1. La actividad científica

En esta unidad

1. La investigación científica

2. Magnitudes físicas

3. Sistema Internacional de Unidades (SI)

4. Ecuación de dimensiones

5. Notación científica y factores de conversión

6. Cifras significativas y redondeo

7. Representaciones gráficas de datos

8. Carácter aproximado de la medida

	Vamos a aprender a...	Competencias
Saberes científicos	Saber en qué consisten las tareas principales de toda investigación científica, diferenciando hipótesis de ley y teoría científica. Diferenciar las magnitudes físicas según distintos criterios y conocer las características que debe tener toda unidad de una magnitud física, así como las unidades del Sistema Internacional. Saber las características que debe tener un instrumento adecuado de medida. Conocer las causas principales del carácter aproximado de las medidas experimentales. Diferenciar error de incertidumbre y distinguir incertidumbre absoluta de incertidumbre relativa.	CMCT, CPAA
Lectura y comprensión	Aplicar las reglas para nombrar y escribir las unidades, así como utilizar la notación científica y los factores de conversión, el uso adecuado de cifras significativas y el redondeo. Resolver ejercicios de aplicación de ecuaciones de dimensión. Construir gráficas a partir de datos experimentales e interpretarlas adecuadamente. Calcular la incertidumbre realizando una única medida, determinar el valor verdadero y la incertidumbre absoluta y la incertidumbre relativa, y saber cómo se halla la incertidumbre en las medidas indirectas.	CMCT, CCL
Tratamiento de la información y competencia digital	Saber buscar información complementaria en los buscadores de internet y en sus enciclopedias virtuales para analizar las características de la actividad científica. Reconocer la importancia de utilizar las TIC para encontrar la relación de la investigación científica con otros campos de los saberes tecnológicos, económicos y sociales.	CMCT, CD
Aprende a aprender ciencia	Conocer que la metodología científica ayuda a la persona que la aplica a desarrollar sus facultades personales, independientemente de que realice actividades científicas o no. Comprender que el saber científico es acumulativo y está en continua evolución.	CMCT, CPAA, SIE
La ciencia en la sociedad	Comprender que la actividad científica es un asunto interdisciplinar que va mucho más allá de los planteamientos científicos y tecnológicos.	CMCT, CSC
Proyecto: Los Años Internacionales de la Física y de la Química	Comprender la importancia de la luz desde origen del universo. Entender en qué consistieron el experimento de Alhazen y su teoría de la visión.	CCL, CMCT, CD, CPAA, CSC, SIE

El estudio de la ciencia

Los científicos coinciden en que la verdad absoluta y completa es inalcanzable, pero mediante aproximaciones sucesivas se pueden llegar a adquirir conocimientos más exactos de todo lo que nos rodea y de su funcionamiento: en eso consiste precisamente la actividad científica.

A lo largo de la historia de la humanidad, se han desarrollado y probado muchas ideas relacionadas entre sí sobre los ámbitos físico, químico, biológico, psicológico y social. Dichas ideas han permitido a las generaciones posteriores entender de manera cada vez más clara y confiable al propio ser humano y su entorno. Los medios utilizados para desarrollar tales ideas son formas particulares de observar, pensar, experimentar y probar mediante el método científico, lo cual representa un aspecto fundamental de la naturaleza de la ciencia y refleja cuánto difiere esta de otras formas de conocimiento y del saber humano.

Por otro lado, en el estudio de la física y de la química, como en cualquier otra ciencia experimental, se debe abordar también algo tan importante como es el tratamiento de los datos obtenidos de forma experimental, profundizando en el análisis de los errores y de las incertidumbres que acompañan a toda medida y en el uso adecuado de la notación científica de una misma magnitud física.

La ciencia a nuestro alrededor

¿Crees que es lo mismo observar que experimentar?

¿Es lo mismo una hipótesis que una teoría?

¿Puede haber alguna diferencia entre error e incertidumbre?

1. La investigación científica

1 La investigación científica

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 física y la química

La física es el estudio científico de las leyes que rigen el comportamiento de la materia y de la energía.

La química es el estudio científico de la organización, la composición, la estructura y las propiedades de la materia y sus cambios, así como de las transformaciones que experimentan las sustancias materiales.

Hipótesis	Suposición provisional que intenta explicar un fenómeno. La emisión de una hipótesis permite elaborar una representación simplificada del fenómeno por estudiar. Así, se puede pensar que un gas se puede comprimir (disminuir su volumen) por el aumento de la presión del gas sin variar la temperatura.
Ley	Enunciado que expresa las regularidades observadas de la forma más exacta posible. Así, la ley de Boyle‑Mariotte establece la relación de la presión de un gas con el volumen que ocupa a temperatura constante.
Teoría	Expresión de una serie de fenómenos conocidos y relacionados entre sí que se apoya en observaciones y leyes. Así, la teoría cinética de los gases explica el comportamiento de los gases ideales y da una explicación de la ley de Boyle‑Mariotte y de otras leyes que cumplen estos.

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.

En la época actual el cuerpo teórico de conocimientos hay que buscarlo en la bibliografía, donde se deben incluir las publicaciones de las revistas más prestigiosas sobre el tema por estudiar.

1.2. La experimentación

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.

Tabla de datos de los valores de la presión y el volumen de un gas
p (atm)	V (L)
1	4
2	2
4	1

Variable	Todo aquello que puede provocar cambios en los resultados de una experiencia.
Variable independiente	Se refiere a la condición dentro de un experimento que es manipulada por el científico.
Variable dependiente	Se refiere a un evento o resultado de un experimento que es afectado por la manipulación de la variable independiente.
Variable controlada	Aquella variable que se mantiene constante durante toda la experiencia.

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.

Representación gráfica de la ley de Boyle‑Mariotte.

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.

Representación del modelo de la teoría cinética de los gases.

Actividades y tareas

Si no hay un patrón consistente de acontecimientos de un fenómeno físico, ¿se podría realizar un experimento?

Explica la diferencia que hay entre una tabla de datos y una representación gráfica.

1.3. El análisis de resultados y la obtención de conclusiones

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

Un conjunto de leyes relacionadas entre sí da lugar a unos principios generales que constituyen una teoría. Una teoría científica se expresa mediante un modelo que explica el conjunto y el comportamiento de los fenómenos que abarca y que se apoya en observaciones y leyes.

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.

El carácter predictivo de las teorías

No es suficiente que las teorías científicas concuerden solamente con las observaciones que ya se conocen. También deben ajustarse a observaciones adicionales que no se hayan utilizado para formularlas; es decir, las teorías deben tener poder predictivo. Demostrar esto último no significa necesariamente predecir acontecimientos futuros.

Las predicciones pueden referirse a evidencias del pasado que no se han descubierto o estudiado todavía. Por ejemplo, una teoría acerca de los orígenes de los seres humanos se puede probar por medio de nuevos descubrimientos de restos fósiles. Está claro que este enfoque es necesario para reconstruir los sucesos en la historia de la Tierra o de las formas de vida sobre ella.

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.

Un modelo es una abstracción que permite explicar diversos fenómenos.

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.

Modelo geocéntrico del universo (descartado desde el siglo xvii).
En la ciencia, comprobar, mejorar y de vez en cuando descartar teorías viejas sucede todo el tiempo. Los científicos dan por sentado que aun cuando no hay forma de asegurar la verdad total y absoluta se pueden lograr aproximaciones cada vez más exactas para explicar el mundo y su funcionamiento.

1.4. Las herramientas TIC en el trabajo experimental

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.

Hoja de cálculo.

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.

Experiencia de laboratorio asistida por ordenador.

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.

La ciencia es una mezcla de lógica e imaginación

El uso de la lógica y el examen detallado de la evidencia son necesarios, pero, en general, no son suficientes para el avance de la ciencia.

Los conceptos científicos no surgen automáticamente de los datos o de cualquier otra cantidad de análisis por sí solos. Formular hipótesis o teorías para imaginar cómo funciona el mundo y después deducir cómo pueden estas someterse a la prueba de la realidad es lo creativo de la ciencia.

Actividades y tareas

¿Es lo mismo toma de datos que análisis de datos?

¿Qué diferencia hay entre un sensor y una interfaz?

1. La actividad científica

2. Magnitudes físicas

Magnitud física	Toda propiedad de un objeto o de un fenómeno físico o químico que se puede medir.
Medir	Es comparar dos magnitudes de las mismas características, de forma que a una de ellas se le asigna el papel de unidad.
Cantidad	Es el valor numérico de una magnitud.
Unidad de medida	Es una magnitud que se elige como patrón de forma arbitraria, que sirve como sistema de comparación y que tiene que cumplir con los requisitos de tener siempre el mismo valor y de ser universal.

Magnitudes fundamentales	Magnitudes que se escogen arbitrariamente como tales y que no se definen en función de ninguna otra magnitud física.
Magnitudes derivadas	Magnitudes que se definen mediante una relación operativa entre dos o más magnitudes fundamentales.

Características de un instrumento adecuado de medida
Rango de medida	Es especificado por el fabricante e indica entre qué valores máximo y mínimo se puede medir con el instrumento.
Fidelidad	Un instrumento de medida es «fiel» cuando al repetir varias medidas de una misma magnitud física en las mismas condiciones los resultados obtenidos son idénticos.
Rapidez	Un instrumento de medida es rápido si el dispositivo que utiliza para captar y registrar la medida necesita poco tiempo.
Exactitud o veracidad	Un instrumento de medida es exacto o veraz cuando la medida realizada con él proporciona justamente el «valor verdadero» de la magnitud física. En general, no hay un instrumento de medida exacto o veraz en el sentido absoluto de la palabra. Normalmente se utiliza como valor verdadero el valor medio de las medidas efectuadas o el valor aceptado por la comunidad científica; tal es el caso de la aceleración de la gravedad, que se toma como 9,8 m/s² en las proximidades de la superficie terrestre.
Sensibilidad	Es la división más pequeña de la escala del instrumento de medida. Luego un instrumento es más sensible cuanta más pequeña sea la cantidad que puede medir. La sensibilidad proporciona la diferencia entre las dos medidas más próximas que se pueden realizar con un determinado instrumento de medida. Así, una balanza que aprecie miligramos es más sensible que otra que aprecie gramos. Se llama umbral de sensibilidad al valor de la menor división con el que se inicia la escala del instrumento.
Precisión	Es la mínima variación o dispersión de una magnitud física que un instrumento de medida puede determinar. Un instrumento de medida es preciso si las desviaciones que se producen en las medidas de un mismo valor son mínimas. La precisión muestra el grado de fidelidad con que se obtiene una medida e indica el margen de incertidumbre o de error de esta. Cuando se realiza una única medida, la precisión se identifica con la sensibilidad del instrumento de medida utilizado.

Magnitudes fundamentales del SI	Unidad	Símbolo
longitud	metro	m
masa	kilogramo	kg
tiempo	segundo	s
temperatura	kelvin	K
corriente eléctrica	amperio	A
intensidad luminosa	candela	cd
cantidad de sustancia	mol	mol

Magnitudes complementarias del SI	Unidad	Símbolo
ángulo plano	radián	rad
ángulo sólido	estereorradián	sr

Múltiplos
Prefijo	Símbolo	Potencia de 10
tera	T	10¹²
giga	G	10⁹
mega	M	10⁶
kilo	k	10³
hecto	h	10²
deca	da	10¹

Submúltiplos
Prefijo	Símbolo	Potencia de 10
deci	d	10^–1
centi	c	10^–²
mili	m	10^–³
micro	m	10^–⁶
nano	n	10^–⁹
pico	p	10^–¹²

Medida i	Valor obtenido x_i (m)	Desviación \|x_i - x\| (m)
1	2,47	0,01
2	2,48	0,00
3	2,48	0,00
4	2,47	0,01
5	2,50	0,02
Número de medidas: n = 5	Valor medio: x = 2,48 m	Valor medio de las desviaciones: $estilo mostrar mayÃºscula delta x con barra encima$ = 0,008 m

x	1	2	3	4	5	6	7	8
y₁	104,3	95,6	86,9	78,2	69,5	60,8	52,1	43,4
y₂	1,3	2,6	5,2	10,4	20,8	41,6	83,2	166,4

Instrumento	Valor máximo indicado en la escala	Valor mínimo indicado en la escala	Cifras significativas máximas	Decimales significativos
Bureta	25 mL	0,1 mL
Pipeta graduada	10 mL	0,1 mL
Probeta	100 mL	5 mL
Cronómetro digital	60 s	0,01 s
Termómetro	110 °C	0,1 °C
Balanza analítica	200 g	0,0001 g
Regla graduada	50 cm	0,1 cm

Concentración en NaCl (mg/L)	Señal analítica (mS/cm)
0,00	260
0,10	330
0,20	376
0,30	444
0,40	511
0,50	579
0,60	650
0,70	735
0,80	787
0,90	858
1,00	950

p (atm)	1,0	2,0	4,0	5,0	8,0	10,0
V (cm³)	50,0	25,0	12,5	10,0	6,2	5,0

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