Какие методы изучения физических явлений и свойств тел тебе известны
п.1. Предмет и объект изучения физики
Физика – это наука о природе в самом общем смысле. Сам термин «фюзис» – в переводе с древнегреческого «природа» – впервые появляется в работах Аристотеля (IV век до н.э.). При этом «природа» в понимании философа – это не просто окружающая среда, а сущность составляющих её вещей и событий в ней, а познание «природы» – это наблюдение, понимание и объяснение событий.
Примеры наблюдений и объяснений:
Корабли скрываются за линией горизонта
Земля круглая
День сменяет ночь
Земля вращается вокруг своей оси, подставляя одну сторону под солнечные лучи
Многократное эхо слышно в просторном помещении или в горах
Звуковые волны отражаются от препятствия (стены или скалы)
Физика – это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи (в виде вещества и полей), и законы её движения.
Предмет изучения физики – наиболее общие закономерности явлений природы, свойства, строение и законы движения материи.
Механические, молекулярные, тепловые, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные явления, которые изучает физика, – это наиболее простые и наиболее общие формы движения материи. Они присутствуют в более сложных формах, изучением которых занимаются химия, биология, астрономия, география и другие науки.
Объект изучения физики – это природа, то есть весь окружающий мир.
Мы воспринимаем окружающий мир с помощью ощущений (зрение, обоняние, осязание, вкус). Построенные нами приборы дополняют наши органы чувств, но и от них мы воспринимаем информацию в основном через зрение.
п.2. Место физики среди других наук
Физика является естественной наукой, поскольку изучает природу. Наряду с физикой к естественным наукам относятся химия, биология, астрономия, география.
Физика является точной наукой, поскольку исследует количественно точные закономерности и использует строгие методы проверки гипотез, основанные на воспроизводимых экспериментах и строгих логических рассуждениях. К точным наукам также относят математику, химию, информатику и некоторые разделы биологии.
Физика является фундаментальной наукой, поскольку включает в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования материальных систем, и является основой для остальных естественных наук. Её понятия, законы, теории, методы и средства используются во всех областях науки и техники.
Физика является прикладной наукой в значительной части своих разделов и направлений (акустика, баллистика, гидродинамика, оптика, материаловедение и т.п.), где изучаются конкретные технологические и технические применения полученных знаний в приборах, установках, машинах и механизмах.
п.3. Физические явления
Окружающий нас мир заполнен твёрдыми, жидкими и газообразными физическими телами.
Физическое тело это то, что имеет форму и занимает определённый объём.
Примеры физических тел:
Любое физическое тело из чего-то состоит или из чего-то изготовлено.
То, из чего состоят физические тела, называют веществами.
Сегодня нам известны десятки миллионов веществ. Многие из них можно найти в природе, но гораздо больше создается и применяется человеком.
Примеры веществ:
Явления – это изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире.
Физические явления – это изменения, происходящие с физическими телами и веществами, из которых они состоят, без превращений этих веществ в другие.
К физическим явлениям относятся механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые, световые, атомные явления.
Примеры физических явлений:
Физическое явление
Вид явления
Физическое тело или
вещество, с которым явление
происходит
Движение Земли вокруг Солнца
Механическое
Планета Земля
Разрядка аккумулятора смартфона
Электрическое
Катод (оксид металла), анод (пористый углерод) и электролит (литий)
Поворот стрелки компаса
Магнитное
Стрелка (из магнита) в магнитном поле Земли
Эхо
Звуковое
Воздух (распространение звука), стена (отражение звука)
Отражение в зеркале
Оптическое (световое)
Поверхность зеркала
Свечение Солнца и звезд
Атомное
Плазма звезды
п.4. Методы изучения физических явлений
Наблюдение и опыт – два основных метода изучения физических явлений.
Наблюдения происходят пассивно, без вмешательства в явление, но целенаправленно.
Например: наблюдение восхода Солнца, радуги, падения метеорита, исследования космического излучения.
Наблюдение – целенаправленное восприятие физических явлений, без вмешательства в них, в естественных условиях.
Опыт – это активная форма познания природы в специально созданных условиях.
Например: опыт по изучению условий плавания тел, испарения жидкостей, теплоты сгорания топлива.
Опыт (эксперимент) – это изучение физических явлений в контролируемых и управляемых условиях.
Процесс познания начинается с наблюдения. Затем формулируется гипотеза, ставится цель и разрабатывается план исследований. Затем – если это возможно – ставится опыт, а если нет – продолжаются наблюдения. На основании полученных результатов, делаются выводы.
Совместно наблюдения и опыты формируют эмпирический уровень научного исследования.
При формулировке гипотезы мы часто полагаемся на интуицию или «здравый смысл». Но действительность может оказаться неожиданной. Например, в знаменитом опыте Галилея деревянный и чугунный шары, брошенные с башни, упали на землю одновременно. Хотя «здравый смысл» подсказывал, что чугунный шар должен был упасть быстрее.
С развитием физики таких явлений, судить о которых на основании интуиции нельзя, становится всё больше. Такие явления называют контринтуитивными.
п.5. Построение физических теорий
Самостоятельным уровнем познания природы является создание физических теорий.
Физическая теория – это математическая модель физического явления, для которой обязательно выполнение двух требований:
- непротиворечивость;
- возможность на основе построенной теории получить предсказания новых физических явлений, которые согласуются с последующим экспериментом.
Физические теории обобщают наблюдения и опыты и объясняют те или иные явления. Кроме объяснений уже полученных результатов, теория должна также предсказывать новые явления на уровне гипотезы. Затем запускается эмпирическая проверка, рассмотренная нами выше. Если гипотеза подтверждается, она становится частью теории.
Интересно, что физика не ставит и не отвечает на вопрос «почему природу удается описывать именно с помощью математики»? Этот факт воспринимается как данность.
| «Математика – это язык, на котором написана книга природы». Галилео Галилей (1564-1642), | |
Примеры физических теорий:
- классическая механика;
- статистическая физика;
- классическая электродинамика;
- квантовая механика;
- специальная теория относительности;
- квантовая электродинамика;
- единая теория электрослабых взаимодействий;
- теория струн.
п.6. Задачи
Задача 1. Опишите 5 известных вам эмпирических исследований физических явлений по стадиям «наблюдение – гипотеза – опыт – вывод».
Наблюдение
Гипотеза
Опыт
Вывод
Корабли скрываются за линией горизонта
Земля круглая?
Совершаем кругосветное путешествие
Да, Земля круглая
Все тела без опоры падают на землю
Тяжелые тела падают быстрее?
Бросаем два одинаковых по размеру шара – деревянный и чугунный – с башни. Они падают одновременно
Нет, скорость падения не зависит от массы тела
С помощью рычага легче поднять груз
Чем больше плечо, тем меньшую силу нужно приложить?
Оборудуем рычаг, начинаем уравновешивать один и тот же груз, прилагая разную силу с разным плечом
Да, при уравновешивании груза произведение плеча и приложенной силы постоянно, т.е. чем больше плечо, тем меньше сила
Вода закипает при нагревании через определенное время
Вода закипает при одной и той же температуре?
Измеряем температуру кипящей воды
Да, вода всегда закипает при 100°С
Вода в большой и маленькой посуде закипает за разное время
Рост температуры при нагревании зависит от массы?
Измеряем температуру при нагревании разных масс воды от одного источника тепла
Да, чем больше масса, тем медленней растет температура
Задача 2. Назовите 5 явлений, реальная сущность которых оказалась контринтуитивной.
Физическое явление
Интуитивная гипотеза
Контринтуитивная
реальность
Поверхность Земли простирается во все стороны, куда ни глянь
Земля плоская?
Земля имеет форму шара
Ежедневно Солнце всходит и заходит над Землей
Солнце вращается вокруг Земли?
Земля вращается вокруг Солнца
Все тела без опоры падают на землю
Тяжелые тела падают быстрее?
Скорость падения не зависит от массы тела
Мы сидим на стуле, монитор стоит на столе, на многие предметы можно опереться, никто не сможет пройти сквозь стену, – мир выглядит плотным и надежным
Вещество состоит из атомов, в которых положительно заряженное вещество равномерно и плотно заполняет все пространство, а электроны встроены в него как «изюминки»?
(«пудинговая модель» атома)
Атом практически пустой.
Почти вся масса (99,99%) сосредоточена в очень маленьком (10–15 объема атома) и очень плотном ядре.
(«планетарная модель» атома)
Если стрелять сначала из неподвижного, а затем из движущегося танка, скорость снаряда относительно цели будет разной.
Скорости танка и снаряда суммируются
Если движущийся космический корабль выпустит вспышку света, скорость вспышки будет равна сумме скоростей света и корабля?
Вспышка будет распространяться со скоростью света, причем во все стороны одинаково
Источник
Представления о природе каждый человек (и первоначальная, и современная) получала и получает с помощью органов чувств: зрения, слуха, осязания, обоняния, вкуса.
Но для того, чтобы как следует разобраться в окружающем мире, нужно как-то систематизировать эти представления, найти связи между явлениями – только тогда появляются научные знания.
Физика – наука в первую очередь экспериментальная, она опирается на наблюдения и опыты.
Физика – наука экспериментальная. Опирается на наблюдения и опыты.
Ограничиться при изучении физических явлений только наблюдениями нельзя, даже если эти наблюдения проводятся систематически и целенаправленно.
Многие из вас не раз наблюдал молнию, но вряд ли кто-нибудь на основании одних наблюдений смог бы доказать, что молния – это гигантский электрический разряд. А при физических экспериментах (опытах) ученые сами воспроизводят явление при разных условиях, не дожидаясь, пока оно пройдет в природе. На основе полученных данных можно уже делать выводы о природе явления.
Демонстрируется электрический разряд с помощью электрофорной машины или высоковольтного преобразователя. Посмотрите: мы воспроизводим на учительском столе то же явление, что происходит в момент грозового разряда (в старших классах вы узнаете, что это явление называют искровым разрядом). Разумеется, масштабы другие: вместо ослепительной вспышки – искорки, а вместо оглушительных раскатов грома – потрескивание. Но при необходимости (а она иногда возникает) ученые могут воспроизвести это явление и в гораздо более впечатляющем виде. А если мы способны воспроизвести явление, значит, мы правильно разобрались в его причинах.
Итак, чем наблюдения отличаются от опытов?
Ответы учащихся обсуждаются и при необходимости дополняются.
Опыты проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану; во время опыта, как правило, осуществляют измерения.
На основании проведенных наблюдений и опытов ученые строят теорию, что позволяет объяснить полученные результаты. Если теория построена правильно, то она позволяет предусмотреть и результаты других экспериментов и наблюдений – даже таких, которые еще никто и никогда не проводил! Так ученым удалось «на кончике пера» открыть дальние планеты Солнечной системы (Нептун и Плутон). Они рассчитали: если направить телескоп на определенный участок звездного неба, то там окажется неизвестная ранее планета. И предвидение оправдалось! А вот попытки сформулировать законы природы, не опираясь на экспериментальные данные, только умозрительным путем, часто приводили к ошибкам. Одной из самых известных ошибок допустил крупный ученый античности Аристотель. Он считал очевидным, что тяжелые тела должны падать на Землю быстрее, чем легкие. Через две тысячи лет другой великий ученый, Галилео Галилей, доказал неправильность этого утверждения: пушечное ядро и мушкетная шар падали с наклонной Пизанской башни практически одновременно.
Демонстрируется опыт с падением книжки и бумаги.
Если их отпустить одновременно с одинаковой высоты, то книжка упадет быстрее. Если лист бумаги положить под книгу, то они упадут одновременно (желательно, чтобы размеры книги и листа были примерно одинаковыми).
Как вы думаете, что упадет быстрее, если лист бумаги положить на книжку?
Вероятнее всего, дети выразят две гипотезы:
1) книга упадет быстрее,
2) оба тела упадут одновременно.
На этом примере можно показать, как формируются знания о природе в науке. Результат эксперимента вызывает оживление в классе, потому что для большинства детей он вовсе не является очевидным. Объяснение будет дано позже.
Итак, всякая физическая теория строится на основе наблюдений и опытов, когда же теория построена, опыты и наблюдения позволяют проверить, насколько она верна.
Наблюдение – формулирование проблемы – выдвижение рабочей гипотезы – проведение научного эксперимента – создание теории – предсказание новых эффектов.
2. Сравнивая различные физические тела или явления, мы можем заметить, что они всегда имеют некоторые отличия: тела могут быть выше или ниже, легкими или тяжелыми, вытеснять при погружении более или менее воды из сосуда. Явления могут протекать быстрее или медленнее.
Физическая величина – количественная характеристика физического свойства объекта или явления. Указанные различия тел и явлений описывающие такие физические величины, как высота, вес, объем, время. Возможно, учащиеся вспомнят, что разные тела могут быть по-разному нагретые, иметь разный цвет и т.д..
Какие еще примеры физических величин вы можете привести?
Скорее всего, дети назовут площадь, массу, температуру и т.д..
На уроках в младших классах вы знакомились с некоторыми физическими величинами. Попробуем систематизировать свои знания, заполняя таблицу. Очень полезно эту таблицу начертить не в текущем конспекте, а в конце тетради. Это позволит по мере изучения новых физических величин продолжать заполнение таблицы (на следующих уроках мы планируем делать ссылки на таблицу при изучении новых величин).
Итак, мы записали с вами несколько физических величин. По мере изучения нового материала в курсе физики вы будете продолжать заполнения таблицы.
Особенностью физических величин является то, что их можно измерить.
Измерить какую-либо величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
Для каждой физической величины есть соответствующие единицы. Различных единиц достаточно много: например, длину можно измерить в мм, см, дм, м, км и так далее.
Основная единица длины – 1 м.
По международному соглашению используется Международная система единиц – СИ. В ней принято всего 7 основных единиц (среди них – метр, секунда, килограмм). Со всеми единицами СИ мы познакомимся на следующих уроках физики.
В процессе измерения физических величин с помощью приборов получают значения физических величин. Когда говорят о значении физической величины, то имеют в виду некоторое число (числовое значение величины) и единицу физической величины. Например, известно, что высота комнаты 2 м. В этом выражении число 2 – числовое значение, м – обозначение единицы длины, а сочетание 2 м – значение высоты. Записывается это так: h = 2 м.
Конспект ученика
Тема. Методы изучения физических явлений. Наблюдение и эксперимент. Физические величины и их единицы измерения.
Физика – наука экспериментальная. Опирается на наблюдения и опыты.
Опыты проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану; под
время опыта, как правило, осуществляют измерения.
Наблюдение
формулировка проблемы
выдвижение рабочей гипотезы
проведения научного эксперимента
создание теории
предсказания новых эффектов
Физическая величина – количественная характеристика физического свойства объекта или явления.
Измерить какую-либо величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
Основная единица длины – 1 м.
1 м = 10 дм,
1 м = 100 см,
1 м = 1000 мм,
1 км = 1000 м.
Источник
В переводе с греческого «физика» – наука о природе
В переводе с греческого «физика» – наука о природе. Наряду с
другими естественными науками она изучает свойства окружающего нас мира.
Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами
посредством ощущений представляет собой материю. Наш мир необычайно сложен и
интересен. В настоящее время мы знаем, что все тела (кроме Солнца и звезд – там
вещество находится в состоянии плазмы) состоят из атомов. Атомы являются
кирпичиками мироздания, находятся в непрерывном движении, притягиваются на больших
расстояниях, но отталкиваются, когда мы стремимся приблизить их друг к другу.
Размер атома ~10-10 м=10-8 см=1 А°, если яблоко увеличить до размеров Земли, то
атомы яблока станут размером с яблоко. Можно ли увидеть атом? Да, можно – в
туннельный микроскоп (1981 г.), а в обычный нельзя, так как нельзя увидеть
объект размером меньше длины световой волны λ≈0,5 мкм≈5000 Аُ.
Глядя в туннельный микроскоп мы можем пересчитывать атомы поштучно.
Сюда рис.
Атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущихся
вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размеры электрона до сих пор не
поддаётся измерению. Известно лишь, что радиус электрона заведомо меньше 10-16 см. Размер ядра намного больше, порядка
10-4÷10-5А=10-12÷10-13см=10-14÷10-15м.
Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Вся масса атома
сосредоточена в ядре. Протоны и нейтроны состоят из кварков, а электрон сам по
себе ни из чего не состоит. Атом пуст. Если бы электроны и ядра были не
заряжены, то атомы бы спокойно проходили друг сквозь друга, нисколько не мешая
соседу. Все явления природы происходят во Вселенной. Размеры Вселенной порядка
1028 см~1010световых лет. Один световой год равен расстоянию, которое свет
проходит за год, это составляет 9,5 1012 км~1016 м~1018 см.
Жизнь – это наиболее сложное явление во Вселенной, а
человек, одно из наиболее сложно устроенных живых существ, состоит из ~ 1016
клеток.
Клетка представляет собой элементарную
физиологическую ячейку, содержащую
10 12 –1014 атомов. В любую клетку любого живого организма
входит хотя бы одна длинная молекулярная нить ДНК (дезоксирибонуклеиновой
кислоты). В молекуле ДНК 108 – 1010 атомов, точное расположение которых может
изменяться от индивидуума к индивидууму. Молекула ДНК является носителем
генетической информации.
Физика – одна из ведущих наук о природе, изучающая наиболее простейшие
и наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы
ее движения.
Академик А.Ф. Иоффе (1880-1960; российский физик) определил
физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля.
В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются
посредством полей.
Неживая материя может существовать в 2-х видах: вещество и
поле.
К веществам относятся: атомы, молекулы и все состоящие из них
тела.
Поля могут быть: сильные, слабые, гравитационные, электромагнитные,
поля ядерных сил. Поля могут существовать самостоятельно, независимо от частиц,
их породивших.
В последнее время теоретикам удалось сравнить силу
взаимодействий: принято считать, что сила взаимодействия нуклонов в ядре равна
1, тогда следующим по силе взаимодействия будет электромагнитное – 10-2, затем
слабое – 10-5, затем – гравитационное – 10-40. Природа сильного взаимодействия
является ещё не вполне понятной, а теория недостроенной, хотя человечество уже
научилось использовать ядерные силы, создав атомную бомбу, в которой процесс
взрыва обусловлен процессами, происходящими в ядрах атомов – делением и
слиянием атомов. Термоядерные реакции на Солнце, например, являются источником
тепла на Земле, они же причина свечения звёзд в ночном небе. Таким образом,
основной движущей силой почти всех процессов на Земле являются электромагнитные
силы и взаимодействия.
Различные виды материи могут превращаться друг в друга.
Вещество может превращаться в поле, а поле – в вещество.
Например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) при аннигиляции
могут превращаться в фотоны, (т. е. в электромагнитное поле).
Материя находится в непрерывном движении. Пространство и
время – формы бытия материи.
«Наблюдение, размышление и опыт – вот что составляет так
называемый научный метод» – писал Р.Фейнман в своих ФЛФ.
Физика наука опытная. Методами физических исследований
являются: опыт, гипотеза, теория, эксперимент.
Опыт – основной метод исследования в физике.
Опыт – это наблюдение исследуемого явления в точно
контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его
каждый раз при повторении этих условий.
Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для
объяснения какого-либо факта или явления. Гипотеза подтверждается опытом.
Эксперимент – научно поставленный опыт с целью
проверки гипотезы.
Физическая теория – система основных идей, обобщающих
опытные данные и отражающих объективные закономерности природы.
Физическая теория дает объяснение целой области явлений
природы с единой точки зрения.
Источник