Фізика (Овчіннікова Є.В.)

Перший крок до наукового пізнання природи зро- бив у IV ст. до н. е. давньогрецький учений Арістотель. На основі спостережень він дійшов висновку, що закономірності в природ- них явищах є проявами законів природи. Свої погляди Арістотель виклав у великій книзі «Фізика», що означає «Природа». І ця книга стала «підручником фізики» для всього світу на цілих два тисячоліття! Виходячи зі своїх спостережень, Арістотель ствер- джував: щоб тіло рухалося, його треба постійно «рухати», тобто штовхати або тягнути. Листя на деревах тріпотить завдяки вітру: щойно вітер стихає, листя одразу ж завмирає.

Зі спостережень виникають припущення, що для певної сукуп- ності явищ є закономірності. Такі припущення називають науко- вими гіпотезами. Ґалілей перейшов від спостережень до дослідів. Дослід відрізняється від спостереження тим, що, проводячи дослід, учений створює спеціальні умови для перебігу природних явищ.

Етапи пізнання у фізичних дослідженнях

Ø  Фізичне дослідження — це цілеспрямоване вивчення того чи іншого явища засобами фізики. Спостереження — це сприймання природи з метою одержання первинних даних для подальшого аналізу.

Ø  Експеримент — це дослідження фізичного явища в умовах, що пере- бувають під контролем ученого, з метою глибшого вивчення цього явища.

Явища природи досить складні і до того ж пов’язані одне з од- ним. І під час дослідів не завжди вдається «виділити» якесь одне явище «у чистому вигляді». Отже, щоб краще вивчити природні явища й зрозуміти, що їх спричинює, учені часто розглядають спрощене уявлення про певне явище — таке, у якому виділено тільки найважливіші його ознаки. Таке уявлення називають фі- зичною моделлю явища.

Багато законів природи вчені відкрили завдяки використанню фізичних моделей. Моделлю фізичного тіла, яку дуже часто вико- ристовують, є матеріальна точка. Так називають тіло, розмірами якого в розглядуваній задачі можна знехтувати. Наприклад, ви- вчаючи рух Землі навколо Сонця, нашу планету можна вважати матеріальною точкою, незважаючи на її величезний розмір. А ось розглядаючи добове обертання Землі, її не можна вважати мате- ріальною точкою, адже точка не може обертатися навколо себе! Іншим важливим прикладом фізичної моделі є промінь світла — так називають вузький пучок світла, настільки вузький, що його шириною в розглядуваній задачі можна знехтувати.

Під час дослідження фізичних явищ необхідно вимірювати різ- номанітні величини.

 

1.      Фізичні величини і їхні одиниці,

Міжнародна система одиниць фізичних величин

Фізичною величиною називають кількісну характеристику фі- зичного тіла або явища.

Довжина, площа, об’єм, час, сила — приклади різних фізич- них величин. Наприклад, «довжина парти» — це фізична величи- на. Для того щоб виміряти цю величину, її порівнюють із однорід- ною їй фізичною величиною, прийнятою за одиницю.

Ø  Виміряти яку-небудь величину — це означає порівняти її з однорід- ною величиною, прийнятою за одиницю.

У науці використовують одиниці фізичних величин, визначені Міжнародною системою одиниць, яку скорочено називають SI — від англійських слів SystemInternational, що означає «Міжнародна система».

 

метр

секунда

кілограм

ампер

моль

кандела

кельвін

Є всього сім основних одиниць фізичних величин — метр, се- кунда, кілограм, кельвін, ампер, кандела, моль, а всі інші можна утворити з них.

1.      Вимірювання. Засоби вимірювання. Вимірювальні прилади

Прилади, за допомогою яких вимірюють фізичні величини, на- зивають вимірювальними. Найпростішим і добре відомим вам ви- мірювальним приладом є лінійка з поділками. На її прикладі ви бачите, що у вимірювального приладу є шкала, на яку нанесено поділки, причому біля деяких поділок написано значення фізич- ної величини. Так, значення довжини в сантиметрах нанесено на лінійці біля кожної десятої поділки.

Значення ж, що відповідають «проміжним» поділкам шкали, можна знайти за допомогою простого підрахунку.

Ø  Різницю значень фізичної величини, які відповідають найближчим по- ділкам шкали, називають ціною поділки приладу.

Її знаходять так: беруть найближчі поділки, біля яких написа- но значення величини, та ділять різницю цих значень на кількість проміжків між поділками, розташованими між ними. Наприклад, найближчі сантиметрові поділки на лінійці розділяють десять про- міжків. Виходить, ціна поділки лінійки дорівнює 0,1 см = 1 мм.

Ø  Межі вимірювання — це найбільше і найменше значення фізичної вели- чини, які можна виміряти певним приладом

1. Що в науці називають фізичним тілом

Коли ми чуємо слово «тіло», то здебільшого згадуємо живих істот: людину чи тварину. Од­нак воно має набагато ширше значення. 

Тілом у науці називають все живе та неживе, що створили природа або людина. Птах і рослина, маленька комаха і великий слон, ти сам, буди­нок, у якому ти живеш, хмари на небі, автомобіль – усе це приклади фізичних тіл.

Отже, фізичні тіла – окремі частини навколишнього світу, створені природою або людиною. Оскільки тіла є частина природи, то вони можуть належати до живої та до неживої природи.

Наведіть приклади живих тіл, створених природою.

Поміркуйте, чи існують живі тіла, створені людиною.

Неживі тіла можуть бути твердими (каміння, автомобіль), рідкими (річка, нафта, рідкий дезодорант) та газоподібними (водяна пара, дим, полум’я).

Наведіть приклади неживих тіл, створених природою, що перебувають у різних станах.

Наведіть приклади неживих тіл, створених людиною, що перебувають у різних станах.

Методи та прийоми:
Пояснення з посиланням на життєвий досвід школярів

2. Основні характеристики фізичного тіла

Як видно, тіла дуже різноманітні. Для зручності зіставлення, порівняння, вивчення та використання тіла розрізняють за різними характеристиками (ознаками).

Поміркуйте, якими ознаками розрізняються різні тіла, крім їх стану. 

Основними характеристиками фізичних тіл є:
колір;
лінійні розміри: 
довжина [l] 
висота[h] 
ширина[a]
маса [m];
форма;
об'єм [V];
густина [ρ].

Їх мож­на виміряти, використовуючи певні вимірювальні прилади або здійснивши певні розрахунки. Кожна з характеристик тіла має свої одиниці вимірювання.

Методи та прийоми: евристична бесіда

3. Вимірювання довжини, висоти та ширини тіла

Історично склалося так, що майже в кожній країні світу існува­ли свої одиниці вимірювання довжини. Вони особливо були поширені поки не існувало спеціальних приладів, тобто еталонів для вимірювання довжин та відстаней. Наприклад, в Англії і США й донині довжину тіл вимірюють у: 

дюймах [з голландської – великий палець]: ≈25,4 мм; 
футах [з англійської – ступня]: = 12 дюймів, або 30,48 см. 
довжину шляхів вимірюють у:
сухопутних милях (1609 м);  
морських милях (1852 м).

Тривалий час на території України користувалися такими цікавими одини­цями вимірювання довжини:

точка – 0,25 мм;
лінія – 10 точок, або 2,54 мм;
вершок – дорівнювала фаланзі вказівного пальця: 4,45 см;
п’ядь – складала відстань між розтягненими вказівним та великим пальцями: = 4 вершка, або 17,78 см;
лікоть – довжина ліктьової кістки людини: 38-46 см;
аршин: 16 вершків, або 71,12 см; існувала планка такої довжини для вимірювання відрізів тканин; 
сажень: існувала жердина такої довжина, як 3 аршини = 7 футів = 2,1336 м; також існувала махова сажень (у розмах обох рук: 1,76 м) та коса сажень (відстань від п’ятки до кінця піднятої з іншого боку руки: 2,48 м); так міряли землю, кількість дров тощо;
верста: 500 сажнів, або 1066,8 м; до ХХ ст. вимірювали відстані між населеними пунктами у межових верстах – 1000 сажнів, або 2,1336 км; 
стара російська миля (7468 м).

З розширенням торговельних зв'язків між країнами викорис­тання різних одиниць вимірювання створювало незручності. Тому представники різних держав на спільному зібранні розробили єдині міжнародні одиниці вимірювання у метричній (десятинній) системі мір. В її основу покладена одиниця довжини метр. Кратні й дрібніші одиниці системи знаходяться в десятинних співвідношеннях. На цій основі створена Міжнародна система одиниць, що охоплює усі галузі вимірювань.

Отже, основною одиницею вимірювання довжини є метр (м). Застосовують й інші одиниці вимірювання, більші або менші за метр. 

Пригадайте співвідношення таких одиниць вимірювання довжин, як метр, сантиметр, дециметр, міліметр. 
1 км = 1000 м, 1 м = 100 см, 1 дм = 10 см, а 1 см = 10 мм.

Виміряти – означає порівняти з еталоном (з французької – точний зразок одиниці виміру). 

Щоб виміряти розміри тіла, зокрема довжи­ну (або висоту чи ширину), їх порівнюють з еталоном довжини – метром. Зим еталоном виготовлено лінійки, гнучкі метри, косинці, рулетки, снігомірні рейки, ростоміри яки­ми ми користуємося. 

Дослід: За допомогою лінійки виміряй довжину, ширину та висоту гумки. Перемнож одержані значення, і ти визначиш об'єм гумки.

Дослід: За допомогою лінійки виміряйте довжину, ширину та висоту гумки та пеналу.

(Експериментальний метод)

4. Способи визначення об’єму тіла (Пояснення матеріалу з елементами експерименту)

Кожне тіло має об'єм – міру, яка показує скільки простору займає фізичне тіло. 

Об'єм тіла прямокутної форми визначають, перемноживши значення його довжини, ширини і висоти.

Тобто: 
V  = l · a · h [м3]

Вимірю­ють об'єм тіла в метрах кубічних (м3), сантиметрах кубічних (см3) або літрах (л) чи мілілітрах (мл). Літр – це об’єм куба зі стороною 10 см (10 см  · 10 см  · 10 см  = 1000 см3).

1 м3 = 1000 л;
1 см3 = 1 мл;
1 л =1000 мл=1000 см3

Розрахункове завдання: Перемножте одержані значення довжини, ширини і висоти гумки та пеналу й визначте об'єм цих фізичних тіл.

Об'єм тіла можна також визначити, зануривши його у воду. Він дорівнюватиме об'єму витісненої тілом води.

Виконаємо дослід. У мірний стакан наллємо 500 мл води. Зануримо у воду гумку. Бачимо, що вода в стакані піднялася і досягла поділки 550 мл. Обчислимо об'єм витісненої гумкою води: 550 мл – 500 мл = 50 мл. Знайдена різниця і є об'ємом гумки. Оскільки 1 мл дорівнює 1 см3, то об'єм гумки стано­вить 50 см3. Так зручно вимірювати об’єм тіл неправильної форми.

Завдання: З’ясуйте, чи співпадає значення об’єму гумки, одержаний вами шляхом підрахунків, зі значенням одержаним в результаті занурення її у воду.

5. Визначення маси тіла (евристична бесіда)

Пригадайте, як визначають масу шматочка сиру в магазині, або яблук на базарі під час їх купівлі та продажу.

Масу тіл визначають за допомогою зважування. 
Якими приладами для зважування користуються на базарі, у магазині?

Для цього використовують прилади, що мають назву терези. За призначенням розрізняють терези зразкові (для перевірки гир), лабораторні та загального призначення. 
Пригадайте, якого виду терези вам відомі. Що можна виміряти за допомогою різних терезів? Як вимірюють масу дуже великих тіл (автомобілів, корів, великої кількості зерна)?

За принципом дії вони можуть бути важільні, пружинні, електронні, гідравлічні та гідростатичні.    

Процес зважування на терезах це по­рівняння маси тіла з масою еталона. 

Раніше по­ширеною одиницею маси був фунт (з латини – вага). Нині від широко використовується у Великобританії. Торгівельний фунт там становить майже 453,6 г.  Існує також аптекарський або монетний фунт – приблизно 373,2 г. В Україні фунт дорівнював понад 409,5 г. В Україні також застосовували пуд (16,38 кг), лот (12,8 г), золотник (4,266 г = 1/3 лота), долю (44,43 мг = 1/96 золотника). 

Нині еталоном маси є кілограм. Тож одиницею вимірювання маси є кілограм (кг). Міжнародний кілограм – це платино-іридієва гиря у формі циліндра діаметром і висотою у 39 мм. Вона зберігається під трьома скляними ковпаками з під яких викачане повітря.

Також масу вимірюють тоннами (т) , центнерами (ц), грамами (г). 
1 т = 1000 кг; 1 ц = 100 кг; 1 кг = 1000 г.

Практичний метод:

Важільні терези мають дві шальки. Для зважування тіла на них слід:

• переконатися, що шальки урівноважені; якщо ні, то слід це зробити, поклавши на легшу шальку дрібні шматочки паперу;
• покласти на одну з шальок тіло, яке слід зважити;
• на другу шальку терезів помістити найважчу гирю; якщо вона легша за тіло, додати наступну, якщо важча – поставити меншу; повторювати це поки терези не врівноважаться;
• скласти загальну масу гир; це й є маса зважуваного тіла.

Дослід: За допомогою терезів і важків (гир), разом виміряємо масу гумки, тобто зважимо її.

6. Густина тіла та її обчислення (пояснення)

Якщо покласти на різні шальки терезів дві кульки – залізну та де­рев'яну, що мають однакові розміри, терези вийдуть з рівноваги. Шалька із залізною кулькою опуститься, а з дерев'яною підніметься. Це тому, що маса залізної кульки більша, ніж де­рев'яної. Отже, металева кулька важча за дерев'яну. Те, що дві однакового розміру кульки мають різну масу, пояснюється різною густиною заліза та деревини. 

Щоб обчислити густину, потрібно значення маси тіла поділити на значення його об'єму. Одиниці вимірювання густини кілограм на метр кубічний (кг/м3) або грам на сантиметр кубічний (г/см3). Тому густина – це співвідношення маси тіла до його об’єму.
ρ = m / V   [г/см3, кг/м3]

Видатні вчені фізики

Для чого потрібні людству фізика й інші природничі науки? Учені не завжди над цим замислюються — їм просто дуже цікаво розгадувати загадки природи. Але наука вимагає чималих коштів, і ці кошти виділяють і держави, і приватні компанії. Навіщо? Від- повідь проста: наука приносить величезну користь! Справді, див- но було б людям, що проникнули в таємниці атомного ядра, жити в печерах и освітлювати ці печери вогнем. Врешті-решт, всі науко- ві відкриття мають служити для поліпшення життя людей.

Наведемо один приклад. Перед вами керамічні магніти. Ще в Стародавньому Китаї знали про магнітні явища і знайшли для них належне застосування — компас. Важливість цього винаходу важко переоцінити. Але розібратися в явищах, що відбуваються під час намагнічування звичайного шматка заліза, виявилося дуже непросто! По-справжньому це вдалося зробити тільки в XX століт- ті. І паралельно з науковими дослідженнями відбувався розвиток техніки. Сьогодні магнітні явища «працюють» на людину в бага- тьох машинах і пристроях (наприклад, в електродвигунах і гене- раторах на електростанціях). А здатність магніту «ширяти» було використано під час створення надшвидкісних потягів на магніт- ній «подушці». Уявіть собі: потяг плавно відходить від платфор- ми і піднімається над рейками. Весь шлях він фактично «летить»

над ними, розвиваючи величезну швидкість. Такі потяги напевно будуть і в Україні. Колись потяг Харків–Київ ішов 12 годин, за- раз швидкісний експрес долає цей шлях менше ніж за 6 годин, а в майбутньому для цього знадобиться лише 1,5–2 години. Це швидше, зручніше й набагато дешевше, ніж скористатися літа- ком. Але і це ще не всі «професії» магнітів. Без них не змогли б працювати комп’ютери! Основна частина інформації в сучасних комп’ютерах зберігається саме на магнітних дисках. А починало- ся усе з того, що хтось знайшов шматки залізної руди, які притя- гувалися один до одного...

На цьому прикладі добре видно, як техніка «йде слідами» фі- зичних відкриттів і використовує ці відкриття для створення но- вих машин, приладів і технологій. Якби все це служило виключно мирним цілям, то людство давно б забуло про голод і різні хворо- би. Але до цього ще далеко.

Однак техніка сьогодні — це не тільки «споживач» досягнень фізичної науки. Без досягнень сучасної техніки не було б і сучасної фізики. Фізикам для експериментів щороку потрібні дедалі точні- ші й досконаліші прилади, а для розрахунків — дедалі потужні- ші і швидкодіючі комп’ютери. Згадаймо та порівняймо усього два факти. Перший: у часи Галілея не було навіть маятникового го- динника, тож йому під час проведення деяких дослідів доводилося вимірювати проміжки часу за ударами власного пульсу. І другий: найскладніший прилад сучасної фізики (прискорювач елементар- них частинок) настільки дорогий і його створення вимагає таких величезних зусиль, що один такий прискорювач будують кілька країн, свій внесок у цю справу роблять фізики й інженери різних держав. Таке Галілею й не снилося...

Можна також навести приклади застосування фізичних явищ у техніці на моделях двигуна внутрішнього згоряння, гідравлічно- го преса, блоків, електронагрівальних приладів.

Сучасна фізика будується на праці учених багатьох країн. Се- ред них були геніальні вчені (Галілей, Ньютон, Ейнштейн) і скром- ні трудівники науки. Кожен з них зробив свій внесок, більший чи менший, у скарбницю світової науки.

Ми вже згадували про праці Галілео Галілея. Наступний вели- чезний крок у пізнанні природи зробив англійський учений Ісаак Ньютон. Він відкрив загальні закони руху тіл, що дозволили пояс- нити рух зірок і планет, супутників і підкинутого м’яча, океанські припливи і відпливи, періодичну появу комет і багато чого іншого. На початку двадцятого століття Альберт Ейнштейн створив те- орію відносності, що змінила уявлення вчених про простір і час, про природу тяжіння. Теорія відносності дозволила правильно по- яснити події у світі частинок, що рухаються з величезними швид- костями (лише трохи поступаючись швидкості світла у вакуумі 30000000 м\с

Борис Євгенович Патон (народився у 1918 році)

Народився в Києві. Закінчив Київський політехнічний інсти- тут. Гідно продовжив справу свого видатного батька, Євгена Па- тона, очоливши після нього Інститут електрозварювання імені Є. О. Патона. Дослідив процеси автоматичного зварювання, роз- робив принципово нові методи електрозварювання. Першим у сві- ті дослідив проблеми зварювання в космічному просторі та ство- рення зварних космічних конструкцій. Завдяки дослідженням Б. Є. Патона вперше у світі було здійснено зварювання у відкри- тому космосі. З 1962 року Борис Патон — Президент Національної академії наук України. За його керівництва цей науковий заклад став всесвітньовідомим центром фундаментальних та прикладних досліджень. Борис Патон — Президент Міжнародної асоціації ака- демій наук.