занятие. Занятие 1. Эксперимент и теория в естественнонаучном познании
 Скачать 46.1 Kb.
|
|
Занятие №1. Эксперимент и теория в естественнонаучном познании Цели оперативные: ученики должны знать и формировать в устной речи методы и формы научного познания, понимать место и роль эксперимента в физической науке. Организационный момент. Учитель: Здравствуйте, ребята! Я рада, что вы выбрали именно этот элективный курс, который носит название «Фундаментальные эксперименты в физической науке». Нам предстоит с вами посетить мир физики, погрузится в море физических демонстраций, открыть неизведанные ранее острова фундаментальных экспериментов и ощутить загадочность этого мира! При изучении данного курса вы будете знать о: Эксперимент и теория в естественнонаучном познании Фундаментальные опыты в механике Фундаментальные опыты в молекулярной физике Фундаментальные опыты в электродинамике Фундаментальные опыты в оптике Фундаментальные опыты в квантовой физике. Т.к. наша работа в большей части будет связана с выполнением различных демонстраций и лабораторных работ, то вам следует вспомнить технику безопасности на уроках физики, а также правила пользования измерительными приборами. Техника безопасности Будьте внимательны, дисциплинированны, осторожны, точно выполняйте указания учителя. Не оставляйте рабочее место без разрешения учителя. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания. Производите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключенном источнике питания. Не включайте источники электропитания без разрешения учителя. Проверяйте наличие напряжения на источнике питания или других частях электроустановки с помощью указателя напряжения. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники, при сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами. Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголенным проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением). Не прикасайтесь к конденсаторам даже после отключения электрической цепи от источника электропитания: их сначала нужно разрядить. краями, правильно подбирать диаметры резиновых и стеклянных трубок при их соединении, концы смачивать водой, глицерином или смазывать вазелином. Отверстие пробирки или горлышко колбы при нагревании в них жидкостей направлять в сторону от себя и обучающих, не допускать резких изменений температуры и механических ударов. При работе, если имеется вероятность взрыва сосуда вследствие нагревания, нагнетания или откачивания воздуха, на демонстрационном столе со стороны обучающихся необходимо устанавливать защитный экран из оргстекла, а учитель должен надеть защитные очки. Не брать приборы с горячей жидкостью незащищенными руками, а также закрывать сосуд с горячей жидкостью притертой пробкой до его остывания. При измерении напряжений и токов измерительные приборы присоединять проводниками с надежной изоляцией, снабженными наконечниками. При сборке Не включать без нагрузки выпрямители и не делать переключений в схемах при включенном питании. Не допускать прямого попадания в глаза учителя и обучающихся света от электрической дуги, проекционных аппаратов, стробоскопа и лазера при демонстрации их работы. Не оставлять без надзора включенные в сеть электрические устройства и приборы. Формирование новых знаний умений, навыков (теоретическая часть) Итак, начнем занятие. Учитель читает лекцию, в ходе которой беседует с учениками. Физика это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. Поэтому понятия физики и ее законы лежат в основе любого раздела естествознания. В настоящее время физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Она многое объясняет в этих науках, предоставляет им мощные методы исследования. Какими же путями добывается научная истина? Несколько сотен лет назад были выработаны основы физического метода исследования. Он состоит в следующем: опираясь на опыт, отыскивают количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой. Любознательность, стремление увидеть общее в разрозненных проявлениях и признаках природных явлений, понять причины, порождающие их, а также желание предсказать их возникновение неизменно стимулировали научное познание. Процесс научного познания в самом общем виде представляет собой решение различного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности. Решение возникающих при этом проблем достигается путем использования особых приемов (методов), позволяющих перейти от того, что уже известно, к новому знанию. Каждая наука использует различные методы, которые зависят от характера решаемых в ней задач. Однако своеобразие научных методов состоит в том, что они относительно независимы от типа проблем, но зато зависимы от уровня и глубины научного исследования. Иными словами, в каждом научно-исследовательском процессе меняется сочетание методов и их структура. Благодаря этому возникают особые формы (стороны) научного познания, важнейшими из которых являются эмпирическая, теоретическая и производственно-техническая. Эмпирическая сторона предполагает необходимость сбора фактов и информации (установление фактов, их регистрацию, накопление), а также их описание (изложение фактов и их первичная систематизация). Теоретическая сторона связана с объяснением, обобщением, созданием новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых законов, предсказанием новых фактов в рамках этих теорий. С их помощью вырабатывается научная картина мира и тем самым осуществляется мировоззренческая функция науки. Производственно-техническая сторона проявляет себя как непосредственная производственная сила общества, прокладывая путь развитию техники, но это уже выходит за рамки собственно научных методов, так как носит прикладной характер. В основе методов естествознания лежит единство его эмпирической и теоретической сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы - теория становится беспредметной, опыт - слепым. Эмпирический и теоретический уровни знания различаются по предмету (во втором случае он может иметь свойства, которых нет у эмпирического объекта), средствам (во втором случае это мыслительный эксперимент, метод моделирования, аксиоматический метод и т. д.) и результатам исследования (в первом случае эмпирическое обобщение, во втором — гипотеза и теория). Теоретическое познание отличается от рационального также тем, что в состав теоретического уровня входят представления (наглядные образы), которые являются формами чувственного восприятия. Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не является строго рациональным. Непосредственно перед стадией научного открытия важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия — интуиция. Поэтому открытие нельзя логически вывести, как теорему в математике. О значении интуиции в науке хорошо свидетельствуют слова выдающегося математика Гаусса: «Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его». Результат интуитивен, но нет аргументации в его защиту. Интуиция присутствует в науке (так называемое «чувство объекта»), но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы, которые все люди могут оценить. Сложное переплетение эмпирического и теоретического уровней познания особенно характерно для наиболее продвинутых областей экспериментальной и теоретической физики. Методы естествознания могут быть подразделены на следующие группы: Общие методы, касающиеся любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени, например, метод восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического. Это, скорее, общефилософские методы познания. Частные методы касаются лишь одной стороны изучаемого предмета или же определенного приема исследования: анализ, синтез, индукция, дедукция. К числу частных методов также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент. В естествознании частным методам науки придается чрезвычайное значение, поэтому в рамках нашего курса необходимо более подробно рассмотреть их сущность. Наблюдение - это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены. Исторически метод наблюдения развивается как составная часть трудовой операции, включающей в себя установление соответствия продукта труда его запланированному образцу. Наблюдение как метод познания действительности применяется либо там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (в астрономии, вулканологии, гидрологии), либо там, где стоит задача изучить именно естественно функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии и т.п.). Частными случаями метода наблюдения являются измерение и сравнение. Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного в ходе рассмотрения какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный и в данный момент изучаемый. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, что позволяет получить вполне достоверные знания об изучаемом предмете. Моделирование - метод научного познания, основанный на изучении каких-либо объектов посредством их моделей. Появление этого метода вызвано тем, что иногда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для прямого вмешательства познающего субъекта или такое вмешательство по ряду причин является нецелесообразным Таким образом, сущность моделирования как метода познания заключается в замещении объекта исследования моделью, причем в качестве модели могут быть использованы объекты как естественного, так и искусственного происхождения. Эксперимент - метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс. Эксперимент может выступать в качестве: одного из методов познания, источника новых знаний, критерия истинности теоретических знаний (на завершающем этапе процесса познания). Условно естественнонаучное наблюдение (и экспериментальное исследование) может быть разбито на три части: ПОДГОТОВКА (постановка цели, выбор необходимых приборов и принадлежностей, составление плана проведения, планирование предполагаемых результатов). НАБЛЮДЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ (описание результатов наблюдений, составление таблиц результатов и графиков, оценка погрешности, выводы). Задание для самостоятельной работы: составить план наблюдения кипения воды (таяния льда, горения дерева или др.) Развитие естествознания выдвигает проблему строгости наблюдения и эксперимента. Дело в том, что они нуждаются в специальных инструментах и приборах, которые последнее время становятся настолько сложными, что сами начинают оказывать влияние на объект наблюдения и эксперимента, чего по условиям быть не должно. Это, прежде всего, относится к исследованиям в области физики микромира (квантовой механике, квантовой электродинамике и т.д.). Поскольку программа элективного курса предполагает выполнение и изучение многих опытов и экспериментов, то давайте подробнее остановимся на рассмотрении этого метода научного познания. Изучение естествознания нужно не только для того, чтобы мы как культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для понимания самой структуры нашего мышления. Итак, мы отправляемся в безбрежное море познания. Предположим, что вместе с Ньютоном мы лежим под деревом и наблюдаем, падение яблока, которое, по преданию, натолкнуло Ньютона на открытие закона всемирного тяготения. Яблоки падали на голову не только Ньютона, но почему именно он сформулировал закон всемирного тяготения? Что помогло ему в этом: любопытство, удивление (с которого, по Аристотелю, начинается научное исследование) или, быть может, он и до этого изучал тяготение, и падение яблока было не начальным, а завершающим моментом его раздумий? Как бы то ни было, мы можем согласиться с легендой в том, что именно обычный эмпирический факт падения яблока был отправной точкой для открытия закона всемирного тяготения. Будем считать эмпирические факты, т. е. факты нашего чувственного опыта, исходным пунктом развития естествознания. Итак, мы начали наше научное исследование, точнее оно началось с нами. Так или иначе, мы зафиксировали первый эмпирический факт, который, коль скоро он стал отправной точкой научного исследования, стал тем самым научным фактом. Что дальше? Выдающийся французский математик начала века А. Пуанкаре, описывая в своей книге «Наука и метод» работу ученого, говорил следующее: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться. Да, действительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т. е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужны множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, «должны предпочитать те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные; составные части. Итак, мы должны ждать падения новых яблок, чтобы определить действительно ли они падают всегда. Это уже можно назвать способом или методом исследования. Он называется наблюдением и в некоторых областях естествознания остается единственным и главным эмпирическим методом исследования. Например, в астрономии. Правда, с помощью визуальных наблюдений мы мало что увидим. Чтобы наблюдать мегамир, нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и более сложное. Однако, нашем случае нет нужды ждать падения яблок. Мы можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т. е. провести эксперимент, испытать объект исследований. Эксперимент представляет собой как бы вопрос, который мы задаем природе 'и ждем от нее ясного ответа. «Эйнштейн говорил, что природа отвечает «нет» на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть»... Каков бы ни был ответ природы — «да» или «нет», — он будет выражен на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос. Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время. Трясение яблони, как простейший из возможных экспериментов, убеждает нас, что все яблоки ведут себя совершенно одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, мало одних яблок. Нужно рассмотреть и другие тела, причем, чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше. Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел. Но и модельный эксперимент не является последним из возможных. Может иметь место мысленный эксперимент. Для этого понадобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме. Для того чтобы ввести их в расчеты, необходимы идеальные представления, например, представления об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре и т.п. Такие представления называются идеализациями. В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т.е. мысленным экспериментам с применением идеализации, с которых (а именно, экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. Особый интерес представляют фундаментальные эксперименты. Это эксперименты, которые определили становление и развитие физической науки, явились ее экспериментальной основой. Фундаментальные научные эксперименты в большинстве своем выступают как источник принципиально важных знаний в системе физического образования и современной научной картины мира. Структура и содержание фундаментального научного эксперимента отражают в себе процесс познания, творческий поиск ученого. Это позволяет сделать заключение о том, что материал по этим экспериментам является полезным в организации активной учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении физики. В развитии физической науки фундаментальные эксперименты стали важными вехами. На каждом этапе истории физики возникали такие ситуации, когда для разрешения противоречий приходилось ставить решающие эксперименты. К таким экспериментам мы можем с полной уверенностью отнести открытие электромагнитных волн Г. Герцем, коротковолнового электромагнитного излучения К. Рентгеном, радиоактивности А. Беккерелем, электрона Дж.Томсоном, светового давления П.Н.Лебедевым, введение идеи кванта М.Планком, создание теории относительности А. Эйнштейном, описание процесса радиоактивного распада Э.Резерфордом. В 1913 - 1921 гг. на основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создает модель атома, разработка которой ведется в соответствии с периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Это - первый этап новейшей революции в физике и во всем естествознании. Он сопровождается крушением прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени. Это привело к кризису физики и всего естествознания, являвшегося симптомом более глубокого кризиса метафизических философских оснований классической науки. Второй этап революции начался в середине 20-х гг. XX века и связан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской физической картине мира. На исходе третьего десятилетия XX века практически все главнейшие постулаты, ранее выдвинутые наукой, оказались опровергнутыми. В их число входили представления об атомах как твердых, неделимых и раздельных «кирпичиках» материи, о времени и пространстве как независимых абсолютах, о строгой причинной обусловленности всех явлений, о возможности объективного наблюдения природы. Предшествующие научные представления были оспорены буквально со всех сторон. Условно фундаментальные эксперименты можно классифицировать на несколько групп. 1. Эксперименты, приведшие к открытию наиболее важных физических законов: колебания математического маятника (Г. Галилей);электродинамики (Ш. Кулон, Г. Ом, Э. Ленц, Дж. Джоуль, А. Ампер); фотоэффекта (А. Г. Столетов); основных газовых законов (Р. Бойль, Э. Мариотт,Ж. Шарль и др.). 2. Эксперименты, в результате которых были открыты новые физические явления, не предсказанные существовавшими в то время теориями: электрический ток (Л. Гальвани); магнитные свойства тока (Г. Эрстед); внешний фотоэффект (Г. Герц); рентгеновское излучение (В. Рентген);естественная радиоактивность (А. Беккерель); деление ядер урана под действием нейтронов (О. Ган и Ф. Штрассман). 3. Эксперименты, положенные в основу физической теории или подтверждающие ее следствия: электронная теория строения вещества (Дж. Томсон); электронная проводимость металлов (Э. Рикке, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, Р. Толмен, Ч. Стюарт); молекулярно-кинетическая теория строения вещества (Р. Броун, Ж. Перрен); измерение скоростей газовых молекул и проверка распределения молекул по скоростям (О. Штерн);квантовая теория света (А. Г. Столетов, А. Ф. Иоффе, Н. И. Добронравов, Р. Милликен, П. И. Лукирский, С. С. Прилежаев); рассеивание рентгеновского излучения атомами легких элементов (А. Комптон); дискретность энергетических атомных уравнений (Д. Франк и Г. Герц); исследование флуктуации света (В. Боте и С. И. Вавилов). 4. Эксперименты, с помощью которых были впервые определены физические константы: гравитационная постоянная (Г. Кавендиш); скорость света в воздухе и воде (О. Рёмер, А. Физо, Л. Фуко, А. Майкельсон); элементарный электрический заряд (Р. Милликен, А. Ф. Иоффе). Практическая часть Учащимся предлагается записать алгоритмическую цепочку действий ученого-исследователя ( слова даны в разноброс) наблюдение → эксперимент → факты → закон → гипотеза → эксперимент → теория. А теперь пока я продемонстрирую вам опыт. Ваша задача внимательно смотреть за происходящим и сказать, почему произошло именно такое явление. 
Учитель: Почему мы наблюдаем фонтан в колбе? Ученики: Вода с силой вгоняется через узкое отверстие внутрь колбы, образуя фонтан. Вода поступает в колбу, потому что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в колбе. (Цель проводимой демонстрации в том, чтобы заинтересовать учащихся в изучении элективного курса, показать, что в физике много интересных явлений и процессов) Учитель: У меня еще есть для вас кое-что интересное, давайте посмотрим видеофрагмент. (Демонстрация птички, при отсутствии реальной модели показать видеофрагмент). Просмотр. А над ответом на вопрос: «почему так происходит», вы подумаете дома! Инструктаж домашнего задания. Следующее занятие будет посвящена фундаментальным опытам в механике. Поэтому вам на дом даются темы докладов и сообщений, которые вы подготовите к следующему занятию «Ньютон и его вклад в развитие физики как науки» «Опыт Генри Кавендиша» «Галилео Галилей: жизнь, работа, труды» «Предпосылки к становлению физической науки» Также к следующему разу 2 ученика самостоятельно подготовят демонстрации по механике. А именно: Демонстрация резонанса свободное падение (трубка Ньютона); |