FÍSICA Objetivo de la clase: Comprender que es la Física y qué estudia.
Tema 1: ¿Qué es la Física y cómo trabajan los...
19
Tema 1: ¿Qué es la Física y cómo trabajan los científicos? Sin los avances de la Física, ¿cómo sería nuestra vida? ¿cómo veríamos el mundo? La civilización occidental evoluciona porque va rompiendo con ritos y tradicciones, pero especialmente con las supersticiones aferrándose a la ciencia con su método y a las aplicaciones tecnológicas. Fotografía de Wikimedia Commons licenciada bajo GNU Free Documentation License. Fotografía de Wikimedia Commons licenciada bajo Documentation License. Gracias a los avances científicos y tecnológicos el hombre ha sido capaz de viajar a la luna. Las supersticiones, como la que af que cruzarse con un gato negro trae suerte, no tienen fundamentos cient Para conseguir estos avances en la Física se sigue un método que es común a otras disciplinas científicas y que ha permitido generar un conocimiento fiable del mundo que nos rodea. En este tema vamos a ver el objeto y el método de estudio de la física en particular y de las ciencias experimentales en general. file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html 1 de 19 09/07/2012 11:54
Transcript of Tema 1: ¿Qué es la Física y cómo trabajan los...
Tema 1: ¿Qué es la Física y cómo trabajan los
científicos?
Sin los avances de la Física,
¿cómo sería nuestra vida? ¿cómo veríamos el mundo?
La civilización
occidental
evoluciona
porque va
rompiendo
con ritos y
tradicciones,
pero
especialmente
con las
supersticiones
aferrándose a
la ciencia con
su método y a
las
aplicaciones
tecnológicas.
Fotografía de Wikimedia Commons licenciada bajo GNU Free
Documentation License.
Fotografía de Wikimedia Commons licenciada bajo GNU Free
Documentation License.
Gracias a los avances científicos ytecnológicos el hombre ha sido capaz de
viajar a la luna.
Las supersticiones, como la que afirmaque cruzarse con un gato negro trae malasuerte, no tienen fundamentos científicos.
Para conseguir estos avances en la Física se sigue un método que es común a otras disciplinascientíficas y que ha permitido generar un conocimiento fiable del mundo que nos rodea.
En este tema vamos a ver el objeto y el método de estudio de la física en particular y delas ciencias experimentales en general.
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
1 de 19 09/07/2012 11:54
1. La Física, la Ciencia de... ¿todo?
En todo lo que ocurre a tu alrededorhay física. ¿Qué es la Física?
Desde que nos levantamos estamos bajola acción de la gravedad, nos movemossometidos a leyes del movimiento ydisfrutamos de las ventajas de laelectricidad, de los coches, de laelectrónica y así podríamos describirmúltiples aplicaciones más, que sonconsecuencia del conocimiento en estarama de la ciencia.¿Te suenan sus avances másrecientes?
La teoría de la relatividad de Einstein.El descubrimiento y aplicaciones de la
energía nuclear.Los avances de la electrónica.Los descubrimientos sobre el universo.
Pues todo eso es Física y es un conocimiento valioso y fundamental para elciudadano.Fotografía de Wikimedia Commons licenciada
bajo GNU Free Documentation License.
La Física es la ciencia que estudia la materia, la energía, el espacio, el tiempo
y las fuerzas fundamentales.
Hoy se investiga el origen y evolución del universo, las partículas elementales quecomponen la materia, los materiales aplicados a las nuevas tecnologías (como lasnanotecnologías, el láser, las radiaciones, los sensores y dispositivos electrónicos,etc.).
La Fisica clásica tiene distintas ramas:
La mecánica estudia el movimiento como el de un balón, un avión o los astros.La termodinámica para investigar los fenómenos del calor como la evaporación, los
termómetros, los motores de combustión y el aire acondicionado.La electricidad todo lo relativo a las propiedades eléctricas de la materia. Circuitos,
electroimanes, la electrónica, los motores y los generadores eléctricos.La óptica investiga la luz. Los aparatos ópticos, el láser o nuestras lentillas.
En el siglo XX surgió la fisica moderna con la teoría de la relatividad , la mecánica cuántica yla física nuclear
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
2 de 19 09/07/2012 11:54
¿Por qué podemos decir que en un coche hay mucha Física? ¿Qué ramas de la Físicase pueden considerar que se aplican en un coche?
Mecánica, electricidad, óptica y termodinámica
Mecánica y termodinámica.
Mecánica , electricidad y óptica.
Galileo Galilei
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU
Isaac Newton
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU
Michel Faraday
en Wikimedia Commons
James Clerk Maxwell
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU
Max Planck
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU
Albert
en Wikimedia Commons
Hay muchos científicos que han hecho importantes aportaciones a la Física. Por nombrar algunos quenos pueden servir de referencia:
Galileo y Newton, en el s. XVII, revolucionaron el mundo con sus teorías sobre el movimiento y lagravitación. Posteriormente Ampere, Faraday y Maxwell hicieron lo mismo con el electromagnetismoy la luz. Ya en el comienzo del siglo XX, Plank y Einstein sentaron las bases de la física moderna conlas teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad.
Pregunta de Elección Múltiple
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
3 de 19 09/07/2012 11:54
¿Con qué rama de la física podríamos relacionar a Galileo y a Newton?
La mecánica
La electricidad
La física moderna
Einstein y Plank , ¿qué rama de la física desarrollaron?
La termodinámica
La física moderna
La electricidad
La Física es una ciencia experimentalSe conoce como la ciencia de la medida. Como todas las ciencias experimentales, basa elconocimiento en la observación, la experimentación y el razonamiento. A la vez, pretende generalizaresa observación y esa experimentación, convertirla en teorías generales.
Se aplica en todas las demás ciencias. En la Química, en la Biología, en la Geología, en Medicina, enMeteorología, en Astronomía, en Ingenierías, así como en muchos oficios.
Piensa por ejemplo en la Medicina. Analiza la Física necearia para comprender comofunciona el cuerpo humano.
¿Qué conocimientos de Física son aplicables a la medicina?
Las ciencias experimentales tratan de encontrar explicaciones lo masgenerales y sencillas de los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Unasexplicaciones válidas que funcionen y que no estén en contradicción con laexperiencia.
Pregunta de Elección Múltiple
La ciencias experimentales
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
4 de 19 09/07/2012 11:54
El conocimiento científico busca ser válido (no quiere decir que tenga que ser verdadero) paralo cual debe ser conocido (publicado) y avalado por científicos y organismos de todo el mundo . Unode sus principios fundamentales es que no es dogmático (impuesto) porque siempre es revisablea la luz de nuevos datos.
Verdad dogmática es una afirmación o doctrina sostenida por una religión o cualquier otro tipo deautoridad y que no admite réplica, es decir, es una creencia individual o colectiva no sujeta a pruebade veracidad. Las verdades dogmáticas se reciben y se retransmiten sin cambio y sin cuestionar sucontenido.
Teoría científica es una afirmación o doctrina que surge como consecuencia de un procesointelectual y cuya principal característica es que no es absoluta y está permanentemente sometida averificación y control.
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
5 de 19 09/07/2012 11:54
2. Así trabajan los científicos
El avance en la ciencia es consecuencia deltrabajo organizado de los científicos. Hoy suelentrabajar en el mismo problema equipos de investigaciónen distintas partes del mundo.
Pero, ¿qué tiene en común su forma de trabajar?
El proceso está resumido en el gráfico de la izquierda.
Llamamos método científico al proceso que siguen loscientíficos cuando hacen sus trabajos de investigación.Está basado en la observación, la experiencia y elrazonamiento y tiene como finalidad última elaborarexplicaciones en forma de grandes teorías.
Aunque hay diferencias entre la forma que se investigael método suele tener las siguientes fases:
1. Observación yplanteamiento de lapregunta o problema.
2. Elaboración de hipótesis ypredicción
3. Verificación experimental4. Conclusiones ypublicación
La hipótesis es la posible explicación que queremosprobar. El método consiste en diseñar hipótesis yverificarlas, es decir, comprobar si son válidas.
La verificación lleva a que la hipótesis que estamos probando seacorroborada (validada) o refutada (rechazada). Posteriormente es integradacon otras hipótesis válidas con la que puede llegar a constituir una teoría.
Se te ocurre alguna razón por la que un tema no pueda ser investigado y por lo tantono sea considerado un problema científico.
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
6 de 19 09/07/2012 11:54
Muchos científicos han sucumbido a la tentación de manipular los datos paracorroborar sus hipótesis.
¿Qué crees que ocurrirá a la larga con esta investigación y con sus autores?
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
7 de 19 09/07/2012 11:54
2.1 Lo primero es la curiosidad
Si tuviéramos que hacer una investigación científica empezaríamos por la observación delos hechos que ocurren.
Igual que un detective cuando indaga un crimen,también el científico es meticuloso en su recogida dedatos. Siempre que podamos, realizamos medidas lomás precisas posible que recogemos en tablas yrepresentamos también en forma de gráficas para serposteriormente analizadas.A veces un investigador hace solo una descripción.Descripción de nuevos objetos en astronomía,clasificación de plantas, modelar una cuenca de unrío. Otros hacen una comparación entre distintossistemas. Por ejemplo un biólogo que investiga larelación entre el ADN de los humanos y el de unchimpancé, o un médico que compara la incidenciadel cáncer de pulmón en una población de fumadoresy no fumadores, etc.
Imagen del sistema solar
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU.
No hay un solo método para hacer ciencia.
La observación de un hecho o fenómeno, realizada de manera cuidadosa y objetiva,es la primera etapa del método científico. En ella se procederá a la toma de datos,cuyo análisis y estudio llevará a la formulación precisa del problema a resolver.
Algunos ornitólogos británicos hanmedido la población de gorriones enLondres a partir de 1980 y hancomprobado que ha disminuido deforma importante el número deindividuos.
Fenómeno observado → población degorriones
Propiedad medida → tamaño (númerode individuos) (podrían haber sido otrasmuchas como densidad, proporción demachos, peso medio de los individuos
etc.)
Actividad
Pre-conocimiento
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
8 de 19 09/07/2012 11:54
Gorrión. Fotografía de Wikimedia Commons
bajo licencia GNU.
El análisis de los datos obtenidos lleva inmediatamente al:
Planteamiento del problema → ¿Por qué ha disminuido la población degorriones en Londres?
El ejemplo anterior nos muestra cómo la observación detallada de la naturaleza ha llevado a ladetección y enunciado preciso de un problema.
En otros casos la investigación a realizar no es elresultado de unas observaciones previas sino quepuede ser un problema propuesto directamentepor miembros de la comunidad, normalmente conla finalidad de satisfacer algún tipo de necesidadsocial o de corregir el funcionamiento de algúnsistema.
Ejemplos: desarrollo de una vacuna contra el SIDA,diseño de una placa solar eficiente, etc.
En cualquier caso, la toma de datos en esta faseinicial debe hacerse con objetividad y demanera precisa y rigurosa.
Plataforma solar en Almería. Fotografía
en Wikimedia Commons bajo licencia GNU.
Observamos que los líquidos en recipientes sin tapapoco a poco se evaporan y disminuyen su nivel amedida que pasa el tiempo, en tanto que en elambiente se perciben los olores de las sustanciasexpuestas.
Ejemplo de planteo del problema:
¿De qué depende la velocidad de evaporación deun líquido?
Líquido evaporándose. Fotografía de
Wikimedia Commons bajo licencia GNU.
Pre-conocimiento
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
9 de 19 09/07/2012 11:54
Einstein afirmaba que lo más importante en la investigación era DESCUBRIR UN BUEN PROBLEMA.Los problemas se descubren a partir de una observación en la que se detecta algo que no se hainvestigado antes o una incongruencia entre lo observado y la teorías y modelos vigentes.
Investigación del vaso y los cubitos de hielo
Observamos que si sacamos del frigorífico una botellainicialmente seca por su superficie externa, al cabo deun tiempo, vemos que aparecen gotitas de agua endicha superficie. Incluso puede manchar la mesa sinque se vea que ese agua haya podido salir de labotella.
Planteamos la pregunta: ¿De dónde procede elagua que se recoge en las paredes y en el culodel vaso?
1 ¿Cómo empezarías tú a trabajar?
2. ¿Cómo harías la observación y la toma de datos?
Botella de agua. Fotografía de
Wikimedia Commons bajo licencia GNU.
¿Hay días que se recoge más agua? ¿Influye la temperatura o la humedad delambiente? ¿Y la temperatura del interior de la botella? ¿Pasará lo mimo en botellasque no sean de plástico?
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
10 de 19 09/07/2012 11:54
2.2 Después .... ¿por qué pasa eso?
Una hipótesis es una posible explicación razonable de un hecho o fenómeno.
Ejemplo 1: Vamos a pensar en la razón por la que sentimos que pesamos menos en el agua.
Hipótesis 1: El agua apantalla y hace dismuir la gravedad.
Hipótesis 2: Al sumergirme, el líquido nos sostiene con una fuerza hacia arriba.
¿Son dos hipótesis igual de razonables?
Los científicos no tienen una forma concreta de producir hipótesis. Es algo que depende de cada casoy del ingenio, la imaginación y la creatividad del científico.
Fotografía en Flickr de Gabriel Vasquez
bajo licencia Creative Commons
Ejemplo 2: ¿Por qué el cielo es azul?
Hipótesis1: Porque en él se refleja el mar que es azul.
Hipótesis 2: Porque la luz del Sol al pasar a través del aire produce el color azul.
¿Cuál te parece más razonable?
De nuevo tenemos otro reto. El científico siente interés por plantear hipótesis que den respuesta amuchas preguntas.
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
11 de 19 09/07/2012 11:54
Una hipótesis aspira a ser una explicación válida que esté de acuerdo con el resto deexplicaciones de la ciencia y por supuesto con los hechos experimentales.
También debe ser la explicación más sencilla posible.
Y por último debe ser posible comprobar su validez mediante más observaciones yexperimentos.
Plantea al menos tres hipótesis razonadas de por qué la población de gorriones enLondres está disminuyendo.
¿Se podrían comprobar estas hipótesis?
Estela de un avión en el cielo.
Fotografía en Flickr de barloventomagico bajo licencia CC.
Cualquier persona siente curiosidad por encontrar explicación de los hechos que
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
12 de 19 09/07/2012 11:54
Vemos como muchas veces en días fríos se empañan los cristales del coche o de lacasa.
En los días fríos, al expulsar el aliento se produce una especie de niebla en el aire.
Los aviones dejan una estela de niebla al pasar.
Junto al hielo se produce una especie de niebla.
Tiene que haber una explicación general para todo esto. Vamos a plantear un casoconcreto:
¿Se te ocurren posibles hipótesis o explicaciones de por qué aparece agua enla parte exterior de una botella que sacamos del frigorífico?
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
13 de 19 09/07/2012 11:54
2.3 Habrá que comprobarlo ¿no?
¿Verdad que esta es la fase que másasociamos a la forma en que trabajan loscientíficos?
Hoy día los equipos de investigaciónreproducen múltiples experimentos quetratan de verificar la validez de lashipótesis.
La correcta realización del experimento esesencial para que los resultados que seregistren sean fiables.
Imagen de Wikimedia Commons bajo licencia GNU.
La imagen muestra a Madame Curie trabajando en su laboratorio. Investigó y consiguió grandesdescubrimientos en radioactividad. Recibió el premio Nobel de física en 1903 y posteriormente el dequímica en 1911. Ella es un ejemplo de constancia a la vez que de genialidad en el trabajo deexperimentación.
Los experimentos son diferentes de la realidad porque controlamos qué cambiamos y lohacemos a voluntad.
Ejemplos:
En farmacología cambiamos la dosis de un medicamento para ver cuál es la más efectiva.En una reacción química, cambiamos la temperatura para ver como influye.
La experimentación se hace de forma controlada. Se van modificando algunode los parámetros o variables de un experimento para ver como influyen enotros.
Si dejamos libre un cuerpo a una cierta altura cae según la vertical hasta chocar con elsuelo . Es lo que se llama caída libre. Es una experiencia que tenemos desde niños.Una idea que tenemos también, es que los cuerpos más pesados llegan antes al suelo.
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
14 de 19 09/07/2012 11:54
Siempre que podamos es conveniente analizar los datos númericos del experimento.
Imaginemos que con un cámara de vídeo se hagrabado fotograma a fotograma la caída de uncuerpo de forma que al reproducirlo a camara lentase ha podido medir los siguientes tiempos:
Posición(m) 0 5 20 45 80
Tiempo(s) 0 1 2 3 4
¿Qué podríamos decir sobre el movimiento de caída?¿Observas alguna regularidad en la tabla?
Otro caso muy común que se estudiaen Física es el movimiento delpéndulo.Podemos construir uno con un hilo yuna tuerca en el extremo. Losujetamos por el otro extremo confiso del lateral de una mesa y lehacemos que dé pequeñasoscilaciones. Describe el experimentoque se podría hacer para ver si larapidez de oscilación depende de:A. la masa de la tuercaB. la amplitud del movimiento
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
15 de 19 09/07/2012 11:54
Cualquier líquido que se deja en un recipiente abierto poco a poco se va evaporandohasta que se seca. ¿Dependerá el ritmo de evaporación de lo extensa que es lasuperficie libre del líquido? Vamos a diseñar en un experimento que lo demuestre.
Vamos a hacer un estudio experimental de cómo se va alargando un muelle o unagoma conforme le vamos colgando pesos conocidos.
Podemos hacer una tabla pesos-alargamientos y de ahí obtener conclusiones. Pulsa enla imagen para hacer este experimento de forma virtual. Con esos valores construyeuna tabla y observa si aparece alguna regularidad.
Imagen tomada de educaplus.
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
16 de 19 09/07/2012 11:54
2.4 ¡Qué el mundo se entere!
Primera portada de la revista Nature. Imagen enWikimedia Commons bajo licencia GNU.
Portada de un número de la revista Science.Imagen en Wikimedia Commons bajo licenciaGNU.
¿Sabías que Nature es una de las más antiguas y famosas revistas científicas? Su principalcompetidor es la revista Science.Los resultados de las investigaciones se suelen publicar en revistas científicas de reconocidoprestigio. De esta forma llegan a ser conocidas y pueden ser contrastadas por el resto de loscientíficos.Una investigación puede llevar a una explicación valiosa y pasar a ser considerada una ley. En físicalas leyes se suelen expresar mediante una fórmula matemática. Como la ley de la gravedad,las leyes del movimiento, las leyes de los gases,etc.Y si la explicación abarca un número importante de hechos o fenómenos se convierte en una teoríacientífica.La aceptación de una hipótesis o una teoría se lleva a cabo mediante publicación y acuerdo de lacomunidad de todos los científicos que trabajan sobre ese problema. Y la revista científica es laprincipal manera de hacer ciencia que tienen.
Pero no todas las publicaciones son igual de importantes (dependen de un ranking llamado "factorde impacto"). Algo publicado en una revista con mayor factor de impacto tiene más credibilidad quealgo publicado en otra menor.
Que algo se publique depende de la "revisión de los pares" (peer-review). Es decir, de que otroscientíficos que saben del tema tanto como el que quiere publicar, lo admitan. Cuanto mayor es elfactor de impacto, mayor la exigencia de los científicos que revisan el trabajo.
Lo que no se ha publicado en una revista científica, no es ciencia.
Las teorías científicas son un conjunto de hipótesisque encajan entre sí y sirven para poder explicar una
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
17 de 19 09/07/2012 11:54
amplia variedad de observaciones.Un paradigma científico incluye teorías científicasque encajan entre sí, las razones que las hangenerado, los instrumentos y formas de usarlos conlos que se construyeron, los valores (sociales,económicos, estéticos, éticos...) bajo los que surgióese conocimiento, los problemas que resuelve.Un ejemplo es la mecánica de Newton que en elmundo de los objetos que nos rodea es la teoríaaceptada (se publicó en el libro "Principiosmatemáticos de filosofía natural").
A diferencia de otros campos del conocimiento, en laciencia no caben varios paradigmas, alternativos,para atender un problema. Sólo hay uno para cadacampo, que es el aceptado por la gran mayoría y elque más y mejor explica. Y no cambia hasta que no loacepta esa gran mayoría.
Isaac Newton en Wikimedia Commons bajo licencia GNU
Una teoría científica es una explicación comprobada y fiable. Sin embargo en ellenguaje corriente se confunde teoría con lo que es una posible explicación (... yotengo una teoría sobre eso y tú tienes otra...).
Los científicos para cada situación tiene una sola teoría. Si alguna teoría no lesconvence buscan una alternativa pero no manejan dos a la vez.
Los hechos científicos que no encajan en las teorías aceptadas se consideran anomalías y quedanpendientes de resolución (bien por nuevos descubrimientos que les permitan encajar, bien poracumulación de anomalías que lleven a cambio de teoría o, incluso, sin son muchas o muyimportantes esas anomalías, cambio de paradigma). Suelen ser el motor del avance de la ciencia.
Así, el trabajo de un científico consiste en comprobar que nuevas observaciones encajen en lashipótesis-teorías-paradigmas que ya tenemos o en mejorar la precisión de las observaciones o el usodel instrumental. Sólo de vez en cuando se encuentran anomalías. Y muy de vez en cuando esasanomalías llevan a descubrir nuevas hipótesis-teorías-paradigmas.
Actividad
Actividad
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
18 de 19 09/07/2012 11:54
Un ejemplo de paradigma del mundo actual: Hoy todos aceptamos que estamos constituidos porátomos y que todos los seres vivos estamos relacionados.
Puede haber teorías científicas que no encajen en los paradigmas. Se consideran anomalías y se estáa la espera de ver si se lograrán explicar más adelante o de si el paradigma está equivocado. Cuandose acumulan muchas anomalías no hay más remedio que rechazar el paradigma y buscar uno nuevo.
Seguimos con el ejemplo de la investigación de la botella de agua fría quesacamos del frigorífico. Supongamos hemos hecho toda la experimentación posibley ya tenemos verificadas correctamente las hipótesis.
¿Qué conclusiones podríamos establecer sobre la pregunta inicial ? ¿De dónde procedeel agua que aparece en el exterior? ¿En que teoría general nos hemos apoyado paranuestra explicación?
file:///C:/Users/Belen/Desktop/FI_U1_T1_contenidos/index.html
19 de 19 09/07/2012 11:54
