Воронкин

Алексей Сергеевич

Магистр. Стипендиат Президента Украины.

Старший преподаватель Луганской государственной академии

культуры и искусств.

Член украинского физического общества.

Член ассоциации развития образовательных и научных сетей.

Член ассоциации профессионалов дистанционного образования

России e-Learning PRO.

E-mail: alex.voronkin@gmail.com http:// www.tdo.at.ua

ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ

НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ

Секция экспериментальной физики

Луганск-2013

Руководитель секции

ФИЗИКА И МЕТОДЫ

НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Лекция была прочитана для учеников

9-11 классов Луганского образовательно-

воспитательного комплекса

специализированной школы-гимназии № 42

16.01.2013г.

Понятие ―наука‖ имеет несколько основных значений:

• во-первых, под наукой понимается сфера человеческой

деятельности, направленной на выработку и систематизацию

новых знаний о природе, обществе и познании окружающего мира;

• во втором значении наука выступает как результат этой деятельности –

система полученных научных знаний;

Физика – наука о сущем, наука о природе в самом общем смысле (от греч.

physis - природа).

Первыми физиками были древнегреческие философы, жившие еще до нашей

эры. Самым известным из них был Аристотель (384 – 322 до н.э.), именно он

ввел в научный обиход термин ―физика”.

Физика – это наука понимать природу

Э. Роджерс

I. Физика как наука о природе. Классификация наук.

Предмет физики.

естественные

науки и

математика

гуманитарные

и социально-

экономические

науки

технические

науки

сельскохозяйст

венные науки

КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК

механика, физик

а,

химия, биология,

география, гидро

метеорология, э

кология, медицин

а

и др.

агрономия,

зоотехника,

ветеринария,

агроинженерия,

рыболовство

и др.

культурология, фи

лология,

философия, журна

листика, история,

политология, псих

ология,

социальная

работа, менеджм

ент, экономика, ис

кусствоведение и

др.

строительство, п

олиграфия, телеко

ммуникацииметал

лургия, горное

дело, электроника

и

микроэлектроника

радиотехника, арх

итектура

и др.

Г. Галилей говорил: ―математика - это язык, на котором написана книга природы‖.

Физика позволяет выводить общие законы на основании изучения

простых явлений.

• МЕХАНИЧЕСКИЕ

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

• МАГНИТНЫЕ

• ТЕПЛОВЫЕ

• ЗВУКОВЫЕ

• СВЕТОВЫЕ

• ВНУТРИАТОМНЫЕ

• ВНУТРИЯДЕРНЫЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Задача физики – установление “законов” окружающего мира.

Физика – фундаментальная наука, так как другие естественные науки —

биология, химия… – описывают лишь некоторый класс материальных

систем, подчиняющихся законам физики.

Механические явления

Положите листок бумаги на край стола. На листок поставьте горлышком

вниз пустую бутылку. Резким движением выдерните листок. При этом

бутылка остается на месте. Почему?

1. Перевернутая бутылка

2. Монетка в бутылке

Вырежьте из тонкого картона полоску шириной 2-3 см и склейте из нее

кольцо диаметром 10-15 см. Расположите его на горлышке пустой

бутылки. На кольцо положите монету, а внутрь введите линейку и резким

горизонтальным движением выбейте кольцо из-под монеты. Монета

упадет в бутылку. Как можно объяснить наблюдаемое явление?

Ответ:

При резком выбивании картонного кольца из-под

монеты время взаимодействия указанных тел

мало, поэтому небольшая по величине сила

трения, действующая на монету, не может

сообщить последней скорость в горизонтальном

направлении. Практически монета сохраняет

состояние покоя по инерции, но при удалении

опоры падает в бутылку.

В Е Щ Е С Т В О П О Л Е

ВИДЫ

М А Т Е Р И И

атомы, молекулы и все

тела, построенные из них

электромагнитные, грав

итационные и другие

поля

Различные виды материи могут превращаться друг в друга.

Так, например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) могут

превращаться в фотоны (т.е. в электромагнитное поле). Возможен и

обратный процесс.

Материя – все то, что существует вне и независимо от нашего

сознания, но обнаруживается нами посредством ощущений.

Физика – наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих

формах движения материи и их взаимных превращениях

ВРЕМЯ ПРОСТРАНСТВО

ФОРМЫ

СУЩЕСТВОВАНИЯ

МАТЕРИИ

Например, при механическом движении тела перемещаются друг

относительно друга в пространстве со временем.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является

движение. Движение в широком смысле слова – это всевозможные

изменения материи, от простого перемещения до сложнейших

процессов мышления.

• Материя вечно и непрерывно развивается.

• Непрерывное и бесконечное развитие материи проявляется во времени.

• Время – одна из форм существования материи.

• Развитие материи происходит еще и в пространстве.

Метод научного исследования – это способ познания объективной

действительности. Способ представляет собой определенную

последовательность действий, приемов, операций.

методы

эмпирического

уровня

методы

теоретического

уровня

методы

метатеоретического

уровня

наблюдение,

описание,

сравнение,

счет,

измерение,

тестирование,

эксперимент,

моделирование и т.д.

аксиоматический, гипот

етический (гипотетико-

дедуктивный), формали

зацию, абстрагирование

, общелогические

методы

(анализ, синтез, индукц

ию, дедукцию, аналоги

ю) и др.

диалектический,

метафизический,

герменевтический и

др. методы.

Некоторые ученые к

этому уровню

относят метод

системного анализа

II. Методы научного исследования

“ЗАПИСКИ О ШЕРЛОКЕ ХОЛМСЕ”

Главным прообразом Шерлока Холмса

послужил один из преподавателей Конан

Дойля – хирург Джозеф Белл, который

был мастером

наблюдательности, логики, выводов

и обнаружения ошибок.Артур Конан Дойль

Холмс: “...вы видите все, но не даете

себе труда поразмыслить над тем, что

видите”

Дедукция (лат. deductio – выведение) – это цепь

умозаключений, при которых частное положение выводится

из общего логическим путѐм;

Индукция (от лат. inductio – наведение) – это переход в

процессе познания от частного знания к общему

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

изучение физики

посредством опытов и

экспериментов

наблюдения явлений в

естественных

условиях

теоретический метод

изучения физики

состоит в постановке

проблемы и построении

математической модели

еѐ решения

Процесс познания в физике начинается с наблюдения явлений в

естественных условиях или со специально поставленных опытов –

экспериментов.

В результате обобщения опытных данных появляется научное суждение о

механизме явления в виде гипотезы.

МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ФИЗИКЕ

наблюдение

гипотеза

опыт

вывод

Т Е О Р И Я

• Наблюдение событий – это одно из важных

признаков науки, причем сам наблюдатель

должен быть опытным и подготовленным.

• Гипотеза – это научное предположение,

выдвигаемое для объяснения какого-либо

явления и требующее проверки на опыте и

теоретического обоснования для того, чтобы

стать достоверной научной теорией.

• Правильная физическая теория дает

качественные и количественные объяснения

явлений природы и формулирует их законы.

Физические теории почти всегда

формулируются математически (математика –

это инструмент физики).

• Физические законы – устойчивые

повторяющиеся объективные закономерности,

существующие в природе.

Проблема – это сложная теоретическая или практическая задача, способы

решения которой неизвестны или известны не полностью.

П Р И М Е Р Ы

2.1. Ускорение свободного падения

Аристотель

(384-322 до н.э.)

Наблюдения показывают, что

перышко парит в воздухе гораздо

дольше падающего камня.

Скорость падения

пропорциональна массе тела:

чем больше масса тела, тем тело

быстрее падает.

Галилей

(15.02 1564 - 8.01.1642)

Метод абстрагирования и

упрощения

(идеализация).

На Земле в отсутствии

сопротивления воздуха все тела

падают с одним и тем же

ускорением.

Камень и перо брошены одновременно

в воздухе (а) и вакууме (б)

Все с детства знают, что то-то и то-то

невозможно. Но всегда находится невежда, который

этого не знает. Он – то и делает открытие

А. ЭйнштейнВо времена Галилея провести

эксперимент в вакууме было

невозможно.

Говорят, что Галилей демонстрировал

ложность утверждения

Аристотеля, бросая предметы с

накренившейся башни в итальянском

городе Пиза.

Мяч и листок бумаги брошены

одновременно (а), тот же опыт, но

бумага скомкана (б)

На полюсе g=9,832 м/с2

На экваторе g=9,780 м/с2

На Луне g=1,623 м/с2

Ускорение свободного паденияВоздух оказывает сопротивление

любому падающему телу. Чем

больше будет площадь

поверхности листа, тем больше

сопротивление воздуха и тем

медленнее он будет падать.

Какой принцип положен в устройство

работы парашюта?

Аристотель

Находящееся на земле

тело, получившее начальный

толчок, всегда останавливается.

Естественное состояние тела -

покой, а движется оно только под

влиянием силы или импульса.

Отсюда следовало, что тяжелое тело

должно падать быстрее

легкого, потому что оно сильнее

притягивается к Земле.

Галилей

Если мысленно представить, что

трение отсутствует, то тело,

получившее начальный толчок на

горизонтальной поверхности,

продолжало бы двигаться

безостановочно в течение

неопределенно долгого времени.

ВЫВОД:

естественным состоянием тела

является покой

ВЫВОД:

для тела состояние движения

также естественно, как и

состояние покоя

2.2. Естественное состояние тела

Галилео Галилей стал использовать опыт, как средство проверки гипотез и

обнаружения новых фактов. Он доказал, что в суждениях о природе необходимо

оперировать свойствами, которые можно точно измерить.

2.3. Представления о форме Земли

2.3.1. Земля плоская.

Первоначально у людей было представление, что Земля

плоская и лежит на большой черепахе или ките. В те

времена люди жили на очень ограниченном пространстве

и мало путешествовали.

С развитием мореплавания было замечено, что земная

поверхность имеет некоторую кривизну.

2.3.2. Земля сферическая.

Первым предложил считать Землю шаром Пифагор.

В 340 г. до н. э. Аристотель в своей книге ―О небе‖

приводил доводы в пользу того, что Земля имеет

сферическую форму.

Первые неопровержимые доказательства шарообразности Земли были

получены в XVI в., когда Фернан Магеллан совершил первое в истории

человечества кругосветное плавание (1519–1522 гг.). Этим путешествием

было доказано наличие единого Мирового океана и получено практическое

доказательство шарообразности Земли.

2.4. Элементарные частицы

• Греческий философ Демокрит назвал

простейшие нерасчленимые частицы

атомами (от греч. ἄτομος – ―неделимый‖).

• Но в конце XIX века было открыто

сложное строение атомов, был выделен

электрон как составная часть атома. Уже

в XX веке, были открыты протон и

нейтрон – частицы, входящие в состав

атомного ядра.

Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к

микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на

составные части.

Атом был изучен благодаря эксперименту английского физика, лауреата

Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда.

Эрнест Резерфорд

(1871-1937)

Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении их

через золотую пластину, Резерфорд пришел к

выводу, что в центре атомов существует массивное

положительно заряженное ядро.

Чуть позже Резерфорд предложил планетарную

модель атома, представляющую собой подобие

Солнечной системы: в центре - положительно

заряженное ядро, вокруг него по орбитам движутся

отрицательно заряженные электроны.

Резерфорд, заложивший основы учения о

радиоактивности и строении

атома, экспериментально доказал существование

протонов и высказал предположение о возможности

существования нейтральной частицы - нейтрона.

Учениками Резерфорда были Петр Капица и Юлий

Харитон.

• Поначалу на все открытые частицы смотрели

точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их

считали неделимыми – основными кирпичиками

мироздания.

• Со временем к уже известным элементарным

частицам прибавлялись новые: пионы, мюоны

(1936г.), гипероны… В 1986 году было известно

более 400 элементарных частиц.

• Все элементарные частицы превращаются друг

в друга, и эти взаимные превращения – главный

факт их существования.

• Превращения элементарных частиц можно

наблюдать при столкновениях частиц высоких

энергий.

Масштабы

Б.А.К. ЦЕРН

Ускоритель заряженных частиц на

встречных пучках, предназначенный

для разгона протонов и тяжѐлых

ионов и изучения продуктов их

соударений. Коллайдер построен в

научно-исследовательском центре

Европейского совета ядерных

исследований (ЦЕРН), на границе

Швейцарии и Франции, недалеко от

Женевы.

Large Hadron Collider

A. Siemko

16/04/2007

CERN accelerator complex as proton and heavy ion injector for

LHCLarge Hadron

Collider

(LHC) 2008

Научно-практический семинар

ЦЕРН внес вклад не только

в развитие физики высоких

энергий, но и в развитие

современных

информационных

технологий (в том числе и

образовательных), ведь

именно в нем зародилась

технология Всемирной

паутины (www) и был

разработан протокол HTTP.

C советником

генерального директора

CERN Тадеушем Куртыка

Программа семинара,

Алушта,

2012

29

Big Bang

Expansion

Артемовская научная станция Института ядерных исследований

Российской академии наук – Подземный телескоп

(г. Соледар Донецкой области )

В 1967 г. Институт ядерных исследований построил в выработках

шахты № 3 г. Соледар специальную установку для измерения

параметров нейтрино

Когда сгорает звезда (коллапс) происходит массовое выбрасывание

энергии, которая и уходит как раз через нейтрино

Почему Артемовск?

Соль является одним из самых низкофоновых веществ

на Земле – она имеет в 300 раз меньшую

радиоактивность, чем любое другое строительное

вещество. А еще для того чтобы ловить нейтрино,

нужно было избавиться от других космических

веществ и помех.

(фото сделано через 16 лет после начала

взрыва при помощи оптического

телескопа Хаббл)

Звездная катастрофа – взрыв сверхновой SN1987A.

(фото сделано через 19 лет,

Телескоп Хаббл)

Детектор находится на глубине 500 м

Детектор :

герметичная емкость (105 т),

диаметр 5 м,

высота ~ 6,5 м.

Установка оценивается в $15 млн.

МОЖНО ЛИ ВЕРИТЬ НАШЕМУ

ЗРЕНИЮ?

ПРИМЕРЫ СУБЪЕКТИВНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

2.5. ОБМАН зрения

Если бы мы привыкли судить о вещах по самой

истине, то искусство бы не могло иметь

места, равно как когда бы мы были слепы

Леонард Эйлер

Оптические иллюзии – это оптический обман нашего мозга. Глаз видит

изображение одного объекта, тем не менее мозг понимает этот объект по-своему.

Когда орган зрения получает картинку - включается большое количество процессов

в мозге, начинается анализ расположения основных граней и углов, структур цвета

или позиций источников света. И во многих случаях этот анализ бессознательно

есть неточным - происходит коррекция зрительных образов.

Типы оптических иллюзий:

1. Иллюзии восприятия цвета

2. Иллюзии движения

3. Иллюзии восприятия глубины

4. Иллюзии восприятия размеров

5. Стерео-иллюзии

На пересечении линий заметны белые пятна. Эти пятна создают

иллюзию концентрических кругов

Обратите внимание на узловые точки.

Какого они цвета – черного или белого?

Узловые точки белого цвета!

Возникает иллюзия, что рисунок пульсирует

(иллюзия движения)

Видите волнообразное смещение?

Это не анимация – картинка статична

Какой отрезок больше – А или Б?

Какой отрезок больше А-Б или Б-В?

Какое расстояние больше – между

точками А и Б или между

точками В и Г?

(отрезки одинаковы)

(отрезки равны между собой)

(расстояние одинаково)

В действительности на рисунке изображены концентрические круги.

В этом можно убедиться, обведя один из них острием карандаша.

Подобные и многие другие явления, обусловленные субъективным восприятием

наших органов чувств, создают затруднения для наблюдателя.

А что видите Вы?

Человеческий глаз видит на рисунке систему спиралей, исходящих из общего

центра.

3D изображение.

Использование очков с двухцветными стеклами

Красный фильтр пропускает только красные тона, т.к.другие цвета проходят через

фильтр ослабленными, а голубой – голубые.

Это позволяет разделить изображения для двух глаз, если на экран одно

изображение (снятое одной камерой) будет проецироваться через красный, а другое

(полученное второй камерой) – через зеленый (или синий) фильтр. Смотря на экран

через очки соответствующих цветов, мы увидим объемное 3D изображение.

Цветопередача в таких очках будет искажена из-за подавления многих цветов.

Один глаз видит почти ту же картинку, что и

второй, но с небольшим смещением.