高中地球科学/科学的本质

想想你最喜欢的科幻电影。它讲的是什么？也许是关于飞船前往遥远星球的，或者是在实验室中克隆人的，或者是在海底文明的，或者是在我们中间行走的机器人的。这些娱乐性的想象都是虚构的幻想，这就是为什么它们被称为科幻“小说”。它们不是真实的。但为什么它们被称为“科学”小说呢？

答案是，科学采用一种严谨的过程来回答问题。在科学中，“严谨”并不意味着规矩守纪。它意味着遵循有序的步骤，以得出最佳答案。科学涉及观察、质疑、分类、交流、计算、分析等等。为了将创造力转化为现实，我们需要科学。为了超越任何人的探索范围，我们需要科学。为了理解世界，使其变得有意义，并保护它，我们需要科学。为了确认我们对宇宙和宇宙中事物的最佳猜测，我们需要科学。科幻故事以创造性的方式扩展和扩展了科学和技术的所有理念。

课程目标

解释提出问题的重要性。
说明科学方法的步骤。
描述三种主要的科学模型类型。
在科学实验室内部和外部采取适当的安全预防措施。

提出问题

为什么天空是蓝色的？

这棵树会长多高？

为什么风会刮得这么厉害？

今晚会冷吗？

有多少颗星星在那里？

是否有一些像地球一样的行星围绕着这些恒星运行？

这块石头是怎么有洞的？

为什么有些石头又尖又锋利，而另一些石头却是圆的？

你可能每天都会问自己成千上万个问题，其中很多你甚至没有问过别人。对于你问过的许多问题，你甚至没有得到答案。但你的大脑一直在不停地思考问题，充满了好奇心。我们无法控制自己想知道。

上面的问题清单是一些科学家提出的问题。科学发展了几个世纪，我们测量最微小特征的能力也大大提高。因此，虽然没有错误的问题，但有些问题比其他问题更适合科学过程。换句话说，有些问题可以使用科学方法进行调查，而另一些则依赖纯粹的信仰或意见。

科学方法

科学方法不是一组指令，而是一系列有助于调查问题的步骤。通过使用科学方法，我们可以对如何评估该问题更有信心。有时，科学方法中步骤的顺序可能会改变，因为我们收集的观察结果或数据会引发更多问题。科学方法中遵循的基本顺序如图 1.1 所示。

问题

科学方法几乎总是从一个有助于集中调查的问题开始。我们正在研究什么？我们想知道什么？我们想要解决什么问题？对科学调查来说，最好的问题是具体问题而不是笼统问题；它们暗示了哪些因素可以被观察或操纵。

示例：一位农民听说了一种叫做“免耕农业”的耕作方法。在这种方法中，某些种植和施肥技术消除了对土地进行耕作（或犁地）的必要性。免耕农业会减少农田的侵蚀吗（图 1.2）？

研究

在我们继续之前，重要的是要了解关于该主题的已知信息。你可以通过查找图书馆的书籍和杂志、在互联网上搜索，甚至与该领域的专家交谈来研究一个主题。通过了解你的主题，你将能够做出深思熟虑的预测。你的实验设计可能会受到你所研究内容的影响。或者你甚至可能会发现你所提出的问题已经被彻底研究过。虽然重复实验在科学中是有效的和重要的，但你可能选择在你自己的研究中引入新的想法，或者你可能改变你最初的问题。

示例：这位农民决定研究免耕农业的主题（图 1.3）。她在互联网上、图书馆和当地农业用品商店找到了关于可以使用哪种肥料以及她的作物最佳间距的资料来源。她甚至还发现免耕农业可以减少二氧化碳排放到大气中，这有助于对抗全球变暖。

假设

既然你已经研究了这个主题，你就可以对这个问题做出一个有根据的猜测或解释。这就是你的假设。最好的假设是与问题直接相关的，并且是可以验证的，这样你就可以进行实验来确定你的假设是否正确。

示例：这位农民已经研究了她的问题，并提出了以下假设

免耕农业将减少与传统耕作技术相比坡度相似的山坡上的土壤流失，因为对土壤的干扰更少。

假设可以通过测试来证明或反驳。如果一个假设经过反复测试并被证明是正确的，那么科学家将不再称之为假设。科学理论拥有大量支持它的证据。

实验

并非所有问题都可以通过实验进行验证。但是，许多问题为我们提供了测试它们的方法，从而让我们得出最清晰的结论。当我们设计实验时，我们会选择要操纵或改变的因素。这就是自变量。我们还将选择所有必须保持不变的因素。这些是实验控制。最后，我们会选择我们要测量的因素，因为我们要改变自变量。这就是因变量。我们可以说因变量“取决于”自变量。土壤侵蚀的多少取决于我们选择的耕作方式。

示例：这位农民将在两座坡度或倾斜度相似的独立山坡上进行实验（图 1.4）。在一个山坡上，他将使用传统耕作技术，包括犁地来搅拌土壤中的养分。在另一个山坡上，他将使用免耕技术，将植物间隔得更远，并使用专门的设备在不耕作的情况下种植植物。他会给两组植物提供相同的用水量和肥料。

在这种情况下，自变量是耕作技术——传统技术或免耕技术——因为这是正在被操纵的因素。为了能够比较这两座山坡，它们必须具有相同的坡度，并使用相同的肥料和水量。例如，如果其中一座山坡的坡度不同，那么可能是角度影响了侵蚀，而不是耕作技术。这些都是控制变量。最后，因变量是侵蚀量，因为农民将测量侵蚀量，以分析它与耕作技术之间的关系。

数据和实验误差

根据我们想要了解的内容，可以通过多种方式收集数据。科学家使用电子显微镜来探索微观世界，使用望远镜来探索宇宙本身。科学家定期乘坐研究潜艇深入海底进行观察和采集样本。探测器被用来在科学家无法冒险进入的危险或不切实际的地方进行观察。探测器曾探索了沉没在海底的泰坦尼克号，以及我们太阳系的其他行星。来自探测器的数据通过电缆或太空传送到计算机，在那里科学家可以对其进行操作。当然，许多科学家在实验室工作，在工作台上进行实验和分析。

在实验过程中，我们可能会进行许多测量。这些测量是我们的观察结果，将以有条理的方式仔细记录下来。这些数据通常被计算机化并保存在电子表格中，可以以图表或表格的形式呈现，并清楚地标注，这样我们不会忘记每个数字代表什么。“数据”指的是我们收集到的测量值列表。我们可能会对观察结果进行书面描述，但通常情况下，最有用的数据是数值数据。即使难以用数字衡量的数据有时也用数字表示。例如，我们可以根据 1 到 10 的量表对清洁度进行观察，其中 10 表示非常干净，1 表示非常脏。统计分析还能让我们通过显示不同类别数据之间的关系，更有效地利用数据。统计数据可以解释数据集中的变异性（散布）。通过绘制数据图表，我们可以直观地理解数据之间的关系。除了图表之外，数据还可以以图表或图纸的形式展示，以便其他感兴趣的人能够轻松地看到这些关系。

与几乎所有人类活动一样，错误是不可避免的。在实验中，系统误差存在于实验装置中，因此数据始终会朝着某个方向倾斜。例如，一个秤可能总是测量高出半盎司。与许多系统误差一样，秤可以重新校准，或者可以轻松纠正误差。随机误差的发生是因为任何测量都无法做到完全精确。例如，一个秒表可能会过早或过晚停止。如果进行多次测量并取平均值，这种误差就会减少。有时，一个结果与其他样本的结果不一致。如果已经进行了足够多的测试，可以剔除不一致的数据点，因为很可能是该实验中出现了错误。可以对剩余的结果取平均值。

然而，并非所有数据都是量化的。我们书面描述的是定性数据，即描述观察到的情况的数据。在任何情况下，数据都用于帮助我们得出逻辑结论。

结论

在总结实验结果并将数据呈现为图表、表格和图纸之后，可以尝试从实验中得出结论。您必须收集所有证据和背景信息。然后，运用逻辑，您需要尝试对数据进行解释。根据实验结果，问题的答案是什么？结论应包括关于假设的评论。假设得到支持了吗？有些实验具有明确、不可否认的结果，完全支持假设。而另一些实验则不支持假设。但是，所有实验都有助于我们积累知识。即使是不支持假设的实验也可能教会我们一些新的知识，我们可以从中学习。在科学界，假设很少能被百分之百地证实。更多时候，实验会导致更多的问题和更多思考同一问题的可能方式。

示例：在进行了一整年的实验后，这位农民发现传统耕作的山坡上的侵蚀量是免耕山坡上的 2.2 倍。她打算从现在开始使用免耕耕作方式，并继续研究可能影响侵蚀的其他因素。这位农民还注意到，免耕地块中的植物更高，土壤水分似乎也更高。她决定重复实验，测量每种耕作方式的土壤水分、植物生长量和灌溉所需的总水量。

理论

如果一个主题引起科学家的兴趣，许多科学家会进行实验和观察，并将结果发表在科学期刊上。随着时间的推移，支持、反对或反对正在测试的假设的证据会越来越多。如果一个假设解释了所有数据，并且没有数据与假设矛盾，那么这个假设就会成为一个理论。一个理论得到了许多观察结果的支持，并且没有重大矛盾。一个理论也用于预测行为。尽管如果发现了矛盾的数据，一个理论可能会被推翻，但一个理论存在的时间越长，它可能拥有的支持数据就越多，它被证明是错误的可能性就越小。一个理论是比现象本身更简单的现实模型。

“理论”一词的日常用法与科学用法非常不同；例如，我有一个关于为什么乔比雷更喜欢苏的理论。在大多数情况下，使用“假设”一词更准确。

科学模型

许多科学家使用模型来理解和解释想法。模型是对物体或系统的表示。模型通常非常有用，因为它们比现实生活中的物体更实用，也更简单。它们更容易被操作和调整。有三种类型的模型，每种模型在某些方面都有用。每种模型也都有缺点。

物理模型

物理模型是对所研究主题的物理表示。这些模型可能会通过省略某些真实组件而被简化，但会包含重要的元素。模型汽车和玩具恐龙是物理模型的例子。图纸和地图也是物理模型。它们允许我们看到、触摸和移动它们，以便我们可以将它们进行比较，并说明某些特征。

我们可以用图纸来模拟地球的层状结构（图 1.5）。这种类型的模型有助于理解地球的组成、地球内部的相对温度以及地表下方地球密度的变化。然而，地球剖面模型与真实物体之间存在许多差异。首先，尺寸大不相同。通过查看简单的图纸，很难理解地球的尺寸。您无法通过查看不会移动的图纸来了解地表下方物质的运动情况。该模型非常有用，但也存在缺点。

概念模型

概念模型不是物理模型，而是一种将许多想法联系在一起的思维解释，试图解释某件事。概念模型试图将知识结合在一起，并且必须纳入可能随着知识的获取而改变的新知识。例如，月球的起源被一些人解释为一颗火星大小的行星撞击了地球，形成了巨大的碎屑和气体云（图 1.6）。这些碎屑和气体最终形成了一个称为月球的单一球形天体。这是一个对可能发生在数十亿年前的事件的有用模型。它包含了许多关于月球上的陨石坑和火山，以及月球和地球上某些元素的相似性的想法。然而，并非所有数据都适合这种模型，而且我们可能还有很多信息不知道。有些人认为，月球最初是一颗太空中的小行星，被地球的引力捕获到轨道上。这可能是一个有自己论据和缺点的竞争性概念模型。与物理模型一样，所有概念模型都存在局限性。

数学模型

第三种模型是数学模型。这些模型是通过对大量数据的仔细考虑和分析而创建的。数学模型是一个方程式或公式，它考虑了众多因素或变量。这些模型可能有助于预测龙卷风和气候变化等复杂事件。例如，为了预测气候变化，数学模型可能需要考虑温度读数、冰密度、降雪量和湿度等因素。这些数据可以被代入方程式以给出预测。与其他模型一样，并非所有因素都能够被考虑在内，因此数学模型可能无法完美地工作。这可能会产生误报或预测失败。没有一个模型是完美的。

模型是科学中一个有用的工具。它们使我们能够有效地展示思想并建立假设。它们为我们提供了思考事物的视觉或概念方法。它们使我们能够进行预测并进行实验，而无需面对现实生活中物体的种种困难。你能想象只使用一个真实的植物细胞来解释植物细胞，或者只通过观察来预测下一次行星排列吗？总的来说，模型有局限性，在相信任何预测或将任何结论视为事实之前，应考虑这些局限性。

科学中的安全

事故在日常生活中时有发生。由于科学涉及对未知领域的探索，发生事故是自然而然的事。因此，我们必须小心，使用适当的设备，尽可能防止事故（图 1.7）。我们还必须确保正确处理任何伤害或事故。

腐蚀性	氧化剂
有毒	高压
图 1.7：安全标志

在科学实验室里

如果你在科学实验室工作，你可能会遇到危险的材料或情况。尖锐物体、化学品、热量和电力在地球科学实验室中不时使用。通过适当的保护和预防措施，几乎所有事故都可以预防，痛苦可以降至最低。以下是一份你在做实验时应该遵循的安全指南

始终遵循指示。
虽然在科学实验室工作很有趣，但它不是游乐场。一定要遵守实验室说明或实验室主管给出的任何安全指南。
只使用指示的材料数量。在你做与实验室程序描述不同的操作之前，请咨询你的老师。
将长发束起来。穿着平跟的封闭式鞋子，以及没有垂下袖子、兜帽或系带的衬衫。
在指示时使用手套、护目镜或安全围裙。
使用任何锋利或尖锐的物体，如手术刀、刀具或碎玻璃时，要格外小心。
在科学实验室里切勿吃或喝任何东西，即使是你自己带来的东西。桌面和柜台可能沾染了危险物质。
保持你的工作区域整洁干净。确保正确清洁和维护试管和烧杯等材料。残留的物质可能会在未来的实验中与其他物质相互作用。凌乱的工作区域会增加溢出和破损的可能性。
伸手取物时要小心。火焰或加热板可能在你的手臂下方，或者长发可能会被烧焦。
按照指示使用电器和燃烧器。
了解如何使用洗眼器、防火毯、灭火器或急救箱。
如果发生任何异常情况，请告知实验室主管。如果有人受伤，可能需要填写事故报告，并且实验室主管必须知道是否有任何材料损坏或丢弃。

实验室外

许多地球科学调查是在科学实验室外进行的（图 1.8）。当然，与实验室材料一样，必须采取相同的预防措施，但我们必须考虑其他因素。对于在户外或家中进行的任何科学研究

务必穿着合适的服装。例如，徒步进入峡谷需要穿靴子、长裤，并防晒。
即使是短途旅行，也要带上足够的食物和水。脱水可能迅速发生。
准备适当的急救用品。
务必告诉其他人你将去哪里，你会做什么，以及你什么时候回来。如果你不熟悉该地区，请务必带上地图，你也可以留一张地图副本给家里的某个人。
确保你有机会获得紧急服务，以及一些交流方式。请记住，并非所有地方都有手机信号覆盖。
最后，确保你与熟悉你旅行区域的人或熟悉你将进行的调查类型的人在一起。

复习问题

列出五个你发现有趣的世界周围的问题。
一位科学家正在研究石油污染对海洋海藻的影响。他认为，来自雨水渠的石油流失会导致海藻无法正常生长。他准备了两个大小相同的巨型水族箱。他监测水中的溶解氧，以使其保持一致，并控制水的温度。他将机油注入一个水族箱，但另一个水族箱没有注入。然后，他测量了每个水族箱中海藻植物的生长情况。在没有注入机油的水族箱中，平均生长高度为 2.57 厘米。注入机油的水族箱中海藻的平均生长高度为 2.37 厘米。根据这个实验，回答以下问题
- 科学家一开始提出的问题是什么？
- 他的假设是什么？
- 确定自变量、因变量和实验控制因素。
- 数据显示了什么？
解释三种科学模型。每种模型各有什么优点和缺点？
根据你在科学实验室安全程序方面的知识，识别或设计五个你自己的安全标志。
根据你在问题 1 中提出的一个问题，设计你自己的实验。包括问题、假设、自变量和因变量，以及安全预防措施。你可能需要与你的老师或小组一起工作。

词汇表

概念模型: 使用思想和观念而不是物理物体对某事进行抽象、心理上的表示。
控制: 实验中保持不变的因素，以便专注于自变量和因变量。
因变量: 实验中你测量的数据，随着自变量的变化而变化。它“依赖于”自变量。
假设: 对一个可以测试的问题的良好的工作解释。
自变量: 实验中由研究人员控制和改变的变量（或事物）。
数学模型: 一组模拟被建模的自然系统的数学方程式和数字。
物理模型: 使用物体对某事进行表示。
理论: 经过反复测试并证明为真的假设。

需要考虑的要点

你认为地球的哪些部分最重要，应该得到更好的研究？
你对哪种类型的模型有过经验？你从中学到了什么？
科学家研究哪些情况既必要又危险？你认为他们在研究这些情况时应该采取哪些预防措施？
如果你可以去任何地方，你会去哪里？你会采取哪些安全设备或预防措施？

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