Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

       

§ 5. Приближенный характер физических теорий

Необходимость упрощения реальных явлений

Не следует думать, что только фундаментальные теории базируются на фактах, а конкретные явления можно объяснить на основе этих теорий без обращения к эксперименту. Сейчас мы в этом убедимся.

Любое явление, любой процесс, свойства любого конкретного тела бесконечно сложны, поэтому, приступая к исследованию физического явления, мы должны выделить то главное, от чего это явление зависит существенным образом, и отбросить второстепенные обстоятельства, которые в рассматриваемом явлении не играют существенной роли.

Без такого упрощения исследование физических явлений немыслимо. Самые простые явления приводили бы к сложным, неразрешимым теоретически задачам.

Например, падение камня принадлежит к числу простых явлений. Главный фактор здесь — притяжение к Земле. Но имеется еще целый ряд обстоятельств, влияющих на падение камня: сопротивление воздуха, вращение Земли, ее форма (Земля сплюснута у полюсов), притяжение к окружающим телам, к планетам и т. д. Все эти влияния действительно есть, но почти всеми ими можно (и даже нужно) пренебречь. Иначе задачу о падении камня вообще невозможно было бы решить.

В данном случае все просто и основной фактор можно выделить сразу. Но так обстоит дело далеко не всегда. Попробуйте ответить на вопрос: что в основном определяет подъемную силу крыла птицы или самолета?

Упрощенная модель явления

Подчеркнем одно коренное отличие физического метода исследования от математического.

В математике при образовании основных понятий раз и навсегда отвлекаются от качественного своеобразия объектов, выделяя существенные для математики количественные отношения, и далее имеют дело с логическими следствиями первоначальных положений. Например, в геометрии раз и навсегда вводится понятие точки, и затем с ним оперируют, не заботясь о том, существуют ли точки в природе.

В физике при анализе каждого нового явления нужно уметь каждый раз выделять существенное в нем и, следовательно, определенная идеализация, упрощение реальных обстоятельств всегда должны иметь место. Например, в физике тоже вводится понятие материальной точки как тела, обладающего массой, но не имеющего размеров. Однако в физике это понятие всегда рассматривается как некоторое приближение к действительности, которое справедливо только при определенных условиях. Каждый раз нужно выяснять, выполняются эти условия или нет. Так, при рассмотрении притяжения планет к Солнцу размеры планет и Солнца намного меньше расстояний между ними. Поэтому и планеты и Солнце можно считать материальными точками. Такое упрощение позволяет сравнительно легко установить характер движения планет.

Но если расстояния между взаимодействующими телами не очень велики по сравнению с их размерами, то считать их материальными точками уже нельзя. Например, движение искусственных спутников и даже Луны заметно зависит от размеров и формы Земли.

Итак, при рассмотрении явлений нужно прежде всего определить, какой упрощенной моделью можно заменить происходящее в действительности сложное явление.

Объяснение конкретных явлений невозможно без опоры на эксперимент

Теперь вернемся к роли эксперимента в объяснении конкретных физических явлений.

Мы не можем чисто теоретически установить, пригодна ли данная упрощенная модель для описания конкретного явления. Чтобы теоретически оценить влияние различных факторов на явление, нужно сначала все их учесть, а потом сравнить их роль. Но это немыслимо из-за громадной сложности и многообразия влияний, определяющих реальный процесс.

Только опыт дает нам уверенность в правильности той или иной модели явления. Правда, далеко не всегда нужны специальные опыты. Часто можно опираться на сведения, взятые из уже известных экспериментов, не имеющих непосредственного отношения к рассматриваемой задаче.

От чего зависит выбор упрощенной модели явления?

Для понимания сущности физического метода исследования важно еще одно обстоятельство. Выбор той или иной упрощенной модели определяется не только свойствами самого исследуемого объекта, но зависит также от характера процессов, которые мы намерены изучать. Приведем два примера.

Пример 1. Пусть исследуемым объектом будет металлический диск, подвешенный на упругой проволоке, длина которой намного больше размеров диска. Если нас интересует вопрос о периоде линейных колебаний диска (период — время, в течение которого диск возвращается в исходное положение после того, как проволока отклонена в вертикальной плоскости на некоторый угол), то можно не учитывать распределение массы в диске и считать его точкой. Период колебаний определяется только длиной проволоки й ускорением, сообщаемым Землей всем телам у ее поверхности. Распределение масс и упругие свойства диска тоже влияют на период, но это влияние мало и им можно пренебречь.

Изучая крутильные колебания диска (колебания вокруг проволоки как оси), мы уже не имеем права пренебрегать распределением масс, так как именно оно определяет значение периода. Но здесь можно не учитывать малые деформации диска (а они обязательно есть) и рассматривать диск как абсолютно твердое тело.

Теперь ударим по диску молоточком. Он зазвенит, так как в нем возникнут упругие колебания. При изучении этих колебаний мы уже не можем считать диск абсолютно твердым.

Итак, от характера изучаемого явления зависит, какие свойства диска необходимо учитывать, а какими можно пренебречь.

Пример 2. Если нас интересуют только механические и тепловые свойства разреженного газа, то приблизительно объяснить эти свойства можно, рассматривая молекулы газа как маленькие упругие шарики, движущиеся хаотически, сталкивающиеся друг с другом и со стенками сосуда. Давление на стенки сосуда как раз и обусловлено этими соударениями. Мы можем даже экспериментально осуществить эту модель газа. Горошины могут моделировать молекулы, а их хаотическое движение можно возбудить с помощью колеблющихся стенок сосуда. Но оптические свойства газа такая модель объяснить совершенно не в состоянии.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru