Тема 2. Исследовательские методы в физике Салима Адер [email protected]

2.1. Естественнонаучный метод и участие физики как науки в его разработке. Общее и целенаправленное наблюдение, эксперимент. Потребность в моделях. Проверка выводов модели и развитие модели
Мы рассмотрим, в чём заключается сущность естественнонаучного метода (наблюдение-гипотеза-эксперимент-обработка данных-вывод). Вы узнаете, что при обобщении экспериментальных результатов переходят к модели и что модель описывает реальность в определённых фиксированных условиях, при их отсутствии модель не обязана давать результаты, находящие экспериментальное подтверждение. Рассмотрим также, почему выводы модели следует всегда проверять и что отличие выводов модели от экспериментальных результатов обуславливает необходимость для новых экспериментов и вследствие этого применения новых моделей.

Цель естественнонаучного метода заключается в получении научного знания о природных объектах и явлениях.
На рисунке представлена обобщённая схема научного метода познания:

Одним из основоположников научного метода познания в естествознании был гениальный итальянский физик Галилео Галилей (1564 – 1642 г.г.)

Физический закон — это выраженная словесно или математически в виде формулы необходимая связь между свойствами материальных объектов и/или обстоятельствами происходящих с ними событий, проявляющихся при определённых условиях в эксперименте.
Особая ценность получаемого из опыта закона состоит в том, что с его помощью часто можно описать не только изучаемое явление, но и ряд других явлений и экспериментов. Сравнительно небольшое число основных, фундаментальных физических законов достаточно для описания многих природных явлений. Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяющиеся связи — проявления законов природы.
Качественная формулировка законов может быть иногда дана без привлечения математического аппарата. Законы, записанные на языке формул, позволяют перейти к более высокой ступени познания. Эту ступень называют теорией.

Результаты теории постоянно проверяются экспериментом, являющимся критерием правильности теории. Опыт, эксперимент — это единственный судья научной истины.
Физический эксперимент представляет собой интереснейшее изобретение человечества. Скатывание деревянного брусочка по наклонной плоскости в кабинете физики и первый запуск атомного реактора — физические эксперименты. В понятие эксперимент, опыт будем вкладывать смысл наблюдения за явлением при контролируемых условиях, т.е. наблюдения с возможностью контролировать, воспроизводить и изменять желаемым образом внешние условия.
Физический эксперимент — воспроизведение природных или создание новых физических явлений и процессов в определённых условиях с целью исследования, испытания.

1

2.1.2. Потребность в моделях. Проверка выводов модели и развитие модели
Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить все процессы, с этими явлениями связанные. Поэтому нужно отбросить все второстепенные факты и выделить основные, т.е. суть явления. Этот процесс называется построением модели явления. В размышлениях создаётся основа наблюдаемого явления, его модель. Моделью может быть абстрактный или физический объект, исследование которого позволяет познавать существенные черты другого объекта — оригинала. Что является существенным для данного явления, а что несущественным, вопрос неоднозначный и сложный.
Границы применимости физической теории определяются пределами применимости используемой модели.

2.2. Измерение и результат измерения. Измерительная величина и значение измеряемой величины. Единицы измерения и развитие соответствующих соглашений. Международная система единиц измерения (СИ). Измерительные инструменты и измерительные средства. Закон об измерениях
Для получения общего акцептируемого результата измерения необходимо проводить измерения согласно закону об измерениях. Выясним разницу между величиной измерения и значением измеряемой величины, а также объясним понятия измерительный инструмент и поверка. Существуют основные величины международной системы единиц измерений (СИ) и их единицы измерения, а единицы других физических величин выражаются через единицы основных величин.
Любое измерение заключается в сравнении измеряемой величины с другой, однородной с ней величиной, принятой за единицу.

Эталоном называется средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение выбранной единицы физической величины, а также передачу размера единицы другим средствам измерений (т. е. вторичным эталонам и измерительным приборам).
При построении определённой системы единиц для нескольких произвольно выбираемых физических величин единицы устанавливают независимо друг от друга и называют основными. Единицы для остальных величин выражают через основные и называют производными. Число основных единиц и сам их выбор в разных системах единиц могут быть различными. В Международной системе единиц СИ (SI — System International) в качестве основных выбраны семь единиц: длины (l), массы (m), времени (t), температуры (T), количества вещества (n), силы электрического тока (A) и силы света (J).

Принятый в настоящее время эталон времени основывается на периоде колебаний, происходящих в атоме изотопа цезия-133 при его переходе между двумя определёнными энергетическими подуровнями основного состояния.
По определению единица времени — секунда — содержит 9 192 631 770 периодов таких колебаний.
Для установления основной единицы длины в настоящее время используется тот же самый эталон: по определению метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.
В качестве эталона массы служит определённое макроскопическое тело — платино-иридиевая гиря (килограмм), хранящаяся в Международном бюро мер и весов в Севре под Парижем, где хранится и первый эталон метра в виде металлического стержня.

Экспериментальные данные — это в основном численные значения физических величин, полученные в результате измерений.
Измерить какую-либо физическую величину — значит сравнить её с другой, однородной ей величиной, принятой условно за единицу.
Измерение — это определение значения физической величины опытным путём при помощи технических средств и измерительных приборов. Так, измеряя массу любого тела, мы должны сравнивать её с массой гири, хранящейся в Париже и которая по международному соглашению считается эталоном массы 1 кг.
Физическая величина — характеристика материального объекта (или явления), одинаковая в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

В качественном отношении физическая величина показывает, что все объекты какой-либо группы обладают определённым свойством. В количественном отношении она показывает, насколько интенсивно конкретный объект проявляет это свойство.
Каждая физическая величина имеет название и обозначение, например: длина — , масса — , количество теплоты — Q, удельная теплота плавления — λ. Так как физическая величина характеризует конкретный объект или явление, то в обозначении величины указывается этот объект (или явление) в виде индекса, например: масса первого тела — , масса второго тела — , масса раствора — , масса серебра — и т. п.
Род величины — качественная сторона этой величины, показывающая, какую особенность объекта данная величина характеризует.

Размер величины — количественная сторона этой величины, показывающая, насколько интенсивно данная особенность проявляется объектом.
Однородные величины — это величины, одинаковые в качественном отношении (характеризующие одну и ту же особенность объектов).
Следовательно, длина, ширина, высота, расстояние — однородные величины.
В результате измерения мы получаем значение величины. Таким образом, значение физической величины возникает только в результате её измерения.
Значение физической величины включает в себя числовое значение величины и единицу измерения.
Числовое значение величины — отвлечённое число, входящее в значение величины.
Числовое значение величины показывает, во сколько раз размер измеряемой величины больше размера единицы измерения.
Единица измерения физической величины — физическая величина фиксированного размера, однородная измеряемой, которой условно присвоено числовое значение, равное единице.

2.2.2. Измерительные инструменты и измерительные средства. Закон об измерениях
Большинство измерительных приборов имеет шкалу, на которую при помощи штрихов нанесены деления. Рядом с делениями расположены числа, а на самом приборе указаны единицы физической величины, например на линейке это сантиметры (см). Деления и числа образуют шкалу прибора (см. рис.)
Для того чтобы точно определять по прибору значения физических величин, надо знать цену деления измерительного прибора. Цена деления — это значение наименьшего деления шкалы прибора.

В Эстонии, как и в большинстве стран мира, принят ЗАКОН ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ.
В международном масштабе и в каждой стране должно быть обеспечено единство измерений. Главными техническими средствами, служащими этой цели, являются вторичные эталоны, предназначенные для поверки образцовых мер и измерительных приборов, используемых, в свою очередь, для поверки рабочих средств измерений.
Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; измерения достоверны, если известны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин.

2.3. Неопределённость измерения и её оценивание. Представление экспериментальных данных в виде таблицы и графика
Знакомство с понятиями абсолютной и относительной погрешности прямого измерения, с понятиями инструмен­тальной погрешности, погрешности отсчёта и погрешности ме­тода измерения необходимо для сознательного выбора метода измерений и измерительных приборов, для понимания смысла результатов эксперимента и грамотного их представления.
Узнаете, как возникают случайные погрешности и научитесь применять понятие стандартное отклонение (это понятие изображается графически) и научитесь его использовать при оценке неопределённости измерения, которая сопутствует измерению случайных величин.
При использовании измерительной величины необходимо корректно представлять значение измеряемой величины как произведение численного значения и единицы измерения. Выполнение практических работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путём с помощью средств измерений. Измерить физическую величину Х — значит узнать, сколько раз в (значении физической величины) содержится единица измерения. Измерения могут быть прямыми и косвенными.

2.3.1. Погрешности прямых измерений
Самыми распространенными являются систематические погрешности, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по определённому закону. При этом результаты измерении оказываются во всех опытах либо завышенными, либо заниженными. Систематические погрешности должны быть выявлены и устранены.

Приборные погрешности связаны с ограниченной точностью приборов (нельзя, например, абсолютно точно изготовить одинаковые деления приборной шкалы).
Для простейших приборов погрешность совпадает с ценой деления их шкалы, но не всегда ей равна.
Промахи — результаты, которые очень сильно отклоняются от всех остальных полученных результатов (чаще всего из-за небрежности экспериментатора во время проведения опыта). Промахи отбрасываются.
После устранения систематических причин появления погрешностей и отбрасывания промахов основными погрешностями являются случайные и приборные.

2.3.2. Случайные погрешности
Случайные погрешности возникают из-за действия на измерения большого количества случайных факторов: колебания температуры, электромагнитный фон, неоднородность измеряемого образца и т. д. Это погрешности, принимающие при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях различные значения.
Мерой случайной погрешности может служить стандартное отклонение (греческая буква «сигма») единичного результата при измерениях, которое определяется формулой (5.7)

Практически все значения случайной величины лежат в интервале (Хср – 3б ; Хср + 3б ). Более строго — не менее чем с 99,7 % достоверностью значение случайной величины лежит в указанном интервале. В этом и состоит смысл стандартного отклонения.

2.4. Обработка результатов измерения. Создание модели
При использовании измерительной величины, то есть единицы измерения физической величины, необходимо корректно представлять значение измеряемой величины как произведение численного значения и единицы измерения. Выполнение практических работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов; представлением экспериментальных данных в виде таблицы и графика; созданием модели как результата обработки результатов измерения, которая описывает происходящее в эксперименте.

2.4.1. Обработка результатов измерения
Напомним, что результаты измерений никогда не могут быть точными. Их всегда получают с некоторой погрешностью, т. е. приближённо. Существуют различные способы оценки погрешностей измерений, но мы будем пользоваться методом подсчёта цифр, который можно использовать и при решении задач. Для этого необходимо учесть определённые условия.
При прямых измерениях физической величины прибором максимально возможная абсолютная погрешность равна цене деления прибора, если значение физической величины не совпадает со штрихом шкалы или колеблется; равна половине цены деления, если указатель совпадает со штрихом шкалы.

2.4.2. Создание модели
Физическая модель понимается как идеальный образ в нашем сознании объекта, явления или процесса окружающего мира, созданный для их изучения.
Виды моделей:

Материальная модель — это предмет, подобный оригиналу и способный заменить его в процессе эксперимента (или познания). Их назначение — воспроизведение структуры, характера протекания, сущности изучаемого процесса. Примеры таких моделей: авто- и авиамодели, лабораторные работы, аналогии.
Идеальная модель — это модель, которую конструируют мысленно. Она может фиксироваться при помощи рисунков, определённых символов (знаков). Примеры таких моделей: описание того или иного процесса, графики, таблицы, формулы.
Компьютерные модели вбирают в себя большое число аспектов моделируемой физической реальности.
Физические модели заменяют нам реальные объекты и процессы, позволяют рассматривать разнообразные предельные ситуации — высокие температуры, давления, скорости, ускорения. Однако в моделях обязательно присутствуют такие элементы, которые позволяют опознать исходный объект.

2.5.1. Практические работы и применение ИКТ
Каждая практическая работа начинается с постановки целей и задач. При этом надо понимать, что главная цель практической работы — освоить метод научного познания природы.
В разделе «Теоретическая основа работы» очень лаконично описывается модель того явления, которое исследуем, выполняя эксперимент. Где-то это почти повтор текста учебника, а где-то — материал, отсутствующий в школьном курсе. Поэтому необходимо внимательно ознакомиться с этим разделом.
Ключевым этапом деятельности является построение физической модели (выделение существенных и несущественных параметров, определение необходимых для описания явления физических величин и установление зависимости между ними).
Последний этап исследования — это написание вывода. Вывод — важная часть работы. В выводе отмечается, удалось выполнить задание или нет.