Експериментальні методи в природничих науках

Експериментальні методи – основа природознавства. Спостережливість, безсумнівно, допомагає нам у повсякденному житті, навчанні. Ця важлива якість визначає число і характер побачених та зазначених нами деталей при знайомстві з різними явищами і в кінцевому рахунку обьем матеріалу, почерпнутий нами з практики, який потім ми будемо аналізувати. Від цього залежить, наскільки всебічно ми розглянемо предмет дослідження або вивчення та наскільки глибокі і міцні будуть наші знання. Процес спостереження тісно пов’язаний з умінням уважно стежити за подіями, зосереджувати зір, слух на чому-небудь.

Наукове спостереження відрізняється від звичайного споглядання тим, що дозволяє приходити до відповідей на поставлене дослідником питання. Воно завжди цілеспрямовано, свідомо організовано, методично обдумано, його результати можна якимось чином оцінити, записати, виміряти. Суттєвим моментом наукового спостереження є умови, в яких воно проходить. Важлива особливість полягає в тому, що сам спостерігач не втручається в хід спостережуваного процесу.

Дослідник знає, заради чого проводиться спостереження, яка поставлена ​​мета. Спостерігача цікавлять всі деталі досліджуваного процесу.

Чим більше деталей він помітить, тим більше отримає матеріалу для обдумування, обробки, роздумів. Тому обов’язково ведеться журнал спостережень, де записують всі особливості відбуваються і їх умови. Згодом часто доводиться знову і знову повертатися до цих описам. Журнали спостережень повинні довго зберігатися, вони стають матеріалом для порівняння результатів різних дослідників. Спостереження дає матеріал для подальших досліджень, дозволяє сформулювати питання, на які треба відповісти, окреслити проблеми, які слід вирішити.

Приклади наукових спостережень:

спостереження астронома за рухом планет:
спостереження біолога за ростом рослин у природних умовах;
спостереження метеоролога за погодою в даній місцевості.
На відміну від спостереження експеримент – це дослідження будь-яких явищ шляхом створення нових умов, відповідних цілям дослідження, або ж зміни перебігу процесу в потрібному напрямку. Як правило, під експериментом розуміють практичний, лабораторний метод дослідження. Іноді використовують так званий уявний експеримент, коли дослідник мислення моделює процеси або системи, прогнозує і описує їх поведінку. Експериментатор повинен чітко уявляти собі, які параметри процесу він зраджує, щоб визначити, що впливає на результат, встановити причину і наслідок. При цьому в експерименті обов’язково порівнюють поведінку системи в звичайних і спеціально змінених умовах. Результати та умови експерименту строго фіксують і описують.

Приклади наукових експериментів:

експеримент Резерфорда «Бомбардування а-частинками тонкої золотої фольги з метою встановлення будови атома»;
експерименти І. П. Павлова з дослідження механізмів утворення умовних рефлексів.
У природознавстві між спостереженням і експериментом в ланцюжку дослідження лежить важлива ланка – гіпотеза (від грец. Hipotesis – підстава, припущення). Перед тим як організувати експеримент, продумати його умови, висувають припущення, яке потрібно перевірити (підтвердити або спростувати) експериментально.

Прикладом послідовності гіпотез, що прискорили експериментальне вирішення питання про будову атома, є висунуті на початку XX ст. моделі атома:

планетарна;
томсоновская («пиріг з родзинками», де позитивний розлитий по обсязі атома заряд – це «пиріг», а електрони – украплений в нього «родзинки»);
атом Бора з переходами електронів з одного дискретного енергетичного рівня на інший.
ВИМІР. Природно-наукове експериментальне дослідження завжди спирається на точні вимірювання. Кожен з вас вимірював довжину лінійкою в сантиметрах і міліметрах; температуру за допомогою градусника або термометра в градусах. Характеристики об’єктів, одержувані в результаті вимірювань, називають параметрами.

Для вимірювання параметрів служать спеціальні прилади, наприклад манометр для вимірювання тиску, вольтметр для вимірювання напруги в електричному ланцюзі. Результати вимірювань можуть дозволити розрахувати параметри об’єктів або характеристики процесів. Наприклад, обсяг куба можна розрахувати, вимірявши його ребро, а швидкість рівномірно рухомого автомобіля можна оцінити, знаючи шлях і час, за який він пройдений.

При обробці результатів вимірювань завжди потрібно оцінювати:

з якою точністю ви вимірюєте, яку помилку дає ваш прилад;
як впливає сам процес вимірювання на об’єкт, який ви вимірюєте.
Чи можна виміряти невимірне? Наприклад, за допомогою звичайної лінійки визначити розмір клітини рослини або атома? Ви скажете: «Навряд чи». Проте дані про параметри цих об’єктів мікросвіту ви можете знайти в довідниках. Як же вони були виміряні? Клітку розміром в 10-3 мм можна розглянути і виміряти за допомогою оптичного мікроскопа; молекули білків і ДНК, розміри яких мають порядок 10-5, – за допомогою електронного мікроскопа. Тут важливо, щоб довжина хвилі випромінювання, яке використовують у вимірі, була порівнянна з досліджуваним об’єктом або менше його. А розміри атома, ядра атома або елементарних частинок визначають за непрямими даними, наприклад за допомогою електронного мікроскопа.

Виміряти величину – це означає порівняти її з еталоном, з одиницею виміру.

Які особливості наукового спостереження?
Чим експеримент відрізняється від спостереження?
Що значить виміряти величину?

Посилання на основну публікацію