6-科學(xué)觀察與科學(xué)實驗匯總課件

1、1科學(xué)觀察與科學(xué)實驗內(nèi)容提要科學(xué)事實科學(xué)觀察科學(xué)實驗2一、科學(xué)事實科學(xué)事實是指通過觀察與實驗所獲得的經(jīng)驗事實，是經(jīng)過科學(xué)整理和鑒定的確實事實。3、科學(xué)事實事實，客體與儀器的表征如觀測儀器上所記錄和顯示的數(shù)字、圖像，這類經(jīng)驗事實既與客體的本性有關(guān)，也與人所設(shè)置的認識條件有關(guān)。同一客體在不同儀器上的顯示是不同的。事實，對觀察結(jié)果的陳述和判斷既與客體的本性、儀器的設(shè)置，也與人運用描述事實的概念系統(tǒng)有關(guān)。同一事實在不同的概念系統(tǒng)中的描述可以不同。2、科學(xué)事實的特點個別性來自于感性活動，是關(guān)于個別存在的陳述，如“鈾具有放射性”，“水分子由二個氫原子和一個氧原子構(gòu)成”?？蓮?fù)核性重復(fù)實驗的壓力可以排除錯覺和

2、假象，消除謬誤精確性邁克爾遜莫雷實驗可靠性科學(xué)理論具有變動性，但科學(xué)事實盡可能精確、穩(wěn)定，如第谷的觀測資料、加熱氧化汞。3、科學(xué)事實在科學(xué)認識中的作用科學(xué)事實是形成科學(xué)概念、科學(xué)定律和科學(xué)原理，建立科學(xué)理論的基礎(chǔ)。黑體幅射、固體比熱、光電效應(yīng)量子理論貝納德花樣、化學(xué)振蕩、激光自組織理論科學(xué)事實是對科學(xué)假說和科學(xué)理論進行評價的基本手段。假說和理論的有效性必須通過與科學(xué)事實相比較7二、 觀察方法觀察是一種獲取科學(xué)事實的方法。天文觀察：日食、月食、彗星（哈雷）、行星（開普勒）、河外星系的紅移（哈勃）等天文現(xiàn)象；地理觀察：如徐霞客（游記），極地探險； 生物觀察：從蝌蚪到青蛙；從受精卵到胎兒； 王陽明“

3、格”竹子；竺可楨中國近五千年氣候變遷的初步研究1、定義人們通過感官或借助科學(xué)儀器，有目的的、有計劃的感知處于自然狀態(tài)下的對象，以獲取科學(xué)事實的一種研究方法。892、觀察分類直接觀察：憑借感官直接進行的觀察感知范圍極有限（可見光390750納米波，可聞聲2020000赫茲頻率）精度低觀察速度受限：高速或低速變化人無法感知感官錯覺：溫水實驗間接觀察：引入儀器103、觀察方法的作用1 為科學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。通過觀察“拿證據(jù)來”。如達爾文與生物進化論；竺可楨與物候?qū)W；開普勒與行星運動三大定律2 充當檢驗假說、發(fā)展理論的重要手段。 如相對論中的“光線彎曲”（1919年日食觀察時得到證實）；大爆炸理論

4、中的哈勃紅移（哈勃已觀察到）、3K背景輻射（BELL實驗室的科學(xué)家已觀察到）、反物質(zhì)（丁肇中阿爾法粒子磁譜儀，在搜尋中）11三、實驗方法歷史上若干著名的實驗：Michelson-Morley 實驗 關(guān)于以太漂移的實驗Millikan油滴實驗 測定電子的電荷Hertz驗證電磁波的實驗Miller模擬實驗：原始大氣生物小分子Recombinant DNA（H.Boyer and S. Cohen, 1973）克隆羊（1997年）121、定義實驗是人們根據(jù)一定的科研目的，利用科學(xué)儀器設(shè)備，人為地控制或模擬自然現(xiàn)象，使自然過程或生產(chǎn)過程以純粹、典型的形式表現(xiàn)出來，以便在有利的條件下進行觀察、研究的一種

5、方法。132、實驗的分類直接實驗?zāi)M實驗實驗者實驗手段實驗對象實驗者實驗工具實驗?zāi)Ｐ涂陀^原型2、分類根據(jù)實驗結(jié)果性質(zhì)：定性實驗，定量實驗，結(jié)構(gòu)分析實驗；根據(jù)實驗功能：析因?qū)嶒?，對照（雙盲）實驗，判決實驗。1415（3）判決性實驗假定關(guān)于同一個科學(xué)實驗存在著兩個（或更多）相互競爭的科學(xué)理論或假說1和，它們幾乎同樣地經(jīng)受住了以往的實驗檢驗。這時候，如果能給出某種新的實驗檢驗，對于這一檢驗，假說和分別作出相反的預(yù)言和非，如果這一實驗檢驗結(jié)果肯定了預(yù)測（同時否定了非），那么就可以對兩個相互競爭的實驗加以裁決：認為第一個假說得到了決定性的支持或確認，而第二個假說也就被否決了。16例如1850年傅科實驗肯

6、定了光的波動說而否定了光的微粒說，1919年愛丁頓對日全蝕的觀測結(jié)果與牛頓力學(xué)的推論相悖，而與廣義相對論的預(yù)言一致，被認為是對廣義相對論的驗證。但由于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是光電效應(yīng)和光子的發(fā)現(xiàn)，使人們對判決性實驗的作用發(fā)生懷疑。有人據(jù)此否認判決性實驗的存在，如奎因（更早有杜恒的預(yù)言）發(fā)現(xiàn)，科學(xué)一旦碰到反例，就會通過調(diào)整理論系統(tǒng)的某一部分而保留另外的部分。另外的學(xué)者堅持判決性實驗的存在，如吳健雄實驗對宇宙守恒與不守恒的判決性作用。17判決性實驗的爭論，表明觀察和實驗對理論的檢驗有確定性和不確定性的兩面。在特定條件下可以重復(fù)的科學(xué)觀察和實驗總是具體的和確定的，它在支持一個假說的同時，又能為證偽一

7、個假說提供支持條件。由于實驗技術(shù)和相關(guān)的科學(xué)理論都在發(fā)展，已有的實驗結(jié)果可能被否定或作出新的解釋，又由于理論本身是有結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系的，因此很難判定假說的哪一部分有錯誤。從根本上講，理論和假說的檢驗是一個歷史過程，并不是一次實驗或觀察就可以完成的。183、實驗方法的作用簡化和純化研究對象；強化和激化研究對象；再現(xiàn)、加速、延緩或模擬變化過程居維葉：“觀察者聽命于自然界，而實驗者則質(zhì)問自然界，并迫使自然界坦露她的奧秘”。(1)簡化和純化研究對象 實驗可以利用各種手段，把所研究的對象從復(fù)雜的聯(lián)系中分離出來，排除次要的、偶然的和附屬的因素，使事物現(xiàn)象的發(fā)展變化以簡化的、純粹狀態(tài)顯現(xiàn)出來。- 為檢驗電磁相

8、互作用、弱相互作用和強相互作用統(tǒng)一的假說，溫伯格、格拉肖、薩拉姆等人在美國克利夫蘭市以東40公里的一個廢棄的鹽礦，在地下600米的深處，建造了一個能灌入1萬噸純水的大洞，以尋找質(zhì)子衰變的閃光，從而驗證了三個相互作用的統(tǒng)一性假說。之所以如此，是為了排除宇宙射線和水中其他雜質(zhì)的干擾，使整個研究工作在純粹狀態(tài)下進行。19（2）強化和激化研究對象人工控制狀態(tài)下，可以使被觀察現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)，以保證觀測資料和數(shù)據(jù)的準確性。超高溫、超低溫、超真空、超強磁場、超導(dǎo)電性。20（3）再現(xiàn)、加速、延緩或模擬變化過程有些自然現(xiàn)象極為短暫，轉(zhuǎn)瞬即逝，如基本粒子的壽命一般為10-1010-8秒，而共振態(tài)粒子的壽命僅為10-

9、2410-23秒，而有的極為緩慢，如天體演化、生命起源。1953年美國芝加哥大學(xué)研究生米勒用甲烷、氨、氫、水汽混合成一種與原始大氣相同的氣體，放入真空玻璃瓶，對它進入火花放電來模擬原始地球大氣層的閃電，結(jié)果只用了一星期，便在其中得到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天門冬氨酸等四種構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要氨基酸。而這個過程在自然條件下卻需要數(shù)百萬年時間。21四、觀察與實驗中的若干認識論問題觀察滲透理論：觀察的客觀性 科學(xué)儀器的性質(zhì)和作用 觀察與實驗中的機遇 22231、一個哲學(xué)命題：觀察滲透理論“觀察”紅樓夢：道學(xué)家（滿紙是“淫”）、才子佳人（纏綿的愛情）、革命家（排滿）、流言家（宮廷秘史）（魯迅：因人的眼光

10、不同，而讀出不同的東西）生活中：情人眼里出西施；及其他觀察下面幾幅圖：24觀察滲透理論：為什么？觀察，不僅是一個信息接受的過程，同時也是一個信息加工的過程。這個加工過程必然與觀察者的知識背景、生活經(jīng)驗、心理定勢等“理論”聯(lián)系在一起的。對觀察結(jié)果的陳述，要用到語言，而語言是與理論相聯(lián)系的，如專業(yè)術(shù)語。因此，不同的觀察者對同一個對象或過程的觀察，會得出不同的結(jié)論。25漢森：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的模式漢森認為，持不同的理論觀點的人可能會對同一對象形成不同的觀察結(jié)果。如開普勒和第谷看到的并不是同一個太陽。這是因為：眼睛從觀察對象得到光刺激而形成視網(wǎng)膜印象，這是物理過程，而“看到”是一種觀察經(jīng)驗，屬于心理過程，它已

11、把外來刺激與過去認識（包括理論和經(jīng)驗）溶為一體。人們對感覺材料首先的反應(yīng)，是有意無意地以一種概念模式去套，使它適用于自己過去較為熟悉的材料，從而使各人對同一對象的反應(yīng)有各種程度的差異。類似于格式塔心理學(xué)（完形心理學(xué)）。262、實驗儀器科學(xué)儀器是人類在認識的一定階段，從生產(chǎn)和生活工具中分化出專門用于認識的工具，科學(xué)工具的出現(xiàn)加速了科學(xué)認識的發(fā)展?？茖W(xué)儀器是實現(xiàn)科學(xué)認識的物質(zhì)手段，是人體認識器官的延伸，是科學(xué)知識和科學(xué)理論物化的認識工具?？茖W(xué)儀器對認識主體的規(guī)定規(guī)定主體的認識內(nèi)容。改變主體的認識方式：理性思辨/實驗探索/集體研究。推動了認識主體的形成與發(fā)展：專門的科學(xué)家。科學(xué)儀器的雙重性：客觀性主

12、體性27實驗規(guī)模的發(fā)展作為科學(xué)認識的重要手段，真正系統(tǒng)的科學(xué)實驗是在16世紀開始的。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，科學(xué)實驗的深度、廣度以及手段、規(guī)模發(fā)生了深刻的變化。一直到19世紀初，當時最卓越的化學(xué)家柏齊里烏斯的實驗室還在他在廚房，化學(xué)與烹飪一起進行；1817年格拉斯哥大學(xué)建立第一個供教學(xué)用的化學(xué)實驗室，1824李比希在吉森大學(xué)建立另外一個更出名的化學(xué)實驗室，至此，實驗成為科學(xué)家訓(xùn)練必要組成部分。到1870年代劍橋卡文迪許物理實驗室成立，愛迪生主持芝加哥“發(fā)明工廠”，科學(xué)實驗的規(guī)模才有了突變。20世紀，科學(xué)實驗進一步社會化，由小集團到國家，甚至國際規(guī)模。例如美國的曼哈頓計劃，耗資42億美元

13、，而歐洲核子研究中心實驗室，集合了歐洲12個國家的人力和資金。實驗設(shè)備和技術(shù)是衡量科技發(fā)展水平的重要指標。283、觀察實驗中的機遇問題科學(xué)觀察實驗是人們在一定的理論指導(dǎo)下認識未知的實踐活動，具有明確的目的性、高度的組織性和嚴密的計劃性；另一方面由于人們的觀察只能建立在已有的認識基礎(chǔ)上，難免具有一定的不確定性、意外性。而這種意外，有時卻能導(dǎo)致重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。機遇即能夠?qū)е掳l(fā)現(xiàn)的機會。是一種意外和偶然。29機遇性發(fā)現(xiàn)的類型同向性發(fā)現(xiàn)與原有理論（假說）相一致的發(fā)現(xiàn)。如海王星，填補化學(xué)元素周期表空格的各種元素的發(fā)現(xiàn)，正電子的發(fā)現(xiàn)等等背向性發(fā)現(xiàn)與原有理論或預(yù)言相反的發(fā)現(xiàn)。如邁克爾遜莫雷實驗，盧瑟福a粒子

14、散射實驗。異向性發(fā)現(xiàn)與原有理論或假說預(yù)言不相干的發(fā)現(xiàn)，射馬得獐。伽伐尼關(guān)于生物電的發(fā)現(xiàn)，倫琴關(guān)于X射線發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯的微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。30第一個合成染料（的故事）：1856年，PERKIN本想用煤焦油的產(chǎn)品合成藥物奎寧，結(jié)果得到了一種紫色的染料。由于合成染料市場潛力巨大， PERKIN棄學(xué)從商，獲得巨大的成功。 Rontgen與X射線藥物（Fleming與青霉素，等）機遇是客觀存在的。機遇的例子：311839古德義爾橡膠的硫化技術(shù)。 1844貝爾電話1899年馮梅林與明可夫斯基：胰臟與糖尿病。袁隆平：野生稻種/雜交水稻。32貝弗里奇在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)一書中列舉了大量的例子如梅契科夫發(fā)現(xiàn)吞噬細

15、胞、德國化學(xué)家凱庫勒在半睡眠狀態(tài)下由直覺而發(fā)現(xiàn)苯的六角環(huán)形結(jié)構(gòu)，更有意思的是，達爾文和華萊士都因閱讀馬爾薩斯的人口論而悟出生存競爭的自然選擇。當然還有阿基米德在浴盆里忽然直覺到放在水中的物體所愛浮力大小與物體排開水的重量關(guān)系的阿基米德原理。如此等等的例子，不勝枚舉。 33常言道 有意插花花不發(fā)，無意插柳柳成蔭； 踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫。34如何抓住機遇？名言：Chance only favors the prepared mind（Pasteur）機遇只青睞有準備的頭腦。1 要時刻準備著。2 要有敏銳的洞察力；3 要有扎實的知識和經(jīng)驗儲備；4 要有豐富的想象力35機遇性發(fā)現(xiàn)的條件有敏銳的思想，豐富的想象力和判斷力巴斯德“在觀察的領(lǐng)域，機遇只偏愛那種有準備的頭腦”。弗萊明青霉素/倫琴/約里奧居里誤把中子當成高能r射線要有嚴密觀察的良好習(xí)慣和較強的洞察力達爾文觀察野鴨和家鴨/密立根1910年油滴實驗，測量電荷，但他指出有一個電荷為電子電荷的2/3是不是一個夸克？要有廣博的知識和經(jīng)驗