Тема №1.Физика и научный метод познания
План изучения темы.
1. Что и как изучает физика?
2. Наблюдение, научная гипотеза, эксперимент. Научные модели и научная идеализация. Научный закон и научная теория.
3. Научный метод познания. Границы применимости физических законов и теорий.
4. Принцип соответствия и причинности.
Работа на уроке.
Кроме этого физика изучает наиболее общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материального мира (табл.3).Таблица 3. Эволюция взгляда на физическую картину мира
| Физическая карта мира (ФКМ) | Примерное время существования | Ученые, внесшие наибольший вклад в развитие ФКМ | Основные законы, теории, принципы |
| Механическая | XVI–XVIIIвв. | Демокрит, Галилей, Декарт, Ньютон | Принцип относительности; законы динамики; закон всемирного тяготения; |
| законы сохранения | |||
| Электродинамическая | XIX – начало XX в. | Фарадей, Максвелл, Эйнштейн | Закон Кулона; закон электромагнитной индукции; уравнения Максвелла; специальная теория относительности |
| Квантово-полевая | Начало XX – середина XX вв. | Планк, Эйнштейн, Бор, Резерфорд, де Бройль, Гейзенберг, Шредингер | Гипотеза Планка; идеи Эйнштейна; постулаты Бора; корпускулярно-волновой дуализм |
Научный метод познания природы.Физика – это наука, изучающая природу. Чтобы успешно заниматься физикой, как говорил российский физик С.П. Капица, мало знать только явления и законы физики, надо понять, как делается физика, как она создавалась, какова роль эксперимента, какова роль теории, какова роль математики.
Для этого существуют методы познания, которые представляют собой способы получения знаний о природе. До XVI в. в физике господствовал метод Аристотеля, который приводил к тем или иным выводам путем рассуждений.
В аристотелевской физике в отличие от ее современного изложения не было ни описаний опытов, ни математических формул. Метод эксперимента был отвергнут Аристотелем, поскольку он считал, что исследование природы с помощью комбинации «искусственных вещей» нарушает жизнь природы и искажает ее познание. По тем же причинам Аристотель считал недопустимым применение математики к исследованию природы. По его мнению, математика имеет дело с абстрактными понятиями, природа же конкретна, материальна.
В начале XVII в. стал формироваться научный метод познания природы. К этому времени была проделана большая работа:
По обоснованию и укреплению позиций гелиоцентрической системы мира (Н. Коперник, Дж.Бруно, И. Кеплер, Г. Галилей);
По критике взглядов Аристотеля и формированию отдельных элементов нового метода познания природы.
С тех пор (почти четыре века) научный метод познания природы используется естественными науками.
Исследование явлений начинается с наблюдений, при которых ученый не ограничивается общими качественными впечатлениями от явлений. Ему надо найти количественные характеристики величин, которые подлежат измерению.
Когда наблюдаемые величины найдены и проведены измерения, то пытается установить количественную зависимость одних величин от других в виде математических формул. Если такая зависимость установлена, то говорят, что установлен опытный физический закон.
Значение законов природы состоит в том, что они могут дать гораздо больше информации, чем опытные факты, с помощью которых эти законы получены. Законы избавляют нас от необходимости проводить эксперимент в каждом конкретном случае.
Для объяснения наблюдаемых явлений или законов, установленных путем эксперимента, выдвигается гипотеза – научно обоснованное предположение о внутренних связях, управляющих данным явлением.
Например, Г. Галилей опытным путем установил законы падения тел на Землю, но не смог объяснить их. И. Ньютон высказал гипотезу, согласно которой причина падения тел – притяжение их к Земле.
Физическая теория объединяет несколько опытных закономерностей и гипотез и дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения. Теория позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые. Так, Д.И. Менделеев на основе открытого им периодического закона предсказал существование нескольких химических элементов.
Правильность гипотез и теорий проверяется посредством постановки экспериментов и выяснения согласованности следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Таким образом, эксперимент служит не только источником знаний, но и критерием их истинности.
В связи с огромной ролью эксперимента в физике ее считают экспериментальной наукой. Но при изучении любого физического явления в равной мере необходимы и эксперимент, и теория.
Нередко теоретические выводы не полностью согласуются с результатами экспериментальных исследований. Обычно это ведет к уточнению (часто к усложнению) гипотезы или приемов вычислений. Изучение явления осуществляется заново, но уже на иных основах, более точно отражающих реальную действительность. Так произошло становление релятивистской механики А. Эйнштейна. Классический закон сложения скоростей гласит о том, что при движении тела и системы отсчета в одном направлении, скорость тела относительно неподвижного наблюдателя увеличивается, а при движении в противоположных направлениях – уменьшается (пассажир трамвая идет по ходу движения и против). Аналогичные измерения скорости света, идущего от Солнца, не согласовывались с законом: скорость всегда оставалась постоянной. Основываясь на этих результатах и других наблюдениях, А. Эйнштейн формулирует новую теорию, включающую классический закон сложения скоростей как частный случай релятивистского закона, а механику Ньютона как частный случай релятивистской.
«Наблюдение – теория – эксперимент, и снова все сначала – такова бесконечная, уходящая ввысь спираль, по которой движутся люди в поисках истины», - писал известный отечественный физик А.Б. Мигдал.
Физические законы и границы их применимости. Физический закон устанавливает количественную зависимость одних физических величин от других. Законы могут быть получены двумя способами: в результате обобщения данных экспериментов (опытные законы) или путем выводов из известных законов (теоретические законы).
Некоторые законы. Открытые опытным путем, позже получили теоретическое обоснование, например опытный закон Архимеда, законы фотоэффекта.
Поскольку законы базируются на ограниченном экспериментальном материале, они приблизительны и имеют границы применимости.
Принципы соответствия и причинности. История физики показывает, что процесс познания материального мира не заканчивается опытной проверкой теории. Вскоре после создания той или иной теории обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в ее рамки и требует выдвижения новых гипотез, нуждающихся, конечно, в опытной проверке. Новые открытия вызывают потребность в исправлении, дополнении существующих теорий или создания новых, более глубоко и точно отражающих объективные закономерности природы.
Новая теория чаще всего включает в себя старую как составную часть, т.е. является более широкой, всеохватывающей. Хорошо проверенные законы и соотношения остаются неизменными и в новой теории. Так, специальная теория относительности Эйнштейна изменила привычные представления о пространстве и времени, при этом она практически не изменила законы классической механики (смотри выше: релятивистская механика А. Эйнштейна и классическая механика И. Ньютона).
Преемственность между старой и новой теориями описывается принципом соответствия, согласно которому новая теория должна переходить в старую при тех условиях, для которых старая теория была установлена.
Принцип соответствия был сформулирован датским ученым Н. Бором в 1923 г. как косвенное подтверждение правильности выдвинутой им в 1913 г. теории строения атома и спектров поглощения и излучения. Бор установил, что между предложенной им неклассической теорией излучения и традиционной (классической) существует соответствие. Новая теория не отменяет ранее установленные законы, а лишь уточняет их, помогает определить область их применимости.
Практическое задание.