Введение. § 3. Научные методы изучения природы — с. 10
§ 3. Вопрос 1. Как получают знания о явлениях природы?
Знания о явлениях природы получают с помощью научных методов. Сначала явление наблюдают с помощью органов чувств или приборов. Затем проводят опыты (эксперименты) в специально созданных условиях и выполняют измерения. На основе наблюдений и опытов выдвигают гипотезы — предположения о закономерностях или причинах явления — и проверяют их новыми опытами. Из найденных закономерностей, записанных на языке математики (формулами), создают теорию, которая объясняет широкий круг явлений и предсказывает новые.
§ 3. Вопрос 2. В чём разница между наблюдением и опытом?
При наблюдении явление изучают таким, каким оно происходит в природе или в жизни, не вмешиваясь в его ход; пользуются органами чувств или приборами (например, наблюдение звёздного неба в телескоп). Опыт (эксперимент) — это воспроизведение явления в специально созданных условиях: исследователь сам вызывает явление, меняет условия, повторяет его и проводит измерения. Так, в опыте можно изменять один фактор, оставляя остальные неизменными, а при наблюдении этого сделать нельзя.
§ 3. Вопрос 3. Может ли гипотеза быть ошибочной?
Как определить истинность гипотезы?
Да, гипотеза может оказаться ошибочной, ведь это лишь предположение. Например, гипотеза «более тяжёлое тело всегда падает быстрее лёгкого» не подтвердилась опытом: комок бумаги упал быстрее расправленного листа той же массы. Истинность гипотезы определяют опытом: из гипотезы делают следствия и проверяют их в специально поставленных экспериментах. Если результаты опытов согласуются со следствиями, гипотеза подтверждается; если противоречат — она опровергается и её заменяют или уточняют.
§ 3. Вопрос 4. Назовите основные этапы цикла научного познания.
Цикл научного познания включает следующие этапы: наблюдение явления; постановка опыта; выдвижение гипотезы; проверка гипотезы опытом; построение теории; проверка теории опытом. Если предсказания теории не подтверждаются опытом, теорию уточняют, делают новые предсказания и проверяют их, то есть цикл повторяется, как бы по развёртывающейся спирали, приводя ко всё более полному познанию явлений природы.
§ 3. Дополнительный вопрос 1. Летним утром на траве обнаружили капельки росы. На наружной стороне специально охлаждаемого сосуда получены капельки влаги. В каком случае явление образования росы изучалось путём наблюдения, а в каком — путём постановки опыта?
Ответ поясните.
Капельки росы на траве обнаружили сами собой, без вмешательства человека, — это наблюдение: явление изучают в естественных условиях. Капельки влаги на наружной стороне специально охлаждаемого сосуда получены в условиях, созданных исследователем: он выбрал и изменял температуру сосуда, мог измерять её и повторять опыт. Это опыт (эксперимент). Опыт позволяет выяснить причину: водяной пар, содержащийся в воздухе, при охлаждении поверхности конденсируется в капельки воды.
§ 3. Дополнительный вопрос 2. Какие опыты вы предложили бы провести, чтобы проверить гипотезу о том, что различие во времени падения тел обусловлено сопротивлением воздуха?
Если причина — сопротивление воздуха, то при его отсутствии или уменьшении тела должны падать одинаково. Можно предложить такие опыты.
1) Одновременно уронить с одной высоты два одинаковых листа бумаги, один из которых расправлен, а другой скомкан. Скомканный лист падает быстрее, значит, форма (сопротивление воздуха) влияет на время падения при одинаковой массе.
2) Положить маленький листок бумаги на верхнюю поверхность тяжёлой книги и уронить книгу. Листок прижимается воздушным потоком и падает вместе с книгой, то есть без заметного сопротивления воздуха падение одинаково.
3) Взять трубку Ньютона: поместить в стеклянную длинную трубку дробинку и пёрышко, перевернуть трубку и сравнить падение при воздухе в трубке и после откачивания воздуха насосом. Без воздуха тела падают одновременно.
4) Сбрасывать с одной высоты тяжёлые тела разной массы (стальные шары), для которых сопротивление воздуха мало: они достигают земли почти одновременно.
Вывод: если без воздуха тела падают одновременно, гипотеза подтверждается.
1) Одновременно уронить с одной высоты два одинаковых листа бумаги, один из которых расправлен, а другой скомкан. Скомканный лист падает быстрее, значит, форма (сопротивление воздуха) влияет на время падения при одинаковой массе.
2) Положить маленький листок бумаги на верхнюю поверхность тяжёлой книги и уронить книгу. Листок прижимается воздушным потоком и падает вместе с книгой, то есть без заметного сопротивления воздуха падение одинаково.
3) Взять трубку Ньютона: поместить в стеклянную длинную трубку дробинку и пёрышко, перевернуть трубку и сравнить падение при воздухе в трубке и после откачивания воздуха насосом. Без воздуха тела падают одновременно.
4) Сбрасывать с одной высоты тяжёлые тела разной массы (стальные шары), для которых сопротивление воздуха мало: они достигают земли почти одновременно.
Вывод: если без воздуха тела падают одновременно, гипотеза подтверждается.
§ 3. Дополнительный вопрос 3. Вам поставлена задача определить, как зависит время таяния данного кусочка льда от температуры окружающего воздуха. Приведите последовательность ваших действий, аргументируйте её.
Последовательность действий.
1) Подготовить несколько одинаковых кусочков льда одной массы (например, по 20 г), взятых из морозильника при одной температуре, и одинаковые сосуды или блюдца. Одинаковые условия нужны, чтобы менялась только одна величина — температура воздуха.
2) Поместить кусочки льда в помещения или ёмкости с разной, но постоянной температурой воздуха, например 10 °C, 20 °C, 30 °C, измеряя температуру термометром. Выбор нескольких температур нужен, чтобы увидеть зависимость, а не единичное значение.
3) Включить секундомер в момент помещения льда и остановить, когда лёд полностью растает. Время фиксируют для каждой температуры.
4) Опыт для каждой температуры повторить 2–3 раза и взять среднее значение: это уменьшает влияние случайных ошибок.
5) Записать результаты в таблицу (температура, время таяния), построить график и сделать вывод. Типичный результат: чем выше температура воздуха, тем меньше время таяния.
Оговорка: числовые значения температур и масс выбраны для примера; результат зависит от формы льда и условий опыта.
1) Подготовить несколько одинаковых кусочков льда одной массы (например, по 20 г), взятых из морозильника при одной температуре, и одинаковые сосуды или блюдца. Одинаковые условия нужны, чтобы менялась только одна величина — температура воздуха.
2) Поместить кусочки льда в помещения или ёмкости с разной, но постоянной температурой воздуха, например 10 °C, 20 °C, 30 °C, измеряя температуру термометром. Выбор нескольких температур нужен, чтобы увидеть зависимость, а не единичное значение.
3) Включить секундомер в момент помещения льда и остановить, когда лёд полностью растает. Время фиксируют для каждой температуры.
4) Опыт для каждой температуры повторить 2–3 раза и взять среднее значение: это уменьшает влияние случайных ошибок.
5) Записать результаты в таблицу (температура, время таяния), построить график и сделать вывод. Типичный результат: чем выше температура воздуха, тем меньше время таяния.
Оговорка: числовые значения температур и масс выбраны для примера; результат зависит от формы льда и условий опыта.