Introducción
Lord Kelvin afirmaba que “lo que no se define no se puede medir, y lo que no se mide no se puede mejorar”. Esta idea resume con precisión el papel central que desempeña la medida en la Física y la Química. Ambas disciplinas son ciencias experimentales cuya validez se fundamenta en la contrastación empírica de hipótesis y modelos teóricos mediante observaciones y mediciones reproducibles.
Este tema aborda el lenguaje universal de la ciencia, basado en las magnitudes físicas y químicas, el Sistema Internacional de Unidades (SI) y los métodos de estimación de la incertidumbre. Resulta especialmente relevante la revisión histórica del SI de 2019, que supuso un cambio conceptual profundo al redefinir las unidades básicas en función de constantes universales de la naturaleza, abandonando definitivamente los patrones materiales.
Desde el punto de vista curricular, este tema fundamenta las Competencias Específicas relacionadas con la investigación y la experimentación (CE 1 y CE 2), así como los saberes básicos asociados a las destrezas científicas en ESO y al trabajo científico en Bachillerato, constituyendo un pilar transversal del currículo de Física y Química en todas las comunidades autónomas.
1. Magnitudes Físicas y Químicas
Una magnitud es cualquier propiedad de la materia susceptible de ser medida y expresada cuantitativamente mediante un número y una unidad. El concepto de magnitud permite traducir la realidad física y química a un lenguaje matemático preciso y compartido.
1.1. Clasificación según su naturaleza matemática
Desde el punto de vista matemático, las magnitudes se clasifican en:
• Magnitudes escalares, que quedan completamente definidas por un valor numérico y su unidad, como la masa, el tiempo, la temperatura o el volumen.
• Magnitudes vectoriales, que requieren, además del valor numérico, dirección, sentido y, en algunos casos, punto de aplicación. Son fundamentales en Física magnitudes como la velocidad, la aceleración, la fuerza o el campo eléctrico.
Esta distinción resulta esencial para el correcto tratamiento matemático de los fenómenos físicos y constituye una fuente habitual de dificultades conceptuales en el alumnado.
1.2. Clasificación según su dependencia
Atendiendo a su relación con otras magnitudes, se distinguen:
• Magnitudes fundamentales, definidas por sí mismas y que constituyen la base del sistema de unidades (longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa).
• Magnitudes derivadas, expresadas como combinación de las fundamentales mediante ecuaciones físicas, como la densidad (masa/volumen) o la fuerza (masa por aceleración).
En Química, magnitudes como la cantidad de sustancia, la concentración o la presión son imprescindibles para el estudio de la estequiometría, las reacciones químicas y los equilibrios.
2. Sistema Internacional de Unidades (SI)
El Sistema Internacional de Unidades (SI), heredero del Sistema Métrico Decimal, constituye el mayor logro de consenso científico y técnico a escala global. Es gestionado por la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) y garantiza la comparabilidad y reproducibilidad de las medidas en todo el mundo.
2.1. La redefinición del SI de 2019
El 20 de mayo de 2019 entró en vigor la mayor revisión del SI desde su creación. Las siete unidades básicas dejaron de definirse mediante objetos materiales o procedimientos experimentales concretos y pasaron a definirse fijando valores exactos de constantes fundamentales de la naturaleza, lo que confiere al sistema una estabilidad y universalidad sin precedentes.
2.2. Las siete unidades básicas del SI
• Segundo (s): definido a partir de la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de cesio-133.
• Metro (m): definido a partir del valor de la velocidad de la luz en el vacío.
• Kilogramo (kg): definido fijando el valor de la constante de Planck; su realización práctica se efectúa mediante la balanza de Kibble.
• Amperio (A): definido fijando el valor de la carga elemental.
• Kelvin (K): definido fijando el valor de la constante de Boltzmann.
• Mol (mol): definido fijando el valor exacto de la constante de Avogadro, 6,02214076 × 10²³ entidades elementales.
• Candela (cd): definida a partir de la eficacia luminosa.
Esta redefinición refuerza el carácter conceptual y universal del SI, aspecto clave para la enseñanza actual de la Física y la Química.
3. La Medida
Medir consiste en comparar una magnitud con una unidad de la misma naturaleza, obteniendo un valor numérico que siempre está afectado por una cierta incertidumbre.
3.1. Cualidades de los instrumentos de medida
Los instrumentos de medida se caracterizan por:
• Sensibilidad, entendida como la mínima variación detectable.
• Precisión, relacionada con la reproducibilidad de las medidas.
• Exactitud, que expresa la cercanía al valor de referencia.
Distinguir estos conceptos resulta esencial para interpretar correctamente los resultados experimentales.
3.2. Tipos de medida
• Medidas directas, obtenidas por comparación directa con el instrumento.
• Medidas indirectas, calculadas a partir de otras magnitudes medidas directamente mediante relaciones matemáticas.
4. Métodos de Estimación de la Incertidumbre
En la metrología moderna se prefiere el término incertidumbre frente a “error”, ya que el valor verdadero de una magnitud es, en general, incognoscible.
4.1. Tipos de errores
• Errores sistemáticos, asociados al instrumento o al método, que afectan a la exactitud y pueden corregirse mediante calibración.
• Errores aleatorios, debidos a causas incontrolables, que afectan a la precisión y se tratan estadísticamente.
4.2. Expresión del resultado de una medida
Toda medida debe expresarse como un valor acompañado de su incertidumbre absoluta y con el número adecuado de cifras significativas, evitando una falsa precisión.
4.3. Incertidumbre en medidas directas e indirectas
En medidas directas, la incertidumbre puede estimarse a partir de la resolución del instrumento o mediante el tratamiento estadístico de medidas repetidas. En medidas indirectas, la incertidumbre se propaga a través de las relaciones matemáticas que vinculan las magnitudes, siendo especialmente relevante el método diferencial en niveles avanzados.
Aplicación Didáctica (El Aula de FyQ)
Este tema tiene un carácter eminentemente experimental y debe abordarse desde una metodología activa, centrada en la práctica de laboratorio y el análisis de datos reales.
Situación de Aprendizaje: “El laboratorio de metrología”
Nivel recomendado: 3.º ESO o 1.º Bachillerato.
Reto: Determinar la densidad de un cilindro metálico y estimar correctamente su incertidumbre.
Desarrollo de la actividad:
• Medición de dimensiones con distintos instrumentos (regla y calibre).
• Medición de masa con balanza digital.
• Cálculo del volumen y análisis de la influencia de la incertidumbre en el radio.
• Tratamiento estadístico de medidas repetidas mediante hoja de cálculo.
Dificultades de aprendizaje habituales:
• Confundir precisión con exactitud.
• Ignorar la propagación de la incertidumbre.
• Escribir resultados con cifras significativas incorrectas.
Este enfoque favorece una enseñanza competencial y alineada con la LOMLOE.
Conexión Interdisciplinar y Vocacional
Conexión interdisciplinar
• Matemáticas: estadística básica, derivadas y notación científica.
• Tecnología: instrumentos de medida, control de calidad y calibración.
• Biología: microscopía, preparación de disoluciones y análisis cuantitativo.
Orientación vocacional
El tema permite introducir salidas profesionales vinculadas a:
• Metrología y calibración (Centro Español de Metrología).
• Ingeniería y control de calidad industrial.
• Farmacia, medicina y análisis clínicos, donde la precisión es crítica.
Conclusión
La Física y la Química comienzan cuando somos capaces de medir aquello que estudiamos. El Sistema Internacional de Unidades representa el mayor acuerdo científico global y garantiza la reproducibilidad del conocimiento. Enseñar a estimar la incertidumbre no solo es enseñar técnica experimental, sino también rigor, honestidad intelectual y pensamiento crítico, valores esenciales de la ciencia y de la educación.
Normativa y Bibliografía
Normativa Educativa
• LOMLOE, Ley Orgánica 3/2020.
• Real Decreto 217/2022 (ESO).
• Real Decreto 243/2022 (Bachillerato).
• Real Decreto 493/2020, sobre unidades legales de medida.
• Normativa autonómica vigente (Andalucía, Cataluña, Madrid, Comunitat Valenciana).
Bibliografía científica y didáctica
• BIPM. El Sistema Internacional de Unidades (SI). 9.ª edición.
• Centro Español de Metrología (CEM). Publicaciones sobre la redefinición del SI.
• Tipler, P. A.; Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Reverté.
• Taylor, J. R. An Introduction to Error Analysis. University Science Books.
PREGUNTAS CLAVE PARA EL REPASO Y DEFENSA
1. Explique la diferencia entre precisión y exactitud con ejemplos experimentales.
2. Justifique la importancia de la redefinición del SI de 2019 desde el punto de vista conceptual.
3. Analice cómo se propaga la incertidumbre en una medida indirecta.
4. Relacione el tratamiento de la incertidumbre con el método científico.
5. Explique el valor educativo de la metrología en la enseñanza de la Física y la Química.