UNIDAD 1. Método científico. Magnitudes físicas
“Mide lo que sea medible y haz medible lo que no lo sea”
Galileo Galilei
1.1. Conceptos previos
- Observación de un suceso.
- Concepto de medida.
- Concepto de rayo.
1.2. Objetivos
- Que el/la alumno/a conozca los fundamentos básicos del método científico.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de rayo y tipos de rayo (incidente y reflejado).
- Que el/la alumno/a explique el concepto de magnitud física y su unidad de medida.
- Que el/la alumno/a explique el concepto de magnitud escalar.
- Que el/la alumno/a explique el concepto de magnitud vectorial.
- Que el/la alumno/a explique el concepto de error de medida.
1.3. Criterios de Evaluación
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UNIDAD 1. Método científico. Magnitudes físicas
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Tema I. El método científico
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1. Puedo explicar los componentes básicos de un procedimiento científico de observación.
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2. Puedo aplicar las pautas del método científico a situaciones cotidianas/concretas
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Tema I. Conceptos previos
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1. Puedo explicar el concepto de imagen.
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2. Puedo explicar el concepto de rayo y puedo efectuar una representación del mismo de forma gráfica.
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3. Puedo explicar el concepto de rayo incidente.
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4. Puedo explicar el concepto de rayo reflejado.
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5. Puedo explicar que es la línea normal.
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6. Puedo explicar que es un rayo de incidencia.
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7. Puedo explicar que es un rayo de reflexión.
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Tema II. La medición
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1. Puedo definir el concepto de magnitud (longitud).
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2. Puedo definir el concepto de metro.
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3. Puedo definir el concepto de unidad de medida.
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4. Puedo explicar la acción de medir.
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5. Puedo explicar qué es el Sistema Internacional de Unidades.
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Tema III. Las magnitudes físicas
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1. Puedo explicar el concepto de magnitud física.
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2. Puedo enumerar las distintas magnitudes físicas.
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3. Puedo explicar qué es una magnitud vectorial.
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4. Puedo explicar qué es el concepto de error de medida.
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1.4. Materiales
Puntero láser, espejo, láminas de cartón, metro, cinta métrica, regla, termómetro, mapa, fotografías de paisajes, calendario, cronómetro, cuerda o listones, tijeras, papel. Acceso a Google Maps.
1.5. Explicación
¿Cómo observo mi entorno?
Podríamos decir que cada disciplina científica presenta una “forma de hacer” similar.
A la hora de analizar un fenómeno debemos ser cuidadosos con nuestras observaciones, escapar muchas veces de prejuicios que puedan influir en nuestras conclusiones. También debemos revisar cuidadosamente las relaciones que ligan aparentemente los sucesos.
Para obtener conclusiones científicas podríamos pensar en una serie de pautas:
- Observación del suceso en repetidas
- Realización de medidas y toma de
- Elaboración de modelos o formas simplificadas que ayuden a su comprensión.
- Formulación de leyes capaces de explicar todos los problemas similares al anterior.
Veamos un pequeño y sencillo ejemplo:
Imaginemos una tarde de verano. Mientras tomamos el sol (con la adecuada protección) jugamos con el reflejo que la esfera de nuestro reloj produce sobre una pared. Sentimos curiosidad por dicho fenómeno. Este fenómeno no nos resulta extraño, lo hemos observado cientos de veces, pero ahora vamos a analizarlo con curiosidad científica.
Observamos que balanceando el reloj, la silueta del reflejo también cambia su posición. Si me sitúo en una sombra, o con mi mano tapo la luz del sol que llega a mi reloj, este reflejo desaparece.
Estas pequeñas observaciones me permiten elaborar una hipótesis: la luz del Sol incide sobre la esfera del reloj, “rebota” en ella y se dirige a la pared.
Si deseo investigar científicamente este fenómeno, necesitaré un lugar (laboratorio) en el que recrear, ya que es posible, esta situación.
Contando con distintas fuentes de luz y con distintas superficies reflectoras (un espejo, distintos vidrios), y por ejemplo un montaje como el que se ilustra a continuación, podemos estudiar científicamente el fenómeno que nos ha provocado curiosidad.
La luz del foco incide en la pantalla tras rebotar en la superficie reflectora.
La superficie reflectora la situamos equidistante del soporte del foco y la pantalla.
En lugar de mover la superficie reflectora (como hacía con la esfera del reloj), modifico la altura a la que se encuentra el foco, y siempre dirigiendo el haz de luz hacia el centro de la mencionada superficie.
El resultado que obtengo es que el reflejo se proyecta sobre la pantalla, generando una imagen exactamente a la misma altura que a la que se encuentra el foco.
Cada vez que realizo el experimento, obtengo el mismo resultado. También sería interesante intercambiar mis resultados con otras personas, que puedan darme sus puntos de vista y expresarme sus opiniones. ¿Quizá se me están pasando cosas por alto en mi investigación?
Para precisar los resultados recurro al siguiente modelo: voy a imaginarme que la luz se está propagando como una línea muy muy fina.
Llamo rayo a este concepto, y me permite representar gráficamente el recorrido de la luz desde el foco hasta la pantalla.
Haciendo incidir el haz en el centro del espejo, veré que la imagen formada y el foco se encuentran a la misma altura.
Debemos definir los elementos que van apareciendo. Esto facilitará la comunicación con otras personas.
Llamamos rayo incidente al que choca contra la superficie reflectora y rayo reflejado al que emerge de dicha superficie.
Si llamamos normal a la línea perpendicular a la superficie reflectora en el punto en que incide la luz, la conclusión de que el reflejo se forma a la misma altura que la del foco, podríamos expresarla en términos de los ángulos que forman el rayo incidente con la normal, y el rayo reflejado con la normal, diciendo que estos ángulos son iguales (observemos que los dos triángulos que forman los rayos con la superficie reflectora y respectivamente con el soporte y la pantalla son simétricos).
Hemos obtenido entonces una ley para la reflexión diciendo que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Podríamos sacar otras conclusiones como resultado de nuestra investigación, pero de momento nos conformamos con esta.
Esta teoría que hemos elaborado tendría validez mientras no se encuentre alguna situación que la contradiga, o mientras no se encuentre otra de carácter más general.
Con esta investigación tan sencilla hemos ilustrado las fases que sigue el método científico para obtener sus conclusiones.
Hemos obtenido experimentalmente una ley física.
Además hemos puesto nombre a algunos elementos que entran en juego.
¿Te atreves a realizar la experiencia y formular otras leyes?
¡Tomemos medidas!
Hemos mencionado que una de las labores más importantes de un científico es la de medir y tomar datos. Tan importante es el hecho de medir, que muchas conclusiones erróneas que se obtienen son debidas a errores en las mediciones y al uso inadecuado de unidades de medida.
¡Vamos pues a tomar medidas!
Si queremos medir una propiedad de una mesa, como puede ser su longitud (magnitud), tomamos una cinta métrica y la colocamos sobre esta. Lo que estamos haciendo es comparar cuántas veces está contenida la cinta métrica en la mesa. La cinta métrica la estamos usando como referencia o patrón.
A la longitud de la cinta métrica la hemos llamado metro (m). Esta sería la unidad de medida. De forma que si la longitud de la mesa fuera doble que la de la cinta métrica, diríamos que la longitud de la mesa es de dos metros.
Medir es comparar…
Si utilizáramos otro patrón (unidad) para comparar con la longitud de la mesa (medir), la relación sería distinta. Podríamos utilizar una goma de borrar como unidad de medida, y el proceso de medir sería simplemente determinar cuántas gomas de borrar caben alineadas sobre la mesa.
Cada uno de vosotros puede crear su propia unidad de medida… y múltiplos y submúltiplos de esta.
¡Pero no nos compliquemos innecesariamente! Conviene utilizar unidades estándar, es decir, definidas, conocidas y utilizadas por el mayor número de personas posible. Esto nos permitirá que el intercambio de información sea más fluido.
Por eso utilizamos el metro, y múltiplos y submúltiplos suyos (kilómetro, centímetro, decímetro, milímetro) para expresar longitudes, ya que el metro es la unidad de medida de la magnitud longitud en el Sistema Internacional de Unidades.
Para otras magnitudes, sus correspondientes unidades en el Sistema Internacional son: para la masa, el kilogramo (kg) y para el tiempo, el segundo (s).
Pero… ¿qué son las magnitudes físicas?
Vamos a observar las dos imágenes siguientes:
¿Cuál de las imágenes es más bella? ¡Intenta dar una respuesta científica!
Si preguntáramos cuál es la más bella, seguramente no encontraríamos una única respuesta. Unos nos decantaríamos por el paisaje marítimo, y otros por la montaña. La belleza es una cualidad subjetiva.
Pero si mirando un mapa, nos preguntáramos, ¿qué está a mayor distancia de Burgos, Madrid o París? La respuesta a esta pregunta sería única. Bastaría disponer de una pequeña regla para ver cuál de las ciudades se encuentra a mayor distancia.
¿Burgos está más lejos de Madrid o de París?
Teniendo en cuenta esto, vamos a llamar magnitud física a todo aquello que se puede medir objetivamente. Por tanto, son ejemplos de magnitudes físicas: la longitud, la masa, el tiempo, la temperatura, etc.
La temperatura es una magnitud física.
¿Serías capaz de enumerar otras magnitudes físicas?
Para expresar una medida de la temperatura, nos basta un número y unas unidades: en la imagen observamos que la temperatura es de 25º C. A esta magnitud se la llama magnitud escalar.
Sin embargo, otras magnitudes requieren de mayor información para expresarlas.
¿Cómo indicamos a un amigo cómo ir a un determinado lugar?
No es suficiente indicación a la pregunta “¿dónde está la catedral?” responder “a 100 metros”, sino que debo indicar además la dirección y sentido. A este otro tipo de magnitudes se llaman magnitudes vectoriales. Para determinarlas necesito indicar, además de una cantidad (módulo) seguida de unas unidades, una dirección y un sentido.
El módulo, la dirección y el sentido, son características de un vector.
Por ello, en su representación se utilizan flechas (vectores), cuya longitud nos representa la cantidad y su orientación nos indica la dirección y sentido. Se denotan habitualmente mediante una letra con una flechita encima:
¡Busca magnitudes vectoriales a tu alrededor!
El problema de medir
Si cortamos una serie de listones utilizando el mismo patrón, ¿crees que serán exactamente iguales?
Si utilizamos un listón de madera como referencia para cortar otro que mida lo mismo, realmente no serían exactamente de la misma longitud. Una regla de gran precisión nos mostraría claramente este detalle. Habría una ligera diferencia entre ambas longitudes, un pequeño error. Si este último listón lo utilizáramos a su vez como patrón para cortar un tercero, ocurriría lo mismo. Si repitiéramos este proceso miles o millones de veces, es probable que la longitud del último listón y la del primero no tuvieran nada que ver.
Cometeríamos entonces un gran error si utilizamos el último como unidad de medida. Para minimizar este error, deberíamos utilizar siempre el mismo listón como referencia. Ahora bien, aun usando el mismo listón como referencia, como hemos dicho, dos listones no serían exactamente de la misma longitud.
Este error que hemos cometido está relacionado con la precisión de la regla que hemos utilizado. Una regla dividida en milímetros nos dará más precisión que una dividida en centímetros, y por tanto menos error en la medida. El error que cometemos en una medida, y por tanto la precisión, depende del instrumento de medida.
No obstante no siempre es necesaria una gran precisión en la medida. Es decir, para expresar la duración de la migración de los patos, nos basta decir que es de dos meses, por ejemplo, y no es necesario decir que es de 5.184.000 segundos. En definitiva, para obtener esta información, nos resultaría más interesante utilizar un calendario para medir y no un cronómetro.
Dependiendo de la situación, un instrumento de medida u otro puede ser más adecuado.
1.6. Actividades de generalización
Los alumnos prepararán una presentación (utilizando como herramientas PowerPoint o Prezzi, por ejemplo) en la que plasmarán las ideas principales expuestas buscando imágenes en Internet o creando sus propias imágenes. Cada alumno expondrá al resto del grupo su presentación. Los demás alumnos aportarán sugerencias y rectificarán posibles errores con ayuda del profesor.
Así mismo, generarán sus propios ejemplos en los que aparezcan los conceptos: pautas del método científico, magnitudes físicas (vectoriales y escalares) y se inventarán su propio sistema de unidades para medir longitudes.
Buscar las coordenadas de la Catedral de Burgos y del colegio en Google Maps.
