http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... Tema 2: Medimos para conocer mejor Medimos con reglas, cintas métricas, relojes, balanzas, termómetros, voltímetros, etc. Todas estas medidas nos dan información para realizar tareas cotidianas de forma eficiente y fiable. En ciencia tenemos que medir para conocer con más detalle el mundo que nos rodea y a la vez poder buscar leyes en forma de relaciones matemáticas, que es la forma en que hoy mejor se pueden interpretar los fenómenos que ocurren en el Universo. "Cuando puedes medir aquello de lo que hablas, y expresarlo con números, sabes algo acerca de ello; pero cuando no lo puedes medir, cuando no lo puedes expresar con números, tu conocimiento es pobre e insatisfactorio: puede ser el principio del conocimiento, pero apenas has avanzado en tus pensamientos a la etapa de ciencia" (Lord Kelvin) ¿Qué chica es más alta en el dibujo? ¿Qué figura es mas grande? Mide con tu regla. La medida nos resuelve definitivamente la duda. ¿Coincide con la apariencia? Mediante instrumentos, el hombre ha aprendido a detectar niveles y señales inaccesibles a nuestros sentidos. Telescopios, miscroscopios, micrófonos, detectores de radiación, recptores de radio y muchos más. Los instrumentos nos han mostrado mundos que antes estaban ocultos y también los hemos medido para poder explicarlos mejor. 1 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 1. Las cosas que se miden Actividad ¿Qué entendemos por magnitud? Llamamos magnitud a todo aquello que podemos medir. Son magnitudes físicas la masa, el tiempo, la velocidad, la fuerza, la energía, la temperatura, etc. Escribe tres ejemplos de magnitudes físicas y otros tres de cualidades que no son magnitudes físicas Las cosas que medimos pueden tener distintos nombres y sin embargo corresponer a una misma magnitud. La longitud L, es la distancia entre dos puntos. Son medidas de longitud el ancho, el alto, el fondo, el grosor, la profundidad. Todo lo que se pueda expresar con la misma unidad es una única magnitud aunque tengan nombres distintos. Actividad ¿Cómo se expresa una medida? Una medida se expresa mediante una cantidad y una unidad. Decimos por ejemplo "he comprado 3 metros de tela". 3 es la cantidad y la unidad es el metro.La magnitud medida es la longitud. 2 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... a) Mi banca mide 75 cm de alta. b) El tiempo que dura la clase es de 60 min. c) Compré tres kilos de tomates. d) Esa moto va a 80 km/h. e) Estamos a 35 ºC. F) Es capaz de beberse dos litros de Coca-Cola. Vamos a reflexionar sobre cómo se hace una medida. Supongamos que tenemos que medir una longitud y no tenemos metro, ni cinta ni ningún otros instrumento. Podemos utilizar como unidad un paso, la mano extendida (palmo), el pie, o la pulgada (última falange del dedo pulgar). Por ejemplo la mesa mide 5 palmos, la clase tiene 15 pasos de larga, el libro mide 5 pulgadas. ¿Pero qué pasaría si estas medidas las hicieran distintas personas? Las medidas saldrían distintas y sería dificil entendernos. Por eso es conveniente que haya un sistema internacional que defina con precisión las unidades. Actividad ¿Cómo se mide? Medir una magnitud es compararla con un valor que tomamos como unidad y ver cuántas veces la que medimos contiene a la unidad. El sistema internacional (SI) es un acuerdo para la utilización por todos los países de las mismas unidades. 3 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 2. ¡Necesitamos un acuerdo! El Sistema Internacional de Unidades En 1960 se creó el Sistema Internacional de Unidades cuya abreviatura es SI. En España se aprobó en 1987. Toda la comunidad científica aceptó este sistema unificado de unidades físicas. A la derecha podemos ver el cilindro que se utilizó de patrón del kilogramo. Sus magnitudes y unidades fundamentales son estas: Magnitud Unidad Masa (M) Kilogramo (kg) Longitud(L) Metro (m) Tiempo (T) Segundo (s) Temperatura (θ) Grado Kelvin (ºK) La intensidad de corriente(I) Amperio(A) La intensidad luminosa (I ) Candela(cd) La cantidad de sustancia(n) El mol (mol) l Si la magnitud que se mide es muy grande utilizaremos múltiplos que se relacionan con la unidad mediante potencias de diez con exponente positivo. La distancia entre Almería y Granada es de 180 km. 3 1 km = 1000 m = 10 m Si por el contrario la magnitud es más pequeña que la unidad, la relación se establece mediante una potencia de diez con exponente negativo. El espesor de un folio es de 0,07 mm 1 mm = 0.001 m = 10 -3 m El espesor de un folio se puede expresar así: 0,07 mm = 0,07. 10 4 de 18 -3 -2 -3 m = 7.10 . 10 -5 m = 7.10 m 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... Múltiplos y submúltiplos Para medir objetos pequeños o grandes en comparación con las unidades del SI se utilizan múltiplos y submúltiplos. Si la magnitud que se mide es muy grande utilizaremos múltiplos que se relacionan con la unidad mediante potencias de diez con exponente positivo. Prefijo Símbolo Factor Giga Mega Kilo Hecto Deca Deci Centi Mili Micro Nano G M k h da d c m µ n 10 10 10 9 10 6 10 3 10 2 -1 10 -2 10 -3 10 -6 10 -9 La notación científica Para valores muy grandes o muy pequeños es conveniente utilizar las potencias de 10. Por ejemplo: 8 La velocidad de la luz es de 300 000 000 m/s = 3.10 m/s El diámetro de un átomo es 0,000 000 000 064 m = 6,4. -11 10 m Se ve claro que la notación científica es más clara y elegante. Tenemos que tener claro que cuando la potencia de 10 es positiva nos dice lo grande que es ya que es equivalente al número de ceros que hay que añadir al número. Si la potencia es negativa, nos indica lo pequeño que es, y representa lo que hay que desplazar la coma hacia la izquierda. Actividad Para pasar a notación científica, el número se expresa con una parte entera de un único digito distinto de cero y una parte decimal, todo ello multiplicado por una 20 potencia de 10. Ejemplo 6,23.10 Ejemplos: Vamos a poner con tres cifras de precisión en notación científica estos números tan complicados de leer. 5 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... a) 2383451298 cm ---->Dejamos tres cifras 2,38, una entera y las demás decimales. Vemos cuántos lugares hay que desplazar la coma desde las unidades hacia la derecha (9 lugares) porque es un 9 número mayor que 1 ------------>2,38.10 cm b) 0,000 000 000 27 185 g ----> Dejamos también tres cifras 2,72 ( hemos redondeado los 185 g -10 por 200 g). La coma se ha desplazado 10 lugares---------> 2,72.10 g Para operar con estos números hay que recordar que cuando se multiplican potencias de la misma base se suman los exponentes y cuando se dividen se restan. 5 2 1,67.10 .2,81.10 = 1,67. 2,81. 10 5+2 7 = 4,6827.10 ----> 4,68.10 7 Pasa a notación científica con tres cifras de precisión los siguientes números: a) 3420100 b) 0,00000367201 Actividad Medida directa es aquella que se hace con el instrumento de medida de esa magnitud. Por ejemplo cuando medimos la longitud de un campo de fútbol con una cinta métrica estamos haciendo una medida directa. Medida indirecta es la que se otiene haciendo un cálculo a partir de otras magntudes medidas. Por ejemplo, cuando queremos saber la superfcie del campo de fútbol para cubrirlo de césped artificial tenemos que multiplicar el largo por el ancho. 2 Superficie S = a.b. El resultado son lo m que tendremos que comprar de césped. Eso es una medida indirecta. La mayor parte de las medidas son indirectas. El valor de la medida se obtiene a partir de un cálculo 6 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... Cómo medir la superficie útil tu casa ¿Qué necesitamos? Un cuaderno cuadriculado o folios de papel milimetrado, lápiz, regla, borrador, calculadora y una cinta métrica, cuanto más larga mejor porque así las medidas serán más exactas. Para dibujar la planta, vamos habitación por habitación midiendo el ancho y multiplicando por el largo: 4,20 metros de largo por 3,50 de ancho, nos da que esa habitación tiene un superficie 14,70 m². Cuando le falta un trozo se le resta esa superficie. Si el trozo es triangular se calcula usando la fórmula del área del triángulo: Area = Base x altura/2 = B.h/2 Haz el cálculo de la superficie útil de la habitación de la figura sabiedo que el dbujo está hecho a una escala 1:50 (por cada unidad del papel 50 de la realidad). 7 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 3. Todo, todo al sistema internacional Aunque podamos expresar las medidas con distintas unidades tenemos que aprender a convertirlas al Sistema Internacional para poder utiizarlas en las fórmulas. Vamos a ver ejemplos de como convertir medidas a unidades del SI en el caso de magnitudes fundamentales: Longitud 1 cm = 10 -2 1 mm = 10 -3 3 Tiempo m Masa 4 cm = 0,04 m = 4 . 10 1 min = 60 s -3 m 1 hora = 60 min = 1 km = 10 m Ejemplos =60 x 60 s = 3600s 1 g = 10 -2 m kg 456 g = 0,456 kg 3 1 t = 1000 kg 34 km = 34 000 m = 34. 10 m 200 ms = 200.10 -3 = 0,2 s Actividad Convertir magnitudes derivadas Las magnitudes derivadas son las que se pueden obtener relacionando algunas magnitudes fundamentales. Un ejemplo es la velocidad que se obtiene dividiendo el espacio recorrido por el tiempo. Su unidad es el m/s que no tiene nombre especial. La aceleración es el cociente entre la velocidad y el tiempo. Su unidad es el 2 m/s , también sin nombre especial. La unidad de fuerza es el Newton (N). La fuerza es el producto de la masa por la aceleración. 1N = 1kg.m/s 2 La unidad de energía es el Julio. 1 Julio es el trabajo que realiza una fuerza de un 1 Newton al desplazar un objeto una distancia de 1 metro. Por tanto 1 Julio = 1N.m Hay unidades muy frecuentes y por eso nos puede resultar muy práctico saber cuál es la conversión directa. En la tabla siguiente podemos ver la equivalencia entre algunas unidades frecuentes: Volumen 1 L = 1 dm Energía 3 ------------3 1 dm = 10 -3 1 cal = 4,18 J m 3 -6 1 cm = 10 8 de 18 1 CV = 735,5 W --------------6 --------------3 Potencia 1kWh = 3.6 10 J m 3 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... Actividad Para convertir otras medidas se utilizan los factores de conversión. Un factor de conversión es una fracción de valor uno. En el numerador y en el cociente tenemos una misma medida expresada en dos unidades diferentes. En el denominador se escribe la unidad que queremos que desaparezca y en el denominador la nueva unidad en la que queremos expresar la medida. Por ejemplo: Equivalencia Factor de conversión 3 1 km es equivalente a 10 m 3 1 kg es equivalente a 10 g 1 hora son 3600 s Si quiero pasar 2 mg a g------------> Si quiero pasar 2 horas a segundos------------> Trata de pasar al sistema internacional la siguientes medidas a) 72 Km/h b) 2,7 g/cm 3 Caloría y Julio son dos unidades de energía. Sabiendo que 1 caloría 9 de 18 08/07/2013 13:21 10 de 18 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 2. 3,5 kJ a calorías. Veamos el primer caso. Observa que cuando queremos pasar de calorías a Julios, usamos el factor de conversión con los Julios en el numerador y las calorías en el denominador. Al simplificar la fracción podemos eliminar las calorías que aparecen arriba y abajo en la fracción. Veamos el segundo caso. Primero convertirmos los kilojulios en Julios. que cuando queremos pasar de kilojulios a Julios, usamos el factor de conversión con los kilojulios en el denominador y los Julios en el numerador. Al simplificar la fracción podemos eliminar los kilojulios que aparecen arriba y abajo en la fracción. Luego convertimos los Julios en calorías. Observa que cuando queremos pasar de Julios a calorías, usamos el factor de conversión con los Julios en el denominador y las calorías en el numerador. Al simplificar la fracción podemos eliminar los Julios que aparecen arriba y abajo en la fracción. 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 4. Aparatos errores de medida: Imprecisiones y Necesitamos medir el ancho de una estantería de nuestra casa para hacer un encargo a un carpintero. Si medimos en milímetros vemos que pueden salir resultados distintos según como midamos. Y si quiseramos ser más precisos aparecerían más diferencias. Es absurdo pensar que podemos medir con total exactitud. Siempre se producen imprecisiones por diversas causas. Llamamos imprecisión aboluta (I ) de una medida a la A diferencia entre el valor medido x y el valor real, x . r También podemos calcular la imprecisión relativa (I ) para comparar la calidad de unas medidas R con otras. Se obtiene dividiendo la imprecisión absoluta por el valor real y multiplicándolo por 100 para obtener el tanto por ciento de error. Una medida con una imprecisión relativa por debajo del 2 % puede ser considera una buena medida. Pregunta de Elección Múltiple ¿Cuál de las siguientes medidas tiene mayor calidad? Un ciclista que con su cuentakilómetros obtiene de medida de la longitud de una calle 1234 m, siendo su valor real de 1245m. Un dibujante que mide en un plano una logitud de 34 mm siendo la longitud real 33 mm. Actividad La medida nunca es exacta. Hay muchas causas que producen imprecisión. La más común es la debida a que los aparatos de medida no estén bien calibrados o las lecturas no se hagan bien. Un error sistemático es aquel que es debido al proceso de medida. Un reloj que adelanta, una balanza que no está equilibrada, una regla torcida produce siempre una falta o exceso del valor de medida. 11 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... ligeramente disitintos. Imprecisión absoluta de una medida es la diferencia entre la medida tomada y el valor verdadero. Es la desviación que hemos tenido. Lo lejos que nos hemos quedado de acertar. I = x - x A r Imprecisión relativa (%) es el cociente entre la imprecisión absoluta y el valor real multiplicado por 100. Nos informa de la calidad de una medida. I = 100.(x R x )/x r r Tiramos un montón de dardos al centro de centro de una diana y estos se van distribuyendo por las proximidades. No somos perfectos. ¿Dónde podemos intuir que estará el centro de la diana basándonos en la posición en la que han quedado los dardos? Ralaciona esto con la forma en que se calcula el valor de la medida cuando obtenemos muchas distintas por causas accidentales. Con un cronómetro que mide hasta las centésimas de segundo queremos medir el tiempo que tarda en caer al suelo una bola desde 20 metros de altura. Empezamos a anotar y nos salen resultados como estos, 1,98 s, 1,87 s, 2,0 s , 1,92 s, 1,94 s y 1,91 s. El tiempo, de forma aleatoria, cambia en cada medida. Decimos que esta medida está afectada por un error accidental. Una vez nos adelantamos al actuar sobre el cronómetro y otras veces nos retrasamos. Lo mejor para corregir su efecto es hacer muchas medidas y finalmente hacer la media. 1 2 3 4 5 6 t.medio 1,98 s 1,87 s 2,0 s 1,92 s 1,94 s 1,91 s 1,94 s Para tener una idea del margen de imprecisión de la medida podemos hacer una media de las desviaciones, D, que han tenido las medidas con respecto al valor medio que lo tomamos como el verdadero. Medida 12 de 18 1 2 3 4 5 6 Medias 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... t 1,98 s 1,87 s 2,0 s 1,92 s 1,94 s 1,91 s t m 1,94 s D m D 0,04s 0,07s 0,06s 0,02s 0,00s 0,03s 0,03s Para calcular cada desviación restamos el valor de la media y nos quedamos con su valor absoluto ( el mismo número si es positivo o el opuesto si es negativo). D = |t 1 t | = |1.94 -1.98| = |- 0.04 | = 0.04 m- 1 Y así todos los demás. Finalmente calculamos la media de todas las desviaciones. IMPRECISIÓN INSTRUMENTAL Una regla es un instrumento sencillo que nos puede ayudar a comprender algunos aspectos importantes de la medida. En dibujo se utiliza habitualmente la regla milimetrada que quiere decir que esta dividida en milímetros. Supongamos que cuando medimos la longitud de un lápiz vemos que su extremo está entre 84 y 85 mm, es decir, después del número 8 cm entre la cuarta y la quinta rayita de los milimetros. Esto es normal que ocurra. No vamos a tener la suerte de que tenga una medida exacta, ¿qué valor de medida tomamos? Bueno pues si decimos 84 no es correcto y si decimos 85 tampoco y si decimos 84,2 pues no es cierto que podamos saber ese decimal. Lo mejor es reconocer que nos movemos en un margen de imprecisión de 1 mm. Decimos que la regla tiene una imprecisión de 1 mm. Todos los aparatos tiene una imprecisisón que es el mínimo valor que puede distinguir. La medida la podemos expresar como 84 si aceptamos que esa última cifra no es segura. Las cifras de una medida son todas seguras salvo la última que puede cambiar hasta un límite que depende de la imprecisión del instrumento. Actividad Todos los aparatos tiene una imprecisisón que es el mínimo valor que pueden distinguir. La medida la podemos expresar como un número y aceptamos que la última cifra no es segura. Las cifras de una medida son todas seguras salvo la última que puede cambiar hasta un límite que depende de la imprecisión del instrumento. Las probetas de la figura miden el volumen de dos líquidos en mililitros (mL). 13 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... ¿Cuál es la imprecisión de cada una de las probetas? La pesa más pequeña de una balanza de brazos iguales es de 2 g. Otra balanza, de tipo digital, de las que usan en los comercios mide de 5 en 5 g. ¿Qué balanza mide con más precisión? CIFRAS SIGNIFICATIVAS Actividad Llamamos cifras significativas a las que se relacionan con la medida. Cuando hagamos cálculos no podemos escribir los resultados con más precisión que la que aportan las medidas. Si nos salen más cifras deberemos redondear. Pasamos a cero las cifras no significativas y las expresamos como potencias de 10. Reglas de redondeo. Una vez que sepas cuantas cifras significativas debes tener, el número se redondea utilizando las siguientes reglas: Si el primer dígito no significativo (primero de la derecha) es menor que cinco, se elimina y se mantiene el anterior que se convierte así en el último. Ejemplo si el número es 3,72; como el último dígito es 2 (menor que cinco), quedaría 3,7. 14 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... si seguimos redondeando el resultado anterior (13,7) quedaría 14 dado que 7 es mayor que cinco, se suma una unidad al anterior que pasaría de 3 a 4. Supongamos que tenemos que hacer un cociente entre dos medidas de 10,2 m y 1,4 s. Como 1,4 s solo tiene dos cifras significativas, el resultado es ridículo que lo expresemos con más precisión. Esto se debe a que si en la primera medida tenemos una impresición relativa de 1/102*100 y en la segunda de 1/14*100, el cociente de ambas será tan impreciso como la que más lo sea. Por lo tanto nos quedamos con una sola cifra significativa al operar. 10,2/1,4 = 7,28571.... --> redondeo = 7,3 Mantenemos así el mismo tipo de precisión en el resultado que el que aporta la medida menos precisa. Según esto, no es lo mismo 45,0 cm que 45 cm. La primera medida tiene un a imprecisión de 0,1 cm. Se ha hecho con una cinta milimetrada. La segunda tiene una imprecisión de un centímetro. Es como una cinta de costura que solo tiene marcado los centímetros. La primera es una medida más precisa. Aunque hagamos un cambio de unidad la medida debe seguir manteniendo sus cifras. Llamamos cifras significativas a aquellas que tienen que ver con la medida y nos dan una idea de su precisión. 45,0 cm = 45,0 . 10 -2 m Las cifras de medida siguen siendo tres 45.0 y debe de mantenerse separadas de la potencia de 10 que indica otra cosa, un cambio de unidad. 15 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 5. Cómo se mide la materia Cómo medimos la materia: Masa, volumen y densidad Vamos a meternos en el laboratorio. Queremos medir algunas propiedades de la materia. La materia se caracteriza porque ocupa volumen y tiene masa. CÓMO MEDIR EL VOLUMEN 1) Volumen de cuerpos geométricos. La caja rectangular o paralelepípedo. V = a.b.c 2 El cilindro. V = Π.R .h 3 La esfera: V = 4/3.Π.R 2) Volumen de un líquido. Las probetas son tubos de cristal con una graduación normalmente en mililitros, mL. Se pone el líquido y según la altura que alcanza podemos ver el volumen. 3) Volumen de un sólido irregular se puede medir por desplazamiento de líquido. Se echa liquido en una probeta y se mide el volumen. Se introduce el objeto irregular y se vuelve a medir el volumen que alcanza el liquido. La diferencia es el volumen del sólido. En la figura se ve que es 4 mL. MEDIDAS DE MASA. La masa es la mejor forma de medir la cantidad de materia. Para medir la masa se utiliza la balanza. La tecnología hoy nos permite, mediante las balanzas digitales como la de la derecha, hacer lecturas directas sin tener que utilizar pesas. Masa de un sólido. Para medir la masa de un sólido se pone sobre el plato y tenemos la masa. A veces, cuando la sustancia está en polvo, hay que utilizar un recipiente que se pesa previamente vacío. Después, a la medida, se le resta el peso del recipiente. Masa de un líquido. Pesamos primero el recipiente vacío. Después agregamos el líquido y volvemos a pesar. Finalmente restamos y tenemos la masa del líquido. Masa de un gas. Como el líquido pero mucho más complicado. El problema del gas es que hay que mantenerlo en recipientes cerrados ya que si no se difunden y se mezclan con el aire. MEDIDAS DE DENSIDAD. La densidad de una sustania es el cociente entre su masa y su volumen: d = m/v. La densidad es una propiedad característica de cada sustancia. Puede servir para distinguir unas de otras. 16 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... Hemos medido con una regla milimetrada las dimensiones de una pequeña barra rectangular de aluminio y hemos obtenido las siguientes medidas: a= 6,2 cm b= 1,4 cm c = 1, 4 cm Calcula su volumen y exprésalo con las cifras significativas que le corresponden. Vamos a hacer los experimentos que se proponen en esta página web. Tienes que realizar lo que se propone referente a: 1) MEDIDA DE MASA 2) MEDIDAS DE VOLUMEN 3) MEDIDAS DE DENSIDAD (SE TRATA DE UN EXPERIMENTO SIMULADO INTERACTIVO) Haz un informe del experimento y de los resultados obtenidos. 17 de 18 08/07/2013 13:21 http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_rjgtvq/PAC... 18 de 18 08/07/2013 13:21