1.2: Науково-відтворюваний, тестований, орієнтовний, прогнозний та пояснювальний

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20144

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Охарактеризуйте відмінності між гіпотезою та теорією як наукові терміни.
Опишіть різницю між теорією та науковим правом.
Визначте складові наукового методу.

Хоча багато хто взяв наукові заняття протягом свого курсу навчання, неправильні або оманливі уявлення про деякі з найважливіших і основних принципів в науці все ще є звичайним явищем. Більшість студентів чули про гіпотези, теорії та закони, але що насправді означають ці терміни? Перш ніж читати цей розділ, подумайте, що ви дізналися про ці терміни раніше, і що вони означають для вас. При читанні зверніть увагу, чи суперечить якийсь текст тому, що ви раніше думали. Що ви читаєте, що підтримує те, що ви думали?

Що таке факт?

Факт - це основне твердження, встановлене експериментом або спостереженням. Всі факти правдиві при конкретних умовах спостереження.

Що таке гіпотеза?

Одним з найпоширеніших термінів, що використовуються на заняттях наукою, є «гіпотеза». Слово може мати безліч різних визначень, залежних від контексту, в якому воно використовується:

Освічена здогадка: наукова гіпотеза забезпечує запропоноване рішення на основі доказів.
Передбачення: якщо ви коли-небудь проводили науковий експеримент, ви, ймовірно, зробили такий тип гіпотези, в якій ви передбачили результат вашого експерименту.
Орієнтовне або запропоноване пояснення: гіпотезами можуть бути припущення про те, чому щось спостерігається. Для того, щоб гіпотеза була науковою, вчений повинен мати можливість перевірити пояснення, щоб побачити, чи працює воно, і чи здатне правильно передбачити, що станеться в ситуації. Наприклад, «якщо моя гіпотеза правильна, я повинен побачити _____ результат, коли я виконую _____ тест».

Гіпотеза є орієнтовною, її можна легко змінити.

Що таке теорія?

Національна академія наук США описує теорію як:

«Деякі наукові пояснення настільки добре встановлені, що жодні нові докази, ймовірно, не змінять їх. Пояснення стає науковою теорією. У повсякденній мові теорія означає здогадки чи спекуляції. Не так в науці. У науці теорія слів відноситься до всебічного пояснення важливої особливості природи, підкріпленого фактами, зібраними з часом. Теорії також дозволяють вченим робити прогнози про ще не спостережуваних явищах».

«Наукова теорія - це добре обґрунтоване пояснення якогось аспекту природного світу, засноване на сукупності фактів, які неодноразово підтверджувалися шляхом спостереження та експериментів. Такі теорії, що підтверджуються фактами, не є «здогадами», а надійними звітами реального світу. Теорія біологічної еволюції - це більше, ніж «просто теорія». Це настільки ж фактичне пояснення Всесвіту, як атомна теорія матерії (стверджуючи, що все складається з атомів) або теорія зародків хвороби (яка стверджує, що багато захворювань спричинені мікробами). Наше розуміння гравітації все ще триває. Але явище гравітації, як і еволюція, є прийнятим фактом».

Відзначимо деякі ключові особливості теорій, які важливо зрозуміти з цього опису:

Теорії - пояснення природного явища. Вони не є прогнозами (хоча ми можемо використовувати теорії для прогнозування). Вони є поясненнями того, чому щось спостерігається.
Теорії навряд чи зміняться. Вони мають велику підтримку і здатні задовільно пояснити багато спостережень. Теорії дійсно можуть бути фактами. Теорії можуть змінюватися в деяких випадках, але це довгий і важкий процес. Для того, щоб теорія змінилася, має бути багато спостережень або доказів, які теорія не може пояснити.
Теорії - це не здогадки. Фраза «просто теорія» не має місця в науці. Бути науковою теорією несе велику вагу - це не просто уявлення однієї людини про щось.

Теорії навряд чи зміняться.

Що таке закон?

Наукові закони схожі з науковими теоріями тим, що вони є принципами, які можна використовувати для прогнозування поведінки природного світу. Як наукові закони, так і наукові теорії зазвичай добре підтримуються спостереженнями та/або експериментальними доказами. Зазвичай наукові закони посилаються на правила того, як природа буде вести себе за певних умов, часто записуються як рівняння. Наукові теорії є всеосяжними поясненнями того, як працює природа, і чому вона проявляє певні характеристики. Для порівняння теорії пояснюють, чому ми спостерігаємо за тим, що ми робимо, а закони описують те, що відбувається.

Наприклад, приблизно в 1800 році Жак Шарль та інші вчені працювали з газами, щоб, серед інших причин, вдосконалити конструкцію повітряної кулі. Ці вчені виявили після численних випробувань, що певні закономірності існували в їх спостереженнях за поведінкою газу. Якщо температура газу підвищувалася, обсяг газу збільшувався. Це відомо як природний закон. Закон - це зв'язок, який існує між змінними в групі даних. Закони описують закономірності, які ми бачимо у великих обсягах даних, але не описують, чому закономірності існують.

Закони проти теорій

Поширеною помилкою є те, що наукові теорії є рудиментарними ідеями, які з часом закінчать наукові закони, коли буде накопичено достатньо даних та доказів. Теорія не змінюється на науковий закон з накопиченням нових або кращих доказів. Пам'ятайте, теорії - це пояснення; закони - це закономірності, що спостерігаються у великих обсягах даних, часто записуваних як рівняння. Теорія завжди залишиться теорією, закон завжди залишиться законом.

Відео У\(\PageIndex{1}\) чому різниця між науковим правом і теорією?

Науковий метод

Вчені шукають відповіді на питання і рішення проблем за допомогою процедури, яка називається науковим методом. Ця процедура полягає у проведенні спостережень, формулюванні гіпотез та розробці експериментів, які, в свою чергу, призводять до додаткових спостережень, гіпотез та експериментів у повторюваних циклах (рис.\(\PageIndex{1}\)).

\(\PageIndex{1}\)*Малюнок Кроки в науковому методі.*

Крок 1: Зробіть спостереження.

Спостереження можуть бути якісними або кількісними. Якісні спостереження описують властивості або випадки таким чином, що не покладаються на числа. Приклади якісних спостережень включають наступні: «температура зовнішнього повітря в зимову пору року прохолодніше», «кухонна сіль - кристалічна тверда речовина», «кристали сірки жовті», а «розчинення копійки в розведеній азотній кислоті утворює синій розчин і коричневий газ». Кількісні спостереження - це вимірювання, які за визначенням складаються як з числа, так і з одиниці. Приклади кількісних спостережень включають наступне: «температура плавлення кристалічної сірки становить 115,21° Цельсія» і «35,9 грама столової солі, хімічна назва якої хлорид натрію - розчиняються в 100 грамах води при 20° Цельсія». Щодо питання вимирання динозаврів, початкове спостереження було кількісним: концентрації іридію в відкладах, що датуються 66 мільйонами років тому, були в 20-160 разів вище норми.

Крок 2: Сформулюйте гіпотезу.

Вирішивши дізнатися більше про спостереження або набір спостережень, вчені, як правило, починають дослідження, формуючи гіпотезу, попереднє пояснення спостереження (ів). Гіпотеза може бути неправильною, але вона ставить розуміння вченого досліджуваної системи в форму, яку можна перевірити. Наприклад, спостереження, яке ми переживаємо чергуються періоди світла та темряви, які відповідають спостережуваним рухам сонця, місяця, хмар та тіней, узгоджується з будь-якою з двох гіпотез:

Земля обертається навколо своєї осі кожні 24 години, по черзі піддаючи одну сторону сонцю.
Сонце обертається навколо Землі кожні 24 години.

Відповідні експерименти можуть бути розроблені для вибору між цими двома альтернативами. У разі зникнення динозаврів гіпотеза полягала в тому, що вплив великого позаземного об'єкта викликало їх вимирання. На жаль (або, можливо, на щастя), ця гіпотеза не піддається безпосередньому тестуванню будь-яким очевидним експериментом, але вчені можуть зібрати додаткові дані, які або підтримують, або спростовують її.

Крок 3: Спроектуйте і виконуйте експерименти.

Після того як була сформована гіпотеза, вчені проводять експерименти, щоб перевірити її достовірність. Експерименти - це систематичні спостереження або вимірювання, бажано зроблені в контрольованих умовах - тобто в умовах, в яких змінюється одна змінна.

Крок 4: Прийміть або змініть гіпотезу.

Правильно розроблений і виконаний експеримент дозволяє вченому визначити, чи є вихідна гіпотеза дійсною. У разі обґрунтованості вчений може перейти до кроку 5. В інших випадках експерименти можуть продемонструвати, що гіпотеза невірна або що вона повинна бути змінена, тим самим вимагаючи подальших експериментів.

Крок 5: Розробка права та/або теорії.

Потім збираються та аналізуються більше експериментальних даних, і в цей момент вчений може почати думати, що результати є достатньо відтворюваними (тобто надійними), щоб заслуговувати узагальнення в законі - словесному або математичному описі явища, що дозволяє загальні прогнози. Закон просто визначає, що відбувається; він не стосується питання про те, чому.

Один із прикладів закону, закон певних пропорцій (відкритий французьким вченим Джозефом Прустом [1754—1826]), стверджує, що хімічна речовина завжди містить однакові пропорції елементів за масою. Таким чином, хлорид натрію (кухонна сіль) завжди містить однакову пропорцію по масі натрію до хлору — в цьому випадку 39,34% натрію і 60,66% хлору по масі. Сахароза (столовий цукор) завжди 42,11% вуглецю, 6,48% водню і 51,41% кисню по масі.

Тоді як закон визначає лише те, що відбувається, теорія намагається пояснити, чому природа поводиться так, як вона робить. Закони навряд чи сильно зміниться з часом, якщо не буде виявлена велика експериментальна помилка. Теорія, навпаки, неповна і недосконала; вона розвивається з часом, щоб пояснити нові факти, коли вони виявляються.

Оскільки вчені можуть увійти в цикл, показаний\(\PageIndex{1}\) на малюнку, в будь-який момент, фактичне застосування наукового методу до різних тем може приймати різні форми. Наприклад, вчений може почати з гіпотези, сформованої читанням про роботу, виконану іншими в цій галузі, а не з прямих спостережень.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Класифікуйте кожне твердження як закон, теорія, експеримент, гіпотеза або спостереження.

Лід завжди плаває на рідкій воді.
Птахи еволюціонували з динозаврів.
Гаряче повітря менш щільний, ніж холодне, ймовірно, тому, що компоненти гарячого повітря рухаються швидше.
Коли 10 г льоду додавали до 100 мл води при 25° C, температура води зменшилася до 15,5° C після танення льоду.
Інгредієнти мила Ivory були проаналізовані, щоб побачити, чи дійсно воно чисте 99,44%, як рекламувалося.

Рішення

Це загальне твердження взаємозв'язку між властивостями рідкої і твердої води, тому це закон.
Це можливе пояснення походження птахів, тому це гіпотеза.
Це твердження, яке намагається пояснити взаємозв'язок між температурою і щільністю повітря на основі фундаментальних принципів, тому це теорія.
Температура вимірюється до і після зміни в системі, тому це спостереження.
Це аналіз, призначений для перевірки гіпотези (в даному випадку заяви виробника про чистоту), тому це експеримент.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Класифікуйте кожне твердження як закон, теорію, експеримент, гіпотезу, якісне спостереження або кількісне спостереження.

Виміряні кількості кислоти були додані до таблетки Ролаїда, щоб побачити, чи дійсно вона «споживає 47 разів більше ваги в надлишку шлункової кислоти».
Тепло завжди надходить від гарячих предметів до більш холодним, а не в зворотному напрямку.
Всесвіт утворився масовим вибухом, який перемістив речовину у вакуум.
Майкл Джордан - найбільший чистий шутер коли-небудь грати в професійний баскетбол.
Вапняк відносно нерозчинний у воді, але легко розчиняється в розведеній кислоті з виділенням газу.

Відповідь 1:: експеримент
Відповідь 2:: закон
Відповідь 3:: теорія
Відповідь 4:: гіпотези
Відповідь 5:: спостереження

Резюме

Гіпотеза - це орієнтовне пояснення, яке можна перевірити шляхом подальшого дослідження.
Теорія є добре підтриманим поясненням спостережень.
Науковий закон - це твердження, яке узагальнює взаємозв'язок між змінними.
Експеримент - це керований метод перевірки гіпотези.
Науковий метод - це метод дослідження, що включає експерименти та спостереження для отримання нових знань, вирішення проблем та відповіді на запитання. Ключовими кроками в науковому методі є:
- Крок 1: Зробіть спостереження.
- Крок 2: Сформулюйте гіпотезу.
- Крок 3: Перевірте гіпотезу шляхом експериментів.
- Крок 4: Прийміть або змініть гіпотезу.
- Крок 5: Розробка права та/або теорії.