TEMA 1. LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA - … · A veces, el resultado de una operación con la...
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1 TEMA 1. LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA
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TEMA 1. LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA
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1. ¿QUÉ SE ENTIENDE POR CIENCIA?
“La ciencia no nos habla de la naturaleza, nos ofrece respuestas a nuestras preguntas
sobre la naturaleza” (W. Heisenberg, premio nobel de física en 1932).
La Ciencia se puede definir como aquella actividad que se ocupa de resolver
problemas mediante la observación y la lógica.
El término ciencia procede del latín “scientia”, y significa saber.
La ciencia se organiza en ramas, especializadas; tenemos las ciencias naturales, la
ciencia de la sociología, la ciencia de la medicina, la ciencia de la psicología, la ciencia de
la economía, etc. Nosotros nos vamos a centrar en las ciencias de la naturaleza.
La física estudia cualquier cambio que experimente la materia en el que no cambie
su naturaleza interna.
Si ponemos el agua de un vaso en un cazo y la calentamos, puede convertirse en
vapor. Si la enfriamos, puede convertirse en hielo. En cualquier caso, la sustancia sigue
siendo agua. Decimos que ha experimentado un cambio físico.
La química estudia cómo está constituida la materia y los cambios que afectan a su
propia naturaleza.
La química estudia cómo es el agua, qué elementos químicos la forman y cómo están
unidos. La corriente eléctrica puede descomponer el agua en dos gases, hidrógeno y
oxígeno. Esta descomposición es un cambio químico, pues convierte el agua en
sustancias de distinta naturaleza.
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La biología se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su
origen, evolución y propiedades (génesis, nutrición, morfogénesis, reproducción,
patogenia, etc.).
La geología se ocupa del estudio de la Tierra y de los cuerpos celestes rocosos,
la materia que los compone, la estructura, sus mecanismos de formación y los
cambios o alteraciones que han experimentado desde su origen.
Estas ciencias tienen por objeto el estudio de la naturaleza, siguiendo la modalidad del
método científico conocida como método experimental.
2. EL MÉTODO CIENTÍFICO. SUS ETAPAS
La investigación científica es el motor de evolución de la ciencia. La investigación
surge como respuesta a los interrogantes que el ser humano se plantea, por curiosidad o
buscando una utilidad.
Se denomina método científico
al procedimiento que siguen las
personas de ciencia para estudiar los
problemas y llegar a conclusiones
ciertas.
El método científico sigue una
serie de pasos, que son:
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3. MEDIDA DE MAGNITUDES
La física y la química son ciencias experimentales. Su trabajo requiere medir diversas
características de la materia o de los cambios que experimenta. Se dice que la física y la
química son las ciencias de la medida.
Llamamos magnitud a cualquier característica de la materia o de los cambios que
experimenta, que se puede medir, es decir, que se puede expresar con un número y
una unidad.
Por ejemplo, la masa o la temperatura, son magnitudes. Podemos decir que la masa de
un cuerpo es de 60kg y su temperatura es de 30 ºC.
Medir una magnitud es compararla con una cantidad de su misma naturaleza
llamada unidad y ver cuántas veces está contenida dicha unidad en la magnitud
medida.
Por ejemplo, si tratamos de medir la longitud de una mesa (magnitud), deberemos
primero elegir una unidad de medida y ver después cuántas veces esa unidad está
contenida en la magnitud a medir.
Para expresar correctamente una
medida debemos indicar, además del
número, la unidad que se ha empleado en
la medición.
Número Unidad
10,3 Cm
100 mL
27,6 Kg
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3.1. MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES
Las magnitudes físicas son propiedades de los cuerpos que se pueden medir.
Una posible clasificación agrupa las magnitudes físicas en magnitudes escalares y
vectoriales:
Las magnitudes escalares tienen únicamente como variable a un número que
representa una determinada cantidad.
La masa de un cuerpo, el volumen, la
temperatura o la longitud, son algunos
ejemplos de magnitudes escalares.
En muchos casos las magnitudes escalares no nos dan información completa sobre
una propiedad física. Por ejemplo una fuerza de determinado valor puede estar aplicada
sobre un cuerpo en diferentes sentidos y direcciones.
Las magnitudes vectoriales, como su propio nombre indica, se representan
mediante vectores, además de un módulo (o valor absoluto) tienen una dirección y
un sentido.
La velocidad, la fuerza, la aceleración o
el campo eléctrico son algunos ejemplos de
magnitudes vectoriales.
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3.2. MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS
Las magnitudes físicas son propiedades de los cuerpos que se pueden medir.
Una posible clasificación agrupa las magnitudes físicas en magnitudes fundamentales y
derivadas:
Magnitudes fundamentales son aquellas que se pueden medir directamente. Se
definen independientemente de las demás, mediante el instrumento de medida.
Ejemplos de magnitudes fundamentales son la longitud, la masa y el tiempo.
Magnitudes derivadas son aquellas que se definen a partir de otras magnitudes,
bien fundamentales, bien derivadas. En algún caso su estimación se realiza a través
de expresiones matemáticas.
Ejemplos de magnitudes derivadas son la velocidad, la aceleración y la fuerza.
3.3. EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
Como se ha indicado anteriormente, las unidades de medida son patrones que sirven
para comparar magnitudes físicas, por tanto toda magnitud física lleva asociada una
unidad de medida.
Para que una unidad sea considerada válida debe cumplir tres requisitos:
Ser constante. Significa ser igual independientemente del lugar y el momento.
Ser universal. Significa ser aceptada por toda la comunidad científica.
Ser fácil de reproducir. Significa que sea sencillo obtener muestras de esa unidad.
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Las unidades se agrupan en sistemas de unidades, siendo el SISTEMA
INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) el utilizado por todos los científicos.
El SI, creado en 1960, es el sistema mundialmente aceptado para hacer medidas. Está
basado en el Sistema Métrico Decimal porque cada unidad contiene 10 unidades del rango
inmediatamente inferior, es decir, sus unidades aumentan o disminuyen de 10 en 10.
En la siguiente tabla se recogen las 7 magnitudes fundamentales indicando sus
unidades en el SI (y entre paréntesis los símbolos utilizados para cada una de ellas).
Magnitud (Símbolo) Unidad SI (Símbolo)
Longitud (L) Metro (m)
Masa (M) Kilogramo (kg)
Tiempo (t) Segundo (s)
Temperatura (T) Kelvin (K)
Intensidad de corriente (I) Amperio (A)
Cantidad de sustancia (n) Mol (mol)
Intensidad luminosa (Iv) Candela (cd)
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El SI también establece cuáles son las magnitudes derivadas y sus unidades.
En la siguiente tabla se recogen las principales magnitudes derivadas indicando sus
unidades en el SI (y entre paréntesis los símbolos utilizados para cada una de ellas).
Magnitud (Símbolo) Unidad SI (Símbolo) Otras unidades
Área, superficie (S) Metro cuadrado (m2)
Volumen (V) Metro cúbico (m3) Litro (L)
Densidad (d, ) Kilogramo / Metro cúbico
(Kg/m3)
Gramo / Litro (g/L)
Gramo / Centímetro cúbico (g/cm3)
Velocidad (v) Metro / Segundo (m/s) Kilometro / hora (km/h)
Aceleración (a) Metro / Segundo cuadrado
(m/s2)
Fuerza (F) Newton (N)
Presión (p) Pascal (Pa) Milímetro de mercurio (mm de Hg)
Atmósfera (atm)
Energía (E) Julio (J)
Trabajo (W) Julio (J)
Potencia (P) Vatio (W)
Carga eléctrica (q) Coulombio (C)
Resistencia eléctrica (R) Ohmio ()
Voltaje, ddp (V) Voltio (V)
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3.4. MÚLTIPLOS Y SUBMÚLTIPLOS
Los científicos manejan a menudo cantidades muy grandes o muy pequeñas respecto a
la unidad básica. Por ejemplo, el tamaño de algunas células es 0,000003m, y la distancia
de la Tierra al Sol es 149597870700m.
El SI también indica el nombre de los múltiplos y submúltiplos que van a facilitar su
escritura. En la siguiente tabla se recogen la mayoría de estos múltiplos y submúltiplos
indicando el nombre de cada uno y su abreviatura.
Factor que
multiplica a la
unidad
Prefijo Factor que
multiplica a la
unidad
Prefijo
Nombre (Símbolo) Nombre (Símbolo)
1018 exa (E) 10-1 ceci (d)
1015 peta (P) 10-2 centi (c)
1012 tera (T) 10-3 mili (m)
109 giga (G) 10-6 micro ()
106 mega (M) 10-9 nano (n)
103 Kilo (k) 10-12 pico (p)
102 hecto (h) 10-15 femto (f)
101 deca (da) 10-18 atto (a)
Las cantidades anteriores se pueden expresar así de forma más sencilla:
El tamaño de algunas células es 3m, y la distancia de la Tierra al Sol es 149,6Gm.
La principal unidad de superficie es el metro cuadrado. Cada unidad de superficie es
100 veces mayor que la unidad inmediata inferior y 100 veces menor que la unidad
inmediata superior.
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La principal unidad de volumen es el metro cúbico. Cada unidad de superficie es 1000
veces mayor que la unidad inmediata inferior y 1000 veces menor que la unidad inmediata
superior.
No todas las magnitudes se miden referenciadas en el Sistema Métrico Decimal, por
ejemplo, el tiempo y la temperatura:
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3.5. CAMBIO DE UNIDADES
Para cambiar de una unidad a otra se utilizan los factores de conversión.
Un factor de conversión es una fracción que tiene en su numerador y su denominador
la misma cantidad, pero expresada en distintas unidades.
Al multiplicar una cantidad por un factor de conversión no cambia la cantidad, solo
sus unidades.
Para encontrar el factor de conversión adecuado:
1. Escribe la cantidad que quieres
cambiar de unidad. 275,8 cm
2. Escribe al lado una fracción con la
misma unidad en el denominador (cm)
y en el numerador la unidad en la que
la quieres convertir (m) de manera que
se simplifique la unidad de partida.
275,8 cm · m
𝑐m
3. Al lado de cada unidad pon su
equivalencia con la otra. 275,8 cm ·
0,01 m
1 𝑐m
4. Simplifica lo que sobre y expresa el
resultado final. 275,8 cm ·
0,01 m
1 𝑐m = 2,758m
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3.6. NOTACIÓN CIENTÍFICA
A veces, el resultado de una operación con la calculadora es un número muy grande o
muy pequeño, y no siempre nos conviene utilizar múltiplos o submúltiplos para expresarlo.
La notación científica consiste en escribir las cantidades con una cifra entera, los
decimales y una potencia de 10.
Es una manera de escribir números que facilita su lectura y comprensión.
Vamos a completar una tabla para dos ejemplos numéricos:
1. Observa el número original. 346000 0,000064
2. Escribe la primera cifra distinta de
cero, luego coma y después las
cifras restantes. No pongas los
ceros a la derecha.
3,46 6,4
3. Escribe la potencia de 10. Cuenta
los lugares que tienes que
desplazar la coma hasta que quede
solo una cifra entera. Ese valor será
el exponente que usarás.
3,46 · 105
Si el numero era
mayor que uno, la
potencia será positiva
6,4 · 10-5
Si el numero era
menor que uno, la
potencia será negativa
4. TRATAMIENTO DE LOS DATOS
Los datos experimentales no son valores numéricos que únicamente están ahí, sino
que tienen que ser interpretados y analizados.
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4.1. CIFRAS SIGNIFICATIVAS
Se denominan cifras significativas (c.s.) de una medida experimental las que se leen
en una escala de un aparato de medida. Corresponden al conjunto de los dígitos que se
conocen con seguridad en una medida.
Las siguientes reglas determinan el número de cifras significativas de una medida:
Cualquier cifra distinta de cero se considera significativa.
Ejemplos: 25,36 tiene 4 c.s. y 154 tiene 3 c.s.
Se consideran cifras significativas los ceros situados entre dos dígitos distintos de
cero y los situados después de la coma decimal.
Ejemplos: 2005.20 tiene 6 c.s. o 34.00 tiene 4 c.s.
Sin embargo no se consideran cifras significativas los ceros situados al comienzo de
un número, incluidos aquellos situados a la derecha de la coma decimal hasta llegar
a un dígito distinto de cero.
Ejemplo: 0,000560 tiene 3 c.s. (560)
Tampoco se consideran significativos los ceros situados al final de un número sin
coma decimal, excepto si se indican con un punto.
Ejemplos: 450 tiene 2 c.s. (45), sin embargo 450. tiene 3 c.s.
Los termómetros digitales
utilizados en la medicina práctica
utilizan 3 cifras significativas.
Las dos primeras son cifras exactas y la última es
una cifra significativa afectada por error ya que
probablemente la temperatura real estará formada por
infinitos decimales imposibles de representar y que
además no son necesarios para determinar si el
paciente tiene fiebre o no.
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4.2. ERRORES EN LA MEDIDA
La Física y la Química son ciencias Experimentales y como tales se basan en las
medidas de los experimentos realizados. Por supuesto que en estas medidas se cometen
errores.
Los errores cometidos pueden clasificarse según se produzcan por la forma en la que
se realiza la medida en:
Error accidental: Aquellos que se producen debido a un error por causas
cualesquiera y que no tienen por qué repetirse.
Ejemplo: Leemos en el cronómetro 35 s y escribimos en el cuaderno 36 s.
Error sistemático: Se debe a una mala realización de las medidas que se repite
siempre.
Ejemplos: Se hacen medidas con un aparato que tenga un defecto de fabricación, o
miramos siempre la probeta desde un ángulo equivocado (error de paralaje).
Por otra parte cuando realizamos una medida nos alejamos siempre algo del valor real
de la magnitud. Para determinar la precisión de una medida usamos dos tipos de errores:
Error absoluto: Desviación entre el valor medido y el valor real (puede ser la media
aritmética de varias medidas).
Tiene las mismas unidades que la magnitud medida. Se expresa en valor absoluto.
Error relativo. Cociente entre el error absoluto y el valor real.
Es adimensional. Se expresa en %.
Cuanto menor sea el error relativo, mejor será la medida.
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4.3. REDONDEO
Cuando realizamos algún tipo de operación matemática puede ser interesante reducir
el número de decimales que obtenemos para evitar trabajar con valores excesivamente
grandes. El redondeo puede ayudar a esta tarea provocando que los resultados sean lo
más precisos posibles.
Redondear un número es el proceso de eliminar las cifras situadas a la derecha de la
última cifra significativa.
La última cifra que se deja aumenta en 1 si la primera cifra eliminada es un 5 o una
cifra mayor.
Ejemplo: 45.367892 redondeado a 5 c.s. es 45.368.
La última cifra que se deja queda inalterada si es menor que 5.
Ejemplo: 123.643421 redondeado a 5 c.s. es 123,64.
Cuando realizamos operaciones matemáticas con valores decimales, el resultado debe
redondearse hasta un número determinado de cifras significativas.
Cuando sumamos o restamos, el
resultado debe tener el mismo número
de decimales que el valor que
menos tenga:
Ejemplo: 420,5 + 0,6 = 421,1
Se redondea hasta las décimas.
Cuando multiplicamos o dividimos, el
resultado debe tener el mismo número de
cifras significativas que el valor que
menos tenga:
Ejemplo: 10,5 · 12,3 = 129
Se redondea con tres cifras significativas
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4.4. ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
EXPERIMENTALES
La ciencia utiliza el lenguaje matemático como un medio de representar ideas y de
relacionar conceptos.
Tabular los resultados de una experiencia y representarlos gráficamente nos
permite analizar cómo cambian determinadas variables cuando se modifican otras.
A la hora de hacer una gráfica debes tener en cuenta:
La gráfica debe ser fácilmente legible y de aspecto agradable a la vista.
Distribuir adecuadamente los valores del eje X y del eje Y (considerar el recorrido de
las variables y distribuir el espacio disponible).
Rotular la gráfica (título) e indicar qué se recoge en el eje X (normalmente la
variable independiente, lo que se varía) y qué en el eje Y (normalmente la variable
dependiente, lo que varía al modificar la variable independiente). Poner unidades
entre paréntesis.
Procurar que las divisiones se correspondan con valores sencillos: unidades,
múltiplos de dos, múltiplos de cinco, múltiplos de diez…
Si los números que se corresponden con las divisiones quedan excesivamente
juntos se gana en claridad escribiendo uno sí y uno no.
Señalar los puntos con un pequeño círculo lleno. No pintar otras líneas.
Trazar (a ojo) la línea que mejor se adapte a los puntos. Si algún punto queda
claramente fuera de la tendencia general, desecharlo. Se trata de un valor erróneo.
Interrogarse sobre la posibilidad de que la recta pase por el origen o no.
Si la gráfica resultante es una recta que pasa por el origen las magnitudes
representadas son directamente proporcionales.
