自然科學概論 Technology of Science and Living 授課老師：賴新喜

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3. C007 自然科學概論　第六版 Chapter 1 科學的精神 編著：杜平泉、方　慧、杜鳳棋、吳鎰州 　　　唐幼華、柴御清、蔡忠賢

4. 1-1　前　言 1-2　亂中有序 1-3　自然科學與科學的方法 1-4　科學的極限 學習摘要 章　 節　 簡　 介

5. 1-1前 　 言 　　人類對於自然天象的種種變化，如不用合乎邏輯與理智的精神來探討，往往被其表象所惑，而產生種種神奇怪誕的理論(如圖1-1)；最簡單的例子是，在科學未啟蒙前，人類都認為地球是平的、方的、靜止不動的，而太陽是動的。 　　自從科學發達後有了進展，才推翻此錯誤的觀念；又如從前的人，對於日之昇沈、月之盈虧、星斗之轉移、晝夜之交替、季節之更換、潮汐之漲落等，都認為是神祕的神祗作用，也由於科學的進步，因而解決了這些長久以來的執迷 ( 如圖1-2)。

8. 1-2亂中有序 「亂」代表無秩序而沒有規則可尋的狀態；「序」代表一致性以及可預期性。我們身處的環境充滿著亂，但也到處有序。 當我們面臨不可知以及無法預期的災難時，如颱風、地震發生(如圖1-3)或社會以及政治上處於不安定時，便顯得惶恐無助；同時，有些現象卻呈現一成不變且有條不紊，如白晝黑夜的交替、又如春、夏、秋、冬四季有規律的替換等 ( 如圖1-4)。

11. 1-2亂中有序 • 由於人類天性好奇，激發自己去觀察並試著去瞭解自然天象 ( 如圖1-5)：於亂中尋找共通性、從複雜中尋求單純化，並嘗試以較基本的推理來解釋複雜的現象。 • 公元150年左右，古希臘哲學家托勒密 (Claudius Ptolemy, 100-178AD)，認為地球是一固定、不能自行運轉，而且是不動的大物體；它位於宇宙的中心，其他的一切天體，包括太陽和其他恆星在內，都圍繞著地球運轉；但是有些理論至今還是被廣泛的接受：如公元前五世紀的蒂瑪庫特司 (Democrit-us) 主張，任何物質都是由最小而稱之為原子的粒子所組成。

13. 1-2亂中有序 哥白尼 (Nicolaus Copernicus, 1473-1544 )的「天體運行論」，推翻了托勒密以地球為中心的天體論；凱普洛 (Johannes Kepler, 1571-1630) 的「凱普洛三定律」，證實了行星是以橢圓形的軌道運行；培根( Fr-ancis Bacon, 1561-1626 ) 認為人類須試著去瞭解以探究天文自然，並從實證以及歸納中求宇宙的真理；哈維(William Harvey, 1578-1657)的「血液循環論」-，奠定了解剖學以及血液循環的正確理論；牛頓 ( Is-aac Newton, 1642-1727 ) 的「數學原理」，開啟了微積分在數學和物理學方面的地位，並闡明萬有引力對於天文現象的影響，而為現代科學奠立了基礎 ( 如圖1-6)。

15. 1-3自然科學與科學的方法 • 自然科學是研究自然天象的一門有組織、有系統的知識，也是尋求解答自然天象諸多問題的方法和程序。科學方法包括觀察現象、蒐集資料、分析數據、提出解釋和驗證與試驗等步驟 ( 如圖1-7)。 • 蒐集資料是相當重要的一環；資料的蒐集包括從觀察、測量或實驗中得到結果。所得的結果若是新的發現，則屬於定性的資料，否則這些結果即屬於定量，定量的資料通常稱之為數據 ( data)。觀察、測量或從實驗中得到的數據，必須符合兩項原則：需具備可靠性與精確度。

17. 1-3自然科學與科學的方法 • 藉著更細膩的觀察與實驗，進一步證實推論出的假說是正確無誤，這項假說就可被稱為原理 ( theory)。換句話說，任何稱之為原理的假說，都應可以被用來預測實驗或觀察的結果。如同公元1609年伽利略 ( 如圖1-8) 藉著望遠鏡，證實了地球不但是繞日而轉，同時更依軸心每天自轉一次。伽利略的這項觀察，使得哥白尼的地動論假說從此變成是項原理。 • 原理如果能以科學的模式來敘述就稱為定律 ( law )；定律通常可利用較易懂的簡單數學式來表示原理的複雜現象。如公元 1684 年牛頓提出的萬有引力定律 ，可以詮釋天體的運行、地球的運轉或潮汐的漲落等自然的現象。

19. 1-4亂學的極限 • 科學充其量只能解答自然界中可以量度或是可以定量的現象，事實上它並無法解答圍繞在我們周圍的所有問題。如：人的憎惡、喜愛、美感、貪婪、悲傷、信心、勇氣等七情六慾，這些屬於無法測量也無法定量的情緒表情，到目前為止，就無法以科學的方法來量度。

20. 1-4亂學的極限 • 科技的進步既加速人類的文明，也危害到人類的生存，如雷射的發明，雖然帶來手術醫療以及太空通訊上的大革新，但也帶動了戰爭武器的大躍進；科技的進步，一方面提高人類物質方面的生活品質，但另一方面卻使環境生態上遭受到空前的蹂躪 ( 如圖1-9)。 • 今天我們的河川湖泊，不斷的承受著未經妥善處理的污水以及工業廢棄物，而我們原本清澈乾淨的大氣層也充滿著有毒氣體和懸浮物，二氧化碳過多導致全球氣候異常，氟氯碳化物(chlorofluorocarbons, CFCs) 充斥著整個地球，而破壞了地球的臭氧層等諸多危害環境生態的問題。

22. 學 習 摘 要 1. 科學是經由系統化的觀察與嚴謹的實驗下所產生的知識。 2. 自然科學教育的重點，在於培養我們具備：(1) 理智探討；(2) 客觀分析；(3) 實驗求證的精神與態度。 3. 人類因天性好奇，而激發自己去觀察並試著瞭解自然天象；於亂中尋找共通性、從複雜中求單純化，並嘗試以較基本的推理來解釋複雜的現象。

23. 學 習 摘 要 4. 牛頓的「數學原理」，開啟了微積分在數學和物理學方面的地位並闡明萬有引力對於天文現象的影響，而為現代科學奠立了基礎。 5. 科學方法包括觀察現象、蒐集資料、分析數據、提出解釋和驗證與試驗等步驟。

24. 學 習 摘 要 6. 觀察、測量或從實驗中得到的數據，必須符合兩項原則： (1) 可靠性：觀察、測量或實驗所得的數據能被普遍的認同，且觀察、測量或實驗的程序，可以被不同的觀察者或實驗者一再地被重覆操作； (2) 精確度：觀察、測量或實驗後得到的這些數據，被接受的精確程度。

25. 學 習 摘 要 7. 假說是數據蒐集後，經過詳細的分類、歸納與分析，得到一個暫時性，但是可以被接受的解釋。 8. 若證實推論出的假說是正確無誤時，假說則被稱為原理。 9. 原理如果能以科學模式來敘述就稱為定律；定律通常可以利用較易懂的簡單數學式來表示原理的複雜現象。

26. 第1章習題 ㄧ、是非題 • ___1.科學的精神不需要客觀獨立的研究精神與 清晰理智的分析思考。 • ___2.托勒密認為地球是動的而太陽是靜止不動的。 • ___3.牛頓的數學原理，開啟了微積分在數學與 物理學方面之地位。 • ___4.原理若能以科學的模式來敘述時就稱為定律。 • ___5.觀察、測量或從實驗中得到的數據必須具備 （1）可靠性與（2）懷疑姓。 • ___6.科技之進步是正面而值得肯定的。 • ___7.科學可以解答所有的問題。 • ___8.強調科學精神的同時，也須加強人文的素養。

27. 二 填 充 題 1.自然科學教育的重點，在於培養我們具備__________、_________以及__________。 2.科學方法包括觀察、__________、_________、___________和驗證與試驗等步驟。 3.哈維的____________奠定解剖學以及血液循環的正確理論；____________認為實證以及歸納為嘹解天文自然的方法。 4.科學是經由系統化的____________與嚴謹的____________下所產生的知識。

28. 第1章習題 ㄧ、是非題 • X 1.科學的精神不需要客觀獨立的研究精神與 清晰理智的分析思考。 • X 2.托勒密認為地球是動的而太陽是靜止不動的。 • O 3.牛頓的數學原理，開啟了微積分在數學與 物理學方面之地位。 • O 4.原理若能以科學的模式來敘述時就稱為定律。 • X 5.觀察、測量或從實驗中得到的數據必須具備 （1）可靠性與（2）懷疑姓。 • O 6.科技之進步是正面而值得肯定的。 • X 7.科學可以解答所有的問題。 • O 8.強調科學精神的同時，也須加強人文的素養。

29. 二 填 充 題 1.自然科學教育的重點，在於培養我們具備1.理智探討、2.客觀分析 以及3 .實驗求證的精神與態度。 2.科學方法包括 觀察現象、蒐集資料、分析數據、提出解釋、和 驗證與試驗 等步驟。 3.哈維的血液循環論奠定解剖學以及血液循環的正確理論；培根更認為實證以及歸納為嘹解天文自然的方法。 4.科學是經由系統化的 觀察 與嚴謹的 實驗下所產生的知識。

30. 三 問 題 • 何謂科學？何謂科學的精神？ • 試述自然科學教育的目的為何？ • 科學方法包括那些步驟？ • 試述假說和觀察的關係。 • 原理和定律有何不同？ • 科學有何極限？ • 試述何謂自然科學其討論的範圍。