Tema 0: El mètode científic

1.1 Introducció

Si mires al teu voltant podràs comprovar que els humans som una mica especials. Som una espècie que pot adaptar el seu medi ambient a les seves comoditats.
Això és degut a unes característiques que ens diferencien de la resta d’animals: un cervell molt desenvolupat, unes mans molt hàbils, una capacitat de comunicar-nos de forma molt eficaç i, el més important, una curiositat quasi infinita.
Gràcies a aquest paràmetres la humanitat ha anat evolucionant cercant els objectius que tota espècie anhela: tindre descendència, viure molts anys i estar el més còmode possible.
D’aquesta forma hem passat de viure en coves a construir grans ciutats organitzades de forma relativament eficient, de tindre una esperança de viure de 25 anys a ser centenaris, de passar quasi tot el temps cercant aliments a poder invertir bona part d’ell en oci.
I bona part de responsabilitat de totes aquestes millores les té un binomi extraordinari: la ciència i la tecnologia. En aquest petit tema aprendrem a valorar el coneixement científic i a entendre una mica millor com funciona.

ciencia

1.2 Què és la ciència

La ciència és un conjunt de coneixements que pretenen explicar la realitat d’una manera racional i organitzada, no com altres coneixements que són irracionals ( com el mitològic o l’ordinari ).
La ciència pot ser de dos tipus : les ciències formals o les empíriques. Les formals s’ocupen de les relacions que hi ha entre símbols, i dins d’aquestes hi ha la lògica i les matemàtiques. Les ciències empíriques són les que s’ocupen de la realitat, i poden ser naturals o socials. Les naturals s’ocupen de la realitat natural ( física, biologia, química) i en canvi les socials o humanes s’ocupen de la realitat social i humana ( sociologia, economia, història, psicologia),
La ciència durant tota la història ha anat utilitzant diferents mètodes, com el mètode deductiu ( treure una conclusió particular d’un principi general) o el mètode inductiu ( treure una conclusió general de dades particulars). Però actualment el mètode utilitzat per la ciència és el mètode hipoteticodeductiu, més comunament conegut com a mètode científic.

evolucion-ciencia-y-religion-600x334

1.3 El mètode científic

Des que l’ésser humà va tindre capacitat de fer-se preguntes, ha buscat les respostes. La forma d’apropar-se als misteris de la natura, allò que ha proporcionat les tan buscades respostes, ha segut la màgia, la religió o la ciència, depenent del moment històric o de la cultura en qüestió. La ciència no proporciona totes les respostes a les nostres preguntes, però és el mètode d’exploració de la natura que ens ha portat més lluny, en tots els sentits.
El mètode científic es caracteritza per una sèrie de passos que podem resumir fàcilment de la següent manera:
1. Identifiquem el problema a resoldre.
2. Cerquem tota la informació possible que ens permeta resoldre’l.
3. Formulem el nostre problema en forma de pregunta i, a partir d’ell, la nostra hipòtesi de treball.
Per formular correctament un problema és interessant plantejar-lo com una pregunta del següent tipus:
P. ex. Afecta la concentració de greixos dels nutrients (A) al creixement d’una determinada espècie animal (B)?
Hipòtesi: Potser la concentració de greixos dels nutrients influeix sobre el creixement d’aquesta espècie.
“A” representa les variables independents, els factors que vols saber si afecten (o no) al que tu estudies. “B” és la variable dependent, el que tu estàs estudiant.
En el nostre exemple estudiem el creixement animal: és la nostra variable dependent. Volem contrastar si la concentració de greixos pot afectar el creixement: és la nostra variable independent.
4. Dissenyem un experiment que ens permeta contrastar la hipòtesi: descartar-la o no.
En el disseny de l’experiment hem de fer rèpliques, és a dir, utilitzar distints grups experimentals, per eliminar els efectes de l’atzar als nostres resultats. Tindrem un grup control, al que no fem cap modificació, que ens servirà per comparar els canvis ocorreguts en la resta de grups. Cal diferenciar clarament entre les variables dependent i independents. Aquestes últimes han de ser constants per a tots els grups experimentals, i variar sols d’una en una, per saber a quina variable són deguts els possibles canvis que trobem.
5. Interpretem les dades obtingudes i les relacionem amb la informació de què disposàvem. Sempre que puguem, representem els resultats en forma de taules o gràfics, que posteriorment analitzarem.
6. Arribem a una conclusió, que serà si podem rebutjar la nostra hipòtesi o no.
7. La nostra conclusió pot donar peu a nous problemes, i per tant a noves hipòtesis i noves investigacions.
La ciència és un mètode que ens porta a conclusions que són susceptibles de canviar. Quan trobem una explicació que s’ajusta a les observacions millor que les anteriors, aquestes seran ampliades, completades o substituïdes per la nova, i així successivament, de manera que en ciència no tenim “veritats absolutes”, sinó models en contínua revisió. 2
http://www.gencat.cat/economia/ur/ambits/recerca/programes_actuacions/divulgacio/ciencia_escoles/recerca_escoles/guies/metode_cientific.html

mc3a8tode-cientc3adfic

4 Mesurem per a conèixer

Observem les següents imatges i contesta les preguntes:

108

A) Quina línia és més gran, el segment ab o el segment bc?

linparal

B) Són paral·leles les línies?

efecto+bolas

C) Quina bola roja és més gran la de l’esquerra o la de la dreta?

118

D) En aquest barret, què es més gran la copa o l’ala?

Després de contestar, traiem els regles i mesurem. Han canviat les respostes?
Evidentment la resposta ha de ser que sí, el que heu vist dalt és una il·lusió òptica, qualsevol il·lusió del sentit de la vista, que ens porta a percebre la realitat erròniament. Aquestes poden ser de caràcter fisiològic o cognitiu (com la variació en la grandària aparent de la lluna, que pareix més petita quan està sobre nosaltres i més gran quan la veiem prop de l’horitzó).
No estan sotmesos a la voluntat i poden variar entre una persona i una altra, depenent de factors com: agudesa visual, daltonisme, astigmatisme i d’altres.


Entendre aquests fenòmens és útil per a comprendre les limitacions del sentit visual de l’ésser humà i la possibilitat de distorsió, ja siga quant a la forma, el color, la dimensió i la perspectiva de qui observa, i dóna peu a la necessitat de confiar en la mesura com a eina per esbrinar la veritat.

1.5 Instruments de mesura

Explicar tots els instruments de mesura i els diferents tipus que hi ha pot ser una tasca complicada, en aquest tema ens limitarem a presentar només els instruments que fem servir al laboratori, com són la longitud, la massa i el temps

1.5.1 Temps

Per mesurar el temps que transcorre entre dos esdeveniments fem servir el  rellotge  o el cronòmetre.cronometre_Imagen 038

El cronòmetre més comú és el cronòmetre digital amb una resolució de centèsima  de segon, que és el que utilitzem al laboratori.

comptador_temps_Imagen 045

El comptador de temps és un cronòmetre digital que permet mesurar el temps entre dos esdeveniments (per exemple, la caiguda d’un cos) i té una precisió de mil·lèsimes de segon.

 

1.5.2 Massa

Comencem a analitzar les magnituds físiques bàsiques per entendre la natura, la primera és una de les més evidents.

La massa és una magnitud física que mesura la quantitat de matèria que té un cos.
Com hem dit, és una magnitud extensiva que depén de la quantitat de matèria que agafem, i en general, és una propietat del cos que resta inalterable si no es trenca el cos.
La unitat de mesura de la massa en el Sistema Internacional (SI) és el quilogram i el seu símbol és el kg. El quilogram és definit com la massa del prototip internacional del quilogram, que hem vista abans, i que és gairebé idèntica a la massa d’un litre d’aigua. És l’única unitat base del SI que porta un prefix del SI al nom.
Per a mesurar la massa s’utilitzen les balances, que poden ser de molts tipus, però les més habituals són les següents:

7961__54_m_1

Balança Granatòria

20305__54_m_1

Balança de precisió

h13191_m

Balança electrònica

Aquestes balances estan ordenades segons la seua sensibilitat, de menys a més.
En aquest punt val a dir que el llenguatge ens juga una mala passada. En moltes ocasions, ens referim a la massa però emprem la paraula “pes”, la qual cosa és incorrecta, científicament parlant.

El pes és una força que es mesura en newton. El pes depèn del planeta on estigues i, a l’espai, val zero. Però, veritat que encara que un astronauta no tinga pes, si que té massa? Clar.

1.5.3 Longitud

Una altra magnitud física molt important és la longitud, sobretot perquè dóna lloc a moltes altres magnituds i perquè és molt fàcil de mesurar.

La longitud és la dimensió que correspon a la llargària d’un objecte; la llargària d’una cosa, d’una superfície. La longitud d’un objecte és la distància entre els seus extrems, la seva extensió lineal mesurada de principi a fi. La seua unitat en el SI és el metre i el símbol m.

Instruments de mesura de longitud

220px-Lineale

Regles

500px-Unidad_5_Imagen_003

Cintes mètriques (Fotografia de Fjcaldera)

Pie_de_rey_con_proteccion_IP67

Peu de rei (Fotografia de Zoological)

280px-Architects_scale

Escalímetre (Fotografía Catherine Munro)

1.6 I una derivada: el volum

Ja hem dit que la matèria és tot allò que ocupa un lloc a l’espai, doncs bé seria útil poder mesurar quant ocupa. La mesura d’aquesta magnitud derivada s’encarrega el volum.

El volum (V), és la magnitud física derivada que expressa l’espai que ocupa un cos. La unitat de mesura de volum en el Sistema Internacional és el metre cúbic (m3).
Recorda que el volum no es sol mesurar de forma directa sinó que es fa de forma derivada, és a dir, multiplicant longituds.afonso-i-m3-225x300
tp3ch3_image1Per exemple, el volum en el SI es mesura en metres cúbics (m³) que significa el volum que ocupa un cub d’un metre d’ample per un metre de llarg per un metre d’alt.
Com podem veure en la imatge, aquest cub és molt gran per als humans, per tant en moltes ocasions emprem submúltiples o altres unitats de mesura per mesurar el volum.
En el cas del submúltiples se sol utilitzar el decímetre cúbic (dm³), és adir, cub fet per arestes d’un decímetre. La raó és que dóna lloc a objectes de petit tamany.
Com hem dit, de vegades utilitzem altres unitats de mesura, les més habituals són les de capacitat.
La capacitat és el volum màxim que poden contindre els recipients i s’utilitza per a mesurar líquids o sòlids de petit gra, com la sal o el sucre.
La unitat de mesura habitual és el litre, l o L, que és la capacitat d’un cub d’un dm3 d’aresta.

Com mesurem el volum?

Tenim 2 casos, si el cos és regular o és irregular.
En el primer cas haurem de fer servir les matemàtiques. Ací tens unes quantes fórmules matemàtiques que et poden ser útils.

volum regular_01

En el segon, utilitzarem la idea que dos cossos materials no poden estar en el mateix espai físic. Per tant, si fiquem un cos irregular en un recipient en un líquid com l’aigua el volum d’aquesta augmentarà, ja que serà espentada per el cos irregular.
Fixa’t en el dibuix.

Picture 5
Al principi, l’aigua ocupa un volum de 220 cm³.
En ficar la pedra, l’aigua ocupa un volum de 270 cm³.
Aquest volum extra correspon exactament al volum de la pedra irregular, és a dir:
Vpedra= Vaigua+pedra – Vaigua=270 – 220 = 50 cm³.

1.7 Una propietat intensiva bàsica: la densitat, el DNI de la matèria.

Com hem dit, les propietats extensives no identifiquen materials, però són bones per a mesurar. Pel contrari, les propietats intensives identifiquen materials, però normalment, no es poden mesurar.
Per tant, trobar una intensiva mesurable seria molt útil. Afortunadament, tenim una molt fàcil de trobar: la densitat.

Per entendre la densitat anem a posar un exemple.
Agafem una bola de ping-pong en una mà. A l’altra un rodament d’una màquina, que solen ser esferes de la mateixa mida però fetes de ferro. Quina creus que tindrà més massa?
Evidentment, la bola de ferro té més massa, però hem quedat que tenen el mateix volum. El que ocorre és que la matèria que forma la bola de ferro està més concentrada que la que forma la bola de ping-pong.
Per entendre-ho una mica millor, mirem el que realment passa. En la primera imatge la matèria que forma part de la bola de ping-pong té la matèria poc comprimida, mentre que en la segona imatge vegem com hi ha més matèria i que està més comprimida. Recorda que les dues boles eren iguals.

mesura6

Per tant, podem definir ara el concepte de densitat:

La densitat, de símbol ρ (lletra rho de l’alfabet grec), i de vegades abreviada com a d, és la massa específica d’un cos o fluid, és a dir, la quantitat de matèria que hi ha per unitat de volum.
Matemàticament, açò s’expressa de la següent forma:

densitat

Les unitats de la densitat són les de la massa (kg) i el volum (m³), és a dir, kg/m³. No obstant, en moltes ocasions utilitzem g/cm³ perquè surten nombres molt alts.
Anem a veure un exemple, en el laboratori hem fet 5 experiències mesurant la massa i el volum de l’aigua, i hem obtingut el següent resultat.

mesura7Fem els càlculs necessaris per omplir l’última columna. Podem observar que sempre dóna el mateix valor, açò és perquè la densitat és una magnitud intensiva, independent de la quantitat d’aigua que agafem.
A més a més, la densitat de les substàncies és única, és a dir, cada substància té una densitat determinada i pròpia, és com el DNI de la matèria. Pots consultar la vikipedia per conèixer la densitat d’algunes substàncies.
Per tant, si volem identificar materials la forma més senzilla és calcular la seua densitat mitjançant càlculs de massa i volum.

1.8 Pràctica de laboratori: Aprenem a mesurar la densitat

Objectius:
1. Aprendre el procediment bàsic de mesura de la densitat.
2. Consolidar els procediments de mesura de la massa i del volum d’objecte irregulars i de líquids.
3. Consolidar el procediment de càlcul del volum d’alguns sòlids regulars

Material:
1. Balança electrònica.
2. Vidre de rellotge.
3. Proveta graduada.
4. Objectes petits.

Activitats:

1. Escolta les explicacions del professor sobre el procediment bàsic de mesura de la densitat i anota’n les principals informacions.
2. Mesura la densitat d’un objecte regular amb la utilització de la fórmula corresponent.
3. Mesura la densitat de tres objecte sòlids més. Fes els dibuixos necessaris per exemplificar-ho.
4. Mesura la densitat d’un liquid.

1.9 Exercicis

1. La ciència i la tecnologia han canviat molt la vida dels humans. Com t’imagines la vida de la humanitat d’ací 100 anys.
2. Esbrina quins són els grans temes actuals de la ciència.
3. Analitza aquesta frase «La ciència és infalible»
4. Utilitza el mètode científic per a resoldre els següents problemes:
El diferencial de casa es dispara.
L’aire és matèria.
Els cosos de més massa cauen més ràpid a Terra.
5. Esbrina altres instruments de mesura coneixes i què mesuren.
6. Descriu com mesuraries la massa d’un líquid? I la massa d’un full de paper en la bàscula de bany o de cuina que solem tindre a casa?
7. Anem a calcular la capacitat d’un brick de llet en unitats de volum. Per fer-ho cal que seguisques els següents passos:
Agafa un brick de llet o de suc d’1 litre de capacitat.
Mesura la llargària (l), la profunditat (p) i l’alçada (a) amb un regle i en centímetres.
Converteix totes les mesures a decímetres (recorda 10 cm = 1 dm)
Realitza el càlcul: V= l·p·s. Quin resultat dóna?
8. Quin objecte més densitat un coixí o una bola de petanca?
9. 800 cm³ d’un líquid tenen una massa de 720 g. Quina és la densitat d’aquest líquid?
10. Una peça d’or té una massa de 482,5 g i un volum de 25 cm3. Quina és la densitat de l’or?
11. 3 m³ de nitrogen tenen una massa de 3,75 kg. Quina és la densitat d’aquest gas?
12. 200 cm³ de mercuri tenen una massa de 2.709,2 g. Quina és la densitat d’aquest element?

Comments are closed