• El objetivo de la ciencia es explicar el mundo en que vivimos. Además, la investigación científica influye en el avance tecnológico, y viceversa, y ambos, en nuestro modo de vida.
• La Física y la Química estudian los cambios de la materia. Para ello se miden las propiedades que influyen en los fenómenos estudiados. Aquellas propiedades que se pueden medir y cuantificar de forma objetiva se llaman magnitudes físicas, y para medirlas se definen unidades, que son cantidades patrón de las magnitudes.
• Cuando se trabaja en grupo, se han de utilizar las mismas unidades. Por convenio, se utiliza el Sistema Internacional de Unidades.
• Las ecuaciones físicas son más que expresiones matemáticas: establecen relaciones entre magnitudes físicas, al igual que las gráficas, lenguaje visual y universal.
• Para trabajar con seguridad en el laboratorio es necesario conocer el modo correcto de utilizar el material y cumplir las normas de seguridad.

Pensamos en grupo

Haced estas actividades en grupos:

1. Pensad en alguna ocasión en la que hayas oído decir «científicamente demostrado», y argumenta si el mensaje realmente era científico.

2. Buscad las definiciones de hipótesis, ley y teoría científicas, y analiza las semejanzas y diferencias entre ellas.

1. En matemáticas, ¿qué significa «directamente proporcional»? ¿E «inversamente proporcional»? Proponed algunos ejemplos.

1. ¿Qué significa que las magnitudes físicas son «cuantificables de forma objetiva»?

1. ¿Sabríais decir quiénes son los científicos de las fotografías?

 Encontrarás una autoevaluación inicial interactiva.

1.1 Características del conocimiento científico

La pregunta con la que comienza la unidad no es fácil de responder. Con lo que sabes del curso pasado, ¿qué dirías tú que es la ciencia?

Sin ánimo de ofrecer una respuesta concreta, podemos acercarnos a ella indicando algunas características del conocimiento científico:

• Es una construcción del ser humano. A lo largo de la historia muchas personas han utilizado su intelecto para explicar el mundo que nos rodea.
• Se desarrolla mediante rigurosos métodos de trabajo que, en ocasiones, requieren de medidas muy precisas.
• Se basa en pruebas. El conocimiento científico no puede argumentarse en base a apreciaciones, intuiciones o suposiciones.
• Se debe contrastar con la realidad. En este sentido, el conocimiento científico ha de ser reproducible.
• La ciencia y la tecnología siempre han estado íntimamente relacionadas, y gracias a ello nuestro modo de vida evoluciona.

1.2 El método científico

El conocimiento científico tiene su origen en la necesidad de dar respuesta a un problema derivado de hechos, o fenómenos, a los que se quiere dar explicación. Pero esta respuesta no se puede obtener de cualquier modo; se ha de llegar a ella a través de métodos de trabajo que le confieran las características anteriores.

Aunque lo adecuado sería hablar de «los métodos de la ciencia», por simplicidad y tradición se sigue hablando del «método científico» para hacer referencia a estos modos de trabajar. La siguiente figura muestra un esquema simplificado de este método.

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La secuencia que se muestra no tiene por qué ser siempre así. En ocasiones, por ejemplo, mientras se realiza el experimento, o cuando se analizan los datos, pueden surgir nuevas hipótesis, o nuevos hechos, que reorientan toda la investigación.

También puede ocurrir, ante una hipótesis difícil de comprobar, que el experimento se diseñe para contrastar alguna consecuencia derivada de ella. En general, el método científico es un proceso riguroso que puede ser complejo.

1.3 Algunas creencias inadecuadas sobre la ciencia

Es habitual que en los medios de comunicación, incluso en algunos libros, se ofrezcan visiones inadecuadas de la ciencia y de la actividad científica. Algunas de estas ideas se resumen a continuación:

• El conocimiento científico comienza por una observación objetiva. Aunque en un principio pueda parecer incoherente, en realidad no existen las observaciones objetivas, puesto que tanto las observaciones como el planteamiento de hipótesis y el resto del proceso están influenciados por los conocimientos previos del que observa.
• Las hipótesis se convierten en leyes. Las hipótesis son posibles respuestas al problema, que tienen que ser comprobadas; por tanto, pueden ser ciertas o no. No todas las hipótesis se convierten en leyes.
• Las leyes científicas son absolutas. Al contrario; el conocimiento científico está en continua evolución. No existen, pues, leyes permanentes, sino explicaciones acordes con el conocimiento y técnicas disponibles en cada época, que han ido cambiando y seguirán en evolución.
• Los científicos del pasado estaban equivocados. Cuando se produce un nuevo avance, se plantean nuevos modelos y teorías, pero esto no significa que los anteriores estén equivocados, sino que se trata de conocimiento desfasado, no de errores científicos.
• La ciencia es más metódica que creativa. Esta afirmación no es rotundamente cierta. Aunque es cierto que los métodos científicos son metódicos, si hay algo que caracteriza a la evolución de la ciencia es, precisamente, la creatividad. Sin ella, no hubiesen sido posibles muchos descubrimientos científicos.

En ocasiones se nos muestra algo como conocimiento científico, sin serlo. Hablamos en estos casos de pseudociencias (falsa ciencia). Algunos ejemplos de pseudociencias son la alquimia, la parapsicología o la astrología. Ninguna de ellas tiene base científica, ni poder de predicción.

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1. ​  De las características del conocimiento científico, ¿cuáles no cumplen los mensajes de las pseudociencias? ¿Por qué?

2. ¿Crees que toda observación depende de la teoría? Ilustra tu explicación con algunos ejemplos.

1. ¿Crees que el conocimiento científico algún día será definitivo? Justifica tu respuesta.

1. ​  Deduce. Durante mucho tiempo se ha pensado que la Tierra era el centro del universo, pero los trabajos de Galileo y Copérnico pusieron al Sol en su lugar. ¿Qué planteamiento te parece más lógico? ¿Consideras errónea alguna de estas ideas?

1. ​  Busca las diferencias entre astronomía y astrología. ¿Por qué crees que se confunden?

1.4 Modelos científicos

La realidad es muy compleja, y para simplificar su estudio se suelen utilizar modelos científicos (como los de las figuras inferiores).

Se atribuye a Galileo Galilei (1564-1642), reconocido como «el padre de la ciencia moderna», el primer uso de modelos científicos. A partir del fenómeno a estudiar elaboraba modelos, de los que extraía conclusiones que después contrastaba con la realidad. El método de la ciencia, como el de Galileo, es hipotético-deductivo.

1.5 Ciencia, tecnología y sociedad (CTS)

Los conocimientos científico y tecnológico han mantenido siempre una estrecha relación. En  ocasiones, la ciencia ha tenido que esperar al desarrollo tecnológico para continuar su avance, y en otras ha sido al contrario. En términos coloquiales, se dice que «van de la mano».

Así, la reciente construcción del LHC (Large Hadron Collider) para investigar los constituyentes últimos de la materia es un ejemplo de la primera situación, mientras que el avance científico en el campo de los semiconductores, que ha permitido una evolución muy notable de los dispositivos tecnológicos, lo es de la segunda.

Además, la investigación científico-tecnológica requiere de grandes inversiones económicas, lo que obliga a la participación de los estados, en ocasiones de varios. Estas inversiones han de ser socialmente aceptadas, y de ahí la influencia de la sociedad en el desarrollo de la ciencia y la tecnología, desarrollo que, por su parte, influye sobre las sociedades.

Por todo lo anterior, no conviene hablar solo de ciencia, ni solo de tecnología, ni solo de sociedad, sino de relaciones CTS, acrónimo de ciencia–tecnología–sociedad.

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​  Deduce. En el modelo de la partícula material, ¿observas algo más que creas no acorde con la realidad?

La Física y la Química, objeto de nuestro estudio, son dos disciplinas científicas cuyo propósito es el de explicar los cambios que experimenta la materia que nos rodea, aunque cada una de ellas se centra en cambios de características diferentes.

Para ello, centran su investigación en porciones definidas de materia que reciben el nombre de sistema material o, si presenta límites definidos, cuerpo.

Los sistemas materiales pueden ser tan pequeños como un átomo, o tan grandes como todo el universo.

2.1 Cambios físicos y químicos

Cuando el hielo funde, o el agua se evapora, la sustancia que observamos en todo el proceso siempre es la misma: agua.

Después de un cambio físico, pues, se observan las mismas sustancias que había antes de producirse el cambio.

Sin embargo, si hacemos pasar una corriente eléctrica por agua, se obtienen sustancias diferentes a la inicial: hidrógeno y oxígeno.

Después de un cambio químico se observan sustancias diferentes a las iniciales.

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Fíjate en las imágenes y, apoyándote en tus conocimientos previos, responde a estas preguntas:

• Si en vez de arrugar o quemar el papel lo cortamos por la mitad con una tijera, el cambio producido, ¿es físico o químico?

• ¿Qué sustancias se obtienen al quemar el papel?

• Aparte de quemarlo, ¿qué podemos hacer al papel para que sufra un cambio químico?

• ​  En la naturaleza se producen otro tipo de cambios: los cambios nucleares. Busca información sobre sus características, y qué los diferencia de los cambios estudiados.

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6. Identifica y describe algunas relaciones CTS diferentes a las comentadas.

7. ​  De los siguientes cambios, razona cuáles son físicos y cuáles químicos:

a) La dilatación de un metal.

b) Se evapora el alcohol.

c) La fruta madura.

d) Una piedra cae.

e) La leche se agria.

1. Describe dos cambios físicos y dos químicos distintos de los estudiados. ¿Por qué son físicos o químicos?

3.1Magnitud física

Para contrastar una hipótesis con la realidad es necesario determinar qué propiedades de la materia intervienen en el fenómeno estudiado y cómo influyen en él. Surge así el concepto de magnitud física.

Por ejemplo, si alguien te dice que su altura es de 1,75 metros, o que tardará 20 minutos en llegar al lugar de una cita, fácilmente entiendes los mensajes. Pero, ¿en qué términos podemos hablar de la belleza de un objeto, o del cariño que sentimos hacia alguien? La longitud y el tiempo son ejemplos de magnitudes físicas; no lo son la belleza o el cariño, pues no se pueden cuantificar de forma objetiva.

3.2 Unidades y medida de magnitudes

El proceso de cuantificación de las propiedades de la materia nos obliga a adoptar acuerdos sobre las unidades a utilizar.

Definidas las unidades, se puede proceder a medir las magnitudes.

Así, si decimos que nuestra altura es de 1,75 metros, esto significa que medimos 1,75 veces más que la unidad elegida (un metro). La medida es el resultado final del procedimiento de medir.

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• Cada unidad se representa por un símbolo, formado por una o más letras. Puedes consultar los de algunas unidades en las tablas siguientes.
• Los símbolos de las unidades se escriben con minúscula, salvo que deriven de un nombre propio, en cuyo caso la primera letra se escribe con mayúscula.
• A los símbolos nunca se les añade la letra «s» de plural; por ejemplo: quince metros se escribiría 15 m.
• Los símbolos se escriben sin un punto al final, pues no son abreviaturas. Solo van seguidos de punto cuando se encuentran al final de una frase.

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En Física y Química todo valor numérico obtenido en una medida debe acompañarse de la unidad utilizada. Imagina que alguien te dice que la masa de un objeto es de 55. ¿Entenderías lo que está diciendo? Seguramente le preguntarías ¿55 qué? ¿Gramos, kilogramos, toneladas? Un número sin unidad no tiene sentido físico.

Además, también es importante, a la hora de expresar la medida, utilizar la unidad adecuada en función del orden de magnitud de lo que medimos. Por ejemplo, ¿qué unidad utilizarías para expresar el valor de la masa del pez raya de la fotografía? ¿Y para expresar el valor de la del tren?

3.3 Magnitudes fundamentales y derivadas. Sistema Internacional de Unidades

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9. Razona si las siguientes características de una persona son magnitudes físicas:

a) Altura.

b) Honor.

c) Curiosidad.

d) Peso.

En los casos afirmativos, indica si se trata de una magnitud fundamental o derivada, y sus unidades SI.

1. ¿Por qué la densidad y la fuerza son magnitudes derivadas? ¿Qué relaciones guardan con las fundamentales?

1. Atendiendo a sus unidades, ¿cómo definirías las magnitudes derivadas de la actividad anterior?

1. Indica al menos tres unidades para la medida de:

a) Tiempo.                  b) Masa.                   c) Longitud.

1. ​  Busca información sobre una cuestión trascendente para la ciencia: ¿por qué son siete, ni más ni menos, las magnitudes físicas fundamentales?

4.1Cualidades de los instrumentos de medida

La medida de magnitudes físicas se realiza con instrumentos diseñados para ello.

La elección de un instrumento adecuado es fundamental. Por ejemplo, la masa de un grano de arroz no se podría medir con una báscula de cocina, pues la cantidad de masa más pequeña que estas suelen apreciar es mayor que la de la masa del grano de arroz.

Conviene, por tanto, conocer las cualidades de los instrumentos de medida. Aunque son más, este curso nos centraremos solo en dos:

• Intervalo de medida. Es el conjunto de valores que el instrumento puede medir.
• Sensibilidad. Es la respuesta del instrumento ante las variaciones de la magnitud que mide. Está relacionada con la subdivisión mínima de su escala (umbral de resolución).

Si se han medido 17,5 mL, ¿con qué probeta se ha realizado la medida? ¿Y para 46 mL? ¿Y si son 43,5 mL? Razona tus elecciones.

¿Por qué no se habla de intervalo de medida de los cronómetros?

14. Determina los intervalos de medida de las probetas del apartado anterior. ¿Cómo medirías con ellas 132,5 mL?

1. Para que una medida sea exacta ha de ser precisa. Razona la causa de ello.

1.   Trabaja con la aplicación interactiva «instrumentos de medida».

1. Si con el cronómetro del ejercicio resuelto de esta página se mide un tiempo de 10,15 minutos, ¿cuál es el valor de los errores absoluto y relativo? Basándote en tu respuesta, indica cómo varía la calidad de una medida en función del valor medido.

Solución: ℇ_a = 0,01 min ; ℇ_r = 0,000985.

4.3 Medidas directas e indirectas

Lo sería, por ejemplo, la medida de un tiempo con un cronómetro.

Por ejemplo, para medir la densidad de un cuerpo se miden la masa y el volumen (medidas directas), y después se dividen (d = m/V).

4.4 Minimización de errores en medidas directas

Para minimizar los errores en medidas directas se procede a varias medidas de la magnitud y se toma como valor de la medida la media aritmética de todas ellas.

Existen técnicas matemáticas para la estimación del error, aunque este curso tomaremos como error absoluto de la medida directa el umbral de resolución del instrumento utilizado (véase el siguiente ejercicio resuelto).

1. Razona si hay diferencia entre decir que la masa de un cuerpo es de 23,4 g o 23,400 g. Expresa estas medidas con su incertidumbre.

1. De acuerdo con el ejercicio resuelto 2, expresa el error relativo de la última actividad anterior.

Solución: ℇ_r = 0,001 (0,1%)

1. Si un cronómetro aprecia décimas de segundo, ¿podría medir 3,26 s? ¿Por qué?

1.   Se realizan tres medidas de tiempo con un cronómetro digital: 4,35 s, 4,53 s y 4,42 s. Expresa correctamente el valor de la medida.

Solución: t = 4,43 ± 0,01 s.

 5.1 Notación científica

3. La distancia media entre la Tierra y la Luna es de 385000 km. Exprésala en unidades SI utilizando la notación científica.

En primer lugar se expresa en el SI, teniendo en cuenta que el prefijo kilo- equivale a 10³:

d = 385 000 · 10³ m = 385 000 000 m

De acuerdo con el resultado obtenido, para dejar una cifra entera hay que dividir entre 10⁸. Por tanto, para que el valor no cambie habrá que multiplicar por 10⁸. En notación científica queda, pues:

1. Un vehículo circula a 90 km/h. Expresa la velocidad en unidades SI.

Para cambiar de unidades se utilizan factores de conversión, tantos como unidades haya que transformar:

Los factores de conversión se escriben para que vayan quedando las unidades deseadas. Así, para el cambio contrario se escribirían como sigue:

22. La masa y el volumen de un mineral son: m = 15,32 g; V = 4,5 cm³. Expresa la densidad en el SI.

Solución: d = 3400 kg/m³.

1. Una avioneta que vuela a 1 500 pies de altitud se desplaza a 200 mph (millas por hora). Busca los factores de conversión que necesites para expresar los datos en el SI.

Solución: h = 457,2 m; v = 89,41 m/s.

1.   Trabaja con las aplicaciones interactivas de transformación de unidades.

Para comunicar los resultados de la investigación científica se utiliza un lenguaje verbal muy preciso y riguroso que, además, suele venir acompañado de fórmulas matemáticas, tablas de datos y gráficas.

6.1 Ecuaciones físicas

Por ejemplo, la densidad se define como la masa contenida en la unidad de volumen, y matemáticamente puede expresarse como:

Cuando veas esta expresión no has de leer «de es igual a eme partido por uve», sino reconocer que la letra «d» hace referencia a la densidad; «m», a la masa, y «V», al volumen, y entender (y leer) la expresión matemática como la definición de la densidad.
Las ecuaciones físicas no solo sirven para calcular valores de magnitudes, sino que también encierran relaciones entre estas. Son las llamadas relaciones de proporcionalidad. Aunque pueden ser muy diversas, las dos más comunes son:

• Si dos magnitudes, A y B, están relacionadas de modo que al duplicar el valor de B se duplica el de A, al triplicar el de B se triplica el de A, etc., se dice que A es directamente proporcional a B. La expresión matemática de esta relación es: A = k · B, siendo k una constante.
• Si la relación es tal que A se reduce a la mitad al duplicar B, a la tercera parte al triplicarla, etc., se dice que A es inversamente proporcional a B. Matemáticamente se expresa A = k/B.

Cuando veas una ecuación física, habitúate a estudiar estas relaciones de proporcionalidad.

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5. Estudia las relaciones de proporcionalidad de la densidad con la masa y el volumen.

La expresión matemática que relaciona las magnitudes es, como ya hemos visto, d = m/V.

Si tomamos una masa doble, m'= 2∙m, la densidad se duplica:

Si tomamos un volumen doble, V´= 2 ∙V , la densidad se reduce a la mitad:

Por tanto, la densidad es directamente proporcional a la masa e inversamente proporcional al volumen.

1. La energía cinética de un móvil se calcula con la expresión Ec = m ∙ v²/2, en la que «m» es la masa del móvil, y «v», la velocidad. Estudia las relaciones de proporcionalidad entre dichas magnitudes.

Si duplicamos la masa, se duplica E_C:

Si duplicamos la velocidad, Ec se cuadruplica:

La energía cinética es, pues, directamente proporcional a la masa del móvil, pero no a la velocidad, pues al duplicar esta se cuadruplica la energía cinética; es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.

• Se representa un punto por cada par de datos de la tabla.
• Se unen los puntos mediante una línea.

De la observación de tablas de datos y gráficas normalmente se puede deducir la relación entre magnitudes. La figura derecha muestra las gráficas de las estudiadas.

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25. ​  La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie, p = F/S. Estudia las relaciones de proporcionalidad en su expresión.

1. Suponiendo una fuerza constante (F = cte), representa la gráfica de p en función de S.

1. ​  Se mide el alargamiento de un muelle en función de la masa que se cuelga de él, obteniéndose:

Representa la gráfica y estudia la relación .

 Los laboratorios son espacios en los que podemos disfrutar haciendo ciencia, pero no están exentos de peligros derivados del uso de productos químicos y material cortante o punzante. Conocer el material y las normas de seguridad minimiza el riesgo de accidentes.

7.1 Normas de seguridad en el laboratorio

7.2 Material básico de laboratorio

El material que hay en un laboratorio es muy diverso. En la página de la derecha se muestra el material básico; durante el curso se irá describiendo cómo se utiliza, así como el nuevo material que se vaya necesitando.

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28. ​  Las etiquetas de las imágenes de esta página no son exclusivas de los productos de laboratorio. También están presentes en otros productos, como los de limpieza del hogar. Compruébalo bajo la supervisión de tus padres y elabora un breve informe para compartirlo en clase con tus compañeros.

1. ​  Del material mostrado en la imagen siguiente, ¿cuál crees que sirve para medir volúmenes? ¿Y masas?

1. Busca la diferencia entre los términos «graduado» y «aforado» en el material de vidrio.