Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
§ 2. Наукове дослідження та інженерна діяльність
• У чому особливість роботи вчених та інженерів?
ДОСЛІДЖУЙ
1. Розглянь малюнок 2.1, а і б.
Мал. 2.1.
Опиши процес, який продемонстровано на малюнку а, і запропонуй власне бачення розвитку подій за такими етапами:
- формулювання проблеми;
- збір даних;
- висування гіпотези;
- аналіз даних;
- планування досліду;
- висновки.
Опиши дії, які потрібно виконати під час створення конструкції, зображеної на малюнку б, скориставшись таким планом:
- ознайомлення з технічним завданням;
- визначення вимог;
- проєктування виробу;
- добір матеріалів і технологій їх обробки;
- розроблення та виготовлення;тестування;
- впровадження і супровід.
• Поясни, який із цих малюнків (2.1, а і б , с. 15), на твою думку, демонструє один з етапів наукового дослідження (scientific research), а який — інженерного проєктування (engineering design process). Які саме етапи продемонстровано на кожному малюнку?
• Поміркуй, які вимірювання необхідно виконати науковцям та інженерам для реалізації описаних завдань? Обґрунтуй необхідність опанування навичок вимірювання.
2. Поясни, як пов’язані між собою наукові дослідження і технічні рішення (мал. 2.2). Укажи на зв’язок фізики із життям.
Мал. 2.2
3. Об’єднайтеся в пари, назвіть власні приклади наукових досліджень і технічних рішень. За необхідності скористайтеся інтернетом.
ДІЗНАВАЙСЯ
Як працюють учені та інженери-конструктори? Чи доводилося тобі замислюватися над тим, що за кожен, навіть звичайнісінький предмет, котрий нас оточує, ми маємо завдячувати вченим, винахідникам та інженерам. Саме вони, використовуючи свій талант, знання і наполегливість, зробили наше повсякденне життя набагато комфортнішим.
На етапі зародження людства ідеї для винаходів надавала сама природа. Головним завданням було розроблення такого технічного засобу, який би допоміг людині адаптуватися до середовища існування.
Накопичений досвід сприяв зародженню науки, оскільки виникала необхідність його описування і подальшого дослідження. Саме тому першим розділом фізики як науки стала механіка, що з мистецтва створення машин перетворилася на самостійний напрям досліджень механічного руху та взаємодії тіл.
І вчені, і інженери роблять свій внесок у світ людських знань, але різними способами. Учені використовують науковий метод, щоб давати пояснення та робити прогнози щодо пізнання світу. Інженери дотримуються технологічного процесу під час створення продуктів, що призначені розв’язувати проблеми людей. Хоча ці способи можуть взаємодіяти, їх цілі та підходи здебільшого різняться. Наукове дослідження спрямоване на розуміння явища, тоді як інженерне проєктування — на створення конкретного продукту чи системи з визначеними вимогами.
Що таке стартапи? Уяви, що в тебе є ідея або винахід, який може полегшити чи покращити життя людей. Наприклад, ти хочеш створити новий тип додатка для смартфона. Можна реалізувати свою ідею і створити бізнес, а стартап — це як початок нового проєкту чи компанії, яка перебуває на первинному етапі свого розвитку.
Під час народження стартапу поєднуються не лише наука, техніка й технології, до них додаються бізнес та маркетинг (мал. 2.3).
Мал. 2.3
В Україні створюється дедалі більше стартапів — компаній, які об’єднують представників різних напрямів діяльності для впровадження інноваційних ідей і продуктів. Ключовою ознакою стартапу, роботи в науковій установі та конструкторському бюро є командна взаємодія.
Останнім часом з’явилися стартапи з розроблення біонічних протезів, оснащених датчиками, які вимірюють температуру і скоротливість м’язів (мал. 2.4). Адже зараз є багато людей, які втратили руки й ноги через війну. Така компанія зазвичай складається із 6 працівників: підприємець, який має досвід впровадження проєктів, директор, що виконує операційні завдання, лікар-нейрохірург, який є спеціалістом у галузі біофізики, троє інженерів, які програмують, експериментують, виготовляють і тестують протези.
Мал. 2.4. Біонічний протез українського виробництва
Набуваємо вмінь вимірювати. Об’єкти, явища і процеси, як тобі відомо, описують не лише словами, ілюстраціями, графіками, а й кількісно, що передбачає вимірювання. Існує наука метрологія, яка визначає, що таке вимірювання, як вони здійснюються. Вимірювання — один зі спільних етапів, який застосовують і в науковому дослідженні, і в інженерному проєктуванні, і в науці, техніці та технологіях.
Мал. 2.5
З багатьма фізичними величинами тобі вже доводилося мати справу на уроках природничих курсів. Ти вже знаєш, що фізичну величину можна виміряти, тобто порівняти її з однорідною величиною, яку взято за одиницю цієї величини. Наприклад, виміряти довжину стола — означає порівняти її з одиницею довжини — метром (мал. 2.5).
Фізична величина (physical quantity) — кількісна характеристика певної властивості тіла чи явища.
Для кожної фізичної величини встановлено свої одиниці. Для зручності всі країни світу прагнуть користуватись однаковими одиницями фізичних величин. Тому в 1960 році було прийнято Міжнародну систему одиниць, скорочено — СІ «система інтернаціональна». До неї входять сім основних одиниць — еталонів, на основі яких визначаються всі інші одиниці (таблиця 2.1, с. 20).
Таблиця 2.1
|
Фізична величина |
Одиниця |
|||
|
Найменування |
Позначення |
|||
|
Українська |
Міжнародна |
Символ |
||
|
Довжина |
метр |
м |
m |
L |
|
Маса |
кілограм |
кг |
kg |
m |
|
Час |
секунда |
с |
s |
t |
|
Сила електричного струму |
ампер |
А |
А |
I |
|
Термодинамічна температура |
кельвін |
К |
К |
T |
|
Кількість речовини |
моль |
моль |
mol |
V |
|
Сила світла |
кандела |
кд |
cd |
I |
Для зручного записування великих і малих значень фізичних величин використовують кратні й частинні одиниці та стандартний запис числа. Кратні одиниці більші за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів. Наприклад, 1 км = 1000 м = 1 • 103 м, 1 т = 1000 кг = 1 • 103 кг.
Частинні одиниці менші від основних у 10, 100, 1000 і більше разів. Наприклад, 1 см = 0,1 м, 1 мг = 0,000001 кг = 1 • 10-6 кг.
Назви кратних і частинних одиниць містять спеціальні префікси (див. форзац).
Існують два види вимірювань: прямі й непрямі вимірювання. Прямі вимірювання здійснюють за допомогою мір і вимірювальних приладів. Одні вже тобі відомі з курсу математики та природознавчих курсів (лінійка, мензурка, термометр, барометр, секундомір), з іншими ознайомишся під час подальшого вивчення фізики. Для здійснення вимірювань тобі слід пригадати, як визначають ціну поділки шкали приладу (мал. 2.6).
Прямі
Шукане значення фізичної величини отримують одразу, за показаннями вимірювального приладу.
Непрямі
Шукане значення фізичної величини визначають за певною формулою, підставивши в цю формулу значення інших фізичних величин, отриманих під час прямих вимірювань.
Мал. 2.6
У багатьох випадках від ціни поділки залежить точність вимірювань (accuracy of measurements). Надалі ти навчишся визначати різні види неточностей та науково оформляти результати вимірювань. Поки що будеш під час вимірювань враховувати лише абсолютну похибку вимірювання, що дорівнює половині ціни поділки шкали вимірювального приладу. Значення виміряної величини А з урахуванням похибки вимірювання записують так:
А = а ± Δа, де А — вимірювана величина; а — результат вимірювання; Δа — похибка вимірювання (Δ — грецька літера «дельта»).
Інколи, щоб отримати точніший результат, виконують вимірювання кілька разів. Унаслідок кожного вимірювання отримують значення, які можуть дещо відрізнятись одне від одного. Потім результати всіх вимірювань додають, а отриманий результат ділять на кількість проведених вимірювань. Отримують середнє значення вимірюваної величини.
ДУМАЙ
1. Склади перелік термінів, якими, на твою думку, можна схарактеризувати роботу в науковій установі, конструкторському бюро та стартапі. Оформи їх у вигляді діаграми Ейлера1.
1 Діаграма будується у вигляді двох або більше кіл, які частково перетинаються, утворюючи спільний простір. У частині кіл, що не перетнулися, записуємо ознаки множин, якими вони відрізняються одна від одної, у спільному просторі — ознаки, які для них є однаковими.
2. Опиши або намалюй типові, на твою думку, портрети людей, які займаються наукою, інженерним проєктуванням, реалізацією бізнес-ідей, відобразивши, зокрема, їх вік, стать, зовнішні прикмети. Поясни, чому ти так уважаєш.
3. Розглянь малюнок 2.7. Поміркуй, що досліджують твої однолітки. Опиши назву, мету, матеріали й обладнання, процедуру, спостереження та висновки. Хто, на твою думку, у цій групі лідер? Хто дослідник? Хто протоколює дослідження? Яку функцію хотів би * хотіла б виконувати в цій групі ти і чому?
Мал. 2.7
4. Як ти вважаєш, чи часто люди щось вимірюють? Наскільки важливо вміти це робити правильно? Які вимірювання ти здійснював / здійснювала сьогодні?
5. Визнач ціну поділки шкали засобів вимірювання, зображених на мал. 2.8. Запиши показання, врахувавши похибку вимірювання.
Мал. 2.8
6. Зніми показання з електронних засобів вимірювання (мал. 2.9).
Мал. 2.9
7. Запиши у стандартному вигляді значення фізичних величин 100 000 км, 0,0001 г.
8. Запиши, використавши кратні або частинні одиниці: радіус Землі 6 400 000 м, масу Землі 5,9 • 1024 кг.
ПАМ’ЯТКА
УЧИСЯ ПРОВОДИТИ НАУКОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ, КОНСТРУЮВАТИ, МОДЕЛЮВАТИ І ПРОЄКТУВАТИ
Надалі в рубриці «Дій» тобі будуть запропоновані завдання, розв’язання яких потребує застосування наукових методів дослідження, інженерного проєктування, конструювання, моделювання. Деякі з них ти виконуватимеш удома, деякі — в класі, індивідуально або в групі. Переважно тобі буде запропоновано самостійно розробити план дослідження, щось змоделювати чи сконструювати. Інколи завдання міститимуть указівки або інструкції. У деяких випадках тобі потрібно буде заповнювати аркуш дослідження (в окремому зошиті або роздрукований із цифрового додатка). Під час виконання наукового дослідження в пригоді стануть такі поради.
1. Запитування. Це ключова частина дослідження. Що буде досліджуватись, у який спосіб? Такі й подібні запитання допоможуть у складанні плану дослідження.
2. Формулювання гіпотези. Важливо пам’ятати, що гіпотеза — це не запитання, а твердження, яке можна перевірити. Як правило, слід застосовувати такі формулювання: «якщо..., то...», «якщо..., тоді...». Наприкінці експерименту вкажи, чи підтверджує висновок гіпотезу.
3. Планування дослідження. Потрібно навчитися визначати необхідні етапи дослідження, прогнозувати результати кожного етапу, враховуючи умови його виконання, оцінювати ризики.
4. Виконання дослідження. На цьому етапі ти навчишся користуватися фізичним обладнанням, добиратимеш способи фіксування даних. За потреби моделюватимеш, застосовуватимеш математичні розрахунки, аналізуватимеш здобуті результати.
5. Підбиття підсумків. Найвирішальніший етап. Адже ти підтвердиш або спростуєш гіпотезу, дізнаєшся нове, сформулюєш висновки, презентуєш результати, з’ясуєш значення результатів дослідження в пізнанні природи, переконаєшся в достовірності фізичних законів.
ДІЙ
1. Сплануй фізичне дослідження. Визнач те, що хочеш дослідити. Сформулюй запитання, на яке прагнеш знайти відповідь самотужки. Зроби припущення: що, на твою думку, відбудеться і чому? Визнач усі матеріали, які використовуватимеш. Склади план дій, зазнач, що робитимеш. Зафіксуй результати: чи справдилося припущення? Сформулюй висновки: що вдалося з’ясувати? Поясни чому.
2. Анкетуй письмово людей, різних за віком, статтю, професією тощо за запитаннями (за потреби доповни перелік): Що таке наука? Хто переважно займається наукою (вік, стать, зовнішні прикмети)? Чи можна розпізнати людину науки за зовнішністю? Узагальни здобуті дані анкетування (за вимогами, описаними в завданні 5, с. 14).
3. Запропонуй спосіб вимірювання об’єму власного тіла. Підказка: можеш скористатися ванною з водою і трилітровою банкою.
4. Виготов мензурку (мал. 2.10). Тобі знадобляться: шприц, дві склянки, вода, клейка стрічка і перманентний маркер. Набери води в одну зі склянок. На іншу (бажано з гладкими стінками) наклей стрічку. Набери води у шприц і переливай у порожню склянку, щоразу позначаючи на смужці об’єм води.
Мал. 2.10
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1
Для виконання робіт скористайся аркушами для оформлення результатів досліджень із цифрового додатка (Лабораторні роботи, до § 2).
1. Визнач діаметр нитки (мал. 2.11). Як можна визначити довжину нитки, не розмотуючи її з олівця?
Мал. 2.11
2. Визнач довжину контуру та площу поверхні, обмежену цим контуром (мал. 2.12).
Мал. 2.12
Підказка 1. Щоб виміряти довжину контуру, скористайся ниткою. Виклади її по контуру, а потім за допомогою лінійки виміряй довжину.
Підказка 2. Щоб виміряти площу фігури, обмежену контуром, потрібно визначити площу однієї клітинки та підрахувати кількість клітинок. Слід урахувати, що кількість неповних клітинок (на малюнку виділено рожевим кольором) потрібно поділити на 2. Скористайся цим способом для вимірювання плоші долоні, ступні.
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
