Pengumpulan dan analisis data untuk penyelidikan fisika

Apa yang dimaksud dengan investigasi dalam fisika?

Fisika adalah ilmu yang mencoba menjelaskan seluruh alam semesta dengan mereduksinya menjadi serangkaian penjelasan sederhana dan hukum matematika. Seperti semua sains, sebagian besar cara melakukannya adalah dengan melakukan penelitian dan mengumpulkan data. Oleh karena itu, penting bagi setiap fisikawan pemula untuk mengetahui cara mengumpulkan data dengan andal dan apa yang harus dilakukan dengannya saat Anda memilikinya.

Agar penyelidikan dalam fisika menjadi sangat berguna, ia harus fokus pada dua variabel: variabel bebas dan variabel terikat. Variabel bebas adalah apa yang berubah dalam percobaan, dan variabel terikat adalah hasil yang Anda lihat dalam percobaan. Jadi, misalnya, jika Anda mengukur pengaruh luas permukaan terhadap waktu yang dibutuhkan sebuah benda untuk jatuh pada jarak yang diketahui, variabel bebas Anda adalah luas permukaan dan variabel terikat Anda adalah waktu yang diperlukan untuk jatuh.

Dalam eksperimen fisika, penting agar semua variabel lain tetap persis sama. (Dalam percobaan luas permukaan kita, itu akan menjadi massa benda yang sama, jarak jatuh yang sama, kondisi lingkungan yang sama, bahan yang sama, dll.). Jika ada perubahan variabel lain, tidak mungkin untuk memastikan bahwa kedua variabel yang Anda selidiki benar-benar terkait seperti yang terlihat.

mengumpulkan data

Saat mengumpulkan data untuk eksperimen fisika, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan: teknik pengukuran, pengujian, dan ketidakpastian eksperimen.

Teknik pengukuran Anda penting karena mempengaruhi kualitas data Anda. Jika Anda mengukur jarak, misalnya, mata Anda harus sejajar dengan penggaris atau pita pengukur yang Anda gunakan. Atau jika Anda mengukur waktu yang dibutuhkan benda untuk jatuh, Anda harus menggunakan mata untuk melihat saat benda mencapai titik yang ditandai – kecepatan cahaya lebih cepat daripada kecepatan suara, jadi mata lebih baik daripada mata. .

Penting juga untuk melakukan beberapa pengujian , yang berarti mengulangi eksperimen Anda beberapa kali. Semakin banyak tes yang Anda lakukan, semakin baik nilai rata-rata Anda.

Terakhir, Anda harus selalu mempertimbangkan ketidakpastian yang terlibat dalam setiap pengukuran. Bagian dari ketidakpastian ini berasal dari instrumen, yang kita sebut kesalahan pengukuran. Misalnya, penggaris mungkin hanya mengukur hingga setengah milimeter terdekat; jika matanya buruk, mungkin hanya sampai milimeter terdekat. Dan timbangan juga memiliki rentang akurasi, yang dapat Anda lihat di buku petunjuk atau dengan menghubungi produsennya. (Jumlah tempat desimal dapat memberi tahu Anda ketepatannya, tetapi itu tidak selalu dapat diandalkan.) Ketidakpastian pengukuran harus selalu diperhatikan. Misalnya, mungkin ukurannya 56 milimeter, plus minus 1 milimeter.

Tapi ada juga ketidakpastian manusia, yang kita sebut kesalahan acak. Tidak ada yang bisa menekan tombol stopwatch pada saat yang tepat, sepanjang waktu. Hasil Anda akan bervariasi di sekitar nilai sebenarnya dan rata-rata akan dibutuhkan. Tetapi waktu reaksi manusia harus diperhatikan. Mungkin Anda dapat bereaksi cukup cepat untuk mendapatkan pengukuran hingga 0,2 detik terdekat. Jadi jika Anda mengukur waktu 5 detik, sebenarnya 5 detik plus atau minus 0,2 detik.

menganalisis data

Analisis data adalah ketika penelitian disatukan untuk sampai pada beberapa kesimpulan. Dengan kata lain, lihat hasil Anda dan pertimbangkan apa artinya. Dalam fisika, grafik pertama dan terpenting yang kita buat adalah sebar yang menunjukkan bagaimana kedua variabel saling berhubungan. Kami biasanya menempatkan variabel dependen pada sumbu y grafik dan variabel independen pada sumbu x . Plot data Anda sebagai persilangan kecil.

Selanjutnya, tarik garis yang paling sesuai melalui data. Ini adalah garis yang paling mewakili data yang ditampilkan, garis yang sedekat mungkin dengan semua titik data.

Garis yang paling pas tidak harus lurus; jika data tampak melengkung, buatlah kurva. Ini bisa dilakukan dengan mata telanjang dengan kertas dan pensil, atau lebih tepatnya dihitung menggunakan komputer.

Kemudian tambahkan ketidakpastian nilai Anda menggunakan bilah kesalahan. Jika pengukuran Anda adalah 5 detik plus atau minus 0,2 detik, bilah kesalahan Anda harus berkisar antara 4,8 dan 5,2. Ini menunjukkan kepada Anda rentang di mana nilai sebenarnya mungkin, tetapi tidak pasti, berbohong. Probabilitas bahwa itu akan jatuh dalam kisaran itu diwakili oleh konvensi matematika yang dikenal sebagai standar deviasi. Mengikuti konvensi ini, standar deviasi dalam distribusi normal adalah 68%, yang mewakili probabilitas 68% bahwa nilai sebenarnya berada dalam rentang bilah kesalahan. Aturan yang sama menunjukkan bahwa ada kemungkinan 95% data Anda berada dalam dua standar deviasi, dan 99% kemungkinan data berada dalam tiga standar deviasi. Dalam fisika, bilah kesalahan umumnya mewakili satu standar deviasi, sedangkan dalam penelitian medis dua standar deviasi lebih umum.

Terakhir, kita perlu memahami data kita. Kita bisa mulai dengan menghitung persamaan garis yang paling cocok, yang mewakili hubungan antara kedua variabel kita. Dengan garis lurus, ini melibatkan pencarian kemiringan dan perpotongan y. Dengan kurva lebih rumit, tetapi komputer dapat membantu. Di sinilah banyak persamaan dalam fisika berasal: menemukan persamaan yang menghubungkan dua variabel pada grafik. Mungkin waktu yang diperlukan benda untuk jatuh menjadi dua kali lipat saat luas permukaannya menjadi dua kali lipat. Mungkin waktu yang diperlukan untuk jatuh adalah akar kuadrat dari luas permukaan ditambah 6. Apa pun itu, Anda dapat menggunakan persamaan ini untuk menarik kesimpulan tentang data Anda.

Bar kesalahan dapat membantu dalam hal ini: mereka memberi tahu Anda seberapa bagus data Anda dan seberapa besar kemungkinan hubungan Anda valid. Anda mungkin memiliki garis diagonal yang bagus, tetapi jika bilah kesalahannya besar, itu tidak memberi tahu Anda banyak; garis sebenarnya yang paling cocok bisa berada di mana saja di dalam bar kesalahan tersebut.

Ringkasan Pelajaran

Investigasi fisika melibatkan dua langkah utama: mengubah variabel independen dan melihat bagaimana pengaruhnya terhadap variabel dependen. Pengukuran yang cermat harus dilakukan dalam berbagai pengujian dan ketidakpastian harus selalu diperhatikan. Ketidakpastian ini mencakup kesalahan pengukuran, seperti ketepatan instrumen, atau kesalahan manusia secara acak, seperti seberapa cepat Anda bereaksi terhadap setiap pengujian. Kesalahan manusia dapat dikurangi dengan menjalankan beberapa tes dan menghitung rata-rata angkanya.

Saat menganalisis data, kami memplot variabel independen pada sumbu x dan variabel dependen pada sumbu y . Kami kemudian menggambar garis (atau kurva) yang paling cocok yang mendekati titik data sebanyak mungkin dan karenanya paling mewakili data. Selanjutnya, kami memplot bilah kesalahan untuk menunjukkan ketidakpastian. Terakhir, kita mencari tahu hubungan antara kedua variabel dengan mencari persamaan garis yang paling cocok. Jika bilah kesalahan tidak terlalu besar, kita dapat menggunakan ini untuk menarik kesimpulan.