Методы научного познания. Науки о природе, в том числе физика, имеют родственные законы развития. С помощью эмпирических методов познания (наблюдения, эксперименты) накапливается значительный фактический материал об определенной группе явлений природы.
На основе этого формулируется гипотеза (научное предположение) и создается модель, которая объясняет протекание этих явлений. Гипотеза дает нам лишь более или менее вероятное объяснение явления или ряда явлений. Проверка гипотезы на практике, а также применение гипотезы для решения новых задач науки делает гипотезу или достоверной, или иногда заставляет отказаться от нее как ложной и заменить ее другой.
Если правильность гипотезы подтверждается, то на ее основе формулируются законы и создается теория, которая имеет достаточно исчерпывающе объяснять явления, происходящие не только из качественного, но и с количественной стороны, а также предсказывать новые явления, с достаточной для практических целей точностью. Экспериментом в физике называют специально поставленный опыт или наблюдение, которые удовлетворяют следующим требованиям:
1) воспроизводимость экспериментальных результатов при выполнении любого количества независимых измерений (в том числе таких, которые проводятся на различных установках, различными экспериментаторами, в разных местах и т.п.);
2) максимальная точность измерения;
3) полный контроль за всеми факторами, которые определяют течение исследуемого явления. В теоретических исследованиях значительная роль отводится мыслительным экспериментам, моделированию, идеализации и формализации физических явлений. Так, в частности, изучение физических явлений на микро-и наноуровне сначала моделируется, исследуется методами математики, и лишь затем проверяется экспериментом.
Метод моделирования заключается в создании модели, которая отражает наиболее существенные свойства оригинала и позволяет значительно упростить процесс исследования.
Например, механические движения тел, встречающихся в природе, очень разнообразны. Они отличаются друг от друга траекториям, скоростями, направлениями и т.п.. Но из всего многообразия движущихся тел можно мысленно выделить те, которые двигаются по прямой линии, и те, скорость движения которых остается неизменной. Это и будет модель равномерного прямолинейного движения, с помощью которой можно установить законы движения.
Кроме физических моделей в физике используются математические модели. Математическая модель - это описание какого-то реального объекта или процесса языком математических понятий, отношений, формул, уравнений и т.д..
История науки знает немало примеров, когда в рамках удачно построенной математической модели с помощью вычислений, как говорят, «на кончике пера», удавалось предсказать существование новых физических явлений и объектов. Так, опираясь на математические модели, астрономы Дж. Адамс (Англия) в 1845 г. и У. Леверье (Франция) в 1846 г. независимо друг от друга пришли к выводу о существовании неизвестного тогда еще планеты и указали ее размещения. По расчетам Леверье астроном Г. Галле (Германия) нашел эту планету. Ее назвали Нептуном.
Английский физик М. Дирак в 1928 г. получил уравнение движения электрона. С решения этого уравнения следовало существования элементарной частицы, которая отличается от электрона только знаком электрического заряда. Такое частицу в 1932 г. открыл физик Д. Андерсен (США) и назвал ее позитроном.
Метод математического моделирования играет важную роль в корабле-и авиастроении, экономике и т.д..
Результаты экспериментальных и теоретических исследований формулируются в виде определенных закономерностей - физических законов.