Изучение природных явлений человеком

Естествознание: методы изучения природы

Люди с древнейших времен стремились к изучению и объяснению объектов и явлений окружающего их мира и использовали для этого различные методы изучения природы. 5 класс средней школы — это тот возраст, когда пытливость ребенка сочетается с серьезностью юного исследователя.

Наука о природе

Естествознание — это особенная область человеческой деятельности. Целью ее является приобретение новых сведений об окружающем мире и накопление знаний.

Что значит изучать природу?

Изучать природу — это значит изучать все, рядом с чем мы живем, все, что нас окружает: растения, птиц, животных, человека, погоду, климат, землю, небо, космос, воду, почву, города, страны.

В каком классе начинают познавать методы изучения природы?

Метод — это весь спектр систематизированных мероприятий, необходимых для достижения желаемого результата.

Познавать окружающий мир малыши начинают с рождения (тянут в рот незнакомые предметы, ощупывают, облизывают, кусают), в детском садике ведутся занятия по познанию мира. В начальной школе уже немного затрагиваются методы изучения природы. 5 класс — это начало более серьезного, более детального, более научного изучения естественных наук.

Природоведение: методы изучения природы

На протяжении всей истории человечества люди изучали то, что их окружает, и в процессе этого делали удивительные, неожиданные открытия.

Науки, изучающие природу, объединяет слово «естествознание». Слово это раскладывается на две основы: «естество» и «знание». В современное естествознание входят следующие области научного знания:

• физика;
• химия;
• география;
• астрономия;
• экология;
• геология;
• астрофизика;
• биология.

Наблюдение

Основным самым простым и доступным, а потому наиболее распространенным методом изучения природы является наблюдение. В нем человеку помогают все органы чувств: зрение, слух, обоняние, осязание.

Наблюдение может быть прямым и косвенным. В первом случае за поведением объекта наблюдают непосредственно, во втором информация суммируется на основании физических признаков закончившихся действий.

При помощи наблюдения можно изучить типичное поведение какого-либо вида животного в естественных для него условиях или влияние определенных погодных условий на рост, цветение или плодоношение определенного вида растения, кроме того, можно изучить расположение и движение небесных тел и космических объектов.

В стародавние времена обобщение и сопоставление наблюдений складывалось в так называемые приметы:

• Жаворонки прилетают к теплу.
• Кот на полу спит — жди тепла.
• Облака плывут высоко — ожидается хорошая погода.
• Увидел воробья, барахтающегося в песке — скоро соберется дождь.
• Березы перед дождливым летом дают много сока.
• Высоко летящие гуси — к половодью.
• Золотистый или розовый закат — к ясной погоде.
• Накануне непогоды кровососущие насекомые наедаются вдоволь, муравьи поглубже прячут коконы с детьми и запечатывают выходы из муравейника, гаснут светляки, а стрекозы хаотично мечутся, сбившись в стайки.
• Деревья и другие растения накануне грозы крепче пахнут.
• Лягушки громко квакают к ясной и жаркой погоде.

Чтобы сделать полезный вывод из прямых или косвенных наблюдений, нужно добросовестно обработать и тщательно проанализировать полученные данные.

Обработка и анализ —это обобщение, объяснение, суммирование, сопоставление и сравнение наблюдаемых явлений и фактов. Сначала производится анализ отдельных наблюдений (изменение количества выпавших осадков, температуры, давления, облачности, скорости ветра, качества), после этого их результаты обобщаются и сравниваются.

При наблюдении часто используются увеличительные приборы: лупа, микроскоп, бинокль, телескоп.

Эксперименты и опыты

Для подтверждения научных фактов часто требуются определенные условия, причем не всегда получается дождаться этих условий естественным путем, и тогда на помощь нам приходит научный эксперимент, в ходе которого требуемые условия воспроизводятся искусственно.

Итак, эксперименты (или опыты) проводятся учеными в лабораторных условиях. В ходе такого рода исследований экспериментатор сам воспроизводит различные условия или же природные явления. Например, с помощью такого способа исследования можно выяснить, что происходит с предметом в процессе нагревания или, наоборот, охлаждения или замораживания.

Измерения

И в ходе наблюдений, и во время экспериментов, исследователям приходится проводить различного рода измерения. Измеряют температуру, влажность, давление, скорость, продолжительность, силу, площадь, емкость, мощность, объем, массу. Измерения производят при помощи специальных инструментов. Это:

• термометр;
• весы;
• телескоп;
• микроскоп;
• флюгер;
• гигрометр;
• барометр;
• вольтметр;
• амперметр;
• силомер;
• метеоспутник;
• тонометр;
• лактометр;
• глюкометр;
• облакометр;
• метеозонд;
• рулетка;
• нивелир;
• компас;
• транспортир;
• линейка;
• портновский метр;
• мерный цилиндр;
• мензурка;
• секундомер;
• часы;
• ростомер.

Кстати, измерениями занимается особая отрасль науки — метрология.

Подведение итогов наблюдений, экспериментов и опытов

Когда обработка наблюдений, экспериментов или опытов закончена, их результаты фиксируют в виде:

В отчете записывают цель и задачи, средства и методы, перечисляют всех участников исследований, фиксируют данные об условиях, далее — полученные результаты с подробным описанием и подтверждением фактическими данными.

Различия методов

Основным различием наблюдения и эксперимента является то, что первый метод описывает явление, а второй объясняет его.

Итак, мы познакомились с несколькими методами изучения природы: наблюдением, экспериментом и измерением.

Источник

Как изучают природные явления и возможны ли идеальные прогнозы погоды

Атмосферный слой Земли состоит в основном из азота, кислорода и водяного пара. Этот воздух ведет себя как жидкость и, перетекая из одного места в другое, меняет температуру, влажность и другие характеристики. Погода — это побочный продукт атмосферы, переносящей тепло из одного места в другое.

Более прохладный воздух является плотным, он не может удерживать много влаги; более теплый воздух менее плотный, способен содержать больше воды. Когда области воздуха с разной температурой и плотностью сталкиваются, возникает дождь, так как из охлажденного теплого воздуха образуется вода. Могут появиться и другие осадки. По мере того как теплый влажный воздух поднимается вверх, он охлаждается, а вода конденсируется на взвешенных в воздухе частицах. Поднимающиеся капли становятся все тяжелее и впоследствии падают на Землю.

Ураган образуется, когда морская вода нагревается выше 27 ℃ и интенсивно испаряется, а воздух над океаном становится теплым и поднимается вверх. На его место приходят потоки холодного воздуха, которые также нагреваются и поднимаются. Эти перемещения создают сильный ветер, образуется ураган.

Как изучали природные явления раньше

Научные наблюдения за погодой начались в эпоху Возрождения, когда были изобретены барометры и термометры. Европейские ученые древности, такие как Галилей, использовали эти инструменты для объяснения погодных явлений.

Но ранние прогнозы были ограниченными и основывались лишь на предположении, что прошлое будет определять будущее поведение. «Если шторм сегодня будет в Канзасе, а на следующий день в Миссури, то вы можете сказать, что далее он придет в Иллинойс», — объясняет Боб Хенсон, метеоролог, автор «Weather Underground». Этот способ работает при постоянных условиях — когда шторм постепенно движется или когда местный климат практически не меняется день ото дня (например, в Южной Калифорнии).

Однако этот простой метод не учитывает меняющиеся условия: например, штормы быстро образуются из-за конвекции (перемещения объемов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой. — Прим. ред.). К счастью, в современном мире есть новые способы предсказывать погоду. Прогнозы делают не люди, которые смотрят на карты и вчерашние максимумы и минимумы, они создаются машинами.

Современные прогнозы погоды

Метеорологи используют численный прогноз погоды, вводя данные о текущих погодных условиях. Далее они обрабатываются в компьютерной модели. Чем более актуальная и точная информация введена, тем точнее будет прогноз. Для получения этих данных применяются такие инструменты, как метеозонд, самолеты, спутники, океанские буи.

Погодные модели делят регион, государство или даже весь земной шар на ячейки. Их размер влияет на точность прогноза. В больших прямоугольниках сложнее увидеть, что происходит на небольших участках, но они предоставляют общую картину погодных тенденций в течение долгого времени. Этот общий прогноз необходим, например, для того, чтобы определить движение шторма.

Маленькие ячейки с более высоким разрешением позволяют прогнозировать на более короткий временной период — один-два дня — и охватывают только определенный район. Некоторые модели могут фокусироваться на определенных данных, таких как скорость ветра, температура и влажность. Поэтому две компьютерные модели могут выдавать немного разные результаты даже при абсолютно одинаковых начальных наблюдениях.

Возможны ли идеальные прогнозы?

«Для повседневных погодных прогнозов компьютерных моделей достаточно, поэтому метеорологи здесь мало что добавят, — говорит Шумахер, доцент кафедры атмосферных наук Университета штата Колорадо. — Но это не значит, что люди не нужны вовсе. Синоптик может распознать неточности данных, воспроизведенных компьютерной системой».

Осадки прогнозировать гораздо сложнее, чем температуру, говорит Мэтт Кельш, гидрометеоролог из Университетской корпорации атмосферных исследований в Боулдере. «Температура — это непрерывное поле, она есть повсюду. Осадки — это прерывистое поле, в некоторых местах может идти дождь или снег, а в других их не будет вовсе». Ландшафтные особенности местности, такие как возвышенности, береговые линии, влияют на осадки, и компьютерные модели это не всегда учитывают. Кельш говорит, что для составления прогнозов на период от 24 до 36 часов необходим метеоролог. Прогнозирование ситуаций со значительными последствиями, такими как ураганы, торнадо и наводнения, является более сложной задачей и требует как человеческих ресурсов, так и работы компьютерных систем.

С 1950-х годов быстрые компьютеры стали давать все более точные прогнозы. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, сегодняшний пятидневный прогноз является точным примерно в 90% случаев.

Семидневный прогноз оказывается верным в 80% случаев, а 10-дневный прогноз — в 50%

Сегодня прогноз урагана на пять дней более надежен, чем четырехдневный прогноз в начале 2000-х годов и трехдневный прогноз в 1990-х годах. А в статье Nature 2015 года было обнаружено, что прогнозы на срок от трех до десяти дней улучшаются примерно на день за десятилетие — это означает, что современный шестидневный прогноз так же точен, как пятидневный прогноз 10 лет назад.

К сожалению, серьезные климатические трансформации усложняют процесс прогнозирования. Есть шуточная фраза о том, что бабочка, хлопающая крыльями в Гонконге, может изменить погоду в . Эта идея была выдвинута в 1972 году математиком и метеорологом Эдвардом Лоренцем. «Эффект бабочки» заключается в том, что незначительные изменения могут иметь огромное влияние на развитие всей системы.

На практике это означает, что одна компьютерная модель, запускаемая более одного раза, даже при самых незначительных различиях в текущих условиях может давать разные прогнозы. Из-за этого потенциальный предел прогнозирования составляет около 14 дней, говорит Боб Хенсон. «Лоренц, по сути, сказал, что невозможно предсказать погодные особенности больше чем на две недели, потому что эти маленькие „крылья бабочки“ и бесчисленные другие мелочи приведут к большим изменениям», — утверждает Хенсон.

Метеоролог Джадт уверен, что человечество никогда не сможет предсказать грозу более чем на пару часов вперед независимо от того, насколько хороши наблюдения. «Для ураганов и штормов, которые намного сильнее (и, следовательно, их легче обнаружить заранее), период может составлять две-три недели», — говорит он.

При создании прогноза метеорологи учитывают неопределенности, используя математическую модель несколько раз. При этом она будет давать несколько иной результат, но большинство из них будут похожими. Наиболее частые и станут финальным результатом.

Источник