高中地球科學/科學的本質

想想你最喜歡的科幻電影。它講的是什麼？也許是關於飛船前往遙遠星球的，或者是在實驗室中克隆人的，或者是在海底文明的，或者是在我們中間行走的機器人的。這些娛樂性的想象都是虛構的幻想，這就是為什麼它們被稱為科幻“小說”。它們不是真實的。但為什麼它們被稱為“科學”小說呢？

答案是，科學採用一種嚴謹的過程來回答問題。在科學中，“嚴謹”並不意味著規矩守紀。它意味著遵循有序的步驟，以得出最佳答案。科學涉及觀察、質疑、分類、交流、計算、分析等等。為了將創造力轉化為現實，我們需要科學。為了超越任何人的探索範圍，我們需要科學。為了理解世界，使其變得有意義，並保護它，我們需要科學。為了確認我們對宇宙和宇宙中事物的最佳猜測，我們需要科學。科幻故事以創造性的方式擴充套件和擴充套件了科學和技術的所有理念。

課程目標

解釋提出問題的重要性。
說明科學方法的步驟。
描述三種主要的科學模型型別。
在科學實驗室內部和外部採取適當的安全預防措施。

提出問題

為什麼天空是藍色的？

這棵樹會長多高？

為什麼風會颳得這麼厲害？

今晚會冷嗎？

有多少顆星星在那裡？

是否有一些像地球一樣的行星圍繞著這些恆星執行？

這塊石頭是怎麼有洞的？

為什麼有些石頭又尖又鋒利，而另一些石頭卻是圓的？

你可能每天都會問自己成千上萬個問題，其中很多你甚至沒有問過別人。對於你問過的許多問題，你甚至沒有得到答案。但你的大腦一直在不停地思考問題，充滿了好奇心。我們無法控制自己想知道。

上面的問題清單是一些科學家提出的問題。科學發展了幾個世紀，我們測量最微小特徵的能力也大大提高。因此，雖然沒有錯誤的問題，但有些問題比其他問題更適合科學過程。換句話說，有些問題可以使用科學方法進行調查，而另一些則依賴純粹的信仰或意見。

科學方法

科學方法不是一組指令，而是一系列有助於調查問題的步驟。透過使用科學方法，我們可以對如何評估該問題更有信心。有時，科學方法中步驟的順序可能會改變，因為我們收集的觀察結果或資料會引發更多問題。科學方法中遵循的基本順序如圖 1.1 所示。

問題

科學方法幾乎總是從一個有助於集中調查的問題開始。我們正在研究什麼？我們想知道什麼？我們想要解決什麼問題？對科學調查來說，最好的問題是具體問題而不是籠統問題；它們暗示了哪些因素可以被觀察或操縱。

示例：一位農民聽說了一種叫做“免耕農業”的耕作方法。在這種方法中，某些種植和施肥技術消除了對土地進行耕作（或犁地）的必要性。免耕農業會減少農田的侵蝕嗎（圖 1.2）？

研究

在我們繼續之前，重要的是要了解關於該主題的已知資訊。你可以透過查詢圖書館的書籍和雜誌、在網際網路上搜索，甚至與該領域的專家交談來研究一個主題。通過了解你的主題，你將能夠做出深思熟慮的預測。你的實驗設計可能會受到你所研究內容的影響。或者你甚至可能會發現你所提出的問題已經被徹底研究過。雖然重複實驗在科學中是有效的和重要的，但你可能選擇在你自己的研究中引入新的想法，或者你可能改變你最初的問題。

示例：這位農民決定研究免耕農業的主題（圖 1.3）。她在網際網路上、圖書館和當地農業用品商店找到了關於可以使用哪種肥料以及她的作物最佳間距的資料來源。她甚至還發現免耕農業可以減少二氧化碳排放到大氣中，這有助於對抗全球變暖。

假設

既然你已經研究了這個主題，你就可以對這個問題做出一個有根據的猜測或解釋。這就是你的假設。最好的假設是與問題直接相關的，並且是可以驗證的，這樣你就可以進行實驗來確定你的假設是否正確。

示例：這位農民已經研究了她的問題，並提出了以下假設

免耕農業將減少與傳統耕作技術相比坡度相似的山坡上的土壤流失，因為對土壤的干擾更少。

假設可以透過測試來證明或反駁。如果一個假設經過反覆測試並被證明是正確的，那麼科學家將不再稱之為假設。科學理論擁有大量支援它的證據。

實驗

並非所有問題都可以透過實驗進行驗證。但是，許多問題為我們提供了測試它們的方法，從而讓我們得出最清晰的結論。當我們設計實驗時，我們會選擇要操縱或改變的因素。這就是自變數。我們還將選擇所有必須保持不變的因素。這些是實驗控制。最後，我們會選擇我們要測量的因素，因為我們要改變自變數。這就是因變數。我們可以說因變數“取決於”自變數。土壤侵蝕的多少取決於我們選擇的耕作方式。

示例：這位農民將在兩座坡度或傾斜度相似的獨立山坡上進行實驗（圖 1.4）。在一個山坡上，他將使用傳統耕作技術，包括犁地來攪拌土壤中的養分。在另一個山坡上，他將使用免耕技術，將植物間隔得更遠，並使用專門的裝置在不耕作的情況下種植植物。他會給兩組植物提供相同的用水量和肥料。

在這種情況下，自變數是耕作技術——傳統技術或免耕技術——因為這是正在被操縱的因素。為了能夠比較這兩座山坡，它們必須具有相同的坡度，並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，那麼可能是角度影響了侵蝕，而不是耕作技術。這些都是控制變數。最後，因變數是侵蝕量，因為農民將測量侵蝕量，以分析它與耕作技術之間的關係。

資料和實驗誤差

根據我們想要了解的內容，可以透過多種方式收集資料。科學家使用電子顯微鏡來探索微觀世界，使用望遠鏡來探索宇宙本身。科學家定期乘坐研究潛艇深入海底進行觀察和採集樣本。探測器被用來在科學家無法冒險進入的危險或不切實際的地方進行觀察。探測器曾探索了沉沒在海底的泰坦尼克號，以及我們太陽系的其他行星。來自探測器的資料透過電纜或太空傳送到計算機，在那裡科學家可以對其進行操作。當然，許多科學家在實驗室工作，在工作臺上進行實驗和分析。

在實驗過程中，我們可能會進行許多測量。這些測量是我們的觀察結果，將以有條理的方式仔細記錄下來。這些資料通常被計算機化並儲存在電子表格中，可以以圖表或表格的形式呈現，並清楚地標註，這樣我們不會忘記每個數字代表什麼。“資料”指的是我們收集到的測量值列表。我們可能會對觀察結果進行書面描述，但通常情況下，最有用的資料是數值資料。即使難以用數字衡量的資料有時也用數字表示。例如，我們可以根據 1 到 10 的量表對清潔度進行觀察，其中 10 表示非常乾淨，1 表示非常髒。統計分析還能讓我們透過顯示不同類別資料之間的關係，更有效地利用資料。統計資料可以解釋資料集中的變異性（散佈）。透過繪製資料圖表，我們可以直觀地理解資料之間的關係。除了圖表之外，資料還可以以圖表或圖紙的形式展示，以便其他感興趣的人能夠輕鬆地看到這些關係。

與幾乎所有人類活動一樣，錯誤是不可避免的。在實驗中，系統誤差存在於實驗裝置中，因此資料始終會朝著某個方向傾斜。例如，一個秤可能總是測量高出半盎司。與許多系統誤差一樣，秤可以重新校準，或者可以輕鬆糾正誤差。隨機誤差的發生是因為任何測量都無法做到完全精確。例如，一個秒錶可能會過早或過晚停止。如果進行多次測量並取平均值，這種誤差就會減少。有時，一個結果與其他樣本的結果不一致。如果已經進行了足夠多的測試，可以剔除不一致的資料點，因為很可能是該實驗中出現了錯誤。可以對剩餘的結果取平均值。

然而，並非所有資料都是量化的。我們書面描述的是定性資料，即描述觀察到的情況的資料。在任何情況下，資料都用於幫助我們得出邏輯結論。

結論

在總結實驗結果並將資料呈現為圖表、表格和圖紙之後，可以嘗試從實驗中得出結論。您必須收集所有證據和背景資訊。然後，運用邏輯，您需要嘗試對資料進行解釋。根據實驗結果，問題的答案是什麼？結論應包括關於假設的評論。假設得到支援了嗎？有些實驗具有明確、不可否認的結果，完全支援假設。而另一些實驗則不支援假設。但是，所有實驗都有助於我們積累知識。即使是不支援假設的實驗也可能教會我們一些新的知識，我們可以從中學習。在科學界，假設很少能被百分之百地證實。更多時候，實驗會導致更多的問題和更多思考同一問題的可能方式。

示例：在進行了一整年的實驗後，這位農民發現傳統耕作的山坡上的侵蝕量是免耕山坡上的 2.2 倍。她打算從現在開始使用免耕耕作方式，並繼續研究可能影響侵蝕的其他因素。這位農民還注意到，免耕地塊中的植物更高，土壤水分似乎也更高。她決定重複實驗，測量每種耕作方式的土壤水分、植物生長量和灌溉所需的總水量。

理論

如果一個主題引起科學家的興趣，許多科學家會進行實驗和觀察，並將結果發表在科學期刊上。隨著時間的推移，支援、反對或反對正在測試的假設的證據會越來越多。如果一個假設解釋了所有資料，並且沒有資料與假設矛盾，那麼這個假設就會成為一個理論。一個理論得到了許多觀察結果的支援，並且沒有重大矛盾。一個理論也用於預測行為。儘管如果發現了矛盾的資料，一個理論可能會被推翻，但一個理論存在的時間越長，它可能擁有的支援資料就越多，它被證明是錯誤的可能性就越小。一個理論是比現象本身更簡單的現實模型。

“理論”一詞的日常用法與科學用法非常不同；例如，我有一個關於為什麼喬比雷更喜歡蘇的理論。在大多數情況下，使用“假設”一詞更準確。

科學模型

許多科學家使用模型來理解和解釋想法。模型是對物體或系統的表示。模型通常非常有用，因為它們比現實生活中的物體更實用，也更簡單。它們更容易被操作和調整。有三種類型的模型，每種模型在某些方面都有用。每種模型也都有缺點。

物理模型

物理模型是對所研究主題的物理表示。這些模型可能會透過省略某些真實元件而被簡化，但會包含重要的元素。模型汽車和玩具恐龍是物理模型的例子。圖紙和地圖也是物理模型。它們允許我們看到、觸控和移動它們，以便我們可以將它們進行比較，並說明某些特徵。

我們可以用圖紙來模擬地球的層狀結構（圖 1.5）。這種型別的模型有助於理解地球的組成、地球內部的相對溫度以及地表下方地球密度的變化。然而，地球剖面模型與真實物體之間存在許多差異。首先，尺寸大不相同。透過檢視簡單的圖紙，很難理解地球的尺寸。您無法透過檢視不會移動的圖紙來了解地表下方物質的運動情況。該模型非常有用，但也存在缺點。

概念模型

概念模型不是物理模型，而是一種將許多想法聯絡在一起的思維解釋，試圖解釋某件事。概念模型試圖將知識結合在一起，並且必須納入可能隨著知識的獲取而改變的新知識。例如，月球的起源被一些人解釋為一顆火星大小的行星撞擊了地球，形成了巨大的碎屑和氣體雲（圖 1.6）。這些碎屑和氣體最終形成了一個稱為月球的單一球形天體。這是一個對可能發生在數十億年前的事件的有用模型。它包含了許多關於月球上的隕石坑和火山，以及月球和地球上某些元素的相似性的想法。然而，並非所有資料都適合這種模型，而且我們可能還有很多資訊不知道。有些人認為，月球最初是一顆太空中的小行星，被地球的引力捕獲到軌道上。這可能是一個有自己論據和缺點的競爭性概念模型。與物理模型一樣，所有概念模型都存在侷限性。

數學模型

第三種模型是數學模型。這些模型是透過對大量資料的仔細考慮和分析而建立的。數學模型是一個方程式或公式，它考慮了眾多因素或變數。這些模型可能有助於預測龍捲風和氣候變化等複雜事件。例如，為了預測氣候變化，數學模型可能需要考慮溫度讀數、冰密度、降雪量和溼度等因素。這些資料可以被代入方程式以給出預測。與其他模型一樣，並非所有因素都能夠被考慮在內，因此數學模型可能無法完美地工作。這可能會產生誤報或預測失敗。沒有一個模型是完美的。

模型是科學中一個有用的工具。它們使我們能夠有效地展示思想並建立假設。它們為我們提供了思考事物的視覺或概念方法。它們使我們能夠進行預測並進行實驗，而無需面對現實生活中物體的種種困難。你能想象只使用一個真實的植物細胞來解釋植物細胞，或者只通過觀察來預測下一次行星排列嗎？總的來說，模型有侷限性，在相信任何預測或將任何結論視為事實之前，應考慮這些侷限性。

科學中的安全

事故在日常生活中時有發生。由於科學涉及對未知領域的探索，發生事故是自然而然的事。因此，我們必須小心，使用適當的裝置，儘可能防止事故（圖 1.7）。我們還必須確保正確處理任何傷害或事故。

腐蝕性	氧化劑
有毒	高壓
圖 1.7：安全標誌

在科學實驗室裡

如果你在科學實驗室工作，你可能會遇到危險的材料或情況。尖銳物體、化學品、熱量和電力在地球科學實驗室中不時使用。透過適當的保護和預防措施，幾乎所有事故都可以預防，痛苦可以降至最低。以下是一份你在做實驗時應該遵循的安全指南

始終遵循指示。
雖然在科學實驗室工作很有趣，但它不是遊樂場。一定要遵守實驗室說明或實驗室主管給出的任何安全指南。
只使用指示的材料數量。在你做與實驗室程式描述不同的操作之前，請諮詢你的老師。
將長髮束起來。穿著平跟的封閉式鞋子，以及沒有垂下袖子、兜帽或繫帶的襯衫。
在指示時使用手套、護目鏡或安全圍裙。
使用任何鋒利或尖銳的物體，如手術刀、刀具或碎玻璃時，要格外小心。
在科學實驗室裡切勿吃或喝任何東西，即使是你自己帶來的東西。桌面和櫃檯可能沾染了危險物質。
保持你的工作區域整潔乾淨。確保正確清潔和維護試管和燒杯等材料。殘留的物質可能會在未來的實驗中與其他物質相互作用。凌亂的工作區域會增加溢位和破損的可能性。
伸手取物時要小心。火焰或加熱板可能在你的手臂下方，或者長髮可能會被燒焦。
按照指示使用電器和燃燒器。
瞭解如何使用洗眼器、防火毯、滅火器或急救箱。
如果發生任何異常情況，請告知實驗室主管。如果有人受傷，可能需要填寫事故報告，並且實驗室主管必須知道是否有任何材料損壞或丟棄。

實驗室外

許多地球科學調查是在科學實驗室外進行的（圖 1.8）。當然，與實驗室材料一樣，必須採取相同的預防措施，但我們必須考慮其他因素。對於在戶外或家中進行的任何科學研究

務必穿著合適的服裝。例如，徒步進入峽谷需要穿靴子、長褲，並防曬。
即使是短途旅行，也要帶上足夠的食物和水。脫水可能迅速發生。
準備適當的急救用品。
務必告訴其他人你將去哪裡，你會做什麼，以及你什麼時候回來。如果你不熟悉該地區，請務必帶上地圖，你也可以留一張地圖副本給家裡的某個人。
確保你有機會獲得緊急服務，以及一些交流方式。請記住，並非所有地方都有手機訊號覆蓋。
最後，確保你與熟悉你旅行區域的人或熟悉你將進行的調查型別的人在一起。

複習問題

列出五個你發現有趣的世界周圍的問題。
一位科學家正在研究石油汙染對海洋海藻的影響。他認為，來自雨水渠的石油流失會導致海藻無法正常生長。他準備了兩個大小相同的巨型水族箱。他監測水中的溶解氧，以使其保持一致，並控制水的溫度。他將機油注入一個水族箱，但另一個水族箱沒有注入。然後，他測量了每個水族箱中海藻植物的生長情況。在沒有注入機油的水族箱中，平均生長高度為 2.57 釐米。注入機油的水族箱中海藻的平均生長高度為 2.37 釐米。根據這個實驗，回答以下問題
- 科學家一開始提出的問題是什麼？
- 他的假設是什麼？
- 確定自變數、因變數和實驗控制因素。
- 資料顯示了什麼？
解釋三種科學模型。每種模型各有什麼優點和缺點？
根據你在科學實驗室安全程式方面的知識，識別或設計五個你自己的安全標誌。
根據你在問題 1 中提出的一個問題，設計你自己的實驗。包括問題、假設、自變數和因變數，以及安全預防措施。你可能需要與你的老師或小組一起工作。

詞彙表

概念模型: 使用思想和觀念而不是物理物體對某事進行抽象、心理上的表示。
控制: 實驗中保持不變的因素，以便專注於自變數和因變數。
因變數: 實驗中你測量的資料，隨著自變數的變化而變化。它“依賴於”自變數。
假設: 對一個可以測試的問題的良好的工作解釋。
自變數: 實驗中由研究人員控制和改變的變數（或事物）。
數學模型: 一組模擬被建模的自然系統的數學方程式和數字。
物理模型: 使用物體對某事進行表示。
理論: 經過反覆測試並證明為真的假設。

需要考慮的要點

你認為地球的哪些部分最重要，應該得到更好的研究？
你對哪種型別的模型有過經驗？你從中學到了什麼？
科學家研究哪些情況既必要又危險？你認為他們在研究這些情況時應該採取哪些預防措施？
如果你可以去任何地方，你會去哪裡？你會採取哪些安全裝置或預防措施？

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