Головна ⇒ 📌Фізика ⇒ МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ

МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ

Розділ 1 ФІЗИКА ЯК ПРИРОДНИЧА НАУКА

МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ

& 3. МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ

Ми знаємо, що шматочок льоду у теплій кімнаті перетвориться на воду. Вода в чайнику на увімкненій плиті нагріється й закипить. Магніт притягує залізні предмети і не притягує папір. Камінець, який кинули у воду, тоне, а дерев’яний брусочок плаває. Ці знання ми здобули завдяки тому, що багато разів спостерігали ці процеси.

Спостереження – один з найдавніших способів одержання наукових знань. Обмірковуючи результати спостережень,

стародавні вчені встановлювали загальні закономірності помічених явищ. Так було відкрито закони плавання тіл, закони руху планет, закони поширення світла та ін.

Спостереження є одним з методів пізнання і в сучасній науці. Для проведення наукових спостережень організовують експедиції у місця, де найкращі умови вивчення того чи іншого явища, а також обладнують спеціальні лабораторії та обсерваторії (мал. 1.5).

Наукові спостереження відрізняються від повсякденного споглядання навколишнього світу тим, що вчені:

– спеціально обирають об’єкт спостереження (явище, тіло);

– наукові спостереження

мають певну мету і заздалегідь плануються;

– під час наукових спостережень, щоб фіксувати те, чого не можуть сприйняти органи відчуття людини, використовують спеціальні прилади;

– результати спостережень аналізують і узагальнюють у вигляді висновків.

На підставі спостережень не завжди можна зробити правильні висновки. Так, спостерігаючи рухи зірок, Сонця, Місяця і планет, стародавні вчені дійшли висновку, що центром Всесвіту є Земля, навколо якої обертаються всі інші небесні тіла. І лише через багато століть було з’ясовано, що будова Всесвіту інакша.

Фізичний експеримент. Спеціальне відтворення явищ з метою їх вивчення називають експериментом або дослідом.

Мал. 1.5

Мал. 1.6

Ви неодноразово спостерігали, як падають різні предмети. Осіннє листя, кружляючи, повільно опускається на землю. Ненароком зачеплена книжка, що лежала на столі, падає на підлогу. А що буде, якщо впустити з однакової висоти камінець

І пір’їнку? Дивне запитання, скажете ви: камінець важчий і впаде швидше. Наші спостереження дають підставу для висновку: легкі тіла падають повільніше, а важкі – швидше. Так стверджував і Аристотель. Вважаючи, що розум людини глибше проникає в сутність явищ, ніж будь-який дослід, він не переймався перевіркою своїх висновків. Уперше твердження Аристотеля про те, що важкі тіла падають швидше, перевірив італійський учений Галілео Галілей (1564-1642 рр.). За легендою, з похилої Пізанської вежі (мал. 1.6) він кидав різні предмети. З експерименту Галілей встановив загальну закономірність: за відсутності впливу повітря будь-які тіла, випущені з однакової висоти, досягнуть поверхні Землі одночасно.

Особливості експерименту:

– визначення мети дослідження і планування експерименту;

– активне втручання дослідника у хід явища та його спеціальне відтворення в лабораторних умовах;

– використання спеціального обладнання та проведення вимірювань;

– аналіз одержаних результатів досліджень та висновки.

Гіпотеза і фізична теорія. Під час проведення спостережень

І експериментів учені помічають і відкривають нові явища та їх закономірності, які ще не мають пояснення. У такому разі висуваються науково обгрунтовані припущення щодо причин виникнення цих явищ – гіпотези. Для перевірки гіпотез проводять спеціальні експерименти, відтворюючи явища за різних умов. Результати дослідів мають або підтвердити припущення, або спростувати його. Якщо припущення не підтвердилося, висувають нові гіпотези, які мають пояснити відкриті явища й передбачити нові.

На підставі підтверджених дослідом гіпотез створюють систему загальних уявлень про явища та їх закономірності – теорію, яка пояснює, як і чому відбуваються явища і їх зв’язок між собою. Теорія грунтується на законах, які встановлюють взаємозв’язки, що існують у природі між явищами та їх властивостями. Завдяки пізнанню законів можна краще розуміти особливості перебігу явищ. Так, на підставі законів руху тіл під дією земного тяжіння можна розраховувати орбіти штучних супутників Землі, здійснювати стикування космічних апаратів, доставляти космонавтів і вантажі на космічні станції (мал. 1.7).

Моделювання. Один із методів, який використовує фізика, – це моделювання. Його застосовують для дослідження закономірностей різних явищ і процесів, спрощення розрахунків.

Моделюванням літаків, кораблів, ракет і повітряних зміїв захоплюється багато юних техніків. їхні моделі зазвичай відтворюють форму та особливості руху справжніх машин і механізмів. І хоча на них немає всіх тих пристроїв, які є на справжніх кораблях і літаках, вони рухаються за тими самими законами (мал. 1.8).

Мал. 1.7

Мал. 1.8

Мал. 1.9

Моделі використовують також у техніці. Наприклад, перш ніж будувати корабель, виготовляють його зменшену копію – модель. Випробовуючи її у спеціальному басейні, з’ясовують, як буде поводити себе майбутнє судно під час хитавиці, чи зможе воно розвинути потрібну швидкість та ін. Для дослідження особливостей обтікання повітрям літака чи ракети їх моделі продувають у спеціальній аеродинамічній трубі (мал. 1.9).

Учений може запропонувати модель у вигляді формул, які описують перебіг явища, малюнка або комп’ютерної програми, які відтворюють найважливіші особливості досліджуваного процесу чи поведінку тіла за певних умов. З часом запропоновані моделі уточнюють, замінюють новими, якщо виявляється, що вони суперечать результатам нових експериментів чи спостережень. Так, до XVI ст. загальноприйнятою була модель Всесвіту, яку запропонував давньогрецький учений Птолемей. Згідно з цією моделлю Сонце, зірки й планети обертаються навколо Землі. Польський учений Миколай Коперник за результатами багаторічних спостережень дійшов висновку, що наша Земля – лише одна з планет Сонячної системи. Усі планети обертаються навколо Сонця за коловими орбітами. Модель, запропоновану М. Коперником, пізніше теж було уточнено.

Засоби наукових досліджень. Знання про навколишній світ під час спостережень та експериментів ми здобуваємо за допомогою органів чуттів. Очі дають змогу побачити предмети, які нас оточують, оцінити їх розміри. Вуха сприймають різні звуки. Ми можемо на дотик оцінити якість оброблення поверхні чи температуру тіл. Смак і запах також дають певні уявлення про навколишній світ. Проте не всі явища і процеси, які відбуваються в природі, можуть сприйматися нашими органами чуттів.

Чи завжди можна довіряти своїм чуттям? Розглянемо мал. 1.10. Чи однакові за розмірами круги знаходяться посередині? Проведіть кінчиком олівця вздовж спіралі, зображеної на мал. 1.10, б. Що ви тепер скажете про надійність своїх відчуттів? Не завжди вони дають нам правильну картину довкілля. Пригадайте, якщо взимку ви заходите з подвір’я у приміщення, то здається, що в ньому тепло. При цьому температура в приміщенні може бути лише дещо вищою, ніж надворі.

Мал. 1.10

Ви, мабуть, неодноразово бачили ввечері на Місяці плями, обриси яких нагадують двох людей. За повір’ями це двоє братів: Каїн і Авель, яких Бог помістив на Місяць. Винайшовши телескоп і розглянувши у нього Місяць, Галілей зрозумів, що темні плями – то гори й западини на його поверхні.

Досліджуючи природу, вчені використовують спеціально виготовлені для цього прилади. Одні з них зовсім прості (магнітна стрілка, лінійка, фотоплівка), інші – складніші. Так, за допомогою мікроскопа (мал. 1.11) можна спостерігати поведінку невидимих неозброєним оком частинок, проводити точні вимірювання фізичних величин. Електронний осцилограф застосовують для дослідження швидкоплинних процесів у електроніці та вимірювання електричних величин (мал. 1.12).

Мал. 1.11

Мал. 1.12

Мал. 1.13

Мал. 1.14

Учені створили наукові комплекси. Радіотелескопи (мал. 1.13), які використовують для приймання невидимих електромагнітних хвиль із космосу, – це великі споруди. Розміри антени радіотелескопа УТР-2 Інституту радіофізики й електроніки НАН України (м. Харків) схід-захід та північ-південь дорівнюють відповідно 900 і 1800 м. Площа синхрофазотронів, призначених для дослідження елементарних частинок (мал. 1.14), становить кілька тисяч гектарів, вони складаються з багатьох різних приладів і механізмів.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Як ми отримуємо знання про природні явища?

2. Назвіть методи, які використовують у науці для пізнання природи.

3. У чому полягає відмінність між спостереженням та експериментом?

4. Назвіть кілька природних явищ, які ви спостерігали. Які закономірності було помічено у цих явищах? Чи можете ви їх пояснити?

5. У разі наближення грози ви помічаєте, що коли грозова хмара ще далеко, гуркіт грому докочується до спостерігача лише за кільканадцять секунд після спалаху блискавки. Із наближенням хмари час від спалаху блискавки до гуркоту грому дедалі зменшується. Який висновок можна зробити, спостерігаючи це явище? Чи можна використати результати такого спостереження для визначення відстані до грозової хмари?

6. Перевірте твердження Аристотеля та Галілео Галілея щодо падіння різних тіл. Щоб досліди були переконливими, краще піднятися якомога вище. Візьміть два однакових клаптики паперу, наприклад аркуші зі старого зошита. Один з них зіжмакайте. Випустіть їх одночасно з однакової висоти. Чи одночасно вони впали?

Візьміть металеву чи пластикову пластинку та шматочок паперу такого самого розміру або навіть менший. Випустіть їх з однакової висоти на підлогу. Покладіть папірець на металеву пластинку і знову випустіть її з рук так, щоб їх площини були горизонтальні. Опишіть результати досліду і поясніть їх.