Эмпирические зависимости — один из существенных результатов эмпирического познания (например, зависимость температуры газа от его давления, зависимость электрического тока от разности потенциалов). Такие зависимости еще не дают объяснения изменениям реальных объектов, но они фиксируют повторяемость таких изменений и могут служить начальным средством предсказания соответствующих изменений.
На эмпирическом уровне используются два главных метода научного познания: наблюдение и эксперимент. Опытные (эмпирические) наблюдения проводятся без извлечения реального объекта из его связей с другими реальными объектами. Но вопрос чистоты наблюдений является очень важным, поскольку любой объект может испытывать возмущающие воздействия, исходящие от его «естественного окружения». Кроме того, и сам исследователь может привносить подобные «возмущения». Фиксация четких границ подобных воздействий, минимизация их силы — серьезное требование получения эмпирических знаний. Поэтому в эмпирических науках разрабатывается проблема ошибок, они классифицируются, уточняются способы элиминации ошибок. Иначе возможны казусы, например, «появление» новых пятен на наблюдаемой поверхности Луны вследствие дефектов телескопических линз, что недопустимо.
Наблюдение может входить в состав более сложного исследовательского метода, называемого экспериментом. Условия эксперимента создаются искусственно. Изучаемый объект при этом испытывает воздействия других объектов в некоторой контролируемой субъектом ситуации. Тогда появляется возможность проводить систематические наблюдения над исследуемым объектом, производя над ним разнообразные манипуляции. Субъект нередко проводит серию испытаний, активно меняя условия, в которых находится изучаемый объект.
Иногда в эксперимент вовлекаются природные взаимодействия объектов (например, движение Луны или Земли). Но в любом случае экспериментатор заранее планирует ситуацию, в которой наиболее четко представлена связь исследуемого объекта с его окружением. Она выделяется в качестве предмета изучения. Такими предметами могут быть, например, механические колебания маятника в отношении поверхности Земли, или влияние движения Луны на появление Солнечных затмений. Мысленная модель процесса служит в данном случае способом создания квазиприборной ситуации. Ее элементами становятся описания свойств природных взаимодействующих тел.
В ходе научного исследования нередко наталкиваются на случайно обнаруженные свойства, эффекты или объекты. Однако последовательное проведение экспериментов позволяет пройти путь от случайной регистрации некоторых событий к выяснению основных условий их существования. Таким было, скажем, случайное открытие радиоактивности, а затем было получено знание о радиоактивных элементах и внутриядерной природе процесса радиоактивного излучения.