Что такое опыты в физике
Опыты, эксперименты и наблюдения в физике: в чем между ними разница
Содержание:
Эксперимент, опыт, наблюдение – основополагающие методы изучения окружающего мира, постижения закономерностей природы. Люди испокон веков следят за протекающими вокруг них явлениями, часть из увиденного пытаются повторять в определённых условиях, имитировать протекающие в природе процессы. Рассмотрим, что такое в физике опыт, наблюдение, эксперимент, чем отличаются. Приведём примеры трёх методов познания законов творца.
Чем отличается опыт от эксперимента
Эксперимент – метод исследования, направленный на:
Из латинского «слово» переводится как «опыт», то есть понятия аналогичные. В русском языке они имеют слегка отличающуюся окраску.
Экспериментальное исследование – опыт, проводимый в строго заданных рамках, часто реализуется в лабораторных или иных специальных условиях, нацелен преимущественно на точный результат, его повторяемость. Обычно требует специального материально-технического обеспечения.
В чем разница между опытом и экспериментом?
При проведении опытов человек не ограничивается ничем: используемой материальной базой, внешними условиями, однако работает в ограниченном опытном пространстве. Эксперимент – разновидность опыта, проводимого в заданных условиях при регулярном контроле изучаемых и зависящих от них параметров.
Алгоритм проведения эксперимента включает:
Исследования, проводимые для удовлетворения любопытства, относят к экспериментам.
Эксперимент – научно проведённый опыт.
Чем эксперимент отличается от наблюдения
Опыт: бросаем камни в озеро и измеряем время, за которое волны дойдут до берега.
Эксперимент: опускаем камни весом около 30 г с высоты 1 м в воду с температурой
18 °C под прямым углом в безветренную погоду. Измеряем, за сколько образовавшаяся волна дойдёт до забитого возле берега кола.
Наблюдение: смотрим, как прогуливающийся мальчик с отцом бросают камни, замечаем, что волны, поднятые разными по весу камнями, доходят до берега со слегка отличающейся скоростью. Наблюдаем, что ветер влияет на скорость распространения волн.
Занимательные опыты по физике
Разделы: Физика
Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.
(Кант Эммануил. Немецкий философ 1724-1804г.г)
Физические опыты в занимательной форме знакомят учащихся с разнообразными применениями законов физики. Опыты можно использовать на уроках для привлечения внимания учащихся к изучаемому явлению, при повторении и закреплении учебного материала, на физических вечерах. Занимательные опыты углубляют и расширяют знания учащихся, способствуют развитию логического мышления, прививают интерес к предмету.
В данной работе описано 10 занимательных опытов, 5 демонстрационных экспериментов с использованием школьного оборудования. Авторами работ являются учащиеся 10 класса МОУ СОШ № 1 п. Забайкальск, Забайкальского края – Чугуевский Артём, Лаврентьев Аркадий, Чипизубов Дмитрий. Ребята самостоятельно проделали данные опыты, обобщили результаты и представили их в виде данной работы
Роль эксперимента в науке физике
О том, что физика наука молодая
Сказать определённо, здесь нельзя
И в древности науку познавая,
Стремились постигать её всегда.
Цель обучения физики конкретна,
Уметь на практике все знания применять.
И важно помнить – роль эксперимента
Должна на первом месте устоять.
Уметь планировать эксперимент и выполнять.
Анализировать и к жизни приобщать.
Строить модель, гипотезу выдвинуть,
Новых вершин стремиться достигнуть
Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем нередко истолкование одних и тех же фактов меняется в ходе исторического развития физики. Факты накапливаются в результате наблюдений. Но при этом только ими ограничиваться нельзя. Это только первый шаг к познанию. Дальше идет эксперимент, выработка понятий, допускающих качественные характеристики. Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, выяснить причины явлений, надо установить количественные зависимости между величинами. Если такая зависимость получается, то найден физический закон. Если найден физический закон, то нет необходимости ставить в каждом отдельном случае опыт, достаточно выполнить соответствующие вычисления. Изучив экспериментально количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. На основе этих закономерностей развивается общая теория явлений.
Следовательно, без эксперимента не может быть рационального обучения физике. Изучение физики предполагает широкое использование эксперимента, обсуждение особенностей его постановки и наблюдаемых результатов.
Занимательные опыты по физике
Описание опытов проводилось с использованием следующего алгоритма:
Опыт № 1 Четыре этажа
Приборы и материалы: бокал, бумага, ножницы, вода, соль, красное вино, подсолнечное масло, крашенный спирт.
Этапы проведения опыта
Попробуем налить в стакан четыре разных жидкости так, чтобы они не смешались и стояли одна над другой в пять этажей. Впрочем, нам удобнее будет взять не стакан, а узкий, расширяющийся к верху бокал.
Вот и получилось у нас четыре этажа жидкостей в одном бокале. Все разного цвета и разной плотности.
Опыт № 2 Удивительный подсвечник
Приборы и материалы: свеча, гвоздь, стакан, спички, вода.
Этапы проведения опыта
Не правда ли, удивительный подсвечник – стакан воды? А этот подсвечник совсем не плох.
И, правда, свеча будет понемножку всплывать, причём охлаждённый водой парафин у края свечи будет таять медленней, чем парафин, окружающий фитиль. Поэтому вокруг фитиля образуется довольно глубокая воронка. Эта пустота, в свою очередь, облегчает свечу, потому-то наша свеча и догорит до конца.
Опыт № 3 Свеча за бутылкой
Приборы и материалы: свеча, бутылка, спички
Этапы проведения опыта
Свеча гаснет потому, что бутылка воздухом “Обтекается”: струя воздуха разбивается бутылкой на два потока; один обтекает её справа, а другой – слева; а встречаются они примерно там, где стоит пламя свечи.
Опыт № 4 Вертящаяся змейка
Приборы и материалы: плотная бумага, свеча, ножницы.
Этапы проведения опыта
Змейка вращается, т.к. происходит расширение воздуха под действием тепла и о превращении теплой энергии в движение.
Опыт № 5 Извержение Везувия
Приборы и материалы: стеклянный сосуд, пузырёк, пробку, спиртовая тушь, вода.
Этапы проведения опыта
Вода имеет большую плотность, чем спирт; она постепенно будет входить в пузырёк, вытесняя оттуда тушь. Красная, синяя или черная жидкость тоненькой струйкой будет подниматься из пузырька кверху.
Опыт № 6 Пятнадцать спичек на одной
Приборы и материалы: 15 спичек.
Этапы проведения опыта
Для этого нужно только поверх всех спичек, в ложбинку между ними, положить ещё одну, пятнадцатую спичку
Опыт № 7 Подставка для кастрюли
Приборы и материалы: тарелка, 3 вилки, кольцо для салфетки, кастрюля.
Этапы проведения опыта
Данный опыт объясняется правилом рычага и устойчивым равновесием.
Опыт № 8 Парафиновый мотор
Приборы и материалы: свеча, спица, 2 стакана, 2 тарелки, спички.
Этапы проведения опыта
Чтобы сделать это мотор, нам не нужно ни электричества, ни бензина. Нам нужно для этого только… свеча.
Капля парафина упадёт в одну из тарелок, подставленных под концы свечи. Равновесие нарушится, другой конец свечи перетянет и опустится; при этом с него стечёт несколько капель парафина, и он станет легче первого конца; он поднимается к верху, первый конец опустится, уронит каплю, станет легче, и наш мотор начнёт работать вовсю; постепенно колебания свечи будут увеличиваться всё больше и больше.
Опыт №9 Свободный обмен жидкостями
Приборы и материалы: апельсин, бокал, красное вино или молоко, воду, 2 зубочистки.
Этапы проведения опыта
Опыт №10 Певучая рюмка
Приборы и материалы: тонкая рюмка, вода.
Этапы проведения опыта
1. Диффузия жидкостей и газов
Демонстрационный эксперимент «Наблюдение диффузии»
Приборы и материалы: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, установка для наблюдения диффузии.
Этапы проведения эксперимента
Явление диффузии можно пронаблюдать при помощи специальной установки
Докажем что явление диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.
Для демонстрации данного опыта возьмём два одинаовых стакана. В один стакан нальём холодной воды, в другой – горячей. Добавим в стаканы медный купорос, наблюдаем, что в горячей воде медный купорос растворяется быстрее, что доказывает зависимость диффузии от температуры.
2. Сообщающиеся сосуды
Для демонстрации сообщающихся сосудов возьмем ряд сосудов различной формы, соединенных в нижней части трубками.
Будем наливать жидкость в один из них: мы сейчас же обнаружим, что жидкость перетечет по трубкам в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне.
Объяснение этого опыта заключается в следующем. Давление на свободных поверхностях жидкости в сосудах одно и то же; оно равно атмосферному давлению. Таким образом, все свободные поверхности принадлежат одной и той же поверхности уровня и, следовательно, должны находиться в одной горизонтали плои верхняя кромка самого сосуда: иначе чайник нельзя будет налить доверху.
Шар Паскаля – это прибор предназначен для демонстрации равномерной передачи давления, производимого на жидкость или газ в закрытом сосуде, а также подъёма жидкости за поршнем под влиянием атмосферного давления.
Для демонстрации равномерной передачи давления, производимого на жидкости в закрытом сосуде, необходимо, используя поршень, набрать в сосуд воды и плотно насадить на патрубок шар. Вдвигая поршень в сосуд, продемонстрировать истечение жидкости из отверстий в шаре, обратив внимание на равномерное истечение жидкости по всем направлениям.
Эксперимент
Экспериме́нт (от лат. experimentum — проба, опыт) в научном методе — метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается от наблюдения активным взаимодействием с изучаемым объектом. Обычно эксперимент проводится в рамках научного исследования и служит для проверки гипотезы, установления причинных связей между феноменами. Эксперимент является краеугольным камнем эмпирического подхода к знанию. Критерий Поппера выдвигает возможность постановки эксперимента в качестве главного отличия научной теории от псевдонаучной. Эксперимент — это метод исследования, который воспроизводится в описанных условиях неограниченное количество раз, и даёт идентичный результат.
Содержание
Модели эксперимента
Существует несколько моделей эксперимента [источник не указан 1050 дней] : Безупречный эксперимент — невоплотимая на практике модель эксперимента, используемая психологами-экспериментаторами в качестве эталона. В экспериментальную психологию данный термин ввёл Роберт Готтсданкер, автор известной книги «Основы психологического эксперимента», считавший, что использование подобного образца для сравнения приведёт к более эффективному совершенствованию экспериментальных методик и выявлению возможных ошибок в планировании и проведении психологического эксперимента.
Случайный эксперимент (случайное испытание, случайный опыт) — математическая модель соответствующего реального эксперимента, результат которого невозможно точно предсказать. Математическая модель должна удовлетворять требованиям: она должна быть адекватна и адекватно описывать эксперимент; должна быть определена совокупность множества наблюдаемых результатов в рамках рассматриваемой математической модели при строго определенных фиксированных начальных данных, описываемых в рамках математической модели; должна существовать принципиальная возможность осуществления эксперимента со случайным исходом сколь угодное количество раз при неизменных входных данных; должно быть доказано требование или априори принята гипотеза о стохастической устойчивости относительной частоты для любого наблюдаемого результата, определённого в рамках математической модели.
Эксперимент не всегда реализуется так, как задумывалось, поэтому было придумано математическое уравнение относительной частоты реализаций эксперимента:
Пусть имеется некоторый реальный эксперимент и пусть через A обозначен наблюдаемый в рамках этого эксперимента результат. Пусть произведено n экспериментов, в которых результат A может реализоваться или нет. И пусть k — это число реализаций наблюдаемого результата A в n произведенных испытаниях, считая что произведенные испытания являются независимыми.
Виды экспериментов
Физический эксперимент
Физический эксперимент — способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях. В отличие от теоретической физики, которая исследует математические модели природы, физический эксперимент призван исследовать саму природу.
Именно несогласие с результатом физического эксперимента является критерием ошибочности физической теории, или более точно, неприменимости теории к окружающему нас миру. Обратное утверждение не верно: согласие с экспериментом не может быть доказательством правильности (применимости) теории. То есть главным критерием жизнеспособности физической теории является проверка экспериментом.
В идеале, Экспериментальная физика должна давать только описание результатов эксперимента, без какой-либо их интерпретации. Однако на практике это недостижимо. Интерпретация результатов более-менее сложного физического эксперимента неизбежно опирается на то, что у нас есть понимание, как ведут себя все элементы экспериментальной установки. Такое понимание, в свою очередь, не может не опираться на какие-либо теории.
Компьютерный эксперимент
Компьютерный (численный) эксперимент — это эксперимент над математической моделью объекта исследования на ЭВМ, который состоит в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие ее параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью. Данный вид эксперимента можно лишь условно отнести к эксперименту, потому как он не отражает природные явления, а лишь является численной реализацией созданной человеком математической модели. Действительно, при некорректности в мат. модели — ее численное решение может быть строго расходящимся с физическим экспериментом.
Психологический эксперимент
Психологический эксперимент — проводимый в специальных условиях опыт для получения новых научных знаний посредством целенаправленного вмешательства исследователя в жизнедеятельность испытуемого.
Мысленный эксперимент
Мысленный эксперимент в философии, физике и некоторых других областях знания — вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Как правило, мысленный эксперимент проводится в рамках некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости. При проведении мысленного эксперимента могут обнаружиться противоречия внутренних постулатов модели либо их несовместимость с внешними (по отношению к данной модели) принципами, которые считаются безусловно истинными (например, с законом сохранения энергии, принципом причинности и т. д.).
Критический эксперимент
Критический эксперимент — эксперимент, исход которого однозначно определяет, является ли конкретная теория или гипотеза верной. Этот эксперимент должен дать предсказанный результат, который не может быть выведен из других, общепринятых гипотез и теорий.
Методика навчання фізики в середній школі
§ 7. Опыт и теория в курсе физики
§ 7. Опыт и теория в курсе физики
1. Опыт в курсе физики. В преподавании физики физический эксперимент играет определяющую роль, являясь основой изложения физики. Особо важное значение имеет эксперимент в курсе начальной физики при формировании первых и основных понятий. Теория же, вследствие возраста учащихся и малого запаса и знаний, не может получить такого широкого развития, как это оказывается возможным во втором концентре физики средней школы, т. е. в 8-10 классах. Однако, было бы совёршенно неправильно считать, что в 6 и 7 классах учащиеся знакомятся с физикой только как с экспериментом. Опыты превратились бы тогда в занимательные фокусы и пустые манипуляции с приборами, если их содержание не раскрывалось бы разъяснением связи явлений между собой, т. е. не сопровождалось бы известными теоретическими предположениями. На основе же эксперимента производится обобщение и установление физических положений и законов.
Для всякого обобщения, в первую очередь, необходимо знание соответствующих фактов, и чем шире и глубже выводимые на их основе теоретические сведения, тем большим количеством фактов должны располагать учащиеся.
1) В начале курса физики учащиеся, ранее не изучавшие её, всё же обладают знанием некоторого количества физических фактов, почерпнутых ими из их обыденной жизни и при начальном обучении в школе. С некоторыми физическими явлениями учащиеся оказываются знакомыми настолько, что они становятся для них привычными, а их объяснения, иногда неправильные, само собой разумеющимися. Однако, этот жизненный опыт очень неполон и несистематичен а объяснения его часто могут быть совсем неверны. Объём и глубина этого жизненного опыта зависят от окружения учащихся и от постановки преподавания в начальных классах. С наличием этих сведений нельзя не считаться, но на них нельзя всецело опираться при изучении физики. Кроме того, одних жизненных наблюдений далеко недостаточно для построения курса физики; по некоторым же разделам наблюдения могут совершенно отсутствовать. Поэтому на жизненный опыт учащихся надо смотреть как на вспомогательный материал; его надо обязательно привлекать на уроках физики и уточнять, прибегая к повторным наблюдениям в классе при посредстве эксперимента. Основным же источником фактов служат опыты, непосредственно воспроизводимые учителем или самими учащимися. При этом, как бы ни были просты физические явления, всё же их надо обязательно воспроизвести и на основе наблюдения их учащимися построить соответствующие объяснения или обобщения.
2) При всяком опыте, будет ли он поставлен как демонстрационный (показываемый преподавателем) или лабораторный (выполняемый самими учениками), можно различить три стадии: а) Ознакомление с аппаратурой, рассмотрение её, название и описание частей аппаратуры и разъяснение назначения. б) Осуществление явления или показ самого опыта. в) Выводы из опыта, установление связей явлений, участвующих в опыте.
Первая стадия является подготовительной; в ней производится объяснение устройства применяемой аппаратуры для того, чтобы учащийся узнал, при помощи каких средств может быть воспроизведено данное физическое явление. Назначение и устройство всех частей применяемой аппаратуры должно быть объяснёно; их следует назвать соответствующими терминами. В результате преподаватель должен получить полную уверенность, что с каждым названием у учащихся соединяются совершенно определённые и правильные представления. Проделывая такую работу систематически с самого начала обучения, преподаватель получит полную гарантию, что ученики станут всегда понимать его при описании опыта и сами будут сознательно его описывать.
В процессе прохождения курса физики всё чаще и чаще в первую стадию опыта или даже до неё будет входить элемент «предвидения» результатов опыта. Опыт не должен ставиться как бы случайно, наоборот, он должен иметь определённую цель. Упражнения учащихся в проектировании опыта или в отыскании вариантов показанного опыта крайне важны, так как в значительной мере способствуют не только лучшему усвоению, но и развитию мышления. В самом начале куса или в начале каждого нового отдела в течение некоторого периода опыты служат, главным образом, для накопления фактического материала, но по мере развития темы сейчас же следует переходить от обдумывания уже проделанных опытов к задумыванию новых, побуждая к этому самих учащихся.
По мере прохождения курса и ознакомления учеников с большим количеством экспериментов у них должна вырабатываться способность «вообразить» себе тот или иной эксперимент по рисунку или по описанию. Эта способность, имеющая очень важное значение для облегчения усвоения физики, не создаётся у учеников сразу. Нельзя все существующие на свете эксперименты показать и тем более самому проделать; о многих придётся только прочесть или услышать. Если у учащихся имеется уже в прошлом знакомство с экспериментом, то они могут «вообразить» новый, невиданный эксперимент, пользуясь аналогиями.
Это обстоятельство повышает значение первой стадии ознакомления с экспериментом и делает особо важным показ большого количества опытов в начале курса физики.
2. Назначение и способы постановки опытов. Из изложенного в предыдущем параграфе вытекает возможность различной постановки опыта как со стороны техники его осуществления, так и ёго использования в процессе обучения физике. При этом надо иметь в виду, что целевое назначение опыта, сопровождающие его объяснения и внешнее оформление опыта в значительной мере связаны между собой. Прежде чем определить целевое назначение и способ постановки опыта, следует подчеркнуть неразрывную связь опыта и теории. Эта связь будет выяснена при рассмотрении значения теоретического элемента в процессе обучения физике (§ 8).
Опыты в процессе преподавания можно разделить на три группы: а) Опыты для ознакомления с явлениями, например: плавание, кипение, теплопроводность, конвекция и т. п., или с аппаратурой, создающей те или иные физические условия (например, рассмотрение действия воздушного насоса, устройства гальванического элемента и т. д.). б) Основные опыты, устанавливающие новые связи между явлениями, или закономерности, ещё не знакомые учащимся (например, прогибание упругой плёнки; магдебургские полушария при изучении атмосферного давления; действие электрического тока и т. д.). в) Опыты, служащие для вывода следствий из изученной закономерности или показывающие применение закономерности (например, горение электрической лампочки как следствие теплового действия тока; водяные насосы; электрический звонок и т. д.).
В связи с приведённой классификацией находятся способы постановки опытов в процессе обучения, а именно: а) Опыт ставится для обнаружения того или иного физического явления как известного, так и незнакомого учащимся, или для установления закономерностей; при этом опыт сопровождается такими манипуляциями с аппаратурой и объяснениями преподавателя, в результате которых учащиеся получают исчерпывающее представление о явлении или связи явлений. Преподаватель сам показывает опыт, объясняет его, делает выводы, всецело руководя мыслью учащихся, — таков распространённый способ обучения физике, который можно условно назвать догматическим». б) Поставив опыт, можно подготовить почву для вывода, но всё же не делать этого вывода; такая постановка называется эвристической. Она позволит учащимся самим найти вывод в посильных для них условиях. в) Опыт ставится с целью показать те или иные явления без предупреждения учащихся о том, как будет протекать явление или идти его объяснение. Наблюдение, объяснение и некоторые последующие выводы должны по замыслу преподавателя сделать сами учащиеся, которые таким образом ставятся в положение исследователей. Такая постановка называется условно исследовательской.
Вопрос о назначении эксперимента и его видах рассмотрен более подробно в т. II, § 1-3. Здесь же следует отметить, что каждый из пунктов первой и второй классификации самих опытов и способов их постановки вносит совершенно особые черты в те объяснения, которые сопровождают опыт, благодаря чему одна и та же аппаратура, почти одинаково используемая, может быть применена с различными целями.