Hur man utför ett vetenskapsexperiment: 13 steg (med bilder)

Experiment är den metod som forskare testar naturfenomen i hopp om att få ny kunskap.. Goda experiment följer en logisk design för att isolera och testa specifika, exakt definierade variabler. Genom att lära sig de grundläggande principerna bakom experimentell design kan du tillämpa dessa principer för dina egna experiment. Oavsett deras omfattning fungerar alla goda experiment enligt de logiska, deduktiva principerna för den vetenskapliga metoden, från femte klassens potatisklocka vetenskapliga rättvisa projekt till avancerad Higgs Boson Research.

Steg

Del 1 av 2:

Utforma ett vetenskapligt ljudprov

1. Välj ett specifikt ämne. Experiment vars resultat orsakar svepande vetenskapliga paradigmskift är mycket, mycket sällsynta. Den stora majoriteten av experimenten svarar små, specifika frågor. Vetenskaplig kunskap bygger på ackumulering av data från otaliga experiment. Välj ett ämne eller en obesvarad fråga med ett litet, testbart räckvidd. För att få idéer, leta efter luckor i den nuvarande vetenskapliga litteraturen.

Till exempel, om du vill göra ett experiment på jordbruksgödsel, försök inte att svara på frågan, "Vilken typ av gödselmedel är bäst för växande växter?" Det finns många olika typer av gödningsmedel och många olika typer av växter i världen - ett experiment kommer inte att kunna dra universella slutsatser om heller. En mycket bättre fråga att designa ett experiment skulle vara "Vilken koncentration av kväve i gödselmedel producerar de största majsgrödorna?"
Modern vetenskaplig kunskap är mycket, mycket stor. Om du tänker göra allvarlig vetenskaplig forskning, undersöka ditt ämne i stor utsträckning innan du ens börjar planera ditt experiment. Har tidigare experiment besvarat frågan du vill ha ditt experiment att studera? Om så är fallet är det ett sätt att justera ditt ämne så att det adresserar frågor som lämnas obesvarade av befintlig forskning?

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 2

2. Isolera din variabel (er). Goda vetenskapliga experiment Testspecifika, mätbara parametrar som heter variabler. Generellt sett utför en forskare ett experiment för en rad värden för den variabel han testar för. En vital oro när man utför ett experiment är att justera endast De specifika variabeln (er) du testar för (och inga andra variabler.)

Till exempel, i vårt gödningsmedelsexperiment, skulle vår vetenskapare växa flera majsgrödor i jord kompletterad med gödselmedel vars kvävekoncentration skiljer sig åt. Han skulle ge varje majs gröda exakt samma mängd gödselmedel. Han skulle se till att den kemiska sammansättningen av hans gödselmedel som användes inte skiljer sig på något sätt förutom sin kvävekoncentration - till exempel skulle han inte använda ett gödningsmedel med en högre koncentration av magnesium för en av hans majsgrödor. Han skulle också växa exakt samma antal och arter av majsgrödor samtidigt och i samma typ av jord i varje replikering av hans experiment.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 3

3. Göra en hypotes. En hypotes är i huvudsak en förutsägelse av experimentets resultat. Det borde inte vara blind gissning - goda hypoteser informeras av den bakgrundsforskning du utförde och / eller preliminära data du kanske redan har genererat i laboratoriet när du väljer ditt experiments ämne. Basera din hypotes om resultaten av liknande experiment som utförs av kamrater i ditt fält, eller om du hanterar ett problem som inte har blivit väl studerat, baserar det på vilken kombination av litteraturforskning och inspelad observation du kan hitta. Kom ihåg att trots ditt bästa forskningsarbete kan din hypotes mycket väl inte stödjas av dina resultat - i det här fallet har du fortfarande utökat din kunskap i den meningen att du har bevisat att din förutsägelse var inte korrekt.

Typiskt uttrycks en hypotes som en kvantitativ deklarativ mening. En hypotes tar också hänsyn till hur de experimentella parametrarna kommer att mätas. En bra hypotes för vårt gödningsmedel exempel är: "Majsgrödor kompletterade med 1 pund kväve per bushel kommer att resultera i en större avkastningsmassa än ekvivalenta majsgrödor odlade med olika kväve tillskott."

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 4

4. Planera din datainsamling. Veta på förhand när Du kommer att samla in data och vilken sort av data du kommer att samla in. Mät dessa data på en bestämd tid eller, i andra fall, med jämna mellanrum. I vårt gödningsmedelsexperiment mäter vi till exempel vikten av våra majsgrödor (i kilo) efter en uppsättning växande period. Vi kommer att jämföra detta med kvävehalten i gödselmedlet varje grödor behandlades med. För andra experiment (som sådana som mäter förändringen i en viss variabel över tiden) är det nödvändigt att samla data med jämna mellanrum.

Timing är otroligt viktigt, så håll dig till din plan så nära som möjligt. På det sättet, om du ser förändringar i dina resultat kan du utesluta olika tidsbegränsningar som orsaken till förändringen.

Att göra en datatabell på förväg är en bra idé - Du kan helt enkelt infoga dina datavärden i tabellen när du registrerar dem.

Känna skillnaden mellan dina beroende och oberoende variabler. En oberoende variabel är en variabel som du ändrar och en beroende variabel är den som påverkas av den oberoende variabeln. I vårt exempel, "kvävehalt" är självständig variabel och "Utbyte (i kg)" är beroende variabel. Ett grundbord kommer att ha kolumner för båda variablerna när de ändras över tiden.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 5

5. Genomföra ditt experiment metodiskt. Kör YourExperiment, testning för din variabel. Detta kräver nästan alltid att du kör experimentet flera gånger för flera variabla värden. I vårt gödningsmedel exempel växer vi flera identiska majsgrödor och kompletterar dem med gödselmedel som innehåller varierande mängder kväve. Generellt det bredare utbudet av data du kan samla desto bättre. Spela in så mycket data som är möjligt.

Bra experimentell design innehåller det som är känt som en kontrollera. En av dina experimentella replikeringar borde inte Inkludera variabeln du testar för alls. I vårt gödningsmedel exempel innefattar vi en majsskörd som får ett gödningsmedel utan kväve i det. Detta kommer att bli vår kontroll - det kommer att bli baslinjen mot vilken vi mäter tillväxten av våra andra majsgrödor.

Observera alla och alla säkerhetsåtgärder i samband med farliga material eller processer i ditt experiment.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 6

6. Samla dina data. Spela in dina data direkt i ditt bord, om möjligt - det kommer att spara huvudvärk om att återkomma och konsolidera data senare. Vet hur man Bedöma outliers i dina data.

Det är alltid en bra idé att representera dina data visuellt om du kan. Plotdata pekar på ett diagram och uttryckliga trender med en linje eller en kurva av bästa passform. Detta hjälper dig (och någon annan som ser grafen) visualisera mönster i data. För de flesta grundläggande experimenten representeras den oberoende variabeln på den horisontella X-axeln och den beroende variabeln är på den vertikala Y-axeln.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 7

7. Analysera dina data och komma till en slutsats. Var din hypotes korrekt? Var det observerbara trender i data? Stötte du på eventuella oväntade data? Har du några obesvarade frågor som kan ligga till grund för ett framtida experiment? Försök att svara på dessa frågor när du bedömer dina resultat. Om dina data inte ger din hypotes en definitiv "ja" eller "Nej," Överväg att köra ytterligare experimentella försök och samla in mer data, eller skriva dina resultat med framtida riktningar för ytterligare forskning.

Att dela dina resultat, Skriv ett omfattande vetenskapligt papper. Att veta hur man skriver ett vetenskapligt papper är en användbar skicklighet - resultaten av de flesta nya forskningen måste skrivas och publiceras enligt ett visst format, ofta dikterat av stilguiden för en relevant, peer-reviewed Academic Journal.

Del 2 av 2:

Kör ett exempel experiment

1. Välj ett ämne och definiera dina variabler. För det här exemplet, ska du skaffa ett enkelt, småskaligt experiment. I vårt experiment testar vi effekterna av olika aerosolbränslen på avfyrningsområdet OFA potatispistol.

I det här fallet är typen av aerosolbränsle vi använder oberoende variabel (variabeln vi ändrar), medan projektilens intervall är beroende variabel.
Saker att tänka på för detta experiment - är det ett sätt att se till att varje potatisprojektil har samma vikt? Finns det ett sätt att administrera samma mängd aerosolbränsle för varje avfyring? Båda dessa kan potentiellt påverka pistolens intervall. Väg varje projektil i förväg och bränna varje skott med samma mängd aerosolspray.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 9

2. Göra en hypotes. Om vi testar hårspray, matlagningsspray och sprayfärg, låt oss säga att hårsprayen har ett aerosoldrivmedel med en högre mängd butan än de andra sprayerna. Eftersom vi vet att butan är brandfarligt, kan vi hypotesa att hårsprayen kommer att producera en större framdrivande kraft när den antänds, skickar en potatisprojektil längre. Vi skulle skriva vår hypotes som: "Den högre butanhalten i aerosoldriven i hårsprayen kommer i genomsnitt producera ett längre intervall vid avfyrning av en potatisprojektil som väger mellan 250-300 gram."

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 10

3. Ordna din datainsamling på förhand. I vårt experiment testar vi varje aerosolbränsle 10 gånger och genomsnittet resultaten. Vi testar också ett aerosolbränsle som inte innehåller någon butan som vår experimentella kontroll. För att förbereda, ska vi montera vår potatiskanon, testa den för att säkerställa att det fungerar, köp våra aerosolsprayer och carve och väger våra potatisprojektiler.

Låt oss också skapa vår datatabell på förhand. Vi har fem vertikala kolumner:

Den längsta vänstra kolumnen kommer att märkas "Försök #." Cellerna i den här kolumnen innehåller helt enkelt numren 1-10, vilket innebär att varje avfyrningsförsök.

Följande fyra kolumner kommer att märkas med namnen på aerosolsprayerna vi använder i vårt experiment. De tio cellerna under varje kolumnrubrik kommer att innehålla intervallet (i meter) för varje avfyrningsförsök.

Under de fyra kolumnerna för varje bränsle, lämna ett utrymme för att skriva det genomsnittliga värdet av intervallet.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 11

4. Genomföra experimentet. Vi kommer att använda varje aerosolspray för att skjuta tio projektiler, med samma mängd aerosolspray för att skjuta varje projektil. Efter varje skjutning kommer vi att använda en lång måttband för att mäta det intervall som vår projektil reste. Spela in dessa data i datatabellen.

Liksom många experiment har vårt experiment vissa säkerhetshänsyn som vi behöver observera. Aerosolbränslena vi använder är brandfarliga - vi bör vara säkra på att stänga potatispistolens skjutlock säkert och att bära tunga handskar samtidigt som bränslet antänds. För att undvika oavsiktliga skador från projektilerna, bör vi också se till att vi (och några observatörer) står till sidan av pistolen som den bränder - inte framför den eller bakom den.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 12

5. Analysera data. Låt oss säga att vi fann att i genomsnitt hårspray sköt potatisen längst bort, men matlagningssprayen var mer konsekvent. Vi kan representera denna data visuellt. Ett bra sätt att representera det genomsnittliga intervallet för varje spray är med a stapeldiagram, medan a scatterplot eller boxplot är ett bra sätt att visa variationen i varje bränsles avfyrningsområden.

Bild med titeln Utför ett vetenskapsexperiment Steg 13

6. Gör dina slutsatser. Reflektera över dina experimentella resultat och ge någon stödjande statistik. Baserat på våra data kan vi med förtroende för att vår hypotes var korrekt. Vi kan också säga att vi upptäckte något vi inte förutspådde - att matlagningssprayen producerade de mest konsekventa resultaten. Vi kan rapportera eventuella problem eller snafus som vi stött på - låt oss säga att färgen från sprayfärgen byggt upp i potatiskanonens skjutkammare, vilket gör upprepade avfyrande. Slutligen kan vi rekommendera områden för vidare forskning - till exempel, kanske med större mängder bränsle, kan vi uppnå större utbud.

Vi kan även dela våra resultat med världen i form av ett vetenskapligt papper - med tanke på föremålet för vårt experiment, det kan vara lämpligare att presentera denna information i form av en tri-faldig Science FairDisplay.