Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. В первой лекции по физике мы познакомились с тем, что физика изучает явления неживой природы и явления природы физика раскладывает "по полочкам", т.е выделяет из сложного явления более простые конкретные явления. Мы уже знаем, что бывают механические, электро-магнитные, тепловые, звуковые, световые явления.
Откуда же люди узнали о том, что существуют такие явления? Наблюдали. А что значит наблюдали? И как надо наблюдать. Вот об этом мы и поговорим в этой лекции.
Изучение природы не происходит просто так. Смотришь и уже знаешь физику. Нет. Существуют специальные научные методы изучения природы с которыми мы познакомимся в этой лекции.
Тема лекции "Научные методы изучения природы". В чем особый смысл термина "научный". Дело в том, что очень часто нам кажется одно, а на самом деле происходит другое. Давайте проведем небольшой опыт, продемонстрированный в видеоролике ниже.
Поэтому когда идет речь о научных методах нужно всегда стараться исключить все условия при которых может быть обман зрения и при этом можно получить какие-то ложные данные.
В первой лекции мы указали, что одна из задач физики - это получение новых знаний. Какие же методы изучения природы мы знаем и какие источники физических знаний существуют?
Существуют три основных метода получения физических знаний:
- наблюдение;
- гипотеза;
- опыт (эксперимент).
Первый метод - это наблюдение. Все открытия, которые были совершены людьми были совершены с помощью наблюдений. Прежде, чем изучить то или иное физическое явление необходимо за ним понаблюдать, причем не один раз. До Галилея с глубокой древности ученые изучающие природу, тот же Аристотель никаких экспериментов не ставили. Так вот ученые просто смотрели вокруг и размышляли, что они делали мы сейчас называем наблюдением. В чем же отличается наблюдение? Что это такое? Это один из методов исследования природы. Например мы прекрасно знаем из повседневной жизни, что камень падает быстро, а тополиный пух падает очень медленно. Аристотель наблюдая тоже самое говорил: "Тяжелые тела падают быстро, а легкие медленно". Что это за изречение? Результат какого исследования? Наблюдения. Так что же такое наблюдение? Аристотель что-то делал для своего исследования? Он создавал какие-то специальные условия? Нет. Он просто смотрел. И так что же такое наблюдение?
Наблюдение - это исследование явления без создания для этого специальных условий.
Т.е тот же Аристотель наблюдал, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Это результат наблюдений. Продемонстрируем это наглядно в видеоролике
Возникает вопрос, а всегда ли легкое тело падает медленно, а тяжелое быстро? Что это прозвучало? Это прозвучало предположение. А на научном языке как называется предположение? Гипотеза. Итак предположение на языке науки называется гипотеза.
Второй метод изучения природы и получения физических знаний Гипотеза - это один из методов и этапов изучения природы. Предварительная догадка о том, как протекает то или иное физическое явление.
В нашей предыдущей демонстрации при наблюдении тяжелое тело (блокнот) падало быстрее, чем легкое (лист бумаги). То теперь мы выдвигаем гипотезу о том, что любое тяжелое тело всегда падает быстрее легкого. Это могут быть различные тела. Это не обязательно должен быть грецкий орех или пушинка, блокнот или лист бумаги. Т.е какое бы тело мы не взяли, всегда тяжелое тело будет падать быстрее легкого. Давайте теперь попробуем проверить эту гипотезу. А что значит проверить гипотезу? Надо поставить эксперимент. А что значит поставить эксперимент? Это означает, что необходимо провести такое же наблюдение, но в созданных условиях. Т.е мы сейчас специально что-то сделаем для того, чтобы проверить справедлива наша гипотеза или нет: подтвердить ее или опровергнуть. Так что такое эксперимент и чем он отличается от наблюдения? Повторим еще раз, тем что мы проводим исследования в специально созданных условиях. Давайте запишем определение эксперимента более строго.
Эксперимент - это исследование явления в специально созданных условиях с определенной целью по заранее обдуманному плану для проверки той или иной гипотезы.
А теперь давайте проверим выдвинутую выше гипотезу и продемонстрируем эксперимент в видеоролике ниже
Далее за экспериментом должен следовать какой-то вывод или какое-то предположение, которые будут объяснять результаты эксперимента, т.е снова возникает гипотеза - предположение. Какая может быть гипотеза? В случае с комком и листом бумаги у листа больше площадь и воздух его "задерживает". Т.е что-то мешает движению бумаги. Это гипотеза и предположительно согласно предположению - это воздух. Т.е еще что-то кроме силы тяжести влияет на скорость падения скомканного листа бумаги. Давайте сформулируем нашу гипотезу:
Гипотеза - что-то влияет на скорость падения бумаги (воздух?). Вслед за этой гипотезой, что будет? Т.е мы предположили, а теперь нужно сразу это проверить. Опять проведем эксперимент. Проведем бросание тела так чтобы воздух не мешал т.е исключим влияние воздуха. Изучим падение исключив или уменьшив влияние воздуха.
Можно сделать по-другому, не так как это продемонстрировано в видеоролике выше, а так как это сделал великий итальянский ученый Галилео Галилей со своими учениками.
Он уменьшил влияние воздуха другим способом. Предварительно стоит ответить на вопрос, а что еще кроме воздуха действует на падающее тело? Парусность. Да, парусность - это и есть влияние воздуха. А почему вообще тела падают вниз? На тела действуют силы притяжения земли. Чем массивнее тело, тем больше сила притяжения Земли. Значит, если мы хотим, чтобы влияние воздуха,а мы заметили, что влияние воздуха зависит от площади тела, значит нам необходимо взять тела из вещества, которые сильно притягиваются к Земле т.е которые имеют высокую массу при малых размерах. Например можно взять чугунное ядро и свинцовую мушкетную пулю. И Галилей в городе Пизе бросал с башни мушкетную свинцовую пулю и ядро и оказалось, что они упали на Землю практически одновременно, хотя пуля легкая , а ядро тяжелое.
Галилей уменьшил влияние воздуха, за счет увеличение вклада сил тяжести. Другой великий ученый Ньютон позже Галилея пошел по-другому пути. Он просто выкачал воздух из трубки в которой падали предметы разной массы тяжелой и легкой.
Можно продемонстрировать еще один вариант опыта.
И так исходя из видео уже можно сделать вывод о том, что это уже можно назвать физическим законом. На основании гипотезы, подтвержденной различными экспериментами Галилея, Ньютона и продемонстрированных выше нашими с Вами экспериментов, мы можем перейти к следующему.
Закон свободного падения
Что значит свободного? Это значит, что на тела не влияет ничего кроме Земли, которая притягивает эти тела к себе. И так сформулируем закон:
Все тела падают под действием силы тяжести одинаково.
Пока не будем говорит, что значит слово "одинаково" об этом будет рассказано детально чуть далее.
Давайте немного резюмируем. С какими понятиями мы уже столкнулись? "Наблюдение", "гипотеза", "эксперимент" и "закон". Но стоит обратить внимание на то, что после эксперимента мы возвращались к новой гипотезе и новому эксперименту. Но на все более высоком уровне. Двигаясь от незнания к знанию не по прямой а по спирали (винтовой линии).
Каким образом идет познание? Сначала наблюдение. Потом гипотеза. Потом эксперимент. Снова какая-то гипотеза и так далее и на основании многократных гипотез и экспериментов в которых какие-то гипотезы, либо отвергаются, либо подтверждаются приходят к закону. Приведем ниже условное изображение спирали познания.
На вершине спирали познания располагается выведенный физический закон.
Таким образом, чтобы получить научные знания об окружающем нас мире, необходимо обдумать и объяснить результаты проведенных опытов, найти причины наблюдаемых явлений и сделать выводы. И тогда из "незнания" мы получим "знания" о том или ином физическом явлении.
Давайте вернемся к фразе: "Все тела падают под действием силы тяжести падают одинаково". А как можно сформулировать на количественном уровне? Оказывается это можно и для этого существуют какие-то физические величины, которые придумывают ученые и эти физические величины оказываются связанными между собой и эти величины описывают явления природы, а то, что связывает различные физические величины в природе называется теорией. Т.е на основании законов, открытых учеными-физиками создается теория, т.е количественное описание физических явлений. Так что от закона можно перейти к теории.
Так например была построена "механика". Исаак Ньютон обобщив "Законы свободного падения", которые фактически были открыты Галилеем сумел описать на количественном уровне движение тел под действием силы тяжести. Он открыл закон, который называется "Закон всемирного тяготения". Оказывается не только притягивается к Земле, например, кусочек мела или лист бумаги или блокнот, но и Луна притягивается к Земле. Сравнивая движение Луны и движения, например, яблока, которое бросили Ньютон установил, что любые два тела притягиваются друг к другу: два человека, сидящие за партой притягиваются друг к другу, к парте, к учителю, пирожкам в буфете и т.д., потому что существует "Закон всемирного тяготения". Открыв этот закон физики смогли построить теорию движения планет: Солнечная система подчиняется закону всемирного тяготения. Более того, на основании особенности движения планет были открыты новые планеты, было предсказано, что за Ураном должна быть еще одна планета. Потому что движение Урана было не совсем таким, как думали астрономы. Далее была открыта следующая планета - Нептун. Это было сделано, как говорят в науке "На кончике пера" (т.е рассчитано теоретически). Но теория, которую сейчас называют "классической физикой" не всегда могла описать различные физические явления. Оказывается, что если скорость тела приближается к скорости света, то та родная, близкая и понятная нам "классическая механика" перестает "работать". Энштейн создает "Теорию относительности", в которой рассматривается движение тел с огромными около-световыми скоростями. Оказывается скорость света нельзя превысить. А старая добрая "классическая механика" является частным случаем этой новой "Теории относительности".
Пытаясь описать свечение нагретых тел Макс Планк в 1900 году был вынужден, потому что ему самому не нравилось, то что у него получилось, вынужден предположить, что нагретые тела испускают свет не непрерывно, а определенными порциями - "квантами". Т.е, то что физические величины могут меняться скачкообразно, что противоречит нашей старой, доброй "классической физике"., таким образом родилась "квантовая механика" и классическая физика стала частным случаем квантовой механики.
Таким образом, можно сказать, смотря на спираль познания в физике, можно сказать, что физики проводя все более сложные эксперименты, открывают явления, которые "старая" физика не может описать., что приводит к образованию новых разделов физики: "квантовая механика", "теория относительности" и более современные разделы физики, которые описывают микромир, причем при огромных скоростях движения частиц.
Вы знаете, что сейчас у современных Европейских ученых есть устройство под названием большой адронный коллайдер. Это фантастически мощная система, которая потребляет огромное количество энергии, поэтому еще включают на полную мощность только летом, потому что зимой, просто, не хватает электроэнергии из-за того, что много уходит ее на отопление. Зимой коллайдер ремонтируют, а летом проводят исследования.
Этот пример показывает на сколько сейчас усложнились эксперименты для того, что бы проверять современные гипотезы и выводит новые теории. Резюмируя можно сказать, что физики никогда не останутся без работы, так как абсолютного знания в физике не существует. Никогда не наступить такого момента, что можно будет сказать, что все вся физика открыта. Но такое мнение существовало в конце XIX века, построена была "классическая физика". Физики торжествовали, но с другой стороны они думали: "Жалко, такая интересная наука, но в ней уже все открыто". А потом План открывает "квантовую механику"..."квантовую физику"...так что у Вас дорогой читатель есть все возможности, чтобы сделать новые открытия в физике, вдохновившись этими лекциями и став в будущем профессиональными физиками.
Но может сложится впечатление, что тот курс физики, который мы с Вами начинаем, дорогой читатель, изучать это так для общего развития...но можно сказать, что "да", потому что развитие ума, которое дает изучение физики колоссально полезно.
Хочу привести пример, оказывается, что многие процессы в экономике описываются теме же дифференциальными уравнениями, что и процессы в физике и чтобы подтвердить эти слова, что физику надо изучать всегда хочу привести пример: из 15 лауреатов Нобелевской премии по экономике 13 заканчивали физические факультеты. Зная физику, вы понимаются как цепляются шестеренки везде, вы научаетесь ориентироваться в мире, который вас окружает. Давайте сравним математика и физика. Математик - это острейший ум, который великолепно умеет решать задачи, но у него есть один недостаток. Для того, чтобы математик смог решать задачи, ему необходимо четко сформулировать условия задачи. А у физика условия другие. Природа не формулирует конкретных условий задач и хороший физик - это тот физики, который умеет в этом фантастическом хаосе физических явлений, которые нас окружают, выделить, что-то что можно познавать. Т.е выделить, что-то что уже можно анализировать, проводить опыты, чтобы выяснять подробности чего-то. Это называется умением или талантом в постановке задачи.
Физики умеют ориентироваться в мире, где нет четко сформулированных условий задач
Они эти задачи формулируют используя для этого, так называемые, различные модели. Например есть такая модель, как материальная точка - это физический объект размерами, которого в данной задачи можно пренебречь. И если считать тело материальной точкой, то можно описать ее движение гораздо проще, чем если тело имеет большие размеры. Вы в этом убедитесь, когда мы дойдем до изучения раздела "механика". Резюмируя, физик хорош тем, что он умеет решать задачи у которых нет четко сформулированных условий. Та же история и в экономике...и та же история в жизни...поэтому физики лучше всего ориентируются в этой жизни.
А теперь давайте немного поупражняемся, в приведенном видео ниже.
Исходя из контекста задачи в видео можно сказать, что наблюдение обычно не приводит к появлению каких-то чисел, разве что в астрономии, потому что ученые пока не имеют возможности вмешиваться в астрономические события, а в физике, если проводится эксперимент, то можно измерять различные физические величины. Например в "законе всемирного падения", приведенного выше, можно измерять физическую величину, которая характеризует падение тела, но пока мы называть ее не будем.
В конце лекции давайте рассмотрим следующие задачи на повторение пройденного
Давайте подведем итог этой лекции. И так на этой лекции мы узнали, при изучении явлений люди прежде всего занимаются наблюдениями, которые и позволили определить и выделить эти явления из общих явлений природы. Узнали, что при изучении физики используются определенные научные методы ее изучения. На примере опыта показали важность научного подхода к изучению физических явлений. Узнали, что результаты наблюдений, выдвигаемых гипотез и опытов, проверяющих эти гипотезы, являются источником получения новых знаний о физических явлениях. Далее подробно рассмотрели вопрос о том, что результатом наблюдений является выдвижение гипотезы о том или ином физическом явлении. Далее изучили научный метод проверки гипотезы - эксперимент, наглядно показали его реализацию и дали его определение. А так же наглядно показали научные методы: "наблюдение", "эксперимент" и "проверка гипотезы". На примере трех опытов: одного Галилея и двух Ньютона, определили как выводится физический закон. Далее связали воедино на примере схемы, как с помощью наблюдения, гипотезы и опыта при движении по спирали происходит получение новых знаний о законах природы. И в конце на примере разобрали, как из множества явлений определить, конкретное физическое явление.
На этом эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, то пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.