Физика как наука о природе. Методы научного познания и алгоритм проведения экспериментов

Слово «физика» произошло от греческого physis — «природа». Физика изучает фундаментальные закономерности, по которым устроен материальный мир. В русском языке термин получил распространение благодаря Михаилу Ломоносову, который перевёл первый учебник физики с немецкого языка.

Физические явления

В природе постоянно происходят изменения: идёт дождь, движется машина, остывает горячий чай. Такие изменения называют явлениями. Особенность физических явлений в том, что при их протекании не образуются новые вещества.

Физические явления делят на несколько основных групп:

• механические — полёт птицы, движение планет, качение мяча;
• тепловые — таяние снега, кипение воды в кастрюле, охлаждение воздуха;
• звуковые — раскат грома, эхо в горах, звучание гитарной струны;
• электромагнитные — притяжение магнитов, разряд молнии, возникновение электрического тока;
• световые, или оптические, — образование радуги, отражение в зеркале, мерцание звёзд.

Что такое материя, физическое тело и вещество

Всё, что существует независимо от нашего сознания, называют материей. К ней относятся планеты, растения, свет и радиоволны. В школьном курсе физики выделяют две основные формы материи: вещество и физическое поле.

При решении задач важно различать два понятия:

1. Физическое тело — отдельный предмет, который имеет определённую форму и объём.
2. Вещество — материал, из которого состоят физические тела.

Например, гвоздь — физическое тело, а железо, из которого он сделан, — вещество. То же самое с каплей дождя: капля — физическое тело, вода — вещество.

Тела одного вида могут состоять из разных веществ. Например, стаканы делают из стекла, бумаги или пластика. И наоборот: из одного вещества, например древесины, можно изготовить разные предметы — стол, стул или линейку.

Зачем нужны физические модели

При решении задач по физике не всегда нужно учитывать все свойства предмета или явления. Например, чтобы рассчитать время поездки из Москвы во Владивосток, не имеет значения, какого цвета поезд и сколько в нём окон. Поэтому учёные используют метод физического моделирования.

Физическая модель — упрощённое представление реального объекта или процесса, в котором учитывают только свойства, необходимые для исследования. В задаче о движении поезда можно не учитывать его цвет, количество окон и другие детали. Для расчёта времени в пути достаточно знать расстояние и среднюю скорость.

Научные открытия часто начинаются с наблюдения за окружающим миром. В школьном курсе физики процесс научного познания рассматривают как последовательность нескольких этапов:

1. Наблюдение. Изучение природы без вмешательства в естественный ход событий. Исследователь следит за происходящим и собирает факты. Например, замечает, что яблоки падают на землю, а не улетают вверх.
2. Выдвижение гипотезы. На основе наблюдений исследователь предлагает объяснение увиденного. Такое научное предположение называют гипотезой. Её необходимо проверить на практике.
3. Проведение эксперимента. Чтобы проверить гипотезу, исследователь проводит опыт: активно взаимодействует с изучаемым объектом в специально созданных условиях. Параметры эксперимента можно контролировать, а сам опыт — повторять, чтобы проверить результаты.
4. Установление физического закона. Если исследования выявляют устойчивую, повторяющуюся связь между явлениями природы, её можно описать физическим законом.
5. Создание физической теории. Взаимосвязанные научные положения и законы, которые объясняют определённый круг явлений, объединяют в физическую теорию.

В задании № 20 ЕГЭ по физике нужно выбрать подходящие установки для проведения опыта. Чтобы справиться с ним, достаточно запомнить одно правило: если нужно исследовать, как одна физическая величина влияет на другую, изменять следует только исследуемую величину. Все остальные параметры должны оставаться одинаковыми.

Действуйте по алгоритму:

1. Внимательно прочитай условие и определи, какую величину нужно изменить.
2. Найди два варианта опыта, в которых значения этой величины различаются.
3. Сравни остальные параметры выбранных вариантов. Они должны совпадать.
4. Если отличается хотя бы один дополнительный параметр, такая пара не подходит. Проверь другие варианты.

Разберём на примерах, как применять этот алгоритм при решении заданий ЕГЭ по физике.

Задача 1

Необходимо провести лабораторную работу с целью обнаружения зависимости сопротивления $R$ цилиндрического проводника от площади его поперечного сечения (диаметра $d$). Какие два проводника из перечисленных в таблице нужно выбрать, чтобы провести такое исследование?

1. Длина $2$ м, диаметр $d = 2{,}0$ мм, медь.
2. Длина $5$ м, диаметр $d = 1{,}5$ мм, медь.
3. Длина $10$ м, диаметр $d = 2{,}0$ мм, медь.
4. Длина $5$ м, диаметр $d = 1{,}5$ мм, алюминий.
5. Длина $5$ м, диаметр $d = 2{,}0$ мм, медь.

Логика рассуждений:

1. Читаем условие. Нужно исследовать зависимость сопротивления проводника от площади поперечного сечения, которая в таблице представлена диаметром $d$. Значит, диаметры проводников должны различаться.
2. Остальные параметры должны совпадать. Поэтому ищем два провода одинаковой длины и из одного материала.
3. Сравниваем материалы. Медь указана в вариантах 1, 2, 3 и 5. Вариант 4 с алюминием исключаем.
4. Проверяем длину медных проводов. В вариантах 2 и 5 она одинаковая — $5$ м.
5. Сравниваем диаметры. В варианте 2 он составляет $d = 1{,}5$ мм, а в варианте 5 — $d = 2{,}0$ мм. Условие выполнено.

Ответ: 25.

Задача 2

В лаборатории экспериментально изучают зависимость частоты колебаний струны от силы её натяжения. Какие две установки нужно использовать для проведения такого эксперимента?

1. Натяжение $F = 15$ Н, диаметр $d = 0{,}5$ мм, сталь.
2. Натяжение $F = 10$ Н, диаметр $d = 1$ мм, сталь.
3. Натяжение $F = 10$ Н, диаметр $d = 0{,}5$ мм, медь.
4. Натяжение $F = 25$ Н, диаметр $d = 1$ мм, сталь.
5. Натяжение $F = 20$ Н, диаметр $d = 1$ мм, пластик.

Логика рассуждений:

1. Читаем условие. Нужно исследовать зависимость частоты колебаний струны от силы натяжения $F$. Значит, сила натяжения должна быть единственным отличием.
2. Ищем варианты, в которых материалы и диаметры струн совпадают.
3. Сравниваем материалы. Сталь указана в вариантах 1, 2 и 4. Проверяем их дальше.
4. Сравниваем диаметры. В вариантах 2 и 4 они одинаковые — $d = 1$ мм.
5. Проверяем силу натяжения. В варианте 2 она составляет $F = 10$ Н, а в варианте 4 — $F = 25$ Н. Условие выполнено.

Ответ: 24.

1. Приписывать физической модели все свойства реального объекта. Модель учитывает только те свойства, которые нужны для решения конкретной задачи. Остальными можно пренебречь, чтобы упростить расчёты.
2. Путать физическое тело и вещество. Серебро, стекло и пластик — это вещества, а не физические тела. Например, серебряная монета — физическое тело, а серебро, из которого она сделана, — вещество. Монета имеет определённую форму, а серебру можно придать разную форму, в том числе расплавив его.
3. Путать наблюдение и эксперимент. При наблюдении исследователь не вмешивается в происходящее. Если ты следишь за молнией во время грозы, это наблюдение. А если создаёшь электрический разряд в лаборатории с помощью катушки и источника тока, меняя напряжение $U$, — эксперимент.
4. Изменять сразу несколько параметров при планировании эксперимента. Например, сравнивать провода разной длины, изготовленные из разных материалов. Чтобы исследовать влияние одной величины, остальные параметры должны совпадать. Иначе нельзя определить, какое именно изменение повлияло на результат.

Задание 1

Ответь на вопросы:

1. Ледышка, деревянная шкатулка, свинцовая пуля. К чему относятся эти термины: к телам или к веществам?
2. Какой этап научного познания находится между выдвижением гипотезы и открытием закона?
3. Ученик смотрит в телескоп на кратеры Луны. Какой метод он использует?

Задание 2

Есть пять проводников. Нужно исследовать, как сопротивление $R$ проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Выбери два подходящих проводника.

1. Длина $100$ см, диаметр $d = 1{,}0$ мм, медь.
2. Длина $200$ см, диаметр $d = 0{,}5$ мм, медь.
3. Длина $200$ см, диаметр $d = 1{,}0$ мм, медь.
4. Длина $100$ см, диаметр $d = 0{,}5$ мм, алюминий.
5. Длина $100$ см, диаметр $d = 1{,}0$ мм, алюминий.

Запомни три главных правила:

• Наблюдение, гипотеза и эксперимент — разные этапы научного познания. Наблюдение помогает собрать факты, гипотеза предлагает их объяснение, а эксперимент позволяет проверить предположение. Устойчивые закономерности, выявленные в ходе исследований, описывают физическими законами.
• Физическое тело и вещество — разные понятия. Тело — отдельный предмет с определённой формой и объёмом, а вещество — материал, из которого он состоит.
• При планировании эксперимента нужно изменять только одну величину. Если исследуешь, как она влияет на результат, все остальные параметры должны оставаться одинаковыми.

Эти правила помогут различать основные физические понятия и выбирать подходящие варианты опытов в заданиях ЕГЭ по физике. Чтобы закрепить знания и научиться применять их на экзамене, потренируйся решать похожие задания в банке «100балльного репетитора».