Afdelingen for materialeforskning Risø, DTU

Transkript

1 Afdelingen for materialeforskning Risø, DTU

2 HVORFOR?

3 HVORFOR?/

4 HVORDAN?

5 Løse et videnskabeligt spørgsmål eller problem 1. Definer spørgsmålet eller problemet 2. Indsaml information 3. Formuler en hypotese Formuler en ny hypotese 4. Udfør et n bliver ikke bekræftet 5. Gør observationer 6. Lav en konklusion n bliver bekræftet Gentag mange gange

6 OBSERVATION - af fænomen, ofte gennem måling af data eller dagligdags undren HYPOTESE - en teori om sammenhæng eller forudsigelse af et s udfald evt. gennem matematisk modellering. VERIFIKATION - test af hypotesen ofte gennem FORMIDLING - formulering af metoder, erfaring og konklusion

7 Eksempel : Magneten svæver over de kolde piller. : Pillerne spytter magnetfeltlinierne ud dvs. laver et perfekt mod-magnetfelt. Det kunne komme af nogle meget letløbende strømme. I så fald må ske et drastisk fald af modstanden i pillerne når de er kølet ned. : Ved - at måle modstanden i pillerne som funktion af temperaturen.

8 Eksperiment: Normale metaller Modstanden (resistansen) i en normal ledning afhænger af temperaturen

9 Eksperiment: Normale metaller Modstanden (resistansen) i en normal ledning afhænger af temperaturen R(T ) = R 0 (1 + α T ) R(T) af Platin C = K + 273

10 Eksperiment: Normale metaller Modstanden (resistansen) i en normal ledning afhænger af temperaturen R(T ) = R 0 (1 + α T ) R(T) af Platin C = K Modstanden bliver altså aldrig nul, uanset hvor lav temperatur

11 Eksperiment: R(T) af pillerne Måle R(T) i et stykke pille (det keramiske materiale BiSCCO med kemisk formel Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ) Temperaturen i cryostaten falder med højden over overfladen af N 2 Temperaturen måles med et platin-termometer

12 OBSERVATION af fænomen Objektet er det fænomen der studeres Eks. Frit faldende kugler Objektet og målemetoden beskrives i en målemodel Faldtiden af kugler med forskellig masse observeres ved slip fra samme højde erne er de data der måles Masse og faldtid erne giver sig udslag i - et teoretisk problem - et empirisk problem Kuglerne har samme faldtid, hvilken acceleration?

13 Opstilling af HYPOTESE r er ubekræftede teorier der kan inddeles i to kategorier - Induktive hypoteser: Sammenhængshypoteser der skal tolke eller forklare observationer. - Deduktive hypoteser: Eksistenshypoteser der skal forudsige nye observationer.galilei r bør være så simple som muligt og de skal kunne bekræftes (verificeres).

14 Opstilling af HYPOTESE DEDUKTIVE hypoteser: Deduktion er at slutte fra det generelle til det specielle d.v.s implicere Deduktion bruges til at forudsige nye observationer Eksistenshypoteser Hvis hypo sand så observation. Hvis observation imod så hypo falsk. INDUKTIVE hypoteser: Induktion er at slutte fra det specielle til generelle d.v.s generalisere Induktioner formuleres for at tolke eller forklare en iagttagelse Sammenhængshypoteser Principielt umuligt at vise en induktion er sand. Sandsynliggørelse.

15 Eksempel på deduktiv HYPOTESE Galileo Galilei ( ) opfattes som grundlæggeren af den metode. : Alle legemer falder lige hurtigt (med voksende hastighed). : Det frie fald sker ved konstant acceleration. - Deduktion: Hvis hypotesen er korrekt må der gælde s = <v> 2 t = g 2 t 2 : Eksperiment med bronzekugle og faldrende. : Meget præcis beskrivelse af udførelse og de tiltag der er gjort for at idealisere et.

16 VERIFIKATION (test) af hypoteser KVANTITATIV KVALITATIV hypoteseafprøvning: hypoteseafprøvning: Alt bliver gjort måleligt Ethvert fænomen er unikt Resultater præsenteres Man kan derfor ikke måle numerisk Undersøgelsens Undersøgelsens genstand betragtes som genstand betragtes som subjekt objekt Case research, Analytiske eller statistiske fortolkning tests

17 Teorier og naturlove Hvis konklusionen er at hypotesen er verificeret, hvad kommer så ud? En naturlov er en traditionel betegnelse for en testet hypotese der gælder for en klasse af systemer. - Eksempel Galileis faldlov s = g 2 t 2 Det er typisk for naturlove at de kun gælder hvis man gør visse antagelser eller idealiseringer - Eksempelvis ser bort fra luftmodstanden En sammenfatning af flere naturlove kaldes en teori. En teoris gyldighedsområde er større end en naturlovs. - Eksempel Newtons gravitationssteori F = GM m r 2

18 FORMIDLING Artikler i fagblade Rapporter Konferencer Artikler i aviser Foredrag Bøger Foredrag

19 FORMIDLING metode bygger på to fundamentale værdier Objektivitet - uafhængighed af observatøren Rationalitet - at være fri for selvmodsigelser metodes centrale begreb er Validitet - en og styrken af videnskabelige udsagn afgøres udfra mængden og kvaliteten af bekræftende tests.

20 FORMIDLING Viden om fælles mængde empiri på området. Vurdering af læserens baggrund. Præcis formulering af betingelser for undersøgelsen og metoder benyttet i denne er vigtig for troværdigheden. Grundig analyse af resultater. I kvantitative undersøgelser bruges ofte regressionsanalyse til at sandsynliggøre konklusionen. Perspektivering - at sætte sin undersøgelse i en sammenhæng og sammenligne med andres undersøgelser.

21 Analyse: Måleusikkerhed og databehandling : R(T ) = R 0 (1 + α T ) χ 2 = 1 d N 1 N = antallet af målepunkter d = antallet af frihedsgrader ( obs. værdi - forv. værdi ) 2 måleusikkerhed Målepunkterne vil ligge lidt anderledes hvis forsøget gentages. Den bedste rette linie fremkommer ved at minimere det såkaldte reducerede chi-kvadrat Når det red. chi-kvadrat er tæt på 1 er der god overenstemmelse mellem hypotesen og de målte data

22 Vores - genopfriskning : Magneten svæver over de kolde piller. : Pillerne spytter magnetfeltlinierne ud dvs. laver et perfekt mod-magnetfelt. Det kunne komme af nogle meget letløbende strømme. I så fald må ske et drastisk (ikke-lineært) fald af modstanden i pillerne når de er kølet ned. : Ved - at måle modstanden i pillerne som funktion af temperaturen.

23 Data med måleusikkerhed plottet på overhead Modstanden i lederen er NUL for temperaturer under en kritisk temperatur, Tc=110K Pillerne er superledere for T<Tc og kan derfor lede strøm uden modstand.

24 Hvor troværdig er en undersøgelse? - Antagelser, usikkerheder men også ærlighed! Videnskabelige undersøgelser står på skuldrene af andre videnskabelige undersøgelser, så man må stole på at andre rent faktisk har lavet de undersøgelser de beskriver i artikler og lignende. Det er muligt at producere falske data! Falske data kan afsløres hvis de ikke kan verificeres ved gentagelse af et eller hvis måleusikkerheden er urimelig lav eller for regelmæssig.

25 Fup eller fakta? Jan Hendrik Schön (1970-) en fysiker der gjorde lynkarriere på meget anerkendte universiteter og laboratorier i Europa og USA. Måleusikkerheden (støjen) er fuldstændig ens på de to kurver!! Repr. fra J. H. Schön et al., Nature 410, 189 (2001) Nature 408, 549 (2000)

26 Fup eller fakta? Her er der ingen støj! Punkterne ligger eksakt på model-kurven. Repr. fra J. H. Schön et al., Nature 410, 189 (2001) Schön blev fyret fra Bell Labs d. 25. september Sagen betragtes som den værste bedragerisag i fysik i 50 år

27 natur- videnskabelige n observation - hypotese/model - validering er brugbar indenfor fysik men måske ikke så tydelig eller anvendelig i andre fag. Hvorfor taler man så om Fysikken findes i alle naturens størrelsesordener...

28 natur- videnskabelige...men når systemet bliver tilstrækkeligt komplekst er det svært at lave matematiske (analytiske) modeller Fysik forskning idag er på meget komplekse systemer Man kan approximere/idealisere og lave computermodeller som man kan sammenholde med et og derved lave hypoteser En sådan hypotese verificeres af andre forskere ved nye er og accepteres som teori efter et vist antal ekperimenter der ikke modsiger hypotesen

29 Tak til seniorforsker Asger Bech Abrahamsen Afdelingen for materialeforskning, Risø DTU