科学方法.pptx

11、假说方法、假说方法n 科学假说是根据已知的科学事实和科学原理，对未知自然现象及其规律性，作出假定性的说明和推测。是自然科学理论的一种重要思维形式。n 恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”2n 假说不等于胡说，假说不等于科学理论。它是自然科学理论思维的一种重要形式。n 科学假说是以已知事实和科学原理对自然现象和规律的精测性说明，通常是由三大要素构成：命题、理论陈述和推理出预言和预见。3科学发现的一般思路科学发现的一般思路n 假说选题、观察试验n 求证观察实验逻辑思维n 新的假说或理论创新思维n 验证观察实验4 2、假说的来源、假说的来源p 第一，当已知科学理论无法解释新事实时，会第一，当已知科学理论无法解释新事实时，会产生对新事实的猜想性说明。产生对新事实的猜想性说明。p 例如，例如，19世纪、世纪、20世纪之交世纪之交X射线、放射性元射线、放射性元素和电子的发现，与经典物理学中原子不可分的素和电子的发现，与经典物理学中原子不可分的传统观念相冲突，于是各种原子结构的假说便应传统观念相冲突，于是各种原子结构的假说便应运而生。运而生。p 大陆漂移假说示意大陆漂移假说示意 板块构造学说板块构造学说p 第二，把某一理论外推到适用范围之外，会遇第二，把某一理论外推到适用范围之外，会遇到不能解释的新事实、新规律，从而提出新的假到不能解释的新事实、新规律，从而提出新的假说。说。5p 例如，德布罗意把光的波粒二象性推到实物例如，德布罗意把光的波粒二象性推到实物粒子上并提出物质波的假说；薛定谔把物质波的粒子上并提出物质波的假说；薛定谔把物质波的假说推广到非自由类粒子上，推导出薛定谔方程。假说推广到非自由类粒子上，推导出薛定谔方程。p 第三，为解决新旧事实之间的矛盾，会提出第三，为解决新旧事实之间的矛盾，会提出假定性说明。假定性说明。p 例如，光的衍射现象和光电效应现象，两类例如，光的衍射现象和光电效应现象，两类实验事实之间存在矛盾，遂提出波粒二象性假说。实验事实之间存在矛盾，遂提出波粒二象性假说。p 6p 另外值得一提的是，探索未知的科学存在对另外值得一提的是，探索未知的科学存在对称、和谐、壮丽之美，出于审美考虑和信念，称、和谐、壮丽之美，出于审美考虑和信念，也可产生假说。也可产生假说。p 例如，例如，“狄拉克方程狄拉克方程”有正负两个解，狄拉有正负两个解，狄拉克出于克出于“优美数学优美数学”的信念，大胆提出的信念，大胆提出“空穴空穴”假说，预言了正电子存在，成为反物质理论假说，预言了正电子存在，成为反物质理论的缔造者。它启迪人们，假说虽然以事实为根的缔造者。它启迪人们，假说虽然以事实为根据，但在缺少事实的前提下，理性思维是大有据，但在缺少事实的前提下，理性思维是大有作为的。作为的。p 7n 例如，大爆炸假说是以谱线红移等为事实基础，以广义相对论和高能粒子物理学理论对新理论观点作说明和论证，以超高密、超高温状态下由某种机制引起的原始火球的急剧膨胀为基本猜测，以“氦丰度”和“3K背景辐射”等预言而构成的认识体系。83、科学假说具有的特点、科学假说具有的特点n (1)科学性。假说以一定的科学事实和已知科学理论为依据，具有科学性特点。n (2)假定性。以科学问题的形式表现出来的理论困难是提出假说的契机。n (3)多样性(或易变性)。假说会随着实践过程中的新发现而变化。94、科学假说的类型、科学假说的类型n (1)符合或基本符合客观事实的假说。这类假说不需要或较少需要修正。如当代科学公认的相对论、量子论、光量子论等属这类形态。10n(2)存在着部分正确、部分不正确的假说。如光的本性假说等。这类假说明显存在两个以上片面性的对立面，要经较长的实践检验才能形成较全面的科学认识。n(3)存在基本不正确，甚至错误的假说。例如托勒密的地心说、施塔尔的燃素说都属此一类。115、科学假说的作用、科学假说的作用n (1)科学假说是通向科学理论的桥梁。n 当客观事物本质尚未暴露，而人们又未能充分掌握事实材料时，只有借助于假说形式，提出假定性的认识。自然科学就是沿着假说假说理论理论新假说新假说新理论新理论的途径，不断向前发展的。若将人类科技历史发展从一个真理到另一个真理比作“登天”的话，那么假说就是攀登科学天堂的天梯、天桥。12(2)假说是发展理性思维的假说是发展理性思维的“实在因素实在因素”n 假说是理性思维的直接成果，又是推动理性思维进一步发展的重要思维形式。离开假说，实践检验便没有对象，因而也就没有理论可谈。n 假说是激发思维创造性的媒介，具体表现为：在事实材料不够充分的条件下，人们可以凭借已有的条件，以假说形式进行大胆探索，提出新见解。假说还有基于事实，但又试图超越经验事实，推动经验思维向理论思维跃升的作用。13 (3)各种假说并存，有利于学术繁荣各种假说并存，有利于学术繁荣n 对同一现象或问题的研究，会形成不同的假说，科学史上光的波动说与微粒说、氧化说与燃素说、突变论与进化论、地质学上的水成说与火成说、量子力学上的爱因斯坦的因果决定论与波尔的统计决定论等等之争，都对上述各门学科的发展起了很大的推动作用。假说的众说并立，表明不同假说，乃至相互对立假说的争鸣，是科学理论引起突破的催化剂。14(4)恩格斯评价科学假说恩格斯评价科学假说p 对于假说，恩格斯曾做过如下精辟概括：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。一个新的事实被观察到了，它使得直到现在对和它同类的事实的说明方式成为不可能的了。从这一瞬间起，就需要新的说明方式它最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观察材料会使这些假说纯化，取消一个，修正另一个，直到最后纯粹地建立起定律。如果人们要等待建立起定律的材料纯粹化起来，那么这就是在此以前要把运用思维的研究停顿下来，而定律也就因此永远不会出现。”156、假说的发展出路、假说的发展出路n1、由假说、猜想发展成科学理论；n 如日心说由假说发展成理论，历经300年。n2、被新的科学事实彻底推翻，从科学史中消失；n 如生命的自然发生说、热素说、燃素说。n3、被新的假说所取代；n 如大陆漂移说发展到海底扩张说再到板块构造说。n4、与其他假说融合发展成为新的假说，或者与其他n 假说长期共存、继续发展。如大爆炸宇宙学说16案例详解案例详解1819侏罗纪公园侏罗纪公园中的恐龙中的恐龙 20德国始祖鸟化石德国始祖鸟化石世界上最早的鸟化石世界上最早的鸟化石21鸟类由谁演化而来？鸟类由谁演化而来？n1856年 赫胥黎提出鸟类起源恐龙说”（恐龙派）n20世纪初 赫尔曼提出“鸟类原始爬行动物起源说”n（否定恐龙派，简称鸟派）n n1970年代 美国学者提出“鸟类起源兽脚类恐龙说”n 到1996年为止，双方势均力敌，均无证据驳倒对方22中国科学家的贡献中国科学家的贡献1996年发现中华龙鸟，提出了原始羽毛的概念 国际上反对的意见认为不是羽毛而是毛发 1997年发现意外北票龙，提出长着羽毛的恐龙概念 国际上反对的意见认为那不是羽毛23中国科学家的贡献中国科学家的贡献p1997年发现原始祖鸟，n1998年发现尾羽龙，均确认为长羽毛的恐龙n 国际上反对的意见承认是羽毛，但那只是只不会飞的鸟n1998年发现千禧中国鸟龙，确认为长着羽毛的驰龙n2003年发现顾氏小盗龙，提出四翼恐龙概念n n国际上普遍接受了鸟类起源恐龙说，“鸟派”消失。n鸟的定义也不再是：长着羽毛的脊椎动物241997年年 意外北票龙的发现意外北票龙的发现n n07 1997 意外北票龙的发现n意义：再次发现原始羽毛状痕迹，n确认为长着羽毛的恐龙n争论焦点：到底是不是羽毛？251997 原始祖鸟的发现原始祖鸟的发现n n1997 原始祖鸟的发现 n意义：再次发现原始羽毛状痕迹，n确认为长着羽毛的恐龙 1998 尾羽龙的发现 n争论仍然继续 n争论焦点：承认确实是羽毛，n 但它们是不会飞的鸟！261998 千禧中国鸟龙的发现千禧中国鸟龙的发现n n1998 千禧中国鸟龙 n长羽毛的恐龙基本确认 271999年年 古盗鸟事件古盗鸟事件n13 古盗鸟事件1 n13 古盗鸟事件2 282003年年 顾氏小盗龙被发现顾氏小盗龙被发现n2003年 顾氏小盗龙发表 徐星的四翼恐龙假说 29顾氏小盗龙的意义顾氏小盗龙的意义n 史前公园科幻片 n 现在，鸟类起源恐龙说在中国科学家的努力下，已基本为世界古生物界所公认，发展成一个鸟类进化的科学理论。30大陆漂移说的提出大陆漂移说的提出n 1910年，生病卧床休息的德国气象学家魏格纳望着墙上的一张世界地图，他突然发现南美洲东岸和非洲西岸，似乎是拼接在一起的，于是冒出了一个大胆的猜想31n 这位青年学家的脑海里突然掠过这样一个念头：非洲大陆与南美洲大陆是不是曾经贴合在一起，也就是说，从前它们之间没有大西洋，到后来才破裂、漂移而分开的？32魏格纳的猜想魏格纳的猜想3334n 第二年，魏格纳开始搜集资料，验证自己的设想。他首先追踪了大西洋两岸的山系和地层，结果令人振奋：n 地形证据。当魏格纳在地图上把非洲和南美洲拼到一起时，他发现了一个非常奇怪的事实：南非有一条从东到西走向的山脉可以跟阿根廷境内的一座山对接起来；而在北美可以找到与位于欧洲的煤层对应的煤田；还发现，大西洋两岸的海岸线相互对应，特别是巴西东端的直角凸出部分，与非洲西岸呈直角凹进的几内亚湾非常吻合。魏格纳认为这些事实是大陆漂移说的有力证据地形方面的证据地形方面的证据35n对此，魏格纳作了一个很浅显的比喻。他说，如果两片撕碎了的报纸按其参差的毛边可以拼接起来，且其上的印刷文字也可以相互连接，我们就不得不承认，这两片破报纸是由完整的一张撕开得来的。除了大西洋两岸的证据，魏格纳甚至在非洲和印度、澳大利亚等大陆之间，也发现有地层构造之间的联系，而这种联系都限于中生代之前即2.5亿年以前的地层和构造。3637n 沉浸在喜悦中的魏格纳又考察了岩石中的化石。在他之前，古生物学家就已发现，在目前远隔重洋的一些大陆之间，古生物面貌有着密切的亲缘关系。例如，中龙是一种小型爬行动物，生活在远古时期的陆地淡水中，它既可以在巴西石炭纪到二叠纪形成的地层中找到，也出现在南非的石炭纪、二叠纪的同类地层中。而迄今为止，世界上其它大陆上，都未曾找到过这种动物化石。淡水生活的中龙，是如何游过由咸水组成的大西洋的？古生物学方面的证据古生物学方面的证据38n 舌羊齿化石是2.5亿年前的一种蕨类植物，在非洲、南美洲、澳大利亚、印度和南极洲都发现了舌羊齿化石，由于舌羊齿的“种子”太大，不能随风飘移；另一方面它容易破碎，不可能漂洋过海。魏格纳由此推断，这些大陆在当时曾是一个整体。39n 更有趣的是，有一种园庭蜗牛，既发现于德国和英国等地，也分布于大西洋对岸的北美洲。蜗牛素以步履缓慢著称，居然有本事跨过大西洋的千重波澜，从一岸传播到另一岸？当时没有人类发明的飞机和舰艇，甚至连鸟类还没有在地球上出现，蜗牛是怎么过去的？n动物学方面的证据动物学方面的证据4041n为解释这些现象，魏格纳之前的古生物学家曾提出“陆桥说”，他们设想在这些大陆之间的大洋中，一度有狭长的陆地或一系列岛屿把遥远的大陆连接起来，植物与动物通过陆桥远涉千万里，到达另外的大陆；后来这些陆桥沉没消失了，各大陆被大洋完全分隔开来。这种观点被称为“固定论”，即大陆 与海洋是固定不动的。而魏格纳的解释则是“活动论”的，各大陆之间古生物面貌的相似性，并不是因为它们之间曾有什么陆桥相连，而是由于这些大陆本来就是直接连在一起的，到后来才分裂漂移，各奔东西。固定论与活动论的争论，与火成论与水固定论与活动论的争论，与火成论与水成论的争论、渐变论与灾变论的争论一道，被人们成论的争论、渐变论与灾变论的争论一道，被人们称为地质学三大论战。称为地质学三大论战。作为活动论的先驱，魏格纳一开始几乎是孤军奋战。地质学史上的三大论战地质学史上的三大论战42气候证据气候证据n 魏格纳还运用气候变化的证据来证明他的理论。人们在北冰洋以北的岛上发现了热带植物化石，魏格纳认为，3亿年前，这些植物生活的地方肯定位于赤道附近。气候温暖湿润。地质学家在南非发现了冰川擦痕，这些冰川擦痕表明，南非当时曾被大陆冰川覆盖，厚厚的冰层覆盖了几千平方千米。但是现在的非洲大陆气候炎热，根本不可能形成冰川。魏格纳由此得出结论，在泛古陆存在时期，非洲大陆靠近南极。当大陆漂向赤道时，它的气候就变暖；漂向极地时，它的气候就变冷。而大陆在漂移时，把在原来位置上形成的化石和岩石一起带走了。43n古代冰川的分布也支持魏格纳的想法。距今约3亿年前后的晚古生代，在南美洲、非洲、澳大利亚、印度和南极洲，都曾发生过广泛的冰川作用，有的地区还可以从冰川的擦痕判断出古冰川的流动方向。从冰川遗迹分布的规模与特征判断，当时的冰川类型是在极地附近产生的大陆冰川。而且南美、印度和澳大利亚的古冰川遗迹残留在大陆边缘地区，冰川的运动方向是从海岸指向内陆，显然冰川是不会登陆向高处运动的，这说明这些大陆上的古冰川不是源于本地。面对这种古冰川的分布及流向特征，过去的地质学家一筹莫展。然而正是这些特征，却为大陆漂移说提供了强有力的证据。古冰川活动的证据古冰川活动的证据44n在魏格纳看来，上述出现古冰川的大陆在当时曾是连接在一起的，整个大陆位于南极附近。冰川中心处于非洲南部，古大陆冰川由中心向四方呈放射状流动，这就很合理地解释了古冰川的分布与流动特征。我们现在看到的冰川向陆地内部运动的表象，其实是因为原来巨大的大陆分裂开来，原来的内陆变成了沿海的缘故。n除古冰川遗迹外，蒸发盐、珊瑚礁等古气候标志，也可用来推断它们形成时的古纬度。古纬度与现在大陆的位置是冲突的，这也说明以前的大陆不在今天所处的地方。45n 证据似乎已经很充分了。在严谨的科学研究的基础上，魏格纳的代表作海陆的起源于1915年问世了。在这本书里，魏格纳阐述了古代大陆原来是联合在一起、而后由于大陆漂移而分开，分开的大陆之间出现了海洋的观点。魏格纳认为，大陆由较轻的含硅铝质的岩石如玄武岩组成，它们像一座座块状冰山一样，漂浮在较重的含硅镁质的岩石如花岗岩之上（洋底就是由硅镁质组成的），并在其上发生漂移。在二叠纪时，全球只有一个巨大的陆地，他称之为泛大陆（或联合古陆）。风平浪静的二叠纪过后，风起云涌的中生代开始了，泛大陆首先一分为二，形成北方的劳亚大陆和南方的冈瓦纳大陆，并逐步分裂成几块小一点的陆地，四散漂移，有的陆地又重新拼合，最后形成了今天的海陆格局。4647n魏格纳这一“石破天惊”的观点立刻震憾了当时的科学界，招致的攻击远远大于支持。一方面这个假说涉及的问题太宏大了，如若成立，整个地球科学的理论就要重写。必须要有足够的证据，假说的每个环节都要经得起检验；另一方面，魏格纳在大学中获得的是天文学博士学位，主要研究气象，他并非地质学家、地球物理学家或古生物学家。在不是自己的研究领域发表看法，人们对其假说的科学性难免会产生怀疑。遭受攻击的原因遭受攻击的原因48n魏格纳理论最主要的弱点是：巨大的大陆是在什么上漂移的？驱动大陆漂移的力量来自何方？魏格纳认为硅铝质的大陆漂浮在地球的硅镁层上，即固体在固体上漂浮、移动。对于推动大陆的力量，魏格纳猜测是海洋中的潮汐，拍打大陆的岸边，引起微小的运动，日积月累使巨大的陆地漂到远方；还有可能是太阳和月亮的引力。根据魏格纳的说法，当时的物理学家立刻开始计算，利用大陆的体积、密度计算陆地的质量。再根据硅铝质岩石与硅镁质岩石摩擦力的状况，算出要让大陆运动，需要多么大的力量。物理学家发现，日月引力和潮汐力实在是太小了，根本无法推动广袤的大陆。“漂移理论的牛顿还没有出世漂移理论的牛顿还没有出世”49n大陆漂移学说以轰动效应问世，却很快在嘲笑中销声匿迹。虽然魏格纳找到的证据很多，但是如果别人找出一个反对这个科学理论的证据，比如大陆漂移的动力不足，这个学说只能叫做假说，而不是真正的理论。当人们解释中龙、舌羊齿等古生物的分布时，依然用陆桥说来搪塞，虽然陆桥说显得很荒唐，但是当时人们认为，还有一种理论更加荒唐，那就是魏格纳的大陆漂移学说。有人开玩笑说，大陆漂移学说只是一个“大诗人的梦”而已。50n 只有魏格纳还孤独地吟唱着自己的诗篇。1930年魏格纳第三次深入格陵兰岛考察气象时，不幸长眠于冰天雪地之中，年仅50岁，他的遗体在第二年夏天才被发现。他离去的早了一点儿，因为德国的一艘科学考察船刚刚从大西洋回国，带来了一个消息，在大西洋中间存在一条很长的洋中脊，那里有巨大的裂谷。凭着魏格纳广博的学识，他将有可能找到解决大陆漂移动力问题的方案，洋底的移动会提供大陆漂移的线索。可惜他与这个消息永远地隔绝了。同许多超越时代的科学家一样，他又出生得早了一点，未能等到他的学说被世人接受的一天。也许，只有人迹罕至的冰雪大陆，才能理解魏格纳生前的孤独吧。魏格纳的灵魂被冰封在格陵兰的积雪中，大陆漂移学说则被尘封在图书馆的书架上，无人问津。51大陆漂移学说发展的三部曲大陆漂移学说发展的三部曲n 1912年德国学者魏格纳提出了“大陆漂移假说”，被当时的地球物理学家们所否定；n 1961年和1962年，恰恰是美国的地球物理学家迪茨和赫茨提出了“海底扩张说”，复兴了大陆漂移说。n 在此基础上，1968年法国地质学家勒皮顺等人首创“板块构造学说”，现已成为最流行的地球科学新理论。52板块构造说主要观点板块构造说主要观点n 板块构造学说将全球的岩石圈划分为六大板块：亚欧板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块，除六大板块外还有些小板块。大陆内部也可以划出一些次一级的板块。板块之间，分别以海峡或海沟、造山带为界。一般说来，板块内部地壳比较稳定；板块与板块交界处是地壳比较活动的地带，其活动性主要表现为地震、火山、张裂、错动、岩浆上升、地壳俯冲等。世界上的火山、地震活动，几乎都分布在板块的分界线附近。n53n n板块学说认为地壳是有生有灭的。由于海底扩张，大洋底部不断更新，大陆则只是随着海底的扩张而移动。板块在相对移动的过程中，或向两边张裂，或彼此碰撞，从而形成了地球表面的基本面貌。如2、3亿年前，欧、非两洲和南、北美洲相连，以后出现大西洋海岭，新的洋壳不断形成并以它为中轴向两边扩张，才使上述各洲分开。n关于板块的驱动力问题，有人认为是地幔对流，也有人认为是地幔中的“热点”和“热柱”把岩石圈拱起，而使其在重力作用下向下滑动推挤板块运动，还有其他的一些主张，目前尚无统一的认识。n大陆漂移海底扩张板块构造，这是人类对地壳运动认识过程不断深化发展的三部曲。5455n板块学说认为地壳是有生有灭的。由于海底扩张，大洋底部不断更新，大陆则只是随着海底的扩张而移动。板块在相对移动的过程中，或向两边张裂，或彼此碰撞，从而形成了地球表面的基本面貌。如2、3亿年前，欧、非两洲和南、北美洲相连，以后出现大西洋海岭，新的洋壳不断形成并以它为中轴向两边扩张才使上述各洲分开。56板块构造学说解释的现象举例板块构造学说解释的现象举例n（1）红海的不断扩张：印度洋板块和非洲板块不断的张裂。57（2）喜马拉雅山不断升高：亚欧板块和印度洋板块）喜马拉雅山不断升高：亚欧板块和印度洋板块的不断挤压。的不断挤压。nn58仍然还是假说仍然还是假说n关于板块的驱动力问题，有人认为是地幔对流，也有人认为是地幔中的“热点”和“热柱”把岩石圈拱起，而使其在重力作用下向下滑动推挤板块运动，还有其他的一些主张，目前尚无统一的认识。n大陆漂移海底扩张板块构造，这是人类对地壳运动认识过程不断深化发展的三部曲，到今天为止，它们仍然还是假说。59大陆漂移学说发展历程大陆漂移学说发展历程n 大陆漂移假说对世界地图的观察n 求证地质学、古生物学、气候学证据n 新的假说或理论海底构造说n 验证板块构造说60科学发现的一般思路科学发现的一般思路n 假说选题、观察实验n 求证观察实验逻辑思维n 新的假说或理论创新思维n 验证观察实验61科学技术的两个来源科学技术的两个来源n 科学技术一开始就有两个来源，首先是好奇心，以及获得一个整体世界观的内在要求。n 人类永远需要为自己的心灵创造一个家园，一个不会因为千变万化的眼前现象而经常改变的理解框架，一种系统地理解世界的方式。这种内在的要求构成科学史上的哲学家传统。62 第二个来源是，为满足人类的物质生活需要，人类必须提高自己制造、使用和改进工具的技艺和能力，广而言之，人类需要提高自己支配自然界为自己服务的能力。在这里形成了技术和工艺的进步，以及近代大工业的发展，这构成了科学史上的工匠传统。