Тиждень 21
Експеримент — дослідження на моделі
Головні думки
● Експериментування — це спосіб дослідження різноманітних систем. У його ході експериментатор певним чином змінює природний хід процесів та зазначає, який результат це спричиняє.
● В експерименті використовують спостереження, моделювання, вимірювання та класифікування.
● Важливою частиною експерименту є його планування.
● Експерименти проводять у контрольованих умовах, щоб зменшити вплив не врахованих обставин на результат.
Опануйте поняття
● Експеримент
● Умови експерименту
● Планування експерименту
Яку систему ми не починали б досліджувати, спершу ми її описуємо. Називаємо її ознаки. Розгляньте ілюстрацію. На ній — чавунна сковорода. Вона важка, товстостінна, повільно нагрівається й тривалий час утримує тепло.
Як перевірити, чи достатньо нагрілася сковорода, чи можна на ній починати смажити? Якщо вона гаряча, її слід змастити олією та класти страви; якщо ні — їй слід дати розігрітися…
Чи розігрілася сковорода? Торкнутися рукою? Небезпечно! Але можна використати найпростіший експеримент…
Ви звертали увагу, як дорослі взнають, чи розігрілася сковорода? Бризкають на неї водою! Якщо вода швидко випаровується, — час лити олію. Чому не можна так само перевіряти температуру краплями олії?
Ми дізнались про температуру сковороди за допомогою експерименту! Назва цього способу дослідження походить від латинського «проба, дослід». Ми не обмежилися спостереженнями, адже їх не достатньо. За першою ілюстрацією неможливо сказати, чи гаряча сковорода. Ми вплинули на об’єкт дослідження, до того ж так, щоб подальший перебіг подій показав, яке з наших припущень є правильним.
Експеримент свідчить, що сковорода вже достатньо розігрілася, щоб закипіла вода, але не достатньо для закипання олії
Якщо сковорода гаряча, вода відразу закипить. Якщо ні — лишиться у вигляді невеличкої калюжки або крапель. Вода закипіла і нібито сама сковорода надала відповідь: гаряча!
А ось із олією так би не вийшло. Олія не закипить навіть на достатньо нагрітій сковороді, а лише на зовсім розпеченій. Експеримент з водою сплановано правильно, адже він відповідає на питання, що нас цікавить. Якби ми проводили експеримент з олією, можна було б зазначити, що він спланований погано, адже він не надасть нам відповідь, яку ми чекаємо.
Насправді ви добре знайомі з експериментами. Прикладами експериментів є практичні роботи, які ви виконуєте на уроках. Вони допомагають установити якості різних природних та рукотворних систем. До речі, ми закінчили розділ нашого курсу, присвячений моделюванню, та почали останній розділ про експериментування. Ще раніше нас цікавило спостереження… Чи означає це, що ми закінчили роботу зі спостереженнями та з моделями?
Ні! Експеримент теж включає в себе спостереження! Особливість експерименту в тому, що в його ході дослідник (експериментатор) спостерігає за тим, як досліджувана система реагує на вплив. Ми можемо просто спостерігати за погодою, а можемо вивчати, як хмари реагують на розпилення в них певних речовин з літака. Якщо ми просто визначаємо, чи йде дощ, чи ні, скільки води випало — ми зайняті спостереженнями. Якщо ми певним чином втручаємось у природний розвиток подій та визначаємо результат цього — ми проводимо експеримент, і спостереження результатів є його частиною.
Навіщо літак розпилює якусь речовину над хмарами? Щоб викликати дощ! Ця технологія відома ще із середини XX ст., але її до цього часу вдосконалюють. Як? Зокрема за допомогою експериментів
Експериментування є також формою моделювання! Якщо дослідники експериментують зі складом речовин, які вони розпилюють над хмарою, їх цікавить не лише ця хмара. Вони намагаються дізнатися щось корисне щодо керування хмарами загалом! Ця хмара є для них моделлю усіх хмар, що належать до певного класу (ось вам і класифікування!).
Коли ми визначали, чи є гарячою сковорода, ми також використовували моделювання. Створивши уявну модель сковороди та опираючись на цю модель, припустили, як мають поводитися різні рідини за умови різної температури поверхні, на яку вони потрапили.
А як установити результати, що викликані втручанням експериментатора у природний стан досліджуваної системи? За допомогою вимірювання певних характеристик цієї системи. У нашому прикладі зі штучним викликанням дощу необхідною частиною експерименту є вимірювання кількості опадів після впливу на хмари.
Експериментування — це найскладніший спосіб дослідження. Він опирається на всі інші способи вивчення різноманітних систем та включає їх у себе.
Важливою частиною будь-якого експерименту є його планування. Перед тим як починати експеримент, дослідник має знайти відповіді на низку важливих питань. Що він хоче встановити? Що може вплинути на результати експерименту? Як визначати результати експерименту? Яке обладнання (наприклад, вимірювальна техніка) для цього потрібне? Якими можуть бути результати експерименту та як дослідник буде робити висновки на їх підставі?
Щоб експеримент був корисним, його треба проводити у певних умовах. Ці умови слід визначити так, щоб на досліджувану систему впливало саме те, що ми вивчаємо. Тому експерименти проводять у певних, контрольованих умовах. Важливо встановити фізичні умови проведення експерименту: температуру, освітленість, зволоженість тощо.
Якісний експеримент — це такий експеримент, який можна відтворити за його описом. Результатами наукової роботи вчених є наукові статті. Коли вчені повідомляють про результати своїх експериментів у статтях, вони мають усе так описати, щоб хтось інший міг повторити їх досліди.
Важливою умовою експериментального дослідження є добір відповідного обладнання, що дасть змогу з потрібною точністю визначати необхідні величини.
Практична частина
Експеримент завжди починають із планування. Дослідник повинен чітко уявляти, які дії він буде здійснювати та у яких умовах. Для проведення експерименту також необхідно знати властивості досліджуваної системи. Розглянемо планування та проведення експерименту на прикладі вивчення випаровування рідин.
Етап 1. Планування.
Метою роботи поставимо вивчення умов, які впливають на швидкість випаровування рідин (води, етилового спирту, олії). Для вивчення необхідно знати температуру кипіння цих речовин. Отримаємо її з довідкової літератури.
| Рідина | Температура кипіння, ⁰С |
| Вода | 100 |
| Етиловий спирт | 79 |
| Соняшникова олія | близько 140 |
Відповідно перехід до газоподібного стану активно відбувається за вказаних температур. Тоді чому ми спостерігаємо висихання вологих предметів? Що буде впливати на швидкість випаровування?
Етап 2. Проведення експерименту.
Завдання 1. Випаровування відбувається за кімнатної температури.
Крапнемо краплю води на предметне скло або в чашку Пéтрі (це такий різновид лабораторного посуду). Через короткий час вона щезне. Рідина випарувалася.
Випаровування відбувається за кімнатної температури
Завдання 2. Вивчення впливу потоку повітря на швидкість випаровування.
Повторимо попередній експеримент, але з краплею спирту. Заміряємо час випаровування без впливу потоку повітря. Потім саморобним віялом утворимо «вітер». У якому варіанті крапля висихає швидше?
Завдання 3. Вивчення впливу температури на швидкість випаровування.
Для визначення впливу температури на випаровування, крапнемо по краплі води, спирту та соняшникової олії у дві чашки Пéтрі. Одну залишимо за кімнатної температури, іншу поставимо на батарею. Визначимо, які краплі випаруються раніше.
На випаровування якої рідини, води, спирту або олії, найбільше вплине невелике підвищення температури?
Завдання 4. Вивчення впливу площі поверхні на швидкість випаровування.
Для визначення впливу площі поверхні на випаровування, відміряємо мірною склянкою однакову кількість води. Одну наллємо в чашку Петрі, а другу — в пробірку. Залишимо ємності відкритими на кілька годин або на добу. Виміряємо мірною склянкою, чи однаково змінився об’єм води у досліджуваних ємностях.
З якої ємності вода випарується швидше?
Етап 3. Формулювання висновку.
В експерименті було визначено, як на випаровування впливає різниця між рідинами, температура, наявність потоку повітря та площа поверхні випаровування.
Доповніть речення:
Найкраще випаровується …….., а випаровування ………. у досліді не зареєстровано. «Вітер» (рух повітря) викликає …….. …….. випаровування. Підвищення температури ………. випаровування. Збільшення площі поверхні ………. випаровування.
В електронній версії підручника використані додаткові завдання, що відрізняються від тих, які містяться у друкованій версії
У стані розробки…