高中化學/科學家如何使用資料

在上一節中，我們更多地瞭解瞭如何進行定量和定性觀察。關於特定現象的一組觀察結果稱為資料。科學家使用多種技術來分析和解釋資料。資料分析產生組織化的資料，更有利於觀察規律和得出結論。製作資料表格和圖表是資料分析中最有用的兩種技術。

課程目標

定義定律、假設和理論的術語。
解釋為什麼科學家使用模型。

自然規律是重複資料模式的陳述

大約在 1800 年，雅克·查爾斯和其他科學家正在研究氣體，其中一個原因是為了改進熱氣球的設計。這些科學家發現，經過多次、多次測試後，在對氣體行為的觀察中存在模式和規律。如果氣體的溫度升高，氣體的體積就會增加。這被稱為自然規律。自然規律是資料組中變數之間存在的相互關係。自然規律描述了我們在大量資料中看到的模式。這些規律經受住了時間的考驗，因為它們是基於重複觀察而得出的，並且沒有已知的例外。

大約在查爾斯研究熱氣球的同時，另一位名叫 J.W. 亨利的科學家正在進行實驗，試圖找到氣體壓力和溶解在水中的氣體量之間的規律。亨利發現，當其中一個變數增加時，另一個變數也會按相同的比例增加。你曾經去過潛水嗎（圖 3.2）？潛水員在接受訓練時會了解一個被稱為“潛水病”的問題。隨著潛水員潛入更深的地方，呼吸空氣的壓力增加，導致更多的氮氣溶解在潛水員的血液中。從潛水處過快地上升會導致壓力迅速降低，因此氮氣會迅速從血液中逸出，從而導致“潛水病”。亨利定律被稱為自然規律，因為它表明了氣體壓力與溶解氮氣量之間的關係（規律性）。

假設是一種暫時的解釋

當科學家開發出物質性質的描述來解釋觀察結果（包括自然規律）時，第一次解釋嘗試通常被稱為假設。假設是你對導致這些觀察結果的物質性質的教育或最佳猜測。假設的要求只是假設必須解釋所有觀察結果，並且不可能進行能夠反駁該假設的觀察。

假設必須是可以檢驗的。檢驗假設的測試被稱為實驗。如果實驗結果與假設相矛盾，則假設被拒絕，並提出新的假設。實驗結果現在被納入觀察結果列表，新的假設必須解釋這個新的觀察結果以及所有先前的觀察結果。如果實驗結果支援假設，則仍然需要進行更多測試。假設不能透過測試來證明......它們只是得到支援或被反駁。

理論是對定律的解釋

如本節前面所述，定律描述了一種沒有已知例外的觀察資料模式。理論是對定律的一種可能的解釋。在科學中，理論可以是描述性的（定性的）或數學的（定量的），但因為它們解釋了定律中描述的模式，所以理論可以用來預測未來的事件。在一個流行的電視節目中，數學理論被用來分析和描述行為，以預測未來的事件。已經經過許多支援性測試的假設通常被稱為理論。與假設相比，理論背後有更多的支援性測試。

讓我們把它們放在一起。你之前學過的質量守恆定律指出物質既不能被創造也不能被消滅。例如，在下面的反應中，你會看到有 28 克 + 6 克 = 34 克的反應物（箭頭之前）和 34 克的產物（箭頭之後）。

N₂	+	3 H₂	→	2 NH₃
28 克		6 克		34 克

示例問題

什麼區別定律和理論？

解決方案:

定律是對自然界的觀察；理論是對定律的一種可能的解釋。

為了幫助理解而開發的模型

當科學家需要一種方法來傳達他們對非常小的事物（例如原子或分子）或非常大（例如宇宙）的理解時，他們經常使用模型。模型是另一種表達理論的方式。

如果你被要求確定一個不能開啟的盒子的內容，你會做各種各樣的實驗來開發一個關於盒子中包含什麼的想法（或模型）。你可能會搖動盒子，也許在它附近放磁鐵，或者確定它的質量。當你完成實驗後，你會對裡面有什麼有一個想法；也就是說，你會建立一個模型來描述一個無法開啟的盒子裡面的東西。

一個很好的例子說明模型對科學家如何有用的是動理論。該理論可以用陳述來定義，但如果繪製出粒子在三種相中的表示圖，它就更容易理解。

另一個例子是模型如何被用來解釋原子理論的發展。正如你將在後面的章節中瞭解到的，原子的概念隨著時間的推移發生了變化。為了理解根據不同科學家的不同理論的原子概念，繪製了模型，更容易理解。

課程總結

自然規律是一種觀察，或對大量可重複資料的描述。
假設是對資料的早期解釋嘗試。
理論用來解釋定律或解釋一系列事實/事件。
理論可以使用定性類比或模型來描述結果。

複習問題

傑克進行了一個實驗，他測量了兩種不同反應物的質量和產生的產物的質量。他的結果顯示在下面的方程式中。傑克在他的實驗中證明了什麼定律？
S + 2 T → ST₂
10 克 20 克 30 克

(a) 定組成定律

(b) 定體積定律

(c) 質量守恆定律

(d) 能量守恆定律

(e) 多重比例定律
糖溶解在水中。這是什麼型別的陳述？
(a) 假設

(b) 定律

(c) 理論

(d) 規則

(e) 以上所有
繪製一個模型來表示固體、液體和氣體之間的區別。在你的模型中，使用符號來表示每種狀態中存在的分子。然後，模型應該顯示分子在每種狀態中是如何存在的。

詞彙

假設: 對實驗中將要發生的事情的推測。
模型: 用來幫助增強理解的理論的描述、圖形或三維表示。
自然規律: 對大量資料中觀察到的模式的描述。
科學方法: 從假設和定律透過實驗和觀察推匯出理論的方法。
理論: 用來解釋定律或解釋一系列事實/事件。

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