Física & Química

Dpto Ciencias. Colegio Leonardo da Vinci. Moralzarzal

C A P Í T U L O 1

Introducción a la metodología científica

CONTENIDOS

1. El método científico.

2. El laboratorio. Instrumentos y seguridad

3. Análisis de datos y notación científica.

4. Sistema internacional de unidades.

5. Factores de conversión.

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1. EL MÉTODO CIENTÍFICO

A comienzos del siglo XVIII se elaboró una teoría para explicar la com-bustión. Se llamaba la Teoría del Flogisto. Esta teoría afirmaba que todos los objetos combustibles contenían una “misteriosa sustancia” llamada flogis-to que le confería la posibilidad de combustionar. Cuanto más flogisto tu-viera ese material más combustible sería. De tal forma que cuando una sustancia ardía, perdía flogisto, soltándolo al aire, hasta que perdía todo el flogisto y dejaba de arder. El aire era necesario para que se produjera la combustión pero se mantenía como un simple soporte de la combus-tión sin participar en ella.Uno de los padres de la ciencia, el francés Lavoisier, demostró que esta teoría era un absurdo.

El método científico es el camino, el procedimiento mediante el cual la ciencia genera teorías comprobadas con las cuales expandimos nuestro conocimiento.Se basa en la realización de una pregunta sobre la que queremos obtener una respuesta. “¿Donde está la tierra?, ¿Gira el sol alrededor de la tierra?”Tras la presentación del problema se genera una hipótesis que creemos facti-ble. Para poder verificar nuestra hipótesis se pasa a la etapa de recogida de da-tos. A base de la observación y medición, nuestros datos obtenidos deben verifi-car la hipótesis. Si no es así, habrá que postular otra hipótesis. En caso de que sí coincidan datos e hipótesis se postula una teoría que se publica para que la co-munidad científica pueda comprobarla para darla por cierta o echarla por tierra.

Mediante este método se ha avanzado en la historia de la ciencia, pasando del mo-delo geocéntrico al modelo heliocéntrico, avanzando en las diferentes teorías ató-micas, como a lo largo del curso se verá o desterrando para siempre la ilógica teo-ría del flogisto, anteriormente citada.

Accede a esta página y aprende más sobre el método científico:http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/750/997/html/index.html

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ACTIVIDADES

1.- Realiza un mapa conceptual de los pasos que sigue método científico.

2.- Aplica el método científico para cualquier proceso del que conoces la respues-ta.

3.- Investiga cualquier teoría científica que haya resultado ser incorrecta, la teoría del flogisto, la teoría geocéntrica... Aplica el método científico sobre esa teoría y concluye por qué era incorrecta.

4.- Realízate una pregunta sobre algún aspecto de la ciencia o naturaleza que te llame la atención y desconozcas, por ejemplo, ¿De dónde sale el arco iris? ¿Por qué se ve rojo el sol al amanecer o al anochecer? ¿Por qué hace frío en invierno? ... No sé, cualquier cosa que te llame la atención. Aplica el método científico e inten-ta llegar a una respuesta.

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2. EL LABORATORIO. INSTRUMENTAL Y SEGURIDAD

Los laboratorios son, normalmente, la primera “prueba” que pasan las hipótesis que se generan en el método científico. Antes de llevar a cabo un proyecto a gran escala primero se realiza a pequeña escala en el laboratorio. El laboratorio es, en definitiva, un lugar habitual de trabajo para el científico, desarrollando sus teorías o analizando las muestras recogidas en el medio que nos rodea.

Los diferentes aparatos que nos podemos encontrar son los siguientes:• Tubo de ensayo: Tubo cilíndrico de cristal de base redondeada. Necesita ser

sujetado con unas pinzas o soporte. Se usa para realizar reacciones a pequeña escala y también puede ser un reci-piente de pequeñas cantidades de las diferentes que desee-mos mantener. Capaz de aguantar el fuego

• Vaso de precipitados: Vaso de cristal donde también pueden realizarse reac-ciones químicas o guardar diferentes cantidades de sustancias líquidas. Está reglado pero la exactitud de la medida es escasa. Las medidas que realizaremos con una vaso de precipitados siempre serán aproximadas.

• Erlenmeyer: Recipiente de cristal de forma cónica. Los usos son parecidos a los del vaso de precipitados. También dispone de una regla para medir. Su medida es algo más exacta que la del vaso de precipitados pero tampoco es un instrumento de medida exacta.

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• Matraz: Instrumento de forma, más o menos esférica, y base plana para que se pueda posar y con un cuello, en el cual hay una pequeña marca, que marca el volumen del matraz. La medida es bastante exacta.

• Probeta: Recipiente cilíndrico de cristal de base plana para que pueda posarse y reglada. Es un instrumento de medida. Las cantidades medidas son bastante exac-

tas.

• Pipeta: Instrumento cilíndrico de cristal, abierto por ambos extremos. El extremos superior sirve para absorber líquido de otro recipiente. En este extremos la absor-

ción debe hacerse con cualquier mecanismo de suc-ción, nunca con la boca. El extremos inferior acaba en un estrechamiento para poder dejar caer los líquidos que contiene en muy pequeñas cantidades. Está regla-da. Sirve para medir volúmenes de líquidos. Su medida

es muy exacta. • Bureta: Instrumento muy parecido a la pipeta pero con una llave en el extremos

inferior para dejar salir el líquido o impedir su paso. recipien-te de medida, como la pipeta, bastante exacto.

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• Soporte, pinza y nuez: Tanto las buretas, como pipetas y tubos de ensayo no pue-den sujetarse solas. Con un soporte, una pinza y una nuez podemos sujetarlos a nuestras necesidades. El soporte no es na-da más que un pie con una barra vertical. En la barra se sujeta la nuez. la nuez es un instrumento con dos ranuras y en cada ra-nura un cierre. De tal forma que una ranu-ra se introduce en la barra del soporte y se sujeta con el cierre. En la otra ranura se in-troduce la pinza y se sujeta con el otro cie-

rre. La pinza, en este tipo de instrumental no es una pinza de ropa, sino una pe-queña barra, que se introduce en la nuez y por el otro extremo tiene un mecanis-mo de sujección. Es muy común en los laboratorios la siguiente disposición de bu-retas o pipetas o tubos de ensayo:

• Otros aparatos son la gradilla: soporte para colocar los tubos de ensayo, trípodes, para colocar encima diferentes recipientes

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SEGURIDAD

Al laboratorio se va a poner en práctica lo aprendido en clase. Las clases de labora-torio no son horas perdidas. Las clases de laboratorio no son horas donde pode-mos perder el tiempo porque lo que allí vemos “no entra en el examen”.Debes saber que cualquier aparato, edificio, teoría ... antes de ponerse en práctica, de construirse, de usarse, ha pasado por un estudio minucioso en los laboratorios correspondientes donde se han estudiado posibles fallos, contraindicaciones, mate-riales adecuados... No pienses que porque las prácticas que se vean son, en tu opi-nión inútiles o una pérdida de tiempo estás en lo cierto. Siempre que se va al labo-ratorio se va a aprender a usar los instrumentos, a aprender a poner en práctica lo aprendido en clase y a aprender una forma específica de trabajar en un entorno donde la seguridad debe estar por encima de todo.

Ten en cuenta estos puntos.• En los laboratorios existen sustancias corrosivas, como ácidos. Lleva siempre una

bata para proteger tu ropa.• Con el uso de los compuestos químicos o reacciones se pueden producir salpica-

duras. De forma muy rara podrían salpicar en los ojos. Siempre deberíamos lle-var gafas de seguridad.

• Los recipientes que se usan son en su mayor parte de cristal. Mucho cuidado en su manejo para que no se caigan, se rompan y puedan cortar a alguien.

• Los reactivos deben usarse con moderación porque todo lo que se saca del bote no debe volver a meterse en el bote correspondiente porque puede llevar impure-zas que generen inexactitudes en próximos experimentos.

• Haz siempre caso a tu profesor.• No se corre, no se grita ni se proclama a los cuatro vientos cosas tales como “mi-

rad, mirad lo que me ha salido” Sólo se consigue que todo el mundo a tu alrede-dor se gire vaya hacia donde estás y puedan romperse recipientes que están enci-ma de la mesa.

• Todo el material usado se limpia, se seca y se recoge.Nunca vayas al laboratorio con las manos vacías. Todo lo que hagas de-

berás reflejarlo en el cuaderno de laboratorio.

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3. ANÁLISIS DE DATOS

Todos los resultados de nuestros experimentos se deben guardar en el cuaderno de laboratorio. Con los datos se sacarán conclusiones. Por ejemplo:• Rendimiento de reacciones• Lógica de lo realizado• Comprobación de leyes

Lo que es evidente es que nuestros datos serán muy reducidos pero en los estudios reales se recogen cientos o miles de datos, los cuales deben agruparse, mostrarse en gráficas, realizar regresiones lineales (es decir, buscar la recta que se ajuste me-jor a nuestros datos) para sacar conclusiones de situaciones hipotéticas que no pue-den ser realizadas, como previsiones a futuro o situaciones con condiciones físicas imposibles de alcanzar.

Población en 2050 Temperatura mínima posible

La informática es una herramienta muy potente para poder tratar grandes núme-ros de datos. En este curso vas a aprender, de forma paralela a la asignatura, dife-rentes software con el que dar un enfoque matemático a los datos con los que con-seguir conclusiones científicas: Hojas de cálculo y geogebra.

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Por otro lado, los datos recogidos suelen tener una forma de escribirlos. La escritu-ra de los datos científicos se llama notación científica.

Observa estas constantes, independientemente que no te suenen de nada:

Número de Avogadro: 6,023 ∙1023

Velocidad de la luz: 3 ∙108 m/sConstante de Plank: 6,62 ∙10-34 j s

Independientemente de que sepas lo que significan o no, ahora eso da igual, fíjate que estructura es igual en los tres casos:

• Un dígito diferente de cero seguido de ...• ... una coma y el resto de dígitos de nuestra medida o el número que tratamos• multiplicado por una potencia de 10.

EjemploEstás en el laboratorio con un osciloscopio (un aparato que mide algunas propieda-des de las ondas) y obtienes que la longitud de onda de la onda que estás estudian-do es 0,0000000824 m.Verás que este número no se ajusta a la estructura antes vista. (ATENCIÓN: Vamos a ponerlo en notación científica pero el valor debe ser el mismo porque el número es el que es, sim-plemente voy a escribirlo de otra forma):• Empezando por la izquierda, buscamos el primer dígito diferente de cero. En es-

te caso es el 8• Luego ponemos una coma: 8,• Escribimos el resto de los dígitos: 8,24• Y ahora multiplicamos por una potencia de 10 para que obtengamos el número

original. (Este paso puede ser el más peliagudo) A ver: TENEMOS 8,24 pero DEBERÍAMOS TENER 0,0000000824. ¿Que hay que hacer? Desplazar la co-ma 8 lugares hacia la izquierda, o lo que es lo mismo, dividir entre 100000000 o lo que es lo mismo, multiplicar por 10-8. Por lo tanto queda: 8,24 ∙10-8 m

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4. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

Lee la siguiente noticia (está fechada en octubre de 1999):

http://elpais.com/diario/1999/10/02/sociedad/938815207_850215.html

Debido a los diferentes caminos que en un principio tuvo la ciencia, llegó un mo-mento en que se hizo necesaria una unificación en todos los ámbitos. Uno de estos ámbitos es el de las unidades.Existe un conjunto de unidades que constituyen el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Las magnitudes de la materia son todas aquellas propiedades que se pueden me-dir. La belleza no es una magnitud, pero el peso sí.

ACTIVIDADPiensa en varias propiedades que se puedan medir y otras que no se puedan me-dir.

Seguramente, cuando has pensado las magnitudes que se pueden medir habrás pensado en sus unidades. Si has pensado en el peso automáticamente te habrán ve-nido a la cabeza los kilogramos o en la velocidad los kilómetros por hora. Este es el tema que nos ocupa: LAS UNIDADES.Fundamentalmente hay dos tipos de unidades: básicas y derivadas. Las unidades básicas son aquellas que no dependen de otras unidades y las derivadas se constru-yen a base de unidades básicas. Es decir, la longitud se mide en metros (por ejem-plo), pero la velocidad se mide con unidades de longitud y de tiempo. Por lo tanto, las unidades de velocidad son unidades derivadas.

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SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

Unidades básicas PROPIEDAD UNIDAD ABREVIATURA Longitud Metro m Masa Kilogramo kg Tiempo Segundo s Temperatura kelvin K Cantidad de materia mol mol Ángulo radián rad

Unidades derivadas PROPIEDAD UNIDAD ABREVIATURA Velocidad metro/segundo m/s Aceleración metro/segundo2 m/s2

Superficie metro cuadrado m2

Volumen metro cúbico m3

Densidad masa/volumen kg/m3

Hay más propiedades básicas y muchísimas más derivadas. Simplemente esta ta-bla es un ejemplo con las magnitudes más comunes y que nos podemos encontrar en la asignatura.

Si la fuerza se define como el producto de la masa por la aceleración deduce la uni-dad de la fuerza en el S.I.Si la velocidad angular se define como el ángulo que recorre un objeto en un tiem-po determinado, deduce la unidad de la velocidad angular en el S.I

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5. FACTORES DE CONVERSIÓN

Todo lo visto en el anterior punto está muy bien, pero la realidad nos dice que las unidades que se usan son las adecuadas para medir nuestro sistema. Lo normal es usar múltiplos o submúltiplos de las unidades del SI.

Si nuestro sistema es el universo las distancias no se medirán en metros sino en uni-dades astronómicas o años luz; si lo que medimos son los tamaños de las bacterias hablaremos de micras.

Es fundamental saber pasar de unas unidades a otras. Se van a aplicar los factores de conversión:

Imagina que quieres saber cuál es la velocidad en unidades del SI de un coche si te dicen que se mueve a 80 km/h.El objetivo es que las unidades que tenga al final de la operación sean m/s, ya que son las unidades del sistema internacional. Una forma de hacerlo es la siguiente:• Pongo los datos que me dan, con las unidades que me dan y pongo a continua-

ción las unidades que me piden:

• A continuación AÑADO la relación entre las unidades. Es decir, aquí AÑADI-

RÉ que 1 km son 1000 m y que 1h son 3600 s. Pero lo añadiré de tal forma que las unidades que no son del sistema internacional se puedan simplificar:

(Repito: He añadido la conversión. Me dan km/h. Tengo que llegar a m/s. Por lo tanto lo pongo. Y después añado la conversión de tal forma que se puedan simplifi-car las unidades que deseo que no aparezcan) El resultado es: