1. El método científico
Recuerda
La ciencia es una investigación sin fin que trata de describir hechos o explicar fenómenos y establecer relaciones entre ellos.
La actividad científica consiste en descubrir las leyes que rigen la naturaleza, y para ello nos servimos de un conjunto de etapas comunes a toda investigación científica que constituyen el método científico:
Bomba de aire utilizada por Boyle.
La observación.
La emisión de hipótesis.
La experimentación.
El análisis de los resultados.
La elaboración de leyes, teorías y modelos.
1.1. La observaciónLa observación consiste en la percepción programada de uno o más hechos con la intención de interpretar un fenómeno determinado.
Las observaciones que hagamos cuando realicemos un proyecto de investigación deben ser lo más cuidadosas, exhaustivas y exactas posible.
Observaciones de Boyle Observaciones de Gay-Lussac
En el s. xvii , R. Boyle observó, al trabajar con una bomba de aire, que el volumen del aire varía cuando se modifica la presión del recipiente que lo contiene.
A comienzos del s. xix , J. L. Gay-Lussac realizó observaciones sobre los fenómenos de dilatación de los gases cuando se modifica su temperatura.
1.2. La emisión de hipótesis
Instrumento de medida empleado por Gay-Lussac.
Tras la observación de un hecho insólito, ¿qué te preguntas?
A partir de las observaciones surge el planteamiento del problema que se va a estudiar, el cual suele ir acompañado de una hipótesis.
Una hipótesis científica es una suposición que, para ser válida, debe cumplir tres condiciones:
Referirse a una situación real.
Formularse de la manera más precisa posible y mediante variables concretas.
La relación entre dichas variables se debe poder comprobar experimentalmente.
Tras plantear alguna hipótesis en nuestro proyecto de investigación consultaremos en la bibliografía sobre el tema que estamos investigando.
Hipótesis de Boyle Hipótesis de Gay-Lussac
Boyle podría haber hecho la siguiente hipótesis: a temperatura constante, existe una relación de proporcionalidad entre el volumen que ocupa un gas y la presión a la que está sometido.
La hipótesis de Gay-Lussac podría haber sido: si la presión permanece constante existe una relación de proporcionalidad entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura.
1.3. La experimentación
Recuerda
Un experimento debe ser siempre reproducible, es decir, ha de estar planteado y descrito de tal manera que cualquier persona que disponga del equipo y la formación adecuados pueda repetirlo. De no ser así, los resultados no serán aceptados por la comunidad científica.
¿Cómo comprobarías que has acertado con tu hipótesis?
En todo proyecto de investigación tendremos que realizar uno o más experimentos para saber si nuestra hipótesis es o no acertada.
Experimentar es repetir la observación de un fenómeno en condiciones controladas, a veces tan especiales que no se dan en la naturaleza.
Una variable es un factor determinante cuya modificación provoca cambios en los resultados de un experimento; por ejemplo, la masa, la longitud, la temperatura o el tiempo. Para que un experimento sea correcto, han de mantenerse constantes todas las variables (variables controladas), a excepción de la que se pretende comprobar.
La variable independiente es aquella que se va modificando durante el experimento. Para cada una de las modificaciones de la variable independiente, medimos el valor de la segunda variable, la variable dependiente.
Experiencia
Volumen, V, 3
Presión, p,
1
4,0
1,00
2
3,2
1,25
3
2,5
1,60
4
2,0
2,00
Experimento de Boyle
Podemos reproducir el experimento de Boyle con un montaje como el del dibujo. Partimosde una determinada masa de gas (variable controlada), encerrada en un recipientecalibrado para medir volúmenes conectado a un manómetro para medir la presión.La temperatura permanece constante durante toda la experimentación (variable controlada). El volumen se modifica empujando el émbolo móvil que cierra el recipiente (variable independiente) y, para cada uno de esos valores, la presión varía (variable dependiente). Tras realizar cuatro experiencias diferentes se obtienen los resultados de la tabla.
Experiencia
T T V 3
1
−100
173
30
2
−42
231
40
3
16
289
50
4
74
347
60
5
132
405
70
Experimento de Gay-Lussac
Para reproducir el experimento de Gay-Lussac utilizamos un montaje como el del dibujo. Tenemos cierta masa de gas (variable controlada) encerrada en un recipiente cuyo volumen puede variar (variable dependiente) si se modifica la temperatura del gas (variable independiente) que contiene. La presión se mantiene constante durante toda la experiencia (variable controlada). Tras realizar cinco experiencias diferentes se han obtenido los resultados de la tabla del margen.
1.4. El análisis de los resultadosUna vez realizados los experimentos y obtenidos los datos, es preciso analizar los resultados y estudiar la relación que existe entre ellos para comprobar si la hipótesis de partida era cierta o no. Para ello nos vamos a servir de las tablas de datos y de las representaciones gráficas.
1.4.1. Tablas de datosUna tabla de datos está formada por columnas y filas. Cada columna representa una variable y cada fila, una medida de la variable. La variable independiente se suele situar en la primera columna o fila de la tabla, y la dependiente en la segunda.
1.4.2. Representaciones gráficasEl paso siguiente a la elaboración de la tabla de datos es dibujar una gráfica. En ella, los valores de la variable independiente se señalan sobre el eje horizontal o de abscisas (eje X ) y los de la variable dependiente, sobre el eje vertical o de ordenadas (eje Y ).
Las representaciones gráficas nos permiten obtener las relaciones entre las variables.
a) Una línea recta que pasa por el origen de coordenadas indica que la variable dependiente es directamente proporcional a la variable independiente.
y = ax
b) Si la línea recta no pasa por el origen de coordenadas, la relación entre las variables es:
y = ax + b
c) Una hipérbola muestra que la variable dependiente es inversamente proporcional a la variable independiente:
y = k/x
d) Una parábola indica que la variable dependiente varía con el cuadrado de la variable independiente:
y = ax 2
Tabla de datos y representación gráfica de la experiencia de Boyle
Experiencia
Volumen, V, 3
Presión, p,
1
4,0
1,00
2
3,2
1,25
3
2,5
1,60
4
2,0
2,00
Tabla de datos y representación gráfica de la experiencia de Gay-Lussac
Experiencia
T T V 3
1
−100
173
30
2
−42
231
40
3
16
289
50
4
74
347
60
5
132
405
70
1.5. La elaboración de leyes, teorías y modelosUna vez emitidas las hipótesis, realizados los experimentos y analizados sus resultados, es posible materializar en una ecuación matemática la relación entre los hechos observados. Esta ecuación matemática constituye una ley científica.
Una ley científica es una hipótesis confirmada.
Ley de Boyle para los gases Ley de Gay-Lussac para los gases
Ecuación matemática:
p ⋅ V = constante
p 1 ⋅ V 1 = p 2 ⋅ V 2
Enunciado:
A temperatura constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión del mismo.
Ecuación matemática:
Enunciado:
Si la presión de un gas permanece constante, el volumen de una masa fija de ese gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
Una teoría científica es un conjunto de leyes cuya función primordial es explicar las regularidades descritas por estas.
Las características de una teoría científica son las siguientes:
Debe relacionar muchos hechos y observaciones, en apariencia independientes, en una estructura mental coherente.
Permite hacer predicciones de nuevas relaciones que se pueden comprobar experimentalmente.
Un modelo es una abstracción mental que se utiliza para poder explicar algunos fenómenos y reconstruir, por aproximación, el objeto que se ha considerado en la investigación.
La teoría y el modelo cinético molecular de los gases
Científicos como Boyle y Gay-Lussac describieron el comportamiento de los gases a nivel macroscópico, pero fueron R. Clasius, J. C. Maxwell, L. Boltzmann, A. Einstein y otros investigadores quienes contribuyeron, durante el s. xix y principios del xx a elaborar una teoría y construir un modelo que justificara su comportamiento a nivel microscópico.
1.6. La comunicación científica: el informe científico¿Cómo comunicarías tu investigación a tus compañeros?
Al finalizar todas las etapas del método científico, los resultados de la investigación se presentan mediante un informe científico, que podemos estructurar de este modo:
Portada. En ella figuran el título, el autor o los autores del informe y la fecha. El título debe ser corto e indicar de forma clara la investigación que se ha desarrollado.Introducción. Contiene la descripción del propósito de la investigación.Metodología. Se indican los instrumentos empleados y los procedimientos seguidos.Resultados. La exposición se puede acompañar con gráficos y tablas. Es conveniente numerar unos y otras y realizarlos en una hoja de cálculo u otros programas específicos para gráficas científicas.Discusión de los resultados. Contiene el análisis cuantitativo de los resultados y un comentario sobre los mismos. En los trabajos bibliográficos se puede sustituir por un comentario personal.Resumen. Su extensión debe ser breve (no más de quince líneas) y ha de incluir la información más importante de la investigación, el procedimiento empleado, los resultados obtenidos y las conclusiones a las que se ha llegado.Bibliografía. Reseña bibliográfica de los materiales consultados o de apoyo.
1.7. La tarea de investigación
Ideas claras
La observación nos lleva a formular hipótesis.
Una variable es un factor cuya modificación produce cambios en el resultado de un experimento.
Una representación gráfica muestra la relación entre las variables de un experimento y permite hallar una expresión matemática que las relacione.
Una ley científica es una hipótesis confirmada. Una teoría es un conjunto de leyes que explican las regularidades de estas. Un modelo permite explicar los fenómenos de forma simplificada.
Al finalizar cada unidad de este libro encontrarás una tarea de investigación en la que aparecerán, entre otros, los siguientes apartados que te ayudarán a resolverla:
Investiga
En este apartado se plantean una o dos cuestiones a las que tendrás que dar respuesta. Para ello, es conveniente que identifiques claramente el objetivo de tu investigación. Una vez definido dicho objetivo, deberás realizar un proceso de búsqueda de información. Ya que esta es muy abundante, debes ser capaz de elegir los contenidos que más te interesan y desechar los superfluos.
Experimenta
Esta sección es opcional y no aparece en todas las unidades. En ella se propone realizar uno o varios experimentos relacionados con la tarea de investigación.
Elabora
Tiene como objetivo organizar toda la información obtenida en las secciones anteriores. En ella se dan instrucciones de aquellas acciones concretas que es necesario realizar para poder llevar a cabo con éxito la tarea de investigación. No basta con acumular datos y contenidos relevantes; además, debes estructurarlos ayudándote de listas, tablas, cuadros... para poder decidir con cuáles te quedas.
