6-科學(xué)觀察與科學(xué)實(shí)驗(yàn)匯總課件

1、1科學(xué)觀察與科學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提要科學(xué)事實(shí)科學(xué)觀察科學(xué)實(shí)驗(yàn)2一、科學(xué)事實(shí)科學(xué)事實(shí)是指通過(guò)觀察與實(shí)驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，是經(jīng)過(guò)科學(xué)整理和鑒定的確實(shí)事實(shí)。3、科學(xué)事實(shí)事實(shí)，客體與儀器的表征如觀測(cè)儀器上所記錄和顯示的數(shù)字、圖像，這類經(jīng)驗(yàn)事實(shí)既與客體的本性有關(guān)，也與人所設(shè)置的認(rèn)識(shí)條件有關(guān)。同一客體在不同儀器上的顯示是不同的。事實(shí)，對(duì)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(yùn)用描述事實(shí)的概念系統(tǒng)有關(guān)。同一事實(shí)在不同的概念系統(tǒng)中的描述可以不同。2、科學(xué)事實(shí)的特點(diǎn)個(gè)別性來(lái)自于感性活動(dòng)，是關(guān)于個(gè)別存在的陳述，如“鈾具有放射性”，“水分子由二個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成”?？蓮?fù)核性重復(fù)實(shí)驗(yàn)的壓力可以排除錯(cuò)覺(jué)和

2、假象，消除謬誤精確性邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)可靠性科學(xué)理論具有變動(dòng)性，但科學(xué)事實(shí)盡可能精確、穩(wěn)定，如第谷的觀測(cè)資料、加熱氧化汞。3、科學(xué)事實(shí)在科學(xué)認(rèn)識(shí)中的作用科學(xué)事實(shí)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(shí)是對(duì)科學(xué)假說(shuō)和科學(xué)理論進(jìn)行評(píng)價(jià)的基本手段。假說(shuō)和理論的有效性必須通過(guò)與科學(xué)事實(shí)相比較7二、 觀察方法觀察是一種獲取科學(xué)事實(shí)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(xiǎn)； 生物觀察：從蝌蚪到青蛙；從受精卵到胎兒； 王陽(yáng)明“

3、格”竹子；竺可楨中國(guó)近五千年氣候變遷的初步研究1、定義人們通過(guò)感官或借助科學(xué)儀器，有目的的、有計(jì)劃的感知處于自然狀態(tài)下的對(duì)象，以獲取科學(xué)事實(shí)的一種研究方法。892、觀察分類直接觀察：憑借感官直接進(jìn)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(wú)法感知感官錯(cuò)覺(jué)：溫水實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)觀察“拿證據(jù)來(lái)”。如達(dá)爾文與生物進(jìn)化論；竺可楨與物候?qū)W；開普勒與行星運(yùn)動(dòng)三大定律2 充當(dāng)檢驗(yàn)假說(shuō)、發(fā)展理論的重要手段。 如相對(duì)論中的“光線彎曲”（1919年日食觀察時(shí)得到證實(shí)）；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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法歷史上若干著名的實(shí)驗(yàn)：Michelson-Morley 實(shí)驗(yàn) 關(guān)于以太漂移的實(shí)驗(yàn)Millikan油滴實(shí)驗(yàn) 測(cè)定電子的電荷Hertz驗(yàn)證電磁波的實(shí)驗(yàn)Miller模擬實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)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(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程以純粹、典型的形式表現(xiàn)出來(lái)，以便在有利的條件下進(jìn)行觀察、研究的一種

5、方法。132、實(shí)驗(yàn)的分類直接實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)手段實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)工具實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂陀^原型2、分類根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果性質(zhì)：定性實(shí)驗(yàn)，定量實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)功能：析因?qū)嶒?yàn)，對(duì)照（雙盲）實(shí)驗(yàn)，判決實(shí)驗(yàn)。1415（3）判決性實(shí)驗(yàn)假定關(guān)于同一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)存在著兩個(gè)（或更多）相互競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)理論或假說(shuō)1和，它們幾乎同樣地經(jīng)受住了以往的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這時(shí)候，如果能給出某種新的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)于這一檢驗(yàn)，假說(shuō)和分別作出相反的預(yù)言和非，如果這一實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果肯定了預(yù)測(cè)（同時(shí)否定了非），那么就可以對(duì)兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)驗(yàn)加以裁決：認(rèn)為第一個(gè)假說(shuō)得到了決定性的支持或確認(rèn)，而第二個(gè)假說(shuō)也就被否決了。16例如1850年傅科實(shí)驗(yàn)肯

6、定了光的波動(dòng)說(shuō)而否定了光的微粒說(shuō)，1919年愛丁頓對(duì)日全蝕的觀測(cè)結(jié)果與牛頓力學(xué)的推論相悖，而與廣義相對(duì)論的預(yù)言一致，被認(rèn)為是對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)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(duì)判決性實(shí)驗(yàn)的作用發(fā)生懷疑。有人據(jù)此否認(rèn)判決性實(shí)驗(yàn)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(huì)通過(guò)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(jiān)持判決性實(shí)驗(yàn)的存在，如吳健雄實(shí)驗(yàn)對(duì)宇宙守恒與不守恒的判決性作用。17判決性實(shí)驗(yàn)的爭(zhēng)論，表明觀察和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)總是具體的和確定的，它在支持一個(gè)假說(shuō)的同時(shí)，又能為證偽一

7、個(gè)假說(shuō)提供支持條件。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和相關(guān)的科學(xué)理論都在發(fā)展，已有的實(shí)驗(yàn)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(shuō)的哪一部分有錯(cuò)誤。從根本上講，理論和假說(shuō)的檢驗(yàn)是一個(gè)歷史過(guò)程，并不是一次實(shí)驗(yàn)或觀察就可以完成的。183、實(shí)驗(yàn)方法的作用簡(jiǎn)化和純化研究對(duì)象；強(qiáng)化和激化研究對(duì)象；再現(xiàn)、加速、延緩或模擬變化過(guò)程居維葉：“觀察者聽命于自然界，而實(shí)驗(yàn)者則質(zhì)問(wèn)自然界，并迫使自然界坦露她的奧秘”。(1)簡(jiǎn)化和純化研究對(duì)象 實(shí)驗(yàn)可以利用各種手段，把所研究的對(duì)象從復(fù)雜的聯(lián)系中分離出來(lái)，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(jiǎn)化的、純粹狀態(tài)顯現(xiàn)出來(lái)。- 為檢驗(yàn)電磁相

8、互作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用統(tǒng)一的假說(shuō)，溫伯格、格拉肖、薩拉姆等人在美國(guó)克利夫蘭市以東40公里的一個(gè)廢棄的鹽礦，在地下600米的深處，建造了一個(gè)能灌入1萬(wàn)噸純水的大洞，以尋找質(zhì)子衰變的閃光，從而驗(yàn)證了三個(gè)相互作用的統(tǒng)一性假說(shuō)。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(gè)研究工作在純粹狀態(tài)下進(jìn)行。19（2）強(qiáng)化和激化研究對(duì)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(cè)資料和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。超高溫、超低溫、超真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超導(dǎo)電性。20（3）再現(xiàn)、加速、延緩或模擬變化過(guò)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(guó)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(duì)它進(jìn)入火花放電來(lái)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(gè)過(guò)程在自然條件下卻需要數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間。21四、觀察與實(shí)驗(yàn)中的若干認(rèn)識(shí)論問(wèn)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(shí)驗(yàn)中的機(jī)遇 22231、一個(gè)哲學(xué)命題：觀察滲透理論“觀察”紅樓夢(mèng)：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(gè)信息接受的過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)信息加工的過(guò)程。這個(gè)加工過(guò)程必然與觀察者的知識(shí)背景、生活經(jīng)驗(yàn)、心理定勢(shì)等“理論”聯(lián)系在一起的。對(duì)觀察結(jié)果的陳述，要用到語(yǔ)言，而語(yǔ)言是與理論相聯(lián)系的，如專業(yè)術(shù)語(yǔ)。因此，不同的觀察者對(duì)同一個(gè)對(duì)象或過(guò)程的觀察，會(huì)得出不同的結(jié)論。25漢森：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的模式漢森認(rèn)為，持不同的理論觀點(diǎn)的人可能會(huì)對(duì)同一對(duì)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(gè)太陽(yáng)。這是因?yàn)椋貉劬挠^察對(duì)象得到光刺激而形成視網(wǎng)膜印象，這是物理過(guò)程，而“看到”是一種觀察經(jīng)驗(yàn)，屬于心理過(guò)程，它已

11、把外來(lái)刺激與過(guò)去認(rèn)識(shí)（包括理論和經(jīng)驗(yàn)）溶為一體。人們對(duì)感覺(jué)材料首先的反應(yīng)，是有意無(wú)意地以一種概念模式去套，使它適用于自己過(guò)去較為熟悉的材料，從而使各人對(duì)同一對(duì)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(shí)驗(yàn)儀器科學(xué)儀器是人類在認(rèn)識(shí)的一定階段，從生產(chǎn)和生活工具中分化出專門用于認(rèn)識(shí)的工具，科學(xué)工具的出現(xiàn)加速了科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展?？茖W(xué)儀器是實(shí)現(xiàn)科學(xué)認(rèn)識(shí)的物質(zhì)手段，是人體認(rèn)識(shí)器官的延伸，是科學(xué)知識(shí)和科學(xué)理論物化的認(rèn)識(shí)工具?？茖W(xué)儀器對(duì)認(rèn)識(shí)主體的規(guī)定規(guī)定主體的認(rèn)識(shí)內(nèi)容。改變主體的認(rèn)識(shí)方式：理性思辨/實(shí)驗(yàn)探索/集體研究。推動(dòng)了認(rèn)識(shí)主體的形成與發(fā)展：專門的科學(xué)家?？茖W(xué)儀器的雙重性：客觀性主

12、體性27實(shí)驗(yàn)規(guī)模的發(fā)展作為科學(xué)認(rèn)識(shí)的重要手段，真正系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是在16世紀(jì)開始的。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)初，當(dāng)時(shí)最卓越的化學(xué)家柏齊里烏斯的實(shí)驗(yàn)室還在他在廚房，化學(xué)與烹飪一起進(jìn)行；1817年格拉斯哥大學(xué)建立第一個(gè)供教學(xué)用的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，1824李比希在吉森大學(xué)建立另外一個(gè)更出名的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，至此，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室成立，愛迪生主持芝加哥“發(fā)明工廠”，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模才有了突變。20世紀(jì)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步社會(huì)化，由小集團(tuán)到國(guó)家，甚至國(guó)際規(guī)模。例如美國(guó)的曼哈頓計(jì)劃，耗資42億美元

13、，而歐洲核子研究中心實(shí)驗(yàn)室，集合了歐洲12個(gè)國(guó)家的人力和資金。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)是衡量科技發(fā)展水平的重要指標(biāo)。283、觀察實(shí)驗(yàn)中的機(jī)遇問(wèn)題科學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)是人們?cè)谝欢ǖ睦碚撝笇?dǎo)下認(rèn)識(shí)未知的實(shí)踐活動(dòng)，具有明確的目的性、高度的組織性和嚴(yán)密的計(jì)劃性；另一方面由于人們的觀察只能建立在已有的認(rèn)識(shí)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(shí)卻能導(dǎo)致重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。機(jī)遇即能夠?qū)е掳l(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。是一種意外和偶然。29機(jī)遇性發(fā)現(xiàn)的類型同向性發(fā)現(xiàn)與原有理論（假說(shuō)）相一致的發(fā)現(xiàn)。如海王星，填補(bǔ)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(shí)驗(yàn)，盧瑟福a粒子

14、散射實(shí)驗(yàn)。異向性發(fā)現(xiàn)與原有理論或假說(shuō)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(gè)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(chǎng)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(jī)遇是客觀存在的。機(jī)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(xì)

15、胞、德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒在半睡眠狀態(tài)下由直覺(jué)而發(fā)現(xiàn)苯的六角環(huán)形結(jié)構(gòu)，更有意思的是，達(dá)爾文和華萊士都因閱讀馬爾薩斯的人口論而悟出生存競(jìng)爭(zhēng)的自然選擇。當(dāng)然還有阿基米德在浴盆里忽然直覺(jué)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(wú)意插柳柳成蔭； 踏破鐵鞋無(wú)覓處，得來(lái)全不費(fèi)工夫。34如何抓住機(jī)遇？名言：Chance only favors the prepared mind（Pasteur）機(jī)遇只青睞有準(zhǔn)備的頭腦。1 要時(shí)刻準(zhǔn)備著。2 要有敏銳的洞察力；3 要有扎實(shí)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備；4 要有豐富的想象力35機(jī)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(jī)遇只偏愛那種有準(zhǔn)備的頭腦”。弗萊明青霉素/倫琴/約里奧居里誤把中子當(dāng)成高能r射線要有嚴(yán)密觀察的良好習(xí)慣和較強(qiáng)的洞察力達(dá)爾文觀察野鴨和家鴨/密立根1910年油滴實(shí)驗(yàn)，測(cè)量電荷，但他指出有一個(gè)電荷為電子電荷的2/3是不是一個(gè)夸克？要有廣博的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)