Урок 3. Экспериментальные методы в естественных науках
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 3. Экспериментальные методы в естественных науках

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что значит уметь наблюдать?
Чем отличается наблюдение от эксперимента?
Что означает измерить?
Можно ли измерить неизмеримое?

Глоссарий по теме:

Наблюдение - это преднамеренное, целенаправленное восприятие объектов и процессов с целью осознания их существенных свойств.

Наблюдательность - важное качество, определяющее число и характер увиденных и отмеченных человеком деталей при знакомстве с различными явлениями.

Научное наблюдение - специально организованное исследователем наблюдение, позволяющее приходить к ответам на заранее поставленный вопрос.

Эксперимент - исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования.

Журнал наблюдений - документ, в котором наблюдатель фиксирует параметры происходящих процессов и их условия.

Гипотеза - предположение, выдвигаемое перед началом наблюдения или эксперимента, которое должно быть проверено в результате их проведения.

Измерения - действия, показывающие отношение одной величины относительно другой (эталонной).

Параметры - характеристики объектов, получаемые в результате измерений.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – Лабиринт – с.14 – 15.
Капица П. Л. Эксперимент, Теория, Практика. – М.: 1991.
Перельман М.Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы. Издательство: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2012.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Музей лабораторного оборудования URL: http://www.museum-ru.com/kollektsiya/

Метрологический музей URL: http://www.vniim.ru/etalon.html

Рубрика «Эксперименты» // Учебно-методическая газета «Физика» (электронной версии) URL: http://fiz.1september.ru/topic.php?TopicID=14&Page=5

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Наблюдение мы постоянно используем в повседневной жизни, даже не задумываясь об этом, когда смотрим в окно, чтобы определить погоду, идем в театр или просто ждем транспорт на остановке. Умение наблюдать - это одно из главных умений, позволяющее сохранить биологический вид.

Познание природы развивало наблюдательность древнего человека. Это позволило ему сделать множество замечательных открытий. Люди постепенно научились разбираться в окружающем их растительном мире. Они научились отличать полезные растения от тех, которые могут причинить вред. Многие растения они стали употреблять в пищу, узнали лечебные свойства некоторых из них.

Охотясь или занимаясь собирательством, человек ориентировался на местности. Этому он научился, наблюдая за положением Солнца и звезд на небе.
Наблюдение звездного неба с древнейших времен формировало самого человека как мыслящее существо. Звездное небо до сих пор притягивает людей разных стран, поколений и профессий. Наблюдая за движением планет, звезд и галактик мы продолжаем ставить вопросы и искать на них ответы.

Наблюдение. Каковы особенности научного наблюдения?

Научное наблюдение отличается от обычного созерцания тем, что позволяет приходить к ответам на поставленный исследователем вопрос. Оно всегда целенаправленно, сознательно организовано, методически обдумано. Результаты наблюдения можно оценить, записать, измерить. Главным в научном наблюдении являются условия, в которых оно проходит и то, что сам наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать ее, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона; гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани, а, скажем, для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Исследователь знает, ради чего проводится наблюдение, какая поставлена цель. Наблюдателя интересуют все детали исследуемого процесса. Чем больше деталей он заметит, тем больше получит материала для обдумывания, обработки, размышлений. Поэтому обязательно ведется журнал наблюдений, где записывают все особенности происходящих процессов и их условия. Впоследствии часто приходится снова и снова возвращаться к этим описаниям. Журналы наблюдений должны долго храниться, они становятся материалом для сравнения результатов разных исследователей. Наблюдение дает материал для дальнейших исследований, позволяет сформулировать вопросы, на которые надо ответить, обозначить проблемы, которые следует решить.

Эксперимент. Чем эксперимент отличается от наблюдения?

В отличие от наблюдения эксперимент - это исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования, или же изменения течения процесса в нужном направлении.

Самой крупной экспериментальной установкой в Мире является андронный коллайдер. Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе, находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. Большой адронный коллайдер располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км. Специалисты надеются, что с помощью ускорителя смогут получить наиболее достоверную информацию о происхождении Вселенной.

Иногда используют так называемый мысленный эксперимент, когда исследователь мысленно моделирует процессы или системы, прогнозирует и описывает их поведение.

Реальный эксперимент - это метод, связанный с практическим, предметно-манипулятивным, "орудийную" познанием окружающего мира. В мысленном же эксперименте исследователь оперирует не материальными объектами, а их идеализированными образами само же оперирования происходит в его сознании, то есть чисто мысленно.

Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существенной роли мысленного эксперимента в формировании теоретических идей.

Экспериментатор должен четко представлять, какие параметры процесса он изменяет, чтобы определить, что влияет на результат, установить причину и следствие. При этом в эксперименте обязательно сравнивают поведение системы в обычных и специально измененных условиях. Результаты и условия эксперимента строго фиксируют и описывают. Если при соблюдении одних и тех же условий результаты нескольких опытов совпадают, то можно делать выводы о достоверности полученных данных.

И. П. Павлов в своей лаборатории, расположенной недалеко от Санкт-Петербурга, ставил эксперименты, изучая механизмы образования условного рефлекса. Суть знаменитого эксперимента состоит в изучении рефлексов животного, в данном случае собаки на внешнее воздействие. Именно Павлов вводит понятие безусловного рефлекса, данного от природы и условного рефлекса выработанного на протяжении жизни или в результате жизненного опыта. Все свои наблюдения Иван Петрович фиксировал в дневниках и журналах.

Гипотеза.

В естествознании между наблюдением и экспериментом в цепочке исследования лежит важное звено - гипотеза (от греч. hypóthesis - основание, предположение). Перед тем как организовать эксперимент, продумать его условия, выдвигают предположение, которое нужно проверить (подтвердить или опровергнуть) экспериментально.

Павлову было уже почти 50 лет, когда он начал свои знаменитые исследования условных рефлексов. Этот новый интерес родился из случайного наблюдения одной особенности слюноотделения у собак. Обычно слюна начинает выделяться у собаки, когда пища попадает на ее язык, это врожденный рефлекс. Но Павлов заметил, что у его собак слюна выделялась еще до того, как пища попадала им в рот; у собак начинала течь слюна, когда они видели, что им несут еду, или даже тогда, когда они слышали шаги человека, который их кормил. Получалось, что рефлекс теперь вызывался новыми, прежде нейтральными, раздражителями. Сначала появилась гипотеза, в дальнейшем подтвержденная экспериментально.

Таким образом, гипотеза - предположение, выдвигаемое перед началом эксперимента, которое должно быть проверено в результате их проведения.

Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт (теорию, теорему, закон), или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений. Таким образом, из гипотезы, подтвержденной экспериментом, рождается теория.

Измерение. Что значит измерить величину?

Основа эксперимента – измерение. Естественнонаучное экспериментальное исследование всегда опирается на точные измерения. Каждый из вас измерял длину линейкой в сантиметрах и миллиметрах; температуру с помощью градусника или термометра в градусах. А что означает измерить? Измерить величину - это значит сравнить ее с эталоном, с единицей измерения.

С развитием научных знаний возникает необходимость в более точной фиксации наблюдений. Для решения этой задачи начинают изобретаться различные измерительные приборы: линейка, секундомер, термометр, весы, транспортир и т.д.

Характеристики объектов, получаемые в результате измерений, называют параметрами. Для измерения параметров служат специальные приборы, например манометр для измерения давления, вольтметр для измерения напряжения в электрической цепи. Результаты измерений могут позволить рассчитать параметры объектов или характеристики процессов. Например, объем куба можно рассчитать, измерив его ребро, а скорость равномерно движущегося автомобиля можно оценить, зная путь и время, за которое он пройден.

С развитием торговых отношений и научных знаний появилась необходимость в развитии единой системы единиц измерений. Постепенно складывается метрическая система мер. На сегодняшний день международная система единиц (СИ) определяет семь базовых единиц измерения, являющихся основой для остальных единиц СИ: 1. Метр для длины; 2. килограмм для массы; 3.секунда для времени; 4. ампер для силы тока; 5. кельвин для термодинамической температуры; 6. кандела для силы света; 7. моль для количества вещества.

При обработке результатов измерений всегда нужно оценивать:

с какой точностью вы измеряете, какую ошибку дает ваш прибор, т.е. определить погрешность измерений;
как влияет сам процесс измерения на объект, который вы измеряете.

С помощью обыкновенной линейки мы не можем определить размер клетки растения или атома. Но для таких измерений применяются более точные измерительные приборы. Для определения параметров объектов микромира микроскопы. Клетку размером в 10-3 мм можно рассмотреть и измерить с помощью оптического микроскопа; молекулы белков и ДНК, размеры которых имеют порядок 10-5, - с помощью электронного микроскопа. Здесь важно, чтобы длина волны излучения, которое используют в измерении, была сравнима с исследуемым объектом или меньше его.

Выводы:

Экспериментатор должен четко представлять себе, какие параметры процесса он измеряет, чтобы определить, что влияет на результат и установить причину и следствие.

Измерить величину - это значит сравнить ее с эталоном, выбранным за единицу измерения этой величины.

Как правило, естественнонаучное исследование происходит по следующим этапам: Наблюдение – Гипотеза – Эксперимент – Вывод (научно обоснованный факт).

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выпишите номера характерных черт научного наблюдения:

целенаправленно;
результат можно оценить;
спонтанно;
имеет только зрительную фиксацию;
позволяет приходить к ответам на поставленный вопрос;
сознательно организованно;
результат можно измерить.

Верные ответы: 1, 2, 5,6,7

Задание 2. Выберите один правильный вариант ответа:

Эксперимент – это…

А) предположение, выдвигаемое перед началом наблюдения;

Б) действия, показывающие отношения одной величины относительно другой;

В) исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования;

Г) специально организованное исследователем наблюдение.

Правильный вариант ответа: в.