Опыт с чаем и молоком как демонстрация научного метода познания

Сегодня в “Коллективном блоге для мам” вышел очередной выпуск “Клуба почемучек”. В нем я отвечаю на вопрос мамы Татьяны и ее трехлетнего сыночка: “Почему снег блестит?”.
Остальные выпуски “Клуба почемучек” можно посмотреть у меня в АРХИВЕ.
А тут я публикую ответ на вопрос Наташи, который был в прошлом выпуске Клуба:

В первую минуту ответ кажется очевидным. Конечно да! Но давайте не будем спешить. Перед нами классический случай, когда для ответа на вопрос нужно провести научный эксперимент. Ведь как часто нас обманывают собственные органы чувств, как часто то, что мы считаем правильным, на самом деле является заблуждением. И единственным способом объективно изучить явление является применение научного метода.
Если не вдаваться в дебри определений и перефразировать его суть своими словами, то научный метод – это способ получать знания в рамках науки. Очень коротко принципы научного метода можно сформулировать так: Наблюдать. Объяснить. Проверить. Получить новое знание.
Наблюдать – это выделить из всего многообразия мира некие факты или явления, между которыми мы хотим установить связь.
Объяснить – это выдвинуть некую гипотезу, устанавливающую эту связь.
Проверить – это провести эксперимент. Важным условием проверки является повторяемость эксперимента (он должен воспроизводится при одних тех же условиях всегда). Получить новое знание – это или узнать новые факты, еще неизвестные науке, или получить более точные данные о наблюдаемом явлении.

Итак, сегодня мы поиграем в настоящих ученых. Будем проводить научное исследование: ставить физический эксперимент в полном соответствии с научным методом. Приготовьтесь – наденьте белые халаты, резиновые перчатки и защитные очки и простерилизуйте все предметы в вашей лаборатории, чтобы исключить вмешательство в ход эксперимента посторонних факторов :)))

У нас есть наблюдаемые факты: мы смешиваем молоко и чай разными способами и получаем некий напиток. Нас интересует его температура (а не цвет, например).

Выдвигаем гипотезу. Да не простую, а от противного. Основываясь на нашем предыдущем знании, мы предчувствуем, что “от перемены мест слагаемых сумма не меняется”, и температура напитков должна получиться одинаковой. А если нет? Может, если к холодному молоку добавить горячий чай, то температура получившегося напитка будет выше, чем если к горячему чаю добавлять холодное молоко? Надо проверить!

Проводим эксперимент:
Тут важна тщательность всех наших действий, чтобы эксперимент был чистым, т.е. чтобы максимально исключить возможность ошибки.
Все жидкости наливать будем не “на глазок”, а воспользуемся мерными стаканчиками, чтобы исключить ошибку в пропорциях смешиваемых жидкостей. Для опыта будем брать один и тот же чай и одно и то же молоко, чтобы исключить возможность влияния состава этих продуктов на температуру напитка. Всю посуду и приборы будем брать максимально одинаковые – чтобы на наш эксперимент не повлиял, например, материал чашки, в которую наливаем напиток. Ведь теплоемкость керамики одна, а стекла – другая. Поэтому температура у напитка может оказаться разной.  Желательно бы было, чтобы оба опыта мы ставили одновременно, чтобы не успели измениться еще какие-нибудь факторы (например, атмосферное давление, которое влияет на температуру кипения чая), но, к сожалению, у нас дома был всего один градусник для жидкостей, поэтому опыты пришлось ставить последовательно. Но мы постарались всё устроить так, чтобы они шли друг за другом как можно быстрее.
Приступаем к самому опыту.
Нагреваем чай до кипения.

 Наливаем 100 мл чая в мерный стаканчик.

Достаем пакет молока из холодильника. Наливаем 100 мл молока в другой мерный стаканчик.

Выливаем чай в чашку.

Добавляем в него молоко.

Замеряем температуру. Она равна 40 градусам.

Продолжающий кипеть чай опять наливаем в мерный стаканчик – отмеряем 100 мл. Тот же пакет молока снова достаем из холодильника и наливаем в стаканчик 100 мл. Переливаем молоко в чашку. К нему добавляем чай.

Что мы получили? Похоже, наши ожидания обмануты, и гипотеза подтверждается – напиток во втором случае горячее, чем в первом. Пусть совсем чуть-чуть, вряд ли эту разницу можно почувствовать органолептически (то есть нашими органами чувств), но факт есть факт! Или мы все же где-то ошиблись? Недостаточно быстро наливали жидкости? Недостаточно точно отмеряли? Не дождались, пока столбик градусника окончательно остановится?
Это все может дать ошибку эксперимента. Идеально чистый опыт можно поставить только в идеальном мире. Поэтому, чтобы исключить такие ошибки эксперимента, надо ставить не единичный опыт, а целую серию. В школе на лабораторных работах считается, что опыт достаточно повторить от 5 до 10 раз. Для более точного определения числа опытов существуют специальные формулы, результат в которых зависит от количества учитываемых в опыте факторов.
Нашего с Катей терпения хватило, чтобы повторить опыт с чаем и молоком еще два раза. В результате  второго опыта температура получившегося напитка была 38 градусов в первом случае и 37 градусов во втором. А в третьем опыте даже 40 и 36 соответственно. То есть, результаты незначительно различаются то в одну, то во вторую сторону. В любом случае различия настолько малы, что без градусника мы бы их не заметили.

Делаем вывод:
В результате эксперимента мы можем сказать, что независимо от порядка смешивания жидкостей в опыте (молоко с чаем или чай с молоком), температура получившегося напитка практически одинакова. Слово “практически” тут очень важно. Ни один ученый никогда не скажет ничего со стопроцентной уверенностью. Всегда только “практически”, “вероятно”, “в большинстве случаев” и т.п. Потому что мы живем в отнюдь не идеальном с точки зрения физики мире ?
И еще один результат этого эксперимента в том, что моя Катя узнала, как непросто быть ученым. Мало понимать, мало что-то предположить или предчувствовать – надо это доказать, действуя строго в рамках научного метода.

Материалы по теме:

“Эксперимент как метод научного познания” (http://www.bestreferat.ru/referat-68169.html)”Наука. Научный метод познания” (http://tao44.narod.ru/nauka.htm)
“Научные методы исследования” (http://idschool225.narod.ru/metod.htm)
“Основы планирования эксперимента” (https://window.edu.ru/resource/438/18438/files/Mtdukm8.pdf)