Фізика. 7 клас. Шут

§ 2. Експериментальний і теоретичний методи фізики

Історія становлення сучасної фізики пов’язана із одночасним використанням двох її методів — експериментального і теоретичного. Методи фізики — це певне поєднання спостережень, експериментів і теоретичних узагальнень.

1. Експериментальний метод фізики базується на спостереженнях, експериментах і вимірюваннях.

Здійснювати спостереження фізичних тіл і явищ нам допомагають органи чуття (рис. 8). Органами чуття людини є вухо, око, ніс, язик, пальці (слух, зір, нюх, смак, чуття дотику). Наприклад, рух літака ми можемо фіксувати за допомогою зору або слуху. Результат нагрівання води можна оцінити на дотик. Випаровування парфумів сприймають органами нюху. Органи смаку дозволяють виявляти наявність (або відсутність) у стравах солі, цукру та інших речовин.

Проте, незважаючи на великі можливості відчуттів, вони не завжди дають істинні знання про природу.

Щоб переконатися в цьому, виконайте таке спостереження: візьміть три посудини з водою — гарячою, теплою та холодною (рис. 9, а, б); потримайте 2—3 хвилини пальці правої руки в гарячій воді, а лівої — у холодній. Після цього швидко опустіть ці ж пальці рук у посудину з теплою водою (рис. 9, б). Ви переконаєтеся, що відчуття пальців лівої і правої рук в одній і тій самій воді — різні!

Метод (від гр. μέθοδος [методос]) — шлях встановлення істини, спосіб досягнення певної мети.

Експеримент (від лат. experimentum) — дослід, проба.

Спостереження — це цілеспрямоване вивчення фізичних тіл і явищ на основі безпосереднього сприйняття у природних або штучно створених умовах. У процесі спостереження дослідник не впливає на об’єкт вивчення

Рис. 8. Органи чуття людини

Рис. 9. Спостереження на основі відчуттів. У трьох посудинах вода: а) гаряча, холодна; б) тепла

Отже, пізнання навколишнього світу на основі відчуттів є недостатньо достовірним. Спостереження дозволяють лише накопичити певну інформацію про явища, але після цього необхідно пояснити: як і чому вони відбуваються? Для відповіді на ці запитання виконуються експерименти. Експеримент — це цілеспрямоване дослідження фізичних тіл і явищ у спеціально створених (штучних) умовах. У процесі виконання експерименту дослідник може його багаторазово відтворити або зупинити.

Для проведення експерименту необхідно чітко визначити його мету, залежно від чого спланувати дії та створити найкращі умови для виконання експерименту. Також треба мати спеціальне обладнання і вимірювальні прилади, зібрати дослідну установку (або модель), правильно обробити експериментальні результати.

З розвитком науки і техніки люди почали виготовляти прилади та інші технічні пристрої, за допомогою яких спостереження і досліди стали більш результативними. Наприклад, видатний італійський фізик і астроном Галілео Галілей (1564—1642) побудував перший у світі телескоп, за допомогою якого було виявлено, що поверхня Місяця є гористою, Юпітер — має чотири супутники, а навколо Сатурна існують кільця. Сучасні телескопи є основним засобом спостереження за небесними тілами.

Звичайно, щоб здобувати фізичні знання, недостатньо лише спостерігати явища, виконувати експерименти і будувати фізичні прилади. Треба ще й обдумувати умови та результати спостережень, відшукувати причинні зв’язки між явищами, даючи відповіді на запитання: що від чого і яким чином залежить? Саме через обдумування (міркування) можна виявляти найістотніше у явищах і подіях в природі та формулювати відповідні висновки і припущення.

Галілео Галілей (1564-1642)

2. Теоретичний метод фізики. Визначальними у теоретичному методі фізики є наукові припущення і здогадки, спрощення і ідеалізація, узагальнення і систематизація знань.

Припущення, яке обґрунтоване науковими фактами, називають гіпотезою. Гіпотеза у фізиці вимагає дослідної перевірки. Саме після дослідної перевірки гіпотеза або стає науковим знанням, або ж її відкидають як неправильне припущення.

Для прикладу розглянемо історію відкриття природи блискавки. Американський учений Бенджамін Франклін (1706-1790) висловив гіпотезу, що блискавка — це величезна електрична іскра, яка виникає між наелектризованими хмарами (рис. 10, а).

Для перевірки цієї гіпотези Франклін провів такий дослід. Коли надходила гроза, він запускав шовковий повітряний змій, прив’язавши його вологою мотузкою до масивного залізного крюка в кімнаті. А коли хмара проходила, підносив палець до крюка і зазнавав електричного удару від іскри, що в цей час проскакувала між крюком і пальцем. Цим він підтвердив, що блискавка — це електричний розряд. Подальші дослідження блискавки дали Франкліну можливість сконструювати перший блискавковідвід, різновиди якого тепер використовують у всьому світі (рис. 10, б).

Гіпотеза (від гр. hypothesis) — припущення, основа.

а) блискавка у природі

б) блискавковідвід

Рис. 10. Блискавка та захист від неї

Бенджамін Франклін (1706-1790)

3*. Форми (рівні) узагальнення знань у фізиці. Під час спостережень і дослідів учені отримують окремі знання про властивості тіл і явищ. Але розрізнені знання не є цінними. Їх необхідно узагальнювати, тобто виявляти спільну природу та закономірності явищ, подібність у властивостях тіл. Це дозволяє кількісно описувати явища, встановлювати між ними зв’язки, формулювати закони природи та передбачати існування нових законів і закономірностей. Основними формами (рівнями) узагальнень у фізиці, є: наукові факти, фізичні поняття, фізичні закони і фізичні теорії. Найвищим рівнем узагальнення фізичних знань є фізична картина (образ) світу. Вона становить лише частину всієї системи знань про природу, оскільки будується на основі лише фізичних теорій.

Фізична картина світу, спільно з астрономічною, біологічною, хімічною картинами світу, створюють цілісний образ світу, який називають єдиною природничо науковою картиною світу.

На основі природничо-наукової картини світу можна описати весь навколишній світ, який умовно поділяють на мега-, макро- і мікросвіти залежно від розмірів тіл, які їх утворюють. Поділ матеріального світу на мікро-, макро- і мегасвіти є умовним тому, що ці світи існують одночасно: мегасвіт утворений з макротіл, а макротіла — з мікрочастинок.

Вперше наукову картину світу було побудовано на основі праць Ісаака Ньютона (1643—1727) та його послідовників.

Мегасвіт

Макросвіт

Мікросвіт

Рис. 11. Уявлення про Всесвіт, як єдність трьох світів

Ісаак Ньютон (1643-1727)

4*. Методи фізики — нероздільні та взаємопов’язані. Отже, підіб’ємо підсумок ознайомлення з методами фізики.

Експериментальний метод забезпечує розроблення і здійснення фізичних експериментів, та систематизацію їх результатів.

Теоретичний метод дозволяє узагальнювати виявлені закономірності та формулювати фізичні теорії і загальні закони природи. Після встановлення певного закону або формулювання фізичної теорії фізики перевіряють можливості їх застосування до явищ. Саме завдяки поєднанню цих методів, починаючи з часів Г. Галілея і І. Ньютона, відбувся стрімкий розвиток фізики.

За словами А. Ейнштейна, у розвитку сучасної фізики неможливо відокремити експериментальний і теоретичний методи, оскільки вони завжди поруч, нероздільні та взаємопов’язані один з одним.

Основні етапи наукового пізнання:

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Як ви розумієте термін «метод»? Що відноситься до методів фізики?
• 2. Назвіть два основні методи фізичного пізнання.
• 3. Що таке спостереженя? дослід?
• 4. Наведіть приклади набування фізичних знань шляхом міркувань.

Розв’яжіть задачі та оцінить результати

Вправа 2.

• 1. Доведіть, що спостереження і експеримент не є тотожними методами фізики.
• 2. Наведіть приклад того, як певне наукове передбачення (гіпотеза) стало фізичним знанням.
• 3*. Назвіть основні форми (рівні) узагальнення фізичних знань.
• 4*. Обґрунтуйте, що узагальнення певних фізичних знань є способом набування нових знань.