1. Наблюдения и опыты

Определения и обозначения

Физическое явление — изменение, происходящее в природе или с телами, которое можно наблюдать и исследовать. Например, движение, нагревание или падение тела являются явлениями. Это понятие нужно, чтобы отделять изучаемые изменения от самих тел и веществ.

Наблюдение — изучение явления без активного воздействия на него с помощью органов чувств и приборов. Наблюдатель смотрит, слушает, измеряет и записывает происходящее. Такой способ помогает получить первые сведения о явлении, не меняя его условий специально.

Опыт — специально поставленное исследование явления, при котором можно изменять условия и проверять предположения. Исследователь заранее решает, что изменить и что измерить. Опыт нужен, чтобы выяснить причины явления и проверить связь между величинами.

Гипотеза — научное предположение, объясняющее наблюдаемое явление и требующее проверки опытом. Она может оказаться правильной или ошибочной. Гипотеза нужна как план для дальнейшего исследования, но сама по себе доказательством не является.

Как это устроено

Наблюдение становится первым способом получения сведений о явлении, потому что его можно проводить непосредственно в окружающем мире. Сначала человек замечает изменение, описывает его и выясняет, при каких условиях оно происходит. Только после этого можно сформулировать вопрос и решить, какие измерения или опыты понадобятся.

От обычного наблюдения опыт отличается активным действием исследователя. При опыте специально создают условия и изменяют отдельные факторы, например температуру, наклон поверхности или высоту падения. Сравнение результатов при разных условиях помогает обнаружить причину изменения, а не просто зафиксировать сам факт.

Опыт проводят так, чтобы его результат можно было наблюдать или измерять. Если непонятно, что именно произошло, нельзя честно сравнить результаты и сделать вывод. Повторение опыта в одинаковых условиях позволяет проверить, не вызван ли результат случайной ошибкой измерения или внешним обстоятельством.

Наблюдения часто подсказывают гипотезу, то есть возможное объяснение явления. Затем опыт проверяет это объяснение: результат может подтвердить предположение, показать его ограниченность или опровергнуть его. Новые наблюдения и опыты помогают уточнять гипотезу и формулировать более точные закономерности.

Для достоверного вывода нужно отделять результат от предположения. Результат — это то, что непосредственно заметили или измерили в указанных условиях, а вывод объясняет значение результата. Если условия не записаны или одновременно изменено несколько факторов, нельзя уверенно утверждать, какая причина привела к наблюдаемому изменению.

Наблюдение и опыт как методы изучения явлений

Таблицу удобно использовать, если нужно быстро определить метод по его признакам. Главный вопрос такой: изменял ли исследователь условия явления специально? Приборы могут применяться и в наблюдении, и в опыте, поэтому сами по себе они не являются решающим признаком.

Разбор задач

Задача 1. Определите, что является наблюдением, а что опытом: наблюдение за движением облаков; нагревание воды и сравнение времени её закипания в разных условиях. Нужно найти признак, по которому методы различаются. Им будет наличие специально изменённых условий.

1. При наблюдении за облаками исследователь только следит за их движением и описывает происходящее.
2. При нагревании воды он сам создаёт условия и сравнивает результаты при их изменении.
3. Значит, первое действие относится к наблюдению, а второе — к опыту.

Ответ: движение облаков наблюдают; нагревание воды и сравнение времени закипания — это опыт. В первом случае явление не изменяют специально, во втором условия исследования задают намеренно.

Задача 2. Предложите опыт, проверяющий, зависит ли дальность скольжения игрушечной машинки от наклона поверхности. Сначала сформулируем гипотезу: чем больше наклон, тем дальше может проехать машинка. Чтобы проверить именно влияние наклона, масса машинки, поверхность, место старта и способ запуска должны оставаться одинаковыми.

1. Подготовьте наклонную доску, машинку, линейку и несколько отметок угла или высоты подъёма.
2. Пустите машинку с одного и того же места при первом наклоне и измерьте дальность движения.
3. Повторите запуск несколько раз, затем измените только наклон и снова выполните измерения.
4. Сравните средние или близкие значения дальности при разных наклонах.

Ответ: опыт подтвердит гипотезу, если при увеличении наклона дальность устойчиво изменится в предполагаемую сторону. В выводе нужно указать, какие условия сохранялись, какой фактор меняли и что показали измерения.

Задача 3. Спланируйте исследование зависимости времени падения шарика от высоты. Гипотеза может быть такой: время падения увеличивается при увеличении высоты. Измерять время нужно несколько раз для каждой высоты, потому что один запуск может дать случайную погрешность.

1. Выберите несколько высот и измерьте их линейкой, подготовьте шарик и секундомер.
2. Для каждой высоты отпускайте шарик без толчка и записывайте время падения.
3. Повторите измерение не менее трёх раз, сохраняя шарик и способ запуска одинаковыми.
4. Сравните полученные значения и определите, меняется ли время при изменении высоты.

Ответ: результат записывают в таблицу «высота — время падения». Вывод формулируют только по повторным измерениям: например, при увеличении высоты время падения увеличилось в проведённых условиях, если это видно из данных.

Типичные ошибки

Любое наблюдение называют опытом. Ошибка появляется, когда не замечают разницы между регистрацией явления и изменением его условий. Проверьте себя вопросом: вмешивался ли исследователь в происходящее и управлял ли условиями?

Вывод делают по одному наблюдению или измерению. Единичный результат может быть случайным или неточным. Повторите исследование и сравните несколько результатов, прежде чем утверждать закономерность.

Одновременно изменяют несколько условий. Тогда нельзя понять, какой фактор вызвал изменение результата. Оставьте все условия неизменными, кроме одного, который специально проверяете.

Гипотезу принимают за доказанный факт. Предположение может звучать убедительно, но без проверки оно остаётся только гипотезой. Отделяйте записанный результат от объяснения и проверяйте объяснение опытом.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно уметь различать тела и происходящие с ними изменения, описывать события словами и замечать условия их протекания. Позже наблюдения и опыты понадобятся в лабораторных работах, при изучении измерений, построении физических законов и проверке экспериментальных выводов. В химии и биологии применяют те же правила планирования эксперимента, обработки результатов и формулирования выводов.

Что запомнить

• Физика изучает физические явления.
• Наблюдение проводят без активного изменения условий явления.
• Опыт проводят специально и управляемо.
• В опыте важно изменять по возможности только один фактор.
• Результат опыта должен быть наблюдаемым или измеряемым.
• Опыт следует повторять для проверки надёжности результата.
• Гипотеза становится обоснованной только после проверки.