自然辩证法第五章科学认识的形成ppt课件.ppt

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1、第 五 章,科学认识的形成,主要内容 科学问题的提出 科学事实的获取 科学假说的形成,第一节 科 学 问 题 科学界的研究人员有三个层次，一是指兔子的，二是打兔子的，三是捡兔子的。 中国科学院一资深领导 一、 科学问题：科学发现的真正起点 科学问题是指在特定时代，科学认识主体在分析当时科学背景知识基础上提出的科学认识上和科学实践中需要解决的矛盾。 1、科学发现始于问题 一种观点认为科学始于观察，如亚里斯多德、培根等，强调从感性走向理性。,亚里斯多德（ Aristotle 384322 BC），柏拉图的学生，哲学思想在内容和方法上都同柏拉图存在着严重的分歧。公元前335年，他曾在雅典兴办了一所叫

2、做 “吕克昂”（Lyceum）的学校，并创建了自己的学派，被称为逍遥派。,在科学方法上，反对理念论，重视实验观察，认为事物的本质内在于事物之中，这与柏拉图大相径庭，形成了两个不同的科学研究传统 。,观 察,原 理,归 纳,演 绎,亚里士多德认为，科学目的就在于说明自然现象和低层次定律的原因，即试图用普遍性程度较高的定律来说明普遍性程度较低的定律、直至经验观察结果。而要揭示不同层次的规律之间的因果联系，从而实现可靠的科学解释，惟有运用三段论进行演绎。于是，每门学科就成了用演绎方法组织起来的一组陈述。 作为该学科最普遍规律的“第一原理”不是演绎而来的，而是在观察中运用直觉或观念得到的不证自明的公理

3、。,培根认为一切知识都求之于感官，知识来源于感觉经验，只有将经验与理性结合起来，才能获得真正的知识。他提出科学是实验科学的看法，认为科学就在于用理性方法去整理感性材料，归纳、分析、比较、观察和实验是理性方法的主要条件。,英国哲学家波普尔认为，如果从收集事实的观察实验开始，然后再建构理论，实际上是不可能的。因为，第一，观察并记录一切过程无法完成。研究者永远不可能穷尽一切事实。第二，观察和实验离不开理论。观察总有选择性，需要一定的观点、目的。 波普尔轶事 美国哲学家库恩也认为，从科学发展的角度来看，也是起于科学问题。常规科学就是解决难题；而当大量科学难题出现时， “范式”发生危机时，就需要用新的“

4、范式”来代替旧“范式” ，这时需要发明新的理论。科学危机，实际上就是理论结构内在矛盾的显露，也是理论自身问题的显现。 另外，一些纯理论研究并不由观察发端，如理论物理、数学等等。 科学发现始于问题与科学始于观察并不矛盾。科学发现始于问题是对于具体的科学认识过程而言的，科学始于观察则是从人类认识发生的角度而言的。,2、科学问题的特点 1）历史性 一定的历史时代所提供的背景知识决定着科学问题的内涵与深度；背景知识还制约着解决问题的途径。 我们只能在我们时代的条件下进行认识，而且这些条件达到什么程度，我们便认识到什么程度。 恩格斯 如芝诺悖论、夜晚天为什么是黑的？ 关于遗传的奥秘，魏斯曼、摩尔根及结构

5、学派的不同回答。 2）指向性 科学问题的指向提供了研究对象，指引了探索方向；不仅意味着未知领域，而且包含着未知与已知的矛盾、求解。 3）可解性 问题不仅意味着无知，而且是关于未知东西的某种知识。问题不单是不知，而且是关于不知的知识。 科普宁,芝诺悖论 阿喀硫斯永远追不上乌龟,3、 科学问题的结构 1）问题的指向 问题所指的研究对象 2）研究的目标 即提问的内容。目标须正确才是真问题，否则为伪问题。 3）应答域 解决问题的范围，并且可调整。它是一个确定而有限的范围，对求解起着导向作用。,科学问题中应答域的设定以及由此带来的指向性在科学研究中的作用是如此之大，以致于它与研究的成败休戚相关，因此它将

6、直接决定一个问题是否有解。海森堡,关于欧氏几何第五公设的证明，罗巴切夫斯基改变应答域，提出反问题，开创了非欧几何。 欧氏几何第五公设即同一平面内一条直线和另外两条直线相交，若在某一侧面两个内角的和小于两直角，则这两条直线无限延长后在这一侧相交。 对于麦克尔逊莫雷关于“以太”漂移实验零结果，洛伦茨认为“以太” 是存在的，实验中观察不到光行差，是由于沿着地球运动方向的干涉仪的臂长收缩造成的，他设想，任何相对于以太速度运动的物体L0都将缩短到 。 洛伦茨的假设，使麦克尔逊莫雷的否定结果能在保留 “以太”的前提下，获得圆满的解释。1904年5月，洛伦茨发表论文速度小于光速运动系统中的电磁现象，导出了新

7、的坐标变换公式洛伦茨变换。 爱因斯坦则于1905年9月发表论动体的电动力学一文，彻底否定“以太”概念， 清扫了物理学天空的“第一朵乌云”。,二、 科学问题的分类 1、常规问题与非常规问题 常规问题，指已获得实践检验和社会公认的背景知识为前提而形成的科学问题。依据公认的背景知识而找不到正确的解答，会形成新的科学事实，从而引出非常规问题。 如依据经典电磁理论提出的测量“以太风”的速度问题是一个研究目标错误的常规问题。由于测量的“以太风”速度为零，因而引出一个与经典电磁理论不相容的非常规问题，即“以太确实存在吗”。 2、经验问题与概念问题 经验问题，依据自然现象和事实而提出的科学问题。如“重物为什么

8、会下落”， “孩子的相貌为什么像他们的父母”等等。 概念问题是指理论所显示出来的问题，它是理论所特有的，不能独立于理论而存在。概念问题分为两类，内部概念问题和外部概念问题。,内部概念问题：理论内部的逻辑矛盾 外部概念问题： 科学理论之间的不一致。如天文学中的光度佯谬、引力佯谬等。 科学理论与非科学理论如方法论、本体论相矛盾。如孟德尔遗传学说与“活力论”的矛盾。 概念问题往往隐藏在科学理论深处，科学家常常通过所谓的“悖论”或“佯谬”来揭示概念问题的存在。 “悖论”或“佯谬”或者表明理论本身有缺陷，或者表明理论中蕴涵着未被察觉的深刻内容。如罗素悖论，薛定谔猫佯谬、双生子佯谬等等。 悖论：如果某一理

9、论的公理和推论，原则上是合理的，但在这个理论中却推出了两个相互矛盾的命题；或者证明了这样一个符合命题，它表现为两个相互矛盾的命题的等价式，那么，这个理论包含了悖论。,古希腊悖论： 鳄鱼与小孩 一条鳄鱼从一位母亲手里抢走了一个小孩，鳄鱼想吃掉小孩，但又想吃得名正言顺，心安理得，于是鳄鱼对这位母亲说：“只要你回答对了我的问题，我就不吃你的小孩。我的问题是，我会不会吃掉你的小孩？” 母亲该怎么回答呢？,19世纪下半叶，康托尔创立了著名的集合论，集合论刚产生时，曾遭到许多人的猛烈攻击。但不久这一开创性成果就为广大数学家所接受了，并且获得广泛而高度的赞誉。数学家们发现，从自然数与康托尔集合论出发可建立起

10、整个数学大厦。因而集合论成为现代数学的基石。“一切数学成果可建立在集合论基础上。” 这一发现使数学家们为之陶醉。1900年，国际数学家大会上，法国著名数学家彭加勒就曾兴高采烈地宣称：“ 借助集合论概念，我们可以建造整个数学大厦 今天，我们可以说绝对的严格性已经达到了 ” 但是，罗素悖论的出现打破了数学家的美梦。,理发师悖论：村里有一位技艺高超的理发师，他有一个原则，就是：他只给村里一切不给自己理发的人理发。那么，他该不该给自己理发？ 理发师陷入两难境地：如果他给自己理发，根据他的原则，他只给那些不自己理发的人理发，那么，他不应该给自己理发；如果他不给自己理发，根据他的原则，他只给那些不自己理发

11、的人理发，那么，他应该给自己理发。,此即罗素悖论，罗素给正在致力于把算术化归为集合和逻辑的数学家弗雷格写了一封信，叙述了他发现的一条悖论： 有些集合不以自己为元素，如弗雷格规定的0，1，2=3，“3”并不是自己的元素，有些集合以自己为元素，如“所有集合的集合”，自己是个集合，所以也是自己的元素。 那些“不以自己为元素的集合”，它以概念的外延确定了一个集合，它是不是自己的元素呢？ 该悖论用数学符号表示，先定义集合R，xR，当且仅当x不属于x，而由此定义来检验R自己时就成了“ RR，当且仅当R不属于R”。 弗雷格迅速给罗素回了信。他说：“哎呀，算术动摇了。” 他在即将出版的算术基础中写了一个后记，

12、说：“在工作结束之后而发现大厦的基础已经动摇，对于一个科学工作者来说，没有比这更不幸的了。”,薛定谔猫佯谬,三、 科学问题的来源 1、科学实践与科学理论之间的矛盾 传统的科学理论难以解释新的经验事实，是科学问题的重要来源之一。随着科学实践的发展，实验技术和手段不断完善，以及大量新的经验事实被揭示，必然会加剧理论与实践的矛盾，从而引发一系列的经验问题。 光电效应与光的波动说之间的矛盾引出“光的本质究竟是波还是粒子？”的问题， 黑体辐射引出“能量究竟是连续的还是不连续的？”这一问题。,光电效应实验：,光电效应： 把一块擦得很亮的锌版连接在验电器上，用弧光灯照亮锌版，验电器的指针就张开了，这表明锌版

13、带了电。进一步的检查发现，锌版带的是正电。这表明在弧光灯的照耀下，锌版的一些自由电子被打了出来，于是锌版就带正电。 在实验中可以发现，紫、蓝、紫外线等波长较短的光，即便很弱，也能从金属表面打出电子，而红、黄、红外线等波长较长的光，即便很强，也不能从金属表面打出电子。这表明，能否打出电子，并不取决于光的强度，而取决于光的频率（频率与波长成反比）。 但光的波动说认为，光的能量由其强度决定，而与频率无关。据此，很弱的紫光都能激发出电子，那么，很强的红光就更能打出更多的电子。但事实恰恰相反。,根据古典理论，入射波长 = 散射波长，但康普顿发现，除了波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射。光的波动说解

14、释不了，只能用光量子假说解释。入射光是光子束，光子同散射体中的自由电子碰撞，把一部分能量给了电子，自身能量减少，导致光子频率减小，波长变大。 光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。,2、理论体系之间的矛盾 “水尝无华，相荡方成涟漪；石本无火，相击而发灵光。” 1）科学理论本身的内在矛盾产生科学问题。 以悖论最为典型,康托尔（Georg Cantor，1845-1918）， 出生于俄圣彼得堡，后迁居德国，犹太人，著名数学家，开创集合论，也因此而受到不公正的待遇。1884年精神崩溃，1918

15、年1月6日，他在哈尔精神病医院逝世。 伽利略悖论，使自然数与部分自然数比较，产生了“整体 = 部分”的矛盾，康托尔利用伽利略的方法，得出“一条线上的点要比自然数多”这样令人瞠目结舌的结论。,2）不同学派之间的矛盾 人类起源的“夏娃说”与“多中心说” 分子生物学的研究中，为了获得一个比较确定的遗传速度数值，选择的是随机突变的DNA序列，而非功能基因。因为功能基因会随环境的变化而变化，它的突变淘汰速度不恒定，使得整个突变速度不稳定。 进化论与热力学第二定律，光的粒子说与波动说，地质学中的水成论与火成论、渐变论与灾变论等等。 3、社会需要与现有技术手段之间的矛盾 电子计算机源于二战中弹道计算问题，农

16、业生产中对作物产量和品质的需要等等，都可以产生科学问题。,四、 科学问题在科学研究中的意义 1）科学问题推动研究。 通过对科学背景知识的分析而提出的科学问题，特别是基础自然科学中的问题，常常是向那个时代的科学理论提出的挑战或诘难。而且这种挑战或诘难有时甚至动摇了那一时代科学的根基，以至于被某些人称为“灾难”。由此造成了科学的“危机”。然而，有时正是种种挑战或诘难，有力地推动了科学的发展。 提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。 爱因斯坦

17、伽利略从亚里斯多德关于光是瞬间传播的经验现象和结论，提出了光的传播即使再快也应该有速度的问题。对光速的测量从此就成为物理学领域的基本问题之一，被许多科学家研究 。,爱因斯坦狭义相对论的研究源于“追赶光波问题” ：假使一个人以光速跟着光跑会出现什么情况？根据伽利略相对性原理，应该看到光波象空间里振荡而停滞不前的磁场，而这又与麦克斯韦理论相冲突。 2）科学问题指导研究，指导观察。 由于科学问题本身蕴涵着问题的指向、问题的应答域。问题的指向指示了研究对象，指明了研究方向；问题的应答域指示了求解范围。所以科学问题本身就能指导科学研究。,去甲万古霉素青霉菌,弗莱明的问题，是否绿霉具有某种作用而把它周围的

18、葡萄球菌杀死了？ 问题的指向：葡萄球菌的死因。问题的应答域：假定绿霉具有某种作用。 弗莱明发现了绿霉能够杀菌，但苦于没有资金，搁置研究。后来牛津大学化学家欧内斯特在研究酶时，无意中发现了弗莱明的论文，并与好友病理学家弗洛里合作，证明了青霉素不是酶，而是一种具有抑制有害病菌的细菌。二人合作，进行动物实验并转入临床试验。二战爆发，许多负伤的士兵愿意实验这种药，青霉素挽救无数人的性命。 1945年，三人获得诺贝尔医学和生理学奖。 事实上，在此之前，微生物学家斯科特也曾遇到这个现象，但他认为是实验中操作失误而产生的污染，就把这些绿霉一洗了之。只是这一洗了之的代价也未免太大了。,五、科研选题 所谓课题，

19、是为了解决某个特定的任务所需要研究的通常是用科学术语明确表达的一个或一组的科学问题。课题是具有独立性质、具有明确意义的科学问题。,1、步骤 课题的形成和选择，无论作为外部的经济技术要求，抑或作为科学本身的要求，都是研究工作中最复杂的一个阶段。一般说来，提出课题比解决课题更困难 所以评价和选择课题，便成了研究战略的起点。 贝尔纳,问题调研课题选择课题论证决策 根据社会需要和个人的知识结构与学识专长确定研究方向，明确研究领域及研究范围的层次，然后对这一研究领域做全方位的调研。调研内容包括：了解国内外对这一学科领域的研究状况，近期有可能取得的突破，有哪些问题尚未解决等等。除此之外，还要考虑科学研究中

20、的主客观条件。 根据问题调研的结果，运用选题的原则，从所调研的问题中选出备选课题，进行分析比较，设计出最优方案。并提出开题报告。 根据选题的基本原则，对课题的依据、实施条件、价值等进行具体审核分析。,2、选题原则 科学性原则 以一定的事实为基础，以已有的科学理论为依据，把课题置于当时的科学技术背景下，并使之成为在科学上可以探讨的东西。 遵循科学性质原则，要求反对伪科学，反对从根本上违背科学原理的所谓课题。如牛顿致力于对约翰启示录的诠释，试图证明全能全知的上帝，克鲁克斯用科学仪器研究降神术，都使得他们的研究徒劳无功。 伪科学，如所谓的“中国第五大发明” ，空瓶取物，占星术等等。 同时，科学又是在

21、不断发展的，理论会随着实践的发展而推陈出新。历史上许多创造性的科学发现正是由于对已有事实和理论的真理性和科学性的重新审查。因此，贯彻科学性原则，既要尊重事实，又要不泥拘于事实；既要接受已有理论的指导，又要勇于突破传统观念的束缚。,“四大恶人”： 何祚庥、于光远、郭正谊、司马南, 创造性原则 一是指选择研究新颖的课题，即前人没有研究过或者没有完全解决的问题；二是指探索研究课题的方案、途径和方法有突破性、独创性，有助于人们获得意想不到的研究成果。 包括概念、观点上的创新；方法上的创新；应用上的创新，即将现有理论和方法应用到新的领域中去而做出创造性的成就。 如普朗克的能量子概念、爱因斯坦的同时性的相

22、对性的概念； 越是重大的科学创新，越容易同传统理论、传统思维相冲突，也容易遭到科学共同体的反对。,1895年，当光技术出现后，英国科学界的领袖、皇家学会的会长开尔文勋爵便评价说：“不久后，人们便会明白， 光不过是一个童话。” 数年之后，他又声称：“无线电这东西没什么用途。” 开尔文（ Lord Kelvin，18241907）英国著名物理学家、发明家，原名W 汤姆孙（William Thomson）。,迈克尔逊对狭义相对论很不理解，他曾亲口对爱因斯坦说，没想到他的实验会引出相对论这个“怪物”，为此他还感到有点懊悔。 阿尔贝特 迈克尔逊 （Albert Abrham Michelson ，185

23、21931），美国物理学家。,1889年，赫兹收到一封来信，写信人事一位名叫哈伯的德国工程师，他在信中询问：“是否可以用电磁波来传递变压器或电话产生的电振动信号？就是说将电磁波用于通讯是否可能？” 赫兹回答说，他对此表示怀疑。赫兹认为，变压器或电话产生的振动太慢了，即使取每秒1000次，电磁波的波长已是300千米，因此，所使用的电磁波反射凹面镜的焦距也要有300千米大小。如果你能建一个像欧洲大陆这样大的一个凹面镜来反射电磁波，就能用来进行实验了。,海因里希 鲁道夫 赫兹（1857-1894 ），德国物理学家，于1888年首先证实了无线电波的存在。频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。,赫兹上

24、述分析不错，但缺乏预见性。其实，在地球的上空存在着一个天然电离层可以反射电磁波，只是当时人们不知道而已。另外，赫兹没有想到，如果提高电磁波的频率，波长就会变短。,玻尔提出量子化原子结构理论，很少有人相信。不少著名的物理学家指责玻尔“瞎搞”，劳厄甚至还宣称：“如果玻尔的原子理论对了，那我就不再研究物理了。” 冯 劳厄（Max Theodor Felix Von Laue 18791960），因发现射线在晶体中的衍射， 获得了1914年的诺贝尔物理学奖。,需要性原则 一是社会的需要；二是自然科学自身发展的需要。 社会上一旦有技术的需要，则这种需要比十所大学更能把技术推向前进。-恩格斯 另一方面，科

25、学上的许多重大问题并不都是直接来自于社会生产实践的需要，往往是为了解决科学自身发展的内在矛盾而提出来的。 哥白尼日心说 开普勒行星运动三定律 牛顿万有引力, 可行性原则 指根据实际具备的或者经过努力可以具备的条件来选择课题，对完成课题的主观和客观条件尽可能加以周密的估计。 我们只能在我们时代的条件下进行认识，而且这些条件达到什么程度，我们才能认识到什么程度。 恩格斯 一个人的发展取决于和他直接进行交往的其他的一切人的发展，任何伟大历史人物也不能 超出他们自己的时代所给予的限制。 恩格斯,统一场理论研究失败，从客观上来看，当时比较清楚的物理场只有电磁场相互作用和引力相互作用，而弱相互作用和强弱相

26、互作用还不十分清楚，因此通向统一场理论懂得客观条件还不成熟，具体途径也不明朗。 从主观上看，爱因斯坦忽视了当时正在蓬勃发展的粒子物理学，企图单从场物理学方面来统一；忽略了从经验基础上直觉把握统一场论大厦的基石，仅仅凭借数学手段来建筑这幢大厦，结果留下一大堆弄不清其物理意义的数学方程式。,玻恩评价这件事时说道：“在征服浩瀚的量子现象的斗争中，他是一个先驱者，但量子理论向前发展时，他却远而疑之。我们许多人认为这是一个悲剧 因为他在从此在孤独中摸索前进，而我们却失去了一位领袖和旗手。” 爱因斯坦并不认为自己误入歧途，他于1948年3月18日写给玻恩的信中：“我实在非常了解你为什么要把我看作是一个冥顽

27、不化的老头子。但是我相信你并没有了解我是怎样走过这条孤独道路的；即使没有丝毫的可能性会使你赞同我的看法，也肯定会让你觉得有趣。我要把你的实证论的哲学看法撕得粉碎，以此来自娱。但是看来，在我们活着的时候，这是不可能实现的。”,马克斯 玻恩（ Max Born 18821970 ），1954年诺贝尔物理学奖获得者。,第二节 科 学 事 实 的 获 取 一、 观察与实验是获取科学事实的基本方法 1、观察 观察就是人们有目的、有计划地提高自己的感官去反映自然状态下的事物现象的一种经验方法。 1） 特征 观察是一种感性认识活动，具有直接的感受性、生动的形象性质。 观察是对处于自然状态下的事物现象进行的观

28、察，即观察者不对观察对象作任何变革。,2）分类： 直接观察与间接观察 感官有局限性，易出错，需借助于仪器。 质的观察与量的观察 确定何时何地发生什么现象，该现象与其他现象有何联系等。要了解质，还需了解量。 日本的一个中微子观察站，它隐藏在地底1000米的地方。 由于中微子极难与其他粒子发生反应，有超乎寻常的穿透力，因此要将观察站建在地下如此之深。这样可以认为除了穿透力极强的中微子外，宇宙中的其他辐射都被过滤掉了，从而减少其他辐射的干扰。 中微子有可能和水中的氢原子核发生反应，产生一个电子，这个电子可引起微弱的闪光，被光电倍增管探测到。这种光电倍增管灵敏度非常高，在漆黑的夜晚可以感觉到100公里

29、以外一根火柴发出的光亮。1000吨超纯重水，每天不过和10个中微子发生反应。这个实验观察站里有11200根多激光电管存储的5万吨超纯重水。,日本的一个中微子观察站,3）观察中的问题 观察事物的精确可测量性能完全做到吗？ 测量主体对测量事物的干扰是否使测量失去了客观意义？ 测不准关系所讨论的是在量子理论中同时测量几个不同量的精确问题，这一关系单独测定位置或速度的精确性并无限制。 海森堡 观察是在自然状态下进行的，这使得观察对象的许多重要的、隐蔽的属性无法在仪器上显现或呈现在观察者的感官面前；另外，观察只适用于能够重复出现或者变化不太剧烈的自然现象，而对于这范围以外的，就无能为力。观察的这两个缺陷

30、，在实验只得到了克服。,2、实验 所谓实验，就是人们根据科学研究的目的，运用科学仪器和设备等物质手段，人为地控制或模拟所研究的自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下进行观察的一种经验方法。 实验把观察寓于自身之中；同时又有别于一般观察，人为控制和敢于对象的进程。 观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并且迫使自然袒露她的奥秘。 居维叶。 1）实验的分类 以目的分：检验实验、破坏性实验、判决性实验、定性实验 以方式分：直接性实验、抽样实验、模拟实验、理想实验,2）实验的特点和作用 简化和纯化研究对象 宇称不守恒的证明实验，由吴健雄完成。她用CO60作为实验材料。可在常温下CO60本

31、身的热运动和自旋方向是杂乱无章的，因而无法进行实验。吴健雄把CO60冷却到0.01K，使钴核的热运动停止下来，用强磁场把钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋。实验得以顺利进行。,2）实验的特点和作用 强化研究对象 创造出特殊条件，如超高温、超低温、超高压、超强磁场、超导电性等等，可能获得重大发现。 科学家通过实验手段制造出接近绝对零度的超低温环境，从而能把几乎所有的气体液化。并在这种超低温条件下，发现某些材料具有十分罕见的无电阻、抗磁等超导特性。科学家还发现，在超高温条件下，能量极大的核外电子脱离稳定轨道变自由电子，中性原子变为离子。原有物质就会转入既非固

32、体也非液体和气体的“等离子态”。,美国空军B-2轰炸机 俄罗斯空军装备的图-160“海盗旗”战略轰炸机,俄罗斯新一代战略轰炸机将具备隐形性能。据称，新机将采取的隐形技术也将另辟蹊径采用等离子体隐形技术。等离子体设备，可以在不改变飞机气动外形设计的前提下，通过技术将飞机周围的空气变成等离子云，达到吸收和散射雷达波的效果。,1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林 昂纳斯意外地发现，将汞冷却到268.98C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相 类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林 昂尼斯称之为超导态。昂纳斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。,kamm

33、erlingh onnes,一个超导线圈中一旦产生了电流就会周而复始地流下去。因为电阻已经消失，电流不会在流动中衰减。昂纳斯把一个铅制的线圈放在液体氦中，铅圈旁放一块磁铁，突然把磁铁撤走，根据法拉第发现的电磁感应，铅圈内便产生了感应电流。果然，在低温的条件下，电流不断地沿着铅圈转起来，就像不知疲倦的一匹马一样。1954 年3 月16 日的一次类似实验，电流持续了长达两年半的时间，一直到1956 年9 月5 日才由于液态氦供应不上而终止。理论计算表明，如果保持这种低温条件，电流就是流10 万年也不会衰减。, 模拟自然过程 米勒模拟实验，一种模拟在原始地球还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物（特别

34、是氨基酸），以论证生命起源的化学进化过程的实验。1953年由美 国芝加哥大学研究生米勒在其导师尤里指导下完成，故名。, 判决理论是非 热质说、热动说 1789年，伦福德伯爵在慕尼黑兵工厂监造大炮时，注意到用钻子钻炮筒时，钻头越钝，钻削的碎屑越少，所产生的热量却越多。这与热质说认为碎屑越少，金属释放的热质就越少的说法恰好相反。为了证明钻削时产生的热不是来源于热质的解释，伦福德把炮筒放在水槽里，用一支钝得几乎不能削出碎屑的钻头钻孔。几匹马拉着钻具钻了约两个半小时，槽内约18磅水竟然沸腾起来。没有任何东西供给热质，竟然源源不断地产生热。实验说明“热只能来源于钻头的运动”，故提出热的振动理论。,伦福德

35、伯爵（Count Rumford of Bavaria，17531814），原名本杰明 汤姆逊，物理学家。 巴伐利亚选帝侯（Elector of Bavaria）曾授予他伦福德伯爵的称号。,1799年，戴维又做了冰摩擦实验。他用两块冰在真空中摩擦，并使整个仪器都保持在0。几分钟后，冰融化成水，但冰吸收的热是从哪里来的呢？唯一的可能是由机械运动转化而来。戴维由此断言“热质是不存在的”。在对粒子振动的思想犹豫了一段时间之后，1812年他终于明确提出：“ 热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的。” 伦福德和戴维的实验，打破了热质说的缺口，从而为能量守恒和转化定律的发现扫

36、除了思想障碍。,二、模拟实验中模型方法的应用 1、模拟方法的重要意义 模型是基于人们的想象和抽象而对现实世界某种体系的一种简化了的映象。 模型的本质常常表现为两重性，一方面舍去了某些东西，对现实的实体系统的结构、功能、联系等加以简化，另一方面，从本质积极与现实的实体系统的结构、功能、联系等保持一致。 科学研究中把现实的对象称为“原型”，而把原型的替代物叫做“模型”，模拟方法就是以模型和原型之间存在相似性为基础揭示模型和原型之间的相似关系。,二、模拟实验中模型方法的应用 1） 模型的选择和建立，必须满足三个条件 代表性：即模型在具体的研究过程中要能代替原型； 相似性：即模型与原型之间具有相似的关

37、系； 外推性：即通过对模型的研究，能够获得关于原型的信息。 2）模型的作用 可以模拟历史；米勒模拟实验。 可以放大、缩小、再现研究对象，以便观察研究；,挑战者号于1986年1月28日在升空后72秒时，爆炸解体坠毁。 事故调查组发现，导致价值10亿美元的航天飞机失事的，是仅值900美元的合成橡胶密封圈，燃料箱上一个密封圈由于在低温下变型，发生泄露，燃气引爆外部燃料导致。,理查德 菲利普 费曼（Richard Phillips Feynman，1918 1988），美国著名物理学家，1965年，因在量子电动力学方面的成就而获得诺贝尔物理学奖。 作为一名物理学家以外，在他一生中的不同时期，他还是无线

38、电修理者、保险柜密码破解高手、艺术家、舞蹈爱好者、手鼓演奏者和玛雅象形文字的破译者。在广为流传的轶闻中，他常与拉斯维加斯的脱衣舞女和赌徒聊天最为有趣。他的世界充满好奇，是一个典型经验主义者。 1986年，费曼受委托调查挑战者号航天飞机失事事件，在国会仅用一杯冰水浸泡橡皮而使其在低温下失去弹性的简单实验演示，说明了推进火箭管道接口漏气是造成航天飞机失事的真正原因。, 可以提高工程设计质量，缩短研制工期； 可以减少伤害。,“神舟”六号返回舱,风洞的科学美 风洞，若按航空领域的名词来解释，它实际上是一座根据相对运动原理建成的，用以模拟各种各样的飞行器在大气中飞行的试验设备。 2004年，美国哥伦比亚

39、航天飞船在起飞途中，因表面泡末打碎防热瓦，导致局部温度骤升而不幸发生爆炸。而自1999年以来，我国神舟系列飞船安全地进行了7次天地往返，靠的就是中国工程物理研究院空气动力研究基地先进的地面防热试验平台。 载人航天飞船返回舱以每秒数千公里的速度飞驰，在穿越大气层中要克服几千度高温和高压，外壳的安全性成为关键。据航天英雄杨利伟归来后说，从返回舱里观看，穿行时外面被烧如铁水一般，通红通红。防热的关键在于进行大规模、高参数、精测量的热结构试验研究，基地的某电弧风洞当仁不让地成为“主考官”。 该电弧风洞就是以很大功率的电荷形成电弧，把空气加热，对高超声速飞行器顶端进行热结构试验，达到在地面考核的目的。,

40、2.4米跨声速风洞巨大的圆形导流孔，高度超过两层楼,NF-3全机低速风洞对“运-8”飞机模型进行吹风试验,2、模拟实验中的实物模型,三峡博物馆里的三峡大坝仿真模型 长江科学院九万方试验场 陆水水库 葛洲坝 三峡大坝,3、模拟实验中的数学模型 对所研究问题进行数学抽象，即把问题用数学的语言表述为一种数学结构。原则上讲，所有数学概念、数学公式以及由公式系列构成的算法系统，都可称为数学模型。但在实际中，常常将那些反映特定问题和特定事物系统的数学关系结构称为数学模型。 特点 高度的抽象性；严密的逻辑性；广泛的应用性。 科学数学化的观念近代可以追溯到笛卡尔，他有名言“给我广延和空间，我将把宇宙构造出来”

41、。他认为，广延和运动都可以用数学来表示，一切现象都可以用数学来描述。,伽利略和笛卡尔一样，也相信自然界是用数学设计的。 哲学被写在宇宙这部永远在我们眼前打开着的大书上，我指的是宇宙。我们只有学会并熟悉它的书写语言和符号以后，才能读懂这本书。它是用数学语言写成的，字母是三角形、圆以及其它几何图形，没有这些，人类连一个字也读不懂。 伽利略,只要数学模型放在充分可靠的实验数据的基础之上，并和理论分析结合起来，就能在探索自然奥秘、社会经济等多方面的过程中起重要作用。 条件：对系统规律和机制的认识必须成熟到可以数量化的程度。 对于静静的顿河的作者，有人认为是肖洛霍夫，有人认为是肖洛霍夫抄袭哥萨克作家克留

42、柯夫。通过计算机分析，终于还肖洛霍夫以清白。,美国威斯康星大学教师陈炳藻从词汇的统计论证红楼梦作者的问题，借助计算机，从字、词出现频率入手，通过计算机统计、处理、分析，认为作者皆为曹雪芹。 一百二十回本，最后贾家兰桂齐芳，探春回家探亲 实际上，第五回是全书的关键所在，人物命运、家族命运都在此作了交代。 “好一似食尽鸟投林，落了片白茫茫大地真干净。” “千红一窟，万艳同杯” 探春的命运：才自精明志自高，生于末世运偏销。清明涕零江边望，千里东风一梦遥。,4、计算机仿真模型 数学模型多数依赖计算机来求解，因此，它常常被计算机仿真模型替代。将原型的数学模型转变为可以在计算机上运行的仿真模型，编出仿真程

43、序，运行仿真模型进行实验观察，分析实验结果，对原型作出评价。,三维碰撞冲击仿真模拟系统 PAM-CRASH 是基于显式有限元算法的计算机三维碰撞冲击仿真模拟系统，能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行十分精确的模拟。,1998年夏天，长江全流域爆发大洪水。至8月中旬，长江干流自宜昌以下河段全线超过历史最高水位。国家规定，当沙市水位超过44.67米（争取45米），预计将继续上涨，即开闸分洪。8月6日，沙市水位达到44.68米，湖北省委、省政府向中央发出运用荆江分洪区的请示报告，请中央决策。 8月16日，沙市水位45.08米，预报次日将达到45.20米。分洪与否，是个大问题。 水利专家组

44、对荆江大堤抗洪能力再进行科学测算，确定出一个安全系数。照这一系数，沙市水位即使达到45.30米，也可以坚持对大堤严防死守，不必分洪。最后，国家防总根据专家意见，决定不分洪。,数学模型和其他别的模型都是以简化了的形式再现被研究对象的过程，因而我们可以想办法避免“过于简化的陷阱和过于复杂的泥潭”，然而要把原型与模型之间的各种异同相似条件、边界条件、初试条件等加以清楚的表书和明确的规定的确不易。因此，模型只能充当从实验、观察到理论、假设和从理论、假设再回到模型、观察之间的中间环节。这就决定了模型只能在实践与认识的反复中来完善和提高。,电脑征婚 一小姐来到婚介所，希望自己将来的爱人个子不能太高， 经常

45、穿礼服，喜爱冰上运动。 电脑噼里啪啦地算了一通，说： “企鹅。”,三、观察、实验中的哲学问题 1、 古典经验主义的“纯观察说”,约翰 洛克（John Locke，16321704）,培根认为观察是一种纯粹的感官反应活动，不受任何理论因素的影响，在观察中也应该排除任何理论的影响，纯粹客观进行观察。 洛克也把观察看成是消极的、被动的、纯感官的胜利反应过程，认为观察和感觉是等同的，过程过程就是人们对客体的感觉过程。他说：“如果某人的视网膜上有正常形成的太阳映象，则他就看到了太阳。”他把通过观察获得的经验事实称为“简单观念”，认为这些简单观念是原始的、可靠的，是“最不含糊和最少疑义的” 。,赫胥黎也曾

46、经告诫年轻的研究学者：“ 你们要像一个小学生那样坐在事实面前，准备放弃一切先入之见，恭敬地照着大自然指的路走，否则，就将一无所得。 ” 这是典型的机械唯物论，观察不仅仅是一个生理反应过程，更重要的是一种认识活动过程，有复杂的认识论机制。,2、 逻辑经验主义的“中性观察说”（theory of neutral observation） 美国哲学家R 卡尔纳普提出关于科学知识结构的“两层语言模型”，集中地体现了逻辑经验主义者对观察性质的理解。该模型将科学语言分为观察语言和理论语言两个完全不同的层次，前者描述可观察的事物和事件的属性和关系，它不涉及抽象的实体；后者由理论名词和理论陈述构成。观察语言不

47、受任何理论语言的影响，而理论语言的意义依赖于观察语言。 在逻辑经验主义者看来，观察者的理论框架、既往经验、文化环境对观察过程都没有影响，因而观察语言是对特别的理论保持中立的。与观察语言相反，理论语言没有独立的解释，它必须而且只能从观察语言中获得经验内容，在此之前，它们是没有意义的。 逻辑经验主义的这种观念被波普尔讽刺为“知识的水桶理论” ：人类的头脑被当作某种容器，出生是空的，通过我们的感官把原料倒入其中，并堆积在那里。,3、历史主义的“理论负荷论”（theory loaded theory） “理论负荷论”又称“ 观察渗透着理论 ” ，由美国哲学家N R 汉森在发现的模式一书中系统阐述。该理

48、论认为观察并非像逻辑经验主义者所说的只是对物象“刺激”的消极的机械反应，而是受到观察者理论的影响和支配，持不同理论观点的人可能对同一对象形成不同的观察结果。 “一切观察都包含按我们的理论知识所作的解释。”-波普尔 “是理论决定我们能够观察到的东西。” “只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象。” 爱因斯坦 理论决定了观察的目的和对象； 对理论预言的检验成为观察的目的时，结果与预期一致，理论得到证实（如对广义相对论的预言：“ 光的偏折” 的验证）； 不一致时，这种结果就成为进一步研究的对象（如摩尔根对孟德尔遗传理论的发展）。,遗传的两个基本定律 分离定律和自由组合定律在得到科学界的公认以后，许多生物学家开始用其他的动物和植物作材料，进行杂交试验。但并不是所有的结果都符合基因的自由组合定律。1906年，有两位科学家在试验香豌豆时，出现了子代（F2）不出现自由组合的现象，表现为或都是父型、或都是母型，即同亲本性状完全一样，不符合孟德尔定律。,美国遗传学家摩尔根 （Thomas Hunt Morgan，18661945）,于是，有人对孟德尔提出的遗传定律产生了怀疑。这时，美国的遗传学家摩尔根和他的同事们用果蝇作试验材料，进行了大量的遗传学的研究工作，不仅证实了基因的分离定律和自由组合定律是正确的，而且揭示出了遗传的第三个基本定律基因的连锁定律，即不