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ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-1
4º CCNN - 1
1.- El método científico.
No es sencillo definir con pocas palabras el concepto de
Ciencia; por el momento diremos que la ciencia trata de explicar los
fenómenos que ocurren en el Universo y trata de encontrar las leyes
que los rigen.
1.1.- ¿Cómo se investiga?
Los científicos intentan explicar las cosas de dos formas
diferentes. En primer lugar, procuran buscar regularidades en
aquellas cosas que pueden observar bien directamente con sus
sentidos o bien con la ayuda de algún instrumento y las describen. A
eso le llamaremos nosotros DESCRIPCIÓN DE LAS
OBSERVACIONES.
Pero los científicos no se conforman con eso. Intentan buscar
una explicación a por qué las cosas se comportan de una
determinada manera y no de otra.
Una TEORÍA o MODELO en Ciencia es un conjunto de
suposiciones de cómo están hechas o cómo funcionan las cosas. A
cada una de las suposiciones que se suelen hacer para explicar las
cosas se les da también el nombre de HIPÓTESIS.
Pero... ¿podemos estar seguros de que ese modelo es la
verdad? ¡Claro que no! Posiblemente nuevos fenómenos y
observaciones nos obligaran a revisar lo dicho y a elaborar otra
explicación (otro modelo). Y así... ¿hasta cuándo?. ¡No lo sabemos!.
La ciencia en su búsqueda constante de la explicación del
Universo, está continuamente evolucionando; construyendo nuevos
modelos que interpreten mejor la realidad... pero que nunca podemos
estar seguros de que sea la verdad.
La suerte, la intuición, la casualidad o el azar influyen en el
trabajo científico, pero estos factores solo son importantes cuando
hay un cerebro curioso, receptivo y trabajador que está atento a
todos los detalles. Únicamente ese sabrá reconocer algo importante.
1.2.- Pasos del método científico
Vamos a estudiar con detalle cómo trabajan los científicos. Los
pasos que siguen en sus investigaciones son los siguientes:
Observación.
Formulación de hipótesis.
Diseño de estrategias y de experimentos.
Experimentación y recogida de datos.
UNIDAD 1:
El método científico
La materia y sus propiedades.
¡¡BIEN CONTESTADO!!
Cuéntase de un gran científico
que, estando explicando sus
teorías acerca del origen de la
vida, fue interrumpido por otro con
esta pregunta:
- ¿Está usted seguro de que eso
es la verdad?
- ¡Ni lo sé ni me importa!
- Respondió aquél.
¿Cómo justificas esta respuesta?
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-2
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Análisis de los resultados.
Comunicación de los resultados.
La observación suele ser el proceso con el que se inicia un
trabajo científico. Ante la presencia de un fenómeno cualquiera, el
investigador se Formula una pregunta. Por ejemplo, al ver caer una
hoja de un árbol se puede preguntar: « ¿Qué objetos caen más
deprisa?».
Observar es formularse preguntas sobre los fenómenos
que percibimos a través de nuestros sentidos.
Reflexionemos sobre la pregunta anterior. Supongamos que
vemos caer del árbol una manzana, además de la hoja, y pensamos:
«Parece que los objetos más pesados caen más deprisa». Eso es
una hipótesis que ahora tendremos que comprobar.
Una hipótesis es una opinión que vamos a tratar de
demostrar. Es nuestra opinión sobre cómo influyen los distintos
factores en el resultado de un experimento.
La experimentación es fundamental. Planteemos una
hipótesis de trabajo: «Creemos que os objetos pesados son los que
caen más deprisa». El siguiente paso será diseñar una estrategia o
experimento para probar la hipótesis.
Experimentar es realizar una observación bajo
condiciones controladas para comprobar una hipótesis.
El diseño del experimento debe ser detallado, Hay que aclarar
todos sus aspectos. En nuestro ejemplo, podríamos diseñar un
experimento como el siguiente:
Diseño del experimento
• Escoger dos pelotas de tenis exactamente iguales.
• Rellenar una de ellas de agua con una jeringuilla.
• Pesar ambas pelotas y anotar sus pesos.
• Predecir cuál va a caer antes según nuestra hipótesis.
• Soltarlas desde una altura de cinco metros.
• Cronometrar el tiempo que tardan en caer.
• Anotar el tiempo que tarda en caer cada pelota.
• Repetir esta operación diez veces.
Una característica importante de los experimentos es su
fiabilidad, es decir, cualquiera que lo desee debe ser capaz de
repetir un experimento, obteniendo resultados similares a los
alcanzados inicialmente. Imaginemos lo que ocurriría si cada vez que
repetimos un experimento (medir la longitud de un libro, por ejemplo),
el resultado fuera totalmente distinto. La ciencia sería imposible.
La mejor forma de anotar los resultados consiste en hacerlo
en una tabla que habremos preparado previamente.
El diseño del experimento se
podría mejorar soltando las dos
pelotas a la vez y usando dos
cronómetros, utilizando una célula
fotoeléctrica o grabando la calda
en vídeo.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-3
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Ha llegado el momento de analizar los resultados. Todo lo
que se ha hecho hasta ahora no sirve de nada sin este proceso.
Vamos a comprobar si nuestra hipótesis de trabajo era correcta.
Analizar los resultados es estudiar los datos obtenidos
en la experimentación y comprobar si la hipótesis de trabajo
era cierta.
El análisis de los resultados se puede expresar de diferentes
formas. Las tres siguientes son las más utilizadas:
Tablas de datos.
Representaciones gráficas.
Ecuaciones matemáticas.
Las tablas de datos nos permiten comparar los resultados y
determinar lo que ha sucedido, aunque es mejor utilizar una
representación gráfica, ya que de un simple vistazo y cómodamente,
podemos analizar los resultados del experimento.
En ocasiones, se pueden expresar los resultados de una
investigación en forma de relación matemática, es decir, mediante
una ecuación en la que aparecen los factores estudiados. Esta es la
mejor forma de indicar nuestras conclusiones, pero también es la
más difícil.
Una ecuación es la relación matemática entre las
distintas variables que influyen en un fenómeno.
A estas ecuaciones también se les llama leyes empíricas
Estudiando las tablas, observando las gráficas o usando las
ecuaciones obtenidas, respondemos a nuestra pregunta inicial:
«¿Los objetos pesados son los que caen más deprisa?».
Sorprendentemente, aunque la respuesta a esta pregunta la
conocemos «científicamente» desde tiempos de Galileo, aún muchas
personas, al responder de forma intuitiva, darán una opinión
incorrecta. Si quieres conocer la respuesta, tendrás que realizar el
experimento o seguir leyendo.
Compartir el conocimiento. Hemos realizado una
investigación interesante, precisa y con conclusiones importantes. En
lo sucesivo, deberemos tener en cuenta el posible interés para los
demás de nuestros trabajos, ya que podemos ahorrar mucho tiempo
y dinero a otras personas que quieran intentar lo mismo.
Además, incluso cuando no alcancemos el resultado
pretendido, nuestras investigaciones pueden ser de utilidad a otros
científicos: es tan importante demostrar que algo se puede hacer,
como demostrar que no es posible.
Para comunicar los resultados de una investigación al resto de
los científicos se redacta un informe científico. Este informe debe
reunir las siguientes características:
• Objetividad. Hay que contar lo que realmente ha ocurrido, sin
hacer trampas para que todo salga bien. Es mejor demostrar que
algo no se puede hacer, que hacerlo mal.
• Precisión. De este modo, otro investigador que lea nuestro
informe podrá repetir nuestro experimento, obteniendo los mismos
resultados.
Los científicos envían sus
informes a revistas especializadas.
Hay una serie de organismos que se
encargan de recopilar todas las
investigaciones que se publican; de
esta manera, antes de ponerse a
estudiar cualquier cuestión, es
posible conocer lo que otros
científicos conocen sobre el tema.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-4
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1.2.1.- Apartados de un informe científico:
• Portada. En ella se hace constar el título del trabajo, el
subtítulo (una especie de título, habitualmente un poco menos
escueto, que dé una idea más precisa del objeto de la investigación),
el nombre del autor o autores, la fecha en la que el trabajo ha sido
realizado y el lugar en que se ha llevado a cabo. Podemos ilustrar
esta portada con alguna foto relacionada, algún dibujo, etc.
• Resumen. Unas diez o quince líneas contando el método
usado y los resultados obtenidos. Debe servir para hacerse una idea
precisa del contenido del informe. El resumen se denomina abstract
en inglés, y es el que aparece en las revistas científicas.
• Introducción. En ella se exponen las razones de la
investigación y el punto del que se parte, mencionando lo que otros
científicos han averiguado con anterioridad.
• Método y material utilizado. Es importante que las
descripciones de este apartado se realicen con mucho detalle para
que cualquier persona que lo desee pueda repetir nuestro
experimento y obtener resultados similares.
• Resultados obtenidos. Aquí se incluirán las tablas de datos,
los gráficos o las ecuaciones que se obtengan del experimento.
• Conclusiones. En este apartado se analizarán los resultados
y se expondrán las conclusiones obtenidas. Cuando sea posible,
estas se generalizarán para que se puedan aplicar a experimentos
similares, y se expondrán todas las ideas sobre futuras
investigaciones que han surgido durante el trabajo.
• Bibliografía. En ella se citarán los trabajos que se han
consultado y los sitios donde se ha obtenido información .
• Agradecimientos. Muchas veces será necesario agradecer a
alguna persona o institución su apoyo a nuestro trabajo.
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1) Señala si son correctas las siguientes afirmaciones:
- Observar de forma científica es equivalente a formularse preguntas
- Una hipótesis es el resultado de un experimento.
- Experimentar es lo único que hace un científico.
- Los resultados de un experimento se pueden expresar en forma de
dibujos, tablas de datos y reproducciones.
2) Indica cuál de los siguientes apartados no forma parte obligatoriamente
de un informe científico: Portada. Conclusiones. Foto del autor. Método
y material utilizado.
3) Se cuenta que, a mediados del siglo XX, un alumno universitario volvió
al cabo de unos años al departamento de Física en el que había
estudiado y al ver un examen le comentó al profesor: « Las preguntas
son las mismas que cuando yo me examiné>. «Cierto>—le contestó el
profesor—. «Pero ahora las respuestas correctas son todas diferentes>.
- ¿Cuál es el significado de esta anécdota?
- ¿Qué ocurre con la ciencia? ¿Es algo estático o dinámico? Da
una breve explicación.
4) ¿Conoces alguna teoría que en su momento fuera generalmente
aceptada y que hoy ya no valga? Cita tres de estas teorías. Piensa, por
ejemplo, que durante una buena parte de la Edad Media muchos
pensaban que la Tierra era plana.
Aunque hay varias formas
(también en esto hay modas) de
realizar as citas bibliográficas, has de
tener en cuenta que cualquier persona
debe entender con precisión dónde
puede encontrar ese dato que hemos
utilizado.
Como regla general, debe
citarse al autor, el año y el lugar de
publicación, la editorial y la o las
páginas que nos interesan.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-5
4º CCNN - 5
2.- Medidas de magnitudes: el S. internacional
2.1 ¿Qué es medir?
En las Ciencias de la Naturaleza realizamos medidas de
muchas características o propiedades: temperatura, velocidad, peso,
longitud, superficie, tiempo que un cuerpo tarda en caer o en hervir,
etc. Cada una de estas características es una magnitud.
Se llama MAGNITUD a toda propiedad de los cuerpos
que se pueda medir. Son magnitudes la longitud, el tiempo, la
temperatura, el volumen. etc. No son magnitudes la belleza, la
simpatía, el amor etc.
Antes de dar una definición de lo que es medir, realizaremos
una actividad muy simple que aparece al margen.
MEDIR es comparar una magnitud con otra similar que
tomamos como unidad, y comprobar cuántas veces contiene la
magnitud a dicha unidad.
El resultado de una medida es siempre un número y una
unidad, ya que el primero sin la segunda carece de sentido.
Por ejemplo, no basta con decir que una habitación mide 3 de
ancho por 4 de largo, hay que concretar qué unidad hemos utilizado
en la medición: 3 m de ancho por 4 m de largo.
Para medir una magnitud se pueden seguir dos métodos:
Medida directa. La medida es directa si la magnitud se
compara directamente con la unidad adecuada de esa magnitud. Si
queremos medir la longitud de nuestro lápiz la compararíamos con
las unidades de medida grabadas en la regla.
Medida indirecta. En una medida indirecta, el valor de la
magnitud se obtiene a través de una fórmula que la relaciona con
otras magnitudes que sí se han medido directamente. La mayoría de
las medidas son indirectas.
Por ejemplo, la superficie del triángulo de la figura, se puede
medir de dos formas: directamente, contando los cuadraditos del
papel milimetrado que contiene, o indirectamente, midiendo con la
regla la base y la altura y utilizando la fórmula siguiente: S = b x h / 2
Una unidad es una cantidad que se adopta como patrón
para comparar con ella cantidades de la misma magnitud. Una
unidad, para ser adecuada, debe ser:
• Constante en todos los lugares y en todo momento.
• Universal, de modo que todos la puedan utilizar.
• Fácil de reproducir.
Definir una unidad adecuada es un proceso complicado y ha
ido variando con el tiempo.
2.2.- Magnitudes fundamentales y derivadas.
No es necesario inventar ni definir una unidad para cada
magnitud. Es posible elegir por convenio unas pocas magnitudes,
que llamaremos magnitudes fundamentales, que presentan la
particularidad de que de ellas pueden deducirse todas las demás.
Cada alumno debe
medir la longitud de su mesa
sin utilizar para ello ningún
aparato de medida. Los
resultados obtenidos se
pondrán en común. A
continuación, tras reflexionar
sobre lo que se ha hecho, ¿se
podrá dar una definición de lo
que es medir?
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-6
4º CCNN - 6
Para estas definiremos sus unidades: constantes, universales y
fáciles de reproducir.
Las demás magnitudes se denominan magnitudes derivadas
y se definen a partir de las fundamentales
Por ejemplo, si la longitud y el tiempo son magnitudes
fundamentales, la velocidad es una magnitud derivada ya que
podemos definirla como el espacio recorrido (longitud) cada cierto
tiempo: v = espacio recorrido/Tiempo
Un sistema de unidades es un conjunto de magnitudes y
unidades que se toman como fundamentales y del que se
derivan todas las demás.
A lo largo de la historia de la ciencia ha habido diferentes
sistemas de unidades dificultando la comunicación de datos entre
distintos sistemas (por ejemplo entre el sistema inglés y el nuestro)
2.3.- El sistema internacional. (S.I.)
Para evitar estos problemas los científicos han creado el
Sistema Internacional (SI). En 1960 se tomo un acuerdo internacional
que especifica las unidades básicas que deben utilizar todos los
científicos. Estas unidades constituyen el Sistema internacional (SI).
En España, el SI fue adoptado oficialmente en 1967.
En la tabla aparecen las magnitudes fundamentales y sus
correspondientes unidades en el SI.
Se ha de tener en cuenta que los símbolos de las unidades
fundamentales se expresan en letras minúsculas; no obstante, si los
símbolos se derivan de nombres propios, se utilizan letras
mayúsculas. Los símbolos no irán seguidos de un punto.
Cada una de las unidades fundamentales del SI tiene una
definición que ha ido cambiando a lo largo de los años y en la que no
entraremos.
Al combinar las unidades fundamentales del SI se pueden
obtener una multitud de unidades derivadas, así por ejemplo, la
unidad de densidad en el SI, teniendo en cuenta que la densidad se
calcula como el cociente de la masa y el volumen de un cuerpo:
D = Masa / Volumen, será el kg/m3
¿Utilizaríamos la misma unidad para medir las masas de una
persona, de una tiza, de la Tierra, y de una molécula de agua?
Evidentemente, la respuesta es no.
A la hora de realizar una medida debemos elegir una unidad
adecuada a la cantidad que estamos midiendo, de manera que el
El metro se define como la
longitud que recorre la luz en un
tiempo de1/299.792458 segundos
(3,335641 10-8 s).
Es, muy aproximadamente,
la diezmillonésima parte del
cuadrante del meridiano terrestre. O
sea, cualquier meridiano (o el
ecuador) mide 40 millones de
metros.
El kilogramo es la masa de
un cilindro metálico que se guarda
en la Oficina Internacional de Pesos
y Medidas de Sèvres.
Es la masa de 1 dm3 de agua
destilada, es decir, pura, libre de
sustancias disueltas.
El segundo es la duración
de 9.192.631.770 períodos de la
radiación emitida por el átomo de
cesio-133.
Es, muy aproximadamente,
1/86400 de 1 día solar medio.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-7
4º CCNN - 7
resultado de la medida no sea ni un número muy grande ni un
número muy pequeño. Así pues, surge la necesidad de utilizar
múltiplos y submúltiplos de las unidades fundamentales del SI.
Dichos múltiplos y submúltiplos se nombran mediante prefijos.
2.4.- Cifras significativas.
En la realización de una medida hay dos aspectos importantes:
• Siempre se debe expresar el resultado con el número de
cifras que permita el aparato de medida. Es decir, hay que tener en
cuenta la precisión.
• De esas cifras, la última es incierta porque está afectada por
el inevitable error propio de la precisión del instrumento de medida.
Pues bien, llamaremos cifras significativas de una
medida directa a todas aquellas que expresan correctamente el
resultado de esa medida.
Cuando el cero aparece a la izquierda de la coma decimal, no
se considera cifra significativa. Tampoco cuando aparece tras la
coma decimal si delante no tiene algún número distinto de cero.
Con frecuencia tendrás que efectuar operaciones aritméticas
con números que procedan de diferentes medidas directas y, por
tanto, con un número distinto de cifras significativas. En estos casos,
el criterio fundamental es comunicar exactamente lo que se conoce,
ni una cifra más ni una menos.
Fíjate bien en las reglas y ejemplos siguientes:
El resultado debe tener el mismo número de cifras
significativas que la medida directa que menos tenga,
eliminando las siguientes.
Si la primera cifra eliminada es un 5 o superior, se redondea
aumentando en una unidad la última cifra significativa del
resultado.
Si en la operación que hay que realizar intervienen números
exactos, no se consideran a efectos de cifras significativas.
Si en la operación aparece el número π, se toma con una
cifra significativa más que la de la medida que menos tenga,
para que no influya en el resultado.
.
Ejemplo. Sumar 3,2 m con 4,72 m.
3,2 + 4,72 = 7,92 m
7,9 m (dos cifras significativas)
Ejemplo. Dividir 13,26 g entre 2,3 cm3.
13,26 / 2,3 = 5,765217391 g/cm3
5,8 g/cm3 (dos cifras significativas)
Ejemplo. Calcular el perímetro de un
cuadrado de 12,4cm de lado.
12,4 . 4 = 49,6 m (tres cifras significativas)
Ejemplo. Longitud de una circunferencia
de 2,36 m de radio
L =2 π r = 2 . 3,141 . 2,36 = 14,82552
14,83 m
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-8
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2.5.- Notación científica
A veces, al dar el resultado de algunas medidas aplicando el
SI, obtenemos números muy grandes o muy pequeños, como
veremos a continuación:
Notación estándar Notación científica
Velocidad de la luz: 300.000.000 mis 3 108 m/s
Radio de la tierra: 6.380.000 m 6,38 106 m
Longitud de una mosca ordinaria: 0,005 m 5 10-3 m
Masa de un átomo de hidrógeno: 0,00000000000000000000000000167 kg 1,67 10-27kg
Estos números, como vemos, son difíciles de escribir y de leer.
Para expresar cómodamente números grandes o pequeños se utiliza
la llamada notación científica, que consiste en escribir un número
comprendido entre 1 y 10 multiplicado por una potencia de 10. Así,
las cantidades anteriores se podían haber escrito: (ver tabla)
2.6.- Conversión de unidades
Con frecuencia, necesitamos convertir medidas expresadas en
una unidad en otra unidad diferente. Para ello utilizaremos el método
del factor de conversión.
Un factor de conversión es una fracción en cuyo numerador
y denominador aparecen unidades distintas de una misma magnitud
y la relación entre ellas.
Por ejemplo, supongamos que queremos transformar la masa
250 gramos a kg. Lo primero que deberemos hacer es escribir un
factor de conversión que relacione g con kg. Estos pueden ser:
El segundo de estos factores es el que vamos a utilizar. Si
multiplicamos la medida por el factor, las unidades no deseadas se
cancelan:
En general, los cambios de unidad se realizarán:
Cuando la magnitud es derivada y su unidad compuesta de
varias unidades o cuando no se conoce la equivalencia directa entre
las dos unidades entre las que se quiere cambiar, el cambio de
unidades se realiza multiplicando sucesivamente por los factores de
conversión adecuados hasta llegar a las unidades deseadas.
Ejemplo: Pasar 2,7 kg/L a g/c.c.:
Basta con multiplicar los 2,7 kg/L por el factor de conversión
entre kg y g de tal forma que se simplifiquen los Kg y a continuación
por el factor de conversión entre L y c.c. de tal forma que se puedan
simplificar los L de la unidad inicial:
En los factores de
conversión de unidades siempre
se pone el 1 a la unidad mayor
de las relacionadas para evitar
números menores que uno en
los factores de conversión.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-9
4º CCNN - 9
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ...
5) Diferencia en la siguiente lista de propiedades cuáles son magnitudes
físicas y cuales no, indicando también, si lo conoces, el resto de datos
que se piden en la tabla:
¿Magnitud? Fundamental /
derivada unidad Medida directa/indirecta Instrumento de medida
Longitud
Solidaridad
Superficie
Simpatía
Masa
Volumen
Amor
Densidad
Dolor
Temperatura
6) Completa el cuadro siguiente:
Magnitud Medida Unidad Cantidad
25 m
segundo 20
150 kg
temperatura 18
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-10
4º CCNN - 10
7) ¿Cuántas cifras significativas tienen las medidas que se indican?
a) 13,366 g b) 0,015°C c) 032,10 L d) 1.500 mg
8) En una calculadora, el resultado de una cierta operación fue el siguiente:
1,52982 ¿Cuál es la expresión correcta de ese resultado con tres cifras
significativas? ¿Y con cuatro?
9) Escribe en notación científica los siguientes números:
864.000 9.816.762,5 0,0000000398 100,003
10) Escribe en notación decimal los siguientes números:
6,023.1023 2,3. 10 6,67.10–11 9.109
11) Realizar los siguientes cambios de unidades directos por el método de
factores de conversión:
- Pasar 15 L a cL: - Pasar 5 t a g: - Pasar 250 c.c. a L:
- Pasar 15 g a c.c.: - Pasar 150 mL a m3: - Pasar 200 g a kg:
- Pasar 175 cm a m: - Pasar 12 Hl a cm3 : - Pasar 3 días a min:
12) Realiza los siguientes cambios de unidades:
- Pasar 1 g/c.c. a kg/ m3 : - Pasar 72 km/ h a m/ s :
- Pasar 3 años a min : - Pasar 2 kg/ m2 a g/ cm2 :
13) Un euro se cambia por 1,30 dólares. ¿Cuántos dólares nos darían por
5000 de las antiguas pesetas?
3.- La materia y sus propiedades.
3.1.- ¿Qué es la materia?.
Existen a nuestro alrededor una gran diversidad de objetos,
seres vivos, etc., que podemos ver, tocar, oler, es decir, podemos
percibirlos a través de nuestros sentidos. Esto ocurre porque todos
estos objetos están constituidos de materia.
Observa los objetos y seres de la clase. Todos tienen la pro-
piedad de ocupar un lugar en el espacio, porque donde hay un objeto
no podemos colocar otro. Todos los objetos ocupan un volumen por
estar constituidos de materia.
Otra propiedad es que todos los objetos que observamos son
atraídos por la Tierra. Si los sostenemos con la mano tenemos que
hacer fuerza para que no caigan, porque la Tierra los atrae. Los
objetos que poseen esta propiedad decimos que tienen masa y están
formados por materia.
Materia es aquello de lo que están constituidos los
objetos y se caracteriza por ocupar un volumen, tener una
masa e impresionar nuestros sentidos.
Un objeto o un cuerpo material es una porción limitada de
materia, en general con una forma determinada. (También se
llama sistema material).
Todos los objetos que observamos a nuestro alrededor tienen
algo en común: están formados de diferentes clases de materia.
Llamamos sustancias a las distintas clases de materia
que forman los cuerpos, como madera, vidrio, papel, plástico,
cerámica, aluminio, etc.
El estudio de la materia
comenzó siendo una cuestión
filosófica que fue planteada
desde muy antiguo. Aristóteles
fue el primer pensador que
definió y analizó el concepto de
materia, considerándola la
esencia de todas las cosas.
Descartes, ya en la época
moderna, la concibió como una
realidad impenetrable, única,
compacta e indestructible.
Debemos esperar a la
física y química moderna para
cambiar la concepción clásica,
de manera que la materia se
concibe diversa, discontinua y
de complicada estructura, y
puede aparecer bajo distintos
aspectos o estados físicos. (lo
iremos viendo a lo largo del
curso)
La Química es la rama de
la Ciencia que estudia las
propiedades de las sustancias y
su estructura, así como los
fenómenos químicos: cambios
durante los cuales un sistema
varía su naturaleza y se
transforma en algo diferente.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-11
4º CCNN - 11
3.2.- Propiedades de la materia.
La materia tiene unas propiedades con independencia de la
sustancia de la que este formada o del estado en que se encuentre el
cuerpo (sólido, líquido o gaseoso), por ejemplo masa.
Las propiedades comunes o generales de la materia son
aquellas que presenta cualquier objeto material con
independencia de las sustancias de las que este formado.
Entre ellas se encuentran la masa, el volumen y la
temperatura.
Por el contrario, existen otras propiedades que dependen de la
naturaleza de las sustancias, como son la densidad, la dureza, el
olor, el sabor, la temperatura de fusión,.... entre otras.
Las propiedades características o específicas de la
materia son aquellas que dependen de la naturaleza de las
sustancias que forman el cuerpo.
Estas propiedades nos permiten identificar a las
sustancias y distinguirlas de las demás.
Entre ellas se encuentran la densidad, punto de ebullición,
punto de fusión, solubilidad,…
3.3.- Propiedades comunes.
3.3.1.- La masa y su medida.
Se llama MASA a la magnitud que mide la cantidad de
materia que tiene un cuerpo.
La unidad de masa en el SI es el kilogramo (kg).
El kilogramo patrón es la masa de un cilindro de platino
e iridio que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y
Medidas de Sèvres (Francia ).
No debemos confundir la masa de un cuerpo ni con su volumen
ni con su peso.
La masa de un cuerpo permanece siempre igual, no importa la
temperatura ni que cambie de estado físico o de forma geométrica.
La masa es inalterable, salvo naturalmente que a ese cuerpo se le
arranque un trozo de materia.
Las masas se miden con balanzas. Hay muchos modelos
de balanzas, por ejemplo la balanza granatario y la digital.
Tienen el mismo volumen (1L), pero no
es la misma sustancia. Se pueden
diferenciar por la densidad.
Tienen la misma masa (100 g), pero
no es la misma materia. Se puede
diferenciar por el olor, y tampoco
tienen el mismo sabor.
El peso es la fuerza con
que los objetos son atraídos
por un planeta, en nuestro
caso la tierra, por el hecho de
tener masa. Si cambiamos de
planeta el peso cambia pero la
masa sigue siendo la misma
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-12
4º CCNN - 12
3.3.2.- El volumen y su medida.
Los cuerpos materiales se caracterizan porque ocupan un lugar
en el espacio. Es decir, donde hay un cuerpo material, sea sólido o
líquido o gas, no podemos poner otro, a menos que quitemos el que
estaba.
Llamamos VOLUMEN de un cuerpo al espacio o lugar
que ocupa.
La unidad de volumen en el SI es el metro cúbico (m3)
1 m3 es el volumen de un cubo de 1 m de lado.
Con frecuencia se emplean algunos
submúltiplos, como, por ejemplo: el decímetro
cúbico (dm3) y el centímetro cúbico (cm3 también
c.c.).
Además del m3 y sus submúltiplos es muy
frecuente utilizar otras unidades, como las de
capacidad: el litro (L), el decilitro (dL), el centilitro
(cL) y el mililitro (mL). La capacidad es el
volumen interior de un cuerpo hueco.
No debemos confundir volumen con
masa. Si tenemos dos bolas: una de corcho, del tamaño de una
pelota de tenis, y otra de plomo, del tamaño de una pelota de ping
pong, la primera tiene más volumen que la segunda, pero menos
masa. Si ponemos estas esferas en los platillos de una balanza,
veríamos que esta se hunde hacia el lado de la esfera de plomo.
Sobre el volumen de los cuerpos
(sólidos, líquidos o gaseosos) influye la
temperatura. Si la temperatura aumenta, los
cuerpos se dilatan aumentando su volumen. Si
la temperatura disminuye, los cuerpos se
contraen, disminuye su volumen.
Para medir el volumen de los líquidos
se utilizan recipientes graduados como probetas,
pipetas, matraces… (Ver figura).
Para medir el volumen de un sólido
irregular nos ayudamos de un líquido
(normalmente agua) y utilizamos el «método de
inmersión», El volumen del sólido será la
diferencia entre el volumen señalado por la probeta en (2) menos el
volumen señalado en (1).
1 m3 = 1000 L
1 L = 1 dm3 = 1000 cm3
1 cm3 = 1 mL
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-13
4º CCNN - 13
Para medir el volumen de un sólido regular (cubo, ortoedro,
cilindro, etc.), el volumen se obtiene midiendo las dimensiones
importantes y aplicando luego fórmulas matemáticas conocidas.
3.3.3.- La temperatura y su medida.
En el lenguaje cotidiano utilizamos palabras como "caliente" y
"frío" para referirnos a la temperatura de un objeto. Sin embargo es-
tas palabras, desde un punto de vista científico, son imprecisas.
La temperatura es una propiedad de los cuerpos que nos
informa:
- Del grado de agitación de sus partículas: a mayor
temperatura mayor será la agitación de éstas.
- Del sentido en que va a fluir la energía cuando a dicho
cuerpo lo pongamos en contacto con otro que esté a distinta
temperatura. La energía (calor) fluye del cuerpo que está a mayor
temperatura hacia el que está a menor hasta que se igualen estas
consiguiéndose “el equilibrio térmico”.
La temperatura se mide con el termómetro. Los termómetros
corrientes utilizados en la actualidad consisten en un tubo de vidrio
fino lleno de mercurio o alcohol coloreado con un tinte rojo o azul. Si
observas con atención verás que cuando le colocas en contacto con
un cuerpo caliente (temperatura alta) sube el nivel del líquido dentro
del tubo y cuando le colocas en contacto con un cuerpo frío
(temperatura baja) baja el nivel del líquido interno.
Existen distintas escalas de temperatura:
- Escala Celsius. Conocida popularmente como escala
centígrada. Para graduar un termómetro en grados centígrados se
introduce en hielo fundente y se marca el nivel del mercurio, a esta
temperatura se le asigna el valor de 0°C. A continuación se introduce
el termómetro en agua hirviendo y se vuelve a marcar el nivel del
mercurio, a esta temperatura se le asigna el valor de 100°C. El
segmento comprendido entre las dos señales se divide en cien
partes iguales, cada una de las cuales es un grado centígrado.
- Escala Fahrenheit. A la temperatura de fusión del agua se le
atribuye un valor de 32°, mientras que a la de ebullición se le asigna
212°. El segmento intermedio se divide en 180 partes iguales, y cada
una de estas partes es 1°F
- Escala Kelvin. Dijimos que mientras menor es la temperatura
menor era el grado de agitación de las partículas de un cuerpo.
Podíamos pensar en una temperatura tan baja a la cual ya no se
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-14
4º CCNN - 14
moverían las partículas. Esta temperatura existe, es -273°C, y se
conoce como cero absoluto. La escala Kelvin tiene su origen en el
cero absoluto (0 K = - 273°C).
La escala termométrica para el Sistema Internacional de
medidas es la escala Kelvin. Al punto de hielo fundente le asigna el
valor 273 K y al punto de agua hirviendo 373 K. La escala kelvin es
también centígrada al haber cien grados entre los dos puntos.
La temperatura medida en la escala centígrada o Celsius se
nombra t y la medida en la escala absoluta o Kelvin se nombra T. La
relación entre ambas es: T. Kelvin (T) = t. Celsius (t) + 273
T = t + 273
3.4.- Propiedades características.
3.4.1.- La densidad.
Todos los objetos materiales ocupan un volumen y tienen una
masa determinada.
Si tomo volúmenes iguales de distintas sustancias,
¿tendrán la misma masa? Observa la siguiente tabla en la que hay
cubos de 1 cm3 de diversos materiales. Hemos medido la masa de
cada uno y hemos obtenido los siguientes resultados:
Estos resultados nos indican que la masa que corresponde a la
unidad de volumen es una propiedad característica de cada
sustancia o cuerpo. A esta propiedad la llamamos densidad.
La DENSIDAD de un cuerpo o de una sustancia es la
masa que hay por unidad de volumen de dicho cuerpo o
sustancia.
La densidad de un cuerpo se determina de forma indirecta,
dividiendo el valor de su masa entre el volumen que ocupa.
Matemáticamente:
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-15
4º CCNN - 15
De la definición de densidad, tendremos que sus unidades son
las de cualquier unidad de masa dividida por cualquier unidad de vo-
lumen. La unidad de densidad en el S.I. es el kg/ m3 . Otras unida-
des que se emplean frecuentemente para la densidad son el g/c.c. y
el kg/L. Veamos cómo se transforman unas unidades en otras.
La flotabilidad de los sólidos en líquidos depende de las
densidades de ambos: si el sólido es más denso que el líquido, se
hunde en él (plomo y agua). Por el contrario, si es menos denso, flota
(corcho y agua).
3.4.2.- Temperaturas de fusión y ebullición.
Todas las sustancias en estado sólido pasan al estado líquido
(funden) a una temperatura (temperatura de fusión o punto de fu-
sión) que es característica de la sustancia y, además, mientras dura
la fusión la temperatura permanece constante. La naftalina, por
ejemplo, funde a 80 º C y el hielo, a 0 ºC.
Del mismo modo las sustancias en estado líquido hierven
también, cada uno de ellas, a una cierta temperatura ( temperatura
de ebullición o punto de ebullición). Por lo tanto, esta propiedad sirve
para identificar las sustancias. Además, mientras dura la ebullición, la
temperatura permanece constante. El agua, por ejemplo, hierve a los
100 ºC.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-16
4º CCNN - 16
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ...
14) La conductividad eléctrica del cobre es distinta de la del aluminio.
Entonces, ¿la conductividad eléctrica es una propiedad general o
característica?
15) Una balanza granatario admite una carga máxima de 200 g y tiene una
precisión de 1 cg ¿Cuáles de las siguientes medidas no pueden ser
correctas? • 24,55 g • 56,4 cg • 108,329 g • l8 mg • 232,56 g • 37,0 dg
16) Contesta las siguientes cuestiones:
- Al calentar un cuerpo ¿cambia su volumen, su masa, o su peso?
- Si llevamos un bloque de acero a la luna ¿cambia su volumen, su
masa, o su peso?
- Dos bolas de igual radio, una de acero y otra de vidrio: ¿Tienen el
mismo volumen?. ¿Y la misma masa?
- Una porción de arcilla equilibra una balanza. Si se modela en forma de
esfera hueca y se vuelve a poner en el mismo platillo, ¿se desequilibra
la balanza? En caso afirmativo, ¿hacia dónde?
17) ¿Cuántos mg son 6 kg.?. ¿y 5,24 g?. Trasforma en kg. las siguientes
masas: 4,25 g ; 2,2 t.
18) Un cubo hueco tiene 20 cm de lado. ¿Cuál es su volumen? ¿Cuántos
litros de agua caven dentro de el? ¿Y cuántos de aceite? ¿Y cuántos de
leche?
19) ¿Qué volumen de aire hay en una habitación de dimensiones 3 m, 4 m y
5 m? Expresa el resultado en litros.
20) Las dimensiones de una pieza de hierro en forma de cilindro son 2 cm
de diámetro y 5 cm de altura. ¿Cuál es su volumen? Si la introducimos
en una probeta que tiene 64 cm3 de agua. ¿Hasta que nivel ascenderá
el líquido?
21) Queremos medir el volumen de un sólido por el método de inmersión. El
nivel del agua en la probeta es de 122 mL y al echar el sólido dentro
0,200 L. Expresa el volumen del sólido en c.c.
22) ¿Cómo sería el volumen de una moneda de 2 €, medido por inmersión
en agua, comparado con el medido por inmersión en aceite?
23) Expresa en cm3 todos los volúmenes siguientes: 90 cL, 750 c.c., 25 dL,
150 mL, 1,2 dm3 , 0,5 L
24) ¿Cuál es la temperatura de congelación y de ebullición del agua en
kelvin?
25) Expresa en K o en ºC las siguientes temperaturas: 25 ºC ; 0 K ; 3000 K ;
-200 ºC
26) Un experimento científico se ha realizado a 200 K bajo cero. Expresa
esa temperatura en °C.
27) Responde verdadero o falso:
a) 30 g de agua ocupan un volumen de 30 cm3.
b) 1 kg de aceite ocupa un volumen de 1L.
c) 50 cm3 de aceite tienen una masa de 50 g.
d) 20 g de agua tienen igual masa que 20 g de aceite.
e) 1 L de agua tiene una masa de 1 kg.
28) Contesta las siguientes cuestiones:
- ¿Qué es más denso: el aceite o el agua? ¿Por qué?
- Seguramente de pequeño ya te han hecho esta pregunta. ¿Qué "pesa
más" (tiene más masa), 1 kg de plomo o 1 kg de corcho?
- ¿Es correcto decir que la densidad del agua es 1?
- ¿Es correcto decir que el hierro es más pesado que el corcho?
- ¿Es correcta la afirmación «La densidad de una barra de tiza es menor
que la de un paquete de tiza?
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-17
4º CCNN - 17
29) Un trozo de metal tiene 88 g de masa y un volumen de 10 c.c. ¿Cuál es
su densidad? Exprésala en g/c.c. y Kg/m3.
30) Disponemos de 100 cm3 de un líquido cuya masa resulta ser 79,7 g.
¿De qué sustancia pura se trata?
31) ¿Qué volumen ocupan 272 g de mercurio? Fíjate en las cifras
significativas.
32) Observa la tabla de densidades que se ha facilitado. ¿Por qué se indica
la temperatura, y en el caso de los gases también la presión, a la que se
han medido las densidades? ¿Cómo son los valores de las densidades
de los gases respecto a la de sólidos y líquidos?
33) Los datos de la tabla son el resultado del análisis realizado con cuatro
objetos de forma y tamaños distintos. Completar la tabla y decir si,
dentro del margen de error, están hechos de un mismo material o no. En
caso afirmativo, ¿cuál sería este material?
34) ¿Cuál es la masa de 1,0 cL de mercurio?, ¿y de 0,200 dm3 de corcho?
35) Calcula, en litros, el volumen de una pieza de hierro de 200 kg.
36) En una experiencia para medir la densidad de una muestra de arena
con una probeta y agua se obtienen los siguientes datos:
Masa de la probeta con agua: 193,8 g
Volumen del agua de la probeta: 62,0 cm3
Masa de la probeta con agua y arena: 275,4 g
Volumen del agua con la arena: 92,0 cm3
Determinar la densidad de la arena en g/c.c.
37) ¿Qué densidad tiene el acero, sabiendo que una bola de dicha
sustancia, que tiene un radio de 0,5 cm, tiene una masa de 4,1 g?
38) Se introducen en agua dos cuerpos: uno de 1 kg de masa y densidad 5
g/c.c., y el otro de 650 g y densidad 6,5 g/c.c. ¿Cuál de ellos desplaza
más líquido? ¿Pueden estar hechos del mismo material?
39) Contesta a las siguientes cuestiones:
- Cita dos sólidos que se hundan en el agua, pero que floten en
mercurio.
- ¿Por qué es más fácil flotar en el mar que en una piscina?
- El hielo flota en el agua líquida, ¿cómo es el valor de la densidad del
hielo, mayor, menor o igual que la del agua líquida?
- Si se introduce un clavo de acero en un vaso con agua se hunde,
¿cómo es que los barcos flotan si están hechos también de acero?
40) Una pieza de cierto material tiene forma de caja de cerillas de
dimensiones 5 cm, 3 cm y 2 cm. Si para equilibrarla en una balanza ha
sido necesario colocar una pesa de 25 g y otra de 2 g. i) Calcula su
volumen, su masa y su densidad. ii) Qué sucederá si introducimos esta
pieza en agua, en alcohol o en mercurio?
41) Observando los datos que aparecen en la tabla de temperaturas de
fusión y ebullición indica el estado en que nos encontramos estas
sustancias a temperatura ambiente.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-18
4º CCNN - 18
4.- El trabajo en el laboratorio.
Tanto la Física como la Química son ciencias experimentales,
en las que la simulación de fenómenos en condiciones controladas
es algo fundamental. Así pues, el laboratorio es un lugar de trabajo
habitual.
Todo científico debe estar familiarizado con el laboratorio, con
las pautas de comportamiento que se deben seguir en él y con las
medidas de seguridad que hay que respetar.
A lo largo de este curso iremos aprendiendo los nombres de
algunas técnicas y de los utensilios propios del laboratorio. Aquí
tienes los utensilios que más comúnmente se usan en un laboratorio
de ciencias.
El laboratorio es un lugar en el que podemos encontrar
aparatos y sustancias que resultan peligrosas si se manejan sin
cuidado. Por ello, debemos conocer y cumplir una serie de normas
que lo conviertan en un sitio seguro.
Normas personales
- Cada grupo de prácticas es responsable de su zona de trabajo y de
su material.
- Es conveniente que utilices la bata, ya que evita que lleguen a la piel
gotas de sustancias químicas y que se estropeen tus prendas de
vestir.
- Si tienes el pelo largo, es conveniente que lo lleves recogido.
En los frascos de los
productos químicos aparecen sus
características más importantes y
unos símbolos que nos indican su
peligrosidad y las medidas de
seguridad que debemos tomar.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-19
4º CCNN - 19
- En el laboratorio está terminantemente prohibido Fumar, comer o
beber.
- Al salir del laboratorio, limpia el lugar de trabajo y el material
empleado.
Normas para el uso de sustancias
- Antes de utilizar un compuesto, asegúrate bien de que es el que
necesitas: fíjate bien en el rótulo.
- Como regla general, no cojas ningún producto químico. Tu profesor o
profesora te lo proporcionará.
- No devuelvas nunca a los frascos de origen los sobrantes de los
productos que hayas usado sin consultar con el profesor.
- Cuando viertas los productos químicos de desecho en la pila de
desagüe, aunque estén debidamente neutralizados, es muy
importante que dejes circular abundante agua.
- No toques con las manos (por supuesto, menos con la boca) los
productos químicos.
- No pipetees con la boca. Utiliza la bomba manual, una jeringuilla u
otro aparato del que disponga el centro.
- Los ácidos requieren un cuidado especial. Cuando quieras diluirlos,
no eches agua sobre ellos; haz siempre lo contrario, es decir, echa
ácido sobre agua.
- Los productos inflamables no deben estar cerca de fuentes de calor.
- Si se vierte sobre ti cualquier ácido o producto corrosivo, lávate
inmediatamente con mucha agua y avisa al profesor.
- Al preparar cualquier disolución, colócala en un frasco limpio y
convenientemente rotulado.
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ...
42) Si vamos a mezclar ácido y agua, ¿cuál se debe echar primero?
43) ¿Qué debemos hacer siempre antes de salir del laboratorio?
44) ¿Cómo has de actuar si se vierte sobre ti un ácido o una sustancia
corrosiva?
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... CC oo mm pp ll ee mm ee nn tt aa rr ii aa ss ..
45) La leche se venden en envases de cartón. i) Mide las dimensiones de un
envase y calcula la capacidad del embalaje. ii) Compara tu resultado
con el volumen que aparece indicado. ¿Cuáles pueden ser las razones
de la discrepancia?
46) Indica en unidades del S.I., en L y en c.c., el volumen que aparece en
las etiquetas de tres líquidos que encuentres en un supermercado.
47) Observa el termómetro clínico y contesta: ¿Cuál es su cota mínima?
¿Cuál es su cota máxima? ¿Por qué los termómetros clínicos se
construyen con estas cotas? ¿Cuál es su precisión?
48) Glosario de términos del tema.
49) Realizar un informe ( recuerda todos sus apartados) en el que se
recojan las siguientes experiencias:
i) Medir la densidad del agua y del alcohol, expresando su valor en g/c.c.
y en kg/m3. Comparar los valores obtenidos con los facilitados en las
tablas.
ii) Medir la densidad de una moneda de 50 céntimos de €. Determinar el
volumen por dos métodos: por geometría y por desplazamiento de un
líquido. Con el resultado obtenido, identificar el material del que está
hecha la moneda.
ESPA UNIDAD 1: EL MÉTODO CIENTÍFICO-20
4º CCNN - 20