Курсовая: Эксперимент-основа естествознания
1.Введение........................................................................................................................
2
2. Наблюдение, измерение и эксперимент Ц неразрывно связанные методы
эмпирического
познания..................................................................................................................................
2
2.1 Значение наблюдения в системе эмпирического познания и его связь с
экспериментом.................................................................................................................................................
2
2.2 Сущность измерения Ц необходимого метода при проведении экспериментов 4
3. Роль экспериментальных исследований в историческом развитии естествознания
14
3.1 Особенности периода начала Нового времени и его связь с экспериментальным
познанием.........................................................................................................................
14
2. Роль экспериментального познания в механике Г. Галилея и начало критики
аристотелевской
физики..............................................................................................
17
3.3 Антиперипатетический характер экспериментальных физических концепций
Нового
времени..............................................................................................................................
20
3.4 Особенности картезианской физики и место в ней эксперимента.... 21
4. Современные средства естественно-научных исследований.................... 23
4.1 Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований 23
4.2 Современные методы и технические средства эксперимента............. 25
4.2.1 Лазерная
техника.........................................................................................
25
4.2.2 Синхротронные источники
излучения................................................. 26
4.2.3 Экспериментальные методы расшифровки сложных структур... 27
4.3 Важнейшие достижения современного естествознания в практической области
29
4.3.1 Высокотемпературная
сверхпроводимость........................................ 30
4.3.2 Химические
лазеры....................................................................................
30
4.3.3 Молекулярные
пучки.................................................................................
31
4.3.4 Достижения ядерной
химии..................................................................... 31
4.3.5 Новая ядерная
установка...........................................................................
32
4.3.6 Химический синтез
ДНК...........................................................................
33
4.3.7 Успехи генной
инженерии........................................................................
33
4.3.8
Клонирование...............................................................................................
34
5.
Заключение................................................................................................................
35
1. Введение
Развитие общества в значительной степени определяется уровннем наукоемких
технологий, многочисленные направления конторых основаны на достижениях
соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает
больншим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент Ч
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.
2. Наблюдение, измерение и эксперимент Ц неразрывно связанные методы
эмпирического познания 2.1 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 Ч 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 Ч измерения и эксперимента,
которые опираются на практические действия с предметами.
2.2 Сущность измерения Ц 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 Ч такая, которая может быть выражена
числом. Таким образом, измерение есть установление числового соотношения
между свойствами объектов.
Измерение Ч 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 Ч такие, как
"теплый", "зеленый", "большой", Ч 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 Ч 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 Ч железные Ч
серебряные Ч золотые. Мы можем приписать этим классам некоторые числа: 10 Ч
15 Ч 20 Ч 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 Ч самому твердому минералу Ч приписано
число 10; остальным Ч тем меньшее число, чем дальше отстоит минерал от алмаза
в данной последовательности.
Измерение описанного вида, опирающееся на сравнительные понятия, еще не
вполне совершенно, так как у нас здесь еще нет собственно количественных
понятий, и числа, приписываемые нами свойствам
объектов, выбираются достаточно произвольно. Однако сравнительные понятия
могут послужить основой для формирования количественного понятия на базе
точных количественных методов исследования. Это оказывается возможным лишь на
основе более глубокого познания сущности изучаемых явлений и уточнения
гносеологических и теоретических предположений относительной изучаемой
области.
Рассмотрим в качестве примера формирование понятия температуры (т. е.
количественного понятия теплоты). В разговорном языке мы находим качественные
понятия "теплый", "холодный" и сравнительные понятия Ч "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 Ч 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" Ч "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 Ч 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, UЧ единицу измерения и q Ч 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:
(1) 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.
(2) 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 Ч 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.
(3) 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 "Х$Х",
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
