§2. Експериментальні та теоретичні методи досліджень законів природи

• Зміст ГДЗ 7 клас Бар’яхтар

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Розгляньте зображені відрізки. Який відрізок за результатами спостереження є коротшим?

Червоний відрізок здається коротшим від зеленого через оптичну ілюзію, яку створюють стрілки на їхніх кінцях. Перевірка лінійкою доводить, що обидва відрізки мають однакову довжину.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: кілька однакових аркушів. Візьміть аркуші та надайте їм, окрім одного, різної форми (складіть, зімніть тощо). Висуньте гіпотезу щодо швидкості падіння цих тіл. Перевірте свою гіпотезу експериментально. Прокоментуйте отримані результати.

Швидкість падіння аркушів однакової маси буде різною і залежатиме від їхньої форми, бо тіла з більшою площею поверхні зазнають сильнішого опору повітря. Для перевірки гіпотези піднімемо розгорнутий, складений учетверо та зім’ятий у щільну кульку аркуші на однакову висоту й одночасно відпустимо їх. Першою на підлогу впала паперова кулька, другим — складений аркуш, а останнім плавно опустився розгорнутий аркуш, оскільки форма кульки створює найменший опір повітря під час падіння.

ЗАВДАННЯ В ТЕКСТІ

Знайдіть у тексті на с. 14 підтвердження основних етапів фізичних досліджень. Який метод дослідження застосовано на кожному з етапів — теоретичний або експериментальний?

У тексті про дослідження падіння тіл описано такі етапи та методи фізичних досліджень (відповідно до схеми на с. 16):

• Спостереження за падінням тіл філософами Стародавньої Греції — експериментальний метод; їхній висновок про швидше падіння важчих тіл — теоретичний метод (аналіз результатів).
• Сумнів Ґалілео Ґалілея, визначення ролі опору повітря та висунення гіпотези про незалежність часу падіння від маси тіла — теоретичний метод.
• Дослідження Ґалілея з киданням мушкетної кулі й гарматного ядра з Пізанської вежі та досліди Ісаака Ньютона з трубкою без повітря — експериментальний метод.
• Аналіз одержаних даних, математичні обчислення Ісаака Ньютона, припущення про єдиний закон для падіння тіл і руху планет та відкриття закону всесвітнього тяжіння — теоретичний метод.

А ЯК НАСПРАВДІ?

У мережі можна знайти повідомлення про дослід американського астронавта Девіда Скотта під час місії «Аполлон-15». Наприкінці третього виходу на поверхню Місяця астронавт одночасно випустив із рук важкий молоток і легке перо. Дописувач у своєму повідомленні стверджує, що перо впало першим, оскільки на Місяці немає повітря. Чи погоджуєтеся ви з твердженням дописувача? А як насправді?

Твердження дописувача є хибним. Молоток і перо торкнулися поверхні Місяця одночасно, оскільки там немає повітря і відсутній опір, який на Землі сповільнює падіння легкого пера.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що називають експериментом?

Дослідження фізичного явища в умовах, що перебувають під контролем дослідника, яке супроводжується вимірюваннями.

2. Чим різняться спостереження та експеримент?

3. Які основні етапи фізичних досліджень?

У ході фізичних досліджень учені проходять вісім основних етапів:

1. Спостереження.
2. Аналіз інформації, яку отримано в ході спостереження.
3. Визначення чинників, які суттєво впливають на явище.
4. Моделювання явища та проведення розрахунків.
5. Формулювання гіпотези (припущення), що пов’язана з досліджуваним явищем.
6. Експеримент для перевірки гіпотези.
7. Опрацювання результатів експерименту (проведення розрахунків у разі потреби).
8. Формулювання висновків та отримання нових знань.

4. Назвіть основні методи фізичних досліджень. Наведіть приклади.

• Експериментальний метод охоплює спостереження та експеримент (дослід), наприклад: вимірювання довжини відрізків лінійкою, кидання тіл із Пізанської вежі або дослід із «трубкою Ньютона».
• Теоретичний метод охоплює моделювання, математичні розрахунки, висунення гіпотези та аналіз результатів, наприклад: відкриття закону всесвітнього тяжіння Ісааком Ньютоном або створення загальної теорії відносності Альбертом Ейнштейном.

5. З іменами яких учених пов’язують виникнення сучасних методів досліджень законів природи?

Із іменами видатних фізиків — італійця Ґалілео Ґалілея (1564–1642) та англійця Ісаака Ньютона (1642–1727).

6. Яким є внесок фізики в розвиток уявлень про Всесвіт?

Закон всесвітнього тяжіння дав змогу розрахувати орбіти планет Сонячної системи, а фізичні закони стали основою для створення телескопів і космічних супутників. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна допомогла теоретично описати галактики, зорі та чорні діри, а аналіз різних типів випромінювання дозволяє вивчати газові хмари («Стовпи Творіння»), де народжуються нові зорі.

ВПРАВА № 2

1. Який круг із поданих на рисунку є більшим — той, що оточений маленькими кругами, або той, що оточений великими? Яким методом дослідження можна скористатися, щоб отримати відповідь?

Обидва внутрішні круги є однаковими за розміром. Щоб переконатися в цьому і не піддатися зоровій ілюзії під час спостереження, потрібно застосувати експериментальний метод — провести дослід і виміряти діаметри обох кругів лінійкою.

Відповідь: круги однакові; експериментальним методом.

2. У науці розрізняють такі поняття: 1) явище, яке спостерігається повсякденно; 2) експериментальний факт; 3) гіпотеза. Визначте, до якого з понять належать подані твердження: а) за відсутності опору повітря всі тіла падають з однакової висоти за той самий час; б) імовірно, різниця у швидкості падіння тіл різної маси пояснюється опором повітря; в) тіло, випущене з рук, падає.

• а) за відсутності опору повітря всі тіла падають з однакової висоти за той самий час — 2 (експериментальний факт, перевірений у досліді з «трубкою Ньютона»).
• б) імовірно, різниця у швидкості падіння тіл різної маси пояснюється опором повітря — 3 (гіпотеза, тобто обґрунтоване наукове припущення).
• в) тіло, випущене з рук, падає — 1 (явище, яке спостерігається повсякденно).

Відповідь: а) 2; б) 3; в) 1.

3. Щоб зменшити шкідливий вплив вихлопних газів на довкілля, вчені здійснили певні розрахунки та запропонували нову схему подачі палива для двигуна автомобіля. Щоб дізнатися, якою при цьому буде тяга двигуна, цю схему випробували на спеціальному стенді. У якому випадку вчені виконали експериментальне дослідження, а в якому — теоретичне? Відповідь обґрунтуйте.

Проведення математичних розрахунків і розроблення нової схеми подачі палива — це теоретичне дослідження, оскільки вчені моделювали роботу двигуна та робили обчислення. Випробування схеми на спеціальному стенді — це експериментальне дослідження, тому що явище вивчали в контрольованих лабораторних умовах і супроводжували вимірюванням тяги двигуна.

Відповідь: розрахунки та створення схеми — теоретичне дослідження; випробування на стенді — експериментальне дослідження.

4. Подайте основні етапи фізичних досліджень у вигляді презентації або інфографіки.

Матеріал для слайдів презентації або блоків інфографіки «8 етапів фізичного дослідження (як спіраль пізнання)»:

• Слайд 1 (Етап 1. Спостереження): Цілеспрямоване сприйняття природного явища (наприклад, спостереження за падінням різних предметів на землю).
• Слайд 2 (Етап 2. Аналіз інформації): Обмірковування побаченого та порівняння фактів, отриманих під час спостереження.
• Слайд 3 (Етап 3. Визначення суттєвих чинників): З’ясування умов, що впливають на перебіг явища (маса, форма тіла, наявність опору повітря).
• Слайд 4 (Етап 4. Моделювання та розрахунки): Побудова спрощеної моделі явища (падіння в безповітряному просторі) і попередні математичні обчислення.
• Слайд 5 (Етап 5. Формулювання гіпотези): Висунення наукового припущення (за відсутності опору повітря всі тіла падають однаково).
• Слайд 6 (Етап 6. Експеримент): Перевірка гіпотези шляхом досліду з вимірюваннями в контрольованих умовах (падіння монети й пера у «трубці Ньютона» з викачаним повітрям).
• Слайд 7 (Етап 7. Опрацювання результатів): Аналіз даних експерименту та проведення точних математичних розрахунків.
• Слайд 8 (Етап 8. Висновки та нове знання): Підтвердження гіпотези та відкриття фізичного закону (закон всесвітнього тяжіння), що стає основою для нових досліджень.