Великие эксперименты в естественных науках

Тема. Эксперимент и наблюдение.

Автор: Гомулина Н.Н.

Тип урока. Урок-конференция.

Цель урока:

• Сформировать знания о научной схеме процесса познания.

• Обобщить представления о наблюдении и эксперименте.

• Развивать познавательный интерес учащихся, научный подход к проблемам, в т.ч. в обиходных, житейских вопроса.

Основные понятия. Наблюдение. Эксперимент. Гипотеза. Опыт, контроль. Научная схема процесса познания.

Мировоззренческий и развивающий аспекты урока. Развивать навыки научного мышления учащихся.

Использование новых информационных технологий. Интерактивная доска, мультимедийный проектор, компьютер; диск «Открытая Коллекция. Естествознание, 10–11 классы»(Windows,Linux).

Литература. Естествознание, 10 класс. Под редакцией И. Ю. Алексашиной. М.: Просвещение, 2007.

План урока.

I. Организационный момент. Мотивация учебной проблемы

Исследование любого явления начинается с его наблюдения. Наблюдение – изучение явления в естественных условиях при сохранении всех связей с другими явлениями. Благодаря наблюдениям накопились знания о природе. Знания о природе добывают не только из наблюдений, но и из опытов. Экспериментом или научным опытом называется воспроизведение эксперимента в лаборатории.

Например, первые известные предположения об атомном строении вещества принадлежат Демокриту; в европейской науке они (примерно с конца XVII в.) использовались химиками. Затем эти предположения косвенно подтвердил ботаник Роберт Броун, открывший броуновское движение, а серьезные экспериментальные доказательства существования атомов были получены только в первой половине XX в., после открытия атомного микроскопа.

II. Обобщение представлений об эксперименте и наблюдении.

Наблюдение – изучение явления в естественных условиях при сохранении всех связей с другими явлениями. Наблюдение – целенаправленное восприятие явлений и объектов окружающего мира, дающее первичный материал для научного исследования.

Эксперимент – основной элемент эмпирического исследования. Эксперимент представляет собой исследование какого-либо объекта путем активного воздействия на него в ходе создания новых условий, соответствующих целям эксперимента.

Галилео Галилей является основоположником научного метода познания: он впервые предположил считать опыт главным источником познания, сочетал наблюдения и их теоретический анализ. Изучая свободное падение тел, Галилей отпускал шары с высокой наклонной башни в городе Пиза, наблюдал падения шаров, делал необходимые измерения. Галилей предположил теоретическое объяснение движения тел, установил законы падения тел.

Галилео Галилей

Основу научных методов познания природы составляет объективный опыт. Любые теории, не основанные на опытных фактах и, тем более, противоречащие им, не являются научными. Однако, далеко не все научные положения непосредственно следуют из опыта. Большинство научных законов являются результатом теоретического осмысления опытных фактов.

К эмпирическим методам познания относятся наблюдение и эксперимент. Научное наблюдение направлено на исследование природы и позволяется грамотно поставить вопрос. В идеале, оно целенаправленно, сознательно организованно, методически обдумано, его результаты можно каким-либо образом оценить, записать, измерить.

Научная схема процесса познания

В отличие от наблюдения, эксперимент – это исследование каких-либо явлений путем активного воздействия в новых условиях, соответствующих целям исследования, или изменения течения процесса в нужном направлении. Как правило, под экспериментом понимают практический, лабораторный метод исследования.

III. Выступления учащихся в виде конференции

К доске вызываются последовательно учащиеся, которые подготовили сообщения о великих открытиях в естествознании.

Эксперименты и модели

Первый учащийся – «Десять красивейших экспериментов за всю историю науки»

В 2002 году в газете «The New York Times» была опубликована статья сотрудника философского факультета университета Нью-Йорка Роберта Криза (Robert Crease) и историка Брукхевенской Национальной Лаборатории Стони Брук (Stony Brook), которые провели опрос среди американских физиков, чтобы определить десять красивейших экспериментов за всю историю науки. Самыми красивыми экспериментами были названы:

1. Проведенный в 1961 году эксперимент немецкого физика Клауса Йонссона, в котором он доказал, что законы интерференции и дифракции действуют для пучков элементарных частиц так же, как для световых волн. Эксперимент Йонссона практически повторял двухвековой давности эксперимент Томаса Юнга, только вместо луча света был использован пучок электронов. Этот эксперимент, по мнению опрошенных, занял первое место по красоте и первое же – по бесполезности, так как его результаты были предсказаны в начале ХХ века Альбертом Эйнштейном и Максом Планком.

2. Эксперимент Галилео Галилея с падающими предметами, которые он бросал вниз с Пизанской башни. Галилей впервые выяснил, что тяжелые предметы падают вниз так же быстро, как и легкие.

3. Эксперимент американского физика, лауреата Нобелевской премии Роберта Милликена, в котором был измерен заряд электрона. Непосредственно в эксперименте исследовалось поведение заряженных капель масла в электрическом поле конденсатора.

4. Эксперимент Исаака Ньютона, в котором английский ученый пропустил луч света через стеклянную призму. В результате этого эксперимента Ньютон выяснил, что белый свет состоит из большого числа составляющих: красной, оранжевой, желтой, зеленой, голубой, синей и фиолетовой.

5. Эксперимент Томаса Юнга. Пропуская световые лучи сквозь две близко расположенные щели, он обнаружил, что получающееся изображение не равномерно засвечено, а состоит из чередующихся темных и светлых полос. Так было открыто явление интерференции, которое подтверждало волновую природу света.

6. Эксперимент Генри Кавендиша. Английский физик определил, насколько велика сила притяжения между двумя объектами. В результате была достаточно точно определена гравитационная постоянная, что позволило Кавендишу впервые определить и массу Земли.

7. Один из самых древних экспериментов – Эратосфена Киренского. Эратосфен, библиотекарь Александрийской библиотеки, живший в третьем веке до н. э., определил радиус земного шара. [Его результат составил примерно 6300 км, что отличается от современного значения меньше, чем на 5 %.] В полдень в день летнего солнцестояния в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце находилось в зените, и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрия, находившемся в 5000 стадиях от Сиены, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7^o. Это составляет примерно 1/50 полного круга (360^o), откуда получается, что окружность Земли равна 250 000 стадий.

8. Еще один эксперимент Галилея с шарами, катящимися по наклонной доске. Галилей замерял расстояние, которое эти шары преодолевали за фиксированное время, и выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше (т. е. зависимость квадратичная s ~ t²).

9. Эксперимент английского физика, лауреата Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда, в результате которого была определена структура атома. Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро – Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны – планеты).

10. Эксперимент Жана-Бернара-Леона Фуко. Французский физик экспериментально доказал вращение Земли вокруг оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Подобный маятник до недавнего времени можно было увидеть в Петербурге в Исаакиевском соборе.

Схема выступления учащихся.

• 1. Ученый, проводивший научный эксперимент.

  2. Дата.

  3. Модель эксперимента.

  4. Основные результаты.

Опыт Эратосфена

Этот же учащийся обязательно более подробно останавливается на опытах Резерфорда.

Второй учащийся. Опыты Фарадея и Герца.

Модель «Опыты Фарадея»

Анимация «Опыты Герца»

Третий учащийся. Опыты Пристли.

Анимация «Опыты Пристли»

Четвертый учащийся. Опыты Моргана.

Первые доказательства в поддержку хромосомной теории наследственности были получены в 1910 г. известным американским генетиком Томасом Хантом Морганом. Он впервые экспериментально доказал существование взаимосвязи между конкретными генами и хромосомами. Морган – лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1933 года «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности».

Модель «Опыты Моргана»

Результаты скрещивания красноглазых самок и белоглазых самцов дрозофилы

IV. Первичная проверка усвоения знаний. Рефлексия

К доске вызываются последовательно 2–3 учащихся. Обсуждение хода их решения задач коллективно с классом. Основные моменты выделяются маркером.

Тестовые задания

1. Что называют научным методом исследования?

2. Что называют наблюдением?

3. Кто является основоположником научного метода познания?

4. Каковы основные этапы исследовательского метода Галилея?

5. Приведите примеры этапов научного познания.

V. Домашнее задание

Мини-сообщение: взять произвольный факт, изложенный средствами массовой информации (телевидение, пресса) и предложить схему эксперимента по его проверке. Особенно оцениваются оригинальность эксперимента и «повседневность», обыденный характер исследуемого факта.