INDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………….…………………….
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ORGANIZACIÓN DE LOS CONTENIDOS……………………………………………………………………………
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BLOQUE I
EL UNIVERSO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS…………………………………………………………………
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B L O QU E I I .
LOS CONCEPTOS DE LA FÍSICA………………………………………………………………………………………
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MATERIAL DE APOYO BLOQUE I
EL UNIVERSO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA A.Viches, D.Gll y J. Solbes…………………………………….………………………………………………………… Solbes…………………………………….…………………………………………………………
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LA FÍSICA EN NUESTRA VIDA COTIDIANA Y LA FÍSICA COMO AVENTURA INTELECTUAL NICOLAAS BLOEMBERGEN ………………………………………….…………………………………………………… ………………………………………….……………………………………………………
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SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD ANA MARIA SANCHEZ Y JULIA TAGUEÑA………………………………………………………………………………………….……………………………… TAGUEÑA ………………………………………………………………………………………….………………………………
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LA FISICA EN LATAS……………………………………..…………………………………………………………………
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EL DESARROLLO DE LA FÍSICA EN MÉXICO MANUEL SANDOVAL VALLARTA……………………………….……………………………………………………… VALLARTA ……………………………….………………………………………………………
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BLOQUE I I
LOS CONCEPTOS DE LA FÍSICA REFLEXIONES EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGÍA: IMPLICACIONES I MPLICACIONES CURRICULARES C. SEVILLA SEGURA Instituto Isabel Villena, Valencia, España……………………………………………………………………..… España ……………………………………………………………………..…
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SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
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ANA MARÍA SÁNCHEZ Y JULIA TAGUEÑA………………………………………………………………………………………..………………………………… TAGUEÑA ………………………………………………………………………………………..…………………………………
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CRISIS EN EL AULA LEON LEDERMAN ……………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………
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¿VALE LA PENA ENSEÑAR FÍSICA? DOLF K. MACHOLD…………………………………………………………………………………………………………… MACHOLD……………………………………………………………………………………………………………
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INTRODUCCIÓN
La formación de los futuros maestros de Física requiere de una forma especial de acercarse al conocimiento de la disciplina. Además de comprender los conceptos de la Física, un maestro de educación secundaria debe tener una visión global de esta ciencia y considerar el papel que ha jugado en el desarrollo intelectual y técnico de la humanidad, su importancia social y la forma en que los alumnos de la escuela secundaria pueden aprender de una manera más significativa. Esta materia del plan curricular proporciona los primeros elementos para que los alumnos maestros avancen en esta comprensión integral de la física. La forma en que evoluciona la ciencia, la construcción de los conceptos de la Física por parte de los científicos, está condicionada en gran medida por los factores sociales que provienen, por un lado, de la propia comunidad científica y, por otra, del contexto social y cultural en que los físicos se mueven. La física que se hace en las instituciones de investigación y en los laboratorios requiere profundizar en una rama de la disciplina, creatividad, imaginación, pero también habilidades de pensamiento crítico y rigor en la metodología de trabajo para asegurar que los resultados que se obtienen en el trabajo del científico sean válidos. La Física que se enseña en el salón de clase comparte algunos de estos elementos, es decir, cuando se enseña física a los alumnos debe mostrárseles que se trata de una disciplina desarrollada por personas normales y sujetas a presiones y dificultades como cualquier otra, pero debe mostrárseles al mismo tiempo que la sistematización en la forma de acercarse a la naturaleza distingue el trabajo del científico del trabajo de quien se dedica a otras actividades profesionales. Por otra parte, cuando los conceptos de la física se llevan al salón de clase, no puede enseñarse descontextualizados de las circunstancias que les dieron origen y de las circunstancias en que se encuentra el aprendiz. Es por ello que puede considerarse la Física que se enseña en clase de la que desarrolla el científico. Las bases conceptuales son las mismas, pero en la enseñanza es necesario invertir los conceptos de una estructura que no tiene cuando los científicos trabajan. Es necesario transponerlos y hacer ostensibles algunas características de los conceptos que hacen que tenga sentido y significado para el alumno que se acerca a la ciencia sin el conocimiento y la preparación que tienen un científico que está desarrollando los nuevos conceptos de la disciplina. Cuando se toma en cuenta esta labor de transposición del conocimiento de la Física al salón de clase, se hace más patente la necesidad que tiene en alumno maestro de reflexionar sobre la física no únicamente a través de aprendizaje sólido de sus conceptos, sino pensando al mismo tiempo en las necesidades de los alumnos, en forma en que los conceptos pueden llevarse al salón de clase para satisfacer la curiosidad y motivar a un grupo heterogéneo de estudiantes. Esta asignatura presenta una visión general de la física en la que se integran los aspectos conceptuales de la disciplina con los aspectos didácticos permitiendo al maestro en formación lograr un conocimiento más profundo de las dificultades que enfrentan los alumnos y los profesores frente al aprendizaje y la enseñanza de la Física, de los conceptos de la Física en sí y de las relaciones de la Física con otras disciplinas. Se presenta un panorama de conocimientos científicos en términos de las necesidades de enseñanza orientadas a profundizar en las posibilidades de una didáctica más activa, en la que se da oportunidad a los alumnos de reflexionar sobre aspectos diversos de la disciplina y de ir integrando los conceptos fundamentales de la misma, de forma tal que le 3
permitirán entender con mayor profundidad los fenómenos que le rodean y los adelantos científicos y tecnológicos, es, decir, se pretende que el alumno logre sistematizar y dar sentido a una cultura científica y tecnológica que le permita aproximarse y comprender la complejidad y globalidad contemporánea, para adquirir habilidades que le aprueben desenvolverse en la vida cotidiana y relacionarse con su entorno, con el mundo del trabajo, de la producción y del estudio. ORGANIZACIÓN DE LOS CONTENIDOS El curso está organizado en tres bloques temáticos. En cada uno de presentan los temas de estudio y la bibliografía básica para su análisis, además de un apartado de bibliografía complementaria cuya finalidad es ampliar la información de los temas correspondientes, de acuerdo con las necesidades e intereses particulares de maestros y estudiantes.
En el bloque I "El universo de los fenómenos Físicos" El propósito de este bloque es que los alumnos normalistas reflexionen acerca de la visión que la Física presenta de la naturaleza, es decir, que se acerque a la forma de comprender los fenómenos físicos. Se analiza, mediante una selección de actividades referidas a fenómenos cotidianos, la presencia de la física en la mayoría de las actividades diarias. Así mismo, se analiza la vinculación entre los conceptos científicos, la metodología del trabajo de la Física y de la forma en que se pueden estudiar con rigor los fenómenos naturales de manera que se encuentren y validen respuestas a problemas específicos. Se hace énfasis en las habilidades de pensamiento científico básico, con la finalidad de que el normalista haga consciente la vinculación entre el aprendizaje y la enseñanza de contenidos disciplinarios y procedimentales asociados a temas de Física. También se pretende que analicen, de manera breve, el proceso de transformación del conocimiento científico y de construcción de las teorías científicas en el campo de la física, de modo que comprendan el proceso que utilizan los profesionales de la disciplina para validar el conocimiento de los fenómenos físicos.
En el Bloque II "'Los conceptos de la Física" El propósito de este bloque es de proporcionar una primera revisión sistemática de algunos conceptos fundamentales de esta ciencia a través de la explicación de fenómenos físicos básicos, que permiten iniciar el estudio de otros fenómenos que se presentan en mayor complejidad y que requieren de un nivel más desarrollado de abstracción y de habilidades más específicas. El objetivo de este bloque es que los estudiantes obtengan una visión inicial del aparato conceptual de la Física y que reconozcan, a partir de él, las características y unidad propias de los fenómenos físicos y de sus explicaciones, lo que tienen en común y lo que los diferencian. Mediante una selección de conceptos científicos básicos (materia, cambio, energía conservación e interacción) se 4
comienza a comprender la visión de la naturaleza. Al revisar la secuencia de los contenidos, los alumnos podrán identificar las principales características de la materia y de la energía, así como de su principio de conservación. En el tercer tema se estudian las interacciones como procesos de intercambio de materia y energía entre cuerpos o sistemas, diferenciando las interacciones de las fuerzas, que es un concepto más restringido y que se refiere solo algunas formas de interacción. Con este concepto se pretende que el estudiante normalista caracterice de manera clara el objeto de estudio de la Física e identifique sus particularidades. También se analiza el concepto de cambio como una forma para iniciar la caracterización de algunas propiedades de las leyes físicas de la naturaleza: la dirección determinada en que ocurren algunos fenómenos, así como el concepto de simetría en la naturaleza. Se propone discutir la división de los fenómenos naturales en Física y Química, con la finalidad de aplicar los conceptos científicos fundamentales para identificar un aspecto fundamental de la naturaleza: la dirección en que ocurre los cambios y su relación con la energía y algunas características de las leyes físicas. En este bloque se propone también seguir haciendo explícitas la relación de algunos contenidos con la metodología del trabajo de la Física vinculadas al desarrollo de habilidades, valores y actitudes que se fomentan al estudiarla, con la finalidad de que el normalista identifique las diferencias entre el trabajo científico y el del docente. Finalmente, se relaciona el aprendizaje de la Física en este nivel con el currículo de educación secundaria. El sentido de este bloque es que los estudiantes apliquen y relacionen los conceptos fundamentales de la Física a una variedad de temas científicos y tecnológicos, para consolidar la comprensión de la materia, la energía, el cambio, la conservación y las interacciones, como conceptos centrales para lograr una visión física unificar e integral de la naturaleza. Con la revisión de estos temas se propone continuar con el desarrollo de la capacidad de los normalistas por hacer preguntas y buscar respuestas, que tienen su origen en la curiosidad humana. Se busca, con la introducción de ejemplos cotidianos, que los estudiantes se convenzan de que no existe un medio educativo más variado, sugerente y accesible que el propio entorno natural y tecnológico, por medio de los fenómenos y artefactos con que convivimos, y que aprender a aprovecharlos es un recurso didáctico de valor incomparable. Se trata de una idea sencilla, pero cuya apropiación presenta dificultades porque la mayoría de nosotros no adquirió o a aprendió el hábito de mirar con atención y curiosidad el medio que nos rodea. La tarea inicial es, entonces, que los propios normalistas recuperen y ejerciten la capacidad de observa, hacer preguntas, asombrarse y aventurar respuestas tanto sobre fenómenos físicos del entorno natural como de otros más amplios. Será útil, para su desempeño profesional, que los estudiantes normalistas identifiquen a la física como una obra eminentemente humana que se enriquece, se transforma y se corrige a través del tiempo, y que reconozca algunos avances que ha logrado hasta la fecha. Se pretende que rechacen de manera informada y crítica la imagen de la Física como una colección de conocimientos ordenados y acabados. Para cerrar el curso se revisan algunos temas científicos que están en desarrollo, así como el planteamiento de problemas que continúan sin respuesta, con la finalidad de que el normalista conozca los horizontes actuales de la disciplina que le permitan contextualizar su
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desempeño profesional a través de temas de actualidad e interesantes, así como contar con referentes para iniciar la comprensión de las explicaciones físicas que se formularán en el futuro. ORIENTACIONES GENERALES PARA EL DESARROLLO DEL CURSO A continuación se enuncian algunas recomendaciones de trabajo que sería conveniente desarrollar a lo largo del curso. 1.- Lograr un conocimiento de los fines y contenidos de este programa, que sea compartido por el maestro y los alumnos. Será provechoso que, al iniciarse el curso, el maestro y el grupo analicen conjuntamente el programa para que queden claros sus propósitos formativos; la secuencia de sus componentes y el tipo de trabajo que se espera de cada quien. Durante el curso, cuando sea necesario, deberá regresarse a la lectura del programa para precisar por qué y para qué trabajar determinados contenidos y actividades. 2.- Aprovechar los conocimientos y experiencias del alumno adquiridos fuera o dentro de la escuela para logra así el acercamiento al conocimiento cinético, sin esperar que, solo por asistir a clase, desechen sus ideas y se apropien de las nociones y explicaciones dadas por el maestro. La enseñanza y el aprendizaje orientados a favorecer el cambio conceptual y debe tomar en cuenta que las ideas previas mantienen estabilidad propia que las hace persistentes en los esquemas cognitivos en los alumnos, y que éstas ideas plantean a los docentes la necesidad de ajustar los objetivos de enseñanza u concebir a las estrategias didácticas y a los medios de enseñanza como puentes entre lo que se considera valioso como meta del aprendizaje y el potencial de los alumnos para aprender en función de su desarrollo cognitivo, sus ideas previas, su interés y su curiosidad. 3.- Asegurar una lectura comprensiva de la bibliografía básica y vincular las ideas que en ellas se presentan con las actividades que se realicen en clase, y con las labores externas de los alumnos en la observación del proceso escolar. Debe evitarse el riesgo común de que el material de lectura sea visto como algo separado del trabajo aplicado, que se lee por obligación y está sujeto a formas poco eficaces de control. Debe asumirse que la mejor forma de demostrar una buena lectura es incorporando su contenido al análisis, la discusión y la actividad práctica. Si el maestro advierte que algunos alumnos muestran dificultades en el manejo de la bibliografía puede promover la formación de círculos de estudio que funcionen temporal o continuamente, solicitando la colaboración de los alumnos más adelantados. 4.- Incluir actividades en el programa de trabajo del grupo en las cuales los estudiantes lleven a la práctica las observaciones y la indagación que en temas especialmente relevantes proponen los programas de educación secundaria, el libro del maestro y los textos de los alumnos de secundaria. Ello permitirá que los alumnos normalistas experimenten situaciones que vivirán sus alumnos, y anticipen algunos de los retos y dificultades pedagógicas que enfrentarán en su vida profesional. 5.- Promover sistemáticamente la observación y el contacto de los estudiantes normalistas con los adolescentes en relación con el conocimiento de la naturaleza y el aprendizaje de IaF. Una oportunidad de hacerlo la ofreció la asignatura de Observación del Proceso Escolar; sin embargo, 6
deberá alentarse a los estudiantes para que busquen y aprovechen todas las ocasiones informales para hacerlo, sea con grupos escolares a los que tengan acceso o en su entorno familiar y de resistencia. La familiarización con las formas de percepción y reflexión de los adolescentes, de sus reacciones ante estímulos cognitivos que poseen un propósito claro, permitirá que los estudiantes desarrollen su sensibilidad y su capacidad de empatía hacia la perspectiva desde la cual los adolescentes miran y tratan de dar sentido al mundo que los rodea. 6.-Realizar actividades complementarias de estudio fortalecen la formación disciplinaria básica de la Física. El maestro y los estudiantes deberán estar atentos a la detección oportuna de deficiencias y vacíos que pueden existir en la formación individual. Así mismo, deben utilizarse el material videograbado y los programas de informáticas educativas disponibles en la biblioteca de la escuela y accesibles en los Centros de Maestros. En ocasiones puede ser de interés acudir a las bibliotecas, hemerotecas o centros de documentación de otras instituciones educativas.
7.- Establecer un adecuado equilibrio entre el trabajo individual y el de equipo que realicen los alumnos. Es claro que numerosas actividades de aprendizaje deben realizarse individualmente, en tanto que otras se benefician del esfuerzo de un grupo de trabajo. En este último caso deben observarse ciertas normas mínimas que aseguren la eficacia de esta modalidad de organización didáctica: la planeación clara del trabajo, la distribución equitativa de las tareas y el carácter realmente colectivo del análisis, la discusión y la elaboración del resultado final del trabajo. Estas normas son útiles porque evitarán una frecuente deformación del trabajo de equipo que fracciona temas de aprendizaje, no permite que los estudiantes visualicen los contenidos en su conjunto y oculta desequilibrios injustos en el esfuerzo realizado por cada uno de los alumnos. Se sugiere establecer como criterio que los equipos no se integren con más de cinco elementos. 8.- Propiciar la redacción de notas de lectura, registros de observación y de resultados de los experimentos, diseños de actividades didácticas para el trabajo en el aula de la escuela secundaria, entre otras. Es conveniente que cada alumno integre a lo largo del curso una carpeta personal con los productos del aprendizaje, que le será útil para ordenar y clasificar su trabajo, y consultarla durante los siguientes semestres, en un futuro trabajo profesional y, e ventualmente, como elemento para evaluar. 9.- Propiciar el análisis de los resultados de las jornadas de Observación del Proceso Escolar, con base en las actividades que al final del curso presentan.
10.- Los criterios y procedimientos para EVALUAR los conocimientos, las habilidades y actitudes que los estudiantes adquieren durante el estudio de los temas del curso deben ser congruentes con los propósitos y las orientaciones didácticas que se han señalado. Es necesario tomar en cuenta la evaluación como proceso permanente, que permita identificar los 7
avances y las dificultades en el aprendizaje de los estudiantes; además aporta información que el maestro puede aprovechar para tomar decisiones que contribuyan a mejorar sus formas de enseñanza. Para que los estudiantes tomen conciencia de los compromisos y tareas que les corresponde asumir, es conveniente que al iniciar el curso acuerden con el maestro los criterios de evaluación. De esta manera tendrán los elementos básicos para reconocer aquellos campos específicos en los que requieren fortalecer su formación profesional. Las características de este curso y el tipo de actividades que se realizan requieren de prácticas de evaluación diversas que evidencien no solo los conocimientos que se adquieren, sino las actitudes que los alumnos manifiesten ante el trabajo individual y de grupo, hacia los adolescentes y la naturaleza. Para evaluar, debe aprovecharse la participación de los alumnos en la clase, los textos escritos y las indagaciones que estos realicen. En este caso, la evaluación no requiere acciones ni productos distintos de los que se generan en el proceso de enseñar y aprender. Cuando se considere necesario que los alumnos muestren sus niveles de logro por medio de un desempeño destinado específicamente a la evaluación, los instrumentos que se elijan deben plantear retos para que los estudiantes apliquen su capacidad de análisis, juicio crítico, comprensión, relación, síntesis y argumentación, y deben, asimismo, proporcionar información sobre rasgos como los que se enuncian enseguida. El interés que muestren los estudiantes por acercarse al conocimiento científico. La comprensión de las intenciones educativas de la enseñanza de la Física en la secundaria, a partir del análisis de los contenidos propuestos en los programas de estudio de ese nivel. La habilidad para vincular las elaboraciones teóricas con el análisis de las situaciones educativas relacionadas con la enseñanza y el aprendizaje de la Física. Para lograr lo anterior se sugiere tomar como base las recomendaciones de evaluación de los libros para el maestro de Biología, Física y Química. Una combinación de éstas podrá ayudar a utilizar los instrumentos adecuados para cada situación que se necesite evaluar.
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BLOQUES TEMÁTICOS BLOQUE I EL UNIVERSO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS El propósito de este bloque es que el alumno normalista reflexione acerca de la visión que la Física presenta de la naturaleza, es decir, que se acerque a la forma de comprender los fenómenos físicos y analice mediante una serie de actividades referidas a fenómenos cotidianos, destaque la presencia de la Física en la mayoría de las actividades diarias. Además que analice de manera breve, el proceso de transformación del conocimiento científico y de construcción de las teorías científicas en el campo de la Física, de modo que comprenda el proceso que utilizan los profesionales de la disciplina para validar el conocimiento de los fenómenos físicos. Temas 1.-Acercamiento de la Física a través de fenómenos naturales específicos. 2.-Cómo estudia la Física los fenómenos naturales.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA * "Alfabetización científica y tecnológica" de A Viches, D. Gil y J. Solbes. * Libro para el Maestro de educación secundaria; tercera edición 2001 * "Video La enseñanza de la física en la escuela secundaria" * "La Física en nuestra vida cotidiana y la Física en nuestra vida intelectual"Nicolaas Bloembergen "Física en latas" Programa Nacional de Actualización Permanente " 'El desarrollo de la física" Sandoval Vallarta . BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA *La unificación de la física, Stephen Hawking *El desarrollo del sistema cognitivo y la enseñanza de las ciencias, Rolando García *Las aproximaciones pedagógicas y las concepciones conflictivas, Luren B. Resnick TEMA I.-ACERCAMIENTO DE LA FÍSICA A TRAVÉS DE FENÓMENOS NATURALES ESPECÍFICOS. ACTIVIDADES SUGERIDAS 1.-Leer los propósitos de los bloques temáticos e identificar la relación que se encuentra con el curso "Introducción a la enseñanza de la Física 3er semestre" y expresarla en un breve texto donde destaque principalmente los siguientes temas: ¿Para qué enseñar Física en la Escuela secundaria? 9
¿Que Física enseñar y por qué? ¿Cómo enseñar Física en la escuela secundaria? 2.-Presentar el escrito en plenaria y llegar a conclusiones generales del grupo. 3.- De la lectura "Alfabetización científica y tecnológica" de A Viches, D. Gil y J. Solbes. Y anotar de forma individual las ideas principales del autor comentarlas ante el grupo, de acuerdo a los siguientes aspectos: *A qué se refiere el autor cuando habla de una Educación científica forma parte de una educación general. *A qué se refiere cuando puntualiza una alfabetización científica práctica, científica cívica y científica cultural. *Qué aspectos destaca la lectura como dimensiones de enseñanza científica.
4.-Teatro mágico Construir un escenario de teatro de cartón (aprovechar una caja recortada a lo ancho). En la parte baja del escenario tensar un alambre. En la parte superior del teatro fijar un imán de herradura. Recortar figuras de papel de bailarines en distintas posiciones y pegar en su parte superior una aguja metálica, con la única condición de que la longitud del bailarín sea igual a la de la aguja. Colocar las figuras sobre el alambre. ¿Qué sucede con las figuras? ¿Por qué? ¿Qué sucede si no se respeta la condición señalada? Tirar ligeramente del alambre o mover ligeramente el imán. ¿Pierden el equilibrio las figuras? ¿Por qué se mantienen fijas al alambre? ¿De qué manera es más fácil producir el movimiento en las figuras? ¿Qué tipo de movimiento se logra producir?, ¿Funcionarán de igual manera los trenes magnéticos? ¿Los elevadores? .Explicar semejanzas y diferencias. 5.-¿Carreteras sin sentido? ¿Por qué crees que las carreteras que ascienden por terreno montañoso tienen curvas? ¿No sería mucho más fácil recorrerlas por línea recta? ¿Conoces algún ejemplo de la vida cotidiana, donde se aplique el anterior ejemplo? ¿Tendrá alguna relación con el diseño de los tornillos? ¿Con las trayectorias de ascenso y descenso de los aviones? Explicar semejanzas y diferencias. 6.-El diablillo de Descartes Construir el dispositivo llamado "el diablillo de Descartes" que se encuentra descrito en el libro del Maestro de educación secundaria, Física Pág. 154. En base a la información del texto y con el dispositivo construido simular y explicar el funcionamiento del submarino. Desarrollarlo por equipos socializarlo ante el grupo explicar diferencias y llegar a puntos de acuerdo.
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¿Por qué flota en el agua un submarino que pesa varias toneladas y una piedra de un kilogramo se hunde? ¿Los cambios en la densidad del agua a gran profundidad no deberían hacer inestable al submarino? ¿Los peces emergen y se sumergen igual que el submarino?. ¿Qué le recomendaría al buzo que se encuentra a 30 metros de profundidad y por emergencia tiene que ascender? ¿Que libere todo el aire que tiene? ?¿Que lo retenga lo más posible? ¿Que lo administre soltando poco a poco? ¿Por qué? Una vez concluido el análisis y la resolución de las preguntas de cada situación, un integrante de cada equipo expondrá las respuestas a las que llegaron, comentar Judas y resolverlas entre todo el grupo, en caso de que queden respuestas sin resolver organice el grupo e investigue esas dudas y posteriormente comunicar de manera grupal sus resultados. 7.-A manera de conclusión del primer tema, realice una mesa redonda donde discuta las siguientes cuestiones: .De que manera esta presente la Física en el entorno y en los hechos cotidianos? i.De que manera favorece el estudio de la Física el planteamiento de situaciones especificas? Incorpora a la discusión los conocimientos previos de lecturas y vivencias anteriores. 8.- Mediante un guión específico analizar las cápsulas de apoyo del "video La enseñanza de la física en la escuela secundaria": ¿Qué contenido de Física se desarrolla en la cápsula? ¿Qué situaciones cotidianas o instrumental se utiliza para inducir al contenido? ¿Qué tipo de actividades son planteadas durante el desarrollo del video? ¿Qué habilidades y que destrezas se pueden fomentar con estos ejemplos? ¿Que ventajas tiene el desarrollo de los temas de Física a partir de fenómenos naturales y del desarrollo tecnológico específico? ¿Cuál es la imagen que se proyecta en éstas cápsulas? 9.-Una vez analizado la información de los videos presentar al grupo sus comentarios de manera individual y concentrar de manera general un ensayo grupal con el nombre de "La Física: una aventura de pensamiento". TEMA II COMO ESTUDIA LA FÍSICA LOS FENÓMENOS NATURALES 10.- A partir de la lectura del artículo de N. Bloembergen, "La Física en nuestra vida cotidiana y la Física en nuestra vida intelectual" responda las siguientes preguntas: a) ¿Qué llamó la atención de N. Bloembergen para acercarse a la ciencia? b) ¿Qué investigación relevante hizo Bloembergen? c) ¿Qué avance ha propiciado el rayo láser? d) ¿Cuál es el planteamiento global del artículo? 11
11.-Con base en las ideas expuestas en el artículo, haga una lista de al menos cinco problemas cotidianos que podrían usarse en clase, en relación con el tema de los cuerpos sólidos y fluidos; señale los conceptos empleados 12.-Selección en equipos; la colección de viajeros del conocimiento, algunos de los siguientes personajes de la historia de la Física: Arquímedes, Copérnico, galileo, Kepler, Newton Einstein. Escribir un texto con las ideas principales de las lecturas y con las aportaciones a la física de los personajes mencionados *La contribución de la Física realizada por el personaje *El método de trabajo que de manera general utilizó *El papel que jugó el conocimiento aceptado hasta el momento *El papel que jugó la experimentación *EI papel que jugó la tecnología *El papel que jugó la Matemática *El papel que jugó los hechos cotidianos
13.-Organiza la exposición de las conclusiones ante el grupo. Concluir con la elaboración de una línea del tiempo utilizando los datos obtenidos por los diferentes equipos y finalizar con una discusión sobre los métodos de trabajo actuales de la Física; argumentar el papel de la observación, la abstracción, la elaboración de hipótesis, la experimentación, el tratamiento de datos y la obtención de resultados.
14.-Elaborar conclusiones de manera general en el grupo, sobre como estudia la Física los fenómenos naturales y como deben plantearse estos en la escuela secundaria, de acuerdo al enfoque y propósitos del libro de Física del maestro de Educación Secundaria. 14.- Revisar la sección de "Física en latas" de la enseñanza de la Física en la escuela secundaria del Programa Nacional de Actualización Permanente. Construir según el diseño los motores de agua y vapor de acuerdo a las especificaciones que se sugieren, además determina su funcionamiento en términos de conservación de la energía. ¿Las máquinas de vapor funcionaban de igual manera? 15.-Realizar un diseño experimental donde se convierta: -La energía luminosa en energía cinética -La energía calorífica en energía cinética Después identificar algunas aplicaciones tecnológicas del principio aplicado en el diseño. 16.- Conseguir algunos pares de patines para simular choques. Dibujar con líneas sobre el piso las 12
trayectorias de los patinadores antes y después de la colisión (puedan ser varios compañeros que al chocar se abracen para formar un solo equipo). Elaborar hipótesis sobre las relaciones entre el ángulo formado y: *La velocidad de los patines *La masa de los patinadores *Medir varios de los ángulos formados por las trayectorias de los choques, utilizar algunas de las técnicas para sistematizar la información de los datos (tablas, gráficas, cálculos de relación numérica) calcular las velocidades. 17.-Elaborar conclusiones grupales de como estudia la física los fenómenos naturales; y la relación que existe con el enfoque del programas de Física de secundaria. 18.- Del artículo de Sandoval Vallarta, "El desarrollo de la física", Elabore una síntesis por punteo y escriba un ensayo de dos cuartillas sobre el papel de los científicos mexicanos en el desarrollo del país.
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BLOQUE II . LOS CONCEPTOS DE LA FÍSICA El propósito del bloque es propiciar una primera revisión sistemática de algunos conceptos fundamentales de esta ciencia a través de la explicación de fenómenos físicos básicos, que permitan iniciar el estudio de fenómenos que presentan al iniciar el estudio de otros fenómenos que presentan una mayor complejidad y que requieren de un nivel más desarrollo de abstracción y de habilidades específicas TEMAS La materia. Propiedades y estructura. Principio de conservación La energía; características, tipos y principios de conservación Las interacciones entre materia y energía. Fuerzas BIBLIOGRAFÍA BÁSICA. *Textos reciente edición de secundaria de la Asignatura Física I y Física II *"Reflexiones entorno al concepto de energía: implicaciones curriculares.Sevilla Segura *Libro del maestro de Física de educación secundaria *"Sobre la superconductividad" de Ana María Sánchez y Julia Tagueña BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA *Microfísica, Luis de la Peña *Planificación de una unidad didáctica: el estudio del movimiento, J.J. García Arques, A. Pro Bueno y 0. Saura Llamas *Ciencia, Universidad e Industria, Tomas A. Brody 20 *La máquina de movimiento perpetuo, Juan Tonda ACTIVIDADES SUGERIDAS TEMA 1 "LA MATERIA, PROPIEDADES Y ESTRUCTURA, PRINCIPIOS DE CONSERVACIÓN" 19.- De manera previa seleccionar un texto de reciente edición que esté operando en la escuela secundaria en la asignatura de Física I II y respondan a las siguientes preguntas: *¿Qué es la materia? *¿Qué subtemas se estudian al introducir el tema de materia en la educación secundaria? *¿Es lógica la secuencia de los subtemas? ¿Por qué? *¿Cómo plantea el desarrollo del tema los autores de los textos Investigados? *¿Se utiliza alguna situación específica para contextualizar?
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20.-De manera aleatoria que cinco alumnos expongan lo investigado y que el grupo enriquezca el análisis de los comentarios. 21.- Responder las siguientes situaciones en equipo y discutirlas en plenaria a fin de formarse una idea de lo que para la Física es la materia. Relacionar estas situaciones con los errores frecuentes de los estudiantes de secundaria que aparecen en el libro para el maestro. Pág. 40. 22.- ¿La materia se conserva? Se integran equipos, para construir analizar y exponer el te ma utilizando los siguientes materiales. Material: *2 pilas de 6 voltios. *1 cucharada cafetera vieja y oxidada. *1 pulsera de plata. *1 gramo de nitrato de plata. *1000 ml de agua. *1 agitador. *1 cable de 10 cm. de largo. *2 cables de •20 de 50 cm. de longitud. *1 balde o frasco de boca ancha. Sugiera que respondan las siguientes preguntas: Explique el proceso de descomposición por electricidad. ¿Qué tipos de cambios ocurren en este proceso? ¿Qué otro nombre recibe la descomposición por electricidad? *Mencionen algunas actividades humanas en las que se aprecie la utilidad d e este proceso. *Mencione las instrucciones para realizar la demostración de la unidad de la electrólisis. *Observe muy bien las características físicas de los materiales (esclava y cuchara) y descríbalas en su cuaderno. *Conecte entre sí el polo negativo de una pila con el positivo de la otra, coloque en uno de los polos que quedan libres, un cable de los que llevaron de 50 cm. de largo. 15
En uno de los cables se debe conectar la pulsera, y en el otro la cuchara oxidada. *Ponga el nitrato de plata en un frasco, hasta llegar a 2/4 partes de su capacidad. *Una vez el punto anterior, sumerjan los materiales en la solución de nitrato de plata, conecten en el polo libre el extremo del cable suelto, y observen lo que sucede durante 20 minutos. *Escriban lo observado, tanto a la pulsera como la cuchara. *Continuando con la actividad 22; pida a los estudiantes que elaboren una predicción sobre los que esperarían que sucediera y que lo confronten con los demás equipos, solicite que escriban en su cuaderno sus hipótesis, una vez que hayan analizado lo que pudiera suceder. *Transcurrido el tipo pida que con mucho cuidad desconecten uno de los polos de la pila, y extraigan la pulsera y la cuchara. Realice algunas preguntas como las siguientes para analizar lo ocurrido: *Describa las características físicas de los materiales. ¿Son iguales antes que después del experimento? ¿Por que cambiaron de color la cuchara y la esclava? ¿Puede este proceso usarse en la industria? Explícalo ¿Cuál es la función de la electricidad en este proceso? TEMA 2 "LA ENERGÍA, TIPOS Y PRINCIPIOS DE LA CONSERVACIÓN" 23.-Lea el artículo de Sevilla Segura, "Reflexiones entorno al concepto de energía: implicaciones curriculares"; y elabore una síntesis de lo más relevante que relata el autor.
24.-Escriba un ensayo acerca de las concepciones previas del estudiante sobre la energía y las estrategias didácticas que se pueden emplear para enseñar el concepto de energía. 25.-Con base en lo anterior diseñe una estrategia didáctica. 26.- Realice una mesa redonda donde los alumnos interactúen sobre los tipos de energía y dén ejemplo de la vida cotidiana en que muestre los tipos de energía utilizada. 27.-Trabajo de investigación: consultar algunos diarios, enciclopedias, revistas artículos etc. Para elaborar un periódico mural con recortes y notas al pie donde ejemplifique el concepto de energía y su importancia en el desarrollo tecnológico y de actividades humanas en la vida cotidiana. 28.-Revisar el Libro del maestro de Física sobre el tema del calor y: *Explicar el funcionamiento de los invernaderos. *Explicar el "efecto invernadero" que ocurre en las zonas urbanas donde se acumula co2 *Explique por qué son frías las cimas de las montañas *¿No están más cerca del sol y por lo tanto deberían ser más calientes? *¿No debería ascender el aire caliente cercano al suelo?
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29.-Elaborar como producto un mapa de conceptos donde aborde materia y energía como conceptos fundamentales de la física. 30.- Explicar con ejemplos cómo se conserva a la energía. TEMA 3 "LAS INTERACCIONES ENTRE MATERIA Y ENERGÍA" 31.-Lea la Introducción a "la electricidad y el magnetismo" (L. M. página 160), el recuadro de errores frecuentes de la misma página y el recuadro de evaluación de la página 161 (L. M.) 32.-Haga una lista de palabras en torno al tema de electricidad y magnetismo para que los alumnos la completen y la relacionen con algún fenómeno conocido. 33.- Indique por escrito, cómo emplearía esa lista para introducir el tema, reconociendo las ideas o modelos erróneos de los estudiantes. 34.-Lea las páginas 161 y 162 (L:M) que se refieren a la conducción de la electricidad: *Realice una investigación sobre cómo se calculó la carga del electrón antes de constatar su existencia. *Elabore una tabla de fenómenos físicos, químicos y biológicos y su aplicación tecnológica donde la conductividad desempeña un papel importante, destaque en ella el tipo de conductor que entra en juego. 35.-Después de leer el artículo "Sobre la superconductividad", de Ana María Sánchez y Julia Tagueña, responda a las preguntas siguientes: a) ¿Qué características eléctricas interesantes se presentan cuando hay superconductividad? b) La ley de Coulomb plantea que dos partículas con cargas iguales se repelen, ¿Cómo es posible lograr que dos electrones se atraigan? c) Mencione tres ejemplos de aplicaciones tecnológicas posibles de superconductividad. 36.-Organiza una discusión grupal tipo seminario donde aborden conceptos básicos de la superconductividad, de qué manera estuvieron presentes estos conceptos en la discusión. 37.-Lea sin detenerse en los recuadros de las páginas 163 a 165 (L. M:) que se refieren a la carga eléctrica y la ley de Coulomb. 38.-Diseñe un experimento abierto en donde los estudiantes desarrollen para iniciar el estudio de cargas eléctricas y ley de Coulomb. 38.- Examinar las páginas 165 a 171 (L: M ) que trata el tema de circuitos y corrientes eléctricas. Elabore un mapa de conceptos donde señale las ideas científicas que se contraponen a las de los 17
estudiantes. 39.-Indique la analogía del flujo del agua y la corriente eléctrica. 40.- Revise la miscelánea física de la página 166 (L:M) y escriba una ficha didáctica en donde explique los alumnos cómo llega la energía eléctrica a sus casas.
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MATERIAL
DE
APOYO
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ALFABETIZACION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA__________________________________
BLOQUE I EL UNIVERSO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS
ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA A.Viches, D.Gll y J. Solbes CONTENIDOS
SELECCIONADOS
DE
ACTES V JORNADES DE LA CURIE, 2001,
pensar en un mismo currículo básico para
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todos los estudiantes y requiere estrategias que impidan la incidencia de las desigualdades sociales en el ámbito educativo. Pero, ¿cuál
A
hora bien, es preciso preguntarse como se puede lograr una educación
científica para todos, si la investigación en didáctica de las ciencias ha mostrado reiteradamente el grave fracaso escolar en las materias científicas, así como la falta de interés a incluso el rechazo de los estudios científicos por muchos estudiantes. Como es lógico, alfabetizar científica y tecnológicamente no significa simplemente extender a toda la población lo que hemos venido hacienda hasta aquí, puesto que ello
debería ser ese currículo científico básico para todos los ciudadanos? Existe un amplio movimiento educativo detrás de este enfoque curricular que plantea diversas propuestas, tanto referentes al significado del concepto, como a de qué modo lograrlo. Marco (2000) señala ciertos elementos comunes en dichas propuestas: - Alfabetización científica práctica, que permita utilizar los conocimientos en la vida diaria con el fin de mejorar las condiciones de
ya sabemos que no funciona. Es necesario,
vida, el conocimiento de nosotros mismos,
pues, precisar, en primer lugar, qué se
etc. - Alfabetización científica cívica, para que
entiende por alfabetización científica y, a continuación, estudiar en qué dirección avanzar para lograrla, analizando, en particular, algunas de las dificultades que nos podemos encontrar.
todas
las
socialmente,
personas con
decisiones políticas. - Alfabetización
puedan
criterio
intervenir
científico,
científica
en
cultural,
relacionada con los niveles de la naturaleza de La alfabetización científica y tecnológica
la ciencia, con el significado de la ciencia y la
sugiere unos objetivos básicos para todos los estudiantes, que convierten a la educación científica en parte de una educación general.
tecnología y su incidencia en la configuración social.
Hablar de alfabetización científica, de ciencia
Se trata de tener en cuenta en la enseñanza
para todos, supone para muchos autores
otras dimensiones de la ciencia que hasta
20
ALFABETIZACION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA__________________________________ ahora no han sido incluidas, en particular, las interacciones de la ciencia y la tecnología con
orientación multi-dimensional de la educación científica, que resultará beneficiosa y
el medio natural y social, es decir, las relaciones Ciencia Tecnología y Sociedad
favoreceré el aprendizaje de todos, Incluidos los propios científicos.
(CTS). La alfabetización científico-tecnológica multidimensional se extiende más allá del
La dimensión CTS en la enseñanza se debe
vocabulario, de los esquemas conceptuales y de los métodos procedimentales, para incluir otras dimensiones de la ciencia: debemos
entender como parte de la inmersión en una
ayudar a los estudiantes a desarrollar perspectivas de la ciencia y la tecnología que
científica y tecnológica. Se propone, así, un tratamiento que no puede traducirse en
incluyan la historia de las ideas científicas, la
fórmulas
naturaleza de la ciencia y la tecnología y el papel de ambas en la vida personal y social.
contemplarse como una actividad con aspiración científica, abierta y creativa, debidamente orientada por el profesor, que
Este es el nivel multidimensional de la
cultura científica, una inmersión destinada a favorecer una auténtica alfabetización
sencillas,
sino
que
ha
de
alfabetización científica. Los estudiantes deberían alcanzar una cierta comprensión y
incluya, entre otros:
apreciación global de la ciencia y la tecnología
- La consideración del posible interés y
como empresas que han sido y continúan siendo parte de la cultura.
relevancia de las situaciones propuestas que
Además, la investigación didáctica ha puesto de manifiesto que el tener en cuenta en las clases de ciencias los contenidos CTS
dé sentido a su estudio y evite que los alumnos se vean sumergidos en el tratamiento de una situación sin haber podido siquiera formarse una primera idea motivadora.
aumenta el interés de los estudiantes hacia la ciencia y mejora su actitud hacia su estudio.
- El estudio cualitativo de las situaciones
Esto es comprensible si se tiene en cuenta
problemáticas planteadas y la toma de decisiones, para acotar problemas y operativizar que es lo que se busca (ocasión
que frecuentemente se presentan
las
materias científicas de forma que los estudiantes las ven como algo abstracto y
para que los estudiantes comiencen a explicitar funcionalmente sus concepciones).
puramente formal, sobre todo en el caso de la física y la química, como un dominio
- La invención de conceptos y emisión de
reservado a minorías especialmente dotadas y contribuyendo al elitismo con tratamientos
hipótesis, (ocasión para que las ideas previas sean utilizadas para hacer predicciones
puramente operativos, no significativos.
susceptibles de ser sometidas a prueba).
Tras la idea de alfabetización científica y de una mayor atención a la dimensión CTS no
- La elaboración de estrategias de resolución
debe verse, pues, una merma de la calidad
experimentales) para contrastar las hipótesis,
educativa. Resulta esencial romper con estas
a la luz del cuerpo de conocimientos de que se dispone.
interpretaciones erróneas de lo que supone
(Incluyendo,
en
su
caso,
diseños
esa alfabetización y valorar positivamente la 21
ALFABETIZACION CIENTIFICA Y TECNOLOGICA__________________________________ -
El
manejo
reiterado
de
los
nuevos
conocimientos en una variedad de situaciones, poniendo un énfasis especial en las relaciones Ciencia, Tecnología y Sociedad que enmarcan
• DECLARACIÓN DE BUDAPEST
el desarrollo científico, propiciando, a este
Aclaración de Divulgón: consideramos Importante destacar que el presente artículo
respecto,
la
toma
fundamentada
de
decisiones. Las interacciones Ciencia, Tecnología y Sociedad se convierten así en una dimensión
da un marco general para la alfabetización
esencial para una adecuada inmersión en la cultura científica, es decir, para la educación
reconstrucción de la dimensión CTS, adecuada a las distintas realidades de cada país.
científica y tecnológica. Sin dudas la implementación de estas ideas requiere una
científica que precisamos todas las personas, incluidos los futuros científicos y científicas.
Los autores son investigadores de la Universidad de Valencia, España. El artículo completo se encuentra en:
BIBLIOGRAFÍA
www.ua.es/dfa/curie/curiedigital/2001 NJ/AV 72-81.pdf
•
Fourez
G.,
1997.
Alfabetización
científica y tecnológica. Acerca de las finalidades de la enseñanza de las ciencias.
Más información en: Organización de Estados Iberoamericana para
Buenos Aires: Colihue. • Marco, B., 2000. La alfabetización
la Educación, la ciencia y la cultura:
científica. Didáctica de Experimentales 141-164
las
www.campus-oei.org/oeivirt/
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22
LA FISICA EN NUESTRA VIDA CITIDIANA Y LA FISICA COMO AVENTURA INTELECTUAL_____________________________________________________________ LA FÍSICA EN NUESTRA VIDA COTIDIANA Y LA FÍSICA COMO AVENTURA INTELECTUAL NICOLAAS BLOEMBERGEN
Físico estadounidense cuyas contribuciones a la
un átomo y observarlo durante un largo
espectroscopia
periodo. Por tanto, los átomos son una cosa muy real. También sabemos que estos átomos pueden subdividirse o ionizarse. Cada átomo
con
rayo
láser
han
sido
fundamentales. En 1981 recibió el premio Nóbel de Física junto con Kai M. Siegbahn y Arthur Schawlow.
E
L MUNDO QUE NOS RODEA está lleno de fenómenos físicos que pueden ser
observados directamente, sin necesidad de equipos costosos. Por ejemplo, el movimiento del Sol y de la Luna, de los planetas y las estrellas. Está también el espectro de colores del arco iris, el flujo del agua, la forma que adquieren las gotas sobre un vidrio u otras sustancias, la reflexión de la luz en un espejo o en un charco de agua, la aparente ruptura de un palo cuando se le introduce con cierta inclinación en el agua de un canal, el movimiento de un columpio o un carrusel, o la formación de las olas. Sabemos que una roca puede romperse en dos partes y que este proceso puede repetirse muchas veces más, hasta conseguir que solo
es en realidad un sistema planetario en el cual el núcleo funciona como el Sol y los electrones circundantes desempeñan el papel de los planetas. Los grandes aceleradores de partículas han permitido a los científicos llegar aún más lejos y obtener información del interior del núcleo. Así pues, una pregunta simple llevo a muchísimos científicos, durante cientos de años, a enormes y emocionantes excursiones sobre la estructura de la materia. Esta investigación continúa llevándose a cabo en laboratorios de investigación de todo el mundo. Regresemos empero a cosas más simples. Ya desde la edad de seis años yo tenía que usar lentes. Ocho años después una clase de óptica me fascino, y entonces me interese mucho por aprender como se forman las imágenes a través de los lentes. También escuchar la radio por primera
queden granos de arena. ¿Qué pasa si este granito se vuelve a partir? ,¿Hasta dónde podemos continuar este proceso? Un filósofo griego que se llamaba Demócrito se planteó estas preguntas hace 2 500 años, más o menos, y propuso el concepto del átomo, una partícula que no se puede dividir. Tomó muchísimos años y el increíble esfuerzo de miles de científicos responder a la pregunta que Demócrito se planteó. Fue hasta hace pocos años que los científicos pudieron aislar 23
LA FISICA EN NUESTRA VIDA CITIDIANA Y LA FISICA COMO AVENTURA INTELECTUAL_____________________________________________________________
Vez me resultó un misterio, al igual que la televisión, pero uno se acostumbra
Que en un valle. En aquel tiempo la pregunta
rápidamente a las innovaciones tecnológicas.
me asaltó inmediatamente: ¿por qué toma más tiempo freír un huevo en la punta de la
Cualquier persona inquisitiva y curiosa se
montaña?
preguntará cómo funciona esto, por qué se necesita una antena, que pasa si meto mi radio en una bolsa de papel o si la meto en
Lo que me pareció más fascinante en mi
una caja de metal. Si uno esta realmente interesado en responder estas preguntas, muy pronto se vuelve claro que estudiar electricidad o electromagnetismo es un gran reto. Lo que a mí me atrajo a la ciencia y, en particular, a la física, era el reto que planteaban
camino de hacedor de preguntas es que las matemáticas pueden ser de gran ayuda; de hecho, son indispensables para describir la gran variedad de fenómenos físicos. El movimiento de los planetas se describe por medio de las elegantes ecuaciones que Newton formuló. Las ecuaciones de la mecánica también describen el movimiento de pelotas, flechas, bombas y naves espaciales.
las preguntas aparentemente simples. He
Las ecuaciones de Maxwell describen el
pasado gran parte de mi vida estudiando las propiedades electromagnéticas de la materia y sigo aprendiendo todos los días.
comportamiento de las ondas electromagnéticas, de radio, de los radares y de la luz. Las ecuaciones de la mecánica
Cuando me enseñaron en la escuela lo re-
cuántica describen el movimiento de los
ferente a la presión barométrica y el cambio de la temperatura de ebullición y licuefacción
electrones de los átomos, de las moléculas y los metales. La correspondencia entre las
producido por la presión, entendí por qué
ecuaciones matemáticas y los fenómenos
toma más tiempo cocer un huevo en la punta
físicos es tan sorprendente que es casi
de una montaña
sobrenatural. Este hecho es una fuente
24
LA FISICA EN NUESTRA VIDA CITIDIANA Y LA FISICA COMO AVENTURA INTELECTUAL_____________________________________________________________ continua de fascinación y un reto para el científico profesional, pero, precisamente,
debería adquirir algún sentido con discusiones como ésta.
esta conexión entre las matemáticas y la física es lo que frena a muchos niños para estudiar
Debo confesar que la física nunca me pareció
física.
algo fácil. Probablemente sea este reto intelectual de hurgar un poco más
Los fenómenos simples pueden, sin embargo, ilustrar los conceptos básicos del razonamiento
profundamente
Cuantitativo. Por ejemplo, la idea de proporción y el significado de las gráficas se
una investigación, por solitaria o anónima que parezca, que implique complejos aparatos
pueden elucidar observando el movimiento de
experimentales y ecuaciones teóricas, y las
las pelotas, de los objetos que caen, o pesando objetos en una báscula. Los
aplicaciones tecnológicas que puedan servir a toda la humanidad ha sido probablemente la experiencia más gratificante.
conceptos de orden de magnitud o potencias de diez también son muy importantes y se pueden comunicar empezando por el tamaño de la punta de un dedo, luego proceder al
en
los
misterios
de
la
estructura de la materia lo que motivó mi carrera profesional. Para mí, la relación entre
Mis investigaciones para obtener el doctorado entre 1946 y 1947, que llevé a cabo bajo la
tamaño del brazo, del cuerpo humano, una casa, un pueblo, una ciudad, un país, un
guía
del
profesor
E.M.
Purcell,
quien
continente, la Tierra, y luego extrapolar a la distancia de la Luna, del Sol, las estrellas y las
con F. Bloch, trataban acerca de la medicina de los tiempos de relajación T, y T2 del espín
galaxias. Para proceder en dirección contraria en la escala de magnitud, se puede considerar
nuclear de los protones en agua y en otros fluidos. Ciertamente no teníamos idea en ese
el tamaño de un palillo, el tamaño de un
momento de que el refinamiento de nuestras
microbio bajo el microscopio, y extrapolar al
técnicas llevaría a poder explorar el cuerpo
tamaño de las moléculas, de los átomos, y más allá al núcleo y sus electrones.
humano a través de la resonancia magnética. Este es un avance mayor en el campo de la
compartió el premio Nobel de Física en 1952
medicina que permite observar el flujo de la Pasemos al mismo juego de potencias de diez en el tiempo. Comencemos con el movimiento
sangre, el crecimiento de los tumores,
del péndulo en el reloj del abuelo, que es más o menos de un segundo. Aumentemos el
otros órganos. Los tiempos T, y T, son fundamentales para este desarrollo. Mis
tiempo a un minuto, una hora, un día, un año, un siglo, los períodos geológicos, la edad de la
investigaciones subsecuentes con máseres,
Tierra y la edad del Universo. Procedamos en dirección contraria a intervalos más pequeños.
relevantes en otras aplicaciones tecnológicas. La interacción de un haz de rayos láser con
El periodo de la oscilación del sonido, el ultrasonido, o la vibración del cristal de cuarzo
algunos materiales permite taladrar y soldar industrialmente con gran precisión incluyendo
en un reloj digital, hasta el periodo de
la fabricación de automóviles y motores de
oscilaciones de los electrones en un átomo. El
propulsión. El campo de la cirugía se ha
concepto de escala logarítmica o exponencial
revolucionado al utilizar el rayo láser como
algunos procesos en el cerebro humano y en
láseres y en óptica también han sido
bisturí. Muchos procedimientos quirúrgicos, 25
LA FISICA EN NUESTRA VIDA CITIDIANA Y LA FISICA COMO AVENTURA INTELECTUAL_____________________________________________________________ incluyendo las delicadas operaciones de los ojos y las cuerdas vocales se llevan a cabo hoy de manera rutinaria por medio del rayo láser. El uso de fibras ópticas en combinación con rayos láser semiconductores también ha revolucionado el campo de las comunicaciones. Se han colocado cables de fibras ópticas en el fondo del océano Atlántico y del Pacífico. Estos cables pueden conducir la información de más de 40 000 conversaciones telefónicas simultáneamente. También es una realidad hoy que los avances en las comunicaciones vía satélite o por medio de fibras ópticas proveen una manera eficaz de llegar a las áreas remotas del Tercer Mundo y las poblaciones de estos lugares se ponen en contacto con otras del propio país y de otras naciones. Es por estas razones que pretendo mantenerme interesado en la investigación de la relación de los rayos láser con la materia; aún después de haberme jubilado. Traducción: Margarita Mancilla Lory
26
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD ANA MARIA SANCHEZ Y JULIA TAGUEÑA Ana María Sánchez estudió física en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Es investigadora del Centro Universitario de Comunicación de la Ciencia de la UNAM y responsable de la Sala de Energía de Universum, Museo de las Ciencias. Julia Tagueña estudió física en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Actualmente, es investigadora en el Centro de Energía Solar del Instituto de Investigaciones en Materiales (Temixco, Morelos).
vibran. Los electrones chocan entre sí y con otros obstáculos, como podrían ser impurezas. A este impedimento al flujo de la corriente se le denomina resistencia. Si ponemos a circular una corriente en un circuito y luego retiramos la fuente, la corriente pronto caerá a cero. La
resistencia
aumenta
a
medida
que
E
aumenta la temperatura; empero, a principios
encontrar una explicación al mecanismo de la
investigarlo. Repentinamente, al alcanzar los
superconductividad de alta temperatura.
4.2 K (-268.8°C) la resistencia eléctrica del
STE ARTICULO ABORDA uno de los problemas más apasionantes de la ciencia básica en la actualidad:
del siglo no se sabía con certeza que sucedería con la resistencia a temperaturas muy bajas, y Kammerling Onnes decidió
El fenómeno de la superconductividad fascinó a los científicos desde su descubrimiento en
mercurio desapareció. Además del mercurio, Onnes encontró que otros metales, como el estaño, el plomo, el tantalio y el niobio,
1911, cuando se logró licuar el helio a una temperatura muy cercana al cero absoluto.
exhibían dicha propiedad, a la que se llamó superconductividad. Una corriente circularla
Sin embargo, es a principios de 1987 cuando
permanentemente
el público en general empieza a conocer sus
mantenerla en un circuito de los metales
características, a interesarse en el, debido al descubrimiento de materiales donde el
mencionados, desde luego, a una temperatura adecuada. Resulta que para cada material superconductor el fenómeno se presenta sólo
fenómeno acontece a temperaturas bastante más elevadas que la del helio líquido, y que
sin
necesidad
de
por abajo de una cierta temperatura, llamada
prometen aplicaciones que, de lograrse, sin
crítica
(Tc).
Curiosamente,
los
mejores
duda repercutirán en la forma de vida de nuestra sociedad.
conductores a temperaturas ordinarias, cobre, plata y oro, jamás se convierten en superconductores.
¿Qué significa la expresión "temperaturas bastante mas elevadas"? Con objeto de dar respuesta al cuestionamiento anterior,
Además de la resistencia cero, existe una propiedad que caracteriza al estado
recordemos brevemente en que consiste la
superconductor y se conoce como efecto Meissner; en dicho efecto, el superconductor
superconductividad. Imaginemos una corriente eléctrica como un flujo de electrones que se mueven dentro de la red cristalina de un conductor cuyos átomos
no
permite
la
entrada
de
un
campo
magnético, es decir, se comporta como un espejo que refleja perfectamente al campo 27
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ intruso. Se puede entender esta situación al recordar la relación entre electricidad y
Una vez escogidos, se diseñan los experimentos con el propósito de estudiar la
magnetismo. El campo magnético genera corrientes en la superficie del superconductor,
respuesta de sus temperaturas críticas frente a cambios físicos y químicos bien definidos.
que a su vez producen un campo magnético
Una ruta ideal sería la de comprender claramente las causas que provocan el
opuesto al original. Para cada superconductor existen, también, una temperatura crítica, un campo magnético crítico y una corriente crítica que destruyen la superconductividad.
fenómeno y, entonces, diseñar la combinación más adecuada.
Como se mencionó anteriormente, los prime-
Después de la Segunda Guerra Mundial, cuando proliferó el uso del helio como
ros superconductores descubiertos fueron
refrigerante, empezaron a descubrirse nuevos
elementos metálicos, donde el fenómeno se presenta a temperaturas cercanas al cero
compuestos superconductores. En 1957, Matthias propuso una formula en la que se usaba la posición de los elementos en la tabla
absoluto. Para alcanzar estas temperaturas se requiere helio líquido y la tecnología necesaria para licuarlo es complicada y costosa, de forma tal que la aplicación práctica de la
periódica para predecir la superconductividad; en ella se establecía que los superconductores con mayores temperaturas críticas se
superconductividad se vió sumamente limitada. Debido a esto, desde un principio se
encuentran
dedicaron grandes esfuerzos para producir superconductores con temperaturas críticas
elementos intermetálicos. Estos compuestos pertenecen solo a unos cuantos tipos de estructuras cristalinas, de las que la más
cada vez mayores. Para que sean útiles, los superconductores deben poseer, además, la
combinan
entre
los
metales
de
compuestos
que
transición
con
favorable es la llamada beta-tungsten. Entre
capacidad de transportar grandes corrientes y
estos compuestos se habían descubierto hasta
de soportar grandes campos magnéticos.
finales de los años cincuenta: Nb 3Au (con Tc=
LA
11 K), V9Si y Nb3Ge (con 17 K) y Nb 3A1 (con 18 K). La máxima temperatura crítica para
BÚSQUEDA
DE
MEJORES
SUPERCONDUCTORES
este tipo de compuestos se obtuvo en 1968, con una aleación de Nb=Ge a 27.3 K. Al llegar
En vista de que los elementos simples no
a este punto, surge una pregunta lógica:
cumplían las condiciones mencionadas, se inició entonces el estudio de compuestos
¿puede elevarse la temperatura crítica combinando dos o más de estos compuestos?
intermetálicos y aleaciones, y se empezaron a buscar estructuras y características químicas
La respuesta experimental ha sido un rotundo
propicias
para
que
se
diera
no.
la
superconductividad con temperaturas críticas
Durante más de un decenio, todos los esfuer-
10 más elevadas que fuera posible. Una manera empírica de buscar nuevos superconductores consiste en trabajar con
zos por superar esta temperatura resultaron inútiles, hasta que inesperadamente se dió un gran salto al utilizar materiales que
compuestos que existen naturalmente, y
inicialmente
experimentar entre los miles que pueden
adecuados: los óxidos. Ya desde 1966 se
sintetizarse a través de reacciones químicas.
había encontrado superconductividad a 0.3 K
28
no
se
habían
considerado
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ en el óxido metálico SiTiO3, y siete años después se encontró una alta temperatura de transición (13.7 K) en el sistema Li-Ti-O. Dos años más tarde se descubrió que una perovskita,
BaPb-Bi-0,
presentaba
superconductividad a 13 K. Analizando estos resultados y haciendo algunas consideraciones teóricas, Bednorz y Miiller decidieron investigar óxidos que contuvieran niquel o cobre. A principios de 1986, la temperatura crítica en el sistema Ba-La-Cu-O ya se había elevado a 48 K y en febrero, con un compuesto deY Ba-Cu-O se alcanzaron los 90 K. Empero, esta carrera desenfrenada no
Figura 1. Un superconductor es un espejo para un imán (las figuras son cortesía del doctor Paul Grant, de IBM Almaden).
terminó ahí; posteriormente se encontró el
una cierta fracción de los portadores de carga
compuesto Bi-Sr-Ca-Cu-O con 110 K y TI-BaCa-Cu-O con 125 K. A la fecha siguen
debe presentar el mismo estado cuántico. En
apareciendo nuevos materiales, y no queda más que maravillarse de la inventiva del hombre que con un centenar de elementos naturales ha logrado construir grandes empresas. Analogamente puede mencionarse el mérito de Cervantes Saavedra, quien con 29 letras escribió El Quijote.
partir
del
descubrimiento
de
la
superconductividad, hubo que esperar 46 años para estructurar una teoría microscópica satisfactoria. Obra de Bardeen, Cooper y Schriffer, ésta recibió el nombre de teoría BCS. Como hemos visto, la superconductividad es un estado que presentan algunos materiales abajo de una temperatura crítica y, desde un punto de vista microscópico, es un fenómeno cooperativo en el que participan muchas partículas. Para que un material presente las características fundamentales de la superconductividad, es decir, corrientes que persisten y efecto Meissner,
puede
estar
determinado
en
un
cierto
momento.
estado
Cuando
en
en un
material existe resistencia, los electrones saltan de un estado a otro según el obstáculo que vayan encontrando. Para que exista una supercorriente,
LOS MODELOS TEORICOS A
los metales normales, los portadores son electrones que obedecen el principio de exclusión de Pauli: una y solo una partícula
es
decir,
un
flujo
que
prácticamente resulte inmune a los efectos de los obstáculos, los portadores no pueden ser partículas solas, sino partículas compuestas de un número par de electrones, ya que de ésta forma no tienen que obedecer el principio de Pauli. Se ha confirmado experimentalmente que en un superconductor la corriente la forman pares de electrones, ya que el flujo magnético atrapado en un cilindro hueco superconductor es un múltiplo de la unidad de flujo hc/2e, donde h representa la constante de Planck, c la velocidad de la luz y e la carga del electrón. La presencia del 2 en el denominador indica que las cargas son pares de electrones.
29
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ La teoría BCS afirma que la superconductividad se debe a una condensación de
valores BCS; a estos materiales se les llamó superconductores de acoplamiento fuerte,
electrones a una cierta temperatura, para dar lugar a un nuevo estado en el que la
para diferenciarlos de los de acoplamiento débil que siguen las razones BCS.
correlación por pares es importante. Esta condensación ocurre siempre y cuando la
En los materiales de acoplamiento fuerte, la
interacción efectiva entre electrones sea atractiva. ¿Cómo puede ser atractiva, si entre los electrones existe una repulsión
naturaleza
coulombiana (cargas iguales se repelen) que tiene que ser vencida? Para que se forme un
de acoplamiento fuerte, conocida también como ecuaciones de Eliashberg, donde se
par de Cooper, como se denomina a las
describe el sistema completo que incluye a los
parejas de electrones en la teoría BCS, la repulsión debe vencerse a través de un
electrones, los fonones y la interacción entre ambos. En esta teoría, el estado superconductor se relaciona directamente con
potencial atractivo, mediado por vibraciones de la red atómica (llamadas fonones). Intuitivamente, podemos imaginarlo de la manera siguiente: al moverse un electrón en
intrínseca
de
la
interacción
electrónfonon tiene un papel de gran trascendencia. De esta manera surge la teoría
los
parámetros
del
estado
normal,
en
particular, con las características de los fonones. Las ecuaciones de Eliashberg pueden
la red formada por núcleos positivos, los atrae y provoca una deformación en la red. Esa
derivarse análogamente a la teoría BCS y con-
deformación afectará a otro electrón que se sentirá atraído hacia el primero.
para la superconductividad: el apareamiento de electrones mediante fonones. Cabe señalar que ambas teorías son generales, debido a
En su trabajo original, Bardeen, Cooper y
que no es imprescindible que el mecanismo
Schriffer introdujeron un parámetro V, que
de apareamiento Sean las vibraciones de la
representaba la suma de los dos potenciales
red, sino que podrían ser otro tipo de
que afectan a los electrones: el atractivo y el repulsivo, sin adentrarse en la naturaleza
excitaciones las acoplamiento.
ceptualmente habían de un mecanismo similar
causantes
de
dicho
exacta de la interacción entre pares de electrones y fonones. Partiendo de un modelo sencillo de interacción y por medio del
Los descubrimientos recientes de superconductividad en los compuestos de La-
parámetro V, que puede ajustarse mediante datos conocidos (como la magnitud de la
Sr-Cu-O con temperaturas de transición arriba de 30 K, los de Y Ba-Cu-O con
temperatura crítica) la teoría BCS predice muchas de las propiedades de los
aproximadamente 90 K y aún más recientemente las cerámicas de bismuto (110
superconductores en concordancia con los
K) y de talio (125 K), han causado una gran
experimentos.
conmoción en la comunidad científica. De todos los elementos y aleaciones estudiados
Primero se pensó que las predicciones de la
hasta antes de 1985, la temperatura crítica
teoría BCS constituían leyes universales que
más alta era de 23.2 K, y el comportamiento
todos
obedecer; sin embargo, existen materiales
de todos ellos era entendible conforme a las dos teorías expuestas. Después del des-
como el Pb y el Hg que no cumplen con los
cubrimiento
30
los
superconductores
tenfín
que
de
las
cerámicas
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ superconductoras, ha aparecido un sinnúmero de nuevas teorías que van desde pequeñas
de hasta 34 K, lo que significa que, después de todo, la baja dimensionalidad no es como
modificaciones a la teoría BCS, hasta la proposición de nuevos mecanismos. Discu-
se pensaba, fundamental. Existen otros dos puntos de interés en el material Ba-K-Bi-O,
tiremos, entonces, algunas de las ideas que
además de su tridimensionalidad. En primer lugar, que a la temperatura crítica sufre un
han estado manejándose en el mundo de los superconductores, aunque no existan aún respuestas definitivas.
cambio estructural, haciendo pensar que los
LAS NUEVAS TEORÍAS
presenta en el un efecto isotópico (dependencia de la temperatura crítica con la
Iniciemos este apartado explicando por qué es
masa atómica) tipo BCS, que los materiales
necesario plantear nuevas teorías. Es un hecho experimental que en los nuevos
anteriores a este parecían no presentar, o por lo menos no de manera notable. Claro que hay científicos que piensan que tal vez los
superconductores
los
portadores
siguen
teniendo carga 2e; no obstante, el valor tan alto de la temperatura crítica no se ajusta a las predicciones BCS. Es más, como se verá
fonones efectivamente guardan alguna relación con este proceso. En segundo, se
compuestos de Bi no son exactamente iguales a los que tienen Cu, a pesar de ser también cerámicas. ¿Podría existir entonces, algún
posteriormente, si los pares tienen un acoplamiento tipo BCS, la excitación causante
mecanismo
que
fuera
común
a
los
del mismo tiene que ser de origen electrónico, debido al espectro de las energías
temperatura basados en cobre?
participantes.
Como ya se mencionó, en los nuevos
superconductores tipo BCS y a los de alta
superconductores
los
Mientras los teóricos especulan con nuevos
nuevamente
carga
modelos, los experimentales han estado muy
confirmado por un experimento realizado en
ocupados realizando gran cantidad de mediciones. Cualquier nueva teoría deberá poder contener la información experimental,
juntas de Josephson. La discusión que queda por dirimir es si son pares de hoyos o de electrones. Parecía que la hipótesis de que
pero antes es necesario seleccionar los resultados confiables. A estas alturas ya
eran hoyos iba ganando la batalla, pero ahora existen dudas debido a la existencia cia de
conocemos algunos hechos, pero continuamente aparecen nuevos conceptos que
materiales envenenados con electrones de Nd-Ce-Cu-O, en los cuales las pruebas
obligan a cambiar el enfoque. Por ejemplo, los compuestos de Y presentan cadenas y pianos
parecen indicar que son pares de electrones los que superconducen. De esta forma, las
de oxígeno y cobre, y había una polémica
teorías basadas en el apareamiento de hoyos
sobre la importancia de una u otra estructura.
tendrán que reconsiderarse.
Al encontrarse los compuestos de Bi y de TI que solo tienen pianos, la polémica quedó
Se ha meditado bastante sobre la posibilidad
resuelta. Pero ahora surge una contradicción
de
más.
isotrópicas, es decir, equivalentes en todas las
superconductores sea de origen magnético. El modelo de Anderson plantea, por un lado, que
direcciones, de BaK-Bi-O, con temperaturas
un orden magnético frustrado puede originar
Se
han
encontrado
cerámicas
que
el
de
portadores
acoplamiento
2e,
de
son
resultado
los
pares
31
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ un estado superconductor, y, por el otro, que
para el cual un superconductor dejaría de
la correlación entre electrones es sumamente
serlo. Estos valores pueden relacionarse con
fuerte. Tanto el sistema La 2CuO4, como el sistema YBa,Cu3O6 son antiferromagnéticos,
el factor y del calor específico (Cv=y7) que presentan los electrones en estado normal.
pero
Valores similares han sido calculados para
cuando
se
respectivamente,
le
añade se
Sr
u
0,
vuelven
las ecuaciones de Eliashberg. Esta información
superconductores. Esta cercanía al estado magnético ha hecho pensar en que los responsables del acoplamiento podrían ser las
permitirá clasificar un material al comparar los resultados experimentales con los predichos por las dos teorías. Una vez decidido si el
excitaciones magnéticas, llamadas magnones; sin embargo, esta hipótesis no ha podido
material es de acoplamiento débil o fuerte, también podrá obtenerse información sobre la
comprobarse experimentalmente. Además se
magnitud de la energía de la excitación
ha encontrado un material superconductor, el ya mencionado Ba-K-Bi-O, que es un óxido
causante del acoplamiento.
semejante a los otros pero que no contiene
Los primeros resultados para la brecha super-
ningún ión magnético. Tampoco, como se observa en el último compuesto mencionado,
conductora a partir de experimentos de tunelaje y de espectroscopía infrarroja originaron una enorme variedad de valores.
el cobre constituye el elemento indispensable de estos materiales. También se habla (aunque todavía no se ha confirmado) de que
Los experimentos más recientes ofrecen
existe otra cerámica superconductora sin Cu, el La, ,Sr.NiO4, en la que se debe notar que el
el experimento de reflexión de Andreev, que consiste en inyectar electrones, a través de una junta puntual, a un metal normal unido a
espín del Ni'-+ es 1, en lugar del 1/2 del Cu, resultado que afecta a los modelos basados en el valor del espín.
resultados que parecen sólidos. Mencionemos
un superconductor. Si el electrón tiene una energía
menor
superconductora,
que no
podrá
la
brecha entrar
al
A estas alturas del texto, el lector seguramente estará cansado de la mención
superconductor, pero en cambio sí podrá condensarse con otro electrón de momento y
aislada de tantos ejemplos y contraejemplos;
espín opuestos y formar así un par de Cooper.
no obstante, resulta importante discutir finalmente un punto más. Si, como hemos
El hoyo así formado se regresará en el mismo sentido que tenía el electrón, provocando un
visto, el panorama resulta confuso y la teoría BCS no ha sido totalmente descartada, ¿en
exceso de corriente en la junta. Es posible variar la energía de los electrones inyectados
cual de sus versiones deberá aplicarse?; ¿estamos tratando con superconductores de
y medir el voltaje al que desaparece la reflexión de Andreev. El resultado de este
acoplamiento débil o de acoplamiento fuerte?
experimento está relacionado con el modelo de acoplamiento débil.
La teoría BCS hace una serie de predicciones con respecto a la temperatura crítica T., de la
Igualmente se han estudiado otros cocientes
diferencia de energía entre el par de
típicos. Uno es el cambio en calor específico
electrones y el mismo par, separado en dos
Cv/'Tc. Para calcularlo se requiere saber ACv,
electrones independientes [brecha de energía
y el valor de y que se ha encontrado a partir
.(O)], y del campo magnético crítico HJO),
de experimentos de susceptibilidad magnética
32
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ usando un modelo de electrón libre.
normal, aunque sabemos que son sistemas fuertemente correlacionados, donde el modelo de electrón libre es inadecuado. En consecuencia, nos encontramos ante el privilegio de desentrañar por enésima vez un misterio de la naturaleza. La enorme expectativa que despierta este fenómeno va más allá de sus posibles aplicaciones prácticas. "Si yo pudiera ir al futuro -le escuchamos decir en alguna ocasión a un
Figura 2. Un anillo en un campo magnético: a) en el
científico amigo-, me gustaría saber el efecto
estado normal; b) en el estado superconductor
causado por los superconductores de esa época, y sus aplicaciones en la vida cotidiana."
(efecto Meissner); y c) una vez retirado el campo externo.
De nuevo los datos señalan que se trata de un acoplamiento débil, aunque en este punto hay
BIBLIOGRAFÍA
bastante incertidumbre en el valor de y por las aproximaciones implícitas en el modelo de
Anderson, P.W., 1973, Mat. Res. Bull., vol. 8,
electrón libre. Con respecto al campo crítico, hace falta adoptar medidas más exactas de
núm. 153.
las que ahora se tienen. Las medidas con las
Bardeen, J., L.N. Cooper y J.P. Schrieffer, 1957, Phys. Rev., vol. 106, núm. 162; Phys.
que se cuenta parecen indicar que la energía
Rev., vol. 108, núm. 1175.
de la excitación debería ser superior a 0.30 eV, lo cual supone una excitación de origen
Cava, R.J., et al., 1988, Nature, vol. 332,
electrónico.
núm. 814.
problema,
Mientras están
se
descifra
elaborándose
este
modelos
fenomenológicos que conducirán a una mejor
Eliashberg, G.M., 1960, Soviet Phys, JETP,
comprensión experimentales.
vol. 11, núm. 696.
de
los
resultados
Por todo lo discutido en este artículo podría afirmarse que la nueva teoría de la supercon-
Gough, C.E., et al., 1987, Nature, vol. 326,
ductividad deberá contener muchos de los elementos que integran la teoría BCS. Sin embargo, prevalece el sentimiento
Hoevers, H.F.C., et al., 1988, Physica, vol.
núm. 855.
C152, núm. 50.
generalizado de que el descubrimiento de los superconductores
de
alta
temperatura
Inderhees, S.E., M.B. Salomon, T.A. Friedman
modificará nuestra concepción de lo que es la superconductividad en un sólido. Por su nove-
y D.M. Ginsberg, 1987, Phys. Rev., vol. B36, núm. 2401.
dad, de las cerámicas superconductoras ni siquiera conocemos con exactitud su estado 33
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ Jones, N.L., et al., 1988, Solid State Chem., vol. 78, núm. 319. Junod, A., A. Bezinge y J. Muller, 1988, Physica, vol. C152, núm. 50. Marsiglio, F y J.P. Carbotte, 1986, Phys. Rev., vol. B33, núm. 6141. "Memorias de la xi Reunión de Invierno de Bajas Temperaturas: Superconductores de Alta Tc.", World Scientific, 1990, Cocoyoc, Morelos, México [en prensa] Niemeyer, J., M.R. Dietrich y C. Politis Z., 1987, Physica, vol. B67, núm. 155. Thomas, G.A., et al., 1988, Phys. Rev. Lett., vol. 61, núm. 1313. Tokura, Y., H. Takagi y S.,Vchida, 1989, Nature, vol. 337, núm. 345.
34
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________
LA FISICA EN LATAS
INTRODUCCIÓN
L
a realización de experimentos con materiales de bajo costo o de desecho, empleados
pertinentemente,
representa una estrategia didáctica indispensable en la enseñanza de las ciencias (biología, física y química) en la educación secundaria, pues incrementa el interés del alumno por el estudio de estas disciplinas. Los experimentos con materiales de bajo costo desarrollan la capacidad creativa del alumno porque permiten la práctica contínua de la observación, la reflexión, la crítica, el análisis y la síntesis, sin el temor de averiar instrumentos costosos. Los experimentos presentados en este documento apoyan los contenidos de los programas de Física de educación secundaria. El maestro puede indicar a sus alumnos el formato adecuado para escribir un reporte de la actividad que realicen. Nuestra intención es proporcionar actividades que puedan llevarse a cabo en el laboratorio o en el salón de clases. Por ejemplo, en el estudio del movimiento rectilíneo uniforme se dan varias opciones para que los alumnos las trabajen en equipo y lleguen al mismo objetivo. Otros experimentos pueden ser desarrollados por un equipo de trabajo en el salón de clases como preámbulo a la discusión y la reflexión de un tema; tal es el caso de la fuerza centripeta y el acelerómetro; otros pueden considerarse 35
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ actividades extra-clase dirigidas a los alumnos
Una lata de refresco, llena o vacía, colocada
más
la
sobre una mesa lisa y horizontal, se desplaza
realización de proyectos como el experimento del cálculo de la constante solar.
aproximadamente con un movimiento uniforme a lo largo de la superficie,
aventajados
e
interesados
en
recorriendo distancias iguales en tiempos iguales, cuando se levanta un poco la mesa por uno de sus extremos; también se puede utilizar una tabla (figura 1).
Desarrollo. Ponga en la superficie de la mesa cinco marcas; deje 20 cm de separación entre cada una. En una de las tapas del bote marque el centro con un punto y luego coloque el bote en la mesa. Levante un poco el extremo donde está la lata, de manera que el bote empiece a rodar. Observe el punto que marcó. Mida el tiempo que ocupa la lata para recorrer cada distancia de 20 cm. Proceda a realizar una tabla de valores
tiempo-distancia
y
represéntela
gráficamente (figura 2). Obtenga los cocientes
"La física en latas" es un material elaborado en la Unidad de Actividades Tecnológicas de la Dirección de Educación Secundaria por los profesores Jorge Abel Rosas Dominguez, Evangelina Hernández Díaz, Ernestina Fernández Hernández, Javier Sustaita Miranda y Miguel Angel Villicana Calderón, como parte del Proyecto 11 El Laboratorio Escolar: Un Enfoque Moderno.
36
d/t e identifique estos valores con la velocidad: V = dh.
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ aproximadamente, al que se le ponen marcas cada 20 cm. Se llena de agua dejando una burbuja. Al inclinar el tubo ésta se desliza y se pueden medir los tiempos para cada 20 cm. Posteriormente se realiza la tabla tiempodistancia y su representación gráfica para llegar a la relación d = vt (figura 4).
Este experimento se puede realizar también con una tapa de baja fricción (figura 3). Ésta se construye con una tapa lisa a la que se hace un orificio en el centro y se le pega un tubito de plástico con un globo inflado. El aire del globo que sale por la cara de la tapa disminuye la fricción y hace posible que la tapa, con un pequeño impulso, se desplace sobre la superficie de la mesa con un movimiento rectilíneo uniforme. ESTÁTICA Procediendo de la misma manera que en el
DETERMINACIÓN
experimento anterior, elabore una tabla de valores tiempo-distancia y represéntelo gráficamente para obtener la relación d = vt.
GRAVEDAD
DEL
CENTRO
DE
Se hace una abertura rectangular en una lata y con un clavo se perfora en tres puntos, A, B y C (figura 5). Enseguida se, suspende el bote con un hilo que pasa por A y cuando el bote se encuentra inmóvil se hace un orificio en A', que esta sobre la vertical de A, posteriormente habrá que tensarlo. Este proceso se repite para los puntos B y C (figura 6). Observe que los tres hilos se cruzan en un punto llamado centro de gravedad (C.G.)
El movimiento rectilíneo uniforme también puede observarse con un tubo de vidrio de 1 cm de diámetro y de 1.5 m de longitud, 37
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________
Un empleo de la determinación del centro de gravedad es el dispositivo formado por una plomada y tres tablitas de triplay de 10 • 10 cm y cuatro tiras de triplay de 20 cm de largo. Para determinar el centro de gravedad de un cuerpo se dibuja en un pedazo de cartón la figura humana, se recorta y se hacen, tres agujeros A, B y C, como se muestra en la figura 7.
El dispositivo se arma como se ve en la figura 9. Mientras la plomada no salga de la superficie del primer cuadro la estructura no se caera.
Cuelgue la figura con un hilo en cada uno de los orificios y trace sobre ella las líneas que sigue la vertical. El punto donde se cruzan las líneas es el centro de gravedad (figura 8). Puede verificar el punto colocando la punta de un lápiz en él. Observe que la figura se mantiene en equilibrio. Si el punto fuera otro, la figura se caería.
Emplee una lata vacía sin perforaciones y colóquela en el suelo. Con suavidad, ponga un pie sobre la lata y apóyese en un objeto cercano para no caer. Observe que la lata resiste muy bien el peso. Pida a un compañero que dé un pequeño golpe a la lata con la goma de un lápiz y nota38
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ rá que aquella se aplasta (figura 10). ¿Cómo
MOVIMIENTO
RECTILÍNEO
explicaría lo observado?
UNIFORMEMENTE ACELERADO Cuando se inclina una mesa o tabla un cierto ángulo y luego se deja rodar una, lata vacía sobre ella, como en el dispositivo que se muestra en la figura 12, se obtiene aproximadamente un movimiento uniformemente acelerado que cumple con la ecuación d = ate/2. Esto puede comprobarse si medimos el
SISTEMA DE LATAS EN EQUILIBRIO A tres recipientes vacíos transparentes de plástico o tres botes de refresco se les pone agua. Uno se llena por completo, de otro se llenan 3/5 y del tercero 4/5. Se suspenden mediante dos carretes de hilo sobre un palo
tiempo (t) para diferentes distancias (d); por ejemplo: 20, 40, 60 y 80 cm. Se hace una tabla de valores tiempo-distancia y luego se traza la gráfica distancia contra tiempo al cuadrado, para
obtener
una
recta
con
pendiente a/2.
de escoba (figura 11). El conjunto de frascos o botes se pondrá en equilibrio. Luego se dan pequeños golpecitos al palo de escoba para el reacomodo de las latas (de manera que se pueda despreciar la fricción). Los hilos en suspensión formarán un ángulo recto; esto puede verificarse con un transportador o empleando vectores y el teorema de Pitágoras.
Se puede repetir este experimento con la tapa de baja fricción empleada en el movimiento rectilíneo uniforme (p. 104). La tabla de deslizamiento debe inclinarse más para obtener un movimiento acelerado (figura 13).
39
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ también puede llevarse a cabo con un acelerómetro, que consiste en un frasco transparente de vidrio o plástico con agua y dentro un corcho unido a la tapa mediante un hilo. El corcho debe flotar a mitad del agua (figura 16). MOVIMIENTO PARABÓLICO Con un clavo se hacen varios agujeros a lo largo de un bote vacío y luego se llena de agua. Se notarán diferentes parábolas debido a la velocidad de salida, del agua, que depende de la altura del agujero (figura 14). FUERZA CENTRIPETA En una lata vacía fije una vela. Coloque una hoja de plástico transparente (acetato) alrededor de la lata y fíjela con una liga (figura 15).
Enseguida se mueve el dispositivo en círculo o hacia adelante en línea recta para observar el movimiento del corcho. En el experimento de la llama podría pensarse que esta debería dirigirse en sentido contrario al movimiento. Esto sería correcto si la flama se moviera contra el aire, pero el aire esta encerrado por el plástico y permanece inmóvil con respecto a la flama. En esta situación el aire proporciona una fuerza centrípeta a la flama y por ello se inclina hacia el centro. ¿Existe analogía entre la piedra y la cuerda de una honda y el experimento de la flama? ¿Cómo explicaría acelerómetro?
Posteriormente encienda la vela. La llama debe estar aproximadamente a 5 cm de la parte superior del plástico. Tome después el bote y con el brazo extendido describa un círculo. También puede colocarlo en un tocadiscos o sobre una rueda de bicicleta con el fin de observar -la flama. ¿Hacia dónde se dirige la flama? ¿Por qué? Este experimento 40
el
funcionamiento
del
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ APLANADORA MECANICA Se hace un orificio de 5 Mm. de diámetro en la base de una lata vacía, luego se pega sobre el orificio un tubito de plástico de 2 cm. de longitud; enseguida con dos ligas y un palito de 12 cm. de largo se arma el conjunto (figura 18). De esta manera, se ha hecho un modelo de aplanadora; la liga se enreda varias veces con el palito y cuando el artefacto se deposita en el suelo, se desplaza. Como actividad de reflexión se sugiere que expliquen las diferentes transformaciones de energía. ENERGÍA EXPERIMENTO DE GALILEO Con un bote lleno de agua construya un péndulo. Amarre un hilo a la data y suspéndalo de un palo de escoba, luego suelte el bote desde el punto A. Observe que el bote siempre llegará a un punto B que se encuentra en la horizontal que pasa por A, cualquiera que sea la posición de un obstáculo C. ¿A qué se debe? TRANSFORMACIÓN
DE
ENERGÍA
POTENCIAL ELÁSTICA A ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL Corte la base de una lata para tener un platillo. Fije el platillo al extremo de una varilla. En el fondo de otro bote haga un orificio para que pase por el la varilla. Entre el platillo y el fondo del bote coloque un resorte de aproximadamente 7 cm que rodee la varilla (figura 19). Utilizando este dispositivo, lance una pelota de pingpong hacia arriba varias veces y mida la altura máxima alcanzada, a partir del platillo en reposo. Con la ayuda de la ecuación 1 /2 k x
z
= mgh deduzca la constante del 41
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ resorte.
El
experimento
también
puede
velocidad impulse la lata en sentido contrario
realizarse con el aparato de la ley de Hooke
a la salida del agua o vapor, por la ley de la
para conocer la constante y poder comparar.
conservación de la cantidad del movimiento (figura 20). MOTOR DE AGUA Suspenda con un hilo una lata de orificios dirigidos tangencialmente. Llénela de agua y enseguida observará que la lata gira en sentido contrario al flujo de agua (figura 21). ¿Qué
aplicaciones
prácticas
tiene
este
experimento?
MOTOR DE VAPOR
CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE
Ponga agua (hasta un cuarto de su capacidad) en una lata con orificios dirigidos tangencialmente en la parte superior y cuélguela de un
MOVIMIENTO Y LA ENERGÍA
palo de escoba o soporte universal; enseguida
MOTORES
coloque una lámpara de alcohol, que puede En la base de una lata vacía se hacen diez agujeros con un clavo, separados aproximadamente de 1.5 a 2 cm. Los orificios se orientan tangencialmente moviendo el clavo de A hasta A', sin sacarlo. Esta operación se repite para cada agujero a fin de obtener orificios dirigidos en toda una circunferencia; esta disposición de los agujeros hace que el líquido o vapor que salga por ellos con cierta
42
hacerse con un frasco de vidrio. Cuando la lata esté inmóvil, encienda la lámpara y espere algunos segundos a que el agua empiece a evaporarse y salga por los orificios, provocando que el bote gire en sentido contrario (figura 22). ¿Qué principios físicos explican funcionamiento de este dispositivo?
el
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________
DETERMINACIÓN DEL VALOR DE LA CONSTANTE SOLAR Para calcular el número de calorías que por unidad de área y unidad de tiempo recibe la, superficie terrestre; es decir, la constante solar, utilice un bote de refresco vacío, pinte la mitad externa de la lata con el humo de una vela, o bien con pintura de color negro mate, para que absorba el máximo de energía solar. Llene el bote de agua y péselo; después póngalo al sol de forma que los rayos lleguen perpendicularmente a la superficie negra o al eje del bote; esto lo podemos determinar cuando el bote proyecte rectangular (figura 23).
una
sombra
Cuando se han logrado estas condiciones, se cubre el bote con una pantalla para impedir que la luz del sol llegue al bote, de este modo el sistema agua-bote alcanza el equilibrio térmico con la temperatura que se encuentra alrededor de la lata.
Para verificar que el equilibrio térmico existe, se pone un termómetro en contacto con el agua, luego se agita en periodos cortos hasta que la temperatura permanezca constante. Cuando se ha alcanzado el equilibrio termodinámico, se quita la pantalla para que el sol incida en el bote; se mide la temperatura cada 30 segundos y se agita de cuando en cuando el bote. Enseguida se hace una tabla de valores y se traza la gráfica 43
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________ tiempo-temperatura (figura 24).
libre sometido a fuerzas como la que ejerce la
Con base en la fórmula
liga sobre las tuercas.
Se calcula la constante solar, midiendo en la gráfica,
obtenida
experimentalmente,
el
ángulo 0 como se muestra en la figura 25. Para mayor información sobre este proyecto se puede consultar Iniciación al método cientifico
experimental
y
Modelo
termodinámico global (véase la bibliografía, p. 118).
Cada tuerca está sometida a dos fuerzas: su peso y la fuerza de restitución de la liga con respecto a la lata. Cuando ésta se mueve
RELATIVIDAD Se cuenta que en su infancia Albert Einstein recibió un regalo con el cual es posible demostrar la relatividad existente entre un sistema fijo y otro acelerado. El regalo puede reproducirse en el laboratorio escolar. Se trata de un juguete formado por una lata de refresco vacía y sin tapa, una liga de 12 cm
hacia abajo en el sen tido de la aceleración de la gravedad el peso de las tuercas se elimina con respecto a la lata y queda solamente la fuerza de restitución de la liga, la cual llevará las tuercas al interior de la lata. Un ejemplo de este efecto, que los alumnos pueden sentir, consiste en pararse sobre una
de longitud y dos tuercas no muy grandes. En
báscula en un elevador; cuando el elevador desciende la báscula marca un valor menor al
la base de la lata se perfora un orificio para atorar la liga. En cada extremo de esta se
que se aprecia cuando el elevador está inmóvil.
amarra una de las tuercas y se colocan fuera de la lata, de manera que la liga permanezca tensa y los extremos con las tuercas
Una variante más del experimento consiste en
equidistantes (figura 26).
agujero con el dedo y llenar de agua la lata.
El juego consiste en lograr que las tuercas
Enseguida, rápidamente, se mueve la lata hacia abajo al mismo tiempo que se destapa el orificio para observar como sale el agua
entren en la lata sin tocar ni las tuercas ni la liga. Con este dispositivo el alumno observará lo que sucede cuando un objeto esta en caída
44
perforar una lata en la parte inferior, tapar el
(figura 27).
LA FISICA EN LATAS_______________________________________________________
BIBLIOGRAFÍA Inhelder y Jean Piaget, 1985, De la lógica del niño a la lógica del adolescente, Paidos, Barcelona. Beard, Ruth M., 1971, Psicología evolutiva de Piaget, Buenos Aires, Kapelusz (Biblioteca de Cultura Pedagógica) Rosas, Lucía y Héctor G. Riveros, 1985, Iniciación al método científico experimental, México, Trillas. Valero, Michel, 1994, Física a la lata, Colombia, Univalle Colombia. Morales
Acoltzi,
Tomás,
1976,
Modelo
termodinámico global, México, Facultad de Ciencias, UNAM [tésis] American Association of Physics Teachers, 1986, A potpourri of physics teachers ideas, Publications Departament, College Park. Rosas Dominguez, Jorge, 1992, Física L Fasciculo 2, México, Colegio de Bachilleres. Alvarenga, Máximo, 1982, Física general con experimentos sencillos, México, Harla.
45
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ EL DESARROLLO DE LA FÍSICA EN MÉXICO MANUEL SANDOVAL VALLARTA
Físico
mexicano
fundamentales
en
que
hizo
relatividad
contribuciones general,
física
preparación se hacía por lo común en libros
cuántica y matemáticas. Destaca su trabajo en
adquiridos por cada quien. No siempre se
torno a los rayos cósmicos, que fue el punto de partida de la teoría Lemaitre-Vallarta. Fue alumno de Einstein, Planck y Heisenberg. Es uno de los iniciadores de la física mexicana. Murió en 1977.
A
L IGUAL QUE SUCEDE en el caso de las matemáticas, la historia del desarrollo de la física moderna
arranca con Sotero Prieto que organizó en la antigua sociedad científica "Antonio Alzate", por los años de 1930-1940, un seminario donde un grupo de unos diez entusiastas presentaban semanariamente algún tema de
podia recurrir a las fuentes originales, bien fuera por dificultades de lenguaje o bien porque no habia ideas claras sobre las mejores fuentes existentes. Un factor muy favorable durante ésta primera etapa era el interés que tenía Sotero Prieto por la física como fuente de inspiración matemática. Los problemas que presenta el análisis de los fenómenos naturales eran, según el, la fuente más fecunda del análisis matemático. No tenían sentido de contacto íntimo con el mundo físico que debe de guiar siempre al buen investigador en esta materia,
matemáticas o de física, principalmente física teórica, más allá del nivel elemental. A este
y para él la confrontación con el experimento
grupo pertenecieron en diversas épocas
esto se agrega que una buena parte de los concurrentes al seminario dedicaba atención preferente a problemas de matemáticas
Alfonso Nápoles Gándara, Mariano Hernández Barrenechea, Alfredo Baflos y otros más. No se puede afirmar que en este seminario se presentaran trabajos de verdadera investigación, pero cuando menos sí había el deseo de explorar algunos aspectos `recientes de las teorías físicas Así, en ocasiones se habló de la teoría electromagnética de Maxwell; de la relatividad de Einstein, de la teoría cinética de los gases de Boltzmann, de la teoría de la radiación de Planck y de otros temas semejantes'. Los medios disponibles para realizar esta labor eran entonces muy modestos. No había en ninguna biblioteca en México colecciones de revistas nacionales o extranjeras dedicadas a publicar trabajos de investigación y la 46
tenía solo una importancia secundaria. Si a
puras, principalmente aquellos que tenían relación con la geometría, el álgebra superior, la teoría de funciones, se verá que en este seminario la física no desempeñó nunca el papel principal. Sin embargo, fue allí donde la futura primera generación de físicos mexicanos se asomó por primera vez a la física superior. El primer intento organizado para desarrollar la investigación física en nuestra patria, fue la fundación del Instituto de Física en la Universidad Nacional Autónoma de México en 1938, casi al mismo tiempo que el Instituto de Matemáticas y la Facultad de Ciencias. En
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ese año regresó a México Alfredo Banos,
del observatorio astrofísico de Tonantzintla en
quien
beca
1942. Luis Enrique Erro, quien gozaba de la
Guggenheim para realizar estudios de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts,
confianza del presidente Manuel Ávila Camacho y del secretario de Educación,
principalmente
cósmica.
Octavio Vejar Vázquez, persuadió al gobierno
Obtuvo su doctorado en física en el mismo
de la República para que gastara los fondos
año en que se fundó el Instituto de Física, con una tesis sobre un aspecto de la teoría de los efectos geomagnéticos de la radiación
necesarios para los edificios, los aparatos e instrumentos más indispensables de un observatorio astronómico, que quedó
cósmica. Lleno de entusiasmo, continuó sus investigaciones a su llegada y fue nombrado
instalado en el poblado de Tonantzintla, cercano a la ciudad de Puebla. Para solemnizar
primer director del citado instituto. Desde el
este acontecimiento se llevo a cabo en la
punto de vista administrativo, cooperó en su fundación e instalación Ricardo Monges López.
Universidad de Puebla un congreso científico al que concurrieron destacados matemáticos,
había
disfrutado
sobre
de
radiación
una
físicos y astrónomos, como George David El Instituto quedó instalado originalmente en un viejo local del Palacio de Minería, donde trabajó hasta que 15 años más tarde fue
Birkhoff, Harlow Shapley, Edward Orlando Lawrence, William Vermillion Houston y otros más. Birkhoff acababa de iniciar sus estudios
trasladado al magnífico edificio de Ciencias de la Ciudad Universitaria. En los primeros años,
sobre su nueva teoría de la gravitación y
no sólo se hicieron algunos trabajos importantes sobre la teoría de la radiación
grandes trabajos sobre las galaxias. Ambos dieron el tono de esta asamblea y su influencia se ha prolongado hasta hoy. Puede
cósmica, entre los que mencionaremos el cálculo completo de la familia de órbitas periódicas} principales en el campo del dipolo
Shapley estaba entonces empapado en sus
decirse que este fue el primer congreso científico de importancia realizado en México.
geomagnético, trabajo en el que colaboraron Héctor Uribe y Jaime Lifshitz, sino que también se hizo un experimento importante
Después de realizado el congreso de Puebla, Birkhoff permaneció en México durante varios
para determinar el espectro de la radiación
meses y dio un curso sobre su teoría de la
cósmica
acimutal, en el que colaboró Juan de
gravitación al que concurrieron Carlos Graef Fernández y Alberto Barajas. Resultado de
Oyarzabal. Por esos años Lifshitz llevó a cabo un trabajo importante sobre la estabilidad de
este curso fue la solución que encontró Graef al problema de los dos cuerpos en la teoría de
las órbitas periódicas principales a través de
la gravitación de Birkhoff y la demostración que dio Barajas de que ésta última no
la
por
medio
determinación
del
de
llamado
sus
efecto
exponentes
característicos de Poincare. Se puede decir que estos fueron los primeros trabajos de
corresponde a la teoría de la gravitacion de
investigación en física teórica y experimental realizados en México por autores mexicanos y publicados en revistas especializadas
contra la opinión de Weyl. Graef continuó sus investigaciones durante unos diez años más,
extranjeras de alta categoría.
igual que Baflos, Graef disfrutó de una beca
Einstein en el caso de los campos débiles,
pero sin agregar nada sustancial a la teoría. Al Guggenheim y con su ayuda obtuvo el
El siguiente hecho importante fué la fundación
doctorado en física en el Instituto de 47
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Tecnología de Massachusetts con una tesis importante en la que demostró que no existen
firmó un contrato con la High Voltage Engineering Co., de Cambridge,
órbitas periódicas en el campo del dipolo geomagnético que no crucen el Ecuador. Barajas,
Massachusetts, para la adquisición de un generador electrostático Van de Graaff de 2.2
por su parte obtuvo poco después su doctorado en matemáticas en la Facultad de
millones de electrón-volts y así fue establecido el primer laboratorio de física
Ciencias con una tesis sobre relatividad.
nuclear
También durante la presidencia de Manuel
Instituto de Física. En este laboratorio, especialmente en los últimos años bajo la dirección
Ávila Camacho y todavía con Octavio Vejar Vazquez al frente de la Secretaría de
de Marcos Mazari, se han realizado varias investigaciones sobre los niveles de energía
Educación Pdública, fueron fundados en 1943
de los núcleos ligeros. Poco antes había sido
la Comisión Impulsora y Coordinadora de la Investigación Científica y El Colegio Nacional,
fundado el laboratorio de rayos x y cristalografía donde, bajo la dirección de Octavio Cano Corona, se han realizado
con amplios programas y facultades, pero desgraciadamente con un presupuesto muy exiguo. Como en esos años casi no existían todavía revistas científicas especializadas en
experimental
perteneciente
al
numerosas investigaciones en la materia. Estos fueron los dos primeros laboratorios de física experimental establecidos en México.
nuestro país, la comisión citada publicó desde 1943 hasta 1949 un anuario en el que están
Mazari residió por algún tiempo en el
recopilados los trabajos científicos ejecutados con su ayuda. En estos anuarios aparecieron
Tecnología de Massachusetts y trabajó como colaborador del profesor Willian W. Buechner. Cano, por su parte, estudió en la Universidad
trabajos de Nabor Carrillo y de Manuel Cerrillo sobre física aplicada, el primero sobre temas
laboratorio de alto potencial del Instituto de
del estado de Pennsylvania.
de elasticidad, plasticidad y mecánica de suelos y el segundo sobre aplicaciones de
Más recientemente el Instituto de Física ha
teoría electromagnética. También Carrillo disfrutó de una beca Guggenheim y con su ayuda obtuvo el doctorado en la Universidad
establecido laboratorios de radioquímica y radioisótopos, en donde trabajan los físicos Augusto Moreno y Tomas A. Brody.
de Harvard con una tesis sobre un problema de elasticidad. Como sucesor de la Comisión
En 1956, durante la presidencia de Adolfo
Impulsora y Coordinadora de la Investigación Científica fue fundado en 1950 el Instituto
Ruiz Cortines, fue fundada la Comisión Nacional de Energía Nuclear. Esta Comisión ha
Nacional de la Investigacion Científica durante la presidencia de Miguel Alemán y con
cooperado en forma amplia al desarrollo de la física nuclear en México, en aquellos aspectos
Manuel Gual Vidal al frente de la Secretaría de
que tocan a la utilización para fines pacíficos
Educación Pública, que tampoco ha podido
de la energía nuclear. Cuenta con un laboratorio de química inorgánica y una planta
contar hasta la fecha con un presupuesto adecuado.
piloto anexa para estudios sobre minerales uraníferos mexicanos y la extracción del
Al terminarse la construcción de Ciudad Unide
uranio a partir de dichos minerales, laboratorio y planta que originalmente fueron
construcción encabezada por Carlos Lazo
proyectados e instalados por el Instituto
versitaria,
48
en
1952,
la
gerencia
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Nacional de la Investigación Científica y que
los laboratorios de la Comisión Nacional de
luego pasaron a depender de la Comisión; con
Energía Nuclear se han llevado a cabo
un laboratorio de radiación electromagnética donde se construyen contadores Geiger, se
numerosos trabajos de verdadera investigación. Coadyuva a este desarrollo la
hacen estudios sobre semiconductores tanto
disponibilidad
inorgánicos como orgánicos, síntesis de
diversos organismos internacionales con la
circuitos eléctricos y problemas de filtración de ruidos, sucesor del taller para la construcción de contadores Geiger fundado
ayuda de las cuales numerosos físicos mexicanos han podido continuar su preparación en el extranjero. Actualmente hay
por el Instituto Nacional de la Investigación Científica, por iniciativa del físico francés
en México una docena de físicos con grado de doctor por diversas universidades extranjeras
Robert Richard-Foy. La comisión cuenta
además de la de México. Como ejemplo, en
además con un laboratorio de electrónica donde se construyen escaladores, fuentes de
1959 se publicaron cerca de 40 trabajos de investigación de autores mexicanos, tanto en
potencia
revistas mexicanas como extranjeras.
y
otros
aparatos
útiles
para
de
numerosas
becas
de
laboratorios de Un aspecto muy importante en el desarrollo de la investigación física es la facilidad de publicación de los resultados obtenidos. Hasta la fundación de la Sociedad Mexicana de Física y de su Revista Mexicana de Física, no existía en México una revista especializada. El primer número de esta revista apareció en 1952 y desde entonces, con la ayuda de un subsidio del Instituto Nacional de la Investigación Científica, han aparecido regularmente cuatro números al año. La sociedad se ha reunido en asambleas en Querétaro, Guadalajara y Culiacán, ha tenido una asamblea conjunta con la Sociedad Americana de Física en la ciudad de México en 1955 y publica ademas radioisótopos. El laboratorio de radiación está
un boletín de divulgación.
bajo la dirección de Alejandro Medina, quien, después de hacer sus estudios en la Escuela de Ciencias Químicas de la Universidad,
Otro paso importante en el desarrollo de la investigación física fue la fundación del Centro
residió durante dos años en Chicago, donde llevó a cabo estudios de física con Enrico
Electrónico de Cálculo Numérico en la Universidad en el año 1958. Hay numerosos
Fermi.
problemas que requieren para su solución extensos cálculos numéricos que no pueden
En la última década, la física se ha desarro-
realizarse en un
llado a un paso acelerado. Tanto en el Instituto de Física de la Universidad como en
49
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ periodo presidencial de Miguel Alemán en 1952 se interrumpieron los estudios sobre reactores continuó
nucleares, pero el reuniéndose con
seminario absoluta
regularidad hasta la fecha. La falta de fondos para continuar estos trabajos subsistió hasta la fundación de la Comisión Nacional de Energía Nuclear en 1956. Posteriormente, formó parte del seminario Manuel Cerrillo, y los temas puestos a discusión se ampliaron hasta incluir física nuclear de alta y baja energía,
teoría
del
campo,
partículas
elementales, teoría de circuitos, teoría de la información y otros más. tiempo razonable al ejecutar todas las operaciones a mano o. con la ayuda de máquinas de escritorio. El Centro cuenta con
Puede decirse que cuando menos las cuatro quintas partes de los trabajos de investigación realizados en México han nacido en el
una máquina IBM 650 que hasta ahora se ha demostrado competente para ejecutar las la-
seminario de física. Concurren actualmente al-
bores deseadas. Como ejemplo esta el cálculo de los coeficientes de transformación de
mayor parte de los trabajos presentados fueron sobre temas de física teórica, pero desde que Marcos Mazari y otros miembros
Clebsch Gordan, indispensables en el estudio del modelo de capas del núcleo, realizados por Brody por iniciativa de Moshinsky.
rededor de 30 físicos. En los primeros años la
del personal del laboratorio Van de Graaff se unieron al seminario, así como Augusto Moreno, Tomas Brody y otros, también se han
En 1951 se reunió por primera vez un seminario de física que ha continuado sus juntas semanarias desde entonces. El origen de este seminario fue el encargo que el
tratado numerosos temas de física experimental.
presidente Miguel Alemán hizo a la división de
Los trabajos de investigación física que actualmente se realizan en México llevan
física del Instituto Nacional de la Investigación Científica de hacer estudios preliminares para
orientaciones muy diversas. Por un lado están la física nuclear de alta energía, la teoría del
averiguar si era factible la construcción de un reactor nuclear con uranio mexicano. Se
campo y la teoría de las partículas elementales, con Alejandro Medina, Fernando
escogió un personal que parecía adecuado
Prieto y Juan de Oyarzabal; por otro, la teoría
para ésta labor y el seminario se reunió con el
del modelo de capas del núcleo y cuestiones
objeto de que cada miembro del grupo estuviera al tanto de la labor de los demás.
relacionadas con la estructura nuclear que impulsan Marcos Moshinsky, Francisco Medina
Entre los fundadores del seminario estaban Marcos Moshinsky, Alejandro Medina, Fernando Prieto, Francisco Medina, Juan de
y Tomas Brody; la teoría de la radiación
Oyarzabal y algunos más. Al terminar el
que dirige Ruth Gall; la teoría de los reactores
50
cósmica primaria, particularmente de los efectos geomagnéticos, que trabaja el grupo
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ nucleares con Carlos Vélez, Arnulfo Morales
espectrógrafo magnético.
Amado, Fernando Prieto y otros más; síntesis de circuitos eléctricos, teoría de la información y filtración de ruidos con Alejandro Medina y
Otras investigaciones experimentales de interés se han llevado a cabo por Alonso
Gertrudis Kurz; separación de isótopos ligeros
Fernández sobre el crecimiento de cristales y
con Alejandro Medina, Raúl Carrasco y Luz
su ruptura eléctrica, por Carlos Vélez y Mario
Maria Fucugauchi; estudios sobre semiconductores inorgánicos y orgánicos por Alejandro Medina y Alicia Barles; niveles de
Vázquez sobre plasmas y por Jorge Halvas sobre dosificación biológica de las radiaciones.
energía de núcleos ligeros con Marcos Mazari y sus colaboradores; radioisótopos con
Las investigaciones que hemos descrito se han llevado a cabo hasta ahora en el
Augusto Moreno. Como se ve, la semilla
ambiente científico de la ciudad de México.
sembrada hace 30 años ha fructificado a pesar de todas las dificultades.
Sin embargo, existe ya un movimiento apreciable en varias ciudades de los estados.
Como es natural la física teórica se ha desa-
A pesar de su penuria, el Instituto Nacional de
rrollado entre nosotros más rápidamente que la física experimental. En efecto, a un buen
la Investigación Científica concedió en 1950 una beca a Gustavo del Castillo y Gama, de la
físico teórico le basta la inspiración, los
Universidad de San Luis Potosí, para prepa-
conocimientos, la curiosidad y la disciplina intelectual, unas cuantas hojas de papel y
rarse en la Universidad de Purdue en técnicas de la cámara de Wilson y reacciones nucleares
lápices, en tanto que el físico experimental requiere para su trabajo aparatos e ins-
de alta energía. A su regreso a San Luis Potosí, Del Castillo fundó un pequeño
trumentos frecuentemente muy costosos. Así, la mayoría de las investigaciones físicas
laboratorio cuyo aparato principal es una cámara de Wilson con gobierno automático
realizadas en México son sobre temas de
construida
fisica teorica. Como ya dijimos, poco a poco
anteriormente Richard-Foy había construído
se ha conseguido formar laboratorios modestos donde ha adquirido arraigo la física
en México otra pequeña cámara de Wilson. Desgraciadamente, Del Castillo resolvió más
experimental. Para ello contamos afortu-
tarde radicarse en el extranjero, pero el
nadamente con los servicios de un grupo experto de constructores de aparatos e
laboratorio ha continuado su trabajo bajo la dirección de Candelario Pérez que adquirió sus
instrumentos entre los que se cuentan José Mireles Malpica, Manuel Diego, Manuel
conocimientos en la Universidad de Estrasburgo con el profesor Gorodetzky. En la
Perusquía, Fernando Camarena, Raquel Peñalosa y Eduardo Posada. Tal vez uno de
Universidad de Nuevo León, de Sinaloa, de Sonora y otras se inician ya trabajos de
los mayores esfuerzos en el terreno de la
investigación en física. Un caso aparte,
física experimental es la construcción de un
semejante al de San Luis Potosí, es el de la
generador electrostático de 0.5 millones de electrón-volts que servirá para actuar una fuente de neutrones para un reactor
Universidad de Guanajuato, donde Armando López ha construido un generador
subcrítico, todo ello construido en su mayor
volts, que servirá como fuente de radiación, y
parte en México. También se ha llevado a
ha realizado investigaciones originales con
cabo con éxito la construcción de un
radioisótopos.
totalmente
en
México.
Ya
electrostático de 0.5 millones de electrón-
51
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ En 1955 tuvo lugar en la misma Universidad de Guanajuato el Quinto Congreso Internacio-
ticulares, de este modo no solo se practican la utilización de instrumentos y las unidades de
nal de Radiación Cósmica bajo los auspicios de la Unión Internacional de Física Pura y
medida adecuadas y correctas, sino también una redacción coherente, de tal manera que
Aplicada. El tema principal en este congreso,
quien lea la descripción tenga una idea lo más aproximada posible del objeto caracterizado.
presididó por Patrick M.S. Blackett, laureado con el premio Nobel, fue el aspecto astrofísico de la radiación cósmica, y a el concurrieron un centenar de destacados físicos y astrofísicos
MOLÉCULAS Y ÁTOMOS
de una veintena de países distintos. Este congreso tuvo un papel importante en la
Entre las propiedades generales de la materia se encuentra la posibilidad de efectuar divisio-
historia del desarrollo de ésta rama de la
nes sucesivas hasta llegar a la partícula última
física y sirvió de punto de partida para diversos trabajos por físicos mexicanos. En
representativa del objeto dividido, cuando se trata de un elemento o un compuesto. La materia está formada por partículas mínimas,
1950 se reunió en la ciudad de México la asamblea de la Sociedad Americana de Física, que presidió Isador I. Rabi, laureado con el premio Nobel, y en 1955 tuvo lugar en la Universidad Nacional Autónoma de México una asamblea conjunta de la Sociedad Mexicana de Física y la Sociedad Americana de Física, a la que concurrieron cuatro premios
que no se pueden dividir sin dejar de ser lo que originalmente eran, esto es, átomos para la partícula mínima de un elemento, y moléculas
para
la
partícula
mínima
representativa de un compuesto. PROBLEMA
Nobel. Investiga cómo han evolucionado las teorías Por iniciativa de Marcos Moshinsky se fundó
acerca de la constitución de la materia a lo
en 1957 la Escuela Latinomericana de Física,
largo de la historia. Señala las limitaciones de
que tiene por objeto preparar a físicos mexicanos y de los demas países americanos
cada una y cuál es la teoría aceptada actualmente.
de lengua española o portuguesa en los más recientes aspectos de la física. La primera sesión se verificó en la ciudad de México y en
ERRORES FRECUENTES
ella figuraron profesores físicos tan destacados como Rudolf Peierls, y en la
Muchos alumnos generalizan propiedades macroscópicas de la materia, a los átomos o
segunda como Eugene Wigner y Paul Levy. La tercera sesión se verifica este año 1960 en
moléculas, atribuyendoles formas, tamaños u otras características que evocan los de los
Río de Janeiro, con profesores de la talla de
cuerpos a los que pertenecen.
Yang, Tiomno y Leite Lopes. • Es común que los alumnos crean que los 2 .2 APROXIMACIÓN AL CONOCIMIENTO
átomos y moléculas por ser "tan pequeños",
DE LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA
no pesan ni tienen volumen.
La descripción detallada de un objeto tendrá
• Muchos jóvenes afirman que el aire, y en
que incluir sus características generales y par-
general los gases, no son materia y, por
52
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ tanto, no pesan ni tienen volumen. Una
pregunta.
experiencia sencilla de laboratorio donde dos
Las canicas, la arena y el agua ilustran cómo
globos colocados en los extremos de un popote, e inicialmente equilibrados, se
se comportan los átomos y las moléculas, aunque ellas mismas NO L0 SON. El profesor
desequilibran si uno de los dos se desinfla,
puede con este experimento tener una
puede ayudar a modificar esta creencia.
fructífera discusión con sus alumnos sobre el tema. 2.3 MEDICIÓN DE SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES La obtención de las medidas de masa y volumen para los diferentes estados de agregación de la materia no puede realizarse de la misma forma. Por ejemplo, se puede
EXPERIMENTO CAPACIDAD DE UN RECIPIENTE O CÓMO MODELAR ÁTOMOS Y MOLÉCULAS
calcular el volumen de un sólido irregular por desplazamiento de agua, pero ¿y si el sólido es soluble en agua, o es demasiado grande
MATERIAL
para medirlo en una probeta graduada? ¿Cómo medir la masa de aire contenida en un
-un vaso de vidrio -canicas, arena y agua -dos
recipientes
volumétricos
globo, o la masa de un líquido contenido en un recipiente? graduados
(pueden ser vasos de precipitados o probetas)
PROBLEMA ¿por qué flota el hielo en el agua si ambos están hechos de lo mismo? Pero como la atracción gravitacional de la Luna es una sexta parte de la de la Tierra, la aceleración de la gravedad en la Luna será
PROCEDIMIENTO Llene el vaso de vidrio con las canicas y pregunte a sus estudiantes si se podrá agregar algo más en el recipiente. Agregue posteriormente la arena, midiendo cuánto agrega, por diferencia, con el recipiente volumétrico graduado lleno de la misma, y repita la pregunta que hizo antes. Agregue agua a la mezcla de canicas y arena midiendo cuánto es ésta y repita la misma
SOLUCIÓN Este tipo de problemas busca que los alumnos observen el mundo y propongan explicaciones de los hechos que observan. Puede haber varias respuestas correctas, pero una de ellas es que el agua al solidificarse se convierte en hielo, y en ese estado de la materia, sólido, el 53
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ hielo es menos denso que el agua en estado líquido y por eso el hielo flota. ¿0curre lo mismo con otros materiales? GEOMETRÍA Y VOLÚMEN
La ecuación para resolver el problema de acuerdo con el uso de factores de conversión (discutido en la página 38) es:
La utilización de métodos matemáticos en la obtención de volúmenes de cuerpos geométricos regulares integra, en un mismo objetivo, dos asignaturas escolares (Física y Matemáticas) que generalmente se imparten ajenas una de la otra.
PESO Diferenciar el peso y la masa como dos propiedades de la materia es importante: la masa, cuya unidad de medida es el kilogramo, depende de la cantidad de materia, y su
la masa de la persona en la Luna es la misma que en la Tierra, es decir 60 kg, lo que cambia es su peso, en la Tierra es 588 N mientras que en la Luna es 98 N. Lo anterior unido al hecho de que en la Luna no existe fricción con el aire, permite que los astronautas puedan dar saltos más grandes.
magnitud en determinada con una balanza. El peso es la fuerza que resulta de la acción gravitacional de la Tierra sobre la materia, y se mide en newtons
PROBLEMA Una persona pesa en la Tierra 60 kg, ¿cuál
EXPERIMENTO
será su peso y su masa en la Luna? SOLUCIÓN
PATRONES DE CONVENCIONALES
Y
MEDIDA NO
CONVENCIONALES Como la masa de la persona es de 60 kg, su peso en la Tierra será:
Con esta actividad el profesor podrá enseñar al alumno a utilizar la balanza; también le ayudará a reconocer que lo que en la Tierra se mide al pesar comparativamente es la masa de los objetos.
Pero como la atracción gravitacional de luna es una sexta parte de la tierra ,la aceleración de la gravedad en la luna será: 54
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ¿Pesar o "masar"?
caso, a fin de tener una escala de medición.
En el laboratorio de la escuela hay algunas
Con este dispositivo se pueden hacer distintas
balanzas. El alumno deberá observar cómo están construidas, cómo se marcan las
mediciones. Discuta con sus alumnos la diferencia entre una balanza y un
medidas de la masa a medir, que exactitud
dinamómetro, ¿por qué con el dinamómetro
tienen, cómo se utilizan correctamente y con
se mide el peso pero no la masa? ¿Se podría
qué se comparó la masa que se va a medir.
encontrar la equivalencia entre el peso y la masa de un tornillo?
Posteriormente se puede preguntar si conoce otro tipo de balanzas. ¿En qué difieren? ¿Cuánto será un miligramo de plastilina? ¿En la Tierra se mide la masa de las cosas pesándolas? ¿En qué son diferentes la masa de un objeto, y su peso? UN MILILITRO DE AGUA TIENE UNA MASA DE 1 GRAMO.
Con este dato se podrá construir una balanza (véase figura) y se le puede pedir al estudiante que compare la masa de 200 ml de agua con la masa de diferentes materiales. ¿Cuál será la masa de 200 ml de masa de tortillas? 1 g de esta masa ¿tendrá el mismo tamaño que 1 g de plastilina? Es importante calibrar la balanza con el peso del recipiente que contiene agua antes de hacer las mediciones. Hasta este momento se ha medido la masa de algunas cosas, pero ¿cómo se mide el peso? Con un resorte y un vaso de plástico se puede construir un dinamómetro, como se muestra en la figura. Sobre una tarjeta fija a un lado
2.4 USO COTIDIANO DE PATRONES DE MEDIDA En la vida cotidiana se utilizan ciertos rangos de medida de la materia basados en el sistema decimal. Algunos otros tomaron como referencia las medidas atómicas: el patrón de tiempo es el periodo de una radiación que emite un isótopo de cesio cuando pasa de un nivel energético particular a otro. El kilogramo patrón es la masa correspondiente a un cilindro de platino e iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Francia. En México se tiene una copia del kilogramo y metro patrones.
del resorte se marca la posición del borde superior del vaso; después se van agregando tornillos iguales, uno a uno, marcando la posición del borde superior del vaso en cada 55
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ COMPARACIÓN DE MAGNITUDES
MISCELANÉA FÍSICA TAMAÑO Y FUNCIONES VITALES
Medir consiste en comparar una magnitud con otra de la misma especie, a la que convencio-
Las ballenas pueden mantener la respiración
nalmente se ha tornado como unidad.
bajo el agua durante 29 minutos, ¿por qué un ser humano no? La capacidad
de los
MEDICION DE LONGITUD, MASA, VOLÚMEN Y TIEMPO CON UNIDADES CONVENCIONALES Y NO
pulmones de un mamífero, es decir, el volumen de oxígeno que puede contener es proporcional al área de los pulmones y, en
CONVENCIONALES
consecuencia, al cuadrado de la longitud del mamífero .Tomando únicamente esto en
La utilización constante de instrumentos de
consideración, se esperaría que el límite de
medida de la materia (reglas, balanzas, dinamómetros, pipetas, probetas, etcétera) y
su posibilidad de permanencia debajo del agua sea proporcional a la longitud del
la escritura correcta de las unidades con que
mamífero (aunque hay excepciones a ésta
se mide cada propiedad formarán un hábito básico en los alumnos
regla, en el caso de especies que han desarrollado alternativas adaptativas ). Las ballenas azules son aproximadamente 16
EVALUACIÓN
veces más largas que los adultos humanos y, por ello, pueden mantener la respiración 16
Propongan la construcción de un mapa
veces más que lo humanos.
conceptual sobre materia. Un ejemplo del mismo es el siguiente.
Como se puede observar, el mapa indica que el alumno tiene errores conceptuales, los cuales deben intentar
corregirse antes de
continuar con los siguientes temas.
56
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ NOCIONES BÁSICAS DE ENERGÍA Y SU
LIBRO PARA EL MAESTRO DE FÍSICA
INTERACCIÓN CON LA MATERIA 3.1
APRECIACIÓN
DE
ALGUNAS
MANIFESTACIONES
Y
TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA
1. ¿Es posible que un hombre vuele impulsado par su propia energía? La pregunta es antigua pero dista mucho de ser obsoleta. Actualmente parece que los intentos de diseñar naves aéreas impulsadas
El contacto diario con algunas formas comunes de energía, así como la utilización
par el hombre pueden conducir a un modelo útil. Algunos de los problemas para el diseño
cotidiana del término, ha dado lugar a una noción intuitiva de la misma, diferente a la de
de la aeronave son la cantidad de energía que puede producir el hombre, y cuánta se
materia, pero asociada a ella. De este modo,
necesita para el vuelo. ¿De qué tamaño deben
no hay necesidad de definirla de manera inicial; los alumnos pueden acercarse al
ser las alas? ¿Deben aletear?
concepto físico de energía a través del
SOLUCIÓN
conocimiento de sus manifestaciones y transformaciones. El concepto de energía es abstracto y difícil, por esto se sugiere partir
Una investigación bibliográfica sobre el tema arrojó la siguiente respuesta. Ha habido dos
de la identificación de sistemas familiares, en los cuales se manifieste la energía como
tipos de intentos efectuados par el hombre
resultado de la interacción de los componentes del sistema. La relación entre
la energía motriz de la aeronave y aquellos donde, sabia a neciamente, ha saltado desde lo alto de un edificio batiendo las alas atadas
diferentes formas de energía se puede hacer explícita mediante demostraciones y
para volar. Aquellos en que el hombre genera
a sus brazos. Es altamente improbable que el
experimentos: luz que se convierte en calor,
segundo tipo de intento tenga éxito para
movimiento que se convierte en calor,
alturas de más de 10 m,
reacciones químicas que producen electricidad o calor que produce movimiento. Es
i así como que el hombre involucrado olvide el aterrizaje ¡
importante resaltar el hecho de la transformación entre las distintas manifestaciones de la energía, después de ver sus relaciones. Una vez entendida la transformación puede discutirse la idea de la conservación de la energía. El concepto de energía aplicado al calor, la luz, la electricidad, la energía mecánica y la energía química, así como las transformaciones que se pueden dar entre estos tipos de energía, son del orden común de los enseres domésticos. La idea central es que la energía, sea lo que sea, se transforma y se conserva.
En cambio, la construcción de aviones ligeros, en los cuales una o dos personas pedalean para proyectos de fuerza motriz, se presenta prometedora. El primer vuelo de este tipo se 57
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ llevó a cabo en 1961 y dicho avión alcanzó a
energía.
viajar cerca de 50 m. La envergadura de las
Suponga que una persona tiene una dieta de
alas de estos aviones ha variado desde 20 hasta 40 m y en uno de ellos se ha cruzado el
4 000 kilocalorías con la que no aumenta ni baja de peso. Si hace una dieta de 3 000
Canal de la Mancha.
kilocalorías, manteniendo la misma actividad física, ¿cuánto tiempo se tardará en reducir 7
2. Escribe una cadena con las transformaciones de energía requeridas para el funcionamiento de una plancha y de un
kg de masa? (Vease la siguiente Miscelánea física.)
radio portátil
Solución Cuando la persona hace una dieta de 3 000
PROBLEMAS
kcal, consume 1000 kcal menos al día, por lo
SOLUCIÓN
que el problema se resuelve de la siguiente manera:
En este problema se puede permitir que los alumnos discutan en grupos y que hagan las cadenas en dibujos a escritas. En el caso de la plancha se tiene: energía eléctrica de la caso que llega a la resistencia
MISCELÁNEA FISCAL
de la plancha a través del cable; la resistencia se calienta, par tanto hay transformación en
ENERGÍA Y ALIMENTOS
energía calorífica.
Para realizar todas las actividades cotidianas nuestro cuerpo necesita alimentarse. Los
En el caso del radio, la energía para que funcione proviene de la energía química almacenada en las pilas, que se convierte en energía eléctrica; ésta, a su vez, se convierte en energía mecánica en las bocinas del radio, y por último en sonido.
alimentos son la fuente de energía de nuestro cuerpo un ser humano promedio debe consumir 12560 kilojoules o 3000 kilocalorias a través de diferentes alimentos. Las mujeres entre 13 y 14 años necesitan 53 kilocalorías por cada kg de peso y los hombres 68 kilocalorias por cada kg de peso. Las leyes de la física establecen que la energía es una cantidad que se conserva y se transforma en diversas formas de ésta si comemos la energía de los alimentos se
. 3. Cuando una persona está a dieta, el alimento que consume le proporciona menos energía que la que utiliza, por eso la persona "quema" su propia grasa almacenada. La oxidación de 1.5 kg de grasa proporciona a la persona alrededor de 4 000 kilocalorías de 58
transforma en energía química, el oxígeno que respiramos se utiliza para transformar los alimentos en energía química. La energía química se transforma en energía mecánica cuando movemos un músculo, pero parte de esa energía mecánica se transforma en calor. También
los
desechos
que
producimos
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ contienen
energía
almacenada
que
no
así, con 400 g de mantequilla, por, ejemplo,
aprovecho nuestro cuerpo lo cual no significa
tendríamos la energía que se requiere en todo
que otros organismos no la puedan aprovechar. De hecho, el abono es un
el día. Lo anterior se basa en que el cuerpo necesita esas sustancias para mantenerse en
excelente nutriente para el crecimiento de las
buen estado, además de la energía que nos
plantas y también de este se puede obtener
proporcionan.
gas metano para cocinar. Por ello, si los alimentos nos proporcionan 3000 kilocalorías diarias, esas 3000
UTILIZACIÓN DE LAS UNIDADES DE ENERGÍA
kilocalorías de energía nos permitirán jugar, estudiar, trabajar, leer, dormir, mantener la
La unidad de energía es el joule y se deriva de
temperatura de nuestro cuerpo y sudar.
las unidades de fuerza y de distancia. Esta es
En la tabla que aparece a continuación se proporcionan algunos datos de la energía que
la misma unidad que se utiliza para el trabajo, por ello es conveniente que se relacionen
consumimos al día en diferentes actividades.
estos dos conceptos, se haga explícito el
Consumo de energía de diversas actividades cotidianas por cada minuto (para una
porqué del uso de la misma unidad, y se hable de las diferencias entre el concepto de trabajo y el de energía.
persona de 65 kg)
CONOCIMIENTO
DE
LA
POTENCIA
Dormir
Kj (kilojoules) 4.52
Sentarse
5.82
Pararse Caminar Trabajar sentado
7.32 15.50 7.50
La relación de la energía con las máquinas es
Cocinar
8.80
su uso y los problemas de su obtención y de
Hacer limpeza moderada 18.00
MEDIANTE EJEMPLOS COTIDIANOS
muy importante y es esencial en la comprensión de la tecnología. La idea de energéticos, su utilización deben ser discutidos. El uso eficiente de los recursos energéticos está
A continuación se proporcionan la cantidad de
relacionado con la eficiencia de las máquinas
energía que contienen 100 g de diferentes
y es aquí donde cabe el concepto de potencia, ya que éste se relaciona con la cantidad de
alimentos. A partir de esta lista se puede calcular la energía que tanto los alumnos como el maestro consumen diariamente. Y señalarse que no basta que nuestro cuerpo
trabajo que una máquina puede realizar por unidad de tiempo.
consuma esas 3000 kilocalorias o 12560 kilojoules diariamente, sino que la
El uso de ejemplos y comparaciones entre
alimentación debe ser variada, es decir, tiene
distintos procesos de transformación de
que povernos de proteínas, carbohidratos,
energía es muy útil en la comprensión de este concepto.
lípidos, minerales y vitaminas. Para esto, se recomienda consumir 40% de cereales y
diferentes tipos de maquinaria y entre
tubérculos 30% de frutas y verduras, y 20% de origen animal y leguminosas, sino fuera
59
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ UTILIZACIÓN DE LAS UNIDADES DE POTENCIA
Se puede después elaborar una gráfica de los datos y observar una propiedad muy
Las unidades de potencia deben derivarse y
importante: la temperatura aumenta continuamente hasta que llega a los 0 °C; en
discutirse de una manera similar a la que se ha seguido con las unidades que han ido
ese momento, se empieza a observar la presencia de agua líquida, es decir, el hielo
apareciendo a lo largo del curso. Se tomarán los watts (1 watt =1 joule/s) como la unidad de potencia
empieza a fundirse. A partir de ese momento,
correspondiente al Sistema Internacional, y su múltiplo el kilowatt. Sin embargo, conviene
el termómetro registra una temperatura constante de 0 °C, aunque se siga suminis-
mencionar otra unidad de potencia de uso
trando calor, hasta que se funde todo el hielo.
muy extendido (aunque sólo sea como información): los caballos de fuerza (1 HP=
En cuanto se ha fundido todo el hielo, la temperatura comienza a elevarse de nuevo. Es importante recalcar que en el cambio de
746 watts), ya que muchos motores, desde
si agitamos continuamente la mezcla de, agua y hielo para que la temperatura sea uniforme,
caseros hasta industriales, miden su potencia en HP.
estado la temperatura permanece constante,
PUNTOS DE FUSIÓN Y DE EBULLICIÓN. FACTORES QUE LOS MODIFICAN
del estado líquido a vapor, es decir, en la
Los estados de la materia se conocen bien
Un punto a resaltar es que el fenómeno no es exclusivo del agua, sino una propiedad común
desde los cursos de primaria. En este curso se pretende retomar la idea de los estados de la
a pesar de que se siga suministrando calor, y enfatizar que lo mismo ocurrirá en el cambio ebullición, y en el cambio de sólido a líquido.
a todas las sustancias, pero cada una de ellas
materia, centrando la discusión en las
cambia de estado a temperaturas diferentes
variables que entran en juego (temperatura,
cuando el experimento se lleva a cabo a la
volumen y presión) y en su relación funcional. Se insistirá en que todas las sustancias pueden existir en cualquiera de los tres
presión atmosférica. Otro punto importante es que, a distinta presión, las temperaturas de fusión y de ebullición de cada sustancia
estados, aun cuando lo común sea que las encontremos únicamente en alguno de ellos.
también cambian; también si se trata de sustancias con impurezas o mezclas. Se
Hay que enfatizar que los cambios de estado
sugiere realizar la experiencia anterior usando agua con sal o azúcar.
de las sustancias puras van siempre acompañados de absorción o liberación de
ERRORES FRECUENTES
calor, pero no de variación de temperatura. •
Se recomienda realizar experimentos donde se coloque en un recipiente, por ejemplo,
Muchos alumnos creen que cuando un
hielo triturado y un termómetro. Se calienta el
líquido alcanza su, temperatura de ebullición ésta aumenta si se agrega más calor. Así, es común pensar que
recipiente lentamente y se toman lecturas de
el agua en una olla que ha hervido,
la temperatura en distintos tiempos, hasta un
digamos diez minutos, tiene mayor temperatura que otra que sólo lo ha
poco después de que se ha fundido el hielo. 60
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ hecho durante cinco minutos.
MECANISMOS
DE
TRANSMISIÓN
DEL
CALOR 1.2 LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS COMO MOTIVO DE TRANSFERENCIA DE
Aquí deben discutirse las distintas formas de
CALOR
transferencia de calor: la conducción, la convección y la radiación, en la forma más
Al aclarar la diferencia entre calor y temperatura, ya se ha hablado del equilibrio térmico y de como, al poner en contacto dos
clara posible, con ejemplos cotidianos para cada una de ellas y enfatizar como en cualquiera de los casos, para que se de la
cuerpos, se transfiere energía calorífica de aquel que está a mayor temperatura hacia el
transferencia de calor, se requiere que haya una diferencia de temperaturas.
de menor temperatura. En esta parte del curso interesa aprovechar dicho principio para entender las formas en que se transfiere el
MISCELÁNEA FÍSICA
calor.
FORMAS DE TRANSMITIR EL CALOR
EL CALOR COMO ENERGÍA EN TRÁNSITO
Existen tres formas de transmitir el calor, por radiación, por conversión y por conducción,
El concepto de calor como forma de energía es sumamente importante, y dadas las
para comprender mejor las diferentes formas
dificultades
cotidiano. Si nos asoleamos en la playa y pasan algunas horas, observamos que nuestra piel se “quemó”; el sol emite energía radiante
que
suele
causarles
a
los
estudiantes la comprensión de este hecho, debe repetirse ésta idea en contextos diversos y todas las veces que sea necesario.
de transmisión del calor, se verá un ejemplo
compuesta
de
fotones
u
ondas
electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa Al hacer la conexión de este concepto con la
la atmósfera y llega a la superficie en un día
propagación del calor, se puede introducir la idea de que el calor es energía que se
despejado y al nivel del mar como 4% de rayos ultra-violeta, 16% de radiación visible y
transfiere de una parte del sistema a otro, es
50% de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al
decir, energía en tránsito.
que le llegue radiación tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que, a su vez,
DIRECCIÓN DEL FLUJO DEL CALOR
ocasiona una elevación de la temperatura. En el caso de nuestro cuerpo, la radiación solar
Para hacer más clara la idea de que el calor fluye siempre en una dirección, se pueden
es absorbida por éste y una de las manifestaciones en que los rayos ultravioletas
utilizar ejemplos cotidianos; por ejemplo, cuando la cuchara se mete al café, se
queman
calienta; al prender una hoguera podemos sentir calor poniéndonos alrededor. Se sugiere
notaremos que una brisa nos refresca un poco.
la
piel.
Sí
rápidamente, huyendo
nos
levantamos
del calor excesivo,
revisar el registro de aprendizaje sobre el establecimiento de la hipótesis, para ver cómo
Los vientos se originan por las diferencias de
demostrar el flujo del calor (véase p. 142).
temperatura que existen entre distintas capas de la atmósfera, y por la rotación de al 61
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Tierra, creando corrientes de aire llamadas de
PROCEDIMIENTO
convección, a través de las cuales se distribuye el calor en la atmósfera terrestre. En este caso el aire sobre el agua de mar está
Con la vela encendida, verter una línea de cera a la largo del papel aluminio, y calentado
a menor temperatura que el aire que está
tomándolo con la pinza por uno de los
sobre arena, lo cual ocasiona un viento que
extremos. Observar la forma en que se va
viene del mar y sube al llegar a la arena para dirigirse nuevamente hacia el mar en una corriente circular. La transmisión por
derritiendo la cera: ¿De qué manera se transfirió el calor en el papel aluminio? ¿Ocurrirá lo mismo al meter una cuchara en
convección ocurre también en líquidos, por ejemplo, cuando hervimos agua. Por lo tanto,
un recipiente con agua muy caliente? ¿De qué depende la conducción del calor?
si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que está más caliente) habrá transmitido parte de su calor a al corriente de
MATERIAL
convección de la brisa, y como resultado final
Tiras de 20 cm cada una, de diferentes
percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre arena, nos percataremos
materiales, que pueden ser alambre, cobre, hierro (un gancho para ropa), vidrio, madera,
rápidamente de la conducción
plástico (un popote)
del calor:
tendremos que correr para quemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisión de
- una vela - tachuelas
calor por conducción, de la arena a nuestros pies.
- un vaso desechable PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTO Con la cera de la vela, pegar una chinche en CONDUCCION DEL CALOR
cada uno de los materiales, a la mitad de la
MATERIAL
longitud de la tira. Colocar una de las tiras sobre el vaso desechable, a manera de soporte, y la vela encendida debajo del
- una tira de papel aluminio rígido de 25 cm de largo (puede recortarse de un plato para
extremo de la tira. Tomar el tiempo en que tarda en desprenderse la chinche. Repetir la
pastel) - una vela - una pinza de madera para tendedero
experiencia para cada uno de los materiales. ¿Cómo se podrían clasificar los materiales, de acuerdo con su conductividad? Para un mismo material, ¿Puede haber otros factores que modifiquen la conductividad? Repetir el experimento con alambres de diferente calibre.
62
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ERRORES FRECUENTES
grandes cantidades de calor frotando objetos. Joule mostró que cuando se hace trabajo
• La idea del 'calor como sustancia" lleva a muchos estudiantes a explicar la dilatación de
contra la fricción, la cantidad de calor que se genera es proporcional al trabajo realizado.
los cuerpos como una "hinchazón" producida por "algo" que están acumulando cuando se
Ya en el curso de Física I se revisó la relación
les calienta.
del trabajo y la energía. Estas consideraciones
Los
intuitiva
se pueden retomar para enfatizar la, importancia del trabajo de Joule, quien al
bastante acertada del calentamiento par convección: un radiador calienta el aire
mostrar que el calor puede producirse haciendo trabajo mecánico, encontró una
alrededor de 61 y este aire se "difunde" por
relación entre estos dos fenómenos, misma
toda la habitación.
que pudo cuantificar para llegar a concluir que lo que ocurre es una transformación de energía mecánica en calor.
alumnos
tienen
una
idea
Sin embargo, de esta intuición se desprende una generalización inválida que dificulta la comprensión del calentamiento por radiación: muchos alumnos infieren que para que el
El número de unidades de trabajo que corresponde a una unidad de calor se conoce como
calor se transfiera es necesario un media material entre la fuente de calor y los otros
el equivalente mecánico del calor. Su valor es
cuerpos, así la idea de que el Sol calienta la Tierra sin una "atmósfera" entre los dos
de James Prescott Joule (1818-1889) fué muy importante en la formulación de la ley de conservación de la energía, que desempeña a su
cuerpos puede resultar difícil de aceptar.
de 4.186 joules por caloría. El descubrimiento
vez un papel central en la física 1.3 EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR EL JOULE COMO UNIDAD DE CALOR La historia del concepto de calor y su estrecha relación con las máquinas térmicas y la revolución industrial son un gran apoyo para
La unidad de energía que los estudiantes conocen desde el curso de Introducción a la
la comprensión del concepto de calor como una forma de energía y para mostrar como el
Física y a la Química lleva el nombre de Joule. Además de la historia del descubrimiento del
desarrollo de la física depende de los desarrollos en otras áreas del conocimiento.
calor como forma de energía, es importante relacionar el joule, como unidad de energía,
Aquí puede pedirse a los alumnos que investiguen y escriban ensayos acerca de las
con la otra unidad estudiada y que, en ocasiones, se usa más la caloría.
teorías antiguas sobre el calor y que discutan en grupos las diferencias entre ellas, y la razón por la cual se acepta una y se rechaza otra.
Por otra parte, es conveniente enfatizar nuevamente que la noción de energía está asociada, no a un cuerpo en particular, sino a un sistema de cuerpos en interacción.
El declive de la teoría donde el calor se consideraba como una sustancia se originó, en parte, al encontrar que se podían generar 63
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ERRORES FRECUENTES
equivalentes 781.5 y 787.6, respectivamente, de la agitación del agua, del aceite de ballena
• Es muy frecuente que el estudiante de escuela secundaria tienda a ver sus cursos
y del mercurio…
desvinculados, incluidos los de la misma
Considerándolas demostradas por los experimentos descritos en este informe
materia. No es raro, entonces, que no le sea fácil establecer la relación entre el estudio del color del presente curso, y los estudios relativos a la energía mecánica del curso de
asentaré, pues las conclusiones siguientes:
Física I. Esta es una buena oportunidad para que el maestro retome los conceptos de
frotamiento de los cuerpos, así sólidos como líquidos, es siempre proporcional a la cantidad
energía y los revise nuevamente, a la luz de
de fuerza empleada.
las experiencias nuevas, junto con el concepto de calor, con lo cual favorece la integración de los conceptos físicos.
1. la cantidad de calor producida por el
2. la cantidad de calor capaz de hacer subir un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua (pesada in vacuo, y tomada
MISCELÁNEA FÍSICA
entre 55 y 60 grados) requiere, para desarrollarse, una fuerza mecánica
EQUIVALENTE MÉCANICO DEL CALOR
representada por la caída de 772 libras desde El 21 de junio de 1849, James Prescott joule (1818- 1889) presentó ante la sociedad Real de Inglaterra su Memoria del equivalente mecánico del calor, de la cual se ha tomado una estracto:
un pie de altura Tomado de E.R Moulton y J.J Schifferes. Autobiografía de la ciencia, México, FCE, 1947 James Prescott
Joule “memoria acerca del
equivalente mecánico del calor”. La primera mención, que yo sepa, de experimentos que se afirman que del roce de los líquidos resulta calor, es la que hizo en 1842 monsieur
Mayer, quien afirma
1.4 EFECTOS DEL CALOR SOBRE LOS CUERPOS
que
agitando el agua, hizo subir la temperatura de ésta, 12 grados a 13 grados; pero no indica la
Todos tenemos experiencias de fenómenos que ocurren cuando los cuerpos se calientan,
cantidad de fuerza empleada ni las preocupaciones que tomó para asegurarse de
las cuales se pueden tomar como punto de partida para discutir la física involucrada en
lo correcto de los resultados.
ellas y resaltar la estrecha relación que existe entre los conceptos de calor y temperatura,
En 1843 anuncié yo el hecho que se desarrolla
además del ya discutido sobre la propagación
calor mediante el paso del agua por tubos
del calor.
estrechos y que cada grado de calor por libra de agua exigía, para desarrollarse de este modo, una fuerza mecánica
de 770 libras-
pies más adelante, en 1845 ky 1847, empleé una
rueda
frotamiento 64
de del
paletas líquido,
para y
producir
obtuve
los
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ RELACIÓN
ENTRE
EL
CALOR
Y
LA
ERRORES FRECUENTES
ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA Dada la estrecha relación entre el calor y la
• Algunos alumnos piensan que no todas las sustancias presentan cambios de
temperatura, y habiendo discutido ya los efec-
estado.
tos de la diferencia de temperaturas en cuanto al flujo del calor, es conveniente revisar el caso contrario, es decir, preguntarse, ¿qué pasa con la temperatura
• En ciertas situaciones experimentales, muchos alumnos creen que la temperatura de un cuerpo está relacionada con su tamaño.
cuando se suministra o se extrae calor de los cuerpos? Cuando se suministra calor a un
• Muchos jóvenes se sorprenden al caer en la
cuerpo, su temperatura aumenta. Este hecho
cuenta de que una barra metálica tiene
conocido se puede aprovechar para resaltar la idea de que si se quiere aumentar la temperatura de algún objeto, hay que propor-
diferentes temperaturas en sus extremos cuando se ha acercado uno de ellos a una fuente de calor.
cionarle energía.
En general, los jóvenes no establecen una relación causal sistemática entre calentamiento de una sustancia y
EL CALOR Y LAS TRANSFORMACONES DEL ESTADO DE LA MATERIA Uno de los efectos que tiene la aplicación de calor a una sustancia es su cambio de estado, del que ya se ha hablado anteriormente, durante
el
cual
no
hay
cambio
el el
incremento de su temperatura. En ocasiones, los estudiantes solo vinculan el calentamiento con manifestaciones visibles (cambios de estado, burbujas, entre otros), y se sorprenden al ver aumentar la temperatura del agua cuando ésta aún no hierve.
de
temperatura.
• El aumento de la temperatura al recibir calor
APLICACIONES DE LOS ESTUDIOS SOBRE EL CALOR
no es, para los estudiantes, una propiedad común a todos los cuerpos; por ejemplo, los alumnos suelen negar la posibilidad de que
En esta parte del curso se puede dar una gran
ciertos cuerpos o sustancias, como el azúcar a la arena, aumenten su temperatura cuando se
variedad de aplicaciones de los conceptos relacionados con el calor. Se puede hablar,
les calienta.
entre otros, de cómo se logra mantener constante la temperatura en una habitación;
• A los alumnos les parece extraño e inesperado que los cuerpos no modifiquen su
de como funcionan los termos; de como se
temperatura durante los procesos de cambio
puede aprovechar la dilatación de los cuerpos
de estado. Esta es una buena oportunidad para que el maestro retome los conceptos de
cuando se calientan, para construir diversos aparatos. Esto puede hacerse mediante la
energía, y discuta con sus alumnos el uso de
discusión o solicitando a los alumnos que
la energía transferida al cuerpo durante el
investiguen, en equipos, aplicaciones distintas
calentamiento.
y que las presenten a los demás
65
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ •
Se emplean, como sinónimos, los
términos hervir y muy caliente.
Diseño de experimento Puntos Características 0 1
Falla en el diseño de cualquier plan. El diseño no permite la medición de
2
las variables
3
Se pueden medir las variables pero la información obtenida no es relevante. La medición de variantes información obtenida de ellas son relevantes
y la
EVAUACIÓN Registros de aprendizaje, diseño experimental
EXPERIMENTO
Con el siguiente registro de aprendizaje,
PRESTIÓN EN FUNCIÓN DE LA ALTURA
evalúe el diseño experimental propuesto por un alumno de tercero de secundaria para identificar si el calor sale, o el frío entra en una habitación.
La presión del agua con la profundidad. Material -un recipiente de cartón, por ejemplo, de
EVALUACIÓN CONTÍNUA
leche, de 1 litro (I), al que se le habrán hecho tres perforaciones verticales y equidistantes, sellándolas con cinta adhesiva.
PROCEDIMIENTO Se llena con agua el cartón y, colocándolo sobre una bandeja para recibir el agua, se le quitan rápidamente las cintas adhesivas. Observar el flujo del agua a través de cada uno de los agujeros. Se podrá deducir que hay una mayor presión del líquido en la parte inferior del recipiente, al medir la distancia horizontal a la que cae cada uno de los 66
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ chorros de agua desde la cara del recipiente
coloreada hasta que ésta quede al mismo
en la que se ha hecho las perforaciones.
nivel en ambos, popotes. A uno de los
La presión en el fondo del recipiente aumenta
popotes se le fija 1 m de manguera de hule, y en el extremo de la manguera, el embudo, y
al tener que soportar el peso del agua de la
en la boca del embudo se fija, con una liga o
columna que sostiene. Lo presión disminuye
cinta adhesiva, un trozo de globo de hule,
en relación con la altura, lo que ocasiona que el chorro de agua inferior, sea expulsado a una mayor distancia que los superiores.
bien Al presionar el hule, el líquido en el embudo debe moverse. Para ver el incremento de la presión de un líquido, se
EXPERIMENTO
sumerge el embudo en una cubeta con agua a diferentes profundidades y se coloca en diferentes direcciones; luego se observa la
CONSTRUCCIÓN DE UN MANÓMETRO
posición del nivel del agua en los tubos del manómetro.
Un manómetro es un medidor de presión construido, con un tubo en forma de U.
PRINCIPIO DE PASCAL
MATERIAL
Un resultado interesante y con muchas aplica-
- dos popotes transparentes o tubos de vidrio
ciones es el llamado principio de Pascal. La introducción de este principio puede llevarse a
rectos - una sección de manguera para acuario o un tubo de hule y un embudo pequeño - un cartón o madera como soporte, y ligas o
cabo con las ideas acerca de la constitución de los fluidos, para conducir al alumno a que entienda que cualquier presión que aplicada a una parte de un fluido en un recipiente
cordón para sujetarlo
cerrado se siente en todo el recipiente, es
- Un trozo de globo de hule
decir, que la presión se trasmite a través del fluido.
PROCEDIMIENTO Se conectan los popotes a tubos de vidrio con un trozo pequeño de, tubo de hule, y se montan sobre el soporte. Se llenan con agua 67
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ MISCELÁNEA FÍSICA
presión que depende de la profundidad a la que bajen.
EL BARRIL DE PASCAL La ley fundamental de la hidrostática de los fluidos estáticos establece que al diferencia de presión, entre dos puntos de un fluido que se encuentra en reposo, es igual a al diferencia de altura entre los dos puntos, multiplicada por la densidad del fluido y la aceleración de la gravedad
El físico Blaise Pascal (1623-1662) realizó el
FLOTACIÓN ARQUIMEDES
siguiente experimento: llenó de agua un barril, lo tapó y dejó en la tapa un pequeño
Una pregunta común que se hacen los
orificio por el cual metió un tubo delgado y muy largo. Después consiguió una escalera, para llegar ala parte más alta del tubo y vaciar un poco de agua en al parte superior.
Y
PRINCIPIO
DE
estudiantes es por qué un pedazo de madera flota en el agua y, en cambio, una piedra no. La discusión de este fenómeno puede hacerse en términos históricos. La explicación de este hecho se debe a un gran pensador griego,
Al verter un poco de agua en el tubo delgado, lo que ocurrió dejó asombrada a toda la
Arquímedes (287-212 antes de Cristo); por ello se le conoce como el principio de
concurrencia: las paralelas del barril se rompieron ante al presión tan grande. Supongamos que el tubo de Pascal tuviera 10
Arquímedes.
m de altura, entonces, de acuerdo con la ley
Este principio dice que la fuerza que actúa sobre un cuerpo inmerso en un fluido es igual
fundamental de la hidrostática, la presión en
al peso del fluido desplazado. Cuando este
el barril es:
principio se presenta, parece paradójico que la fuerza que actúa sobre el cuerpo sea igual al peso del fluido que ya no se encuentra ahí, y esta idea es causa de muchas confusiones. Conviene aclarar a los estudiantes que se está pensando en el fluido desplazado como si todavía estuviera presente en ese lugar. También es importante enfatizar que el
Donde p es la densidad del agua, 1000 kg/m3, 2
y g la aceleración de la gravedad, 9.8 m/s . Debido a la misma ley, cuando lo buzos se sumergen en el agua
están sometidos, al
igual que el barril de Pascal a una 68
gran
principio de Arquímides permite calcular la fuerza resultante del fluido sobre el cuerpo, idependientemente de la forma del cuerpo y de la dirección en que las superficies estén orientadas.
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ PROBLEMA
Los tejidos de los peces son más densos que el agua, sin embargo, los peces teleósteos
Un cofre de un tesoro, de más de 92 kg y volumen de 0.031 m3, está en el fondo del
,por ejemplo, poseen una cavidad interior ,llamada vejiga natatoria, que se llena de gas
océano. ¿Cuánta fuerza hay que ejercer para
y permite que su densidad sea prácticamente
sacarlo? Si se quisiera levantar un cofre en la
igual a la del agua, lo que se les permite
tierra con esa misma fuerza, ¿cuál sería la masa del cofre que se podría levantar?.
salir más fácilmente a al superficie. Como la vejiga natatoria es flexible, el pez puede variar su densidad para hundirse a salir a
SOLUCIÓN
flote.
La magnitud de la fuerza necesaria para sacar el cofre es la diferencia entre su peso y la fuerza de flotación. El peso es P = mg y lo fuerza de flotación está dada por pgV, entonces
EXPERIMENTO "EL DIABLILLO DE DESCARTES" Puesto que 590 N es el peso de una más de 60 kg en el aire, con esa fuerza se podría
Para
levantar un cofre de 60 kg en tierra.
Arquímedes, se puede construir "EI diablillo
También es importante enfatizar que el prin-
de Descartes" o ludión.
cipio de Arquimedes permite calcular la fuerza resultante del fluido sobre el cuerpo, independientemente de la forma del cuerpo y de la
MATERIAL
dirección en orientadas.
que
las
superficies
estén
experimentar
con
el
principio
de
- un gotero - un frasco transparente mediano
MISCELÁNEA FÍSICA
- un pedazo de globo, hule o látex - una tuerca e hilo - cinta adhesiva o ligas
LOS PECES
PROCEDIMIENTO
Tanto los peces, como muchos animales
El frasco se llena de agua y se introduce el gotero parcialmente lleno de agua. Al gotero
marinos, aprovechan el principio de Arquímedes para hundirse o salir a al superficie.
se amarra la tuerca con el hilo que sirve de lastre. Posteriormente, el frasco lleno de agua, con el gotero sumergido, se debe sellar perfectamente con el globo o hule. Para ello 69
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ se puede emplear cinta adhesiva o una liga. Al ejercer una presión sobre la membrana del globo o hule, se observará cómo baja del diablillo de Descartes, mientras que al soltar la membrana, el gotero subirá. Para que funcione el experimento, se debe probar con tuercas de diferente peso y llenar el gotero a diferentes alturas. También debe tenerse en cuenta que el frasco esté perfectamente sellado. ¿Cómo funciona "El diablillo de Descartes"? Cuando se presiona la membrana, la presión se transmite al aire dentro del recipiente y posteriormente al agua. Esto provoca que entre un poco de agua al gotero y, al entrar agua, disminuye la fuerza de empuje en el gotero, según el principio de Arquímedes, ya que es menor el volumen del agua desalojada par el gotero. Así, al disminuir la fuerza de empuje, predomina el peso del gotero y éste se hunde. Cuando se deja de presionar la membrana de hule, sale parte del agua del gotero, lo cual ocasiona que aumente el volumen de agua desalojado y, por lo tanto, que aumente también la fuerza de empuje que está dirigida hacia arriba y que el gotero sube. Con este experimento el maestro puede explicar cómo operan los submarinos y por qué los peces suben y bajan fácilmente con su vejiga natatoria.
MISCELÁNEA FÍSICA LA LEYENDA DE LA CORONA DEL REY HIERÓN Hierón, exaltado a la regia potestad y con todos los asuntos en orden, quiso dedicarse en cierto templo una corona votiva a los dioses inmortales; alquiló la obra por un precio estipulado, y pesó la cantidad cantidad de oro para el contratista. contratista. Una vez hecha sutilmente y a mano la corona, añadió una parte igual de plata. Indignado Hierón por la ofensa, y sin encontrar manera manera de reprender el hurto, rogó a Arquímedes que se dedicaran a pesarlo. Mientras se ocupaba de esto Arquímedes, fue por azar el baño público y, al introducirse en al bañera, se dió cuenta de que salía tanta agua fuera de al bañera como parte de su cuerpo había entrado. No se quedó así, sino que, saltando fuera de al bañera movido por la alegría, y yendo desnudo hacia su casa, gritaba diciendo que había había encontrado lo que quería, porque mientras corría clamaba, en griego, ¡eureka, eureka!. Se dice que entonces, sigue su descubrimiento, hizo dos masas de peso igual al que tenía en al corona una de oro y la otra de plata.
70
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Después llenó de agua hasta el borde un vaso
de la física es la del vacío. Al igual que los
amplio. En él puso la masa de plata, y tanta
griegos no aceptaban la posibilidad de que en
cantidad de ella como entró en el agua, tanta cantidad salió del agua, Extraída la masa,
la naturaleza existieran zonas en que no hubiera nada de materia, los estudiantes
llenó el vaso hasta nivelarlo al borde,
tienden a rechazar esta noción que es
midiendo el agua con un sextario. De este
fundamental
modo, encontró cuánta agua correspondía a cierto peso de plata. Una vez sabido esto, puso igualmente la masa de oro en un vaso y,
conceptos de la física moderna.
después de quitarla, añadió por el mismo motivo el agua que faltaba, encontrado que
parte del curso al discutir la posibilidad de vaciar completamente un recipiente y las con-
no era la misma de antes, sino menos, y la
secuencias de ello. Esta discusión puede
cantidad de menos era el exceso de una masa de plata, con el mismo peso, sobre una masa
vincularse con las aplicaciones del vacío en la industria y en la conservación de los
de oro.
alimentos.
Después de llenar de nuevo el vaso, puso en
2.4 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
para
entender
todos
los
La idea del vacío se puede introducir en ésta
el agua al corona misma, y encontró que correspondía más agua a la corona que a la masa de oro del mismo peso; reflexionando,
El estudio de, los fluidos debe incluir, además, una parte donde se hable de sus propiedades
pues, sobre el hecho de haber más agua para al corona que para la masa, halló que había
y, sobre todo de su
mezclado de plata en el oro, y puso en el claro el hurto del contratista.
estudio de la tensión superficial es importante; asimismo, se presta a realizar
relación con los sólidos. En esta parte, el
varias Vitruvio, sobre la arquitectura, siglo I d.C
comportamiento en
actividades
atractivas
con
los
estudiantes. TENSIÓN SUPERFICIAL Como ya se vio en los cursos de Química, las moléculas de los líquidos ejercen fuerzas de atracción unas sobre las otras; las llamamos fuerzas de cohesión y son responsables de que el fluido mantenga su unidad. Debido a las fuerzas de cohesión, las gotas de agua adquieren la forma esférica, que es la forma que encierra el mayor volumen con la menor área posible.
CONCEPTO DE VACÍO Una idea a la que se opone mucha resistencia por parte de quienes se inician en el estudio
La fuerza de cohesión en la superficie de los líquidos produce un efecto: parece como si la superficie del líquido estuviera cubierta por una piel delgada y bien estirada. A la fuerza 71
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ por unidad de área de capa del fluido, se le
EXPERIMENTO (CONTINUACION)
conoce como la tensión superficial. El agua, por ejemplo, tiene una tensión superficial de alrededor de 0.073 N/m2 (newtons / metro cuadrado). Algo interesante que se puede discutir con los estudiantes en esta sección son las burbujas de jabón, y también como los jabones reducen la tensión superficial del agua y cómo
de la película de jabón y detiene al alambre. Posteriormente, se construye con alambre otras figuras geométricas, coma las que se muestran a continuación:
se utiliza este fenómeno.
EXPERIMENTO ACTIVIDAD CON BURBUJAS DE JABÓN Cuando
nos
bañamos,
regularmente
utilizamos jabón. El jabón mezclado con el agua forma una solución jabonosa, que también se puede emplear para jugar y hacer burbujas de jabón. Las películas de jabón son muy resistentes y 5 000 veces más delgadas que un pelo común. En las burbujas de jabón intervienen las denominadas fuerzas de tensión superficial. Para entender como actúan dichas fuerzas se puede realizar el siguiente experimento. Se debe fabricar con dos alambres flexibles una figura como la que se muestra en la siguiente figura para luego introducirla en agua con jabón. El alambre corto se debe deslizar libremente sobre el alambre largo. Si se introducen ambos alambres en la solución jabonosa, la película de jabón que se forma será tan resistente que, aunque se ponga verticalmente, el alambre móvil no caerá, pues la fuerza de tensión superficial jala hacia adentro
Antes de meterlas en la solución de jabón, el alumno deberá dibujar la figura que cree que se formará. AI introducirlas en ,la solución de jabón, se formarán diferentes configuraciones que tienen la propiedad de ser las que poseen la superficie más pequeña posible necesaria, limitada por cada una de las figuras de alambre. Si no hay alambre, la esfera es la superficie más pequeña posible y, por ésta razón, cuando se hacen burbujas de jabón se forman pequeñas esferitas. Se puede fabricar cualquier figura con alambre e introducirla en agua con jabón pare averiguar qué superficie se forma. En el cuaderno de experimentos o bitácora científica el alumno deberá anotar lo descripción de la figura que se fabricó con el alambre, la superficie que se formó después de introducir la figure de alambre en la solución de jabón, así como dejar asentadas sus observaciones sobre cuál era la figura que esperaba, en contraste con
72
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ la encontrada.
MOVIMIENTO DE LOS CUERPOS SÓLIDOS EN LOS FLUIDOS. VISCOSIDAD
Los experimentos de superficies de jabón permiten que los alumnos vean superficies
Hasta este punto se ha hecho referencia a los
matemáticas que son difíciles de representar
fluidos estáticos o en reposo; no se ha
en el pizarrón.
hablado de lo que se necesita para poner en movimiento a un fluido, para mantenerlo en movimiento, o para detenerlo.
CÓMO HACER BURBUJAS GRANDES E INTRODUCIR UNA EN OTRA
Si se realizan experimentos con los estudiantes para observar el paso de diferentes fluidos
Para hacer burbujas grandes se puede utilizar
de un recipiente a otro, notarán que hay dife-
un embudo de plástico de cocina, o bien, fabricarlo con una lata y un popote, como se
rencias de comportamiento, por ejemplo, entre la miel, el aceite y el agua. Esta
muestra en la figura inferior. Se introduce el
diferencia se explica en términos de la
embudo en agua con jabón y después se forma una burbuja de grandes dimensiones.
viscosidad, ya que la miel es más viscosa que el agua. Pero, que es la viscosidad? Para definir la viscosidad, se puede analizar el
Si se introduce el popote en la solución de jabón, y posteriormente se mete el
movimiento del fluido y discutir que, al moverse, una capa del fluido ejerce
popote en la burbuja grande, formada con el embudo, se podrá meter una burbuja adentro
resistencia al movimiento de otra capa del fluido, paralela y adyacente a ella. A esta
de otra.
fuerza se le llama viscosidad. Las fuerzas de viscosidad son las responsables de que se
Nota: Para preparar el jabón es recomendable
mantenga el flujo de un fluido a través de un
utilizar jabón común pare lavar los trastes (si
tubo, e intervienen también en el movimiento
es posible, jabón líquido). Para que las burbujas duren más, se puede emplear
de un cuerpo a través del fluido.
glicerina, en la presentación que se vende en
Entre los efectos interesantes relacionados
las farmacias. Se puede probar que jabón es el más apropiado y cuáles son las
con el movimiento de los fluidos, está el hecho de que cuando una corriente de fluido
proporciones adecuadas.
se acelera, su presión decrece, y cuando se desacelera, su presión crece. Este principio, que se conoce como principio de Bernoulli, se puede entender más claramente si se piensa en el fluido mientras pasa por un tubo que en cierta sección disminuye su diámetro menor. Al llegar el fluido a ésta parte del tubo, el volumen que fluye debe ser el mismo por unidad de tiempo; por ello, el fluido debe acelerarse cuando entra a esa porción, y desacelerarse cuando sale. Se puede conducir a los estudiantes a entender este fenómeno 73
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ discutiendo el que, por las leyes del movi-
incluso que no fluye. Es importante pedir a los
miento, cuando se acelera un objeto, hay una
estudiantes que justifiquen éstas hipótesis y
fuerza responsable de ello; en el caso del fluido, la responsable de la aceleración es una
que intenten demostrarlas utilizando lo que han visto en clases. Mediante preguntas, el
diferencia de presión, la cual proporciona la
profesor
fuerza correspondiente. Es decir, en la porción
estudiantes hacia la respuesta correcta.
más delgada del tubo, la presión debe ser menor que en la parte ancha, pues, de no ser así, el fluido no se aceleraría. De igual
El arroyo tiene una parte más estrecha que otra. El agua fluye de la parte estrecha hacia
manera, la presión en la parte delgada debe ser menor que en la gruesa, para que al salir
la más ancha, y al pasar de una a otra debe disminuir su velocidad. ¿Cómo es que el agua
de ella el fluido se desacelere.
cambia de velocidad? Cuando el agua fluye
De acuerdo con el principio de Bernoulli, hay
por un tubo y Paso de una sección angosta a una más ancha, pierde velocidad porque hay
una caída de presión cuando el fluido gana
un cambio en la presión, pero en el arroyo
velocidad. Una consecuencia de esto es que la presión en una corriente de aire en
prácticamente no hay ningún cambio de presión. ¿qué es lo que ocurre entonces? El
movimiento, es menor que la presión en el
agua del arroyo disminuye su velocidad
aire estático que la rodea, y este efecto puede servir para explicar, por ejemplo, la
fluyendo hacia partes más altos. Entonces,: el agua que pasó por detrás de la roca es agua
posibilidad de que vuele un avión.
que le dió la vuelta y fluye de regreso, de la parte baja a la alto, es decir, corre en el
PROBLEMA
sentido contrario a la corriente del río ¿Qué pasaría si el agua del arroyo viajara a una
En un arroyo, como el que se "muestra en la
gran velocidad? En ese caso, el agua pasaría
figura, la corriente de agua fluye hacia la
por detrás de la roca en el mismo sentido de
derecha. ¿Hacia dónde fluye el agua que paso por el otro lado de la roca (el que no está
la corriente, pero a una velocidad menor, porque atrás de la roca se encontrarían dos
señalado con líneas de flujo) ?
flujos, parte de la corriente que corre
puede
ir
conduciendo
a
los
rápidamente hacia la derecha y parte del agua que le da vuelta a la roca y regreso de la parte más baja a .la más alto. MISCELÁNEA FÍSICA
SOLUCIÓN En este problema debe dejarse a los alumnos plantear sus propias hipótesis. Algunos opinaron que fluye en la misma dirección que la corriente; otros opinaron que fluye en dirección opuesta, algunos más opinaron 74
El VUELOS DE LOS AVIONES La ecuación de Bernoullí es una aplicación, para los fluidos, del principio de conversación de energía. Si hacemos que fluya agua por un tubo de diámetro diferente, por ejemplo, un embudo colocado horizontalmente, de acuerdo con la ecuación de Bernoulli, el agua
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ circulaba mayor velocidad por parte delgada del tubo mientras que la presión en dicha parte es menor ,por el contrario, en la parte ancha la velocidad del fluido es menor, pero la presión debe ser mayor. Todo lo anterior para que la energia se conserve. Una de las aplicaciones de dicha ley es el principio por el cual los aviones se pueden mantener en el aire. Si hacemos un corte transversal de un ala de avión, cuando éste está en movimiento, en el aire fluye por encima del ala del avión de manera diferente a como fluye en la parte inferior del ala (véase figura). Esta forma del ala de los aviones se denomina aerodinámica, porque permite que los objetivos en el aire vuelen. El aire recorre mayor distancia en la parte superior que en al inferior. Por ello, el aire es más veloz arriba en las alas, que abajo. Ahora, como acabamos de mencionar, si el aire es más veloz en la parte superior, esto quiere decir, por la educación de Bernoulli, que al impresión
es menor en la parte
superior del ala del avión, y mayor en la parte inferior. Esta diferencia de presión del aire empujó las alas del avión con una fuerza resultante dirigida hacia arriba, denominada sustentación. Por esta razón, la fuerza resultante, incluido el peso del avión, esta dirigido hacia arriba, y por ello los aviones pueden sostenerse en el aire, o volar.
RESISTENCIA AL FLUJO. FRICCIÓN Para terminar con las propiedades de los fluidos, es importante introducir la noción de fricción. Cuando se tienen fluidos que se mueven a diferentes velocidades entre ellos, el efecto de resistencia, entre las capas adyacentes paralelas de fluido, se traduce en resistencia al movimiento, es decir, en fricción. También puede discutirse que al moverse un fluido se puede presentar turbulencia y, en ese caso, entra en juego otro tipo de fuerzas más complicado. En el diseño de automóviles, de aviones, de trenes, etcétera, se trata de encontrar la forma que deben tener para minimizar la posibilidad de que su paso por el aire cause turbulencia, ya que ésta causa mucha fricción. BLOQUE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
3
El desarrollo de las aplicaciones de la electricidad
y
del
magnetismo
ha
sido
vertiginoso. Sería difícil imaginar como, sería la vida sin luz eléctrica, radio, televisión y otros muchos aparatos que funcionan en los hogares y, en las industrias. El conocimiento de los fundamentos de la electricidad es Muy importante, pero resulta, en ocasiones, difícil, 75
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ porque la electricidad es algo que no se percibe con los sentidos. Es interesante que los estudiantes se den cuenta
de
que
la
historia
del
electromagnetismo es joven comparada con los otros estudios, como el de los líquidos, o la mecánica. El desarrollo de esta parte de la física se inicia en la segunda mitad del siglo pasado. Sin embargo, pese a su juventud, sus repercusiones han sido enormes. ERRORES FRECUENTES • La electricidad constituye un tema difícil. Muchos adultos que han llevado cursos de Físico admiten tranquilamente que nunca le
EVALUACIÓN
han entendido. Cuando los jóvenes estudian
ASOCIACIÓN DE PALABRAS
los fenómenos eléctricos, se les pide que razonen sobre nociones sumamente abstractas, como corriente, diferencia de potencial o energía, para las cuales no tienen
A continuación se presenta una evaluación con base en una asociación de palabras a las que se les da 10 puntos de 25 posibles.
un contexto empírico directo. De esto surgen dos consecuencias especialmente
Ésta es una prueba para ver cuántas palabras
importantes:
puedes escribir en relación con la palabra clave que se te proporciona. Puedes escribir:
• Los estudiantes experimentan dificultades para distinguir los conceptos propios de esta
nombres de cosas, lugares, ideas, lo que sea,
área y, aunque gran parte de la terminología sobre electricidad básica se adquiere antes de la educación formal, los términos de energía, corriente, fuerza, electricidad, cargo y diferencia de potencial frecuentemente se emplean como sinónimos. Los
jóvenes
crean
diversos
modelos
conceptuales, mediante los cuales "entienden" los fenómenos eléctricos con los que se encuentran. Como en otras áreas temáticas, las investigaciones han revelado que algunos de estos modelos, una vez creados, resultan sorprendentemente resistentes al cambio mediante la enseñanza. 76
EXCEPTO adjetivos. Tienes tres minutos.
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ los electrones están más o menos libres, y cuando los átomos del metal están cerca unos de otros, los electrones se pueden mover libremente dentro del metal. Es importante recalcar que este es únicamente un modelo de la conductividad de los metales, y no es exactamente lo que sucede en ellos, pues la explicación del comportamiento de los electrones requiere de consideraciones de la física moderna. METALES Y ELECTRONES Para profundizar en la comprensión de la electricidad conviene introducir aquí la clasificación de los materiales. Los materiales se pueden dividir, de acuerdo con su capacidad para conducir la electricidad, en conductores y aislantes. Haciendo referencia al modelo de 3.1 LOS MATERIALES CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
Y
SU
los
metales,
se
puede
inducir
a
los
estudiantes a pensar como son los materiales aislantes.
La electricidad, como el calor, es invisible. Tratamos de entenderla mediante analogías y experimentos que nos permitan comprobar
También es importante mencionar el hecho de
sus efectos.
semiconductores,
La gente sabe que la electricidad viaja por cables y que se enciende o apaga al accionar un interruptor. Poco se sabe, además de esto. Es interesante comentar que en México se dice que se va la luz cuando no fluye la electricidad por las líneas, aunque lo que se va no es la luz, sino la electricidad. La electricidad se produce por el movimiento
que hay otra clase de materiales, los cuya
conductividad
es
intermedia, entre la de los conductores y la de los aislantes. Los semiconductores juegan un importante papel en la tecnología moderna: se usan en los transistores, en los diodos y en los circuitos integrados. Todos estos elementos se utilizan en aparatos electrónicos de use frecuente. ELECTROLITOS E IONES
de electrones en los materiales. Aquí nuevamente es conveniente establecer un vínculo
Para resaltar los nexos entre la física y la
con el tema de Química sobre la constitución de la materia, al comparar distintos
química, al hablar de conductividad es conveniente hacer notar que no únicamente
materiales y así conducir a los estudiantes al
los metales son conductores, sino que hay
modelo más usual del metal.
soluciones líquidas que funcionan también como tales.
En cuanto a los metales puede pensarse que 77
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Una solución que conduce fácilmente la electricidad se conoce como electrolito, y el proce-
legal para definir la unidad de corriente eléctrica, el ampere: cuando la corriente que
so químico producido por el paso de la corriente se llama electrólisis. Nuevamente se
se aplica puede depositar plata, a partir de una solución de nitrato de plata, a una razón
puede hacer aquí referencia a los cursos de Química, ya que mediante el use de la
de 1.118 miligramos por segundo, la corriente aplicada es de un ampere.
electrólisis se puede separar el agua en sus componentes: hidrógeno y oxígeno.
MOLES E IONES
Resulta interesante examinar en detalle, con los estudiantes, el proceso de la electrólisis.
La carga eléctrica transferida por una corriente de un ampere, durante un segundo,
La electrólisis del agua es una de las eviden-
se llama un coulomb. La carga de los átomos
cias de la relación que existe entre la electricidad y la materia. Esta parte del curso se
contenidos en un mol de plata se puede calcular recordando que un mol es el número de átomos contenidos en 12 gramos del
presta para que los estudiantes se acerquen a la historia y analicen cómo se ha construido la ciencia mediante las aportaciones de
isótopo 12 del carbono (12C).
científicos importantes. La relación entre la
El número de átomos en un mol es el número
electricidad y la materia fue estudiada cuidadosamente en Inglaterra por; Michael
de Avogadro: 6.023 x 1023. La carga por átomo de plata es entonces 96 500 coulombs,
Faraday (1791-1867), quien midió las cantidades de varios metales obtenidos
dividido entre el número de Avogadro, o 1.6 x
mediante electrólisis y encontró que la masa del material obtenido es proporcional a la
de un átomo al que le falta un electrón, es decir, un ión de plata. _
10-19 coulombs. Esta es precisamente la carga
corriente, al tiempo que se aplica ésta, y a una constante que depende del material
Es interesante hacer notar a los estudiantes
utilizado.
que estas relaciones se encontraron antes que el electrón fuera identificado y cuando lo único
Los estudios de Faraday pueden emplearse
que era posible decir en ese momento era que
para hacer patente la relación entre física y química. Se puede explicar también que la
los hechos que se veían en la electrólisis
electrólisis es un método con muchas aplicaciones industriales. Por ejemplo, el recubri-
de electricidad con una carga de 1.6 x 1019 coulombs. Se propuso el nombre de electrón
miento de ciertas superficies con plata o níquel, para evitar la corrosión, el cromado,
para la supuesta unidad y, en investigaciones
los procesos de impresión, o la obtención de
partícula cargada negativamente, con la cantidad de carga predicha: el electrón.
metales de gran pureza. La ley de Faraday se ha aprovechado en muchas aplicaciones interesantes. Entre ellas, puede mencionarse el diseño de los primeros medidores de electricidad, de use doméstico y el hecho de que ésta ley proporciona la base 78
sugerían la existencia de una unidad natural
posteriores, se verificó la existencia de una
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ 3.2 INTERACCIÓN ELÉCTRICA
con las del que esta cargado, y por ello el efecto neto es el de una atracción.
Hasta aquí se ha hablado de la corriente eléctrica como un fenómeno que ocurre
Por otro lado, hay que aclarar a los estudian-
naturalmente y se han descrito algunas de sus
tes que en este momento, a diferencia de los
características.
los
casos que se vieron-anteriormente, se está
fenómenos eléctricos requiere, además de esto, de la discusión de la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente.
tratando el caso de carga eléctrica acumulada en un material y en reposo, es decir, no esta fluyen do, como en el caso de los
CARGA ELÉCTRICA
conductores, por lo que se suele hablar de este tipo de electricidad como electricidad
La
comprensión
de
estática. La historia de la electricidad puede ser un elemento interesante en la introducción del
EXPERIMENTO
tema de la interacción eléctrica, ya que el
CONSTRUCCIÓN DE UN ELECTROSCOPIO
fenómeno se conocía desde la Antigüedad y sin embargo no fue explicado sino hasta el
MATERIAL
siglo
pasado.
La
comprensión
de
la
electricidad generó una enorme cantidad de aplicaciones en muy poco tiempo la referencia
- una lata de atún -10 cm de alambre de cobre esmaltado - cinta
a fenómenos comunes, donde los efectos de la electricidad son notables ayuda también a
aislante - dos tiras de papel aluminio de 1 x 1.5 cm
la, comprensión de éste fenómeno. Es conveniente introducir aquí la convención de
- soporte de madera y plastilina para sostener la lata
llamar a las cargas positivas, o negativas. PROCEDIMIENTO Estos experimentos funcionan mejor en días secos.
A partir de muchos experimentos se ha llegado a la conclusión de que solamente existen dos tipos de carga eléctrica, y que las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen. Fue Benjamín Franklin (1706-1790) quien sugirió que el tipo de carga producido en el vidrio se llamara positivo, y el del ámbar, negativo. Cuando un material no cargado se acerca a otro que si lo está, las
Con un clavo se perfora lateralmente la lata,
cargas del material no cargado interactúan
para introducir el cable de cobre. El extremo del cable que se encuentra aproximadamente 79
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ en el centro de la lata se dobla 1.5 cm en
PROCEDIMIENTO
ángulo de 90 °. Se aísla con la cinta el perímetro del cable que está en contacto con la lata. Las tiritas de papel aluminio, a las que
- Se frota la varilla de vidrio con la seda, y se acerca al extremo superior del cable del
se les ha ensartado una argollita con hilo de
electroscopio, sin tocarlo. Se observará que
Cu, se colocan en el doblez del cable, de
las laminillas de aluminio se separan: se
modo que queden una frente a la otra. El extremo superior del cable se dobla formando un gancho.
habrán producido cargas positivas. Se frota la barra de plástico con la lana y se
La lata de atún se puede sustituir por una
procede de la misma forma. Se observará el mismo efecto: se habrá cargado
botella de boca angosta (de 1l. de leche) con
negativamente.
un corcho que le ajuste. Se introduce el cable ya armado con las laminitas de papel aluminio
Para demostrar que en los dos casos se trata de electricidad de diferente tipo, se hará lo
y sostenido par el corcho.
siguiente:
Para hacer funcionar el electroscopio y diferenciar
las
cargas
positivas
y
-
Las varillas de la actividad anterior se
las
cargan de la misma manera, una de
negativas, y además comprobar el comportamiento de las cargos una frente a la otra, se
ellos se cuelga con un cordel y alguien la sostiene. Se le acerca la otra
hará lo siguiente.
varilla, cargado con la electricidad de signo contrario, y se observará que la
Material una varilla de vidrio y otra de plástico una tela
varilla colgada es atraída por la que se le acerca.
de seda y otra de lana
Utilizando el mismo procedimiento, se podrá experimentar con globos y tratar de deducir que tipo de cargo tienen. Se puede fabricar un juguete utilizando la electricidad estática. Una caja de papel, con 80
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ palomitas de maíz, cereal de hojuelas de
aunque la forma de esta ley se parece mucho
maíz, pedacitos de confeti o cualquier otro
a la de la ley de la gravitación, su magnitud
objeto ligero dentro, se cubre con un plástico de forro, el cual se pega bien estirado sobre la
es muy diferente. Las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados son grandes, en
cola; este se frota con una tela de lana o de
comparación con las fuerzas gravitacionales.
seda y se observará el movimiento del
Se
contenido de la caja.
comparación.
-
Se podrá también observar el mismo efecto
También es importante subrayar que las fuer-
con dos tiras recortadas de una bolsa de plásfico de supermercado. Se frotan juntas
zas electrostáticas, al igual que las gravitacionales, se ejercen a distancias remotas sin la
con una tela y se repelerán una de la otra,
intervención de ningún medio o materia, es
pero serán atraídas, por ejemplo, por uno mismo.
decir, son ejemplos de acción a distancia. Es posible llevar a los estudiantes a imaginar
recomienda
hacer
ejemplos
de
esta acción pidiéndoles que piensen que el Nuestro cuerpo puede también acumular electricidad estática al haberse frotado, por ejemplo, con el asiento de un coche; ésta se
espacio alrededor de la carga se modifica por su presencia, de tal manera que si se coloca otra carga en ese espacio va a sentir una
descarga al tocar algo metálico, entonces salta una chispa y se siente un toque.
fuerza de acuerdo con la ley de Coulomb. De esta manera los alumnos tendrían una primera idea de campo eléctrico.
LEY DE COULOMB 3.3 CORRIENTE ELÉCTRICA El investigador francés Charles A. Coulomb (1736-1806) midió la fuerza entre pares de
Aunque ya se ha hablado de corriente
cuerpos cargados y encontró que la fuerza
eléctrica
electrostática es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centros de
retomar aquí este concepto en su relación con las cargas y con la interacción eléctrica.
anteriormente,
es
importante
los cuerpos cargados, cuando éstos son pequeños comparados con la distancia entre ellos. En las mismas circunstancias, encontró
Para entender la corriente eléctrica, es útil aprovechar la analogía con el flujo de agua
que la fuerza es proporcional al producto de las dos cargas. El factor de proporcionalidad
por un canal o por un tubo. A partir de esa analogía surgió el lenguaje con el que se
es aproximadamente de 9 x 109 en el Sistema
habla de la electricidad. En esta analogía, los tubos se remplazan por alambres, las válvulas
Internacional de Unidades. Estos resultados se resumen en lo que hoy se conoce como ley de Coulomb. Es conveniente aclarar a los
por interruptores, y los generadores eléctricos
estudiantes que para que esta se cumpla se requiere que las cargas se encuentren en el vacío, ya que la presencia de materia reduce
Así como se habla de corriente de agua, al flujo de electricidad por un alambre le
fuertemente
corriente eléctrica se denomina ampere, en
el
efecto
de
la
fuerza
o baterías por bombas que mantienen el flujo.
llamamos corriente eléctrica. La unidad de
electrostática.
honor al físico francés Andre Marie Ampere
Resulta pertinente enfatizar el hecho de que
(1775-1836). 81
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ¿Cuál es la dirección de la corriente electrica? La respuesta a esta pregunta no es simple, pero se puede tratar con un ejemplo. Supongamos que de una batería salen dos alambres que se conectan, por ejemplo, a un foco que se enciende, y por ese efecto sabemos que a través de los alambres pasó corriente. Durante la práctica una de las terminales de la batería se marca de un color y con un signo positivo, y se dice que hay flujo de corriente de la terminal positiva hacia el circuito y que regresa a la terminal negativa, ya que continúa el flujo de la corriente, de la terminal negativa hacia la
INTENSIDAD DE CORRIENTE. EL AMPERE
positiva. ,
COMO UNIDAD FUNDAMENTAL
Es necesario aclarar a los alumnos que ésta
Si se retoma la idea de que la intensidad de la
forma de explicar el flujo de la corriente es
corriente se mide en amperes, conviene hablar aquí del aparato con el que se mide la
una convención, basada en la observación de los primeros experimentos de electrólisis. De acuerdo con esta convención, en una batería normal la terminal de carbón se marca como positiva y la de zinc, como negativa. Esta convención de marcar las terminales de
corriente eléctrica: el amperímetro. El uso de los aparatos de medida cumple un papel importante en el estudio de la electricidad porque,
como
se
ha
mencionado,
la
distinta manera se utiliza en todas las baterías
electricidad no se puede percibir a través de los sentidos, sino únicamente por sus efectos;
que proporcionan corriente directa, es decir,
por eso es relevante contar con una manera
corriente que fluye constantemente en la misma dirección, y no en fuentes de corriente
de hacerlos patentes. Es interesante que los estudiantes se den una
alterna, donde la dirección del flujo de
idea de la cantidad de corriente que se utiliza en distintos aparatos, por ello conviene
corriente cambia a intervalos regulares de tiempo.
hacerles notar, por ejemplo, que el encendido de un auto requiere de aproximadamente dos amperes; las luces del auto requieren de 10 0 20 amperes, y arrancar el motor toma varios cientos de amperes. MISCELÁNEA FÍSICA ELECTRICIDAD EN LA CASA Para comprender cómo llega la energía eléctrica a nuestras casas hay que considerar
82
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ que la electricidad se produce en las grandes centrales eléctricas que en el caso de México
cargos que recorre el conductor por unidad de tiempo, es decir, que:
son las plantas termoeléctricas que funcionan con petróleo, gas o carbón y la hidroeléctricas, en las cuales se aprovechan la caída de agua de los ríos para producir
en este caso se conoce la corriente y el
electricidad.
tiempo, por lo que conviene rescribir la relación anterior en la forma
Las centrales eléctricas poseen un generador de energía eléctrica que produce señales eléctricas con una corriente de 1000 amperes y 240 volts. Posteriormente, la electricidad pasa por un transformador que eleva el voltaje a 240 000 volts y baja la corriente a 1 ampere.
Una vez que se conoce la cantidad de cargas que pose por el conducto, es necesario convertir la carga a número, de electrones, y como.1 coulomb (C) equivale a 6.25 x 10 18 electrones, se concluye que:
Esto son los valores del voltaje y la corriente que lleva los cables de las torres de alta tensión; así viaja la energía eléctrica cintos de kilómetros hasta llegar a los centros de consumo. Ahí, nuevamente un transformador baja el voltaje de las señales eléctricas hasta 240 volts y un tercer transformador llamado monofasico baja el voltaje hasta 115 volts y a
DIFERENCIA DE POTENCIAI
una frecuencia de 60 hertz, que es la señal eléctrica que tiene los enchufes de una casa.
Se ha hablado ya de corrente eléctrica, pero hasta este momento, no se ha hecho
Investigar que corriente es la que sale de los
explícito, más formalmente, como se puede producir una corriente. Los estudiantes tienen
enchufes de una casa y cuál es la corriente
experiencia con el uso de pilas y baterias para
máxima y el voltaje que puede tolerar una persona sin que lo dañe, así como bajo qué
generar
condiciones.
comprender cómo ocurre éste fenómeno.
PROBLEMA
Para introducir la idea de diferencia de po-
electricidad
en
los
aparatos
domésticos y es importante que puedan
tencial o voltaje, de nuevo es conveniente durante 10 segundos si en el conductor se
recurrir a la analogía con el agua. Un motor movido por agua como, por ejemplo, la rueda
mantiene la corriente constante a 5 amperes?
de un molino, convierte parte de la energía
SOLUCIÓN
del movimiento del agua que fluye a través de el, en trabajo útil. Si el agua tiene mayor
En este problema conviene enfatizar el hecho
presión, se obtiene mayor cantidad de trabajo de la misma cantidad de agua. La diferencia
de que la corriente eléctrica es el número de
de presión entre el agua que llega y la que
¿Cuántos electrones pasan por un punto
83
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ sale
del
motor
determina
la
energía
proporcionada por cada litro de agua que pasó
conectan a una fuente de 110 volts. ¿Cuál brillará más?
por el motor. En la práctica, para lograr mayor presión, el agua debe provenir de una
Solución
presa o de un tanque elevado. Al caer el agua desde mayor altura, la energía potencial del
Este problema se presta a una interesante discusi6ón entre los alumnos, y también a
agua es mayor. En el caso eléctrico, lo análogo, a la diferencia de presión es el voltaje, responsable de que se genere una
verificar experimentalmente sus hipótesis y a
corriente eléctrica. El voltímetro es el aparato que mide lo que podríamos llamar energía
sobre las características de los circuitos eléctricos y su relación con la energía.
reaccionar frente a una posible contradicción. La solución del problema invita a reflexionar
potencial eléctrica, pero que se suele llamar la diferencia de potencial entre los dos puntos en los que se conecta el voltímetro Con esta analogía puede ser más clara la definición de volt, que es la unidad de diferencia de potencial o voltaje y que se define como la diferencia de potencial entre dos puntos cuando se requiere un joule de trabajo para llevar un coulomb de electricidad de un punto a otro.
El foco con el filamento grueso brilla más
RESISTENCIA ELÉCTRICA
porque tiene menos resistencia. La luz que brilla más es la que consume más energía por
Ya se ha hablado con anterioridad de la
segundo. La energía consumida depende de cuánta carga pasa por el circuito y de la
existencia de materiales que son buenos conductores y de los que son aislantes. Se puede aquí retomar este tema para hablar de la resistencia eléctrica que se presenta en cualquier material y de su relación con los materiales aislantes. En particular, conviene que los alumnos conozcan el hecho de que la resistencia de un metal es proporcional a su longitud, e inversamente proporcional al área de su sección trasversal, y que también depende del material, que se use como conductor. PROBLEMA Dos focos idénticos, excepto porque uno de ellos tiene un filamento más grueso, se 84
diferencia de potencial en el mismo. La diferencia de potencial es la misma para ambos focos: 110 volts; la única diferencia entre los focos es la corriente que pasa por ellos. El filamento grueso ofrece menor resistencia y por ello pasa más corriente a través de él. El hecho de que el filamento más grueso ofrezca menos resistencia al paso de la corriente es contrario a lo que se suele esperar, y puede explicarse al considerar como si estuviera formado par varios filamentos delgados iguales.
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ ERRORES FRECUENTES
de potencia eléctrica, o cuando la trayectoria se rompe en alguna parte, el circuito está
• Los alumnos tienen dificultad con el concepto de resistencia eléctrica y les es difícil
abierto y no fluye electricidad por él. Cuando los alambres se conectan a la línea de
relacionarlo con otras variables, en particular,
potencia, el circuito se cierra y fluye por el la electricidad. El circuito se emplea para llevar
con la energía o la potencia. La mayor parte de las veces piensan que la resistencia es proporcional a la longitud del alambre, y también a su sección transversal. La primera
la electricidad de un lugar a otro y para regular la corriente que llega a los aparatos eléctricos.
relación es cierta, pero en el segundo caso, la resistencia es inversamente proporcional a la
¿Cuándo se produce un corto circuito? Al ha-
sección transversal, por lo que la potencia es
blar de circuitos es interesante explicar que
proporcional al cuadrado de la corriente por la resistencia.
un cortocircuito ocurre cuando el trayecto de la corriente por el circuito se completa sin que pase electricidad por una parte de él. Por
LEY DE OHM
ejemplo, cuando los alambres del circuito
¿Qué es lo que determina la intensidad de la
entran en contacto uno con otro por alguna razón. Cuando esto sucede, los alambres del
corriente en un conductor particular, cuando se le aplica una diferencia de potencial? Esta
circuito
es una pregunta importante, por ello conviene hablar a los alumnos acerca del hecho de que
explicar que los fusibles se utilizan para evitar un desastre en una casa o en una industria cuando se produce un corto circuito.
existe una relación entre la diferencia de potencial aplicada a una conductor metálico,
se
calientan
mucho,
y
puede
producirse una descarga. Este hecho permite
la corriente que circula a través de él, y una
Los fusibles contienen un pedazo de metal
característica medible del conductor, que es a
que se funde fácilmente a baja temperatura,
la que se ha llamado resistencia. Esta relación la encontró Georg Simon Ohm (1787-1854) y se conoce, como la ley de Ohm. La resistencia
de tal manera que cuando ocurre el corto circuito, el metal se funde y se rompe, dejando abierto el circuito e impidiendo el
del material se mide en ohms y la expresión de la ley de Ohm es I = V/R. Es necesario
paso de la electricidad. Se puede discutir también con los alumnos que para evitar los
aclarar que esta ley se aplica a conductores metálicos a una temperatura fija, pero no
cortocircuitos se cubren los alambres con materiales plásticos, que son aislantes.
necesariamente a todo tipo de conductores.
Además del plástico, son también aislantes el vidrio, la seda, la porcelana, los asbestos.
CIRCUITOS ELÉCTRICOS Una vez que se conoce que la electricidad viaja por metales y que los estudiantes han
Resulta importante referirse aquí a las distintas formas en que se puede diseñar un circuito, en serie y en paralelo. Un ejemplo
visto que generalmente estos tienen la forma
interesante son los llamados "circuitos de
de alambres, se puede hablar de circuito
escalera", que tienen dos interruptores.
como una trayectoria de alambres. Cuando estos alambres no están conectados a la línea
Compara el costo de operar 3 focos en serie, 85
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ y en paralelo en un circuito de 115 volts. Si
puede entender mejor la situación (véase la
cada foco tiene una resistencia de 100 ohms,
figura).
¿cuál es el consumo de energía y cuántas calorías de calor se generan en cada caso,
La ley de Joule dice que
durante un periodo de una hora? No tomar en cuenta la energía lumínica producida por los focos.
V = IR, que al sustituirse en la ecuación anterior, do P = VI. Para los focos en serie, la resistencia total es la suma de las resistencias
SOLUCIÓN Si se dibuja un diagrama para cada caso se
86
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________
POTENCIA ELÉCTRICA La potencia eléctrica, al igual que la potencia
eléctrica. Dada la importancia que tienen estos conceptos en este curso elemental de Física, conviene precisarlos antes de pasar a
mecánica, es la cantidad de trabajo que se pueda producir por unidad de tiempo, solo
las concepciones de los estudiantes:
que ahora el trabajo se produce mediante el paso de una corriente eléctrica. La potencia
En un circuito sencillo, la corriente transporta energía desde la pila a los diversos componentes del circuito. La corriente es un
eléctrica se mide en watts y es igual al producto de la diferencia de potencial V. por
flujo de cargo a través del circuito y, por
la corriente I, es decir, P = VI watts. En esta
tanto, se conserva; esto significa que la
parte se puede discutir con los alumnos que aparatos domésticos son más potentes y para
corriente de entrada en cualquier elemento del circuito debe ser igual a la de salida y, en
qué se usan.
las uniones, esta se debe dividir o recombinar, de manera que no haya pérdida ni ganancia.
ERRORES FRECUENTES
La resistencia total del circuito determina la corriente que atraviesa una pila dada.
• Muchos de los problemas causados por las concepciones previas de los fenómenos eléctricos se relacionan con una confusión
La idea que prevalece en los jóvenes al inicio de la enseñanza formal, y que muchos
inicial entre corriente eléctrica y energía
conservan por mucho tiempo más, es que hay 87
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ una "fuente" como, por ejemplo, una pila y un
una afirmación como la siguiente:
elemento "consumidor" como una lámpara o un motor-. La electricidad, la corriente, la fuerza, los volts, la energía, el fluido, o lo que
En toda pila nueva se almacena una cierta cantidad de corriente eléctrica... la corriente
se almacene en la fuente, fluye para cargar el
contenida en una pila será consumido por los
elemento en donde se consume. La pila se
equipos eléctricos en el transcurso del tiempo.
considera normalmente como el agente activo o donante del proceso, mientras que el otro elemento es el receptor. La mayoría de los jóvenes entre los 13 y los 15 años suscribiría
MISCELÁNEA FÍSICA POTENCIA Y ENERGÍA DE ALGUNOS APARATOS
APARATO
POTENCIA Energía (WATTS)
(kilowattshora) durante 1 hora
Compuradora Radio
16 9
0.016 0.009
videos casetera televisión
40 140
rasuradora
15
extractor jugos
88
23 300
Potencia Energía (watts)
(kilowatts – hora durante 1 hora
Aspiradora Ventilador
700 500
0.700 0.500
0.039 0.140
Picadora
730
0.730
Cafetera
700
0.700
0.015
Lavadora
850
0.850
Foco Plancha
60 1000
0..60 1.000
Tostador
1350
1.350
900
0.900
tenazas para el pelo refrigerador
Aparato
0.023 0.300
de
Horno de 300
0.300
Microondas
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ televisión portátil secadora de pelo licuadora
Secadora
de 2000 de 88
115
0.115
ropa Máquina
500 700
0.500 0.700
coser
2.000 0.088
can la relación entre el calor y la electricidad y, en este sentido, conviene destacar que fue 3.4
RELACIÓN
ENTRE
CALOR
Y
Joule quien descubrió, éstas relaciones. La
Los tostadores de pan, los focos y algunos
contribución de Joule a la ley de conservación de la energía empezó con sus estudios sobre un motor eléctrico que construyó cuando tenía
otros aparatos que se usan en la casa y en la
19 años. Podía medir la cantidad de trabajo
industria se calientan con el paso de la
realizado por el motor, pero en ese entonces no había manera de medir la cantidad de
ELECTRICIDAD
corriente eléctrica. Esto nos muestra que parte de la energía eléctrica, en un conductor, se transforma en calor. Es importante que los alumnos conozcan que
electricidad que se usaba como entrada para alimentar el motor, por lo que diseñó su propio método y sus propios instrumentos. Joule encontró que podía medir la corriente
cuando la diferencia de potencial es la misma, el calor producido es mayor en un circuito con
por medio de la razón a la que se deposita
menor resistencia que en uno con mayor
experimento, la cantidad de calor que se desarrolla en el cable es proporcional a la resistencia del alambre y al cuadrado de la
resistencia. Por eso, en un cortocircuito se
metal en un baño de plata, y que en este
corriente. Se dió cuenta de que la fuente de desprende una gran cantidad de calor y,
su motor eléctrico era la reacción química del
además, el calor producido en una resistencia dada es proporcional al cuadrado de la corriente que pasa a través de él. La
zinc en una celda voltaica, y encontró que el trabajo que se podía obtener al consumir una libra de zinc era solamente un quinto del que
resistencia es además proporcional a la
se podía obtener de una máquina de vapor
longitud del conductor, así que el efecto de
donde se quemara una libra de carbón. Estos experimentos lo condujeron a medir, además,
conectar dos o más conductores en serie hace la resistencia igual a la suma de las
la cantidad de calor que se produce al hacer
resistencias de los conductores. Cuando los conductores se conectan en paralelo, el efecto
trabajo contra la fricción en diferentes condiciones. Como el calor que aparecía
es el mismo que si se sumaran las secciones
estaba siempre en proporción con la cantidad
transversales de los conductores. Entonces,
de
es el recíproco de la resistencia, al que se
concluyó, como se ha visto, que el calor y la
denomina conductividad, que es igual a la suma de, las conductividades en paralelo.
energía mecánica están relacionados y se pueden transformar uno en el otro.
energía
mecánica
que
desaparecía
LEY DE JOULE EFICIENCIA Resulta importante que los estudiantes conoz-
89
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Aunque de los motores eléctricos se habla más adelante, se puede aprovechar la
Es importante enfatizar que existen materiales que son magnéticos, pero que también
referencia al trabajo de Joule para empezar a hablar de la eficiencia en la producción de
puede inducirse magnetismo temporal en barras de hierro.
energía
Al igual que en el caso de la electricidad, se puede hacer ver a los estudiantes que es
a
través
de
ejemplos
y
comparaciones.
posible pensar en la influencia magnética que 3.5 MAGNETISMO
la presencia de uno o varios imanes ejerce a su alrededor, en términos del llamado campo
Los conceptos del magnetismo se pueden introducir de forma amena jugando con imanes,
magnético. Este puede visualizarse al poner limadura de hierro sobre un papel y debajo de
viendo como es la acción de un imán sobre
él diferentes tipos de imanes. La limadura de
otro y como ésta acción se ejerce a distancia. Los imanes siempre han ejercido una gran atracción y curiosidad en el hombre de todos
hierro se acomoda siguiendo las llamadas líneas del campo magnético. La dirección de estas líneas se toma, por convención, desde el
los tiempos.
polo norte hacia el sur (véase figura).
LIBRO PARA EL MAESTRO DE FÍSICA Los usos del magnetismo en la actualidad son muchos, sobre todo, aquellos donde se aprovecha la relación entre los fenómenos del magnetismo y la electricidad. El manejo en clase de los conceptos del magnetismo debe dirigirse a entender su relación con la electricidad, para que en capítulos posteriores se llegue a comprender la relación de estos fenómenos con muchos otros que constituyen el llamado espectro electromagnético. IMANES Y POLOS MAGNÉTICOS MAGNETISMO EN LA TIERRA Un imán o una barra magnetizada tiene los efectos magnéticos concentrados en los extremos. A los extremos de los imanes se les
El magnetismo es un fenómeno que se manifiesta directamente en la estructura de la
llama polos, polo norte y polo sur, por la relación histórica que los imanes han tenido
Tierra. Los chinos en la época antigua descubrieron esta propiedad y, a fin de
con la orientación en la Tierra. Al observar la acción de un imán con otro, se encuentra que
aprovecharla para orientarse, desarrollaron la brújula. El polo de la brújula que apunta hacia
los polos opuestos se atraen y los polos
el norte geográfico se denominó polo norte, y
iguales se repelen, y que además no existe
el otro, polo sur. Resulta interesante hacer
otro, tipo de polo magnético.
ver a los-alumnos que este hecho histórico
90
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ tiene como consecuencia que el sur magnético corresponda al norte geográfico, y viceversa. Es importante resaltar que ésta no es una paradoja, sino simplemente el resultado de la
En 1819 Hans Christian Oersted (1777-1851) encontró que si ponía una brújula cerca de un
forma en que históricamente se nombraron
alambre por el que fluía corriente eléctrica, la
los polos magnéticos.
brújula cambiaba de orientación, colocándose
También tiene importancia señalar a los alumnos que la dirección en que la brújula apunta
ésta en ángulo recto con el flujo de la corriente.
difiere de los verdaderos polos norte y sur geográficos, basados en la observación de las
Mostró así que hay relación entre el magnetismo y la electricidad. Lo curioso es que la
estrellas. Esto se debe a que7el imán terrestre
dirección en que se da este efecto no es en la
no coincide exactamente con las direcciones geográficas: está un poco inclinado. Además,
dirección del alambre, sino en la dirección transversal a él. Este fue el primer paso en
la dirección del imán terrestre, es el resultado
una
de efectos dinámicos en el interior de la Tierra, por lo que poco a poco cambia de
revolucionaron el mundo de la ciencia y de la tecnología, y que dieron origen, entre otras cosas, al motor eléctrico, al teléfono y al
posición
serie
de
descubrimientos
que
¿Cómo se sabe esto? Conviene, que en ésta parte los alumnos lleven a cabo alguna
telégrafo.
investigación acerca de las técnicas que se
Se le recomienda que reproduzca con sus alumnos el experimento de Oersted (véase figura).
utilizan para indagar lo que ocurre en el centro de la Tierra, al cual no se puede tener acceso directamente.
La
discusión
de
estas
-
investigaciones debe resaltar que se pueden aprovechar los conocimientos de un área para investigar en otra, y que aún hay muchos problemas no resueltos que son objeto de investigación. 3.6 RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
MISCELÁNEA FÍSICA EL TELÉFONO
La electricidad y el magnetismo se concibieron durante mucho tiempo como dos fenómenos desconectados. Los estudiantes tienden a pensar en ellos de esta manera, por ello, es importante revisar la relación entre estos dos fenómenos. Esto puede lograrse mediante la historia de los descubrimientos y mediante la
El principio de funcionamiento del teléfono la patentó Alexander Graham Bells en 1876 y consiste en que la voz hace vibrar las moléculas del aire. Este hace que vibre un diafragma produce una corriente eléctrica.
realización de experimentos cuando sea posible. 91
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ Cuando hablamos por teléfono, la voz pasa por un micrófono, que consiste en una membrana metálica que al vibrar con la voz presiona las partículas de un material que puede ser carbón, y provoca que cambie su resistencia. Si a través de las partículas del material pasa una señal eléctrica, ésta sufrirá las variaciones de al voz se ha transformado en una señal eléctrica, ésta sufrirá las variaciones de la voz de quien habla. De esta forma la señal de la voz se ah transformado
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
en una señal eléctrica. Esta señal eléctrica se transporta por un alambre y llega a otro teléfono por el auricular. Ahí, la señal se transforma en acústica por medio.
Una corriente eléctrica produce a su alrededor un campo magnético cuya intensidad es mayor si la corriente es más intensa. Ampere, al continuar con las experiencias de Oersted, diseñó un aparato que llamó solenoide, para obtener, campos magnéticos grandes con comentes consiste en
moderadas. El un alambre
solenoide enredado
espiralmente en forma cilíndrica. El campo magnético que se - origina en su interior se debe a la combinación de los campos individuales de cada vuelta. EL SOLENOIDE BOBINA. MISCELÁNEA FÍSICA
de una bocina que consiste en un electroimán que hace que vibre una membrana de la que el diafragma
SE
LLAMA
Después del descubrimiento de Oersted, los
(CONTINUACIÓN)
misma manera
TAMBIEN
del
micrófono en el receptor. Las vibraciones del cono de al bocina harán que vibre el aire y se produzca las ondas sonoras.
investigadores de muchos lugares intentaron obtener corrientes eléctricas a partir del magnetismo, pero pasaron varios años sin que se lograra. En 1832, Michael Faraday realizó un descubrimiento que, a partir de entonces, ha sido la base de la industria eléctrica tal como la conocemos. Faraday encontró que cuando dos bobinas se colocaban cerca una de la otra y se hacia pasar una corriente por una ellas, se generaba corriente en la otra, aunque la
92
EL DESARROLLO DE LA FISICA EN MEXICO______________________________________ corriente duraba poco tiempo, ya que en
PROCEDIMIENTO
cuanto había corriente contínua en la primera bobina, la corriente en la segunda desaparecía; pero cuando se apagaba la corriente en la primera bobina, la corriente en la segunda reaparecía por algunos instantes. Faraday concluyó que una corriente en un alambre estacionario inducía corriente en otro alambre estacionario solamente cuando la
En este experimento se muestra cómo al poner a oscilar uno de los imanes adentro de lo bobina de la izquierda (véase figura) se induce una corriente eléctrica alterna en la segunda bobina y, entonces, el imán de la derecha empieza a oscilar a la misma frecuencia que el primero.
corriente estaba cambiando. Con esto se ilustra el fenómeno de resonancia Faraday descubrió también que cuando se mueve dentro de una bobina una barra magnética, se induce una corriente. A este fenómeno se le conoce como inducción
magnética. Para construir las bobinas se tiene que conseguir cable de cobre aislado (núm. 30) en
electromagnética.
una tlapaleria, al igual que los imanes y los resortes. Para hacer las bobinas, se pueden
El principio de Faraday se puede expresar de
utilizar tapas de plástico de alrededor de 5 cm de diámetro. Se les hace un agujero en el
la siguiente manera: el cambio de la fuerza magnética induce una corriente en un alambre
centro para que se puedan mover libremente los imanes. Para las bobinas, se debe dar
Este cambio se puede lograr mediante un imán que se mueve relativo al alambre, o
unas 200 vueltas con el alambre de cobre alrededor de la tapa. El alambre se puede
mediante una corriente cambiante.
sostener con cinta adhesiva.
A partir del descubrimiento de Faraday sólo se podía producir pequeñas cantidades de corriente, así que quedaba abierto el problema de generar una corriente contínua mediante inducción electromagnética; la solución a éste problema dió lugar al generador eléctrico. MATERIAL - dos soportes - dos resortes - dos bobinas - dos imanes de barra -10 m de cable cobre del núm. 30 - dos tapas de plástico de 5 cm de diámetro - cinta adhesiva
93
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____
BLOQUE II LOS CONCEPTOS DE LA FÍSICA REFLEXIONES EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGÍA: IMPLICACIONES CURRICULARES C. SEVILLA SEGURA Instituto Isabel Villena, Valencia, España . INTRODUCCIÓN
E
alumnos distintas. La planificación del estudio escolar de estos temas no puede pasar por
N ESTOS MOMENTOS en que la Reforma de las Enseñanzas Medias
alto esto, y si se pretende realizar un
promueve el análisis y la reflexión
tratamiento riguroso será necesario clarificar
sobre nuestra tantas veces rutinaria tarea, cobran actualidad en nuestro país temas a los
aquellos aspectos que en el use extraescolar puedan aparecer confusos, evitando agudizar
que desde ya hace algunos años dedican
contradicciones entre la acepción cotidiana del
atención frecuente las publicaciones especializadas extranjeras. Uno de estos
término y la interpretación escolar del mismo.
temas, que probablemente se verá potenciado, es el relacionado con la energía y
El problema plantea una doble vertiente, la introducción de los conceptos físicos
su tratamiento curricular.
relacionados con la energía y la necesidad de
Esta reflexión viene motivada por dos tipos
tomar en consideración las implicaciones derivadas de su repercusión social. El alumno
de razones. Por una parte, en los actuales libros de texto se introduce el concepto de
empieza el estudio del tema de energía con bastantes ideas formadas y con inquietudes,
energía de forma incompleta, parcial, limitándolo sin advertirlo a alguno de sus
con necesidad de encontrar respuestas a cuestiones relacionadas con aspectos de su
significados,
vida, lo cual no sucede con la mayoría de los otros temas estudiados.
sin
relación
entre
unas
manifestaciones y otras, por ejemplo, energía en mecánica y en electricidad. Por otra parte, un tema, como el de la energía; con fuertes implicaciones económicas y repercusiones en la vida cotidiana, presenta peculiaridades distintas a aquellos otros cuyo primer contacto se establece en la escuela y desarrolla, por tanto, actitudes iniciales en los
94
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ 1.
ALGUNAS DIFICULTADES DEL
clasificación de respuestas en siete esquemas conceptuales: a) energía asociada a
CONCEPTO DE ENERGÍA
capacidades humanas; b) energía como deposito que será origen de actividades; c) la
La introducción rigurosa, clara y general de
energía como ingrediente, algo que no está almacenado en un sistema sino que aparece
cualquier concepto, no suele ser fácil, normalmente. Si además ese concepto es abstracto, como el de energía, y se encuentra relacionado con otros conceptos también abstractos y con diversidad de significados, la situación se complica, tanto más si pretendemos acercarnos a situaciones reales,
al interactuar con él; d) la energía como actividad, por ejemplo, el movimiento es energía; e) la energía como producto de la actividad; f) energía funcional, por ejemplo gasolina o cualquier otro tipo de combustible; g) la energía es un fluido que se transfiere de
que obligan a tener en cuenta la degradación
un sistema a otro.
de la energía, termodinámica.
La definición de energía como capacidad para
introduciéndonos
en
la
realizar trabajo es frecuentemente contestada
El tema recibe atención frecuente por parte de distintos investigadores en didáctica, por lo que intentaremos facilitar comentando algunas
el camino aportaciones
significativas. Desde el punto de vista didáctico los estudios relativos a los problemas de la energía se enmarcan en tres grandes líneas, relacionadas entre sí:
Concepciones
que
mantienen
los
alumnos, formadas previamente al proceso de instrucción escolar. Introducción del concepto de energía.
La conservación de la energía. Principio de conservación. Degradación de la
energía. Educación energética. En la línea sugerida por la primera corriente se inserta un análisis de los conceptos de energía de alumnos de 14 a.18 años realizado por. Watts
(1983), que pone de manifiesto la disparidad de nociones que evoca el término energía en los distintos alumnos. Watts propone una
por considerar que está limitada al campo de la mecánica y que entra en contradicción con las leyes de la termodinámica. Pero, además, resulta ser contradictoria con las mismas explicaciones presuntamente clarificadoras que acompañan a la definición. Así, un cuerpo situado a una altura tiene una cierta energía potencial (capacidad para realizar trabajo). Esta energía se va transformando a medida que el cuerpo en su descenso gana velocidad. Cuando el cuerpo llega al suelo la energía cinética se convierte en calor y sonido, con lo cual se conserva la energía pero no la capacidad para realizar trabajo (Hicks, 1983). Algunos autores proponen introducir el concepto de energía en un contexto adecuado, no restringido a la mecánica como suele hacerse, relacionando siempre el concepto de energía con la conservación. De esta forma pretenden superar algunas confusiones frecuentes en la mente del alumno con otros conceptos relacionados: trabajo, potencia, fuerza. Se sugiere también, dedicar más tiempo a la degradación de la energía que a la propia conservación (Duit, 1984).
95
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ El análisis de la contradicción entre el principio de conservación de la energía, tal como habitualmente se enuncia, y las leyes de la termodinámica pueden dar respuesta a los problemas suscitados cuando el alumno compara lo aprendido en clase -la energía se conserva- con las noticias relativas a la crisis energética y ha levantado voces favorables a la incorporación de la termodinámica a los curíicula escolares, desde niveles elementales, proponiendo realizar estudios cualitativos sencillos de la energía que tomen como punto de partida los procesos que suceden espontáneamente, haciendo hincapié en que los procesos inversos requieren el use de dispositivos que consuman combustible y, por tanto, que gasten energía (HaberSchaim, 1983).
2. La necesidad de proporcionar un marco conceptual suficientemente amplio para
Por lo que respecta a la educación energética,
incorporar el concepto de energía, de la que
que hace referencia a todos los problemas relacionados con las distintas fuentes de
deriva la obligatoriedad de introducirlo en diversas situaciones en las que se manifieste
energía, su utilización, racionalización del consumo energético, etcéteras y sin ánimo de
de formas distintas.
exhaustividad, se proporciona una reseña
3. Las posibilidades del principio de con-
bibliográfica de algunas de las publicaciones
servación para contribuir a la comprensión del concepto de energía, sabiendo en que
más recientes, indicativa del nivel de interés con que en otros países se está abordando el tema.
condiciones varía, cuando se transforma pero permanece constante, etcétera.
enunciar algunas conclusiones: 1. La complejidad y riqueza del concepto de
4. Las posibilidades que ofrece la incorporación de los conceptos relativos a la crisis energética para mostrar la capacidad
energía así como la imprecisión cometida al definirlo relacionado exclusivamente con
explicativa del término energía aún cuando para ello sea necesario introducir algunos
transformaciones mecánicas.
conceptos termodinámicos.
Las
96
consideraciones
anteriores
permiten
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ 2.
CUESTIONES
QUE
SE
DEBEN
CONSIDERAR
contenido. Lo más que podremos lograr en estos casos es una memorización.
EN UNA PROPUESTA DIDÁCTICA
No vamos a presentar un modelo didáctico
Si tomamos como indicador del tratamiento
elaborado, sino algunas cuestiones, que pueden tener interés, derivadas de los análisis
que mayoritariamente se da en las aulas al tema de la energía el contenido de los libros de texto en uso, podemos afirmar que
anteriores y de una reflexión sobre nuestra
responde básicamente al esquema: trabajopotencia-energía-principio de conservación,
La estructura lógica en la introducción de los conceptos se podría articular en torno a los
todo ello sin ningún ejemplo extraño a la
siguientes tópicos:
mecánica y por supuesto diferenciado de otro tema que es el de calor. Además, como los conceptos puestos en juego son complejos, se adopta el camino más cómodo: simplificar. Se procede a definirlos de una manera concisa (y por tanto limitada), en muchas ocasiones mediante una ecuación simplemente. Bajo una presunta justifcación didactica, en estos planteamientos se ignora toda razón
propia práctica docente.
Concepto de energía Principio de conservación de la energía
La
aproximación al concepto de entropía Algunos problemas energéticos; fuentes
degradación
de
la
energía;
de Energía En un primer nivel; se realiza previamente una revisión de la fenomenología del calor, sin ocuparse todavía del concepto de calor ni del de temperatura.
relacionada con el aprendizaje. No se tiene en cuenta que los alumnos llegan al aula con
2.1 Concepto de energía. Somos plenamente
ideas formadas que no cambiaran fácilmente (Watts, 1983; Duit, 1984; Bliss y Ogborn, 1985). Se olvida también que la formación de
conscientes de la complejidad del concepto de energía, pero dónde reside esta complejidad? ¿Qué concepto de energía debemos enseñar?
un nuevo concepto, su incorporación a la estructura cognoscitiva, es un largo proceso
El término energía ha pasado a formar parte del acervo lingüístico de uso frecuente con lo
que requiere una planificación minuciosa en la que se debe considerar tanto la lógica interna
cual lo encontramos en distintos contextos, con acepciones diferentes, cosa que no
del contenido como la forma de acceder a él, y esto presenta rasgos distintos según la edad
siempre contribuye a mejorar la comprensión del mismo. Sin embargo ello influye en el
del alumno, y su propio desarrollo intelectual
esquema conceptual que forma el alumno y
(Flavell, 1984; Piaget, 1972). En ningún caso
que habrá que considerar a la hora de enseñárselo en la clase de física.
simplificar un concepto contribuirá a su mejor comprensión. Si la mente del alumno no ha alcanzado el grado de desarrollo adecuado, el
Además, en un ámbito estrictamente físico su
aprendizaje de ése concepto no será posible y si el desarrollo es pertinente lo dificultará la
significado es muy general. Aparece en manifestaciones muy diversas, asociadas a una
desvirtuación
amplia gama de fenómenos (desplazamientos,
de
la
simplificación
del
97
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ electricidad, reacciones químicas, radiación...) y si bien considerada globalmente siempre se
po y en ninguno de los dos casos la dificultad de definición limita su validez.
conserva, en ocasiones se degrada. Intentemos caracterizar el concepto planteanEl concepto de energía es uno de los más abstractos de los estudiados en un currículo de
do diversas situaciones, ahora más típicamente físicas (un cuerpo que cae, otro
física y química. Su definición por reducción a otros términos más sencillos no es fácil ya que esta relacionada con conceptos igualmente
que se desplaza por una superficie horizontal
conflictivos y abstractos. Todo ello hace que estemos frente a un concepto de índole tal
lo que sucede a la energía en cada caso. Al final podremos llegar a la idea de que la ener-
que nos obligue a una introducción distinta a
gía es una característica del sistema, que
la tan frecuente definición operativa.
tiene un valor en cada instante y que se puede modificar cuando el sistema se transforma.
Las características del concepto de energía obligan a abordarlo desde diversas perspectivas, teniendo en cuenta cual es el punto de partida conceptual de los alumnos e
y se para, un muelle que se estira, una bombilla encendida, etcétera) para cuestionar
Podremos plantear ahora el problema de evaluar la cantidad de energía de que dispone un
incluyendo el máximo número de situaciones en las que se pueda poner de manifiesto su
sistema en un instante y situación y la forma
potencial explicativo. La incorporación de un concepto a la estructura cognoscitiva está
necesario clarificar términos de uso frecuente como: sistema, transformación, estado, proceso, a los que se hace referencia
relacionada con su capacidad para explicar situaciones, tanto nuevas como aquellas que
en que ésta energía se puede transferir. Es
constante y que, sin embargo, suelen per-
ya preocupan al alumno.
manecer enmascarados en muchas ocasiones.
Podemos partir, por tanto, de una recopilación de material, aportado por los propios alumnos, consistente en textos breves en los que
Los sistemas se transforman por interacción con otros sistemas. Siempre hay un agente dinámico de la transformación y un cambio en
se haga referencia a la energía, obtenidos de la prensa, televisión, o inventados por ellos
la configuración del sistema. La interacción (fuerza) produce una modificación de la
mismos pero que recojan sus propias ideas (posiblemente algunos recordarán la
disposición inicial del sistema y la magnitud de la transformación se identifica con el
definición de energía como capacidad para realizar trabajo, en este caso, podremos
trabajo, cuya definición operativa se puede introducir, así como la idea de que esta defi-
poner de manifestó que esta definición no
nición general es susceptible de adaptación a
comporta ningún concepto, sino que se repite
distintas situaciones (compresión de un gas, electricidad...), para incluir magnitudes físicas
de forma mimética). Esto permitirá abrir perspectivas respecto de la generalidad del término y por tanto de la riqueza del
de uso más cómodo, adaptadas a los datos más habituales en cada sistema.
concepto, a la vez que la imposibilidad de comprimirlo en una definición breve y concisa.
Pero, además, los sistemas pueden modificar
Algo parecido sucede con el concepto de tiem-
su energía al interactuar con otro sistema que
98
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ está a distinta temperatura.
por ejemplo, podemos deducir que los valores de la energía cinética y potencial varían en
Así pues, la energía es una propiedad del sistema que se manifiesta de muchas formas y
cada punto, pero su suma permanece constante, mientras que si consideramos un
que
cuerpo desplazándose por un plano inclinado bajo la acción de una fuerza aplicada (o bien
puede variar por la intervención del
trabajo y/o del calor.
consideramos el razonamiento) varían los La discusión de algunos ejemplos, a nivel cualitativo, en los que haya sistemas que
valores de la energía cinética, potencial y de la suma de ambas, pero la igualdad entre
transformen su energía de una forma en otra, que varíen su energía total por la intervención
variación de energía y trabajo realizado se mantiene.
de trabajo, calor, etc6étera, pueden contribuir
La generalización de los resultados anteriores
a clarificar los conceptos. Asimismo se puede introducir la idea de potencia.
nos permitirá introducir el principio de conservación de la energía, matizando las dos situaciones: sistemas conservativos y no conservativos.
2.2 Profundizando en el estudio de las transformaciones. Empezamos limitando nuestro
Estamos ya en condiciones de aproximarnos a
estudio a las transformaciones que ya se han estudiado en temas anteriores: cambios de
otra nueva situación, aquella en la que el sistema
posición y de velocidad. Realizamos un análisis, referido a un cuerpo, de cada una de ellas, introduciendo la energía cinética y potencial segun el esquema tradicional de identifcación de la variación de energía con el trabajo realizado para lograrlo, que ahora los alumnos están en condiciones de entender. Tiene interés comentar que, los alumnos tienden a confundir el valor de la energía de un sistema en un instante y situación con la variación de energía y, en nuestra opinion, esto es indicativo de que el concepto de energía, unido al de la forma de modificar su valor, no están incorporados a la estructura cognoscitiva. La introducción de la energía potencial asociada a las fuerzas conservativas no presenta dificultades especiales siempre que los alumnos estén familiarizados con la fuerza peso (conservativa) y rozamiento (no conservativa). ¿Y si consideramos las dos transformaciones simultáneamente? Al estudiar la caída libre,
intercambia calor. Hasta ahora nos hemos referido a modificaciones del sistema que se detectan microscópicamente sin ocuparnos de lo que sucedía a nivel microscópico en el sistema.
Aceptemos
que
el
sistema 99
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ permanece en reposo en una determinada posición, por tanto que no varía su energía
El proceso en sentido contrario implicaría una ordenación en el movimiento aleatorio de las
potencial ni cinética respecto de un sistema de referencia exterior. Si suponemos que el
moléculas, significaría la conversión de energía interna en trabajo. Tomando el
sistema es un recipiente que contiene un gas,
ejemplo del bloque que desliza, significaría que la energía empleada en aumentar la
fácilmente aceptaremos que las moléculas del mismo se encuentran en un estado de agitación permanente al que podemos asociar una energía potencial y cinética. A la suma de
temperatura de la superficie de contacto al
ésta energía cinética y potencial le denominaremos energía interna y se modifica
medida que la superficie alcanza su temperatura inicial, el bloque se mueve en
cuando el sistema intercambia calor. Se
sentido contrario, dirigiéndose a su posición
introduce en este punto la interpretación de la temperatura y el calor a escala microscópica.
primitiva. Evidentemente esto no sucede en realidad. La explicación implica la introducción de una magnitud característica del estado del
Pero la energía interna también puede variar si se realiza trabajo. Estas consideraciones conducen al enunciado de la primera ley de la termodinámica.
deslizar (que es el proceso al que nos referimos), se recupera, de forma que a
sistema, denominada entropía; asociada al desorden del mismo y caracterizada porque en todos los procesos espontáneos la entropía del universo aumenta. La asociación entre
Cabe
aquí
también
la
introducción
del
procesos espontáneos y aumento de entropía
equivalente mecánico del calor. La introducción del concepto de calor en este
es tan sólida que muchas veces se dice que el aumento de entropía indica el sentido de la flecha del tiempo.
contexto contribuye a erradicar la concepción errónea, sustentada por un amplio número de alumnos, del calor como fluido, como algo que
En estos procesos se conserva la energía,
los cuerpos tienen y pueden aumentar o
pero el aumento de entropía que los
disminuir según ganen o pierdan calor. 2.3 Aproximación al concepto de entropía.
acompaña explica que no se restablezca espontáneamente la situación inicial y por tanto que no pueda recuperar toda la energía.
Tras el análisis de algunos procesos espontáneos (expansión de un gas, aumento
Parte de la energía se invierte en aumentar la entropía y esta parte no es recuperable, no se
de temperatura de un cuerpo puesto en contacto con otro inicialmente a mayor
podrá utilizar para realizar trabajo.
temperatura, concentración-dilución de una disolución, deslizamiento de un bloque sobre
COMENTARIO FINAL
una superficie con rozamiento), conviene
El esquema propuesto permite el desarrollo de
llamar la atención sobre el hecho de que los
currícula circulares, en los que se seleccionen los contenidos según su complejidad (por
procesos se producen de forma espontánea siempre en un sentido y no en el contrario.
ejemplo, se puede introducir el concepto de
Tanto en sentido directo como inverso los
entropía sólo en niveles superiores), pero el
sistemas cumplen la primera ley de la termodinámica. ¿Por qué nunca observamos
esquema conceptual, propiamente dicho, se empieza a construir desde el principio, de
el proceso inverso?
forma que otros conceptos se incorporen de
100
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ manera natural. De este modo no se favorece la
persistencia
de
errores
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
conceptuales
(concepto de calor) como sucede con otros planteamientos. El trabajo se completa con la
Anderson, C.E. y Ch.A. Bottinelli, 1981, Something special for teachers. A school
discusión de diferentes fuentes de energía, el
house energy teaching program. SEED Schoolhouse Energy Efficiency Demostration,
nivel de profundidad que se desee, pudiendo incluso, realizar una interesante actividad interdisciplinaria.
Houston, Tex., Tenneco. Bliss, J. y J. Ogborn, 1985, "Children's choices
La incorporación de problemas como el de la energía ofrece la posibilidad de relacionar la
of uses of energy", en European Journal of Science Education, vol. 7, p. 195-203.
escuela con la problemática cotidiana de la sociedad en que vive el alumno. Se podría criticar la introducción de conceptos
Canipe, S.L., 1982, Typing into computers, North Carolina [Paper presented all the energy, environment and economics teacher
termodinámicos argumentando que éstos son excesivamente complicados para los alumnos
workshop, Geographic source US].
de enseñanza media. El nivel de desarrollo de
Cohen, M.R., 1981, "Problem solving as a goal
la estructura mental requerido para acceder a la comprensión de estos conceptos, o de la
of energy and environmental education", en
teoría cinética molecular no es superior al necesario para entender los principios de Newton (Shayer y 1984), cuya incorporación al curriculum no se cuestiona. Corresponde al nivel operacional formal que es el nivel que
Journal of Environmental Education, vol. 13, p. 17-21. Duit, R., 1984, "Learning the energy concep in school empirical results from the Philippines and West Germany", en Physics Education, vol. 19, p. 59-66.
debería poseer el alumno cuando menos al final de la enseñanza media. La modificación de estructura propuesta no
Dykstra, D.I., 1982, "A learning cycle on exponential growth and the energy crises", en Physics Teacher, vol. 20, p. 245-246.
significa en realidad ampliación de temario. Aunque el problema de la extensión del
Flavell, J.H., 1984, El desarrollo cognitivo, Ma-
temario sole se resolverá, desde nuestro punto de vista, cuando se realice una
drid, Visor [New Jersey, Prentice Hall, 1977]
selección racional de contenidos desde la enseñanza básica hasta la universidad,
Gore, P et al., 1980, Theaching energy awareness. Environmental education series,
considerando no sólo la propia lógica interna
Colorado, Universidad de Denver [Center for
de la ciencia que se pretende enseñar, sino el
Teaching International Relations]
nivel de desarrollo intelectual requerido para su aprendizaje y el real de los alumnos a los
Haber-Schaim, U., 1983, "The role of the
que se dirige. Olvidar cualquiera de estos
second law of thermodynamics in energy
aspectos conducirá, una vez mas, a la
education", en The Physics Teacher, vol. 21, p. 17-20.
sensación de fracaso que con demasiada frecuencia acompaña nuestra tarea.
101
REFLEXION EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA: IMPLICACIONES CURRICULARES____ Haggis, S.M., 1981, "The environment and energy as integrating themes in Science
White, J.A. y J.M. Fowler, 1983, Energy education in the schools. Results of a survey
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SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD ANA MARÍA SÁNCHEZ Y JULIA TAGUEÑA Ana María Sánchez estudió física en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Es investigadora del Centro Universitario de Comunicación de la Ciencia de la UNAM y responsable de la Sala de Energía de Universum, Museo de las Ciencias.
de
la
UNAM.
Actualmente,
la red cristalina de un conductor cuyos átomos vibran. Los electrones chocan entre sí y con otros
Julia Tagueña estudió física en la Facultad de Ciencias
Imaginemos una corriente eléctrica como un flujo de electrones que se mueven dentro de
es
obstaculos,
como
podrían
ser
impurezas. A éste impedimento al flujo de la corriente se le denomina resistencia. Si
Instituto de Investigaciones en Materiales (Temixco,
ponemos a circular una corriente en un circuito y luego retiramos la fuente, la
Morelos).
corriente pronto caerá a cero.
investigadora en el Centro de Energia Solar del
E
STE ARTICULO ABORDA uno de los
La resistencia aumenta a medida que
problemas más apasionantes de la
aumenta la temperatura; empero, a principios del siglo no se sabía con certeza que sucedería con la resistencia a temperaturas
ciencia básica en la actualidad: encontrar una explicación mecanismo de la superconductividad de alta temperatura. El fenómeno de la superconductividad fascinó a los científicos desde su descubrimiento en 1911, cuando se logró licuar el helio a una
muy bajas, y Kammerling Onnes decidió investigarlo. Repentinamente, al alcanzar los 4.2 K (-268.8°C) la resistencia eléctrica del mercurio desapareció. Además del mercurio, Onnes encontró que otros metales, como el estaño, el plomo, el tantalio y el niobio,
temperatura muy cercana al cero absoluto. Sin embargo, a principios de 1987 cuando el
exhibían dicha propiedad, a la que se llamo superconductividad. Una corriente circularía
publico en general empieza a conocer sus
permanentemente
características y a interesarse en él, debido al descubrimiento de materiales donde el fenómeno acontece a temperaturas bastante
mantenerla en un circuito de los metales mencionados, desde luego, a una temperatura
más elevadas que la del helio líquido, y que prometen aplicaciones que, de lograrse, sin duda repercutirán en la forma de vida de nuestra sociedad. ¿Qué significa la expresión "temperaturas bastante más elevadas"? Con objeto de dar
sin
necesidad
de
adecuada. Resulta que para cada material superconductor el fenómeno se presenta solo por abajo de una cierta temperatura, llamada crítica (Tc). Curiosamente, los mejores conductores a temperaturas ordinarias, cobre, plata y oro, jamás superconductores.
se
convierten
en
respuesta al cuestionamiento anterior, recordemos brevemente en qué consiste la
Además de la resistencia cero, existe una pro-
superconductividad.
superconductor y se conoce como efecto Meissner; en dicho efecto, el superconductor
piedad
que
caracteriza
al
estado
103
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ no
permite
la
entrada
de
un
campo
lo mas elevadas que fuera posible.
magnético, es decir, se comporta como un espejo que refleja perfectamente al campo intruso. Se puede entender esta situación al
Una manera empírica de buscar nuevos superconductores consiste en trabajar con
recordar la relación entre electricidad y
compuestos que existen naturalmente, y
magnetismo. El campo magnético genera
experimentar entre los miles que pueden
corrientes en la superficie del superconductor, que a su vez producen un campo magnético opuesto al original. Para cada superconductor
sintetizarse a través de reacciones químicas. Una vez escogidos, se diseñan los experimentos con el propósito de estudiar la
existen, también, una temperatura crítica, un campo magnético crítico y una corriente
respuesta de sus temperaturas críticas frente a cambios físicos y químicos bien definidos.
crítica que destruyen la superconductividad.
Una ruta ideal sería la de comprender
Como se mencionó anteriormente, los prime-
claramente las causas que provocan el fenómeno y, entonces, diseñar la combinación
ros superconductores descubiertos fueron
más adecuada.
elementos metálicos, donde el fenómeno se presenta a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Después de la Segunda Guerra Mundial, cuando proliferó el uso del helio como
Para alcanzar estas temperaturas se requiere
refrigerante, empezaron a descubrirse nuevos compuestos superconductores. En 1957,
helio líquido y la tecnología necesaria para licuarlo es complicada y costosa, de forma tal que la aplicación práctica de la superconductividad se vió sumamente
Matthias propuso una fórmula en la que se usaba la posición de los elementos en la tabla periódica para predecir la superconductividad; en ella se establecía que los superconductores
limitada. Debido a esto, desde un principio se
con
dedicaron grandes esfuerzos para producir
encuentran
superconductores con temperaturas críticas cada vez mayores. Para que sean útiles, los
combinan metales de transición con elementos intermetálicos. Estos compuestos
superconductores deben poseer, además, la
pertenecen solo a unos cuantos tipos de
capacidad de transportar grandes corrientes y de soportar grandes campos magnéticos.
estructuras cristalinas, de las que la más favorable es la llamada beta-tungsteno. Entre
LA
estos compuestos se habían descubierto hasta finales de los años cincuenta: Nb3Au (con T c
BÚSQUEDA
DE
MEJORES
SUPERCONDUCTORES
mayores
temperaturas
entre
los
críticas
compuestos
se que
=11 K), V9Si y Nb3Ge (con 17 K) y Nb3A1 (con 18 K). La máxima temperatura crítica para
En vista de que los elementos simples no cumplían las condiciones mencionadas, se inició entonces el estudio de compuestos intermetálicos y aleaciones, y se empezaron a buscar estructuras y características químicas propicias para que se diera la superconductividad con temperaturas críticas 104
este tipo de compuestos se obtuvo en 1968, con una aleación de Nb-Ge a 27.3 K. Al llegar a este punto, surge una pregunta lógica: ¿puede elevarse la temperatura crítica combinando dos o más de estos compuestos? La respuesta experimental ha sido un rotundo no.
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ Durante más de un decenio, todos los esfuer-
temperatura crítica y, desde un punto de vista
zos por superar esta temperatura resultaron
microscópico, es un fenómeno cooperativo en
inútiles, hasta que inesperadamente se dió un gran salto al utilizar materiales que
el que participan muchas partículas.
inicialmente
considerado
Para que un material presente las caracterís-
adecuados: los óxidos. Ya desde 1966 se
ticas fundamentales de la superconductividad,
había encontrado superconductividad a 0.3 K en el óxido metálico SiTiO3, y siete años después se encontró una alta temperatura de
es decir, corrientes que persisten y efecto Meissner,
no
se
habían
transición (13.7 K) en el sistema Li-Ti-O. Dos años más tarde se descubrió que una perovskita,
BaPb-Bi-0,
presentaba
superconductividad a 13 K. Analizando estos resultados y haciendo algunas consideraciones teóricas,
Bednorz
y
Muller
decidieron
investigar óxidos que contuvieran niquel o cobre. A principios de 1986, la temperatura crítica en el sistema Ba-La-Cu-O ya se había elevado a 48 K y en febrero, con un compuesto de Y Ba-Cu-O se alcanzaron los 90 K. Empero, esta carrera desenfrenada no
Figura 1. Un superconductor es un espejo para un imán (las figuras son cortesía del doctor Paul Grant, de IBM Almaden).
terminó ahí; posteriormente se encontró el compuesto Bi-Sr-Ca-Cu-0 con 110 K y TI-BaCa-Cu-O con 125 K. A la fecha siguen
cierta fracción de los portadores de carga
apareciendo nuevos materiales, y no queda
los metales normales, los portadores son electrones que obedecen el principio de
más que maravillarse de la inventiva del
debe presentar el mismo estado cuántico. En
empresas. Análogamente puede mencionarse
exclusión de Pauli: una y sólo una partícula puede estar en un cierto estado en determinado momento.
el mérito de Cervantes Saavedra, quien con 29 tetras escribió El Quijote.
Cuando en un material existe resistencia, los
LOS MODELOS TEÓRICOS
electrones saltan de un estado a otro según el obstáculo que vayan encontrando. Para que
hombre que con un centenar de elementos naturales ha logrado construir grandes
exista una supercorriente, es decir, un flujo A partir del descubrimiento de la superconductividad, hubo que esperar 46 años para estructurar una teoría microscópica satisfactoria. Obra de Bardeen, Cooper y Schriffer, ésta recibió el nombre de teoría BCS. Como hemos superconductividad es un
visto, estado
la que
presentan algunos materiales abajo de una
que prácticamente resulte inmune a los efectos de los obstáculos, los portadores no pueden ser partículas solas, sino partículas compuestas de un número par de electrones, ya que de esta forma no tienen que obedecer el principio de Pauli. Se ha confirmado experimentalmente que en un superconductor la corriente la forman pares de electrones, ya que el flujo magnético atrapado en un 105
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ cilindro hueco superconductor es un múltiplo la unidad de flujo hc/2e, donde h representa
muchas de las propiedades de los superconductores en concordancia con los
L- constante de Planck, c la velocidad de la luz es la carga del electrón. La presencia del 2 en
experimentos.
el nominador indica que las cargas son pares
Primero se pensó que las predicciones de la teoría las constituían leyes universales que
de electrones.
todos
los
superconductores
tenían
que
La teoría BCS afirma que la superconductividad se debe a una condensación de
obedecer; sin embargo, existen materiales como el Pb y el Hg que no cumplen con los
electrones a una cierta temperatura, para dar lugar a un nuevo estado en el que la
valores BCS; a estos materiales se les llamó superconductores de acoplamiento fuerte,
correlación por pares es importante. Esta
para diferenciarlos de los de acoplamiento
condensación ocurre siempre y cuando la interacción efectiva entre electrones sea
débil que siguen las razones BCS.
atractiva.
En los materiales de acoplamiento fuerte, la naturaleza
¿Cómo puede ser atractiva, si entre los electrones existe una repulsión coulombiana
intrínseca
de
la
interacción
electrón fonón tiene un papel de gran trascendencia. De esta manera surge la teoría
(cargas iguales se repelen) que tiene que ser vencida? Para que se forme un par de Cooper,
de acoplamiento fuerte, conocida también
como se denomina las parejas de electrones en la teoría BCS, la repulsión debe vencerse a
describe el sistema completo que incluye a los electrones, los fonones y la interacción entre ambos. En esta teoría, el estado
través de un potencial atractivo, mediado por vibraciones de la red atómica (llamadas
como ecuaciones de Eliashberg, donde se
superconductor se relaciona directamente con
fonones). Intuitivamente, podemos imaginarlo
los
de la manera siguiente: al moverse un
particular, con las características de los
electrón en la red formada por núcleos positivos, los atrae y provoca una deformación en la red. Esa deformación
fonones. Las ecuaciones de Eliashberg pueden derivarse análogamente a la teoría BCS y conceptualmente hablan de un mecanismo similar
afectará a otro electrón que se sentirá atraído hacia el primero.
para la superconductividad: el apareamiento de electrones mediante fonones. Cabe señalar
En su trabajo original, Bardeen, Cooper y
que ambas teorías son generales, debido a que no es imprescindible que el mecanismo
Schriffer introdujeron un parámetro V, que representaba la suma de los dos potenciales
de apareamiento Sean las vibraciones de la red, sino que podrían ser otro tipo de
que afectan a los electrones: el atractivo y el
excitaciones
repulsivo, sin adentrarse en la naturaleza
acoplamiento.
exacta de la interacción entre pares de electrones y fonones. Partiendo de un modelo
Los descubrimientos recientes de supercon-
sencillo de interacción y por medio del
ductividad en los compuestos de La-Sr-Cu-0
parámetro V, que puede ajustarse mediante datos conocidos (como la magnitud de la
con temperaturas de transición arriba de 30 K, los de Y Ba-Cu-O con aproximadamente 90
temperatura crítica) la teoría BCS predice
K y aún más recientemente las cerámicas de
106
parámetros
las
del
estado
causantes
normal,
de
en
dicho
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ bismuto (110 K) y de talio (125 K), han causado una gran conmoción en la comunidad
ejemplo, los compuestos de Y presentan cadenas y planos de oxígeno y cobre, y había
científica. De todos los elementos y aleaciones estudiados hasta antes de 1985, la
una polémica sobre la importancia de una u otra estructura. Al encontrarse los
temperatura crítica más alta era de 23.2 K, y
compuestos de Bi y de TI que sólo tienen planos, la polémica quedo resuelta. Pero
el
comportamiento
de
todos
ellos
era
entendible conforme a las dos teorías expuestas. Después del descubrimiento de las cerámicas superconductoras, ha aparecido un
ahora surge una contradicción más. Se han
sinnúmero de nuevas teorías que van desde pequeñas modificaciones a la teoría BCS, has-
Bi-O, con temperaturas de hasta 34 K, lo que significa que, después de todo, la baja dimen-
ta la proposición de nuevos mecanismos.
sionalidad
Discutiremos, entonces, algunas de las ideas
fundamental. Existen otros dos puntos de interés en el material Ba-K-Bi-O, además de su tridimensionalidad. En primer lugar, que a
que han estado manejándose en el mundo de
encontrado cerámicas isotrópicas, es decir, equivalentes en todas las direcciones, de BaK-
no
es
como
se
pensaba,
los superconductores, aunque no existan las respuestas definitivas.
la temperatura crítica sufre un cambio
LAS NUEVAS TEORIAS
este proceso. En segundo, se presenta en el
estructural, haciendo pensar que los fonones efectivamente guardan alguna relación con un efecto isotópico (dependencia de la
Iniciemos este apartado explicando por qué es necesario plantear nuevas teorías. Es un hecho experimental que en los nuevos superconductores los portadores siguen
temperatura crítica con la masa atómica) tipo BCS, que los materiales anteriores a este parecían no presentar, o por lo menos no de manera notable. Claro que hay científicos que
teniendo carga 2e; no obstante, el valor tan
piensan que tal vez los compuestos de Bi no
alto de la temperatura crítica no se ajusta a
son exactamente iguales a los que tienen Cu,
las predicciones BCS. Es más, como se verá posteriormente, si los pares tienen un
a pesar de ser también cerámicas. ¿Podría existir entonces, algún mecanismo que fuera común a los superconductores tipo BCS y a
acoplamiento tipo BCS, la excitación causante del mismo tiene que ser de origen electrónico, debido al espectro de las energías
los de alta temperatura basados en cobre?
participantes.
Como ya se mencionó, en los nuevos superconductores los portadores son
Mientras los teóricos especulan con nuevos modelos, los experimentales han estado muy
nuevamente de carga 2e, resultado confirmado por un experimento realizado en
ocupados
de
juntas de Josephson. La discusión que queda
mediciones. Cualquier nueva teoría deberá
por dirimir es si son pares de hoyos o de electrones. Parecía que la hipótesis de que
realizando
gran
cantidad
poder contener la información experimental, pero antes es necesario seleccionar los
eran hoyos iba ganando la batalla, pero ahora
resultados confiables. A estas alturas ya
existen dudas debido a la existencia de
conocemos
contínuamente aparecen nuevos conceptos
materiales envenenados con electrones de Nd-Ce-Cu-O, en los cuales las pruebas
que obligan a cambiar el enfoque. Por
parecen indicar que son pares de electrones
algunos
hechos,
pero
107
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ los que superconducen. De ésta forma, las
¿estamos tratando con superconductores de
teorías basadas en el apareamiento de hoyos
acoplamiento débil o de acoplamiento fuerte?
tendrán que reconsiderarse. La teoría Bcs hace una serie de predicciones Se ha meditado bastante sobre la posibilidad
con respecto a la temperatura crítica T., de la
de que el acoplamiento de los pares supercon-
diferencia de energía entre el par de
ductores sea de origen magnético. El modelo de Anderson plantea, por un lado, que un orden magnético frustrado puede originar un
electrones y el mismo par, separado en dos electrones independientes [brecha de energía A(O)], y del campo genético crítico H,(O),
estado superconductor, y, por el otro, que la correlación entre electrones es sumamente
para el cual un superconductor dejaría de serlo. Estos valores pueden mencionarse con
fuerte. Tanto el sistema La2CuO4, como el
el factor y del calor especifico (Cv= Yt) que
sistema YBa2Cu3O6 son antiferromagnéticos, pero cuando se le añade Sr u 0,
presentan los electrones en estado normal.
respectivamente,
vuelven
Valores similares han sido calculados para
superconductores. Esta cercanía al estado magnético ha hecho pensar en que los responsables del acoplamiento podrían ser las
ecuaciones de Eliashberg. Esta información permitirá clasificar un material al comparar los resultados experimentales con los predichos
excitaciones magnéticas, llamadas magnones; sin embargo, ésta hipótesis no ha podido
por las dos teorías. Una vez decidido si el material es de acoplamiento débil o fuerte,
comprobarse experimentalmente. Además se
también podrá obtenerse información sobre la magnitud de la energía de la excitación
se
ha encontrado un material superconductor, el ya mencionado Ba-K-Bi-O, que es un óxido semejante a los otros pero que no contiene
causante del acoplamiento.
ningún ión magnético. Tampoco, como se
Los primeros resultados para la brecha super-
observa en el último compuesto mencionado,
conductora a partir de experimentos de
el cobre constituye el elemento indispensable de estos materiales. También se habla aunque
tonelaje y de espectroscopia infrarroja originaron una enorme variedad de valores.
todavía no se ha confirmado de que existe
Los experimentos más recientes ofrecen
otra cerámica superconductora sin Cu, el
en la que se debe notar que el espín
resultados que parecen sólidos. Mencionemos el experimento de reflexión de Andreev, que
1 Nit+ es 1, en lugar del 1/2 del Cu, resultado que afecta a los modelos basados en el valor
consiste en inyectar electrones, a través de una junta puntual, a un metal normal unido a
del espín.
un superconductor. Si el electrón tiene una energía menor que la brecha
A estas alturas del texto, el lector seguramente estará cansado de la mención
superconductora,
aislada de tantos ejemplos y contraejemplos; no obstante, resulta importante discutir finalmente un punto más. Si, como hemos
condensarse con otro electrón de momento y espín opuestos y formar así un par de Cooper.
visto, el panorama resulta confuso y la teoría
sentido que tenía el electrón, provocando un
BCS no ha sido totalmente descartada, ¿en
exceso de corriente en la junta. Es posible
cual de sus versiones deberá aplicarse?;
variar la energía de los electrones inyectados
xSr.NiO4'
108
2-
no
podrá
entrar
al
superconductor, pero en cambio si podrá
El hoyo así formado se regresará en el mismo
SOBRE LA SUPERCONDUCTIVIDAD____________________________________________ y medir el voltaje al que desaparece la
Por todo lo discutido en éste artículo podría
reflexión de Andreev. El resultado de este
afirmarse que la nueva teoría de la supercon-
experimento está relacionado con el modelo de acoplamiento débil.
ductividad deberá contener muchos de los elementos que integran la teoría BCS.
Igualmente se han estudiado otros cocientes
Sin
típicos. Uno es el cambio en calor específico Cv/YT5. Para calcularlo se requiere saber AC y el valor de y que se ha encontrado a partir de
generalizado de que el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura modificará nuestra concepción de lo que es la
experimentos de susceptibilidad magnética usando un modelo de electrón libre.
superconductividad en un sólido. Por su novedad, de las cerámicas superconductoras ni
embargo,
prevalece
el
sentimiento
siquiera conocemos con exactitud su estado normal, aunque sabemos que son sistemas fuertemente correlacionados, donde el modelo de electrón libre es inadecuado. En consecuencia, nos encontramos ante el privilegio de desentrañar por enésima vez un misterio
de
la
naturaleza.
La
enorme
expectativa que despierta este fenómeno va
Figura 2. Un anillo en un campo magnético: a) en el
más allá de sus posibles aplicaciones prácticas. "Si yo pudiera ir al futuro le escuchamos decir en alguna ocasión a un
estado normal; b) en el estado superconductor
científico amigo-, me gustaría saber el efecto
(efecto Messner ): y c) una vez retirando el campo
causado por los superconductores de esa
extremo.
época,
y
sus
aplicaciones
en
la
vida
cotidiana." De nuevo los datos señalan que se trata de un acoplamiento débil, aunque en este punto hay
BIBLIOGRAFÍA
bastante incertidumbre en el valor de y por las aproximaciones implícitas en el modelo de
Anderson, P.W., 1973, Mat. Res. Bull., vol. 8,
electrón libre. Con respecto al campo crítico,
núm. 153.
hace falta adoptar medidas más exactas de las que ahora se tienen. Las medidas con las que se cuenta parecen indicar que la energía
Bardeen, J., L.N. Cooper y J.P. Schrieffer, 1957, Phys. Rev., vol. 106, num. 162; Phys.
de la excitación debería ser superior a 0.30
Rev., vol. 108, núm. 1175.
eV, lo cual supone una excitación de origen electrónico.
Cava, R.J., et al., 1988, Nature, vol. 332, núm. 814.
Mientras se descifra este problema, están elaborándose modelos fenomenológicos que conducirán a una mejor comprensión de los
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resultados experimentales. 109
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110
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________
CRISIS EN EL AULA LEON LEDERMAN Compartió el premio Nobel de Fisica en 1988 con
alarmista que atrajo la atención de los medios
Melvin Schwartz y Jack Steinbnerger. Descubrió varias partículas elementales.
impresiona más hondamente al público que
E
N 1983 LA COMISIÓN NACIONAL para la
Excelencia Educativa de Estados Unidos, a petición del secretario de Educación, elaboró un informe sobre la calidad de la educación en el país. Este informe se publicó también a manera de carta abierta bajo el título "La nación en riesgo: el imperativo de una reforma educativa". Desde su inicio el texto no se anda por las ramas: Nuestra nación está en peligro. Si alguna vez gozamos de franca superioridad en el comercio, la industria, la ciencia y la innovación tecnológica boy estamos siendo superados por competidores de todo el mundo... Tenemos que decirle al pueblo norteamericano
que
los
fundamentos
educativos de nuestra sociedad están sufriendo erosión por una ola creciente de mediocridad que amenaza nuestro futuro como nación y como pueblo. El cuerpo del texto no es menos chovinista que esta introducción, si bien el estilo recargado y las metáforas militaristas causaron su efecto en la nación. Su llamado a actuar se convirtió en tema de las primeras planas en los periódicos y durante las siguientes semanas fue discutido intensamente, en medio de acusaciones, varias, ansiedad e indignación, no sólo a través de las páginas editoriales sino en mesas redondas televisivas. La retórica
los
hechos
verdaderamente
graves
que
contenía el informe. Pero, como sucede a menudo, con el paso del tiempo la atención del público se volcó sobre otras cuestiones. Doce años más tarde desde aquel informe la nación sigue estando en riesgo. Los sistemas educativos en los niveles federal, estatal y local son, sobre todo, disfuncionales. No es posible exagerar las carencias de los profesores de las escuelas primarias en cuanto a la enseñanza de las matemáticas y las ciencias. Menos de 1 % del presupuesto educativo en Chicago se ha destinado tradicionalmente al mejoramiento del magisterio y poco tiempo se deja durante el día escolar para el intercambio colegial en las escuelas urbanas de Estados Unidos. Comparemos
esto
con
las
estadísticas
correspondientes en Japón, donde el presupuesto en esta área alcanza 40%; además, los profesores japoneses pasan casi la mitad de su tiempo desarrollando actividades colegiales, mejorando los currícula y estudiando y profundizando en el arte de la pedagogía. En 1989 el presidente de la educación, George Bush, convocó a una reunión nacional de gobernadores norteamericanos. En ella se establecieron metas ambiciosas que deberían lograrse hacia el año 2000. Sin embargo, por mucho que se quiera, muy poco se ha hecho para empujar el centro de masa de una empresa que incluye unos 50 000 000 de estudiantes y dos millones de profesores. En 111
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ mi caso personal, y luego de haber pasado los
los
últimos cinco años inmerso en la reforma
memorización de sucesos. ¿No suena esto
educativa, puedo entender perfectamente el pesimismo que comparte la mayoría de la
familiar?
gente sobre el futuro de las escuelas
Asimismo,
norteamericanas, en particular los grandes
industrialización de Estados Unidos llevó a la
sistemas de educación pública que dan servicio a la mayor parte de los niños que viven en inferioridad de condiciones. De
creación de un sistema público universitario. La industria requería de una fuerza de trabajo que no solo pudiera leer y comunicarse sino
hecho, y luego de aquilatar mi propia experiencia, concluyo que las escuelas no
que estuviera capacitada en temas prácticos de la ciencia, como son la tecnología, la
pueden aliviar sus problemas por sí solas. La
zoología,
intervención, ayuda y apoyo externos son cruciales.
mineralogía e ingeniería. ¿No les suena esto también?
Hace aproximadamente cinco años comencé a relacionarme con un grupo de universidades a
En 1890, en la Universidad de Cornell nació un movimiento en favor del estudio de la naturaleza que surgió como una reacción en
fin de organizar una nueva tarea en Chicago,
estudiantes
alrededor
la
la
desenfatizar
de
planimetría,
reciente
1850
la
a
mecánica,
que consistía en poner en marcha un programa privado, no lucrativo, dentro del
contra
sistema de educación
niño citadino no tuviera la oportunidad de conocer que la leche venía de la vaca. El movimiento de Cornell hacía hincapié en los
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
de
y
urbanización
de
Norteamérica. En el fondo el temor era que el
pájaros, las flores, los insectos y los árboles. No somos, desde luego, los primeros en adentrarnos en la reforma educativa. La crisis en las escuelas tiene su historia y tal vez si revisamos esa historia podamos entender la manera de llevar a buen término dicha reforma. En la década de los sesenta surgió en Estados Unidos un movimiento revolucionario educativo con el fin de promover la enseñanza a través de objetos, un método introducido por el reformador de la educación suizo Johann Heinrich Pestalozzi a principios del siglo XIX. En vez de limitarse solo a impartir la clase, el profesor ofrecía o les mostraba a los niños objetos
reales
con
los
que
podían
experimentar y llevar a cabo sus propias observaciones. La enseñanza a través de objetos buscaba desarrollar el pensamiento de 112
Por esa época la ciencia en las licenciaturas estaba
dominada
por
las
necesidades,
impuestas por los currícula de las escuelas de postgrado; el estilo y contenido tanto de las cátedras como de los laboratorios estaban diseñados fundamentalmente para el postgrado. Así, en 1893, un Comité de los Diez nacional estableció criterios para enseñar ciencia en las licenciaturas que redujo la influencia de las escuelas de postgrado. En su informe, el comité señalaba: Todas las materias que contempla el nivel secundario deben enseñarse de la misma manera y con la misma profundidad a todos los alumnos hasta el final, sin importar qué carrera sigan o en que momento su educación concluya o se interrumpa.
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ Una vez más, ¿no les parece haber escuchado
establecer de manera natural nexos entre
esto antes?
nuestro esfuerzo en TAMS con la ciencia
A principios del siglo XX, H.G. Wells, el connotado novelista, historiador y futurista inglés
misma. Si pienso en el futuro de la educación científica y la ciencia, me resulta imposible
escribió: "Cada vez más el futuro de la
olvidar que los niños aprenden sobre el
sociedad es una carrera entre la educación y
mundo de la misma manera que los científicos
el desastre." En general, los esfuerzos para reformar la
conocen el mundo. Esto es mucho más que una metáfora, así que trataré de ser más específico. .
educación científica en Estados Unidos han tenido su mayor impulso después de una
La ciencia es un proceso de observación, me-
guerra. El ejemplo más espectacular fue el
dición y síntesis. Esa secuencia ha sido
famoso informe "Ciencia, la frontera sin límites", preparado en 1945 por Vannevar
adoptada en muchos de los programas educativos interactivos sobre ciencia más
Bush, director de la Oficina de Investigación
reconocidos. Lo que los científicos observamos
Científica y Desarrollo durante la administración de Franklin D. Roosevelt. El informe de Bush describía la educación científica como
y lo que decidimos medir está determinado por lo que ya sabemos y por lo que creemos entender. El aspecto creativo viene ligado al
componente esencial de una nueva relación entre el Estado y la comunidad científica y
desarrollo de intuiciones y, más tarde, al reconocimiento de los prejuicios que limitan
tecnológica.
esas intuiciones, lo cual es muy similar a la manera como proceden los niños al desarrollar sus exploraciones. Consideremos
Hacia mediados de los cincuenta, parte de la actividad posterior a la guerra dedicada a reformar
la
educación
científica
el
gran
descubrimiento
de
Galileo
había
inmortalizado por Newton como la primera ley
empezado a desvanecerse, aunque hacia
del movimiento: un cuerpo aislado perma-
1957 el éxito del Sputnik t soviético se convirtió en un fuerte acicate. Recuerdo que
necerá en movimiento eternamente. ¡No puede haber algo menos contrario a la
muchos de mis colegas y profesores dedicaron
intuición! El acto creativo de Galileo consistió
parte de su tiempo de investigación a escribir espléndidos libros de texto para el nivel de
en comprender que la intuición ordinaria es insuficiente porque en la experiencia ordinaria
licenciatura en todos los campos de la ciencia. Con el paso de los años el impacto de estos
los objetos nunca están aislados; en nuestro mundo las esferas dejan de rodar, las
libros disminuyó porque sus autores volvieron a tomar la regla del cálculo y volvieron a
carretas tienen que ser jaladas por caballos si queremos que sigan su camino. Pero la
dedicarse a sus investigaciones, dejando de
intuición
lado la revolución que habían iniciado.
simplicidad de la ley que gobierna los cuerpos
LA NUEVA PEDAGOGIA
en movimiento; su conjetura genial consistió en proponer el movimiento perpetuo en caso
profunda
de
Galileo
atisbó
la
de que uno pudiera aislar el cuerpo. Así que Como
científico
comprometido
con
la
educación científica no puedo dejar de
pulió la piedra y la madera, y demostró que la primera llega más lejos. Si bien sabía que no habría de lograr un completo aislamiento se 113
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ acercó lo suficiente como para detectar la simplicidad que había en el fondo.
pias manos, de participar en su pequeña comunidad: con el propósito de enfrentar diestramente el proceso de experimentación.
Pero Galileo también tuvo que enfrentar una poderosa tradición. En el siglo XVII el sentido común indicaba que el reposo era el estado
Mientras más se pule la piedra y se alisa la tabla, la piedra irá cada vez más allá. En la
natural de las cosas. Así lo había dicho Aristóteles casi 2 000 años antes, y así era... hasta que Galileo intuyó una nueva idea. Pero
medida que los niños acumulen ejemplos, la
durante los últimos 300 años Galileo y sus seguidores han insistido en que los científicos
proceso es difícil y lento. Para cambiar las formas de pensamiento de los ninos se debe
deben
si
cambiar la forma de pensamiento de los
Ahora citemos al psicopedagogo Howard E.
profesores. Incluso entre aquellos que adoran a los niños y aman la enseñanza el reto es grande: se trata, literalmente, de un cambio
desarrollar
nuevas
intuiciones
quieren conocer cómo funciona el mundo.
Gardner, de la Universidad de Harvard, quien en 1994 escribió: Sostenemos que durante los primeros años de vida los niños conciben teorías extremadamente poderosas o conjuntos de creencias sobre la manera en que el mundo funciona, teorías de la mente, de la materia, de la vida... Estas teorías se arraigan con tal
ciencia empezará a cristalizar como forma de pensamiento. Pero no nos confundamos: el
en la cultura de la enseñanza. El papel de los científicos en esta tarea debería resultar obvia. Es esencial nuestra participación. ¿CUÁL ES UNA BUENA ESCUELA? Cualquiera que haya pasado algún tiempo trabajando en muchas escuelas sabe que la lucha por mejorarlas puede parecer por
fuerza en la mente humana que resulta muy
momentos imposible. Lo hace particularmente
difícil erradicarlas en favor de un punto de
frustrante el que todo mundo sabe lo que se
vista más vasto y veráz, que ha costado tanto trabajo construir en todas las disciplinas científicas.
necesita para que una escuela funcione mejor; las buenas escuelas existen y todos los que trabajamos con TAMS sabemos por
Lo que Gardner dice a propósito de los niños
experiencia propia cuales son las virtudes comunes en todas ellas:
puede decirse de los graduados de Yale, de los congresistas, de los jueces...
excepciones, pueden aprender aunque lo hagan de manera distinta.
Sustituir los conceptos erróneos con que los niños llegan a las aulas es el arte de la
educación científica. Los niños necesitan tanto como los científicos tener experiencias que modifiquen su intuición, y así como los
Un
ambiente
atento,
personal,
considerado y respetuoso de los niños y de los adultos.
científicos buscan acceso a artefactos tales como un sincrotrón, un espectrómetro de
La convicción de que los niños, sin
Una misión educativa en la que participe toda la comunidad escolar.
masas y un acelerador de partículas, los niños
Un conjunto claro de prioridades que coloque las necesidades de aprendizaje
requieren la oportunidad de utilizar sus pro-
de los niños en el centro de todas las
114
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ actividades.
durante tres años. En promedio, han recibido
Grandes expectativas para todos, niños,
profesores, padres y autoridades Un profesorado competente,
bien
adiestrado y remunerado según su destreza individual, que tenga tiempo para la interacción en la escuela y el desarrollo profesional. Los profesores deben ser alentados a tomar decisiones
con base en juicios razonables. Saber de antemano que existe una colaboración entre la escuela, los padres y la comunidad local incluyendo la industria, las universidades y los laboratorios del área.
En los últimos cuatro años hemos aprendido que incluso en la más conflictiva de las escuelas urbanas hay cariño por los niños y pasión por la enseñanza. Si se les ofrece a los profesores la oportunidad de mejorar, la respuesta es abrumadoramente entusiasta. En TAMS lo cotidiano es práctico, especulativo, interactivo, con base en métodos de cuestionamiento y aprendizaje cooperativo, en suma, estamos hablando del enfoque constructivista. Al profesor se le enseña a admitir que no conoce todas las respuestas a las preguntas que los niños formulan. Su papel es ayudarlos a encontrar las respuestas. Los estudiantes trabajan en equipos y aprenden unos de otros. Toda nuestra capacitación al magisterio se realiza en horas de labores; se capacita a los profesores de tiempo completo durante las horas de clase y los fines de semana, en las tardes y durante el verano. En los últimos
120 horas de instrucción en ciencia 140 horas en matemáticas y más de 140 horas de cuidadosa supervisión pedagógica. Por suerte, tan solo nos restan 1420 escuelas y 14 000 profesores! Cambiar la cultura nunca ha sido facil. El que se requiera mucho tiempo y esfuerzo (y dinero) no debería sorprender a las agencias patrocinadoras, pero así sucede. Hemos calculado que para mantener el programa iniciado en Chicago probablemente se requiera una inversión de entre 3 000 y 4 000 dólares anuales por cada profesor a lo largo de tres o cuatro años. Ese gasto incluye los costos necesarios de reunir a todos los grupos importantes que tengan interés en la educación. El total es equivalente a la cuota de
inscripción
en
una
universidad
no
excesivamente cara de Estados Unidos. Sin embargo, por curioso e inexplicable que parezca, una de las frustraciones de nuestra labor ha sido la dificultad de obtener recursos para mantener el programa.
cuatro años hemos incorporado 72 escuelas y 3 200 profesores a nuestro programa, y algunos de ellos han estado con nosotros 115
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ INDICIOS ALENTADORES Y OBSTÁCULOS ¿Funciona el programa? iSi! Los profesores están muy satisfechos y cuando ha sido bien administrado
genera
un
proceso
de
aprendizaje intenso y gozoso. Esto también vigoriza a los cuerpos docentes de tal manera que el nuevo estilo de enseñanza contagia a otras materias y trae consigo tecnología que puede mejorar la eficacia del profesorado. ¿Podría funcionar éste programa en otras partes, por ejemplo, en la ciudad de Nueva York? Una vez más, si. Pero no es posible desestimar las dificultades. El centímero de estudiantes en el sistema escolar de Nueva York es dos veces y medio más grande que en
y tengan visión; exige la colaboración de los
Chicago, pues administra 1 017 escuelas
administradores tanto de la escuela pública como funcionarios estatales, a fin de que
públicas. No obstante, se supone que un programa de esta naturaleza multiplicado con estilos y variantes apropiados, digamos, en 25 ciudades, podría empezar a regenerar lo que alguna vez fue un esplendido sistema de escuelas públicas en el país.
adopten las nuevas normas, más estrictas, que provienen de Washington. Requerirá durante mucho tiempo la atención de todos aquellos que tienen un interés en los resultados, no solo los científicos educadores y las autoridades educativas, sino también los
Una intervención afortunada en el sistema educativo requiere el apoyo, el aliento y el compromiso de todos los que rodean al profesor: director, padres de familia, consejos escolares y los grupos comunitarios. Necesita el liderazgo de superintendentes que sepan desempeñarse
futuros empresarios públicos y privados. ¿Cuáles son los principales obstáculos de la reforma educativa? Ya he mencionado la dificultad para obtener financiamiento. Esto va de la mano con lo que parece ser una imposibilidad de sostener lo suficiente estos programas (que tienen su costo) destinados a intervenir y regenerar la cultura de la enseñanza. Encontrar personal de primera para llevar a cabo estas tareas puede convertirse en un proceso largo y problemático. Hay que aprender a colaborar en medio de obstáculos recurrentes a una reforma
sistemática,
pues
las
oficinas
centrales desde donde se administra la educación, los reguladores estatales, los sindicatos y la burocracia en general pueden 116
CRISIS EN EL AULA________________________________________________________ ser lentos y terriblemente frustrantes. Por ello debemos ser persistentes, determinados y conservar el humor. Al fin y al cabo, solo nos queda maravillarnos de la lentitud con que ha cambiado la educación que reciben los propios docentes. No creo que podamos aumentar ese ritmo en la escuela pública, incluso si supiéramos cómo, si antes no se considera verdaderamente como una prioridad. Por desgracia, aún está pendiente en Estados Unidos y hay mucho que hacer por el lamentable estado de las cosas. Asimismo, debo subrayar una vez más que nuestro sistema educativo no puede resolver solo su futuro. La intervención del exterior es esencial; debe ser evolutiva y sistemática, de manera tal que comprometa a los padres, a la comunidad y, de hecho, a todos aquellos que están interesados en la educación. Sobre todo, debe seguir brindandose el apoyo hasta que sea evidente que la reforma esta funcionando. Sólo entonces el apoyo financiero será políticamente inevitable. No es la primera vez que una reforma sólida y razonable ha abortado en forma prematura. ¿Quién puede intervenir? Me parece que una sociedad de universidades y del sector privado. En la actualidad, pocos rectores se ocupan de la educación preuniversitaria, pero un esfuerzo sostenido por las universidades podría mostrar resultados; a cambio, las universidades tendrían una matrícula robusta por sí misma y sin maquillaje que, en vez de abuchearnos estará dispuesta a construir estatuas a los rectores y a los decanos. Traducción: Carlos Chimal
117
¿VALE LA PENA ENSEÑAR FISICA?_____________________________________________ ¿VALE LA PENA ENSEÑAR FÍSICA? DOLF K. MACHOLD ocasionar cambios peligrosos en el
Pedagogo de la Hochschule Weingarten de la ex
clima. Hasta aquí no necesitamos discutir en términos de moral si nuestros actos en la vida están
República Federal de Alemania. Se ha dedicado al
basados en el conocimiento del bien y
estudio de la enseñanza de las ciencias.
la verdad. Sólo quiero afirmar que
E
hemos adquirido gran parte de este conocimiento a través de nuestras
L GRAN FÍSICO MAX BORN dijo alguna vez: "Soy un crítico, pero no un
experiencias, no de las lecciones de la
oponente de la tecnología". Así, de
escuela.
acuerdo con mis conceptos afirmo: "Soy un crítico, pero no un oponente de la enseñanza de la física". Me refiero a la crítica como una contribución constructiva para mejorar los hechos actuales.
2. Instrumentos técnicos en la vida diaria. La gente utiliza muchos instrumentos de su alrededor sin saber nada sobre su construcción y funcionamiento. Por ejemplo:
Las explicaciones subsecuentes dependen del sistema escolar específico y se relacionan, entre otros, con Europa Central. EL
PROBLEMA
DE
CONOCIMIENTO
lleva a cabo dentro del motor. El conductor no necesita conocimientos de
Y APRENDIZAJE
Conocimiento de la ciencia en la vida
cotidiana. Con frecuencia la gente piensa que un use del conocimiento científico adecuado nos ayudar a a
Sabemos que un vehículo requiere más espacio para detenerse en un camino mojado o con hielo que en uno seco.
Sabemos que debido al use abundante de combustibles fósiles, el contenido de
CO2
del
continuamente, 118
aire lo
cual
aumenta puede
como
conocer los sistemas técnicos.
Utilizamos el teléfono, la radio y la televisión sin enteramos cómo nos llega la información.
explicarse con algunos ejemplos: Sabemos que ahorramos combustible si bajamos la temperatura de los termostatos en las habitaciones.
termodinámica. Cuando nos transportamos
pasajeros en un avión no requerimos
dirigir mejor nuestro mundo, tan altamente mecanizado. Esto puede
Usamos el automóvil sin necesidad de entender el complicado proceso que se
Otro ejemplo sencillo:
Al
usar
una
estufa
eléctrica
sólo
queremos que se caliente. Por tanto, no preguntamos por qué los cables se mantienen fríos ni por qué no empiezan a quemarse. Todos estos ejemplos tienen algo en común: en nuestro mundo civilizado usamos muchos instrumentos técnicos con éxito, con sólo
¿VALE LA PENA ENSEÑAR FISICA?_____________________________________________ saber manejarlos de la manera correcta. En la
discuten. Puesto que el tema es tan extenso,
mayoría de los casos no es posible entender
los alumnos requieren de esas fórmulas para
su funcionamiento porque resulta complicado.
resolver problemas de Necesitan reconocer
3. Razones para aprender física. De acuerdo
con
lo
anterior,
gran las
dificultad. relaciones
cuantitativas de un problema especial y
podría
combinar con habilidad una relación con otra,
concluirse que resultaría inútil aprender física en la escuela. Sin embargo, hay buenas razones para
así como reconocer los problemas matemáticos que se encuentran detrás de estas relaciones. Finalmente, aunque de igual
enseñar física. Una de ellas es la sustitución de conceptos cotidianos
importancia, se encuentra el manejo rápido de problemas matemáticos. Esto último, sin
(imprecisos e incorrectos según los
embargo, está más ligado a las matemáticas
físicos) por conceptos científicos. Otra razón es aprender y entender los mé-
que a la investigación de las leyes naturales. La desventaja de este enfoque en la
todos cognitivos aplicados a la física.
enseñanza es que enfatiza desde temprano
Aunque es imposible discutir en la escuela los detalles de correlaciones técnicas complicadas, los estudiantes
las relaciones cuantitativas, en lugar de introducir ideas fundamentales. Podría decirse que los estudiantes saben bastante y pueden
obtienen valiosos resultados educativos cuando comprenden las
aplicar estos conocimientos; sin embargo, no entienden todo lo que han aprendido.
leyes fundamentales de la naturaleza y aprenden sus consecuencias, habiendo usado la tecnología. Por tanto, la implicación principal de la
2. Conceptos cotidianos. Desde pequeño el estudiante ha desarrollado conceptos cotidianos gracias al entorno y a la gente que
enseñanza de la física no es la
lo rodea. Como ejemplo tenemos los procesos
adquisición de conocimientos; más
naturales (las estaciones o el clima) y la
bien se trata de un aprendizaje intensivo de habilidades cognitivas
función de los instrumentos (desde una llave de tuercas hasta la televisión o la cámara de
que puedan aplicarse a otros campos
video). Estos conceptos necesitan tiempo para
de la vida.
desarrollarse. Los estudiantes creen que estos conceptos han sido probados y que son co-
LAS DIFICULTADES ESPECIALES DE LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA 1. El enfoque cuantitativo. La persona que oye las palabras enseñar física y recuerda sus días de escuela, por lo general piensa en muchas fórmulas y cálculos interminables. Esto es correcto si pensamos en las clases de la escuela secundaria, pues en ella se pretende que el alumno entienda y aborde cuantitativamente los fenómenos que se
rrectos. Desafortunadamente, con frecuencia no se trata de los mismos conceptos que emplean los físicos o los maestros de física. Esta discrepancia ocasiona un conflicto para los estudiantes: abandonar sus viejos conceptos, aprendidos a través de muchos años y bien probados, o aceptar las nuevas ideas, que contradicen
parcialmente
su
propia
ex-
periencia. El maestro de física puede triunfar sólo si conoce los conceptos cotidianos de sus 119
¿VALE LA PENA ENSEÑAR FISICA?_____________________________________________ alumnos y los toma en cuenta para sus clases. Así puede mejorar sus clases de física. `
El alumno tiene problemas posteriores para estructurar los conceptos que ha aprendido. Los conceptos cotidianos previamente adquiridos compiten con los que se
3. Formación de conceptos. El razonamiento de un físico difiere del razonamiento de
aprendieron en la clase de física, pues las teorías cotidianas a veces son incompatibles
quienes no son expertos, además de que los adultos piensan distinto que los alumnos. Un físico que pretende encontrar una ley de la
con las teorías de física. Ni siquiera los
naturaleza ignora todo factor que interfiera, concentrándose en el caso ideal. Para llevar a
los resultados de diferente manera. Por eso los estudiantes no ven la necesidad de
cabo sus cálculos, los físicos usan el mismo
cambiar sus conceptos fundamentales por los
método, adaptan el problema a condiciones de los principios generales.
las
recién aprendidos en la clase. Esto es razonable, puesto que los conceptos cotidianos han formado parte de su pensamiento
Los alumnos empiezan a entender los conceptos de física a través de su experiencia con
durante mucho tiempo y todavía siguen
el entorno. En la escuela deben distinguir entre las características generales y sus múltiples apariencias. Reconocer las características importantes y constantes de los cuerpos, estados o procesos, así como los principios que están detrás de los pequeños detalles constituye una dificultad fundamen-
experimentos logran probar las teorías que compiten, puesto que es posible interpretar
vigentes para ellos. La consecuencia es que la instrucción en física solo produce un efecto de corta duración en el pensamiento científico de los estudiantes. 4. El lenguaje. Sin lenguaje no se puede aprender. Al introducir a un alumno en un nuevo campo científico -por
tal. El camino que conduce al desarrollo de los
ejemplo, la electricidad- el maestro
conceptos físicos está basado esencialmente
utiliza términos del lenguaje común
en la decisión con respecto al campo común que comparten las características. A fin de llegar a una idea bien fundamentada sobre las
en un sentido totalmente distinto. El maestro no tiene alternativa, pues la creación de palabras nuevas
mismas, deben tenerse algunas ideas previas sobre lo realmente importante. Así los
ocasionaría que el alumno entendiera aún menos. Las palabras carecerían
conceptos no se aprenden aisladamente sino unidos a la teoría. La teoría en su totalidad es
de contenido. El maestro descubre este peligro posteriormente, por lo
mucho más que el resumen de todos los conceptos aislados. Existen muchas
que, entonces, es muy difícil hacer correcciones. Si se reconoce la posibi-
conexiones laterales que combinan unos
lidad de un malentendido, éste puede
conceptos con otros. Como consecuencia de
evitarse de antemano. El lenguaje técnico constituye otro problema. Los
esta dificultad fundamental, los alumnos con frecuencia no entienden por que el maestro
especialistas pueden comunicarse en
enseña como lo hace. Esta comprensión
forma breve y precisa, pero quien no
puede alcanzarse a través del conocimiento
lo es encuentra aún más dificultades para entender este lenguaje.
del contexto total de la física.
120
¿VALE LA PENA ENSEÑAR FISICA?_____________________________________________ Esta experiencia la vivimos todos cuando
con plataformas (figura lc). Wagenschein
leemos las instrucciones para usar un
compara éstas plataformas con islas en el
instrumento nuevo y no entendemos la terminología técnica. Lo mismo le sucede
mar, semejantes a puntos de descanso que permiten navegar de un puerto seguro a otro.
a los estudiantes cuando se les, presenta demasiado
Los estudiantes tendrían que familiarizarse con estas plataformas y entenderlas muy
aprisa. Necesitan bastante tiempo para aprenderla. Esto implica que al principio el maestro debe tratar de usar el lenguaje
bien. Todo lo que se halla entre las plataformas desaparece hacia el fondo; a lo cual Wagenschein llama "valor para separar".
de los alumnos para explicar todos los problemas. La introducción del lenguaje
Estas plataformas arregladas en forma de
técnico
escalones son el inicio del método genético-
ésta
terminología
puede
técnica
hacerse
después
gradualmente. LA PROPUESTA DE WAGENSCREIN
ejemplar. Por tanto, sería ideal adquirir las principales leyes de la ciencia por medio de la discusión de un problema universal con los alumnos
La propuesta de Wagenschein se basa en lo siguiente: los programas de la materia incluyen demasiados temas y en consecuencia los alumnos no pueden entender todo el contenido de las clases. Sólo alcanzan a aprender las fórmulas y a aplicarlas, eso ocasiona que las clases incrementen la capacidad de ejecución en vez de producir un efecto pedagógico. Wagenschein piensa que las clases de física deben educar a todos los
(figura
ld).
En
este
caso
la
plataforma no es un escalón, sino el espejo del todo. El fondo de esta propuesta es la forma en que los jóvenes miran la naturaleza: la consideran en su totalidad, no en partes aisladas como lo hace un físico. Wagenschein reconoce desde luego que una plataforma no es suficiente para enseñar toda la física; se necesitan muchas.
alumnos y no solamente enseñar física para tratar de producir físicos jóvenes. Esto es también un requisito para el maestro de física, quien no solo debe saber física, sino que básicamente debe ser un educador. A fin de superar esta dificultad debemos primero considerar la manera típica de enseñar física, donde los alumnos aprenden sistemática y precisamente una parte de la física detrás de otra. Si solamente se redujera la temática, el resultado sería un programa de estudio diluido sistemáticamente. Lo anterior (figura lb) reduce las dificultades pero no las soluciona.
Figura
1.
El
método
genético-ejemplar
de
Wagenschein. a) El currículum sistemático. b) Curriculum
sistemático
diluido.
c)
Currículum
sistemático con plataformas. d) Currículum con una plataforma.
c')
El
método
genético
ejemplar con posibilidad de entrada a cada plataforma desde afuera.
Un paso inicial sería un programa sistemático 121
¿VALE LA PENA ENSEÑAR FISICA?_____________________________________________ 1. No siempre introducir primero el hecho sencillo y luego el más difícil, sino el proceso más complicado La plataforma tiene un punto característico > Cada plataforma no equivale a un escalón del
2. Tratar el fenómeno natural primero y luego el del laboratorio.
currículum sistemático, sino a una imagen del todo. Esto conduce a los alumnos a ver los problemas que se discuten dentro de una red
3. La consideración cualitativa es la mas importante, seguida por la cuantitativa (mate-
de conexiones mayores. El método genéticoejemplar contiene muchas plataformas, pero
mática).
no es necesario alcanzarlas de manera
4. El fenómeno debe presentarse primero,
progresiva, se puede llegar a cada una individualmente. El orden de enseñanza de los
seguido por la explicación con un modelo o teoría.
problemas no es fijo, se puede entrar a cada plataforma desde el exterior (figura lc). Puesto que las plataformas abarcan un amplio rango de problemas, cada una investiga
5.
En
lo
referente
a
aparatos
deben
considerarse primero su construcción y su función, antes de enseñar las leyes científicas
varias partes de la física Al usar este método el maestro de física trata de dirigir al alumno
que los gobiernan.
hacia una comprensión inductiva de la sistemática de su materia. Si se compara la
6. El alumno, debe entender perfectamente el caso individual. Luego pueden enseñarse los principios comunes.
sistemática de la física con un edificio de grandes dimensiones, podemos decir que la enseñanza tradicional sería como visitar el
7. Describir primero todos los fenómenos en
edificio, mientras que en el nuevo sistema se
lenguaje común e introducir después poco a
trata de averiguar cómo está construido. En el primer caso los alumnos registrarían tal vez
poco el lenguaje técnico. A continuación aparecen algunos ejemplos para ilustrar las
sólo los resultados; en el segundo harán
consideraciones que son importantes para
importantes descubrimientos por sí mismos. El segundo modo es por supuesto el mas
Wagenschein.
difícil, pero también el más provechoso, pues: contribuye a la educación, no al conocimiento.
1 .¿ Qué está más lejos de la Tierra: el Sol o la Luna? Esta pregunta es parte de un
Wagenschein siempre se negó a crear un currículum para el método genético ejemplar,
currículum cualitativo de astronomía. Puede
quería proponer un método fundamental para
el maestro observa la Luna y su posición con respecto al Sol durante varias semanas. Los
mejorar la función educativa de la enseñanza de, la ciencia. Cada maestro de física debe desarrollar el método genético-ejemplar
encontrarse una respuesta fácilmente cuando
adecuado para su propia situación; sin
estudiantes conocen las fases de la Luna, observan la superficie de la Luna (con un pequeño telescopio) y logran entender lo que
embargo, Wagenschein apuntó las siguientes
sabían los filósofos de la ciencia de la
reglas para su método:
antigüedad. La Luna no es un disco, sino una esfera que
122
