7.2 Onderzoeken

Met een ligfiets haal je een hogere snelheid dan met een gewone fiets. Een hogere snelheid zorgt voor een langere remweg. Hoe bepaal je met een experiment het verband tussen de snelheid van een fiets en de

remweg?

Figuur 7.8

Het experiment

Om een onderzoeksvraag te beantwoorden, doe je een experiment. Je bedenkt eerst wat je wilt meten en hoe je gaat meten. Dit heet het werkplan. Na de uitvoering van het werkplan verwerk je de resultaten. Je sluit het experiment af met een conclusie en een evaluatie. De conclusie geeft antwoord op de onderzoeksvraag. In de evaluatie beoordeel je het resultaat van het onderzoek. Klopt je hypothese? Is het experiment voldoende betrouwbaar om de onderzoeksvraag te beantwoorden? Als dat niet het geval is, bedenk je een ander werkplan. Daarom noem je dat een onderzoekscyclus. Het stappenplan van een experiment zie je terug in figuur 7.9.

Werkplan

Tijdens het bedenken van een experiment is het belangrijk dat je weet welke grootheden een rol spelen. Vaak zoek je naar een verband tussen twee grootheden. Je gebruikt dan een meetmethode waarbij je één grootheid varieert en de andere meet. Alle andere grootheden moeten gelijk blijven, anders weet je niet welke grootheid verantwoordelijk is voor de verandering in de meetgrootheid.

onderzoeksvraag

kennis

Figuur 7.9

Voorbeeld 3 Grootheden constant houden in een werkplan

Josje en Karen onderzoeken het verband tussen de remweg van een fiets en de snelheid. Zij hebben de hypothese dat de remweg recht evenredig is met de snelheid. Ze meten de remweg bij verschillende snelheden. Elke meting voeren ze uit met Karen op haar fiets. Eerst zetten ze een krijtstreep op de weg.

Karen rijdt met constante snelheid richting de streep en leest de snelheid af. Op het moment dat ze bij de streep is, knijpt Karen de remmen maximaal in. Als Karen stilstaat, meet Josje de remweg. Welke grootheden houden Josje en Karen op deze manier constant?

Uitwerking de massa, de remkracht, het type fiets en het soort wegdek

Bij de keuze van meetinstrumenten houd je rekening met het bereik en de nauwkeurigheid waarmee je een meting wilt doen. De remweg is enkele meters. Je gebruikt dan geen meetlat van 1 m, maar een meetlint van 10 of 20 m.

In elke meting zitten meetonzekerheden. Om de onzekerheid te verkleinen herhaal je de meting enkele keren. Het gemiddelde van die metingen gebruik je dan bij de verwerking van de resultaten.

Figuur 7.10

Uitvoering

Voordat je het experiment gaat uitvoeren, wil je weten of het werkplan dat je gebruikt geschikt is om de onderzoeksvraag te beantwoorden. Je doet een klein vooronderzoek om te testen of je meetmethode tot een goed resultaat leidt. Dit heet een pilotproef. Ben je niet tevreden met de resultaten, dan moet je het werkplan aanpassen. Je kiest dan voor een andere meetmethode of andere meetapparatuur. Soms is het zelfs nodig om een andere onderzoeksvraag te stellen, als blijkt dat de gekozen vraag niet te beantwoorden is. Gaat alles naar wens, dan voer je het experiment uit volgens het (eventueel aangepaste) werkplan.

Resultaten

De meetgegevens geef je weer in tabellen en diagrammen die voldoen aan de eisen die in hoofdstuk 1 zijn gesteld. In figuur 7.11 staan de resultaten van de ‘fietsproef’ die Karen en Josje hebben uitgevoerd.

Conclusie

Figuur 7.11

Het antwoord op de onderzoeksvraag vormt de kern van de conclusie die je uit het experiment trekt. Heb je een hypothese opgesteld, dan vergelijk je de verwachte uitkomst met de werkelijke uitkomst van het experiment. Als je hypothese juist is, is je vermoeden bevestigd. Is de hypothese niet juist, dan ga je op zoek naar een verklaring. Het is ook mogelijk dat de resultaten geen uitsluitsel geven.

Voorbeeld 4 Conclusie trekken

Leg uit of de hypothese ‘remweg is recht evenredig met snelheid’ juist is.

Uitwerking De grafiek is geen rechte lijn door de oorsprong. Er is dus geen recht evenredig verband tussen de snelheid en de remweg. De hypothese is niet juist.

Evaluatie

In de evaluatie analyseer je het verloop van het experiment. Je bespreekt de meetonzekerheid van de meetmethode en de resultaten en geeft eventuele verbeterpunten aan.

Voorbeeld 5 Hypothese bijstellen

Het valt Karen en Josje op dat in figuur 7.11 de remweg meer toeneemt dan de snelheid. Ze maken daarom het diagram van figuur 7.12. Daaruit leiden ze het verband tussen de remweg en de snelheid af. Welk verband is dat?

Uitwerking De remweg is kwadratisch evenredig met de snelheid.

Figuur 7.12

Je wilt zeker weten dat de conclusie van een onderzoek klopt. De meetonzekerheid mag dus niet te groot zijn. Als iemand aan de andere kant van de wereld een vergelijkbaar experiment doet, dan moet hij tot dezelfde conclusie komen.

Voorbeeld 6 Meetonzekerheid bij een tijdmeting

Jalila en Esther doen een hardloopwedstrijd. Ze meten van elkaar in hoeveel tijd ze een afstand van 50 m lopen. Hiervoor gebruiken ze een stopwatch. Met krijtstrepen markeren ze de start en de finish. Eerst loopt Jalila en meet Esther de tijd en vervolgens loopt Esther en meet Jalila. De tijd van Jalila is 7,81 s en die van Esther 7,52 s. Neem aan dat de reactietijd 0,2 s is. Kunnen ze nu met zekerheid zeggen dat Esther de snelste was?

Uitwerking Het antwoord is nee. De meetonzekerheid bij het aflezen is gelijk aan 1

___ 10 deel van de kleinste schaal. De orde van grootte is dan een honderdste seconde. Je moet de knop op de stopwatch op het juiste moment indrukken, zowel bij de start als bij de finish. De meetonzekerheid in de tijdmeting is dan ongeveer 0,3 s. De tijd van Jalila ligt dus tussen 7,51 s en 8,11 s; de tijd van Esther tussen 7,22 s en 7,82 s. Er is dus overlap tussen de twee metingen, zie figuur 7.13. De horizontale balkjes aan de rechterkant geven de onzekerheid in de tijdmeting weer.

Een manier om de meetonzekerheid te verkleinen is door de meting te herhalen en het gemiddelde te bepalen. In het geval van de hardloopwedstrijd meten bijvoorbeeld vijf mensen de tijd.

Figuur 7.13

8 Karen en Josje onderzoeken het verband tussen de massa van de fiets plus berijder en de remweg. Ze doen dit onderzoek met behulp van een applet. a Welke hypothese zou jij opstellen bij de onderzoeksvraag van Karen en Josje?

Met de applet bepalen ze het (x,t)-diagram als de massa van de fiets plus berijder 40 kg is. Ze herhalen dit door telkens de massa met 10 kg op te hogen.

In figuur 7.14 zie je de resultaten van hun onderzoek.

b Leg uit waarom in het begin alle grafieklijnen vrijwel over elkaar heen vallen. c Leg uit dat de grafieklijn met de grootste remweg hoort bij de grootste massa. d Leg uit of je hypothese bij vraag a juist is.

9 Melvin en Yndi voeren een aantal onderzoeken uit. Ze hebben de beschikking over de volgende meetinstrumenten: stopwatch, meetlint, liniaal, voltmeter, ampèremeter, veerunster, weegschaal en thermometer.

Noem bij elk van de volgende experimenten de meetinstrumenten die je nodig hebt.

Je bepaalt: a de weerstand van een stuk draad; b de snelheid van een fietser; c het verband tussen de lengte van een slinger en de slingertijd; d het kookpunt van een vloeistof.

Figuur 7.14

10 Noem bij elk van de volgende onderzoeken welke grootheid je instelt, welke je meet en welke je constant moet houden. a Mark laat een blokje slingeren aan een stuk touw. Hij wil erachter komen waar de slingertijd van afhangt: van de lengte van het touw, van de massa van het blokje of van beide. b Een fabrikant geeft aan dat een ledlamp van 2,0 W evenveel licht geeft als een gloeilamp van 25 W. Karen wil controleren of dat klopt. c Jason en Shirley gebruiken een ingedrukte veer om een metalen balletje te lanceren. Shirley denkt dat je de veer twee keer zo ver moet indrukken om het kogeltje twee keer zo hoog te lanceren, maar Jason denkt dat dat niet zo is.

11 Alex en Nadima krijgen een lampje. Het vermogen van het lampje is onbekend, maar ligt tussen 2,0 en 5,0 W. Om het vermogen te bepalen sluiten ze het lampje aan op een spanningsbron van 20,0 V. Ze gebruiken een ampèremeter om de stroomsterkte te meten. a Teken het schakelschema. b Schrijf een werkplan voor dit experiment.

Alex en Nadima hebben de beschikking over de ampèremeter in figuur 7.15. Deze meter heeft drie meetbereiken:

I 0 tot 5,0 A

II 0 tot 500 mA

III 0 tot 50 mA c Leg uit welk meetbereik Alex en Nadima moeten kiezen tijdens hun experiment.

12 Remco en Eva hebben een experiment uitgevoerd. De resultaten van hun metingen verwerken ze in een diagram. Remco maakt het diagram van figuur 7.16 en Eva het diagram van figuur 7.17. a Leg uit dat beide grafieklijnen goed kunnen zijn. b Leg uit of de grafieklijn in figuur 7.16 een recht evenredig verband aangeeft. c Welk verband geeft de grafieklijn in figuur 7.17 aan? d Noem twee manieren om te onderzoeken welke grafieklijn de juiste is.

Figuur 7.15

Figuur 7.16 Figuur 7.17

13 Amber en Evelyn willen een experiment doen om uit te zoeken hoeveel energie er nodig is om een bepaalde hoeveelheid water 1 °C op te warmen. a Stel een onderzoeksvraag op voor dit experiment.

Amber en Evelyn gebruiken de opstelling van figuur 5.25. (Dit is een figuur in hoofdstuk 5.) In een experiment bepalen zij hoeveel elektrische energie nodig is om 100 mL water te verwarmen van 20 °C tot 80 °C. b Schrijf een werkplan voor het experiment van Amber en Evelyn.

14 Joost en Olga hebben drie pilotproeven gedaan om te bepalen welke meetmethode geschikt is voor hun onderzoek. In figuur 7.18 geeft de rode stip de werkelijke meetwaarde aan. De blauwe stippen geven hun meetresultaten weer.

Joost en Olga kiezen proef c, omdat bij deze pilotproef de meetonzekerheid het kleinst is.

a b c

Figuur 7.18

De meetonzekerheid bij pilotprof a is even groot als die bij c. Toch is proef a niet geschikt, omdat de meetresultaten afwijken van de werkelijke waarde. a Welk type fout is de oorzaak van deze afwijking? Je kunt proef b gebruiken als meetmethode onder een speciale voorwaarde. b Noem die voorwaarde.