Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 4. Физика - экспериментальная наука

Цель физики

Физика занимается изучением явлений, протекающих в природе. Бе цель: во-первых, отыскать наиболее общие законы природы; во-вторых, объяснить конкретные процессы действием этих общих (фундаментальных) законов. Наиболее глубоко происходящие процессы можно объяснить на основе определенных представлений о строении различных веществ. Выявление строения вещества также составляет задачу физики.

Общих законов природы или фундаментальных физических теорий сравнительно немного, но они охватывают огромную совокупность явлений. К числу таких фундаментальных теорий относятся: классическая механика Ньютона, термодинамика, статистическая механика, электродинамика, квантовая механика и немногие другие.

Открытие общих законов подготавливается в процессе развития науки, накопления новых фактов и совершается людьми, способными глубже проникнуть в суть явлений, чем их современники. В основном же труд физика состоит в поиске новых фактов и в приложении общих принципов к объяснению конкретных явлений. Не следует, однако, думать, что объяснение конкретного процесса на базе известных фундаментальных законов — простая вещь. Например, объяснить явление сверхпроводимости удалось лишь спустя 50 лет после создания квантовой механики — теории, в рамках которой можно это сделать.

Экспериментальный характер физики

Задачи, стоящие перед физикой, определяют особенности физического метода исследования.

При изучении физики уже недостаточно карандаша и бумаги — привычных принадлежностей математика. Требуется большее пространство, чем пространство стола, и большая поверхность, чем площадь доски. Дело в том, что физика в отличие от математики — экспериментальная наука. Ее законы основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем факты остаются, а истолкование их часто меняется в ходе исторического развития науки.

Факты устанавливаются главным образом в результате планомерных наблюдений. Бывают, правда, и случайные открытия, как, например, открытие А. Беккерелем радиоактивного распада урана.

Физические величины и их измерение

Экспериментальный характер физики определяет весь строй этой науки.

Исследование явлений начинается с наблюдения. Но при этом нельзя ограничиваться общим качественным впечатлением от явления. Человек должен выделить и зафиксировать в памяти те общие черты отдельных восприятий, которые повторяются и которые для него практически важны. Это ведет к образованию понятий, являющихся первым шагом на пути познания природы.

Следующий важный шаг в развитии научной мысли состоит в переходе к понятиям, допускающим количественные характеристики в форме числа. Необходимо найти количественные характеристики отдельных сторон явления в виде величин, доступных измерению. Дело это непростое: ведь надо догадаться, какие именно понятия могут служить для количественной характеристики явления.

Для того чтобы описать происходящие события и вскрыть их сущность, ученые вводят целый ряд строго определенных количественных понятий — физических величин: скорость, сила, давление, температура, электрический заряд и т. д. Каждой величине надо дать точное определение, в котором указать, как эту величину можно измерить, как провести необходимый для этого измерения опыт, чтобы получить ее количественное значение. В физике чисто словесного определения величины недостаточно. При определении математических величин мы не встречаем чего-либо подобного.

Можно смело утверждать, что какая-либо область физического знания вообще становится наукой лишь с того момента, когда мы вводим в нее измерения. Только благодаря возможности получать количественные значения физических величин мы можем точно предсказать наступление определенных событий. Например, если бы мы не умели измерять температуру, то никогда не смогли бы дать точный ответ на вопрос: когда закипит вода? Умея же измерять температуру, такой ответ можно дать без труда: вода закипит при температуре 100 °С. Следя за изменением температуры воды, мы можем предсказать момент закипания воды.

Обычно при определении физических величин просто уточняют и придают количественную форму тому, что непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Так вводят понятия силы, температуры и т. д. Но есть, конечно, величины, которые не воспринимаются нашими органами чувств, например электрический заряд. Но они могут быть выражены через другие величины, на которые органы чувств человека реагируют. Так, значение электрического заряда определяется по силам взаимодействия между заряженными телами.

Связи между физическими величинами

Чтобы из наблюдений над явлениями сделать общие выводы, найти причины явлений, надо установить количественные зависимости между различными величинами. Если такая зависимость найдена, то мы говорим, что открыт физический закон. Установление зависимостей между физическими величинами избавляет нас от необходимости делать в каждом отдельном случае опыт. С помощью несложных вычислений можно найти ответ на любой интересующий нас вопрос в данной области явлений.

Для установления зависимостей между физическими величинами необходимо от непосредственного наблюдения перейти к физическому эксперименту, при этом следует специально фиксировать условия, в которых протекает процесс.

Если меняются все условия сразу, то трудно уловить какие-либо определенные закономерности. Поэтому, проводя физический эксперимент, стремятся проследить зависимость одной величины от характера изменения каждого из условий по отдельности. Например, давление газа зависит от его массы, объема и температуры. Чтобы исследовать эту зависимость, надо сначала изучить, как влияет на давление изменение объема, когда температура и масса остаются неизменными. Затем проследить, как давление зависит от температуры при постоянных объеме и массе и т. д.

Теория

Изучая экспериментально количественные связи между отдельными величинами, можно выявить некоторые частные закономерности. На их основе создают теорию явлений, которая объединяет в одно целое отдельные законы. Теория, таким образом, находится в таком же отношении к отдельным законам, в каком законы относятся к отдельным явлениям. Она призвана объяснить частные закономерности с общей точки зрения.

Основные физические теории не могут быть построены чисто логически. Фундаментальные связи могут быть установлены только на основе эксперимента. Однако теория — это не простое объединение нескольких опытных закономерностей. Она является результатом творческой работы, размышления и воображения. Данные опытов неизбежно разрозненны. Многие важные детали могут быть упущены. Создавая теорию, ученый должен воссоздать цельную картину явлений.

Значение законов природы состоит в том, что они могут дать гораздо больше информации, чем опытные факты, с помощью которых эти законы получены. Если бы это было не так, то вместо современной науки мы имели бы разрозненные сведения о происходящих в природе процессах, но ничего не могли бы предсказать.

Теория позволяет не только объяснить уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые. Так, Д. И. Менделеев на основе открытого им периодического закона предсказал существование нескольких химических элементов, которые в то время не были известны. Английский физик Дж. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн.

С развитием и углублением теории появляется возможность дать истолкование многих понятий, введенных в начале исследования. Например, только с появлением молекулярно-кине-тической теории был вскрыт физический смысл температуры как средней меры интенсивности хаотического движения молекул.

В заключение подчеркнем, что справедливость физической теории доказывается тем, что вся совокупность следствий из нее согласуется с опытными фактами. Логическая непротиворечивость теории необходима, но не является достаточной для справедливости теории, как в математике. Можно построить логически безупречную теорию, которая не будет иметь никакого смысла, если не будет соответствовать фактам.