Реферат на тему «Методы исследования в физике»

Введение

Галилей, Пизанская башня, два шара разного веса, которые одновременно ударяются о землю, — эту сцену пересказывают почти в каждой популярной книге по физике. Беда в том, что её, по всей видимости, не было. Рассказал о ней ученик Галилея Винченцо Вивиани, да ещё через много лет, а у самого Галилея о башне ни слова. Зато у него подробно описан другой опыт, менее эффектный и гораздо более умный. Бронзовый шар катился по длинному наклонному жёлобу, время отмеряла струйка воды из сосуда с дырочкой, воду потом взвешивали. Путь, как выяснилось, рос пропорционально квадрату времени.

Водяные часы Галилея кажутся сегодня наивными, а ведь в них уже есть всё, чем физики пользуются до сих пор. Был вопрос, как именно ускоряется падающее тело. Была догадка, которую можно проверить. Был опыт, где шар катится медленно и время успевают замерить, и было число, а не слова. Аристотель учил, что тяжёлое падает быстрее лёгкого, и почти две тысячи лет с ним не спорили, потому что никто не мерил. Галилей померил, и спор решил опыт, а не авторитет. За это его и называют отцом экспериментальной физики.

Методы физики принято делить на две группы, хотя граница между ними условна. В первую, эмпирическую, входят те, где учёный имеет дело с самой природой: наблюдение, эксперимент, измерение. Во вторую, теоретическую, те, где он работает с мыслью и формулой: гипотеза, модель, мысленный эксперимент. Опытным методам посвящена первая глава реферата. Теоретическим, и тому, как всё вместе складывается в научный метод, вторая.

Глава 1. Эмпирические методы физики

1.1 Наблюдение

Начиналось всё с того, что человек просто смотрел вокруг. Солнце встаёт на востоке, зимой тени длиннее, чем летом, весло в воде кажется сломанным, и всё это можно заметить и записать, ничего не трогая руками. В этом и состоит наблюдение: исследователь не вмешивается в явление, а только внимательно и систематически его фиксирует. Для астронома, сейсмолога или метеоролога наблюдение остаётся главным методом и сейчас, ведь опыт со звездой или ураганом не поставишь.

Чего стоит одно лишь терпеливое наблюдение, показывает история Тихо Браге. Этот датский дворянин в конце XVI века построил на острове Вен обсерваторию Ураниборг и больше двадцати лет, ещё без всякого телескопа, отмечал положения планет на небе, причём с точностью до одной-двух угловых минут, недостижимой до него. После его смерти в 1601 году записи достались помощнику, Иоганну Кеплеру. Тот несколько лет бился над орбитой Марса, пока не понял, что планета ходит не по кругу, а по эллипсу. В 1609 году Кеплер опубликовал первые два закона движения планет, в 1619-м третий, и без двадцати лет работы Браге их бы не было.

Ещё раньше, в III веке до нашей эры, Эратосфен Киренский с помощью одного наблюдения измерил размер Земли. Он знал, что в полдень летнего солнцестояния в Сиене солнце освещает дно глубокого колодца, а в Александрии в тот же момент обелиск отбрасывает тень, соответствующую примерно одной пятидесятой окружности. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину земного меридиана, и, по разным оценкам, ошибся всего на несколько процентов.

Наблюдать тоже нужно уметь. Глаз легко обманывается и замечает то, чего ждёт, поэтому астрономы и метеорологи записывают время, место и условия каждого наблюдения и сверяют записи разных людей. Метеостанции ведут дневники погоды с XIX века, и по этим длинным рядам цифр сегодня изучают, как меняется климат.

1.2 Эксперимент

Эксперимент — это наблюдение в специально созданных и контролируемых условиях. Исследователь сам решает, какие условия изменить, а какие оставить постоянными, и смотрит, как это скажется на результате. Галилей с наклонным жёлобом поступал именно так: он менял угол наклона и длину пути, но шары и жёлоб оставались теми же. Главное достоинство эксперимента в том, что его можно повторить, и любой другой учёный, сделав то же самое, должен получить тот же результат.

Многие великие открытия физики сделаны благодаря удачно поставленному эксперименту. Майкл Фарадей в 1831 году двигал магнит внутри катушки и увидел, как стрелка гальванометра отклоняется, так было открыто явление электромагнитной индукции, на котором работают все современные генераторы. Эрнест Резерфорд в 1909–1911 годах вместе с Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом обстреливал тонкую золотую фольгу альфа-частицами и обнаружил, что изредка они отскакивают назад. Из этого опыта родилась ядерная модель атома.

Иногда эксперимент приносит результат, которого никто не ждал. В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли пытались измерить скорость движения Земли относительно эфира, который тогда считали средой для распространения света. Прибор был очень точным, но никакой разницы не показал. Этот «отрицательный результат» стал одной из опор, на которые потом опиралась специальная теория относительности Эйнштейна. Основные эмпирические методы физики сопоставлены в таблице 1.

Таблица 1 — Эмпирические методы исследования в физике

1.3 Измерение

Пока величину не выразили числом, закон не запишешь формулой, и поэтому без измерения физики в нынешнем смысле нет. Измерить значит сравнить величину с эталоном, принятым за единицу. Раньше эталоны хранили в Севре под Парижем, например знаменитый платиново-иридиевый килограмм, а с 2019 года все основные единицы СИ привязаны к постоянным природы: секунда к колебаниям атома цезия, метр к скорости света, килограмм к постоянной Планка.

Иногда измерение само становится великим экспериментом. В 1798 году Генри Кавендиш подвесил на тонкой нити коромысло с двумя свинцовыми шариками и поставил рядом два больших свинцовых шара. Коромысло чуть-чуть поворачивалось, притягиваясь к ним, и по этому ничтожному повороту Кавендиш определил силу притяжения, а затем и среднюю плотность Земли. Его называли «человеком, взвесившим Землю», хотя сам он считал, что просто аккуратно измерил угол.

В школьной лаборатории всё скромнее, но принцип тот же. Прежде чем измерить, определяют цену деления прибора, а погрешность измерения принимают равной половине цены деления. Если линейка размечена через миллиметр, длину стола ею можно указать лишь с точностью до полумиллиметра, и писать «1 метр 23,47 сантиметра» нельзя: последние цифры будут выдуманными.

Любое измерение даёт результат с погрешностью, и об этом хорошо напоминает история измерения скорости света. В 1676 году датчанин Оле Рёмер заметил, что затмения спутника Юпитера Ио опаздывают, когда Земля удаляется от Юпитера: свету нужно время, чтобы пройти лишнее расстояние. По его данным Христиан Гюйгенс насчитал около двухсот двадцати тысяч километров в секунду. Дальше каждое поколение физиков подходило к точному значению всё ближе, это видно на рисунке 1.

Оценка Рёмера, как видно по рисунку, ошибалась почти на четверть, и дело было не в методе, а в неточно известном тогда размере земной орбиты. Ипполит Физо в 1849 году пускал свет между зубцами вращающегося колеса с семьюстами двадцатью зубцами на зеркало, стоявшее в восьми с половиной километрах, на Монмартре, и получил немного завышенное значение. Леон Фуко в 1862 году с вращающимся зеркалом подошёл к истине почти вплотную, а Майкельсон в 1920-е годы довёл точность до нескольких километров в секунду. С 1983 года скорость света в вакууме просто приняли равной 299 792 458 метрам в секунду и больше её не измеряют. О теоретических методах, без которых все эти числа ничего бы не объясняли, рассказано во второй главе.