Документ представляет собой лекцию по физике, которая охватывает основные аспекты науки, изучающей природу и её явления, с акцентом на методы научного познания и истории физики. В нем обсуждаются основные физические законы, элементы материи, а также роль математических моделей и экспериментов в научных исследованиях. Также в лекции рассматривается эволюция научных представлений о форме Земли и элементарных частицах.

1. ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ
НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ
Секция экспериментальной физики
Руководитель секции
Магистр. Стипендиат Президента Украины.
Старший преподаватель Луганской государственной академии
культуры и искусств.
Член украинского физического общества.
Член ассоциации развития образовательных и научных сетей.
Член ассоциации профессионалов дистанционного образования
России e-Learning PRO.
E-mail: alex.voronkin@gmail.com http:// www.tdo.at.ua
Воронкин
Алексей Сергеевич
Луганск-2013

2. ФИЗИКА И МЕТОДЫ
НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

3. Лекция была прочитана для учеников
9-11 классов Луганского образовательно-
воспитательного комплекса
специализированной школы-гимназии № 42
16.01.2013г.

4. I. Физика как наука о природе. Классификация наук.
Предмет физики.
Физика – это наука понимать природу
Э. Роджерс
Физика – наука о сущем, наука о природе в самом общем смысле (от греч.
physis - природа).
Первыми физиками были древнегреческие философы, жившие еще до нашей
эры. Самым известным из них был Аристотель (384 – 322 до н.э.), именно он
ввел в научный обиход термин ―физика”.
Понятие ―наука‖ имеет несколько основных значений:
• во-первых, под наукой понимается сфера человеческой
деятельности, направленной на выработку и систематизацию
новых знаний о природе, обществе и познании окружающего мира;
• во втором значении наука выступает как результат этой деятельности –
система полученных научных знаний;

5. КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК
гуманитарные
естественные
и социально- технические сельскохозяйст
науки и
экономические науки венные науки
математика
науки
культурология, фи
механика, физик лология,
строительство, п
а, олиграфия, телеко
философия, журна агрономия,
химия, биология, ммуникацииметал
листика, история, зоотехника,
лургия, горное
политология, псих
дело, электроника ветеринария,
география, гидро ология,
и
социальная агроинженерия,
метеорология, э микроэлектроника
работа, менеджм рыболовство
кология, медицин радиотехника, арх
ент, экономика, ис и др.
а итектура
кусствоведение и
и др. др.
и др.
Г. Галилей говорил: ―математика - это язык, на котором написана книга природы‖.

6. Физика – фундаментальная наука, так как другие естественные науки —
биология, химия… – описывают лишь некоторый класс материальных
систем, подчиняющихся законам физики.
Физика позволяет выводить общие законы на основании изучения
простых явлений.
• МЕХАНИЧЕСКИЕ
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
• МАГНИТНЫЕ
• ТЕПЛОВЫЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
• ЗВУКОВЫЕ
• СВЕТОВЫЕ
• ВНУТРИАТОМНЫЕ
• ВНУТРИЯДЕРНЫЕ
Задача физики – установление “законов” окружающего мира.

7. Механические явления
1. Перевернутая бутылка
Положите листок бумаги на край стола. На листок поставьте горлышком
вниз пустую бутылку. Резким движением выдерните листок. При этом
бутылка остается на месте. Почему?

8. 2. Монетка в бутылке
Вырежьте из тонкого картона полоску шириной 2-3 см и склейте из нее
кольцо диаметром 10-15 см. Расположите его на горлышке пустой
бутылки. На кольцо положите монету, а внутрь введите линейку и резким
горизонтальным движением выбейте кольцо из-под монеты. Монета
упадет в бутылку. Как можно объяснить наблюдаемое явление?
Ответ:
При резком выбивании картонного кольца из-под
монеты время взаимодействия указанных тел
мало, поэтому небольшая по величине сила
трения, действующая на монету, не может
сообщить последней скорость в горизонтальном
направлении. Практически монета сохраняет
состояние покоя по инерции, но при удалении
опоры падает в бутылку.

9. Физика – наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих
формах движения материи и их взаимных превращениях
Материя – все то, что существует вне и независимо от нашего
сознания, но обнаруживается нами посредством ощущений.
ВИДЫ
МАТЕРИИ
ВЕЩЕСТВО ПОЛЕ
атомы, молекулы и все электромагнитные, грав
тела, построенные из них итационные и другие
поля
Различные виды материи могут превращаться друг в друга.
Так, например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) могут
превращаться в фотоны (т.е. в электромагнитное поле). Возможен и
обратный процесс.

10. Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является
движение. Движение в широком смысле слова – это всевозможные
изменения материи, от простого перемещения до сложнейших
процессов мышления.
ФОРМЫ
СУЩЕСТВОВАНИЯ
МАТЕРИИ
ВРЕМЯ ПРОСТРАНСТВО
• Материя вечно и непрерывно развивается.
• Непрерывное и бесконечное развитие материи проявляется во времени.
• Время – одна из форм существования материи.
• Развитие материи происходит еще и в пространстве.
Например, при механическом движении тела перемещаются друг
относительно друга в пространстве со временем.

11. II. Методы научного исследования
Метод научного исследования – это способ познания объективной
действительности. Способ представляет собой определенную
последовательность действий, приемов, операций.
методы методы методы
эмпирического теоретического метатеоретического
уровня уровня уровня
наблюдение, аксиоматический, гипот диалектический,
описание, етический (гипотетико- метафизический,
сравнение, дедуктивный), формали герменевтический и
счет, зацию, абстрагирование др. методы.
измерение, , общелогические Некоторые ученые к
тестирование, методы этому уровню
эксперимент, (анализ, синтез, индукц относят метод
моделирование и т.д. ию, дедукцию, аналоги системного анализа
ю) и др.

12. “ЗАПИСКИ О ШЕРЛОКЕ ХОЛМСЕ”
Холмс: “...вы видите все, но не даете
себе труда поразмыслить над тем, что
видите”
Главным прообразом Шерлока Холмса
послужил один из преподавателей Конан
Дойля – хирург Джозеф Белл, который
был мастером
наблюдательности, логики, выводов
Артур Конан Дойль и обнаружения ошибок.

13. Дедукция (лат. deductio – выведение) – это цепь
умозаключений, при которых частное положение выводится
из общего логическим путѐм;
Индукция (от лат. inductio – наведение) – это переход в
процессе познания от частного знания к общему

14. МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ФИЗИКЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
теоретический метод
изучения физики
изучение физики наблюдения явлений в
состоит в постановке
посредством опытов и естественных
проблемы и построении
экспериментов условиях
математической модели
еѐ решения
Процесс познания в физике начинается с наблюдения явлений в
естественных условиях или со специально поставленных опытов –
экспериментов.
В результате обобщения опытных данных появляется научное суждение о
механизме явления в виде гипотезы.

15. Проблема – это сложная теоретическая или практическая задача, способы
решения которой неизвестны или известны не полностью.
• Наблюдение событий – это одно из важных наблюдение
признаков науки, причем сам наблюдатель
должен быть опытным и подготовленным.
• Гипотеза – это научное предположение,
выдвигаемое для объяснения какого-либо
явления и требующее проверки на опыте и гипотеза
теоретического обоснования для того, чтобы
стать достоверной научной теорией.
• Правильная физическая теория дает опыт
качественные и количественные объяснения
явлений природы и формулирует их законы.
Физические теории почти всегда
формулируются математически (математика –
это инструмент физики). вывод
• Физические законы – устойчивые ТЕОРИЯ
повторяющиеся объективные закономерности,
существующие в природе.

16. ПРИМЕРЫ
2.1. Ускорение свободного падения
Аристотель Галилей
(384-322 до н.э.) (15.02 1564 - 8.01.1642)
Наблюдения показывают, что Метод абстрагирования и
перышко парит в воздухе гораздо упрощения
дольше падающего камня. (идеализация).
На Земле в отсутствии
Скорость падения
сопротивления воздуха все тела
пропорциональна массе тела: падают с одним и тем же
чем больше масса тела, тем тело ускорением.
быстрее падает.

17. Все с детства знают, что то-то и то-то
невозможно. Но всегда находится невежда, который
этого не знает. Он – то и делает открытие
Во времена Галилея провести А. Эйнштейн
эксперимент в вакууме было
невозможно.
Камень и перо брошены одновременно Говорят, что Галилей демонстрировал
ложность утверждения
в воздухе (а) и вакууме (б)
Аристотеля, бросая предметы с
накренившейся башни в итальянском
городе Пиза.

18. Воздух оказывает сопротивление
Ускорение свободного падения
любому падающему телу. Чем
больше будет площадь
поверхности листа, тем больше На полюсе g=9,832 м/с2
сопротивление воздуха и тем На экваторе g=9,780 м/с2
медленнее он будет падать. На Луне g=1,623 м/с2
Мяч и листок бумаги брошены Какой принцип положен в устройство
одновременно (а), тот же опыт, но работы парашюта?
бумага скомкана (б)

19. 2.2. Естественное состояние тела
Аристотель Галилей
Находящееся на земле Если мысленно представить, что
тело, получившее начальный трение отсутствует, то тело,
толчок, всегда останавливается. получившее начальный толчок на
Естественное состояние тела - горизонтальной поверхности,
покой, а движется оно только под
продолжало бы двигаться
влиянием силы или импульса.
безостановочно в течение
Отсюда следовало, что тяжелое тело
неопределенно долгого времени.
должно падать быстрее
легкого, потому что оно сильнее
притягивается к Земле.
ВЫВОД: ВЫВОД:
естественным состоянием тела для тела состояние движения
является покой также естественно, как и
состояние покоя
Галилео Галилей стал использовать опыт, как средство проверки гипотез и
обнаружения новых фактов. Он доказал, что в суждениях о природе необходимо
оперировать свойствами, которые можно точно измерить.

20. 2.3. Представления о форме Земли
2.3.1. Земля плоская.
Первоначально у людей было представление, что Земля
плоская и лежит на большой черепахе или ките. В те
времена люди жили на очень ограниченном пространстве
и мало путешествовали.
С развитием мореплавания было замечено, что земная
поверхность имеет некоторую кривизну.
2.3.2. Земля сферическая.
Первым предложил считать Землю шаром Пифагор.
В 340 г. до н. э. Аристотель в своей книге ―О небе‖
приводил доводы в пользу того, что Земля имеет
сферическую форму.
Первые неопровержимые доказательства шарообразности Земли были
получены в XVI в., когда Фернан Магеллан совершил первое в истории
человечества кругосветное плавание (1519–1522 гг.). Этим путешествием
было доказано наличие единого Мирового океана и получено практическое
доказательство шарообразности Земли.

21. 2.4. Элементарные частицы
Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к
микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на
составные части.
• Греческий философ Демокрит назвал
простейшие нерасчленимые частицы
атомами (от греч. ἄτομος – ―неделимый‖).
• Но в конце XIX века было открыто
сложное строение атомов, был выделен
электрон как составная часть атома. Уже
в XX веке, были открыты протон и
нейтрон – частицы, входящие в состав
атомного ядра.

22. Атом был изучен благодаря эксперименту английского физика, лауреата
Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда.
Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении их
через золотую пластину, Резерфорд пришел к
выводу, что в центре атомов существует массивное
положительно заряженное ядро.
Чуть позже Резерфорд предложил планетарную
модель атома, представляющую собой подобие
Солнечной системы: в центре - положительно
заряженное ядро, вокруг него по орбитам движутся
отрицательно заряженные электроны.
Эрнест Резерфорд
(1871-1937) Резерфорд, заложивший основы учения о
радиоактивности и строении
атома, экспериментально доказал существование
протонов и высказал предположение о возможности
существования нейтральной частицы - нейтрона.
Учениками Резерфорда были Петр Капица и Юлий
Харитон.

23. • Поначалу на все открытые частицы смотрели
точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их
считали неделимыми – основными кирпичиками
мироздания.
• Со временем к уже известным элементарным
частицам прибавлялись новые: пионы, мюоны
(1936г.), гипероны… В 1986 году было известно
более 400 элементарных частиц.
• Все элементарные частицы превращаются друг
в друга, и эти взаимные превращения – главный
факт их существования.
• Превращения элементарных частиц можно
наблюдать при столкновениях частиц высоких
энергий.

24. Масштабы

25. Large Hadron Collider
Б.А.К. ЦЕРН
Ускоритель заряженных частиц на
встречных пучках, предназначенный
для разгона протонов и тяжѐлых
ионов и изучения продуктов их
соударений. Коллайдер построен в
научно-исследовательском центре
Европейского совета ядерных
исследований (ЦЕРН), на границе
Швейцарии и Франции, недалеко от
Женевы.

26. CERN accelerator complex
as proton and heavy ion injector for
LHC
Large Hadron
Collider
(LHC) 2008
A. Siemko
16/04/2007

28. Научно-практический семинар
ЦЕРН внес вклад не только
в развитие физики высоких
энергий, но и в развитие
современных
информационных
технологий (в том числе и
образовательных), ведь
именно в нем зародилась
технология Всемирной
паутины (www) и был
разработан протокол HTTP.
C советником Программа семинара,
генерального директора Алушта,
CERN Тадеушем Куртыка 2012

29. Big Bang
Expansion
29

30. Артемовская научная станция Института ядерных исследований
Российской академии наук – Подземный телескоп
(г. Соледар Донецкой области )
В 1967 г. Институт ядерных исследований построил в выработках
шахты № 3 г. Соледар специальную установку для измерения
параметров нейтрино
Когда сгорает звезда (коллапс) происходит массовое выбрасывание
энергии, которая и уходит как раз через нейтрино
Почему Артемовск?
Соль является одним из самых низкофоновых веществ
на Земле – она имеет в 300 раз меньшую
радиоактивность, чем любое другое строительное
вещество. А еще для того чтобы ловить нейтрино,
нужно было избавиться от других космических
веществ и помех.

31. Звездная катастрофа – взрыв сверхновой SN1987A.
(фото сделано через 16 лет после начала (фото сделано через 19 лет,
взрыва при помощи оптического Телескоп Хаббл)
телескопа Хаббл)

32. Детектор находится на глубине 500 м
Детектор :
герметичная емкость (105 т),
диаметр 5 м,
высота ~ 6,5 м.
Установка оценивается в $15 млн.

33. МОЖНО ЛИ ВЕРИТЬ НАШЕМУ
ЗРЕНИЮ?

34. ПРИМЕРЫ СУБЪЕКТИВНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
2.5. ОБМАН зрения
Если бы мы привыкли судить о вещах по самой
истине, то искусство бы не могло иметь
места, равно как когда бы мы были слепы
Леонард Эйлер
Оптические иллюзии – это оптический обман нашего мозга. Глаз видит
изображение одного объекта, тем не менее мозг понимает этот объект по-своему.
Когда орган зрения получает картинку - включается большое количество процессов
в мозге, начинается анализ расположения основных граней и углов, структур цвета
или позиций источников света. И во многих случаях этот анализ бессознательно
есть неточным - происходит коррекция зрительных образов.
Типы оптических иллюзий:
1. Иллюзии восприятия цвета
2. Иллюзии движения
3. Иллюзии восприятия глубины
4. Иллюзии восприятия размеров
5. Стерео-иллюзии

35. На пересечении линий заметны белые пятна. Эти пятна создают
иллюзию концентрических кругов

36. Обратите внимание на узловые точки.
Какого они цвета – черного или белого?
Узловые точки белого цвета!

37. Возникает иллюзия, что рисунок пульсирует
(иллюзия движения)

38. Видите волнообразное смещение?
Это не анимация – картинка статична

39. Какой отрезок больше – А или Б?
(отрезки одинаковы)
Какой отрезок больше А-Б или Б-В?
(отрезки равны между собой)
Какое расстояние больше – между
точками А и Б или между
точками В и Г?
(расстояние одинаково)

40. Человеческий глаз видит на рисунке систему спиралей, исходящих из общего
центра.
А что видите Вы?
В действительности на рисунке изображены концентрические круги.
В этом можно убедиться, обведя один из них острием карандаша.
Подобные и многие другие явления, обусловленные субъективным восприятием
наших органов чувств, создают затруднения для наблюдателя.

41. 3D изображение.
Использование очков с двухцветными стеклами
Один глаз видит почти ту же картинку, что и
второй, но с небольшим смещением.
Красный фильтр пропускает только красные тона, т.к.другие цвета проходят через
фильтр ослабленными, а голубой – голубые.
Это позволяет разделить изображения для двух глаз, если на экран одно
изображение (снятое одной камерой) будет проецироваться через красный, а другое
(полученное второй камерой) – через зеленый (или синий) фильтр. Смотря на экран
через очки соответствующих цветов, мы увидим объемное 3D изображение.
Цветопередача в таких очках будет искажена из-за подавления многих цветов.