Предмет и структура физики, методы изучения физических явлений

п.1. Предмет и объект изучения физики

Физика – это наука о природе в самом общем смысле. Сам термин «фюзис» - в переводе с древнегреческого «природа» - впервые появляется в работах Аристотеля (IV век до н.э.). При этом «природа» в понимании философа – это не просто окружающая среда, а сущность составляющих её вещей и событий в ней, а познание «природы» - это наблюдение, понимание и объяснение событий.

Примеры наблюдений и объяснений:

Механические, молекулярные, тепловые, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные явления, которые изучает физика, - это наиболее простые и наиболее общие формы движения материи. Они присутствуют в более сложных формах, изучением которых занимаются химия, биология, астрономия, география и другие науки.

Мы воспринимаем окружающий мир с помощью ощущений (зрение, обоняние, осязание, вкус). Построенные нами приборы дополняют наши органы чувств, но и от них мы воспринимаем информацию в основном через зрение.

п.2. Место физики среди других наук

Физика является естественной наукой, поскольку изучает природу. Наряду с физикой к естественным наукам относятся химия, биология, астрономия, география.

Физика является точной наукой, поскольку исследует количественно точные закономерности и использует строгие методы проверки гипотез, основанные на воспроизводимых экспериментах и строгих логических рассуждениях. К точным наукам также относят математику, химию, информатику и некоторые разделы биологии.

Физика является фундаментальной наукой, поскольку включает в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования материальных систем, и является основой для остальных естественных наук. Её понятия, законы, теории, методы и средства используются во всех областях науки и техники.

Физика является прикладной наукой в значительной части своих разделов и направлений (акустика, баллистика, гидродинамика, оптика, материаловедение и т.п.), где изучаются конкретные технологические и технические применения полученных знаний в приборах, установках, машинах и механизмах.

п.3. Физические явления

Окружающий нас мир заполнен твёрдыми, жидкими и газообразными физическими телами.

Примеры физических тел:

Песчинка

Пружина

Воздушный шар

Ракета

Планета

Любое физическое тело из чего-то состоит или из чего-то изготовлено.

Сегодня нам известны десятки миллионов веществ. Многие из них можно найти в природе, но гораздо больше создается и применяется человеком.

Примеры веществ:

Вода

Дерево

Металл

Пластмасса

Бетон

Примеры физических явлений:

п.4. Методы изучения физических явлений

Наблюдение и опыт – два основных метода изучения физических явлений.

Наблюдения происходят пассивно, без вмешательства в явление, но целенаправленно.
Например: наблюдение восхода Солнца, радуги, падения метеорита, исследования космического излучения.

Опыт – это активная форма познания природы в специально созданных условиях.
Например: опыт по изучению условий плавания тел, испарения жидкостей, теплоты сгорания топлива.

Процесс познания начинается с наблюдения. Затем формулируется гипотеза, ставится цель и разрабатывается план исследований. Затем – если это возможно – ставится опыт, а если нет – продолжаются наблюдения. На основании полученных результатов, делаются выводы.
Совместно наблюдения и опыты формируют эмпирический уровень научного исследования.

При формулировке гипотезы мы часто полагаемся на интуицию или «здравый смысл». Но действительность может оказаться неожиданной. Например, в знаменитом опыте Галилея деревянный и чугунный шары, брошенные с башни, упали на землю одновременно. Хотя «здравый смысл» подсказывал, что чугунный шар должен был упасть быстрее.
С развитием физики таких явлений, судить о которых на основании интуиции нельзя, становится всё больше. Такие явления называют контринтуитивными.

п.5. Построение физических теорий

Самостоятельным уровнем познания природы является создание физических теорий.

Физические теории обобщают наблюдения и опыты и объясняют те или иные явления. Кроме объяснений уже полученных результатов, теория должна также предсказывать новые явления на уровне гипотезы. Затем запускается эмпирическая проверка, рассмотренная нами выше. Если гипотеза подтверждается, она становится частью теории.

Интересно, что физика не ставит и не отвечает на вопрос «почему природу удается описывать именно с помощью математики»? Этот факт воспринимается как данность.

«Математика – это язык, на котором написана книга природы». Галилео Галилей (1564-1642), итальянский физик, механик, астроном, философ, математик

Примеры физических теорий:

• классическая механика;
• статистическая физика;
• классическая электродинамика;
• квантовая механика;
• специальная теория относительности;
• квантовая электродинамика;
• единая теория электрослабых взаимодействий;
• теория струн.

п.6. Задачи

Задача 1. Опишите 5 известных вам эмпирических исследований физических явлений по стадиям «наблюдение – гипотеза – опыт – вывод».

Задача 2. Назовите 5 явлений, реальная сущность которых оказалась контринтуитивной.