Concepto de Física.
Por Física o ciencias físicas se entiende la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, y las relaciones entre ambas. Es la ciencia que trata de la naturaleza de las cosas, como son el movimiento, las fuerzas, la luz, el sonido, la energía y las estructuras atómicas.
Considera objetos de estudios muy grandes o muy pequeños, por esta razón se introduce el concepto de partícula, se dice que una partícula es porción tan pequeña (o grande) de materia como se quiera, la cual posee todas las propiedades físicas y químicas del del objeto considerado como el todo, pero no posee tamaño o forma específica.
La física es una ciencia experimental; en su ejercicio se observan los fenómenos naturales para intentar encontrar los patrones y principios que los describen. Tales patrones se denominan teorías físicas o, si están muy bien establecidos y se usan ampliamente, leyes o principios físicos.
Las leyes fundamentales de la física que se usan para elaborar teorías se expresan en el lenguaje de las matemáticas, la herramienta que proporciona un puente entre la teoría y el experimento. Sin embargo, se debe tener cuidado con el significado de la palabra “teoría” en física. La palabra teoría, no implica que se trate de una divagación o de un concepto no comprobado, mas bien, una teoría es una explicación de fenómenos naturales basada en observaciones y en los principios fundamentales aceptados.
Ninguna teoría científica se considera como la verdad final o definitiva. Siempre hay la posibilidad de que nuevas observaciones obliguen a modificarla o desecharla. También se da el caso de un intervalo de validez de las teorías, es decir que son válidas para ciertas condiciones en los fenómenos de estudio. Por ejemplo las leyes de Newton dejan de ser validas en el estudio de cuerpos con rapideces cercanas a la de la luz.
Para su compresión y estudio la física está divida en seis áreas fundamentales:
1. Física clásica: estudia el movimiento de los objetos macroscópicos cuyas rapideces son mucho menores que la de la luz.
2. Relatividad: trata el estudio del movimiento de los objetos cuyas rapideces se aproximan a la rapidez de la luz.
3. Electromagnetismo: estudia los fenómenos electromagnéticos (electricidad y magnetismo junto a sus campos).
4. Termodinámica: trata del estudio del calor,la temperatura y el comportamiento estadístico de sistemas con gran número de partículas para deducir su comportamiento macroscópico partiendo de las propiedades microscópicas de las partículas que los constituyen.
5. Óptica: estudia el comportamiento y la interacción de la luz con los objetos.
6. Mecánica cuántica: conjunto de teorías que conectan el comportamiento de la materia al nivel submicroscópico con las observaciones macroscópicas.
El quehacer científico.
Llamaremos quehacer científico a toda actividad humana cuyo objetivo sea la producción científica. En ciencia lo hechos pueden darse debido al azar, sin embargo, esta no es la norma, ya que a lo largo de la historia la construcción del conocimiento científico se da de manera ordenada y rigurosa "hacer ciencia no es un juego, sino más bien una actividad organizada y estructurada que busca la solución de una problemática o el conocimiento detallado del objeto de estudio".
Dos elementos claves del quehacer científico en la física son el cómo se obtienen los datos "mediciones" y el cómo se realiza en sí el estudio científico "metodología".
En cuanto a la primera cuestión, medir es comparar cuantas veces el patrón o unidad de medida está contenido en la cantidad a medir. Esta puede ser de dos tipos, directa o indirecta. Una medida es directa si se obtiene mediante la lectura directa del instrumento de medición sin ningún cálculo adicional, e indirecta sí al medir se requiere de cálculos adicionales.
Así, si se mide con algún instrumento la longitud de un objeto, el resultado que se obtiene es una medida directa (no requiere cálculo), en cambio, si se desea determinar el área del objeto, además de medir se debe realizar algún tipo de cálculo adicional, por tanto, la medida es indirecta.
Para más contenidos y luego clic en la pestaña del contenido deseado.
Cifras significativas.
El número de cifras significativas son los dígitos significativos en una cantidad medida o calculada, sirven para expresar cierta información acerca de la incertidumbre.
Cuando se miden ciertas cantidades, los valores medidos se conocen solo dentro de los límites de la incertidumbre experimental. El valor de esta incertidumbre depende de varios factores, como son el experimentador, el número de mediciones realizadas, el instrumento de medición, factores ambientales, entre otros. Salvo cuando todos los números sean enteros, por ejemplo, contar el número de personas, suele ser imposible obtener el valor exacto de la cantidad que se investigue.
Es importante señalar el margen de error en una medición al indicar con claridad el número de cifras significativas. Al usar las cifras significativas, se da por entendido que el último digito es incierto. Por ejemplo, al medir el volumen de cierto líquido con una probeta graduada con una escala tal que la incertidumbre en la medición sea de \(1ml\) (división de la probeta) si el volumen resulta ser de \(6ml\), entonces el volumen real se ubica en el intervalo de \(5ml\) a \(7ml\). Ese volumen se representa como \((6 ± 1)ml\).
En este caso, existe una sola cifra significativa (el digito 6) con incertidumbre de más o menos 1ml. Al usar una probeta graduada con divisiones menores, de modo que ahora el volumen medido tenga incertidumbre de apenas \(0.1ml\) si el volumen del líquido resulta de 6.0ml, la cantidad se expresaría como \((6.0 ± 0.1)ml\) y el valor real se ubicaría entre \(5.9ml\) y \(6.1ml\). A mayor graduación del instrumento de medida, menor margen en el error por el instrumento.
Lineamientos para el uso de cifras significativas.
En el trabajo científico, siempre debe tener cuidado de escribir el número adecuado de cifras significativas. En general, es más bien sencillo determinar cuántas cifras significativas tiene un número, si se acatan las reglas siguientes:
1. Todo dígito distinto de cero es significativo.De tal modo que \(132cm\) tiene tres cifras significativas, \(16.43{\rm kg}\) tiene cuatro, y así sucesivamente.
2. El cero es significativo entre dos dígitos distinto de cero. Así \(507m\) incluye tres cifras significativas, \(70 408{\rm kg}\) posee cinco cifras significativas, etc.
3. Los ceros a la izquierda del primer digito distinto de cero no son significativos. Su propósito es indicar la ubicación del punto decimal. Por ejemplo, \(0.08L\) tendría una cifra significativa \(0.0000349{\rm g}\) tres cifras significativas y así sucesivamente.
4. Si un número es mayor o igual que la unidad, todos los ceros escritos a la derecha del punto decimal cuentan como cifras significativas. Por ejemplo, \(2.0 {\rm mg}\) tiene dos cifras significativas; \(40.062ml\) cinco y \(3.040dm\) cuatro cifras significativas.
5. En el caso de números menores que la unidad, son significativos solo los ceros que están al final del número y los que aparecen entre dígitos distintos de cero. Así \(0.090{\rm kg}\) tiene dos cifras significativas, \(0.3005L\) cuatro, \(0.00420min\) tres, y así sucesivamente.
6. En cuanto a números que no incluyen el punto decimal, los ceros que están a la derecha (es decir, después del último digito distinto de cero) podrían ser significativos o no. Así, \(400cm\) tendría una cifra significativa (el digito 4), dos (40) o tres (400).Es imposible afirmar cuál de las opciones es la correcta sin más información, sin embargo, con la notación científica se evitan tales ambigüedades. En este caso particular, es posible expresar el número \(400\) como \(4\times{10}^2\) para considerar una cifra significativa \(4.0\times{10}^2\) para dos cifras, o \(4.00\times{10}^2\) para tres cifras significativas (las potencias de diez no son cifras significativas).
Ejemplo. Determinación de cifras significativas.
Determine el número de cifras significativas en las mediciones siguientes:
$$\begin{array}{l l l}
a.~~ 478cm~~&b.~~ 6.01g~~&c.~~0.825m\\
d.~~0.043kg~~& e.~~1.310\times{10}^{22}~~\mathrm{ átomos}&~~ f.~~ 7000 ml.\end{array}$$
Solución:
\(a.\) Tres, cada digito es distinto de cero.
\(b.\) Tres, los ceros entre los dígitos distintos de cero son significativos.
\(c.\) Tres, los ceros a la izquierda del primer digito distinto de cero no cuentan como cifras significativas.
\(d.\) Dos, por la misma razón que en el caso anterior.
\(e.\) Cuatro, el número es mayor que la unidad, por tanto, todos los ceros escritos a la derecha del punto decimal son significativos.
\(f.\) Este es un caso ambiguo. El número de cifras significativas puede ser cuatro \((7.000\times{10}^3)\), tres \((7.00\times{10}^3)\), dos \((7.0\times{10}^3)\) o una \((7\times{10}^3)\). Este ejemplo ilustra por que debe usarse la notación científica para indicar el número correcto de cifras significativas.
Manejo las cifras significativas en los cálculos.
A fin de poder aproximar una cantidad hasta ciertas cifras se presenta el procedimiento de redondeo en cierto punto, el cual consiste en eliminar los dígitos que siguen a dicho punto si el primero de ellos es menor que cinco.
Así pues, \(8.954\) se redondea a \(8.95\) si solo se necesitan tres cifras significativas. En caso de que el primer digito después del punto de redondeo sea igual o mayor que cinco, se agrega uno al digito precedente. De tal suerte, \(8.725\) se redondea a \(8.73\).El procedimiento para las operaciones aritméticas con cifras significativas se realiza como sigue:
1. En la adición y sustracción, la respuesta no puede tener más dígitos a la derecha del punto decimal que los presentes en la cantidad que tenga menor números de cifras decimales, por lo cual deberá recurrirse al redondeo.
2. En la multiplicación y división, el número de cifras significativas en el producto o cociente final se determina con base en el número original que tenga la menor cantidad de cifras significativas o sea el resultado debe escribirse con el número de cifras significativas de la cantidad que tenga menor cifras significativas.
3. Tenga presente que puede considerarse que los números exactos obtenidos de definiciones o al contar el número de objetos poseen un número infinito de cifras significativas. Por ejemplo, se define la pulgada exactamente como 2.54 centímetros, es decir, 1pulgada es exactamente 2.54 centímetros (1in=2.54cm) por tanto, “2.54” en la ecuación no debe interpretarse como un numero medido con tres cifras significativas.
En cálculos que implican la conversión de pulgadas a centímetros, “1” y “2.54” se manejan como si tuvieran un número infinito de cifras significativas. De igual manera, si se tienen nueve objetos de masa \(m=5.0{\rm g}\) la masa total será \(m_t=9\times5.0g=45{\rm g}\). La respuesta tiene dos cifras significativas ya que el número \(9\) es exacto y \(5.0{\rm g}\) tiene dos cifras significativas.
Resumen final
En la suma y resta, la cantidad de decimales en la respuesta depende del número que tenga la menor cantidad de decimales.
En la multiplicación y división, la cantidad de cifras significativas de la respuesta se determina según el número que tenga menos cifras significativas.
Las potencias de diez no se consideran cifras significativas.