科学观察与科学实验汇总课件.ppt

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1、1科学观察与科学实验科学观察与科学实验内容提要科学事实科学观察科学实验2一、科学事实科学事实是指通过观察与实验所获得的经验事实，是经过科学整理和鉴定的确实事实。3、科学事实事实，客体与仪器的表征如观测仪器上所记录和显示的数字、图像，这类经验事实既与客体的本性有关，也与人所设置的认识条件有关。同一客体在不同仪器上的显示是不同的。事实，对观察结果的陈述和判断既与客体的本性、仪器的设置，也与人运用描述事实的概念系统有关。同一事实在不同的概念系统中的描述可以不同。2、科学事实的特点个别性来自于感性活动，是关于个别存在的陈述，如“铀具有放射性”，“水分子由二个氢原子和一个氧原子构成”。可复核性重复实验的

2、压力可以排除错觉和假象，消除谬误精确性迈克尔逊莫雷实验可靠性科学理论具有变动性，但科学事实尽可能精确、稳定，如第谷的观测资料、加热氧化汞。3、科学事实在科学认识中的作用科学事实是形成科学概念、科学定律和科学原理，建立科学理论的基础。黑体幅射、固体比热、光电效应量子理论贝纳德花样、化学振荡、激光自组织理论科学事实是对科学假说和科学理论进行评价的基本手段。假说和理论的有效性必须通过与科学事实相比较7二、二、观察方法观察方法观察是一种获取科学事实的方法。观察是一种获取科学事实的方法。天文观察：日食、月食、彗星（哈雷）、行星天文观察：日食、月食、彗星（哈雷）、行星（开普勒）、河外星系的红移（哈勃）等天

3、文（开普勒）、河外星系的红移（哈勃）等天文现象；现象；地理观察：如徐霞客（游记），极地探险；地理观察：如徐霞客（游记），极地探险；生物观察：从蝌蚪到青蛙；从受精卵到胎儿；生物观察：从蝌蚪到青蛙；从受精卵到胎儿；王阳明王阳明“格格”竹子；竺可桢竹子；竺可桢中国近五千年气中国近五千年气候变迁的初步研究候变迁的初步研究1 1、定义、定义人们通过感官或借助科学仪器，有目的人们通过感官或借助科学仪器，有目的的、有计划的感知处于自然状态下的对的、有计划的感知处于自然状态下的对象，以获取科学事实的一种研究方法。象，以获取科学事实的一种研究方法。892、观察分类直接观察：凭借感官直接进行的观察直接观察：凭借感

4、官直接进行的观察感知范围极有限（可见光390750纳米波，可闻声2020000赫兹频率）精度低观察速度受限：高速或低速变化人无法感知感官错觉：温水实验间接观察：引入仪器间接观察：引入仪器103 3、观察方法的作用、观察方法的作用1 1 为科学研究打下坚实的基础。通过观察为科学研究打下坚实的基础。通过观察“拿拿证据来证据来”。如达尔文与生物进化论；竺可桢。如达尔文与生物进化论；竺可桢与物候学；开普勒与行星运动三大定律与物候学；开普勒与行星运动三大定律2 2 充当检验假说、发展理论的重要手段。充当检验假说、发展理论的重要手段。如相如相对论中的对论中的“光线弯曲光线弯曲”（19191919年日食观察

5、时年日食观察时得到证实）；大爆炸理论中的哈勃红移（哈得到证实）；大爆炸理论中的哈勃红移（哈勃已观察到）、勃已观察到）、3K3K背景辐射（背景辐射（BELLBELL实验室的实验室的科学家已观察到）、反物质（丁肇中阿尔法科学家已观察到）、反物质（丁肇中阿尔法粒子磁谱仪，在搜寻中）粒子磁谱仪，在搜寻中）11三、实验方法三、实验方法历史上若干著名的实验：历史上若干著名的实验：Michelson-Morley Michelson-Morley 实验实验 关于以太漂移的实验关于以太漂移的实验MillikanMillikan油滴实验油滴实验 测定电子的电荷测定电子的电荷HertzHertz验证电磁波的实验验

6、证电磁波的实验MillerMiller模拟实验：原始大气模拟实验：原始大气生物小分子生物小分子Recombinant DNARecombinant DNA（H.Boyer and S.Cohen,H.Boyer and S.Cohen,19731973）克隆羊（克隆羊（19971997年）年）121 1、定义、定义实验是人们根据一定的科研目的，利用实验是人们根据一定的科研目的，利用科学仪器设备，人为地控制或模拟自然科学仪器设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然过程或生产过程以纯粹、现象，使自然过程或生产过程以纯粹、典型的形式表现出来，以便在有利的条典型的形式表现出来，以便在有利的条件下进行观察

7、、研究的一种方法。件下进行观察、研究的一种方法。132、实验的分类直接实验模拟实验实验者实验者实验手段实验手段实验对象实验对象实验者实验者实验工具实验工具实验模型实验模型客观原型客观原型2 2、分类、分类根据实验结果性质：定性实验，定量实根据实验结果性质：定性实验，定量实验，结构分析实验；验，结构分析实验；根据实验功能：析因实验，对照（双盲）根据实验功能：析因实验，对照（双盲）实验，判决实验。实验，判决实验。1415（3）判决性实验假定关于同一个科学实验存在着两个（或更多）相互竞争的科学理论或假说1和，它们几乎同样地经受住了以往的实验检验。这时候，如果能给出某种新的实验检验，对于这一检验，假说

8、和分别作出相反的预言和非，如果这一实验检验结果肯定了预测（同时否定了非），那么就可以对两个相互竞争的实验加以裁决：认为第一个假说得到了决定性的支持或确认，而第二个假说也就被否决了。16例如1850年傅科实验肯定了光的波动说而否定了光的微粒说，1919年爱丁顿对日全蚀的观测结果与牛顿力学的推论相悖，而与广义相对论的预言一致，被认为是对广义相对论的验证。但由于现代物理学的发展，特别是光电效应和光子的发现，使人们对判决性实验的作用发生怀疑。有人据此否认判决性实验的存在，如奎因（更早有杜恒的预言）发现，科学一旦碰到反例，就会通过调整理论系统的某一部分而保留另外的部分。另外的学者坚持判决性实验的存在，如

9、吴健雄实验对宇宙守恒与不守恒的判决性作用。17判决性实验的争论，表明观察和实验对理论的检验有确定性和不确定性的两面。在特定条件下可以重复的科学观察和实验总是具体的和确定的，它在支持一个假说的同时，又能为证伪一个假说提供支持条件。由于实验技术和相关的科学理论都在发展，已有的实验结果可能被否定或作出新的解释，又由于理论本身是有结构和相互联系的，因此很难判定假说的哪一部分有错误。从根本上讲，理论和假说的检验是一个历史过程，并不是一次实验或观察就可以完成的。183 3、实验方法的作用、实验方法的作用简化和纯化研究对象；简化和纯化研究对象；强化和激化研究对象；强化和激化研究对象；再现、加速、延缓或模拟变

10、化过程再现、加速、延缓或模拟变化过程居维叶：“观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并迫使自然界坦露她的奥秘”。(1)(1)简化和纯化研究对象简化和纯化研究对象l 实验可以利用各种手段，把所研究的对象从复杂的联系中分离出来，排除次要的、偶然的和附属的因素，使事物现象的发展变化以简化的、纯粹状态显现出来。-为检验电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一的假说，温伯格、格拉肖、萨拉姆等人在美国克利夫兰市以东40公里的一个废弃的盐矿，在地下600米的深处，建造了一个能灌入1万吨纯水的大洞，以寻找质子衰变的闪光，从而验证了三个相互作用的统一性假说。之所以如此，是为了排除宇宙射线和水中其他杂质的干扰

11、，使整个研究工作在纯粹状态下进行。19（2 2）强化和激化研究对象）强化和激化研究对象l人工控制状态下，可以使被观察现象重复出现，以保证观测资料和数据的准确性。l超高温、超低温、超真空、超强磁场、超导电性。20（3 3）再现、加速、延缓或模拟变化过程）再现、加速、延缓或模拟变化过程有些自然现象极为短暂，转瞬即逝，如基本粒子的寿命一般为10-1010-8秒，而共振态粒子的寿命仅为10-2410-23秒，而有的极为缓慢，如天体演化、生命起源。1953年美国芝加哥大学研究生米勒用甲烷、氨、氢、水汽混合成一种与原始大气相同的气体，放入真空玻璃瓶，对它进入火花放电来模拟原始地球大气层的闪电，结果只用了一

12、星期，便在其中得到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸等四种构成蛋白质的重要氨基酸。而这个过程在自然条件下却需要数百万年时间。21四、观察与实验中的若干认识论问题四、观察与实验中的若干认识论问题观察渗透理论：观察的客观性 科学仪器的性质和作用 观察与实验中的机遇 22231 1、一个哲学命题：观察渗透理论、一个哲学命题：观察渗透理论“观察观察”红楼梦红楼梦：道学家（满纸是：道学家（满纸是“淫淫”）、才子佳人（缠绵的爱情）、革命家）、才子佳人（缠绵的爱情）、革命家（排满）、流言家（宫廷秘史）（鲁迅：（排满）、流言家（宫廷秘史）（鲁迅：因人的眼光不同，而读出不同的东西）因人的眼光不同，而读出不同的

13、东西）生活中：情人眼里出西施；及其他生活中：情人眼里出西施；及其他观察下面几幅图：观察下面几幅图：24观察渗透理论：为什么？观察渗透理论：为什么？观察，不仅是一个信息接受的过程，同观察，不仅是一个信息接受的过程，同时也是一个信息加工的过程。这个加工时也是一个信息加工的过程。这个加工过程必然与观察者的知识背景、生活经过程必然与观察者的知识背景、生活经验、心理定势等验、心理定势等“理论理论”联系在一起的。联系在一起的。对观察结果的陈述，要用到语言，而语对观察结果的陈述，要用到语言，而语言是与理论相联系的，如专业术语。言是与理论相联系的，如专业术语。因此，不同的观察者对同一个对象或过因此，不同的观察

14、者对同一个对象或过程的观察，会得出不同的结论。程的观察，会得出不同的结论。25汉森：科学发现的模式汉森认为，持不同的理论观点的人可能会对同一对象形成不同的观察结果。如开普勒和第谷看到的并不是同一个太阳。这是因为：眼睛从观察对象得到光刺激而形成视网膜印象，这是物理过程，而“看到”是一种观察经验，属于心理过程，它已把外来刺激与过去认识（包括理论和经验）溶为一体。人们对感觉材料首先的反应，是有意无意地以一种概念模式去套，使它适用于自己过去较为熟悉的材料，从而使各人对同一对象的反应有各种程度的差异。类似于格式塔心理学（完形心理学）。262、实验仪器科学仪器是人类在认识的一定阶段，从生产和生活工具中分化

15、出专门用于认识的工具，科学工具的出现加速了科学认识的发展。科学仪器是实现科学认识的物质手段，是人体认识器官的延伸，是科学知识和科学理论物化的认识工具。科学仪器对认识主体的规定规定主体的认识内容。改变主体的认识方式：理性思辨/实验探索/集体研究。推动了认识主体的形成与发展：专门的科学家。科学仪器的双重性：客观性主体性27实验规模的发展作为科学认识的重要手段，真正系统的科学实验是在16世纪开始的。随着生产的发展和科学技术的进步，科学实验的深度、广度以及手段、规模发生了深刻的变化。一直到19世纪初，当时最卓越的化学家柏齐里乌斯的实验室还在他在厨房，化学与烹饪一起进行；1817年格拉斯哥大学建立第一个

16、供教学用的化学实验室，1824李比希在吉森大学建立另外一个更出名的化学实验室，至此，实验成为科学家训练必要组成部分。到1870年代剑桥卡文迪许物理实验室成立，爱迪生主持芝加哥“发明工厂”，科学实验的规模才有了突变。20世纪，科学实验进一步社会化，由小集团到国家，甚至国际规模。例如美国的曼哈顿计划，耗资42亿美元，而欧洲核子研究中心实验室，集合了欧洲12个国家的人力和资金。实验设备和技术是衡量科技发展水平的重要指标。283、观察实验中的机遇问题、观察实验中的机遇问题科学观察实验是人们在一定的理论指导下认识未知的实践活动，具有明确的目的性、高度的组织性和严密的计划性；另一方面由于人们的观察只能建立

17、在已有的认识基础上，难免具有一定的不确定性、意外性。而这种意外，有时却能导致重大的科学发现。机遇即能够导致发现的机会。是一种意外和偶然。29机遇性发现的类型同向性发现同向性发现与原有理论（假说）相一致的发现。如海王星，填补化学元素周期表空格的各种元素的发现，正电子的发现等等背向性发现背向性发现与原有理论或预言相反的发现。如迈克尔逊莫雷实验，卢瑟福a粒子散射实验。异向性发现异向性发现与原有理论或假说预言不相干的发现，射马得獐。伽伐尼关于生物电的发现，伦琴关于X射线发现，彭齐亚斯的微波背景辐射的发现。30第一个合成染料（的故事）：第一个合成染料（的故事）：18561856年，年，PERKINPER

18、KIN本想用煤焦油的产品合成药物奎本想用煤焦油的产品合成药物奎宁，结果得到了一种紫色的染料。由于宁，结果得到了一种紫色的染料。由于合成染料市场潜力巨大，合成染料市场潜力巨大，PERKINPERKIN弃学弃学从商，获得巨大的成功。从商，获得巨大的成功。RontgenRontgen与与X X射线射线药物（药物（FlemingFleming与青霉素，等）与青霉素，等）机遇是客观存在的。机遇的例子：机遇是客观存在的。机遇的例子：311839古德义尔橡胶的硫化技术。1844贝尔电话1899年冯梅林与明可夫斯基：胰脏与糖尿病。袁隆平：野生稻种/杂交水稻。32贝弗里奇在科学发现的艺术一书中列举了大量的例子如

19、梅契科夫发现吞噬细胞、德国化学家凯库勒在半睡眠状态下由直觉而发现苯的六角环形结构，更有意思的是，达尔文和华莱士都因阅读马尔萨斯的人口论而悟出生存竞争的自然选择。当然还有阿基米德在浴盆里忽然直觉到放在水中的物体所爱浮力大小与物体排开水的重量关系的阿基米德原理。如此等等的例子，不胜枚举。33常言道常言道 有意插花花不发，无意插柳柳成荫；有意插花花不发，无意插柳柳成荫；踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。34如何抓住机遇？如何抓住机遇？名言：名言：Chance only favors the Chance only favors the prepared mindprep

20、ared mind（PasteurPasteur）机遇只青睐）机遇只青睐有准备的头脑。有准备的头脑。1 1 要时刻准备着。要时刻准备着。2 2 要有敏锐的洞察力；要有敏锐的洞察力；3 3 要有扎实的知识和经验储备；要有扎实的知识和经验储备；4 4 要有丰富的想象力要有丰富的想象力35机遇性发现的条件有敏锐的思想，丰富的想象力和判断力巴斯德“在观察的领域，机遇只偏爱那种有准备的头脑”。弗莱明青霉素/伦琴/约里奥居里误把中子当成高能r射线要有严密观察的良好习惯和较强的洞察力达尔文观察野鸭和家鸭/密立根1910年油滴实验，测量电荷，但他指出有一个电荷为电子电荷的2/3是不是一个夸克？要有广博的知识和

21、经验1609里波斯/伽利略的望远镜勇于探索、勤于尝试，不局限于传统观念和步骤詹纳并不是第一个给人种牛痘以预防天花的人，达尔文并不是第一个提出进化论的人；巴斯德也不是第一个提出疾病的细菌学说。哥白尼36问题问题你对冷聚变怎么看？你对冷聚变怎么看？在实验上能做出来吗？在实验上能做出来吗？在理论上说得通吗？在理论上说得通吗？37思考题思考题谈谈你对实验的谈谈你对实验的“可重复性可重复性”的看法。的看法。实验能否做到完全的重复？实验能否做到完全的重复？如何理解观察渗透理论？如何理解观察渗透理论？38参考书参考书刘大椿刘大椿.科学技术哲学导论科学技术哲学导论.北京：中北京：中国人民大学出版社，国人民大学出版社，2000.2000.孙小礼主编孙小礼主编.自然辩证法通论自然辩证法通论 方法卷方法卷.北京：中国高等教育出版社北京：中国高等教育出版社.