Страница 10 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как получают знания о явлениях природы?

Знания о явлениях природы получают с помощью научного метода. Это основной инструмент познания в естественных науках (физике, химии, биологии), представляющий собой совокупность приёмов и операций для построения системы научных знаний. Научный метод позволяет получать объективные, проверяемые и достоверные сведения об окружающем мире. Процесс получения знаний обычно включает в себя несколько ключевых этапов.

Наблюдение
Это начальный этап, на котором происходит сбор информации о каком-либо явлении или объекте. Ученый целенаправленно наблюдает за процессом, фиксирует факты. Наблюдения могут быть качественными (например, описание цвета, формы) или количественными, когда используются измерения с помощью приборов (например, измерение времени, температуры, массы). На основе наблюдений возникают вопросы, требующие объяснения.

Выдвижение гипотезы
На основе собранных фактов и наблюдений формулируется гипотеза — научное предположение, объясняющее данное явление. Хорошая гипотеза должна быть логически непротиворечивой, соответствовать уже известным научным фактам и, самое главное, быть проверяемой. То есть из гипотезы можно вывести следствия, которые можно подтвердить или опровергнуть с помощью эксперимента.

Эксперимент
Это самый важный этап проверки гипотезы. Эксперимент (или опыт) представляет собой исследование явления в специально созданных и контролируемых условиях. Цель эксперимента — проверить предсказания, сделанные на основе гипотезы. Если результаты эксперимента подтверждают гипотезу, она становится более правдоподобной. Если результаты опровергают её, гипотезу либо отвергают, либо изменяют и снова проверяют.

Анализ и обобщение
Полученные в ходе экспериментов данные анализируются и обобщаются. Если гипотеза успешно выдерживает многократные и разносторонние проверки, она может стать частью более общего утверждения — научного закона или теории.

• Научный закон — это утверждение, которое описывает устойчивую, повторяющуюся связь между явлениями. Часто закон выражается математической формулой (например, закон всемирного тяготения Ньютона $F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}$). Закон отвечает на вопрос «как?» происходит явление.
• Научная теория — это наиболее развитая форма научного знания, представляющая собой целостную систему, которая объясняет широкий круг явлений. Теория отвечает на вопрос «почему?» явление происходит именно так (например, специальная теория относительности).

Таким образом, знания о природе — это результат сложного, итеративного процесса, в ходе которого идеи и предположения проходят строгую проверку фактами и экспериментами.

Ответ: Знания о явлениях природы получают с помощью научного метода, который включает в себя последовательные этапы: наблюдение за явлением, выдвижение гипотезы для его объяснения, экспериментальную проверку гипотезы и, в случае её многократного подтверждения, формулирование на её основе научных законов и теорий.

2. В чём разница между наблюдением и опытом?

Как получают знания о явлениях природы?

Знания о явлениях природы получают с помощью научного метода познания, который представляет собой последовательность шагов. Основными источниками знаний являются наблюдения и эксперименты (опыты). Процесс получения знаний обычно включает следующие этапы:

1. Наблюдение: изучение явления в его естественных условиях без вмешательства со стороны исследователя. На этом этапе происходит сбор фактов и первоначальной информации. Например, наблюдение за сменой времен года или за движением планет на ночном небе.

2. Выдвижение гипотезы: на основе собранных в ходе наблюдений данных выдвигается предположение (гипотеза), объясняющее причины или закономерности наблюдаемого явления. Гипотеза — это обоснованное, но требующее проверки предположение. Например, после наблюдения, что предметы падают на землю, можно выдвинуть гипотезу о существовании силы притяжения.

3. Эксперимент (опыт): для проверки гипотезы ставится эксперимент. Это исследование явления в специально созданных, управляемых и повторяемых условиях. В ходе эксперимента ученые целенаправленно изменяют условия, чтобы выяснить, как эти изменения влияют на изучаемое явление.

4. Анализ и выводы: результаты эксперимента анализируются. Если они подтверждают гипотезу, она становится более обоснованной. Если результаты опровергают гипотезу, ее отвергают или изменяют, после чего выдвигают новую и снова проверяют.

5. Формулирование теории или закона: если гипотеза многократно подтверждается различными экспериментами и наблюдениями, она может стать основой для научной теории (которая объясняет широкий круг явлений) или физического закона (который описывает устойчивую, повторяющуюся связь между явлениями).

Ответ: Знания о явлениях природы получают путем наблюдений и проведения опытов (экспериментов), которые позволяют выдвигать и проверять гипотезы, что в конечном итоге приводит к формулированию научных законов и теорий.

2. В чём разница между наблюдением и опытом?

Основная разница между наблюдением и опытом (экспериментом) заключается в степени активности исследователя и наличии контроля над условиями.

Наблюдение — это пассивный метод изучения явлений. Исследователь изучает объект или процесс в его естественной среде, не вмешиваясь в происходящее. Цель наблюдения — собрать информацию и описать, как явление протекает само по себе. Например, астроном, наблюдающий за движением кометы в телескоп, или биолог, изучающий поведение животных в их естественной среде обитания. Условия при наблюдении не контролируются исследователем.

Опыт (эксперимент) — это активный метод исследования. Исследователь целенаправленно создает специальные, контролируемые условия, чтобы изучить, как изменение одного фактора влияет на другой. Цель опыта — проверить конкретную гипотезу, то есть найти причинно-следственные связи. Например, физик, изучающий зависимость силы тока от напряжения в лаборатории, меняет напряжение и измеряет ток, поддерживая остальные параметры (например, температуру) постоянными. Здесь исследователь активно вмешивается в процесс и контролирует его условия.

Таким образом, ключевое отличие: при наблюдении мы просто смотрим, что происходит, а в опыте — мы сами создаем условия, чтобы посмотреть, что будет.

Ответ: Наблюдение — это изучение явления в естественных условиях без вмешательства, в то время как опыт (эксперимент) — это изучение явления в специально созданных и контролируемых условиях с целью проверки гипотезы.

3. Может ли гипотеза быть ошибочной?

Да, гипотеза не только может, но и часто бывает ошибочной. Это является нормальной и даже необходимой частью научного процесса.

Гипотеза по своей сути — это лишь научное предположение, основанное на имеющихся данных, но еще не доказанное. Она выдвигается для того, чтобы ее можно было проверить с помощью эксперимента или дополнительных наблюдений.

Проверка — это главная цель, для которой ставится гипотеза. Если в ходе эксперимента выясняется, что его результаты противоречат гипотезе, то эта гипотеза считается опровергнутой (ложной, ошибочной). Опровержение гипотезы — это тоже важный научный результат, поскольку он позволяет отбросить неверные идеи и направить поиск в другом, более правильном направлении. Например, на протяжении веков существовала гипотеза о самозарождении жизни (что мыши могут завестись из грязного белья), но опыты Луи Пастера в XIX веке опровергли ее, доказав, что жизнь происходит только от жизни.

Таким образом, возможность оказаться ошибочной — это неотъемлемое свойство любой научной гипотезы. Наука движется вперед не только подтверждая верные гипотезы, но и опровергая неверные.

Ответ: Да, гипотеза может быть ошибочной. Опровержение гипотезы в результате эксперимента является важным шагом в научном познании, так как позволяет отсеять неверные предположения.

3. Может ли гипотеза быть ошибочной? Как определить истинность гипотезы?

Как получают знания о явлениях природы?

Знания о явлениях природы получают с помощью методов научного познания. Основными из них являются наблюдение и эксперимент (опыт).
Наблюдение — это целенаправленное изучение явлений в их естественных условиях, без вмешательства со стороны исследователя. Например, наблюдение за звёздным небом или за поведением животных в их среде обитания.
Эксперимент (опыт) — это активное исследование явления в специально созданных и контролируемых условиях. Эксперимент позволяет многократно воспроизводить явление и изучать, как изменение одних величин влияет на другие.
На основе наблюдений и результатов экспериментов выдвигаются гипотезы, которые затем проверяются. Подтвержденные гипотезы могут лечь в основу физических законов и теорий, которые и составляют систематизированные научные знания о природе.
Ответ: Знания о явлениях природы получают главным образом через наблюдения и эксперименты, которые являются основой научного метода познания.

2. В чем разница между наблюдением и опытом?

Основное различие между наблюдением и опытом (экспериментом) заключается в степени активности исследователя по отношению к изучаемому явлению.
Наблюдение — это пассивный метод исследования. Учёный лишь следит за протеканием процесса, не вмешиваясь в него. Цель наблюдения — изучить явление в его естественном виде. Например, астроном наблюдает за движением планет.
Опыт (эксперимент) — это активный метод исследования. Учёный целенаправленно создаёт определённые условия и вмешивается в ход явления, чтобы выявить его закономерности. Цель опыта — проверить гипотезу, установив причинно-следственные связи. Например, физик пропускает электрический ток через различные проводники, чтобы изучить их сопротивление.
Таким образом, при наблюдении мы отвечаем на вопрос «как это происходит?», а с помощью опыта — на вопрос «почему это происходит именно так?».
Ответ: Наблюдение — это пассивное изучение явлений без вмешательства, а опыт (эксперимент) — это активное исследование в контролируемых, искусственно созданных условиях.

3. Может ли гипотеза быть ошибочной? Как определить истинность гипотезы?

Да, гипотеза может быть и часто бывает ошибочной. Гипотеза — это научное предположение или догадка, выдвигаемая для объяснения какого-либо явления. Она требует обязательной проверки. Наука полна примеров гипотез, которые были опровергнуты в ходе дальнейших исследований (например, гипотеза о существовании теплорода или эфира).
Истинность гипотезы определяется путём её экспериментальной проверки. Процесс выглядит следующим образом:
1. Из гипотезы выводятся логические следствия, которые можно проверить на опыте. То есть, делается предсказание: «Если моя гипотеза верна, то при таких-то условиях мы должны наблюдать то-то».
2. Проводится серия экспериментов для проверки этих следствий.
3. Если результаты экспериментов подтверждают предсказанные следствия, гипотеза считается подтверждённой (но не доказанной окончательно, так как будущие эксперименты могут её опровергнуть).
4. Если результаты экспериментов противоречат следствиям, гипотеза считается опровергнутой (ложной) и должна быть либо отвергнута, либо изменена.
Ключевым критерием является воспроизводимость эксперимента: другие учёные должны иметь возможность повторить опыт и получить те же результаты.
Ответ: Да, гипотеза может быть ошибочной. Её истинность определяется экспериментальной проверкой: если результаты опытов соответствуют предсказаниям, вытекающим из гипотезы, она считается подтверждённой; если не соответствуют — ложной.

4. Назовите основные этапы

Подразумеваются основные этапы научного метода познания. К ним относятся:
1. Наблюдение за явлением. На этом этапе происходит сбор фактов и первоначальных данных об изучаемом объекте или процессе.
2. Выдвижение гипотезы. На основе собранных данных формулируется предположение (гипотеза), объясняющее наблюдаемые факты и закономерности.
3. Планирование и проведение эксперимента. Разрабатывается методика экспериментальной проверки гипотезы. Затем проводится сам эксперимент для получения новых данных.
4. Анализ результатов и формулирование выводов. Полученные в ходе эксперимента данные анализируются и сравниваются с предсказаниями гипотезы. Делается вывод о её подтверждении или опровержении.
5. Создание теории или закона. Если гипотеза многократно подтверждается различными экспериментами и наблюдениями, она может стать частью научной теории или быть сформулирована в виде научного закона. Если гипотеза опровергается, выдвигается новая, и цикл повторяется.
Ответ: Основные этапы научного познания: наблюдение, выдвижение гипотезы, эксперимент, анализ результатов и формулирование выводов (подтверждение или опровержение гипотезы).

4. Назовите основные этапы цикла научного познания.

Как определить истинность гипотезы?

Истинность гипотезы, как научного предположения, определяется путем её сопоставления с эмпирическими данными. Этот процесс называется верификацией или проверкой. Основным способом проверки является научный эксперимент, который позволяет целенаправленно и в контролируемых условиях проверить вытекающие из гипотезы следствия.

Ключевые шаги для определения истинности гипотезы:

1. Выведение следствий. Из гипотезы формулируются конкретные предсказания о том, что должно наблюдаться в определенных условиях, если гипотеза верна.

2. Постановка эксперимента. Разрабатывается и проводится эксперимент или серия наблюдений, чтобы проверить, сбываются ли предсказания. Важнейшими критериями являются контролируемость условий и воспроизводимость результатов (возможность для других ученых повторить эксперимент).

3. Анализ результатов. Полученные данные сравниваются с предсказаниями.
- Подтверждение (корроборация): если результаты эксперимента соответствуют предсказаниям, гипотеза получает подтверждение. Это не доказывает её абсолютную истинность, но увеличивает степень её достоверности.
- Опровержение (фальсификация): если результаты противоречат предсказаниям, гипотеза считается опровергнутой. Согласно принципу фальсифицируемости, одного надежного контрпримера достаточно для того, чтобы отвергнуть гипотезу или потребовать её существенной доработки.

Гипотеза признается истинной (научно состоятельной) в том случае, когда она успешно проходит многократные и разнообразные проверки, а её предсказательная сила подтверждается практикой.

Ответ: Истинность гипотезы определяется путем её экспериментальной проверки (верификации). Если предсказания, сделанные на основе гипотезы, подтверждаются воспроизводимыми экспериментами, а попытки её опровергнуть (фальсифицировать) не приводят к успеху, гипотеза считается состоятельной и принимается научным сообществом.

4. Назовите основные этапы цикла научного познания.

Цикл научного познания, также известный как научный метод, представляет собой последовательность шагов, которые исследователи предпринимают для получения объективных знаний о мире. Это итеративный, циклический процесс, где результаты одного исследования становятся отправной точкой для следующего. Основные этапы этого цикла включают:

1. Наблюдение и сбор фактов. Ученый наблюдает за каким-либо явлением, замечает закономерность или сталкивается с проблемой, которая требует объяснения. На этом этапе происходит накопление исходных данных.

2. Постановка проблемы (вопроса). На основе наблюдений формулируется четкий вопрос или проблема. Например: «Почему это явление происходит?» или «Как связаны переменные А и Б?».

3. Выдвижение гипотезы. Предлагается возможное, но еще не проверенное объяснение наблюдаемых фактов или ответ на поставленный вопрос. Гипотеза должна быть проверяемой и потенциально опровергаемой (фальсифицируемой).

4. Экспериментальная проверка гипотезы. Разрабатывается и проводится эксперимент или серия наблюдений для проверки следствий, вытекающих из гипотезы.

5. Анализ полученных данных и формулирование выводов. Результаты эксперимента анализируются, чтобы определить, подтверждают они гипотезу или опровергают её. Если гипотеза опровергнута, исследователь возвращается к третьему этапу для формулирования новой гипотезы.

6. Формулирование теории или закона. Если гипотеза многократно подтверждается различными экспериментами, она может стать частью более широкой научной теории или быть сформулирована как научный закон. Результаты исследования публикуются, что позволяет другим ученым их проверить и использовать в своей работе, запуская новый виток цикла познания.

Ответ: Основными этапами цикла научного познания являются: 1) наблюдение и сбор фактов; 2) постановка проблемы; 3) выдвижение гипотезы; 4) экспериментальная проверка гипотезы; 5) анализ данных и выводы; 6) создание теории (закона) и публикация результатов.

1. Летним утром на траве обнаружили капельки росы. На наружной стороне специально охлаждаемого сосуда получены капельки влаги. В каком случае явление образования росы изучалось путём наблюдения, а в каком — путём постановки опыта? Ответ поясните.

В задаче описаны два способа изучения одного и того же физического явления — конденсации водяного пара, в результате которой образуется роса. Эти способы — наблюдение и опыт — являются основными методами научного познания.

Изучение явления путем наблюдения:

Обнаружение капелек росы на траве летним утром — это пример наблюдения. Наблюдение — это метод изучения явлений в их естественных условиях, без вмешательства со стороны исследователя. В данном случае человек просто видит результат природного процесса: ночью земля и трава остыли, и содержащийся в воздухе водяной пар сконденсировался на их холодной поверхности. Исследователь не создавал эти условия, а лишь зафиксировал факт.

Изучение явления путем постановки опыта:

Получение капелек влаги на наружной стороне специально охлаждаемого сосуда — это пример постановки опыта (эксперимента). Опыт отличается от наблюдения тем, что исследователь целенаправленно создает и контролирует определенные условия, чтобы вызвать или воспроизвести изучаемое явление. Здесь человек специально охлаждает сосуд, чтобы его поверхность стала холодной, и на ней, как и на траве, сконденсировался водяной пар из воздуха. Это позволяет изучить явление в контролируемой среде.

Ответ: Явление образования росы изучалось путем наблюдения в случае с капельками на траве, так как это естественный процесс, за которым просто наблюдали. В случае со специально охлаждаемым сосудом явление изучалось путем постановки опыта, так как условия для конденсации влаги были созданы искусственно и целенаправленно.

2. Какие опыты вы предложили бы провести, чтобы проверить гипотезу о том, что различие во времени падения тел обусловлено сопротивлением воздуха?

Чтобы проверить гипотезу о том, что различие во времени падения тел обусловлено сопротивлением воздуха, необходимо провести эксперименты, в которых влияние этого фактора можно либо полностью исключить, либо целенаправленно изменить, оставив другие параметры (например, массу) постоянными.

Опыт 1: Падение тел в вакууме (Трубка Ньютона)

Суть этого опыта заключается в сравнении падения двух тел в воздухе и в вакууме. В качестве тел берут объекты, время падения которых в воздухе заметно отличается, например, металлическую дробинку и птичье перо. Их помещают в длинную стеклянную трубку (трубку Ньютона). Сначала трубку, наполненную воздухом, быстро переворачивают. Наблюдают, что дробинка падает быстро, а перо медленно опускается. Затем, с помощью вакуумного насоса, из трубки откачивают воздух. При повторном переворачивании трубки в вакууме и дробинка, и перо падают с одинаковой скоростью и достигают дна одновременно. Так как единственным устраненным фактором был воздух, опыт убедительно доказывает, что именно сопротивление воздуха является причиной разницы во времени падения.

Опыт 2: Падение тел одинаковой массы, но разной формы

Этот опыт демонстрирует зависимость сопротивления воздуха от формы тела. Берутся два тела одинаковой массы, на которые действует равная сила тяжести $F_g = mg$. Проще всего взять два одинаковых листа бумаги. Один лист сминают в плотный шарик, а другой оставляют расправленным. Оба объекта одновременно отпускают с одной и той же высоты. Бумажный шарик достигнет земли значительно быстрее, чем плоский лист. Разница во времени падения при одинаковой массе объясняется исключительно различием в силе сопротивления воздуха: у плоского листа она велика из-за большой площади, а у компактного шарика — мала. Таким образом, опыт подтверждает, что сопротивление воздуха влияет на время падения.

Ответ: Для проверки гипотезы можно провести один из следующих опытов: 1) Сравнить падение тел (например, монеты и пера) в трубке с воздухом и в вакууме (трубка Ньютона). В вакууме тела будут падать одновременно, что докажет влияние сопротивления воздуха. 2) Сравнить падение с одной высоты двух тел одинаковой массы, но разной формы (например, скомканного и плоского листов бумаги). Разное время их падения также докажет, что различие обусловлено сопротивлением воздуха.

3. Вам поставлена задача определить, как зависит время таяния данного кусочка льда от температуры окружающего воздуха. Приведите последовательность ваших действий, аргументируйте её.

Для определения зависимости времени таяния кусочка льда от температуры окружающего воздуха необходимо провести эксперимент. Ниже представлена последовательность действий и их аргументация.

Цель эксперимента

Экспериментально установить, как время полного таяния ($t$) одного и того же кусочка льда зависит от температуры окружающего воздуха ($T_{возд}$).

Необходимое оборудование

• Несколько абсолютно одинаковых по массе и форме кусочков льда (их можно получить, замораживая одинаковый объем воды в идентичных формочках).
• Электронные весы для подтверждения одинаковой массы льда.
• Термометр для измерения температуры воздуха с достаточной точностью.
• Секундомер для измерения времени.
• Несколько изолированных помещений с разной, но стабильной температурой (например, холодильная камера, комната, слегка обогреваемое помещение) или специальная термостатическая камера.
• Теплоизолирующая подставка (например, сетка из тонкой проволоки или кусок пенопласта) для размещения на ней льда.

Последовательность действий (план эксперимента)

1. Подготовка. Подготовить несколько одинаковых по массе ($m$) и форме кусочков льда. Перед каждым измерением следует убедиться, что масса льда одинакова, и дать ему постоять при комнатной температуре несколько минут, пока его поверхность не начнет плавиться. Это гарантирует, что начальная температура льда равна температуре плавления, то есть 0 °C.
2. Измерение №1. Поместить первый кусочек льда на теплоизолирующую подставку в среду с первой, наиболее низкой, постоянной температурой ($T_1$). Измерить эту температуру термометром и записать ее. Одновременно с размещением льда запустить секундомер. Остановить секундомер в тот момент, когда весь лед превратится в воду. Записать полученное время таяния $t_1$.
3. Измерение №2. Взять второй, точно такой же, кусочек льда и повторить действия из пункта 2, но уже в среде с другой, более высокой, постоянной температурой воздуха ($T_2$). Записать значения $T_2$ и соответствующее время таяния $t_2$.
4. Последующие измерения. Повторить эксперимент еще несколько раз (рекомендуется не менее 3-5 измерений для получения надежных данных) при различных значениях температуры воздуха ($T_3, T_4, ...$), каждый раз используя новый, идентичный предыдущим, кусочек льда.
5. Обработка результатов. Все полученные данные ($T_1, t_1; T_2, t_2; ...$) занести в таблицу. Затем построить график зависимости времени таяния $t$ (ось ординат) от температуры воздуха $T_{возд}$ (ось абсцисс).

Аргументация (обоснование)

Данная последовательность действий выбрана для того, чтобы максимально точно выявить искомую зависимость, исключив влияние других факторов.

• Использование одинаковых кусочков льда. Количество теплоты ($Q$), необходимое для плавления льда, прямо пропорционально его массе: $Q = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда. Чтобы зависимость времени таяния отражала влияние только температуры, масса ($m$) и форма (которая определяет площадь поверхности $S$) должны быть контролируемыми, то есть постоянными во всех опытах.
• Начальная температура льда 0 °C. Если бы начальная температура льда была ниже нуля, то часть времени ушла бы на его нагрев до 0 °C. Обеспечивая начальную температуру плавления, мы изучаем только процесс фазового перехода, что упрощает анализ.
• Теплоизолирующая подставка. Лед получает тепло от окружающей среды в основном за счет теплообмена с воздухом (конвекция и излучение). Чтобы минимизировать неконтролируемую передачу тепла от поверхности, на которой он лежит (теплопроводность), используется подставка из материала с низкой теплопроводностью или с минимальной площадью контакта.
• Изменение только одного параметра. В ходе эксперимента целенаправленно изменяется только один параметр — температура воздуха ($T_{возд}$), который является независимой переменной. Время таяния ($t$) является зависимой переменной. Все остальные условия (масса льда, его форма, давление, отсутствие сквозняков) поддерживаются постоянными. Это основной принцип постановки чистого физического эксперимента.
• Теоретическая основа. Скорость теплопередачи (мощность $P$) от воздуха ко льду описывается законом Ньютона-Рихмана: $P \approx k \cdot S \cdot (T_{возд} - T_{льда})$. Поскольку $T_{льда} = 0^\circ C$, то $P \approx k \cdot S \cdot T_{возд}$. Если предположить, что мощность теплопередачи постоянна в ходе плавления (что является упрощением), то полное количество теплоты $Q = P \cdot t$. Подставляя $Q = \lambda m$, получаем $\lambda m \approx (k \cdot S \cdot T_{возд}) \cdot t$. Отсюда время таяния: $t \approx \frac{\lambda m}{kS} \cdot \frac{1}{T_{возд}}$. Таким образом, теоретически, время таяния должно быть обратно пропорционально температуре окружающего воздуха (измеренной в градусах Цельсия, так как она представляет разность температур). Эксперимент позволяет проверить эту гипотезу.

Ответ: Для определения зависимости времени таяния льда от температуры воздуха необходимо провести серию экспериментов, в каждом из которых измеряется время полного таяния идентичного кусочка льда при разной, но постоянной температуре окружающей среды. Ключевыми условиями корректности эксперимента являются: использование одинаковых по массе и форме кусочков льда, обеспечение их начальной температуры 0 °C, минимизация теплообмена с подставкой и поддержание постоянства прочих условий. Собранные данные (температура и соответствующее время таяния) позволят построить график и определить характер искомой зависимости, которая теоретически является обратно пропорциональной.