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Experimentieren ist die beste Methode, mit der die Wissenschaftler natürliche Phänomene in der Hoffnung testen, neue Erkenntnisse zu gewinnen. Gute Experimente folgen einem logischen Muster, um eine spezifische und klar definierte Variable zu testen. Durch das Lernen der prinzipiellen Grundlagen, auf der jeder experimentelle Entwurf aufbaut ist, wirst du in der Lage sein, diese Prinzipien auf deine eigenen Experimente anzuwenden. Unabhängig von ihrem Anwendungsbereich, funktionieren alle Experimente von den grundlegenden naturwissenschaftlichen reellen Projekten bis zu den modernsten Forschungsmethoden der Higgs Boson Forschung den logischen, deduktiven Prinzipien der wissenschaftlichen Methode.
Vorgehensweise
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Suche dir ein bestimmtes Thema aus. Die Experimente, deren Ergebnisse umfassende wissenschaftliche Paradigmen verändern, sind sehr rar. Die große Mehrheit der Experimente antwortet auf kleine, bestimmte Fragen. Das wissenschaftliche Wissen baut auf der Summe von Daten aus unzähligen Experimenten auf. Suche dir ein Gebiet oder eine nicht beantwortete Frage mit einem kleinen Umfang, der sich testen lässt.
- Wenn du zum Beispiel ein Experiment für landwirtschaftlichen Dünger durchführen möchtest, suchst du die Antwort nicht in der Frage "Welche Art von Dünger der beste für das Pflanzenwachstum ist". Es gibt viele verschiedene Arten von Dünger und viele verschiedene Arten von Pflanzen auf der Welt. Ein Experiment wird nicht ausreichen, um eine universelle Schlussfolgerung daraus zu ziehen. Eine viel bessere Idee ist es, ein Experiment zu der Frage zu entwerfen "Welche Konzentration von Nitrogen im Dünger produziert den größten Ernteertrag?"
- Modernes wissenschaftliches Wissen ist sehr verbreitet. Wenn du versuchst, ernsthafte wissenschaftliche Forschung zu betreiben, musst du dein Gebiet sehr ausgiebig studieren. Haben bereits ausgeführte Experimente die Frage bereist beantwortet, die du in deinem Experiment studieren möchtest? Wenn das der Fall ist, stelle die Frage, ob es eine Möglichkeit gibt, das Thema so anzupassen, dass es die Fragen behandelt, die durch die vorhandene Forschung noch nicht beantwortet wurden?
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Isoliere deine Variablen. Die guten wissenschaftlichen Experimente testen die spezifischen, messbaren Parameter, die auch als '"Variable'" bezeichnet werden. Allgemein gesagt führt der Wissenschaftler ein Experiment für eine Reihe von Werten für die Variable, die er testet, durch. Ein vitaler Gesichtspunkt bei der Durchführung eines Experiments ist es, nur die spezifische Variable, die du testest, anzupassen (und nicht die anderen Variablen).
- In unseren Dünger-Beispiel würde der Wissenschaftler zum Beispiel zahlreiche Maispflanzen in der mit Dünger angereicherten Erde ziehen, wobei sich die Nitrogenkonzentrationen unterscheiden. Der Wissenschaftler würde sogar jeder Maispflanze exakt die gleiche Menge Dünger geben. Er würde sicherstellen, dass die chemischen Komponenten des verwendeten Düngers sich nicht in keiner Form außer der Nitrogenkonzentration unterscheiden. Er würde zum Beispiel keinen Dünger mit einer höheren Konzentration von Magnesium für eine seiner Pflanzen verwenden. Er würde auch die exakt gleiche Anzahl und Sorte von Maispflanzen zu der gleichen Zeit und in der gleichen Art von Boden für jede Replikation seines Experiments verwenden.
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Stelle eine Hypothese auf. Eine Hypothese ist kurz gesagt eine Vorhersage des Ergebnisses von deinem Experiment. Es sollte keine blinde Vermutung sein. Die guten Hypothesen sind durch die Hintergrundrecherche, die du betreibst wenn du dein Gebiet auswählst, fundiert. Basiere deine Hypothese auf den Ergebnissen von ähnlichen Experimenten, die von den Kollegen auf deinem Gebiet durchgeführt wurden. Wenn du ein Problem angehst, das noch nicht gründlich studiert wurde, basierst du deine Hypothese auf einer Kombination aus literarischer Recherche und den aufgezeichneten Beobachtungen, die du finden kannst. Denke daran, das trotz deiner exzellenten Arbeit bei der Recherche, deine Hypothese sich trotzdem als falsch erweisen kann. In diesem Fall solltest du deine Kenntnisse dahingehend erweitern, dass du den Beweis für die "Unrichtigkeit" deiner Voraussage erbracht hast.
- Typischerweise wird eine Hypothese als ein mengenmäßiger Aussagesatz ausgedrückt. Die Hypothese berücksichtigt auch das Verfahren, mit dem die experimentellen Parameter gemessen werden. Eine gute Hypothese für unser Dünger-Beispiel ist: "Die Maisernte, die mit einem Pfund Nitrogen pro 25 kg ergänzt wird, ergibt eine höhere Ertragsmasse, als eine gleichwertig Maisernte, die mit unterschiedlichen Nitrogengaben gereift ist."
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Plane deine Datensammlung. Wisse im Voraus, "wann" du Daten sammeln wirst und "welche Art" von Daten du sammeln wirst. Miss die Daten in einer vorher bestimmten Zeit oder in anderen Fällen in regelmäßigen Intervallen. In unserem Dünge-Experiment zum Beispiel wirst du das Gewicht (in Kilogramm) von deiner Maisernte nach der Wachstumsperiode ermitteln. Wir werden diese Ergebnisse mit den Nitrogenkonzentraten der verschiedenen Dünger, mit dem jede Pflanzung behandelt wurde, vergleichen. Bei anderen Experimenten (wie solchen, die den Wechsel einer bestimmten Variablen in einem Zeitraum messen), ist es notwendig, die Daten in regelmäßigen Intervallen zu messen.
- Es ist eine gute Idee, eine Datentabelle im Voraus einzurichten. Du kannst deine Messdaten einfach in die Tabelle eintragen, wenn du sie feststellst.
- Kenne den Unterschied zwischen deinen abhängigen und deinen unabhängigen Variablen. Eine unabhängige Variable ist die Variable, die du auswechseln kannst. Eine abhängige Variable ist die Variable, die von der unabhängigen Variablen beeinflusst wird. In unserem Beispiel ist die "Nitrogenkonzentration" die "unabhängige" Variable. Der "Ertrag (in Kilogramm)" ist die "abhängige" Variable. Eine Grundtabelle hat Spalten für beide Variablen, die sich zueinander verändern.
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Führe dein Experiment methodisch aus. Starte dein Experiment und teste es auf die Variable. Das erfordert fast immer, dass du das Experiment viele Male für die zahlreichen Werte deiner Variablen durchführen musst. In unserem Dünger-Beispiel werden wir viele identische Maispflanzen anbauen und sie mit dem Dünger, der verschiedene Mengen an Nitrogen enthält, düngen. Generell gilt: je weiter der Bereich der Daten die du erfassen kannst ist, desto besser. Zeichne so viele Daten wie möglich auf.
- Ein guter Aufbau bei dem Experiment berücksichtigt auch den Aspekt der "Kontrolle". Eine von deinen experimentellen Replikationen, sollte die Variablen "nicht" enthalten, die du testest. In unserem Dünger-Beispiel werden wir eine Maisanpflanzung berücksichtigen, die mit einem Dünger gedüngt wird, der kein Nitrogen enthält. Das wird unsere Kontrolle sein. Es wird die Grundlinie sein, an der wir das Wachstum von unserer Maisernte messen.
- Beachte alle erdenklichen Sicherheitsmaßnahmen, die im Zusammenhang mit gefährlichen Materialien oder Prozessen in deinem Experiment stehen.
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Sammele deine Daten. Zeichne deine Daten direkt in der Tabelle auf, wenn das möglich ist. Dieses Verfahren wird dir eine Menge Kopfschmerzen sparen, wenn du die Daten erneut eingeben und vergleichen musst. Wisse, wie du die Sonderfälle in deinen Daten behandeln musst.
- Es ist immer eine gute Idee, deine Daten visuell wiederzugeben, wenn kannst. Zeichne Datenpunkte in einem Diagramm ein oder drücke den Verlauf mit einer Linie oder Kurve aus, wenn es besser passt. Das wird dir helfen (und jedem anderen, der das Diagramm sieht) die Muster in den Daten zu erkennen. Für die einfachsten Experimente wird die unabhängige Variable auf der horizontalen x-Achse und die abhängige Variable auf der vertikalen y-Achse repräsentiert.
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Analysiere deine Daten und ziehe deine Schlussfolgerung. War deine Hypothese korrekt? Lag der Verlauf, den du beobachtet hast, innerhalb des Datenbereichs? Hast du unerwartete Daten entdeckt? Hast du irgendwelche unbeantwortete Fragen, die vielleicht in einem zukünftigen Experiment behandelt werden können? Versuche diese Fragen zu beantworten, wenn du deine Resultate bewertest. Wenn deine Daten die Hypothese nicht definitiv mit "ja" oder "nein" bestätigen, denke darüber nach zusätzliche experimentelle Versuche durchzuführen und mehr Daten zu sammeln.
- Um deine Ergebnisse zu teilen, schreibst du eine wissenschaftliche Abhandlung. Es ist eine nützliche Fähigkeit zu wissen, wie du eine wissenschaftliche Abhandlung schreibst. Die Ergebnisse der meisten neuen Recherchen müssen in einem spezifischen Format geschrieben und veröffentlicht werden.
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Wähle ein Gebiet und definiere deine Variablen. Für den Zweck von diesem Beispiel werden wir ein einfaches, klein angelegtes Experiment wählen. In unserem Experiment werden wir den Effekt von verschiedenen Brennstoffen aus Spraydosen hinsichtlich der Feuerkraft von Kartoffelkanonen testen.
- In diesem Fall ist die Art des Aerosolgases, das wir benutzen die "unabhängige Variable" (die Variable, die wir verändern), wohingegen das Spektrum des Projektils die "abhängige Variable" ist.
- Die folgenden Dinge sollten bei diesem Experiment bedacht werden: Gibt es eine Möglichkeit sicherzustellen, dass das Gewicht der Kartoffelmunition immer gleich ist? Gibt es eine Möglichkeit, immer die gleiche Menge von dem gasförmigen Brennstoff bei jedem Schuss in die Kanone zu füllen? Diese beiden Aspekte können das Spektrum von deiner Kanone beeinträchtigen. Wiege jede Kartoffel im Voraus und fülle bei jedem Schuss die gleiche Menge Gas in die Kanone.
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Stelle deine Hypothese auf. Wenn wir Haarspray, Kochspray und Sprühfarbe testen, können wir behaupten, dass das Haarspray ein Aerosolgas mit einem höheren Anteil an Butan als die anderen Sprays enthält. Weil wir wissen, dass das Butan brennbar ist, können wir die Hypothese aufstellen, dass das Haarspray eine größere, vorwärtstreibende Schusskraft besitzt, wenn es gezündet wird und ein Kartoffelprojektil deshalb über eine größere Distanz befördert. Wir würden unsere Hypothese mit den folgenden Worten abfassen: "Je höher der Butananteil in dem vorwärtstreibenden Aerosolgas des Haarsprays ist, desto länger wird das Spektrum sein, in dem das Kartoffelprojektil mit einem Gewicht von 250-300 Gramm fliegt."
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Organisiere deine Datensammlung im Voraus. In unserem Experiment werden wir jedes Aerosolgas 10 Mal testen und die Durchschnittswerte ermitteln. Wir werden auch ein Aerosolgas ohne Butan als Kontrolle für diesen Test testen. Als Vorbereitung werden wir unsere Kartoffelkanone zusammensetzen. Wir werden sie testen und sicherstellen, dass sie funktioniert. Wir werden unser Aerosolspray kaufen und die Kartoffelprojektile wiegen und schneiden.
- Wir erstellen unsere Datentabelle im Voraus. Wir werden fünf vertikale Spalten haben:
- Die Spalte auf der linken Seite wird mit "Probe #." Die Zellen in dieser Spalte werden einfach die Nummern 1-10 enthalten. Sie stehen für jeden Schießversuch.
- Die folgenden vier Kolonnen werden mit den Namen der Aerosolsprays, die wir in diesem Experiment verwenden, bezeichnet sein. Die zehn Zellen unter jeder Spaltenüberschrift werden die Entfernung (in Metern) von jedem Schuss enthalten.
- Lasse etwas Platz unter den vier Kolonnen für jedes Gas, um den Durchschnittswert der Entfernungen zu notieren.
- Wir erstellen unsere Datentabelle im Voraus. Wir werden fünf vertikale Spalten haben:
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Führe das Experiment aus. Wir werden mit jeden Aerosolspray 10 Schüsse abfeuern und dabei jeweils die gleiche Menge Spray für jedes Projektil verwenden. Nach jedem Schuss werden wir die Entfernung, die das Projektil geflogen ist, mit einem langen Bandmaß messen. Notiere diese Daten in deiner Tabelle.
- Wie bei vielen Experimenten gibt es auch bei unserem Experiment bestimmte Sicherheitsmaßnahmen, die zu bedenken sind. Das Aerosolgas, das wir verwenden, ist entflammbar. Wir sollten die Feuerklappe der Kartoffelkanone sicher verschließen und schwere Handschuhe tragen, wenn wir das Gas entzünden. Um Verletzungen durch die Projektile zu vermeiden, sollten wir auch sicherstellen, dass wir (und mögliche Beobachter) an der Seite von der Kartoffelkanone und nicht davor oder dahinter stehen.
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Analysiere die Daten. Nehmen wir an, dass wir herausgefunden haben, dass das Haarspray am weitesten geschossen hat, aber das Kochspray beständiger war. Wir können diese Daten visuell repräsentieren. Eine gute Möglichkeit, die Durchschnittswerte von jedem Spray wiederzugeben ist es, ein Balkendiagramm zu erstellen. Ein Streudiagramm ist dagegen eine gute Möglichkeit, die Abweichungen der einzelnen Werte für jeden Schuss darzustellen.
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Ziehe deine Schlussfolgerungen. Reflektiere die Resultate deines Experiments. Basierend auf den Daten, können wir mit Sicherheit sagen, dass unsere Hypothese richtig war. Wir können auch sagen, dass wir etwas herausgefunden haben, das nicht vorhersehbar war und zwar, dass das Kochspray die beständigsten Ergebnisse erzeugt hat. Wir können auch über Patzer und Probleme referieren, mit denen wir konfrontiert waren. Zum Schluss können wir Bereiche für weitere Recherchen empfehlen, wie zum Beispiel höhere Werte mit einer größeren Menge Gas zu erreichen.
- Wir können unsere Ergebnisse sogar mit der Welt in Form eines wissenschaftlichen Papiers teilen, das die Thematik von unserem Experiment behandelt. Es ist möglicherweise angemessener, diese Informationen in Form einer dreiteiligen wissenschaftlichen Broschüre zu präsentieren.
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Tipps
- Habe Spaß und achte auf die Sicherheit.
- Wissenschaft bedeutet, Fragen zu stellen. Habe keine Scheu, ein Thema zu wählen, das noch niemand zuvor erforscht hat.
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Warnungen
- Trage einen Augenschutz.
- Wenn du etwas in die Augen bekommst, spüle es mindestens 5 Minuten lang mit warmen Wasser aus.
- Bewahre weder Getränke noch Lebensmittel in der Nähe deines Arbeitsplatzes auf.
- Wasche deine Hände vor und nach dem Experiment.
- Wenn du scharfe Messer, gefährliche Chemikalien oder heiße Flammen benutzt, stelle sicher, dass ein Erwachsener die Aufsicht über dich hat.
- Trage Gummihandschuhe wenn du mit Chemikalien umgehst.
- Binde lose Haare zurück.
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