科学观察法科学实验法专业知识讲座

1、文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。科学技术研究的常规方法科学技术研究的常规方法一、观察与实验：获取科学事实的方法1、科学事实?科学事实是科学认识主体关于客观存在的事件、现象、过程、关系等的真实描述或判断。?科学事实的内容是客观的，而形式是主观的。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。?1953年，一次40多人与会的国际心理学会议在德国哥廷根召开。当会议主席刚宣布大会开幕，突然从会场外闯进两个人，一个在前面逃跑，另一个在后面追赶，并且开了一枪

2、，会场上顿时一片紧张。整个事件约持续了20秒钟。事后会议主席要求全部与会代表马上写出事件的观察报告。结果在40篇报告中，只有1篇错误小于20%；14篇错误在20-40%之间；25篇错误大于40%。?按一般理解，如此多的错误是不可思议的。因为：1）与会者都有是训练有素的科学家，熟知观察的要领和撰写报告的要求；2）事情发生文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 这一试验表明，获取“事实”绝非易事。可将“事实”作如下划界：?1）客观事实，是指物质对象的真实现象和过程，这是对“事实”的本体论定义。?2）经验事实，是通过一定的手

3、段，对客观物质对象的现象和过程所作的一种反映和描述。这就是“事实”的认识论定义。?3）科学处理的事实都是这种经验事实，一般是通过观察和实验手段对客观事实进行反映、描述的结果。?4）科学事实一般分为两类：?事实I，指客体与仪器之间相互作用结果的描述。例如，观测仪器上所记录和显示的数字、图像等。?事实II，是对观察实验所得到的结果的陈述和判断。?被观察与实验证明了的理论结论，被称为理论事实，有时也被人们称为事实也被人们称为事实。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。客观事实（本体论）客观事实（本体论）事实事实事实事实 （

4、客体客体仪器 ）经验事实（认识论）经验事实（认识论） 事实 （ 主体仪器）仪器）事实事实 （理论事实）图1 关于关于“事实事实”的概念分析图示的概念分析图示文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。2、科学观察、科学观察?科学观察是指人们直接通过感官或借助于仪器，有目的、有计划地感知和描述客观事物一种方法。?在科学观察中必须遵循下列原则：A）客观性原则。是指在科学观察活动中要按照观察对象的本来面貌如实记载。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。B）

5、全面性原则。客观世界的事物都是处在普遍联系之中的，只有全面观察，才能尽可能完整反映客观实际。?竺可桢先生所以能在物候学研究中取得重大成果，也是和他数十年如一日坚持系统观察分不开的。他每天清晨起来第一件事就是测量气温、气压、风向、湿度等气象要素，从青年起一直坚持到逝世前一天，终于在晚年出版了物候学一书。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。C）典型性原则。为了把错综复杂的自然现象简化，选择典型事物进行观察是必要的。?美国遗传学家Morgan在做遗传基因研究时，就选择了具有典型性的果蝇作为研究对象。果蝇染色体很简单，只有4

6、对，易于观察；果蝇生活史只有两周，观察周期短；果蝇生殖力强，每对亲本可以产生成百上千个子代，可以观察很多种亲代与子代间的遗传变异现象。这使研究工作大大简明化，创立了遗传学的“基因学说” 。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。3、科学实验、科学实验?所谓科学实验是指人们获取根据研究课题的需要，利用科学仪器设备人为地变革、控制或模拟研究对象，在典型或特定的条件下获取科学事实的一种科研方法。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。?科学实验在科学研究

7、中的作用A）具有简化、纯化研究对象的作用 。1799年，英国科学家H.Davy为了否定“热素说”，肯定“热动说”，就在真空中用一根钟表发条使两块冰互相摩擦，并把整个实验装置都保持在水的冰点，这样就排除了实验物与周围环境的热交换，使实验在比较纯粹的条件下进行。结果两块互相摩擦的冰融化了。实验有力地证明冰融化所需的热，只能来源于摩擦，以铁的事实驳斥了“热素说”。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。B）可以强化或激化实验对象 。自然界的事物在常态下一般不易暴露其特殊的性质及规律，实验方法可用人为的手段使实验对象处于某种极端

8、状态，以便发现新现象，寻找新规律。1905年Bridgeman发明了超高压技术，当时可达20,000个大气压，目前静压可达200-300万个大气压，动压可达1,000万个大气压，可使在正常自然条件下不能发生的过程在高压下发生。还有H.K.Onnes用液氦方法发明的超低温技术，可以接近绝对0度，由此又产生超导研究。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。C C）可以延缓和加速自然过程。）可以延缓和加速自然过程。对电闪雷鸣、地震山崩、岩体滑坡这类转瞬即逝的过程，在自然条件下难以弄清其运动变化，可以使其在实验室中缓慢进行，以便

9、详细研究、分析。有些自然过程十分缓慢，不便于人们尽快窥其全貌，又可以在实验室中加快其过程，尽量节省研究时间。D）可以模拟研究对象。有些自然过程已时过境迁，通过模拟实验方法，可以在实验室再现这些过程。Miller实验就是在实验室模拟原始生命在地球上的形成过程，为科学的生命起源学说奠定了可靠的、有说服力的实验基础。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 可观察性原则，是指科学研究的范围应该是原则上可观察的物质客体。也就是说，自然科学的研究对象可以被人们的视觉器官直接感知到；或者借助于观察仪器被视觉器官间接感知到。? 坚持这

10、一原则的意义：（1）它表明科学技术研究必须将不具有客观实在性的臆想客体（如神灵、上帝、鬼怪）排除在外。外。（2）它要求观察者明确客体、仪器与主体之间相互作用的客观性，保证观察客观性。4 4、观察实验中的认识论问题、观察实验中的认识论问题文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。观察渗透理论观察渗透理论?传统认为感性认识与理性认识是对立的；实质上它们是相互渗透。20世纪50年代，美国科学哲学家汉森在其发现的逻辑一书中认为并不存在那种能独立于任何理论的观察，即观察渗透理论。?1）理论决定着观察对象的选择。?倘若没有广义相对论，

11、人们就难以想象世界上有“光线弯曲”事实。埃丁顿也不会组织考察队专程到南半球去观察日蚀了。?2）理论决定对观察对象的理解。?格式塔心理学（亦称完形心理学）指出，观察转换根源则在于观察者头脑中过去的知识与经验。?3）任何观察、实验仪器的设计和选择都有离不开理论的指导。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。仪器的使用?1）克服感官的局限性）克服感官的局限性。?如眼只能见到波长在4000-7600?的可见光；耳朵只

12、能听到频率在16-20,000Hz的声波。先浸入热水中的手会感到温水较凉；而先浸入冷水的手对同样的温水会感到比较热。?2）测量仪器是理性方法的物化。?仪器的制作需要分析对象的各种因素、属性；要根据被测量对象的物理性质，制定测量基准和测量单位；需要将各种待测物理量（如硬度、电流强度、电压）转化为空间刻度和数值显示。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。?例如，从例如，从Galileo、Torricelli，到，到Newton、Boyle最后到最后到Fahrenheit、Celsius，对温度，对温度计构造的改进、测温质的

13、选定、以及温度计的合适原点和刻度法的探索。合适原点和刻度法的探索。?从从Galileo1593年到年到1756年英国科学家年英国科学家J.Black把把温度和热量这两个概念区分清楚以前的温度和热量这两个概念区分清楚以前的160多多年中，人们虽已广泛地使用了温度计，却不知道所测量的量是温度还是热量。以至温度计被称为“量热计”、“测温术”和“量热术”，至今英语中仍把温度计称thermometer。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。 微观领域测不准关系微观领域测不准关系?量子理论是以微观客体及其规律作为研究对象。在这里，

14、观察仪器是宏观的，研究对象却是微观的；宏观仪器的观测必然对微观粒却是微观的；宏观仪器的观测必然对微观粒子产生干扰，这又对我们的认识产生干扰。这就是测不准原理。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。?例如，利用光学显微镜观测电子。光子照射一粒灰尘时，就象一个小石头打到火车上， 光子反跳回来，灰尘本身不动，在显微镜下可测出灰尘的精确位子；灰尘本身不动，在显微镜下可测出灰尘的精确位子；如光子照射电子，就象列车撞上婴儿一样，电子早被弹出去，消失得无影无踪，根本谈不上测量它的位置。?由于测不准关系的客观存在，便使宏观领域的因果律

15、在微观领域出现动摇。律在微观领域出现动摇。Einstein说说“上帝不会掷骸子”，Bohr则认为我们更应该关心上帝如何掷骸子。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。二、理想模型与理想实验1、理想模型?理想模型方法是通过模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。理想模型方法是科学抽象的一种典型方法。?例如数学上的“点”、“线”、“面”；力学上的“质点”、“刚体”；“理想流体”、“理想溶液”、“理想气体”；“点电荷”、“绝对黑体”等。?理想模型有下列两特征：（1）作为理想化的现实物质形态，都是现实世界中找不到的东西。（2）但

16、它又是以客观存在为原型的。文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。2、理想实验? “理想实验”就是运用理想模型做推理或理论研究，也可称“思想上的实验”。?“理想实验”是一种思维活动；是无法实际做到的“实验”。?Einstein评价伽利略的惯性定律理想实验：“惯性定律标志着物理学上第一个大进步，事实上物理学的真正开端。它是考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动的理想实验而得来的。从这个例子以及后来的许多旁的例子中，我们认识到用思维来创造理想实验的重要性。”（物理学的进化，上海科技出版社，P158）文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。?Einstein在建立狭义相对论时作了一个同时性相对性“理想实验”。?思考过程：?设有两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道，对于站在两道闪电正中的铁路旁一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的。?对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的。因为第二个观察者（运动观察