1、第第4章章 科学研究的试验与要求科学研究的试验与要求一、一、科学试验基本特点科学试验基本特点（1 1）科学试验具有纯化和简化的作用）科学试验具有纯化和简化的作用 研究对象往往研究对象往往是较复杂的，事是较复杂的，事物间的各种因素物间的各种因素相互联系、相互相互联系、相互影响和作用影响和作用 从复杂的现象及从复杂的现象及影响因素中找出主影响因素中找出主要的关键因素，排要的关键因素，排除偶然或次要因素除偶然或次要因素的干扰的干扰试验试验符合或接近符合或接近例例4-1 4-1 宇称不守恒定律的实验验证宇称不守恒定律的实验验证 李政道和杨振李政道和杨振宁提出宁提出:1957,31:1957,31 微观
2、粒子弱相微观粒子弱相互作用宇称不守互作用宇称不守恒定律恒定律 吴健雄设计实吴健雄设计实验验证：验验证：把钴冷至把钴冷至0.01K0.01K 排除原子热运排除原子热运动干扰动干扰 目的简目的简化试验化试验（2 2）科学试验具有强化和深化的作用）科学试验具有强化和深化的作用 自然界事物自然界事物在常态下一般在常态下一般不易暴露其特不易暴露其特殊性质及其变殊性质及其变化规律化规律 研究特殊条件下的事物规研究特殊条件下的事物规律。如：超高温、超低温、律。如：超高温、超低温、超高压、超高速等。以便得超高压、超高速等。以便得到通常条件下不易得到的许到通常条件下不易得到的许多自然现象。多自然现象。在试验中，
3、人们借助某种手段对自然现象过程在试验中，人们借助某种手段对自然现象过程人为地控制。可使变化快的过程变慢，使变化慢的人为地控制。可使变化快的过程变慢，使变化慢的变快，进行研究。变快，进行研究。（3 3）科学试验具有再现、延缓和加速的作用）科学试验具有再现、延缓和加速的作用 例例4-2 4-2 睡眠因子的发现睡眠因子的发现强化实验强化实验设计设计 19011901年，法国的佩伦设计了一个年，法国的佩伦设计了一个动物试验。连续剥夺了狗动物试验。连续剥夺了狗7 7天天7 7夜睡夜睡眠，然后抽取了该狗的脑脊液，注眠，然后抽取了该狗的脑脊液，注射到另一只狗脑中。发现射到另一只狗脑中。发现这条狗睡意大增，很
4、快酣睡。这条狗睡意大增，很快酣睡。睡眠因子睡眠因子假设提出假设提出 一直到一直到19671967年，有人经过三年年，有人经过三年的同类试验，终于从剥夺睡眠的山的同类试验，终于从剥夺睡眠的山羊脑脊液中提取了羊脑脊液中提取了“睡眠因子睡眠因子”。这。这是一种由氨基酸组成的肽类物质。是一种由氨基酸组成的肽类物质。这一发现震动了世界。这一发现震动了世界。例例4-3 4-3 生命起源学说的验证生命起源学说的验证生命起源生命起源推测推测 原始大气是还原性的。由于没有臭氧原始大气是还原性的。由于没有臭氧层，太阳紫外线强烈照射地球表面，形层，太阳紫外线强烈照射地球表面，形成了许多不同的有机化合物生物分子成了许
5、多不同的有机化合物生物分子模拟模拟实验实验 19531953年，美国米勒设计并进行了模年，美国米勒设计并进行了模拟实验。用甲烷、氮、氢和水汽混合拟实验。用甲烷、氮、氢和水汽混合成与原始大气相似的气体，以电火花成与原始大气相似的气体，以电火花放电模拟原始大气层闪电。经一周反放电模拟原始大气层闪电。经一周反应，形成了几十亿年前出现的氨基酸，应，形成了几十亿年前出现的氨基酸，还发现了脱氧核糖核酸等生物大分子。还发现了脱氧核糖核酸等生物大分子。这实验使生命起源的学说得到支持。这实验使生命起源的学说得到支持。实验是在极大地加速自然进化过程中实验是在极大地加速自然进化过程中进行的进行的。（4 4）科学试验
6、是一种经济可靠的研究方法）科学试验是一种经济可靠的研究方法 自然科学研究一般都要进行试验，而试验都是自然科学研究一般都要进行试验，而试验都是有成本的。相对于生产试验来说，在实验室进行试有成本的。相对于生产试验来说，在实验室进行试验研究，规模小、周期短、成本低。只要设计正验研究，规模小、周期短、成本低。只要设计正确，试验结果可靠性也是大的。确，试验结果可靠性也是大的。一般地说，连试验都通不过的则没有必要再进一般地说，连试验都通不过的则没有必要再进行生产试验。行生产试验。（5 5）科学试验具有典型性和灵活性）科学试验具有典型性和灵活性 从复杂事物中选择典型事物进行研究，是科从复杂事物中选择典型事物
7、进行研究，是科学研究中最常用和基本的思路。学研究中最常用和基本的思路。实例实例 美国遗传学家摩尔根经过美国遗传学家摩尔根经过分析，选择果蝇来研究遗传问分析，选择果蝇来研究遗传问题。因为果蝇的染色体简单，题。因为果蝇的染色体简单，且容易观察。试验方案可根据且容易观察。试验方案可根据研究需要来设计，有较大的灵研究需要来设计，有较大的灵活性。活性。现代的科学试验也具有了新的特点：现代的科学试验也具有了新的特点：（1 1）试验规模扩大化）试验规模扩大化 个体式研究个体式研究国际间合作国际间合作集体合作研究集体合作研究国家规模国家规模同学科合作同学科合作不同学科合作不同学科合作 如美国为了研究试验原子弹
8、，试验研如美国为了研究试验原子弹，试验研究人员多达究人员多达1515万人，经费万人，经费2222亿美元。为亿美元。为了进行阿波罗登月飞行试验，共有了进行阿波罗登月飞行试验，共有4242万万人参加了研究和制造，设计和发射费用人参加了研究和制造，设计和发射费用共共300300亿美元。亿美元。投入物力投入物力和经费也和经费也比较大比较大规模规模交叉交叉欧洲原子能研究机构(CERN)成立于1954年，是世界最大的粒子物理研究中心。CERN是欧洲第一个联合研究机构，由20个成员国提供资金，其卓越成绩已经成为国际合作的典范。CERN位于法国和瑞士的交界处，就在日内瓦的郊区.CERN建有世界上最大的正负电子
9、对撞机和超级质子同步加速器,该加速器周长达到27公里，粒子能够加速到每秒运动11000周，接近光速。来自全世界80多个国家、500多所大学及研究机构的6500多名科学家（占全球粒子物理学家的一半）在CERN完成的实验也是前所未有的，通常需要数百名科学家在巨大的设备上共同完成，一个实验昼夜不停，持续数月乃至数年。有三位物理学家因为在此地所作的工作而获得诺贝尔奖。2012年到期的京都议定书，是最重要的、也是唯一一份为工业化国家减少温室气体排放量设定具有约束性目标的国际法律文件。所有联合国气候变化框架公约（UNFCCC）成员国将于2009年12月齐聚丹麦哥本哈根，就2012年之后温室气体减排目标进行
10、协商。要想解决气候变化、能源、环境等决定人类可持续发要想解决气候变化、能源、环境等决定人类可持续发展未来的全球性问题，也需各国协同研究和合作。展未来的全球性问题，也需各国协同研究和合作。减少全球减少全球温室气体排放温室气体排放的的京都议定书京都议定书20052005年月年月正式生效。探讨控制全球变暖的长期战略展开对话正式生效。探讨控制全球变暖的长期战略展开对话 20052005年，在日内瓦举行的年，在日内瓦举行的禽流感问题禽流感问题国际会议，成功国际会议，成功通过预算达亿美元的全球行动计划。通过预算达亿美元的全球行动计划。由多国科学家合作完成的由多国科学家合作完成的人类基因组人类基因组计划，是
11、一个成计划，是一个成功范例功范例,中国也是参加完成的国家。中国也是参加完成的国家。20052005年，欧盟、美、俄、日、韩和中国等参与国际热年，欧盟、美、俄、日、韩和中国等参与国际热核实验反应堆核实验反应堆计划的六方达成一致计划的六方达成一致.温室气体温室气体由于人类活动或者自然形成的温室气体，如：水汽(H2O)、氟利昂、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等的排放。温室气体排放来源多为世界重工业发展产生，温室气体一旦超出大气标准，便会造成温室效应，使全球气温上升，威胁人类生存。因此，控制温室气体排放已成为全人类面临的
12、一个主要问题。2009年年末在哥本哈根展开的全球气候会议，就是全球达成控制温室气体排放限制的一个世界性大会。例例4-4 4-4 光线可以弯曲的试验证明光线可以弯曲的试验证明爱因斯坦爱因斯坦广义相对论广义相对论重力可改变重力可改变时空状态时空状态宇宙宇宙变形变形 英国罗伯特和美国重力透镜化专家托尼等人英国罗伯特和美国重力透镜化专家托尼等人进行了坚持不懈的研究，证明了爱因斯坦的预进行了坚持不懈的研究，证明了爱因斯坦的预测是正确的，光线是可以弯曲的。测是正确的，光线是可以弯曲的。（2 2）实验条件复杂化）实验条件复杂化 宏观物体宏观物体微观物体微观物体学科学科例子例子 物理研究是在原子、原子核、基本
13、粒物理研究是在原子、原子核、基本粒子等层次上进行深入的探索子等层次上进行深入的探索 化学研究也从分子进入到量子水平化学研究也从分子进入到量子水平 现代生物学也从生物细胞进入到分子现代生物学也从生物细胞进入到分子水平，水平，分子生物学等新学科领域分子生物学等新学科领域 现代科学实验研究，需要有严格的实验条件，如高现代科学实验研究，需要有严格的实验条件，如高真空、高能量、超低温、超高温等，其要求和复杂性真空、高能量、超低温、超高温等，其要求和复杂性远超过了以前任何时代的实验远超过了以前任何时代的实验。研究对象研究对象 （3 3）实验仪器设备更加精密和完善）实验仪器设备更加精密和完善 仪器设备仪器设
14、备简单、单个简单、单个系统、复杂系统、复杂 新兴技术如电子技术、半导体新兴技术如电子技术、半导体技术、自动化技术、计算机技术、技术、自动化技术、计算机技术、超导技术等不断地产生。超导技术等不断地产生。新技术新技术发展发展设计与制造设计与制造技术发展技术发展 各种各样先进的科学仪器各种各样先进的科学仪器和设备，完成各种功能的实和设备，完成各种功能的实验，得到以前所难以获得的验，得到以前所难以获得的试验结果和数据试验结果和数据 （4 4）实验操作自动化）实验操作自动化 实实验操作验操作手动、半自动手动、半自动自动化自动化现代仪器现代仪器特点特点 实验数据的采集、记录、整理、实验数据的采集、记录、整
15、理、存储和分析等方面达到了自动化，存储和分析等方面达到了自动化，减少了人工操作和人为误差。减少了人工操作和人为误差。现代实验不仅可以对单个事物进现代实验不仅可以对单个事物进行研究，而且可以连续跟踪自然现行研究，而且可以连续跟踪自然现象或事物演变的动态发展过程；不象或事物演变的动态发展过程；不仅可以做分解式实验，也可以进行仅可以做分解式实验，也可以进行综合模拟实验。综合模拟实验。二、二、科学试验基本类型科学试验基本类型 根据不同特征和性质，有不同的试验分类方法。根据不同特征和性质，有不同的试验分类方法。（1 1）定性试验定性试验 判断有哪些性质、鉴定某种因素是否存在，是否判断有哪些性质、鉴定某种
16、因素是否存在，是否具有某种关系。如化学常用。具有某种关系。如化学常用。（2 2）定量试验定量试验 定量是测定某研究对象的性质、组成及其他影响定量是测定某研究对象的性质、组成及其他影响因素的数量值的试验方法因素的数量值的试验方法。（3 3）对比试验对比试验 通过两组试验，对结果进行比较，从而判定试验通过两组试验，对结果进行比较，从而判定试验组是否具有某种性质或影响或优劣好坏。组是否具有某种性质或影响或优劣好坏。（4 4）模拟试验模拟试验 模拟试验是人为地建立或选择一种与原型相模拟试验是人为地建立或选择一种与原型相似的模型进行试验，以揭示原型的本质和规律。似的模型进行试验，以揭示原型的本质和规律。
17、模拟试验的关键是相似准则。模拟试验与原模拟试验的关键是相似准则。模拟试验与原型应具有相似的物质模型和相似的外界条件。型应具有相似的物质模型和相似的外界条件。如水坝模型，飞机模型。一切模拟试验都是如水坝模型，飞机模型。一切模拟试验都是以相似关系为基础的。以相似关系为基础的。（5 5）破坏性试验）破坏性试验 许多产品在正式大批量生产销售之前要做破许多产品在正式大批量生产销售之前要做破坏性试验。以取得有关数据，确保产品的安全性坏性试验。以取得有关数据，确保产品的安全性和性能的可靠性。和性能的可靠性。例例4-5 4-5 模拟仿真试验模拟仿真试验实例实例 美国的美国的“爱国者爱国者”导弹的研究过导弹的研
18、究过程，就采用了模拟仿真技术。通程，就采用了模拟仿真技术。通过仿真试验，减少了导弹的真实过仿真试验，减少了导弹的真实试验次数试验次数43%43%，节省了研究开发，节省了研究开发经费数亿美元。经费数亿美元。物理仿真物理仿真数字仿真数字仿真物理模拟实验物理模拟实验数学模型基础数学模型基础现代仿现代仿真技术真技术应用应用航空、军事、制造、生物等领域应用广泛航空、军事、制造、生物等领域应用广泛 流体力学中的水头方程，流体力学中的水头方程，电学中的电势方程，电学中的电势方程，用一套相应的电路装置来模拟地下水的试验结果转换用一套相应的电路装置来模拟地下水的试验结果转换到机械系统。原理是相通的，但试验比较容
19、易，参数也到机械系统。原理是相通的，但试验比较容易，参数也容易控制，结果比较准确，并且试验的成本比较低。容易控制，结果比较准确，并且试验的成本比较低。其它还有析因试验、中间试验、生产试验、工艺试其它还有析因试验、中间试验、生产试验、工艺试验、验证性试验等名称。验、验证性试验等名称。0222222zhyhxh0222222zuyuxu 例例4-6 4-6 利用电路原理模拟地下水流动利用电路原理模拟地下水流动上左：汽车碰撞破坏试验上左：汽车碰撞破坏试验上右：面包机安全性破坏试验上右：面包机安全性破坏试验下左：防弹衣也要做刀刺试验下左：防弹衣也要做刀刺试验 例例4-7 4-7 破坏性试验破坏性试验
20、例例4-8 4-8 世界上最著名的科学试验世界上最著名的科学试验伽利略伽利略 两个铁球同时着地两个铁球同时着地法拉第法拉第 第一次认识到电第一次认识到电磁现象与光现象间的关系磁现象与光现象间的关系焦耳焦耳 热不是一种物质，热不是一种物质，它是由运动产生的它是由运动产生的巴甫洛夫巴甫洛夫 研究动物的研究动物的条件反射条件反射威廉威廉哈维发现血液循环哈维发现血液循环拉瓦锡拉瓦锡 燃烧原理燃烧原理 称拉瓦锡为近代化学之父牛顿牛顿 发现了白光是由各种发现了白光是由各种不同颜色的光组成不同颜色的光组成三、三、设计科学试验的基本要求设计科学试验的基本要求 对对试试验验的的基基本本要要求求 清楚试验的目的、
21、过程，思路要清晰清楚试验的目的、过程，思路要清晰 一般性试验应按照统计学原理安排，一般性试验应按照统计学原理安排，以防止片面性，试验立论要正确以防止片面性，试验立论要正确 仪器精度应满足试验要求仪器精度应满足试验要求 试验操作要准确、细致试验操作要准确、细致 试验数据可靠、真实试验数据可靠、真实 正确地分析试验结果，整理试验数据正确地分析试验结果，整理试验数据 例例4-8 4-8 试验立论不正确试验立论不正确，导致试验失败导致试验失败 狗对颜色无条件反射。？！狗对颜色无条件反射。？！例例4-9 4-9 试验数据不可靠、不真实试验数据不可靠、不真实 法国科学院院士发现法国科学院院士发现N N射线
22、。射线。？！？！例例4-10 4-10 思维能力的差别思维能力的差别 两人同时到老板那里干活。一段时间后，一人工资两人同时到老板那里干活。一段时间后，一人工资比另一人高。比另一人高。不服。老板叫他们到市场上去了解有不服。老板叫他们到市场上去了解有什么卖的。不服的人回来说，有土豆在卖。有多少，什么卖的。不服的人回来说，有土豆在卖。有多少，却不清楚。价格多少，不知道。来回跑了三次。而另却不清楚。价格多少，不知道。来回跑了三次。而另一人去了一趟就全了解清楚了，而且还带回来一个土一人去了一趟就全了解清楚了，而且还带回来一个土豆，还知道，马上有西红柿到。且认为价格便宜，想豆，还知道，马上有西红柿到。且认
23、为价格便宜，想老板肯定会买的，还把卖的人也带来了。老板肯定会买的，还把卖的人也带来了。例例4-11 4-11 对试验结果分析要全面对试验结果分析要全面鸡和甲鸡和甲鱼抗癌鱼抗癌作用试作用试验验 19621962年，日本教授将癌细胞分别注入年，日本教授将癌细胞分别注入鸡和甲鱼体内，鸡和甲鱼体内，5h5h后检查。后检查。鸡内癌细鸡内癌细胞仍活着，甲鱼体内癌细胞已被抑制胞仍活着，甲鱼体内癌细胞已被抑制 一周后，活检，都未找到癌细胞一周后，活检，都未找到癌细胞 将癌细胞分别注入鸡和甲鱼体内，将癌细胞分别注入鸡和甲鱼体内，5h5h后后宰杀，放入锅内煮宰杀，放入锅内煮2 2后取出，都后取出，都未未发现发现
24、有人就将前一段试验结果宣扬，而不讲全部试验过有人就将前一段试验结果宣扬，而不讲全部试验过程。程。在社会上盛行在社会上盛行“吃鸡会生癌，吃甲鱼能杀癌吃鸡会生癌，吃甲鱼能杀癌”的的流言。事实上，吃鸡不致癌，吃甲鱼也不抗癌流言。事实上，吃鸡不致癌，吃甲鱼也不抗癌。四、四、试验与数据处理试验与数据处理1 1、试验数据测试试验数据测试 测试工作是科学研究和技术开发过程的关键。测试工作是科学研究和技术开发过程的关键。试验测量应该遵循的原则：试验测量应该遵循的原则：（1 1）必须选择合格的计量仪器。）必须选择合格的计量仪器。（2 2）熟悉试验仪器的使用说明。）熟悉试验仪器的使用说明。（3 3）选择有经验的操
25、作者进行操作。）选择有经验的操作者进行操作。（4 4）计量仪器必须放置得当。）计量仪器必须放置得当。在研究测试设计中有三个最重要的概念在研究测试设计中有三个最重要的概念，即匹即匹配问题、补偿问题和重复性问题。配问题、补偿问题和重复性问题。2 2、试验数据处理试验数据处理 试验数据试验数据计量数据计量数据计数数据计数数据 用度量衡手段用度量衡手段而获得的定量值，而获得的定量值，如如5mm5mm，16.3kg16.3kg，37.537.5，等。，等。定性数据，数据间定性数据，数据间是质的差别。如：药是质的差别。如：药物治疗可有治愈、好物治疗可有治愈、好转、无变化、恶化等转、无变化、恶化等（1 1）
26、有效位数的判定准则）有效位数的判定准则 有效数字有效数字 有效数字是一个数，除最后一位是不有效数字是一个数，除最后一位是不确切数字外，皆为可靠值，则组成该数确切数字外，皆为可靠值，则组成该数的所有数字称为有效数字的所有数字称为有效数字1）不需标注误差的数据，其有效位数取到最末一不需标注误差的数据，其有效位数取到最末一 位数字为可疑值位数字为可疑值2）需标注误差的数据，其有效位数取到与误差的需标注误差的数据，其有效位数取到与误差的 同一数量级同一数量级3）测量误差的有效位数，一般只取一位有效数字测量误差的有效位数，一般只取一位有效数字4）算术平均值有效位数应取与误差的同一数量级算术平均值有效位数
27、应取与误差的同一数量级（2 2）有效位数的运算规则）有效位数的运算规则 多项数值相加、减：应以数据中有效数字末位数最大多项数值相加、减：应以数据中有效数字末位数最大者为准，其余各数向后多取一位，再运算。者为准，其余各数向后多取一位，再运算。如：如：7.3+6.331+8.15=21.78=21.87.3+6.331+8.15=21.78=21.8 乘、除运算：应取有效数字个数最少者为准，其余各乘、除运算：应取有效数字个数最少者为准，其余各数和所得积或商皆多取一位有效数字。数和所得积或商皆多取一位有效数字。如：如：7.37.36.3316.3318.15 8.15，应该，应该7.37.36.33
28、6.338.158.15 =376.60335 =376.60335，最后取，最后取377377 乘方、开方：所得结果比原数多取一位有效数字。乘方、开方：所得结果比原数多取一位有效数字。对数运算，取对数的位数与真数有效数字的位数相符对数运算，取对数的位数与真数有效数字的位数相符（3 3）有效位数的化整原则）有效位数的化整原则 如果确定了有效位数后，化整原则为：如果确定了有效位数后，化整原则为：2 2）若应舍弃数字的第一位数字大于）若应舍弃数字的第一位数字大于5 5，则进，则进1 1（六入）（六入）3 3）若应舍弃数字的第一位数字小于）若应舍弃数字的第一位数字小于5 5，则舍去（四舍），则舍去（
29、四舍）1 1）整数后面经判定有多余数字，则舍弃多余的数字，用）整数后面经判定有多余数字，则舍弃多余的数字，用0 0代替。若是带小数的数或小数，则只舍弃多余的数字。代替。若是带小数的数或小数，则只舍弃多余的数字。例如：例如：87654328765432，有效数字为三位，则可化为，有效数字为三位，则可化为87700008770000；0.168430.16843，有效数字为二位，则可化为，有效数字为二位，则可化为0.170.174）如舍去数字的第一位数字正好是如舍去数字的第一位数字正好是“5 5”，则要看情况。，则要看情况。5 5后面的数字不是后面的数字不是0 0，则舍去，则舍去5 5进进1 1；
30、如；如5 5后面没有数字或后面没有数字或是是0 0，则采用凑偶原则处理，则采用凑偶原则处理。凑偶原则凑偶原则 若保留的有效数字是奇数则舍若保留的有效数字是奇数则舍5 5进进1 1，使末位数成为偶数。若末位数本，使末位数成为偶数。若末位数本来就是偶数，则舍来就是偶数，则舍5 5而不进而不进1 1例：例：46.41546.4246.41546.42（奇数进（奇数进1 1）；）；46.42546.4246.42546.42（偶数舍（偶数舍5 5）179.85179.8179.85179.8（偶数舍（偶数舍5 5）；）；179.75179.8179.75179.8（奇数进（奇数进1 1）135.736135.7135.736135.7（四舍）；（四舍）；10.037010.0410.037010.04（六入）（六入）
