Эксперимент – основа естествознания
Значение наблюдения в системе эмпирического познания, его связь с экспериментом. Сущность измерения - необходимого метода при проведении экспериментов, их роль в историческом развитии естествознания. Современные методы и технические средства эксперимента.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.05.2011 |
| Размер файла | 42,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
24243304.09.20116:00 1
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ
ИНСТИТУТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ
Кафедра естествознания
Контрольное задание
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Концепция естественного естествознания»
тема: Эксперимент - основа естествознания.
Выполнил студент
заочной формы обучения
специальности юриспруденция
№ студенческого билета
Оглавление
Введение
1. Наблюдение, измерение и эксперимент - неразрывно связанные методы эмпирического познания
1.1 Значение наблюдения в системе эмпирического познания и его связь с экспериментом
1.2 Сущность измерения - необходимого метода при проведении экспериментов
2. Роль экспериментальных исследований в историческом развитии естествознания
2.1 Особенности периода начала Нового времени и его связь с экспериментальным познанием
2.2 Роль экспериментального познания в механике Г. Галилея и начало критики аристотелевской
2.3 Антиперипатетический характер экспериментальных физических концепций Нового времени
2.4 Особенности картезианской физики и место в ней эксперимента
3. Современные средства естественнонаучных исследований
3.1 Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований
3.2 Современные методы и технические средства эксперимента
3.3 Важнейшие достижения современного естествознания в практической области
Список используемой литературы
Введение
Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент -- наиболее эффективное и действенное средство познания.
Именно об эксперименте, как основе естественнонаучного знания, мне хотелось бы рассказать в своей работе.
Очевидно, что многие великие открытия стали возможными только благодаря экспериментальному исследованию. Вот почему, на мой взгляд, знания об основных принципах данного метода научного познания так важны и необходимы.
Конечно же, нельзя не коснуться других важнейших методов эмпирического познания, таких как наблюдение и измерение. На мой взгляд, разговор об эксперименте, как таковом, невозможен без раскрытия сущности этих методов эмпирического познания. Дело здесь в том, что измерение и наблюдение неразрывно связаны с экспериментом, и зачастую являются его частью, что обязывает меня упомянуть о них достаточно подробно.
В своей работе мне, так же, хотелось бы подробно рассказать о значимости практических и теоретических знаний: их соотношении и взаимосвязанности. Так же, на мой взгляд, необходимо коснуться методов обработки результатов полученных в процессе экспериментального исследования. Естественно, мне хотелось бы сделать обзор основных современных средств естественнонаучного исследования: их специфики и достижениях достигнутых в этой области.
1. Наблюдение, измерение и эксперимент - неразрывно связанные методы эмпирического познания
1.1 Значение наблюдения в системе эмпирического познания и его связь с экспериментом
Наблюдение лежит в основе всех других эмпирических методов познания, являясь наиболее элементарным из них. И измерение, и эксперимент включают в себя наблюдение, но последнее может быть осуществлено и без первых. В науке наблюдение используется для получения эмпирической информации относительно исследуемой области, но главным образом -- для проверки и обоснования истинности эмпирических суждений.
Научным наблюдением называется восприятие предметов и явлений действительности, осуществляемое с целью их познания. В акте наблюдения можно выделить: 1) объект наблюдения; 2) субъект; 3) средства; 4) условия наблюдения; 5) систему знания, исходя из которой задают цель наблюдения и интерпретируют его результаты. Все эти компоненты акта наблюдения следует учитывать при сообщении результатов наблюдения для того, чтобы его мог повторить любой другой наблюдатель. Важнейшим требованием к научному наблюдению является требование интерсубъективности. Это подразумевает, что наблюдение может повторить каждый наблюдатель с одинаковым результатом. Лишь при соблюдении этого требования результат наблюдения будет включен в науку.
Интерсубъективность наблюдения важна потому, что она свидетельствует об объективности результата наблюдения. Если все наблюдатели, повторившие некоторое наблюдение, получили один и тот же результат, то это дает нам основание считать результат наблюдения объективным научным свидетельством, а не ошибкой отдельного наблюдателя. Конечно, интерсубъективность наблюдения не может с достоверностью обосновать его результата, т. к. заблуждаться могут все наблюдатели (если все они, например, исходят из ложных теоретических предпосылок), однако интерсубъективность предохраняет нас от ошибок того или иного конкретного наблюдателя. Результаты наблюдений ученых одной научной эпохи могут быть исправлены или даже отброшены учеными другой эпохи. Это обусловлено тем, что результат всякого наблюдения неявно опирается на определенные гносеологические и конкретно-научные предпосылки, которые могут быть отброшены последующими поколениями ученых. Таким образом, результат наблюдения всегда содержит элемент субъективности, однако в рамках каждой отдельной научной эпохи интерсубъективность наблюдения свидетельствует о его относительной объективности.
Наблюдения разделяются на непосредственные и косвенные. При непосредственном наблюдении ученый наблюдает сам избранный объект. Однако далеко не всегда это возможно. Например, объекты квантовой механики или многие объекты астрономии невозможно наблюдать непосредственно. О свойствах таких объектов мы можем судить лишь на основе их взаимодействия с другими объектами. Подобного рода наблюдения называют косвенными наблюдениями. Косвенное наблюдение опирается на предположение об определенной закономерной связи между свойствами непосредственно наблюдаемых объектов и наблюдаемыми проявлениями этих свойств и содержит логический вывод о свойствах ненаблюдаемого объекта на основе наблюдаемого эффекта его действия. Например, изучая поведение элементарных частиц, физик непосредственно наблюдает лишь их треки в камере Вильсона, которые представляют собой результат взаимодействия элементарной частицы с молекулами пара, заполняющего камеру. По характеру треков физик судит о поведении и свойствах изучаемой частицы. Следует заметить, что между непосредственным и косвенным наблюдением нельзя провести резкой границы. В современной науке косвенные наблюдения получают все большее распространение по мере того, как увеличивается число приборов, используемых при наблюдении, и расширяется сфера научного исследования. Наблюдаемый предмет воздействует на прибор, а ученый непосредственно наблюдает лишь результат взаимодействия предмета с прибором.
Наблюдение считают разновидностью научной практики. Это обусловлено тем, что наблюдение существенно предполагает материальную деятельность, связанную с самим актом чувственного восприятия, использования приборов и т. п. Его специфика по сравнению с другими видами практики состоит в том, что наблюдение не включает себя непосредственного физического воздействия на объект (либо этим воздействием можно пренебречь). Но оно является необходимым элементом других эмпирических методов познания -- измерения и эксперимента, которые опираются на практические действия с предметами.
1.2 Сущность измерения - необходимого метода при проведении экспериментов
Измерением называют процесс представления свойств реальных объектов в виде числовой величины. В самом общем виде величиной можно назвать все то, что может быть больше или меньше, что может быть присуще объекту в большей или меньшей степени; числовая величина -- такая, которая может быть выражена числом. Таким образом, измерение есть установление числового соотношения между свойствами объектов.
Измерение -- новая ступень в развитии эмпирического познания. Переход от наблюдения к измерению требует новых приборов и инструментов, а также новых понятии и предположении. Результаты наблюдения обычно выражаются с помощью качественных и сравнительных понятии. Качественные понятия -- такие, как "теплый", "зеленый", "большой", -- обозначают некоторые классы, и, приписывая предмету свойство, выражаемое качественным понятием, мы тем самым включаем этот предмет в определенный класс. Когда мы приступаем к исследованию некоторой новой области явлений, то начинаем с формулирования качественных понятий, с помощью которых проводим классификацию предметов исследуемой области, опираясь на наблюдение.
После образования качественных понятий и разбиения всех предметов на классы, мы можем установить некоторые соотношения между классами однородных предметов с помощью сравнительных понятий, таких, как "больше", "теплее", "легче" и т. п. Сравнительные понятия выражают сравнительную степень интенсивности свойства. В силу этого упорядочивают все предметы исследуемой области в последовательность. Например, с помощью понятий "тяжелее", "легче", "равный по весу" мы можем все предметы расположить в последовательность классов, таких, что в один класс попадут предметы, равные по весу, предметы каждого предшествующего класса будут легче предметов последующего класса и предметы последующего -- тяжелее предметов предыдущего.
Количественные понятия численно выражают степень интенсивности некоторого свойства. Если с помощью сравнительных понятий упорядочиваются все предметы изучаемой области по степеням интенсивности некоторого присущего им свойства, то с помощью количественных понятий приписываются определенные числа степеням интенсивности интересующего нас свойства. Пусть, например, у нас есть последовательность, в которой последующий класс содержит более тяжелые предметы, чем предметы предшествующего класса: деревянные -- железные -- серебряные -- золотые. Мы можем приписать этим классам некоторые числа: 10 -- 15 -- 20 -- 25. После этого у нас появляется возможность выражать свойство "быть тяжелее / легче" числом, т. е. измерять его. Именно так действительно измеряется твердость минералов: один минерал считается более твердым, чем другой, если он может оставить царапину на этом втором минерале. Все минералы располагаются в последовательность, в которой каждый следующий является более твердым, чем предшествующий. Алмазу -- самому твердому минералу -- приписано число 10; остальным -- тем меньшее число, чем дальше отстоит минерал от алмаза в данной последовательности.
Рассмотрим в качестве примера формирование понятия температуры (т. е. количественного понятия теплоты). В разговорном языке мы находим качественные понятия "теплый", "холодный" и сравнительные понятия -- "теплее", "холоднее". Этих понятий нам достаточно для классификации предметов повседневной жизни. Однако применить какую-либо количественную оценку теплоты без исследования физических причин и связей этого явления с другими явлениями представляется невозможным, и высказывание "Один предмет в три раза теплее другого" кажется столь же странным, как и высказывание "Небо в Италии в три раза голубее, чем в России". Во времена Герона Александрийского было замечено, что воздух расширяется, когда становится более теплым. Связь состояний "теплее" и "больше по объему" могла привести к мысли о том, чтобы сделать изменение объема тела наглядным представителем его нагретости. Галилей, изучая сочинения Герона, действительно пришел к этой мысли и для ее осуществления создал термоскоп -- прибор, показывающий изменение состояния нагретости. Термоскоп состоял из трубки с шариком на конце, в которой находился воздух. Открытый конец трубки помещался в жидкость. Столбик жидкости в трубке опускался, когда воздух в шарике становился теплее, и поднимался, когда воздух охлаждался, и его объем становился меньше. Термоскоп Галилея еще не позволяет ввести количественное понятие температуры. Этот прибор служит лишь для наглядной фиксации состояний "теплее" -- "холоднее". Если раньше при фиксации этих состояний мы могли полагаться только на свои субъективные ощущения, то теперь, используя термоскоп, мы передаем эту функцию объективному процессу изменения объема.
Первым настоящим термометром был прибор, изготовленный членами Флорентийской Академии опыта. Этот прибор отличался от термоскопа Галилея двумя существенными особенностями. В нем было исключено влияние атмосферного давления, которое в термоскопе наряду с теплом также вызывало колебания уровня жидкости в трубке, и термометр, таким образом, был полностью отделен от барометра. И, что еще более существенно, в приборе флорентийских академиков была шкала. В основу этой шкалы были положены две постоянные точки, соответствовавшие наиболее низкой и наиболее высокой температуре, наблюдавшейся в Тоскане.
Теплота, являющаяся выражением кинетической энергии молекул тела, не могла быть зафиксирована непосредственно. Ее наглядным представителем становится объем тела. Увеличение и уменьшение объема тела, в свою очередь, представляют как линейное перемещение столбика жидкости. Последнее вполне может быть измерено с помощью обыкновенной линейки. Таким образом, измерение состояний тепла редуцируется как измерение длины столбика жидкости, и метрическое понятие температуры возникает как интерпретация теплоты в линейных мерах. Дальнейшая работа состояла лишь в усовершенствовании шкалы, в нахождении постоянной точки отсчета и подходящей жидкости, расширение которой фиксируется по шкале. Эта работа была проделана Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием, которые придали термометру его современный вид. Нетрудно видеть, что при введении количественного понятия температуры используются различные предположения теоретического характера: что температура тела связана с его объемом; что объем тела изменяется прямо пропорционально изменению степени нагретости тела; что базисные точки шкалы соответствуют некоторой постоянной температуре и т. п.
В настоящее время количественные понятия часто вводятся на основе теории как теоретические понятия (отображающие свойства идеализированных объектов). Когда мы строим теорию относительно некоторой области явлений, то объектом теории является непосредственно не сама реальная область, а абстрактная, упрощенная модель этой области явлений -- идеализированный (абстрактный) объект. В этом случае количественные понятия относятся прежде всего к идеализированному объекту теории, и лишь поскольку последняя отражает реальный объект теории, постольку количественные понятия с определенной степенью точности применимы к характеристике реальных предметов. Это применение опять-таки связано с определенными гносеологическими и теоретическими соглашениями: о материальном эталоне измерения, о пределах точности измерения и т. п.
В процессе измерения, т. е. в процессе приписывания чисел свойствам объектов, нужно соблюдать определенные правила для того, чтобы результат измерения мог претендовать на интерсубъективную значимость. Эти правила называются "правилами измерения". Пусть Q обозначает некоторую степень измеряемого свойства, U-- единицу измерения и q -- числовое значение соответствующей величины. Тогда результат измерения можно выразить следующим образом: Q = qU. Это уравнение называется "основным уравнением измерения". Для того чтобы в соответствии с этим уравнением приписать некоторое числовое значение измеряемой величине, руководствуются следующими правилами:
- правило эквивалентности: если физические значения измеряемых величин равны, то должны быть равны и их числовые выражения символически: если Q 1 = Q 2 , то q 1 U= q 2 U;
- если физическое значение одной величины меньше (больше) физического значения другой величины, то числовое выражение первой должно быть меньше (больше) числового выражения второй; символически: если Q 1 < Q 2 , то q 1 U < q 2 U. Следует иметь в виду, что знаки, стоящие между Q 1 и Q 2 , не являются выражением обычных арифметических отношений, а представляют некоторые эмпирические соотношения между свойствами разных тел. Например, если речь идет о весе двух тел, то знак "=" между Q 1 и Q 2 будет означать лишь то, что когда мы кладем одно тело на одну чашу весов, а другое тело -- на вторую чашу, то весы оказываются в равновесии. Точно так же знак "<" между Q 1 и Q 2 означает, что одна чаша весов опустилась ниже другой.
- правило аддитивности: числовое значение суммы двух физических значений некоторой величины должно быть равно сумме числовых значений этой величины; символически: qU(Q 1 Е Q 2 ) = q 1 U + q 2 U .В формулировке данного правила между Q\ и Qi мы помещаем знак "*$*", обозначающий эмпирическую операцию соединения двух значений одной величины. Эту операцию следует отличать от арифметического сложения. Операция соединения двух разных значений одной величины не всегда подчиняется данному правилу. Величины, соединение которых подчиняется указанному правилу, называются "аддитивными". Таковыми, например, являются вес, длина, объем в классической физике. Если соединить вместе два тела, то вес получившейся совокупности (отвлекаясь от дефекта массы) будет равен сумме весов этих тел. Величины, не подчиняющиеся указанному правилу, называются "неаддитивными". Примером неаддитивной величины может служить температура. Если соединить вместе два тела с температурой, скажем, 20° С и 50° С, то температура этой пары тел не будет равна 70° С. Существование неаддитивных величин показывает, что при обращении с количественными понятиями мы должны учитывать, какие конкретные свойства обозначаются этими понятиями, ибо эмпирическая природа этих свойств накладывает ограничения на операции, производимые с соответствующими количественными величинами;
- правило единицы измерения. Мы должны выбрать некоторое тело или легко воспроизводимый естественный процесс и охарактеризовать единицу измерения посредством этого тела или процесса. Для температуры, как мы видели, задают шкалу измерения, выбирая две крайние точки, например, точку замерзания воды и точку ее кипения, и разделяют отрезок трубки между этими точками на определенное количество частей. Каждая такая часть будет единицей измерения температуры -- градусом. Единицей измерения длины является метр, времени -- секунда. Хотя единицы измерения выбираются произвольно, однако на их выбор накладываются определенные ограничения. Тело или процесс, избранные в качестве единицы измерения, должны сохранять неизменными свои размеры, форму, периодичность. Строгое соблюдение этих требовании было бы возможно только для идеального эталона. Реальные же тела и процессы подвержены изменениям под влиянием окружающих условии. Поэтому в качестве реальных эталонов выбирают как можно более устойчивые к внешним воздействиям тела и процессы.
2. Роль экспериментальных исследований в историческом развитии естествознания
2.1 Особенности периода начала Нового времени и его связь с экспериментальным познанием
С XVII века начинается Новое время. Философия Возрождения подготовила новый тип философствования, отвергавший схоластику, теоцентристские построения, которые перестали удовлетворять требованиям объяснения новых социальных реалий.
В XVII веке укрепился капиталистический способ производства. Развитие экономики требовало расчетов национального дохода, индивидуальных доходов, численности рождаемости и смертности и т.д. Предпринимательский расчет становится нормой повседневной жизни. Его основа - количественная оценка. Расчет, количественная оценка влияют на человеческие отношения, проникают во все сферы человеческой практики.
Университетская наука, увлеченная проблемами античности и занявшаяся отвлеченными от практических потребностей вопросами, оказалась своего рода "закрытой системой", изолировавшей себя от реальных потребностей общества. Поэтому развитие естествознания в это время осуществлялось преимущественно вне университетской науки.
Особенность этого периода характеризовалась следующим образом: "Неудовлетворенность технической интеллигенции состоянием университетской науки имела вполне реальные практические основания, - она была продиктована жизненно необходимой потребностью. Несмотря на то, что производство было в основном "мануфактурным", в практику строительного дела, транспорта, военного дела и некоторых видов производства вошли новые устройства, машины и приспособления. Разработка технологических правил и новых конструкций опиралась, как и прежде, на пробные производственные эксперименты. Но теперь они касались уже не тех простейших машин, на которых строилась техника Средневековья, напротив, эти опыты относились к целым узлам новых механических и гидравлических устройств.
Варьирование условий и анализ результатов пробного опыта стали гораздо более сложными, менее наглядными и труднее обозримыми. Производственникам, инженерам, конструкторам требовались руководящие научные указания, чтобы лучше и быстрее разобраться в результатах пробных технических экспериментов. Но дальнейшее усовершенствование техники и повышение качества изделий упирались в главное противоречие эпохи - противоречие между сравнительно высоким уровнем достигнутых к этому времени технологических знаний и резким отставанием от них многих отраслей естествознания и особенно физики".
Несомненно, что возникновение интереса к опытному естествознанию во многом обязано Ф.Бэкону. Вместе с тем в условиях отставания теоретического естествознания от практических успехов техники важно было научное обобщение результатов технического опыта. Прежде всего, возникла необходимость в усовершенствовании методов измерения и технологических приемов создания физических аппаратов. Накопленный опыт в машиностроении имел важное значение, и его можно было использовать.
В этих условиях разрыв между более высоким экспериментальным уровнем физики и более низким уровнем физических теорий мог быть ликвидирован с помощью экспериментальной науки. (Метод теоретической физики будет создан Ньютоном позже, в конце XVII века). В этом русле и проявилась методология Бэкона, ориентировавшая на постановку экспериментов, способствующих открытию новых законов.
Принцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях становится основой естествознания. Это находит свое выражение в изобретении разнообразных измерительных приборов - хронометров, биометров, термометров, весов и т.д. Таким образом, вслед за машиностроительной отраслью возникает приборостроительная. Потребности практики, увеличившиеся с созданием торговых и промышленных компаний, ставят вопрос о необходимости повышения эффективности физических исследований.
В этих условиях потребность в методе построения физических теорий стала ощущаться еще острее. Бэкон исходил из того, что критериями правильной физической теории должны выступать применимость теории на практике, а также способствование развитию самой науки, принижая при этом роль математики. Декарт, напротив, образцом считает не экспериментальную физику с ее индуктивным методом, а математику. Критерием достоверности физической теории, но Декарту, является его соответствие дедуктивно полученным выводам, ее внутренняя логическая последовательность. Декарт полагал, что бог может осуществлять физическое явление бесчисленным количеством способов. Это обусловило его представление о множестве вариантов теорий
Иную позицию занимал Ньютон. Для него было важно однозначно выяснить с помощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого объекта и строить теорию на основе индукции без использования гипотез. Он исходил из того, что в физике как экспериментальной науке места для гипотез нет. Признавая небезупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих наиболее предпочтительным.
2.2 Роль экспериментального познания в механике Г. Галилея и начало критики аристотелевской физики
Если началом периода торжества нового, экспериментального подхода в естествознании принято считать гелиоцентрическую концепцию Коперника, учение об электричестве и Земле как о большом магните У. Гильберта (1600 г.) и открытие У.Гарвеем кровообращения (1628 г.), то завершением данного периода - утверждение коперниканской системы благодаря вкладу Г.Галилея. Гелиоцентрической концепции Коперника понадобилось время для своего утверждения. Борьба за ее утверждение для Бруно закончилась печально, да и одной демонстрации уверенности в ее истинности было мало - необходимы были более серьезные аргументы. Дело в том, что в первоначальном виде гелиоцентрическая концепция Коперника не содержала точного описания орбит планет и убедительных аргументов для объяснения невоспринимаемости органами чувств движения Земли.
Первая задача была решена Тихо Браге и Иоганом Кеплером, вторая, связанная с созданием динамики, - Галилео Галилеем. Непригодность аристотелевской парадигмы понимал уже Леонардо да Винчи, выступивший против учения о противоположности земного и небесного. Но его работы остались не опубликованными. Д.Бруно сделал выводы философского характера из учения Н. Коперника, а И. Кеплер систему Коперника привел в соответствие с новейшими астрономическими данными.
Перед Галилеем встала задача обосновать концепцию Коперника физически. Использование телескопа позволило Галилею выявить несоответствие наблюдаемой картины аристотелевской концепции. Открытие спутников Юпитера позволило ему наглядно продемонстрировать модель коперниковской системы и утвердить преимущество наблюдения над умозрительными построениями.
Однако утверждения преимущества метода наблюдения над умозрительными аргументами для утверждения системы Коперника было недостаточно. Важно было объяснить, почему вращение Земли не сопровождается ураганным ветром, направленным в противоположную движению Земли сторону, а также, почему подброшенные вверх тела не остаются позади. Для ответа на эти вопросы требовалось изучение свободного движения тел. Данная проблема имела важное и практическое движение, поскольку была связана с движением ядер при стрельбе из пушек и вообще движением метательных снарядов. Существовавшим теориям, объяснявшим это движение, недоставало математического обоснования. В "Диалогах о двух новых науках" Галилей дал математическое описание движения тел (работа была опубликована уже после осуждения Галилея за его "Диалог о двух главнейших системах мира").
Галилей, отбросил предшествующие воззрения на объяснение движения тел, обратился к эксперименту как методу исследования. Для проведения измерений падения тел он использовал маятник и наклонную плоскость, а также сбрасывание тел с Пизанской башни.
Аристотелевская физика признавала естественные и насильственные движения. Поскольку движение нашей планеты относилось к естественному виду движения, то выявилось противоречие между аристотелевским пониманием естественного движения как вызываемому стремлением тела занять свое "естественное место", с одной стороны, и движением планеты вокруг Солнца по замкнутым траекториям. Поэтому прежде всего было необходимо исследовать природу "естественного движения", т.е. падения тел.
Эта проблема исследовалась физиками и до Галилея, но никто из них не мог установить величину скорости падения тел в единицу времени. Галилей понял, что установить это можно лишь в эксперименте. Но необходимо было найти способ уменьшить скорость движения падающего тела без искажения условий свободного падения. Галилей использовал в этих целях движение по наклонной плоскости. Проведение многократных экспериментов с движением тел по наклонной плоскости, а также с помощью маятника позволило Галилею сформулировать закон: законы свободного падения и движения тел по наклонной плоскости и показать ошибочность представлений Аристотеля об естественном и насильственном падении.
Аристотель утверждал, что движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Галилей установил, что если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, Галилей показал ошибочность представлений Аристотеля о естественном и насильственном движении.
Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, Галилей делает важный шаг в выработке представлений об инерции - одной из важнейших идей механики. Хотя ему и не удалось дать полную и точную формулировку закона инерции, он выявил способность тел сохранять свою скорость. Использование закона инерции в своих экспериментах позволило Галилею сформулировать идею относительности движения и обосновать систему Коперника.
Если бросить с башни шар, то он вследствие силы инерции будет двигаться вместе с башней и упадет у ее подножия. При движении Земли нет вихря, т.к. атмосфера движется вместе с Землей. Отсюда следовало, что в механическом эксперименте нельзя выявить, движется система равномерно и прямолинейно или покоится - движения в той и другой системах осуществляются одинаково. Для обоснования динамики важнейшее значение имело установление независимости ускорения свободного падения от массы тела (Аристотель, как известно, считал, что скорость падения тела пропорциональна его массе).
Кроме законов равноускоренного движения Галилей открыл и закон независимости скорости падения от сообщенной телу при бросании горизонтальной скорости.
Математическое описание экспериментов, осуществленное Галилеем, имело для развития естествознания весьма важное значение. Соединение эксперимента и точного математического анализа дало возможность решить задачу свободного падения тел, показав, что в воздушном пространстве тела в падении двигались бы по параболической траектории. Этим был задан определенный образец метода физики, который во многом предопределил в последующем развитие физики. Галилей заложил основы современной механики. Им была четко выражена мысль, что единственными свойствами действительности, которые можно описать математически, являются протяженность, положение и плотность. Эта мысль по сути своей была программой сведения экспериментальных исследований к таким первичным качествам, как размер, форма, количество и движение.
Для того, чтобы экспериментально-математический метод приобрел всеобщее призвание, Галилею необходимо было сокрушить учение Птолемея о системе небесных сфер и аристотелевскую физическую парадигму, господствовавшую почти два тысячелетия в качестве основы естествознания и обществознания. Именно эту задачу и преследовал его "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой". Именно это и вызывало его конфликт с церковью, поскольку новые идеи угрожали устоям церковного учения и общественного порядка. В основе конфликта лежало противоречие науки и догм религии.
Осуждение Галилея и его вынужденное согласие отказаться от своего учения привлекло внимание естествоиспытателей к осознанию сути конфликта и способствовало становлению новой экспериментальной науки и распространению коперниканского учения. Спустя всего менее полувека Ньютон в своей теории всемирного тяготения объединит законы, установленные Кеплером и Галилеем.
2.3 Антиперипатетический характер экспериментальных физических концепций Нового времени
Галилей, подготовив почву для фундамента динамики, определил программу дальнейших исследований, но еще в общих чертах. Продолжателем его работ был Э.Торричелли. Он распространил идеи Галилея на теорию движения жидкостей и вывел формулу, с помощью которой определяется скорость вытекания жидкости из сосуда через отверстие в его стенке, заложив тем самым основы гидродинамики. Но главное его достижение - открытие атмосферного давления. Еще Галилей знал о наблюдениях флорентийских водопроводчиков, что вода поднимается не выше определенной высоты.
Торричелли предположил, что воздух оказывает на нее определенное давление, которое и попытался измерить. С этой целью была использована закрытая с одного конца трубка, заполненная ртутью. Когда ее свободным концом опустили в воду, то уровень ртути в ней понизился, а над поверхностью ртути образовалась пустота. Происхождение этой "торричелевой пустоты" было объяснено следующим образом: давление на поверхность ртути в чашке уравновешивается весом столба ртути в трубке. Высота этого столба над уровнем моря составила 760 мм. Так был изобретен барометр. Так рухнула еще одна перипатетическая догма - о "боязни пустоты".
Декарт предложил, а Б.Паскаль реализовал идею измерения атмосферного давления на различных высотах - в результате была установлена зависимость высоты ртутного столба от высоты места измерения и от состояния погоды. Это означало рождение научной метеорологии. О.Герике своими опытами с "магдебургскими полушариями" подтвердил существование атмосферного давления. Паскаль сформировал основной закон гидростатики; известный как закон Паскаля: давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях. На нем основано действие гидравлического пресса. Паскалем был открыт также закон сообщающихся сосудов.
К успехам в развитии экспериментальной физики XVII века с полным основанием могут быть отнесены исследования в области электричества и магнетизма У.Гильберта. Предположив, что Земля является магнитом, он впервые объяснил поведение магнитной стрелки компаса влиянием его полюсов. Им было введено в физику понятия электричества (электрическими телами он назвал предметы, подобные янтарю, которые способны после натирания притягивать к себе легкие предметы), положив начало изучение электрических явлений.
Роберт Бойль опроверг мнение сторонников аристотельской физики о том, что в трубке Торричелли ртуть удерживается невидимыми нитями, установив в 1662г. один из газовых законов: произведение объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре (позже этот закон независимо от Бойля установил Мариотт, поэтому данный закон носит название закона Бойля-Мариотта). Бойль отверг перипатетическое представление о цвете как о специфическом качестве тела, объяснив его количеством отраженного света.
О.Герике создал первую электрическую машину в виде шара из серы, который вращался на железной оси, обнаружил явления электрического отталкивания и электрических разрядов. Х.Гюйгенс изобрел маятниковые часы со спусковым механизмом, манометр для измерения низких давлений установил законы колебания маятника, создал волновую теорию света, заложил основы теории удара.
В "Трактате о свете" им сформулирован принцип распространения волны, известный как принцип Гюйгенса-Френеля, который гласит: каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн. На основе этого принципа были введены законы отражения и преломления света. Гюйгенс первый установил явление поляризации света. Им было установлено, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности, что способствовало разработке ньютоновской теории движения тел.
2.4 Особенности картезианской физики и место в ней эксперимента
наблюдение познание измерение эксперимент
Весьма значительная роль в развитии естествознания (и физики в частности) XVII века принадлежит Р.Декарту, высказавшему закон сохранения количества движения и давшему понятие импульса силы.
Проблемы физики заняли значительное место в его "Началах философии". Поскольку опыт прямых нападок на религиозные догмы в это время был весьма печальным (сожжение Бруно и Сервета), Декарт постарался занять позицию, позволявшую уклониться от конфликта с церковью и тем самым обеспечить возможность развиваться науке в течение нескольких столетий. Он очень точно сформулировал деление Вселенной на физическую и моральную части.
Такое деление было следствием сведения им чувственного опыта к механике и геометрии. Вслед за Галилеем Декарт единственными физическими реальностями считал протяженность и движение (понимаемое как механическое перемещение), которые рассматривал в качестве первичных качеств. К вторичным качествам он отнес цвет, вкус, запах. За их пределами находилась область страстей, воли, любви, веры. Физика занимается, главным образом, первичными качествами, которые можно измерять. Вторичными качествами физика занимается в меньшей мере. Третьи же качества относятся к сфере откровения, поэтому наука ими не занимается.
Живой организм представлялся Декартом в виде машины, механизма, управляемым в соответствии с физическими принципами, с одной стороны, и разумом, волей - с другой. Подобное разделение дало возможность ученым проводить исследования, не вмешиваться в дела религии и, следовательно, не вступая в конфликт с церковью. Более того, система Декарта позволяла доказывать бытие бога не менее убедительно, чем предшествовавшие способы доказательства: его тезис "Я мыслю, следовательно существую" позволял сделать вывод о том, что раз люди могут представить себе существо более совершенное, чем они сами, то оно должно существовать.
Декарт сформулировал три закона природы:
- всякая вещь находится в одном и том же состоянии, пока другие вещи не заставят ее изменить данное состояние;
- всякое движущееся тело стремиться продолжать свое движение по прямой;
- если движущееся тело встретит другое, сильнейшее тело, оно ничего не теряет в своем движении; если же оно встретит слабейшее, которое может подвинуть, оно теряет столько, сколько тому сообщает.
Легко видеть, что данные законы по сути являются чисто экспериментальными. Система Декарта явилась смесью заключений, опирающихся на эксперимент, с дедуктивными заключениями, основанными на совершенно ясных первоначалах (чего требовал метод Декарта). Цели, к которым стремились Бекон и Декарт, были общими - сделать человека господином природы. Декарт утверждал, что в природе существует определенное количество движения, которое никогда не возрастает и не убывает.
Так как материя, в представлениях Декарта, однородна и характеризуется только свойством протяженности, то понятие количества материи оказывается практически тождественным понятию объема тела. При анализе столкновений тел Декарт пользовался понятием силы, которая зависела от величины тела, в которое заключена, от скорости движения и способа столкновения тел.
Декарт, в отличие от Ньютона, говорит о состоянии вообще, а не о состоянии равномерного и прямолинейного движения. Важно, что, по Декарту, инерция тела зависит от его скорости. Важно и то, что физика Декарта не признавала сил, действующих через пустоту на расстоянии. В ней существовали лишь взаимодействия соприкасающихся тел.
Конечно же, позднее вышерассмотренного периода было сделано еще немало открытий основанных на экспериментальном методе исследования. Но, что бы описать всю эту последовательность, естественно, невозможно остаться в рамках моей работы. Именно поэтому, мне хотелось бы ниже перейти к современному состоянию в области экспериментального исследования.
3. Современные средства естественнонаучных исследований
3.1 Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований
На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилии, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т.п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т.п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х -- начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученью руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области применения, управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
3.2 Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественнонаучных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики -- одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.
Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники;
* разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
* создание ультрафиолетовых лазеров;
* сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области до ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 нс. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Можно назвать лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возможность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых составляет от 10-6 до 10-12 и менее секунд.
Возможности естественнонаучных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне -- от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений -- успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.
Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне -- ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. -- позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс и развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и Концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 14С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, согласно радиоизотопному методу определения возраста пород, возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава и строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы -- хроматомасс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации одного из самых ядовитых веществ -- изомеров диоксина.
Подобные документы
Сущность процесса естественнонаучного познания. Особые формы (стороны) научного познания: эмпирическая, теоретическая и производственно–техническая. Роль научного эксперимента и математического аппарата исследования в системе современного естествознания.
доклад [21,7 K], добавлен 11.02.2011Причины, от которых зависит развитие науки. Роль практики в развитии естествознания. Проявление относительной самостоятельности развития естествознания. Преемственность в развитии идей и принципов естествознания, теорий, методов и приемов исследования.
реферат [21,3 K], добавлен 29.11.2009Систематизация знаний в отдельные науки. Возникновение и развитие естествознания, основные понятия и цели. Связь научных знаний о природе с производственной и трудовой деятельностью человека. Взаимосвязь и взаимозависимость естествознания и общества.
контрольная работа [25,7 K], добавлен 04.04.2009Рассмотрение стадий исторического развития естествознания. Отказ от созерцательности и наивной реалистичности установок классического естествознания. Усиление математизации современного естествознания, сращивание фундаментальных и прикладных исследований.
реферат [30,2 K], добавлен 11.02.2011Классификация методов научного познания. Наблюдение как чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира. Эксперимент — метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Измерение, явление с помощью специальных технических устройств.
реферат [25,6 K], добавлен 26.07.2010Наука как часть культуры, ее критерии и структура. Методы и подходы научного познания. Сущность современных концепций физики, химии и космологии. Земля как предмет естествознания. Теории происхождения жизни, эволюции органического мира. Феномен человека.
учебное пособие [3,2 M], добавлен 21.09.2010Социальные функции естественных наук. Естественнонаучная, гуманитарная культуры. Роль естествознания в научно-техническом прогрессе, классификация его методов, их роль в познании. Формы естественнонаучного познания: факт, проблема, идея, гипотеза, теория.
курс лекций [279,5 K], добавлен 15.11.2014Значение естествознания в формировании профессиональных знаний. Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания. Развитие естествознания и антинаучные тенденции. Рациональная и реальная картина мира. Естественно-научные и религиозные знания.
реферат [68,7 K], добавлен 13.12.2009Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.
книга [353,5 K], добавлен 21.03.2009Предмет и структура естествознания. Понятие естествознания как совокупности наук о природе. История естествознания и интеграция наук от времен древнегреческой натурфилософии, в средневековой культуре, новое время, эпоху глобальной научной революции.
реферат [54,1 K], добавлен 29.12.2009
