Читать книгу Естествознание. Базовый уровень. 10 класс - Н. С. Пурышева, О. С. Габриелян - Страница 3

1. Назовите имена учёных – физиков, химиков, биологов, астрономов, которые в процессе собственных наблюдений сделали великие открытия в науке.

2. Приведите примеры, когда наблюдательность и интуиция учёных приводили к изобретениям и открытиям.

3. Объясните, какую роль в истории науки играл эксперимент. Приведите примеры законов физики, химии, биологии, которые были открыты с помощью этого метода.

Что включает в себя научный метод познания

роды большое значение имеет научный метод познания. Он включает в себя наблюдение, создание модели изучаемого явления, выдвижение гипотезы о законах, управляющих поведением модели, проведение эксперимента, который должен подтвердить или опровергнуть гипотезу.

В науке различают эмпирический и теоретический уровни познания (исследования). На эмпирическом уровне познания происходит накопление научных фактов путём наблюдений и экспериментов. На теоретическом уровне происходит осмысление полученных экспериментальных фактов, разработка и обоснование гипотез, подтверждение или опровержение выдвинутых гипотез, выявление закономерностей, формулирование законов, построение теории. Например, проведение многочисленных опытов по взвешиванию исходных веществ до химической реакции и полученных в результате неё продуктов (эмпирический уровень познания) позволило М. В. Ломоносову в 1748 г. открыть, а французскому физику А. Л. Лавуазье в 1789 г. в общем виде сформулировать закон сохранения массы веществ (теоретический уровень познания).

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Вспомните, как формулируется в физике закон сохранения массы. Какая формулировка является более общей?

Ценность конечного результата научного познания определяется его предсказательной силой. Например, на основе сформулированного Периодического закона Д. И. Менделеев предсказал существование, пути открытия и свойства ещё неизвестных науке химических элементов – галлия, скандия и германия.

Каждый уровень познания использует свои методы. Так, для получения научных фактов применяют наблюдение и эксперимент, которые являются основными методами эмпирического исследования. При выдвижении гипотез и построении теории используют моделирование и мысленный эксперимент.

Научное наблюдение как метод эмпирического уровня познания

Наблюдательность – одно из замечательных качеств, присущее многим людям. Настоящий учёный должен в совершенстве владеть методом наблюдения, уметь отмечать общие и особенные черты тех явлений, которые являются предметом его изучения. Особую роль наблюдение играет при изучении естественных наук, поскольку именно этот метод позволяет получать основные знания о природе.

Наблюдение – это целенаправленный процесс восприятия объектов действительности для выявления их существенных свойств.

Наблюдение позволяет накапливать информацию об окружающем мире, систематизировать её. Однако самое главное, ради чего проводят наблюдение, – это поиск закономерностей в полученной из наблюдений информации.

Наблюдение как метод научного познания будет плодотворным, если наблюдатель очертит себе круг задач, которые станет последовательно выполнять. Сначала нужно определить предмет наблюдения – конкретный объект, его свойства, то или иное изменение, происходящее с ним в зависимости от условий окружающей среды, и т. д. Затем необходимо сформулировать цель наблюдения и составить план действий, которые помогут это наблюдение осуществить. Результатом наблюдений являются научные факты, составляющие эмпирический базис науки.

Наблюдатель не вмешивается в естественный ход процесса. Наблюдение может происходить в природных условиях. А предметом наблюдения могут быть различные природные явления: астрономические (движение небесных тел), биологические (рост, развитие, поведение организмов), химические (протекание химических реакций) или физические (радуга, полярное сияние, земной магнетизм).

Наблюдение может быть непосредственным или опосредованным. В первом случае те или иные свойства тел или явления воспринимаются непосредственно органами чувств. Во втором случае наблюдение проводится с использованием приборов: звёздное небо наблюдают с помощью телескопов, микроорганизмы – с помощью оптических микроскопов, группы атомов и отдельные атомы – с помощью сканирующих микроскопов.

В процессе наблюдения складываются представления о материальном мире, о происходящих в нём явлениях и о свойствах объектов материального мира. Так, наблюдая за падением тел, Галилей пытался найти закономерности этого движения.

Эксперимент как метод эмпирического исследования

Чаще всего научное наблюдение проводится в специально созданных условиях, причём условия эксперимента можно изменять по желанию наблюдателя. Нередко наблюдение проводится в специальном помещении – лаборатории.

Эксперимент – это метод познания, который используется для исследования объектов и явлений в специально созданных для этого условиях.

В переводе с латинского «эксперимент» означает «опыт, проба». С помощью эксперимента можно подтвердить или опровергнуть ту гипотезу, которая выдвигалась до наблюдения или родилась в результате него. Так формулируется вывод.

Эксперимент отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый процесс, воздействием на него, при этом наблюдение может являться частью эксперимента.

В зависимости от поставленных задач эксперимент может быть исследовательским или проверочным.

Целью исследовательского эксперимента является выявление различных закономерностей, свойств объектов, зависимостей между величинами. Такими были опыты Кулона с крутильными весами (итог: открытие закона взаимодействия покоящихся электрических зарядов), опыт Ома, установивший зависимость между силой тока и напряжением в проводнике. Изучая изменения признаков растений, Мендель сформулировал законы, объясняющие механизм наследования (рис. 7). Эксперименты Н. Н. Бекетова (1827–1911) по вытеснению одних металлов другими из растворов солей тоже являлись исследовательскими. В результате этих экспериментов был составлен вытеснительный ряд металлов (ряд активности металлов).

Андре Мари Ампер

Особое место занимают фундаментальные эксперименты, благодаря которым появлялись новые научные теории. К фундаментальным экспериментам относятся опыты Ампера по взаимодействию проводников с током, опыт Х. К. Эрстеда (1777–1851) по взаимодействию проводника с током и магнитной стрелки, опыты Фарадея по электромагнитной индукции, послужившие эмпирической основой электродинамики и положившие начало становлению электродинамики как физической теории.

Рис. 7. Эксперимент Менделя с горохом – схема наследования при дигибридном скрещивании

Желание объяснить причину наблюдаемого явления, найти закономерности, которым оно подчиняется, побуждает учёных выдвигать предположения о природе явления, о его причинах или о законах, по которым оно происходит, – гипотезы.

В переводе с греческого «гипотеза» означает «предположение». Для проверки гипотезы исследователь проводит эксперимент. Если эксперимент подтверждает гипотезу, то она принимается, если нет – она считается ложной и отбрасывается. В любом случае эксперимент является критерием истинности исходного знания.

Примером проверочного эксперимента могут служить опыты, доказавшие неправомерность представлений о мировом эфире. Гипотеза о существовании особой всепроникающей среды, заполняющей пустоты между атомами и ответственной за распространение света, появилась ещё в античные времена и была сформулирована в 1618 г. Р. Декартом (1596–1650). В дальнейшем она совершенствовалась, достигнув своего апогея к концу XIX в. Тогда предполагали, что эфир увлекается движущимися телами. Например, при движении Земли сквозь эфир возникает эфирный ветер. Если это так, то скорость света должна зависеть от скорости движения Земли и направления распространения света. Результаты опытов А. А. Майкельсона (1852–1931) и Э. У. Морли (1839–1923) в 1887 г. показали, что скорость света от этих факторов не зависит. Так, эксперимент учёных, изначально ставившийся с целью подтвердить гипотезу о существовании мирового эфира, опроверг её.

С другой стороны, ни одно знание не может считаться истинным до тех пор, пока оно не будет подтверждено соответствующими экспериментальными данными и не найдёт своего практического применения. Опыты Румфорда по сверлению пушечных стволов (1798) заставили учёных усомниться в существовании теплорода.

Таким образом, эксперимент является источником знаний и критерием их истинности.

Великий Леонардо да Винчи (1452–1519) говорил, что науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений.

Моделирование как научный метод исследования

Кроме наблюдения и эксперимента в познании окружающего мира, большую роль играет моделирование.

Мы уже говорили, что одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе, тогда используют модель. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются не существенные для изучения детали.

Рис. 8. Географическая модель – глобус (а); физическая модель паровой машины Дж. Уатта (б)

Моделирование – это метод научного познания, заключающийся в создании и исследовании реальных объектов.

Каждая естественная наука использует свои материальные модели, которые помогают зримо представить себе реальное природное явление или объект.

Самая известная географическая материальная модель – это глобус (рис. 8, а).

На уроках физики вы уже знакомились с самыми разными материальными моделями, которые помогали вам изучать электрические и магнитные явления, закономерности движения тел, оптические явления, устройства различных механизмов (рис. 8, б).

При изучении биологии также широко используются материальные модели. Достаточно упомянуть, например, модели и биологические муляжи основных частей цветка, органов человека (рис. 9), скелетов животных и т. д.

Рис. 9. Биологические модели: глаза (а), головного мозга (б), скелетно-мышечной системы и внутренних органов (в)

Рис. 10. Химические модели: шаростержневая (а) и объёмная (б) модели молекулы метана; модель кристалла меди (в)

Не менее важно использование материальных моделей и в химии. Для большей наглядности химики используют модели атомов, молекул, кристаллов, установок и аппаратов химических производств. Структуру молекул химических веществ демонстрируют на шаростержневых или объёмных моделях. Их собирают из шариков, символизирующих отдельные атомы. В шаростержневых моделях «атомы»– шарики расположены друг от друга на некотором расстоянии и скреплены между собой стерженьками. Объёмные модели более точно передают соотношение между размерами атомов и расстоянием между ними в молекуле. Шаростержневая и объёмная модели молекул газа метана CH₄, являющегося основным компонентом природного и бытового газа, показаны на рисунке 10, а, б. Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии (рис. 10, в).

« Ещё один тип моделей – символьные (знаковые) модели скорее относятся к другому уровню научного познания – теоретическому, о котором пойдёт речь в следующем параграфе.

Вы знаете

♦ что общего и чем различаются наблюдение и эксперимент

♦ какова роль наблюдения и эксперимента в научном познании

Вы можете

♦ охарактеризовать уровень научного познания и проиллюстрировать его конкретными примерами

♦ объяснить, для чего выдвигаются гипотезы и зачем применяют материальные модели в естественных науках

Выполните задания

1. Приведите пример из вашей жизни, когда на основании наблюдений вы приходили к какому-либо выводу. Доводилось ли вам проводить какие– либо естественно-научные эксперименты дома, на садовом участке и т. д.?

2. Назовите фундаментальные эксперименты XIX – начала XX в., которые заложили основу теории строения атома. Какие модели строения атома вы знаете из курса основной школы?

3. Сформулируйте, в чём состоит сущность естественно-научной теории витализма, господствовавшей в химии вплоть до середины XIX в. Открытия каких учёных привели к краху теории витализма, в чём заключалась идея их опытов? Для ответа на эти вопросы используйте возможности Интернета.

4. Изготовьте из пластилина шаростержневые и объёмные модели молекул водорода, воды, аммиака и метана. Какие характеристики молекул они отражают? Как состав этих веществ можно отразить с помощью знаковых моделей?

Темы для рефератов

1. Теория витализма и её крах. 2. Роль естественно-научных знаний в моей будущей профессиональной деятельности.