Introductie tot toepassings experiment

16. Introductie tot toepassings experiment#

16.1. Opzet#

In deze periode mag je je eigen onderzoek bedenken, opzetten en uitvoeren binnen gegeven grenzen. Om je daarbij te helpen, hebben we een aantal verschillende opstellingen voor je klaar staan. Bij elke opstelling is een stukje theorie geschreven die je op weg helpt om je onderzoek vorm te geven, zie de hoofdstukken hierna. Op basis van deze theorie kun je een voorkeur voor een bepaald experiment aangeven (enrollen op BS). Jouw onderzoek richt zich dan op dat onderwerp en wordt uitgevoerd met die opstelling. Wat je dan precies gaat onderzoeken, en hoe, dat is geheel aan jou. Er is ook de optie om een geheel eigen onderzoek op te zetten waarbij we slechts wat apparatuur geven.

Ongeacht het experiment dat je uitvoert, verwachten we dat je de kennis die je hebt verworven in het practicum, maar ook in de andere vakken, hier toepast. Het gaat er daarbij niet om dat de natuurkunde moeilijk is (maar wel op niveau), maar dat je laat zien dat je weet hoe je een goed wetenschappelijk onderzoek opzet waarbij je betrouwbare en relevante data verzamelt. We kunnen het trouwens wel extra waarderen wanneer er in Python een simulatie gebouwd wordt om zo beter het theoretische model met de experimentele resultaten te kunnen vergelijken.

Uiteindelijk leg je verslag van je uitgevoerde onderzoek in een ’wetenschappelijk’ artikel. Dat artikel bevat ook een sectie Theorie waarin je de relevante theorie beschrijft die nodig is voor de lezer om het experiment en de bevindingen te plaatsen.

16.2. Chronologie#

Om je handvatten te geven wat betreft aanpak, bieden we de onderstaande structuur met ingebouwde checks en deadlines. Voorafgaand aan de eerste week van octaal 4 moet je de experimenten hebben bestudeerd en je keuze gemaakt hebben voor een bepaald experiment. Dit kun je doen door op Brightspace te enrollen voor het specifieke experiment (op de juiste dag!).

Elke dag op de TU start je met een TA waarbij je bespreekt wat je die dag gaat doen. De TU dag sluit je ook af met een TA waarbij je reflecteert op wat je gedaan hebt, welke problemen je nog moet overwinnen en wat er op de planning staat.

De TU practicumdagen zijn schaars. Je kunt / mag op maandagen ook naar de TU komen om metingen te verrichten, dit moet wel in overleg zodat we zeker weten dat de opstelling beschikbaar is.

Het onderstaande rooster geeft een beeld van wat wanneer gedaan kan (of moet worden). Hierin kan iets verschoven worden omdat het soms zinniger is (bijv. voor de maandaggroep) om meteen metingen uit te voeren. Houd het rooster als leidraad, waarbij je wel rekening houdt met de deadlines.

Week	Dag	Onderwerp	Deadline
2.4	1	Brainstormsessie onderwerp en onderzoeksvraag
	2	Proefmetingen, testen, onderzoeksvraag specificeren. Literatuuronderzoek, onderzoeksvoorstel
3.1	1	Schrijven onderzoeksvoorstel	Onderzoeksvoorstel inleveren vr 22:00h
	2	Bespreken onderzoeksvoorstel, meten en starten verslag schrijven (structuur, intro / theorie / methode)
3.2	1	Meten 2 sessies
	2	Meten en analyse, en draft
3.3	1	Meten en analyse, en draft
	2	Meten en analyse, en draft	Inleveren draft voor peer feedback
3.4	1	Verslag legging
	2	Verslag legging	vr 22:00h

1 Brainstormsessie onderwerp: In je team bedenk je wat je precies wilt onderzoeken, hoe je dat grofweg gaat doen. Uiteraard ga je alvast op zoek naar voorbeelden van soortgelijke onderzoek.

2 Proefmetingen: Je begint met enkele proefmetingen. Op basis van die proefmetingen kun je verder specificeren wat je precies wilt onderzoeken en hoe. Input vanuit de literatuur kan hierbij verder helpen. Dit kan ook zijn dat je je MGO boek nog eens open doet of dat je een TA of de docent vraagt naar leerboeken. The Physics Teacher en Physics Education zijn bronnen die zeker de moeite waard zijn om te raadplegen. Ook start je op deze dag met het schrijven van je onderzoeksvoorstel.

3 Schrijven onderzoeksvoorstel: Zoals in een wetenschappelijk onderzoek moet je vooronderzoek leiden tot een goed onderzoeksvoorstel (anders krijg je geen geld en geen tijd). Dat onderzoeksvoorstel is de basis voor het verdere onderzoek. Het bevat de achtergrond van het onderwerp, je onderzoeksvraag, de methode, de verwachtte opbrengst. Het format dat we hier gebruiken is vrijwel gelijk aan het format dat wetenschappers gebruiken om de VICI beurs bij NWO aan te vragen.

In het voorstel leg je duidelijk uit wat je gaat onderzoeken en hoe je dat aanpakt (meetmethoden/instrumenten/analyse). Een belangrijk onderdeel van het voorstel is het tijdspad: Kom met een reëel, goed afgebakende planning. Denk van te voren goed na over verschillende relevante dingen bijv. hoeveel metingen voldoende moeten zijn om betrouwbare data te krijgen en een correcte interpretatie te maken, hoeveel parameters kun je variëren om een overzicht te vormen, welke mogelijke knelpunten kunnen er ontstaan en hoeveel extra tijd zou je dan nodig kunnen hebben om alle experimenten af te ronden et cetera. Een voorbeeld van een analyse voor de tijdsduur voor je onderzoek:

Elke meting duurt 1 min, er zijn 10 metingen per set; dus 10 min per set.
Om een Poisson verdeling te krijgen heb je minstens 25 sets metingen nodig.
Er zijn twee parameters (windsnelheid en diameter bal) die je wil graag variëren; dus totaal 50 sets metingen, ergo: 500 min (9h).
Creëert een windsnelheidveld door gebruik te maken van een ventilator. De ventilator is echter ook gebruikt door een andere groep en dus je hebt beperkte toegang tot deze. Dat kan mogelijk een klein beetje vertraging veroorzaken voor de helft (25 sets) van je metingen.

Het onderzoeksvoorstel is een GO / NO GO moment, als het onderzoek niet te realiseren is, moet je terug naar de tekentafel (uiteraard gaan we er vanuit dat het goed gaat). Het volledige onderzoeksplan is onderdeel van de beoordeling.

4 Bespreken onderzoeksvoorstel en starten verslag schrijven: We bespreken het onderzoeksvoorstel. Dit hoeft maar kort te duren. Je kunt dus tijdens deze geroosterde uren ook bezig met het schrijven van het artikel. De introductie, theorie en methode kunnen alvast opgezet en geschreven worden. De structuur van de rest van je paper kun je ook opzetten. Maak gebruik van het RevTex template.

5/6/7 Meten en analyse: Je voert het experiment volgens de beschreven methode uit. Het is daarbij verstandig om tussendoor je data te analyseren en de kwaliteit van je data te evalueren. Op basis van een tussentijdse analyse kun je je methode nog aanpassen of besluiten om meer of andere data te verzamelen. Je verwerkt je data zoals je dat geleerd hebt bij Python en Meten & Onzekerheid. Zorg ervoor dat alles duidelijk en leesbaar voor anderen in je labjournaal staat. Het labjournaal template is aangemaakt en een van de groepsleden kan de ander(en) uitnodigen.

8 Verslaglegging: Je maakt per groepje één artikel. Voor het artikel maak je gebruik van de RevTex-template. Daarnaast is het labjournaal, zoals altijd, van groot belang. Je kunt als groep werken in hetzelfde labjournaal.

16.3. Onderzoeksvoorstel#

Note: Dit template van het onderzoeksvoorstel is een aangepaste versie van het VICI template, NWO. Een word versie is hier te downloaden, alsook op Brightspace.

Titel van het onderzoeksvoorstel:

Wetenschappelijke samenvatting van het onderzoek:

Geef een wetenschappelijke samenvatting van je onderzoeksvoorstel (onderwerp, aanpak en verwachtte resultaat) in niet meer 300 woorden. Zorg voor een informatief en relevante samenvatting. De samenvatting moet helder beschrijven wat je gaat onderzoeken, waarom je dat gaat onderzoeken en welke resultaten je verwacht te vinden.

Beschrijving van het voorgestelde onderzoek:

Beschrijf het voorgestelde onderzoek zo goed mogelijk binnen het gestelde aantal woorden. Het maximumaantal woorden is 750, op niet meer dan twee pagina’s. Het woordaantal omvat tekst, referenties, voetnoten en bijschriften. Het kan helpen om proof of concept toe te voegen waarin je laat zien dat wat je wilt haalbaar is. Geef ook aan hoe je de data gaat analyseren (niet alleen dat je python gaat gebruiken).

Beschrijving van het tijdspad:

Presenteer hier het voorgestelde tijdspad: welke activiteiten wil je wanneer hebben uitgevoerd. Wat zijn de ‘zachte’ deadlines en wat zijn de harde deadlines.

Veiligheidsaspecten:

Voorafgaand aan het experiment moet er een veiligheidsanalyse uitgevoerd worden: Wat zijn risico’s die naar voren komen? Hoe kunnen die risico’s verkleind worden?

16.4. Deadlines#

Om het proces te monitoren en te sturen zijn er een aantal deadlines opgenomen. De eerste deadline is het inleveren van het onderzoeksvoorstel. TAs en docenten hebben tijd nodig om het werk te bekijken en een oordeel te geven. Om daar voldoende ruimte voor in te richten is er de deadline gesteld op 20 december.

Bij het beoordelen van het onderzoeksvoorstel kijken we naar de volgende punten:

Volledigheid
Haalbaarheid van het onderzoek (zowel in tijd als uitvoering)
Complexiteit onderzoek
Beschrijving en onderbouwing methode
…

Je levert het onderzoeksvoorstel in uiterlijk op 20 december (hoe eerder hoe beter, want dan krijg je het sneller terug). Maak van je voorstel geen boekwerk. Wel moeten alle onderdelen van het template ingevuld zijn. Belangrijk is dat het voorstel niet alleen voor 20% mee telt maar ook een GO / NO GO moment is. Als je een GO hebt kun je je experiment uitvoeren. De deadline voor het eindverslag is de vrijdag voor de 5\(^e\) week.

Bij een NO GO heb je een gesprek met een van de twee docenten. We gaan er dan gezamenlijk inventariseren wat er gedaan kan / moet worden om een succesvol onderzoek neer te zetten. Je hoeft niet het hele proces opnieuw in, maar we zoeken naar een oplossing die ervoor zorgt dat je verder kunt.

16.5. Groepsgrootte#

Je werkt met groepjes van twee tot maximaal drie personen die op dezelfde dag practicum hebben (geen onderhandelingen mogelijk).

Januari is een maand waar veel studenten zich uitschrijven voor de studie. Het kan zijn dat een van je partners dus ineens weg is. Hen die zich willen uitschrijven moedig ik toch aan om het eindproject af te ronden. Je kunt zo alsnog de punten voor het vak binnen halen. Bovendien help je de studiegenoten om een mooi cijfer te krijgen. Zie je dit toch niet zitten, meld het je partner en de practicumadministratie. Voor degene die doorgaan, als je met z’n tweeën bent moet dit geen probleem zijn. Ben je nog maar in je eentje, meld je dan bij de docent via Teams, dan zoeken we naar een oplossing.

16.6. Eisen verslaglegging#

De verslaglegging van het onderzoek is het schrijven van een ’wetenschappelijk’ artikel. Als team maak je één artikel. We stellen daaraan de volgende eisen:

Het artikel is gemaakt op basis van het RevTex-template
Het artikel heeft een abstract van niet meer dan 250 woorden
Het artikel beslaat niet meer dan 5 kantjes (dit is incl. referenties en figuren)
Geen tabellen met (veel) meetwaarden, deze beschikbaar maken in het labjournaal

16.7. Cijferopbouw#

Het cijfer voor het eindonderzoek is 20% van het totaalcijfer voor het natuurkundig practicum. Het cijfer voor het eindonderzoek is opgebouwd uit vier onderdelen:

Onderzoeksvoorstel 20%
Kwaliteit onderzoek 40%
Kwaliteit verslag 40%

16.8. Korte beschrijving experimenten#

Spectroscopie:

In het practicum heb je de spectraallijnen van een bepaalde stof bepaald. Maar we hebben nog veel meer materialen (Cd, Na, Hg, He, Ne, Xe …) waar je de spectraallijnen van kunt bepalen. Daarnaast kun je kiezen voor verschillende gratings, of het experiment uitvoeren met een cd-tje of met een prisma. Hoe ziet zichtbaar licht er uit of een LED? Met andere woorden: gebruik de kennis die je hebt opgedaan bij spectroscopie om je eigen onderzoek vorm te geven.

Luchtkussenbaan:

Een luchtkussenbaan zorgt ervoor dat een karretje vrijwel wrijvingsloos horizontaal kan bewegen. Ideaal voor de toestel van Atwood. Maar hoe groot is die wrijving dan nog? Ook biedt deze baan de mogelijkheid om botsingen te bestuderen, of harmonische oscillatoren nader te beschouwen. Genoeg keuze, veel vrijheid.

Waterdruppel:

Regendruppels… je wordt er nat van. Maar, ze bieden ook een prachtige onderzoekscontext. Hoe snel valt een regendruppel? Hangt dat af van de grote van de druppel? Wat is de wrijvingscoëfficiënt van een druppel? Dit experiment biedt een wat zonnigere kijk op regendruppels.

K-40

Radioactiviteit wordt wel eens gemeten in aantal bananen. In bananen zit namelijk een verhoogde concentratie Kalium-40, een radioactief isotoop van Kalium. In dit experiment kun je onderzoek doen naar de activiteit van een banaan, maar ook aan de slag met K-CL, een zout waarin een klein percentage K-40 aanwezig is. Houdt papier de straling tegen? Zo ja, hoeveel?

Slingers

Geef een slinger aan je onderzoek…

[De val/slinger opstelling](link hier)

Bij de bepaling van \(g\) heb je een opstelling gebruikt die voor nog veel meer experimenten gebruikt kan worden. Hoe hangt de periode van een slinger af van bijvoorbeeld de beginhoek? Kunnen we \(g\) ook bepalen met een pingpongbal? Of wat is de wrijvingscoëfficiënt van een voorwerp door het te laten vallen en de beweging in kaart te brengen? Zo maar wat vragen die beantwoord kunnen worden met deze opstelling.