Planteamiento del problema a investigar




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títuloPlanteamiento del problema a investigar
fecha de publicación15.02.2016
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Dpto. Física y Química.

I.E.S. Inca Garcilaso. Montilla.

PRÁCTICA 3
EL MÉTODO CIENTÍFICO.
El método de trabajo empleado por los Científicos para estudiar la naturaleza es el método científico que se desarrolla en las siguientes etapas:
- Planteamiento del problema a investigar.

- Formulación de hipótesis.

- Experimentación.

- Análisis de resultados.

- Conclusiones y formulación de leyes.
1.- Planteamiento del problema a investigar. Se llega a él mediante la observación. Observar consiste en plantearse preguntas sobre los fenómenos que percibimos por medio de nuestros sentidos.
2.- Formulación de hipótesis. Consiste en dar respuestas a cada una de las preguntas formuladas. Una hipótesis es una suposición u opinión que se propone para explicar porqué se produce o cómo se produce un determinado hecho, que se puede demostrar mediante la realización de una experiencia.
3.- Experimentación. Consiste en repetir el fenómeno que estamos estudiando bajo condiciones controladas, generalmente en el laboratorio, para hacer posible la comprobación de nuestra hipótesis. Se mantiene bajo control todas las variables excepto la que vamos a medir. Hay que repetir la experiencia varias veces. En esta etapa tienen lugar las siguientes operaciones:

- diseño y montaje de experimentos

- medida de magnitudes

- recogida de datos

4.- Análisis de los resultados. Los resultados obtenidos de nuestra experiencia hay que analizarlos para comprobar si nuestra hipótesis es verdadera. Para ello los científicos utilizan tres métodos:

  1. Elaboración de tablas de valores.

  2. Representación de gráficas sobre ejes cartesianos.

  3. Deducción de ecuaciones matemáticas, donde se relacionan las diferentes variables que intervienen en un fenómeno. Generalmente no es fácil conseguir una ecuación, aunque el método más habitual consiste en observar la forma de la gráfica e intuir la ecuación que relaciona a las variables, si es que la hay. Algunos casos sencillos son:















y = cte y = m x y = m x + n x y = cte
5.- Conclusiones. Una de las misiones más importantes del investigador es tratar de generalizar, es decir, aplicar las conclusiones de su experimento al mayor número de fenómenos posibles. Si hacemos varios experimentos similares y siempre obtenemos la misma conclusión, podemos generalizar y enunciar una teoría.

Si la hipótesis que hemos comprobado nos permite, además de explicar el fenómeno estudiado, predecir y explicar otros fenómenos, tendrá la categoría de ley. Si nuestra hipótesis no es correcta se debe revisar o incluso modificar la experiencia.
6.- Comunicación. Estas conclusiones se deben comunicar a la comunidad científica mediante un informe que se envía a las revistas especializadas. Hay una serie de organismos que se encargan de recopilar todas las investigaciones que se publican. De esta forma, antes de ponerse a estudiar algo, es posible conocer lo que otros han hecho sobre el mismo asunto. ¡ Quizás ya esté estudiado¡.
Como aplicaciones de la metodología científica abordaremos un caso práctico:
1º. ESTUDIO EXPERIMENTAL SOBRE LAS FUERZAS ELÁSTICAS
La experiencia tiene como finalidad familiarizar a los alumnos con algunos aspectos concretos del trabajo científico, desde el enunciado preciso del problema y emisión de hipótesis hasta la construcción de gráficos, como forma de interpretar los resultados obtenidos.
EXPERIENCIA: FUERZAS ELÁSTICAS. LEY DE HOOKE.
En una primera fase para facilitar el planteamiento del problema, iremos contestando las siguientes cuestiones:
1. Trata de dar una definición de cuerpo elástico y cuerpo rígido.

2. Elabora una lista con ejemplos de cuerpos que sean rígidos, otros que sean deformables (pero no elásticos) y aquellos que sean elásticos. ¿Qué criterios has utilizado para hacer esta clasificación?.

3. ¿Qué diferencia existirá entre materiales elásticos y no elásticos? ¿Por qué unos cuerpos son elásticos y otros no?

4. ¿Consideras importante esta propiedad de la materia? (la elasticidad)

5. ¿Qué puede ser importante saber sobre la elasticidad de los cuerpos?. ¿Para qué puede servirnos dicho conocimiento?. Pon ejemplos de posibles aplicaciones basadas en este fenómeno.

6. La propiedad elástica de los cuerpos ¿se cumple en cualquier situación, sea cual sea la fuerza aplicada o para cualquier alargamiento o compresión que sufra el cuerpo?.

7. ¿Qué tipo de objetos pueden ser los más idóneos para estudiar las fuerzas elásticas?.
Emisión de hipótesis.
Una vez definido el problema a abordar: ESTUDIO DE LAS FUERZAS ELÁSTICAS, nuestro siguiente paso será la emisión de hipótesis. Para ello te puede servir de ayuda las siguientes cuestiones:

1º. Muchas veces has tenido en tus manos una goma elástica o un muelle ¿Qué puedes decir sobre la intensidad de la fuerza que hay que aplicar para deformarlo?.

2. ¿De qué factores crees que dependerá la fuerza que es necesario aplicar para estirar el muelle?

3. ¿Qué ocurrirá cuando lleves el muelle a situaciones límite, bien estirando o comprimiendo? ¿Cuando podremos decir que un cuerpo deja de ser elástico?

4. Anota las hipótesis emitidas y trata de contrastarlas proponiendo una expresión matemática que, a título de hipótesis, relacione las magnitudes físicas que intervienen (Fuerza aplicada y alargamiento del muelle) de acuerdo con las ideas establecidas.

Elaboración del diseño experimental
- Diseña un experimento sencillo que permita contrastar las hipótesis emitidas

- Indica detalladamente la forma de medir las fuerzas y las elongaciones, es decir los alargamientos del muelle.

- Planificar los pasos a seguir y preparar una tabla para recoger los resultados de la investigación

- Procede a realizar la experiencia.

- Interpreta los resultados obtenidos ayudándote de una gráfica.
Cuestiones.
1º. Como conclusión de los razonamientos científicos seguidos habéis obtenido la ley de Hooke ¿En qué condiciones es válida su aplicación?.

2º. ¿Cuál es la variable independiente y dependiente?.

3º. ¿Qué alargamiento tendrá lugar con 50 g de masa?. ¿Qué fuerza será necesaria para producir un alargamiento de 10 cm?

4º. Escribe la relación matemática encontrada

5º. ¿Qué significado físico tiene la constante de proporcionalidad (pendiente de la recta)? ¿Qué unidades tiene?.

6º. Si se suspendiera un peso desconocido del muelle ¿Podría saberse su valor midiendo l?

7. Explica lo que es un dinamómetro ¿En qué propiedad se basa su funcionamiento?
ANEXO: Para calcular la pendiente de una recta debemos de seguir los siguientes pasos:

  1. Se eligen dos puntos de la recta y se anotan las coordenadas (x,y).

  2. Si la recta pasa por el origen de coordenadas, uno de los puntos debe ser el (o,o).

  3. Para el cálculo de la pendiente se sigue el proceso expresado en las gráficas siguientes.




2º. CASO PRÁCTICO: PERIODO DE OSCILACIÓN DE UN PÉDULO SIMPLE.
Nombre:

Problema que se plantea: ¿De qué factores depende el periodo de oscilación de un péndulo simple?

Elaboración de hipótesis:

1ª hipótesis: El periodo de oscilación del péndulo depende de la longitud de éste, de manera que cuanto mayor es la longitud el periodo es ……………

Comprobación de la hipótesis 1ª
A) Diseño de la experiencia:

A.1.) Material:

A.2.) Modo de realizarla:

B) Toma de datos: mantener fijos el ángulo y la masa.


longitud(cm)

l1=

l2=

l3=

tiempo(s) en realizar 10 oscilaciones





































Tiempo(s) medio 10 osc.










tiempo(s) en realizar una oscilación

T1=

T2=

T3=



C) Organización de los resultados:

C.1.)Tabla de valores C.2.)Gráfica



l(cm)

T(s)



















D) Conclusiones: Cuanto mayor sea la longitud del péndulo ________ será el periodo de oscilación. Nuestra hipótesis ___ era correcta.
2ª HIPÓTESIS: El periodo de oscilación de un péndulo simple depende de la masa del péndulo, de manera que………………………
Comprobación 2ª hipótesis:
A) Diseño de la experiencia:

A.1.) Material:

A.2.) Modo de realizarla:

B) Toma de datos: mantener fijos el ángulo y la longitud.


masa (g)

m1=

m2=

m3=

tiempo(s) en realizar 10 oscilaciones





































tiempo(s) medio 10 osc.










tiempo(s) en realizar una oscilación

T1=

T2=

T3=



C) Organización de los resultados:

C.1.)Tabla de valores C.2.)Gráfica



m(g)

T(s)





















D) Conclusiones: Cuanto mayor sea la masa del péndulo ________ será el periodo de oscilación. Nuestra hipótesis ___ era correcta.
3ª HIPÓTESIS El periodo de oscilación de un péndulo simple depende de……………….
Comprobación 3ª hipótesis:
A) Diseño de la experiencia:

A.1.) Material:

A.2.) Modo de realizarla:

B) Toma de datos: mantener fijas la masa y la longitud.

C) Organización de los resultados:

C.1.)Tabla de valores

C.2.)Gráfica

D) Conclusiones: Cuanto mayor sea el ángulo de oscilación del péndulo ________ será el periodo. Nuestra hipótesis ___ era correcta.

Responde a las siguientes preguntas:
1.- ¿Por qué es necesario medir un gran número de oscilaciones para determinar correctamente el valor del período de un péndulo?
2.- Sabiendo que el periodo de oscilación de un péndulo simple se obtiene mediante la expresión:



determina el valor de la gravedad en el laboratorio, haciendo uso de los valores obtenidos en la experiencia.
3.- Sabiendo que la gravedad en el laboratorio vale 9,91 m/s2, ¿qué error relativo has cometido en tu medida? ¿crees que has realizado una buena medida? ¿por qué?
4.- El valor de g en la Luna es aproximadamente un sexto del valor de g en la Tierra. ¿Qué le sucedería a un reloj de péndulo al llevarlo a la Luna, se atrasaría o se adelantaría?
5.- Si un reloj de péndulo se retrasa, ¿qué debemos hacer para que funcione correctamente?
6.- Si un reloj de péndulo se ajusta en verano, ¿qué le pasará en invierno? ¿Cómo se podría arreglar?
7.- Cuando se quema un combustible se desprende una cantidad de calor que depende de la masa de combustible. Hemos quemado carbón y obtuvimos los siguientes datos:

M (g)

0

10

20

30

40

50

60

Q(kcal)

0

78,3

156,6

234,9

313,2

391,5

469,8




  1. Representa gráficamente Q frente a m en papel milimetrado.

  2. Encuentra la ecuación matemática que relaciona ambas variables. Expresa la relación en lenguaje verbal.

  3. Calcula el valor de las constantes que pudieran aparecer. Unidades e interpretación física.

  4. ¿Cuánto calor desprenderá la combustión de 2 kg de carbón?

  5. Si necesitamos disponer de 300 kcal, ¿cuánto carbón habrá de quemar?


8.- Un depósito cerrado contiene aire a la presión atmosférica. Sus gruesas paredes soportan hasta 20 atm. Mediante una bomba adecuada, se inyecta aire, aumentando la presión de la siguiente manera:

T(s)

0

1

2

3

4

5

6

7

P(atm)

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5




  1. Construye la gráfica presión-tiempo.

  2. Encuentra la ecuación matemática que relaciona ambas variables. Expresa la relación en lenguaje verbal.

  3. Calcula el valor de las constantes que pudieran aparecer. Unidades e interpretación física.

  4. Calcula de forma gráfica y numérica la presión a los 3,2 s. ¿Qué procedimiento te parece más útil?

  5. Calcula el tiempo máximo que puede estar funcionando la bombona.


9.- Se han medido las velocidades de salida de un líquido por un orificio circular, a medida que variaba la sección de éste. Los datos se expresan en la siguiente tabla:

S(cm2)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

V(cm/s)

75

50

37,5

30

25

21,43

13,75

16,66

15




  1. Construye la gráfica v-s.

  2. Encuentra la ecuación matemática que relaciona ambas variables. Expresa la relación en lenguaje verbal.

  3. Calcula el valor de las constantes que pudieran aparecer. Unidades e interpretación física.

  4. Calcula gráfica y numéricamente la velocidad de salida del líquido por una sección de 15 cm2.

  5. ¿Cómo medirías experimentalmente la constante que aparece en tu ecuación?.


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