Физические эксперименты и наблюдения невозможно проводить без использования приборов. Есть явления, которые можно воспринимать непосредственно с помощью органов чувств. Но большинство явлений воспринимается только с помощью приборов. Особенно это касается физических явлений. Необходимость использования приборов диктуется следующим: ограниченностью чувств восприятии доступных для них свойств (например, человек воспринимает звуковые колебания, но только от 17–20 Гц до 20 000 Гц), существованием объектов и свойств, недоступных непосредственному чувственному восприятию (например, атомов, элементарных частиц), неспособностью органов чувств давать в ряде случаев количественное выражение качественной определенности, необходимостью например, нельзя точно определить температуру воды с помощью руки, необходимостью изоляция изучаемых явлений от влияния затемняющих его сущность факторов и т. д. [1,2].
Прибор в широком смысле слова — это совокупность технических средств, предназначенных для создания определенных условий протекания данного процесса и измерения интересующих экспериментатора величин.
Ключевые слова: физический эксперимент, физические явления, измеряемые величины, физические объекты, физическая теория, прямые измерения, косвенные измерения.
Physical experiments and observations cannot be carried out without the use of instruments. There are phenomena that can be perceived directly through the senses. But most phenomena are perceived only with the help of instruments. This is especially true for physical phenomena. The need to use devices is dictated by the following: the limited sense of perception of the properties available to them (for example, a person perceives sound vibrations, but only from 17–20 Hz to 20,000 Hz), the existence of objects and properties that are inaccessible to direct sensory perception (for example, atoms, elementary particles), the inability of the senses to give in some cases a quantitative expression of qualitative certainty, the need, for example, to accurately determine the temperature of water with the hand, the need to isolate the phenomena being studied from the influence of factors that obscure its essence, etc. [1,2].
A device in the broad sense of the word is a set of technical means designed to create certain conditions for a given process and measure quantities of interest to the experimenter.
Keywords: physical experiment, physical phenomena, measurable quantities, physical objects, physical theory, direct measurements, indirect measurements.
В широком смысле слова прибор — это совокупность технических средств, предназначенных для создания определенных условий протекания данного процесса и измерения интересующих экспериментатора величин.
Наблюдение и опыт в физике — это исследования, которые используются для изучения физических явлений и законов [3]. Наблюдение — это метод, который основан на визуальном или слуховом восприятии физических явлений. Например, наблюдение за движением планет вокруг Солнца или за колебаниями маятника.
Опыт — это метод исследования физических явлений, которые включают использование инструментов и приборов. Например, измерение температуры с помощью термометра или определение скорости движения объекта с помощью секундомера.
Оба метода — наблюдение и опыт — играют важную роль в физике. Они позволяют ученым получать новые знания о природе и создавать научную теорию.
В VII классе учащиеся изучают основные физические явления и законы, а также методы наблюдения и опыта, которые помогают им понять и объяснить эти явления. Например, наблюдая падения мяча, мы можем лишь заметить, что он падает вертикально вниз. А чтобы изучить, как изменяется скорость тела в процессе падения, надо поставить специальные опыты. Итальянский учений Г.Галилей, чтобы изучить, как происходит свободное падение тел, поднимался на знаменитую наклонную башню и сбрасывал оттуда разные шары (рис. 1). Наблюдая за их падением и выполняя при этом необходимые измерения, он установил законы падения тел [1,3].
Рис. 1.
Существуют два метода рассмотрения приборов [4,5]:
1) прибор как третий объект к двум взаимодействующим объектам, например, измерение линейкой растяжения пружины под действием силы тяжести;
2) прибор как один из взаимодействующих объектов, например, измерение температуры воды с помощью термометра.
В первом случае прибор не меняет значения измеряемой величины. Во втором же прибор меняет значение измеряемой величины. В этих случаях вода отдает часть своей энергии термометру. Измерение значения измеряемой величины при втором методе включения прибора должно учитываться при планировании и проведении эксперимента. Прибор иногда можно сделать так, чтобы вносимое им в значение измеряемой величины изменение было ничтожно малым и им можно было пренебречь [3,5].
Надо учитывать, что многие приборы, используемые в физических исследованиях, вносят искажения в изучаемые явления. Это связано с тем, что свойства физических объектов проявляются лишь в процессе их взаимодействия с другими объектами. Вне таких взаимодействий свойства существуют лишь как потенциальные возможности.
Данные утверждения легко уяснить на примерах. Известно, что цвет тела определяется его способностью хорошо отражать и слабо поглощать световые лучи определенной частоты. Если бы мы могли представить себе мир, в котором не существует световых лучей, то в этом мире отсутствовали бы цвета.
Во многих экспериментах приборы не только служат средством познания свойств физических систем, но и теми объектами, в контакте с которыми реализуются условия для проявления изучаемых свойств систем. Этот факт послужил основанием для ошибочных утверждений, будто в микромире человек создает свойства микрочастиц и меняет их в процессе их измерения. Взаимодействие между прибором и микрочастицей есть явление физическое. В процессе эксперимента микрообъект изменяется не потому, что он изменяется и наблюдается исследователем, а вследствие физического воздействия на него объективно реального прибора.
Прогресс науки и техники привел к созданию особых систем приборов, которые можно назвать развитыми экспериментальными устройствами. Любое развитое экспериментальное устройство содержит обычно четыре элемента:
1) регистрирующие устройство, фиксирующее явления, по котором судят об исследуемых объектах;
2) устройство, позволяющее воспринимать не посредственно явления, не воспринимаемые органами чувств;
3) устройство, расширяющее пределы воспринятия органов чувств;
4) экспериментальное средство, доставляющее энергию для приведения регистрирующего устройства в активное состояние.
Измерения бывают прямые и косвенные. При прямом измерении результат получается путем непосредственного сравнения измеряемой величины с эталоном или выдается измерительными приборами. При косвенном измерении искомая величина определяется на основании прямых измерений других величин, связанных с первой математической зависимостью. На основе косвенного измерения или средства познания лежит факт объективного существование законов природы. Так, измерив вес стального шара, зная удельный вес стали и формулу, выражающую объем шара через его радиус, можно уже рассчитать радиус шара. Также измерение радиуса шара является косвенным [3,4].
Связь между измерительной аппаратурой и состоянием системы в общем случае является статической. Обычно при измерении ошибка возникает как результат несовершенства измерительной установки.
В результате точных измерений могут быть обнаружены иногда также факты, которые представляют собой незначительные, на первый взгляд, неувязки с существующими теориями.
Применение приборов и проведение измерений в микромире отличаются от применения приборов и проведения измерений в макромире. Классическое описание физического процесса или явления характеризуется прежде всего предполагаемой независимостью явления от условий его наблюдения и измерения. Физический процесс рассматривается в классической физике как нечто, происходящее само по себе, а не как явление, познаваемое при помощи тех или иных средств наблюдения. В классической физике считалось, что влияние измерительного прибора на объект может быть сделано сколь угодно малым. Пригодность прибора для изучения того или иного явления определялась лишь его чувствительностью и разрешающей способностью. Считалось, что указанные характеристики приборов по мере развития измерительной техники могут быть сделаны столь угодно высокими. Именно это рассматривалось как необходимое условие объективного описания явлений мира.
В квантовой же физике не любые две величины можно измерить одновременно в одном и том же состоянии объекта. Например, нельзя одновременно точно измерить координату и импульс. Такие две величины называют дополнительными.
Роль измерений в научном познании было абсолютизирована особой разновидностью современного позитивизма, получившего название операционализма. Основателем этого течения является американский физик П. У. Бриджмен. Он исходил из двух положений:
а) измерение представляет собой абсолютно произвольную операцию, производимую субъектом;
б) измерение является единственной основой всего научного познания.
Рассуждая так, П. У. Бриджмен отождествил объект научного исследования с совокупностью операций измерения и любые научные понятия он стал рассматривать лишь как указания на способ измерения соответствующих физических величин. Тем самым физический мир как совокупность объектов исследования превращается у него в результат измерительных операций, а вся наука — в систему понятий, определяемых только этими операциями.
Употребляя научно терминологию и подчеркивая важность измерений для науки, П. У. Бриджмен придал операционализму внешнюю видимость научности. Однако эта видимость сразу же рассеивается, если обратиться к подлинному содержанию исходных положений операционализма.
Изучаемое физическое явление, обучающийся как исследователь, учебное оборудование кабинета физики настолько органично связаны, что нельзя не учитывать их вероятное взаимодействие при постановке эксперимента. Как инженерная психология решает проблемы взаимной преподнести человека и машины, их информационного взаимодействия, так же педагогическая психология рассматривает взаимодействие школьника не только с учителем, но и с учебным физическим оборудованием в экспериментальной деятельности [4].
Изучая физические явления, процессы или свойства веществ с помощью приборов, учащиеся должны понять, в чем состоит смысл критерия практики. Так, приборы проектируются, конструируются с определенной целью и с использованием уже открытых в науке физических законов. Одновременно они помогают исследователю воссоздать какие-либо явления в реальных условиях и зафиксировать их.
Литература:
- Надеева О. Г. Многоцелевое использование учебного оборудования школьного кабинета физики: монография / Урал. гос. пед. ун-т. — Екатеринбург, 2011, 153 с.
- Коджаспирова Г. М., Петров К. В. Технические средство обучения и методика их использования. М. Академия, 2001, 256 с.
- Разумовский В. Г., Майер В. В.. Физика в школе. Научный метод познания и обучения. Tbilisi State University, 2013, 466 pages.
- Надеева О. Г. Полифункциональное использование оборудования типового школьного кабинета физики как средство повышения эффективности учебного физического эксперимента: дис. канд. пед. наук / О. Г. Надеева, Уральский гос. пед. ун-т. Екатеринбург, 2002.
- Надеева О. Г. Прибор как методологический объект научного и учебного познания, Екатеринбург, Уральский Государственный Ун-т. 2016.
