Розділ І Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання
& 1. ФІЗИКА ЯК ФУНДАМЕНТАЛЬНА НАУКА ПРО ПРИРОДУ. МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ
Що вивчає фізика
Фізика – це наука, що вивчає найпростіші і разом з тим найзагальніші властивості та закони руху об’єктів навколишнього світу.
Фізиків цікавить з чого все складається, яке походження світу в якому ми живемо, що чекає наш світ в далекому майбутньому і яка суть спостережуваних нами явищ. Власне кажучи, це цікавить кожного з нас.
Слово “фундаментальний” означає
Мал. 1.1. Мікроскоп
Як фізики вивчають природу. Фізичні явища
Ви мабуть давно помітили,
Події відбуваються у певному порядку, тобто з бігом часу: спочатку ми, наприклад, бачимо блискавку (мал. 1.2), а потім чуємо грім. Коли вас зацікавило якесь явище, ви повинні собі задати питання: “Чому так відбувається, в чому тут причина?”
Явища мають різну природу. Падіння яблука і політ повітряної кулі – це механічний рух. Грім – це звукова хвиля, а блискавка – це світло, електрика та багато інших супутніх явищ. Світло, як і звук, має хвильову природу, але ці хвилі суттєво відрізняються. Звук – це механічна хвиля, яка поширюється в певному середовищі – твердому, рідкому чи газі. Світло – це електромагнітна хвиля, яка може поширюватися навіть у вакуумі. Швидкість світла у вакуумі (300 000 км/с) приблизно в 900 000 разів більша за швидкість звуку в повітрі (близько 330 м/с).
Мал. 1.2. Явище блискавки
Фізика основана на фактах, отриманих в результаті спостережень. Спостереження часто бувають випадковими, але факти добувають в результаті планомірно проведених експериментів, використовуючи фізичні прилади і проводячи вимірювання. Добуті факти потрібно пояснити – так з’являються припущення, які в науці називають гіпотезами. Перевірені багатьма дослідниками гіпотези стають теоріями.
Фізики вивчають явища природи за допомогою фізичних приладів і пояснюють їх за допомогою фізичних теорій.
Бачити спільне і відмінності
Допитливим хочеться все знати, але як цього досягти, коли неможливо запам’ятати навіть частину фактів з енциклопедії? Так, знати все – неможливо, але можна зрозуміти дуже багато речей за допомогою теорії. Хороша теорія при допомозі небагатьох принципів пояснює величезний обсяг явищ і фактів.
Однією з ознак творчого розуму є здатність помічати подібне і відмінності при порівнянні різних явищ. Відомий англійський фізик Ісак Ньютон, спостерігаючи за падінням яблука, зумів зв’язати це явище з обертанням Місяця навколо Землі, а Землі – навколо Сонця. В результаті йому вдалося відкрити один з найбільш знаменитих фізичних законів – закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння керує не тільки падінням тіл і Сонячною системою, але й цілими скупченнями зірок – галактиками, а також скупченнями галактик.
Таким чином всього один закон поставив на місце тисячі розрізнених явищ, об’єднавши їх в систему.
Спостерігаємо за небом
Коли ми дивимося на зоряне небо, нас вражає грандіозність і величність Космосу. Люди спостерігають за небом уже багато тисячоліть, частково з цікавості, а в основному із практичних потреб, і займаються цим астрономи. Але пояснили і по-справжньому зрозуміли побачене саме фізики.
Сонце – найближча до нас зоря – це розжарена газова куля, діаметр якої приблизно 1,5 млн. км, а наша планета знаходиться від неї на відстані 150 млн. км. Температура на “поверхні” Сонця досягає 6000 градусів, а в центрі вона становить уже 15 млн. градусів. При таких температурах відбуваються термоядерні реакції, які дають можливість зорі випромінювати енергію впродовж десятків мільярдів років. Звідки ж усе це стало відомим?!
Мал. 1.3. Аматорський телескоп
Фізичні прилади в астрономії. Об’єкт – світло
Фізичні прилади широко використовуються вченими інших спеціальностей. В результаті взаємодії фізики і астрономії виникли нові науки – космічна фізика та астрофізика.
Виявляється, що світло несе значну інформацію про зорю: а) її температуру; б) наближається вона до нас, чи віддаляється; в) швидкість руху і г) з яких речовин вона складається.
Фізичні прилади, встановлені на телескопах дозволяють виміряти усі ці фізичні величини і визначити точність цих вимірювань. Перший лінзовий телескоп побудував італійський фізик Галілео Галілей, а перший дзеркальний телескоп – англійський фізик Ісак Ньютон.
Фізики навчилися розшифровувати інформацію, що її приносить не тільки видиме світло, а й невидиме інфрачервоне та ультрафіолетове світло, а також радіохвилі та рентгенівські і гамма-промені (які, до речі, також поширюються зі швидкістю світла).
Мал. 1.4. Галактика М 31 знаходиться так далеко, що світло від неї йде до нас приблизно 2,8 млн. років (за одну секунду світло долає 300 000 км). Це одне з найближчих до нас зоряних скупчень, і наша Галактика – Молочний шлях (Galaxy – лат. “молоко”) – дуже на неї схожа
Галактики
Сучасні телескопи (мал. 1.5) дають змогу бачити зоряні системи – галактики, – які знаходяться на величезних відстанях від нас. На малюнку 1.3 зображено фотографію сусідньої з нами галактики М 31, яка спостерігається в сузір’ї Андромеди.
В ясну погоду темної ночі на небі можна бачити світлу смугу, що тягнеться через увесь небосхил – Чумацький шлях – скупчення такої величезної кількості зірок, що наше око їх не розрізняє. Це вид зсередини на Нашу Галактику (або Молочний Шлях), яка подібна до М 31 і нараховує близько 200 млрд. зір та має діаметр 100 000 світлових років (світловий рік – це відстань, що її проходить світло за один рік). Цей своєрідний зоряний диск робить один оберт за 250 млн. років. Наша Сонячна система (наше Сонце і планети, які обертаються навколо нього) розташована досить далеко від центра Галактики (близько 35 000 світлових років).
Мал. 1.5. Великий телескоп Кримської астрофізичної обсерваторії
Відстань від найвіддаленіших галактик до нас світло долає приблизно за 14 млрд. років. Це означає, що ми бачимо їх такими, якими вони були мільярди років тому. Таким чином, потужний телескоп дає змогу заглянути в минуле Всесвіту і відіграє роль своєрідної машини часу.
Підведемо підсумки
– При вивченні явищ навколишнього світу фізики роблять досліди й обчислення, на основі яких створюються фізичні теорії.
– Фізики навчилися отримувати і передавати інформацію за допомогою світла та радіохвиль.
– Отримані фізиками знання дають нам змогу розуміти навколишній світ і сприяють прогресу людства.
Творчі завдання
1.1. Уважно розгляньте мал. 1.2. Скільки запитань ви зможете задати про явище блискавки, зображене на малюнку?
1.2. Де знаходяться найбільші у світі телескопи? Які їх розміри й характеристики?
1.3. Що спільного і чим відрізняються видиме світло та інфрачервоне і ультрафіолетове світло?
1.4. Яка основна відмінність телескопів, сконструйованих двома видатними фізиками, Ньютоном та Галілеєм?
Вправа 1
1. Які а) найменші, та б) найбільші об’єкти досліджує фізика?
2. Наведіть приклади фізичних приладів.
3. Для яких потреб використовують у фізиці прилади?
4. Наведіть приклади: а) механічних, б) звукових, в) теплових, г) електричних та д) світлових явищ.
5. Яка природа світла?
6. Як учені визначають склад зір, їх температуру і швидкість?
7. Назвіть декілька різновидів телескопів, якими досліджують Всесвіт.
8. Чому телескоп можна назвати своєрідною “машиною часу”?
9. Який фізичний закон “керує” падінням тіл і рухом планет?
10. З якою швидкістю поширюється світло?
11. Яку відстань називають “світловим роком”?
12. Яка відстань в кілометрах від нас до Сонця?
13. Яка температура на а) поверхні та б) в центрі Сонця. в) Чому слово “поверхня” в тексті параграфу взяте в лапки?
14. Що собою являє Чумацький шлях?
15. Скільки зір налічує наша Галактика?
16. Як далеко від нас знаходиться “край” Всесвіту?
17. Чому ми спочатку бачимо блискавку, я тільки потім чуємо грім?
18. У скільки разів відстань від Землі до Сонця більша за діаметр Сонця?
19. Обчисліть, яку відстань в кілометрах проходить світло за а) одну хвилину, б) одну годину, в) одну добу, г) один рік?
20. У скільки разів Сонце більше за Землю?
21. Виразіть швидкість світла в м/с.
22. Чому телескопи будують високо в горах, або виносять за межі атмосфери?
23. На яку відстань від Землі вже поширились у космос сигнали наших радіостанцій?
24. Чому, коли ми дивимося вночі на зоряне небо, воно здається схожим на сферичний купол? Так і кажуть – “небесна сфера”.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)