Физика – одна из наук, изучающих природу. Свое название физика получила от греческого слова «фюзис», что в переводе означает «природа». Поначалу физикой называли науку, которая рассматривала любые природные явления. Впоследствии же круг изучаемых физикой явлений был достаточно четко обозначен.
Что же называют явлениями природы? Явления природы – это изменения, которые постоянно в ней происходят.
Среди физических явлений прежде всего необходимо назвать:
Благодаря важным открытиям развивается не только сама физика, но и другие естественные науки: химия, астрономия, биология и др. Физика – одна из основ естественных наук. Изучение физики имеет важнейшее значение и для развития техники: люди получили возможность сконструировать самолеты и космические корабли, электронные приборы, компьютерную технику и многое другое.
Многие свои знания люди получают из наблюдений. Ученые-физики также используют в своей работе метод наблюдений. Часто применяют и другой научный метод – опыт. В этом случае обдуманно, с определенной целью создают условия для протекания того или иного явления и затем изучают его. Опыт – важнейший источник физических знаний.
Как правило, опыты проводятся в специальных лабораториях, с использованием лабораторных приборов и оборудования. Изучая физические явления, стремятся не только выяснить их причины, но и наиболее точно описать их, выразить количественные соотношения. Для этого приходится проводить измерения физических величин.
Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу величины. При проведении измерений используют разнообразные измерительные приборы и инструменты – линейки, термометры, секундомеры, амперметры и др. Для каждой физической величины существуют свои единицы измерения. Например, длину измеряют в метрах, площадь – в квадратных метрах, температуру – в градусах Цельсия. Для удобства в разных странах стараются пользоваться одинаковыми единицами. Наибольшее распространение получила Международная система единиц (СИ).
При изучении физических явлений устанавливают связи между величинами. Если связь между величинами носит устойчивый характер, ее называют физическим законом, который является математическим выражением закона природы.
Объяснить, почему то или иное явление протекает так, а не иначе, выяснить причину явления позволяет физическая теория. Курс физики дает возможность не только объяснить, но и предсказать ход явлений, свойства тел.
Каждая физическая теория описывает определенные явления окружающего материального мира. Все они связаны между собой, поскольку материальный мир един. Совокупность всех наших знаний о мире представляет собой физическую картину мира.
По мере развития науки происходит углубление и уточнение знаний о материальном мире. Не все свойства материального мира и законы природы уже известны и изучены. Однако развитие науки свидетельствует о том, что материальный мир познаваем и процесс познавания бесконечен.
Именная карта банка для детей с крутым дизайном, +200 бонусов
Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы
План урока:
Что изучает физика?
Примеры изучения физики: свет, звук, лёд, радуга (Источник unsplash.com)
Примеры тел: велосипед, сумка с вещами, карандаши, ткани и ножницы
Эти и другие предметы называются физическими телами. Тело состоит из вещества. Например, линейка может быть деревянной, стальной, пластмассовой. Поэтому, сталь, дерево, пластмасса – это физические вещества.
Примеры веществ в ведрах: деревянное, металлическое, пластиковое
Некоторые тела состоят из одного вещества, другие – из нескольких, например, бронза – сплав меди и олова. Тела, состоящие из одного вещества, называются однородными, а из нескольких веществ – неоднородными.
Вещество можно видеть, ощущать, фиксировать при помощи органов чувств. Но существует еще один вид материи, которая регистрируется только приборами. Это поле. Поле определяет притяжение тел к Земле, а планет к Солнцу. Останкинскую телебашню и телевизоры в домах соединяют между собой также физические поля.
Магнитное поле вокруг Земли
Понятия «материя» и «поле» более глубоко изучаются в старших классах.
Явления неживой природы
Окружающий человека мир постоянно меняется. Изменения в неживой природе называются физическими явлениями. Летит птица или ползет гусеница, сверкает молния, гремит гром, идет дождь, река несет свои воды мимо берегов, падает с дерева листок, просыпается вулкан, ветер поднимает пыль на дороге, кипит вода в чайнике, тает снег и много-много другого происходит вокруг. (Если нужно рассмотреть изменения, происходящие в живом организме птицы или гусеницы, то этим займутся другие науки, например, биология, зоология).
Существует несколько видов физических явлений.
Многие процессы имеют сложный характер. Например, вспышка молнии – это одновременно и электрическое, и магнитное, и оптическое явление.
Наблюдения и опыты
Человеку свойственны любопытство, интерес. Люди всегда пытались понять и объяснить окружающий их мир, но объяснение должно быть научно, т.е. должно опираться на физические теории и законы. Как же открываются законы, и создаются теории? Первый этап поиска научной истины называется научным наблюдением.
Процедура наблюдения содержит разнообразие методов, приводящих к истине:
Но для полного понимания происходящего нужно перейти ко второму этапу – опытному. Опыт позволяет воссоздать природное явление в лаборатории ученого.
Лишь после этого создается теория – третий заключительный этап поиска истины.
Работая над созданием теории, ученые вводят различные физические величины, которые характеризуют изучаемое явление, например, время, длина, масса. Правильное и точное измерение величин играет большую роль в выработке правильного вывода. Для этого нужны специальные приборы: часы, линейка или сантиметровая лента, весы и т. д.
Между измеренными величинами устанавливаются определенные связи, которые являются закономерными и называются физическими законами. Законы, описывающие общую группу явлений, образуют физическую теорию.
Вот пример рождения одной из теорий. На что реагирует человек прежде всего? Конечно, на движущиеся предметы. Наблюдая за движением птиц, животных, небесных тел, за падением капель дождя и снега, человек задумывается о причинах, которые заставляют двигаться тела. Он сравнивает движение разных тел, находит сходство и различие в их движении.
Ученые, жившие еще до нашей эры, Аристотель, Архимед и другие положили начало учению о движении, основываясь на наблюдениях. Но одни наблюдения не могли точно и верно объяснить движение тел.
В XVI – XVII веках ученые переходят к экспериментальным методам. Результатом опытов Х. Гюйгенса, Г. Галилея, Р. Декарта, И. Кеплера и многих других ученых стали законы, описывающие падение тел, движение планет Солнечной системы, поведение тел при столкновениях.
Эйнштейн, Ньютон, Аристотель, Архимед
И это еще не все. Пока не изучены еще звездные миры, до которых надо добраться. Но как? Это вопрос будущего. И ответ на этот вопрос, может быть, даст еще одна теория движения.
Сложен путь решения загадок, которые ставит перед человеком природа. Но учиться распутывать и разгадывать их нужно правильно, как это делает наука физика:
И главная задача физики: открыть физические законы, по которым протекают различные явления; найти закономерности, сравнить и обобщить результаты; объяснить причины явлений и процессов, предположить их развитие; использовать эти законы в жизни и деятельности человека.
Законам физики подчиняется все, что находится во Вселенной.
Неизвестное слово «СИ»
При изучении физики приходится решать очень много расчетных, количественных, задач, где используются единицы измерения различных физических величин. Эти единицы измерения переводятся в общепринятую международную систему единиц измерения – СИ. Широко используются такие привычные единицы, как литр, минута, час, тонна, гектар и другие. Но, решая задачи по физике, нужно и их уметь переводить в систему интернациональную (СИ). Почему? Развернутый ответ на это вопрос здесь:
Сразу очень непросто дать ответ на эти вопросы. Нужно быть неплохим эрудитом для этого. Первый набор слов обозначает единицы длины, а второй – единицы объема.
До 1960 года положение в обозначении физических величин было катастрофическим. Одни и те же физические величины по-разному обозначались не только в различных науках, но и в различных разделах физики. Одна и та же величина имела от 10 до 20 и более единиц измерения. А если учесть, что в разных странах тоже имелись свои единицы измерения, то получалась полнейшая неразбериха. Помнится история Вавилонской башни, которую не могли достроить, так как строители, начав говорить на разных языках, перестали понимать друг друга. Эта же история назревала и в мире физических единиц измерения.
Без измерения нельзя обойтись в любой сфере практической деятельности человека. В производственной и научной практике приходится измерять более 2 тысяч различных величин. Кроме того, возросли требования к точности измерения, ведь в те годы развивались такие отрасли, как кибернетика, электроника, космическая техника. Необходимо было решить противоречие: много очень точных измерений физических величин необходимо человечеству, но делались эти измерения в различных единицах, которые очень сложно сводить друг с другом.
Решением этой проблемы явилось введение единого универсального языка для измерения физических величин, понятного для всех стран. Таким языком стала Международная система единиц физических величин, разработанная ведущими специалистами ряда стран и утвержденная в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Сокращенно эту систему называют СИ – система интернациональная.
В основе СИ – 7 основных единиц (см. таблицу) и 2 дополнительные (радиан и стерадиан, изучаются в старших классах школы). Все другие физические единицы СИ называются производными. Они образованы основными и дополнительными единицами.
Над единицами величин производятся математические действия. Следует запомнить некоторые правила работы с ними:
Сложные комбинации физических единиц называют в честь великих ученых, внесших большой вклад в определение этих величин. Причем сами единицы пишутся с маленькой буквы, а их сокращенные обозначения – с большой, например, 12 ньютонов и 12 Н.
Для измерения малых и больших величин применяются дольные и кратные приставки к основным единицам. Например, приставки милли (м) и микро (мк) обозначают тысячную и миллионную доли, а кило (к) и мега (М) в тысячу и миллион раз большую.
4 км = 4 000 000 мм;
Изучая старинные единицы измерения длин, масс, площадей, объемов, можно перевести их в систему СИ с помощью справочников и наглядно представить эти физические величины.
2. Фут – (в пер. с англ. значит «ступня»). 1 фут = 30 см 48 мм.
3. Кабельтов – 1) в мореплавании (185,2 м). 2) в артиллерии (182,87 м). 3) Специальный трос для швартовки.
4. Сажень – часто использовалась на Руси. По сведениям истории, названий саженей больше 10, между собой они никак не связаны. Простая сажень – 150,8 см.
Меры объема:
5. Штоф – одна десятая часть ведра, равная десяти чаркам – это примерно 1,23 л. Введен в петровские времена для алкогольных напитков.
7. Пинта – исторически принятая в странах английской системы мера объема жидкостей. Применяется редко в быту и торговле.1 пинта = 0,56 л.
9. Четверть – на Руси мера объёма сыпучих тел. 1 четверть = 1.4 ведра = 3,08 л.
10. Баррель – 1) Единица объема, используемая в пивоварении. 2) Единица объема в производстве нефти. 1 баррель = 159 л.
Методическое пособие по физике «Физика-наука о явлениях природы»
1.1. С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ПРИРОДЕ?
люди сконструировалисамолет (рис. 2).
Изучив способ передвижения медузы (рис. 3), ученые придумали ракетный двигатель (рис. 4).
Наблюдая за молнией, ученые открыли электричество, без которого сегодня люди не могут жить и работать. Всевозможные бытовые электрические устройства (осветительные лампы, телевизоры, пылесосы) окружают нас повсюду. Различные электрические инструменты (электродрель, электропила, швейная машинка) используются в школьных мастерских и на производстве.
1.2. ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА ФИЗИКА?
Ученые разделили все физические явления на группы (рис. 6):
Рис. 6
Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника). Электрические явления — это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния). Магнитные явления — это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север). Оптические явления — это явления, возникающие при распространении, преломлении и отражении света (отражение света от зеркала, миражи, появление тени). Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед). Атомные явления — это явления, возникающие при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).
Наблюдай и объясняй.
1. Приведи пример природного явления. 2. К какой группе физических явлений оно относится? Почему? 3. Назови физические тела, которые участвовали в физических явлениях.
Физика — наука, изучающая физические явления, которые происходят с физическими телами.
2. СПОСОБЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ С ФИЗИЧЕСКИМИ ТЕЛАМИ
2.1. ЧТО НАЗЫВАЮТ ФИЗИЧЕСКИМ ЗАКОНОМ?
Вспомни к уроку: •Физическое явление •Физическое тело
Наблюдая за падением физических тел — камня, капель дождя, карандаша, ты изучил физическое явление. Ты выяснил закономерность, характерную для него, и выдвинул гипотезу, которую подтвердил на опыте. Можно сказать, что ты доказал физический закон, утверждающий, что все тела притягиваются к поверхности земли. Вспоминай и объясняй. 1. Вспомни свои наблюдения за сменой времен года. 2. Какие гипотезы можно построить на основе данных наблюдений? 3. Открой и подтверди доказательствами физический закон о смене времен года.
2.2. КАК РАЗВИВАЛИСЬ ЗНАНИЯ О ФОРМЕ ЗЕМЛИ?
Очень часто, для того чтобы получить новое знание, человечество должно пройти очень долгий путь. Например, получить знания о форме и размерах Земли удалось далеко не сразу. Это представление сформировывалось постепенно, по мере накопления информации об окружающем мире. Сначала у людей было представление, что Земля плоская и лежит на большой черепахе или ките (рис. 9). В те времена люди жили на очень ограниченном пространстве и мало путешествовали. С развитием мореплавания они получали все больше и больше информации о поверхности Земли. Провожая корабли, люди видели, что они постепенно скрываются за горизонтом (рис. 10) и так же постепенно появляются. В результате был сделан вывод о том, что земная поверхность имеет некоторую кривизну.
Первым предложил считать Землю шаром Пифагор, знаменитый древнегреческий философ, родившийся на о. Самос в 584 г. до н. э. В 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» приводил доводы в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Первые неопровержимые доказательства шарообразности Земли были получены только спустя тысячи лет, в XVI в., когда начались первые кругосветные путешествия. Первое в истории человечества кругосветное плавание совершил Фернан Магеллан в 1519—1522 гг. Этим путешествием было доказано наличие единого Мирового океана и получено практическое доказательство шарообразности Земли. Полеты в космос уточнили форму и размер Земли. Первый такой полет был совершен Юрием Алексеевичем Гагариным в 1961 г. Прошло не одно тысячелетие от первых предположений о том, что Земля имеет шарообразную форму, до бесспорного доказательства этого утверждения. Выполни задание. Вокруг тебя каждый день происходит много интересных явлений. Опиши любое из них.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
3.1. ЧТО ТАКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ?
Вспомни к уроку: •Физическое явление •Физический закон
Наблюдая за падением камня, мы провели изучение физического явления и сформулировали физический закон. Однако точно сказать, с какой высоты падал камень и как быстро он совершал падение, мы не можем. Для точного описания физического явления используют характеристики, которые называются физическими величинами. У каждой физической величины есть своя единица. Например, единицами времени являются секунда (с), минута (мин), час (ч). Длительность падения камня можно охарактеризовать с помощью физической величины — время. Говоря о том, что время падения камня составило 1 секунду, мы выражаем физическую величину время с помощью числового значения — 1 и единицы времени — секунды.
Сравнивать между собой значения физической величины можно, только выразив их в одних единицах. Как, например, сравнить 24 ч и 3600 с? Необходимо эти значения времени выразить в одних единицах, например в секундах. Ты знаешь, что в одном часе (1 ч) — шестьдесят минут (60 мин), в одной минуте (1 мин) — шестьдесят секунд (60 с). Следовательно, чтобы определить, сколько секунд содержится в 24 ч, необходимо 24 ч x 60 мин x 60 с = 86 400 с. Этот результат показывает, что 24 ч больше, чем 3600 с. Единица длины
Для удобства представления значений физической величины часто используют кратные единицы, которые в 10, 100, 1000 и далее раз больше основных единиц, и дольные единицы, которые в 10, 100, 1000 и далее раз меньше основных единиц. Например, километр является кратной единицей метра и равен 1000 м. Приставка «кило» и определяет, насколько одна единица физической величины больше другой. Наблюдай и объясняй. Урок длится 40 мин. Какая физическая величина характеризуется в данном высказывании? Определи, в каких единицах она выражена.
3.2. НА ЧЕМ ОСНОВАНА РАБОТА ЧАСОВ?
Чуть позже появились песочные часы (рис. 12).
Сегодня часы есть не только в каждом доме, но и почти у каждого человека (рис. 13). По принципу работы они делятся на электронные и механические. Самые точные часы, которые являются эталоном времени, — атомные.
Работа часов основана на периодически повторяющихся процессах. Например, принцип работы песочных часов основан на том, что песок протекает через небольшое отверстие за определенное время. Значит, можно рассчитать количество песка, которое просочится через отверстие за 5, 10 минут. Работа механических наручных и настенных часов основана на периодически повторяющихся колебаниях маятника. Самые знаменитые и самые большие часы в нашей стране — кремлевские куранты на Красной площади в Москве (рис. 14).
Самые большие механические часы в мире, которые и в наши дни заводятся только вручную, — это часы на башне Биг-Бен в Лондоне (рис. 15).
Выполни задание. Определи, сколько времени длится перемена. Вырази полученный результат в секундах, минутах, часах.
4. ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
4.1. ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ?
Вспомни к уроку: •Физическая величина •Физическое тело
Для того чтобы точно определять по прибору значения физических величин, надо знать цену деления измерительного прибора. Цена деления — это значение наименьшего деления шкалы прибора. Чтобы определить цену деления любого прибора, необходимо разность двух соседних значений физических величин, указанных на приборе, разделить на число делений между ними. Например, чтобы определить цену деления шкалы линейки, показанной на рисунке 17, необходимо взять два соседних значения, например 1 см и 2 см, вычесть из большего значения меньшее и разделить на число маленьких делений между ними, которое равно 10:
(2 см – 1 см)/10 = 0,1 см.
Произведя вычисления, мы узнаем, что цена деления шкалы прибора равна 0,1 см. На линейке значения физических величин указаны в сантиметрах (см). Следовательно, цена деления шкалы получается равной 0,1 см, или одному миллиметру (1 мм). Сделай сам. Определи цену деления своей линейки.
4.2. КАКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ, РАССТОЯНИЯ, ПУТИ?
Для основных физических величин, таких как метр и килограмм, в мире разработаны и приняты различные эталоны, которые хранятся в Международном бюро мер и весов во Франции. С эталонов сделаны точные копии физических величин, которые разосланы по разным странам. В России основные эталоны физических величин хранятся в Главной палате мер и весов в Санкт-Петербурге. Со многими физическими величинами ты сталкиваешься ежедневно, одна из них — путь. Стандартной единицей пути является метр (м). Но для удобства используются единицы как меньше метра, такие как миллиметр (мм), сантиметр (см), дециметр (дм), так и больше метра, такие как километр (км). Эти же единицы используются, когда необходимо измерить длину, ширину, высоту, расстояние. Десять миллиметров (10 мм) составляют один сантиметр (1 см), а сто сантиметров (100 см) — один метр (1 м). Для больших расстояний используют единицу километр (км). В одном километре содержится тысяча метров (1000 м).
Для того чтобы точно определить размеры предмета, пройденный путь, длину или расстояние до объекта, нам необходим измерительный прибор. Простейшими приборами для этих измерений являются различного вида линейки, на которые нанесены стандартные шкалы, размеченные на миллиметры, сантиметры и метры. Небольшие расстояния мы можем измерить линейкой. Расстояния в несколько метров удобнее всего измерять рулеткой (рис. 17).
Для более точного определения размеров используется штангенциркуль (рис. 18) или микрометр (рис. 19).
Выполни задание. Измерь длину, ширину и высоту стола. Полученный результат вырази в миллиметрах (мм), сантиметрах (см), дециметрах (дм), метрах (м).
Физика – наука о природе. Роль эксперимента и теории в процессе познания природы. Физические законы. Основные элементы физической картины мира
Физика – наука о природе
Физика – одна из наук, изучающих природу. Свое название физика получила от греческого слова «фюзис», что в переводе означает «природа». Поначалу физикой называли науку, которая рассматривала любые природные явления. Впоследствии же круг изучаемых физикой явлений был достаточно четко обозначен. Что же называют явлениями природы? Явления природы – это изменения, которые постоянно в ней происходят.
Среди физических явлений прежде всего необходимо назвать:
механические, которые связаны с движением тел. Физика не только рассматривает и описывает движение, но и объясняет причины, по которым тело начинает или прекращает движение, движется или покоится;
тепловые, обусловленные внутренним строением вещества (изучает термодинамика);
Благодаря важным открытиям развивается не только сама физика, но и другие естественные науки: химия, астрономия, биология и др. Физика – одна из основ естественных наук. Изучение физики имеет важнейшее значение и для развития техники: люди получили возможность сконструировать самолеты и космические корабли, электронные приборы, компьютерную технику и многое другое.
Многие свои знания люди получают из наблюдений. Ученые-физики также используют в своей работе метод наблюдений. Часто применяют и другой научный метод – опыт. В этом случае обдуманно, с определенной целью создают условия для протекания того или иного явления и затем изучают его. Опыт – важнейший источник физических знаний.
Научные методы познания окружающего мира и их отличия от других методов познания.
Физика — это наука, занимающаяся изучением основополагающих и в месте с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. Поэтому понятия физики и ее законы лежат в основе любого раздела естествознания.
В настоящее время физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Она многое объясняет в зтих науках, предоставляет им мощные методы исследования.
Какими же путями добывается научная истина? Несколько сотен лет назад были выработаны основы физического метода исследования. Он состоит в следующем: опираясь на опыт, отыскивают количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой.
Исследование явлений начинается с их наблюдения. Но для того чтобы понять и описать происходящие события, ученые вводят целый ряд физических величин, таких как скорость, сила, давление, температура, электрический заряд и многие другие. Каждой величине надо дать точное определение, в котором указывается, как эту величину можно измерить, как провести необходимый для такого измерения опыт.
Чтобы из наблюдений за физическими явлениями сделать общие выводы, найти причины этих явлений, следует установить количественные зависимости между различными физическими величинами. Для этого необходимо специально изменять условия, в которых протекает данное явление. От непосредственного наблюдения за явлением надо перейти к физическому эксперименту. Если меняются все условия сразу, то трудно уловить какие-либо закономерности. Поэтому, проводя физический эксперимент, стремятся проследить зависимость данной величины от характера изменения каждого из условий в отдельности. Например, давление газа зависит от его массы, объема и температуры. Чтобы исследовать эту зависимость, надо сначала изучить, как влияет на давление изменение объема, когда температура и масса остаются неизменными. Затем нужно проследить, как давление зависит от температуры при постоянном объеме, и т. д.
Изучая количественные связи между отдельными величинами, можно выявить частные закономерности. На основе таких закономерностей развивают теорию явлений. Теория должна объяснять частные закономерности с общей точки зрения.
Как правило, опыты проводятся в специальных лабораториях, с использованием лабораторных приборов и оборудования. Изучая физические явления, стремятся не только выяснить их причины, но и наиболее точно описать их, выразить количественные соотношения. Для этого приходится проводить измерения физических величин.
Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу величины. При проведении измерений используют разнообразные измерительные приборы и инструменты – линейки, термометры, секундомеры, амперметры и др. Для каждой физической величины существуют свои единицы измерения. Например, длину измеряют в метрах, площадь – в квадратных метрах, температуру – в градусах Цельсия. Для удобства в разных странах стараются пользоваться одинаковыми единицами. Наибольшее распространение получила Международная система единиц (СИ).
При изучении физических явлений устанавливают связи между величинами. Если связь между величинами носит устойчивый характер, ее называют физическим законом, который является математическим выражением закона природы.
Объяснить, почему то или иное явление протекает так, а не иначе, выяснить причину явления позволяет физическая теория. Курс физики дает возможность не только объяснить, но и предсказать ход явлений, свойства тел.
Каждая физическая теория описывает определенные явления окружающего материального мира. Все они связаны между собой, поскольку материальный мир един. Совокупность всех наших знаний о мире представляет собой физическую картину мира.
По мере развития науки происходит углубление и уточнение знаний о материальном мире. Не все свойства материального мира и законы природы уже известны и изучены. Однако развитие науки свидетельствует о том, что материальный мир познаваем и процесс познавания бесконечен.
Роль эксперимента и теории в процессе познания природы
Познание окружающего мира характерно для всех живых существ, в том числе и человека, который научился эффективно приобретать новые знания, использовать их в своей жизни и накапливать для передачи последующим поколениям.
По мере изучения какого-либо явления, перед человеком все больше открываются его свойства и связи с другими явлениями. Такой процесс познания называют постижением истины. Истина – это верное отражение свойств изучаемых предметов или явлений, которые не зависят ни от конкретного человека, ни от всего человечества. Истина всегда относительна. Однако в ней содержится частичка такого знания, которое не может быть отвергнуто дальнейшим развитием познания – знания абсолютного. Каждый последующий шаг в познании прибавляет новые зерна в эту сумму абсолютной истины.
Исходя из целей познания, можно сформулировать критерий истинности наших знаний. Он определяется практикой, т.е. тем, насколько успешно их может применять человечество. Истинно то, что прямо или косвенно подтверждено практической деятельностью человека.
В настоящее время главенствующую роль в процессе познания занимает научное познание. Наука занимается выработкой и теоретической систематизацией объективных, т.е. не зависящих от конкретного исследователя, знаний о действительности.
Схему научного познания можно изобразить следующим образом:
В основе познания лежит чувственное восприятие – наблюдение, проводимое с помощью органов чувств или специальных инструментов.
Научный метод познания требует обобщения информации, полученной в процессе наблюдения каких-либо явлений, критического осмысления и их сопоставления с предыдущими наблюдениями. Научная интерпретация результатов наблюдений требует теоретического описания с помощью системы абстрактных понятий. Устанавливаются определенные правила работы с этими понятиями – правила логики.
Если в процессе изучения достаточно широкого круга явлений между ними обнаруживаются устойчивые повторяющиеся связи, в том числе и в виде численных соотношений между измеряемыми величинами, то они формулируются в виде законов. Постепенно расширяя научное описание рассматриваемого круга явлений, включая в него все новые объекты, наука приходит к созданию научной теории, т.е. к системе моделей, а также понятий и законов, позволяющих последовательно и непротиворечиво описывать широкий круг явлений.
Дальнейшее теоретическое построение на основе законов и моделей, базирующихся на формальной логике, приводит к выводам, которые можно проверить в специально поставленных экспериментах или более тщательных наблюдениях. Совпадение результатов наблюдений с выдвинутыми гипотезами о протекании новых экспериментов и подтверждение предсказаний теоретического обобщения, приводит к становлению теорий, которые в дальнейшем могут служить самостоятельными критериями истинности логических построений или основами для постановки и осмысления новых экспериментов.
В результате многократного воспроизведения какого-либо наблюдения, возникает жизненный опыт, соединяющий полученные сведения и реакцию человека на них. Этот опыт может фиксироваться и передаваться из поколения в поколение.
Таким образом, эксперимент лежит в основе физических теорий и в то же время служит для их проверки и уточнения. Теория, с одной стороны, обобщает результаты экспериментов и наблюдений, а, с другой стороны, предсказывает новые, пока неизвестные явления, служит основой для постановки новых экспериментов и наблюдений. Критерием правильности любой научной теории является практическая деятельность всего человечества, использующая ее выводы.
Одной из важнейших особенностей физики, отличающей ее от других наук, является использование особого инструмента познания, называемого экспериментом (от лат. experimentum – наглядный довод, доказательство, основанное на опыте).
Эксперимент – это метод познания, при помощи которого все явления действительности исследуются в управляемых условиях.
Эксперимент осуществляется на основе теории, определяющей постановку задачи и интерпретацию результатов. В отличие от наблюдения, в эксперименте изучаемый объект подвергается активному воздействию, что значительно увеличивает возможность его исследования. Он является практическим испытанием природы, ее свойств.
Основными требованиями к научному эксперименту являются объективность, т.е. независимость от наблюдателя, и воспроизводимость. Повторение эксперимента в другом месте, в другое время, с иными физическими объектами и измерительными приборами при тех же значениях физических величин, задающих экспериментальную ситуацию, должно давать те же значения для характеристик явления. Именно воспроизводимость эксперимента обеспечивает достаточную надежность описания явления.
Экспериментальный метод исследования появился в физике в начале XVII в., когда Галилео Галилей впервые применил его для изучения механического движения тел.
В настоящее время в качестве источника сведений о физических явлениях эксперимент играет основную роль.
В то же время наблюдение природных явлений и измерение их параметров сохраняет его значение в областях, где масштабы явлений не позволяют воспроизвести их в лабораторных условиях (в астрофизике, небесной механике, геофизике).
Физика использует разнообразные виды эксперимента: натурный (реальное падение реальных ядер с Пизанской башни), модельный (изучение сопротивления воды движению судов на их уменьшенных моделях), мысленный (рассуждения Галилея о наблюдении движения в каюте плывущего корабля), компьютерный (моделирование поведения газа, состоящего из большого числа упругих шариков).
Процесс познания природы неизбежно сопровождается изменением условий, в которых человек существует. Все великие достижения современной технической цивилизации появились как следствия (зачастую косвенные) поиска ответа на вопрос: как устроен мир? В современных условиях значительная часть ученых-физиков трудится над прикладными проблемами использования уже открытых законов, над проблемами разумного использования имеющихся достижений и над проблемами ликвидации последствий глобального воздействия достижений цивилизации на организм человека и среду его обитания.
Границы применимости законов
При изучении природы человек выделяет в ней интересующие объекты и явления. Такое вычленение всегда сопровождается появлением терминов или определенных понятий, обозначающих эти явления и характеризующих определенные их свойства.
Все явления в природе так или иначе связаны между собой. Отмечая устойчивые связи между отдельными явлениями, человек устанавливает связь и между введенными понятиями. Устойчивые связи между понятиями, которые отражают связи между различными объектами или явлениями природы, а также обществом, называются законами.
Законом в естественных науках называется краткое содержательное утверждение, фиксирующее устойчивые связи между понятиями, взаимосвязь между различными явлениями в природе, а также условия, при которых связи между понятиями выполняются.
Физика является точной наукой, использующей для описания явлений природы количественные характеристики – физические величины, поэтому форма выражения физических законов имеет специфику: они обычно выражаются языком математики как соотношения между физическими величинами, задаваемые в виде определенных формул.
Формулировка физического закона содержит две части. Первая часть определяет условия, при которых действует закон, вторая часть определяет соотношения между физическими величинами. Общая формулировка физических законов имеет обычно следующую конструкцию: «Если выполнены условия… то между физическими величинами имеется зависимость…(формульное выражение)». Например, «В инерциальной системе отсчета ускорение любой материальной точки пропорционально приложенной силе и направлено в сторону действия этой силы: ».
Большую трудность при изучении физических законов представляет лаконичность их формулировок. Лаконичность формулировки физических законов порой не позволяет указать все области применимости законов, что может приводить к серьезным ошибкам.
Для того чтобы научиться правильно использовать физические законы, необходимо знать области их применения, а также характерные физические ситуации, для которых эти законы сформулированы. Поэтому усвоение основных законов физики неизбежно связано с их использованием для решения задач.
Физические законы, как и любые другие, различаются по степени общности. Существуют три основные группы законов: частные, или феноменологические (закон Архимеда, закон сухого трения, закон Гука), общие для больших групп явлений (закон сохранения и превращения энергии, второй закон Ньютона) и всеобщие или универсальные, выполнение которых не ограничено никакими дополнительными условиями. Всеобщие законы часто называют физическими принципами. К универсальным законам физики относится, например, закон всемирного тяготения, точнее его часть – принцип эквивалентности, – в которой утверждается, что все тела, независимо от их химического состава и других свойств, имеют одинаковое ускорение в поле тяжести.
Одним из фундаментальных принципов любой теории является принцип причинности: все события в мире можно разделить на события-причины и события-следствия, при этом первое всегда по времени опережает второе. Например, изменение скорости тела всегда происходит в результате воздействия на него другого тела и всегда только после такого воздействия.
Феноменологические законы выявляют связи между физическими величинами, проявляющиеся только в частных ситуациях и справедливые лишь для конкретных условий. Например, закон Архимеда относится только к взаимодействию твердых тел с жидкостями или газами и выполняется только в тех случаях, когда погруженное в жидкость тело неподвижно относительно этой жидкости.
Для построения теории более интересными являются общие законы, справедливые для больших групп явлений. Такие законы называются фундаментальными.
Фундаментальные законы устанавливаются для простейших физических объектов, полностью характеризующихся небольшим числом параметров, что определяет очень широкую область применимости. В формулах для фундаментальных законов константы либо вовсе не содержатся (например, в законе сохранения электрического заряда), либо появляются только такие константы, которые сохраняют свои значения для любых условий опыта, например, гравитационная постоянная, масса и заряд электрона, скорость света в вакууме и др. В физической литературе такие константы называются фундаментальными.
В качестве примера фундаментального закона можно привести закон всемирного тяготения: между любыми двумя телами действует сила притяжения, значение которой пропорционально массам этих тел. Для материальных точек сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей точки:
Феноменологические законы в отличие от фундаментальных не позволяют раскрыть во всей полноте глубокие связи между явлениями. Но простота описания явлений с помощью феноменологических законов порой ценнее. С помощью таких законов удается немедленно получить практически важные результаты. Например, использование закона сухого трения для описания движения тел в механике позволяет конструировать всевозможные машины и механизмы. Если же попытаться рассчитать силы трения на основе фундаментальных физических законов, то мы столкнемся с огромными трудностями. Результаты расчетов будут иметь значительно более низкую точность, которая неприемлема для конструкторов. Таким образом, применение феноменологических законов является важнейшей частью инженерной и конструкторской работы.
Для исследовательской работы, направленной на изучение малоизвестных явлений, например в каких-то отдаленных частях Вселенной, необходимо пользоваться фундаментальными законами. Соотношения, устанавливаемые этими законами, практически не зависят от условий опыта, поэтому они могут быть применены почти в любой ситуации, что придает выводам, сделанным на их основе, большую надежность.
Существует определенный баланс между универсальностью фундаментальных законов, а также сложностью их применения, и ограниченностью законов феноменологических, но простотой их использования.
Физические законы обычно устанавливают на основе индуктивного (от лат. inductio – «приведение аналогичных примеров») обобщения экспериментальных данных. Часто возникает неверное представление о том, что физические законы открываются в лабораториях, где уединенные чудаки-ученые долгое время ставят какие-то таинственные опыты, записывая аккуратно полученные результаты, а затем, выбрав удачный день, бросают обобщающий взгляд и выдают новый закон. Действительно, определенная часть феноменологических законов была получена подобным образом на основе обобщения большого числа измерений. Однако открытие большей части законов связано с умением уловить закономерность в уже известных явлениях, посмотреть на них с другой стороны. Именно другая интерпретация астрономических наблюдений за движениями планет привела к открытию Кеплером законов их обращения вокруг Солнца. Для этого понадобилось отказаться от геоцентрическиой системы Птолемея и принять систему Коперника.
Таким образом, феноменологические, и фундаментальные законы, физические модели и целые теории, включающие в себя и законы и модели, могут применяться только в определенных условиях. Например, пропорциональность растяжения стержня или жгута приложенной силе (закон Гука) нарушается при больших растяжениях, второй закон Ньютона верен только в инерциальных системах отсчета, модель идеального газа должна использоваться только для разреженных газов, представления об атомах как о неделимых частицах – только в процессах, когда их кинетическая энергия ниже определенного уровня, классическая механика – только при скоростях частиц, много меньших скорости света.
Физическая картина мира
В результате многовековых исследований макроскопических тел на Земле, составляющих мегамир Вселенной, и исследование микроскопических частиц, образующих макротела, сформировалась единая картина устройства природы.
В ее основе единство законов физики на Земле и во всей Вселенной. Земля – планета Солнечной системы, вращающаяся вокруг своей звезды – Солнца за 365,25 сут., совершающая за одни сутки один оборот вокруг своей оси, наклоненной к плоскости ее околосолнечной орбиты. Солнце движется по краю Галактики, одной из множества галактик Вселенной. Все системы тел Вселенной непрерывно движутся и эволюционируют.
Материальный мир строится из взаимодействующих элементарных частиц. Взаимодействия частиц осуществляются с помощью физических полей, распространяющихся с конечной скоростью. Описание взаимодействия частиц легче вести на языке описания их энергий, при их взаимодействии в ходе всех взаимных превращений имеется сохраняющаяся физическая величина – энергия замкнутой системы, внутри которой могут осуществляться переходы одного вида энергии в другой, взаимопревращение одной формы материи в другую.
Одни и те же объекты материального мира в одних экспериментах проявляют свойства частиц, а в других – свойства волн (корпускулярно-волновой дуализм).
Структуры ядер, атомов, молекул, тел, планет, звезд, звездных скоплений во многом определяют свойства и ход явлений, в которых эти объекты участвуют.
Ряд законов физики являются статистическими. К ним можно отнести, например, основное уравнение МКТ и закон радиоактивного распада.
Познание истинного устройства материального мира бесконечно, появляются новые наблюдения и результаты экспериментов, не укладывающиеся в представления сложившихся теорий. Новые появляющиеся теории, претендующие на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старые, должны включать старые теории в качестве своего предельного случая (принцип соответствия). Так, законы квантовой механики, описывающие поведение микрочастиц, приобретают форму законов классической механики при переходе к частицам, с большой массой и большим перемещением. Аналогично физические величины специальной теории относительности при скоростях частиц много меньших скорости света, описываются соотношениями, принятыми в классической механике.
Изучив способ передвижения медузы (рис. 3), ученые придумали ракетный двигатель (рис. 4).
