Física - Módulo 1

Primer recorrido: La energía y sus transformaciones

Documento de Núcleos de Aprendizaje Prioritarios

Los NAP de Física apuntan a comprender fenómenos naturales asociados con las fuentes de energía y referidos tanto a la escala mediana como a la del micro y macrocosmos.

Paralelamente se espera que los estudiantes puedan comprender los conceptos básicos de la física moderna asociada a ciertos instrumentos que funcionan de acuerdo a las nuevas teorías.

Esta comprensión, a su vez, debe ir acompañada de una contextualización histórica de la construcción del conocimiento en física.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, en este primer módulo abordamos el concepto de energía, su conservación, transferencia y degradación, el problema del aprovechamiento de la energía solar, la marcha de rayos y la naturaleza de la luz. En este último punto será de interés comprender que la luz visible es un tipo de onda electromagnética y así asimilar los fenómenos de la óptica con los de los demás rangos de radiación del espectro electromagnético.

Se recuperan los conceptos de conservación, transferencia o transformación y degradación de la energía, con la intención de afianzar y extender la comprensión conceptual de la energía.

Su conceptualización conlleva diferentes esfuerzos cognitivos por parte de lo estudiantes. Por un lado tienen que poder detectar, identificar y distinguir los diferentes tipos de presentación de la energía. Por otra parte el concepto de energía, central para la física, está conectado con el resto de los conceptos de manera que su uso en combinación con las nociones de trabajo, absorción, emisión, aprovechamiento, etc., son parte de la tarea comprensiva.

El análisis de los fenómenos asociados al concepto de energía entonces se abordarán desde las cuatro categorías siguientes:

Conceptualización - Conservación - Transferencia / Transformación - Degradación

La energía en el mundo cotidiano

Una buena forma de abordar la temática de la energía consiste en comenzar por asociar la energía a la actividad cotidiana de las personas y de las sociedades en general. El tratamiento de estos temas en el aula busca que los estudiantes alcancen una idea consensuada acerca de qué es la energía, que incorporen el “discurso” acerca de la energía a los fenómenos tanto cotidianos como científicos, usando las nociones de energía y potencia para dar cuenta de diversos fenómenos naturales y tecnológicos que suceden a su alrededor.

Resulta entonces importante separar el concepto formal de energía, su definición en el campo disciplinar, del concepto coloquial de energía. Es muy común definir la energía como la capacidad de un sistema de realizar trabajo, aunque no se define de manera alguna el trabajo, de suerte tal que la definición es incompleta antes de empezar.

Para evitar definiciones que no puedan cerrarse se trata de focalizar la discusión en lo que se entiende por energía y de qué manera se usa el término para dar cuenta de ciertos fenómenos y procesos. No solo no tiene mayor sentido pretender una definición formal, sino que además no es de interés escolar, lo que no invalida que pueda trabajarse con ella a partir del conocimiento de sus propiedades. Esto sucede con la energía y por eso se espera que los estudiantes alcancen un nivel instrumental en su uso, sin descuidar las cuestiones conceptuales.

Este material pretende que circulen entre los estudiantes las ideas acerca de la energía, y que en su lenguaje se expresen acerca de las diferentes “formas” de la energía con las que están en contacto cotidianamente. No debería señalarse como un error que varias de esas “formas” diferentes de energía tienen un mismo origen. Por ejemplo, es común que el estudiante piense en energía cinética y en energía térmica, por poner sólo dos ejemplos. Como formas alternativas de la energía dentro del nivel cotidiano está bien, pero se trata de fenómenos similares a escala diferente.

Se espera que el estudiante elabore sus propias ideas acerca de los procesos que involucran intercambios de energía y reforzar en este punto la idea de que los intercambios de energía propenden al equilibrio y la estabilidad de los sistemas. Debería enfocarse el tratamiento de estos tópicos analizando afirmaciones del tipo:

Todo sistema en equilibrio se encuentra en un determinado estado mecánico o térmico.

Para alcanzar el equilibrio con su entorno todo sistema debe llevar a cabo procesos de intercambio y lo que todo sistema intercambia es materia y/o energía.

Todo proceso de intercambio va asociado a la evolución del sistema.

Esta particular forma de pensar las formas y las maneras en que los sistemas cambian sus características propende a enriquecer la discusión. Existen cambios muy lentos, existen cambios muy sutiles y existen cambios que directamente son inobservables a escala humana, como por ejemplo el cambio de energía potencial de los átomos de un metal que se dilata (por la escala a la que ocurre) o el cambio en el tamaño del núcleo de una estrella (por el tiempo que le lleva). Pero la exposición puede ofrecerse en términos de experiencias muy sencillas, por ejemplo inflar un globo en el aula y dejarlo a un costado durante el transcurso de la discusión, estudiar el globo al finalizar el día y al día siguiente. Los procesos de intercambio habrán sido lentos, pero seguro que tuvieron lugar porque el globo habrá de achicarse.

Un vez más es necesario recalcar que no deberíamos empezar por estas afirmaciones ni por definiciones generales, vacías de contenido, sino arribar a ellas producto de una trabajo sobre muchos ejemplos provistos por el docente o propuestos por los estudiantes. El docente deberá presentar muy variados casos de procesos o fenómenos que puedan ser “leídos” por los estudiantes en términos de intercambios de energía y animará a los estudiantes a describir y explicar los mismos utilizando esa noción. Los ejemplos no necesitan ser tratados con material concreto, también es posible introducirlos a partir de lecturas. Es importante que el estudiante incorpore el término a su vocabulario dentro de las clases de Física, ya que si no habla acerca de él difícilmente pueda conceptualizarlo.

Al tratar estos temas es muy importante destacar los aspectos centrales del equilibrio y la estabilidad:

Un sistema en particular está en equilibrio cuando sus variables características pueden medirse y no varían en el tiempo dentro de cierta escala.

Un sistema es estable cuando, apartado de un estado de equilibrio, tiende a regresar a ese estado de equilibrio.

Cuando un sistema es estable se encuentra en un estado de energía mínima.

Junto con el tema de las energías es necesario hablar de potencia ya que no sólo es importante saber de cuánta energía se dispone o cuánta energía se intercambia, sino en qué tiempo es posible realizar este proceso. Habitualmente los electrodomésticos y los motores de los autos no nos dicen qué energía suministran (porque ésta depende del tiempo de uso) sino a qué velocidad son capaces de transferirla, por ejemplo una estufa no nos brinda 3.000 calorías como nos dice el vendedor sino 3.000 kcal/h y podríamos preguntar a nuestros estudiantes, a partir de los datos en los envases de alimentos, qué cantidad de fideos en un almuerzo proveería las misma energía que una estufa en una hora. Esto nos da una pauta de los importantes consumos que tiene el organismo humano y permite apreciar la gran concentración de energía que tienen los alimentos en un espacio relativamente reducido. (Se deben tener en cuenta las definiciones de caloría en física y en nutrición).

El consumo energético de gas suele medirse en metros cúbicos y el docente puede aportar (o pedir a sus estudiantes que investiguen) cuál es el poder calorífico del gas de red para poder estimar con esta información la energía gastada al cocinar o calefaccionar un ambiente.

Formas utilizables de la energía

Ligados a los procesos de intercambio de energía hay procesos de transformación, y muchos de esos procesos de transformación ocurren naturalmente. Por ejemplo cuando una planta absorbe energía radiante del sol y produce con ella energía química, cuando un núcleo de algún elemento pesado se desintegra espontáneamente (se fisiona) para formar núcleos más livianos se libera energía, por ejemplo en una central nuclear como la de Atucha o Embalse del Río Tercero. Es necesario hacer hincapié en que lo que hace tan diferentes a las cantidades de energía involucradas en una planta, en una central atómica o en una estrella es la cantidad de transformaciones que ocurren en el mismo lapso.

Algunos de los procesos naturales de transformación pueden reproducirse dentro de ciertos diseños de modo que los podamos aprovechar a partir del diseño de artefactos tecnológicos en que tienen lugar. Por ejemplo, podemos transformar energía química en energía eléctrica (pila), energía eléctrica en energía cinética (motor), energía cinética en energía eléctrica (central hidroeléctrica), energía radiante en energía eléctrica (panel solar). Esta distinción colabora con la conceptualización de la idea de energía y de transformación. Por ejemplo pueden analizarse diferentes tipos de transformaciones ¿Qué energías se ponen en juego y en qué cantidades en el movimiento de un pistón de un motor naftero? ¿Qué energías se intercambian en una caldera de carbón? ¿Qué energías se ponen en juego en el choque entre dos autos?

Muchos intercambios de energía se hacen en forma de trabajo, y dentro de este eje se enfocará sobre el trabajo mecánico, como el que produce el pavimento cuando detiene un vehículo, o el trabajo que hace el cable de un ascensor cuando lo eleva en su etapa de aceleración, o la deformación de un sólido producto de un golpe. El trabajo ayuda a concebir la energía como la capacidad de un sistema de producir transformaciones, Es importante introducir la noción de que el trabajo además de ser el producto de la fuerza por la distancia siempre tiene un signo ya que puede implicar aumento o disminución de la energía de nuestro sistema, y utilizar entones la relación ΔE = W.

El conjunto de situaciones abarcadas en este núcleo introduce también el tema de las formas de energía que el hombre utiliza históricamente y cómo el desarrollo tecnológico posibilitó la implementación y aprovechamiento de prácticamente las mismas formas históricas de energía pero de modo más eficiente. Las primeras máquinas fueron diseñadas para reemplazar el trabajo mecánico del hombre o los animales y esto sigue siendo así hoy en día si pensamos en trenes, automóviles, molinos y demás, salvo en aquellos casos en que se trate de trabajo eléctrico.

Como cada forma de transformación de energía presupone procesos muy diferentes, se pretende aprovechar esta discusión para motivar el problema del costo y la renovación de los recursos, de los riesgos y de las consecuencias que cada forma de transformar energía conlleva. Como actores sociales los estudiantes no pueden ser ajenos a la problemática, cada vez más actual, de los costos sociales que presupone la falta de energía, la mala utilización de la energía y cada forma de utilización de la energía. ¿Cuánta energía requiere una ciudad típica para funcionar? ¿Cuánta energía requiere una industria típica para funcionar? ¿Cuánta energía necesita el país y cuánta se genera?

En otro orden de conceptualización pero de gran importancia por apuntar a los asuntos sociocientíficos, se ubican las siguientes cuestiones:

- ¿En qué condiciones sería conveniente la energía hidroeléctrica o la atómica?

- ¿Vale la pena invertir en el desarrollo de centrales de fusión?

- ¿Qué sería necesario para el desarrollo a nivel comunitario la tecnología que aproveche la energía solar?

- ¿Cuáles son los insumos para producir paneles solares y de dónde se obtienen esos insumos?

La importancia de estas preguntas radica en continuar enlazando el concepto de energía con otros referidos al consumo, al aprovechamiento, a la obtención y distribución en escala comunitaria, para poder tomar en el futuro decisiones científicamente informadas sobre estos temas. Sin los conceptos adecuados se hace imposible a los actores sociales participar de las decisiones centrales para el desarrollo científico y tecnológico de su comunidad.

Otras precisiones conceptuales acerca de la energía:

Energía interna y energía térmica

Intercambio de energía

Capacidades y habilidades

Al cabo del trabajo sobre los contenidos de este recorrido los estudiantes podrán:

Caracterizar la energía por sus propiedades, de acuerdo con las formas en que el estudiante las reconoce coloquial y cotidianamente, pero a la vez correctamente estructuradas.

Describir distintos procesos de cambio en términos de las energías intercambiadas utilizando el lenguaje coloquial e incorporando paulatinamente términos científicos.

Reconocer las diferencias que existen a nivel macroscópico entre las diferentes formas de energía que se presentan.

Utilizar la noción de trabajo para evaluar las variaciones de energía de un sistema.

Identificar las escalas de energía en diferentes procesos naturales.

Reconocer y utilizar correctamente las unidades de energía en cada uno de estos diferentes niveles.

Comprender las ideas de sistema, intercambio, evolución, equilibrio y utilizarlas en las descripciones de fenómenos o procesos.

Reconocer las escalas de energía involucradas en el desarrollo de una sociedad y los costos sociales involucrados.

Situación 1

El siguiente gráfico muestra el consumo energético porcentual de la Argentina según el tipo de aprovechamiento energético utilizado.

Si en electricidad, los datos oficiales muestran que en la actualidad se consumen 49 millones de MWh por año (1,22 MWh per cápita). ¿Puedes calcular cuánto se consume de petróleo para producir esa electricidad según la distribución porcentual del gráfico? ¿Qué información adicional necesitarías?

Situación 2

El siguiente mapa muestra la forma en que está distribuida la cuenca gasífera de la Argentina.

Elabora una posible trazado de la distribución de gas y luego indaga cuál es el recorrido real de los gasoductos.

Incluir la imagen empotrada en: http://wikinap.educ.ar/tiki-index.php?page=7.1+Propuesta+1&structure=Entrama&page_ref_id=300

tiki-download_file.php?fileId=174

Situación 3

¿Qué son los combustibles alternativos?

Recorre el siguiente vinculo y analiza el posible uso en tu provincia de combustibles alternativos

Los combustibles alternativos

Situación 4

La energía y los seres vivos

La energía solar mantiene a todos los organismos vivos conocidos, proveyendo todo el calor y la luz que nuestro planeta recibe.

Desde el punto de vista energético, la Tierra recibe del Sol una energía por segundo y por metro cuadrado de 1.368 W/m², que se conoce como constante solar.

De la energía que llega a la Tierra, sólo 0,08 % se utiliza en los procesos de fotosíntesis. Un campo de trigo consume energía solar y la almacena en el grano. La fuente de energía que los organismos vivos utilizan es el alimento y éste ser formó gracias al proceso de fotosíntesis a partir de la energía solar.

[Energía]

Una parte de la energía obtenida de los alimentos que ingerimos se utiliza para realizar trabajo (las células musculares convierten la energía química en mecánica) y la otra se manifiesta en forma de calor a través de la piel y los pulmones por evaporación, conducción y radiación. La conservación de la energía exige que toda la energía se obtenga a expensas de la energía interna y, por lo tanto, el organismo trata de reponerla continuamente a partir del alimento.

El contenido promedio de energía metabolizable de los tres grupos alimenticios básicos es de 4,2 MJ/kg para los carbohidratos, 8,4 MJ/kg para las proteínas y 33,1 MJ/kg para las grasas.

Actividad

Utilizando tablas de contenido energético metabolizable de alimentos:

[Tabla de calorías y tasas de metabolismo con actividad física]

[Nutrición y dieta]

Determina cuántas calorías ingerís en un almuerzo y cuánto tiempo necesitás para quemarlas según las actividad que realices.

Situación 5

1. Lectura

Leer el texto literario Gulliver y el trabajo científico. Los viajes de Gulliver, cap. 3, tercera parte.

2. Preguntas movilizadoras

Luego de la lectura del texto sugerimos plantear a los estudiantes las siguientes preguntas movilizadoras que nos permitirán conocer la interpretación del texto e información previa que los estudiantes tienen:

a) ¿Qué interpretan cuando se dice: rayos de sol? ¿Existen los rayos?

b) ¿Pueden explicar sintéticamente qué es el sol?

c) ¿Es posible obtener rayos de sol a partir de los alimentos?

d) ¿Qué intuición motiva esta pregunta en el científico del relato?

3. Debate I

Sugerimos ahora promover un debate entre los estudiantes en el que primordialmente puedan expresar si están de acuerdo o no con la posible empresa planteada por el científico del relato.

A través de esta instancia, se buscará promover la discusión acerca de los distintos contenidos involucrados en los NAP, los cuales se plantean a continuación:

a) Que los estudiantes analicen la factibilidad en la tarea de obtener rayos de sol a partir de los alimentos.

Algunas respuestas posibles por parte de los alumnos podrían ser:

- irreversibilidad de algunos de los procesos,

- naturaleza de la luz solar, que no es el alimento el que recibe los rayos del sol sino otras partes de la planta,

- que los rayos de sol están ahí pero no será posible verlos porque cortando y cortando el alimento no se llega a ver porque es muy pequeño y ni siquiera se verían con microscopio.

Teniendo en cuenta algunas de las respuestas de los alumnos sugerimos trabajar con las siguientes actividades:

4. Debate II

En esta actividad se propone que los estudiantes debatan acerca de cuáles son las ideas que tienen acerca la naturaleza de la luz y que indiquen los argumentos en los que basan sus posiciones en el debate.

5. Cuestionario

En esta actividad se propone a los estudiantes una serie de preguntas en forma de cuestionario para tratar de responderlo en grupos. Las preguntas apuntan a diferentes aspectos de interés para la enseñanza de la física.

Se puede apreciar que la pregunta (a) está más relacionada con la comprensión de los modos en que caracterizamos a las partículas y a las ondas, es decir, es una pregunta referida a los conceptos y nociones en estudio.

La pregunta (b) apunta que puedan prever el tipo de experimentos que se podrían hacer para recabar la información que pudiera dirimir la cuestión. Nótese que esta situación ha sido parte de la historia de la disciplina en cuanto a descidir la naturaleza de la luz.

NOTA: Con estas preguntas se abre el espacio para el tratamiento de los siguientes contenidos: Descomposición de la luz, espectro electromagnético (radiaciones no visibles: ultravioleta, infrarrojas, rayos X, rayos gamma), luz fosforescente (luz mala), etcétera.

La pregunta (c) está dirigida a poner de manifiesto que todo conocimemiento de la ciencia ocurre en determinado contexto histórico y por lo tanto cabes esperar diferencias en términos del estado del arte. Podemos señalar que Jonathan Swift escribe en determinado contexto en el que recientemente se fundaron las sociedades científicas como la Royal Society y otras. Por otra parte, su relato describe otro contexto, ficticio, pero irónico acerca del suyo propio. El análisis de estos dos contextos y su posterior comparación en la pregunta (f) con el actual contexto enriquece la mirada acerca de cómo se percibe la práctica científica y de qué modo se insertan tales prácticas en el marco de la cultura.

La pregunta (d) es de corte epistemológica. Se intenta abrir el debate sobre que la ciencia es una práctica siempre en revisión y que esa revisión, en parte, se debe a la imposibilidad de garantizar un conocimiento acabado por el mismo avance de las observaciones, la tecnología y el modo de organizar conceptualmente lo que se percibe.

El item (e) trae al foco del análisis el modo en que concebimos a las personas dedicadas a la ciencia. Es decir, apunta a la percepción social de la ciencia.

Por último, el item (f) intenta comparar un estado de ficción de la ciencia descrita en el relato con la ciencia real del presente.

Cuestionario:

a) Sugiere qué aspectos del comportamiento de la luz podemos analizar para decidir si se trata de onda o partícula. Cuáles son los fenómenos que cabe esperar según cada una de las concepciones.

b) Cuáles serían las observaciones y experimentos que se podrían hacer para decidir sobre estas cuestiones. En esta propuesta se podría señalar por ejemplo:

- la fotosíntesis,

- la existencia de la radiación,

- la transmisión de la radiación desde el sol hasta la Tierra,

- la transformación de energía radiante en energía interna,

c) En qué cambia nuestro conocimiento actual del que se manejaba en el contexto del relato (ficticio y el histórico del autor).

Las respuestas de los estudiantes podrían hacer referencia a los siguientes tópicos que serán de interés para la asignatura:

- avance del conocimiento y avance tecnológico,

- descubrimiento de tipos de radiación,

- tipos de partículas,

- tipo de transmisión del calor (convección, radiación, conducción),

- concentración de rayos (espejos cóncavos),

- absorción de radiación por la atmósfera (capa de ozono),

- absorción de la radiación por el terreno, efecto invernadero,

d) ¿En qué medida los resultados de los experimentos son concluyentes o dan pistas para decidir sobre la posibilidad o imposibilidad de lo que nos estamos planteando?

Las respuestas de los estudiantes podrían hacer referencia a los siguientes tópicos que serán de interés para la asignatura:

- los experimentos verifican que algo es posible (verificación, corroboración y refutación),

- los experimentos no son concluyentes pero dan buenas razones (inducción, apoyo empírico),

- los experimentos no hacen diferencia en cuanto a lo que se plantean los científicos (papel de los datos en la elección de teorías).

e) ¿Qué concepción de científico se expresa en el relato respecto a su relación con el resto de los científicos y con el resto de la sociedad?

Las respuestas de los estudiantes podrían hacer referencia a los siguientes tópicos que serán de interés para la asignatura:

- ciencia como actividad objetiva, aislada, no dependiente del contexto social,

- ciencia como una actividad social más, (temas de ciencia y tecnología en las sociedades y sus contextos),

- científico como persona especial,

- científicos como preocupados por problemas desconectados de los problemas de la sociedad, consideraciones acerca de quiénes financian la ciencia, …

f) Compara los conocimientos acerca de cómo se alimentaban las plantas propuesto en el relato con los conocimientos de hoy.

- ¿Qué conceptos acerca de la radiación solar, espectro electromagnético y naturaleza de la luz manejamos hoy en comparación con los de esa época? - La energía almacenada en los alimentos en qué energías se puede transformar y a través de qué procesos para que podamos caminar, respirar, etc.

- Busca similitudes de los procesos de transformación de energía en los organismos vivos (células, etc.) con los que tienen lugar en aplicaciones de tecnología.

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Situación 6

Esta situación está orientada a la articulación de los saberes teóricos con el manejo y comprensión de la constitución de los instrumentos de observación.

En particular nos dedicamos a la tara de "Observar el micro cosmos" y por lo tanto, el instrumento que estará en el centro de atención será el microscopio.

Se recomienda comenzar proyectando el video siguiente:

Los rayos luminosos (Licencia de YouTube estándar)

Entre los recursos también se incluyen otros videos referidos a la historia de nuestro conocimiento de la naturaleza de la luz. Esos videos pueden intercalarse en los momentos en que se abordan los diferentes contenidos.

Para acceder a esta situación 6, siga este vínculo.

Recursos

Los rayos luminosos (Licencia de YouTube estándar)

Historia de la luz

La luz a través de la Historia I. De los griegos a Newton (Licencia de YouTube estándar)

La luz a través de la historia, II el siglo de las ondas (Licencia de YouTube estándar)

La luz a través de la historia III, la dualidad onda corpúsculo (Licencia de YouTube estándar)

Espectro electromagnético y productos tecnológicos

Así funciona: el GPS

Así funciona: el microondas

Así funciona: el televisor LCD

Juegos

Juego simulador de rayos. A través del juego se pueden abordar las leyes de reflexión de la luz:

Simulador de rayos