La investigación científica
1
Responde
■ ¿Qué es la física? ¿Y la química?
■ ¿Qué entiendes por método científico?
■ ¿Qué es el Sistema Internacional de Unidades?
■ ¿Por qué es necesario conocer las medidas de las cosas?
■ ¿En qué lugar se desarrollan los experimentos?
En esta unidad aprenderás a...
■ Reconocer las características del método científico.
■ Describir procedimientos científicos para determinar magnitudes.
■ Formular hipótesis para explicar fenómenos de nuestro entorno utilizando teorías y modelos científicos.
■ Identificar los materiales e instrumentos básicos presentes en el la- boratorio.
■ Conocer y respetar las normas de seguridad en el laboratorio.
■ Interpretar la información sobre temas científicos.
¿En qué consiste el trabajo de los científicos? ¿Cómo diseñan sus experi- mentos y analizan sus resultados? ¿Qué objetivos persiguen?
El objetivo de las distintas disciplinas científicas es estudiar, de forma metó- dica y ordenada, el conjunto de hechos que se producen en nuestro entor- no, observando, planteando cuestiones y realizando experimentos, es decir, investigando, pero… ¿qué es investigar?
Entendemos por investigar desarrollar un proceso que nos permita dar respuesta a una pregunta (o hipótesis) y así, aumentar nuestro conoci- miento. Toda investigación debe ser planificada, ordenada y repetible si- guiendo un método científico.
La ciencia pretende encontrar un orden, un modelo, una estructura co- herente donde se integre la descripción de los fenómenos naturales ob- servados, las relaciones entre ellos y su explicación racional.
▋
Características de la ciencia
La ciencia se caracteriza por basarse en hechos concretos, no en opinio- nes; podemos destacar que es:
Objetiva: independiente de la manera de pensar o sentir del científico.
Analítica: estudia cada componente de forma aislada y analiza las relaciones entre estos componentes.
Metódica: las investigaciones científicas deben estar bien planificadas y los científicos deben seguir esta planificación.
Comunicable: el conocimiento científico es expresable y público.
Experimental: para comprobar los hechos se deben realizar experi- mentos.
Verificable: todo conocimiento científico se tiene que poder com- probar.
Ética: la ciencia busca la verdad y la utilidad. El uso de estos conoci- mientos depende de los distintos valores sociales.
En la ciencia debemos distinguir dos componentes: el conocimiento, que es el objeto de la ciencia y el método científico que es el método de trabajo.
Practica y aprende
1. Busca alguna noticia de este año que se refiera a algún descubrimiento o des- criba alguna investigación. ¿De qué área científica se trata? ¿Qué importancia tiene en la sociedad?
1 El método científico
La aplicación del método científico a un proceso de investigación debe seguir una serie de etapas. Veamos cuáles son:
1. Observación de un fenómeno nuevo o detección de una laguna en un conoci- miento ya estudiado.
2. Formulación de hipótesis que intentan explicarlos.
3. Diseño de estrategias y experimentos.
4. Experimentación y toma de datos.
5. Análisis de los resultados.
6. Comunicación pública de los resultados.
Investiga
Investiga a qué se denomina pseudociencias. ¿Podrías poner al- gún ejemplo?
Sabes que el origen de cualquier in- vestigación se encuentra en la curio- sidad junto a una observación deta- llada.
A lo largo de la historia han apare- cido nuevas teorías que se han debi- do a observaciones accidentales. Un ejemplo lo podemos encontrar en la observación de Wilson y Penzias de la existencia del fondo de radia- ción cósmica, que acabó siendo una prueba del eco del Big Bang.
Método científico
Formulación de hipótesis Comunicar
resultados
Analizar y verificar
Observación
Experimentación Diseño
1.1. Observación
La observación es la etapa inicial del trabajo científico y comienza por la formulación de preguntas sobre los fenómenos.
La observación se refiere, no solo a los fenómenos perceptibles direc- tamente por los sentidos, sino también a los perceptibles utilizando instrumentos.
Crear un modelo es simplificar una situación para poder estudiarla y entenderla.
Ejemplo
Nos podemos plantear la pregunta:
¿Qué objetos caen más deprisa?
Como esta pregunta inicial es muy amplia y complicada, debemos concretarla, es decir, modelizarla:
¿Caerá con la misma velocidad una pelota pesada que una ligera?
Esta es una pregunta concreta, que nos centra en lo que debemos estudiar.
1.2. Formulación de hipótesis
La hipótesis es una suposición que pretende dar respuesta a las preguntas formuladas y que debe ser demostrada.
De esta forma se idean nuevos procedimientos para la resolución del problema planteando teorías y técnicas con el fin de obtener nuevos datos empíricos que permitan su resolución.
Ejemplo
En el ejemplo anterior cabría formular la hipótesis de que:
La pelota más pesada caerá antes que la más ligera.
Practica y aprende
2. ¿Has observado que, al llegar la primavera, desaparece la nieve en las montañas?
¿Podrías elaborar una hipótesis que lo explique?
1.3. El diseño de estrategias y experimentos
En esta etapa diseñamos la estrategia de trabajo que vamos a seguir o el experimento que vamos a realizar para probar nuestra hipótesis.
Experimentar es similar a realizar una observación, pero, en este caso,
«controlamos la situación», es decir, controlamos las variables, excep- to la que vamos a medir.
Experimentar es realizar una observación bajo condiciones contro- ladas para comprobar una hipótesis.
El diseño del experimento debe ser detallado, siendo una característica importante de los experimentos su repetibilidad, es decir, que cual- quiera que lo desee debe ser capaz de repetir el experimento obteniendo resultados similares.
El fundador de la ciencia experimental Uno de los
grandes apor- tes a la física lo realizó el cien- tífico Galileo Galilei, quien demostró que en todos los cuerpos la ace- leración de la
gravedad es igual sin importar su peso.
Gracias a sus experimentos sobre el movimiento de los cuerpos se le atribuye el mérito de ser el fundador de la ciencia experimental.
Un modelo es una representación simplificada de algún fenómeno que contiene los elementos esenciales del mismo para poder entenderlo y explicarlo.
Modelo de doble hélice de la molécula de ADN elaborado con esferas.
▋
Variables
Diseñar un experimento: se trata de estudiar una sola variable y mantener controladas las demás, para así establecer la influencia de la variable seleccionada sobre la expresión del fenómeno.
Hay dos tipos de variables:
Variable independiente: su valor no depende del valor de otra variable. Por ejemplo, la aceleración no depende de la masa de un cuerpo en el movimiento de caída en la Tierra.
Variable dependiente: su valor depende del valor de otra variable.
Por ejemplo, la velocidad de una reacción química depende de la concentración de los reactivos.
1.4. La experimentación y toma de datos
En esta etapa se realiza el procedimiento diseñado para la resolución del problema, utilizando el material teórico y experimental disponible. Se deben tomar datos de todo el procedimiento, medidas y observaciones realizadas.
Debemos ser objetivos y anotar lo que ocurre, aunque no coincida con lo que esperamos.
Ejemplo
Volviendo a nuestro ejemplo, si ambas pelotas tardan lo mismo en caer, hay que ano- tarlo, aunque sea contrario a nuestra hipótesis.
1.5. El análisis de los resultados
Todo lo realizado hasta ahora no sirve de nada sin esta etapa. Hemos de analizar los resultados obtenidos en el experimento diseñado para comprobar nuestra hipótesis sobre la observación de la que partió todo.
El análisis de los resultados se puede expresar de diferentes formas. Estas son las más utilizadas:
Tablas de datos: lo más directo es tenerlos en forma de tablas, como los hemos recogido al experimentar. Así se pueden comparar y determinar lo que ha sucedido.
Investiga
Imitando el experimento del maestro Galileo podemos planificar la siguiente experiencia, en equipos de tres alumnos.
1. Buscar dos pelotas de igual tamaño y anotar sus pesos.
2. Predecir cuál de las dos pelotas va a caer antes, según la hipótesis que plantee el equipo.
3. Soltarlas desde la misma altura.
4. Cronometrar el tiempo que tardan en caer.
5. Anotar el tiempo de cada pelota.
6. Repetirlo diez veces para evitar errores y asegurar la fiabilidad de los resultados.
Recuerda
• Experimentar es realizar un fenóme- no en condiciones controladas que se puedan repetir.
• En toda experimentación debemos ser muy ordenados y minuciosos.
Representaciones gráficas: con las gráficas es más sencillo compa- rar y analizar los resultados de un simple vistazo.
Ecuaciones matemáticas: una ecuación es la expresión matemática que relaciona las distintas variables que influyen en un fenómeno. En ellas aparecen los factores estudiados. Es la mejor forma de indicar nuestras conclusiones, y también la más difícil de obtener.
Ejemplo
Estamos midiendo en el laboratorio el volumen que ocupa cierto material. Una vez obtenidos los resultados elaboramos una tabla de datos:
Masa, m (kg) 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5
Volumen, V (m3) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Con los datos obtenidos realizamos una gráfica (al margen). Recuerda que junto a los ejes se debe indicar lo que representan y sus unidades.
Podemos encontrar la ecuación de la gráfica a partir de dos puntos de esta. Calculando la pendiente, que en este caso es de 0,5, se obtiene la ecuación:
m = 0,5 · V
En este caso concreto, la pendiente de la recta corresponde a la densidad del material:
0,5 kg/m3.
En resumen, para presentar datos usaremos tablas; para analizarlos fácilmente, representaciones gráficas de todo tipo y, cuando sea posi- ble, lo mejor es dar una ecuación que relacione las distintas variables que intervienen en el fenómeno estudiado y permita predecir el valor de otros resultados.
Ejemplo
Para dar por finalizada nuestra investigación sobre la caída de los cuerpos, solo nos queda comparar los tiempos obtenidos y comprobar qué pelota ha caído antes.
Para tomar como definitivo un valor de todos los medidos en el experimento utilizare- mos la media aritmética, que nos proporcionará el valor medio.
Si hacemos varios experimentos similares y siempre llegamos a la misma conclusión, podemos generalizar y enunciar una teoría.
Si la hipótesis que hemos comprobado nos permite, además de explicar el fenómeno estudiado, predecir y explicar otros fenómenos, tendrá la categoría de ley.
Practica y aprende
3. Se quiere conocer cómo varía el volumen de cierto gas al variar la presión; para ello se diseña un experimento en el que se controla la variable temperatura man- teniéndola constante. Se varía la presión que se ejerce sobre el gas y se mide el volumen que ocupa obteniéndose los siguientes valores:
P (Pa) 1 2 4 5 10
V (dm3) 100 50 25 20 10
a. Representa la gráfica volumen-presión.
b. Deduce la expresión matemática que corresponde a la gráfica.
La media aritmética, ,x se calcu- la sumando todos los valores obte- nidos en el experimento y dividiendo dicha suma entre el número de observaciones realizadas.
Ejemplo
Las notas de Carlos en los cinco con- troles de Física y Química a lo largo del primer trimestre del curso son las siguientes: 6, 9, 8, 9 y 7. Para conocer la nota final Carlos tendría que calcular la media de los datos.
,
x 5
6 9 8 9 7 7 8
= + + + +
= Gráfica de m frente a V
0 0 0,20,4 0,60,81 1,21,4 1,6
0,5 1 1,5
V (m3)
m (kg)
2 2,5 3 3,5
1.6. La comunicación pública de los resultados
Un artículo debe incluir los siguientes apartados:
Portada. Debe indicar un título conciso y claro, subtítulos si son necesarios, autores, lugar y fecha del trabajo.
Resumen. Es la descripción abreviada y precisa del trabajo. Debe incluir el objetivo, la metodología, los resultados y las conclusiones del artículo.
Introducción. En ella se describen los estudios previos que se han encontrado en la bibliografía enfocándolo al por qué de nuestra investigación.
Materiales y métodos utilizados. Se debe incluir la descripción detallada del diseño experimental.
Resultados. Se presentarán de forma ordenada y fácil de interpretar, utilizando tablas de datos y representaciones gráficas.
Discusión. Se analizan los resultados comparándolos con los de otros científicos.
Conclusiones. Se valida o no la hipótesis propuesta al comienzo y se mencionan posibles investigaciones futuras y la utilidad de los resul- tados obtenidos.
Bibliografía. Enumeración de los trabajos citados.
Investiga
Una estudiante fue de excursión a la montaña. En su mochila introdujo una bolsa de patatas chips. Cuando llegó a la cumbre, observó que la bolsa de patatas se había hinchado y le molestaba en la mochila.
En la siguiente excursión, decidió pinchar la bolsa antes de empezar a subir la montaña y la bolsa no se hinchó. ¿Cómo se puede explicar esto?
En equipos de tres alumnos:
Diseña un experimento que lo explique.
Elabora un breve informe con la conclusión.
Realiza con tu equipo una presentación del informe al resto de la clase e incluye algún otro fenómeno parecido a este.
Un artículo debe incluir los siguien- tes apartados:
Portada.
Resumen.
Introducción.
Materiales y métodos utilizados.
Resultados.
Discusión.
Conclusiones.
Bibliografía.
Observa
No hay que confundir ley con teoría.
• La ley permite predecir y explicar otros fenómenos.
• En la teoría se engloban leyes, principios, postulados, etc.
Ejemplos
Las leyes de los gases (ley de Boyle-Mariotte, ley de Charles y ley de Gay-Lussac) establecen relaciones matemáticas entre la presión, el volumen y la tem- peratura de los gases. Son leyes experimentales que permiten predecir los cambios sin explicar por qué ocurren.
La teoría cinético-molecular nos explica cómo ocurren los cam- bios de estado o cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química.
Las leyes predicen el comporta- miento de los gases, pero es la teo- ría cinético-molecular la que nos explica por qué se comportan así.
En Física y Química medimos muchas propiedades: temperatura, veloci- dad, peso, longitud, superficie, etc. Cada una de estas propiedades es lo que llamamos magnitud.
El valor de una magnitud se expresa gene- ralmente como el producto de un número por una unidad. La unidad no es más que un valor particular de la magnitud conside- rada, tomada como referencia, y el número nos indica cuántas veces la magnitud medi- da contiene a esa unidad.
Para medir las distintas magnitudes se uti- lizan diversos instrumentos de medida como son:
La balanza para medir masas.
El cronómetro para medir tiempos.
El termómetro para medir temperaturas.
La cinta métrica para medir longitudes, etc.
2.1. La clasificación de las magnitudes
Las magnitudes se clasifican, según su independencia, en:
Magnitudes fundamentales son aquellas que no dependen de ninguna otra magnitud y que, en principio, se pueden determinar mediante una medida directa.
Magnitudes derivadas son aquellas que derivan de las fundamenta- les y se pueden determinar a partir de ellas utilizando las expresiones adecuadas. Para indicar que una magnitud es derivada utilizamos su ecuación dimensional, que pone de manifiesto cómo se calcula a par- tir de las magnitudes fundamentales.
Ejemplo
La longitud es una magnitud fundamental y el área es una magnitud derivada, pues se determina multiplicando dos longitudes.
Según su definición, se clasifican en:
Magnitudes escalares: estas magnitudes quedan perfectamente definidas citando el valor de la medida y su unidad.
Magnitudes vectoriales: para que queden bien definidas se debe dar un valor numérico de la medida, una dirección, un sentido, un punto de aplicación y su unidad.
Ejemplo
El tiempo es una magnitud escalar y la fuerza es una magnitud vectorial pues tiene una dirección y un sentido, además de módulo.
2 Magnitudes y su medida
5 m
Unidad Número
Valor de la magnitud
[
Recuerda
Recuerda
• Magnitud: es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir.
• Medir: consiste en determinar el valor de una magnitud. Para me- dir una propiedad se determina la cantidad por comparación con otra cantidad de la misma especie, toma- da como unidad.
• Unidad: es una cantidad que se adopta como patrón para compa- rar con ella cantidades de la misma especie.
Un vector es la expresión que propor- ciona la medida de cualquier magnitud vectorial. Todo vector tiene:
• Un origen o punto de aplicación: A.
• Un extremo: B.
• Una dirección: la de la recta que lo contiene.
• Un sentido: indicado por la punta de flecha en B.
• Un módulo: indicativo de la longitud del segmento AB.
A
B AB
2.2. Las unidades. El Sistema Internacional
Los científicos han creado el Sistema Internacional, o SI, que es un con- junto de magnitudes fundamentales y derivadas, con sus unidades.
Las unidades de las magnitudes fundamentales en el Sistema Interna- cional son las siguientes:
Magnitudes
fundamentales Nombre Símbolo
Longitud (l) metro m
Masa (m) kilogramo kg
Tiempo (t) segundo s
Cantidad de materia mol mol
Intensidad de corriente amperio A
Temperatura
termodinámica kelvin K
Intensidad luminosa candela cd
Las magnitudes derivadas se definen directamente a partir de las fun- damentales o partiendo de otras magnitudes derivadas. En la siguiente tabla aparecen algunas de ellas:
Magnitudes
derivadas Nombre
de la unidad Símbolo Expresión en el SI
Superficie metro cuadrado m2 m2
Volumen metro cúbico m3 m3
Velocidad metro/segundo m/s m/s
Aceleración metro/segundo
cuadrado m/s2 m/s2
Fuerza newton N kg · m/s2
Presión pascal Pa Kg/m · s2
Energía, trabajo julio J kg · m2/s2
Potencia watio W kg · m2/s3
Al hablar de la distancia de la Tierra a la Luna, o del tamaño de una bac- teria no tiene mucho sentido expresar la medida en metros. Para expresar medidas muy grandes o muy pequeñas usamos los múltiplos y submúltiplos.
Múltiplos Submúltiplos
T- Tera- 1012 d- Deci- 10−1
G- Giga- 109 c- Centi- 10−2
M- Mega- 106 m- Mili- 10−3
k- Kilo- 103 n- Micro- 10−6
h- Hecto- 102 n- Nano- 10−9
da- Deca- 10 p- Pico- 10−12
Recuerda
• Los nombres de las unidades se escriben en minúscula: newton, metro, segundo, etc.
• A una unidad le corresponde un símbolo único: kg, m, s, etc.
• Se escriben con mayúscula los símbolos que derivan de un nom- bre propio: K (Kelvin), N (New- ton), Pa (Pascal), etc.
En nuestros trabajos de tipo cien- tífico, debemos usar siempre las unidades del Sistema Internacional para que todas las personas puedan entenderlos.
Muchas veces, debemos cambiar las unidades y no expresarlas en el Sistema Internacional.
Ejemplo
El límite de velocidad en muchas carreteras es de 90 km/h. La unidad de velocidad en el SI son los m/s. Si queremos calcular este límite de velocidad en m/s podemos hacerlo por factores de conversión.
El factor de conversión es un método de conversión que consiste en multiplicar por una o varias fracciones en las que en el numerador y el denominador se expresa la misma magnitud en diferentes unidades de forma que cada fracción equivale a la unidad.
Ejemplo
En nuestro ejemplo:
90 90
1 1000
3600
1 90 1000 25
3600 h
km
h km
km m
s
h m
s m
$ $ s
= = =
Practica y aprende
4. Teniendo en cuenta la tabla de múltiplos y submúltiplos, indica en qué unidad sería más adecuado medir estas magnitudes:
a. La superficie del aula.
b. La distancia de la Tierra al Sol.
c. El volumen de agua de un río.
d. El tamaño de un virus.
5. Expresa estas medidas en unidades del SI:
a. 245 ns d. 46 ml b. 35 mg e. 0,89 cm2 c. 23 años f. 0,057 mA
Investiga
Otras unidades de medida
Hay muchas unidades que utilizamos habitualmente y no se encuentran en el SI, como las horas, los días, los años, los grados centígrados, la hectárea o la docena. Tampoco se encuentran en el SI la milla, la libra o la pulgada de los países anglosajones, ni los nudos, las brazas, los pies, los palmos y otras muchas.
Investiga en Internet y completa la siguiente tabla.
Equivalencia en unidades
Pie … cm
Pulgada … cm
Libra … g
Pinta estadounidense … l
Milla … m
Velocímetro en millas/h y en km/h.
Investiga
Vamos a medir tres distancias del aula. Forma equipos de 4 alumnos y define una unidad patrón con algu- na parte del cuerpo en cada equipo y realiza las medidas planteadas.
Cada equipo debe exponer sus resul- tados en un informe y en el cual se responda a las siguientes preguntas:
a. ¿Coincide las medidas que se han hecho? ¿A qué crees que se debe?
B. ¿Por qué es necesario que exista una unidad de medida común?
c. ¿Qué importancia tiene la metro- logía en la sociedad actual?
La metrología es la ciencia de las medidas; en su generalidad, trata del estudio y aplicación de todos los medios propios para la medida de magnitudes, tales como: longitudes, ángulos, masas, tiempos, velocidades, potencias tempe- raturas, intensidades de corriente, etc.
2.3. Los instrumentos de medida
Medir es comparar cierta cantidad de una magnitud, con otra que se ha elegido como unidad patrón.
Cada día necesitamos medir algo, y para ello hacemos uso de instrumen- tos de medida, ya sea, un cronómetro, una regla o una báscula. Estos instrumentos presentan una escala de medida y unas características propias:
Rango de la medida: valores máximo y mínimo que mide.
Unidades de medida: las unidades en que se expresa la medida.
Precisión: valor mínimo de la magnitud que puede ser medido.
Sensibilidad: es la posibilidad que tiene de detectar variaciones. En los instrumentos más sensibles los errores serán menores.
▋
La expresión de datos experimentales
Las cifras que se leen en la escala de un aparato de medida se conocen como cifras significativas (c.s.) de una medida experimental.
La medida realizada con un instrumento está formada por unas cifras significativas exactas y una última cifra significativa sujeta a error por estar en el intervalo de la precisión del aparato.
Ejemplos
7,23 m tiene tres cifras significativas.
6,00 tiene tres cifras significativas.
0,01 tiene una cifra significativa.
▋
El error en la medida
Cuando realizamos una medida, debemos aproximarnos lo más posible al resultado real, pero es difícil realizar cualquier medida de una magni- tud sin cometer algún error.
Las causas de los errores en las medidas los podemos encontrar bien en un fallo en la precisión del instrumento de medida o bien en un error, sistemático o accidental, que se comete en el proceso de medida.
La diferencia, en valor numérico absoluto, entre el valor real de una medida y el valor observado o medido recibe el nombre de error abso- luto (E
A).
E
A= Valor real Valor medido -
Si el valor observado es mayor que el valor real, se comete un error por exceso y si el valor observado es menor que el valor real, nuestro error sería un error por defecto.
El error relativo (E
R) es la relación entre el error absoluto cometido en la medición y el valor real. Este error nos informa sobre la calidad de una medida, cuanto menor es el error relativo, mejor es la medida.
E E
Valor real
R
=
ARecuerda
• El valor observado es el valor que obtenemos cuando realiza- mos una medida.
• El valor real es el valor exacto de una medida.
Tipos de errores
Errores sistemáticos. Se producen siempre de igual modo en todas las mediciones que se realiza de una magnitud.
Errores aleatorios o accidenta- les. Se producen por eventos únicos imposibles de controlar durante el proceso de medición.
Errores de calibrado. Se producen por el uso de instrumentos de medi- da mal calibrados.
El error relativo suele expresarse en tanto por ciento (%):
E E
Valor real 100
R A
= $
Las medidas experimentales siempre son aproximadas.
La incertidumbre de una medida es el máximo error de la medida y no puede ser un valor inferior a la precisión del aparato.
El error absoluto cuantifica la incertidumbre de una medida y el error relativo es un indicativo de su calidad.
Cuando el valor observado y el valor real coinciden, no hay error.
Ejemplo
Miguel acude a una farmacia a pesarse. Cuando sube a la báscula se lee un peso de 69 kg. La farmacéutica indica que la báscula no está perfectamente calibrada, que marca 1 kg más, y que, por tanto, el peso exacto es 70 Kg.
El error absoluto que presenta la báscula es:
EA= Valor real-Valor medido EA= 70 69- =1 El error relativo es:
, %
E E 100 E
0
1 100 1 43 7
Valor real
R A
$ R $
= = =
2.4. Las propiedades con medidas experimentales
En las operaciones con datos experimentales se obtienen resultados en los que se hace necesario suprimir aquellas cifras que no sean significa- tivas. Para ello se redondea el número obtenido dejándolo solo con las cifras significativas.
Redondear un número es reducir sus cifras manteniendo un valor aproximado correcto. La última cifra que se deja:
Se aumenta en 1 si la primera cifra eliminada es 5 o mayor.
Se deja igual si la primera cifra eliminada es menor que 5.
Así, redondear un número a la:
Unidad es sustituirlo por el número entero que más se le aproxime.
Ejemplos
12,5 lo redondeamos a 13 y 58,232 lo redondeamos a 58.
Décima, elimina los decimales dejando solo las décimas.
Ejemplos
22,53 lo redondeamos a 22,5 y 62,27 lo redondeamos a 62,3.
Centésima, se sustituye por el número más aproximado que en la parte decimal tenga hasta las centésimas.
Ejemplos
17,124 lo redondeamos a 17,12 y 23,127 lo redondeamos a 23,13.
La Real Academia Española, RAE, presenta diferentes significados para la palabra redondeo. En el campo científico debemos usar este concep- to como:
«Prescindir, en cantidades, de peque- ñas diferencias en más o en menos, para tener en cuenta solamente uni- dades de orden superior».
Practica y aprende
6. ¿Cuántas cifras significativas tie- nen las siguientes cantidades?
a. 987 kg b. 1,30 A
c. 6,022 · 1023 m d. 0,082 cm
2.5. La notación científica
La notación científica es una forma de expresar los números usan- do potencias de 10. Para ello, el número se escribe como:
x · 10
nSiendo:
El valor x un número real igual o mayor que 1 y menor que 10.
Y el valor n es un número entero.
Ejemplos
Queremos expresar en notación científica el número 315 000.
Desplazamos la coma decimal cinco lugares hacia la izquierda, por lo que la poten- cia de 10 tendrá 5 como exponente positivo:
315 000 = 3,15 · 105
Queremos expresar en notación científica el número 0,00027.
Desplazamos la coma decimal cuatro lugares hacia la derecha, por lo que la poten- cia de 10 tendrá –4 como exponente negativo:
0,00027 = 2,7 · 10–4
La notación científica nos ayuda a expresar, de forma reducida, cantida- des numéricas excesivamente grandes o excesivamente pequeñas.
Ejemplo
Al analizar los gases con efecto invernadero se descubrió que España emite gran canti- dad de CO2 a la atmósfera. En concreto más de 325 millones de toneladas.
Esta cantidad de CO2 en kilogramos es:
325 000 000 000 kg de CO2
En caso de querer operar con esta cifra, o simplemente reducir su expresión, nos con- vendría expresarla en notación científica:
3,25 · 1011 kg de CO2
Practica y aprende
7. Redondea los siguientes números a la cifra que se indica:
a. 3527,942 a las unidades.
b. 0,467 a las décimas.
c. 45,9723 a las centésimas.
8. El animal más pesado del mundo es la ballena azul, que puede llegar a pesar 120 T. El pez infante de la Gran Barrera de Coral (Schindleria brevipinguis), pesa 0,7 g. Si en una publicación científica se afirma que la ballena azul puede llegar a pesar 125 T y el pez 1 g, ¿qué medida de las dos es más precisa? Razona tu respuesta y expresa el resultado en %.
9. Expresa los siguientes números en notación científica.
a. 4 510 000 b. –320 000 000 c. 0,000000154 d. 0,00042
El laboratorio es un espacio donde:
Se aprenden técnicas de trabajo, como medir masas y volúmenes, preparar disoluciones o recoger gases.
Se comprueban teorías estudiadas, como la diferenciación entre masa y volumen o la ley de Hooke con un muelle elástico.
Se realizan pequeñas investigaciones, como la determinación de los factores que condicionan la rapidez de disolución de una sustancia en el agua.
3.1. El material de laboratorio
En el laboratorio se encuentran instrumentos, aparatos y materiales que se manipulan con frecuencia, por lo que es muy conveniente aprender sus nombres y su utilidad:
3 Trabajo en el laboratorio
Vaso de precipitado.
Se emplea para contener líquidos.
Pipeta. Para medir volúmenes exactos de líquidos.
Gradilla. Se usa para colocar varios tubos de ensayo en vertical.
Espátula. Se emplea para recoger pequeñas cantidades de un sólido.
Agitadores.
Son varillas de vidrio que se emplean para mezclar bien las sustancias.
Mortero. Sirve para moler, triturar sólidos o mezclar dos o más sustancias sólidas.
Otros materiales de laboratorio, como colorantes y reactivos especiales.
Materiales de soporte, como trípode y rejilla, pinzas de madera y soporte, pinza y nuez.
Sujetan instrumentos diversos en los montajes de laboratorio.
Lámpara de alcohol. Se emplea como fuente de calor cuando se requiere calentamiento lento.
Cristalizador.
Recipiente de vidrio empleado para cristalizar cuerpos que se encuentran en disolución.
Vidrio de reloj. Sobre él se depositan sustancias en pequeña cantidad.
Mechero de gas o de Bunsen. Se emplea para el calentamiento rápido de sustancias.
Balanza. Con ella se mide la masa.
Cápsula de porcelana. Se usa para evaporar pequeñas
cantidades de una disolución y para calcinar sustancias.
Erlenmeyer o matraz cónico.
Se utiliza para contener líquidos que reaccionen entre sí o para preparar disoluciones.
Probeta. Es un recipiente de cristal alargado en forma de tubo, con un pie soporte y graduado en mililitros para medir pequeños volúmenes.
Tubo de ensayo. Donde se observan las reacciones de las sustancias que se
depositan en él.
Frasco gotero. Con él se dosifican líquidos, como colorantes.
Embudo. Es útil para separar sustancias por medio de filtración y para evitar su desperdicio o derramamiento al ser cambiadas de un recipiente a otro.
Matraz de fondo redondeado. Tiene la misma utilidad que el Erlenmeyer; se sostiene utilizando pies y abrazaderas apropiados.
Bureta. Para añadir volúmenes de líquidos gota a gota mediante una llave.
3.2. La seguridad en el laboratorio
En el laboratorio debe hacerse un uso correcto tanto de las instalaciones como de los materiales.
En relación al trabajo, siempre que estemos en el laboratorio debemos respetar una serie de normas básicas de seguridad para evitar cual- quier tipo de accidente; algunas de ellas son las siguientes:
Es obligado usar la bata; las gafas protectoras siempre que se manipu- len sustancias calientes o caústicas para evitar quemaduras en los ojos y si es necesario, deben usarse guantes de látex.
No jugar ni actuar de manera irresponsable; se debe guardar silencio o hablar en voz baja.
Una vez terminado el trabajo, ordenar, lavar y guardar todo el material usado. Cada grupo de prácticas es responsable de su mesa de trabajo y de su material.
Antes de utilizar un compuesto, fijarse en la etiqueta para asegurarse de que es el que se necesita, y analizar todos los posibles riesgos de su manipulación. Los productos inflamables (gases, alcohol, éter, etc.) deben mantenerse alejados de las llamas de los mecheros.
Dejar caer bastante agua cuando se vierten los productos químicos de desecho en la pila de desagüe.
Consultar el funcionamiento y normas de seguridad específicas de los aparatos.
Para manipular un aparato eléctrico, desconectarlo de la red eléctrica.
Manipular con mucho cuidado el material de vidrio.
Limpiar y ordenar todo el material utilizado.
Lavarse las manos con jabón al finalizar un experimento.
En caso de accidente, mantener la calma y avisar rápidamente al pro- fesor o profesora.
Antes de poner a funcionar un circuito eléctrico el profesor debe revi- sar la instalación.
Debemos utilizar el botiquín en caso de accidente.
Practica y aprende
10. De las siguientes afirmaciones señala las que son verdaderas o falsas. En el caso de las falsas, escribe la afirmación correcta:
a. El Erlenmeyer o matraz cónico sirve para contener líquidos que reaccionen entre sí o para preparar disoluciones.
b. Para separar sustancias por medio de filtración es muy útil usar una probeta.
c. Para recoger pequeñas cantidades de un sólido se usa la espátula.
d. Para calentar lentamente una disolución es mejor usar la lámpara de alcohol que el mechero de gas.
e. La bureta se usa para recoger pequeñas cantidades de un sólido.
11. Cuando se usan los productos químicos en el laboratorio se debe leer e interpretar correctamente la etiqueta. Cada equipo de laboratorio elabora un pictograma señalando qué significan los datos que se muestran en las etiquetas de los productos de laboratorio.
Todos los envases de los productos químicos deben ir etiquetados.
Uno de los elementos que debe formar parte de la etiqueta es el símbolo que indica el tipo de peligro.
Reciclado de residuos Los restos del material usado en el laboratorio y las sustancias químicas peligrosas y desechadas de forma incorrecta permanecen largo tiempo en el medio ambiente contaminan- do el suelo y el agua, por eso deben ser recogidos y reciclados adecua- damente.
Sustancias
explosivas Sustancias infamables
Sustancias corrosivas
Sustancias comburentes
Toxicidad aguda cat. 1
Toxicidad aguda categoría 4
Cancerígeno Dañino para el
medio ambiente acuático Gas comprimido
científicas Curiosidades
La física y la química han evolucionado a lo largo de la historia gracias a la gran labor de extraordinarios científicos. A comienzos del siglo
xx, la física dominaba al mundo. La mecánica cuántica empujaba con fuer- za y grandes nombres comenzaban a inscribirse con letras de oro en este complejo campo de la ciencia.
Fue entonces cuando un químico industrial millona- rio, de origen belga, llamado Ernest Solvay decidió patrocinar la celebración de un congreso que reunie- ra a los más grandes científicos de la época, con el objetivo de unificar esfuerzos e ideas para el avance de la ciencia como institución. Así surgieron las hoy reconocidas Conferencias Solvay.
Después del éxito inicial de la primera conferencia, las Conferencias Solvay han sido dedicadas a proble- mas abiertos, tanto en la física como en la química.
Estos congresos se suceden cada tres años.
Sin duda, la más famosa de todas fue la quinta con- ferencia sobre física, que tuvo lugar en octubre de 1927 y se celebró en Bruselas. El tema principal fue Electrones y fotones. A esta conferencia asistieron los padres de la física cuántica y otras figuras ya consagradas en otros campos y dejó la que es sin duda la fotografía más importante y famosa de la ciencia.
Hilera superior, de izquierda a derecha: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, Ed. Herzen, Th. De Donder, E. Schrödinger, E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin.
Hilera intermedia, de izquierda a derecha: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr.
Hilera inferior, de izquierda a derecha: I. Langmuir, M. Planck, M. S. S. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch. E. Guye, C.T.R.
Wilson, y O.W. Richardson.
La fotografía más famosa de la ciencia
Responde
a. ¿Quién fue Ernest Solvay?
b. ¿Con qué objetivo se celebran las conferencias?
c. ¿Por qué se dice que la fotografía de la quinta conferencia es la más famosa de la historia?
d. La anécdota de la primera conferencia la protagonizaron dos importantes científicos. Cuando ambos discutían sobre el principio de incertidumbre de Heisenberg, el primero hizo su famosa objeción: «Dios no juega a los dados», a lo que el otro replicó,
«Deja de decirle a Dios lo que debe hacer con sus dados». Investiga en la red y descubre qué dos científicos protagonizaron estas anécdotas.
e. Forma un equipo de tres personas, observa la fotografía y selecciona un científico. Elabora un sencillo documento de texto sobre el científico seleccionado, en la que aparezcan los siguientes elementos:
• Nombre del científico, años en los que vivió, país de origen e imagen.
• Resumen de su aportación científica.
• Situación de su contexto histórico y social.
• Comentario de la influencia de su teoría o descubrimiento en la historia de la ciencia.
Con todos los documentos creados por los diversos equipos de trabajo, podréis elaborar un mural y exponerlo en la Se- mana de la Ciencia.
científicos
Somos
¿Cómo se miden los líquidos?
En esta primera experiencia en el laboratorio vamos a recordar cómo se deben usar dos de los instrumentos para medir volúmenes de líquidos que nos encontramos en el laboratorio: la probeta y la bureta. Es muy importante aprender a observar la escala de estos aparatos de medida y saber expresar su precisión.
Fundamento teórico
Una de las principales actividades que realizamos en el laboratorio es medir magnitudes. Antes de poneros a trabajar, debéis recordar los con- ceptos trabajados en la unidad: magnitud, medida, unidad, precisión, cifras significativas, notación científica, error, etc.
Material
Probeta, bureta, vasos de precipitados, varilla y pie soporte, nuez, pinza, embudo y agua.
Procedimiento L
aprobetaSelecciona una probeta y anota cuál es su escala, su capacidad máxima, su capacidad mínima y su precisión. Añade 15 ml de agua a la probeta y viértela en un vaso limpio y seco. Añade al mismo vaso 25 ml medidos en la probeta y repite el proceso con 15 ml más. Vuelca el contenido del vaso en la probeta y mide el volumen final. Anota el resultado. ¿Coincide este valor con el valor teórico que debería mostrar la probeta? Repite las medidas poniendo mucho cuidado. ¿Obtienes valores más parecidos a los esperados? ¿Por qué?
L
aburetaSelecciona una bureta y anota cuál es su escala, su capacidad máxima, su capacidad mínima y su precisión. Añade agua por la parte superior, con un embudo, hasta llegar al cero; comprueba que la llave de la bureta está cerrada. Vierte el agua muy despacio para evitar la formación de burbujas. Abre la llave de la bureta y recoge en un vaso de precipitado la cantidad de agua necesaria para enrasar a cero la bureta. Recuerda la formación del menisco, que se explica en el margen, y cómo hay que situar los ojos a la altura del mismo.
A continuación, ve añadiendo y recogiendo cantidades exactas de agua.
Comprueba qué volumen se obtiene en cada medida. ¿Son los valores esperados?
a. ¿Qué diferencias presentan la probeta y la bureta?
b. ¿Por qué es preciso colocar siempre los ojos a la altura del menisco formado por el líquido? ¿Qué magnitud física interviene en la forma de los meniscos?
c. ¿Qué problema es común cuando se llena la bureta con el embudo? ¿Cómo se debe solucionar?
d. Investiga sobre las ventajas y los inconvenientes del uso de la probeta y de la bureta en el laboratorio y a partir de esta inves- tigación elabora un breve informe sobre las aplicaciones más eficaces de cada una de ellas.
Recuerda
• A representa un menisco cóncavo.
• B representa un menisco convexo.
• La línea discontinua es la que de- bes tener en cuenta para enrasar la medida.
A B
un científico? ¿Cómo lo explica
¿Recuerdas el personaje de Frankenstein?
En su obra, Mary Shelley nos cuenta una historia de ciencia ficción a tra- vés de la cual advierte de los posibles efectos perversos de la ciencia. A lo largo del libro se plantea el problema moral de poder llegar a crear o destruir la vida. ¿Crees que tiene razón la autora?
Elabora un breve texto con tu opinión sobre este asunto y describe algún peligro que pueda plantear el avance de la ciencia y la tecnología en la sociedad.
Ciencia o conspiración
Seguro que has oído hablar de la existencia de Teorías conspiranoicas como la afirmación de que la tierra es plana o, a raíz de la reciente pan- demia, que la COVID no existe y las vacunas se usan para inocularnos microchips. Las redes sociales permiten la difusión de estas informacio- nes que se hacen muy creíbles cuando la persona que lo comunica tiene cierta relevancia social.
Forma equipos de 4 alumnos y busca en alguna red social un ejemplo de teoría falsa. Cada equipo debe exponer la teoría seleccionada y sus reflexiones en un informe en el cual se responda a las siguientes preguntas:
a. ¿Existe algún motivo por el cual algunas personas defienden esta teoría aunque no exista ninguna evidencia científica para ello?
b. ¿La creencia en esta teoría puede suponer un riesgo?
c. ¿Cómo es posible distinguir si es cierta o no una teoría que se publica a través de Internet? ¿Qué se debe hacer para evitar su difusión?
La frenología. ¿Una ciencia?
Igual que en la película «Blade Runner» Rick Deckard usaba el test Voi- ght-Kampff para saber si Rachael era una replicante, durante el siglo
xixse usaba la frenología para conocer las tendencias homicidas de una persona.
Lo frenólogos afirmaban que existía una relación directa entre las funcio- nes intelectuales y el carácter de una persona, en relación con la forma del cráneo. El fundador de esta doctrina fue el neuroanatomista alemán Franz Joseph Gall (1758-1828), quien estaba especialmente interesado en estudiar individuos con comportamientos extremos, genios, locos o criminales.
El doctor Gall llegó a describir hasta 27 zonas en la corteza cerebral, cada una con unas funciones concretas, y a las que él definía como verdaderos órganos cerebrales.
Trabajando en parejas, elabora un informe científico sobre esta teoría.
a. Investiga sus orígenes y si actualmente se considera válida.
b. ¿Se puede considerar una teoría científica?
c. ¿Existe en la actualidad alguna teoría científica que estudie la relación del com- portamiento humano con su naturaleza?
Se conoce como conspiranoia la tendencia a interpretar determinados acontecimientos como fruto de una conspiración y se usa para referirse a ciertas teorías alternativas a las oficiales que explican un acontecimiento o una cadena de acontecimientos con el fin de desacreditarlas.
Practica
1. De los siguientes fenómenos, ¿cuáles pueden ser objeto de estudio de la química? ¿Y de la física?
a. Obtener silicio puro para elaborar un microchip.
b. Congelar la carne.
c. Practicar tiro al arco.
d. Mejorar el rendimiento de un combustible.
2. ¿Qué piensas que es más real una teoría o una ley científica? Justifica tu respuesta.
3. Indica si es verdadero o falso:
a. Observar de forma científica es equivalente a formularse preguntas.
b. Modelizar una situación es complicarla introdu- ciendo muchas variables.
c. Una hipótesis es el resultado de un experimento.
d. Experimentar es realizar una observación en condiciones controladas.
4. Los resultados de un experimento se pueden expre- sar en forma de (elige la respuesta correcta):
a. Dibujos, tablas de datos y reproducciones.
b. Ecuaciones, tablas de datos y gráficos.
c. Dibujos y esquemas.
d. Ecuaciones, reproducciones y gráficos.
5. Indica si los siguientes apartados forman parte, o no, de un informe (indica: sí, no o a veces):
a. Portada.
b. Conclusiones.
c. Agradecimientos.
d. Foto del autor.
e. Método y material utilizado.
f. Índice.
6. Indica si una unidad debe tener o no las siguientes características (indica: sí, no o a veces):
a. Constante.
b. Local.
c. Difícil de copiar.
d. Universal.
e. Fácil de definir.
7. Escribe los símbolos de las siete unidades funda- mentales del Sistema Internacional y clasifica las siguientes unidades como unidades fundamentales y unidades derivadas: m2, J (julio), K, m/s, m, V (vol- tio), kg, mm, A (amperio), N (newton).
8. Expresa estas medidas en unidades del Sistema In- ternacional, expresando el resultado en notación científica:
a. 8657 GHz e. 46 ml b. 245 ns f. 0,89 cm2 c. 35 ng g. 346 000 °C d. 23 años h. 0,057 mA
9. ¿Cuántas cifras significativas tienen las siguientes medidas?
a. 537 A b. 2,50 g
c. 2,023 · 1012 km d. 0,012 mol e. 1230 s
10. Responde a las siguientes preguntas:
a. ¿Cómo se denomina el múltiplo cuya potencia corresponde a 1012?
b. ¿Qué potencia de diez le corresponde al sub- múltiplo nano?
c. ¿Qué potencia de diez tiene el submúltiplo pico?
11. Redondea a tres cifras, de una forma sucesiva, el número 2,578057.
12. Se ha medido la longitud de onda de la luz amarilla emitida por átomos de sodio, obteniéndose los si- guientes valores en nanómetros:
9,82; 9,84; 9,87; 9,86; 9,81; 9,89
Halla su valor más probable y la incertidumbre ab- soluta y la relativa de la última medida.
13. Enumera tres actividades cotidianas en tu vida en las que se mida la distancia, citando el aparato de medida en cada caso.
14. ¿Conoces algún dispositivo tecnológico que facilite el proceso de medida? Cita algún ejemplo.
15. La simulación por ordenador se ha incorporado re- cientemente al método científico. Indica en tu opi- nión, ¿qué ventajas puede aportar?
16. La modelística es una rama muy importante de la física matemática. ¿En qué otras ramas de la cien- cia crees tú que puede tener interés la formación de modelos?
17. ¿Sabes qué es la pseudociencia? ¿Podrías citar algún ejemplo?
prueba Ponte a
1. ¿Crees que hablamos de método científico cuando nos referimos a la quiromancia (estudio de las líneas de la mano para predecir sucesos futu- ros)? Justifica tu respuesta.
2. ¿Puede considerarse válida de forma indiscutible una determinada hipótesis? Razona tu respuesta teniendo en cuenta en qué consiste el método científico.
3. ¿Se puede expresar una ley científica en lenguaje matemático? Razónalo con un ejemplo.
4. Copia y completa en tu cuaderno la siguiente tabla:
Magnitud Nombre Símbolo Unidad básica o derivada Intensidad de
corriente eléctrica … … …
… candela … …
… … K …
Masa … … …
… … mol …
Superficie … … …
Longitud … … …
… kilogramo
por metro
cúbido … …
… … m3 …
… segundo … …
5. Indica cuál de las siguientes magnitudes está en una unidad del Sistema Internacional:
a. 6370 km e. 25 años b. 525 μg f. 75 ml
c. 1800 °C g. 0,9 mA
d. 0,35 cm2 h. 341 m
6. ¿Cuántas cifras significativas tienen las siguientes medidas?
a. 537 A d. 0,012 mol
b. 2,50 g e. 1230 s
c. 2,023 · 1012 km f. 2,0 m
7. Describe con un ejemplo cuál es la utilidad de medir el volumen en:
a. La industria.
b. El hogar.
c. Los transportes.
8. En el laboratorio, hemos estado calculando el tiem- po de caída de un cuerpo. Tras siete pruebas, he-
mos tomado los siguientes valores del tiempo medi- do en segundos: 2,11; 2,31; 2,40; 2,82; 2,31; 2,62 y 2,90. Determina cuál es el tiempo de caída más probable y cuál es la mejor de las medidas.
9. Para un experimento del laboratorio, se han obteni- do los siguientes resultados experimentales para la temperatura (T ) que tiene un sistema material para diferentes tiempos (t):
T (°C) 10 12 14 16 18 20 26
t (min) 0 1 2 3 4 5 8
a. Representa gráficamente estos valores y escribe la función matemática que determinan.
b. ¿Cuál será la temperatura del sistema para un tiempo de 10 min?
c. ¿Cuándo alcanza una temperatura de 50 ºC?
10. Describe para qué se usa en el laboratorio: un tubo de ensayo, un vidrio de reloj y una pipeta.
11. ¿Qué debemos hacer en el laboratorio con los productos tóxicos?
La evolución de Ordesa y Monte Perdido 12. Investigadores españoles han estudiado la conserva-
ción del Parque Natural de Ordesa y Monte Perdi- do ubicado en el Pirineo oscense y han llegado a la conclusión de que este Parque Nacional ha sufrido una intensa transformación, debido a la acción hu- mana, porque cada año millones de personas lo vi- sitan. Explica razonadamente si crees que es posible responder las preguntas que se plantean, mediante una investigación científica:
a. ¿Qué cantidad de erosión se produce por la uti- lización de las pistas forestales?
b. ¿Es tan bello el parque como lo era hace 100 años?
Trabajamos como los científicos
13. En esta unidad hemos estudiado que la unidad para medir el volumen en el Sistema Internacional es el m3. ¿Eres capaz de diseñar un método de laborato- rio para medir el volumen de pequeños sólidos?
a. Por equipos, diseñad una práctica experimental, realizable con el material del que se dispone en el laboratorio, que permita comprobar el volu- men de pequeños sólidos. Debéis describir el objetivo del experimento, el material que se ne- cesita, el procedimiento y una conclusión.
b. Presentad un informe, en formato digital, con to- dos estos apartados. (Recuerda que 1 l = 1 dm3 y 1 ml = 1 cm3).
