Page 1
Воронкин
Алексей Сергеевич
Магистр. Стипендиат Президента Украины.
Старший преподаватель Луганской государственной академии
культуры и искусств.
Член украинского физического общества.
Член ассоциации развития образовательных и научных сетей.
Член ассоциации профессионалов дистанционного образования
России e-Learning PRO.
E-mail: [email protected] http:// www.tdo.at.ua
ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ
НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ
Секция экспериментальной физики
Луганск-2013
Руководитель секции
Page 2
ФИЗИКА И МЕТОДЫ
НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Page 3
Лекция была прочитана для учеников
9-11 классов Луганского образовательно-
воспитательного комплекса
специализированной школы-гимназии № 42
16.01.2013г.
Page 4
Понятие ―наука‖ имеет несколько основных значений:
• во-первых, под наукой понимается сфера человеческой
деятельности, направленной на выработку и систематизацию
новых знаний о природе, обществе и познании окружающего мира;
• во втором значении наука выступает как результат этой деятельности –
система полученных научных знаний;
Физика – наука о сущем, наука о природе в самом общем смысле (от греч.
physis - природа).
Первыми физиками были древнегреческие философы, жившие еще до нашей
эры. Самым известным из них был Аристотель (384 – 322 до н.э.), именно он
ввел в научный обиход термин ―физика”.
Физика – это наука понимать природу
Э. Роджерс
I. Физика как наука о природе. Классификация наук.
Предмет физики.
Page 5
естественные
науки и
математика
гуманитарные
и социально-
экономические
науки
технические
науки
сельскохозяйст
венные науки
КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК
механика, физик
а,
химия, биология,
география, гидро
метеорология, э
кология, медицин
а
и др.
агрономия,
зоотехника,
ветеринария,
агроинженерия,
рыболовство
и др.
культурология, фи
лология,
философия, журна
листика, история,
политология, псих
ология,
социальная
работа, менеджм
ент, экономика, ис
кусствоведение и
др.
строительство, п
олиграфия, телеко
ммуникацииметал
лургия, горное
дело, электроника
и
микроэлектроника
радиотехника, арх
итектура
и др.
Г. Галилей говорил: ―математика - это язык, на котором написана книга природы‖.
Page 6
Физика позволяет выводить общие законы на основании изучения
простых явлений.
• МЕХАНИЧЕСКИЕ
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
• МАГНИТНЫЕ
• ТЕПЛОВЫЕ
• ЗВУКОВЫЕ
• СВЕТОВЫЕ
• ВНУТРИАТОМНЫЕ
• ВНУТРИЯДЕРНЫЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Задача физики – установление “законов” окружающего мира.
Физика – фундаментальная наука, так как другие естественные науки —
биология, химия… – описывают лишь некоторый класс материальных
систем, подчиняющихся законам физики.
Page 7
Механические явления
Положите листок бумаги на край стола. На листок поставьте горлышком
вниз пустую бутылку. Резким движением выдерните листок. При этом
бутылка остается на месте. Почему?
1. Перевернутая бутылка
Page 8
2. Монетка в бутылке
Вырежьте из тонкого картона полоску шириной 2-3 см и склейте из нее
кольцо диаметром 10-15 см. Расположите его на горлышке пустой
бутылки. На кольцо положите монету, а внутрь введите линейку и резким
горизонтальным движением выбейте кольцо из-под монеты. Монета
упадет в бутылку. Как можно объяснить наблюдаемое явление?
Ответ:
При резком выбивании картонного кольца из-под
монеты время взаимодействия указанных тел
мало, поэтому небольшая по величине сила
трения, действующая на монету, не может
сообщить последней скорость в горизонтальном
направлении. Практически монета сохраняет
состояние покоя по инерции, но при удалении
опоры падает в бутылку.
Page 9
В Е Щ Е С Т В О П О Л Е
ВИДЫ
М А Т Е Р И И
атомы, молекулы и все
тела, построенные из них
электромагнитные, грав
итационные и другие
поля
Различные виды материи могут превращаться друг в друга.
Так, например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) могут
превращаться в фотоны (т.е. в электромагнитное поле). Возможен и
обратный процесс.
Материя – все то, что существует вне и независимо от нашего
сознания, но обнаруживается нами посредством ощущений.
Физика – наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих
формах движения материи и их взаимных превращениях
Page 10
ВРЕМЯ ПРОСТРАНСТВО
ФОРМЫ
СУЩЕСТВОВАНИЯ
МАТЕРИИ
Например, при механическом движении тела перемещаются друг
относительно друга в пространстве со временем.
Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является
движение. Движение в широком смысле слова – это всевозможные
изменения материи, от простого перемещения до сложнейших
процессов мышления.
• Материя вечно и непрерывно развивается.
• Непрерывное и бесконечное развитие материи проявляется во времени.
• Время – одна из форм существования материи.
• Развитие материи происходит еще и в пространстве.
Page 11
Метод научного исследования – это способ познания объективной
действительности. Способ представляет собой определенную
последовательность действий, приемов, операций.
методы
эмпирического
уровня
методы
теоретического
уровня
методы
метатеоретического
уровня
наблюдение,
описание,
сравнение,
счет,
измерение,
тестирование,
эксперимент,
моделирование и т.д.
аксиоматический, гипот
етический (гипотетико-
дедуктивный), формали
зацию, абстрагирование
, общелогические
методы
(анализ, синтез, индукц
ию, дедукцию, аналоги
ю) и др.
диалектический,
метафизический,
герменевтический и
др. методы.
Некоторые ученые к
этому уровню
относят метод
системного анализа
II. Методы научного исследования
Page 12
“ЗАПИСКИ О ШЕРЛОКЕ ХОЛМСЕ”
Главным прообразом Шерлока Холмса
послужил один из преподавателей Конан
Дойля – хирург Джозеф Белл, который
был мастером
наблюдательности, логики, выводов
и обнаружения ошибок.Артур Конан Дойль
Холмс: “...вы видите все, но не даете
себе труда поразмыслить над тем, что
видите”
Page 13
Дедукция (лат. deductio – выведение) – это цепь
умозаключений, при которых частное положение выводится
из общего логическим путѐм;
Индукция (от лат. inductio – наведение) – это переход в
процессе познания от частного знания к общему
Page 14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
изучение физики
посредством опытов и
экспериментов
наблюдения явлений в
естественных
условиях
теоретический метод
изучения физики
состоит в постановке
проблемы и построении
математической модели
еѐ решения
Процесс познания в физике начинается с наблюдения явлений в
естественных условиях или со специально поставленных опытов –
экспериментов.
В результате обобщения опытных данных появляется научное суждение о
механизме явления в виде гипотезы.
МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ФИЗИКЕ
Page 15
наблюдение
гипотеза
опыт
вывод
Т Е О Р И Я
• Наблюдение событий – это одно из важных
признаков науки, причем сам наблюдатель
должен быть опытным и подготовленным.
• Гипотеза – это научное предположение,
выдвигаемое для объяснения какого-либо
явления и требующее проверки на опыте и
теоретического обоснования для того, чтобы
стать достоверной научной теорией.
• Правильная физическая теория дает
качественные и количественные объяснения
явлений природы и формулирует их законы.
Физические теории почти всегда
формулируются математически (математика –
это инструмент физики).
• Физические законы – устойчивые
повторяющиеся объективные закономерности,
существующие в природе.
Проблема – это сложная теоретическая или практическая задача, способы
решения которой неизвестны или известны не полностью.
Page 16
П Р И М Е Р Ы
2.1. Ускорение свободного падения
Аристотель
(384-322 до н.э.)
Наблюдения показывают, что
перышко парит в воздухе гораздо
дольше падающего камня.
Скорость падения
пропорциональна массе тела:
чем больше масса тела, тем тело
быстрее падает.
Галилей
(15.02 1564 - 8.01.1642)
Метод абстрагирования и
упрощения
(идеализация).
На Земле в отсутствии
сопротивления воздуха все тела
падают с одним и тем же
ускорением.
Page 17
Камень и перо брошены одновременно
в воздухе (а) и вакууме (б)
Все с детства знают, что то-то и то-то
невозможно. Но всегда находится невежда, который
этого не знает. Он – то и делает открытие
А. ЭйнштейнВо времена Галилея провести
эксперимент в вакууме было
невозможно.
Говорят, что Галилей демонстрировал
ложность утверждения
Аристотеля, бросая предметы с
накренившейся башни в итальянском
городе Пиза.
Page 18
Мяч и листок бумаги брошены
одновременно (а), тот же опыт, но
бумага скомкана (б)
На полюсе g=9,832 м/с2
На экваторе g=9,780 м/с2
На Луне g=1,623 м/с2
Ускорение свободного паденияВоздух оказывает сопротивление
любому падающему телу. Чем
больше будет площадь
поверхности листа, тем больше
сопротивление воздуха и тем
медленнее он будет падать.
Какой принцип положен в устройство
работы парашюта?
Page 19
Аристотель
Находящееся на земле
тело, получившее начальный
толчок, всегда останавливается.
Естественное состояние тела -
покой, а движется оно только под
влиянием силы или импульса.
Отсюда следовало, что тяжелое тело
должно падать быстрее
легкого, потому что оно сильнее
притягивается к Земле.
Галилей
Если мысленно представить, что
трение отсутствует, то тело,
получившее начальный толчок на
горизонтальной поверхности,
продолжало бы двигаться
безостановочно в течение
неопределенно долгого времени.
ВЫВОД:
естественным состоянием тела
является покой
ВЫВОД:
для тела состояние движения
также естественно, как и
состояние покоя
2.2. Естественное состояние тела
Галилео Галилей стал использовать опыт, как средство проверки гипотез и
обнаружения новых фактов. Он доказал, что в суждениях о природе необходимо
оперировать свойствами, которые можно точно измерить.
Page 20
2.3. Представления о форме Земли
2.3.1. Земля плоская.
Первоначально у людей было представление, что Земля
плоская и лежит на большой черепахе или ките. В те
времена люди жили на очень ограниченном пространстве
и мало путешествовали.
С развитием мореплавания было замечено, что земная
поверхность имеет некоторую кривизну.
2.3.2. Земля сферическая.
Первым предложил считать Землю шаром Пифагор.
В 340 г. до н. э. Аристотель в своей книге ―О небе‖
приводил доводы в пользу того, что Земля имеет
сферическую форму.
Первые неопровержимые доказательства шарообразности Земли были
получены в XVI в., когда Фернан Магеллан совершил первое в истории
человечества кругосветное плавание (1519–1522 гг.). Этим путешествием
было доказано наличие единого Мирового океана и получено практическое
доказательство шарообразности Земли.
Page 21
2.4. Элементарные частицы
• Греческий философ Демокрит назвал
простейшие нерасчленимые частицы
атомами (от греч. ἄτομος – ―неделимый‖).
• Но в конце XIX века было открыто
сложное строение атомов, был выделен
электрон как составная часть атома. Уже
в XX веке, были открыты протон и
нейтрон – частицы, входящие в состав
атомного ядра.
Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к
микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на
составные части.
Page 22
Атом был изучен благодаря эксперименту английского физика, лауреата
Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда.
Эрнест Резерфорд
(1871-1937)
Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении их
через золотую пластину, Резерфорд пришел к
выводу, что в центре атомов существует массивное
положительно заряженное ядро.
Чуть позже Резерфорд предложил планетарную
модель атома, представляющую собой подобие
Солнечной системы: в центре - положительно
заряженное ядро, вокруг него по орбитам движутся
отрицательно заряженные электроны.
Резерфорд, заложивший основы учения о
радиоактивности и строении
атома, экспериментально доказал существование
протонов и высказал предположение о возможности
существования нейтральной частицы - нейтрона.
Учениками Резерфорда были Петр Капица и Юлий
Харитон.
Page 23
• Поначалу на все открытые частицы смотрели
точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их
считали неделимыми – основными кирпичиками
мироздания.
• Со временем к уже известным элементарным
частицам прибавлялись новые: пионы, мюоны
(1936г.), гипероны… В 1986 году было известно
более 400 элементарных частиц.
• Все элементарные частицы превращаются друг
в друга, и эти взаимные превращения – главный
факт их существования.
• Превращения элементарных частиц можно
наблюдать при столкновениях частиц высоких
энергий.
Page 25
Б.А.К. ЦЕРН
Ускоритель заряженных частиц на
встречных пучках, предназначенный
для разгона протонов и тяжѐлых
ионов и изучения продуктов их
соударений. Коллайдер построен в
научно-исследовательском центре
Европейского совета ядерных
исследований (ЦЕРН), на границе
Швейцарии и Франции, недалеко от
Женевы.
Large Hadron Collider
Page 26
A. Siemko
16/04/2007
CERN accelerator complex as proton and heavy ion injector for
LHCLarge Hadron
Collider
(LHC) 2008
Page 28
Научно-практический семинар
ЦЕРН внес вклад не только
в развитие физики высоких
энергий, но и в развитие
современных
информационных
технологий (в том числе и
образовательных), ведь
именно в нем зародилась
технология Всемирной
паутины (www) и был
разработан протокол HTTP.
C советником
генерального директора
CERN Тадеушем Куртыка
Программа семинара,
Алушта,
2012
Page 29
29
Big Bang
Expansion
Page 30
Артемовская научная станция Института ядерных исследований
Российской академии наук – Подземный телескоп
(г. Соледар Донецкой области )
В 1967 г. Институт ядерных исследований построил в выработках
шахты № 3 г. Соледар специальную установку для измерения
параметров нейтрино
Когда сгорает звезда (коллапс) происходит массовое выбрасывание
энергии, которая и уходит как раз через нейтрино
Почему Артемовск?
Соль является одним из самых низкофоновых веществ
на Земле – она имеет в 300 раз меньшую
радиоактивность, чем любое другое строительное
вещество. А еще для того чтобы ловить нейтрино,
нужно было избавиться от других космических
веществ и помех.
Page 31
(фото сделано через 16 лет после начала
взрыва при помощи оптического
телескопа Хаббл)
Звездная катастрофа – взрыв сверхновой SN1987A.
(фото сделано через 19 лет,
Телескоп Хаббл)
Page 32
Детектор находится на глубине 500 м
Детектор :
герметичная емкость (105 т),
диаметр 5 м,
высота ~ 6,5 м.
Установка оценивается в $15 млн.
Page 33
МОЖНО ЛИ ВЕРИТЬ НАШЕМУ
ЗРЕНИЮ?
Page 34
ПРИМЕРЫ СУБЪЕКТИВНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
2.5. ОБМАН зрения
Если бы мы привыкли судить о вещах по самой
истине, то искусство бы не могло иметь
места, равно как когда бы мы были слепы
Леонард Эйлер
Оптические иллюзии – это оптический обман нашего мозга. Глаз видит
изображение одного объекта, тем не менее мозг понимает этот объект по-своему.
Когда орган зрения получает картинку - включается большое количество процессов
в мозге, начинается анализ расположения основных граней и углов, структур цвета
или позиций источников света. И во многих случаях этот анализ бессознательно
есть неточным - происходит коррекция зрительных образов.
Типы оптических иллюзий:
1. Иллюзии восприятия цвета
2. Иллюзии движения
3. Иллюзии восприятия глубины
4. Иллюзии восприятия размеров
5. Стерео-иллюзии
Page 35
На пересечении линий заметны белые пятна. Эти пятна создают
иллюзию концентрических кругов
Page 36
Обратите внимание на узловые точки.
Какого они цвета – черного или белого?
Узловые точки белого цвета!
Page 37
Возникает иллюзия, что рисунок пульсирует
(иллюзия движения)
Page 38
Видите волнообразное смещение?
Это не анимация – картинка статична
Page 39
Какой отрезок больше – А или Б?
Какой отрезок больше А-Б или Б-В?
Какое расстояние больше – между
точками А и Б или между
точками В и Г?
(отрезки одинаковы)
(отрезки равны между собой)
(расстояние одинаково)
Page 40
В действительности на рисунке изображены концентрические круги.
В этом можно убедиться, обведя один из них острием карандаша.
Подобные и многие другие явления, обусловленные субъективным восприятием
наших органов чувств, создают затруднения для наблюдателя.
А что видите Вы?
Человеческий глаз видит на рисунке систему спиралей, исходящих из общего
центра.
Page 41
3D изображение.
Использование очков с двухцветными стеклами
Красный фильтр пропускает только красные тона, т.к.другие цвета проходят через
фильтр ослабленными, а голубой – голубые.
Это позволяет разделить изображения для двух глаз, если на экран одно
изображение (снятое одной камерой) будет проецироваться через красный, а другое
(полученное второй камерой) – через зеленый (или синий) фильтр. Смотря на экран
через очки соответствующих цветов, мы увидим объемное 3D изображение.
Цветопередача в таких очках будет искажена из-за подавления многих цветов.
Один глаз видит почти ту же картинку, что и
второй, но с небольшим смещением.