Поташкин, С.П. Концепции современного естествознания : рабочая тетрадь для студентов, обучающихся по специальностям 080105 «Финансы и кредит», 080504 «Государственное и муниципальное управление», 040101 «Социальная работа» / С.П. Поташкин. - Тверь : ТФ СЗАГС, 2010. – 66 с.
Дидактическая единица № 1. ЭВОЛЮЦИЯ НАУЧНОГО МЕТОДА
И ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
Темы:
1. Научный метод познания.
2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития).
4. Развитие представлений о материи.
5. Развитие представлений о движении.
6. Развитие представлений о взаимодействии.
Задание 1.Основой для развития науки является исследовательская программа. Она включает теории и гипотезы, методологию и методы исследования. Таково мнение британского учёного Имре Лакатоса. Ниже приведена характеристика научной исследовательской программы и примеры некоторых методологий (например, механицизма)
Имре Лакатос (Лакатош) (1922 – 1974)
И. Лакатос основное внимание уделяет не теориям, как таковым, а ведет речь об исследовательских программах. Научно-исследовательская программа является структурно-динамической единицей его модели науки. Чтобы понять, что такое программа научного поиска, вспомним о механицизме Декарта или Ньютона, об эволюционной теории Дарвина или о коперниканстве. Последовательная смена теорий, вытекающих из одного ядра, происходит в рамках программы с неопровержимой методологией, показывающей свою ценность, плодотворность и прогрессивность в сравнении с другой программой. Одолеваемая детскими болезнями, теория для своего развития, становления и укрепления нуждается во времени.
Таким образом, история науки предстает, по Лакатосу, как история конкуренции исследовательских программ.
Найдите в учебной или справочной литературе определения теории, гипотезы, методологии, научного метода.
1. Теория:
2. Гипотеза:
3. Методология:
4. Метод:
В приведённом выше отрывке противопоставляются механицизм и эволюционизм. Приведите краткую характеристику этим исследовательским программам.
1. Механицизм:
2. Эволюционизм:
Задание 2.Понятие научного метода познания имело свою историю. В настоящее время преимущество имеют эмпирические методы. Началом их целенаправленного применения является работа британского философа Френсиса Бэкона.
Френсис Бэкон (1561-1626) предложил реформу научного метода в своём трактате «Новый органон».
Он предложил ограничить сферу применения натурфилософии и обратиться к опыту как наиболее эффективному способу получения знаний
Натурфилософия опиралась на умозрительное истолкование природы, а опыт представляет собой изучение объекта через чувственное восприятие.
Френсис Бэкон
1. Приведите определения теоретического и эмпирического способа познания.
2. В учебной литературе найдите перечень методов, используемых современным естествознанием. Классифицируйте их на теоретические и эмпирические, имея в виду, что теоретические методы используются в «мысленном эксперименте», а эмпирические – в области, где задействованы чувства (органы чувств) исследователя.
Эмпирические методы
Теоретические методы
1.
2.
3.
1.
2.
3.
3. Гуманитарное и естественнонаучное знание использует все методы, но предпочтения у двух направлений научной культуры разные. Предложите своё мнение о том, какие методы чаще встречаются в естествознании, а какие чаще используются в гуманитарной сфере.
4. Новые знания нуждаются в подтверждении их истинности или в опровержении их наукой. Для этого используются универсальные методики верификации и фальсификации. Найдите их определение и содержание и приведите ответ в кратком виде.
Задание 3.Одной из первых исследовательских программ была попытка рационального объяснения картины мира, предпринятая античными учёными. Наибольшую популярность приобрёл атомистический подход (атомизм) в объяснении строения и трансформации реального мира.
Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до н.э.)
Атомизм был создан представителями досократического периода развития древнегреческой философии Левкиппом и его учеником Демокритом Абдерским. Согласно их учению существуют только атомы и пустота. Атомы — мельчайшие неделимые, невозникающие и неисчезающие, качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) сущности (частицы), обладающие определённой формой. Атомы бесчисленны, так как пустота бесконечна. Форма атомов бесконечно разнообразна. Атомы являются первоначалом всего сущего, всех чувственных вещей, свойства которых определяются формой составляющих их атомов. Демокрит предложил продуманный вариант механистического объяснения мира: целое у него представляет собой сумму частей, а беспорядочное движение атомов, их случайные столкновения оказываются причиной всего сущего.
1. Демокрит предложил считать мир дискретным. Что означает этот термин в современной трактовке?
2. Одним из элементов мира, по мнению античных учёных, была пустота. Именно в пустоте существовали атомы. Сравните понятие пустоты с концепцией физического вакуума в современном естествознании.
Задание 4.Исследовательская научная программа Аристотеля отличалась от атомизма представлением о континуальности материального мира.
Прерывность и непрерывность–
философской категории, характеризующие как структуру материи, так и процесс её развития. Прерывность означает "зернистость", дискретность пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих её элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Она основывается на делимости и определённой степени внутренней дифференцированности материи в её развитии, а также на относительно самостоятельном существовании составляющих её устойчивых элементов, качественно определённых структур, например элементарных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет, общественно-экономических формаций и т.д. Непрерывность, напротив, выражает единство, взаимосвязь и взаимообусловленность элементов, составляющих ту или иную систему определённой степени сложности. Непрерывность основывается на относительной устойчивости и неделимости объекта как качественно определённого целого. Именно единство частей целого и обеспечивает возможность самого факта существования и развития объекта как целого. Т. о., структура какого-либо предмета, процесса раскрывается как единство П. и н.
Аристотель (384-322 гг до н.э.)
Воспользуйтесь приведённым выше пояснительным текстом и другими источниками для определения понятия континуальности
Аристотель не признавал пустоты («Природа не терпит пустоты»). Приведите краткую характеристику его представлений о материи.
Аристотель считал, что взаимодействие материальных тел происходит по модели близкодействия. Раскройте это понятие с физической или философской точек зрения
Задание 5.За время существования науки от античных времён до наших дней сменилось несколько картин мира, когда человек по-разному воспринимал реальность и понимал законы её существование. Смены картин мира называются научными (естественнонаучными) революциями.
Первой картиной мира была античная картина атомистического устройства реальности
Вторая научная картина мира была создана в конце 17-го века работами И. Ньютона. Она осталась в истории под названием «Динамика Ньютона» и «механицизм». Её основа – законы движения и взаимодействия тел
Третья революция в науке произошла в сер.19-го века с открытием полей как формы существования материи. Электромагнетизм рассматривал движение как перемещение заряженных частиц, а взаимодействие – как обмен зарядами
Последняя картина мира создана А.Эйнштейном в нач. 20-го века. Релятивизм рассматривает несколько отдельных форм движения материи и несколько типов взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное)
А. Эйнштейн (1879-1955)
Смена картин мира происходила по принципу соответствия. Раскройте научно-философское содержание этого принципа
Основой ньютоновской картины мира стал детерминизм («жёсткий детерминизм». Приведите его определение.
Электромагнетизм ввёл в науку понятие поля. Приведите его определение и несколько характеристик поля.
Релятивизм основывается на теориях относительности. Приведите пример и краткую характеристику этих теорий
Задание 6.Для всех научных картин мира характерен редукционизм как способ объяснения сложных явлений и объектов реальности. Воспользуйтесь рисунком и пояснительным текстом для выполнения задания
Задание
1. Приведите определение редукционизма или принципа редукции.
2. Рассмотрите рисунок и определите целый объект и его составные части.
1. Целое -
2. Составные части -
3. Приведите пример редукции в гуманитарной сфере
Задание 7. Механи́ческим движе́нием тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. При этом тела взаимодействуют по законам механики. Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учёта причин, его вызывающих, называется кинематикой
В более общем значении движением называется любое пространственное или временное изменение состояния физической системы. Например, можно говорить о движении волны в среде.
Классическая механика Ньютона лежит в основе классической механики. В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, принцип дальнодействия и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.
1. Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния.
Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.
Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции
2. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением.
Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела)
Второй закон справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон можно получить из второго.
3. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия.
Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки.
4. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения.
Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.
Используйте этот пояснительный текст для выполнения задания
Задание:
1. Приведите определения основным положениям и понятиям динамики
1. Тело:
2. Инерция:
3. Инерциальная система:
4. Дальнодействие:
5. Масса:
2. Материальный мир в динамике представлен только телами. Какие изменения в отношении материального мира произошли в последующих картинах мира?
Материя в электромагнитной картине мира:
Материя в релятивистской картине мира:
Задание 8.Взаимодействие в материальном мире рассматривалось разными научными картинами мира. Современная картина мира выделяет четыре типа фундаментальных взаимодействий. На рисунке приведена иллюстрация сильного взаимодействия. В пояснительном тексте и сводной таблице бозонов дана краткая характеристика электромагнитного взаимодействия и бозонов-переносчиков других типов взаимодействий
Рис 1. Модель взаимодействия между частицамиРис 2. Проекция адронного коллайдера в Церне на местность
Электромагнитное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.
С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля – см. модель на рис 1). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит, не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.
Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.
Другие виды взаимодействия переносятся частицами, реальность которых предстоит доказать после экспериментов с адронным коллайдером в Церне (Швейцария). ОН предназначен для изучения внутренних взаимодействий в адронах – самых тяжёлых частицах. Эта огромная экспериментальная установка (см. рис 2) предназначена для сталкивания адронов и изучения образующихся в результате столкновения бозонов (см. табл. ниже) и других частиц.
Это список фундаментальных бозонов в физике элементарных частиц- переносчиков слабого, электромагнитного, сильного и гравитационного взаимодействий
Частица
Символ
Масса, ГэВ/c²
Спин
Время жизни, c
Пример распада
Электрический заряд, e
W-бозон
W±
80,398±0,025
3•10−25
e±+νe±
±1
Z-бозон
Z0
91,1876±0,0021
3•10−25
e++e−
Фотон
γ
0 (<6×10−26)
стабилен
0 (<10−32)
Глюон
g
0 (< нескольких МэВ)
передатчик сильного взаимодействия
Гравитон
G
0 (<7×10−23)
гипотетическая частица
Бозон Хиггса
H0
> 114
гипотетическая частица
e++e−+e++e−
X-бозон
X
≈ 1015
гипотетическая частица
u + u → X → e+ + d-
+4/3
Y-бозон
Y
≈ 1015
гипотетическая частица
u + d → Y → νe- + d-
+1/3
Задание:
1. В современной картине мира признаны четыре типа взаимодействия. Перечислите их с приведением краткой характеристики от самого сильного к самому слабому типу:
1.
2.
3.
4.
2. В пояснительном тексте упомянуты частицы-переносчики взаимодействий. Приведите пример частицы-переносчика для каждого типа взаимодействий из списка, составленного выше.
1.
2.
3.
4.
Задание 9. Слабое взаимодействие проявляется в микромире. Оно характерно для некоторых физических процессов. Рассмотрите рисунок и познакомьтесь с пояснительным текстом.
На рисунке приведен процесс распада, характерный для неустойчивых атомов (например, изотопов). При этом происходи излучение в пространство частиц, образующих атомную структуру. Используйте это замечание и рисунок для выполнения задания
Задание:
1. Дайте определение некоторым упомянутым в тексте понятиям:
1. Распад:
2. Излучение:
3. Изотоп:
2. Приведите примеры слабого излучения в макромире, где объекты соизмеримы с человеком
Задание 10.Современное естествознание является продолжением науки прошлого. Однако в его структуре происходят изменения. Определите науки, которые продолжают составлять фундамент естествознания, частные науки и интегральные научные направления
1. Фундаментальные науки в составе естествознания:
2.Частные науки в составе естествознания:
3. Дайте определение дифференциации наук:
4. Поясните, что означает интеграция наук как будущее гуманитарной и естественнонаучной сфер знания:
Имре Лакатос (Лакатош) (1922 – 1974)
Френсис Бэкон
Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до н.э.)
Аристотель (384-322 гг до н.э.)
А. Эйнштейн (1879-1955)
Рис 1. Модель взаимодействия между частицами
Рис 2. Проекция адронного коллайдера в Церне на местность
бозоны.
Другие виды взаимодействия переносятся частицами, реальность которых предстоит доказать после экспериментов с адронным коллайдером в Церне (Швейцария). ОН предназначен для изучения внутренних взаимодействий в адронах – самых тяжёлых частицах. Эта огромная экспериментальная установка (см. рис 2) предназначена для сталкивания адронов и изучения образующихся в результате столкновения бозонов (см. табл. ниже) и других частиц.
