Объект и предмет изучения физики как науки

Відповідальний за випуск О. О. Петутіна

Роботу до друку рекомендував В. І. Ніколаєнко

В авторській редакції

Комп’ютерна верстка В.І. Климко

План 2012 р., поз. 144

Підп. до друку. 2012 р. Формат 60х84 1/16. Папір офсет.

Riso-друк. Гарнитура Таймс. Ум. друк. арк..

Наклад 100 прим. Зам. № Ціна договірна.

Видавничий центр НТУ «ХПІ»

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК № 3657 від 24.12.2009 р.

61002, Харків, вул. Фрунзе, 21.

Друкарня НТУ «ХПІ», 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21

РАЗДЕЛ I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ В ФИЗИКЕ

Глава 1. Методологические основы

Экспериментального метода исследования

Результатом познавательной деятельности в процессе обучения физике является не только установление взаимосвязи между объектами и явлениями материального мира, но и усвоение методов физической науки, методологической основой которых является диалектический метод познания. Данный метод рассматривает материальные объекты в состоянии непрерывного движения, изменения, обновления, где предметы и явления зависят друг от друга.

По вопросу формирования методологических знаний имеется достаточно много публикаций. Содержание данной главы является результатом анализа и обобщения некоторых из них: [9], [12], [19], [23], [25], [26], [29], [30], [32], [33], [37], [48], [56].

Объект и предмет изучения физики как науки

Мы живем в реальном мире. Для его описания и изучения существуют науки естественного цикла, такие как физика, астрономия, химия, биология и др. Каждая из этих наук изучает определенные аспекты изменчивого мира. Любое изменение реальной действительности называется движением. В философии объективно существующую реальность называют материей. В настоящее время известны две формы существования материи: вещество и поле. В зависимости от того, какие изменения окружающей реальности (виды движения материи) изучаются, и осуществляется классификация естественнонаучного знания. В частности, в физике изучаются такие формы движения материи как механическое, тепловое, электромагнитное, внутриатомное, внутриядерное, превращения элементарных частиц. Перечисленные формы движения материи, будучи наиболее простыми, являются в тоже время наиболее общими и присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи. Поэтому понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания.

Изменения, происходящие в реальном мире, обусловлены взаимодействием его отдельных частей. В физике выделяют четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (внутреннее взаимодействие, обуславливающее структуру элементарных частиц).

Любые изменения окружающей действительности происходят в пространстве и времени. Поэтому всякое изменение может быть описано с помощью пространственно-временных характеристик. В физике понятия "время" и "пространство" относятся к фундаментальным. Они не определяются. Представления о пространстве и времени формируются только путем изучения их свойств, проявляющихся при протекании физических процессов. Эти конкретные свойства (длительность, последовательность процессов, расположение предметов и т. д.) познаются только опытным путем. Исследуя характер процессов, происходящих в реальном мире, мы тем самым познаем свойства пространства и времени.

Для изучения различных явлений и процессов природы, происходящих в пространстве и времени, необходимо уметь измерять длительность процессов, расстояния между объектами реального мира и т.д., т.е. надо уметь измерять промежутки времени и расстояния. Физика как наука дает способы измерения свойств пространства и времени.

Таким образом, объект изучения физики – все многообразие живой и неживой природы, т. е. объективная реальность (материя), которая существует в пространстве и времени, находится в постоянном движении, обусловленном взаимодействием отдельных ее частей. В зависимости от того какие свойства пространства и времени при описании изменчивого мира учитываются и какими взаимодействиями эти изменения обусловлены, физика подразделяется на классическую, квантовую, релятивистскую. С другой стороны в зависимости от того, какие формы движения материи и какие взаимодействия, обуславливающие эти движения, исследуются, физика подразделяется на механику, термодинамику, электродинамику, атомную физику, ядерную физику и физику элементарных частиц (рис. 1).

Из-за сложности процессов, происходящих в реальном мире полное описание всех свойств материальных объектов и взаимосвязей между ними или их частями невозможно. При физическом описании реальных объектов и явлений необходимо выделить определенный вид движения, отвлечься от несущественных деталей, т. е. исследовать некоторую абстракцию (идеализацию), которая называется физической моделью. Физика как наука может рассматриваться как физико-математическая модель реального мира. Иными словами, физические понятия, законы и теории формулируются для идеальных физических объектов или явлений, которые являются моделями, отражающими свойства реальных объектов и явлений, существующих в природе. В результате определенных операций с объектом формируется предмет познания, который определяет, прежде всего, те границы, в пределах которых изучается тот или иной объект.

Предметом изучения физики является не сама материя и ее изменения, происходящие в пространственно-временной реальности, а ее физическая модель, описание свойств которой осуществляется в рамках определенной геометрической пространственно-временной модели.

Первоначальное значение понятия " модель " связано с архитектурой. В эпоху средневековья оно обозначало масштаб, в котором выражались все пропорции здания. В дальнейшем оно приняло значение образца, по которому что-то создается в искусстве. Так как образец обычно представлял уменьшенную копию предмета, то возникло представление о модели как о миниатюрном изображении, похожем на объект во всем, кроме размеров. Впоследствии понятием модели стали пользоваться в научных исследованиях в тех случаях, когда непосредственное изучение каких-либо объектов или явлений оказывалось невозможным или малоэффективным. При этом изучаемый объект заменяют другим, более простым и доступным для исследования и находящимся в некотором соответствии с оригиналом. Этот объект – заменитель и называют моделью изучаемого объекта. Под моделью понимают такую мысленно представляемую или материально реализуемую систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение даст нам новую информацию об этом объекте [23], [51]. При таком подходе все модели делятся на два класса: материальные (реальные, вещественные) и идеальные (мысленные) (рис. 2).

Материальными моделями служат материальные объекты, подобные оригиналу, и способные замещать его в процессе изучения. Все эти модели могут быть непосредственно чувственно познаны, ибо они существуют реально, объективно. Они представляют собой вещественный продукт человеческой деятельности.

Материальные модели, в свою очередь, можно разделить на статические (неподвижные) и динамические (действующие) [50]. К статическим моделям относятся модели, передающие пространственные (геометрические) особенности объекта в определенном масштабе. К динамическим относят модели, воспроизводящие какие-то процессы, явления. Отношение между моделью и объектом выступает в данном случае как структурная или функциональная аналогия, вследствие чего их поведение может быть описано одними и теми же математическими уравнениями.

Под идеальной моделью будем понимать мысленное описание объекта, явления или процесса. Идеальная модель может быть образной или знаковой (символической). Образная модель фиксируется при помощи рисунков, чертежей, схем, которые передают в образной форме структуру или другие особенности моделируемых объектов или явлений. Знаковая (символическая) модель представляет собой запись структуры или некоторых особенностей моделируемого объекта с помощью знаков-символов какого-то искусственного языка. Частным случаем идеальной знаковой модели является математическая модель, которая представляет собой систему математических соотношений (уравнений), отражающих существенные свойства объекта или явления [50].

В физике реальные объекты, явления или процессы при исследовании заменяются моделями, которые в данном случае называются физическими моделями, что подчеркивает, тот факт, что изучаются физические характеристики объекта, явления или процесса.

В соответствии с общей классификацией моделей, в физике применяются материальные физические модели и идеальные (образные, математические модели) модели (рис. 3).

Материальная физическая модель – это материальная реализация идеальной физической модели. Например, основная модель реального объекта в классической механике – материальная точка. По определению материальная точка (идеальная физическая модель) – это идеализированное тело, масса которого сосредоточена в одной точке. Реализация материальной точки (материальная физическая модель материальной точки) – любое реальное тело, размеры и форма, которого несущественны для рассматриваемой механической задачи [25].

Математические модели в физике, как правило, представляют собой запись зависимостей между физическими величинами на математическом языке, т. е. уравнение или систему уравнений.

Выбор физических моделей зависит от характера поставленной задачи.