Конспект урока по физике на тему ФИЗИКА И НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ (10 класс)

ФИЗИКА И НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ

1. Что и как изучает физика?

2. Научный метод познания

3. Где используются физические знания и методы?

1. ЧТО И КАК ИЗУЧАЕТ ФИЗИКА?

Вы продолжаете изучать одну из главных наук о природе - физику. Физика исследует механические, тепловые, электромагнитные, световые явления, а также строение вещества. Задачей физики, как и других наук, является поиск законов, с помощью которых можно объяснять и предсказывать широкий круг явлений.

Физика характеризуется не только кругом явлений, который она изучает, но и методами исследований.

Физика - опытная (экспериментальная) наука. При постановке опыта ученый специально создает особые условия протекания интересующего его явления - так, чтобы уменьшить влияние «помех» и исследовать данное явление в наиболее «чистом» виде.

Важной особенностью физики как науки является широкое использование математики. Благодаря этому предсказания физиков отличаются высокой точностью: в этом отношении другие науки не могут пока соперничать с физикой. Великий итальянский ученый Галилео Галилей писал, что «книгу природы» можно понять, только если знаешь язык, на котором она написана, и язык этот - математика.

О НАУЧНОЙ ТЕРМИНОЛОГИИ

Одна из трудностей при изучении физики связана с тем, что привычные слова, используемые в разговорной речи, приобретают иной смысл, когда они становятся научными терминами. Так, в разговорной речи слово «движение» употребляется в различных значениях: можно говорить, например, о «движении души». Такая многозначность слов обогащает речь, даря нам юмор и поэзию.

Ученым же, когда они обсуждают научные вопросы, необходимо точно и однозначно понимать друг друга. Поэтому слова, взятые из разговорного языка для обозначения научных понятий, используются в науке в точно определенном значении. Например, в механике движением называется только изменение с течением времени положения тела относительно других тел. Мы встретим много других примеров того, как обычные слова становятся научными терминами: тело, скорость, путь, сила, работа, энергия...

Превращая слово в научный термин, ученые вспоминают иногда о юморе и о поэзии. Например, некоторые свойства «кварков», из которых состоят мельчайшие частицы вещества, обозначаются научными терминами «красота» и «очарование».

2. НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ НАБЛЮДЕНИЕ, НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА И ЭКСПЕРИМЕНТ

Явления окружающего нас мира чрезвычайно сложны, потому что каждое из них зависит от очень многих причин. Но, внимательно наблюдая то или иное явление, мы замечаем, что какие-то причины более существенны для его протекания, а какие-то - менее существенны.

Из наблюдений возникают предположения, что для целого круга явлений существуют определенные закономерности. Такие предположения называются научными гипотезами.

Чтобы проверить гипотезу, ученые ставят опыты (эксперименты), с целью выяснить, как изменяется протекание явлений при изменении условий их протекания. Для этого создаются специальные условия. Например, в экспериментах по изучению движения Галилей старался уменьшить роль трения. Так от наблюдений ученые переходят к экспериментам, то есть начинают «задавать вопросы природе».

НАУЧНЫЕ МОДЕЛИ И НАУЧНАЯ ИДЕАЛИЗАЦИЯ

Для формулировки гипотезы, постановки эксперимента и объяснения его результатов необходимо построить модель данного явления или процесса - упрощенное, схематизированное представление, в котором выделены наиболее важные черты. Примерами таких моделей являются материальная точка - тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь, или идеальный газ - такой газ, размеры молекул которого пренебрежимо малы, причем взаимодействием между молекулами можно пренебречь.

Полностью устранить в эксперименте «помехи», как правило, не удается. Но по результатам эксперимента иногда можно догадаться о том, что должно было бы наблюдаться в «идеальной» ситуации, то есть в случае, когда все помехи были бы устранены полностью. Эта идеальная ситуация называется научной идеализацией. Именно она позволяет увидеть простоту законов, таящихся за внешней сложностью явлений.

С примерами научной идеализации мы будем неоднократно встречаться в нашем курсе.

Мысленный эксперимент

С понятием научной идеализации связано понятие мысленного эксперимента, то есть эксперимента, проведенного с помощью воображения. При этом особое значение имеет логическая непротиворечивость результатов мысленного эксперимента.

Пример

Важным примером научной идеализации является так называемое «свободное тело», то есть тело, на которое не действуют другие тела. Совершенно свободных тел, конечно, не существует: даже галактики, находящиеся на огромном расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Однако, поставив мысленный эксперимент, то есть мысленно продолжив закономерность, обнаруженную на опытах с реальными телами, можно представить тело, которое совершенно не взаимодействует ни с какими другими телами. Размышления о том, как будут двигаться такие тела, привели Галилея к открытию закона инерции.

НАУЧНЫЙ ЗАКОН И НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ

Когда гипотеза о протекании физических явлений подтверждается экспериментом, она становится физическим законом.

Основное содержание механики составляют три закона, сформулированные выдающимся английским ученым Исааком Ньютоном (знаменитые «три закона Ньютона»), закон всемирного тяготения (открытый также Ньютоном), а также закономерности для сил упругости и сил трения. Для газовых процессов открыты законы, описывающие зависимость между давлением, объемом и температурой газа. Взаимодействие покоящихся электрически заряженных частиц подчиняется закону, открытому французским физиком Шарлем Кулоном.

Совокупность законов, которые описывают широкий круг явлений, называется научной теорией. Например, законы Ньютона составляют содержание классической механики. А законы, сформулированные английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (тоже знаменитые «уравнения Максвелла») составляют содержание классической теории электромагнетизма.

Наряду с законами, научная теория содержит определения физических величин и понятий, с помощью которых формулируются законы этой теории. Очень важно, чтобы все определяемые в физической теории величины могли быть измерены на опыте, поскольку справедливость физических законов и теорий может быть установлена только сравнением с опытом.

ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ

ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ И ТЕОРИЙ

Все физические законы и теории являются приближением к действительности, поскольку при построении теорий всегда используется некоторая модель явлений и процессов. Поэтому как законы, так и теории имеют определенные границы применимости. Приведем примеры.

1. Классическая механика справедлива только при движении тел со скоростями, намного меньшими скорости света. Если же скорости тел становятся сравнимыми со скоростью света (с такими скоростями движутся, например, наиболее удаленные из известных космических объектов и элементарные частицы в ускорителях), предсказания классической механики входят в противоречие с опытами и наблюдениями. Для таких случаев справедлива специальная теория относительности, созданная выдающимся физиком Альбертом Эйнштейном¹ в начале 20-го века.

2. Классическая механика неприменима также для описания явлений, происходящих с частицами очень малой массы - например, электронами. Поэтому в рамках классической механики не могут быть поняты, скажем, особенности строения атома. Для объяснения атомных явлений в начале 20-го века усилиями нескольких ученых разных стран была создана квантовая механика.

3. Знакомая вам из курса физики основной школы геометрическая оптика, основанная на представлении о световых лучах, прекрасно согласуется с опытом, если размеры предметов, с которыми взаимодействует свет, достаточно велики. Но если размеры предметов сравнимы с длиной световой волны или меньше ее, надо использовать волновую теорию света, предложенную в 17-м веке голландским ученым Христианом Гюйгенсом. В основе этой теории лежит представление о световых волнах.

ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ

Появление новой физической теории не отменяет «старую» теорию, а уточняет и дополняет ее. Одним из важнейших требований при создании новых физических теорий является принцип соответствия, согласно которому предсказания новой теории должны совпадать с предсказаниями «старой» теории в границах ее применимости. Это означает, что новая теория должна включать «старую» теорию как частный, предельный случай. Принцип соответствия сформулировал в начале 20-го века датский физик Нильс Бор - один из создателей квантовой механики.

Принципу соответствия удовлетворяют все приведенные выше примеры физических теорий.

Так, предсказания специальной теории относительности совпадают с предсказаниями классической механики, если скорости движения тел намного меньше скорости света. Квантовая механика «превращается» в классическую, если массы тел достаточно велики, а законы волновой оптики - в законы геометрической оптики, если длины световых волн малы по сравнению с размерами препятствий.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Современная физическая картина мира основана на представлении о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, между которыми существует несколько видов фундаментальных взаимодействий. Это - сильные взаимодействия, электромагнитные, слабые и гравитационные. Во второй половине 20-го века электромагнитные взаимодействия были объединены со слабыми в «электрослабое» взаимодействие. Сегодня продолжаются интенсивные попытки построения «великого объединения» - теории, которая позволила бы объединить все известные виды взаимодействий.

3. ГДЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ И МЕТОДЫ?

Научившись управлять физическими явлениями, человек стал «великаном»: например, создал двигатели, в миллионы раз более мощные, чем человеческие руки, и объединил всех людей Земли надежными системами связи. Чудеса современной техники появились прежде всего благодаря физике: без знания физических законов невозможно проектировать и использовать машины, механизмы, приборы, космические аппараты и т. д.

Однако дело не только в «практической» ценности физики: знание физики необходимо любому культурному человеку для понимания окружающего мира.

Физические знания и методы рождают новые науки, например, биофизику, геофизику, астрофизику.

Уже в пятом веке до нашей эры древнегреческий философ Гераклит писал: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...».

Знание физики важно для понимания окружающего мира, а это нужно не только ученым и инженерам - это необходимо любому культурному человеку, даже далекому от науки и техники.

Физические знания и методы рождают новые науки, например биофизику, геофизику, астрофизику.

4. Основоположники науки о движении тел. Научные основы современной механики были заложены выдающимся итальянским ученым Галилео Галилеем (1564 -1642). Важной заслугой Галилея является введение в физику научного эксперимента. Галилей считал, что «тот, кто болтает о природе, вместо того чтобы наблюдать ее и с помощью экспериментов заставить говорить, никогда не познает ее; но если кто-то добьется успеха и природа заговорит с ним, она заговорит на языке математики».

По словам известного французского ученого XIX в. Ж. Лагранжа, Галилей «открыл новую и безграничную область для развития механики... Нужен исключительный гений, чтобы установить законы природы на явлениях, которые всегда были у всех перед глазами и тем не менее ускользали от внимания философов».

В средние века мир представлялся людям как грандиозный спектакль, главным героем которого был человек. После Ньютона человек перестал быть центром Вселенной. Людям открылся мир, не подчиняющийся их воле и развивающийся по объективным законам, не зависящим от человеческого сознания. Лагранж писал: «Ньютон был величайшим гением из всех, когда-либо существующих, и самый счастливый, ибо только однажды дано человеку открыть систему мира». В течение двухсот лет законы механики, открытие Ньютоном, считались единственными фундаментальными законами природы, и потому все явления природы старались свести к механическим процессам.

Последующие открытия показали невозможность сведения всех явлений природы только лишь к механическим. Были созданы электродинамика, теория относительности и другие теории. Вместе с тем, как писал Эйнштейн, «пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления».

1</<sup> Эйнштейн жил и работал в Швейцарии, Германии и США.