Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Абстракция и идеализация.

Абстракцией называют мысленное выделение в каждом явлении наиболее значимых его свойств и отвлечение (абстрагирование) от тех, которые кажутся несущественными. Без абстракции невозможно никакое научное исследование, ведь в природе не бывает двух абсолютно одинаковых объектов. Нельзя изучать законы движения, если учитывать все выпуклости и зазубрины на каждом камне. Нельзя делать заключений в биологии или психологии, если учитывать тот факт, что каждое животное и тем более человек имеет свои индивидуальные особенности. Поэтому приходится абстрагироваться от многого из того, что мы наблюдаем. Высшую степень абстрагирования называют идеализацией. В процессе исследования реально существующих предметов создаются образы мысленных объектов, которые не только не существуют, но и не могут реально существовать в природе. Такими идеализированными объектами являются, например, материальная точка, идеальный газ, геометрические фигуры и тела. Создание таких объектов является началом процесса моделирования, о котором мы будем говорить в дальнейшем, когда вместо реальных объектов используются их идеальные модели.

Может показаться, что метод абстракции и идеализации отдаляет исследование от реальности и ведёт к изучению явлений, не существующих в природе. Но вся история науки показывает, что именно правильное использование абстракции позволило открыть самые объективные явления и привело к абсолютно реальным техническим достижениям. Именно пренебрежение формой, а часто и размерами предметов, силой трения и многими другими факторами позволило Галилею, Ньютону и их последователям разработать точную механику, а впоследствии и другие разделы естествознания.

Высшей степенью абстракции Галилей считал математику, так как только она может выразить явления в идеальном виде, освобождённом от случайных погрешностей. Ни один циркуль не способен изобразить абсолютно правильную окружность, но выражение «окружность есть геометрическое место точек, равноудалённых от точки, называемой центром» и соответствующее ему уравнение характеризуют её абсолютно точно. Только с помощью математики, как полагал Галилей, можно нарисовать правильную картину Мира. Он считает, что книга природы

«написана на языке математики, её буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять её речь; без них – напрасное блуждание в тёмном лабиринте».

Со времени Галилея в научный обиход вошли понятия абстрагирования, эксперимента, измерения и математической обработки результатов. В следующих параграфах мы рассмотрим, в чём состоит их суть.

Проверьте свои знания

1. Что утверждает открытый Галилеем закон инерции?

2. От чего абстрагировался Галилей, формулируя закон инерции?

3. С помощью каких экспериментов Галилей доказал, что, если на тело не действует сила, оно будет двигаться с постоянной скоростью?

Задания

1. Подготовьте доклад о жизни и научной деятельности Галилео Галилея.

2. Приведите примеры абстрагирования в различных науках.

3. Если у вас в школе имеется достаточно большой сосуд и насос, позволяющий откачивать воздух из этого сосуда, поместите в сосуд предметы различной формы и массы, а затем откачайте из него воздух (рис. 18). После этого переверните сосуд и убедитесь в том, что все предметы падают одновременно.

Рис. 18. Опыт с сосудом, на дне которого лежат тяжёлый шарик, кусок картона и перо: А – сосуд с воздухом; Б – при переворачивании сосуда все предметы падают по-разному и достигают дна сосуда в разное время; В – из сосуда откачали воздух; Г – при переворачивании все предметы одновременно оказываются на дне сосуда

§ 6 Наблюдение и эксперимент

О вы, счастливые науки!Прилежны простирайте рукиИ взор до самых дальних мест.Пройдите землю, и пучину, и степи, и глубокий лес……Везде исследуйте всечасно,Что есть велико и прекрасно,Чего ещё не видел свет.М. Ломоносов

Познание окружающего мира начинается с собирания фактов, добытых эмпирическим (от греч. empeiria – опыт) путём. Эмпирические данные могут быть получены в результате наблюдения, эксперимента и измерения. Самым простым из эмпирических методов, лежащим в основе остальных, является наблюдение. Измерение и эксперимент обязательно включают в себя наблюдение, но само наблюдение может и не сопровождаться двумя другими методами.

Наблюдение.

Научным наблюдением называется восприятие предметов и явлений с целью их изучения (рис. 19). Поскольку главной особенностью естественных наук является их объективность, то требуется, чтобы результаты наблюдений, сделанных одним или несколькими людьми, могли быть воспроизведены другими. Следовательно, требуется сообщить о своих наблюдениях таким образом, чтобы каждый смог в соответствующих условиях повторить их и получить те же результаты. Поэтому в сообщении о наблюдении требуется обязательно указать:

• объект, т. е. какой предмет или явление наблюдали;

• субъект, т. е. кто наблюдал (с учётом особенностей его физического или психологического состояния);

• средства наблюдения, т. е. описание приборов или инструментов, если они использовались;

Рис.19.Наблюдение – один из самых древних научных методов

• условия наблюдения (какая в месте наблюдения была температура, освещённость, уровень шума, характеристика местности и т. д.);

• систему знания, в которой задают цель наблюдения и объясняют его результаты.

Если при соблюдении этих требований схожие результаты будут получены несколькими наблюдателями, они могут рассматриваться как имеющие значение для науки.

Наблюдения могут быть непосредственными и косвенными. Если, например, мы наблюдаем невооружённым глазом звёздное небо или падение камня с возвышенного места, то это будет непосредственное наблюдение. А вот элементарные частицы непосредственно наблюдать невозможно. Мы можем судить о них, только наблюдая те изменения, которые они производят в измерительных приборах. Однако между этими видами наблюдения нет резкой границы: как, например, оценить наблюдение, сделанное с помощью бинокля? Наблюдение представляет собой один из важных видов научной практики, но полученным с его помощью результатам не всегда можно безоговорочно доверять. Наблюдатель не всегда может учитывать все условия, при которых обнаруживается наблюдаемое явление, может не принимать во внимание случайные факторы, собственное вмешательство в ход наблюдаемого процесса и т. п. Поэтому более строгим научным методом, с помощью которого добываются основные естественно-научные знания, является эксперимент.

Эксперимент

Эксперимент представляет собой исследование, проводимое по определённым правилам, принятым среди естествоиспытателей. Несоблюдение этих правил обычно приводит к тому, что полученные данные вызывают недоверие и не принимаются научным сообществом всерьёз. В этом случае говорят, что методы, использованные экспериментатором, являются некорректными, а сам эксперимент обладает недостаточной чистотой. Рассмотрим, в чём заключаются основные правила эксперимента.

Сущность эксперимента обычно состоит в том, что изучается изменение какого-либо показателя, свойства или признака под влиянием некоторого фактора. Для того чтобы выяснить роль этого фактора, исследование обычно проводят на двух группах исследуемых объектов, которые различаются только по этому фактору. Группа, где изучаемый фактор отсутствует, называется контрольной, а та, где он присутствует, – экспериментальной. Можно образовать несколько групп, различающихся по величине изучаемого воздействия. Допустим, исследуется влияние лекарственного средства на скорость размножения определённого вида микроорганизмов. Для этого можно взять несколько сосудов с питательной средой и поместить в каждый строго определённое количество микроорганизмов (рис. 20). Очень важно, чтобы эти сосуды не различались ни по каким признакам, кроме изучаемого: их объём, состав и количество питательного раствора, температура, при которой будет происходить размножение, и все прочие условия должны быть абсолютно одинаковы.

Рис. 20. Изучение влияния лекарственного препарата на скорость размножения определённого вида микроорганизмов

Единственное различие будет состоять в присутствии лекарственного средства. Один сосуд, тот, в котором это средство отсутствует, будем называть контрольным. В другие сосуды, экспериментальные, будем добавлять изучаемое средство в различных дозах, предположим, 1, 5 и 10 миллиграммов. По прошествии строго определённого времени, одного и того же для всех сосудов, будем брать пробы из каждого сосуда и подсчитывать определённым способом количество микроорганизмов. Если это количество окажется разным в различных сосудах, например их будет тем меньше, чем больше концентрация нашего средства, то можно будет сделать вывод о влиянии этого средства на скорость развития данного вида микробов.

Однако для уверенного утверждения о таком влиянии одного такого эксперимента будет недостаточно. Обязательным требованием к научному эксперименту является его воспроизводимость. Если при многократном повторении одного и того же эксперимента в абсолютно одинаковых условиях всегда будут получаться одинаковые результаты, то этим результатам можно будет доверять. Тогда можно быть уверенным в том, что в эксперимент не вкралась какая-либо не учтённая исследователем случайность. В этом случае исследователь имеет право сообщить о своих результатах в научной статье или на конференции.

Но для того чтобы полученные данные стали признанным научным фактом, и этого недостаточно. Так же как и при проведении наблюдений, требуется, чтобы результаты эксперимента были подтверждены другими независимыми экспериментаторами. Ведь всегда можно допустить возможность того, что первооткрыватель пусть бессознательно, но допустил какие-либо ошибки или неточности. Поэтому, публикуя результаты своих исследований, автор должен точно соблюдать те правила, о которых говорилось выше, т. е. указать условия, в которых проводились его эксперименты. После этого его коллеги смогут воспроизвести описанные опыты. В том случае, если результаты у всех окажутся одинаковыми, данные опыты могут считаться общепризнанным установленным научными фактами.

В результате принятия экспериментального метода в естественных науках, в отличие от многих гуманитарных наук, невозможны принципиально различные точки зрения на природу одних и тех же явлений. Ведь в случае расхождения мнений всегда можно провести совместный эксперимент и выяснить, какое именно мнение является правильным. Высказывать различные суждения и выдвигать новые гипотезы можно лишь по поводу тех явлений, сущность которых пока ещё не проверена достаточно точными экспериментами.

Проверьте свои знания

1. Что обязательно указывают в сообщении о наблюдении?

2. Чем отличается эксперимент от наблюдения?

3. Что означает требование к воспроизводимости эксперимента?

4. Какие группы исследуемых объектов требуется образовать для проведения эксперимента?

5. Какое значение для развития науки имеют строгие правила проведения эксперимента?

Задания

1. На уроке химии сравнивали растворимость соли в воде. Для этого насыпали какое-то количество этой соли в колбу и заливали определённым количеством воды. Через 10 минут воду сливали и измеряли количество нерастворившегося осадка. Один из учеников взял для растворения воду из холодильника, а другой – с подоконника, находящегося на солнечной стороне класса. Полученные результаты оказались различными. Каковы возможные причины этих различий?

2. В другой раз оба ученика взяли воду из холодильника. Но один из них каждую минуту перемешивал раствор, а другой отвлёкся, забыл про колбу и вспомнил о ней, только когда зазвенел таймер. Результаты опять получились различными. Каковы возможные причины этих различий?

3. Школьный психолог проводил с учениками 7 класса систему тренинга для решения нестандартных задач. Контрольная группа, где такой тренинг не проводился, была составлена из учащихся 10 класса. Результаты решения задач получились одинаковыми в обеих группах. Следует ли из этого, что разработанный тренинг неэффективен? Обоснуйте свой вывод.

4. Рассмотрите рисунок 19 и определите, что в данном примере является объектом; субъектом; средствами; условиями наблюдения.

§ 7 Измерение

Несколько способов измерения высоты башни с помощью барометра.

1. Закрепить барометр на вершине башни. Послать кого-нибудь наверх снять показания с барометра. Высота башни рассчитывается исходя из скорости передвижения посланного человека и времени его отсутствия.

2. Положить башню на землю. Перекатывать барометр от вершины к основанию, считая число оборотов. (Способ имени 38 попугаев.)

3. Закопать башню в землю. Вынуть башню. Полученную яму заполнить барометрами. Зная диаметр башни и количество барометров, приходящееся на единицу объёма, рассчитать высоту башни.

Студенческая шутка

Измерением называют представления свойств реальных объектов в виде числовой величины, т. е. установление соотношения между свойствами объекта и каким-либо числом. До появления точного измерения количественные свойства предметов выражали с помощью качественных и сравнительных понятий – «большой, тяжёлый, тёплый», или – «меньше, легче, холоднее». После того как люди освоили абстрактные числа (см. § 1), они стали приписывать этим понятиям (размерам, весу, а позже и температуре) точные числовые значения. Они стали говорить не просто «этот камень тяжёлый, он тяжелее второго», «эта ель высокая, она выше той берёзы», а какое число соответствует тяжести этого камня или высоте дерева и насколько оно больше числа, характеризующего тяжесть другого камня или высоту другого дерева.

Единицы измерения.

Для того чтобы что-то точно измерять и сравнивать затем полученные числа, требуется установить единицу измерения, чтобы затем принять в качестве меры количество этих единиц.

Рис. 21.Пядь

Рис. 22. Длина ступни как единица измерения использовалась в большинстве древних культур. Например, в Шумере стандартом этой меры была длина ступни статуи правителя Гудеа Лагашского (XXII в. до н. э.)

Основное правило измерения заключается в том, чтобы представить характеристику измеряемого объекта в виде произведения единицы измерения на какое-то число (целое, дробное или даже иррациональное). Если A обозначает степень измеряемого свойства, B – единицу измерения, а k – числовое значение измеряемой величины, то результат измерения выражается таким образом: A = kB.

На протяжении всей своей истории человечество занималось выбором единиц измерения. В первую очередь людей интересовали протяжённость объектов в пространстве (длина, площадь, объём) и вес предметов. Наиболее распространёнными мерами длины были части человеческого тела, такие как пядь – расстояние между концами растянутых большого и указательного пальцев руки (рис. 21), локоть – расстояние от конца пальцев до локтевого сустава (очень удобный способ измерения длины ткани), фут (по-английски – ступня), дюйм, равный ширине большого пальца взрослого мужчины (рис. 22). В России распространённой мерой длины была сажень, также определяемая расстояниями между различными точками человеческого тела[3] (рис. 23). Сажень равнялась приблизительно 2,14 м и делилась на три аршина, а аршин, в свою очередь, – на 16 вершков.

Рис. 23. Сажень: А – косая; Б – прямая

Но, как всем известно, части тела у различных людей могут сильно различаться. Поэтому очень скоро была осознана необходимость введения эталонов, более или менее постоянных величин, соответствующих данным мерам. Обычно эталон устанавливался властями, а копии с него широко распространялись и служили для практических нужд[4].

Для измерения веса или, как мы бы сказали теперь, массы использовали различного рода весы, которые первоначально основывались на принципе работы рычага (рис. 24).

Рис. 24. На этой росписи древнеегипетской гробницы (XIV в. до н. э.), найденной в Фивах, изображён процесс взвешивания золотых колец. Египтяне использовали весы и гири для определения стоимости драгоценных металлов

Рис. 25. В Бирме все разновесы делали в виде животных: слонов, уток, буйволов и львов, как эта бронзовая гирька (А). Каменная египетская гирька предназначалась для взвешивания золота (Б)

Если плечи рычага сделать равными, то массу взвешиваемого груза можно определить подвешивая к другому плечу набор эталонных масс (гирь) (рис. 25). Если же сделать их неравными, то эту массу можно узнать по тому, на какое расстояние надо отодвинуть взвешиваемый груз для того, чтобы рычаг оказался в равновесии. Такие весы называются безменом по названию одной из старых русских мер веса. Впоследствии появились пружинные весы, действие которых основано на том факте, что длина растягиваемой пружины в определённых пределах пропорциональна действующей на эту пружину силе.

В качестве основной меры веса в России использовался пуд, что буквально означало «вес» или «тяжесть». В современных метрических единицах пуд равен 16,38 килограмма. Пуд состоял из 40 фунтов, каждый из которых весил, следовательно, около 400 г.

С середины XIX в. в мире стала распространяться десятичная система мер, которая в настоящее время принята практически во всех странах (кроме США, Либерии и Мьянмы). В этой системе первоначально были приняты две основные единицы для измерения фундаментальных характеристик окружающего мира – расстояния и веса (массы). В качестве первой был принят метр, длина которого определялась как сорокамиллионная часть меридиана, проходящего через Париж (рис. 26, 27). В качестве второй меры – массы был принят килограмм, равный массе одного литра чистой воды при температуре 4 °C и нормальном атмосферном давлении. Ввиду того что эти величины не могут быть измерены с большой точностью, в качестве мировых эталонов стали использовать определённые предметы (эталонный метр и эталонный килограмм), хранящиеся в специальных помещениях при постоянных условиях.

В настоящее время в науке и технике принята система измерений СИ. В этой системе используются следующие основные единицы:

масса – килограмм (кг, kg);

расстояние – метр (м, m);

время – секунда (с, s);

электрический ток – ампер (А, A);

температура – кельвин (К, K);

сила света – кандела (кд, cd);

количество вещества – моль (моль, mol).

Рис. 26. В десятичной системе мер, которая стала распространяться в мире начиная с середины XIX в., для измерения расстояния был принят метр, длина которого определялась как сорокамиллионная часть меридиана, проходящего через Париж: А – Парижский меридиан; Б – международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 г.

Рис. 27. Один из публичных эталонов метра, установленных на улицах Парижа в 1795–1796 гг.