Введение
Вы когда-нибудь наблюдали за тенью солнечным днем? Идут два человека разного роста, и по их теням видно, кто выше. Можно догадаться, что длина тени пропорциональна высоте тела, которое ее отбрасывает (см. рис. 1).
Рис. 1. Длина тени пропорциональна высоте тела
Проверим: если поставить две палки, длина которых отличается в 2 раза, длины их теней будут отличаться тоже в 2 раза (см. рис. 2).
Рис. 2. Эксперимент по проверке пропорциональности длины тени высоте тела
Теперь мы можем найти высоту дома: измерьте тень своего друга и тень дома. Во сколько раз тень дома длиннее тени друга, во столько раз дом выше друга (см. рис. 3).
Рис. 3. Нахождение высоты дома
А потом спросите высоту дома у того, кто знает, и похвалите себя за точность.
А древние греки по тени от Солнца смогли с высокой точностью вычислить радиус Земли!
Этим и занимается физика: исследовать явление, выявить закономерность и применить ее на практике.
Определение радиуса Земли
Еще древние греки, а именно Эратосфен Киренский, смогли вычислить радиус Земли.
Египтяне и греки заметили, что во время летнего солнцестояния Солнце освещает дно глубоких колодцев в Сиене, а в Александрии – нет (см. рис. 4).
Рис. 4. Освещение колодцев
Солнце находится настолько далеко от Земли, что его лучи можно считать параллельными. Александрия и Сиена лежат на одном меридиане, и рисунок лежит в одной плоскости (см. рис. 5).
Рис. 5. Положение городов Александрия и Сиена
Обратите внимание: солнечный луч вместе со стенкой колодца и поверхностью Земли образовывает треугольник (см. рис. 6).
Рис. 6. Ход луча в колодце Александрии
Его можно считать подобным треугольнику, образованному центром Земли, Александрией и Сиеной (см. рис. 7).
Рис. 7. Подобие треугольников
Тогда расстояние между Сиеной и Александрией относится к радиусу Земли, как ширина колодца относится к глубине, которой в колодце достигают солнечные лучи.
В науке недостаточно действовать по интуиции. Интуиция помогает построить догадку, объясняющую явление, и которую нужно проверять. Исследования бывают сложнее, чем наше с тенью, и важно разделить способы исследования и осознанно их применять.
Проследим, какая была схема нашего исследования тени. Оно началось с наблюдения: мы смотрели на тени людей. На основе наблюдений мы сделали предположение (гипотезу), что длина тени пропорциональна высоте. Ее мы проверили на опыте: измеряли тени от палок известных длин. Она подтвердилась, и выявленную закономерность мы применили на практике, узнав высоту дома.
Теперь рассмотрим подробнее: изучение провоцируется наблюдением. Что-то происходит само собой, а мы это наблюдаем и замечаем.
Значение слова «гипотеза»
Слово «гипотеза» имеет древнегреческое происхождение: ὑπόθεσις. Тезис – это утверждение, точное суждение. Приставка гипо- означает «под» или «ниже». Слышали о болезни гипотонии? Это пониженное давление.
Таким образом, гипотеза – это «недоутверждение», она «ниже утверждения», утверждение, которое еще необходимо доказать.
Затем мы формулируем гипотезу – это предположение или догадка, которую мы делаем на основе наблюдений и которую следует проверить. В примере с тенями гипотеза состояла в том, что длина тени пропорциональна высоте предмета.
Чтобы проверить гипотезу, применяем следующий метод: ставим опыт или эксперимент. При наблюдении может возникнуть иллюзия. Например, нам кажется, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие (см. рис. 8).
Рис. 8. Представление, что более тяжелые тела падают быстрее, ошибочно
Они действительно падают по-разному из-за сопротивления воздуха (см. рис. 9), но трудно представить, чтобы даже в безвоздушном пространстве перо падало так же, как гиря.
Рис. 9. Действие сопротивления воздуха
Чтобы узнать, нужно проверить, провести опыт, и избавиться от иллюзий личного восприятия.
Гипотеза, которую нельзя проверить
Согласно Попперу, философу, который занимался проблемами научного познания, имеют смысл лишь те теории, которые можно проверить. Теория считается научной, если существует возможность ее опровергнуть, даже если этого не сделали. Например, по закону всемирного тяготения все тела, обладающие массой, притягиваются. Возможность опровергнуть этот закон есть: для этого нужно найти две массы, которые не будут притягиваться. Этого не сделали, но принципиальная возможность есть.
Существование бога нельзя проверить экспериментально, не придумали такого эксперимента, который мог бы его опровергнуть. А это, по Попперу, – признак ненаучной теории. В этом и отличие: если научные теории рано или поздно проверяются экспериментально, то в бога люди просто верят или не верят.
Наблюдение
Наблюдение ведется со стороны, а во время опыта мы, наоборот, сами создаем условия, при которых будет происходить явление. Чтобы изучать конкретное явление и находить зависимость, нужно отбросить всё лишнее, на что можно не обращать внимания в эксперименте. Это называется построить модель. Например, мы не обращаем внимания на то, что днем солнце высоко над горизонтом, а вечером низко: в опыте мы проводим измерения на протяжении короткого времени, и движением солнца на небосводе пренебрегаем.
Опыт
Опыт без гипотезы не имеет смысла: когда мы ставим опыт, мы должны понимать, чего мы хотим добиться, каких результатов можно ожидать и что они будут означать: подтверждение гипотезы или опровержение.
Примеры изучения явлений в повседневной жизни
Мы в квартире чувствуем сквозняк, а это поток воздуха (см. рис. 10).
Рис. 10. Поток воздуха
Воздух должен попадать в квартиру и покидать ее. Делаем предположение, что для сквозняка в квартире должны быть открыты одновременно два окна (см. рис. 11).
Рис. 11. В квартире открыты два окна
Проводим опыт: закрываем все окна – сквозняка нет. Открываем одно окно – сквозняка нет. Открываем два окна – сквозняк появляется. Наше предположение оказалось правильным.
Почему за закрытой дверью плохо слышно звуки? Мы наблюдаем, что, когда дверь открыта, слышно хорошо, когда закрыта – хуже (см. рис. 12).
Рис. 12. Хорошая слышимость
Дерево плохо проводит звук? Почему тогда хорошо слышен стук в дверь? Значит, дерево хорошо проводит звук. В чем дело? Проведите эксперимент: закройте дверь, попросите кого-то постучать по какому-то предмету, например по чашке. Один раз, прислонив чашку к двери, а второй раз – отойдя на шаг от двери. Во втором случае будет плохо слышно, потому что звук будет отражаться на границе воздуха и древесины.
Используя это явление, можно переговариваться через стены, прикладывая к ним железные кружки (см. рис. 13).
Рис. 13. Способ переговоров через стену
Кружка хорошо вибрирует под действием голоса, а затем звук передается без воздушной прослойки через стену.
Почему телефон на одном и том же заряде работает разное время?
Мы находим закономерности далеко не только на уроках физики.
Например, можно наблюдать, что мобильный телефон держит заряд не всегда одинаково долго. От чего это зависит? Обычно используют его для Интернета, слушают музыку, и совсем немного разговаривают. Делаем предположение, гипотезу, что музыка и Интернет требуют разного потребления энергии. Как это проверить? Провести опыт, включить на заряженном телефоне музыку до полной разрядки, а потом сделать то же самое с Интернетом и сравнить, в каком случае батарея прослужит дольше. Так мы когда-нибудь сможем правильно выбрать, чем развлечься в дороге без розетки, чтобы телефон не выключился.
Когда мы провели опыт и сделали выводы, мы можем применить полученные знания – сделать важный переход от знания к его применению.
Применение
В механике люди перешли от исследования полета тела, брошенного под углом к горизонту (см. рис. 14), к созданию артиллерийских орудий.
Рис. 14. Тело, брошенное под углом к горизонту
Еще пример. Люди перешли от прыгающей крышки кипящего чайника к паровой машине: в обоих случаях пар заставляет что-то двигаться, и в случае с машиной мы извлекли из этого пользу (см. рис. 15).
Рис. 15. Тепловоз
Перешли от исследования нагревания тел к борьбе с глобальным потеплением (см. рис. 16).
Рис. 16. Работающие заводы
В геометрической оптике исследуем, как свет меняет направление на границе двух сред (см. рис. 17), чтобы затем направить его так, как нам нужно: на матрицу фотоаппарата, в близорукий или дальнозоркий глаз.
Рис. 17. Изменение направления света на разделе двух сред
Согласно легенде, Архимед сумел направить солнечные лучи на вражеские корабли так, что они загорелись.
Исследуя звук, заметили, что он имеет конечную скорость распространения в воздухе – около 340 м/с. Зная это, можно определить расстояние до грозового разряда (см. рис. 18).
Рис. 18. Исследование расстояние до грозы
Если мы услышали гром через 3 секунды после вспышки молнии, разряд произошел на расстоянии 
. По такому же принципу работает аппарат УЗИ: посылается ультразвуковой сигнал и засекается время, через которое он отразится от внутреннего органа и вернется к датчику.
В физике наблюдали за почернением фотопленки под действием рентгеновских лучей (см. рис. 19).
Рис. 19. Влияние рентгеновских лучей
Причем эти лучи хорошо проходят через мягкие ткани организма и плохо проходят через костную ткань – по этому принципу вам делают рентгеновские снимки.
Схема «наблюдение – гипотеза – модель – опыт» не единственно возможная. Например, в астрономии наблюдение – основной метод исследований. Мы же не можем расставить звезды, как нам нужно, и посмотреть, что будет. В таком виде опыт невозможен.
Обратите внимание, как получилось с открытием законов Кеплера, по которым движутся планеты. Астроном Тихо Браге проводил систематические наблюдения за движением планет, собрав большой массив данных об этом движении. Иоганн Кеплер на основании собранных данных вывел закон движения планет. И для проверки закона Кеплер мог воспользоваться снова результатами наблюдений Браге.
Еще один пример – исследования в области экологии Земли. Важный вопрос: выживет ли человечество при таком воздействии на окружающий мир? Прямо проверить это нельзя, но можно изучать модели: изолированные сообщества, островитян, сравнивать их цивилизации.
Новая гипотеза может возникнуть при проведении опыта. Когда стали создавать и испытывать всё более мощные пушки, заметили, что снаряд летит намного дальше, чем предсказывали расчеты. Это происходит из-за того, что снаряды покидают плотные слои атмосферы и там летят почти без сопротивления воздуха. Эксперимент вышел за пределы модели, в которой воздух считали однородным, потребовалась новая модель и новые эксперименты.
Почему чайник закипает за разное время?
Попробуйте исследовать такое явление: нагревание воды в электрочайнике. Мы каждый день наблюдаем, как закипает чайник, и замечаем, что чем больше в нем воды, тем дольше она закипает, тем больше требуется энергии.
Выдвинем гипотезу, что количество энергии пропорционально количеству воды в чайнике. Нужно провести опыт: попробовать вскипятить сначала два стакана воды, а затем четыре, и сравнить время (см. рис. 20).
Рис. 20. Проведение опыта
Создаем модель: мы не можем измерить энергию, выделяемую чайником, но можем измерить время работы чайника. Будем считать, что энергия выделяется равномерно, и, если времени пройдет в 2 раза больше, значит, энергии выделилось в 2 раза больше. Считаем, что энергия расходуется только на нагревание воды. Мы исследуем, как требуемая энергия зависит только от количества воды. Понятно, что теплая вода закипит быстрее, чем холодная, значит, нужно взять воду одинаковой температуры. Теперь остается провести опыт. Вы можете провести его самостоятельно. Если с четырьмя стаканами воды чайник будет закипать в 2 раза дольше, чем с двумя, наша гипотеза подтвердится.
Действительно, количество теплоты, необходимое для нагревания, равно 
. Оно пропорционально массе вещества 
, это мы проверили, изменению температуры 
, которое в нашем опыте было одинаковым (от комнатной температуры до кипения), а коэффициент 
характеризует свойства вещества. У нас в опыте была вода с одним и тем же .
Если с четырьмя стаканами воды чайник будет закипать слишком долго, какие выводы можно сделать? Или гипотеза окажется неверной, или, скорее всего, были существенные потери энергии на нагревание воздуха вокруг чайника, которыми мы несправедливо пренебрегли. Попробуйте провести опыт в теплой закрытой комнате и на холодном ветру и проследите, как изменится время закипания.
Рассмотренные методы – это и есть наши инструменты для исследования физических явлений.
Список литературы
- А.В. Перышкин Физика 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений, 2-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2013. – 221 с.
- Ф.Я. Божинова, Н.М. Кирюхин, Е.А. Кирюхина. Физика 7 кл.: Учебник. – Х.: Издательство «Ранок», 2007, 192 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
- Что такое гипотеза?
- Чем отличается проведение опыта от наблюдения?
- Задача: рост папы – 180 см, рост сына – 90 см. Определите тень, которую отбрасывает сын на асфальт, если папа, стоя рядом с сыном, отбрасывает тень длиной 90 см.
