Unité 1: Méthodes et la nature de la science

Unité 1 – Introduction

Partie A. Les habilités de laboratoire

Partie B. La méthode scientifique

Partie A. Une révision des habilités de laboratoire

C’est quoi la science?

Un système ou un individu acquiert de l’information basé sur la méthode scientifique qui est ensuite organiser, analyser, et appliquer.

Comme étudiant de science, il y a 5 choses que vous devez être familier pour meilleur comprendre la science :

1)      Les unités

2)      La notation scientifique

3)      Les préfixes

4)      Les conversions

5)      L’algèbre

1.      Les unités

Les unités sont des standards ou comparaisons qui font les mesures significatives.

·         Dire qu’un objet est 6 mètres de hauteur veut dire que l’objet est 6 mètres

·         Pour faire du sens, vous avez besoin de comprendre ce que c’est un mètre…

Il y a deux types de standards utilisé dans le monde; les unités impériale et métrique.

·         Les unités impériales inclus : les livres, pieds, miles, gallon, quarts, etc.

·         Les unités métrique inclus : kilogrammes, mètres, kilomètres, litres, etc.

Les unités de choix pour la science est le « système international » ou SI

·         Ce système utilise presque uniquement les unités métriques

·         Ceci est parce que chaque quantité est mesurée en utilisant une unité de base qui peut être facilement intégré dans des unités plus grandes ou plus petites par des puissances de dix

·         Les unités du système impériale ne sont pas reliés un à l’autre de façon simple et est conséquemment plus difficile à convertir.  

Les unités de base

·         Il existe seulement 7 différents types de quantités que nous pouvons mesurer.

·         Chaque de ces quantités mesurables sont comparé à la standard (la standard est l’unité de base).

Les 7 unités de base:

Quantité mesuré                    Nom du standard                   Symbole du standard   

1. Distance                              mètre                                      m

2. Masse                                  kilo gramme                           Kg

3. Temps                                 secondes                                 s

4. Courant électrique              ampère                                    A

5. Température                       kelvin                                       K

6. Montant d’une substance   mole                                        mol

7. Intensité de lumière           candela                                   cd

Toutes autres unités utilisées en science sont les dérivés d’une combinaison des unités de base. Ces unités se nomment des unités dérivées :

            Ex. unités pour la vitesse : mètres par seconde (ms^-1)

            Unités pour la surface : mètre au carrée (m²)

            Unités pour l’accélération : mètre par secondes par seconde (ms^-2)

            Unités pour la force : Newton = 1N = 1 kg·ms^-2

2.      La notation scientifique

Une méthode à main-courte pour exprimer des valeurs ayant beaucoup de chiffres.

Ex. La distance de la Terre à Saturne est 1 300 000 000 km

Le temps nécessaire pour que la lumière croise la salle de classe est approx. 0.000 000 03 s

C’est beaucoup plus efficace de représenter ces valeurs sans tous les zéros!

Convertir les valeurs en notation scientifique :

Le but : La décimale doit être bougée à la position juste après le premier chiffre « non-zéro », ensuite les zéros sont enlevés.

Le nombre de « sauts » que la décimale bouge est représenté par un exposant.

·         Si la décimale saute vers la gauche : l’exposant est un chiffre positif

·         Si la décimale saute vers la droite : l’exposant est un chiffre négatif

Exemples :       47= 4,7 x 10¹               47 000 = 4,7 x 10⁴                   0.000 047 = 4,7 x 10^-5

Questions de pratique: la notation scientifique

Partie A : converti les chiffres suivants en notation scientifique.

1. 65.7                                                                                                  2. 0.00545

3. 1 100 000 000 kmh^-1                                                                  4. 40 100 000 m

(la vitesse de la lumière)                                                               (la circonférence de la Terre)

               

5. 0.0001 m                                                                                        6. 0.000 000 000 2 m

(La largeur de l’œil d’une fourmi)                                              (la largeur d’un atome d’hydrogène)

7. -22 450 000ms^-2                                                                           8. - 0.000 000 000 000 775 290 12

Partie B: converti les valeurs suivantes de la notation scientifique en nombres complètes.

1. 1.7 X 10¹                                                                          2. 6.32 X 10²³

3. 1 X 10¹²                                                                            4. 9.47 X 10⁸

(Le nombre un “trillion”)                                               (le # de seconds que vous allez avoir vécus par l’âge 30ans)

5. 1 X 10^-4 m                                                                       6. 5 X 10^-8 m

(L’épaisseur d’une pièce de papier)                          (La largeur du virus influenza)

7. -3.4 X 10³                                                                        8. -6.67 X 10^-16

9. 3.0 X 10⁸ ms^-2                                                                10. -1.99 X 10⁰ h

3.      Les préfixes

Nous venons juste d’apprendre que la notation scientifique n’est que la main-courte pour exprimer les très petites et très grande valeurs.

Les préfixes sont similaires, ils sont la main-courte qui décrit en mots des valeurs. C’est important de bien comprendre la notation scientifique pour utiliser les préfixes efficacement.

La notation scientifique et les préfixes

·         Certaines puissances (démontrer par les exposants en notation scientifique) sont assigné des symboles (lettres) appelés préfixes.

·         Il y a 20 puissances qui sont adonnés de préfixes dans le système SI.

PREFIX                                     SYMBOL                                              VALUE

yotta                                                         Y                                                      X10²⁴

zeta                                                           Z                                                      X10²¹

exa                                                            E                                                      X10¹⁸

peta                                                          P                                                      X10¹⁵

tera                                                           T                                                      X10¹²

giga                                                          G                                                     X10⁹

mega                                                        M                                                    X10⁶

kilo                                                            k                                                      X10³

hecto                                                        h                                                      X10²

deca                                                         da                                                     X10¹

standard unit (no prefix)                     m, L, g, mol, K etc.                               X10⁰

deci                                                           d                                                      X10^-1

centi                                                         c                                                      X10^-2

milli                                                          m                                                    X10^-3

micro                                                        μ                                                     X10^-6

nano                                                         n                                                      X10^-9

pico                                                           p                                                      X10^-12

femto                                                        f                                                       X10^-15

atto                                                           a                                                      X10^-18

zepto                                                         z                                                      X10^-21

yocto                                                         y                                                      X10^-24

Convertir les valeurs de notation scientifique aux préfixes :

Étape 1 : écrit la valeur en notation scientifique

Étape 2 : remplace le « x 10ⁿ » avec le préfixe approprié

Exemple :        1) 4000m = 4 x 10³m = 4 kilomètre

                        2)  0. 000 000 003 s = 3,0 x 10⁹ = 3,0 gigasecondes

                        3) 47 000 mol  = 47 x 10³ mol = 47 kilomol

Converti les quantités de la notation standard à la notation aux préfixes

a) 4 000 m                                                                           b) 2 000 000 000 s

c) 300 g                                                                                d) 45 000 000 000 000 000 K

e) 0.000 000 000 000 000 000 0007 s                       f) 0.000 0099 g

g) 0.006 m                                                                           h) 0.000 000 000 888 K

Converti les quantités de la notation aux préfixes à la notation standard

a) 5 Em                                                                                 b) 2 pm

c) 1.5 cm                                                                              d) 77 hm

e) 99.67 hs                                                                          f) 68.3 Mm

g) 7.22 fK                                                                             h) 2.9 daK

Conversions:

·         La première étape pour résoudre des problèmes de chimie et physique est souvent de faire une conversion.

·         La méthode de conversion d’unité est la méthode la plus versatile et universel de faire les conversions. Il s’agit d’une simple technique de Mathé. 

EXAMPLES:

1.         210 s → min

2.         13.4 cm → m

3.         27 km → m

4.         27 km → cm

5.         120 m² → cm²

6.         350 yards → cm

7.         100 kmh^-1 → ms^-1

            8.         10 ms^-1 → kmh^-1

Converti les suivants:

1. 0.15 minute → secondes

     

2. 60 minutes → secondes

3. 36 000 secondes → minutes  

4. 1000 secondes → minutes

5. 45 minutes → heures             

6. 0.35 heures → minutes          

7. 0.25 heures → secondes        

8. 10 heures → secondes

9. 1 000 000 secondes → heures

10. 45 secondes → heures           

11. 36 000 000 seconds → jours

12. 1 jour → secondes     

13. 1 année → secondes

14. 16 années → jours

15. 365 jours → minutes

16.  22 m → nm

17.  4.32 MA → A

18.  491 Ts → Gs

19.  150 GK → cK

20.  25 cm² → m²

21.  3 km² → mm²

22.  100 kmh^-1  → ms^-1

23.  10 ms^-1  → kmh^-1

24.  9.8 ms^-2  → mh^-2

Mesure et collecte de données en sciences

Exprimant la précision de nos appareils de mesure.
Avec chaque appareil de mesure nous avons un degré d'incertitude, ou quand nous sommes entre les lignes de graduation ou «tics». À ce stade, nous estimons ce que le degré d'incertitude est.

Par exemple, une règle ou un chronomètre.

Exprimer l’exactitude et la précision

           

La règle illustrée au haut à une ligne pour chaque millimètre. Si l’objet qu’on mesure tombe entre deux lignes, on doit estimer. Ceci indique que la règle est précise au 0,5 mm.

On indique l’exactitude des mesures en utilisant un plus/négatif : + ou +/-. Toutes les mesures faites avec cette règle doit indiquer le signe suivie par l’exactitude de l’instrument. Par exemple, si vous mesurer une ligne qui commence à 0 et fini à la flèche, la ligne serrait 8.25 cm +/- 0.05 cm. Puisque nous sommes capables de seulement mesurer au 0.5 millimètre, toutes les mesures faire avec cette règle doivent finir avec un 0 ou un 5.

La précision de certains instruments utilisés en classe :

            Mètre +/- 0.05 cm (aka 0.5 mm)

            Cylindres gradués :                             Balances :

100 mL + 0.5 mL                                 Dial-a-gram + 0.01 g

50 mL + 0.5 mL                                   Balances électronique + 0.001 g

25 mL + 0.5 mL                                   Balances électronique + 0.01 g

10 mL + 0.05 mL

Comment faire les mesures

Les volumes liquides dans un cylindre gradué : Le liquide va former une « courbe » contre les bords du cylindre à cause de la tension de surface. On appelle cette courbe le « ménisque ». Pour avoir une donnée précise, prend la mesure du bas du ménisque.
Si vous faites des mesures avec des règles : Placer vous au-dessus de la règle.
Pratique :
Indique le volume qui liquide illustré dans le cylindre graduée en mL et L. Mesure les deux lignes ci-dessous et indique leur longueur en mm, cm, et m. (indique la précision après chaque mesure).

Le processus de la méthode scientifique

La science n'est pas coupé et sec. Les possibilités et les réponses doivent être testées à plusieurs reprises, afin d'arriver à une conclusion. Pour assurer que nos résultats sont complets, nous avons besoin d'utiliser l'équipement correctement.

Pour résoudre aux problèmes par la pensée scientifique, nous utilisons ce qu’on appelle la méthode scientifique. Nous utilisons la méthode scientifique quotidiennement. Pour répondre aux problèmes de cette manière ne nécessite pas toujours le besoin de portée un manteau et lunettes de laboratoire; il demande simplement la pensée logique rationnelle. Par exemple, si votre lecteur DVD ne fonctionne pas ou que vous essayez de comprendre ce qui ne va pas à votre animale de compagnie, vous pensez probablement scientifiquement.

Ci-dessous nous allons examiner les différentes parties de la méthode scientifique d’une manière qui peut être différent de ce que vous avez connu auparavant.

Format pour les rapports de laboratoires et la méthode scientifique

Problème
Chaque exploration scientifique (soit que c’est au sujet de votre lecteur DVD ou des origines de l’univers) commence tous avec un problème. Un problème c'est un énoncé précis, qui identifie les variables à tester et ce qu’est trouvé dans la conclusion. Les problèmes sont à la nature des sciences; elles sont des questions qu’on ne connait pas la réponse. C’est important de rédiger les problèmes d’une manière qui peut être résous par la méthode scientifique. 

·         Il devrait être écrit sous forme de question

·         Il devrait être écrit de manière qu’il peut être résous par la méthode scientifique

·         Il devrait être court

Information

Faire un peu de recherche avant de commencer une expérience est une partie importante de résoudre les problèmes scientifiquement. C’est préférable que vous regardé au travail d’autre personnes qui ont essayé de résoudre un problème similaire, ou qui pourrait avoir de l’information qui pourrait vous aider à résoudre votre problème.

Sources d’information

·         Ceci est des individus ou organisations qui peuvent avoir de l’information qui serrait un avantage à vous.

·         Ils doivent être spécifique (par exemple, « la bibliothèque » et « l’internet » n’es pas acceptable mais « the Winnipeg Reginal Health Authority » ou « Satistiques Canada » serrait acceptable).

Types d’information

·         Ceci est des données ou l’information spécifique au sujet du problème que vous essayez de résoudre.

·          Ceux-ci devraient aussi être aussi spécifique que possible et sont souvent sous formes de donnés qui ont étés collectionner par des organisations qui sont des bonnes sources

Hypothèse
Déclaration définitive au sujet des résultats attendue.  C'est une devinette éduquée. Cela signifie que vous pensez que quelque chose va se produire pour une raison. Elle devrait contenir des valeurs de la littérature et une explication des raisons pour lesquelles vous obtiendrez le résultat.

Une bonne hypothèse devrait avoir les critères suivants :

·         Elle devrait être sous forme de déclaration

·         Elle devrait être une réponse à votre problème

·         Elle devrait être de votre opinion

Matériaux
Qu'est-ce que vous avez utilisés. Même si vous êtes donnés les matériaux ou si vous changer quelque chose, ou vous n’avez pas utilisé pas quelque chose, indique ce que vous avez utilisé.

Méthodes
Quelles sont les étapes nécessaire pour compléter  l'expérience. Si vous êtes donné la méthode, vous devez le mettre dans vos propres mots, à la troisième personne. Si vous faites la méthode, vous devez inclure chaque petit pas dans le détail. Ne présumes rien.

La collecte de données brutes dans un tableau
Les données exactement comme il est recueilli, avec des incertitudes propres et enregistrés correctement. Il ne montre pas les valeurs additionnées ou des réponses à partir de formules à partir de l'entrée des données.

Règles pour une bonne table de données

1.         Un titre : une description complète du tableau de donnée afin que son contenu puisse être compris dans le titre seul. Tout tableau devrait commencer avec «tableau de donnée #» ou « # » est la séquence des tableaux dans votre laboratoire.

2.         Plan : décider combien de rangés et colonnes que vous avez besoin avant de commencer le laboratoire.

3.         Les tableaux sont propres : utilise une règle pour dessiner les lignes, l’écriture devrait être propre et facile à lire.

4.         Étiquette : les colonnes devrait avoir des titres qui décrivent leur contenu incluant (si applicable) les unités de mesure et la précision.

5.         La première colonne : traditionnellement continent les objets/sujets qui sont mesuré

6.         Les reste des colonnes : traditionnellement contient les essaies ou différente mesures. Si approprié, la dernière colonne est la moyenne des mesures.

7.         Un tableau pour une séries de mesures : un tableau pour chaque séries de mesures par exemple, tableau #1 : volume d’un objet, tableau #2 : masse d’un objet, etc.)

Traiter les données brutes
Le traitement doit se faire dans un espace séparé pour tous les calculs. UN SEUL exemple de calcul est nécessaire pour chaque formule utilisée. Cela signifie aussi que vos calculs d'erreur sont faits ici aussi.

Variables et contrôles
Sont des facteurs qui influencent le résultat d'une expérience.

Il existe deux types: indépendants et dépendants.

Les variables indépendants sont les variables que vous changez. D’habitude il y a seulement 1 variable indépendant par expérience. Les variables dépendant sont ceux qui dépendent du variable indépendant.

Indépendant – est le facteur que tu changes. Par exemple, si tu test la distance que vole divers types d’avions de papier, le variable indépendant est les types d’avions, que tu en tour élabore à son sujet.

Dépendant – est le facteur ou résultat d’avoir changé le variable indépendant. « Il est dépendant du variable indépendant ». Dans l’exemple, le variable dépendant est comment loin que l’avion vole.

Ex. Indique si les problèmes suivants sont indépendants (VI) ou dépendant (VD).

1.      Es-ce que le nombre d’heures de lumière que reçoit une plante de fève affecte la croissance?

2.      Es-ce que le nombre de minutes d’étude affecte les résultats sur un test?

3.      Es-ce que le coût d’un billet de théâtre affecte  combien de personnes vont aller?

4.      Es-ce que la masse d’un objet influence comment vite il tombe vers la Terre?

5.      Es-ce que la forme d’un avion de papier affect la distance qu’il va voler?

Contrôle –ceux-ci sont des parties de l’expérience qu’on ne change pas (garder constant). Dans notre exemple, le type de papier serrait le contrôle. Toutes les contrôles doivent êtres listés et spécifique.

Les contrôles sont les parties de l’expérience qui sont constante. Une expérience peut avoir plusieurs contrôles. Les contrôles sont très importants, sans eux ont ne saurait pas quel facteurs influence le variable dépendant.  Pour chaque des problèmes de la question précédente, identifie 3 contrôles. 

1.

2.

3.

4.

5.

Source d’erreur

Les sources d’erreur posent souvent des problèmes aux élèves. Les sources d’erreurs sont n’importe quoi qui affecte vos résultats qui sont hors de votre contrôle. Ne pas faire des mesures correctement, pas utiliser les instruments correctement, ou des fautes dans le plan du laboratoire ne sont pas des sources d’erreurs acceptable puisque tous sont sous votre contrôle.

Observations
Il s'agit de mettre les données en mots, en commentant les tendances, les différences, et ce que vous avez vu. Il existe deux types d'observations nécessaires; qualitatives et quantitatives. Toutes les données et les tendances peuvent avoir des commentaires.

a.      Qualitative - tu regardes pour les « qualités » des objets ou résultats. Les sens sont utilisés.  Par exemple, couleur, chaud, froid, etc. serraient tous des observations qualitatives.

b.      Quantitatives - regarde pour des chiffres précis. Températures spécifiques, les différences entre les mesures, ou des valeurs spécifiques par rapport aux valeurs de la littérature.

Dans le tableau suivant indique s’il s’agit des données quantitatives (QT) ou qualitatives (QL)

QT or QL	1. La chandelle est dans la forme d’un cylindre.	QT or QL	8. La chandelle est 4 cm de diamètre.
QT or QL	2. Quand aucun courant d’air ne dérange, la flamme à la forme d’une larme.	QT or QL	9. La flamme est 1cm du haut de la chandelle.
QT or QL	3.  La chandelle est approximativement 11 cm de long.	QT or QL	10. La base de la flamme est bleue.
QT or QL	4.  La longueur de la chandelle diminue lorsqu’elle brule.	QT or QL	11.  La ficelle est composée de 8 brins de ficelle tressée.
QT or QL	5. Le taux de diminution était 1.5cm/0.5 heure.	QT or QL	12.  La chandelle à une surface lisse.
QT or QL	6. Une ficelle dépasse 1 cm du haut de la chandelle.	QT or QL	13. Il y a une région de la flamme qui émet une lumière jaune.
QT or QL	7. La chandelle est blanche.	QT or QL	14. Il y a une odeur légère.

Interpréter les résultats - Conclusion
La conclusion est la partie la plus importante de l'expérience. Il résume l'ensemble de vos données et observations, et explique pourquoi vous avez obtenu les résultats que vous avez faits.

Une conclusion comprend:

1.      Réponse au problème. Inclus vos valeurs trouver lors du traitement des données.

2.      Faites un commentaire au sujet de votre hypothèse et de donner une explication pour vos résultats

3.      Erreurs

a.       les erreurs doivent faire du sens avec vos résultats. Les erreurs sont les facteurs qui sont hors de votre contrôle qui pourraient affecter vos résultats, comme la précision de l'appareil de mesure. Vous faire une erreur n'est pas une erreur.

                                                              i.      L'erreur humaine, comme le temps de réaction

                                                             ii.      Des erreurs  d’équipement

                                                           iii.      Des erreurs de l'environnement

4.      Commentaire sur les améliorations possibles au laboratoire
• Il n'est pas toujours nécessaire, mais il est bon d'en faire une, et soyez précis

Les spécifiques pour les rapports de laboratoires

2.      Une page titre

a.      Toutes laboratoires sont censés d’avoir une page titre, dans le même format. Si vous n’avez pas une page titre le laboratoire n’est pas accepté.

b.      La page titre doit être fait sur une feuille blanche non-ligné.

c.        Le format est comme suit :

Nom de l’activité

Votre nom

La date

Science IB, Jour 1, Période 2

Présenté à M. Hilario

3.      Énonce le but du laboratoire

4.      Énoncer votre hypothèse

a.      Pas une devinette, mais recherché et référencé d’une manière adéquat

5.      Identifie les variables et contrôles.

a.      Indépendant – est le facteur que tu change.

b.      Dépendant – est le facteur ou résultat d’avoir changé le variable indépendant.

c.       Contrôle –ceux-ci sont des parties de l’expérience qu’on ne change pas (garder constant).

6.      La liste de matériaux nécessaires

7.      La méthode : énonce les étapes à suivre

8.      Observations

a.      Qualitative - tu regarde pour les « qualités » des objets ou résultats. Les sens sont utilisés.  Par exemple, couleur, chaud, froid, etc. serraient tous des observations qualitatives.

b.      Quantitatives - regarde pour des chiffres précis. Températures spécifiques, les différences entre les mesures, ou des valeurs spécifiques par rapport aux valeurs de la littérature.

9.      La collecte de données brutes dans un tableau.

10.  Faites une conclusion.