Orientacions per al professorat

Temporització

• 3 hores

Alumnes als quals s’adreça l’experiència

• 1r de batxillerat

Fig. 1: alumnes experimentant al taller de tecno.

Construcció

En primer lloc, cal aconseguir un bon grapat de bales i decidir quin nombre de persones formarà l’equip de treball. A continuació, els exposem el repte: cal determinar la gravetat terrestre a la superfície de la Terra, és a dir, al nostre centre. Per dur a terme la tasca necessitaran mesurar dues magnituds cinemàtiques, el temps i l’alçada, i, per fer-ho, els nostres alumnes s’hauran d’equipar amb el seu telèfon mòbil, un regle i un projectil, que no és altra cosa que una bala de nens. Tot seguit caldrà desplaçar-se a una aula on el soroll no sigui un inconvenient.

Fase d’experimentació

El repte dels alumnes serà dissenyar un experiment per poder determinar el valor de la gravetat amb els elements que els hem proporcionat. A mesura que van desenvolupant el seu experiment, hi poden anar afegint aspectes tècnics de l’experimentació que cal tenir en compte, com per exemple que amb una mesura no és suficient per generalitzar un resultat i que seria més recomanable un nombre més elevat. Hem pactat amb ells 10 mesures i més endavant ha estat inevitable parlar de precisió en la mesura. A partir d’aquí els hem demanat un petit càlcul del valor mitjà obtingut i de l’error que l’acompanya.
La majoria dels alumnes ha escollit el procediment següent: han fixat una alçada i han deixat caure la bala des d’aquesta alçada fins al terra. Han pres nota del 10 llançaments. Han extret el valor de la gravetat dels 10 llançaments, han fet la mitjana i han extret l’error del valor màxim i mínim dividit entre dos. Han calculat també l’error en tant per cent.
Aquí podeu trobeu una mostra del protocol fet servir pel laboratori Honolulu. El seu valor experimental el podreu trobar a la taula 1 que hi ha a continuació. Cada parella ha escollit un nom per al seu laboratori .

DISSENY DE L'EXPERIMENT
Després d'haver realitzat aquest experiment i veure'n els resultats obtinguts, hem observat que hem tingut algunes dificultats a l’hora d'aplicar la fórmula; tot i així, hem pogut acabar l'experiment i esperem d'ara endavant saber aplicar la fórmula correctament.
Per crear l'experiment hem començat per escollir el lloc des d’on deixaríem caure la bala. Hem decidit que per al nostre experiment ho faríem des de la taula de treball i hem mesurat l'altura que feia fins a una llibreta que hem posat al terra perquè la bala no rebotés en caure. Seguidament, hem agafat dos mòbils per mesurar el temps de caiguda i hem deixat caure la bala. La persona que deixava anar la bala es col•locava de peu arran de taula, mentre que l'altra s'asseia al terra a prop d’on queia la bala. Tots dos mesuràvem el temps alhora, de manera que obteníem una mitjana de temps més precisa.

DADES I RESULTATS
La taula de treball té una altura de 88,5 cm (0,885 m), descomptant el gruix d'1 cm de la llibreta que hem utilitzat com a amortidor. Hem repetit 10 vegades la caiguda de la bala.

Al final de l’hora alguns ja tenien la seva mesura de la gravetat. A continuació teniu uns quants valors obtinguts:

Taula 1 : valors mitjans de g , amb els errors corresponents, obtinguts per diferents laboratoris.

Aquesta és la taula dels resultats que han obtingut els alumnes de l’escola Tecla Sala ( vegeu la taula 1). Es pot veure que els noms dels laboratoris han estat escollits per ells.

Per finalitzar la sessió els hem demanat que presentessin el resultat organitzat de manera que havien de tenir la documentació següent:

• Un protocol de la realització de l’experiment.
  
• Un resultat amb la mitjana del valor de la gravetat, l’error absolut i l’error relatiu.

D’aquesta manera conclou la primera fase del nostre procediment experimental, però abans de tancar aquesta fase es pot fer una petita reflexió sobre les xifres significatives. Als meus alumnes, crec que els agrada ser precisos i consideren que posar totes les xifres que la seva calculadora és capaç d’oferir-los és una bona estratègia científica. En aquesta primera fase de l’experiment se’ls pot demostrar que de vegades no som capaços ni d’apropar-nos a la primera xifra significativa del valor real. Per què hem de posar més decimals, si no representen el món real!

Fase de validació. Milà-Barcelona

L’objectiu de la segona fase del procés experimental és aprofitar la força de la comunitat científica. Aquesta segona part rep el nom de Milà-Barcelona perquè els resultats del nostre experiment els validarà un altre “laboratori”, equip d’alumnes. La primera vegada que es va fer va sorgir el nom de Milà i per això rep aquest nom.
Consisteix a comprovar que la validesa d’un procediment científic també es basa en el fet que sigui reproduïble. Per tant, per saber si els resultats que han obtingut són fidels al procediment científic recollim els seus protocols i els repartim a la resta de la classe, que acaben d’assolir la categoria de laboratori científic que contrastarà el procediment experimental dut a terme a Barcelona.
Ens desplacem de nou a una aula on puguem fer soroll i hi reproduïm l’experiment, però ara seguint el protocol d’un altre grup.
La segona hora d’experimentació s'acaba presentant la documentació del segon protocol i, de nou, dels resultats obtinguts. Si ens sobra temps podem posar els resultats a la pissarra. Els resultats es publiquen a la pissarra i el grup que ha fet de validador confirma o refuta els resultats experimentals del laboratori que ha publicat el seu protocol. Si el grup d’alumnes que fa de contrast obté valors que entren dins de les cotes d’error de l’error que havia publicat el primer laboratori i a més dins dels seus marges entra la gravetat, el resultat és vàlid. Si no es rebutja. Podeu trobar la taula de valors a continuació.
Al final d’aquesta segona sessió, els alumnes ja visualitzen que els seus resultats s’allunyen del valor que els resulta tan familiar i arriba el moment de parlar de la no-existència de la mesura perfecta en ciència, o de la precisió, etc.

EXPERIMENTS	COMPROVACIÓ
Fig. 2a	Fig. 2b

Aquestes són les taules de resultats contrastades per altres alumnes. Els valors en vermell són valors descartats, perquè la gravetat no assoleix els valors teòrics o perquè les mesures del segon laboratori no avalen els resultats del primer.
En aquesta segona part han de donar una valoració del seu procediment experimental, tant si ha superat la validació com si no l’ha superat.

Fase de millora

La tercera i última fase del nostre itinerari té per objectiu que visualitzin que per poder fer ciència experimental és necessari minimitzar els erros humans i objectivar al màxim les mesures.
A escola hem dissenyat un enginy, el podeu trobar a https://www.youtube.com/watch?v=jIBFmKDLnX8. Consisteix en una placa connectada d’una banda a un sensor d’infrarrojos i de l’altra a un electroimant. Escollim una alçada qualsevol i cronometrem el temps de caiguda de la bala amb una precisió de mil·lisegons. Repetim 10 vegades el llançament i els alumnes han de tornar a realitzar el càlcul. La gravetat mesurada d’aquesta manera per a una alçada de 74 cm ens dóna una valor de :

(1)

Però aquest valor no és cert perquè no té en compte l’error que cometem en mesurar amb el regle. Si l’error fos de 0,5 cm en la mesura de l’alçada, l’error s’aproparia al 10 %. Vam decidir construir aquest enginy perquè és el que més s’assembla a la mesura que ells realitzen de forma intuïtiva, però és pot dur a terme de la mateixa manera amb els equips de o qualsevol altre dispositiu de mesura.

Fig. 2: alumnes prenent mesures.	Fig. 3: detall del nostre “enginy”.

Al final es demana als alumnes que recullin tota la feina realitzada en un informe que contingui una introducció, un desenvolupament, on han de constar les tres fases, i una conclusió. Al full de l’alumne n’adjuntem una mostra.

Fig. 5: “equip d’experimentadors” .

Full de l’alumnat

Context de l’experiment.

Cal dissenyar un experiment reproduïble per un altre grup per tal de mesurar la gravetat terrestre a l'escola o institut.

El segon objectiu és obtenir un valor de la gravetat i l’error associat al procediment de mesura.

Materials

• Boles de diferents materials.
  
• Mòbil.
  
• Regle.

Procediment

1a fase, 1 hora

Heu de pensar un experiment per calcular la gravetat terrestre amb boles.
Heu d’extreure el valor de la gravetat, amb l’error de la mesura, i després les mostrarem a la pissarra. Heu de redactar un escrit de 5 línies per explicar com heu dut a terme l’experiment, el valor que heu obtingut i el percentatge d’error.

Al final de la primera sessió cal entregar:

1. Protocol del que heu fet i com ho heu fet.

2. Valor de la gravetat amb l’error absolut i l’error relatiu (percentatge d'error).

2a fase, de 40 minuts a 1 hora. Validació Milà-Barcelona

Ara es passarà el vostre protocol de mesura a una altre grup perquè contrasti la vostra mesura . Si un grup troba un valor de la gravetat diferent de l’esperat i no entra dins de les cotes d’error, s’invalida la mesura.

3a Fase. Factor humà

Demostració d’un enginy que intenta minimitzar l’error humà:

• Heu d’intentar explicar com funciona.

Entrega final

Recopileu totes les fases del projecte i entregueu-ho com un projecte únic dividit en les seccions següents:

Introducció

Què vàreu fer i com ho vàreu fer? Què conté el vostre treball.

Procediment

Expliqueu les tres fases del procediment experimental.

Conclusions

Ajudeu-vos amb la pauta per omplir aquest apartat.
En què consisteixen els errors humans i, en el cas concret de la mesura de la gravetat, com els podem evitar o minimitzar? Què milloraríeu? On són els errors? Es pot aconseguir una mesura perfecta? Existeix la perfecció, en ciència?

• Del vostre experiment?
  
• De la pràctica?
  
• Pregunteu-vos: què en sabieu sabíeu abans i què en sabeu ara?
  
• Què heu aprésaprès? Quina utilitat té el què que heu aprèés?

ISSN: 1988-7930 DL:  B-31773-2012   Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Octavi Plana, Jaume Pont i Santi Vilchez
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

Recursos de Física col·labora amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)