FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 195 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ESTRUCTURA CURRICULAR CONCEPTOS BÁSICOS SESIONES DE APRENDIZAJE Y DE VIDEOS Capítulo 1 HORIZONTES DE LA FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Núcleo Básico 1 HORIZONTES DE LA FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 1.1 Importancia de la física y la química. 1.2 Enfoque y contenidos. 1.3 Proyecto personal. 1. Dos ciencias hermanas. 2. ¿Cómo trabajan juntas? 3. ¿Cuánto aprendí? 4. ¿Qué y cómo aprenderé? 5. Mis propósitos. 6. Otros propósitos. Capítulo 2 LA FÍSICA Y LA QUÍMICA EN EL ENTORNO Núcleo Básico 2 LA FÍSICA Y LA QUÍMICA EN NUESTRO ENTORNO 2.1 Naturaleza y movimiento. 2.2 Tipos de fenómenos. 2.3 Mecanismos físicos simples. 2.4 Mecanismos físicos combinados. 2.5 Las mezclas. 2.6 Los compuestos. 7. ¿Por qué se mueven? 8. ¿Cuántos hay? 9. Sencillamente se mueven. 10. Complicados, pero se mueven. 11. Todos se mueven. 12. Aleación o mezcla. 13. Siempre unidos. 14. Revueltos o unidos. 15. Interactúan juntas. 16. Amistad y hermandad. Capítulo 3 LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA Y SUS PARTICULARIDADES Núcleo Básico 3 LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA Y SUS PARTICULARIDADES 3.1 Las preguntas y las hipótesis. 3.2 La medición y la experimentación. 3.3 Casos científicos y tecnológicos. 3.4 Algunos resultados de la investigación científica. 3.5 Observación sistemática y registro de datos. 3.6 Registro de fenómenos. 3.7 Gráficas de fenómenos. 17. Interrogantes. 18. Conjeturas. 19. Interrogantes y conjeturas. 20. Comparar es bueno. 21. La experiencia es importante. 22. Experiencias calculadas. 23. Sucesos verídicos. 24. Camino de hallazgos. 25. El camino de un suceso. 26. Mira. 27. Apunta. 28. Tablas ordenadas. 29. Dibuja cambios. 30. Traza los cambios. 31. Transforma los datos. 32. Detalles científicos. 33. Singularidades de la ciencia. 34. Armando las piezas I. 197 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE CONCEPTOS BÁSICOS SESIONES DE APRENDIZAJE Y DE VIDEOS Capítulo 4 EL LUGAR DE LA EXPERIMENTACIÓN Núcleo Básico 4 EL LUGAR DE LA EXPERIMENTACIÓN 4.1 4.2 4.3 4.4 Materiales de laboratorio. Materiales del entorno. Reglas de la experimentación. Elaboración de algunos materiales. El dinamómetro. La balanza. 4.5 Confección de algunos aparatos. Termómetro. Péndulo. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. Núcleo Básico 5 NATURALEZA DE LA MATERIA Capítulo 5 NATURALEZA DE LA MATERIA 5.1 Importancia y clasificación de la materia. 5.2 Propiedades generales de la materia. 5.3 Propiedades particulares y específicas de la materia. 5.4 Cuerpo, sustancia y elemento. 5.5 La molécula. 5.6 El átomo. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. CONCEPTOS BÁSICOS Por todos lados. Las comunes. Las exclusivas. Las típicas. Juntos forman un todo. Igual, pero muy pequeña. Fuerte y pequeño. Un pequeño para una pequeña. Lo interesante de la masa. La masa tiene lo suyo. Núcleo Básico 6 MATERIA, MAGNITUDES Y MEDIDAS Capítulo 6 MATERIA, MAGNITUDES Y MEDIDAS 6.1 Unidades convencionales y no convencionales. 6.2 Unidades fundamentales. 6.3 Equivalencia de unidades. 6.4 Determinación geométrica del volumen de sólidos. 6.5 Precisión geométrica del volumen de líquidos. 6.6 Delimitación del volumen de gases. 6.7 Medición del volumen de cuerpos irregulares. 6.8 Masa y peso. Los clásicos. Herramientas ambulantes. Prudencia en el trabajo. Construcción de materiales. Elaboración de utensilios. Fabricación de herramientas. Construcción de aparatos. Descubre las cargas. Muy inclinado. Lugar experimental. Experimentos de salón. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 198 Con la vara que midas serás... Magnitudes básicas. Grandes y pequeños. Transformaciones. Sólidos medibles. Fuertes medibles. Cálculo de amorfos. Sin forma y con volumen. Ligeros medibles. ¡Eureka! ¡Eureka! Cuerpos caprichosos. Son diferentes. Pegados al suelo. Nunca cambia aunque se mueva. Todo se puede medir. La masa sí se mide. Armando las piezas II. Capítulo 1 HORIZONTES DE LA FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE La importancia de la física, la química y el ambiente radica en las aplicaciones que tienen en las diversas actividades que realiza el ser humano. Ambas ciencias ayudan a comprender todos los fenómenos que suceden en la naturaleza y los provocados por la acción humana. Hay países en donde el conocimiento científico de los habitantes se ha fomentado cuidadosamente desde la escuela primaria. Este conocimiento se convierte en un recurso valioso cuando la ciencia y la tecnología están al alcance de todas las personas para mejorar las condiciones de vida dentro de una concepción de desarrollo sostenible y generar fuentes de empleo. El desarrollo de la física y la química ha sido preocupación clave en el desarrollo tecnológico de muchos países para no deteriorar el ambiente. La física y la química tienen una gran importancia debido al avance tecnológico que han experimentado muchos países del mundo. 199 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 1.1 IMPORTANCIA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA Corresponde a las sesiones de GA 1.1 DOS CIENCIAS HERMANAS y 1.2 ¿CÓMO TRABAJAN JUNTAS? En su gran afán por conocer el mundo que le rodea, el ser humano ha desarrollado conocimientos para comprender la naturaleza; en este proceso surgieron las ciencias naturales, entre ellas la física y la química. El desarrollo de estas dos ciencias ha contribuido al progreso de otras, como la medicina, la geografía, la biología, la astronomía, la astrofísica, etcétera, y a la satisfacción de algunas de las necesidades humanas, como alimentación, vestido, vivienda y transporte entre otras. De igual forma la física y la química han sido ciencias clave en la evolución de la tecnología. Figura 1. Aportaciones de la física y la química a la industria. La física explica los fenómenos en los cuales la materia no sufre ninguna alteración en su composición. Su contribución es importante en los medios de comunicación y transporte, en la construcción de carreteras, puentes, complejos industriales, computadoras, aparatos para usos diversos dentro de la medicina, etc., y para la explicación de fenómenos como el frío y el calor, el día y la noche, los colores, la luz, el sonido, la caída y el movimiento de los objetos, el vuelo de un pájaro o el andar de un mosquito en la superficie del agua. La física se centra en el estudio del movimiento, dirección, trayectoria, velocidad de caída y magnitudes que manifiestan los cuerpos, así como de las transformaciones de un tipo de energía (luminosa, calorífica, de movimiento, etc.) a otra y sus propiedades. CONCEPTOS BÁSICOS 200 A la química le corresponde el estudio de fenómenos en donde se verifican cambios en la naturaleza de las sustancias; ha contribuido al avance industrial en la fabricación de materiales resistentes y ligeros y de materias primas para la industria de la construcción, extracción de metales, preparación y conservación de alimentos, obtención de solventes, materias primas para la medicina, fertilizantes, combustibles, etcétera. Figura 2. Aspectos en los que contribuyen la física y la química. Figura 3. Elaboración de productos químicos. 201 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Aunque se han mencionado varias aplicaciones de cada ciencia, ambas están íntimamente relacionadas, pues estudian la materia y la energía; en ocasiones colaboran para un mismo objetivo, aunque con métodos diferentes. Veamos algunos ejemplos: CAMPOS DE APLICACIÓN TRANSPORTE AGRICULTURA MECÁNICA APORTES DE LA FISICA APORTES DE LA QUIMICA Principios teóricos que fundamentan el funcionamiento de maquinaria, aparatos e instrumentos. - Principios físicos aplicados a sistemas de riego, equipos de ordeño, maquinaria y herramienta en general. - Principios físicos que fundamenta el funcionamiento de máquinas y herramientas. - - - - - TECNOLOGÍAS LIMPIAS Elaboración de instrumentos para hacer control de contaminación ambiental en tierra, agua y aire - Proporciona materia prima para su construcción. Proporciona combustible para su funcionamiento. Análisis de suelos. Fabricación de fertilizantes, insecticidas, fungicidas. Fabricación de vacunas, hormonas, concentrados y medicamentos para animales. Obtención de metales para la fabricación de herramientas. Preparación de aleaciones metálicas para mejorar resistencia, maleabilidad y dureza. Fabricación de recubrimientos que protegen superficies metálicas. Proporciona sustancias que facilitan el reconocimiento de residuos industriales tóxicos para la salud humana y demás seres de la naturaleza. La física se ocupa de los fenómenos como el movimiento, así como de las manifestaciones y propiedades de la energía, y propone modelos que expliquen esos comportamientos. La química se ocupa del estudio de aquellos fenómenos en los que se verifican cambios en la naturaleza de las sustancias cuando se someten a reacciones químicas y producen otras sustancias completamente diferentes de las iniciales. CONCEPTOS BÁSICOS 202 1.2 ENFOQUE Y CONTENIDOS Corresponde a la sesión de GA 1.4 ¿QUÉ Y CÓMO APRENDERÉ? Para el estudio y comprensión de cada una de las asignaturas de las ciencias naturales que se cursan durante este ciclo escolar, es necesario saber con qué finalidad fueron planeadas; es por ello que aquí se explica la forma como fue organizada la asignatura de física, química y ambiente. En primera instancia, se establece que dicha asignatura se curse desde el sexto grado con la finalidad de tener una secuencia entre el nivel de formación científica de carácter general (la cual se obtuvo durante la educación primaria) y el aprendizaje en forma más sistematizada que requieren la física, la química y sus relaciones con el ambiente. Los conocimientos que se adquieren en esta asignatura serán de gran importancia; por esto se dan a conocer los propósitos que se pretenden alcanzar durante su estudio, los cuales se enuncian a continuación: - Aumentar la capacidad de observación sistemática, para comprender los fenómenos físicos, químicos y ambientales que se presentan en la naturaleza, así como los que suceden en los avances de la ciencia y la tecnología del mundo moderno. - Comprender que la asignatura tiene formas variadas para darse a conocer y para aprenderse, de tal manera que se deben evitar las formulaciones rígidas (formas únicas para solucionar un problema), así se adquirirán habilidades para plantear preguntas adecuadas que lleven a encontrar explicaciones a las incógnitas que constantemente se presentan. - Propiciar la experimentación en el laboratorio escolar o en algún sitio acondicionado para ello, siempre y cuando haya seguridad, normas y vigilancia del profesor al momento de realizarse. El tratamiento de la asignatura es interesante, con contenidos sencillos y claros que hacen fácil su comprensión; aunque se han utilizado palabras técnicas, pues son necesarias, se explican en la mayoría de los casos; cuando no se hace esto, aparecen explicaciones en un glosario de términos científicos y tecnológicos al final del libro. El método de trabajo que se propone en el desarrollo de la asignatura es flexible: algunas veces los alumnos identifican situaciones problemáticas y a partir de sus conocimientos y experiencias se realizan actividades experimentales y con base en la información obtenida en los videos, en el libro de conceptos básicos y en el desarrollo de las sesiones de aprendizaje el estudiante aumentará su capacidad para observar sistemáticamente, identificar dudas, formular preguntas, experimentar, tomar datos y graficarlos para llegar a obtener conclusiones sobre el fenómeno estudiado. Otras veces, parte del video y de la información escrita para ampliar sus conocimientos sobre determinados temas. Todo depende de la orientación del profesor y la naturaleza del tema. 203 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Los contenidos fundamentales son la naturaleza y la estructura de la materia, los aspectos fundamentales de la energía y la interacción • entre ellas, además de la instalación o adecuación del laboratorio escolar con recursos disponibles en la comunidad. El propósito es lograr que el o la estudiante desarrolle una experiencia que le ayude a formarse como persona y que lo prepare para enfrentarse a su vida futura como ciudadano que debe tomar decisiones en un mundo altamente tecnificado. Se debe tener presente que la responsabilidad del aprendizaje es función propia de cada estudiante, orientada, dirigida y apoyada por una eficiente labor de la profesora o del profesor. 1.3 PROYECTO PERSONAL Corresponde a las sesiones de GA 1.5 MIS PROPÓSITOS y 1.6 OTROS PROPÓSITOS. Desde la más remota antigüedad el ser humano ha estado interesado en encontrar explicaciones a las situaciones del mundo que lo rodea. Comenzó solucionando aquellas situaciones que le producían curiosidad con la ayuda solamente de la observación y posterior explicación de lo ocurrido en forma especulativa. En la actualidad, el ser humano busca planear y desarrollar proyectos que tienen una finalidad muy definida: buscar soluciones, encontrar respuestas acerca de hechos o problemas del mundo en que vive. El desarrollo del proyecto requiere una organización cuidadosa. Desarrollar un proyecto exige el cumplimiento de una serie de pasos que ayudan a orientar las ideas de cómo realizarlo, estos pasos se pueden adecuar a las necesidades de cada persona o grupo de personas. El proyecto personal se desarrolla desde el aula de clase, tiene en cuenta la institución escolar y la comunidad; debe nacer de situaciones cotidianas de la comunidad escolar, tiene relación con diversas áreas del conocimiento, promueve conductas de respeto, responsabilidad, solidaridad y tolerancia que preparan a los estudiantes en la búsqueda de una mejor calidad de vida. Sus propósitos son: • Buscar soluciones a problemas ambientales, que tengan relación con la contaminación producida por residuos, gases, sólidos o líquidos derivados de procesos químicos. • Identificar conductas o hábitos culturales que se convierten en fuentes de contaminación, para tratar de modificarlas positivamente. MI PROYECTO PERSONAL Es indispensable conocer nuestro entorno para saber qué problema es el que queremos CONCEPTOS BÁSICOS 204 solucionar. Por ejemplo, para investigar sobre el cuidado del agua, hay que definir exactamente qué queremos saber de su cuidado ya que es un tema muy amplio. Lo podemos limitar al cuidado del agua en el hogar. Una vez delimitado se debe preguntar: • ¿PARA QUÉ se desarrolla este estudio? Una posible respuesta es: para educar a los miembros de la familia en el cuidado y ahorro del agua, ya que es un líquido muy importantes para la vida que se puede acabar si no se le da un cuidado apropiado. Ahora es importante pensar. • ¿CÓMO se va a desarrollar el proyecto? • ¿CON QUIÉNES se va a realizar el proyecto? En este caso se habla con la familia, sobre la importancia de este recurso y el cuidado que se debe tener para su conservación. No todos los proyectos llegan a la solución total de los problemas, algunos no se cumplen en su totalidad o fracasan debido a diversas causas, como carencia de recursos económicos, falta de cooperación de la gente, ausencia de recursos humanos. Ante cualquiera de estas situaciones se debe replantear el proyecto en forma total o parcial, según la necesidad. Planear ordenadamente cualquier actividad, lleva a obtener resultados positivos; debemos observar los resultados de las actividades que realizamos y planear con orden para obtener conocimientos significativos, soluciones a los problemas y satisfacciones personales ya sea como adolescente, adulto, profesional o padre de familia. Figura 4. Elaboración y realización del proyecto. 205 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Capítulo 2 LA FÍSICA Y LA QUÍMICA EN EL ENTORNO Todo lo que hay en el ambiente tiene movimiento, si lo comparamos con algún punto de referencia adecuado. Éste puede ser observable a simple vista u ocurrir en el interior de los cuerpos debido al movimiento de las moléculas; algunos de ellos forman mezclas que a veces están formadas por diferentes compuestos. 2.1 NATURALEZA Y MOVIMIENTO Corresponde la sesión de GA 2.7 ¿POR QUÉ SE MUEVEN? En la descripción del movimiento de cualquier cuerpo resulta útil considerar a éste como un punto que se mueve de una posición a otra, con respecto a un punto de referencia; por ejemplo, el movimiento del sistema solar, el cual está formado por el Sol, que es una estrella, en torno al cual giran nueve planetas, algunos cometas y miles de asteroides; en torno a algunos planetas giran satélites. Los planetas se dividen en dos grupos, los cuatro primeros son llamados interiores, ya que se encuentran entre el Sol y la franja de asteroides (Mercurio, Venus, Tierra y Marte), 207 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE M ER C VE UR TI NU IO ER S M RA AR TE son sólidos y pequeños en comparación con el Sol; otros cinco planetas, los exteriores están situados más allá de la franja de asteroides; los cuatro primeros (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno), son gigantes, compuestos principalmente de elementos ligeros; el noveno planeta es Plutón; poco se conocen sus características, pero hay indicios de que se parece más a los planetas interiores. S O L J AS ÚPIT SAT TE UR E RO R NO IDE S JÚPITER UR AN O NE PT UN O PL UT ÓN SATURNO URANO NEPTUNO MERCURIO PLUTÓN TIERRA SOL VENUS MARTE Figura 1. Nuestro sistema solar. En la parte superior se comparan las distancias de los planetas al Sol. En la parte inferior se comparan los tamaños de los planetas. Las distancias y los diámetros están a diferentes escalas. CONCEPTOS BÁSICOS 208 Se han formulado muchas ideas con relación al origen del universo: la más aceptada últimamente se conoce como la teoría del Big-Bang o de la Gran Explosión, la cual afirma que había una gran masa de pequeñisímo volumen pero de una gran energía, la cual al estar bajo una gran presión, explotó y se formaron partículas elementales, los átomos, los elementos, las moléculas, los cuerpos celestes, como galaxias, sistemas solares y polvo cósmico. El Sol gira sobre su eje de oeste (occidente) a este (oriente), o sea, en sentido contrario a las manecillas del reloj, y los planetas se mueven alrededor de él, también en esa dirección, giran sobre su propio eje, como trompos, en el mismo sentido. Los planetas Venus y Urano giran sobre su eje al revés. Estos movimientos los observamos así, si los vemos desde un sitio muy lejano, encima del Polo Norte. Así veríamos nuestro sistema solar si lo pudiéramos ver desde la Estrella Polar, que está a muchísima distancia, encima del Polo Norte. Luna se mueve de oeste a este URANO TIERRA SOL SOL MOV. OESTE A ESTE MOV. OESTE A ESTE W E URANO Tierra se mueve de oeste a este W E TIERRA Figura 2. Movimiento que presentan algunos planetas. La fuerza de gravedad es considerada como una fuerza que mantiene unido al universo y “sujeta’ a los seres humanos y a las cosas sobre la superficie de la Tierra, impidiendo que caigan al vacío. La escasa gravedad que hay en la Luna –seis veces menor que la de la Tierra– permite a los astronautas moverse con mucha libertad a pesar de la mucha masa de sus equipos. Una persona daría en la Luna un salto seis veces más alto que en la Tierra, por lo que es difícil imaginar qué ocurriría si no existiera gravedad; no habría un orden en la naturaleza. LUNA MARTE TIERRA Figura 3. En la Luna el salto es mayor. 209 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Los planetas tampoco pueden resistirse a la atracción gravitacional que los mantiene unidos, como si cada uno fuera un gran imán, y que los mantiene en movimiento alrededor del Sol. A causa de las fuerzas de atracción de la Luna y del Sol sobre la Tierra, principalmente de la Luna, por su cercanía, se debe el fenómeno de las mareas, éstas son más notorias en la luna nueva pues el Sol y la Luna están halando en una misma dirección. Por estas fuerzas, en la luna nueva se presenta mayor facilidad que la savia suba a la copa de los árboles o la sangre a la cabeza, durante el día. Por esto no se acostumbra podar los árboles en luna nueva. 2.2 TIPOS DE FENÓMENOS Corresponde a la sesión de GA 2.8 ¿CUÁNTOS HAY? Se dice que un cuerpo está en movimiento cuando cambia de posición a medida que el tiempo transcurre. Sin embargo, a veces no se puede ver este cambio. En algunos fenómenos naturales se pueden observar diferentes tipos de movimiento, que cambian de dirección siguiendo una recta, una curva, en general modificando su velocidad, como lo hace el viento. “... Todas las personas han sentido alguna vez el viento, desde una leve brisa hasta los ventarrones que les arrebatan el sombrero y los hacen correr tras él para recuperarlo. Incluso hay tornados que pueden arrancar objetos que estén muy firmes en el suelo, pero nadie ha visto a ese elemento alborotador porque está hecho de aire: es la atmósfera en movimiento. Figura 4a. Movimiento del viento 1 Los vientos son ríos de aire que vuelan sobre la Tierra a diferentes velocidades”.1 Nueva Enciclopedia Temática, México, Cumbre, t. 1, 30ª ed., 1983, pág. 249. CONCEPTOS BÁSICOS 210 Los vientos son muy importantes, ya que provocan las lluvias primaverales y tormentas de verano. Por la inclinación del plano de rotación de la Tierra con respecto al plano de translación alrededor del Sol, los rayos luminosos inciden perpendicularmente a la Tierra en diferentes regiones, según la época del año como puede observarse en la figura 5a. Figura 4b. Velocidad del viento. Hacia la Estrella Polar Plano de rotación, paralelo al plano ecuatorial Rotación Translación 22 Sep 22 Jun 22 Dic Sol 22 Mar Plano de translación Figura 5a. Movimientos de la Tierra. La siguiente figura (5b) permite analizar con más detalle cada una de las cuatro posiciones de la Tierra, que dan inicio a las estaciones: 211 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE T. de C ap ric or ni o Rayos solares 22 de Diciembre: El Trópico de Capricornio recibe rayos solares que inciden en forma perpendicular a él. En este día y los cercanos a él, el Polo Norte no recibe rayos solares y el Polo Sur permanece iluminado. En el Ecuador, el Sol se ve salir entre el sur y el oriente, a 23.5º del oriente. En este día se inicia el invierno en el hemisferio Norte. e C án ce r Ec ua do r 22 de Marzo: El Ecuador recibe rayos solares que inciden en forma perpendicular a él. En este día y los cercanos a él, todos y cada uno de los puntos sobre la Tierra reciben rayos solares. En cualquiera de esos puntos el día solar es de 12 horas. En todas partes del mundo el Sol se ve salir exactamente por el oriente y en el Ecuador, además, el Sol pasa por el cenit. En este día se inicia la primavera en el hemisferio Norte. T. d 22 de Junio: El trópico de Cáncer recibe rayos solares que inciden en forma perpendicular a él. En este día y los cercanos a él, el Polo Norte permanece iluminado y el Polo Sur no recibe rayos solares. En el Ecuador, el Sol se ve salir entre el norte y el oriente, a 23.5º del oriente. En este día se inicia el verano en el hemisferio Norte. 22 de Septiembre: En el Ecuador los rayos solares caen, nuevamente en el año, perpendiculares a él. En este día y los cercanos a él, todos y cada uno de los puntos sobre la Tierra reciben rayos solares. En cualquiera de esos puntos el día solar es de 12 horas. En todas las partes del mundo el Sol se ve salir exactamente por el oriente y en el Ecuador, además, el Sol pasa por el cenit. En este día se inicia el otoño en el hemisferio Norte. Figura 5b. Explicación de las estaciones. CONCEPTOS BÁSICOS 212 El globo terráqueo, usado en clases, está constituido con esta inclinación (23.5º) para mejorar el modelo que explica los movimientos de rotación y translación de la Tierra y con él, la explicación del porqué de las estaciones. En los polos, los rayos del Sol penetran oblicuamente, es decir, inclinados, y se distribuyen sobre una mayor área, ocasionando que la llegada de calor sea menor y el aire permanezca más frío. N Al ser calentado el aire en el Ecuador, se eleva y viaja hacia los polos, desplazando el aire frío; éste se va hacia el Ecuador y allí se calienta, luego se eleva y regresa a los polos; este proceso se repite un sinfín de veces. El movimiento de rotación de la Tierra influye en el rumbo del aire que va del norte hacia el ecuador, pues se desvía y en realidad llega del noreste; el viento que va del sur hacia el Ecuador también se desvía y llega del sureste. Al igual que el viento, hay en la naturaleza infinidad de S fenómenos u objetos en los que se pueden apreciar diferentes movimientos; éstos han sido estudiados y los Figura 6. Dirección que sigue conocimientos aplicados en las actividades cotidianas. el viento en la Tierra. Este conocimiento lo aprovechamos para controlar las erosiones que causan los vientos. Colombia, por tocar la línea del ecuador, está influenciada por los vientos alisios del noreste y del sureste. 2.3 MECANISMOS FÍSICOS SIMPLES Corresponde a la sesión de GA 2.9 SENCILLAMENTE SE MUEVEN Se considera que un mecanismo es la combinación de diversas piezas o partes para producir o modificar un movimiento; un mecanismo físico simple requiere piezas a las cuales se aplica una fuerza para realizar un movimiento determinado; en estos casos no se requiere ninguna sustancia química para producir, regular o transformar el movimiento. Los mecanismos físicos simples son muy importantes y útiles en las actividades cotidianas; por ejemplo, se considera que las tijeras trabajan por medio de un mecanismo físico simple. Podríamos decir que están constituidas por dos hojas de cuchillo o dos piezas unidas en un punto, las cuales, al aplicarles una fuerza, producen un trabajo determinado; se utilizan tanto en el hogar como en los talleres o negocios. Existen varios tipos de tijeras, pero todas están constituidas básicamente de la misma manera. 213 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Figura 7. Objetos que presentan mecanismos físicos simples. Hay otros utensilios que también son considerados mecanismos físicos simples, tales como las agarraderas de la bolsa, mochila o portafolios; las asas de una taza o de una tapadera, palanca, poleas, planos inclinados, los cuales están formados por una pieza a la que se le aplica una fuerza para producir un movimiento. En la vida cotidiana se usan aparatos o utensilios simples como las tijeras, los remos, etc., éstos son importantes porque sirven como base para la elaboración de otros aparatos cada vez más complejos y que han ayudado al ser humano ahorrándole esfuerzos en la realización del trabajo. 2.4 MECANISMOS FÍSICOS COMBINADOS Corresponde a las sesiones de GA 2.10 COMPLICADOS, PERO SE MUEVEN y 2.11 TODOS SE MUEVEN Se dice que un mecanismo físico combinado es la unión de dos o más mecanismos físicos simples que producen un movimiento determinado al aplicárseles una fuerza. Estos, al igual que en los mecanismos físicos simples, no requieren ninguna sustancia química para producir, regular o transformar su movimiento. Ejemplo de un aparato que combina dos mecanismos físicos simples es el abrelatas, el cual necesita una palanca unida a un engranaje (polea), que realizan un trabajo cuando se les aplica una fuerza. CONCEPTOS BÁSICOS 214 Figura 8. Mecanismos físicos simples. Otro ejemplo es el triciclo, el cual combina el manubrio, los engranajes (poleas) y pedales (palancas), que realizan un movimiento cuando se les aplica una fuerza. También la bicicleta utiliza un mecanismo físico combinado, ya que para su movimiento, requiere la aplicación de la fuerza en los pedales; éstos mueven la cadena que se encuentra unida con las horquillas de la rueda de atrás, la cual transmite el movimiento a la rueda delantera; ésta se comunica con el manubrio y con él se regula la dirección del movimiento provocado. En la bicicleta se combinan varios mecanismos físicos simples, es decir, funciona mediante un mecanismo físico combinado y, por lo tanto, es considerada una máquina. La bicicleta y el abrelatas sólo son algunos de los aparatos que se encuentran en el entorno, de gran utilidad en las actividades cotidianas y que funcionan con mecanismos combinados. El uso de estos mecanismos ha significado para el ser humano el ahorro de grandes esfuerzos; su trabajo se ha facilitado y lo realiza en menos tiempo. Figura 9. Aparatos que utilizan mecanismos físicos combinados. 215 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 2.5 LAS MEZCLAS Corresponde a la sesión de GA 2.12 ALEACIÓN O MEZCLA En la naturaleza existe una gran diversidad de sustancias; en general, ninguna de ellas existe sola, sino que se juntan unas con otras, es por ello que se les llaman mezclas; por ejemplo: una piedra, el agua de mar, el aire, la arena, y muchas otras más. Las mezclas en las que se pueden distinguir las partes que las componen se llaman heterogéneas, y aquellas en que no es posible esto, se conocen como homogéneas. Por ejemplo, si en una despensa encontráramos diferentes granos revueltos, es posible distinguir, a simple vista, unos de otros, mientras en el aire no puede apreciarse a simple vista el oxígeno, el nitrógeno y otros gases que lo forman. La unión de dos o más sustancias cuya distribución no es uniforme, es decir, donde no todas las partes de la materia son iguales, forma lo que se ha denominado materia heterogénea. La ensalada de frutas es un ejemplo de materia heterogénea porque está compuesta de varias sustancias diferentes (melón, papaya, mango, piña...) que pueden distinguirse perfectamente una de otra. Figura 10. Mezclas heterogéneas y homogéneas. Las sustancias que forman una mezcla no pierden sus propiedades químicas originales. Otros ejemplos de mezcla: El jugo preparado de cualquier fruta es una mezcla porque está formado por varias sustancias que no pierden sus propiedades originales. Las sustancias, en este caso, son agua, fruta y azúcar. Un remolino de polvo también es una mezcla, porque está formado por sustancias diferentes: tierra, aire, microbios, entre otras. CONCEPTOS BÁSICOS 216 Las mezclas también pueden ser homogéneas; éstas se caracterizan porque las sustancias que las forman no se pueden distinguir unas de otras; un ejemplo es el aire, en él no se puede distinguir ninguno de los gases que lo forman. Un tipo especial de mezcla homogénea es la que produce la unión de una sustancia sólida soluble y un líquido o dos líquidos diferentes, pues se unen de tal forma que no pueden distinguirse las sustancias; estas mezclas son más conocidas como soluciones o disoluciones. Para formar una mezcla no es necesario poner cantidades precisas de las sustancias. A continuación se muestra, a manera de ejemplo, la forma de realizar una mezcla homogénea para obtener un tinto. 2. En los recipientes hay café y azúcar 1. En un recipiente (vaso o taza) se vierte agua caliente 4. Se agita la mezcla para que se disuelvan las sustancias 3. Se agrega azúcar y café soluble a la taza con agua caliente 4. Se obtiene café negro o tinto La separación de algunas mezclas es fácil en algunos casos, pero en otros se requieren procedimientos más complicados, por ejemplo: El fríjol con cascarilla y otras impurezas es una mezcla que puede separarse fácilmente; en cambio, la sal con azúcar es más difícil de separar, porque los gránulos de estas sustancias son muy semejantes en su color y tamaño. 217 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 2.6 LOS COMPUESTOS Corresponde a las sesiones de GA 2.13 SIEMPRE UNIDOS y 2.14 REVUELTOS O UNIDOS Dentro de la materia existente en la naturaleza, hay una parte de ella que se clasifica como pura, por ejemplo, la sal y el azúcar. A este tipo de materia se le conoce como homogénea, porque en todas sus partes está constituida por el mismo tipo de sustancias, lo que no sucede en mezclas heterogéneas. El agua pura es un ejemplo de materia homogénea, porque cualquier porción que se tome de ella está constituida por materia del mismo tipo. El agua pura está formada por dos sustancias, hidrógeno y oxígeno, cada una con características propias, que al combinarse se pierden, con lo cual el agua adquiere propiedades diferentes a las de las sustancias que la originan. En general, este tipo de materia se le conoce con el nombre de compuestos. Ejemplos de compuestos: Bicarbonato de sodio Glicerina Yeso Ácido clorhídrico Sulfato de sodio Los compuestos se forman mediante procedimientos diferentes. Uno de ellos se ejemplifica enseguida: CONCEPTOS BÁSICOS 218 1. La cinta de magnesio se sostiene por un extremo con las pinzas para crisol 2. Se introduce el otro extremo en la llama del mechero hasta que prenda 3. Se coloca el producto en un vidrio de reloj 4. El compuesto que se formó es un polvo blanco llamado óxido de magnesio 219 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Capítulo 3 LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA Y SUS PARTICULARIDADES Toda persona dedicada a la investigación científica requiere plantearse problemas para buscarles una solución. El trabajo científico es una forma práctica de transformar el mundo. Sus resultados deben ser aplicados y comprobados como una práctica social. Para encontrar la alternativa que solucione el problema, el investigador necesita saber plantear correctamente preguntas y transformar estas en hipótesis para después comprobarlas por medio de la experimentación o del análisis de algunos cuestionamientos. La finalidad de la ciencia está en construir conocimiento científico mediante la investigación. La investigación científica implica el planteamiento de preguntas y su transformación en problemas científicos, capacidad de asombrarse y obviamente de aventurar e imaginar respuestas mediante hipótesis sustentadas, diseñar y montar experimentos, realizar control experimental, confirmar teorías, falsearlas, construir otras nuevas o modificar las que el ser humano ya posee y confrontarlas con las teorías científicas actuales. Implica también el expresarse coherentemente en un buen castellano haciendo uso de las herramientas comunicativas de orden científico, como códigos, símbolos, tablas, gráficas y otros más. 221 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 3.1 LAS PREGUNTAS Y LAS HIPÓTESIS Corresponde a las sesiones de GA 3.17 INTERROGANTES, 3.18 CONJETURAS y 3.19 INTERROGANTES Y CONJETURAS El ser humano primitivo se cuestionaba cuando los fenómenos naturales sucedían, porque no sabía qué los provocaba y de dónde provenían. De este modo empezaron a surgir innumerables dudas, las cuales se plantearon por medio de preguntas. Los investigadores también se plantean preguntas cuando están tratando de solucionar un problema. Ilustrémoslo con un ejemplo: Se sabe que la Tierra está rodeada por una capa de aire de 800 kilómetros de espesor y que vivimos en el fondo de un fluido gaseoso llamado atmósfera. sin aire presión atmosférica presión debida al paso de la columna Figura 1. Experimento de Torricelli. Barómetro. El notable físico italiano Torricelli (1608 - 1647), discípulo de Galileo, ideó en 1644 un instrumento para medir la presión del aire sobre la Tierra llamado barómetro. Logró demostrar con sus experimentos que la atmósfera ejerce presión sobre la Tierra, esto es presión atmosférica. Después de Torricelli, otros físicos hicieron demostraciones impresionantes sobre la presión atmosférica, lo cual despertó el interés de investigar sobre las propiedades que poseía el aire. Uno de los interesados fue Robert Boyle, químico irlandés, quien tal vez empezó formulándose preguntas como: ¿El aire siempre genera la misma presión? ¿La temperatura influirá en el volumen de un gas? ¿El volumen variará con la presión? Después de formularse estas preguntas llegó a la siguiente suposición: Al aumentar la presión del aire dentro de un recipiente, su volumen disminuirá. A las aseveraciones o afirmaciones y a las explicaciones razonadas que se hacen cuando se estudia un problema o fenómeno se denomina hipótesis. Después de experimentar, Boyle llegó a la conclusión de que el volumen del aire disminuía cuando la presión aumentaba; al contrario, el volumen del aire aumentaba cuando la presión disminuía, siempre y cuando la temperatura fuera la misma. CONCEPTOS BÁSICOS 222 Por lo tanto, Robert Boyle comprobó su hipótesis y formuló, como consecuencia de esto, una ley: “Cuando la temperatura es constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión en su interior”. Analizando lo anterior, se puede decir que en el momento en que se tiene una duda se formulan preguntas, y de éstas se elaboran una o varias hipótesis, según lo requiera el problema una vez definido. P = P1 V = V1 P = 2P V = 1/2V1 Figura 1a. Experimentos de Boyle. Por lo tanto, una hipótesis es la explicación probable del fenómeno o problema que se tenga, es decir, es la suposición o suposiciones que se hagan de porqué suceden. 3.2 LA MEDICIÓN Y LA EXPERIMENTACIÓN Corresponde a las sesiones de GA 3.20 COMPARAR ES BUENO, 3.21 LA EXPERIENCIA ES IMPORTANTE y 3.22 EXPERIENCIAS CALCULADAS La medición y la experimentación son procesos de gran importancia para el ser humano a lo largo de la historia, ya que le han ayudado a comprender diferentes fenómenos. Cuando se observa alrededor se aprecian cuerpos de diferentes tamaños y formas, lo cual ayuda a diferenciarlos entre sí. 223 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 355 m área = 23.075 m2 65 m La longitud, el peso, la masa, el volumen, la temperatura, la velocidad, la aceleración de un cuerpo pueden medirse, es decir, se pueden comparar con otras magnitudes de la misma clase tomando como referencia un instrumento graduado, diferente para cada magnitud. Hay diferentes formas de medir las magnitudes de un cuerpo; por ejemplo, cuando se quiere saber el área de un terreno que tiene 355 metros de largo por 65 metros de ancho, se utilizan cálculos matemáticos, se multiplica el largo del terreno por el ancho y se obtiene el área. Para conocer la distancia que hay entre la Tierra y la Luna, también se realizan cálculos matemáticos; a este tipo de mediciones se les denomina indirectas. Las mediciones directas son aquellas que se realizan directamente con aparatos graduados tales como báscula, probeta, regla, vernier, reloj, metro, cronómetro, pipeta, etc. Son mediciones directas las realizadas para saber, por ejemplo, la longitud de cada una de las aristas de un libro, envasar un litro de leche y averiguar la distancia que hay entre dos árboles. 19 cm 21 cm Figura 1c. Ejemplos de mediciones directas. En todos los casos es necesario hacer las anotaciones correspondientes; ejemplo: Área del terreno (355 m) (65 m) = 23.075 m2 Distancia entre dos árboles = 2 metros Longitud de los lados de un libro = 24 cm de largo y 19 cm de ancho. La experimentación surge cuando el ser humano busca solucionar problemas determinados de su entorno, dando respuestas o probando las hipótesis que se plantea después de identificar un problema. CONCEPTOS BÁSICOS 224 La experimentación es un proceso que nos permite reproducir fenómenos para hacer observaciones, medir y comprobar las reacciones, cambios o transformaciones al ser sometidos a ciertas condiciones como luz, temperatura, presión; durante la experimentación se deben anotar las observaciones, consideraciones necesarias y registros de datos que conduzcan a los posibles resultados. Figura 2. Observaciones y registro. En el estudio que realizó J.A.C. Charles en 1787 sobre la dilatación (aumento del volumen) de los gases, se ponían en práctica la experimentación y la medición al controlar y modificar la temperatura de un gas; cuando ésta subía, su volumen aumentaba y cuando bajaba la temperatura, el volumen disminuía. A esta propiedad se le conoce como la Ley de Charles. Cámara de gas 1 atmósfera 1000 litros 1091 litros 1366 litros 1 atmósfera bulbo movible 1 atmósfera Mercurio tubo de caucho o plástico agua fría agua 0ºC A vapor 25ºC B 100ºC C Figura 3. Relaciones entre el volumen de un gas y la temperatura a presión constante. 225 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE En una cámara colocó un tubo nivelado (graduado) que contenía gas y mercurio; el tubo se conectaba en un bulbo movible en el que se indicaba la presión. En este experimento, el mercurio y el gas tenían el mismo volumen inicial, es decir, el recipiente contenía la mitad de mercurio y la mitad de gas, con presión de 1 atmósfera y temperatura de cero grados centígrados (0ºC). El volumen que ocupó el gas en estas condiciones era de 1 000 litros; después aumentó la temperatura a 25ºC y el volumen del gas fue de 1 091 litros; cuando aumentó la temperatura a 100ºC, el volumen del gas fue de 1 366 litros1. Los datos de estos tres experimentos pueden registrarse sistemáticamente, así: TABLA DE DATOS Experimento Volumen (en litros) Presión (en atmósferas) Temperatura (ºC) A 1 000 1 0 B 1 091 1 25 C 1 366 1 100 El registro de los datos permite concluir: Si la presión permanece constante, el volumen del gas aumenta cuando aumenta la temperatura. De la misma manera en que A.J.C. Charles puso en práctica la experimentación y la medición para formular una ley, actualmente los investigadores están haciendo lo mismo en diversos temas; esto ha sido de gran importancia para el desarrollo de los países, ya que fue así como se difundieron grandes leyes, teorías, principios e inventos tecnológicos, entre ellos la televisión, la radio, la refrigeración, las técnicas para mejorar algunos cultivos como el maíz, el café, lodos frutales; todo ello ha traído grandes beneficios a la humanidad. 3.3 CASOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS Corresponde a la sesión de GA 3.23 SUCESOS VERÍDICOS. A lo largo de la historia el ser humano ha buscado explicarse interrogantes tales como ¿en 1 Miller, H. Agustín B., Química elemental, México, Harla, 1978, pág. 95. CONCEPTOS BÁSICOS 226 qué forma está compuesta la materia?; para ello ha formulado preguntas y elaborado hipótesis con las cuales intenta dar respuestas a las preguntas que formula. Sin embargo, la forma más apropiada de rechazar o confirmar sus hipótesis fue por medio de la experimentación, proceso al cual se unieron muchos científicos interesados en el tema. El ser humano prehistórico, al buscar el origen y la naturaleza de todo lo que le rodeaba, creó los mitos: cada fuerza natural era un dios o una figura humana. Los fenómenos naturales se imaginaban producidos por la acción de fuerzas sobrenaturales; así se mantiene la ciencia durante siglos hasta que aparece en Grecia una escuela de filósofos que observan y piensan sobre el mundo, la naturaleza de la materia y plantearon muchos problemas de la ciencia. Por esa época los filósofos griegos Leucipo y su discípulo Demócrito de Abdera enseñaron que la materia estaba formada por partículas pequeñísimas llamadas átomos, separados entre sí que permitían su movimiento. Los caracterizaron diciendo que los átomos son eternos, indivisibles (de donde deriva su nombre) y de la misma naturaleza pero de diferente forma, por el orden en que están colocados en el cuerpo; por su posición y por su magnitud. Esta teoría no se desarrolló en su momento a pesar de ser la base de teorías científicas modernas. Sin embargo, en 1803 un profesor inglés, John Dalton, luego de algunos experimentos argumentó que los átomos eran iguales, dentro de un mismo elemento, en tamaño, forma y masa, pero diferentes de los de otros elementos, es decir, todos los átomos de aluminio son iguales entre sí pero son diferentes de los átomos de cobre; para Dalton, el átomo no era una esfera metálica cargada eléctricamente, se podían unir o separar unos átomos con otros originando cambios químicos. El científico J. Thomson, en 1904, con sus experimentos propuso considerar al átomo como esferas de electricidad positiva, dentro de las cuales estaban incrustados los electrones, como las uvas pasas en una torta o ponqué; los identificó como partículas de carga eléctrica negativa. DALTON THOMSON Figura 4. Modelos atómicos de Dalton y Thomson. 227 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE “... En 1919 Rutherford, interpretando los resultados de su experimento, llegó a la conclusión de que en el núcleo del átomo se encontraban partículas con carga eléctrica positiva que más tarde fueron llamadas protones; además identificó que los electrones con carga eléctrica negativa giraban alrededor del núcleo para neutralizar la carga eléctrica del átomo”2. Sin embargo, este modelo no era aceptado del todo, ya que no explicaba con claridad por qué los electrones y el núcleo estaban cargados eléctricamente. El científico danés Niels Bohr propuso que en 1913 un modelo atómico en el cual suponían que los electrones se movían alrededor del núcleo, distribuidos en órbitas y podrían pasar de una órbita a otra, lo que semejaba a un sistema solar en miniatura; a las órbitas las denominó niveles de energía y las designó con las letras K,L,M,N,O, P, Q de adentro hacia afuera. Sin embargo, su modelo funcionó para átomos pequeños, como el hidrógeno pero no pudo explicar la distribución de átomos complicados, como el bario y el uranio. RUTHERFORD BOHR Figura 5. Modelos atómicos de Rutherford y de Bohr. Poco después, en 1916, el científico Sommerfeld modificó el modelo de Bohr y dijo que había órbitas circulares y elípticas, las cuales tenían diferentes niveles de energía; esto cambió gran parte de la estructura del átomo, como lo demuestra su modelo. Figura 5a. Representación del átomo de Sommerfeld; se introducen órbitas elípticas y subniveles energéticos. 2 Zumdahl, S. Steven, Fundamentos de química, McGraw-Hill, México, 1992. CONCEPTOS BÁSICOS 228 Años más tarde, en 1932, J. Chawick identificó a las partículas neutras, que también se encontraban en el núcleo y la denominó neutrones. Actualmente se siguen realizando experimentos y haciendo deducciones sobre la estructura y funcionamiento atómicos. Sin embargo, éste es sólo un ejemplo de la importancia que tiene la investigación científica, ya que así se han logrado grandes avances no sólo para conocer el átomo sino para estudiar otros aspectos de la realidad, aún desconocidos por el ser humano. CASOS TECNOLÓGICOS El primer viaje aéreo Cuenta una leyenda francesa que los tres hermanos Verlaine, ante los ojos atónitos de los presentes, elevan el primer globo en el Palacio Real de Versalles (Francia). Era un globo de 30 metros de diámetro fabricado con tela y recubierto en su parte externa con papel para que el aire caliente, que era el que impulsaba el globo, no escapara. El globo tenía una canasta y en su interior tres singulares pasajeros: un carnero, una gallina y un pato. Fueron los tres primeros seres que realizaron un viaje aéreo. El globo subió hasta unos 40 metros y, arrastrado por la brisa, cayó muy cerca del punto de partida. La invención de este modo de viajar por el aire se realizó por casualidad debido a que uno de los hermanos Verlaine, que era un gran observador, se dio cuenta de que unas pequeñas bolsas que se hallaban en la parte superior de una hoguera, al llenarse del aire caliente que éste producía, se elevaban en el aire. Repitiendo este hecho consiguieron elevar los primeros globos con el aire caliente producido por una combustión. En esta leyenda hay muchos puntos de reflexión: la capacidad de observación, la paciencia para experimentar, comprobar y construir el globo. Los conocimientos adquiridos al respecto dieron como resultado las primeras ideas para el desarrollo tecnológico de la aviación y los viajes en avión que hoy todos podemos disfrutar. La trascendental invención de la pila El médico y físico Luigi Galvani, en 1786 estudió las convulsiones que experimentaba un anca de rana al colocarla en contacto con dos metales diferentes. Creyó que la electricidad se originaba en el músculo. 229 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE El notable físico italiano Alessandro Volta en 1800, en desacuerdo con Galvani, cree que la electricidad se origina en los metales, experimenta colocando dos metales dentro una solución y comprueba que es cierto. Utiliza un recipiente con solución salina conectada con discos de cobre y estaño separados por discos de cartón. Si a un extremo del cobre y del estaño se le conectaba un alambre, se establecía una corriente eléctrica al cerrar el circuito. Volta cree haber descubierto una máquina de movimiento continuo aunque observa que la intensidad de la corriente disminuya con el tiempo; no conoció lo que ocurría en el interior de la pila. Al comprobar las bases científicas de su funcionamiento se descubrió su naturaleza química; ha permitido un gran avance teórico y tecnológico en el desarrollo de la física y la química. 3.4 ALGUNOS RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Corresponde a las sesiones de GA 3.24 CAMINO DE HALLAZGOS y 3.25 EL CAMINO DE UN SUCESO La ciencia avanza gracias a los trabajos científicos que realiza el ser humano; con ellos aumenta el conocimiento acerca del mundo e inventan aparatos y procesos que cambian su forma de vida. Un aporte importante para la humanidad fue el realizado por Galileo, quien estaba interesado en conocer la materia en movimiento; fue por ello que en una ocasión, al estar en la catedral de Pisa, observó cómo se movía una lámpara, siguió su movimiento y se dio cuenta de que era constante; ya que no había reloj en esa época, usó su pulso para determinar los tiempos del movimiento de la lámpara. Cuando llegó a su casa colocó una piedra atada a una cuerda y la colgó; así pudo predecir el ritmo del movimiento, con sólo conocer la longitud de la cuerda. A esto se le llamó la Ley del Péndulo, que fue utilizada por el astrónomo Huygens para inventar el reloj de péndulo. Figura 6. Torre de Pisa. CONCEPTOS BÁSICOS Posteriormente, Galileo retomó lo que Aristóteles decía acerca de la caída de los cuerpos: que los más pesados caían antes que los livianos. Con sus experimentos observó que no era verdad, y demostró lo que afirmaba ante los sabios y estudiosos de la época; para ello subió 230 a la Torre de Pisa y soltó una pesa de media libra, una bala de cañón de 10 libras y una pesa de una libra y los tres cuerpos llegaron al mismo tiempo, ante el asombro de los presentes. Galileo continuó con sus experimentos analizando la caída de los cuerpos; midió el tiempo en que caía una hoja de papel, luego la arrugó totalmente y vio que el tiempo se reducía considerablemente, según él, debido a que el papel arrugado oponía al aire una resistencia menor. Tiempo después, al observar que todos los cuerpos tenderían a caer, supuso la existencia de una fuerza, a la que actualmente se le conoce como fuerza de gravedad. Sin embargo, fue Newton quien, basado en los experimentos de Galileo y en otros ensayos, le dio el nombre de gravedad a la atracción de dos cuerpos, y poco después anunció la Ley de la Gravitación Universal. “... El físico alemán Roentgen, Premio Nobel de Física en 1901, identificó que «cuando los rayos catódicos chocan contra un obstáculo, como el anticátodo del tubo, producen radiaciones más penetrantes que la luz ordinaria y desconociendo su naturaleza, los denominó rayos X. En los modernos tubos de rayos X, los electrones se obtienen de un filamento incandescente calentado por electricidad”3. Corriente de alta tensión + Filamento incandescente A T C B - D Anticátodo A. Ánodo B. Rayos catódicos C. Cátodo D. Rayos X T. Anticátodo + Cátodo Rayos X Figura 7. Experimentos de Roentgen. El científico francés Henri Becquerel, en 1896 descubrió la radiactividad de manera similar a como fueron descubiertos los rayos X, al estar investigando el fenómeno de fluorescencia de algunos elementos. Años más tarde, Marie S. Curie y su esposo Pierre encontraron dos elementos: el polonio y el radio, que emitían constantemente partículas con mayor potencia que la de los rayos X. 3 Babor, A. José, Ibarz Aznárez, José, Química general moderna, México, ENSA. 231 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Actualmente hay muchos trabajos de investigación científica en todos los campos de los cuales saldrán nuevos conocimientos e inventos en beneficio de la humanidad. 3.5 OBSERVACIÓN SISTEMÁTICA Y REGISTRO DE DATOS Corresponde la sesión de GA 3.26 MIRA y 3.27 APUNTA Todos los humanos, de alguna manera, llevan a cabo la observación; al parecer esta práctica es muy sencilla; sin embargo, no es tan simple observar lo que ocurre en un fenómeno o problema terminado. La observaciones más allá de mirar, depende no sólo de lo que perciben los sentidos, sino de la curiosidad, la creatividad, y la sagacidad del observador. La observación puede ser directa o indirecta; la primera se lleva a cabo cuando se tiene que analizar un objeto o cuerpo a simple vista y no requiere instrumentos; la segunda se realiza cuando es necesario observar con más detalle y precisión algunos cambios que no son percibidos fácilmente por los sentidos y se tiene que recurrir a medios artificiales e indirectos, como el microscopio, el telescopio, la cámara fotográfica, etcétera. Figura 8. Observación sistemática. La observación sistemática es imprescindible para estudios científicos; no debe ser aislada y sin sentido, tiene que seguir un orden; debe ser completa en la medida de lo posible; objetiva, es decir, no debe alterarse los datos que pudieran modificar la observación del fenómeno; metódica, ya que ha de realizarse por medio de un proceso, y precisa en sus mediciones para indicar las cualidades del fenómeno. Durante la observación de los fenómenos se deben hacer las anotaciones de los datos, cifras o medidas correspondientes, es decir, se deben registrar las observaciones que contribuirán a los resultados. Figura 9. Registro de datos. Las observaciones deben realizarse de manera que los registros obtenidos puedan ser reproducidos por cualquier persona que trabaje en el mismo fenómeno bajo las mismas condiciones, para que así obtenga los mismo resultados. Por ejemplo: ¿cuál es el mes más frío y cuál es el más caluroso de un lugar en un año determinado? A continuación se presentan los datos de un solo mes y su promedio semanal. CONCEPTOS BÁSICOS 232 ENERO Semana Temperatura (ºC) 1ª 2ª 3ª 4ª 17 18 19 18 Ahora sólo se presentan los promedios de cada mes: Mes Enero Temperatura Promedio (ºC) 18 Febrero 20 Marzo 23 Abril 25 Mayo 29 Junio 30 Julio 29 Agosto 28 Septiembre 26 Octubre 24 Noviembre 22 Diciembre 21 Para conocer esto se registra la temperatura cada semana día por día a la misma hora, durante un año; de los datos se obtiene el promedio mensual, y un total de 12 datos. Una vez registrada la temperatura promedio de cada mes, se determina cuál es el mes más frío y cuál es el más cálido. Del registro anterior puede observarse que el mes más frío es enero con 18ºC y el más caluroso junio, con 30ºC. Los datos obtenidos en este sitio deben ser aproximados a los obtenidos por otra persona interesada en el mismo fenómeno y bajo las mismas condiciones. 233 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Tanto la observación, como el registro de un fenómeno son importantes para llegar a conocer y solucionar un problema o fenómeno determinado. 3.6 REGISTRO DE FENÓMENOS Corresponde a la sección de GA 3.28 TABLAS ORDENADAS Cuando se observa un fenómeno, ya sea en el laboratorio o en la naturaleza, deben realizarse siempre los registros correspondientes; éstos son un conjunto de datos, anotados conforme se va observando; aunque en ese orden no pueden ser analizados o interpretados de forma adecuada. Para tener un control de ellos, se propone la elaboración de tablas que permiten ordenar los datos de manera que puedan manejarse convenientemente; por ello se dice que una tabla es un conjunto de datos organizados. Por ejemplo, a partir del registro de los datos obtenidos al medir la temperatura promedio mensual de un sitio, se presenta una tabla. Los datos son los siguientes: enero 17ºC, febrero 20ºC, marzo 23ºC, abril 25ºC, mayo 29ºC, junio 31ºC, julio 29ºC, agosto 28ºC, septiembre 26ºC, octubre 24ºC, noviembre 22ºC, y diciembre 21ºC. La organización de los datos se realiza de dos formas: una ascendente, que va del menor al mayor valor, y la otra descendente, que va del mayor al menor valor, así: ºC Mes 17 Enero 20 ºC mínimo Mes 31 Junio Febrero 29 Julio 21 Diciembre 29 Mayo 22 Noviembre 28 Agosto 23 Marzo 26 Septiembre 24 Octubre 25 Abril 25 Abril 24 Octubre 26 Septiembre 23 Marzo 28 Agosto 22 Noviembre 29 Mayo 21 Diciembre 29 Julio 20 Febrero 31 Junio 17 Enero máximo Ascendente CONCEPTOS BÁSICOS Descendente 234 máximo mínimo Una vez organizados los datos, se procede a obtener la diferencia entre el máximo (31) y el mínimo valor (17), lo cual da como resultado 14; este valor sirve para definir los intervalos, los cuales se determinan a criterio de la persona que maneja los datos y de acuerdo con el número de los mismos; en este caso se utilizarán 5. La operación 14/5 nos dará el total de valores utilizados para cada intervalo: 2.8, y dado que el número no es entero, se aproxima al número entero inmediato, es decir, 3 como se muestra en la tabla. Valor máximo de los datos registrados Valor mínimo de los datos registrados Diferencia Número de intervalos Tamaño del intervalo 31 17 14 5 14 = 2.8 ≅ 3 5 Un intervalo puede considerarse como un grupo de datos limitado por un valor máximo y uno mínimo, que determina qué tan grande o pequeño es: si el intervalo es de 17-19 su tamaño es 3 por cuanto se tienen en cuenta todos sus valores: 17,18 y 19. La frecuencia se considera como el número de datos que se encuentra en un intervalo; la suma de las frecuencias (N) debe ser igual al número total de datos, como se muestra en la siguiente tabla. Número de intervalos Intervalo Frecuencia 1 17-19 1 2 20-22 3 3 23-25 3 4 26-28 2 5 29-31 3 N=12 Al analizar los datos que arrojan las frecuencias presentadas en la tabla se puede concluir que la temperatura baja dura muy poco, esto se hace notar en el intervalo 1; en cambio, si se observan los intervalos 2, 3 y 5, se deduce que persiste un clima caluroso la mayor parte del año. Otra observación que se puede detectar en la tabla es que los intervalos 2, 3 y 5 tienen la misma frecuencia de 3. 235 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Por todo lo anterior, se deduce que es necesario que una tabla sea analizada antes de utilizarla para hacer una gráfica. 3.7 GRÁFICAS DE FENÓMENOS Corresponde a las sesiones de GA 3.29 DIBUJA CAMBIOS, 3.30 TRAZA LOS CAMBIOS y 3.31 TRANSFORMA LOS DATOS Al organizar en tablas los datos registrados de una observación, su manejo se simplifica; sin embargo, las tablas pueden ser representadas en gráficas y por ello se dice que la gráfica es un dibujo que representan un conjunto de datos obtenidos y registrados de una observación y de cuyo análisis se puede obtener una información más integrada. La gráfica debe explicar de manera atractiva, clara y concisa el fenómeno que se va a estudiar, de la misma forma en que lo explica una tabla, pero sin tantos números, para un análisis más rápido y concreto. La estadística es una herramienta poderosa en el trabajo científico, en la toma, organización, presentación y análisis de los datos obtenidos; en el desarrollo de una experiencia tanto en la parte de las conclusiones como en la toma de decisiones razonadas de acuerdo con los análisis que se realicen. Para elaborar una gráfica, consideramos dos líneas rectas perpendiculares entre sí a las que llamamos sistema de coordenadas con un eje de X (horizontal) y un eje de Y (vertical). Y 0 0 X Estas líneas cortan el plano en cuatro regiones: I, II, III, IV llamadas primero, segundo, tercero, cuarto cuadrantes. El punto cero cero (0,0) es el punto de origen. Observa que las valores que toma el eje X hacia la derecha del origen son positivos y los que toma el eje Y hacia arriba también son positivos, en tanto que los que toma el eje X hacia la izquierda y el eje Y hacia abajo del origen son negativos. CONCEPTOS BÁSICOS 236 Al representar un punto cualquiera A, por ejemplo, trazamos las líneas perpendiculares desde A a los ejes X y Y. Los puntos donde las perpendiculares encuentran a los ejes, se llaman coordenadas del punto A y se representan como (X, Y), Y +10 +9 II I +8 +7 +6 -5 +4 A (X, Y) (4.5) +3 +2 +1 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 -1 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +10 X -2 -3 -4 -5 -6 -7 III -8 IV -9 -10 La coordenada del eje X se llama abscisa y la de Y se llaman ordenada. Si a cada valor que una variable X pueda tomar, le corresponde uno o más valores de otra variable Y, se dice que Y es función de X, es decir, los valores de Y dependen de los valores que tome X. Por esta razón la variable X se llama variable independiente y la variable Y es la variable dependiente. La dependencia entre las variables se puede registrar en una tabla de datos. VARIABLE DEPENDIENTE Y X 0 VARIABLE INDEPENDIENTE La variable Y (dependiente) es función de la variable X (independiente). 237 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Una variable es una característica, que como su nombre lo indica presenta variaciones en sus valores numéricos dentro de un intervalo. Hay varias clases gráficas: de barreras, de curvas, circular, entre otras. Veamos algunos ejemplos: Los nacimientos ocurridos en el centro de salud de una pequeña localidad durante 10 semanas se presentan en la siguiente tabla. Semana Número de nacimientos 1 2 2 1 3 5 4 3 5 4 6 1 7 2 8 8 9 1 10 1 Valor máximo de los datos: 10 Valor mínimo de los datos: 1 Diferencia: 9 Número de intervalos: 5 (Diferencia entre un dato y el siguiente) Tamaño intervalo: 2 (Se obtienen dividiendo la diferencia por el número de intervalos) 9÷5=1.8 que se aproxima a 2 y será el tamaño del intervalo. Después de organizar los datos se obtiene otra tabla como la siguiente, en la cual la frecuencia es la sumatoria de casos dentro de un intervalo. Número de intervalos Intervalos Frecuencia 1 1-2 3 2 3-4 8 3 5-6 5 4 7-8 10 5 9-10 2 N= 28 Una vez organizados los datos, se procede a la elaboración de la gráfica de barras. Para esto se trazan dos ejes, uno horizontal y otro vertical, los cuales se deben cruzar en un punto llamado origen y se representan con el cero (0.0). Los intervalos se marcan en el eje horizontal, eje de X (variable independiente); para ello CONCEPTOS BÁSICOS 238 se deja un espacio entre el origen y la primera barrera. También se deja un espacio entre las barras y éste puede ser equivalente a todo un intervalo o a la mitad de él. Y Eje vertical 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Intervalo 1 0 0 1 2 Eje horizontal 3 4 5 X Figura 10. Ejes para graficar. En el eje vertical se enmarcan las frecuencias, las cuales representan los números de nacimientos (variable dependiente); en este caso van de 1 a 10, y se marcan como lo muestra la figura. El eje donde se marcan las frecuencias, o sea el vertical, siempre debe ser un poco más grande que el horizontal, para una interpretación correcta de la gráfica. Enseguida se construye cada una de las barras, relacionando el intervalo con su frecuencia. La gráfica queda como se ilustra en la figura. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Figura 11. Gráfica de barras. 239 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Los datos también se pueden representar en una gráfica circular; para ello es necesario transformar las frecuencias en porcentajes. Estos se encuentran multiplicando cada frecuencia por 100 y dividiéndola entre el número total de datos, que resulta de la suma de todas las frecuencias, por ejemplo: (3)= (100) = 10.7% 28 Posteriormente se transforman los porcentajes en grados; partiendo de que la circunferencia tiene 360º, se obtienen los datos realizando la siguiente operación: 100% es igual a 360º, por lo que, para saber cuántos grados corresponden al 10.7%, esta cifra se multiplica por 360 y se divide entre 100%: se obtienen 38.5º. Lo mismo se realiza para los demás datos. 100% 10.7% 360º X ; X= (10.7%) (360º) 100% ; X= 3 852º ; 100 X = 38.5º Número de intervalos Intervalos Frecuencia % Frecuencia (Grados) 1 1-2 3 10.7 38.5 2 3-4 8 28.5 102.6 3 5-6 5 17.8 65 4 7-8 10 35.7 128.5 5 9-10 2 7.1 25.5 Ahora, con el transportador se marcan en el círculo los ángulos que corresponden a cada frecuencia y resulta el sector correspondiente a cada intervalo. 5; 25.5 1; 38.5 1 2 2; 102.6 4; 128.5 3 4 5 3; 65 Figura 12. Gráfica circular. CONCEPTOS BÁSICOS 240 Tanto en la gráfica de barras como en la circular se aprecia que en los intervalos 2 y 4 el número de nacimientos es mayor, mientras que en los otros 3 no hay mucha diferencia; esto muestra que no se sigue un patrón de crecimiento poblacional en esa región, por lo menos en las 10 semanas en que se realizó el estudio. De la misma manera en que se elaboraron las gráficas para estos datos, que fueron organizados en tablas, se pueden elaborar gráficas de otras observaciones, analizar e investigar lo que permitirá visualizar el problema más rápidamente. Además, las gráficas son una forma de comunicar información científicamente. 241 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Capítulo 4 EL LUGAR DE LA EXPERIMENTACIÓN Los conocimientos alcanzan el carácter de “verdaderos” y científicos en el momento en que son comprobados; generalmente, en física y química esta comprobación puede lograrse por medio de la investigación científica y en este trabajo el laboratorio cumple un papel preponderante. En el laboratorio muchas veces es necesario preparar materiales que se adecúen a las necesidades de los experimentos para obtener mejores y relevantes resultados. Además, para realizar un buen trabajo en el laboratorio es imprescindible seguir las reglas de seguridad que deben observarse en el lugar para no sufrir accidentes que pongan en riesgo la vida de los experimentadores. 243 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 4.1 MATERIALES DE LABORATORIO Corresponde a la sesión de GA 4.35 LOS CLÁSICOS El laboratorio es un lugar importante y fundamental para la investigación científica, ya que es el sitio donde se lleva a cabo la experimentación que nos permite construir y enriquecer los conocimientos. En este sitio se pueden realizar experimentos para hacer más fiable un razonamiento, una hipótesis, una teoría. En el laboratorio escolar el estudiante desarrolla destrezas tales como el manejo del material y de los instrumentos existentes, así como la habilidad para observar los cambios en un fenómeno y el comportamiento de las sustancias. Además les permite comprobar algunas leyes o teorías propuestas para desarrollar su interés por temas científicos y, en el futuro, poder encauzar sus conocimientos al medio en el que vive. Figura 1. Laboratorio ideal. Para obtener mejores resultados en el laboratorio, al estudiar un fenómeno u objeto, es preferible trabajar en equipo, ya que de esta forma cada integrante puede aportar sus ideas para mejorar la práctica; además, durante la misma se fomentan otras actividades como la organización e integración de los compañeros, así como la solidaridad en el grupo. Durante el desarrollo de los experimentos se utilizan varios aparatos, instrumentos y sustancias, los cuales deben ser usados correctamente para obtener resultados adecuados. El hecho de tener todo el material de laboratorio facilita la realización de los experimentos, por tanto, el no contar con ellos implica dificultad en la realización de las prácticas; en este CONCEPTOS BÁSICOS 244 caso se sugiere usar la imaginación y creatividad del experimentador para sustituir materiales sofisticados por algunos de la región. El material de laboratorio que más se utiliza es el siguiente: Vaso de precipitados (beaker). Es de vidrio, lo hay de diferentes tamaños y se utiliza para guardar sustancias, para hacer evaporaciones de las mismas, etcétera. Matraz Erlenmeyer. Es de vidrio, tiene forma cónica con fondo plano, lo hay de tamaños diversos y se utiliza principalmente para calentar los líquidos de los experimentos. Agitador. Es una varilla de vidrio, sirve para mezclar o disolver una sustancia. Mechero de Bunsen. Consta de un tubo unido a una base; el tubo tiene pequeños orificios por donde pasan gas y aire, así como una manguera por donde entra el gas y se usa para calentar las sustancias. Tubo de ensayo. Está hecho de vidrio y se utiliza para contener sustancias en pequeñas cantidades; en él se pueden realizar experimentos sencillos que no presentan peligro. Embudo. Puede ser de vidrio o de plástico y sirve para filtrar o verter algunas sustancias. Vidrio de reloj. Se utiliza para contener sustancias en cantidades pequeñas y para tapar vasos de precipitados. Gradilla. Puede ser de madera, de hierro o de plástico y se utiliza para colocar tubos de ensayo. Cucharilla de combustión. Es una cuchara con mango largo, de hierro, sirve para calentar sustancias. Mortero. Es de porcelana o de vidrio y sirve para pulverizar sustancias. Pinzas para tubo de ensayo. Son de alambre y se utilizan para sostener los tubos de ensayo cuando se calientan. Soporte universal. Está constituido de una varilla unida a una plancha de hierro que sirve para sostener el anillo al triángulo de porcelana, en él se montan varios dispositivos requeridos en la experimentación. Tapones. Son de caucho o de corcho. Sirven para tapar tubos, frascos u otros recipientes. Tela metálica con asbesto. Sirve para colocar el material con la sustancia que se quiere calentar; distribuye uniformemente el calor de la llama. 245 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE CONCEPTOS BÁSICOS 246 Figura 2. Material de laboratorio. 247 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Termómetro. Es un aparato de vidrio graduado que contiene mercurio o alcohol y sirve para medir la temperatura. Sin embargo hay otros tipos de termómetros. Balanza. Sirve para medir la masa de los cuerpos. Plano inclinado. Es una máquina simple que se utiliza para subir o bajar objetos, consta de una tabla plana y lisa colocada a manera de rampa. Palanca. Sirve para levantar objetos y consta de una tabla o palo y un punto fijo llamado fulcro, al aplicársele una fuerza produce un trabajo. Polea. Se utiliza para subir y bajar objetos, consta de una o más ruedas montadas en un eje por el cual pasa una cuerda que le produce un movimiento. Péndulo. Consta de un pendiente o cuerpo suspendido de un hilo que se mueve por la acción de una fuerza. Calorímetro. Es un aparato que sirve para medir la cantidad de calor absorbido o cedido por un cuerpo. Hay otros aparatos e instrumentos que pueden encontrarse en un laboratorio; sin embargo, estos son los más utilizados para la realización de prácticas en física y química. Por medio de estas prácticas el alumno integra los conocimientos de un tema y adquiere el interés por conocer el medio en el que habita. 4.2 MATERIALES DEL ENTORNO Corresponde a la sesión de GA 4.36 HERRAMIENTAS AMBULANTES La mayoría de las investigaciones científicas se llevan a cabo en el laboratorio; es por ello que una escuela debe contar con uno para promover en los y las estudiantes su interés por la investigación. Sin embargo, a veces no es posible tener todo el material necesario, por lo cual los estudiantes deben contribuir a la formación de un pequeño laboratorio que les permita realizar sus prácticas; para ello deberán acondicionar aparatos y utensilios caseros. Algunos materiales que pueden ser sustituidos por utensilios o instrumentos que hay en la comunidad son los siguientes: Materiales de laboratorio Posibles sustitutos Vasos de precipitados Pocillos o frascos de boca ancha Tubos de ensayo Frascos de vidrio pequeños y angostos Buretas y probetas Biberones CONCEPTOS BÁSICOS 248 Vidrios de reloj Tapas de frascos Agitador Tira de madera o tubo de vidrio Mechero de Bunsen Frasco pequeño con alcohol o petróleo y mecha (mechero común) Cucharilla de combustión Cuchara de peltre con mango largo Papel filtro Servilletas de mesa, pedazos de franela o tela delgada Espátula Lámina pequeña y alargada o cabo de una cuchara inoxidable Cuba hidroneumática Recipiente de plástico transparente, recortado. Además hay otros instrumentos que se pueden construir a partir del material aprovechable que hay en la región, como láminas para hacer un embudo formando un cono; una tabla con clavos grandes, distribuidos de manera que entre ellos quepan los frascos que se usarán como tubos de ensayo. Esto se utilizaría como una gradilla. Estos son algunos ejemplos de lo que se puede hacer para adecuar el material con que se cuenta a las necesidades de un laboratorio; sin embargo, utilizando la imaginación y la creatividad se pueden elaborar tantos como se deseen y requieran. Figura 3. Laboratorio de la antigüedad. Hay sustancias que también pueden encontrarse en la comunidad, como la sal, el vinagre, el azúcar, el bicarbonato de sodio, el aceite y el agua oxigenada, entre otras; o bien, que se pueden extraer de objetos que se encuentran en la región, como el zinc y el carbono que se 249 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE encuentran en los clavos y otros que pueden ser sustituidos como el ácido acético por el vinagre y el carbonato de calcio por las cáscaras de huevos, trituradas. Otra forma de aumentar el material de laboratorio puede ser mediante el intercambio del mismo con el de escuelas cercanas. Figura 4. Materiales del entorno. Figura 5. Sustancias del entorno. Varios aparatos que se utilizan durante la elaboración de los experimentos también pueden ser construidos por el estudiante, tales como el termómetro, el péndulo, el barómetro, el dinamómetro, la balanza, reloj de sol, etcétera. Tomando en cuenta la situación que existe en la mayoría de las escuelas, las prácticas están diseñadas para que se utilice material de fácil adquisición en la comunidad, o bien que pueda elaborar el estudiante mismo, con el fin de introducirlo en la investigación de los fenómenos de la naturaleza. CONCEPTOS BÁSICOS 250 4.3 REGLAS DE LA EXPERIMENTACIÓN Corresponden a la sesión de GA 4.37 PRUDENCIA EN EL TRABAJO Para que un laboratorio funcione adecuadamente y se logre el objetivo en cada experimento, es necesario que haya orden tanto al hacer las prácticas como en el uso, manejo, cuidado y limpieza del material. El orden se puede lograr mediante la aplicación de una serie de reglas para trabajar en el laboratorio; al conjunto de ellas se le llama reglamento y se basa en las necesidades de trabajo y organización del lugar. Al no respetar las reglas para trabajar en el laboratorio se corre el riesgo de sufrir accidentes tales como quemaduras de diferentes grados, intoxicaciones, envenenamiento, cortadas, etcétera. Por lo anterior, las reglas que se deben cumplir en el laboratorio son las siguientes: • No se debe correr en el laboratorio o sitio donde se realiza el experimento, ya que alguien podría tirar el material o lastimarse a sí mismo o a los demás. • No se debe encender fuego sin la autorización del /de profesor(a), debido a que en el laboratorio hay sustancias fácilmente inflamables. • Podrán hacerse los experimentos sólo cuando esté presente el profesor para que dirija la práctica y no ocurra algún percance. • Al realizar la práctica deben utilizarse las sustancias en las cantidades exactas que requiera el experimento, a fin de que no se desperdicien. • No probar ninguna sustancia a menos que lo indique el/la profesor(a), ya que podría ser tóxica. • Nunca debe olerse una sustancia directamente, sino acercarse a una distancia prudente del frasco y, con la mano, hacer que sus emanaciones lleguen a la nariz; o bien, oler solamente la tapa del frasco. • No introducir alimentos ni comer durante el desarrollo de la práctica porque podrían contaminarse los materiales del experimento. • Las sustancias que están en un frasco sin etiqueta no deben utilizarse, ya que es igualmente probable que se trate de las sustancias que se necesitan o bien de otras que no convengan al experimento. • Al calentar las sustancias en tubos de ensayo, éstos no deben ponerse en dirección a la cara de los demás o del experimentador, debido a que podría saltar la sustancia y causar quemaduras u otros accidentes. 251 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE • No introduzca una misma pipeta en frascos con diferentes sustancias, sin antes lavarla, porque las contamina. • Al quemarse una persona con alguna sustancia debe lavarse inmediatamente con agua abundante para evitar complicaciones. • El material de vidrio o de porcelana que se haya puesto a calentar hay que dejarlo enfriar, después tirar el contenido y lavarlo. • El lugar de trabajo y los materiales de laboratorio deben mantenerse limpios para evitar que los experimentos salgan mal. • Al terminar con el experimento, si sobró alguna sustancia sin usar, nunca debe regresarse al frasco de donde se sacó, ya que puede contaminar la que todavía se encuentra ahí. Utiliza la cantidad adecuada. Es mejor rotular lo que sobró y guardarlo para un próximo uso. • En caso de que sobre alguna sustancia en un experimento, se debe tirar o verterse en el sitio donde indique el/la profesor(a). • Las sustancias y materiales que se usaron deben colocarse en su lugar para poder utilizarlos cuando se requieran nuevamente. • Tenga en cuenta que algunos objetos están constituidos de sustancias tóxicas o dañinas, como la parte interna de las pilas y baterías. • No inhale vapores ni humo. Figura 6. Algunas reglas importantes. En las escuelas donde se sustituya el material de laboratorio por utensilios e instrumentos cotidianos, también debe ponerse en práctica la mayoría de las reglas que se mencionaron anteriormente; por ejemplo: CONCEPTOS BÁSICOS 252 - El material de vidrio o de porcelana donde se calentaron sustancias se debe dejar enfriar, tirar la sustancias y lavarlo. - En lugar de lavar el pocillo inmediatamente, debe dejarse enfriar, tirar la sustancia y lavar perfectamente el recipiente. - Al calentar las sustancias no deben ponerse en dirección a la cara de los compañeros, ni del experimentador. Por lo tanto, es necesario que en todo laboratorio se apliquen reglas de conducta y de trabajo que los y las estudiantes conozcan y practiquen durante su estancia en el lugar de la experiencia, con el fin de evitar accidentes y lograr el éxito de los experimentos. 4.4 ELABORACIÓN DE ALGUNOS MATERIALES Corresponde a las sesiones de GA 4.38 CONSTRUCCIÓN DE MATERIALES y la 4.39 ELABORACIÓN DE UTENSILIOS Los aparatos que se utilizan en física y química sirven para apreciar las características de la materia y para conocer su masa, peso, punto de fusión, punto de ebullición, dilatación, etcétera. Un aparato es un instrumento con el cual se realiza un trabajo; cada uno de hecho sirve para hacer los cálculos que se necesitan para comprender las manifestaciones tan diferentes que tiene la materia y que se encuentra en el universo. La construcción de estos instrumentos se hace necesaria debido a que se carece de ellos en las escuelas; por consiguiente, aquí se propone elaborar aparatos, los cuales se han considerado necesarios para realizar algunos experimentos indispensables para el desarrollo de los contenidos que más adelante propone la asignatura. La elaboración de estos aparatos (dinamómetro y balanza) es de mucha importancia pues, de esta manera, se desarrollarán habilidades y destrezas en su manejo, el conocimiento de cómo están constituidos y la forma de calibrarlos a escalas adecuadas. El dinamómetro Es un aparato utilizado en ciencias y sirve para medir la atracción que sobre un cuerpo ejerce la Tierra; por lo que mide el peso de un objeto. Su construcción rústica se realiza de la siguiente manera: 253 Figura 7. Dinamómetro. FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE En primer lugar se debe recolectar el material necesario, que es el siguiente: una tabla de madera de 20cm por 40cm, un palo o pedazo de madera de 50 y otro de 30 cm, un resorte resistente y objetos que pueden ser piedras, pesas o una jeringa con agua y tener en cuenta que cada centímetro cúbico (cm3) de agua tiene una masa de un gramo, además, una regla y una aguja grande. La tabla servirá como base; en ella se clava el palo de 50 cm y en éste, en su parte superior, el palo de 30 cm. Después se fija de un extremo el resorte al palo de 30 cm como lo indica la figura; la distancia que habrá del resorte al palo se terminará de acuerdo con la aguja, pues ella tendrá que tocar con la punta la marca del cero (0) que se encuentra en la regla. En el extremo inferior del resorte se coloca primero la aguja y después una pesa u objeto, al cual de antemano se le terminó su peso, recuerde que una pesa que tengan una masa de 1g (como un cm3 de agua) tiene un peso aproximado de 1 newton (en la Tierra). 100 Esto equivale a decir que 100 gramos de cualquier material tiene un peso de 1N (un newton) aproximadamente. La regla se fija, ya sea pegándola o amarrándola al palo de 50 cm, de tal manera que con ella se pueda verificar cuántos centímetros o milímetros se alarga el resorte cada vez que se le cuelga una pesa u objeto de diferente peso, o el contenido de determinado volumen de aguja. La balanza Instrumento que sirve para medir la masa de los cuerpos; sin embargo, como los conceptos de masa y de peso suelen confundirse, es necesario aclarar que peso y masa no son lo mismo, pues el peso es el efecto o acción que ejerce la fuerza brazo de gravedad sobre un cuerpo y masa corresponde a la fuerza que hay que aplicarle a dicho cuerpo para cambiar su paral movimiento en una determinada unidad de tiempo. fiel escala base Lo anterior se entiende analizando el siguiente ejemplo: ya es conocido que la gravedad en la Luna es seis veces menor que en la Tierra; por tanto, cuando un astronauta llega al satélite se observa como si flotara, debido a que pesa menos; no obstante, su masa es la misma tanto en la Tierra, como en la Luna. Figura 8. Balanza. Por ello, se dice que la masa no varía con el lugar donde se encuentre el objeto o persona, mientras el peso sí cambia, dependiendo de la gravedad que exista en el sitio donde se encuentre el objeto. CONCEPTOS BÁSICOS 254 Un cuerpo en cualquiera de los polos pesa más que en el ecuador. Cuanto mayor es la altura sobre nivel del mar, menor es el peso; pero las variaciones son tan pequeñas, que para fines prácticos no se toman en cuenta. La balanza está constituida por: base, paral, brazo, fiel, escala y platillos. Se construye la base con una tabla de madera de 30 cm por 40 cm; el paral, con un pedazo de madera de 30 cm de largo y área de base de 5 cm x 5 cm; el brazo, con una tira fuerte de madera de 40 cm de largo en el cual se practica un orificio, más arriba del centro de la misma; el fiel se fija en el centro de los brazos de manera que su punta señale con mejor precisión en la escala, que a su vez está fija sobre la base en la parte delantera inferior del paral; los platillos se construyen con dos tapas metálicas grandes o, en su defecto, se pueden hacer platillos de cartón resistente según el tamaño que se quiera, uno de los platillos se fija en el extremo de uno de los brazos y el otro se deja en el otro brazo, con una argolla, de manera que permita el deslizamiento para calibrar la balanza antes de realizar cualquier medida. Como pesas se pueden utilizar piedritas u otros objetos a los cuales se les haya determinado de antemano su masa, por ejemplo, que sean de 1 g, 5 g, 10 g, 50 g, 100 g, 200 g, etc.; si no hay pesas disponibles, en el momento de tomar medidas con la balanza, se pueden utilizar las masas correspondientes a determinada cantidad de agua, teniendo en cuenta que 1 cm3 de agua tiene una masa de 1 g. Es importante tener en cuenta que los aparatos, una vez que se han construido, deben conservarse, pues servirán para ir equipando el laboratorio, el cual será cada día más rico en materiales; ello permitirá que se logre una mejor relación entre los conocimientos propios de la asignatura y su puesta en práctica. 4.5 CONFECCIÓN DE ALGUNOS APARATOS Corresponde a las sesiones de GA 4.40 FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS y 4.41 CONSTRUCCIÓN DE APARATOS Para realizar las prácticas en laboratorio, es necesario contar con aparatos que ayuden a llevar a cabo la experimentación de un fenómeno determinado; según el caso, podría tratarse de un termómetro o un péndulo, por ejemplo. Termómetro El termómetro es un aparato que está graduado y sirve para medir la temperatura de un cuerpo o un sistema. Hay varios tipos de termómetros: el de laboratorio, que comprende 100 divisiones entre el cero, que es la temperatura de fusión del hielo, y el 100, que es la temperatura a la que hierve el agua, o de ebullición a nivel del mar; el termómetro clínico, que está dividido en décimas de grados entre los 32 y 44ºC y se utiliza para tomar la temperatura corporal de las personas; y el de máxima-mínima que sirve para medir las temperaturas extremas en un determinado tiempo. 255 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Para hacer un termómetro se necesita un frasco pequeño y ancho con tapón de caucho, un pitillo de plástico transparente y largo, plastilina o cera y agua coloreada con alguna tintura. Se vacía el agua coloreada al frasco hasta la mitad; al tapón se le hace un orificio por donde se introduce el pitillo hasta que llegue casi al fondo; el tapón se aprieta para cerrar el frasco y con la cera o plastilina se obstruyen las posibles infiltraciones de aire, incluido el orificio libre del pitillo. Figura 9. Termómetro rústico. Posteriormente, se observa hasta dónde llegó el líquido en el pitillo y se marca el nivel, que corresponderá a la temperatura ambiente a la sombra del lugar; luego se toma el frasco entre las manos durante un minuto y se marca en el pitillo el nivel hasta donde llegó el líquido (aproximadamente 36ºC); finalmente se coloca el termómetro bajo el calor directo del sol y se indica hasta dónde ascendió el líquido en el pitillo: la marca corresponderá a la temperatura ambiente bajo el sol. El líquido sube por el pitillo porque al aumentar la temperatura el aire que está dentro del frasco aumenta de volumen (se dilata) y sube el agua en el pitillo. Péndulo El péndulo puede considerarse como un cuerpo que se balancea (oscila) por la acción de la gravedad alrededor de un punto, del cual está suspendido por un hilo; recibe el nombre de péndulo eléctrico cuando se emplea para indicar la existencia de cargas eléctricas. Figura 10. Termómetro de laboratorio y péndulo eléctrico. CONCEPTOS BÁSICOS 256 Para elaborar un péndulo se necesita una tabla de 12 cm por lado (puede ser más grande); un palo de 20 cm, un pedazo delgado de madera de 10 cm, un hilo de 10 cm y una esfera o bola pequeña de plástico o de icopor. El palo se clava en una punto (a) a la tabla y se le une el pedazo delgado de madera a la parte superior (b); en su extremos se amarra el hilo y de él se suspende la esfera o bola (c). Al mover la esfera, se observa que sigue la trayectoria de un arco y que su balanceo es constante. Al frotar con el cabello un bolígrafo de plástico o un peine, se cargan eléctricamente y al acercarlos a la esfera, ésta se les une. Para quitarles la electricidad se toman con la mano y se descargan inmediatamente. De la misma forma que se construyeron el termómetro y el péndulo, si se utiliza la creatividad se pueden elaborar otros aparatos que faciliten la realización de la práctica y permitan formar el laboratorio escolar, en donde se desarrollará el interés por la investigación. 257 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Capítulo 5 NATURALEZA DE LA MATERIA Desde tiempos remotos el ser humano ha tenido el deseo y la necesidad de conocer su entorno. Filósofos, sabios, hombres y mujeres de todos los tiempos se han dedicado a escudriñar hasta las características imperceptibles de la materia. En este capítulo se darán a conocer las propiedades de la materia, que servirán de base para comprender su naturaleza, características, clasificación y la constitución de las partículas que la forman. 259 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 5.1 IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA Corresponde a la sesión de GA 5.46 POR TODOS LADOS La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Se pueden medir en ella sus diferentes magnitudes: masa, peso, volumen... Todos los objetos están constituidos de materia aunque se diferencian entre sí por tener características especiales llamadas propiedades. A lo largo de la historia han existido muchas ideas acerca de cómo está formada la materia; por ejemplo, los griegos creyeron que la materia estaba constituida por cuatro elementos: agua, tierra, fuego y aire. Sin embargo, quienes primero se aproximaron a la constitución de la materia fueron Leucipo y Demócrito al enunciar que era una concentración de partículas visibles llamadas átomos. Fuego Caliente Seco Aire Tierra Húmedo Frío Agua Figura 1. Constitución de la materia según los griegos. Estados de la materia La materia se presenta en tres estados fundamentales que se designan con los nombres de estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Figura 2. Estados de agregación de la materia. CONCEPTOS BÁSICOS 260 Los cuerpos en el estado sólido tienen una forma definida y un volumen propio, independientemente de otros cuerpos; son rígidos, firmes y estables. En el estado líquido los cuerpos tienen volumen propio y muy poco se dejan comprimir; se adaptan a la forma del recipiente que los contiene, presentan una superficie libre horizontal. Esta capacidad de adaptación, que hace que el líquido se riegue (pueda fluir) es muy variable; para algunos es grande (líquidos muy movibles) mientras que para otros (líquidos espesos, viscosos) es muy escasa. En el estado gaseoso, los cuerpos no tienen volumen ni forma propios, llenan totalmente el recipiente que los contiene, el cual debe estar cerrado. Son fácilmente compresibles y su capacidad de expansión es muy grande. En condiciones ordinarias, los cuerpos tienen un estado físico determinado; pero al modificar las condiciones de temperatura que tiene el cuerpo éste puede cambiar de estado. Existe un cuarto estado de la materia, el estado de plasma, el cual se presenta cuando la materia es sometida a muy elevadas temperaturas. En estas condiciones los electrones que rodean el núcleo salen, se liberan y forman una nube con carga eléctrica negativa; los átomos que han perdido electrones tienen cargas positivas, así se forma el estado de plasma; su presencia es abundante en las estrellas y en regiones del cosmos fuera de la Tierra, es mucho más abundante que el estado sólido, líquido o gaseoso. UNA TÉCNICA QUE NOS AYUDA A CLASIFICAR Existe una técnica que nos permite resumir e integrar conocimientos anteriores con conocimientos nuevos en el desarrollo de un tema: es el mapa conceptual; para realizarlo se parte del concepto más general o abarcador hasta los conceptos más simples o sencillos que pueden incluir ejemplos, dibujos, organizándolos por niveles jerárquicos. Un concepto es una abstracción o construcción de la mente humana que se designa con palabras clave, que tienen en las personas una representación mental. Los conceptos se unen por medio de conectores que generalmente son proposiciones que dan sentido a la lectura e interpretación del mapa elaborado. El siguiente es un ejemplo de mapa conceptual sobre la clasificación de la materia. 261 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE CONCEPTOS BÁSICOS 262 Nivel 5 Nivel 4 Nivel 3 Nivel 2 Nivel 1 Oxígeno Fósforo Ejemplos Una clase de átomo Formados por Elementos Agua Azúcar Ejemplos Dos o más clases de átomos Formados por Compuestos Se dividen en Sustancias puras Latón Ejemplo Aleaciones Como Sólido Limonada Mezcla de gases Ensalada de frutas Gaseoso Agua y aceite Humo en aire Ejemplos Líquido Pueden ser Componentes Se distinguen los Mezclas heterogéneas Son las MATERIA HETEROGÉNEA Sólido Ejemplo Aire Como Gaseoso Ejemplo Jugos Como Líquido Se encuentran en estado Soluciones Son las Mezclas homogéneas Puede ser MATERIA HOMOGÉNEA Formada por M AT E R I A Figura 3. Ejemplos de materia homogénea. La materia puede presentarse de dos formas diferentes: Materia homogénea; está formada por una o varias clases de sustancias pero su aspecto es uniforme, sus propiedades y constitución son las mismas en cualquier parte de ella. Una materia homogénea de composición uniforme y completamente definida e invariable es una sustancia pura como por ejemplo el azufre, el hierro, la sal, el agua, el alcohol. Cuando la sustancia pura está conformada por una sola clase de átomos es un elemento, ejemplo el oro, el hierro; si la sustancia pura está conformada por varias clases de átomos enlazados químicamente, la sustancia es un compuesto, ejemplo el alcohol, la sal de mesa, el azúcar. Cuando una sustancia homogénea, mezcla de dos o más componentes, presenta cambios en su composición es una solución. Clases de soluciones Las soluciones pueden ser: • Gaseosas, cuando se mezclan dos o más sustancias gaseosas. Ejemplo: el aire. • Líquidas, se forman al disolver en un líquido, una sustancia diferente. Si el líquido es agua y se disuelve azúcar, éste se distribuye por toda la solución en forma homogénea; forma una solución azucarada. • Sólidas, se unen dos componentes, por ejemplo: las aleaciones que son disoluciones de dos metales como el latón que es una disolución sólida de cobre en zinc; el acero que son disoluciones sólidas de hierro y carbono. 263 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Elemento Compuesto Solución Figura 4. Sustancias en que se divide la materia homogénea. La materia heterogénea es aquella en la cual los componentes que la constituyen se distinguen unos de otros, su aspecto no es uniforme. A este tipo de materia pertenecen las mezclas heterogéneas o mecánicas, las cuales están formadas por dos o más sustancias que no pierden sus propiedades originales, porque no están unidas químicamente, por tanto, se pueden separar por métodos físicos; por ejemplo, la ensalada de frutas, una piedra, agua con tierra y azufre con limadura de hierro. Arena y agua Piedra Agua y aceite Figura 5. Ejemplos de materia heterogénea. El universo está conformado por materia y energía. El ser humano se encuentra inmerso y rodeado por ellas, trabaja y aplica la materia en sus tres estados, razón por la cual es importante conocer tanto su estructura, propiedades y composición como los cambios que experimenta. 5.2 PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA Corresponde a la sesión de GA 5.47 LAS COMUNES Las siguientes son propiedades generales de la materia: • La masa depende de la fuerza que hay que aplicarle a un cuerpo para cambiar su velocidad. CONCEPTOS BÁSICOS 264 • El volumen, es la cantidad de espacio ocupado por un cuerpo. Extensión Impenetrabilidad Figura 6. Propiedades generales de la materia. • La elasticidad es una propiedad que permite a la materia recuperar su forma y tamaño originales al dejar de aplicarle una fuerza, como ocurre con un resorte. • La inercia es la propiedad que impide a la materia cambiar su estado de movimiento sin la intervención de una fuerza externa. • La impenetrabilidad se refiere a que el espacio ocupado por una partícula no puede ser ocupado por otra. • La porosidad es una propiedad de la materia mediante la cual presenta espacios vacíos entre las partículas que la conforman. Masa Elasticidad Porosidad Divisibilidad Figura 7. Otras propiedades generales de la materia. Las propiedades que se mencionaron permiten conocer la materia, su comportamiento y alteraciones en situaciones determinadas, para su adecuada utilización o aprovechamiento. 265 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 5.3 PROPIEDADES PARTICULARES Y ESPECÍFICAS DE LA MATERIA Corresponde a las sesiones de GA 5.48 LAS EXCLUSIVAS y 5.49 LAS TÍPICAS Las propiedades que conservan la materia en cualesquiera de sus estados sirven para identificarla, sin importar el lugar donde se encuentre; sin embargo, una clasificación más precisa permite diferenciar sus propiedades generales de las particulares y de las específicas. Las propiedades particulares son las que presenta la materia en estado sólido. Por ejemplo la madera, el acero y el vidrio tienen diferentes propiedades particulares; algunas de ellas se describen a continuación: • Dureza. Propiedad por medio de la cual los cuerpos oponen resistencia a ser rayados, cortados o penetrados. Por ejemplo: hay algunos materiales muy duros, como el diamante, el vidrio, el cuarzo y el topacio; otros menos duros como la madera y algunos que son muy blandos, como el jabón y el yeso. Existe una escala de dureza (escala de MOHS) que indica la dureza del material: Talco = 1 Ortoclasa = 6 Yeso = 2 Cuarzo = 7 Calcita = 3 Topacio = 8 Fluorita = 4 Corindón = 9 Apatita = 5 Diamante = 10 • Tenacidad. Propiedad por medio de la cual los cuerpos oponen resistencia a romperse cuando se les aplica una fuerza. • Fragilidad. Propiedad contraria a la tenacidad; por ejemplo, el acero es muy tenaz y el vidrio muy frágil. Figura 8. Propiedades particulares de la materia. CONCEPTOS BÁSICOS 266 • Ductibilidad. Propiedad que permite a los cuerpos ser convertidos en hilos o alambres; el oro es el material más dúctil, seguido por la plata; hay otros que también la presentan, como el hierro, el cobre, el aluminio, la plastilina y el yeso, aunque los dos últimos en menor grado que los metales. • Maleabilidad. Esta propiedad permite a los cuerpos convertirse en láminas delgadas, algunos ejemplos de ellos son el estaño y el aluminio, con los cuales se hace papel que sirve como envoltura; el oro es el más maleable, aunque se pueden hacer láminas de hierro, zinc, cobre, etc. Las propiedades específicas son las que van a determinar las diferencias que tiene una sustancia en relación con otras, por ello permiten identificar los diversos tipos de sustancias que hay en la naturaleza; algunas de estas propiedades son: dilatación, conductibilidad, punto de ebullición, punto de fusión, densidad, viscosidad, etc. Propiedades específicas del agua. Conductibilidad eléctrica = buena conductora Punto de fusión = 0ºC. Punto de ebullición = 100ºC Densidad = Figura 9. Agua de la llave. 1g 1 cm3 Algunas propiedades específicas son: • La densidad: Cantidad de masa contenida en la unidad de volumen. Para calcularla se utilizan instrumentos que miden la masa y el volumen; se calcula dividiendo la masa por el volumen. Densidad = Masa ; D= Volumen m v Ejemplo: la densidad del mercurio es 13.6 g/cm3. Esto significa que 1 cm3 de mercurio tiene una masa de 13.6 g. • El punto de fusión: Es la temperatura que tiene un sólido cuando está pasando a estado líquido. • El punto de ebullición: Es la temperatura que tiene un líquido cuando está pasando a estado gaseoso. 267 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE • La conductibilidad térmica: Capacidad para conducir el calor. • La conductibilidad eléctrica: Capacidad para conducir la corriente eléctrica. • El ferromagnetismo: Propiedad de algunos metales, como el hierro para dejarse atraer por un cuerpo magnético. 5.4 CUERPO, SUSTANCIA Y ELEMENTO Corresponde a la sesión de GA 5.50 JUNTOS FORMAN UN TODO El ser humano a través del tiempo ha estudiado y caracterizado a la materia y también ha definido a los cuerpos, a las sustancias y a los elementos como componentes de la misma. Cuerpo. Es toda porción definida de materia que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa; por ejemplo, un vaso, una piedra, un árbol, un coche, un cuaderno, un lápiz, una silla, etcétera. Es importante señalar que un cuerpo generalmente se asocia con la forma que presenta; sin embargo, no sólo presenta una forma sino que, al ser materia, presenta también sus propiedades. En la naturaleza se puede observar una gran diversidad de cuerpos; sin embargo es posible diferenciarlos entre sí a través de las propiedades específicas de las sustancias que los conforman; por ejemplo, se pueden distinguir las sustancias que constituyen un lápiz y las que constituyen una pila. Figura 10. Cuerpos, sustancias y elementos. Sustancia. Es una porción de materia pura que presenta propiedades específicas que permiten distinguirla claramente. Por ejemplo: el agua, el azúcar, la sal y el aluminio son sustancias, en tanto que la madera es un cuerpo formado por varias sustancias. Elemento. Sustancia pura, formada por una sola clase de átomos; no puede descomponerse en sustancias más simples. La mayoría de elementos químicos se encuentran en estado sólido; dos en estado líquido y los demás existen en la naturaleza en estado gaseoso. Algunos elementos son muy abundantes; ocho elementos constituyen casi el total de la corteza terrestre y son: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio. Explorando fuera de la Tierra, los más abundantes son hidrógeno y helio; le siguen en cantidad el oxígeno, el neón, el carbono y el nitrógeno. CONCEPTOS BÁSICOS 268 Algunos elementos que forman parte de los seres vivos son: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, calcio, hierro, magnesio y potasio. Nombres y símbolos de los elementos químicos Cada elemento se designa, internacionalmente, mediante un símbolo químico. Los símbolos de muchos elementos se han derivado de su nombre griego o latino original, o del nombre de su descubridor. El siguiente cuadro nos da nombres y símbolos de los elementos más comunes. Cuadro 1 Elementos más abundantes en la corteza terrestre Símbolos Elementos más abundantes en la corteza terrestre Símbolos Oxígeno O Potasio K Silicio Si Magnesio Mg Aluminio Al Hidrógeno H Hierro Fe Carbono C Calcio Ca Azufre S Sodio Na Nitrógeno N Los elementos fueron clasificados, dependiendo de sus características, en metales y no metales. Dentro de los metales se encuentran el litio, al magnesio, el calcio y el aluminio entre otros, y dentro de los no metales se clasifican el nitrógeno, el fósforo, el oxígeno, el azufre, etc. Esta es una primera clasificación, pues existen a partir de ella varias subdivisiones. El estudio y análisis de los cuerpos, sustancias y elementos como parte de la materia, permitió conocerla más detalladamente y elaborar la tabla periódica de los elementos químicos, esto ha ayudado al ser humano para que la utilice en su provecho. 5.5 LA MOLÉCULA Corresponde a la sesión de GA 5.51 IGUAL, PERO MUY PEQUEÑA La mínima porción de una sustancia que conserva sus propiedades es una molécula. 269 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Del estudio de las diversas clases de sustancias se observó, por ejemplo, que un terrón de azúcar, al estar disuelto en agua, está completamente separado y no se pueden distinguir las moléculas que lo forman; sin embargo, están allí presentes y conservan las características del azúcar, aunque aparentemente hayan desaparecido. Lo mismo ocurre con el agua, ya que si se toman 10 ml de ella se puede observar perfectamente, y si esa cantidad se divide hasta separar una gota todavía se ve, pero si se toma esa gota y se divide aún más, llega el momento en que es imposible separarla y no se puede observar a simple vista, lo cual indica que el tamaño de la molécula es muy pequeño y se requieren otros conocimientos que permitan clasificarlas como parte fundamental de la materia. Agua (H2O) (H2O) Figura 11. Divisibilidad hasta una molécula. Es importante aclarar que no todas las moléculas son iguales, ni en tamaño, ni en forma, ni en constitución; varían dependiendo de los átomos que las conforman. Se dice que las moléculas de los elementos químicos son monoatómicas si están formadas por un solo átomo; este es el caso de metales como el aluminio (Al), el oro (Au), etc. Cuando están constituidas por dos átomos, se llaman diatómicas; algunos ejemplos son el yodo (I2), el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2). Las moléculas triatómicas están constituidas por tres átomos, como el ozono (O3) y las poliatómicas por más de tres átomos, como el fósforo (P4) y el azufre (S8). Las moléculas de los compuestos están constituidas por dos o más clases de átomos de diferentes elementos, por ejemplo, la molécula de agua, H2O1 está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. O (H2O) Agua H H Las moléculas pueden estar representadas por medio de modelos, en los cuales se muestra su organización. CONCEPTOS BÁSICOS 270 Figura 12. Molécula de agua. En los tres principales estados de agregación de la materia, las moléculas se encuentran acomodadas de diferente forma. En los líquidos, las moléculas se encuentran en movimiento y, por lo tanto, no están unidas fuertemente. Sólido Líquido En los sólidos, las moléculas están unidas fuertemente, casi no se pueden desplazar. Finalmente, en los gases, las moléculas se encuentran muy alejadas unas de otras y tienen mucho desplazamiento. Gaseoso Figura 13. Distribución de las moléculas de los estados de agregación molecular. Por lo anterior, se puede decir que las moléculas forman parte integral y fundamental de todos los cuerpos, incluyendo al ser humano. 5.6 EL ÁTOMO Corresponde a la sesión de GA 5.52 FUERTE Y PEQUEÑO Entre los años 470 y 400 antes de nuestra era, los griegos sostenían que todo el universo estaba constituido por materia, y que la parte fundamental de ella eran los átomos, palabra que en griego significa indivisible (a= no, tomos= divisible); Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito fueron los primeros en enunciar esta teoría; ellos consideraron al átomo como una partícula muy pequeña e indivisible, uniforme, sólida, dura e incomprensible (que no se puede comprimir). Figura 14. John Dalton. Esta teoría era aceptada ampliamente y prevaleció hasta fines del siglo XVIII y principios del XIX, cuando un científico inglés llamado John Dalton, basado en sus observaciones, dio a conocer la teoría atómica, la cual actualmente sigue siendo importante para los estudios acerca del átomo. Los principales postulados de la teoría atómica de Dalton son:1 – Los elementos están constituidos por partículas diminutas llamadas átomos. – Todos los átomos de un elemento dado son idénticos. – Todos los átomos de un elemento dado, son diferentes de los de cualquier otro elemento. 1 Zumdahl, S. Steven, Fundamentos de química, México, MacGraw-Hill, 1992, pág. 88. 271 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE – Los átomos de un elemento se pueden combinar con los de otros elementos para formar compuestos. Un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo y tipos de átomos. – Los átomos son indivisibles en los procesos químicos. Es decir, no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas. Una reacción química simplemente cambia la forma en que están agrupados. – Los átomos son indivisibles aun en las reacciones químicas más violentas. Posteriormente, a través de varios experimentos, se comprobó que el átomo está formado principalmente por tres clases de partículas, que son: los electrones que presentan carga eléctrica negativa; los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que tienen carga eléctrica neutra. Igualmente se comprobó que el átomo sí es divisible. El átomo está formado por el núcleo y los niveles de energía. ELECTRONES PROTONES NÚCLEO NEUTRONES NIVELES DE ENERGÍA ELECTRONES (-) NEUTRONES SIN CARGA PROTONES (+) El núcleo es eléctricamente positivo, se encuentra en el centro del átomo y contiene protones y neutrones. Los Figura 15. Estructura del átomo. niveles de energía forman la zona periférica del átomo y contienen electrones, los cuales son atraídos por la carga positiva de los protones del núcleo. Por lo general un átomo cuando está completo tiene igual número de protones y de electrones, con lo cual se neutraliza su carga eléctrica. Algunos ejemplos de átomos son los siguientes: CLORO SODIO HIDRÓGENO CARBONO Figura 16. Configuración de átomos. El estudio del átomo se ha vuelto cada vez más complejo y ha introducido al ser humano en un mundo fascinante que le ha permitido dar respuesta a muchas de sus incógnitas en su afán por entender la naturaleza. CONCEPTOS BÁSICOS 272 Capítulo 6 MATERIA, MAGNITUDES Y MEDIDAS La medición en Ciencias es una actividad importante dentro de la experimentación, pues requiere exactitud y de un trabajo sistemático que arroje resultados confiables para poder interpretar correctamente los fenómenos que acontecen en el mundo natural. La materia se encuentra en la naturaleza en diferentes estados, y sus propiedades son susceptibles de ser medidas a través de distintos métodos. Para medir se utilizan unidades fundamentales y unidades derivadas (derivadas de todas las fundamentales). 273 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 6.1 UNIDADES CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES Corresponden a la sesión de GA 6.56 CON LA VARA QUE MIDAS SERÁS... A través de los sentidos se perciben olores, tamaños, colores, formas, cambios de temperatura, etcétera. Desde la antigüedad, el ser humano tuvo la necesidad de realizar algunas mediciones en las actividades de su vida cotidiana, para efectuarlas utilizó primero algunas partes de su cuerpo como la mano, el pie, los brazos. Así surgieron las primeras unidades de medida no convencionales, cuyos nombres eran la cuarta, el pie y la braza o brazada, que comparaban con otras magnitudes, es decir, medían. Figura 1. Medidas no convencionales: cuarta, pie, brazada. El ser humano, poco a poco fue dándose cuenta de que estas unidades de medida variaban de persona a persona, porque el tamaño de los miembros del cuerpo de cada una no tenía la misma medida, y por lo tanto eran unidades no convencionales. Con el paso del tiempo se creó, para medir y calcular las distintas clases de magnitudes, una variedad de unidades que no dependían de la persona que realizaba la medición. Las unidades que siempre van a medir lo mismo, independientemente de las personas o regiones, se denominan convencionales y sirven para medir longitud, superficie, volumen, masa, tiempo, etc., que en grupo forman un sistema de unidades. Hubo países que crearon su propio sistema de unidades, lo cual significó un gran problema para el comercio, debido a la diferencia de unidades existentes. Por ejemplo, para medir la longitud existían el pie, la pulgada, la yarda, la milla, el estadio, el jeme y otros más. Luego se llegó al acuerdo de utilizar sólo algunos de estos sistemas de unidades: el decimal y el inglés. Unidades de estos sistemas son: CONCEPTOS BÁSICOS 274 Sistema decimal Sistema inglés Longitud: metro Pie (= 30,48 cm). Pulgada (= 2,54 cm) Masa: kilogramos Libra (= 454 g) Volumen: metro cúbico Galón (= 3,78 dm3) Sin embargo, aún persistían las dificultades y para el comercio internacional se estableció, como fruto de un consenso, el Sistema Internacional de Unidades (SI), que es el que actualmente se utiliza en la mayoría de los países, aunque algunos como Estados Unidos no lo han adoptado en su totalidad. 6.2. UNIDADES FUNDAMENTALES Corresponde a la sesión de GA 6.57 MAGNITUDES BÁSICAS Medir es una actividad importante dentro de la vida cotidiana del ser humano. Por lo tanto es necesario unificar la variedad de unidades de medida y clasificar las magnitudes para solucionar los problemas que se presentan al utilizar diferentes sistemas de unidades. Para lograr la unificación, primero se clasificó a las magnitudes, determinando como fundamentales a aquellas que no se definen partiendo de otras; así se establecieron tres magnitudes fundamentales: la longitud, la masa y el tiempo; cada una con sus respectivas unidades. Luego de clasificar las magnitudes, se llegó al acuerdo de formar, con las unidades de medida ya existentes, un solo sistema, para facilitar el comercio y el intercambio entre países; de esta manera se creó el Sistema Internacional de Unidades, también conocido como SI. Siete magnitudes fundamentales, con sus respectivas unidades, hacen parte del Sistema Internacional de Unidades (SI): Magnitud Unidad Símbolo Longitud Metro m Masa Kilogramo kg Tiempo Segundo s Temperatura Kelvin K Intensidad de corriente eléctrica Amperio A Intensidad luminosa Candela cd Cantidad de partícula Mole mol 275 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE En este curso utilizaremos las tres primeras, que en conjunto forman el sistema MKS (metro, kilogramo, segundo); las cuatro últimas las presentamos a manera de información. Existen otras magnitudes y unidades que pertenecen al Sistema Internacional, llamadas derivadas porque se forman por medio de combinaciones con las fundamentales; en este curso veremos: Magnitud Composición Unidad Símbolo ÁREA (Longitud) (Longitud) Metro cuadrado m2 VOLUMEN (Longitud) (Longitud) (Longitud) Metro cúbico m3 Longitud Tiempo __Metro__ Segundo m s _____Masa_____ Longitud al cubo __Kilogramo__ Metro cúbico kg m3 RAPIDEZ DENSIDAD Antiguamente, con el fin de tener un referente exacto en el mundo, se fabricó un metro que sirve de modelo: el metro patrón, que se define como la distancia que existe entre dos marcas grabadas en una barra de platino iridiado. Hoy en día se acepta la definición dada por el Sistema Internacional de Unidades, basada en propiedades del átomo de Kriptón, no comprensible para este curso. De igual manera existe un kilogramo patrón y se define como la masa del prototipo internacional del kilogramo. Figura 2. Kilogramo y metro patrones. El segundo se definió como 1/86.400 del día solar, el cual se considera como el intervalo del tiempo entre un medio día (12h) y el siguiente medio día, que comprende 24 horas. Hoy en día se acepta la definición dada por el Sistema Internacional de Unidades, basada en la radiación del átomo de cesio, no comprensible para su curso. Las unidades fundamentales tienen múltiplos y submúltiplos. CONCEPTOS BÁSICOS 276 Los múltiplos son unidades mayores que las fundamentales y los submúltiplos son unidades más pequeñas, que se utilizan según sea el valor que se va a medir. Una magnitud es toda propiedad que puede ser medida y a la que se le ha asignado con anterioridad una unidad patrón y un instrumento de medida. El lugar que ocupa un cuerpo en el espacio es una magnitud conocida como volumen. 6.3 EQUIVALENCIA DE UNIDADES Corresponde a las sesiones de GA 6.58 GRANDES Y PEQUEÑOS y 6.59 TRANSFORMACIONES En la vida diaria o en situciones más formales, como acontece en las ciencias, se requiere realizar mediciones; según sea el caso o las necesidades, deberán usarse el instrumento y la unidad o unidades adecuadas, por ejemplo: si ha de medirse la distancia entre dos ciudades, aunque se sabe que la unidad fundamental de longitud es el metro, en la práctica esa medida no se da en metros, sino en una unidad mayor, como es el kilómetro. En el caso contrario, si se desea medir longitudes más pequeñas que el metro, por ejemplo: el grueso de un libro, el diámetro de un lápiz, etc., resultaría impreciso realizar esta medición con el metro como unidad de medida, pues sería demasiado grande, así que se requiere un instrumento adecuado como regla, con unidades más pequeñas como el centímetro (cm) o el milímetro (mm). Por ello ha sido conveniente establecer para las diversas unidades otras mayores, llamadas múltiplos y otras menores conocidas como submúltiplos; para referirse a ellos se aplican prefijos de manera convencional, éstos se anteponen al nombre de la unidad, tienen un símbolo y un valor, como se indica en el siguiente cuadro: PARA MÚLTIPLOS Prefijo Símbolo Significado PARA SUBMÚLTIPLOS Prefijo Símbolo Significado Tera T un billón de.... deci d un décimo de... Giga G mil millones de... centi c un centésimo de... Mega M un millón de... mili m un milésimo de... Kilo k mil... micro µ un millonésimo de... Hecto h cien... nano n un mil millonésimo de... Deca da diez... pico p un billonésimo de... Ahora bien, aplicando los prefijos, las unidades de longitud quedarían como lo muestra el siguiente cuadro: 277 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE SUBMÚLTIPLOS MÚLTIPLOS Unidades Símbolos Equivalente con el metro Terámetro Tm un billón de metros Gigámetro Gm mil millones de metros Megámetro Mm un millón de metros Kilómetro km mil metros Hectómetro hm cien metros Decámetro dam diez metros Unidad: metro m un metro decímetro dm un décimo de metro centímetro cm un centésimo de metro milímetro mm un milésimo de metro micrómetro µm un millonésimo de metro nanómetro nm un mil millonésimo de metro picómetro pm un billonésimo de metro Cuando la relación entre múltiplos y submúltiplos es lineal como en el caso del metro, litro, gramo, la equivalencia con la unidad está relacionada con el significado del prefijo en forma directa, por ejemplo: 1 kilómetro = 1 000 m (kilo significa mil), pero la equivalencia varía cuando no son lineales (metro cuadrado, metro cúbico) por ejemplo 1 km2 no es equivalente a 1000 m2 sino que 1 km2 equivale a (1 000m) (1 000m)= 1 000 000 m2. Las relaciones entre las unidades de longitud quedan así: 1 km = 10 hm 1 km = 10 hm 1 km = 100 dam 1 hm = 10 dam 1 km = 1 000 m 1 dam = 10 m 1 km = 10 000 dm 1m = 10 dm 1 km = 100 000 cm 1 dm = 10 cm 1 hm = 1 000 000 mm 1 cm = 10 mm Se observa en la tabla de los prefijos que la variación entre ellos es de 10 en 10 de un prefijo a otro, para los comprendidos entre el kilo y el mili, para los demás la variación es de 1 000 en 1 000. En la siguiente figura se observa a escala normal a un decímetro; si cuentas, verás que: CONCEPTOS BÁSICOS 278 1 1 , una regla con longitud equivalente 1 dm = 10 cm 1 cm = 10 mm 1 dm = 100 mm Figura 3. Decímetro. Para hacer transformaciones de una unidad a otra, se procede a partir de su equivalencia. Por ejemplo, para calcular cuántos metros hay en 46 decámetros, se procede así: 1 dam = 10 m 46 dam = 46 (10 m) 46 dam = 460 m 1 La siguiente figura, a escala normal 1 , es la representación de una superficie que tiene un área de un decímetro cuadrado (1 dm2). Si cuentas, verás que el cuadrado mayor contiene 100 cuadrados medianos. El cuadrado grande es 1 dm2 y el mediano es 1 cm2, entonces: 1 dm2 = 100 cm2 Si sigues contando, podrás comprobar que cada cuadrado mediano contiene 100 cuadraditos pequeños. Como el cuadradito pequeño es de 1 mm2, entonces: 1 cm2 = 100 mm2 Como es muy dispendioso contar cuántos cuadraditos pequeños (milímetros cuadrados) hay en un cuadro grande (dm2), recurrimos al Figura 4. Decímetro cuadrado. cálculo matemático que nos dice que el número de cuadrados pequeños que hay en uno más grande, es el producto de la longitud de uno de los lados por el otro: 1 dm2 = (100 mm) (100 mm) 1 dm2 = 10 000 mm2 279 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Veamos un ejemplo de conversión de unidades de área: ¿Cuántos decámetros cuadrados (dam 2) hay en mil cuatrocientos metros cuadrados (1 400 m 2 ? 1 m2 = (1 m) (1 m) 1 m2 = ( 1 1 dam) ( dam) 10 10 1 1 m2 = dam2 100 1 (1 400) (1m2) = (1 400) ( dam2 ) 100 1 400 m2 = 14 dam2 Si se quiere calcular cuántos decámetros (dam) hay en 15 kilómetros (15 km), debemos pensar primero si la nueva unidad es mayor o menor que lo que hay que convertir, para prever si el resultado numérico es menor o mayor; cuando la nueva unidad es menor, como en este caso, el número será mayor y viceversa. El cálculo por realizar es el siguiente: Primero pasamos los kilómetros a metros y luego los metros a decámetros: 1 km = 1 000 m 15 km = (15) (1 000 m) 15 km = 15 000 m 1m = 1 10 dam 15 000 m = (15 000)( 1 dam) 10 15 000 m = 1 500 dam 15 km = 1 500 dam 1 En la siguiente figura, a escala natural, 1/1, se observa un cubo que tiene un volumen de un 1 3 decímetro cúbico (1 dm ). Este cubo tiene por cada arista una longitud de 1 dm, o de 10 cm o de 100 mm. CONCEPTOS BÁSICOS 280 Figura 5. Decímetro cúbico. Si cuentas el número de cubos medianos de 1 cm3 cada uno, comprobarás que en el dm3 caben 1 000 cm3. 1 dm3 = (10 cm)(10cm)(10cm) 1 dm3 = 1 000 cm3, o también: 1 dm3 = (100 mm) (100 mm) (100 mm) 1 dm3 = 1 000 000 mm3 Con igual proceso se llega a que: 1 m3 = (10 dm)(10 dm)(10 dm) 1 m3 = 1 000 dm3 1 m3 = (100 cm) (100 cm) (100 cm) 281 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 1 m3 = 1 000 000 cm3 1 m3 = (1 000 mm) (1 000 mm) (1 000 mm) 1 m3 = 1 000 000 000 mm3 En cuanto a las unidades de masa: en realidad el kilogramo es la unidad fundamental, en el Sistema Internacional de Unidades, los múltiplos y submúltiplos se toman a partir del gramo. En el siguiente cuadro se muestran las equivalencias de algunas unidades de masa: Unidad Símbolo Equivalencia kilogramo kg 1 000 gramos hectogramo hg 100 gramos decagramo dg 10 gramos gramos g 1 gramo decigramo dg 0.1 gramo centigramo cg 0.01 gramo miligramo mg 0.001 gramo Unidades aceptadas que no pertenecen al Sistema Internacional MAGNITUD UNIDAD SÍMBOLO EQUIVALENCIA Masa Tiempo Tiempo Tiempo Temperatura tonelada minuto hora día grado centígrado t min h d ºC 1 t = 1 000 kg 1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3 600 s 1 d = 24 h = 86 400 s ºC = K - 273.15 Volumen litro l 1l = 1 dm3 = (1 000 ml ) Ejemplo de conversiones de unidades de tiempo: ¿Cuántos segundos hay en 7 horas? ¿Existen dos procedimientos, pasar las 7 horas a minutos y luego estos minutos a segundos o hacerlo directamente si conocemos la equivalencia entre la hora y el segundo: POR PASOS DIRECTAMENTE 1 h = 60 min 1 h = 3 600 s 7 h = 7(60 min) 7 h = 7(3 600 s) 7 h = 420 min 7 h = 25 200 s CONCEPTOS BÁSICOS 282 Ahora se convierten los minutos a segundos: 1 min = 60 s 420 min = 420 (60 s) 420 min = 25 200 s entonces: 7h = 25 200 s. En la práctica, los submúltiplos del segundo más utlizados son: 1 Decisegundo (ds) = una décima de segundo = 10 s. 1 Centisegundo (cs) = una centésima de segundo = 100 s. Estos submúltiplos se utilizan, entre otras cosas, para expresar los tiempos en las competencias deportivas cuyas medidas requieren mucha precisión como las de autos, atletismo, ciclismo, y otras, utilizando el instrumento llamado cronómetro. 6.4 DETERMINACIÓN GEOMÉTRICA DEL VOLUMEN DE SÓLIDOS Corresponde a sesión de GA 6.60 SÓLIDOS MEDIBLES Todos los cuerpos ocupan un lugar en el espacio, es decir, tienen un volumen. El volumen es una propiedad de la materia susceptible de ser medida; por lo tanto, es una magnitud. Las unidades en que generalmente se expresa son metro cúbico (m3), decímetro cúbico (dm3) y centímetro cúbico (cm3). El modo de obtener el volumen de un cuerpo varía según la forma y el estado físico que tenga. Aquí sólo se tratará la manera de encontrar el volumen de los cuerpos sólidos de forma regular como el cubo, el paralelepípedo y el cilindro, entre otros. Cubo Paralelepípedo Cilindro Figura 6. Cuerpos sólidos de forma regular. 283 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE El volumen de estos cuerpos se obtiene aplicando la fórmula correspondiente a cada uno de ellos. En términos generales el volumen (V) de cuerpos de forma regular, como el cubo, el paralelepípedo, y el cilindro, se consigue matemáticamente, multiplicando el área de la base (A) por la altura (h). V=A.h El volumen del cono y las pirámides, cualquiera sea la forma de la base, se obtiene multiplicando el área de la base ( A) por la altura (h) y dividiendo el resultado por 3, porque un cono o una pirámide es la tercera parte del cilindro o del paralelepípedo en el que se inscribe. V = A.h 3 El área (A) de un rectángulo se halla multiplicando uno de los lados por el otro lado. A = L1 . L2 Si se trata de un rectángulo que tiene los cuatro lados iguales, llamado cuadrado, entonces: A = L1 . L2 A = L2 El área de un círculo se halla multiplicando el número 3.1416 por el radio al cuadrado. A = (3.1416 ) . r2 NOTA: Al dividir la longitud de una circunferencia por su diámetro (L/D) se obtiene siempre un mismo número, cualquiera sea la circunferencia. A este número se le llama π (letra griega que se pronuncia pi y cuyo valor es 3.1416 , aproximadamente). Entonces podemos decir: A= π . r Ejemplo: 1. ¿Si un dado tiene por cada arista 1.5 cm de longitud de cuánto es el volumen? Datos Figura L1 = 1.5 cm L2 = 1.5 cm L3 = 1.5 cm L3 Fórmulas Sustitución V=A.H A = L1. L2 A = (1.5 cm) (1.5 cm) A = 2.25 cm2 V = (2.5 cm2) (1.5 cm) V = 3.35 cm3 L2 L1 CONCEPTOS BÁSICOS 284 Para encontrar el volumen de cualquier paralelepípedo, son necesarias las medidas del largo, ancho y altura. Ejemplo2. Calcule el volumen de la siguiente caja: . . . 3 . 285 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 6.5 PRECISIÓN GEOMÉTRICA DEL VOLUMEN DE LÍQUIDOS Corresponde a las sesiones de GA 6.62 CÁLCULO DE AMORFOS y 6.63 SIN FORMA Y CON VOLUMEN. ¿Cómo es posible medir el volumen de los líquidos, si no tienen forma propia? Los líquidos tienen la propiedad de adquirir la forma del recipiente que los contiene y tocan completamente las paredes hasta el nivel que alcanzan, de modo que es posible medir su volumen si el recipiente que los contiene tiene forma geométrica regular, pues conociendo la altura del nivel alcanzado y el área de la base es posible hacer el cálculo correspondiente, sólo se requiere que el volumen en dicho recipiente sea constante, es decir, que sea de un material rígido que no se doble fácilmente ni sufra deformaciones. Entonces, si se tuviera un recipiente cilíndrico, por ejemplo, como es el caso de los tarros o latas, se haría lo siguiente: Figura 7. Forma de medir el diámetro y la altura de un cilindro. 1. Medir el diámetro interno del vaso con una regla o un vernier. 2. Para el caso de un recipiente transparente, en el que se aprecie el nivel del líquido desde el exterior, para medir la altura del nivel alcanzado por el líquido, el ojo del observador debe estar a ese nivel y considerar la parte más baja de la curvatura que se forma en la superficie del líquido, a la que se le conoce como menisco, que en el caso del agua, es un menisco cóncavo. 3. Con los valores del radio y de la altura, se procede al cálculo matemático, aplicando la fórmula correspondiente, con valores numéricos, así: Datos Fórmula matemática Radio de la base = 4 cm V = Área de la base x altura Altura alcanzada por el V=A.h líquido = 7 cm V = (πr2) h V = (3.1416) (4 cm)2 (7 cm) V = (3.1416) (16 cm2) (7 cm) V = (50.27 cm2) (7cm) V = 351.89 cm3 CONCEPTOS BÁSICOS 286 Si por el contrario, se tiene un envase vacío de base cuadrada (7 cm de lado) y se desea saber a qué altura debe llegar un líquido para tener un volumen de 250 cm3 del mismo, se procede así: Como el envase de cartón es de base cuadrada, se miden los cuatro lados de la base y colocamos el área (A = L2) . Se sabe que el volumen (250 cm3) es igual al área de la base (A) por la altura (h). En este caso V = A . h; V = L2 . h. Para saber hasta qué altura vaciar el líquido, entonces: Datos Sustitución Fórmula L = 7 cm V = A .h V = 250 cm3 Despeje h=? h= h= V A 250 cm3 (7 cm)2 h = 5.10 cm A = L2 por ser la base cuadrada V h= L2 Lo cual quiere decir que la altura que debe alcanzar el líquido, para vaciar un volumen de 250 cm3 en un envase de cartón de 49 cm2 de área en la base, debe ser de 5.10 cm. En el caso de tener un recipiente opaco, como una lata, de antemano se pueden medir su diámetro y su altura interna, por ejemplo: Si el diámetro = 10 cm Entonces el radio = 5 cm Profundidad del recipiente = 15 cm Figura que muestra la forma de medir el diámetro y la altura interior de un recipiente. 287 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Se vacía el líquido que se quiere medir y a la altura total (15 cm) se le descuenta la distancia que hay desde el nivel del líquido al borde del recipiente (3 cm), se tiene la altura que alcanza el líquido dentro del recipiente (12 cm). 3 cm 15 cm Figura para medir la altura de un líquido en un recipiente opaco. Altura del líquido = altura del recipiente – altura desde la superficie del líquido al borde de la lata. = 15 cm – 3 cm = 12 cm Finalmente, aplicando la fórmula del volumen del cilindro: V = Área de la base X altura. V=A.h V= πr2 h V = 3.1416 (5 cm)2 (12 cm) V = 3.1416 (25 cm2) (12 cm) V = (78.54 cm2) (12 cm) V = 942.48 cm3 En conclusión, el volumen de un líquido se calcula aplicándole la fórmula que le corresponde, según la forma del recipiente que lo contiene. CONCEPTOS BÁSICOS 288 6.6 DELIMITACIÓN DEL VOLUMEN DE GASES Corresponde a la sesión de GA 6.64 LIGEROS MEDIBLES En la vida diaria se pueden apreciar cuerpos en los tres estados físicos: los sólidos tienen forma y volumen propios; los líquidos no tienen forma propia, adoptan la forma del recipiente que los contiene, manteniendo su volumen; a diferencia de éstos, los gases se pueden expandir o comprimir, de modo que si a un gas se le cambia de recipiente, podría aumentar o disminuir su volumen, es decir, no tienen forma ni volumen propios. Las moléculas de un gas son como puntos materiales en el espacio y están muy separadas, de modo que a veces no se percibe su presencia, a menos que tenga color u olor; sin embargo se puede comprobar que ocupa un lugar en el espacio. Esto se comprueba si, por ejemplo, se llena un recipiente con agua y se trata de introducir en él un vaso invertido, verticalmente, empujándolo más hacia abajo. Figura 8. La forma de introducir el vaso en el agua. ¿Estaba el vaso vacío? ¿Por qué no entra totalmente el agua al interior del vaso? ¿Por qué aumenta el nivel del agua en el recipiente que lo contiene? Ciertamente, el vaso tiene en su interior una mezcla de gases que es el aire, y el agua no penetra porque el aire es materia y ocupa un lugar en el espacio y además posee la propiedad de impenetrabilidad, como toda la materia, y aunque las moléculas están separadas, ejercen una fuerza hacia el agua que no le permite llegar hasta el fondo del vaso. De modo que aunque el gas no tenga volumen ni forma propios se puede medir estando contenido en un recipiente graduado o si éste tiene forma geométrica (cilindro, prisma, etc.) puede medirse con el procedimiento ya antes empleado para los líquidos. 289 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 6.7 MEDICIÓN DEL VOLUMEN DE CUERPOS IRREGULARES Corresponde a las sesiones de GA 6.65 ¡EUREKA!, ¡EUREKA! y 6.66 CUERPOS CAPRICHOSOS. En el universo existen cuerpos que poseen una forma geométrica regular y otros cuya forma es irregular; sin importar su forma, todos ellos ocupan un lugar en el espacio. Independientemente de la forma que posean, dos o más partículas no pueden ocupar el mismo lugar en el espacio a un mismo tiempo, ésta es una propiedad de la materia a la que se le conoce como impenetrabilidad. La propiedad de impenetrabilidad se utiliza para determinar el volumen de cuerpos sólidos irregulares que no se disuelvan en el seno de un líquido. Una piedra es un cuerpo de forma irregular, para determinar su volumen se necesita un recipiente graduado, que contenga una cantidad ya determinada de un líquido (por ejemplo 20 ml ), éste generalmente es el agua. Al introducir la piedra en el recipiente graduado que contiene agua, el líquido sube de nivel tanto como sea el volumen que ocupa la piedra. Entonces, para determinar el volumen de un cuerpo irregular, se toma en cuenta el volumen total alcanzado por el líquido en el recipiente, al cual se le resta el volumen que contenía en un principio, antes de haber introducido el cuerpo en cuestión. En este caso: Figura 9. Determinación del volumen de sólidos de forma irregular. El volumen del líquido más el del cuerpo es igual a 30 ml y el volumen del líquido antes de introducir la piedra era de 20 ml, se realiza la resta y se obtiene: 30 ml – 20 ml = 10 ml. Como 1 ml = 1 cm3 , entonces se puede decir que el volumen de la piedra es igual a 10 cm3. El volumen de un cuerpo sólido irregular se puede obtener por desalojamiento de un líquido, siempre y cuando el sólido no sea poroso ni soluble en éste. CONCEPTOS BÁSICOS 290 6.8 MASA Y PESO Corresponde a la sesión GA 6.67 SON DIFERENTES La masa y el peso son magnitudes de la materia. Los conceptos solían confundirse, pues a un cuerpo que tuviera una masa de un kilogramo, se le asignaba un peso de 1 kilogramo – fuerza, 1 kgf. Con el tiempo, se eliminó la palabra fuerza que acompaña el kilogramo, lo cual empeoró la confusión. Este problema se resolvió a través del acuerdo del Sistema Internacional de Unidades, dándole precisión a cada uno de estos dos términos, que de hecho son totalmente diferentes. Masa Hay cuerpos que son más difíciles de cambiarles la velocidad que otros; será más fácil de cambiar la velocidad al que tenga menor masa, de ahí que se estime que un cuerpo tendrá menor masa si tenemos que aplicar menor fuerza para cambiar su velocidad, o viceversa, en una determinada unidad de tiempo. La unidad en el Sistema Internacional con que se mide la masa es el kilogramo y corresponde a la masa de un litro de agua. Si se quiere comparar la masa de dos cuerpos, bastará con ver cuál es el que tiene mayor o menor cambio de velocidad en determinada unidad de tiempo, al aplicarle a cada uno fuerzas iguales. m1 m1 m2 m2 m1 < m2 m1 > m2 Figura 10. Apreciación de la masa de un cuerpo. Figura 11. Balanza. La masa de un cuerpo se mide con una balanza, comparándola con otras masas conocidas, de manera que el cuerpo de mayor masa hará que baje más el platillo donde se encuentra. Peso Cuando un cuerpo es lanzado hacia arriba, llega un momento en que se detiene y cae; si se ata un cuerpo, se mantiene suspendido y luego se corta el hilo, el cuerpo cae; la causa que produce este efecto es común y se debe a la atracción que la Tierra ejerce sobre los cuerpos, la cual hace que éstos caigan, fuerza que se conoce como fuerza de gravedad. El peso de un cuerpo, en la Tierra, es la fuerza con que ésta lo atrae. 291 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE El peso de un cuerpo en la Luna es la fuerza con que ésta lo atrae. El peso es una fuerza y se mide con el instrumento llamado dinamómetro. Su unidad en el Sistema Internacional es el newton (N), y nunca debe usarse el kilogramo. Masa = 4 kg Peso (en la Tierra) = 39.2 Newton Y bien, si la masa de un cuerpo está dada en kg, al multiplicar por la aceleración de la gravedad (g), se obtendrá su peso en newton. Sin embargo es necesario considerar que la aceleración gravitacional, g, no es una magnitud única de la Tierra, sino que aparece en todo el universo conocido; así que en la Luna y en cada Figura 12. Dinamómetro. planeta hay un valor de “g” que es directamente proporcional a su masa; en la Luna el valor de «g» es de 1/6 del de la Tierra, pues su masa es de 1/6, en relación con la de la Tierra y, por lo tanto, el peso de los cuerpos en la Luna es de 1/6 del valor que tienen en la Tierra. Así resulta que la masa de un cuerpo es una propiedad característica del cuerpo, sólo depende de él y no de su alrededor. El peso de un cuerpo depende de su masa y de la gravedad del lugar donde se encuentra. Un ladrillo tiene una masa de 2.5 kg aproximadamente, aquí, en la Luna y en cualquier parte del universo, siempre que permanezca quieto y no pierda ni gane materia. Un cuerpo que tenga una masa de 1 kg tiene un peso de 9.8 N en la Tierra. En la Luna este cuerpo tiene la misma masa, pero su peso es de: 9.8 N = 1.63 N 6 CONCEPTOS BÁSICOS 292 GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS A continuación encuentras un listado de términos científicos y tecnológicos y su respectivo significado. Cuando encuentres una palabra desconocida, antes de continuar la lectura búscala en el glosario, diccionario o en otro texto. Consulta con tu profesor(a), con tus compañeros(as) y otras personas. Aceleración gravitacional: Aceleración con que caen los cuerpos debido a la fuerza de atracción de la gravedad. Alisios: Vientos que soplan constantemente desde los subtrópicos hacia el ecuador. Área: Medida de una superficie: una niña puede tener un área de un metro cuadrado, 1m2, en su superficie. Astronomía: Ciencia que estudia el universo, y los astros que lo constituyen. Atmósfera: Capa gaseosa que envuelve la Tierra o cualquier astro. Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica. Báscula: Aparato para medir pesos, generalmente grandes, provisto de una plataforma sobre la que se coloca lo que ha de pesarse. Batería: Conjunto de pilas dispuestas en serie para almacenar energía eléctrica. Cinc: Metal de color blanco azulado y brillo intenso; por su resistencia a la corrosión atmosférica se utiliza en láminas o planchas para cubrir tejados y construir canales. Cobre: Metal de color pardo rojizo, muy dúctil y maleable, resistente a la corrosión atmosférica y buen conductor del calor y de la electricidad. Composición química: Constitución de una sustancia; clase y cantidad de los elementos unidos en una molécula de compuesto. Cronómetro: Reloj de precisión, reglado en diferentes posiciones y a temperaturas variadas. Desarrollo sostenible: El que propende por el mejoramiento de la calidad de vida de las generaciones actuales y futuras, con el respeto a los procesos ecológicos, sociales, culturales, la diversidad biológica y los recursos naturales. Ecología: Rama de la biología que estudia las interrelaciones entre los seres vivos y entre éstos y el ambiente que los rodea. 293 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Electrón: Partícula subatómica con carga eléctrica negativa. Electrónica: Ciencia que estudia los fenómenos en que intervienen electrones libres. Ente: Aquello que es: todo ser viviente o no, material o no. Estadística: Ciencia que tiene por objeto el agrupamiento metódico y el estudio de ciertos fenómenos que se pretenden evaluar numéricamente. Estados de agregación: Forma de acomodación de las moléculas en los diferentes estados de la materia. Farmacia: Conjunto de conocimientos relativos a la preparación de medicamentos. Frecuencia: Número de datos que se encuentran en un intervalo. Geología: Ciencia que estudia la Tierra; su propósito es describir y explicar el aspecto y la disposición de la corteza terrestre y su historia. Grado Centígrado: Cada una de las divisiones de un termómetro que marca entre 0ºC (punto de fusión del agua) y 100ºC (punto de ebullición del agua). Unidad para medir temperatura. Gráfica: Dibujo o esquema que representa las observaciones y conclusiones de un fenómeno estudiado. Gravedad: A la aceleración gravitatoria se le denomina simplemente gravedad. El valor de la gravedad en la Tierra es aproximadamente 9.8 m/s esto significa que cada vez que transcurre un segundo, s la velocidad de un cuerpo se aumenta en 9.8 m/s. Informática: Ciencia que se ocupa del tratamiento racional y sistemático de la información. Intervalo: Grupo de datos limitado por un valor máximo y un valor mínimo. Instrumento de medida: Objeto diseñado y fabricado por la comunidad científica o tecnológica para medir magnitudes de un cuerpo o ente cualquiera en determinadas unidades: el reloj es un instrumento de medida que se usa para medir la magnitud del tiempo, en las unidades: horas, minutos y segundos. Iridiado: Mezcla del metal iridio con otros elementos. CONCEPTOS BÁSICOS 294 Magnitud: Cualquier propiedad o característica de un cuerpo o ente susceptible de ser medida. Máquina: Aparato para aprovechar, dirigir o regular la acción de una fuerza, y, según el concepto corriente, todo aparato o instrumento que sirve para efectuar algún trabajo. Menisco: Pequeña curvatura en la superficie de los líquidos en la parte que hace contacto con el recipiente que lo contiene: en el agua esta pequeña curvatura es cóncava (hacia abajo) y en el mercurio es convexa (hacia arriba). Mercurio: Metal líquido a temperatura ordinaria, de color blanco brillante, empleado en la fabricación de ciertos instrumentos de física como termómetros, barómetros y en medicina. Palanca: Cuerpo rígido que se apoya en un punto fijo, alrededor del cual gira, y sirve para realizar una fuerza con el menor esfuerzo posible. Pipeta: Utensilio de laboratorio consistente en un tubo de cristal abierto por ambos extremos, que sirve para transvasar pequeñas cantidades de líquido. Polea: Máquina simple constituida por una rueda móvil alrededor de un eje y que tiene una canal en la periferia por la que pasa una cuerda en cuyos extremos están aplicadas fuerzas, se utiliza para realizar fuerzas con el menor esfuerzo. Polvo cósmico: Porciones pequeñísimas de materia que vagan en el espacio, sin que aún se hayan unido a cuerpos más grandes. El polvo cósmico genera ruido en los instrumentos de astronomía. Plantear: Suscitar y poner condiciones de resolver un problema o asunto. Presión: Valor de la fuerza por unidad de área. Probeta: Recipiente de cristal o de plástico, alargado en forma de tubo, generalmente graduado, con un pie soporte, utilizado en el laboratorio. Punto de referencia: Punto que generalmente se considera quieto, respecto al cual medimos la posición o la velocidad de un cuerpo. Para mayor precisión, en este punto se coloca el origen de un sistema de coordenadas. Salina: Tiene relación con la sal. Sistema de referencia: Es un sistema de coordenadas, en una, en dos o en tres dimensiones, en el origen de este sistema se encuentra el punto de referencia. 295 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Solución: Sustancia disuelta en otra. Solución salina: Líquido que contiene una sal disuelta. Subtrópico: Región de la Tierra situada bajo los trópicos. Superficie: Contorno que delimita el espacio ocupado por un cuerpo y lo separa del espacio circundante: la superficie de una persona es el contorno que delimita la piel del aire, sin hacer parte de la piel ni del aire. Transformación: Cambio en la forma o en la constitución de un cuerpo o de una sustancia. Trayectoria: Línea descrita en el espacio por un cuerpo que se mueve. Unidad patrón: Unidad creada y definida como modelo para medir una magnitud: como unidad patrón de tiempo se tomó el segundo que está perfectamente definido. Valor del vector: Es la medida de una magnitud vectorial. Un vector es un segmento orientado (una flecha), usado para representar una magnitud vectorial; el tamaño del segmento es proporcional al valor del vector y la punta representa la dirección que tiene la magnitud vectorial: una magnitud vectorial de 40 km/h hacia el oriente, se puede representar dibujando una flecha de 4 cm de longitud con la punta hacia la derecha, estableciendo de antemano que hacia la derecha es el oriente y que 1 cm representa 10 km/h. Vernier o nonio: Instrumento para medir espesores o calibres pequeños con alta precisión. Viscosidad: Propiedad que tiene un fluido de presentar resistencia al deslizamiento entre sus moléculas. Volumen: Espacio ocupado por un cuerpo (sólido, líquido o gaseoso); su unidad de medida es en el Sistema Internacional de Unidades (SI), el metro cúbico, m3. CONCEPTOS BÁSICOS 296 BIBLIOGRAFÍA (COLOMBIA) Biología ÁNGEL, Augusto. El retorno a la Tierra. 3er. Cuaderno Ambiental. Ministerio de Educación e Idea. Santafé de Bogotá. 1993. ÁNGEL, Augusto. La Tierra herida. 2o. Cuaderno Ambiental, Ministerio de Educación e Idea. Santafé de Bogotá. 1995. ÁNGEL, Augusto. La trama de la vida. 1er. Cuaderno Ambiental. Ministerio de Educación e Idea. Santafé de Bogotá. 1993. BARTHOLOMAUS, Agnes y otros. El manto de la Tierra. Tercera Edición. Editorial Panamericana. CAR, GTZ, KFW. Santafé de Bogotá. 1998. CÁRDENAS, Gelves y otros. Ciencias Interactivas Nivel 6. Editorial Mc Graw Hill. Santafé de Bogotá. 1998. DAINTITH, John. Diccionario de biología. Editorial Norma. Santafé de Bogotá. 1998. MOLINA, Luis y otros. Cerros, humedales y áreas rurales. Dama. Santafé de Bogotá. 1997. MONCAYO, Guido y otros. ciencias naturales y salud 6. Editorial Educar Editores. Santafé de Bogotá. 1999. NASON A. Biología. Editorial Limusa. México. 1985. NOVO. María La educación ambiental. Bases éticas, conceptuales y metodológicas. Editorial Universitas S.A. Madrid, España. 1998. ODUM, Eugene P. Ecología.Tercera Edición. Editorial Interamericana. México. 1985. ROLDAN, Gabriel y otros. Descubrir 6. Editorial Norma. Santafé de Bogotá. 1998. SUGDE, Andrew. Diccionario ilustrado de botánica. Editorial Círculo de Lectores. Santafé de Bogotá. 1984. TORRES, Carrasco, M. La dimensión ambiental: Un reto para la educación de la nueva sociedad. Proyectos Ambientales Escolares. Ministerio de Educación Nacional, Programa de educación ambiental. Imprenta Nacional de Colombia. Santafé de Bogotá. 1996. TORRES, Carrasco, M. y BERMÚDEZ, O. Cuaderno de trabajo ambiental. Reconozcamos nuestra ciudad. Ministerio de Educación Nacional. Programa de Educación Ambiental Idea. Universidad Nacional. 1994. 297 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE BIBLIOGRAFÍA (MÉXICO) Biología ARANA, R. Fundamentos de biología, México, McGraw-Hill, 1990, 332 pp. ARANA ANZALDO, Armando. En la frontera de la vida. Los virus, México, SEP/FCE/ COL. La ciencia desde México, vol. 71, 1987. BRANDWEIN, Paul F., BURNETT R.W., y STOLLBERG R. Biología. La vida, sus formas y cambios, México, Cultural, 1970, 563 pp. CIFUENTES, Lemus, José Luis. El océano y sus recursos, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, 1987. DEL CARMEN, Luis. Investigando en el bosque, Barcelona; Teide, col, Vivac, vol. 1, 1984, 65 pp. DEL RÍO, Fernando; LEÓN, Máximo. Cosas de la ciencia, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 21, 1987. DREYFUS, Georges. El mundo de los microbios, México, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 43, 1987. GUTIÉRREZ, M. Ecología. Salvemos el planeta Tierra, México, Limusa, 1993, 181 pp. LAZCANO, A. El origen de la vida, México, Trillas, 1983, 107 pp. MARTÍNEZ, Adolfo. Las amebas, enemigos invisibles, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 47, 1987. NELSON A. Biología, México, Limusa, 1980, 726 pp. OPARÍN, A. El origen de la vida, México, Editores Mexicanos Unidos, 1976, 112 pp. PIÑEROS, Daniel. De las bacterias al hombre: la evolución, México, México, SEP/ FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 25, 1987. 113 pp. PORRITT, Jonathon. Salvemos la Tierra, México, Aguilar, 1991, 208 pp. CONCEPTOS BÁSICOS 298 PUJOL, J. La vida en el bosque, Barcelona, Teide, col. Vivac, vol. 2, 1985, 71 pp. SALAMANCA F. El olvidado monje del huerto, México, Pangea, 1988, 120 pp. SERUKHÁN, José. Las musas de Darwin, México, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 70, 1987. SMALLWOOD, W. Y GREEN, E.R. Biología (trad. Raúl Cortés), México, Cultural, 1976, 751 pp. TERRADAS, J. Ecología, hoy, Barcelona, Teide, col. Hay que saber, vol. 7, 1982, 203 pp. VARIOS AUTORES. Cultivemos con el profesor Cientific, México, México, CONACYT, col. La pandilla científica, vol. 4, 3ª. Ed., 1989, 151 pp. VARIOS AUTORES. Las pandillas en la cocina, México, CONACYT, col. La pandilla científica. VARIOS AUTORES. Las mascotas de la pandilla, México, CONACYT, col. La pandilla científica. VARIOS AUTORES. Más experimentos, México, CONACYT, col. La pandilla científica. VARIOS AUTORES. 66 experimentos fáciles, México, CONACYT, col. La pandilla científica, vol. 2, 3ª ed., 1989, 125 pp. VARIOS AUTORES. 66 nuevos experimentos, México, CONACYT, col. La pandilla científica. VÁSQUEZ, G. Ecología y formación ambiental, México, McGraw-Hill, 1993, 303 pp. VÁSQUEZ YANES, Carlos. Cómo viven las plantas, México, SEP/FCE/ CONACYT, col. La ciencia desde México, vol. 48, 1987. 299 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE BIBLIOGRAFÍA (MÉXICO) Física, química y ambiente AGUILLAR LORETO, Guadalupe. Química segundo curso, México, Acuario, 13a. ed., 1989. – Química tercera curso, México, Lituarte, 2a. ed., 1991. ALVARENGA A., Beatriz. MÁXIMO R., Antonio, Física general con experimentos sencillos, México, Harla, 3ª ed., 1983. BABOR, José A., IBARZ A., José, Química general moderna, México, Publicaciones Cultural, 1978. BRANDWEIN, Paul F., STOLLBERG, Robert, BURNETT, R. Will, Física, la energía, sus formas y sus cambios, México, Cultural, 7ª ed., 1982. CETTO, R. El mundo de la física, México, Trillas, 3ª ed. 1982. MOSQUEIRA R., Salvador, Física I, México, Patria, 2ª ed., 1988. – Química I, México, Patria. 2ª ed., 1988 ZUMDAHL, S. Fundamentos de química, México, McGraw-Hill, 1992. BIBLIOGRAFÍA (COLOMBIA) Física, química y ambiente ASIMOV, Isaac. Introducción a la ciencia: ciencias biológicas. Barcelona: Ediciones Orbis A, 1973. Vol. 2. BARBOR-IBARZ. Química general moderna. Provenza, España: Manuel Marín, 1960. Caps. 1, 2. BRIEVA BUSTILLOS, Eduardo. Introducción a la astronomía: el sistema solar. Bogotá: Empresa Editorial Universitaria Nacional de Colombia, 1985. BUNGE, Mario. La ciencia, su método y su filosofía. Bogotá: Ediciones Nacionales. CONCEPTOS BÁSICOS 300 CÁRDENAS, GELVES, NIETO, Erazo. Ciencias interactivas 6. Santafé de Bogotá: McGraw Hill, 1997. CARVAJAL, Lizardo. Metodología de la investigación. Cali: Universidad del Valle, 1974. CASTRO S., Nydia, BIANCHINI, Tomás E. y otros. Mundo vivo 6. Ciencias naturales y educación ambiental. Editorial Norma, 1999. –Ciencias en Construcción 6. Educación Básica Secundaria. Oxford University Press. Impresiones Lerner S. A. 1997. –Ciencia integrada. Educación básica. Serie: Cosmos 6. Editorial Voluntad. 1997. –Ciencias interactivas 6. Primera Edición, McGraw Hill, 1998. –Ciencias y educación ambiental. Serie: entorno 6. Educar Editores. Primera Edición, 2000. –Ciencias naturales. Serie descubrir 6. Santafé de Bogotá: Norma, 1997. –Ciencias naturales 6. Básica secundaria. Santillana, Siglo XXI, 1999. –Ciencias naturales. Educación para la salud y educación ambiental: Educación Básica. Serie –Cosmos 6. Santafé de Bogotá: Voluntad, 1997. –Ciencias naturales, educación ambiental y salud. Serie: Descubrir 6. Editorial Norma, Séptima Edición, 1999. –Ciencias naturales y educación ambiental. Serie: Mundo Vivo 6. Primera Edición, 1999. –Ciencias naturales y educación ambiental. Serie: Tercer Milenio 6. Susaeta Ediciones & Cía. Ltda. Primera Edición, 1999. –Ciencias naturales y educación ambiental. Serie: Tierra 6. Editorial Libros & Libros, 1999. COLIN A., Ronan. Los amantes de la astronomía. Barcelona. Editorial Lume S. A. 1995. –Cosmos 6. Ciencia integrada: Educación básica: Editorial Voluntad S. A. Santafé de Bogotá, 1997. COVARRUBIAS M., Héctor, FLÓREZ, Fernando y otros. Astronomía. México: Centro de Instrumentos, Universidad Nacional Autónoma de México, 1986. 301 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE DAVIS, J., Reit y otros. Manual de laboratorio. Barcelona: Ediciones Reverté, 1975. DEVORE-MUÑOZ. Química orgánica. México: Publicaciones Cultural, 1974. Estadística aplicada. Caps. 1, 2. Serie Sahum. FONSECA, Flor, MÉNDEZ M., José. Ciencias 6: Vida, ambiente y naturaleza, McGraw Hill, 1998. GARZÓN, G. Química general. Serie Shawm. Santafé de Bogotá: McGraw Hill, 1994. MILLER-AUGUSTINE. Química elemental. México, Editorial Harla, Caps. 2, 3. MONCAYO, Guido, CAICEDO, Humberto y otros. Ciencias 6: Naturaleza y salud. Educar Editores. 1995. NIEDA-MECEDO. Un currículo científico para estudiantes de 11 a 14 años. Santiago, Chile: Unesco. NORTON, Arthur. Norton‘s Star Atlas. Cambridge, Massachusetts, USA. Sky Publishing Corporation, 1987. PERELMAN. Problemas y experimentos recreativos, 2a. edición. Moscú: Editorial Mir, 1983. PÉREZ – GALLEGO. Corrientes constructivistas. Bogotá: Editorial Colombia Nueva, 1994. PORTER. Química de la materia. Editorial Teide, 1962. POSADA FLÓREZ, Eduardo. Ciencia en construcción 6. Santafé de Bogotá: Oxford University Press. Harla de Colombia, 1999. POVEDA V., Julio C. Universo y vida: ciencias naturales y salud, Migema Ediciones S.A., Vols, 6 y 7, 1993. Química: experimentación y deducción: Manual de laboratorio. Cali: Latinoamericana Editorial Norma, 1970. ROMANO H., Luis (Traductor). El universo: planetas, estrellas, galaxias. Plaza & Janés Editores S.A., 1985. ROMANO H., Luis (Traductor). La Tierra: mares, climas, continentes. Plaza & Janés Editores S.A., 1985. CONCEPTOS BÁSICOS 302 SABINO, Carlos. El proceso de investigación. Bogotá: El Cid, 1976. SÁNCHEZ, Clara, GÓMEZ, Henry y otros. Ciencias naturales y educación ambiental: Tierra 6. Editorial Libros & Libros S.A., 1999. SERWAY. Física, tomo 1. McGraw Hill. Interamericana de México, 1992. Caps. 14,15. SIENKO AND PLANE. Química. Madrid, Aguilar, 1967. Caps. 1,2,3. SUND-TROWBRIDGE. La enseñanza de la ciencia en la escuela secundaria. AID, 1969. TEUSABA, Margarita, GUTIÉRREZ, Héctor y otros. Aventura: Ciencias 6. Bogotá: Grupo Editorial Norma, 1998. UNESCO. Manual de la Unesco para la enseñanza de las ciencias. Bogotá: Ediciones ICEI, 1988. FUENTES DE ILUSTRACIONES (MÉXICO) Biología ATTENBOROUGH, David, La vida en la Tierra, E.U.A., Fondo Educativo. Interamericano, 1981. –Conocer la vida y el universo, México, Grupo Zeta, año 1, núm. 100, oct. 1991. –El origen de las especies, México, CONACYT, 1981. –Enciclopedia Salvat de la fauna, Pamplona, Salvat, vol. 5, núm. 61 y vol. 8, núm. 110, 1985. MINELLI, M.P., y MINELLI, A., León, El bisonte y los animales de América del Norte, Everest, Col. Los animales de la Tierra, 1985. –El pingüino, el oso blanco y los animales de los polos, Everest., col. Los animales de la Tierra, 1985. –Mundo científico, Barcelona, Fontalba, vol. 10, núm. 103, s/f. RAHANIOTIS, Ángela, y Brierley, Jane, El gran Atlas de los chicos, Montreal, Tormont Publications, 1991. SIELMANN, Heinz, Expediciones al reino animal. Munich, Grolier, 1981. 303 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE SMALLWOOD, W. y GREEN, E. R., Biología (Trad. Raúl Cortés), México, Cultural, 1976. SPURGEON, Richard. Ecología. Buenos Aires, Lumen, col. Ciencias y experimentos, 1990. VÁZQUEZ, Torre, Guadalupe A.M., Ecología y formación ambiental, México, McGraw-Hill, 1993. VILLEE, Claude A., Biología (Trad. Roberto Espinoza), México, Interamericana, 7ª. Ed., 1983. WELCH, C.A., et al., Ciencias biológicas. De las moléculas al hombre, México, CECSA, 1978. –Anuario de ciencias 1987. México, Cumbre, 1986. ATTENBOROUGH, David. La vida en la Tierra. E.U.A. Fondo Educativo Interamericano, 1981. BARAJAS, E. Et al: Bios-Vida. México, Herrero, 4ª ed., 1976. BARNES, R.D. Zoología de los invertebrados (trad. Carlos Gerhard Ottenwaelder), México, Interamericana, 3ª ed., 1985. –Biología: Diversidad del mundo vivo y sus causas. México, CECSA, 1976. –Biología: modelos y procesos. México, Trillas, 1974. CARMEN, Luis del. Investigando en el bosque. Barcelona, Teide, 1984. Cartilla teórico–práctica, Estufa Lorena. Subsecretaría de Ecología, México, SEDUE, serie Educación Ambiental, núm. 3, 1989. Cartilla teórico–práctica, Piscicultura. Subsecretaría de Ecología, México, SEDUE, serie Educación ambiental, núm. 3, 1989. Cartilla teórico-práctica, Letrinas. Subsecretaría de Ecología, México, SEDUE, serie Educación ambiental, núm. 6, 1989. CASQUET, César. Et al: La Tierra, planeta vivo. España, Salvat, 1985. –Ciencia y desarrollo. México, CONACYT, vol. XIV, núm. 80, 1988. –Ciencia y desarrollo. México, CONACYT, vol. XVI, núm. 94, 1990. CONCEPTOS BÁSICOS 304 –Ciencias naturales 2. México, FCE, SEP, 1991. –Ciencias naturales. Madrid, cultural, Enciclopedia autodidacta 2000, 1989. –Conocer la vida y el universo. México, Grupo Zeta, año 1. 105,s/f. CRONQUIST, A . Introducción a la botánica. México, CECSA, 1977. –Su crecimiento y desarrollo. México, ISSSTE-CONASUPO, col. Cuide a sus hijos, vol. 1, 1986. DE RORBERTIS, E.D.P, DE RORBERTIS, E.M.F. Biología celular y molecular. México, El Ateneo, 10ª ed., 1981. DELEVORYAS, Theodore. Diversificación vegetal. México, CECSA, 1981. DICKSON, t.r., Química, enfoque ecológico. México, Limusa, 1986. –El espectro de la contaminación. España, Urbión, Mundo Submarino, Enciclopedia Cousteau, vol. 20, 1981. –El mundo de los animales. León, Everest, Enciclopedia Preguntas y Respuestas, 1990. –El origen de las especies. México , CONACYT, 1981. Enciclopedia de las ciencias. México, Cumbre, vols. 6 y 8, 1989. Enciclopedia de los animales Natura. Barcelona, Orbis, vol.2, núms. 29,31,37, núms. 40,41,52 y 57, 1986. Enciclopedia Juvenil Biología. Barcelona, Grijalbo, vols. 1 y 2, 1981. Enciclopedia Juvenil Grolier. México, Cumbre, vol. 3, 1988. Enciclopedia médica del hogar. México, Cumbre, vol. 11, 1989. Enciclopedia Salvat de la fauna. Pamplona, Salvat, vol. 5, núms. 61 y 70, vol.8, núms. 108, 1984. Enciclopedia visual. Barcelona, Salvat, fascículo 42, 1980. FULLER, Harry J. Et al: Botánica. México, Interamericana, 1974. 305 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE GARDNER, Eldon J. Principios de genética. México, Limusa, 1991p GUTIÉRREZ, Mario. Ecología. Salvemos al planeta Tierra. México. Limusa, 1992. GUZMÁN, Gastón. Identificación de los hongos. México, Limusa, 1979. HARDY, R. Et al: El libro del clima. Barcelona, Orbis, Biblioteca de divulgación científica, núm. 43, 1982. HERNÁNDEZ LASCARES, Delfino. La escala del tiempo geológico. La deriva de los continentes y la tectónica de placas. México, UAM, 1991. –Información científica y tecnológica. México. CONACYT, vol. 6, núm. 99, diciembre 1984. –Información científica y tecnológica. México, CONACYT, vol. 7, núm. 111, diciembre 1985. JACOB, S.W., ASHWORTH, C. Anatomía y filosofía humanas. México, Interamericana, 1973. KIMBALL, John W. Biología. E.U.A., Addison-Wesley Iberoamericana, 1986. –La célula viva. Selecciones de Scientific American. Madrid, Blume, 2ª ed., 1970. –La Tierra, el mar y el cielo. León, Everest, Enciclopedia Preguntas y Respuestas; 1990. –La vida animal. El patrimonio de la humanidad. Barcelona, Unesco, INCAFO, vol. 2, 1990. –La vida en la Tierra. México, Sayrols, Enciclopedia ilustrada del mundo científico, 1985. LAZCANO ARAÚJO, A. El origen de la vida. México, Trillas, 1983. LEAKEY, Richard E. La formación de la humanidad. Barcelona, Orbis, Biblioteca de la divulgación científica muy interesante, vol. I. 3ª ed., 1986. LEHNINGER, A. L. Bioquímica. Barcelona, Omega, 1981. –Libro del año 1985. México, Cumbre, 1985. –Libro del año 1985. México, Cumbre, 1988. –Los dinosaurios y sus parientes vivos. México, CONACYT, 1982. –Los mil grandes de las ciencias naturales. México, Promexa, Enciclopedia Biográfica Universal, vol. 10, 1982. CONCEPTOS BÁSICOS 306 –México desconocido. E.U.A., Jilguero, año XVI, núm. 187, 1992. –México desconocido guías playas, México, Jilguero, núm. 3, 1992. MINELLÍ, M.P., MINELLI, A. El bisonte y los animales de América del Norte. León, Everest, col. Los animales de la Tierra, 1985. –El canguro y los animales de Australia. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –El ciervo y los animales de Europa. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –El león y los animales de África. León Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –El perro y los animales domésticos. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –El pingüino, el oso blanco y los animales de los polos. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. . –El tigre y los animales de Asia. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –La ballena y los animales del mar. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. –La llama y los animales de América del Sur. León, Everest, col. Los animales de la Tierra 2ª ed., 1985. MITTERMEIER, R. MITTERMEIER C. México. Ante los retos de la biodiversidad. México, Comisión nacional para el conocimiento y el uso de la biodiversidad, 1992. MOORE, V.A. Et al: Biología: Unidad, diversidad y continuidad de los seres vivos. México, CECSA, 1980. NASON, A. Biología. México, Limusa, 1990 Natura, el mundo en que vivimos. Madrid, G.J, núm. 115, octubre 1991. MONCHO MORALES, José. Naturaleza 3. México, NUTESA, 1989. ODUM, E.P. Ecología. ( Trad. Carlos Ottenwaelder), México, Interamericana, 3a ed.,1972. 307 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE PORRITT, Jonathon. Salvemos la Tierra. México, Aguilar, 1991. PUJOL, Jordi. La vida en el bosque. Barcelona, Teide, 2ª ed., 1985. –Rescate ecológico,. México, Inquietudes, año V, época II, núms. 35 y 38, febrero / mayo, 1993. RINCÓN ARCE, Álvaro. ABC de la naturaleza 1. México, Numancia, 1986. RÍOS PINEDA, L., MARAT, L. Enseñanza moderna de la biología. México Duero, 1992 RÍOS PINEDA, L., MARAT, L. Didáctica moderna de las ciencias naturales, México, Rial, 3ª ed., 1988. RUIZO, NIETO,M.D., LARIOS,I. Tratado elemental de botánica. México, ECLALSA, 1979. RZEDOWSKI, Jerzy. Vegetación de México. México, Limusa, 1981. SAGAN, Carl. Los dragones del edén. México. Grijalbo, 1977. SELECCIONES DE SCIENTIFIC AMERICAN. La célula viva. Madrid, Blume, 2ª ed., 1970. SEYMOUR, John. La vida en el campo. Barcelona. Blume, 1980. SHERWOOD Romer, A., PARSONS, T.S. Anatomía comparada. México. Interamericana, 1981. SIELMANN, Heinz. Expediciones al reino animal. Munich. Grolier Internacional, 1981. SMALLWOOD,W.,GREEN, E.R. Biología. (Trad. Raúl Cortés), México, Cultural, 1976. THRON, André. Botánica. ( Trad. Rafael Salord), Barcelona, Montaner y Simón, col. Las ciencias naturales, 1979. TOSCO, Uberto. Diccionario de botánica. Barcelona, Teide, 1973. Tríptico. Secretaría de Desarrollo Social, Aeroméxico. VÁZQUEZ TORRE, Guadalupe A. M. Ecología y formación ambiental. México, McGraw – Hill, 1993. VILLEE., Claude A. Biología. (Trad. Roberto Espinoza), México, lnteramericana, 7ª ed.,1983. WEISZ, P. B. La ciencia de la zoología. Barcelona, Omega, 4ª ed., 1971. WELCH, C. A. Et al: Ciencias biológicas: de las moléculas al hombre. México, CECSA, 1978. CONCEPTOS BÁSICOS 308 FUENTES DE ILUSTRACIÓN (MÉXICO) Física, química y ambiente AGUILAR LORETO, Guadalupe. Química segundo curso, México, Acuario,13ª ed.,1989 –Química tercer curso. México, Lituarte, 2ª ed., 1991. ALVARENGA A., Beatriz, MÁXIMO R., Antonio. Física general con experimentos sencillos. México, Harla, 3ª ed., 1983. BABOR, José A., IBARZ A., José. Química general moderna. México, Publicaciones Cultural, 1978. BRANDWEIN, Paul F, STOLLBERG, Robert, BURNETT, R. Will. Física, la energía, sus formas y sus cambios. México, Cultural, 7ª ed., 1982 CETTO, R. El mundo de la física. México, Trillas, 3ª ed.,1982. MOSQUEIRA R., Salvador. Física I. México, Patria, 2ª ed.,1988. –Química I. México, Patria, 2ª ed., 1988. ZUMDAHL, S. Fundamentos de química. México, McGraW-Hill, 1992. 309 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE FUENTES DE ILUSTRACIÓN (COLOMBIA) Atlas Universal Mundo de Hoy, Casa Editorial EL TIEMPO, Bogotá, sin fecha. Enciclopedia Visual Seres Vivos, Casa Editorial EL TIEMPO, Santillana, Bogotá, 1994. Enciclopedia Visual Seres Vivos 2, Casa Editorial EL TIEMPO, Santillana, Bogotá, 1995. Nuestro Patrimonio : 100 Tesoros Naturales de Colombia, Casa Editorial EL TIEMPO, Bogotá, 2001. REVISTA BAJA LIFE, Baja Communications Group, Laguna Beach, EUA, 1999. REVISTA CONCIENCIA, Editorial Norma S.A., Bogotá, 2003, número 8. REVISTA GEO, G y C España Ediciones S.L., Madrid, octubre 2000. Vivir Mejor, Casa Editorial EL TIEMPO, Seguro Social, Bogotá, sin fecha. ILUSTRACIONES ORIGINALES Henry González CONCEPTOS BÁSICOS 310