Come Condurre un Esperimento Scientifico

La sperimentazione è il metodo attraverso il quale gli scienziati testano i fenomeni naturali nella speranza di guadagnare nuove conoscenze. I buoni esperimenti seguono un percorso logico per isolare e sperimentare delle variabili specifiche e ben definite. Imparando i principi fondamentali del processo sperimentale, imparerai ad applicare questi principi ai tuoi esperimenti. Indipendentemente dal loro scopo, tutti i buoni esperimenti operano seguendo i principi logici e deduttivi del metodo scientifico, dai progetti scolastici dell'orologio a "patata", alla ricerca d'avanguardia del Bosone di Higgs.

Ideare un Esperimento che Suoni come Scientifico

  1. Scegli un argomento specifico. Esperimenti i cui risultati stravolgano interi paradigmi scientifici sono molto, molto rari. La vasta maggioranza degli esperimenti risponde a domande piccole e specifiche. La conoscenza scientifica si basa sull'accumulo di dati ricavati da innumerevoli esperimenti. Scegli un argomento o una domanda senza risposte, dalla portata piccola e verificabile.
    • Per esempio, se vuoi condurre un esperimento su di un fertilizzante agricolo, non cercare di rispondere alla domanda "Che tipo di fertilizzante è meglio per la crescita delle piante?". Esistono moltissimi tipi di fertilizzante, così come di piante nel mondo: un singolo esperimento non sarà in grado di tracciare conclusioni universali. Una domanda molto migliore per ideare un esperimento potrebbe essere "Quale concentrazione di azoto nel fertilizzante produce un maggior raccolto di mais?"
    • La conoscenza scientifica moderna è molto, molto vasta. Se intendi fare della seria ricerca scientifica, documentati a fondo prima di cominciare a pianificare il tuo esperimento. Esperimenti passati hanno già risposto alla domanda che intende studiare il tuo esperimento? Se sì, esiste un modo per aggiustare il tiro, in modo che cerchi di esplorare domande lasciate insolute dalla ricerca esistente?
  2. Isola le tue variabili. Un buon esperimento scientifico studia dei parametri specifici e misurabili, chiamati "variabili". In termini generali, uno scienziato conduce un esperimento all'interno di un certo intervallo di valori per la variabile presa in esame. Una preoccupazione fondamentale quando conduci un esperimento, è quella di cambiare "solamente" le variabili specifiche che vuoi testare (e nessun'altra variabile).
    • Seguendo il nostro esempio dell'esperimento sul fertilizzante, lo scienziato deve far crescere a terra diverse pannocchie, con l'aiuto di fertilizzanti a diverse concentrazioni di azoto. Deve fornire la stessa identica quantità di fertilizzante a ciascuna pannocchia. Deve quindi assicurarsi che la composizione chimica dei fertilizzanti differisca solamente nella concentrazione dell'azoto -per esempio, non utilizzerà un fertilizzante con maggior concentrazione di magnesio per una delle pannocchie. Inoltre, in ogni replica del suo esperimento, farà crescere la stessa quantità e qualità di pannocchie, nello stesso tipo di terreno.
  3. Formula un'ipotesi. Un'ipotesi è sostanzialmente una previsione del risultato dell'esperimento. Non dovrebbe essere una scommessa alla cieca: ipotesi valide si basano sulla ricerca che hai condotto riguardo all'argomento del tuo esperimento. Formula le tue ipotesi sulla base dei risultati di esperimenti simili, condotti da esperti nel tuo campo, oppure, se stai affrontando una questione che non è ancora stata studiata a fondo, parti dalla combinazione di tutta la ricerca letteraria e di tutte le osservazioni registrate che riesci a trovare. Ricorda che nonostante il tuo miglior lavoro di ricerca, le tue ipotesi potrebbero rivelarsi errate: in questo caso, avrai comunque ampliato la tua conoscenza, poiché avrai dimostrato che le tue ipotesi non erano corrette.
    • Tipicamente, un'ipotesi viene espressa mediante una frase dichiarativa e quantitativa. Un'ipotesi può anche prendere in considerazione le modalità con cui verranno misurati i parametri sperimentali. Una buona ipotesi per il nostro esempio del fertilizzante potrebbe essere: "Le pannocchie trattate con una libbra di azoto per ogni acro, svilupperanno una massa produttiva maggiore rispetto a pannocchie equivalenti, trattate con differenti concentrazioni di azoto".
  4. Pianifica la raccolta dei dati. Stabilisci prima "quando" raccoglierai i dati, e "quale tipo" di dati andrai a raccogliere. Misura questi dati in un momento prestabilito o, in altri casi, ad intervalli di tempo regolari. Nel nostro esperimento del fertilizzante, per esempio, misureremo il peso delle nostre pannocchie (in chilogrammi) dopo un periodo di crescita predeterminato. Compareremo questo peso con l'azoto contenuto nel fertilizzante con cui abbiamo trattato le diverse pannocchie. Per altri esperimenti (come quelli che misurano i cambiamenti di una data variabile nel tempo), sarà necessario raccogliere i dati ad intervalli regolari.
    • Creare una tavola dei dati prima dell'esperimento è una grande idea: potrai inserire semplicemente i valori nella tavola mentre li registri.
    • Impara la differenza tra le tue variabili dipendenti e quelle indipendenti. La variabile indipendente è quella che cambi tu, mentre la variabile dipendente è quella che viene modificata al variare di quella indipendente. Nel nostro esempio, il "quantitativo di azoto" è la variabile "indipendente", mentre la "massa (in kg)" è la variabile "dipendente". Una semplice tavola dei dati dovrà contenere delle colonne per entrambe le variabili, poiché cambieranno nel tempo.
  5. Conduci il tuo esperimento con metodo. Testare le variabili richiede spesso di condurre l'esperimento diverse volte per diversi valori delle variabili. Nel nostro esempio del fertilizzante, faremo crescere diverse pannocchie identiche e le tratteremo con fertilizzanti contenenti quantità variabili di azoto. Generalmente, è meglio raccogliere uno spettro di dati il più ampio possibile. Raccogli più dati che puoi.
    • Una buona progettazione sperimentale include quello che viene definito come "controllo". Una delle repliche del tuo esperimento non dovrebbe includere la variabile che stai testando. Nell'esempio del fertilizzante, aggiungeremo una pannocchia trattata con fertilizzante che non contiene azoto. Questo sarà il nostro controllo: sarà la base da cui andremo a misurare la crescita delle altre pannocchie.
    • Osserva tutte le misure di sicurezza associate all'utilizzo di materiali nocivi durante i tuoi esperimenti.
  6. Raccogli i tuoi dati. Se possibile, raccogli tutti i dati direttamente nelle tue tabelle -ti risparmierà il gran mal di testa dovuto al reinserire e al consolidare i dati in un secondo momento. Impara come riconoscere i valori anomali nei tuoi dati.
    • È sempre una buona idea rappresentare visivamente i tuoi dati, se possibile. Traccia i picchi di dati su di un grafico, ed esprimi le tendenze con una linea o delle curve adatte. In questo modo aiuterai te stesso (e tutti quelli che osservano il grafico) a visualizzare gli andamenti dei dati. Per la maggior parte degli esperimenti basilari, la variabile indipendente è rappresentata sull'asse orizzontale delle X, mentre la variabile dipendente si trova sull'asse verticale delle Y.
  7. Analizza i tuoi dati e giungi ad una conclusione. Era corretta la tua ipotesi? Ci sono dei tracciati osservabili nei tuoi dati? Ti sei in battuto in dati inaspettati? Hai altre domande senza risposta che potrebbero formare la base di un futuro esperimento? Prova a rispondere a queste domande mentre consideri i risultati. Se i tuoi dati non ti forniscono un "sì" od un "no" definitivi, prendi in considerazione la possibilità di condurre nuove prove sperimentali, e raccogliere dati ulteriori.
    • Per condividere i tuoi risultati, scrivi un'esaustiva pubblicazione scientifica. Saper scrivere una pubblicazione scientifica è un'abilità importante, poiché i risultati di molte nuove ricerche devono essere scritti e pubblicati secondo un formato specifico.

Condurre Un Esperimento di Esempio

  1. Selezioniamo un soggetto e definiamo le nostre variabili. Per le finalità di questo esempio, considereremo un semplice esperimento su piccola scala. Testeremo gli effetti di differenti combustibili spray sulla portata di tiro di uno "sparapatate".
    • In questo caso, il tipo di combustibile spray rappresenta la "variabile indipendente", mentre la portata del proiettile è la "variabile dipendente".
    • Cose da considerare per questo esperimento: esiste un modo per assicurarsi che ogni "patata-proiettile" abbia lo stesso peso? C'è un modo per somministrare lo stesso quantitativo di carburante spray ad ogni lancio? Entrambi i fattori possono potenzialmente influire sulla portata dell'arma. Pesiamo ogni patata prima dell'esperimento, e alimentiamo ogni sparo con lo stesso quantitativo di carburante spray.
  2. Formuliamo un'ipotesi. Se vogliamo testare uno spray per capelli, uno spray da cucina ed uno spray da pittura, possiamo dire che lo spray per capelli ha un propellente ad aerosol con un quantitativo di butano maggiore rispetto agli altri. Dal momento che sappiamo che il butano è infiammabile, possiamo ipotizzare che lo spray per capelli produrrà una forza propulsiva maggiore quando innescato, lanciando più lontano il proiettile-patata. Possiamo scrivere la nostra ipotesi in questo modo: "La maggior concentrazione di butano contenuta nel propellente aerosol dello spray per capelli produrrà, mediamente, una gittata più lunga quando sparerà un proiettile-patata con un peso tra i 250-300 grammi".
  3. Organizziamo innanzitutto la raccolta dei materiali. Nel nostro esperimento, testeremo ogni carburante aerosol 10 volte, e calcoleremo la media dei risultati. Testeremo inoltre un carburante aerosol che non contiene butano, come controllo del nostro esperimento. Per prepararci, assembleremo il nostro "sparapatate", ci assicureremo che funzioni, compreremo le nostre bombolette spray e modelleremo i nostri proiettili-patate.
    • Creiamo in anticipo anche la nostra tabella dei dati. Prepariamo cinque colonne verticali:
      • La colonna di sinistra verrà etichettata come "Prova #". Ogni spazio della colonna conterrà semplicemente i numeri 1-10, che indicheranno ogni tentativo di sparo.
      • Le quattro colonne successive saranno etichettate con i nome dei differenti spray che utilizzeremo nel nostro esperimento. I dieci spazi sotto ogni colonna indicheranno la portata raggiunta (in metri) da ogni sparo.
      • Sotto ognuna delle quattro colonne dei carburanti, lasceremo uno spazio dove indicare la media dei valori delle portate.
  4. Conduciamo l'esperimento. Utilizzeremo ogni bomboletta spray per sparare dieci proiettili, utilizzando lo stesso quantitativo di spray per ogni proiettile. Dopo ogni colpo, utilizzeremo un lungo nastro per misurare la distanza percorsa dal proiettile. A questo punto registriamo i dati nella tabella.
    • Come molti esperimenti, anche il nostro prevede delle misure di sicurezza da adottare. Gli spray combustibili che utilizzeremo sono infiammabili, quindi dovremo assicurarci di chiudere bene la sicura dello sparapatate e di indossare dei guanti pesanti quando accenderemo il carburante. Per evitare ferite accidentali dai proiettili, dovremo anche assicurarci di non interferire con la traiettoria dell'arma. Evitiamo di stare dunque davanti (o dietro) di essa.
  5. Analizziamo i dati. Poniamo di aver scoperto che, in media, lo spray per capelli ha sparato le patate più lontano, ma che lo spray da cucina è stato più costante. Possiamo rappresentare visivamente questi dati. Un buon metodo per rappresentare la media delle portate di ogni spray, è attraverso l'impiego di un grafico a colonne, mentre un grafico a dispersione è un buon modo di rappresentare la variazione di ogni portata.
  6. Tiriamo le conclusioni. Riflettiamo sui risultati del nostro esperimento. Basandoci sui dati, possiamo dire con certezza che la nostra ipotesi era corretta. Possiamo anche dire di aver scoperto qualcosa che non avevamo ipotizzato, e cioè che lo spray da cucina ha prodotto i risultati più costanti. Possiamo riportare ogni problema o errore incontrato (ad esempio la vernice dello spray da disegno potrebbe essersi accumulata all'interno dello sparapatate, inceppandolo a più riprese). Infine, possiamo raccomandare delle direzioni per le future ricerche: per esempio, si potrebbero coprire distanze maggiori impiegando maggiori quantitativi di carburante.
    • Possiamo perfino condividere i nostri risultati con il mondo utilizzando lo strumento della pubblicazione scientifica; dato il soggetto del nostro esperimento, potrebbe essere più indicato presentare queste informazioni sottoforma di una triplice mostra scientifico-espositiva.

Consigli

  • Divertiti e sperimenta in sicurezza.
  • La scienza consiste nel porsi grosse domande. Non aver paura di scegliere un ambito che non hai ancora esplorato.

Avvertenze

  • Indossa una protezione per gli occhi
  • Se qualcosa ti entra negli occhi, risciacquali sotto acqua corrente per almeno 5 minuti.
  • Non consumare cibi o bevande vicino alla postazione di lavoro.
  • Indossa guanti di gomma mentre maneggi sostanze chimiche.
  • Raccogli i capelli all'indietro.
  • Lava le mani prima e dopo un esperimento.
  • Quando utilizzi coltelli affilati, agenti chimici pericolosi, o fiamme vive, assicurati di essere sotto la supervisione di un adulto.
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