Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 2. Експериментальні та теоретичні методи досліджень законів природи

Кожен із вас під час спостережень за навколишнім світом отримує нові знання. Наприклад, ви самостійно встановили, що сонце щовечора заходить за обрій, а зранку піднімається над ним, дим із труби в безвітряну погоду здіймається вгору, сонячні промені нагрівають землю, крижинка холодить долоню. А як вчені одержують нові знання про навколишній світ? Якими методами користуються?

1. Чим різняться спостереження та експеримент?

Ви вже знаєте, що таке фізичні тіла та фізичні явища. Почнемо їх досліджувати.

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

Фізичне дослідження може бути у формі спостереження, коли дослідник спостерігає за явищем, не втручаючись у його перебіг. Уявіть, наприклад, що ви спостерігаєте, як падає восени листя.

Якщо результати спостережень повторюються, то дослідник на основі отриманих даних може зробити певні висновки. Висновки бувають правильними або хибними.

Розгляньте відрізки на рисунку. Який відрізок здається меншим? Тепер виміряйте довжини відрізків. Правильний чи хибний висновок ви зробили за допомогою спостереження?

Користуючись спостереженнями, філософи Давньої Греції зробили, наприклад, такий висновок: важкі предмети завжди падають швидше, ніж легкі. На цьому висновку (як потім з’ясувалося — хибному) була побудована фізична модель Аристотеля, давньогрецького філософа та засновника фізики (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Аристотель (384-322 рр. до н. е.)

Фізичною моделлю ми будемо називати спрощений опис явища, будови фізичних тіл тощо. Фізичну модель створюють для пояснення цих явищ на основі наявних фізичних законів. Відкриття нових законів, з одного боку, ускладнює модель, а з іншого — наближає модель до реальності.

Повільний процес накопичення висновків, зроблених на основі спостережень, який розпочався в античні часи, тривав багато століть. Лише в Середні віки ситуація докорінно змінилися. Разом зі спостереженнями вчені почали проводити експерименти (досліди).

Експеримент (дослід, експериментальне дослідження) — це дослідження фізичного явища в умовах, що перебувають під контролем науковця, яке супроводжується вимірюваннями.

Експерименти проводять у спеціально обладнаних приміщеннях — фізичних лабораторіях. Найпростіший вид експериментального дослідження — лабораторні роботи, які ви будете виконувати в ході вивчення фізики.

2. Якими є сучасні методи досліджень?

Перехід від спостереження до методів дослідження, якими користуються зараз, пов’язують з іменами двох видатних фізиків: італійця Ґалілео Ґалілея (рис. 2.2) та англійця Ісаака Ньютона (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Ґалілео Ґалілей (1564-1642)

Рис. 2.3. Ісаак Ньютон (1642-1727)

Ґалілео Ґалілей був першим, хто поставив під сумнів висновки спостережень Аристотеля. Ґалілей зробив припущення, що час падіння тіл не залежить від їхньої маси і, якби не було опору повітря, усі тіла падали б однаково.

За легендою, вчений провів дослідження, використавши для цього Пізанську вежу. З вершини цієї споруди він кидав предмети (мушкетну кулю й гарматне ядро), на рух яких опір повітря впливає незначно. Обидва предмети досягали землі практично одночасно. Таким чином, уявлення Аристотеля виявилися хибними та після майже двох тисяч років існування були замінені.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: кілька однакових аркушів паперу.

Візьміть аркуші паперу та надайте їм, окрім одного, різної форми (складіть, зімніть тощо). Висуньте гіпотезу щодо швидкості падіння цих тіл. Перевірте свою гіпотезу експериментально. Прокоментуйте отримані результати.

Більш точні експерименти здійснив Ісаак Ньютон (рис. 2.4).

Рис. 2.4. 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)

Ґ. Галілей та І. Ньютон залишили людству у спадок не лише феноменальні результати наукових досліджень. Вони також визначили основні етапи отримання нових знань та їх послідовність. Схематично це можна уявити у вигляді спіралі, яка складається з елементів, які повторюються (рис. 2.5). За час, що минув, ця схема загалом збереглася, хоча окремі елементи зазнали значних змін.

Рис. 2.5. Етапи пізнання у фізичних дослідженнях

3. Внесок фізики в дослідження Всесвіту

Почнемо з того, що ми з вами живемо на третій планеті в зоряній системі із Сонцем у центрі. Сонячна система розміщується на периферії великого зоряного скупчення під назвою Молочний Шлях. Таких зоряних скупчень — галактик — безліч у видимій частині Всесвіту. У складі галактик є зорі, які подібні до Сонця, є зорі — червоні гіганти та зорі — білі карлики, є чорні діри та інші екзотичні об’єкти. Доповнює картину факт розбігання галактик, тобто Всесвіт розширюється.

Яким, на вашу думку, є внесок фізики у формування сучасних уявлень про Всесвіт?

А ЯК НАСПРАВДІ?

Так званий молодик, новий Місяць, припадає на 15 вересня. У мережі оприлюднили повідомлення, що наступне народження нового Місяця очікується за місяць — 15 жовтня. Як, на вашу думку, вчинить Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України — підтвердить чи спростує цю інформацію?

Закон всесвітнього тяжіння надав змогу розрахувати орбіти планет Сонячної системи. Ці дані перевірено за допомогою оптичних телескопів. Останнє підтвердження отримано завдяки польотам супутників.

Теоретичний опис зоряних скупчень та їхніх складових базується на загальній теорії відносності, яку створив видатний фізик Альберт Ейнштейн (рис. 2.6). Але якщо 100 років тому чорна діра виглядала як теоретична іграшка, то сьогодні вже є чимало знімків, які підтверджують її реальність.

Рис. 2.6. Альберт Ейнштейн (1879-1955)

Велике значення в дослідженні Всесвіту має вивчення різних типів випромінювання. Саме аналізуючи випромінювання, яке надходить із різних куточків Всесвіту, вчені дізналися, як народжуються зорі, із чого і як вони побудовані.

Наведені приклади показують, що фізика всіляко допомагає астрономії, але ж не замінює її.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Великий адронний колайдер, комплекс дослідницького обладнання для створення нових знань, являє собою кільце, всередині якого можна розмістити місто Бориспіль. Тут працюють близько 10 тисяч фахівців. Для проведення експериментів колайдер потребує електричної потужності, яка приблизно дорівнює споживанню електрики великим містом. Дослідження на цьому гіганті крок за кроком додають ученим нові дані про будову матерії.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

ФІЗИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ — це цілеспрямоване отримання нових знань про фізичні тіла або явища.

Експеримент — це дослідження фізичного явища в умовах, що перебувають під контролем науковця, яке супроводжується вимірюваннями.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке спостереження? 2. Чим дослід відрізняється від спостереження? 3. Назвіть основні методи отримання нових знань. Наведіть приклади. 4. Якими є етапи отримання нових знань у ході фізичних досліджень?

ВПРАВА № 2

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, або 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 нову схему подачі палива для двигуна автомобіля. Щоб дізнатися, якою при цьому буде тяга двигуна, цю схему випробували на спеціальному стенді. У якому випадку вчені виконали експериментальне дослідження, а в якому — теоретичне? Відповідь обґрунтуйте.

Коментар щодо обережності

Обережність — важлива складова поведінки людини, що допомагає зберегти здоров’я і навіть життя. Саме тому треба пристебнутися на американських гірках. Саме тому тих, хто не вміє плавати, не пустять у дорослий басейн. Саме тому необхідно виконувати певні правила, розпалюючи багаття.

Лабораторні роботи в курсі фізики, які ви незабаром почнете виконувати, теж потребують обережності. Тож ознайомтеся уважно з правилами безпеки під час їх проведення, які подано на форзаці підручника.

Ключові терміни

Фізичне дослідження • Спостереження • Експеримент • Дослід • Техніка безпеки