2. Фізика як фундаментальна наука про природу

З давніх часів людина спостерігала навколишній світ, намагалася зрозуміти зміни, які відбувалися в природі. Сонце давало людям тепло, а іноді приносило згубну спеку, дощі давали живлячу вологу, але час від часу викликали жахливі повені. Незліченні біди несли урагани та землетруси. Невміючи передбачити перебіг подій, люди списували все це на надприродні сили, добрі та злі. Безпорадність завжди породжує жах і забобони. Однак поступово люди стали помічати, що зміни в природі (здійснюються за певними закономірностями. А з часом люди навчилися розуміти дійсні причини природних явищ і певною мірою їх систематизувати. Так зародилися природничі науки, науки, які вивчають природу.

Природа – це весь матеріальний світ: повітря, вода, земля, люди, рослини, тварини, планети, зорі. У природі відбуваються безперервні зміни.

Як результат вивчення природи людиною виникла наука, яка об’єднала всі наявні на той час знання. Цю науку називали по різному,   наприклад, натурфілософією. Потім внаслідок розширення та поглиблення наукових знань виділилися окремі науки, що вивчають певні групи явищ.

Фізика вивчає найзагальніші закономірності явищ природи, властивості та будову матерії,  закони  її  руху.

У перекладі з грецької слово  «фізика»  якраз і означає «природа». Цю назву використовував Арістотель у ІV ст. до н.е.

Фізика–фундаментальна наука про природу, вона вивчає її закономірності. Поняття і закони фізики покладено в основу природознавства і техніки

Як ви гадаєте, фізика в наш час – єдина наука про природу? Якщо ні, то спробуйте назвати інші науки.

2.                    Методи наукового пізнання

Фізика – наука експериментальна, вона спирається на спостереження й досліди.

Обмежитися при вивченні фізичних явищ тільки спостереженнями не можна, навіть якщо ці спостереження проводяться систематично та цілеспрямовано.

Багато хто з вас не раз спостерігав блискавку, але навряд чи хто-небудь на підставі одних спостережень зміг би довести, що блискавка-це гігантський електричний розряд. А при фізичних експериментах, (дослідах) учені самі відтворюють явище, за різних умов, не очікуючи, поки воно відбудеться в природі. На основі отриманих даних можна вже робити висновки про природу явища.

Демонструється електричний розряд за допомогою електрофорної машини або високовольтного перетворювача. 

 Подивіться: ми відтворюємо на вчительському столі те саме явище, що відбувається в момент грозового розряду (у старших класах ви довідаєтеся , що це явище називають іскровим розрядом). Зрозуміло, масштаби  інші: замість сліпучого спалаху—іскорки, а замість оглушливих гуркотів грому - потріскування. Але за необхідності учені можуть відтворити-це явище й у набагато більш вражаючому вигляді. А якщо ми спроможні відтвори  явище, виходить, ми правильно розібралися в його причинах.

Спостереження - це пасивний метод наукового дослідження,

при якому спостерігач не впливає на розвиток подій.

Здійснюють спостереження за допомогою органів чуття:  зору, слуху, дотику, нюху, смаку. Однак, незважаючи на великі можливості відчуттів, вони не  завжди дають істинні знання. З часом від звичайного споглядання люди перейшли до цілеспрямованого спостереження за природними явищами. Після спостережень робилися у узагальнення, висувалися гіпотези (передбачення), які потребували  перевірки.

Отже,чим спостереження відрізняються  від дослідів?

Досліди проводять з певною метою, за заздалегідь обдуманим планом; під час досліду, як правило, здійснюють вимірювання.

Гіпотеза - це спроба пояснити, чому і як відбувається спостережуване явище.

Гіпотез може бути скільки завгодно! Візьмемо, наприклад, рух Сонця по небу. Давні єгиптяни вважали, що це бог Ра пропливає по небесній ріці в золотому човні. Давні греки були впевнені, що Сонце - це сяюча колісниця Геліоса.

Пізніше з’явилися гіпотези про те, що Сонце, Місяць і зірки-частини величезного механізму створеного Богом. Сьогодні кожному школяреві відомо, що Земля обертається навколо своєї осі й навколо Сонця, але колись ця ідея здавалася божевільною. Ось тут приходить на допомогу третій крок- експеримент.

Якщо теорія побудована правильно, то вона, дозволяє передбачити і результати інших експериментів і спостережень—навіть таких, які ще ніхто і ніколи не проводив!

Так вченим удалося «на кінчику пера» відкрити далекі планети Сонячної системи (Нептун і Плутон). Вони розрахували: якщо направити телескоп на певну ділянку зоряного неба, то там виявиться невідома раніше планета. І передбачення виправдалося!

А от спроби сформулювати закони природи, не спираючись на експериментальні дані, тільки умоглядним шляхом, часто призводили до помилок. Однієї з найвідоміших помилок припустився великий учений античності Арістотель.

Він вважав очевидним, що важкі тіла повинні падати на Землю швидше, ніж легкі. Через дві тисячі років інший великий учений, Галілео Галілей, довів неправильність цього твердження: 

гарматне ядро і мушкетна куля падали з похилої Пізанської вежі практично одночасно.

Спробуй провести дослід з падінням книжки й аркуша паперу. Якщо їх відпустити одночасно з однакової висоти, то книжка упаде швидше. Якщо аркуш паперу покласти під книжку, то вони упадуть одночасно   (бажано, щоб розміри книжки й аркуша були приблизно однаковими).

Як ти гадаєш, що упаде швидше, якщо аркуш паперу покласти на книжку?

Отже, усяка фізична теорія будується на основі спостережень і дослідів; коли ж теорія побудована, досліди і спостереження дозволяють перевірити, наскільки вона правильна.

Експеримент - цецілеспрямоване багаторазове відтворення явища у спеціально створених умовах і планомірне вивчення його під час виконання певних дій.

Після ряду експериментів слідує етап розробки наукової  теорії та формулювання законів, які будуть використовуватись на практиці для потреб людини. Якщо експеримент підтверджує гіпотезу, вона стає теорією. А якщо ні – вченим доводиться шукати інше пояснення явища, що відбувається.

Експерименти проводять не тільки фізики, хіміки або біологи, але й психологи, мовознавці й навіть історики й мандрівники.

На жаль під час експерименту в лабораторних умовах не завжди можна провести дослідження явища, яке спостерігається у природі. У такому випадку застосовують метод наукового пізнання-моделювання.

Моделювання — це особливий пізнавальний процес, коли людина замість безпосереднього об'єкта пізнання вибирає чи створює схожу і з ним модель, досліджує її, а здобуту інформацію переносить на реальний предмет вивчення.

Наприклад, модель атома, модель людини, модель автомобіля…

3.                    Фізика і її зв'язок з іншими науками. Сучасний погляд.

У цей час відбувається найбільша науково-технічна революція,

що почалася більше чверті століття назад. Вона зробила глибокі якісні зміни в багатьох галузях науки й техніки. Одна з найдавніших наук-астрономія переживає революцію, пов'язану з виходом людини в космічний простір. Народження кібернетики й електронних обчислювальних машин революційно

змінило вигляд математики, проклало шлях до нової області людської діяльності, що одержала назву інформатики. Виникнення молекулярної біології й генетики викликало революцію в біології, а створення так званої великої хімії стало можливим завдяки революції в хімічній науці. Аналогічні процеси відбуваються також у геології, метеорології, океанології й

багатьох інших сучасних науках.  В усім світі спостерігаються глибокі якісні зміни в основних галузях техніки. Революція в енергетиці пов'язана з переходом від теплових електростанцій, що працюють на органічному паливі, до атомних електростанцій, сонячних батарей тощо. Створення індустрії штучних матеріалів незвичайними, але дуже важливими для

практики властивостями зробило революцію в матеріалознавстві. Комплексна механізація й автоматизація ведуть нас до революції в промисловості й сільському господарстві. Транспорт, будівництво, зв'язок стають принципово новими, значно більше продуктивними  галузями сучасної техніки.

Фізика   і  астрономія.

У сучасному природознавстві, фізика є однією з лідируючих наук.

Вона впливає на різні галузі науки, техніки, виробництва.  Протягом тисячоліть астрономи одержували тільки ту інформацію про небесні явища, що їм приносило світло.  Три десятиліття тому назад завдяки розвитку радіо фізики виникла радіоастрономія, що надзвичайно розширила наші знання про Всесвіт. Вона допомогла довідатися про існування багатьох космічних об'єктів, про які раніше не було відомо.  З виходом людини в космічний простір народилися нові розділи астрономії: ультрафіолетова й інфрачервона астрономія, рентгенівська й гамма-астрономія.

Використовувані при цьому методи дослідження й апаратури, що реєструє, запозичаються з арсеналу сучасної фізики; древня астрономія перетворюється в молоду, що бурхливо розвивається астрофізику. Зараз створюються основи нейтринної астрономії, що буде доставляти вченим відомості про процеси, що відбуваються в надрах космічних тіл, наприклад у глибинах нашого Сонця.

Фізика і техніка.

Фізика знаходиться також у джерел революційних

перетворень у всіх областях техніки. На основі її досягнень перебудовуються енергетика, зв'язок, транспорт, будівництво, промислове й сільськогосподарське виробництво.

Техніка майбутнього буде створюватися в значній мірі не з готових природних матеріалів, які вже в наші дні не можуть зробити досить надійної й довговічної, а із синтетичних матеріалів з наперед заданими властивостями.

2.                    Закріплення вивченого матеріалу

Задача1  Дмитрик і Олег стоять біля нових автоматичних дверей магазину. Дмитрик дивиться, як ці двері відчиняються перед кожним покупцем та зачиняються за ним. А Олег повільно наближається до дверей— його цікавить, на яку відстань треба підійти, щоб автоматика  спрацювала. Хто з хлопчиків здійснює експеримент, а хто — спостереження? Обґрунтуйте свою відповідь.

Задача2  Якось навесні Мар’яна та Сергій вирішили перевірити, чи правий був Галілей що до законів падіння тіл. Мар’яна для цього чекала на падіння бурульок з даху, а Сергій упускав камінці з високого моста у воду.  Хто з дітей здійснював експеримент, а хто—спостереження?  Обґрунтуйте свою відповідь.

 Перегляньте на дозвіллі!