Естествознание и гуманитарные науки. В чем их различие?

Федеральное  агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра общей физики

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

8.              Естествознание и гуманитарные науки. В чем их различие?

     Выполнил: Студент гр. ЗДК-213

                                                   Хакова Гульназ Разифовна

                                                            Шифр зачетной книжки ______

                                                   Проверил              преподаватель

                                              кафедры общей физики

___________________________ 

Екатеринбург 2012

8.              Естествознание и гуманитарные науки. В чем их различие?

      Естествознание - система наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, как целое. Естествознание - одна из трёх основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении; теоретическая основа промышленной техники и медицины; естественно-научный фундамент философского материализма и диалектического понимания природы.

Предмет Естествознание - различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстрат), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи; их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия - пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего характера, охватывающая ряд форм движения, так и специфического характера, касающаяся лишь отдельных сторон тех или иных форм движения, их субстрата и структуры. «Предмет естествознания - движущая материя... Познание различных форм движения... является главным предметом естествознания».

Природа, которая служит предметом Естествознание, рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т. к. её познание достигается в итоге не только теоретической, но и практической производственной деятельности людей. Естествознание как отражение природы в человеческом сознании совершенствуется в процессе её активного преобразования в интересах общества.

Цели Естествознание :1) находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления и 2) раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы. Можно сказать: познание истины (законов природы) - непосредственная или ближайшая цель Естествознание, содействие их практическому использованию - конечная цель Естествознание

Цели Естествознание совпадают, т. о., с целями самой человеческой деятельности. «Законы внешнего мира, природы... суть основы целесообразной деятельности человека.

Закономерности и особенности развития естествознания Закономерности Естествознание - те, которые присущи всякой науке, но с учётом специфики изучаемого им предмета. Это - а) обусловленность практикой (в конечном счёте); б) относительная самостоятельность, которая проявляется в том, что практическое решение возникающих задач может быть осуществлено лишь по достижении, в соответствии с собственной логикой, определенных ступеней самого процесса познания природы, который совершается от явлений к сущности и от менее глубокой к более глубокой сущности; в) преемственность в развитии идей и принципов Естествознание, теорий и понятий, методов и приёмов исследования, неразрывность всего познания природы; г) постепенность развития Естествознание при чередовании периодов относительно спокойного, эволюционного развития и резкой революционной ломки теоретических основ Естествознание, всей системы понятий и принципов Естествознание, всей естественнонаучной картины мира. При этом содержание прежних знаний о природе получает дальнейшее развитие и обобщение, преодолевается прежняя универсализация, абсолютизация законов и принципов, носящих в действительности лишь ограниченный, относительный характер; д) взаимодействие наук, взаимосвязанность всех отраслей Естествознание, когда один предмет изучается одновременно многими науками (их методами), а метод одной науки применяется к изучению предметов др. наук; е) противоречивость развития Естествознание, доходящая до раскола на казалось бы несовместимые между собой концепции, причём на смену борющимся между собой односторонним концепциям в порядке разрешения их конфликта приходит принципиально новая концепция, охватывающая предмет в целом, диалектически; ж) повторяемость идей, концепций, представлений с постоянными возвратами к пройденному (в т. ч. исходному пункту научного развития), но на более высокой ступени этого развития; отсюда сравнение развития науки с «кругом кругов», с движением по спирали.

Необходимым условием развития Естествознание является свобода критики, беспрепятственное обсуждение любых спорных неясных вопросов Естествознание, открытое столкновение мнений с целью выяснения истины, путём свободных дискуссий, способствующих творческому решению возникающих проблем.

  Методы естествознания

В Естествознание можно выделить стороны: 1) эмпирическую, 2) теоретическую, 3) производственно-прикладную. Они соответствуют общему ходу познания истины, который идёт «от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике...» .1) Эмпирическая сторона предполагает функции: собирательную (установление фактов, их регистрацию, их накопление), описательную (изложение фактов, их первичную систематизацию); 2) теоретическая - функции: объяснения, обобщения (генерализующую), открытия (создания новых теорий, выдвижения новых гипотез и понятий, накопления новых законов), предсказания (прогностическую), что даёт повод называть теории Естествознание «компасом» в научном исследовании.

  Аспекты и структура естествознания

Аспекты Естествознание носят строго объективный характер, определяемый либо самим предметом познания, либо методом его познания, который по своему содержанию адекватен предмету. Отсюда - два главных аспекта (или разреза) Естествознание: 1) предметный, соответствующий последовательной связи объектов природы, например их развитию и переходам одних в другие, и 2) методологический, соответствующий последовательным ступеням, которые проходит познание при изучении данного предмета - от его явлений к его сущности, от внешней стороны к внутренней. Соответственно всё Естествознание может быть разделено, согласно первому аспекту, на неорганическое и органическое, т. к. вся природа делится на неживую и живую.

Структура Естествознание определяется аспектами Естествознание Взаимная связь отраслей Естествознание отражает общий ход развития всей природы от более простых, низших ступеней и форм до наивысших и сложнейших. Раздвоение природы на неживую и живую, которое зарождается в пределах химии (поскольку химические соединения дифференцируются на неорганические и органические) можно представить так:

физика, химия

=>неорганическая(путь к неживой природе)

=>органическая(путь к живой природе)

Такое раздвоение подготовляется на атомном уровне структурной организации материи; далее из молекул образуются агрегаты (газообразные, капельножидкие, твёрдые - аморфные и кристаллические), составляющие основу различных сфер Земли. С др. стороны, постепенное усложнение молекул углеродистых соединений приводит к образованию биополимеров (белков, нуклеиновых кислот), которые составляют основу живой природы. Физика, химия, геология и биология относятся к числу фундаментальных отраслей современного Естествознание и образуют стержень классификации наук.

В основу приведённого (раздвоенного) ряда наук положен принцип развития предмета (природы). Но тот же принцип можно применить к различным по масштабу объектам природы - от космических систем (астрономия) до отдельных планет (геология, включая вообще учение об отдельных планетах и спутниках) и до отдельных сторон (география) и компонентов (биология) данной планеты. Тогда составится другой ряд наук:

=> астрономия - геология - география - биология.

В Естествознание существует также множество переходных, промежуточных или междисциплинарных отраслей, что свидетельствует об отсутствии резких границ между науками, об их взаимопроникновении. В современных условиях тенденция к дифференциации наук дополняется тенденцией к их интеграции: вновь возникающие науки ведут не к дальнейшему разобщению наук между собой, а к тому, что прежние резкие разрывы между науками (например, физикой и химией) заполняются за счёт появления новых наук, носящих промежуточный характер (физическая химия, химическая физика).

  Место естествознания в обществе

Место Естествознание в жизни и развитии общества вытекает из его связей с др. социальными явлениями и институтами, прежде всего с техникой, а через неё с производством, производительными силами вообще и с философией, а через неё с борьбой классов в области идеологии. При всей внутренней целостности, вытекающей из единства как самой природы, так и теоретического взгляда на неё, Естествознание представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями, нередко противоречивыми. Естествознание не входит ни в базис, ни в идеологическую надстройку общества, хотя в своей наиболее общей части (где формируется картина мира) оно связано с этой надстройкой. Связь Естествознание через технику с производством, а через философию с идеологией довольно полно выражает наиболее существенные социальные связи Естествознание Связь Естествознание с техникой складывается в силу того, что «техника... потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)». В современную эпоху Естествознание опережает технику в своём развитии, т. к. его объектами всё чаще становятся совершенно новые, неизвестные ранее вещества и силы природы (например, атомная энергия), а потому, прежде чем может встать вопрос об их техническом применении, требуется «фронтальное» их изучение со стороны Естествознание Тем не менее техника с её потребностями остаётся движущей силой развития Естествознание Связь с техникой лежит, согласно К. Марксу, в основе определения Естествознание как непосредственной производительные силы.

  Общий ход развития естествознания

Общий ход развития Естествознание включает основные ступени познания природы. «Мысль человека бесконечно углубляется от явления к сущности первого, так сказать, порядка, к сущности второго порядка и т. д. без конца» (Ленин В. И., там же, т. 29, с. 227). Познание в непосредственных явлениях «... открывает сущность (закон причины, тождества, различие etc.) - таков действительно общий ход всего человеческого познания (всей науки) вообще. Таков ход и естествознания... Все эти моменты (шаги, ступени, процессы) познания направляются от субъекта к объекту, проверяясь практикой и приходя через эту проверку к истине...» (там же, с. 298, 301). Ф. Энгельс показал, что общий ход познания природы, как и всякого познания вообще, проходит следующие основные ступени: 1) непосредственное созерцание природы как нерасчленённого целого; здесь охватывается верно общая картина, но совершенно неясны частности; такой взгляд был присущ древнегреческой натурфилософии; 2) анализ природы, расчленение её на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий, например анатомирование живых организмов, выделение составных частей сложных химических веществ; но за частностями исчезает общая картина, универсальная связь явлений; 3) воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путём приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше.

Гуманитарные науки-  дисциплины, изучающие человека в сфере его духовной, умственной, нравственной, культурной и общественной деятельности. По объекту, предмету и методологии изучения часто отождествляются или пересекаются с общественными науками, противопоставляясь при этом естественным и точным наукам на основании критериев предмета и метода. Если в других науках важна конкретность, то в гуманитарных, если и важна такая точность, например описания исторического события, то и важна многогранность и даже безграничность такого произведения (описания), так, чтобы, по возможности, каждый человек находил в нём нечто своё, получая при этом определённое эстетическое удовлетворение.

В средней школе в совокупность естественных наук обычно включают прежде всего физику, химию и биологию, а дополнительно к ним астрономию и географию, имеющие более специфический характер. В высшей школе число всевозможных естественных наук доходит до нескольких десятков и даже сотен ввиду их бесконечного дробления на узко специализированные дисциплины. С некоторой условностью в естествознание включают наряду с такими основными естественными науками, как физика, химия и биология, еще и психологию, которую относят также и к гуманитарным наукам.

Различия естествознания и гуманитарных наук.

Литература

1.     Башляр, Г. Научное призвание и душа человек.

2.                 Селиванов, В.В. Кризис методологии в гуманитарных науках.

3.     Риккерт, Г. Науки о природе и науки о культуре

4.  Каган, М.С. Перспективы развития гуманитарных наук в XXI  веке

Федеральное  агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра общей физики

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

70.              Уравнение Э. Шредингера – основное уравнение квантовой механики. Волновая функция. В чем её физический смысл? Интерпретация квадрата волновой функции. Статистическое описание состояния микрообъекта. Значение уравнения Э. Шредингера для современной науки.

Выполнил: Студент гр. ЗДК-213

                                                   Хакова Гульназ Разифовна

                                                            Шифр зачетной книжки ______

                                                   Проверил              преподаватель

кафедры общей физики

___________________________

Екатеринбург 2012

70.Уравнение Э. Шредингера – основное уравнение квантовой механики.

Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения физики (например, уравнения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла для электромагнитного поля), не выводится, а постулируется. Правильность этого уравнения подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что, в свою очередь, придает ему характер закона природы. Уравнение Шредингера имеет вид

где ћ=h/(2 π), m—масса частицы, Ʌ—оператор Лапласа  i — мнимая единица, U (х, у, z, t) — потенциальная функция частицы в силовом поле, в котором она движется, Y(х, у, z, t) — искомая волновая функция частицы.

Уравнение (217.1) справедливо для любой частицы (со спином, равным 0), движущейся с малой (по сравнению со скоростью света) скоростью, т. е. со скоростью v<<с. Оно дополняется условиями, накладываемыми на волновую функцию: 1) волновая функция должна быть конечной, однозначной и непрерывной производные  должны быть непрерывны; 3) функция |ѱ|2 должна быть интегрируема; это условие в простейших случаях сводится к условию нормировки вероятностей (216.3).

Чтобы прийти к уравнению Шредингера, рассмотрим свободно движущуюся частицу, которой, согласно идее де Бройля, сопоставляется плоская волна. Для простоты рассмотрим одномер­ный случай. Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси х, имеет вид    , или в комплексной записи . Следовательно, плоская волна де Бройля имеет вид   (217.2)

(учтено, что Ѡ = E/ћ, k=p/ћ). В квантовой механике показатель экспоненты берут со знаком минус, но поскольку физический смысл имеет только |ѱ|2, то это (см. (217.2)) несущественно. Тогда

откуда    (217.3)

Используя взаимосвязь между энергией Е и импульсом р (E=p2/(2m)) и подставляя выражения (217.3), получим дифференциальное уравнение

которое совпадает с уравнением (217.1) для случая U=0 (мы рассматривали свободную частицу). Если частица движется в силовом поле, характеризуемом потенциальной энергией U, то полная энергия Е складывается из кинетической и потенциальной энергий. Проводя аналогичные рассуждения и используя взаимосвязь между Е и р (для данного случая p2/(2m)=E–U), прядем к дифференциальному уравнению, совпадающему с (217.1).

Приведенные рассуждения не должны восприниматься как вывод уравнения Шредингера. Они лишь поясняют, как можно прийти к этому уравнению. Доказательством правильности уравнения Шредингера является согласие с опытом тех выводов, к кото­рым оно приводит.

Уравнение (217.1) является общим уравнением Шредингера. Его также называют уравнением Шредингера, зависящим от времени. Для многих физических явлений, происходящих в микромире, уравнение (217.1) можно упростить, исключив зависимость ѱ от времени, иными словами, найти уравнение Шредингера для стационарных состояний — состояний с фиксированными значениями энергии. Это возможно, если силовое поле, в котором частица движется, стационарно, т. е. функция U=U(x, у, z) не зависит явно от времени и имеет смысл потенциальной энергии. В данном случае решение уравнения Шредингера может быть представлено в виде произведения двух функций, одна из которых есть функция только координат, другая — только времени, причем зависимость от времени выражается множителем , так что (217.4)

где Е — полная энергия частицы, постоянная в случае стационарного поля. Подставляя (217.4) в (217.1), получим

откуда после деления на общий множитель и соответствующих преобразований придем к уравнению, определяющему функцию ѱ: (217.5)

Уравнение (217.5) называется уравнением Шредингера для стационарных состояний. В это уравнение в качестве параметра входит полная энергия Е частицы. В теории дифференциальных уравнений доказывается, что подобные уравнения имеют бесчисленное множество решений, из которых посредством наложения граничных условий отбирают решения, имеющие физический смысл. Для уравнения Шредингера такими условиями являются условия регулярности волновых функций: волновые функции должны быть конечными, однозначными и непрерывными вместе со своими первыми производными. Таким образом, реальный физический смысл имеют только такие решения, которые выражаются регулярными функциями y. Но регулярные решения имеют место не при любых значениях параметра Е, а лишь при определенном их наборе, характерном для данной задачи. Эти значения энергии называются собственными. Решения же, которые соответствуют собственным значениям энергии, называются собственными функциями. Собственные значения Е могут образовывать как непрерывный, так и дискретный ряд. В первом случае говорят о непрерывном, или сплошном, спектре, во втором — о дискретном спектре.

Волновая функция.В чем ее физический смысл?

Из содержания предыдущих двух параграфов следует, что с микрочастицей сопоставляют волновой процесс, который соответствует ее движению, поэтому состояние частицы в квантовой механике описывают волновой функцией, которая зависит от координат и времени ѱ(x,y,z,t). Конкретный вид ѱ-функции определяется состоянием частицы, характером действующих на нее сил. Если силовое поле, действующее на частицу, является стационарным, т.е. не завися­щим от времени, то ѱ-функцию можно представить в виде произведения двух сомножителей, один из которых зависит от времени, а другой  – от координат:

             (3.1)

В дальнейшем будем рассматривать только стационарные состояния. ѱ-функция является вероятностной характеристикой состояния частицы. Чтобы пояснить это, мысленно выделим достаточно малый объем , в пределах которого значения ѱ-функции будем считать одинаковыми. Тогда вероятность нахождения dW частицы в данном объ­еме пропорциональна ему и зависит от квадрата модуля ѱ-функции (квадрата модуля амплитуды волн де Бройля):  (3.2)

Отсюда следует физический смысл волновой функции:   (3.3)

Квадрат модуля волновой функции имеет смысл плотности вероят­ности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z.

Интегрируя выражение (3.2) по объему, определяем вероятность нахождения частицы в этом объеме в условиях стационарного поля:   (3.4)

Если известно, что частица находится в пределах объема V, то интеграл выражения (3.4), взятый по объему V, должен быть равен единице:     (3.5)

– условие нормировки y-функции.

Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой со­стояния микрочастиц, она должна быть конечной, однозначной, непрерывной, так как вероятность не может быть больше единицы, не может быть неоднозначной величиной и не может изменяться скачками. Таким образом, состояние микрочастицы полностью определяется волновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля.

Интерпретация квадрата волновой функции.

Представление об электроне в виде группы волн находится в явном противоречии с экспериментами по столкновению электронов с атомами, в которых электрон ведет себя как единая стабильная частица. В экспериментах по дифракции пучка электронов на кристаллах проявляются волновые свойства электронов, причем аналогия с дифракцией электромагнитных волн, рассматриваемых как поток фотонов, приводит к статистическому предположению: интенсивность волны в данной точке пространства пропорциональна плотности частиц. Оказывается, однако, что дифракционная картина не зависит от интенсивности пучка частиц: она возникает и при очень малой интенсивности и даже при пропускании одиночных электронов один за другим. При регистрации дифракционной картины каждый электрон, прошедший периодическую структуру (например, монокристалл), оставляет на фотопластинке небольшое пятно, проявляя тем самым корпускулярные свойства. При достаточно большем числе прошедших последовательно электронов распределение пятен на пластинке образует дифракционную картину, совпадающую с получаемой при пропускании пучка электронов.

Детальный анализ процессов рассеяния электронов на атомах на основе уравнения Шрёдингера привел Борна (M. Born) к вероятностной интерпретации волновой функции частицы (1926 г.): квадрат модуля есть плотность вероятности обнаружить частицу в точке r пространства  в момент времени t . Таким образом, квантовая механика (даже для одной частицы) является вероятностной теорией, в которой принцип причинности отличается от соответствующего лапласовского принципа причинности в классической механике. В своей статье 1926 г. Борн так сформулировал основную особенность квантовой теории: «Движение частицы следует вероятностным законам, сама же вероятность распространяется в соответствии с законом причинности».

Указанная вероятностная интерпретация волновой функции – один из основных постулатов квантовой теории, который подтвержден всей совокупностью проведенных экспериментов.

Покажем, что из УШ вытекает закон сохранения вероятности. Запишем уравнения для ѱ  и комплексно сопряженной к ней функции :

Умножив первое уравнение на , а второе на ѱ, вычтем одно из другого. Получим 

Введем плотность ρ и поток вероятности i :   

В результате находим уравнение непрерывности (ср. с электродинамикой, ч. 1 курса):

Проинтегрировав его по объему  V , ограниченному замкнутой поверхностью S, получим интегральный закон сохранения вероятности:

Удалив S в бесконечность, в предположении, что

Получим    или   

Для физически реализуемых состояний всегда можно выбрать такую нормировку волновой функции, что 

Это соотношение означает, что вероятность обнаружить частицу во всем пространстве равна единице, как и должно быть.

Замечание. Плотность  ρ и поток вероятности i  инвариантны относительно преобразования фазы волновой функции: 

Функции  ѱ и отвечают одному и тому же состоянию.

Спектральный анализ - метод исследования химического состава вещества по его спектру излучения или поглощения. Спектроскоп, спектрограф - оптические приборы для исследования спектров излучения и поглощения.

Статистическое описание состояния микрообъекта.

Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, т. е. вероятностный характер: квадрат абсолютного значения (модуля) В. ф. указывает значение вероятностей тех величин, от которых зависит В. ф. Например, если задана зависимость В. ф. частицы от координат х, у, z и времени t, то квадрат модуля этой В. ф. определяет вероятность обнаружить частицу в момент t в точке с координатами х, у, z. Поскольку вероятность состояния определяется квадратом В. ф., её называют также амплитудой вероятности.

В. ф. одновременно отражает и наличие волновых свойств у микрообъектов. Так, для свободной частицы с заданным импульсом р и энергией E, которой сопоставляется волна де Бройля с частотой v = E/h и длиной волны λ = h/p (где h — постоянная Планка), В. ф. должна быть периодична в пространстве и времени с соответствующей величиной λ и периодом Т = 1/v.

Для В. ф. справедлив суперпозиций принцип: если система может находиться в различных состояниях с В. ф. ψ1, ψ2.., то возможно и состояние с В. ф., равной сумме (и вообще любой линейной комбинации) этих В. ф. Сложение В. ф. (амплитуд вероятностей), а не вероятностей (квадратов В. ф.) принципиально отличает квантовую теорию от любой классической статистической теории (в которой справедлива теорема сложения вероятностей).