Методы научного познания

Одной из наук о природе является физика. Физика – это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих законах окружающего мира.

Эксперимент и теория в физическом познании мира

Познание окружающего мира с помощью научного метода заключается в следующем: опираясь на опыт, установить количественные законы природы и проверить их с помощью эксперимента.

Научный метод познания природы состоит из следующих этапов:

• наблюдение;
• установление закономерностей явления, определение причин и следствий этого явления;
• создание модели явления;
• выдвижение гипотезы для объяснения закономерностей явления;
• экспериментальная проверка выдвинутой гипотезы;
• создание теории;
• объяснение других явлений на основе выдвинутой теории.

В физике используют два метода научного познания: экспериментальный и теоретический.

По мере изучения какого-либо явления перед человеком все больше открываются его свойства и связи с другими явлениями. Такой процесс познания называют постижением истины.

Наблюдения позволяют накопить фактический материал. Для объяснения данных, полученных при наблюдениях, необходимо провести рассуждения, выдвинуть научную гипотезу. Гипотеза – предположение о причинах наблюдаемых явлений.

Научная гипотеза проверяется физическим экспериментом.

Эксперимент – это научный или лабораторный опыт, результатом которого может быть определение величин или зависимостей, опровержение или подтверждение теории или гипотезы, открытие нового явления. На основе результатов физических экспериментов формулируются физические законы.

В результате эксперимента могут быть выявлены определенные закономерности. Гипотеза может выступать основанием для построения на основе накопленных экспериментальных данных физической теории.

Теория – это система основных идей в данной области знаний.

Критерий истинности и основа развития теории – практика (физический эксперимент). Цель теории – формулировка законов природы, объяснение на их основе существующих и предсказание новых явлений.

Научная теория содержит постулаты, определения, гипотезы и законы, объясняющие наблюдаемые явления. В самом общем виде структуру любой теории можно представить в виде схемы:

Любая теория является некоторым приближением к реальности. Результаты теории проверяются экспериментом, являющимся критерием ее истинности. Расхождение теории с поставленным экспериментом приводит к совершенствованию старой или созданию принципиально новой теории, дающей уточненные законы и более глубокое понимание физической реальности. Таким образом, любая теория рассматривается как верная для определенного круга явлений, т. е. имеет границы применимости. Существующие физические теории формируют физическую картину мира.

При расхождении новых экспериментальных данных и существующих законов и теорий ученые выдвигают новые гипотезы и физические теории. Однако любая новая физическая теория, претендующая на более глубокое и широкое описание явлений окружающего мира, чем старая, должна включать последнюю в качестве предельного случая. Это важнейшее требование, предъявляемое ко всякой новой физической теории, называют принципом соответствия. Например, специальная теория относительности при описании движения тел со скоростями, гораздо меньшими скорости света, переходит в классическую механику.

Моделирование явлений и объектов природы в физической науке. Роль математики в физике

Модель – абстрактная система, являющаяся упрощенной копией исследуемой реальной физической системы.

Модельная система должна:

• иметь область применимости, в которой свойства модели с заданной точностью совпадают со свойствами реальной системы;
• допускать достаточно простое математическое описание.

Модель тем лучше, чем шире область ее применимости и чем проще ее описание. Механика основана на двух моделях: материальной точки и абсолютно твердого тела.

Для выражения количественных закономерностей в физике широко применяется математический аппарат. При этом использование того или иного раздела математики в конечном счете диктуется опытными фактами.

Понятие о физических законах и границах их применимости

Физические законы отражают связь между физическими величинами. Физические законы, имеющие наиболее обширные области применимости, называются фундаментальными. Например, законы Ньютона, закон сохранения энергии, закон Кулона.

Каждый физический закон имеет границы применимости.

Границы применимости физического закона определяются:

• указанием допустимых пределов изменения физических величин, входящих в формулировку закона;
• точностью изменения этих величин;
• обширностью круга физических явлений, для которых закон имеет смысл.

Внутри своей области применимости закон выполняется для любых физических явлений.

Принцип причинности

Принцип причинности – один из наиболее общих принципов, устанавливающий допустимые пределы влияния физических событий друг на друга.

Принцип причинности исключает влияние данного события на все прошедшие события («будущее не влияет на прошедшие события», «событие – причина предшествует событию – следствию»).

Измерение физических величин. Погрешность измерений

Измерение физических величин – совокупность действий, выполненных с помощью средств измерения (приборов) для нахождения численных значений физических величин.

При измерении физическая величина сравнивается с однородной величиной, принятой за единицу.

Измерения бывают:

• прямые – это такие измерения, выполняя которые, измеряемую величину получают непосредственно путем сравнения с величиной, принятой за единицу измерения;
• косвенные – это такие измерения, при которых значение величины определяется по известной зависимости (правилу, закону) между этой величиной и другими, определяемыми напрямую.

Выполняемые измерения величин не являются абсолютно точными. Даже основные физические константы измерены с погрешностью. Различают абсолютную и относительную погрешности измерений.

Абсолютная погрешность измерения:

В ряде случаев при многократных измерениях используют

где ​\( \mathrm{x}_{ср}=\sum\!\frac{\mathrm{x}_i}{N} \)​, где ​\( N \)​ – количество измерений, ​\( i \)​ – номер измерения.

Предполагают, что ​\( \mathrm{x}_{ср} \)​в наибольшей степени соответствует истинному значению измеряемой величины.

После того как вычислена граница абсолютной погрешности, ее значение обычно округляется до одной значащей цифры. Затем результат измерения записывается с числом десятичных знаков, которых не больше, чем в абсолютной погрешности.

Относительная погрешность измерения:

Построение графиков по результатам эксперимента

В простейших случаях обработки экспериментальных данных измеряемую величину определяют несколько раз. При построении графиков следует иметь в виду, что по результатам опытов мы получаем не точку, а прямоугольник со сторонами ​\( 2\Delta x \)​ и \( 2\Delta y \). Поэтому при построении графиков необходимо проводить плавную линию так, чтобы по y разные стороны от кривой оказалось примерно одинаковое число точек. Тогда кривая зависимости ​\( x(y) \)​ будет лежать в «коридоре ошибок», проведенном по крайним точкам этих интервалов.

Физическая картина мира

Современная физика содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, которые, однако, вместе с данными о характере физических процессов и явлений дают приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи (тепловая, механическая, электромагнитная).

Материя состоит из вещества и поля. Четкой границы между веществом и полем нет. Всем формам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм. Законы движения всех микрочастиц носят статистический характер, для описания которых применяют принципы квантовой теории.

Единство мира проявляется в единстве строения материи и взаимодействий.

Существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильные, электромагнитные, гравитационные, слабые.

Окружающий нас мир – вечно движущаяся и развивающаяся материя, которая изменяется, но не исчезает.