Natuurkunde
|
Over dit artikel en/of onderwerp bestaat er ook een portaal! Klik hier om het portaal te bekijken! |
Natuurkunde, ook wel fysica, is de wetenschap die alle verschijnselen in de levenloze natuur onderzoekt. Hiermee worden eigenschappen als materie, evenwicht, beweging, straling, warmte, licht (optiek), magnetisme en elektriciteit onderzocht. Bij natuurkunde verandert de samenstelling van de onderzochte stof niet. Natuurkunde is één van de exacte wetenschappen en bestaat uit meerdere deelgebieden, die soms overlappen met andere wetenschappen.
Natuurkunde wordt in Nederland op school gegeven, soms in combinatie met scheikunde en/of biologie. De wetenschap wordt al sinds de oudheid beoefend. Bij natuurkunde wordt vaak gebruik gemaakt van theorieën en experimenten. Natuurkundigen proberen natuurlijke verschijnselen te verklaren en uit te leggen waarom dat verschijnsel er is. Onder de natuurkunde valt ook de sterrenkunde, die zich met het heelal bezighoudt.
Geschiedenis
Natuurkunde in de oudheid
,_por_Domenico_Fetti.jpg)
Al sinds de oudheid vraagt men zich af welke eigenschappen verschillende stoffen hebben. Op deze manier kon men bijvoorbeeld het beste materiaal bepalen voor het bouwen van een huis. Daarnaast was men toen al getuige van verschillende verschijnselen. Voorbeelden hiervan zijn de zon die langs de hemel beweegt en aardbevingen. Vaak beredeneerde men dat dit kwam door goden, maar dit veranderde met de komst van de filosofie. Filosofen probeerden deze verschijnselen te verklaren en kwamen met hun eigen theorieën. Vanuit de filosofie ontstond de wetenschap. Vaak wordt India gezien als de plaats waar filosofie en wetenschap ontstonden.
Verschillende oud-Griekse wetenschappers en filosofen hielden zich bezig met de levenloze natuur. Voorbeelden hiervan zijn Plato en Aristoteles. De bekendste wetenschapper is misschien Archimedes. Toen hij een bad nam en erin stapte, viel hem op dat het water iets omhoog kwam. Hij zou toen "Eureka" ("Ik heb het (gevonden)") hebben geroepen, aangezien hij op dat moment bedacht dat de massa van het verplaatste water gelijk was aan zijn eigen massa. Tegenwoordig kennen we deze theorie als de wet van Archimedes. De natuurkunde bestond toen uit denken met het verstand en zo goed mogelijk verschijnselen noteren. Er werden toen geen experimenten uitgevoerd. Overigens maakten de oud-Griekse wetenschappers wel wat fouten. Volgens Plato zou het heelal bestaan uit verschillende bollen met hieraan de planeten die zich rondom de aarde bewogen. De aarde was volgens deze mensen plat. Lang werd gedacht dit ook echt waar was.
Tijdens de Middeleeuwen werden veel universiteiten opgericht. De eerste universiteit stond in Bologna, in 1088. Veel van deze universiteiten begonnen in kathedraalen en werden met goedkeuring van de paus opgericht. Er kwamen zeer geleerde mensen, hoogleraren genaamd. Men vertelde veel over Aristoteles en de andere Griekse filosofen. Een belangrijk onderdeel was de Sterrekunde. Omdat men nog geen telescopen had, kon men nog geen idee hebben van de grootte van het heelal. Andere gebieden, zoals de scheepvaart, konden wel veel gebruik maken van natuurkundige vindingen. Columbus heeft het daarom aangedurfd om naar China en India te reizen over zee, omdat het reizen over land door de Arabische wereld te gevaarlijk was. Ook aan de bouw van de kathedralen, kan je zien hoe men toen was in de natuurkunde en andere wetenschappen zoals de scheikunde en wiskunde.
Galilei en Newton
Met de komst van de reformatie werden naast werken uit onder meer de Griekse oudheid weer meer experimenten gedaan. In de Middeleeuwen werden ook uitvindingen gedaan, maar de veel uitvinders bleven onbekend. Na 1500 werden uitvinders en mensen met nieuwe ideeën steeds bekender, mede dankzij de universiteiten. Bekende namen zijn Copernicus, Johannes Kepler en Galileo Galilei, die kwamen met nieuwe inzichten over het universum. Galilei zag dat niet de zon om de aarde, maar de aarde om de zon draaide. Kepler ontdekte op basis van berekeningen dat de planeten niet in cirkels draaiden, maar in ellipsen. Aanvankelijk wilde de Kerk Galilei de mond snoeren omdat hij de paus belachelijk had gemaakt in zijn boek, maar later werd zijn werk toch gepubliceerd. Zowel Kepler als Galilei namen de ideeën over van Nikolaas Copernicus, die stelde dat niet de aarde, maar de zon het middelpunt was in het heelal.
Isaac Newton maakte een enorme stap in de natuurkunde door de ontdekking van zwaartekracht. Het verhaal gaat dat Newton onder een appelboom zat en dat er toen een appel naar beneden viel. Newton vroeg zich af waarom de appel niet omhoog viel of bleef zweven. Hij had als antwoord dat er iets was dat de appel naar beneden trok; zwaartekracht. Newton hield zich erg bezig met verschillende krachten en publiceerde de drie wetten van Newton. Hij was één van de eerste die ook experimenten deed. Ook de Nederlander Christiaan Huygens hield zich bezig met natuurkunde en vond hierdoor het uurwerk uit.
Albert Einstein
In de 19e eeuw leek het alsof men alles van de natuurkunde wist. Eigenlijk waren er nog maar een paar dingen die nog verklaard moesten worden. De natuurkunde werd een dode wetenschap genoemd. Dit veranderde met Albert Einstein. In 1905 publiceerde hij vier artikelen die de natuurkunde voorgoed zouden veranderen. Hij gaf antwoord op vier van deze laatste vraagstukken, maar er ontstonden ook veel meer vragen. Hierdoor kwam er nieuwe belangstelling voor de natuurkunde en ontstond de moderne natuurkunde.
Einstein publiceerde onder meer de relativiteitstheorie (de algemene en speciale). Het bekende E=mc2 komt uit deze theorie. De theorie gaat over zwaartekracht en is gebaseerd op een deken met objecten met een verschillend gewicht hierop. Alles heeft een bepaald gewicht, maar de zwarte gaten zijn het zwaarste. Hierdoor komt hieruit geen licht vrij. Overigens behoorden ook Nikola Tesla, Nicolas Bohr en Hendrik Lorentz tot de nieuwe generatie natuurkundigen.
De moderne natuurkunde
De moderne natuurkunde houd zich bezig met vraagstukken. Deze hebben meestal te maken met het heelal en het ontstaan van de aarde en alles eromheen. Onder meer Stephen Hawking hield zich hiermee bezig. Ook kwam er meer onderzoek naar alternatieve energiebronnen en elementaire deeltjes. Een ander iemand is de Belgische priester Georges Lemaitre die in 1929 het idee van de Oerknal (Big Bang) bedacht.
Natuurkunde en andere wetenschappen
Natuurkunde en biologie
Biologie en natuurkunde worden vaak in één zin met elkaar genoemd. Aan de naam zou men ook denken dat de twee eigenlijk dezelfde wetenschap zijn. Er is echter een verschil tussen biologie en natuurkunde. Natuurkunde houdt zich bezig met de levenloze natuur, terwijl biologie zich bezighoudt met de levende natuur. Het onderzoek naar dieren, planten en andere organismen valt dus onder de biologie, aangezien zij leven of geleefd hebben. Onderzoeken naar licht, geluid, lucht, water en andere materialen en vloeistoffen valt onder de natuurkunde. Zij zijn namelijk levenloos. Dit betekent dat ze niet leven, niet geleefd hebben of ooit zullen leven. De scheiding tussen levend en levenloos wordt gekenmerkt door de zeven levenskenmerken. Dit zijn ademen, eten (en drinken), voortbewegen, uitscheiden, groeien, voortplanten en waarnemen. Kan een ding dit wel, dan is het een levend wezen en valt het onder de biologie. Kan een ding dit niet, dan is het levenloos en valt onder de natuurkunde.
Er zijn echter ook gevallen waarin biologie en natuurkunde met elkaar overlappen. Dit komt doordat de levenloze en levende natuur elkaar beïnvloeden. Het klimaat is bijvoorbeeld een levenloos iets, maar heeft wel invloed op welke dieren en planten er in gebied wonen. Aan de andere kant kan een bever door het bouwen van een dam zorgen dat er minder water (levenloos) naar een gebied toegaat. Het onderzoek naar deze overlapping wordt biofysica genoemd; de wetenschap die de invloed van de levende en levenloze natuur op elkaar onderzoekt. Overigens komen in veel biologieboeken ook stukken natuurkunde aan de orde. Processen als fotosynthese of stofwisseling, maar ook duurzaamheid vallen onder natuurkunde of kunnen hier ook onder vallen.
Natuurkunde en scheikunde
Ook bij natuur- en scheikunde denken veel mensen dat de twee hetzelfde zijn. Het verschil tussen natuur- en scheikunde is minder duidelijk dan bij biologie en natuurkunde. Dit komt omdat de twee wetenschappen dichter bij elkaar liggen en scheikunde vroeger ook onder de natuurkunde viel. Pas sinds een paar eeuwen is dat niet zo. Vaak wordt als scheiding tussen de twee naar de samenstelling van de stoffen gekeken. Iedere stof heeft een bepaalde samenstelling, bestaande uit atomen. Zo'n verzameling aan atomen wordt een molecuul genoemd en veel stoffen bestaan ook nog uit meerdere soorten moleculen. Bij natuurkunde blijft deze samenstelling hetzelfde. Een natuurkundige kan een stuk hout bijvoorbeeld door tweeën zagen, maar de samenstelling verandert niet. Dus is het natuurkunde. Bij scheikunde verandert de samenstelling echter wel! Dus als een scheikundige een bepaalde chemische reactie met hout doet (bijvoorbeeld het verbranden), verandert de stof van samenstelling. Dan heb je dus met scheikunde te maken.
Bij scheikunde is de natuurkunde ook erg handig. Bij de natuurkunde doet men onderzoek naar de eigenschappen van stoffen, maar tegenwoordig gebeurt dit ook bij de scheikunde zelf. Op die manier weet men de dichtheid van zink of het smeltpunt van koper. Scheikunde kan ook handig zijn in de natuurkunde. In de natuur komt bijvoorbeeld zure regen voor, die zorgt dat grafstenen en standbeelden snel slijten. Voor onderzoeken hiernaar is een stukje scheikunde dus vrij handig. Ook is er een tussenvorm tussen natuur- en scheikunde; fysische chemie. Op veel scholen worden de twee wetenschappen aangeboden als één vak; NaSk. Dat is vooral in de eerste jaren handig, aangezien de lesstof van de twee heel erg overlappend is. Op die manier hoeft een leraar niet twee keer hetzelfde uit te leggen.
Natuurkunde en wiskunde
Daarnaast is er tussen natuurkunde en wiskunde enige overlap, maar deze is maar eenzijdig. De wiskunde wordt vaak de belangrijkste wetenschap genoemd, omdat het eigenlijk is bedacht zodat de andere (technische) wetenschappen kunnen bestaan of beter uitgevoerd kunnen worden. In de natuurkunde wordt veel gebruikt gemaakt van berekeningen. Ook moeten men een hoop metingen doen. De wiskunde zorgt er eigenlijk voor dat men in de natuurkunde dit soepel kan doen. Voor natuurkunde is enige kennis van wiskunde nodig.
Methode
Onderzoek en waarnemingen
Natuurkundig onderzoek maakt gebruik van waarnemingen. Dit zijn fenomenen die door mensen zijn gezien, bijvoorbeeld een vulkaanuitbarsting. Natuurkundigen hebben kennis van de natuurkunde en gebruiken deze natuurlijk bij hun onderzoek. Een onderzoek begint met een hypothese; een stelling waarvan men denkt dat het klopt. Hierbij wordt het verstand en de voorkennis gebruikt. Van deze hypothese weet men niet of het waar is, men gaat dat namelijk onderzoeken. Vaak doet men verschillende experimenten, beschrijft men verschillende waarnemingen en doet men allerlei metingen. Men beschrijft alles zo precies mogelijk, omdat men zo kan zien of er geen fouten ontstaan. Ook andere wetenschappers kunnen zo makkelijk alles terugvinden en dingen gebruiken voor hun onderzoeken. Natuurkundige onderzoeken kunnen heel erg lang duren.
Ideeën in de natuurkunde hoeven niet altijd waar te zijn. Zoals eerder beschreven zagen de Grieken de aarde als middelpunt van het heelal, terwijl Kepler en Galilei dit weerlegden. Van tijd tot tijd veranderen dingen in de natuurkunde doordat men nieuwe ontdekkingen doet. Deze fouten ontstaan doordat de mens sommige dingen anders waarneemt. De Grieken baseerden hun theorie op het feit dat als men op de aarde staat de zon om de aarde heen lijkt te draaien. Als je hierover met het verstand zou nadenken zou het helemaal niet zo gek zijn. Eigenlijk worden ze door hun eigen waarnemingen in de maling genomen. Daarvoor bedacht men experimenten, maar ook hier kun je de fout mee in schieten. Sommige waarnemingen kunnen namelijk niet nagebootst worden. De Franse filosoof René Descartes was tijdens de wetenschappelijke revolutie heel erg tegen het gebruik van experimenten. Ook vond hij dat waarnemingen door de mens anders geïnterpreteerd konden worden. Hij beriep zich op het verstand. Tegenwoordig is de natuurkunde echter een samenstelling van experimenten, metingen, waarneming en het gebruik van het verstand. Het gebruikmaken van experimenten en metingen voor theorieën noemen we empirisme, het gebruikmaken van het verstand noemen we rationalisme.
Theoretische en experimentele natuurkunde
De natuurkunde kan grofweg in twee deelgebieden worden ingedeeld:
- Theoretische natuurkunde; natuurkunde die zich beroept op het denken met het verstand, metingen en waarnemingen. Hierbij worden geen experimenten uitgevoerd, meestal omdat dit niet mogelijk is. In de astrofysica is het bijvoorbeeld onmogelijk om een gehele planeet na te bouwen.
- Experimentele natuurkunde; natuurkunde die wel gebruik maakt van experimenten. Ook metingen, verstand en waarnemingen worden hierbij gebruikt.
Naast deze twee soorten heb je ook nog de technische natuurkunde. Deze gaat over de toepassing van de andere natuurkundevormen in de praktijk, bijvoorbeeld in de techniek of technologie.
Hoewel de moderne natuurkunde vaak Albert Einstein als belangrijkste natuurkundige ooit ziet, vond Einstein dit zelf niet. Einstein vond Isaac Newton de grootste natuurkundige ooit. Weet je waarom? Newton deed in tegenstelling tot Einstein wel experimenten.
Deelgebieden
De natuurkunde heeft vele deelgebieden. Hieronder staan er aantal:
- Akoestiek - de wetenschap van het geluid.
- Astrofysica - de natuurkunde van het heelal.
- Astronomie - hemellichamen
- Atoomfysica - natuurkunde op atoom-niveau.
- Biofysica - combinatie van biologie en natuurkunde.
- Elektromagnetisme - de wetenschap van elektriciteit.
- Fysische chemie - combinatie van natuur- en scheikunde.
- Geofysica - studie naar natuurlijke verschijnselen op aarde.
- Kernfysica - natuurkunde naar atomen en deeltjes.
- Kwantummechanica - beschrijving van materie op atoom-niveau.
- Mathematische fysica - combinatie van wiskunde en natuurkunde.
- Mechanica - de natuurkunde van energie en kracht.
- Medische fysica - de natuurkunde voor de gezondheidszorg.
- Meteorologie - de natuurkunde van het weer.
- Metrologie - de natuurkunde van meten, wegen en eenheden.
- Optiek of Optica - de natuurkunde van het licht.
- Plasmafysica - de natuurkunde van hete gassen.
- Stromingsleer - studie naar stromingen binnen stoffen.
- Thermodynamica - de natuurkunde van temperatuur en druk.
- Vastestroffysica - de natuurkunde van vaste stoffen.
Toepassing van natuurkunde
Natuurkunde wordt in het dagelijkse leven vaak toegepast. Elektriciteit is een onderdeel van de natuurkunde. Daarvoor hebben we in onze huizen 's avonds licht en bestaan apparaten, zoals de mobiele telefoon en de computer. Ook bellen en het internet zijn te danken aan de natuurkunde, net zoals stromend water en gas. Ook voertuigen, zoals de auto en de trein hebben met natuurkunde te maken. Overal waar energie voor nodig is moet men een energiebron voor hebben. De natuurkunde doet mede onderzoek naar energiebronnen en motoren. Op deze manier weet men de juiste spanning van een net en kan men uitrekenen hoeveel stroom een huishouden nodig heeft. Handige toepassingen als de aardlekschakelaar maken huishoudens veiliger en snufjes als de afstandsbediening maken het leven makkelijker.
Natuurkunde speelt voor de rest een grote rol in de bouwkunde. Op deze manier kan men bekijken welk materiaal het meest geschikt is voor een gebouw. Samen met de wiskunde kan men zou kijken of het materiaal bijvoorbeeld sterk genoeg is. Een stukje krachtentheorie komt hier ook bij kijken. Dit is ook het geval bij het ontwerpen van meubels. Zelfs bij standbeelden en andere kunstwerken wordt gekeken of het materiaal aan de verwachtingen voldoet. Het weerbericht dat men op televisie kan bekijken is ook te danken aan de natuurkunde. Via verschillende meetinstrumenten, zoals de barometer, kan men het weer voorspellen. Dijken, dammen en sluizen worden met behulp van de natuurkunde gebouwd, verstevigd en onderhouden.
In de gezondheidszorg wordt ook natuurkunde gebruikt. Röntgenstraling zorgt er bijvoorbeeld voor dat men in het menselijk lichaam kan kijken, zonder het open te hoeven maken. Bij botbreuken is dit handig, omdat artsen dan vooraf kunnen besluiten hoe een bot rechtgezet kan worden. Overigens gebruiken tandartsen ook röntgenfoto's om te kijken of de tandwortels nog vastzitten. Het leger maakt tevens gebruik van natuurkunde, bijvoorbeeld om de baan van een kogel te berekenen.
Natuurkunde kom je dus echt overal tegen.
Video
- Copernicus en de zon als middelpunt
- Kepler en Galilei en hun strijd
- Het leven en werk van Newton
- Lemaitre en Einstein over de Oerknal
Links & bronnen
Links
- Wikijunior, op Wikibooks.
Bronnen
- Gaincoli, D.G. (2013). Natuurkunde (schoolboek). Pearson Education NL (2013-2014).
- Feniks (2016). Geschiedenis werkplaats (schoolboek). Noordhoff Uitgevers (2017-2018):
- Paragraaf 2.1. Kenmerkend aspect: De ontwikkeling van filosofie en wetenschap in de Griekse stadstaat.
- Paragraaf 5.2. Kenmerkend aspect: Het veranderde mens- en wereldbeeld van de Renaissance en de hernieuwde oriëntatie op de Klassieke Oudheid.
- Paragraaf 6.4. Kenmerkend aspect: De wetenschappelijke revolutie.
| Wetenschappen | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||||||||