Фізика. 7 клас. Шут

Частина I. Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання

Розділ 1. Фізика як наука і теоретична основа техніки

• Які науки утворюють сучасне природознавство?
• Яка роль фізики у відносинах людини з природою?
• Як виникли такі галузі знань, як астрофізика, біофізика, геофізика, хімічна фізика?
• Чому фізика є основою техніки?
• Які прикладні застосування фізики?
• Як з’являються фізичні закони та фізичні теорії?
• Чому фізика вважається точною наукою?
• Атоми — основа світобудови?
• Чи можна розділити ядро?
• Нанотехнології — сьогодення чи майбутнє?
• Українські фізики — який їх внесок у становлення світової науки?
• Над якими проблемами працює сучасна фізика?

§ 1. Фізика як фундаментальна наука про природу

1. Фізика — наука про природу. Слово «фізика» у перекладі з грецької φύσις [фюзіс] означає природа. Його ввів у науку один із найвидатніших давньогрецьких вчених Аристотель (384—322 рр. до н. е.). Під цим словом він розумів не просто природу, а суть речей і подій в природі. Безперечно, зміст терміну «фізика» в сучасній науці є значно ширшим.

У природі, яка нас оточує, постійно відбуваються різні зміни — явища природи (зміни дня і ночі, пір року, зміна положення зір на небосхилі, припливи та відпливи у морях і океанах, рух земної кори тощо). З часів зародження цивілізації людина цікавилася явищами природи та намагалася їх дослідити. В епоху античної культури не було поділу знань про природу на окремі науки. Проте історичний досвід нагромадження природничих знань показав, що вивчати природу за допомогою окремих наук значно результативніше, оскільки кожна природнича наука має свої засоби пізнання природи.

Фізика — одна із наук про природу.

Що ж є найсуттєвішим у пізнанні природи засобами фізичної науки? Один із творців сучасної фізики, німецький вчений Альберт Ейнштейн (1879—1955) з приводу цього зазначив: «Те, що ми називаємо фізикою, охоплює групу природничих наук, які грунтують свої поняття на вимірах...».

Отже, фізика, насамперед — наука експериментальна. На основі спостережень і експериментів людина поступово відкриває таємниці природних явищ і набуває влади над природою!

Аристотель (384-322 рр. до н. е.)

Альберт Ейнштейн (1879-1955)

Фізика — це наука, що вивчає найзагальніші закономірності тіл і явищ природи і за їх допомогою пояснює все, що відбувається навколо нас

Фізика — фундаментальна наука про природу

Фундаментальний (від лат. fundamentation — основа, опора)

2. Місце фізики серед інших природничих наук. Із накопиченням відомостей про природні явища виділилися окремі науки, а саме: фізика, хімія, біологія, географія, астрономія та інші. Ці науки займаються вивченням природи, а тому називаються природничими і утворюють таку галузь, як природознавство. З-поміж них фізика займає особливе місце: її знаннями і методами користуються в усіх природничих науках. Саме тому фізика є основою (фундаментом) усього природознавства. Недарма її називають фундаментальною наукою про природу. На рис. 1 показано окремі галузі наукового знання, які виникли внаслідок застосування методів і засобів фізики в інших природничих науках.

Рис. 1. Галузі застосування фізичних знань: а) астрофізика; б) геофізика; в) біофізика; г) хімічна фізика

Прикладами фізичних явищ є рух автомобіля, світіння лампочки, кипіння води, обертання стрілки у компасі

Фізичне тіло — це будь-який об’єкт природи, вивчення якого здійснюється засобами фізики

3. Фізичне явище. Фізичне тіло. Явища природи, що вивчають у фізиці, називаються фізичними явищами. Багато фізичних явищ мають спільні ознаки і властивості. Залежно від цього виділяють механічні, світлові, теплові, електромагнітні та інші фізичні явища (рис. 2).

Будь-яке фізичне явище відбувається з деяким конкретним, відокремленим об’єктом у природі. Кожний такий об’єкт називають фізичним тілом або просто тілом.

4. Фізична властивість тіла (або явища). Фізична величина. Спостерігаючи різні тіла або явища, легко побачити, що вони завжди мають певні ознаки, за якими їх легко відрізняти одне від одного. Ознаки, притаманні фізичному тілу або явищу, називаються його фізичними властивостями.

Рис. 2. Приклади фізичних явищ: а) механічні; б) світлові; в) теплові, г) електромагнітні

Деякі фізичні властивості, фізичні величини та їх одиниці

Таблиця 1

№ з/п	Фізична властивість	Назва фізичної величини	Позначення	Назва одиниці	Позначення
1.	Лінійні розміри тіла	довжина	L	метр	м
2.	Величина поверхні тіла	площа	S	метр квадратний	м2
3.	Частина простору, яку займає тіло	об’єм	V	метр кубічний	м3
4.	Тривалість подій (явищ)	час	t	секунда	с

Фізична величина — це властивість, що є спільною для багатьох тіл в якісному відношенні, але в кількісному — різна для кожного з тіл

Фізика вивчає такі властивості, які можна оцінити кількісно (мовою математики) та виміряти. Вони називаються фізичними величинами.

Прикладом фізичної величини є площа поверхні тіла. Наявність поверхні — це властивість фізичного тіла. А кількісною характеристикою поверхні тіла є площа цієї поверхні. Отже, площа поверхні тіла — це фізична величина.

Фізичними величинами є також довжина, об’єм тіла та інші (див. табл. 1).

5. Що означає виміряти фізичну величину? Одиниця величини. Щоб відповісти на це питання, звернемося до рис. 3. На ньому показано лінійні розміри учнівського стола: найбільша довжина по горизонталі (довжина стола) — 120 см; найменша довжина по горизонталі (ширина) — 60 см; довжина по вертикалі (висота) — 75 см.

Зверніть увагу: вимірюючи довжину, ширину і висоту стола, ми порівнюємо кожну з цих величин з умовно прийнятою одиницею довжини, у даному випадку одним сантиметром. І це не випадково.

Рис. 3. Вимірювання лінійних розмірів учнівського стола

Рис. 4. Засоби вимірювання: а) міра кравецька; б) терези; в) секундомір; г) термометр

Фіксоване (одиничне) значення фізичної величини називають одиницею цієї величини.

У результаті кількісного порівняння фізичної величини з її одиницею отримують значення цієї фізичної величини.

Для позначення фізичних величин використовують літери латинського і грецького алфавітів, а одиниць величин — українські літери (див. таблицю 1).

У більшості випадків фізичну величину визначають безпосередньо за допомогою певного пристрою, який називають засобом вимірювання. Є два види вимірювальних засобів: міри та вимірювальні прилади (рис. 4, а, б, в, г).

Міра забезпечена шкалою, яка дозволяє зафіксувати певні значення вимірюваної величини (лінійка, міра кравецька).

Вимірювальний прилад має покажчик, що може переміщуватись вздовж шкали приладу і за положенням якого визначають значення фізичної величини (терези, секундомір, термометр).

Висловіть свою думку

Де у побуті ви постійно здійснюєте вимірювання фізичних величин? Для чого це потрібно?

6. Міжнародна система одиниць фізичних величин. Із метою попередження різночитання фізичних величин і їх одиниць встановлюють міжнародні стандарти та конструюють відповідні еталони. Одним із таких еталонів є еталон метра.

У 1791 р. Французька академія наук запропонувала взяти за одиницю довжини десятимільйонну частину чверті паризького меридіану. На думку учених, це робило одиницю довжини такою, що легко відтворюється, оскільки вона була пов’язана з незмінним об’єктом природи. Сучасним Міжнародним еталоном метра є брусок особливої форми, виготовлений зі сплаву платини з іридієм, на якому нанесено два штрихи (рис. 5). Відстань між цими штрихами дорівнює 1 м. Еталон метра донині зберігається у Міжнародному бюро мір і ваги в м. Севрі (Франція). Різні країни мають точні копії цього еталону.

Рис. 5. Еталон метра

Більшість країн світу дотримуються Міжнародної системи одиниць (скорочено — СІ). Ця система одиниць фізичних величин прийнята на XI Генеральній конференції по мірах і вагах у 1960 р. та доповнена у 1963 р. Використання системи СІ сприяє підвищенню точності вимірювань в усіх галузях науки, техніки й економіки. Застосування Міжнародної системи одиниць на території України закріплено законодавчо з 1998 року.

Основними одиницями СІ є такі: 1 метр, 1 кілограм, 1 секунда та чотири інших (про них ви дізнаєтеся при подальшому вивченні фізики).

7. Фізика в побуті, техніці і виробництві. У значній мірі фізика виникла з потреб техніки і неперервно використовує її досвід, а тому має багато прикладних застосувань: транспорт, електротехніка, радіоелектроніка, автоматика, нанотехнології, комп’ютерна і побутова техніка тощо. Основою роботи побутових приладів, різних транспортних засобів, комп’ютерів є фізичні знання.

Рис. 6. Міри довжини

У фізичних лабораторіях створюються нові галузі техніки і нові методи розв’язання технічних завдань

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Фізичний стан тіла. Фізичний процес

Кожне природне тіло може мати декілька фізичних властивостей, які визначають стан тіла. Якщо жодна з них не змінюється з часом, то кажуть, що це тіло перебуває у певному незмінному фізичному стані. Зміна будь-якої з фізичних властивостей тіла означає зміну його фізичного стану. І навпаки: твердження «фізичний стан тіла змінився» рівнозначний тому, що змінилось значення хоча б однієї із фізичних властивостей цього тіла.

Будь-яка зміна стану тіла з плином часу називається фізичним процесом.

Історія фізики: вчені і факти

Узагальнення фізичних знань, накопичених на той час, уперше було зроблено Аристотелем у праці «Фізика». У ній він виклав уявлення про фізичні закономірності розвитку світу на основі спостережень.

Аристотель — один із найвідоміших учених стародавньої Греції. Його праці охоплювали всі галузі тодішньої науки: фізики, географії, астрономії. Аристотель, зокрема, сформулював закон прямолінійного поширення світла, дослідив види механічного руху, пояснив утворення звуку.

Учення Аристотеля було підсумком знань попереднього періоду. Але Аристотель не врахував передових наукових ідей своїх попередників, тому деякі його погляди гальмували розвиток фізики.

Розширте науковий кругозір

Виникнення природничих наук було пов’язане з практичними потребами людини. У стародавніх Єгипті, Китаї, Вавилонії, Греції необхідно було відділяти земельні ділянки та вимірювати час, слідкувати за зміною пір року, за повторенням повеней і виверженням вулканів, за життям рослин і тварин.

Існують ще математичні і гуманітарні науки. Математичні науки (алгебра, геометрія, тригонометрія) вивчають числа, кількісні співвідношення між величинами. Гуманітарні науки досліджують закономірності розвитку суспільства та роль людини у цьому розвитку.

Домашнє експериментальне завдання

Рис. 7.

Перевірте розмір своєї ноги. Для цього треба виміряти довжину стопи у сантиметрах. Поставте ногу на чистий лист паперу, перенесіть на нього всю вагу свого тіла і обведіть стопу олівцем. Олівець треба тримати вертикально та якомога ближче до стопи (рис. 7). За допомогою лінійки виміряйте відстань між крайніми точкам — п’яткою та найдовшим пальцем. Одержавши довжину ступні в сантиметрах, скористайтеся мережею Інтернет і співставте довжину своєї ступні з таблицею розмірів взуття. Тепер ви завжди носитиме зручне взуття!

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Що вивчає фізика? Що називають фізичним тілом? фізичним явищем?
• 2. Які види фізичних явищ ви знаєте? Наведіть приклади.
• 3. Що називають властивістю тіла або явища? Які властивості досліджує фізика?
• 4. Що називають фізичною величиною? Наведіть приклади фізичних властивостей тіла і відповідних фізичних величин.
• 5. Що означає «виміряти фізичну величину»? Що таке «одиниця величини»?
• 6. Як визначають числове значення фізичної величини?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 1.

• 1. Обґрунтуйте, чому природні явища поділяють на окремі види. Назвіть їх. Наведіть приклади.
• 2. Знайдіть у тексті § 1 приклади: окремих видів фізичних явищ; фізичних тіл; фізичних величин та їх одиниць.
• 3. Поясніть, як вимірюють і оцінюють довжину тіла?
• 4. Заданими на рис. З визначте площу поверхні стільниці учнівського стола: у см²?у м²?
• 5. Міра кравецька (див. рис. 4, а) — це міра довжини чи вимірювальний прилад?