УМК КСЕ СПО. Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
Формирование научного метода. Классический и неклассический периоды естествознания Геоцентрическая система мира Первые картины мира созданы древнегреческими натурфилософами (философами природы) в период V–VI вв. до н.э. Философия – форма постижения мира в целом, выявления общих принципов и закономерностей его бытия и познания. Отличие философии от науки заключается в том, что философия пытается ответить на общие вопросы (о бытие, о свободе, о бессмертии, о таинствах мироздания), которые вряд ли будут иметь конечное решение. Наука же не берется за изучение мира в целом, она представляет частное познание и предполагает экспериментальную проверку результатов своих знаний. Фалес Милетский (VI–VII вв. до н.э.) сформулировал проблему субстанции мира и выдвинул идею математического доказательства (круг делится диаметром пополам; в равнобедренном треугольнике углы при основании равны). Физическое начало всего сущего – вода, из нее все произошло: земля, воздух и живые существа. Анаксимандр (VI–VII вв. до н.э.) первоначалом всего сущего считал «апейрон» – некое бесконечное и неопределенное начало. Анаксимен (VI в. до н.э.) первоначалом жизни провозглашал воздух. Разряженный воздух превращается в огонь, затем становится эфиром, а сгущаясь, становится последовательно ветром, облаками, водой, землей, а потом камнем. Гераклит (V–VI вв. до н.э.) первичным элементом считал огонь, но главной в его учении заложена идея изменчивости вещей и ему принадлежит фраза «все течет, все изменяется». Пифагор (V–VI вв. до н.э.) в основу своей философии положил учение о числах: «все есть число». Пифагор символизировал справедливость с квадратом. В числах он видел и ключ к организации и пониманию Вселенной. Великим достижением пифагорейцев было открытие несоизмеримости диагонали и стороны квадрата, равной единице (открытие иррациональных чисел). Пифагорейцы представляли Землю в виде шара и считали, что она движется вместе с небесными телами Солнцем и Луной и таинственной протоземлей вокруг постоянно невидимого центрального огня. Демокрит (IV–V вв. до н.э.) основал атомистическое учение: Вселенную состоит из маленьких бесчисленных неделимых частиц – атомов разной геометрической формы, движущихся в пустоте незаполненного пространства, которые никогда не возникают и не исчезают бесследно. Демокрит впервые сформулировал принцип детерминизма (причинности): настоящие события (причины) влекут за собой определенные последствия, являясь в свою очередь следствием предыдущих событий. Евклид (III–IV вв. до н.э.) создал основы античной математики: элементарной геометрии, общей теории отношений, метода определения площадей и других разделов. Его геометрия до сих пор носит имя автора – евклидова геометрия, которая исходит из ряда интуитивных представлений, например, аксиома о непересекающихся параллельных прямых. Аристотель (IV вв. до н.э.) – логик, ученый и философ, внес значительный вклад в физику, космогонию, биологию, математику, этику, риторику и другие науки, по существу основал их в качестве формальных дисциплин. Развивая учение по физике, Аристотель впервые разработал, хотя и противоречивые, представления о движении, т.е. заложил основы современной механики. Он был любимым учеником Платона, но отверг идеалистическую теорию идей учителя, подвергнув ее критике. Аристотель создает первую научно-философскую картину мира. Мир Аристотеля состоит из пяти стихий – земли, воды, воздуха, огня, эфира. Материя в его понимании – это то, «из чего вещь состоит», и то, «из чего вещь возникает», причем материя делима до бесконечности. В центре мира находится Земля, которая образует нашу планету, неподвижна и имеет форму шара. Вокруг Земли распределяются вода, воздух и огонь. Огонь распространяется до Луны, за которой находится небесный мир, принципиально отличающийся от земного. Небесный мир не пустой, все его тела и он сам состоят из некоего вещества – эфира. Эфир вечен, он не меняется и не превращается в другие элементы. Земле определялось центральное положение и абсолютная неподвижность – геоцентрическая система мира. Клавдий Птолемей (I–II вв. н.э.) завершил геоцентрическая картина мира, построенную Аристотелем, создал математическую теорию видимого движения планет и представил ее в своем сочинении «Альмагест». Он предполагал, что вокруг неподвижной Земли находятся окружности и по ним происходит движение небесных тел. Картина мира, созданная Аристотелем и Птолемеем, продержалась в науке почти два тысячелетия. Тезис Аристотеля о неизменности мира был принят на вооружение церковью. Этот период характеризуется как время первой естественнонаучной революции, которая привела к утверждению геоцентрической картины мира. Гелиоцентрическая система мира Н. Коперник в XVI в. осуществил революцию в астрологии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании. В центре мира Коперник поместил Солнце. Земля же была переведена в ранг «подвижных звезд» и она вместе с другими планетами вращалась вокруг Солнца и одновременно вращалась вокруг своей оси. В науке началось формирование представлений об иной – гелиоцентрической системе мира. Впервые получила объяснение смена времени года, были рассчитаны с достаточно высокой точностью расстояния планет от Солнца. Д. Бруно отвергал замкнутую сферу звезд, центральное положение Солнца во Вселенной и провозглашал тождество Солнца и звезд, множественность «солнечных систем» в бесконечной Вселенной. В основе всех вещей лежит неизменная, неисчезающая первичная материальная субстанция. И. Кеплер в 1605 г. формулирует два закона движения планет. Первый закон Кеплера:каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце, а не по кругу, как считали ранее и как считал Коперник. Согласно второму закону: радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод о том, что скорость движения планеты по орбите не постоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Позднее, Кеплер формулирует третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него. Он установил, что с удалением от Солнца скорость движения планет уменьшается. Кеплеру принадлежит также теория солнечных и лунных затмений, способы их предсказаний. Галилео Галилей считается «отцом современного естествознания», поскольку именно он своими работами заложил основы первой фундаментальной естественнонаучной теории – классической механики. Галилей сформулировал закон инерции для равномерного прямолинейного (а не кругового, как у Аристотеля) движения земных тел по ее поверхности: тело, не подверженное воздействию каких-либо внешних сил, будет двигаться не по кругу, а равномерно по прямой траектории или оставаться в покое, а свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скорости. Выработал понятие инерциальной системы и сформулировал принцип относительности движения, согласно которому в системах, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (инерциальные системы) все протекающие процессы подчиняются одним и тем же законам механики. Галилеи обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, невозможно определить, покоится корабль или движется, пока не выглянешь в окно. Галилей сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости) и установил, что в отсутствие сопротивления все свободно падающие тела движутся с постоянным ускорением (g) равным 9,81 м/с2, т.е. равноускоренно. Как выяснилось позднее, это ускорение свободного падения тел обеспечивается практически только силами притяжения Земли. Законы Галилея и Кеплера послужили утверждению механистической картины мира. Р. Декарт (Картезий) предложил новые математические подходы к решению задач геометрии и оптики. Он ввел систему координат, носящую до сих пор название декартовой. Основу механистического мировоззрения Декарта составляет идея тождества материальности и протяженности: однородное пространство – это то же, что и протяженная материя, мир не имеет границ. Все изменения, происходящие в пространстве, сводятся к механическому перемещению. Литература: 1, 5–9. Лекция 2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕТЕРМИНИЗМ. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ И КОНТИНУАЛЬНЫЕ КОНЦЕПЦИИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ 2.1. Механика Ньютона и детерминизм Лапласа. Законы сохранения Физика (с греч. «фюзис» – природа) – наука о формах материи, которые входят в состав сложных систем, о взаимодействиях этих форм материи и их движениях. В иерархии естественных наук физика занимает первую, базовую ступень. В середине XVII в. астрономическая революция закономерно перерастает в физическую революцию, которую успешно совершил И. Ньютон. Он создал теорию классической механики (ньютоновской механики), открыл и точно сформулировал основные законы динамики и универсальный закон всемирного тяготения. Первый закон Ньютона: всякое тело (материальная точка или Вселенная) продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют другие тела.Стремление тела сохранить состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции. Из первого закона вытекает следствие о существовании системы отсчета, в которой наша система двигается с постоянной скоростью. Такая система называется инерциальной. Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое телом (материальной точкой), пропорционально вызывающей его силе, обратно пропорционально массе тела (материальной точки) и направлено по направлению действия силы. а = F/т, где F – равнодействующая всех сил, действующих на тело, т – его масса, а – ускорение, полученное телом под действием силы F. Согласно второму закону, любое изменение естественного состояния покоя или равномерного прямолинейного движения имеет насильственный характер. С проявлением второго закона Ньютона мы встречаемся на каждом шагу, например, отталкивая от берега с одинаковой силой пустую и груженую лодку, мы будем наблюдать более быстрое движение первой. Третий закон Ньютона: закон равенства действия и противодействия – действие всякого тела на другое тело порождает равное ему по величине и обратное по направлению противодействие. F1 = –F2 Например, когда мы приводим в движение любой предмет, мы всегда прикладываем усилие потому, что предмет как бы отталкивает нас. Произведение массы тела на скорость его движения называют импульсом. В общем случае закон сохранения импульса: полный импульс замкнутой системы остается постоянным во времени. Из закона следует, что нельзя вызвать движение одного тела не вызвав одновременно противоположно направленного движения другого, взаимодействующего с первым, тела. Так, если из заряженной пушки, масса которой, произведен выстрел снарядом определенной массы, то согласно третьему закону Ньютона, пушка и снаряд должны двигаться в разные стороны. Закон всемирного тяготения: все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними: F = G•т1•m2/r2, где F – сила всемирного тяготения; G – гравитационная постоянная (6,67•10–11 м3с2кг–1; т1, т2 – взаимодействующие массы; r – расстояние между ними. Этот закон описывает не только движение тел на Земле, он справедлив и для объяснения движения тел в космосе. Длительное формирование новой точки зрения на мир нас окружающий, приведшее к созданию гелиоцентрической системы, вместо геоцентрической, классифицируют как вторую глобальную естественнонаучную революцию в естествознании. Весь мир по теории атомизма, включая человека, воспринимался как совокупность мельчайших неделимых частиц-атомов и сформировалось представление о материи как вещественной дискретной субстанции. Ее составные части атомы (корпускулы) представлялись мельчайшими неделимыми частицами. Движение считалось основным свойством частиц. Согласно законам механики, все тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно. Мерой этого свойства является масса. Пространство существует и будет существовать всегда. Время в этом пространстве существует независимо от материи, оно одномерно – течет в одном направлении от прошлого к будущему, это лишь длительность процессов. Сама Вселенная бесконечна в пространстве и времени и неизменна со дня ее сотворения. Жизни и разуму не отводится никакой качественной особенности. При механистической картине окружающий нас мир, вся природа в целом понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики, в которой все последующие состояния точно и однозначно определялись предыдущим состоянием, т.к. все механические процессы подчинялись жесткому детерминизму – закономерной, необходимой взаимосвязи, полной определенности. Случайность в этом случае целиком исключалась из явлений природы. Развитие физических знаний показало ошибочность подобной абсолютизации и ограниченность принципа детерминизма. 2.2. Дискретность и непрерывность материи в классическом естествознании К началу XX столетия существовало два представления о материи. Классическая механика трактовала материю как дискретную, а электромагнитная теория – как абсолютно непрерывную. Материя – есть все существующее вокруг нас. Важнейшими атрибутами материи являются структурность, системность и движение. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. В микромире выделяют 4 уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (атомное ядро и частицы его составляющие) и кварковый. Обсуждается возможный облик пятого (суперструнного) уровня. Взаимодействие тел в макромире осуществляется под действием сил тяготения и электромагнитных сил. Сила– физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения. Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тел. Всеобщие объективные формы бытия материи – пространство и время. В классической физике различали два вида материи: вещество и поле. Современное естествознание считает, что еще и вакуум является видом материи. Вещество – различные тела, которым присуща масса покоя. Мельчайшей частицей вещества считаются элементарные частицы. Поле – специфическая форму распределения материи в пространстве-времени, которая характеризуется в каждой точке определенными параметрами, например, длиной и амплитудой волны. Поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают импульсом. Структурные уровни организации природы: Микромир–мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с размером от 10-8 см и менее, время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10-10 с (в порядке убывания: атомы, атомные ядра, элементарные частицы) – мир элементарных частиц и полей. Макромир–мир макрообъектов, размеры которых соотносятся с категориями человеческого опыта, для измерения пространства в миллиметрах, сантиметрах, километрах, для измерения времени в секундах, минутах, часах, сутках и годах. Макромир имеет уровни: физический, химический, биологический, социальный. Мегамир–мир объектов огромных космических масштабов и скоростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время – миллионами и миллиардами лет. Микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое в природе. Тем не менее, на каждом из этих структурных уровней преобладают свои фундаментальные взаимодействия и законы: в микромире – законы квантовой физики, сильное и слабое взаимодействие, в макромире – законы классической физики (механики, термодинамики, электродинамики, гравитационное и электромагнитное). Законы мега-мира основаны в первую очередь на общей теории относительности, гравитационном взаимодействии. 2.3. Концепции дальнодействия и близкодействия Взаимодействие тел, согласно Ньютону, происходит по принципу дальнодействия, т.е. мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников. |