Длительные опыты. Виды полевых опытов

Как вы думаете, смола это жидкая или твердая субстанция? Ученые выяснили, что смола при комнатной температуре представляет собой твердую субстанцию, которая в то же время обладает текучими свойствами очень и очень вязкой жидкости. Что в этом интересного? Да дело в том, что в научной сфере завершился самый долгий эксперимент в истории, начатый еще 70 (!) лет назад учеными из Дублинского Тринити-колледжа. И впервые человеку удалось зафиксировать на видео падающую каплю смолы.

В первой половине прошлого века две группы ученых, одна из Дублинского Тринити-колледжа, а другая из Квинслендского университета, независимо друг от друга решили провести эксперимент, который развеял бы сомнения и ответил на вопрос о том, является ли смола жидкой или твердой субстанцией. В 2005 году ученые из Квинслендского университета выиграли Шнобелевскую премию (пародия на престижную Нобелевскую премию) по и записали себя в историю Книги рекордов Гиннеса как авторы самого длинного научного лабораторного эксперимента, который начался аж в 1927 году. В свою очередь Дублинский Тринити-колледж начал проводить похожий эксперимент в 1944 году и даже превзошел время теста, проводимого в дублинском колледже.

Обычная чашка Форда

Тест со смолой является простой формой эксперимента, призванного выяснить вязкость различных жидкостей. Основой всего теста является чашка Форда — простой инструмент для определения вязкости субстанций, которые помещаются внутрь воронкообразной чаши с зауженным основанием на конце. Обычно такую чашку используют для определения вязкости краски.

Но как вы понимаете, смола это далеко не краска. Производимая обычно из угля, сухой перегонки сосны и другой смолянистой древесины, смола является полимером, чья вязкость настолько высока, что многие считают эту субстанцию твердой, а не жидкой. При продолжительном внешнем стрессовом воздействии смола обретает более прочную форму. Благодаря этому она является отличным и до сих пор применяется во многих сферах.

Так насколько же велика вязкость смолы? Дублинский Тринити-колледж и Квинслендский университет в рамках эксперимента использовали по три чаши Форда. При этом на падение каждой капли смолы из этих чашек уходили целые десятилетия. Ученые выяснили, что вязкость смолы может быть от 20 до 100 миллиардов раз выше, чем вязкость обычной воды.

Падение капли смолы, зафиксированное на видео учеными из Дублинского Тринити-колледжа

Профессор Джон Мейнсфилд из Квинслендского университета наблюдает за ходом эксперимента

Зафиксировать на видео результат эксперимента удалось только ученым из Дублинского Тринити-колледжа. Несмотря на многие попытки Квинслендского университета, записать ни одну из восьми упавших капель смолы ученым не удалось. Девятая капля должна упасть где-то в этом году. И на сей раз ученые все-таки собираются стать свидетелями этого события. Возле чашки установили веб-камеры, которые постоянно без перерыва снимают обстановку. Осталось только обеспечить бесперебойную поставку попкорна и наслаждаться зрелищем.

Различают несколько видов полевого опыта в зависимости от места проведения, целей и задач опыта, его длительности, количества, изучаемых в нем факторов, охвата объектов, размера делянок:

а) по целям, месторасположению и размерам делянок – стационарные, производственные, микрополевые и мелкоделяночные опыты;

б) по длительности проведения – кратковременные, многолетние и длительные;

в) по количеству изучаемых приемов и факторов – однофакторные и многофакторные (комплексные);

г) по охвату пунктов исследований – единичные и массовые (географические).

Стационарные полевые опыты предназначены для изучения длительного воздействия удобрений или мелиорантов (часто в сочетании с другими факторами) на урожай сельскохозяйственных культур и плодородие почв. Например, тема опыта: «Изучение влияния различных уровней минеральных и органических удобрений на продуктивность полевого севооборота и плодородие серых лесных почв Калужской области». Такие и подобные опыты проводят в течении длительного времени на постоянных, т.е. стационарных участках. Стационарные опыты позволяют глубоко вскрыть процессы, происходящие в почве и растении, определяющие эффективность действия удобрений и их влияние на плодородие почв. Они проводятся, как правило, на опытных полях научно-исследовательских учреждений, учхозов, опытных станций, где имеются достаточно квалифицированные научные кадры. Такие опыты немногочисленные и их результаты и выводы распространяются на определенную почвенно-климатическую зону, т.е. на значительную территорию. Поэтому очень важно, чтобы почва опытного участка была типичной для своей почвенно-климатической зоны.

Относительно методики закладки и проведения стационарных опытов к ним предъявляют особенно строгие требования: предварительное всестороннее изучение истории участка и плодородия почвы, тщательный выбор его площади, направления, формы делянок и т.д.

Характерные особенности стационарных опытов:

§ расчлененные (многовариантные) схемы опыта (8-10 вариантов и более);

§ широкая программа сопутствующих наблюдений и учетов.

Производственные полевые опыты проводятся непосредственно в хозяйствах для проверки и уточнения в производственных условиях основных результатов стационарных опытов, а так же рекомендаций научно-исследовательских учреждений по применению удобрений в данной зоне. Такие опыты обычно проводят на укрупненных делянках (от 500 м 2 до 2 га), чтобы можно было использовать всю технику и машины, применяемые непосредственно в производстве. Кроме проверки эффективности какого-либо агротехнического приема (удобрения) в таких опытах проводится оценка возможности его проведения в хозяйственных условиях, а также приближенная экономическая оценка изучаемого приема.

К производственным опытам предъявляют менее строгие методические требования. Программа сопутствующих наблюдений и учетов здесь минимальна. В большинстве случаев она ограничивается анализом почв перед закладкой опыта и определением структуры урожая, а иногда даже данными агрохимического обследования почв, проведенного в предшествующие закладке опыта годы. Однако выбор земельного участка, фиксация границ делянок и всего опыта, внесение удобрений и вся агротехника, применяемая в опыте, должны соответствовать требованиям методики полевого опыта.

Cхема производственных опытов обычно состоит из 2-3 вариантов, показавших лучшие результаты в стационарных или других полевых опытах. Программа сопутствующих наблюдений и учетов в таких опытах сведена до минимума. Результаты производственных опытов распространяются на сравнительно небольшие районы со сходными почвенно-климатическими и организационно-хозяйственными условиями.

В зависимости от времени проведения полевых опытов они подразделяются на кратковременные (3-5 лет), многолетние (10-50 лет) и длительные >50 лет).

Длительность проведения опытов обуславливается обычно темой исследований. В кратковременных опытах изучают только прямое действие удобрений, внесенных под данную культуру, на данном участке. Указанные приемы внесения удобрений обладают очень существенным прямым действием и практически не оказывают заметного последействия. Например, в них изучают эффективность подкормок озимых и овощных культур, многолетних трав, припосевного (припосадочного) удобрения, некоторые приемы внесения микроудобрений (намачивание семян, внекорневая подкормка).

Эффективность таких приемов в сильной степени зависит от погодных условий года (количества осадков, их распределения по месяцам и т.д.). Чтобы избежать влияния случайных погодных факторов на оценку результатов изучаемого в краткосрочном опыте приема внесения удобрений, необходимо их обязательное повторение во времени. Для получения достоверных данных таких опытов их проводят не менее 3-5 лет.

Многолетние полевые опыты - это, по существу, стационарные опыты, о которых уже сообщалось выше. Чем больше «возраст» таких опытов, тем более значимы их результаты. Стационарные опыты, заложенные более 50 лет назад, переходят в разряд длительных .

Такие опыты очень ценные, они показывают отдаленную перспективу применения удобрений. Их результаты используют для решения фундаментальных вопросов агрохимии, раскрывающих судьбу плодородия почв, трансформации и круговорота питательных веществ в почв при различных уровнях применения удобрений.

Велика и демонстрационная роль этих опытов. Они наглядно показывают многолетнее влияние основных факторов и условий жизни растений на их продуктивность.

Большинство длительных полевых опытов с удобрениями получили всемирную известность. Например, опыт Ротамстедской опытной станции (Англия), заложенный в 1852 году Лоозом и Гильбертом с удобрениями бессменной пшеницы, ячменя и многолетних трав.

С 1875 года ведется опыт в Гриньоне (Франция) по изучению удобрений в звене севооборота озимая пшеница – сахарная свекла. С 1876 года изучается действие удобрений на продуктивность кукурузы при возделывании ее в монокультуре и в севообороте в опыте Иллинойского университета (США).

В Галле (Германия) с 1878 года ведется опыт по удобрению ржи в монокультуре и в севообороте.

В 1912 году на Полевой опытной станции Петровского института (Тимирязевской академии) по инициативе Д.Н. Прянишникова заложен «многофакторный опыт длительного применения удобрений, севооборота и бессменных посевов». По результативности и глубине проводимого исследования, он является уникальным для всей мировой агрономической науки.

На землях Долгопрудной агрохимической опытной станции (в настоящее время ОАО ДАОС ИМ. АКАДЕМИКА Д.Н. ПРЯНИШНИКОВА) находятся длительные опыты (60-70 лет) по изучению форм минеральных удобрений, сравнительной оценке минеральных удобрений и навоза, эффективности минеральных удобрений на фоне навоза и без навоза, действия извести и фосфоритной муки различных месторождений. Более 70-80 лет ведутся опыты по эффективности навоза и NРК в Дании и Голландии; более 50 лет в Японии изучается действие систематического применения NРК, компостов и зеленых удобрений на урожай риса.

В особую группу выделяются мелкоделяночные (размер делянки 5-10м 2) и микрополевые опыты (размер делянки от 200-300 см 2 до 1-3 м 2 ). Эти опыты проводятся на делянках с такой малой площадью, которая не позволяет применять на них обычную (машинную) агротехнику выращивания сельскохозяйственных культур и заставляет прибегать к искусственным приемам агротехники (обработка почвы и посевов вручную).

В таких опытах абсолютные показатели урожайности имеют подчиненное значение, а основное внимание уделяется углубленному исследованию динамики почвенных процессов, изучению превращения удобрений в почве или изменению физиологических процессов у растений под влиянием изучаемых приемов. Нередко микрополевые опыты проводятся с использованием дорогостоящих стабильных (15 N) или радиоактивных (32 Р) изотопов элементов.

В зависимости от количества изучаемых приемов, условий и факторов различают однофакторные и многофакторные опыты.

В однофакторном опыте изучают влияние одного приема, условия или фактора на одном постоянном фоне. В многофакторном опыте одновременно изучают влияние двух или нескольких приемов, условий или факторов на возделываемую культуру и почву (удобрение и гербициды, орошение и удобрения, удобрения, орошение и обработка и т.д.).

По охвату пунктов исследований различают единичные и массовые полевые опыты. Единичные опыты закладывают и проводят независимо друг от друга по разным отдельно разработанным схемам и программам в отдельных пунктах страны. К ним относятся большинство стационарных опытов научных учреждений, вузов и отдельные опыты, проводимых в колхозах и совхозах. Массовые , или географические опыты проводят по общей тематике и единым согласованным схемам и программам, допускающим обобщение результатов исследований в различных географических пунктах, с целью изучения влияния природных условий на эффективность данного приема, условия или фактора в пределах всей страны или отдельных зон, регионов, краев и областей.

Когда физики из колледжа Тринити начали свой долгосрочный эксперимент в 1944 году, президентом США был Франклин Д. Рузвельт, полным ходом шла Вторая мировая война, а билеты на "Встреть меня в Сент-Луисе (Meet Me in St. Louis)" раскупались в одночасье.

Семьдесят лет спустя, один из самых продолжительных лабораторных экспериментов в мире, наконец, дал свои плоды: камера зафиксировала, как капля битума упала в сосуд, впервые за все это время.

Смолистое вещество было помещено в воронку в 1944 году, чтобы доказать, что битум - черный, углеродсодержащий материал, известный многим как асфальт, при комнатной температуре, на самом деле, очень медленно движущаяся жидкость.

Капли время от времени формировались, но они не были сняты на камеру, а, следовательно, не было окончательно доказано, что битум – это вязкая жидкость. В аналогичном эксперименте, проведенном физиками в Квинсленде, за 86 лет также появились отдельные капли, но они не были засняты на видео.

В апреле прошлого года профессор колледжа Тринити, физик Шейн Бергин, решил установить веб-камеру для наблюдения за битумом. Затем он ждал. И ждал. И ждали еще немного. Наконец, 11 июля он увидел, что одна капля действительно упала.

физик Моей первой мыслью было: Боже, лишь бы камера работала. А второй - надеюсь, что камера все записала. И она записала. А потом, когда я посмотрел запись, я был действительно поражен. Я знал, что это явление, которое до этого никто никогда не видел

Бергин утверждает, что этот долгосрочный эксперимент в Тринити раскрывает саму суть науки.

Многие спрашивали у нас: как вы думаете, когда она упадет? Шутки ради мы принимали ставки, и это заставляло людей думать и говорить о науке.

Хотите верьте, хотите нет, но долгосрочные эксперименты с битумом, проведенные в Ирландии и Австралии, на самом деле, самые молодые из старейших научных экспериментов, проводящихся по всему миру. Ниже представлено еще несколько самых продолжительных научно-исследовательских проектов современности.

Колокольный звон

С 1840 года экспериментальный электрический звонок звонит почти непрерывно в фойе лаборатории Кларендон в Университете Оксфорда. Устройство под названием Claredon Dry Pile состоит из двух вольтовых столбов, связанных изолирующим слоем серы. Столбы, в свою очередь, связаны с двумя звонками. В Книге рекордов Гиннеса этот звонок считается "самым долговечным аккумулятором мире". Но он, рано или поздно, перестанет звонить: либо когда механизм износится, либо когда его электрохимическая энергия будет исчерпана.

Физические факультеты, кажется, стали родиной для большинства длительных экспериментов, и часы Беверли не являются исключением. В фойе университета Отаго в Данидине (Новая Зеландия) работают без подзавода с 1864 года, и продолжают тикать. (Хотя они останавливались несколько раз, например, когда физический факультет переезжал в другое здание).

Наблюдение за Везувием

Как вы наблюдаете за спящим гигантом? Осторожно и с большим объемом данных о сейсмической активности. Вот чем занимаются сотрудники Обсерватории Везувия с 1841 года с целью прогноза будущих извержений. Раньше наблюдения проводились на стороне самого вулкана, но аппаратура была перенесена в Неаполь в 1970 году. Ученые контролируют сразу несколько вулканов, пытаясь понять, когда они могут снова проснуться.

В 1879 году американский ботаник Уильям Джеймс Бил насыпал в 20 бутылок песок и семена различных растений. Затем он закопал бутылки горлышком вниз, чтобы предотвратить попадание в них воды.

В чем суть эксперимента Била? Он хотел определить, будут ли семена прорастать, если их оставить нетронутыми на очень долгое время. Каждые 20 лет (раньше каждые 5 лет) исследователи выкапывают одну из бутылок и высеивают семена, чтобы узнать, что вырастет. В 2000 году два из 21 вида растений из бутылки проросли.

Следующая бутылка будет выкопана в 2020 году, эксперимент планируется завершить в 2100 году.

С 1896 года ученые из Обернского университета в штате Алабама проводят эксперимент на плодородность почвы на участке в один акр к югу от кампуса. Упомянутый в Национальном реестре исторических мест США, эксперимент под названием "Old Rotation" призван доказать, что чередование хлопка и бобовых культур может поддерживать урожай хлопка на неопределенный срок.

Вот уже более 65 лет исследователи из Бостонского университета и Национального института сердца, легких и крови наблюдают за мужчинами и женщинами из Фрамингема (штат Массачусетс) в возрасте от 30 до 62 лет, чтобы определить признаки и факторы риска развития сердечных заболеваний. Постоянный мониторинг трех поколений участников исследования помогает ученым определить основные факторы риска развития сердечно-сосудистых заболеваний.

Стационарный полевой опыт РГАУ-МСХА является живым "Учебным пособием", демонстрирующим роль севооборота, удобрений и известкования в повышении урожаев на подзолах Нечерноземной полосы, а также действие бессменных полевых культур в этой зоне. На занимаемой им площади с 1894 года попеременно возделывались зерновые культуры (озимая рожь и овес) и многолетние травы.

А.Г. Дояренко, заложивший Длительный полевой опыт ТСХА в 1912 году, оставался его научным руководителем до 1930 года. В последующем научные руководители утверждались на кафедре земледелия по согласованию с руководством Полевой опытной станции. Ими становились заведующие кафедрой или ученые, основная доля исследований которых приходилась на этот опыт: Н.С. Соколов (1930-1938), М.Г. Чижевский (1939-1943), В.Е. Егоров (1944-1961), Б.А. Доспехов (1962-1978), А.М. Лыков (1979-1990), А.Ф. Сафонов – с 1991 года.

Земельный участок опыта площадью 1,5 га удовлетворяет требованиям закладки длительного опыта. Поверхность территории ровная, без западин и "блюдец", со слабым склоном на север и запад. Почва – дерновосреднеподзолистая, по механическому составу – легкий крупнопылеватопесчанистый суглинок.

Стационар включает: 1) бессменные культуры с 1912 года (рожь, картофель, ячмень, клевер, лен и поле "вечного" пара); 2) шестипольный севооборот с ротацией тех же культур во времени (пар – рожь – картофель – ячмень – клевер – лен).

За весь период опыта, как в бессменном, так и на севооборотном участках, все агротехнические мероприятия осуществлялись одинаково, т.е. вносили одинаковые дозы удобрений, все работы проводили в одно и тоже время одинакового качества, урожай учитывали по единой методике и в одни и те же сроки. Принципиальная сторона схемы не изменилась. Однако по мере получения в долгосрочном опыте ясных ответов на те или иные вопросы схему периодически улучшали. Число таких изменений сравнительно невелико.

Полученные на протяжении ряда ротаций экспериментальные данные имеют высокую степень достоверности и свидетельствуют о закономерном повышении урожайности полевых культур при последовательных вложениях средств в землю для ее улучшения. Так, при сочетании только двух факторов – известкования и удобрения NPK, урожаи зерновых культур в севообороте удвоились, а картофеля – повысились до трех раз. Данные многолетнего полевого опыта открывают для практики научно-обоснованные пути окультуривания старопахотных обменно-кислых почв Нечерноземной зоны.

Многофакторный опыт длительного применения удобрений, севооборота и бессменных посевов, как в отдельности, так и в различных сочетаниях, оказался убедительным и плодотворным методом познания основных закономерностей формирования урожаев и условий почвенного плодородия в Нечерноземной зоне, обеспечил значительное повышение точности исследований и обоснованности их результатов к чему неустанно призывали классики отечественной науки – Д.И. Менделеев, В.В. Докучаев, В.И. Вернадский, К.А. Тимирязев, Д.Н. Прянишников и Н.И. Вавилов.

Эксперимент проводится в искусственно созданных условиях, причем из сложною комплекса многообразных естественных влияний на организм отбирается и выясняется воздействие лишь отдельных изолированных факторов.

Эксперимент проводят большей частью при изучении физиологических процессов. Эксперимент может быть кратковременным и длительным.

Примером кратковременного эксперимента или опыта, проводимых па уроках ботаники, являются общеизвестные работы по изучению состава семян, физических свойств почвы, образования крахмала в листьях и т. п. Наиболее простые опыты, такие, как условия прорастания семян, испарение воды листьями учащиеся выполняют дома. Как пример кратковременных опытов, проводимых в курсе физиологии человека, можно назвать работы по выяснению переваривающего действия слюны и желудочного сока.

Биологический эксперимент требует большей частью длительного времени, поэтому его на уроках целиком не проводят, а демонстрируют только постановку опыта и его результаты.

По общей биологии ставят длительные опыты по выяснению влияний различных экологических факторов на организмы, по скрещиванию животных (лабораторные мыши, золотистые хомячки, голуби).

Экспериментальные работы учащиеся обычно проводят в порядке внеурочных занятий (индивидуальных или групповых) в уголке живой природы или на учебно-опытном участке школы.

Наиболее многообразны эксперименты на учебно-опытном участке. Они особенно длительны и занимают весь вегетационный период, т. е. целое лето. Перед учащимися ставят вопросы или задачи, которые решают путем сравнения результатов опыта и контроля (опытные и контрольные растения или животные ставятся в одинаковые условия, кроме одного испытываемого). Во время опыта проводят точные наблюдения с измерениями. Особенное значение имеет правильная фиксация наблюдений и результатов опыта в специальных табличках, позволяющих сравнивать показатели развития и урожайности опытных и контрольных растений и подводящих к выводам. Постановка опытов должна приучать учащихся к дисциплине мысли, к культуре, точности, достоверности и честности в исследованиях.

Учащиеся приучаются к постановке эксперимента, начиная с простейших опытов дома и в уголке живой природы, тем самым подготавливаясь к более сложным и длительным опытам на школьном учебно-опытном участке.

Длительные опыты и наблюдения над животными связаны с изучением их поведения. Очень разнообразны опыты по выработке чех или иных условных рефлексов у позвоночных. Работы эти тоже проводят во внеурочное время, а результаты их используют на уроке.

Каждый вид практических методов (работы по различению и определению, проведение наблюдения, регистрирующих явления, постановка эксперимента) проходит ряд этапов:1 . Постановка вопроса, обусловливающего цель работы.2 . Инструктаж технический и организационный.3 . Выполнение работы (определение, наблюдение, постановка опыта).4 . Фиксация результатов (проводится одновременно с выполнением работы).5 . Выводы, отвечающие на подавленный вопрос.6 . Отчет или сообщение о своей работе на уроке.

Практическая работа учащегося в зависимости от содержания может строиться дедуктивно, когда уже известное положение подтверждается фактами, или индуктивно, когда на основе фактов делается вывод. Распознавание растений или животных и их органов, как правило, строится дедуктивно, эксперимент -- почти всегда индуктивно; работы по определению и наблюдению с последующей регистрацией могут быть индуктивными и дедуктивными.

Любой из методов осуществляется в практике преподавания приемами. Методические приемы -- элементы того или иного метода, выражающие отдельные действия учителя и учащихся в процессе преподавания. Они могут носить логический, организационный и технический характер. На рис. 2 изображена структура проведения практических работ на уроке различными методическими приемами.

В каждом виде практических работ необходимо различать работы предварительные исследовательского характера и работы последующие, закрепляющие и практикующие понятия.

Первые даются учащимся до изучения вопроса, и учащиеся решают постановкой опыта поставленную перед ними задачу, результаты работы демонстрируются и обсуждаются на соответствующем уроке.

Вторые проводятся после изучения вопроса, и теоретические знания учащиеся применяют на практике, проверяя детали в других вариантах.

В процессе преподавания биологии практические методы видоизменяются -- развиваются в соответствии с усилением самостоятельности учащихся и усложнением работ.

Правильно проведенные практические работы заставляют учащимся проделать ряд логических операций: Выявление сходства и различия, классификация, вывод, обобщение, умозаключение.

Например, в 6 классе учащимся последовательно предложены две работы:1) ознакомиться с явлением изменчивости на различных объектах2) выявить причины изменчивости.

Практические работы развивают умения и навыки учащихся только при правильном планомерном проведении их. К ним школьников необходимо приучать систематически, постепенно переводя их от коротких по времени, легких по технике и организации к более длительным и сложным.

ботаника опыт фотосинтез растение