Что изучает физика - предмет и структура физики с примерами

Содержание:

Человек по своей природе очень любознателен. Его интересует все, что происходит вокруг: почему на смену весне приходит лето, а затем - осень; почему светит Солнце; почему день сменяется ночью; откуда утром появляется роса; какие наименьшие частицы в мире, а какие наибольшие; из чего состоит Вселенная; что ожидает нас в будущем и еще многие, многие вопросы.

На эти вопросы отвечает физика - наука, которая дает возможность понять природу, потому что уже в самом названии кроется ее суть. Phisis в переводе с греческого значит «природа». Природу изучает не только физика, но и биология, химия, география, астрономия. Чем же особенна физика?

Физика - это наука, которая изучает самые простые и вместе с тем самые общие свойства и законы движения объектов окружающего мира.

За этим сухим определением из энциклопедии кроется огромный мир науки. Вы будете знакомиться с ней постепенно, открывая для себя все новые и новые вершины физики.

Физические явления

Вы, наверное, давно заметили, что мир вокруг нас постоянно меняется. Яблоки с дерева падают вниз, а шары, наполненные гелием, поднимаются вверх. Изменения в природе называют явлениями.

События происходят в определенном порядке, то есть с течением времени: во время грозы сначала вспыхивает молния (рис. 1.1), а после нее слышатся раскаты грома. Почему так происходит, в чем здесь причина?

Рис. 1.1.  Явление молнии

Явления имеют разную природу. Падение яблока и полет воздушного шара - это механические явления. Таяние снежинки в ладони -тепловое явление. Гром - звуковое явление, а молния - световое, электрическое и множество других сопутствующих явлений.

Физика основывается на фактах, полученных в результате наблюдений. Наблюдения часто бывают случайными, но факты добывают в итоге целенаправленно проведенных экспериментов и исследований с использованием специальных приборов, проводя соответствующие измерения. Полученные факты анализируют и пытаются объяснить. Так появляются предположения, которые в науке называют гипотезами. Проверенные многими исследователями гипотезы становятся теориями.

Физики изучают явления природы, используя разнообразные приборы, и объясняют их физическими теориями.

Наблюдаем за небом:

Когда мы смотрим на звездное небо, нас поражает грандиозность и величие Космоса. Люди наблюдают за небом уже много тысячелетий. Но по-настоящему поняли и объяснили увиденное именно физики.
Солнце - ближайшая к нам звезда - это раскаленный газовый шар, диаметр которого приблизительно 1,5 млн. км. Наша планета находится от нее на расстоянии 150 млн. км. Температура на «поверхности» Солнца достигает 6000 градусов, а в центре - уже 15 млн. градусов. При таких температурах происходят термоядерные реакции, которые позволяют звезде излучать энергию на протяжении десятков миллиардов лет. Откуда же все это стало известно?!
Оказывается, свет переносит значительную информацию о звезде, в частности: а) ее температуре; б) приближается она к нам или отдаляется; в) скорости ее движения и г) из каких веществ она состоит.

Рис. 1.2. Телескопы:
а) оптический телескоп Галилея, б) зеркальный телескоп Ньютона,  в) современный телескоп

Физические приборы, установленные на телескопах, позволяют измерять все эти физические величины. Первый оптический (линзовый) телескоп по-строил итальянский физик Галилео Галилей, а первый зеркальный телескоп –  английский физик Исаак Ньютон. Физики научились расшифровывать информацию, которую приносит не только видимый свет, но и невидимое инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоволны, а также рентгеновские и гамма-лучи.

Галактики

Современные телескопы (рис. 1.2) позволяют увидеть звездные системы – галактики, которые находятся от нас на огромных расстояниях. На рис. 1.3 изображена фотография нашей «соседки» – Галактики  М 31, которая наблюдается в созвездии Андромеды.

При ясной погоде темной ночью на небе можно разглядеть светлую поло-су, которая тянется через весь небосклон – Млечный путь. Она содержит такое огромное количество звезд, что наш глаз их не различает. Это наша Галактика (или Млечный путь), которая насчитывает около 200 млрд. звезд и имеет диаметр 100 000 световых лет (световой год – это расстояние, преодолеваемое светом за один год). Этот своеобразный звездный диск делает один оборот в 250 млн. лет. Наша Солнечная система (Солнце и планеты, которые вращаются вокруг него) расположена довольно далеко от центра Галактики (около 26 000 световых лет).

Рис. 1.3. Галактика М 31 находится так далеко от нас, что свет от нее доходит к нам приблизительно за 2,8 млн. лет (за одну секунду свет преодолевает 300 000 км). Это одно из ближайших к нам звездных скоплений, и наша Галактика – Млечный путь (Galaxy – лат. «молоко») – очень на нее похожа 

Расстояние от самых отдаленных галактик до нас свет преодолевает при-мерно за 14 млрд. лет. Это значит, что мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Таким образом, мощный телескоп, как своеобразная машина времени, дает возможность заглянуть в прошлое Вселенной.

Итоги:

• Физики изучают явления природы с помощью физических приборов
• Изменения в природе называются явлениями. 
• Физика – это наука, которая изучает самые простые и вместе с тем самые общие свойства и законы движения объектов окружающего мира.
• При изучении явлений окружающего мира физики наблюдают, проводят 
• опыты и вычисления, на основании которых создают физические теории.
• Полученные физиками знания дают нам возможность понимать окружающий мир и способствуют прогрессу человечества.

Начальные сведения о строении вещества

Окружающий нас мир материален. Материя – это все то, что реально существует в природе и может быть выявлено человеком. В настоящее время различают два вида материи – вещество и поле. Вещество состоит из маленьких частиц – молекул, которые состоят из атомов. А те, в свою очередь, состоят из электронов, протонов и нейтронов. Поле осуществляет передачу взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Поле действует на рас-стоянии, и его не видно. Но, например, если мы подпрыгнем, то гравитационное поле вернет нас назад. 

История о неделимых атомах

Мыслители Древней Греции - Левкипп и Демокрит (V в. до н. э.) изложили гипотезу (догадку) о том, что вещества, из которых состоят окружающие тела, сами состоят из невидимых маленьких частиц. То есть вещество не сплошное, а имеет «зернистую» структуру и разделяется на простейшие составляющие -атомы, которые далее уже невозможно разделить («атомос» по-гречески -неделимый). Возможно, эта идея была заимствована из опыта строительства, ведь разнообразные по форме сооружения построены всего из нескольких видов кирпича.

В начале XX в. атомарная гипотеза была наконец математически доказана Альбертом Эйнштейном и Марианом Смолуховским, а также экспериментально обоснована Жаном Перреном.

Как видите, для установления того «простого» факта, что миллионы разных веществ состоят лишь из сотни разного «сорта» атомов, понадобилось около 2500 лет.

Атомы и молекулы

Атомы оказались не такими уж неделимыми. В 1911 г. международной группе ученых под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда удалось установить, что в центре атома есть маленькое ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра с огромной скоростью вращаются электроны (рис. 2.1), подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Их масса приблизительно одинакова (нейтрон немного тяжелее). Протон обладает положительным зарядом, а нейтрон (нейтральный) - нет.

Рис. 2.1. Модель атома Э. Резерфорда

Электрон намного легче протона и нейтрона (приблизительно в 2000 раз) и обладает отрицательным зарядом. Поскольку заряды противоположных знаков притягиваются, то ядро достаточно сильно удерживает около себя электроны - то есть атомы крепкие, и разрушить их непросто.

Числовые значения зарядов протона и электрона одинаковы. Это наименьшие электрические заряды, которые существуют в природе. Их называют элементарными. Количество протонов в ядре равняется количеству электронов, которые вращаются вокруг ядра, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Впервые теорию, которая хорошо описывала свойства простейшего из атомов - атома Гидрогена, создал датчанин Нильс Бор. Позже с помощью квантовой физики удалось также описать свойства более сложных атомов.

Каждый атом имеет специальное наименование и обозначение (символ). Например: Гидроген (Н), Оксиген (О), Аурум (Au). Атомы разных видов отличаются своими химическими свойствами и массой. Сегодня известно 118 видов атомов, но мы знаем намного больше разных веществ. Почему так? Дело в том, что вещества по большей части состоят из молекул.

Молекулой называется наименьшая частица вещества, которая имеет его основные химические свойства и состоит из атомов.

Каждая молекула – это комбинация определенных атомов. Например: молекула воды состоит из двух атомов Гидрогена и одного атома Оксигена (Н₂О); молекула азота – из двух атомов Нитрогена (N₂).

Есть вещества, молекулы которых состоят из очень большого количества атомов (сотни и даже тысячи). Это молекулы органических веществ. Одно из таких веществ – ДНК, молекулы которой передают наследственный код живых организмов (рис. 2.3). Внутри живой клетки ДНК содержитcя в свернутом состоянии. Если бы ее удалось вы-тянуть в линию, то она достигала бы двух метров.

Рис. 2.2  Модель атома Гидрогена, созданная Н. Бором

Рис. 2.3.  Модель молекулы ДНК

Простые и сложные вещества

Простые вещества состоят исключительно из атомов одного химического элемента. Например: кислород состоит из двух атомов Оксигена (О₂), а озон – из трех атомов этого же Оксигена (О₃), золото – из одного атома Аурума.

Рис. 2.4.  Схематическое изображение молекул простых веществ:
кислорода (а),  озона (б) и сложного вещества – воды (в)

В состав молекул сложных веществ входят атомы разных элементов. Например: газ метан состоит из одного атома Карбона и четырех атомов Гидрогена (СН₄), вода состоит из одного атома Оксигена и двух – Гидрогена (Н₂О).

Промежутки между молекулами и атомами

Между молекулами и атомами существуют промежутки. Это легко доказать, проведя опыты.

Опыт №1:

Смешайте 100 мл воды и 100 мл спирта, определите объем смеси. Объем смеси будет меньше, чем 200 мл. Это происходит потому, что при смешивании молекулы воды проникают в промежутки между молекулами спирта. 
Чтобы представить, как это происходит, можно провести еще один опыт.

Опыт №2:

Насыпьте в стакан пшена столько, чтобы он был заполнен наполовину. Добавьте столько же гороха. Стакан заполнен до краев. А теперь осторожно перемешайте горох с пшеном и обратите внимание на общий объем смеси – он уменьшился.

Размеры атомов и молекул

Молекулы и атомы очень малы. Их размеры составляют приблизительно  10^–10 м (0,000 000 000 1 м). Размер молекулы воды, например, 3х10^–10 м  (0,000 000 000 3 м). Если представить, что молекулу воды увеличили до раз-мера яблока, то величина яблока будет сравнима с размерами Земли. В одной чайной ложке воды приблизительно столько же молекул  Н₂О, сколько чайных ложек воды в Мировом океане (всех вместе взятых морях и океанах Земли). 

Размер ядра атома приблизительно в 10 000 раз меньше, чем размер атома. Между ядром и электронами есть незаполненное пространство – вакуум (пустота). Но там действует электрическое поле.

Волновая природа материи

Заряженные частицы взаимодействуют при посредничестве электрических и магнитных полей, а ядерные частицы (протоны и нейтроны) – через  ядерное поле. 

Планетарная модель, схематически изображенная на рис. 2.5, несколько упрощает строение атома. Расчеты показали, что электрон в атоме  Гидрогена должен за одну миллионную долю секунды сделать миллиард оборотов вокруг  ядра, то есть в приемлемом  для нас масштабе времени электрон должен был бы почти одновременно находиться во всех точках своей траектории.

Рис. 2.5. Планетарная модель атома

Квантовая механика уточнила представление ученых об атоме. Электроны атомных оболочек согласно новой теории уже больше напоминают волны и образуют так называемое электронное облако. На рис. 2.6 синим цветом изображена область электронного облака, где вероятность пребывания электронов наибольшая, а старая орбита – это просто место, где электроны бывают чаще всего. Взаимодействие ядра и электронного облака в атоме осуществляется через электрическое поле, которое по своей силе во много раз превосходит поле молнии.

Итоги:

• Материя состоит из вещества и поля. Вещество состоит из молекул и атомов.
• Молекула – это наименьшая частица вещества, которая имеет ее основные химические свойства и состоит из атомов.
• Атомы состоят из ядра, в котором находятся протоны и нейтроны, и  электронов, которые вращаются вокруг ядра с огромной скоростью, образовывая электронное облако (оболочку). 
• Ядро и электроны удерживаются в атоме при посредничестве электрического поля.
• Частицы ядра (протоны и нейтроны) скреплены ядерным полем. 

Атомно-молекулярное учение. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

Если бы случилась мировая катастрофа и все научные знания оказались бы уничтоженными, будущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза. Какое утверждение с наименьшим количеством слов несло бы больше всего информации? Этот вопрос задал своим слушателям на лекции известный физик Ричард Фейнман.

Многие ученые считают именно такие утверждения очень важным:
Все тела состоят из маленьких частиц (атомов), которые непрерывно и беспорядочно двигаются и взаимодействуют между собой.

Эти утверждения являются основными положениями атомно-молекулярного учения. Доказать их истинность сейчас нетрудно. 
Фото атомов и молекул, сделанные с помощью электронных микроскопов, говорят сами за себя.

Движение молекул и атомов

В 1990-х годах ученым удалось сконструировать электронный микро-скоп, который осуществляет съемку движения молекул газа в режиме реального времени. Подтверждением того, что молекулы и атомы находятся в постоянном движении, является такое интересное явление, как диффузия (от лат. diffusio – распространение, растекание) – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого.

Рис. 3.1. Электронные микроскопы:
а) первый; б) современный сканирующий

Опыт №3:

Попросите товарища поставить на расстоянии 1 м флакон с духами. Определите, через какое время вы почувствуете запах.

Опыт №4:

Наберите в стакан холодной воды и капните туда 2–3 капли пищевого красителя. Определите, через какое время жидкость в стакане станет однородно окрашенной. Повторите опыт с горячей водой. Сравните полученные промежутки времени.

Эти и другие опыты свидетельствуют о том, что диффузия происходит в газах, жидкостях и даже твердых телах. Скорость диффузии зависит от скорости движения молекул вещества и промежутков между молекулами.

Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря ему происходит дыхание всех живых организмов. Кислород из воздуха попадает в водоемы и в почву.

Обмен питательными веществами в живом организме – это тоже диффузия.

Взаимодействие между молекулами и атомами

Все окружающие тела состоят из молекул и атомов. Но в одних эти молекулы свободно парят в пространстве, например, молекулы кислорода или угле-кислого газа в воздухе. А другие держатся «кучкой», вместе. Например, стол, шкаф, стакан с водой и тому подобное. Чтобы растянуть, разорвать эти тела на отдельные молекулы, надо приложить силу. Это происходит потому, что между молекулами и атомами существует взаимодействие. Они на малых расстояниях друг к другу притягиваются, а если их слишком прижать – будут отталкиваться.

Почему же осколки разбитой тарелки не скрепляются? Да потому, что при сжатии осколков только незначительная часть атомов приблизится на такое расстояние, чтобы подействовали силы притяжения. Однако этих сил будет недостаточно, чтобы удерживать осколки вместе. Чтобы заполнить промежутки между атомами и чтобы подействовало межатомное притяжение, используют клей.

Опыт №5:

Сложите два листа бумаги и поднимите один из них над столом. Второй лист соскользнет вниз. 

Смочите водой оба листа и опять сложите их. Попробуйте поднять за кончик один из них. Второй лист, прилипнув к первому, поднимется вместе с ним.
Молекулы воды и бумаги приблизились настолько, что подействовало межмолекулярное притяжение.

Межмолекулярное (межатомное) отталкивание мешает нам сжать твердые тела и жидкости, потому что молекулы в них размещены довольно плотно.  А газы достаточно легко сжимаются (до определенного предела), потому что у них есть «запас» расстояния между молекулами.

Опыт №6:

Наберите в шприц без иглы воды так, чтобы в нем не было воздуха. Плотно закройте пальцем отверстие для иглы и попробуйте сжать поршнем воду.
Повторите опыт, набрав в шприц воздух. 
До какого предела удалось сжать воду и воздух?

В зависимости от силы взаимодействия между молекулами и атомами вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Знание атомно-молекулярного учения при-носит чрезвычайную пользу. Например, известно, что графит и алмаз состоят из одних и тех же атомов Карбона (рис. 3.2), но очень отличаются своими свойствами: графит мягкий, а алмаз – необычайно твердый. Когда исследователи поняли строение этих веществ, стало ясно, как можно из дешевого графита сделать алмаз. Со-временная обрабатывающая промышленность уже немыслима без инструмента, в котором используются искусственные алмазы.

Рис. 3.2. Графит и алмаз состоят из одинаковых атомов

Твердое, жидкое и газообразное состояния вещества

Вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, которые называют агрегатными состояниями. Охлаждая воду, получим при 0°С лед. Если нагревать лед, то при 0°С он начнет превращаться в воду. Доведенная до кипения вода начинает превращаться в пар (рис. 3.3).  А если водяной пар привести в контакт с холодным телом, например, перед носиком кипящего чайника держать холодную ложку или тарелку, то увидим на этих предметах капельки воды, то есть пар осуществил обратное превращение.

Рис. 3.3. Во время кипения вода превращается в пар

Следовательно, в воде есть что-то такое, что не изменяется при ее переходе из жидкого со-стояния в твердое или газообразное. Дело в том, что лед, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул, молекул Н₂О.
Если расплавить сталь, получится очень горячая жидкость. Охлаждая газ азот, входящий в состав воздуха, до минус 196°С, получим прозрачную и очень холодную жидкость. На рис. 3.4 показано, как кипящий жидкий азот из термоса переливают в стакан.

Рис. 3.4. Жидкий азот кипит  при –196 °С

Каждое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Агрегатное состояние вещества зависит от температуры и от того, насколько сильно взаимодействуют молекулы. 

В твердом теле молекулы (атомы) сильно взаимодействуют между собой, колеблются около своего места равновесия и образуют правильную пространственную структуру – кристалл. Поэтому твердые тела имеют определенную форму и объем (рис. 3.5). В твердом и жидком состоянии молекулы расположены почти впритык друг к другу. Взаимодействие молекул  в жидкости достаточно сильное для того, чтобы они держались вместе как единое целое, но недостаточное для поддержания формы – жидкости текут. Жидкость в обычных условиях приобретает форму сосуда, в котором она находится, то есть сохраняет объем, но не имеет собственной формы (рис. 3.6)

Рис. 3.5.  Модель твердого состояния

Рис. 3.6. Модель жидкого состояния

Газ не имеет ни формы, ни объема и полностью заполняет сосуд, в котором находится (рис. 3.7). Расстояние между молекулами вещества в газообразном состоянии приблизительно в десять раз больше, чем в жидком и твердом, поэтому из одного кубического сантиметра воды можно запросто получить один кубический дециметр водяного пара.

Рис. 3.7.  Модель газообразного состояния

Итоги:

• Все вещества состоят из молекул, атомов.
• Атомы и молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении и взаимодействуют между собой.
• В зависимости от энергии взаимодействия атомов (или молекул) вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Зарождение и развитие физики как науки

Еще совсем недавно люди даже мечтать не могли о возможностях, которые имеют сейчас. Достижения в таких областях, как робототехника, искусственный интеллект, нанотехнологии, 3D-печать, генетика, биотехнология, сегодня стремительно взаимодополняются. Созданные или создающиеся умные системы: дома, фабрики, фермы и даже города — помогут в решении самых разных проблем человечества. Разумеется, все это не может не влиять на формирование мировоззрения современного человека. При этом следует всегда помнить, что новые открытия — это не только прогресс, но и огромная ответственность.

В современном мире — бурном, противоречивом и одновременно взаимозависимом  — важно осознание того, что мир познаваем, что случайности не только спутывают и нарушают наши планы, но и создают новые возможности, что существуют неизменные ориентиры-инварианты, что по мере накопления знаний происходит разрушение «рамок» наших представлений. Предвидим ваш вопрос: а при чем здесь естественные науки? Надеемся, в конце 11 класса вы сами сможете на него ответить. А сейчас только отметим, что все эти выводы вытекают из истин, открытых естественными науками, ведь их закономерности и принципы носят глобальный характер и поэтому выходят за рамки собственно наук.

Какие этапы прошла физика в своем развитии:

История физики — это длинная история открытий, с каждым из которых углубляется понимание природы. За любым открытием стоит конкретный человек, а чаще группа людей, чьими усилиями физика как наука поднимается на новую ступень развития. Вы уже знаете немало имен людей, чья деятельность способствовала прогрессу физической науки. Попробуем систематизировать знания о естествоиспытателях и первооткрывателях неизвестного и проследим, как накапливались физические знания.

С конца XIX / начала XX в. В общей теории относительности А. Эйнштейн установил связь свойств пространства-времени с энергией и импульсом материальных тел. Ученый обобщил результаты работ И. Ньютона в области гравитационного взаимодействия, увязав его с кривизной пространства-времени. Фундамент квантовой механики в начале XX в. заложили М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор, М. Борн.

С открытием А. Беккерелем радиоактивности началось развитие ядерной физики, что, в свою очередь, способствовало открытию новых источников энергии — атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытия, сделанные при исследовании ядерных реакций, положили начало физике элементарных частиц. Современные представления о Большом взрыве, черных дырах, расширении Вселенной с ускорением, о темной энергии связаны с трудами Э. Хаббла, Р. Оппенгеймера, Х. Снайдера, Дж. Уилера, С. Хокинга и др.

Конец XVII в. — конец XIX / начало XX в.

Период начался построением первой физической (механической) картины мира (И. Ньютон) и продолжился бурным развитием области физики, связанной с использованием тепловых двигателей (Дж. Ватт, С. Карно). Изучение электрических и магнитных явлений (Ш. Кулон, А. Ампер, Г. Эрстед, М. Фарадей) завершается формулированием Дж. Максвеллом уравнений электромагнитного поля, ставших теоретической основой для современных электротехники и радиосвязи.

Физические тела

Физика изучает физические тела и физические явления.

Начнем с рассказа о физических телах.

«Тело» — одно из многих слов, которые часто употребляют как в повседневной жизни, так и в науке. Но значения этого слова разные. В повседневной жизни «телом» называют обычно тело живого существа. В науке же физическим телом, или просто телом, называют любой предмет, даже если он не имеет определенной формы — например, туман.

Разнообразие физических тел огромно. Физическим телом является и тело человека (рис. 1.1), и автомобиль или мотоцикл (рис. 1.2), и песчинка, и планета, в частности наша Земля (рис. 1.3). Телами являются чайник, вода в нем, а также туман, образующийся из пара, который выходит из кипящего чайника (рис. 1.4). В последние десятилетия появился и бурно развивается раздел физики, изучающий живые тела, — этот раздел называют биофизикой¹. Есть также раздел физики, который изучает в основном Землю. Этот раздел называют геофизикой².

• ¹От греческого слова «биос» — жизнь.
• ²От греческого слова «гео» — земля.

Тела разделяют на твердые тела, жидкости и газы. Так, при комнатной температуре камень является твердым телом, вода — жидкостью, а воздух — газом. Свойства твердых тел, жидкостей и газов мы рассмотрим далее.

Физические тела чрезвычайно разнообразны по своим свойствам.

Например, одни тела прозрачны, то есть сквозь них проходит свет, — таким телом является, скажем, стакан. Другие же тела непрозрачны — например, деревянная доска.

Некоторые тела проводят электрический ток — таковы все металлические предметы (электрический ток проводит также и ваше собственное тело, поэтому с электричеством надо быть осторожным!). Другие же тела не проводят ток — например, стеклянный стакан.

С некоторыми свойствами тел вы уже познакомились в курсе природоведения. Физические тела являются «действующими лицами» физических явлений, которые также чрезвычайно разнообразны. Физика изучает механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические явления. Рассмотрим их подробнее.

Механические явления

Механические явления — это движение тел, то есть изменение их взаимного положения в пространстве, а также взаимодействие между телами. Механические явления встречаются нам буквально на каждом шагу, так как ходьба — это движение, при котором мы взаимодействуем с Землей. Движение и взаимодействие тел мы наблюдаем во время спортивных соревнований (рис. 1.5—1.7).

Движутся и взаимодействуют друг с другом почти все тела. Например, Земля движется вокруг Солнца, и они притягивают друг друга. За одну секунду Земля «пролетает» в космосе около 30 километров, при этом она еще и вращается вокруг собственной оси (рис. 1.8).

Ученые установили, что характер движения тел зависит от взаимодействия между ними. Например, если ударить ногой лежащий на траве мяч (рис. 1.7), то он начнет двигаться. А если ударить по движущемуся мячу, его скорость изменится. И чем сильнее удар, тем больше изменится скорость! Раздел физики, изучающий механические явления, называют механикой. Законы механики установили в 16-м и 17-м веках итальянский ученый Галилео Галилей и английский ученый Исаак Ньютон.

Тепловые явления

Тепловые явления — это нагревание и охлаждение тел, а также переходы вещества, из которого состоят тела, из одного состояния в другое (из газообразного в жидкое и наоборот, а также из жидкого в твердое и наоборот).

Тепловые явления очень распространены в природе и технике. Ими, например, обусловлен круговорот воды в природе (рис. 1.9). Вследствие нагревания солнечными лучами вода океанов и морей испаряется, то есть превращается в пар. Поднимаясь, пар расширяется и охлаждается, превращаясь в капельки воды или кристаллики льда. Они образуют тучи, из которых вода возвращается на Землю в виде дождя или снега.

Тепловые явления происходят и в тепловых двигателях, установленных в автомобилях и на электростанциях.

Ученые установили, что тепловые явления обусловлены движением и взаимодействием мельчайших частиц вещества, которые называют молекулами. Поэтому разделы физики, изучающие тепловые явления, называют молекулярной физикой и термодинамикой¹. Их законы открыли в 19-м веке ученые разных стран.

Электрические и магнитные явления

Ярчайший пример природного электрического явления — молния, представляющая собой гигантский электрический разряд (рис. 1.10). Крохотные «молнии» проскакивают каждый раз в выключателе, когда вы, например, выключаете свет.

Электрические явления сегодня так распространены, что мы этого почти не замечаем: каждый день мы пользуемся электрическим освещением, транспортом (рис. 1.11), бытовыми электроприборами, компьютерами. Электрические явления обусловлены взаимодействием электрически заряженных тел или частиц вещества. Установлено, что существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Заряды одного типа (их называют одноименными) отталкиваются, а заряды разных типов (разноименные) притягиваются.

Примеры магнитных явлений — взаимодействие постоянных магнитов, а также притяжение магнитом железных и стальных предметов. Наглядный пример магнитного явления — движение стрелки компаса: она всегда поворачивается так, чтобы ее северный конец указывал на север (рис. 1.12). Эта странная «настойчивость» стрелки компаса когда-то очень удивила любознательного пятилетнего мальчика, которого звали Альбертом. Став знаменитым ученым, Альберт Эйнштейн² писал, что именно поведение стрелки компаса впервые вызвало в нем незабываемое чувство, что за вещами, которые мы видим, есть что-то еще, глубоко скрытое.

Поворот магнитной стрелки обусловлен взаимодействием двух магнитов: маленького — стрелки компаса и огромного — земного шара.

Во второй половине 19-го века было установлено, что электрические и магнитные явления тесно связаны друг с другом. Например, северное сияние (рис. 1.13) обусловлено тем, что летящие из космоса электрически заряженные частицы взаимодействуют с Землей как с магнитом.

Электрические и магнитные явления вместе называют электромагнитными. Благодаря им работают электростанции и электродвигатели, радиосвязь, телевидение (рис. 1.14), компьютеры (рис. 1.15).

Электромагнитные явления вызваны электромагнитным полем, пронизывающим все пространство вокруг нас. Благодаря электромагнитному полю мы видим, потому что свет является разновидностью электромагнитных волн. С помощью электромагнитных волн работает радиосвязь и телевидение. Разделы физики, которые изучают электрические и магнитные явления, называют электричеством и магнетизмом. Их законы открыли ученые нескольких стран.

Оптические явления

Оптическими, или световыми, явлениями называют явления, связанные со светом.

Об их распространенности и говорить не надо: куда бы мы ни посмотрели — всюду увидим оптические явления.

Так, мы видим предметы вокруг себя либо потому, что они излучают свет, либо потому, что они отражают свет. Например, Солнце (рис. 1.16) и лампы излучают свет, а Луна (рис. 1.17) не «светит» сама: глядя на нее, мы видим отраженный ею солнечный свет. Да и большинство окружающих предметов мы видим благодаря отражению света.

Лучше других отражает свет зеркальная поверхность (рис. 1.18): это всем хорошо известно (особенно девушкам).

Предметы не только отражают свет, но и поглощают его, нагреваясь при этом. Вы, наверное, замечали, что темную поверхность Солнце нагревает сильнее, чем светлую. Вызвано это тем, что темная поверхность сильнее поглощает свет. Окраска предметов, то есть все многообразие цветов предметов вокруг нас, обусловлена тем, что разные предметы по-разному отражают и поглощают свет. На границе двух прозрачных сред — например, воздуха и воды — свет изменяет направление распространения, то есть преломляется.

Наверное, красивейшим проявлением преломления и отражения света в природе является радуга (рис. 1.19). Ее можно наблюдать, когда после дождя сияет солнце, так как радуга возникает вследствие преломления и отражения солнечного света в крошечных капельках воды, висящих в воздухе после дождя.

Раздел физики, который изучает оптические явления, называют оптикой. Первые законы оптики открыли еще древнегреческие ученые. Подробнее о световых явлениях вы узнаете уже в этом учебном году.

Наблюдение — поиск закономерностей

Внимательно наблюдая природные явления, люди замечали в них некоторые закономерности. Так, день всегда сменяется ночью, а ночь — днем. После зимы всегда наступает весна, следом за ней — лето, а потом — осень. Грозы бывают обычно во время дождя, причем раскаты грома всегда слышны после того, как сверкнет молния.

Закономерно движется Солнце, даря жизнь всему живому: оно всегда восходит на востоке, а заходит на западе. А ночью закономерно движутся по небу Луна, звезды и планеты.

Стараясь объяснить эти закономерности, люди создавали красивые мифы о богах. Например, древние греки считали, что бог Солнца Гелиос в лучезарном венце каждый день едет по небу и льет животворные лучи на Землю, даря людям свет и тепло (рис. 2.1). Громы же и молнии посылает на Землю верховный бог Зевс-громовержец, когда он гневается.

Первый шаг к научному познанию природы сделал в 4-м веке до нашей эры древнегреческий ученый Аристотель. На основании наблюдений он пришел к выводу, что закономерности природных явлений — это проявления законов природы.

Свои взгляды Аристотель изложил в большой книге «Физика», что означает «Природа». И эта книга стала «учебником физики» для всего мира на целых два тысячелетия!

От наблюдений — к опытам

Исходя из своих наблюдений, Аристотель утверждал: чтобы тело двигалось, его надо постоянно «двигать», то есть толкать или тянуть. Так, тележка двигается только до тех пор, пока ее тянет лошадь (рис. 2.2). Листья на деревьях трепещут благодаря ветру: как только ветер стихает, листья сразу же замирают.

Учение Аристотеля . принимали на веру на протяжении двух тысячелетий, и только в 17-м веке оно вызвало сомнения у итальянского ученого Галилео Галилея. Он заметил: если толкнуть, например, шар, лежащий на горизонтальной поверхности, то шар остановится не сразу, а только после того, как пройдет некоторый путь. Причем этот путь зависит от свойств поверхности, например, по песку шар прокатится совсем мало, а по твердой и ровной поверхности он будет катиться долго!

Тогда Галилей предположил, что скорость шара уменьшается из-за трения: чем меньше трение между шаром и поверхностью, тем дальше катится шар. Чтобы подтвердить свое предположение, Галилей перешел от наблюдений к опытам. Опыт¹ отличается от наблюдения тем, что, проводя опыт, ученый создает специальные условия протекания явлений природы. Например, Галилей в своих опытах старался максимально уменьшить трение между шаром и поверхностью.

Опыты действительно показали, что чем меньше трение между шаром и поверхностью, тем дальше катится шар (рис. 2.3). Галилей сделал из этого очень важный вывод: он предположил, что если бы на тело не действовали другие тела, оно двигалось бы с неизменной скоростью вечно! Так был открыт первый закон механики — закон инерции. Сегодня люди умеют значительно уменьшать трение, поэтому способность тел «сохранять движение» уже не вызывает сомнений (рис. 2.4).

Расскажем еще об одном опыте Галилея, которым он также опроверг одно из утверждений Аристотеля.

Основываясь на наблюдениях, Аристотель утверждал, что тяжелые тела падают всегда быстрее, чем легкие. Но Галилей подверг это сомнению, предположив, что различие в падении тела обусловлено только сопротивлением воздуха. Свое предположение Галилей решил проверить на опыте, бросив с большой высоты мушкетную пулю и пушечное ядро, потому что для этих предметов сопротивление воздуха сравнительно мало. Для проведения такого опыта идеально подходила наклонная башня в итальянском городе Пиза: с такой башни удобно бросать предметы вниз (рис. 2.5).

Опыт подтвердил предположение Галилея: брошенные одновременно пуля и ядро упали тоже практически одновременно (рис. 2.6), хотя ядро в сотни раз тяжелее пули! Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как опытной науки. А наклонная Пизанская башня, стоящая и поныне, стада символом опыта как главного мерила истины: предположение становится истиной только тогда, когда его подтверждает опыт.

Что такое научный метод

Галилей сделал за свою долгую жизнь много открытий, став одним из величайших ученых за всю историю человечества. Главное же его открытие — научный метод, которым и сегодня руководствуются ученые всего мира, изучая явления природы.

Научный метод основан на следующих принципах:

1. На основании наблюдений за природными явлениями ученый делает предположения о закономерностях в протекании этих явлений. Такие предположения называют научными гипотезами.
2. Гипотезы проверяют на опытах (экспериментах). Ставя опыт, ученый создает специальные условия, чтобы выяснить, от чего и как зависит протекание явлений.

Так, вы уже знаете, что в своих опытах Галилей старался максимально уменьшить трение, чтобы выявить его влияние на движение тел. Научный эксперимент образно называют «вопросом к природе»: ставя опыт, ученый «спрашивает природу», анализируя же результаты опыта, он «читает ее ответ».

ПОСТАВИМ ОПЫТ:

Проверим на опыте — могут ли тела одинаковой массы падать по-разному? Отпустим с некоторой высоты лист бумаги и такой же лист, смятый в комок. Комок упадет намного раньше, чем лист, хотя их массы одинаковы. Итак, опыт свидетельствует, что тела одинаковой массы могут падать по-разному!

Физические модели

Явления природы довольно сложны и к тому же взаимосвязаны. И во время опытов не всегда удается «выделить» какое-то одно явление «в чистом виде». Поэтому для того, чтобы лучше изучить природные явления и понять их причины, ученые часто рассматривают упрощенное представление о данном явлении — такое, в котором выделены только важнейшие его черты. Такое представление называют физической моделью явления.

Многие законы природы ученые открыли благодаря использованию физических моделей. В дальнейшем мы рассмотрим примеры таких моделей, а сейчас кратко опишем некоторые из них. Очень часто используемой моделью физического тела является материальная точка. Так называют тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Например, изучая движение Земли вокруг Солнца, нашу планету можно считать материальной точкой, несмотря на ее огромный размер. А вот рассматривая суточное вращение Земли, ее нельзя считать материальной точкой: ведь точка не может вращаться вокруг себя!

Другим важным примером физической модели является луч света — так называют узкий пучок света, настолько узкий, что его шириной в данной задаче можно пренебречь. В главе «Световые явления» мы будем изучать распространение, отражение и преломление лучей света.

Там же мы познакомимся еще с одной физической моделью — точечным источником света. Так называют источник света, размеры которого намного меньше расстояния до него. Точечными источниками света для нас можно считать, например, очень далекие звезды.

А вот ближайшую к нам звезду, Солнце, мы не можем считать точечным источником света, хотя расстояние от Солнца до Земли более чем в 100 раз превышает диаметр Солнца. К этому мы еще вернемся.

Физика — наука о природе

Еще в глубокой древности люди начали собирать информацию об окружающем мире. Кроме обычного любопытства, это было вызвано практическими нуждами. Ведь, например, если знаешь, как поднять и переместить тяжелые камни, то сможешь возвести прочные стены и построить дом, жить в котором удобнее, чем в пещере или землянке. А если научишься выплавлять металлы из руд и изготавливать плуги, косы, топоры, оружие и т. п., сможешь лучше вспахать поле и получить более высокий урожай, а в случае опасности сумеешь защитить свою землю.

В древности существовала только одна наука — она объединяла все знания о природе, которые накопило к тому времени человечество. В наши дни эта наука называется естествознанием.

• Заказать решение задач по физике

Всё о физической науке

С течением времени объем научных знаний об окружающем мире неизмеримо увеличился, и естествознание разделилось на отдельные науки — биологию, химию, астрономию, географию и ряд других (рис. 1.1). Одной из частей естествознания является физика. Благодаря достижениям физической науки человечество обладает уникальными знаниями о структуре и поведении самых разнообразных объектов — от гигантских звезд до мельчайших частиц вещества — атомов и молекул.

Рис. 11.  Физика, химия, география, биология берут свое начало от естествознания

Эти знания стали основой для создания новых технологий и приборов, которые помогают в работе врачам и строителям, путешественникам и земледельцам, облегчают нашу повседневную жизнь, открывают быстрый доступ к запасам информации, накопленным человечеством и т. п.

Чтобы понять, как далеко шагнуло вперед человечество, достаточно сравнить условия морских путешествий в глубокой древности и в наши дни (рис. 1.2).

В отличие от древнегреческих парусников, корабль XXI века имеет двигатель и не зависит от прихотей ветра. Современный капитан имеет подробную карту района плавания. Его судно оснащено спутниковой системой GPS, благодаря которой ему всегда известны местонахождение и курс. Сонар — устройство для зондирования морского дна — предупредит капитана о подводных скалах и рифах, а радар — о надводных опасностях (айсбергах и других судах) в условиях плохой видимости. В случае аварии капитан всегда может вызвать помощь по радио.

Очевидно, что с современным оснащением осуществлять морские путешествия стало намного безопаснее. А ведь все эти приборы, механизмы и устройства созданы благодаря знанию законов физики (рис. 1.3), к изучению которой вы сейчас приступаете.

Из чего состоит окружающий мир

Все, что нас окружает, ученые называют материей. Услышав слово «материя*, многие из вас представляют себе какую-то ткань — например джинсовую. Но для физиков это понятие намного шире. Ту материю, которую можно воспринять с помощью наших органов чувств (например, пощупать), называют веществом. Вещество — это и металлы, и пластики, и дерево, и воздух. О структуре и свойствах вещества вы узнаете, изучив раздел 2 этого учебника.
■ Определенная часть пространства, занятая веществом, называется физическим телом..

Так, физическими телами являются любые окружающие нас предметы: ручка, тетрадь,

Рис. 1.2. Древнегреческий герой Одиссей долгие годы не мог вернуться на родину. При каждой новой попытке буря забрасывала его корабль в неизвестное место. Капитан современной яхты доставил бы античного героя домой всего за несколько дней

Рис. 1.3, Благодаря знанию законов физики созданы технические средства, позволяющие за считанные секунды связаться с любой точкой мира

стол, дверь и т. д. Человек, дерево, облако, Солнце, Земля — это тоже примеры физических тел (рис. 1.4).

В XIX столетии ученые установили, что кроме вещества существует еще один вид материи, который невозможно «пощупать». Этот особый вид материи называется полем. С помощью поля — невидимых электромагнитных волн — мы имеем возможность связываться со своими собеседниками по мобильному телефону, капитан корабля — запросить спутник о координатах своего судна. С помощью подобных волн работают радио и телевидение. Еще одним примером электромагнитного поля является свет. С некоторыми свойствами света вы познакомитесь при изучении раздела 3.

Физические явления

Материя вокруг нас постоянно изменяется. Некоторые тела перемещаются относительно друг друга, часть из них сталкиваются и, возможно, разрушаются, из одних тел образуются другие... Перечень таких изменений можно продолжать и продолжать — недаром еще в глубокой древности философ Гераклит заметил: «Все течет, все меняется*. Изменения в окружающем нас мире, то есть в природе, ученые называют специальным термином — явления.

Восход и закат Солнца, сход снежной лавины, извержение вулкана, бег лошади, прыжок пантеры — все это примеры природных явлений (рис. 1.5).

Чтобы лучше понять сложные природные явления, ученые разделяют их на совокупность физических явлений — явлений, которые можно описать с помощью физических законов.

На рис. 1.6 показана совокупность физических явлений, образующих сложное природное явление — грозу. Так, молния — огромный электрический разряд — представляет собой электромагнитное явление. Если молния попадет в дерево, то оно вспыхнет и начнет выделять тепло — физики в таком случае говорят о тепловом явлении. Грохот грома и потрескивание пылающего дерева — звуковые явления.

Примеры некоторых физических явлений приведены в таблице. Взгляните, например, на первую строку таблицы. Что может быть общего между полетом ракеты, падением камня и вращением целой планеты? Ответ прост. Все приведенные в этой строке примеры явлений описываются одними и теми же законами — законами механического движения. С помощью этих законов можно вычислить координаты любого движущегося тела (будь то камень, ракета или планета) в любой интересующий нас момент времени.

Каждый из вас, снимая свитер или расчесывая волосы пластмассовым гребнем, наверняка обращал внимание на появляющиеся при этом крохотные искры. И эти искры, и могучий разряд молнии относятся к одним и тем же электромагнитным явлениям и, соответственно, подчиняются одним и тем же законам. Поэтому для изучения электромагнитных явлений не стоит дожидаться грозы. Достаточно изучить, как ведут себя безопасные искорки, чтобы понять, чего следует ждать от молнии и как избежать возможной опасности. Впервые такие исследования провел американский ученый Б. Франклин (1706—1790), который изобрел эффективное средство защиты от грозового разряда — молниеотвод.

Изучив физические явления по отдельности, ученые устанавливают их взаимосвязь. Так, разряд молнии (электромагнитное явление) обязательно сопровождается значительным повышением температуры в канале молнии (тепловое явление). Исследование этих явлений в их взаимосвязи позволило не только лучше понять природное явление — грозу, но и найти путь практического применения электромагнитных и тепловых явлений. Наверняка каждый из вас, проходя мимо строительной площадки, видел рабочих в защитных масках и ослепительные вспышки электросварки. Электросварка (способ соединения металлических деталей с помощью электрического разряда) — это и есть пример практического использования научных исследований.

Что изучает физика

Теперь, когда вы узнали, что собой представляют материя и физические явления, пришла пора определить, что же является предметом изучения физики. Эта наука изучает: структуру и свойства материи; физические явления и их взаимосвязь.

Итоги:

Окружающий нас мир состоит из материи. Существует два вида материи: вещество, из которого состоят все физические тела, и поле.

В мире, который нас окружает, постоянно происходят изменения. Эти изменения называются явлениями. Тепловые, световые, механические, звуковые, электромагнитные явления — все это примеры физических явлений. Предмет изучения физики — структура и свойства материи, физические явления и их взаимосвязь.

Научные методы изучения природы

Вы все еще очень молоды, однако у вас имеется определенный объем знаний. Например, вы самостоятельно и уже довольно давно установили, что ложка, если ее случайно уронить, обязательно упадет вниз, а не устремится вверх. Но уверены ли вы, что все из того, что вы знаете, является правильным? В данном параграфе вы найдете ответ на вопрос: каким образом ученые получают новые знания.
 

Отличия между наблюдениями и экспериментами

Основной задачей ученых-физиков является проведение физических исследований.

 Физическое исследование — это целенаправленное изучение того или иного явления средствами физики.

Первым этапом физического исследования является наблюдение.
Наблюдение — это восприятие природы с целью получения первичных данных для дальнейшего анализа.

Если результаты наблюдений повторяются, то исследователь делает выводы. Приведем пример такого вывода: вода (жидкость), помещенная в морозильную камеру, через некоторое время обязательно превратится в лед (станет твердой).

Однако далеко не всегда выводы, полученные при помощи наблюдений, являются истинными. Посмотрите, например, на рис. 1.8. Синий отрезок кажется длиннее, чем красный. Вы можете взглянуть на рисунок несколько раз, предложить это сделать друзьям — и тем не менее вывод останется прежним. Если же после этого вы измерите длину отрезков линейкой, то убедитесь в том, что их длина совершенно одинакова.

Чтобы не делать подобных ошибочных выводов, ученые пользуются более сложными видами исследований, которые называются опытами, или экспериментами.

Эксперимент — это исследование физического явления в условиях, находящихся под контролем ученого, с целью более глубокого изучения этого явления (рис. 1.9).

Опыты (эксперименты) обычно сопровождаются различными измерениями. Ученые употребляют выражение «экспериментальные исследования*, когда говорят о серии последовательных опытов, направленных на изучение данного физического явления. Простейшие виды экспериментальных исследований — лабораторные работы — вы будете выполнять самостоятельно при изучении физики.

Этапы физических исследований

Для того чтобы перейти к экспериментальным исследованиям — более сложным, чем простые наблюдения, у исследователя должно возникнуть сомнение в истинности результатов исследования («не верю своим глазам!*).

В случае с отрезками (см. рис. 1.8) мы подсказали вам готовый ответ. Но если бы вы показали этот рисунок родителям, кто-либо из них обязательно заподозрил бы подвох и сказал: «А не обман ли это зрения? Ведь отрезки могут быть и одинаковыми!* Иначе говоря, ваш собеседник высказал бы гипотезу (предположение) об ошибочности простых наблюдений. И только после проведенного вами экспериментального исследования (измерения отрезков с помощью линейки), то есть после экспериментальной проверки гипотезы, вы установили истину: оба отрезка имеют одинаковую длину.

Случай с отрезками не требует длительных исследований, но иногда поиски истины длятся столетиями. Так, наблюдая за падением различных тел, ученые Древней Греции сделали вывод о том, что более тяжелые предметы падают на землю быстрее, чем легкие. Спустя две тысячи лет, в XVI столетии, выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (1564— 1642) усомнился в справедливости выводов древних греков и выдвинул гипотезу о том, что более медленное падение легкого тела объясняется сопротивлением воздуха (рис. 1.10). Иными словами, если тела падают с одинаковой высоты, не встречая сопротивления воздуха, то, независимо от массы этих тел, они одновременно достигнут поверхности земли.

Рис. 1.12. Ньютон поместил золотую монету и птичье перо в стеклянную трубку и разместил ее вертикально, предоставляя телам возможность начать падение одновременно. Из-за сопротивления воздуха перо «безнадежно отстало» (а). Потом ученый выкачал воздух из трубки с помощью изобретенных к тому времени насосов (б). В последнем эксперименте два тела достигли дна трубки одновременно

Для подтверждения своей догадки Галилей провел исследования, использовав для них знаменитую Пизанскую башню (рис. 1.11, с. 13). С вершины этого сооружения он бросал мушкетную пулю и пушечное ядро, на движение которых, как мы сегодня знаем, сопротивление воздуха влияет незначительно. Результаты экспериментов подтвердили гипотезу ученого — оба предмета достигали земли практически одновременно.

Более точные эксперименты (рис. 1.12) были проведены знаменитым английским ученым Исааком Ньютоном (1643—1727). Но Ньютон не ограничился подтверждением выводов Галилея. Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления (сейчас такую работу мы называем теоретическими исследованиями), ученый предположил, что падение предметов на поверхность Земли и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, Ньютон снова обратился к математике. В результате ученый открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание.

После Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали теоретические и экспериментальные методы. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов. Некоторые из них имеют массу в десятки тысяч

Более точные эксперименты (рис. 1.12) были проведены знаменитым английским ученым Исааком Ньютоном (1643—1727). Но Ньютон не ограничился подтверждением выводов Галилея. Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления (сейчас такую работу мы называем теоретическими исследованиями), ученый предположил, что падение предметов на поверхность Земли и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, Ньютон снова обратился к математике. В результате ученый открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание.

После Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали теоретические и экспериментальные методы. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов.

Рис. 1.1 3. Гигантские ускорители заряженных частиц используются для изучения структуры материи

Рис.1.14. Этапы познания в физических исследованиях

Некоторые из них имеют массу в десятки тысяч тонн и размеры в несколько километров (рис. 1.13). В разработке новых теорий принимают участие сотни ученых, для теоретических расчетов применяются сверхмощные компьютеры. Однако даже в наши дни основные этапы получения новых знаний остаются неизменными.

Основными методами физических исследований являются теоретический и экспериментальный. Последовательность этапов физических исследований можно представить в виде спирали, состоящей из повторяющихся элементов (рис. 1.14). Попробуем совершить восхождение по этой спирали.

Нижний элемент показывает, что на определенном этапе ученые уже имеют определенный уровень знаний (знание). При помощи наблюдений и рассуждений исследователи убеждаются в необходимости его усовершенствования, проводят теоретические исследования, выдвигают гипотезу и подтверждают (или опровергают) ее путем экспериментальной проверки. Результатом становится новое знание.

Физические методы познания природы

Раньше люди ездили на тарантасах, запряженных лошадьми, жали серпами рожь, проводили вечера при свете лучин. А в сказках мечтали о чудесах: ковре-самолете, топоре-саморубе и многом другом. Стала ли сказка былью? Да. Сегодня люди летают на самолетах (рис. 1). Комбайны жнут рожь (рис. 2). Электропилы в считанные минуты спиливают деревья, энергосберегающие лампы освещают помещения. Разработаны современные радиолокационные установки (рис. 3). Мобильная связь расширила возможности общения людей друг с другом. Ракеты выводят на орбиту искусственные спутники Земли. Человек достиг космоса.

Все это стало возможным благодаря достижениям различных наук, одной из которых является физика.

Слово «физика» в переводе с греческого означает «природа». Физика — наука о природе. Природа — это вода, земля, воздух, леса, горы, животный и растительный мир и все, что нас окружает. Человек тоже является частью природы. Но происходящее в природе изучают и такие науки, как биология, биофизика, химия, астрономия, астрофизика, география, геология и др. Могут ли эти науки обойтись без физики? Нет, конечно. Например, на уроках биологии вы будете работать с микроскопом (рис. 4). Его устройство и принцип действия основаны на законах физики.

Но и другие науки помогают физике. Например, математика. С ее помощью описываются физические явления и законы. Математика позволяет установить связи между физическими величинами и представить их в виде формул и графиков.

Физика, являясь фундаментом техники, развивает ее. А техника создает приборы, позволяющие физике проникать в неразгаданные тайны природы, открывать новые явления.

Но какими бы умными ни были приборы, главное в развитии физики — это гениальность и упорный труд ученых всего мира. В процессе изучения предмета вы познакомитесь с именами и вкладом в физику многих выдающихся ученых, в том числе и белорусских.

Знания, полученные при изучении физики, пригодятся вам в повседневной жизни, поспособствуют развитию ваших интеллектуальных способностей. Они сформируют у вас научное представление об окружающем мире и помогут при выборе будущей профессии.

Главные выводы

1. Физика — наука о природе.
2. Физика развивает технику.
3. Физика помогает человеку жить в окружающем мире безопаснее и комфортнее.

Для любознательных:

До XIX в. не существовало самостоятельной профессии «физик». Этой наукой занимались врачи, математики, инженеры, философы и др.

За время своего существования физика раскрыла перед человеком многие тайны окружающего мира. В настоящее время интересы ученых, занимающихся этой наукой, простираются далеко за пределы Земли. Физики стремятся установить законы, на основе которых устроена Вселенная; найти планеты, пригодные для жизни.

Физическое тело, физическое явление, физическая величина

Оглянитесь вокруг себя. Вы увидите огромное многообразие предметов. Это люди, животные, деревья. Это телевизор, автомобиль, яблоко, камень, лампочка, карандаш и др. А что представляют собой эти предметы с точки зрения физики?

В физике любой предмет называют физическим телом. Чем отличаются друг от друга физические тела? Очень многим. Например, они могут состоять из разных веществ или у них могут быть различные объем и форма. Серебряная и золотая ложки (рис. 5) имеют одинаковые объем и форму, но состоят они из разных веществ — из серебра и из золота. Деревянные кубик и шарик (рис. 6) имеют разные объем и форму. Это разные физические тела, но изготовлены они из одного и того же вещества — древесины.

Кроме физических тел, есть еще физические поля. Их не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека, однако легко выявить с помощью приборов. Примеры физических полей — поле вокруг магнита (рис. 7), поле вокруг наэлектризованного тела (рис. 8).

С физическими телами и полями могут происходить разнообразные изменения. Ложка, опущенная в горячий чай, нагревается. Вода в луже испаряется, а в холодный день замерзает. Лампа (рис. 9) излучает свет, девочка и собака бегут (движутся) (рис. 10). Магнит размагничивается, и его магнитное поле ослабевает. Нагревание, испарение, замерзание, излучение, движение, размагничивание и другие изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.

Изучая физику, вы познакомитесь со многими физическими явлениями. Для описания свойств физических тел и физических явлений вводятся физические величины. Например, описать свойства деревянных шарика и кубика можно с помощью таких физических величин, как объем, масса. Движение (девочки, автомобиля и др.) как физическое явление описывается с использованием таких физических величин, как путь, скорость, промежуток времени. Обратите внимание на основной признак физической величины: ее можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле. Объем тела можно измерить мензуркой (мерным стаканом) с водой (рис. 11, а) или, измерив длину а (рис. 11, б) ширину b и высоту с линейкой, вычислить но формуле

В 7-м классе мы будем изучать в основном механические явления. Они связаны с движением тел и их взаимодействием.

Все физические величины имеют единицы измерения. О некоторых единицах измерения вы слышали много раз: килограмм, метр, секунда, киловатт и др. Более подробно с физическими величинами вы будете знакомиться в процессе изучения физики.

Главные выводы

1. Основные понятия физики — «физическое тело», «физическое явление» и «физическая величина».
2. Физическое тело — это любой предмет.
3. Физическое явление — изменения, происходящие с физическими телами и полями.
4. Физическая величина описывает свойства физических тел и явлений.
5. Физическую величину можно измерить или вычислить и выразить результат в соответствующих единицах.

Методы исследования в физике

За многие тысячелетия своего существования человечество накопило огромное количество знаний об окружающем мире. Например, научно доказано, что Земля вращается вокруг своей оси; что свет в большинстве случаев распространяется прямолинейно; что гроза есть электрический разряд и т. д. Но в результате чего и как появились эти и другие знания? Каков метод научного познания окружающего мира?

Метод научного познания окружающего мира включает несколько этапов. Первый из них это наблюдение явлений.

Наблюдение осуществляется с помощью органов чувств человека, а также с помощью приборов. Например, в результате повседневных наблюдений установлено, что непрозрачные тела в солнечный день дают тень (рис. 12). На основе дальнейших наблюдений были накоплены факты (результаты наблюдений), говорящие о том, что размеры тени изменяются в течение дня (рис. 13). Ее длина самая большая утром и вечером, а самая малая — в полдень. Как объяснить данные факты? Для этого выдвигается гипотеза (предположение, догадка). Если гипотеза верна, то из нее вытекают полезные следствия.

Гипотез может быть несколько. В рассмотренном примере гипотеза состоит в том, что свет распространяется прямолинейно. Гипотеза иногда может быть и ошибочной, неверной. Тогда выдвигается новая гипотеза.

Гипотеза объясняет известные факты и предсказывает новые, еще неизвестные. Например, что могут образовываться тень и полутень, если источников света несколько или источник один, но он большой (его размеры сравнимы с расстоянием до непрозрачного предмета, дающего тень). Далее следует заключительный этап научного познания — опыт, или экспериментальная проверка гипотезы. Опыты ставятся в лаборатории.

Опыты, проводимые с двумя источниками света (рис. 14) и с одним источником больших размеров (рис. 15), показали, что размеры тени, а также наличие тени и полутени полностью подтверждают гипотезу о прямолинейном распространении света.

Если гипотеза подтвердилась, то она становится законом. Гипотеза существует до тех пор, пока не появляются новые факты, которые ей противоречат. Схематически научный путь познания можно представить так, как показано на рисунке 16.

Главные выводы

1. Познание природы начинается с наблюдений и накопления фактов.
2. Для объяснения фактов выдвигается гипотеза.
3. Результаты экспериментальной проверки гипотезы позволяют установить закон.
4. Появление новых фактов, противоречащих данной гипотезе, приводит к выдвижению новой гипотезы.

Как физика изменяет мир

1. Пример применения физических открытий: история часов
2. Новые источники энергии
3. Новые средства связи
4. Охрана окружающей среды

Физика повлияла на развитие цивилизации и ход мировой истории больше, чем любая другая наука, поскольку

Физика — основа научно-технического прогресса.

Пример применения физических открытий: история часов

Мы так привыкли к многочисленным применениям физических открытий, что уже не замечаем их, хотя встречаемся с ними каждый час и каждую минуту в буквальном смысле: ведь история часов — это замечательный пример истории применения физических открытий!

Первыми более или менее точными часами были маятниковые часы (рис. 6.1). В основе их действия лежит открытое Галилеем¹ в конце 16-го века свойство малых колебаний груза, подвешенного на нити или стержне: их период (промежуток времени, в течение которого происходит одно колебание) почти не зависит от размаха колебаний. Использовать эту особенность колебаний для создания часов догадался голландский физик Христиан Гюйгенс в 17-м веке.

Маятниковые часы были довольно точными, но весьма громоздкими. В 18-м веке появились пружинные часы, и мастера-часовщики смогли сделать их настолько маленькими, что их можно было носить в кармане и даже на руке (рис. 6.2). В пружинных часах колеблется тело, прикрепленное к пружине. В этом случае период колебаний также является практически неизменным: это обусловлено свойством силы упругости, открытой в 17-м веке английским физиком Робертом Гуком.

В 19-м веке были открыты законы электричества и магнетизма, благодаря чему в 20-м веке появились электрические часы, которые представляли собой, по сути, миниатюрные электродвигатели. Электрические часы не надо заводить: источником энергии является батарейка. Но точность электрических часов оставалась приблизительно такой же, как и маятниковых, — погрешность хода составляла около одной минуты в сутки.

Значительного повышения точности часов удалось достичь, когда во второй половине 20-го века физики открыли, что кристаллы кварца (распространенного минерала) колеблются под действием электрического поля. Период этих колебаний, как оказалось, остается неизменным с очень высокой точностью, благодаря чему были сконструированы кварцевые часы (рис. 6.3). Они намного надежнее и точнее механических и электрических: погрешность хода кварцевых часов составляет всего несколько минут в год! Поэтому сегодня самыми распространенными стали именно кварцевые часы (наручные и настенные).

Но несколько минут в год — далеко не граница достигнутой учеными точности: самыми точными сегодня являются атомные часы, действие которых основано на колебаниях атомов. Точность атомных часов кажется фантастической: погрешность хода составляет одну секунду за три миллиона лет! Вот почему именно атомные часы использовали для изготовления эталона секунды как единицы времени.

Новые источники энергии

Вы включили свет, и лампы в люстре засветились как бы «сами собой». Но для того, чтобы как по мановению руки волшебника комната в любой момент залилась светом, круглосуточно работают огромные электростанции — главные современные источники энергии.

Войдя в кухню, вы включили электрочайник — снова электричество! А ведь в современной квартире есть еще и электрические стиральная машина, фен, микроволновая печь и так далее (рис. 6.4). Причем в большинстве современных бытовых приборов использованы физические открытия, сделанные уже в 20-м веке.

Электричество движет поезда метро и железных дорог, трамваи, троллейбусы и эскалаторы. В оборудовании современных автомобилей также широко используют электричество.

Электричество стало основой всей современной техники — без него невозможно представить себе современное производство. Для производства и передачи электроэнергии используют открытые Фарадеем, Максвеллом и другими учеными законы электричества и магнетизма.

Источниками электрической энергии являются электростанции. Большинство электростанций сегодня — тепловые. На таких электростанциях тепловые двигатели (преимущественно паровые турбины) превращают внутреннюю энергию топлива в механическую энергию, которую потом генераторы электрического тока превращают в электрическую энергию. Кроме того, в разных странах (в том числе и в нашей) есть много гидроэлектростанций, о которых мы уже рассказывали.

С каждым годом все больше электроэнергии вырабатывают атомные электростанции, действие которых основано на законах ядерной физики, открытых в 20-м веке учеными разных стран. Первая такая электростанция была построена в середине 20-го века.

Новые средства связи

В школе или дома вы пользуетесь современными средствами связи, самым излюбленным из которых является, на верное, мобильный телефон. С его помощью почти из любого города и даже поселка нашей страны можно мгновенно установить связь с любым городом не только нашей страны, но и всего мира!

Современные средства связи появились благодаря физическим открытиям, многие из которых сделаны в течение последних десятилетий. С каждым годом промежуток времени между открытием и его применением сокращается, но открытия прежних веков исправно «работают» и сегодня! Например, спутники связи (рис. 6.5), обеспечивающие передачу и прием телефонных разговоров и телевизионных программ по всему миру, стали возможными благодаря тому, что в уже далеком 17-м веке английский физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, которому одинаково «подчиняются» и древние планеты, и современные спутники. Во всех современных приборах используют электричество, основные законы которого открыли еще в 19-м веке.

Наверное, вы дружите с компьютером? А он буквально начинен применениями физических открытий! Прежде всего это полупроводники — вещества, специально созданные человеком для потребностей техники. Используя полупроводники, сегодня на крохотном чипе размещают миллионы приборов! Появление полупроводников открыло путь к созданию мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, видеокамер, лазерных проигрывателей (рис. 6.6). Открытие удивительных особенностей полупроводников сделали ученые нескольких стран, в том числе украинские ученые.

Выдающиеся ученые — наши соотечественники.

Современный мир трудно представить без Интернета — Всемирной сети. Видимо, в ближайшем будущем Интернет станет основным средством передачи информации. Для работы Интернета используют телефонные сети и спутники связи.

Охрана окружающей среды

Научно-технический прогресс значительно улучшил жизнь, но за все приходится платить — в том числе и за научно-технический прогресс. К сожалению, главные современные источники энергии — электростанции и двигатели автомобилей — сильно загрязняют окружающую среду.

Тепловые электростанции (рис. 6.7) выбрасывают в атмосферу огромное количество продуктов сгорания топлива. И сегодня это уже стало проблемой планетарного масштаба. Кроме того, запасы ископаемого топлива — газа, нефти, угля — не безграничны, и человечество уже сегодня ощущает их недостаток.

Гидроэлектростанции не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива, но и они наносят ущерб окружающей среде: чтобы создать необходимую для работы гидроэлектростанции разность уровней воды, приходится строить на реках высокие плотины, из-за чего возникают искусственные «моря», то есть огромные затопленные территории.

Атомные электростанции (рис. 6.8) значительно меньше загрязняют окружающую среду, чем тепловые, а запасов урана, который является «топливом» для них, хватит на несколько столетий. Но и атомные электростанции могут угрожать окружающей среде.

Во-первых, аварии на этих станциях особенно опасны, так как они могут сопровождаться выбросом радиоактивных веществ, что угрожает здоровью и жизни людей на большой территории. К сожалению, такие аварии случались во второй половине 20-го века в США, которая входила тогда в состав СССР.

Во-вторых, во время работы атомных электростанций образуются опасные радиоактивные отходы. Их надежное захоронение является сложной научно-технической проблемой, решение которой требует больших затрат.

Вот почему физики всего мира настойчиво ищут другие (так называемые «альтернативные») способы производства электроэнергии. Самым перспективным является термоядерный синтез — так называют процесс слияния атомных ядер, вследствие которого водород превращается в гелий. Именно такие процессы являются источником энергии Солнца. «Топливо» для электростанций, в которых будут гореть «земные солнца», можно добывать из морской воды, запасы которой практически неограниченны! Особая привлекательность таких электростанций заключается и в том, что они меньше загрязняют окружающую среду.

Но чтобы зажечь «земные солнца», нужны еще десятилетия напряженной творческой работы многих физиков и инженеров. Может, и вы со временем захотите принять в ней участие?

Важными для зашиты окружающей среды являются разработка электромобилей и замена ими обычных автомобилей, так как тепловые автомобильные двигатели сильно загрязняют атмосферу городов, особенно больших.

Итоги:

• Физика изучает механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические явления.
• К механическим явлениям относят движение тел и взаимодействие между телами.
• К тепловым явлениям относят нагревание и охлаждение тел, а также переходы вещества, из которого состоят тела, из одного состояния в другое (газ, жидкость, твердое тело). К электрическим явлениям относят взаимодействие электрически заряженных тел, а к магнитным — взаимодействие постоянных магнитов, а также проводников с токами. Электрические и магнитные явления представляют собой проявления электромагнитных явлений.
• Электромагнитные явления лежат в основе действия электростанций и электродвигателей, радиосвязи, телевидения, компьютеров.
• Оптическими, или световыми, явлениями называют явления, связанные со светом.
• Опыт отличается от наблюдения тем, что, ставя опыт, ученый создает специальные условия протекания естественных явлений.
• Основные положения научного метода: 1) на основании наблюдений за явлениями природы ученый строит предположения о закономерностях в протекании этих явлений (научные гипотезы); 2) чтобы проверить гипотезу, ученый ставит опыты (эксперименты), в которых создает специальные условия, чтобы выяснить, от чего и как зависит протекание явлений.
• В SI за единицу длины принят 1 метр (м), за единицу времени — 1 секунда (с), за единицу массы — 1 килограмм (кг).
• Каждое физическое тело имеет определенную массу. Массу тела можно измерить взвешиванием.
• Мерой взаимодействия тел является сила. Единицей силы в SI является 1 ньютон (Н). Силу измеряют динамометром.
• Силу, с которой Земля притягивает предметы, называют силой тяжести.
• Устройства, с помощью которых измеряют физические величины, называют измерительными приборами. Ценой деления прибора называют разность значений физической величины, соответствующих ближайшим делениям шкалы. Окружающие нас тела, которые можно наблюдать невооруженным глазом, называют макромиром.
• Мир космических тел называют мегамиром.
• Мир частиц, из которых состоит вещество, называют микромиром.
• Силы упругости возникают вследствие деформации тел. Силы трения действуют между соприкасающимися телами, когда они движутся друг относительно друга или когда одно тело пытаются сдвинуть относительно другого.
• Между всеми телами действуют силы всемирного тяготения. Заметно обнаруживают они себя только тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел имеет очень большую массу (является планетой или звездой).
• Когда направление силы совпадает с направлением перемещения, механическая работа равна произведению силы на перемещение.
• Физическую величину, которая характеризует способность тела или системы тел совершать работу вследствие изменения своего состояния, называют энергией.
• Часть механической энергии, обусловленную взаимодействием тел, называют потенциальной энергией, а часть механической энергии, обусловленную движением тела, называют кинетической энергией.
• Закон сохранения энергии: во всех процессах, которые происходят в природе, суммарная энергия взаимодействующих тел сохраняется.
• Физика является основой научно-технического прогресса. Охрана окружающей среды является сегодня одной из важнейших задач человечества.

Творцы физической науки

История физики — это история открытий, каждое из которых углубляет наше понимание природы. Но за любым открытием стоит живой человек, а чаще группа людей, чьи усилия пробивают брешь в сте не неизвестности и незнания, поднимают науку на новую ступень раз вития. Кто же эти люди, чьи имена неразрывно связаны с прогрессом физической науки? Здесь мы назовем лишь немногих, но, продолжая изучение курса физики, вы познакомитесь с десятками прославленных исследователей природы и первооткрывателей неведомого.

Творцы классической физики

Имя древнегреческого ученого и философа Аристотеля (рис. 1.47) известно едва ли не каждому. В одном из своих главных трудов, который так и назывался — «Физика», Аристотель систематизировал знания о природе, которые были на то время, и таким образом положил начало первому этапу развития физической науки. Этот этап продолжался до конца XVI столетия.

Нельзя не назвать еще одного греческого мыслителя и инженера — Ар химеда (рис. 1.48). Он вошел в историю науки как автор закона, названного его именем. Об этом ученом сохранилось немало легенд. Согласно одной из них, толчком к открытию «закона Архимеда» стала необходимость решить задачу, поставленную перед Архимедом царем города Сиракузы Гиероном. Речь шла о том, чтобы выяснить содержание золота и серебра в сплаве, из которого была изготовлена корона царя. Еще одна легенда приписывает древнегреческому ученому и создателю сложных механизмов изречение: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир» (рис. 1.49).

Второй этап развития физики открывают труды Галилео Галилея (рис. 1.50) — великого итальянского физика и астронома, впервые применившего экспериментальный метод в науке. Свое первое крупное открытие ученый совершил в возрасте 19 лет. Наблюдая в храме за колебаниями подвешенной на цепи лампады и сравнивая их с частотой биения собственного пульса, он установил, что период колебаний лампады не зависит от их амплитуды. Это открытие позднее легло в основу конструкции механических часов.

Существует мнение, что большие открытия, формулировки новых законов — это результат работы маститых ученых, людей почтенного возраста. В действительности, как свидетельствует история науки, дело обстоит иначе: открытия часто совершаются совсем молодыми людьми. Так, уже в 25 лет Галилей стал профессором Пизанского университета, а спустя короткое время вывел законы свободного падения тел. Еще одним подтверждением может служить жизнь последователя Галилея Исаака Ньютона — гениального английского физика и математика, сформулировавшего три основных закона движения. Одно из величайших открытий за всю историю физики — закон все мирного тяготения — Ньютон сделал в возрасте 24 лет.

Невозможно представить современную жизнь без электричества. Но знаете ли вы, что теоретической основой всей электротехники и радиосвязи служат четыре знаменитых уравнения Джеймса Клерка Максвелла (рис. 1.51)? Свои первые исследования юный физик опубликовал, когда ему едва исполнилось 15 лет. А в 33 года Максвелл завершил один из важнейших трудов, в котором изложил основные понятия теории электромагнетизма.

Вплоть до начала XIX века ответ официальной науки на вопрос, чем отличается холодный суп от горячего, звучал примерно так: горячий суп содержит больше теплорода, чем холодный.

Звучит загадочно и ничего не объясняет. Но благодаря усилиям группы ученых того времени удалось пролить свет на природу тепловых явлений и объяснить процессы превращения тепла. Таким образом была создана теоретическая база для современных тепловых двигателей. Законченный вид этим теоретическим исследованиям придал в своих трудах Людвиг Больцман (рис. 1.52) — выдающийся австрийский физик-теоретик. Первая его работа увидела свет, когда Л. Больцману исполнилось 22 года, а последняя — спустя шесть лет (рис. 1.53).

К концу XIX века были открыты законы механики и электромагнетизма, заложен фундамент теории тепловых явлений. Именно тогда у многих ученых возникло убеждение, что развитие физики завершилось.

Создатели современной физики

Однако в 1905 году в немецком физическом журнале появилась статья неизвестного автора, сотрудника патентного бюро в Берне (Швейцария). Звали этого молодого человека Альберт Эйнштейн (рис. 1.54), и после этой публикации он стал самым знаменитым физиком на нашей планете. В его работе были изложены основы специальной теории относи тельности, которая заставила ученых во всем мире пересмотреть устаревшие взгляды на пространство и время, массу и энергию.

Так начался новый этап в развитии физической науки. На протяжении этого этапа полностью изменился характер физических исследований. Открытие радиоактивности и стремление проникнуть в тайны строения вещества привели к созданию квантовой теории. У истоков этого направления стояли такие выдающиеся ученые, как Эрнест Резерфорд (рис. 1.55) — действительный член всех академий наук мира (и этим все сказано!) и Нильс Бор (рис. 1.56) — датский физик, который в возрасте 28 лет совершил революцию в физике, создав теорию строения атома — основного «кирпичика» мироздания (рис. 1.57).

Зачем и как изучать физику

Древние ученые считали, что каждый человек с самого рождения ищет ответы на такие философские вопросы: что представляет собой окружающий мир, какую роль играет человек в этом мире, каковы взаимоотношения человека с окружающим миром?

На эти вопросы пытаются найти ответ все науки, а не только философия. Естественные науки являются основой построения научной картины мира, формируют мировоззрение человека, научный стиль мышления. Они являются основой преобразующей деятельности человека при создании техники и технологий, в совершенствовании познавательных возможностей человечества. Физика изучает явления природы, которые сравнительно легко наблюдаются, отображаются, анализируются. Ее законы и теории являются основой деятельности человека и общества в целом, а также фундаментом естественных наук.

Исторический путь познания сущности физического мира состоит в том, что вначале накапливаются факты, затем ученые их анализируют, систематизируют, высказывают идеи относительно их объяснения, проверяют истинность выдвинутых идей: таким путем создается теория.

На начальном этапе получения физических знаний первоочередное значение имеют наблюдения, эксперимент, практический опыт человека. Благодаря им к научным поискам приобщаются те, кто постигает физическую науку и способствует ее развитию и применению. Человечество осознало это давно. Уже в работах Уильяма Гильберта (1544-1603) и Галилео Галилея (1564-1642), которых по праву считают основоположниками физики как науки, указывалось на исключительное значение эксперимента в познании природы.
Эксперимент важен для ученого как подтверждение истинности полученного знания, а для тебя он имеет неоценимое значение в подготовке к предстоящим научным исследованиям, в выяснении области практического применения изучаемой науки. Проводя опыты, ты овладеваешь методами научного познания, которые необходимы человеку в процессе его познавательной деятельности. Как известно, физику условно делят на экспериментальную и теоретическую. По этому поводу Альберт Эйнштейн писал: «Мышление само по себе не ведет к знаниям о внешних объектах. Начальным пунктом всех исследований является чувственное восприятие. Истинность теоретического мышления достигается исключительно за счет связи его со всей суммой данных чувственного опыта».

Выполнение исследовательских работ, являющихся источником новых знаний, новой учебной информации, лучше всего развивает творческий потенциал тех, кто изучает физику и другие естественные науки. Понятно, что для этого следует научиться ставить цель исследования, находить соответствующие методы и средства исследования, планировать и выполнять опыты, обрабатывать их результаты, делать выводы и эффективно использовать приобретенные знания и умения.

Структура поисковой деятельности:

1. Наблюдение явления. Невозможность объяснить его на основе существующих знаний (возникновение проблемы).
2. Формулирование гипотезы (гипотез). Гипотеза — это ЦИ предположение, на основе которого благодаря ряду фактов можно сделать вывод о существовании определенного объекта, взаимосвязи между явлениями либо причинах их проявления. Этот вывод считается еще не подтвержденным — его необходимо доказать.
3. Планирование проверки гипотезы, в частности на основании эксперимента.
4. Экспериментальная проверка гипотезы.
5. Сравнение результатов эксперимента с утверждениями гипотезы.
6. Подтверждение или опровержение гипотезы, ее коррекция или замена, внесение изменений в первоначальную формулировку гипотезы.
7. Создание теории на основании экспериментально подтвержденной гипотезы.
8. Применение полученного нового знания (теории) с целью:

• объяснения явлений (объяснительная функция науки);
• использования знаний в жизненной практике (преобразующая функция науки);
• предсказания протекания природных явлений, дальнейших направлений исследования в данной области (прогностическая функция науки). Иногда тем, кто только начинает познавать мир, кажется, что науке уже все известно, нового нет и открывать нечего. Однако это вовсе не так - наоборот, с развитием науки возникает все больше и больше проблем. А. Эйнштейн говорил: «Наука не является и никогда не будет завершенной книгой. Каждый важный успех ставит новые вопросы. Любое развитие со временем выявляет новые, более глубокие проблемы».