10 класс
Глава 1. Физика и естественно-научный метод познания природы
§ 1. Физика и объекты её изучения. Методы научного исследования в физике
Физика — фундаментальная наука о природе.
Не секрет, что энергетические ресурсы Земли (нефть, газ, каменный уголь, природный газ и др.), рудные месторождения быстро истощаются. Без развития «чистой» энергетики, использующей возобновляемые ресурсы, без создания новых материалов и открытия новых источников энергии человечество в скором будущем полностью истратит запасы ископаемого топлива. Другими словами, без фундаментальных научных изысканий, технических достижений человечеству не обойтись при решении этих и других жизненно важных задач. Поэтому так важно приобретать, развивать и передавать «по эстафете» будущим поколениям научные знания. Ведь новые открытия и изобретения совершаются, как правило, на основе уже накопленных знаний!
Развитие науки о природе позволило создать современную технику, и это, в конечном счёте, привело к преобразованию окружающего нас мира. Основополагающую роль в этом процессе сыграла и продолжает играть физика.
Физика изучает строение материи и разнообразные виды её движения во Вселенной, т. е. во всём существующем материальном мире.
Объектами изучения физики являются механические, тепловые, электромагнитные, квантовые явления, физические поля и элементарные частицы. Фактически цель физики сводится к следующему. Во-первых, установить наиболее общие (фундаментальные) законы природы; во-вторых, объяснить конкретные явления и процессы действием этих общих законов. Наиболее глубоко происходящие явления и процессы можно объяснить на основе системных представлений о строении различных веществ. Выявление строения вещества также составляет задачу физики.
Физика стала наукой в современном понимании лишь в эпоху Возрождения — она выделилась из натурфилософии в XVII в. Именно тогда люди начали описывать накопленный ранее фактологический материал (данные наблюдений различных явлений) на математическом языке, исследовать их закономерности на основе эксперимента. Тем самым, человечество вступило на путь научного познания природы, который оказался очень плодотворным.
Одним из первых эффективность нового пути осознал Леонардо да Винчи (1452—1519). Он писал: «Истолкователь ухищрений природы — опыт; он никого не обманывает; лишь наше суждение само себя иногда обманывает. Нужно руководствоваться показаниями опыта и разнообразить условия до тех пор, пока мы не извлечём из опыта общих законов, ибо лишь опыт открывает нам общие законы...»
Стимулом к развитию естествознания XVII в. стал призыв к экспериментальному изучению природы со стороны английского философа Фрэнсиса Бэкона (1561 —1626). Он пришёл к важному заключению: законы природы могут датъ неизмеримо больше, чем заключено в том опытном материале, на основе которого они получены.
Наука в современном понимании, по мнению физика-теоретика Виктора Вайскопфа (1908—2002), возникла тогда, когда вместо попыток получить ответы на глобальные вопросы люди начали интересоваться простыми, на первый взгляд, незначительными фактами. Например, падением камня, нагреванием воды, когда в неё бросают кусок раскалённого железа, и т. д. Эти факты можно описывать точно и количественно. Любой человек при желании мог убедиться в их справедливости, проверить их. Вместо того чтобы задавать общие вопросы и получать частные ответы, учёные начали задавать частные вопросы и получать общие ответы. Этот процесс продолжал развиваться: вопросы, на которые мог быть получен ответ, становились всё более общими. «Самый непостижимый факт, — как сказал однажды Альберт Эйнштейн (1879—1955), — заключается в том, что природа познаваема». В процессе познания законов природы отчётливо проявилась и продолжает проявляться справедливость мысли Бэкона о возможности нахождения общих законов на основе частных фактов, установленных в ходе точных экспериментов.
Физика — это наука, занимающаяся изучением самых общих свойств окружающего нас материального мира, поэтому физические понятия и законы широко используют в любом разделе естествознания, даже если при этом ограничиваются простым описанием предметов и явлений. Ведь при таком описании нельзя обойтись без физических представлений о размерах, длительности, массе, цвете и т. д.
К настоящему времени физика имеет многогранные связи с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Она многое объясняет в этих науках, предоставляет им современные средства для исследования (радиотелескопы, электронные микроскопы, лазеры, рентгеновские установки и т. д.), а также физические методы исследования. Кроме того, физика является фундаментом техники. Строительная техника, гидротехника, теплотехника, электротехника и энергетика, радиотехника и другие технические дисциплины возникли па основе физики.
Методы научного исследования в физике.
На рубеже XVI-XVH вв. итальянский учёный Галилео Галилей (1564—1642), обобщая результаты исследований, создал естественно научный метод познания природы. Этот метод используется во всех естественных науках. В чём же он заключается?
Прежде всего, определяется объект исследования, составляется план работы и собирается экспериментальная установка для проведения опытов. Анализ результатов наблюдения и опытов позволяет сформулировать теоретическое предположение, называемое гипотезой. Она является обобщением опытных данных, но при этом включает и элементы нового знания. Из гипотезы можно получить следствия, предсказать новые факты, а затем проверить их на опыте. Экспериментальная проверка следствий подтверждает гипотезу, которая становится законом.
Таким образом, схема естественно-научного метода познания выглядит следующим образом: наблюдение → гипотеза → следствия → эксперимент. Он тесно связан с другими методами познания и включает в себя методы теоретического и экспериментального познания природы (наблюдение, моделирование, анализ, синтез, идеализация и др.).
Задачи, стоящие перед физикой, определяют особенности физических методов исследования. При изучении физики уже недостаточно карандаша и бумаги — привычных принадлежностей математика. Физика, в отличие от математики, — экспериментальная наука.
Физический эксперимент — важнейший метод исследования природы. Посредством эксперимента в лабораторных условиях можно воспроизвести природное явление, наблюдать за ним, осуществлять измерения.
Законы физики основаны на фактах, которые устанавливаются главным образом в результате планомерных наблюдений. Правда, бывают и случайные открытия, как, например, обнаружение радиоактивного распада урана или рентгеновского излучения.
Любое явление или процесс, свойства любого конкретного тела очень сложны, поэтому, приступая к исследованию физического явления, мы должны выделить то главное, от чего это явление зависит существенным образом, и отбросить второстепенные обстоятельства, которые в рассматриваемом явлении не играют существенной роли. Без такого упрощения исследование физических явлений невозможно — самые простые явления приводили бы к сложным, неразрешимым теоретически задачам. Такой метод научного исследования называют "моделировамие".
Например, из курса физики основной школы вам известна такая модель как материальная точка. Однако в физике это понятие рассматривается как некоторое приближение к действительности, которое справедливо только при определённых условиях. Каждый раз нужно выяснять, выполняются эти условия или нет. Так, при рассмотрении притяжения планет к Солнцу размеры планет и Солнца намного меньше расстояний между ними. Поэтому и планеты, и Солнце можно считать материальными точками. Такое упрощение позволяет установить характер движения планет. Но если расстояния между взаимодействующими телами не очень велики по сравнению с их размерами, то считать их материальными точками уже нельзя. Так, движение искусственных спутников и Луны заметно зависит от размеров и формы Земли.
Вопросы:
1. Что изучает физика?
2. Приведите примеры объектов изучения физики.
3. Назовите основные цели физики как науки.
4. Как физика связана с другими науками? Приведите примеры.
5. В чём состоит естественно-научный метод познания природы?
6. Какие методы научного исследования в физике вам известны?
Вопросы для обсуждения:
1. Среди объектов, перечисленных ниже, укажите физические модели:
а) снежинка;
б) материальная точка;
в) деревянный брусок;
в) камень;
г) математический маятник;
д) тележка.
2. Пусть исследуемым объектом является металлический диск, подвешенный на упругой проволоке, длина которой намного больше размеров диска, а) Какими свойствами объекта можно пренебречь, если нас интересует вопрос о периоде колебаний диска, происходящих после того, как проволоку отклонили в вертикальной плоскости на некоторый угол (период — время, в течение которого диск возвращается в исходное положение)? б) Какими свойствами объекта можно пренебречь, изучая колебания диска вокруг проволоки как оси?
