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).

Jak dostat za experimentálku bonusový bod?

Předpokladem k získání bonusového bodu je vypracování experimentální úlohy a protokolu za plný počet bodů (viz výše), jinak vám pouze přilepšíme. Bonusovým bodem můžeme ocenit např. originální, důmyslnou metodu měření či použití takové pomůcky.