Guía para el docente

Guía para el docente
El movimiento
Energía mecánica
Guía para el docente
Descripción curricular:
- Nivel: 2º medio
- Subsector: Ciencias Físicas
- Unidad temática: El movimiento
- Palabras claves: Energía, Energía potencial, energía cinética,
conservación de la energía, energía mecánica, energía y movimiento.
- Contenidos curriculares: El movimiento – Energía mecánica
- Trabajo y energía potencial debida a la fuerza de
gravedad cerca de la superficie de la tierra. Energía
cinética. Conservación de la energía mecánica en
ausencia del roce.
- Contenidos relacionados:
- 1º medio:
ƒ La Luz: Propagación de la luz – Naturaleza de la luz.
ƒ La Electricidad: Energía eléctrica.
- 2º medio:
ƒ El movimiento: Descripción del movimiento – Fuerza y
movimiento.
ƒ El Calor: Materiales y calor – Conservación de la energía.
- 3º medio:
ƒ Mecánica: Conservación energía mecánica.
- 4º medio:
ƒ Fluidos: Hidrodinámica.
ƒ Mundo atómico: El núcleo atómico.
- Aprendizajes esperados:
- describen el movimiento de un objeto en términos de los
conceptos físicos relevantes como velocidad, aceleración,
fuerza, cantidad de movimiento, torque, energía, etc.
Aplican estos conceptos a situaciones de la vida cotidiana
en que ellos se manifiestan;
- reconocen que con ayuda de unos pocos conceptos son
capaces
de
describir
y
entender
realidades
aparentemente complicadas (cómo y por qué se mueve
un cuerpo, por ejemplo);
- comprenden que mientras algunas magnitudes físicas
cambian y evolucionan con el transcurrir del tiempo
(como la velocidad), otras permanecen constantes (como
la cantidad de movimiento y la energía total);
- reconocen su capacidad para obtener resultados
numéricos útiles mediante cálculos sencillos (uso de las
leyes de conservación de la energía mecánica);
Aprendizajes esperados de esta actividad:
- Comprender y analizar el concepto de energía cinética.
- Comprender y analizar el concepto de energía potencial.
- Comprender y analizar el concepto de energía mecánica.
- Comprender e identificar el principio de conservación de la energía
mecánica.
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Energía mecánica
-
Aprender a observar, describir y explicar un fenómeno físico.
Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl:
- Ficha temática “Energía mecánica”
- Video: “Conservación”
- Juego: “¿Quién sabe más?” de Energía Mecánica
- Diapositivas digitales (ppt): “El movimiento: Roce y energía”,
“Descubriendo la energía mecánica”, “La energía que nos da vida”.
Actividades propuestas para este tema:
Dos actividades que están vinculadas al video “Conservación de la energía”.
- Actividad, “¿Qué es la energía mecánica?”: busca que sus estudiantes
comprendan qué es la energía cinética, potencial y mecánica.
- Actividad, “¿Se puede comprobar el principio de conservación de la
energía?: pretende que los estudiantes observen, describan y
expliquen el fenómeno que ven en el video.
A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y
sugerencias sobre cómo desarrollarlas con tu estudiantes.
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Energía mecánica
ACTIVIDAD: ¿Qué es la energía mecánica?
1. Mapa de contenidos tratados
Capacidad de realizar un trabajo
Energía
Nuclear
Lumínica
Térmica
Química
Energía mecánica
Conservación de la
energía: EM = constante
E M = [E C + E P ] = cons tan te
Energía cinética
Energía potencial
1 2
mv
2
mgh
Energía asociada al
movimiento
EM = EC +EP
Energía asociada a la
posición
2. Desarrollo de la actividad: ¿Qué es la energía mecánica?
Paso 1
Recomendamos iniciar esta actividad, con una pregunta como lo siguiente:
- ¿Qué tiene que ocurrir para que un cuerpo se mueva?
En general, los estudiantes reconocen la energía como función del
combustible para los automóviles o en función de la alimentación que
requerimos para tener “energía” y realizar las acciones del día.
Luego de que sus estudiantes hayan explicado esta concepción de la
energía, traslade la pregunta hacia cuerpos inertes (sin vida) y que no
tienen un motor que funcione con algún tipo de combustible. Sugerimos
preguntar:
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Energía mecánica
- Los objetos inertes, ¿tendrán energía?
Lo importante es que esta pregunte abra un espacio para la discusión y el
rescate de las experiencias previas. Puede anotar en la pizarra lo que vayan
diciendo sin emitir juicios, No importa que no contesten lo correcto.
Sobre la base de la misma pregunta, enfóquela hacia la situación de que
este mismo objeto está ubicado a una altura de 20 pisos de un edificio.
- Si ubicamos un objeto en el último piso de un edificio de 20 pisos. Este
objeto ¿tendrá energía?
Lo interesante es que con sus reflexiones lleguen a comprender que los
objetos inertes tendrán energía mecánica dependiendo de la posición en la
que se encuentren, o bien en el caso de que se si se encuentran en
movimiento depende de la velocidad de ellos.
Paso 2
Entregue a sus estudiantes la guía de preguntas asociada a este tema. En
esta guía se incluyen los conceptos de energía y energía mecánica.
Sus estudiantes deben leer esta guía y, si es necesario, deben
complementar la información con otros materiales bibliográficos que pueden
adquirir en el portal de educarchile, otros medios en Internet o bien, en una
biblioteca.
Lean esta guía juntos, en grupos o pares de estudiantes.
Luego de leer la guía, refuerce los conceptos de:
- Energía (capacidad de un cuerpo para realizar trabajo).
- La energía se transforma en distintos tipos y nunca se pierde. Por lo
tanto, la energía total de un sistema es siempre constante.
Para reforzar este concepto, puede recurrir a distintas situaciones, como por
ejemplo:
- Un motor conectado a una batería eléctrica. En él la energía química
contenida en la batería se transforma en energía eléctrica que
enciende el motor. Luego esta energía, a su vez, se transforma en
energía mecánica.
- La energía que utilizamos en calentar el agua. En este proceso la
energía química contenida en el combustible se transforma en calor
que aumenta la temperatura del agua.
Por último refuerce el concepto de energía mecánica, como la energía
asociada al movimiento y posición de los cuerpos y que corresponde a la
suma de energía cinética más potencial.
E M = EC + E P
Paso 3
Los estudiantes deben investigar qué es la energía cinética y potencial de
los cuerpos y, por lo tanto, completar el concepto de energía mecánica.
Una vez que hayan recopilado y revisado la información disponible, pídales
que comiencen a contestar las preguntas de la guía, cuyas respuestas se
encuentran a continuación.
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I. Infórmate sobre lo qué es la energía potencial y la cinética y defínela por
escrito.
La energía cinética se vincula al movimiento de los cuerpos. Para obtener el
valor o módulo de la energía cinética se obtiene mediante la expresión:
EC =
1 2
mv
2
La energía cinética depende de la masa (m) y velocidad de los cuerpos (v).
Por tanto, mientras más masa tenga un cuerpo, el valor de la energía
cinética será mayor. Si un objeto se encuentra en reposo absoluto, el valor
de esta energía será igual a cero. A medida que aumente la velocidad, la
energía aumentará.
La energía potencial se asocia a la posición de los cuerpos. Para obtener el
valor de la energía potencial se debe utilizar la expresión:
E P = mgh
La energía potencial depende de la masa del objeto (m), de la constante de
gravedad (g), y la altura de los cuerpos (h).
Del mismo modo que la energía cinética, la masa y la energía potencial de
un cuerpo son proporcionales. Lo mismo ocurre con la altura (posición) del
cuerpo.
Paso 4
Vean juntos el video “Conservación de la energía”. Destaque los siguientes
momentos:
- El físico arma un sistema en el que ordena tres pelotas sobre un
tornillo de modo que queden unidas, ubicando la más pequeña al
principio.
- El físico deja caer este sistema con las tres pelotas.
- Observa el comportamiento de la primera pelota (o la más pequeña).
Pueden ver el video más de una vez, si que lo considera necesario.
Paso 5
Una vez que hayan visto el video, lean las preguntas de la guía de
actividades y contéstenlas. Estas preguntas pretenden que los estudiantes
describan el fenómeno que acaban de observar, luego que reflexionen en él
y encuentren una respuesta que permita explicar por qué la pelota pequeña
alcanzar mayor altura luego de rebotar en el suelo.
Puede hacer algunas de las siguientes preguntas a voz alzada iniciando una
discusión que permita descubrir qué ocurrió con la energía contenida en las
pelotas.
Las respuestas a dichas preguntas se encuentran a continuación.
a) ¿Cómo están dispuestas las pelotas que utilizan en el video?
El físico utiliza tres pelotas; dos de igual tamaño y una un poco más
pequeña. Fabrica un sistema con un tornillo y una bombilla de plástico,
la que hace pasar a través de las tres pelotas con el fin de que queden
en contacto, sin estar amarradas y fijas entre sí.
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b) Primero describe lo que hace el físico con el sistema que fabricó y que
contiene las tres pelotas. Luego, explica lo que ocurrió con la pelota
más pequeña cuando todas las demás caen al suelo.
Luego de que el físico termina de fabricar y armar el sistema con las tres
pelotas, deja caer este sistema desde una altura aproximadamente igual
a la mitad de su estatura, es decir desde su cintura.
Las tres rebotan en el suelo. Las dos más grandes rebotan y recorren
una pequeña distancia desde el suelo, en cambio la pelota más pequeña
(que se encuentra ubicada en la parte de arriba del sistema), rebota y
recorre una distancia superior a la altura desde la cual fue lanzada.
En el video se observa que la pelota más pequeña rebota en el suelo y
alcanza una altura muy superior.
c) Cuando las pelotas aún no se dejan caer al suelo, ¿tienen energía?
Las pelotas se dejan caer desde una altura aproximadamente igual a la
mitad de la estatura del físico. Por lo tanto este sistema se encuentra en
altura, lo que implica que tiene energía potencial gravitacional.
Si se encuentran en reposo a esa altura, toda la energía mecánica de
este sistema será igual al valor de la energía potencial que tengan.
E M = E P + EC
Si EC = 0, entonces :
EM = EP
d) Mientras las pelotas van cayendo, ¿tienen energía? Explica.
Mientras el sistema con las tres pelotas va cayendo al suelo adquieren
una velocidad de acuerdo a la aceleración de gravedad. Por lo tanto van
⎛
⎝
adquiriendo energía cinética, ⎜ E C =
1 2⎞
mv ⎟ .
2
⎠
El valor de energía mecánica sigue siendo igual al mismo valor inicial,
pero ahora se compone de energía potencial y cinética. Esto quiere
decir, que el valor de la energía potencial, comienza a disminuir
conforme a la disminución de la altura, en función del aumento de la
energía cinética.
Ahora la energía potencial es: E M = E P + EC
e) ¿Qué ocurre con la energía que transporta inicialmente
una vez que rebotan en el suelo?
La energía mecánica que transportan las pelotas más
transfiere a la pelota más pequeña, la que rebota y es
mayor altura que las demás.
La energía transferida a la pelota pequeña se utiliza en que
impulsada a mayor altura.
cada pelota,
grandes se
impulsada a
la pelota sea
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Energía mecánica
Paso 6
Para algunos estudiantes, no es claro por qué se agrupa la energía potencial
y cinética en energía mecánica. En la guía existe una pequeña aclaración
que pueden leer con conjunto y luego reforzar para que quede más claro.
Puede explicar que la energía en un cuerpo se puede transformar en trabajo
o calor, es más fácil entender que la energía que se transforma en trabajo
corresponde a la energía mecánica de los cuerpos, y a su vez, esta es la
suma de la energía potencial y la energía cinética de ellos y así, podemos
estudiar sólo la energía que se transforma en trabajo apartando aquella que
se dispersa al ambiente como calor.
Para concluir esta actividad, pídale a sus estudiantes que identifiquen
diferentes energías que tienen los cuerpos en las siguientes situaciones:
Situación
1. Una pelota ubicada en el décimo
piso de un edificio.
2. Un
automóvil
bajando
una
cuesta.
3. Una persona trotando en la
playa.
4. Una pelota que cae desde un 5º
piso, ¿Qué energía(s) tiene cuando
pasa por el 3º piso?
Energía
Potencial
Potencial
cinética
Cinética
y
Potencial
cinética
y
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ACTIVIDAD: ¿Se puede comprobar el principio de conservación de la
energía?
1. Mapa de contenidos tratados
Capacidad de realizar un trabajo
Energía
Nuclear
Lumínica
Química
Energía mecánica
Energía asociada al
movimiento
Conservación de la
energía: EM = constante
E M = [E C + E P ] = cons tan te
Energía potencial
Energía cinética
1 2
mv
2
Térmica
EM = EC +EP
mgh
Energía asociada a la
posición
2. Desarrollo de la actividad: ¿Se puede comprobar el principio de
conservación de la energía?
Paso 1
Mediante esta actividad se busca que los estudiantes que la desarrollen
puedan observar y describir fenómenos que ocurren comúnmente a nuestro
alrededor relacionados con la conservación de la energía.
Recomendamos realizar esta actividad luego de haber revisado los
contenidos de energía, energía cinética, energía potencia y energía
mecánica, así como haber enunciado el principio de conservación de la
energía.
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Energía mecánica
Motívelos explicándoles que van a observar el video en el que se evidencia
la transferencia de energía entre dos cuerpos.
Para iniciar esta actividad, entregue a sus estudiantes la guía de preguntas
asociada a este tema “¿Se puede comprobar el principio de conservación de
la energía?
Lean esta actividad, todos juntos, en grupos o pares de estudiantes.
Luego de que hayan leído la introducción de esta actividad, pregunte a sus
estudiantes:
- ¿Podemos comprobar que la energía se conserva?
- ¿Cómo podemos hacerlo?
Paso 2
Vea el video “Conservación de la energía” junto a sus estudiantes. En él se
puede evidenciar el traspaso de energía desde un cuerpo a otro y por lo
tanto se puede visualizar que la energía se mantiene constante en el
sistema y no se pierde.
Destaque los siguientes momentos:
- El físico pregunta e indica qué ocurre si lanzamos una pequeña
pelota al suelo.
- El físico indica de qué se trata el video.
- El físico deja caer el sistema con tres pelotas al suelo.
- Qué ocurre con la pelota más pequeña.
- Qué ocurre con la pelota más grande.
- El físico indica qué es la energía potencial gravitacional.
- El físico explica porque ocurre lo que se observa en el video.
Vean el video más de una vez, si es que es necesario.
Paso 3
Luego de que hayan visto este video, pídale a sus estudiantes que
contesten las preguntas asociadas a este video, cuyas respuestas se
encuentran a continuación.
Las preguntas asociadas al video, pretenden apoyar la observación y
descripción del fenómeno que observar. Si necesitan más bibliografía,
pueden obtenerla en el portal educarchile, otros medios en Internet o bien
en una biblioteca.
Puede hacer las preguntas de descripción a viva voz, progresando hacia una
discusión más reflexiva que de una explicación acerca de por qué la pelota
pequeña alcanza mayor altura una vez que rebota.
1. Describe el sistema que construye el físico. ¿Cómo estaban
dispuestas las tres pelotas en la bombilla? Si puedes elabora un
dibujo de él.
El sistema tiene tres pelotas atravesadas por un tornillo que a su vez,
está envuelto en una bombilla. Las pelotas estén en contacto sin estar
unidas ni amarradas.
El sistema tiene dos pelotas de igual tamaño y una más pequeña que las
anteriores. En la base, se encuentran las dos pelotas y más arriba la
pelota más pequeña.
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Energía mecánica
2. ¿Qué ocurre con las diferentes pelotas una vez que el físico deja caer
el sistema?
El físico deja caer el sistema con las tres pelotas desde una distancia
aproximadamente igual a la mitad de su altura, (aproximadamente
desde su cintura). Las tres pelotas caen y rebotan contra el piso.
Una vez que rebotan, la pelota más pequeña, que se encuentra en el
borde superior del sistema, es impulsada hasta alcanzar una altura
superior desde la que fue lanzada.
Las pelotas más grandes, que se encontraban en la base del sistema, no
rebotan del mismo modo que lo hace la pelota más pequeña, sino que
recorren una pequeña distancia.
3. ¿Qué ocurre con la pelota de menor tamaño en relación a la energía
con que fue impulsada y la altura alcanzada?
Luego de rebotar, la pelota de menor tamaño, es impulsada con mayor
energía, hasta alcanzar una altura superior desde la que fue lanzada.
4. ¿Qué ocurre con el resto de las pelotas (pelotas de mayor tamaño) al
rebotar?
El resto de las pelotas o pelotas de mayor tamaño, también rebotan pero
no del mismo modo que la pelota pequeña. Rebota hasta alcanzar una
pequeña altura.
5. ¿Qué ocurriría si dejamos caer sólo una pelota y no las tres como
sucede en este video?
Si dejamos caer una pelota y no tres, probablemente la pelota rebote del
mismo modo, pero la altura alcanzada en este rebote será menor que la
altura desde la que fue lanzada.
6. Antes de ser lanzadas al suelo, las pelotas ¿tienen energía?
Las pelotas tienen energía. Antes de que se dejen caer se encuentran a
una distancia aproximadamente igual a la mitad de la altura desde la
que fueron lanzadas. Por lo tanto, las pelotas tienen energía potencial
(E P = mgh ) . La energía mecánica de estas pelotas estará dada sólo por la
energía potencial de ellas, debido a que antes de ser lanzadas se
encuentran en reposo haciendo que la energía cinética será igual a 0
1 2⎞
⎛
⎜ EC = mv ⎟. .
2
⎝
⎠
7. Mientras las pelotas van cayendo, ¿tienen energía?
Cuando las pelotas empiezan a caer empiezan a perder energía potencial
porque comienzan a perder altura. Esto no significa que tengan menos
energía mecánica, sino que la energía potencial se transforma en
cinética debido a que comienzan a adquirir velocidad.
Entonces, mientras la energía potencial disminuye a razón de la pérdida
de altura, la energía cinética aumenta a razón de la aceleración de
gravedad. Todo esto hace que la energía mecánica de las pelotas se
mantenga constante.
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Energía mecánica
8. Una vez que las pelotas rebotan en el suelo, ¿qué ocurre con la
energía de ellas?
Cada pelota transporta una energía en particular que depende de la
masa de cada una de ellas. El sistema completo tendrá una energía
mecánica que será la suma de todas las energías mecánicas de cada
pelota. Cuando rebotan en el suelo, las pelotas más grandes (las que se
encuentran en la base del sistema), transfieren la energía a la pelota
siguiente y, por lo tanto, la pelota pequeña recibe la energía de las
anteriores pelotas.
Esto permite que sea impulsada hasta alcanzar una altura superior. Es
decir, la energía transmitida a la pelota pequeña se utiliza para recorrer
más distancia o altura. En otras palabras: la energía fue transformada
en trabajo.
9. Si el sistema de las pelotas tuviera en el principio una mucho más
grande que las dos primeras pelotas ¿Qué ocurriría?
La energía sería transmitida de la misma forma anterior. Que la pelota
sea pequeña implica que su masa es pequeña, por lo tanto, la energía
que se transmite se utiliza en “elevar” una pequeña masa de pelota. El
trabajo utilizado en impulsar una masa pequeña es menor, por lo tanto,
será elevada a mayor altura.
Si se utilizara una pelota más grande, la energía transmitida a esta
pelota se transformaría en trabajo, pero el trabajo utilizado en
impulsarla sería mayor, por lo tanto, la pelota alcanzaría menos altura.
Puede ocurrir que ubiquemos una pelota tan grande que la energía
transmitida no alcance para hacerla rebotar y elevar.
Paso 4
Para concluir esta actividad, vuelva a enunciar la pregunta con que formuló
al inició:
- ¿Es posible comprobar el principio de conservación de la energía
mecánica?
Por último, pídales que imaginen otra forma de comprobar este principio.
Motívelos explicándoles que sólo necesitan diseñar un experimento que
permita comprobar que la energía pasó desde un cuerpo a otro, o bien
diseñar un experimento en que puedas obtener las energías potencial y
cinética en distintos momentos de una determinada trayectoria.
Los estudiantes pueden diseñar pruebas fáciles para comprobar que la
energía se transforma en otros tipos de energía. Por ejemplo: pueden dejar
caer un objeto cualquiera de masa conocida desde una altura también
conocida. Si conocen la altura y la masa, pueden obtener fácilmente la
energía potencial gravitacional del objeto.
Si el objeto va cayendo en caída libre, pueden obtener la velocidad
(según la aceleración de gravedad), y con ello obtener en cualquier punto,
la energía cinética.
Con ambas energías podrán obtener la energía mecánica del cuerpo, y
comprobar que mientras va cayendo, la energía mecánica se mantiene
constante.
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Energía mecánica
Para finalizar, puede recomendar a sus estudiantes que vean las
presentaciones digitales disponibles acerca de este tema y realicen el juego
“Quién sabe más”.
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