物理与人文02科学方法课件.ppt

1、物理物理与人文与人文科学的方法：经验和理性l学习科学的理由l不断增长的意识或知识的需要l发展适应科学时代的社会价值观念的需要l为了更好的认识科学的两面性l玛丽雪莱弗兰肯斯坦-享受技术的威力却不承担明智地使用技术的责任，将会招来灭亡、荒芜与污染。科学的方法：经验和理性l科学是什么？l科学方法，或科学认知过程，是和科学活动观察、假设、试验等相关的。简单地说，科学就是应用经验（常被称做观察、测量和实验）和理性（常被称做假说、理论、模型、原理和科学定律）来回答问题。l科学是如何运做的-以天文学的早期发展来看l天文学是研究星星和其他天体的科学。人类对星星的迷恋持之以恒。科学的方法：经验和理性科学的方法：

2、经验和理性l仰望天空，我们看到了什么？l太阳、月亮、恒星、行星l思考：仅通过直接观察，怎样辨别天空中一个特定天体是不是行星？l结论：恒星、太阳、月亮和行星都围绕地球做圆周运动，它们的转轴固定地指向北极星。l观察+理性思考=科学过程l思考：图中的星星是顺时针还是逆时针旋转的？科学的方法：经验和理性l古希腊理论-地心宇宙l地球的形状l思考：古希腊人为什么认为地球是圆的？l毕达哥拉斯宇宙理论l球是空间唯一完全对称的形状，圆是平面上唯一完全对称的形状，另外圆形轨道无始无终，所以，除了球与圆之外，没有什么几何形状更适合永恒的星星了科学的方法：经验和理性l公元前300年，著名希腊哲学家亚里士多德系统地提出

3、地心说,认为地球位于宇宙的中心。太阳、月亮、行星和恒星都围绕地球作圆周运动。l火星的“逆行”葡萄牙宇宙学家维利乌绘制的地心说模型 科学的方法：经验和理性l托勒密理论l托勒密理论为了和观察相符，给每个行星添加了大量的本轮，多达80个以上。l思考：使用托勒密的理论解释金星为什么常成为晨星和昏星？火星能否成为昏星？l13世纪西班牙国王阿方索十世：如果全能的主在着手创造万物之前先和我商量，我当提供更简单的方案。科学的方法：经验和理性l宗教与科学l爱因斯坦：科学没有宗教就如瘸子，宗教没有科学就如瞎子。l阿奎那：“认识上帝的作品就是对上帝的最高的颂扬”l宗教对科学的阻碍、促进与并行马丁-路德-15世纪奥古

4、斯丁-4世纪托马斯-阿奎那-13世纪科学的方法：经验和理性l阿利斯塔克理论-最早的日心说l为什么古希腊人否定了阿利斯塔克理论？l观察+理性l哥白尼理论：日心宇宙l哥白尼发现托勒密的地心说不仅复杂混乱，而且漏洞百出，他知道古希腊曾经有过日心说。经过长期反复地思考，日心说在哥白尼的头脑中逐渐成熟。他在天体运行论的第一卷中写道：“我终于发现，如果认为地球和行星都围绕太阳运动，一切就变得简单而清楚了”。l1543年天体运行论发行-近代科学的诞生 l我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？科学的方法：经验和理性l开普勒理论：以太阳为焦点的宇宙l第谷是以观测精密而著称的丹麦天文学家。他做天文观测认真细致、持

5、之以恒，对星体运动的观测精度比哥白尼高出20倍。l丹麦国王腓特烈二世怕这位天文奇才流失到天文学发达的德国去，就专门为他建立了一座天文台。这是当时世界上最先进的天文台，第谷在那里工作了差不多20年。科学的方法：经验和理性l开普勒-中世纪科学与近代科学的分水岭、毕达哥拉斯与哥白尼的忠实信徒l“这孩子在痘疹、头疼、脓肿、皮疹、寄生虫病、痔疮、螨病以及对一个天文学家来说最糟糕的视力缺陷等疾病的困扰中过早地成熟了。他的视力问题包括一眼重影和两眼近视。”l开普勒牢记第谷临终前的忠告：“一定要尊重观测事实”。他发现用圆周运动来解释火星轨道，与第谷的观测值总有8分的偏差不能消除。l开普勒拒绝了哥白尼理论，并说

6、：在这8分的偏差上，我迟早会建立一个宇宙理论。从而开始了人类历史上第一次不基于圆周轨道研究行星运动。科学的方法：经验和理性l经过了16年的研究，开普勒终于找到了他的答案：行星轨道是椭圆而不是圆。他又把这一认识推广到所有的行星，得到了以自己名字命名的三条定律。l开普勒第一定律：行星运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。l开普勒第二定律：行星轨道的矢径在单位时间内扫过的面积相等。科学的方法：经验和理性l开普勒猜测行星运动的快慢，可能与行星轨道的半径有某种关系。他把地球的轨道半径定义为1，地球的公转周期也定义为1，然后给出其它行星轨道半径与周期对地球的相对值。他画出了一张表，但没有看出表中

7、数据间有什么关系。行星T(轨道周期)R(轨道半径)水星0.2410.387金星0.6150.723地球1.0001.000火星1.8811.524木星11.8625.203土星29.4579.539科学的方法：经验和理性l开普勒坚信宇宙是和谐的，上述数字之间应该存在某种联系。他日日夜夜地思考，又算出了这样一张表：l他真的找到了行星运动快慢与轨道半径的关系：行星轨道周期的平方与轨道半径的立方成正比。这就是著名的开普勒第三定律。行星T2R3水星0.0580.058金星0.3780.378地球1.0001.000火星3.543.54木星140.7140.7土星867.7867.7科学的方法：经验和理

8、性l开普勒理论说，每个行星不是在以太阳为中心的圆上运动，而是在一个以太阳为焦点的椭圆上运动：这个椭圆以太阳为一个焦点，另一焦点上没有任何东西。我们可以把椭圆描述为一个压扁的圆。行星轨道只是稍微有点扁的椭圆，这也是为什么以太阳为中心的圆周轨道理论如此接近于观察结果的原因。l“16年前我大声疾呼要寻求的东西，我为之而参加第谷布拉赫的工作的东西，终于被我发现了，并且认识到其真理性超出了我最乐观的估计木已成舟，书已写成，我并不在乎现在是否有人读它，还是留给后世吧。上帝为了一个观察者已经等了6000年，为一个读者再等上100年又有什么呢？”l“我预测天高，如今又量地深。上天赐予我灵魂，大地收容我的俗身。

9、”科学的方法：经验和理性l天文学早期历史概要：恒星、太阳、恒星、太阳、月亮和行星月亮和行星在头顶运动在头顶运动公元前公元前30003000 天界与大地天界与大地似乎不同：似乎不同：地球静止不地球静止不动动 毕达哥拉斯理毕达哥拉斯理论论 亚里士多德：亚里士多德：地心宇宙地心宇宙行星的逆行行星的逆行 托勒密托勒密:以地以地球为中心的本球为中心的本轮理论轮理论 哥白尼理论：哥白尼理论：以太阳为中心以太阳为中心的圆轨道的圆轨道 第谷的准确测第谷的准确测量否定了托勒量否定了托勒密和哥白尼的密和哥白尼的理论理论 开普勒理论：开普勒理论：以太阳为焦点以太阳为焦点的椭圆轨道的椭圆轨道公元前公元前500-300

10、500-300公元前公元前100100公元公元15001500公元公元16001600科学的方法：经验和理性l科学：大自然与心智的对话l科学方法，或科学认知过程，是和科学活动：观察、假设、试验等相关的。简单地说，科学就是应用经验（常被称做观察、测量和实验）和理性（常被称做假说、理论、模型、原理和科学定律）来回答问题。l观察是数据采集的过程。l测量是定量的观察。l实验则是由人设计和控制的观察，可以在实验室中进行。l观察是科学认知过程的开端，但是观察并不等于了解。在天文学的发展过程中，观察激发思考而得出理论，这些理论反过来又提出新的观察以检验理论和引发新的思考。观察和理论的互动是科学的本质所在。科

11、学的方法：经验和理性l理论：一个得到充分证实的思想框架。l模型：一种可以直观想象的理论。l原理或定律：普遍理论中的一个概念。l假设：一个合理的但未得到证实的科学设想或猜测。l关于理论的误解：理论不是一种猜测，理论是被充分证实的对我们的观察结果的解释，是科学的真正目的。理论也必须能够接受科学的检验，能告诉我们这个可观察的宇宙的一些东西，否则，它就不是一个科学理论。虽然理论有时被称为“定律”，但不代表理论就是绝对可靠的，因而科学知识也不是绝对的。l从亚里士多德、到托勒密、哥白尼、开普勒，他们的理论都能很“好”的解释当时的观察结果。但新的观察数据与理论发生矛盾总是可能的。好的科学总是暂时性的、非教条

12、的。所有的理论完全依赖于证据。科学的方法：经验和理性l科学认知过程：科学基于经验（实验和观察结果）与理性（整理经验使之相互关联的理论和假设）之间的互动。这一植根于经验与理性的基础，将科学与基于信仰、宗教、伪科学、个人权威或权威性著作的其他形式的知识区分开来。l科学的判据：要正确区分科学和伪科学、宗教迷信，就要研究科学的判据，即科学的判断标准。l）科学注重理性原则l）科学注重实践原则l）科学讲究可重复性l）科学讲究逻辑完备性原则l）科学注重简单原则科学的方法：经验和理性l思考l“一种探测不出的外星生物正生活在我们中间”、“愿上帝保佑你”，请问这些是科学论断吗？为什么？l“与科学界的意见相反，宇宙

13、只是200年前才创造出来的。使地球看起来比200年要老的历史纪录，比如很老的树、化石等等，实际上都只是200年前创造的，为的是愚弄人类使他们相信宇宙的年龄超过200岁。”这个说法是：a）非科学的，因为它是愚蠢的；b）非科学的，因为它不能被检验；c）非科学的，因为它是错的；d）非科学的，因为其他科学家不同意它；e）科学的而非正确的说法。科学的方法：经验和理性l威廉绝对确信一个特定的科学原理。我们由此可断定：a）这个原理是正确的；b）这个原理是错的；c）这个原理是离题的；d）威廉是讲科学的；e）威廉是不讲科学的。l科学最突出的特点是：a）使用精确的数学关系式；b）精确的定量观察；c）科学定律的绝对真理性；d）理论和观察之间的相互支持关系。科学的方法：经验和理性l下列哪些是哥白尼革命的基本突破的延续？a）宇宙是为人类产生的；b）月球可能是由地球分裂出的材料构成的；c）我们的太阳只不过是数十亿颗类似恒星中的一个；d）我们的银河系处在宇宙的中心；e）人类在生物学上并非完全不同于其他物种；f）我们的星系只不过是以十亿计的类似星系中的一个。l第谷的数据证明了行星是在椭圆轨道上运行的吗？为什么？