KAYNAK: Hüseyin (Guseinov), Oktay "Skaler ve Vektörel Büyüklükler."

Transkript

1 KAYNAK: Hüseyin (Guseinov), Oktay "Skaler ve Vektörel Büyüklükler." Eğitişim Dergisi. Sayı: 15 (Mayıs 2007). SKALER VE VEKTÖREL BÜYÜKLÜKLER Prof. Dr. Oktay Hüseyin (Guseinov) Hayvanların en basit skaler ve vektörel nicelik anlayışları onların doğada yaşayabilmeleri için gereklidir. Örneğin avcı hayvanlar, rüzgârın ve avının hızlarının büyüklüğünü ve yönünü göz önüne alarak hareket ederler. İnsanlar ise bu kavramları oldukça geliştirip bir araç gibi kullanmaktadırlar. Bu temel kavramların net anlaşılmamasından ortaya çıkan belirsizlik, ne yazık ki ders kitaplarında kendisini apaçık göstermektedir. Temel bilimlerin her alanında kullanılan bu kavramları ele alarak en iyi anladığımızı varsaydığımız bilgilerimizi sorgulamaya çalışalım. Aşağıda bazı ders kitaplardan, bu kavramlara ilişkin yapılan alıntılar sorunu ortaya koymamız açısından iyi birer örnek olacaktırlar: 1 / 10

2 Orta öğretim ders kitaplarından bir örnek; Lise 2 fizik ders kitabı (2004): Sayısal değeri ile birimi verildiği zaman, büyüklüğü hakkında yeterli bilgiye sahip olduğumuz büyüklüklere skaler büyüklükler denir. Büyüklüğü (sayısal değeri), başlangıç noktası, doğrultusu ve yönü ile ifade edilen büyüklüklere vektörel büyüklük denir. 2 / 10

3 Özel dershane kitaplarından bazı örnekler; 1. Yeni öğretim sistemine göre 10. sınıflar için ÖSS Fizik kitabı: Skaler büyüklük: Büyüklüğü ve birimi olan niceliklerdir. Vektörler: Uygulama noktası, doğrultusu, yönü ve şiddetiyle belirlenen büyüklüklere vektörel büyüklük denir. 2. Özel dershane kitabı (2005): Sayısal büyüklükler: Bir sayı ve bir birim ile tanımlanabilen büyüklüklere denir. Vektörel büyüklükler: Bir sayı ve bir birim ile tanımlanamayan ayrıca yönlerinin de belirtilmesi gerekli olan büyüklüklere denir. 3 / 10

4 3. Özel dershane kitabı yeni öğretim sistemine göre ÖSS Fizik (1999): Skaler büyüklükler: Sadece sayısal bir değer ve birimle bilinebilen büyüklüklere skaler büyüklükler denir. Vektörel büyüklükler: Şiddeti yanında yönü, doğrultusu ve başlangıç noktasıyla belirlenebilen büyüklüklere vektörel büyüklük denir. 4. ÖSS ve ÖYS için Fen bilimleri soru bankası (1997): Hiçbir büyüklük veya fiziksel nicelik anlatılmıyor. Yalnızca sorular içeriyor. 4 / 10

5 5.Yeni 4 yıllık lise programına göre, Fizik, Üniversiteye hazırlık, Okula yardımcı, Lise 1, (2006): Skaler ve vektörel nicelikler anlatılmamakta, fakat doğal olarak, konu içinde kullanılmaktadır. Üniversiteler için Fizik, 1.cilt, Gettys, Keller, Skove (çeviri-1993): Skaler büyüklükler: Skaler, uygun bir birim ve tek bir sayı ile gösterilebilen bir niceliktir. Vektörel büyüklükler: Vektör, boyu (büyüklüğü) ve yönü olan bir niceliktir. Bir vektörü belirtmek için, birimi belirlenmiş bir sayıdan daha fazlası gerekir. Bazı kitaplarımızdan almış olduğumuz bu anlatımlarda skaler niceliklerin tanımları doğru ve birbirine benzer şekilde verilmektedir. Vektörlerin anlatımında ise dikkati çeken ortak özellik, büyüklük (bazen yanlış olarak şiddeti şeklinde kullanılmakta) ve yöndür. Üniversite ve bazı dershane kitaplarında ek olarak biriminin de olmasına işaret edilmektedir. Bu ifadeler doğru ama bazen gereğinden fazla ve bazen de eksiktir. Lise 2 fizik ders kitabında ise yönünün, 5 / 10

6 başlangıç noktasının ve doğrultusunun bilinmesinin gerekli olduğu belirtilmiş ama biriminin olması vurgulanmamıştır. Diğer kitaplarda ise büyüklüğe ve yöne ilave olarak başlangıç noktası, doğrultusu gibi bazı ifadeler kullanılmıştır. Skaler ve vektörel büyüklükler matematikte ve fizikte çok yaygın olarak kullanılırlar. Büyüklüğün büyüklüğü gibi garip bir ifade kullanmamak için, genel olarak, fiziğin iyi anlaşılmamasından kaynaklanan büyüklüğün şiddeti gibi bir ifade kullanılmaktadır. Matematikte, büyüklüğün sayısal değeri (sadece büyüklüğü veya sadece sayısal değeri ifadeleri de yeter ), fizikte ise fiziksel niceliğin büyüklüğü veya sayısal değeri ifadelerini kullanmak doğrudur, ayrıca biriminin olduğunu vurgulamaya gerek yoktur. Matematikte skaler sadece bir sayıdır. Matematikte ve fizikte skalerin ve vektörün tanımları birbirinden farklıdır. Ama bu farklılıkların belirtilmesi ile ilgili ifadeler ne ortaöğretim ne de özel dershane fizik kitaplarında yer almaktadır. Özellikle vektörler konusu ile ilgili kavramlar sadece ortaokul matematiği seviyesinde verilmektedir. Fiziksel nicelikler ile ilgili kavramların anlatımlarında pek çok açıdan yanlışlıklar bulunmaktadır. Yanlış kavramlarla, hatalı anlatımlarla başlanan eğitim de ne yazık ki asla doğru ve iyi bir eğitim olamaz. Fiziksel niceliklerin (büyüklüklerin), ister skaler olsun isterse vektörel, birimleri vardır. Birimlerinin olması fiziksel nicelikleri birbirlerinden ayırır, skaleri vektörden değil. Bu yüzden fiziksel nicelikleri skaler ve vektörel diye ayırırken birimlerinin vurgulanmasına gerek yoktur. 6 / 10

7 Vektör yönü belirlenmiş bir doğru parçasıdır ve her niceliğin olduğu gibi doğru parçasının da bir büyüklüğü vardır. Bu nedenle bir vektörün büyüklüğünün ve yönünün verilmesi önem taşımaktadır. Yönü olan bir doğru parçasının, doğrultusunun vurgulanmasına gerek yoktur. Doğrunun doğrultusu yeni bir anlam taşımamaktadır. Skalerleri de sadece sayı ile değil, doğru parçaları gibi de verebiliriz. Geometride ve trigonometride kullandığımız figürlerin kenarları, alanları, hacimleri çoğu zaman skaler nicelikler. Bazı kitaplarda karşılaşılan vektörün başlangıç noktası ifadesi ise, bir vektörel niceliğin bir başlangıç ve bir uç noktası olması ile kesin bir büyüklüğe sahip olduğunu bildirmek için kullandığından, vurgulanmasına gerek yoktur. Bu düşünce çerçevesinde vektörün başlangıç noktasının ayrıca belirtilmesi uç noktasından daha mı önemli olduğunu gösterir? Tabi ki hayır. Matematikte kullanılan vektörler serbest ve ya uzayda taşınabilen vektörlerdir. Yani bu vektörleri kendisine paralel olarak uzayda istenilen yere taşımak mümkündür. Böyle vektörlerin boyutları ve yönleri aynı ise, bu vektörler eşit vektörlerdir. Fizikte ise hem serbest, hem kaydırılabilen, hem de bağlı vektörler kullanılmaktadırlar. Hız, ivme, yer değişme, kuvvet, kuvvet momenti, fırlama momenti, herhangi bir alanın şiddeti, her hangi bir fiziksel niceliğin akısı ve diğerleri... Örneğin hız, ivme ve akı özel durumlar dışında serbest vektörlerdir. 7 / 10

8 Dönebilen ve farklı malzemelerden oluşan cisimlere uygulanan kuvvet ve onun momenti, fırlama momenti ve yer değiştirme serbest vektörler değiller. Örneğin cisme uygulanan kuvvet cismi deforme etmiyorsa ve parçalara ayıramıyorsa o ve onun momenti kaydırılabilen (yalnız kendi doğrultusunda, her iki tarafa) vektörlerdir. Deforme edici ve cismi parçalayabilen kuvvet ve onun momenti bağlı vektörlerdir. Örneğin kapılarımızı açıp kapatırken uyguladığımız kuvvetin kendisi ve momenti taşınabilen vektörlerdir, serbest değillerdir. Sıvıların her hangi bir kısmına uygulanan kuvvet her zaman bağlı vektör olarak alınır. Kaydırılabilen vektörler yalnız doğrultusu yönünde taşınabilirler. Böyle vektörlerin yalnızca etki yaptıkları yön önemli iken, bağlı vektörlerin ise hem yönleri hem de uygulandıkları nokta veya yer çok önemlidir. Vektörel niceliğin uygulandığı nokta ve vektörün başlangıç noktaları farklı şeylerdir. Bu fark ancak serbest, kaydırılabilen ve bağlı vektör kavramlarının incelenmesi ile anlaşılabilir ve genelde, ne yazık ki kitaplarımızda bu kavramlar hiç işlenmemektedir. Fizikte kullanılan vektörel niceliklerin bu tür farkları ortaokulda anlatılmalıdır, ama bunları üniversitelerimizin fizik bölümü öğrencileri bile bilmiyorlar. Aynı doğrultunun veya paralel doğrultuların üzerinde bulunan vektörlere doğrudaş (colinear) vektörler denir. Aynı düzlemde veya paralel düzlemlerde bulunan vektörlere düzlemdeş ( coplanar ) vektörler denir. Vektörlerin birbiri ile çarpımı skalerlerlerin çarpımlarından çok farklıdır. Sıfırdan farklı değerleri olan skalerlerin çarpımı her zaman sıfırdan farklı olan yine bir skaler verir. Ama vektörlerin çarpımları bundan farklıdır. İki doğrudaş vektörün skaler çarpımlarının ( a b cosα ) büyüklüğü skalerlerin çarpımına benzer, vektörel çarpımlarının ( a b sinα ) büyüklüğü ise her zaman sıfıra eşit olur. Serbest düzlemdeş vektörleri de toplamak ve her iki türde çarpmak mümkündür. Ama serbest olmayanlar için bu işlemler her zaman mümkün olmayabilir. 8 / 10

9 Vektörler eksensel (sanki vektör) ve polar (her zaman gerçek) olurlar. Biliyoruz ki Uzay koordinat sistemini ( 3 boyutlu Öklid uzayı ) üç bir- birine dik doğrultuları olan vektörleri temel alarak belirleyebiliriz. Uzayda polar açıların yönlerini belirlemek için sağ ve sol koordinat sistemleri seçilir. Sağ koordinat sisteminden sola veya tersine, soldan sağa geçildiğinde, polar vektörün yönü değişir. Örneğin açısal hız polar vektördür. Eksensel vektörlere örnek olarak uzay hızını ve yer değişimini gösterebiliriz. Bilindiği gibi matematik iç çelişkisiz mantığa dayanan ve doğa bilimlerinin aracı olan bir bilimdir. Matematikte skaler ve vektörlere bağlı teoriler, yalnız fiziğin aracı olarak değil, çok daha geniş ve derin şekilde gelişmiştir. Vektörlerle çok sayıda ve çok farklı tür matematiksel analizler yapılmaktadır. Bu analizler de farklı tür vektörlerin özellikleri göz önünde bulundurarak, çizgiler çekilmeden, analitik metotlarla hesaplamalar yapılmaktadır. Biz burada Evrenin çok küçük parçası olan yaşadığımız uzaydaki (Öklid) vektörlerin bazı özelliklerinden konuştuk. Eğri uzayların geometrisi ve topolojisinde vektörlerin diğer özellikleri de kullanılarak hesaplamalar yapılmaktadır. Ama burada bizim amacımız ortaokul fiziğinde ki skaler ve vektör kavramlarının üzerinde durmak ve bu kavramlara bağlı olan uzantıları hatırlatmaktır. 9 / 10

10 Fizikte en fazla üç (normal uzay), dört (özel ve genel görelilikteki uzaylar) ve altı (istatistik fizikteki faz uzayı) boyutlu uzaylar kullanılır ve bu uzaylarda genellikle skaler ve vektör alanlar incelenir. Skaler alanlar yöntemi ile incelenen konulara örnek olarak sıcaklık, yoğunluk, yalıtkanlık sabiti, kırılma indeksi ve diğer skalerlerin uzayda ki dağılımlarını ve zamana bağlı olarak değişimlerini gösterebiliriz. Vektör alanlarına gelince, akan hava ve sıvıların kendi veya içerdikleri parçacıkların hızlarının, herhangi bir kuvvet alanının (elektrik, magnetik, gerilim ve diğerleri) incelenmesini örnek olarak gösterebiliriz. Fizik, vektör ve skaler kavramları ve onlara dayanan matematik olmadan zenginleşemezdi. Orta eğitimde vektörler konusu fiziğin, en kolay, her öğrencinin ve öğretmenin en iyi bildiği varsayılan konularından birisidir. Yazarlarımız kitaplarında en iyi bildiklerini elbette en iyi şekilde yazmak için çalışmaktadırlar. Üstelik en iyi ve kesin bilgilerimiz kitaplarda olanlardır. Bu yazıda ele aldığımız temel konularda en iyi bildiklerimiz yukarıda gösterdiğimiz gibi ise, diğer konular hakkında bildiklerimiz nasıldır? Özellikle kavramların kesin ve doğru bir şekilde anlatıldığı kitaplarımızın olmadığını biliyoruz. Böyle bilgilerle çağdaş uygarlığı yakalamak ve Atatürk ün gösterdiği hedefe ulaşmak için çabalıyoruz. Temel konular da bile eksikliklerimiz bulunmakta iken yüksek seviyede bilimsel çalışmalar için çabalamak elbette boşa olacaktır. Bu durum eğitim sistemimizin yeniden ve köklü olarak ele alınıp incelenmesini zorunlu kılmaktadır. 10 / 10