2. Jak proste pomysły prowadzą do odkryć naukowych?

Natura fascynuje ludzi od tysięcy lat. Wszystkie procesy w niej zachodzące i nieustanne jej zmiany są obiektem badań wielu uczonych. Ludzie od wieków prowadzą obserwacje, starając się odnaleźć prawa rządzące zjawiskami w przyrodzie. A wszystko zaczyna się od małego dziecka – badacza, który nieustanie poszukuje nowej wiedzy, jest zafascynowany wszystkim, co go otacza: dotyka, smakuje i odkrywa otaczającą go rzeczywistość. W procesie rozwoju małego naukowca kluczowe staje się pytanie dlaczego?

Wiemy, że puszczona piłka spadnie na podłoże. Ale czy wiemy dlaczego? Wiemy również, że gdy samochód hamuje, to ciało pasażerów  pochyla się do przodu.

Dlaczego tak się dzieje?

To są tylko dwa proste pytania, na które stara się odpowiedzieć fizyka. A takich pytań są miliony. Zapraszam Cię dzisiaj w podróż po fascynującym świecie odkryć, które być może zainspirują Cię do samodzielnych badań, stawianie hipotez i wyciągania wniosków.

Obserwacje

RXWywNWnregc9

Zdjęcie przedstawia pochyloną osobę spoglądającą nocą przez teleskop w rozgwieżdżone niebo. Ziemia, teleskop i sylwetka człowieka jest czarna, niebo granatowe z żółtymi rozbłyskami.

ObserwacjaobserwacjaObserwacja jest jedną z najprostszych metod poznawania świata. To proces badawczy, w którym nie wpływamy istotnie na środowisko, będące obiektem naszego zainteresowania. Wykonujemy ją zgodnie z wcześniej ustalonym planem, a jej rezultatem będzie opis zjawisk i spostrzeżenia obserwatora. To właśnie od obserwacji rozpoczyna się poznawanie świata. Często nie potrzebujemy tu specjalistycznego sprzętu. Przy pomocy naszych zmysłów jesteśmy w stanie badać rzeczywistość. Starożytni ludzie nauki podglądali procesy zachodzące dookoła. Na tej podstawie weryfikowali swoją wiedzę i formułowali prawa.

A jak jest dzisiaj? Naukowcy często najpierw wymyślają problem badawczy, a dopiero później starają się go zaobserwować w zainicjowanych przez siebie warunkach. Nie zawsze ta kolejność przynosi zamierzone rezultaty. Często wiele miesięcy badań trzeba wyrzucić do kosza.

Zachęcam Cię więc do skupienia się na tym, co jest tu i teraz, do oglądania świata takim, jakim jest, a także do podglądania natury, gdyż w niej znajduje się wiele fascynujących odpowiedzi na nawet najbardziej skomplikowane pytania.

Górale, patrząc w niebo, potrafią przewidzieć pogodę na nadchodzące dni.

Rt8p00jhAhYyU

Zdjęcie przedstawia człowieka stojącego w dzień na łące. W tle zachmurzone góry. Obok postaci dymek z napisem: będzie padać.

Astronomowie przyglądają się ciałom niebieskim, dokonując nowych odkryć.

RxQUkjDK6nWah

Zdjęcie przedstawia człowieka stojącego nocą przy teleskopie. Człowiek spogląda w niebo na konstelację gwiazd Wielki Wóz‑na niebieski tle widać jasne punkty. Obok postaci napis w białym dymku: eureka.

Wiemy, że już ludzie kultur starożytnych poprzez obserwacje potrafili przewidzieć zaćmienia Księżyca.

R1Agnb19pA9NC

Zdjęcie przedstawia skaliste góry nad zbiornikiem wodnym na tle nieba. Na jednym wzgórzu widnieje postać człowieka stojącego nocą na skale w górach, spoglądającego na Księżyc.

Stanąłem oto przed wielką zagadką. Mogłoby się wydawać, że śnię. Igła magnetyczna zamiast wskazywać biegun północny, przesunęła się mniej więcej o pół kreski na północny zachód. Im bardziej kierowaliśmy się na zachód, tym silnej odchyla się igła. Jak można się było spodziewać, to niezwykłe zjawisko dostrzegli wszyscy na statku i to przeraziło ich nawet bardziej niż bezmiar oceanu.

Dzisiaj wiemy, że to swoiste zachowanie igły magnetycznej związane było z tym, że bieguny magnetyczne i geograficzne Ziemi nie pokrywają się.

Tak oto, poprzez obserwację, Kolumb stał się nieświadomym odkrywcą nie tylko nowych lądów, ale też zjawisk fizycznych.

Pomiar

Według definicji, pomiarupomiarpomiaru dokonujemy oddziałując na badany obiekt przyrządem pomiarowym. Wynikiem tego działania jest uzyskanie informacji na temat właściwości danego ciała.

Można dokonać pomiaru dziesiątek wielkości fizycznych. My skupimy się tutaj na kilku podstawowych, z którymi spotykasz się na co dzień.

Czas

Szczęśliwi czasu nie liczą. Tak zwykliśmy powtarzać. Prawda jest jednak taka, że większość z nas, nawet tych najbardziej szczęśliwych, odmierza go częściej bądź rzadziej. Aby uporządkować świat, musimy żyć w pewnych ramach czasowych. Chodzimy do pracy i szkoły na określone godziny. Lekcja trwa $45$ minut. Doba ma $24$ godziny i choćbyśmy bardzo chcieli, to nie można jej rozciągnąć, gdyż czas nie jest z gumy. Pomiaru tej wielkości fizycznej możemy dokonać wieloma przyrządami. Urządzenia te zmieniały się na przestrzeni dziejów.

R10sJj6m6318f

Animacja dotycząca czasu.

Animacja dotycząca czasu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R10sJj6m6318f

Animacja dotycząca czasu.

Długość

Pomiaru długości dokonujesz prawie codziennie – w szkole wykonujesz go na lekcjach matematyki: mierzymy długość ciała, odległość między miastami na mapie, czy wysokość figur itp. Wykorzystujesz go również podczas zawodów sportowych, czy lekcji wychowania fizycznego (długość lub wysokość skoku, odległość w czasie rzutu młotem, czy oszczepem). Najprostszym urządzeniem mierzącym długość było od zawsze ciało ludzkie. Kto z nas nie zna takich jednostek jak chociażby stopa czy łokieć? Sążeń był długością wyciągniętego ramienia dorosłego mężczyzny, a jard odpowiadał trzem stopom. Zwróć uwagę, że te przyrządy pomiarowe każdy człowiek miał przy sobie. Był to więc bardzo wygodny sposób pomiaru, niestety niezbyt dokładny. Tak było od starożytności i dopiero rewolucja francuska przyniosła nam ujednoliconą dla wszystkich jednostkę długości zwaną metrem.

Od tamtego czasu do pomiaru długości używamy:

Masa

RR7xaNvU77ozZ

Materiał dotyczący masy.

Materiał dotyczący masy.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RR7xaNvU77ozZ

Materiał dotyczący masy.

Ciekawostka

R1a0EpudQQtlg

Zdjęcie przedstawia budynki przy uliczce. Zabudowa jest historyczna, widać ozdobne mury i okna.

W holenderskim mieście Oudewater stoi waga, którą w $\text{XV}$ wieku ważono czarownice. Uważano wówczas, że osoby uprawiające czary nie mają duszy, stąd są lżejsze niż przeciętna osoba takiej samej postury.

Więcej na temat pomiarów możesz dowiedzieć z materiału Pomiary w fizyce. Niepewności pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotności.

Doświadczenie

DoświadczeniedoświadczenieDoświadczenie wykonuje się w celu zweryfikowania pewnej hipotezy. Gdy pojawia się problem badawczy zastanawiamy się, jakie mogą być rezultaty eksperymentu i poprzez świadome sterowanie procesem sprawdzamy, czy nasze przypuszczenia były słuszne. Wykonuje się je zazwyczaj w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych tak, aby można je było kilkakrotnie powtórzyć. Przeprowadzając doświadczenie, możemy dokonywać różnych modyfikacji i obserwować ich efekty. Wykonując pierwsze zadanie na dzisiejszej lekcji, postępowaliśmy według pewnego schematu. Dokładnie tak samo postępujemy podczas pracy z doświadczeniami.

• Najpierw stawiamy problem badawczy, często ma on postać pytania.

• Tworzymy hipotezę.

• Wykonujemy doświadczenie.

• Notujemy wyniki.

• Wyciągamy wnioski.

Następnie wnioski weryfikujemy z wcześniej postawioną hipotezą i teorią, sprawdzając, czy jest słuszna. Eksperymentów w fizyce dokonujemy bardzo często przy użyciu specjalistycznej aparatury. Czy jednak zawsze tak musi być?

RFSJzQrcqGhqX

Obraz przedstawia twarz mężczyzny. Mężczyzna z siwą brodą do obojczyka i ciemnymi, krótkimi włosami spogląda na odbiorcę z podniesioną jedną brwią. Ma niesymetrycznie ułożone oczy.

Galileo Galilei – w Polsce nazywany Galileuszem – stwierdził, że szybkość spadania ciał nie należy od ich masy. Było to jedno z pierwszych odkryć tego wielkiego naukowca. Jak tego dokonał? Podaje się, że z Krzywej Wieży w Pizie, jednocześnie wyrzucił dwie kule – armatnią o masie $8 \mathrm{kg}$ i lżejszą o masie $20 \mathrm{g}$; odmierzając czas ich spadania, miał zauważyć, że uderzyły o ziemię jednocześnie. Prawdopodobnie był to eksperyment myślowy. Wykonał On jednak inny eksperyment – staczanie kul po równi pochyłej.

Polecenie 9

Spróbuj bardzo prostym sposobem udowodnić słuszność teorii Galileusza.

Do doświadczenia będą potrzebne:

• książka,

• dwie kartki wielkości wcześniej przygotowanej książki.

Pytanie badawcze:
Które ciało spadnie szybciej?

Przykładowa hipoteza:
Prawdopodobnie szybciej spadnie książka, gdyż ma większą masę. Pamiętaj, że zawsze możesz wysunąć swoją hipotezę.

Kolejność działań:

R1jg5M77oH3T71

Zdjęcie fragmentu postaci na tle ściany z cegieł. Ręce ma wyciągnięte przed siebie; w prawej trzyma książkę, w lewej kartkę papieru.

• Do prawej ręki bierzemy książkę, do lewej zaś kartkę.

• Podnosimy je na tę samą wysokość.

• W tym samym momencie puszczamy oba ciała.

• Obserwujemy, które ciało spadnie szybciej.

Co można zaobserwować? Do jakich wniosków można dojść? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

Rj4UsJcr4Nzv4

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Książka spadła szybciej niż kartka. Oznacza to, że ciała cięższe spadają szybciej.

Polecenie 10

Potwierdziliśmy zatem naszą hipotezę. Ale czy wnioski, do których doszliśmy, są prawidłowe?

Dokonajmy pewnej modyfikacji tego doświadczenia.

Kolejność działań:

RN2hnZ7zjAR2L1

Zdjęcie fragmentu postaci na tle ściany z cegieł. Ręce ma wyciągnięte przed siebie, w obu dłoniach trzyma książkę. Na książce leży kartka papieru.

• Kładziemy kartkę na książkę.

• Podnosimy książkę do góry.

• Puszczamy książkę.

• Obserwujemy, które ciało spadnie szybciej.

Co można zaobserwować? Do jakich wniosków można dojść? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RPYvjAU8fR6UH

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Książka, mimo że jest cięższa, spadła równo z kartką, więc czas spadania ciał nie zależy od ich masy.

Polecenie 11

Już wiesz, że na podstawie prostego doświadczenia możesz udowodnić teorię Galileusza. Od czego w takim razie zależy szybkość spadania ciał? Spróbuj wykonać jeszcze jedno doświadczenie.

Do doświadczenia będą potrzebne:

• dwie takie same kartki.

Pytanie badawcze:
Która kartka spadnie szybciej?

Przykładowa hipoteza:
Prawdopodobnie obie kartki spadną tak samo szybko.
W pewnym sensie hipoteza jest słuszna. Kartki mają tę samą masę, więc w normalnych warunkach powinny spaść jednocześnie. My jednak wpłyniemy na wynik doświadczenia, dokonując pewnych zmian. Pamiętaj, że zawsze możesz wysunąć swoją hipotezę.

Kolejność działania:

RC4TaxppP3QOt1

Zdjęcie fragmentu postaci na tle ściany z cegieł. Ręce ma wyciągnięte przed siebie; w prawej ręce trzyma kartkę, w lewej zgniecioną w kulkę kartkę.

• Zgniatamy jedną kartkę w tzw. kulkę.

• Do jednej ręki bierzemy prostą kartkę.

• Podnosimy te ciała na jednakową wysokość.

• Puszczamy je w tym samym czasie.

Co można zaobserwować? Do jakich wniosków można dojść? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

Rf1Ce17wtBmMp

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Hipoteza okazała się błędna. Nie we wszystkich warunkach ciała mające taką samą masę będą spadały jednakowo. Będzie to zależne od ich kształtu.

Właśnie samodzielnie udowodniłeś jeden z najważniejszych postulatów fizyki klasycznej.

Do kolejnego eksperymentu, badającego cechy ruchu jedostajnie przyspieszonego, Galileusz również użył kul. Zbudował równię z drewnianej deski o długości ponad $6$ metrów. Podniósł ją z jednej strony, nachylając ją pod pewnym kątem do podłoża. W ten sposób stworzył równię pochyłą. Następnie w wyżłobionej pośrodku rynience puszczał mosiężną kulę, obliczając czas jej zjeżdżania przy pomocy zegara wodnego. Doświadczeniem tym obalił teorię Arystotelesa według którego, jeśli podwoić czas spadku lub toczenia ciała, to przebyta przez nie droga również zostanie podwojona. Tymczasem Galileusz udowodnił, że przy podwojonym czasie ciało, które się toczy lub spada, przebędzie czterokrotnie dłuższą drogę.

Legenda głosi, że teoria grawitacji powstała, gdy Izaak Newton obserwował spadające z drzew jabłka i poruszający się wokół Ziemi Księżyc. Miał zastanawiać się nad tym, dlaczego owoce te spadają zawsze w kierunku wnętrza Ziemi, oraz czy siła powodująca ich spadanie jest tą samą siłą, która utrzymuje Księżyc na orbicie wokół Ziemi.

R1I3sC3qZLAqh

Rysunek drzewa z rozłożystą, zieloną koroną i czerwonymi jabłkami. Jedno z jabłek jest trakcie spadania. Obok w kole czarno‑biały rysunek mężczyzny w długiej peruce.

Polecenie 14

Trzecia zasada dynamiki Newtona zwana jest często zasadą odrzutu. Sprawdźmy ją przy użyciu prototypu rakiety odrzutowej.

Do doświadczenia będą potrzebne:

• słomka lub rozkręcony długopis.

• żyłka lub sznurek.

• kawałek taśmy klejącej.

• balon.

Pytanie badawcze:
Czy balonik może zastąpić silnik odrzutowy?

Przykładowa hipoteza:
Prawdopodobnie balonik jest zbyt mały, więc nie może zastąpić silnika. Pamiętaj, że zawsze możesz wysunąć swoją hipotezę.

Kolejność działań:

• Słomkę lub rozkręconą plastikową część długopisu nawlekamy na żyłkę.

• Nadmuchujemy balon, nie zawiązując go.

• Przy pomocy taśmy klejącej do słomki przyczepiamy nadmuchany wcześniej balon, a następnie puszczamy.

• Obserwujemy doświadczenie.

Czy hipoteza się potwierdziła? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

ROJMZPKmcF835

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

RshjpOKTfWC8h

Dziewczynka stoi tyłem. Prawą rękę ma wyciągniętą w bok i trzyma w niej patyk. Do patyka przyczepiony jest, taśmą klejącą, balon. Pod balonem znajduje się strzałka skierowana w prawą stronę. Wskazuje ona kierunek, w którym poleci balon, w momencie, gdy dziewczynka go puści.

Powietrze wylatujące z balonika powoduje jego ruch w przeciwną stronę. Jest to zjawisko odrzutu, wykorzystywane właśnie w samolotach i rakietach odrzutowych. Niestety, ilość powietrza nagromadzonego w balonie nie jest w stanie zadziałać na tak wielkie ciała, jakimi są rakiety. W nich stosuje się wielkie zbiorniki z paliwem, które w wyniku spalania wypuszcza duże ilości gazów w stronę Ziemi. Pojazd może się wówczas unieść w górę dzięki sile odrzutu.

W historii odkryć znajdziemy wiele ciekawych informacji, dotyczących prostych pomysłów na opisanie świata. Często największe wynalazki były dziełem przypadku.
Bracia Montgolfier zauważyli, że rozgrzane powietrze zwiększa swoją objętość i unosi się do góry. Dzięki prostej obserwacji unoszącego się płonącego papieru, popychanego przez dym, stwierdzili, że tę dziwną siłę mogą wykorzystać do skonstruowania balonu.

Bardzo znanym i cenionym wśród fizyków był jeden z najwybitniejszych uczonych $\text{XIX}$ wieku – Michael Faraday. $\mathrm{1831}$ roku, przekładając magnes przez zwój drutu, zauważył, że przez drut ten płynie prąd. W ten sposób odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Pytany przez ówczesnego ministra finansów o praktyczne jej zastosowanie odpowiedział: „Tego jeszcze nie wiem, ale mogę pana zapewnić, że wkrótce będzie pan z tego ściągał podatki”.

Zadania

Słownik