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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 科学研究的试验与要求,一、科学试验基本特点,（,1,）科学试验具有纯化和简化的作用,研究对象往往,是较复杂的，事,物间的各种因素,相互联系、相互,影响和作用,从复杂的现象及,影响因素中找出主,要的关键因素，排,除偶然或次要因素,的干扰,试验,符合或接近,第4章 科学研究的试验与要求一、科学试验基本特点,例,4-1,宇称不守恒定律的实验验证,李政道和杨振,宁提出,:1957,31,微观粒子弱相,互作用宇称不守,恒定律,吴健雄设计实,验验证：,把钴冷至,0.01K,排除原子热运,动干扰 目的简,化试验,例4-1 宇称不守恒定律的实验验证 李政道和杨振,（,2,）科学试验具有强化和深化的作用,自然界事物,在常态下一般,不易暴露其特,殊性质及其变,化规律,研究特殊条件下的事物规,律。如：超高温、超低温、,超高压、超高速等。以便得,到通常条件下不易得到的许,多自然现象。,在试验中，人们借助某种手段对自然现象过程,人为地控制。可使变化快的过程变慢，使变化慢的,变快，进行研究。,（,3,）科学试验具有再现、延缓和加速的作用,（2）科学试验具有强化和深化的作用 自然界事物,例,4-2,睡眠因子的发现,强化实验,设计,1901,年，法国的佩伦设计了一个动物试验。连续剥夺了狗,7,天,7,夜睡眠，然后抽取了该狗的脑脊液，注射到另一只狗脑中。发现,这条狗睡意大增，很快酣睡。,睡眠因子,假设提出,一直到,1967,年，有人经过三年,的同类试验，终于从剥夺睡眠的山,羊脑脊液中提取了,“,睡眠因子,”,。这,是一种由氨基酸组成的肽类物质。,这一发现震动了世界。,例4-2 睡眠因子的发现强化实验 1901年，法,例,4-3,生命起源学说的验证,生命起源,推测,原始大气是还原性的。由于没有臭氧,层，太阳紫外线强烈照射地球表面，形,成了许多不同的有机化合物生物分子,模拟,实验,1953,年，美国米勒设计并进行了模拟实验。用甲烷、氮、氢和水汽混合成与原始大气相似的气体，以电火花放电模拟原始大气层闪电。经一周反应，形成了几十亿年前出现的氨基酸，还发现了脱氧核糖核酸等生物大分子。这实验使生命起源的学说得到支持。实验是在极大地加速自然进化过程中进行的,。,例4-3 生命起源学说的验证生命起源 原始大气是还原,（,4,）科学试验是一种经济可靠的研究方法,自然科学研究一般都要进行试验，而试验都是,有成本的。相对于生产试验来说，在实验室进行试,验研究，规模小、周期短、成本低。只要设计正,确，试验结果可靠性也是大的。,一般地说，连试验都通不过的则没有必要再进,行生产试验。,（4）科学试验是一种经济可靠的研究方法,（,5,）科学试验具有典型性和灵活性,从复杂事物中选择典型事物进行研究，是科,学研究中最常用和基本的思路。,实例,美国遗传学家摩尔根经过,分析，选择果蝇来研究遗传问,题。因为果蝇的染色体简单，,且容易观察。试验方案可根据,研究需要来设计，有较大的灵,活性。,（5）科学试验具有典型性和灵活性 从复杂事物中选,现代的科学试验也具有了新的特点：,（,1,）试验规模扩大化,个体式研究,国际间合作,集体合作研究,国家规模,同学科合作,不同学科合作,如美国为了研究试验原子弹，试验研,究人员多达,15,万人，经费,22,亿美元。为,了进行阿波罗登月飞行试验，共有,42,万,人参加了研究和制造，设计和发射费用,共,300,亿美元。,投入物力,和经费也,比较大,规模,交叉,现代的科学试验也具有了新的特点：个体式研究国际间合作集体合,欧洲原子能研究机构,(CERN),成立于,1954,年，是世界最大的粒子物理研究中心。,CERN,是欧洲第一个联合研究机构，由,20,个成员国提供资金，其卓越成绩已经成为国际合作的典范。,CERN,位于法国和瑞士的交界处，就在日内瓦的郊区,.CERN,建有世界上最大的正负电子对撞机和超级质子同步加速器,该加速器周长达到,27,公里，粒子能够加速到每秒运动,11000,周，接近光速。来自全世界,80,多个国家、,500,多所大学及研究机构的,6500,多名科学家（占全球粒子物理学家的一半）在,CERN,完成的实验也是前所未有的，通常需要数百名科学家在巨大的设备上共同完成，一个实验昼夜不停，持续数月乃至数年。有三位物理学家因为在此地所作的工作而获得诺贝尔奖。,欧洲原子能研究机构(CERN),2012,年到期的,京都议定书,，是最重要的、也是唯一一份为工业化国家减少温室气体排放量设定具有约束性目标的国际法律文件。所有联合国气候变化框架公约（,UNFCCC,）成员国将于,2009,年,12,月齐聚丹麦哥本哈根，就,2012,年之后温室气体减排目标进行协商。,要想解决气候变化、能源、环境等决定人类可持续发,展未来的全球性问题，也需各国协同研究和合作。,减少全球,温室气体排放,的,京都议定书,2005,年月,正式生效。探讨控制全球变暖的长期战略展开对话,2012年到期的京都议定书，是最重要的、也是唯一一份为工,2005,年，在日内瓦举行的,禽流感问题,国际会议，成功,通过预算达亿美元的全球行动计划。,由多国科学家合作完成的,人类基因组,计划，是一个成,功范例,中国也是参加完成的国家。,2005,年，欧盟、美、俄、日、韩和中国等参与国际热,核实验反应堆,计划的六方达成一致,.,温室气体,由于人类活动或者自然形成的,温室气体,，如：水汽,(H2O),、,氟利昂、二氧化碳,(CO2),、,氧化亚氮,(N2O),、,甲烷,(CH4),、,臭氧,(O3),、,氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等的排放。温室气体排放来源多为世界重工业发展产生，温室气体一旦超出大气标准，便会造成温室效应，使全球气温上升，威胁人类生存。因此，控制温室气体排放已成为全人类面临的一个主要问题。,2009,年年末在哥本哈根展开的全球气候会议，就是全球达成控制温室气体排放限制的一个世界性大会。,2005年，在日内瓦举行的禽流感问题国际会议，成功,例,4-4,光线可以弯曲的试验证明,爱因斯坦,广义相对论,重力可改变,时空状态,宇宙,变形,英国罗伯特和美国重力透镜化专家托尼等人,进行了坚持不懈的研究，证明了爱因斯坦的预,测是正确的，光线是可以弯曲的。,例4-4 光线可以弯曲的试验证明爱因斯坦重力可改变宇宙,（,2,）实验条件复杂化,宏观物体,微观物体,学科,例子,物理研究是在原子、原子核、基本粒,子等层次上进行深入的探索,化学研究也从分子进入到量子水平,现代生物学也从生物细胞进入到分子,水平，,分子生物学等新学科领域,现代科学实验研究，需要有严格的实验条件，如高,真空、高能量、超低温、超高温等，其要求和复杂性,远超过了以前任何时代的实验,。,研究对象,（2）实验条件复杂化 宏观物体微观物体学科 物理,（,3,）实验仪器设备更加精密和完善,仪器设备,简单、单个,系统、复杂,新兴技术如电子技术、半导体,技术、自动化技术、计算机技术、,超导技术等不断地产生。,新技术,发展,设计与制造,技术发展,各种各样先进的科学仪器,和设备，完成各种功能的实,验，得到以前所难以获得的,试验结果和数据,（3）实验仪器设备更加精密和完善 仪器设备简单、单个,（,4,）实验操作自动化,实,验操作,手动、半自动,自动化,现代仪器,特点,实验数据的采集、记录、整理、,存储和分析等方面达到了自动化，,减少了人工操作和人为误差。,现代实验不仅可以对单个事物进,行研究，而且可以连续跟踪自然现,象或事物演变的动态发展过程；不,仅可以做分解式实验，也可以进行,综合模拟实验。,（4）实验操作自动化 实验操作手动、半自动自动,二、科学试验基本类型,根据不同特征和性质，有不同的试验分类方法。,（,1,）定性试验,判断有哪些性质、鉴定某种因素是否存在，是否,具有某种关系。如化学常用。,（,2,）定量试验,定量是测定某研究对象的性质、组成及其他影响,因素的数量值的试验方法,。,（,3,）对比试验,通过两组试验，对结果进行比较，从而判定试验,组是否具有某种性质或影响或优劣好坏。,二、科学试验基本类型,（,4,）模拟试验,模拟试验是人为地建立或选择一种与原型相,似的模型进行试验，以揭示原型的本质和规律。,模拟试验的关键是相似准则。模拟试验与原,型应具有相似的物质模型和相似的外界条件。,如水坝模型，飞机模型。一切模拟试验都是,以相似关系为基础的。,（,5,）破坏性试验,许多产品在正式大批量生产销售之前要做破,坏性试验。以取得有关数据，确保产品的安全性,和性能的可靠性。,（4）模拟试验,例,4-5,模拟仿真试验,实例,美国的,“,爱国者,”,导弹的研究过,程，就采用了模拟仿真技术。通,过仿真试验，减少了导弹的真实,试验次数,43%,，节省了研究开发,经费数亿美元。,物理仿真,数字仿真,物理模拟实验,数学模型基础,现代仿,真技术,应用,航空、军事、制造、生物等领域应用广泛,例4-5 模拟仿真试验实例 美国的“爱国者”导弹,流体力学中的水头方程，,电学中的电势方程，,用一套相应的电路装置来模拟地下水的试验结果转换,到机械系统。原理是相通的，但试验比较容易，参数也,容易控制，结果比较准确，并且试验的成本比较低。,其它还有析因试验、中间试验、生产试验、工艺试,验、验证性试验等名称。,例,4-6,利用电路原理模拟地下水流动,例4-6 利用电路原理模拟地下水流动,上左：汽车碰撞破坏试验,上右：面包机安全性破坏试验,下左：防弹衣也要做刀刺试验,例,4-7,破坏性试验,上左：汽车碰撞破坏试验 例4-7 破坏性试验,例,4-8,世界上最著名的科学试验,伽利略 两个铁球同时着地,法拉第 第一次认识到电磁现象与光现象间的关系,例4-8 世界上最著名的科学试验伽利略 两个铁球同时着地,焦耳 热不是一种物质，它是由运动产生的,巴甫洛夫 研究动物的条件反射,焦耳 热不是一种物质，它是由运动产生的巴甫洛夫 研究动物的条,威廉,哈维发现血液循环,拉瓦锡 燃烧原理,称拉瓦锡为近代化学之父,牛顿 发现了白光是由各种不同颜色的光组成,威廉哈维发现血液循环拉瓦锡 燃烧原理牛顿 发现了白光是由各,三、设计科学试验的基本要求,对,试,验,的,基,本,要,求,清楚试验的目的、过程，思路要清晰,一般性试验应按照统计学原理安排，,以防止片面性，试验立论要正确,仪器精度应满足试验要求,试验操作要准确、细致,试验数据可靠、真实,正确地分析试验结果，整理试验数据,三、设计科学试验的基本要求 对 清楚试验的目的、过程，思路,例,4-8,试验立论不正确,，,导致试验失败,狗对颜色无条件反射。？！,例,4-9,试验数据不可靠、不真实,法国科学院院士发现,N,射线。？！,例,4-10,思维能力的差别,两人同时到老板那里干活。一段时间后，一人工资,比另一人高。,不服。老板叫他们到市场上去了解有,什么卖的。不服的人回来说，有土豆在卖。有多少，,却不清楚。价格多少，不知道。来回跑了三次。而另,一人去了一趟就全了解清楚了，而且还带回来一个土,豆，还知道，马上有西红柿到。且认为价格便宜，想,老板肯定会买的，还把卖的人也带来了。,例4-8 试验立论不正确，导致试验失败 例4-9 试验数,例,4-11,对试验结果分析要全面,鸡和甲,鱼抗癌,作用试,验,1962,年，日本教授将癌细胞分别注入,鸡和甲鱼体内，,5h,后检查。鸡内癌细,胞仍活着，甲鱼体内癌细胞已被抑制,一周后，活检，都未找到癌细胞,将癌细胞分别注入鸡和甲鱼体内，,5h,后,宰杀，放入锅内煮,2,后取出，都,未,发现,有人就将前一段试验结果宣扬，而不讲全部试验过,程。,在社会上盛行“吃鸡会生癌，吃甲鱼能杀癌”的,流言。事实上，吃鸡不致癌，吃甲鱼也不抗癌,。,例4-11 对试验结果分析要全面鸡和甲 1962年,四、试验与数据处理,1,、试验数据测试,测试工作是科学研究和技术开发过程的关键。,试验测量应该遵循的原则：,（,1,）必须选择合格的计量仪器。,（,2,）熟悉试
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