Урок 5. Экспериментатор, прибор, результат
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 5. Экспериментатор, прибор, результат

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

- Можно ли наблюдать за природой, не внося искажений в процессы, происходящие в ней?

- Вносим ли мы искажения в процессы при измерениях различных величин при помощи приборов?

- Существуют ли принципиальные ограничения на возможность производить измерения, оказывая пренебрежимо малое влияние на природные процессы?

Глоссарий по теме:

Эксперимент – эмпирический метод исследования некоторого явления в управляемых наблюдателем условиях с целью проверки гипотезы и установления причинных связей.

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

Параметры измерения - характеристики объектов, получаемые в результате измерений.

Погрешность измерения – характеристика точности измерения, отражающая отклонение измеренного значения величины от её истинного (действительного) значения.

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. – с. 18-21.
Капица П. Л. Эксперимент, Теория, Практика. – М.: 1991. – с.72-78, с.316-323.
Перельман М.Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы. М.: Издательство «Книжный дом "ЛИБРОКОМ"», 2012. – с.35-48.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Естественнонаучные эксперименты. Коллекция Российского общеобраз. портала URL: http://school-collection.edu.ru/collection.

Мир физики: демонстрации физических экспериментов URL: http://www.phys.spbu.ru/library.

Энциклопедия Антони ван Левенгук URL: https://www.youtube.com/watch?v=kMaTk9q81_A&feature=youtu.be.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В ходе эксперимента объект может находиться в искусственно созданных условиях. В частности, экстремальных условиях, то есть изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, в среде с огромным напряженностью электромагнитного поля и т.п. При таких искусственно созданных условиях удается выявить странные, порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже понять их сущность. В этом аспекте очень интересными и перспективными являются космические эксперименты, которые позволяют изучать объекты и явления, которые невозможно создать в земных условиях.

Исследуя различные процессы, ученые стремятся выделить объективные характеристики, которые не зависят от человека, производящего наблюдения или эксперименты.

Наиболее наглядно это влияние проявляется в природе. Все живые организмы так или иначе реагируют на человека. Поэтому при наблюдении, скажем за дикими животными, приходится быть крайне осторожными, чтобы своим присутствием не нарушить их обычное поведение. Еще сложнее исследовать внутренние органы живых организмов. Любое вмешательство неизбежно изменяет их работу, фактически мы будем исследовать уже другие органы. Ученые, правда, могут заглядывать внутрь организма, используя рентгеноскопию и ультразвуковое зондирование. Но при этом нужно быть очень осторожным, поскольку оба исследования могут в целом отрицательно влиять на организм. Однако влияние экспериментатора сказывается и при проведении опытов без живых организмов. Оказывается, и здесь мы наблюдаем или измеряем уже не то, что было до нашего присутствия. Выяснить с абсолютной точностью истинное значение измеряемой величины невозможно. Характеристика точности измерения, отражающая отклонение измеренного значения величины от её истинного (действительного) значения называется погрешностью измерения.

Рассмотрим несколько примеров влияние приборов на объекты, параметры которых мы измеряем.

Первый пример связан с измерением температуры. При измерении температуры тела человека медицинским термометром влияние термометра на температуру тела пренебрежимо мало. Но при измерении этим же термометром в небольшой пробирке температуру воды даже в пределах, указанных на шкале термометра приводит к ложным результатам.

Поскольку масса термометра и масса пробирки с водой имеют один и тот же порядок величины, изменение температуры термометра и изменение температуры воды оказываются сравнимыми. Это значит, что при тепловом контакте двух тел их температуры выравниваются: температура горячего тела убывает, а температура холодного возрастает. Таким образом, термометр измеряет не температуру воды, которая была до контакта с ним, а температуру, установившуюся после контакта воды и термометра, и эти температуры могут существенно различаться.

Второй пример влияния приборов на объекты, параметры которых измеряются, связан с измерением давления U-образным манометром. Он представляет собой коробочку, закрытую подвижной мембраной. Различное давление вызывает разный прогиб мембраны, который может быть. Погружая такой манометр в воду, можно измерять давление на различных глубинах. Допустим, что мы хотим при помощи такого манометра измерить давление воды на дне стакана. Произведя необходимые действия, мы действительно получим результат некоторого давления. Однако, это не будет то самое давление, которое мы хотели измерить, так как погруженный в жидкость манометр вытесняет воду, а следовательно, ее уровень в стакане поднимается. Мы знаем, что давление определяется высотой столба жидкости, а значит, давление у дна стакана при таком измерении возрастает. Таким образом, в случае если объем манометра сравним с объемом стакана, мы измеряем совсем другое давление.

Третий пример будет связан с измерением линейных размеров объекта. В некоторых случаях в процессе измерения предметов требуется высокая точность результатов, которую нельзя получить при использовании обычной линейки. В таких ситуациях применяют специальные микрометрические инструменты. Рассмотрим процесс измерения толщины проволоки прибором микрометром. Этот инструмент специально предназначен для точного измерения мелких деталей. Микрометр позволяет определить толщину, глубину, наружные и внутренние диаметры объектов исследования. Все разновидности этого измерительного прибора работают по одному принципу: использование взаимного перемещения гайки и винта. Закручивая микровинт, мы прижимаем губки микрометра к проволоке и по шкале считываем толщину проволоки. Но при этом мы неизбежно сдавливаем, а значит, деформируем проволоку, уменьшая ее толщину. Правда, для проволоки сила деформации оказывается незначительной и погрешность измерений очень мала и составляет от 2 до 9 мкм. Следует отметить, что 0,1 мм = 100 мкм, то есть 1 мкм – это миллионная доля метра. В тоже время, трудно представить последствия такого способа измерения объектов живой природы, например размах крыльев бабочки.

Оказывается, чтобы определить эту величину, вовсе не обязательно сжимать крылья бабочки. Достаточно сделать хорошего качества фотографию и провести измерение по этой фотографии. То же самое характерно для любых визуальных измерений расстояний. Все подобные эксперименты используют свет. Но свет, как вы знаете из курса физики, лишь частный случай электромагнитных волн. Человек научился применять для измерения расстояний и скоростей и другие типы электромагнитных волн, например радиоволны.

В настоящее время для измерения расстояний и скоростей объектов широко используют методы радиолокации. Принцип метода достаточно прост. Радиопередатчик радиолокатор посылает радиоволну в направлении объекта, а радиоприемник радиолокатора принимает волну, отраженную от объекта. Умножив время прохождения волны до объекта и обратно на скорость света, мы получим удвоенное расстояние от радиолокатора до объекта. Электронное устройство автоматически измеряет промежуток времени и делает расчет расстояния. Применение этого метода для измерений координат и скоростей объектов макромира можно производить с достаточно высокой точностью, не влияя на их движение. Используя систему радиолокаторов, можно одновременно следить за движением нескольких самолетов.

Таким образом, при измерении макроскопических объектов можно добиться того, чтобы измерение прибора практически не изменяло состояния объекта.

Иная ситуация возникает, если мы захотим проследить подобными методами движение микрочастиц, например движение электронов в атоме. Импульс микроскопического объекта существенно меньше, чем импульс автомобиля, поэтому влияние электромагнитной волны на него оказывается гораздо более значительным.

Проникновение человеческого познания в микромир потребовало проведения экспериментальных исследований, в которых нельзя было пренебречь влиянием прибора на объект микромира. В квантовой механике измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы» (Гейзенберг). Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние не устранимо в ходе эксперимента и фиксируемым результатом выступает взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

В сфере, которую исследует квантовая теория, прибор оказывает на частицу гораздо существеннее влияние, которое нельзя оставить без внимания и тем самым лишает наблюдателя возможности воспринять исследуемый объект в том виде, как он существует в естественных условиях. Влияние прибора на наблюдаемую микрочастицу настолько значительно, что она действительно выступает перед объектом наблюдения в измененном виде. Оно лишь обязывает наблюдателя учитывать свойства прибора, вызываемых этим прибором новых явлений и закономерностей их взаимодействия с исследуемым объектом.

Необходимо также отметить, что влияние касается только количественной стороны свойств микрочастицы - величины энергии, импульса, ее пространственной локализации. Качественная же специфика микрочастиц в результате возбуждения никаких изменений не претерпевает: электрон остается электроном, протон - протоном и т.д.

Таким образом, при проведении любого исследования, экспериментатор не только наблюдает явление, но и оценивает результат своего влияния на это явление.

Выводы:

Производя измерения, мы неизбежно вносим искажения в объект, параметры которого измеряем. Величину таких искажений, а следовательно, и точность измерений необходимо всегда оценивать.

Движение микрочастиц (атомов, молекул, электронов) таково, что при измерении каких-либо параметров этого движения возникает значительное влияние на характер самого движения, и это влияние принципиально не может быть малым.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Установите закономерность в словах и вычеркните лишнее слово:

Термометр
Телескоп
Барометр
Радиолокатор
Рентгеноскопия
Манометр
Микроскоп

Правильный вариант: Рентгеноскопия

Подсказка: Лишнее слово относится к методу исследования, а основные слова обозначают приборы измерения или наблюдения

Задание 2. У каждого прибора имеются свои погрешности. Исключением не являются и инфракрасные термометры. Величина полученных измерений в первую очередь зависит от нескольких факторов:

а) температура окружающей среды;

б) удаление прибора от объекта;

в) имеют погрешности в 0,2-0,5°C в зависимости от качества и модели прибора

г) уровень заряда батареи и т.д.

Какой фактор имеет принципиальное значение для медицинского учреждения при выборе этого прибора для измерения температуры тела человека

Правильный вариант ответа: в)

Подсказка: погрешность градусников: ртутные — 0,1°C, электронные — 0,1-0,2°C; погрешность 0,5°C является значительной при измерении температуры тела человека