Las ciencias de la naturaleza, y entre ellas la física y la química, surgen de la necesidad que tiene la humanidad de mejorar sus condiciones de vida y de satisfacer su curiosidad para explicar los fenómenos observados que transcurren a su alrededor y en los propios seres vivos, indagando las causas que los provocan y los efectos que producen.

Los medios utilizados para desarrollar las ideas científicas son la observación, el pensamiento y la experimentación, de forma que los científicos comparten actitudes básicas acerca de lo que hacen y la manera en que consideran su trabajo. El procedimiento empleado en la construcción del cuerpo de conocimientos se denomina método científico y las pautas que siguen las investigaciones científicas en todas las ciencias de la naturaleza son esencialmente comunes y constan de los siguientes pasos.

1.1. Un cuerpo teórico previo de conocimientos

La ciencia es un proceso de producción de conocimientos que depende tanto de hacer observaciones cuidadosas de los fenómenos como del establecimiento de hipótesis, leyes y teorías que les den sentido. Pero se debe partir de un cuerpo teórico previo de conocimientos, que se debe utilizar con criterios adecuados de definición, acotación y clasificación del problema por estudiar. Así, el estudio del efecto de la presión sobre el comportamiento de un gas requiere previamente conocer qué se entiende por gas. Pero hace falta algo más, pues es preciso formular una hipótesis, enunciar una ley y formular una teoría en la que encaje la ley descrita.
 

La ciencia presume que los acontecimientos que ocurren responden a patrones consistentes que pueden comprenderse por medio del estudio sistemático a través del intelecto y con la ayuda de instrumentos que extiendan los sentidos para poder descubrir pautas en la naturaleza.

La ciencia se apoya en fuentes confiables de información y opinión. Al enfrentarse con una declaración de que algo es cierto, los científicos preguntan qué evidencia la respalda, y los argumentos científicos deben ajustarse al razonamiento lógico y someter a prueba los argumentos mediante la aplicación de criterios de demostración y validación.

Una vez formulada la hipótesis, se debe comprobar si es o no cierta. Para ello, la experimentación es el método de investigación científica por excelencia e implica la manipulación de ciertos aspectos de un sistema real y la observación de los efectos de esta manipulación.

En el diseño y la realización de un experimento se estudia un fenómeno en las condiciones que interesen y actuando sobre las posibles variables que puedan influir, de forma que se llama variable a todo aquello que pueda provocar cambios en los resultados de una experiencia. Además, se deben concretar y aplicar las magnitudes implicadas en el experimento, donde magnitud es toda propiedad de un objeto o de un fenómeno físico o químico que se puede medir mediante un instrumento adecuado.
 

La experimentación ayuda a determinar la naturaleza de la relación entre variables analizadas. A pesar de que es difícil a veces manipular una sola variable en un experimento, a menudo los científicos trabajan para minimizar el número de variables que son manipuladas y es clave que los científicos entiendan qué aspectos de su experimento están manipulando para que puedan determinar exactamente el impacto de la manipulación. Para limitar los resultados posibles de un procedimiento experimental, la mayoría de los científicos usa los experimentos con un sistema de variables controladas. Un ejemplo es el estudio del efecto de la presión sobre el volumen de un gas. El experimento se realiza a temperatura constante; en este caso, la presión es la variable independiente; el volumen, la dependiente, y la temperatura, la variable controlada.
 

En toda experiencia se utilizan la observación, la medida y el registro de datos. Los resultados cuantitativos de las experiencias realizadas se agrupan en tablas de valores y con los datos se construyen gráficas que ayudan a encontrar las relaciones entre las variables para así poder confirmar o no la hipótesis emitida. Las hipótesis confirmadas se transforman en leyes, que establecen la relación entre dos o más variables. El establecimiento de una ley sirve para predecir y explicar otros hechos semejantes.

En la ciencia, el fenómeno por estudiar se realiza mediante observaciones y mediciones adecuadas para obtener datos precisos. De esta forma, en el estudio del efecto de la presión sobre un gas se cumple la ley de Boyle‑Mariotte, que dice que a una temperatura determinada el producto de la presión del gas por el volumen que ocupa se mantiene constante, de acuerdo con la ecuación:

p ⋅ V = constante

La teoría científica que estudia el comportamiento de los gases se denomina teoría cinética de los gases y la ecuación general que rige el comportamiento de un gas supuesto ideal es:

p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T

p, V y T representan las variables de las magnitudes presión, volumen y temperatura del gas, R es la constante universal de los ga­ses y n es la magnitud que sirve para identificar la cantidad de sustancia del gas.

Las teorías son provisionales y pierden su validez cuando no pueden explicar algún hecho experimental. En ese momento la teoría debe ser completada o sustituida por otra. Así, no todos los gases tienen un comportamiento ideal, por lo que es preciso realizar correcciones en la teoría y en la ecuación que sirve para explicar su comportamiento.

Se puede afirmar que la ciencia exige evidencia y su esencia es la validación mediante la observación y la experimentación, lo que conduce también a que el cambio en la ciencia es inevitable, porque nuevas observaciones pueden desmentir teorías prevalecientes. Sin importar qué tan bien explique una teoría un conjunto de observaciones, es posible que otra se ajuste mejor o que abarque una gama más amplia de observaciones.
 

En cualquier caso, aunque los científicos rechazan la idea de alcanzar la verdad absoluta, la mayor parte del conocimiento científico es durable. La modificación de las ideas, más que su rechazo absoluto, es la norma en la ciencia. La continuidad y la estabilidad son tan características de la ciencia como lo es el cambio, y la confianza es tan prevaleciente como su carácter experimental.

Los fenómenos naturales son, frecuentemente, complejos y por ello se precisa hacer suposiciones e idear modelos que nos acerquen a la realidad. El modelo en el que se sustenta la teoría cinética de los gases considera que estos están formados por partículas que están en continuo movimiento dentro del recipiente que las contiene; las partículas pueden chocar entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene.

En la actividad experimental, una vez obtenidos y registrados los datos experimentales, se debe efectuar un análisis matemático de estos con el fin de validar o no la hipótesis sometida a contraste.

La introducción del ordenador en la actividad del trabajo en un laboratorio posibilita que la toma de datos y el tratamiento de los datos experimentales obtenidos se realice de una forma automatizada mediante el uso de un montaje experimental acoplado a un equipo informático constituido por un ordenador y los periféricos: monitor, teclado, impresora, interfaz y sensores de magnitudes como presión, temperatura o volumen. De esta forma, las experiencias asistidas por ordenador permiten dedicar el tiempo suficiente a la confirmación de hipótesis o leyes.
 

La interfaz es el puente entre el ordenador y el sistema experimental que se instala por medio de una tarjeta adecuada en la CPU del ordenador. Los sensores transforman las variaciones de una magnitud medible en el laboratorio, como la temperatura, en una señal, que es interpretada por la interfaz de la CPU digital del ordenador para así proporcionar la información correspondiente de los datos obtenidos en el experimento. Con ello se puede realizar su tratamiento mediante una hoja de cálculo y obtener con ellos representaciones gráficas precisas y observar el tipo de dependencia funcional que se dé entre las variables analizadas.
 

Además, las herramientas TIC, a través de entornos virtuales, tales como laboratorios virtuales, simuladores y software de aplicación disponible en internet, brindan la posibilidad de trabajar en un ambiente de tipo «protegido» con la realización de una actividad de laboratorio simulada, que se puede reproducir las veces que sean necesarias hasta la comprensión del fenómeno analizado, lo que es irrealizable en un laboratorio real.

1.5. La comunicación de los resultados

Se debe elaborar un informe científico para comunicar los resultados y divulgarlos en revistas especializadas y en internet para que así otros investigadores puedan conocer los descubrimientos y confirmen o rectifiquen lo establecido en la publicación y la validen de esta forma. Es así como se amplía el conjunto de conocimientos de la ciencia.

El informe de una actividad científica experimental debe indicar el objetivo pretendido, la hipótesis por confirmar y aspectos concretos del trabajo realizado, como las cantidades de las sustancias utilizadas, las condiciones en las que se realiza la experiencia, la justificación razonada de los pasos dados, el orden y la forma en que se han realizado, para que de esta forma otros científicos puedan reproducir el experimento realizado y confirmar la certeza de lo realizado.