2362-1 (Особенности научного познания окружающего мира)

Особенности научного познания окружающего мира

И.И.Нурминский, Н.К.Гладышева, школа № 548, г. Москва

§ 1. Экспериментальные законы природных процессов

Открываемые учеными законы природы часто разделяют на два типа: экспериментальные и теоретические.

К экспериментальным относят законы и факты, выявленные в ходе эксперимента, опыта. В качестве примера можно назвать уже известные вам закон Ома и закон Паскаля, факт уменьшения атмосферного давления с высотой над поверхностью Земли, факт появления электрического тока в проволочной катушке, если меняется пронизывающее ее витки магнитное поле (явление электромагнитной индукции).

Теоретическими называют законы, которые выявляются в ходе рассуждений, основанных на научных представлениях об изучаемых природных процессах. Таковыми, например, являются закон всемирного тяготения и закон сохранения импульса (количества движения), вывод о независимости скорости электромагнитных волн от выбора инерциальной системы отсчета, зависимость p = nkT, связывающая давление газа с его концентрацией и температурой.

Вопрос о том, правильно или нет (а если правильно, то насколько точно и полно) экспериментальные и теоретические законы отражают реальные закономерности окружающего нас мира, издавна волнует ученых и философов. В этом отношении наиболее «подозрительны» теоретические законы. Ведь они выявляются на основе тех или иных представлений о природных процессах и объектах. И если это представление (модель) недостаточно верно соответствует действительности, то сомнительна и истинность полученного на ее основе теоретического закона. Например, закон всемирного тяготения Ньютон получил, считая, что притяжение Луны Землей имеет ту же природу, что и притяжение Землей находящихся вблизи ее поверхности предметов – камня, яблока и т.п. Этот вопрос мы подробно рассмотрели в 7-м классе. Но если бы «на самом деле» гравитационное взаимодействие планет по своей природе отличалось от притяжения Землей находящихся вблизи ее поверхности предметов, то закон тяготения оказался бы неверным.

Вопрос о теоретических законах будет более детально рассмотрен в следующем параграфе. А сейчас обратимся к законам экспериментальным. Законы, выявленные экспериментально, интуитивно воспринимаются нами как истинные. В самом деле, в эксперименте мы имеем дело с реальными объектами природы – газами, жидкостями, камнями, пружинами и т.д., а не с нашими представлениями о них, т.е. не с их моделями. Вспомним один из таких опытов.

В металлический стакан плотно вставлен поршень, «запирающий» в стакане некоторое количество воздуха (рис. 1). Надавливая на поршень с силой F, мы сжимаем воздух, создавая в нем давление , где S – площадь поршня. С помощью подобной установки Роберт Бойль в 1662 г. выявил связь между давлением воздуха и его объемом: давление обратно пропорционально объему воздуха.

При выявлении этого закона, ныне называемого законом Бойля, ученый не строил никаких предположений о том, что такое воздух, состоит ли он из частиц и т.д. Истинность закона Бойля не зависит от изменения представлений о составе и строении воздуха.

И все-таки экспериментальные законы лишь частично отражают законы природы. Их относительная истинность объясняется по крайней мере двумя обстоятельствами.

1. Любой эксперимент проводится при каких-то определенных условиях, и выявленный закон может претендовать на истинность именно в этих условиях. Если условия опыта изменить, то такой закон может оказаться нарушенным.

Обратимся к уже рассмотренному закону Бойля. Во время своих опытов Бойль постепенно, медленно, увеличивал давление p поршня на воздух, измеряя при этом остававшийся под поршнем объем V воздуха. Однако, если бы он сжимал воздух быстро, помещая на поршень сразу тяжелые грузы, то связь давления p с объемом V оказалась бы иной. Дело в том, что при сжатии газа его температура повышается, что тоже сказывается на давлении газа. Однако при медленном сжатии воздух в стакане успевает остыть, и его температура в опытах Бойля практически не менялась. Поэтому законом Бойля можно пользоваться только тогда, когда температура газа (и, конечно, его масса) не меняется.

Далее, во время своих опытов Бойль не очень сильно сжимал воздух – приблизительно от 104 Па до 106 Па. Спустя 200 лет француз Анри Реньо выяснил, что в области больших давлений обратная пропорция между p и V нарушается. На рис. 2 пунктирной линией нанесен график связи давления газа с его объемом согласно закону Бойля, а сплошной линией – график связи p с V согласно современным данным.

Уже при давлении, превышающем атмосферное в 60 раз, закон Бойля нарушается. Поэтому о законе Бойля говорят, что он имеет ограниченную область применимости – область не очень высоких давлений газа.

Ограниченной оказывается область применимости и у других экспериментальных законов. Вспомните, например, закон Ома. Ом экспериментально установил, что сила тока I, текущего по металлической проволоке, пропорциональна напряжению на ее концах. Но попробуйте повторить опыт Ома, когда температура проволоки не остается неизменной!

Фронтальная экспериментальная работа

Проверьте закон Ома, используя в качестве проволоки металлическую нить электрической лампочки или спираль электроплитки.

Постройте экспериментальный график зависимости I от U по результатам вашего эксперимента и сравните его с графиком на рис. 3.

Посмотрите, не накаляется ли нить (спираль) при тех значениях силы тока, когда ваш график начинает заметно отличаться от прямой . Можно ли утверждать, что закон Ома выполняется только при небольших токах, когда температура провода практически не меняется?

2. Сами измерения многих физических величин основываются на определенных теоретических представлениях об окружающем мире, так что полученные на их основе экспериментальные законы не могут быть «более истинными», чем эти теоретические представления. Например, во многих астрономических исследованиях измеряется расстояние до планет Солнечной системы. Это можно сделать двумя способами – с помощью 3-го закона Кеплера или с помощью радиолокатора (см. задание 5 из упр. 1). В первом случае мы фактически признаем истинной коперниковскую картину движения планет вокруг Солнца, ведь законы Кеплера сами получены на основе именно такой картины. Использование же радиолокатора основано на представлении о том, что существуют электромагнитные волны, что они распространяются со скоростью c = 3•108 м/с и отражаются от препятствий (в том числе от планет).

ЗАДАНИЯ

1. По каким причинам истинность экспериментальных законов считается не абсолютной, а относительной?

2. По какому признаку можно отнести закон к экспериментальным?

§ 2. Теоретические модели природных объектов и процессов

Экспериментально установленные законы являются фундаментом, на котором строится научная теория. В частности, экспериментально изученные закономерности взаимодействия заряженных тел, существования магнитного поля электрического тока и возникновения электромагнитной индукции послужили основой для создания одного из разделов теоретической физики – электродинамики.

Однако экспериментальные законы имеют существенный недостаток. Они могут ответить на вопрос «Как?», но не отвечают на вопрос «Почему?». Например, закон Паскаля говорит о том, как передается давление жидкостью или газом: давление, производимое на газ, передается им во все стороны одинаково. Но этот закон никак не объясняет, почему газ передает давление одинаково во все стороны и почему газ вообще передает производимое на него давление.

Следующим шагом в познании явлений (процессов) природы является создание научной теории этих явлений (процессов). Такая теория, опираясь на небольшое число исходных представлений об объектах природы, позволяет предсказать, что именно может происходить с этими объектами при тех или иных условиях. Например, кинетическая теория газа базируется на следующих представлениях о газе:

– газ состоит из частиц;

– частицы газа движутся, причем их движение беспорядочно и никогда не прекращается;

– среднее расстояние между частицами газа велико по сравнению с размерами самих частиц;

– движение каждой частицы и их взаимодействие при столкновениях описываются законами ньютоновской механики;

– средняя кинетическая энергия поступательного движения частиц газа связана с абсолютной температурой газа соотношением:

– давление газа – это результат беспрерывных толчков составляющих его частиц, которые налетают на поверхность стенок сосуда при своем беспорядочном движении.

Это представление позволило не только выяснить, как газ передает оказываемое на него давление, но и объяснить, почему давление передается. Более того, на основе перечисленных представлений о газе удалось получить закон, связывающий давление p газа с его температурой T и концентрацией частиц n: p = nkT. Это – теоретический закон. Он выявлен не экспериментально, а путем рассуждений и математических расчетов. Очерченные выше представления кинетической теории о газе составляют теоретическую модель газа, т.е. его образ, описанный на языке теории.

В кинетической теории вещества вы встречались также с теоретическими моделями жидкости и твердого тела. Они отличаются друг от друга и от модели газа компоновкой частиц:

– в жидкостях и твердых телах частицы сближены, соприкасаются друг с другом;

– в твердых кристаллических телах частицы расположены упорядоченно.

Такая теоретическая модель позволила нам объяснить испарение и отвердевание жидкостей, плавление твердых тел.

Теоретические модели лежат в основе не только кинетической теории вещества, но и всех других физических теорий. Так, электродинамика базируется на таком представлении (теоретической модели) об электрическом поле:

– электрическое поле существует вокруг любого электрического заряда;

– электрическое поле возникает и в пространстве, где меняется с течением времени поле магнитное;

– изменение с течением времени электрического поля вызывает в окружающем пространстве появление магнитного поля;

– электрическое поле действует на попадающий в него электрический заряд, причем способность поля действовать на заряд характеризуется (оценивается) напряженностью поля.

В предыдущем параграфе мы отмечали, что истинность теоретических законов не бесспорна. Почему? Во-первых, истинность самого представления той или иной теории об изучаемых природных процессах и объектах далеко не очевидна. В самом деле, мы не видим частиц газа, – как же можно быть твердо уверенным, что газ действительно состоит из частиц, да еще обладающих свойствами, которыми их «наделяет» кинетическая теория? А если усомниться в существовании самих частиц, то все остальные рассуждения, основанные на этой теоретической модели газа и приводящие к закону p = nkT, тоже вызывают сомнение. Не видим мы и электрического поля, не можем непосредственно с помощью своих органов чувств убедиться в его реальном существовании (и в наличии у него тех свойств, которые учитывает электродинамика).

Во-вторых, изучая закономерности какого-либо природного процесса, ученые должны сперва описать его. Любое же описание, будь то художественный образ на картине, в музыке, описание на бытовом языке или на языке науки, есть лишь модель изучаемого процесса, а не сам процесс. Как известно, у любого природного объекта и процесса неисчерпаемое множество свойств, и любое описание фиксирует только некоторые из них.

Это справедливо и для теоретических моделей изучаемых природных процессов и явлений. Предположим, вы подкинули мяч вертикально вверх. Полет этого мяча на «языке» механики, скорее всего, выглядит так: «Тело массой m движется под действием силы Fт притяжения Земли с начальной скоростью v0, направленной вертикально вверх».

Из множества свойств, присущих мячу, учтено только одно его свойство, характеризуемое массой m. Из всего многообразия свойств Земли учтено тоже только одно – свойство притягивать мяч с силой Fт. Именно эти свойства мяча и Земли в данном случае сочтены достаточно существенными. Все остальные свойства не учитываются нашей теоретической моделью полета мяча. Форма мяча, его цвет, объем, упругость, изношенность покрышки и многое, многое другое сочтено несущественным, не влияющим на полет мяча. И в принципе вполне может оказаться, что какое-то из свойств мяча не учтено напрасно.