kırılarak
oluşturduğu son görüntünün konumu nedir? Görüntü sanal mı,
yoksa gerçek midir? Toplam büyütme ne kadardır?
cisim
Çözüm
Kalın kenarlı mercek ile çukur aynanın tam ortasına yerleştirilen
cisim, çukur aynaya 30 cm uzaklıktadır. Buradan hareketle çukur
aynada görüntünün yerini ve büyütmeyi hesaplarsak;
fayna=
R 20
=
= 10 cm
2
2
fmercek= 90 cm’dir.
1 1
1
=
+
f Dc D g
1
1
1
1
1
1
1
1
=
+
⇒
=
−
⇒
=
10 30 Dg
Dg 10 30
Dg 15
Dg=15 cm’dir.
Büyütme oranı ise;
15
1
⇒ m=
olur.
30
2
Görüntü gerçek, ters ve aynanın önünde oluşur. Bu durumda
görüntünün çukur aynada oluşan görüntüsünün boyu, cismin
boyunun yarısı kadardır.
Çukur aynadaki bu görüntü, kalın kenarlı mercek için gerçek
cisim olarak kabul edilir ve merceğe uzaklığı 45 cm olur.
1 1
1
+
Kalın kenarlı mercek için − =
eşitliğinde verilenler
f Dc D g
yerine yazılırsa;
m=
−
1
1
1
1
1
1
1
1
= +
⇒ −
−
=
⇒
=−
90 45 Dg
90 45 Dg
Dg
30
Dg= -30 cm’dir.
Cismin ilk boyu h ise toplam büyütme;
−30
2
2h
= − den son boyu
olur.
45
3
3
1 2
1
mtoplam =⋅
m m' = −  h =
− h
2 3
3
m' =
181
4. Ünite
sol
sağ
F
K
ışık
kaynağı
Yukarıda verilen optik sistemde, çukur aynanın odağında
bulunan kırmızı renkteki I ışık kaynağının önce çukur aynada,
sonra ince kenarlı mercekte oluşan görüntüsü K noktasındadır.
Mor renkli ışık kaynağı kullanılsaydı son görüntü nerede oluşurdu?
F
I
ışık
kaynağı
K
Çözüm
Küresel aynalarda odak uzaklığı, yalnızca aynanın eğrilik
yarıçapına bağlıdır. Işığın renginin değişmesi küresel aynanın
odak noktasını ve ışığın izlediği yolu değiştirmez. Merceklerde
ise merceğin odak uzaklığı, kullanılan renge göre değişir. Mercek,
her renk için farklı bir ortam gibi davranarak kırmızı ışığı en az,
mor ışığı ise en çok kırar. Böylece odak uzaklığı, kırmızı ışık
kullanıldığında mor ışığa göre daha büyük olur. Bu nedenle ışık
kaynağının son görüntüsü mercek ile K noktası arasında oluşur.
F
I
ışık
kaynağı
182
K
Dalgalar
Merceklerin mikroskop, büyüteç, dürbün, teleskop, slayt,
fotoğraf makinesi gibi farklı amaçlara yönelik birçok uygulama alanı
vardır.
Bir cismi daha yakın görmek istediğimizde cisme yaklaşır ya
da cismi kendimize yaklaştırırız. Örneğin, bir kitabı gözümüze
belli bir mesafede tutarak okuruz. Kitaptaki yazıları çok uzaktan
okuyamayacağımız gibi yakın mesafeden de okuyamayız.
Gözlediğimiz cismin boyut ve detayları retina üzerine düşen
görüntüsünün boyutları ile ilgilidir. Küçük bir cismi detaylı incelemek
istediğimizde görüş açısının ve retina üzerindeki görüntünün
mümkün olduğu kadar büyük olması için onu gözümüze yaklaştırırız.
Cismin retina üzerinde büyük bir görüntüsünün oluşturulabilmesi
göz ile cismin uç noktaları arasındaki açıya bağlıdır. Göze farklı
uzaklıklarda bulunan aynı boyutlardaki iki cisimden yakın olanın
daha büyük görülmesinin nedeni, gözün yakındaki cisme daha
büyük bir açı ile bakmasıdır. Ancak göz, kendisine yaklaştırılan
cismi belli bir mesafeden sonra net göremez. Bu mesafe göz için
yakın görüş noktasıdır ve yaş grubuna göre değişiklik gösterir.
25 cm’lik uyum uzaklığı ortalama yakın nokta olarak alınmaktadır.
Yani göz 25 cm’den daha yakında bulunan cismi odaklayamaz. Bu
durumda bir ince kenarlı mercek kullanarak cismi en yakın görüş
noktasından daha yakına getirebiliriz. Bu amaçla kullanılan bu ince
kenarlı merceğe büyüteç adı verilir.
h
Cismin görünür boyutunu artıran basit
bir büyüteç
θ0
25cm
Şekilde cisim en yakın görüş noktasındadır ve θ açısı ile görülür.
25cm
hˈ
F h
p
θ
θ
Cismin görünen açısal boyutunu daha fazla artırmak için gözle
cisim arasına ince kenarlı bir mercek konur ve cisim, merceğin odak
noktası ile mercek arasına yerleştirilir. Bu konumda mercek; sanal,
düz ve büyütülmüş bir görüntü oluşturur. Çıplak gözle bakıldığında
cisim θ0 açısıyla görülürken basit bir büyüteçle daha geniş bir θ
açısıyla görülür. Büyüteçli ve büyüteçsiz görme açılarının oranı
büyütecin açısal büyütmesi olarak adlandırılır.
Büyüteçle elde edilenden daha büyük bir açısal büyütme
istendiğinde yapısında birkaç çeşit mercek bulunan mikroskoplar
kullanılır. Mikroskop, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük
cisimlerin birkaç çeşit mercek yardımıyla büyütülerek görüntüsünün
incelenmesini sağlayan bir alettir.
Optik aletler cisimleri daha iyi görmemizi sağladığından bu
araçlar ele alınırken öncelikle gözün incelenmesi gerekir. Bir
183
4. Ünite
Göz kasları
Kornea
Göz
merceği
Göz
bebeği
İris
184
merceği ve bakılan cisimlerin ters görüntülerinin oluştuğu ışığa
duyarlı bir yüzeyi olması sebebiyle fotoğraf makinesine benzetilen
göz, hem bir duyu organı hem de optik bir sistem olarak kusursuz
ve hayranlık uyandırıcı bir yapıya sahiptir.
Göze gelen ışınlar kornea, göz bebeği ve mercekten geçer. Farklı
uzaklıklardaki cisimlerin görüntülerini
Camsı cisim
oluşturmak için bu merceğe bağlı kaslar
Retina
yardımıyla merceğin eğrilik yarıçapı
Retina kan
ayarlanır. Böylece odak uzaklığı azaltılır
damarları
ve görüntünün retina üzerinde oluşması
sağlanır. Saydam tabakanın bükümlü
üst yüzeyi ve mercek, ışınları kırar.
Böylece retina üzerinde, nesnelerin
ters görüntüsü oluşur. Gözün retina
tabakasında ışık ışınlarının elektriksel
Optik sinir uyarılara dönüştürülmesini sağlayan
fotoreseptörler vardır. Fotoreseptörler
ışık ışınları ile uyarıldıklarında bir dizi
kimyasal reaksiyon başlatır. Bunun
sonucunda oluşan elektriksel uyarı,
optik sinir vasıtasıyla beynin görme merkezine ulaştırılır. Bu
merkezde görüntü yeniden yorumlanarak düz şekilde oluşturulur.
Yapısında mercek ve ışığa duyarlı bir yüzey olması nedeniyle
bir fotoğraf makinesi insan gözüne benzetilse de insan gözünün
fotoğraf makinesinden farklılıkları vardır. Bu farklılıkları aşağıda
verilen tablo ile özetleyelim.
Görüntünün
Oluştuğu Yer
Retina
Fotoğraf Filmi
Net görüntünün
oluşumu
Göz merceğinin eğriliği
değiştirilerek sağlanır.
Cismin uzaklığına bağlı olarak
görüntü uzaklığının değiştirilmesi ile
sağlanır.
Işığa duyarlı yüzey
Geniş bir küresel yüzey
üzerindedir.
Bir düzlem üzerindedir.
Görüş açısı
Işığa duyarlı yüzeyin daha geniş
olması nedeniyle gözdeki görüş
açısı daha geniştir.
Işığa duyarlı yüzeyin bir düzlem
üzerinde olması sebebiyle görüş
açısı daha dardır.
Işık miktarı
Göze giren ışık miktarı göz
bebekleri ile ayarlanır.
Objektiften geçecek ışık miktarı
diyafram sistemi ile ayarlanır.
Dalgalar
Fotoğraf makinelerinde kullanılan merceğin odak uzaklığı
sabittir. Net görüntünün oluşturulabilmesi ancak cismin uzaklığına
bağlı olarak görüntü uzaklığının ayarlandığı düzeneklerle olur.
Gözde ise görüntünün oluştuğu retina, sabittir. Yani görüntü
uzaklığı değişmemektedir. Net görüntünün elde edilmesi, göz
merceğinin ve merceğin odak uzaklığının değiştirilmesiyle sağlanır.
Sonuç olarak fotoğraf makinelerinde net bir görüntü elde edilmesi,
cismin uzaklığına bağlı olarak görüntü uzaklığının değiştirilmesiyle
sağlanırken gözde, göz merceğinin eğriliği değiştirilerek sağlanır.
Fotoğraf makinelerinde mercekle ilgili problemler net bir
fotoğraf oluşmasını engellerken benzer şekilde göz merceğinin de
zamanla kırıcılığının normalden fazla ya da az olarak değişmesi,
görme olayında sorunlar oluşturur. Gözün kırma gücünün az
veya göz ön - arka ekseninin nispeten küçük olduğu durumlarda
cisimlerden gelen ışınlar retinanın arkasında odaklanır ve görüntü
retina arkasında oluşur. Bu göz kusuruna hipermetrop denir.
Yani yakındaki cisimler odaklanamaz ve göz yakındaki cismi net
göremez. Bu göz kusurunu düzeltmek için ince kenarlı bir merceğin
bulunduğu lens veya gözlükler kullanılır.
Kas
Nesne
Retina arkasında
oluşan görüntü
(a)
Yakınsak mercek
Nesne
Retinada
oluşan
görüntü
(b)
Merceğin kırma gücünün yüksek veya göz ön - arka ekseninin
uzun olması durumunda cisimlerden gelen ışınlar retinanın önünde
odaklanır ve görüntü retinanın önünde oluşur. Bu göz kusuruna
miyop denir. Bu kusuru düzeltmek için kalın kenarlı bir merceğin
bulunduğu lens veya gözlükler kullanılır.
185
4. Ünite
Nesne
Retina
önünde
oluşan
görüntü
Iraksak mercek
Nesne
Retinada
oluşan
görüntü
Noktasal bir kaynaktan gelen ışık, retinada çizgisel bir görüntü
oluşturur. Bu durum kornea, mercek veya her ikisinin de tam
simetrik olmadığı zaman ortaya çıkar. Bu göz kusuruna astigmat
denir. Başka bir ifadeyle astigmat, gözün tüm eksenlerinde kırma
gücünün aynı olmaması durumudur. Astigmat göz kusurunda göz,
küreselliğini kaybeder. Bu göz kusuru karşılıklı olarak dik yönlerde
farklı eğriliklere sahip merceklerle düzeltilir.
Göz merceğinden kaynaklanan göz kusurlarının giderilmesinde
numaraları diyoptri cinsinden belirlenen gözlükler kullanılır. Odak
uzaklığı f (m) olan bir merceğe sahip gözlüğün numarası 1 / f ile
hesaplanır. Bu numara aynı zamanda merceğin yakınsaması
olarak adlandırılır.
Yakınsama, gözlüklerdeki numaraya karşılık gelir ve birimine
diyoptri (1/metre) denir. Diyoptri bir merceğin optik gücünü (kırma
gücünü) ifade eden birimdir. Yakınsama; yakınsak merceklerde
‟+”, ıraksak merceklerde ‟-”dir. Yakınsamaları Y1, Y2 ve Y3 olan
mercekler, aralarında boşluk olmayacak şekilde birleştirilirse yeni
oluşan merceğin yakınsaması;
Y = Y1+ Y2+ Y3 tür.
Başka bir ifadeyle;
1
1
1
1
=
+
+
olur.
± f ± f1 ± f2 ± f3
Yakınsamanın ‟+” ya da ‟-” çıkması, mercek sisteminin hangi
mercek karakterinde olduğunu gösterir.
Fotoğraf makinelerinde de farkılı mercekler kullanılarak optik
sistemin yakınsaması değiştirilir.
186
Dalgalar
5 m’den daha uzak cisimleri iyi göremeyen bir kişiye, göz
doktorunun önereceği gözlüğün numarası kaç diyoptri olmalıdır?
Çözüm
Merceğin işlevi, cismi sonsuzdan net bir şekilde görülebilecek
mesafeye getirmektir.
1 1
1
− =
+
eşitliğinde verilenler yerine yazılırsa;
f Dc D g
1 1 1
− =
+
f ∞ Dg
1 1 1
− =
+
f ∞ 5
1
1
− = 0+
f
5
f = -5 m bulunur. Bu sorun kalın kenarlı merceğin kullanıldığı
gözlükle giderilebilir.
Yakınsama;
1
1
y=
= −
−f
5
y = - 0,2 diyoptridir.
Beyaz ışık, bir mercekten geçtiğinde çeşitli renklere ayrılır ve
bu renkler farklı noktalarda odaklanır. Bu durum, renksel sapma
olarak adlandırılır. Bir fotoğrafçı, cisimden gelen ışık içerisindeki
tüm renkleri aynı miktarda kırılmış olarak fotoğraflamak ister, yani
fotoğrafında renksel sapmaları mümkün olduğunca engellemek
ister. Eğer fotoğraflanmak istenen obje üzerindeki belirli bir
nokta, farklı dalga boyları yayan bir kaynaksa bu noktanın
görüntüsü dalga boyuna bağlı olarak dağılır. Benzer duruma,
gök cisimlerinin teleskopla incelenmesinde de rastlanır. Fotoğraf
makineleri ve teleskoplarda görülen bu durumu önlemek için neler
yapılmaktadır? Bu konuyla ilgili bir araştırma yapınız. Araştırma
sürecinde konu ile ilgili bilimsel makalelerden, kitaplardan ve
süreli yayınlardan yararlanabilirsiniz. Araştırma sonuçlarını
arkadaşlarınızla paylaşınız.
187
4. Ünite
GÖKYÜZÜ NEDEN MAVİ GÖRÜNÜR?
Güneş ışığı, atmosfere girdiğinde gaz moleküllerine ve toz
parçacıklarına çarparak saçılır. Öncelikle görülebilir bölgedeki
ışığın içinde en büyük frekans değerine, yani en küçük dalga
boyuna sahip mor ışık, atmosferin en üst tabakalarında en
fazla saçılmaya uğrar. Küçük frekans ve büyük dalga boyuna
sahip kırmızı ışığın saçılabilmesi için daha büyük parçacıklara
çarpması gerekir. Gökyüzü bulutsuz olduğunda mavi ve mor ışık
diğer ışıklara oranla daha fazla saçılır. İnsan gözü mavi renge
duyarlı olduğundan gökyüzü mavi olarak algılanır. Gökyüzündeki
mavilik farklı tonlarda olabilir. Bunun nedeni atmosferdeki su
buharıdır. Gökyüzü, havanın açık veya yağışlı olmadığı günlerde
açık mavi, yoğun veya nemli olduğu günlerde koyu mavi
renktedir. Bu durum dünyanın değişik yerlerinde atmosferin farklı
görünmesine neden olur. Yaz aylarında gökyüzünün Antalya’da,
Trabzon’a oranla daha açık mavi görünmesi bu sebepledir.
Gökyüzünü her zaman aynı mavilikte göremeyiz. Havadaki
toz parçacıklarının oksijen ve hidrojen moleküllerine oranı
gökyüzünün farklı renklerde görünmesine neden olur. Bu
renklerin saçılması ve yansıması sonucu gözümüz renklerin
karışımını algılar. Yağmur ve fırtına gibi hava olaylarından sonra
atmosferdeki toz parçacıkları ortadan kalkacağından gökyüzü
daha koyu ve berrak bir maviye dönüşür.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Atmosferde niçin en fazla mor ışık saçılır? Atmosferde en fazla
mor ışık saçıldığı hâlde insanlar gökyüzünü neden mor renkte değil
de mavi renkte görür? Bulutlu havalarda gökyüzü neden gri renge
yakın beyazımsı bir renkte görünür?
Işığın farklı dalga boylarının retinaya ulaşması sonucu ortaya
çıkan algılama renktir. Bu algılama, farklı maddelerin farklı dalga
boyuna sahip ışıkları yansıtmaları nedeniyle çeşitlilik gösterir.
188
Dalgalar
Gökkuşağının yağmurlu günlerde oluştuğunu
biliyorsunuz. Gökkuşağının oluşumunda her bir
yağmur damlası bir prizma görevini üstlenerek üzerine
Kırmızı
düşen güneş ışığını renklerine ayırır. Gökkuşağı,
Prizma
beyaz ışığın farklı frekanstaki renklerin karışımından
Mor
oluştuğunu gösteren örneklerdendir.
Işık kaynağı
Renkler, ışığın frekansına bağlıdır. Farklı
frekanslardaki ışıklar farklı renklerde algılanır.
Fotoğraf filmi
Algılayabildiğimiz en düşük frekanslı ışık kırmızı, en
Beyaz ışık bir prizmadan geçirildiğinde kırmızı,
yüksek frekanslı ışık ise mordur.
turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renkleri içeren bir tayf
oluşur.
Işık, belli bir enerjiye sahip elektromanyetik
dalgadır. Gerçekte beyaz olarak algıladığımız ışığın bünyesinde
gökkuşağı renkleri adını verdiğimiz kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi
ve mor olmak üzere altı renk bulunur. Her renk bir nota gibidir. Nasıl
ki ‟re” sesi belli bir frekanstaki ses titreşimi ise ışığın mavi rengi
de belli dalga boyundaki enerji titreşimidir. Kulağımızın saniyede
belli sayıda titreşimi (20 Hz - 20.000 Hz) duyması gibi gözümüz de
-9
400 - 700 milimikron (1 milimikron = 10 m) arasındaki uzunluklarda
dalga boylarına sahip enerji titreşimlerini algılayabilmektedir.
Işığın renkleri; dalga boyuna göre kırmızı, turuncu, sarı, yeşil,
mavi ve mor şeklinde sıralanır. 400 milimikron, mor rengin alt dalga
boyu sınırı iken 700 milimikron, kırmızı rengin üst dalga boyu
sınırıdır ve insan gözü bu dalga boyları arasındaki ışığı algılayabilir.
Güneş ışığının cisimler üzerine düştüğünde cisimlerin farklı
renklerde görünmesinin nedenini bir etkinlikle açıklayalım.
15. Etkinlik
Elmaların Rengini Değiştirelim
ARAÇ VE GEREÇLER
. Kırmızı, mavi ve yeşil
renkli jelatinler
. Kırmızı ve yeşil elma
. El feneri
. İzole bant
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Bulunduğunuz ortamın karanlık olmasını sağlayınız.
2. El fenerinin önüne bant yardımıyla kırmızı jelatini yapıştırınız ve kırmızı ışık elde ediniz.
3. Kırmızı ışık ile elmaları aydınlatmadan önce elmaların hangi renkte görüneceğine dair bir
hipotez kurunuz. Hipotezi sınamak için bağımlı, bağımsız ve kontrol değişkenlerini belirleyiniz.
4. Mavi ve yeşil renkli ışık elde ederek üçüncü adımdaki işlemleri tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Kırmızı ışıkla aydınlattığınız elmalar hangi renklerde göründü? Bu renkler hipotezinizle
uygunluk gösteriyor mu? Açıklayınız.
2. Mavi ve yeşil ışıkla ayrı ayrı aydınlattığınız elmalar hangi renklerde göründü? Nedenini
tartışınız.
189
4. Ünite
Nesnelerin niçin ışığın belli renklerini yansıttığını atomik boyutta
inceleyelim.
Işığın nesnelerden yansıması, titreşim
Elektronlar
hâlindeki
bir diyapazonun titreşim hâlinde
olmayan özdeş başka bir diyapazonu titreştirmesi
olayına benzer. Elektromanyetik dalga özelliği
gösteren ışık, bir atom üzerine düştüğünde ışığın
elektrik alanı dış yörüngelerdeki elektronları
titreşim yapmaya zorlayabilir. Titreşmeye
başlayan bu elektronlar, etrafa kendi dalgalarını
gönderir. Elektronların etraflarına gönderdiği bu
dalgalar, elektromanyetik dalgalardır.
Atom çekirdeği
Farklı maddeler, bir çeşit ışıma kabul edilen
radyasyon yayma ve soğurma bakımından aynı
olmayan doğal frekanslara sahiptir. Bir maddedeki
Bir atomun dış elektronları, sıkıştırılan bir yayda olduğu gibi elektronlar belirli frekanslarda salınırken başka
titrer ve rezonansa girer. Böylece atomlar ve moleküller optik bir maddedeki elektronlar farklı frekansta salınım
diyapazon gibi davranır.
yapar. Salınım genliği büyük olan rezonans
frekanslarında ışık yutulurken bunun dışındaki frekanslarda
ışık yeniden yayılır. Eğer madde geçirgen yani saydam ise ışık,
bu maddenin içinden geçer. Yarı saydam ise ışığın bir kısmını
geçirirken bir kısmını geçirmez. Opak yani saydam değilse geldiği
ortama geri döner. Işığın geldiği ortama geri dönmesi olayını
yansıma olarak adlandırmıştık.
Bir madde, bazı frekanslardaki ışığı soğururken bazı
frekanslardakini yansıtır. Örneğin; bir madde, üzerine düşen
görünür ışığın çoğunu soğuruyor, fakat kırmızıyı yansıtıyorsa
o madde kırmızı görünür. Yaprakları kırmızı, gövdesi yeşil olan
çiçeğin yapraklarında bulunan atomlar, yansıttıkları kırmızı dışında
tüm renklerdeki ışığı soğurur. Gövdedeki atomlar ise yansıttıkları
yeşil dışında tüm renklerdeki ışığı soğurur. Elinizdeki kitabın bazı
kısımlarının beyaz görünmesi de bununla açıklanır.
Nesneler Neden Renkli Görünür?
Eşyaların rengi onu aydın­latan ışığın rengine
bağlıdır.
190
Doğal ışık kaynağı olmayan nesneler, ışığı yansıtır.
Ancak bu nesneler, üzerlerine düşen ışığın belli bir frekans
aralığındaki kısmını yansıtabilir. Yansıtılan ışık nesnenin
rengini verir. Çiçek yansıttığı ışığın frekansı hangi
aralıktaysa o aralığa denk gelen ışığın renginde görünür.
Beyaz ışığı bir prizmadan geçirerek kırmızı çiçek üzerine
düşürdüğümüzü varsayalım. Bu durumda, çiçeğin taç
yapraklarında kırmızı ışığın düştüğü bölümler kırmızı,
diğer bölümler kahverengi veya siyah renkte görünür.
Aynı şekilde yeşil renkli olan gövde ve yapraklarda
yeşil ışığın düştüğü bölümler yeşil, diğer bölümler siyah
görünür. Bu durumda kırmızı taç yapraklar kırmızı ışığı,
yeşil yapraklar da yeşil ışığı yansıtır ancak, diğer renkleri
soğurur ve yansıtmaz.
Dalgalar
Bir madde, üzerine gelen ışığın hepsini yansıtıyorsa o ışıkla
aynı renkte görünür. Eğer ışığı soğuruyor ve yansıtmıyorsa madde
siyah görünür.
Bir zebranın kıllarının bir bölümü tüm frekanslardaki ışığı
yansıtır ve güneş ışığında beyaz görünür. Zebranın diğer kılları ise
gelen ışığın tüm enerjisini soğurur ve siyah görünür.
Sarı renkli çiçeklerin taç yaprakları, sarıyı yansıttığı kadar
kırmızı ve yeşili de yansıtır. Bu sebeple sarı nergisler geniş bir
frekans dizisini yansıtır. Birçok nesnenin yansıttığı renkler tek
frekanstan değil, karıştırılmış frekanslardan oluşur. Bu tür nesneler
karıştırılmış frekansın denk geldiği renkte görünür.
Bir nesne kendisini aydınlatan ışıkta bulunan frekansları
yansıtabilir. Dolayısıyla renkli görünen nesneler, kendisini
aydınlatan ışığın frekansına bağlı olarak farklı renklerde görülebilir.
Bir başka ifadeyle cisimler güçlü olarak yansıttıkları ışığın renginde
görünürler.
Beyaz bir cisim, beyaz ışıkla aydınlatıldığında tüm renkleri
yansıtacağından beyaz görünür. Aynı cisim, kırmızı renkli ışıkla
aydınlatıldığında kırmızı, mavi renkli ışıkla aydınlatıldığında mavi
renkte görünür. Kısaca, beyaz yüzey hangi renkle aydınlatılırsa o
renkte görünür.
Mavi görür.
Beyaz görür.
beyaz
mavi
Kırmızı görür.
kırmızı
beyaz cisim
beyaz cisim
beyaz cisim
Siyah tüm renkleri soğurur. Siyah cisim, farklı renkte ışıkla veya
beyaz ışıkla aydınlatılırsa tüm ışık, cisim tarafından soğurulacak
ve göze herhangi bir ışık ulaşmayacaktır. Bu durumda göz, cismi
siyah renkte görecektir.
Siyah görür.
beyaz
Siyah görür.
mavi
siyah cisim
Siyah görür.
kırmızı
siyah cisim
siyah cisim
191
4. Ünite
Bir ışıktaki kırmızı, yeşil ve mavi renkler kullanılarak tüm ışık
renkleri elde edilebilir. Bu renkler ana (birincil) renkler olarak
adlandırılır ve hiçbir renk karışımıyla elde edilemezler. Ana renkler
eşit oranlarda karıştırıldığında magenta, sarı ve cyan adı verilen
ara (ikincil) renkler elde edilir.
Sarı = kırmızı + yeşil
Cyan = mavi + yeşil
kırmızı
Magenta = kırmızı + mavi
mavi
magenta
Ana renklerin kesiştiği
beyaz
odak noktası beyaz görünür.
sarı
cyan
Şekilde de görüldüğü
gibi, beyaz renk ana renklerin (kırmızı, mavi, yeşil) eşit
yeşil
oranlarda
karıştırılmasıyla
oluşturulabileceği gibi, birçok
renk çiftinin birleşmesiyle de oluşturulabilir. Ara renklerle beyazı
oluşturan renklere tamamlayıcı renk denir.
Beyaz = kırmızı + mavi + yeşil
Her ara rengin bir tamamlayıcı rengi vardır. Bir ara renk ile
tamamlayıcı renk karıştırılırsa beyaz renk elde edilir. Örneğin, içinde
kırmızı ve yeşil ışık bulunan sarı ışık ile mavi ışık karıştırılırsa beyaz
ışık elde edilir. Burada mavi ışık, sarı ışığın tamamlayıcı rengidir.
Aynı şekilde yeşil, magentanın; kırmızı da cyanın tamamlayıcısıdır.
Beyaz ışık, prizmadan geçtiğinde kırmızı, turuncu, sarı, yeşil,
mavi ve mor renklere ayrılır. Başka bir ifadeyle beyaz ışık, bu altı
rengin bileşimi sonucu oluşur. Bu nedenle “Işığın tüm renklerinin
bileşimi sonucunda siyah oluşur.” inanışı yanlıştır.
Bir renk ile tamamlayıcı rengi birbirinin zıttıdır. Örneğin sarı,
mavinin; cyan, kırmızının; magenta da yeşilin zıttıdır.
Sarı (Kırmızı + Yeşil) + Mavi = Beyaz
Magenta (Kırmızı + Mavi) + Yeşil = Beyaz
Cyan (Mavi + Yeşil) + Kırmızı = Beyaz
Ana renklere sahip cisimler, beyaz ışıkla aydınlatıldığında ana
rengi güçlü yansıtırken tayftaki komşu renkleri zayıf yansıtır. Göz,
zayıf yansıtılan renkleri algılayamaz ve cisim ana renkte görünür.
Kırmızı görür.
beyaz ışık
kırmızı cisim
192
Mavi görür.
beyaz ışık
Yeşil görür.
beyaz ışık
mavi cisim
yeşil cisim
Dalgalar
Ana renklere sahip cisimler tayfta komşu olmayan bir ışıkla
aydınlatıldığında bu ışınları soğurur. Gelen tüm ışınları soğuran
cisimlerden yansıyan ışın yoktur. Bu durumda cisimden göze ışın
ulaşmayacağından göz, cismi siyah renkte görür.
Siyah görür.
Siyah görür.
turuncu
yeşil
yeşil cisim
kırmızı cisim
Ara renklere sahip cisimler beyaz ışıkla aydınlatıldığında göz,
cisimleri onlardan yansıyan güçlü ışığın renginde görür.
Bir cisim, güneş ışığından elde edilen doğal sarı ışıkla
aydınlatıldığında farklı, kırmızı ve yeşilin birleşmesiyle oluşan sarı
ışıkla aydınlatıldığında farklı renkte görülür. Örneğin, kırmızı renge
sahip bir cisim doğal sarı ile aydınlatıldığında cisimden göze ulaşan
herhangi bir renk olmayacağından göz, cismi siyah renkte görür.
doğal sarı
Siyah görür.
kırmızı cisim
‟Gökyüzü Neden Mavi Görünür” adlı metinde gözümüze ulaşan
renklerin sayısı arttıkça gökyüzünün rengi gri olarak algılanır. Şayet
gözümüze ulaşan renkler aynı şiddette kırmızı ve yeşil renk olursa
gökyüzü sarı görünür. Gökyüzünün mavi renkte görünmesinin
nedeni aynı şekilde açıklanır.
Opak nesnelerin rengi, üzerine düşen ışığın rengine bağlıdır.
Saydam nesnelerde ise durum farklıdır. Bu nesnelerin rengi,
geçirdikleri ışığın rengine bağlıdır. Renkli cam parçası, belli
frekanslardaki ışığı seçerek soğuran, diğerlerini ise seçerek geçiren
ince tanecik, boya ya da pigmentlerden oluşur. Atomik boyutta
bakıldığında pigment, belli frekanslardaki ışığı seçerek soğurur.
Diğer frekanslardaki ışık, cam içinde bir molekülden diğerine yayılır.
Soğurulan ışığın enerjisi molekülün kinetik enerjisini çoğaltır ve cam
ısınır. Sıradan pencere camı tüm renkleri geçirdiği için renksizdir.
Buna karşılık kırmızı renkli cam, diğer bütün renkleri soğurduğu ve
sadece kırmızı rengi geçirdiği için kırmızı görünür.
Ana renklerin belirli oranlarda karıştırılması sonucu diğer
renklerin elde edildiğini öğrenmiştik. Ayrıca filtre kullanılarak beyaz
ışık, renklerine ayrılabilir. Renkli filtreler sadece kendi renklerindeki
ışıkları geçirirken diğerlerini soğurur ve filtre geçirdiği ışığın
renginde görünür.
193
4. Ünite
Renkli ve saydam filtrelerden geçen ışığın renkleri ile filtre
rengindeki cisimden yansıyan ışıkların renkleri aynıdır.
BEYAZ IŞIK
BEYAZ IŞIK
Mavi Filtre
kırmızı
turuncu
sarı
yeşil
Mavi filtre, mavi ışığı güçlü geçirirken yeşil ve mor ışığı zayıf
geçirir.
mavi
mor
kırmızı
turuncu
sarı
yeşil
Kırmızı Filtre
Kırmızı filtre, kırmızı ışığı güçlü geçirirken turuncu ışığı
zayıf geçirir.
mavi
mor
BEYAZ IŞIK
Sarı Filtre
kırmızı
turuncu
sarı
yeşil
Sarı filtre; sarı, kırmızı ve yeşil ışığı güçlü geçirirken mavi
ışığı zayıf geçirir.
mavi
mor
Sarı filtreye beyaz ışık gönderdiğimizde filtre beyaz ışığın
içindeki kırmızı ve yeşil ışığı geçirir. Bunun nedeni sarı filtredeki
renk pigmentlerinin seçici soğurucu olmasıdır.
Yeşil renkli kitaba kırmızı
camları olan bir gözlükle beyaz
ışık altında bakıldığında kitap
hangi renkte görünür?
beyaz
yeşil cisim
Çözüm
beyaz
yeşil cisim
194
Yeşil renkli kitaba beyaz ışık
düşürüldüğünde kitap, yeşil rengi
güçlü yansıtırken tayfta komşu
olan sarı ve mavi rengi zayıf
yansıtır. Gözlük camı burada
kırmızı filtre gibi davranacağından
kitabın yansıttığı hiçbir rengi
geçirmeyecektir. Bu sebeple kitap
siyah renkte görünecektir.
BEYAZ IŞIK
Dalgalar
kırmızı
turuncu
sarı
yeşil
Sarı Filtre
mavi
mor
Sarı
ve
yeşil
filtreler
kullanılarak
oluşturulmuş şekildeki
gibi bir sistemde hangi
renkler göze ulaşır?
BEYAZ IŞIK
Çözüm
Sarı Filtre
Sarı filtre, hem
kırmızı
kendini hem de onu
turuncu
sarı
oluşturan kırmızı ve
yeşil
yeşil renkleri güçlü
mavi
mor
geçirirken
tayfta
komşu olan turuncu
ve mavi renkleri zayıf geçirir. Yeşil filtre, üzerine düşen kırmızı,
sarı ve yeşil renkli ışınlardan yalnızca yeşil rengi güçlü, sarı rengi
zayıf geçirecek ve göze sadece yeşil renk ulaşacaktır.
‟Gökyüzü Neden Mavi Görünür?” adlı metinde gökyüzünü
mavi renkte görmemizin nedeni ışığın ortamda kırılma, saçılma ve
yansıması sonucunda gözümüze ulaşan rengin mavi olmasıdır.
Işık renklerinin karışımını daha iyi anlayabilmek için karton
parçası, makas, ip ve iğne temin ederek aşağıdaki işlem
basamaklarını sırasıyla gerçekleştiriniz.
• Kartondan 10 cmʼlik bir disk kesiniz.
• Diskin yarısını sarıya, yarısını da maviye boyayınız.
• Bu diskin merkezine yakın iki delik açınız.
• İpi iki elinizle uçlarından tutup gererek diskin dönmesini
sağlayınız.
• Diski döndürdüğünüzde oluşan renkleri gözlemleyiniz.
Işık ve Boya Renkleri Aynı mıdır?
‟Gökyüzü Neden Mavi Görünür?” adlı metinde gökyüzünü
neden mavi olarak algıladığımızı daha önce açıklamıştık. Eğer
gökyüzünden gözümüze ulaşan renkler, kırmızı ve yeşil olsaydı
bizler gökyüzünü sarı renkte görecektik. Fakat aynı durum boya
renkleri için geçerli değildir. Işığın ana renkleri boyanın ikincil
renkleri iken ışığın ikincil renkleri boyanın ana renkleridir. Bu
durumda boyanın ana renkleri sarı, cyan ve magentadır. Ara renkler
ise yeşil, kırmızı ve mavidir.
Sarı + Cyan = Yeşil
Sarı + Magenta = Kırmızı
Cyan + Magenta = Mavi
Yeşil + Mavi + Kırmızı = Siyah renkleri verir.
sarı
cyan
yeşil
siyah
mavi
kırmızı
magenta
195
4. Ünite
Renk çarkında karşılıklı renkler
birbirinin zıddıdır.
Küçük dalga boylu mavi ve mor ışınlar havadaki moleküller
tarafından emilir ve daha sonra moleküller tarafından farklı
yönlerde tekrar salınır. Böylece mavi ve mor ışık her tarafa saçılmış
olur. Bu durumda hangi yöne bakarsanız bakın oradan size doğru
mavi ve mor ışının geldiğini görürsünüz. ‟Gökyüzü Neden Mavi
Görünür?” adlı metinde insan gözünün gökyüzünü mavi olarak
gördüğü belirtilmişti. Eğer insan gözü mor renge duyarlı olsaydı
gökyüzü tarafımızdan mor olarak algılanacaktı. Gözleri mor renge
duyarlı olan hayvanlar ise gökyüzünü mor renkte görür. Gökyüzünü
her zaman aynı mavilikte görmememizin nedeni gözümüzün farklı
renklerin saçılması sonucu oluşan renk karışımını algılamasıdır.
Ayrıca, saçılan ışınların bir kısmı tekrar uzaya gittiğinden Dünya'mız
uzaydan bakıldığında da mavi renkte görünür.
Birden fazla rengin bulunduğu bir alanda yakın tonlardaki
renklerin birbirinden ayırt edilmesi zordur. Bu nedenle bir zemine
yazı yazmak istediğimizde yazı rengi ile zemin renginin aynı tonlarda
olmamasına dikkat ederiz. Burada zıt renklerin kullanılması daha
etkili bir görme sağlar.
Bir okulun veya bir iş yerinin tanıtımı için hazırlanan afişlerde
fon veya yazı renklerinin nasıl belirleneceğine dair bir araştırma
yapınız. Araştırma sürecinde İnternet, yazılı ve görsel medya
gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen
gösteriniz. Araştırma sonuçlarınızı iletişim, bilgisayar, projeksiyon,
tepegöz ve slayt gibi uygun teknolojik ortamları kullanarak etkili
bir sunum hazırlayınız.
RADYO
Radyo İtalyan Mucit G. Marconi (G. Markoni) tarafından icat
edilmiştir. Hertz, radyo dalgalarının, optik yasaları uyarınca düz bir
hat üzerinde yol aldığını göstermiştir. Marconi ise elektrik yüklerinin
ivmeli hareketinden oluşan ve elektromanyetik dalga olan radyo
196
Dalgalar
dalgalarını iletken tel kullanmadan iletmeyi planlamıştır. Marconi,
radyo dalgalarını saptamak için Edward Branly (Edvırt Birenli)’nin
bulduğu Branly Tüpü adı verilen tüpü kullanarak yeni bir araç
geliştirmeye çalışmıştır. Bu aracın yapımında "elektromanyetik
dalgaların hava ortamında iletilmesi" fikrinden hareket etmiştir.
Bu alandaki çalışmalarını daha da geliştiren Marconi, 1902
yılında kablo ya da tel olmadan bir yerden başka bir yere mesaj
göndermenin yolunu bulmuştur.
Marconi, hazırladığı düzenek sayesinde bulunduğu yerden
dokuz metre uzaktaki kapı zilini çaldırmayı başarmıştır. Böylece
radyo dalgalarının bütün dünyada kullanılacağı büyük bir gelişimin
temelini atmıştır.
Radyo dalgaları elektromanyetik tayfın (0,3 m - 1 km) dalga
boyu aralığını temsil eder. Tayfta yer alan diğer elektromanyetik
dalga türlerinden mikrodalgalar, radarlarda; kızıl ötesi dalgalar,
endüstri ve tıp alanında kullanılır. Ayrıca mor ötesi dalgalardan
tıpta sterilizasyonda, X-ışınlarından kristal yapı incelemelerinde
faydalanılır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Radyo dalgaları nasıl üretilmekte ve alıcı tarafından nasıl
yakalanmaktadır? Radyo yayınlarının kapalı ortamlarda alıcılara
ulaşması, bu dalgaların hangi özelliğinden kaynaklanır?
Elektromanyetik dalgaların anlaşılmasına yönelik pek çok
çalışma yapılmış ve on dokuzuncu yüzyılda büyük ilerlemeler
kaydedilmiştir. Böylece teknolojik araç ve gereçlerin gelişimine
temel oluşturulmuştur.
1821 yılında Christian Oersted (Kristian Örsted), akım ile
manyetik alan arasında ilişki olduğunu göstermiştir. Elektrik alanın
bir manyetik alan oluşturacağını gösteren Oersted’in araştırmaları
bilim çevrelerinde ilgi ile karşılanmış ve yeni araştırmalara ön ayak
olmuştur. Manyetik alan değişiminin elektrik alan oluşturacağı
Michael Faraday (Maykıl Faraday) tarafından keşfedilmiştir.
James Clerk Maxwell (Ceyms Klark Maksvel)’in 1894’te
geliştirdiği elektromanyetik teori, elektrik ve manyetik kökenli
etkileşimlerin birleştirilmesiyle ortaya çıkmıştır. On dokuzuncu
yüzyıla kadar ayrı bir bilim dalı olan optik, ışığın bir elektromanyetik
dalga olduğunun kanıtlanmasıyla elektromanyetik teorinin
kapsamına girmiştir.
Yüklü taneciklerin ivmeli hareketi sonucunda
hem elektrik hem de manyetik alandan oluşan
elektromanyetik dalgaları inceleyelim.
Durgun yükler ve kararlı akımlar elektromanyetik
dalga oluşturmazlar. Durgun elektrik yüklerinin
çevresinde kısa erişimli elektrik alanı oluşur.
Eğer bir yük sabit hızla hareket ediyorsa akım
oluşturur ve bu yükün etrafında manyetik alan oluşur.
Ancak bu manyetik alanın şiddeti, elektrik alanda
Hertz, Heinrich Rudolf
(1857-1894)
Radyo dalgaları üreterek bunları
yayınlamayı ve algılamayı gerçek­
leştiren Alman fizikçidir. Elektromanyetik dalgaların titreşim hareketi
olduğunu ve ışık dalgalarıyla özdeş
olduğunu göstermiştir.
→
E
197
4. Ünite
olduğu gibi kısa mesafe erişimlidir.
B
v
i
K
+a
-a
→
E
Elektromanyetik dalganın oluşması için değişken elektrik
ve manyetik alanlar oluşturulmalı ve alanların şiddetlerindeki
artış ve azalış periyodik olarak birbirini takip etmelidir. Bir telden
zamanla değişken bir akım geçirildiğinde tel elektromanyetik
L
ışıma yapar. Bunun nedeni yüklü bir parçacığın ivmelenmesidir.
İvmeli hareket yapan yüklü parçacık, enerji yayar. Bu da
elektromanyetik dalgaların enerji kaynağıdır.
Elektromanyetik dalgaların nasıl oluştuğunu bir antenin
tellerine uygulanan alternatif akım (AC) ile açıklayabiliriz.
Alternatif gerilim, anten tellerindeki elektrik yüklerini kendi
frekansına eşit frekansla titreşim yapmaya zorlar. Bu durumda
antenden bir elektromanyetik dalga yayılır. Radyo istasyonunun
anteninden yayılan radyo dalgaları bu şekilde oluşur.
Elektromanyetik dalgaların yayılma yönü, elektrik ve manyetik
alanın titreşim doğrultularına diktir.
İlerleme yönü
B
E
B
E
Titreşim
yönü
B
E
B
E
Sürtünmeden dolayı sarkaç, zamanla enerjisini kaybederek
duruyorsa devredeki dirençten dolayı da akım zamanla sıfırlanacak
ve elektromanyetik dalga oluşumu sona erecektir. Basit sarkacın
salınıma devam etmesi için sarkaca dışarıdan uygun zaman
aralıklarında, yeterli itmelerle enerji aktarılır. Benzer şekilde
elektromanyetik dalga üretiminin sürekli olması, yani devrenin
sürekli salınım yapması için dışarıdan, üretilen dalganın frekansına
eşit frekansta bir gerilim uygulanmalıdır.
Buraya kadar, elektromanyetik dalgaların nasıl üretildiğini
öğrendik. Şimdi elektromanyetik dalgaların nasıl yakalanacağını
irdeleyelim.
198
Dalgalar
Yüklerin ivmeli hareketi ile oluşturulan
elektromanyetik dalgalar bir antenle alınır.
Elektromanyetik dalgaların alınması için
antenler, dalgaların kutbu ile aynı doğrultuda
yerleştirilmelidir. Anten üzerine gelen dalgalar,
yapısındaki elektrik alan sayesinde anten
alıcılarındaki elektronları, aynı frekansta
ileri geri titreştirir. Yakalanmak istenen
EMD (elektromanyetik dalga) radyo alıcısı,
içerisindeki titreşim devresi ayarlanarak seçilir.
Elektrik
Alan
Elektrik alan
Anten
Yay
Elektrik
Alan
Elektrik alan
Yayılma yönü
Elektromanyetik
dalga üreteci
Anten
Manyetik alan
Elektromanyetik
dalga alıcı
Anten
Elektromanyetik dalgaların frekanslarına bağlı olarak enerjileri
de değişim gösterir. Düşük enerjili radyo dalgaları, radyo alıcılarıyla;
yüksek enerjili X-ışınları, dedektörlerle yakalanır. Geiger (Gayger)
sayaçları X-ışınlarının en yaygın kullanıldığı dedektörlerdir.
Pek çok kişi ve kuruluş, güvenlik denetimlerinde ve radyasyon
denetimlerinde bu sayaçları kullanır.
Elektromanyetik dalgalar ışıma kaynaklarına göre sınıflandırılır.
Bu sınıflandırma dalgaların frekans ve dalga boylarına göredir.
Görünür ışık ve radyo dalgalarının aynı dalga türü olmasına karşın
radyo ve televizyon dalgaları anten üzerinde titreşim yapan yüklerin
ivmeli hareketlerinden; görünür ışık, mor ötesi ışık ve röntgen
ışınları atom boyutunda elektronların titreşiminden oluşur. Gama
ışınları ise atomun çekirdeğindeki yüklerin titreşimi ile oluşur.
Elektro manyetik dalga spektrumu incelendiğinde görünür
ışık radyo dalgalarının aynı spektrumda yer aldığı görülür. Radyo
dalgalarının frekansı görünür ışığın frekansından daha küçük,
dalga boyu ise görünür ışığın dalga boyundan daha büyüktür.
Hem radyo dalgaları hem de görünür ışık, enerji taşır ve her ikisi
de boşlukta ışık hızı ile yayılır. Radyo dalgaları ile görünür ışığın
ilerlemesinde E elektrik alan ve B manyetik alan birbirini aynı fazda
üretir. Dolayısıyla radyo dalgaları ile ışık, elektromanyetik dalgadır
ve her ikisi de aynı dalga türündedir. Bu nedenle ‟Görünür ışık
dalgası ve radyo dalgaları aynı dalga türü değildir.” inanışı yanlıştır.
Elektromanyetik dalgalar, geniş bir frekans veya dalga boyu
aralığına göre sınıflandırılır. Elektromanyetik spektrum adı verilen
bu sınıflandırma, kesin sınırlar sergilemez.
8
Elektromanyetik dalgalar, boşlukta c (3.10 m/s) hızı ile
yayıldıkları için f frekansı ile λ dalga boyu arasında;
c= λ f ilişkisi vardır.
Radyo
Geiger sayacı
199
4. Ünite
X-ışınları
-9
-13
(10 m - 10 m)
Mor Ötesi Dalgaları
-7
-10
(4.10 m - 6.10 m)
Gama Işınları
-10
-14
(10 m - 6.10 m)
Kızıl Ötesi Dalgaları
-7
(1 mm - 7.10 m)
Mikrodalgalar
(0,3 - 1 mm)
Radyo dalgaları
(0,3 - 1 km)
l
ga
Da
yu
bo
"Radyo" adlı metinde belirtilen elektromanyetik dalga ve
özelliklerini daha ayrıntılı inceleyelim.
Radyo teleskopları, bazı yıldız ve gök
cisimlerinin radyo dalgaları boyunda
yaydıkları elektromanyetik dalgaları algılarlar.
Uçakların iniş ve kalkışlarında kullanılan
radarlarda mikrodalgalardan faydalanılır.
Yanardağ etrafına kızıl ötesi ışın yayar.
Mavi ışığa ait renk tonları
200
Radyo Dalgaları
TV ve radyo yayın sistemlerinde kullanılan bu dalgalar, Hertz
tarafından keşfedilmiştir. Radyo dalgaları kısa, orta ve uzun dalga
şeklinde sınıflandırılır. Kısa dalgalar FM (frekans modülasyonu),
orta dalgalar AM amplitüd (genlik) modülasyonu dalgalarıdır. Radyo
dalgaları, titreşen devrelerin bulunduğu aygıtlar tarafından üretilir.
Dalga boyları (0,3 m - 1 km) aralığındadır.
Mikrodalgalar
Dalga boyları yaklaşık 0,3 mm’den 1mm’ye kadar olan
dalgalardır. Bu dalgalar, atomik ve moleküler yapının ayrıntılarının
çözümlenmesinde, uçakların iniş ve kalkışlarında kullanılan
radarlarda ve diğer iletişim sistemlerinde kullanılır. Mikrodalgalar
da elektronik aygıtlar tarafından üretilir.
Kızıl Ötesi Dalgalar
-7
Dalga boyları yaklaşık olarak 1mm’den 7.10 m’ye kadardır. Bu
dalgalar, sıcak cisimler tarafından üretilir. Endüstri, tıp, astronomi
vb. alanlarda kullanılır. Yanardağdan yayılan ışınlar, kızıl ötesi
ışınlara örnektir.
Görünür Işık Dalgaları
-7
-7
Dalga boyları yaklaşık 4.10 m’den 7.10 m’ye kadar olan
dalgalardır. Gözün retinasının duyarlı olduğu dalga boylarıyla
sınırlanan oldukça dar aralıkta bulunurlar. Işık, elektronların atom
ve moleküllerin içindeki hareketleri sonucu üretilir.
Dalgalar
Mor Ötesi Dalgalar
-7
-10
Dalga boyları yaklaşık 4.10 m ile 6.10 m aralığındadır. Bu
dalgalar, elektriksel deşarjda atomlar ve moleküller tarafından
üretilir. Güneş, oldukça güçlü mor ötesi ışık kaynağıdır. Güneş’in
mor ötesi ışınları, atmosferin üst katmanlarındaki atomlarla etkileşir
ve çok sayıda iyon üretilir. Mikroorganizmalar mor ötesi ışınları
soğurduklarında parçalanır. Bu nedenle mor ötesi ışınlar tıpta
sterilizasyon işleminde kullanılır.
X–Işınları
Dalga boyları yaklaşık 10-9 m ile 10-13 m aralığındadır.
Elektromanyetik spektrumun bu bölgesi 1895’te katot ışınlarını
inceleyen Wilhelm Conrad Röntgen (Vilhelm Konrad Röntgen)
tarafından keşfedilmiştir. Bir metal hedefe çarpan yüksek enerjili
elektronların frenlenmesi sonucu X-ışınları oluşur. X-ışınları tıpta
bir tanı aracı olup kanser tedavisinde kullanılır. Canlı dokulara zarar
verdiğinden X-ışınlarına ihtiyaç duyulmadıkça hedef olmamak
gerekir. Ayrıca X-ışınları kristal yapı incelemelerinde kullanılır.
Çünkü X-ışınlarının dalga boyları, kristal yapıdaki atomlar arası
uzaklık (1 Å) boyutundadır.
Röntgen filmleri X-ışınlarıyla çalışan cihazlarla çekilmektedir.
Gama Işınları
Dalga boyları 10-10 m ile 10-14 m aralığındadır. Radyoaktif
çekirdekler tarafından nükleer tepkimelerde yayılırlar. Atom
bombası, etrafa gama ışını yayan bir çekirdek reaksiyonu
sonucunda gerçekleşir. Gama ışınları, çok girici olduklarından
canlı dokular tarafından soğurulunca dokulara zarar verirler. Bu
ışınların kullanıldığı yerlerde çalışanlar, kurşunla kaplı giysilerle
korunmalıdır.
Güneş mor ötesi ışık kaynağıdır.
X-ışınları ile çekilen röntgen filmi
Atom bombası etrafa gama ışınları
yayan bir çekirdek reaksiyonu
sonucunda gerçekleşir.
GSM baz istasyonlarının kurulumuna yönelik bir araştırma
yapınız. Araştırma sürecinde İnternet, yazılı ve görsel medya
gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen
gösteriniz. Araştırma sonuçlarınızı iletişim, bilgisayar, projeksiyon,
tepegöz ve slayt gibi uygun teknolojik ortamları kullanarak etkili
bir sunum hazırlayınız.
Trafİk RADarı
Trafik radarı, bir vericinin yaydığı
elektromanyetik dalganın yollar üzerindeki
cisimlerden yansıyarak geri dönmesi ve
yansıyan bu dalgaların alıcı tarafından
yakalanması ilkesine göre çalışan cihazdır.
Radarın, hızı ölçülecek araca uygun şekilde
konuşlanmış olması gerekir.
Hızı ölçülecek aracın trafik radarına
201
4. Ünite
yaklaşması veya uzaklaşması durumunda araca gönderilen
dalgaların gidiş dönüş süresi ile aracın hızı belirlenebilir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
"Trafik Radarı" adlı metinde polislerin radar ile kendilerine
yaklaşan veya kendilerinden uzaklaşan otomobillerin hızlarını nasıl
belirlediklerini detaylı olarak inceleyelim.
On birinci sınıf fizik derslerinde ses dalgalarının Doppler
etkisini, gözlemcinin, kaynağın ve her ikisinin hareketli durumları
için algılanan frekansın nasıl bulunduğunu öğrenmiştiniz. İlk olarak
ses dalgalarının kullanılmasıyla keşfedilen Doppler etkisi ışık ve
diğer elekromanyetik dalgalar dâhil olmak üzere bütün dalgalar
için geçerlidir. Ancak elektromanyetik dalgalar ses dalgalarından
farklı yapı gösterir. Ses dalgalarının hızı, Doppler etkisinde
durgun ve hareketli gözlemciye göre değişiklik gösterebilmektedir.
Elektromanyetik dalgaların hızı ise sabit ve hareketli gözlemciye
göre değişiklik göstermez. Bu iki sebepten dolayı kaynak ve
gözlemcinin göreli hareketi önemlidir. Elektromanyetik dalgalar,
kaynak ve gözlemci aynı doğrultuda hareket ederse bu durumda
algılanan frekans;
fg = fk (1 ± u/c) u<<c ifadesi ile gösterilir.
Burada;
fg : Gözlemcinin algıladığı frekansı,
fk : Kaynağın frekansını,
c : Işığın boşluktaki yayılma hızını,
u : Kaynağın ve gözlemcinin birbirine göre bağıl hızını ifade
eder.
Kaynak ve gözlemci birbirine yaklaşırken ‟+”, uzaklaşırken ‟-”
alınır.
Doppler etkisinin astronomideki en önemli sonuçlarından birisi
de on birinci sınıf fizik derslerinde de öğrendiğiniz
“kırmızıya kayma” ya da “maviye kayma” olarak
bilinen olgudur. Hareketli bir kaynaktan gelen sesin
frekansı, duran bir gözlemci için nasıl değişiyorsa
yıldızdan gelen ışığın dalga boyu da yıldızın
hareketine bağlı olarak değişir. Ses dalgalarında
olduğu gibi, yaklaşan bir yıldızın ışığı, duran bir
yıldızın ışığından daha yüksek frekansta ya da kısa
dalga boyunda gelir. Kısa dalga boyuna, görünür
Yıldız hareketlerinde Doppler
etkisi
ışık bölgesinde mavi renk karşılık geleceğinden
yaklaşan yıldızın ışığı gözümüze mavi renkte
gelir. Oysa uzaklaşan yıldızın frekansı küçük,
Yaklaşan ve uzaklaşan gök cisminden gözlemciye dalga boyu büyük olduğundan yıldızdan gelen ışık
gelen ışık
gözümüze kırmızı renkte görünür.
202
Dalgalar
Yansıyan elektromanyetik dalga
Yayılan elektromanyetik dalga
Bir polis aracının radarından yayılan elektromanyetik dalganın
frekansı fk= 12.109 s-1 dir. Otomobil şekilde de görüldüğü gibi, yolun
hemen kenarında durmakta olan bu polis aracına yaklaşmakta ve
yaklaşım doğrultusu polis aracıyla hemen hemen çakışmaktadır.
Polis aracının radarından yayılan dalga, yaklaşmakta olan
otomobilden yansır ve polis aracına geri döner. Radar sisteminin
ölçtüğü gelen dalganın frekansı, başlangıçta yaydığı dalganın
frekansından 3600 Hz daha büyük olduğuna göre otomobilin yola
göre hızı kaçtır?
Çözüm
Doppler etkisi, polis aracı ile otomobil arasındaki göreli
hıza bağlıdır. Polis aracındaki kaynaktan çıkan fk frekanslı
elektromanyetik dalgalar, polis aracına yaklaşan araçtaki gözlemci
tarafından fg frekansıyla algılanır.
u
fg= fk(1 + u
c ) dir. Bu ifade, fg – fk = fk c (1) şeklinde yazılabilir.
ı
Hareketli araçtan yansıyan dalgalar polis aracından fg olarak
algılanır. Buradan algılanan son frekans;
ı
fg= fg (1 + u
c)
ı
fg - fg = fg u
c (2) olur.
(1) ve (2) numaralı ifadeleri toplarsak,
ı
u
(fg - fg) + (fg - fk) = fg u
c + fk c
fg ve fk arasındaki fark çok küçük olduğundan fg = fk alınabilir.
ı
fg - fk = 2fk u
c
ı
(f - f )
ı
u = g k c eşitliğinde (fg - fk) polis radarından çıkıp tekrar
2 fk
artarak yansıyan dalganın miktarıdır ve 3600 Hz'dir.
u = 3600 Hz9
3.108 m/s
2.12.10 Hz
u = 45 m/s olur.
Polis aracının ve otomobilin birbirine göre bağıl hızı,
u = varaç- vpolis ifadesi ile yazılırsa;
45 = varaç - 0 ⇒ varaç= 45 m/s olur.
203
4. Ünite
polarİze güneş gözlüklerİ
Yansıyan ışık
Gelen ışık
Kırılan ışık
İletilen ışık
Güneş gözlüğü yapımında kullanılan
ve polaroid adı verilen özel filtreler, ışığı
polarlamak için kullanılır. Bu şekilde gözlük
camları ışığı bloke ederek parlak ve güneşli
bir günde parıldamayı önler. Polaroid, seçici
soğurma özelliği gösteren bir malzemedir.
Bu malzeme belirli bir doğrultuya paralel
olan ışığı geçirirken bu doğrultuya dik
polarılma düzlemi olan ışığı soğurur.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Ey
E
B
Bz
204
Işığın elektrik ve manyetik alanların titreşimi sonucunda
oluşan bir elektromanyetik dalga olduğunu biliyorsunuz. Bir
elektromanyetik dalgadaki elektrik alanlarının titreşim yönü,
polarizasyon yönüdür. Atom içindeki titreşimler her yönde
olacağından oluşan elektromanyetik dalga da her yönde elektrik
ve manyetik alan içerir. Bu şekilde oluşan ışığa polarize olmamış
ışık denir. Polarize olmamış elektromanyetik dalganın elektrik alan
vektörlerinin sadece bir doğrultu üzerinde kalması sağlanabilir.
Elektrik alan vektörü ile ilerleme yönünün oluşturdukları düzlem,
polarılma düzlemidir.
Düzlem bir dalgada E ve B alanlarının yönü
hem birbirlerine hem de dalganın ilerleme
Polarılma düzlemi
yönüne diktir.
Işığın
enine
dalgalardan
oluştuğu
x
düşünüldüğünde polarize ışık filtresi, aynı
İlerleme yönü
düzlemde titreşen dalgaların geçişlerine
izin verir. Sonsuz sayıda paralel yarıklardan
oluşmuş filtreler, aynı düzlemde titreşen
dalgaları geçirirken aynı düzlemde titreşmeyen
dalgaları yansıtır ve tutar. Yarık düzleminden
geçen ışık, sadece bir düzlemde titreşim
yapar. Bu ışığa polarize olmuş ışık adı verilir.
Polarize gözlüklerde polarize cam göze
gelen ışık şiddetini kontrol eder. Benzer şekilde
kameraya giren ışık şiddetini kontrol etmek
için fotoğrafçılıkta da polarize filtrelerden
faydalanılır.
Polarize filtre, objektifin ön kısmına
takılır. Işığın yansımasını azaltmak için
kullanılır. Gökyüzünün ve bulutların çekilen
fotoğraflarının belirgin olmasını sağlamak
için de sıklıkla kullanılır. Gelen ışıkları biraz
olsun süzme işlevini yerine getirir. Bu sayede
nesnelerde,
parlamadan
kaynaklanan
sorunları ortadan kaldırır.
Dalgalar
Bir uçağın herhangi bir kısmındaki gerilme kuvvetlerinin
tesbitinde polarize filtrelerden nasıl yararlanıldığını araştırınız.
Araştırma sürecinde İnternet (edu, gov, org), yazılı ve görsel
medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya
özen gösteriniz. Araştırma sonuçlarınızı bilgisayar, projeksiyon,
tepegöz ve slayt gibi uygun teknolojik araçları kullanarak etkili bir
sunum hazırlayınız.
GERÇEKTE VAR OLMAYAN RENKLER
Kelebeklerin kanatlarına veya tavus kuşlarının tüylerine
beyaz ışık altında baktığımızda renkli bir görüntü ile karşılaşırız.
Bu renkler gerçekte mevcut değildir. Kelebeklerin kanatlarındaki
pulların farklı yoğunlukta olması kanatların saydam görünmesini
engeller ve ışığın yansıma, girişim ve kırınım olayı sonucunda
gerçekte renksiz olan bu pullar üzerinde renkli desenler oluşur.
Tavus kuşlarının tüylerinde ise barbül adı verilen saydam
bölümler bulunur. Barbüllerin arka kısımları kahverengi bir
tabakayla kaplıdır. Bu tabaka sayesinde ışığın barbülü terk
etmesi engellenir ve yansıması sağlanır.
Renkli yüzeylere farklı açılardan bakıldığında bu renklerin
değiştiği gözlenir. Kelebeklerin kanatlarındaki pullar ile tavus
kuşlarının tüylerindeki barbüller eşsiz güzellikteki renklerin
oluşmasını sağlar. CD'lerin alt yüzeylerine bakıldığında farklı
renklerin görülmesi de kelebek kanatlarının renkli görünmesi
olayıyla benzerdir. Belirtilen durumlar ışığın dalga modeli ile
açıklanmaktadır.
Kırınım olayı görme sınırını daraltır. Bu durum optik aletleri
olumsuz etkiler. Optik aletlerin çözünürlüğünün arttırılması
için kullanılan merceğin çapı büyük seçilir. Bu nedenle gök
cisimlerinin incelenmesinde dürbün yerine teleskop kullanılır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
205
4. Ünite
16. Etkinlik
Pul ve barbüllerin saydam olmalarına rağmen ışık altında
rengârenk görülmesinin sebebi ne olabilir? Bu yüzeylere farklı
açılardan bakıldığında renkler neden değişir?
Özdeş kaynaklarla oluşturulan periyodik dairesel
su dalgalarının; su yüzeyinde karşılaştığında bir girişim
deseni oluşturduğunu, doğrusal su dalgalarının dalga
boyuna eşit ya da daha küçük dar bir aralıktan geçerken
engel arkasında bükülerek daireselleştiğini ve bu olayın
su dalgalarının kırınımı olarak adlandırıldığını onuncu sınıf
fizik derslerinde öğrenmiştiniz.
Su dalgalarında gerçekleşen kırınım olayı ışığın dar bir
aralıktan geçmesinde de gözlenebilir mi? Etkinlikle öğrenelim.
Saçaklar Neden Oluştu?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Mikroskop lamı
. Beyaz ışık kaynağı
. Jilet
. Mum
. Kırmızı renkli selofan
. Mavi renkli selofan
. Kibrit
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Mikroskop lamında mum alevi ile koyu bir is tabakası oluşturunuz.
2. Jiletin ucunu kullanarak isli lam üzerinde bir çizik meydana getiriniz.
3. Kırmızı renkli selofanı ışık kaynağının önüne koyarak kırmızı ışık elde ediniz.
4. Mavi renkli selofanı ışık kaynağının önüne koyarak mavi ışık elde ediniz.
5. Lamı gözünüze yaklaştırıp yarıktan ışık kaynağına bakmadan önce nasıl bir durumla
karşılaşabileceğiniz hakkında hipotez kurunuz. Bağımlı, bağımsız ve kontrol değişkenlerini
belirleyiniz.
6. Hipotezi sınama sürecinde, kontrol değişkeninin bağımlı ve bağımsız değişken
üzerindeki etkisini ölçünüz.
7. Dördüncü ve beşinci adımdaki işlemleri beyaz ışık kullanarak tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Kırmızı ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gözlemlediniz?
2. Mavi ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gözlemlediniz?
3. Gördüğünüz desenler hipotezinizi destekliyor mu?
4. İki desen arasındaki farkı yorumlayınız?
5. Desenlerin genişlikleri aynı mı? Nedenleriyle açıklayınız.
6. Beyaz ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gözlemlediniz?
206
Dalgalar
Kırınım, ışığın ya da dalganın bir yarıktan geçtikten sonra
asıl yolundan ayrılarak girişim saçakları oluşturmasıdır. Işığın
kırınımı İtalyan Francesco Maria Grimaldi (Françesko Maria
Grimaldi) tarafından tanımlanmıştır. Grimaldi, karanlık bir odaya
küçük bir delikten güneş ışığının girmesini sağlamış ve bu ışık
demetinin ortasına saydam olmayan bir cisim yerleştirerek cismin
gölgesini perde üzerine düşürmüştür. Perde üzerine düşen gölgeyi
incelediğinde gölge sınırlarının keskin çizgilerle sınırlanmadığını,
ışığın cismin kenarlarından içeriye büküldüğünü yani kırınıma
uğradığını gözlemlemiştir.
Su dalgalarında engeller arasındaki dar yarıktan geçen
dalgaların alacağı şeklin, dalga boyu ile engeller arası genişliğe
bağlı olarak değiştiğini biliyorsunuz. Benzer durum ışık için de
geçerlidir. Su dalgalarında olduğu gibi ışığın da kırınıma uğraması
için yarık genişliğinin ışığın dalga boyuna eşit veya ondan küçük
olması gerekir.
Francesco Maria Grimaldi
1618-1663
Dalga cephesi
K
Işık kaynağı
t
t+∆t
Su dalgalarının kırınımı
Tek yarıkla yapılan girişim deneyinde, oluşan girişim desenini
Huygens’in dalga prensibinden yararlanarak açıklayabiliriz. Buna
göre, ilerleyen bir dalganın her noktası yeni bir dalga kaynağı
oluşturur. Bu durum ışık için de geçerlidir. Bir ışık demeti yarık
düzlemine ulaştığında düzlemin her noktası yeni bir ışık kaynağı
gibi davranır. Böylece, yarık düzlemindeki her nokta
uzayda küresel dalga yayan kaynak hâline dönüşür.
Bu kaynaklardan çıkan ışık ışınlarının perde üzerine
düştüğünde aldıkları yol farkına bağlı olarak girişim desenleri
oluşur. Perde üzerindeki bazı noktalarda karşılaşan dalga
tepeleri ve çukurları bazı yerlerde birbirlerini güçlendirirken
(yapıcı girişim) bazı yerlerde birbirlerini söndürür
(bozucu girişim). Dalgaların perde üzerinde birbirlerini
güçlendirdikleri yerlerde aydınlık, söndürdükleri yerlerde
ise karanlık saçaklar oluşur.
Dalga tepesi ve dalga çukurları dalgaların genliklerinin
maksimum oldukları noktalardır. Birbirlerine göre zıt fazda
titreşirler. Işık dalgası hem aydınlık hem de karanlık bölgelerden
oluşan bir yapıya sahip değildir. Bu nedenle “Bir dalganın tepesinde
aydınlık, çukurunda ise karanlık oluşur.” inanışı yanlıştır.
Christiaan Huygens
(1629-1695)
Üstten görünüm
w
2
w
207
4. Ünite
Işığın tek yarıkta kırınımı sonucunda saçak oluşması
Tek renkli ışık kullanıldığında tüm saçaklar belirginken beyaz
ışık kullanıldığında sadece merkezi aydınlık saçak beyaz ve
belirgindir. Diğer saçaklar ise daha az parlaklıkta, renkli ve dar
görünür.
P
Mavi renkli ışık kullanıldığında
oluşan girişim deseni
Işık
kaynağı(λ)
K2
w R
K1
Xk
∼L
A
L
O
II
n
1
2
3
n
λ
2
θ
θ
Merkez doğrusu
λ
I θ
λ
II 2
λ
III
3λ
2
208
Merkezî
aydınlık
saçak
A1
K2
Ekran
1
2
3
A0
K1
R
I
A2
K2
A1
K1
A2
Ekranın önden
görüntüsü
Tek yarıkla yapılan girişim deneyinde, yarık genişliğine
göre yarık düzlemine çok uzakta bulunan perde üzerindeki bir
P noktasının aydınlık veya karanlık saçak üzerinde bulunma
durumunu inceleyelim. Aydınlatılan yarık aralığında yarığın
uç kısımlarındaki noktasal ışık kaynaklarının yol farkı;
|AK1|= λ olsun.
Bu durumda merkez doğrusu üzerinde ve altında bulunan
noktasal kaynaklar, aralarında λ/2’lik yol farkı olacak şekilde
eşleştirilebilir. Eşleşen kaynaklar, perde üzerinde birbirlerini
söndürecek ve bu nedenle P noktası karanlık saçak üzerinde
bulunacaktır. Bu durum, uç kısımlardaki kaynakların yol farkı, ışığın
dalga boyunun tam katlarına denk geldiği sürece geçerli olur.
Şimdi yarık uçlarındaki noktasal kaynakların yol farkının,
ışığın dalga boyunun 3λ / 2 katı olduğunu düşünelim. Bu
durumda, merkez doğrusunun üzerinde ve altında bulunan
noktasal kaynaklar, aralarında λ / 2 yol farkı olacak şekilde
eşleştirildiğinde λ / 2 genişliğinde eşleşemeyen noktasal
kaynak bölgeleri kalacaktır. Eşleşemeyen kaynak bölgesi
P
P noktasını aydınlatacaktır. Bu durum, uç kısımlardaki
noktasal kaynakların yol farkı, 3λ / 2’nin tek katları olduğu
sürece geçerli olur.
Buraya kadar öğrendiklerimizden hareketle, yol farkı
ΔK ortamdaki ışığın dalga boyunun tam katlarına karşılık
geldiğinde perde üzerindeki P noktasının karanlık saçak
üzerinde olacağını söyleyebiliriz.
Dalgalar
P’nin karanlık saçak üzerinde olma şartını;
X
Yol farkı = |AK∆1|K== w sin θ = w n = nλ eşitliği ile
L
K2
ifade edebiliriz. Burada;
∼L
θ θ
θ : n. karanlık saçak ile merkezî aydınlık saçağın
S
merkezini kaynakların orta noktasına birleştiren doğru K A
1
arasındaki açıyı,
n : 1, 2, 3, ....... tam sayıyı,
λ : Dalga boyunu,
w : Yarık genişliğini,
Xn : n. saçağın merkezî aydınlık saçağın orta noktasına olan
uzaklığı,
L : Yarık düzlemi ile ekran arasındaki uzaklığı ifade eder.
AK1K2 ve SOP üçgenlerinin benzerliğinden, AK1K2 üçgeninde;
AK1 AK1
=
⇒ AK1 = w sin θ
sin θ =
K1K 2
w
θ açısı çok küçük değerler olduğundan sinθ = tanθ alınabilir.
X
SOP üçgeninde sin θ = n ise yol farkı;
L
X
AK1 = w n şeklinde yazılabilir.
L
Yol farkı |AK1|, ışığın dalga boyunun 3λ/2 ve daha sonraki
yarım dalga boyunun tek katlarından birine karşılık ise P noktası
aydınlık saçak üzerindedir. P noktasının aydınlık saçak üzerinde
olma şartını;
X
1

w sin θ= w n=  n +  λ eşitliği ile ifade
Yol farkı = AK=
1
L 
2
edebiliriz (n = 0, 1, 2, 3, ............).
|AK1| = λ/2 ise bu nokta merkez aydınlık içindedir. Merkezî
aydınlık saçak, diğer saçaklara göre daha parlak ve diğer saçakların
iki katı genişliktedir. Diğer saçakların parlaklıkları giderek azalır.
Saçak aralığı (∆x = Xn - xn-1) : Çift yarıkta girişim deneyinde art
arda iki aydınlık veya karanlık saçak arası uzaklık.
Tek yarıkla yapılan girişim
deneyinde ekran üzerindeki P
noktasının yarığın kenarlarına
uzaklıkları farkı, 7λ/2 olduğuna
göre P noktası
hangi girişim
saçağı üzerinde oluşur?
P = n . Saçak
∆X
Xn
O
L
P
K2
K1
Çözüm
Yol farkı = PK1 - PK2 = 7λ/2 = 3,5 λ'dır.
Yol farkı λ’nın tam katı olmadığı için P noktası aydınlık saçak
üzerindedir.
P noktasının aydınlık saçak üzerinde olma şartını;
X
1

AK=
w sin θ= w
| =  n +  λ eşitliğinden hareketle yazacak olursak;
|AK1n=
1
L 
2
1

3,5λ=  n +  λ ⇒ n= 3. aydınlık saçak üzerindedir.
2

209
4. Ünite
Perde
7000 Å dalga boylu
kırmızı ışık kullanılarak
K3
yapılan tek yarıklı girişim
deneyinde yarığın genişliği
θ
K0
θ
0,0042
mm’dir.
Perde
üzerindeki merkezî aydınlık
K3
saçağın bir tarafındaki
üçüncü karanlık saçağa tek
yarığın arkasından bakan bir kişi saçağı hangi açıyla görür?
Çözüm
λ = 7000 Å = 7.10-5 cm
w =0,0042 mm = 42.10-5 cm
n=3
θ=?
Kırınım olayında karanlık saçak için yol farkı;
∆K = w sin θ = w
Xn
= nλ dır.
L
Buradan;
λ
şeklinde yazılır.
w
Verilenler bu eşitlikte yerine yazılırsa;
Sinθ =n
Sinθ = 3 ⋅
7 ⋅ 10 −5
42 ⋅ 10 −5
Sinθ = 21/42 ⇒ Sinθ = 0,5 ⇒ θ = 30° olur.
Prizmadan geçen beyaz ışığa bakıldığında nasıl farklı renkler
görülüyorsa herhangi bir CD ’nin alt yüzeyine bakıldığında da farklı
renkler görülür. Renkler ve şiddetleri diskin göze ve ışık kaynağına
göre bulunduğu yere bağlıdır. Işığın renklere ayrılmasının
nedeni CD’de kırınıma uğramasıdır. Hologramlarda ve sedefte
renklenme, ışığın kırınımına bağlı olarak açıklanır. Bir yüzeyin
değişik yerlerinden yansıyan ışık dalgaları üst üste bindiğinde kimi
doğrultularda birbirlerini yok ederken kimi doğrultularda birbirlerini
güçlendirir. Bu nedenle, yüzeye bakılan doğrultuya bağlı olarak
farklı renkler görülür.
"Gerçekte Var Olmayan Renkler" adlı metinde kırınım olayının
görme sınırını daraltmasının bazı teknolojik araçları olumsuz
etkilediğini belirtmiştik. Teleskop, mikroskop ve fotoğraf makineleri
gibi optik araçlarda kullanılan merceklerin odak uzaklıklarına bağlı
olarak büyüme oranları da değişir. Büyüme oranındaki bu artış, ışığın
kırınıma uğraması sonucunda kırınım saçaklarının da büyümesine
neden olacağından görme sınırını daraltır. Teleskoplarda objektif
çapının büyük tutulması λ/w'den dolayı çözünme sağlar.
210
Dalgalar
Dairesel bir delikten geçen ışık dalgaları, kırınıma uğrayarak
gözün retina bölgesi üzerinde aydınlık ve karanlık halkaları, yani
kırınım saçaklarını oluşturur. Gözdeki kırınımda göz bebeği ışığın
geçtiği yarığı, göz bebeğinin arkasındaki retina ise ekranı temsil
eder. Kırınıma uğrayan ışık, retinanın merkezinde parlak bir
görüntü oluştururken görüntünün çevresinde de karanlık bir halka
oluşturur. Sonra tekrar aydınlık ve karanlık halkalar oluşur. Eğer
ışık kaynakları, birbirine çok yakınsa görüntü ile ilgili parlak bölgeler
ekranda üst üste gelmeye başlar. Uzak bir noktada birbirine yakın
duran iki ışık kaynağının göz tarafından ayırt edilememe nedeni
budur. Ayrıca, karanlıkta uzaktan gelen bir aracın farlarından gelen
ışınların tek fardan çıkıyormuş gibi gözlenmesi bu olayla açıklanır.
Araç belirli bir yakınlığa geldiğinde ışık ışınları çözülür. Bunun
sonucunda, ışığın iki farklı kaynaktan geldiği anlaşılır.
İki ışık kaynağı, merkezî maksimumları üst üste gelmeyecek
kadar birbirinden ayrık ise görüntüleri ayırt edilebilir. Bu görüntülere
çözünmüş görüntü denir.
Aşağıdaki şekillerde S1 ve S2 ışık kaynaklarının kırınımı
ile oluşan merkezî saçakların birbirine karıştığı ve karışmadığı
durumlarda, kaynakların çözünmüş ve çözünmemiş görüntüleri
verilmiştir.
Çözünmemiş görüntü
S1
θ
S2
Kaynaklar birbirine çok yakındır ve desenler çözünmemiştir.
Çözünmüş görüntü
S1
θ
S2
Kaynaklar birbirinden çok uzaktır ve desenler iyice çözünmüştür.
211
4. Ünite
Gözün, birbirine yakın iki ışık kaynağını ayrı ayrı fark etmesi
olayına ayırma (çözme) gücü denir. Bir görüntünün merkezi
maksimumu, diğer görüntünün ilk minimumu üzerine düştüğünde
bu görüntülere çözünmüş görüntü deriz. Ayırımın bu sınır hâli
Rayleigh (Rayley) kriteri olarak bilinir.
Fotoğraf makinesi, kamera gibi birçok optik sistemde yarık
yerine dairesel açıklık kullanıldığında bu açıklığın kırınım deseni
şekildeki gibi olur. Bu durumda oluşan desenler; merkezde bir
parlak saçak, onun etrafında eş merkezli karanlık ve aydınlık
saçaklar şeklinde sıralanır.
Dairesel açıklığın ayırma gücü, sınır açısının;
θmin =
1,22
λ
D
olduğunu göstermiştir. θmin birimi radyandır.
Burada;
D : Açıklığın çapını,
λ : Işığın dalga boyunu ifade eder.
Eğer iki ışık kaynağı ya da noktasal cisimler birbirine çok
yakınsa ışınlar arasındaki açı, θmin değerinden küçük olur ve bu iki
nokta ayırt edilemez. ‟Gerçekte Var Olmayan Renkler ”adlı metinde
gök cisimlerini incelemek için kullanılan teleskoplarda mercek
yarıçapının büyük seçilmesi çözünürlüğü arttırmak amacıyladır.
S1
θmin
d
S2
500 nm dalga boylu
ışıkta, insan gözü için ayırma
gücü sınır açısı kaçtır?
L
Çözüm
Göz bebeğinin ortalama çapı 2 mm olarak alındığında
D = 2 mm olur.
-3
λ = 500 nm = 5.10-7 m
D = 2 mm = 2.10 m olur.
λ
θmin =
1,22 ifadesinde verilenler yerine yazılırsa;
D
 5.10 −7 m 
−4
=
θmin 1,22 
 ≅ 3 ⋅ 10 rad olur.
−3
2
10
m
⋅


Gözün görüntüyü çözebileceği en yakın uzaklık ortalama
25 cm’dir. Bu durumda bir insan gözünün ayırabileceği en yakın
iki nokta arasını bulalım. Çok küçük açılar için, Sinθ = θ(rad)
olduğundan;
-4
Sinθmin≅ θmin≅ d/L ⇒ d = L. θmin= 25 cm.10 rad
d ≅ 0,0075 cm ≅ 0,08mm’dir. Bu uzaklık yaklaşık bir saç kılının
kalınlığı kadardır. İki nokta arasındaki uzaklık 0,08 mm’den daha
büyük olursa insan gözü bu iki noktayı ayırabilir.
212
Dalgalar
5
Dünya yüzeyinden 1.10 m yükseklikteki bir yörüngede
bulunan Hubble Uzay Teleskobu'nun objektifinin yarıçapı 1,2
m’dir. Teleskobun Dünya üzerinde iki nokta arasında çözebileceği
minimum uzaklık kaç cm’dir (Olumsuz hava şartları ihmal edilecek
-7
ve ışığın ortalama dalga boyu λ = 500 nm = 5.10 m alınacaktır.)?
Çözüm
λ = 5.10-7 m
r =1,2 m ise teleskobun çapı D = 2,4 m olur.
λ
θmin =
1,22 ifadesinde verilenler yerine yazılırsa;
D
 5.10 −7 m 
−7
=
θmin 1,22 
 = 2,6 ⋅ 10 rad olur.
2,4
m


Çok küçük açılar için;
Sinθmin ≅ θmin ≅ d/L yazılabileceğinden;
d = L. θmin
5
-7
-2
d = 1.10 .2,6.10 ⇒ d = 2,6.10 m olur.
-2
İki nokta arasındaki uzaklık 2,6.10 m'den daha büyük olursa
teleskop bu iki noktayı ayırabilir.
Çapı 2 m olan bir teleskobun objektifinin 600 nm dalga boylu
ışık için ayırma gücü sınır açısı kaçtır?
Çözüm
λ
ifadesinde verilenler yerine yazılırsa;
D
 6.10 −7 m 
−7
=
θmin 1,22 
 = 3,66 ⋅ 10 rad olur.
 2m 
θmin =
1,22
-7
θmin = 3,66.10 rad ve bundan daha büyük olan herhangi iki
yıldız ayırt edilebilecektir.
Bilişim teknolojisinde çok sık kullanılan DVD’lerin depolama
kapasiteleri CD’lere oranla oldukça yüksektir. Bir CD’nin depolama
kapasitesi 700 megabayt iken DVD’nin 4.700 megabayttır. CD ve
DVD’lerin depolama kapasiteleri ayırma gücü ile açıklanmaktadır.
CD’ lerin yazılması ve okunmasında 780 nm dalga boylu infrared
(kırmızı ötesi) laser diyotlar kullanılırken DVD’lerde 650 nm dalga
boylu kırmızı laser diyot kullanılır. DVD’lerde daha kısa dalga boylu
laser diyotların kullanılması ile disk üzerinde daha sık çizgiler
oluşturulur. Böylece DVD’lerin depolama kapasiteleri yükseltilir.
213
4. Ünite
17. Etkinlik
Çözme gücünün görmeye olan katkısını insan ve kartal gözünü
karşılaştırarak inceleyelim. Kartallar çift görme merkezine sahip
olduğundan öndeki ve yandaki görüntüleri rahatlıkla alabilirler.
Görme sinirlerinin insan gözüne göre oldukça fazla oluşu kartallara
görüntüyü çözme gücü açısından büyük bir avantaj sağlar. Binlerce
metre yüksekte uçan bir kartal, yeryüzünü bütün detaylarıyla
görebilir. Keskinliğin yanı sıra hem ön hem de arka tarafı aynı anda
fark eder. Kartal gözü insan gözüne oranla görüntüyü daha iyi ayırır
ve aynı zamanda 6 - 8 misli oranında büyütebilir. Bir kartal, 4.500
m yüksekte uçarken 30.000 hektarlık bir alanı gözleriyle tarayabilir,
otlar arasında saklanan tavşanı çok rahat ayırt edebilir.
Buraya kadar ışığın tek yarıkta girişim olayını inceledik. Tek
yarık yerine çift yarık kullanılırsa oluşacak girişim deseninde
farklılıklar meydana gelir mi? Etkinlikle öğrenelim.
Çift Yarıkta Girişim
ARAÇ VE GEREÇLER
. Mikroskop lamı
. Işık kaynağı
. İki adet jilet
. Mum
. Kırmızı renkli selofan
. Mavi renkli selofan
. Kibrit
. Yapıştırıcı
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. Mikroskop lamında mum alevi ile koyu bir is tabakası oluşturunuz.
2. Jiletleri birbirine yapışık şekilde tutunuz ve uçlarını kullanarak isli lam üzerinde çift yarık
elde ediniz.
3. Kırmızı selofanı ışık kaynağının önüne koyarak kırmızı ışık elde ediniz.
4. Mavi selofanı ışık kaynağının önüne koyarak mavi ışık elde ediniz.
5. Lamı gözünüze yaklaştırarak çift yarıktan ışık kaynağına bakmadan önce nasıl bir
görüntüyle/desenle karşılaşacağınıza dair hipotez kurunuz. Bağımlı, bağımsız ve kontrol
değişkenlerini belirleyiniz.
6. Hipotezi sınama sürecinde kontrol değişkeninin bağımsız ve bağımlı değişken üzerindeki
etkisini ölçünüz.
7. Dördüncü ve beşinci adımda yaptığınız işlemleri beyaz ışık kullanarak tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Kırmızı ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gördünüz?
2. Mavi ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gördünüz?
3. Bu desenler hipotezinizi destekliyor mu?
4. İki desen arasındaki farkı yorumlayınız?
5. Desenlerin genişlikleri aynı mı? Nedenini açıklayınız.
6. Beyaz ışık kaynağına yarıktan baktığınızda nasıl bir desen gördünüz?
214
Dalgalar
Thomas Young, 1801 yılında iki kaynaktan çıkan ışık
dalgalarının girişim meydana getirdiğini göstermiştir. Kaynakların
aynı fazda ışık yayması için tek ışık kaynağından çıkan ışınları
önce tek bir yarık üzerine, sonra iki yarık üzerine düşürerek aynı
fazlı iki ışık kaynağı oluşturmaya çalışmıştır. Burada kaynaklardan
çıkan dalgalar, Huygens Prensibi’ne göre aynı dalga cephesinden
çıkan aynı fazlı ışık kaynakları gibi davranır.
Thomas Young
(1773-1829)
İkinci levhadan çıkan ışık, ekranda
paralel şeritler hâlinde birbirini takip
eden aydınlık ve karanlık saçaklar
oluşturur.
Yarıkların
arkasındaki
ekran üzerinde, sadece yarıkların
karşısındaki
kısımların
aydınlık,
diğer kısımların ise karanlık olması
beklenirken yarıklar üzerinden gelen
ışığın birbirini kuvvetlendirmesi veya
sönümlemesiyle aydınlık ve karanlık
saçaklar oluşur. Aydınlık saçaklar, ışık
dalgalarının birbirini kuvvetlendirdiği
bölgeler iken karanlık saçaklar ışık
dalgalarının yarım periyotluk faz
farkından dolayı birbirini sönümlediği bölgelerdir.
Çift yarıkla yapılan bir girişim deneyinde kaynaklar arası
mesafeye göre çok uzakta bulunan ekran üzerindeki bir P
noktasının aydınlık veya karanlık saçak üzerinde bulunma
durumunu matematiksel olarak inceleyelim.
P
Işık
kaynağı(λ)
K2
θ
θ
dR
K1 A
Xn
∼L
L
O
max
min
max
min
max
min
max
min
max
A2
K2
A1
K1
A0
K1
Merkezî
aydınlık
saçak
A1
K2
A2
Ekran
Ekranın önden
görüntüsü
215
4. Ünite
Kaynaklardan çıkan ışık dalgalarının perdede oluşturacağı
girişim deseni üzerinde bulunan bir P noktasının kaynaklara
uzaklığı, kaynaklar arası uzaklığa göre çok büyük olduğundan
bu noktanın K1 ve K2 kaynaklarına uzaklığı birbirine paralel kabul
edilir. Bu durumda K1 ve K2 kaynaklarından çıkan ışık dalgaları, P
noktasına |PK1 - PK2| yol farkıyla ulaşır. Buradan hareketle yol farkı;
d Sinθ = |AK1| dır.
AK1K2 üçgeni ile ORP dik üçgenlerindeki θ açılarının sinüslerinin
eşitliğinden;
AK1 Xn
yazılırsa yol farkı;
=
θ
=
Sin
d
L
Xn
olur. Burada;
L
|AK1| : P noktasının kaynaklara olan yol farkını,
d
: Yarıklar arası uzaklığı,
Xn : n. aydınlık ya da n. karanlık saçağın merkezi aydınlık
saçağa olan uzaklığını,
L
: Yarıklar ile perde arası uzaklığı,
θ
: P noktasını kaynakların orta noktasına birleştiren doğru
ile kaynakların orta noktasını ekrandaki merkezi saçağın ortasına
birleştiren doğrusu arasındaki açıyı ifade eder.
| AK1 |= d
Yol farkından kaynaklanan girişim deseninde yol farkının
aydınlık ve karanlık saçaklara etkisini inceleyelim.
Perde üzerindeki bir P noktasının aydınlık saçak üzerinde
olması için her iki kaynaktan gelen ışınların o noktada birbirini
güçlendirmesi gerekir. Bunun için dalgalar arasındaki yol farkı,
dalga boyu λ’nın katları şeklinde veya sıfır olmalıdır. Bu durumda;
|AK1| = n.λ olmalıdır.
X
|AK1| = d n yerine yazılırsa;
L
X
|AK1| = d Sinθ = d n = n λ olur (n = 0,1,2,3,4….).
L
Perde üzerinde herhangi bir noktanın karanlık saçak üzerinde
olması için her iki kaynaktan gelen ışınların o noktada birbirini
sönümlemesi gerekir. Bu durumda dalgalar arasındaki yol farkı;
λ
λ
veya
nin tek katları şeklinde olmalıdır. Burada;
2
2
λ
yerine yazılırsa
|AK1| = nλ 2
X
|AK1| = d n olacağından
L
Karanlık saçaklar için yol farkı;
|AK1| = d Sinθ = d
Xn
1
= (n − )λ olur (n = 0,1,2,3,4….).
L
2
Işığın cam levhadaki ortalama hızı, havadaki hızından az
olduğundan yarıklardan birinin önüne ince cam levha konduğunda
diğer kaynağa göre gecikme olur ve faz farkı meydana gelir. Bu
216
Dalgalar
nedenle bütün saçaklar geciken kaynak tarafına doğru kayar.
Merkezî aydınlık saçak, cam levha konan kaynak tarafına doğru yer
değiştirir. Her iki yarığın önüne özdeş cam levha konduğunda ise
kaynaklar arasında faz farkı oluşmayacağından merkezî aydınlık
saçak ve diğer saçaklar yer değiştirmez.
Çift yarıkta girişim, perde üzerinde ardışık şekilde sıralanan
aydınlık ve karanlık saçaklarda oluşur. Bu saçakların oluşma
nedeni yol ve faz farkından dolayıdır. Aydınlık saçakların üzerindeki
bir nokta, tepe+tepe ya da çukur+çukur üst üste binmesiyle
oluşurken karanlık saçak üzerindeki noktalar tepe+çukurun üst üste
binmesiyle oluşur. Dolayısıyla çift yarıkta girişim, ışık dalgasının
tepe ve çukurlarını göstermez. Bu nedenle ‟Çift yarıkta girişim, ışık
dalgasının tepe ve çukurlarını gösterir.” inanışı yanlıştır.
Günlük hayatta girişim olayı ile sıkça karşılaşırız. Su üzerinde
ince yağ tabakası şeklinde bulunan
benzinin ve sabun köpüğünün renklenmesi buna örnektir. Ayrıca kelebeklerin
pullarında, tavus kuşlarının barbüllerinde ve ince filmlerde girişim olayı gözlemlenir.
Yandaki şekilde elektron mikroskobu kullanılarak bir kelebeğin kana­
dın­daki pulların kesiti görüntülenmiştir.
a
Kelebeğin kanadına düşen ışık, kanatb
lardaki pullardan itibaren kırılmaya
uğrar. Bu kırılma şekilde de görüldüğü
gibi, yansıma ve girişim sonucunda
mavi görünür.
c
Aynı şekilde beyaz ışığın ince film
üzerine düşmesiyle gözlediğimiz farklı
renkler, zarın iki yüzeyinden yansıyan
dalgaların girişimi sonucunda oluşur.
Kalınlığı d, kırılma indisi n olan
bir ince filme hava ortamında tek renkli ışık gön1
dererek yukarıda anlatılan durumu inceleyelim.
İnce filmin kırılma indisi havanın kırılma indisinden daha büyük olduğundan ışık, kırılmaya uğrar.
Saydam ortama gelen ışığın bir kısmı kırılırken bir A
kısmı zarın üst yüzeyinden yansır. Kırılarak yoluna devam eden ışık, zarın alt yüzeyine geldiğinde
Film
tekrar yansıma ve kırılmaya uğrar. Bu yüzeyden
yansıyarak tekrar üst yüzeye gelen ışık kırılarak
B
hava ortamına çıkar. Zarın üst kısmından çıkan
1 ve 2 numaralı ışınların girişimi sonucunda zarın
yüzeyinde şekilde de görüldüğü gibi aydınlık veya
karanlık saçaklar oluşur. Bu saçakların oluşma
nedeni göze gelen ışınlar arasındaki yol farkıdır.
Işın 1
Işın 1
Işın 2
Işın 2
dhava=127 nm
n=1,5
d
=127 nm
Hava
hava
dzar=64 nm
n=1,5
2
d
3
4
217
4. Ünite
Fotoğraf makinesi, teleskop vb. optik
aletlerin objektiflerindeki mercekler,
merceğe doğru ışık geçişini artırmak
ve istenmeyen yansımaları azaltmak
amacıyla mikron kalınlığında, şeffaf
ve yansımayı engelleyen ince filmlerle
kaplanır. Objektiflerin kırmızı ve mor
renkte görülme nedeni bu ince filmlerdir.
GÜNEŞ PİLLERİ
Yüzeylerine gelen güneş enerjisini elektrik enerjisine
dönüştüren sistemlere güneş pilleri denir. Alanları yaklaşık
100cm2, kalınlıkları ise 0,2 mm veya 0,4 mm civarında olan bu
pillerin yüzeyleri kare, dikdörtgen veya daire biçimindedir.
Yapılarına bağlı olarak güneş pillerinin güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirme oranı %5 ile %20 arasındadır. Güç çıkışını
artırmak için çok sayıda güneş pili seri ve paralel olarak birbirine
bağlanır. Güneş pilleri yapı itibariyle P ve N eklemden oluşan
diyotlara benzer. Fotoelektrik olay
prensibine dayanarak güneş pilingelen foton
eden fotonlar tarafından koparılan
elektronlar, eklemde harekete geçer
ve elektrik akımı oluşur.
güneş pili
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Bilim insanları ışığın tamamen dalga ya da tamamen tanecik
özelliği gösterdiği şeklinde iki görüş ileri sürmüştür. Işığın dalga
özelliği gösterdiği fikrini ilk ortaya atan Huygens’tir. Huygens,
ışığın yapısını tanecikler gibi değil, su dalgaları gibi modellemiştir.
Huygens tarafından ileri sürülen görüş, önceleri iki sebeple bilim
insanları tarafından kabul görmemiştir.
1. Mekanik dalgalara örnek olan ses ve su dalgaları ancak
madde ortamında yayılabilir. Oysa ışığın yayılması için herhangi
bir maddesel ortama ihtiyaç yoktur.
2. Su dalgaları, dalga boyuna eşit veya dalga boyundan daha
küçük bir aralıktan geçtiklerinde engel arkasında bükülür yani
kırınıma uğrar. Oysa ışık için böyle bir durum söz konusu değildir.
Huygens’in dalga modeline ilk destek 1801 yılında Young
tarafından verilmiştir. Young yaptığı deneyde ışığın, su dalgalarında
218
Dalgalar
olduğu gibi girişim yaptığı bazı noktalarda dalgaların birbirini
kuvvetlendirerek aydınlık, bazı noktalarda ise birbirini sönümleyerek
karanlık bölgeler oluşturduğunu kanıtlamıştır. Dalga modeline
destek veren diğer bir kişi Maxwell’dir. Maxwell, elektrik alanların
değişmesi ile manyetik alanların, manyetik alanların değişmesiyle
de elektrik alanların oluştuğunu ileri sürmüştür. Işığı, elektrik ve
manyetik alan titreşimlerinden oluşan bir elektromanyetik dalga
olarak tanımlamıştır. Işık elektromanyetik bir dalgaydı ve yayılması
için ortama ihtiyaç yoktu. Maxwell’in bu keşfi Hertz tarafından
deneysel olarak ispatlanmıştır. Böylece ışığın dalgalar şeklinde
yayıldığı bilim çevrelerince kabul görmüştür.
Işığın sadece dalga kabul edildiği ve bu dalga modelinin
yetersiz kaldığı deneyler de yapılmıştır.
On birinci sınıf fizik derslerinde öğrendiğiniz fotoelektrik ve
Compton Olayları, ışığın dalga modeli ile açıklanamamaktadır.
Amerikalı Fizikçi Arthur H. Compton (Artur H. Kompton) 1923
yılında yaptığı bir deneyle ışığın tanecikli bir yapıya sahip olduğunu
göstermiştir. ‟Güneş Pilleri” adlı metinde de ışığın tanecik özelliği
vurgulanmıştır.
Compton Olayı, yüksek frekanslı X-ışınları altında daha
kolay gözlenirken daha düşük frekanslı kızıl ötesi ışık altında zor
gözlenir. Bu nedenle ışığın tanecik yapısı yüksek frekanslı ışıklarda
daha kolay açıklanabilir. Buna karşın Young deneyindeki girişim
saçakları, kızıl ötesi ışık altında gözlenemezken görünür ışıkla
daha kolay gözlenir.
1924 yılında Fransız Fizikçi Louis de Broglie (Luis dö Brogli),
daha sonraki yıllarda da Alman Fizikçi Schrödinger (Şödinger) ışığın
dalga modeli ile tanecik modelini birleştirerek dalga mekaniğini
kurdular.
Broglie’ye göre her maddesel yapıya bir madde dalgası eşlik
eder. Bu madde dalgalarının dalga boyu, her optik olayı açıklamada
yeterli olmayabilir. Örneğin, düşük hızla hareket eden bir cisme eşlik
eden Broglie dalgası, atom çekirdeğinin boyutundan daha küçüktür.
Bu tanecik ile girişim deneyi yapılmak istendiğinde kullanılacak yarık
genişliğinin dalga boyuna eşit olması gerektiğinden bu oldukça
güçtür. ‟Polarize Güneş Gözlüğü” adlı metinde de belirtildiği gibi
ışığın polarize edilebilmesi için dalga özelliği göstermesi gerekir.
Ayrıca ‟Gerçekte Var Olmayan Renkler” adlı metinde de belirtildiği
gibi ışığın kırınım olayını gerçekleştirmesi de ışığın dalga özelliğiyle
açıklanır.
Kırınım, girişim ve polarizasyon gibi olaylar dalgalarda da
gözlenebildiğinden bu olaylara bakılarak ışığın dalga özelliğine
sahip olduğu sonucuna varılabilir. Ancak bu durum, ışığın tamamen
dalga özelliği gösterdiği anlamını taşımaz.
Sonuç olarak ışık olaylarının birçoğu dalga ve tanecik modeli
ile açıklanabilirken bazı ışık olaylarını sadece dalga modeli, bazı
ışık olaylarını ise sadece tanecik modeli açıklayabilir.Aşağıda ışık
olayları bu yönüyle dalga ve tanecik modeli için karşılaştırılmıştır.
219
4. Ünite
Fiziksel Olay
Tanecik
Modeli
Dalga
Modeli


Fiziksel Olay


Düzlem aynada görüntü oluşması


—
Işığın renklere ayrılması


—




—
—


—
Gölge oluşumu


Işığın basıncı
Işığın soğurulması
—

Işığın girişimi
Işığın kırınımı

—
λi
φ
θ
λf
220

Işığın saydam ortama geçerken hem
kırılmaya hem yansımaya uğraması
Işığın kırılması
: Açıklanıyor.

Işığın yansıması


Dalga
Modeli
Işık demetlerinin birbiri içinden geçişi
Işığın doğrusal yayılması
Fotoelektrik olay
Tanecik
Modeli
—
Compton olayı
: Açıklanamıyor.
A. Aşağıda verilenlerden hareketle doğru seçeneği işaretleyiniz.
L
1. Yandaki şekilde iki düz ayna ve K, M, N, L noktaları
verilmiştir. G noktasında bulunan bir gözlemci, hangi noktanın
görüntülerini her iki aynada da görebilir?
A) Yalnız K
B) K ve M
D) M ve N
E) L, M ve N
N
G
C) K, M ve N
K
II
I
S
2. S ışını, asal eksenleri çakışık olan çukur
aynalarda şekildeki yolu izlemektedir. 1. çukur
aynanın odak uzaklığı f1, 2. çukur aynanın odak
uzaklığı f2 olduğuna göre;
Aynalar arasındaki uzaklık f1 ve f2 cinsinden
nedir?
A) f1 + f2
B) 2f1 + 2f2
D) f1 + f2/2
E) 2f1 + f2/2
x
B)
E)
4. Farklı
iki
saydam
ortamın ayırıcı yüzeyine K ışık
kaynağından gelen I1 ışık ışını,
Şekil 1'deki yolu izliyor. L ışık
kaynağından gelen aynı renkteki
I2 ışık ışını, şekil 2'deki kesikli
çizgilerle
belirtilen
yollardan
hangisini takip eder?
B) 2
F
C)
D)
A) 1
2x
f2
f1
C) 2f1 + f2
3. Optik sistemden çıkan ışınlar önce düzlem, sonra çukur
aynadan yansıyarak görüntü oluşturmaktadır. Buna göre cismin
görüntüsü aşağıdaki şekillerden hangisine benzer?
A)
M
K
I1
L
Ayırıcı
yüzey
Ayırıcı
yüzey
C) 3
A ortamı
A ortamı
3
2
Şekil 2
Şekil 1
D) 4
4
1
B ortamı
B ortamı
5
I2
E) 5
221
5. Yandaki şekilde verildiği gibi, odak uzaklığı f olan
çukur aynanın önündeki cismin görüntüsü aşağıdakilerden
—
—
—
hangisi gibi olabilir? (FT = MF = MK)
F
T
A)
M
K
f
B)
T
f
K
M
F
C)
T
KK
M
F
f
D)
K
M
F
T
f
T
F
M
KK
f
E)
T
F
M
K
f
6. Yandaki şekilde gösterildiği gibi X ve Y saydam ortamlarına, düşey
doğrultuya yakın bakan bir gözlemci, A ışıklı noktasını kendisine kaç cm
yaklaşmış görür?
A) 22 cm
B) 30 cm
C) 41 cm
D) 26 cm
E) 28 cm
x
24 cm
nx=4/3
y
45°
nx
A
ny=3/2
6 cm
ny
nz
222
7. Kırılma indisi nx, ny, nz olan ortamlar şekildeki gibi birleştirilmiştir. I ışını
şekildeki yolu izlediğine göre bu ortamların kırılma indislerinin büyüklük ilişkisi
nedir?
A) ny > nx > nz
B) ny > nz > nx C) ny > nx = nz
D) nx > ny > nz
E) nx > nz > ny
x
8. Şekildeki x merceği ile y merceği yapışıktır.
fx= 6 cm, fy= 2 cm olduğuna göre, asal eksene
paralel gelen ışın bu merceklerde kırıldıktan sonra
asal ekseni nereden keser?
A) M noktası
C) L - M arası
E) K noktası
y
B) K - L arası
D) L noktası
2cm
9. Şekildeki filtreye beyaz ışık düşürülürse mavi filtreden hangi
ışın geçer?
A) Sarı
B) Turuncu
C) Yeşil
L
K
M
O
D) Kırmızı
E) Mor
2cm
2cm
Kırmızı
Turuncu
Sarı
Yeşil
Mavi
Mor
Sarı
filtre
Mavi
filtre
10. Aşağıdakilerden hangisi elektromanyetik dalgaların özelliklerinden değildir?
A) Işık hızıyla yayılma
B) Polarize edilme
C) Boşlukta yayılma
D) Boyuna dalga olma
E) Yüksüz olma
11. I. Boşlukta da yayılır.
II. Yüklerin ivmelenmesinden elde edilir.
III. Elektrik ve manyetik alanda sapmaz.
Yukarıdaki özellikler, aşağıdaki dalgalardan hangisine ait değildir?
A) Radyo dalgaları
B) Mikrodalgalar
C) X-ışınları
D) Işık
E) Ses dalgaları
12. I. Compton Olayı
II. Fotoelektrik olay
III. Kırınım
IV. İnce zarlarda renklenme olayı
Yukarıdaki olaylardan hangileri ışığın tanecik modeli ile açıklanabilir?
A) I ve II
B) II ve III
C) I, II ve III
D) III ve IV
E) I, II, III ve IV
223
13. Yandaki şekilde gösterildiği gibi λ dalga boylu ışık
kullanılarak tek yarıkta girişim deneyi yapılmış ve P noktasında
2. aydınlık saçak oluştuğu gözlenmiştir. Buna göre, sinθ
aşağıdaki bağlantılardan hangisine eşittir?
A) 3λ/2w
B) 2λ/w
C) 5λ/2w
D) 3L/2w
P
θ
W
λ
A0
L
E) 2L/w
Perde
14. Çift yarıkta yapılan bir girişim deneyinde λ1 = 4.000 Å dalga boylu ışığın oluşturduğu 3. karan­
lık saçak, λ2 = 2.000 Å dalga boylu ışığın oluşturduğu aşağıdaki saçaklardan hangisiyle çakışır?
A) 2. aydınlık
B) 6. aydınlık
C) 5. karanlık
D) 7. aydınlık
15. Yandaki şekilde bir ince kenarlı merceğin F noktasına
konmuş noktasal kaynaktan çıkan I ışını, II şeklinde geri
dönüyor. Buna göre kutuda aşağıdaki sistemlerden hangisi ya
da hangileri bulunabilir?
E) 5. aydınlık
I
F
Kutu
II
30°
I
45°
45°
II
III
60°
A) Yalnız I
B) Yalnız II
16. Asal eksenleri çakışık ve
aralarında d uzaklığı bulunan I ve
II mercekleri, şekildeki gibidir. Asal
eksenine paralel gelen K ışını
II. mercekten L yolunu izleyerek
çıkıyor. Buna göre, merceklerin f1
ve f2 odak uzaklıkları oranı kaçtır?
C) I ve II
I
224
B) 2
E) I, II ve III
II
L
K
C) 3
Asal
eksen
O
f1
A) 1
D) II ve III
D) 4
d
f2
E) 5
d
17. Güneş ışığı altında beyaz, yeşil ve kırmızı renklerde görünen üç parça
levhaya yeşil renkli cam arkasından bakılıyor. Buna göre üzerinde numara
yazan kısımlar nasıl gözlenir?
A)
B)
C)
D)
E)
I Yeşil
Yeşil
Yeşil
Siyah
Siyah
II Beyaz
Beyaz
Yeşil
Yeşil
Mavi
Beyaz
II
I
Yeşil
III
Siyah
Sarı
Siyah
Mavi
Siyah
III
Kırmızı
18. I. Kırmızı; mavi ve yeşil ışığın ana renkleridir.
II. Işıktaki ana renklerin karışımı beyazı oluşturur.
III. Işıktaki ana renklerin karışımı siyahı oluşturur.
IV. Magenta; sarı ve cyan ışığın ara renkleridir.
V. Kırmızı ışığın hızı diğer renkli ışıklardan daha azdır.
Yukarıdakilerden hangileri ışık renkleri için söylenebilir?
A) I-II
B) II-IV
C) I-II-IV
D) I-II-III
E) I-II-IV-V
19. Hipermetrop olan bir hasta 0,2 diyoptri gözlük kullanmaktadır. Bu gözlükte kullanılan merceğin
odak uzaklığı ve türü hangisinde doğru verilmiştir?
A) f = 5 m kalın kenarlı mercek
B) f = 5 m ince kenarlı mercek
C) f = 10 m kalın kenarlı mercek
D) f = 10 m ince kenarlı mercek
E) f = 2 m ince kenarlı mercek
20. Bir polis aracının radarından
Yansıyan elektromanyetik dalga
yayılan
elektromanyetik
dalganın
9
frekansı fk= 12.10 s-1 dir. Otomobil
şekilde de görüldüğü gibi, yolun
hemen kenarında durmakta olan polis
Yayılan elektromanyetik dalga
aracından uzaklaşmakta ve doğrultusu
polis
aracıyla
hemen
hemen
çakışmaktadır. Polis aracının radarından yayılan dalga, uzaklaşmakta olan otomobilden yansır ve
polis aracına geri döner. Radar sisteminin ölçtüğü gelen dalganın frekansı, başlangıçta yaydığı
dalganın frekansından 3600 Hz daha küçük olduğuna göre otomobilin yola göre hızı kaç m/sʼdir?
A) 90
B) 60
C) 45
D) 50
E) 75
225
B. Aşağıdaki sorular iki aşamadan oluşmaktadır. I. aşamaya verdiğiniz cevap doğrultusunda II.
aşamadaki soruyu cevaplayınız.
1. (I) Pınar, gece yarısı çenesini bir böceğin ısırmasıyla uyanır. Elektrikler kesik olduğundan eline
bir fener alır ve aynanın karşısına geçer. Pınar, karanlıkta çenesini rahatlıkla görmek istiyorsa fenerle
nereyi hedeflemelidir?
A)
B)
C)
D)
Feneri düzlem aynaya hedeflemelidir.
Feneri çenesine hedeflemelidir.
Feneri ayna düzlemine paralel tutmalıdır.
Feneri ayna düzlemine dik tutmalıdır.
(II) Cevabınızı en iyi açıklayan ışın diyagramı hangisidir?
A)
B) Ayna
Ayna
C) Ayna
D) Ayna
2.
Düz ayna
Düz ayna
kalem
kalem
Turhan
Yıldız
Üstten görünüm
Turhan
Yıldız
Arkadan görünüm
Bir düz ayna ve kalem, masa üzerine yukarıda gösterildiği gibi yerleştirilmiştir. Masanın önünde
oturan Turhan ve Yıldız aynaya bakmaktadırlar. Kalemin aynada oluşacak görüntüsüyle ilgili;
(I) Aşağıdaki durumlardan hangisi doğrudur?
A) İkisi tarafından görülen görüntünün yeri aynıdır.
B) Turhan’ın gördüğü görüntü, Yıldız’ın gördüğü görüntünün sağındadır.
C) Turhan’ın gördüğü görüntü, Yıldız’ın gördüğü görüntünün solundadır.
D) Turhan, kalemin görüntüsünü görürken Yıldız göremez.
226
(II) Cevabınızı en iyi açıklayan ışın diyagramı aşağıdakilerden hangidir?
Turhan tarafından
görülen görüntü
Yıldız tarafından
görülen görüntü
A)
Yıldız tarafından
görülen görüntü
Turhan tarafından
görülen görüntü
B)
Turhan
Turhan tarafından
görülen görüntü
Yıldız
Yıldız tarafından
görülen görüntü
C)
Turhan
Yıldız tarafından
görülen görüntü
Yıldız
Turhan tarafından
görülen görüntü
D)
Turhan
Yıldız
Turhan
Yıldız tarafından
görülen görüntü
Turhan tarafından
görülen görüntü
E)
Turhan tarafından
görülen görüntü
Yıldız
Yıldız tarafından
görülen görüntü
F)
Turhan
Yıldız
Turhan
Turhan tarafından
görülen görüntü
Yıldız tarafından
görülen görüntü
G)
Turhan tarafından
görülen görüntü
Yıldız
Yıldız tarafından
görülen görüntü
H)
Turhan
Yıldız tarafından
görülen görüntü
Turhan
Yıldız
Turhan tarafından
görülen görüntü
I)
Yıldız tarafından
görülen görüntü
Yıldız
Turhan tarafından
görülen görüntü
İ)
Turhan
Yıldız
Turhan
Yıldız
227
3.
Düz ayna
Düz ayna
kalem
kalem
Yıldız
Turhan
Üstten görünüm
Yıldız
Turhan
Arkadan görünüm
Yukarıda gösterildiği gibi Yıldız sağ tarafa, Turhan ise sol tarafa hareket ediyor. Kalem ise Yıldız’la
aynı yönde ayna sınırından çıkacak kadar hareket ettiriliyor.
(I) Turhan ile Yıldız, kalemin görüntüsünü görebilir mi?
A) Sadece Turhan görebilir.
B) Sadece Yıldız görebilir.
C) Her ikisi de görebilir.
D) Her ikisi de göremez.
(II) Cevabınızı en iyi açıklayan ışın diyagramı aşağıdakilerden hangisidir?
ayna
kalem
kız
erkek
ayna
erkek
kalem
erkek
kalem
228
B) Turhan ile kalemi birleştiren doğru, aynada kesişmediği
için Turhan, kalemi aynada göremez. Yıldız ile kalemi birleştiren
doğru ise aynada kesiştiği için Yıldız, kalemi görebilir.
kız
ayna
erkek
A) Kalem, ayna sınırının dışına çıkarıldığında Turhan ve Yıldız,
kalemin görüntüsünü göremez.
kız
C) Kalemden çıkan ışınlar Yıldız’a ulaşmadığından Yıldız, görüntüyü
göremez. Turhan ise görüntüyü aynanın yüzeyinde ve sağ tarafta görür.
D)Yıldız, görüntüyü aynanın yüzeyinde ve sağ tarafta görür. Turhan ise
görüntüyü göremez.
ayna
kalem
kız
ayna
E) Kalemden alınan ışınlar Yıldız'a ulaşmadığından Yıldız, görüntüyü
göremez. Turhan ise görüntüyü görür.
kalem
erkek
F) Yıldız ile kalem arasında çizilen ışın doğrusu ayna yüzeyinde
kesiştiği için Yıldız, görüntüyü görebilir. Turhan da görüntüyü görebilir.
ayna
kalem
erkek
4.
Ayna
kız
kız
Son konum
İlk konum
Şekilde görüldüğü gibi düz bir ayna ve bir kalem masa üzerine yerleştirilmiştir. Aynaya bakan
Pınar, kalemin görüntüsünü gözlemlemektedir (Deney karanlık odada düzenleniyor.).
(I) Eğer lamba biraz daha yükseltilirse kalemin görüntü yeri Pınar'a göre nasıl olacaktır?
A) Yukarı hareket edecek.
B) Aşağı hareket edecek.
C) Aynı yerde kalacak.
D) Sağa hareket edecek.
E) Sola hareket edecek.
229
(II) Cevabınızı en iyi açıklayan ışın diyagramı aşağıdakilerden hangisidir?
A) Görüntü aşağıya hareket etti.
B)
Görüntü aşağıya hareket etti.
Ayna
Ayna
Yükseltilmiş lamba
Yükseltilmiş lamba
Gözlemci
Gözlemci
C) Görüntü aşağıya hareket etti.
Ayna
D) Görüntünün yeri değişmedi.
Ayna
Yükseltilmiş lamba
Yükseltilmiş lamba
Gözlemci
E) Görüntünün yeri değişmedi.
Gözlemci
F) Görüntünün yeri değişmedi.
Ayna
Ayna
Yükseltilmiş lamba
Yükseltilmiş lamba
Gözlemci
Gözlemci
G) Görüntünün yeri değişmedi.
Ayna
Ayna
Yükseltilmiş lamba
Gözlemci
230
H) Görüntünün yeri değişmedi.
Yükseltilmiş lamba
Gözlemci
C. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Bazı arabaların dikiz aynalarında “Cisimler göründüğünden daha yakın olabilir.” uyarı yazısı
bulunur. Bu tür aynalar hangi tip aynadır?
2. Piknik alanında ateş yakmak isteyen birkaç çocuktan
miyop olanı, gözlüğünün camını kullanarak bunu başarabilir mi?
Nedenleriyle birlikte açıklayınız.
3. Bir fotoğraf makinesi, film tabakası üzerinde gerçek bir görüntü oluşturarak çalışır. Böyle bir
makine, sanal bir görüntünün resmini çekebilir mi?
4. Beyaz ışık, bir cam üzerine düştüğünde yansıyan ışın, renklere ayrılır mı? Nedenleriyle birlikte
açıklayınız.
5. Karanlık bir odanın penceresinden dışarı bakan insan dışarıda
gün ışığındaki bir insanı çok net görebilir ancak dışarıdaki insan
içeridekini göremez? Neden?
6. Işık doğrusal yol alır. Buna göre bir odada yanan ışık, başka bir odayı nasıl aydınlatır?
7. İris içindeki göz bebeği neden hep siyah renklidir?
8. Elektromanyetik dalgalar ortam değiştirdiğinde hangi özellikleri değişmez?
9. Su, cam gibi parlak yüzeylerden yansıyan ışık polarize olur mu? Neden?
10. Young deneyinde (çift yarıkta girişim) perde ile yarık arası herhangi bir sıvı ile doldurulursa
girişim deseninde nasıl bir değişim olur? Açıklayınız.
11. Beyaz ışık kullanılarak yapılan bir Young deneyinde merkezî aydınlık ve diğer saçakların
durumunu renk ve parlaklıkları açısından açıklayınız.
231
Mobil İletişim Sistemleri ve İnsan Sağlığı
1. Elektromanyetik radyasyonun canlılar üzerindeki etkileri nelerdir?
RF elektromanyetik dalgalarının foton enerjileri, atomları ve molekülleri iyonlaştıracak düzeyde
değildir. Elektromanyetik radyasyonun göreceli olarak düşük frekanslı biçimleri olan görünen ışık,
kızıl ötesi radyasyon ve RF dalgalar iyonlaştırıcı olmayan radyasyona örnektir. İyonlaştırıcı olmayan
elektromanyetik dalgaların etkisinde kalma sonucunda canlılarda;
a) Isıl etki
b) Isıl olmayan etki oluşabilir.
Isıl etkiler, vücut tarafından yutulan elektromanyetik enerjinin ısıya dönüşmesi ve vücut sıcaklığını
artırması olarak tanımlanır. Bu sıcaklık artışı, ısının kan dolaşımı ile atılarak dengelenmesine dek
sürer. Cep telefonları gibi RF kaynaklarının sebep olabileceği sıcaklık artışı gerçekte çok düşüktür
ve büyük olasılıkla vücudun normal mekanizmaları ile kolayca etkisizleştirilebilir. Cep telefonu ile
beyinde oluşabilecek sıcaklık artışı ortalama 0,1 °C dolayındadır. Isıl olmayan etkilere bağlı olarak RF
dalgaların etkili olduğu iddia edilen bozukluk ve hastalıklar arasında beyin aktivitelerinde değişiklikler,
uyku bozuklukları, dikkat bozuklukları, baş ağrıları bulunmaktadır. Ancak bu riskler çok yüksek
deneysel dozlar ve sürelerde geçerli olabilir ve cep telefonları gibi kullanımlar için geçerli değildir.
Yüksek enerjili iyonlaştırıcı elektromanyetik dalgalar, DNA ve genetik malzemeyi kapsayan biyolojik
dokuda hasara yol açabilen moleküler değişikliklere neden olabilir. Bu etkinin gerçekleşebilmesi için
dokunun X-ışınları ve gama ışınları gibi yüksek enerjili fotonlarla etkileşmesi gerekir.
2. Baz istasyonları nükleer radyasyona neden olur mu?
Bu radyasyon canlılar üzerinde nükleer radyasyona benzer
etkiler yapar mı?
Nükleer radyasyon, yüksek enerjili fotonların yol açtığı
iyonlaştırıcı radyasyondur. Baz istasyonlarının neden olduğu
ışınım, iyonlaştırıcı olmayan radyasyon sınıfındadır. Bundan dolayı
baz istasyonları nükleer radyasyona neden olmaz. İyonlaştırıcı
radyasyon bölgesindeki dalgaların frekansları baz istasyonlarının
çalışma frekanslarından milyon kere daha yüksektir.
3. Mobil telefonlar ile baz istasyonlarından yayılan
elektromanyetik dalgaların kanser yaptığı yönünde
tekrarlanmış herhangi bir kanıt var mıdır?
İyonlaştırıcı radyasyonun hücrelerin genetik malzemesini
(DNA) etkileyerek mutasyon ve kansere yol açtığı bilinmekle
birlikte, RF dalgalarının benzer etkiler yaptığı kanıtlanamamıştır.
Son yıllarda cep telefonlarının özellikle beyin tümörlerini artırıp
artırmadığı konusu gündeme gelmiş, ancak bugüne kadar yapılan incelemelerde cep telefonu
kullanımının kansere yol açtığını gösterecek kesin deliller bulunamamıştır. Son olarak ABD ve
Danimarka’da yapılan ayrıntılı çalışmalar cep telefonu kullanımının beyin tümörü riskini artırmadığını
açıkça ortaya koymuştur. Öte yandan bugüne kadar yapılan çalışmalar, cep telefonu teknolojisi ile
kanser arasında kesinlikle bir ilişki yoktur demek için yetersizdir. Bu nedenle, başta Dünya Sağlık
Örgütü (WHO) olmak üzere çeşitli kuruluşlar bu konuda daha kapsamlı çalışmalar başlatmıştır. Bu
çalışmaların sonuçlarının önümüzdeki yıllarda alınması beklenmektedir.
232
Bu kitap için düzenlenmiştir.
5. ünİte
modern fİzİk
233
konular
RÖNTGEN ÇEKİMİ
elmasın yapısı
LCD TEKNOLOJİSİ
güneş pİllerİ
üstün İletkenlİk
NANO FUTBOL
ÇEKİRDEĞİN YAPISI
296.000 YILINA MESAJ
NÜKLEER ENERJİ
Bu ünitede;
Maddelerin atomik yapılarını açıklamada önemli bir yeri olan X-ışınlarının özelliklerini,
maddenin temel yapısını ve sıvı kristallerini açıklayacağız. Ayrıca yalıtkan, iletken, yarı iletken ve
üstün (süper) iletken maddeleri irdeleyecek, çekirdek yapısı, radyoaktiflik, fisyon ve füzyon olayına
dair nükleer tepkimeleri açıklayacağız.
234
Modern Fizik
RÖNTGEN ÇEKİMİ
En eski radyolojik tanılama yöntemlerinden biri olan
röntgen çekimi, X-ışınlarının tıp alanında kullanılmasıyla
gerçekleştirilir. Röntgen tüpünün katodundan gönderilen
yüksek enerjili elektronlar, anoda ulaştığında ışıma yapar ve
X-ışınlarını oluşturur. Çok kısa dalga boyuna ve yüksek enerjiye
sahip bu ışınlar yüksüz oldukları için elektrik ve manyetik
alandan etkilenmezler. Röntgen tüpünden vücudun tamamına
veya herhangi bölümüne gönderilen X-ışınları; bu bölgenin
kalınlığına, içerdiği maddenin yoğunluğuna ve atom numarasına
göre etkileştiği maddede kırınıma uğrayarak röntgen filmine
ulaşır. Tıp alanında kullanılan X-ışınları etkisi altındaki hücreleri
iyonlaştırabileceğinden canlı hücrelerine zarar verebilir.
Röntgen filmi; üzerine homojen şekilde gümüş bromür (AgBr)
sürülmüş, X-ışınlarına karşı duyarlı plastik bir yapraktır. Röntgen
filmi üzerine düşürülen X-ışınları, gümüş bromürdeki bağları
gevşetir. Bağları gevşemiş gümüş bromür, kimyasal solüsyon
içine sokulduğunda moleküllerdeki bromür gümüşten ayrılır ve
sıvıya geçer. Film üzerinde kalan gümüş ise oksitlenerek filmdeki
siyah bölgeleri oluşturur. X-ışınını çok soğuran kemikler röntgen
filminde beyaz görünürken az soğuran kaslar siyah görünür.
Ayrıca soğurma oranına göre tümör gibi bazı dokular diğerlerinden
rahatlıkla ayırt edilebilir. Röntgen cihazlarının temelini oluşturan
X-ışınları farklı alanlarda kullanılarak maddelerin cinsine, yaşına
vb. özelliklerine dair pek çok bilgi elde edilebilir. X-ışınlarının
dalga boyunun maddelerin molekülleri arasındaki mesafelerle
yakın büyüklükte olması, madde yapısının incelenmesinde
X-ışınlarının tercih edilme nedenidir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Atomun elektron yapısının açıklanmasına dair çalışmaların on
dokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru yapıldığını on birinci sınıf fizik
derslerinde öğrenmiştiniz.
235
5. Ünite
Wilhelm Conrad Röntgen
(1845-1923)
1901
yılında
Nobel
Fizik Ödülü alan fizikçidir.
Kendi adıyla anılan Röntgen
ışınlarını bulması ile tanınır.
X- ışını
Katot
Anot
- +
V
Enerji
Sürekli X-ışınları
Dalga boyu
Bütün dalga boylarında enerji var.
Alman Fizikçi W. Kondrad Röntgen, armut şeklinde havası
boşaltılmış bir tüpün anot ve katoduna yüksek gerilim uygulayarak
katottan kopan elektronların anoda ulaşmadan cama çarptığını ve
floresan adı verilen ışık parlamaları meydana getirdiğini gözlemledi.
Daha sonraki yıllarda deney düzeneğini biraz değiştirerek tüpü
siyah bir kartonla kapladı. Tüpün ışık geçirgenliğini anlayabilmek
için odanın karanlık olmasını sağladı ve deneyi tekrarladı. Deney
esnasında deney tüpünden yaklaşık iki metre uzaklıkta baryum
platinosiyanete sarılı olan kâğıt üzerinde bir parlama fark etti.
Bu deneyi birkaç kez tekrarladı ve her defasında aynı sonuçla
karşılaştı. Röntgen’in deney esnasında fark ettiği ışınlar, o tarihe
kadar bilinen ışınlardan farklıydı. Röntgen bu ışınları X-ışını olarak
adlandırdı.
X-ışınları nasıl oluşturulur? Bunun için yandaki gibi bir X-ışını
tüpüne ihtiyaç vardır. Öncelikle tüpün içerisindeki hava boşaltılır.
Çünkü tüpteki gaz moleküllerinin sayısı ne kadar az olursa bu
moleküllerle çarpışarak hedeften sapan elektronların sayısı da o
kadar az olur. Havası boşaltılmış cam tüpün bir ucunda, içinden
elektrik akımı geçirilerek ısıtılmış iletken bir telden oluşan katot,
diğer ucunda ise ısıya dayanıklı bir madde olan tungstenden
yapılmış ve ucu eğik kesilmiş hedef levha olan anot bulunmaktadır.
Katotla anot arasına uygulanan yüksek potansiyel farkı katottan
termoiyonik yolla yayılan elektronları hızlandırır. İvmeli hareket
yapan elektronlar, ışık hızına yakın hıza ulaşarak birkaç keV’luk
enerjiye sahip olur ve anoda çarparak bir miktar ilerler. Kısa bir
süre içerisinde durur ve bu esnada X-ışınları üretilir. X-ışınlarından
‟Röntgen Çekimi” adlı metinde belirtildiği gibi tıp alanında da
faydalanılmaktadır.
Anoda çarptırılan yüksek hızlı elektronlarla X-ışını üretimi iki
şekilde gerçekleştirilir. Röntgen tarafından keşfedilen ilk yöntemde,
katottan çıkan ‟-” yüklü elektronlar Şekil 1'de görüldüğü gibi hedef
atomun ‟+” yüklü çekirdeğinden kaynaklanan Coulomb kuvvetleri
tarafından yavaşlatılır. Bu yavaşlatma sonucunda X-ışını oluşur.
Bu yolla her enerji düzeyinde X-ışını oluşturulabildiğinden bu
ışınlara sürekli spektrum X-ışını denir.
Karakteristik X-ışınları
Enerji
Şekil 1 : Sürekli spektrum X-ışınının elde edilmesi
Dalga boyu
Belirli dalga boylarında enerji var.
236
Bilimsel araştırmalar sonucunda keşfedilen ikinci yöntem
ise Şekil 2ʼde görüldüğü gibi katottan çıkan elektronların hedef
atomun K iç yörüngesindeki elektronlardan birine çarparak onu
üst yörüngeye çıkarmasıdır. Bunun sonucunda X-ışını oluşur. Üst
yörüngedeki elektron temel hâle dönerken iki yörünge arasındaki
enerji düzeyleri farkı kadar enerjiye sahip X-ışını yayar. Bu yolla
oluşan ışınlara karakteristik X-ışını denir.
Modern Fizik
M
M
M
L
K
L
K
L
K
n=1
n=1
n=1
n=2
n=2
n=2
n=3
n=3
n=3
Şekil 2 : Karakteristik X-ışınının elde edilmesi
X-ışınları oluşturulurken hedef tungsten levhaya çarptırılan
hızlandırılmış elektronlardan büyük bir çoğunluğunun enerjisi
ısıya dönüşür. Ancak bu elektronlardan çok azı, hedef levhanın
atomlarıyla tek bir çarpışmada enerjisinin tümünü kaybeder
ve X-ışınını oluşturur. Çarpışma esnasında hedefe çarpan
elektronların enerjisi X-ışınının enerjisine dönüşür. Bombardımanı
gerçekleştiren elektronun tüm enerjisi tek X-ışınına verildiğinden;
=
E eV
= hvmax
=
hc
1
2
=
me v max
olur.
λmin 2
Burada;
E : Çarpışma anında elektronun sahip olduğu enerjiyi,
-19
e : Elektronun yükünü (1,6018x10 C),
V : Hızlandırıcı gerilimi,
-34
h : Plank sabitini (6,626x10 Js),
νmax : Oluşan X-ışınlarının maksimum frekansını,
λmin : Oluşan X-ışınlarının minimum dalga boyunu,
me : Elektronun kütlesini,
vmax : Hedefe çarpan elektronların maksimum hızını ifade eder.
Hızlandırma potansiyeli 100.000 V olan bir X-ışını tüpünde
oluşan ışınımın en kısa dalga boyu kaç Å dur?
Çözüm
hc
=
E eV
=
eşitliğinden λmin i çekerek sabit değerleri yerine
λmin
yazarsak;
hc 6,626 ⋅ 10 −34 ⋅ 3 ⋅ 108 18,86 ⋅ 10 −26
λmin =
=
=
eV
1,6018 ⋅ 10 −19 ⋅ 105
1,6 ⋅ 10 −14
-12
λmin= 12,4.10 m = 0,124 Å olur.
X-ışınlarının ilk elde ediliş yöntemi ile günümüzde elde ediliş
yöntemlerine yönelik bir araştırma yapınız. Araştırma sürecinde
kütüphane, İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve
güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz. Bu
kaynaklardan amacınıza uygun olarak seçtiğiniz bilgiler ışığında
iki yöntemi karşılaştırarak aralarındaki benzerlik ve farklılıkları
sıralayınız. Araştırma sonucunu arkadaşlarınızla paylaşınız.
237
5. Ünite
Yayılan X-ışını şiddeti
X-ışını tüpünde katotta üretilen elektronların hızının levhalar
arasında oluşturulan gerilimle doğru orantılı olduğunu onuncu sınıf
fizik derslerinde öğrenmiştiniz. Elektronların hızı ne kadar büyükse
oluşan X-ışınlarının dalga boyu da o kadar küçük olur. Ayrıca
katottan çıkan elektronlar anotta ne kadar kısa sürede durdurulursa
oluşan X-ışınlarının frekansı da o kadar büyük olur.
Alman Fizikçi W. Kondrad Röntgen’in keşfettiği X-ışınları sonraki
yıllarda pek çok bilim insanının araştırmasına konu olmuştur.
Örneğin; İngiliz Charls Glover Barkla (Çarls Gılovır Berkıl), 1906
Charles Glover Barkla
yılında X-ışınlarının dalga özelliği taşıdığı fikrini öne sürmüş ve
(1877-1944)
dalga boyunu hesaplamıştır. Ayrıca, elementlerin röntgen ışıması
1917 yılında Nobel Fizik
karakteristiklerini bulmuş ve bu alana önemli katkılar sağlamıştır.
Ödülü alan İngiliz asıllı fizikçidir.
Karakteristik X-ışını elde etmek için kurulan düzenekte tüpe
X-ışınlarıyla ilgili çalışmalarıyla
uygulanan gerilim değiştiğinde oluşturulan X-ışınlarının şiddeti ile
tanınır.
dalga boyu değişiklik gösterebilir. Bu durumu, 140 keV gerilimle
hızlandırılan elektronların tungstenden yapılmış bir hedefi
bombalamasıyla oluşturulan X-ışınlarının sayısı ile dalga boylarının
dağılımını gösteren yandaki grafik
1200
üzerinde inceleyelim.
Tungsten, 140 keV
Grafikte iki pikin (keskin
1000
çıkıntı)
oluşma
nedeni
800
tungsten atomundaki üst enerji
düzeylerindeki elektronların K
600
kabuğundan uyarılan elektronun
yerine düşerken oluşturduğu
400
karakteristik X-ışınlarıdır. V gerilimi
artırılırsa, oluşan X-ışınının dalga
200
boyu da küçülür. Ancak bu belirli
0
λmin değerinden küçük olamaz.
0,00 0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
Dalga boyu, nm
Seçeceğiniz iki farklı maddenin karakteristik X-Işınları dalga
boyu grafiklerini araştırınız. Bu grafiklerin günlük yaşamda hangi
amaçla kullanıldığını, kullanım alanlarıyla birlikte açıklayınız.
Grafikleri ve kullanım alanlarını Powerpoint sunusu hâline
getirerek arkadaşlarınızla paylaşınız.
Not : Seçtiğiniz maddelerin diğer arkadaşlarınızın seçtiği
maddelerle aynı olmamasına özen gösteriniz.
Günümüzde X-ışınlarıyla ilgili birçok özellik ortaya konmuştur.
Bu özelliklerin başlıcaları şunlardır. X-ışınları;
1. Çok kısa dalga boyuna (1 Å - 0,01 Å) sahip elektromanyetik
dalgalardır.
2. Boşlukta ışık hızıyla doğrusal yayılır.
3. Geçtiği gaz atomlarını iyonlaştırır.
4. Elektromanyetik dalga olduğu için ışıkta olduğu gibi maddeden
geçişi sırasında bir kısmı soğurulurken bir kısmı saçılıma uğrar.
238
Modern Fizik
5. “Röntgen Çekimi” adlı metinde de belirtildiği gibi tıpta
yararlanılan X-ışınları çok yüksek enerjiye sahip olup kurşun bloklar
haricindeki pek çok maddeden geçebilir.
6. Canlı dokulara zarar verici etkileri vardır.
7. Yüksüz oldukları için manyetik ve elektrik alandan etki­len­
mezler.
8. Enine dalga olduğu için; girişim, yansıma, kırılma ve kutup­
lan­ma özellikleri mevcuttur.
9. Fotoğraf filmlerine etki eder.
“Röntgen Çekimi” adlı metinde de belirtildiği
gibi tıpta tanılama aracı olarak kullanılmasına
karşın X-ışınlarının zararlı etkileri de
mevcuttur. Enerjileri çok yüksek olan X-ışınları
vücudumuzdaki hücrelere çarptığında onları
iyonlaştırır. Bunun sonucunda hücrelerin
yapılarını yani yaşamsal işlevlerini bozabilir.
Böylece olumsuz biyokimyasal tepkimeler
sonucunda X-ışınına maruz kalmış hücrelerde
kanser oluşumunu kolaylaştırır. Bu nedenle
hastanelerin radyoloji bölümünde çalışan
radyologlar, X-ışınlarından korunmak için
kurşunla kaplanmış özel önlükler giyerler.
Röntgen çekimi esnasında ise kurşun kabinde beklerler. Ayrıca
hamile bayanların radyoloji bölümlerine girerken gerekli tedbirleri
almaları gerekir. Ülkemizde radyologların günlük mesailerinin, yıllık
izinlerinin ve hizmet (çalışma) sürelerinin (diğer memurlara oranla
1/4 oranında daha erken) diğer memurlardan farklı olmasının
nedeni radyasyona maruz kalmalarıdır.
X-ışınının nasıl elde edildiğini öğrendik.
Şimdi, X-ışınının elde edilişi ile Hertz tarafından
keşfedilen fotoelektrik olayı karşılaştıralım. Bunun Tek renkli
ışık
için öncelikle fotoelektrik olayı hatırlayalım.
Havası boşaltılmış cam tüp içerisindeki üretecin
katoduna foton (ışık) gönderilir. Gönderilen fotonun
enerjisi, katodu oluşturan metalin bağlanma
enerjisinden büyük olduğunda metalden elektron
koparılır. Koparılan elektrona aradaki enerji farkı
kadar enerji aktarıldığında elektronlar anoda doğru
hareket eder ve bir akım oluşmasına neden olur.
Yani fotonlardan elektron elde edilir.
Görüldüğü gibi röntgen cihazlarında da kullanılan X-ışınının
elde edilişi ile fotoelektrik olay temel olarak birbirinin tersi gibidir.
Fotoelektrik olayın gerçekleşmesini sağlayan elektromanyetik
dalga, görünür bölgede iken X-ışını eldesinde yayınlanan ışınlar,
görünür bölgede değildir.
Fotoelektrik olayda fotonlar hedef üzerindeki elektronları
sökebilir. X-ışını tüpünde elektronlar hedefe çarptırılarak foton
oluşturulur.
I
A
Anot
R
V
Katot
239
5. Ünite
Defterinize bir çizelge çizerek X-ışını oluşturulması ile fotoelektrik olay arasındaki
benzerlikleri ve farklılıkları bu çizelgeye yazınız.
Max Von Laue
(1879-1960)
1914
yılında
Nobel
Fizik Ödülü alan Alman asıllı
fizikçidir. X-ışınlarının kristaller
tarafından kırıldığını açık­layan
çalışmalarıyla tanınır.
William Lawrance Bragg
(1890-1971)
1915 yılında Nobel Fizik
Ödülü alan İngiliz asıllı fizikçidir.
Maddelerin
kristal
yapısını
açıklayan çalışmalarıyla tanınır.
240
Bilim insanları X-ışınlarının dalga özelliği gösterdiğini
ispatlamak için yarık sistemini kullanmıştır. Fakat kullanılan yarığın
genişliği X-ışınlarının dalga boyuna oranla çok büyük olduğundan
başarı sağlanamamıştır. Alman Fizikçi Max Von Laue (Maks Vön
Löi), X-ışınlarının dalga boyunun 0,01 Å ile 1 Å arasında ve bu
büyüklüğün hem atom boyutu hem de atomlar arası bağ uzunluğu
ile aynı mertebede olduğu bilgisini göz önüne aldı. X-ışınlarının
dalga özelliğini, X-ışınlarının kristallerde kırınım deneyleriyle
ispatladı.
William Lawrance Bragg (Vilyım Lavrens Brag) kristale
gelen X-ışınlarının, kristaldeki atomların elektronları tarafından
saçıldığını ve oluşan desenin kristal düzlemdeki yansıma sonucu
gerçekleştiğini keşfetti.
X-ışınları herhangi bir maddeden geçirildiğinde enerjileri
madde tarafından soğurulur. Maddenin karakteristik spektrumları
incelendiğinde maddenin moleküler yapısı bulunabilir. Örneğin
"Röntgen Çekimi" adlı metinde de belirtildiği gibi röntgen cihazından
çıkan X-ışınlarının dalga boyu maddelerin molekül aralıklarıyla
aynı boyutta olması ve X-ışınlarının kemik tarafından soğurularak
o bölgedeki maddenin yapısı tayin edilebilir. Fizikte X-ışınları
hakkındaki gelişmeler daha sonraları teknolojinin çeşitli alanlarına
katkı sağlamıştır. Maddelerin yapısını açıklamada kullanılan
X-ışınlarından başta adli tıp kurumları ve aşağıdaki fotoğrafta
görüldüğü gibi kriminal polis labora­tuvarları olmak üzere pek çok
alanda yararlanılır. Sanayide malzemelerin kontrolünde X-ışınları
kullanılır.
Modern Fizik
Malzemelerin kimyasal yapısını ve bu yapıdaki
kusurları anlamak için malzemelere X-ışını gönderilir.
Malzemelerin gelen ışınları soğurma düzeylerine göre
kusurlar belirlenir. Kimya, elektronik, seramik vb. alanlardaki malzemelerin kontrolü de bu şekilde yapılır.
Ayrıca hava limanlarında, büyük alışveriş merkezlerinde ve gümrüklerde X-ışınları kullanılarak eşyalar
kontrol edilir. İçlerinde yasa dışı madde bulunanlar bu
sayede kolaylıkla ayırt edilir.
Arkeologlar X-ışınları sayesinde, yapılarına zarar
vermeden tarihî eserleri ve iskeletleri inceleyebilir, yaş
tayininde bulunabilirler. Laboratuvar koşullarında inceleme yapılacak tarihî esere X-ışını gönderildiğinde
oluşan kırınımın, Bragg Yasası gereğince parametreleri hesaplanır. Bu parametreler sayesinde, tarihî
esere zarar verilmeden yapısı hakkında bilgi elde edilir.
Fizikte X-ışınlarının tahrip edici özelliğinin
keşfinden sonra bu özellikten hastanelerin radyoterapi
(ışın tedavisi) servislerinde faydalanılmaya ve kanserli
hücrelerin yok edilmesine çalışılmaya başlanmıştır.
X-ışınlarının dalga boyu atomik boyutta olduğundan
hedef maddeyle etkileştiğinde maddenin kristal
yapısında ilerleyen X-ışınları kırınıma uğrar. Kırınıma
uğrayan bu ışınların şiddetinden faydalanılarak
kristalleri oluşturan atomların konumu ve titreşim
genliğine yönelik çeşitli parametreler hesaplanabilir.
Ancak unutulmamalıdır ki bu parametreler, günümüz
şartlarının sınırlılığında mutlak doğruya en yakın
bilgilerdir. Örneğin ‟Röntgen Çekimi” adlı metinde de belirtildiği gibi
röntgen tüpünden vücudun tamamına yada herhangibir bölümüne
gönderilen X-ışınları bu bölgenin kalınlığına, içerdiği maddenin
yoğunluğuna ve atom numarasına göre kırınıma uğrayarak
röntgen filmine ulaşır. Böylece incelenen maddenin türü belirlenir.
Önceleri bilim insanlarınca bilimsel bilgilerin şart ve sınırlılıklarında
maddeleri tanımada kullanılan parametrelerden zamanla şartlar
değiştikçe farklı alanlarda da yararlanılmıştır. Örneğin, canlıların
DNA yapılarının belirlenmesi de bu şekilde olur.
Periyodik cetvelin oluşturulma sürecinde X-ışınlarının keşfinin
ne yönde bir etkisi olduğuna dair kütüphane, İnternet, yazılı
ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
bir araştırma yapınız. Bu kaynaklardan amacınıza uygun
olarak seçtiğiniz bilgiler ışığında oluşan araştırma sonuçlarını
arkadaşlarınızla paylaşınız.
241
5. Ünite
ELMASIN yapısı
Maddelerin dört temel hâli göz önüne
alındığında katıların yapısı, sıvı, gaz ve plazmaya
göre daha düzenlidir. Bunun sebebi katıların
birçoğunun kristal yapıya sahip olması ve bu yapıyı
oluşturan atomlar arasındaki bağlardır. Kristal yapı,
madde atomlarının düzenli olarak tekrar etmesidir.
Elmasın en belirgin özelliği sertliği olup bu değer
sertlik göstergesindeki en yüksek değer olan
10'dur. Elmas ile grafit molekülleri kıyaslandığında,
aynı sayıda ve türde atom içermelerine karşın
elmas grafite oranla çok daha değerli bir madendir.
Bu durum elmasın kristal yapısının grafitten farklı
olmasından kaynaklanır. Elmas atomlarının birbirleriyle yaptığı
bağların açıları ve dizilişleri onun diğer bütün mineralleri
çizebilmesini sağlar. Ayrıca bu diziliş onun mükemmel bir
şekilde parlamasını gerçekleştirir. Elmas gibi kristal yapıya sahip
olmayan maddelere amorf yapı denir.
Katıların atomları ve molekülleri birbirine yakın mesafededir
ve aralarındaki boşluk yok denecek kadar azdır. Bu nedenle
atomlar arasındaki çekim kuvveti çok yüksektir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
İyonik Bağlı Bileşik
Madde
Erime noktası
(°C)
NaCI
801
CaO
2575
MgCl2
714
ZnO
1975
Li2O
1700
PbSO4
1087
* Serway, Raymond A. ve Beıchner,
Robert J. 2005 kaynağından
yararlanılarak düzenlenmiştir.
Atomları bir arada tutan çekim kuvvetine kimyasal bağ dendiğini
onuncu sınıf kimya derslerinde öğrenmiştiniz. Maddelerde atomları
bir arada tutan bağlar güçlü etkileşime sahiptir. İyonik, kovalent ve
metalik olmak üzere üç çeşit bağ vardır.
İyonik bağ: Metaller ile ametaller arasında oluşan bağ çeşididir.
Bağ oluşumunda metaller elektron verirken ametaller aynı sayıda
elektron alır. Elektron veren metaller ‟+” iyon (katyon), elektron
alan ametaller ise ‟-” iyon (anyon) hâline gelir. Oluşan bu yükler
birbirini büyük bir kuvvetle çekerek iyonik bağ oluşturur. İyonik bağlı
bileşikler oda sıcaklığında katı hâlde ve kristal yapıda bulunurlar.
Bu bileşiklerin katı hâlleri elektriği iletmezken sıvı hâlleri veya sulu
çözeltileri elektriği iletir. Ayrıca bağ kuvvetleri büyük olduğundan
yüksek erime ve kaynama noktalarına sahiptirler. NaCl, CaO, Li2O,
MgS, BaCl2 bileşikleri iyonik bağlı bileşiklere örnek verilebilir.
Na
Cl
Na+
Cl
-
ClNa+
Cl- Na+
242
NaCl
Modern Fizik
MgF2 iyonik bağlı bileşiğinin oluşumu aşağıda verilmiştir.
9
12
F
Mg
9
9
F
12
Mg
9
F
F
Kovalent bağ: İki atomun, elektronlarını ortaklaşa kullanarak
oluşturduğu bağa denir. İyonik bağa göre daha zayıf olduğundan
kovalent bağlı bileşiklerin erime ve kaynama noktaları düşüktür.
Apolar (kutupsuz) ve polar (kutuplu) olmak üzere iki çeşit
kovalent bağ mevcuttur.
Apolar kovalent bağ: Aynı cins iki ametal atomu arasında
gerçekleşir. Soy gazlar hariç bütün gaz moleküllerinde
gerçekleşebilir. Hidrojen, oksijen ve klor gazı buna örnektir.
1
H
1
H
1
H
1
H
Kovalent Bağlı Bileşik
Madde
Erime noktası
(°C)
NH3
-77,7
C 6H 6
-5,5
N2O
-90,9
CO2
-78
HCl
-27,3
H3PO4
43
* Serway, Raymond A. ve Beıchner,
Robert J. 2005 kaynağından
yararlanılarak düzenlenmiştir.
Polar kovalent bağ: Farklı cins ametal atomları arasında
oluşan bağdır. Su molekülü buna örnektir.
1
8
H
O
8
1
1
H
O
1
H
H
Metalik bağ: Metal atomları arasındaki etkileşimle oluşur.
Metallerin en dış kabuğunda bulunan ve çekirdeğe zayıf bağlarla
bağlı elektronlar, atomlar arası hareketler sonucu ayrılarak elektron
denizi oluşturur. Elektronlarını dışarı vererek ‟+” yükle yüklenmiş
metal iyonları ile elektron denizindeki ‟-” yüklü elektronlar arasında
kuvvetli bir elektrostatik çekim oluşur. Böylece metalik bağ oluşur.
Metalik bağlı bileşikler elektriği iyi iletir.
243
5. Ünite
ClNa+
‟Elmasın Yapısı” adlı metinde de belirtiliği gibi katı maddeler,
atom veya atom gruplarının düzenli olup olmamalarına göre
kristal ve amorf yapılı olmak üzere ikiye ayrılır. Bu yapılar maddeyi
oluşturan atom, iyon veya moleküller arasındaki bağlara göre
belirlenir. Yandaki şekilde de görüldüğü gibi kristal yapılı katıların
atom, iyon veya molekülleri düzenli şekilde dizilmiştir. Şeker ve tuz
kristal yapılı katılara örnektir.
Amorf
yapı,
madde
atomlarının
birbirine
göre
konumlarının rastgele olduğu
yapılardır.
Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi bu maddelerin atomlarının
dizilişlerinde rastgelelik ve düzensizlik mevcuttur.
kristalin SiO2
amorf SiO2
Si
Oksijen
Amorf yapılı katıların geneli aşırı soğutulmuş sıvılardır. Bu
katılara en güzel örnek camdır. Camın elde edilebilmesi için kuvars
kum (SiO2) eritilir ve kristalleşmemesi için hızlıca soğutulur.
Amorf yapılı katılar, kristal yapılı katılar gibi sabit sıcaklıkta
erimek yerine belirli sıcaklık aralıklarında akıcılık özelliği gösterir.
Günlük yaşamda kullandığımız tereyağı, krem peynir, ruj, pamuk
helva ve lastik, amorf yapılı katılara örnektir.
244
Modern Fizik
Kristal yapılı ve amorf yapılı maddelere günlük yaşamdan
örnekler bulunuz. Bu maddelerin nerelerde kullanıldığına dair
kütüphane, İnternet (gov.tr veya edu.tr uzantılı), yazılı ve görsel
medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından bir araştırma
yapınız. Bu kaynaklardan amaca uygun seçtiğiniz bilgiler ışığında
oluşan araştırma sonuçlarını görsellerle birleştirerek panoda
sergileyiniz.
Görüntüleme elektrotları
Işık ve görüntü
Yansıtıcı ayna
Işık
kutuplama
filtresi
LCD TEKNOLOJİSİ
Polarize
camlar
Sıvı kristal
Renk filtresi
Cam panel
Polarizatör
Parlak Işık
kaynağı
Günümüzün en önemli icatlarından biri de LCD teknolojisine
sahip televizyonlardır. Bu televizyonların çalışmasında yarı katı,
yarı sıvı özellik gösteren sıvı kristaller önemli bir yer tutar. Sıvı
kristallerin en önemli özelliği, içerisinden geçen ışık ışınlarına yön
vermesi ve onları istenilen doğrultuda bükebilmesidir. Böylece
görüntünün kısa mesafelerde ekran üzerine düşürülmesi sağlanır.
LCD panellerin görüntü oluşturma sistemi bazı katmanların üst
üste getirilmesiyle sağlanır. Bu katmanlar arkadan öne doğru;
yansıtıcı ayna, yatay polarize cam, ana elektrot, sıvı kristal ve
polarize cam şeklinde sıralanır. LCD ekranlarda görüntü, sıvı
kristal diyotlar yardımıyla elde edilir. Ayrıca bu diyotlarda ve
devrelerdeki transistörlerde yarı iletken maddeler kullanılır.
LCD’lerin içerisinde pek çok alanda kullanılan ve
nanoteknoloji ürünü olan transistörler mevcuttur. Bu transistörler
atomik boyuttadır ve devrelerin yapısında kullanılır.
Polarizatör
Beyaz
ışık
TFT + Elektron
Elektrot
Bu kitap için düzenlenmiştir.
LCD teknolojisinin CRT (katot ışın tüpü) teknolojisinden temel
farkı, yapılarında kullanılan sıvı kristallerdir.
Sıvı kristal maddeler, katı kristal yapısına sahip olmalarına
rağmen akışkan özellik gösteren maddelerdir. Avusturyalı Botanist
Frederich Rheinizer (Fredrik Reynzer) 1888 yılında cholesteryl
benzoate (kolisterili bonzayi) adlı organik maddeyi 145°C sıcaklığa
kadar ısıttığında bu maddenin bulanık bir sıvıya, sıcaklık 178°C’a
245
5. Ünite
Katı kristal yapı
Pierre-Gilles de Gennes
(1932-2007)
Basit kristal yapıya sahip
maddeleri
incelemek
için
kullanılan yöntemlerin, sıvı kristal
ve polimer gibi karmaşık yapıya
sahip maddeleri ince­le­mede de
kullanılabileceğini keşfet­miştir. Bu
çalışmasından dolayı 1991 yılında
Nobel Fizik Ödülü almıştır.
246
ulaştığında ise berrak bir sıvıya dönüştüğünü gözlemledi. Zamanla,
bu özelliği gösteren maddelerin sıvı kristal yapıya sahip olduğunu
keşfetti. Sıvı kristallerin bulunmuş olmasına rağmen bu keşfin önemi
bilim dünyası tarafından o dönemlerde yeterince anlaşılamamıştır.
Sıvı
Sıvı kristal
Sıvı
kristal
molekülleri
termotropik ve liyotropik
olmak üzere iki çeşittir.
Termotropik sıvı kristaller
ise nematik, kolektorik ve
simetrik olarak üçe ayrılır.
Bilim insanları, 1960’lı yıllarda sıvı kristallerin kendi içlerinden
geçen ışığın özelliklerini değiştirebileceğini fark etmiştir. ‟LCD
Teknolojisi” adlı metinde de belirtildiği gibi sıvı kristalleri, içerisinden
geçen ışık ışınlarına yön vererek onları istenilen doğrultuda
bükebilir.
Sıvı kristallerdeki molekül içi bağların zayıf olması onların
basınç, sıcaklık, elektriksel ve manyetik alandan kolay
etkilenmelerine neden olur. Bunun sonucunda sıvı kristallerin
renkleri kırmızıdan mora kadar değiştirilebilir. Örneğin, vücut
sıcaklığımız yükseldiğinde yüzümüzün kırmızı veya sarı renge
dönüşmesini sıvı kristal yapıya sahip kolesterin maddesi sağlar.
Kolesterin maddesi 36,5 °C’ta renksiz, 39,5 °C’ta kırmızı, 40 °C’ta
sarı, 40,2 °C’ta ise yeşil rengini alır.
1960’lı yılların sonlarına doğru başta Fransız Pierre-Gilles de
Gennes (Piyer Cils de Cinis) olmak üzere pek çok bilim insanı
sıvı kristaller üzerine çalışmış ve bu kristallerle görüntü oluşturma
denemeleri yapmıştır. Sonunda Pierre-Gilles de Gennes görüntü
oluşturmayı başarmış ve bu nedenle LCD teknolojisinin mucidi
kabul edilmiştir. Sıvı kristallerin LCD veya bilgisayar ekranlarının
yapısında kullanımı teknolojinin gelişimine büyük katkılar sağlamış,
günlük yaşamda problem teşkil eden ve ihtiyaç görülen pek çok
aletin geliştirilmesine ön ayak olmuştur.
Sıvı kristallerin ekranların yapısında kullanımına dair pek çok
örnek mevcuttur. Bunların başında “LCD Teknolojisi” adlı metinde
de ifade edildiği gibi LCD televizyonlar gelir. Ayrıca bilgisayar
ekranlarında, dijital saatlerde, kameralarda, hesap makinelerinde,
cep telefonlarında otomobil ve uçakların gösterge panellerinde
sıvı kristal teknolojisi kullanılır. Bu teknolojik ürünlerin işlevlerinin
çoğalması ve hacimlerinin küçülmesi kullanım kolaylığı sağlamakla
birlikte iletişimi yaygınlaştırmaktadır. Teknolojinin gelişimiyle
birlikte sıvı kristallerin uygulama alanları daha da artacak,
maliyetleri azalacaktır. Bu durum toplumların sosyal ve ekonomik
gelişmelerine katkı sağlayacaktır.
LCD teknolojisini daha iyi kavrayabilmek için LCD ve CRT
(katot ışın tüpü) teknolojileri kullanılarak üretilen iki monitörü bir
sonraki sayfada karşılaştıralım.
Modern Fizik
Aynı firma için
LCD Monitör
CRT Monitör
Fiziksel boyut
Az yer kaplar. İnce ve hafiftir.
Çok yer kaplar. Kalın ve ağırdır.
Görüntülenebilir
alan
17” Monitörün görüntülenebilir alanı 17” tir. 17” Monitörün görüntülenebilir alanı 16” tir.
Renk yapısı
Orta seviyede renk kalitesi sunar.
Yüksek seviyede renk kalitesi sunar.
Çözünürlük
Doğal çözünürlük sınırı vardır.
Farklı çözünürlüklerde aynı kaliteyi sunar.
Yansıma
Parlak ışık altında yansıma çok azdır.
Parlak ışık altında yansıma çok fazladır.
Görüş açısı
Görüş açısı küçüktür.
Görüş açısı büyüktür.
Enerji tüketimi
Enerji tüketimi azdır.
Enerji tüketimi fazladır (2-4 kat).
Sağlık
Zararlı etkileri azdır.
İnsan gözü başta olmak üzere zararlı etkileri fazladır (Filtre kullanılmalıdır.).
Dayanıklılık
Hassas malzemelerden oluşmuştur.
Dayanıklıdır.
Fiyat
20” LCD yaklaşık 250TL’dir.
20” CRT Flat üretilmiyor.
Masaüstü bilgisayarlardan dizüstü bilgisayarlara geçişte sıvı
kristallerin katkısının neler olduğu konusunda kütüphane, İnternet,
yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
bir araştırma yapınız. Bu kaynaklardan amaca uygun olarak
seçtiğiniz bilgiler ışığında oluşan araştırma sonuçlarını
arkadaşlarınızla paylaşınız.
Güneş PİLLERİ
Güneş enerjisini iç fotoelektrik
reaksiyondan faydalanarak elektrik
enerjisine çeviren bu piller günlük
hayatta sokak lambalarından hesap
makinelerine kadar pek çok alanda
kullanılmaktadırlar.
Güneş pilleri
genellikle n-tipi ve p-tipi yarı iletken
maddelerden yapılıp en çok kullanılan
yarı iletkenler silisyum, galyum arsenit
ve kadminyum tellürdür. Güneş ışığındaki fotonlar, elektronları
yarı iletken metalik bir yonga plakasının bir katmanından bir
diğer katmanına hareket ettiren enerjiyi sağlar. Elektronların
hareketi akım oluşturur. Güneş pilleri yapısına bağlı olarak % 5
-% 20 arasında bir verimle elektrik üretir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Walter Houser Brattain
(1902-1987)
Yarı iletkenler ve transistörler
üzerinde araştırmaları olmuştur. Bu
nedenle 1956 yılında Nobel Fizik
Ödülü almıştır.
Si
Si
Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik açısından iletken maddeler
ile yalıtkan maddeler arasında yer alan maddelerdir. Yarı
iletkenlerin iletkenlerle yalıtkanlar arasında kalma sebebi, yarı
iletken maddelerin elektrik akımının belli bir değerine kadar izin
vermemesi ve o sınır değerinden sonra akıma karşı neredeyse hiç
direnç göstermemesidir.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
247
5. Ünite
William Shockley
(1910-1989)
Walter Houser Brattain ile birlikte
transistörü
keşfetmişlerdir.
Ayrıca
yarı iletkenler üzerinde araştırmaları
olmuştur. Bu nedenle 1956 yılında
Nobel Fizik Ödülü almıştır.
John Bardeen
(1908-1991)
Transistörün üretimine katkıda
bulunmuştur.
Bu
nedenle
1956
yılında Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Yarı iletken maddeler; ısı, ışık, manyetik vb. bir dış etki ile
karşılaştığında iletken olurlar. Bu etki ortadan kalktığında tekrar
yalıtkan hâle dönebilirler.
Yarı iletken maddeler kristal yapıya sahiptir. Bu maddelerin
bazıları doğada mevcutken bazıları laboratuvar koşullarında üretilir.
Yarı iletkenler genellikle 4A grubu elementleridir ve kararlı hâle
geçmek için dört adet kovalent bağ yaparlar. Germanyum (Ge),
silisyum(Si), selenyum (Se), bakır oksit (CuO), galliyum arsenid
(GaAs), indiyum fosfor (InP) ve kurşun sülfür (PbS) başlıca yarı
iletken maddelerdir. LCD teknolojisinde kullanılan maddelerden bir
diğeri yarı iletkenlerdir. Bu iletkenler LCD televizyon devrelerindeki
diyotlarda ve transistörlerde kullanılmaktadır. 1948 yılında Walter
Houser Brattain (Voltır Havzır Bratayn), William Shockley (Vilyım
Sakley) ve John Bardeen (Con Bardın) adlı fizikçiler yarı iletken
malzemeler üzerine çalışmalar yapmış; düşük akımlarla yüksek
akımları denetlemeye yarayan, yarı iletken malzemeden yapılan
ve vakum tüplerinin yerini alan transistör adlı devre elemanını
üretmişlerdir.
Günlük yaşamda pek çok alanda kullanılan yarı iletkenler
teknolojinin gelişmesine büyük katkı sağlamıştır. Teknolojik ürünlerin
çalışma prensibinin bir fiziksel kurala dayandığı unutulmamalıdır. Yarı
iletken maddeler savunma sanayinde, dedektörlerde, lazerlerde,
gaz analiz sensörlerinde, termal kameralarda ve gece görüş
sistemlerinde kullanılır. Sağlık sisteminde hızlı ve doğru sıcaklık
ölçümlerinde, sıvı analizi ve hastalık teşhislerinde kullanılmaktadır.
Ayrıca iletişim teknolojisinde cep telefonları, bilgisayarlar ve uydu
sistemleri yarı iletken maddelerin başlıca kullanım alanlarıdır.
Yarı iletken maddelerin özellikle uzay teknolojisinde kullanımı bu
maddelerin geleceğe yön verecek araştırmaların içinde olacağını
göstermektedir. Maliyeti çok yüksek olmasına rağmen toplumlara
sağladığı faydalar gün geçtikçe artmaktadır. Gelişmiş ülkelerin
birçoğu bu teknolojiye önemli
bütçeler ayırmaktadır.
Günümüzde birçok alanda
kullanılan iletken ve yarı iletken
maddeler, enerji aktarımında
kayıplara neden olur. En iyi
iletkenlerden biri olan altın
metali bile üzerinden geçen
enerjinin %35’ni kaybeder. Acaba enerji aktarımında kayıplara yer
vermeyecek iletkenler üretilebilir mi?
Yarı iletken maddelerin teknolojide kullanım alanları konusunda
kütüphane, İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından bir araştırma yapınız. Bu kaynaklardan
amaca uygun olarak seçtiğiniz bilgiler ışığında oluşan araştırma
sonuçlarını arkadaşlarınızla paylaşınız.
248
Modern Fizik
Alexei A. Abrikosov
(1928-….)
Vitaly L. Ginzburg ve Anthony
J. Leggett ile birlikte üstün (süper)
iletkenler
ÜSTÜN İLETKENLİK
Hollandalı Fizikçi Heike Kamerlingh Onnes (Heyki Kamerling
Ons) 1911 yılında, yaptığı bir deneyde cıvayı sıvılaştırılmış
helyuma sokar ve iletkenlerin direncinin, mutlak sıfıra yakın (çok
düşük) sıcaklıklarda, sıfıra yakın değer aldığını keşfeder. Daha
sonra bu özelliğe üstün iletkenlik adını verir.
Maddelerin üstün iletkenlik özelliği gösterdiği sıcaklığa kritik
sıcaklık denir. Kritik sıcaklık, üstün iletkenler için ayırt edici bir
özelliktir.
Üstün iletkenliğin keşfi bilim dünyasında önemli bir dönüm
noktası olarak kabul edilir. Metalleri sıvı helyuma sokarak üstün
iletken oluşturma yöntemi, gerek pahalılığı gerekse koşulların
yetersizliği yüzünden fazla tercih edilmez. Yapılan araştırmalar
ile metaller yerine metal alaşımların da üstün iletken olabileceği
ortaya konmuştur. Alaşım kullanılarak üretilen üstün iletkenler
metal kullanılarak üretilen üstün iletkenlere oranla çok daha
yüksek sıcaklıklarda (-150 °C) üretilebilir.
Birçok bilim insanı üstün iletkenler üzerine çalışmıştır.
Örneğin, Brain Josephson (Brayn Cozıfsın) üstün iletkenlerin
mikroskobik özelliklerine dayalı bir keşif yapmış ve üstün
iletkenlerde tünelleme olayını bulmuştur. Tünelleme elektron
çiftlerinin, iki üstün iletken metal arasına ince bir yalıtkan
(n kalınlığında) konan sistemden dirençsiz geçerek akım
oluşturabilmesidir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
üzerine
yaptıkları
çalış­
malardan dolayı 2003 yılında Nobel
Fizik Ödülü almıştır.
Vitaly L. Ginzburg
(1916-2009)
Üstün (süper) iletkenler üzerine
yaptığı çalışmalardan dolayı 2003
yılında Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Anthony J. Leggett
(1938-....)
Üstün (süper) iletkenler üzerine
yaptıkları çalışmalardan dolayı 2003
yılında Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Üstün iletkenler günlük yaşamda pek çok alanda kullanılır.
Bunların başında maglev (manyetik raylı tren) adıyla bilinen
hızlı trenler gelir. Almanya, Fransa, Japonya ve Çin’de kullanılan
bu teknolojinin temelinde üstün iletken maddelerin sahip olduğu
manyetik itme kuvveti özelliği yer alır. Saatte 581 km hıza ulaşarak
kara ulaşımı açısından toplumlara büyük hizmet sunmaktadır.
Sürtünmeden kaynaklanan enerji kayıplarının olmamasından
Ivar Giaever
dolayı diğer kara taşıtlarına göre hem ekonomik hem de çevreci
(1929-….)
Yarı iletkenler ve üstün ilet­
olan bu teknolojinin çalışma prensiplerini inceleyelim.
Elektromıknatıslarla kaplı ray üzerindeki trenin her iki ucunda kenlerde tünelleme etkisi üzerindeki
çok düşük sıcaklıklarda soğutulmuş üstün iletken mıknatıslar çalışmalarından dolayı 1973 yılında
bulunur. Bu üstün iletken mıknatıslar çok büyük manyetik alan Nobel Fizik Ödülü almıştır.
249
5. Ünite
oluşturabilmektedir. Bu sayede tren yaklaşık 10
cm yükseltilir. Yandaki şekilde de görüldüğü gibi
trenin raydan çıkmasını önlemek amacıyla trenin alt
kısmı rayları saran bir yapı şeklinde tasarlanmıştır.
Trenin hareket etmesi için elektromıknatıs bobinine
Yardımcı
değişen frekanslarda alternatif akım verilir. Raylardaki
mıknatıs
elektromıknatısın kutuplarıyla (N-S), trendeki destek
Sabit bobin
ve yardımcı mıknatıs kutuplarının etkileşimi sonucu
Destek
mıknatıs
oluşan çekme kuvvetiyle tren ilerler. Tren raylarla temas
N
N
S
N
S
etmediği için sürtünme minimuma iner ve enerji kaybı
N
S
azalır. Trenin hızı, bobinlerdeki alternatif akıma bağlı
olarak değiştirilir. Tren durdurulacağı zaman akımın
N
S
yönü ters çevrilir ve oluşan zıt yönlü itme kuvvetiyle tren
durdurulur.
N
N
S
S
S
Üstün iletkenlerin diğer bir kullanım alanı da sağlık
sektöründeki MRI (manyetik rezonans görüntüleme) cihazlarıdır.
İnsan vücudu bu cihazlar sayesinde zararlı ışınlara maruz
kalmadan ayrıntılı bir şekilde görüntülenebilmektedir. MRI cihazları
fizik-teknoloji ilişkisine örnektir.
Brain Josephson
Ayrıca CERN’de yapılan deneylerde üstün iletkenler
(1940-….)
kullanılmaktadır.
Üstün iletken mıknatısların oluşturduğu çok
Ivar Giaever ve Leo Esaki
ile birlikte yarı iletkenler ve üstün büyük manyetik alan sayesinde CERN'de parçacıklar rahatlıkla
iletkenlerde tünelleme etkisi üzerinde çok yüksek hızlara ulaştırılır ve belirli yörüngelerde çarpıştırılır. .
yaptıkları çalışmalardan dolayı 1973 Bu çalışmalar fizik bilimine büyük katkılar sağlayacaktır.
yılında Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Günümüzde üstün iletkenlik kavramının ve uygulama
alanlarının genişletilmesine çalışılmaktadır. Bu durum teknolojinin
geliştirilmesinde ve bu gelişmelerin toplumların sosyal, kültürel ve
ekonomik gelecekleri üzerindeki olumlu etkileri açısından büyük
öneme sahiptir.
Leo Esaki
(1925-….)
Yarı iletkenler ve üstün iletkenlerde
tünelleme etkisi üzerinde yaptıkları
çalışmalardan
dolayı
1973
yılında
Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Üstün İletken
Madde
Kritik Sıcaklık
(K)
Zn
0,88
Al
1,19
Hg
4,15
Pb
7,18
Nb3Sn
18,05
Nb3Ge
YBa2Cu3O7
23,2
TlBaCaCuO
125
92
* Serway, Raymond A. ve Beıchner,
Robert J. 2005 kaynağından
yararlanılarak düzenlenmiştir.
250
Sınıfınızda iki grup oluşturunuz.
I. grup: Üstün iletkenlerin geleceğin teknolojisindeki yerine
yönelik,
II. grup: Yarı iletkenlerin teknolojiye katkılarını ve uzay
teknolojisindeki yerine yönelik, kütüphane, İnternet, yazılı ve
görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından bir
araştırma yapsın. Bu kaynaklardan amaca uygun seçtiğiniz
bilgiler ışığında oluşan araştırma sonuçlarını Powerpoint sunusu
hâline getirerek sınıfa sununuz.
Modern Fizik
Mikroskoptan Alanın
Görünümü
Kale
500 µm
Oyun Alanı
900 µm
800 µm
2 µm boşluk
30 µm perde
Elektrot
Dizilimi
Kale
16 oyun alanı barındıran yonga
Saha Çizgileri
1500 µm
NANO FUTBOL
Nano futbol, bilim kurgu filmlerinden bir alıntı gibi görünse
de mikro-elektro-mekanik sistem program çalışmaları yapan
üniversiteler için yeni bir takım sporudur. Bu oyun; aralarında 2
µm boşluk bulunan ve 30 µmʼlik perdelerden oluşan mercimek
tanesi büyüklüğünde (2,5mm x 2,5mm) bir alan üzerinde,
çapı saç telinden daha küçük bir topla oynanır. İnsanlar bu
oyunu nanobot adı verilen oyuncularla mikroskop, elektrik ve
manyetik alan kullanarak oynamaktadır. Elektrik ve manyetik
alanlar, uzaktan kumanda sayesinde kontrol edilebilmektedir.
Oyun alanı üzerindeki oyuncular bir amibin yaklaşık altıda
biri kadardır. Nanobotlar; alüminyum, krom, altın, nikel veya
silikondan üretilmektedir. Nanobotların ağırlıkları nanogram,
boyları mikrometre mertebesindedir.
Oyun alanı oluşturulurken on altı adet nano futbol sahası
tek bir silikon yonga üzerine inşa edilir ve bu yonga, kontrol
arayüz bağlantılarıyla beraber bir devre kartına takılır. Nano
futbol topları, yandaki şekilde de görüldüğü gibi yaklaşık
50 μm yarıçapında silikon dioksit diskinden oluşturulur ve
sahada daha kolay görülebilmeleri için üzerlerine T şeklinde
bir işaret konur. Nanotopun üzerinde bulunan üç küçük halka
şeklindeki kabartılar, oyun alanı şeklindeki perdeye temas eden
yüzey alanını azalttığından aynı zamanda sürtünmeyi azaltarak
topun oyun sahasında daha kolay kaymasını sağlar.
İlk nano futbol turnuvası 2007 yılında Atlanta’da, RoboCup
etkinlikleri içerisinde yer almıştır. Nano futbol turnuvaları iki
milimetrelik koşu, engelli rota ve top yönetme olmak üzere üç
aşamadan oluşur.
Birinci aşamada, nanobotlar oyun sahasının bir ucundan
diğer ucuna kadar birbirleriyle yarışır. En hızlı olan bu aşamayı
kazanır. İkinci aşamada, nanobotlar polimer malzemelerle set
çekilmiş bir parkuru tamamlamaya çalışır. Parkuru ilk önce
tamamlayan, bu aşamayı kazanır. Üçüncü aşamada, nanobotlar
üç dakikalık süre içerisinde nano toplarıyla futbol maçı yaparlar.
En fazla gol atan bu aşamayı kazanır.
Devre kartı Nano futbol sahaları
takılı yonga
50 µm
Nanotop
251
5. Ünite
Nano
futbol
turnuvaları,
nanoteknoloji
alanındaki
pratik uygulamaların geliştirilmesi için düzenlenmektedir.
Nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte vücudumuzda mikroameliyatlar yapabilecek nanodoktorlar geliştirilebilir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Bilim insanları makroskobik boyutta üretilen mevcut teknolojik
ürünlerden yola çıkarak mikroskobik boyutta ürünler oluşturmaya
çalışmıştır. Bu alanda ilk çalışmaları Richard Feynman (Riçırd
Feyman) yapmıştır. Atomların atomlarla ya da moleküllerin
moleküllerle işlenmesi, ayrılması, birleştirilmesi ve bozulması
şeklinde tanımlanan nanoteknoloji dünyasında Norio Taniguchi’nin
çalışmaları (1974) önemli bir dönüm noktası olmuştur.
Maddeler, özelliklerini atomlardan ve bu atomların dizilişinden
almaktadır. Atomları işleyebilecek kadar küçük boyutta (nanometre
veya mikrometre boyutunda) aletlerle doğadaki atomik dizilimler
taklit edilirse istenilen birçok ürün üretilebilir. Nanoteknoloji, atom
veya moleküllerin tek tek işlenerek birleştirilmesi sonucu istenilen
ürünün elde edilmesine yönelik bir teknolojidir. Nanoteknolojinin
gelişimine en büyük katkı tarama tünelleme mikroskoplarının icadıyla
sağlanmıştır. Çünkü bu mikroskoplar atomların yerlerini istediğimiz
şekilde değiştirebileceğimizi ispatlamıştır. Nanoteknolojik ürünler,
-9
yaklaşık olarak 10 m mertebesindeki sistemlere karşılık gelir.
Günlük hayatta pek çok alanda kullanılan nanoteknoloji ,bireylerin
ihtiyaçlarını karşılamakla birlikte toplumlara sosyal ve ekonomik
alanda katkı sağlar.
Aşağıdaki şekilde nanoteknolojinin günlük hayattaki uygulama
alanları verilmiştir.
Elektronik
(Nano elektronik)
Bilgisayar
(Kuantum bilgisayar)
Malzeme Bilimi
(Hafif ve kuvvetli
Matematik
malzeme)
(Modelleme)
NANOTEKNOLOJİ
Eczacılık
(Yapay kemik)
Biyoloji
(Biyosensörler)
252
Fizik
(Karakterizasyon)
Kimya
(Seçici depolama)
Modern Fizik
Nanoteknolojinin uygulama alanlarından bazılarını inceleyelim.
Endüstriyel alan: Nanoteknolojinin bu alanda kullanımına
yönelik pek çok örnek vardır. Bunların başında otomotiv ve
tekstil sektörleri gelir. Otomobil boyalarının nano parçacıklarla
hazırlanması sonucu çizilmez boyalar üretilmiştir. Ayrıca lotus adlı
bir bitkinin su tutmama özelliği gösteren yaprak yapısı taklit edilerek
nanoteknolojik ürünler cam teknolojisine uygulanmış böylece
otomobil camlarının su ve kir tutması engellenmiştir.
Tekstil sektöründe, karbon liflerden kumaş hazırlanarak su
tutmayan ve yanmayan kumaşlar üretilmiştir. Bu kumaşlar itfaiyeci
kıyafetlerinde de kullanılmaktadır.
Bilimsel alan: Nanoteknolojinin bu alandaki başlıca
kullanımları; nano kütüphaneleri, chip (çip), transistör, elektronik
devre ve CD üretimleri şeklindedir. Nanoteknoloji sayesinde
milyarlarca sayfaya sığdırılamayacak bilgiler toplu iğne başından
küçük boyutlarda depolanabilir. Örneğin; binlerce kitaptan oluşan
arşivler küçücük çiplere sığdırılabilmektedir. Bu, nanoteknolojinin
toplumlara sağladığı faydalardan sadece biridir. Aşağıda resimde
görülen Türk bayrağı Bilkent Üniversitesi tarafından nanoteknoloji
kullanılarak üretilmiştir. Bayrağın büyüklüğü 500 nm’dir.
Normal ve nanoteknolojik cam
Sağlık alanı: Nanoteknolojinin
bu alandaki başlıca kullanımları
hücre onarım robotları, nano cerrahi
(özellikle göz ve beyin), nano robot,
nano ölçekli ilaç yapımı, biyosensörler
şeklindedir.
Gelişmekte olan nanoteknolojinin gelecekte pek çok alanda
kullanımı planlanmaktadır. Atom boyutu dikkate alındığında
nanoteknolojik araçların gelecekte ne derece küçük boyutta
olacağı ve hayatımızı ne kadar kolaylaştıracağı aşikârdır. Örneğin,
‟Nano Futbol” adlı metinde de belirtildiği gibi 90m X 120m
büyüklüğündeki sahalarda oynanan futbol oyunu artık günümüzde
mercimek tanesi büyüklüğünde (2,5mm X 2,5mm) bir alanda,
saç telinden daha küçük bir topla oynanabilmektedir. Bunun yanı
sıra ilk üretilen bilgisayarlar hem yüksek maliyetli olup hem de bir
odaya bile zor sığarken günümüzde üretilen bilgisayarlar küçük
bir defter boyutundadır ve maliyetleri gittikçe azalmaktadır. Bu
bilgisayarlar nanoteknolojinin gelişmesine bağlı olarak daha da
küçültülebilecektir. Bu nedenle birçok gelişmiş ülke bütçelerinin bir
kısmını nanoteknolojik araştırmalara ayırmıştır.
253
5. Ünite
Teknolojik gelişmelere bağlı olarak üretilen ürünlerin
boyutlarındaki değişim konusunda kütüphane, İnternet, yazılı ve
görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından araştırma
yapınız. Bu kaynaklardan amaca uygun seçtiğiniz bilgiler ışığında
oluşan araştırma sonuçlarını Powerpoint sunusu hâline getirerek
arkadaşlarınızla paylaşınız.
ÇEKİRDEĞİN YAPISI
Kuark
Maddelerin yapısına yönelik ilk çalışmalar
MÖ 460’lı yıllara rastlar. O yıllardan günümüze
Atom
kadar pek çok bilim insanı atom ve atomun
yapısı hakkında birçok çalışma yapmıştır. Bunun
sonucunda atomun yapısına dair farklı modeller
geliştirilmiştir. İngiliz Fizikçi J.J.Thomson (Tamsın),
katot ışın tüpüyle yaptığı deneyle elektronun
varlığını kanıtlamış, İngiliz Fizikçi Ernest Rutherford
ise altın levha deneyiyle çekirdeğin yapısını
ve protonu keşfetmiştir. Ayrıca Rutherford her
atomun, kendini oluşturan çekirdeğinden yaklaşık
Çekirdek
10.000 kat daha büyük olduğunu bulmuştur. İngiliz
Fizikçi J.Chadwick (J. Cetvik) nötronu keşfetmiştir.
Bu keşif, atom çekirdeğinde protonun yanı sıra
Proton
nötr parçacıkların da olduğunu kanıtlamıştır. Başta
Alman Fizikçi Albert Einstein ve İtalyan Fizikçi
Enrico Fermi olmak üzere birçok bilim insanı
atom çekirdeğinin yapısına dair araştırmalar
yapmıştır. Bu araştırmalar sonucunda çekirdeğin
yapısı, temel özellikleri, bağlanma enerjisi vb. pek
Elektron
çok kavram hakkında yeni bilgiler elde edilmiştir.
Özellikle yirminci yüzyılın başlarında yapılan
deneysel çalışmalar sonucunda, maddenin temel
yapı taşı sayılan atomun daha küçük parçalardan oluştuğu
anlaşılmıştır. Alman Fizikçi Otto Hahn ile Avusturyalı fizikçi Lise
Meitner çekirdek bölünmelerini keşfetmiştir. Bu kitap için düzenlenmiştir.
Bilim insanlarının yıllar boyu araştırmalarına kaynak olan atom
çekirdeğinin yapısı ve özellikleri nelerdir? Çekirdeğin yapısına
dair yapılan çalışmaları ve ulaşılan sonuçları birlikte irdeleyelim.
On birinci sınıf fizik derslerinde de öğrendiğiniz gibi maddenin
yapısını oluşturan atomların çekirdeğiyle ilgili ilk araştırmaları
Ernest Rutherford, altın levha deneyiyle yapmış ve altın atomlarına
gönderilen elektronlardan bazılarının saptığını gözlemlemiştir.
254
Modern Fizik
Buradan hareketle, Rutherford atomda pozitif bir yükün (protonun) Çekirdek
varlığını ve bu yükün çekirdekte bulunduğunu bulmuştur. Çekirdeğin
-14
atomdan 10.000 kat küçük ve çapını 3.10 m olarak hesaplamıştır.
Yapılan araştırmalar sonucunda bir atomun etrafındaki
yörüngelerde elektron hareket ederken atom çekirdeğinde nükleon
adı verilen proton ve nötronların bulunduğu görülmüştür. Çekirdekte
proton ve nötronu oluşturan başka parçacıklar da mevcuttur. Bu
parçacıklar ‟Atomlardan Kuarklara” ünitesinde detaylı olarak
işlenmiştir. Aşağıdaki tabloda atomu oluşturan parçacıklar ve bazı
özellikleri verilmiştir.
Adı
Sembolü
Yükü
Kütlesi
Proton
p
+1
1,6726.10−27 kg
Nötron
n
0
1,6604.10−27 kg
Elektron
e-
-1
9,1.10−31 kg
Elektron
Bir atomda proton sayısı, elementi tanımlar. Proton sayısı
aynı zamanda atom numarasına eşittir. Yani farklı iki elementin
çekirdeğinde aynı sayıda proton olmaz. Bir atomun proton sayısı
ile nötron sayısı toplamı atomun kütle numarasını verir. Bu durum;
A = Z + N şeklinde ifade edilir. Burada;
A : Atomun kütle numarası,
Z : Çekirdekteki proton sayısı,
N : Çekirdekteki nötron sayısıdır.
Elementler sembolize edilirken atomun kütle numarası sol üst
köşeye, çekirdekteki proton sayısı ise sol alt köşeye yazılır. Örneğin;
uranyum (U), kalsiyum (Ca) ve magnezyum (Mg) elementlerini
sembolize edecek olursak;
238
92
U, 40
Ca ve 24
Mg şeklinde yazılır.
20
12
Çekirdeklerin yarıçapı, kütle numaralarına bağlı olarak değişiklik
göstermektedir. Kütle numarası A olan bir atomun çekirdek yarıçapı;
1/3
r = r0 A ifadesi ile hesaplanır. Burada;
r0 = 1,2.10-15 m veya 1,2 fermi (fm) dir.
Bilindiği üzere atomların çekirdeği pozitif yüklü proton ve nötr
nötrondan oluşur. Peki, çekirdekteki pozitif yüklü iki proton birbirine
büyük bir elektriksel kuvvet uyguladığı hâlde nasıl oluyor da
birbirinden ayrılmıyor? Çekirdeğin dağılmasını engelleyen kuvvet
nedir?
Atom çekirdeğindeki parçacıkları bir arada tutacak güçlü
bir kuvvetin var olduğu fikri bilim insanlarını bu yönde araştırma
yapmaya sevk etmiştir. Özellikle atom boyutunda incelemelerin
gelişmesiyle Japon Fizikçi H. Yukawa (H. Yukava), kısa menzilli
10-15m (birkaç femtometre-fermi) olan ve “Çekirdeğin Yapısı” adlı
metinde de belirtililen nötronlar ve protonlar arasında meydana
gelen elektriksel itme kuvvetinden çok daha büyük bir kuvvetin
H. Yukawa
(1907-1981)
Japon
asıllı
fizikçidir.
Mezonlar ve alanların kuvantal
kuramı
üzerine
yaptığı
çalışmalardan
dolayı
1949
yılında
Fizik
Ödülü
Nobel
almıştır.
255
5. Ünite
varlığını keşfetmiştir. Çekirdekte proton-proton veya nötron-nötron
arasında gerçekleşen ve yeğin kuvvet adı verilen bu kuvvet,
doğadaki kuvvetlerin en büyüğü olup yükten bağımsızdır. Yapılan
araştırmalar yeğin kuvvetlerin 1-2 fermi mesafelerinde etkili
olduğunu göstermiştir.
Yukawa’nın yeğin kuvveti keşfetmesinden sonra bilim insanları
çekirdek kuvvetinde nötronların önemini fark etmiştir. Çekirdekteki
nötronlar protonların aralarına girerek protonlar arasında oluşan
elektriksel itme kuvvetini zayıflatır. Ayrıca bu nötronlar diğer
nükleonlarla etkileşerek çekirdeğin dengesinin sağlanmasına
büyük katkı sağlar. Bu durumu aşağıdaki şekil üzerinde açıklayalım.
FE
FE
FÇ
FÇ
FE
FE
Şekil 3
Şekil 4
FE : Elektriksel (coulomb) kuvvet
FÇ : Çekirdek kuvveti
: Nötron
: Proton
Bir çekirdekteki iki protonun Şekil 3’teki gibi yan yana durması
zordur. Çünkü çekirdekteki ‟+” yüklü protonlar birbirlerini iterler.
Ancak bu protonların arasına Şekil 4’teki gibi nötronlar yerleştirilirse
denge çok daha kolay sağlanır. Çünkü çekirdek kuvvetler protonlarla
nötronlar arasında dengeyi sağlar.
Çekirdek kuvvetleri, hadron adı verilen atom altı parçacıklar
arasındadır.
Doğadaki dört temel kuvvetten biri olan beta bozunumlarında
gerçekleşen zayıf nükleer kuvvetler, bozonlar arasında etkilidir ve
yeğin kuvvetlere oranla 106 kat daha küçüktür.
Çekirdeğin yapısı üzerine yapılan araştırmalar çekirdeğin
kütlesinin, kendini oluşturan proton ve nötronların kütleleri
toplamından daha küçük olduğunu göstermiştir. Einstein, bu kütle
farkının enerjiye dönüştüğünü;
E = Δm c2 formülüyle ifade etmiştir. Çekirdekteki proton ve
nötronları bir arada tutmak için kullanılan bu enerji bağlanma
enerjisi olarak adlandırılır.
Bir atom çekirdeğinde nükleon başına düşen bağlanma
256
Modern Fizik
9
O16
8
7
Fe56
C12
He4
6
4
3
H3
He3
2
1
He2
0
He1
0
U238
Pb209
Li7
Li6
5
U235
Cu63
En kararlı bölge
Nükleon başına düşen bağlanma enerjisi (MeV)
enerjisini bulmak için, çekirdeğin bağlanma enerjisini nükleon
sayısına bölmemiz gerekir. Bir çekirdekte nükleon başına düşen
bağlanma enerjisi ne kadar yüksekse çekirdek o kadar kararlıdır.
30
60
120
150
90
Atom kütle numarası
180
210
240
270
Yukarıda bazı atom çekirdeklerinin nükleon başına bağlanma
enerjilerinin atomik kütle numaralarına (akb) göre değişimini
gösteren bir grafik verilmiştir. Atomik kütle birimi (akb), 12C
atomunun kütlesinin 1/12'sidir.
Grafiği incelediğimizde şu sonuçlara ulaşabiliriz:
1. Nükleon başına düşen bağlanma enerjisinin en düşük olduğu
atom, hidrojen atomudur.
2. Atom numarası 20’den küçük olan elementlerin nükleon
başına bağlanma enerjileri de düşüktür. Bu durum ağır elementler
için de geçerlidir.
Nükleon başına düşen bağlanma enerjisinin en yüksek olduğu
bölge, kütle numarası 50-100 arası olan elementlerin bulunduğu
bölgedir. Bu bölgeye en kararlı bölge denir. 56Fe atomu enerji
olarak en yüksek değerdedir (8,8 MeV). Demir, nikel, bakır gibi
metaller kararlı yapıdadır.
Sınıfınızda iki grup oluşturunuz.
I. grup : Çekirdeğin temel özelliklerine yönelik,
II. grup : Çekirdek kuvvetlerine yönelik, kütüphane, İnternet,
yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
bir araştırma yapsın. Bu kaynaklardan amaca uygun seçtiğiniz
bilgiler ışığında oluşan araştırma sonuçlarını Powerpoint sunusu
hâline getirerek sınıfa sununuz.
257
5. Ünite
296.000 YILINA MESAJ
Voyager uzay araçları, güneş sisteminin ötesinde çalışmak
ve buradan Dünya’ya bilgiler göndermek için tasarlanmıştır.
Voyager-1 ve Voyager-2 uzay araçları 1977 yılında uzaya
gönderilmiştir. Güneş’ten çok daha uzaklara gidecek olan bu
araçların güneş enerjisi dışında enerji sağlayıcı sisteme ihtiyaç
duydukları belirlenmiştir. Bu amaçla radyoizotopların yaydıkları
radyasyonu önce ısıya sonra elektrik enerjisine çevirebilen
radyoizotop termoelektrik jeneratörü dizayn edilmiş, yakıt olarak
da yarı ömrü ve bozunma hızı (aktiflik) büyük bir radyoizotop olan
plütonyumun alfa (α) bozunmasıyla yaydığı enerji kullanılmıştır.
Bunun nedeni, plütonyum radyoizotopunun bozunması için (kütle
numarası, atom numarası ve enerjisindeki değişim) geçecek olan
sürenin görevin tamamlanması için gereken yaklaşık 300.000 yıla
denk olmasıdır. Mart 1979ʼda Jüpiter’in 286.000 km uzağından
geçen Voyager -1, bu gezegenin dört uydusuyla ilgili önemli
bilgileri Dünya’ya ulaştırmıştır. 1980ʼde ise Satürn’ün 124.000 km
uzağından geçerek gezegenin halkaları ile uydularını incelemiştir.
Bu görevlerden sonra Voyager-1, güneş sisteminin dışına
çıkabileceği bir rotaya yerleştirilmiştir.
Voyager-2, Temmuz 1979ʼda Jüpiter’in, Ocak 1986ʼda
Uranüs’ün ve Ağustos 1989ʼda da Neptün’ün yakınından geçmiş
ve bu gezegenlere ait görüntüleri Dünya’ya ulaştırmıştır.
Her şey planlandığı gibi gelişirse Voyager-2, 42.000 yılında Ross
248 yıldızının, 296.000 yılında da Sirius yıldızının yakınlarından
geçecek. Eğer bu yıldızların yakınlarında bir gezegen ve bu
gezegende de Voyager-2ʼnin gönderdiği sinyalleri algılayabilecek
canlılar mevcutsa, uzay aracının kenarına takılmış bakır diski ve
bu diskin nasıl kullanılacağını gösteren tarifi bulacaklardır. Bakır
diskten Türkçe dâhil, 55 Dünya dilinde kendilerine binlerce yıl
öncesinden gönderilmiş şu mesajı dinleyecekler:
‟Bu, bizim uzak, küçük Dünya’mızdan bir hediye. Sizin
zamanınızda yaşayabilmek için kendi zamanımızı aşmaya
çalışıyoruz.”
Günümüzde radyoizotopların sahip olduğu radyoaktiflik birçok
farklı alanda (tıp, tarım, arkeolojide organik numunelerin yaş tayini
vb.) kullanılmaktadır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
258
Modern Fizik
Otomobil, uçak vb. ulaşım araçlarının yakıtlarını dikkate
aldığımızda Voyager-2 uzay aracının 296.000 yıl boyunca
seyahatini sürdürebilmesi için ne tür bir yakıta ihtiyaç duyduğu
merak uyandırıcı bir durumdur. Dünya'mızın çevresinde dolaşan
uydu ve uzay araçları, enerjilerinin büyük bir kısmını güneş panelleri
aracılığıyla Güneş'ten karşılamaktadır. Voyager uzay araçları da
tıpkı diğer uzay araçları gibi enerjilerinin bir kısmını Güneş'ten
sağlar. Ancak sisteminden çıktıktan sonra veya güneş sistemi
içerisinde güneş görmeyen bölgelerden geçecekleri uzun süreli
yolculuk esnasında enerjilerini üç radyo izotoplu termoelektrik
jeneratörüyle radyoaktif maddelerden sağlamaktadır. Radyoaktif
maddelerin atom çekirdekleri kararsız yapıda olduğundan zayıf
nükleer kuvvet adı verilen kuvvetlerin etkisindedir. Radyoaktif
maddeler bu kuvvetin etkisiyle bozunup kendisine akraba başka
bir maddeye dönüşür. Bu radyoaktif maddelerin özelliklerini ve bazı
maddelerin neden radyoaktif olduğunu birlikte irdeleyelim.
Fransız fizikçi Antoine Henri Becquerel (Antonyo Henri
Bekerel)’in 1896 yılında uranyum çekirdeğiyle keşfettiği ve daha
sonra Maria (Mariya) ve eşi Pierre Curie (Pier Küri)’nin geliştirdiği
radyoaktiflik kavramı, fizik bilimi açısından ne anlam ifade eder?
Radyoaktif elementlerin diğer elementlerden farkı nedir?
Bilindiği üzere kararsız çekirdekler, kararlı bölgeye geçmek için
çeşitli yollar izler. Ernest Rutherford yaptığı deneyler sonucunda
çekirdekleri kararlı olmayan radyoaktif elementlerin, radyoaktif
bozunmaya uğrayarak kararlı hâle geldiklerini öne sürmüştür. Bu
bozunmalar; alfa (α), beta (β) ve gama (γ) bozunmaları olarak
adlandırmıştır. Radyoaktif elementlerin bu bozunmalar sonucunda
atom ve kütle numaraları değişebilir. Şimdi bu bozunmaları
inceleyelim.
Alfa (α) bozunması: α parçacığı yayınlayan radyoaktif
bir çekirdeğin atom kütlesi 4, kütle numarası 2 birim azalır. Bu
reaksiyonlarda çekirdek, enerji kaybeder ve kararlı hâle geçer.
α taneciği aynı zamanda pozitif yüklü helyum (He) çekirdeği
olduğundan elektrik ve manyetik alanda sapma gösterir. Bozunma
sonucu açığa çıkan α ışınları birer parçacıktır. Bu durumu;
X → ZA−−42Y + 42 He şeklinde ifade edebiliriz.
α bozunması, radyoaktif uranyum (U) çekirdeği için
düşünüldüğünde;
238
234
4
şeklinde gösterilir.
92 U → 90Th + 2 He
Henri Becquerel
(1852-1908)
Radyoaktivite
konusu
üzerine yaptığı çalışmalardan
dolayı 1903 yılında Nobel Fizik
Ödülü almıştır.
Maria Curie
(1867-1934)
Radyoaktivite
konusu
üzerine yaptığı çalışmalardan
dolayı 1903 yılında Nobel Fizik
Ödülü ve 1911 yılında da Nobel
Kimya Ödülü’nü almıştır.
Z
A
“296.000 Yılına Mesaj” adlı metinde de belirtildiği gibi Voyager
1-2 uzay araçlarında yakıt olarak kullanılarak plütonyumun alfa(α)
bozunmasıyla kütle numarası 2 ve atom numarası 4 birim azalmakta,
açığa çıkan büyük enerjiyle (MeV seviyesinde) Voyager 1-2 uzay
araçları seyahatlerine uzun süre devam edebilmektedir.
Beta (β) bozunması: Bu bozunma β+ ve β- olmak üzere iki
çeşittir. Bu reaksiyonlarda çekirdek enerji kaybeder, böylece kararlı
hâle geçer. Bozunma sonucu açığa çıkan β ışınları birer parçacık
olup elektrik ve manyetik alanda sapma gösterir.
Enrico Fermi
(1901-1954)
Atom altı parçacıklar,
radyoaktivite ve nükleer enerji
üzerine yaptığı çalışmalardan
dolayı 1938 yılında Nobel Fizik
Ödülü almıştır.
259
5. Ünite
β- parçacığı atomun çekirdeğindeki bir nötronun bir elektrona
dönüşmüş hâlidir. β- parçacığı yayınlayan radyoaktif bir çekirdeğin
atom kütlesi 1 birim artarken kütle numarası değişmez. Bu durumu;
Z
X → Z Y + 0 e şeklinde ifade edebiliriz. β- bozunması,
A
A −1
−1
radyoaktif radyum (Ra) çekirdeği için düşünüldüğünde;
226
226
0
şeklinde gösterilir.
88 Ra → 89 Ac + −1 e
+
β parçacığı atomun çekirdeğindeki bir nötronun pozitif yüklü
bir elektrona (pozitron) dönüşmüş hâlidir. β+ parçacığı yayınlayan
radyoaktif bir çekirdeğin atom kütlesi 1 birim azalırken kütle
numarası değişmez. Bu durum;
Z
X → Z Y + 0 e şeklinde ifade edilir. β+ bozunması radyoaktif
A
A −1
1
kobalt (Co) çekirdeği için düşünüldüğünde;
-
54
27
α
+
γ
β
radyum
kurşun blok
+
fotoğraf
plağı
Radyoaktif Işınların Elektrik
Alanda Sapması
0
Co → 54
26 Fe + 1 e şeklinde gösterilir.
Gama (γ) bozunması: Bu bozunma sonucunda oluşan gama
ışınları α ve β parçacıklarının aksine yüksek enerjiye sahip, elektrik
ve manyetik alandan etkilenmeyen elektromanyetik dalgalardır.
γ bozunması reaksiyonlarında çekirdek enerji kaybeder, böylece
kararlı hâle geçer. γ parçacığı yayınlayan radyoaktif bir çekirdeğin
atom ve kütle numarası değişmez. Bu durumu;
Z
A
X → AZ X + γ şeklinde ifade edebiliriz. γ bozunması, radyoaktif
magnezyum (Mg) çekirdeği için düşünüldüğünde;
24
24
12 Mg → 12 Mg + γ şeklinde gösterilir.
Aşağıda verilen çizelgenin benzerini defterinize çiziniz ve şimdiye kadar öğrendiklerinize
ek olarak alfa (α), beta (β), gama (γ) ışınlarıyla ilgili kütüphane, İnternet (gov.tr veya
edu.tr uzantılı), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından bir
araştırma yapınız. Amacınıza uygun seçtiğiniz bilgiler ışığında çizelgeyi doldurunuz.
Işınlar
Oluşum Şekli
Benzerlikler
Farklılıklar
Doğası (Parçacık veya Dalga)
α
β
γ
Örnek çizelgedir.
260
Buraya kadar radyoaktif bozunmaları (α, β, γ ) inceledik.
Radyoaktif bozunmalar esnasında atomun kütle ve atom numa­
rasının değiştiğini ve büyük bir enerjinin açığa çıktığını öğrendik.
Fizikteki bu gelişmelerin günlük hayata uygulanabilmesi için açığa
çıkan bu enerji, teknolojide pek çok farklı alanda kullanılmıştır.
Özellikle enerji ihtiyacının karşılanmasına katkısı büyüktür. Ancak
günümüzde pek çok farklı alanda kullanılan bu enerjinin bireyler ve
toplumlar üzerinde olumsuz etkileri de vardır. Burada önemli olan
bu enerjinin etik değerler çerçevesinde kullanılması ve kullanım
sonrası oluşan atıkların çevresel fealketlere yol açmayacak şekilde
saklanmasıdır. Bazı maddeler radyoaktif bozunmaları kendiliğinden
Modern Fizik
gerçekleştirirken bazı maddelere bozunmaların gerçekleşmesi için
dışarıdan bir etki uygulanır. Kendiliğinden bozunan maddelere
doğal radyoaktif maddeler, dışarıdan bir etki sonucu bozunan
maddelere ise yapay radyoaktif maddeler denir. Radyoaktif
maddeler, enerji yaymaları sonucunda izotoplarına dönüşebilir.
Çekirdekleri kararsız yapıya sahip izotoplara radyoaktif izotop
(radyoizotop) denir. Radyoizotoplar; 14C gibi doğal radyoaktivite
sonucu oluşmuş ise doğal radyoizotop, 129I gibi yapay radyoaktivite
sonucu oluşmuş ise yapay radyoizotop olarak adlandırılır.
Radyoaktif bozunmalar incelenirken radyoaktif yarı ömür,
ortalama ömür ve maddelerin aktifliği kavramları öne çıkar. Bu
kavramların açıklanmasına başlamadan önce radyoaktif bozunmayı
temsil eden bir etkinlik yapalım.
1. Etkinlik
Paralar Tükendi mi?
ARAÇ VE GEREÇLER
. Microsoft Office
Excel 2007 programı
yüklenmiş bilgisayar
Nasıl Bir Yol İzleyelim?
1. İkişer kişilik çalışma grupları oluşturunuz.
2. Kitabın sonunda Ek-5’te verilen yönergeyi takip ederek Microsoft Office Excel 2007’de
istenilen programı oluşturunuz.
3. C-3 hücresine 200 rakamını yazarak başla butonuna basınız.
4. Ekranda çıkan değerleri defterinize not ediniz ve grafiği inceleyiniz.
5. Üçüncü ve dördüncü adımdaki işlemleri C-3 hücresine sırasıyla 300, 400, 500 ve 600
rakamlarını yazarak tekrarlayınız.
Sonuca Varalım
1. Her atış sonunda yazı ve tura gelen paraların sayısı arasında bir ilişki var mıdır? Varsa
bu ilişkiyi açıklayınız.
2. Grafikteki eğri, yatay ekseni kesebilir mi? Neden?
DOZİMETRE
Radyasyon dozunu ölçen cihaz­
lardır. Önceleri nükleer enerji santrallerinde kullanılan dozimetreler teknolojinin gelişmesiyle pek çok alanda
kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle
hastahanelerin röntgen birimlerinde
görev yapan kişilerin maruz kaldıkları radyasyon miktarının belirlenmesinde dozimetrelerden faydalanılmaktadır. Dozimetreler,
genellikle görevlilerin çalışma önlüğünün üst cebine takılır ve
maruz kalınan radyasyon dozimetredeki filmi karartır. Kararma
derecesi radyasyon miktarını gösterir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
261
5. Ünite
İzotop
Yarılanma Ömrü
‟Dozimetre” adlı metindede belirtildiği gibi dozimetreler
radyoaktif maddelerin yaydığı radyasyon miktarını ölçmek için
kullanılır. Her radyoaktif maddenin belirli bir yarı ömrü vardır.
Yarı ömür, radyoaktif elementin çekirdeklerinin başlangıçtaki
sayısının yarısının bozunması için geçen süredir. Bazı radyoaktif
maddeler için yarı ömür, saniyenin milyonda biri gibi çok küçük
bir zaman dilimi iken bazı radyoaktif maddelerin yarı ömürleri
yandaki tabloda da görüldüğü gibi milyarlarca yıl sürebilir. Bu
nedenle yarı ömür, radyoaktif maddeler için ayırt edici bir özelliktir.
Örneğin ‟296.000 Yılına Mesaj” adlı metindeki Voyager uzay
araçlarında yakıt olarak kullanılan plütonyumun izotoplarına göre
yarı ömrü 14 ile 40.000 yıl arasında değişir. Bu da radyoaktif bir
madde olan plütonyumun üstel doğasından kaynaklanır. Nükleer
santrallerden çıkan bazı radyoaktif maddeler çevre için problem
teşkil edebilir.
Yarı ömür, T1/2 sembolü ile gösterilir ve SI birim sisteminde
birimi s’dir. Yarı ömür kavramı özellikle radyoizotopların bozunma
hesaplarında kullanılır.
Radyoaktif bozunmalarda, bozunmayan çekirdek sayısı, N ile
gösterilir ve N = N0e-λt eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte;
t : Geçen süreyi,
N0 : Başlangıçtaki bozunmamış çekirdek sayısını,
λ .: Bozunma sabitini ifade eder.
Bozunma sabitinin SI birim sisteminde birimi s-1 dir.
Hidrojen-3
12 yıl
Berilyum-10
1.600.000 yıl
Karbon-14
5700 yıl
Fosfor-32
14 gün
Potasyum-40
1.000.000.000 yıl
Kobalt-60
5 yıl
Selenyum-79
65.000 yıl
Rubidyum-87
47.000.000.000 yıl
Strontiyum-90
29 yıl
Niobyum-94
20.000 yıl
Molibdenum-93
3500 yıl
Teknetyum-99
200.000 yıl
Rutenyujm-106
1 yıl
İyot-129
15.700.000 yıl
Sezyum-135
2.300.000 yıl
Hafniyum-182
9.000.000 yıl
Tantalum-182
100 gün
Renyum-187
50.000.000.000 yıl
Kurflun-205
14.300.000 yıl
Polonyum-210
138 gün
Radyum-224
27 gün
Radyum-226
1600 yıl
Aktinyum-225
10 gün
Toryum-228
2 yıl
Toryum-231
1 gün
Toryum-232
14.000.000.000 yıl
Uranyum-233
200.000 yıl
Uranyum-234
200.000 yıl
Uranyum-235
700.000.000 yıl
N0/2
Uranyum-236
23.000.000.000 yıl
Uranyum-238
4.000.000.000 yıl
N0/4
Neptünyum-237 2.000.000 yıl
Plütonyum-238
88 yıl
Plütonyum-239
24.100 yıl
Plütonyum-240
6500 yıl
Plütonyum-241
14 yıl
Plütonyum-242
400.000 yıl
Amerikyum-241 400 yıl
Amerikyum-242 100 yıl
*Hodgson, P.E, E. Gadioli, E.C,
Erba, 1997 kaynağından alınarak
düzenlenmiştir.
N
N0
0
Bozunma sabiti her radyoaktif
çekirdek
için
farklı
olup;
0,693
λ=
eşitliğiyle bulunur.
T1
2
T1/2 2T1/2
t
Bozunmayan çekirdek sayısının
zaman göre değişim grafiği
Eşitliğin her iki tarafının logaritmasını alıp bozunmayan
çekirdek sayısının (N) zamana bağlı grafiğini çizecek olursak
aşağıdaki gibi bir grafik elde ederiz. Grafikte T1/2 yarı ömrü
göstermektedir.
Buraya kadar anlatı­lanlarda hareketle radyoaktiliğin bozunan
çekirdeğin durgunluk enIn(N)
erjisinin bozunma sonrası
In(N0)
oluşan çekirdeklerin toplam durgunluk enerjisin- In(N0/2)
den büyük olmasından
In(N0/4)
kaynaklandığını söyleyebiliriz.
0
T1/2
2T1/2
t
Bozunmayan çekirdek sayısının doğal
logaritmasının zaman göre değişim grafiği
262
Modern Fizik
Yarı ömrü bir gün olan 231Th elementinin bozunma sabitinin
değeri kaçtır?
Çözüm
Öncelikle bir günün saniye cinsinden değerini bulalım.
1 gün = 24 h = 24.60 dk = 24.60.60 s = 86.400 s ’dir. Buradan;
=
λ
-6
0,693
0,693
≅ 11.10 s-1 bulunur.
=
T1
86.400
2
Bir deneyde kullanılmak üzere yarı ömrü 35 dakika olan bir
radyoaktif maddeden 10 gram gerekmektedir. Madde, reaktörden
alınıp deney yerine getiriline kadar 175 dakika geçmektedir. Buna
göre reaktörden kaç gram madde alınmalıdır?
Çözüm
Reaktörden alınan radyoaktif madde 175 dakikada 175/35=5
kez yarılanacaktır.
%100 ->%50 (1. yarılanma)
%50 ->%25 (2. yarılanma)
%25 ->%12,5 (3. yarılanma) %12,5 ->%6,25 (4. yarılanma)
%6,25 ->%3,125 (5. yarılanma)
%3,125’i bozunmadan kalan radyoaktif maddenin kütlesi
10 gram olduğuna göre bu maddenin % 100’ünün kütlesi;
%3,125’i
10 g
%100’ü
xg
------------------------------------x = 320 g olur.
Yarı ömrü 1,6 yıl olan bir radyoaktif maddenin bozunma sabiti
(λ) kaçtır?
Çözüm
0,693
ile hesaplanır.
Bozunma sabiti λ =
T1
2
2
Burada 1,6 yıl = 1,6.365.86.400 s = 504.576.10 s’dir.
λ=
0,693
⇒ λ ≅ 1,4.10-8 s-1 olarak bulunur.
50.457.600
Radyoaktif bir maddenin başlangıçtaki çekirdek sayısının 1/λ
değerine düşmesi için geçen süreye ortalama ömür denir ve τ ile
gösterilir. Ortalama ömrün SI birim sistemindeki birimi saniye s’dir.
Maddeyi oluşturan atomların bozunma hızı, radyoaktif bir
maddenin aktifliği olarak tanımlanır ve R ile gösterilir. “296.000
Yılına Mesaj” adlı metindeki Voyager uzay araçlarının yüz binlerce
yıl uzayda seyahat edebilmesinin sırrı yakıt olarak kullanılan
263
5. Ünite
Aktiflik
R0
R0/2
R0/4
0
T1/2 2T1/2
Zaman
plütonyumun bozunma hızının (aktiflik) çok büyük olmasıdır.
Aktifliğin zamanla değişim grafiği yandaki gibidir.
Grafiği yorumlayacak olursak aktifliğin zamana bağlı değişiminin
logaritması alındığında eğrinin elde edildiği görülür.
Grafik matematiksel olarak;
R = R0e-λt şeklinde ifade edilir. Burada;
R : Aktifliği,
R0 : t = 0 anındaki aktifliği ifade eder.
Aktifliğin SI birim sistemindeki birimi parçalanma/s olup
Becquerel (Bq) veya Curie (Ci) cinsinden de ifade edilebilir. Bu
birimler arası dönüşümler;
1 Bq
= 1
bozunma
bozunma
şeklindedir.
ve 1 =
Ci 3,7 ⋅ 1010
s
s
N kadar bozunmamış çekirdeğe sahip herhangi bir elementin,
dt kadar küçük bir sürede dN kadar çekirdeği bozunuyorsa aktifliği;
dN
denklemi ile ifade edilir. N = N0e-λt değeri bu denklemde
dt
yerine yazılırsa;
dN d
R=
(N0 e −λt ) = −λN0 e −λt = −λN eşitliği elde edilir.
=
dt dt
R=
2,7.1018 atom içeren 222Rn elementinin aktifliğini kaç Ci’dir
-11
( Rn için T1/2= 328320 s, 1 Bq = 2,7.10 Ci)?
Çözüm
222
Öncelikle Rn radyoaktif elementi için bozunma sabiti olan λ
değerini bulalım.
0,693
λ=
= 2,1⋅ 10 −6 s−1 olarak hesaplanır.
328320
Bu durumda aktiflik;
-6
18
12
R = λ N = (2,1.10 ) (2,7.10 ) = 5,7.10 bozunma/s dir.
Gerekli birim dönüşümü yapılırsa bu aktiflik;
12
12
R = 5,7.10 bozunma/s = 5,7.10 Bq = 154 Ci olur.
222
Voyager uzay aracı
264
Günümüzde gerek yapay olarak üretilen gerekse doğal olarak
bulunan birçok radyoizotop mevcuttur. Bu radyoizotoplar farklı
alanlarda kullanılmaktadır. Tıp alanında metabolik faaliyetlerin
incelenmesinde radyoizotoplar kullanılır. Örneğin, radyoaktif bir
izotop olan İyot-123, gama ışınları yayar ve doktorların tiroit bezleri
hakkında bilgi edinmesini sağlar. Ayrıca damarlarda kanın dolaşım
hızını ölçmek için vücuda radyoaktif bir element olan 24NaCI verilir.
24
NaCI oranı yüksek olan yerlerde kan dolaşımının iyi, düşük olan
yerlerde ise kötü olduğu kabul edilir.
Uzay teknolojisinde uzay araçlarının ihtiyacı olan bir kısım
elektrik enerjisi için radyoizotopların radyasyonu önce ısıya, sonra
elektrik enerjisine çevrilerek kullanılır. Voyager uzay aracında bu
yöntem kullanılmıştır.
Radyoizotoplar tarımda, bazı zararlı mantarlara karşı kullanılır.
Modern Fizik
Gübrelere eklenen 35-Kükürt radyoaktif izotopuyla mantarların
zararlı etkileri yok edilir.
Mühendislikte yandaki resimde de görüldüğü gibi araç
motorlarındaki pistonların aşınma oranlarının ölçümünde
radyoizotoplar kullanılır.
Atmosferin içerisinde bulunan azot, kozmik ışınların
bombardımanı sonucu ‟296.000 Yılına Mesaj” adlı metinde de belirtilen plütonyum radyoizotopu gibi radyoaktif bir madde olan 146C
(karbon) izotopuna dönüşebilir. Bu karbon atomları yeryüzünde bulunan bitkiler ile bu bitkileri tüketen canlılar tarafından bünye­lerine
alınır. Bilim insanları doğada bulunan 146C (karbon) radyoaktif izotopunun yarılanma ömrü olan 5700 yılından faydalanarak organik
numunelerin yaşlarını belirlemektedir. İyi bir beta ışıması yapan 146C
(karbon) radyoaktif izotopu yeniden azota dönüşür. Küçük bir numunesi alınan maddenin 146C (karbon) miktarı ve yayımladığı beta
parçacıklarının sayısıyla canlıların binlerce yıl önce hangi dönemlerde yaşadığına dair bilgi almamızı mümkün kılar. Bilim insanları
tarafından yaş tayininde sıkça kullanılan bu yöntem, yandaki fotoğ­
rafta da görüldüğü gibi özellikle arkeolojik kazılarda arkeo­log­lara
önemli faydalar sağlar. Örneğin, ülkemizde Alacahöyükʼte yapılan
arkeolojik kazılar sonucunda bulunan pek çok tarihi eserin bronz
çağına ait olduğunun tespiti bu sayede gerçekleştirimiştir.
Piston
Arkeolojik kazı
NÜKLEER ENERJİ
Fransız Fizikçi Henri Becquerel
tarafından keşfedilen nükleer enerji, fisyon ya da füzyon reaksiyonuyla
oluşur. Fisyon, ağır atom çekirdeklerinin dış etmenler aracılığıyla parçalara ayrılmasıdır. Bölünme sürecinin kendiliğinden gerçekleşmesine
yarılanma denir. Füzyon, hafif atom
çekirdeklerinin dış etmenler aracılığıyla
birleştirilmesidir. Fisyon ve füzyon
olayları sonucunda büyük bir enerji
açığa çıkar. Bu enerji, günümüzde
nükleer enerji santrallerinde fisyon reaksiyonlarıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. İlk nükleer reaktör, 1942 yılında İtalyan
Fizikçi Enrico Fermi tarafından Amerika’nın Chicago eyaletinde
kurulmuştur. Nükleer enerji santralleri en fazla Amerika’da bulunmakla birlikte, gelişmiş ülkelerin birçoğu enerjilerinin büyük
kısmını nükleer enerji ile karşılamaktadır. Nükleer enerji santrallerinde yeterli önlemler alınmazsa reaktörlerde kullanılan
radyoaktif maddeler dışarıya sızar ve bunun sonucunda çevreye
büyük zarar verir. 1986 yılında Ukrayna’nın Çernobil şehrinde
bu durum gerçekleşmiştir. Nükleer radyasyonun zararlarından
korunmak için pek çok farklı yol izlenebilir. Bunların başında
sığınaklar gelir.
265
5. Ünite
Ülkemizde henüz nükleer enerji santrali yoktur. Ancak
Mersin-Akkuyu’da yapılması planlanan bir nükleer santralin
projesi bitirilmiştir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Enerjinin bir türden başka bir türe dönüşebileceğini dokuzuncu
sınıf fizik derslerinde öğrenmiştiniz. Benzer durumu çeşitli
reaksiyonlarla oluşan nükleer enerjinin ısı ve elektrik gibi farklı
formlara dönüşmesinde de görebiliriz.
Nükleer enerjiyi oluşturan fisyon ve füzyon reaksiyonlarını
inceleyelim.
Fisyon (çekirdek bölünmesi): Ağır bir atom çekirdeğine
yüksek hızlı parçacık yollanarak çekirdeğin parçalanması olayıdır.
Bu olay genellikle şu şekilde gerçekleşir. Yavaşlatılmış bir
235
nötron, belli kütlede ağır bir element atomu olan U (uranyum)
236
çekirdeğine çarptırıldığında kararsız bir atom olan U çekirdeğine
dönüşür. Simetrisi bozulan atom titreşim yapar ve çekirdeğin
parçalanmasına neden olur. Bu parçalanma sonucunda atom,
en az iki farklı elemente dönüşür. Reaksiyon esnasında nükleon
sayıları korunduğu hâlde kütle korunmaz. Oluşan kütle kaybından
dolayı muazzam bir enerji açığa çıkar.
235
91
U + 10n
Kr + 142
Ba + 310n + Q
92
36
56
91
36
142
56
1
0
Kr
1
0
n
Ba
142
56
1
0
1
0
n
n
n
1
0
1
0
91
36
Kr
235
92
U
1
0
n
Ba
90
37
Rb
1
0
n
235
92
n
235
92
U
144
55
89
38
U
Xe
1
0
n
n
Cs
Sr
1
0
142
54
n
1
0
n
n
n
1
0
1
0
Fisyon olayını enerji açısından inceleyelim. Uranyum gibi ağır
elementlerin nükleon başına düşen bağlanma enerjileri düşük
olduğundan bu elementler bölünerek bağlanma enerjisi yüksek
olan orta ağırlıktaki elementlere dönüşmek isterler. Nükleon başına
düşen bağlanma enerjilerini, kütlelerini bir miktar kaybederek
artırırlar. Bu enerji Einstein’e göre;
E=∆m.c2 formülüyle hesaplanabilir.
Ağır uranyum elementinin parçalanması sonucunda kripton (Kr)
ve baryum (Ba) gibi, yüze yakın farklı orta ağırlıkta element oluşabilir.
Fisyon reaksiyonu sonucu açığa çıkan alfa ve gama ışınlarının
yanı sıra oluşan nötronlar, zincirleme fisyon reaksiyonları oluşturur.
Reaksiyonlarda, parçalanan elementin saflığı önemlidir. Bundan
266
Modern Fizik
dolayı fisyon enerjisini kullanan ülkeler, yakıt olarak kullandıkları
uranyum elementini zenginleştirme çalışmaları yürütmektedirler.
‟Nükleer Enerji” adlı metinde de belirtildiği gibi Enrico Fermi
tarafından tasarlanan ilk nükleer reaktörde fisyon reaksiyonlarıyla
büyük miktarlarda enerji üretilebilmektedir. Üretilen bu enerji
elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu enerjiden pek çok alanda
faydalanılır. Ancak, fisyon reaksiyonlarının atom bombası gibi zarar
verici örnekleri de mevcuttur.
Füzyon (çekirdek kaynaşması): Hafif iki çekirdeğin yüksek
sıcaklık ve basınç altında ağır çekirdek oluşturmasıdır. Güneş
reaksiyonları bu duruma en güzel örnektir. Güneşte hafif ağırlıktaki
döteryum ve trityum atomları yüksek basınç ve sıcaklıkta birleşerek
helyum atomuna dönüşür. Bunun sonucunda büyük bir enerji açığa
çıkar.
2
4
H + 31H
He + 10n + Q
1
2
Döteryum
Helyum
Enerji
Tridyum
Nötron
Eb
A (MeV)
238
8
U
6
FÜZYON
4
2
2
0
FİSYON
Kararsız bölge
Nükleon başına düşen bağlanma enerjisi
Füzyon olayını enerji açısından inceleyelim. Hafif elementlerin
tıpkı ağır elementler gibi nükleon başına düşen bağlanma enerjileri
düşük olduğundan bu elementler birleşerek bağlanma enerjisi
yüksek olan orta ağırlıktaki elementlere dönüşmek isterler. Ancak
hafif elementler ağır elementler gibi kararsız yapıda değildir. Bu
nedenle hafif elementleri kararlı bölgeye taşımak için çok yüksek
enerjiye ihtiyaç duyulur.
He
50
100
150
200
250
Atom kütle numarası
Hafif elementler
Orta ağırlıktaki kararlı elementler
Ağır elementler
267
5. Ünite
∆Efüzyon≅0,5 MeV
∆Efisyon≅1 MeV
∼7 MeV
Kararlı bölge
∼7 MeV
∼8 MeV
∼2
∼90 100
50
Kütle Numarası
∼200
Hafif Elementler
Orta Ağırlıktaki Kararlı Elementler
Ağır Elementler
8
Füzyon olayı o kadar yüksek sıcaklıklara (≅10 K) ihtiyaç duyar
ki bilim insanları henüz yeryüzünde bu enerjiyi kontrollü bir şekilde
elde edememişlerdir. Ancak, kontrolsüz füzyon reaksiyonu olan
hidrojen bombasını üretmişlerdir. Bu bombanın üretiminde atom
bombasından faydalanılmıştır. Hidrojen bombası, atom bombasının
1000 katı kadar enerji oluşturabilir.
Bilim insanları soğuk füzyon adını verdikleri oda sıcaklığı
gibi düşük sıcaklıklarda füzyon reaksiyonu gerçekleştirmek için
uğraşmaktadır. Ancak henüz bir sonuca ulaşamamışlardır.
Füzyon enerjisi radyoaktif elementlerle yapılmadığından çevre
dostu bir enerjidir. Bunun yanı sıra füzyon reaksiyonlarında en çok
kullanılabilecek kaynak element olan döteryum (31H), Dünya'nın
etrafını çevreleyen okyanuslarda sınırsız miktarda mevcuttur.
Günümüz teknolojisinde füzyon reaksiyonlarıyla ilgili
çalışmaların hangi aşamada olduğuna, bu çalışmaların ne gibi
faydalar sağlayacağına veya zararlarının neler olabileceğine dair
kütüphane, İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından bir araştırma yapınız. Bu kaynaklardan
amacınıza uygun seçtiğiniz bilgiler ışığında oluşan araştırma
sonuçlarını arkadaşlarınızla paylaşınız.
Buraya kadar fisyon ve füzyon olaylarını inceledik. Şimdi
‟Nükleer Enerji” adlı metinde de belirttiğimiz gibi bireylerin ve
toplumların geleceği ile çevreyi etkileyebilecek güce sahip fizik ve
teknoloji temelli nükleer enerji santrallerinin çalışma prensiplerini
irdeleyelim.
Nükleer enerji santrallerinin temel parçası kor adı verilen
bölümdür. Reaktör koru, güvenliğin sağlanması amacıyla kalın
beton duvarlarla ve kurşun bloklarla kaplanır. Bu bölümde nükleer
reaktör ve su tankı bulunur. Reaktörde fisyon reaksiyonu sonucu
radyoaktif element (genellikle uranyum ve toryum) parçalanır.
Oluşan yüksek ısı, buhar tankındaki suyu aniden buharlaştırır.
268
Modern Fizik
Buhar, türbinin içinden geçirilir. Böylece türbinin
hızla dönmesi sağlanır. Bu sayede üretilen
Buhar
Jeneratörü
elektrik, transformatörlerle enerji nakil hatlarına, Yakıt
oradan da evlere gönderilir. Buhar türbinindeki
su buharı ise nehir veya deniz suyu ile soğutulur
Jeneratör
Türbin
ve pompalar yardımıyla tekrar kullanılmak üzere
Soğutma
su tankına gönderilir. Bu nedenle nükleer enerji
Kulesi
santralleri deniz veya nehirlere yakın yerlerde
inşa edilir.
Ülkemizde Mersin-Akkuyu’da nükleer santral
Yoğuşturucu
yapımı planlanmaktadır. Toplumun bazı kesimleri
bu projeye destek verirken bazı kesimleri karşı Reaktör Kontrol
Beton Güvenlik Kılıfı
Çubukları
Kabı
çıkmaktadır. 2012 yılı itibariyle dünyada 30 ülkede
438 nükleer santral mevcuttur. Fransa’nın ürettiği enerjinin %76.18’i
nükleer enerjidir. Bu yeni enerji kaynağı gerekli önlemler alındığı
takdirde toplumlara çevreci enerji sağlama açısından olumlu yönde
katkı sağlamaktadır. Nükleer enerji sant­rallerinde yakıt olarak kulla­
nılan rad­yoaktif çubuk­lar, rad­yas­yon seviye­leri normal değerlere
ulaşana kadar su altında bekletilir. Daha sonra kurşun mezar adı
verilen kaplarla toprağa gömülür ve saklanır. Böylece bu atıkların
çevreye zarar vermesi engellenir. Ayrıca nükleer santrallerde alınan
güvenlik önlemleriyle çevreye verilebilecek zararlar en aza indirilir.
Çevreci baskılar bu zararların tamamen ortadan kaldırılması için
bilim insanlarını nükleer santrallerin geliştirilmesi konusunda
zorlamaktadır. Ayrıca Japonya gibi deprem fay hatlarında inşa
edilecek santraller depreme dayanıklı yapılmaktadır.
Nükleer santraller diğer santrallere oranla daha az ham
maddeyle daha fazla enerji üretir. Bu özelliklerinden dolayı termik
ve hidroelektrik santrallere göre daha çevreci santrallerdir.
Nükleer santrallerde gerekli güvenlik önlemleri alınmazsa
“Nükleer Enerji” adlı metinde de belirtildiği gibi radyoaktif sızıntı
oluşur ve çevre büyük zarar görür. Bu durum 1967’de İngiltere’deki
Windscale (Vinskal) reaktöründe, 1986’da Ukrayna’daki Çernobil
reaktöründe ve 1999’da Japonya’daki Tokaimura (Takamuro)
reaktöründe gerçekleşmiştir. Bundan dolayı bazı toplumlar ve
gruplar nükleer enerjinin kullanımına karşı çıkmaktadır. Ancak
unutulmamalıdır ki ilk defa 1942 yılında inşa edilmeye başlanan
nükleer santrallerde teknolojinin gelişimine bağlı olarak alınacak
güvenlik önlemleri ve verim en yüksek düzeye çıkacak, çevreye
verilebilecek zararlar doğal afetlerin (deprem,sel,tayfun vb.)
sınırları doğrultusunda en düşük düzeye inecektir.
Nükleer radyasyon insan sağlığına ve çevreye zarar verebilir.
Üstelik nükleer radyasyon etkisini genellikle ilk anda göstermez.
Radyasyon kaynağı olan radyoaktif elementin yarılanma ömrüne
bağlı olarak zamanla gösterir. Yarılanma ömrü bazı radyoaktif
elementler için binlerce yıl sürerken bazıları için birkaç saniye sürer.
Bilimsel bilgilerin atom bombası yapımında kullanılması etik
olmayan bir durumdur. Atom bombası kullanıldığında insanların
269
5. Ünite
yüksek oranda radyasyona maruz kalması sebebiyle cilt yanıkları
ve ani ölümler görülür.
Nükleer radyasyon insan DNA’sını parçalayabilecek ya da
mutasyona uğratabilecek kadar yüksek enerjiye sahiptir. Bu
durum, radyasyona bağlı olarak hücrelerde kanser görülme riskini
artırır. Ayrıca katarakt, kısırlık, saç dökülmesi, kusma, halsizlik vb.
etkilere neden olur. Örneğin, Japonya’da Hiroşima ve Nagazaki’ye
atılan atom bombasının, radyasyon etkisi binlerce insanın kanser
hastalığına yakalanmasına veya mutasyona uğramış hücrelere
sahip olmasına neden olmuştur.
Nükleer radyasyon, toz bulutları şeklinde atmosfer tabakasına
yerleş­tiğinde radyoaktif yağış şeklinde yeryüzüne inebilir. Bu durum
bitkilerin ve su kaynaklarının kirlenmesine, yani ekolojik sitemin
bozul­masına neden olur. Nükleer radyasyona maruz kalan bitkiler
radyasyonun bir kısmını bünyelerinde barındırabilir. Bu bitkilerin
tüketimi de insan sağlığı açısından zararlıdır. Ayrıca bu bitkilerde
gelişim yavaşlayabilir ve mutasyonlar gözlemlenebilir. Radyasyon
ölçüm cihazları sayesinde çevremizdeki radyasyon miktarını
ölçebiliriz.
Nükleer radyasyondan korunmak için alınabilecek en büyük
önlem sığınaklardır. Ayrıca, radyasyonun solunum ve cilt yoluyla
alınmasını engellemek için vücudumuzda hiçbir yeri açıkta
bırakmayacak özel kıyafetler giymek veya maske kullanmak
gerekir. Vücudumuz nükleer radyasyon serpintilerine maruz
kalmışsa öncelikle temas bölgesini suyla yıkayarak radyasyonun
etkisini azaltabiliriz.
Günlük yaşamda uzaydan gelen kozmik ışınlardan, tuğla
beton gibi yapı malzemelerinden, kaynak suları vb. farklı doğal
radyasyon kaynaklarından etkileniriz. Ayrıca cep telefonları,
bilgisayarlar, saç kurutma makinesi, mikrodalga fırın, kablosuz
İnternet bağlantı modemi, televizyon, X-Ray cihazları, paratoner,
duman dedektörü vb. pek çok yapay radyasyon kaynakları da
sağlığımızı olumsuz etkiler. Yapay radyasyonun zararlı etkilerini en
aza indirmek için bu alet ve cihazların nasıl kullanılması gerektiğini
bilmeliyiz. Örneğin; cep telefonları bilinçsizce kullanılmamalı ya da
kulaklıklarla kullanılmalı, tasarruf ampuller yerine sarı ışık veren
tungsten ampuller tercih edilmeli, bilgisayar ve televizyon başında
fazla zaman geçirilmemeli, mikrodalga fırın çalışırken yanına fazla
yaklaşılmamalı, özellikle çocuklar mağaza girişlerindeki X-Ray
cihazlarından geçirilmemelidir. Ayrıca çok ihtiyaç duyulmadıkça
MR ve röntgen filmi çektirilmemelidir.
270
A. Aşağıdaki ifadelerde bulunan noktalı yerleri tabloda verilen kavramlardan uygun olanları
ile tamamlayınız.
X-ışını
yeğin kuvvetler
sıvı kristal
amorf yapılı
füzyon
gama ışını
fisyon
α-parçacığı
aktiflik
yarı iletken
kristal yapılı
üstün iletken
1. Elektromanyetik tayfta ultraviyole ve gama ışınları arasında kalan bölgede …………………...
yer alır.
2. Atom ve iyonları düzenli bir şekilde dizilmiş katılar ………………….. olarak isimlendirilir.
3. Katı kristal yapısına sahip fakat akışkan özellik gösteren maddelere ………………… denir.
4. Normalde yalıtkan olup herhangi bir dış etki ile iletken hâle gelebilen maddeler ………………..
olarak adlandırılır.
5. Çekirdeği bir arada tutan ………………… hadronlar arasında ortaya çıkar.
6. Enerji fazlalığı olan bir çekirdek ……………….. yayımlayarak enerjisini azaltır.
7. Radyoaktif çekirdeklerin bozunma hızı ………………… olarak tanımlanır.
8. Günümüzde nükleer santrallerde ……………….. ilkesine göre enerji üretilir.
B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Bir X-ışını tüpünde hızlandırıcı gerilim artırılırsa oluşan X-ışınlarının hangi özellikleri değişir?
Bu değişimin insan sağlığına olan etkileri nasıl yorumlanır?
2. X-ışınları hangi özelliklerinden dolayı kanser tedavilerinde kullanılır? Nedenleriyle açıklayınız.
3. Maddelerin yapılarının açıklanmasında X-ışınları yerine gama ışınları kullanılabilir mi?
Nedenleriyle açıklayınız.
4. Camın sabit bir erime noktasına sahip olmamasını nasıl açıklarsınız?
5. LCD monitörlere parmağınızla dokunduğunuzda parmağınızın değdiği bölgenin renk
değiştirmesini nasıl açıklarsınız?
6. Oda sıcaklığında üstün iletken üretilebilirse bunun teknolojiye katkısı nasıl olur?
7. Bir atomun radyoaktif olup olmamasını hangi şartlar belirler? Açıklayınız.
8. Bir çekirdeğin yarı ömrü bir gün ise bu bütün çekirdeklerin iki gün sonra parçalanıp biteceği
anlamına mı gelir? Neden?
9. Alfa, beta ve gama ışınları arasındaki temel farklar nelerdir?
10. Organik numunelerin yaş tayini tam ve doğru olarak yapılabilir mi? Neden?
11. Sizden ülkemizde nükleer bir santral kurmanız istense bu santrali hangi bölgeye kurarsınız?
Nedenleriyle açıklayınız.
C. Aşağıdaki soruları okuyarak doğru seçeneği işaretleyiniz.
1. Bir X-ışını tüpünün, en kısa dalga boyu 60 pm olan X-ışınları salması için uygulanması gereken
voltaj ne kadardır?
A) 2,06x103 V
B) 10,3x103 V
C) 20,6x103 V
D) 10,3x104 V
E) 20,6x104 V
2. 10 kV’luk potansiyel fark altında hızlandırılan elektronların tüp ekranına çarptığında çıkan
elektromanyetik dalgaların en yüksek frekansı kaç s-1dir?
B) 4x1014
C) 3,41x1016
D) 2,41x1018
E) 4,41x1018
A) 2x1014
271
3. Bir deneyde kullanılmak üzere yarı ömrü 5 dakika olan bir radyoaktif maddeden 19,5 gram
gerekmektedir. Madde, reaktörden alınıp deney yerine getirilene kadar 40 dakika geçmektedir. Buna
göre reaktörden kaç gram madde alınmalıdır?
A) 200
B) 300
C) 500
D) 3000
E) 5000
4. Atom kütlesi 222 akb olan radonun 1 mg’ının aktifliği bir hafta sonra kaç Ci olur
-27
(1 akb = 1,66.10 kg)?
A) 39
B) 57
C) 86
D) 155
E) 310
5. Bir radon örneğinin %60’ının bozunması kaç gün sürer (Radonun yarı ömrü 3,8 gündür)?
A) 5
B) 5,02
C) 6
D) 6,05
E) 7
Ç. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilenlerden uygun olanları
ile numaralardan yararlanarak doldurunuz.
6 Elektrik ve manyetik
alandan etkilenir.
10 Atom ve kütle
1 α-bozunması
numarasını değiştirmez.
4 β-
7 Elektrik ve manyetik
alandan etkilenmez.
11 Çekirdekte proton
nötron dönüşümleri olur.
2 β-bozunması
14 AX → A+1Y + -10 e
8 Çok yüksek enerjiye
sahiptir.
12 Sadece atom
numarasını değiştirir.
3 γ-bozunması
9 Atom ve kütle numarasını
değiştirir.
13 Atom numarasını
değiştirir.
5 β+
Z
Z
15
Z
X → A-1Y ++10 e
17 AX→ A-2 X + 42He 16
Z
Z
Z-4
A
A
Z
Radyoaktif Bozunmalar
çeşitleridir.
özellikleridir.
özellikleridir.
özellikleridir.
örnektir.
çeşitleridir.
örnektir.
örnektir.
272
örnektir.
Z
X → A+1X + γ
6. ünİte
ATOMLARDAN
KUARKLARA
273
konular
sİs odalarından cern’e
PARÇACIK HIZLANDIRICILAR
Bu ünitede;
Fiziğin mikroskobik boyutunu inceleyeceğiz. Bu kapsamda, yeğin ve zayıf nükleer
kuvvetlerden sorumlu parçacıklar olan hadronları ve leptonları öğrenecek, mezonlar hakkında
bilgiler edineceğiz. Atomu oluşturan parçacıkları, bu parçacıkların karşıtparçacıklarını inceleyerek
bunların nasıl sınıflandırıldığını, kütleleri ve yükleri arasındaki ilişkileri irdeleyeceğiz. Bu süreçte
hadronların temel yapı taşları olan kuarkları ve karşıtkuarkları inceleyeceğiz. Ayrıca her parçacığın
bir karşıtparçacığı olduğu bilgisinden hareketle yeterli enerjiye sahip fotonların parçacık ve
karşıtparçacık çiftleri oluşturabileceğini öğreneceğiz.
274
Atomlardan Kuarklara
SİS ODALARINDAN CERN’E
Parçacık fiziği, maddenin temel yapı taşları olan parçacıkları
ve bu parçacıklar arasındaki kuvvetleri inceler. Bilim insanları
yirminci yüzyılın başlarında elektron, proton ve nötronun dışında
atom altı parçacıkların da olduğunu keşfettiler ve bu parçacıklarla
ilgili araştırmaları yoğunlaştırdılar. Atom altı parçacıklardan
bazıları elektron mikroskobu ile gözlemlenebilir. Bazılarının
-6
-20
ise yaşam süreleri 10 -10 s arasında
cam tabaka
olduğundan doğrudan gözlemlenebilmeleri
mümkün değildir. Ancak, bu parçacıkların
özel ortamlarda bıraktıkları izler veya
etkileşimler incelenerek onlar hakkında
bilgi elde edilebilmektedir. Bu amaçla 1912 ışık
demeti
yılında T. R. Wilson (Vilsın) tarafından
sis odaları geliştirilmiştir. Yandaki şekilde
de görüldüğü gibi sis odasında bulunan
nemli hava, pistonun aniden aşağı doğru
çekilmesiyle soğutulur. Radyoaktif kaynak
tarafından
salınan
yüklü
tanecikler
soğutulan hava moleküllerinden elektron
alarak iyonlaşmış moleküller oluşturur.
Sis odasının yandan görünüşü
İyonlaşmış gaz molekülleri, yoğunlaşma
merkezleri oluşturarak iz bırakır. Bu
izler gözlem aralığında yandaki gibi
fotoğraflanabilmektedir.
Sis odalarında istenilen tüm tepkimeler
gerçekleşmemektedir.
Bunun
nedeni
çarpışan
parçacıkların,
tepkimelerin
gerçekleşmesi için gerekli olan eşik
enerjisine sahip olmamalarıdır.
Teknolojinin
gelişmesiyle
sis
odalarının yerini yeni cihazlar almıştır. Bu
cihazlar yardımıyla parçacıklar yüksek
potansiyel altında hızlandırılabilmekte
ve sis odalarında gerçekleşmeyen tepkimelerin oluşması
sağlanmaktadır. Geliştirilen cihazlar sayesinde hızlandırılan
yüklü parçacıkların sabit bir hedefe çarpmaları sağlanmakta,
böylece parçacıkların etkileşimleri incelenebilmektedir. Kısa
ömürlü bazı parçacıkların etkileşimlerinin gözlemlenebilmesi için
çarpıştırılan parçacıkların fazla enerjiye sahip olması gerekir.
Hızlandırılan parçacıkların sabit bir hedefe çarptırılmasında
parçacığa verilen enerjinin önemli bir kısmı, çarpma sonrasında
Momentumun Korunumu İlkesi doğrultusunda parçacığa aktarılır.
Bu durum parçacığı hızlandırmak için verilen enerjinin artmasına
neden olur. Ayrıca hızlandırılan parçacıkların hızlarını daha da
artırmak için artan miktarlarda enerjiye ihtiyaç duyulur. Tüm bu
radyoaktif
kaynak
nemli hava
piston
metal
silindir
275
6. Ünite
olumsuzlukları ortadan kaldırmak için hızlandırılan parçacıkların
sabit bir hedef yerine merkezî çarpışmaları sağlanır. Zıt yönde
hareket eden parçacıkların merkezî çarpışmaları sonucunda
çalışmalar daha verimli hâle getirilir.
Parçacıkları
hızlandırmak
için
doğrusal
bir
yörünge
kullanılabileceği gibi dairesel bir
yörünge de kullanılabilir. Doğrusal
yörünge kullanan hızlandırıcılara
linac (linak) denir. Dairesel
yörünge kullanan hızlandırıcılar ise
kullandıkları manyetik veya elektrik
alanının durumuna göre siklotron,
senklotron, siklosenklotron gibi
çeşitlere ayrılır.
İlk
hızlandırıcı
1952
yılında Brookehaven (Brukhivin) laboratuvarında faaliyete
geçmiştir. Daha sonraki yıllarda hızlandırıcılar geliştirilmiş ve
laboratuvarlardaki sayıları artırılmıştır. Günümüzde DESY
(Almanya), SLAC (Amerika), KEK (Japonya) vb. laboratuvarlarda
parçacık hızlandırıcıları bulunmaktadır. Büyük hızlandırıcılardan
biri de Fransa-İsviçre sınırında yerin 100 m altında inşa edilen
27 km’lik uzunluğa sahip Avrupa Nükleer Araştırmalar Teşkilatı
(CERN) laboratuvarında bulunur.
CERN’in bünyesinde büyük hızlandırıcının dışında doğrusal
bir hızlandırıcı olan LIL ile dairesel bir hızlandırıcı olan LHC
gibi çeşitli hızlandırıcılar da bulunur. Birbirleriyle bağlantılı olan
bu hızlandırıcılarda, yüksek potansiyel
altında
hızlandırılan
parçacıklar birbirleriyle çarpıştırılır.
Bu
çarpışmalar
esnasında
gerçekleşen olaylar büyük dedektörler sayesinde kayıt altına
alınır. Daha sonra bu kayıtlar incelenerek çarpışma sonucu meydana gelen parçacıkların hangi
enerji ve momentumla oluştukları
belirlenir ve parçacık hakkında
bilgi elde edilir. Bu tür laboratuvarlarda varlığı kuramsal olarak
öngörülen parçacıkların deneysel
olarak elde edilmeleri hedeflenir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
276
Atomlardan Kuarklara
İnsanlar, tarih boyunca yaşamlarını kolaylaştırmak için
etraflarındaki canlı ve cansız maddeleri özelliklerine göre
sınıflandırmıştır. Bu doğrultuda bilinen ilk yaklaşım MÖ 492-432
yılları arasında yaşayan Empedokles (Empedokles) tarafından
ortaya konmuştur. Empedokles’e göre varlıklar ateş, hava, su
ve topraktan oluşmaktaydı. Örneğin, bir taşın bileşenlerinin
büyük bir kısmı topraktan diğer kısmı ise ateş, hava ve sudan
oluşmaktaydı.
MÖ 460-370 yılları arasında yaşayan ünlü filozof
Demokritos (Demokritos), varlıkların bileşenlerinin ateş,
hava, su ve topraktan oluşmadığını belirterek Empedokles’in
teorisini reddetmiştir. Demokritos’a göre bir maddeyi kaç
parçaya bölerseniz bölün elde ettiğiniz her parçanın özelliği
başlangıçtaki maddenin özelliklerinden farklı olmayacaktır.
Ayrıca, Demokritos maddenin bölünemeyeceği bir noktasının
olduğu sonucuna vararak bu parçaya Latincede ‘bölünemez’
anlamına gelen atomus adını vermiştir. Demokritos’a göre
atomus varlıkların parçalanamayan en küçük parçalarıdır ve
her varlığın atomusu farklıdır. Demokritos’un atomus kavramı
Atomus
yandaki şekilde görüldüğü gibi modellenebilir.
MÖ 94-49 yılları arasında yaşayan Lucretius (Lukretius)
“Nesnelerin Doğası” adlı eserinde atomusları "gözle göremediğimiz, ancak varlığını kabul ettiğimiz nesneler” olarak nitelendirmiş ve Demokritos’un görüşlerinin o dönemlerde kabul
gördüğünü göstermiştir. AnBilim İnsanları
Öngörüleri / Buluşları
cak Aristoteles (Aristoteles)
Ateş-Hava-Su-Toprak
Empedokles
ve Platon (Pilaton)’nun ateş,
hava, su ve toprağın birbirlerine dönüşebileceğini iddia
Demokritos
Atomus
Lucretius
ederek Empedokles’in teorisini
kabul etmeleri Demokritos’un
önerilerinin göz ardı edilmesiAristoteles
ne neden olmuştur. On altıncı
Platon
ve on yedinci yüzyıllarda Torricelli (Toriçelli), Boyle (Boyl),
Toricelli
Atom
Bernoulli (Börnelli) adlı bilim
Boyle
Bernoulli
insanlarının
çalışmalarıyla
Demokritos’un görüşleri yeniden kabul görmüştür. Ancak
Thomson
Elektron
atomus yerine atom olarak
adlandırılan maddenin yapı
Rutherford
Proton
Çekirdek
taşları gizemini on dokuzuncu
yüzyılın başlarına kadar korumuştur. Bu yıllarda Dalton
Chadwick
Nötron
(Daltın) kendi adıyla bilinen
Dalton Atom Modeli’ni geliştirmiştir.
277
6. Ünite
Yirminci yüzyılın başlarında Thomson (Tamsın), Rutherford
(Radırford), Chadwick (Çedvik) ve pek çok bilim insanı atomun
temel parçacık olmadığını ortaya koymuştur. Thomson yapmış
olduğu katot ışınları deneyi ile bilinen ilk parçacık olan elektronun
varlığını keşfetmiştir. Rutherford 1911 yılında çekirdeğin 1919
yılında ise gaz hâlindeki azot atomlarına alfa parçacıkları
göndererek çekirdeğin yapısında bulunan pozitif elektrik yüküne
sahip protonun varlığını keşfetmiştir. 1932 yılında da Chadwick
elektrik yükü sıfır olan nötronun varlığını keşfetmiştir.
atom
molekül
elektron
çekirdek
ağaç
proton
Paul Adrien Maurice Dirac
(1902-1984)
İngiliz Fizikçi ortaya koyduğu
denklem ile kuantum mekaniği ve
göreliliği birleştirerek anti maddenin
varlığının
anlaşılmasında
rol
oyna­mıştır.
Kuantum
fiziğinin
gelişmesinde önemli çalışmalarda
bulunan Dirac, 1933 Nobel Fizik
Ödülüʼnü Erwin Schrödinger ile
paylaşmıştır.
278
nötron
1932 yılına kadar fizikçiler, yukarıdaki modelde de görüldüğü
gibi maddeyi oluşturan temel parçacıkları elektron, proton ve
nötron olarak kabul ediyorlardı.
1932 yılından itibaren gerçekleştirilen çalışmalarla, bilinen
parçacıkların yüksek enerji ile çarpıştırılması sonucu temel
parçacıklar olarak görülen elektron, proton ve nötron dışında
yeni parçacıkların da var olduğu keşfedilmiştir. Bu nedenle
temel parçacıklar yerine parçacıklar ifadesi kullanılmaya
başlanmıştır. Dolayısıyla parçacıklar kavramı sadece elektron,
proton ve nötronu değil atom altı parçacıkların, yani atomdan
daha küçük parçacıkların tamamını içerir.
Günümüzde molekülden atom altı parçacığa doğru
gerçekleştirilen çalışmalar sürecinde atom ve molekül fiziği,
çekirdek fiziği ve parçacık fiziği gibi alt bilim dalları gelişmiştir.
Parçacık
fiziği, teorik fiziğin uğraş alanlarının başında
gelmektedir. Yirminci yüzyılın ilk yarısında teorik fiziğinin
bu alanına katkıda bulunan bilim insanlarından biri de Dirac
(Direk)’tır. Dirac, kuantum fiziğinin parçacıkların hareketlerini
açıklayan teorisiyle özel görecelik teorisinin birbiriyle
örtüşmeyen noktaları üzerine çalışmalar yapmıştır. Elektronu
tanımlamak için 1928 yılında kuantum fiziği ile özel görecelik
kuramını uyumlu hâle getiren ve kendi adıyla anılan Dirac
Atomlardan Kuarklara
Denklemi’ni ortaya koymuştur. Dirac Denklemi’nin iki sonucu
vardır. Bunlardan biri elektronun davranışlarıyla (yarım spini)
ilgiliyken diğeri aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi elektronların
pozitif ve negatif enerjiye sahip olabileceğini göstermektedir.
E
pozitif kinetik enerji ile
hareket eden elektronlar
durgun elektronlar
mc2
0
-mc2
yasak bölge
durgun elektronlar
Carl David Anderson
(1905-1991)
Amerikalı fizikçi ve mühendis
olan Anderson, Dirac denkleminin
bir sonucu olan artı elektrik yüklü
elektronu (pozitronu) keşfetti. Bu
çalışmasıyla 1936 yılında Nobel
Fizik Ödülüʼnü almıştır.
negatif kinetik enerji ile
hareket eden elektronlar
Dirac, denkleminin işaret ettiği pozitif enerjili durumu
açıklarken negatif enerjili durumu açıklamada zorlanmıştır.
Bu nedenle ortaya attığı denklemin işaret ettiği negatif
enerjili durumu açıklamak için farklı bir yol izlemiştir. Önceleri
elektronların negatif enerjili konumlara çökmesi gerektiğini
düşünse de 1930 yılında negatif enerjili konumların dolu
olduğunu ve Pauli Dışarma İlkesi’ne göre dış yörüngedeki
elektronların iç yörüngedeki elektronlar nedeniyle çökmediklerini
öne sürmüştür. Aynı zamanda bazı negatif enerjili konumların
boş olabileceğini ve bu boş konumlarda pozitif enerjili ve pozitif
yüklü parçacıkların bulunabileceğini açıklamıştır. Dirac’a göre
bu durum pozitif elektrik yüklü bir parçacığı işaret etmekteydi.
Bu sebeple negatif enerjiyi açıklamak için o dönemde bilinen tek
pozitif yüklü parçacık olan protondan yararlanmak gerektiğini
düşündü. Daha sonra boş konumlar ile elektronlar arasındaki
simetrinin varlığı ve protonun elektrona göre daha ağır olduğunu
dikkate alan Dirac doğada, pozitronların (karşıtelektron)
olması gerektiğini savundu. Dirac’ın var olduğunu düşündüğü
karşıtmadde 1932 yılında Anderson (Endırsın) tarafından
deneysel bir çalışma ile ispatlanınca Dirac 1933 yılında Nobel
Ödülü’nü almıştır.
Anderson oluşturduğu “sis odası” aracılığıyla pozitronun
varlığını bir sonraki sayfada görüldüğü gibi fotoğraflamayı
başardı. Buna göre manyetik alan içinde elektron izlerine
benzeyen, ancak zıt yönde kozmik ışınlar söz konusuydu. Bu
çalışmasıyla Anderson 1936 yılında Nobel ödülü kazanmıştır.
Günümüzde pozitronların elektronlarla aynı kütleye
ve yüke sahip olduğu, ancak elektrik yüklerinin zıt işaretli
olduğu bilinmektedir. Buradan hareketle elektriksel yüke
sahip parçacıklar ile karşıtparçacıkları arasındaki tek farkın
Emilio Segre
İtalyan
(1905-1989)
asıllı
fizikçidir.
Chamberlain ile birlikte karşıt­par­
çacıklar üzerine yaptıkları çalış­
malardan dolayı 1959 yılında Nobel
Fizik Ödülüʼnü almışlardır.
Owen Chamberlain
(1920-2006)
Amerikalı fizikçidir. Segre
ve Chamberlain birlikte yaptıkları
çalışmalar sonucunda protonun
karşıtparçacığı olan karşıtprotonu
keşfetmişler ve 1959 yılında Nobel
Fizik Ödülü almışlardır.
279
6. Ünite
elektriksel yüklerin işareti olduğu söylenebilir. Parçacıklar ile
karşıtparçacıkların elektriksel yüklerinin işareti birbirinin tersidir.
Bu durum, nötr parçacıklar ile karşıtparçacıkları için geçerli
değildir.
Karşıtparçacıkların varlığı matematiksel bir denklemin
sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Pozitronun keşfini 1955
yılında Segre (Segre) ve Chamberlain (Çembırlın) tarafından
gerçekleştirilen karşıtproton ve karşıtnötron keşifleri izlemiştir.
Segre ve Chamberlain bu çalışmalarından dolayı 1959 yılında
Nobel Fizik Ödülüʼnü almışlardır.
James Watson Cronin
(1931- …)
Amerikalı fizikçidir. Fitch ile
birlikte madde-karşıtmadde üzerine
yaptıkları
çalışmalardan
dolayı
1980 yılında Nobel Fizik Ödülüʼnü
almışlardır.
Pozitronun Anderson tarafından bulunuşu ile oluştu­
rulmaya başlanan karşıtparçacık listesi, sonraki yıllarda diğer
parça­cıklara ait karşıtparçacıkların keşfi ile genişletilmiştir.
Günümüzde her parçacığın bir karşıtparçacığı olduğu
kabul edilmekle birlikte gözlemlenebilen evrende parçacık,
karşıtparçacığa baskındır. Cronin (Kronin) ve Fitch (Fitç),
"Sis Odalarından CERN'e" adlı metinde belirtilen nitelikteki
laboratuvar ortamlarında gerçekleştirilen deneyler sonucu 1964
yılında bu baskınlığı ortaya koymuş ve 1980 yılında Nobel
Ödül’nü kazanmışlardır.
Bilim insanlarının yirminci yüzyılın ilk yıllarında varlığını öne
sürdüğü bir diğer parçacık da nötrinolardır. Nötrinoların varlığı
ilk defa 1930 yılında W. Pauli tarafından dile getirilmiş, 1956
Val Logsdon Fitch
yılında ise F. Reines (Rayns) ve C. Cowan (Kevın) tarafından
(1923-…)
deneysel olarak gösterilmiştir.
Amerikalı fizikçidir. Cronin ile
Yakalanmaları oldukça zor olan nötrinolar günümüzde
birlikte madde-karşıtmadde üzerine
"Sis
Odalarından
CERN'e" metninde belirtilen CERN ve SLAC
çalışmalar yapmış ve 1980 yılında
gibi laboratuvarlarda bulunan büyük hızlandırıcılarla yapılan
Nobel Fizik Ödülü’nü almışlardır.
deneylerle elde edilebilmektedir. Nötrinolar elektrik yükleri
olmayan, kütleleri sıfıra yakın temel parçacıklardır. Elektrik
yükleri olmadığından elektromanyetik etkileşim yapamazlar.
Nötrinolar ışık hızına yakın hızlarda hareket eder ve maddenin
içerisinden hiçbir etki yapmadan geçebilirler. Örneğin, bir ışık yılı
kalınlığındaki kurşun bir levhadan ve evrende bulunan binlerce
gök cisminin içerisinden hızları ile yönlerini değiştirmeden ve
onlara zarar vermeden rahatça geçebilirler. Nötrinoların temel
kaynağı yıldızlardır. Bu nedenle sanılanın aksine evrende
oldukça fazladırlar. Örneğin, 40 dakikalık bir ders saatinde
280
Atomlardan Kuarklara
vücudunuzdan milyarlarca nötrino geçmektedir. Nötrinoların
karşıtparçacığı olan karşıtnötrinolar ise beta bozunumu sırasında
açığa çıkan yüksüz parçacıklardır. Nötrino ve karşıtnötrinoların
özelliklerinin aynı olması geçekte aynı parçacıklar olduğunu
göstermektedir. Aralarındaki fark nötrinoların temel kaynağının
yıldızlar, karşıtnötrinolarınsa beta bozunumu olmasıdır.
Parçacık - Karşıtparçacık Karşılaştırması
Sis odaları ile hız kazanan atom altı parçacıkları belirleme
çalışmaları
sonucunda,
günümüzde
evreni
oluşturan
temel parçacıklar hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir.
Bu parçacıklara ilişkin bazı özellikler aşağıdaki tabloda
karşılaştırılmalı olarak verilmiştir.
Parçacık
Elektron
Simgesi
e-
Karşıtparçacığı
Pozitron
Kütlesi
(MeV/c2)
Yükü
(C)
Enerjisi
(eV)
0,511
-1
1,6.10
Kararlılığı
-3
Kararlı
-3
Kararsız
Pozitron
e+
Elektron
0,511
+1
-1,6.10
Proton
p
Karşıtproton
938,3
+1
3,126
Kararlı
Karşıtproton
p
Proton
938,3
-1
3,126
Kararsız
Nötron
n
Karşıtnötron
939,6
0
3,13
Kararsız
Karşıtnötron
n
Nötron
939,6
0
3,13
Kararsız
Nötrino
ν
Karşıtnötrino
≅0
0
≅0
Kararlı
Karşıtnötrino
ν
Nötrino
≅0
0
≅0
Kararsız
Beiser, 1997; Henley ve Garcia, 2007; Lichtenberg, 2007; Das ve Ferbel, 2003 kaynaklarından yararlanılarak bu kitap
için düzenlenmiştir.
Yukarıdaki tabloda parçacık ve karşıtparçacıkları için verilen
kararlılık durumları parçacık ve karşıtparçacıkların ömürleri ile
ilişkilidir.
Nötrinolar, bütün maddelerin içerisinden rahatça geçe­
bilmesine karşın laboratuvar ortamında yakalanabilmektedirler.
Nötrinoların laboratuvarlarda nasıl yakalandığını araştırınız.
Araştırma sonuçlarını metin, resim, grafik veya tablo gibi farklı
formatlardan da yararlanarak sunu hâline getiriniz ve sınıfa
sununuz. Araştırma sürecinde İnternet (edu, gov, org), yazılı
ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
yararlanarak makale veya diğer yazılı materyalleri okumaya
özen gösteriniz.
Kütle Yok Edilebilir mi?
1960’lı
yıllara
kadar
atomun
yapısındaki
temel
parçacıklardan elektron, proton ve nötronun karşıtparçacıkları
laboratuvarlarda deneysel olarak bulunmuştur. Bu çalışmalar
her parçacığın bir karşıtparçacığı olabileceği düşüncesini
kuvvetlendirirken yeni soruları da ortaya çıkarmıştır. Örneğin,
her parçacığın bir karşıtparçacığı varsa bu karşıtparçacıklar bir
281
6. Ünite
araya getirilerek karşıtçekirdek, karşıtatom hatta karşıtmadde
yapılabilir mi? Bu sorular 1995 yılında CERN’de yapılan
deneyler sonucunda karşıthidrojenin elde edilmesiyle cevap
bulmuştur. Karşıthidrojen, pozitronun bir karşıtproton çevresinde
dönmesiyle oluşan bir karşıtmaddedir. Karşıtmaddenin elde
edilmesi “Madde ile karşıtmadde karşılaşırsa ne olur?” sorusunu
ortaya çıkarmıştır.
Bir madde ile karşıtmadde karşılaştığı zaman parçacıklar ile
karşıtparçacıkları birbirlerini yok edebilir ve bu esnada büyük
miktarlarda enerji açığa çıkarabilirler. Karşılaşma sırasında
açığa çıkan enerji değişik formlara dönüşebilir. Örneğin, elektron
ve pozitron aynı kütle ve yüke sahiptir, ancak yüklerinin işareti
zıttır. Bu parçacıklar çarpıştıklarında aşağıdaki denklemde
de görüldüğü gibi birbirlerini yok eder ve "gama ışını" olarak
enerjiye dönüşür.
e- + e+ ↔ γ
e+
γ
e-
Elektron ile pozitronun çarpışmasında açığa çıkan enerji,
Einstein’ın kütle enerji eş değerliği formülünden hareketle;
=
E me− c 2 + me+ c 2
=
E (me− + me+ ) c 2
m
=
m
=
me olduğundan
e−
e+
E = 2me c 2
MeV 2
c
c2
E 1,02 MeV
=
= 1,02 ⋅ 106 eV şeklinde hesaplanabilir.
E= 2 ⋅ 0,51
e- + e+ ↔ γ denklemi tersinir (γ ↔ e- + e+)
olduğundan yeterli enerjiye sahip iki gama
fotonu çarpıştığında enerji, maddeye dönüşebilir.
Gama ışınlarının çarpışmaları sonucunda oluşan
elektron ve pozitronun bıraktığı izler, yandaki
şekilde de görüldüğü gibi fotoğraflanabilmektedir.
Örneğin, 1,02 MeV enerjili gama fotonları elektron
ve pozitron çifti oluşturabilir. Ancak böyle bir
süreçte γ ↔ e-, γ ↔ e+ ve γ ↔ e- + p reaksiyonları
tek başına görülmez. Gama fotonlarının sahip
282
Atomlardan Kuarklara
olduğu enerji;
E = hν(hν → e- + e+) eşitliğinden yararlanılarak bulunabilir.
-34
Burada; h, Planck sabitidir ve değeri 6,62.10 Js’dir. ν ise
oluşan fotonun frekansıdır ve SI birim sisteminde birimi s-1 veya
Hertz'dir
İki γ fotonunun çarpışması sonucunda γ + γ → p + p
tepkimesine göre, bir proton ve bir karşıtproton oluşmaktadır.
Bu tepkimenin gerçekleşebilmesi için γ fotonunun sahip olması
gereken en küçük enerjiyi ve dalga boyunu hesaplayınız
-34
-19
(mp = mp = 938,3 MeV/c2, h = 6,62.10 Js, 1eV = 1,6.10 J).
Çözüm
γ → p +p tepkimesinin gerçekleşebilmesi için γ fotonunun
enerjisi en az, proton ve karşıtprotonu oluşturabilecek kadar
olmalıdır. γ fotonunun sahip olması gereken en küçük enerji,
Einstein’ın kütle enerji eş değerliği formülünden hareketle
hesaplanabilir. Buna göre γ fotonunun enerjisi;
Eγ → Ep + E −p
Eγ = mpc2 + mpc2 dir.
Bu eşitlikte bilinenleri yerine yazarsak;
MeV 2
MeV
c + 938,3 2 c 2
2
c
c
Eγ = 938,3 MeV + 938,3 MeV
Eγ = 1876,6 MeV olarak bulunur.
Fotonun enerjisini MeV mertebesinden eV mertebesine
dönüştürecek olursak;
6
Eγ = 1876,6 MeV = 1876,6.10 eV olur. Buradan fotonun
enerjisi;
6
Eγ = 1876,6.10 eV
Eγ 938,3
=
6
-19
-13
Eγ = 1876,6.10 .1,6.10 = 3002,56.10 J
olarak hesaplanır.
γ fotonunun en küçük frekansı E = hν bağıntısı kullanılarak
hesaplanabilir. Buna göre;
E = hν
-13
-34
3002,56.10 = 6,62.10 .ν
-13
3002,56.10
23
= 4,53.10 Hz olur.
ν=
-34
6,62.10
γ fotonunun en küçük dalga boyu ise;
ν λ = c ⇒λ = c bağıntısı ile bulunabilir. Buna göre γ
ν
fotonunun en küçük dalga boyu;
=
λ
c
3 ⋅ 108
=
≅ 0,66 ⋅ 10 −15 m' dir.
ν
4,53 ⋅ 1023
283
6. Ünite
Karşıtparçacıklardan ya­rar­lanılarak geliştirilen pozitron
salma tomografisi sayesinde tıpta, beynin ve kalbin işleyişine dair
teşhisler konulabilmektedir. Örneğin,
beyin kanaması geçiren bir hastanın
beyninin hangi bölgesinde kanama
İşlem Birimi
olduğunun tespit edilebilmesi için
beyin tomografisi çekilmelidir. Bunun
için hastaya öncelikle pozitron yayan
radyoaktif madde, glikoz çözeltisi
ile enjekte edilmektedir. Beyne
ulaşan radyoaktif maddeden yayılan
pozitronlar elektronlar ile çarpışır. Bu
çarpışma sonucunda yayılan gama
ışınları, pozitron salma tomografisi
γ
etaraması ile belirlenir ve beyne ait
e+
görüntüler, bilgisayarlar aracılığıyla
γ
v
elde edilir. Beyindeki damarlar
e- - e+ çarpışması
Görüntüye Dönüştürme
içerisinde
ilerleyen
radyoaktif
maddeden çıkan pozitronların oluşturduğu gama ışınlarının
bilgisayar ekranındaki görüntüsü, düzgün bir yol izlemektedir.
Bu izlerin düzgün olmadığı bölgelerden yola çıkılarak hasarlı
damarlar belirlenebilir. Pozitron salma tomografilerinin çalışma
prensibi, pozitron ile elektronun çarpıştırılması sonucunda
saçılan gama ışınlarının taranması ile hasarlı bölgelerin
belirlenmesine dayanmaktadır. Tıpta kullanılan bu teknolojinin
"Sis Odalarından CERN'e" adlı metinde özetlenen parçacıklarla
ilgili çalışmalara dayanması, bu alandaki araştırmaların önemini
ortaya koymaktadır.
2000’li yıllara gelindiğinde karşıtmadde ile ilgili
önemli sayılabilecek teknolojik gelişmeler yaşandı.
NASA (Amerika Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi)’da
çalışan bir grup bilim insanı yanda da modellendiği
gibi karşıtmadde roketi tasarımı yaptıklarını açıkladı.
Madde
Karşıtmadde roketi, çok uzak mesafelerin az yakıtla
kısa sürelerde alınabilmesi için tasarlanan bir roket
Karşıtmadde
çeşididir.
Karşıtmadde roketlerinde madde-karşıtmadde
reaksiyonları sonucu oluşan büyük miktardaki
enerjinin, roketin hareketi için gerekli itme gücünü
Pompa
oluşturması planlanmaktadır. Bu reaksiyonlarda açığa
çıkan enerji, dokuzuncu sınıf fizik derslerinde öğrenmiş
olduğunuz nükleer fisyon reaksiyonları sonucu oluşan
enerjiden 1000 kat, nükleer füzyon reaksiyonları
sonucu oluşan enerjiden ise 300 kat daha fazladır.
Bir sonraki sayfada verilen tabloda da görüldüğü gibi
madde-karşıtmadde reaksiyonları sonucu açığa çıkan
Madde-karşıtmadde roketi modeli
yaklaşık enerji miktarı, diğer reaksiyonlardan açığa
çıkan yaklaşık enerji miktarından çok fazladır.
284
Atomlardan Kuarklara
Madde Miktarı
(kg)
Reaksiyonda Kullanılan
Madde Çeşidi
1
Benzin
Enerji Miktarı
(Yaklaşık) (J)
6
9,1.10
1
Uranyum
8,2.10
1
Proton-Karşıtproton
9.10
7
10
-12
Karşıtmadde roketi kullanan bir uzay aracının 14.10 kg
(1,26 J) yakıt kullanarak bir ay gibi kısa bir sürede Mars’a
ulaşabileceği öngörülmektedir. Mars’ın Dünya’ya yaklaşık
6
78.10 km uzaklıkta olduğu dikkate alındığında karşıtmadde
roketlerinin ne kadar etkili olabileceği daha iyi anlaşılacaktır.
Atomu Bir Arada Tutan Nedir?
Bilim insanlarının 1930’lu ve 1940’lı yıllardaki temel
çalışmalarından biri de çekirdekte yer alan parçacıkların nasıl
bir arada durduklarıdır. Çekirdeğin etrafındaki elektronların
birbirlerini itmesi gibi çekirdeğin içerisindeki protonlar da aynı
cins elektrik yüküne sahip olduğundan birbirlerini iter. Atom
içerisindeki etkileşmelerde elektriksel kuvvetler etkin olsaydı
protonların birbirini itmesi sonucunda çekirdeğin dağılması
gerekirdi. Ancak protonlar dağılmadan bir arada durabilmektedir.
Bilim insanları, bu durumu çekirdekteki parçacıkları bir arada
tutan kuvvetlerin oldukça güçlü olması şeklinde açıkladılar. Bu
kuvvetler modern fizik ünitesi kapsamında öğrendiğiniz çekirdek
kuvvetleridir.
Çekirdek kuvvetlerinin kısa menzilli, yeğin ve yükten
bağımsız kuvvetler olduğunu "Modern Fizik" ünitesinde
öğrenmiştiniz. Çekirdek kuvvetlerinin nasıl etkili olduğuna
dair ilk öneri 1935 yılında Yukawa (Yukava) tarafından ortaya
konmuştur. Yukawa’ya göre çekirdeği bir arada tutan kuvvetler;
proton ve nötron arasında bir kütleye sahip parçacıklar
tarafından gerçekleştirilmekteydi. Bu parçacıklar proton ve
nötronun kütleleri arasında bir kütleye sahip olduklarından
İngilizcede ara değer anlamına gelen mezon ile adlandırılmıştır.
Bu parçacıkların 1947 yılında deneysel ortamda gözlemlenmesi
sonucunda Yukawa aynı yıl Nobel Ödülü almıştır.
Mezonlar,
atomların kurduğu kovalent
bağlardaki elektronların veya elektromanyetik
etkileşimlerdeki fotonların rolü düşünüldüğünde eedaha iyi anlaşılır. Örneğin, iki elektronun
elektromanyetik etkileşim içerisinde bulunduğunu
foton
zaman
düşünelim.
Bu
elektronlar
arasındaki
eeelektromanyetik kuvvete aracılık yapan alan
parçacığı yandaki şekilde de görüldüğü gibi
Elektromanyetik etkileşimler için
fotonlardır. Bu etkileşimde bir elektrondan diğerine
Feynman Diyagramı
enerji ve momentum aktarımı gerçekleşir.
285
6. Ünite
Mezonlar, çekirdekteki parçacıklar
arasındaki çekirdek kuvvetine aracılık
P
n
eden parçacıklardır. Örneğin, yandaki
şekilde görüldüğü gibi proton ile nötron
mezon
arasındaki yeğin kuvvetlere mezonlar
zaman
aracılık eder. Buradan hareketle madde
n
P
parçacıklarıyla etkileşim parçacıklarının
(kuvvet parçacıklarının) birbirinden
Çekirdekteki etkileşimler için Feynman
farklı olduğu söylenebilir. Buna göre;
Diyagramı
proton, elektron gibi parçacıklar madde
parçacıkları, foton ve mezon gibi parçacıklar ise etkileşim
parçacıkları olarak adlandırılır.
Buraya kadar anlatılan parçacıklar fizikçiler tarafından ortaya
konan ilk parçacıklardır. Günümüzde "Sis Odalarından CERN'e"
adlı metinde bahsedilen çalışma ortamlarında varlığı tespit
edilmiş 300 civarında atom altı parçacık olduğu bilinmektedir.
Bu nedenle fizikçiler atom altı parçacıkları sınıflandırmıştır.
Sınıflamalardan biri, parçacıkların diğer parçacıklarla hangi
kuvvet çerçevesinde etkileşime girdiğine göre yapılmıştır.
Örneğin, proton ve nötronlar yeğin kuvvetle etkileşime girerken
elektronlar girmez. Yeğin ve zayıf çekirdek kuvvetleri ile
çekimsel ve elektromanyetik kuvvetler parçacıkların etkileşime
girdikleri kuvvetlerdir. Parçacıklar bu temel kuvvetlerin biri veya
daha fazlası ile etkileşime girer.
Parçacıklar Ailesi
Bilim insanları atom altı parçacıkları "Sis Odalarından
CERN'e" adlı metinde de belirtildiği gibi yirminci yüzyılın
başlarından itibaren keşfetmeye başladılar. Keşfedilen
parçacıkları, birbirleriyle etkileşime girdikleri kuvvetleri dikkate
alarak aşağıda görüldüğü gibi hadronlar, leptonlar ve fotonlar
şeklinde üç kategoride sınıflamak mümkündür.
Atom Altı Parçacıklar
Özellikleri
Fotonlar
• Elektromanyetik kuvvetler aracılığıyla ve yüklü parçacıklarla
etkileşime girerler.
Hadronlar
• Yeğin çekirdek kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girerler.
• Çekimsel kuvvetler aracılığıyla da etkileşime girebilirler.
• Yüklü olmak kaydıyla elektromanyetik kuvvetler aracılığıyla
da etkileşime girerler.
Leptonlar
• Zayıf çekirdek kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girerler.
• Çekimsel kuvvetler aracılığıyla da etkileşime girebilirler.
• Yüklü olmak kaydıyla elektromanyetik kuvvetler aracılığıyla
da etkileşime girerler.
Parçacıklar ailesinin en küçük grubunu fotonlar oluşturur.
İlk defa Einstein tarafından öne sürülen fotonun varlığı
286
Atomlardan Kuarklara
1914-1916 yıllarında fotoelektrik etki üzerine çalışmalar yapan
Millikan tarafından kanıtlanmıştır. Fotonların karşıtparçacıkları
kendileridir ve bir önceki sayfada yer alan tabloda da görüldüğü
gibi sadece elektromanyetik kuvvetler ve yüklü parçacıklarla
etkileşime girerler. Fotonlar elektrikçe yüksüz parçacıklardır ve
kütleleri yoktur. Ancak fotonların parçacık özelliğinden dolayı az
da olsa kütlelerinin olması gerektiği düşünülmektedir. Fotonlar
hiçbir koordinat sisteminde durgun olmayan ve ışık hızıyla
hareket eden parçacıklardır. Işık hızıyla hareket ettiklerinden
atom içerisinde bulunamazlar.
"Sis Odalarından CERN'e" adlı metinde belirtilen nitelikteki
laboratuvar ortamlarında varlığı belirlenen hadronlar, yeğin
çekirdek kuvvetleriyle etkileşime giren parçacıklardır. Başka
bir ifadeyle yeğin çekirdek kuvvetinden sorumlu parçacıklardır.
Parçacıklar ailesinin en geniş grubunu hadronlar oluşturur. Bu
nedenle kütleleri ve spinlerine göre baryonlar ve mezonlar olarak
ikiye ayrılarak yeniden sınıflandırılmıştır. Spin, parçacıkların
temel özelliklerinden biridir ve parçacıkların bir eksen etrafında
döndüklerinin göstergesidir. Spin, özkütle gibi parçacıkların
ayırt edici özelliklerinden biridir. Madde parçacıklarının
spinleri kesirli (1/2, 1/3), etkileşim parçacıklarının spinleri tam
sayı (0,1) değerlerine sahiptir. Baryon grubu proton, nötron,
sigma, lamda, ksi ve omega parçacıkları ile bu parçacıkların
karşıtparçacıklarını içermektedir. Madde parçacıkları olan bu
parça­cıkların spinleri de kesirli değere sahiptir. Mezon grubu
ise pionlar, kaonlar ve bu parçacıkların karşıtparça­cıklarını içe­
rir. Pionlar en hafif mezonlar olup kütlesi yaklaşık 140 MeV/c2
dir. Kaonların kütlesi ise yaklaşık 500 MeV/c2 dir. Pionların ve
kaonların spinleri sıfırdır.
Baryonlar, parçacık ailesinin kütlesi en ağır parçacıklarını
içerir. Bu grubun en hafif üyesi protondur. Diğer baryonlar
protona yakın veya daha fazla kütleye sahiptir. Spinleri ise kesirli
(1/2 veya 3/2) değerlere sahiptir. Baryonların en temel özelliği
bozunumlarının sonunda proton oluşturmalarıdır. Örneğin, ksi
-10
(Ξ) 10 saniyede bozunarak lamda’ya (Λ°) dönüşür. Lamda
-10
ise 3.10 saniyede bozunarak proton ve piona dönüşür. Yani
protonlar en kararlı baryonlardır ve bu nedenle bozunmazlar.
Bir reaksiyon veya bozunum sonrasında baryon oluşuyorsa
karşıtbaryon da oluşur. Bu durum Baryon Sayılarının
Korunumu Yasası olarak bilinir. Buna göre reaksiyon veya
bozunum öncesindeki toplam baryon sayısı, reaksiyon veya
bozunum sonrasındaki toplam baryon sayısına eşittir. Bu
reaksiyon veya bozunumlarda baryonlar B = +1, karşıtbaryonlar
B = -1 ve diğer parçacıklar B = 0 alınarak baryon sayılarının
korunumu incelenir.
287
6. Ünite
p+n→p+p+n+p
denkleminde baryon sayılarının korunumunu gösteriniz.
L. M. Lederman
(1922-…)
Amerikalı fizikçidir. Schwartz
ve Steinberger ile birlikte nötrinolar
üzerine yaptıkları çalışmalardan
dolayı 1988 yılında Nobel Fizik
Ödülüʼnü almışlardır.
Melvin Schwartz
(1932-2006)
Amerikalı fizikçidir. Lederman
ve Steinberger ile birlikte nötri­nolar
üzerine çalışmışlardır. Bu çalışma­
larından dolayı 1988 yılında Nobel
Fizik Ödülüʼnü almışlardır.
Jack Steinberger
(1921-...)
Alman-Amerikan
fizikçidir.
Lederman ve Schwartz ile birlikte
Müon-nötri­nosunun bulunmasını
sağlayan çalışma­larından dolayı
1988 yılında Nobel Fizik Ödülüʼnü
almışlardır.
288
Çözüm
Reaksiyonda yer alan baryonları +1, karşıtbaryonları -1,
diğer parçacıkları 0 (sıfır) ile gösterelim. Bu durumda, proton
ve nötron baryon olduklarından denklemin sol tarafındaki
toplam baryon sayısı;
1 + 1 = 2 olacaktır.
Denklemin sağ tarafında ise üç adet baryon, bir adet
karşıtbaryon olduğundan toplam baryon sayısı;
1 + 1 + 1 + (-1) = 2 olur. Buna göre;
p+n→p+p+n+p
denkleminde baryon sayısı korunur. Bu durum;
p+n→p+p+n+p
(+1) + (+1) → (+1) + (+1) + (+1) + (-1)
2 → 2 şeklinde de gösterilebilir.
Karşıtbaryonlar ile mezonların etkileşmesi sonucunda bir
baryon oluşur mu?
Çözüm
Karşıtbaryonların baryon sayıları -1, baryonların baryon
sayıları +1, mezonların baryon sayıları ise 0’dır. Buna göre,
karşıtbaryon-mezon etkileşimi ile oluşacak bir tepkimede
baryon oluşması durumunda baryon sayısı korunmayacağından
böyle bir tepkimenin gerçekleşmesi beklenmez. O hâlde
karşıtbaryon-mezon etkileşmelerinde bir baryon ortaya çıkmaz.
Hadron grubundaki kararsız parçacıkların bozunumlarını
ve bozunumlar sonrasında oluşabilecek parçacıkların neler
olduğunu araştırınız. Araştırma sonuçlarını metin, resim,
grafik veya tablo gibi farklı formatlardan da yararlanarak sunu
hâline getiriniz ve sınıfa sununuz. Araştırma sürecinde İnternet
(edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından yararlanarak makale veya diğer yazılı
materyalleri okumaya özen gösteriniz.
Leptonlar, varlığı ‟Sis Odalarından CERNʼe” adlı metinde
belirtilen nitelikteki laboratuvar ortamlarında belirlenen diğer
bir parçacık grubudur. Bu grubu oluşturan parçacıklar zayıf
çekirdek kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girer. Başka bir
Atomlardan Kuarklara
ifadeyle zayıf çekirdek kuvvetlerinden sorumlu parçacıklardır.
Zayıf çekirdek kuvvetinin taşıyıcı parçacıklarının bulunmasına
yönelik çalışmalarından dolayı Rubbia (Rabiy) ve Meer (Mier)
1984 yılında Nobel Ödülü’nü almışlardır. Leptonlar tam sayılı
yüklere sahiptir. Ayrıca çoğunluğu hafif kütleli parçacıklardan
oluşan leptonların tamamının spini 1/2’dir. Leptonlar grubunda
elektron, müon ve nötrino adlı parçacıklar ve bu parçacıkların
karşıtparçacıkları yer alır. L.M. Lederman (Lidirmen),
M. Schwartz (Şıvarst) ve J. Steinberger (Şıtaynbergır) isimli
fizikçiler nötrinolar ile ilgili çalışmalar yapmış, müon-nötrinosunu
bularak leptonlar grubunu genişletmiştir. Müon-nötrinolarının
keşfi aynı zamanda leptonların ikili bir doğaya sahip olduğunu
ortaya koymuştur. Bu çalışmalardan dolayı Lederman, Schwartz
ve Steinberger 1988 yılında Nobel Ödülü almıştır. Benzer
nitelikteki çalışmalar sayesinde de Perl (Pörl) 1995 yılında
Nobel Ödülü alan fizikçilerden olmuştur.
Leptonlar grubuna giren parçacıkların kütlesi hadronların
en hafif parçacığı olan protonun kütlesinden daha hafiftir. Bu
nedenle leptonlar noktasal parçacık olarak kabul edilir.
Reaksiyon veya bozunum sonrasında baryon sayısı gibi
lepton sayıları da korunmaktadır. Ancak lepton sayılarının
korunumu, elektron-lepton ve müon-lepton sayılarının
korunumu olmak üzere parçacıklar temelinde incelenmelidir.
Burada elektronlar (e-) ve elektron-nötrinoları (νe-) için lepton
sayısı Le-= +1, karşıtleptonları (e+, νe-) için lepton sayısı
Le-= -1 ve diğer parçacıklar için lepton sayısı L e-= 0 olarak alınır.
Benzer şekilde müon–lepton sayısının belirleme sürecinde
müon ve müon-nötrinosu için Lµ=+1, karşıtleptonları (µ+, νµ) için
Lµ = -1 ve diğer parçacıklar için Lµ= 0 olarak alınır.
Simon Van Der Meer
(1925-…)
Hollandalı fizikçidir. Rubbia ile
birlikte atom altı parçacıklar üzerine
yaptıkları çalışmalarından dolayı
1984 yılında Nobel Fizik Ödülüʼnü
almışlardır.
Carlo Rubbia
(1934-…)
İtalyan fizikçidir. Van Der Meer
ile birlikte CERN’de yaptıkları ça­
lışmalarla proton ile karşıtprotonun
kafa kafaya çarpıştırılması olayına
önemli katkılarda bulunarak bir­
çok atom altı parçacığın keşfinde
önemli rol oynamışlardır. Bu çalış­
malarından dolayı 1984 yılında No­
bel Fizik Ödülüʼnü almışlardır.
n → p + e- + νe
denkleminde lepton sayısının korunduğunu gösteriniz.
Çözüm
Reaksiyonda yer alan leptonları +1, karşıtleptonları -1
ve diğer parçacıkları 0 (sıfır) ile gösterelim. Denklemin sol
tarafında lepton olmadığı için lepton sayısı 0 (sıfır) olur.
Denklemin sağ tarafında ise elektron ve elektron-nötrinosu
olduğundan lepton sayısı;
0 + 1 + (-1) = 0 olur.
O hâlde verilen denklemde lepton sayısı korunmuştur. Bu
durum;
n → p + e- + νe
0 → 0 + 1 + (-1)
0 → 0 şeklinde de gösterilebilir.
Martin Lewis Perl
(1927-…)
Amerikalı fizikçidir. Leptonlarla
ilgili çalışmalar yapmış, lepton sı­
nıflamasının genişletilmesine kat­
kıda bulunmuştur. Bu çalışmaların­
dan dolayı 1984 yılında Nobel Fizik
Ödülüʼnü almıştır.
289
µ+
νµ
π-
νe
µ-
νµ
π+
+
K
p
Elektronnötrinosu
Müon
Müonnötrinosu
Pion
Kaon
Proton
Nötron
Lamda
Omega
Ksi
1189,4
1192,5
1197,3
-
Σ
0
+
Σ
Σ
Ξ
Ξ+
Ω+
Σ+
0
Σ-
0
-
-
Ω
Ξ
Ξ
Σ
1672
1321
1315
1115,6
Λ0
0
0
939,6
n
n
Λ
938,3
493,7
139,6
<0,3
105,7
<7
0,511
p
K
e+
0
Kütlesi
(MeV/c2)
-1
-1
0
-1
0
+1
0
0
+1
+1
+1
0
-1
0
-1
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0
0
0
0
0
0
0
Elektriksel
Baryon
Yükü
Sayısı
(x1,6.10-19C)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+1
+1
0
Elektronlepton Sayısı
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+1
+1
0
0
0
Müon-lepton
Sayısı
Beiser, 1997; Henley ve Garcia, 2007; Lichtenberg, 2007; Das ve Ferbel, 2003 kaynaklarından yararlanılarak bu kitap için düzenlenmiştir.
Baryon
Mezon
Sigma
νe
e-
Elektron
kendisi
γ
Foton
Foton
Simgesi Karşıtparçacığı
Parçacık
Lepton
Hadron
290
Grup
Fotonlar, bazı hadronlar ve leptonlara ait özellikler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
3/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
0
0
1/2
1/2
1/2
1/2
1
Spini
-6
-10
-10
0,82.10
-10
2,9.10
1,64.10
-10
-20
1,5.10
6.10
-10
-10
0,80.10
2,6.10
920
kararlı
-8
-8
1,24.10
2,6.10
kararlı
2,2.10
kararlı
kararlı
kararlı
Ömürleri
(s)
6. Ünite
Atomlardan Kuarklara
Leptonlar grubuna giren parçacıkların keşifleri ile ilgili
detaylı bir araştırma yapınız. Araştırma sonuçlarını metin,
resim, grafik veya tablo gibi farklı formatlardan da yararlanarak
sunu hâline getiriniz ve sınıfa sununuz. Araştırma sürecinde
İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından yararlanarak makale veya diğer yazılı
materyalleri okumaya özen gösteriniz.
Leptonların noktasal parçacıklar olarak tanımlanması,
onların daha küçük yapılara bölünmediğini göstermesi
açısından önemlidir. Ancak hadronların belli bir büyüklüğü,
yapısı ve bozunarak başka bir hadrona dönüşebilme özellikleri
dikkate alındığında daha karmaşık bir yapıları olduğu görülür.
Bu nedenle bilim insanları hadronların temel parçacıklar olup
olmadığını sorgulamıştır. 1960’lı yıllarda M. Gell-Mann (Celmen)
ve G. Zweig (Zıvayk) adlı fizikçiler birbirlerinden bağımsız olarak
gerçekleştirdikleri araştırmalar sonucunda hadronların daha
küçük parçacıklardan oluştuğunu öne sürmüşlerdir. Murray
Gall-Mann bu parçacıkları kuark olarak isimlendirmiştir.
PARÇACIK HIZLANDIRICILAR
Atom çekirdeğinin üzerine hızlandırılmış parçacıklar gönderip
çarpışma sonrasında gerçekleşen olayları gözlemleyerek hedef
hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlar. Bazen atom çekirdeklerinin
çarpıştırılması hızlandırıcılar yardımıyla sağlanırken bazen
yüklü olmaları sayesinde daha kolay hızlandırılabilen elektron,
proton ya da pozitron gibi parçacıklar çarpıştırmada kullanılır.
Gönderilen parçacıklar hedef olarak kullanılan parçacık
içerisinde ne kadar derinlere inebilirse o kadar fazla bilgi verir.
Bu nedenle gönderilen parçacığın hızının çok fazla(ışık hızına
yakın hızlarda) olması gerekir.
291
6. Ünite
Parçacıkların hızlandırma işlemleri doğrusal ya da
dairesel bir yörüngede yapılabilir. Doğrusal hızlandırıcılarda
yüksek hızlara ulaşmak için hızlandırıcının boyunu uzatmak
gerekir. Dairesel hızlandırıcılarda hızlandırılan parçacıkları
yörüngelerinde tutmak için doğrusal hızlandırıcılardakine oranla
çok daha güçlü elektromıknatıslar kullanılmalıdır. Hızlandırılmak
istenen parçacıklar elektrik alan içerisinde yönlendirilerek
ivmelendirilir. İvmelenen bu parçacıklara yolları üzerinde uygun
frekansta elektromanyetik dalga gönderilerek itme kuvveti
uygulanır. Uygulanan bu itme kuvveti, parçacığın hareket
yönünü, elektriksel yükünün işaretine bağlı olarak hızlandırır.
Hızlandırılan
parçacıkların
yörüngelerinde
oluşabilecek
sapmalarını engellemek amacıyla belirli aralıklarda güçlü
mıknatıslar kullanılarak manyetik alan uygulanır. Ayrıca bu
parçacıkların yolları üzerindeki yabancı moleküllere veya
parçacıklara çarparak enerjilerini kaybetmelerini önlemek için
parçacıkların hareket ettikleri tüp vakumlanarak boşaltılır. Bu tüp
aşırı ısınmalara karşı soğutulur Hızlandırılan parçacıkların sabit
hedeflerle ya da aksi yönde hızlandırılmış diğer parçacıklarla
merkezî çarpışmaları sağlanır. Çarpışma sonrasında ortaya
çıkan parçacıkları gözlemleyebilmek amacıyla çok güçlü
dedektörler(parçacık belirleyiciler) kullanılır.
Günümüzde enerji düzeyi ve boyut açısından en büyük
dairesel parçacık hızlandırıcısı(Büyük Hadron Çarpıştırıcısı)
Fransa-İsviçre sınırında yer alan CERN’de bulunmaktadır.
Çalışır durumdaki en büyük doğrusal hızlandırıcı ise ABD’nin
Stanford Üniversitesi bünyesinde kurulan, Stanford Lineer
Hızlandırıcı Merkezi(SLAC)ndedir. Ayrıca dünyanın çeşitli
bölgelerinde bünyesinde doğrusal ya da dairesel hızlandırıcı
barındıran birçok laboratuvar mevcuttur. Gelişen teknolojinin tüm
imkânlarının kullanıldığı bu laboratuvarlarda varlığı deneysel
olarak kanıtlanmamış atomaltı parçacıklar ve bu parçacıkların
özellikleri bulunmaya çalışılır.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
Kuarklar
Hadronların temel parçacıkları olan kuarkların bilinen
altı çeşidi vardır. Ayrıca her kuarkın bir karşıtkuarkı da
vardır. ‟Parçacık Hızlandırıcılar” adlı metinde belirtilen
hızlandırıcılardan yararlanılarak yapılan bilimsel araştırmalar
sonucunda kuarkların kütleye, spine, baryon sayısına ve diğer
parçacıklardan farklı olarak kesirli elektrik yüküne sahip olduğu
tespit edilmiştir. Karşıtkuarkların elektrik yükleri ise zıt işaretlidir.
292
Atomlardan Kuarklara
Kuarkların, leptonların aksine kesirli yüke sahip olması, ortaya
atıldığı yıllarda varlığının kabul edilmesini zorlaştırmıştır. Ancak
‟Parçacık Hızlandırıcılar” adlı metinde belirtilen hızlandırıcılar
kullanılarak yapılan bilimsel araştırmalar sonucunda kuarkların
varlıkları kesin olarak kanıtlanmıştır.
Aşağıdaki tabloda bazı kuarkların yükü, spini, baryon sayısı
ve kütlesi karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
Kuark
Karşıtkuark
Parçacık
Simgesi
Yükü
Spini
Baryon
Sayısı
Kütlesi
(MeV/c2)
Aşağı
d
-1 e
3
1
2
1
3
6
Yukarı
u
+2 e
3
1
2
1
3
3
Karşıtaşağı
d
+1 e
3
1
2
-1
3
6
Karşıtyukarı
u
-2 e
3
1
2
-1
3
3
Beiser, 1997; Henley ve Garcia, 2007; Lichtenberg, 2007; Das ve Ferbel, 2003 kaynaklarından yararlanılarak
bu kitap için düzenlenmiştir.
Bilimsel bilgilerin her zaman mutlak doğru olmadığını, yeni
bilgiler ışığında düzeltildiğini veya yenilendiğini biliyorsunuz.
Bu anlamda Demokritos'un atomun parçalanamayacağına dair
görüşünün sonraki yıllarda geçerliliğini yitirdiği örnek olarak
dikkate alınabilir. Buradan hareketle kuarklardan daha küçük
parçacıkların var olup olamayacağını tartışınız. Tartışma
sürecinde;
- Atom altı parçacıkların dünü ve bugününü kıyaslayarak
gelecekleri hakkında fikirler üretiniz.
- Sis odasında pozitronun, SLAC ve Brookehoven
laboratuvarlarında kuarkların varlığının tespit edildiğini
öğrenmiştiniz. Buradan hareketle fizik ve teknoloji arasındaki
etkileşimin tarihsel gelişimini tartışınız.
- Teknolojik yeniliklerin fizik bilimindeki bilimsel bilgilerin
ilerlemesine yaptığı katkıya örnekler veriniz.
elektron
?
?
atom
çekirdek
proton
kuark
293
6. Ünite
Kuarkların keşifleri ile ilgili detaylı bir araştırma yapınız.
Araştırma sonuçlarını metin, resim, grafik veya tablo gibi farklı
formatlardan da yararlanarak sunu hâline getiriniz ve sınıfa
sununuz. Araştırma sürecinde İnternet (edu, gov, org), yazılı
ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
yararlanarak makale veya diğer yazılı materyalleri okumaya
özen gösteriniz.
Baryonların ve Mezonların Kuark Yapısı
Günümüzde, leptonlar gibi noktasal parçacıklar olarak kabul
edilen kuarklar hadronların yapısını oluşturmaktadır. ‟Parçacık
Hızlandırıcılar” adlı metinde belirtilen hızlandırıcılar ile yapılan
bilimsel araştırmalar sonucunda en geniş hadron grubunu
oluşturan baryonların üç kuarktan oluştuğu, mezonların ise
bir kuark ve bir karşıtkuarktan oluştuğu görülmüştür. Aşağıda
baryon grubunda yer alan proton, nötron ve mezonların kuark
yapısını gösteren modeller verilmiştir.
u
d
proton
u
u
d
u
d
baryonlar
u
d
d
pionlar
nötron
mezonlar
Modellerde de görüldüğü gibi protonlar uud, nötronlar udd
kuarklarından, mezonlar ise ud veya ud kuark-karşıtkuark
çiftlerinden oluşmaktadır. Baryon grubunu oluşturan diğer
parçacıkların yapısını ise herhangi bir şekilde bir araya gelmiş
üç kuark oluşturmaktadır. Dikkat edilecek olursa kuarklar ve
karşıtkuarklar yapısını oluşturdukları hadronların özelliklerini
belirlemektedir. Örneğin, protonu oluşturan kuarkların baryon
sayılarının toplamı, protonun baryon sayısına eşittir. Aynı
şekilde aşağıdaki modelde de görüldüğü gibi protonu oluşturan
kuarkların yüklerinin toplamı, protonun yüküne eşittir.
u
d
2
+3 e
- 1e
3
2
+3 e
+1e
u
proton
Yukarı ve aşağı kuarklar proton ve nötronları oluşturmaktadır.
Proton ve nötronlar çekirdeği, çekirdek ve elektronlar ise
atomu oluşturur. Buradan hareketle yukarı ve aşağı kuarklar ile
elektronların maddenin üç temel yapı taşı olduğunu söyleyebiliriz.
294
Atomlardan Kuarklara
Yani madde aşağıdaki şekilde modellendiği gibi yukarı ve aşağı
kuarklar ile bir lepton olan elektrondan oluşmaktadır.
nötron
çekirdek
kuark
proton
molekül
atom
elektron
ağaç
On birinci sınıf fizik derslerinde yıldızların yakıtlarının temel
maddesinin hidrojen olduğunu öğrenmiştiniz. Bu maddenin
yapısında bulunan ve protonları oluşturan yukarı kuarklardan
bir tanesi, aşağı kuarka dönüşerek önce nötronları oluşturur.
Nötron sayısındaki artış hidrojen atomunun izotoplarına
dönüşmesini sağlar. Oluşan izotoplar (trityum ve döteryum)
birleşerek helyum atomlarını meydana getirir. Helyum atomları
ise fisyon reaksiyonları sonucunda tekrar hidrojene dönüşür.
Tüm bu reaksiyonlar sonucunda yıldızlar, oluşturdukları büyük
miktarlardaki enerjiyi aşağıdaki fotoğrafta da görüldüğü gibi
etraflarına ısı ve ışık olarak yayar.
295
A. Aşağıdaki paragrafta bazı kavramlar harflerle ifade edilmiştir. Anlatılanlardan hareketle
1 numaralı sütunda verilen harfler ile 2 numaralı sütunda verilen kavramları paragrafa uygun
düşecek şekilde eşleştiriniz. Bazı kavramları birden fazla kullanabilirsiniz.
“Tüm parçacıklarda bir A vardır. Bir parçacık ile A uygun şartlarda bir araya getirildiğinde
kütleleri tamamen B'ye dönüştürülebilir. Parçacıklar C, D ve E olmak üzere üç kategoriye
ayrılabilir. D ise F ve G olarak ikiye ayrılır. D'yi oluşturan daha küçük yapılara H adı verilir.”
1
2
A
lepton
B
foton
C
mezon
D
hadron
E
enerji
F
karşıtparçacık
G
baryon
H
kuark
B. Aşağıdaki soruları okuyarak doğru seçeneği işaretleyiniz.
-
1. Ξ → Λο + e- + νe denklemiyle verilen reaksiyonda kaç baryon vardır?
A) 0
B) 2
C) 4
D) 6
E) 8
2. Aşağıdaki parçacıkların hangisi zayıf çekirdek kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girebilir?
ο
A) Ξ
B) Σ+
C) π+
D) µ-
E) Λο
ο
3. Σ nin bozunarak proton oluşturma sürecinde aşağıdaki parçacıklardan hangisi görülebilir?
ο
A) Ξ
B) Ξ C) Σ+
D) Ω-
E) Λο
4. Aşağıdakilerden hangisi çekirdekteki parçacıklar arasındaki çekirdek kuvvetine aracılık
edebilir?
A) νe
B) νµ
C) K+
D) Ω-
E) n
5. İlk karşıtparçacığı laboratuvar ortamında gözlemleyebilen bilim insanı aşağıdakilerden
hangisidir?
A) Hideki Yukawa
B) Carl David Anderson
C) Emilio Segre
D) Paul Adrien Maurice Dirac
E) Martin Lewis Perl
6. Kütlesi en ağır baryonun, kütlesi en hafif mezonun kütlesine oranı yaklaşık olarak kaçtır?
A) 12
B) 11
C) 13
D) 10
E) 9
296
C. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilen kavramlardan uygun
olanları ile doldurunuz.
1.
hadron
elektron
aşağı kuark
karşıtyukarı kuark
mezon
yukarı kuark
kuark
baryon
karşıtaşağı kuark
karşıtkuark
lepton
pion
ksi
sigma
kaon
Madde Parçacıkları
örnektir.
proton
grubundadır.
grubundadır.
çeşitleridir.
yapısında üç adet bulunur.
yapısında bulunur.
kuark
çeşitleridir.
çeşitleridir.
297
2. Aşağıdaki kavram haritasında boş bırakılan kutuları tabloda verilen kelimelerden uygun
olanları ile doldurunuz.
atom
proton
çekirdek
lepton
karşıtproton
pozitron
elektron
nötron
nötrino
müon
karşıtkuark
karşıtnötron
yok
pion
kaon
Element
yapı taşı
içeriğindedir.
içerir.
karşıtparçacığı
karşıtparçacığı
karşıtparçacığı
içerir.
elektriksel yükü
grubundadır.
çeşitleri
Ç. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Mezonların yapısını oluşturan kuark (u) ile karşıtkuarkın(d) birbirlerini yok ederek enerjiye
dönüşmeden bir arada nasıl durduklarını açıklayınız?
2. Nötron içerisindeki bir aşağı kuarkın (d) yukarı kuarka (u) dönüşmesi sonucunda neler
olabilir? Açıklayınız.
3. e- + e+ ↔ γ denkleminde gösterildiği gibi elektronla pozitron çarpışması sonucunda
-34
-19
oluşan γ fotonunun sahip olacağı frekansı hesaplayınız (h = 6,62.10 Js, 1eV=1,6.10 J,
me-= me+= 0,51 MeV/c2).
4. Bir fotonun karşıtparçacığının yine kendisinin olmasının nedenlerini açıklayarak
karşıtparçacıkları kendileri olan parçacıklara örnekler veriniz?
5. Madde parçacıkları ile etkileşim parçacıkları arasındaki fark nedir? Açıklayınız.
6. µ- → νµ + e- + νe denklemiyle verilen reaksiyonda müon-lepton sayılarının ve
elektron-lepton sayılarının korunduğunu ayrı ayrı gösteriniz.
7. Kuarkların diğer noktasal parçacıklardan farkı nedir? Açıklayınız.
8. Baryonlarla mezonların özelliklerini tanımlayarak aralarındaki farkları açıklayınız.
298
7. ünİte
FİZİĞİN DOĞASI
299
konular
DEĞİŞEN ENERJİ KAYNAKLARI
Bu ünitede;
Fizik derslerinde edinilen bilgi, beceri ve tutumlardan yola çıkarak deney, gözlem, matematiksel
modelleme gibi yöntemler ile bilimsel bilginin değişebilir doğasını anlamaya çalışacağız. Hayal
gücünün bilginin elde edilme sürecine katkısını irdeleyerek sosyal ve kültürel yapının bu sürece
etkisini inceleyeceğiz. Ayrıca bilimsel manada gözlem ve çıkarım ilişkisini inceleyerek modelleme,
paradigma, hipotez, yasa ve teori gibi kavramları açıklayacağız.
300
Fiziğin Doğası
DEĞİŞEN ENERJİ KAYNAKLARI
İnsanlar, ihtiyaçlarını gidermek için enerjiye gereksinim duyar.
Gereksinim duyulan bu enerjinin bir kısmı kendilerinde mevcutken
diğer kısmı dışarıdan karşılanır. Bu durum, insanları dış enerji
kaynakları arayışına itmiştir.
Önceleri insanlar dış enerji ihtiyaçlarını hayvanlardan
karşılamayı düşünmüş ve bu amaçla bazı hayvanları evcilleştirmeyi
başarmıştır. Evcilleştirilen bu hayvanlardan beslenme, ısınma,
yük taşımacılığı, ulaşım gibi farklı alanlarda yararlanmıştır.
Ancak artan ihtiyaçlar sebebiyle enerji arayışına devam eden
insanlar, zamanla ateşi kontrol etmeyi öğrenmiş ve maddelerin
yanmasıyla elde edilen enerjiden yararlanmaya başlamıştır. Bu
enerjiden, ısınmadan buharlı makinelerin çalıştırılmasına kadar
pek çok alanda yararlanılmıştır. Daha sonra rüzgâr enerjisini
fark eden insanlar, bu enerjinin nasıl kullanılacağını araştırmış,
deniz taşımacılığından tahılların un hâline getirilmesine, hava
taşımacılığından elektrik üretimine kadar pek çok alanda rüzgâr
enerjisinden yararlanmıştır.
Bilim ve teknolojinin gelişmesi insanların enerji ihtiyaçlarını
artırmış, ihtiyacın artması kullanılmakta olan enerji kaynaklarının
değiştirilmesini zorunlu hâle getirmiştir. Bu durum yeni görüşlerin
ortaya atılmasına neden olmuştur. Enerji ihtiyacının karşılanması
için çalışan bilim insanları hipotezler oluşturmuş, bu hipotezlerini
deneysel veya teoriksel çalışmalara dayanan farklı bilimsel
yöntemlerle test etmişlerdir. Testler sonrasında hipotezler ya
reddedilmiş ya da doğruluğu kanıtlanarak bilimsel bilgi olarak
kabul görmüştür. Kabul gören bu bilgiler toplumun anlayacağı bir
şekilde yayımlanmıştır.
Bilim insanlarının yaptıkları bu çalışmalar sonrasında farklı
enerji kaynaklarına yönelen insanlar Güneş, su, jeotermal, gelgit,
fosil yakıtlar vb. enerji kaynaklarını kullanmaya başlamıştır.
Günümüzde fosil yakıtlar ve yan ürünlerinden elde edilen
enerjiden bol miktarda yararlanılmaktadır.
Günlük hayatta kullandığımız enerjiler arasında önemli bir
yere sahip olan petrolün rezervlerinin sınırlı olması ve kullanımının
çevreye fazla miktarda zarar vermesi, insanları güvenliği yüksek
ve çevre dostu enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir.
Enerji kaynakları arayışı on dokuzuncu yüzyılın sonlarına
doğru radyoaktivitenin keşfiyle yönünü atoma çevirmiş, bu
301
7. Ünite
alanda çalışan bilim insanları atomdan enerji elde etmenin
yollarını aramışlardır. Albert Einstein, atomun çekirdeğinde bol
miktarda depolanmış enerji olduğunu ve bu enerjinin yandaki
şekilde modellendiği gibi, çekirdeğin parçalanmasıyla serbest
kalabileceğini ileri sürmüştür. Çekirdeğin parçalanmasıyla açığa
çıkacak olan enerjinin çok fazla olması, bütün gözlerin atoma
çevrilmesini sağlamıştır.
Atom,
nükleer
reaktörlerde
insanlığın
yararına
kullanılabileceği gibi, nükleer silahların üretimiyle insanlığın
zararına da kullanılabilir. Örneğin, atom bombası, insanlığa
büyük zararlar veren nükleer silahlardan biridir.
Atom bombasının çalışma prensibi, atom çekirdeğinin çok
kısa sürede parçalanarak içerisinde depoladığı enerjiyi serbest
bırakmasına dayanır. Atom bombasının yapımında ana madde
olarak kullanılan maddenin atomları içerisinde ne kadar fazla
enerji depolanmışsa bombanın etki alanı o kadar genişler. Atom
bombası patlatıldığında kontrolsüz olarak bölünen çekirdekler,
etrafa büyük miktarlarda enerji salar. Salınan bu enerji, kısa
zamanda çok büyük felaketlere neden olur.
İnsanoğlu geliştirdiği atom bombasıyla yetinmemiş, ondan
daha etkili bir silahın hayali peşinde koşmuştur. Zamanla bu
hayalini gerçekleştirmiş ve hidrojen bombasını üretmiştir.
Atom bombasının yapılışı, çekirdek parçalanması ilkesine
dayanırken hidrojen bombasının yapılışı, yandaki resimde
modellendiği gibi çekirdek birleşmesi ilkesine dayanır.
Çekirdeklerin birleşebilmesi için büyük miktarda enerjiye ihtiyaç
duyulur. Bundan dolayı hidrojen bombasından önce atom
bombası patlatılır, açığa çıkan enerjiyle parçalanan çekirdekler
birleştirilir. Tüm bu aşamalar sonrasında, ortaya atom
bombasında çıkan enerjiden çok daha fazlası çıkar. Hidrojen
bombasının etki alanı, aynı kütledeki atom bombasından çok
daha fazladır.
İnsanoğlu, hayal gücünü kullanarak günümüzde de daha
verimli enerji kaynakları, daha etkili silahlar geliştirme arayışlarına
devam etmektedir.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
ENERJİ
Hava
MADDE
Su
Toprak
Ateş
302
İnsanoğlu, tarih boyunca yaptığı bilimsel çalışmalarla yaşam
kalitesini yükseltmeye çalışmıştır. Bu çalışmalar, belirli dönemlerde
çok hızlı ilerlerken, belirli dönemlerde yavaşlamış, hatta durma
noktasına gelmiştir. Örneğin, çağının önemli düşünürlerinden
Aristoteles ve Platon; yandaki resimde de görüldüğü gibi,
maddenin ateş, hava, su ve topraktan oluştuğunu söyleyerek
Demokritos’un bu konu ile ilgili görüşlerini benimsemişlerdir. Bu
düşünce, maddenin yapı taşına dair isabetli görüşler ileri süren
Empedokles ve Lucretius’in görüşlerinin bilim insanları arasında
kabul görmemesine neden olmuştur.
On dokuzuncu yüzyıla gelindiğinde bilim insanları arasında
Fiziğin Doğası
fizik biliminde yapılabilecek bir şeyin kalmadığı, sadece daha
fazla ayrıntıya inmeye yönelik çalışmaların yapılabileceği görüşü
hâkimdi. Bu görüş, bilimin ilerlemesinin önünde büyük bir engeldi.
Einstein, yaptığı çalışmalarla bu görüşü yıkmış ve yapılabilecek
bir şey kalmadığını düşünen bilim insanlarına yönelik “Bilinenler,
bilinmeyenler yanında ihmal edilebilecek kadar azdır.” sözünü
söylemiştir.
Bilim insanları, birçok doğa olayını incelemiş, elde
ettikleri bilgileri yazılı hâle getirerek nesilden nesile
aktarmıştır. Böylece bilimsel bilgilerin günümüze kadar
gelmesi sağlanmıştır. Yandaki minyatürde bilimsel
çalışma yapan ve elde ettikleri bilgileri kayıt altına alan
bilim insanları görülmektedir.
Sahip olduğumuz bilginin ilk kaynağının ne olduğunu
araştıran bilim dalı epistemoloji olarak adlandırılır.
Epistemolojik araştırmalar sonucunda ilk kaynağına
ulaşılmaya çalışılan bilgi, günümüzde bilimsel araştırma
metotları kullanarak sürekli irdelenmektedir. Peki,
bilimsel bilgilerin ilk tanımlamaları ile günümüzde yapılan
çalışmalar sonucunda yapılan tanımlamaları aynı mıdır?
Fen bilimleri; klasik ve modern yaklaşım olmak üzere
iki grupta incelenmektedir. Klasik yaklaşımda bir bilgi
mutlak doğru ise tek doğrudur mantığı geçerlidir. Bu
görüş, her şey somut delillere ve ispata dayandırılmalı
fikrini savunmaktadır. Modern yaklaşımda ise her şey bir
gelişim ve değişim içerisinde olduğundan mutlak bilginin
olamayacağını savunmaktadır. Modern yaklaşıma göre
bilimsel bilgiler, mutlak doğrular olmadığı gibi belirli şartlar ve
sınırlılıklar içerisinde geçerlidirler. Örneğin; hareketlilerin hızlarının,
ışık hızı yanında çok küçük olduğu durumlarda geçerli olan bağıntılar,
hareketlilerin hızı ışık hızına yaklaştığında geçerliliğini yitirmektedir.
Bu bağıntılardan bazıları aşağıdaki tabloda görülmektedir.
v << c
1
Ek =
m v2
2
L0
∆t0
v≈c
=
Ek
m c2
1−
− m c2
2
v
c2
=
L L0 1 −
∆t =
v2
c2
∆t 0
1−
v2
c2
Tablodan da anlaşılabileceği gibi cismin hızı, ışık hızından
küçük olduğu durumlarda geçerli olan bağlantılar cismin hızı,
303
7. Ünite
ışık hızına yaklaştığında geçerliliğini yitirmektedir. Benzer şekilde
bir dönem etkin olarak kullanılan enerji kaynağı daha sonraları
etkinliğini kaybetmektedir. Dolayısıyla bilimsel bir bilginin geçerlilik
alanı ve sınırları elde edilen yeni bulgularla değişip geliştirilebilir.
Kuantum fiziği üzerine araştırmalar yaparak klasik fizikte
geçerli olup kuantum fiziğinde geçerli olmayan kurallara örnekler
bulunuz. Bu örnekleri metin, resim, grafik veya tablo gibi farklı
formatlardan da yararlanarak bir sunu hâline getiriniz ve sınıfa
sununuz. Araştırma sürecinde İnternet, yazılı ve görsel medya
gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen
gösteriniz.
Değişimin Sırrı Ne?
?
*F=ma
* Işık tanecik midir?
Elektron
içerisinde daha
*
küçük tanecik var mıdır?
?
* Fk=mkN
304
Televizyon, radyo, gazete gibi farklı bilgi kaynaklarında bilim
insanları tarafından farklı şekilde yorumlanan veya ilk defa ileri
sürülen bilgilerle karşılaşırız. Bu bilgilerin bazıları kitaplarımızda
yer alırken bazılarının olgunlaşıp kabul görmesi beklenir. Bilgilerin
olgunlaşıp kabul görmeleri için doğru ve güvenilir verilerle sürekli
desteklenmesi gerekir. Belirli bir olgunluk düzeyine ulaşan bilimsel
bilgiler, insanlığın hizmetine sunulur. Böylece, insanların yaşam
kalitesi yükseltilmeye çalışılır. Örneğin, “Değişen Enerji Kaynakları”
adlı metinde de belirtilen nükleer enerjinin, bir enerji kaynağı olarak
kullanılabilmesi için bilimsel verilerle güvenilirliği test edilmiştir.
Bilimsel olarak doğru kabul
edilen ve uzun yıllar okullarda
bizlere öğretilen bilgiler veya
bireysel gayretlerimiz sonucunda
öğrendiğimiz bilimsel bilgiler,
zaman içerisinde değişebilir
mi?
Doğruluğundan
şüphe
duymadığımız
bilgilerimizden
hangileri günümüzde tartışılır
hâle gelmiştir? Bunun sebebi
ne olabilir? Yandaki fotoğrafta
da modellendiği gibi şüpheci
bir yapıda olmanın, kesin
doğru diye bakılan bilgileri
tekrar sorgulamanın ve gözden
geçirmenin bilimsel bilgilerin
değişip gelişmesine etkisi büyüktür. Bu durum teknolojinin
ilerlemesine önemli bir katkı sağlamaktadır. Örneğin; bilim
insanlarının şüpheci ve araştırmacı yapıda olması sayesinde
Fiziğin Doğası
insanlığın ihtiyaç duyduğu enerji kaynakları sürekli değişmiş ve
değişmeye devam edecektir.
Defterinize bir tablo çizerek içerisine, değişim beklemediğiniz
bilgiler ile değişebileceğini düşündüğünüz bilgileri nedenleriyle
birlikte yazınız.
Işık Hakkındaki Bilgilerimizin Dünü, Bugünü ve Yarını
sıy
Ya
n
k
ışı
an
ışı
len
k
Ge
Çevremizi görmemizde, bitkilerin büyümesinde, haberleşmede
kulla­nılan fiber optik kablolarda, uzay araştırmalarında vb. birçok
alanda ışık etkin bir rol oynamaktadır.
Işık hakkındaki ilk teoriler on yedinci yüzyıl sonlarında Newton
ve Huygens tarafından ortaya atılmıştır. Newton, ışığın sonsuz
hızda ve doğrusal yolla yayılan taneciklerden oluştuğunu ileri
sürmüştür. Newton’un tanecik teorisi, yansıma ve beyaz ışığın
renklere ayrılması olaylarını açıklayabilmektedir.
Newton’un teorisine göre, ışık az kırıcı ortamdan
çok kırıcı ortama geçişte normalden uzaklaşarak
kırılmakta ve hızı artmaktadır. Bu bağlamda
Newton’un teorisi kırılma olayını açıklamada
yetersiz kalmaktadır. Newton’un tanecik modeli
ile ışığın düz bir zeminden yansıması, yandaki
resimde görüldüğü gibi modellenebilir.
Newton ile aynı dönemlerde yaşayan
Huygens, ışığın yandaki resimde modellendiği
gibi, bir dalga olduğunu ileri sürmüştür. Işığın
boşlukta dalgalar hâlinde yayılabilmesi için
Huygens, esir denen maddenin var olduğunu
ve boşluğun bu madde ile dolu olduğunu kabul
etmiştir. On dokuzuncu yüzyılın başlarında ışıkta
kırınım ve girişim olaylarının deneysel olarak
gözlenmesi, dalga teorisini güçlendirmiştir. On
dokuzuncu yüzyılın sonları ile yirminci yüzyılın
başlarında yapılan bir çok deney, Huygens’in
varlığını kabul ettiği esir maddesinin gerçekte
var olmadığını ortaya koymuştur.
Elektrik, ışık ve manyetizmayı birleştiren Maxwell ışık hakkında
yeni bir teori ortaya atarak ışığın elektromanyetik dalga özelliği
gösterdiğini ileri sürmüştür. Maxwell’e göre ışık; enerji taşıyan,
boşlukta ilerleyebilen, elektrik ve manyetik alanlardan oluşan bir
yapıya sahiptir.
Maxwell’in teorisini geliştiren Planck, elektromanyetik ışımanın
sürekli olmadığını ve ışığın enerji taşıyan paketler hâlinde iletildiğini
açıklamıştır. Son olarak Einstein, parçacık ve dalga teorilerini
birleştirerek Kuantum Teorisi’ni oluşturmuştur. Bu teoriye göre ışığın
dalga boyu büyük olduğunda dalga, dalga boyu küçük olduğunda
tanecik özelliği daha baskındır. Işığın elektromanyetik dalga modeli
sı
Ya
n
ık
ış
ya
n
en
ış
el
ık
G
305
7. Ünite
aşağıdaki resimde görüldüğü gibi modellenebilir.
λ
→
E
→
B
Bilim insanlarının ışık hakkındaki teorileri aşağıdaki tabloda
verilmiştir.
Bilim İnsanı
Teorisi
Newton
Işık, doğrusal bir yörüngede sonsuz hızda
ilerleyen taneciklerden oluşur.
Huygens
Işık kaynağı yayınladığı dalga boyunun
tam katları kadar uzaktaki noktaları, kendisiyle
aynı fazda titreşen ışık kaynağı hâline getirir.
Işığın boşlukta ilerleyebilmesini, boşluğu
dolduran esir maddesi sağlar.
Maxwell
Işık enerji taşır, elektrik ve manyetik
alanlardan oluşur. Esir maddesi olmadan
boşlukta
ilerleyebilir.
Kısacası
ışık,
elektromanyetik dalga özelliği gösterir.
Planck
Işığın elektromanyetik ışıması
değil, kesikli parçalar hâlindedir.
Einstein
Işığın, yüksek frekanslı elektromanyetik
dalga hâlinde yayıldığı durumlarda tanecik,
düşük frekanslı elektromanyetik dalga hâlinde
yayıldığı durumlarda dalga özelliği baskındır.
sürekli
Günümüze kadar yapılan çalışmalarla ışık hakkındaki eksik
bilgiler tamamlanmış, hatalı bilgiler düzeltilmiştir. Benzer şekilde
insanlığın ihtiyaç duyduğu enerji, bilim insanlarının yaptığı
çalışmalar sonrasında farklı ve daha verimli kaynaklardan
sağlanmıştır. Bu durum, bilimsel bilgilerimizin sürekli bir değişim ve
gelişim içerisinde olduğunu göstermektedir. Bilimsel bilgiler, birbirini
destekler nitelikte değişip gelişebileceği gibi paradigma değişimleri
de bilimsel bilgilerin zamanla değişmesine yol açabilir. Paradigma,
bir disipline belli bir süre hâkim olan model veya kurumsal çerçeve
olarak tanımlanabilir. Başka bir ifadeyle paradigma, bir grup bilim
insanı tarafından ortaklaşa kabul edilen görüşlerdir.
306
Fiziğin Doğası
Yeni bir görüşün yeni bir paradigma olabilmesi için hem
kendi alanında ortaya çıkmış sorun veya sorulara uygun çözüm
bulabilme potansiyeline hem de çağını aşarak ileriye dönük yeni
açılımlar yapma özelliğine sahip olması gerekir. Ortaya konan
paradigma, alanındaki yeni sorulara veya sorunlara çözüm
getiremediği takdirde yeni arayışlara gidilir. Bu durumda, var
olan paradigmanın çözüm bulamadığı sorunlara çözüm bulma
potansiyeline sahip daha kapsamlı görüşler ortaya konur. Bu
görüşler, alanındaki sorunları çözdükçe her geçen gün daha fazla
güç kazanır. Alanındaki otoriteler tarafından da kabul görür ve yeni
bir paradigmaya dönüşür.
‟Değişen Enerji Kaynakları” adlı metinde de belirtildiği gibi,
enerji kaynakları insanların ihtiyaçlarını karşılayamaz duruma
geldiğinde sorunlara çözüm getiren görüşler, alanındaki otoriteler
tarafından kabul edilerek yeni paradigmalara dönüşmüştür.
Sınıfınızda iki grup oluşturunuz ve aşağıdaki konular
çerçevesinde bir münazara yapınız.
I. GRUP
Bilimsel bilgiler, yazının insanlar tarafından kullanılmasıyla
ortaya çıkan ve bugüne kadar birbirleri üzerine eklenerek
oluşturulmuş bilgiler bütünüdür.
II. GRUP
Bilimsel bilgiler, belli dönemlerde oluşan paradigmaların
farklılaşması üzerine kurularak geliştirilmiştir.
Not : Münazaraya başlamadan önce savunacağınız konu
hakkında İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir
bilgi kaynaklarından araştırma yapınız.
Paradigma değişimini bir örnekle irdeleyelim. Newton’un
ışık
paradigması,
ışık
olaylarının
açıklanmasında
ve
formülleştirilmesinde kullanılmıştır. Ancak bu paradigma ışığın
kırılması, girişimi ve kırınımı olaylarını açıklamada yetersiz kalınca
yeni bir paradigma oluşturulmasına ihtiyaç duyulmuştur. Bu
nedenle Huygens yeni bir paradigma oluşturmuştur. Huygens’in
paradigması, esir maddesinin var olması durumunda bir anlam
taşımaktaydı. Yapılan araştırmalar, Huygens paradigmasında
önemli bir yeri olan esir maddesinin olmadığını gösterince ışık
konusunda yeni bir paradigmaya ihtiyaç duyulmuştur. Maxwell,
Planck ve Einstein’ın birbirlerini destekler nitelikteki çalışmalarından
sonra bugün geçerliliğini koruyan ışık paradigması oluşturulmuştur.
307
7. Ünite
Paradigma değişimine bağlı olarak değişen bilimsel bilgilere
diğer bir örnek, klasik mekanikten kuantum mekaniğine geçiştir.
1800'lü yılların sonlarına doğru kara cisim ışıması, tayf çizgileri,
fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada klasik mekanik
yetersiz kalmıştır. Bu durum bilim insanlarının değil, klasik mekaniğin
yetersizliğinden kaynaklanıyordu. 1900 yılında Max Planck
enerjinin, 1905 yılında ise Albert Einstein, ışığın paketçiklerden
oluştuğunu, yani süreksizlik gösterdiğini ileri sürmüşlerdir. Plack ve
Einstein bu görüşlerini bazı deneyleri açıklamak için bir varsayım
olarak kullanmışlardır. Benzer şekilde belli bir dönem sonra görelik
kuramı ve kuantum mekaniği, belli sorulara cevap vermeyecek
duruma düşebilir ve tekrar yeni bir paradigma arayışına gidilebilir.
Dolayısıyla bilimsel bilgiler, mutlak gerçekler değil, belirli bir dönem
kabul edilen en iyi açıklamalardır.
Aşağıdaki çizelgede verilen konulara sizin belirleyeceğiniz
fizik konularını da ekleyerek çizelgeyi defterinize çiziniz. Bu
konularla ilgili geçmişte ve günümüzde kabul edilen bilimsel
doğruları araştırarak elde ettiğiniz bilgileri çizelgeye yazınız.
Araştırma sürecinde İnternet, yazılı ve görsel medya gibi farklı ve
güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz.
Konu
Geçmişte
Günümüzde
Görme olayı
Güneş sistemi
Atomun yapısı
Evrenin oluşumu
Örnek çizelgedir.
Yapılan araştırmalarda MÖ 3000’li yıllarda Mısır, Çin ve
Mezopotamya uygarlıklarında bilimsel çalışmalar yapıldığına dair
bulgulara ulaşılmıştır. Bu bulgulardan hareketle bilimsel çalışmaların
ilk olarak Doğu uygarlıklarında başladığını söyleyebiliriz. Ancak
bu uygarlıkların çeşitli nedenlerle varlıklarını yitirmeleri sonucu
bilimsel çalışmalar Yunanistan ve Roma İmparatorluğu’nda devam
etmiştir. Roma İmparatorluğu’nun yıkılması ve içerisinde çok değerli
çalışmaları barındıran Mısır’daki İskenderiye Kütüphanesi’nin
yanmasıyla bilimsel çalışmalar durma noktasına gelmiştir.
İslamiyet’in gelişiyle birlikte bu çalışmalara yeniden başlanmış, bu
dönemde bilim dünyasında çok önemli gelişmeler sağlanmıştır.
Sekizinci yüzyıl ile on beşinci yüzyıl arasındaki dönemde
İslam medeniyetlerinde yapılan bilimsel çalışmalar, Rönesans
308
Fiziğin Doğası
sonrasında tekrar Batı medeniyetlerine geçmiştir. Günümüzde ise
bilim, belli bir medeniyetin kontrolünde olmayıp tüm insanların katkı
sağlayabildiği evrensel bir boyut kazanmıştır. Bilimsel gelişmenin
tarihsel süreci aşağıdaki gibi gösterilebilir.
Doğu
Batı
Eski Mısır, Çin, Yunanistan,
Roma
Mezopotamya,
İmparatorluğu
Hindistan
Doğu
Batı
Evrensel
Bilim
İslam
Medeniyetleri
(8-15. yüzyıl)
Yeniçağ
Dönemi
(Rönesans)
Yakınçağ
Dönemi
Yüzyılın Deneyi
Farklı
ülkelerden
birçok
enstitünün
temsil edildiği CERN, Dünyaʼnın en büyük
parçacık fiziği laboratuvarı olarak kabul
edilmektedir. Kadın ve erkeklerden oluşan yaklaşık
800 araştırmacının çalıştığı CERN’de Büyük Hadron
Çarpıştırıcısı çalıştırılmaya başlandı. Yerin 100 m
altında 27 km uzunluğunda bir tünele yerleştirilmiş olan
çarpıştırıcıyla yapılan denemelerin ilk aşaması başarıyla
sonuçlandı. Çarpıştırıcıda dairesel bir yörüngede
birbirine zıt yönlerde hareket ettirilen proton
demetleri, büyük hızlarla çarpıştırılarak Büyük
Patlama’dan sonra yok olan taneciklerin
yeniden
oluşturulması
planlanmaktadır.
İnsanoğlu, çevresinde meydana gelen olayları ve bu olayların
nedenlerini merak etmiş, bunun sonucunda yaşadığı Dünya’yı
daha iyi anlama ve kontrol altına alma gayreti içine girmiştir. Bu
nedenle farklı bilimsel yöntemler kullanarak araştırmalar yapmış
ve çeşitli bilgiler elde etmiştir. Bilimsel bilgilerin geçerli olabilmesi
için doğru verilere ihtiyaç vardır. Bilimsel
bilgiler, deney ve gözlem sonuçlarına
dayanmalı, eleştiri ve tartışmalar sonucu
ortaya konulmalıdır.
20 üye ülkesi bulunan, bazı ülkelerin
gözlemci olarak katıldığı, bazı ülkelerin
ise maddi katkılarda bulunduğu CERN’de
yürütülen çalışmalar niçin önemlidir?
CERN’de yanda resmi görülen
Büyük
Hadron
Çarpıştırıcısı
ile
yapılan
deneylerde
elektron
ve
pozitronlardan
daha
ağır
olan
protonlar çarpıştırılmaktadır. Protonlar,
aynı işaretli elektriksel yüke sahip
olduklarından çarpıştırılabilmeleri için
309
7. Ünite
fazla miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Yüksek potansiyel altında
hızlandırılan protonlar fazla miktarda enerjiye sahip olurlar. Yüksek
enerjili protonlar zıt yönde hareket ettirilip merkezî çarpışmaları
sağlandığında daha önce gözlemlenmemiş parçacıkların oluşması
beklenmektedir. Bu parçacıklar, güçlü dedektörler yardımıyla kayıt
altına alınarak onlar hakkında bilgi elde edilmesi planlanmaktadır.
Böylece üzerinden on dört milyar yıl geçtiği düşünülen büyük
patlama sonrasındaki ortam yeniden oluşturulmaya çalışılmaktadır.
Bu deneyler sonucunda madde ile ilgili bugüne kadar bilinmeyenlerin
ortaya çıkacağı, evrenin oluşumu ile ilgili soruların cevaba
kavuşacağı düşünülmektedir.
Deneyler, bilimsel bilginin tek kaynağı değildir. Bazen kontrollü
deney yapmak mümkün olmayabilir. Böyle durumlarda sonuçlara,
kapsamlı gözlemlerle ulaşılabilir. Örneğin, astronomi alanındaki
bilgiler deney sonuçlarından daha çok yandaki
fotoğrafta da görüldüğü gibi kapsamlı gözlemler
sonucu elde edilmektedir. Batlamyus kendi
gözlemlerine dayanarak evrenin merkezinde
Dünya olduğunu ve bütün gök cisimlerinin
Dünya’nın etrafında döndüğünü ileri sürmüştür.
İnsanlar tarafından bin yıla yakın bir süre kabul
gören bu görüş ile halk arasında Dünya’nın bir
öküzün boynuzları üzerinde durduğu görüşü Kepler
ve Copernicus’in gözlem sonuçlarından sonra
geçerliliğini yitirmiştir. Bu gözlemler sonucunda
bugünkü evren modeli kabul edilmiştir.
Deney
ve
gözlemle
bilimsel
bilgiye
ulaşmak bazen mümkün olmayabilir. Örneğin,
fizikte deneylerde ortaya çıkan çelişkili veya
açıklanamayan durumlar matematiksel modeller
kullanılarak mantık ile açıklanmaya çalışılır.
Başka bir ifadeyle bazı bilgiler, tamamen kuramsal
olarak ortaya atılır. Einstein Görelik Kuramı’nı
oluştururken
matematiksel
modellemelerden
yararlanmıştır. Örneğin; Einstein, Newton’un
vardığı
sonuçları
bütünüyle
reddetmemiş,
matematiksel modellemeler kullanarak yetersiz
olan noktaları düzeltip tamamlamaya çalışmıştır.
Bunun sonucunda da kuramsal göreliği ileri
sürmüştür. Einstein’ın çalışmaları neticesinde
bilim dünyasında yeni ufuklar açılmış ve önemli
ilerlemeler sağlanmıştır.
Bilimsel bilgilerin gelişip değişmesine bir örnek de enerji
kaynaklarının değişmesi sürecidir. Önceleri ihtiyaç duydukları
enerjiyi hayvanlardan karşılayan insanlar bilim ve teknolojinin
gelişmesiyle farklı enerji kaynaklarına yönelmiş, ihtiyacını ateş,
su, rüzgâr, atom çekirdeği gibi farklı kaynaklardan sağlamaya
başlamıştır. Tüm bunlar göz önüne alındığında bilimsel olarak
310
Fiziğin Doğası
kabul gören bir bilgiyi tekrar ele almanın, sınamanın veya
eleştirmenin ne kadar önemli olduğu daha iyi anlaşılır. Bununla
birlikte paradigmaların bilimsel bilgilerin gelişmesindeki rolü daha
iyi anlaşılır. Unutulmamalıdır ki paradigmalar doğru ya da yanlış
olarak tanımlanamaz. Paradigmalar ait olduğu dönemdeki alanıyla
ilgili sorulara, ne düzeyde cevap vermiş olmasıyla değerlendirilebilir.
Onuncu sınıf fizik derslerinde de öğrendiğiniz Görelik
Kuramı’nın nasıl oluşturulduğunu, biliminin o dönemde sahip
olduğu özelliklerle birlikte araştırınız. Elde ettiğiniz bulguları
sınıfta sununuz. Araştırma sürecinde İnternet (edu, gov, org),
yazılı ve görsel medya gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından
yararlanmaya özen gösteriniz.
Bilimsel bilgiye ulaşmada gözlem, deney, çıkarımda bulunma
ve teorik çalışmaların yanı sıra hayal gücü de önemlidir. “Değişen
Enerji Kaynakları” adlı metinden de anlaşılacağı gibi insanoğlu
hayal gücü, deney, gözlem ve teorik çalışmalarla ihtiyaç duyduğu
enerjiyi farklı kaynaklardan sağlamayı başarmıştır. Bilim insanları
atomun yapısı, evrenin oluşumu, depremler gibi konularda sınırlı
sayıda verilere ulaşabilirler. Verileri anlaşılır yapmak ve bütün
resmin neye benzediği hakkında düşünceler üretmek için hayal
güçlerini kullanırlar. İnsanların hayal güçleri üzerinde, içinde
yaşadıkları toplumun özellikleri, gelenekleri ve görenekleri etkilidir.
Örneğin, bir toplumda düşünülmesi dahi hoş karşılanmayan bir
düşünce tarzı başka bir toplum tarafından kabul görebilir.
Aşağıda verilen durumlar veya kendinizin belirleyeceği bir
durum hakkında hayal gücünüzü kullanarak bir senaryo geliştiriniz.
Senaryonuzu bilimsel veriler ve ilgili görsellerle destekleyiniz.
Sınıfınızın uygun bir köşesinde “Hayallerimiz Gerçek Olsa”
isimli bir pano oluşturunuz. Senaryonuz hakkındaki görüşlerinizi,
topladığınız bilgi ve görselleri panonuzda sergileyiniz.
1. Güneş, Dünya’mıza biraz daha yakın olsa
2. Elektromanyetik dalgalar olmasa
3. Tek tip elektriksel yük olsa
4. Atom altı parçacık bir tane olsa
5. Canlılar ışınlanabilse
6. Günümüzde kullanılan enerji kaynakları tükense
…
311
7. Ünite
Kuram Hipotez Kanun
?
Yasa
?
Nedir Bu Kavramlar?
?
Teori
?
?
Fizik derslerinizde Newton Yasaları, Coulomb Yasası, İzafiyet
Teorisi (Kuramı), Atom Teorisi gibi kavramları öğrenmiştiniz.
Buradan hareketle hipotez, kuram ve yasa kavramlarını nasıl
açıklarsınız?
Fen dersleri laboratuvar uygulamalarında kullanılan hipotez
kavramı bazı öğrenciler tarafından “varılacak sonuca yönelik
tahminde bulunma” şeklinde algılanmaktadır. Ancak bu düşünce
tarzı hipotez kavramını tam olarak ifade etmez.
Hipotezler, bilimsel bir problemin çözümünde bilimsel verilere
dayalı olarak kurulan geçici çözüm yolu veya deneysel olarak test
edilmesi gereken durumlarla ilgili ileri sürülen geçici açıklamalardır.
Bilim insanları çalışmaları boyunca sürekli veri toplarlar ve bu
verilere dayalı olarak birtakım açıklamalar yaparlar. Toplanan
verilere bağlı olarak incelenen problemin çözümü için önce bir dizi
hipotezler kurarlar. Daha sonra bu hipotezleri sürekli test etme
sürecine tabi tutarlar. Bilimsel bir hipotez esasen doğru veya yanlış
olarak ispatlanmaz. Eldeki verilerle tutarsız olduğuna karar verilirse
reddedilir veya değiştirilir. Hipotez reddedilmezse “geçici olarak
doğru” kabul edilir. Bu ikinci durumda yeni delillerin veya yapılacak
denemelerin ışığında hatalı olduğu tespit edilene kadar geçerli bir
hipotez olarak kabul edilir.
312
Fiziğin Doğası
Öncelikle buzun hâl değiştirmesi üzerine bir araştırma
yapınız. Daha sonra yünlü kumaş, pamuklu kumaş, alüminyum
folyo, buz parçaları ve bir süreölçer alınız. Buz parçalarının
mümkün olduğunca özdeş olmasına dikkat ediniz. Aşağıdaki
işlem basamaklarını gerçekleştiriniz.
1.Yünlü kumaş, pamuklu kumaş ve alüminyum folyoya
sarılı buz parçaları ile sarılı olmayan buz parçası aynı ortamda
muhafaza edildiğinde hangi buz parçasının daha önce eriyeceğine
dair hipotezler kurunuz.
2. Hipotezleri, dayandırdığınız bilimsel bilgilerle birlikte
defterinize not ediniz.
3. Yünlü kumaş, pamuklu kumaş ve alüminyum folyoya
sardığınız buz parçaları ile sarılı olmayan bir buz parçasını aynı
ortamda muhafaza ediniz.
4. Buz parçalarının erime sürelerini süreölçer ile ölçünüz.
5. Elde ettiğiniz verilerin güvenirliğini sağlamak için aynı
işlemleri birkaç kez tekrarlayınız.
6. Ulaştığınız sonuçları defterinize not ederek bulgular ışığında
kurduğunuz hipotezlerin doğru olup olmadığını belirleyiniz.
Teoriler, gözlenen doğa olayları ile ilgili yapılan genellemelerin
birleştirilmiş açıklamaları veya bilimsel bilginin kapsamlı açıklaması
olarak tanımlanabilir. Bilimsel teoriler, doğal olaylarla ilgili ortaya
çıkan birçok farklı noktayı açıklar, olayları anlamak için bilgileri
derinlemesine irdeler. Yeni bilgilerin mevcut bilgilere eklenmesi
durumunda yeni analizler veya sentezler yaparak savunduğu
bilgileri oluşturur. İzafiyet Teorisi (Görelilik Teorisi), Hücre Teorisi ve
Işık Teorisi buna örnektir.
Bilimin gelişmesi için bilimsel teoriler mutlaka gereklidir. Yeni
teorilerin oluşturulması, birçok bilim alanının ve buna bağlı olarak
yeni bilgilerin ortaya çıkmasını sağlar.
Doğruluğu deneylerle kanıtlanmış varsayım veya gözlemlerle
doğrulanan doğa olayları hakkında yapılan genellemeler ise yasa
olarak tanımlanır. Başka bir ifadeyle, elde edilen bilimsel bilgiler,
test edilip farklı durumlar için doğrulanırsa yasa olur. Yasalar, aynı
şartlarda yapılan deney ve gözlemlerle aynı sonucu veren bilimsel
bilgilerdir. Ancak zaman zaman istisnai durumlar olabilir. Bu gibi
durumlarda yasa olarak tanımlanan bilimsel bilgilerde değişiklikler
veya düzeltmeler yapılmalıdır. Örneğin, altıncı ünitede öğrendiğiniz
gibi 1932 yılına kadar atomun, maddenin en küçük yapı taşı
olduğu ve bölünemediği kabul edilmişken bugün atomdan daha
küçük yapıların olduğu ve atomun bölünebileceği bilinmektedir.
Benzer şekilde gazların basınçları ile hacimleri arasındaki ilişkiyi
açıklayan Boyle Yasası, yüksek basınçlı sistemlerde düzenlemeler
yapılarak kullanılmalıdır. Buradan da anlaşılacağı gibi bir sistemin
313
7. Ünite
karmaşıklığı artıkça istisnai durumların görülme olasılığı da
artmaktadır.
Deneysel destek arttıkça hipotezlerin kuramlara, kuramların
yasalara dönüşeceği şeklinde yanılgılar mevcuttur. Buna bağlı
olarak hipotez ve kuramların yasalara göre daha az güvenilir
olduğuna inanılır. Teori ve kanunlar arasında ilişki vardır ancak
deneysel kanıtların artması teorileri kanun hâline getirmez. Bunların
her biri farklı ve güvenilir bilimsel bilgi türleridir.
Aşağıdaki çizelgeyi defterinize çiziniz. Verilen fizik durumlarına yenilerini de ekleyerek
hangi bilgi türüne ait olduklarını işaretleyiniz. Yaptığınız işaretlemenin nedenlerini
çizelgeye yazınız.
Bilgi Türleri
Durumlar
Hipotez
Kuram
Yasa
Nedenler
Bütün gök cisimleri, kütlelerine bağlı olarak
üzerlerindeki varlıklara çekim kuvveti uygular.
Ay, Dünya ile Mars büyüklüğündeki bir asteroitin
çarpışması sonucu oluşmuştur.
Mıknatısın etrafında hatlar meydana
görünmez manyetik kuvvetler vardır.
getiren
Elektrik akımının yol açabileceği zararlara karşı
elektrik yalıtımı sağlayan maddelerden yararlanılır.
Enerji, maddeye dönüştürülebilir.
Örnek çizelgedir.
Seçim Kimin?
“Değişen Enerji Kaynakları” adlı metinde de anlaşılacağı gibi bilim
insanlarının ulaştıkları bilimsel bilgiler, günlük hayatın birçok alanında
kullan­ılan teknolojilerin geliştirilmesine de olanak sağlar. Örneğin,
yukarıdaki fotoğrafta da görüldüğü gibi manyetizma alanındaki
gelişmeler ile hızlı trenler, ses hakkındaki bilgilerimizin artması ile
ultrason cihazları, elektromanyetik dalgalar alanındaki gelişmeler ile
cep telefonu gibi araçlar insanlığın hizmetine sunulmuştur.
314
Fiziğin Doğası
Bilime paralel olarak gelişen teknoloji, geliştirildiği toplumla
sınırlı kalmamış zamanla tüm insanlığın kullanımına sunulmuştur.
Toplumlar bu teknolojiyi kendi yaşantılarına uyarlamıştır. Teknolojinin
kabul görmesi toplumda geçerli olan kurallar, inançlar, toplumun
talebi, bilimsel bilgilerin paylaşılma süreci gibi şartlara bağlı olarak
değişmiştir. Örneğin; 1400’lü yıllarda yaygın olarak kullanılmaya
başlanan matbaa, Osmanlı İmparatorluğu’nda 1700’lü yıllarda
kullanılmaya başlanmıştır. Oysa günümüzde, gelişen teknoloji kısa
bir süre içerisinde toplumlar tarafından benimsenmektedir.
Bilimsel çalışmalar kötü amaçlı kullanılabilir mi? Bu soruyu
atom çekirdeği ile ilgilenen nükleer fizik alanından bir örnekle
cevaplandıralım.
‟Ben atomu iyi amaçlarla
parçaladım ama insanlar atomla
birbirini öldürüyorlar.”
On dokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru radyoaktivitenin
keşfedilmesiyle başlayan atomun parçalanma süreci, 1930’lu yıllara
gelindiğinde son bulmuştur. Bu sürece, ünlü bilim insanı Albert
Einstein’in katkıları büyüktür. Ancak Einstein, bu katkıları yukarıdaki
görsellerden de anlaşılacağı gibi silah geliştirmek amacıyla
yapmamıştır. Einstein, insanlığın yaşam kalitesinin yükseltilebilmesi
için gerekli olan enerjinin atomdan sağlanabileceğini düşünmüştür.
Yaptığı çalışmalar sonrasında atomun çekirdeğinde büyük
miktarda enerji depolandığını ve çekirdek parçalanınca bu enerjinin
açığa çıktığını göstermiştir. Açığa çıkan enerji “Değişen Enerji
Kaynakları” adlı metinde de belirtildiği gibi nükleer santrallerde veya
nükleer silahlarda kullanılabilir. Bu enerjinin nükleer santrallerde
kullanılması enerji ihtiyacını önemli ölçüde karşılar. Nükleer enerji
üreten santraller karbondioksit ve karbonmonoksit gibi maddeler
üretmediğinden termik santrallere göre daha az zarar verirler.
Nükleer çalışmalar, insanlığın yararına kullanılabileceği gibi kötü
amaçlar için de kullanılabilir. Atom çekirdeğinden elde edilen enerji
nükleer silahlarda kullanıldığında insanlığa büyük zararlar verir.
Örneğin; Amerika’nın, II. Dünya Savaşı’nda Japonya’nın Hiroşima
ve Nagazaki kentlerine attığı atom bombaları, bölgede yaşayan tüm
canlıların zarar görmesine hatta bölgedeki yaşamın sona ermesine
yol açmıştır. Buna rağmen günümüzde bazı ülkelerin elinde atom
bombalarından çok daha güçlü hidrojen bombaları bulunmaktadır.
Bu açıdan bakıldığında bilimi insanlığın yararına veya zararına
kullanmanın yine insanların elinde olduğu görülür.
315
7. Ünite
Buraya kadar anlatılanlardan hareketle bilimsel çalışmalar
sonrasında geliştirilen teknolojinin iyi ya da kötü olarak
sınıflandırılamayacağı sonucuna varırız. Teknoloji hangi amaca
yönelik kullanılıyorsa o doğrultuda iyi ya da kötü sonuçları olabilir.
Örneğin; atomun parçalanmasıyla elde edilen enerji, nükleer
reaktörlerde insanlığın yararına kullanıldığında atomu parçalamak
iyidir; canlıları yok etmek için bir bombada kullanıldığında kötüdür
denilebilir.
İnsanlığın yararına kullanılmak üzere geliştirilen ama daha
çok, insanlığın zararına kullanılan bilimsel ve teknolojik gelişmeler
hakkında bir araştırma yapınız. Elde ettiğiniz bulguları sınıfa
sununuz. Araştırma sürecinde İnternet, yazılı ve görsel medya
gibi farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen
gösteriniz.
Gerçekten Zor mu?
İnsanların bilimsel çalışmalar sonrasında elde edilen verilerden
yararlanabilmesi için bu verilerin ‟Değişen Enerji Kaynakları”
adlı metinde de belirtildiği gibi toplumların anlayabileceği hâle
getirilmeleri gerekir. Bu nedenle veriler, ana hatları bozulmayacak
şekilde basitleştirilerek insanlara sunulur. Verileri basitleştirmenin
en uygun yöntemlerinden bir tanesi basit ve bilinen olaylardan yola
çıkılarak bilinmeyen, soyut ve karmaşık olayların açıklanmasıdır.
Fizik, tüm insanların bir bilimsel konuyu aynı şekilde anlamaları
için insanlığın ortak dili olan bilimsel terimler, kavramlar ve
modellemelerden sıkça faydalanır.
Fiziğin çalışma alanına giren birçok konu, çok karmaşık gibi
görünen soyut ve insan zihnini zorlayan olay veya olgulardan oluşur.
Bu durumlarda bilim insanları, bilinenlerden yola çıkarak bilinmeyeni
anlaşılır hâle getirmeye çalışır. Bu amaçla deney, modelleme veya
simülasyon gibi yöntemlerden de yararlanılır. Örneğin, insanlığın
ihtiyaç duyduğu enerji, nükleer santrallerde gerçekleştirilen
316
Fiziğin Doğası
nükleer reaksiyonlardan sağlanabilir. Bu reaksiyonlardan biri olan
çekirdek bölünmesi sırasında gerçekleşen olaylar çok karmaşık ve
U çekirdeğinin bölünmesi
anlaşılmaz gibi görünür. Bu durumu 235
92
U
çekirdeği
küçük
bir enerji (≈ 0,025 eV)
sürecinde görebiliriz. 235
92
taşıyan nötron kullanılarak uyarılabilir. Bu durumda 235
U çekirdeği
92
236
enerji alarak 92U çekirdeğine dönüşür ve titreşim hareketi yapmaya
U
başlar. Alınan enerji, çekirdek bölünmesine yetecek kadar ise 236
92
140
94
çekirdeği fisyon geçirerek iki farklı çekirdek olan 54Xe ve 38Sr
çekirdeklerine dönüşür. Bu sırada nötron ve enerji açığa çıkar.
Açığa çıkan enerjinin bir bölümü γ fotonu olarak salınır. Tüm bu
olaylar;
235
U + o1n  236
U  140
Xe + 94
Sr + γ + 2 o1n + 200 MeV
92
92
54
38
denklemiyle ifade edilir.
235
U çekirdeğinin fisyon süreci öğrencilere karmaşık gibi
92
göründüğünden daha anlaşılır bir olaya benzetilerek veya bir
U çekirdeğinin
modelleme yapılarak anlatılmaya çalışılır. 235
92
fisyon sürecinde görülen olaylar, bir su damlasıyla daha küçük
su damlasının çarpıştırılmasında gözlenen olaylarla benzerlik
göstermektedir. Buradan hareketle 235
U çekirdeğinin bölünme
92
olayı su damlasının bölünmesine benzetilerek anlatılabilir.
Ayrıca çekirdek için yapılan hesaplamalarda su damlası modeli
kullanılabilir. Anlatılan fisyon olayı aşağıdaki şekildeki gibi de
modellenebilir.
Enerji
nötron
235
92
nötron
U
236
92
U
94
38
Sr
140
54
Xe
nötron
Elektrik devresinde potansiyel fark kavramının açıklanması,
bilimsel verilerin insanlar tarafından anlaşılır hâle getirilmesine
başka bir örnektir. Yüklü ve potansiyelleri farklı olan pozitif (+) ve
negatif (-) yüklü iki iletken, küre bir telle birleştirildiğinde (-) yüklü
küreden (+) yüklü küreye doğru bir elektron akışı olur. Bu akış, iki
kürenin potansiyelleri eşit oluncaya kadar, yani küreler arasındaki
potansiyel farkı sıfır oluncaya kadar devam eder. Bu yük akışı,
sıvıların veya gazların basınç farkından dolayı hareket etmesi ve
basınç farkı ortadan kalkınca hareketlerinin durmasına benzetilerek
açıklanabilir.
J. P. Joule’ün mekanik enerji ile ısı enerjisi arasındaki ilişkiyi
açıklamak için yaptığı çalışmaları araştırınız. Elde ettiğiniz
bulguları özetleyen bir sunu hazırlayınız. Araştırma sürecinizde
İnternet (edu, gov, org), yazılı ve görsel medya gibi farklı ve
güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanmaya özen gösteriniz.
317
A. Aşağıdaki verilerden hareketle doğru seçeneği işaretleyiniz.
1. Aşağıdakilerden hangisi fen bilimlerinde klasik yaklaşımın savunduğu bir görüştür?
A) Bilimsel bilgiler, nesnel olamaz.
B) Bilim, sürekli bir gelişim içerisindedir.
C) Bilim, bir değişim içerisindedir.
D) Bilimsel bilgiler, mutlak doğrulardır.
E) Bilimsel bilgiler, belirli şartlar altında geçerlidir.
2. Aşağıdakilerden hangisi bilimsel bilgilerin gelişmesine en az katkıda bulunur?
A) Paradigma değişmesi
B) Doğruluğunun kabul edilmesi
C) Elde edilen verilerin artması
D) Hipotezin değişmesi
E) Alanındaki sorulara cevap verememesi
3.
I. Güvenilir olması
II. Doğru olması
III. Halk tarafından kabul görmesi
IV. Alanında oluşan sorulara cevap vermesi
Yukarıdakilerden hangisi veya hangileri bilimsel verilerin özelliklerindendir?
A) I ve II
B) II ve IV
C) Yalnız III
D) III ve IV
E) I,II ve IV
4. Aşağıdakilerden hangisi bilimsel bir problemin çözümü sırasında kurulan hipotezin özellikleri
arasında yer alır?
A) Bilimsel verilere dayanır.
B) Teorilerle destek verir.
C) Yasalara dönüşebilecek niteliktedir.
D) Sadece bir tahmin niteliği taşır.
E) Doğruluğu ispatlanabilir niteliktedir.
5. Aşağıdakilerden hangisi paradigmanın özelliklerinden değildir?
A) Alanındaki sorunlara çözüm bulabilmeli.
B) İleriye dönük olmalı.
C) Değişmez bir yapıda olmalı.
D) Yeni açılımlara neden olmalı.
E) Bilim insanlarının ortak görüşü olmalı.
318
B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Araştırılan bir bilimsel probleme yönelik deney ve gözlem yapılamadığı durumlarda sonuca
ulaşabilmek için neler yapılabilir? Açıklayınız.
2. Bilimsel bilginin iyi amaçlarla kullanımı nedir? Örneklerle açıklayınız.
3. Bilimsel bilgilerin elde edilmesi sürecinde etkili olan ögeler nelerdir? Açıklayınız.
4. Teori ile yasa arasındaki farklılıklar nelerdir? Açıklayınız.
5. Bilimsel bilginin değişmesini ve gelişmesini bir örnek üzerinden açıklayınız.
C. Aşağıdaki metni okuyarak ilgili soruları cevaplandırınız.
Işık hakkında birçok bilim insanı araştırma yapmıştır. Bu bilim insanlarından bir tanesi de
Newton’dur. Newton “Işık, dalga değil taneciktir.” düşüncesinden hareketle çalışmalarını ışığın tanecikli
yapıda olduğu üzerinde yoğunlaştırmıştır. Bu amaçla çalışmalar yapan Newton, ışığı “Nesnelerden
çıkan taneciklerdir.” diye tanımlamıştır. Ayrıca ışığın tamamen olağan, mekanik kurallara bağlı ve
nesnelerle karşılaştığında kendisini saptıran kuvvetlerden etkilenen bir yapısı olduğunu belirtmiştir.
Newton’un vardığı bu sonuç, herhangi bir yüzeye düşen ışığın geldiği ortama geri dönmesini ve gelen
ışığın yüzey normali ile yaptığı açının yansıyan ışığın yüzey normali ile yaptığı açıya eşit olması
durumunu açıklayabilmektedir. Ancak ışığın saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçişi
sırasında hızında ve doğrultusunda meydana gelen değişiklikleri açıklamakta yetersiz kalmaktadır.
1. Yukarıdaki metinde hipotez, teori ve yasa niteliği taşıyan bilgiler var mıdır? Nedenleriyle
açıklayınız.
2. Newton’un ışık konusunda oluşturmaya çalıştığı paradigmanın değişmesine neden olan sorun
nedir?
319
Bilimin Doğası
On dokuzuncu yüzyılda
bilim
dünyasında
klasik
bilim
anlayışı
hâkimdi.
Bu
anlayışa
göre;
tek
doğru,
mutlak
doğrudur
mantığı geçerlidir. Bilimsel
bilgiler basit ve önyargısız
gözlemlerden
başlayarak
tümevarımsal
çıkarımlar
sonucu oluşmaktadır. Teori,
kanun gibi bilimsel prensipler
doğada
mevcuttur.
Bilim
insanları yaptıkları çalışmalar
sonrasında doğada gizli olarak
bulunan bu bilimsel prensipleri
ortaya çıkarmaktadır.
Yirminci yüzyılın başlarında bilim tarihçileri ve epistemologların yaptıkları çalışmalar sonrasında
bilimin doğası ile ilgili görüşler değişmiş, bilim dünyasında yeni yaklaşımlar ortaya konmuştur. Bu
yaklaşımlardan bir tanesi modern bilim anlayışıdır. Modern bilim anlayışına göre, her şey bir değişim
ve gelişim içerisinde olduğundan mutlak bir bilgi var olamaz. Bilimi ayakta tutan bu değişim ve
gelişimdir. Bilim, bilim insanları tarafından gerçeklere bir anlam vermek ve dünyayı daha iyi anlamak
için oluşturulur. Bilim insanları tarafından ortaya çıkarılan bilgilerin hiçbiri değişmez doğrular değildir.
Başka bir ifadeyle, ortaya atılan bilgiler yanlışlığı ispatlanmamış saptamalardır. Ayrıca teori, kanun
gibi bilimsel prensipler doğada gizli olarak bulunmamaktadır. Bu tür bilimsel prensipler insan zihninin
bir ürünüdür.
Bilimde kesin bir bilgi yoktur ama güvenilir bilgi vardır. Bir bilginin güvenilir olabilmesi için bilginin
elde edilme sürecinde bilimsel araştırma metotlarına ve elde edilen bilgiler alanında otorite sahibi
bilim insanları tarafından kabul görmelidir.
Modern bilim anlayışına göre, mutlak bilginin olmaması sürekli bir araştırmayı gerektirir. Bu
durum bilim dünyasında kabul gören bir bilimsel bilginin tekrar sorgulanıp araştırılabileceğini gösterir.
Yapılan araştırmalar sonrasında elde edilen yeni bilimsel bilgiler, bilim dünyasında kabul gören
bilgiyi destekleyebilir veya desteklemeyebilir. Elde edilen yeni bilgi, var olan bilgiyi destekliyorsa
var olan bilginin doğruluğuna olan inanç artacak, desteklemiyorsa bu bilgiler ışığında var olan bilgi
geliştirilecek veya değiştirilecektir.
Bir bilginin mutlak doğru olarak kabul edilmesi bir zaman sonra araştırılacak bir konunun
kalmayacağı anlamına gelir ki bu durum bilimin sonu olur. Bilimsel bilginin değişebilir doğasını kabul
etmek ise bu bilginin sürekli araştırılması anlamını taşır ve bu durum bilimin ilerlemesini sağlar.
Bu kitap için düzenlenmiştir.
320
1. ünİte
A
1. opak5. ayırt edici özellik
2. ışıma
6. ısı iletim kat sayısı, sıcaklık farkı, kalınlık, dik kesit alan
7. sıcaklık
3. termodinamik
4. artıracak
B
1. çıkış
2. çıkış
3. çıkış
4. çıkış
5. çıkış
6. çıkış
7. çıkış
8. çıkış
5 puan
10 puan
15 puan
10 puan
5 puan
10 puan
0 puan
5 puan
Ç
1
2
3
4
5
A
D
E
C
B
D
1
2
3
4
5
6
7
D
Y
Y
D
D
Y
Y
E
Termodinamik
arasındaki ilişkiyi inceler.
joule
birimleri
kalori
mekanik enerji
ısı
yoluyla iletilir.
konveksiyon
ışıma
hesaplanması için kullanılır.
iletim
örnek
örnek
örnek
kalorifer
sistemleri
güneş
panelleri
termostat
sistemleri
kalorimetre
321
2. ünİte
A
1. geri çağırıcı kuvvet
2. yay sabiti ve kütle
3. kütle
B
1. çıkış
2. çıkış
3. çıkış
4. çıkış
5. çıkış
6. çıkış
7. çıkış
8. çıkış
5 puan
0 puan
10 puan
5 puan
10 puan
5 puan
15 puan
10 puan
C
1. 1,5 s
Ç
1
2
E
E
D
1
2
3
4
5
Y
D
D
D
D
E
Basit Harmonik Hareket
Gerçekleşmesi için
gerekli etken
Geri çağırıcı kuvvet
Bağlı olduğu
etkenler
kütle
322
açısal sürat
uzanım
3. ünİte
A
1. enerji
2. doğru
3. değişken
4. sinyal
5. akım şiddeti ve gerilim
6. katkılı yarı iletken
7. ters polarize
B
1. çıkış
2. çıkış
3. çıkış
4. çıkış
5. çıkış
6. çıkış
7. çıkış
8. çıkış
15 puan
10 puan
5 puan
10 puan
10 puan
5 puan
5 puan
0 puan
C
1. 1,5.10 C
-4
2. 4 µF
Ç
1
2
3
4
5
D
E
C
B
A
D
1
2
3
4
5
6
7
Y
D
Y
D
D
D
D
323
E
potansiyel farkı
yük miktarı
Belirlediği büyüklükler
Sığacın Sığası
Bağlı olduğu etkenler
iletkenler arası uzaklık
iletkenin yüzey alanı
yalıtkanın dielektrik sabiti
4. ünİte
A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
14
15 16 17
18
19
20
C
E
B
E
D
A
B
B
C
D
A
A
C
B
A
B
1. I. B
2. I. A
3. I. A
4. I. C
324
II. A
II. H
II. E
II. E
E
A
C
D
C
5. ünİte
A
1. X-ışını
2. kristal yapı
3. sıvı kristal
4. yarı iletken
5. yeğin kuvvetler
6. gama ışını
7. aktiflik
8. fisyon
C
1
2
3
4
5
E
D
E
A
A
Ç
6 Elektrik ve manyetik
alandan etkilenir.
10 Atom ve kütle
1 α-bozunması
numarasını değiştirmez.
4 β-
7 Elektrik ve manyetik
alandan etkilenmez.
11 Çekirdekte proton
2 β-bozunması
nötron dönüşümleri olur.
14 AX → A+1Y + -10 e
8 Çok yüksek enerjiye
sahiptir.
12 Sadece atom
numarasını değiştirir.
15 AX → A-1Y ++10 e
3 γ-bozunması
9 Atom ve kütle numarasını 13 Atom numarasını
değiştirir.
değiştirir.
Z
Z-4
5 β+
Z
Z
Z
Z
Z
Z
17 AX→ A-2 X + 42He 16 AX → A+1X + γ
Radyoaktif Bozunmalar
çeşitleridir.
1
özellikleridir.
6
2
3
özellikleridir.
özellikleridir.
örnektir.
17
6
10
12
7
8
çeşitleridir.
örnektir.
4
5
örnektir.
örnektir.
14
15
16
325
6. ünİte
A
1
2
A
karşıtparçacık
B
enerji
C
foton
D
hadron
E
lepton
F
mezon
G
baryon
H
kuark
B
1
2
3
4
5
6
B
D
E
C
D
A
C
1
Madde Parçacıkları
örnektir.
elektron
proton
grubundadır.
grubundadır.
lepton
hadron
çeşitleridir.
baryon
mezon
yapısında bulunur.
yapısında üç adet bulunur.
kuark
karşıtkuark
çeşitleridir.
kuark
çeşitleridir.
aşağı kuark
yukarı kuark
karşıtyukarı
kuark
326
karşıtaşağı
kuark
2
Element
yapı taşı
atom
içeriğindedir.
çekirdek
elektron
içerir.
oroton
nötron
karşıtparçacığı
karşıtparçacığı
karşıtproton
karşıtnötron
içerir.
klektriksel yükü
karşıtkuark
yok
Ç
karşıtparçacığı
grubundadır.
pozitron
lepton
çeşitleridir.
müon
nötrino
-21
3. 0,246.10
7. ünİte
A
1
2
3
4
5
D
B
E
A
C
327
SÖZLÜK
A
astronom : Astronomi bilgini. Gök bilimci.
D
dekoratif dikiz aynası
diyafram diyagonal : Dekor olarak kullanılan, süslemeye yarayan.
: Taşıtlara veya yol dönemeçlerine arka tarafı görebilmek için konulan ayna.
: Bir optik sistemden geçen ışık miktarını kontrol etmek, sapmayı azaltmak
ve odaklama mesafesini artırmak için kullanılan, optik sistemin eksenine
dik olarak yerleştirilen ve dairesel açıklığı olan ışık geçirmez ekran.
: Köşegen.
ekran eş değer : Üzerine görüntü düşürmeye yarayan her türlü yüzey.
: Eş ölçüdeki iki niceliğin birbirine göre durumları ya da yitirilene karşı elde
edilenin değerce eşitliği.
E
F
fiber optik flaş : Kızıl ötesi, görünür ve mor ötesi bölgelere ait elektromanyetik dalgaları
kılavuzlama ve iletmeye yarayan, silisyum, plastik fiber veya diğer şeffaf,
dielektrik malzemelerden yapılmış, fiber optik, fiber optik kablo, ışık kılavuzu ve optik fiber olarak da bilinen flâman veya lif.
: Fotoğraf çekiminde güçlü parıltıya gereksinim duyulduğunda kullanılan
lamba.
G
gravür : Ağaç, taş veya metal bir levhanın oyularak işlenmesi ve bir yüzeye
basılması sonucunda oluşturulan resim.
H
hologram : Holografi işleminde, üç boyutlu görüntüyü oluşturmak üzere gerekli bilgileri
taşıyan resim.
I
ıraksaklaşmak
ışıldak : Kalın kenarlı mercekte ışınların odak noktasından uzaklaşması.
: Karanlıkta bir hedefi aydınlatmak için kullanılan dar, uzun bir ışın demeti
çıkaran ışık kaynağı.
İ
iyonosfer 328
: Uzaydan gelen gama ve X-ışınlarının azot ve oksijen molekülleriyle
etkileşmesi sonucu iyon, uyarılmış atom ve elektron oranı yüksek, radyo
dalgalarını yansıtmaya elverişli, genişliği yeryüzünden 50 km-90 km
arasındaki bir yükseklikten (stratosferin üstü), atmosferin sonuna kadar
süren tabaka .
K
kavis krank mili : Eğrinin sınırlı bir kısmı.
: Pistonun doğrusal hareketini dairesel dönme hareketine çeviren mil.
lazer lens : Bir seri paralel çizgide aynı fazda hareket eden, karşılıklı duran aynalarda
çok sayıda yansıma ile genliği yükseltilen, yüksek enerji oluşturmak üzere
tek noktada toplanabilen belirli bir dalga boyunda ışık demeti.
: 1. Mercek 2. Gözün saydam tabakasının üzerine doğrudan uygulanan,
görme kusurunu düzeltici mercek.
L
O
objektif oküler : Fotoğraf makinesi, mikroskop, dürbün vb. optik aletlerle cisimlerden gelen
ışınları alıp ekran üzerine yansıtan mercek veya mercek sistemi.
: Uygun bir görme mesafesindeki başka bir sistemden gelen görüntüyü göze
taşıyan bir mercek, optik sistem.
perspektif piston polarlama
: Bakış açısı.
: Bazı araçlarda, motorlarda bir silindir içinde düzenli hareket eden küçük
çaplı silindir.
: Belirli elektromanyetik ve diğer enine dalgalarda elektrik alan, yönü veya
titreşimlerin yer değiştirme doğrultusunun sabit olması veya belirli bir
şekilde değişmesi.
P
S
saçak senklotron siklosenklotron
siklotron sinyalizasyon
: Işığın girişim veya kırınımıyla meydana gelen desenin aydınlık veya
karanlık bölgelerinden her biri.
: Atom altı parçacıkları hızlandırmak için değişken elektrik alan ve manyetik
alan kullanan hızlandırıcılara denir.
: Atom altı parçacıkları hızlandırmak için biri sabit, diğeri değişken olan
elektrik ve manyetik alan kullanan hızlandırıcılara denir.
: Atom altı parçacıkları hızlandırmak için sabit elektrik alan ve manyetik alan
kullanan hızlandırıcılara denir.
: Demir yolu, kara yolu ve limanlarda trafiği düzenleyen ışıklı sistem.
vizör : Kamera, fotoğraf makinesi ve dürbünde bulunan, görüntüyü tam sınırlarıyla kesmeden veya taşırmadan alabilmeyi sağlayan düzenek, bakaç.
zaman rölesi
: Bulunduğu devreden akımın istenilen süre geçmesini sağlayan araç.
V
Z
329
EK - 1a: DERECELİ PUANLAMA ANAHTARI
‟Işığa Duyarlı Aydınlatma Düzeneği Yapalım” Proje Ödevinin Dereceli Puanlama Anahtarıdır.
Öğrencinin Adı - Soyadı - Numarası:
Öğrencinin Görevi Sunduğu Tarih:
Açıklama: Aşağıdaki dereceli puanlama anahtarı, yaptığınız çalışmayı değerlendirmek için hazırlanmıştır.
Bu anahtar aynı zamanda hangi ölçütlere dikkat edeceğiniz konusunda size bilgi vermektedir. Proje ödevi ile ilgili dereceli puanlama anahtarı ve görev tanımınız, sınıf mevcudu ,çevre ve sınıf imkanları, dersin işleniş yöntemi,
süre vb., faktörler göz önünde bulundurularak öğretmeniniz tarafından yeniden yapılandırılabilir.
Performans
Düzeyi
Ölçüt Tanımlamaları
4
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Çok farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanılmıştır.
• Sınanmak için hipotez kurulmuştur.
• Hipotezi sınamak için yapılacak tasarıma yönelik çözümler önermiştir.
• En uygun çözümü belirlemiş ve neden bu çözümü tercih ettiğini gerekçeleriyle açıklamıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek mükemmel bir şekilde somutlaştırmıştır.
• Tasarım sınıfta mükemmel bir şekilde sunulmuştur.
• Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
3
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Çok farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanılmıştır.
• Sınanmak için hipotez kurulmuştur.
• Tasarım için olası çözümler önermiştir.
• En uygun çözümü belirlemiş ancak gerekçesini açıklamamıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek mükemmel bir şekilde somutlaştırmıştır.
• Tasarım sınıfta mükemmel bir şekilde sunulmuştur.
• Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
2
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanılmıştır.
• Sınanmak için hipotez kurulmuştur.
• Tasarım için olası çözümler önermiştir.
• En uygun çözümü belirlemiş ancak gerekçesini açıklamamıştır.
• Seçtiği çözümün somutlaştırma çalışmasını yapmamıştır.
• Tasarım sınıfta sunulmuştur.
• Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
1
• Bir çalışma planı yapmamıştır.
• Çok az sayıda kaynak kullanmış, kullanılan kaynaklar güvenilir değildir.
• Sınanmak için hipotez kurulmamıştır.
• Tasarım için olası çözüm önerileri sunamamıştır
• Tek bir çözüm önerisi belirtmiş ancak gerekçesi açıklanmamıştır.
• Tasarım sınıfta sunulmuştur.
• Çalışma zamanında teslim edilememiştir.
Yukarıdaki puanlama anahtarı ‟Bütünsel Dereceli Puanlama Anahtarı” biçiminde düzenlenmiştir.
4: Öğrencinin çalışması, örnek gösterilecek niteliktedir ve nerdeyse kusursuzdur.
3: Öğrenci çalışmada kendinden beklenen becerilerin çoğunu göstermiş durumdadır.
2: Öğrenci çalışmanın yarıya yakınını başarmıştır; vasat denebilecek niteliktedir.
1: Öğrenci çalışması önemli eksiklikler taşımaktadır.
Not: Öğrenci özellikle 0, 1 ve 2 düzeyinde bir başarı sergilemiş ise öğrenci başarısının geliştirilmesi
için önlemler alınması yerinde olacaktır.
330
EK - 1b: DERECELİ PUANLAMA ANAHTARI
‟Newton Teleskobu Yapalım’ ” Proje Ödevinin Dereceli Puanlama Anahtarıdır.
Öğrencinin Adı - Soyadı - Numarası:
Öğrencinin Görevi Sunduğu Tarih:
Açıklama: Aşağıdaki dereceli puanlama anahtarı, yaptığınız çalışmayı değerlendirmek için hazırlanmıştır.
Bu anahtar aynı zamanda hangi ölçütlere dikkat edeceğiniz konusunda size bilgi vermektedir. Proje ödevi ile ilgili dereceli puanlama anahtarı ve görev tanımınız, sınıf mevcudu ,çevre ve sınıf imkanları, dersin işleniş yöntemi,
süre vb., faktörler göz önünde bulundurularak öğretmeniniz tarafından yeniden yapılandırılabilir.
Performans
Düzeyi
Ölçüt Tanımlamaları
4
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Çok farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanılmıştır.
• Tasarım için en uygun çözümü belirlemiştir.
• Kullanılacak olan malzemelerden düzlem ayna, küresel ayna ve ince kenarlı merceği en uygun
mesafede ve yerde kullanmıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek mükemmel bir şekilde somutlaştırmıştır.
• Bir model ile ön uygulama yapmıştır.
• Çalışma sınıfta her aşaması ayrıntılı ve anlaşılır bir şekilde, konuya hâkimiyet sağlanarak mükemmel bir şekilde sunulmuştur.
•Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
3
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Birkaç farklı ve güvenilir bilgi kaynaklarından yararlanılmıştır.
• Tasarım için en uygun çözümü belirlemiştir.
• Kullanılacak olan malzemelerden düzlem ayna, küresel ayna ve ince kenarlı merceği en uygun
mesafede ve yerde kullanmıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek mükemmel bir şekilde somutlaştırmıştır.
• Bir model ile ön uygulama yapmıştır.
• Çalışma sınıfta sunulmuştur.
• Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
2
• Bir çalışma planı yapılmıştır.
• Bir kaynaktan yararlanılmıştır.
• Tasarım için bir çözüm belirlemiştir.
• Kullanılacak olan malzemelerden düzlem ayna, küresel ayna ve ince kenarlı merceği hatalı mesafede ve yerde kullanmıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek somutlaştırmıştır.
• Bir model ile ön uygulama yapılmamıştır.
• Çalışma sınıfta sunulmuştur ancak tasarım çalışmamıştır.
•Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
1
• Bir çalışma planı yapılmamıştır.
• Bir kaynaktan yararlanılmıştır.
• Tasarım için bir çözüm belirlememiştir.
• Kullanılacak olan malzemelerden düzlem ayna, küresel ayna ve ince kenarlı merceği hatalı mesafede ve yerde kullanmıştır.
• Seçtiği çözümü çizerek somutlaştıramamıştır.
• Bir model ile ön uygulama yapılmamıştır.
• Çalışma sınıfta sunulmuştur ancak tasarım çalışmamıştır.
• Çalışma zamanında teslim edilmiştir.
Yukarıdaki puanlama anahtarı ‟Bütünsel Dereceli Puanlama Anahtarı” biçiminde düzenlenmiştir.
4: Öğrencinin çalışması, örnek gösterilecek niteliktedir ve nerdeyse kusursuzdur.
3: Öğrenci çalışmada kendinden beklenen becerilerin çoğunu göstermiş durumdadır.
2: Öğrenci çalışmanın yarıya yakınını başarmıştır; vasat denebilecek niteliktedir.
1: Öğrenci çalışması önemli eksiklikler taşımaktadır.
Not: Öğrenci özellikle 0, 1 ve 2 düzeyinde bir başarı sergilemiş ise öğrenci başarısının geliştirilmesi
için önlemler alınması yerinde olacaktır.
331
EK - 2: ÖZ DEĞERLENDİRME FORMU
Bu form yaptığınız çalışmada kendinizi değerlendirmeniz için hazırlanmıştır. Çalışmalarınızı en
doğru yansıtan seçeneğe (x) işareti koyunuz. Daha sonraki üç soruda ise (9,10,11) cevaplarınızı boş
bırakılan yerlere yazınız. Bu form sonuçları hiçbir şekilde not vermek amacıyla kullanılmayacaktır. Bu
nedenle sorulara içtenlikle cevap veriniz.
Öğrencinin Adı-Soyadı:
Çalışmanın Adı:
Değerlendirme Tarihi:
Davranış ve Tutumlar
Dereceler
Her zaman
Genellikle
Bazen
Hiçbir zaman
1. Çalışmamı planlı bir şekilde yaptım.
2. Çalışmamı zamanında tamamladım.
3. Arkadaşlarımın anlattıklarını ve önerilerini
dinledim.
4. Anlamadığım yerlerde sorular sordum.
5. Grup arkadaşlarıma çalışmalarında destek
oldum.
6. Grup çalışmalarında üzerime düşen görevleri
yerine getirdim.
7. Çalışmalarımı çeşitli kaynaklardan araştırmaya özen gösterdim.
8. Çalışmalarımı sunarken görsel araç-gereç
kullanmaya özen gösterdim.
9. Bu çalışmayı yaparken karşılaştığım en büyük problem
………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………….................................................................................................
10. Bu çalışmadan öğrendiklerim
………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………….................................................................................................
11. Bu çalışmayı tekrar yapacak olsaydım
………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………….................................................................................................
332
EK - 3: GRUP DEĞERLENDİRME FORMU
Aşağıdaki tablo grubunuzu en iyi şekilde ifade etmeniz için hazırlanmıştır. Çalışmalarınız sonrasında grup üyeleriyle bir araya gelerek grubunuzu en iyi yansıtan seçeneğe (x) işareti koyunuz.
Not: Bu form sonuçlarında sizlere herhangi bir not verilmeyecektir. Lütfen içtenlikle cevaplayınız.
Yapılan Çalışmanın Adı:
Sınıf:
Değerlendirilecek Tutum ve Davranışlar
Performans Düzeyi
Her zaman
Bazen
Hiçbir zaman
1. Araştırmamız için bir plan yaptık.
2. Görev dağılımı yaptık.
3. Görüşlerimizi rahatlıkla paylaştık.
4. Grupta uyum içerisinde çalıştık.
5. Sorumluluklarımızı tam anlamıyla yerine getirdik.
6. Grupta birbirimize güvenerek çalıştık.
7. Çalışmalarımız sırasında birbirimizi cesaretlendirdik.
8. Çalışmalarımızı planladığımız sürede bitirdik.
Çalışma Hakkında Genel Yorumlar
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
333
EK - 4: GRUP ÇALIŞMALARINA İLİŞKİN GRUP İÇİ DEĞERLENDİRME FORMU
Bu form, grup çalışmalarınızda grup arkadaşlarınızla yaptığınız çalışmaların daha etkili ve nitelikli olması için size uygulamalarınız hakkında geri bildirim sağlayacaktır. Aşağıda gözlemlemeniz
beklenen davranışlara ilişkin ölçütler verilmiştir. Kendinizi ve grup arkadaşlarınızı aşağıda verilen
ölçütleri dikkate alarak 1-4 arası düzeyinde değerlendiriniz. Bu form sonuçları hiçbir şekilde not vermek amacıyla kullanılmayacaktır. Bu nedenle sorulara içtenlikle cevap veriniz.
Değerlendirmeyi Yapan Öğrencinin Adı-Soyadı:
Değerlendirmenin Yapıldığı Tarih:
4 (Her zaman)
3 (Genellikle)
2 (Bazen)
Proje Çalışması
Kendi üzerine düşen görevi zamanında başarıyla yaptı.
Grubun genel olarak öğrenimini destekledi. Gruptaki görev
dağılımına uydu.
İsteklilik ve Çaba
Çalışma toplantılarına hazırlıklı ve zamanında geldi. Görevler için gönüllü oldu ve kendi görevi dışındaki çalışmalar için
de yapıcı öneriler sundu
Takım Davranışı
Grup arkadaşlarına saygı duyuyor. Yeni görüş ve fikirlere
olumlu katkılarda bulunuyor. Diğer grup arkadaşlarını küçük
düşürecek ve geri plana itecek davranışlarda bulunmuyor.
İletişim ve sorunların çözümü
Grupla birlikte karar veriyor. Sorunları çözmek için etkili ve
doğru yöntemleri seçiyor. Grupla iyi iletişim kuruyor. Grubun
sorunlarını gecikmeden gündeme getiriyor. Grup arkadaşlarına zamanında ve etkili geribildirimde bulunuyor.
Öğrencinin Grup Çalışması Hakkındaki Yorumları:
334
V. Arkadaşım
IV. Arkadaşım
III. Arkadaşım
II. Arkadaşım
Ben
Gözlenen Davranışlar
1. Arkadaşım
Grup Üyelerinin İsimleri
1 (Hiçbir zaman)
EK - 5: YAZI - TURA
1. Microsoft Office Excel 2007 programı açılır.
2. Sol üst köşedeki Office Düğmesine tıklanır ve açılan listeden Farklı Kaydet komutu verilir.
3. Dosya adı kısmına Yazı – Tura yazılır, Kayıt türü listesinden Makro içerebilen Excel Çalışma
Kitabı seçilir ve Kaydet düğmesine tıklanır.
4. B2 hücresine Atış Sayısı yazılır.
5. C2 hücresine Para Sayısı yazılır.
6. D2 hücresine Yazı (0) yazılır.
7. E2 hücresine Tura (1) yazılır.
8. 2. Satır başlığına tıklanarak seçili hâle getirilir.
9. Giriş sekmesi, Yazı Tipi grubu komutlarından Kalın () düğmesine basılır.
10. Klavyeden Ctrl tuşu basılı tutularak B, C, D ve E sütun başlıklarına tıklanır ve bu sütunlar
seçili hâle getirilir.
11. Giriş sekmesi Hizalama grubundaki Yatay Ortala ve Dikey Ortala düğmeleri tıklanır.
12. B ve C sütun başlıkları arasındaki çizgi farenin sol tuşu basılı tutularak sütun genişliği 75
olana kadar sağa sürüklenir. Böylece B, C, D ve E sütunlarının genişliği 75 olarak ayarlanmış olur.
13. Office Düğmesine tıklanır.
14. Açılan menüden Excel Seçenekleri düğmesi tıklanır.
15. Excel’le çalışmak için üst seçenekler başlığı altındaki Şeritte Geliştirici sekmesini göster
seçeneği seçilir ve sol alt köşedeki Tamam düğmesine tıklanır.
16. Geliştirici sekmesinde Denetimler grubundaki Kod Görüntüle düğmesine tıklanır.
17. Açılan pencereye ekteki kodlar yazılır.
18. Geliştirici sekmesinde Kod grubundaki Makro Kaydet düğmesine tıklanır.
19. Açılan Makro Kaydet iletişim kutusunda Makro Adı metin kutusuna Temizle yazılır ve
Tamam düğmesine basılır.
20. B3:E20 hücre aralığı seçilir.
21. Klavyeden Del tuşuna basılır.
22. C3 hücresi seçilir, 200 yazılır.
23. Klavyeden Enter tuşuna basılır ve tekrar C3 hücresi seçilir.
24. Geliştirici sekmesinde Kod grubundaki Kaydı Durdur düğmesine tıklanır.
25. Ekle sekmesi Çizimler grubundaki Resim düğmesi tıklanır.
26. Bir resim dosyası seçilip Ekle düğmesine tıklanır.
27. Eklenen resim üzerinde sağ tıklanır ve Makro Ata komutu verilir.
28. Makro Ata iletişim kutusundan Sayfa1.Rastgele makrosu seçilip Tamam düğmesine tıklanır.
29. Ekle sekmesi Çizimler grubundaki Resim düğmesi tıklanır.
30. Farklı bir resim dosyası seçilip Ekle düğmesine tıklanır.
31. Eklenen resim üzerinde sağ tıklanır ve Makro Ata komutu verilir.
32. Makro Ata iletişim kutusundan Temizle makrosu seçilip Tamam düğmesine tıklanır.
33. C3 hücresine tıklanır ve 200 yazılır.
34. Eklenen ilk resim üzerine tıklanır.
35. Ekle sekmesi Grafikler grubundaki Diğer Grafikler düğmesi tıklanır.
36. Açılan listeden en alttaki Tüm Grafik Türleri düğmesine tıklanır.
37. Grafik Ekle iletişim kutusundan sol taraftaki Şablonlar altından X Y (Dağılım) seçilir ve sağ
taraftaki pencereden X Y (Dağılım) başlığı altındaki 3. Sıradaki Düzgünleştirilmiş Çizgileri Olan
Dağılım grafik türü seçilip Tamam düğmesine basılır.
38. Grafik seçilir ve Tasarım bağlamsal sekmesindeki Veri grubundaki Veri Seç düğmesi
tıklanır.
39. Veri Kaynağı Seç iletişim kutusu açıkken B3:C20 hücre aralığı seçilir ve Tamam düğmesine
tıklanır.
335
Rastgele Makrosu Kodu
Sub Rastgele()
Dim i, j As Integer
Dim sayi As Integer
Dim yazi As Integer
Dim tura As Integer
Dim adim As Integer
sayi = 0
yazi = 0
tura = 0
adim = 1
Randomize
If Range(“C3”).Value = “” Then
MsgBox “C3 hücresine bir değer giriniz!!!”
End If
If Range(“C3”).Value < 0 Then
MsgBox “C3 hücresine pozitif bir değer giriniz!!!”
End If
If Range(“C3”).Value > 32767 Then
MsgBox “C3 hücresindeki değer 32767’den büyük olamaz!!!”
End If
Range(“D3:E3”).Value = “”
Range(“B4:E100”).Value = “”
k=3
For i = 1 To 25
For j = 1 To Range(“C” & k)
sayi = Round(Rnd)
If sayi = 0 Then
yazi = yazi + 1
Else
tura = tura + 1
End If
Next j
Range(“B” & k) = adim
adim = adim + 1
Range(“D” & k) = yazi
Range(“E” & k) = tura
‘Range(“C” & k + 1) = yazi
If yazi = 0 Then
Exit For
End If
Range(“C” & k + 1) = yazi
yazi = 0
tura = 0
k=k+1
Next i
End Sub
336
FİZİKTE KULLANILAN SEMBOLLER
Sembol
Okunuşu
Sembol
Okunuşu
Α
β
δ, ∆
ε
φ, Ф
γ
λ
Alfa
μ
ν
ω, Ω
π
ϱ, ρ
σ, Σ
θ
Mü
Beta
Delta
Epsilon
Fi
Gama
Lamda
Nü
Omega
Pi
Ro
Sigma
Teta
UZUNLUK BİRİMLERİ
Birimi
Sembolü
1 angstrom
1 mikron
1 milimetre
1 santimetre
1 desimetre
1 metre
1 dekametre
1 hektometre
1 kilometre
1 megametre
Å
μ
mm
cm
dm
m
dam
hm
km
Mm
Metre Cinsinden
Değeri
10-10 m
10-6 m
10-3 m
10-2 m
10-1 m
10o m
101 m
102 m
103 m
106 m
FİZİKTE KULLANILAN SABİTLER
Nicelik
Sembol
Yaklaşık Değeri
Işık hızı
Elektronun yükü
Elektronun durgun kütlesi
Protonun durgun kütlesi
Coulomb sabiti
Compton dalga boyu
c
e
me
mp
3,0∙108 m/s
1,6∙10-19 C
9,1∙10-31 kg
1,67∙10-27 kg
9∙109 N m2/C2
0,024 Å
k
λc
337
BİRİMLERİN STANDART KISALTMALARI VE SEMBOLLERİ
Sembol
Okunuşu
Sembol
Okunuşu
A
Å
cd
C
dak
dev
eV
g
Hz
J
cal
K
kg
amper
angstrom
candela
coulomb
dakika
devir
elektronvolt
gram
hertz
joule
kalori
kelvin
kilogram
kcal
lm
lx
MeV
m
N
h
s
ºC
T
V
W
Wb
kilokalori
lümen
lüks
megaelektronvolt
metre
newton
saat
saniye
derece selsiyus
tesla
volt
watt
weber
BÜYÜKLÜKLERİN ÖN EKLERİ
338
Ön Ek
Sembol
Büyüklük (Çarpan)
Piko
Nano
Mikro
Mili
Santi
Desi
Deka
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
p
n
10-12
10-9
10-6
10-3
10-2
10-1
101
102
103
106
109
1012
μ
m
c
d
da
h
k
M
G
T
TRİGONOMETRİK CETVEL
AÇI
SİN
COS
TAN
0,000
0,000
1,000
0,017
0,017
1,000
2
0,035
0,035
3
0,052
4
AÇI
SİN
COS
TAN
0,803
0,719
0,695
1,036
47
0,820
0,731
0,682
1,072
48
0,838
0,743
0,669
1,111
0,052
49
0,855
0,755
0,656
1,150
0,998
0,070
50
0,873
0,766
0,643
1,192
0,087
0,996
0,087
51
0,890
0,777
0,629
1,235
0,105
0,105
0,995
0,105
52
0,908
0,788
0,616
1,280
7
0,122
0,122
0,993
0,123
53
0,925
0,799
0,602
1,327
8
0,140
0,139
0,990
0,141
54
0,942
0,809
0,588
1,376
9
0,157
0,156
0,988
0,158
55
0,960
0,819
0,574
1,428
10
0,175
0,174
0,985
0,176
56
0,977
0,829
0,559
1,483
11
0,192
0,191
0,982
0,194
57
0,995
0,839
0,545
1,540
12
0,209
0,208
0,978
0,213
58
1,012
0,848
0,530
1,600
13
0,227
0,225
0,974
0,231
59
1,030
0,857
0,515
1,664
14
0,244
0,242
0,970
0,249
60
1,047
0,866
0,500
1,732
15
0,262
0,259
0,966
0,268
61
1,065
0,875
0,485
1,804
16
0,279
0,276
0,961
0,287
62
1,082
0,883
0,469
1,881
17
0,297
0,292
0,956
0,306
63
1,100
0,891
0,454
1,963
18
0,314
0,309
0,951
0,325
64
1,117
0,899
0,438
2,050
19
0,332
0,326
0,946
0,344
65
1,134
0,906
0,423
2,145
20
0,349
0,342
0,940
0,364
66
1,152
0,914
0,407
2,246
21
0,367
0,358
0,934
0,384
67
1,169
0,921
0,391
2,356
22
0,384
0,375
0,927
0,404
68
1,187
0,927
0,375
2,475
23
0,401
0,391
0,921
0,424
69
1,204
0,934
0,358
2,605
24
0,419
0,407
0,914
0,445
70
1,222
0,940
0,342
2,747
25
0,436
0,423
0,906
0,466
71
1,239
0,946
0,326
2,904
26
0,454
0,438
0,899
0,488
72
1,257
0,951
0,309
3,078
27
0,471
0,454
0,891
0,510
73
1,274
0,956
0,292
3,271
28
0,489
0,469
0,883
0,532
74
1,292
0,961
0,276
3,487
29
0,506
0,485
0,875
0,554
75
1,309
0,966
0,259
3,732
30
0,524
0,500
0,866
0,577
76
1,326
0,970
0,242
4,011
31
0,541
0,515
0,857
0,601
77
1,344
0,974
0,225
4,331
32
0,559
0,530
0,848
0,625
78
1,361
0,978
0,208
4,705
33
0,576
0,545
0,839
0,649
79
1,379
0,982
0,191
5,145
34
0,593
0,559
0,829
0,675
80
1,396
0,985
0,174
5,671
35
0,611
0,574
0,819
0,700
81
1,414
0,988
0,156
6,314
36
0,628
0,588
0,809
0,727
82
1,431
0,990
0,139
7,115
37
0,646
0,602
0,799
0,754
83
1,449
0,993
0,122
8,144
38
0,663
0,616
0,788
0,781
84
1,466
0,995
0,105
9,514
39
0,681
0,629
0,777
0,810
85
1,484
0,996
0,087
11,430
40
0,698
0,643
0,766
0,839
86
1,501
0,998
0,070
14,301
41
0,716
0,656
0,755
0,869
87
1,518
0,999
0,052
19,081
42
0,733
0,669
0,743
0,900
88
1,536
0,999
0,035
28,636
43
0,750
0,682
0,731
0,933
89
1,553
1,000
0,017
57,290
44
0,768
0,695
0,719
0,966
90
1,571
1,000
0,000
∞
45
0,785
0,707
0,707
1,000
DERECE
RADYAN
0
1
DERECE
RADYAN
0,000
46
0,017
0,999
0,035
0,052
0,999
0,070
0,070
5
0,087
6
339
KAYNAKÇA
1. ARNY,Thomas T., Explorations an Introduction to Astronomy, Mosby-Year Book Inc. Missouri,
1994.
2. AVUNDUKLUOĞLU, M. Ali, Şeref Turhan, Fizik Terimleri Sözlüğü, Özener Matbaası, İstanbul,
2007.
3. BEISER, Arthur, Modern Fiziğin Kavramları,(çev. Gülsen ÖNENGÜT), McGraw-Hill-Akademi
Ortak Yayını, 1. Baskı, İstanbul, 1997.
4. BENNETT, Judith ve diğerleri, Context-Based and Conventional Approaches to Teaching Chemistry: Comparing Teachers’ Views, International Journal of Science Education, 27(13), 1521–1547,
2005.
5. BURNS, Desmond M., Simon G.G. McDonald, Tıp Öncesi ve Biyoloji öğrencileri için Fizik (çev.
Işık Aytaş), Erzurum, 1985.
6. CHOWN, Marcus, Biraz Kuantumdan Zarar Gelmez, (çev. Taylan Taftaf), Alfa Basım Yayım, 1.
Baskı, İstanbul, 2009.
7. ÇAKIR, M., H. Erçelik, S. Gültekin ve diğerleri, 9. Sınıf, 12. Baskı, Ankara, 2005.
8. ÇAKMAK, Osman, Bir Çekirdekti Kâinat, Altın Burç Yayınları, İzmir, 2005.
9. ÇEPNİ, Salih ve diğerleri, Fen Eğitimine Yeni Bir Bakış, Fen-Teknoloji ve Toplum, Celepler
Matbaacılık, Genişletilmiş 3. Baskı, Trabzon, 2007.
10. ÇEPNİ, Salih, Araştırma ve Proje Çalışmalarına Giriş, 5. Baskı, Trabzon, 2010.
11. ÇEPNİ, Salih, Hakan Ş. Ayvacı, Ahmet Bacanak, Bilim Teknoloji ve Sosyal Değişim, Celepler
Matbaacılık, Genişletilmiş 4. Baskı, Trabzon, 2010.
12. ÇEPNİ, Salih ve diğerleri, Fen ve Teknoloji Öğretimi, Pegem A Yayıncılık, Ankara, 2007.
13. ÇEPNİ, Salih ve diğerleri, Ölçme ve Değerlendirme, Pegem A Yayıncılık, Ankara, 2007.
14.DAS, Ashok, Thomas Ferber, Introduction to Nuclear and Particle Physics, World Scientific
Publishing Co. Pte, London, 2003.
15. DEĞERMENCİ, Ali, Bağlam Temelli Dokuzuncu Sınıf Dalgalar Ünitesine Yönelik Materyal
Geliştirme, Uygulama ve Değerlendirme, Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, 2009.
16. FEYNMAN, Rechard P., Keşfetme Hazzı, (çev. Nur Küçük, Yasemin Çevik), Evrim Yayınevi,1. Baskı, İstanbul, 2001.
17. FISHBANE, Paul M., Stephen Gasiorowicz ve Stephen T. Thornton, Temel Fizik Cilt I (çev.
Ed. Cengiz Yalçın), Arkadaş Yayınevi, Ankara, 2006.
18. FISHBANE, Paul M., Stephen Gasiorowicz ve Stephen T. Thornton, Temel Fizik Cilt II (çev.
Ed. Cengiz Yalçın), Arkadaş Yayınevi, Ankara, 2007.
19. GARDNER, Howard, Multiple Intelligance: The Theory in Practice. New York: Basic Boks,
1993.
20. GARLİCK, Mark A., Resimli Evren Atlası, NTV Yayınları, İstanbul, 2008.
21. GHOSE, Partha ve Home Dipanka, Gündelik Bilmeceler (çev. Özlem ÖZBAL), 17. Baskı,
TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, Ankara, 2000.
22. GILMORE, Robert, Kuarkların Büyücüsü,(İlker Kalender),ODTÜ Yayıncılık, 1. Baskı, Ankara,
2007.
23. HENLEY, Ernest M., Alejandro Garcia, Subatomic Physics, World Scientific Publishing Co.
Pte, London, 2007.
24. HEWITT, Paul G., Conceptual Physics Addison Wesley, USA, 2006.
25. HILL, McGrow, Physics Principles and Problems, 2005.
26. HODGSON, P.E, E. Gadioli, E.C Erba, Introductory Nuclear Physics, Clarendon Press,
Oxford 1997.
27. HOOFT, Gerard’t, Maddenin Son Yapıtaşları, (çev. Mehmet Koca, Nazife Özdeş Koca) TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 9. Baskı, Ankara, 2008.
28. JOHNSON, Martin, Astronomy of Stellar Energy and Decay, Dover Publications Inc. New
York, 1959.
29. KARTTUNEN, Hannu ve diğerleri, Fundamental Astronomy, Springer, Heidelberg, 1996.
30. KELLER, Fredderick J., W. Edward Gettys, Malcolm Skove, Fizik 2. Cilt (çev. R. Ömür Akyüz
340
ve diğerleri), 3. Baskı, İstanbul, 2006.
31. KURNAZ, Mehmet A. ve Muammer Çalık, Authematic Review of ‘Energy’ Teaching Studies:
Focuses, Needs, Methods, General Knowledge Claims and İmplications. Energy Education Science
and Technology Part B: Social and Educational Studies, 1(1): 1-26, 2009.
32. KURNAZ, Mehmet A. ve Muammer Çalık, Using Different Conceptual Change Methods Embedded within 5E Model: A Sample Teaching for Heat and Temperature, Journal of Physics Teacher
Education. Online, 5(1), 3-10, 2008.
33. KURNAZ, Mehmet A. ve Ayşegül A. Sağlam, Using the Anthropological Theory of Didactics in
Physics: Characterization of the Teaching Conditions of Energy Concept and the Personal Relations
of freshmen to this Concept, Journal of Turkish Science Education, 6(1), 72-88, 2009.
34. KUTLU, Ömer, C. Deha Doğan, ve İsmail Karakaya, Öğrenci Başarısının Belirlenmesi Performansa ve Portfolyoya Dayalı Durum Belirleme, Pegem Akademi Yayınları, Ankara, 2008.
35. KUTNER, Marc L., Astronomy A Physical Perspective, Cambridge University Press, Cambridge, 2003.
36. LEDERMAN Leon, Dick Teresi, Tanrı Parçacığı, (çev. Emre Kapkın) Evrim Yayınevi,1. Baskı,
İstanbul, 2001.
37. LICHTENBERG, Don, The Universe and The Atom, World Scientific Publishing Co. Pte,
London, 2007.
38. MEB Talim Terbiye Kurulu Başkanlığı Ortaöğretim Fizik Dersi 10. Sınıf Öğretim Programı,
Ankara, 2008.
39. MEB Talim Terbiye Kurulu Başkanlığı Ortaöğretim Fizik Dersi 11. Sınıf Öğretim Programı,
Ankara, 2009.
40. MEB Talim Terbiye Kurulu Başkanlığı Ortaöğretim Fizik Dersi 9. Sınıf Öğretim Programı,
Ankara, 2007.
41. OVERDUIN, James M. ve Paul S. Wesson, Dark Sky Dark Matter, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 2003.
42. ÖZDEMİR, Sacit ve diğerleri, Astronomi ve Astrofizik, Asil Yayın Dağıtım Ltd. Şti. Ankara,
2005.
43. ÖZSEVGEÇ, Tuncay ve diğerleri, Kalıcı Kavramsal Değişimde 5E Modelinin Etkililiği, Yeditepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 2(2), 2007.
44. ÖZSEVGEÇ, Tuncay, Kuvvet ve Hareket Ünitesine Yönelik 5E Modeline Göre Geliştirilen
Öğrenci Rehber Materyalinin Etkililiğinin Değerlendirilmesi, Journal of Turkish Science Education,
3(2), 36–48, 2006.
45. PARKER, Barry, Kuvantumu Anlamak, (çev. Elif Alkın), Güncel Yayıncılık, 3. Baskı, İstanbul,
2008.
46. Peterson, Charler J., Astronomy, IDG Books Worldwide Inc., Chicago, 2000.
47. SEKMEN, Sezen, Parçacık Fiziği En Küçüğü Keşfetme Macerası, ODTÜ Yayıncılık, Ankara.
48. SERWAY, Raymond A. ve Robert J. Beichner, Fen ve Mühendislik için Fizik 1, Çeviri Ed.
Çolakoğlu, K., Palme Yayıncılık, Ankara, 2008.
49. SERWAY, Raymond A. ve Robert J. Beichner, Fen ve Mühendislik için Fizik 2, Çeviri Ed.
Çolakoğlu, K., Palme Yayıncılık, Ankara, 2007.
50. SERWAY, Raymond A. ve Robert J. Beichner, Fen ve Mühendislik için Fizik 3, Çeviri Ed.
Çolakoğlu, K., Palme Yayıncılık, Ankara, 2005.
51. SPARKE, Linda S. ve John S. Gallagher, Galaxies in the Universe: An Introduction Second
Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2007.
52. TAYLER, Roger J., The Stars: Their Structure and Evolution, Cambridge University Press,
Cambridge, 1994.
53. TDK Türkçe Sözlük, 4. Akşam Sanat Okulu Matbaası, Ankara, 2005.
54. TDK Yazım Kılavuzu, 4. Akşam Sanat Okulu Matbaası, Ankara, 2005.
55 TOPDEMİR, Hüseyin G., Işığın Öyküsü, TÜBİTAK Yayınları, 2007.
56. YAZ, M. Ali, Sait Aksoy, Fizik 3 Optik, Zambak Yayınları, İzmir, 2000.
57. WEINBERG, Steven, Atomaltı Parçacıklar (çev. Zekeriya Aydın), TÜBİTAK Popüler Bilim
Kitapları,6. Baskı, Ankara, 2005.
341
58. WICHMANN, Eyvind H., Kuantum Fiziği, Bilim Yayınları, Ankara, 1967.
59. URL-1, www.aof.anadolu.edu.tr/kitap/IOLTP/2280/ünite07.pdf
60. URL-2, www.biltek.tubitak.gov.tr/bdergi/yeniufuk/icerik/hizlandirici.pdf
61. URL-3, Cisimleri Nasıl ve Ne Kadar Ayrıntılı Görebiliriz?, http:// joy.yasar.edu.tr/makale/
no10_vol3/01_işci.pdf (10.04.2010)
62. URL-4, Genel Fizik Laboratuvarı-III Deney Klavuzu www.fizikegt.gazi.edu.tr/deney_foy/gfizik_lab_III_fenbilgisi.pdf (01.03.2010).
63. URL-5, Işık Deneyleri www.aof.anadolu.edu.tr/kitap/IOLTP/2282/unite09.pdf (03.03.2010)
64. URL-6, www. Kameraarkasi.org./fotograf/fotograf makinesi.html.(15.03.2010)
65. URL-7, www.megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/modul_pdf/524KI0020.pdf
66. URL-8, http://www.mgm.gov.tr/genel/sss.aspx?s=hissedilensicaklik
67. URL-9, www.meteor.gov.tr
68. URL-10, Millar, R. ve diğerleri: Science Education for the Future, http://www.kcl.ac.uk/depsta/
education/publications/be2000.pdf, (16.02.2005), 1998.
69. URL-11, http://okulweb.meb.gov.tr/55/07/964386/iletisim/etkinlik.html
http://tr.wikipedia.org/wiki/Alternatif_ak%C4%B1m
70. URL-12, www.openwalls.com/image?id=6771
71. URL-13, http://yayim.meb.gov.tr/dergiler/166/index3-yalcin.htm
72. URL-14, www.pclabs.com.tr
72. URL-15, www.taek.gov.tr
73. URL-16, The Physical Sciences Initiative (TPSI), Social And Applied Aspects What Is Meant
By “Social and Applied”?, www.psi-net.org/chemistry/s1/socialandapplied.pdf, (06.01.2005).
342