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Física y Química 3.º ESO · Proyecto de investigación y el informe científico

Diseñar un experimento controlado

Objetivo: Al terminar, sabrás diseñar un experimento sencillo para responder a una pregunta: formular la hipótesis, decidir qué variable cambiar, cuál medir y cuáles mantener constantes, y preparar la tabla de datos antes de empezar.

Explicación

De la pregunta al plan

Un experimento controlado sirve para comprobar si una magnitud influye en otra. Para que la conclusión sea fiable hay que planificarlo antes de tocar el material:

Pregunta investigable: algo que se pueda responder midiendo. Suele tener la forma «¿Influye X en Y?». Por ejemplo: «¿Influye la longitud de un péndulo en el tiempo que tarda en oscilar?».
Hipótesis: una respuesta posible que se pueda comprobar. Mejor si dice cómo influye: «Cuanto más largo es el péndulo, más tarda en oscilar».
Variables:
- Independiente: la que cambiamos a propósito (la longitud).
- Dependiente: la que medimos para ver si cambia (el tiempo de una oscilación, el periodo).
- Controladas: todas las demás que podrían influir y que mantenemos iguales (la masa que cuelga, el ángulo con que se suelta, el tipo de hilo…).
Material e instrumentos, con la sensibilidad adecuada.
Plan de medidas:
- al menos 5 valores distintos de la variable independiente;
- repetir cada medida (por ejemplo, 3 veces) y hacer la media;
- si una medida es muy corta, medir varias seguidas y dividir (por ejemplo, 10 oscilaciones).
Tabla de datos preparada, con una columna por magnitud y sus unidades en la cabecera.
Análisis previsto: qué gráfica harás (independiente en el eje $x$ ) y qué relación esperas.

Regla de oro: en cada prueba se cambia una sola variable. Si cambias dos a la vez, no sabrás cuál ha producido el efecto.

Puntos clave

Pregunta investigable: «¿Influye X en Y?», que se pueda responder midiendo.
Hipótesis comprobable: dice qué esperas que pase y, si puede, cómo.
Se cambia una sola variable (independiente), se mide otra (dependiente) y las demás se mantienen constantes (controladas).
Al menos 5 valores de la variable independiente y cada medida repetida para hacer la media.
La tabla se prepara antes de medir, con unidades en la cabecera.

Errores frecuentes

ErrorCambiar dos variables a la vez (por ejemplo, la masa y la longitud del péndulo).
Cómo corregirloCambia solo una. Si quieres estudiar las dos, haz dos series de medidas: en cada una, la otra se mantiene fija.
ErrorEscribir una hipótesis que no se puede comprobar («el péndulo oscila porque quiere»).
Cómo corregirloLa hipótesis tiene que relacionar dos magnitudes que se puedan medir: «si aumenta la longitud, aumenta el periodo».
ErrorMedir una sola vez cada valor y con solo dos o tres valores distintos.
Cómo corregirloRepite cada medida y haz la media; usa al menos 5 valores para poder ver la tendencia en una gráfica.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. El péndulo experimental (diseño completo)
Diseña un experimento para responder a la pregunta: «¿Influye la longitud de un péndulo en su periodo (el tiempo de una oscilación completa)?». Tienes hilo, una tuerca, un soporte, una cinta métrica y un cronómetro.

Resolución
Hipótesis: cuanto más largo es el hilo, mayor es el periodo.

Variables:
- Independiente: longitud del hilo, $L$ (m).
- Dependiente: periodo, $T$ (s).
- Controladas: la misma tuerca (masa), el mismo ángulo al soltarla (pequeño, unos 10°), el mismo hilo y el mismo lugar (sin corrientes de aire).
Plan de medidas:
- 5 longitudes: 0,20; 0,40; 0,60; 0,80 y 1,00 m (medidas desde el punto de cuelgue hasta el centro de la tuerca).
- Para cada una, cronometrar 10 oscilaciones (una sola dura poco más de 1 s y nuestro tiempo de reacción falsearía la medida) y repetirlo 3 veces.
- $T = \dfrac{\text{media de los 3 tiempos}}{10}$ .
Tabla preparada:

$L$ (m) $t_1$ (s) $t_2$ (s) $t_3$ (s) $t$ medio (s) $T$ (s)

0,20

0,40

…

Análisis previsto: gráfica $T$ - $L$ ( $L$ en el eje horizontal) para ver si $T$ aumenta con $L$ y qué forma tiene la relación.
Ejemplo 2. ¿Se disuelve antes el azúcar en agua caliente? situación cotidiana (disolución)
Queremos saber si la temperatura del agua influye en el tiempo que tarda en disolverse un terrón de azúcar. Escribe la hipótesis, las variables y el plan de medidas.

Resolución
Hipótesis: cuanto mayor es la temperatura del agua, menos tarda en disolverse el terrón.

Variables:
- Independiente: temperatura del agua, $T$ (°C).
- Dependiente: tiempo de disolución, $t$ (s).
- Controladas: terrones iguales (misma marca y tamaño), mismo volumen de agua (por ejemplo, 100 mL medidos con probeta), mismo vaso y sin remover (o removiendo todos igual).
Plan: 5 temperaturas (por ejemplo, 10, 25, 40, 55 y 70 °C, medidas con termómetro); 3 terrones en cada temperatura y media de los tiempos.

Seguridad: el agua a 70 °C quema: vaso con pinzas o guantes térmicos y gafas.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Un grupo quiere saber si la altura desde la que se suelta una pelota influye en el tiempo que tarda en llegar al suelo. a) Escribe la pregunta investigable y una hipótesis. b) Identifica la variable independiente, la dependiente y tres variables controladas.

Ver solución
a) ¿Influye la altura en el tiempo de caída? Hipótesis: a mayor altura, más tiempo de caída. b) Independiente: altura; dependiente: tiempo; controladas: misma pelota, soltarla sin impulso, mismo lugar sin viento…
a) Pregunta: «¿Influye la altura desde la que se suelta una pelota en el tiempo que tarda en caer?». Hipótesis: «Cuanto mayor es la altura, más tarda en caer». b) Independiente: altura (m). Dependiente: tiempo de caída (s). Controladas (tres de ellas): la misma pelota, soltarla sin empujarla, el mismo lugar (sin corrientes de aire), la misma persona cronometrando.
2. Media
Para saber si la masa de un carrito influye en lo que tarda en bajar por una rampa, Raúl suelta primero el carrito vacío por una rampa poco inclinada y después el mismo carrito cargado con pesas por una rampa mucho más inclinada. El segundo tarda menos y Raúl concluye: «Cuanta más masa, menos tarda en bajar». a) ¿Qué fallo tiene su experimento? b) ¿Cómo lo corregirías?

Ver solución
a) Ha cambiado dos variables a la vez (masa e inclinación de la rampa): no sabe cuál produce el efecto. b) La misma rampa con la misma inclinación y cambiar solo la masa, con varias masas y repeticiones.
a) Ha cambiado dos variables a la vez: la masa y la inclinación de la rampa. Que el segundo baje antes puede deberse a la inclinación (de hecho, es lo que más influye), así que su conclusión no está justificada. b) Usar la misma rampa con la misma inclinación y soltar el carrito siempre desde el mismo punto, cambiando solo la masa (vacío y con 3–4 cargas distintas), y medir el tiempo 3 veces para cada masa.
3. Difícil
Los helicópteros de papel caen girando. Diseña un experimento para saber si la longitud de las aspas influye en el tiempo de caída: hipótesis, variables (independiente, dependiente y al menos tres controladas), plan de medidas y tabla vacía preparada.

Ver solución
Hipótesis: aspas más largas → cae más despacio (más tiempo). Independiente: longitud de las aspas; dependiente: tiempo de caída; controladas: altura, tipo de papel, clip, ancho de las aspas… 5 longitudes, 3 lanzamientos cada una. Tabla con L (cm), t1, t2, t3 y t medio (s).
Hipótesis: cuanto más largas son las aspas, más tarda en caer. Variables: independiente, longitud de las aspas (cm); dependiente, tiempo de caída (s); controladas: altura desde la que se suelta (por ejemplo, 2 m), mismo papel, mismo ancho de aspas, mismo clip (masa) en la base, sin corrientes de aire. Plan: 5 longitudes (por ejemplo, 4, 6, 8, 10 y 12 cm), 3 lanzamientos con cada una y media. Tabla:

$L$ (cm) $t_1$ (s) $t_2$ (s) $t_3$ (s) $t$ medio (s)

4

…
4. Media
Con un péndulo de 0,40 m de longitud, un grupo cronometra 10 oscilaciones tres veces y obtiene 12,6 s, 12,8 s y 12,7 s. a) Calcula el tiempo medio de 10 oscilaciones. b) Calcula el periodo. c) ¿Por qué no han cronometrado una sola oscilación?

Ver solución
a) 12,7 s. b) T = 1,27 s. c) Porque dura poco más de 1 s y el tiempo de reacción (unas décimas) daría un error grande.
a) $t_{\text{medio}} = \dfrac{12{,}6 + 12{,}8 + 12{,}7}{3} = 12{,}7$ s. b) $T = \dfrac{12{,}7\ \text{s}}{10} = 1{,}27$ s. c) Una oscilación dura solo 1,27 s; al pulsar el cronómetro nos equivocamos en unas décimas de segundo, que serían un error grande. Midiendo 10, ese error se reparte entre las 10.

Para practicar más

1. Fácil
Identifica la variable independiente y la dependiente en cada hipótesis: a) «Cuanto más inflado está un balón, más alto bota». b) «Cuanta más sal tiene el agua, a mayor temperatura hierve». c) «El hielo se funde antes cuanto más pequeños son los cubitos».

Ver solución
a) Indep.: presión (inflado) del balón; dep.: altura del bote. b) Indep.: cantidad de sal; dep.: temperatura de ebullición. c) Indep.: tamaño de los cubitos; dep.: tiempo de fusión.
a) Independiente: inflado (presión) del balón; dependiente: altura del bote. b) Independiente: cantidad de sal disuelta; dependiente: temperatura de ebullición. c) Independiente: tamaño de los cubitos; dependiente: tiempo que tardan en fundirse.
2. Media
Para comprobar si la luz es necesaria para que crezca una planta, Laura pone una maceta junto a la ventana y otra en un armario. Riega la de la ventana todos los días y la del armario una vez por semana. Al cabo de un mes, la del armario está mucho peor. a) ¿Puede concluir que la planta necesita luz? b) ¿Qué variables debería controlar?

Ver solución
a) No: también cambió el riego. b) Mismo riego, misma especie y tamaño, misma tierra y maceta, misma temperatura.
a) No: ha cambiado dos variables (la luz y el riego). La planta del armario puede estar peor por falta de agua. b) Debe mantener iguales: el riego (misma cantidad y frecuencia), la especie y el tamaño de la planta, la tierra y la maceta y, si puede, la temperatura. Solo debe cambiar la luz.
3. Media
Diseña un experimento que puedas hacer en casa para responder: «¿Se enfría antes el agua caliente en una taza de cerámica o en un vaso de vidrio?». Escribe la hipótesis, las variables, el material y una tabla vacía preparada. (Si lo haces de verdad, ten cuidado con el agua caliente.)

Ver solución
Hipótesis razonada; indep.: material del recipiente; dep.: temperatura (o tiempo hasta cierta temperatura); controladas: mismo volumen y temperatura inicial de agua, mismo lugar, recipientes de tamaño parecido, sin tapar. Tabla t (min) | T taza (°C) | T vaso (°C).
Hipótesis (cualquiera razonada), por ejemplo: «El agua se enfría antes en el vaso de vidrio, porque es más fino». Variables: independiente, material del recipiente; dependiente, temperatura del agua cada cierto tiempo (o el tiempo hasta llegar a, por ejemplo, 40 °C); controladas: mismo volumen de agua, misma temperatura inicial, recipientes de tamaño parecido, mismo sitio de la casa, ninguno tapado. Material: taza, vaso, termómetro de cocina, probeta o vaso medidor, reloj. Tabla:

$t$ (min) $T$ taza (°C) $T$ vaso (°C)

0

2

4

…
4. Media
Explica para qué sirve: a) repetir cada medida tres veces y hacer la media; b) tomar al menos cinco valores distintos de la variable independiente; c) preparar la tabla antes de empezar a medir.

Ver solución
a) Reducir el efecto de los errores al azar. b) Poder ver la tendencia en una gráfica. c) Saber qué medir y no olvidar datos ni unidades.
a) Cada medida tiene pequeños errores al azar (al cronometrar, al leer…); la media compensa unos con otros y es más fiable. Además, si una medida sale muy distinta, se detecta. b) Con solo dos o tres puntos no se ve bien la forma de la relación (si es una recta, una curva…). Con cinco o más, la gráfica muestra la tendencia. c) Para tener claro qué hay que medir y en qué unidades, y no olvidar ningún dato durante la práctica.

$L$ (m)	$t_1$ (s)	$t_2$ (s)	$t_3$ (s)	$t$ medio (s)	$T$ (s)
0,20
0,40
…

$L$ (cm)	$t_1$ (s)	$t_2$ (s)	$t_3$ (s)	$t$ medio (s)
4
…

$t$ (min)	$T$ taza (°C)	$T$ vaso (°C)
0
2
4
…