Conceptos Fundamentales de Física y Química: Desde el Método Científico hasta la Mecánica Cuántica

El Método Científico

El método científico es un proceso sistemático de investigación que se utiliza para comprender el mundo natural. Se basa en la observación, la formulación de hipótesis, la experimentación y la obtención de conclusiones. Tiene diferentes fases:

  • Observación: Consiste en estudiar y describir los aspectos más relevantes del fenómeno que se quiere investigar.
  • Formulación de hipótesis: Se intenta justificar el fenómeno examinado mediante una explicación tentativa que pueda ser sometida a prueba.
  • Comprobación experimental de las hipótesis propuestas: Se trata de reproducir el fenómeno observado bajo condiciones controladas, lo que permite comprobar la influencia de los diferentes factores que intervienen en dicho fenómeno.
  • Análisis de los resultados experimentales: Tarea de recopilación de datos empíricos que hay que estudiar para determinar la influencia real de las diversas variables que actúan sobre el fenómeno observado.
  • Elaboración de las conclusiones finales: Se trata de obtener unas conclusiones que permitan la formulación de una teoría científica que englobe las leyes empíricas deducidas con anterioridad.
  • Formación del medio del método científico: Los científicos deben mantener una actitud abierta ante los problemas planteados. Todo ello obliga al investigador a mantener una autocrítica constante en las propuestas que realiza, las cuales deben estar siempre abiertas a la comprobación por parte de la comunidad científica. Hay que destacar la importancia del factor divulgativo; los resultados y las conclusiones se publican en revistas especializadas para su difusión y discusión.

Magnitudes, Unidades y Medidas

Magnitud: Es cualquier propiedad observable que se puede medir, asignándole una unidad.

Unidad: Es una porción arbitraria de una magnitud que la comunidad científica ha designado como tal. La medición se expresa mediante un número y la unidad correspondiente.

Magnitud escalar: Una magnitud es escalar cuando queda perfectamente definida con un valor numérico y su correspondiente unidad. Ejemplos de magnitudes escalares son la masa de un cuerpo, el volumen de una piscina y la temperatura de un líquido.

Magnitud vectorial: Una magnitud es vectorial cuando, además del número y la unidad, se requiere para su completa definición conocer la dirección y el sentido que tiene, así como el punto donde se aplica. Ejemplos de magnitudes vectoriales son la aceleración de un avión al despegar y la fuerza que se aplica al golpear un balón. Se representan mediante vectores, donde el origen indica el punto de aplicación, su longitud equivale al módulo, la posición espacial del vector indica la dirección de la magnitud (que coincide con la recta sobre la que se apoya el vector) y la punta de la flecha indica el sentido.

Cifras significativas: Son los dígitos de un número que se consideran válidos. Incluyen el conjunto de cifras exactas más una cifra aproximada, que se denomina última cifra significativa.

Factor de conversión: Es una relación entre dos cantidades iguales en valor, pero numéricamente distintas, ya sea porque se refieren a distintas unidades de la misma magnitud o porque se refieren a magnitudes diferentes que están relacionadas entre sí.

Instrumentos de Medida y Errores

Instrumentos de medida:

  • Exactitud: Un aparato de medida es tanto más exacto cuanto más cercanos al valor real sean los valores medidos con él.
  • Sensibilidad o resolución: Un instrumento de medida es tanto más sensible cuanto más pequeña sea la cantidad que puede medir.
  • Precisión: Un aparato es preciso cuando, al repetir medidas de la misma magnitud, se obtienen valores iguales o muy próximos entre sí.

Errores en la medida:

  • Errores accidentales o aleatorios: Son imprevisibles y están determinados por circunstancias externas al fenómeno investigado.
  • Errores sistemáticos: Normalmente se producen por la utilización de instrumentos mal calibrados.

Error absoluto: De una medida, indica la diferencia entre el valor experimental de la medida y el valor considerado real para esa magnitud. El error absoluto es un indicador de la exactitud de la medida.

Error relativo: De una medida, se define como el cociente entre el error absoluto (sin signo) y el valor de la medida considerado real.

Representación de Gráficas

Relaciones lineales: La representación gráfica de una relación lineal es una recta, cuya pendiente coincide en todos los casos con el valor de la constante k. Si k es positiva, la pendiente de la gráfica es positiva. Si k es negativa, la pendiente de la recta también lo será.

Relaciones de proporcionalidad inversa: Se dan cuando ambas variables modifican su valor de forma que su producto se mantiene constante; si una aumenta su valor, la otra disminuye.

Relaciones cuadráticas: Se dan cuando la relación entre variables no es lineal, sino que alguna variable está afectada por un exponente.

Proyecto de Investigación

Un proyecto de investigación es un trabajo teórico o práctico sobre un tema concreto, que debe diseñarse siguiendo las siguientes fases:

  • Indagación del problema a investigar: La elección del tema es uno de los momentos clave del proceso de investigación.
  • Objetivos: Es el propósito de la investigación.
  • Antecedentes: Se deben buscar todos los estudios que existen en torno al problema a investigar.
  • Investigación: Si el proyecto es teórico, la investigación suele consistir en recopilar y organizar información o en comparar las aportaciones de diversos autores. Si el proyecto es práctico, hay que realizar la experimentación para obtener los resultados deseados.
  • Estructura del proyecto: Debe constar de las siguientes partes: portada, índice paginado, introducción, capítulos, conclusiones y bibliografía.

Evolución de los Modelos Atómicos

Modelo atómico de Dalton: Considera los átomos como esferas macizas. Este modelo justifica las leyes ponderales que se conocían sobre el comportamiento de la materia en las reacciones químicas. Problema que lo invalida: El descubrimiento del electrón como partícula presente en todos los tipos de materia.

Modelo atómico de Thompson: Los electrones se integran en la estructura del átomo, que sigue considerándose macizo. Problema que lo invalida: El experimento de Rutherford, que descubre, mediante el bombardeo con partículas alfa de una fina lámina de oro, que el átomo no es macizo, sino que está prácticamente hueco.

Modelo atómico de Rutherford: El átomo está constituido por un núcleo muy pequeño, donde se acumula casi toda la masa, y los electrones giran a su alrededor en órbitas estables, como los planetas alrededor del Sol. Problema que lo invalida: La inestabilidad de las órbitas electrónicas según la teoría electromagnética clásica.

Modelo atómico de Bohr: Propone un modelo atómico donde se postula la estabilidad de las órbitas electrónicas y se explican los espectros atómicos, lo que supone un indudable éxito científico y le hace merecedor del Premio Nobel. Problema que lo invalida: La hipótesis de dualidad onda-partícula propuesta por De Broglie no puede ser explicada por el modelo atómico de Bohr.

Modelo atómico de la mecánica cuántica: Schrödinger resuelve la situación al proponer una nueva ecuación de onda que será la base del modelo atómico de la mecánica cuántica y que sigue vigente en la actualidad.