Actividad: ¿Por qué surgen las estaciones del año? Materia
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Actividad: ¿Por qué surgen las estaciones del año? Materia: Ciencias Nivel: Elemental Grado: 6to Tema: Estaciones del año (Diferencia en temperaturas en el globo terrestre) Modalidad: Capacitación efectiva con actividades “hands on” Concepto principal: Las estaciones del año Posibles concepciones alternas: Los participantes pueden pensar que las estaciones del año se deban a cuan cerca está la Tierra del Sol, debido a que su órbita es en forma de elipse y el Sol está en uno de los focos. También pueden pensar que las estaciones del año son iguales en todo el mundo en la misma fecha. Objetivo Reconocerán y comprenderán los cambios en temperaturas debido a la inclinación del eje del planeta, durante el año en los hemisferios terrestres. Materiales: Actividad I - De viaje para Argentina • Papel de trazas • Marcadores • Papel de construcción • Revistas viejas • Tijeras Actividad II – Radiación vs. Inclinación • Bola de baloncesto (Globo Terráqueo opcional) • 5 termómetros o sensores de temperatura • Reloj • Lámpara con bombilla incandescente direccional 100W(lámpara de estudio con base) • Cinta adhesiva de papel • Base (para la bola de baloncesto—puede utilizarse la cinta adhesiva de papel ) Actividad III- Modelando traslación y rotación de la Tierra • Globo terráqueo con base • Lámpara de mano (flash Light) • Cinta adhesiva de papel • Estrella o pedazo de papel que brille en la oscuridad mayor de 10 cm. Actividad IV – Arreglando mi equipaje • Los mismos materiales que en la actividad I Estándares Los sistemas y modelos Energía Las interacciones Procesos: Observación Medición Comunicación Interpretación de datos Formulación de Modelos Estrategia: Trabajo grupal Conceptos: Solsticios Equinoccios Trópicos Radiación solar Ángulo de inclinación del eje de la Tierra respecto a la elíptica del Sol. Trasfondo: Las estaciones son los períodos del año en los que las condiciones climáticas imperantes se mantienen, en una determinada región, dentro de un cierto rango. Estos periodos duran aproximadamente tres meses y se denominan invierno, primavera, verano y otoño, aunque en las regiones de la tierra cercanas al ecuador, como el caso de Puerto Rico, no se pueden apreciar los cambios de estaciones de manera drástica como en regiones alejadas del ecuador. Esto debido a la posición de Puerto Rico. Puerto Rico se encuentra aproximadamente a 18 grados del ecuador, lugar donde la radiación solar afecta más directamente, comparado con las zonas que sobrepasan los 30 grados con respecto al ecuador. La sucesión de las estaciones no se debe a que en su movimiento elíptico la Tierra se aleja y acerca al Sol. Esto tiene un efecto menor. La causa principal es la inclinación del eje de giro del globo terrestre. Este eje se halla siempre orientado en la misma dirección (salvo el fenómeno de la precesión) y por tanto los hemisferios boreal y austral son desigualmente iluminados por el sol. Cada seis meses la situación se invierte. Si el eje de la Tierra no estuviese inclinado respecto a la Eclíptica, el Sol se hallaría todo el año sobre el ecuador; culminaría todos los días del año a la misma altura sobre el horizonte, que sería igual a la misma latitud N y S, y tanto menor cuanto mayor fuese la latitud h=90-Lat. En suma: no habría estaciones. En realidad el plano de la eclíptica en el cual se mueve aparentemente el sol forma un ángulo de 23°26' con el plano del ecuador. Por consiguiente este astro solo puede hallarse en el cenit de un observador ecuatorial cuando pasa por la intersección de ambos planos, línea de los equinoccios, lo cual ocurre sobre el 20 ó 21 de marzo cuando el Sol pasa del Hemisferio Sur al Norte, y el 22 ó 23 de septiembre cuando pasa del Norte al Sur. Entre esos dos momentos, el día 22 ó 23 de junio el Sol alcanza en el hemisferio boreal su máxima declinación (distancia angular al ecuador) lo que ocurre para el Hemisferio Sur el 21 ó 22 de diciembre. El día que el Sol cruza el ecuador, el movimiento de rotación de la Tierra le hace describir aparentemente una trayectoria ecuatorial, estando 12h por arriba del horizonte y 12 por debajo en cualquier latitud. Si es Marzo a partir de esa fecha el Sol culmina más alto en los lugares del Hemisferio Norte y cada vez más bajo sobre el H. Sur. Los días se alargan en el Norte y acortan en el Sur. Por si fuese poco los rayos solares caen cada vez más perpendiculares en el Norte y más rasantes en el Sur. La consecuencia de este proceso es un calentamiento primaveral del Norte y un enfriamiento otoñal del Sur, lo cual prosigue hasta el 22 de junio. En esta fecha el Sol pasa por el solsticio de verano y se inicia en el Norte esa estación mientras en el Sur comienza el invierno. El Sol ese día alcanza en el Hemisferio Norte su máxima altura sobre el horizonte alcanzando al mediodía el cenit en el Trópico de Cáncer, es decir el paralelo 23°27'N. Todas las regiones situadas a latitud mayor que 66°33'N (correspondientes al círculo polar Ártico) reciben permanentemente la luz del Sol. En el resto del hemisferio los días son los más largos y las noches las más cortas. En el hemisferio austral por el contrario la situación es totalmente la contraria, es invierno, los días cortos y las noches largas, en el círculo polar Antártico es noche permanente. A partir de esa fecha, la declinación solar disminuye y en consecuencia el sol culmina cada vez a menor altura en el Norte y a mayor altura en el Sur. El 22, 23 de Septiembre el sol vuelve a estar en el Ecuador y los días y las noches duran igual en los dos hemisferios. Las temperaturas en el Norte han ido bajando y subiendo en el Sur. Al llegar el 21 de Diciembre entra el invierno en el hemisferio boreal y el verano en el austral produciéndose la situación inversa a la del 21 de junio. Por último se llega al 21 marzo donde comienza de nuevo el ciclo anual. Este ciclo presenta ciertas irregularidades inherentes a la órbita terrestre que es una elipse con el sol ocupando uno de los focos. En esta actividad se estará modelando la inclinación de la Tierra, su posición respecto al sol en verano y diciembre y la radiación solar. Exploración: Actividad I: De viaje para Argentina Establezca la siguiente situación para comenzar la actividad. Vas de vacaciones en junio para Argentina con tu familia. Nunca has ido y vas a hacer tu equipaje. ¿Qué ropa llevarías en tu maleta? Procedimiento de la actividad de exploración: 1. Asignar equipos de trabajo preferiblemente de 5 participantes. 2. Cada grupo debe tener los siguientes materiales para realizar la tarea: a. Papel de trazas b. Marcadores c. Papel de construcción d. Revistas o periódicos e. Tijeras f. Cinta adhesiva 3. Se les dice a los participantes que dibujen su maleta en el papel y la llenen utilizando recortes de láminas de revistas para las prendas de ropa. Estas láminas se pegarán al papelote con cinta adhesiva de papel, para facilitar el movimiento de láminas al final de la actividad de conceptualización. 4. Luego de terminada la maleta, los participantes de cada subgrupo las presentarán al grupo general y luego pegarán las maletas en una pared del salón. 5. Es bien importante que en esta etapa de exploración no se discuta ningún concepto, así que debe tener cuidado en no brindar mucha información a los participantes. Conceptualización Actividad II – Radiación vs. Inclinación Procedimiento: 1. Continuar con los equipos de trabajo, de 5 participantes. 2. Cada grupo debe tener los siguientes materiales para realizar la tarea: • Bola de baloncesto (Globo Terráqueo opcional) • 5 termómetros o sensores de temperatura • Reloj • Lámpara con bombilla incandescente direccional 100W(lámpara de estudio con base) • Cinta adhesiva de papel • Base (para la bola de baloncesto—puede utilizarse la cinta adhesiva de papel ) • Transportador (Ver anejo para copia) 3. Los participantes deben colocar los termómetros en el globo terráqueo en las siguientes zonas: Polo Norte, Trópico de Cáncer, Ecuador, Trópico de Capricornio, Polo Sur. Si no tienen el globo terráqueo, debe sustituirla con una bola de baloncesto. Deben utilizar la línea central de la bola como el Ecuador y las otras líneas que se encuentran paralelas a ésta como los trópicos. En la parte superior de la bola Polo Norte, y la parte inferior el Polo Sur. Deben tener cuidado al pegar los termómetros y colocarlos en la misma posición. 4. Luego de haber pegado los termómetros, deben poner el globo terráqueo en una mesa. Hay que estar pendiente de colocar el globo terráqueo a una inclinación de 23.5 grados con respecto a la lámpara. Para esto, se utiliza un transportador. El eje atraviesa la Tierra entrando por el polo norte y saliendo por el polo sur como se muestra a continuación. Polo Norte Tierra Eje Inclinación Oº Polo Sur Luego de identificado el eje, utiliza el transportador para inclinar ese eje a 23.5 grados. Toma como base la mesa de trabajo. Polo Norte Polo Sur Eje inclinación 23.5º 5. Coloca la lámpara que representa de la radiación solar en un área fija. La radiación emitida por la bombilla debe estar directamente hacia el globo terráqueo. No deben prender la bombilla hasta que comience la investigación. La distancia entre el globo y la bombilla debe ser igual en las tres posiciones en que deben colocar al globo para tomar las temperaturas. 6. Las tres posiciones que se colocará el modelo de la Tierra serán los siguientes: • Posición a: Tierra a 23.5 grados de inclinación con el hemisferio Sur mirando más directo a la lámpara. • Posición b: Tierra a 23.5 grados de inclinación con el hemisferio Norte más directo a la lámpara. • Posición c: Tierra a 0 grados de inclinación 7. Ya terminado el montaje del equipo, los participantes, completarán la hoja de toma de datos 1. Estos datos deben tomarse en cada posición determinada (a, b y c). Los participantes en cada toma de datos deben esperar a que los termómetros vuelvan a temperatura ambiente antes de realizar la otra medida. También deben controlar el tiempo de exposición a la lámpara por cada posición. 8. En este momento aun no se mencionan los conceptos a menos que lo traigan los participantes. Se espera a la próxima actividad para definir los conceptos y modelarlos. Preguntas de análisis de la actividad II: .Estas preguntas aparecen junto con la tabla de recolección de datos que utilizarán los participantes. 1. ¿Cómo compara la temperatura en los termómetros de los Polos a las del Ecuador? Explica 2. ¿Cómo comparan la temperatura del termómetro del ecuador con los termómetros de los trópicos cuando se coloca la posición B? Explica 3. ¿Cómo comparan la temperatura del termómetro del ecuador con los termómetros de los trópicos cuando coloca la posición A? Explica 4. ¿Existen diferencias en la temperatura de los termómetros de los polos para la posición A y B? Explica 5. Cuando realizamos la posición B, y A, ¿hubo cambio de temperatura? ¿En qué termómetros ocurrió el cambio? ¿Existen diferencias en el aumento de temperatura de los termómetros? Comenta cada caso y explícalo 6. Cuando realizamos la posición C, ¿hubo cambio de temperatura comparado con las posiciones A y B? ¿En qué termómetros ocurrió el cambio? ¿Existen diferencias en el aumento de temperatura de los termómetros? 7. ¿Cómo podrías explicar las diferencias en temperaturas según el modelo utilizado? Actividad III - Modelando traslación y rotación de la Tierra Procedimiento: Para esta actividad es necesario apagar las luces de salón para que el efecto sea más visible. 1. Esta actividad debe participar todo el grupo a la vez. Se escogen dos participantes para modelar. Uno modelará el movimiento de rotación y traslación de la Tierra utilizando un globo terráqueo y el otro el Sol (radiación solar), utilizando una linterna (Flash Light). Debe explicarse a los participantes que al ser un modelo tiene sus limitaciones. Entre ellas que el mismo no representa los movimientos de precesión ni el de nutación. Además que la representación del Sol no es la mejor debido a que la rotación solar no es como se observa en el modelo y que hay que mover el la linterna al mismo tiempo que la Tierra se traslada ya que la luz la dirige en una sola dirección. 2. Los participantes deben hacer un círculo dentro del salón y las personas escogidas para modelar la Tierra y el Sol deben estar dentro del círculo formado por sus compañeros. 3. Luego de realizar lo antes mencionado, los participantes escogerán un punto en específico en la parte superior cerca del techo del salón donde colocar la representación de la estrella polar. 4. La persona que modela la Tierra al hacer el modelaje de traslación y rotación, siempre debe de estar señalando la dirección del eje terrestre en el Polo Norte hacia la estrella polar. Es importante que durante el modelaje de traslación y rotación se explique que también existe un movimiento de presesión y nutación. 5. La persona que modelará el Sol, debe dirigir la luz de la lámpara al globo terráqueo y no puede cambiar de altura de la lámpara. Siempre tiene que enfocar al globo terrestre. Este puede usar como base de la lámpara su estómago o alguna posición que esté cómodo y que no afecte el modelaje solar. 6. Según vayan modelando la traslación y rotación terrestre, el grupo debe identificar cuando es solsticio de verano, cuando es solsticio de invierno y cuando son los equinoccios, tanto de primavera como en otoño. Preguntas de assessment: Estas preguntas se sugieren para demostrar el aprendizaje con entendimiento. Deben hacerse en el momento en que se están dando estas condiciones en el modelo desarrollado. Mientras ocurren, los participantes deben llenar la tabla de esta actividad que se encuentra en la hoja de participantes. En esta tabla anotan la información importante de la actividad. 1. ¿A qué se debe la Tierra no reciba la misma incidencia de energía solar en el hemisferio norte como en el hemisferio sur en el solsticio de invierno o en el de verano? Cuando esté ocurriendo esto en el movimiento, en el instante se pregunte lo que está ocurriendo y que los expliquen. 2. ¿En cuántos momentos durante la traslación la radiación solar impactaba con mayor fuerza el ecuador? 3. ¿En cuantos momentos observaste que la luz no impactaba la zona polar del norte? 4. ¿En cuantos momentos observaste que la luz no impactaba la zona polar del sur? 5. ¿Qué afirmaciones podemos decir respecto a las estaciones en el hemisferio Norte y hemisferio Sur? Aplicación Actividad IV - Arreglando mi equipaje 1. Luego de haber pasado por la experiencia de tomar las temperaturas, los participantes retoman nuevamente la maleta hecha en la actividad de exploración y modifican su equipaje de acuerdo a lo trabajado. Los participantes anotan sus cambios en la tabla que aparece en la hoja del participante. 2. Al terminar de modificar su equipaje, deben presentar como fue que quedó su maleta nuevamente, cuales fueron los cambios y explicar la razón para hacer los cambios aplicándolo a la actividad del modelo de la Tierra. (Opcional) Situación discrepante: (Para continuar las otras actividades y evitar la concepción alterna de no tomar en consideración el efecto adiabático) María es una chica Ecuatoriana y nos cuenta sobre una aventura que realizan en su país en donde se van a una montaña llena de nieve en el Parque Nacional Cotopaxi. ¿Cómo se explica este fenómeno? Hoja para participante Actividad I: De viaje para Argentina Vas de vacaciones en junio para Argentina con tu familia. Nunca has ido y vas a hacer tu equipaje. ¿Qué ropa llevarías en tu maleta? Instrucciones: 1. Junto a tus compañeros, y utilizando los materiales que se te entreguen, dibuja una maleta en el papel de trazas. 2. Recorta o dibuja ropa adecuada para el viaje que vas a realizar en junio. Discute con tus compañeros la ropa que van a llevar. 3. Al finalizar de llenar tu maleta, debes presentársela al grupo y explicar el escogido de ropa para su viaje. 4. Luego de presentarlas, pegarán su maleta en la pared. Actividad II: Radiación vs. Inclinación En grupo de trabajo realiza lo siguiente: 1. Verifica que tengas los siguientes materiales: a. Bola de baloncesto b. 5 termómetros o sensores de temperatura c. Reloj d. Lámpara con bombilla incandescente direccional 100W(lámpara de estudio con base) e. Cinta adhesiva de papel f. Base (para la bola de baloncesto—puede utilizarse la cinta adhesiva de papel ) g. Transportador (Ver anejo para copia) 2. Coloca los termómetros en el globo terráqueo en las siguientes zonas: Polo Norte, Trópico de Cáncer, Ecuador, Trópico de Capricornio, Polo Sur. Si no tienen el globo terráqueo, debe sustituirla con una bola de baloncesto. Deben utilizar la línea central de la bola como el Ecuador y las otras líneas que se encuentran paralelas a ésta como los trópicos. En la parte superior de la bola Polo Norte, y la parte inferior el Polo Sur. Deben tener cuidado al pegar los termómetros y colocarlos en la misma posición. 3. Luego de haber pegado los termómetros, deben poner el globo terráqueo en una mesa. Hay que estar pendiente de colocar el globo terráqueo a una inclinación de 23.5 grados con respecto a la lámpara (Casi siempre los globos terráqueos tienen la inclinación). Coloca la lámpara que representa de la radiación solar en un área fija. Para esto, se utiliza un transportador. El eje atraviesa la Tierra entrando por el polo norte y saliendo por el polo sur como se muestra a continuación. Polo Norte Tierra Eje Inclinación Oº Polo Sur Luego de identificado el eje, utiliza el transportador para inclinar ese eje a 23.5 grados. Toma como base la mesa de trabajo. Polo Norte Polo Sur Eje inclinación 23.5º 4. 5. La radiación emitida por la bombilla debe estar directamente hacia el globo terráqueo. No deben prender la bombilla hasta que comience la investigación. La distancia entre el globo y la bombilla debe ser igual en las tres posiciones en que deben colocar al globo para tomar las temperaturas. 6. Las tres posiciones que se colocará el modelo de la Tierra serán los siguientes: a. Posición a: Tierra a 23.5 grados de inclinación con el hemisferio Sur mirando más directo a la lámpara. b. Posición b: Tierra a 23.5 grados de inclinación con el hemisferio Norte más directo a la lámpara. c. Posición c: Tierra a 0 grados de inclinación 7. Ya terminado el montaje del equipo, comienza con la actividad de recopilar datos utilizando la Tabla de recopilación de datos de Posición, Temperatura y Tiempo. Estos datos deben tomarse en cada posición determinada (a, b y c). Acuérdense que en cada toma de datos deben esperar a que los termómetros vuelvan a temperatura ambiente antes de realizar la otra medida. También deben controlar el tiempo de exposición a la lámpara por cada posición. Tabla de Datos de Posición, Temperatura y Tiempo Tiempo de Temperatura Temperatura ∆ temperatura Observaciones exposición inicial (ºC) Final (ºC) (ºC) Posición A B C Contesta las siguientes preguntas: • ¿Cómo compara la temperatura en los termómetros de los Polos a las del Ecuador? Explica • ¿Cómo comparan la temperatura del termómetro del ecuador con los termómetros de los trópicos cuando se coloca la posición B? Explica • ¿Cómo comparan la temperatura del termómetro del ecuador con los termómetros de los trópicos cuando coloca la posición A? Explica. • ¿Existen diferencias en la temperatura de los termómetros de los polos para la posición A y B? Explica • Cuando realizamos la posición B, y A, ¿hubo cambio de temperatura? ¿En qué termómetros ocurrió el cambio? ¿Existen diferencias en el aumento de temperatura de los termómetros? Comenta cada caso y explícalo • Cuando realizamos la posición C, ¿hubo cambio de temperatura comparado con las posiciones A y B? ¿En qué termómetros ocurrió el cambio? ¿Existen diferencias en el aumento de temperatura de los termómetros? • ¿Cómo podrías explicar las diferencias en temperaturas según el modelo utilizado? Actividad III- Modelando Traslación y Rotación de la Tierra Utiliza la siguiente tabla para recopilar datos según la discusión y el modelaje. Posición A B C C ¿Cómo se llama? Fecha del año hemisferio norte Fecha del año hemisferio sur Características Actividad IV - Arreglando mi equipaje Utiliza la siguiente tabla para identificar los cambios en la maleta. Cambios en mi maleta Ropa o artículo que eliminé Ropa o artículo que añadí Investiga esto… María es una chica Ecuatoriana y nos cuenta sobre una expedición que realizan en su país en donde se van a una montaña llena de nieve en el Parque Nacional Cotopaxi. ¿Cómo se explica este fenómeno? El Chimborazo Visto desde el Parque Nacional Cotopaxi -- Ecuador Anejos Transportador Vocabulario: 1. Estrella Polar- Actualmente, la estrella Polar en el hemisferio Norte es α de la Osa Menor; que situada en el extremo de la cola de la Osa Menor, es también conocida como Polaris por ser la más cercana al polo, del que dista menos de un grado. 2. Precesión - Es el cambio de la dirección del eje alrededor del cual gira un objeto. El ejemplo tipo, el movimiento que realiza un trompo, al girar, cuando su eje de rotación no es vertical. 3. Boreal - Se utiliza para designar preferentemente puntos geográficos situados al norte. 4. Austral- Se utiliza para designar preferentemente puntos geográficos situados al sur. 5. Eclíptica - es el plano que contiene la órbita de la Tierra alrededor del sol. 6. Latitud - Se denomina latitud a la distancia angular, medida sobre un meridiano, entre la línea ecuatorial y el paralelo de una localización terrestre (o de cualquier otro planeta). 7. Cenit - Se denomina cenit (o zenit; no cénit) a la intersección entre la vertical del observador y la esfera celeste. Es decir, si se imagina una recta que pasa por el centro de la Tierra y por nuestra ubicación en su superficie, el cenit se encuentra sobre esa recta, por encima de nuestras cabezas. Es el punto más alto del cielo. 8. Equinoccios - Se denomina equinoccio a cada uno de los dos puntos de la esfera celeste en los que la eclíptica corta al ecuador celeste. Durante los equinoccios el Sol está situado en el plano del ecuador terrestre, dónde alcanza el cenit. 9. Solsticio - son aquellos momentos del año en los que el Sol alcanza su máxima posición meridional o boreal. En el solsticio de verano del hemisferio Norte el Sol alcanza el cenit al mediodía sobre el Trópico de Cáncer y en el solsticio de invierno alcanza el cenit al mediodía sobre el Trópico de Capricornio.
