Coliciones

SESIÓN 3

Energía

INTRODUCCIÓN

Esta sesión estudiaremos el concepto más importante de la física: la energía. Veremos qué es, donde se aplica y para qué sirve.

PROPÓSITOS

Que los profesores y las profesoras:

• Deduzcan relaciones causales entre variables para proponer modelos matemáticos simples.

• Construyan conceptos que les permitan entender fenómenos de su entorno cotidiano.

• Lleven a cabo experimentos para contrastar hipótesis y obtener información del funcionamiento de la naturaleza.

• Valoren a la física como una ciencia con un amplio poder explicativo y predictivo.

• Aprecien la unidad de la naturaleza al explicar una amplia variedad de fenómenos con conceptos y principios generales.

•

MATERIALES

• Educación Básica Secundaria. Plan y Programas de estudio 2006, México, SEP, Segunda Edición, 2007. Disponible en:

http://www.reformasecundaria.sep.gob.mx/ciencia_tecnologia/index.html

• Libro para el maestro de Ciencias para los diferentes grados de EBS

• Libros de texto oficiales de Ciencias para los diferentes grados de EBS

• Cuaderno de notas

• Hojas blancas

• Hojas de rotafolio

• Plumones

• Diurex

• Computadora con cañón para correr los applets.

Parte 1. Ideas previas en energía. Tiempo estimado: 30 minutos

Propósito

Que los participantes tomen conciencia de los errores comunes en su concepción de la energía.

Actividad 1. El facilitador les dará a los participantes el siguiente cuestionario sobre la energía:

1. En cuál de los siguientes procesos se necesita energía para llevarse a cabo

a) Pensar

b) Correr

c) Dejar caer el agua

d) Cortar un trozo de madera

2. En cuál situación hay energía almacenada

a) Un cuerpo sobre la mesa, en reposo

b) El profesor sentado sobre la silla o banco

c) Un resorte estirado

d) Una batería descargada

3. ¿Cuántos tipos de energía conoces?

4. Cuando un cuerpo le transfiere energía a otro ¿cómo lo hace?

5. ¿En donde se almacena la energía en los cuerpos?

6. ¿Qué es la energía?

Una vez respondido, en plenaria, los participantes exponen sus respuestas.

Consejos, estrategias e instrucciones para el facilitador

El objetivo de la plenaria es que los participantes escuchen a sus compañeros y a sí mismos y se percaten de sus dudas. Por tanto, el facilitador sólo guiara la discusión, no adelantando respuestas, aunque es pertinente hacer preguntas y observaciones tratando de que los profesores aprecien sus propias contradicciones y concepciones erróneas.

Parte 2. Historia del descubrimiento de la energía. Tiempo estimado: 180 minutos

Propósito

Que el profesor comprenda el origen de la energía y sea capaz de explicar en sus propias palabras los tipos de energía mecánica que existen.

Actividad 2. Galileo y los albañiles.

Lee la siguiente historia y contesta en equipos de 3 o 4 profesores la pregunta final.

Cuenta la historia que Galileo vio un día a unos albañiles trabajando. Acarreaban tabiques. Dos de ellos, tras tomarse un breve receso conversaban:

—¿Ya estás cansado?

—Un poco ¿tú no?

—No, porque tengo una estrategia para no cansarme tanto

—¿Cuál es?

—Divido el trabajo en pedazos más pequeños: cargo pocos tabiques.

—Yo cargo mucho pero hago menos viajes

—Por eso te cansas más

—Pero tú haces más viajes, aunque cargas menos peso. Creo que tú te cansas más.

Al escucharlos, Galileo se preguntó ¿Quién trabaja más?

Actividad 3. El nacimiento de la energía.

Materiales

• balines o canicas de diferentes tamaños

• caja de zapatos llena de arena

• computadora con cañón e internet para los applets

En equipo, dejen caer los balines sobre la caja de arena, desde diferentes alturas y noten la marca que deja (este tipo de movimiento, donde se dejan caer objeto, simplemente soltándolos, se llama caída libre) ¿Cuál marca es mayor? ¿La de los balines pequeños o de los balines grandes? ¿Y si se deja caer de una mayor altura?

Consejos, estrategias e instrucciones para el facilitador

Es probable que el facilitador necesite hacer los pasos matemáticos con calma, aunque el álgebra es sencilla, algunos profesores pueden sentirse un poco inseguros. Creemos que vale la pena el esfuerzo, pues este el origen de la energía. Además, con las dos actividades que siguen, esperamos que se comprenda mejor el significado de los que significa la ecuación de la energía.  

Actividad 4. Energía y caída libre

Ahora vamos a hacer unas cuentas sencillas para aprender a manejar la ecuación de la conservación de la energía. En la Tabla siguiente se muestran los datos tomados (con técnicas videográficas) de la caída de un balín.

Tiempo en s Posición en m Altura de caída Rapidez en m/s E. P. E. C. E

0.000 0.882 0.118 0.000 0.0865242 0 0.0865242

0.022 0.877 0.123 0.199 0.0860337 0.00019801 0.08623171

0.044 0.869 0.131 0.359 0.0852489 0.00064441 0.08589331

0.066 0.858 0.142 0.518 0.0841698 0.00134162 0.08551142

0.088 0.841 0.159 0.758 0.0825021 0.00287282 0.08537492

0.110 0.819 0.181 0.997 0.0803439 0.00497005 0.08531395

0.132 0.792 0.208 1.236 0.0776952 0.00763848 0.08533368

0.154 0.761 0.239 1.435 0.0746541 0.01029613 0.08495023

0.176 0.725 0.275 1.595 0.0711225 0.01272013 0.08384263

0.198 0.684 0.316 1.874 0.0671004 0.01755938 0.08465978

0.220 0.639 0.361 2.033 0.0626859 0.02066545 0.08335135

El balín pesaba 100g, o sea, 0.1 kg y se dejo caer desde una altura de 1 metro. El experimento fue videograbado y por eso es que se pueden tomar medidas con hasta tres decimales (se miden directamente pixeles sobre el monitor). La Columna E. P. es la energía potencial (igual a 0.1kg por 9.81 m/s2 por la posición), E. C. es la energía cinética (igual ½ por 0.1 kg por el cuadrado de la rapidez) y E es la energía mecánica (igual a E. P. + E. C.).

Lo que uno observa de estos datos es que conforme el cuerpo cae, disminuyen h y E. P., en tanto que aumentan, v y E. C. No obstante E tiene en todos los casos, más o menos, el mismo valor. ¿Por qué no es exactamente el mismo valor? porque en todo experimento siempre hay un pequeño margen de error. Se llama error experimental.

Consejos, estrategias e instrucciones para el facilitador

Aunque aquí pusimos la tabla con los valores de E. P., E. C. y E, el facilitador podría considerar si vale la pena darles la tabla con esos datos en blanco y que los profesores los calculen a mano (con una calculadora) o más interesante, con Excel (como calculamos nosotros esos datos). Es una cuestión de valorar si el gasto de tiempo se justifica por la posible comprensión adicional que daría el hacer de esta forma la actividad.

Actividad 5. Dos sistemas conservativos.

En esta actividad usaremos applets. Son pequeños programas que simulan situaciones reales. Permiten variar valores y observar que sucede, ver los fenómenos de manera más controlada, etc.

Vamos a usar los applets ilustración 6.3 e ilustración 6.4

Applet ilustración 6.3 Una bola que está unida a un resorte.

El applet ilustración 6.3 simula una esfera (en rojo) unida a un resorte. El applet tiene tres partes (además de los controles, los botones que están debajo de la figura y que dice marcha, pausa, paso e inicio): en la parte baja esta el “video” de la esfera y resorte; arriba de él, está la gráfica de energía potencial contra posición, una grafica muy útil para ver el comportamiento del sistema (este tipo de gráfica se llama pozo de potencial y nos permite ver que el sistema está atrapado en el “pozo” yendo y viniendo como lo haría una pelotita atrapada en un pozo real) y, finalmente, del lado derecho de esta gráfica están dos barras con números abajo que representan la energía cinética (barra naranja) y la energía potencia (barra azul). Con los botones se puede correr el programa paso a paso y ver qué sucede en las tres partes. Lo nuevo de este sistema, diferente de la caída libre, es que la energía potencial aquí es elástica, en tanto que allá era gravitacional.

Consejos, estrategias e instrucciones para el facilitador

En cada applet vienen las instrucciones y la descripción de lo que se trata de manera muy sencilla. Sin embargo, valdría la pena que el facilitador se familiarice con el uso de los applets y prevenga las dudas de los profesores. En este applet lo importante de notar es que el alto de las barras que representan las energía potencial y cinética, si bien cambian, cuando

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