Экспериментальные и теоретические методы изучения физических явлений

Изучая курс физики, вы будете, подобно исследователям, пользоваться общим методом научного познания, а также экспериментальным и теоретическим методами исследования, т.е. теми методами, которые привели ученых к созданию современной науки. Как вы должны помнить, научный метод познания включает следующие этапы:

1) наблюдение определенной группы сходных явлений и исследование зависимости величин, характеризующих эти явления;

2) выдвижение гипотезы в виде принципа, образной модели или математической формулы;

3) теоретическое объяснение или предсказание новых явлений на основе логических выводов – следствий выдвинутой гипотезы;

4) экспериментальная проверка теоретических выводов.

Каждому этапу познания соответствуют определенные методы исследования, ведущие от незнания к знанию. Покажем применение этих методов исследования на знакомом примере изучения упругой деформации твердых тел.

1) Задача исследования: определить зависимость силы упругости пружины от ее деформации. План проведения исследования: растягивать пружину и через равные интервалы удлинения записывать соответствующие значения силы упругости. Приборы: динамометр, линейка.

2) Метод выдвижения математических гипотез в данном случае состоит в предположении, что экспериментально наблюдаемая закономерность является общей для всей группы явлений. Иначе говоря, при упругой деформации любого твердого тела модуль силы упругости прямо пропорционален деформации (после многочисленных проверок эта гипотеза получила статус закона Гука, по имени английского ученого, который открыл этот закон).

Очень важно установить границы применимости экспериментально полученного закона. При определенном удлинении пружины линейная зависимость нарушается, а при еще больших растяжениях пружина после снятия нагрузки не возвращается в исходное положение.

Линейная зависимость силы упругости от деформации соблюдается лишь при достаточно малых деформациях, пока деформация является упругой, т.е. когда при устранении деформирующей силы тело восстанавливает свой объем и свою прежнюю форму.

3) Обоснованно выдвинутая, экспериментально проверяемая гипотеза обладает эвристической, предсказательной силой благодаря теоретическим методам исследования. Чаще всего используемым теоретическим методом исследования является преобразование формул, выражающих физические величины и связывающие их законы. Это делается путем выражения величин через другие величины и последующей интерпретацией полученного результата. В нашем случае формулу, выражающую зависимость силы упругости от деформации, легко преобразовать и получить выражение для потенциальной энергии сжатой пружины.

Энергия сжатой пружины численно равна площади под графиком зависимости силы от деформации. Этот теоретический вывод можно экспериментально проверить. Но как? Нужно догадаться! При этом догадка должна быть осуществимой.

4) В поисках способа проверки мы должны исходить из имеющихся возможностей, из наличия приборов и оборудования. Этот способ может быть, например, таким. На краю классной доски канцелярским зажимом закрепим лабораторный динамометр. К крючку динамометра привяжем достаточно прочную и легкую нить, а к ее концу подвесим грузик массой 100 г. Пальцами оттянем грузик вниз на некоторое расстояние, которое измерим по шкале динамометра. Отметим на доске положение грузика в этот момент. Если мы отпустим грузик, то он под действием растянутой пружины подскочит на некоторую высоту. Используя закон сохранения энергии, рассчитаем эту высоту.

Чтобы убедиться в том, что теоретический вывод подтверждается экспериментально, вычислим абсолютную погрешность этого косвенного измерения.

Таким образом, мы описали применение метода научного познания и методов исследования на примере одной темы курса физики «упругая деформация твердого тела», которая была изучена вами в основной школе. Этим методом вы будете пользоваться впредь. Понятно, что, изучая явление, вы не будете каждый раз проходить все этапы познания одновременно. На уроках вы будете выполнять какую-то конкретную работу: наблюдать, измерять и систематизировать данные, выдвигать гипотезы, делать теоретические выводы, экспериментально проверять теоретические расчеты. Важно при этом осознавать, на каком этапе познания вы находитесь и какой шаг должен быть следующим.