高中化学/科学家如何使用数据

在上一节中，我们更多地了解了如何进行定量和定性观察。关于特定现象的一组观察结果称为数据。科学家使用多种技术来分析和解释数据。数据分析产生组织化的数据，更有利于观察规律和得出结论。制作数据表格和图表是数据分析中最有用的两种技术。

课程目标

定义定律、假设和理论的术语。
解释为什么科学家使用模型。

自然规律是重复数据模式的陈述

大约在 1800 年，雅克·查尔斯和其他科学家正在研究气体，其中一个原因是为了改进热气球的设计。这些科学家发现，经过多次、多次测试后，在对气体行为的观察中存在模式和规律。如果气体的温度升高，气体的体积就会增加。这被称为自然规律。自然规律是数据组中变量之间存在的相互关系。自然规律描述了我们在大量数据中看到的模式。这些规律经受住了时间的考验，因为它们是基于重复观察而得出的，并且没有已知的例外。

大约在查尔斯研究热气球的同时，另一位名叫 J.W. 亨利的科学家正在进行实验，试图找到气体压力和溶解在水中的气体量之间的规律。亨利发现，当其中一个变量增加时，另一个变量也会按相同的比例增加。你曾经去过潜水吗（图 3.2）？潜水员在接受训练时会了解一个被称为“潜水病”的问题。随着潜水员潜入更深的地方，呼吸空气的压力增加，导致更多的氮气溶解在潜水员的血液中。从潜水处过快地上升会导致压力迅速降低，因此氮气会迅速从血液中逸出，从而导致“潜水病”。亨利定律被称为自然规律，因为它表明了气体压力与溶解氮气量之间的关系（规律性）。

假设是一种暂时的解释

当科学家开发出物质性质的描述来解释观察结果（包括自然规律）时，第一次解释尝试通常被称为假设。假设是你对导致这些观察结果的物质性质的教育或最佳猜测。假设的要求只是假设必须解释所有观察结果，并且不可能进行能够反驳该假设的观察。

假设必须是可以检验的。检验假设的测试被称为实验。如果实验结果与假设相矛盾，则假设被拒绝，并提出新的假设。实验结果现在被纳入观察结果列表，新的假设必须解释这个新的观察结果以及所有先前的观察结果。如果实验结果支持假设，则仍然需要进行更多测试。假设不能通过测试来证明......它们只是得到支持或被反驳。

理论是对定律的解释

如本节前面所述，定律描述了一种没有已知例外的观察数据模式。理论是对定律的一种可能的解释。在科学中，理论可以是描述性的（定性的）或数学的（定量的），但因为它们解释了定律中描述的模式，所以理论可以用来预测未来的事件。在一个流行的电视节目中，数学理论被用来分析和描述行为，以预测未来的事件。已经经过许多支持性测试的假设通常被称为理论。与假设相比，理论背后有更多的支持性测试。

让我们把它们放在一起。你之前学过的质量守恒定律指出物质既不能被创造也不能被消灭。例如，在下面的反应中，你会看到有 28 克 + 6 克 = 34 克的反应物（箭头之前）和 34 克的产物（箭头之后）。

N₂	+	3 H₂	→	2 NH₃
28 克		6 克		34 克

示例问题

什么区别定律和理论？

解决方案:

定律是对自然界的观察；理论是对定律的一种可能的解释。

为了帮助理解而开发的模型

当科学家需要一种方法来传达他们对非常小的事物（例如原子或分子）或非常大（例如宇宙）的理解时，他们经常使用模型。模型是另一种表达理论的方式。

如果你被要求确定一个不能打开的盒子的内容，你会做各种各样的实验来开发一个关于盒子中包含什么的想法（或模型）。你可能会摇动盒子，也许在它附近放磁铁，或者确定它的质量。当你完成实验后，你会对里面有什么有一个想法；也就是说，你会创建一个模型来描述一个无法打开的盒子里面的东西。

一个很好的例子说明模型对科学家如何有用的是动理论。该理论可以用陈述来定义，但如果绘制出粒子在三种相中的表示图，它就更容易理解。

另一个例子是模型如何被用来解释原子理论的发展。正如你将在后面的章节中了解到的，原子的概念随着时间的推移发生了变化。为了理解根据不同科学家的不同理论的原子概念，绘制了模型，更容易理解。

课程总结

自然规律是一种观察，或对大量可重复数据的描述。
假设是对数据的早期解释尝试。
理论用来解释定律或解释一系列事实/事件。
理论可以使用定性类比或模型来描述结果。

复习问题

杰克进行了一个实验，他测量了两种不同反应物的质量和产生的产物的质量。他的结果显示在下面的方程式中。杰克在他的实验中证明了什么定律？
S + 2 T → ST₂
10 克 20 克 30 克

(a) 定组成定律

(b) 定体积定律

(c) 质量守恒定律

(d) 能量守恒定律

(e) 多重比例定律
糖溶解在水中。这是什么类型的陈述？
(a) 假设

(b) 定律

(c) 理论

(d) 规则

(e) 以上所有
绘制一个模型来表示固体、液体和气体之间的区别。在你的模型中，使用符号来表示每种状态中存在的分子。然后，模型应该显示分子在每种状态中是如何存在的。

词汇

假设: 对实验中将要发生的事情的推测。
模型: 用来帮助增强理解的理论的描述、图形或三维表示。
自然规律: 对大量数据中观察到的模式的描述。
科学方法: 从假设和定律通过实验和观察推导出理论的方法。
理论: 用来解释定律或解释一系列事实/事件。

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