高中化学/科学方法
| “ | 这种科学方法对人类意味着什么希望和恐惧？我认为这并不是提出这个问题的正确方式。这个工具在人类手中会产生什么，完全取决于人类自身目标的本质。一旦目标存在，科学方法就提供了实现目标的手段。然而，它不能提供目标本身。科学方法本身并不会导致任何结果，甚至如果没有对清晰理解的强烈追求，它都不会诞生 | ” |
- 简要考察科学史和科学方法。
- 描述科学方法中涉及的步骤，并培养对科学方法价值的认识。
- 认识到在某些情况下，并非所有科学方法中的步骤都会出现，或者它们不会按照特定的顺序出现。
- 解释实验控制的必要性，并识别实验中的控制变量。
什么是科学？它是一系列奇妙的发明及其工作原理的清单吗？还是关于物质、能量和生物系统的理论清单？或者科学是一门通过在实验室进行活动来学习的学科？科学包含所有这些，但它也是更基本的东西。科学是一种思维方法，它使我们能够发现周围世界是如何运作的。
为了开始对科学的一种形式的研究，我们将回顾人类交通、通信和医疗史上的最后 3000 年。以下摘要列出了过去 3000 年中这三个时期人类在这方面的成就。
在公元前 1000 年，人们可以通过步行、骑动物或乘坐动物拉动的马车来运输自己和货物（图 1.1）。横渡水域，人们可以划船或让动物在河边行走并拉动船（图 1.2）。这些交通方式需要肌肉力量，无论是人力还是动物力量。
一些社会设计了划船或帆船，它们利用肌肉力量或风力来移动船只。这些早期的交通方式在速度方面非常有限，因此在旅行距离方面也受到限制。帆船和划船在河流和内陆海域使用，但不是远洋船只。
到 1830 年，人们仍然步行和乘坐动物拉动的马车。铁矿石通过动物拉动驳船沿着运河移动。美国拓荒者乘坐动物拉动的篷车穿越美国（图 1.3）。大城市有马拉的电车（图 1.4）。跨越大西洋是由帆船完成的。交通运输的唯一改进是为马车和货车增加了弹簧和软垫座椅，使乘坐更舒适。从公元前 1000 年到 1830 年，跨越了 2830 年（大约 100 代人），人类交通方式没有发生重大变化。
到 1995 年，蒸汽机、汽油发动机、汽车、螺旋桨飞机和喷气发动机、机车、核动力船舶和星际火箭都被发明出来（图 1.5）。在所有工业化国家，几乎所有人都可以拥有汽车，并在很短的时间内长途旅行。
在 19 世纪中期，从密苏里州到加利福尼亚州乘坐篷车旅行需要几个月的时间，而且旅行对旅行者的生命构成相当大的风险。在 1995 年，一个普通家庭可以轻松地在两天内完成相同的旅程，而且相对安全。1995 年的普通人可能一年旅行的距离比 1830 年的普通人一生旅行的距离还要远。1830 年到 1995 年之间 165 年（也许是 5 代人）的交通方式发生了显著变化，这真是非凡的。
从本质上讲，公元前 1000 年人们进行长距离（超过 15 英里）通信的唯一方式是发送手持信息（图 1.6）。一些社会在短距离内开发了烟雾信号、灯光信号或鼓信号，但这些方法在长距离内无用。由于通信方式需要手持信息，通信速度受到交通速度的限制。发送 1000 英里的信息可能需要几周时间，即使如此，也无法保证信息能够送达。
到 1830 年，人们进行长距离通信的方式仍然是手持信息。虽然用于写信的纸张和墨水已经有所改进，但它仍然需要手持。在美国，纽约和旧金山之间的通信需要超过一个月的时间。当选出新总统时，加州人要花几个月的时间才能知道新总统是谁。
快马邮件在短时间内建立起来，可以在 11 天内将一封信从密苏里州圣路易斯送到加利福尼亚州萨克拉门托，这在当时是非常了不起的（图 1.7）。1830 年的通信方式与公元前 1000 年基本相同。
到 1995 年，电报、电话、无线电、电视、光纤和通信卫星相继发明（图 1.8）。人们几乎可以在工业化世界的任何地方即时交流。现在，当美国总统当选时，全球人民在最后一票统计出来的瞬间就知道了新总统的名字。
宇航员在地球和月球之间直接交流。一个工业化国家的普通人可以与世界各地的人通话，同时实时观看全球发生的事件。在过去的 165 年里，人们的交流能力发生了真正非凡的变化。
公元前 1000 年的医疗治疗包括一些天然草药和一些迷信的咒语和舞蹈。最先进的社会使用巫师和草药师进行医疗治疗。一些天然草药对病人有帮助，而另一些则没有。清洁和包扎伤口减少了感染的机会，而芝麻油等一些草药表现出中等程度的防腐特性。舞蹈、咒语、焚香和魔法咒语在治疗疾病方面毫无用处。在某个时间点，放血被添加到医生的治疗方法中（图 1.9）。放血是通过切开病人并让血液滴出来或通过应用水蛭（医生经常随身携带）来完成的。然而，放血对病人没有帮助，在很多情况下，它是有害的。放血在公元前 500 年盛行，由外科医生和理发师执行。直到大约 1875 年，放血才被确认为江湖骗术。
在那个时代，对于普通人来说，骨折无法复位，深切口或刺伤等伤害往往因感染而致命。婴儿死亡率很高，一个家庭中至少有一个孩子在成年之前死亡是常见的。产妇死亡也相当普遍。
在中世纪，人们对细菌、卫生和传染病一无所知。对于患有严重疾病的人，他们的疾病可能被归咎于行星失序（占星术）或“恶臭”，或对罪孽的报应，或体液失衡。治疗方法可以包括任何东西，从魔法咒语、放血、出汗和呕吐到重新平衡体液。从公元 1340 年到公元 1348 年，黑死病（鼠疫）导致欧洲大约一半人口死亡。导致这种疾病的细菌是由跳蚤携带的，但当然，当时的医生对此一无所知。阻止瘟疫的努力包括焚香以消除“恶臭”，发出巨大的噪音来驱赶瘟疫（持续不断的钟声或大炮发射），以及许多人用自我鞭笞来试图治愈疾病。
1830 年的医疗治疗仍然以天然草药和放血的形式存在。在此期间，人们还发展了复位骨折和截肢的能力。截肢使许多人免于感染和坏疽。坏疽是指组织血液供应中断并导致组织死亡。死亡的组织仍然是身体的一部分，会导致感染，并导致死亡，因为腐烂组织中的毒素会通过身体传播。一旦坏疽侵袭手臂或腿部，来自肢体的毒素最终会导致病人死亡。在美利坚合众国南北战争（1861 年至 1863 年）期间，野战医院中治疗伤口的常见方法是截肢。除了截肢之外，人们还可以烧灼伤口以止血。
尽管放血对病人没有帮助，但它一直持续到 1830 年。有一个故事（可能是真的，也可能不是真的），说乔治·华盛顿患了肺炎，他的医生为了治疗他而抽取了大量的血液，实际上导致了他的死亡。
到 1995 年，医学已经发现了化学药物、防腐程序、手术，也许最重要的是疫苗接种，能够预防疾病而不是在感染后治愈它（图 1.10）。
过去曾杀死和使数十万人致残的疾病今天已鲜为人知（脊髓灰质炎、天花、霍乱、鼠疫等）。这些疾病已经被对它们的病因和传播媒介的科学理解以及疫苗接种所控制。平均预期寿命在过去的 165 年里几乎翻了一番。婴儿死亡率和产妇死亡率都降至 1830 年的 25% 以下。
为什么人类在 1830 年之前的 2800 年里进展如此缓慢，而在之后的 160 年里取得了如此惊人的进步？
苏格拉底（公元前 469 年 - 公元前 399 年）、柏拉图（公元前 427 年 - 公元前 347 年）和亚里士多德（公元前 384 年 - 公元前 322 年）是三位最著名的希腊哲学家。柏拉图是苏格拉底的学生，亚里士多德是柏拉图的学生。这三位可能是他们那个时代最伟大的思想家。亚里士多德关于物理科学的观点深刻地影响了中世纪的学术，他的影响力一直延续到文艺复兴时期（14 世纪）。直到 1300 年代，亚里士多德的观点一直是关于自然界的权威。
不幸的是，亚里士多德的许多观点都是错误的。毫无疑问，亚里士多德是一位杰出的人，然而，他用来确定物质世界本质的方法不适合这项任务。他的方法是逻辑思维，而不是对自然世界进行观察。这导致了亚里士多德关于自然界的许多错误认识。让我们以亚里士多德的两个观点为例。
在亚里士多德看来，男人比女人更大更强壮，因此，男人比女人有更多的牙齿是合乎逻辑的。因此，亚里士多德得出结论，男人比女人有更多牙齿是一个真实的事实。显然，他从未想过真正地观察男女的口腔并数数他们的牙齿。如果他这样做，他会发现男人和女人有完全相同数量的牙齿。
在物理科学方面，亚里士多德设想，把两个大小和形状完全相同但质量不同的球体掉下来，看看哪个球体先落地。在他看来，重的球体比轻的球体下落得更快是显而易见的，他得出结论，这是自然规律。同样，他没有考虑做实验来观察哪个球体下落得更快。这对他来说是合乎逻辑的，事实上，这仍然看起来很合乎逻辑。如果有人告诉你，重的球体下落得更快，你没有理由不相信它。事实上，这是不正确的，证明这一点的最好方法是尝试一下。十八个世纪后，伽利略决定真的找来两个质量不同但大小和形状相同的球体，把它们从一座建筑上扔下去（根据传说，是比萨斜塔），看看哪个球体先落地。当伽利略真的做这个实验时，他通过观察发现，这两个球体同时落地。亚里士多德的观点再次错误。哲学家的方法，纯粹的逻辑，更适合于不可观察的事物，也就是说，更适合于研究科学领域之外的事物。
在 16 世纪和 17 世纪，富有创新精神的思想家正在开发一种新的方法来发现周围世界的本质。他们正在开发一种方法，该方法依赖于对现象的观察，并坚持认为他们对现象本质的解释与其观察结果相一致。为了做到这一点，他们必须克服古希腊人的观点、教会的权威和普通人的迷信。
在古希腊人看来，地球是宇宙的中心，并且不运动，而太阳、月亮、行星和恒星在轨道上绕地球旋转。天文学家托勒密（公元 150 年左右）观察了行星的位置，并认识到他观察到的行星位置与希腊人预测的轨道位置不一致。托勒密设计了新的轨道，这些轨道在轨道中包含圆圈，以及复杂的逆行运动（行星在某些时间在其轨道上向后运动）。他的描述更加接近，但仍然无法准确地预测天体在给定夜晚的位置。直到尼古拉·哥白尼（1473 年至 1543 年）提出日心说（太阳为中心）系统，行星的位置才接近于与预测相符。哥白尼犹豫不决地发表他的想法——有些人说是因为害怕被同行嘲笑，另一些人说是因为害怕被教会迫害——但最终，他将自己的作品在去世前夕送去出版。
哥白尼的日心说在接下来的 50 年里一直处于休眠状态，直到一位名叫乔尔丹诺·布鲁诺的科学家支持它，他很快就被红衣主教贝拉明于 1600 年起诉并烧死在火刑柱上。日心说违背了当时教会和大多数人的信仰。哥白尼体系最著名的支持者是伽利略·伽利雷（1564-1642），他改进了一种望远镜（1610 年）并将其指向天空。伽利略出版了一本小册子，描述了他用望远镜看到的景象，以及他的观测结果如何支持哥白尼理论。他的书于 1616 年被教会禁止，伽利略被指示不再写关于这个主题的任何内容。1632 年，伽利略出版了另一部作品，再次支持哥白尼理论，并被教会逮捕和起诉。在死亡威胁下，他被迫放弃自己的观点，并在余生中被软禁在家中。
但通过实验、观察和假设来学习的方法已经启动，许多科学家不会回头。仍然有一些人支持意见、权威和迷信的方法。在言论自由的情况下，任何人都可以将陈述作为事实提出，但如果没有经受科学方法的检验，*该陈述就不是科学*。
科学家经常将科学方法列为一系列步骤，但并非所有步骤都按顺序进行。表 1.1 中列出了科学方法的一系列步骤，并在流程图（图 1.11）中进行了表示，因为这样更容易学习。
| 步骤编号 | 步骤描述 |
|---|---|
| 1 | 确定需要解释的问题或现象。这有时被称为“定义问题”。此活动有助于限制观察范围。 |
| 2 | 收集和整理有关该问题的数据。此步骤也称为“进行观察”。 |
| 3 | 提出可能的解决方案或解释。建议的解决方案称为假设。 |
| 4 | 通过进行新的观察来检验假设。 |
| 5 | 如果新的观察结果支持假设，则接受假设以供进一步检验。如果新的观察结果与你的假设不符，则丢弃假设，将新数据添加到你的观察结果列表中，并返回步骤 3。 |
当几个实验的结果支持假设时，你可能会认为工作已经完成。但是，对于一个假设来说，它必须经受反复检验才能有用。其他科学家必须能够使用相同的材料和条件重复实验并获得相同的结果——这种品质被称为可重复性。科学家将研究报告提交给其他科学家，通常是通过在科学期刊上发表文章来进行，以便对工作进行验证。
| 会燃烧 | 不会燃烧 |
|---|---|
| 树枝 | 石头 |
| 椅子腿 | 砖块 |
| 铅笔 | 弹珠 |
| 棒球棒 | 轮毂盖 |
（来源：理查德·帕森斯）
假设你被要求维持一个大型篝火，而且你完全不了解使物体可燃（能够燃烧）的特性。科学方法的第一步是定义问题。*什么特性使物体可燃？*
下一步是收集有关该问题的数据。因此，你开始随机收集物体并将其放入火中。你必须详细记录尝试过的物体以及它们是否燃烧。表 1.2 显示了一个整理好的数据（观察结果）列表。
| 会燃烧 | 不会燃烧 |
|---|---|
| 树枝 | 石头 |
| 椅子腿 | 砖块 |
| 铅笔 | 弹珠 |
| 棒球棒 | 轮毂盖 |
| 扫帚柄 | 铁管 |
| 苏打水瓶 | |
| 锡罐 |
整理好的观察结果列表很有帮助，因为现在你只需要收集“会燃烧”列表中的物品，而不必浪费精力将不会燃烧的物品拖回火堆。但是，你很快就会用完“会燃烧”列表中的所有物品，有必要猜测“会燃烧”的物体具有什么特性导致它们燃烧。如果你有那个答案，你就可以带来可能不在“会燃烧”列表中但具有“会燃烧”特性的物体，并保持火势继续燃烧。
科学方法的第三步是提出假设。你对“会燃烧”的物体具有什么特性使其可燃的猜测就是一个假设。假设你注意到“会燃烧”列表中的所有物品都是圆柱形的，因此你假设“圆柱形物体燃烧”。科学方法的第四步是检验你的假设。为了检验这个假设，你出去收集了一组圆柱形物体，包括铁管、苏打水瓶、扫帚柄和锡罐。当这些圆柱形物体被放入火中，其中大多数没有燃烧时，你意识到你的假设不受这些新观察结果的支持。新的观察结果是检验，你的假设在检验中失败了。当新的观察结果不能支持你的假设时，你拒绝你的原始假设，将你的新数据添加到（表 1.3）中，并根据更新的观察结果列表提出一个新的假设。在科学方法的示意图中，失败的检验将科学家返回步骤 3，*提出一个新的假设*。
假设你的新假设是“木制物体燃烧”。你发现这个假设更令人满意，因为你尝试过的所有木制物体都会燃烧。你可能越来越有信心，你已经发现了一条“自然规律”。即使有了你相当成功的理论，你可能也忽略了一大堆旧汽车轮胎、由织物或纸制成的物体，或者可能是石油容器。你可以看到，即使你对你的理论相当满意，因为它完成了你想要它完成的任务，但实际上你并没有关于使物体燃烧的特性完整的陈述，因为仍然存在未经检查（也许未知）的证据。这在科学中经常发生。
你可以从这个例子中看到，这个“解决方案”并没有成为我们认为的“事实”，而*变成了一个有待不断检验和调整的暂定接受的理论*。无论一个暂定解释被接受了多长时间，如果发现了矛盾的观察结果，它随时可能被抛弃。只要该理论与所有观察结果一致，科学家就会继续使用它。当一个理论被观察结果所反驳时，它就会被抛弃或修改以解释新的观察结果。即使术语*假设*、*理论*和*事实*有时被互换使用，一个理论将在它有用的时候继续被使用，并在发现矛盾证据时受到质疑。理论永远不会变成事实。
关于理论的一个普遍概括是“理论更容易被证伪而不是被证明”。一个常见的例子是假设，“所有天鹅都是白色的”。你可能会观察到一千只白天鹅，每一次对白天鹅的观察都支持你的假设，但只需要对一只黑天鹅的单一观察就可以证伪该假设。要成为一个可接受的科学假设，证伪假设的观察必须是可能的。也就是说，如果每个可能的观察都支持假设，那么它就不是一个可接受的科学假设。要成为一个科学假设，它必须能够被反驳。这种性质被称为可证伪性。同样，不可证伪的事物超出了科学的范围。
- 假设是在尝试解释一组观察结果的过程中早期做出的猜测。有些科学家反对将假设称为“猜测”。反对的主要依据是，研究过所考虑主题的人会比完全不了解该领域的人做出更好的猜测。也许我们应该说假设是“有根据的猜测”。
- 理论是对一组观察结果进行解释并经受日常生活考验的解释。理论没有被证明，也不是“事实”。为了被接受为理论，科学理论必须是可证伪的。
- 规律描述了一种可观察的关系，即以可预测的关系相互发生的观察结果。只有在经验表明该规律有效之后，它才会被纳入知识领域。
过去 160 年中取得的成就爆发，是由于使用了一种新的方法来了解自然。这种突然而巨大的理解自然的成就被称为科学革命，是使用科学方法产生的。
英国历史学家赫伯特·巴特菲尔德写了一本名为《现代科学的起源》的书。在本书的前言中，巴特菲尔德写道
| “ | 科学革命不仅推翻了中世纪的权威，而且推翻了古代世界的权威……它不仅导致了经院哲学的衰落，而且导致了亚里士多德物理学的崩溃。科学革命的光辉超越了基督教兴起以来的任何事物，并将文艺复兴和宗教改革降级为仅仅是插曲…… | ” |
17 世纪初以欧洲在那个时期对科学的态度发生的巨大变化而闻名，被称为科学革命。这个术语指的是一个全新的学术思想时代，在这个时代，中世纪的哲学被抛弃，取而代之的是伽利略和牛顿提出的创新方法。
| “ | 科学最好被定义为对宇宙的任何和所有方面的知识进行的谨慎、有纪律、合乎逻辑的探索，通过检验最好的现有证据获得，并且始终在发现更好的证据时进行修正和改进。剩下的就是魔法。它不管用。 | ” |
——詹姆斯·兰迪 | ||
科学方法要求进行观察。有时，我们想要观察的现象在自然界中并不存在，或者即使存在，对我们来说也不方便观察。因此，让我们在特定时间和地点选择性地使现象发生会更成功。当我们安排在方便的时候使现象发生时，我们可以将所有的测量仪器都准备好，以帮助我们进行观察，并且可以控制其他变量。在想要的时间和地点，以及想要的环境条件下使现象发生的这种行为被称为实验。当科学家进行实验时，他们通常是在寻求新信息或试图验证他人的数据。课堂实验通常会演示和验证已知但学生尚未了解的信息。在进行实验时，重要的是要设置好实验，以便清晰地观察到关系。这需要所谓的实验对照。
假设一位科学家在暴风雨后的一个非常寒冷的日子里沿着海滩行走，观察到两个碗状岩石附近有两个水池。其中一个水池部分覆盖着冰，而另一个水池没有冰。未结冰的水池似乎是由海水从海浪中飞溅到岩石上形成的，但另一个水池太高，海水无法飞溅进去，所以它更有可能由雨水形成。
这位科学家想知道为什么一个水池部分结冰而另一个水池没有结冰，因为两个水池的温度相同。通过品尝水（不是个好主意），科学家发现未结冰的水池比部分结冰的水池更咸。科学家认为可能是盐水比淡水的冰点低，她决定回家做个实验看看是不是真的。到目前为止，这位科学家已经确定了问题，收集了一些数据，并提出了一个假设。为了检验这个假设，这位科学家将进行一个实验，在此期间她可以进行准确的观察。
为了进行实验，这位科学家准备了两个相同的盛有淡水的容器，并在其中一个容器中加入了一些盐（图 1.12）。在一个液体中放置了一个温度计，然后将它们放入冰箱中。然后，这位科学家定期观察两种液体的温度和状态。
| 时间（分钟） | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 温度，°C | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 | 0 | −5 |
| 状态 | 液体 | 液体 | 液体 | 液体 | 液体 | 冻结 | 冻结 |
| 时间（分钟） | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 温度，°C | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 | 0 | −5 |
| 状态 | 液体 | 液体 | 液体 | 液体 | 液体 | 液体 | 冻结 |
这位科学家从这个实验中获得了对假设的支持；淡水的冰点高于盐水。在科学家对这个假设有信心之前，还需要更多的支持。也许她会要求其他科学家来验证这项工作。
在科学家的实验中，她有必要在完全相同的条件下冷冻盐水和淡水。为什么？这位科学家正在测试盐水的存在是否会改变它的冰点。众所周知，改变气压会改变水的冰点。为了得出盐水的存在是导致冰点变化的原因的结论，所有其他条件都必须相同。盐水的存在被称为实验变量，因为它是两个试验中唯一允许改变的因素。淡水部分的实验被称为实验对照。在一个实验中，可能只有一个变量，对照的目的是确保只有一个变量。 "对照"与 "测试"相同，除了实验变量以外。除非实验得到控制，否则结果无效。
假设你想确定哪种品牌的微波炉爆米花留下最少的未爆爆米花。你需要供应各种品牌的微波炉爆米花进行测试，还需要一个微波炉。如果你用不同品牌的微波炉和不同品牌的爆米花，未爆爆米花的比例可能是由不同品牌的爆米花引起的，但也可能是由不同品牌的烤箱引起的。在这种情况下，实验者无法自信地得出是爆米花还是烤箱导致了差异的结论。为了消除这个问题，你必须对所有测试使用同一个微波炉。通过使用同一个微波炉，你控制了实验中的变量数量。
如果你允许不同的爆米花样品在不同的温度下烹饪会怎样？如果你允许更长的加热时间会怎样？为了合理地得出，一个变量的变化是由另一个特定变量的变化引起的，实验中不能有任何其他变量。所有其他变量必须保持不变。
科学方法要求观察自然，以及提出的解释与观察结果之间的一致性。也就是说，假设必须解释所有观察结果。因此，科学方法只有在数据（观察结果列表）没有偏差的情况下才能正常运作。有几种方法可以产生有偏差的数据集。每个人都可能在观察中犯错误。天平可能被误读，或数字在记录时被颠倒。这就是为什么实验要进行多次，并且要反复观察的原因之一。还可能存在一个未被识别的错误，并在每次实验中产生相同的错误。例如，一位科学家可能试图测试正常的雨水，但不知情的是，附近的一家工厂正在从烟囱中排放可溶性物质，这些物质污染了科学家的样本。在这种情况下，科学家的样本将产生关于正常雨水的错误观察结果。其他科学家复制实验将收集未受污染的样本，并发现不同的结果。多次测试实验将确定哪组数据有缺陷。未能应用适当的实验对照肯定会使数据产生偏差。
在实验者只收集支持数据而排除矛盾的观察结果时，也会出现不诚实的错误。甚至有些科学家伪造观察结果来支持自己的假设。名利对人的吸引力是难以抵挡的。出于所有这些原因，科学方法要求将实验结果发表，并由其他科学家重复实验。
- 在科学方法发展之前，人类在交通、通信和医药领域的成就微乎其微。
- 科学方法的使用使人类在交通、通信和医药领域取得了重大成就。
- 科学方法比迷信、意见和权威的方法要成功得多。
- 科学方法的步骤是
- 确定问题
- 收集数据（进行观察）
- 提出假设
- 检验假设（实验）
- 继续检验或拒绝假设并提出新的假设
- 实验对照用于确保实验中唯一的变量是正在测试的变量。
使用以下段落回答前两个问题。1928 年，亚历山大·弗莱明爵士正在研究培养皿中生长的金黄色葡萄球菌。他注意到一些培养皿中也生长着一种叫做青霉菌的霉菌。在图 1.13 中，培养皿 A 表示只含有金黄色葡萄球菌的培养皿。培养皿 B 中的红点表示青霉菌菌落。弗莱明注意到霉菌周围存在一个透明区域，因为生长在这个区域的所有细菌都死了。在没有霉菌的培养皿中，没有出现透明区域。弗莱明认为这种霉菌正在产生一种杀死细菌的化学物质。他决定分离这种物质并对其进行测试，看看它是否能杀死细菌。弗莱明在营养肉汤中培养了一些青霉菌。在霉菌在肉汤中生长后，他从肉汤中移除了所有霉菌，并将肉汤添加到细菌培养物中。所有细菌都死了。
- 以下哪个陈述是弗莱明假设的合理表达？
- (a) 营养肉汤能杀死细菌。
- (b) 在青霉菌周围存在透明区域，那里没有金黄色葡萄球菌生长。
- (c) 霉菌能杀死细菌。
- (d) 青霉菌产生一种杀死金黄色葡萄球菌的物质。
- (e) 培养皿中没有霉菌，细菌周围就没有透明区域。
- 弗莱明在肉汤中培养了青霉菌，然后移除了青霉菌，并将肉汤倒入含有细菌的培养皿中，看看肉汤是否能杀死细菌。这代表科学方法中的哪个步骤？
- (a) 收集和整理数据
- (b) 提出假设
- (c) 通过实验检验假设
- (d) 拒绝旧假设并提出新假设
- (e) 以上都不是
除非科学方法中的每个步骤都存在，并且按照本章列出的确切顺序进行，否则科学调查将无效。
- (a) 正确
- (b) 错误
以下哪个词语与假设的含义最接近？
- (a) 事实
- (b) 法则
- (c) 公式
- (d) 建议
- (e) 结论
为什么科学家有时会抛弃理论？
- (a) 科学方法的步骤没有按顺序进行
- (b) 公众意见与理论不符
- (c) 理论受到教会的反对
- (d) 发现了矛盾的观察结果
- (e) 国会投票反对它
加里注意到他妈妈在同一天种的两株植物，在种植时大小相同，但在三周后大小不同。因为较大的植物整天都在阳光充足的地方，而较小的植物大部分时间都在树荫下，所以加里认为阳光是造成植物大小差异的原因。为了检验这一点，加里买来了十株大小和类型相同的幼苗。他确保它们有相同的大小和类型的盆。他还确保它们有相同数量和类型的土壤。然后，加里建造了一个框架来支撑一块帆布屋顶，覆盖五株植物，而另外五株植物则在附近，但暴露在阳光下。加里小心地确保每株植物每天都接受相同数量的水和植物食物。
- 以下哪个是加里假设的合理陈述？
- (a) 不同的植物具有不同的特征。
- (b) 接受更多阳光的植物比接受较少阳光的植物长得更大。
- (c) 在阴凉处生长的植物长得更大。
- (d) 不接受水的植物会死亡。
- (e) 接受相同数量的水和植物食物的植物将生长相同的量。
- 加里坚持所有植物的容器尺寸必须相同，这可能有什么科学原因？
- (a) 加里想确定容器的大小是否会影响植物的生长。
- (b) 加里想确保容器的大小不会影响他实验中植物生长的差异。
- (c) 加里想要控制他的植物接受多少植物食物。
- (d) 加里想要他的花园看起来井井有条。
- (e) 使用相同尺寸的容器没有可能的科学原因。
- 加里坚持每天所有植物都接受相同数量的水，这可能有什么科学原因？
- (a) 加里想要测试阴影对植物生长的影响，因此，他希望除了植物接受的阳光量之外，没有其他变量。
- (b) 加里想要测试水量对植物生长的影响。
- (c) 加里的假设是水质影响植物生长。
- (d) 加里在节约用水。
- (e) 每天每株植物接受相同数量的水没有可能的科学原因。
- 加里实验中测试的变量是什么？
- (a) 水量
- (b) 植物食物的量
- (c) 土壤的量
- (d) 阳光量
- (e) 土壤类型
- 在加里的实验设置中，哪些因素可能在变化，但他没有控制？
- (a) 个体植物差异
- (b) 由于容器颜色不同导致的土壤温度
- (c) 由于土壤蒸发导致的水分流失
- (d) 昆虫的影响，可能攻击一组植物，而不攻击另一组植物
- (e) 以上所有都是加里没有控制的可能因素
当蚊子从宿主身上吸血时，它会用锋利的喙刺穿皮肤并注入抗凝血剂，以防止血液凝固。然后它吸一些血并缩回喙。如果蚊子携带致病微生物，它会将这些微生物连同抗凝血剂一起注入宿主体内。长期以来人们认为，虱子在吸血时会像蚊子一样注入伤寒病毒。但事实并非如此。感染不在虱子的唾液中，而在粪便中。当虱子的粪便接触到宿主皮肤上的抓痕或咬伤时，就会传播这种疾病。1922年，人们对这一问题进行了一项测试，当时两名工作人员用感染了虱子的猴子进行了喂食，并小心地防止虱子的粪便接触到猴子。两周后，猴子没有患上伤寒。然后，工作人员给猴子注射了伤寒，几天后猴子就病了。为什么工作人员在实验结束时给猴子注射伤寒？
- (a) 为了证明虱子携带伤寒病毒
- (b) 为了证明猴子与人相似
- (c) 为了证明猴子没有对伤寒免疫
- (d) 为了证明蚊子不是伤寒的传播者
- (e) 工作人员很坏
艾克曼用去除了种皮的稻米（抛光米或白米）专门喂养一群鸡。这些鸡都患上了多发性神经炎（鸡的一种疾病）并死亡。他用未抛光的稻米（仍然带有种皮的稻米）喂养另一群鸡。这些鸡中没有一只患上多发性神经炎。然后，他收集了稻米的抛光物（被去除的种皮），并用抛光物喂养其他患有多发性神经炎的鸡。不久后，所有患病的鸡都恢复了健康。艾克曼准确地追踪了多发性神经炎的原因是饮食不当。历史上第一次，通过实验成功地诱发了食物缺乏症并治愈了它。以下哪个是艾克曼假设的合理陈述？
- (a) 多发性神经炎是鸡的一种致命疾病。
- (b) 白米携带多发性神经炎的病毒。
- (c) 未抛光的稻米不携带多发性神经炎病毒。
- (d) 稻米种皮中含有营养物质，可以保护鸡免受多发性神经炎的侵害。
- (e) 以上都不是艾克曼假设的合理陈述。
以下三个问题与以下段落相关。
科学家 A 注意到，在一个特定的森林区域，唯一居住在该地区的动物是长颈鹿。他还注意到，这些动物唯一可用的食物在相当高的树上，随着夏季的推移，这些动物吃掉树上越来越高的树叶。这位科学家认为，这些动物最初与所有其他动物一样，但几代动物为了吃到更高的树叶而伸长脖子，导致该物种长出了非常长的脖子。
科学家 B 进行实验并观察到，伸展肌肉不会导致骨骼生长变长，也不会改变动物的 DNA，使更长的肌肉遗传给下一代。因此，科学家 B 摒弃了科学家 A 关于该地区所有动物都长着长脖子的建议。科学家 B 反而建议，最初该地区生活着许多不同种类的动物，包括长颈鹿，但只有长颈鹿在树上高处是唯一食物来源时才能生存下来，因此所有其他物种都离开了该地区。
- 以下哪个陈述是解释，而不是观察？
- A. 该地区唯一生活的动物是长颈鹿。
- B. 唯一可用的食物在高大的树上。
- C. 不断伸长脖子的动物会生长出更长的脖子。
- D. A、B 和 C 都是解释。
- E. A、B 和 C 都是观察。
- 科学家 A 的假设是
- A. 该地区唯一生活的动物是长颈鹿。
- B. 唯一可用的食物在高大的树上。
- C. 不断伸长脖子的动物会生长出更长的脖子。
- D. 拥有最适合在某个地区生存的特征的动物将成为该地区的优势物种。
- E. 以上都不是科学家 A 假设的合理陈述。
- 科学家 A 的假设被摒弃
- A. 证明了科学方法并不总是有效。
- B. 是在没有使用科学方法的情况下取得的结果。
- C: 是科学方法发明之前发生的事情的一个例子。
- D. 是科学方法正常运作的一个例子。
- E. 是一个不寻常的案例。
当一个理论已经存在很长时间时，它就会变成定律。
- (a) 正确
- (b) 错误
在巴斯德的时代，炭疽病是一种广泛且灾难性的牲畜疾病。许多以饲养牲畜为生的人失去了大部分牲畜。大约在 1876 年，法国东部的一位兽医名叫卢夫里耶声称发明了一种治疗炭疽病的方法。当地有影响力的人支持卢夫里耶的声称，他治愈了数百头牛的炭疽病。巴斯德去卢夫里耶的家乡评估这种治疗方法。这种治疗方法被解释为一个多步骤的过程，其中：1) 摩擦母牛，使其尽可能地热起来；2) 在母牛的皮肤上切开长长的切口，并向切口里倒入松节油；3) 在母牛身上涂抹一层厚厚的牛粪与热醋混合物，并将母牛完全包裹在布里。由于一些牛在没有治疗的情况下也会从炭疽病中恢复，因此对一头牛进行治疗并不能得出结论，因此巴斯德提出了一项实验来测试卢夫里耶的治疗方法。四头健康的母牛将被注射炭疽病微生物，当这些母牛生病后，卢夫里耶将选择两头母牛（A 和 B），并对它们进行治疗，而另外两头母牛（C 和 D）将不进行治疗。实验进行后，几天后，一头未经治疗的母牛死亡，另一头母牛好转。在经过卢夫里耶治疗的母牛中，一头母牛死亡，另一头母牛好转。在这个实验中，感染母牛 C 和 D 的目的是什么？
- (a) 这样卢夫里耶就可以从两头以上的母牛中进行选择。
- (b) 确保注射液中确实含有炭疽病。
- (c) 作为实验对照（比较治疗组与未治疗组）。
- (d) 尽可能地杀死母牛。
一个假设是
- (a) 对观察到的持续模式的描述。
- (b) 一个保持不变的观察结果。
- (c) 一个已经被证实的理论。
- (d) 对现象的初步解释。
许多人在一家餐馆吃了牡蛎后生病了。以下哪个陈述是关于这一事件的假设？
- (a) 所有吃过牡蛎的人都病了。
- (b) 无论人们吃的是生牡蛎还是熟牡蛎，他们都会生病。
- (c) 症状包括恶心和头晕。
- (d) 厨师对此感到非常难过。
- (e) 牡蛎中的细菌可能是导致疾病的原因。
哪句话最能描述使用实验对照的原因？
- (a) 实验对照消除了对大量样本的需要。
- (b) 实验对照消除了对统计检验的需要。
- (c) 实验对照减少了所需的测量次数。
- (d) 实验对照允许比较仅在一个自变量上不同的组。
一名学生决定设计一个实验，以确定植物生长速度与土壤中是否存在洗涤剂之间的关系。他设置了 10 个种子盆。在 5 个种子盆中，他将精确量的洗涤剂与土壤混合，另外 5 个种子盆的土壤中没有洗涤剂。将 5 个装有洗涤剂的种子盆放在阳光下，将 5 个没有洗涤剂的种子盆放在阴凉处。所有 10 个种子盆都接受相同数量的水和相同数量和类型的种子。他将这些植物种植了两个月，每两天记录一次生长情况。他的实验有什么问题？
- (a) 学生的盆不够多。
- (b) 学生有两个自变量。
- (c) 学生有两个因变量。
- (d) 学生对土壤没有实验控制。
一位科学家种植了两行玉米进行实验。她给第一行施肥，而第二行没有施肥。两行都接受相同量的阳光和水。她在五个月内观察了玉米的生长情况。在这个实验中，起对照作用的是什么？
- (a) 没有施肥的玉米。
- (b) 施肥的玉米。
- (c) 水量。
- (d) 玉米植株的高度。
如果你的实验有对照组，那么以下哪项是正确的？
- (a) 对照组和实验组之间可以有多个差异，但不能超过三个差异，否则实验无效。
- (b) 对照组和实验组之间可能存在许多差异。
- (c) 对照组必须与实验组完全相同，除了一个变量。
- (d) 以上都不正确。
如果假设被实验拒绝，那么
- (a) 该实验可能已经成功了。
- (b) 该实验失败了。
- (c) 该实验设计不佳。
- (d) 实验没有遵循科学方法。
对自然世界某一方面有充分根据的解释是
- (a) 理论。
- (b) 定律。
- (c) 假设。
- (d) 以上都不是。
- 实验
- 进行测试以产生观察结果，以证明或反驳假设的行为。
- 假设
- 旨在解释一组观察结果的提议。
- 定律
- 特定观察之间存在的关系。
- 科学方法
- 一种研究方法，涉及观察以产生和检验假设和理论。
- 理论
- 经过反复测试得到支持的假设。
- 可重复的
- 在科学中，结果可以被多个科学家在不同的时间和地点获得的东西，通常是实验。
- 可证伪的
- 可以被证明是错误的，通常是假设。
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