Примеры физических явлений

☰

Все физические тела состоят из вещества, и со всеми физическими телами происходят различные физические явления. Физические явления бывают: механическими, тепловыми, звуковыми, оптическими, электрическими и магнитными. Бывают и другие физические явления.

К механическим физическим явлениям относятся различные движения и взаимодействия тел. Человек может идти, мяч сталкиваться с поверхностью Земли и отскакивать, планеты двигаться по орбитам вокруг своих звезд, автомобили набирать скорость (ускоряться), лифт подниматься и опускаться.

Тепловые явления связаны с изменением температуры тел и возникающими в следствие этого изменениями их физического состояния. Так тела способны нагреваться и охлаждаться. Некоторые при этом плавятся (как железо на заводе или воск свечи при ее горении), другие испаряются (вода при нагревании), третьи переходят из газа в жидкое состояние или из жидкого в твердое (кислород при сильном охлаждении может сжижаться, вода превращается в лед).

К звуковым относят явления, связанные с распространением звука в различных средах (где быстрее распространяется звук, в воде или воздухе?), поведением звуковых волн при столкновении с препятствиями (что такое эхо?) и другие явления, связанные со звуком.

Оптические явления связаны со светом. Способность видеть у животных (в том числе и человека) возникла благодаря тому, что в природе есть свет. Под воздействием света растения синтезируют органические вещества (однако это не оптическое явление!). Такой раздел физики как оптика изучает, как свет распространяется, отражается от предметов, преломляются, проходя через различные среды.

Электрические и магнитные явления связаны друг с другом, поэтому изучаются совместно. Мы привыкли к электричеству и часто даже не задумываемся, с чем связано это явление. Оно связано с существованием электрически заряженных частиц. Открытие и изучение электрических явлений в недалеком прошлом позволили нам уже сейчас пользоваться электрическим освещением, превращать электричество в движение тел, изобрести телевидение и компьютеры.

Магнитные явления можно наблюдать, когда постоянные магниты взаимодействуют между собой (Земля и компас) или притягивают железные предметы.

Физические и химические явления — методическая рекомендация. Химия, 8–9 класс.

1.	Дополни предложения	1 вид — рецептивный	лёгкое	1 Б.	Требуется определить, является явление физическим или химическим.
2.	Физические явления	1 вид — рецептивный	лёгкое	1 Б.	Требуется выбрать явления, которые относятся к физическим.
3.	Явления, происходящие с веществами	2 вид — интерпретация	среднее	2 Б.	Требуется выбрать процесс, который не является химической реакцией.
4.	Изменения веществ при физических и химических явлениях	2 вид — интерпретация	среднее	3 Б.	Надо выбрать неверное утверждение о физических и химических явлениях, а также определить по схеме, какое явление она отображает.
5.	Соответствие: явление — характеристика	3 вид — анализ	сложное	3 Б.	Надо установить соответствие между типом явления и его характеристиками.
6.	Схема химической реакции	3 вид — анализ	сложное	4 Б.	Требуется составить схему химической реакции по её описанию.

Урок биологии в 5-м классе по теме «Физические и химические явления»

Задачи:

1. Ознакомить учащихся с физическими и химическими явлениями;
2. Развивать умение отличать физические явления от химических;
3. Воспитать внимательность, наблюдательность, аккуратность.

Оборудование:

• рис. 31 стр. 51;
• спиртовка,
• пробирки,
• зажим,
• стакан с водой,
• лед,
• сера,
• железо.

Тип урока: комбинированный

Метод преподавания:

эвристическая беседа

Общие методы: беседа, демонстрация, объяснение

Ход урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

— Что такое вещество?

— Какие бывают вещества?

— Приведите примеры простых и сложных веществ.

3. Проверка знаний

1 вариант (выберите правильное утверждение)

1. Тела живой природы образованы неорганическими веществами.
2. Вещество, состоящее из атомов одного элемента, называют простым.
3. Вещество, состоящее из атомов разных элементов, называют органическими.
4. Тела неживой природы образованы неорганическими веществами.
5. Белки, жиры, углеводы – это органические вещества.
6. Вода – это простое вещество.
7. Кислород, азот, водород – это неорганические вещества.
8. Озон – это простое вещество.
9. Изменение формы, размеров и объема тела называют диффузией.
10. Молекулы постоянно находятся в движении.

2 вариант (тест)

1. Вещество – это:

а) капля росы
б) мяч
в) вода

2. Твердые тела способны:

а) сохранять форму
б) сохранять объем
в) сохранять и форму, и объем

3. Жидкости способны:

а) сохранять форму и объем
б) сохранять объем
в) сохранять форму

4. Изменения формы, размеров и объема тела называют:

а) упругостью
б) деформацией

в) пластичностью

5. Свойство тела изменять форму и объем под действием других тел восстанавливать их после прекращения действия, называют:

а) деформацией
б) упругостью
в) пластичностью

6. Вещество, состоящее из атомов одного элемента, называют:

а) сложным
б) простым
в) органическим

7. Тела неживой природы образованы веществами:

а) простыми
б) неорганическими
в) сложными

8. Вещество, состоящее из атомов разных элементов, называют:

а) органическим
б) неорганическим
в) сложным

4. Изучение нового материала.

На каждой парте лист бумаги с перечислениями явлений природы:

таяние льда, набухание почек на деревьях, сверкании молнии, гроза, распускание почек, горение свечи.

Посмотрите, пожалуйста, на листы перед вами, прочтите.

Что за процессы там у вас перечислены?

Верно, все это явления природы. Они отличаются друг от друга? Чем отличаются? (происхождением)

Явления:

• биологические
• физические
• химические

С биологическими явлениями мы познакомимся более подробно позже.

Сегодня рассмотрим физические и химические явления.

Опыт: кусочек льда нагревается. Что происходит со льдом?

Продолжаем нагревание. Что происходит? Если долго нагревать что произойдет?

Вывод: в процессе нагревания твердое вещество превращается в жидкое, жидкое – в пар.

Вода осталась тем же веществом , но изменяется ее состояние.

Если поместить над кастрюлей с кипящей водой холодный предмет, то вскоре на его поверхности можно заметить маленькие капельки воды. Т. е. вода из газообразного состояния при охлаждении вновь переходит в жидкое. К какому виду явления относится этот процесс?

Физическое явление – это изменение состояния или формы вещества.

Какой пример физического явления можете привести вы?

(изменение осадков по сезонам года, изменение формы алюминиевой проволоки под ударом молотка и т. д.)

ФИЗМИНУТКА

Опыт: смесь порошка серы и железа нагревается в пробирке.

При нагревании меняется окраска, становится черной. Это новое вещество или тоже самое?

Опустим этот кусочек в воду, поднесем к магниту. Что происходит?

Значит при нагревании железа и серы, образовалось новое вещество. (сульфид железа, которое обладает другими свойствами , чем сера и железа в отдельности.

Это химическое явление. Химическое явление – это превращение веществ, в результате которого образуется одно или несколько новых веществ.

Химические явления происходят в условиях нагревания веществ, при действии на них электрическим током, сильным давлением и др..

Какие примеры химических явлений можете привести вы?

(получение металлов из руд, дубление кожи и т. д.)

Где происходят химические явления? В окружающей природе.

Так же химические реакции протекают в живых организмах. Благодаря им организмы живут, питаются, движутся, растут.

5. Закрепление

• какие явления происходят в природе?
• чем физические явления отличаются от химических?
• приведите примеры физических явлений.
• приведите примеры химических явлений.
• № 34, 35 в рабочей тетради.

6. Домашнее задание

Параграф 13 читать, ответить на вопросы 1-4 стр. 53

Физические явления на кухне

9. Индукция. На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Известен школьный опыт, когда плоский магнит перемещается внутри спиралеобразного контура из проволоки (соленоида), и в ней появляется электрический ток. Есть и обратный процесс — переменный электроток в соленоиде (катушке) создает переменное магнитное поле.

По такому же принципу работает и современная индукционная плита. Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).

10. Преломление света. Угол падения света равен углу отражения, а распространение естественного света или света от ламп объясняется двойственной, корпускулярно-волновой природой: с одной стороны — это электромагнитные волны, а с другой — частицы-фотоны, которые двигаются с максимально возможной во Вселенной скоростью. На кухне можно наблюдать такое оптическое явление, как преломление света. Например, когда на кухонном столе стоит прозрачная ваза с цветами, то стебли в воде как бы смещаются на границе поверхности воды относительно своего продолжения вне жидкости. Дело в том, что вода, как линза, преломляет лучи света, отраженные от стеблей в вазе. Подобное наблюдается и прозрачном стакане с чаем, в который опущена ложка. Также можно видеть искаженное и увеличенное изображение фасоли или крупы на дне глубокой кастрюли с прозрачной водой.

Физические явления

Всё, что нас окружает: и живая, и неживая природа, находится в постоянном движении и непрерывно изменяется: движутся планеты и звёзды, идут дожди, растут деревья. И человек, как известно из биологии, постоянно проходит какие-либо стадии развития. Перемалывание зёрен в муку, падение камня, кипение воды, молния, свечение лампочки, растворение сахара в чае, движение транспортных средств, молнии, радуги – это примеры физических явлений.

И с веществами (железо, вода, воздух, соль и др.) происходят разнообразные изменения, или явления. Вещество может быть кристаллизировано, расплавлено, измельчено, растворено и вновь выделено из раствора. При этом его состав останется тем же.

Так, сахарный песок можно измельчить в порошок настолько мелкий, что от малейшего дуновения он будет подниматься в воздух, как пыль. Сахарные пылинки можно разглядеть лишь под микроскопом. Сахар можно разделить ещё на более мелкие части, растворив его в воде. Если же выпарить из раствора сахара воду,  молекулы сахара снова соединяться друг с другом в кристаллы. Но и растворении в воде, и при измельчении сахар остаётся сахаром.

В природе вода образует реки и моря, облака и ледники. При испарении вода переходит в пар. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. При воздействии низких температур (ниже 0˚С) вода переходит в твёрдое состояние – превращается в лёд. Мельчайшая частичка воды – это молекула воды. Молекула воды  является и  мельчайшей частичкой пара или льда. Вода, лёд и пар не разные вещества, а одно и то же вещество (вода) в разных агрегатных состояниях.

Подобно воде, и другие вещества можно переводить из одного агрегатного состояния в другое.

Характеризуя то или другое вещество как газ, жидкость или твёрдое вещество, имеют в виду состояние вещества  в обычных условиях. Любой металл можно не только расплавить (перевести в жидкое состояние), но и превратить в газ. Но для этого необходимы очень высокие температуры. Во внешней оболочке Солнца металлы находятся в газообразном состоянии, потому что температура там составляет 6000˚С. А, например, углекислый газ путём охлаждения можно превратить в «сухой лёд».

Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется  тем же.

Все физические явления можно разделить на несколько групп.

Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).

Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).

Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).

Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман,  замерзание воды).

Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Физические явления в географии | География

Этап	Деятельность учителя	Деятельность учащихся	Формируемые универсальные учебные действия
I. Этап мотивации (самоопределения) к учебной деятельности Цель: проверка готовности учащихся к уроку
	Приветствие учащихся, включение в деловой ритм. Эмоциональный настрой.	Проверка рабочих мест, готовятся к уроку.	Личностные: формирование личностного смысла обучения. Регулятивные: готовятся к началу урока. Коммуникативные: используют речевые средства общения.
II. Этап актуализации знаний Цель: подготовка мышления учащихся, организация ими внутренней потребности к построению учебных действий, фиксирование индивидуального затруднения
	Актуализация знаний. Организует повторение понятий “география”, “физические явления”. На какие группы можно разделить все физические явления?	Дают определение понятиям, приводят примеры физических явлений.   Учащиеся выдвигают гипотезы	Познавательные: выдвижение гипотез, их обоснование, выделение того, что уже пройдено. Коммуникативные: умение давать определение понятиям, описывать физические явления; воспроизводить и фиксировать затруднения Регулятивные: формулируют ответ, осуществляют целеполагание.
	Работа с презентацией. Слайды презентации: извержение вулкана, движение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, образование облаков, радуга, полярные сияния. Что мы можем найти общее на этих картинках? Давайте посмотрим ещё несколько слайдов. Приведены примеры разных групп физических явлений Слайды презентации: Что мы сейчас увидели, есть ли общее у этих явлений? Создание проблемной ситуации Как вы определили, что на первом слайде физические явления, а на втором слайде эти явления распределены на группы? Можете ли вы объяснить причины возникновения данных физических явлений?	1) По первым слайдам презентации: извержение вулкана, образование инея, образование тумана, образование облаков,таяние льда – это физические явления. 2) По следующим слайдам презентации выделяют группы физических явлений: тепловые, механические, оптические,электрические, звуковые, магнитные 3) делают вывод, что для ответа на вопросы знаний недостаточно. Делают умозаключения, сравнения, выводы. Отвечают на поставленные вопросы, опираясь на ранее полученные знания и жизненный опыт. (испытывают затруднения при объяснении причин возникновения физических явлений)
III. Этап выявления места и причины затруднения. Цель: организация анализа учащимися возникшей ситуации и выявление причины затруднения, подведение детей к формулированию темы и постановке цели урока
	Попробуйте сформулировать тему урока, т.е. что мы сегодня будем с вами изучать? Какова цель нашего урока?	Формулируют и записывают в тетрадь тему урока: “Физические явления в географии”. Определяют цель урока: Выявить различия между физическими явлениями, объяснить причины возникновения некоторых физических явлений	Познавательные (общеучебные): постановка и формулирование проблемы;самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели. Коммуникативные: умение слушать, учитывать позиции других людей, владеть монологической и диалогической формами речи.
IV. Этап построения проекта выхода из затруднения. Цель: постановка цели учебной деятельности и выбор способа и средств их реализации
	Составим последовательность наших шагов для достижения цели урока (формулируется в совместной беседе с учащимися).	1. Вспомнить, всё, что вы уже знаем по этой теме из географии, окружающего мира и из жизни. 2. Выяснить,характерные признаки каждой группы физических явлений. 3. Найти причины возникновения физических явлений 4. Привести примеры физических явлений из жизни	Познавательные: (постановка и решение проблемы): создание алгоритма деятельности. Регулятивные (планирование): планируют последовательность действий. Коммуникативные: планируют учебное сотрудничество.
V. Этап реализации построенного проекта. Цель: формирование умений у учащихся применения нового способа действий
	Перед тем, как вы приступите к работе, вы должны разделиться на 6 групп. Каждая группа получает инструктивную карту с описанием того, что вы должны сегодня на уроке выполнить. Но прежде всего, давайте с вами вспомним правила работы в группе (слайд) Задание № 1: Пользуясь предложенными источниками информации заполните таблицу. (Происходит обсуждение вопросов в группах, результат заносится в электронную таблицу).	Работают с предложенными источниками информации, анализируют информацию, заполняют электронную таблицу Google, каждая группа заполняет свою строчку 1.Название группы физических явлений 2.Характерные признаки 3.Примеры физических явлений 4.Причины возникновения физических явлений	Регулятивные: коррекция – внесение дополнений в план действия Познавательные: общеучебные – смысловое чтение, извлечение необходимой информации, преобразование;логические – анализ. Коммуникативные: умение точно формулировать свою мысль,взаимодействие в групповом коллективе для принятия эффективных совместных решений.
	По окончании заполнения таблицы проверяем правильность её заполнения на доске. Совместное заполнение таблицы Вывод: (делают сами учащиеся, учитель лишь корректирует)	Презентация результатов работы в группе (заполненная электронная таблица)	Регулятивные: умение исправлять ошибки. Познавательные: умение структурировать знания, осознанно строить речевое высказывание; логические – синтез (достраивание информации). Коммуникативные: умение точно формулировать свою мысль, принимать решение.
VI. Этап первичного закрепления с проговариванием во внешней речи. Цель: усвоение учащимися нового способа действия
	Задание №2: На примере конкретных физических явлений рассмотрим признаки. Заносим результаты в таблицу. (Работа с учебным материалом проводится в группах, что предусматривает обсуждение результатов между членами групп.)	По инструктивным картам по группам выполняют работу, делают вывод. Обсуждают результаты и сверяют их с эталоном. (слайд).
	Во время проверки на каждый пример необходимо задать вопрос: А где подобные физические явления можно видеть в нашей повседневной жизни? Какую роль играют физические явления в жизни человека?	Приводят примеры из жизни
VII. Этап самостоятельной проверки с самопроверкой по эталону. Цель: исполнительная рефлексия
	Задание №3: В качестве проверки усвоения изученного материла, учащиеся работают с тестом “Физические явления в географии” После того как вы оценили друг друга, давайте вернёмся к основному вопросу нашей темы и ещё раз сделаем вывод, что такое физические явления, на какие группы они делятся, каковы причины их возникновения.	Выполняют тест, осуществляют взаимопроверку по эталону, анализируют результат.	Регулятивные: планирование последовательности действий, контроль по эталону, коррекция реального действия и результата, оценка того, что усвоено и что еще нужно усвоить.
VIII. Этап включения в систему системы знаний и повторения. Цель: повторение и закрепление изученного, выявление границы применимости нового знания и использование его в системе изученных ранее знаний.
	Анализирует работу класса, нацеливает на формулирование выводов по уроку. Выставляет оценки. Предлагает разноуровневые домашние задания по выбору, комментирует предложенные задания: 1 уровень: сделать подборку стихов, загадок, пословиц о физических явлениях. 2 уровень: составить тест или кроссворд по изученной теме 3 уровень: подготовить мини-проект “Физические явления в повседневной жизни”	Подводят итог своей деятельности, высказывая, формулируют умения устанавливать значения результатов своей деятельности для удовлетворения своих потребностей, мотивов, жизненных интересов.	Коммуникативные: умение слушать, учитывать позиции других людей, владеть монологической и диалогической формами речи
IX. Этап рефлексии учебной деятельности. Цель: самооценка учащимися результатов своей деятельности.
	А теперь закончим предложения и наш урок Сегодня я понял…… Меня удивило…… Мне захотелось…… Особенно интересно было…. Урок окончен. Спасибо за урок.	Слушают, задают вопросы на понимание и уточнение, участвуют в обсуждении, выражают собственное мнение о работе и полученном результате.	Личностные: смыслообразование – установление учащимися связи между учебной целью, деятельностью и результатом учения.

Урок 1. физика и естественно-научный метод познания природы — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 1. Физика и естественнонаучный метод познания природы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

предмет изучения физики;

роль и место физики в формировании современной научной картины мира;

понятия: физическая величина, физический закон, физическая теория, эксперимент, моделирование;

методы исследования физических явлений и процессов;

распознавание и распределение конкретных физических понятий по структурным элементам логической цепочки: наблюдение – гипотеза – эксперимент — вывод.

Глоссарий по теме

Моделирование – это процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.

Модель – упрощенная версия реального объекта, процесса или явления, сохраняющая их основные свойства.

Научный факт – утверждение, которое можно всегда проверить и подтвердить при выполнении заданных условий.

Научная гипотеза – предположение, недоказанное утверждение, выдвигаемое для объяснения каких-нибудь явлений.

Постулат – исходное положение, допущение, принимаемое без доказательств.

Физика – это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физическая величина – свойство материального объекта или явления, общее в качественном отношении для класса объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физический закон – основанная на научных фактах устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состоянием тел и других материальных объектов в окружающем мире.

Физический эксперимент – способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения. Способы измерения: прямой и косвенный

Список обязательной литературы:

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 5 – 9.

1. В.А.Касьянов. Физика.10. Учебник для общеобразовательных учреждений: профильный уровень.

М.: Дрофа, 2005. С. 3-16.

2. Перельман М.Е. Наблюдения и озарения, или как физики выявляют законы природы. Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012.

Основное содержание урока

Физика тесно связна с астрономией, химией, биологией, геологией и другими естественными науками. Физическими методами исследования пользуются ученые всех областей науки. За последние четыре столетия люди освоили географию, проникли в недра Земли, покорили океан. Человек создал устройства, благодаря которым он может передвигаться по земле и летать, общаться с жителями других континентов, не покидая собственного жилища. Люди научились использовать источники энергии, предотвращать эпидемии смертоносных болезней. Эти и другие достижения – результат научного подхода к познанию природы

Физика – фундаментальная наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физика основывается на количественных наблюдениях. Основателем количественного подхода является Галилео Галилей.

Материя – объективная реальность, существующая независимо от нас и нашего знания о нем. Материя существует в виде вещества и поля.

Формы материи: пространство, время. Движение – способ существования материи.

Все физические процессы и явления, происходящие в природе можно объяснить типами фундаментальных взаимодействий:

гравитационное взаимодействие;

электромагнитное взаимодействие;

сильное взаимодействие;

слабое взаимодействие.

Естественнонаучное познание происходит по этапам: Наблюдение – Гипотеза – Теория – Эксперимент. Именно эксперимент является критерием правильности теории.

Особенности научного наблюдения: целенаправлено; сознательно организовано; методически обдумано; результаты можно записать, измерить, оценить; наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.

Эксперимент, как исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования, следует различать на мысленный и реальный.

Примерный план проведения эксперимента

1.Формулировка цели опыта

2.Формулировка гипотезы, которую можно было положить в основу опыта.

3.Определение условий, необходимых для проверки гипотезы, установления причинно-следственной связи.

4. Подбор оборудования и материалов, необходимых для опытов.

5. Практическая реализация опыта, сопровождаемая фиксированием результатов измерений и наблюдений выбранными способами.

6. Математическая обработка полученных данных.

7.Анализ результатов.

8. Вывод.

Структура физической теории: основание (фундамент) – ядро – выводы (следствие) – применение. Особенностью фундаментальных физических теории является их преемственность.

Принцип соответствия — утверждение, что любая новая научная теория должна включать старую теорию и её результаты как частный случай.

Гипотеза (от греч. hypóthesis — основание, предположение) — предположение, выдвигаемое перед началом наблюдения или эксперимента, которое должно быть проверено в результате их проведения.

Стандартная формулировка гипотез: «Если …. (факт, следствие), то (значит, при условии) …(причина).

Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. В ходе эксперимента гипотезу доказывают, превращая её в установленный факт (теорию, теорему, закон), ИЛИ же опровергают.

Примерный план изучения физических законов:

1. Связь между какими явлениями (или величинами) выражает закон

2. Формулировка и формула закона.

3. Каким образом был открыт закон: на основе анализа опытных данных или теоретически (как следствие из теории)

4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.

5. Примеры использования и учета действия закона на практике.

6. Границы применимости закона.

Одним из важнейших методов исследования является моделирование. Модель – это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление. Примеры физических моделей: материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ, др.

Для того, чтобы понять и описать эксперимент вводятся физические величины.

С развитием научных знаний появилась необходимость в развитии единой системы единиц измерений.

На Генеральной конференции мер и весов в 1968 г. достигнуто соглашение о международной системе единиц — «единиц измерения СИ», согласно которому базовыми единицами измерения являются семь следующих : метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль (грамм-моль).

Измерить величину — это значит сравнить ее с эталоном, с единицей измерения. Прямое измерение — определение значения физической величины непосредственно средствами измерения. Косвенное измерение – определение значения физической величины по формуле, связывающей её с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями.

При обработке результатов измерений нужно оценивать, с какой точностью проводится измерение, какую ошибку допускает ваш прибор, то есть определить погрешность измерений и как влияет сам процесс измерения на объект, который вы измеряете.

Объективность получаемых данных обеспечивают различные физические приборы. Следует различать: приборы наблюдения (микроскоп, телескоп, бинокль и др.) и приборы измерения (термометр, барометр, линейка, весы и др.).

Примеры и разбор тренировочных заданий

1. Решите кроссворд:

Вопросы к кроссворду:

1. Эксперимент, возможность проведения которого зависит от наличия соответствующей материально-технической и финансовой обеспеченности.
2. Процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.
3. Вид наблюдения, в котором информация получается при помощи приборов.
4. Наблюдение за тем, что происходит вокруг, без определенной цели.
5. Единица измерения, с которой сравнивают измеряемую величину.

Правильный ответ:

2. Подчеркните слова, обозначающие приборы для измерения, одной чертой; приборы для наблюдения – двумя: термометр, бинокль, секундомер, микроскоп, транспортир.

Правильный вариант: Одной чертой: термометр, секундомер, транспортир. Двумя чертами: бинокль, микроскоп.

Таинственная физика семи повседневных дел

Intro

Уравнения на доске в Фермилаб, исследовательском центре физики в Иллинойсе. (Изображение предоставлено Министерством энергетики США)

Физики выяснили некоторые чрезвычайно тонкие детали Вселенной, от радиуса черных дыр до поведения субатомных частиц, которые мы даже не видим. Вы можете удивиться, узнав, что им не хватает объяснений (или они только недавно наткнулись на них) для многих общих явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни.

Как вы узнаете из следующих слайдов, одними из самых загадочных вещей могут быть те, которые на первый взгляд кажутся обыденными.

Орехи

Маленькая миска с ореховой смесью с большими орехами вверху и арахисом внизу. (Изображение предоставлено: Melchoir | Creative Commons)

Возможно, вы заметили, что в мисках смешанных орехов бразильские орехи всегда кажутся сидящими сверху. Это известно как «эффект бразильского ореха», и это, казалось бы, обыденное явление на самом деле является одной из самых больших нерешенных загадок в физике многих тел, науке, которая описывает большое количество взаимодействующих объектов.

Среди множества вещей (будь то орехи, осадочные отложения или другие объекты разного размера) более крупные куски со временем поднимаются наверх, несмотря на их большую гравитацию, в то время как более мелкие предметы имеют тенденцию опускаться ниже в кучу. время. Возможно, мелочь просачивается сквозь трещины. Конвекционные токи также могут играть роль, как и конденсация более мелких частиц. Все эти и некоторые другие возможности, вероятно, способствуют эффекту бразильского ореха, но никто не знает, какие именно и в какой степени, поэтому никаких успешных компьютерных симуляций этого явления не проводилось.

Не только производители орехов, но и физики, астрономы и геологи получат пользу от понимания эффекта, поэтому в следующий раз, когда вы будете есть орехи или мюсли, или выловите крошки со дна миски Doritos, попробуйте созерцая вовлеченную физику.

Пена

Крем для бритья — всего лишь один из примеров загадочного вещества, называемого пеной. (Изображение предоставлено sxc.hu)

Приняли сегодня ванну с пеной? Возможно, нет, но вы, вероятно, побрились, вымыли посуду, выпили латте или пиво или, если вам повезет, съели кусок пирога, покрытый слоем взбитых сливок.

Мы сталкиваемся с пеной так часто, что немногие из нас отступают назад и полностью осознают, насколько странной она является на самом деле. Для начала подумайте: взбитые сливки — твердое вещество, жидкость или газ?

По словам Дугласа Дуриана, профессора физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, пена обычно на 95% состоит из газа и на 5% из жидкости. Каким-то образом они складываются, чтобы придать им и определенные черты твердых тел. Газ в пене разделяет жидкость, образуя матрицу из крошечных пузырьков, и если жидкие стенки пузырьков достаточно жесткие, пена иногда может сохранять свою форму.

Однако не существует формулы для точного прогнозирования того, насколько жесткой или вязкой будет пена, исходя из размера ее пузырьков или количества содержащейся в ней жидкости. «Физика пены изучена плохо», — сказал Дуриан NASA Science.

Лед

Мужчина катается на коньках по замерзшему озеру в Австрии. (Изображение предоставлено Creative Commons | Kafubra)

Полтора столетия научных исследований еще предстоит определить, почему лед может заставить вас упасть. Ученые согласны с тем, что тонкий слой жидкой воды поверх твердого льда вызывает его скользкость, а подвижность жидкости затрудняет ходьбу, даже если слой тонкий.Но нет единого мнения относительно того, почему лед, в отличие от большинства других твердых тел, имеет такой слой.

Теоретики предположили, что это может быть сам акт скольжения при контакте со льдом, который тает его поверхность. Другие думают, что слой жидкости существует до того, как прибыл тапок, и каким-то образом создается внутренним движением молекул на поверхности.

Мы знаем, что вы ищете кого-то или что-то виноватое, потому что вы лежите на земле и кипите, но, к сожалению, это дело еще не принято.[Удивительно странная физика воды]

Злаки

Cheerios комковат. (Изображение предоставлено: Dreamstime)

Возможно, вы задумывались, а могли и не задумывались, почему ваши хлопья для завтрака имеют тенденцию слипаться или прилипать к стенкам миски с молоком. Этот феномен комкования, названный учеными эффектом Cheerios, применим ко всему, что плавает, включая пузырьки газированной воды и частицы волос в воде после утреннего бритья.

Доминик Велла, аспирант Кембриджского университета, и Лакшминарайанан Махадеван, математик из Гарвардского университета, были первыми, кто объяснил эффект с точки зрения простой физики, что они и сделали в статье 2005 года.Они доказали, что эффект Cheerios является результатом геометрии поверхности жидкости.

Поверхностное натяжение заставляет поверхность молока слегка прогибаться в середине чаши. Поскольку молекулы воды в молоке притягиваются к стеклу, поверхность молока изгибается вверх по краю чаши. По этой причине кусочки крупы у края плавают вверх по этой кривой, как будто цепляясь за край.

Также из-за поверхностного натяжения хлопья, плавающие в середине вашей миски, вмятины на поверхности молока, создавая в нем углубление.Когда два кусочка злака соприкасаются, две их вмятины становятся одной, и, упираясь в нее, они слипаются.

Магниты

(Изображение предоставлено: Kabl00ey | Creative Commons)

Магниты: довольно странно, да? Что с ними?

Джерл Уокер, профессор физики в Государственном университете Кливленда и соавтор широко используемого учебника «Основы физики» (Wiley, 8-е издание, 2007 г.), объясняет, что магнитные поля естественным образом излучаются наружу от электрически заряженных частиц, которые составляют атомы, особенно электроны. .

Обычно в материи магнитные поля электронов направлены в разные стороны, нейтрализуя друг друга. (Вот почему электроны в вашем теле не заставляют вас прилипать к холодильнику, когда вы проходите мимо него.) Но когда магнитные поля, все электроны в объекте выравниваются в одном направлении, как это происходит во многих металлах (и (очевидно, в магнитах) создается магнитное поле net . Это оказывает силу на другие магнитные объекты, притягивая или отталкивая их в зависимости от направления их собственных магнитных полей.

К сожалению, попытаться понять магнетизм на более глубоком уровне практически невозможно. Хотя физики придумали теорию под названием «квантовая механика», которая очень точно объясняет поведение частиц, включая их магнетизм, нет никакого способа интуитивно понять, что на самом деле означает эта теория.

Физики задаются вопросом: почему частицы излучают магнитные поля, что такое магнитные поля и почему они всегда выравниваются между двумя направлениями, давая магнитам их северный и южный полюса? «Мы просто наблюдаем, что когда вы заставляете заряженную частицу двигаться, она создает магнитное поле и два полюса.Мы действительно не знаем почему. Это просто особенность Вселенной, а математические объяснения — всего лишь попытки выполнить «домашнее задание» природы и получить ответы », — сказал Уокер« Маленьким загадкам жизни ».

Статический

Накопление статического электричества заставляет волосы встать дыбом. , поскольку положительно заряженные волосы отталкиваются друг от друга. (Изображение предоставлено sxc.hu)

Статические разряды столь же загадочны, сколь и неприятны. Мы знаем следующее: они возникают, когда на поверхности накапливается избыток положительного или отрицательного заряда. вашего тела, разряжаясь, когда вы касаетесь чего-либо, и оставляя вас нейтрализованным.Кроме того, они могут возникать, когда статическое электричество накапливается на чем-то еще, например, дверной ручке, к которой вы затем дотрагиваетесь. В этом случае и являются маршрутом выхода сверхнормативной платы.

А зачем вообще раскачка? Неясно. Распространенное (и, вероятно, отчасти правильное) объяснение гласит, что когда два объекта трутся друг о друга, трение сбивает электроны с атомов в одном из объектов, а затем они перемещаются на второй, оставляя первый объект с избытком положительно заряженных атомов и давая второму избыток отрицательных электронов.Оба объекта (скажем, ваши волосы и шерстяная шапка) будут статически заряжены. Но почему электроны текут от одного объекта к другому, а не в обоих направлениях?

Это никогда не получало удовлетворительного объяснения, и недавнее исследование, проведенное исследователем Северо-Западного университета Бартошем Гржибовски, показало, что это может быть даже не так. Как подробно описано в июньском номере журнала Science, Гржибовски обнаружил, что на статически заряженных объектах существуют участки как избыточного положительного, так и избыточного отрицательного заряда.Он также обнаружил, что целые молекулы мигрируют между объектами, когда они трются друг о друга.

Понятно, что объяснение статики меняется.

Rainbows

Полнофункциональная двойная радуга в Wrangell-St. Национальный парк Элиас, Аляска. (Изображение предоставлено Эриком Рольфом | Creative Commons)

Радуги образуются, когда солнечный свет освещает капли влаги в атмосфере Земли. Капли действуют как призмы, «преломляя» или разделяя свет на составляющие его цвета и заставляя их стрелять под разными углами от 40 до 42 градусов от направления, противоположного солнцу.

Конечно, радуги больше не являются загадочными с научной точки зрения. Они возникают из-за того, как свет проходит через сферические капли: сначала он преломляется, попадая на поверхность каждой капли, отражается от обратной стороны капель и снова преломляется при выходе из капель, причем все эти отскоки определяют окончательное угловое направление. Это объяснение известно со времен физика 17 века Исаака Ньютона. [Почему мы не можем дойти до конца радуги? ]

Но представьте, какими мистическими могли казаться до этого радуги! Потому что они такие красивые и необъяснимые, они были представлены во многих ранних религиях.В Древней Греции, например, считалось, что радуга — это путь, проложенный посланниками богов, путешествуя между Землей и небом.

Следуйте за Натали Вулчовер в Twitter @nattyover. Следите за «Маленькими загадками жизни» в Twitter @llmysteries, а затем присоединяйтесь к нам на Facebook.

Физика в повседневной жизни: примеры для учебы

Физика, или изучение материи, энергии и взаимодействия между ними, помогает нам понять законы и правила, управляющие физическим миром.Не каждый ученик вырастет и изучит физику на более глубоком уровне, но каждый использует базовые концепции физики, чтобы ориентироваться в повседневной жизни. Вот 5 примеров, чтобы проиллюстрировать студентам, как они используют концепции физики каждый день.

Как каждый ежедневно использует физические концепции

Изучение физики может показаться сложным, но студенты, скорее всего, уже хорошо знакомы со многими концепциями. Борьба с негативным или фрустрированным отношением начинается с предоставления учащимся примеров и идей, которые помогут им почувствовать одновременно интерес и воодушевление, узнав о том, «как» и «почему» стоят за ними.

5 примеров повседневной физики для изучения:

Эти пять примеров — отличный способ побудить студентов провести мозговой штурм о том, как они используют физику каждый день.

Тепло — плита

Тепло — это энергия, которая передается от более теплого вещества к более холодному. Когда вы используете плиту, змеевик, пламя или варочная панель передают тепловую энергию кастрюле или сковороде, установленной на ней. Затем тепло от кастрюли или сковороды переносится на пищу внутри.

Другие забавные примеры использования тепла:

• Запекание плавленого мяса над огнем
• Разглаживание складок на рубашке
• Влажная одежда сушится горячим воздухом сушилки

Звук — Наушники

Маленькие динамики в ваших наушниках используют электричество и движущиеся магниты для создания звуковых волн.Звуковые волны, исходящие из динамика, отражаются от ваших барабанных перепонок, которые мозг интерпретирует как музыку. Звуковые волны, которые вы слышите, исходят ли они от другого человека или из динамика, отражаются от объектов и перемещаются по воздуху в ваши уши. Ваш мозг использует волны, чтобы определить, откуда исходит звук и насколько он громкий.

Другие забавные примеры звука:

• Собака лает вдалеке
• Скрипящая дверь на другом конце комнаты
• Постукивание ручкой по столу

Гравитация — шариковая ручка

На кончике шариковой ручки находится шарик, который катится, когда вы нажимаете вниз, чтобы писать на листе бумаги.Внутри ручки, которая находится на шарике, есть чернила. Гравитация притягивает чернила вниз к бумаге, и шарик катится в чернилах, когда вы пишете, отбирая контролируемое количество изнутри ручки на поверхность бумаги, когда она поворачивается. Если бы вы удалили шарик, удерживающий чернила, гравитация вытягивала бы все чернила вниз и на бумагу в виде лужи.

Другие забавные примеры гравитации:

• Вы можете перепрыгнуть лужу, но гравитация тянет вас назад
• Вода в озере удерживается в нужном месте силой тяжести
• Футболисты бьют мяч, и сила тяжести тянет его вниз, чтобы другая команда могла его поймать

Инерция — Ремень безопасности

Когда ваше тело движется, требуется более мощная сила, чтобы заставить его перестать двигаться.В машине ваше тело движется так же быстро, как и машина. Ремень безопасности, плотно прижимающий вас к сиденью, представляет собой сильную силу, которая не позволяет вашему телу продолжать движение, когда вы нажимаете на тормоз. Без ремня безопасности внезапная остановка может сбить вас с места.

Другие забавные примеры инерции:

• Качели имеют инерцию к небу, но сила тяжести — это более сильная сила, которая притягивает их к земле
• Вы бросаете шар для боулинга, и кегли падают, потому что они недостаточно сильны, чтобы остановить его инерцию
• A падение дерево будет раздавливать все на своем пути, пока оно не упадет на землю (или на более сильный объект, например, дом)

Электричество — Батареи

Все, в чем есть батарея, хранит электрическую энергию.Автомобиль хранит электрическую энергию в своей аккумуляторной батарее, которая используется для запуска двигателя и работы электрических компонентов автомобиля, таких как радио. Двигатель использует сгорание для создания электрической энергии, которая хранится в батарее и используется при необходимости.

Еще несколько интересных примеров электричества:

• Мерцающие огни, используемые в качестве украшения, пропускают электричество от розетки или батареи через провод, чтобы зажечь все маленькие лампочки, прикрепленные к ним.
• Тостер использует электричество для нагрева спиралей, на которых поджаривается ваш хлеб.
• Будильнику требуется постоянный поток электричества, чтобы показывать правильное время. Когда электричество отключается, будильник не может делать свою работу.

Как мы используем физику в повседневной жизни

Изучение физики — это больше, чем просто черные дыры и звезды в космосе — это изучение взаимодействия между материей и энергией. Для понимания каждого из них, от вулканов до океанских волн, требуется изучение физики.

Посмотрите это видео TEDtalk о важности изучения повседневной физики:

Другие занятия STEM и идеи планов уроков

Ищете больше вдохновения и идей для вашего класса по естествознанию и STEAM? Обязательно зайдите на страницу категории STEAM / STEM и посмотрите, что нового.Также найдите время, чтобы зайти в интернет-магазин, чтобы найти все инструменты и материалы, необходимые для оживления вашего научного пространства.

Подробнее: STEAM / STEM

Магазин: расходные материалы для науки и пара

10 примеров физики в повседневной жизни — StudiousGuy

На этой «живой планете», которую мы называем Землей, происходит множество интересных событий. Эти события происходят вокруг нас, которые мы видим, делаем или переживаем регулярно.В какой-то момент ваше любопытство подтолкнуло бы вас задавать вопросы о том, что происходит? Как это случилось? Что ж, не говоря уже о чудесах, ответ на все эти вопросы — «Физика». Фактически, физика так или иначе управляет нашей повседневной жизнью. Приведем десять примеров физики из повседневной жизни:

1. Будильник

Физика входит в вашу повседневную жизнь сразу после того, как вы просыпаетесь утром. Жужжащий звук будильника поможет вам проснуться утром в соответствии с вашим графиком.Звук — это то, что вы не можете увидеть, но услышите или ощутите. Физика изучает происхождение, распространение и свойства звука. Он работает по концепции квантовой механики.

2. Паровой утюг

Сразу после того, как вы проснетесь утром и начнете готовиться к школе / офису, вам понадобится выглаженная ткань, и именно здесь в игру вступает физика. Паровой утюг — это такая машина, которая требует много физики, чтобы заставить его работать. Главный принцип физики, используемый в паровом утюге — «Тепло.«Тепло в термодинамике — это тип передачи энергии от более теплого вещества к более холодному. Глажка работает за счет нагреваемого металлического основания — подошвы.

3. Ходьба

Теперь, когда вы готовитесь к работе в офисе / школе, какой бы способ коммутации ни был, вам обязательно нужно пройти определенное расстояние. Вы можете легко гулять — это просто благодаря физике. Во время прогулки по парку или по асфальтированной дороге у вас хорошее сцепление с дорогой без скольжения из-за неровностей или сопротивления между подошвами вашей обуви и поверхностью дороги.Это сопротивление, отвечающее за сцепление, называется «трением» или «тягой». Однако, когда банановая кожура попадает вам под ногу, вы внезапно падаете. Итак, что заставляет вас упасть? Что ж, это связано с уменьшением трения между вашей обувью и поверхностью дороги из-за скользкой кожуры банана.

4. Шариковая ручка

На работе или в школе шариковая ручка — ваше оружие. Если бы не было физики, вы не смогли бы писать шариковой ручкой на бумаге.В этом случае в игру вступает понятие гравитации. Когда ваша ручка движется по бумаге, шарик поворачивается, и сила тяжести заставляет чернила опускаться на верхнюю часть шарика, где они переносятся на бумагу.

5. Наушники / наушники

Когда вы устаете от работы или учебы, вам пригодится музыка. Вы когда-нибудь задумывались о том, как работают ваши наушники / наушники? Что ж, опять же из-за физики. Понятия магнетизма и звуковых волн используются в науке о ваших наушниках / наушниках.Когда вы подключаете наушники к источнику электричества, магнит в наушниках создает электромагнитное поле, которое в конечном итоге приводит к возникновению звуковых волн.

6. Ремни безопасности автомобиля

Вы когда-нибудь замечали, по какому принципу работает ваш автомобильный ремень безопасности? Что ж, это снова физика. Когда вы затягиваете автомобильный ремень безопасности, он работает по концепции «инерции». Инерция — это нежелание или лень тела изменять состояние покоя или движения.В случае столкновения с автомобилем ремень безопасности предотвращает движение вашего тела вперед; поскольку ваше тело сопротивляется остановке из-за инерции движения.

7. Объектив камеры

Феномен «селфи» охватил людей всех возрастных групп. Развлекаешься, нажимая на фотографии. Объектив, используемый в фотоаппарате, работает по принципу оптики. Набор выпуклых линз обеспечивает камеру изображения вне камеры.

8.Сотовые телефоны

Мобильные телефоны стали похожи на кислородный газ в современной общественной жизни. Вряд ли кого-то не коснулось бы действие сотового телефона. Мобильные телефоны есть везде, будь то передача срочного сообщения или постоянные сплетни. Но знаете ли вы, как работает сотовый телефон? Он работает по принципу электричества и электромагнитного спектра, волнообразных моделей электричества и магнетизма.

9. Аккумуляторы

Батареи — в мобильных телефонах, автомобилях, факелах, игрушках или любом другом устройстве — действуют как спасатели электричества.Аккумуляторы работают по емкостному принципу. С конца 18 века конденсаторы использовались для хранения электрической энергии. Бенджамин Франклин первым применил фразу «батарея» для обозначения серии конденсаторов в приложении для накопления энергии.

10. Доплеровский радар

Для проверки превышающих скорость транспортных средств полиция часто использует доплеровские радары. Доплеровские радары работают по принципу эффекта Доплера. Эффект Доплера — это не что иное, как изменение высоты звука, когда источник звука перемещается относительно слушателя.Это связано с тем, что частота звуковой волны изменяется по мере того, как источник звука приближается к слушателю или дальше от него.

физика | Определение, типы, темы, важность и факты

Ниже описаны традиционно организованные отрасли или области классической и современной физики.

Под механикой обычно понимается изучение движения объектов (или их бездвижения) под действием заданных сил. Классическую механику иногда считают разделом прикладной математики.Он состоит из кинематики, описания движения и динамики, изучения действия сил при создании движения или статического равновесия (последнее составляет науку о статике). Предметы квантовой механики 20-го века, имеющие решающее значение для изучения структуры материи, субатомных частиц, сверхтекучести, сверхпроводимости, нейтронных звезд и других основных явлений, а также релятивистской механики, важной, когда скорости приближаются к скорости света, являются формами механики, которая будет будет обсуждаться позже в этом разделе.

В классической механике законы изначально сформулированы для точечных частиц, в которых игнорируются размеры, формы и другие внутренние свойства тел. Таким образом, в первом приближении даже объекты размером с Землю и Солнце считаются точечными, например, при расчете орбитального движения планет. В динамике твердого тела также рассматриваются удлинение тел и их массовое распределение, но они считаются неспособными к деформации. Механика деформируемого твердого тела — это упругость; гидростатика и гидродинамика рассматривают жидкости в покое и в движении соответственно.

Три закона движения, сформулированные Исааком Ньютоном, составляют основу классической механики, вместе с признанием того, что силы являются направленными величинами (векторами) и соответственно сочетаются. Первый закон, также называемый законом инерции, гласит, что, если на него не действует внешняя сила, покоящийся объект остается в покое или, если он движется, он продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью. Следовательно, равномерное движение не требует причины. Соответственно, механика концентрируется не на движении как таковом, а на изменении состояния движения объекта в результате действующей на него чистой силы.Второй закон Ньютона уравнивает результирующую силу, действующую на объект, со скоростью изменения его количества движения, которое является произведением массы тела и его скорости. Третий закон Ньютона, закон действия и противодействия, гласит, что при взаимодействии двух частиц силы, действующие друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению. Взятые вместе, эти механические законы в принципе позволяют определять будущие движения набора частиц, при условии, что их состояние движения известно в какой-то момент, а также силы, которые действуют между ними и на них извне.Из этого детерминированного характера законов классической механики в прошлом делались глубокие (и, вероятно, неверные) философские выводы, которые даже применялись к истории человечества.

Законы механики, лежащие на самом базовом уровне физики, характеризуются определенными свойствами симметрии, примером которых является вышеупомянутая симметрия между силами действия и противодействия. Другие симметрии, такие как инвариантность (т. Е. Неизменная форма) законов относительно отражений и вращений, осуществляемых в пространстве, обращения времени или преобразования в другую часть пространства или в другую эпоху времени, присутствуют как в классической литературе. в механике и в релятивистской механике, а с некоторыми ограничениями и в квантовой механике.Можно показать, что свойства симметрии теории имеют в качестве математических следствий основные принципы, известные как законы сохранения, которые утверждают постоянство во времени значений определенных физических величин при заданных условиях. Сохраняющиеся величины — самые важные в физике; в их число входят масса и энергия (в теории относительности масса и энергия эквивалентны и сохраняются вместе), импульс, угловой момент и электрический заряд.

Существуют ли подлинные математические объяснения физических явлений? на JSTOR

Abstract

Многие объяснения в науке используют математику.Но есть ли случаи, когда математическая составляющая научного объяснения является объяснительной сама по себе? Этот вопрос математических объяснений в науке по большей части игнорировался. Я утверждаю, что в науке есть подлинные математические объяснения, и в некоторых деталях представляю пример такого объяснения, взятого из эволюционной биологии, с участием периодических цикад. Я также указываю, как ответ на мой заглавный вопрос влияет на более широкие проблемы философии математики; в частности, это может помочь платоникам ответить на недавний вызов Джозефа Мелиа относительно силы аргумента о незаменимости.

Информация журнала

Оглавления последних выпусков журнала Mind доступны по адресу http://www3.oup.co.uk/mind/contents. Авторизованные пользователи могут иметь доступ к полному тексту статей на этом сайте. Разум уже давно является ведущим журналом по философии. Для более 100 лет в нем представлены лучшие из передовых идей в эпистемология, метафизика, философия языка, философия логики и философия разума.

Информация об издателе

Oxford University Press — это отделение Оксфордского университета.Издание во всем мире способствует достижению цели университета в области исследований, стипендий и образования. OUP — крупнейшая в мире университетская пресса с самым широким присутствием в мире. В настоящее время он издает более 6000 новых публикаций в год, имеет офисы примерно в пятидесяти странах и насчитывает более 5500 сотрудников по всему миру. Он стал известен миллионам людей благодаря разнообразной издательской программе, которая включает научные работы по всем академическим дисциплинам, библии, музыку, школьные и университетские учебники, книги по бизнесу, словари и справочники, а также академические журналы.

Изучение природы световых явлений — Изучение физических явлений

Изучение физических явлений: Что происходит, когда свет от Солнца светит на Землю?

Содержание

I. Введение

II. Выявление студенческих ресурсов

A. Изучение способов содействия изучению естественных наук

Вопрос 1.1 Что вы узнали о свете в какой-то момент своей жизни, в школе или за ее пределами, во время опыта, когда вам нравился процесс обучения?

1.Пример студенческой работы по определению ресурсов для изучения естественных наук

B. Документирование первоначальных представлений о световых явлениях

Вопрос 1.2 Что вы уже знаете о том, каким вы видите баскетбол?

III. Разработка центральных идей на основе доказательств

A. Документирование ваших исследований

B. Изучение природы световых явлений

Вопрос 1.3 Что происходит, когда свет от источника попадает на экран?

Вопрос 1.4 Что происходит, когда вы устанавливаете перегородку между лампой и экраном?

Вопрос 1.5 Как кажется, что свет проходит от источника к экрану?

Вопрос 1.6 Сколько теней вы можете увидеть, глядя на источник света, барьер и экран?

Вопрос 1.7 Что можно узнать о свете и тени с помощью лампы, барьера и экрана?

1. Пример студенческой работы, обобщающей серию исследований световых явлений

Вопрос 1.8 Что происходит при изучении света и тени с другом или членом семьи

2. Примеры исследования света и тени учащимися с друзьями и / или членами семьи

IV. Использование центральных идей для объяснения интригующих явлений

A. Исследование явлений точечных отверстий

Вопрос 1.9 Что происходит, когда свет проходит через крошечное отверстие и попадает на экран?

1. Пример студенческой работы по изучению феномена крошечных отверстий

Б.Объяснение феномена крошечных отверстий

Вопрос 1.10 Почему вы видите то, что видите, глядя на яркую лампочку через камеру-обскуру в темной комнате?

1. Объяснение феномена крошечных отверстий на примере Стьюдента

2. Некоторые нюансы в представлении и объяснении явлений точечных отверстий

C. Изучение критической проблемы

Вопрос 1.11 Как кто-то видит эту проекцию на экране?

1.Пример студенческой работы о том, как видят проекцию на экране

D. Изучение переменных, влияющих на явления крошечных отверстий

Вопрос 1.12 Какие переменные влияют на то, что видно на экране?

1. Пример студенческой работы о переменных, которые влияют на явления крошечных отверстий

E. Изучение феномена точечных отверстий с друзьями и / или членами семьи

Вопрос 1.13 Что происходит при изучении феномена точечного отверстия с другом или членом семьи?

1.Примеры студенческих исследований феноменов крошечных отверстий с друзьями и / или членами семьи

V. Разработка математических представлений обскуры

A. Геометрическое представление явлений крошечных отверстий

Вопрос 1.14 Как можно геометрически описать явления точечных отверстий?

1. Пример студенческой работы, геометрически представляющей явление крошечного отверстия

2. Некоторые нюансы геометрического представления явлений крошечных отверстий

Б.Алгебраическое представление явлений крошечных отверстий

Вопрос 1.15 Как можно алгебраически представить явления крошечных отверстий?

1. Пример студенческой работы, представляющей алгебраическое представление обскуры

2. Нюансы в алгебраическом представлении явлений крошечных отверстий

VI. Использование математических представлений для оценки интересной величины

A. Использование явлений точечных отверстий для оценки диаметра Солнца

Вопрос 1.16 Как можно использовать явление обскуры для оценки диаметра Солнца?

1. Пример студенческой работы по оценке диаметра Солнца

2. Некоторые нюансы использования математических представлений обскурных явлений

3. Использование явлений крошечных отверстий для оценки диаметра Солнца с друзьями и / или членами семьи

Вопрос 1.17 Что происходит при оценке диаметра Солнца с другом или членом семьи?

4.Некоторые мысли о природе науки в этом контексте

VII. Разработка дополнительных центральных идей на основе доказательств

A. Исследование явлений отражения

Вопрос 1.18 Что происходит, когда свет падает на гладкую поверхность?

Вопрос 1.19 Что происходит, когда свет падает на шероховатую поверхность?

1. Пример студенческой работы о явлениях отражения

2. Некоторые нюансы в объяснении явлений отражения

Вопрос 1.20 Насколько хорошо разные материалы отражают свет?

3. Пример студенческой работы о свойстве отражательной способности

4. Некоторые нюансы исследования свойства отражательной способности

B. Исследование явлений преломления

Вопрос 1.21 Что происходит, когда свет перемещается из одной среды в другую, например из воздуха в воду или из воды в воздух?

1. Пример студенческой работы по исследованию явлений рефракции

2.Нюансы исследования явлений преломления

Вопрос 1.22 Что происходит при исследовании рефракции с друзьями или членами семьи?

3. Изучение феномена преломления с другом и / или членом семьи

4. Размышления о природе науки на примере этих исследований

C. Исследование явлений дисперсии

Вопрос 1.23 Что происходит, когда свет от Солнца проходит из воздуха в призму или каплю воды?

1.Пример студенческой работы по изучению дисперсионных явлений

2. Нюансы исследования явлений дисперсии

VIII. Использование дополнительных центральных идей о свете для объяснения интригующего явления

Вопрос 1.24 Как образуются радуги?

1. Пример студенческой работы, объясняющей радугу

2. Нюансы использования основных идей об отражении, преломлении и дисперсии для объяснения радуги

IX. Исторические и современные взгляды на природу света

1.Исторические интерпретации спектра цветов, рассеиваемых призмой

X. Установление связи с образовательной политикой

Вопрос 1.25 Каковы текущие стандарты преподавания естественных наук в различных классах вашего сообщества?

A. Изучение научных стандартов США следующего поколения: наука и инженерная практика

1. Пример студенческой работы о соответствующей образовательной политике

Б.Размышляя об этом исследовании световых явлений

C. Установление связи с пониманием NGSS о природе науки

XI. Изучение физических явлений: сводка оборудования и материалов для установки 1

Фигуры

• РИС. 1.1 Рисунки небольшой группы о приятном опыте изучения света.
• РИС. 1.2 Список способов стимулирования научного обучения, определенных студентами-физиками.
• РИС. 1.3a Перед страницей записной книжки по физике с пояснениями.
• РИС. 1.3b Оборотная сторона страницы записной книжки по физике с пояснениями.
• РИС. 1.4 Шаблон страницы блокнота по физике (передняя и задняя).
• РИС. 1.5. Предскажите, что вы увидите, если включите прозрачную лампочку возле экрана.
• РИС. 1.6. Предскажите, что вы увидите, поставив барьер перед экраном.
• РИС. 1.7 Прямая палка может служить физической моделью распространения света.
• РИС. 1.8 Два вида теней образуются, когда между светом и экраном помещается преграда.
• РИС. 1.9 Таблица, в которой суммируются исследования ученика света и тени в классе и дома.
• РИС. 1.10 Детский рисунок дерева с солнцем и цветами.
• РИС. 1.11 Глядя на лампочку через камеру-обскуру.
• РИС. 1.12. Что можно увидеть, глядя на лампочку через камеру-обскуру.
• РИС. 1.13 Набросок Стьюдента по исследованию феномена точечного отверстия.
• РИС. 1.14 Лучевая диаграмма Стьюдента, представляющая объяснение явлений крошечных отверстий.
• РИС. 1.15 Лучевая диаграмма для камеры-обскуры, включая свет, попадающий в глаза зрителя.
• РИС. 1.16 Таблица переменных Стьюдента при исследовании феномена точечного отверстия.
• РИС. 1.14 (повторяется) Лучевая диаграмма Стьюдента, представляющая объяснение явления крошечного отверстия.
• РИС. 1.17 Стилизованная лучевая диаграмма, отображающая явление точечного отверстия
• РИС. 1.18 Треугольники ACB и FCE.
• РИС. 1.19 Лучевая диаграмма Стьюдента, показывающая соответствующие совпадающие углы.
• РИС.1.20. Лучевая диаграмма, представляющая явление крошечного отверстия с помеченными вершинами.
• РИС. 1.21. Использование явлений точечных отверстий для оценки диаметра Солнца.
• РИС. 1.22 Набросок оценки диаметра Солнца с феноменом точечного отверстия.
• РИС. 1.23 Лучевая диаграмма и математика, используемые для оценки диаметра Солнца.
• РИС. 1.24 Отчет Студента о статусе переменных при оценке диаметра Солнца.
• РИС. 1.25 Лучевая диаграмма, изображающая явление крошечного отверстия с очень далеким объектом.
• РИС. 1.26 Кто видит в зеркале свет от фонарика?
• РИС. 1.27 Запись студента об рефлексии в таблице 1.1.
• РИС. 1.28 Углы, определяемые по отношению к нормали, а не к зеркалу.
• РИС. 1.29 Световые лучи, отражающиеся в разных направлениях от неровностей на шероховатой поверхности.
• РИС. 1.30 Отскок мяча от поверхности.
• РИС. 1.31 Использование светового зонда, подключенного к компьютеру, для сравнения отражательной способности различных материалов.
• РИС. 1.32 График Стьюдента по изучению отражательной способности различных материалов.
• РИС. 1.33 Глаз наблюдателя находится чуть ниже точки, где человек может видеть точку в чашке.
• РИС. 1.34. Согнутый карандаш в стакане с водой.
• РИС. 1.35 Запись ученика в таблице об исследованиях световых явлений, включая рефракцию.
• РИС. 1.36. Схема точки в чашке с водой и без воды глазами наблюдателя.
• РИС. 1.37 Световые лучи, отражающиеся во многих направлениях от реальной точки в воде.
• РИС. 1.38 Пунктирная линия, представляющая линейку, моделирующую кажущийся прямой путь, по которому световые лучи проходят от видимой точки к глазу.
• РИС. 1.39 Пунктирные и сплошные линии, представляющие видимые и фактические пути световых лучей, идущих от видимых и реальных точек к глазу.
• РИС. 1,40 Луч света отражается от кончика карандаша и изгибается по поверхности на пути к глазу.
• РИС. 1.41 Куда вы должны целиться при подводной ловле?
• РИС.1.42 Запись учащегося в таблице об исследовании явлений дисперсии.
• РИС. 1.43 Рассеивание белого света по его цветовому спектру.
• РИС. 1.44 Солнце, человек, облако и дождь, когда человек видит радугу.
• РИС. 1.45 Лучевая диаграмма для двух капель дождя и человека, видящего радугу.
• РИС. 1.46 Белый луч света от солнца преломляется, когда попадает в каплю дождя.
• РИС. 1.47 Световой луч определенного цвета отражается от гладкой внутренней поверхности капли.
• РИС. 1.48 Световой луч определенного цвета снова преломляется при переходе от воды к воздуху.
• РИС. 1.49 Красные и фиолетовые лучи с разных капель.
• РИС. 1.50 Увидеть разные цвета из разных капель дождя.
• РИС. 1.51 Отрывок из книги Ньютона (1671/72), показывающий белый свет (SF), рассеянный призмой (ABC) в лучи, которые объединяются линзой (mn) обратно в белый свет на листе бумаги (HI) в точке Q (стр. 3086) .
• РИС. 1.52 Пример волн, образованных дождем, падающим в лужу с водой.
• РИС. 1.53 Основные цвета спектра солнечного света, представленные волнами с разными длинами волн.
• РИС. 1.54 Волновая диаграмма, показывающая длину и амплитуду волны.
• РИС. 1.55 Ответ учащегося, указывающий на использование в этом модуле научных и инженерных практик.

Таблицы

• ТАБЛИЦА 1.1 Исследования световых явлений
• ТАБЛИЦА 1.1 Исследования световых явлений (продолжение)
• ТАБЛИЦА 1.2 Переменные в исследовании явлений точечных отверстий
• ТАБЛИЦА 1.1 Исследования световых явлений (продолжение)
• ТАБЛИЦА 1.1 Исследования световых явлений (продолжение)
• ТАБЛИЦА 1.1 Исследования световых явлений (продолжение)
• ТАБЛИЦА 1.4 Наука и инженерная практика (ведущие государства NGSS, 2013 г.)

Физика: Введение | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните разницу между принципом и законом.
• Объясните разницу между моделью и теорией.

Рис. 1. Формирование полета перелетных птиц, таких как канадские казарки, регулируется законами физики. (кредит: Дэвид Меррет)

Физическая вселенная чрезвычайно сложна в деталях. Каждый день каждый из нас наблюдает за самыми разными предметами и явлениями. На протяжении веков любопытство человечества побуждало нас коллективно исследовать и каталогизировать огромное количество информации.От полета птиц до цветов цветов, от молнии до гравитации, от кварков до скоплений галактик, от течения времени до тайны создания Вселенной — мы задавали вопросы и собирали огромные массивы фактов. Учитывая все эти детали, мы обнаружили, что удивительно небольшой и унифицированный набор физических законов может объяснить то, что мы наблюдаем. Как люди, мы делаем обобщения и стремимся к порядку. Мы обнаружили, что природа удивительно кооперативна — она ​​демонстрирует лежащий в основе порядок и простоту , которую мы так ценим.

Это лежащий в основе порядок природы, который делает науку в целом и физику в частности такими приятными для изучения. Например, что общего между пакетом микросхем и автомобильным аккумулятором? Оба содержат энергию, которая может быть преобразована в другие формы. Закон сохранения энергии (который гласит, что энергия может менять форму, но никогда не теряется) связывает воедино такие темы, как пищевые калории, батарейки, тепло, свет и часовые пружины. Понимание этого закона позволяет легче узнать о различных формах, которые принимает энергия, и о том, как они соотносятся друг с другом.Очевидно несвязанные темы связаны через широко применимые физические законы, позволяющие понимание, выходящее за рамки простого запоминания списков фактов.

Объединяющий аспект физических законов и простота природы составляют основные темы этого текста. Научившись применять эти законы, вы, конечно же, изучите самые важные темы физики. Что еще более важно, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять эти законы далеко за пределами того, что можно включить в одну книгу.Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут критически мыслить в любой профессиональной карьере, которую вы выберете. В этом модуле обсуждается область физики (чтобы определить, что такое физика), некоторые приложения физики (чтобы проиллюстрировать ее отношение к другим дисциплинам) и, более точно, что составляет физический закон (чтобы осветить важность экспериментов для теории).

Наука и сфера физики

Наука состоит из теорий и законов, которые являются общими истинами природы, а также совокупности знаний, которые они охватывают.Ученые постоянно пытаются расширить эту совокупность знаний и усовершенствовать выражение описывающих ее законов. Physics занимается описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени, и особенно его интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления. Забота об описании основных явлений в природе по существу определяет область физики .

Физика стремится описать функции всего, что нас окружает, от движения крошечных заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей.На самом деле почти все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики. Рассмотрим смартфон (рисунок 2). Физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Затем рассмотрим систему GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние.Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические уравнения для определения времени в пути из одного места в другое.

Вам не нужно быть ученым, чтобы пользоваться физикой. Напротив, знание физики полезно в повседневных ситуациях, а также в ненаучных профессиях. Это может помочь вам понять, как работают микроволновые печи, почему в них нельзя добавлять металлы и почему они могут повлиять на кардиостимуляторы. (См. Рис. 3.) Физика позволяет вам понять опасности излучения и более легко рационально оценить эти опасности.Физика также объясняет причину, по которой черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля, и объясняет, почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома. Точно так же работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нервную систему нашего тела гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения фундаментальной физики.

Физика является основой многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в развитие других. Например, химия, поскольку она занимается взаимодействием атомов и молекул, уходит корнями в атомную и молекулярную физику.Большинство областей техники — это прикладная физика. В архитектуре физика лежит в основе структурной устойчивости и участвует в акустике, обогреве, освещении и охлаждении зданий. Части геологии в значительной степени полагаются на физику, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередачу на Земле. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Физика имеет множество приложений в биологических науках. На микроскопическом уровне это помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран (рис. 4 и рис. 5).На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и энергию, связанные с человеческим телом. Физика занимается медицинской диагностикой, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока. Медикаментозная терапия иногда напрямую связана с физикой; например, радиотерапия рака использует ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Необязательно формально изучать все приложения физики.Что наиболее полезно, так это знание основных законов физики и умение использовать аналитические методы их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения проблем. Кроме того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками, а изучение физики облегчает понимание других наук.

Модели, теории и законы; Роль экспериментов

Законы природы — это краткие описания вселенной вокруг нас; это человеческие утверждения основных законов или правил, которым следуют все естественные процессы.Такие законы присущи Вселенной; люди не создавали их и поэтому не могут их изменить. Мы можем только открыть и понять их. Их открытие — очень человеческое усилие, со всеми элементами тайны, воображения, борьбы, триумфа и разочарования, присущего любому творческому усилию. (См. Рисунок 6 и рисунок 7.) Краеугольным камнем открытия законов природы является наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы можем ее себе представить.

Все мы в некоторой степени любопытны.Мы смотрим вокруг, делаем обобщения и пытаемся понять то, что видим — например, мы смотрим вверх и задаемся вопросом, сигнализирует ли один тип облаков о надвигающемся шторме. По мере того, как мы серьезно относимся к изучению природы, мы становимся более организованными и формальными в сборе и анализе данных. Мы стремимся к большей точности, проводим контролируемые эксперименты (если можем) и записываем идеи о том, как данные могут быть организованы и объединены. Затем мы формулируем модели, теории и законы на основе данных, которые мы собрали и проанализировали, чтобы обобщить и сообщить результаты этих экспериментов.

Модель представляет собой представление чего-то, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую. Хотя модель подтверждается экспериментальным доказательством, она точна только в ограниченных ситуациях. Примером может служить планетарная модель атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. (См. Рис. 8.) Мы не можем наблюдать электронные орбиты напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, например, излучение света горячими газами (атомные спектры).Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам анализировать сценарий и выполнять вычисления, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования. Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие — нет. Например, теория гравитации Ньютона не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты напрямую с помощью наших органов чувств.С другой стороны, кинетическая теория газов — это модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул. Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать нашими чувствами, поэтому мы мысленно представляем их, чтобы понять, что наши инструменты говорят нам о поведении газов.

Закон использует сжатый язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения.Законы и теории похожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и поддерживаются научными доказательствами. Однако обозначение закон зарезервировано для краткого и очень общего утверждения, которое описывает явления в природе, такие как закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение по простому уравнению F = м a .Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений. Например, теорию эволюции и теорию относительности нельзя выразить достаточно кратко, чтобы их можно было считать законом. Самая большая разница между законом и теорией состоит в том, что теория намного сложнее и динамичнее. Закон описывает отдельное действие, а теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, лежащий в основе научного метода, теория — это конечный результат этого процесса.

Менее широко применимые утверждения обычно называются принципами (например, принцип Паскаля, который применим только к жидкостям), но различие между законами и принципами часто проводится нечетко.

Модели, теории и законы

Модели, теории и законы используются, чтобы помочь ученым анализировать данные, которые они уже собрали. Однако часто после того, как модель, теория или закон были разработаны, они указывают ученым на новые открытия, которые они иначе не сделали бы.

Модели, теории и законы, которые мы иногда придумываем. подразумевают существование объектов или явлений, которые еще не наблюдаются. Эти предсказания — замечательные триумфы и дань уважения силе науки. Это основной порядок во Вселенной, который позволяет ученым делать такие впечатляющие прогнозы. Однако, если эксперимент не подтверждает наши прогнозы, то теория или закон неверны, независимо от того, насколько они элегантны или удобны. Законы никогда нельзя узнать с абсолютной уверенностью, потому что невозможно провести все мыслимые эксперименты, чтобы подтвердить закон во всех возможных сценариях.Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет обнаружен контрпример. Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит устоявшемуся закону, закон должен быть изменен или полностью отменен.

Изучение науки в целом и физики в частности — это приключение, во многом напоминающее исследование неизведанного океана. Сделаны открытия; формулируются модели, теории и законы; и красота физической вселенной становится более возвышенной благодаря полученным знаниям.

Научный метод

По мере того, как ученые исследуют и собирают информацию о мире, они следуют процессу, называемому научным методом . Этот процесс обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый. Затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу. Затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент. Наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод.Обратите внимание, что научный метод может применяться во многих ситуациях, которые не ограничиваются наукой, и этот метод можно модифицировать в зависимости от ситуации.

Рассмотрим пример. Допустим, вы пытаетесь включить машину, но она не заводится. Вы, несомненно, задаетесь вопросом: почему машина не заводится? Чтобы ответить на этот вопрос, вы можете воспользоваться научным методом. Во-первых, вы можете провести небольшое исследование, чтобы определить ряд причин, по которым автомобиль не заводится. Далее вы сформулируете гипотезу.Например, вы можете подумать, что автомобиль не заводится, потому что в нем нет моторного масла. Чтобы проверить это, вы открываете капот автомобиля и проверяете уровень масла. Вы замечаете, что уровень масла находится на приемлемом уровне, и, таким образом, делаете вывод, что уровень масла не способствует возникновению проблемы с вашим автомобилем. Для дальнейшего устранения проблемы вы можете придумать новую гипотезу для проверки, а затем повторить процесс снова.

Эволюция естественной философии в современную физику

Физика не всегда была отдельной дисциплиной.Он по сей день связан с другими науками. Слово физика происходит от греческого языка, что означает природа. Изучение природы стало называться «натурфилософией». С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала множество областей, включая астрономию, биологию, химию, физику, математику и медицину. За последние несколько столетий рост знаний привел к постоянно растущей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные аспекты.(См. Рисунок 9, рисунок 10 и рисунок 11.) Физика в том виде, в котором она развивалась с эпохи Возрождения до конца XIX века, называется классической физикой . Революционные открытия, сделанные в начале 20 века, превратили ее в современную физику.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но это отличное приближение при следующих условиях: Материя должна двигаться со скоростью менее примерно 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы быть При наблюдении под микроскопом могут быть задействованы только слабые гравитационные поля, такие как поле, создаваемое Землей.Поскольку люди живут в таких условиях, классическая физика кажется интуитивно разумной, в то время как многие аспекты современной физики кажутся странными. Вот почему модели так полезны в современной физике — они позволяют концептуализировать явления, с которыми мы обычно не сталкиваемся. Мы можем относиться к моделям в человеческих терминах и визуализировать, что происходит, когда объекты движутся с высокой скоростью, или представлять себе, на что могут быть похожи объекты, слишком маленькие для наблюдения нашими чувствами. Например, мы можем понять свойства атома, потому что можем представить его в уме, хотя мы никогда не видели атом своими глазами.Новые инструменты, конечно же, позволяют нам лучше представить явления, которые мы не видим. Фактически, новые приборы позволили нам в последние годы фактически «изобразить» атом.

Ограничения законов классической физики

Для применения законов классической физики должны быть выполнены следующие критерии: материя должна двигаться со скоростью менее 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, и могут быть задействованы только слабые гравитационные поля (такие как поле, создаваемое Землей).

Некоторые из самых выдающихся достижений науки были сделаны в современной физике. Многие законы классической физики были изменены или отвергнуты, что привело к революционным изменениям в технологиях, обществе и нашем взгляде на Вселенную. Как и научная фантастика, современная физика наполнена увлекательными объектами, выходящими за рамки нашего обычного опыта, но она имеет преимущество перед научной фантастикой в ​​том, что она очень реальна. Почему же тогда большая часть этого текста посвящена темам классической физики? Есть две основные причины: классическая физика дает чрезвычайно точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств, а знание классической физики необходимо для понимания современной физики.

Современная физика сама по себе состоит из двух революционных теорий, теории относительности и квантовой механики. Эти теории имеют дело с очень быстрым и очень маленьким соответственно. Относительность необходимо использовать всякий раз, когда объект движется со скоростью более 1% от скорости света или испытывает сильное гравитационное поле, например, около Солнца. Квантовая механика необходимо использовать для объектов, меньших, чем можно увидеть в микроскоп. Комбинация этих двух теорий составляет релятивистской квантовой механики, и описывает поведение небольших объектов, движущихся с высокими скоростями или испытывающих сильное гравитационное поле.Релятивистская квантовая механика — лучшая универсально применимая теория, которая у нас есть. Из-за своей математической сложности она используется только при необходимости, а другие теории используются всякий раз, когда они дадут достаточно точные результаты. Однако мы обнаружим, что можем многое сделать в современной физике с помощью алгебры и тригонометрии, используемых в этом тексте.

Проверьте свое понимание

Друг говорит вам, что он узнал о новом законе природы. Что вы можете узнать об этой информации еще до того, как ваш друг опишет закон? Чем изменилась бы информация, если бы ваш друг сказал вам, что он изучил научную теорию, а не закон?

Раствор

Не зная подробностей закона, вы все равно можете сделать вывод, что информация, которую узнал ваш друг, соответствует требованиям всех законов природы: это будет краткое описание вселенной вокруг нас; изложение основных правил, которым следуют все естественные процессы.Если бы информация была теорией, вы могли бы сделать вывод, что информация будет крупномасштабным, широко применимым обобщением.

Исследования PhET: средство построения формул

Узнайте о графических полиномах. Форма кривой изменяется по мере настройки констант. Просмотрите кривые для отдельных членов (например, y = bx ), чтобы увидеть, как они складываются для создания полиномиальной кривой.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Наука стремится обнаружить и описать лежащие в основе порядок и простоту в природе.
• Физика — это самая фундаментальная наука, занимающаяся энергией, материей, пространством и временем, а также их взаимодействием.
• Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы — правила, которым, кажется, следуют все естественные процессы.

Концептуальные вопросы

1. особенно полезны в теории относительности и квантовой механике, где условия выходят за рамки тех, с которыми обычно сталкиваются люди.Что такое модель?

2. Чем модель отличается от теории?

3. Если две разные теории одинаково хорошо описывают экспериментальные наблюдения, можно ли сказать, что одна более достоверна, чем другая (при условии, что обе используют общепринятые правила логики)?

4. Что определяет обоснованность теории?

5. Чтобы верить измерению или наблюдению, должны быть выполнены определенные критерии. Обязательно ли критерии будут такими же строгими для ожидаемого результата, как и для неожиданного результата?

6.Может ли срок действия модели быть ограниченным или он должен быть универсальным? Как это соотносится с требуемой обоснованностью теории или закона?

7. При определенных обстоятельствах классическая физика является хорошим приближением к современной физике. Кто они такие?

8. Когда необходимо для использования релятивистской квантовой механики?

9. Можно ли с помощью классической физики точно описать спутник, движущийся со скоростью 7500 м / с? Объясните, почему да или почему нет.

Глоссарий

классическая физика:

физика, которая развивалась с эпохи Возрождения до конца 19 века

физика:

наука, связанная с описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени; его особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления

модель:

представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую

теория:

объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей

закон:

описание, используя краткий язык или математическую формулу, обобщенную закономерность в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами

научный метод:

метод, который обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый; затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу; затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент; наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод

современная физика:

изучение теории относительности, квантовой механики или того и другого

относительность:

изучение объектов, движущихся со скоростью, превышающей примерно 1% скорости света, или объектов, находящихся под воздействием сильного гравитационного поля

квантовая механика:

исследование объектов меньшего размера, чем можно увидеть в микроскоп

.