So führen Sie ein Wissenschaftsexperiment durch: 13 Schritte (mit Bildern)

Experimentation ist die Methode, mit der Wissenschaftler natürliche Phänomene in der Hoffnung auf neue Kenntnisse testen.. Gute Experimente folgen einem logischen Design, um spezifische, präzise definierte Variablen zu isolieren und zu testen. Durch das Erlernen der grundlegenden Prinzipien hinter dem experimentellen Design können Sie diese Prinzipien auf Ihre eigenen Experimente anwenden. Unabhängig von ihrem Geltungsbereich arbeiten alle guten Experimente nach den logischen, deduktiven Prinzipien der wissenschaftlichen Methode, von fünften Kartoffelkartoffelclock Science-Fair-Projekten bis hin zu modernster Higgs-Boson-Forschung.

Schritte

Teil 1 von 2:

Entwerfen eines wissenschaftlich klangen Experiments

1. Wählen Sie ein bestimmtes Thema aus. Experimente, deren Ergebnisse verursachen, wissenschaftliche Paradigmenschichten, sehr, sehr selten. Die große Mehrheit der Experimente beantwortet kleine, spezifische Fragen. Wissenschaftliches Wissen wird auf der Anhäufung von Daten aus unzähligen Experimenten gebaut. Wählen Sie ein Thema oder eine unbeantwortete Frage mit einem kleinen, überzeugbaren Umfang. Um Ideen zu erhalten, suchen Sie nach Lücken in der aktuellen wissenschaftlichen Literatur.

Wenn Sie beispielsweise ein Experiment auf landwirtschaftlichen Dünger machen möchten, versuchen Sie nicht, die Frage zu beantworten, "Welcher Art von Dünger ist am besten für Anbau von Pflanzen?" Es gibt viele verschiedene Arten von Dünger und viele verschiedene Pflanzenarten in der Welt - ein Experiment kann nicht in der Lage sein, universelle Schlussfolgerungen zu zeichnen. Eine viel bessere Frage zum Entwerfen eines Experiments wäre "Welche Stickstoffkonzentration im Düngemittel erzeugt die größten Maiskulturen?"
Modernes wissenschaftliches Wissen ist sehr, sehr riesig. Wenn Sie vorhaben, eine ernsthafte wissenschaftliche Forschung zu erfordern, recherchieren Sie Ihr Thema ausführlich, bevor Sie Ihr Experiment nicht planen. Haben vergangene Experimente die Frage beantwortet, die Sie wünschen, dass Ihr Experiment studiert wird? Wenn ja, gibt es eine Möglichkeit, Ihr Thema einzustellen, sodass sie Fragen anspricht, die von bestehenden Forschungen unbeantwortet bleiben?

Das Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 2

2. Isolieren Sie Ihre Variablen (en). Gute wissenschaftliche Experimente testen spezifische, messbare Parameter angerufen Variablen. Im Allgemeinen führt ein Wissenschaftler ein Experiment für eine Reihe von Werten für die Variable, für die er testet. Ein wichtiges Sorge bei der Durchführung eines Experiments ist die Anpassung nur Die spezifischen Variablen, die Sie für (und keine anderen Variablen testen.)

In unserem Düngemittel-Experiment-Beispiel würde unser Wissenschaftler beispielsweise mehrere Maiskulturen im Boden anbauen, das mit Düngemittel ergänzt wird, deren Stickstoffkonzentration unterschiedlich ist. Er würde jedem Maisberuf angeben genau gleiche Menge an Dünger. Er würde sicherstellen, dass die chemische Zusammensetzung seiner verwendeten Düngemittel neben seiner Stickstoffkonzentration nicht anders unterscheidet - zum Beispiel würde er keinen Dünger mit einer höheren Magnesiumkonzentration für einen seiner Maiskulturen verwenden. Er würde auch die gleiche Anzahl und Arten von Maiskulturen gleichzeitig und in der gleichen Art von Böden in jeder Replikation seines Experiments.

Das Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 3

3. Hypothese machen. Eine Hypothese ist im Wesentlichen eine Vorhersage des Ergebnisses des Experiments. Es sollte keine blinde Vermutung sein - gute Hypothesen werden von der Hintergrundforschung von Ihnen informiert und / oder vorläufige Daten, die Sie bereits im Labor erstellt haben, wenn Sie das Thema Ihres Experiments auswählen. Basen Sie Ihre Hypothese über die Ergebnisse ähnlicher Experimente, die von Kollegen in Ihrem Bereich durchgeführt werden, oder wenn Sie ein Problem, das kein Problem angehen, das nicht untersucht wurde, basieren Sie ihn auf die Kombination von Literaturforschung und der aufgezeichneten Beobachtung, die Sie finden können. Denken Sie daran, dass Ihre Hypothese trotz Ihrer besten Forschungsarbeit sehr gut nicht von Ihren Ergebnissen unterstützt werden kann. In diesem Fall haben Sie Ihr Wissen noch in dem Sinne erweitert, in dem Sie bewiesen haben, dass Ihre Vorhersage war nicht richtig.

Typischerweise wird eine Hypothese als quantitativer deklarierender Satz ausgedrückt. Eine Hypothese berücksichtigt auch die Art und Weise, wie die experimentellen Parameter gemessen werden. Eine gute Hypothese für unser Düngemittelbeispiel ist: "Maiskulturen, die mit 1 Pfund Stickstoff pro Scheffel ergänzt werden, führen zu einer größeren Ertragsmasse als äquivalente Maiskulturen, die mit unterschiedlichen Stickstoffergänzungen gewachsen sind."

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 4

4. Planen Sie Ihre Datenerhebung. Weiß es vorher wann Sie sammeln Daten und welche Art von Daten, die Sie sammeln. Messen Sie diese Daten zu einer eingestellten Zeit oder in anderen Fällen in regelmäßigen Abständen. In unserem Düngemittel-Experiment messen wir beispielsweise nach einer festen Wachstumsphase das Gewicht unserer Maiskulturen (in Kilogramm). Wir werden dies mit dem Stickstoffgehalt des Düngemittels vergleichen, wobei jede Ernte mit behandelt wurde. Für andere Experimente (z. B. diejenige, die die Änderung in einer bestimmten Variablen im Laufe der Zeit messen), ist es notwendig, Daten in regelmäßigen Abständen zu sammeln.

Das Timing ist unglaublich wichtig, also bleiben Sie so nah wie möglich an Ihren Plan. Wenn Sie Änderungen an Ihren Ergebnissen sehen, können Sie verschiedene Zeiteinschränkungen als Ursache der Änderung ausschließen.

Erstellen einer Datentabelle vorher ist eine großartige Idee - Sie können Ihre Datenwerte einfach in den Tisch einfügen, während Sie sie aufnehmen.

Kennen Sie den Unterschied zwischen Ihren abhängigen und unabhängigen Variablen. Eine unabhängige Variable ist eine Variable, die Sie ändern und eine abhängige Variable ist, die von der unabhängigen Variablen betroffen ist. In unserem Beispiel, "Stickstoffgehalt" ist der unabhängig variabel und "Ertrag (in kg)" ist der abhängig Variable. Eine grundlegende Tabelle enthält Spalten für beide Variablen, da sie sich im Laufe der Zeit ändern.

Das Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 5

5. Führen Sie Ihr Experiment methodisch durch. Führen Sie Ihre EXEXPERUNG aus, testen Sie Ihre Variable. Dies erfordert fast immer, dass Sie das Experiment mehrmals für mehrere variable Werte ausführen. In unserem Düngemittelbeispiel werden wir mehrere identische Maiskulturen anbauen und sie mit Düngemitteln ergänzen, die unterschiedliche Stickstoffmengen enthalten. Im Allgemeinen können Sie den breiteren Bereich der Daten, desto besser. Notieren Sie so viele Daten, wie es ist.

Gutes experimentelles Design beinhaltet, was als bekannt ist Steuerung. Eine Ihrer experimentellen Replikationen sollte nicht Geben Sie die Variable ein, für die Sie überhaupt testen. In unserem Düngemittelbeispiel beinhalten wir eine Maiskultur, die einen Düngemittel ohne Stickstoff erhält. Dies ist unsere Kontrolle - es wird die Basislinie sein, gegen die wir das Wachstum unserer anderen Maiskulturen messen werden.

Beachten Sie alle Sicherheitsmaßnahmen, die mit gefährlichen Materialien oder Prozessen in Ihrem Experiment verbunden sind.

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 6

6. Sammeln Sie Ihre Daten. Nehmen Sie Ihre Daten direkt in Ihren Tisch auf, wenn möglich, können Sie die Kopfschmerzen sparen, um Daten später erneut einzugeben und zu konsolidieren. Wissen wie Bewerten Sie Ausreißer in Ihren Daten.

Es ist immer eine gute Idee, Ihre Daten visuell darzustellen, wenn Sie können. Plotdatenpunkte auf einem Diagramm und zum Ausdruck von Trends mit einer Linie oder einer Kurve der besten Passform. Dies hilft Ihnen (und jeder andere, der die Grafik sieht) Muster in den Daten visualisieren. Für die meisten grundlegenden Experimente ist die unabhängige Variable auf der horizontalen X-Achse dargestellt, und die abhängige Variable ist auf der vertikalen Y-Achse.

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 7

7. Analysieren Sie Ihre Daten und kommen Sie zu einer Schlussfolgerung. War deine Hypothese richtig?? Gab es beobachtbare Trends in den Daten? Haben Sie auf unerwartete Daten stoßen?? Haben Sie unbeantwortete Fragen, die die Grundlage für ein zukünftiges Experiment bilden könnten? Versuchen Sie, diese Fragen zu beantworten, während Sie Ihre Ergebnisse bewerten. Wenn Ihre Daten Ihre Hypothese nicht definitiv verleihen "Ja" oder "Nein," Erwägen Sie, zusätzliche experimentelle Versuche zu führen und mehr Daten zu sammeln oder Ihre Ergebnisse mit zukünftigen Anweisungen für zusätzliche Forschungen zu schreiben.

So teilen Sie Ihre Ergebnisse, Schreiben Sie ein umfassendes wissenschaftliches Papier. Zu wissen, wie man ein wissenschaftliches Papier schreibt, ist eine nützliche Fähigkeit - die Ergebnisse der meisten neuen Forschung müssen gemäß einem bestimmten Format geschrieben und veröffentlicht werden, das häufig vom Stilhandbuch für ein relevantes, peer-reamed-akademisches Journal diktiert wird.

Teil 2 von 2:

Ein Beispiel-Experiment ausführen

1. Wählen Sie ein Thema aus und definieren Sie Ihre Variablen. Zum Zwecke dieses Beispiels wird WIBHOOSE ein einfaches, kleines Experiment. In unserem Experiment testen wir die Auswirkungen verschiedener Aerosolbrennstoffe auf den Brennbereich vona Kartoffelpistole.

In diesem Fall ist die Art des Aerosolbrennstoffs, den wir verwenden, das unabhängige Variable (die Variable, die wir ändern), während der Bereich des Projektils das ist abhängige Variable.
Dinge für dieses Experiment zu berücksichtigen - Gibt es eine Möglichkeit, sicherzustellen, dass jedes Kartoffelprojektil das gleiche Gewicht hat?? Gibt es eine Möglichkeit, für jedes Brennen die gleiche Menge an Aerosolkraftstoff zu verwalten?? Beide können möglicherweise den Bereich der Waffe beeinflussen. Wiegen Sie jedes Geschoss zuvor und Treibstoff jedes Schuss mit der gleichen Menge an Aerosolspray.

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 9

2. Hypothese machen. Wenn wir Haarspray, Kochspray und Sprühfarbe testen, sagen wir, dass das Haarspray ein Aerosol-Treibmittel mit einer höheren Menge an Butan hat als die anderen Sprays. Weil wir wissen, dass Butan brennbar ist, können wir hypothauen, dass das Haarspray beim Zünden eine größere antreibende Kraft erzeugen wird, um ein Kartoffeljobil zu senden. Wir schreibe unsere Hypothese als: "Der höhere Butangehalt des Aerosol-Treibmittels im Haarspray erzeugt im Durchschnitt einen längeren Bereich, wenn ein Kartoffelprojektil mit einem Gewicht von 250 bis 300 Gramm abfeuert wird."

Das Bild mit dem Titel Faction Ein Wissenschaftsexperiment Schritt 10

3. Organisieren Sie Ihre Datenerhebung vorher. In unserem Experiment testen wir jeden Aerosolkraftstoff 10 Mal und durchschnittlich die Ergebnisse. Wir testen auch einen Aerosolkraftstoff, der kein Butan als unsere experimentelle Steuerung enthält. Um sich vorzubereiten, montieren wir unsere Kartoffelkanone, testen Sie sie, um sicherzustellen, dass es funktioniert, kaufen Sie unsere Aerosolsprays und schnitzen Sie unsere Kartoffelprojektile.

Lassen Sie uns auch vorher unsere Datentabelle erstellen. Wir haben fünf vertikale Säulen:

Die am weitesten links linke Spalte wird gekennzeichnet "Versuch #." Die Zellen in dieser Spalte enthalten einfach die Nummern 1-10, wobei jeder Zündversuch andeutscht.

Die folgenden vier Spalten werden mit den Namen der Aerosolsprays markiert, die wir in unserem Experiment verwenden. Die zehn Zellen unter jedem Säulenkopf enthalten den Bereich (in Metern) jedes Zündversuchs.

Unterhalb der vier Spalten für jeden Kraftstoff, lassen Sie einen Raum, um den Durchschnittswert der Bereiche zu schreiben.

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 11

4. Das Experiment durchführen. Wir werden jedes Aerosolspray verwenden, um zehn Geschosse mit der gleichen Menge an Aerosolspray zu feuern, um jedes Projektil zu feuern. Nach jedem Brennen verwenden wir ein langes Maßband, um den Reichweiten zu messen, den unser Projektil bereist hat. Notieren Sie diese Daten in der Datentabelle.

Wie viele Experimente hat unser Experiment bestimmte Sicherheitsbedenken, die wir beobachten müssen. Die Aerosol-Brennstoffe, die wir verwenden, sind brennbar - wir sollten sicher sein, dass die Zündkappe der Kartoffelpistole sicher geschlossen werden und schwere Handschuhe tragen, während Sie den Kraftstoff zünden. Um versehentliche Verletzungen aus den Geschossen zu vermeiden, sollten wir auch sicherstellen, dass wir (und irgendwelche Beobachter) (und irgendwelche Beobachter) an der Seite der Waffe stehen, da es feuert - nicht vor ihm oder dahinter.

Bild mit dem Titel Verhalten Ein Wissenschaftsexperiment Schritt 12

5. Analysieren Sie die Daten. Nehmen wir an, wir haben festgestellt, dass das Haarspray im Durchschnitt die Kartoffeln am weitesten schoss, aber das Kochspray war stärker. Wir können diese Daten visuell darstellen. Eine gute Möglichkeit, den Durchschnittsbereich für jeden Spray darzustellen, ist mit einem Balkendiagramm, während ein Streudiagramm oder Box-Plot ist ein guter Weg, um die Variation in den Brennbereichen jedes Treibstoffs zu zeigen.

Bild mit dem Titel Verhalten ein Wissenschaftsexperiment Schritt 13

6. Machen Sie Ihre Schlussfolgerungen. Reflektieren Sie Ihre experimentellen Ergebnisse und liefern jegliche Unterstützung von Statistiken. Basierend auf unseren Daten können wir mit Sicherheit sagen, dass unsere Hypothese korrekt war. Wir können auch sagen, dass wir etwas entdeckt haben, das wir nicht vorhersehten - dass das Kochspray die stärksten Ergebnisse erzielte. Wir können irgendwelche Probleme oder Snafus melden, die wir begegnen. Schließlich können wir Bereiche für weitere Forschung empfehlen - beispielsweise mit größeren Kraftstoffmengen, können wir größere Reichweite erreichen.

Wir können unsere Ergebnisse sogar mit der Welt in Form eines wissenschaftlichen Papiers teilen - Angesichts des Subjekts unseres Experiments können wir dazu passender sein, diese Informationen in Form eines Tri-Fold Science Fairdisplays vorzustellen.

Tipps

Wissenschaft geht darum, große Fragen zu stellen. Haben Sie keine Angst, ein Thema zu wählen, das Sie vorher nicht angesehen haben.

Viel Spaß und bleiben Sie sicher.

In den oberen Ebenen sind die meisten Daten nicht verwendet, es sei denn, es ist mindestens dreimal reproduzierbar.

Warnungen

Augenschutz tragen

Waschen Sie Ihre Hände vor und nach einem Experiment.

Haben Sie keine Nahrung oder Getränke in der Nähe Ihrer Workstation.

Wenn Sie scharfe Messer, gefährliche Chemikalien oder heiße Flammen verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie über alle Zeiten einen Erwachsenen überwachen.

Binden Sie das lose Haar zurück

Wenn etwas in Ihre Augen kommt, spülen Sie sie 15 Minuten lang gründlich mit Wasser aus und suchen Sie nach sofortiger ärztlicher Aufmerksamkeit.

Tragen Sie Gummihandschuhe beim Umgang mit Chemikalien