3. Эксперимент в физике – его роль, задачи, содержание

Восприятие внешнего мира начинается с непосредственного созерцания. Фиксация и анализ возникающих при этом ощущений составляет суть наблюдений. Это первый этап научного исследования. Его результатом становится установление научного факта как факта существования некоторой физической системы или процесса (например, выделения тепла при протекании электрического тока по проводнику). На этом основании предполагается наличие определенной функциональной зависимости между физическими величинами, «участвующими» в данном процессе (параметрами состояния системы): электрическим сопротивлением проводника, силой электрического тока, протекающего по этому проводнику, разностью потенциалов и количеством теплоты, выделяющейся в проводнике за определенное время; предполагается также характер этой зависимости, т.е. выдвигается таким образом, на основании анализа научных фактов и теоретических навыков рабочая научная гипотеза (или несколько гипотез). Для подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы необходимо проведение эксперимента.

Эксперимент (опыт) – более совершенный по сравнению с наблюдением эмпирический метод познания. Эксперимент обязательно включает в себя активное и целенаправленное воздействие на исследуемую систему. Цель этого воздействия – создать такие условия для системы, в которых её изучаемые свойства, характеристики, параметры, а также функциональные связи между ними проявятся наиболее существенно.

Важнейшими характерными чертами эксперимента являются:

- возможность исследовать объект «в чистом» виде, создавая необходимые условия и устраняя (или стабилизируя) влияние несущественных в данном опыте факторов;

- возможность создания для объекта искусственных, в том числе, экстремальных условий (например, сверхвысоких или сверхнизких температур, давлений, напряженностей электрического и магнитного полей и др.), что позволяет исследовать свойства объекта, не проявляющиеся при «обычных» условиях;

- активное участие экспериментатора в ходе опыта;

- возможность в большинстве случаев воспроизведения опыта, т.е. его повторения в тех же условиях, что позволяет проверить и уточнить данные, полученные другими экспериментаторами.

«Опыт берет явления в свои руки и пускает в ход то одно, то другое, и таким образом в искусственных, упрощенных комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет» (И.П.Павлов).

Перечислим некоторые типы задач, решаемых в физических экспериментах:

1. Измерения физических величин.

2. Сравнение рассчитанных по известным формулам числовых значений физических величин с результатами их измерений.

3. Проверка статуса предложенных гипотез о качественном и количественном характере изучаемых явлений.

4. Исследование зависимости между физическими величинами.

5. Выявление пределов изменения исследуемых физических величин. в которых справедлива теоретическая зависимость, исследуемая в эксперименте.

6. Выявление факторов, влияющих на исследуемый физический процесс (внешних, внутренних, контролируемых, неконтролируемых).

7. Сравнение различных способов получения численного значения искомой величины (в смысле использования различных физических явлений и соотношений, в которые входит искомая величина – например, ускорение свободного падения, заряд электрона и др.).

8. Изучение принципов построения, действия и применения устройств, задающих опорные физические величины (источники ЭДС, тока, генераторы излучения, опорные резисторы, конденсаторы, поглощатели. отражатели и др.); требования к точности и стабильности этих мер и источников.

9. Исследование воздействия физических факторов на протекание исследуемого процесса. Оценка значимости факторов, возможности пренебрежения влиянием какого-либо фактора в данном конкретном эксперименте.

10. Поиск возможности устранения или учета влияния данного фактора на результат эксперимента.

11. Определение условий эксперимента и создание для исследуемой физической системы требуемых условий (длительность, равномерность, периодичность, ритмичность), изолированность, адибатичность, температурный режим и др., при которых а) наиболее наглядно проявились бы изучаемые в данном опыте свойства системы; b) наименьшее влияние на результат эксперимента оказали бы «мешающие» факторы среды и другие параметры самой системы, изучаемое которых не является целью данного эксперимента.

Результатами экспериментов могут быть как качественные выводы (например, о наличии или отсутствии влияния какого-либо фактора на поведение системы) наличием или отсутствием функциональных связей между различными параметрами и динамическими переменными; установление вида этих зависимостей, так и количественные соотношения, например, численные значения каких-либо параметров состояния исследуемой системы.

Выделяют исследовательские эксперименты, которые проводятся с целью обнаружения у физической системы новых, ранее неизвестных свойств, изучения её поведения в новых условиях, определения ранее неизвестных количественных значений её параметров.

Особой формой исследования является так называемый мысленный эксперимент. Его суть в создании «умственной» модели явления, как правило, протекающего при некоторых идеальных условиях, недостижимых в реальном (натурном) эксперименте, часто невозможных в принципе. Это позволяет исследователю анализировать изучаемое явление в максимально «чистом» виде и выявить его самые глубинные свойства. Мысленный «эксперимент» можно определить также как специфическую форму теоретического исследования. Мысленными экспериментами являются, например, ситуации, известные как «демон Максвелла», «кот Шрёдингера», «лифт Эйнштейна» и др.

При выполнении наблюдений и проведении экспериментов есть операции и приемы, которые являются общими, не зависящими от частных особенностей конкретной системы, изучаемой в данном эксперименте. Следовательно, может быть сформулирован некоторый обобщенный план, алгоритм экспериментального исследования.

Так, при выполнении наблюдения шагами этого алгоритма являются (см. схему):

1) формулирование цели наблюдения;

2) определение наиболее приемлемого для данного объекта и поставленной цели способа представления получаемой в процессе наблюдения информации;

3) собственно проведение наблюдения;

4) анализ результатов наблюдения, формулирование выводов, составление описания.

При выполнении эксперимента план действий включает следующие этапы:

1) формулирование цели эксперимента;

2) определение необходимых для осуществления опыта условий, оборудования, материалов, измерительных приборов;

3) определение последовательности действий, составляющих собственно процедуру эксперимента;

4) выбор подходящих способов фиксации информации, которую предполагается получить в ходе эксперимента;

5) собственно выполнение опыта;

6) обработка результатов измерений;

7) анализ полученных результатов, формулирование выводов, составление отчета.

В самом общем виде результатами эмпирических исследований являются опытные научные факты, результаты измерений, научные описания, классификации, эмпирические законы. Научные факты составляют фундаментальную основу науки, являются базой для создания научных теорий.

Ведущую роль на эмпирическом уровне познания играет индукция – движение мысли от анализа частных опытных фактов к их обобщению, сравнению с данными других экспериментов, систематизации и классификации исследуемых физических систем, их свойств и параметров.