Jak na řešení experimentálních úloh
Experimenty jsou nedílnou součástí vědeckého výzkumu. Vy sami si při vypracování experimentální úlohy můžete zkusit, jak tato práce vypadá ze svého domova. V rámci experimentální úlohy si sami navrhnete metodu provedení experimentu, vytvoříte si svoji měřící aparaturu a následně naměřené hodnoty zpracujete. Při vypracování experimentální úlohy je tedy důležité nejen provést pokus, ale i správně zaznamenat jeho výsledky, zpracovat je a vyhodnotit z nich závěr. Na této stránce najdete návod, který vám při vašem zpracování může pomoct.
Základní aspekty řešení
Řešení experimentální úlohy by mělo mít zhruba tyto části:
- Úvod
- Úvahy a teoretické výpočty
- Popis uspořádání experimentu
- Představení výsledků měření
- Diskuze
- Závěr
Toto dělení není striktní, některé z částí je možné spojit dohromady (např. úvod může volně přejít v teoretické úvahy, diskuze může být zahrnuta do závěru atd.).
Úvod
- Úvod by měl ukotvit text v oblasti fyziky, jíž se pokus týká. Jednoduše řečeno, měl by popsat, jaké oblasti fyziky se experiment cca týká.
- Úvod obsahuje obecně známé poznatky, které jsou relevantní pro daný experiment a ze kterých se vychází.
Úvahy a teoretické výpočty
- V této části by měly být rozvíjeny myšlenky a základní vztahy zmíněné v úvodu.
- To znamená, že ze všeobecně známých poznatků máte odvodit důsledky pro svůj experiment. Typicky je to např. odvození rovnice, podle které se bude fyzikální systém při experimentu chovat.
- Občas však zadáváme experimenty, kde jsou teoretické výpočty příliš obtížné či dokonce nemožné. V tom případě sepište úvahy, jak se asi bude systém chovat a co od něj očekáváte.
- Zde by se také měly nacházet všechny použité konstanty.
- V textu zmiňujte pouze vzorečky a konstanty, které v experimentu využijete nebo jsou opravdu zásadní pro vysvětlení experimentu.
Popis uspořádání experimentu
- Toto je velmi důležitá část řešení a nesmí být ošizena! V této kapitole popisujete pomůcky použité v experimentu a metodu měření.
- Tam, kde je to relevantní, měly by být kvantitativně uvedeny parametry použitých pomůcek (např. je fajn uvést hmotnost závaží kyvadla a hmotnost lanka, i kdybychom pracovali v aproximaci matematického kyvadla - má to důsledky do diskuze, kde musíme posoudit, jestli aproximace matematického kyvadla byla korektní).
- Provedení experimentu musí být podrobně popsáno. Podle tohoto popisu musí být možné zopakovat měření. Pokud není jasné, s jakými pomůckami se pracovalo (+ parametry pomůcek, kde to má smysl) a jakou metodou se měřilo, nemůžete dostat plný počet bodů.
- V této části je taktéž možné diskutovat nepřesnosti použitých měřicích přístrojů.
Prezentace výsledků měření
- Klíčovým výstupem měření bude ve valné části experimentů graf. Ve vědě i jinde v životě je grafická prezentace výsledků žádoucí. Graf sdělí informaci mnohem rychleji a lidštěji než tabulka s čísly.
- Většina fyzikálních experimentů přímo vybízí k tomu, aby výsledky byly prezentovány graficky (měříme závislost něčeho na něčem).
- Osy grafu musí být popsané i s jednotkami.
- Body v grafu nespojujte lomenou čarou. Taková lomená čára nemá žádný fyzikální význam, jednotlivá měření jsou zatížena chybami. Samozřejmě existují výjimky, například záznam z obrazovky osciloskopu nebo spektrální analýza, kde máme tak obří množství hustě osázených bodů, že se opticky stejně samy spojí v cca spojitou čáru.
- Taktéž by v této části měly být z naměřených dat určeny nebo spočítány klíčové výsledky (např. směrnice fitující přímky) i s chybami.
Diskuze
- V této části se zamyslete nad věrohodností výsledků, nad systematickými chybami ovlivňujícími přesnost měření. Pokud nespočítáte nejistotu měření v předchozí části, udělejte to tady. Musíte si uvědomit, co limituje přesnost jeho měření.
- Dále byste měli porovnat výsledky experimentu se svými teoretickými úvahami a výpočty a jestli je to možné, tak i s hodnotami z tabulek či z vědeckých publikací.
- Pokud nedokážete spočítat nejistotu výsledku, pokuste se ji alespoň odhadnout.
- Můžete samozřejmě navrhnout další experimenty, které by rozvinuly vaši práci či poskytly přesnější výsledky.
Závěr
- Závěr by měl shrnout nejdůležitější zjištění z experimentu. Měly by zde být znovu explicitně uvedeny klíčové výsledky měření i s jejich nejistotami.
- Taktéž by mělo být řečeno, jestli výsledky experimentu odpovídají předpovědím z části “Úvahy a teoretické výpočty”. To může být buď přímo kvantitativně, tj. sedí i číselné hodnoty v rámci chyb měření, nebo alespoň kvalitativně, tj. sedí přibližný tvar závislosti (nebo nesedí vůbec).
- Stačí pár vět, závěr by měl vypíchnout opravdu jen to nejdůležitější.
Podrobnější výklad, komentář, návody a příklady naleznete v doporučené literatuře, např. B. Vybíral: Zpracování dat fyzikálních měření (FO).