Experimentelle Variablen: Unabhängig, Abhängig, Kontrolle

In einem Experiment ist die unabhängige Variable der Faktor, den der Experimentator absichtlich ändert, die abhängige Variable ist der Faktor, der gemessen wird, um den Effekt zu sehen, und die Kontrollvariablen sind alle anderen Faktoren, die konstant gehalten werden. Kurz gesagt: In einem Test, wie die Temperatur die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der sich Zucker auflöst, ist die Temperatur die unabhängige Variable, die Zeit, um sich aufzulösen, ist die abhängige Variable und die Menge an Zucker, das Volumen von Wasser und Rühren werden kontrolliert.

Das Verständnis von Variablen ist die Grundlage eines fairen Tests. Wenn sich mehr als ein Faktor auf einmal ändert, gibt es keine Möglichkeit zu wissen, welcher das Ergebnis verursacht hat. Dieser Artikel definiert jede Art von Variable, zeigt, wie sie in einer Untersuchung identifiziert werden können, erklärt Kontrollgruppen und Replikation, gibt eine Tabelle mit Beispielen, arbeitet durch das Design eines Experiments und gibt die Geschichte der kontrollierten Experimente.

Was sind unabhängige, abhängige und Kontrollvariablen?

Unabhängige Variable (manipulierte Variable): der eine Faktor, den Sie absichtlich ändern. Sie wählen ihre Werte, zum Beispiel 10, 20, 30 und 40 °C.
Abhängige Variable (Responsing Variable): der Faktor, den Sie messen. Ihre Werte hängen von der unabhängigen Variable ab. Beispiele sind das produzierte Gasvolumen, Masse, Zeit oder eine Temperaturänderung.
Kontrollvariablen (kontrollierte Variablen): alle anderen Faktoren, die das Ergebnis beeinflussen könnten und die in jeder Studie gleich bleiben. Beispiele sind das Volumen der Lösungen, die Feststoffmasse, die verwendete Apparatur und die Temperatur (wenn es sich nicht um die unabhängige Variable handelt).

Wie identifizieren Sie die Variablen?

Schreibe das Ziel der Untersuchung in der Form “Wie beeinflusst X Y?” um. X ist die unabhängige Variable und Y ist die abhängige Variable. Zum Beispiel: “Wie beeinflusst die Konzentration von Salzsäure die Reaktionsgeschwindigkeit mit Magnesium?” Die Konzentration ist unabhängig und die Rate (gemessen als Zeit oder Volumen von Wasserstoff) ist abhängig. Dann listen Sie alles andere auf, was das Ergebnis ändern könnte, und entscheiden Sie, wie Sie jeden Faktor konstant halten.

Beispiele für Variablen in Chemieexperimenten

Variablen in typischen Untersuchungen
Fragestellung	Unabhängig	Abhängig	Kontrolliert
Ändert sich die Temperatur, wie viel Zucker sich auflöst?	Wassertemperatur	Zuckermasse gelöst	Wasservolumen, Zuckerart, Rührzeit
Wie beeinflusst die Säurekonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit mit Magnesium?	Säurekonzentration	Zeit für das Magnesium zu verschwinden	Masse und Länge des Magnesiums, Volumen der Säure, Temperatur
Wie verändert die Salzmasse den Siedepunkt von Wasser?	Salzmasse	Siedetemperatur	Wasservolumen, Heizmethode, Thermometer
Welche Marke von Antazida neutralisiert die meiste Säure?	Marke	Volumen der neutralisierten Säure	Anzahl der Tabletten, Säurekonzentration, Indikator
Wie beeinflusst die Teilchengröße von Marmor die Reaktionsgeschwindigkeit mit Säure?	Größe der Marmorschnitzel	Volumen von CO₂ pro Minute	Marmormasse, Säurevolumen und -konzentration, Temperatur

Was ist eine Kontrollgruppe?

Eine Kontrollgruppe ist eine Probe, die wie die anderen behandelt wird, mit der Ausnahme, dass die unabhängige Variable nicht angewendet wird oder einen Ausgangswert aufweist. Es zeigt, was ohne die Änderung passiert und gibt einen Vergleichsbezug. Bei der Prüfung, ob ein Dünger Pflanzen hilft zu wachsen, sind Pflanzen, die nur Wasser erhalten, die Kontrollgruppe. In der Chemie kann eine Kontrolle oder ein Blindwert eine Lösung sein, die alles außer der Substanz von Interesse enthält, und es hilft, die Wirkung der Reagenzien oder der Umwelt aufzudecken.

Wie gestaltet man einen fairen Test?

Stellen Sie eine klare Frage und eine überprüfbare Vorhersage (Hypothese) dar.
Wählen Sie eine unabhängige Variable und entscheiden Sie sich für einen geeigneten Bereich und eine geeignete Anzahl von Werten, typischerweise mindestens fünf.
Wählen Sie eine abhängige Variable, die genau gemessen werden kann, und wählen Sie ein Instrument mit geeigneter Präzision.
Listen Sie die Kontrollvariablen auf und entscheiden Sie, wie Sie jede Konstante halten.
Planen Sie wiederholte Versuche, idealerweise mindestens drei bei jedem Wert, um die Konsistenz zu überprüfen und Durchschnittswerte zu berechnen.
Schreiben Sie eine step-by-step-Methode, einschließlich Sicherheitsvorkehrungen.
Erstellen Sie im Voraus eine Datentabelle.

Bearbeitetes Beispiel: Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration

Ein Student untersucht, wie die Konzentration von Natriumthiosulfat die Zeit beeinflusst, die ein Kreuz unter dem Kolben benötigt, um zu verschwinden, wenn Salzsäure hinzugefügt wird.

Unabhängige Variable. Konzentration von Natriumthiosulfat: 0.050, 0.100, 0.150, 0.200 und 0.250 mol/L, durch Verdünnen einer Stammlösung.
Abhängige Variable. Zeit bis zum Verschwinden des Kreuzes, gemessen mit einer Stoppuhr auf 0.1 s.
Kontrollvariablen. Volumen Thiosulfat (50.0 mL), Volumen und Konzentration der Salzsäure (5.0 mL 1.0 mol/L), Temperatur (25 °C, im Wasserbad), derselbe Kolben und Kreuz sowie die gleiche Person, die den Endpunkt beurteilt.
Wiederholungen. Drei Versuche für jede Konzentration.

Beispielergebnisse (Zeit in Sekunden)
Konzentration (mol/L)	Prozess 1	Prozess 2	Prozess 3	Mittlere Zeit (s)
0.050	96	100	98	98
0.100	51	49	50	50
0.150	32	34	33	33
0.200	26	24	25	25
0.250	19	21	20	20

Die mittlere Zeit nimmt mit zunehmender Konzentration ab. Eine Möglichkeit zum Vergleichen ist die Rate, definiert als 1 ÷ Zeit: bei 0.050 mol/L ist es 1 ÷ 98 = 0.0102 s⁻¹,, und bei 0.250 mol/L ist es 1 ÷ 20 = 0.0500 s⁻¹. Die Konzentration ist fünfmal größer, und die Rate ist 0.0500 ÷ 0.0102 = 4.9 mal größer, so dass die Rate ungefähr proportional zur Konzentration unter diesen Bedingungen ist. Die Daten zeigen einen klaren Trend, und die wiederholten Versuche unterscheiden sich nur um wenige Sekunden, was darauf hindeutet, dass die Kontrollen funktioniert haben.

Wie erscheinen Variablen in Graphen?

Konventionell ist die unabhängige Variable auf der horizontalen Achse (x) und die abhängige Variable auf der vertikalen Achse (y) aufgetragen. Jede Achse ist mit der Menge und der Einheit gekennzeichnet. Für Kategorien, wie Marken, wird ein Balkendiagramm verwendet, und für numerische unabhängige Variablen wird ein Streudiagramm oder ein Liniengraph verwendet. Der Graph sollte einen Titel haben, und die Punkte sollten genau mit einer Linie oder Kurve der besten Passform aufgetragen werden.

Woher kommt das kontrollierte Experiment?

Die Idee eines kontrollierten Vergleichs geht auf frühe Wissenschaftler zurück. Ibn al-Haytham (Alhazen), im 11Jahrhundert, schrieb über das Testen von Hypothesen durch Experimente. In der 17Jahrhundert Francis Bacon förderte systematisches Experimentieren. Robert Boyles Experimente zum Luftdruck in der 1660s änderten eine Variable nach der anderen und zeichneten Ergebnisse auf. In der 20Ronald Fisher entwickelte das statistische Design von Experimenten, das die Grundlage des modernen experimentellen Designs bildet.

Welche Fehler treten häufig auf?

Fehler 1: Ändern von mehr als einer Variable auf einmal

Wenn sowohl die Temperatur als auch die Konzentration geändert werden, können Sie nicht sagen, welche die Änderung verursacht hat.

Fehler 2: Verwirren der abhängigen und unabhängigen Variablen in einem Graphen

Die, die Sie steuern, geht auf der x-Achse, und die, die Sie messen, geht auf der y-Achse.

Fehler 3: Benennung einer Kontrollvariable, ohne sie konstant zu halten

Auflistung “Temperatur” als kontrolliert ist nicht genug. Geben Sie an, wie Sie es konstant halten, zum Beispiel mit einem Wasserbad.

Fehler 4: Verwenden nur eines Versuchs

Ein einzelnes Ergebnis kann ein Unfall sein. Wiederholen Sie das Experiment und verwenden Sie den Mittelwert.