Экспериментальные методы в естественных науках

– Вы часто видели ступеньки, ведущие из прихожей в комнату?

– Часто.

– Как часто?

– Ну, несколько сотен раз.

– Отлично. Сколько же там ступенек?

– Сколько? Не обратил внимания.

– Вот-вот. Не обратил внимания. А между тем, вы видели!

В этом вся и суть. Ну, а я знаю, что семнадцать,

потому что я и видел, и наблюдал.

А. Конан-Дойль словами Шерлока Холмса и доктора Ватсона.

НАБЛЮДЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ. Экспериментальные методы – основа естествознания. Наблюдательность, несомненно, помогает нам в повседневной жизни, в учебе. Это важное качество определяет число и характер увиденных и отмеченных нами деталей при знакомстве с различными явлениями и, в конечном счете, объем материала, почерпнутый нами из практики, который затем мы будем анализировать. От этого зависит, насколько всесторонне мы рассмотрим предмет исследования или изучения, и, следовательно, глубина и прочность наших знаний. Процесс наблюдения тесно связан с умением внимательно следить за происходящим, сосредоточить зрение, слух на чем-либо.

Научное наблюдение отличается от обычного созерцания тем, что позволяет приходить к ответам на поставленный исследователем вопрос. Оно всегда целенаправленно, сознательно организованно, методически обдумано, его результаты можно каким-либо образом оценить, записать, измерить. Существенным моментом научного наблюдения являются условия, в которых оно проходит. Важная особенность наблюдения состоит в том, что сам наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.

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, проблемы, которые следует решить.

Примеры научных наблюдений:

– наблюдения астронома за движением планет;

– наблюдения биолога за ростом растений в естественных условиях;

– наблюдения метеоролога за погодой в данной местности.

В отличие от наблюдения, эксперимент – это исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них при помощи создания новых условий, соответствующих целям исследования, или же через изменение течения процесса в нужном направлении. Как правило, под экспериментом понимают практический, лабораторный метод исследования. Иногда используют так называемый мысленный эксперимент, когда исследователь мысленно моделирует процессы или системы, прогнозирует и описывает их поведение. Экспериментатор должен четко представлять себе, 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.

Примеры научных экспериментов:

– эксперимент Резерфорда «Бомбардировка α-частицами тонкой золотой фольги с целью установления строения атома»;

– эксперименты И. П. Павлова по исследованию механизмов образования условных рефлексов.

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.

Примером последовательности гипотез, ускоривших экспериментальное решение вопроса о строении атома, являются выдвинутые в начале ХХ в. модели атома:

– планетарная;

– томсоновская («пирог с изюмом», где положительный разлитый по объему атома заряд - это «пирог», а электроны - вкрапленный в него «изюм»);

– атом Бора с переходами электронов с одного дискретного энергетического уровня на другой.

ИЗМЕРЕНИЕ. Естественно-научное экспериментальное исследование всегда опирается на точные измерения. Измерить величину – это значит сравнить ее с эталоном, с единицей измерения. Наверняка каждый из вас измерял длину линейкой, получая ответ в сантиметрах и миллиметрах; температуру – с помощью градусника или термометра в градусах. 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.

При обработке результатов измерений всегда нужно оценивать:

– с какой точностью вы измеряете, какую ошибку дает ваш прибор;

– как влияет сам процесс измерения на объект, который вы измеряете.

Можно ли измерить неизмеримое? Например, с помощью обыкновенной линейки определить размер клетки растения или атома? Вы скажете: «Вряд ли». Тем не менее, данные о параметрах этих объектов микромира вы можете найти в справочниках. Как же они были измерены? 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 или меньше чем исследуемый объект. А размеры атома, ядра атома или элементарных частиц определяют по косвенным данным, например, в опытах по параметрам рассеяния атомы – с помощью электронного микроскопа.

О роли экспериментальных методов в научном познании Т. Фуллер сказал: «Знание – сокровищница, но ключ к ней – практика».