科学认识的经验基础.ppt

1、一、科学事实,1、什么是科学事实？,通过观察和实验所获得的经验事实，是 经过科学整理和鉴定的确定事实。 事实 1：对客体与仪器相互作用结果的表征 如：观测仪器所显示的数据、图象 事实 2：对观察所得结果的陈述和判断 如：“金属燃烧是一个氧化过程”,事实 1 =（客体本性，认识手段） 事实 2 =（客体本性，认识手段，概念系统） 燃素说：金属灰+燃素=金属 氧化说：金属灰=金属+氧,对同一客观事件，可以因为认识条件（观测仪器，概念系统）设置的合理而描述为精确的科学事实，也可以因为认识条件设置的不合理而描述为粗糙的乃至歪曲的事实。 客观事件没有正确与错误之分，而经验事实则存在着可错性。,2、科学事

2、实的特征,以下判断是否是“科学事实”？ “所有微观客体都具有波粒二象性” “整个宇宙在膨胀着”,科学事实应满足一定的条件,1）科学事实应该是个别存在的陈述 例：“铀具有放射性”“氩具有化学惰性” 2）科学事实应该是可重复的 J / 粒子的发现（1976，丁肇中） 伪科学：“信则有，不信则无” 3）科学事实应该比较精确、系统 超常人创造力研究（19211972，门特尔）,3、科学事实在科学认识中的作用,不管鸟的翅膀怎样完善，它任何时候也不能不依赖空气飞向高空。事实，就是科学家的空气，没有它，你任何时候也不可能飞起，没有它，你的理论就是无用的挣扎。 巴甫洛夫,形成新概念、新理论的基础 概念是思维的

3、自由创造，但仍有其经验基础（Einstein) 对假说进行评价的根据,二、观察,观察的特点 观察的分类 观察在科学认识中的作用 观察的客观性原则,1、观察的特点,观察是人们对自然现象在自然发生条件下进行的一种有目的的考察活动。 观察的显著特点：“自然发生条件下”的观察。 例：“布朗运动”,2、观察的分类,直接观察（肉眼观察） 间接观察（仪器观察） 被动观察（自发观察）：意想不到的观察 主动观察（诱发观察）：有意识地安排的 自然观察法：自然发生条件下 实验观察法：人工控制条件下,3、观察在科学认识中的作用,（1）获取科学事实的基本方法,（2）做出科学发现的重要手段,20世纪60年代天文学的四大发

4、现：类星体、射电脉冲星、宇宙微波背景辐射、星际有机分子。（射电望远镜：雷伯，1937） 2000年十大科学成就之一：太阳系中的行星越来越“水灵”了（火、木卫“欧罗巴”）,（3）检验科学假说重要手段,1781 W.赫歇尔：天王星，“越轨” 184345， 亚当斯：计算出海王星轨道 1846.8.31， 勒维烈：同样计算出海王星轨道 加 勒：发现海王星 勒维烈：水星“火神星”,光线弯曲假说的验证：爱丁顿，1919 理论所以能够成立，其根据就在于它同大量的单个观察关联着，而理论的真理性也在于此。 爱因斯坦,4、观察的客观性原则,观察的易误性：戈廷根会议 1篇：错误少于20% 14篇：有2040%的错

5、误 25篇：有40%以上的错误 半数以上的报告：60%的细节纯属臆造,产生虚假观察的几种可能： 错觉（感官局限） 误观察（无意识联想） 未观察（“背景”不同）,观察应遵循客观性原则,（1） 观察结果可以用某种标准方法进行重演（消除主观的偶然失误） 引力波的“发现”：韦伯，1959 （2）要求以正确的理论为指导 （消除假象与误差） “中性粒子流”：约里奥.居里 “中子”(卢瑟福预言）：查德威克，1932,（3）要求使用先进的观测技术和观测仪器 （提高观察的客观性） （4）要求科学工作者要有严谨的实事求是的学风（科学家的基本行为规范） 不要篡改、捏造数据！,三、实验,实验及其特点 实验方法在科学研

6、究中的作用 实验方法的分类,1、实验及其特点,实验是人们根据一定的研究目的，运用一定的物质手段，在人为控制或变革事物的条件下获得科学事实的方法。,例：J.J.Thomson 电子（1897） 原子结构模型（1901）, 粒子散射实验（a）,预期实验结果 卢瑟福，1909 炮弹 靶子, 粒子散射实验(b),实际实验结果 卢瑟福，1909 计数器 金箔 粒子发射源, 粒子散射实验(c),原子有核行星模型 卢瑟福，1911,实验方法与观察方法的比较： 实验：“人为控制条件下”去考察事物； 主动从自然现象中索取期望的东西 观察：“自然发生条件下”去考察事物； 搜集自然现象所提供的东西,实验方法的特点：

7、对象的可控性,（1）实验可以简化和纯化研究对象 否定热素说的实验：戴维，1799,（2）实验可以强化研究对象 （超高温、超低温、超高压、高真空） 超导现象：昂尼斯，1911 R 4.2 k T,（3）实验可使对象的属性及变化过程重复出现 “斜面实验”：伽利略 实验结果的重现性：成功实验的标志 h h h”,（4）实验可以模拟对象的运动过程 模拟原始大气实验：米勒，1953 甲烷（CH4） 甘氨酸 氨（NH3） 放电1周 丙氨酸 水（H2O） 谷氨酸 氢（H2） 天门冬氨酸,2、实验在科学研究中的作用,(1)实验方法可以获取精确可靠的科学事实，科学实验是推动科学发展的动力 新实验与旧理论的矛盾,

8、两朵“乌云”引来一场风暴,19世纪末物理学的三大发现： X射线：伦琴，1895（1901） 放射性：贝克勒尔，1896（1903） 电子：J.J.汤姆逊，1897（1906） 开尔文勋爵：1900年新年献词,“乌云”之一：迈克尔逊莫雷实验,检验“以太风”假说：零结果，1887（1907） M1 v M S M2 T,狭义相对论：爱因斯坦，1905 光速不变原理 狭义相对性原理 迈克尔逊获1907年诺贝尔物理学奖,另外一朵“乌云”：黑体辐射实验,“紫外灾难” U（,T) 实验曲线,1900.12.14，能量子论， 1905 光量子论 1913 原子结构理论 1927 量子力学,例：“ 疑难” （

9、1953） 奇异粒子： 介子； 介子 质量、寿命、电荷、自旋相同;宇称不同,（2）实验方法是检验假说的基本手段,宇称和宇称守恒,镜像对称（左右对称） 镜像对称变换（X -X） 宇称 （Parity） 宇称守恒定律 ：“自然规律在镜像反射下是不变的”。 传统上认为“宇称守恒定律是普适的”,宇称守恒的困难与杨李提出弱相互作用中宇称不守恒的假说 1953 + + + + + - + + + 0 1956.4 纽约罗切斯特国际粒子物理会议 1956.5 关键性突破：把宇称守恒是否成立，单独 放在弱相互作用中来检验 1956.10 对弱相互作用中宇称守恒的质疑，物理评论,对称与不对称,宇称不守恒的实验验

10、证：杨李的实验设计 平 面 镜 0 100 001 0,吴健雄与李政道在一起(1958年),初到伯克利时的吴健雄（一九三六年）,吴健雄设计的实验方案,吴健雄和她的实验合作者（一九五六年）,宇称不守恒的实验验证：吴健雄，1956.12 “钴-60核极化 衰变实验” 27Co-60 28Ni-60 + e- + 27Co-60 e- 0.31Mev 28Ni-60 1.17Mev 1 1.33Mev 2 27Co-60原子核衰变图,1.2 赤道光子计数器A 1.0 光子各向异性 极向光子计数器B 0.8 1.2 H 1.0 不对称性 H 0.8 时间 0 4 8 12 16（分）,吴健雄宇称实验结

11、果曲线,1957.2.15 吴健雄发表实验结果（1956.12.25） Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay, Physical Review 1957.10 杨振宁、李政道荣获诺贝尔物理学奖,李正道接受诺贝尔物理学奖（一九五七年）,杨振宁接受诺贝尔物理学奖（一九五七年）,要敢于向“权威结论”提出挑战 （合理的怀疑性） “大胆假设，小心求证” 做实验要知难而进，要有坚韧不拨的勇气和毅力,3 实验方法的分类,（1）定性实验 检验电磁波的存在：赫滋，1887 电子衍射实验：G.P.汤姆逊，1927（1939） 裂脑术实

12、验：R.W.斯佩里（1981）,（2）定量实验 测定引力常数实验：卡文迪许 测定光速实验：斐索 测定热功当量实验：焦耳 测定电子荷质比实验：汤姆逊,（3）结构分析实验 粒子散射实验：卢瑟福，1911 测定DNA分子结构实验：沃森、克里克，1953（1962） 测定前列腺素的化学结构：S.K.贝格斯特姆（1982）,（4）对照实验（生物，医学，医药学） 对照组，试验组 光作用于植物的什么部位而使植物向光生长？达尔文,（5）模拟实验（相对直接实验） 物理模拟 数学模拟 功能模拟,（6）判决性实验（判别假说的存亡） 否定“热素说”的实验：戴维，1799 否定光“以太”实验：迈克耳逊、莫雷，1887（

13、1907） 证实弱相互作用下宇称不守恒的实验：吴健雄，1957,四、观察实验中的机遇,成功的条件：智力；勤奋；机遇,四十年前，经吴大猷教授的推荐，我获取了中国政府的一笔奖学金赴美留学，在物理学方面继续深造。这一难得的机会改变了我的一生。一个人的成功有着各种各样的因素，其中“机遇”也许是最重要的，也是最难驾驭的。尽管成功的机遇不可预定，但它的几率却可以大大增加。通过吴教授，我方能得到这一机遇。（李政道六十回忆）,吴 大 猷 教 授,1、什么是机遇,观察和实验中导致发现的出乎意料的现象和事件。 绝大部分划时代的发现，或多或少都是意外作出的。,2、如何把握机遇,“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备

14、的头脑。”（巴斯德） 主动增加机遇的出现率（主动去尝试新步骤） 保持对意外事物的警觉性（敏锐的观察力） 善于解释线索（敏锐的判断力）,一切观察都含有两个因素,（1）感官知觉因素 （2）思维因素 有“训练的”的观察者总是有意识地搜寻根据自己所受教育认为有价值的事物。这往往能把一个卓越的发明家同一个只是老实肯干的人区别开来。（格雷格） “检验假说的观察” 人们在观察实验时思想应该不受约束，以免在出于先入之见只是搜寻预期的特征时，忽视了其他是情况。（贝尔纳） “创造性的观察”,有出息的小孩，很少是父母管出来的。小孩有能力，有机会，自然能发展，你管凶了，那最糟。了解了科学的重要，增加科学研究的经费，当然是好的现象，但是管的太凶不行。我这辈子出来，家长向来都没管过，也没出过钱。