ENSEÑANZA DE LA FISICA BASADA EN

ENSEÑANZA DE LA FÍSICA BASADA EN ACTIVIDADES EXPERIMETALES,
POTENCIALIZANDO LAS COMPETENCIAS
A través de los años la Física ha tenido un desarrollo permanente y una
implicación directa en el desarrollo tecnológico de la humanidad. Sin embargo, ella
no ha permanecido estática, sino que sus bases teóricas han estado sujetas a
cambios constantes debido a la aparición de nuevos fenómenos cuya explicación
no se ajustaba a los marcos de las teorías vigentes en el momento de su
aparición. Esta situación ha hecho necesario que la enseñanza de la física tome
otros rumbos y se sienta en la necesita de innovar en cuanto al desarrollo teórico y
conceptual dentro del aula de clase. En efecto, entre la física que se enseña en
el aula de clase y la física que se utiliza en la vida cotidiana hay una gran
distancia, y esto se evidencia cuando se le pregunta a un estudiante sobre las
leyes físicas que están presentes en situaciones concretas de su vida cotidiana. A
pesar de reconocer que los estudiantes poseen conceptos elaborados referentes a
la física, no logran vincularlos y utilizarlos en sus experiencias diarias.
Es a partir de allí que se puede identificar una de las grandes falencias que tienen
las instituciones educativas con respecto a la enseñanza de la física, en cuanto a
la escasez de material e instrumentos necesarios para trabajar las teorías y
conceptos relacionados con respecto a esta ciencia. Esto conlleva a que los
estudiantes solo se relaciones con estos conceptos a través de la solución
algorítmica de ejercicios imposibilitándolo a reflexionar sobre estos y los efectos
que tienen en el mundo cotidiano. Es aquí donde el estudiante comienza su
desinterés por esta ciencia, pero es allí el momento en donde juega un papel muy
importante la labor como docente, y es buscar la manera de que los alumnos se
apropien del conocimiento de una manera mas clara, atrayente y competente.
Las competencias se asumen desde diferentes posturas en el ámbito educativo y
pedagógico. En este sentido encontramos que “una competencia es una habilidad
para el desempeño de tareas nuevas”. Entendido así, el concepto de competencia
se refiere al desarrollo de habilidades o al incremento o consolidación de aptitudes
en el alumno. Pero siendo un elemento tan importante para la educación en
Colombia la noción de competencia tiene una elaboración más articulada al ser
tenida en cuenta en los procesos educativos. En efecto, las competencias en las
áreas obligatorias y fundamentales definidas por el Ministerio de Educación
Nacional (MEN), están en los niveles de interpretativas, argumentativas, y
propositivas. Así pues, mediante la participación activa de los estudiantes se
buscan desarrollar las competencias básicas propuestas por el MEN.1
Las competencias lo que quieren es pasar a un conocimiento activo, flexible, de
solución de problemas utilizando lo que uno sabe y por lo tanto no es que se diga
que no debe haber muchos conocimientos, habilidades, si no que se pasa más
allá, a que la persona aprenda a transferir lo que aprende a situaciones nuevas, a
resolver problemas distintos de los que están en los textos, a utilizar lo que sabe
1
www.mineducacion.gov.co
en situaciones distintas a las situaciones en las que aprendió, o de lo contrario
toda esa educación se está perdiendo2.
La competencia interpretativa pretende entonces que el alumno interprete más
que memorice, que busque aplicar lo aprendido al interpretar su realidad y no se
quede en el mero campo de lo académico, algunos indicadores son: observar,
describir, comparar, clasificar. La competencia argumentativa busca generar en el
alumno formas de pensamiento crítico frente a los contenidos que contrarreste al
escepticismo nocivo predominante en la escuela, indicadores de esta competencia
son: analizar, discutir, hipotetizar, teorizar, cuestionar, retar; y la competencia
propositiva busca generar en el alumno la habilidad de producir proposiciones
afirmativas y con sentido, a partir de los resultados obtenidos en el aula, algunos
indicadores son: juzgar, evaluar, tomar decisiones, obtener conclusiones, diseñar
experimentos,
inducir
generalizaciones,
contrastar
hipótesis,
ejecutar
procedimientos
Trabajar con problemas de la vida cotidiana permitirá que los estudiantes
reflexionen acerca de la situación del problema suprimiéndole el recurso
automático de la ecuaciones, aunque son importantes para la búsqueda de la
magnitud no nos permiten entender mejor el mundo en que vivimos.
Cuando se le presenta al estudiante problemas (ejercicios) que son de tipo
algorítmico, en un gran porcentaje solo lo conduce a familiarizarse con las
ecuaciones desapareciendo algunos aspectos tan importantes como el análisis y
la comprensión del propio problema, es por esto que pretendemos a partir de una
serie de actividades experimentales que se muestran a continuación generar en
nuestros estudiantes alumnos más competentes, claro esta, basados en la
orientación permanente que debe tener el maestro con sus estudiantes.
Es de aclarar que estas actividades por si solas no generaran alumnos más
competentes es necesario que el maestro guié todo el proceso de enseñanza
aprendizaje, reconociendo cada momento en donde se trabaje cada una de las
competencias básicas de la educación, por el ejemplo al iniciar cada actividad el
docente debe estar orientando a sus alumnos a interpretar lo que estamos
observando, posteriormente a partir de un dialogo heurístico con sus estudiantes
pedirles una argumentación desde los conceptos físicos trabajados en clase o su
experiencia, la explicación del fenómeno expuesto, y por ultimo evaluar, juzgar y
proponer nuevas experiencias para relacionar los conceptos físicos e identificar si
son los más apropiados para la explicación del fenómeno.
2
http://www.universia.net.co/docentes/articulos-de-educacion-superior/problemas-y-desafios-de-laeducacion-por-competencias.html
LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA
“Sabemos que cuando un cuerpo se sumerge en un fluido experimenta una fuerza
que es perpendicular en cualquier punto a la superficie del cuerpo y que esta
fuerza aumenta a medida que aumenta la profundidad a la que se encuentra
sumergido dicho cuerpo. En medio de esta interacción entre cuerpo-fluido se
encuentra también el concepto de presión, el cual se asocia a la fuerza que
experimenta el cuerpo por el fluido por unidad de área del cuerpo en la cual se
ejerce la fuerza. Así, si aumenta la fuerza ejercida por el fluido sobre el cuerpo
entonces también se incrementa la presión que ejerce el fluido sobre el cuerpo”
El aire como todo gas tiene peso propio, esto fue descubierto por Galileo tras
observar un recipiente conteniendo aire comprimido, en el que cuyo peso
aumentaba proporcionalmente con el aumento de la cantidad de aire que
contenía.
En física la presión está definida como al cociente entre la acción de una fuerza
sobre la unidad de superficie. P = F/S
Con base en esto definimos presión como el peso del gas por unidad de
superficie.
Presión atmosférica es el peso de una columna de aire que tiene como base
la unidad de superficie y como altura la de la atmósfera.
La presión atmosférica disminuye con la altitud ya que disminuye la cantidad de
aire por encima y por tanto su peso.
Esto se torna fácil de explicar y entender en los estudiantes cuando se les explica
a partir de lo siguiente: el porque duelen los oídos a medida que un nadador
incrementa la profundad en una piscina; la cual es una experiencia directa que la
mayoría de ellos han tenido. Pero algo que la gran mayoría de estudiantes no
logran evidenciar, es que su cuerpo se encuentra constantemente sumergido en
un fluido, un fluido no liquido, el aire, un fluido gaseoso que en todo momento se
encuentra ejerciendo una fuerza sobre nosotros y en consecuencia una presión
llamada presión atmosférica. Tanto los estudiantes que logran visualizarlo como
los que no, se enfrentan a las preguntas de: ¿y donde están los efectos de la
presión ejercida por el peso del aire sobre nosotros que no los sentimos?
¿Cómo algo que no vemos y que al parecer de los estudiantes no tiene peso
ejerce una fuerza sobre nosotros en todo momento?, puesto que en el caso
del agua (que si vemos) en la piscina, se puede determinar fácilmente su peso y
por tanto la presión que ejerce sobre el cuerpo que se encuentra sumergido.
Surge entonces la necesidad de hacer ver a los estudiantes que en nuestro cuerpo
no se notan los efectos de la presión atmosférica, puesto que normalmente nos
encontramos sumergidos en el aire a una misma profundidad, pero que aun así a
esta profundad nos encontramos interactuando en todo momento con la presión
ejercida por el aire en la superficie de nuestro cuerpo dirigida hacía el interior,
presión que es compensada por la presión dirigida hacia el exterior ejercida por el
interior de nuestro cuerpo. De allí que el efecto neto sea nulo.
Para evidenciar los efectos de la presión atmosférica sobre un cuerpo cuando se
rompe el equilibrio descrito en el párrafo anterior se propone las siguientes
actividades experimentales.
MATERIALES






Botella de Plástico dura
Botella de plástico blando
Globos
Un pitillo rígido
Cauchos
Plastilina
Lo primero que haremos será, con la ayuda del uno de los cauchos sujetar una de
las bombas al tubo de tal forma que al soplar por el tubo podamos inflar la bomba
sin que ésta se desprenda del tubo… luego de verificar esto, introducimos la
bomba dentro de la botella de plástico blando; luego de esto pasamos a inflar la
bomba dentro de la botella, después de que las bombas estén infladas
procedemos con la ayuda de la plastilina a sellar la boquilla de la botella pero con
el cuidado de estar tapando el tubo con tus dedos para que el aire dentro de la
bomba no se vaya a salir… luego de haber sellado las botellas responde lo
siguiente!!!
¿Qué crees que sucederá luego de que dejes de tapar el orificio del tubo por
donde introdujiste el aire a la bomba?... ¿podrás desde la física dar una
explicación a este hecho?
Repite los pasos anteriores pero ahora con la botella de plástico duro…
Ahora… ¿Qué crees que sucederá luego de que dejes de tapar el orificio del tubo
por donde introdujiste el aire a la bomba?... ¿Qué diferencia hay con la actividad
anterior?
Has una comparación y reflexiona si la explicación utilizada para explicar la
actividad anterior te sirve para verificar los resultados de ésta nueva
experiencia3…
3
SERWAY, Raymond A. Física. Tomo I. Editorial McGRAW-HILL. Cuarta Edición. 1997.
http://www.infoaventura.com/reportaje.asp?Id=33
LATAS COMPRIMIDAS
MATERIALES
 Latas de gaseosa (dos por prueba)
 Velas
 Mecheros
 Pinzas
 Recipiente con agua
 Platos planos
 Vasos transparentes
Se debe tener una lata de aluminio delgado, como las de gaseosa. Se vierte un
poco de agua en su interior, aproximadamente dos cucharadas. Luego se pone al
fuego y se hace que hierva el agua en la lata para que el vapor de agua saque el
aire al interior de lata. Luego se pone la lata en interacción con agua fría para que
el vapor de agua se condense generando vacío al interior de la lata. Luego al ser
mayor la presión ejercida por el aire (presión atmosférica) al exterior de la lata que
en el interior de lata ésta se comprime4.
4
SERWAY, Raymond A. Física. Tomo I. Editorial McGRAW-HILL. Cuarta Edición. 1997.
AGUA ASCENDENTE
MATERIALES





Una vela pequeña
Cerillos o encendedor
Un plato poco profundo ( puede ser el de la sopa )
Un poco de agua ( si es de color, mucho mejor )
Un vaso de vidrio grueso y alto
¿Cómo se hace?
1. Coloca la vela en posición vertical en el plato, pegada al mismo. Para ello, y
con la supervisión de un adulto, enciende la vela y derrama un poco de cera
fundida en el fondo del plato; y después oprime firmemente la vela sobre la
cera; hasta que ésta se enfríe.
2. Vierte un poco de agua dentro del plato, no se necesita llenarlo. El agua
utilizada en este experimento es azul, porque antes le agregamos un poco
de pintura acrílica: también puedes utilizar colorantes vegetales o pintura de
acuarela.
3. Enciende la vela (candela) con ayuda de un Adulto.
4. Encierra la vela con el vaso y observa atentamente lo que ocurre.
¿Por qué sube el agua dentro del vaso?

Esto se debe a un fenómeno físico llamado presión atmosférica, y que ya
hemos experimentado en otras ocasiones; Bien, mientras la vela esté
encendida, consume oxígeno y sigue calentando el aire y parte se escapa
por el fondo del vaso; si uno se fija bien, se ven burbujas saliendo. Cuando
la vela se apaga por falta de oxígeno, el aire dentro del vaso se enfría, al
enfriarse ocupa menos volumen disminuyendo la presión del aire que se
encuentra dentro del vaso, como la presión del aire (presión atmosférica)
que está afuera del vaso es mayor a la presión del aire que está dentro del
vaso; el aire alrededor del vaso "empuja" el agua y está sube dentro del
vaso. El agua subirá, hasta que la presión del aire dentro del vaso sea igual
a la presión del aire de afuera5.
DIABLILLO DE DESCARTES
“LUDIÓN”
Este experimento se basa en los principios de Arquímedes y de Pascal. Consiste
en un pequeño recipiente (llamado diablillo) que se encuentra normalmente
flotando en el interior de una botella. Sin embargo, al aplicar una presión sobre
dicha botella, el diablillo se hunde.
Material necesario

El diablillo: Un recipiente abierto tan sólo por un extremo, debe caber por la
boca de la botella. Resultan ideales los frascos de muestra de perfumes,
como el mostrado en la figura 1.
Figura 1.



La botella: Una botella de refrescos o agua de plástico transparente. Debe
ser lo suficientemente flexible para poder ser presionada una vez llena.
Resultan ideales las botellas de gaseosa de un litro y medio o dos litros.
También son útiles botellas de agua de un litro. En cualquier caso, debe
conservarse el tapón, que debe cerrar herméticamente incluso cuando la
botella está llena a rebosar.
Agua corriente para llenar completamente, a rebosar, la botella.
Unos brazos fuertes y firmes para presionar la botella una vez llena ;)
Procedimiento
Una vez recopilados los materiales, realizar el experimento es muy sencillo. Son
necesarios tan sólo cuatro pasos:
1. Llena la botella de agua completamente hasta rebosar. Cerciorarte de que
el menisco del agua sobresale por el cuello de la botella.
5
http://jugandoconblue.blogspot.com/2009/01/experimento-21-experimento-2-x-1.html
2. Introduce el diablillo (frasco de perfume) vacío (lleno de aire) en la botella
con la abertura hacia abajo. Debe realizarse lentamente y con cuidado, de
forma que no rebose más agua de la necesaria, ya que si quedan burbujas
de aire en la botella será más complicado realizar la experiencia. En caso
necesario, puede añadirse agua para suplir posibles pérdidas.
3. Cerrar la botella herméticamente con su tapón original. De nuevo, debe
tenerse especial cuidado en no dejar burbujas de aire dentro de la botella
(fuera del diablillo).
4. Presionar firmemente los laterales de la botella. Si todo va bien, observaras
como el diablillo se llena de agua y se hunde en la botella.
Explicación teórica
La explicación teórica de la experiencia del diablillo de Descartes es, en realidad,
muy sencilla. Se basa en dos de los principios más conocidos de la hidrostática,
conocidos como principios de Arquímedes y de Pascal. Dichos principios son:
Figura 2.
Principio de Arquímedes
Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascensional
(conocida como empuje), de valor igual al peso del fluido que desaloja, dirigida
hacia arriba y aplicada sobre el centro de masas del cuerpo.
Principio de Pascal
El incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible,
contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada
una de las partes del mismo.
En la situación inicial, donde no estamos aplicando presión sobre la botella (ver
figura 2) el diablillo contiene, prácticamente en su totalidad, únicamente aire. La
densidad del aire es, aproximadamente de 1,3 Kg/m 3. El agua es algo menos de
mil veces más densa, 1000 Kg/m3. Por lo tanto, dado que el aire es mucho menos
denso que el agua, el peso del diablillo, incluyendo el peso del recipiente de
cristal, es en esta situación menor que el peso del agua desalojada. Por lo tanto, el
empuje de Arquímedes es capaz de vencer completamente el peso del diablillo,
por lo que lo vemos flotar. De hecho, normalmente la flotabilidad del diablillo en
estas circunstancias es tan grande que tiende a pegarse al tapón de la botella. Si
la destapamos con cuidado, observaremos que la tendencia natural del diablillo es
a flotar con una fracción de masa por encima de la superficie, tal y como sucede
con las embarcaciones. En el cuello del diablillo se crea una superficie de contacto
entre el agua de la botella con el aire de su interior. Si se ha llenado correctamente
la botella, esta es la única interfaz que aire-agua que contiene la botella.
Figura 3.
Sin embargo, al apretar firmemente los laterales de
la botella (ver figura 3), estamos sometiendo el
contenido a presión extra, que debido al principio
de Pascal es transmitida a todas las partes del
fluido instantáneamente. Dicha presión no es capaz
de comprimir el agua, ya que esta es a efectos
prácticos incompresible.
En particular, la presión ejercida se transmite a la
interfaz aire-agua dentro del diablillo, y al aire
dentro de este. Debido a que el aire si es muy
compresible, este reduce su volumen en gran
medida. La reducción del volumen del aire se
compensa con la entrada de nueva agua dentro del
diablillo.
Por tanto, ahora en el interior del diablillo tenemos
la misma masa de aire, pero mucha más agua, por
lo que el peso total aumenta. Sin embargo, el
volumen total del diablillo es el mismo, por lo que el
empuje de Arquímedes es constante. Así las cosas,
llegará un punto en que el peso del diablillo sea
superior al empuje de sustentación, por lo que se hunde hasta el fondo de forma
irremediable.
Por último, al liberar de repente la presión ejercida sobre la botella, el aire en el
interior del diablillo se expande hasta recuperar su volumen original. De esta
forma, la flotabilidad del diablillo se ve restablecida, y este vuelve rápidamente a la
superficie6.
6
http://www.lawebdefisica.com/experim/diablillo/
PRENSA HIDRAULICA
La prensa hidráulica es una máquina simple, que permite amplificar la intensidad
de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y
muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial. La prensa
hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también
un dispositivo que permite entender mejor su significado.
Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí,
y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o
aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada
uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando
sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que
se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma
(casi) instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta
presión será igual a la presión p2 que ejerce el líquido sobre el émbolo de mayor
sección A2, es decir:
Materiales:







Dos jeringas de volúmenes y diámetros diferentes.
Dos tablas de madera (terciado de preferencia) de 45x30 cm.
Dos trozos de madera de 5x10 cm
45 cm de manguera de diámetro ajustable para las jeringas.
Clavos.
Agua.
Sierra de calar.
Montaje:
1. Perfora una de las tablas de madera con dos orificios, de manera que
encierre las jeringas por los agujeros, la distancia entre ellos debe ser de
unos 10 cm.
2. Une los trozos de madera formando una especie de cuadrilátero
3. Amarra las jeringas, ajustándolas a la tabla como se ve en la figura, y
conecta la manguera.
4. Llena con agua las jeringas, de tal manera que la de menor diámetro quede
completamente llena, y la de mayor diámetro tenga poca agua. La idea de
esto es que cuando apliques una fuerza sobre la jeringa menor diámetro, el
agua se desplace por la manguera y pueda entrar en la jeringa más ancha
levantando el pistón de esta.
Ahora a ensayar… mira cuanto peso puedes levantar haciendo poca fuerza a la
jeringa de menor diámetro… te sorprendes no…
LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN
TUBOS DE ENSAYO… ¡A VOLAR!
En esta ocasión necesitarás la ayuda de algunos de tus compañeros… lo primero
que requieres es tomar un tubo de ensayo y depositar en él, una pequeña
cantidad de bicarbonato de sodio, luego toma un limón y deja caer una gotas
dentro del tubo de ensayo con el bicarbonato y posteriormente tapa de inmediato
el tubo con su respectiva tapa… luego colócalo boca abajo en el suelo y espera un
momento a que se mezclen los elementos… ¿Qué ocurre? Observa el efecto del
gas que se desprende… Luego de esto… ¿Qué le sucede al tubo de ensayo?
¿Será posible explicarlo desde la tercera ley de Newton?... Confronta con tus
compañeros y da una argumentación a este hecho.
¡QUE PODEMOS DECIR DEL PROCESO QUÍMICO!
En la experiencia anterior observamos cómo reacciona el bicarbonato de sodio
(NaHCO3) con sustancias que tienen un carácter ácido, en nuestro ejemplo zumo
de limón que lleva disuelto ácido cítrico. Aquí evidenciamos cómo se descompone
el bicarbonato y se desprende un gas, el dióxido de carbono.
La reacción química que tiene lugar es la siguiente: NaHCO3 + HAc ----> NaAc +
CO2 + H2O
Los productos que se obtienen son: una sal (NaAc) que queda disuelta en el agua
(H2O) y dióxido de carbono (CO2) que al ser un gas burbujea a través del líquido
“¿Por qué sucede todo esto?
Las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros. La tercera
ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un
cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción
igual y de sentido contrario.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por
ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para
impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba. Cuando
estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos
en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre
nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tengan el mismo
valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre
cuerpos distintos. La fuerza de reacción también puede verse en la naturaleza,
algunos animales, como los calamares y pulpos, se desplazan tomando agua del
medio y lanzándola a presión a través de unos conductos especiales, así, el
animal ejerce una fuerza sobre el agua que lo rodea, y como consecuencia el
agua ejerce una fuerza de reacción contra él, por lo que éste se desplaza 7.
Antes de empezar atrévete y contesta: Si dejáramos caer el cuerpo desde lo alto del plano
inclinado (v0 =0) y un ángulo de 30º, sin rozamiento, y permitimos el rebote en el tope A,
elige a modo de hipótesis la opción que creas correcta:
a) no vuelve a subir por el plano inclinado, pues se para antes;
b) vuelve a subir por el plano inclinado, pero no llega al punto más alto, se para un poco
antes;
c) Vuelve a subir por el plano inclinado, alcanzando la misma altura.
d) Vuelve a subir por el plano inclinado, alcanzando una altura mayor. Razona tu respuesta.
A.1 Realiza a continuación la simulación, ¿Qué resultado obtienes? Está de acuerdo con
tu hipótesis. Prueba con otros ángulos y con otras velocidades. Controla las variables y saca
conclusiones de los resultados obtenidos. Repite la experiencia introduciendo coeficientes
de rozamientos diferentes. ¿Qué ocurre ahora? Realiza un informe con un análisis de los
resultados obtenidos. Explícalo desde el punto de vista energético,
7
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html
http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080128135050AAAbb6U&show=7
Analiza e interpreta la curva de energías frente al tiempo que se genera en la
simulación en una experiencia sin rozamiento y en otra experiencia con rozamiento.
Si la altura del plano inclinado es de 2 m, el plano horizontal es de 10 m de longitud y la
masa del cuerpo es de 4 Kg. Calcular la energía cinética. potencial y mecánica, en lo alto
del plano inclinado, al llegar al punto más bajo del plano, en el momento de parase o llegar
al tope A si no hay rozamiento y repite los cálculos en el caso del coeficiente de rozamiento
sea de 0,2.