Comment mener une expérience scientifique

Dans l’espoir de découvrir de nouvelles connaissances, les scientifiques examinent et analysent les phénomènes naturels par le biais de l’expérimentation. Pour qu’une expérience soit bénéfique à la construction du savoir, celle-ci doit suivre un schéma logique, afin que l’on puisse dégager et étudier différentes variables. Plus ces dernières seront précises et bien définies, plus on sera en mesure de tirer des conclusions à propos de tel ou tel phénomène. En effet, toutes les expériences dignes de ce nom suivent les principes logiques de déduction de la méthode scientifique, en commençant par l’horloge de nos 10 ans, alimentée par des pommes de terre, jusqu’aux recherches de pointe de Higgs Boson. Pour être en mesure d’appliquer ces principes à vos propres expériences, lisez l’article qui suit : il se propose de vous en présenter les bases.

Concevoir une expérience rigoureusement scientifique

  1. Choisissez un sujet particulier. Ne vous faites pas d’illusions : les expériences dont les résultats entrainent des changements majeurs au sein du paradigme scientifique sont extrêmement rares. Au contraire, la plus grande majorité des expériences répondent à de petites questions bien précises. Pour construire la connaissance scientifique, il n’existe qu’un seul moyen : accumuler les données du plus grand nombre d’expériences possible. Il est donc préférable de se tourner vers des questions simples, dont la portée est limitée, mais mesurable.
    • Par exemple, ne vous demandez pas « Quel est la meilleure sorte d’engrais pour faire pousser des plantes ? » si vous souhaitez faire une expérience touchante aux fertilisants agricoles. Il existe tellement de types d’engrais différents dans le monde que vous ne sauriez tirer aucune conclusion utile à ce propos. Il serait largement préférable de se poser une question telle que « Quelle quantité d’azote permet à un engrais de produire les récoltes de maïs les plus productives ? »
    • Sachez que la connaissance scientifique moderne est déjà immensément étendue. Si vous prévoyez de vous lancer sérieusement dans un projet de recherche, renseignez-vous minutieusement sur le sujet choisi au préalable. En effet, il vous faut vérifier qu’aucune expérience identique n’a déjà été menée, avant de commencer à organiser la vôtre. Dans le cas où une réponse existe déjà au problème que vous souhaitiez examiner, tâchez d’ajuster votre sujet pour répondre à des questions laissées de côté jusque-là.
  2. Isoler les différentes variables. Les expériences scientifiques menées comme il se doit testent des paramètres précis et mesurables, que l’on appelle variables. En d’autres termes, les scientifiques mènent une expérience en donnant à la variable étudiée une série de valeurs différentes. Il est crucial que cette variable soit la seule à être modifiée, sans quoi les résultats seraient inutilisables. Ce n’est qu’une fois l’expérience terminée que l’on peut la renouveler, en modifiant cette fois une variable différente.
    • Reprenons l’exemple de notre expérience concernant l’engrais. Notre scientifique, avisé, va faire pousser plusieurs cultures de maïs différentes, en leur apportant des engrais dont la concentration en azote diffèrera. Il prendra bien soin d’offrir à chaque culture exactement la même quantité de fertilisant. De plus, il devra s’assurer que la composition chimique de chaque engrais est identique à celle des autres, à l’exception de la concentration d’azote. Par exemple, il n’utilisera aucun engrais dont la concentration en magnésium serait plus haute. Enfin, il portera une grande attention à ce que chaque culture comporte le même nombre d’épis de maïs que les autres, que toutes soient plantées au même moment dans le même type de terre et il les arrosera toutes de la même manière.
  3. Émettez une hypothèse. Au fond, faire une hypothèse revient à tenter de prédire le résultat de l’expérience. Rien à voir cependant avec une supposition faite au hasard. Au contraire, les bonnes hypothèses sont tirées des recherches documentaires menées au moment de choisir le sujet de l’expérience. Les résultats des expériences similaires déjà menées dans ce domaine par d’autres scientifiques doivent alors éclairer votre hypothèse. Dans le cas où vous abordez un problème qui n’a jamais été vraiment étudié, basez-la à la fois sur vos recherches documentaires, mais également sur diverses observations enregistrées. Souvenez-vous toujours que malgré vos travaux de recherches, il est tout à fait possible qu’une expérience contredise votre hypothèse. Dans ce cas, réjouissez-vous d’avoir étendu votre connaissance, en démontrant que votre hypothèse n’était pas correcte. Un pas de plus vers la vérité.
    • Comme l’on peut s’y attendre, une hypothèse est exprimée sous la forme d’une phrase déclarative, mentionnant une certaine valeur de la variable étudiée. De plus, cette hypothèse explicite également la façon dont les paramètres de l’expérience seront mesurés. Toujours pour l’exemple de l’engrais et du maïs, l’hypothèse suivante serait acceptable : « Les cultures de maïs fertilisées avec une livre d’azote par boisseau (soit 0,45 kilo d’azote pour 0,035 mètre cube de terre environ) produiront une masse récoltée supérieure à celle des cultures équivalentes de maïs, fertilisées avec des quantités d’azote différentes. »
  4. Planifiez la récolte des données. Décidez à l’avance du moment et du type de données que vous allez relever. Les résultats peuvent être mesurés après une période fixée d’avance ou, dans d’autres cas, à intervalles réguliers. Pour l’expérience concernant l’engrais et le maïs par exemple, il sera nécessaire de mesurer le poids (en kilogrammes) de la production de chaque culture, après une période de croissance définie. Il suffira ensuite de comparer ce résultat avec les différentes valeurs de la variable, c’est-à-dire la concentration d’azote des engrais utilisés. Pour d’autres expériences (par exemple celles qui mesurent l’évolution d’une certaine variable à travers le temps), il sera en revanche nécessaire de relever des résultats à intervalles réguliers.
    • Il est utile de préparer un tableau de données au préalable. Vous n’aurez plus qu’à y insérer les valeurs des différentes variables au moment où vous les relèverez.
    • Comprenez bien la différence entre les variables dépendantes et les variables indépendantes. La variable indépendante est celle dont on modifie la valeur. La variable dépendante est celle dont la valeur se trouve affectée par la variable indépendante. Toujours dans notre même exemple, la concentration d’azote de l’engrais utilisé est la variable indépendante, alors que la masse récoltée (en kg) est la variable dépendante. Le tableau de base possèdera une colonne pour chaque variable, pour y inscrire les éventuelles évolutions à travers le temps.
  5. Menez votre expérience avec méthode. Effectuez l’expérience prévue, en modifiant la valeur de votre variable. La plupart du temps, cela nécessite de reproduire l’expérience un certain nombre de fois, avec une valeur différente à chaque fois. Pour ce qui est de notre exemple concernant l’engrais, nous ferons pousser plusieurs cultures de maïs identiques et les fertiliserons avec des produits contenant des quantités d’azote différentes. En règle générale, plus vous rassemblerez de données, mieux cela vaudra. Relevez donc autant de résultats que possible.
    • Pour réaliser une expérience parfaitement méthodique, il sera nécessaire d’avoir ce que l’on appelle un contrôle. C’est-à-dire que l’une des répétitions ou des reproductions de l’expérience devra ne pas inclure du tout la variable étudiée. Dans le cas de notre exemple, cela signifie que l’une des cultures de maïs recevra un engrais complètement dépourvu d’azote. Cette culture nous servira donc de contrôle, autrement dit de point de comparaison, à partir duquel nous mesurerons la production des autres cultures de maïs.
    • Prenez toujours grand soin de suivre rigoureusement toutes les mesures de sécurité associées aux matériaux nocifs ou aux manipulations dangereuses lors de vos expériences.
  6. Récoltez les données. Dans la mesure du possible, inscrivez directement les données dans votre tableau. Vous éviterez ainsi de vous arracher les cheveux en cherchant à replacer et à consolider les données par la suite. Apprenez également à reconnaître les valeurs aberrantes au sein de votre ensemble de données.
    • Si vous le pouvez, il est bon de représenter visuellement votre ensemble de données. Placez des points sur un graphique et rendez les tendances visuellement appréciables grâce à une ligne ou une courbe de votre choix. Cela vous permettra (ainsi qu’à tous ceux qui consulteront votre graphique) de dégager un modèle de votre ensemble de données. Pour les expériences les plus simples, il suffira de reporter la variable indépendante sur un axe horizontal (ou axe des abscisses, notés x) et de reporter la variable dépendante sur un axe vertical (ou axe des ordonnées, notés y).
  7. Analysez vos données et tirez une conclusion. Votre hypothèse initiale se révèle-t-elle correcte ? Vos données traduisent-elles certaines tendances notables ? Certaines des données obtenues vous ont-elles surpris ? Certaines questions restent-elles en suspens ? Pourraient-elles être à l’origine d’une nouvelle expérience ? Tâchez de répondre à chacune de ces questions pendant que vous étudiez vos résultats. Enfin, n’hésitez pas à mener des essais supplémentaires afin de collecter de nouvelles données, particulièrement dans le cas où les données précédentes ne tranchent pas en faveur d’un « oui » ou d’un « non » définitif comme réponse à votre hypothèse.
    • Pour partager vos résultats avec le reste de la communauté scientifique, rédigez un article décrivant votre expérience de manière exhaustive (en anglais). Les résultats de la plus grande partie de la recherche moderne doivent en effet être rédigés et publiés selon un format particulier. Il est donc nécessaire que vous sachiez comment vous y prendre.

Mener une expérience-type

  1. Choisissez un sujet et définissez les différentes variables. Pour les besoins de cet exemple, orientons-nous vers une expérience simple, à la portée réduite. Étudions donc les effets de différents combustibles aérosols sur la portée de tir d’un lance-patates.
    • Dans cet exemple, notez que la variable indépendante est le combustible sous forme aérosol, alors que la variable dépendante est la distance atteinte par le projectile.
    • Pour cette expérience, il sera important de se poser les questions suivantes : comment peut-on s’assurer que chaque pomme de terre possède exactement le même poids que les autres projectiles ? Comment s’y prendre pour utiliser exactement la même quantité de combustible à chaque tir ? En effet, chacun de ces facteurs pourrait potentiellement affecter la portée de tir du patator. Pesez donc les projectiles au préalable et faites en sorte d’utiliser la même quantité d’aérosol à chaque fois.
  2. Formulez une hypothèse. Imaginons que l’on utilise pour cette expérience plusieurs types de bombes aérosol différentes : de la laque à cheveux, de l’aérosol de cuisine et de la peinture en bombe. En consultant l’étiquette du produit, on apprend que l’agent propulseur de la laque à cheveux possède une concentration en butane plus importante que les agents propulseurs des autres sprays. Et puisque l’on sait que le butane est hautement inflammable, il est raisonnable d’imaginer que la laque à cheveux propulsera les projectiles plus loin que les autres aérosols lorsqu’on y mettra le feu. C’est pourquoi notre hypothèse devrait ressembler à cela : « La concentration plus importante de butane dans la composition de l’agent propulseur de la laque à cheveux permettra, en moyenne, d’atteindre de plus grandes distances avec des projectiles pesant entre 250 et 300 grammes. »
  3. Organisez à l’avance la collecte des données. Pour des résultats représentatifs, nous testerons 10 fois chaque aérosol et calculerons la moyenne des données récoltées. Nous réaliserons également le test avec un combustible aérosol dépourvu de butane, en guise de contrôle expérimental. Mais pour commencer, il faudra évidemment fabriquer un canon à patates et l’essayer pour s’assurer de son bon fonctionnement. De plus, il sera nécessaire d’acheter une série de sprays, ainsi qu’une bonne quantité de pommes de terre. Ces dernières devront être pesées minutieusement, voire taillées pour qu’elles aient toutes la même taille et le même poids.
    • Nous devrons également dresser le tableau où nous inscrirons les résultats. Pour cela, il faudra tirer cinq colonnes verticales :
      • La première colonne, celle de gauche, portera pour titre « Test n°. » Les cellules représenteront chacune des mises à feu ; numérotez-les de 1 à 10.
      • Les quatre colonnes suivantes porteront les noms des différents aérosols utilisés pour cette expérience. Vous reporterez la portée de chaque tir (en mètres) dans les cellules situées au-dessous de chacun des en-têtes.
      • N’oubliez pas de laisser un espace suffisant au-dessous de chacune des quatre colonnes relatives aux combustibles, afin de pouvoir y noter la valeur moyenne des portées atteintes.
  4. Réalisez l’expérience selon la méthode prévue. Nous effectuerons dix tirs avec chacun des aérosols, en faisant bien attention d’utiliser exactement la même quantité de combustible à chaque fois. Il nous faudra alors utiliser un long mètre, pour mesurer la distance parcourue par chaque projectile. Il ne vous restera qu’à entrer les données dans le tableau.
    • Comme pour de nombreuses expériences, il est nécessaire d’observer certaines règles de sécurité. En effet, nous devrons manipuler des combustibles aérosols facilement inflammables. Il est donc crucial de fermer correctement le couvercle de la chambre de combustion et de porter une bonne paire de gants au moment de la mise à feu. Pour éviter de blesser quelqu’un avec les projectiles, assurez-vous que tout le monde (vous et n’importe quel observateur) soit placé sur les côtés du canon lors du tir. Personne de doit rester devant ou derrière le lance-patates, en aucun cas.
  5. Analysez l’ensemble des données. Imaginons que la portée de tir de la laque à cheveux soit en moyenne supérieure aux autres aérosols, mais que les résultats obtenus avec l’aérosol de cuisson soient plus stables et constants. Dans tous les cas, il est utile de représenter visuellement des résultats. Les histogrammes sont particulièrement pratiques pour représenter des moyennes, alors que les diagrammes de dispersion montrent plus clairement les variations de la portée de chaque combustible.
  6. Tirez-en des conclusions. Prenez le temps de réfléchir aux résultats obtenus. Dans le cas utilisé, on peut s’appuyer sur les données collectées pour affirmer que notre hypothèse était correcte. On remarquera également que nous avons découvert un fait que nous n’avions pas prédit : l’aérosol de cuisine entraine des résultats plus stables. Par ailleurs, il est de mise de faire un rapport des différents problèmes ou ratés rencontrés. Nous pourrions par exemple avoir eu certaines difficultés pour tirer, à cause d’une accumulation de peinture dans la chambre de combustion du canon pendant les tests menés avec la peinture en spray. Pour finir, il nous revient de proposer de nouvelles voies de recherche. Il serait par exemple intéressant de se pencher sur les portées de tir que l’on obtiendrait avec des quantités de combustible plus importantes.
    • Il est même possible de partager nos résultats avec le reste du monde, sous la forme d’un article scientifique. Ceci dit, étant donné la portée du sujet étudié, il serait peut-être plus adapté de le présenter sous la forme d’un dépliant lors d’un salon relatif aux sciences.

Conseils

  • Répondre à de grandes questions est la raison d’être de la science. N’hésitez donc pas à vous attaquer à des sujets qui vous sont complètement étrangers.
  • Amusez-vous, sans oublier d’observer les règles de sécurité.

Avertissements

  • Portez des lunettes de protection.
  • Si un produit quelconque entre en contact avec vos yeux, rincez-les abondamment avec de l’eau pendant au moins 5 minutes.
  • Ne laissez jamais de nourriture ou de boisson près de votre poste de travail.
  • Lavez-vous minutieusement les mains avant et après chaque expérience.
  • Demandez à un adulte de vous assister dans le cas où vous devez utiliser des lames aiguisées, des produits chimiques dangereux ou du feu.
  • Portez systématiquement une paire de gants en caoutchouc lorsque vous manipulez des produits chimiques.
  • Attachez les cheveux longs.
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