Лекция 2. Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения.

Первоначальное взаимодействие человека (исследователя) с объектом или явлением имеет место непосредственно на практике. Здесь происходит накопление и систематизация фактов, их описание. Все это – практический, или эмпирический, уровень познания. Он включает в себя наблюдения, измерения, эксперимент. Лишь на основе полученных данных строится гипотеза и происходит подъем на более высокий, теоретический уровень познания.

1. Наблюдения.

   Основным способом получения информации об окружающем мире и явлениях, которые в нем происходят, с древнейших времен было наблюдение. Наблюдение может проводиться как при помощи наших естественных органов чувств: зрения, слуха, обоняния, осязания и даже вкуса. Однако все эти чувства развиты у разных людей в разной степени, поэтому такие наблюдения достаточно несовершенны. Любые выводы, сделанные на основании таких наблюдений, будут в большой степени субъективны.

   Существует огромное количество явлений, вообще недоступных непосредственному человеческому восприятию. Например, мы не видим электромагнитные волны, частоты которых лежат за пределами оптического диапазона, не воспринимаем ультразвук, не способны заглянуть в микромир.

Для более объективного, глубокого и разностороннего изучения действительности человеческому организму нужно «помочь» - требуется использование приборов. Однако система «прибор-объект» – это уже совсем не то же самое, что исходный объект.

2. Измерения и измерительные приборы.

Наблюдение становится частью научного исследования, если на основании этого наблюдения делаются некоторые сравнения и выводы. Для того чтобы сравнивать какие-либо свойства материальных объектов, требуется дать этим свойствам количественные характеристики. Более того, в квантовой механике считается, что реально существуют лишь те объекты, которые можно измерить: «Принципиально неизмеримое – физически нереально» (Бор, Гейзенберг). Процедура получения количественной информации об объекте исследования называется измерением. Инструмент, с помощью которого проводится измерение, называют прибором. Теорией измерений занимается специальная наука – метрология. Простейший способ измерения (прямой) заключается в том, что исследуемый объект сравнивается с эталоном, принятым за единицу. Самый известный эталон – это платино-иридиевый стержень длиной в 1метр, хранившийся в Париже, в Палате мер и весов. Очевидны неудобства таких измерений, связанные с хранением и воспроизведением копий эталона. В настоящее время (с 1983 г.) решено считать 1 метр как расстояние, проходимое светом в вакууме за время 1/299792458 секунд.

Для измерения времени также нужен эталон. В настоящее время считается, что 1 секунда – это время, за которое происходит 9192631830 периодов колебаний излучения, испускаемого изотопом цезия .

Заметим, что для измерения величин, описывающих явления макромира, привлекаются явления микромира и мегамира.

В соответствии с последними договоренностями эталонная длина в 1 метр не измеряется непосредственно, а вычисляется по формуле , где с – скорость света в вакууме. Такое измерение носит название косвенного. В подавляющем большинстве физические измерения являются косвенными. К косвенным измерениям можно также отнести метод экстраполяции, который основан на предположении о том, что в области, где измерения не проводились, поведение системы остается таким же. Экстраполяция далеко не всегда подтверждается экспериментом.