Зародження та розвиток фізики як науки. Методи наукового пізнання

1-й семестр

ВСТУП

– Зародження та розвиток фізики як науки

– Роль фізичних знань у житті людини

– Методи наукового пізнання

– Вимірювання. Похибки вимірювань

– Математика – мова фізики

Тематичне планування

Урок

Тема. Зародження та розвиток фізики як науки. Методи наукового пізнання

Мета уроку: дати учням уявлення про зародження та розвиток фізики як науки, а також про методи наукового пізнання

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Періоди розвитку знань на різних етапах еволюції людства

А) Первісне суспільство

Людина здобувала знання про навколишній світ у суворій боротьбі за існування. У цій боротьбі відокремилися від тваринного світу її далекі предки, розвинулися її моторика та інтелект. Від випадкових і неусвідомлених дій з палицями й камінням для захисту або добування їжі вона (людина) еволюціонувала до виготовлення знарядь. Спочатку це були грубо й примітивно оброблені шматки каменю. Потім знаряддя набувало більш досконалих форм: лук і стріли, рибальські снасті, мисливські пастки – перші програмувальні пристрої. Найбільшим завоюванням людини було винайдення й використання вогню. У цій еволюції, яка тривала тисячі років, формувалася свідомість людини, розвивалася мова, накопичувалися знання та уявлення про світ, виникали перші антропоморфні пояснення навколишніх явищ, залишки яких збереглися й у нашій мові. Як і у первісної людини, у нас сонце “ходить”, місяць “дивиться” і т. п. Іншого способу зрозуміти природу, окрім як уподібнення її до себе (живої істоти), наділення її почуттям і свідомістю, у первісної людини не було. Саме це й стало джерелом розвитку і наукових знань, і релігійних уявлень. Поряд з цими фантастичними уявленнями про природу людина збагачувалася реальними знаннями про небесні світила, рослини й тварини, про рух і сили, метеорологічні явища і т. п. Накопичені знання та практичні навики, передаючись від покоління до покоління, утворювали первинний фон майбутньої науки. У процесі розвитку суспільства та суспільної праці накопичувалися передумови для створення стійкої цивілізації.

Б) Стародавні цивілізації Єгипту й Китаю

Піраміди Єгипту, які збереглися до наших днів, свідчать про те, що вже в III тисячолітті до н. е. держава могла організувати великі маси людей, вести облік матеріалів, робочої сили, витраченої праці, для чого потрібні були спеціальні люди – працівники розумової праці. Господарські записи в Єгипті вели писарі, яким належить заслуга у фіксуванні наукових знань свого часу. Відомі пам’ятники II тисячоліття – папірус Ринд, що зберігається в Британському музеї, і Московський папірус – містять розв’язування різних задач, що зустрічаються в практиці математичних обчислень, обчислень площі та об’ємів. У Московському папірусі виведено формулу для обчислення об’єму усіченої піраміди. Площу кола єгиптяни обчислювали, підносячи в квадрат вісім дев’ятих діаметра, що давало дуже точне наближене значення – 3,14.

Визначення часу початку розливу Нілу вимагало ретельних астрономічних спостережень. Єгиптяни розробили календар, що складався з дванадцяти місяців по 30 днів і п’яти додаткових днів у році. Місяць був поділений на три десятиденки, доба – на двадцять чотири години: дванадцять денних, дванадцять нічних. Оскільки тривалість дня й ночі змінювалася впродовж року, година була не постійною, а змінювалася відповідно до пори року.

Найбільш давнім періодом китайської цивілізації вважається епоха існування першої держави Шан-Інь, рабовласницької країни в долині річки Хуанхе. Мистецтво бронзового лиття дозволяло виготовляти різні посудини, прикрашені складними зображеннями.

Уже в епоху Шан було відкрито ідеографічну писемність, що шляхом тривалого вдосконалення перетворилася на ієрогліфічну каліграфію, було складено місячний календар.

Рання імператорська епоха Давнього Китаю зробила внесок у розвиток світової культури та цивілізації такими відкриттями, як компас, спідометр і сейсмограф. Згодом було винайдено друкарство та порох. Саме в Китаї у сфері писемності й друкарства було створено папір і рухомий шрифт, а у військовій техніці – гармати й стремена; було також винайдено механічний годинник і вдосконалено мистецтво шовкоткацтва.

Давні китайці були освіченими астрономами, саме вони склали одну з перших у світі зоряну карту.

Китайська медицина впродовж тритисячолітньої історії досягла значних результатів. У Давньому Китаї вперше була написана “Фармакологія”, уперше почали проводити хірургічні операції із застосуванням наркотичних засобів, уперше застосували й описали в літературі методи лікування голковколюванням, припіканням і масажем.

В) Фізика й астрономія в Давній Греції

Незважаючи на величезні заслуги Давнього Сходу перед наукою, справжньою батьківщиною сучасної науки є Давня Греція. Саме тут виникла теоретична наука, що створила наукові уявлення про світ, які не зводяться лише до практичних рецептів; саме тут розвивався науковий метод.

Якщо єгипетський або вавилонський переписувач, формулюючи правило обчислення, писав: “роби так”, не пояснюючи, чому слід “робити так”, то грецький учений вимагав доказів. Засновник атомістики Демокрит висловився з цього приводу так: “Знаходження одного наукового доказу для мене означає більше, ніж оволодіння всім Перським Царством”.

Сучасна наука добре запам’ятала, кому вона зобов’язана своїм народженням. Про це свідчать назви наук: математика, механіка, фізика, біологія, географія та ін.; наукові терміни грецького походження (маса, атом, електрон, ізотоп тощо); уживання грецьких літер у формулах і, зрештою, імена грецьких учених: Фалеса, Піфагора, Демокрита, Аристотеля, Архімеда, Евкліда, Птоломея та інших, що збереглися в науковій літературі.

2. Початок нової ери у фізиці

У середині XV ст. Європа змінює напрями розвитку в економічній, політичній та культурній сферах. Будівництво міст, відокремлення ремісничого (промислового) виробництва від сільського господарства – все це стало поштовхом до руйнації натурального господарства, активного розвитку торгівлі, зростання значення грошей, появи нових суспільних сил: купці, банкіри, заможні ремісники (буржуазія). Зацікавлена в підвищенні продуктивності праці, буржуазія заохочувала технічні й організаційні вдосконалення виробництва. З’явилися перші мануфактури, почали розвиватися промисловість і торгівля.

Леонардо да Вінчі є попередником Галілея, Декарта, Кеплера, Ньютона та інших засновників сучасного природознавства. Він одним із перших проголосив основи нового методу й почав застосовувати його під час розв’язування конкретних задач, зокрема під час вивчення руху. Леонардо писав: “Будь-який рух прямує до свого збереження, інакше кажучи: будь-яке тіло, що рухається, рухається завжди, доки в ньому зберігається сила його двигуна”.

Великий художник епохи Відродження Леонардо да Вінчі добре розумів, що наука має грунтуватися на досліді й математичному розрахунку, і сам проводив експерименти, результати яких випереджали більш пізні висновки Галілея.

Досліди Галілея, власне кажучи, стали справжнім початком експериментальної науки. Галілей вивчав падіння тіл у лабораторних умовах, на похилій площині, на маятнику; шукав точне кількісне співвідношення між швидкістю й часом падіння, пройденим шляхом і часом падіння тощо. Результати цих дослідів та їх теоретичний аналіз стали основою механіки, зробивши безсмертним ім’я Галілея як фундатора нового природознавства. Роботи Галілея з механіки, астрономії, опору матеріалів, акустики, оптики складаються в єдине ціле, підпорядковуються загальній меті – утвердженню нової науки й нового світогляду.

Досягнуті дослідним природознавством результати були завершені в роботах великого англійського вченого Ісака Ньютона. Найважливішим науковим досягненням Ньютона було створення теорії руху планет і пов’язане з цим відкриття закону всесвітнього тяжіння, покладеного в основу фізичного обгрунтування геліоцентричної системи. Три закони Ньютона завершують праці Галілея, Декарта, Гюйгенса та інших учених, які працювали над створенням класичної механіки, готуючи міцне підгрунтя для плідного її розвитку.

Водночас Ньютон довів, що білий колір є сумішшю семи кольорів. Учений досліджував також явище дифракції, досить точно описавши райдужні смуги на зовнішніх межах тіні волосини.

Наступний важливий етап у розвитку фізики пов’язаний з ученням про електричні й магнітні явища. У формуванні сучасної науки про ці явища активну участь узяли: Шарль Кулон, Ганс Християн Ерстед, Майкл Фарадей і Джеймс Максвелл.

Починаючи з XVIII ст. дуже бурхливо розвивалася галузь фізики, пов’язана з тепловими явищами. Дві події вплинули на розвиток учення про електрику: перша – це винахід Ваттом теплової машини, а друга подія пов’язана з роботами інженера й фізика Саді Карно.

3. Дві революції у фізиці XX сторіччя

Початок XX ст. ознаменувався двома революціями у фізиці. Одна з них пов’язана з рухом з великими швидкостями. Стимулом для цієї революції послужили експерименти Майкельсона з вимірювання швидкості світла. Основний внесок у цю революцію зробили Ейнштейн, Лоренц і Пуанкаре. У результаті до 1906-1910 pp. було створено спеціальну теорію відносності.

Друга революція пов’язана з рухом частинок малої маси (електронів, протонів, нейтронів, атомів). Ця революція була здійснена в період від 1900 по 1930 pp. Вона стала результатом зусиль багатьох фізиків, серед яких були Планк, Бор, Шредінгер, Гейзенберг, Дірак, Борн, Паулі.

Такі наукові революції стали базою для реалізації цілої низки фізичних відкриттів. Особливість XX ст. полягає в тому, що буквально за кілька років ці відкриття набули широкого застосування.

Так, у 1896 р. російський фізик Олександр Степанович Попов продемонстрував перший радіоприймач, що відкрив можливість практичного використання електромагнітних хвиль з метою бездротового зв’язку. Саме за допомогою електромагнітних хвиль працюють радіо й телебачення, а також Інтернет.

У 1947 р. американські фізики Шоклі, Бардін, Браттейн відкрили транзистор, що став основним елементом усіх радіоприладів та інтегральних схем.

Відкриття лазерного випромінювання, зроблене Басовим, Прохоровим і Таунсом, застосовуються в сучасній техніці й медицині.

У 1896 р. Беккерель відкрив радіоактивність Урану, а в 1938 р. Ганн і Штрассман відкрили поділ ядер Урану, що супроводжується виділенням величезної енергії. І незабаром, у 1942 p., Фермі запустив в експлуатацію перший ядерний реактор. У СРСР реактор такого типу запрацював під керівництвом Курчатова в 1946 р. Наразі у світі експлуатується понад 400 реакторів, які виробляють близько 6 % світової електроенергії.

4. Теорія та експеримент

Процес пізнання навколишнього світу є невід’ємною особливістю всіх живих істот. Особливе місце в процесі пізнання займає людина, яка навчилася не тільки ефективно здобувати нові знання та використовувати їх, а й накопичувати знання для передачі наступним поколінням. Існує два основні методи фізичних досліджень: теоретичний та експериментальний.

Фізичне дослідження – це цілеспрямоване вивчення того чи іншого явища способами фізики. Першим етапом фізичного дослідження є спостереження – сприйняття природи з метою отримання початкових даних для подальшого аналізу. Якщо результати спостережень повторюються, спостерігач природи робить висновок. Проте не завжди спостереження дають правильний результат. Звичайно, в основі всіх наук лежить спостереження, проте в 16-му столітті фізика виділилася серед інших наук тим, що перейшла від пасивного спостереження до експерименту. На відміну від спостереження, в експерименті досліджуваний об’єкт знаходиться в контрольованих умовах і підлягають активному впливу, що значно збільшує можливість його дослідження. Експеримент – це дослідження фізичного явища в умовах, які знаходяться під контролем ученого, з метою більш поглибленого вивчення цього явища. Всі експерименти можна розділити умовно на якісні й кількісні. Найпростіший експеримент – якісний, у якому встановлюється наявність або відсутність передбачуваного теорією явища. Кількісне порівняння характеристик називається виміром. Усі експерименти можна розділити й за об’єктами, з якими експеримент виконується: натурний, модельний, уявний і комп’ютерний.

5. Фізичні величини. Вимірювання фізичних величин

Фізика виділяється систематичним використанням (для опису об’єктів, які вивчаються) таких характеристик, що допускають кількісний вираз. Саме ці характеристики називаються фізичними величинами.

O Фізична величина – це кількісна характеристика об’єкта чи явища у фізиці або результат вимірювання.

Шлях, час, маса, густина, сила, температура, тиск, напруга – це далеко не всі приклади фізичних величин. Виміряти яку-небудь величину – це означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю.

Існує всього сім основних одиниць фізичних величин: метр, секунда, кілограм, кельвін, ампер, кандела, моль, а всі інші можна винайти з них.

Для того щоб виміряти фізичну величину, потрібно вміти користуватися вимірювальними приладами. Пристрої, за допомогою яких вимірюють фізичні величини, називають вимірювальними приладами. Вимірювання однієї й тієї ж фізичної величини, як правило, можна зробити по-різному, використовуючи для цього різні прилади. Вимірювання розділяють на прямі та непрямі. Під час прямих вимірювань величину порівнюють з одиницею виміру безпосередньо або за допомогою вимірювального приладу, проградуйованого у відповідних одиницях.

У разі непрямих вимірювань шукану величину обчислюють за результатами прямих вимірювань інших величин, які пов’язані з вимірюваною величиною певної функціональної залежності.

Наприклад, для знайдення швидкості ми вимірюємо відстань, пройдену тілом, і час, за який цю відстань було пройдено. Після цього знаходимо швидкість шляхом ділення шляху на час.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Назвіть імена відомих вам учених-фізиків. У якій галузі фізики вони працювали?

2. Наведіть приклади використання знань фізики для створення предметів побуту, що оточують вас.

3. Для створення яких технічних пристроїв були використані фізичні відкриття?

4. Назвіть основні методи фізичних досліджень.

5. Наведіть приклади фізичних моделей.

6. Яка роль експерименту в пізнанні? Поясніть на прикладі.

7. Чому експеримент є критерієм правильності фізичної теорії?

8. Що означає “виміряти фізичну величину”?

Що ми дізналися на уроці

– Сучасну фізику створювало багато поколінь учених. Це були найрізноманітніші люди: заможні й бідні, високопоставлені й простолюдини. Комусь із них відкриття принесли славу й визнання ще за життя, а хтось так і пішов із життя, не побачивши, як майбутні покоління використовують їхні праці й відкриття. Дехто до кінця життя вірив, що відкриті ним закони принесуть користь людям, а хтось був гірко розчарований. Однак усіх їх єднали та єднають із сучасними вченими інтерес, жага знань, надзвичайне терпіння та працьовитість.

– Фізичне дослідження – це цілеспрямоване вивчення того чи іншого явища способами фізики.

– Експеримент – це дослідження фізичного явища в умовах, які знаходяться під контролем ученого, з метою поглибленого вивчення цього явища.

– Фізична величина – це кількісна характеристика об’єкта чи явища у фізиці або результат вимірювання.

– Виміряти яку-небудь величину – це означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю.

– Пристрої, за допомогою яких вимірюють фізичні величини, називають вимірювальними приладами. Вимірювання розділяють на прямі та непрямі.

Домашнє завдання

1. П.: Введення. §§ 1, 2.

2. 36.:

Р1) – 1.1; 1.2;

Р2) – 1.19; 1.20;

Р3)-1.31, 1.32; 1.33.