Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 3. Наукові методи вивчення природи. Внесок українських учених у розвиток фізики

Кожен із вас щоденно досліджує навколишній світ і одержує нові знання. Наприклад, ви самостійно і вже давно встановили, що ложка, якщо її випустити з рук, обов’язково падає вниз, полум’я багаття піднімається вгору, сонячні промені нагрівають землю, а крижинка холодить долоню. А як проводять наукові дослідження вчені? Як вони одержують нові знання?

1. Дізнаємося, що таке фізичне дослідження, встановлюємо відмінності між спостереженнями й експериментами

Фізичне дослідження — це цілеспрямоване отримання нових знань про фізичні тіла або явища.

Зазвичай фізичне дослідження починається зі спостереження, коли дослідник спостерігає за явищем, не втручаючись у його перебіг.

Якщо результати спостережень повторюються, то дослідник на основі отриманих даних робить висновки. Наприклад, у ході спостережень можна встановити, що кожної зими вода в річках, ставках і озерах нашої країни вкривається кригою. За результатами цих спостережень можна зробити висновок: унаслідок сильного охолодження (до мінусової температури) вода в річках, ставках і озерах перетворюється на лід.

Однак далеко не завжди висновки, одержані за допомогою спостережень, є істинними. Розгляньте, наприклад, відрізки на рис. 3.1. Червоний відрізок здається меншим, ніж синій. Якщо ж виміряти довжину відрізків лінійкою, то виявиться, що їхні довжини є однаковими.

Рис. 3.1. Довжина відрізків є однаковою. У цьому легко переконатися за допомогою лінійки

Рис. 3.2. Учені проводять експерименти (досліди) у спеціально обладнаних приміщеннях — фізичних лабораторіях

Щоб не робити подібних хибних висновків, учені проводять експерименти (досліди).

Експеримент (дослід) — це дослідження фізичного явища в умовах, які перебувають під контролем науковця (рис. 3.2).

Експерименти зазвичай супроводжуються вимірюваннями.

Коли науковці проводять серію експериментів, спрямованих на вивчення певного фізичного явища, йдеться про експериментальне дослідження. Невдовзі ви виконуватимете лабораторну роботу — це найпростіший вид експериментального дослідження.

2. Визначаємо основні етапи отримання нових знань у ході фізичних досліджень

Спочатку дослідник аналізує побачене під час спостережень, а потім висуває гіпотезу — робить певне припущення, пов’язане з досліджуваним явищем. Наприклад, за результатами спостережень стану води в річках й озерах узимку можна висунути гіпотезу: після охолодження до температури, нижчої від нуля, вода завжди (не тільки в річках та озерах і не тільки взимку) перетворюється на лід.

Далі дослідник проводить експеримент, за допомогою якого перевіряє гіпотезу.

Який експеримент ви можете здійснити, щоб перевірити гіпотезу про умови перетворення води на лід?

Завдяки гіпотезі та її експериментальній перевірці дослідник отримує нове знання. А результат вашого експерименту напевно буде таким: за температури, нижчої від 0 °C, вода завжди перетворюється на лід*.

Проведення деяких експериментів не потребує багато часу, але інколи пошуки істини тривають століттями. Наведемо приклад.

Із повсякденного досвіду філософи Стародавньої Греції зробили висновок, що важчі предмети завжди падають швидше, ніж легкі. І тільки через майже дві тисячі років італійський учений Ґалілео Ґалілей (рис. 3.3) висунув гіпотезу про те, що час падіння тіл не залежить від їх маси і, якби не було опору повітря, усі тіла падали б однаково.

Рис. 3.3. Ґалілео Ґалілей (1564-1642)

За легендою, для підтвердження своєї здогадки вчений провів дослідження, використавши для цього відому Пізанську вежу. З вершини цієї споруди він кидав предмети (мушкетну кулю й гарматне ядро), на рух яких опір повітря впливає незначно. Результати експериментів підтвердили гіпотезу вченого: обидва предмети досягали землі практично одночасно.

Більш точні експерименти здійснив видатний англійський учений Ісаак Ньютон (рис. 3.4, 3.5). Проте Ньютон не обмежився підтвердженням висновків Ґалілея.

Рис. 3.4. Ісаак Ньютон (1642-1727)

Рис. 3.5. Експерименти з «трубкою Ньютона»: у скляну трубку помістили монету і пташине перо. Тіла почали падіння одночасно. Через опір повітря перо «відстало» (а). Із трубки викачали повітря — тіла досягли дна трубки одночасно (б)

Проаналізувавши одержані дані та зробивши необхідні обчислення, тобто провівши теоретичні дослідження, І. Ньютон припустив, що падіння тіл на поверхню землі та обертання планет Сонячної системи навколо Сонця підкорюються одному закону. Щоб обґрунтувати це твердження, вчений знову звернувся до математики. У результаті Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння — створив нове знання.

* Цей висновок справджується для води за нормального атмосферного тиску — передбачається, що експеримент проведено саме за цієї умови. Детальніше про атмосферний тиск ви дізнаєтесь у § 25 цього підручника.

З часів Ґ. Ґалілея та І. Ньютона основними методами здобуття нових знань стали експериментальний і теоретичний методи. Сучасні експериментальні дослідження неможливо уявити без спеціально сконструйованих складних приладів. У розробленні нових теорій беруть участь сотні вчених, для теоретичних розрахунків застосовують надпотужні комп’ютери.

Однак і в наші дні основні етапи отримання нових знань (спостереження — гіпотеза — експеримент) залишаються незмінними.

Послідовність етапів отримання нових знань у ході фізичних досліджень можна уявити у вигляді спіралі, яка складається з елементів, які повторюються (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Етапи пізнання у фізичних дослідженнях

3. З’ясовуємо, навіщо створюють фізичні моделі

Будь-який фізичний процес є доволі складним і супроводжується численними явищами. Зрозуміло, що одночасно дослідити всі явища, які відбуваються в ході процесу, і врахувати вплив абсолютно всіх чинників неможливо. Саме тому на початку фізичного дослідження слід визначити чинники, які суттєво впливатимуть на процес. Далі вчені створюють фізичну модель процесу — його уявний аналог, у якому «діють» тільки ці чинники. Які саме чинники слід урахувати, а якими нехтувати, визначається метою дослідження.

Ті з вас, хто грав у комп’ютерну гру «Angry Birds», вже мали справу з найпростішою фізичною моделлю руху тіла, кинутого під кутом до горизонту (рис. 3.7). Загальні закономірності, що «працюють» у цій моделі, будуть виконуватися й у випадку, наприклад, гарматного пострілу, але з деякими поправками — на швидкість вітру, на якість заряду, на зношення дула гармати тощо.

А от у випадку, коли необхідно розрахувати рух космічної ракети, уточнень має бути ще більше: слід урахувати зменшення маси ракети під час польоту через згоряння палива, зміну температури зовнішнього середовища, поступове розрідження повітря та ін. Недарма модель руху ракети створюють великі колективи вчених, використовуючи найпотужніші комп’ютери.

Рис. 3.7. У комп’ютерній грі «Angry Birds» використано найпростішу модель руху тіла, кинутого під кутом до горизонту

4. Дізнаємося про українських фізиків

У «спорудження будівлі» сучасної фізики зробили свій внесок учені, чиї імена пов’язані з Україною. Серед них Іван Павлович Пулюй (рис. 3.8), який здобув світове визнання за дослідження в різних галузях експериментальної фізики та електротехніки; Володимир Іванович Вернадський (1863-1945) (див. с. 24), перший президент Академії наук України; Олександр Теодорович Смакула (1900-1983), вчений-винахідник, відомий передусім своїми працями в галузі оптики та фізики кристалів; Лев Васильович Шубников (рис. 3.9) учений, що зробив величезний внесок у фізику і техніку низьких температур, Лев Давидович Ландау (1908-1968) (див. с. 219); Микола Миколайович Боголюбов (1909-1992) (див. с. 104). В Україні народився й працював дослідник радіоактивності та земного магнетизму Микола Дмитрович Пильчиков (рис. 3.10), якого можна віднести до числа перших ядерників-експериментаторів.

Про багатьох наших співвітчизників-учених, а також про славетні університети та дослідні інститути нашої країни ви дізнаєтесь із рубрики «Фізика і техніка в Україні» в підручниках для 7-9 класів.

Рис. 3.8. І. П. Пулюй (1845-1918)

Рис. 3.9. Л. В. Шубников (1901-1937)

Рис. 3.10. М. Д. Пильчиков (1857-1908)

Досягнення українських учених добре відомі за межами нашої країни. Матеріали та технології, створювані в київському Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона, застосовують на всіх континентах. Синтетичні кристали, які виробляють в Інституті монокристалів (Харків) і на науково-виробничому підприємстві «Карат» (Львів), не поступаються найкращим світовим зразкам. Мають авторитет у галузі обчислювальної техніки й інформаційних технологій розробки Інституту кібернетики ім. В. М. Глушкова (Київ). Одним із світових центрів ядерної фізики є Харківський фізико-технічний інститут Національної академії наук (НАН) України. На Державному підприємстві «Антонов» (Київ) розроблено понад 100 типів і модифікацій літаків різного класу. У Дніпрі, в конструкторському бюро «Південне» і на заводі «Південмаш», створено один із найпотужніших ракетних комплексів.

Підбиваємо підсумки

Основні методи здобуття нових знань — експериментальний і теоретичний. На певному етапі вчені мають деякі знання; внаслідок спостережень і роздумів вони переконуються в необхідності вдосконалення цих знань, проводять теоретичні дослідження, висувають гіпотезу та підтверджують (або спростовують) її шляхом експериментальної перевірки. Результатом стає нове знання.

Перед тим як проводити теоретичні дослідження певного фізичного процесу, фізики створюють його ідеалізований аналог — фізичну модель.

Контрольні запитання

1. Що таке спостереження? 2. Наведіть приклади фізичних явищ, знання про які ви здобули в результаті власних спостережень. 3. Чим дослід відрізняється від спостереження? 4. Хто і як експериментально підтвердив гіпотезу Ґ. Ґалілея про те, що повільніше падіння більш легкого тіла пояснюється опором повітря? 5. Назвіть основні методи отримання нових знань. Наведіть приклади. 6. Якими є етапи отримання нових знань у ході фізичних досліджень?

Вправа № 3

1. На Місяці, де відсутнє повітря, астронавт Девід Скотт узяв до рук, а потім одночасно відпустив молоток і пташине перо. Дослід якого вченого повторив астронавт? Який результат він отримав?

2. Який круг із поданих на рисунку є більшим — той, що оточений маленькими кругами, чи той, що оточений великими? Яким методом фізичного пізнання можна скористатися, щоб отримати відповідь?

3. У науці розрізняють такі поняття: 1) явище, яке спостерігається повсякденно; 2) експериментальний факт; 3) гіпотеза. Визначте, до якого з понять належать подані твердження: а) за відсутності опору повітря всі тіла падають з однакової висоти за той самий час; б) імовірно, різниця у швидкості падіння тіл різної маси пояснюється опором повітря; в) тіло, випущене з рук, падає.

4. Щоб зменшити шкідливий вплив вихлопних газів на довкілля, вчені здійснили певні розрахунки та запропонували склад нового палива для двигуна автомобіля. Щоб дізнатися, якою при цьому буде тяга двигуна, його випробували на спеціальному стенді. У якому випадку вчені виконали експериментальне дослідження, а в якому — теоретичне? Відповідь обґрунтуйте.

5. Назвіть щонайменше шість вимірювальних приладів, якими ви користувалися на уроках математики, природознавства та в повсякденному житті. Що ви вимірювали за допомогою кожного з цих приладів? У яких одиницях отримували результати?

Експериментальні завдання

1. Поспостерігайте яке-небудь фізичне явище та опишіть його за планом, поданим на форзаці підручника (використовуйте тільки пункти 1, 2, 4).

2. Візьміть кілька однакових аркушів паперу та надайте їм, окрім одного, різної форми (складіть, зімніть тощо). Висуньте гіпотезу щодо швидкості падіння цих тіл. Перевірте свою гіпотезу експериментально. Поясніть результати експерименту.

Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.

Фізика і техніка в Україні

Перший президент Академії наук України Володимир Іванович Вернадський (1863-1945) був одним із найвидатніших природознавців, ученим, який не лише розвивав відомі наукові напрями, а й став фундатором кількох нових наук.

Сьогодні багато відомих міжнародних організацій у своїх прогнозах розвитку людства базуються на концепції безперервного розвитку суспільства, яка є продовженням вчення В. І. Вернадського про ноосферу (сферу взаємодії суспільства й природи).

Суть цієї концепції полягає в тому, щоб від покоління до покоління не знижувались якість і безпека життя людей, не погіршувався стан навколишнього середовища, щоб відбувався соціальний прогрес.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.