GLOBAL KNOWLEDGE ARK

Fizika · Straipsnis

Hipotezės, dėsniai, principai ir teorijos

Nustatykite mokslinio teiginio paskirtį, išnagrinėkite jį pagrindžiančius duomenis ir jo galiojimo sąlygas, o jo pavadinimo nelaikykite tikrumo įverčiu.

Ankstesnis straipsnis: Modeliai, idealizacijos ir prielaidos

Grįžti į fiziką

Perskaitę galėsite

  • Suformuluoti hipotezę su stebima pasekme, kuri galėtų neatitikti gauto rezultato.
  • Atskirti glaustai nusakytą fizikinį sąryšį nuo platesnės aiškinamosios sistemos.
  • Paaiškinti, kaip principas gali apriboti teoriją ar skaičiavimą.
  • Taikyti paprastą jėgos sąryšį, išlaikant jame naudojamus dydžius ir prielaidas.
  • Paaiškinti, kodėl pagrindžiantys duomenys neveda kiekvienos idėjos hipotezės, teorijos ir dėsnio pakopomis.
01

Nustatyti teiginio paskirtį

Hipotezė siūlo tai, ką galima tirti. Dėsnis nusako fizikinį sąryšį. Principas gali padėti aprašyti reiškinį arba apriboti jo aprašymą. Teorija sujungia idėjas į aiškinamąją sistemą. Šios paskirtys gali persidengti: teorija gali apimti dėsnius ir principus, o iš jos galima kelti hipotezes konkretiems patikrinimams. Šie pavadinimai nėra nuoseklios tikrumo skalės pakopos. Kaupiami pagrindžiantys duomenys savaime nepaverčia teorijos dėsniu.

Lentelėje pateikiamos pradiniam susipažinimui naudingos šių sąvokų paskirtys, o ne pavadinimų suteikimo taisyklė, kurios vienodai laikomasi visose srityse. Istoriniai pavadinimai tebėra vartojami, o autoriai kartais vadina dėsniu ir principu glaudžiai susijusių rūšių teiginius. Vertindami teiginį, išnagrinėkite jo tikrąją prasmę, galiojimo sąlygas ir jį pagrindžiančius duomenis.

Naudingos paskirtys; pavadinimai nerodo tikrumo lygio
TerminasĮprastas vaidmuoKeltinas klausimas
HipotezėTiriamas teiginysKoks stebėjimas galėtų jai prieštarauti?
DėsnisGlaustai išreikštas ryšys arba dėsningumasKokius dydžius ir sąlygas jis sieja?
PrincipasTeiginys, kuriuo vadovaujamasi, arba apribojimasKaip jis apriboja aprašymą?
TeorijaTarpusavyje susijusių paaiškinimų sistemaKą ji paaiškina ir prognozuoja ir kaip gerai ji patikrinta?
02

Suformuluokite patikrinamą hipotezę

Mokslinė hipotezė turi numatyti pasekmes, kurias galima palyginti su stebėjimais. Ji gali siūlyti mechanizmą, ryšį arba tam tikrą sistemos ypatybę. Prognozė nusako pasekmę, kurios tikimasi nurodytomis sąlygomis. Iš vienos hipotezės galima išvesti kelias prognozes, o skirtingos hipotezės kartais gali numatyti tą patį rezultatą. Todėl sutapimas per vieną patikrinimą hipotezę pagrindžia tik ribotai.

Nagrinėkite hipotezę, kad paleistas vežimėlis per antrąjį pusės sekundės intervalą takeliu nuvažiuoja mažesnį atstumą nei per pirmąjį. Nurodykite stebimą tašką, intervalus ir matavimo procedūrą. Tai galima patikrinti pagal padėtis. Jei nurodyti atstumai yra 0.40 m ir 0.30 m, šio konkretaus palyginimo rezultatas atitinka hipotezę. Vien šis palyginimas neparodo, kad priežastis yra trintis, ir nenustato, kaip judės kiekvienas vežimėlis.

03

Nagrinėkite dėsnį kartu su jo dydžiais

Fizikos dėsnis dažnai glaustai išreiškia ryšį žodžiais arba lygtimi. Niutono mechanikoje pastovios masės kūnui, laikomam materialiuoju tašku, vektorinis ryšys nusakomas taip: išorinių jėgų atstojamoji lygi masės ir pagreičio sandaugai. Viena pasirinkta kryptimi užrašykite F_net = m a. Atstojamoji jėga yra išorinių jėgų vektorinė suma, todėl reikia atsižvelgti į jų kryptis; tai nebūtinai yra viena stūmimo jėga.

Naudokite inercinę atskaitos sistemą arba nagrinėjamam klausimui tinkamą artinį. Inercinė atskaitos sistema yra tokia, kurioje kūno greičio vektorius nekinta, kai jį veikiančių jėgų atstojamoji lygi nuliui. Paprastas Niutono mechanikos aprašymas taip pat turi taikymo ribas; jo nereikėtų be atodairos taikyti reliatyvistiniam judėjimui. Prieš interpretuodami rezultatą, nurodykite sistemą, masę, svarbias jėgas ir taikomus artinius.

04

Taikykite principą aprašymui apriboti

Principas gali būti pradinis atskaitos taškas arba suderinamumo reikalavimas. Reliatyvumo principas teigia, kad fizikos dėsnių forma yra vienoda visiems inerciniams stebėtojams. Jų judėjimas gali skirtis, ir jie nebūtinai nustatys tą patį vežimėlio greitį. Principas nustato apribojimus tam, kaip jų aprašymai dera tarpusavyje.

Pavadinus šį teiginį principu, jis netampa silpnesne dėsnio versija. Taip pat vien žodis „principas“ neatskleidžia jo taikymo ribų ar jį pagrindžiančių duomenų svarumo. Skaitykite formuluotę atsižvelgdami į jos kontekstą. Įvadiniai skirtumai yra naudinga pagalbinė priemonė, tačiau teiginys, kad kiekvienas principas yra mažiau bendras už kiekvieną dėsnį, reikštų pavadinimų taisyklę, kurios šie pavyzdžiai nepagrindžia.

05

Teorijoje susiekite paaiškinimus ir prognozes

Mokslinė teorija – tai aiškinimo sistema, kurią sudaro tarpusavyje susijusios sąvokos ir ryšiai. Pripažinta teorija įgyja patikimumą per patikrinimus; tai, kad ji vadinama teorija, nereiškia, jog ji tėra neformalus spėjimas. Pavyzdžiui, dalelių fizikos standartinis modelis susieja daleles su elektromagnetine, silpnąja ir stipriąja sąveikomis, o daugelis jo prognozių yra patikrintos. Jis neapima gravitacijos. Teorija gali sėkmingai aiškinti reiškinius tam tikroje srityje ir kartu būti neišsami.

Fizikoje taip pat aptariamos siūlomos teorinės sistemos. CERN apibūdina supersimetriją kaip galimą standartinio modelio plėtinį ir jos pasekmes aptaria sąlygiškai. Taigi vien žodis „teorija“ negarantuoja, kad kiekvieną pasiūlymą pagrindžia tokie pat duomenys kaip pripažintą teorinę sistemą. Klauskite, kurios prognozės jau patikrintos, o kurie teiginiai tebėra pasiūlymai.

06

Nurodykite teiginio taikymo sritį ir jį pagrindžiančius duomenis

Išsamesnė teorija gali išlaikyti paprastesnį aprašymą kaip artinį. Niutono gravitacijos teorijos rezultatai yra artimi bendrosios reliatyvumo teorijos rezultatams, kai greičiai maži, palyginti su šviesos greičiu, o gravitacija pakankamai silpna; tikslumas taip pat priklauso nuo taikymo. Tai leidžia fizikams naudoti paprastesnius skaičiavimus ten, kur jų ribotumai priimtini. Žinomo dėsnio pavadinimas šių ribotumų nepanaikina.

Jei rezultatas nesutampa su prognoze, išnagrinėkite visą palyginimą: matuojamus dydžius, neapibrėžtį, įvesties vertes, neįtrauktas sąveikas ir prielaidas. Neatitikimas gali būti susijęs su matavimu, konkrečiu modeliu arba platesne teorine sistema. Patikimai nustatytas, bet neišaiškintas neatitikimas yra svarbus, tačiau vienas nepaaiškintas rodmuo savaime neparodo, kuri dalis netinkama. Prieš darydami platesnę išvadą, patikrinkite suformuluotą teiginį ir išnagrinėkite alternatyvas.

Susiję vaidmenys moksle

  1. 1. Teorija: sujungti į sistemą

    Susiekite sąvokas, paaiškinimus ir prognozes. Teorinė sistema gali apimti dėsnius bei principus ir pasiūlyti hipotezių; klauskite, kurios jos dalys jau patikrintos, o kurios tebėra siūlomos.

  2. 2. Hipotezė: pasiūlyti teiginį

    Pasiūlykite savybę, ryšį ar mechanizmą, iš kurių kyla stebimi padariniai. Prognozė gali kilti iš platesnės teorinės sistemos, o atitiktis per vieną patikrinimą suteikia tik ribotą pagrindimą.

  3. 3. Principas: nukreipti arba apriboti

    Suteikite aprašymui ar skaičiavimui atspirties tašką arba nuoseklumo reikalavimą. Nagrinėkite principo formuluotę ir taikymo sritį, o ne laikykite jo pavadinimą pagrindžiančių duomenų matu.

  4. 4. Dėsnis: nusakyti ryšį

    Susieti nurodytus fizikinius dydžius apibrėžtomis sąlygomis. Dėsnis gali būti platesnės teorijos dalis; jam taikyti reikia atitinkamų dydžių ir prielaidų.

Šie vaidmenys gali persidengti: teorija gali apimti dėsnius bei principus ir iš jos gali kilti hipotezės konkretiems patikrinimams. Pavadinimai ir kortelių eilės tvarka nerikiuoja pagal tikrumą ir neaprašo perėjimo į aukštesnį statusą etapų.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Rezultatas pagrindžia konkretų palyginimą

Paleistas vežimėlis juda viena kryptimi. Hipotezė teigia, kad jo stebimas taškas per antrąjį 0.50 s intervalą nueina trumpesnį kelią nei per pirmąjį. Pateikti keliai yra 0.40 m ir 0.30 m. Ką pagrindžia šis palyginimas?

  1. Naudokite tą patį stebimą tašką ir du iš eilės einančius vienodos trukmės intervalus.
  2. Palyginkite pateiktus kelius: 0.30 m < 0.40 m. Lygiaverčiai, pateikti vidutiniai greičiai yra 0.40 m / 0.50 s = 0.80 m/s ir 0.30 m / 0.50 s = 0.60 m/s.
  3. Atskirkite šį intervalų palyginimą nuo teiginio apie kiekvieną judėjimo akimirką, kiekvieną vežimėlį ar pokyčio priežastį.

Nurodytos vertės pagrindžia suformuluotą intervalų palyginimą. Jos neįrodo, kad greitis nuolat mažėja kiekvieną akimirką ar kad skirtumą sukėlė konkretus pasipriešinimo mechanizmas. Šios vertės yra išgalvotos mokymo tikslais; atliekant tikrą patikrinimą taip pat reikia atsižvelgti į matavimo ribotumus.

Prieš atmesdami sąryšį, patikrinkite jo taikymą

Vienmačiame mokomajame Niutono mechanikos modelyje pastovios 2.0 kg masės vežimėlį veikia 1.6 N jėga į dešinę ir 0.4 N pasipriešinimo jėga į kairę. Visos kitos jėgos atsveria viena kitą. Atskaitos sistemą laikykite inercine. Skaičiavimas numato 0.8 m/s² pagreitį į dešinę. Ar jame nurodytas dėsnis pritaikytas teisingai?

  1. Pasirinkite kryptį į dešinę kaip teigiamą ir sudėkite išorinių jėgų projekcijas: F_net = 1.6 N - 0.4 N = 1.2 N.
  2. Modelyje naudokite atstojamąją jėgą: a = F_net / m = 1.2 N / 2.0 kg = 0.6 m/s². Pagreitis nukreiptas į dešinę.
  3. Skaičiuojant 0.8 m/s² pagreitį, naudota tik vežimėlį veikianti jėga į dešinę ir neatsižvelgta į nurodytą pasipriešinimo jėgą.

Pateiktą modelį atitinkanti prognozė yra 0.6 m/s² pagreitis į dešinę. Kitame skaičiavime sąryšis pritaikytas neteisingai; tai nėra duomenys, prieštaraujantys dėsniui. Šiame pavyzdyje jėgos, kitų jėgų tarpusavio kompensavimas ir masė yra sąlygoje pateikta informacija, o ne matavimais nustatyti duomenys.

Daugiau duomenų nesukuria pavadinimų hierarchijos

Autorius teigia: po 100 sėkmingų patikrinimų hipotezė tampa teorija, o po tūkstančio (1,000) – dėsniu. Kaip pataisytumėte šį paaiškinimą?

  1. Pašalinkite išgalvotas skaitines ribas. Vien patikrinimų skaičius neparodo jų kokybės, aprėpties ir nepriklausomumo.
  2. Apibūdinkite idėjos vaidmenį: konkretus teiginys, sąryšis, aprašymą nukreipiantis apribojimas ar tarpusavyje susietų idėjų sistema.
  3. Pagrindžiančius duomenis ir išliekančias taikymo ribas apibūdinkite atskirai nuo šio vaidmens.

Pakartotiniai sėkmingi patikrinimai gali sustiprinti konkretaus teiginio pagrįstumą. Jie neįjungia universalios taisyklės, pagal kurią hipotezė tampa teorija, o teorija – dėsniu. Teorija gali likti teorija, nors ją pagrindžiančių duomenų daugėja.

Pabandykite patys

  1. Teiginį „dangtis visada padeda“ paverskite patikrinama hipoteze apie vandens vėsimą. Nurodykite konkretų palyginimą ir galimą rezultatą, kuris prieštarautų šiai hipotezei.

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Viena galima hipotezė: vienoduose puodeliuose, esant vienodai vandens masei, pradinei temperatūrai ir patalpos sąlygoms, praėjus penkioms minutėms nuo pylimo pabaigos, temperatūra puodelio centre ties puse vandens gylio bus aukštesnė naudojant nurodytą dangtelį nei be jo. Pakankamai patikimai nustatyta tokia pati ar žemesnė temperatūra uždengtame puodelyje būtų argumentas prieš šią suformuluotą prognozę.

    Prieš bandymą apibrėžkite puodelius, dangtelį, vandens sąlygas, matavimo vietą, laiką ir procedūrą, taip pat atsižvelkite į neapibrėžtį ir svyravimus. Tai originalus siūlomas palyginimas, o ne teiginys, kad tikri dangteliai visada duoda tokį rezultatą ar kad vienas bandymas išsprendžia visus susijusius klausimus.

  2. Taikant tas pačias vienmačio judėjimo Niutono mechanikos prielaidas, pastovios 3.0 kg masės vežimėlį veikiančių išorinių jėgų nurodytos dedamosios yra 2.0 N į dešinę ir 0.5 N į kairę; kitos jėgos atsveria viena kitą. Koks tuomet pagreitis?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    0.5 m/s² į dešinę.

    Pasirinkus kryptį į dešinę kaip teigiamą, F_net = 2.0 N - 0.5 N = 1.5 N, o a = 1.5 N / 3.0 kg = 0.5 m/s². Naudokite atstojamosios jėgos dedamąją, o ne vien didesnę jėgą.

  3. Du stebėtojai inercinėse atskaitos sistemose tam pačiam vežimėliui priskiria skirtingus greičius. Ar vien šis skirtumas prieštarauja reliatyvumo principui?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne. Šis principas susijęs su fizikos dėsnių forma, o ne su tuo, kad visos greičio vertės turi sutapti.

    Greitis yra santykinis atskaitos sistemos atžvilgiu. Skirtingi, nuo atskaitos sistemos priklausantys aprašymai gali atitikti tuos pačius dėsnius. Norint patikrinti šį principą, reikėtų daugiau nei pastebėti, kad vežimėlio greičiai stebėtojų atžvilgiu skiriasi.

  4. Išmatuotas vežimėlio pagreitis skiriasi nuo prognozės, apskaičiuotos atsižvelgiant tik į jį stumiančią jėgą. Ar tai būtinai rodo, kad Niutono mechanika negalioja? Įvardykite, ką svarbu patikrinti.

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne. Patikrinkite sistemą ir masę, visas išorines jėgas, atskaitos sistemą ir kitas modelio prielaidas, taip pat matavimus ir neapibrėžtį. Tada išnagrinėkite, ar išlieka patikimai nustatytas neatitikimas.

    Neįtrauktas pasipriešinimas ar netinkama įvesties vertė gali lemti konkrečios prognozės klaidingumą, bet nerodyti, kad platesnė teorinė sistema negalioja. Vienas neatitikimas savaime nesuteikia pagrindo nei jį atmesti, nei atmesti visą teorinę sistemą.

Ką verta įsidėmėti

  • Hipotezė, dėsnis, principas ir teorija nusako naudingus vaidmenis, o šių terminų vartosena iš dalies sutampa ir istoriškai kinta.
  • Patikrinama hipotezė numato stebimus padarinius; sėkmingas palyginimas ją pagrindžia nurodytose taikymo ribose.
  • Dėsnį reikia vertinti kartu su jame vartojamais dydžiais, sąlygomis ir taikymo sritimi.
  • Teorija susieja paaiškinimus ir prognozes; įsitvirtinusią teorinę sistemą nuo siūlomos skiria duomenys, o ne vien pavadinimas.
  • Nėra universalios pakopų sekos „hipotezė–teorija–dėsnis“. Atidžiai patikrinkite neatitiktį ir, taikydami pasiteisinusį artinį, nepamirškite jo ribotumų.

Šaltiniai

Šio straipsnio sąvokų ir mokymo būdų šaltiniai.

  1. Teaching About Evolution and the Nature of Science, Chapter 5: Frequently Asked Questions About Evolution and the Nature of ScienceNational Academy of Sciences; National Academies PressMokomoji medžiaganationalacademies.orgSkaityti šaltinį
  2. Physics, 1.2 The Scientific MethodsOpenStax, Rice UniversityVadovėlio skyriusopenstax.orgSkaityti šaltinį
  3. OpenStax University Physics Volume 1 — Newton laws and inertial framesWilliam Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny — OpenStax, Rice UniversityVadovėlio skyriusUniversity Physics Volume 1, 5.3 Newton's Second LawUniversity Physics Volume 1, 5.2 Newton's First Lawopenstax.org
  4. Explanatory Dictionary: relativity principleEinstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)Žinynaseinstein-online.infoSkaityti šaltinį
  5. Step by step from Newton to EinsteinGerhard Schäfer — Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)Mokomoji medžiagaeinstein-online.infoSkaityti šaltinį
  6. CERN2 šaltiniai
    1. The Standard ModelCERNŽinynashome.cernSkaityti šaltinį
    2. SupersymmetryCERNŽinynashome.cernSkaityti šaltinį