Эксперимент - основа естествознания

      В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом кл нирования овце. Шотландский ученый Ян Вильмут и его ко леги получили из клетки взрослой овцы её генетическую иде тичную копию — известного теперь во всем мире ягненка До ли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца— ей дала начало клетка, содержащая двойной набор генов м тери. Как известно, любая клетка взрослого организма, так н. зываемая соматическая клетка, несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только полови-генов. При зачатии такие половинки — отцовская и материнская — соединяются и образуют новый организм. Искусственно выращивание нового животного из соматической клетки — это создание генетически тождественного существа, процесс, которы и называется клонированном. Работы по клонированию растении простейших живых организмов начались ещё в 60-е годы последнего столетия. Росли масштабы и сложность таких работ. о клонирование млекопитающих из соматической клетки впервые удалось осуществить только в 1997 г. Подобные опыты дли мечтой нескольких поколений генетиков. Некоторые ученые уверены в реальной возможности повторить данный эксперимент и для человека. Однако остается предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других следствиях такого рода экспериментов.²⁾

       

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        3.Экспериментальные  измерения

      Любому  материальному объекту присущи  вполне определеннь свойства, большинство из которых характеризуется численным величинами. Например, для куска медного провода можно oпределить следующие величины: диаметр, длину, массу, элекгрс проводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов явления природы труднее поддаются количественному описанию. К ним можно отнести, например, цвет, блеск, способность противостоять многократным изгибам. Однако даже в таких случаях необходимо определить соответствующие данным свойствам количественные характеристики, без знания которых невозможно описать объект для достаточно точного его воспроизведения.

      Для определения численной характеристики какого-либо свойства выбранного объекта  необходимо знать, во сколько раз  искомая характеристика больше или  меньше другого объекта, принятого  за эталон. Операция сравнения определяемой величин для исследуемого объекта с соответствующей величиной эталоь называется измерением. Например, за единицу длины принят метр. В результате измерения некоторой длины отрезка определяется, сколько метров в нем содержится. В основе этих измс рений лежит метр эталона — расстояние между штрихами, нанесенными на стержне из особого стойкого сплава. Точно так ж при измерении массы некоторого тела устанавливается, в сколько раз измеряемая масса превосходит массу эталонног образца в один килограмм. Разумеется, очень редко пользуются сравнением измеряемых величин с величинами эталонов, хронящихся в государственных метрологических учреждениях в основном пользуются различного рода измерительными устрой ствами и приборами, тем или иным способом сверенными эталонами. Это относится в одинаковой мере как к устройства и приборам для измерения длины (различные линейки, микрс метр, измерительный микроскоп и т.п.), так и к многообразным измерителям времени, массы и к электроизмерительным, оптическим и многим другим приборам.

 

      Принято различать два вида экспериментальных измерений - прямые и косвенные. При прямом измерении определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно при помощи измерительного прибора. Измерение длины рулеткой либо штангенциркулем, измерение промежутков времени секундомером, измерение силы тока амперметром и т.п. — все это примеры прямых измерений, при которых измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

      При косвенном измерении определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение площади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, определение сопротивления участка цепи по силе тока и напряжению, определение концентрации примесей по интенсивности ее спектральных линий и т.п.

      Независимо  от способа измерений определение  той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показывающей, насколько искомая величина отличается от ее истинного значения.

      Ошибки  измерений

      Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Другими словами, при измерении какой-либо величины любым способом абсолютное значение ее недостижимо, а это означает, что результат измерения содержит некоторую погрешность — ошибку измерений. Такой вывод следует из одного из критериев теории естественно-научного познания действительности — любое научное знание относительно. Ограниченные возможности измерительных приборов, несовершенство органов чувств, неоднородность измерительных объектов, внешние и внутренние факторы, влияющие на объекты и т.п. — вот основные причины недостижимости абсолютного значения измеряемой величины.

      Точность  измерений возрастает по мере увеличения чувствительности измерительного прибора. Однако при измерении сколь угодно чувствительным прибором нельзя сделать ошибку измерений меньше ошибки измерительного прибора даже при многократном повторении измерений. Например, если линейка позволяет измерить длину с относительной ошибкой 0,1%, что соответствует 1 мм на метровой линейке, то, применяя ее для измерения длины любых объектов, нельзя определить длину с ошибкой, меньшей 0,1%. Абсолютное значение является иде альным, недостижимым на практике. Чем точнее поставлен эксперимент, чем совершеннее измерительная техника и т.п тем ближе измеряемая величина к абсолютной. Одна из важны целей экспериментатора — приблизить получаемые эксперимен тальные данные к их абсолютным величинам.

      В качестве истинного значения измеряемой величины обыч но принимают среднее  арифметическое измеренных значений:

                              X1+X2+…+Xn   åXi

                  <X> =             n             =    n

      где xi, X2, ..., Хп — значения измеренной величины; п — число измерений.

      По  отношению к истинному значению различают абсолют ную и относительную  ошибки измерений. С учетом причин, по рождающих ошибки, обычно выделяют систематические, слу чайные и приборные ошибки. При такой классификации н учитываются грубые ошибки, вызванные невниманием при сня тии показаний приборов, неправильной записью измеряемы данных, ошибками при вычислениях и т.п. Такие ошибки н подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежу точной оценке результатов измерений.

      Систематические ошибки обусловливаются факторами, действующими одинаково при многократном повторении измерений. Возникают они  чаще всего при неисправности измери тельных приборов, неточности метода измерений и при исполь зовании для расчетов неточных данных.

      Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен «нуль» прибора, то при  измерении таким прибором всегда полу чится ошибочная величина. Сколько бы раз ни проводились из мерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях всегда будет одна и та же ошибка. Для устра нения систематической ошибки, вызванной неисправность к прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показания неисправного прибора с заве домо исправным.

      Систематическая ошибка всегда смещает результат  измерений в одну и ту же сторону, а часто и на одну и ту же величину Следовательно, даже полное совпадение ряда измеренных величин не является условием отсутствия систематической ошибка — ее нельзя выявить при повторных измерениях.

      Сущность  систематических ошибок, обусловленных  методом измерений, можно пояснить на примере определения электрического сопротивления, при котором возникает систематическая ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соединительных проводов в цепи измерительной схемы. Для устранения ее нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.

      Иногда  для устранения систематических  ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотливый анализ метода измерений.

      Случайные ошибки вызываются факторами, действующими неодинаковым, непредсказуемым образом  в каждом отдельном измерении. Они  возникают при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления), возбужденное состояние производящего измерения и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают разлмчные результаты. К случайным ошибкам, кроме того, следует отнести все те ошибки, многочисленные причины которых неизвестны или неясны.

      Вследствие  непредсказуемых обстоятельств  случайные ошибки могут как увеличивать, так и уменьшать значения измеряемой величины. Обычно случайные ошибки не устраняются — их нельзя избежать в каждом из результатов измерений.

      Случайные ошибки подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений. С помощью методов теории вероятностей можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормальный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса), из которого следуют важные выводы:

      • малые по модулю ошибки встречаются чаще;

      • равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;

      • с возрастанием точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок возрастет.

      Теория  случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако следует отметить, что  выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение та рии случайных ошибок целесообразно только к сравнителы большому числу измерений. На практике же часто ограничив ются 5—10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличен числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В кц дом конкретном случае устанавливается необходимое число мерений для получения заданной точности.

      Приборные ошибки обусловливаются конструктивными  о бенностями измерительных приборов. Приборную оши иногда называют точностью измерительного прибора. По ве чине ошибок, которые могут вносить при измерении элекг измерительные приборы, различают семь классов точности п боров, которые обозначаются цифрами: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1 2,5; 4,0. Цифра класса точности показывает величину относ тельной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отклонении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например если у прибора класса точности 0,5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении на все 150 делений составляет 0,5%, а абсолютная ошибка равна 0,75 дeления. При отклонении стрелки на 25 делений абсолютная ошибка та же — 0,75 деления, а относительная ошибка — 3%. Д получения возможно меньших относительных ошибок при по:

      зовании измерительными приборами нужно  добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше, чем на половину шкалы. Для этого нужно выбирать прибор с достаточнной чувствительностью или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.

      Измерительные приборы

      Большинство приборов, предназначенных для измерения  разных физических величин, содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем больше точность прибора, тем больше должно быть число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.

      В некоторых приборах для повышения  точности измерений пpимeняютcя различные приспособления, позволяющие отсчитывать доли деления шкалы. Наиболее широко распространены нониусы и микрометрические винты, они обычно применяются в приборах для измерения длины или угла, в которых части прибора перемещаются относительно друг друга. На одной из частей наносится основная шкала, а на другой — нониус, представляющий собой небольшую дополнительную шкалу, передвигающуюся при измерении вдоль основной шкалы. Удобство отсчета с применением нониуса заключается в том, что человеческий глаз легко различает, является ли один штрих продолжением другого или они сдвинуты друг относительно друга.

      Иногда  для отсчета долей деления  применяется специальный циферблат, указатель которого связан с перемещением измерительного устройства механической передачей. В оптических приборах современных конструкций наносятся микроскопические цифры около каждого штриха шкалы, и показание отсчетов снимается при помощи отсчетного микроскопа, в поле зрения которого видна только одна необходимая цифра и дополнительная шкала для отсчета долей деления.

      Для измерения электрических величин  применяются электроизмерительные приборы. Принцип действия их основан на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную и тд. Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: электрического и отсчетного механизмов. Отсчетный механизм большинства приборов содержит шкалу и указатель. Указатель определяет точку шкалы, соответствующую отсчету измеренной величины. Обычно указатель представляет собой тонкую стрелку или световое пятно. В современных электроизмерительных приборах отсчетным устройством служит электронное табло с цифровой индикацией, очень удобной при снятии показаний прибора.