Представление о науке метрологии как типе деятельности

06.04.2025 | Категория: Учебные материалы

1. Представление о науке как типе деятельности

Если проанализировать различные определения науки, данные в различных источниках по истории и методологии науки, то можно заметить, что, чаще всего, науку рассматривают как познание человеком тех или иных объектов. Это, конечно, правильно, но остается непонятным, каковы особенности этого познания. Чтобы ответить на этот вопрос, используем теоретико-деятельностный подход, согласно которому наука представляет собой кооперацию следующих видов исследования: эмпирическое исследование, теоретическое исследование и экспериментальное исследование. Не останавливаясь на обосновании этого положения, рассмотрим принципиальные особенности отдельных видов исследований.

Как правило, начало эмпирического исследования представляет собой некоторое затруднение в практической деятельности людей. Эмпирическое исследование представляет собой изучение различных свойств изучаемого объекта путем их измерений, сравнений. При этом для объяснения этих свойств используются известные теоретические представления. Если этих представлений достаточно для преодоления затруднений практики, то научное исследование заканчивается, так как его результаты позволяют преодолеть затруднение практики.

Следует отметить, что приборы и методы эмпирического исследования могут быть различными. Например, математическое решение некоторого нового уравнения известными в математике методами является эмпирическим исследованием. Ясно, что подавляющее большинство научных исследований представляют собой эмпирические исследования.

Сложности возникают тогда, когда известных в науке теоретических представлений недостаточно для преодоления затруднения практики. Тогда эмпирические исследования бессильны и поэтому возникает новый вид исследования – теоретическое исследование. Теоретическое исследование представляет собой аналитическую, логическую работу, в результате которой изменяется представление о сущности изучаемого объекта. Этот результат является свидетельством некоторой «революции» в познании, так как сущность – это такое понятие, которое сохраняет представление о том, чья сущность определяется, в любых условиях, а теоретическое исследование изменяет сущность. Именно здесь возникают новые парадигмы исследований, новые виды математик, новые теории в физике. Эти «продукты» теоретического исследования будут новыми более мощными средствами для дальнейших эмпирических исследований, если теории окажутся верными. Таким образом, особенности теоретического исследования, а именно, то, что они являются продуктом деятельности человеческого сознания, которое способно и к фантазиям и т.д., требуют, чтобы теоретические знания проходили экспериментальную проверку.

Поэтому необходимым элементом научного исследования является экспериментальное исследование, целью которого является проверка правильности теорий. Экспериментальное исследование – это специально организованное исследование для проверки теоретических законов. Эти исследования требуют особенной тщательности и аккуратности, так как любые теории, а человек может придумать очень и очень многое, имеют значение лишь постольку, поскольку удовлетворяют эксперименту. Именно поэтому основное свойство научных знаний состоит в том, что научное знание требует, допускает и проходит экспериментальную проверку.

Такие представления о науке как типе деятельности могут быть положены в основу организации учебного материала. Кроме того, они позволяют объяснить значение и содержание различных видов научных исследований. Рассмотрим эту модель на примере изучения темы «Фотоэффект».

Как известно, явление фотоэффекта было открыто Герцем, а эмпирические исследования этого явления провел Столетов и результаты этого исследования известны как законы Столетова. Перечислим эти законы:

1. Под действием света, падающего на металл, из металла вылетают электроны.

2. Количество электронов, вылетающих из металла под действием света, пропорционально интенсивности светового потока.

3. Существует минимальная частота падающего на металл света, при которой наблюдается явление фотоэффекта. При меньших этой частоты частотах явление фотоэффекта не наблюдается, а при больших частотах – наблюдается.

4. Эта минимальная частота зависит от рода металла и не зависит от интенсивности света.

5. Скорость вылетевших из металла электронов зависит от частоты падающего на металл света и не зависит от его интенсивности.

Наверно Столетов обнаружил и еще какие-то свойства этого явления, и в этом также проявляется особенность эмпирического исследования, которая состоит в том, что эмпирических характеристик у наблюдаемого явления бесконечно много. Это позволяет находить все новые и новые свойства, описывать их и использовать в практике.

Однако остановимся на перечисленных законах и попытаемся дать им объяснение с точки зрения известной в то время волновой теории света. Такое объяснение является также частью эмпирического исследования. Применение волновой теории света может объяснить само явление вырывания электронов из металла светом, так как свет как электромагнитная волна передает энергию. Эта энергия передается электрону, который, если полученная им энергия достаточно велика, может вырваться из металла и стать свободным электроном.

Кроме того, электромагнитная теория света позволяет объяснить зависимость количества вылетевших из металла электронов от интенсивности света. Ясно, что чем больше интенсивность света, тем большее число электронов приобретают энергию, необходимую для того, чтобы вылететь из металла и стать свободным.

Однако волновые представления о свете не могут объяснить существование минимальной частоты световой волны, с которой начинается фотоэффект, то есть наличие красной границы фотоэффекта, а также невозможно объяснить зависимость скорости фотоэлектронов от частоты падающего света и независимость скорости фотоэлектронов от интенсивности света.

Для объяснения этих закономерностей необходимо было изменить представление о свете. Это исследование было проведено Эйнштейном, который обобщил гипотезу Планка об излучении света порциями, квантами. Он выдвинул гипотезу о том, что свет не только излучается, но и поглощается порциями, квантами. Затем Эйнштейн применил для взаимодействия квантов света с электроном закон сохранения энергии, математическое выражение которого представляет собой известное уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Эта гипотеза представляет собой результат теоретического анализа, она дает новое представление о сущности световых явлений. Однако возникает вопрос, является ли эта теория верной.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо провести эксперимент, целью которого является проверка правильности теории Эйнштейна. Такие экспериментальные исследования были проведены Лукирским и Прилежаевым, которые изготовили специальные приборы и разработали методику экспериментального исследования. Как известно, результатом этого исследования является полученная из опыта линейная зависимость энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Этот результат подтвердил правильность уравнения Эйнштейна для фотоэффекта, что уже говорит об экспериментальном подтверждении гипотезы о корпускулярных свойствах света. Однако это только качественное подтверждение. Опыты Лукирского и Прилежаева позволили получить и количественные подтверждения правильности уравнения Эйнштейна для фотоэффекта. Тангенс угла наклона графика, на котором изображена линейная зависимость энергии фотоэлектронов от частоты падающего света, позволяет определить величину постоянной Планка, которая была получена ранее при изучении теплового излучения и его законов. Совпадение полученного значения постоянной Планка с известным значением, полученным в другой теории, уже представляет собой количественное подтверждение проверяемого закона. Кроме того, по графику можно вычислить работу выхода электрона из металла. Эта величина также может быть измерена другими методами на основании других теорий. Совпадение этих результатов также свидетельствует о правильности теории Эйнштейна для фотоэффекта.

Таким образом, после экспериментальной проверки уравнения Эйнштейна была подтверждена правильность новых представлений о свете. Это позволило проводить дальнейшие исследования фотоэффекта и применять их результаты на практике.

Аналогично можно построить изучение различных законов физики, например, законов свободного падения, законы последовательного и параллельного соединения проводников, конденсаторов и другие. Предложенная схема организации учебного материала применима не только при изучении физики, она может быть использована при изучении других наук. Это связано с тем, что в предлагаемой схеме использованы фундаментальные свойства научных знаний. Вместе с тем необходимо помнить, что любая схема является ограниченной и не может предлагаться во всех ситуациях.

Значение экспериментальных и эмпирических исследований требует при изучении физики введения специального раздела физики, посвященного этим исследованиям. Такой раздел называется «Общий физический практикум». При изучении этого раздела студенты на примере выполнения лабораторных работ приобретают навыки экспериментальных исследований, что позволяет изучать физику неформально. Общий физический практикум содержит лабораторные работы по различным разделам физики, однако есть общие требования выполнения любых лабораторных работ и любых экспериментальных исследований.

В проведении экспериментальных исследований и выполнении лабораторных работ можно условно выделить несколько основных этапов:

1. Формулировка цели лабораторной работы или экспериментального исследования.

2. Анализ физического метода, который используется в работе, выяснение его точности, а также пределов применимости.

3. Предварительная подготовка к выполнению исследования или лабораторной работы.

4. Подготовка установки, проведение опытов и измерений и их обработка.

5. Подготовка отчета по результатам выполненной работы. В научных исследованиях роль такого отчета играет научная публикация результатов исследования.

6. Защита лабораторной работы. В научных исследованиях роль такой защиты может играть обсуждение результатов на научном семинаре в лаборатории или на научных конференциях.

Ниже рассмотрены особенности этих этапов выполнения лабораторных работ.