Для чего в физике вводят модельные приближения физика 10 класс

Физика и познание мира (продолжение)

Модели в физике

Одним из мощных методов исследования в физике является метод моделирования.

Запомни
Моделирование — это процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.
Модель — это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление.

Подчеркнём, что модель должна сохранять те свойства реального объекта, которые определяют его поведение. Модели бывают теоретическими и лабораторными, в последнее время широко используются компьютерные модели.

При создании теоретической модели используются результаты наблюдений и экспериментов. Очевидно, что проблема становится более понятной с помощью конкретных образов, именно поэтому модель чаще всего бывает механической. Например, движение молекул газа наглядно можно представить как движение упругих шариков, строение атома сначала предполагалось аналогичным строению Солнечной системы.

Одна из первых моделей, которой мы будем пользоваться, — это материальная точка, т. е. тело, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Последние слова являются ключевыми: именно условия конкретной задачи позволяют применить данную модель.

Сначала, когда данных мало, модель, как правило, получается грубой, но по мере накопления экспериментальных фактов она уточняется, однако для ответов на некоторые важные вопросы можно остановиться и на примитивной модели.

В лаборатории моделируются, как правило, явления, изучение которых в природных условиях представляет значительные трудности. Например, течение реки, изменение её русла моделируются в гидравлических лотках, испытание моделей самолётов проводится в аэродинамической трубе. При этом должны выполняться разные условия подобия — геометрическое, кинематическое и т. д.

Теоретическое решение любой физической задачи сводится к математическому моделированию, т. е. написанию уравнений. Часто эти уравнения получаются достаточно сложными, и их решения делаются с помощью компьютеров.

Научные гипотезы

Запомни
Научная гипотеза — высказанное суждение, недоказанное утверждение, предположение, объясняющие наблюдаемые явления или результаты лабораторных экспериментов.

Научная гипотеза всегда выдвигается для решения конкретной проблемы, чтобы объяснить полученные экспериментальные данные или устранить разногласия между теоретическими и экспериментальными результатами, полученными в ходе проверки ранее выдвинутых гипотез. Например, немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории, М. Планк, разрабатывая квантовую гипотезу, опирался как на выводы, полученные в рамках классической теории излучения, так и на отрицательные результаты проверки предыдущих гипотез.

Слова русского учёного Д. И. Менделеева подтверждают важность научных гипотез в процессе научного познания: «Они (гипотезы. — Авт.) науке и особенно её изучению необходимы. Они дают стройность и простоту, каких без их допущения достичь трудно. Вся история наук это показывает. А потому можно смело сказать: лучше держаться такой гипотезы, которая может оказаться со временем неверною, чем никакой. Гипотезы облегчают и делают правильною научную работу — отыскание истины, как плуг земледельца облегчает выращивание полезных растений».

Физические величины и их измерение

Для того чтобы понять и описать эксперименты, учёные вводят целый ряд физических величин, таких, как скорость, сила, давление, температура, электрический заряд и многие другие. Каждой величине надо дать точное определение, ввести её наименование в определённой системе единиц, указать, как эту величину можно измерить, как провести необходимый для такого измерения опыт.

Чаще всего в определениях физических величин просто уточняют и придают количественную форму тому, что непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Так вводят понятия силы, температуры и т. д. Есть, конечно, величины, которые не воспринимаются непосредственно нашими органами чувств (например, электрический заряд). Но они выражаются через другие величины, на которые органы чувств человека реагируют. Так, электрический заряд определяется по силам взаимодействия между заряженными телами.

Для измерения физической величины необходим эталон, стандарт, т. е. некоторое средство измерения, позволяющее хранить единицу, передавать и повторять её размер. Эталоны, такие, например, как эталоны метра, килограмма и многих других величин, хранятся в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция). Точные копии эталона разосланы в разные лаборатории мира.

А существует ли вообще точное значение физической величины? Мы знаем, что любое тело состоит из атомов. При увеличении точности измерения мы приходим к необходимости измерения объектов очень малых размеров, таких, как атомы и молекулы. Одним из существенных выводов квантовой механики был вывод о том, что бессмысленно даже ставить вопрос о точном значении физической величины, причём неопределённость лежит в основе самих законов природы, а не в несовершенстве приборов.

Источник

§ 5. Приближенный характер физических теорий

Необходимость упрощения реальных явлений

Не следует думать, что только фундаментальные теории базируются на фактах, а конкретные явления можно объяснить на основе этих теорий без обращения к эксперименту. Сейчас мы в этом убедимся.

Любое явление, любой процесс, свойства любого конкретного тела бесконечно 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 немыслимо. Самые простые явления приводили бы к сложным, неразрешимым теоретически задачам.

Например, падение камня принадлежит к числу простых явлений. Главный фактор здесь — притяжение к Земле. Но имеется еще целый ряд обстоятельств, влияющих на падение камня: сопротивление воздуха, вращение Земли, ее форма (Земля сплюснута у полюсов), притяжение к окружающим телам, к планетам и т. д. Все эти влияния действительно есть, но почти всеми ими можно (и даже нужно) пренебречь. Иначе задачу о падении камня вообще невозможно было бы решить.

В данном случае все просто и основной фактор можно выделить сразу. Но так обстоит дело далеко не всегда. Попробуйте ответить на вопрос: что в основном определяет подъемную силу крыла птицы или самолета?

Упрощенная модель явления

Подчеркнем одно коренное отличие физического метода исследования от математического.

В математике при образовании основных понятий раз и навсегда отвлекаются от качественного своеобразия объектов, выделяя существенные для математики количественные отношения, и далее имеют дело с логическими следствиями первоначальных положений. Например, в геометрии раз и навсегда вводится понятие точки, и затем с ним оперируют, не заботясь о том, существуют ли точки в природе.

В физике при анализе каждого нового явления нужно уметь каждый раз выделять существенное в нем и, следовательно, определенная идеализация, упрощение реальных обстоятельств всегда должны иметь место. Например, в физике тоже вводится понятие материальной точки как тела, обладающего массой, но не имеющего размеров. Однако в физике это понятие всегда рассматривается как некоторое приближение к действительности, которое справедливо только при определенных 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 сравнительно легко 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. Например, движение искусственных спутников и даже Луны заметно зависит от размеров и формы Земли.

Итак, при рассмотрении явлений нужно прежде всего определить, какой упрощенной моделью можно заменить происходящее в действительности сложное явление.

Объяснение конкретных явлений невозможно без опоры на эксперимент

Теперь вернемся к роли эксперимента в объяснении конкретных физических явлений.

Мы не можем чисто теоретически установить, пригодна ли данная упрощенная модель для описания конкретного явления. Чтобы теоретически оценить влияние различных факторов на явление, нужно сначала все их учесть, а потом сравнить их роль. Но это немыслимо из-за громадной сложности и многообразия влияний, определяющих реальный процесс.

Только опыт дает нам уверенность в правильности той или иной модели явления. Правда, далеко не всегда нужны специальные опыты. Часто можно опираться на сведения, взятые из уже известных экспериментов, не имеющих непосредственного отношения к рассматриваемой задаче.

От чего зависит выбор упрощенной модели явления?

Для понимания сущности физического метода исследования важно еще одно обстоятельство. Выбор той или иной упрощенной модели определяется не только свойствами самого исследуемого объекта, но зависит также от характера процессов, которые мы намерены изучать. Приведем два примера.

Пример 1. Пусть исследуемым объектом будет металлический диск, подвешенный на упругой проволоке, длина которой намного больше размеров диска. Если нас интересует вопрос о периоде линейных колебаний диска (период — время, в течение которого диск возвращается в исходное положение после того, как проволока отклонена в вертикальной плоскости на некоторый угол), то можно не учитывать распределение массы в диске и считать его точкой. Период колебаний определяется только длиной проволоки й ускорением, сообщаемым Землей всем телам у ее поверхности. Распределение масс и упругие свойства диска тоже влияют на период, но это влияние мало и им можно пренебречь.

Изучая крутильные колебания диска (колебания вокруг проволоки как оси), мы уже не имеем права пренебрегать распределением масс, так как именно оно определяет значение периода. Но здесь можно не учитывать малые деформации диска (а они обязательно есть) и рассматривать диск как абсолютно твердое тело.

Теперь ударим по диску молоточком. Он зазвенит, так как в нем возникнут упругие колебания. При изучении этих колебаний мы уже не можем считать диск абсолютно твердым.

Итак, от характера изучаемого явления зависит, какие свойства диска необходимо учитывать, а какими можно пренебречь.

Пример 2. Если нас интересуют только механические и тепловые свойства разреженного газа, то приблизительно объяснить эти свойства можно, рассматривая молекулы газа как маленькие упругие шарики, движущиеся хаотически, сталкивающиеся друг с другом и со стенками сосуда. Давление на стенки сосуда как раз и обусловлено этими соударениями. Мы можем даже экспериментально осуществить эту модель газа. Горошины могут моделировать молекулы, а их хаотическое движение можно возбудить с помощью колеблющихся стенок сосуда. Но оптические свойства газа такая модель объяснить совершенно не в состоянии.

Источник

Презентация по физике 10 класс (профильный уровень)

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Описание презентации по отдельным слайдам:

Траектория. Закон движения. Урок 4 10 класс

Содержание Механическое движение. Траектория. Закон движения. Вопросы

Механическое движение Механическое движение – изменение пространственного положения тела относительно других тел с течением времени. Кинематика ( kinematos – движение) – изучает механическое движение тел, не рассматривая причины, которыми это движение вызывается.

Задача кинематики: математическое описание движения тел. Т.е. узнать положение тела в пространстве в любой момент времени

Тело отсчета – произвольно выбранное тело, относительно которого определяется положение движущейся материальной точки (или тела) Земля – тело отсчета Ракета – материальная точка Солнце – тело отсчета Планеты – материальные точки

Траектория Траектория – воображаемая линия, соединяющая положения материальной точки (тела) в ближайшие последовательные моменты времени.

Траектория В разных системах отсчета траектория движения может быть различной.

Закон движения Система отсчета – совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов.

Тело отсчета – позволяет определять изменение положения движущегося тела. Система координат – для определения точного положения тела. Часы – для определения промежутков времени.

Закон движения Движение по прямой (лошадь) – одна координатная ось Движение по плоскости (лодка) – две координатных оси Движение в пространстве (самолет) – три координатных оси

Совокупность координат x(t), y(t), z(t) в момент времени t определяет закон движения материальной точки в координатной форме. Кинематические уравнения движения,заданные координатным способом х= x(t), у=y(t), z=z(t)

Вопросы 1. Какое движение называют механическим? 2. Какое тело можно считать материальной точкой? 3. Что такое система отсчета? 4. Произойдет ли столкновение двух кораблей, если траектории их движения пересекаются? 5. Что определяет закон движения тела?

Домашнее задание: § 7, устно ответить на вопросы параграфов. №5,11,13,15,17,19 письменно (Сб. авт. Рымкевич)

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Материал презентации составлен на основании теоретического материала учебника В. А. Касьянова «Физика 10 класс. Углубленный уровень».Презентация содержит 4 части:1.Механическое движение.2.Траектория.3.Закон движения.4.Вопросы.

Показано, что в разных системах отсчета траектория движения может быть различной.

Приведены кинематические уравнения движения, заданные координатным и векторным способами.

В качестве домашнего задания кроме теории предлагаются письменные задания.

Номер материала: ДБ-025657

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Псковских школьников отправили на дистанционку до 10 декабря

Время чтения: 1 минута

ВПР для школьников в 2022 году пройдут весной

Время чтения: 1 минута

Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст

Время чтения: 1 минута

В России утвердили новый порядок формирования федерального перечня учебников

Время чтения: 1 минута

Госдума приняла закон об использовании онлайн-ресурсов в школах

Время чтения: 2 минуты

Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник

Физические модели

Всего получено оценок: 275.

Всего получено оценок: 275.

Физика изучает самые общие свойства Природы, устанавливая правила и законы, по которым происходят всевозможные процессы и явления. При этом практически всегда используется прием, называемый физическим моделированием. Рассмотрим суть этого приема подробнее, дадим определение физической модели.

Необходимость упрощения

Рассматривая любое физическое явление, можно всегда заметить, что среди множества характеристик реального объекта существуют как важные для текущей практической задачи, так и второстепенные, не влияющие на нее.

Рис. 1. Явления, изучаемые физикой.

Например, если стоит практическая задача взвешивания груза, она решается с помощью весов, которые могут иметь самые различные принципы и конструкции. Точное описание процесса, происходящего при простейшем взвешивании, может включать огромное количество всевозможных характеристик и закономерностей, начиная от макроскопических (например, форму, которую имеют весы), и заканчивая микроскопическими (например, точным химическим составом частей весов).

Однако, для поставленной задачи большая часть этих параметров являются несущественными. Решение задачи требует, чтобы взвешиваемая масса была равна заданной (это важный параметр в данном случае), а какую форму имеют весы, и каков точный химический состав сплава, из которого они сделаны – для решения не играет роли (это второстепенные и неважные параметры).

Точно так же, в любом физическом процессе и явлении можно выделить огромное множество характеристик, но важными для поставленной задачи будут являться далеко не все. И при физическом описании разумно всегда использовать минимум необходимых параметров.

Здесь действует важная философская концепция, называемая «Бритвой Оккама». Она гласит, что из всех теорий, правильно описывающих явление, следует отдавать предпочтение более простой.

Физическая модель

Применение принципа упрощения наиболее ярко проявляется в использовании специальных объектов, называемых «физическими моделями».

Физическая модель – это некоторое описание реального явления, в котором участвует минимум параметров, необходимых для правильного описания явления и правильного решения поставленных задач.

Хорошим примером физической модели является понятие «материальной точки». Данное понятие используется в механике для описания движения и взаимодействия тел. Материальная точка имеет некоторые координаты в выбранной Системе Отсчета и некоторую массу. При этом, как и геометрическая точка, она не имеет ни формы, ни объема, ни ориентации в пространстве. Все понимают, что в Природе нет объектов, которые бы не имели формы, объема и ориентации, но при этом еще бы и имели некоторую массу. Однако, для описания движения и взаимодействия тел во многих случаях все эти характеристики реальных тел неважны. В кинематике изучается только движение и координаты тела. В динамике и статике также важна масса тела. Остальные параметры для законов движения практически всегда не важны.

В итоге в механике модель «материальная точка» используется в большинстве случаев.

В других областях физики используются другие модели. Например, в термодинамике такой моделью является идеальный газ. В электродинамике – идеальные проводники и диэлектрики. В оптике – абсолютно черное тело.

Рис. 3. Физические модели.

Что мы узнали?

В описании любого физического явления существуют важные и неважные для решения поставленной задачи характеристики. Исходя из философского принципа «Бритва Оккама», следует строить теории так, чтобы они использовали достаточный минимум характеристик. Такое описание явления, содержащее только характеристики, необходимые для решения задачи, называется физической моделью явления.

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Урок 1. Физика и естественнонаучный метод познания природы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

предмет изучения физики;

роль и место физики в формировании современной научной картины мира;

понятия: физическая величина, физический закон, физическая теория, эксперимент, моделирование;

методы исследования физических явлений и процессов;

Моделирование – это процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.

Модель – упрощенная версия реального объекта, процесса или явления, сохраняющая их основные свойства.

Научный факт – утверждение, которое можно всегда проверить и подтвердить при выполнении заданных условий.

Научная гипотеза – предположение, недоказанное утверждение, выдвигаемое для объяснения каких-нибудь явлений.

Постулат – исходное положение, допущение, принимаемое без доказательств.

Физика – это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физическая величина – свойство материального объекта или явления, общее в качественном отношении для класса объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физический закон – основанная на научных фактах устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состоянием тел и других материальных объектов в окружающем мире.

Физический эксперимент – способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях.

Список обязательной литературы:

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 5 – 9.

1. В.А.Касьянов. Физика.10. Учебник для общеобразовательных учреждений: профильный уровень.

М.: Дрофа, 2005. С. 3-16.

2. Перельман М.Е. Наблюдения и озарения, или как физики выявляют законы природы. Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012.

Основное содержание урока

Физика тесно связна с астрономией, химией, биологией, геологией и другими естественными науками. Физическими методами исследования пользуются ученые всех областей науки. За последние четыре столетия люди освоили географию, проникли в недра Земли, покорили океан. Человек создал устройства, благодаря которым он может передвигаться по земле и летать, общаться с жителями других континентов, не покидая собственного жилища. Люди научились использовать источники энергии, предотвращать эпидемии смертоносных болезней. Эти и другие достижения – результат научного подхода к познанию природы

Физика – фундаментальная наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физика основывается на количественных наблюдениях. Основателем количественного подхода является Галилео Галилей.

Материя – объективная реальность, существующая независимо от нас и нашего знания о нем. Материя существует в виде вещества и поля.

Формы материи: пространство, время. Движение – способ существования материи.

Все физические процессы и явления, происходящие в природе можно объяснить типами фундаментальных взаимодействий:

Естественнонаучное познание происходит по этапам: Наблюдение – Гипотеза – Теория – Эксперимент. Именно эксперимент является критерием правильности теории.

Особенности научного наблюдения: целенаправлено; сознательно организовано; методически обдумано; результаты можно записать, измерить, оценить; наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.

Эксперимент, как исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования, следует различать на мысленный и реальный.

Примерный план проведения эксперимента

1.Формулировка цели опыта

2.Формулировка гипотезы, которую можно было положить в основу опыта.

3.Определение условий, необходимых для проверки гипотезы, установления причинно-следственной связи.

4. Подбор оборудования и материалов, необходимых для опытов.

5. Практическая реализация опыта, сопровождаемая фиксированием результатов измерений и наблюдений выбранными способами.

6. Математическая обработка полученных данных.

Структура физической теории: основание (фундамент) – ядро – выводы (следствие) – применение. Особенностью фундаментальных физических теории является их преемственность.

Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. В ходе эксперимента гипотезу доказывают, превращая её в установленный факт (теорию, теорему, закон), ИЛИ же опровергают.

Примерный план изучения физических законов:

1. Связь между какими явлениями (или величинами) выражает закон

2. Формулировка и формула закона.

3. Каким образом был открыт закон: на основе анализа опытных данных или теоретически (как следствие из теории)

4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.

5. Примеры использования и учета действия закона на практике.

6. Границы применимости закона.

Одним из важнейших методов исследования является моделирование. Модель – это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление. Примеры физических моделей: материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ, др.

Для того, чтобы понять и описать эксперимент вводятся физические величины.

С развитием научных знаний появилась необходимость в развитии единой системы единиц измерений.

При обработке результатов измерений нужно оценивать, с какой точностью проводится измерение, какую ошибку допускает ваш прибор, то есть определить погрешность измерений и как влияет сам процесс измерения на объект, который вы измеряете.

Объективность получаемых данных обеспечивают различные физические приборы. Следует различать: приборы наблюдения (микроскоп, телескоп, бинокль и др.) и приборы измерения (термометр, барометр, линейка, весы и др.).

Примеры и разбор тренировочных заданий

Вопросы к кроссворду:

2. Подчеркните слова, обозначающие приборы для измерения, одной чертой; приборы для наблюдения – двумя: термометр, бинокль, секундомер, микроскоп, транспортир.

Правильный вариант: Одной чертой: термометр, секундомер, транспортир. Двумя чертами: бинокль, микроскоп.

Источник