Prima di Cominciare: Metodo Scientifico, Misurazione e Dati

L'indagine scientifica

Il metodo scientifico

Nell'esperienza quotidiana, utilizzando i nostri sensi, raccogliamo tante informazioni provenienti dal mondo esterno. Basandoci su di esse formuliamo delle ipotesi per spiegare i fenomeni osservati. Giungiamo così alla conoscenza di senso comune che però può essere ingannevole. I nostri sensi, infatti, non sempre ci forniscono informazioni corrette (FIGURA 1 ), ma soprattutto le ipotesi che noi formuliamo possono essere errate. Per esempio, per molti secoli si è pensato che fosse il Sole a girare intorno alla Terra, e non viceversa, perché così ci appare nel corso della giornata.

• Per risolvere il problema dei limiti e della scarsa affidabilità dei nostri sensi possiamo utilizzare strumenti che ci permettono di: potenziare le nostre capacità naturali effettuare misure molto precisepotenziare le nostre capacità naturali Il telescopio ci permette di vedere corpi molto distanti che non potrebbero essere rilevati dai nostri occhi. effettuare misure molto precise Utilizzando il telemetro laser possiamo misurare lunghezze con una precisione molto più elevata rispetto a un classico metro a nastro.
• Per risolvere il problema dell'ingannevolezza delle nostre ipotesi si ricorre al metodo scientifico, che prevede la loro verifica mediante l'esecuzione ripetuta di esperimenti. Solo il buon esito degli esperimenti ci può confermare se un'ipotesi è corretta. In caso affermativo si giunge a una conoscenza scienti- fica che è oggettiva e quindi valida per tutti. Se l'esperimento non conferma l'ipotesi bisogna effettuare altri esperimenti o rinunciare a ciò che l'ipotesi supponeva di spiegare.

La misurazione

La realizzazione di esperimenti e molte altre operazioni della vita quotidiana richiedono l'esecuzione di misurazioni. La misurazione ci permette di attribuire un valore numerico a una particolare caratteristica di un oggetto o di un fenomeno. Non tutte le caratteristiche sono però misurabili: di un quadro, per esempio, possiamo misurare la larghezza, la lunghezza, il peso ecc., ma non possiamo misurarne oggettivamente la bellezza o il valore stori- co. Le caratteristiche misurabili sono chiamate grandezze fisiche, ognuna delle quali ha una sua specifica unità di misura. Per ogni unità di misura esistono strumenti appositi che permettono di eseguire le diverse misurazioni.

Raccolta e rappresentazione dei dati

Le misurazioni ci fornisco- no dati di tipo numerico che spesso si riportano su tabelle. Ogni tabella deve avere un'intestazione sulla quale si indica il tipo di dati presenti nelle celle sottostanti, tante righe quanti sono i valori da inserire e tante colonne quanti sono i tipi di dati da raccogliere (TABELLA 1 ). I dati raccolti, per poter essere interpretati più facilmente, si possono rappre- sentare utilizzando grafici di vario tipo. Esaminiamo adesso i più comuni.

TABELLA 1 Temperatura media nell'arco di un anno in Italia

Mesi dell'anno Temperatura media mensile (℃) Gennaio 8,7 Febbraio 10,7 Marzo 14,7 Aprile 19,3 Maggio 23,3 Giugno 27,4 Luglio 29,6 Agosto 30,3 Settembre 26,4 Ottobre 20,5 Novembre 14,5 Dicembre 9,6

Il diagramma cartesiano

è formato da una o più linee che mostrano l'andamento del fenomeno. Temperatura media mensile in Italia 35 temperatura (C) 30 25 20 15 10 5 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Questo diagramma cartesiano mostra l'andamento della temperatura media mensile in Italia nell'arco di un anno, secondo i dati riportati nella TABELLA 1

L'ortogramma

permette di confrontare i valori rappresentati basandosi sull'altezza delle colonne che lo formano. Numero di componenti di una squadra per ciascuno sport 12 numero di giocatori 10 0 0 0 + N O 8 6 1 calcio basket pallavolo tennis Questo ortogramma mostra il numero di giocatori che compongono una squadra per ciascuno degli sport indicati sull'asse orizzontale.

L'areogramma o diagramma a torta

si utilizza in quei casi in cui bisogna confrontare le diverse quantità sia fra di loro sia con il totale. Modalità di spostamento casa-scuola in auto a piedi scuolabus In questo esempio il grafico a torta mostra la proporzione relativa alle modalità con cui gli studenti di una classe si spostano da casa a scuola.

Vero o falso?

a. Un esperimento serve per convalidare un'ipotesi. V F b. Un ortogramma si usa per confrontare i singoli valori con il totale. V F c. Le grandezze misurabili sono chiamate grandezze fisiche. V F V d. Le tabelle servono per interpretare V F meglio i dati. F e. Le conoscenze di senso comune sono sempre sbagliate.2

La misurazione

Le unità di misura

L'unità di misura è un campione di una grandezza che viene scelto in modo arbitrario ma poi viene conosciuto e utilizzato da tutti. In passato erano in uso unità di misura che cambiavano da un paese all'altro, e questo creava dei problemi perché i valori non erano immediatamente con- frontabili e bisognava effettuare delle conversioni. Per eliminare questo incon- veniente nel 1960 è stato proposto il Sistema Internazionale di unità di misura (SI) che indica le grandezze fondamentali e le loro unità di misura (TABELLA 2

TABELLA 2 Le sette unità di misura fondamentali del Sistema Internazionale

Grandezza Unità Simbolo Lunghezza metro m Massa kilogrammo kg Intervallo di tempo secondo S Intensità di corrente elettrica ampere A Temperatura kelvin K Quantità di sostanza mole mol Intensità luminosa candela cd

Oltre alle unità di misura fondamentali il SI prevede anche l'utilizzo di unità derivate che si ottengono dalle unità fondamentali attraverso operazioni mate- matiche. Per esempio, l'unità di misura della velocità è il metro al secondo (m/s), che si ottiene dividendo l'unità di misura della lunghezza per quella del tempo.

Gli strumenti di misura

Per effettuare le misurazioni si utilizzano ap- positi strumenti di misura. Le loro principali caratteristiche sono: l'intervallo di misura, la portata, la risoluzione e la prontezza. Per ogni strumento i valori di queste caratteristiche influenzano anche l'en- tità dell'errore che commettiamo nell'effettuare la misurazione.

L'intervallo di misura

indica l'intervallo, compreso fra un valore minimo e un valore massimo, che uno strumento può misurare. È importante conoscerlo perché il valore da misurare deve cadere in tale intervallo. La portata indica il valore massimo che lo strumento può misurare. È importante conoscerlo perché il valore da misurare non deve essere superiore alla portata. . n -20 -10 0 10 20 30 40 50 L'intervallo di misura del termometro che utilizziamo per controllare la febbre va da 35 a 42 ℃. Quello del termometro utilizzato per misurare la temperatura ambiente va, in genere, da -20 a 50 ℃. 2kg -15kg 300 „1kg- Per misurare il nostro peso non possiamo servirci della bilancia che utilizziamo in cucina per pesare i cibi perché essa ha una portata di pochi kilogrammi. In questo caso dobbiamo utilizzare la bilancia pesapersone che ha una portata maggiore.

La risoluzione

indica la più piccola suddivisione presente su uno strumento di misura. È importante perché ci dà informazioni sulla precisione dello strumento. 12 1 2 0: 1062 O 3- .8 4. 7 65. Un classico orologio analogico ha una risoluzione di un secondo. Un cronometro invece ha una risoluzione di un centesimo di secondo (e alcuni addirittura di un millesimo di secondo). La prontezza indica il tempo che lo strumento impiega per fornirci il valore della misurazione. 31.0 . 38 40 42 . 35 37 39 Il termometro tradizionale utilizzato per misurare la febbre impiega alcuni minuti per fornire il valore della temperatura. Quello digitale ha una prontezza migliore e impiega pochi secondi.

La precisione delle misurazioni

Ogni volta che eseguiamo una mi- surazione commettiamo un errore più o meno grande. Bisogna fare in modo che la sua entità non sia tale da pregiudicare l'utiliz- zazione del valore ottenuto nel contesto in cui serve. Per esempio, se pesiamo la pasta per cucinarla e commettiamo un errore di 4 grammi ai fini pratici non crea alcun problema. Invece, se bisogna pesare una collanina d'oro dall'orefice, un errore della stessa entità non è accettabile. La precisione che si esige da una misura dipende dalla situazione nella quale essa dovrà essere utilizzata.

Gli errori sistematici

Gli errori sistematici sono quelli che si verifi- cano, più o meno allo stesso modo, ogni volta che si effettua una misurazione. Possono dipendere da diverse cause.

Imperfezioni dello strumento di misura

Un righello deformandosi si è accorciato. Tutti i valori da esso forniti saranno quindi superiori a quelli reali. Errori di lettura dello strumento xVx 91011 2 Nell'effettuare la lettura dello strumento ci si pone sempre in una stessa posizione che però è sbagliata. Errori nell'uso dello strumento Nel misurare una lunghezza, si accosta il righello all'inizio della plastica invece che nel punto in cui si trova lo 0.

Gli errori casuali

Gli errori casuali sono quelli che cambiano da una misurazione all'altra. Tali errori dipendono da diverse cause e per questo motivo sono difficili da eliminare. Gli errori casuali che si compiono possono essere per eccesso (cioè superiori al valore effettivo) o per difetto (cioè inferiori al valore ef- fettivo). Il verificarsi dell'una o dell'altra situazione dipende dalla casualità. An- che per questi però si può ridurne l'entità: prima, durante e dopo la misurazione.

• Prima della misurazione, per esempio, si può intervenire scegliendo uno stru- mento con una risoluzione adeguata. L'incertezza è infatti pari alla risolu- zione. Per esempio, se si utilizza un righello che ha una risoluzione di 1 mm, l'incertezza nell'errore è della stessa entità, cioè sempre di 1 mm.
• Nel corso della misurazione bisogna usare gli strumenti correttamente e leg- gere con attenzione i valori da essi riportati.
• Dopo la misurazione si può, per esempio, fare la media fra diverse misurazio- ni dello stesso fenomeno che sono state effettuate. Se eseguiamo la misura- zione più volte, in alcuni casi otterremo un valore superiore e altre volte uno inferiore. Facendo la media fra tutti i valori trovati, in genere, il valore medio risulta più preciso della maggior parte dei singoli valori che si sono ottenuti nel corso della misurazione. È bene però sottolineare che, anche in questo modo, la precisione non sarà assoluta.