Научные методы изучения природы

На этом уроке вы:

• узнаете о методах исследования природы и о последовательности изучения физических явлений.

Ключевые слова: наблюдение, гипотеза, эксперимент, физический закон, физическая теория.

Для того чтобы изучить физическое явление, в физике используются разные методы.

Наблюдение. Изучение любого физического явления начинается с наблюдения.

Наблюдение — это изучение явлений в естественных условиях, без всякого вмешательства человека в его ход.

В ходе наблюдений за явлениями природы получают определенные сведения о них. Например, наблюдая за образованием росы (рис. 2.1), установили, что наиболее обильно роса выпадает после жаркого дня и прохладной ночи. Откуда же появились капельки воды на листьях и траве?

Чтобы ответить на такие вопросы, обычно выдвигается предположение, которое называют гипотезой. Для проверки гипотезы ставят специальные опыты — эксперименты.

Если проведенные эксперименты противоречат выдвинутой гипотезе, то она считается ложной и отвергается. Гипотезы, подтвержденные экспериментом, принимаются и становятся научными знаниями.

Эксперимент. Под экспериментом понимают искусственное воспроизведение исследуемых явлений. С помощью эксперимента исследователь моделирует физические явления. Он может менять условия протекания явления или создавать специальные условия для его всестороннего изучения.

Рис. 2.1

В ходе эксперимента устанавливаются закономерности протекания явления и причинная связь между ними. Для постановки эксперимента используют физические приборы. Некоторые из них очень просты. Например, линейка, весы, отвес (груз, подвешенный на нити), позволяющий проверять вертикальность стен (рис. 2.2), и т. д.

Есть и более сложные приборы, с которыми вам придется работать. К ним относятся источники тока (рис. 2.3), такие технические устройства, как электрический двигатель (рис. 2.4), электромагнит и др.

Рис. 2.2 — отвес; рис. 2.3 — источник тока; рис. 2.4 — электродвигатель; рис. 2.5 — роса на металле

Рассмотрим простой опыт. Если охладить металлический предмет в холодильнике и поставить его в теплую комнату, то легко обнаружить появление росы на этом предмете (рис. 2.5).

Мы обнаружим, что в прохладной комнате роса на предмете выпадает в меньшем количестве, а в холодной — и вовсе не будет выпадать. Следовательно, при изменении условий эксперимента меняется масса выпавшей росы.

Попытаемся объяснить образование росы в комнате. Капелька росы — это вода, но в малом количестве. Откуда же она появляется на металлическом предмете и листьях растений? Выдвигаем гипотезу: в воздухе имеется вода, но в каком-то другом состоянии, невидимом нами. Как это проверить?

В физике критерием истины является опыт. Поместим в теплую комнату сухую морозильную камеру и включим ее, оставив открытой дверцу. Воздух, попадающий в камеру, будет охлаждаться, и она станет запотевать. Затем на стенках камеры появятся капельки росы, которые начнут замерзать, превращаясь в лед. Опыт подтвердил, что в воздухе действительно находится вода, но в другом состоянии. Это состояние называют водяным паром. А для того чтобы объяснить явления превращения пара в жидкость и ее отвердевания, необходимо установить их законы. Сейчас мы с вами сделать это еще не можем, так как вы только начали изучать физику. Но по мере накопления физических знаний мы сумеем объяснить эти явления на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Чтобы сделать вывод о том, что взаимосвязь физических явлений не является случайной, ее наличие проверяют на примере множества подобных явлений. Если связь между величинами, которая характеризует те или иные явления, оказывается постоянной, то ее называют физическим законом.

Физический закон можно записать в виде формулы, которая будет называться математической записью физического закона.

Таким образом, последовательность изучения физических явлений может быть следующей: наблюдение → гипотезы → эксперименты → теоретический вывод.

Рассмотрите рисунок 2.6. Какие методы изучения физических явлений изображены на нем?

Рис. 2.6

Установленный в ходе эксперимента закон объясняется с помощью физической теории, в которую входят описание определенных физических явлений, величины, характеризующие их, результаты эксперимента по выявлению закона. Например, в этом году вы будете изучать механические движения — они объясняются теорией, которая называется механикой. Примерами механического движения могут служить движение транспорта, деталей машин и механизмов, небесных тел, перемещение животных и т. д.

Физика и техника. Физика и техника тесно связаны друг с другом. Открытия в физике легли в основу работы станков, двигателей, генераторов, телевизоров. Все эти устройства работают, используя законы физики.

Мечта человека о ковре-самолете, сапогах-скороходах, волшебном зеркальце, которое может показать то, что происходит в других местах, сейчас воплотилась в реальность благодаря достижениям физики. Вспомните о самолетах и вертолетах, переносящих человека на любые расстояния и достаточно быстро. Вспомните о машинах, кораблях и поездах, которые могут доставить вас в любую точку земного шара. Вспомните о радио и телевизорах, которые позволяют нам виртуально присутствовать в разных точках земного шара и даже космического пространства.

Все это стало реальным благодаря кропотливому труду ученых-физиков, конструкторов, инженеров, техников.

Новые открытия в физике приводят к совершенствованию существующей техники или появлению новой. Развитие же техники, в свою очередь, ведет к дальнейшему развитию науки.

Так, например, открытие радиоволн и изучение их свойств позволило создать различные радиотехнические устройства, которые применяются в радиосвязи, радионавигации, радиолокации, телевидении.

Развитие этих областей техники способствовало дальнейшему изучению электрических явлений, что, в свою очередь, привело к изобретению калькуляторов, компьютеров, созданию сотовой связи, цифровой фотографии и т. д.

Развитие физики обусловило появление таких отраслей, как робототехника и космонавтика (рис. 2.7). Теперь человечество имеет возможность бороздить просторы Солнечной системы, изучая другие планеты. Космические корабли, управляемые с Земли, прилетают к другим небесным телам, фотографируют их. Зонды-роботы, опущенные на эти планеты, исследуют их поверхность и атмосферу.

Рис. 2.7. а) Робот; б) космическая станция

Многие космические спутники и корабли с космонавтами запускаются с космодрома Байконур, расположенного на территории Казахстана. На космодроме Байконур создан космический ракетный комплекс «Байтерек», работа которого основана на современных достижениях физики и техники.

Нам нужно помнить, что за достижениями техники и благами цивилизации стоит труд конкретных людей — ученых, конструкторов, инженеров, техников и простых рабочих. Придет время, и ваш труд будет служить во благо цивилизации. Для этого необходимо учиться, учиться и еще раз учиться. Учиться нелегко, но знания, приобретенные в процессе учебы, станут фундаментом для вашей дальнейшей профессиональной работы.

Вопросы

1. Что называется наблюдением, а что — экспериментом? Чем они отличаются друг от друга, а чем похожи?
2. Что называют гипотезой?
3. Какова последовательность изучения явлений природы?
4. Каким образом устанавливается физический закон?
5. Где используют физические явления и законы?
6. Куда исчезает лужа с асфальта? Предложите свою гипотезу. Каким опытом ее подтвердить?

Творческая мастерская

Наблюдайте. Вы совершаете путешествие на поезде, следующем из Алматы в Астану. Посмотрев в окно, вы наблюдаете движение товарного поезда. Вам кажется, что движется именно он. А как узнать, кто же на самом деле движется? Для ответа воспользуйтесь цепочкой последовательностей: наблюдение — гипотеза — эксперимент — объяснение явления — вывод.

Исследуйте. Юра Ким каждый день наблюдал за тем, как растет бамбук, посаженный его дедушкой. А его брат Ян Ким каждый день измерял изменение высоты ростков бамбука. Кто из них может высказать гипотезу о скорости роста бамбука? Какой еще прибор необходим для определения скорости роста бамбука?

Объясните.

1. Ракета стартует с космодрома Байконур. Какими физическими явлениями сопровождается ее запуск?
2. Если бутылку воды, долго находившуюся в холодильнике, поставить на стол, то она запотевает (покрывается мелкими капельками воды). Выдвиньте гипотезу, которая сможет объяснить этот факт. Какими экспериментами это можно подтвердить?

Анализируйте.

1. В стакан с водой выжмите немного лимонного сока и размешайте. Затем добавьте в воду чайную ложку пищевой соды. Какую реакцию вы наблюдаете? Чем характерна эта реакция? Вы наблюдали физическое или химическое явление?
2. С помощью трубочки, предназначенной для питья соков, выдуйте на дно стакана с теплой водой каплю растительного масла. Опишите весь процесс, происходящий с каплей масла, начиная с ее выхода из трубки. Как меняется форма капли при ее движении вверх и после всплытия? Понаблюдайте и опишите этот же процесс, используя трубочки различного диаметра.
3. Возьмите длинную линейку или палку. Поместив указательные пальцы правой и левой рук под края линейки или палки, начните сводить их. Объясните наблюдаемый эффект.
4. Вырежьте из пенопласта небольшой круг и поместите его в широкую тарелку с водой. Опустите в воду перед ним на расстоянии 5–10 см кусочек мыла. Что вы наблюдаете? А теперь повторите опыт, поместив перед кругом кусочек сахара-рафинада. Что вы теперь наблюдаете?
5. Просмотрите видео через QR-код, проанализируйте процесс, изображенный на нем, и выскажите свою гипотезу образования инея.

Самое важное в главе

Физика — наука о природе. Она изучает физические явления и свойства веществ. Основные методы изучения: наблюдение, эксперимент, теоретическое исследование. Знания систематизируются в форме физических законов и физических теорий.