Revista Tendencias en Docencia e Investigación Año 8 en Química 2022 Número 8 http://revistatediq.azc.uam.mx ISSN 2448-6663 Automatización de los procedimientos para la obtención de constantes experimentales mediante el uso del software Python Aburto Alcudia Alfredo, Alfaro Fuentes Ricardo* Facultad de Quí mica. Av. Universidad 3000, Col. Universidad Nacional Auto noma de Me xico. C. U. Coyoaca n, Ciudad de Me xico C.P. 04510. Me xico. *Autor para correspondencia: ralfarof@quimica.unam.mx ORCID * : 0000-0002-8659-9995 Recibido: 27/junio/2022 RESUMEN Actualmente en las asignaturas experimentales en donde se tiene por objetivo el realizar mediciones correctamente es muy importante el uso de modelos Aceptado: matemáticos. Además de sus incertidumbres, todos estos valores permiten a los 14/diciembre/2022 estudiantes comprender una gran cantidad de fenómenos y con ello la determinación de constantes experimentales, sin embargo, en ocasiones el elevado número de cálculos, causa una serie de inconvenientes ya sea porque no se generan los resultados deseados o por omisiones en las operaciones y/o confusión en los conceptos que se tratan de transmitir. Dado lo anterior, que en este escrito se Palabras clave: presenta el uso del programa de cómputo especializado como Python con el fin de Python, realizar una automatización de los procedimientos enfocados a la obtención de Automatizacio n, constantes experimentales con la que no solo se espera que los alumnos lleguen a un constantes experimentales resultado, sino que además les permita tener un documento de apoyo personalizado ya que el formato que utiliza el Script del programa, permite desglosar cada uno de los pasos auxiliando a los estudiantes para una mejor comprensión del Keywords: procedimiento realizado en el experimento. Python, Automation, ABSTRACT Experimental constants Currently in the experimental subjects where the objective is to correctly carry out measures, which together with the use of mathematical models and with the determination of their uncertainties allows students to understand a large number of phenomena and thereby obtain experimental constants, however sometimes the high number of calculations, causes a number of inconveniences either because it is not possible to obtain the desired results, omissions in operations and/or confusion in the concepts. That is why in this work the use of specialized computer programs such as Python allows an automation of procedures, with this action it is possible obtain any value, but not is the important because, the program generates a personalized document that serves as a guide to students to understand the various phenomena. ISSN 2448-6663 92 Revista TEDIQ Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 8 2022 Número 8 http://revistatediq.azc.uam.mx ISSN 2448-6663 Introducción empleando el modelo matemático de cuadrados mínimos (Miranda, 2003), esto sí y solo si presentan un Actualmente toda rama de la ciencia está basada en la comportamiento lineal, ya que para fenómenos no experimentación sin ésta, no sería posible dimensionar el lineales primero es necesario realizar un cambio de universo. De ahí la importancia de las asignaturas variable que transforme este comportamiento de un experimentales en donde se muestra cómo realizar fenómeno no lineal a uno lineal. Como parte fundamental correctamente una medición. El uso de las herramientas a esta serie de operaciones y para que los valores matemáticas tales como cuadrados mínimos (la cual obtenidos tengan un sentido físico, es importante permite generar los valores de m y b, con una mejor acompañar las mediciones con la determinación de la precisión y exactitud, debido al cálculo de la correlación incertidumbre (Pérez, 2012) ya sea como una medida entre variables), además de otorgar certeza a los valores directa, empleando la incertidumbre combinada permite obtener aquel relacionado con la incertidumbre (Ecuación 1), o como una medida indirecta usando la Ley asociada a m y/o b calculado; todo esto en su conjunto de la propagación de la incertidumbre (Ecuación 2). conforma uno de los pilares fundamentales de la experimentación. Esta metodología de la enseñanza hoy En este sentido, el elevado número de operaciones en día se ve complementada con el uso de distintos realizadas y el uso de diversos conceptos genera programas o dispositivos, tales como Mathematica mayormente, confusión en los estudiantes, pero también (Alvarado, 2016), Mathlab (MathWorks, 1994) o Arduino la perdida de sentido en las operaciones o la omisión de (Buksman et al., 2019), que permiten a los estudiantes cálculos para la obtención de las constantes y su realizar experimentos de manera eficiente al desarrollar incertidumbre. procesos de mayor complejidad. Desde hace algunos 2 2 años la introducción del software Python (Lemus- 𝑢𝐶(𝑥) = √𝑢𝐴 + 𝑢𝐵 Ecuación 1. Contreras et al., 2022; Rodríguez, 2016), ha permitido 2 tanto a docentes como a alumnos generar algoritmos que 𝑛 𝜕𝑓 𝑢 (𝑥) = √∑ [ ] [𝑢 (𝑥 )]2 𝐶 𝑖=1 𝐶 𝑖 Ecuación 2. permiten la captación de información experimental y 𝜕𝑥𝑖 procesarla de manera más eficiente, generar parámetros En los laboratorios de física de la Facultad de Química de que regularmente requieren de cálculos; lo cual en la UNAM se imparte la asignatura de “Laboratorio de ocasiones conlleva a tener errores en operaciones, Física” cuyo programa tiene como objetivo principal que despejes que provocan una pérdida de tiempo debido a el estudiante a través de distintos fenómenos comprenda la revisión y corrección de los datos. Por ese motivo y la importancia de las medidas, el uso correcto de modelos para evitar dicho problema es importante proporcionar matemáticos y la determinación de las incertidumbres. en las asignaturas básicas de enseñanza experimental Esta cantidad de conceptos y operaciones provoca (donde los alumnos deben de aprender a realizar los justamente que los alumnos pierdan el sentido u objetivo cálculos), mostrarles el uso de Python con Script´s que de los experimentos por lo que el desarrollo de Script´s permita automatizar la obtención de las diversas en “Python” permite la automatización de los cálculos constantes experimentales de distintos fenómenos en obteniendo en pocos segundos las constantes con sus física y/o química, esto con el objetivo de que los incertidumbres; sin embargo el planteamiento de este estudiantes no solo obtengan un resultado sino que trabajo no solo refiere a eliminar los errores que además cuenten con una guía que les permita ver si sus comentan los educandos para que se centren solo en operaciones y procedimientos corresponden con lo comprender los experimentos y los valores generados; esperado. además el programa desglosa cada uno de las operaciones realizadas lo que permite a los alumnos Desarrollo comparar los procesos y visualicen donde presentaron El programa “Python” funciona empleando un lenguaje C alguna omisión o cálculo distinto al que debían de o C++ como parte fundamental para crear los Script´s que realizar. permiten desarrollar una enorme cantidad y diversidad A continuación, se presenta como ejemplo la metodología de cálculos (Centro de formación técnica para la empleada usando “Python” para la obtención del valor de industria, 2022). En este trabajo lo que se pretende la gravedad (g) y su incertidumbre asociada con el mostrar es, como el uso de este software con el uso de un experimento de péndulo simple al medir el periodo que algoritmo permite realizar una gran cantidad de cálculos tarda el movimiento pendular dada una longitud. Los para obtener diversas constantes físicas tales como la valores de tiempo se obtuvieron usando una densidad, resistividad, gravedad y resistencia. Cada una fotocompuerta “Pasco” y las longitudes de la cuerda de ellas obtenidas a través del estudio de sus variables empleando un flexómetro (Manual de prácticas ISSN 2448-6663 93 Revista TEDIQ Revista Tendencias en Docencia e Investigación Año 8 en Química 2022 Número 8 http://revistatediq.azc.uam.mx ISSN 2448-6663 laboratorio de física, 2017). Para estos cálculos además de “Python” se utiliza la librería Numpy, Pandas y Matplotlib. A continuación, se muestra los pasos a realizar para obtener el valor de “g”: 1) Se cargan los datos experimentales en el programa que se ha diseñado (Figura 1) 2) El procesamiento de datos inicial refiere a la generación de tablas en donde se pueden observar promedios, incertidumbres cálculos de cuadrados mínimos y la gráfica del fenómeno, esto se puede revisar la figura 2. 3) El software una vez que ha terminado los cálculos genera las tablas de resultados que de acuerdo al programa se denominan matrices, los resultados se pueden observar en los componentes a, b y c de la figura 3. 4) Además de los resultados el programa permite la construcción de la gráfica del fenómeno, la cual se puede observar en la figura 4. (a) (b) Figura 1. Carga de datos en el programa “Python”. (c) Figura 3. (a) Relación de datos introducidos al programa, (b) Operaciones referentes al método de cuadrados mínimos y (c) Tabla de resultados finales para la obtención del valor de “g” y su incertidumbre. Figura 2. Algoritmos de procesamiento de los datos cargados en el programa “Python”. ISSN 2448-6663 94 Revista TEDIQ Revista Tendencias en Docencia e Investigación Año 8 en Química 2022 Número 8 http://revistatediq.azc.uam.mx ISSN 2448-6663 capacidad del programa para generar datos, tablas y gráficos, característica que lo convierte en una guía personalizada coadyuvando a una formación más integral de los estudiantes. Referencias Alvarado G. (2016), UstaMathematica. Recuperado el 17 de diciembre del 2022. https://ustamathematica.blogspot.com/2016/10/regre sion-lineal-por-minimos-cuadrados.html Buksman E., Fonseca de Oliveira A. L., Barbierie L., Ferreira C. (2019), Experimentando con Arduino y Scilab: propagación de calor en una barra metálica. Revista Brasileira de Ensino de Física, 1, 1-8. Figura 4. Gráfico generado por el programa “Python” de https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2018-0356. acuerdo a los datos insertados. Centro de formación técnica para la industria (2020). Tal y como se observa en los Esquemas 1 a 4, una vez Python: qué es, para qué sirve y cómo se programa. construido el programa en “Python” solo basta con Recuperado el 7 de junio del 2022 insertar los datos para que el software realice todos los https://www.cursosaula21.com/que-es-python/ cálculos necesarios y genere la constante de “g” y su incertidumbre; lo que permitirá al estudiante enfocarse Lemus-Contreras S. A., Pavón-Silva T. B., Hustado M. I., únicamente en los conceptos necesarios para Zarazúa-Aguilar, Y. (2022). Desarrollo de un programa comprender el experimento y generar un informe con Python para la determinación de datos cinéticos en satisfactorio. Sin embargo, aún y cuando es un objetivo reacciones irreversibles de u solo componente en importante el obtener las constantes experimentales, no reactores intermitentes. Journal of basic sciences, 8, 11- es el trascendente, ya que, en el laboratorio de física, así 34. como en la mayoría de las asignaturas experimentales Manual de Laboratorio de Física (2017), Portal AMyD, una buena parte del aprendizaje es el comprender cada Facultad de Química. Recuperado el 7 de junio del 2022. una de los procedimientos. En consecuencia, Python https://amyd.quimica.unam.mx/course/view.php?id=4 permite que el estudiante tenga un documento de apoyo 40§ion=1 personalizado, para que él mismo puede ir siguiendo sus cálculos y verificar en cada etapa si los resultados Miranda J. (2003) Evaluación de la incertidumbre en concuerdan o presentan algún cambio, esto facilita la datos experimentales. Recuperado el 7 de junio del 2022. identificación correcta de un resultado, además https://www.fisica.unam.mx › EVALINCERT-2003. puntualiza cada uno de los pasos que deben desarrollar MathWorks (1994). Ajuste por mínimos cuadrados. en el trabajo experimental. Hasta el momento de un total Recuperado el 17 de diciembre del 2022. de nueve prácticas se han desarrollado cuatro programas https://es.mathworks.com/help/curvefit/least- para la obtención de constantes experimentales que squares-fitting.html. corresponden a la ya referida (gravedad), la resistividad de un material, la densidad de un sólido y la Pérez M. M. (2012) Estimación de incertidumbres, Guía determinación de una resistencia dentro de un circuito. GUM, e-medida Revista española de Metrología,113-130. Recuperado el 7 de junio del 2022. Conclusiones https://www.uv.es/meliajl/Docencia/WebComplement arios/GuiaGUM_e_medida.pdf A lo largo de este trabajo se ha expuesto la importancia tanto de los procedimientos experimentales como el uso Rodríguez L., (2016) Phyton programación, Escuela de software especializado (Python) ya no solo como una Superior Politécnica del Litoral, versión 2.3. herramienta más, sino como un elemento importante https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&s para el desarrollo y comprensión de los experimentos ource=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi5uYa que se realizan en diversas asignaturas o laboratorios. ptob8AhWPkWoFHXFoC2AQFnoECA8QAQ&url=http%3 Dado que el programa realiza todos los cálculos evita la A%2F%2Fwww.fcnm.espol.edu.ec%2Fsites%2Ffcnm.es generación de errores y el uso eficiente del tiempo; un pol.edu.ec%2Ffiles%2FPYTHON_PROGRAMACION_V2_3 elemento que hace resaltar el uso de “Python”, es la .pdf&usg=AOvVaw19dy1mNtA4sHB57Qz1smmd ISSN 2448-6663 95 Revista TEDIQ