Научные методы изучения природы. Вклад украинских ученых в развитие Физики

Вы каждый день исследуете окружающий мир и получаете новые знания. Например, вы самостоятельно и достаточно давно установили, что ложка, если ее выпустить из рук, обязательно падает вниз, пламя костра устремляется вверх, солнечные лучи нагревают землю, а льдинка холодит ладонь. А как проводят научные исследования ученые? Как они получают новые знания?

узнаем, что такое физическое исследование и чем отличаются наблюдения и эксперименты

Физическое исследование — это целенаправленное получение новых знаний о физических телах или явлениях.

Обычно физическое исследование начинается с наблюдения, когда исследователь наблюдает за явлением, не вмешиваясь в его ход.

Если результаты наблюдений повторяются, то исследователь на основе полученных данных делает выводы. Например, в ходе наблюдений можно установить, что каждую зиму вода в реках, прудах и озерах нашей страны покрывается льдом. По результатам этих наблюдений можно сделать вывод: вследствие сильного охлаждения (до минусовой температуры) вода в реках, прудах и озерах превращается в лед.

Однако далеко не всегда выводы, полученные с помощью наблюдений, истинны. Например, на рис. 3.1 длина красного отрезка кажется меньше длины синего. Если же измерить длины отрезков линейкой, то окажется, что они равны.

Чтобы не делать подобных ошибочных выводов, ученые проводят эксперименты (опыты).

Эксперимент (опыт) — это исследование физического явления в условиях, находящихся под контролем исследователя (рис. 3.2).

Эксперименты обычно сопровождаются измерениями.

Когда ученые проводят серию экспериментов, направленных на изучение определенного физического явления, — это экспериментальное исследование. Совсем скоро вы будете выполнять лабораторную работу — простейший вид экспериментального исследования.

выясняем основные этапы получения новых знаний в ходе физических исследований

Сначала исследователь анализирует увиденное во время наблюдений, а затем выдвигает гипотезу — делает некое предположение, связанное с исследуемым явлением.

Например, по результатам наблюдений за состоянием воды в реках и озерах зимой можно выдвинуть гипотезу: после охлаждения до температуры ниже нуля вода всегда (не только в реках и озерах и не только зимой)

превращается в лед. Далее исследователь проводит эксперимент, с помощью которого проверяет гипотезу.

Какой эксперимент вы можете провести, чтобы проверить гипотезу об условии превращения воды в лед?

Благодаря гипотезе и ее экспериментальной проверке исследователь получает новое знание. А результат вашего эксперимента наверняка будет таким: при температуре ниже 0 °С вода всегда превращается в лед³.

Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления, то есть проведя теоретические исследования, И. Ньютон предположил, что и падение тел, и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, ученый снова обратился к математике. В результате Ньютон открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание.

Со времен Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали экспериментальный и теоретический. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов. В разработке новых теорий участвуют сотни ученых, для теоретических расчетов применяют сверхмощные компьютеры.

При этом и сегодня основные этапы получения новых знаний (наблюдения — гипотеза — эксперимент) остаются неизменными.

Последовательность этапов получения новых знаний в ходе физических исследований можно представить в виде спирали, которая состоит из повторяющихся элементов (рис. 3.6).

Выясняем, зачем создают физические модели

Любой физический процесс достаточно сложен и сопровождается многочисленными явлениями. Понятно, что одновременно исследовать все явления, происходящие в ходе данного процесса, и учесть влияние абсолютно всех факторов невозможно. Поэтому в начале физического исследования определяют факторы, существенно влияющие на процесс. Далее ученые создают физическую модель процесса — его воображаемый аналог, в котором «действуют» только эти факторы. Какие именно факторы следует учесть, а какими можно пренебречь, определяется целью исследования.

Те из вас, кто играл в компьютерную игру «Angry Birds», уже имели дело с простейшей физической моделью движения тела, брошенного под углом к горизонту (рис. 3.7). Общие закономерности, «работающие» в этой модели, будут выполняться и в случае, например, пушечного выстрела, но с некоторыми поправками — на скорость ветра, качество заряда, износ дула пушки и т. п.

А вот если необходимо рассчитать движение космической ракеты, то поправок должно быть еще больше, ведь следует учесть уменьшение массы ракеты из-за сгорания топлива, изменение температуры внешней среды, постепенное разрежение воздуха и многое другое. Именно поэтому движение ракет моделируют большие коллективы ученых, используя мощнейшие компьютеры.

Узнаем об украинских физиках

В «сооружение здания» современной физики внесли свой вклад и ученые, связанные с Украиной. Среди самых ярких имен — Иван Павлович Пулюй (рис. 3.8), получивший мировое признание за исследования в разных областях экспериментальной физики и электротехники; Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), первый президент Академии наук Украины (см. с. 24); Александр Теодорович Смакула (1900-1983), ученый-изобретатель, известный прежде всего своими работами в области оптики и физики кристаллов; Лев Васильевич Шубников (рис. 3.9), ученый, внесший значительный вклад в физику и технику низких температур; Лев Давидович Ландау (1908-1968) (см. с. 219); Николай Николаевич Боголюбов (1909-1992) (см. с. 104). В Украине родился и работал исследователь радиоактивности и земного магнетизма Николай Дмитриевич Пильчиков (рис. 3.10), которого можно отнести к числу первых радиотехников и ядерщиков-экспериментаторов.

О некоторых наших соотечественниках-ученых, а также об известных университетах и исследовательских институтах нашей страны вы узнаете из рубрики «Физика и техника в Украине» в учебниках для 7-9 классов.

Достижения украинских ученых хорошо известны за пределами нашей страны. Материалы и технологии, создаваемые в киевском Институте электросварки им. Е. О. Патона, применяют на всех континентах.

Синтетические кристаллы, которые производят в Институте монокристаллов (Харьков) и на научно-производственном предприятии «Карат» (Львов), не уступают лучшим мировым образцам. В области вычислительной техники и информационных технологий пользуются авторитетом разработки Института кибернетики им. В. Г. Глушкова (Киев). Одним из мировых центров ядерной физики остается Харьковский физико-технический институт Национальной академии наук Украины. На Государственном предприятии «Антонов» (Киев) разработано более 100 типов и модификаций самолетов разных классов, а в Днепропетровске, в конструкторском бюро «Южное» и на заводе «Южмаш», создан один из мощнейших ракетных комплексов.

Подводим итоги

Основные методы получения новых знаний — экспериментальный и теоретический. На определенном этапе ученые имеют некие знания; в результате наблюдений и размышлений они убеждаются в необходимости усовершенствования этих знаний; затем ученые проводят теоретические исследования, выдвигают гипотезу и подтверждают (или опровергают) ее путем экспериментальной проверки. Результатом становится новое знание.

Перед проведением теоретических исследований физического процесса ученые создают его идеализированный аналог — физическую модель.

Контрольные вопросы

'Л. Что такое наблюдение? 2. Приведите примеры физических явлений, знание о которых вы получили в результате собственных наблюдений. 3. Чем экперимент отличается от наблюдения? 4. Кто и как экспериментально подтвердил гипотезу Г. Галилея о том, что более легкое тело падает медленнее из-за сопротивления воздуха? 5. Каковы основные методы получения новых знаний? Приведите примеры. 6. Расскажите об этапах получения новых знаний в ходе физических исследований.

Упражнение № 3

1. На Луне, где отсутствует воздух, астронавт Дэвид Скотт взял в руки, а потом одновременно отпустил молоток и птичье перо. Опыт какого ученого повторил астронавт? Как вы думаете, какой результат он получил?

2. Какой круг на рисунке больше — окруженный маленькими кругами или окруженный большими кругами? Каким методом физического познания можно воспользоваться, чтобы ответить на вопрос?

3. В науке различают такие понятия: 1) явление, наблюдаемое постоянно; 2) экспериментальный факт; 3) гипотеза. Определите, к какому из понятий относятся приведенные утверждения:

а) при отсутствии сопротивления воздуха все тела падают с одинаковой высоты за одно и то же время; б) вероятно, различие в скорости падения тел разной массы объясняется сопротивлением воздуха; в) тело, выпущенное из рук, падает.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий