Физический эксперимент. Физическая теория.

0
42
текстуры

Цель: ввести понятия «эксперимент», «закон», «теория», «физические моде­ли»; эксперимент как критерий правильности физической теории. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I . Организационный момент

II . Проверка домашнего задания

1. Почему диапазон восприятия органов чувств человека достаточен для адап­тации к жизни в зимних условиях?

2. Чем ограничен диапазон восприятия органов осязания?

3. Чем ограничен диапазон восприятия органов вкуса?

4. Чем ограничен диапазон восприятия органов обоняния?

5. Чем ограничен диапазон восприятия органов слуха?

6. Что компенсирует недостаток восприятия органов чувств человека при фор­мировании представлений о структуре окружающего мира?

7. Что является предметом изучения физики? .

III . Изучение нового материала

Физику называют экспериментальной наукой. Дело в том, что опыт имеет в этой науке очень важное значение. Многие законы физики открыты благодаря наблюдениям за явлениями природы или специально поставленным опытам.

С чего начинается работа физика?

Проводя опыт (эксперимент), физик как бы вопрошает природу. А для того, чтобы ее ответ был ясным и четким, требуется особое искусство: вопрос природе нужно задавать так, чтобы исключить различные толкования ответа, т. е. он дол­жен быть однозначным и доказательным. Этот ответ природа дает в виде показа­ний приборов. В прошлом приборы были простыми. Считалось, что тот, кто не способен собрать нужный ему прибор из подручных материалов, имеющихся в любой лаборатории, – стеклянных трубок, обрезков резиновых шлангов, пало­чек, сургуча и т. п. – недостоин звания физика.

Со временем вопросы, которые физики задавали природе, стали более изощ­ренными, касались все более тонких и сложных явлений, и приборы соответствен­но стали сложнее.

Если есть возможность, эксперимент повторяют: воспроизводимость результа­тов – веский аргумент в пользу правильности полученных данных, позволяющий исключить случайную ошибку. В итоге у физиков скапливается целый ворох чи­сел, кривых, видеоматериалов и т. п., характеризующих исследуемое явление.

Экспериментаторы с поистине пчелиным трудолюбием начинают разбирать­ся в пугающем своим объемом массиве полученных данных. В таком «сыром виде» информация труднообозрима, и работать с ней неудобно. Ее необходимо сжать, придав вид той или иной зависимости или записав в виде уравнения.

Вывод уравнения всегда большая удача исследователя, но это не финал, а лишь новый шаг на долгом пути от первичных экспериментальных данных к ответу на вопрос, поставленный природе. Первый вариант уравнения напоминает только что вылупившегося птенца: оно не радует взгляд ценителя математической красоты. Тем не менее, оно уже содержит в сжатом виде драгоценную информацию, прежде затерянную, как иголка в стоге сена, во множестве экспериментальных данных. Вряд ли найдется хотя бы один физик, который стал бы отрицать изящество уравнений Максвелла. Но в первоначальном виде они были далеко не так красивы. Лишь Ген­рих Герц и его последователи довели уравнения Максвелла до совершенства.

Далее уравнения нужно решать. Исследователи обращаются за помощью к математике, накопившей в своем арсенале немало мощных методов решения раз­личных типов уравнений. Существует целый раздел математики – математичес­кая физика, – который занимается только разработкой и усовершенствованием методов решения задач (в частности, уравнений), возникающих в физике.

Наконец наступает счастливый финал: выведенное уравнение удалось решить. Раньше под решением уравнения понимали получение аналитического решения, т. е. формулы. Теперь в связи с широким распространением компьютеров под решением уравнения понимают численный результат, представляемый в виде таблицы или графика на дисплее компьютера. На этом этапе физика не может заменить даже самый искусный математик: полученное решение необходимо ис­толковать, интерпретировать, выяснить его физический смысл. Иными словами, происходит важнейший процесс перехода от формальной (функциональной) за­висимости к содержательному описанию изучаемого явления.

Однако уравнение и его решение – еще не окончательный итог поисков. В уравне­нии речь идет о функциональной зависимости, отвечающей на вопрос «как?», а не о причинной зависимости, отвечающей на вопрос «почему??- («с помощью какого меха­низма?»). Пример функциональной зависимости – выведенный Ньютоном закон все­мирного тяготения. Отвечая на вопрос о том, как тела притягивают друг друга, этот закон умалчивает о природе гравитации. Когда Ричард Бентли спросил Ньютона в письме, что же такое тяготение, тот ответил, что у него есть кое-какие догадки на этот счет, но достоверно ответ ему неизвестен. Природа тяготения нежа и поныне.

Достигнув определенного уровня понимания исследуемого явления, физик делает следующий шаг – пытается построить его модель. Модели бывают раз­ные. Если необходимо воспроизвести какие-нибудь физические, химические, био­логические или геометрические свойства исследуемого предмета, явления, то модель называется предметной. К их числу относятся, например, аналоговые модели, при построении которых используют одинаковость математических за­висимостей, или уравнений, описывающих исследуемое явление его аналог. На раннем этапе развития вычислительных машин аналоговые модели широко при­менялись при расчете различных физических процессов.

Наибольшее значение в физике приобрели так называемые математические моде­ли. Как правило, это дифференциальные уравнения, описывающие исследуемое явле­ние. Математическая (как и всякая другая) модель не точный портрет, воспроизво­дящий исследуемое явление в мельчайших подробностях, а скорее его карикатура, па которой одни свойства преувеличены для лучшей узнаваемости, а другие – стерты. Тем не менее, хорошая модель, по выражению одного из основателей кибернетики – Эщби, может быть «умнее своего создателя», т. е. описывать не только те свойства, которые имел в виду ее автор, но и другие, иногда совершенно неожиданно для него. Производя над математической моделью численный или компьютерный эксперимент, физики познают исследуемое явление. В конце XX в. компьютерное моделирование получило широкое распространение, но когда-то оно было сенсацией.

Следующий шаг – создание теории явления, которая не только подводит итог всему уже сделанному, но и рисует перспективы для дальнейшего исследования. Основой, или фундаментом теории служат опытные данные. Ярусом выше рас­полагаются гипотезы, допущения и аксиомы, общие законы – «строительный материала моделей, образующих следующий уровень. Правила логического вы­вода служат своего рода лестницами, соединяющими различные ярусы.

В верхнем ярусе располагаются утверждения, выводимые из всего, что лежит ниже.

Результаты физической теории передаются в какой-то момент инженерам, которые воплощают их в новые технические приборы, инструменты, позволяющие задавать новые вопросы природе. Цикл повторяется сначала, но не по замк­нутому кругу, а по развертывающейся – с каждым разом все шире – спирали. Процесс познания бесконечен.

IV . Закрепление изученного

1. С чего начинается работа физика? .

2. Что такое эксперимент?

3. Почему эксперимент является критерием правильности физической теории?

4. Что такое модель в физике?

5. Приведите пример физической модели.

6. В чем заключается взаимосвязь теории и физической модели?

Домашнее задание

§ 8-10 Сделать основные записи в тетради.

 

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь