1.5: Природа науки
- Page ID
- 36297
ВСТУП
Колись у своєму житті ви задавали питання про навколишній світ. Напевно, ви задавали багато питань протягом багатьох років. Найкращий спосіб відповісти на питання про світ природи - за допомогою науки. Вчені задають питання щодня, а потім використовують набір кроків, щоб відповісти на ці питання. Кроки відомі як науковий метод. Слідуючи науковому методу, вчені придумують найкращу інформацію про світ природи. Як вчений, вам потрібно робити експерименти, щоб дізнатися про світ. Також потрібно дивуватися, спостерігати, говорити і думати. Все, що ми дізнаємося, допомагає нам задавати нові та кращі запитання.
НАУКОВИЙ МЕТОД
Науковий метод являє собою сукупність кроків, які допомагають нам відповісти на питання. Коли ми використовуємо логічні кроки і контролюємо кількість речей, які можна змінити, ми отримуємо кращі відповіді. Коли ми перевіряємо наші ідеї, ми можемо придумати більше питань. Основна послідовність кроків, які дотримуються в науковому методі, проілюстрована на малюнку 1.
Малюнок 1. Науковий метод
Запитання
Задати питання - це один дійсно хороший спосіб почати пізнавати світ природи. Можливо, ви бачили щось, що робить вас цікавим. Можливо, ви захочете знати, що змінити, щоб отримати кращий результат. Скажімо, фермер має проблему ерозії. Вона хоче зберегти більше грунту на своїй фермі. Фермер дізнається, що метод землеробства під назвою «no-till farming» дозволяє фермерам садити насіння без оранки землі. Вона задається питанням, чи посадка насіння без оранки зменшить проблему ерозії та допоможе зберегти більше ґрунту на своїх сільськогосподарських угіддях. Її питання таке: «Чи допоможе використання методу no-till землеробства мені втратити менше грунту на моїй фермі?» (рисунок 2).
Малюнок 2. Грунт часто втрачається з землі, яка була зорана.
Дослідницька
Перш ніж вона почне, фермер повинен дізнатися більше про цей метод землеробства. Вона може шукати інформацію в книгах і журналах в бібліотеці. Вона також може шукати в Інтернеті. Хороший спосіб для неї навчитися - поговорити з людьми, які спробували цей спосіб землеробства. Вона може використовувати всю цю інформацію, щоб з'ясувати, як вона збирається перевірити своє питання про не-до сільського господарства. Сільськогосподарські машини показані на малюнку 3.
Малюнок 3. Замість того, щоб розбивати ґрунт, як на цій картині, фермер міг спробувати методи ведення сільського господарства.
гіпотеза
Провівши дослідження, фермер спробує відповісти на питання. Вона може подумати: «Якщо я не ошу свої поля, я втрачу менше грунту, ніж якщо я ошу поля. Оранка порушує ґрунт і розбиває коріння, які допомагають утримувати грунт на місці». Ця відповідь на її питання є гіпотезою. Гіпотеза - розумне пояснення. Гіпотезу можна перевірити. Це може бути правильна відповідь, це може бути неправильна відповідь, але вона повинна бути перевіреною. Після того, як вона має гіпотезу, наступним кроком є проведення експериментів для перевірки гіпотези. Гіпотезу можна довести або спростувати шляхом тестування. Якщо гіпотеза неодноразово перевіряється і виявляється правдивою, то вчені називають її теорією.
Експеримент
Коли ми розробляємо експерименти, ми вибираємо лише одне, що потрібно змінити. Те, що ми змінюємо, називається незалежною змінною. У прикладі фермер вибирає два поля, а потім змінює між ними лише одне. Вона змінює, як вона орає свої поля. Одне поле буде оброблено, а одне - ні. Все інше буде однаковим на обох полах: тип врожаю, який вона вирощує, кількість води і добрив, які вона використовує, і схил полів, на яких вона садить. Поля повинні бути звернені в одну сторону, щоб отримати приблизно однакову кількість сонячного світла. Це експериментальні елементи управління. Якщо фермер змінює лише те, як вона орає свої поля, вона може побачити вплив однієї зміни. Після завершення експерименту вчені вимірюють результат. Фермер вимірює, скільки грунту втрачено з кожного поля. Це залежна змінна. Скільки втрачається грунт з кожного поля «залежить» від методу оранки.
Дані та експериментальна помилка
Під час експерименту вчений збирає дані. Дані можуть бути вимірами, як фермер приймає на малюнку 4. Вчений повинен записати дані в блокнот або на комп'ютер. Дані зберігаються в діаграмах, які чітко позначені. Маркування допомагає вченому знати, що являє собою кожне число. Вчений також може написати описи того, що сталося під час експерименту. В кінці експерименту вчений вивчає дані. Вчений може створити графік або малюнок, щоб показати дані. Якщо вчений може уявити дані, результати можуть бути легше зрозуміти. Тоді простіше зробити логічні висновки.
Малюнок 4. Пара фермерів проводить ретельні виміри в полі.
Навіть якщо вчений дійсно уважний, можна помилитися. Один вид помилки - з обладнанням. Наприклад, електронний баланс завжди може вимірювати висоту в один грам. Щоб це виправити, слід відрегулювати баланс. Якщо його неможливо відрегулювати, кожне вимірювання слід виправити. Помилка може наступити, якщо вимір важко зробити. Наприклад, вчений може зупинити секундомір занадто рано або занадто пізно. Щоб це виправити, вчений повинен багато разів запустити експеримент і зробити багато вимірів. Середнє значення вимірювань буде точною відповіддю. Іноді результат одного експерименту сильно відрізняється від інших результатів. Якщо одна точка даних дійсно відрізняється, вона може бути викинута. Ймовірно, в цьому експерименті була допущена помилка.
Висновки
Далі вчений повинен сформувати висновок. Вчений повинен вивчити всі дані. Яке твердження найкраще пояснює дані? Чи довів експеримент гіпотезу? Іноді експеримент показує, що гіпотеза вірна. Інший раз дані спростовують гіпотезу. Іноді сказати не представляється можливим. Якщо висновку немає, вчений може перевірити гіпотезу ще раз. Цього разу він буде використовувати деякі різні експерименти. Незалежно від того, що показує експеримент, вчений чомусь навчився. Навіть спростована гіпотеза може привести до нових питань.
Фермер вирощує урожай на двох полах протягом сезону. Вона виявляє, що на ораному полі було втрачено в 2,2 рази більше ґрунту, ніж на нерозораному полі. Вона робить висновок, що її гіпотеза була правильною. Фермер також помічає деякі інші відмінності на двох ділянках. Рослини на ділянках без обкатки вище. Вологість грунту здається вище. Вона вирішує повторити експеримент. Цього разу вона буде вимірювати вологість грунту, ріст рослин і загальну кількість води, яку споживають рослини. Відтепер вона буде використовувати no-till методи землеробства. Вона також вивчить інші фактори, які можуть зменшити ерозію ґрунту.
Теорія
Коли вчені мають дані і висновки, вони пишуть статтю. Вони публікують свою роботу в науковому журналі. Журнал - це журнал для вчених, які цікавляться певною сферою. Перш ніж папір буде надрукована, інші вчені дивляться на неї, щоб спробувати знайти помилки. Вони бачать, чи випливають висновки з даних. Це називається рецензування. Якщо папір надійний, вона друкується в журналі.
Інші статті публікуються на цю ж тему в журналі. Докази за або проти гіпотези обговорюються багатьма вченими. Іноді гіпотеза неодноразово виявляється правдивою і ніколи не виявляється помилковою. Потім гіпотеза стає теорією. Іноді люди кажуть, що у них є «теорія», коли те, що вони мають, є гіпотезою.
У науці теорія неодноразово виявлялася правдою. Теорія підкріплена багатьма спостереженнями. Однак теорія може бути спростована, якщо виявлені суперечливі дані. Багато важливих теорій виявилися правдивими багатьма спостереженнями та експериментами і вкрай навряд чи будуть спростовані. До них відносяться теорія тектоніки плит і теорія еволюції.
НАУКОВІ МОДЕЛІ
Вчені використовують моделі, щоб допомогти їм зрозуміти і пояснити ідеї. Моделі пояснюють об'єкти або системи більш простим способом. Моделі часто показують лише частину системи. Реальна ситуація складніша. Моделі допомагають вченим робити прогнози про складні системи. Деякі моделі - це те, що ви можете побачити або помацати. Інші типи моделей використовують ідею або цифри. Кожен тип корисний певними способами.
Вчені створюють моделі з комп'ютерами. Комп'ютери можуть обробляти величезні обсяги даних. Це може більш точно уявити реальну ситуацію. Наприклад, клімат Землі залежить від величезної кількості факторів. Кліматичні моделі можуть передбачити, як зміниться клімат у міру додавання певних газів до атмосфери. Щоб перевірити, наскільки хороша модель, вчені можуть почати тестовий запуск в той час у минулому. Якщо модель може передбачити сьогодення, це, мабуть, хороша модель. Це, швидше за все, буде точним при прогнозуванні майбутнього.
Фізичні моделі
Фізична модель - це подання чогось за допомогою об'єктів. Вона може бути тривимірною, як глобус. Також це може бути двомірний малюнок або схема. Моделі, як правило, менше і простіше, ніж реальний об'єкт. Вони, швидше за все, залишають поза увагою деякі частини, але містять важливі частини. У хорошій моделі деталі виконані або намальовані в масштабі. Фізичні моделі дозволяють нам бачити, відчувати і переміщати їх частини. Це дозволяє нам краще зрозуміти реальну систему.
Прикладом фізичної моделі є креслення шарів Землі (рис. 5). Малюнок допомагає нам зрозуміти будову планети. Тим не менш, є багато відмінностей між малюнком і реальною річчю. Розмір моделі набагато менше, наприклад. Малюнок також не дає гарного уявлення про те, як рухаються речовини. Стрілки, що показують напрямок руху матеріалу, можуть допомогти. Фізична модель дуже корисна, але вона не може пояснити реальну Землю ідеально.
Малюнок 5. Центр Землі.
Ідеї як моделі
Деякі моделі засновані на ідеї, яка допомагає вченим щось пояснити. Хороша ідея пояснює всі відомі факти. Прикладом може служити те, як Земля отримала свою Місяць. Планета розміром з Марс потрапила на Землю, а скелястий матеріал відірвався від обох тіл (рис. 6). Цей матеріал обертався навколо Землі, а потім зібрався разом, щоб сформувати Місяць. Це модель чогось, що сталося мільярди років тому. Він об'єднує багато фактів, відомих з наших досліджень поверхні Місяця. На нього припадає хімічний склад гірських порід з Місяця, Землі та метеоритів. Фізичні властивості Землі і Місяця фігурують також. Не всі відомі дані підходять для цієї моделі, але багато що робить. Є також більше інформації, яку ми просто ще не знаємо.
Малюнок 6. Зіткнення, що показує метеорит, що вражає Землю.
Моделі, які використовують цифри
Моделі можуть використовувати формули або рівняння для опису чогось. Іноді математика може бути єдиним способом описати її. Наприклад, рівняння допомагають вченим пояснити, що сталося в перші дні Всесвіту. Всесвіт сформувався так давно, що математика - єдиний спосіб її описати. Кліматична модель включає безліч цифр, включаючи показання температури, щільність льоду, рівень снігопаду та вологість. Ці числа ставляться в рівняння, щоб скласти модель. Отримані результати використовуються для прогнозування майбутнього клімату. Наприклад, якщо хмар більше, глобальна температура піднімається або знижується? Моделі не ідеальні, оскільки це прості версії реальної ситуації. Незважаючи на це, ці моделі дуже корисні вченим. У наші дні моделі складних речей виготовляють на комп'ютерах.
РЕЗЮМЕ УРОКУ
- Вчені задають питання про світ природи.
- Науковий метод являє собою сукупність логічних кроків, за допомогою яких можна відповісти на ці питання.
- Гіпотеза - це розумне пояснення чогось.
- Теорія - це гіпотеза, яка була показана правдою багато разів.
- Моделі представляють реальні речі, але простіші.
РЕФЛЕКСІЯ ПИТАННЯ
- Яку майстерність допомагає вам розвивати цей вміст?
- Які ключові теми висвітлюються в цьому контенті?
- Як зміст цього розділу може допомогти вам продемонструвати майстерність певної майстерності?
- Які питання у вас щодо цього вмісту?