Физика и физические методы изучения природы

Определения и обозначения

Физика — естественная наука о явлениях природы, свойствах тел и закономерностях их взаимодействия. Её называют естественной, потому что она изучает природу, а не, например, историю человеческого общества. Это понятие помогает определить, какие вопросы можно исследовать физическими методами.

Физическое явление — изменение, происходящее с телами или веществами и доступное наблюдению и исследованию. Движение мяча и таяние льда — такие явления, потому что их можно обнаружить и описать. Это понятие нужно, чтобы выделять предмет физического изучения среди других событий.

Физическая величина — количественная характеристика свойства тела или явления, которую можно измерить и выразить числом с единицей. Например, длину можно записать как 12 см, а температуру — в градусах. Величины позволяют не просто описывать свойства словами, а сравнивать их точно.

Физический эксперимент — специально организованное исследование явления в контролируемых условиях с использованием наблюдений и измерений. Исследователь сам создаёт условия опыта и следит за тем, что меняется. Так можно проверить предположение о причине явления, а не только заметить, что оно произошло.

Как это устроено

Физику относят к естественным наукам, потому что её предмет — природа и происходящие в ней изменения. Она изучает не только отдельные тела, но и правила их взаимодействия: например, почему предметы движутся или нагреваются. Другие науки о природе исследуют свои стороны окружающего мира: биология — живые организмы, а физика — общие свойства тел и явлений. Поэтому физические знания применимы и к неживой природе, и к процессам в живых организмах, если речь идёт о физических свойствах.

Наблюдение помогает обнаружить явление и проследить, как оно происходит в обычных условиях. Однако увидеть последовательность событий не всегда достаточно, чтобы выяснить их причину: одновременно могут изменяться несколько условий. Тогда исследователь выдвигает предположение и проверяет его экспериментом. В опыте можно намеренно изменить один фактор, насколько возможно сохранив остальные, и посмотреть, изменится ли результат. Такая проверка помогает отличить причину от простого совпадения.

Словесного описания часто мало для сравнения явлений: слова «длинный», «быстрый» или «горячий» не говорят, насколько именно одно тело отличается от другого. Поэтому вводят физические величины — например, длину, время и температуру. Каждой величине соответствует способ измерения и единица, с которой сравнивают результат. Числа позволяют увидеть закономерности и передать результат так, чтобы другие исследователи могли его проверить.

Измерить величину — значит сравнить её с единицей, принятой за эталон, то есть за образец. Например, линейкой сравнивают длину предмета с отрезками, отмеченными на шкале; число показывает, сколько таких единиц укладывается в измеряемой длине. Результат состоит из числа и единицы, потому что число сообщает количество, а единица — размер выбранного образца. При чтении шкалы нужно правильно совместить её начало с краем предмета и определить отметку у другого края.

Наблюдения и измерения дают сведения о явлениях, а эксперименты позволяют проверить, как они связаны с условиями. Если разные опыты показывают устойчивую связь, исследователи формулируют физический закон. Закон помогает объяснить уже известные события и предсказать результат в похожих условиях. Предсказание проверяют новыми наблюдениями или экспериментами: если результат не совпал с ожиданием, предположение пересматривают.

Основные методы физического изучения природы

Таблица показывает, что методы связаны между собой: наблюдение помогает заметить явление, а измерение — описать его количественно. Эксперимент проверяет предположение, а сравнение результатов помогает увидеть закономерность. При разборе любого исследования спросите себя, что именно сделал исследователь и какие данные он получил.

Разбор задач

Какие из примеров являются физическими явлениями?

Условие: нужно распределить таяние льда, чтение книги, падение камня и рост растения. Физическим считают наблюдаемое изменение тела или вещества, которое можно исследовать физическими методами. Поэтому проверим, что происходит в каждом случае, и отделим физическое изменение от действия человека и биологического процесса.

1. При таянии лёд переходит из твёрдого состояния в жидкое. Это изменение вещества, значит, таяние — физическое явление.
2. При падении камень перемещается под действием силы тяжести. Это изменение положения тела, поэтому падение тоже физическое явление.
3. Чтение книги — действие человека, а не изменение тела или вещества, которое здесь изучают. Рост растения — биологический процесс, хотя в нём также происходят физические изменения.

Ответ: физические явления — таяние льда и падение камня. Чтение книги не является физическим явлением в этом примере, а рост растения относится прежде всего к биологическим процессам. Если исследовать при росте растения, например, движение воды или нагревание, эти отдельные процессы можно изучать с точки зрения физики.

Где наблюдение, а где эксперимент?

Условие: сравним два действия — рассматривать движение тени в течение дня и изменить положение источника света, сравнивая длину тени. Главное — определить, вмешивается ли исследователь в условия. Если он специально меняет одно из них, это признак эксперимента.

1. При наблюдении движения тени исследователь следит за происходящим в течение дня. Он не меняет специально положение источника света или другие условия, поэтому это наблюдение.
2. Во втором случае исследователь сам меняет положение источника света. Затем он сравнивает длину тени, то есть проверяет, как изменение условия повлияло на результат.

Ответ: рассматривание тени в течение дня — наблюдение, а изменение положения источника света с последующим сравнением — эксперимент. Ход рассуждения простой: нужно найти специально изменяемое условие. Если его нет, исследователь наблюдает явление; если оно есть и проверяется результат, проводится эксперимент.

Как измерить длину карандаша?

Условие: измерить карандаш линейкой и записать длину в сантиметрах и миллиметрах. Перед отсчётом убедимся, что линейка подходит по длине и её шкала хорошо видна. Условимся считать длину от начала карандаша до его противоположного конца.

1. Положим карандаш вдоль линейки и совместим один его конец с отметкой 0. Если поставить его у другой отметки, нужно будет вычесть начальное показание из конечного.
2. Посмотрим на деление у второго конца карандаша. Например, если он заканчивается у отметки 14 см 6 мм, запишем это значение и проверим, что смотрим на шкалу прямо.
3. Запишем результат вместе с единицами: 14 см 6 мм. Можно выразить ту же длину в миллиметрах: 146 мм, поскольку в одном сантиметре 10 мм.

Ответ: при показании 14 см 6 мм длина карандаша равна 14 см 6 мм, или 146 мм. Числа здесь получены по шкале, а единицы показывают, с какими отрезками мы сравнивали длину. Если край предмета не совпадает точно с делением, результат записывают с точностью, которую позволяет шкала линейки.

Типичные ошибки

• Ошибка: называть физическим явлением любое событие. Её допускают, потому что в повседневной речи «явление» может означать почти что угодно, но физика рассматривает изменения тел и веществ. Проверьте себя вопросом: что именно изменилось и можно ли это изменение наблюдать или исследовать?

• Ошибка: считать наблюдение и эксперимент одним и тем же. При наблюдении за явлением легко не заметить, что эксперимент предполагает намеренное изменение условий. Чтобы проверить себя, спросите: менял ли исследователь что-либо специально и сравнивал ли результат?

• Ошибка: записывать результат измерения только числом. Число без единицы не показывает, каков размер выбранного эталона, поэтому его нельзя однозначно истолковать. Проверьте запись: рядом с числом должна стоять подходящая единица, например сантиметр или миллиметр.

• Ошибка: путать физическую величину с прибором или единицей. Такое случается, когда все слова из измерения воспринимают как одно и то же. Проверьте себя на примере: длина — измеряемая величина, линейка — прибор, а метр — единица.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно различать тела, вещества и происходящие с ними изменения: так проще определить, что именно наблюдает исследователь. Дальше навыки измерения пригодятся при записи результатов, заполнении таблиц, построении графиков и использовании формул физических законов. Методы физики применяются при изучении механики, тепловых, электрических и световых явлений. Умение наблюдать и проверять предположения помогает связывать отдельные факты в объяснение.

Что запомнить

• Физика изучает явления природы и закономерности, которым они подчиняются.
• Основные способы изучения природы в физике — наблюдение и эксперимент.
• Эксперимент проводят в специально созданных и контролируемых условиях.
• Физические величины характеризуют свойства тел и явлений количественно.
• Результат измерения записывают числом и единицей измерения.
• Для измерений используют приборы со шкалой или цифровым отсчётом.