ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ В ФИЗИКЕ

Научный метод – это способ организации научного знания. Это не просто формальная процедура или детально разработанная схема исследования неизвестного объекта или явления, так как в любом исследовании следует наряду с определённой долей осторожности к новым идеям быть готовым воспользоваться неожиданным случаем (описать явление, зафиксировать тот или иной наблюдаемый факт) который случайно наблюдаем в эксперименте.

Физика, как и любая естественная наука – точная наука, поэтому её языком является математика, физические явления описываются количественно с её помощью, то есть все физические теории имеют математическое описание и подтверждение.

В физике существует множество физических величин – длина, время, масса, сила, импульс, энергия, температура и прочее. Эти понятия имеют не только числовые значения, но и размерность, единицу этой размерности, в которой физическая величина имеет данное значение. Например, мы утверждаем, что длина предмета равна 15, однако требуется обозначить, что это означает 15 см, или 15 км, или15 м.

Необходимо отметить, что и физические величины, их числовые значения, позволяют сравнивать объекты и результаты экспериментов разными учёными, для их понимания и описания.

Измерение физических величин

Естественная наука является точным исследованием природного объекта или явления благодаря измерению.

Измерение представляет собой сравнение изучаемой величины с однородной ей, которая принята за единицу.

Результат измерения – это число единиц, содержащееся в измеряемой величине.

В каждом языке есть названия различных природных объектов и явлений. Однако, без количественного исчисления, без сравнения предметов знания о них были бы неполными. Общение между людьми, расширение торговли, развитие науки потребовало создания системы количественных измерений, а измерение невозможно без счёта и без единиц измерения, с которыми сравнивают те или иные величины.

Самое простое измерение – счёт целыми числами, которыми можно измерить и сравнить количество одинаковых и неделимых предметов. Такой счёт привычен и удобен для человека.

Привычна для нас десятичная система счёта, общепринятая в настоящее время практически во всем мире, в ней единицы объединены в десятки, десятки в сотни и так далее. Существуют и иные системы счёта, например, в древнем Вавилоне пользовались шестидесятичной системой счёта. В настоящее время эта система используется для измерения времени: 60 секунд – 1 минута, 60 минут – 1 час, деление года на 12 месяцев, окружности на 360 градусов.

Существует двоичная система счёта, где за основание числа берётся не 10, как в десятичной системе, а 2. Такая система лежит в основе действия вычислительной техники.

Целые числа предназначены для количественного измерения предметов, но они не применимы для измерения расстояний, количества зерна, воды, поэтому необходимы единицы измерения, с которыми можно было бы сравнить эти величины. Протяжённость, длина объекта – первое, что человек научился измерять, как было сказано ранее измерение – это сравнение исследуемого объекта с эталоном, поэтому человеку проще всего было сравнивать протяжённость с тем, что было всегда «под рукой» – то есть части собственного тела.

Расстояние (длину) можно измерить шагами, сравнить его с размерами различных частей человеческого тела – рук, ног. В древнем Египте, Вавилоне, Греции единицей длины был локоть – длина руки человека от локтя до кончиков пальцев. В древней Руси единицы длины были: сажень – расстояние между концами пальцев разведённых в стороны рук; аршин, равный примерно длине руки; вершок – длина среднего сустава большого пальца.

Таким образом, стало ясно, что разномерность и разнообразие единиц усложняло не только повседневную жизнь человека (например, торговлю, строительство, образование, фармакологию), но и обмен сведениями, в том числе научными. Перевод одних единиц в другие было значительно труднее, чем перевод названия предметов с одного языка на другой, поэтому со временем стало ясно, что для всеобщего блага нужны одинаковые единицы.

Единицы мер в этом случае должны быть удобными и неизменными. Удобство единиц связано с тем, что результат измерения должен выражаться наименьшим количеством слов, хотя единой «удобной» единицы в науке придумать невозможно, так как измерять расстояния во Вселенной и размер атома «удобно» по-разному (расстояния во Вселенной меряют световыми годами, а сечения атомных ядер барнами). Для этого и существуют образцы – эталоны измерительных единиц. Главная характеристика эталона при этом, состоит в том, чтобы принятые единицы были одинаковыми во всех странах, а также, чтобы неизменность измерений было возможно проверить с помощью какого-то неизменного, природного (естественного) эталона.

Международная система единиц

Известно много систем единиц, различие между ними заключается в основополагающем начале.

Системой единиц называют совокупность единиц физических величин, связанных определёнными соотношениями.

Создание единой Международной системы единиц произошло во времена Великой французской революции в 1789 г. В Европе практически в каждом государстве была своя система единиц, свои меры. Группа французских учёных изобрела новую систему мер – метрическую «на все времена и для всех народов» и предложила всем странам принять её.

К концу 18 века в науке и технике появился целый ряд систем единиц, различающихся тем, что в одних (СГС) за основные единицы были приняты сантиметр, грамм-масса, секунда, в других (МКСГС) – метр, килограмм-сила, секунда. Авторы этих систем доказывали, что их система самая удобная, однако переход от одной системы к другой был затруднителен: например за единицу электрической ёмкости в системе СГС принималась ёмкость шарика радиусом 1 см, а в практической системе – ёмкость шарика радиусом в 9 млн. км (фарада).

Для введения новых единиц и систем собирали Международные генеральные конференции. В 1960 г. XI Генеральная конференция рассмотрела и утвердила единую Международную систему СИ (System Jnternational –SI) и рекомендовала во всех странах пользоваться только ею. СИ опирается на следующие основные единицы, из которых могут быть получены всевозможные единицы для измерения любых физических величин: метр, килограмм, секунда, кандела, ампер, градус Кельвина, моль, для измерения углов установлены дополнительные единицы – радиан и стерадиан.

Эталон длины

Существует множество единиц для измерения физических величин, но в настоящее время в науке в основном пользуются метрической системой единиц. В метрической системе за единицу длины принят метр. Метр первоначально был определён как 10^-7 расстояния от экватора до Северного полюса вдоль меридиана, проходящего через Париж. В 1795 году был изготовлен платиново-иридиевый стержень, который и стал эталоном метра, а в 1889 г. метр был официально определён как расстояние между двумя параллельными штрихами на этом стержне. По эталону (его копиям) производили, и производят калибры, измерительные инструменты.

Однако практическое применение такого эталона достаточно затруднительно.

Эталон времени

Единица времени – секунда, которая до недавнего времени была определена как 1/86400 продолжительности среднего солнечных суток – времени оборота Земли вокруг своей оси. Точные исследования проведённые по изучению вращения Земли показали.

В 1967 году в целях улучшения точности измерения времени приняли другую естественную единицу времени, используя атомные часы. Современные атомные часы зависят от характерных колебаний атома цезия. Секунда определена как промежуток времени, необходимый для совершения 9192631770 полных колебаний в атоме цезия. При таком определении времени ошибка составляет 1 с на 30000 лет.

Эталон массы

Единица массы – килограмм. Первый эталон килограмма – масса 1 литра воды при 4⁰С был неточным, так как весил на 27 мг (миллиграмм) меньше, чем изготовленный во Франции эталон килограмма = 10³граммов. Эталон килограмма изготовлен из сплава платины и иридия, такого же, как и эталон метра. Однако, в отличие от эталона длины масса эталона килограмма не меняется со временем, поэтому сравнивать его с копиями можно с большей точностью, до миллиардных долей. В настоящее время не существует естественного эталона массы.

Использование единиц измерения

Как правило, при изучении физики пользуются метрическими единицами системы СИ. Все физические величины имеют размерности и единицы, однако при числовых подстановках или написании числовых уравнений необходимо указывать единицы входящих в них величин. Например, утверждая, что пройденный путь равен произведению скорости движения объекта на время движения объекта можно запишем это утверждение кратко:

S = V ● t (1)

где: S – пройденный путь; V – скорость объекта; t – время движения объекта.

Это уравнение не содержит конкретных единиц величин, поэтому уравнение будет действительно для любой системы единиц, при условии их последовательного использования. Например,

50 км = 5 км/ч ● 10 ч

В уравнении должно быть не только числовое равенство, но и соответствие единиц физических величин. В правой части уравнения единица времени «час» присутствует ив числителе и в знаменателе, поэтому они сокращаются, оставляя единицу длины «км» в обеих частях уравнения.

Можно заменять любую единицу переводя одну размерность физической величины в другую. Например, чтобы выразить значение скорости 18 км/ч в м/с используем соотношения

1 ч = 3600 с и 1 км = 1000 м

Отсюда следует, что

1 ч /3600 с = 1 и 1000 м/1км = 1

Из математики известно, что любую величину можно умножать на единичный множитель без изменения значения (при этом меняем только шкалу), запишем:

18 км/ч= 18 км/ ч ● 1ч / 3600 с ● 1000 м /1 км = 18000 м/3600 с = 5 м/с*

* – красным и синим цветом выделены единицы, которые соответственно сокращаются

Любая единица в знаменателе всегда может быть записана с отрицательным показателем степени, например

30 м/с = 30 м ● с^-1

Показатель степени (–1) всегда означает «на». Такую запись бывает удобно использовать.

При решении физических задач необходимо указывать единицы физических величин (при записи данных, проверке уравнения), так как это позволит убедиться, что единицы физических величин в обеих частях уравнения одни т те же (иначе говоря, эквивалентны в том смысле, что преобразуются через переводной коэффициент).