Title: R1. Apunts del mòdul 1
Course: Física i Química 2n ESO 1r T

La Ciència, la Física i la Química

Com a punt de partida, definirem què és la Ciència, la qual cosa ens permetrà distingir què és ciència i què no. Després veurem quin és l'objecte d'estudi de dues disciplines que formen part de la ciència, que són la Física i la Química. Aixó ens permetrà tenir present en tot moment el que anem a estudiar al llarg del curs.

Amb la Ciència s’intenta donar una justificació racional i objectiva per interpretar la natura, basada en un mètode d’investigació rigorós i sistemàtic.
La Ciència es defineix com el conjunt de coneixements sobre el món obtinguts per mitjà de l’observació, l’experimentació i el raonament, dels quals es dedueixen lleis a partir de les quals s’elaboren teories comprovables.
La Ciència és una construcció de l'ésser humà que es deu a la contribució de moltes persones al llarg de la història.
La Física és una ciència que estudia les forces amb que interactuen els cossos, des de les partícules més petites fins a les galàxies que formen l’Univers.
La Química és una ciència que estudia la matèria. S’ocupa de la separació i identificació de les substàncies, de l’anàlisi de la seva composició, del coneixement de les seves propietats i estructura, i de l’obtenció de subtàncies i materials.

1.2 Canvis físics i canvis químics

Els canvis físics són aquells en què després de produir-se el canvi, continua havent-hi les mateixes substàncies. Per exemple: si augmenten la temperatura d’un tros de ferro fins que es fon, continuem tenint ferro, al començament en estat sòlid i després en estat líquid. Passa el mateix quan un glaçó es fon.
Els canvis químics són aquells en què després de produir-se el canvi es tenen unes substàncies diferents a les inicials. Per exemple: si deixem el tros de ferro anterior a la intempèrie, s’acabarà rovellant i la substància final serà diferent de la inicial.
Normalment, els canvis químics van acompanyats d’un canvi físic que ens permet reconèixer-los. Per exemple, l’emissió d’un gas (bombolles), un canvi de color, etc.

La manera de treballar de la Ciència

2.1 El mètode científic

La Ciència es basa en un mètode rigorós i sistemàtic anomenat mètode científic per explicar els fenòmens que s’observen a la natura, per donar solució als problemes i per satisfer les necessitats de la societat.

El mètode científic consta de les següents fases:

1. Plantejament del problema: s’ha de plantejar en forma de pregunta concretant-la al màxim.

2. Formulació d'una hipòtesi: una hipòtesi és una possible resposta al problema plantejat abans. Ha d’estar basada en l'observació i el que ja sabem amb certesa, i han de ser falsables, és a dir, s’ha de poder comprovar si són falses. Les hipòtesis haurien de formular-se començant amb “Potser”.

3. Experimentació: consisteix en dissenyar un experiment que ens permeti comprovar si la hipòtesi formulada és compleix o no. S’han de definir la variable independent (variable que modifiquem en l’experiment per comprovar si influeix en els resultats) i la variable dependent (variable que observem si s’ha modificat durant l’experiment i que depèn de la variable independent). També s’ha de descriure la situació imaginada detallant clarament tots els passos a seguir (s’ha de modificar la variable independent i observar els canvis en la variable dependent). Per últim s’han de fer rèpliques, és a dir, no hi ha prou amb fer l’experiment una sola vegada, sinó que s’ha de repetir diverses vegades per descartar possibles errors o factors desconeguts. Els resultats de l’experimentació s’enregistren (notes, taules de dades, gràfics, fotos, etc.).
Font: Antonio Ruiz. Esquema de les fases del mètode científic.

4. Conclusions: s’analitzen i interpreten els resultats obtinguts a l’experimentació. Si no confirmen la hipòtesi, hem de tornar a la fase 2 i fer una nova hipòtesi repetint de nou les fases 2, 3 i 4. Si confirmen la hipòtesi, passem a la següent fase.

5. Comunicació: s’han de comunicar els resultats mitjançant informes, publicacions en revistes especialitzades, etc.

D’aquesta manera, la hipòtesi ja comprovada passa a ser una llei científica.

Una llei física és una relació matemàtica entre les magnituds que intervenen en un fenòmen físic, com la “Llei de la Gravitació Universal” d’Isaac Newton o la “Llei de Hooke”.

2.2 Ciència i pseudociència

Definició de ciència:
- Conjunt de coneixements obtinguts mitjançant l’observació i el raonament.
- La ciència és el coneixement obtingut mitjançant l’observació de patrons regulars, de raonaments i d’experimentació en àmbits específics, a partir dels quals es generen preguntes, es construeixen hipòtesis i es dedueixen principis i s’elaboren lleis generals i sistemes organitzats mitjançant el mètode científic.

Definició de pseudociència:

- És una afirmació, creença o pràctica que, encara que es presenta com a científica, no es basa en el mètode científic vàlid, li falta plausibilitat o el recolzament d’evidències científiques o no pot ser verificada de forma fiable.
- Les pseudociències es basen en formes de coneixement en les que els sentits juguen un rol important , per exemple la màgia, la religió, l’astrologia, l’alquimia, formes de medicina alternativa, del que suposem real des dels nostres sentiments, no tenen en compte el raciocini. Es basen en creences , sentiments, conviccions, terror, etc.

El més interessant que podem tenir en compte per diferenciar-les és el següent:

En Ciència, la noció bàsica és que tots els resultats han de ser reproduïbles i susceptibles de ser verificats per altres investigadors. Aquests principis pretenen assegurar que els experiments poden ser reproduïts sota les mateixes condicions, permetent mitjançant la investigació posterior determinar si una hipòtesi o teoria sobre un fenòmen és a la vegada vàlida i fiable. Per a ser considerat científic, un estudi ha d’aplicar el mètode científic en tots els seus àmbits, i el frau i els prejudicis han de ser controlats o eliminats mitjançant el mostreig a l’atzar i altres tècniques. Però potser la diferència més important és que la Ciència planteja les hipòtesis de forma que puguin acceptar-se o rebutjar-se.

TAULA COMPARACIÓ ENTRE CIÈNCIA I PSEUDOCIÈNCIA
 | CIÈNCIA | PSEUDOCIÈNCIA
1 | Inclou resultats favorables i desfavorables. Analitza arguments a favor i en contra. Dubta continuament dels seus propis assoliments. | Només té en compte els resultats favorables. Tanca els ulls a l’evidència contrària. No dubta.
2 | La crítica és la seva forma normal de progressar. | Quan se la critica, usualment els seus promotors ho assumeixen com a un atac personal.
3 | La majoria de les referències provenen de revistes internacionals arbitrades, ben reconegudes. | No hi ha referències o provenen de llibres, congressos o inclús de revistes usualment del mateix cercle pseudocientífic.
4 | Utilitza conceptes i magnituds ben definides per a descriure i analitzar els fenòmens. | Utilitza els seus propis vagues conceptes, barrejant-los amb conceptes de ciència.
5 | Sempre hi ha resultats experimentals, reproducibilitat i estadístiques. | Se satisfà amb exemples anecdòtics aïllats. Si hi ha experiments, aquests estan mal dissenyats.
6 | Tracta de trobar mecanismes que expliquin els fets, basant-se en els experiments i el coneixement científic anterior. | No proposa mecanismes. Quan ho fa, no es basa en el coneixement científic previ, sinó que els inventa del no res.
7 | No depèn per res de l’opinió de “personalitats”. | Cerca la’provació de “personalitats” individuals, gairebé sempre alienes al camp específic de què es tracta.
8 | Els conceptes canvien i milloren per ajustar-se als nous avenços, amb la contribució de molts. | Defensa idees preconcebudes i invariables, usualment “descobertes” per una sola persona.
9 | Ràpida difusió i aplicació massiva dels nous descobriments pràctics. | Les seves idees no progressen perquè “les grans companyies perdrien diners si s’accepten”.
10 | Sempre pren en compte l’efecte placebo (teràpies i medicaments). | Mai s’esmenta l’efecte placebo.

Magnitud, unitat i mesura

La matèria és tot allò que té massa i volum (ocupa un espai), i es pot descriure mitjançant les seves propietats, és a dir, les seves característiques.

Hi ha dos tipus de propietats:

- Les propietats generals, que són les que no serveixen per identifcar o diferenciar la substància, com per exemple la massa, el volum, la temperatura...
- Les propietats característiques, que són les que tenen un valor únic per a cada substància i permeten identificar-la, com per exemple la densitat, el punt de fúsió/ebullició, la duresa...

Una magnitud és una propietat de la matèria que es pot mesurar , ja sigui perquè existeix un aparell que permet mesurar-la o perquè es pot calcular a partir d'altres magnituds. Exemple: la massa es pot mesurar amb una balança, la temperatura amb un termòmetre...

Una unitat és aquella quantitat preestablerta de la propietat (un patró de comparació) que utilitzem per mesurar. Exemple: quilogram, grau centígrade...

Fixa't que magnitud i unitat són coses relacionades però diferents (hi ha tendència a confondre-les). Cada magnitud té la seva corresponent unitat.

3.1 La mesura

La mesura és una comparació: mesurar una magnitud consisteix en comparar-la amb la unitat corresponent. Es compara la quantitat de la magnitud (propietat) que té el cos amb la quantitat de la propietat que té la unitat.

Una mesura vé donada per un nombre i una unitat. El nombre indica la quantitat de vegades que es repeteix la unitat en el cos que estem estudiant.

Mesura = nombre x unitat

Anem a veure un exemple:

Mesurem amb una balança la massa d'una persona i veiem que és de 70 kg.

La magnitud és la propietat "quantitat de matèria" que conté aquesta persona (que és el cos que estem mesurant). Com què aquesta propietat es pot mesurar, serà una magnitud i a aquesta magnitud li donem el nom de massa.

D'altra banda, quilogram és el nom que se li dóna a un cilindre d'un aliatge de platí i iridi que es conserva a l'Oficina Internacional de Pesos i Mesures de París, i també conté una determinada quantitat de matèria. Evidentment, s'han de buscar unitats que no variïn amb el pas del temps i que serveixein per tothom. Antigament es deia que un quilogram era la quantitat de matèria que conté un litre d'aigua, però sabem que l'aigua s'evapora i és difícil que no variï la seva quantitat de matèria.

Així, la mesura 70 kg que hem fet, ens està dient que la persona té una quantitat de matèria que és 70 vegades més gran que la que conté el cilindre.

Per tant, la mesura indica el nombre de vegades que es repeteix la unitat.

3.2 Sistema Internacional d'unitats (S.I.)

És un conjunt format per 7 unitats fonamentals que corresponen a altres 7 magnituds  també fonamentals, a partir de les quals es poden obtenir tota la resta d'unitats que anomenem unitats derivades (perquè deriven de les fonamentals).

Existeixen altres sistemes d'unitats com l'anglosaxó que vam veure a la notícia de l'activitat inicial sobre la sonda que es va estavellar a Mart, però el S.I. és el que fem servir a Europa per conveni.

Les 7 magnituds fonamentals del S.I. amb les seves unitats i símbols de les unitats corresponents són les que pots veure a la imatge següent:

Font: Antonio Ruiz. Magnituds i unitats fonamentals del Sistema Internacional.

Com hem dit, les magnituds i unitats derivades són tota la resta, per exemple el Newton, que és la unitat de força. Un Newton es pot expressar en funció de les unitats fonamentals així:

1N = kg·m/s^2

Per tant, la unitat de força es pot expressar en funció de les unitats de massa, longitud i temps que són fonamentals.

A la graella d'abaix tens alguns exemples de magnituds derivades amb les seves unitats en Sistema Internacional:

Taula amb magnituds i unitats derivades en Sistema Internacional.

3.3 Múltiples i submúltiples

Per evitar haver d'escriure nombres amb moltes xifres o molts decimals, s'utilitzen múltiples i submúltiples de les unitats.

Els múltiples són potències de 10 que multipliquen a la unitat. Els submúltiples són potències de 10 que divideixen a la unitat. Tots dos s'indiquen mitjançant prefixos grecs davant la unitat. A la següent imatge pots veure uns quants i el seu símbol:

Font: Antonio Ruiz. Taula dels múltiples i submúltiples.

Exemple: el quilogram es composa del prefix quilo- i de la paraula gram. El prefix quilo podem veure a la taula que significa multiplicat (és un múltiple) per 10^3 = 1000. Per tant, un quilogram significa 1000 multiplicat per gram, és a dir, 1000 grams:

1 kg = 1000 g

Sabries dir què significa km? I cm?

3.4 La notació científica

S'utilitza també quan hem d'escriure nombres amb moltes xifres o amb molts decimals. Consisteix en escriure els nombres amb una sola xifra entera, diferent de zero, seguida o no de decimals, i multiplicada per la potència de 10 adient. Exemples:

0,000003 m = 3·10^-6 m

149.600.000.000 m = 1,496·10^11 m

3.5 Canvi d'unitats i factors de conversió

Quan volem comparar dos valors d'una magnitud expressats en unitats diferents (p. ex. 90 km/h i 32 m/s) o quan volem fer càlculs amb valors de magnituds expressades en unitats diferents, cal que tots els valors estiguin en les mateixes unitats. Per aquest motiu, és necessari fer els canvis d'unitats pertinents.

Els factors de conversió s'utilitzen per canviar d'una unitat a una altra. Un factor de conversió és una fracció en què el numerador i el denominador indiquen la mateixa quantitat d'una magnitud, però expressada en unitats diferents. Per exemple: un factor de conversió podria ser 1000 g/1 kg, perquè el numerador 1000 g i el denominador 1 kg són la mateixa quantitat (és el mateix un quilogram de pomes que mil grams de pomes).

Per tant, si el numerador i el denominador són la mateixa quantitat, quan es multiplica per un factor de conversió és com si es multipliqués per 1, de manera que la quantitat no varia, només varia la unitat i així hem fet el canvi d'unitat.

Anem a veure un exemple amb els passos per fer un canvi d'unitats: volem saber quants metres són 120 km.

1. Escriure la quantitat que es vol canviar d'unitat:

120 km

2. Multiplicar per una fracció que contingui la unitat que volem canviar i la unitat en la que es vol convertir, de manera que simplifiqui a la unitat que volem treure:

120 km · m/km

3. En la fracció (factor de conversió) s'escriu l'equivalència entre les dues unitats, en el nostre cas sabem que un quilòmete té mil metres:

120 km · 1000 m/1 km

4. Es multiplica i se simplifica, obtenint-se el resultat en la nova unitat:

120.000 m

120 km i 120.000 m és la mateixa distància, però el nombre ha canviat perquè ha canviat la unitat.

A continuació tens alguns exemples més de canvis d'unitats amb factors de conversió:

Exemples de canvi d'unitats amb factors de conversió.

Taules de valors i gràfiques

Una taula és una representació de dades mitjançant parells ordentas que expressen la relació existent entre dues magnituds o variables.

Per exemple: la següent taula mostra la variació de la distància que recorre un objecte segons el temps que està en moviment:

Una gràfica és la representació en uns eixos de coordenades dels parells ordentas d'una taula.

Les gràfiques descriuen relacions entre dues variables:

- La variable que es representa en l'eix horitzontal es la variable independent o variable x.
- La variable que es representa en l'eix vertical es la variable dependent o variable y.

La variable y és dependent perquè el seu valor depèn del valor que donem a la variable independent x.

Una vegada realitzada la gràfica, podem estudiar-la, analitzar-la i extreure conclusions.

Per interpretar una gràfica hem d'observar-la d'esquerra a dreta, analitzant com varia la variable dependent ( y) en augmentar la variable independet (x). Per exemple:

Font: Antonio Ruiz. Gràfica distància - temps

Per interpretar aquesta gràfica, veiem que el temps augmenta en l'eix horitzontal d'esquerra a dreta. Si anem mirant el valors de la distància conforme augmenta el temps, veiem que també augmenta. Per tant, la gràfica ens diu que conforme augmenta el temps, l'objecte que es mou augmenta la distància, s'allunya.