Física 4 º Guía Didáctica del Docente
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Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 1 Guía Didáctica del Docente Física º 4 Educación Media AUTOR GUÍA DIDÁCTICA DEL DOCENTE PABLO VALDÉS ARRIAGADA LICENCIADO EN EDUCACIÓN Y PROFESOR DE FÍSICA Y MATEMÁTICA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE MAGÍSTER EN EDUCACIÓN DE LAS CIENCIAS MENCIÓN FÍSICA © UNIVERSIDAD DE TALCA Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 2 El material Guía Didáctica del Docente correspondiente al texto Física 4.°, para Cuarto Año de Educación Media, es una obra colectiva, creada y diseñada por el Departamento de Investigaciones Educativas de editorial Santillana, bajo la dirección general de: MANUEL JOSÉ ROJAS LEIVA COORDINACIÓN DE PROYECTO: Eugenia Águila Garay COORDINACIÓN ÁREA CIENTÍFICA: Marisol Flores Prado AUTOR GUÍA: Pablo Valdés Arriagada EDICIÓN: José Miguel Muñoz San Martín Pablo Valdés Arriagada CORRECCIÓN DE ESTILO: Isabel Spoerer Varela DOCUMENTACIÓN: Paulina Novoa Venturino María Paz Contreras Fuentes La realización gráfica ha sido efectuada bajo la dirección de VERÓNICA ROJAS LUNA COORDINACIÓN GRÁFICA: Xenia Venegas Zevallos DISEÑO Y DIAGRAMACIÓN: Sebastian Alvear Chahuan CUBIERTA: Xenia Venegas Zevallos PRODUCCIÓN: Germán Urrutia Garín Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del "Copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución en ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público. © 2012. Santillana del Pacífico S. A. de Ediciones Dr. Aníbal Ariztía 1444, Providencia, Santiago (Chile) Impreso en Chile por WorldColor Chile S.A. Se terminó de imprimir esta 1ª edición de 3.401 ejemplares, en el mes de Diciembre del año 2011 ISBN: 978-956-15-1979-4 Inscripción N° 210.601 www.santillana.cl Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 3 Física 4.º Índice Índice Presentación .................................................................................................................... 4 I. Definición y fundamentación del proyecto ................................................... 4 II. Organización del Texto del Estudiante ............................................................ 6 III. Estructura de la Guía Didáctica del Docente ................................................. 9 Unidad 1: Electricidad y magnetismo ........................................................ 10 Capítulo I: Fuerzas entre cargas ............................................................................. 12 Planificación del capítulo ........................................................................................... 12 Orientaciones metodológicas ................................................................................... 14 Bibliografía ....................................................................................................................... 25 Capítulo II: Electromagnetismo y circuitos eléctricos .................................. 26 Planificación del capítulo ........................................................................................... 26 Orientaciones metodológicas ................................................................................... 28 Bibliografía ..................................................................................................................... 37 Capítulo III: Ondas electromagnéticas ............................................................... 38 Planificación del capítulo ........................................................................................... 38 Orientaciones metodológicas ................................................................................... 40 Bibliografía ....................................................................................................................... 49 Unidad 2: El mundo atómico ........................................................................ 50 Capítulo I: El modelo atómico ................................................................................ 52 Planificación del capítulo .......................................................................................... 52 Orientaciones metodológicas ................................................................................... 54 Bibliografía ...................................................................................................................... 63 Capítulo II: El núcleo atómico ................................................................................. 64 Planificación del capítulo .......................................................................................... 64 Orientaciones metodológicas ................................................................................... 66 Bibliografía ...................................................................................................................... 75 Evaluaciones complementarias para la Unidad 1 ........................................... 76 Evaluaciones complementarias para la Unidad 2 ........................................... 88 Física 4º medio 3 Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 4 Física 4.º Presentación Introducción La Guía Didáctica del Docente, correspondiente al texto Física 4º medio, es un material elaborado con el propósito de apoyar el proceso enseñanza-aprendizaje de la física. Está orientada a guiar al docente en el uso del texto, con el objetivo de lograr un mejor aprovechamiento de los recursos que contiene y lograr los aprendizajes esperados para este nivel. I. Definición y fundamentación del proyecto Escenario educacional La promulgación de la Loce, en la década de 1990, dio inicio a la más reciente reforma educacional, cuyas metas se relacionan con el mejoramiento de la calidad y la equidad de la educación. En este contexto, se replantearon los planes y programas de estudio en todas las áreas y niveles. A fines de los noventa, se concreta el cambio curricular con nuevos programas de educación, tanto para Educación Básica (1996) como para Educación Media (Decreto N.º 220, 1998). Los programas de estudio se organizan en torno a tres grandes ejes: los Objetivos Fundamentales Verticales, que explicitan las capacidades que se espera que adquieran los y las estudiantes en cada nivel de escolaridad; los Contenidos Mínimos Obligatorios, propios de cada área de aprendizaje y nivel, y que deben ser el piso común de enseñanza a nivel nacional; y los Objetivos Fundamentales Transversales, que enuncian las metas en términos de actitudes y valores que se pretende desarrollar en los estudiantes en el transcurso de su escolaridad. 4 Guía Didáctica del Docente Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 5 Presentación Concepción del subsector de aprendizaje El subsector de aprendizaje Física, como parte del sector Ciencias Naturales, persigue como propósito tanto la construcción de modelos explicativos de los fenómenos naturales como el desarrollo de destrezas cognitivas y de razonamiento científico (destrezas experimentales y de resolución de problemas). En este sector se promueve, además, el desarrollo de actitudes y valores propios del quehacer científico, que son transferibles a la vida cotidiana, tales como el trabajo colaborativo, la curiosidad, la comunicación clara de las ideas, argumentar las creencias, predicciones e hipótesis, valorar el aporte de las explicaciones y presentaciones de los compañeros y compañeras para la propia comprensión y aprendizaje, y entender la dinámica del conocimiento científico, que está en permanente construcción y es desarrollado en comunidad. Fundamentación del proyecto El proyecto Física 4.º aborda el conjunto de Objetivos Fundamentales y Contenidos Mínimos Obligatorios del subsector Física para 4.º medio, establecidos en el Decreto Supremo n.° 220 del 18 de mayo de 1998. En sus aspectos metodológicos, se fundamenta en los planteamientos establecidos en los ajustes curriculares en marcha desde 2007. Considerando las vertientes en que se fundamenta, el proyecto Física 4.º pone énfasis en el desarrollo de habilidades relacionadas con el quehacer científico, así como en la aproximación al contenido, por parte de los estudiantes a partir de la indagación científica. Este cambio en el acento en el proceso de enseñanza aprendizaje de la física ha tenido como meta acercar esta disciplina científica a nuestros estudiantes, promoviendo una mayor comprensión del medio en que viven y una mejor inserción en el mundo actual mediante la apropiación de los aspectos tecnológicos y sociales derivados de los avances científicos. Física 4º Medio 5 Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 6 Física 4.º Presentación II. Organización del Texto del Estudiante El texto Física 4.º se organiza en dos unidades: la primera unidad se divide en tres capítulos y la segunda unidad se divide en dos capítulos. A continuación, se describen los principales tipos de páginas. Inicio de unidad Doble página inicial, en la que se presentan imágenes representativas de los temas que se tratarán en la unidad. Contiene una breve introducción, el listado de los aprendizajes esperados de la unidad y preguntas para trabajar a partir de las imágenes. Introducción. Texto breve que informa a alumnos y alumnas sobre el tema central de la unidad. Aprenderás a... Listado de los aprendizajes esperados de la unidad. Actividad inicial. Sección destinada a activar los conocimientos previos de los estudiantes a partir de una serie de preguntas relacionadas con las imágenes representativas de la unidad. Evaluación diagnóstica Evaluación inicial para medir los conocimientos previos necesarios para abordar la unidad. También incluye un ítem de razonamiento espontáneo, que evalúa si los estudiantes saben algo de lo que estudiarán en la unidad. Inicio de capítulo Cada capítulo comienza con una breve introducción que presenta los contenidos que se trabajarán. Luego empieza el desarrollo de los contenidos donde los conceptos se van explicando con un lenguaje ameno y cercano. Además, se hace uso de ejemplos cotidianos que posibilitan una mejor comprensión de los conceptos. Evaluación intermedia Página donde se integran y evalúan los contenidos tratados. 6 Guía Didáctica del Docente Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 7 Presentación Actividades En las páginas de desarrollo de contenido se incluyen actividades que contribuyen al desarrollo de habilidades cognitivas. Las páginas y subsecciones que complementan los temas tratados son: ¿Qué sucedería si…? Actividad destinada al desarrollo de la imaginación y del pensamiento divergente. Reflexionemos. Tema relacionado con los OFT. Puede ser utilizado como fuente para la opinión y el debate. Ten presente que: Actividad destinada a trabajar con preconceptos o con conceptos que puedan tener una interpretación errónea. Inter@ctividad. Sugerencia de páginas webs que complementan los contenidos tratados en la página. Conexión con… Vinculación entre algún contenido tratado en la página con otras áreas del conocimiento. Ejemplo resuelto. Ejercicio que se resuelve paso a paso. Su función es orientar el desarrollo de problemas similares. Investigación científica. Sección a página completa en la que se trabajan habilidades del procedimiento científico. Puede ser una actividad práctica directa, con diferentes grados de participación de alumnos y alumnas, o una actividad de teorización. Ciencia-tecnología-sociedad. Profundización respecto de alguna aplicación tecnológica o un avance científico relacionado con uno de los contenidos del capítulo. Conceptos clave. Definición de conceptos o palabras citadas en el texto. Su propósito es facilitar la lectura comprensiva. Física 4º Medio 7 Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 8 Física 4.º Presentación Cierre de la unidad Síntesis de la unidad. Resumen gráfico a doble página de los principales contenidos tratados en la unidad que incluye una definición breve de los conceptos más relevantes. Física en la historia. Doble página en la que se resumen los principales aportes de destacados investigadores relacionados con los contenidos de la unidad. Además, se contextualiza el tiempo histórico, mencionando algunos hechos relevantes. Evaluación final. Destinada a la verificación del logro de los aprendizajes esperados. Incluye tres momentos: comprensión, análisis y aplicación. Proyecto científico. Actividad de carácter autónomo que desarrolla habilidades del procedimiento científico. 8 Guía Didáctica del Docente Iniciales guia f4_Maquetación 1 02-12-11 13:10 Página 9 Presentación III. Estructura de la Guía Didáctica del Docente La Guía Didáctica del Docente complementa y orienta el trabajo con el Texto del Estudiante Física 4.º. Se organiza, al igual que el texto, en dos unidades, con tres y dos capítulos, respectivamente. Para cada unidad, la guía didáctica incluye las siguiente información. Inicio de unidad Cada unidad comienza con la especificación de los Objetivos Fundamentales Verticales, Contenidos Mínimos Obligatorios, aprendizajes esperados, contenidos específicos y Objetivos Fundamentales Transversales correspondientes. Planificación de capítulo Al inicio de cada capítulo se entrega una propuesta de planificación que establece la relación entre los contenidos y los aprendizajes esperados, especificando los criterios de evaluación, el tiempo requerido por contenido, los recursos didácticos y las evaluaciones. Orientaciones generales del capítulo Se explica el propósito de cada capítulo, considerando las orientaciones generales para abordar la enseñanza de conceptos y habilidades. Errores más frecuentes Orientaciones para enfrentar los errores en que incurren los estudiantes de forma más frecuente. Sugerencias metodológicas Son sugerencias específicas para apoyar el desarrollo de las distintas secciones del texto, incluyendo objetivos, recomendaciones, precauciones y resultados esperados. Rúbricas Pautas en las que se verifica el logro de los criterios de evaluación declarados en la planificación al inicio de cada capítulo. Se incluyen tanto para las evaluaciones de proceso como para la evaluación final de la unidad. Ampliación de contenidos Sección en la que se entregan textos con información complementaria y actualizada, de manera que el docente pueda enriquecer sus clases. Bibliografía sugerida Contiene información bibliográfica específica y pertinente por unidad. Páginas webs sugeridas Direcciones de páginas confiables, en las que se pueden encontrar animaciones, contenidos, tablas y/o gráficos, relacionados con los contenidos tratados en el capítulo. Material de evaluación complementario Conjunto de evaluaciones fotocopiables por unidad. Se incluyen también proyectos científicos. Física 4º Medio 9 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 10 Unidad 1 Electricidad y magnetismo Objetivos Fundamentales Verticales 1. Aplicar en un nivel elemental las nociones físicas de campo eléctrico y campo magnético y sus relaciones, para comprender la enorme variedad de fenómenos de la vida diaria que dependen de ellos. 2. Apreciar la complejidad y eficacia del conocimiento; reconocer sus aportes a la interpretación del mundo y al desarrollo de nuevas tecnologías. Reconocer el impacto que ha tenido, en sus aspectos positivos y negativos, sobre la forma de vida contemporánea. Contenidos Mínimos Obligatorios 1. Fuerzas entre cargas a. Cargas en reposo. Fuerza de Coulomb en distintas situaciones. Campo y potencial eléctrico. Aplicaciones a la electricidad atmosférica. b. Condensador de placas paralelas. Su capacidad en términos de la geometría y el dieléctrico. c. Cargas en movimiento. Cálculo y análisis gráfico de la trayectoria de una carga en un campo eléctrico constante y uniforme. d. Fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Observación y análisis de la fuerza entre dos conductores rectilíneos que portan corriente. Descripción de la trayectoria de una carga en un campo magnético uniforme. 2. Circuito de corriente variable a. Carga y descarga de un condensador. Análisis gráfico de la dependencia temporal del voltaje entre las placas. b. Demostración experimental de la corriente inducida por el movimiento relativo entre una espira y un imán. Inducción electromagnética: leyes de Michael Faraday y Heinrich Lenz. Inductancia y su efecto cualitativo en un circuito de corriente variable en el tiempo. c. Circuito LC. Frecuencia propia asociada. Comparación con el movimiento armónico simple. Oscilaciones forzadas y resonancia. Efecto de una resistencia. Aplicaciones, como la sintonización de frecuencias. 10 Física 4º medio Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 11 3. Ondas electromagnéticas a. Descripción cualitativa de la interrelación entre campos eléctricos y magnéticos que varían sinusoidalmente en el tiempo. Radiación de cargas aceleradas. b. Transmisión y recepción de ondas electromagnéticas. Descripción cualitativa del funcionamiento de antenas simples. Aplicaciones en telecomunicaciones; por ejemplo, radio, televisión, telefonía, etc. Aprendizajes esperados • Aplicar conceptos, relaciones y leyes para resolver problemas vinculados con la electricidad y el magnetismo. • Describir diferentes fenómenos eléctricos y relacionarlos con situaciones cotidianas y aplicaciones técnicas. • Reconocer las características de campos eléctricos y magnéticos, y sus interacciones con cargas. • Aplicar los principios del electromagnetismo para explicar el funcionamiento de diferentes aparatos de uso cotidiano. • Utilizar diferentes medios de comunicación para recopilar información acerca de la electricidad y el magnetismo y su interacción con otros campos del conocimiento. • Explicar las diferencias entre corriente continua y alterna y describir las características de los circuitos RC y LC y sus aplicaciones. • Identificar los diferentes tipos de ondas electromagnéticas, sus características y la forma de emitirlas y captarlas. • Reconocer que la vibración de una carga eléctrica produce una onda electromagnética que se propaga en el espacio. • Describir los principales hitos del desarrollo histórico asociados a las ondas electromagnéticas, en particular en torno de las figuras de James Clerk Maxwell y Heinrich Hertz. • Describir el mecanismo de transmisión y de recepción de señales a través de ondas electromagnéticas. Unidad 1- Electricidad y magnetismo 11 12 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo • Movimiento de cargas. (3 horas) • Campo magnético. (3 horas) • Campo eléctrico. (3 horas) • Ley de Coulomb. (4 horas) 3. Describir diferentes fenómenos eléctricos y magnéticos relacionarlos con situaciones cotidianas y aplicaciones técnicas. 2. Aplicar conceptos relaciones y leyes para resolver problemas vinculados con la electricidad y magnetismo. 1. Discriminar entre cuerpos cargados y neutros a base del tipo de interacción que se produce entre ellos. Aprendizajes esperados 3.2 Describe el funcionamiento de una batería eléctrica. 3.1 Reconoce los fenómenos eléctricos presentes en los condensadores. 2.2 Aplica las relaciones que representan la intensidad de campo eléctrico y la de campo magnético. 2.1 Identifica el concepto de campo eléctrico. 1.2 Reconoce las características de la fuerza electroestática. 1.1 Reconoce las formas de electrización de un cuerpo. Criterios de evaluación Lecturas de apoyo: 2. Organizadores gráficos: 1. • • Tabla: 1. Sitios web: 2. • • Gráficos: 5. • Esquemas:11. Ilustraciones: 28. • • Fotografías: 19. • Recursos didácticos Páginas 76-79. • Evaluación sumativa del docente Guía didáctica Evaluación de síntesis 100-102. • Evaluación sumativa Evaluación de síntesis páginas 68-69. Síntesis y evaluación de capítulo I: páginas 38-39. Evaluación intermedia: página 25. • Evaluación formativa del estudiante Texto Evaluaciones I • Electrización. (3 horas) Contenidos/tiempo Planificación del capítulo I Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 12 Capítulo Fuerzas entre cargas 5. Aplica principios del electromagnetismo para explicar el funcionamiento de diferentes aparatos. 4. Reconocer las características de campos eléctricos y magnéticos, y sus interacciones con cargas. 5.2 Identifica los principios del electromagnetismos detrás del funcionamiento de los motores eléctricos. 5.1 Reconoce las características de la fuerza entre conductores eléctricos. 4.3 Identifica los tipos de movimientos de cargas relativas a los campos eléctrico y magnético. 4.2 Caracteriza las líneas de campo magnético que se forman alrededor de un imán y un cable conductor. 4.1 Identifica las líneas de campo eléctrico en cargas puntuales y entre dos cargas. Materiales: alambre de cobre i. monitor de televisión h. cinta adhesiva g. aceite f. e. cables conectores d. frasco de vidrio c. papel aluminio b. regla a. teflón • Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 13 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Capítulo I - Fuerzas entre cargas 13 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 14 Capítulo I Fuerzas entre cargas Orientaciones metodológicas Orientaciones generales del capítulo El objetivo del capítulo apunta hacia el estudio de la electricidad y el magnetismo, pero desde el punto de vista de las interacciones entre cargas eléctricas. En el curso de Física de 1.º Año Medio, hay una unidad que trata sobre electricidad y magnetismo. Es conveniente que el docente haga referencia a esos contenidos. El texto provee de una evaluación diagnóstica que permite revisar los principales conceptos que los estudiantes necesitan comprender para el presente curso. En este nivel, las alumnas y los alumnos deben desarrollar su habilidad para procesar datos y resolver problemas con un mayor componente matemático. El uso de calculadoras permite preocuparse más por el proceso que por el cálculo. Muchas de las actividades presentes en el texto se prestan para evaluar el desempeño de los estudiantes, tanto en los trabajos experimentales como en los de recopilación y análisis de información. Entre las páginas 194 y 201 del Texto del estudiante se presentan varios anexos que tienen por objetivo potenciar la reflexión en torno al trabajo científico, además de entregar herramientas concretas respecto de la forma de trabajar clásicamente la medición y los errores involucrados; el uso de unidades de medidas, prefijos y análisis dimensional; y la forma de comunicar resultados de una investigación científica. Errores más frecuentes • ¿Electricidad es sinónimo de magnetismo? Los estudiantes tienden a explicar los fenómenos eléctricos a partir de observaciones que han realizado de fenómenos magnéticos o viceversa. Es importante indicar que, aunque la electricidad se relaciona con el magnetismo dando origen al electromagnetismo, ya que las corrientes generan a su alrededor campos magnéticos y que el flujo magnético variable en el tiempo origina corrientes, la electricidad y el magnetismo son fenómenos que no pueden ser considerados como sinónimos, pese a estar íntimamente ligados. Cada uno de ellos tiene su propia fundamentación y génesis. • ¿Corriente continua y alterna son iguales? La corriente continua (c. c.) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. En la corriente continua, las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección, es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos. En la corriente alterna (c. a.), en cambio, la magnitud y dirección varían cíclicamente, y la representación de la corriente alterna corresponde a una onda del tipo sinusoidal. 14 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 15 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 9 Actividad inicial El objetivo de esta actividad es que los estudiantes trabajen sus concepciones previas respecto de fenómenos asociados a la electricidad y al magnetismo; para ello se les propone una serie de preguntas en torno a las imágenes que abren la unidad. Pídales que trabajen en grupos de dos o tres y que escriban sus respuestas en el cuaderno. Páginas 10 y 11 Evaluación diagnóstica La evaluación diagnóstica consta de dos partes. La primera comprende los ítems 1 a 9, referentes a los contenidos de electricidad y magnetismo, vistos en 1.º medio. La segunda parte trabaja el racionamiento espontáneo. Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Rúbrica para la evaluación diagnóstica Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Identifica algunas características de la interacción entre cargas electrostáticas. Responde correctamente los puntos 1, 2, 6 y 9 del ítem I. Responde correctamente dos de los cuatro puntos del ítem. Responde solo un punto del ítem o ninguno. Reconoce los conceptos asociados a la intensidad de corriente. Responde correctamente los puntos 3 y 4 del ítem I. Responde correctamente uno de los dos puntos. No responde correctamente ninguno de los dos puntos. Asocia el momento magnético a características macroscópicas de un material. Justifica satisfactoriamente la respuesta para el punto 5. Justifica de forma parcial la respuesta para el punto 5. No responde el punto 5. Identifica algunas características asociadas a las ondas electromagnéticas. Responde correctamente los puntos 7 y 8 del ítem I. Responde correctamente uno de los puntos del ítem. No responde correctamente ninguna de las preguntas. Identifica y plantea hipótesis explicativas de fenómenos electromagnéticos. Responde de manera correcta y coherente ambos puntos del ítem II. Responde de manera coherente solo uno de los puntos del ítem II. No responde ninguno de los dos puntos. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 15 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 16 Capítulo I Fuerzas entre cargas Página 13 Objetivo: plantear una hipótesis que explique la repulsión entre cintas de teflón previamente frotadas con la mano. Habilidades: asociar y diferenciar. Actividad 1: La cinta de teflón Sugerencias metodológicas Esta actividad es muy sencilla de realizar y permite observar dos fenómenos: electrización por frotamiento, la cual ocurre al pasar los dedos por el teflón y repulsión de cuerpos con carga del mismo signo (las cintas de teflón tienden a separarse unas de otras debido a que tienen cargas del mismo signo). Para poder observar la repulsión de las cintas es necesario que tanto los dedos como el ambiente esté secos. Una posibilidad para evitar la humedad de los dedos es frotar las cintas con un pañuelo. Actividades complementarias Notas: Existen actividades muy sencillas de realizar que permiten observar los fenómenos asociados a la electrización de los cuerpos. Estas pueden ser asignadas a distintos grupos de estudiantes ya sea previo a la realización de la clase o posterior a ella, de manera que puedan usar los nuevos conocimientos para explicar los fenómenos asociados a cada actividad: a) Frotar una regla plástica con un paño de lana y luego acercarla a trocitos pequeños de papel. Pedir a los estudiantes que observen lo que ocurre y den una explicación al fenómeno. Se aprecia en esta actividad la electrización por frotamiento, polarización, atracción electrostática, electrización por contacto y repulsión entre cargas eléctricas. Es interesante observar que luego de un momento, en que los papelitos permanecen pegados a la regla, algunos de ellos saltan de la misma repelidos una vez que adquieren carga del mismo signo que la regla). b) Pedir a los estudiantes que construyan un péndulo eléctrico, con un soporte, un hilo de seda y una bolita de plumavit. Que luego acerquen a la pelotita una regla previamente frotada con un paño de lana y observen lo que ocurre, para luego dar una explicación a lo observado. c) Pedir a los estudiantes que inflen globos y los froten con el pelo, para luego “pegarlos” al techo. Nuevamente pedir que den una explicación a lo observado. 16 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 17 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 14 Investigación científica: Experimento de Coulomb Objetivo: relacionar las observaciones de Coulomb con la posterior modelación matemática de la ley. Sugerencias metodológicas Habilidades: analizar y construir tablas y gráficos, reconstruir modelos científicos. Resultados esperados Ética y valores en ciencia A partir del experimento realizado por Coulomb, explique a sus estudiantes la importancia que tiene, en ciencia, la rigurosidad al momento de realizar un experimento. Por lo mismo, los datos obtenidos producto de una investigación nunca deben ser alterados con el fin de alcanzar un resultado preconcebido. • • La actividad propone el análisis de una tabla en la que se simulan los datos de distancia vs. fuerza. El docente debe guiar el análisis de los estudiantes para que la relación propuesta por ellos corresponda a que la fuerza eléctrica entre dos cargas se encuentra en proporción inversa al cuadrado de la distancia entre ellas. Al final de la investigación científica, los estudiantes proponen las siguientes relaciones: Página 15 Objetivo: comparar la fuerza de atracción gravitacional y la fuerza eléctrica. Habilidades: asociar y diferenciar. La fuerza eléctrica es proporcional a la magnitud del producto entre las cargas. La fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Actividad 2: Ley de Newton y ley de Coulomb Sugerencias metodológicas Una vez que se ha formalizado la ley de Coulomb, resulta pertinente que el docente relacione esta ley con la de gravitación universal, formulada por Isaac Newton. Las dos leyes tienen una representación matemática similar. En la actividad se propone a los alumnos y alumnas que realicen una equivalencia entre las variables constituyentes de cada una de las leyes. Es importante que el profesor o profesora destaque las siguientes diferencias y semejanzas entre las dos leyes: • • • • Las dos fuerzas actúan a distancia. La fuerza en ambos casos aumenta en intensidad a razón de la disminución de la distancia. La fuerza eléctrica puede ser repulsiva, a diferencia de la fuerza gravitacional. El orden de magnitud de la fuerza eléctrica es mucho mayor que la fuerza gravitacional. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 17 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 18 Capítulo I Fuerzas entre cargas Página 18 Objetivo: observar las líneas de campo eléctrico alrededor de un cuerpo cargado. Habilidades: describir y analizar. Actividad 3: Observando la acción de un cuerpo cargado Sugerencias metodológicas Es recomendable realizar la actividad utilizando el monitor de un televisor o de un computador en un ambiente seco. Una pantalla o monitor LCD no sirve para realizar la actividad, ya que estos no funcionan con tubos de rayos catódicos. También como acumulador de cargas electrostáticas, se puede utilizar un generador Van de Graaff. Resultados esperados Los estudiantes observan cómo los granos de sémola se organizan alrededor del cuerpo cargado en forma radial. De ellos infieren que el espacio que circunda a un cuerpo cargado se ve afectado eléctricamente. A partir de lo observado es posible plantear una representación geométrica para el campo eléctrico (similar a las líneas de campo de Faraday). Actividad complementaria También puede observarse la forma del campo eléctrico debida a dos cargas. Para ello se necesita realizar el montaje de la figura y observar lo que ocurre con los granos de sémola. Notas: Página 19 Objetivo: determinar la dependencia del campo eléctrico con la distancia a través de una actividad demostrativa. Habilidades: analizar e inferir. 18 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Actividad 4: Analizando gráficamente el campo eléctrico Sugerencias metodológicas Las preguntas están orientadas para que los alumnos y alumnas comprendan la manera en que decae la intensidad del campo eléctrico con la distancia. Como no se presentan valores numéricos, no podrán determinar que es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, pero sí analizar la tendencia. Discuta con sus estudiantes lo que ocurre cuando la distancia es cercana a cero y cuando tiende al infinito. Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 19 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 25 Evaluación intermedia Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Reconoce las características Responde correctamente la Responde correctamente la de la carga eléctrica pregunta 1 del ítem I y la pregunta 1 del ítem I y pregunta 1 del ítem II. responde parcialmente la pregunta 1 del ítem II, o solo responde correctamente la pregunta 1 del ítem II. Solo responde la pregunta 1. del ítem I; solo responde parcialmente la pregunta 1 del ítem II; o responde de manera incorrecta ambas preguntas. Reconoce las características Responde correctamente la Responde correctamente de la fuerza eléctrica. pregunta 2 del ítem I y la una de las dos preguntas. pregunta 3.a del ítem II. Responde de manera incorrecta o no responde ambas preguntas. Reconoce y describe las características del campo eléctrico. Solo responde correctamente las preguntas 3, 4 y 6 del ítem I; o solo responde correctamente la pregunta 2 del ítem II, o responde correctamente 2 de las preguntas del ítem 1 y uno de los diagramas del ítem II. Responde de manera incorrecta dos o tres de las preguntas del ítem 1; y responde de manera incorrecta uno o dos de los diagramas de la pregunta 2 del ítem II. Comprende las caracterísResponde correctamente ticas del potencial eléctrico. las preguntas 5 y 7 del ítem I. Responde correctamente una de las dos preguntas. Responde de manera incorrecta o no responde ambas preguntas. Aplica los modelos de fuerza, campo y potencial eléctrico en la resolución de problemas. Responde correctamente una de las dos preguntas. Responde de manera incorrecta o no responde ambas preguntas. Actividades diferenciadas: Responde correctamente las preguntas 3, 4 y 6 del ítem I y la pregunta 2 del ítem II. Responde correctamente las preguntas 3.b y 4 del ítem II. Frente a los diversos niveles de logro obtenidos por sus estudiantes, es importante que diseñe estrategias para atender los diferentes ritmos de aprendizaje. Puede sugerir las siguientes actividades: Logrado. Realizar algunos ejercicios con los que se profundicen los modelos matemáticos. Medianamente logrado. Construir un glosario con los conceptos relevantes. Por lograr. Leer nuevamente las páginas (12-23), elaborar un glosario de términos relevantes y resolver el Ejemplo resuelto 1. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 19 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 20 Capítulo I Fuerzas entre cargas Página 26 Objetivo: descubrir el principio presente en un condensador. Habilidades: observar e inferir. Actividad 5: Acumulando carga eléctrica Sugerencias metodológicas Es recomendable en esta actividad que las láminas de papel aluminio queden totalmente aisladas una de la otra. Por esta razón, el dieléctrico sugerido (papel mantequilla) debe ser de un tamaño levemente mayor que el de las láminas. El profesor o profesora debe orientar el planteamiento de la hipótesis, planteada por los estudiantes, para que expliquen el fenómeno observado. Se puede apoyar el desarrollo de la actividad realizando las siguientes preguntas: • • ¿Cómo aparecen cargas positivas en una de las láminas? ¿Cómo las cargas circulan hacia el LED? El experimento no resultará si las láminas se tocan o si el dieléctrico tiene alguna perforación. Además, los cables deben estar conectados a cada una de las láminas y no deben estar en contacto. Resultados esperados Al cargar el condensador con la batería y luego descargarlo en el diodo, este debe encenderse por un tiempo corto. Página 28 Objetivo: analizar un experimento clásico que condujo a determinar la carga de un electrón. Habilidades: analizar y construir tablas y gráficos, reconstruir modelos científicos. Ética y valores en ciencia A partir del análisis que los estudiantes deben realizar del experimento de Millikan, promueva entre ellos la honestidad al momento de elaborar sus respuestas. 20 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Investigación científica: Experimento de Millikan Sugerencias metodológicas En esta página se describe de forma cualitativa el experimento realizado por Robert Millikan con el que pudo determinar la carga del electrón. En la actividad se propone el análisis de una tabla de datos simulados, en la que se entregan los valores de las cargas de algunas gotitas de aceite. Si bien en su experimento original Millikan realizó un proceso matemático y estadístico de gran complejidad para determinar la carga del electrón, en este caso se propone un método similar (pero simplificado) para determinar la carga al procesar los datos de la tabla. La importancia de este experimento es que permitió conocer características del átomo y de la carga, como por ejemplo, la cuantización de esta última. Resultados esperados A partir del análisis de los datos entregados en la investigación, los estudiantes encuentran que el valor de la carga fundamental que obtuvo Millikan fue de 1,6 · 10-19 C. Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 21 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 30 Objetivo: observar las líneas del campo magnético que se crean alrededor de un imán. Habilidades: comparar e inferir. Actividad 7: Observando el campo magnético Sugerencias metodológicas Es recomendable que las limaduras de hierro se espolvoreen en forma gradual sobre la hoja de papel, de modo que las líneas de campo se distingan de manera óptima. Para complementar la actividad, el docente puede pedir a los estudiantes que dibujen en sus cuadernos la forma del campo magnético formado alrededor del imán. Resultados esperados a. Al igual que en el campo eléctrico hay una interacción a distancia. b. Campo magnético. c. En los extremos. d. Donde las líneas de campo son más intensas, en los extremos del imán. Página 31 Objetivo: relacionar fenómenos eléctricos y magnéticos. Habilidad: inferir. Actividad 8: Relacionando fenómenos Sugerencias metodológicas Uno de los momentos clave en la historia del electromagnetismo fue cuando el danés Christian Oersted observó cómo la aguja de una brújula sufría alteraciones en presencia de una corriente eléctrica. El docente debe referirse al componente azaroso de la ciencia presente en muchos descubrimientos que han resultado de forma casual. Pero debe aclarar que la casualidad siempre está acompañada de una acuciosa observación del entorno. Resultados esperados Los alumnos y alumnas observan que la aguja de la brújula se desvía y se orienta perpendicular a la dirección del conductor. También observan que si se invierte el sentido de la corriente, la brújula se orienta también perpendicular al cable, pero en sentido contrario al observado anteriormente. Oriéntelos para que imaginen las líneas de campo. Página 34 Objetivo: analizar un experimento clásico que estableció la relación entre carga y masa de un electrón. Habilidades: reconstruir modelos científicos. Investigación científica: Experimento de Thomson Sugerencias metodológicas En esta investigación se presenta el experimento de Joseph Thomson. El énfasis está puesto en cómo se ve afectado un flujo de cargas (electrones) por una fuerza magnética. En el análisis se propone a los estudiantes que relacionen el experimento de Millikan (página 28 del texto) con el de Thomson, para que puedan determinar la masa del electrón. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 21 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 22 Capítulo I Fuerzas entre cargas Para profundizar en el experimento de Thomson, sugiera a sus estudiantes que visiten la siguiente página: http://tamarisco.datsi.fi.upm.es/ASIGNATURAS/FFI/apuntes/camposMagneticos/t eoria/applets/estacionarios/thomson/thomson.html. En ella encontrarán un applet que simula el experimento realizado por Thomson. Resultados esperados Se espera que los estudiantes respondan de la siguiente forma las preguntas de análisis. a. • Los átomos están constitutos por partículas más pequeñas y de naturaleza eléctrica. • Los rayos catódicos están constituidos de pequeñas partículas. b. El flujo de partículas (rayos catódicos), que poseen carga eléctrica y una masa determinada. c. Como e = 1,6 · 10-19 C, al remplazar en Página 35 Objetivo: observar cómo un conductor, en presencia de un campo magnético, sufre la acción de una fuerza de origen magnético. Habilidad: inferir. e C = 1,76 · 1011 m kg m = 9,1 · 10-31 kg. Actividad 9: Fuerza sobre un conductor Sugerencias metódologicas Para que la actividad funcione correctamente es importante considerar los siguientes aspectos: • El conductor debe ser de aproximadamente 1 m de largo y, no debe ser rígido. • Se deben utilizar dos imanes con los polos enfrentados, o uno en forma de herradura, sobre el conductor. Resultados esperados Los estudiantes observan cómo el conductor se desvía en presencia del imán; al invertir los polos, el conductor se desvía en sentido opuesto. A partir de lo observado deberían inferir que el conductor está en presencia de una fuerza. Es recomendable que al momento de entregar a los estudiantes la expresión matemática que representa la fuerza sobre el conductor, se realice el análisis vectorial de la fuerza y el campo magnético. Se puede acudir a la ilustración de la misma página o buscar en Internet alguna animación que ilustre vectorialmente la acción del campo magnético y la fuerza. Página 36 Objetivo: observar y analizar la fuerza entre dos conductores paralelos. Habilidades: observar e inferir. 22 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Actividad 10: Fuerza entre conductores Sugerencias metodológicas Es importante tener en cuenta los siguientes aspectos: • • • Los alambres deben ser de 1 m de largo como mínimo. Se debe evitar que los alambres se enrollen sobre sí mismos. La distancia entre los dos alambres debe ser de no más de 1 cm. Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 23 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Resultados esperados Los estudiantes observan cómo los dos conductores se atraen o repelen (dependiendo del sentido de la corriente) por la acción de una fuerza. En el análisis de la actividad, deben relacionar la intensidad de la corriente, la distancia entre los conductores y la longitud de estos como variables asociadas a la magnitud de la fuerza observada. Al igual que en la Actividad 9, es conveniente hacer el análisis de los vectores asociados: vector campo eléctrico, vector fuerza y el sentido de la corriente que pasa por los conductores. El docente debe aclarar a sus alumnos y alumnas que las expresiones matemáticas de fuerza magnética, sobre y entre conductores, presentes en el texto, solo son aplicables a situaciones particulares. Las leyes que se encuentran detrás de dichas formulaciones son la ley de Ampère y la ley de Gauss, que en conjunto dan respuesta a una gran cantidad de situaciones. Pero su compleja formulación matemática escapa a las posibilidades del curso. Actividad complementaria Referente a la fuerza entre conductores paralelos, el docente puede proponer a los estudiantes que diseñen un experimento para medirla. No es necesario que el experimento se lleve a cabo, ya que un buen ejercicio es diseñar el experimento de forma teórica y argumentar cada uno de los pasos que se propongan. Una vez realizado esto, se puede escoger el mejor diseño y llevarlo a la práctica. Notas: Página 37 Objetivo: explicar, en virtud de la fuerza magnética sobre un conductor, el principio de un motor eléctrico. Habilidad:: explicar. Actividad 11: Construyendo un motor Sugerencias metodológicas La actividad propone la construcción de un motor eléctrico bastante sencillo. El docente puede proponer otros tipos de modelos simples de motores eléctricos, atendiendo a los recursos con los que disponga. Una fuente de ejemplos es Internet. La actividad también se presta para que los y las estudiantes busquen y fabriquen distintos modelos de motores eléctricos, luego los comparen y expliquen las semejanzas en función de los principios físicos presentes en ellos. Resultados esperados Se espera que los estudiantes observen que al acercar el imán a la bobina del motor, esta comienza a rotar. De no producirse este resultado, se debe verificar que la bobina tenga a lo menos 25 espiras y que el alambre esmaltado no tenga daños en su recubrimiento. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 23 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 24 Capítulo I Fuerzas entre cargas Páginas 38 y 39 Síntesis y evaluación de capítulo I Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Describe el concepto de carga y los métodos de electrización de los cuerpos. Responde correctamente los puntos 1, 2, 3 y 4 del ítem I y el punto 1 del ítem III. Responde correctamente tres de los cinco puntos. Responde dos o menos puntos. Aplica la ley de Coulomb en ejercicios propuestos. Responde correctamente los puntos 1 y 3 del ítem II y el punto 2 del ítem III. Responde correctamente dos de los tres puntos. Responde solo uno de los puntos o ninguno. Reconoce la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Responde correctamente los puntos 5 y 6 del ítem I y el punto 2 del ítem II. Responde correctamente dos de los tres puntos. Responde solo uno de los puntos o ninguno. Actividades diferenciadas: Con el fin de atender los diferentes ritmos de aprendizaje de sus estudiantes, asigne algunas tareas específicas para cada uno de niveles de logro. Por ejemplo: realizar un glosario de conceptos relevantes, resolver nuevamente la evaluación intermedia y/o realizar ejercicios de profundización. Ampliación de contenidos para el docente Superconductividad: el efecto Meissner En Internet existen muchos videos asociados a este efecto. Este puede resultar interesante de mostrar a los estudiantes o para ser propuesto como un trabajo de investigación. El efecto Meissner-Ochsenfeld consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld, en 1933, al medir la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético. Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la superconductividad, y su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de esta es una transición de fase a un estado diferente. La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura. Fuente: Serway, Raymond. (2005) Física para ciencias e ingeniería. México: Thomson Editores. 24 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 25 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Ampliación de contenidos para el docente Campo magnético terrestre: cinturones de radiación de Van Allen Son dos regiones formadas por partículas de alta energía, sobre todo protones y electrones, contenidas en el campo magnético terrestre. El cinturón externo se extiende de 800 km a 3000 km sobre la superficie de la Tierra, mientras que el cinturón exterior se extiende hasta aproximadamente 60 000 km de la Tierra. Ambas regiones forman en conjunto la magnetósfera, y están separadas entre sí por una frontera llamada magnetopausa. Fueron descubiertas en 1958 por el físico norteamericano James Van Allen. Las partículas que constituyen los cinturones de van Allen tienen su origen en los flujos de electrones y de protones que nos llegan desde el Sol bajo la forma de viento solar. El cinturón interior está formado por protones y electrones que provienen de la desintegración de los neutrones producidos en la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos. El cinturón exterior está formado principalmente por partículas cargadas que han sido proyectadas por el Sol. La variación del número de partículas está asociado con la actividad del Sol. Las partículas que salen del cinturón causan las auroras. Fuente: Archivo editorial. Bibliografía • Hewitt, Paul G. (2007). Física conceptual. México: Pearson Educación. Capítulos: 22, 24 y 25. En este libro no se trabajan herramientas matemáticas complejas, sino que se exponen los conceptos a través de muchos ejemplos y definiciones muy precisas. • Mengual, Juan Ignacio. (2007). Física al alcance de todos. Madrid: Pearson Educación. Capítulos: 10 y 11. Libro que aborda los distintos conceptos de la física, a través de una mirada centrada en ejemplos cotidianos y en la rigurosidad conceptual. • Serway, Raymond. (2005). Física para ciencias e ingeniería. México: Thomson Editores. Capítulos: 1a 4. Libro que provee herramientas matemáticas suficientes para profundizar de mejor manera en el desarrollo de los conceptos. Páginas webs sugeridas para el docente: • http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Fisica/CargaElectrica.html Contiene un resumen de las principales características de la carga eléctrica y la ley de Coulomb. • www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/electrico/cElectrico.html Muestra una animación del campo eléctrico entre dos cargas puntuales. • www.walter-fendt.de/ph14s/mfbar_s.htm Animación que muestra el campo magnético detectado por una brújula alrededor de un imán. Capítulo I - Fuerzas entre cargas 25 26 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo • Circuitos de corriente alterna: LC y RLC. (3 horas) • Inductancia. (3 horas) • Transformadores y generadores eléctricos. (3 horas) 3. Describir y reconocer las diferentes aplicaciones de la inducción electromagnética. 2. Explicar el fenómeno de inducción electromagnética y aplicar las leyes asociadas a él. 1. Analizar la carga y descarga de un condensador en términos de la variación del voltaje y corriente en el tiempo. Aprendizajes esperados 3.2 Describe el funcionamiento de los transformadores eléctricos. 3.1 Describe el funcionamiento del generador eléctrico. 2.2 Explica el sentido de la fem inducida (ley de Lenz). 2.1 Describe y aplica la ley de Faraday. 1.3 Identifica las aplicaciones de los circuitos RC. Organizadores gráficos: 2. Lecturas de apoyo: 1. • Tabla: 2. Sitios web: 1. Gráficos: 8. Esquemas: 8. Ilustraciones: 20. • • • • • • Páginas 80-83. • Evaluación sumativa del docente Guía didáctica Evaluación de síntesis capítulos I, II y III: páginas 100-102. • Evaluación sumativa Evaluación de síntesis capítulos I y II: páginas 68 y 69. Síntesis y evaluación de capítulo II: páginas 66 y 67. Evaluación intermedia: página 57. • Evaluación formativa Texto 1.2 Reconoce los circuitos de corriente continua. Fotografías: 12. Evaluaciones del estudiante • Recursos didácticos 1.1 Identifica gráficamente la carga y descarga de un condensador. Criterios de evaluación II • Inducción electromagnética. (4 horas) • Circuitos de corriente continua (RC). (3 horas) Contenidos/tiempo Planificación del capítulo II Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 26 Capítulo Electromagnetismo y circuitos eléctricos 4.2 Identifica los factores que determinan la energía que almacena una bobina. 5. Explicar las diferencias entre corriente continua y alterna y describir las características de los circuitos LC y RLC. 5.3 Reconoce las aplicaciones de los circuitos resonantes en la sintonización de frecuencias radiales. 5.2 Reconoce que la energía electromagnética de un circuito LC tiende a permanecer constante. 5.1 Reconoce la frecuencia asociada a los circuitos LC y RLC. 4.1 Reconoce las diferencias entre la inductancia y la inductancia mutua. 4. Analizar el fenómeno de inductancia electromagnética. Materiales: f. pilas e. motor eléctrico d. diodo LED c. imán recto b. alambre esmaltado a. tubo plástico • Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 27 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 27 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 28 Capítulo II Electromagnetismo y circuitos eléctricos Orientaciones metodológicas Orientaciones generales del capítulo El objetivo del capítulo es estudiar los fenómenos presentes en circuitos de corriente continua y de corriente alterna. A lo largo del curso, las magnitudes vectoriales tienen gran importancia; sin embargo, si los estudiantes no tienen gran familiaridad con el uso de vectores, se recomienda acudir a su representación geométrica solamente. El uso de funciones trigonométricas, cuando interviene algún producto vectorial, se puede evitar acudiendo a ejemplos simples, como el caso de vectores paralelos o perpendiculares entre sí. En Internet existen muchos sitios donde el profesor o profesora puede encontrar simulaciones sobre los temas del capítulo. Incentivar el uso de este medio de información, pero recomendar páginas estables y cuyas fuentes sean confiables. Es conveniente que el docente pida con anticipación los materiales para los experimentos. Además, se sugiere que el docente replique las actividades previamente, de modo de detectar posibles problemas en su implementación y evitar la improvisación. Errores más frecuentes • ¿Los transformadores solo cambian corriente? Los alumnos y alumnas tienden a pensar que el transformador es un dispositivo que solo cambia corriente. Se les debe aclarar que este dispositivo cumple con un principio de conservación; por lo que la potencia eléctrica de entrada es igual a la potencia eléctrica de salida (en el caso ideal en que no hay pérdidas de energía). Al ser así, cuando el transformador eleva o baja la intensidad de corriente, a la vez baja o eleva el voltaje, manteniendo la potencia constante. Páginas 40 y 42 Objetivo: analizar los factores que intervienen en el proceso de carga y descarga de un condensador. Actividades 1 y 2: Carga y descarga de un condensador. Sugerencias metodológicas Como el montaje y medición de datos en un circuito RC no es simple, se propone una actividad con datos simulados. El fuerte de dicha actividad se concentra en el análisis de los datos entregados por la tabla. La Actividad 1 analiza el proceso de carga del condensador, mientras que la Actividad 2, el proceso de descarga. Habilidades: analizar e inferir. Resultados esperados Los estudiantes deben señalar que la carga y descarga de un condensador es un proceso no lineal, en el que existe un comportamiento exponencial asociado. Dicho comportamiento está acotado en ambos casos por asíntotas. Además deben indicar que algunos de los factores que podrían intervenir en la carga y descarga del condensador son la capacidad del condensador, el valor de la resistencia y el voltaje inicial. 28 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 29 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Investigación científica: Transformando movimiento en electricidad Página 44 Objetivo: plantear hipótesis que expliquen el fenómeno de inducción electromagnética. Habilidades: observar, relacionar e inferir. Ética y valores en ciencia Dado que la Investigación científica de la página 44 es de carácter grupal, promueva a través de ella el respeto que los estudiantes deben tener respecto de las opiniones y aportes de sus pares. Sugerencias metodológicas Pida a sus estudiantes que se organicen en grupos de tres o cuatro integrantes y que reúnan con anticipación los materiales sugeridos en la investigación científica. Se deben considerar los siguientes aspectos técnicos para la correcta implementación de la actividad: • • Utilizar alambre esmaltado de 0,2 mm. Son altamente recomendables los imanes de neodimio. La actividad no resultará si la cantidad de vueltas de la bobina es inferior a la sugerida en el texto o si el esmaltado del alambre no se encuentra en buen estado. Resultados esperados Al agitar los imanes dentro del tubo, el diodo se enciende. Los estudiantes deberían inferir que la luminosidad del diodo depende del número de espiras, de su diámetro y de la velocidad con la cual se agita el tubo. Una vez finalizada la actividad pida a sus estudiantes que guarden los materiales, ya que serán utilizados posteriormente. Página 46 Objetivo: establecer una analogía con el flujo electromagnético. Habilidad: analizar. Página 48 Objetivo: analizar la expresión que representa la fem inducida. Habilidad: inferir. Actividad 3: Lluvia sobre un paraguas Sugerencias metodológicas Resulta muy ilustrador comenzar con la Actividad 3, para comprender el concepto de flujo magnético. Al momento de relacionar el flujo sobre una superficie con el ángulo, el docente debe referirse en todo momento a la actividad realizada al inicio de la página. También, puede establecer otra analogía con la cantidad de luz que incide sobre una hoja de papel que se encuentra cerca de una fuente luminosa. Actividad 4: Analizando la ley de Faraday-Lenz Sugerencias metodológicas Generalmente en física, al momento de ser entregadas expresiones matemáticas que modelan ciertos fenómenos, se omite el análisis de estas, remitiéndose solamente a remplazar los valores numéricos. La Actividad 4 del texto tiene como objetivo analizar la expresión que representa la fem inducida (ley de Faraday). Es importante que el docente incentive a sus alumnos y alumnas a analizar todas las expresiones matemáticas relacionadas a principios y/o leyes. Esto genera una comprensión más profunda de los contenidos, además de desarrollar habilidades científicas de orden superior. Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 29 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 30 Capítulo II Electromagnetismo y circuitos eléctricos Página 50 Objetivo: observar que un conductor en movimiento en torno a un campo magnético constante induce una fem. Habilidades: observar e inferir. Página 51 Objetivo: observar y proponer hipótesis que expliquen el funcionamiento de un generador eléctrico. Habilidades: observar e inferir. Actividad 5: Conductor en movimiento Sugerencias metodológicas Como en esta actividad se utilizan los mismos materiales que en la investigación científica de la página 44 del texto, el docente debe indicar previamente que estos deben ser guardados. Es importante que en la actividad los estudiantes relacionen la velocidad con que se mueve el conductor y la cantidad de espiras de la bobina con el valor de la fem obtenida. Actividad 6: Construyendo un generador Sugerencias metodológicas Una de las aplicaciones más importantes de la ley de Faraday y la ley de Lenz son los generadores de corriente. Es importante tener presente el uso de una rueda dentada en la construcción del generador de corriente, ya que puede aumentar de forma significativa la rapidez angular del eje del motor, necesaria para producir una fem que encienda el diodo. Actividad complementaria El docente puede proponer un trabajo bibliográfico a sus alumnas y alumnos cuyo tema principal sean las aplicaciones de los generadores de corriente y su importancia en la producción de energía eléctrica a base de energía mecánica. Notas: Página 52 Objetivo: recopilar información y emitir opiniones sobre la producción de energía eléctrica en nuestro país. Habilidades: investigar y argumentar. Página 57 Actividad 7: Generación eléctrica en Chile Sugerencias metodológicas Si bien la actividad no se relaciona directamente con la ley de Faraday-Lenz, es una buena oportunidad para que los estudiantes puedan investigar y tener un juicio fundado respecto de las distintas opciones que nuestro país tiene frente a la inversión energética. Evaluación intermedia Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para el ítem de completación de oraciones y de resolución de problemas, se propone la siguiente rúbrica. 30 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 31 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Reconoce las leyes de Faraday y de Lenz. Responde correctamente los puntos a, b, c y d del ítem II. Responde correctamente Responde correctamente dos o tres de los puntos del uno o ninguno de los ítem II. puntos del ítem II. Aplica las leyes de Faraday y de Lenz en la resolución de problemas. Responde correctamente los problemas 1 y 2 del ítem III. Responde correctamente uno de los problemas del ítem III. Página 58 Objetivo: observar las variaciones que experimenta la corriente por la presencia de un solenoide. Habilidades: observar, comparar e inferir. No responde correctamente ninguno de los problemas del ítem III. Investigación científica: Variación de corriente en una bobina Sugerencias metodológicas Es recomendable que construyan la bobina utilizando alambre de cobre esmaltado y un tubo de cartón o PVC. El docente debe sugerir a los estudiantes que guarden los materiales, puesto que serán utilizados en las actividades siguientes. Para que la actividad propuesta funcione correctamente, se deben tener las siguientes consideraciones: • El recubrimiento del alambre no debe tener imperfecciones. • El voltaje de la ampolleta no debe superar al de la pila. De hecho, en caso de no observarse el fenómeno, se puede incorporar otra pila en serie con la anterior, para aumentar la diferencia de potencial. Resultados esperados Una vez realizada la actividad, los estudiantes pudieron observar cómo el solenoide produjo variaciones en la corriente detectadas a través de la ampolleta. Ellos proponen que la acción del campo magnético generado por la bobina produce variaciones sobre la corriente. Página 60 Objetivo: analizar la expresión para la energía en una bobina. Habilidad: deducir. Actividad 8: Análisis dimensional de la energía Sugerencias metodológicas Siempre es importante realizar los análisis dimensionales de las expresiones matemáticas; en este caso, la de energía almacenada en una bobina, para comprobar la correspondencia entre el concepto representado y su respectiva unidad en el SI. El docente puede hacer notar que cuando dicha correspondencia no existe, aquello puede ser atribuido a algún error en las variables de la expresión o a un error en el procedimiento algebraico. Para el caso de la energía almacenada en una bobina, es conveniente discutir la factibilidad de esta expresión a través de sus unidades y factores que intervienen. Destacar que el campo magnético en el espacio interior (núcleo) de la bobina es el que contiene mayoritariamente la energía (el campo magnético fuera del núcleo es normalmente pequeño). Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 31 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 32 Capítulo II Electromagnetismo y circuitos eléctricos Página 61 Objetivo: verificar que ciertas expresiones matemáticas para carga y corriente, en función del tiempo, mantienen constante la energía electromagnética en un circuito LC. Habilidad: deducir. Página 62 Actividad 9: Energía electromagnética constante Sugerencias metodológicas El docente debe indicar a sus estudiantes que la energía electromagnética en un circuito LC tiene una forma diferencial, por lo que los valores de carga y corriente en función del tiempo son el resultado de dicha ecuación. Como es natural, la matemática asociada a estos procedimientos escapa a las posibilidades de este curso. Una forma de que los y las estudiantes conozcan algunas soluciones que mantienen constante la energía es verificando matemáticamente ciertas soluciones dadas. Equivalente mecánico de un circuito LC Sugerencias metodológicas En esta página se presenta una analogía mecánica de un circuito LC. Es conveniente que el docente realice el paralelo, mostrando los momentos en que el péndulo tiene energía cinética máxima y mínima, y también cuándo posee energía potencial máxima y mínima, y asociarlas a la energía del condensador y a la bobina. Otra analogía mecánica que el docente puede establecer respecto de un circuito LC es el de un sistema masa resorte que oscila libremente. Página 63 Objetivo: a través de una analogía, explicar el principio de un circuito RLC. Habilidades: comparar y relacionar. Actividad 10: Estableciendo analogías Sugerencias metodológicas La Actividad 10 propone establecer un equivalente mecánico para el caso de un circuito RLC. El docente debe hacer notar que las oscilaciones forzadas que experimenta un sistema masa-resorte en un medio viscoso es equivalente a las oscilaciones que experimenta un circuito LC en presencia de una resistencia R. La resistencia del circuito equivale a la resistencia que ofrece el medio viscoso a las oscilaciones de resorte. Para la actividad, resulta práctico utilizar como resorte un espiral para anillado, puesto que la constante elástica de estos es relativamente baja. También el resorte puede ser remplazado por un elástico, como el utilizado en los billetes. Resultados esperados Los estudiantes identifican y asocian elementos en un sistema mecánico, como resistencia eléctrica con medio viscoso y oscilación mecánica con oscilación electromagnética. Además, en ambos casos (circuito y equivalente mecánico) proponen que la energía disipada se transforma en calor. 32 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 33 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 64 Actividad 11: Comparando energías Objetivo: comparar la representación gráfica de la energía en un circuito LC y en un circuito RLC. Habilidad: asociar. Página 65 Sugerencias metodológicas Es importante que se realice la comparación gráfica entre la energía de los dos circuitos. El docente debe mencionar a los estudiantes que la energía disipada en el circuito RLC se transforma en calor. Cuando un circuito RLC se encuentra con un voltaje alterno, existe resistencia asociada al resistor, al condensador y a la bobina que se llama reactancia óhmica, capacitiva e inductiva, respectivamente. Otra magnitud asociada a los circuitos RLC es la impedancia (Z), que representa la constante de proporcionalidad entre el voltaje máximo y la corriente máxima. Aplicaciones de los circuitos LC y RLC Sugerencias metodológicas En esta página se presentan algunas aplicaciones de los circuitos LC y RLC. El docente puede motivar a los estudiantes para consultar bibliografía acerca de otras aplicaciones de la resonancia en circuitos eléctricos. Páginas 66 y 67 Síntesis y evaluación de capítulo II Resultados esperados En estas páginas se presenta una evaluación que consta de dos partes: una de síntesis y otra de proceso. Proponga a sus alumnos y alumnas que completen el esquema conceptual en sus cuadernos y que luego compartan los resultados con el resto de sus compañeros y compañeras. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Reconoce y aplica el concepto de inducción electromagnética. Responde correctamente los puntos 1, 2 y 3 del ítem II. Responde correctamente dos de los tres puntos. Describe circuitos osciladores LC y RLC.. Responde correctamente Responde correctamente los puntos 4 y 5 del ítem I y uno de los dos puntos del ítem I y parcialmente responde el ítem III. el ítem III, o responde completamente el ítem III. Por lograr Responde solo un punto del ítem II. Responde uno de los dos puntos del ítem I o parcialmente el ítem III. Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 33 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 34 Capítulo II Electromagnetismo y circuitos eléctricos Páginas 68 y 69 Evaluación de síntesis En estas páginas se presenta un instrumento que evalúa los contenidos y habilidades centrales de los capítulos I y II. Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Reconoce las características Responde correctamente de la fuerza eléctrica. las preguntas 1, 2 y 3 del ítem I y la pregunta 1 del ítem III. Medianamente logrado Por lograr Responde correctamente las tres preguntas del ítem I o responde correctamente la pregunta del ítem III. Responde correctamente menos de tres preguntas del ítem I y responde de manera incompleta o incorrecta la pregunta del ítem III. Reconoce y describe características del campo eléctrico y el comportamiento de cargas eléctricas en su presencia. Responde correctamente Responde correctamente las preguntas 4 y 5 del ítem las preguntas del ítem I o I y la pregunta 2 del ítem III. responde correctamente la pregunta del ítem III Responde correctamente menos de dos preguntas del ítem I y de manera incompleta o incorrecta la pregunta del ítem III. Reconoce y comprende la relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos. Responde correctamente las preguntas 6 y 7 del ítem I. Responde de manera incorrecta ambas preguntas del ítem I. Comprende el proceso de carga y descarga de un condensador. Responde correctamente la Responde correctamente pregunta 1 del ítem II. dos de los puntos de la pregunta 1 del ítem II. Responde correctamente solo uno de los puntos de la pregunta 1 del ítem II o ninguno. Comprende las leyes de inducción y las aplica en la resolución de problemas relacionados con transformadores. Responde correctamente la Responde correctamente pregunta 2 del ítem II y la solo una de las preguntas pregunta 3 del ítem III. planteadas. Responde de manera incorrecta ambas preguntas. Actividades diferenciadas: Responde correctamente una de las preguntas del ítem I. Sugiera las siguientes actividades, para cada nivel de logro obtenido por sus estudiantes: Logrado. Explicar el funcionamiento de una botella de Leiden. Medianamente logrado. Realizar un glosario con los conceptos relevantes del capítulo. Por lograr. Leer nuevamente las páginas (12-65), elaborar un glosario de términos relevantes, desarrollar los Ejemplos resueltos y las evaluaciones intermedias del capítulo. 34 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 35 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Actividad complementaria ¿Cómo usar con seguridad la red eléctrica? Motivación En muchos de los experimentos asociados a la electricidad y al magnetismo, es posible que se requiera utilizar la red eléctrica domiciliaria. Pero ¿qué peligros existen en su uso?, ¿cuáles son las precauciones que se deben tomar al momento de usar la red domiciliaria? Formen grupos de cuatro o cinco estudiantes y realicen un listado con las precauciones que hay que tener al momento de usar la red eléctrica domiciliaria. Materiales: 2 detectores de fase (por grupo) y un trozo de cable flexible de unos 2 m de largo. Actividad Para saber cuándo un terminal porta corriente eléctrica, se utilizan los llamados detectores de fase (probador de corriente o busca polos), que se insertan en uno de los agujeros de un enchufe y, al poner un dedo en su extremo, una ampolleta se enciende indicando la circulación de una corriente eléctrica. Para analizar su funcionamiento sigan los siguientes pasos, siempre supervisados por su profesor o profesora: 1. Desarmen uno de los detectores de fase y describan sus componentes. 2. Con mucho cuidado introduzcan en cada uno de los orificios de un terminal de corriente el otro detector de fase (dejen puesto el pulgar en el extremo del detector como se muestra en la fotografía 1). 3. Con dos metros de alambre aislado y huincha aisladora, realicen un montaje similar al que muestra la fotografía 2. Una vez que uno de los extremos del alambre esté conectado a la terminal de corriente, y sosteniendo el probador, den un salto y observen lo que sucede. Anoten sus observaciones y luego respondan las siguientes preguntas: a. ¿Cómo funciona el detector de fase? b. ¿Por qué no sienten los efectos de la corriente eléctrica al poner el dedo en el extremo del probador? c. ¿Qué observaron al saltar con el probador en la mano?, ¿cómo lo explicarían? d. Basándose en lo anterior, ¿por qué las aves no se electrocutan cuando se posan en los cables de los postes del alumbrado público? Indicaciones al docente Notas: Esta es una actividad transversal a toda la unidad de electricidad y magnetismo, puesto que en muchos experimentos y actividades los estudiantes pueden verse tentados a utilizar la red eléctrica domiciliaria. Por esta razón la actividad tiene como objetivo dar a conocer los peligros de su uso, pero, a su vez, señalar cómo utilizarla sin peligro. Funcionamiento del probador de corriente o detector de fase El probador de electricidad permite comprobar la existencia o no de corriente eléctrica. En su interior, en la parte ancha del mango dispone de una resistencia (lámpara de neón). Al poner la punta del destornillador en el conductor con corriente y con el dedo cerrando el circuito en la placa metálica del final del mango del probador, la luz se encenderá. Esto indica la existencia de corriente eléctrica, la cual pasa a través del cuerpo hacia tierra. Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 35 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 36 Capítulo II Electromagnetismo y circuitos eléctricos Ampliación de contenidos para el docente Descarga de condensadores: generador de potencia pulsada Puede resultar interesante para los alumnos y alumnas que el docente explique con detalle una de las aplicaciones del proceso de descarga de condensadores en serie para la generación de plasma (materia a muy alta temperatura). En Chile se realizan investigaciones para producir plasma y estudiar sus propiedades usando generadores de potencia pulsada. Una de las formas de producir plasma es con descargas eléctricas pulsadas. Por ejemplo, en un par de electrodos, entre los que hay un gas, se aplica alto voltaje (miles de volts) en un tiempo muy corto (fracciones de segundo), así el gas se ioniza, produciendo un rayo. Usando fotografías ultrarrápidas, se ha logrado captar imágenes de la secuencia de descarga a través de un gas y de la geometría que adopta el plasma en el tiempo. Desde el año 2002 funciona en nuestro país un equipo llamado SPEED 2, donado por la Universidad de Dusseldorf (Alemania) a la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CChEN). El SPEED 2 es el generador para descargas pulsadas de mayor potencia en el hemisferio sur. Fuente: Archivo editorial. 36 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Funcionamiento del generador El generador es capaz de almacenar 187 mil joules de energía eléctrica que la transforma en un pulso de corriente de 4 000 000 de amperes. Esta energía se almacena en 40 líneas de condensadores y se descarga en un gas contenido en el centro del equipo, donde se produce plasma durante medio microsegundo. Antes de ingresar el gas (que puede ser deuterio o una mezcla de hidrógeno con argón) en la cámara, se hace un vacío de 10-5 mb (mb: milibar, una milésima parte de la presión atmosférica); luego que ingresa el gas, la presión es del orden de algunos milibares. La temperatura que alcanza el gas en su región más densa, en el momento de la descarga, es de unos 5 500 000 a 11 000 000 K. Es importante notar que para capturar información de lo que ocurre en intervalos tan cortos como en la descarga, es necesario usar alta tecnología digital, por ejemplo, un osciloscopio, que es capaz de discernir señales con un intervalo de 10-11 s. La potencia que desarrolla el SPEED 2 en una descarga es de alrededor de 500 mil millones de watts (recuerda que la potencia es la energía liberada en un intervalo de tiempo 1 W = 1 J/s). Esta potencia es 1200 veces mayor que la que produce una central hidroeléctrica como Colbún Machicura, en la VII Región. La clave está en que la energía que se descarga en el gas, aunque no es mayor que la necesaria para hervir medio litro de agua, se libera en una fracción muy corta de tiempo (media millonésima de segundo). Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 37 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Bibliografía • Hewitt, Paul G. (2007). Física conceptual. México: Pearson Educación. Capítulo 25. En este libro no se trabajan herramientas matemáticas complejas, sino que se exponen los conceptos a través de muchos ejemplos y definiciones muy precisas. • Mengual, Juan Ignacio. (2007). Física al alcance de todos. Madrid: Pearson Educación. Capítulos: 10 y 11. Libro que aborda los distintos conceptos de la física, a través de una mirada centrada en ejemplos cotidianos y en la rigurosidad conceptual. • Serway, Raymond. (2005). Física para ciencias e ingeniería. México: Thomson Editores. Capítulos: 6 a 11. Libro que provee herramientas matemáticas suficientes para profundizar de mejor manera en el desarrollo de los conceptos. Páginas webs sugeridas para el docente: • http://personales.upv.es/jogomez/simula/Tema14/RC_Demo.html Se puede encontrar una animación interactiva que representa un circuito RC. • http://personales.upv.es/jogomez/simula/Tema13/drag.html Contiene una animación que muestra la ley de Faraday. • http://personales.upv.es/jogomez/simula/Tema14/LRC_Demo.html Contiene una animación que muestra un circuito RLC. Capítulo II - Electromagnetismo y circuitos eléctricos 37 38 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo • Transmisión y recepción de ondas electromagnéticas. (3 horas) • Aplicaciones del espectro electromagnético. (3 horas) • Espectro electromagnético. (3 horas) • Características de las ondas electromagnéticas. (4 horas) 3. Identificar los diferentes tipos de ondas electromagnéticas. 2. Describir los aportes realizados al electromagnetismo por James Maxwell y Heinrich Hertz. 1. Reconocer que la vibración de una carga eléctrica produce una onda electromagnética que se propaga por el espacio. Aprendizajes esperados 3.1 Clasifica los distintas ondas electromagnéticas según su frecuencia. 2.2 Comprende las consecuencias del experimento de Hertz. 2.1 Reconoce las principales predicciones de la teoría electromagnética de Maxwell. 1.2 Explica la propagación de las ondas electromagnéticas como inducciones sucesivas de campos eléctricos y magnéticos. 1.1 Reconoce que toda carga acelerada emite una onda electromagnética. Criterios de evaluación Infografías: 2. Organizadores gráficos: 1. Lecturas de apoyo: 3. • • Sitios web: 2. • • Esquemas:11. Ilustraciones: 7. • • Fotografías: 20. • Recursos didácticos Páginas 84-87 • Evaluación sumativa del docente Guía didáctica • Evaluación sumativa Evaluación de síntesis capítulo I, II y III: páginas100-102. Síntesis y evaluación de capítulo III: páginas 94 y 95. Evaluación intermedia: página 86. • Evaluación formativa del estudiante Texto Evaluaciones III • Emisión y propagación de ondas electromagnéticas. (3 horas) Contenidos/tiempo Planificación del capítulo III Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 38 Capítulo Ondas electromagnéticas 5. Describir el mecanismo de transmisión y recepción a través de ondas electromagnéticas. 4. Comparar las ondas electromagnéticas y las ondas mecánicas y reconocer en la luz las microondas, los rayos X, etc., ondas electromagnéticas de diferente frecuencia y energía. 5.2 Describe el proceso de recepción de ondas de radio. 5.1 Describe el proceso de transmisión de ondas de radio. 4.2 Describe las aplicaciones de las zonas del espectro electromagnético. 4.1 Señala las diferencias y semejanzas entre ondas mecánicas y ondas electromagnéticas. Materiales: diodo de germanio tubo de PVC m. condensador variable l. k. cables conectores j. auricular de teléfono i. h. regla g. hoja de papel f. una cuerda e. soporte universal d. alambre de cobre c. batería de automóvil b. brújula a. papel aluminio • Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 39 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Capítulo III - Ondas electromagnéticas 39 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 40 Capítulo III Ondas electromagnéticas Orientaciones metodológicas Orientaciones generales del capítulo Los objetivos del capítulo son que los estudiantes establezcan la relación entre cargas eléctricas aceleradas y la generación de ondas electromagnéticas y que reconozcan la gran importancia de las ondas electromagnéticas en el mundo en que vivimos. El docente, junto con entregar el contenido, puede orientar una reflexión respecto a los medios de comunicación que transmiten por ondas (radio, televisión, teléfono, entre otros.); por ejemplo: ideas y valores que promueven. En este capítulo, es posible que los estudiantes realicen experimentos verdaderos y no tengan que limitarse a trabajar con simples modelos o simulaciones de situaciones inaccesibles directamente. Esta oportunidad debe aprovecharse. Es conveniente desarrollar actividades destinadas a satisfacer inquietudes de alumnas y alumnos respecto al tema. El texto propone una variedad de actividades de diversos niveles de dificultad de implementación. Errores más frecuentes • ¿Emisión y transmisión son lo mismo? En ondas electromagnéticas, los conceptos de emisión y transmisión son totalmente distintos, ya que la emisión electromagnética es un proceso generado a nivel atómico y como consecuencia de la estabilidad energética del átomo. La transmisión electromagnética, en cambio, es el proceso en que la energía se propaga a través del espacio (vacío o medio material) como una onda transversal y cuya rapidez es igual a la de la luz. Más que una concepción errada, a los alumnos y alumnas les cuesta comprender y sobre todo imaginar que una onda electromagnética sea catalogada como transversal y que pueda viajar en el vacío. Esto se puede aclarar mostrando la diferencia entre onda longitudinal y una onda transversal, con un resorte largo. Después de establecer esta diferencia se puede recurrir a una maqueta, que la podrían construir los propios estudiantes, en que se represente el campo eléctrico y el campo magnético variable en el tiempo y la dirección de la propagación de la onda. 40 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 41 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Páginas 70 y 71 Objetivo: observar que una perturbación de origen electromagnético, que se propaga a través del espacio, transporta energía. Habilidades: observar, describir e inferir. Actividad 1: Relacionando fenómenos eléctricos y magnéticos Sugerencias metodológicas El principio de la actividad propuesta se encuentra en la fuente variable que origina la corriente (batería de automóvil que se conecta y desconecta). Es importante que señale a sus estudiantes que la batería entrega c. c., y que la variación de esta no se produce por un cambio de sentido en la corriente, sino que por un proceso de conexión y desconexión de la fuente. Debido a esto, las cargas oscilan emitiendo una onda electromagnética, la que puede ser detectada por la brújula o el péndulo electrizado. El docente debe poner énfasis en que “algo” entre el conductor y la brújula y/o péndulo se propaga. Se deben considerar los siguientes aspectos para que la actividad indagatoria resulte de forma óptima: • La batería de automóvil debe estar con carga completa. • La esfera de papel aluminio debe ser pequeña y, además, estar conectada a un cable muy flexible. • La distancia entre el péndulo y el conductor no debe ser superior a 20 cm. Resultados esperados Los estudiantes observan que al conectar y desconectar la batería, el péndulo y la aguja de la brújula oscilan. A partir de ello, infieren que una onda de características electromagnéticas se transmite por el espacio entre el conductor y el péndulo, y además proponen que dicha onda transporta energía. Página 73 Objetivo: analizar el experimento de Hertz y sus consecuencias. Habilidad: inferir. Actividad 2: El experimento de Hertz Sugerencias metodológicas Uno de los experimentos clave en la historia del electromagnetismo fue el que realizó el físico alemán Heinrich Hertz, puesto que con este experimento se comprobó la existencia de las ondas electromagnéticas. El docente debe poner especial énfasis en que, en física, los postulados teóricos deben ser validados experimentalmente. Este es uno de los procesos fundamentales del quehacer científico. Algunas orientaciones que pueden guiar el análisis propuesto en la actividad son: • Hertz utilizó un circuito LC debido a que produce la oscilación de cargas. Esta oscilación a su vez genera una onda electromagnética. • Al variar el plano detector respecto de la propagación del campo magnético. El flujo magnético detectado disminuye hasta cero, cuando el plano detector es paralelo al campo (plano xz). • Se produce resonancia cuando la frecuencia del emisor coincide con la frecuencia natural del detector. Actividad complementaria Notas: El profesor o profesora puede complementar esta actividad pidiendo a los estudiantes que mencionen o investiguen situaciones en física en las que los postulados y predicciones teóricas hayan sido demostradas experimentalmente tiempo después. Capítulo III - Ondas electromagnéticas 41 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 42 Capítulo III Ondas electromagnéticas Página 74 Objetivo: inferir que las variaciones en el campo eléctrico de una carga que oscila generan una onda electromagnética. Habilidades: comparar e inferir. Página 78 Objetivo: investigar sobre el experimento de Michelson y Morley. Habilidad: explicar. Actividad 3: Carga eléctrica oscilante Sugerencias metodológicas En la actividad se presenta una situación hipotética donde se muestra una carga positiva que oscila verticalmente. Hacer ver que las variaciones de las líneas de fuerza del campo eléctrico generadas por esta carga afectan a otras cargas que puedan encontrarse en sus inmediaciones y que, como su movimiento vertical corresponde a una corriente alterna que genera un campo magnético variable, afectará también los imanes que se encuentran a su alrededor. En este caso enfatizar que ambos efectos, el eléctrico y el magnético, son inseparables. Actividad 4: Describiendo el experimento de Michelson y Morley Sugerencias metodológicas Si bien no es parte del contenido, es importante que el docente invite a los estudiantes a investigar ciertos hitos de la física que posibilitaron la instalación de nuevos paradigmas científicos. El experimento de Michelson y Morley es uno de los grandes acontecimientos de la física moderna. Por mucho tiempo se especuló que la luz, al igual que una onda mecánica, se propagaba en un medio al que se le llamó éter cósmico. A partir del experimento de Michelson y Morley se demostró que la luz y toda onda electromagnética se propagan en el vacío. El docente debe solicitar a los alumnos y alumnas que describan el diseño experimental utilizado por Michelson y Morley, y señalen en la hipótesis sobre la que fundaron su experimento. Puede proponerles una investigación bibliográfica respecto de los grandes experimentos realizados en los siglos XIX y XX, donde podrían describir los diseños experimentales y las hipótesis de trabajo en cada caso. Luego comunicar el resultado de su investigación al resto del curso a través de un informe escrito y/o una presentación. Página 79 Objetivo: a partir de la expresión de la velocidad de una onda mecánica, proponer una fórmula que represente la velocidad de una onda electromagnética. Habilidad: relacionar. Actividad 5: Ondas mecánicas Sugerencias metodológicas Seguramente en la unidad de sonido de 1.º medio, los estudiantes vieron la expresión matemática que representaba la velocidad de una onda sonora. Es importante que el docente haga la conexión con dicho contenido al momento de presentar la fórmula de la rapidez de una onda electromagnética. Un aspecto que se debe destacar es que la velocidad de una onda electromagnética se mantiene constante (siempre y cuando no cambie de medio de propagación). En la misma página se habla de la intensidad de una onda electromagnética. Si bien esta es una característica de una onda electromagnética que se relaciona con la energía, el docente puede proponer que los alumnos y alumnas investiguen cuál es la relación matemática entre distancia e intensidad en una onda electromagnética. 42 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 43 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Resultados esperados Es aplicable la relación v = λf, pero al remplazar la velocidad, por la de la luz en el vacío, la relación queda c = λf Página 80 Objetivo: comprender que la polarización de ondas solo ocurre con aquellas que son transversales. Habilidad: observar. Actividad 6: Polarización de ondas Sugerencias metodológicas Una de las características de una onda electromagnética es que estas se pueden polarizar. Esto resulta evidente para las ondas electromagnéticas en el espectro visible. Una evidencia de que las ondas electromagnéticas son transversales es justamente que estas se polarizan; por ello, se propone la Actividad 6 para entender el fenómeno de la polarización. Un polarizador en términos simples es un filtro que deja pasar las ondas cuya dirección de vibración coincide con la rendija del polarizador. El docente puede proponer a los estudiantes que busquen algunos objetos, como lentes ahumados u otros polarizadores y que observen el fenómeno producido con la luz al girar un cristal respecto de otro. Página 81 Objetivo: distinguir las semejanzas y diferencias entre ondas electromagnéticas y ondas mecánicas. Habilidad: comparar. Actividad 7: Ondas mecánicas y electromagnéticas Sugerencias metodológicas Es importante que los estudiantes realicen una síntesis detallada con todas las diferencias y semejanzas entre ondas mecánicas y ondas electromagnéticas. Entre las diferencias, destacar: a. Las ondas mecánicas no pueden propagarse por el vacío, como lo hacen las ondas electromagnéticas. b. En las ondas mecánicas, hay partículas materiales (átomos y moléculas) que vibran en el medio por el que viajan. Lo que oscila en las ondas electromagnéticas son los campos eléctricos y magnéticos. c. Las ondas electromagnéticas son exclusivamente transversales. En las ondas mecánicas encontramos, además, ondas longitudinales (por ejemplo, el sonido en el aire) y ondas de torsión. Entre las semejanzas, destacar: a. La descripción cuantitativa de las ondas electromagnéticas y las mecánicas es formalmente idéntica. Para ambas tienen sentido los conceptos de amplitud de onda, longitud de onda y de frecuencia, y en ambos casos la velocidad con que se propaga está dada por el producto entre de la longitud y la frecuencia. b. Ambos tipos de ondas experimentan prácticamente los mismos fenómenos. Por ejemplo, se reflejan, refractan, dispersan y difractan. Como el rango de longitudes de onda del espectro electromagnético es tan amplio, para poner en evidencia estos fenómenos, fuera del rango visible, se requiere de experimentos conceptualmente idénticos a los que conocemos de la óptica, pero con montajes tanto más diferentes mientras más nos alejamos de la zona visible del espectro. Capítulo III - Ondas electromagnéticas 43 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 44 Capítulo III Ondas electromagnéticas Páginas 82 y 83 El espectro electromagnético Sugerencias metodológicas En estas páginas se presentan las principales características físicas de cada una de las zonas del espectro electromagnético. Es importante que el docente destaque que todas las ondas electromagnéticas están compuestas por fotones, los que solo difieren en su energía; por consiguiente, tienen distinta longitud de onda y frecuencia. Página 85 Objetivo: realizar una investigación bibliográfica respecto de las aplicaciones de las ondas electromagnéticas. Habilidad: clasificar. Actividad 8: Aplicaciones de las ondas electromagnéticas Sugerencias metodológicas Es importante que el profesor o profesora ponga especial énfasis respecto de las aplicaciones de las distintas zonas del espectro electromagnético. En el mundo en que vivimos, podemos ver distintas aplicaciones de las ondas electromagnéticas en: electrodomésticos, telecomunicación, medicina, industria, etc. Por lo mismo, el docente debe motivar a los estudiantes a que investiguen la real importancia de dichas aplicaciones y sus consecuentes beneficios para mejorar la calidad de vida. También se puede proponer que los alumnos y alumnas investiguen eventuales desventajas que tenga la utilización de tecnología en la que estén presentes las distintas zonas del espectro electromagnético. Por ejemplo, la exposición a luz ultravioleta en los solárium. La exposición prolongada a las microondas de los celulares. Actividad complementaria Notas: Un tema transversal, interesante de ser planteado, tiene que ver con el costo de implementar cada vez más y mejor tecnología. Puede guiar una posible investigación y/o debate con las siguientes preguntas: • • • • 44 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo ¿Cuáles son los costos y beneficios, para los países menos desarrollados, de la implementación de nueva tecnología? ¿Se benefician todos por igual de las nuevas tecnologías? ¿De dónde se obtienen las materias primas para crear las nuevas tecnologías? ¿Existen aplicaciones militares de las tecnologías asociadas a las ondas electromagnéticas? Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 45 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 86 Evaluación intermedia Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica: Indicador de logro Logrado Reconoce el proceso en el que se genera una onda electromagnética. Completa correctamente la oración b. Completa parcialmente la oración b. No completa la oración b. Identifica a los físicos involucrados en la predicción y confirmación de la existencia de las ondas electromagnéticas. Completa correctamente la oración a. Completa parcialmente la oración a. No completa la oración a. Reconoce las características de las ondas electromagnéticas. Responde correctamente los ítems 2, 3 y completa correctamente la oración c. Responde correctamente solo un ítem y completa parcialmente la oración c o responde correctamente los ítems 2 y 3. Responde solo uno de los ítems o completa parcialmente la oración c. Clasifica las distintas ondas en el espectro electromagnético. Responde correctamente los ítems 1, 4 y 5. Responde dos de los tres ítems. Responde solo un ítem. Actividades diferenciadas: Medianamente logrado Por lograr Sugiera las siguientes actividades a partir del nivel de logro obtenido por sus estudiantes: Logrado. Realizar algunos ejercicios con los que se profundicen los modelos matemáticos. Medianamente logrado. Construir un glosario con los conceptos relevantes. Por lograr. Leer nuevamente las páginas (70-85) y elaborar un glosario con los conceptos relevantes. Capítulo III - Ondas electromagnéticas 45 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 46 Capítulo III Ondas electromagnéticas Actividad 9: Transmisión de información a través de una onda electromagnética Página 87 Objetivo: comprender, de forma análoga, el proceso en que se realiza una transmisión televisiva. Habilidades: modelar e inferir. Sugerencias metodológicas La indagación propone una actividad muy simple, en la que se representa el proceso de codificación y decodificación de una señal televisiva. Es importante que el docente guíe la actividad, propiciando que los estudiantes realicen las analogías pertinentes, puesto que no es una actividad experimental. Página 90 Objetivo: construir un receptor de radio. Habilidad: aplicar. Actividad 10: Construcción de un receptor de radio Sugerencias metodológicas La actividad sugiere la construcción de un simple receptor de radio (similar a la vieja radio galena). Se requiere un auricular de teléfono (idealmente de unos 2000 Ω de impedancia). Otro elemento importante es el diodo de germanio (D), el cual sustituye a la piedra galena. Algunos que pueden remplazar a aquel en la actividad son 1N60 o el 1N4148. El condensador variable lo pueden conseguir de una vieja radio a pilas. Página 91 Actividad 11: Historia de la radio Objetivo: realizar una investigación bibliográfica respecto a la historia de la radio. Sugerencias metodológicas Habilidad: clasificar. • Contribución de la radio a la globalización mundial. • Papel de este medio de comunicación en la actualidad. En la actividad que se propone, el docente debe poner énfasis en aquellos aspectos culturales asociados al medio de comunicación. Se puede guiar la actividad a través de los siguientes puntos: Resultados esperados Reconocen la importancia de Hertz, Marconi, Popov y Tesla en el desarrollo de la radiofonía. Haga notar a sus estudiantes el carácter colaborativo de la ciencia, pues cada descubrimiento nuevo tiene un precedente en el que se apoya. Observan que la mayor velocidad en las comunicaciones acelera los intercambios económicos, científicos y culturales. 46 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 47 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Página 94 y 95 Síntesis y evaluación de capítulo III Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica. Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Reconoce la naturaleza de Responde correctamente una onda electromagnética. los puntos 1 y 2 del ítem I. Responde correctamente uno de los puntos del ítem I. No responde ningún punto del ítem I. Explica, en términos de sus características, qué es una onda electromagnética. Responde correctamente los puntos 3, 4 y 5 del ítem I, y los puntos 1, 2 y 3 del ítem II. Responde correctamente cuatro de los seis puntos. Responde tres o menos puntos. Reconoce algunas características de las ondas radiales. Responde el punto 6 del ítem I y el ítem III. Responde el punto 6 del ítem I y parcialmente el ítem III, o responde completamente el ítem III. Responde solo el punto 6 del ítem I o responde parcialmente el ítem III. Actividades diferenciadas: Para atender los diferentes ritmos de aprendizaje de sus estudiantes, asigne algunas tareas específicas para cada uno de niveles de logro, como por ejemplo: realizar un glosario de conceptos relevantes, resolver nuevamente la evaluación intermedia y los ejemplos resueltos, y/o desarrollar ejercicios adicionales de profundización. Capítulo III - Ondas electromagnéticas 47 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 48 Capítulo III Ondas electromagnéticas Páginas 100-102 Evaluación de síntesis Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación final, se propone la siguiente rúbrica: Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Aplica relaciones y leyes para resolver problemas. Responde correctamente al menos dos ítems (2, 3 o 4) del Comprendo, el ítem 4 del Analizo y el ítem 3 del Aplico. Responde un ítem del Comprendo, el ítem 4 del Analizo y el ítem 3 del Aplico o responde los tres ítems del Comprendo y uno de los ítems del Analizo o Aplico. Responde solo los ítems del Comprendo o responde un ítem del Comprendo y uno de los ítems del Analizo o Aplico, o menos. Describe fenómenos eléctricos y magnéticos. Responde correctamente el ítem 1 del Comprendo, los ítems 1 y 3 del Analizo y el ítem 5 del Aplico. Responde correctamente el ítem 1 del Comprendo, el ítem 1 o 3 del Analizo y el ítem 5 del Aplico, o responde los dos ítems del Analizo y el ítem 5 del Aplico. Responde correctamente dos o menos ítems (independiente de la combinación). Aplica algunos principios del electromagnetismo. Responde correctamente el ítem 5 del Analizo y los ítems 1, 2 y 4 del Aplico. Responde el ítem 5 del Analizo y dos ítems del Aplico, o responde solo los tres ítems del Aplico. Responde correctamente dos o menos ítems (independiente de la combinación) Describe las características de las ondas electromagnéticas. Responde correctamente el ítem 2 del Analizo y el ítem 6 del Aplico. Responde uno de los dos ítems. No responde ningún ítem. Página 103 Proyecto de investigación bibliográfica Para evaluar el proyecto, se propone la siguiente pauta de cotejo: Criterio Puntualidad en la entrega del informe. Reconocimiento de la importancia del conocimiento científico. Profundización del tema. Calidad de las fuentes bibliográficas. Nivel de cobertura de los ítems. Claridad con que se exponen las conclusiones. Capacidad de análisis y proyección acerca del tema. Presentación general del trabajo. 48 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Puntaje de 1-10 Unidad 1_Maquetación 1 10-11-11 12:02 Página 49 Unidad 1 - Electricidad y magnetismo Ampliación de contenidos para el docente Rayos gamma: aplicación de ondas electromagnéticas de alta energía Es interesante que el docente explique algunas aplicaciones positivas de la radiación gamma. Por ejemplo, la potencia de los rayos gamma los hace útiles en la esterilización de equipamiento médico. Se suelen utilizar para matar bacterias e insectos en productos alimentarios, tales como carne, huevos y vegetales, con el fin de mantenerlos por mayor tiempo. Debido a la capacidad de penetrar en los tejidos, los rayos gamma y los rayos X tienen un amplio espectro de usos médicos, como la realización de tomografías y radioterapias. Sin embargo, como forma de radiación ionizante, tienen la capacidad de provocar cambios moleculares, pudiendo tener efectos cancerígenos si el ADN es afectado. A pesar de estos efectos, los rayos gamma también se utilizan para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer. En el procedimiento llamado cirugía gamma-knife, múltiples rayos γ concentrados son dirigidos hacia células cancerosas. Los rayos son emitidos desde distintos ángulos para focalizar la radiación en el tumor, a la vez que se minimiza el daño a los tejidos próximos. Fuente: archivo editorial. Bibliografía • Hewitt, Paul G. (2007). Física conceptual. México: Pearson Educación. Capítulo 26. En este libro no se trabajan herramientas matemáticas complejas, sino que se exponen los conceptos a través de muchos ejemplos y definiciones muy precisas. • Mengual, Juan Ignacio. (2007). Física al alcance de todos. Madrid: Pearson Educación. Capítulos: 12 y 13. Libro que aborda los distintos conceptos de la física, a través de una mirada centrada en ejemplos cotidianos y en la rigurosidad conceptual. • Serway, Raymond. (2005). Física para Ciencias e Ingeniería. México: Thomson Editores. Capítulo 12. Libro que provee herramientas matemáticas suficientes para profundizar de mejor manera en el desarrollo de los conceptos. Páginas webs sugeridas para el docente: • http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/05/ondas-y-propiedades-de-las-ondas.html Contiene un video que muestra la emisión y propagación de las ondas electromagnéticas. Capítulo III - Ondas electromagnéticas 49 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 50 Unidad 2 El mundo átomico Objetivos Fundamentales Verticales 1. Utilizar la noción de átomo y su estructura para comprender los fenómenos subyacentes de lo que se observa en la vida diaria; apoyarse en estas relaciones para asociarse con otros campos del conocimiento científico, como química y biología. 2. Recoger, sistematizar y evaluar información científica de diversas fuentes y comunicar los resultados en forma oral y escrita. Contenidos Mínimos Obligatorios 1. El átomo a. Constituyentes del átomo: descripción cualitativa del experimento de Ernest Rutherford. Análisis mecánico del átomo de Niels Bohr para el átomo de hidrógeno. b. Formulación del principio de incertidumbre. Discusión, a través de ejemplos, de ámbito de relevancia fenomenológica: el mundo atómico y el ámbito macroscópico. Abandono del concepto clásico de trayectoria y sus consecuencias en la descripción del movimiento. 2. El núcleo atómico a. Dimensiones del núcleo en relación con el átomo. Protones y neutrones. Su masa, carga eléctrica y espín. Isótopos. b. Descripción fenomenológica del decaimiento radiactivo. Vida media. Radiactividad natural. Ejemplos, como las aplicaciones en medicina, la datación geológica y arqueológica, etc. c. El núcleo atómico como fuente de energía. Relación entre masa y energía. Aplicaciones en fenómenos como el decaimiento del neutrón, la fisión y la fusión nuclear. d. Fuerzas nucleares. Nociones elementales acerca de cómo se mantiene unido el núcleo. Comparación de la magnitud relativa de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. e. Investigación bibliográfica y ensayo acerca de un tema de la física contemporánea que contemple la revisión de diversas fuentes, incluyendo recursos informáticos; presentación oral y escrita. 50 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 51 Aprendizajes esperados • Aplicar el modelo atómico de Niels Bohr a la descripción del átomo de hidrógeno. • Enunciar, explicar e interpretar el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg. • Analizar algunas consecuencias que el principio de incertidumbre implica en el ámbito microscópico. • Reconocer que en el ámbito atómico el comportamiento de los objetos es diferente al del ámbito cotidiano macroscópico, de modo que no es siempre sensato extrapolar lo que sabemos a ámbitos de ignorancia. • Reconocer la pequeñez del tamaño y la alta densidad de masa del núcleo atómico, así como las características principales de las partículas que lo componen: neutrones y protones. • Comprender y comunicar los conceptos de radiactividad y vida media de un núcleo atómico. • Identificar algunos isótopos de importancia en medicina y otros ámbitos de aplicación pacífica de la desintegración nuclear, como la datación de material arqueológico. • Apreciar la alta eficiencia de la conversión de masa en energía en las reacciones nucleares, en comparación con la conversión química o térmica. • Comprender que existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza, su ordenación de más débil a más fuerte, así como el ámbito en que cada una opera. • Reconocer en la física una visión del mundo viva, que evoluciona constantemente a través de la investigación científica, llevándonos a una comprensión cada vez más acabada de la materia y el universo. Unidad 2 - El mundo atómico 51 52 Unidad 2 - El mundo atómico • Principio de incertidumbre de Heisenberg. (3 horas) • Incerteza clásica. (3 horas) • Aplicaciones del modelo de Bohr en el átomo de hidrógeno. (3 horas) • Modelos atómicos (Dalton-ThomsonRutherford-Bohr). (4 horas) 3. Enunciar, explicar e interpretar el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg. 2. Aplicar el modelo atómico de Niels Bohr a la descripción del átomo de hidrógeno. 1. Describir los constituyentes del átomo y el contexto histórico de sus descubrimientos. Aprendizajes esperados 3.2 Reconoce e interpreta la formulación del principio de incertidumbre. 3.1 Reconoce el error asociado a la medición clásica. 2.2 Explica las líneas espectrales. 2.1 Aplica la relación de la energía del estado estacionario en el átomo de hidrógeno. 1.2 Reconoce los principales logros y deficiencias en los modelos atómicos. 1.1 Explica las primeras concepciones históricas del átomo. Criterios de evaluación • • Lecturas de apoyo: 2. Lecturas de apoyo: 3. Organizadores gráficos: 2. Sitios web: 3. • • Esquemas: 3. Ilustraciones: 17. • • Fotografías: 19. • Recursos didácticos Páginas 88-90. • Evaluación complementaria del docente Guía didáctica • Evaluación sumativa Evaluación de síntesis: páginas 180-182. Síntesis y evaluación de capítulo I: 138 y 139. Evaluación intermedia: página 129. • Evaluación formativa del estudiante Texto Evaluaciones I • Evolución de la concepción del átomo. (3 horas) Contenidos/tiempo Planificación del capítulo I Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 52 Capítulo El modelo atómico 4. Analizar algunas consecuencias que el principio de incertidumbre implica en el ámbito microscópico. 5.2 Establece algunos principios y leyes comunes del mundo atómico y macroscópico. 5.1 Establece diferencias entre las leyes y principios que actúan en el mundo atómico y el mundo macroscópico. 4.2 Reconoce las consecuencias filosóficas del fin del determinismo científico. 4.1 Reconoce la imposibilidad de medir de forma simultánea la posición y momentum de un electrón. Materiales: maderas goma j. k. monitor de televisión hilo i. h. formas de madera g. cartón f. e. bolitas de cristal d. regla c. lupa b. papel a. tijeras • Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 53 Unidad 2 - El mundo atómico Capítulo I - El modelo atómico 53 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 54 Capítulo I El modelo atómico Orientaciones metodológicas Orientaciones generales del capítulo Es conveniente tener presente las siguientes observaciones y sugerencias para el mejor desarrollo del capítulo. Como en esta área de la física el trabajo experimental directo no resulta en general posible, es conveniente abordar los aspectos experimentales con modelos. Hacer también máximo uso de material bibliográfico, audiovisual y de Internet. Explicar a los estudiantes que a toda medición se asocia una incerteza; es posible que tal aspecto haya sido dejado de lado. Si así ha ocurrido, será indispensable dedicarle cierto tiempo a esta problemática, con las actividades sugeridas. En el ámbito de la física del átomo, se abandonan conceptos de la física clásica, como posición, trayectoria, velocidad y la continuidad de la energía, entre otros. Se debe poner especial cuidado en la presentación de estos contenidos a los estudiantes. Errores más frecuentes • El átomo y su representación errónea Cada vez que se nos viene a la mente la palabra átomo, tendemos a imaginar un sistema solar en miniatura, donde el núcleo está siendo orbitado por los electrones. Esta imagen, instalada culturalmente, es una visión errónea y poco realista respecto al modelo actual. Por lo mismo, el docente debe ayudar a sus alumnas y alumnos a modificar dicha representación y a no pensar que esta representa fielmente al átomo. Página 105 Actividad inicial Sugerencias metodológicas El objetivo de esta actividad es que, con las fotografías, los estudiantes trabajen sus concepciones previas respecto a la constitución interna de la materia. Para ello se les propone una serie de preguntas en torno a las imágenes. Pídales que trabajen en grupos de dos o tres estudiantes y que registren sus respuestas en el cuaderno. Páginas 106 y 107 Evaluación diagnóstica La evaluación diagnóstica consta de ítems cuyos contenidos han sido vistos en asignaturas como química y física en los años anteriores, y también de ítems de razonamiento espontáneo. Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. 54 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 55 Unidad 2 - El mundo atómico Rúbrica para la evaluación diagnóstica Indicadores de logro Logrado Identifica algunas características de los átomos. Responde la pregunta 1 y los cinco puntos de la pregunta 3. Explica cómo se mantienen unidas las moléculas en la materia. Escoge la explicación B de la pregunta 2. Reconoce la representación Asocia correctamente los gráfica de los distintos tres modelos con el modelos atómicos. personaje que lo planteó, en la pregunta 4. Medianamente logrado Responde la pregunta 1 y tres puntos de la pregunta 3. Por lograr Responde la pregunta y dos o menos puntos de la pregunta 3 o no responde el ítem 1. Escoge la explicación A o C, de la pregunta 2. Asocia correctamente dos de los tres modelos con el personaje que lo planteó, en la pregunta 4. Asocia correctamente solo un modelo con el personaje que lo planteó o no los asocia en la pregunta 4. Reconoce algunas de las características de las fuerzas que actúan a nivel atómico. Determina las frases falsas y Determina las frases falsas, las convierte en verdaderas pero no las convierte en en el punto 5. verdaderas, en el punto 5. No determina las frases falsas en el punto 5. Reconoce cómo se origina la luz. Escoge la explicación C, en el punto 6. Escoge la explicación B del punto 6. Escoge la explicación A o D del punto 6. Explica de donde proviene la energía atómica. Escoge la explicación A, en el punto 7. Escoge la explicación B del punto 7. Escoge la explicación C o D del punto 7. Página 108 Objetivo: plantear hipótesis respecto a la siguiente pregunta: ¿hasta dónde se puede dividir la materia? Habilidad: establecer modelos. Actividad 1: ¿Hasta dónde se puede dividir la materia? Sugerencias metodológicas Una de las preguntas clásicas en la historia del conocimiento es la que se propone en la Actividad 1. Para ello, a los estudiantes se les sugiere una actividad en la que se muestra la imposibilidad de dividir la materia con métodos tradicionales. El docente debe poner especial énfasis en que, pese a que en la actividad se realiza un procedimiento que requiere la utilización de materiales, esta no es de carácter experimental, sino que corresponde a una analogía o modelo respecto al comportamiento de la materia.. Capítulo I - El modelo atómico 55 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 56 Capítulo I El modelo atómico Página 109 Objetivo: reflexionar acerca de la validez de los postulados de la teoría atomista. Habilidades: reconecer y comprender. Actividad 2: Postulados de la teoría atomista Sugerencias metodológicas Aunque la teoría atomista surge en la Grecia antigua, muchos de sus postulados continúan siendo válidos hasta hoy. Es por ello que para la actividad los estudiantes, basándose en sus propios conocimientos, deben dar argumentos a favor o en contra de los postulados de la teoría atomista. Puede guiar la discusión con los siguientes argumentos: Postulados Postulado 1 Argumentos A favor: la mayor parte de la materia es espacio vacío. En contra: el vacío en la materia no es observable directamente. Postulado 2 A favor: los átomos son pequeñas partículas cuya dureza puede ser relacionada con la energía necesaria para dividirlos. En contra: los átomos no son las partículas elementales y las cualidades como el color, sabor y temperatura sí tienen que ver con las propiedades de los átomos y moléculas. Postulado 3 A favor: de la combinación de las partículas constituyentes de los átomos se forman los distintos elementos. En contra: los elementos no son cuatro. Página 110 Objetivo: realizar una investigación bibliográfica sobre los antecedentes y principales aportes a la idea del átomo a lo largo del tiempo. Habilidades: ordenar y sintetizar. Actividad 3: Línea de tiempo en el átomo Sugerencias metodológicas Es importante que el docente motive a sus estudiantes a reunir y organizar información histórica referente a la evolución del concepto de átomo. Asimismo, apoyarlos muy de cerca en este trabajo, especialmente en la etapa de su diseño, con el propósito de que el esquema incluya aspectos como los siguientes: las concepciones de la materia de Tales de Mileto (quien postulaba que el agua era la sustancia básica del universo) y de Empédocles (quien postulaba que las cosas están hechas de cuatro elementos), cuyas ideas posteriormente son apoyadas por Aristóteles. Se puede sugerir que la diagramación siga una línea de tiempo. Debe cuidarse que en el afiche los textos sean breves pero significativos, que los datos e información sean rigurosos y que las imágenes sean representativas. 56 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 57 Unidad 2 - El mundo atómico Página 113 Objetivo: relacionar las evidencias obtenidas por Thomson en su experimento, con la conclusión que corresponda. Habilidad: inferir. Actividad 4: Observaciones de Thomson Sugerencias metodológicas Una de las etapas en todo experimento científico es aquella en la que se extraen conclusiones a partir de las evidencias experimentales. De forma muy parcelada, en la actividad se pide a los estudiantes que repliquen parte de este proceso, relacionando evidencia y conclusión. Resultados esperados Los alumnos y alumnas establecen las siguientes relaciones entre las evidencias y las conclusiones. Evidencia Conclusión Los rayos producen sombra. Se propagan en línea recta. Los rayos se desvían al pasar por un campo magnético. Son partículas con carga eléctrica. Los rayos van siempre de la placa negativa (cátodo) a la Tienen carga eléctrica negativa. placa positiva (ánodo). Página 114 Objetivo: realizar observaciones indirectas a través de colisiones para establecer modelos respecto de la forma de un objeto. Habilidades: observar, establecer modelos e inferir. Ética y valores en ciencia A partir de esta actividad, promueva el orden en el desarrollo del procedimiento y en la entrega de los resultados. Es importante señalar a sus estudiantes que al respetar el orden en un procedimiento experimental, los resultados obtenidos son de mayor confiabilidad. Investigación científica: ¿Cómo determinar las características geométricas de un objeto, sin verlo directamente? Sugerencias metodológicas Esta actividad es altamente instructiva, en el sentido de que se muestra claramente un aspecto importante de la metodología científica: la observación indirecta. Es recomendable que se trabaje la actividad con diferentes formas: cuadrado, triángulo y estrella, entre otras. El deducir dichas formas durante la actividad puede resultar una tarea difícil para los estudiantes, quienes necesitarán efectuar un número importante de disparos y estar muy atentos para observar lo que ocurre en cada uno de ellos. Si se utilizan bolitas de 1 cm de diámetro, conviene que el tamaño de la figura sea de unos 8 o 10 cm. Capítulo I - El modelo atómico 57 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 58 Capítulo I El modelo atómico Página 115 Actividad 5: Analizando el experimento de Rutherford Objetivo: plantear una hipótesis respecto de la composición atómica del experimento de Ernest Rutherford. Sugerencias metodológicas Habilidad: explicar. Resultados esperados Con las primeras observaciones efectuadas por Rutherford, descritas en la página, se propone una actividad para que los estudiantes planteen posibles explicaciones a los resultados del experimento. Al analizar el experimento de Rutherford, los estudiantes podrían proponer las siguientes hipótesis: Página 116 • La mayor parte de la materia es espacio vacío. • Los átomos están constituidos por más de una partícula. • Existen partículas de mayor tamaño (núcleo) al interior de los átomos, los que ponen mayor resistencia al paso de las partículas alfa. Actividad 6: Modelo planetario de Rutherford Sugerencias metodológicas Para que los estudiantes realicen el modelo que propone la actividad, es necesario recordar y proporcionar algunos datos. Decir, por ejemplo, que el núcleo atómico posee un radio de 10-15 m y que el 99,9 % de la masa del átomo se encuentra en su núcleo. Página 118 Actividad 7: Desviación de una partícula cargada Objetivo: establecer una analogía entre el potencial gravitatorio y las interacciones producidas dentro del átomo. Sugerencias metodológicas Habilidades: comparar y asociar. Resultados esperados En la actividad se propone construir un modelo geométrico que muestre cómo el potencial gravitatorio puede ser relacionado con lo que ocurre en la interacción eléctrica al interior del átomo. Los estudiantes deben observar que la forma de montaña de la figura crea una fuerza repulsiva sobre la bolita, y que si dicha forma se invierte (de embudo) crea una fuerza atractiva sobre la bolita. De lo observado deben establecer una analogía entre el potencial gravitatorio y la fuerza eléctrica. 58 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 59 Unidad 2 - El mundo atómico Página 121 Objetivo: comprender que la energía del electrón depende del radio de la órbita. Habilidades: observar y asociar. Actividad 8: Órbitas circulares Sugerencias metodológicas Puede resultar complicado para los estudiantes entender que la energía de cada una de las órbitas del electrón es distinta y que, a medida que la órbita se encuentra más alejada del núcleo, la energía es mayor. Por esta razón, se propone una actividad con una analogía en que se pueda comprender la relación energía y radio orbital. Resultados esperados Los alumnos y alumnas deben observar que, a medida que se hace girar un cuerpo con mayor radio de giro, este adquiere mayor energía mecánica y al momento de ser soltado, dicha energía se transforma en energía cinética de traslación. Es por ello que deben inferir que a mayor radio orbital del electrón, mayor es la energía asociada a ese estado. Página 123 Objetivo: comprobar matemáticamente el valor de la energía de los estados estacionarios. Habilidades: asociar y aplicar. páginas 125 y 126 Objetivo: analizar las líneas espectrales de hidrógeno, sodio y neón. Habilidades: analizar y plantear hipótesis. Ética y valores en ciencia A partir del análisis de la Investigación científica, recuerde nuevamente a sus estudiantes la importancia de no alterar los valores al momento de completar la tabla. Actividad 9: Cálculo de energía Sugerencias metodológicas Es conveniente que los estudiantes, para tener una comprensión más profunda de la expresión de energía del estado estacionario, repliquen el cálculo realizado por Bohr. El docente debe propiciar que los alumnos utilicen de forma correcta la calculadora científica, ya que permite realizar este cálculo de una sola vez. Investigación científica: Las series espectrales Sugerencias metodológicas Uno de los fenómenos observados que no podía ser explicado con el modelo atómico de Rutherford era el de las líneas espectrales. En esta investigación científica, se muestran las líneas espectrales de tres gases: hidrógeno, sodio y neón. Los datos obtenidos a partir de ellas deben ser organizados por los estudiantes en una tabla: función de la longitud de onda, la frecuencia y la energía. Resultados esperados En el análisis de la actividad se espera que los estudiantes respondan: a. Porque tienen distinta energía almacenada en sus enlaces atómicos. b. Sí, puesto que pueden emitir ondas electromagnéticas en un rango no visible. c. La energía liberada está almacenada en los átomos del gas. d. Solamente se pueden liberar cantidades discretas de energía (cuantizadas). Capítulo I - El modelo atómico 59 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 60 Capítulo I El modelo atómico Página 129 Evaluación intermedia Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica. Indicador de logro Logrado Por lograr Reconoce las limitaciones de un modelo científico. Responde correctamente la pregunta 1 del ítem II. Responde de manera incorrecta o no responde la pregunta respectiva. Aplica la relación entre energía y frecuencia para un fotón. Responde correctamente la pregunta 2 del ítem II. Responde de manera incorrecta o no responde la pregunta respectiva. Página 130 Objetivo: comprender que todo instrumento de medición tiene asociado un error. Habilidades: medir, inferir y elaborar hipótesis. Página 131 Objetivo: establecer diferencias entre medición directa e indirecta. Habilidad: comparar. Página 132 Objetivo: analizar diferentes instrumentos de evaluación. Habilidades: clasificar y describir. 60 Unidad 2 - El mundo atómico Actividad 10: ¿Se puede determinar el tamaño exacto de un objeto? Sugerencias metodológicas En física, uno de los aspectos más relevantes, sobre todo en la experimentación, es el referido a la medición. El docente debe poner énfasis en que los estudiantes comprendan que a toda medición se asocia un error y que no existen mediciones perfectas, ya que estas dependen del grado de precisión con que se desea medir, del objeto que se quiere medir, del instrumento que se utilice para hacerlo y de cómo se realice la medición. Actividad 11: Mediciones directas e indirectas Sugerencias metodológicas Es importante que el docente muestre la diferencia entre la medición directa y la indirecta. Al medir el diámetro de una esfera, como el de una bolita de cristal, se realiza una medición directa, pero, al querer calcular su volumen, se realiza una indirecta. Esta diferencia al momento de determinar algún parámetro de un cuerpo se refleja también en el tratamiento del error asociado. Actividad 12: Instrumentos de medición Sugerencias metodológicas Uno de los aspectos fundamentales en la medición es conocer las características del instrumento con el que se está midiendo. Para la Actividad 12, es recomendable que el profesor o profesora solicite los instrumentos de medición con anticipación. Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 61 Unidad 2 - El mundo atómico Se recomienda que los instrumentos solicitados sean: a. regla (sensibilidad: 1 mm) b. balanza (sensibilidad: 1 g) c. termómetro analógico y digital (sensibilidad: 0,1 ºC) d. dinamómetro (sensibilidad: 0,1 N) e. reloj (sensibilidad: 0,1 s) Página 134 Actividad 13: Medidas en el micromundo Sugerencias metodológicas Objetivo: investigar sobre la medición de cuerpos macroscópicos. Habilidades: ordenar e identificar. Página 138 Uno de los aspectos que llevarán a entender el principio de incertidumbre es la capacidad de realizar medidas en el micromundo. Es por eso que el docente debe motivar a los estudiantes que investiguen cómo se realizan medidas de objetos muy pequeños y cuál es el error asociado a dicha medición. El docente puede complementar la actividad con las siguientes preguntas: • ¿Cómo es la relación entre el error asociado a la medición y el tamaño del objeto por medir? • ¿Existe la medición directa en el micromundo? Síntesis y evaluación de capítulo I Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso de la página, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Reconoce las características Responde correctamente de cada modelo atómico y los puntos 1 a 6 del ítem I y las diferencias entre ellos. el punto 1 del ítem III. Responde correctamente cuatro o cinco puntos del total. Responde menos de cuatro puntos. Aplica las relaciones del modelo de Bohr. Responde correctamente los puntos 1 a 3 del ítem II y el punto 2 del ítem III. Responde correctamente tres puntos del total. Responde menos de tres puntos. Reconoce las implicancias del principio de incertidumbre. Responde correctamente los puntos 7 y 8 del ítem I y el punto 4 del ítem II. Responde dos de los tres puntos. Responde un solo punto o ninguno. Actividades diferenciadas: Asigne algunas tareas específicas para cada uno de niveles de logro, como por ejemplo: realizar glosarios de conceptos relevantes, desarrollar algunas de las actividades experimentales, resolver nuevamente la evaluación intermedia y los ejemplos resueltos, y/o realizar ejercicios adicionales de profundización. Capítulo I - El modelo atómico 61 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 62 Capítulo I El modelo atómico Ampliación de contenidos para el docente Comprobando los límites del principio de incertidumbre Un nuevo dispositivo comprueba el principio de incertidumbre de Heisenberg hasta un nivel sin precedentes y marca una nueva frontera entre el mundo cuántico y clásico. En el mundo ultramicroscópico, los átomos, las moléculas y las partículas subatómicas se comportan de manera extraña bajo las leyes contraintuitivas de la mecánica cuántica. No obedecen las leyes newtonianas clásicas que controlan el mundo que vemos directamente con los ojos o ni siquiera el de las células, bacterias o partículas de polvo. En ese mundo, no se puede conocer todo; es un mundo probabilístico y hay raros efectos de acción a distancia. Incluso el acto de medición, que colapsa la función de ondas, no se sabe interpretar o se interpreta de múltiples maneras. No sabemos qué fenómeno o proceso divide ambos mundos o hasta dónde se puede empujar dicha frontera desde el mundo cuántico hacia el nuestro (clásico y macroscópico), pues la frontera no está clara, si es que realmente existe. Saber a qué distancia acaba lo cuántico y empieza lo clásico es una meta que siempre se ha perseguido desde que se introdujo esta disciplina en la física moderna. Fuente: Revista Neofronteras, septiembre 27, 2006. 62 Unidad 2 - El mundo atómico Keith Schwab, profesor de Física en la Universidad de Cornell, y sus colaboradores han creado un dispositivo que aproxima el límite mecánico cuántico hasta la mayor escala conocida hasta hoy. Sorprendentemente, los investigadores han mostrado, además, que se puede disminuir la temperatura de un objeto con solo observarlo. El dispositivo utilizado para este fin es un resonador nanomecánico. Es muy pequeño bajo el punto de vista humano, ya que mide 8700 nanometros de largo por 200 nanometros de ancho. Quizás algún día, mediante este dispositivo, podamos maravillarnos de poder observar propiedades cuánticas a un nivel considerado casi macroscópico. La verdadera ciencia, la más bonita, siempre está en la frontera, más allá del territorio familiar. La aventura es adentrarse en el mundo desconocido. Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 63 Unidad 2 - El mundo atómico Actividad complementaria Notas: Entre ciencia y charlatanería Las explicaciones de Planck respecto a la radiación de cuerpo negro dan comienzo a una de las tres grandes revoluciones dentro de la física del siglo xx y marcan el comienzo de la mecánica cuántica. Algunos documentales pseudocientíficos hacen un flaco favor a la comprensión de los conceptos asociados a la mecánica cuántica, al relacionarlos constantemente con lo esotérico y desconocido, lo que obviamente cautiva a una audiencia que poco sabe del tema. Como actividad se propone realizar una revisión crítica de uno de esos pseudodocumentales (una posibilidad es ver What the bleep do we know!? fuertemente criticada por la comunidad científica), a la luz de algunos elementos entregados por el docente (radiación de cuerpo negro, efecto fotoeléctrico, efecto Compton y dualidad onda-corpúsculo, entre otros). Como producto, los estudiantes deberán entregar una crítica fundamentada desde la física del documental en cuestión. Bibliografía • Hewitt, Paul G. (2007). Capítulo 32. Física conceptual. México: Pearson Educación. En este libro no se trabajan herramientas matemáticas complejas, sino que se exponen los conceptos a través de muchos ejemplos y definiciones muy precisas. • Mengual, Juan Ignacio. (2007). Capítulo 16. Física al alcance de todos. Madrid: Pearson Educación. Libro que aborda los distintos conceptos de la física, a través de una mirada centrada en ejemplos cotidianos y en la rigurosidad conceptual. • Serway, Raymond. (2005). Capítulo 20. Física para Ciencias e Ingeniería. México: Thomson Editores. Libro que provee herramientas matemáticas suficientes para profundizar de mejor manera en el desarrollo de los conceptos. Páginas webs sugeridas para el docente: • http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/ modelos.htm. Contiene un resumen con los modelos atómicos. • www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/movimiento/bohr/bohr.htm Presenta una animación del modelo atómico de Bohr, con los niveles de energía de los estados estacionarios. • http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%C3%B3micos%20.NET/Modelos/MAtomicos.aspx Contiene una serie de animaciones que muestran cada uno de los modelos atómicos, desde el de Dalton hasta el modelo mecánico cuántico. Capítulo I - El modelo atómico 63 64 Unidad 2 - El mundo atómico • Fuerzas nucleares e interacciones fundamentales. (4 horas) • Núcleo atómico como fuente de energía. (4 horas) • Decaimiento radiactivo. (4 horas) 3. Comprender y comunicar los conceptos de radiactividad y vida media de un núcleo atómico. 2. Reconocer las principales características de los protones y neutrones. 1. Reconocer la pequeñez de tamaño y alta densidad de masa del núcleo atómico. • Dimensiones del núcleo en relación con el átomo. (3 horas) 3.2 Reconoce los tipos de radiación y sus efectos en los seres vivos. 3.1 Identifica el comportamiento matemático del decaimiento radiactivo de una sustancia. 2.2 Reconoce los cuarks que conforman a los protones y neutrones. 2.1 Señala las características del espín, en partículas subatómicas. 1.2 Reconoce que la mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. 1.1 Reconoce la razón entre el tamaño del núcleo y el tamaño del átomo. Criterios de evaluación • • • • Infografías: 1. Gráficos: 3. Tablas: 2. Lecturas de apoyo: 11. Organizadores gráficos: 2. Sitios web: 3. • • Esquemas: 2. Ilustraciones: 18. • • Fotografías: 16. • Recursos didácticos Páginas 92-93. • Evaluación complementaria del docente Guía didáctica • Evaluación sumativa Evaluación de síntesis páginas 180-182. Síntesis y evaluación de capítulo II: páginas 174 y 175. Evaluación intermedia: página 150. • Evaluación formativa del estudiante Texto Evaluaciones II • Características de los protones y neutrones. (3 horas) Aprendizajes esperados Contenidos/tiempo Planificación del capítulo II Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 64 Capítulo El núcleo atómico 6. Comprende la existencia de cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza y su categorización según magnitud. 5.1 Identificar y aplicar algunas relaciones matemáticas simples, que permitan comprobar la conversión de masa y energía. 5. Reconoce la eficiencia de la conversión de la masa en energía en reacciones nucleares. 6.1 Clasifica las fuerzas fundamentales según su magnitud e intensidad. 5.3 Reconoce los potenciales peligros asociados a la energía nuclear. 5.2 Identifica las aplicaciones de la energía nuclear. 4.2 Reconoce las múltiples aplicaciones de los isótopos radiactivos en medicina. 4.1 Reconoce el método de datación por carbono-14. 4. Identifica algunos isótopos de importancia en medicina y otros ámbitos de aplicación pacífica de la desintegración nuclear. Materiales: e. piezas de dominó d. dados c. pelota b. pirinola a. trompo • Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 65 Unidad 2 - El mundo atómico Capítulo II - El núcleo atómico 65 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 66 Capítulo II El núcleo atómico Orientaciones metodológicas Orientaciones generales del capítulo Es conveniente abordar esta temática utilizando material histórico. Hay textos modernos de física que abordan los temas aquí tratados, en los que se puede encontrar, además del contenido conceptual, ejemplos valiosos para la clase y la evaluación posterior. Es importante el proyecto de investigación bibliográfica, propuesto al final de la unidad, que debe ser realizado en forma individual y, para que se logre un buen trabajo, los estudiantes deben tener suficiente tiempo para que puedan reunir información de diversas fuentes, procesarla y finalmente expresarla en la presentación formal del trabajo. Sería conveniente asignar como tarea la realización de aquellas experiencias que no puedan completar en clase. Pueden distribuirse por grupos o individualmente, según resulte más apropiado. Si bien en una última instancia la evaluación es responsabilidad del docente, algunas de estas actividades pueden ser evaluadas por los propios estudiantes. Errores más frecuentes En este capítulo se pueden advertir algunos preconceptos respecto de las dimensiones del átomo. A los estudiantes les cuesta imaginar el tamaño del núcleo, cuyo radio es del orden de 10-13 cm, comparado con el tamaño del átomo completo. Se sugiere trabajar el grado de abstracción de estas magnitudes estableciendo una relación a escala entre el núcleo de un tipo de átomo representado por una esfera y el tamaño que tendría el átomo completo. Asimismo, les puede resultar difícil comprender que a pesar de que el núcleo es eléctricamente positivo, los electrones no decaen hacia él. Es importante resaltar la condición que introdujo Bohr de que un electrón que gira en torno al núcleo no emite ni absorbe energía, a no ser que experimente una transición entre un nivel y otro. Página 140 Objetivo: establecer una analogía relacionada con el tamaño del átomo. Habilidad: comparar. Actividad 1: Comparando las dimensiones del átomo Sugerencias metodológicas En el capítulo I, ya se han presentado algunas actividades en que los estudiantes deben establecer ciertas analogías. En esta actividad, que consiste en doblar una hoja de papel, los alumnos calculan el número de veces que deberían doblar la hoja para que esta llegue a ser del tamaño de un átomo y la cantidad de veces para que sea del tamaño del núcleo. Resultados esperados Los estudiantes determinan que para que la hoja sea del tamaño de un átomo, esta se debe doblar aproximadamente 27 veces y, para que sea del tamaño del núcleo atómico, aproximadamente 43 veces. 66 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 67 Unidad 2 - El mundo atómico Página 141 Objetivo: establecer analogías de la relación entre tamaño nuclear y atómico. Habilidades: aplicar y comparar. Actividad 2: Distancias atómicas Sugerencias metodológicas Una manera de entender la proporción de los tamaños y distancias en el mundo atómico es establecer equivalencias con elementos conocidos. Es así que el docente puede proponer muchas analogías, por ejemplo: si el núcleo fuera del tamaño del planeta Tierra, ¿a qué distancia en km estaría situado el electrón? Otra implicancia de las relaciones entre las distancias al interior del átomo es el enorme espacio vacío que existe al interior de la materia. El docente puede proponer a los estudiantes calcular la cantidad de átomos que hay dentro de 1 cm3 (de hidrógeno, por ejemplo) y que determinen qué porcentaje de ese espacio corresponde a materia y cuál a vacío. Página 142 Objetivo: comprender la baja probabilidad que existe de impactar el núcleo de un átomo si se bombardea con alguna partícula. Actividad 3: Colisiones al núcleo Sugerencias metodológicas La actividad es una analogía de lo que ocurre al querer impactar el núcleo de un átomo. La probabilidad de dicho impacto es muy baja, por lo que el docente debe explicar a los estudiantes que, para aumentar la cantidad de aciertos, el número de partículas que se deben lanzar debe ser muy grande. Habilidades: comparar y relacionar. Página 143 Objetivo: establecer una analogía que explique la proporción en la distribución de la masa al interior del átomo. Actividad 4: Simulación del núcleo Resultados esperados a. Si el núcleo ocupa un área de 10 cm2 , el electrón del tamaño de un grano de arroz debería estar a una distancia de 100 m. b. La masa del núcleo del átomo de helio debería tener 7540 granos de arroz. Habilidad: comparar y relacionar. Paginas 144 y 145 Objetivo: asignar la característica de rotación a las partículas subatómicas. Habilidades: representar. Actividad 5: Giro de los cuerpos Sugerencias metodológicas Cuando se refiera al giro de partículas subatómicas, el docente debe poner énfasis en que se trata solo de un analogía, que es útil para explicar el fenómeno, pero no necesariamente representa lo que realmente ocurre puesto que dicho fenómeno no es observable. Capítulo II - El núcleo atómico 67 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 68 Capítulo II El núcleo atómico Resultados esperados El estudiante debe inferir que se pueden hacer predicciones sobre la posición futura de un cuerpo que rota en el mundo macroscópico, pero las predicciones sobre la rotación y posición de las partículas subatómicas están regidas por el principio de incertidumbre. Página 146 Objetivo: inferir, a partir de la representación de los nucleones, las características de la interacción entre sus cuarks. Habilidades: comparar y describir. Página 147 Objetivo: ampliar el conocimiento sobre los cuarks. Habilidades: observar, inferir y sintetizar. Actividad 6: ¿Qué hay al interior de los nucleones? Sugerencias metodológicas La física de las partículas requiere de un alto nivel de abstracción; es importante que el docente señale a sus estudiantes lo necesarias que resultan las representaciones gráficas de fenómenos que no pueden ser observados. Es por ello que en la actividad se proponen dos representaciones, la del neutrón y del protón, con la conformación de sus respectivos cuarks. Actividades 7 y 8: Características de los quarks/Física de partículas Sugerencias metodológicas Es importante que el docente motive a sus estudiantes a profundizar sobre ciertas características de los cuarks. Para ello, ínstelos a que respondan las preguntas propuestas asistiéndose de fuentes bibliográficas y/o Internet. Resultados esperados 1. Combinando color y sabor, existen 18 tipos de cuarks. 2. La simetría es una asociación al álgebra, respecto de la forma en que se combinan los cuarks. 3. Son las antipartículas de los cuarks. Página 148 Objetivo: relacionar el número de nucleones con el peso de un átomo. Habilidad: analizar. 68 Unidad 2 - El mundo atómico Actividad 9: Comparando nucleones Sugerencias metodológicas Es importante que el docente se detenga en la tabla periódica para analizar, desde el punto de vista físico, la simbología característica de cada elemento. El docente debe propiciar que los estudiantes descubran la lógica que subyace detrás de la organización de los elementos en la tabla periódica. Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 69 Unidad 2 - El mundo atómico Resultados esperados Algunas respuestas sugeridas a las preguntas planteadas en el ítem 2 de la actividad son: a. El número de neutrones es significativamente mayor al de protones en los átomos pesados. b. Por la acción de una fuerza de magnitud mayor a la eléctrica. c. Los neutrones mantienen unido el núcleo del átomo. Página 150 Evaluación intermedia Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso de esta página, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Reconoce las proporciones y características del núcleo atómico. Responde las preguntas 1, 2, 4, 7 y 8 del ítem II. Identifica las partículas fundamentales. Responde las preguntas 3, 5 Responde dos preguntas y 6 del ítem II. del ítem II. Actividades diferenciadas: Responde dos o menos preguntas del ítem II. Responde solo una pregunta o ninguna del ítem II. Según el nivel de logro obtenido por cada estudiante, asigne tareas específicas. Por ejemplo: desarrollar nuevamente algunas de las actividades experimentales, resolver los Ejemplos resueltos, y/o realizar ejercicios de profundización. Página 151 Objetivo: analizar el gráfico del proceso de decaimiento radiactivo del estroncio-90. Habilidad: analizar. Responde tres preguntas del ítem II. Por lograr Actividad 10: ¿Cómo se comporta un núcleo inestable? Sugerencias metodológicas El decaimiento de un material no puede ser observado de forma directa, ya que es un proceso que tarda muchos años y en él se emiten radiaciones invisibles. Es por esto que la actividad propone el análisis de un gráfico, en el que se representa la curva de decaimiento de determinado material. El docente debe motivar a los estudiantes a que investiguen qué tipo de curvas matemáticas tienen un comportamiento similar a la que muestra el gráfico. Resultados esperados Los estudiantes deben proponer que el material radiactivo decae de forma exponencial. Debido a esta tendencia funcional, el porcentaje de radiactividad puede ser determinado para cualquier tiempo futuro, o si se conoce el porcentaje de radiactividad, puede saberse la antigüedad de la muestra. Capítulo II - El núcleo atómico 69 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 70 Capítulo II El núcleo atómico Página 152 Objetivo: realizar una investigación bibliográfica sobre la radiactividad. Habilidad: seleccionar información. Página 154 Objetivo: completar una tabla con las características de cada una de las radiaciones y luego hacer un análisis comparativo de ellas. Actividad 11: Investigación histórica Sugerencias metodológicas Es importante que el profesor o profesora inste a sus estudiantes a realizar una investigación bibliográfica referente a los principales hechos sobre el estudio de la radiactividad. Pida a sus alumnos y alumnas que ordenen de manera cronológica dichos acontecimientos. Una vez realizada la investigación, deben organizar y comunicar la información a través de un trabajo escrito y/o presentación. Actividad 12: Características de las radiaciones Sugerencias metodológicas El docente debe sugerir a sus estudiantes que para completar la tabla utilicen fuentes confiables, como textos de consulta de uso habitual en física (Resnick, Serway, Sears-Zemansky). Al buscar información en Internet, verificar las fuentes citadas en las direcciones. Habilidades: seleccionar información. Página 156 Objetivo: establecer una analogía para comprender la desintegración radiactiva. Habilidades: asociar e interpretar. Página 159 Objetivo: investigar sobre los peligros de la exposición radiactiva. Habilidades: ordenar y sintetizar. Actividad 13: Simulación numérica de una desintegración Sugerencias metodológicas Uno de los puntos que el docente debe destacar en esta actividad es aquel referido a la componente probabilística en el proceso de decaimiento radiactivo. De no disponer de dados para dicha actividad, el docente puede sugerir que se remplacen por monedas. Actividad 14: Peligros de la radiación Sugerencias metodológicas El profesor debe motivar a los estudiantes a discutir e investigar los peligros asociados a la exposición de los seres vivos a las radiaciones. Existen muchas radiaciones, como las ultravioleta y los rayos x, cuya exposición prolongada causa daños irreparables. Resultados esperados Los estudiantes señalan que los efectos de las radiaciones sobre los seres vivos son acumulativos. Los efectos más dañinos son los ocasionados por radiaciones ionizantes. La radiación en el SI es medida en Gy, y representa la cantidad de energía radiante absorbida por un kilógramo de masa. Para determinar el riesgo de la radiación se mide la eficacia biológica relativa de la radiación y cuya unidad es el rem, en el SI es el Sv. 70 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 71 Unidad 2 - El mundo atómico Actividad complementaria Notas: Página 162 Objetivo: identificar y analizar el proceso de emisión radiactiva. Habilidades: sintetizar y analizar. Otro tema interesante de investigar es el posible papel benéfico de las radiaciones; por ejemplo, se piensa que las radiaciones de alta energía, provenientes del espacio, han jugado un papel fundamental en producir variabilidad genética, ya que ellas producen pequeños cambios en el ADN de los seres vivos. Esta variabilidad es clave en el proceso de selección natural de las especies. Actividad 15: Decaimientos radiactivos Sugerencias metodológicas En la actividad que se propone, se trabajan claramente tres habilidades: sintetizar (punto 1), identificar (punto 2) y analizar (punto 3). El punto tres es el más importante de la actividad, ya que las expresiones que representan decaimientos son analizadas desde el punto de vista de los principios de conservación de la energía y de conservación de la carga. Resultados esperados Respecto del punto 2: la primera emisión es beta y los elementos involucrados son carbono-14 y nitrógeno-14. La segunda emisión es beta + y los elementos involucrados son nitrógeno-12 y carbono-12. La tercera emisión es gamma y el elemento involucrado es uranio-238. Página 163 Objetivo: determinar desde qué proporción entre los neutrones y protones un núcleo es inestable. Habilidades: analizar e inferir. Investigación científica: Estabilidad de núcleos atómicos Sugerencias metodológicas En la investigación se propone el análisis de un gráfico que muestra el comportamiento en términos de la desintegración de ciertos núcleos atómicos. Como el gráfico no es de fácil lectura, se recomienda que el docente apoye su análisis, guiando a los estudiantes con preguntas o entregando algunas pistas que los ayuden a descifrarlo. Resultados esperados a. La tendencia de estabilidad del núcleo para átomos de masa pequeña. b. Para átomos de masa pequeña; aquellos cercanos a la recta Z = N, y para átomos más pesados, su estabilidad depende de que los núcleos presenten una mayor cantidad de neutrones que de protones. c. A partir de Z =40. d. El número de neutrones es mayor al de los protones. e. A partir de Z = 83. Capítulo II - El núcleo atómico 71 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 72 Capítulo II El núcleo atómico Página 167 Investigación científica: Simulación de una reacción en cadena Objetivo: representar mediante un modelo el proceso de reacción en cadena. Habilidades: establecer modelos, comparar e inferir. Sugerencias metodológicas Es importante señalar a los estudiantes que, como toda analogía, la actividad propuesta permite modelar ciertos aspectos de una reacción en cadena, pero deja sin representación o sobresimplifica otros. En este caso, las piezas de dominó representan los átomos de elementos inestables que son impactados por fragmentos de otros átomos inestables. En la simulación, dichos fragmentos también son piezas de dominó. Cada pieza tiene asociada una energía potencial gravitatoria que es liberada al ser impactada por otra pieza, esta situación es análoga a la liberación de energía desde el núcleo de un átomo inestable cuando es impactado, por ejemplo, por un neutrón como ocurre en una central nuclear de fisión. Luego de analizar el contenido asociado a las reacciones en cadena, el docente debe retomar la simulación de manera que sean los propios estudiantes los que establezcan las semejanzas y diferencias con un proceso nuclear como el trabajado. Página 173 Actividad 14: Interacciones Sugerencias metodológicas Objetivo: comparar las interacciones fundamentales de la naturaleza. Habilidades: comparar y analizar. Página 175 La gran finalidad de la física es explicar el universo con una sola gran teoría (la teoría unificada de campos); para ello, la descripción de las interacciones es clave. Como esta es la actividad final del texto, se presentan los resultados de siglos de estudios y los nuevos desafíos que tiene hoy la física. Es importante que el docente destaque estos aspectos y proponga a sus estudiantes que investiguen cuáles son los desafíos más impactantes de esta disciplina. Síntesis y evaluación del capítulo II Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación de proceso, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Relaciona y sintetiza los conceptos asociados al núcleo atómico. Completa el mapa conceptual. Completa parcialmente el mapa conceptual. Completa de forma errónea o no completa el mapa conceptual. Reconoce las características de las emisiones radiactivas. Responde correctamente los puntos 1 a 3 del ítem I. Responde dos de los puntos del ítem I. Responde solo un punto del ítem II. Identifica los principios de conservación de la energía y la carga en el proceso de decaimiento. Responde correctamente el punto 2 del ítem II Responde parcialmente el punto 2 del ítem II. No responde el punto 2 o lo hace erróneamente. 72 Unidad 2 - El mundo atómico Por lograr Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 73 Unidad 2 - El mundo atómico Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Aplica la curva de decaimiento de ciertos isótopos. Responde correctamente el punto 1 del ítem II y los tres puntos del ítem III. Señala las diferencias entre reacción en las distintas reacciones. Señala al menos dos Señala solo una diferencia. diferencias en la pregunta 4 del ítem I. No señala diferencias. Reconoce las interacciones fundamentales. Responde correctamente la Señala la fuerza eléctrica. pregunta 5 del ítem I. Señala las fuerzas nucleares. Páginas 180-182 Responde correctamente tres de los cuatro puntos. Por lograr Responde dos o menos puntos. Evaluación de síntesis Resultados esperados Las respuestas correctas para los ítems de evaluación aparecen en el solucionarlo al final de esta guía. Para la evaluación final, se propone la siguiente rúbrica: Indicadores de logro Logrado Medianamente logrado Por lograr Reconoce las características de los distintos modelos atómicos. Comprendo: ítems 1 y 2. Aplico: 1. Responde correctamente dos de los tres ítems. Responde un ítem o ninguno. Aplica la descripción del modelo atómico de Bohr. Comprendo: ítem 3. Analizo: ítem 1. Aplico: ítems 2 y 3. Responde tres de los cuatro ítems. Responde dos o menos ítems. Aplica el principio de incertidumbre en la resolución de problemas propuestos. Aplico: ítems 4 y 5. Responde uno de los ítems. No responde ningún ítem. Reconoce y aplica los conceptos de radiactividad y vida media. Comprendo: ítem 5. Responde correctamente Analizo: ítem 3. tres de los cuatro ítems. Aplico: ítems 5, 6 y 7. Responde dos o menos ítems. Asocia la energía liberada por el núcleo atómico con las fuerzas que actúan a esa escala. Comprendo: ítem 4. Analizo: ítem 2. Aplico: ítem 8. Responde un ítem o ninguno. Actividades diferenciadas: Responde correctamente dos de los tres ítems. Sugiera las siguientes actividades, para cada nivel de logro obtenido por sus estudiantes: Logrado. Investigar los principales postulados de la mecánica cuántica. Medianamente logrado. Solicite la realización de un glosario con los conceptos relevantes del capítulo II. Por lograr. Leer nuevamente las páginas (140-173), elaborar un glosario de término relevantes, desarrollar los del Ejemplo resueltos y las evaluaciones intermedias del capítulo. Capítulo II - El núcleo atómico 73 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 74 Capítulo II El núcleo atómico Página 183 Ética y valores en ciencia Respecto de la Investigación bibliográfica, es importante que promueva entre sus estudiantes la rigurosidad al momento de citar las distintas fuentes consultadas. Explique que al utilizar como fuente de información el trabajo de distintos autores, se está haciendo uso de un material sobre el que existe propiedad intelectual. Proyecto de investigación bibliográfica Sugerencias metódologicas Para evaluar el proyecto, se propone la siguiente pauta de cotejo: Criterio Puntaje de 1-10 Puntualidad en la entrega del informe. Apreciación de la importancia del conocimiento científico. Profundización del tema. Calidad de las fuentes bibliográficas. Nivel de cobertura de los ítems. Claridad con que se exponen las conclusiones. Capacidad de análisis y proyección acerca del tema. Presentación general del trabajo. Ampliación de contenidos para el docente Interacción gravitacional: el bosón no descubierto Es importante que el docente explique a los estudiantes que, a diferencia de las interacciones nucleares y eléctricas, la gravitacional no está totalmente descrita en términos de la partícula (gravitón) responsable de ella. El detector de ondas gravitacionales GEO 600, un proyecto científico de Alemania y el Reino Unido, acaba de entrar en una fase de observación y medida continuas que durará 18 meses. Su misión es detectar de manera directa lo que nunca antes ha sido detectado: las ondas gravitacionales, un fenómeno todavía no observado y que fue predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein. Las ondas gravitacionales podrían conducir a una nueva era en el desarrollo de la astrofísica, ya que permitirían estudiar aspectos del universo. Basada en el empleo de la luz visible y de otras frecuencias electromagnéticas, ofrece solo una información parcial. Las ondas gravitacionales son muy débiles. Las más fuertes que se podrían observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió muy violentamente. Hasta el momento, no ha sido posible confirmar directamente la existencia de la radiación gravitacional y, mucho menos, estudiar sus propiedades. Actualmente, existen diferentes proyectos de observación de ondas gravitacionales, como LIGO (Estados Unidos), TAMA 300 (Japón), GEO 600 (Alemania y Reino Unido) o VIRGO (Francia e Italia). Los más pesimistas consideran que la detección real de ondas gravitacionales solo podrá ser realizada desde el espacio. Una misión espacial, denominada LISA, se encuentra en fase de estudio para constituir el primer observatorio espacial de ondas gravitacionales y podría estar operativo alrededor de 2011. Fuente: http://spaceplace.nasa.gov/sp/kids/lisa_fact2.shtm. (Adaptación). 74 Unidad 2 - El mundo atómico Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 75 Unidad 2 - El mundo atómico Bibliografía • Hewitt, Paul G. (2007). Capítulos 33 y 34. Física conceptual. México: Pearson Educación. En este libro no se trabajan herramientas matemáticas complejas, sino que se exponen los conceptos a través de muchos ejemplos y definiciones muy precisas. • Mengual, Juan Ignacio. (2007). Capítulo 16. Física al alcance de todos. Madrid: Pearson Educación. Libro que aborda los distintos conceptos de la física, a través de una mirada centrada en ejemplos cotidianos y en la rigurosidad conceptual. • Serway, Raymond. (2005). Capítulos 22, 23 y 24. Física para Ciencias e Ingeniería. México: Thomson Editores. Libro que provee herramientas matemáticas suficientes para profundizar de mejor manera en el desarrollo de los conceptos. Páginas webs sugeridas para el docente: • www.cchen.cl/index.php?option=com_content&task=section&id=17&Itemid=85 Contiene algunas de las aplicaciones de la energía nuclear en Chile. • www.portalplanetasedna.com.ar/bomba_nuclear.htm Presenta información sobre las consecuencias y efectos de una bomba de fisión. • www.muyinteresante.es/lhc/cronica.html Contiene un artículo sobre el acelerador de hadrones LHC. Capítulo II - El núcleo atómico 75 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 76 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 1 (Unidad 1-capítulo I) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Indicar los métodos de electrización que dejan ambos cuerpos con cargas de distinto signo. 2. La esfera sin carga neta de un péndulo eléctrico se acerca a una barra con carga positiva. Lo que sucede es que: A. no hay atracción porque la esfera es neutra. B. se atraen, porque desaparecen algunas cargas positivas de la esfera. C. se atraen, porque aparecen cargas negativas en la esfera. D. se atraen, porque cargas negativas de la esfera se acercan al lado en que está la barra con carga positiva. E. se repelen, porque cargas negativas de la esfera se alejan del lado en que está la barra con carga positiva. 3. Las fuerzas de interacción eléctrica que ejercen entre sí dos cargas puntuales son de igual módulo, tienen la misma dirección y sentido. Esta afirmación es verdadera: A. solo si las cargas tienen igual signo. B. solo si las cargas tienen distinto signo. C. solo si las magnitudes de las cargas son iguales. D. solo si la distancia de separación entre las cargas es muy grande. E. nunca. 4. Se tienen dos cargas positivas, Q1 de 2 μC y Q2 de 1μC, separadas a una distancia de 10 cm en el vacío. a. Calcula la fuerza que actúa entre las cargas. b. Explica qué ocurre si se duplica la distancia entre las cargas. c. ¿Qué fuerza es mayor, la que actúa sobre Q1 o la que actúa sobre Q2? 5. Calcular la intensidad de campo eléctrico a una distancia de 1 m de una carga de 10 C. 6. Dibujar las líneas de campo eléctrico entre las placas paralelas cargadas de la figura. +Q 76 Física 4º medio -Q Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 77 Evaluaciones complementarias unidad 1 7. Hallar la carga sobre cada placa de un condensador de 0,05 μF, sabiendo que la diferencia de potencial entre sus terminales es de 200 volts. 1 μF = 10-6 farad. A. 10-5 C B. 10-6 C C. 4 · 10-3 C D. 107 C E. 4 · 107 C 8. La capacidad de un condensador plano y de placas paralelas depende de: A. el área de las placas. B. la constante del dieléctrico. C. la distancia entre las placas. D. de A y B. E. de A, B y C. 9. Una partícula alfa (q = 2e) penetra a 200 000 m/s en un campo de intensidad 2 · 107 N/C, desviándose 1 cm hacia el cátodo, en un recorrido de 20 cm. Calcula la fuerza deflectora que aplica el campo a la partícula alfa. α 20 cm 1 cm 10.Una partícula con carga positiva se mueve inicialmente en una trayectoria rectilínea, con velocidad “v” (perpendicular a las líneas del campo) en presencia de un campo magnético uniforme, de gran intensidad y que entra a la página. La partícula experimenta un movimiento de tipo: A. rectilíneo. B. uniforme acelerado. C. circular. D. uniforme retardado. E. parabólico. Física 4º medio 77 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 78 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 2 (Unidad 1-capítulo II) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Una corriente que circula por un alambre recto y largo produce un campo magnético. ¿Cómo son las líneas de campo magnético en este caso? 2. Un alambre de 4,5 m de longitud conduce una corriente de 12, 5 A en sentido norte. Si la fuerza magnética sobre el alambre debido a un campo magnético uniforme es de 60 N hacia el centro de la Tierra, ¿cuál es la magnitud, dirección y sentido del campo magnético? 3. Dos alambres rectos y paralelos que conducen corriente eléctrica en el mismo sentido ejercen sobre el otro una fuerza magnética. Esta fuerza, ¿es de atracción o repulsión? 4. Dos alambres paralelos distan 12 cm entre sí y conducen corriente de igual intensidad. Si la intensidad del campo magnético en el punto medio entre ambos conductores es 3,14 · 10-4 T: a. ¿Qué intensidad de corriente circula en cada conductor? b. ¿Las corrientes circulan en sentido opuesto o igual? 5. Respecto de las líneas de campo eléctrico entre dos cargas es falso que: A. ellas se curvan. B. van de la carga positiva a la negativa. C. ellas se intersecan. D. la cantidad de líneas depende de la magnitud de las cargas. E. el vector campo eléctrico es tangente a ellas. 6. Respecto de las líneas de campo eléctrico de una carga puntual es verdadero que: A. ellas se intersecan. B. que ellas son radiales a la carga. C. que la cantidad de líneas no depende de la magnitud de la carga. D. que están dirigidas hacia la carga cuando esta es positiva. E. que salen de la carga cuando esta es negativa. 78 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 79 Evaluaciones complementarias unidad 1 Solucionario Evaluación complementaria 1 1. Electrización por frotación e inducción. 2. D 3. E 4. a. 1,8 N. b. Disminuye a la cuarta parte. c. Son iguales. 5. 9 · 1010 N/C 6. Evaluación complementaria 2 1. Circunferencias concéntricas alrededor del alambre. 2. 1,07 T, hacia el este. 3. Atracción. 4. a. i = 47,1 A. b. En sentido opuesto. 5. C 6. B 7. A 8. E 9. F = 6,4 · 10-12 N 10. C Rúbrica para la evaluación complementaria 1 Indicador de logro Reconoce las formas de electrización de un cuerpo. Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Responde los ítems 1 y 2. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Reconoce las características Responde los ítems 3 y 4. de la fuerza electrostática. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Aplica la relación que representa la intensidad de campo eléctrico y campo magnético. Responde los ítems 5 y 6. Responde uno de los ítems. No responde ningún ítem. Reconoce los fenómenos eléctricos presentes en los condensadores. Responde los ítems 7 y 8. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Identifica los tipos de movimientos de cargas relativas a los campos eléctrico y magnético. Responde los ítems 9 y 10. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Física 4º medio 79 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 80 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación 3 (Unidad 1-capítulo II) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Un voltímetro está conectado a los terminales de un condensador en un circuito RC (el condensador se encuentra descargado). Al momento de conectar la fuente, se puede observar en el voltímetro que el voltaje: A. diminuye. B. permanece constante. C. es igual a cero. D. aumenta hasta cierto límite. E. aumenta indefinidamente. 2. Si la constante de tiempo (τ) de un circuito RC es muy alta, esto implica que: A. la carga máxima del condensador se alcanza con mucha rapidez. B. la carga máxima del condensador se alcanza muy lentamente. C. el condensador se carga solo el 63 % de su capacidad. D. el condensador no admite carga. E. el condensador se carga solo el 37 % de su capacidad. 3. Indica en cada figura la dirección de la corriente inducida en la espira cuando el imán cae hacia la espira o se aleja de ella. a b S Movimiento N c N S Movimiento S Movimiento N 4. Una espira conductora rectangular de lados 13 y 7 cm está colocada perpendicular a un campo magnético uniforme. El campo magnético incrementa su intensidad desde 1,2 · 10-2 a 9,5 · 10-2 T en 50 centésimas de segundo. Calcula la fem inducida. 80 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 81 Evaluaciones complementarias unidad 1 5. ¿Qué transforma un transformador? A. Potencia. B. Energía. C. Voltaje. D. Carga eléctrica. E. Ninguna. 6. Un transformador tiene 300 espiras en el primario y 1200 espiras en el secundario. Si el voltaje de entrada es de 10 V, ¿cuál es el voltaje de salida? 7. ¿De qué factores depende la energía almacenada en una bobina? 8. Si por una bobina de 4,5 · 10-3 H de inductancia, circula una corriente de 10 A, ¿qué energía se almacena en la bobina? 9. La energía electromagnética total en un circuito LC tiende a: A. permanecer constante. B. disminuir. C. aumentar. D. oscilar. E. entrar en resonancia. 10. Un equivalente mecánico que representa de la energía en un circuito LC es: A. la caída libre de un cuerpo. B. un resorte que oscila dentro de un fluido viscoso. C. un cuerpo rodando sobre un superficie. D. un péndulo (despreciando el roce con el aire). E. un lanzamiento vertical. Física 4º medio 81 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 82 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 2 (Unidad 1-capítulo II) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / Proyecto de investigación: funcionamiento de un dínamo Situación problema: Claudia conoce varias fuentes de energía eléctrica como la pila, la batería, el dínamo y la celda fotoeléctrica. De estos dispositivos llama su atención el dínamo, ya que no entiende su funcionamiento y le gustaría saber cuáles son los procesos físicos presentes en él. 1. Objetivo: El objetivo de tu proyecto es explicar el funcionamiento de un dínamo y obtener cualitativamente la relación entre el valor de la fem inducida, el número de espiras de la bobina y la velocidad de giro de la bobina. 2. Planificación Siempre es bueno utilizar un método para resolver un problema. Una manera de ordenar tu trabajo es planteándote pequeñas metas, tales como: • Indicar cuál o cuáles de las variables ( fem inducida, número de espiras de la bobina, velocidad de giro de la bobina) corresponden a la variable dependiente y a la variable independiente. • Indicar otras magnitudes físicas que puedan influir y que debes controlar para que sean constantes durante la investigación. • Formular una hipótesis o respuesta anticipada a la pregunta por investigar, fundamentando el porqué. • Diseñar el experimento. • Hacer una lista de materiales que necesitas. También puedes contestar las preguntas: • ¿Cuáles son las partes de un dínamo y que función cumple cada una? • ¿Cuántas bobinas estudiarás? • ¿Cómo estudiarás la influencia de la velocidad de giro de la bobina en la fem que se induce? • ¿Cómo estudiarás la influencia del número de espiras de la bobina en la fem que se induce? • ¿Cómo medirás la fem inducida? • ¿Cuántos datos tomarás en cada caso? • ¿Dónde y cómo registrarás la información? • ¿Cómo evaluarás la información experimental obtenida para encontrar la relación entre las variables estudiadas? 3. Ejecución Una vez planificado el trabajo, realiza la investigación, teniendo especial cuidado en los medios de información que utilizarás, al igual que en otros factores que puedan incidir. 4. Evaluación y análisis Una vez obtenida y debidamente registrada la información, analízala y evalúala. Describe tus ideas respecto a los factores que influyen en el funcionamiento de un dínamo. Escribe un informe explicando científicamente tus resultados. 82 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 83 Evaluaciones complementarias unidad 1 Solucionario Evaluación complementaria 3 1. D 2. B 3. Mirado desde arriba el sentido es: A. Antihorario B. Horario C. Horario. -3 4. -1,51 · 10 V 5. C 6. 40 V 7. Inductancia y corriente. 8. 0,225 J 9. A 10. D Rúbrica para la evaluación complementaria 3 Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Explica el proceso de carga y descarga de un condensador. Responde los ítems 1 y 2. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Describe y aplica la ley de Faraday. Responde los ítems 3 y 4. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Describe el funcionamiento Responde los ítems 5 y 6. de los transformadores eléctricos. Responde uno de los ítems. No responde ningún ítem. Reconoce los factores asociados a la energía en una bobina. Responde los ítems 7 y 8. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Describe en términos de la energía electromagnética un circuito LC. Responde los ítems 9 y 10. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Física 4º medio 83 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 84 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 4 (Unidad 1-capítulo III) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Son cargas aceleradas: I. las que circulan en una corriente continua II. las que circulan en una corriente alterna III. los electrones que orbitan el núcleo del átomo IV. las que oscilan Es o son correctas: A. Solo II B. Solo I y II C. Solo III y IV D. Solo II y IV E. Solo II, III y IV 2. Las fuentes generadoras de las ondas electromagnéticas corresponden a: A. cargas en reposo. B. dipolos eléctricos en reposo. C. cargas oscilantes o aceleradas. D. dipolos magnéticos en reposo. E. cargas con velocidad constante. 3. Durante la propagación de las ondas electromagnéticas, los campos eléctrico y magnético oscilan de tal forma que son: A. perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. B. paralelos entre sí y a la dirección de propagación. C. paralelos entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. D. perpendiculares entre sí y paralelos a la dirección de propagación. E. paralelos y opuestos. 4. En cierto punto y tiempo, el campo eléctrico de una onda electromagnética apunta hacia el norte (considera el norte, al borde superior de la página) cuando el campo magnético lo hace hacia arriba (sale de la página). ¿En que dirección se desplaza la onda electromagnética? A. Oeste. B. Sur. C. Este. D. Hacia abajo. E. Hacia arriba. 84 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 85 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 5 (Unidad 1-capítulo III) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: 1. ¿Cuál o cuáles de los siguientes enunciados corresponden a las predicciones de la teoría electromagnética de Maxwell? I. Las ondas electromagnéticas se generan por cargas aceleradas. II. Las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz. III. Las ondas electromagnéticas son longitudinales. Corresponde(n): A. Solo I B. Solo II / / 4. ¿Cuál de las siguientes aseveraciones respecto del espectro electromagnético es verdadera? A. las ondas de radio tienen mayor frecuencia que las UV. B. el infrarrojo tiene mayor frecuencia que los rayos x. C. la luz visible tiene mayor frecuencia que los rayos gamma. D. las microondas tienen menor longitud de onda que las ondas de radio. E. la luz visible tiene menor longitud de onda que los rayos x. C. Solo III D. Solo I y III E. Solo I y II 2. ¿Cuál de las siguientes características de las ondas electromagnéticas es incorrecta? 5. Las siguientes ondas se encuentran ordenadas de mayor a menor energía: A. luz visible, rayos x, rayos gamma. B. microondas, infrarrojo, rayos x. C. ultravioleta, infrarrojo, rayos gamma. A. Son ondas transversales. D. rayos x, ultravioleta, rayos gamma. B. Transportan energía. E. luz visible, infrarrojo, ondas de radio. C. No viajan en el vacío. D. Son sinusoidales. E. Se propagan a la velocidad de la luz. 3. Una pantalla solar es un producto en crema que se esparce sobre la piel para protegerla principalmente de la radiación: A. visible. B. rayos x. C. rayos gamma. D. ultravioleta. E. microonda. Física 4º medio 85 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 86 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 1 Evaluación complementaria 6 (Unidad 1-capítulo III) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Una radioemisora transmite con una longitud de onda de 15 m. ¿En qué frecuencia transmite dicha radioemisora? 2. ¿Por qué al orientar la antena de una radio en ciertas direcciones esta no suena? 3. Las ondas radiales que pueden salir al espacio son: A. ondas directas. B. ondas transversales. C. ondas longitudinales. D. ondas cortas. E. ondas largas. 4. ¿Cuál es la onda radial que alcanza distancias máximas de 1000 km? A. Ondas directas. B. Ondas transversales. C. Ondas longitudinales. D. Ondas cortas. A. Ondas largas. 5. Al sintonizar una radio, el dial indica una frecuencia de 40 MHz. ¿Cuál es la longitud de onda asociada a dicha frecuencia? 6. Los métodos básicos para modular una onda de radio son: I. modulación de la energía. II. modulación de la amplitud. III. modulación de la longitud. IV. modulación de frecuencia. A. Solo I B. Solo I y II C. Solo II y IV D. Solo II y III E. Solo I y IV 86 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 87 Evaluaciones complementarias unidad 1 Solucionario Evaluación complementaria 4 1. E 2. C 3. A 4. C Evaluación complementaria 5 1. E 2. C 3. D 4. D 5. E Evaluación complementaria 6 1. 20 MHz 2. Debido a que la longitud de la antena debe entrar en resonancia con la señal. 3. E 4. A 5. 7,5 m 6. C Rúbrica para la evaluación complementaria 4 Indicador de logro Reconoce que toda carga acelerada emite una onda electromagnética. Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Responde los ítems 1 y 2. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Explica la propagación de Responde los ítems 3 y 4. la ondas electromagnéticas como inducciones sucesivas de campos eléctricos y magnéticos. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Rúbrica para la evaluación complementaria 5 Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Señala las características de las ondas electromagnéticas. Responde los ítems 1, 2 y 3. Responde dos ítems. Responde solo un ítem. Clasifica y ordena las ondas electromagnéticas. Responde los ítems 4 y 5. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Rúbrica para la evaluación complementaria 6 Indicador de logro Describe el proceso de transmisión de ondas de radio. Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Responde los ítems 1, 3 y 4. Responde dos ítems. Responde solo un ítem. Describe el proceso de Responde los ítems 2, 5 y 6. recepción de ondas de radio. Responde dos ítems. Responde solo un ítem. Física 4º medio 87 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 88 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 2 Evaluación complementaria 7 (Unidad 2-capítulo I) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Ordenados históricamente, los aportes a la concepción del átomo fueron hechos por: A. Demócrito, Dalton, Thomson, Bohr, Rutherford. B. Demócrito, Thomson, Dalton, Rutherford, Bohr. C. Dalton, Demócrito, Thomson, Rutherford, Bohr. D. Demócrito, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr. E. Demócrito, Dalton, Bohr, Thomson, Rutherford. 2. ¿Por qué el modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado? A. Porque los electrones acelerados que orbitan el núcleo radiarían energía haciendo imposible la estabilidad del átomo. B. Porque los átomos nunca podían ser eléctricamente neutros. C. Debido a lo pequeño del núcleo atómico. D. Porque cuando se descubrió el neutrón, el modelo nunca pudo explicar su función. E. Debido a que el modelo describía solo átomos livianos. 3. ¿Cuál de los siguientes hechos constituye un éxito del modelo atómico de Bohr? A. Explicar la radiactividad. B. Explicar el efecto Doppler en la luz. C. Explicar las líneas espectrales del hidrógeno. D. Predecir la existencia del positrón. E. Predecir la existencia de los cuarks. 4. Anota una V si es verdadero y un F si es falso. En el caso de las falsas reescríbelas para hacerlas verdaderas. ___ En el modelo de Bohr, las órbitas descritas por los electrones son elípticas. ___ El núcleo atómico fue descubierto por Rutherford. ___ La serie de Balmer pertenece al espectro visible. ___ El concepto de átomo proviene de la Grecia antigua. 88 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 89 Evaluaciones complementarias unidad 2 Evaluación complementaria 8 (Unidad 2-capítulo I) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. ¿Cuál será la longitud de onda de la radiación emitida si en el átomo de hidrógeno se produce un salto del electrón desde la tercera a la segunda órbita? 2. Sin hacer cálculos detallados, indique cuál de las siguientes transiciones electrónicas requiere de que un átomo de hidrógeno absorba mayor cantidad de energía, desde: A. n = 1 a n = 2. B. n = 2 a n = 4. C. n = 3 a n = 9. D. n = 10 a n =1. E. n = 1 a n = 4. 3. En la teoría de Bohr, ¿a cuál de las siguientes emisiones le corresponde el mayor valor de la energía? A. Paso de n = 2 a n = 3. B. Paso de n = 3 a n = 2. C. Paso de n = 4 a n = 2. D. Paso de n = 5 a n = 4. E. Paso de n = 1 a n = 2. 4. ¿Qué variación energética tiene lugar si en el átomo de hidrógeno tiene lugar una transición desde n = 3 a n = 2? 5. ¿Cuál de las órbitas de Bohr que se citan a continuación tiene la menor energía? A. n = 1 B. n = 2 C. n = 3 D. n = 4 E. n = 5 Física 4º medio 89 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 90 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 2 Evaluación complementaria 9 (Unidad 2-capítulo I) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. Una regla tiene una sensibilidad de 0,1 cm. ¿Cuál es su incerteza? 2. Un termómetro tiene una sensibilidad de 0,1 ºC. Si este indica una temperatura de 25,0 ºC, ¿expresa dicha medida con la incerteza asociada? 3. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece lo siguiente: A. es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. B. es imposible medir con precisión absoluta el valor de la posición de una partícula. C. es imposible medir con precisión absoluta la cantidad de movimiento de una partícula. D. es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la velocidad y la masa de una partícula. E. es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la aceleración y la cantidad de movimiento de una partícula. 4. ¿Cuál es la incertidumbre en la velocidad de un haz de electrones, cuya posición se conoce con una imprecisión de 50 pm? (Masa del electrón = 9,11 · 10-31Kg). 5. Se acelera un protón hasta una velocidad que es la décima parte de la velocidad de la luz. Si esta velocidad puede medirse con una precisión del 1,3 %, ¿cuál es la incertidumbre en la posición de este protón? (masa del protón = 1,673 · 10-27Kg). 6. ¿Cuál es la incertidumbre asociada a un auto de una tonelada de masa? 7. ¿Cuál es la incertidumbre asociada a un electrón? 90 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 91 Evaluaciones complementarias unidad 2 Solucionario Evaluación complementaria 7 1. D 2. A 3. C 4. F, V, V, V Evaluación complementaria 8 1. 6,54 · 10-7 m 2. E 3. C 4. 1,88 eV 5. A Evaluación complementaria 9 1. 0,05 cm 2. 25,0 ± 0,1 ºC 3. A 4. 1,15 · 106 m/s 5. 8,08 · 10-14 m 6. 5,3 · 10-38 m2/s 7. 10-5 m2/s Rúbrica para la evaluación complementaria 7 Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Identifica cronológicamente Responde los ítems 1 y 4. las distintas concepciones del átomo. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Reconoce los principales logros y deficiencias en los modelos atómicos. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Responde los ítems 2 y 3. Rúbrica para la evaluación complementaria 8 Indicador de logro Calcula la energía de transición entre distintos estados. Logrado Responde los ítems 1, 2 y 3. Determina la energía de los Responde los ítems 4 y 5. estados estacionarios. Medianamente logrado Parcialmente logrado Responde dos ítems. Responde solo un ítem. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Rúbrica para la evaluación complementaria 9 Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Aplica la incerteza clásica. Responde los ítems 1 y 2. Responde un ítem. No responde ningún ítem. Aplica el principio de incertidumbre. Responde los ítems 3 a 7. Responde tres ítems. Responde dos ítems. Física 4º medio 91 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 92 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 2 Evaluación complementaria 10 (Unidad 2-capítulo II) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: 1. La razón entre el tamaño (radio) del átomo y el radio del núcleo es: / 4. El espín de una partícula puede ser: A. cualquier valor numérico. A. 10-5 B. positivo o negativo. B. 104 C. un número entero. C. 108 D. solo positivo. D. 105 E. solo negativo. E. / 10-8 5. Los nucleones están formados por: 2. Si el radio del núcleo fuera de 4 cm, ¿cuál sería el radio del átomo? 3. Respecto del espín en partículas subatómicas, este puede ser representado de forma clásica como el: A. neutrinos. B. antineutrinos. C. gravitones. D. cuarks. E. electrones. A. movimiento rectilíneo. B. momentum. C. giro. D. torque. E. momento de inercia. 6. La siguiente configuración de cuarks corresponde al protón: A. u, u, u B. u, d, d C. d, d, u D. u, u, d E. d, d, d 7. Se sabe que al medir con precisión la masa que corresponde al núcleo de un átomo resulta siempre que la masa de dicho núcleo es inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo forma. ¿A qué equivale este defecto de masa? 8. Una muestra de material radiactivo contiene 500 millones de núcleos radiactivos. Si la vida media del material es de 30 s. Determinar: a. El número de núcleos radiactivos después de 15 s. b. La constante λ (decaimiento exponencial). 9. ¿Cómo se puede explicar que un núcleo emita partículas β si en él solo existen neutrones y protones? 10. Explica de forma cualitativa la dependencia de estabilidad nuclear con el número másico. 11. Al analizar los restos de una momia con el método de carbono-14, se ha encontrado que el número de radioisótopos activos está dado por la relación N = 6,23 · 10-2 N0. ¿Hace cuánto tiempo vivió la momia? (λ = 3,9 · 10-12) 92 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 93 Evaluaciones complementarias unidad 2 Evaluación complementaria 11 (Unidad 2-capítulo II) Nombre: _________________________________________ Curso: _____________Fecha: / / 1. ¿Cuál de las siguientes radiaciones es más dañina? A. Alfa. B. Gamma. C. Beta. D. Rayos x. E. Microondas. 2. Menciona algunas aplicaciones de los radioisótopos. 3. En el decaimiento de un neutrón, se explica que aparezcan electrones por la presencia de la: A. interacción eléctrica. B. interacción nuclear fuerte. C. interacción nuclear débil. D. interacción gravitacional. E. interacción de ligadura. 4. ¿Qué interacciones no actúan a distancias mayores a 1 m? 5. Ordena las interacciones de forma decreciente según su intensidad. 6. Ordena las interacciones de forma creciente según la distancia a la que actúan. Física 4º medio 93 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 94 Física 4 Evaluaciones complementarias unidad 2 Solucionario Evaluación complementaria 10 1. D 2. 4 km 3. C 4. B 5. D 6. D 7. Energía. 8. a. 353,6 millones b. λ = 0,0231 1/s 9. Debido a la fuerza nuclear. 10. A mayor número másico, menor inestabilidad del núcleo. 11. 22 571 años. Evaluación complementaria 11 1. B 2. Medicina y arqueología. 3. C 4. Nuclear fuerte y débil. 5. Fuerte-eléctrica-débil-gravitatoria. 6. Débil-fuerte-eléctrica-gravitatoria. Rúbrica para la evaluación complementaria 10 Indicador de logro Logrado Medianamente logrado Parcialmente logrado Reconoce la razón entre el tamaño del núcleo y el tamaño del átomo. Responde los ítems 1 y 2. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Señala las características del espín, en partículas subatómicas. Responde los ítems 3 y 4. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Reconoce los cuarks que conforman a los protones y neutrones. Responde los ítems 5 y 6. Responde solo un ítem. No responde ningún ítem. Explica la emisión de energía en el decaimiento de los átomos. Responde los ítems 7, 9 y 10 Responde dos ítems. Responde solo un ítem. Aplica la relación de decaimiento en isótopos radiactivos. Responde los ítems 8 y 11. Responde un ítem. No responde ningún tema. 94 Física 4º medio Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:00 Página 95 Solucionario Unidad 1 Página 10. Evaluación diagnóstica I. Conceptos 1. Esquema A Esquema B + – también – + + + también – – – + también + – – – también + + Se atraen. AyC D La segunda imagen, porque los momentos dipolares magnéticos tienen una misma orientación. 6. C y D 7. B 8. La luz y las ondas electromagnéticas se generan por cargas aceleradas. 9. Frotar una regla plástica con lana, un condensador. II. Habilidades y procedimientos. 1. la hipótesis más probable es la tercera. 2. El televisor tiene condensadores que se cargan al estar enchufado el aparato. Si se desenchufa, dicha carga queda en los condensadores y estos pueden escargarse a través de una persona. Página 39. Síntesis y evaluación de capítulo I I. 1. Las propiedades de la carga eléctrica son: cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen; la carga eléctrica se conserva; la carga eléctrica está cuantizada. 2. En un material conductor los electrones están débilmente ligados a sus átomos; en cambio en un material aislante los electrones se encuentra fuertemente ligados. 3 Electrización por inducción. El cuerpo sobre el cual se induce carga, sigue con carga neta neutra. 4 Del área de las placas en la cual se almacena la carga, del material que aísla las placas y de la distancia entre ellas. 5. Consiste en la presencia de un campo magnético alrededor de un conductor por el que pasa una corriente. 6. Apuntan hacia fuera de cada una de las cargas, estas se curvan y no se tocan. II. 1. F = 90 N 2. B = 2 · 10-7 T 3. F = 4,61 · 10-14 N III. 1. El aire seco es mal conductor de la 2. 3. 4. 5. electricidad, lo que favorece que los cuerpos se electricen y se descarguen al encontrar un cuerpo neutro cercano. 2. B Página 57. Evaluación intermedia I. 1. Los conceptos que completan correctamente el esquema son: • Recuadro Izquierdo: Carga del condensador • Recuadro derecho: descarga del condensador Gráficos de la izquierda V I t t Gráficos de la derecha V I t t II. a. fem; leyes de Faraday y Lenz. b. campo; ángulo. c. ley de Lenz. d. el generador; transformadores. III. 1. -1,11 V 2. 300 espiras Página 67. Síntesis y evaluación de capítulo II I. 1. El tiempo en que la carga del condensador alcanza el 63 % de su capacidad máxima. 2 Corresponde al número de líneas de campo magnético que atraviesan una determinada superficie. 3. Del número de vueltas de la espira y de la rapidez del cambio de flujo magnético. 4. Se produce en un circuito RLC cuando la frecuencia del voltaje aplicado coincide con la frecuencia propia del oscilador. 5. Un movimiento oscilatorio. II. 1. fem = 0,45 V 2. 1 : 2 3. 2,83 A III. Uc (J) 5 4,8 3,1 2,6 1,2 0 1,6 1,5 5 4,8 UL (J) 0 0,2 1,9 2,4 3,8 5 3,4 3,5 0 0,2 E (J) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1. Se conserva. 2. La energía es máxima. 3. Es máxima. Página 95. Síntesis y evaluación de capítulo III I. 1. Si se considera solo la teoría de Maxwell, debería emitirla, y, por tanto, precipitarse al núcleo. Los postulados de Bohr acerca del átomo permiten saber que el electrón al mantenerse en un nivel de energía no emite ondas electromagnéticas. 2. Existen ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. Las ondas electromagnéticas son emitidas por cargas aceleradas. 3. Son perpendiculares entre sí. 4. Entre 1 m y 30 km. 5. Porque traspasan los tejidos blandos del cuerpo y no los huesos, creando una sombra de ellos. 6. Entre 540 KHz y 1600 KHz. II. 1. 3 · 1011 Hz y 3 · 108 Hz 2. S = 0,155 J/(s · m2) 3. λ = 10 m III. a. Amplitud. b. Frecuencia y longitud de onda. c. Amplificación de onda. Página 100. Evaluación de síntesis capítulos I, Il y III II. 1. D 2. A. 7,07 cm B. 5 cm C. 30 cm 3. E 4. ΔV = 5 · 107 V. Si la carga se mueve desde A hasta B, A tiene un mayor potencial. Si la carga se mueve desde B hasta A, B tiene un mayor potencial. Página 101. Evaluación síntesis capítulos I, Il y III II. 1. C III. 1. C 2. E 3. A 4. 1,257 · 10-6 T · m/A 5. U = 5500 J Página 102. Evaluación síntesis capítulos I, Il y III IV. 1. 3 · 106 V/m2 2. a. 1,6 · 10-18 C b. n = 10 3. a. I = 47 A b. Sentidos opuestos. Los campos se suman. 4. a. 308 V 5. a. 104 N 6. a. 8,6 años en ir y volver. 5 Física 4º medio 95 Unidad 2_Maquetación 1 28-11-11 17:01 Página 96 Física Unidad 2 Página 106. Evaluación diagnóstica I. Conceptos 1. B. 2. B. 3. A-c B-d C-e D-b E-a. Página 129. Evaluación intermedia I. Los conceptos que completan correctamente el esquema son: • Recuadros izquierdos: Grecia; Demócrito; Leucipo; materia; vacío; partículas; dureza; tamaño. • Recuadros derechos: Rutherford; Bohr; electrones; núcleo; espectrales; oro; partículas alfa; hidrógeno; estacionarios; energía; electrón; emite; fotón. II. 1. El modelo no es capaz de explicar la estabilidad del átomo. Según este, el átomo debería ser inestable. 2. f = 2,9 · 1015 Hz Página 138. Síntesis y evaluación de capítulo I I. 1. Los atomistas pensaban que la materia no se podía subdividir infinitas veces, llegando a un límite fundamental (átomo), y estaban quienes pensaban que la materia si se podía subdividir siempre. 2. Ambos modelos postulaban que los elementos químicos estaban formados por partículas pequeñas y que los átomos de un mismo elemento químico eran iguales, pero Rutherford demostró que no eran indestructibles como postulaba Dalton, y que tampoco eran esféricos y compactos, sino que tenían corteza externa y núcleo. 3. Por la dificultad de acceder experimentalmente al mundo atómico. 4. En que solo están permitidas algunas órbitas para los electrones en el espacio y que el momento angular de los electrones es un múltiplo de la constante de Planck. 5. La estabilidad del átomo (porque los electrones no se precipitan al núcleo), la emisión y absorción de fotones. 6. Bohr utiliza la cuantización de la energía de Planck para explicar las órbitas estacionarias de los electrones. 96 Física 4º medio 7. En la imposibilidad de determinar de manera simultánea la posición y el momentum lineal de una partícula. 8. Es más importante a escala atómica, pues son más significativas las incertezas para un Δx pequeño. II. 1. r1 = 5,29 · 10-11 m ; r2 = 2,12 · 1010 m 2. E2 = −3,4 eV ; E2 = −5,44 · 10-19 J 3. Absorbe un fotón, λ = 4,35 · 10-7 m 4. 527,6 m III. 1. Se podría pensar, por ejemplo, que las partículas elementales no poseen carga eléctrica. 2. C. Página 150. Evaluación intermedia I. Los conceptos que completan correctamente el esquema son: • La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. • El que se pudo dividir a través de colisiones. • Cuyo radio puede ser calculado mediante: R = 1,2 · 10-13 · A1/3 m. • Su tamaño es del orden de 10-5 veces el tamaño del átomo. II. 1. 2 · 105 cm = 2 km 2. A los protones y neutrones. 3. El giro de la partícula. 4. Porque están formados por otras partículas. 5. Masa y carga eléctrica. 6. No, porque al separarlos se forma nuevamente un par de cuarks. 7. Más neutrones que protones. 8. Átomo con igual cantidad de protones, pero diferente cantidad de neutrones que el átomo fundamental. Página 175. Síntesis y evaluación de capítulo II I. 1. Las radiaciones alfa, beta y gamma se generan de forma natural, como consecuencia de la estabilización de núcleos atómicos pesados. Las radiaciones alfa son núcleos de helio con bajo poder de penetración; la radiación beta corresponde a electrones con un poder de penetración mediano; y las radiaciones gamma son ondas electromagnéticas de alta energía y poder de ionización. 2. A que no es posible predecir cuál núcleo se desintegrará en un determinado instante. 3. Las radiaciones ionizantes. Entre ellas se cuentan las emisiones beta, las radiaciones electromagnéticas como los rayos UV y x y la radiación gamma. 4. En una reacción controlada se puede frenar la velocidad con que se fisionan los núcleos. En una reacción en cadena, en cambio, dicho control sobre la velocidad de fisión no existe. 5. La interacción gravitacional. II. 1. 35,21 dec/s 2. a. x = 238, y = 90; b. x = 11, y = 6. III. 1. a. Función exponencial; N = N0e–0,043t b. 16,2 c. 32,4 s Página 180. Evaluación de síntesis capítulo I y II II. 1 C 2 D 3 C 4 E 5 C Página 181. Evaluación de síntesis capítulos I y II III. 1. a. Modelo atómico de Bohr para el átomo de hidrógeno. b. Absorción de fotones. c. 12,1 eV = 1,94 · 10-18 J; f = 2,92 · 1015 Hz d. Disminuye, menos energéticos. 2. a. Los con número másico entre 40 y 80. b. Aumenta la cantidad de nucleones y, como consecuencia, la energía necesaria para mantenerlos juntos. c. Al aumentar el número de nucleones, es mayor la fuerza de repulsión entre los protones, por tanto, para mantener la estabilidad del núcleo se necesitarían más neutrones. 3. T1/2 ≈ 25 minutos Desintegración yodo-128 Desintegraciones por segundo 4 Solucionario 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 Tiempo (minutos) 60 70 80 90
