§ 2. Как изучают явления природы

Определения и обозначения

Наблюдение — целенаправленное изучение явления без вмешательства в его ход. Наблюдатель следит за тем, что происходит, и фиксирует условия: например, время, место и погоду. Он также записывает результаты — замеченные изменения и их последовательность. Это нужно, чтобы описание опиралось на конкретные факты, а не только на память.

Эксперимент — изучение явления в специально созданных или изменённых и контролируемых условиях. В отличие от наблюдения, исследователь намеренно воздействует на условия и следит за результатом. Например, можно сравнить, как тает лёд при разной температуре. Эксперимент помогает проверить, связано ли изменение явления с выбранным условием.

Физическая величина — характеристика тела или явления, которую можно измерить. К физическим величинам относятся длина, время, температура и масса. Каждую величину выражают числом и единицей: например, длина карандаша может быть 15 см. Благодаря величинам можно точнее описывать объекты и сравнивать результаты исследований.

Измерение — сравнение физической величины с величиной того же рода, принятой за единицу. Чтобы измерить длину, её сравнивают с единицей длины, например сантиметром или метром. Для сравнения используют измерительные приборы: линейку, весы, термометр, секундомер. Прибор помогает получить числовой результат, который записывают вместе с единицей.

Как это устроено

Изучение явления часто начинают с наблюдения: сначала нужно заметить, что происходит в природе, прежде чем пытаться объяснить это. Наблюдатель не может записывать вообще всё, поэтому заранее выбирает, на что обращать внимание: например, меняется ли длина тени и в какое время. Выбранные условия и результаты следует фиксировать регулярно и одинаковым способом. Тогда записи можно сопоставить, а замеченные изменения не потеряются в воспоминаниях.

Одного наблюдения иногда недостаточно, потому что исследователь не управляет ходом природного явления. Например, лёд может таять быстрее не только из-за температуры, но и из-за размера кусочков или материала поверхности. Эксперимент нужен, чтобы намеренно создать условия и проверить предположение о влиянии какого-либо фактора. Исследователь меняет выбранное условие и сравнивает, что происходит, поэтому может лучше разобраться в причине наблюдаемого изменения.

Словесного описания мало, если нужно точно сравнить два результата. Фразы «тень стала длиннее» или «машинка проехала далеко» не показывают, насколько именно изменились длина или расстояние. Поэтому используют физические величины: их можно выразить числом и единицей и сравнить результаты разных измерений. Числовые данные позволяют увидеть небольшую разницу и проверить, повторяется ли она.

Прибор помогает сравнить измеряемую величину с выбранной единицей. Например, деления линейки показывают, сколько сантиметров укладывается вдоль предмета, а секундомер позволяет отсчитать время. Получив показание, нужно записать не только число, но и единицу: 20 см или 4 с. Без единицы запись не сообщает, с чем сравнивали величину, и потому становится неполной.

Наблюдение, эксперимент и измерение не исключают друг друга. Во время наблюдения можно измерять длину тени, а в эксперименте — фиксировать температуру или время. Измерения дают числовые результаты, по которым исследователь сравнивает условия и ход явления. Повторные наблюдения и эксперименты помогают проверить, надёжен ли вывод, и не был ли результат случайным.

Способы изучения явлений природы

Сравнивайте не только цель, но и то, что делает исследователь: при наблюдении он не меняет условия намеренно, а в эксперименте управляет ими. Измерение отвечает на вопрос, как получить числовое значение величины, и может понадобиться в обоих способах исследования. Поэтому в одном задании могут сочетаться наблюдение или эксперимент и измерения.

Разбор задач

Задача 1. Опишите, как изучить изменение длины тени дерева в течение дня, не вмешиваясь в происходящее. Нужно получить сопоставимые записи, но не менять ни положение дерева, ни освещение. Значит, подойдёт наблюдение, а не эксперимент. Длину тени можно измерять, чтобы точно увидеть, как она меняется.

1. Выберем постоянные моменты наблюдения, например каждый час в течение дня. Регулярность позволит сравнить результаты, полученные через одинаковые промежутки времени.
2. Будем отмечать конец тени на земле и измерять расстояние от ствола до этой отметки одним и тем же способом. Так разные записи будут относиться к одной и той же величине.
3. В таблицу занесём время, длину тени и условия наблюдения, например ясная или облачная погода. Положение дерева и окружающие условия намеренно менять не будем.

Ответ: нужно регулярно наблюдать за тенью, одинаково измерять её длину и записывать время, условия и результаты. Измерение здесь сопровождает наблюдение и не означает вмешательства в ход явления.

Задача 2. Предложите опыт, чтобы выяснить, быстрее ли тает лёд в тёплом месте, чем в прохладном. Для честного сравнения нужно убедиться, что различается именно температура, а не несколько факторов сразу. Иначе нельзя будет понять, чем вызвана разница во времени таяния. Поэтому условия опыта заранее продумывают и контролируют.

1. Возьмём два одинаковых кусочка льда и поместим их на одинаковые тарелки. Одинаковый размер и материал подставок уменьшают влияние посторонних причин.
2. Один кусочек поставим в тёплое место, другой — в прохладное. Остальные условия, например освещение, по возможности сохраним одинаковыми.
3. Одновременно начнём отсчёт времени и будем отмечать, когда каждый кусочек растает. Сравним время таяния: меньшему времени соответствует более быстрое таяние.

Ответ: нужно провести контролируемый эксперимент и менять только температуру окружающей среды. Если лёд в тёплом месте растает раньше, это будет результатом данного опыта; для уверенного вывода опыт стоит повторить.

Задача 3. Игрушечная машинка движется, и нужно определить, какое расстояние она проходит за заданное время. Одних слов «быстро» или «недалеко» недостаточно: расстояние и время нужно выразить числами с единицами. Для этого потребуется эксперимент и два измерительных прибора. Они помогут задать участок движения и продолжительность наблюдаемого отрезка.

1. Отметим начало и конец участка, по которому будет ехать машинка. Длину этого участка измерим линейкой или рулеткой и запишем, например, в сантиметрах или метрах.
2. Подготовим секундомер и запустим его, когда машинка начнёт движение по участку. Остановим секундомер в заранее выбранный момент, например при достижении конечной отметки.
3. Запишем оба результата с единицами: расстояние — в метрах или сантиметрах, время — в секундах. Чтобы сравнить заезды, повторим измерения при тех же условиях.

Ответ: провести эксперимент, расстояние измерить линейкой или рулеткой, а время — секундомером. В записи указать оба числовых результата и единицы измерения.

Типичные ошибки

Считать наблюдение и эксперимент одним и тем же — значит не заметить, меняет ли исследователь условия намеренно. Такое смешение возникает потому, что в обоих случаях нужно следить за явлением и записывать результат. Проверьте себя вопросом: создавали ли вы условия специально или воздействовали на явление? Если нет, это наблюдение; если да, это эксперимент.

Менять в опыте сразу несколько условий и приписывать результат одному из них — неверно: неизвестно, какой фактор вызвал изменение. Эту ошибку допускают, когда хочется быстрее получить заметный результат и не подготовить сравнение заранее. Проверьте, отличается ли опытная ситуация от контрольной только выбранным условием. Если различий несколько, упростите опыт и повторите его.

Записывать результат измерения только числом — неполно, потому что, например, число 10 не сообщает, измеряли ли длину, время или температуру. Ещё оно не показывает, с какой единицей сравнивали величину. Записывайте название или обозначение измеряемой величины, число и единицу: например, длина — 10 см. Перед тем как закончить измерение, проверьте, что единица указана.

Считать, что одно наблюдение всегда доказывает общий вывод, опасно: результат мог быть случайным или зависеть от условий именно этого случая. Так думают, если принимают первое объяснение за доказанное правило. Проверьте вывод повторными наблюдениями в разные моменты или экспериментом с контролируемыми условиями. Если результаты повторяются, оснований для вывода становится больше.

Связь с другими темами

До изучения способов исследования полезно знать, что физика изучает явления природы, а тела и явления можно описывать их характеристиками. Навыки наблюдения и эксперимента пригодятся при изучении движения, тепловых, электрических и других явлений: они помогают собирать данные и проверять предположения. Измерения связывают исследование с темами о физических величинах, единицах и приборах. Без этих навыков нельзя получить точные и сопоставимые результаты.

Что запомнить

• Наблюдение изучает явление без намеренного изменения его условий.
• Эксперимент проводят в специально созданных или изменённых условиях.
• Условия опыта нужно контролировать.
• Физические величины позволяют описывать и сравнивать тела и явления.
• Измерить величину — значит сравнить её с единицей той же величины.
• Результат измерения записывают числом и единицей.