Физика и методы научного исследования

Физика — наука, занимающаяся изучением самых общих свойств окружающего нас материального мира. Поэтому физические понятия и законы используются в любом разделе естествознания.

Физика связана с астрономией, геологией, химией, биологией. Она объясняет многое в этих науках и даёт им средства исследования: радиотелескопы, электронные микроскопы, лазеры, рентгеновские установки, физические методы исследования.

• Физика — основа техники: строительная техника, гидротехника, теплотехника, электротехника и энергетика, радиотехника возникли на основе физики.
• Любое описание предметов и явлений опирается на физические представления: размеры, длительность, масса, цвет.

Физика стала наукой в современном понимании лишь в эпоху Возрождения: она выделилась из натурфилософии в XVII в.

Тогда люди начали описывать накопленный фактологический материал на математическом языке и исследовать закономерности на основе эксперимента. Это был путь научного познания природы.

• Леонардо да Винчи (1452–1519): опыт не обманывает; обманывает лишь наше суждение. Руководствоваться надо показаниями опыта и разнообразить условия, пока не извлечены общие законы.
• Фрэнсис Бэкон (1561–1626): природы могут дать неизмеримо больше, чем заключено в том опытном материале, на основе которого они получены.
• Вместо частных вопросов («почему падает именно этот камень?») учёные стали искать общие ответы — законы.

На рубеже XVI–XVII вв. итальянский учёный Галилео Галилей (1564–1642) обобщил результаты исследований и создал естественно-научный метод познания природы. Он используется во всех естественных науках.

Схема метода: определяется объект исследования, составляется план работы, собирается экспериментальная установка. Анализ результатов наблюдений и опытов позволяет сформулировать теоретическое предположение — гипотезу.

• Гипотеза обобщает опытные данные, но включает и элементы нового знания.
• Из гипотезы получают следствия, предсказывают новые факты и проверяют их на опыте.
• Если экспериментальная проверка следствий подтверждает гипотезу, она становится законом.

Физический эксперимент — важнейший метод исследования природы. Посредством эксперимента в лабораторных условиях можно воспроизвести природное явление, наблюдать за ним, осуществлять измерения.

Физика, в отличие от математики, — экспериментальная наука: недостаточно карандаша и бумаги.

• Законы физики основаны на фактах, которые устанавливаются главным образом в результате планомерных наблюдений.
• Бывают и случайные открытия: обнаружение радиоактивного распада урана, рентгеновского излучения.

Любое явление или процесс очень сложны. Приступая к исследованию, нужно выделить главное — то, от чего явление зависит существенным образом, — и отбросить второстепенные обстоятельства, не играющие существенной роли. Без упрощения исследование невозможно.

Такой метод называют моделированием. Пример из основной школы — материальная точка.

• Планеты и Солнце можно считать материальными точками: размеры планет намного меньше расстояний между ними. Так удаётся установить характер движения планет.
• Если расстояния между телами не очень велики по сравнению с их размерами, материальными точками их считать уже нельзя: движение искусственных спутников и Луны заметно зависит от размера и формы Земли.
• Модель — приближение к действительности, справедливое лишь при определённых условиях. Каждый раз нужно выяснять, выполняются ли эти условия.

1. Модель — математический маятник: небольшое тяжёлое тело на длинной нити. Закон: $T = 2\pi\sqrt{L/g}$, откуда $g = \dfrac{4\pi^2 L}{T^2}$.
2. Период измеряет секундомер (он есть). Нужны длина нити $L$ — линейка — и сам маятник — шарик: нить без груза не маятник. Масса в формулу не входит, весы не нужны.

1. Закон Ома: $R = U/I$. Это косвенное измерение: напряжение даёт вольтметр, силу тока должен дать прибор для тока — амперметр.
2. Чтобы в цепи шёл ток, нужен источник напряжения. Известный резистор, второй вольтметр и конденсатор не нужны.

1. $\eta = \dfrac{A_{\text{полезная}}}{A_{\text{затраченная}}} = \dfrac{mgh}{Fl} = \dfrac{mg\sin\alpha}{F}$. Угол $\alpha$ известен и фиксирован, поэтому длины $h$ и $l$ мерить не надо: линейка лишняя.
2. Нужен брусок с крючком (его тянут вверх по плоскости) и динамометр: им находят вес $mg$ бруска и силу тяги $F$ при равномерном подъёме.

1. Оптическая сила $D = \dfrac1F$, а по формуле тонкой линзы $\dfrac1F = \dfrac1d + \dfrac1f$. Нужны расстояние $d$ от предмета до линзы и $f$ от линзы до изображения.
2. Изображение отверстия на экране получают на экране без отверстия, расстояния измеряют линейкой.

• Физика стала наукой в XVII в.: описание фактов на математическом языке и исследование закономерностей экспериментом.
• Естественно-научный метод Галилея: наблюдение → гипотеза → следствия → эксперимент. Подтверждённая гипотеза становится законом.
• Эксперимент воспроизводит явление в лабораторных условиях и позволяет измерять.
• Моделирование — выделить главное и отбросить второстепенное. Материальная точка применима, если размеры тела малы по сравнению с расстояниями.
• В задании №20 от формулы закона идём к списку приборов: что надо измерить, чтобы подставить в формулу.