观察方法和实验方法

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其缺点是:由于仪器本身的复杂性和干扰性, 易带来一些认识上的错觉和误会。(如法国仑德 洛的N射线)
2. 根据观察的性质和内容: 质的观察和量的观察
(1)质的观察,亦称性质观察。即考察事物具有或 不具有某种属性和特征以及它与其它事物是否具有何种 性质联系的一种观察方法。(三棱镜:日光的赤橙黄緑 青蓝紫;达尔文20多年对数千种生物的观察:遗传变异、 新陈代谢、自我繁殖、自我调节)
2002年美国的“奥德赛”号探测器绕火星 飞行,近些年来“勇气”号和“机遇”号火星探 测器在火星的表面着陆,都试图发现火星上是否 有水和生命存在的迹象。2008年的“凤凰”号 火星探测器发现:在火星的永冻层下面的土壤内 存在水冰。目前美国科学家正企图利用这一发现, 来探讨在火星的演化历史上这些水冰是否曾融化 过并形成更适合生命存在的环境,但至今并未发 现生命存在的痕迹。
一、观察方法的特点
1. 它是一种感性认识活动。(现象、外在 属性、外部联系;内在本质、规律性)
2. 它具有目的性、计划性。(对象、目的、 方式、途径、条件)
3. 观察与实验不同,观察所考察的研究对 象处于自然状态,不施加人工干预。
4. 观察是一种多种感官同时参与的活动。
二、观察方法的基本类型
1. 根据观察的手段和方法不同,可划分 为直接观察和间接观察。
3、对于实验结果的处理(现象、过程、事实 等),可采用文字综合描述的方法。文字描述一定 要实事求是、恰当分析、不要把判断推理的成份带 进去。
(四)对结果的理论分析
① 如果实验得出来的结果与已有理论没有矛盾, 而且与本实验开始时,所提出的任务、目的(同标 值)相吻合,相一致,则表明这一实验基本完成, 尔后就可对实验的结果进行思维加工,提出假说并 再次验证,最终升为理论。
2.强化或弱化自然现象。(超固体;Hg:0 K;几十 亿分子一个大气压超真空;几千亿电子伏特高能加速器)
3.加速或延缓自然过程。(催化剂;拟制剂;缓冲 剂、冬眠灵)
4.再现自然现象。1952米勒实验(8天发现了5种构 成蛋白质的氨基酸)
三、实验方法的一般程序 (一)实验的构思与设计 1. 确定实验目的。 2. 确立实验原理。(汤姆逊发现电子后提出的 原子结构模型——葡萄干蛋糕模型、卢瑟福检验) 3. 选择实验对象。(1908美国生物学家摩尔根果 蝇:
(二)实验方法的基本类型
1. 定性实验。这是确定研究对象是否具有某种 属性;事物之间是否具有某种联系以及物质的定性 组成的实验。(1706出生于波士顿,美国独立战争 的领袖,富兰克林的风筝实验、莱顿瓶)
2. 定量实验。这是测定事物某些属性、某些因 素的量的规定性或某些属性或因素之间的数量关系 的实验。(焦耳测定热功当量的实验J=423.9千克 米/千卡)
其中对照组是作为比较的标准,试验组是作为 研究的对象。(新药物疗效、新农作物种子产量)
对照实验最基本的要求是:对照组和实验组仅 在需比较的单个因素方面有差异外,其余比较项目 则应基本相同或相似,否则,就会失去意义。
7.验证性实验。这是为检验某个假说或某 种新理论是否成立而设计的实验。1865麦、 1886赫兹。
生命周期短 ‘2周’、繁殖能力强、突变性能好、 唾腺染色体大、每对亲体可产生数百个甚至 上千个子代,遗传变异特征突出)
4. 选择或研制适用的仪器设备。
要求仪器设备性能好、精确度高、分辨能力强、便于操 作、最少干扰。 (著名实验物理学家Baidu Nhomakorabea肇中 1970、 J粒子、 粲夸克、记作C,1974 双臂能谱仪)
(2)环境对观察的影响。不同的观察环境会对观 察结果产生一定的影响。
(3)观察者的角度不同,会产生不同的观察结果。 (宋代文人苏轼、医学影像光片)
(4)受观察者生理或心理因素的影响。 (5)观察渗透理论。所谓观察渗透理论是指在观 察中掺杂着理性因素的影响。也就是说在观察研 究对象过程中观察者会受到原有理论、知识、经 验的影响以及对所使用的仪器原理的认识程度的 影响。
② 如果实验的结果与已有理论相矛盾,或者 与目标值不一致,就要寻找矛盾的原因:一般来 说,a. 要么是已有理论是错误的;b. 要么是实验 原理的错误;c.要么是仪器的误差所造成;d.要么 是数据结果记录的错误;e.要么就是方法不当或 者选择的实验对象有问题。总之是什么原因引起 的矛盾,应具体实验具体分析,要反复寻找,直 至得到验证为止。必要时可另行确定课题,重新 设计实验。
根据原型与模型相似的关系,我们又可将 模拟实验分为物理模拟和数学模拟。
(1)物理模拟,是指模型与原型的物理过 程相似,即结构或功能相似。飞机、船舶、设 备模型实验。
(2)数学模拟是指原型与模型在数学形式上相 似。
例如:电流在电路中的传导与热传导规律在数学形
式上具有相似性。 1 电流传导关系式:I= R ·△V 热传导关系式: Q=Cm ·△T 在这两个不同的物理变化过程中,公式中相对应的
每一个参数或变量的物理意义是彼此相似的。
I 电流强度(电流量) Q热量(热流量) 1/R导电本领(电导) Cm某物吸热或放热的本领 △V表示电压,即电位差 △T表示温差
二、实验方法在科研中的作用
1.纯化和简化自然现象。(伽利略自落;吴健雄检 验李政道、杨振宁“弱相互作用条件下宇称不守恒”的 假说,钴600.01K,排除常温热干扰)
④ 同时也取决于实验者对观察到的多种现象、过程、 事实和数据的记录和描述的准确程度。
(三)对实验结果、数据的处理
1、对实验数据的处理。主要运用数理统计或建立 数学模型的方法,根据实验的需要可把数据描绘成坐 标曲线、表格、图形等形式,或者用数学式表达出来, 以寻找研究对象发展、变化、运动的规律。
2、对于一些系统误差和随机误差,可运用理论 思维和数学工具加以分析处理,以作出准确的判断。
(1)直接观察。即凭借人的感官直接感知 研究对象,而不借助于仪器。
其优点是:运用方便、最少干扰,比使用 仪器更具有直接的现实性。
其缺点是:对于高难度的研究对象,在一定条 件下要受到感官能力的限制。① 如对光线只能感 知波长在0.39~0.77微米范围的电磁波,对0.39~0.04 微米(紫外线)、0.77~1000微米(红外线)是感 知不到的;②人的耳朵只能听到频率在20~2万赫兹 范围内的声波,对次声波、超声波是听不到的;
受观察渗透理论的影响,主要是指:
(1)受先入之见的影响。 所谓“先入之见”是指人们在从事观察活动之前就 已在头脑中形成了关于对观察对象的某种认识或期望。
(2)受观察者原有理论、知识、经验的影响。 1830年德国化学家维勒发现某矿石中含有一种呈红色 的金属化合物,他认为是铬Gr。同年瑞典化学家塞夫 斯脱隆发现它是钒V。
第三节 观察与实验中的机遇
一、机遇的特点和类型 1、什么叫机遇?
③人的感官对外界的刺激强度、变化频率以及量
的精确度等方面的感受能力也是有限的。
(2)间接观察。也叫仪器观察。即人们借助 于仪器或其它技术手段间接地从外部获取感性材 料的一种方法。它在现代科学发现活动中显得尤 为重要。
其优点是:延长了人类的感官,扩大了感知 的范围和种类,提高了观察的精确度和反应能力, 使人们对于自然界的认识能力得到了很大的提高。
(3)观察仪器中蕴含着理性知识。
2. 全面性原则。
所谓全面性原则是指:在观察研究对象时,从空 间上讲,要观察事物的各个方面、各个部分、各个层 次;从时间上讲,要观察事物发展变化的各个阶段以 及它的全过程;同时,要观察事物内部各要素之间以 及该事物与外界其它事物的联系。
3. 典型性原则
所谓典型性是指在选择观察对象时要注意选择那 些能够集中反映一类事物的共性,其自然现象表现的 过程较纯粹、最少干扰、最易于观察的事物作为观察 对象。(摩尔根、医学模拟实验)
丁肇中是一位实验物理学家,他认为,物理学是在实验 与理论紧密相互作用的基础上发展起来的,理论进展的基础 在于理论能够解释现有的实验事实,并且还能够预言可以由 实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相 矛盾时,就会发生物理学的革命,并且导致新理论的产生。 他强调,没有一个理论能够驳斥实验的结果,反之,如果一 个理论与实验观察的事实不符合,那么这个理论就不能存在。 (杨振宁:理论物理学家,父:杨武之,西南联大教授) (费米、泰罗,芝加哥大学)
在的事实。影响观察客观性的干扰因素大 致有以下几个方面:
(1)事物的非本质现象混淆了事物的本质现象 ①发高烧的病人反而表现出寒战; ②出血性休克的早期病人可能测得其血压略有升高; ③美国天文学家西瓦尔曾通过15年对火星的观察, 认为火星上有运河,有智力发达的生物。后来美国发射 的火星探测器在火星表面上着陆,结果发现所谓的运河 只不过是由山石的暗斑排列而成,根本没有什么生物体 存在,西瓦尔只是把假象当作本质现象来观察。
2. 它是检验假说和理论的重要标准。 哥白尼“日心说”、牛顿万有引力定律(理论) 之后,1845年法国勒维烈预言“天王星之外有一颗行 星”(假设),1846年德国加勒发现海王星。
四、运用观察方法必须遵循的原则
1. 客观性原则 这一原则要求观察者必须客观的、实事 求是地反映所观察到的事实,既不能随意 增减观察到的事实,又不能臆造一些不存
(2)量的观察,即对研究对象的某些性质和特征进 行数量描述和测定的一种观察方法。(人体血浆PH值: 正常7.35~7.45,PH值<7酸中毒, PH值>7.7碱 中毒)
三、观察方法在科研中的作用
1. 它是收集科学事实,形成科学认识的基础。 (奥地利耳科医生巴雷尼:眩晕、眼球急速转动、 耳朵灌水三者之间有必然联系。1910~1914《半规管 的生理学与病理学》、《前庭装置的机能实验》, 1914获诺贝尔生理学与医学奖)
3. 结构分析实验。即主要研究事物内部 空间构成的实验。(沃森、克里克,凯 库勒)
4. 析因实验。即已知结果而去寻找产生 这一结果的原因的实验。(英国医生詹 纳接种牛痘预防天花的实验)
5. 探索性实验。即富有冒险精神,勇于 揭示自然界的奥秘的实验。例如:海洋 探索、月球、火星等太空探索。
6. 对照实验也称比较实验。这是通过设立对照 组和试验组,确定两组事物之间的异同,以揭示研 究对象具有某种属性或产生于某种原因的实验。
4. 同时在观察中还要注意细心原则。
第二节 科学实验方法
所谓实验方法是指人们根据课题确定的目的和 需要,通过仪器和设备,人为地变革、控制或模拟 研究对象,在有利的条件下,获取科学事实,探索 研究对象的本质和规律的研究方法。
一、实验方法的特点和基本类型
(一)实验方法的特点
1. 实验方法源于观察,又高于观察。 2. 实验方法源于生产,但高于生产。 (目的不同:物资财富、探索认识;内容不同:重 复体劳、创造脑劳)
8.模拟实验。即通过设计与原型相似的模 型,利用模型来间接研究原型,然后再将结果 类推推到原型上去的实验。
模拟实验主要适用于那些规模庞大无法操 作(飞机、船舶、三峡工程)或过程复杂、难 以追踪(生命起源、天体的演化、生物遗传 等)、或不便于直接作用于研究对象(医学上 的人体实验等)的事物。
它与上述7种实验相比是一种间接实验。 其最大的特点是:模型要与原型在结构功能上 或数学形式上具有相似性。
第三章 观察方法和实验方法
本章将重点介绍观察、实验方法的特点、基本 类型、在科研中的作用,以及在运用观察、实验方 法时应遵循的一些原则,实验方法的一般程序,观 察和实验中的机遇等问题。
第一节 科学观察方法 所谓科学观察方法,是指人们通过感官或借助 于仪器,有目的、有计划地感知和描述研究对象, 从而获取科学事实的一种科研方法。
5、选择实验类型: 实验方法有多种类型(8种),而每种类型的实 验都有与之相适应的逻辑思维方法。 ① 对照实验→比较方法 ② 模拟实验→类比方法 ③ 析因实验→分析方法 ④ 定量实验→数学方法 ⑤ 定性实验→分析、归纳、演绎方法等。 6、确定对有关实验条件的控制
(二)实验的实施。
在这一阶段,主要取决于①实验者对实验仪器原 理的了解程度;② 对仪器操作的技能,操作的熟练 程度;③还取决于实验者的观察能力、思维能力;
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