Фізика. 7 клас. Головко

Розділ 1. Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання

Необхідність знань з фізики для людини є історично зумовленою. Розвиток людства, науково-технічний прогрес, космічні польоти і створення комп’ютерної техніки - все це було б неможливим без досягнень фізичної науки та самовідданої праці її творців - видатних учених і дослідників.

§ 1. Фізика як фундаментальна наука про природу

• Що вивчає сучасна фізика?
• Зв’язок фізики з іншими науками
• Фізичні явища та методи їх наукового пізнання

Що вивчає сучасна фізика? Життя сучасної людини пов’язане з використанням у професійній діяльності та повсякденному житті різноманітних машин, механізмів і обладнання. Їх створення та експлуатація стали можливими тому, що впродовж століть вчені відкривали, накопичували та узагальнювали фізичні знання. Винайдення та виготовлення транспортних засобів (літаків, автомашин, кораблів та космічних ракет), побутової техніки в нашому будинку (пральних машин, холодильників, кондиціонерів і персональних комп’ютерів), проектування гідро-, вітро-, тепло- та атомних електростанцій, що виробляють електричну енергію для різноманітних пристроїв, завдячує фізичним дослідженням. Фізики вивчали і перевіряли на практиці особливості виникнення та використання електричного струму, закономірності поширення світла, властивості рідин та газів, і тіл, що рухаються в них. Важливе значення мали дослідження фізичних основ розвитку рослин, тварин і людини.

Таким чином, фізика здобуває знання про природу, оточуючий світ та його закономірності, необхідні людині для забезпечення комфортного життя та продуктивної перетворювальної діяльності.

Термін «фізика» походить від грецького «фюзіс», що означає природа. В науку цей термін увів славетний давньогрецький вчений Аристотель (рис. 1.1), який вперше в писемній історії людства узагальнив існуючі на той час знання про природу.

Сучасна фізика є однією з фундаментальних наук про природу. Тобто такою наукою, яка має чудову властивість - формулювати загальні закони природи, вивчаючи та досліджуючи достатньо прості явища. Однією з основних задач фізики як природничої науки є встановлення законів, які пов’язують між собою різноманітні явища в природі. Так, вивчаючи зміну дня та ночі, фізики встановили, що Земля, освітлювана Сонцем, обертається навколо своєї осі (рис. 1.2). А падіння яблука зумовлене притяганням його до Землі (рис. 1.3).

Рис. 1.1. Аристотель (384-322 рр. до н. е.) - давньогрецький учений-енциклопедист. Фундатор біології, фізики, етики, логіки, психології, соціології

Рис. 1.2. Зміна дня і ночі пояснюється тим, що Земля, яку освітлює Сонце, обертається навколо своєї осі

Фізика - наука про найбільш загальні й фундаментальні закономірності матеріального світу.

Рис. 1.3. Падіння яблука зумовлене притяганням його до Землі

Рис. 1.4. Фізика є основою нових наукових напрямів дослідження природи

Зв’язок фізики з іншими науками. Не тільки фізика займається вивченням природи. Такі науки як географія, біологія, хімія мають свої цілі та прийоми вивчення природи й отримують важливі наукові результати. Та лише знання фізичних основ тих чи інших явищ дає можливість установити якісні відмінності тісно пов’язаних між собою наук. Знання законів фізики допомагає розумінню особливостей клімату та природи вітрів у географії, будови органів зору та слуху тварин в зоології, взаємодії хімічних елементів у хімії. Завдяки загальності та фундаментальності закони фізики використовуються в усіх природничих науках. Виникли й успішно розвиваються нові напрями фізики - геофізичний, біологічний, астрономічний, хімічний та інші (рис. 1.4).

Фізичні явища та методи їх наукового пізнання. Світ, в якому живе людина, надзвичайно мінливий. Ми постійно спостерігаємо зміни дня і ночі, пір року, зміни погоди та клімату, самопочуття людини, положення планет, автомобілів і літаків. У науці такі зміни називають фізичними явищами. Прикладами фізичних явищ є рух дощової краплини, блискавка, грім, веселка, вітер, кипіння води, танення льоду, свічення Сонця та Місяця (рис. 1.5). Рух літаків, човнів і автомобілів, свічення монітора комп’ютера, дзвінок мобільного телефона теж є прикладами фізичних явищ (рис. 1.6.).

Рис. 1.5. Фізичні явища в природі

Рис. 1.6. Фізичні явища в техніці

Рис. 1.7. Фізичні явища в живих організмах

Фізичні явища відбуваються і в живих організмах. Волога піднімається по стеблинах рослин, кров тече по судинах, а по нервових закінченнях передаються сигнали від головного мозку до життєво важливих органів тварини і людини (рис. 1.7.). Фізичні явища настільки ж різноманітні, наскільки різноманітний світ природи. Деякі фізичні явища мають спільні властивості, залежно від яких виділяють механічні, теплові, електромагнітні, світлові, звукові та інші явища і процеси. (рис. 1.8.)

Саме тому фізику розглядають як науку про найбільш прості й найбільш загальні властивості явищ природи.

З дитинства ми знаємо, що бурулька тане в теплій кімнаті, пластилін легко змінює форму, а магніт взаємодіє з дрібними металевими предметами, притягуючи їх. Яким чином з’явилися ці знання? Багато знань людина отримує з власних спостережень. Завдяки спостереженням фізика накопичила значний обсяг знань про природу. Найскладнішим етапом наукового спостереження є виявлення суттєвих ознак спостережуваного явища. Для досягнення цього дослідник має володіти здатностями здогадки та узагальнення, встановлення зв’язку між явищами та їх причинами.

Рис. 1.8. Фізичні явища

Разом з тим спостереження не завжди дають можливість з’ясувати причини тих чи інших явищ. Тому у фізиці, так само, як і інших природничих науках (наприклад, хімії та біології), знання отримують не тільки із спостережень, а й із дослідів. Фізичні досліди проводять цілеспрямовано (з певною метою) та за попередньо визначеним планом. Під час дослідів виконують спеціальні вимірювання. Спостерігаючи за падінням тіл на поверхню Землі, можна зробити висновок, що тіло рухається все швидше. Але дослідити особливості вільного падіння тіл можна лише шляхом спеціального досліду. За легендою, такий дослід поставив видатний італійський вчений Г. Галілей, відпускаючи різні кулі з похилої вежі (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема досліду Г. Галілея

Рис. 1.10. Галілео Галілей (1564-1642) - італійський мислитель епохи Відродження, один із засновників сучасного експериментально-теоретичного природознавства

Дослід, науковий експеримент - це ніби питання природі. Шляхом зміни умов досліду, міркувань учені приходять до формулювання припущення про причини, ознаки та наслідки явища.

Спостереження та досліди є основними джерелами фізичних знань. Дослід, або експеримент, пов’язаний зі спостереженням, але не тотожний йому: в науковому експерименті дослідники цілеспрямовано впливають на досліджуваний процес з тим, щоб виявити зв’язок причин і наслідків спостережуваного процесу. Науковий експеримент часто дає змогу відкривати фізичні закони.

Фізичний закон - опис співвідношень у природі, які виявляються за певних умов в експерименті (досліді).

Г. Галілей дав кількісний опис вільного падіння тіл на землю, але не зміг дати відповідь на питання, чому вони падають. Ісаак Ньютон, основоположник класичної фізики, висловив припущення, згідно з яким причиною падіння тіл на поверхню Землі є всесвітнє тяжіння. Ньютоном була створена, як побачимо далі, класична теорія всесвітнього тяжіння. Всю сукупність законів, які описують широке коло явищ, називають науковою теорією. Наприклад, закони Ньютона складають зміст однієї з перших фізичних теорій - класичної механіки.

Головне у цьому параграфі

Фізика - це наука про найбільш загальні й фундаментальні закономірності матеріального світу. Різноманітні зміни, що відбуваються в природі, називають фізичними явищами. Прикладами фізичних явищ є рух дощової краплини, блискавка, грім, веселка, вітер, кипіння води, танення льоду, свічення Сонця та Місяця, рух літаків, човнів та автомобілів, свічення монітора комп’ютера, дзвінок мобільного телефона.

Основними джерелами фізичних знань є спостереження та досліди. Наукові експерименти дають змогу відкривати фізичні закони. Фізичний закон - це опис співвідношень у природі, який проявляється за певних умов в експерименті (досліді).

Завдяки загальності та фундаментальності законів фізики вони використовуються у всіх природничих науках.

Запитання для самоперевірки

• 1. Які науки про природу ви знаєте?
• 2. Що таке фізичне явище? Наведіть приклади фізичних явищ.
• 3. Яким чином людина отримує знання про явища природи?
• 4. Що спільного між спостереженнями та дослідами? Чим вони відрізняються?
• 5. Як інші науки використовують знання, отримані фізикою?

Експериментальне завдання

Спостереження показують, що тепле повітря піднімається вгору, а холодне опускається донизу. Запропонуйте схему досліду, яким можна перевірити це спостереження.